生物质液化技术糖类转化介绍

1、关于生物质液化技术糖类转化的介绍第一张，PPT共七十页，创作于2022年6月4.1 糖概述1. 人类（或动植物）的三大能量（糖、蛋白质、脂肪）来源之一。xCO2 +yH2O+能量 Cx(H2O)y+xO2植物光合作用动物呼吸作用2.生理作用： 植物的支持组织，细胞膜的组成部分；生物信息的携带、传递者。糖的主要功能第二张，PPT共七十页，创作于2022年6月广布于动植物体中，所有生物的细胞质和细胞核皆含核糖动物血液含有葡萄糖，肝脏、肌肉中含有糖原，乳汁含有乳糖植物体的组分约8590为糖类。植物的细胞壁、木质部、棉花、竹木等除水分以外，几乎全是由纤维素所组成。粮食（谷类）含丰富的淀粉，甘蔗和甜菜含

2、大量蔗糖，鲜果含果糖和果胶所有这些核糖、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、糖原、果胶、纤维素、淀粉以及麦芽糖（俗称饴糖）等都属于糖类。哪些物质属于糖?第三张，PPT共七十页，创作于2022年6月糖的分类按化学结构醛糖酮糖按含碳数三糖（丙糖）四糖（丁糖）五糖（戊糖）六糖（己糖）按结构单元数单糖二糖寡聚糖多糖糖类物质是多羟基(2个或以上)的醛类(Aldehyde)或酮类(Ketone)化合物，或在水解后能变成以上两者之一的有机化合物。在化学上，由于其由碳、氢、氧元素构成，在化学式的表现上类似于“碳”与“水”聚合，故又称之为碳水化合物。 通式为Cn(H2O)m，但不够全面，例如脱氧糖是例外。糖的定义与分类第

3、四张，PPT共七十页，创作于2022年6月醛糖与酮糖葡萄糖果糖醛糖酮糖醛糖和酮糖分别具有醛和酮的性质，也具有醇的性质。第五张，PPT共七十页，创作于2022年6月最简单的醛糖和酮糖甘油醛二羟基丙酮醛糖和酮糖可以在适当的条件下相互转换第六张，PPT共七十页，创作于2022年6月按含碳数对糖分类根据糖分子结构中含碳原子的多与少进行划分：丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖从3C糖至8C糖天然界都有存在。甘油醛赤藓糖木糖葡萄糖葡庚糖第七张，PPT共七十页，创作于2022年6月自然界中单糖以戊糖、己糖数量最大，结构分多羟基醛、酮的开链、半缩醛环状两种形式天然情况以环状占绝大多数。以葡萄糖为例吡喃环开链O？第八

4、张，PPT共七十页，创作于2022年6月开链C原子结构空间结构吡喃环O半缩醛羟基比其它羟基更活泼第九张，PPT共七十页，创作于2022年6月第十张，PPT共七十页，创作于2022年6月第十一张，PPT共七十页，创作于2022年6月命名时为 （）D（L）糖名椅式构象与糖命名名？D葡萄糖名？D葡萄糖平面结构空间构象第十二张，PPT共七十页，创作于2022年6月水溶液中-D-葡萄糖、-D-葡萄糖和开链结构三者是并存的。第十三张，PPT共七十页，创作于2022年6月戊糖，多为五元环呋喃糖，如核糖 脱氧核糖oo第十四张，PPT共七十页，创作于2022年6月糖的相对甜度甜度是一个比较值，以蔗糖为标准定为1

