RU2662165C1 - Способ получения катализатора и способ получения этиллевулината с применением полученного катализатора - Google Patents

Способ получения катализатора и способ получения этиллевулината с применением полученного катализатора Download PDF

Info

Publication number
RU2662165C1
RU2662165C1 RU2017111685A RU2017111685A RU2662165C1 RU 2662165 C1 RU2662165 C1 RU 2662165C1 RU 2017111685 A RU2017111685 A RU 2017111685A RU 2017111685 A RU2017111685 A RU 2017111685A RU 2662165 C1 RU2662165 C1 RU 2662165C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
catalyst
graphene oxide
furfuryl alcohol
ethyl levulinate
ethanolysis
Prior art date
Application number
RU2017111685A
Other languages
English (en)
Inventor
Юлия Анатольевна Тополюк
Андрей Иванович Нехаев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН)
Priority to RU2017111685A priority Critical patent/RU2662165C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2662165C1 publication Critical patent/RU2662165C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/34Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/18Carbon
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/20Sulfiding
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C67/00Preparation of carboxylic acid esters
    • C07C67/475Preparation of carboxylic acid esters by splitting of carbon-to-carbon bonds and redistribution, e.g. disproportionation or migration of groups between different molecules

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области получения эфиров путем каталитических превращений спиртов, а именно фурфурилового спирта, и может найти применение в парфюмерной промышленности, производстве моторных топлив и других областях, в которых применяют эфиры левулиновой кислоты. В способе получения катализатора получения этиллевулината, включающем обработку графита ультразвуком и его окисление с получением оксида графена и сульфирование, необработанный оксид графена подвергают сульфированию олеумом. В способе получения этиллевулината путем этанолиза производного фурана в присутствии катализатора на основе оксида графена в качестве катализатора используют катализатор, полученный этим способом, в качестве производного фурана - фурфуриловый спирт, а этанолиз проводят при температуре 100-130°C и массовом отношении фурфуриловый спирт : катализатор 4:1 в течение 3-7 ч. Технический результат заключается в повышении выхода этиллевулината при использовании доступного сырья - фурфурилового спирта. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области получения эфиров путем каталитических превращений спиртов, а именно фурфурилового спирта, и может найти применение в парфюмерной промышленности, производстве моторных топлив и других областях, в которых применяют эфиры левулиновой кислоты.
Фурфуриловый спирт - доступное и дешевое сырье, которое получают из различных сельскохозяйственных отходов и древесины. В последнее время активно разрабатываются способы синтеза из него сложных эфиров левулиновой кислоты, которые могут применяться в парфюмерии и как прекурсоры для приготовления моторных топлив. В качестве катализаторов превращения фурфурилового спирта в алкиллевулинаты испытывались разнообразные вещества, в том числе такие углеродные материалы, как полые мезопористые углеродные сферы, функционализированные арилсульфокислотами, и оксид графена.
Так называемый «оксид графена» (материал, полученный при расслоении оксида графита) является одним из наиболее перспективных материалов на основе наномодификаций графита. Благодаря высокоразвитой поверхности, функционализированной кислородсодержащими группами, из которых наибольшее количество гидроксильных и эпоксидных групп располагаются на базальной плоскости, а карбонильные, карбоксильные и лактонные группы - по краям графеновых пластинок, данный наноуглеродный материал (НУМ) рассматривается не только в качестве носителя для каталитически активных частиц, но и как катализатор, активный в кислотно-основных превращениях, обладающий «мягкой» кислотностью. Сульфирование оксида графена позволяет получить материалы с высокой каталитической активностью, которая обусловлена значительной плотностью кислотных центров, подобные каталитические системы весьма перспективны в том числе и в превращении возобновляемого сырья в компоненты моторных топлив.
В частности, в источнике (J. Liu, Y. Xue and L. Dai, J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, c. 1928-1933) описан метод сульфирования оксида графена без его предварительного восстановления и его применение в полимерных солнечных батареях.
Известен способ получения этиллевулината путем этанолиза фурфурилового спирта с применением в качестве катализатора газообразного HCl или HBr (Патент США №2763665, опубл. 18.09.1956, кл. МПК С07С 59/185).
Недостатком способа является токсичность газообразных хлороводорода и бромоводорода и их агрессивность по отношению к металлическому оборудованию, а также недостаточный выход этиллевулината - 67%.
Наиболее близкими к предложенному (прототипом) являются способ получения катализатора путем обработки графита ультразвуком и его окисления с получением оксида графена, частичного восстановления оксида графена и его сульфирования путем обработки 97%-ной серной кислотой, и способ получения этиллевулината, включающий этанолиз 5-гидроксиметил-2-фурфурола в присутствии полученного катализатора (см., М.М. Antunes, Р.А. Russo, P.V. Wiper и др. Sulfonated Graphene Oxide as Effective Catalyst for Conversion of 5-(Hydroxymethyl)-2-furfural into Biofuels // ChemSusChem, 2014, 7, c. 804).
Известное решение позволяет обеспечить 100% конверсию 5-гидроксиметил-2-фурфурола, но выход этиллевулината при этом достигает только 43%.
Задача изобретения - повышение выхода этиллевулината при использовании доступного сырья - фурфурилового спирта.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе получения катализатора получения этиллевулината, включающем обработку графита ультразвуком и его окисление с получением оксида графена, и сульфирование, необработанный оксид графена подвергают сульфированию олеумом.
В отличие от прототипа оксид графена перед сульфированием не подвергают восстановлению, а используют необработанным.
