一种利用木质素高产率制备4-乙烯基苯酚的方法

文档序号:931664 发布日期:2021-03-05 浏览:28次 >En<

阅读说明:本技术 一种利用木质素高产率制备4-乙烯基苯酚的方法 (Method for preparing 4-vinylphenol by using lignin at high yield ) 是由 杨海平 宫梦 陈伟 陈应泉 邵敬爱 曾阔 张�雄 王贤华 张世红 陈汉平 于 2020-12-04 设计创作,主要内容包括:本发明属于生物质利用领域,并具体公开了一种利用木质素高产率制备4-乙烯基苯酚的方法,其包括如下步骤:S1确定木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径,计算反应路径中各反应步骤所需的反应能垒,其中最高的反应能垒值为反应路径的反应能垒;S2筛选出可将反应路径的反应能垒降低至预设范围内的供氢体,以利用该供氢体促进木质素热解反应过程中关键中间体的生成,进而产生更多的4-乙烯基苯酚;S3将干燥的木质素置入热解反应器中,并通入筛选出的供氢体与惰性气体的混合气体,在预设温度下反应预设时间,以此制备获得富含4-乙烯基苯酚的液体油。本发明工艺简单、操作方便、成本低廉,能将木质素高效的转化为高价值4-乙烯基苯酚。(The invention belongs to the field of biomass utilization, and particularly discloses a method for preparing 4-vinylphenol by utilizing lignin at a high yield, which comprises the following steps: s1, determining a reaction path of 4-vinylphenol generated by pyrolysis of lignin, and calculating reaction energy barriers required by each reaction step in the reaction path, wherein the highest reaction energy barrier value is the reaction energy barrier of the reaction path; s2, screening out a hydrogen donor which can reduce the reaction energy barrier of the reaction path to a preset range, so as to promote the generation of a key intermediate in the lignin pyrolysis reaction process by using the hydrogen donor, and further generate more 4-vinylphenol; s3, putting the dried lignin into a pyrolysis reactor, introducing the mixed gas of the screened hydrogen donor and the inert gas, and reacting for a preset time at a preset temperature to prepare the liquid oil rich in 4-vinylphenol. The method has the advantages of simple process, convenient operation and low cost, and can efficiently convert the lignin into the high-value 4-vinylphenol.)

一种利用木质素高产率制备4-乙烯基苯酚的方法

技术领域

本发明属于生物质利用领域,更具体地,涉及一种利用木质素高产率制备4-乙烯基苯酚的方法。

背景技术

生物质作为一种储量巨大的可再生碳质资源,可以转化为燃料、化学品和材料,被认为是替代化石燃料的有前途的替代品。在生物质的主要成分中,木质素比例占15-40%,占总能量的40%左右。木质素是自然界中主要的芳香族聚合物,由对香豆素、松柏油基和辛烷醇组成,具有生产简单芳香族化合物的潜力,如苯酚、苯、甲苯、二甲苯等。

其中,4-乙烯基苯酚作为一种高价值的平台化合物,广泛应用于油墨、树脂、橡胶、食品香料及医用等行业。在工业上,4-乙烯基苯酚主要由化石原料和昂贵的催化剂经多步法生产,不仅加剧了不可再生能源紧张,一些催化剂还可能造成环境污染,并且需要较高的制备和筛选催化剂的成本。目前4-乙烯基苯酚的制备较为困难,其产量远不能满足市场要求,且价格高达2500元/公斤以上。虽然传统的木质素热解可以得到一些酚类物质,但是其中4-乙烯基苯酚的选择性和含量较低,不利于后续的分离和提纯。为了提高4-乙烯基苯酚的产率,必须深入了解木质素生成4-乙烯基苯酚的反应机理,在此基础上开发新型高效、低成本的制备4-乙烯基苯酚的方法,有利于生物质高值化利用和4-乙烯基苯酚的大规模生产。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种利用木质素高产率制备4-乙烯基苯酚的方法,其通过预先的供氢体筛选步骤以筛选出合适的供氢体,然后正式制备4-乙烯基苯酚时加入该供氢体,以高产率制备4-乙烯基苯酚,具有工艺简单、操作方便、成本低廉等优点,能将木质素高效的转化为高价值的4-乙烯基苯酚。