5、00。第十五张，PPT共七十页，创作于2022年6月小常识（糖为什么是甜的？） 早在20世纪60年代，就有人提出了糖之所以甜，是因为糖类分子中都含有多羟基，多羟基中两个氢原子之间有一定的距离，这个距离恰好能与舌头上的味觉感受器形成化学吻合物。这种化学吻合物可以刺激味觉感受器，使其产生脉冲，进而由神经将脉冲传入大脑，使人感到甜味。 糖精，它的甜度是蔗糖的500倍，过去曾用作糖的代用品。但它不是糖类，它是邻磺酰苯甲酰亚胺，分子结构中根本没有多羟基。 第十六张，PPT共七十页，创作于2022年6月按结构单元数对糖分类单糖：一般是含有3-6个碳原子的多羟基醛或多羟 基酮。最简单的单糖是甘油醛和二羟基丙

6、酮。单糖是构成各种糖分子的基本单位，天然存在的单糖一般都是D型。在糖通式中，单糖的n是从3-7的整数。单糖既可以环式结构形式存在，也可以开链形式存在。单糖就是不能再水解的糖类，是构成各种二糖和多糖的分子的基本单位。自然界已发现的单糖主要是戊糖和己糖。常见的戊糖有D-（-）-核糖、D-（-）-2-脱氧核糖、D-（+）-木糖和L-（+）-阿拉伯糖。它们都是醛糖，以多糖或苷的形式存在于动植物中。常见的己糖有D-（+）-葡萄糖、D-（+）-甘露糖、D-（+）-半乳糖和D-（-）-果糖，前三者为醛糖，后者为酮糖。己糖以游离或结合的形式存在于动植物中。第十七张，PPT共七十页，创作于2022年6月半乳糖甘

7、露糖葡萄糖木糖阿拉伯糖代表性单糖的结构第十八张，PPT共七十页，创作于2022年6月单糖：二糖又名双糖，由二分子的单糖通过糖苷键形成，在一种单糖的还原基团和另一种糖的醇羟基相结合的情况下，显示出与单糖的共同化学性质，诸如还原于Fehling溶液、变旋光化、脎形成等（如麦芽糖、乳糖），通过还原基结合的单糖则无这种性质（如蔗糖、海藻糖）。二糖（双糖）常见的二糖蔗糖：由一分子葡萄糖和一分子果糖脱水缩合形成。纤维二糖：两个D-葡萄糖分子通过构型的1，4键连接起来的。麦芽糖：两个D-葡萄糖分子通过构型的1，4键连接起来的。乳糖：由一分子-D-半乳糖和一分子-D-葡萄糖在-1，4-位形成糖苷键相连。第十九

8、张，PPT共七十页，创作于2022年6月二糖（双糖）的结构蔗糖麦芽糖纤维二糖乳糖第二十张，PPT共七十页，创作于2022年6月寡聚糖定义：由29个单糖基通过苷键键合而成的直糖链或支糖链的聚糖。按单糖数量：分二糖、三糖、四糖等。按还原性分： 还原糖： 有半缩醛羟基，即有C1-OH 或非还原糖：两个单糖都以端基脱水缩合，分子中无半缩醛 羟基。 第二十一张，PPT共七十页，创作于2022年6月多聚糖定义：亦称多糖。一个分子多聚糖水解时能生成10个分子以上单糖的糖叫多聚糖，如菊粉（果聚糖和葡果聚糖）、淀粉和纤维素（葡聚糖），可用通式(C6H10O5)n表示菊粉淀粉纤维素淀粉和纤维素的组成单元均为葡萄糖

9、。第二十二张，PPT共七十页，创作于2022年6月淀粉纤维素第二十三张，PPT共七十页，创作于2022年6月如何利用糖类生物质？第二十四张，PPT共七十页，创作于2022年6月4.2 六碳糖转化制呋喃化学品果糖葡萄糖5-羟甲基糠醛（5-HMF）-3H2O-3H2O第二十五张，PPT共七十页，创作于2022年6月5-羟甲基糠醛（5-HMF）的性质5-HMF（5-hydroxymethylfurfural） （又名5-羟甲基-2-糠醛，羟甲基糠醛，5-羟甲呋喃甲醛或5-羟甲基-2-呋喃甲醛），是一种暗黄色针状结晶，具有甘菊花味，有吸湿性，易液化，需避光低温密封保存。5-HMF可由六碳糖脱水生成，分