Решение поставленной задачи также достигается тем, что в способе получения этиллевулината путем этанолиза производного фурана в присутствии катализатора на основе оксида графена в качестве катализатора используют катализатор, полученный этим способом, в качестве производного фурана - фурфуриловый спирт, а этанолиз проводят при температуре 100-130°C и массовом отношении фурфуриловый спирт : катализатор 4:1 в течение 3-7 ч.
На Фиг. 1 показан выход продуктов этанолиза фурфурилового спирта на различных катализаторах на основе оксида графена.
На Фиг. 2 показана зависимость выхода этиллевуланата от времени реакции.
Оксид графена (О-НУМ) получают путем ультразвуковой обработки искусственного графита и окисления обработанного порошка.
Сульфированный оксид графена (S-O-HUM) получают путем сульфирования необработанного (не подвергнутого восстановлению) оксида графена олеумом.
Восстановленный оксид графена (R-НУМ) получают путем восстановления диспергированного О-НУМ боргидридом натрия. При последующем сульфировании восстановленного НУМ получают восстановленный и сульфированный оксид графена (S-HUM). Характеристики полученных углеродных материалов представлены в табл. 1.
Figure 00000001
По данным ИК- и КР-спектроскопии образец S-НУМ представляет собой несовершенную разупорядоченную окисленную углеродную структуру с высоким содержанием sp3-гибридизованных углеродных атомов. Он характеризуется высоким содержанием связей С=О (1726 см-1) и С-О (1100 см-1) большим количеством эфирных групп Ph - О - Ph (1266 см-1), есть карбоксилатные группы (1726 см-1) и простые эфирные связи с sp3-гибридизованными углеродными атомами (область 1000-1100 см-1). Полосы в области 3100-2800 см-1 и 730 см-1 являются указанием на присутствие связей С-Н как при sp3-, так и sp2-углеродных атомах.
В образце S-O-НУМ в большом количестве присутствуют связи S-О, S=О, присутствие групп - SO3H в образце подтверждает наличие характерных полос на спектре.
По результатам рентгенофазового анализа средняя толщина слоя полученного материала составляет приблизительно 3,2 нм. Таким образом, полученный наноуглеродный материал является кластерным мультислойным оксидом графена, в котором количество слоев варьируется от 5 до нескольких десятков, это подтверждается и результатами просвечивающей микроскопии. Существенное размывание пика (2θ=11.8°) также может указывать на дефектность и некоторую аморфизацию кристаллической структуры образца.
Каталитическая активность полученных образцов F-НУМ изучалась в реакции этанолиза фурфурилового спирта:
Figure 00000002
Реакцию этанолиза фурфурилового спирта проводят в стальном автоклаве емкостью 20 мл в диапазоне температур 100-130°C, интенсивном перемешивании (700 об/мин) и времени реакции 3-7 ч. Массовое соотношение фурфуриловый спирт : Kt составляет 4:1, в исходной смеси концентрация фурфурилового спирта в этаноле составляет 4% масс.
Наблюдается одновременное протекание различных окислительно-восстановительных процессов. Основное направление реакции - разрыв связей С-О фуранового кольца с восстановлением двойных связей. Разрыв связи С2-О приводит к образованию ацеталя этанола и этилового эфира изомера левулиновой кислоты: пентаналь-5-овой кислоты. Легкие продукты представлены ацетальдегидом и диэтиловым эфиром. В заметных количествах в реакционной смеси обнаружен этилфурфуриловый эфир - продукт межмолекулярной дегидратации фурфурилового спирта и этанола. Имеются продукты разрыва связи С5-О в фурфуриловом спирте: ацеталь этанола и этиллевулината и этиллевулинат. Остальные продукты присутствуют в незначительных количествах. Среди них найден ацеталь фурфурилового спирта и ацетальдегида, а также децен. Тяжелые продукты, по-видимому, содержат ацетали фурфурола (в масс-спектрах группы веществ присутствует пик с максимальным m/z 112 - [C5H4O3]+) и ацеталь этанола с тяжелым альдегидом, возможно, производным пентаналь-5-овой кислоты (пик с максимальным m/z 103 - [С5Н11О2]+).
Пример осуществления изобретения
Оксид графена (О-НУМ) получают путем предварительной обработки конструкционного мелкозернистого искусственного графита марки ГМЗ ОСЧ КНПС, которая заключалась в том, что отобранная фракция графитового порошка подвергалась ультразвуковой обработке с помощью зондового ультразвукового диспергатора МЭФ-93 (частота 22 кГц, мощность 600 Вт), и окисления обработанного порошка. Не полностью окисленный исходный графит отделяют от тонкодисперсной суспензии центрифугированием.
Катализатор по прототипу (S-НУМ) получают путем восстановления навески диспергированного О-НУМ боргидридом натрия и последующего сульфирования восстановленного НУМ.
Заявленный катализатор (S-O-НУМ) получают путем сульфирования необработанного (не подвергнутого восстановлению) оксида графена олеумом по методике, приведенной в (J. Liu, Y. Xue and L. Dai, J. Phys. Chem. Lett 2012, 3, c. 1928-1933).
ИК-спектр (см-1): 3330 (ОН), 1150 (S=O), 760 (S-O). КР-спектр: 1355 CD-связь), 1607 (G-связь), отношение D/G: 0.8.
Катализаторы S-НУМ и S-O-НУМ, а также оксид графена О-НУМ испытывают в реакции получения этиллевулината путем этанолиза фурфурилового спирта. Условия реакции: температура - 130°C, время - 7 ч, отношение фурфуриловый спирт : катализатор =4:1 масс.
Распределение продуктов этанолиза фурфурилового спирта показано на Фиг. 1. Продукты на диаграмме (сверху вниз): этиллевулинат, этилфурфуриловый эфир, другие продукты, непрореагировавший фурфуриловый спирт.
С уменьшением температуры и времени реакции на всех исследованных катализаторах наблюдается снижение выхода основного продукта реакции - этиллевулината (Фиг. 2). Максимальный выход этиллевулината (76% мас.) достигнут на образце S-O-НУМ. Возможно, высокая каталитическая активность S-O-НУМ обусловлена синергетическим эффектом присутствия в катализаторе сульфо- и других видов протогенных групп (карбоксильных, фенольных), а также их взаимным расположением и доступностью в кластере мультислойного наноуглеродного материала, что позволяет образовывать водородные связи с исходными реагентами, тем самым увеличивая их реакционную способность.
Предложенное изобретение превосходит не только прототип, но и другие известные аналоги по выходу этиллевулината.