为实现上述目的,本发明提出了一种利用木质素高产率制备4-乙烯基苯酚的方法,其包括如下步骤:

S1确定木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径,计算反应路径中各反应步骤所需的反应能垒,其中最高的反应能垒值为反应路径对应的反应能垒;

S2筛选出可将反应路径的反应能垒降低预设比例的供氢体,以利用该供氢体促进木质素热解反应过程中关键中间体的生成,进而产生更多的4-乙烯基苯酚;

S3将干燥的木质素置入热解反应器中,并通入筛选出的供氢体与惰性气体的混合气体,在预设温度下反应预设时间,以此制备获得富含4-乙烯基苯酚的液体油。

作为进一步优选的,步骤S1中采用如下方式确定反应路径:将木质素置入热解反应器中通入惰性气体,在预设温度下反应预设时间得到热解产物分布,采用密度泛函理论根据热解产物分布确定木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径,并计算反应路径中各反应步骤所需的反应能垒。

作为进一步优选的,确定反应路径时,通入的惰性气体为氩气或氮气,气体流量为200mL/min~600mL/min,热解温度为400℃~800℃,反应时间为10min~60min。

作为进一步优选的,计算反应能垒时,所有物质的能量均采用298.15K~1073.15K和1atm下的焓值。

作为进一步优选的,步骤S2中预设比例为20%以上。

作为进一步优选的,步骤S2具体包括如下子步骤:

S21确定加入供氢体后木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径,然后计算反应路径中各反应步骤所需的反应能垒,其中最高的反应能垒值为反应路径对应的反应能垒;

S22将步骤S21确定的反应路径的反应能垒与步骤S1确定的反应路径的反应能垒进行比较,筛选出能将反应能垒降低预设比例的供氢体作为所需的供氢体。

作为进一步优选的,步骤S21中采用密度泛函理论确定加入供氢体后木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径,并计算反应路径中各反应步骤所需的反应能垒。

作为进一步优选的,所述木质素为碱木质素、磨木木质素、硫酸盐木质素、有机溶剂木质素中的一种或多种;所述供氢体为甲烷或氨气。

作为进一步优选的,步骤S3中,惰性气体为氩气或氮气,混合气体总流量为200mL/min~600mL/min,供氢体体积比例为10%以上。

作为进一步优选的,步骤S3中,干燥温度为50℃~150℃,干燥时间为15h~48h;木质素的热解温度为400℃~800℃,反应时间为10min~60min。

总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,主要具备以下的技术优点:

1.本发明提出在正式制备4-乙烯基苯酚之前先模拟计算木质素热解反应的反应能垒,并据此筛选出合适的供氢体,然后基于筛选出的供氢体进行木质素的热解反应,以高产率制备4-乙烯基苯酚,通过该方式可大大提高4-乙烯基苯酚的产率,实现生物质的高值化利用和4-乙烯基苯酚的大规模生产。

2.本发明根据热解产物分布确定木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径,可确定出木质素热解生成4-乙烯基苯酚最可能的反应路径,以该反应路径的反应能垒作为筛选供氢体的参考,可大大提高筛选结果的可靠性。

3.本发明基于密度泛函理论计算木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径的反应能垒,可优选出降低木质素热解反应生成4-乙烯基苯酚的反应能垒的供氢体,同时可降低供氢体的筛选成本,且利用该供氢体可有效促进4-乙烯基苯酚的形成,提高4-乙烯基苯酚的产率。

4.本发明在基于密度泛函理论计算木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径的反应能垒时,所有物质的能量均采用298.15K~1073.15K和1atm下的焓值,以获得对应温度下的焓值,便于反应能垒的有效计算。

5.通过本发明提出的供氢体筛选方法,筛选出了合适的供氢体甲烷和氨气,且发现氨气降低反应能垒的比例更高,氨气参与的反应路径具有较低的反应能垒为260.63kJ/mol,促进4-乙烯基苯酚形成的效果更好,且实验中氨气参与木质素热解得到的4-乙烯基苯酚产率也较高,故氨气可作为最优的供氢体。

6.通过本发明的方法制备得到的4-乙烯基苯酚具有很高的产率,可达4.89wt.%,为后续的进一步分离和提纯提供了良好的条件。

7.本发明方法可预测木质素热解生成4-乙烯基苯酚的关键步骤(即最高反应能垒对应的步骤),并筛选出促进4-乙烯基苯酚形成的供氢体,有利于降低供氢体的筛选成本,提高4-乙烯基苯酚的产率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种利用木质素高产率制备4-乙烯基苯酚方法的示意图;

