Catalytic production of levulinic a

Catalytic production of levulinic acid from cellulose and other biomass-derived carbohydrates with sulfonated hyperbranched poly(arylene oxindole)s
Stijn Van de Vyver,a Joice Thomas,b Jan Geboers,a Stefaan Keyzer,a Mario Smet,*bWim Dehaen,b Pierre A. Jacobsa and Bert F. Sels*a
Received 5th April 2011,
Accepted 7th July 2011 DOI: 10.1039/c1ee01418h
Innovative catalyst design holds the key to fundamental advances in the transformation of cellulose to chemicals and transportation fuels, both of which are vital to meet the challenge of increasing energy costs and the finite nature of fossil fuel reserves. Here we report on the functionalization, characterization and successful application of sulfonated hyperbranched poly(arylene oxindole)s for the direct catalytic conversion of cellulose to levulinic acid. The use of water-soluble hyperbranched polymers in combination with ultrafiltration is conceptually novel and opens new horizons in the aqueous-phase processing of cellulose substrates with various degrees of crystallinity. Compared to most conventional types of acid catalysts, these highly acidic polymers demonstrate superior catalytic performance in terms of both activity and selectivity. Additionally, this molecular approach can be successfully transferred to the acid-catalyzed degradation of other abundant biomass resources, including starch, inulin and xylan. 1. Introduction
The selective conversion of cellulosic biomass by mono- and bifunctional catalysts is of major industrial importance, and improving its efficiency and selectivity towards value-added products remains a prime objective.1–14 Examples are the reduc-tive splitting of cellulose to sorbitol and mannitol,15–28precursors in the production of plastics and pharmaceuticals, and sacchar-ification of cellulose to glucose,29–38,119 which amongst others, offers a feedstock for bio-ethanol production. Likewise, ethylene glycol, obtainable from hydrogenolysis of cellulose,39–41serves as an intermediate for the manufacture of polyester fibers and as anti-freeze agent. However, for incorporation in catalytic a
Centre for Surface Chemistry and Catalysis, Katholieke Universiteit Leuven, Kasteelpark Arenberg 23, 3001 Heverlee, Belgium. E-mail: bert. [e-mail]; Fax: [phone]; Tel: [phone] bDepartment of Chemistry, Katholieke Universiteit Leuven, Celestijnenlaan 200F, 3001 Heverlee, Belgium. E-mail: [e-mail]; Fax: [phone] † Electronic supplementary information (ESI) available: Additional experimental and analytical information; SEM images, XRD patterns, IR spectra and CP/MAS 13C NMR spectra of the cellulose samples; 1H NMR characterization of the hyperbranched poly(arylene oxindole)s before and after sulfonation. See DOI: 10.1039/c1ee01418h Broadercontext Lignocellulosic biomass has the potential to supplement petroleum-derived hydrocarbons as a renewable feedstock for production of liquid transportation fuels and a range of industrially important platform chemicals. One of the key catalytic strategies in the biorefinery concept is the depolymerization of the lignocellulosic matrix in order to obtain smaller molecules that can be selectively transformed to functional intermediates with fewer oxygenated groups, thereby creating a chemical bridge to existing petrochemical processes. Current research breakthroughs focus on fuel platforms based on levulinic acid, such as methyltetrahydrofuran, alkyl valerate esters and liquid alkenes. Levulinic acid, identified by the US Department of Energy as one of the top 10 carbohydrate-derived target chemicals, can be produced from cellulose in aqueous reaction mediaviaa Brønsted acid-catalyzed reaction sequence. However, when one considers the commercialized production of levulinic acid using dilute sulfuric acid, and reflects that this method has been hampered in large part by the complicated product isolation and purification, one can immediately see the incentive for catalytic chemists and engineers to advance the design of new recyclable catalysts. Herein, we present the application of a novel class of materials, the so-called sulfonated hyperbranched poly(arylene oxindole)s, which should extend the portfolio of acid catalysts for hydrolysis of biomass-derived carbohydrates.

Kết quả (Việt) 1:

Chất xúc tác sản lượng axit levulinic từ cellulose và carbohydrate khác nhiên liệu sinh học có nguồn gốc với sulfonated hyperbranched poly(arylene oxindole) s Stijn Van de Vyver, Thomas Joice, b Jan Geboers, Stefaan Keyzer, một Mario Smet, * bWim Dehaen, b Pierre A. Jacobsa và Bert F. Sels * một Nhận được 05 tháng 4 năm 2011 Chấp nhận 07 tháng 7 2011 DOI: 10.1039/c1ee01418h Chất xúc tác sáng tạo thiết kế giữ chìa khóa để cơ bản tiến bộ trong sự chuyển đổi cellulose hóa chất và nhiên liệu giao thông vận tải, cả hai đều là quan trọng để đáp ứng những thách thức của việc tăng chi phí năng lượng và tính chất hữu hạn của nhiên liệu hóa thạch dự trữ. Ở đây chúng tôi báo cáo về functionalization, đặc tính và các ứng dụng thành công của sulfonated hyperbranched poly(arylene oxindole) s để trực tiếp chuyển đổi xúc tác cellulose levulinic axít. Việc sử dụng các polyme hòa tan trong nước hyperbranched kết hợp với siêu lọc là khái niệm mới lạ và mở ra chân trời mới vào dung dịch nước pha xử lý cellulose chất với các mức độ khác nhau của crystallinity. So với thông thường đặt các loại chất xúc tác axít, các polyme có tính axit cao chứng minh chất xúc tác hiệu suất vượt trội về hoạt động và chọn lọc. Ngoài ra, cách tiếp cận phân tử này có thể được chuyển giao thành công cho sự xuống cấp xúc tác axít của các nguồn lực dồi dào nhiên liệu sinh học, bao gồm cả tinh bột, inulin và xylan. 1. giới thiệu Chuyển đổi chọn lọc của nhiên liệu sinh học cellulose bởi mono - và chất xúc tác bifunctional của tầm quan trọng công nghiệp lớn, và cải thiện hiệu quả và chọn lọc đối với sản phẩm giá trị gia tăng của nó vẫn còn một thủ tướng objective.1–14 ví dụ là reduc-hoạt động cùng tách cellulose sorbitol và mannitol, 15-28precursors trong sản xuất nhựa, dược phẩm và sacchar-Anh cellulose để glucose, 29-38,119 mà trong số những người khác , cung cấp một nguyên liệu cho bio-ethanol sản xuất. Tương tự như vậy, ethylene glycol, có thể đạt được từ hydrogenolysis cellulose, 39-41serves như là một trung gian để sản xuất sợi polyester và là đại lý chống đóng băng. Tuy nhiên, cho các kết hợp trong xúc tác mộtTrung tâm bề mặt hóa học và xúc tác, Katholieke Universiteit Leuven, Kasteelpark Arenberg 23, 3001 Heverlee, Bỉ. E-mail: bert. [e-mail]; Số Fax: + 32 1632 1998; Điện thoại: + 32 1632 1593 bDepartment của hóa học, Katholieke Universiteit Leuven, Celestijnenlaan 200F, 3001 Heverlee, Bỉ. Thư điện tử: [e-mail]; Số Fax: + 32 1632 7990 † bổ sung thông tin điện tử (ESI) có sẵn: thêm thử nghiệm và phân tích thông tin; Hình ảnh SEM, mô hình XRD, IR quang phổ và quang phổ NMR CP/MAS 13C cellulose mẫu; 1giờ NMR đặc tính của hyperbranched poly (aryle oxindole) s trước và sau khi sulfonation. Xem DOI: các nhiên liệu sinh học Broadercontext lignocellulo 10.1039/c1ee01418h có tiềm năng để bổ sung nguồn gốc dầu mỏ hydrocacbon như một nguyên liệu tái tạo để sản xuất nhiên liệu lỏng giao thông vận tải và một loạt các nền tảng quan trọng trong công nghiệp hóa chất. Một trong những chiến lược xúc tác quan trọng trong khái niệm biorefinery là depolymerization của ma trận lignocellulo để có được các phân tử nhỏ có thể được chọn lọc biến đổi để trung gian chức năng với ít hơn ôxy nhóm, do đó việc tạo ra một cây cầu hóa học để hiện tại các quá trình hóa dầu. Hiện tại nghiên cứu đột phá tập trung vào nhiên liệu nền tảng dựa trên levulinic acid, chẳng hạn như methyltetrahydrofuran, ankyl valerate Este và chất lỏng anken. Axít levulinic, xác định bởi các chúng tôi bộ năng lượng là một trong top 10 bắt nguồn carbohydrate mục tiêu hóa chất, có thể được sản xuất từ cellulose trong dung dịch nước phản ứng mediaviaa Brønsted xúc tác axít phản ứng chuỗi. Tuy nhiên, khi một trong những xem xét thương mại hóa sản xuất axit levulinic bằng cách sử dụng axít sulfuric loãng, và phản ánh rằng phương pháp này đã bị cản trở một phần lớn bởi các sản phẩm phức tạp cô lập và tinh chế, có thể ngay lập tức thấy ưu đãi cho các nhà hóa học xúc tác và kỹ sư để nâng cao thiết kế mới tái chế chất xúc tác. Ở đây, chúng tôi trình bày các ứng dụng của một lớp học tiểu thuyết của vật liệu, cái gọi là sulfonated hyperbranched poly(arylene oxindole) s, mà nên mở rộng danh mục đầu tư của chất xúc tác axít cho các thủy phân của nhiên liệu sinh học bắt nguồn carbohydrate.

