[发明专利]一种建立木糖-木酮糖相互转化时微观动力学模型的方法

说明书

本发明公开了一种建立木糖‑木酮糖相互转化时微观动力学模型的方法，包括：基于密度泛函理论，计算木糖‑木酮糖互相转化时的反应能垒；根据木糖‑木酮糖互相转化时的反应能垒建立木糖‑木酮糖相互转化时的微观动力学模型，该方法能够建立木糖‑木酮糖相互转化时微观动力学模型，以指导实际生产过程中催化剂及反应溶剂的选择。

技术领域

本发明属于量子化学计算领域，涉及一种建立木糖-木酮糖相互转化时微观动力学模型的方法。

背景技术

木糖是生物质中半纤维素组分在酸性条件下水解的主要产物，木糖异构化可得到木酮糖。木糖和木酮糖均可用作生物基平台化合物糠醛的生产原料，在液体酸催化条件下，木酮糖的反应活性高于木糖，以木酮糖为原料制备糠醛通常比以木糖为原料更易获得高的反应速度及糠醛产率，Bart Danon等人总结在不同催化条件下木糖转化为糠醛的反应机理，认为在液体酸催化条件下(尤其当pH1时)，木糖会发生分子内氢转移生成木酮糖(Green Chemistry,2014,16(1):39-54)，图1为木糖-木酮糖之间通过氢转移互相转化的过程。研究木糖与木酮糖之间在不同反应溶剂及不同酸催化条件下互相转化时反应机理，需建立其微观动力学模型，可为木糖制备木酮糖、木糖制备糠醛实际生产过程在催化剂或反应溶剂选择方面提供借鉴意义及理论指导，然而现有技术中并没有给出类似的公开。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种建立木糖-木酮糖相互转化时微观动力学模型的方法，该方法能够建立木糖-木酮糖相互转化时微观动力学模型，以指导实际生产过程中催化剂及反应溶剂的选择。

为达到上述目的，本发明所述的建立木糖-木酮糖相互转化时微观动力学模型的方法包括：

基于密度泛函理论，计算木糖-木酮糖互相转化时的反应能垒；

根据木糖-木酮糖互相转化时的反应能垒建立木糖-木酮糖相互转化时的微观动力学模型。

反应能垒建立木糖-木酮糖相互转化时的微观动力学模型为：

其中，c_acid、c₁及c₂分别为液体酸、木糖及木酮糖的浓度，k₁及k₂分别为木糖转化为木酮糖以及木酮糖转化为木糖的反应速率常数。

反应速率常数k，其中，

其中，κ为透射系数，k_B为波兹曼常数，T为反应温度，h为普朗克常数，为反应能垒，R为气体常数，M为摩尔浓度，m为反应分子数。

基于密度泛函理论，计算木糖-木酮糖互相转化时的反应能垒的具体过程为：

绘制木糖-木酮糖互相转化过程中的分子及离子结构；

确定量子计算的计算级别及溶剂模型；

对木糖-木酮糖互相转化过程中的分子及离子结构进行几何优化及频率分析；

计算木糖-木酮糖互相转化过程的过渡态及内禀反应坐标；

计算木糖-木酮糖互相转化过程中分子及离子的单点能，并以此计算木糖-木酮糖互相转化过程的吉布斯自由能；

绘制吉布斯自由能-反应坐标图，并以此确定木糖-木酮糖互相转化时的反应能垒。

吉布斯自由能-反应坐标图的绘制包含以下七个坐标；