图2是在氩气气氛下木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径图;

图3是在氢气气氛下木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径图;

图4是在氨气气氛下木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应途径图;

图5是木质素热解生成4-乙烯基苯酚的产率分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示,本发明实施例提供了一种利用木质素高产率制备4-乙烯基苯酚的方法,其包括如下步骤:

S1确定木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径,计算反应路径中各反应步骤所需的反应能垒,其中最高的反应能垒值为反应路径对应的反应能垒,最高反应能垒对应的步骤为决速步骤;

S2筛选可将反应路径的反应能垒(即决速步骤的反应能垒)降低至预设范围内的供氢体,以利用该供氢体促进木质素热解反应过程中关键中间体的生成,进而产生更多的4-乙烯基苯酚;

S3将干燥的木质素置入热解反应器中,并通入筛选出的供氢体与惰性气体的混合气体,在预设温度下反应预设时间,挥发份经过冷凝即可得到富含4-乙烯基苯酚的液体油。

具体的,步骤S1中采用如下方式确定反应路径:将木质素置入热解反应器中,通入惰性气体,在预设温度下反应预设时间后得到热解产物分布,然后根据热解产物分布确定木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径。其中,通入的惰性气体为氩气或氮气,气体流量为200mL/min~600mL/min,热解温度为400℃~800℃,反应时间为10min~60min,在该热解工艺下,可保证4-乙烯基苯酚的有效生成。具体的,根据得到的产物及随着温度的含量变化设计出路径,其利用gaussian软件采用密度泛函理论(DFT)进行模拟计算即可,具体如何利用DFT理论计算反应路径,其为现有技术,在此不赘述。一般木质素热解断裂可通过自由基反应或者协同反应进行,所以本发明利用DFT理论进行反应路径模拟时,主要进行自由基反应和协同反应的反应路径的设计。

进一步的,本发明采用密度泛函理论(DFT)计算反应路径中各反应步骤所需的反应能垒,木质素热解过程中一般涉及反应物、中间体、过渡态和产物,通过密度泛函理论(DFT)对各物质进行几何结构的完全优化和频率计算即可得到每个物质的焓值,然后利用当前物质的焓值减去前一个物质的焓值即可得到对应步骤的反应能垒,例如过渡态的焓值减去前一个反应物例如中间体的焓值即为对应的反应能垒,具体如何利用DTF计算反应能垒,其同样为现有技术,不再赘述。计算反应能垒时,所有物质的能量均采用298.15K~1073.15K和1atm下的焓值,通过采用298.15K~1073.15K和1atm下的焓值,可得到不同温度下的焓值。采用的密度泛函理论计算的相关泛函为M06-2X、B3LYP、M06-L中的任意一种。

具体的,将决速步骤的反应能垒降低至预设范围内具体指所筛选的供氢体能够将决速步骤的反应能垒降低20%以上,以这个标准筛选出的供氢体,可有效促进目标产物生成,节约了实验筛选的成本。

进一步的,步骤S3中,惰性气体为氩气或氮气,混合气体总流量为200mL/min~600mL/min,供氢体体积比例为10%以上,在该工艺下,可保证供氢体促进产物形成的效果,以有效发挥供氢体的作用,提高4-乙烯基苯酚的产率。步骤S3中,干燥温度为50℃~150℃,干燥时间为15h~48h,在该工艺下,可有效脱除木质素中的水分。步骤S3中,木质素的热解温度为400℃~800℃,反应时间为10min~60min,该工艺与确定反应路径时采用的工艺保持一致,在该热解工艺下,有利于木质素热解生成4-乙烯基苯酚。

更进一步的,采用如下步骤筛选可将反应路径的反应能垒降低预设比例的供氢体:

S21确定加入供氢体后木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径,然后计算反应路径中各反应步骤所需的反应能垒,其中最高的反应能垒值为反应路径对应的反应能垒,其与步骤S1一样,利用gaussian软件采用密度泛函理论(DFT)进行模拟计算得到反应路径及反应能垒;

