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我室任俊莉教授课题组Green Chem: 木糖制备糠醛过程中两相体系的溶剂效应

发布时间:2021-10-20 访问次数:27

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  背景介绍

  双相体系的构成一般为水相和不溶于水的有机相,在制备糠醛的过程中,有机溶剂能够及时地将糠醛从水相中萃取至有机相,减少了木糖与糠醛之间的反应,同时促进了反应朝反应方程式的右侧进行,提高了糠醛的得率。制备糠醛过程中常用的萃取溶剂有甲苯、甲基异丁基甲酮(MIBK)、2-丁醇、环戊基甲醚(CPME)、二甲基四氢呋喃(2-MTHF)、二氯甲烷(DCM)等。不同的有机溶剂与水、木糖或糠醛之间的亲近力不同,因此可能会影响糠醛的萃取效率和得率。将两相体系进行分子动力学模拟能够帮助我们从分子尺度理解并预测反应过程中分子之间的相互作用,目前关于木糖制备糠醛过程中两相体系的分子动力学模拟的研究较为缺乏。本研究中,华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室任俊莉教授课题组和李理波教授采用实验手段和分子动力学模拟相结合的方法阐明了两相体系中溶剂对木糖和糠醛的影响机制。先通过实验手段研究DCM/水、MIBK/水、甲苯/水、CPME/水、2-MTHF/水、2-丁醇/水体系中糠醛的分配系数、木糖转化和糠醛生成的情况,再结合Gromacs软件对不同的体系进行分子动力学模拟,研究木糖或糠醛周围水或有机溶剂的分布状况和氢键结合情况,最终模拟结合实验结果进一步阐明木糖催化为糠醛反应过程中两相体系的溶剂效应。

  图文解读

  首先,初步研究了两相体系的萃取能力,主要通过糠醛在两相体系的分配系数进行考察。在相同的条件下,DCM/H2O、MIBK/H2O、2-MTHF/H2O、甲苯/H2O、CPME/H2O、2-丁醇/H2O体系有机溶剂中糠醛的浓度分别为9.9 g/L、7.4 g/L、6.5 g/L、6.1 g/L、6.0 g/L、4.5 g/L,表明相同条件下DCM中可以溶解更多的糠醛。糠醛在两相体系中的分配系数顺序为DCM/H2O>MIBK/H2O>2-MTHF/H2O>甲苯/H2O>CPME/H2O>2-丁醇/H2O,初步表明DCM可能对糠醛具有较强的萃取能力。

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  Fig. 1 (a) Distribution of organic solvents, furfural and water: 1 mL of water, 1 mL of organic solvent, and 100 μL of furfural. (b) Concentration of furfural in aqueous and organic phases, and partition coefficients of furfural in biphasic systems.

  木糖转化率和糠醛得率在不同的两相体系中展示了不同的规律。DCM/H2O体系获得了最高的糠醛得率81.64%(有机相79.15%和水相2.49%),远高于其他体系,反应条件为180℃、60min;而2-MTHF/H2O、MIBK/H2O、2-丁醇/H2O、CPME/H2O、甲苯/H2O体系中糠醛的最高得率分别为49.77% (170°C-60 min)、49.15% (190°C-100 min)、32.23% (170°C-60 min)、32.23% (190°C-100 min)、27.23% (190°C-100 min)。根据木糖转化率和糠醛得率的数据,两相体系中木糖的转化效率顺序为DCM/H2O>2-MTHF/H2O>2-丁醇/H2O»MIBK/H2O>CPME/H2O>甲苯/H2O,与上一部分测定的糠醛的分配系数顺序并不一致,因此需要进一步研究其他的影响因素。

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  Fig. 2 Xylose conversion and furfural yield in various biphasic systems. Reaction condition: 5 mL of H2O + 5 mL of organic solvent, 0.02 g of xylose.    

  进一步对木糖转化为糠醛过程中的反应速率进行研究,发现糠醛在被萃取到有机溶剂中后会发生少量降解,180℃条件下,糠醛降解速率常数大小顺序为2-MTHF<CPME<MIBK<甲苯<dcm<2-< span=>丁醇。对于2-丁醇,前期研究人员认为它可能与糠醛反应,我们接下来的模拟结果显示糠醛与2-丁醇之间形成氢键,这可能解释了糠醛在2-丁醇中的降解速率常数较高的原因。

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  Fig. 3 Degradation rate constants of furfural in organic solvents. Reaction conditions: 50 μL of furfural, 5 mL of organic solvent, 180 °C. The P value (Prob > F) is less than 0.05, and the determination coefficient (R2) is greater than 0.8 for all regression curves.