10、子中含有一个呋喃环，一个醛基和一个羟甲基，其化学性质比较活泼，可以通过氧化、氢化和缩合等反应制备多种衍生物，是重要的精细化工原料。熔点28-34 C沸点114-116 C 1mm Hg密度1.243 g/mL at 25 C折射率n20/D 1.562闪点79 C储存条件2-8C敏感性对光和空气敏感稳定性对光敏感，易吸水第二十六张，PPT共七十页，创作于2022年6月5-HMF的一些下游转化工艺5-HMF的潜在应用第二十七张，PPT共七十页，创作于2022年6月5-HMF下游产品对石化产品的替代潜力5-HMF的氧化与还原5-HMF的还原与醚化能量密度 30 kJ/cm3能量密度 30.3 kJ

11、/cm3汽油：能量密度 31.1 kJ/cm3；柴油：能量密度 33.6 kJ/cm3；乙醇：能量密度 23.5 kJ/cm3高分子聚合物高分子聚合物第二十八张，PPT共七十页，创作于2022年6月5-HMF的缩合与精炼制备液态烷烃航空燃油C8-C16第二十九张，PPT共七十页，创作于2022年6月乙酰丙酸平台转化示意路线第三十张，PPT共七十页，创作于2022年6月1. 5-HMF具有芳香性结构特点，具有呋喃结构，官能团种类较多。2. 5-HMF主要通过六碳糖脱水制得。3. 5-HMF是一种重要的化工中间体（平台化合物），并不主要作为最终产物。4.以可再生的生物质资源生产5-HMF给新型替代

12、能源的开发提供了参考和发展方向。第三十一张，PPT共七十页，创作于2022年6月生活中可能与5-HMF的接触第三十二张，PPT共七十页，创作于2022年6月4.3 六碳糖转化制呋喃化学品常见的己糖有D-（+）-葡萄糖、D-（+）-甘露糖、D-（+）-半乳糖和D-（-）-果糖，前三者为醛糖，后者为酮糖。己糖以游离或结合的形式存在于动植物中。主反应六碳糖-3 H2O+ H2OHCOOH+humins腐殖质副反应副反应其他化合物分子量126.11分子量180.16第三十三张，PPT共七十页，创作于2022年6月5.3.1果糖转化制5-HMF果糖中含6个碳原子，也是一种单糖，它以游离状态大量存在于水果

13、的浆汁和蜂蜜中，果糖还能与葡萄糖结合生成蔗糖。 纯净的果糖为无色晶体，熔点为103105，它不易结晶，通常为黏稠性液体，易溶于水、乙醇和乙醚。D-果糖是最甜的单糖。sugar-pyranose-pyranose-furanose-furanoseopen-chainFructose2.5%65%6.5%25%0.8%-D-吡喃果糖-D-吡喃果糖-D-呋喃果糖-D-呋喃果糖第三十四张，PPT共七十页，创作于2022年6月果糖转化制5-HMF的影响因素工艺条件催化剂的选择反应温度反应时间底物浓度溶剂或反应体系的选择加热方式非水溶剂中含水量的影响第三十五张，PPT共七十页，创作于2022年6月果糖转

14、化制5-HMF的反应溶剂（体系）水极性有机溶剂水/有机溶剂双相体系离子液体超临界流体第三十六张，PPT共七十页，创作于2022年6月水作溶剂水是最为廉价和绿色的溶剂，但大量作为溶剂对于果糖（或糖类）脱水转化制5-HMF具有负面效应，因其能抑制果糖的脱水，并造成5-HMF的水解。因此，如果采用水作为果糖转化的溶剂，通常与高温或其他特殊方式结合。极性有机溶剂作反应溶剂针对果糖（或糖类）转化制5-HMF的常用溶剂包括：二甲基亚砜（DMSO），N,N-二甲基甲酰胺（DMF），N,N-二甲基乙酰胺（DMA），N-甲基吡咯烷酮（NMP），乙醇，异丙醇等。这些溶剂一方面可能会促进脱水反应的进行，另一方面可能