S22将步骤S21确定的反应路径的反应能垒与步骤S1确定的反应路径的反应能垒进行比较,筛选出能将反应能垒降低预设比例的供氢体作为所需的供氢体,例如步骤S21确定的反应路径的反应能垒为a,步骤S1确定的反应路径的反应能垒为b,降低比例=(b-a)/b,该降低比例在预设范围内即可。

本发明涉及的木质素为碱木质素、磨木木质素、硫酸盐木质素、有机溶剂木质素中的一种或多种。常用的供氢体有氢气、甲烷、水蒸气、氨气,通过本发明筛选出的合适的供氢体为甲烷和氨气。

以下为本发明的具体实施例。

实施例1

本实施例阐述一种基于密度泛函理论计算筛选供氢体用于木质素热解制备4-乙烯基苯酚的方法,具体包括如下步骤:

S1:将2g碱木质素置入热解反应器中进行热解,通入惰性气体氩气,在反应器加热到500℃后,反应时间为30min,使其充分分解,氩气总流量为200mL/min,得到热解产物分布,基于热解产物分布利用gaussian软件采用密度泛函理论(DFT)进行自由基反应和协同反应的反应路径的设计,分别为反应路径A和B,如图2所示;

S2:采用密度泛函理论(DFT)M06-2X方法对步骤S1中的反应物、中间体、过渡态和产物进行几何结构的完全优化和频率计算,所有物质的能量均采用773.15K和1atm下的焓值,得到木质素转化为4-乙烯基苯酚的决速步骤均为脱甲氧基反应,反应路径A和B决速步骤的反应能垒分别为429.69kJ/mol和445.94kJ/mol,也即反应路径A和B的反应能垒分别为429.69kJ/mol和445.94kJ/mol,生成4-乙烯基苯酚的关键中间体为2-甲氧基-4-乙烯基苯酚;

S3:选取供氢体氢气,利用gaussian软件采用密度泛函理论(DFT)M06-2X得到氢气对木质素热解生成4-乙烯基苯酚的作用路径C,如图3所示,并计算反应路径C的反应能垒291.77kJ/mol,即以反应路径C的各反应步骤中最高的反应能垒作为该路径的反应能垒,对比自由基反应路径A的高能垒429.69kJ/mol,加入氢气后降低反应能垒的比例为32.1%;而在协同反应中,氢气易于与4-乙烯基苯酚的双键加成生成4-乙基苯酚,不利于4-乙烯基苯酚的生成。因此,氢气不能同时满足降低反应路径A和B的反应能垒以促进4-乙烯基苯酚生成的要求,不能有效促进4-乙烯基苯酚的生成;

S4:选取供氢体甲烷,利用gaussian软件采用密度泛函理论进行自由基反应和协同反应的反应路径的模拟,对比自由基反应路径A的反应能垒429.69kJ/mol,加入甲烷后自由基反应路径的反应能垒为329.54kJ/mol,降低比例为23.3%,大于20%;对比协同反应路径B的反应能垒445.94kJ/mol,加入甲烷后协同反应路径的反应能垒为343.24kJ/mol,降低比例为23.0%,大于20%,可见,甲烷符合供氢体筛选要求,有利于促进4-乙烯基苯酚的生成。

S5:将碱木质素放入60℃烘箱干燥36h后,在反应器进行热解,在反应器加热到指定温度500℃后,将2g碱木质素快速送入反应器中部,反应时间为30min,使木质素充分分解,氩气和甲烷总流量为200mL/min,甲烷体积比例为10%,经过快速冷却挥发份,得到含4-乙烯基苯酚的液体油,4-乙烯基苯酚的绝对产率为2.47wt.%,另外热解气副产物可以用作燃气,用于发电、集中供气、供暖等以及焦炭可作为吸附剂、催化剂、肥料等,加入甲烷后,4-乙烯基苯酚的绝对产率提高。将碱木质素放入60℃烘箱干燥36h后,在反应器进行热解,在反应器加热到指定温度500℃后,将2g碱木质素快速送入反应器中部,反应时间为30min,使木质素充分分解,氩气和氢气总流量为200mL/min,氢气体积比例为10%,经过快速冷却挥发份得到含4-乙烯基苯酚的液体油,4-乙烯基苯酚的绝对产率为0.78wt.%,加入氢气后产率没有提高,与模拟结果一致,氢气不符合筛选供氢体的要求。