  通过分子动力学模拟软件GROMACS对糠醛在溶剂中的溶剂化自由能进行了计算,首先是糠醛在水中的溶剂化自由能要远远大于有机溶剂中的,因此糠醛很容易从水相中进入有机相,其次,糠醛在有机溶剂中的溶剂化自由能大小顺序为DCM<2-丁醇<2-MTHF»CPME<MIBK<甲苯,这个顺序与木糖的转化效率顺序较为吻合,因此糠醛在溶剂中的溶剂化自由能对木糖转化为糠醛的过程具有较大的影响。

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  Fig. 4 (a) Interactions between furfural and solvent molecules at different λ settings; (b) solvation free energy of furfural in various solvents.

  但是在两相体系中,水及有机溶剂会不同程度地进入相反的相中,从而影响糠醛的转移,因此,本研究中还对有机溶剂在水中的溶剂化自由能进行了计算,结果为甲苯(-3.32 kJ/mol) > DCM (-6.82 kJ/mol) > CPME (-7.32 kJ/mol) > MIBK (-9.47 kJ/mol) > 2-MTHF (-9.65 kJ/mol) > 2-丁醇(-19.81 kJ/mol)。2-丁醇在水中的溶剂化自由能远高于其他有机溶剂,更多的2-丁醇容易混入水相,使得更多的糠醛进入水相,最终导致分配系数降低。

  库伦和范德华相互作用进一步解释了溶剂化自由能的数据,DCM与糠醛之间的吸引主要是库伦作用,而水与糠醛之间的范德华作用对它们之间的吸引起到相反的作用。

  Fig. 5 Electrostatic potential (ESP) maps and the molecular polarity index (MPI) of furfural and solvent molecules. (a) Furfural; (b) DCM; (c) 2-butanol; (d) toluene; (e) CPME; (f) MIBK; (g) 2-MTHF; and (h) water. The unit of the number on maps is kcal mol−1.  

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  Fig. 6 van der Waals potential maps of furfural and solvent molecules. (a) Furfural; (b) DCM; (c) 2-butanol; (d) toluene; (e) CPME; (f) MIBK; (g) 2-MTHF; and (h) water. The unit of the number on maps is kcal mol−1. Blue: negative value area; green: positive value area.

  通过分子动力学模拟对糠醛在溶剂中的运动轨迹、径向分布函数、体积空间分布函数、氢键等进行了计算。研究发现在DCM/H2O 和甲苯/H2O体系中,糠醛和木糖的运动轨迹较为规整,在2-丁醇/H2O体系中最为混乱,分布函数也表明,在2-丁醇/H2O体系中糠醛周围分布了较多的水,同时糠醛与2-丁醇之间还形成了氢键,可能影响糠醛的结构稳定。以上结果都表明,虽然糠醛在2-丁醇中的溶剂化自由能较高,但是2-丁醇和水之间的分界并不如其他有机溶剂和水的那么明显,导致糠醛得率降低。

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  Fig. 7 (a) Snapshots of biphasic systems before and after molecular dynamics simulation. Blue: water; red: organic solvent; green: xylose; yellow: furfural. The moving trajectories of furfural and xylose in the Z-axis in (b) DCM/H2O and (c) toluene/H2O systems. Blue: furfural; green: xylose.    


  Fig. 8 (a and b) Centre of mass radial distribution functions (RDF) of solvent molecules with respect to xylose or furfural. (c) Number of molecules in the first solvation shell around xylose or furfural. (d) Schematic diagram of the first solvation shell of xylose and furfural. XYL: xylose; FF: furfural.

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  Fig. 9 Spatial density function (SDF) plots of the organic solvent (red) and water (blue) around xylose or furfural in (a) DCM/H2O, (b) 2-butanol/H2O, (c) toluene/H2O, (d) MIBK/H2O, (e) 2-MTHF/H2O, and (f) CPME/H2O systems. XYL: xylose; FF: furfural.    

  最后,两相体系中,影响木糖转化为糠醛效率的因素总结如下表。

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  总结

  两相溶剂的应用是提高糠醛得率的有效途径,在不添加催化剂的情况下,DCM/H2O体系中糠醛收率最高可达81.64%。木糖转化率、糠醛得率主要受到糠醛在有机溶剂中的溶剂化自由能的影响,同时也受到其他三个因素的影响,分别是糠醛在有机溶剂中的溶解度、有机溶剂在水中的溶剂化自由能,以及糠醛在有机溶剂中的降解。

  文章以“Solvent Effect on Xylose-to-Furfural Reaction in Biphasic Systems: Combined Experiments with Theoretical Calculations”为题,在Green Chemistry期刊发表。华南理工大学博士后林琦璇为论文第一作者,通讯作者为华南理工大学任俊莉教授和李理波教授。

  原文链接:https://doi.org/10.1039/D1GC02812J.