[发明专利]氮掺杂碳材料催化剂及其在催化5-羟甲基糠醛氧化制备2,5-二甲酰基呋喃中的应用

说明书

本发明涉及催化5‑羟甲基糠醛氧化制备2,5‑二甲酰基呋喃的技术领域，更具体涉及一种有效成分为氮掺杂碳材料的C‑N材料催化剂及其在催化5‑羟甲基糠醛氧化制备2,5‑二甲酰基呋喃中的应用，该催化剂由以下方法制备而成：将壳聚糖加入到尿素溶液中，在壳聚糖完全分散后，加入乙酸，获得均匀的半透明糊状物，将其干燥后，在500‑1200℃下煅烧。该催化剂制备方法特别简单且易于操作，可用于催化氧化制备2,5‑二甲酰基呋喃(DFF)。本发明利用上述催化剂催化氧化制备2,5‑二甲酰基呋喃，不仅反应条件温和、反应快速，而且收率相对较高。

技术领域

本发明涉及催化5-羟甲基糠醛氧化制备2,5-二甲酰基呋喃的技术领域，更具体涉及一种氮掺杂碳催化剂及其在催化5-羟甲基糠醛(HMF)氧化制备2,5-二甲酰基呋喃(DFF)中的应用。

背景技术

2,5-二甲酰基呋喃(英语：2,5-Diformylfurane)又称2,5-呋喃二甲醛、2,5-乙二醛呋喃，简写为：DFF，分子式：C₆H₄O₃，分子量：124.09，CAS编号：823-82-5。2,5-二甲酰基呋喃(DFF)是最重要的生物基材料中间体之一，其作为HMF中羟基选择性氧化的产物，可以提供最通用的中间体，用于合成大量含呋喃的功能聚合物，聚Schiff碱，药物，抗真菌剂和有机导体.

在早期，包括NaOCl，BaMnO₄或氯铬酸吡啶鎓离子的化学计量氧化剂等被用于将5-羟甲基糠醛(HMF)氧化成2,5-二甲酰基呋喃(DFF)，但是，这些方法对于DFF的合成是不经济和不可持续的，因为释放了大量废物。用分子氧催化氧化HMF代表了一种绿色方法，其中H₂O是除DFF之外唯一的其他产物。已经有研究将均相和非均相催化剂用于HMF的氧化，为了克服催化剂再循环方面的均相催化剂的缺点，HMF的催化氧化主要在非均相催化剂的存在下进行；主要包括钒、钌和锰催化剂的非均相催化剂均有报道用于将HMF氧化成DFF。但是，金属催化剂的使用会导致最终产品中的成本增加和金属污染物，特别是对于药物试剂。例如，Riisager及其同事报告说，催化剂总活性的60％以上是催化物质从V₂O₅/H-ZSM-5和V₂O₅/H-mordenite催化剂中溶解的结果。现有技术所公开的制备2,5-二甲酰基呋喃的方法中大部分都使用了贵金属催化剂，且仍要求较高的氧气压力，这样对制备工业催化剂来说，催化剂价格将会非常昂贵，并且在讲稿的氧气压力下，对工业反应釜的要求更加严格，因而，此前的催化剂不利于大规模工业生产制备2,5-二甲酰基呋喃。因此，非常需要开发一种无金属催化剂(或者无金属催化体系)有效地将HMF氧化成DFF。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种有效成分为氮掺杂碳材料的C-N材料催化剂及其在催化5-羟甲基糠醛(HMF)氧化制备2,5-二甲酰基呋喃(DFF)中的应用，该催化剂为无金属催化剂，且制备方法简单易操作，可用于催化5-羟甲基糠醛(HMF)氧化制备2,5-二甲酰基呋喃(DFF)。

利用上述催化剂用于5-羟甲基糠醛催化氧化制备2,5-二甲酰基呋喃，不仅反应条件温和，而且收率相对较高。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

一种有效成分为氮掺杂碳材料的催化剂，由以下方法制备而成：

1)在搅拌下(优选为剧烈搅拌)将壳聚糖加入到尿素水溶液中，在壳聚糖完全分散后，加入乙酸，搅拌(优选为剧烈搅拌)获得均匀的半透明糊状物，将其干燥后研磨均匀，得到复合材料前体；

2)在N₂气氛下，将步骤(1)得到的复合材料前体在500-1200℃下煅烧3-8h，待产物冷却后，取出，研磨成粉末，得到有效成分为氮掺杂碳材料的催化剂。