实施例2

S1:将2g碱木质素置入热解反应器中进行热解,通入惰性气体氩气,在反应器加热到指定温度500℃后,反应时间为30min,使其充分分解,氩气总流量为200mL/min,得到热解产物分布,基于热解产物分布利用gaussian软件采用密度泛函理论(DFT)进行自由基反应和协同反应的反应路径的设计,分别为反应路径A和B,如图2所;

S2:采用密度泛函理论(DFT)M06-2X方法对步骤S1各反应路径中的反应物、中间体、过渡态和产物进行几何结构的完全优化和频率计算,所有物质的能量均采用773.15K和1atm下的焓值,得到木质素转化为4-乙烯基苯酚的决速步骤均为脱甲氧基反应,反应路径A和B的反应能垒分别为429.69kJ/mol和445.94kJ/mol,生成4-乙烯基苯酚的关键中间体为2-甲氧基-4-乙烯基苯酚;

S3:选取供氢体水蒸气,利用gaussian软件采用密度泛函理论进行自由基反应和协同反应的反应路径的模拟,对比自由基反应路径的反应能垒429.69kJ/mol,加入水蒸气后自由基反应路径的反应能垒为202.51kJ/mol,降低比例为29.6%,大于20%;对比协同反应路径的反应能垒445.94kJ/mol,加入水蒸气后协同反应路径的反应能垒为427.65kJ/mol,降低比例为4.1%,小于20%,因此,水蒸气不能同时满足降低两种反应能垒比例的要求,不能有效促进4-乙烯基苯酚的生成;

S4:将碱木质素放入60℃烘箱干燥36h后,在反应器进行热解,在反应器加热到指定温度500℃后,将2g碱木质素快速送入反应器中部,反应时间为30min,使木质素充分分解,氩气和水蒸气气总流量为200mL/min,甲烷体积比例为10%,经过快速冷却挥发份,得到含4-乙烯基苯酚的液体油,4-乙烯基苯酚的绝对产率为0.91wt.%,加入水蒸气后产率没有提高,与计算结果一致,水蒸气不符合筛选供氢体的要求;

S5:选取其他供氢体,重复步骤S3以筛选出合适的供氢体,然后以筛选出的供氢体以S4同样的操作步骤进行4-乙烯基苯酚的液体油的制备。

实施例3

S1:将2g磨木木质素置入热解反应器中进行热解,通入惰性气体氮气,在反应器加热到指定温度400℃后,反应时间为50min,使其充分分解,氮气总流量为600mL/min,得到热解产物分布,基于热解产物分布利用gaussian软件采用密度泛函理论(DFT)进行自由基反应和协同反应的反应路径的设计,分别为反应路径A和B,如图2所;

S2:采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法对步骤S1各反应路径中的反应物、中间体、过渡态和产物进行几何结构的完全优化和频率计算,所有物质的能量均采用673.15K和1atm下的焓值,得到木质素转化为4-乙烯基苯酚的决速步骤均为脱甲氧基反应,反应路径A和B的反应能垒分别为389.69kJ/mol和405.94kJ/mol,生成4-乙烯基苯酚的关键中间体为2-甲氧基-4-乙烯基苯酚;

S3:选取供氢体水蒸气,利用gaussian软件采用密度泛函理论进行自由基反应和协同反应的反应路径的模拟,对比自由基反应路径的反应能垒389.69kJ/mol,加入水蒸气后反应能垒为274.34kJ/mol,降低比例为29.6%,大于20%。对比协同反应路径的反应能垒405.94kJ/mol,加入水蒸气后反应能垒为389.kJ/mol,降低比例为4.1%,小于20%,因此,水蒸气不能同时满足降低所有反应路径反应能垒比例的要求,不能有效促进4-乙烯基苯酚的生成;

S4:将磨木木质素放入120℃烘箱干燥15h后,在反应器进行热解,在反应器加热到指定温度400℃后,将2g硫酸盐木质素快速送入反应器中部,反应时间为50min,使木质素充分分解,氮气和水蒸气总流量为600mL/min,甲烷体积比例为30%,经过快速冷却挥发份,得到含4-乙烯基苯酚的液体油,4-乙烯基苯酚的绝对产率为0.91wt.%,加入水蒸气后产率没有提高,与计算结果一致,水蒸气不符合筛选供氢体的要求;