Claims (2)

1. Способ получения катализатора получения этиллевулината, включающий обработку графита ультразвуком и его окисление с получением оксида графена и сульфирование, отличающийся тем, что необработанный оксид графена подвергают сульфированию олеумом.
2. Способ получения этиллевулината путем этанолиза производного фурана в присутствии катализатора на основе оксида графена, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют катализатор, полученный способом по п. 1, в качестве производного фурана - фурфуриловый спирт, а этанолиз проводят при температуре 100-130°С и массовом отношении фурфуриловый спирт : катализатор 4:1 в течение 3-7 ч.
RU2017111685A 2017-04-07 2017-04-07 Способ получения катализатора и способ получения этиллевулината с применением полученного катализатора RU2662165C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017111685A RU2662165C1 (ru) 2017-04-07 2017-04-07 Способ получения катализатора и способ получения этиллевулината с применением полученного катализатора

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017111685A RU2662165C1 (ru) 2017-04-07 2017-04-07 Способ получения катализатора и способ получения этиллевулината с применением полученного катализатора

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2662165C1 true RU2662165C1 (ru) 2018-07-24

Family

ID=62981538

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017111685A RU2662165C1 (ru) 2017-04-07 2017-04-07 Способ получения катализатора и способ получения этиллевулината с применением полученного катализатора

