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TEMPO体系催化氧化木质素及其产物性能的研究

作　者: 卫小亮
导　师: 毛连山
学　校: 南京林业大学
专　业: 化学工艺
关键词: 木质素 TEMPO氧化体系伯羟基羧基木质素模型物
分类号: O636.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

木质素是一种主要以醚键和碳碳键链接的具有复杂三维空间结构的无定型聚合物，是仅次于纤维素的第二大生物可再生资源。但是其分子结构中羧基或醛基的含量较低，使得木质素的可塑性能不强，为改善这种状况，本文以NaClO为氧化剂，2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基(TEMPO)和NaBr为催化剂，对木质素进行氧化改性，将木质素结构中的伯羟基选择性氧化成羧基或醛基，从而提高其羧基或醛基的含量，氧化后的木质素化学反应活性和利用价值将明显得到提高。主要内容和结论如下：1.研究氧化介质的pH值、氧化剂NaClO用量、催化剂TEMPO用量、反应温度以及氧化时间对羧基的生成量、氧化木质素和酸溶木质素得率的影响。结果表明，木质素最适宜的氧化条件：反应介质的pH值10.5，反应温度为室温（20~25℃），氧化时间为1h；NaClO的用量对羧基的生成量起决定性影响，随着NaClO用量的增加，羧基的生成量增加，木质素氧化降解越剧烈，氧化木质素的得率降低，而酸溶木质素的得率升高；TEMPO只起催化剂的作用，对羧基的生成量基本没有影响；采用红外光谱对氧化产物结构进行研究，1710cm-1附近处的羧基吸收峰显著增强，1600cm-1和1510cm-1的苯环骨架吸收峰明显减弱表明氧化木质素中羧基含量增多，苯环结构遭到一定程度破坏。2.以NaClO为氧化剂，2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基(TEMPO)和NaBr为催化剂，反应温度室温（20～25℃），pH值10.5，水溶液条件下对碱木质素进行氧化改性。通过过滤和萃取将氧化产物分为氧化木质素、酸溶木质素、碱性萃取液和酸性萃取液。采用红外光谱、热重和元素分析对氧化木质素的结构变化进行了分析，讨论了结构变化与氧化条件（氧化剂NaClO用量、氧化时间）的关系。结果表明氧化木质素的羧基含量随NaClO用量的增加而增加，热稳定性随着NaClO用量的增加而减弱，适宜的氧化时间也是1h。元素分析表明随着氧化剂NaClO用量的增加，氧化木质素中的C、H元素含量逐渐降低，O元素含量逐渐升高，这与-CH2OH被选择氧化为-COOH的变化是一致的。采用GC-MS分析了氧化萃取液的物质组分，碱性和酸性萃取液分别检测出15、18种主要化合物，主要含有卤代烃、直连脂肪酸、酚类、酯类、五元杂环化合物以及木质素典型结构单元的降解产物，如3-羟基-4-甲氧基苯甲醛和4-羟基-3,5-二甲氧基苯基乙酮等。3.在TEMPO体系对木质素模型物的氧化中，分离得到的产物A中苯环结构含量最高，羧基含量最低；与产物A、B相比，产物C、D中羧基含量都很多；产物D中苯环结构含量最低。C中主要成分是卤代烃、酯类和酚类化合物；D中主要成分是卤代烃、酸类和酮类；对羟基苯甲酸等物质存在说明了原料香草醇中的伯羟基被TEMPO体系选择氧化为羧基，但是可能发生的副反应较多。

全文目录

致谢  3-4
摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-18
  1.1 木质素及其性质的研究概述  9-13
    1.1.1 木质素的来源和种类  9
    1.1.2 木质素的性质  9-10
    1.1.3 木质素的化学结构  10-11
    1.1.4 木质素的改性  11-13
    1.1.5 木质素的应用  13
  1.2 TEMPO 体系的催化氧化机理  13-15
    1.2.1 TEMPO 及其衍生物的催化氧化机理  13-14
    1.2.2 TEMPO/NaBr/NaClO 体系催化氧化多糖机理  14-15
  1.3 木质素模型化合物香草醇的研究概述  15-16
    1.3.1 木质素模型化合物的简介  15-16
    1.3.2 香草醇的结构及性质  16
  1.4 本文研究的目的、意义及内容  16-18
    1.4.1 研究的目的及意义  16-17
    1.4.2 研究的内容  17-18
第二章木质素的氧化改性  18-31
  2.1 引言  18
  2.2 实验部分  18-19
    2.2.1 实验试剂  18-19
    2.2.2 实验仪器  19
  2.3 实验原理  19-20
  2.4 实验方法  20-22
    2.4.1 木质素的氧化  20-21
    2.4.2 氧化木质素羧基含量的表征  21
    2.4.3 氧化木质素得率的测定  21
    2.4.4 酸溶木质素得率的测定  21-22
  2.5 分析方法  22
  2.6 结果与讨论  22-29
    2.6.1 氧化时间对木质素氧化改性的影响  22-23
    2.6.2 反应温度对木质素氧化改性的影响  23-25
    2.6.3 pH 对木质素氧化改性的影响  25-26
    2.6.4 NaClO 用量对木质素氧化改性的影响  26-27
    2.6.5 TEMPO 用量对木质素氧化改性的影响  27-29
    2.6.6 氧化木质素的红外光谱分析  29
  2.7 小结  29-31
第三章氧化木质素结构与性能变化的研究  31-51
  3.1 引言  31
  3.2 实验试剂及仪器  31-32
    3.2.1 实验药品  31
    3.2.2 实验仪器  31-32
  3.3 实验原理  32
  3.4 实验方法  32-34
    3.4.1 木质素的氧化  32
    3.4.2 木质素氧化产物的处理流程  32-33
    3.4.3 木质素氧化前后的红外分析  33
    3.4.4 木质素氧化前后的元素分析  33
    3.4.5 木质素氧化前后的热重分析  33-34
    3.4.6 木质素氧化降解液组分分析  34
  3.5 结果与讨论  34-49
    3.5.1 不同氧化剂用量下木质素红外光谱分析  34-36
    3.5.2 氧化剂用量对氧化上清液的影响  36-37
    3.5.3 不同氧化时间下木质素的红外光谱分析  37-38
    3.5.4 不同氧化剂量下木质素的元素分析  38-39
    3.5.5 不同氧化剂量下木质素的热重分析  39-41
    3.5.6 氧化降解液的 GC-MS 分析  41-49
  3.6 小结  49-51
第四章木质素模型物在 TEMPO 氧化体系中的变化  51-63
  4.1 引言  51
  4.2 实验试剂及仪器  51-52
    4.2.1 实验试剂  51-52
    4.2.2 实验仪器  52
  4.3 实验原理  52
  4.4 实验方法  52-54
    4.4.1 木质素模型化合物的氧化  52
    4.4.2 木质素模型化合物氧化产物的处理流程图  52-53
    4.4.3 产物分析方法  53-54
  4.5 结果与讨论  54-62
    4.5.1 氧化产物的红外光谱分析  54-56
    4.5.2 氧化产物的 GC-MS 分析  56-62
  4.6 小结  62-63
第五章结论  63-64
参考文献  64-66

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