S5:选取其他供氢体,重复步骤S3以筛选出合适的供氢体,然后以筛选出的供氢体以S4同样的操作步骤进行4-乙烯基苯酚的液体油的制备。

实施例4

S1:将2g有机溶剂木质素置入热解反应器中进行热解,通入惰性气体氮气,在反应器加热到指定温度600℃后,反应时间为60min,使其充分分解,氮气总流量为400mL/min,得到热解产物分布,基于热解产物分布利用gaussian软件采用密度泛函理论(DFT)进行自由基反应和协同反应的反应路径的设计,分别为反应路径A和B,如图2所;

S2:采用密度泛函理论(DFT)M06-L方法对步骤S1中各反应路径的反应物、中间体、过渡态和产物进行几何结构的完全优化和频率计算,所有物质的能量均采用873.15K和1atm下的焓值,得到木质素转化为4-乙烯基苯酚的决速步骤均为脱甲氧基反应,反应路径A和B的反应能垒分别为417.23kJ/mol和433.78kJ/mol,生成4-乙烯基苯酚的关键中间体为2-甲氧基-4-乙烯基苯酚;

S3:选取供氢体水蒸气,利用gaussian软件采用密度泛函理论进行自由基反应和协同反应的反应路径的模拟,对比自由基反应路径的反应能垒417.23kJ/mol,加入水蒸气后反应能垒为293.73kJ/mol,降低比例为29.6%,大于20%;对比协同反应路径的反应能垒433.78kJ/mol,加入水蒸气后反应能垒为416.00kJ/mol,降低比例为4.1%,小于20%,因此,水蒸气不能同时满足降低两种反应能垒比例的要求,不能有效促进4-乙烯基苯酚的生成;

S4:将有机溶剂木质素放入100℃烘箱干燥20h后,在反应器进行热解,在反应器加热到指定温度600℃后,将2g硫酸盐木质素快速送入反应器中部,反应时间为60min,使木质素充分分解,氮气和水蒸气总流量为400mL/min,甲烷体积比例为40%,经过快速冷却挥发份,得到含4-乙烯基苯酚的液体油,4-乙烯基苯酚的绝对产率为0.98wt.%,加入水蒸气后产率没有提高,与计算结果一致,水蒸气不符合筛选供氢体的要求;

S5:选取气体供氢体,重复步骤S3以筛选出合适的供氢体,然后以筛选出的供氢体以S4同样的操作步骤进行4-乙烯基苯酚的液体油的制备。

实施例5

S1:将2g有机溶剂木质素置入热解反应器中进行热解,通入惰性气体氮气,在反应器加热到指定温度700℃后,反应时间为40min,使其充分分解,氮气总流量为500mL/min,得到热解产物分布,基于热解产物分布利用gaussian软件采用密度泛函理论(DFT)进行自由基反应和协同反应的反应路径的设计,分别为反应路径A和B,如图2所;

S2:采用密度泛函理论(DFT)M06-L方法对步骤S1中各反应路径的反应物、中间体、过渡态和产物进行几何结构的完全优化和频率计算,所有物质的能量均采用873.15K和1atm下的焓值,得到木质素转化为4-乙烯基苯酚的决速步骤均为脱甲氧基反应,反应路径A和B的反应能垒分别为417.23kJ/mol和433.78kJ/mol,生成4-乙烯基苯酚的关键中间体为2-甲氧基-4-乙烯基苯酚;

S3:选取供氢体水蒸气,利用gaussian软件采用密度泛函理论进行自由基反应和协同反应的反应路径的模拟,对比自由基反应路径的反应能垒417.23kJ/mol,加入水蒸气后反应能垒为293.73kJ/mol,降低比例为29.6%,大于20%;对比协同反应路径的反应能垒433.78kJ/mol,加入水蒸气后反应能垒为416.00kJ/mol,降低比例为4.1%,小于20%,因此,水蒸气不能同时满足降低两种反应能垒比例的要求,不能有效促进4-乙烯基苯酚的生成;

S4:将有机溶剂木质素放入100℃烘箱干燥25h后,在反应器进行热解,在反应器加热到指定温度700℃后,将2g硫酸盐木质素快速送入反应器中部,反应时间为40min,使木质素充分分解,氮气和水蒸气总流量为500mL/min,甲烷体积比例为60%,经过快速冷却挥发份,得到富含4-乙烯基苯酚的液体油,4-乙烯基苯酚的绝对产率为0.98wt.%,加入水蒸气后产率没有提高,与计算结果一致,水蒸气不符合筛选供氢体的要求;

