1. 研究目的与意义
资源和环境问题是人类在21世纪面临的最主要的挑战，纤维素是自然界中存在的最广泛的一类碳水化合物，是地球上最为丰富、最廉价的可再生资源，绝大多数由绿色植物通过光合作用合成，全球每年光合作用产生的植物生物量高达1.141012 t，其中纤维素总量约为50％，但是这类资源并没有被充分合理地利用，不仅造成了资源的浪费，也污染了人类赖以生存的环境。
每年全球形成大约1000~2000亿t植物的有机物质,其中纤维素物质占到一半.每年我国约有7亿t农作物残渣(稻草、秸秆等）,以及数百万t的纤维素工业废弃物.它们污染环境，又没有得到充分的利用。所以科学利用和合理开发这一天然资源成为各国关注的重点领域.
纤维素是世界上分布较多的一种可再生资源，利用纤维素代替不可再生的石化资源来生产能源及相关化学品目前已得到世界各国的高度重视。羟甲基糠醛便是一种重要的来自纤维素的衍生产品。由纤维素催化分解得到的 5-羟甲基糠醛 ( hmf) 是一种多用途的化工原料，被称为石油化学和生物质化学之间的平台化合物。对制备 5-羟甲基糠醛的研究具有深远的意义。5-羟甲基糠醛又名 5-羟甲基-2-呋喃甲醛、5-羟甲基-2-糠醛、5-羟甲基-2-呋喃甲醛、5-羟基甲基糠醛、5-羟基甲基呋喃甲醛，英文名 5-hydroxymethyl-2-furfu-ral、5-hydroxymethyl furfural。5-羟甲基糠醛是一种重要的有机中间体，利用它可合成多种化工产品，如加入固体碱和一定试剂并缩合脱水形成一系列的液态烷烃，可以替代石油类燃料; 用其进一步氧化得到的 2，5-呋喃二甲酸可作为合成聚酯类材料的初始原料; 5-羟甲基糠醛在水溶液中不稳定，可继续水解生成乙酰丙酸 ( la) 和甲酸。乙酰丙酸既有羧基又有碳基，因此既可作为羧酸又可作为酮进行反应，通过酯化、缩合、卤化、加氢、氧化脱氢等制备各种产品 ( 包括医学药品、香料、溶剂、涂料和油墨、橡胶和塑料助剂、润滑油添加剂、表面活性剂等) ，还可以作为农药、染料的中间体。目前，5-羟甲基糠醛都是通过葡萄糖或果糖脱水得到，国内外文献上都有关于此技术的研究报道，并且已进行了初步的工业应用。对高效催化体系中 5-羟甲基糠醛的制备工艺进行了进一步研究，研究中首先把纤维素催化水解成糖类物质，再由糖类物质制备 5-羟甲基糠醛。qi 等利用微晶纤维素两步法催化制备 5-羟甲基糠醛: 第一步是在 1-乙基-3-甲基咪唑氯 ( ［c2mim］cl) 和强酸性阳离子交换树脂的水溶液中催化水解纤维素，反应条件是110℃ 、1. 5 mpa、 反应 60 min， 葡萄糖的得率在80% 以上; 第二步是从反应体系中分离出阳离子吸水树脂，然后加入 crcl3，温度维持在 110℃，5-羟甲基糠醛的得率为 73%。纤维素两步法催化制备 5-羟甲基糠醛虽然可行，但操作繁琐，目标产品分离困难。糖类物质也是由纤维素水解得到的，因此利用葡萄糖和果糖制备 5-羟甲基糠醛并非是一种直接高效的方法。利用纤维素直接制备 5-羟甲基糠醛，则可以减少中间体单糖的制备，提高反应效率。但是，目前羟甲基糠醛的制备主要是利用离子液体来进行，成本高且效率偏低。本研究利用金属离子作为催化剂，在水-有相 机(双相体系）中催化纤维素制备羟甲基糠醛，删选出同时利于纤维素转化羟甲基糠醛的最优双相体系
2. 研究内容和预期目标
研究内容
技术要求：学会催化反应操作、产物分析、有机萃取相优化等
设计条件：纤维素是世界上分布较多的一种可再生资源，利用纤维素代替不可再生的石化资源来生产能源及相关化学品目前已得到世界各国的高度重视。羟甲基糠醛便是一种重要的来自纤维素的衍生产品。但是，目前羟甲基糠醛的制备主要是利用离子液体来进行，成本高且效率偏低。本研究利用金属离子作为催化剂，在水-有相 机(双相体系）中催化纤维素制备羟甲基糠醛，删选出同时利于纤维素转化羟甲基糠醛的最优双相体系。
3. 研究的方法与步骤
研究方法：
单相法制备羟甲基糠醛
通过改变催化剂，反应温度、反应时间、反应釜气体环境，不同的碳水化合物（果糖、葡萄糖或蔗糖）来增加HMF 的产率。
双相法制备羟甲基糠醛
在水溶液上方加入有机相正丁醇作为萃取剂。正丁醇在 125 ℃以下不能与水互溶，在125 ℃以上可以与水互溶。反应时温度高于 125 ℃时，正丁醇与水互溶，并不断萃取水相中形成的羟甲基糠醛，反应后冷却到 125 ℃以下，正丁醇相与水相分层，羟甲基糠醛主要存在于正丁醇相中。利用水相-正丁醇相双相法，以果糖为底物，硫酸为催化剂，在 170 ℃油浴中反应，产率可达到 68%。分析 HMF 的生成反应速率 k1和分解反应速率 k2后，指出随着温度的提高，k1和 k2都增加，但 k1比 k2增加得快，HMF 的产量提高，到达最高产量的时间也缩短。因此可以通过提高温度，减少反应时间，来提高 HMF 的产率。