Kết quả (Việt) 2:

Sản xuất xúc tác axit levulinic từ cellulose và carbohydrate sinh khối có nguồn gốc khác với sunfonat nhiều hyperbranched (arylene oxindole) s
Stijn Van de Vyver, một Joice Thomas, b Jan Geboers, một Stefaan KEYZER, một Mario Smet, * bWim Dehaen, b Pierre A . Jacobsa và Bert F. SELS * a
05 tháng tư năm 2011, đã nhận
được chấp nhận 07 tháng 7 năm 2011 DOI: 10,1039 / c1ee01418h
thiết kế sáng tạo chất xúc tác nắm giữ chìa khóa để tiến cơ bản trong việc chuyển đổi cellulose với hóa chất và nhiên liệu giao thông, cả hai đều là quan trọng để đáp ứng thách thức trong việc tăng chi phí năng lượng và các chất hữu hạn của dự trữ nhiên liệu hóa thạch. Dưới đây chúng tôi báo cáo về các functionalization, đặc tính và ứng dụng thành công của sulfo nhiều hyperbranched (arylene oxindole) s cho việc chuyển đổi xúc tác trực tiếp của cellulose thành acid levulinic. Việc sử dụng các polyme hyperbranched tan trong nước kết hợp với siêu lọc là cuốn tiểu thuyết về khái niệm và mở ra những chân trời mới trong việc xử lý dung dịch nước pha của chất cellulose với mức độ khác nhau của tinh thể. So với hầu hết các loại thông thường của các chất xúc tác axit, những polyme có tính axit cao chứng tỏ hiệu suất xúc tác vượt trội cả về hoạt động và tính chọn lọc. Ngoài ra, phương pháp phân tử này có thể được chuyển giao thành công cho sự xuống cấp axit xúc tác các nguồn tài nguyên sinh khối dồi dào khác, bao gồm tinh bột, inulin và xylan. 1. Giới thiệu
Việc chuyển đổi có chọn lọc các sinh khối cellulose bằng chất xúc tác mono- và nhị chức có tầm quan trọng công nghiệp lớn, và nâng cao hiệu quả và tính chọn lọc của nó đối với các sản phẩm giá trị gia tăng vẫn còn là một ví dụ objective.1-14 thủ là tách reduc-chính kịp thời của cellulose để sorbitol và mannitol, 15-28precursors trong việc sản xuất các chất dẻo và dược phẩm, và sacchar-ification của cellulose thành glucose, 29-38,119 đó giữa những người khác, cung cấp nguyên liệu cho sản xuất ethanol sinh học. Tương tự như vậy, ethylene glycol, có thể đạt được từ quá trình thủy phân của cellulose, 39-41serves như một trung gian cho việc sản xuất sợi polyester và là chất chống đóng băng. Tuy nhiên, để kết hợp với xúc tác một
Trung tâm cho bề mặt hóa học và xúc tác, Katholieke Universiteit Leuven, Kasteelpark Arenberg 23, 3001 Heverlee, Bỉ. E-mail: bert. [e-mail]; Fax: [phone]; Tel: [phone] bDepartment Hóa học, Katholieke Universiteit Leuven, Celestijnenlaan 200F, 3001 Heverlee, Bỉ. E-mail: [e-mail]; Fax: [phone] † điện tử thông tin bổ sung (ESI) có sẵn: thông tin thử nghiệm và phân tích bổ sung; Hình ảnh SEM, mẫu XRD, IR và phổ CP / MAS 13C NMR quang phổ của các mẫu cellulose; 1H NMR đặc tính của nhiều hyperbranched (arylene oxindole) s trước khi sulfonation. Xem DOI: 10,1039 / c1ee01418h sinh khối Broadercontext chứa lignocellulosic có tiềm năng để bổ sung hydrocarbon dầu mỏ có nguồn gốc làm nguyên liệu tái tạo cho sản xuất nhiên liệu vận chuyển chất lỏng và một loạt các hóa chất công nghiệp nền tảng quan trọng. Một trong những chiến lược xúc tác quan trọng trong khái niệm biorefinery là depolymerization của ma trận lignocellulose để có được các phân tử nhỏ có thể được chọn lọc để chuyển đổi trung gian chức năng với ít nhóm oxy hóa, do đó tạo ra một cầu nối để các quá trình hóa học hóa dầu hiện có. Đột phá nghiên cứu hiện nay tập trung vào nền tảng nhiên liệu dựa trên acid levulinic, như methyltetrahydrofuran, este alkyl valerate và alkene lỏng. Axit Levulinic, xác định bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là một trong những mục tiêu hàng đầu 10 hóa chất carbohydrate có nguồn gốc, có thể được sản xuất từ cellulose trong dung dịch nước phản ứng mediaviaa Bronsted chuỗi phản ứng axit xúc tác. Tuy nhiên, khi xem xét việc sản xuất thương mại hóa của axit levulinic sử dụng pha loãng axit sulfuric, và phản ánh rằng phương pháp này đã bị cản trở phần lớn bởi sự cô lập sản phẩm phức tạp và tinh chế, người ta có thể thấy ngay sự khuyến khích đối với các nhà hóa học xúc tác và kỹ sư để tiến thiết kế chất xúc tác tái chế mới. Ở đây, chúng tôi trình bày các ứng dụng của một nhóm các vật liệu, cái gọi là nhiều hyperbranched sunfonat (arylene oxindole) s, mà nên mở rộng danh mục đầu tư của các chất xúc tác axit thủy phân của carbohydrates sinh khối có nguồn gốc từ.