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木虫 (著名写手)

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[交流] 《科学》：新催化工艺加快葡萄糖替代石油步伐

人们一直梦寐以求利用生物质能取代石油来制备化学制品、塑胶和燃料。科学家最近开发出了利用葡萄糖制备塑胶等石油化工产品的新方法，使人类向着这一目标又迈近了一步。相关论文发表在6月15日的《科学》杂志上。
葡萄糖是植物光合作用的主要产物之一，是人类等许多生物的能量之源。葡萄糖在自然界中广泛存在，因此是科学家青睐的石油替代物质。然而，迄今为止，利用合适的催化剂将葡萄糖转变为可利用的形式仍然是一个难题。
在最新的研究中，来自美国能源部西北太平洋国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，简称PNNL）的科学家找到了一种新的催化工艺，能够直接将糖类转换成某些石油产物的替代来源。
论文高级作者、PNNL化学家Z. Conrad Zhang和同事尝试了多种金属催化剂，结果发现，离子液体（ionic liquid）催化剂能够有效地将葡萄糖等糖类转化成羟甲基糠醛（HMF），它被认为石油化学中最有前途的代用品，能够容易地转化为多种化学制品和塑胶。Zhang说，“葡萄糖能够直接从纤维素和淀粉得到，它是自然界最充足的碳水化合物材料。而由果糖和葡萄糖产生的HMF是一个‘万能’的平台，它能够制造数百种其他化学物品。”
Zhang和同事通过实验证实，金属二氯化物形成的离子液体能够将70%的葡萄糖和接近90%的果糖转化为HMF，仅仅残余微量的酸性杂质。而实验的96种此类催化剂中，二氯化铬离子液体的催化效果最好，所产生的杂质也最少，同时这种反应需要的温度也很低，只要100摄氏度左右。
尽管精确的转化过程还是一个谜团，但Zhang推测，离子液体催化剂能够促使糖类分子键打开，实现了H（氢）与 OH（氢氧根）的变旋作（mutarotation），从而变成新的结构。
新的研究成果有望成为生物质能（树木、秸秆、海藻等）转化为化学制品、塑胶和燃料的基础。Zhang 的下一步工作是要改进离子溶剂与金属卤化物化合物，看看是否能够增加葡萄糖的 HMF 产量，并同时减少分离、纯化的成本。Zhang表示，“这是一个很有挑战性的目标，我们的研究结果指明了一种潜在的HMF制备工艺。因为还有一些改进和优化的步骤，实现大规模的产业化可能还需要几年的时间。”

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英文文摘补充
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/316/5831/1597

引用回帖:

Science 15 June 2007:
Vol. 316. no. 5831, pp. 1597 - 1600
DOI: 10.1126/science.1141199
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Reports
Metal Chlorides in Ionic Liquid Solvents Convert Sugars to 5-Hydroxymethylfurfural
Haibo Zhao, Johnathan E. Holladay, Heather Brown, Z. Conrad Zhang*
Replacing petroleum feedstocks by biomass requires efficient methods to convert carbohydrates to a variety of chemical compounds. We report the catalytic conversion of sugars giving high yield to 5-hydroxymethylfurfural (HMF), a versatile intermediate. Metal halides in 1-alkyl-3-methylimidazolium chloride are catalysts, among which chromium (II) chloride is found to be uniquely effective, leading to the conversion of glucose to HMF with a yield near 70%. A wide range of metal halides is found to catalyze the conversion of fructose to HMF. Only a negligible amount of levulinic acid is formed in these reactions.

Institute for Interfacial Catalysis, Pacific Northwest National Laboratory, Post Office Box 999, Richland, WA 99352, USA.

相关英文报道
http://www.pnl.gov/news/release.asp?id=255

全文地址链接
http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/316/5831/1597.pdf

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[ Last edited by berlin on 2007-6-23 at 00:26 ]

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