实验步骤：
一、过渡金属离子水相催化纤维素制备HMF
纤维素为底物
| 实验序号 | 催化剂类型 | 去离子水/蒸馏水 | 底物浓度 | 催化剂浓度 | 反应温度 | 反应时间 |
| 1 | FeCl3 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 2 | CrCl3 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 3 | CuCl2 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 4 | ZnCl2 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 5 | MoCl3 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 6 | RuCl3 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 7 | VCl3 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
葡萄糖为底物
| 实验序号 | 催化剂类型 | 去离子水/蒸馏水 | 底物浓度 | 催化剂浓度 | 反应温度 | 反应时间 |
| 1 | FeCl3 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 2 | CrCl3 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 3 | CuCl2 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 4 | ZnCl2 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 5 | MoCl3 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 6 | RuCl3 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
| 7 | VCl3 | 20 mL | 2% (w/w) | 0.2 mol/L | 220 | 30 min |
4. 参考文献
1. roman-leshkov, y., barrett, c.j., liu, z.y., dumesic, j.a. 2007. production of dimethylfuran for liquid fuels from biomass-derived carbohydrates. nature, 447, 982-985.
2. 王军，张春鹏，欧阳平凯, 王. 2008. 5-羟甲基糠醛制备及应用的研究进展.化工进展,27, 702-707.
3. asghari, f.s., yoshida, h. 2006. dehydration of fructose to 5-hydroxymethylfurfural in sub-critical water over heterogeneous zirconium phosphate catalysts.carbohydrate research,341,2379-2387.
5. 计划与进度安排
一、 查阅文献，写出开题报告（第1-2周）
一、 查阅文献，写出开题报告（第1-2周）
根 据论文题目，查阅正式出版的中外学术期刊和专著，从中选择10篇以上参考文献（外文1-2篇或以上），认真阅读，深刻理解，综合分析，掌握其最新动态，参照论文设计任务书的研究内容，写出开题报告（包括文献综述、选题目的和意义、研究方案、计划进度、参考文献）。论文撰写的格式按照院统一标准。如参考文献 要列出作者姓名、论文标题、发表刊物、时间、卷（期）及起止页码。在查阅的文献中选1篇外文（5000以上外文印刷字符、文献内容要结合本研究内容）全文 翻译为中文。
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