15、会抑制副反应的发生，但应注意醇类可能与5-HMF发生醚化。第三十七张，PPT共七十页，创作于2022年6月水/有机溶剂双相体系作溶剂水作为溶剂具有诸多优点，但对于5-HMF的生成具有抑制作用，而有机溶剂对于果糖的转化以及5-HMF的稳定性具有正面影响作用。因此，有效地将水与有机溶剂结合成双相体系可能具有如下的优点：1. 水对于糖类的溶解度大，可解决果糖的溶解问题。2. 水的成本较低，且绿色。3. 由于与水溶液分层，生成的5-HMF将会被萃取到有几层中，减少在水溶液中发生副反应的可能。4. 分层后的有机相可以直接分离，并进一步对产物提纯，减少了产物5-HMF从整个反应体系中分离的能耗。第三十八张

16、，PPT共七十页，创作于2022年6月目前较为常用的双相体系包括：水/MIBK（甲基异丁酮），水/THF（四氢呋喃），水-DMSO-PVP/MIBK-异丁醇，水-NaCl/THF等。加入盐的作用是什么？第三十九张，PPT共七十页，创作于2022年6月James A Dumesic第四十张，PPT共七十页，创作于2022年6月离子液体是指全部由离子组成的液体，如高温下的KCI, KOH呈液体状态，此时它们就是离子液体。在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，称为室温离子液体、室温熔融盐、有机离子液体等，目前尚无统一的名称，但倾向于简称离子液体。在离子化合物中，阴阳离子之间的作用力为库仑力

17、，其大小与阴阳离子的电荷数量及半径有关，离子半径越大，它们之间的作用力越小，这种离子化合物的熔点就越低。某些离子化合物的阴阳离子体积很大，结构松散，导致它们之间的作用力较低，以至于熔点接近室温。第四十一张，PPT共七十页，创作于2022年6月离子液体中常见的阳离子和阴离子第四十二张，PPT共七十页，创作于2022年6月第四十三张，PPT共七十页，创作于2022年6月离子液体无味、不燃，其蒸汽压极低，因此可用在高真空体系中，同时可减少因挥发而产生的环境污染问题；离子液体对有机和无机物都有良好的溶解性能，可使反应在均相条件下进行，同时可减少设备体积；可操作温度范围宽（-40300），具有良好的热稳

18、定性和化学稳定性，易与其它物质分离，可以循环利用；表现出 Lewis、Franklin 酸的酸性，且酸强度可调。离子液体的优点离子液体的缺点成本较高潜在毒性第四十四张，PPT共七十页，创作于2022年6月果糖在不同离子液体中转化制5-HMF的性能示例第四十五张，PPT共七十页，创作于2022年6月离子液体在果糖转化为5-HMF反应中可能的优点：1. 非水性溶剂，为果糖的脱水反应提供非水环境；2. 合适的离子液体具有吸水性，可以将果糖以及5-HMF分子周围的水分吸走，促进果糖的脱水以及减少5-HMF可能发生的水解；3. 离子液体对于果糖和催化剂的溶解性较好，可均相进行反应；4. 离子液体经过功能

19、化处理，可以同时作为溶剂与催化剂；5. 采用与离子液体不溶的有机溶剂对产物5-HMF萃取后，离子液体可以重新利用。可能的缺点：1. 对于原料，产物，催化剂的溶解性较好，分离产物不易；2. 不适当的离子液体可能是憎水性的，不能溶解原料，对反应也不利；3. 离子液体中的少量杂质以及均相催化剂很难剔除，因此使用过的离子液体虽可能在萃取产物后继续用于果糖转化，但很难提纯回收用于其他方面，造成成本上升。第四十六张，PPT共七十页，创作于2022年6月超临界流体温度及压力均处于临界点以上的液体。目前应用于果糖转化的常见超临界流体包括：水、丙酮、CO2等。水：Tc= 374.15 oC Pc=22.12 M

