一种一锅法制备乙酰丙酸和磺化碳催化剂的方法与流程

本发明涉及乙酰丙酸和磺化碳制备方法领域，特别涉及一种一锅法制备乙酰丙酸和磺化碳催化剂的方法。

背景技术：

乙酰丙酸是一种重要的生物基平台化合物，被认为是连接生物质和石油基化学品的桥梁化合物。以糖类资源如葡萄糖酸催化水解制备乙酰丙酸已成一种重要技术。

但是，单糖在溶液中易发生异构化反应、脱水反应、水解反应、缩合反应等，单糖的水解反应机理复杂，随着水解反应的进行，反应液的颜色会逐渐加深，通常是由于糖类或其水解产物中含羟基、羧基、醛基，能够发生缩聚，生成不溶于水的高聚物即胡敏素。如以葡萄糖为原料制备乙酰丙酸的过程中，目标产物乙酰丙酸中的碳含量不到葡萄糖碳含量的50％，一个重要的原因是葡萄糖在转化过程中生成了副产物胡敏素。在纤维素水解过程中，生成胡敏素的碳选择性可高达30-60％。胡敏素是一种低价值的碳基高聚物，极大降低了糖类资源的高价值利用效率。

因此，亟待开发一种高效技术，在利用糖类资源制备乙酰丙酸过程中提高糖类资源中碳的利用率，把胡敏素转化为高价值的碳基材料，如磺化碳催化剂。磺化碳催化剂是一种以碳材料为骨架、表面含有磺酸根的固体酸催化剂，被广泛应用于水解反应、酯化反应以及其它有机合成反应中等。

技术实现要素：

本发明提供了一种一锅法制备乙酰丙酸和磺化碳催化剂的方法，葡萄糖在反应过程中同时生成乙酰丙酸和磺化碳催化剂，消除了低价值胡敏素的形成，解决了现阶段糖类碳利用效率低下、资源严重浪费的问题。

实现本发明的技术方案是：一种一锅法制备乙酰丙酸和磺化碳催化剂的方法，具体步骤如下：

(1)将质量相等的葡萄糖和对甲苯磺酸混合均匀放入反应罐中，加入水， 所述水与对甲苯磺酸的质量比为0.1-2.7：1；密闭反应器，恒温反应，反应后冷却至室温，得到固液混合产物；

(2)对步骤(1)所得的固液混合产物进行水洗、抽滤分离，得到液相产物和固相产物；液相产物主要为乙酰丙酸和对甲苯磺酸；固相产物在110度下烘干至恒重，得到磺化碳催化剂。

本方法的优选方案是：

(1)将质量相等的葡萄糖和对甲苯磺酸混合均匀放入反应罐中，加入水，所述水与对甲苯磺酸的质量比为0.5-1.7：1；密闭反应器，以2.5℃/min的速率升温至170度，在170度下恒温保持7小时；反应后冷却至室温，得到固液混合产物；

(2)对步骤(1)所得的固液混合产物进行水洗、抽滤分离，得到液相产物和固相产物；液相产物主要为乙酰丙酸和对甲苯磺酸；固相产物在110度下烘干至恒重，得到磺化碳催化剂。

所述水与对甲苯磺酸的质量比为0.7:1。

在常规酸催化葡萄糖制备乙酰丙酸过程中，有中间产物如5-羟甲基糠醛等生成。5-羟甲基糠醛在酸催化剂作用下，可以水合生成乙酰丙酸，同时也可以发生聚合生成副产物胡敏素，反应路径见下：

而在本专利酸催化葡萄糖制备乙酰丙酸过程中，以对甲苯磺酸同时作为酸催化剂和磺化剂，通过控制反应体系中水的含量，调控乙酰丙酸产率、以及磺化碳产率，对甲苯磺酸催化葡萄糖生成乙酰丙酸的同时，中间产物5-羟甲基糠醛可以与对甲苯磺酸发生聚合生成磺化碳，而不是生成胡敏素，反应路径见下：

本发明的有益效果是：

(1)采用一锅法，在利用葡萄糖制备乙酰丙酸的过程中同时生成磺化碳催化剂，而不是生成低价值的胡敏素，极大的提高了葡萄糖的碳利用效率。磺化碳催化剂对乙酰丙酸转化为乙酰丙酸乙酯具有高效的催化效果，且催化剂重复使用5次以后，乙酰丙酸的转化率仍可以达到57％以上；5次重复使用后的磺化碳催化剂可通过10％的硫酸溶液超声浸泡而基本恢复催化活性；

(2)控制反应体系中水含量是调控乙酰丙酸产率、以及磺化碳产率和性能的技术关键。在反应中，高水含量有利于葡萄糖水解生成乙酰丙酸，但不利于生成磺化碳。从表1和表2可以看出，反应体系中水含量越多，乙酰丙酸的产率越高，磺化碳催化剂的产率越少且性能越差；水含量越少，乙酰丙酸产率越低，而磺化碳催化剂的产率以及性能越高；