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2662165C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU250762A1 (ru) * Иностранна фирма СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭТИЛЕНКЕТАЛЕЙ ЭТИЛОВОГО 1 ЭФИРА ЛЕВУЛИПОВОЙ КИСЛОТЫЬИьЛИОТЕИА
US2763665A (en) * 1951-07-31 1956-09-18 Howards Ilford Ltd Process for the manufacture of levulinic acid esters
WO2012109212A2 (en) * 2011-02-08 2012-08-16 Graphea, Inc. Carbocatalysts for polymerization
CN103360255A (zh) * 2013-08-01 2013-10-23 郑州大学 一种糠醛渣制备乙酰丙酸乙酯的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU250762A1 (ru) * Иностранна фирма СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭТИЛЕНКЕТАЛЕЙ ЭТИЛОВОГО 1 ЭФИРА ЛЕВУЛИПОВОЙ КИСЛОТЫЬИьЛИОТЕИА
US2763665A (en) * 1951-07-31 1956-09-18 Howards Ilford Ltd Process for the manufacture of levulinic acid esters
WO2012109212A2 (en) * 2011-02-08 2012-08-16 Graphea, Inc. Carbocatalysts for polymerization
CN103360255A (zh) * 2013-08-01 2013-10-23 郑州大学 一种糠醛渣制备乙酰丙酸乙酯的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JUN LIU ET AL., Sulfated Graphene Oxide as a Hole-extraction layer in High-Performance Polymer Solar Cells, J. Phys. Chem. Lett., 2012, 3, 1928-1933. *
MARGARIDA M. ANTUNES ET AL., Sulfonated Graphene Oxide as Effective Catalyst for Conversion of 5-(Hydroxymethyl)-2-furfural into Biofuels, ChemSusChem, 2014, 7, 804-812. *
MARGARIDA M. ANTUNES ET AL., Sulfonated Graphene Oxide as Effective Catalyst for Conversion of 5-(Hydroxymethyl)-2-furfural into Biofuels, ChemSusChem, 2014, 7, 804-812. JUN LIU ET AL., Sulfated Graphene Oxide as a Hole-extraction layer in High-Performance Polymer Solar Cells, J. Phys. Chem. Lett., 2012, 3, 1928-1933. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Dilute sulfonic acid post functionalized metal organic framework as a heterogeneous acid catalyst for esterification to produce biodiesel
Shi et al. Molecular structure and formation mechanism of hydrochar from hydrothermal carbonization of carbohydrates
Nongbe et al. Biodiesel production from palm oil using sulfonated graphene catalyst
Zhu et al. One-pot conversion of furfural to alkyl levulinate over bifunctional Au-H 4 SiW 12 O 40/ZrO 2 without external H 2
Dutta et al. Solventless C–C coupling of low carbon furanics to high carbon fuel precursors using an improved graphene oxide carbocatalyst
Seretis et al. Recent advances in ruthenium-catalyzed hydrogenation reactions of renewable biomass-derived levulinic acid in aqueous media
Zhou et al. Etherification of glycerol with isobutene on sulfonated graphene: reaction and separation
Yang et al. Deoxygenation of palmitic and lauric acids over Pt/ZIF-67 membrane/zeolite 5A bead catalysts
JP5152992B2 (ja) カーボン系固体酸、それからなる触媒およびそれを触媒として用いる反応
Yang et al. Synthesis of jet-fuel range cycloalkanes from the mixtures of cyclopentanone and butanal
Jia et al. Direct selective hydrogenation of fatty acids and jatropha oil to fatty alcohols over cobalt-based catalysts in water
Yu et al. Microwave-assisted preparation of coal-based heterogeneous acid catalyst and its catalytic performance in esterification
Bharath et al. Development of Au and 1D hydroxyapatite nanohybrids supported on 2D boron nitride sheets as highly efficient catalysts for dehydrogenating glycerol to lactic acid
Shuit et al. A facile and acid-free approach towards the preparation of sulphonated multi-walled carbon nanotubes as a strong protonic acid catalyst for biodiesel production
Yin et al. A one-step synthesis of C6 sugar alcohols from levoglucosan and disaccharides using a Ru/CMK-3 catalyst
Li et al. Catalytic transesterification of Pistacia chinensis seed oil using HPW immobilized on magnetic composite graphene oxide/cellulose microspheres
Peng et al. Facile and efficient conversion of furfuryl alcohol into n-butyl levulinate catalyzed by extremely low acid concentration
Eterigho et al. Triglyceride cracking for biofuel production using a directly synthesised sulphated zirconia catalyst
Zhong et al. Functionalized biochar with superacidity and hydrophobicity as a highly efficient catalyst in the synthesis of renewable high-density fuels
Mohammadbagheri et al. Direct production of hexyl levulinate as a potential fuel additive from glucose catalyzed by modified dendritic fibrous nanosilica
Baek et al. Production of bio hydrofined diesel, jet fuel, and carbon monoxide from fatty acids using a silicon nanowire array-supported rhodium nanoparticle catalyst under microwave conditions
Gitis et al. Conversion of furfuryl alcohol into butyl levulinate with graphite oxide and reduced graphite oxide
RU2662165C1 (ru) Способ получения катализатора и способ получения этиллевулината с применением полученного катализатора
Ye et al. Differences of short straight-chain monoalcohols in the value-added conversion of furfural catalyzed by Zr3Al1-MMO: Effect of hydroxyl position and carbochain length
Andreev et al. Electrocatalytic biomass conversion into petrochemicals. Review