S5:选取气体供氢体,重复步骤S3以筛选出合适的供氢体,然后以筛选出的供氢体以S4同样的操作步骤进行4-乙烯基苯酚的液体油的制备。

实施例6

S1:将2g碱木质素置入热解反应器中进行热解,通入惰性气体氩气,在反应器加热到指定温度400℃后,反应时间为30min,使其充分分解,氩气总流量为200mL/min,得到热解产物分布,基于热解产物分布利用gaussian软件采用密度泛函理论(DFT)进行自由基反应和协同反应的反应路径的设计,分别为反应路径A和B,如图2所;

S2:采用密度泛函理论(DFT)M06-2X方法对步骤S1中各反应路径的反应物、中间体、过渡态和产物进行几何结构的完全优化和频率计算,所有物质的能量均采用773.15K和1atm下的焓值,得到木质素转化为4-乙烯基苯酚的决速步骤均为脱甲氧基反应,反应能垒分别为429.69kJ/mol和445.94kJ/mol,生成4-乙烯基苯酚的关键中间体为2-甲氧基-4-乙烯基苯酚;

S3:选取供氢体氨气,利用gaussian软件采用密度泛函理论进行自由基反应和协同反应的反应路径的模拟,分别为路径D和E,如图4所示,对比自由基反应路径A的高能垒429.69kJ/mol,反应路径D反应能垒为260.63kJ/mol,降低比例为39.3%,大于20%;对比协同反应路径B的高能垒445.94kJ/mol,反应路径E的反应能垒为284.50kJ/mol,降低比例为36.2%,大于20%,因此,氨气符合供氢体筛选的条件,有利于产生4-乙烯基苯酚,氨气的供氢和协同作用以及氨气的吸氢作用不仅可以促进木质素β-O-4键的断裂,中间物质的裂解以及脱水、脱羰基等反应,并且对苯环上甲氧基侧链的脱除有明显的促进作用,其具有较低的反应能垒,更加有效促进4-乙烯基苯酚的生成;

S4:将2g碱木质素放入60℃烘箱干燥36h后,在反应器进行热解,在反应器加热到指定温度400℃后,将2g碱木质素快速送入反应器中部,反应时间为30min,使木质素充分分解,氩气和氨气总流量为200mL/min,氨气体积比例为10%,氨气的参与有效地促进了不含甲氧基酚类物质的形成,经过快速冷却挥发份,得到富含4-乙烯基苯酚的液体油,4-乙烯基苯酚的绝对产率为1.98wt.%。另外热解气副产物可以用作燃气,用于发电,集中供气、供暖等以及焦炭可作为吸附剂、催化剂、肥料等。加入氨气后,4-乙烯基苯酚的绝对产率提高,与模拟计算结果一致,且与符合筛选要求的甲烷对比,由计算结果可知,氨气降低反应能垒的比例更高,促进效果更好,且制备结果绝对产率也更高,更加有效地促进4-乙烯基苯酚的生成,可作为最优的供氢体。

实施例7

本实施例与实施例6相同,只是热解温度为500℃,得到的4-乙烯基苯酚的绝对产率为3.68wt.%。

实施例8

本实施例与实施例6相同,只是热解温度为600℃,得到的4-乙烯基苯酚的绝对产率为4.89wt.%。

实施例9

本实施例与实施例6相同,只是热解温度为700℃,得到的4-乙烯基苯酚的绝对产率为4.62wt.%。

实施例10

本实施例与实施例6相同,只是热解温度为800℃,得到的4-乙烯基苯酚的绝对产率为4.31wt.%。

对比例1

该对比例采用现有常规的热解工艺进行木质素的热解,具体的将碱木质素放入60℃烘箱干燥36h后,在反应器进行热解,将反应器加热到指定温度400℃后,将2g碱木质素快速送入反应器,反应时间为30min,在氩气气氛下使木质素充分分解,经过快速冷却挥发份,得到富含4-乙烯基苯酚的液体油,4-乙烯基苯酚的绝对产率为0.98wt.%。