20、Pa丙酮： Tc= 235.5 oC Pc=4.72 MPaCO2： Tc= 31 oC Pc=7.4 MPa值得注意的是，水在高温下会展示出酸性，这也有可能对果糖的转化起到催化作用。第四十七张，PPT共七十页，创作于2022年6月果糖转化制5-HMF的催化剂果糖脱水制5-HMF的反应比较容易进行，5-HMF收率一般可达约70%80%以上。催化剂举例无机酸HCl、H2SO4等有机酸甲酸、马来酸等酸性树脂Amberlyst-15等沸石分子筛H-ZSM-5、H-beta等超强固体酸ZrO2/SO42-金属盐金属氯化物、三氟甲磺酸盐等功能化离子液体酸性离子液体碱碱性离子液体无催化剂-第四十八张，PP

21、T共七十页，创作于2022年6月果糖脱水制5-HMF的反应多数情况下是采用酸催化剂，而酸催化剂分为B（Bronsted）酸和L（Lewis）酸，除了有机酸和无机酸外，金属盐以及其他固体酸的活性位都可能归入B酸与L酸之列。Bronsted酸碱理论：凡是能够给出质子(H+)的物质都是酸；凡是能够接受质子的物质都是碱Lewis酸碱理论：酸是电子的接受体，碱是电子的给予体。关于催化剂的使用还应注意其用量的影响，以及某些多相催化剂是否可以重复利用。第四十九张，PPT共七十页，创作于2022年6月催化剂用量影响果糖转化的示例催化剂循环利用性能测试示例第五十张，PPT共七十页，创作于2022年6月非水溶剂中

22、含水量的影响含水量增加含水量增加DMSO中不含催化剂DMSO中含催化剂果糖脱水转化为5-HMF，理想状态下在非水环境中更为有利。但果糖转化脱水不可避免地在体系中引入水分。一般情况下，水量不大时，对5-HMF产率影响不大，而水量逐渐增加，果糖脱水性能会大幅下降。在催化剂存在时，果糖转化对水量的耐受程度可能会略有提高，甚至少量水的存在可能会抑制某些副反应。第五十一张，PPT共七十页，创作于2022年6月含水量影响果糖转化的示例第五十二张，PPT共七十页，创作于2022年6月反应温度和反应时间的影响反应温度提高，通常会提高反应速率，短时间内实现转化率与产率的最大值。但温度过高，或反应时间过长也会造成

23、产物的分解，而体现出产物收率的下降。不同温度和时间情况下果糖转化的示例第五十三张，PPT共七十页，创作于2022年6月加热方式的影响加热方式传统式加热（例如水浴、油浴加热）非传统式加热（例如微波加热）微波加热的特点：微波是在被加热物内部产生的，热源来自物体内部，加热均匀，由于“里外同时加热”大大缩短了加热时间，加热效率高。微波加热的惯性很小，可以实现温度升降的快速控制。传统加热的特点：凭借加热周围的环境，以热量的辐射或通过热空气对流的方式使物体的表面先得到加热，然后通过热传导传导物体的内部。这种方法效率低，加热时间长。使用微波加热，可以使果糖在水溶液中转化，也可在某些非水溶剂中不使用催化剂便将

