2023年7月26-28日，Green Carbon首届编委会暨2023国际绿碳科学大会在青岛召开。Green Carbon顾问委员会委员、欧洲科学院院士、芬兰奥博学术大学Dmitry Murzin教授应邀出席。
在首届编委会上，Dmitry Murzin教授指出，期刊应该对绿色碳科学有清晰、全面的定义，这会让大家快速了解期刊，继而建立忠实的作者、读者群体；此外，期刊应密切关注学科发展，定期推出热门专题。
图1 Dmitry Murzin教授在Green Carbon首届编委会上指导期刊发展
葡萄糖催化转化制备高值平台化合物
与化石资源相比，生物质作为化工原料的关键特点是木质纤维素的含氧量远高于石油醚、烯烃、芳烃、甲醇等基础化工原料。研发从生物质出发经平台化合物生产化学品的新工艺具有极高的应用价值。Dmitry Murzin教授介绍了其团队在生物质平台化合物催化研究方面的最新进展。
图2 Dmitry Murzin教授在2023国际绿碳科学大会上作邀请报告
美国能源部生物质计划认定的12种生物质平台化合物的发展情况
Dmitry Murzin教授首先回顾了2004年美国能源部生物质计划认定的12种生物质平台化合物的发展情况。
报告指出，应将较易于从生物质转化中获取的12种含氧分子，包括丁二酸、2,5-呋喃二甲酸、3-羟基丙酸等，作为新的平台化合物，并研发从生物质出发经平台化合物生产化学品的新工艺。
图3 美国能源部生物质计划报告中提出的12种生物质平台化合物
经过近二十年的研发与工业实践，生物质制备化学品产业已有一定规模。截至2020年，欧盟生产的生物质化学品产量已达全部化学品的3%，但其中平台化合物在相应基础化学品中的比例仅占0.3%。12种平台化合物相关的进展也并非均衡。其中，乙酰丙酸、呋喃/糠醛的相关技术进展较快；3-羟基丙酸进展不大，但类似的2-羟基丙酸，即乳酸，已发展成新的不可忽视的“平台化合物”。此外，跨过平台化合物由生物质直接生产下游化学品（例如丙二醇）的技术也获得了成功。
乳酸成为名单之外的新的“平台化合物”
生物质中的纤维素与半纤维素经降解为糖类后可转化为乳酸。乳酸可利用适当工艺转化为多种下游化学品和中间体，例如脱水成为丙烯酸、聚合成为聚乳酸、氢化成为丙二醇、脱氢成为丙酮酸、CO₂羰基化成为2,3-戊二酮等。特别是聚乳酸作为可降解塑料已得到市场青睐，丙烯酸的下游市场已达80亿美元。因此，生物质来源的乳酸已成为12种平台化合物名单之外新的“平台化合物”。
与传统的发酵工艺相比，通过催化工艺由糖类生产乳酸可大幅降低设备投资、提高产能。Dmitry Murzin教授介绍了其团队新开发的改性Sn-Beta分子筛催化剂。以甲醇为溶剂，从葡萄糖出发，乳酸甲酯的产率高达53.3%，副产品为乙酰丙酸甲酯，有效碳原子利用率超过60%。
图4 葡萄糖制备乳酸过程中新型催化剂的效能
葡萄糖催化转化为乙酰丙酸
乙酰丙酸作为平台化合物可生产多种下游化学品和中间体，例如丙烯酸、d-氨基乙酰丙酸、γ-戊内酯、β-乙酰基丙烯酸、双酚酸等，具备很高的附加值。由纤维素经糖类生产乙酰丙酸的催化工艺也已经应用到工业生产中。例如有一种两级反应床工艺，已可将纤维素转化为50%乙酰丙酸，副产20%甲酸，美中不足的是余下的30%成为利用价值不高的焦油。Dmitry Murzin教授团队开发了一种Cu-H-Beta分子筛催化剂，使葡萄糖制乙酰丙酸的产率高达93%。
图5 纤维素经糖类生产乙酰丙酸催化工艺的工业应用
糖类直接催化转化为丙二醇
葡萄糖与果糖是纤维素的主要单体。二者可在ZnO催化剂上相互转化，并分解成为甘油醛，甘油醛经脱水、催化加氢，可转化为重要的化学品丙二醇。Dmitry Murzin教授团队开发了一种新的“一锅煮”技术，利用ZnO+Ru/C机械混合二元催化剂，在临氢条件下将葡萄糖直接转化为丙二醇，单程转化率达到84%，丙二醇产率32%，副产品主要有乳酸11.2%、 2-甲基四氢呋喃7.5%、乙醇5.6%、 1,2-丁二醇5.5%等。
图6 葡萄糖直接转化为丙二醇的技术路线
结论与展望
含氧分子主要通过酸催化反应进行转化，而分子筛作为一种常用的固体酸催化剂，可通过改变骨架规律比、离子交换、添加碱土金属和矿物盐等方式方便地调节总酸量以及B酸和L酸的比例，从而改变催化反应路径，提高目标产物选择性，因此适用于生物质平台化合物的制备和下游化学品的转化。目前存在的问题是含氧分子反应的产物必定不单一，在研究开发选择性尽可能高的催化剂同时，必须开发相应的高效分离工艺，以达到提高碳原子利用率、节约能耗的目标。
Dmitry Murzin 教授
Dmitry Murzin，芬兰奥博学术大学化学技术Borgström讲席教授、欧洲科学院院士、芬兰科学与文学院院士、芬兰一级白玫瑰勋章骑士、天津大学和圣彼得堡技术学院名誉教授、Green Carbon期刊顾问委员会委员。主要从事多相催化和催化动力学领域的研究，发表论文900余篇，H指数69。参与编写了Catalytic Kinetics（Elsevier, 2005）、Chemical Reaction Technology（De Gruyter, 2015）、Chemical Product Technology（De Gruyter, 2018）等多本专著。
原文链接
Dmitry Murzin教授与Green Carbon | 葡萄糖催化转化制备高值平台化合物
Green Carbon
期刊官网：Green Carbon官网
投稿网址：Green Carbon投稿
公众号：Green Carbon公众号
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自GreenCarbon科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3620330-1497819.html?mobile=1
收藏