对比例2

本对比例与对比例1相同,只是热解温度为500℃,得到的4-乙烯基苯酚的绝对产率为1.11wt.%。

对比例3

本对比例与对比例1相同,只是热解温度为600℃,得到的4-乙烯基苯酚的绝对产率为1.31wt.%。

对比例4

本对比例与对比例1相同,只是热解温度为700℃,得到的4-乙烯基苯酚的绝对产率为1.16wt.%。

对比例5

本对比例与对比例1相同,只是热解温度为800℃,得到的4-乙烯基苯酚的绝对产率为1.13wt.%。

图2是在氩气气氛下木质素热解生成4-乙烯基苯酚可能的反应路径图,结果表明,反应路径A和B的决速步骤均为脱甲氧基反应,反应能垒分别为429.69kJ/mol和445.94kJ/mol,木质素直接热解生成4-乙烯基苯酚需要较高的活化能,尤其是脱甲氧基反应具有较高的反应能垒,不利于4-乙烯基苯酚的生成。

图3是在氢气气氛下木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径图,对比自由基反应路径A的高能垒429.69kJ/mol,加入氢气后其反应路径C的反应能垒为291.77kJ/mol,降低反应能垒的比例为32.1%。而在协同反应中,氢气易于与4-乙烯基苯酚的双键加成生成4-乙基苯酚,不利于4-乙烯基苯酚的生成。因此,氢气不能有效促进4-乙烯基苯酚的生成。

图4是在氨气气氛下木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应途径图,对比自由基反应路径A的高能垒429.69kJ/mol,反应路径D反应能垒为260.63kJ/mol,降低比例为39.3%,大于20%;对比协同反应路径B的高能垒445.94kJ/mol,反应路径E的反应能垒为284.50kJ/mol,降低比例为36.2%,大于20%。因此,氨气符合供氢体筛选的条件,有利于产生4-乙烯基苯酚。氨气的供氢和协同作用以及氨气的吸氢作用不仅可以促进木质素β-O-4键的断裂,中间物质的裂解以及脱水、脱羰基等反应,并且对苯环上甲氧基侧链的脱除有明显的促进作用,其具有较低的反应能垒,更加有效促进4-乙烯基苯酚的生成。

图5是木质素热解生成4-乙烯基苯酚的产率分布图,实验结果表明,对于木质素在氩气气氛下直接热解,4-乙烯基苯酚的绝对产率小于1.5wt.%,引入氨气后,随着温度的升高,4-乙烯基苯酚的绝对产率从1.98wt.%显著增加,在600℃时达到最大值4.89wt.%(增加5倍),然后在800℃逐渐下降到4.31wt.%,氨气、氢自由基和氨基促进了木质素中β-O-4的裂解,生成了更多的香豆素、松柏醇和芥子醇亚基中间体,进一步转化为更多的4-乙烯基苯酚。

本发明首先利用木质素进行热解实验得到热解产物分布,然后设计木质素热解生成4-乙烯基苯酚的反应路径,基于密度泛函理论对反应物、中间体、过渡态和产物进行几何结构的完全优化和频率计算,得到基于自由基反应和协同反应的两种最优反应路径和反应能垒,且所需活化能最高的决速步骤为脱甲氧基反应,生成4-乙烯基苯酚的关键中间体为2-甲氧基-4-乙烯基苯酚。为了降低脱甲氧基的反应能垒和促进关键中间体的生成,选取供氢体并计算供氢体对木质素热解生成4-乙烯基苯酚的作用路径,得到该反应路径的反应能垒。根据自由基反应和协同反应分别对比无供氢体的两种反应路径,优选出可以同时降低优选的所有反应路径反应能垒在20%以上的供氢体。筛选出供氢体后,与原料木质素进行热解,木质素在热解过程中与优选出的供氢体发生强烈的化学反应,供氢体的供氢作用可以促进木质素β-O-4键的断裂,中间物质的裂解以及脱水、脱羰基等反应,并且对苯环上甲氧基侧链的脱除有明显的促进作用,进而促进4-乙烯基苯酚的生成。本发明方法可预测木质素热解生成4-乙烯基苯酚的关键步骤并筛选出促进4-乙烯基苯酚形成的供氢体,有利于降低供氢体的筛选成本,提高4-乙烯基苯酚的产率。

本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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