24、果糖在短时间内转化。第五十四张，PPT共七十页，创作于2022年6月底物浓度的影响根据反应动力学中速率常数的计算，原料浓度越高，反应速率将会越高，但存在的问题是将全部底物转化需要的时间可能会延长，并且由于不能快速完全转化，造成转化率下降，原料相互之间，或与产物之间发生副反应而生成大量副产物。主要优点：单位体积，单位时间内，原料处理量大，产物生成量多，生产成本可降低。主要缺点：产物收率下降，副产物增多，分离提纯的成本会上升。底物浓度底物浓度不同底物浓度对果糖转化影响的示例第五十五张，PPT共七十页，创作于2022年6月果糖转化制5-HMF的最大问题在于：成本第五十六张，PPT共七十页，创作于20

25、22年6月5.3.2 葡萄糖转化制5-HMF葡萄糖，是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛。纯净的葡萄糖为无色晶体，有甜味但甜味不如蔗糖(一般人无法尝到甜味)，易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。水溶液旋光向右，故属于“右旋糖”。葡萄糖在生物学领域具有重要地位，是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物，即生物的主要供能物质。植物可通过光合作用产生葡萄糖。在糖果制造业和医药领域有着广泛应用。-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖-D-呋喃葡萄糖-D-呋喃葡萄糖第五十七张，PPT共七十页，创作于2022年6月长久以来，葡萄糖直接转化为5-HMF都是一个难题，这主要是由于葡萄糖主要以六元吡喃环形

26、式存在，这种结构的化学性质较五元呋喃环形式稳定，不易于转化为5-HMF，这也是造成葡萄糖与果糖转化性能差异的主要原因。sugar-pyranose-pyranose-furanose-furanoseopen-chain果糖2.5%65%6.5%25%0.8%葡萄糖38%62%0.5%0.5%0.002%第五十八张，PPT共七十页，创作于2022年6月葡萄糖转化制5-HMF的影响因素工艺条件催化剂的选择/催化剂的用量反应温度反应时间底物浓度溶剂或反应体系的选择加热方式非水溶剂中含水量的影响第五十九张，PPT共七十页，创作于2022年6月溶剂或反应体系的选择水极性有机溶剂水/有机溶剂双相体系离子

27、液体超临界流体与果糖的转化体系基本类似第六十张，PPT共七十页，创作于2022年6月葡萄糖转化制5-HMF的催化剂葡萄糖转化为5-HMF的突破性进展果糖转化葡萄糖转化溶剂：离子液体EMIMCl，催化剂CrClx，100 oC， 3 hZhao et al. Science, 2007, 316: 1597-1600.第六十一张，PPT共七十页，创作于2022年6月葡萄糖转化为5-HMF的基本策略：需要经过一个两步串联的反应果糖葡萄糖同分异构体异构化脱水直接脱水葡萄糖转化为5-HMF催化剂的基本要求：1.能够催化葡萄糖有效地异构化为果糖；2.能够催化果糖转化为5-HMF；3.不能将5-HMF转化

28、为其他产物（这一点根据实际情况需要而定）。第六十二张，PPT共七十页，创作于2022年6月葡萄糖异构化为果糖的机理：多为碱催化， Lobry de Bruyn在1895年报道。常用的碱催化剂：NaOH、KOH、Na2CO3、NaHCO3、水滑石（固体碱）、有机胺碱催化剂存在的问题：不能有效地催化果糖转化为5-HMF，并且糖类在碱性条件下会发生大量副反应，稳定性差。第六十三张，PPT共七十页，创作于2022年6月金属催化剂催化葡萄糖异构化为果糖的机理金属催化剂主要依靠活性金属中心与葡萄糖的1,2位氧原子发生作用，并进一步实现葡萄糖的异构化。注意：不论碱催化剂还是金属催化剂（Lewis酸）都能够与葡萄糖和果糖发生作用，意味着这种异构化存在可逆的现象。采用酶催化葡萄糖异构化时，在水溶液中反应平衡后的比例为50%葡萄糖，42%果糖，8%其他。这意味着果糖的产率可能存在最大值不超过50%。第六十四张，PPT共七十页，创作于2022年6月葡萄糖转化制5-HMF的催化剂目前关于葡萄糖转化制5-