ГИДРОЛИТИЧЕСКОЕ ГИДРИРОВАНИЕ ИНУЛИНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНИТНООТДЕЛЯЕМОГО Ru-СОДЕРЖАЩЕГО КАТАЛИЗАТОРА
Аннотация
В работе приводятся результаты исследования процесса гидролитического гидрирования инулина до маннита в среде субкритической воды в присутствии Ru-содержащего катализатора на основе магнитных частиц Fe3O4-SiO2. Катализатор Ru-Fe3O4-SiO2 синтезировался путем включения магнитных наночастиц (МНЧ) в мезопоры оксида кремния с последующим образованием Ru-содержащих МНЧ путем термического разложения ацетилацетоната рутения. Магнитные свойства Fe3O4-SiO2 типичны для суперпарамагнитных наночастиц оксида железа сопоставимых размеров и обеспечивают быструю сепарацию катализатора внешним магнитным полем. Результаты исследования методом низкотемпературной адсорбции азота характерны для мезопористых материалов. Удельная поверхность образца по БЭТ составляет 280 м2/г, что допускается для мезопористых каталитических материалов. Спектры РФЭС Ru-Fe3O4-SiO2 демонстрируют хорошую однородность образца.
Катализатор испытывался в процессе гидролитического гидрирования инулина. Инулин гидролизуется с образованием фруктозы и небольшого количества глюкозы. В присутствии катализаторов гидрирования, под давлением водорода фруктоза и глюкоза гидрируются с образованием маннита и сорбита, соответственно. Маннит широко используется в производстве лекарственных и фармацевтических препаратов, жидкого топлива, в химической и пищевой промышленности, в биотехнологии и производстве косметики. Источниками маннита являются некоторые растения и морские водоросли, однако использование их в качестве сырья нерентабельно, поэтому развитие получили процессы ферментирования с использованием ряда культур микроорганизмов и каталитического гидрирования сахаров. В настоящее время маннит может быть получен путем каталитического гидрирования моносахаридов, таких как фруктоза или смесь глюкозы и фруктозы с использованием гетерогенного катализатора.
В ходе исследований были определены основные параметры процесса, такие как температура и время реакции, парциальное давление водорода. При оптимальных условиях реакции: температуре 150 °C, парциальном давлении водорода 60 бар, времени процесса 45 мин − конверсия инулина составила 100%, выход маннита − 44,3%. Исследованный катализатор показал высокую активность и стабильность в гидротермальных условиях. Магнитные свойства катализатора позволяют легко отделять его от реакционной массы с помощью внешнего магнитного поля.
Для цитирования:
Раткевич Е.А., Манаенков О.В., Матвеева В.Г., Кислица О.В., Сульман Э.М. Гидролитическое гидрирование инулина с использованием магнитно-отделяемого Ru-содержащего катализатора. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2018. Т. 61. Вып. 7. С. 76-81
Литература
Imhof P.J. Van der Waal in: Catalytic Process Development for Renewable Materials. Weinheim, Germany: Wiley-Vch. 2013.
Bereczki D., Liu M., Fernandes do Prado G., Fekete I. Mannitol for acute stroke. Cochrane Database of Systematic Reviews. 2007. Issue 3. Art. No.: CD001153.
Ahmed M., Kadhum A. Hydrogenation of d-fructose over activated charcoal supported platinum catalyst. J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2011. 42. P. 114-119.
Ohrem H.L., Schornick E., Kalivoda A., Ognibene R. Why is mannitol becoming more and more popular as a pharmaceutical excipient in solid dosage forms? Pharm Dev Technol. 2016. P. 1-6.
Kuusisto J., Mikkola J., Pérez Casal P., Karhu H., Väyrynen J., Salmi T. Kinetics of the catalytic hydrogenation of d-fructose over a CuO-ZnO catalyst. Chem. Eng. J. 2005. 115. P. 93-102.
Zhang J., Xu S., Wu S., Liu Y. Hydrogenation of fructose over magnetic catalyst derived from hydrotalcite precursor. Chem. Eng. Sci. 2013. 99. P. 171-176.
Ojamo H., Koivikko H., Heikkilä H. Process for the production of mannitol by immobilized micro-organisms. USP 2003 6,602,691B1.