(3)本发明同时生成两种高价值产物乙酰丙酸和磺化碳催化剂，碳利用效率高，工艺流程简单、操作方便；

(4)在葡萄糖制备乙酰丙酸过程中，有中间产物如5-羟甲基糠醛等生成。在以对甲苯磺酸为催化剂条件下，5-羟甲基糠醛可以水合生成乙酰丙酸，5-羟甲基糠醛也可以与对甲苯磺酸发生聚合生成磺化碳(而不是生成胡敏素)。这个水合与聚合的反应程度取决于水的含量，当水含量与对甲苯磺酸含量比在0.1-2.7：1之间时，乙酰丙酸和磺化碳为主要产物，没有胡敏素生成；当水含量过高时(如水：对甲苯磺酸为10：1)，对甲苯磺酸与5-羟甲基糠醛的聚合反应被抑制，所得胡敏素的磺酸根官能团很少，此种胡敏素基本没有催化活性。在本方法反应条件下，中间产物5-羟甲基糠醛完全转化为乙酰丙酸和磺化碳催化 剂，不会残留在最后的反应溶液中；

(5)当水与对甲苯磺酸质量比为0.7：1时，100g葡萄糖可以制得18g乙酰丙酸和36g磺化碳催化剂，乙酰丙酸和磺化碳催化剂的总碳利用率高达70％；磺化碳催化剂氢离子交换容量为2.3mmol/g，磺酸根含量为0.56mmol/g；此磺化碳催化剂具有非晶态的碳基结构，在240度以下具有热稳定性，并在乙酰丙酸催化酯化过程中表现出优良的催化活性。

附图说明

图1是实施例1制备的磺化碳催化剂的红外光谱图；

图2是实施例1制备的磺化碳催化剂的XRD光谱图；

图3是实施例1制备的磺化碳催化剂的热重分析图谱。

具体实施方式

实施例1

本实施例利用葡萄糖和对甲苯磺酸制备乙酰丙酸和磺化碳催化剂的具体步骤如下：

(1)将质量相等的葡萄糖和对甲苯磺酸混合均匀放入反应罐中，加入水，所述水与对甲苯磺酸的质量比为0.7：1；密闭反应器，以2.5℃/min的速率升温至170度，在170度下恒温保持7小时；反应后用水冷却至室温，得到固液混合产物；

(2)对步骤(1)所得的固液混合产物进行水洗、抽滤分离，得到液相产物和固相产物；液相产物主要为乙酰丙酸和对甲苯磺酸；固相产物在110度下烘干至恒重，得到磺化碳催化剂。

本实施例中水含量对甲苯磺酸的回收率、乙酰丙酸的产率、磺化碳催化剂的产率，及磺化碳催化剂中磺酸根官能团含量和氢离子交换容量的影响见表1。

图1是本实施例制备的磺化碳催化剂的红外光谱分析，从图1可以看出，磺化碳催化剂红外光谱分析中在1190and 1130cm^-1(O＝S＝O不对称伸缩振动峰)、1040cm^-1(O＝S＝O对称伸缩振动峰)、680cm^-1(C-S伸缩振动峰)这些位置都有出峰，说明含有磺酸根官能团。

从图2 XRD图谱可以看出，此磺化碳催化剂含有非晶态的碳基结构。

从图3热重分析可以看出，磺化碳催化剂在150度以下只有少量的(约4％)的吸附水损失，且这种磺化碳催化剂在150度到240度下，基本没有质量损失，说明这种磺化催化剂在240度以内具有较好的热稳定性。

实施例2

本实施例利用葡萄糖和对甲苯磺酸制备乙酰丙酸和磺化碳催化剂的具体步骤如下：

(1)将质量相等的葡萄糖和对甲苯磺酸混合均匀放入反应罐中，加入水，所述水与对甲苯磺酸的质量比为0.1：1；密闭反应器，以2.5℃/min的速率升温至170度，在170度下恒温保持7小时；反应后用水冷却至室温，得到固液混合产物；

(2)对步骤(1)所得的固液混合产物进行水洗、抽滤分离，得到液相产物和固相产物；液相产物主要为乙酰丙酸和对甲苯磺酸；固相产物在110度下烘干至恒重，得到磺化碳催化剂。

本实施例中水含量对甲苯磺酸的回收率、乙酰丙酸的产率、磺化碳催化剂的产率，及磺化碳催化剂中磺酸根官能团含量和氢离子交换容量的影响见表1。

实施例3

本实施例利用葡萄糖和对甲苯磺酸制备乙酰丙酸和磺化碳催化剂的具体步骤如下：

(1)将质量相等的葡萄糖和对甲苯磺酸混合均匀放入反应罐中，加入水，所述水与对甲苯磺酸的质量比为0.45：1；密闭反应器，以2.5℃/min的速率升温至170度，在170度下恒温保持7小时；反应后用水冷却至室温，得到固液混合产物；

