生物基增塑剂绿色合成工艺研究

作     者：毛倩 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈必强

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：2,5-呋喃二甲酸 异山梨醇 季戊四醇 离子液体 生物基增塑剂 

摘      要：增塑剂作为聚合物中的一种添加剂,发挥着重要的功能,主要可以降低玻璃化转变温度(Tg)改变其性质使材料更具柔韧性和延展性。石油基增塑剂邻苯二甲酸酯类是占市场份额最大的一类增塑剂,但是有研究发现它对人体健康有潜在的危害,因此绿色环保的生物基增塑剂成为研究的热点。本论文开发了 2,5-呋喃二甲酸二异辛酯、异山梨醇二辛酸酯两种生物基增塑剂的绿色合成工艺,并以季戊四醇为基础设计合成了一种新的增塑剂,并分别对其进行增塑性能测试。本研究构建了一条从生物质衍生物合成生物基增塑剂2,5-呋喃二甲酸二异辛酯的工艺路线:首先在大肠杆菌表达系统中表达出5-羟甲基糠醛氧化酶HMFO及其突变体HMFO(V367R-W466F),用表达出有酶活的粗酶液对5-羟甲基糠醛(HMF)进行氧化,野生型的酶催化体系中几乎不存在2,5-呋喃二甲酸(FDCA),而突变型HMFO(V367R-W466F)主要生成了 FDCA,且反应5 h后浓度达267.72 mg/L;再通过绿色催化剂离子液体催化FDCA和异辛醇反应生成2,5-呋喃二甲酸二异辛酯,研究发现[BS03HMIm][HS04]催化效果最好,最优反应条件为:离子液体用量为5%(w/w),酸:醇=1:5(mol:mol),反应温度140℃,酯化率最高达到97.72%,最后经分离纯化获得纯度为99.05%产品。本研究以异山梨醇和辛酸酐为底物,通过离子液体催化合成异山梨醇二辛酸酯,筛选出[PnMIm]Cl催化效果最好,通过实验得到最佳反应条件为辛酸酐与异山梨醇的摩尔比为2.2:1、温度为100℃,二酯相对含量最高为52.60%,分离纯化后的产品纯度为98.50%。本研究设计合成了一种具有新的结构的增塑剂—季戊四醇四(呋喃-2-羧酸)酯,以活性较高的呋喃甲酰氯为底物,与季戊四醇反应,初步进行小试研究,最后获得纯度为98.12%的产品,并对样品进行结构鉴定。本课题从生物质衍生物HMF出发,经酶催化合成FDCA,选择绿色环保、催化效果优异的离子液体作为催化剂催化2,5-呋喃二甲酸二异辛酯的合成,开发了一种绿色环保的从生物质衍生物合成生物基增塑剂的工艺路线。本课题使用绿色催化剂离子液体催化异山梨醇和辛酸酐合成异山梨醇酯增塑剂,离子液体用量少,仅为底物质量的0.5%;与前人研究相比,反应时间缩短近6倍,二酯相对含量提高近7%。本研究设计了一种具有新的结构的增塑剂—季戊四醇四(呋喃-2-羧酸)酯,测试显示增塑性能良好。