Song S.H., Vieille C. Recent advances in the biological production of mannitol. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2009. 84. P. 55-62.
Hu S., Zhang Z., Zhou Y., Song J., Fan H., Han B. Direct conversion of inulin to 5-hydroxymethylfurfural in biorenewable ionic liquids. Green Chem. 2009. 1. P. 873-877.
Xie H., Zhao Z.K., Wang Q. Catalytic Conversion of Inulin and Fructose into 5-Hydroxymethylfurfural by Lignosulfonic Acid in Ionic Liquids. Chem. Sus. Chem. 2012. 5. P. 901-905.
Shen X., Wang Y.X., Hu C.W., Qian K., Ji Z., Jin M. One-Pot Conversion of Inulin to Furan Derivatives Catalyzed by Sulfat-ed TiO2/Mordenite Solid Acid. Chem. Cat Chem. 2012. 4. P. 2013-2019.
Rinaldi R. Catalytic Hydrogenation for Biomass Valorization. Cambridge: RSC Publishing. 2014. 310 p.
Luo C., Wang S., Liu H. Cellulose Conversion into Polyols Catalyzed by Reversibly Formed Acids and Supported Ruthenium Clusters in Hot Water. Angew. Chim. Int. Ed. 2007. 46 (40). P. 7636-7639.
Manaenkov O.V., Matveeva V.G., Sulman E.M.F., Anastasia E., Makeeva O.Y., Kislitza O.V., Sidorov A.I., Doluda V.Y., Sulman M.G. Ru-Containing Polymeric Catalysts for Cellulose Conversion to Polyols. Top. Catal. 2014. 57 (17-20). P. 1476-1482.
Dhepe P.L., Fukuoka A. Cracking of Cellulose over Supported Metal Catalysts. Catal. Surv. Asia 2007. 11 (4). P. 186-191.
Kobayashi H., Ito Y., Komanoya T., Hosaka Y., Dhepe P.L., Kasai K., Hara K., Fukuoka A. Synthesis of Sugar Alcohols by Hydrolytic Hydrogenation of Cellulose over Supported Metal Catalysts. Green Chem. 2011. 13 (2). P. 326-333.
Wang D., Astruc D. Fast-Growing Field of Magnetically Recyclable Nanocatalysts. Chem. Rev. 2014. 114 (14). P. 6949-6985.
Wang D., Astruc D. Magnetically Recoverable Ruthenium Catalysts in Organic Synthesis. Molecules. 2014. 19 (4). P. 4635-4653.
Podolean I., Negoi A., Candu N., Tudorache M., Parvulescu V.I., Coman S.M. Cellulose Capitalization to Bio-chemicals in the Presence of Magnetic Nanoparticle Catalysts. Top Catal. 2014. 57(17-20). P. 1463-1469.
Zhang C., Wang H., Liu F., Wang L., He H. Magnetic core-shell Fe3O4@C-SO3H nanoparticle catalyst for hydrolysis of cellu-lose. Cellulose. 2013. 20. P. 127-134.
Zhang J., Wu S., Liu Y. Direct conversion of cellulose into sorbitol over a magnetic catalyst in an extremely low concentration acid system. Energy Fuels. 2014. 28. P. 424-4246.
Manaenkov O.V., Mann J.J., Kislitza O.V., Losovyj Ya., Stein B.D., Morgan D.G., Pink M., Lependina O.L., Shifrina Z.B., Matveeva V.G., Sulman E.M., Bronstein L.M. Ru-Containing Magnetically Recoverable Catalysts: A Sustainable Path-way from Cellulose to Ethylene and Propylene Glycols. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. 8. P. 21285−21293.
Manaenkov O.V., Doluda M.Yu., Filatova A.E. Makeeva O.Yu., Sulman E.M., Sidorov A.I. New type of the Ru-containing catalyst for hydrolytic hydrogenation of cellulose. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 8. P. 97-101 (in Russian).
Miljkovic M. Carbohydrates: Synthesis, Mechanisms, and Stereoelectronic Effects. New York: Springer Science+Business Me-dia. 2009. 543 p.
Wu C.-T., Qu J., Elliott J., Yu K.M.K., Tsang S.C.E. Hydrogenolysis of ethylene glycol to methanol over modified RANEY catalysts. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013. 15 (23). P. 9043-9050.
