Написати автору Окиснення суміші ксилоза-метанол в метиллактат та метилгліколат на CeO2 SnO2/Al2O3 каталізаторі
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.03.340
Анотація
В останні роки розробка каталітичних методів конверсії ксилози як відновлюваної сировини в хімічні речовини з доданою вартістю, такі як естери молочної та гліколевої кислот, є предметом інтенсивних досліджень. Так, метиллактат і метилгліколат використовуються як вихідний матеріал для виробництва лактиду і гліколіду – важливих мономерів для виробництва біорозкладних полімерів. Метою даної роботи був пошук простого ефективного каталізатора для перетворення ксилози в метилові естери молочної та гліколевої кислот. Для цього методом імпрегнування синтезували олововмісний оксид алюмінію, допований оксидами СeO2, MoO3 та CuO. Текстурні та структурні параметри одержаних змішаних МeO‑SnO2/Al2O3 оксидів оцінено за результатами низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту та рентгенофазового аналізу. Формування морфології оксиду церію, близької до октаедра, для зразка CeО2‑SnO2/Al2O3 підтверджено даними рентгенофазового аналізу та мікрофотографіями SEM. Дані УФ-спектроскопії вказують на нанорозмір частинок діоксиду олова на поверхні γ‑Al2O3. За результатами титрування CeО2‑SnO2/Al2O3 є кислотним змішаним оксидом з H0 ≤ –3.0. Каталітичну конверсію розчину ксилози в метанолі проводили в автоклавах, що обертаються, і в проточному реакторі з нержавіючої сталі з нерухомим шаром каталізатора. Продукти цільової реакції C5H10O5+2CH3OH+1/2O2=C4H8O3+C3H6O3+2H2O аналізували методом 13C ЯМР. Встановлено, що повна конверсія 4 % розчину ксилози в 70 % водному розчині метанолу відбувається з утворенням метиллактату (42 %) і метилгліколяту (24 %) на розробленому каталізаторі CeО2‑SnO2/Al2O3 з навантаженням 3.5 ммоль C5H10O5/гкат/год при 190 °C/3.0 МПа в потоці повітря. Запропоновано шлях реакції, а саме: іони IVSn4+ каталізатора CeО2‑SnO2/Al2O3 як кислотні центри Льюїса сприяють ретро-альдольній конденсації ксилози та подальшому перегрупуванню Канніццаро проміжного напівацеталю піровиноградного альдегіду в метиллактат. А CeO2 забезпечує селективне окиснення гліколевого альдегіду, що утворюється в результаті альдольної деконденсації ксилози, до метилгліколяту.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
1. Esteban J., Yustos P., Ladero M. Catalytic processes from biomass-derived hexoses and pentoses: a recent literature overview. Catalysts. 2018. 8(12): 637. https://doi.org/10.3390/catal8120637
2. Lundberg P. DECOS and SCG Basis for an Occupational Standard Lactate esters. (Sweden: National Institute for Working Life,1999).
3. Patent US 6326458 B1. Gruber P.R., Hall E.S., Kolstad J.J., Iwen M.L., Benson R.D., Borchardt R.L. Continuous process for the manufacture of lactide and lactide polymers. 2001.
4. Patent UA 145097. Brei V.V., Shchutskyi I.V., Sharanda M.Ye., Varvarin A.M., Levytska S.I., Mylin A.M., Prudius S.V., Zinchenko O.Yu. The method of obtaining lactide from C3 polyols. 2020.
5. Farah Sh., Anderson D.G., Langer R. Physical and mechanical properties of PLA, and their functions in widespread applications - A comprehensive review. Adv. Drug Delivery Rev. 2016. 107: 367. https://doi.org/10.1016/j.addr.2016.06.012
6. Yang Sh.-B., Chien I.-L. Rigorous Design and Optimization of Methyl Glycolate Production Process through Reactive Distillation Combined with a Middle Dividing-Wall Column. Ind. Eng. Chem. Res. 2019. 58(13): 5215. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b05665
7. Prudius S.V., Hes N.L., Mylin A.M., Brei V.V. Continuous conversion of fructose into methyl lactate over SnO2 ZnO/Al2O3 catalyst. Journal of Chemistry and Technologies. 2021. 29(1): 1. https://doi.org/10.3390/colloids3010016
8. Brei V.V., Levytska S.I., Prudius S.V. To the question of oxidation on the surface of oxides: temperature- programmed oxidation of cyclohexanol. Kataliz ta Naftohimia. 2022. 33: 1. https://doi.org/10.15407/kataliz2022.33.001
9. Tanabe K, Misono M, Ono Y. New Solid Acids and Bases - Their Catalytic Properties. (Amsterdam: Elsevier,1989).
10. Shembel E., Apostolova R., Nagirny V., Kirsanova I., Grebenkin Ph., Lytvyn P. Electrolytic molybdenum oxides in lithium batteries. J. Solid State Electrochem. 2005. 9: 96. https://doi.org/10.1007/s10008-004-0565-2
11. Jayalakshmi M., Venugopal N., Phani Raja K., Mohan Rao M. Nano SnO2-Al2O3 mixed oxide and SnO2 Al2O3 carbon composite oxides as new and novel electrodes for super capacitor applications. J. Power Sources. 2006. 158(2): 1538. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.10.091
12. Gobara H.M., Mohamed R.S., Aboutaleb W.A. A facile synthesis of 3D pyramidal hierarchical CeO2-Al2O3 nanocomposites supported nickel catalyst for cyclohexane dehydrogenation. Microporous Mesoporous Mater. 2012. 323: 111151. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2021.111151
13. Baudin M., Wójcik M., Hermansson K. Dynamics, structure and energetics of the (111), (011) and (001) surfaces of ceria. Surf. Sci. 2000. 468: 51. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(00)00766-4
14. Prudius S.V., Hes N.L., Brei V.V. Conversion of D-fructose into ethyl lactate over a supported SnO2-ZnO/Al2O3 catalyst. Colloids Interfaces. 2019. 3(16): 16. https://doi.org/10.3390/colloids3010016
15. Bhatia S., Khanna A., Jain R.K., Hirdesh H. Structure-property correlations in molybdenum trioxide thin films and nanoparticles. Mater. Res. Express. 2019. 6: 086409. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab1855
16. Razeghizadeh A.R., Zalaghi L., Kazeminezhad I., Rafee V. Growth and Optical Properties Investigation of Pure and Al-doped SnO2 Nanostructures by Sol-Gel Method. Iran. J. Chem. Chem. Eng. 2017. 36: 1.
17. Ansari S.A., Khan M.M., Ansari M.O., Kalathil S., Lee J., Cho M.H. Band gap engineering of CeO2 nanostructure using an electrochemically active biofilm for visible light applications. RSC Adv. 2014. 4(32): 16782. https://doi.org/10.1039/C4RA00861H
18. Wu Z., Mann A.K.P., Li M., Overbury S.H. Spectroscopic Investigation of Surface-Dependent Acid-Base Property of Ceria Nanoshapes. J. Phys. Chem. C. 2015. 119(13): 7340. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b00859
19. Wang X., Li M., Wu Z. In situ spectroscopic insights into the redox and acid-base properties of ceria catalysts. Chin. J. Catal. 2021. 42(12): 2122. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(21)63806-8
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp15.03.340
Copyright (©) 2024 S. V. Prudius, N. L. Hes, A. Yu. Zhuravlov, V. V. Brei
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.