(2)对步骤(1)所得的固液混合产物进行水洗、抽滤分离，得到液相产物和固相产物；液相产物主要为乙酰丙酸和对甲苯磺酸；固相产物在110度下烘干至恒重，得到磺化碳催化剂。

本实施例中水含量对甲苯磺酸的回收率、乙酰丙酸的产率、磺化碳催化剂 的产率，及磺化碳催化剂中磺酸根官能团含量和氢离子交换容量的影响见表1。

实施例4

本实施例利用葡萄糖和对甲苯磺酸制备乙酰丙酸和磺化碳催化剂的具体步骤如下：

(1)将质量相等的葡萄糖和对甲苯磺酸混合均匀放入反应罐中，加入水，所述水与对甲苯磺酸的质量比为1.2：1；密闭反应器，以2.5℃/min的速率升温至170度，在170度下恒温保持7小时；反应后用水冷却至室温，得到固液混合产物；

(2对步骤(1)所得的固液混合产物进行水洗、抽滤分离，得到液相产物和固相产物；液相产物主要为乙酰丙酸和对甲苯磺酸；固相产物在110度下烘干至恒重，得到磺化碳催化剂。

本实施例中水含量对甲苯磺酸的回收率、乙酰丙酸的产率、磺化碳催化剂的产率，及磺化碳催化剂中磺酸根官能团含量和氢离子交换容量的影响见表1。

实施例5

本实施例利用葡萄糖和对甲苯磺酸制备乙酰丙酸和磺化碳催化剂的具体步骤如下：

(1)将质量相等的葡萄糖和对甲苯磺酸混合均匀放入反应罐中，加入水，所述水与对甲苯磺酸的质量比为1.7：1；密闭反应器，以2.5℃/min的速率升温至170度，在170度下恒温保持7小时；反应后用水冷却至室温，得到固液混合产物；

(2)对步骤(1)所得的固液混合产物进行水洗、抽滤分离，得到液相产物和固相产物；液相产物主要为乙酰丙酸和对甲苯磺酸；固相产物在110度下烘干至恒重，得到磺化碳催化剂。

本实施例中水含量对甲苯磺酸的回收率、乙酰丙酸的产率、磺化碳催化剂的产率，及磺化碳催化剂中磺酸根官能团含量和氢离子交换容量的影响见表1。

实施例6

本实施例利用葡萄糖和对甲苯磺酸制备乙酰丙酸和磺化碳催化剂的具体步 骤如下：

(1)将质量相等的葡萄糖和对甲苯磺酸混合均匀放入反应罐中，加入水，所述水与对甲苯磺酸的质量比为2.7：1；密闭反应器，以2.5℃/min的速率升温至170度，在170度下恒温保持7小时；反应后用水冷却至室温，得到固液混合产物；

(2)对步骤(1)所得的固液混合产物进行水洗、抽滤分离，得到液相产物和固相产物；液相产物主要为乙酰丙酸和对甲苯磺酸；固相产物在110度下烘干至恒重，得到磺化碳催化剂。

本实施例中水含量对甲苯磺酸的回收率、乙酰丙酸的产率、磺化碳催化剂的产率，及磺化碳催化剂中磺酸根官能团含量和氢离子交换容量的影响见表1。

上述实施例中，离子交换容量是通过返滴定方法测试的。取50mg磺化碳催化剂加入到过量的0.03mol/L的氢氧化钠溶液中，振荡一个小时后过滤，所得滤液用过量的稀盐酸溶液中和，然后再用标定的氢氧化钠溶液以酚酞试剂为指示剂返滴定至终点，从而计算出离子交换含量。

磺酸根含量测试：通过元素分析测试出硫元素在磺化碳催化剂中的含量，再基于硫的含量进一步计算出磺酸根的含量。

本发明实施例1、实施例2和实施例3制备的磺化碳催化剂的催化活性具有相当高的催化效果，和商业固体强酸催化剂Amberlyst-36催化活性相当，比常用分子筛催化剂HZSM-5的催化活性高。

磺化碳催化剂的催化活性通过催化酯化乙酰丙酸制备乙酰丙酸乙酯来测试，具体步骤如下：

商业化固体酸Amberlyst-36和HZSM-5作为对照催化剂，以乙酰丙酸和乙醇为原料(摩尔比为1：10)，在130度下反应3小时，催化剂含量为50g/L；各种催化剂催化乙酰丙酸的转化率见表2，乙酰丙酸转化率越高表示催化剂催化活性越好。实施例1制备的磺化碳催化剂重复使用5次以后，乙酰丙酸转化率仍可以达到57％；这种5次重复使用后的实例1磺化碳催化剂可以通过10％的硫酸溶液超声浸泡处理来恢复催化活性，恢复后的实施例1磺化碳催化剂在乙 酰丙酸酯化反应中转化率可达到92.3％。

表1水含量对产物的影响

表2催化剂对乙酰丙酸酯化反应过程中转化率的影响