Luận án tiến sĩ về chất lỏng ion trong phản ứng chuyển hóa carbohydrate thành 5-hydroxymetylfurfural

• Tác giả: Phan Bích Hà
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Hoàng Phương
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
• Đề tài: Tổng hợp chất lỏng ion dùng trong phản ứng chuyển hóa carbohydrate thành 5-hydroxymetylfurfural
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Tổng quan về chất lỏng ion
• 1.1. Sơ lược về sự hình thành, phát triển. Phương pháp tổng hợp. Dung môi eutectic sâu (DES-deep eutectic solvent) thế hệ chất lỏng ion mới
• 1.2. Sơ lược về dung môi eutectic sâu
• 1.3. Tính chất hóa lý
• 1.4. Phương pháp kích hoạt phản ứng trong tổng hợp hữu cơ
• 1.5. Phương pháp kích hoạt phản ứng có hỗ trợ vi sóng
• 1.6. Phương pháp dòng chảy
• 1.7. Giới thiệu về sinh khối
• 1.7.1. Giới thiệu chung
• 1.7.2. Giới thiệu về carbohydrate
• 1.8. Tổng quan về 5-hydroxymethylfurfural (HMF)
• 1.8.1. Giới thiệu chung về HMF
• 1.8.2. Tình hình nghiên cứu hiện tại, tính cấp thiết, tính mới trong điều chế HMF
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nội dung nghiên cứu
• 3.2. Hóa chất và thiết bị
• 3.3. Các phương pháp phân tích vật liệu
• 3.4. Quy trình điều chế chất lỏng ion và DES
• 3.5. Tổng hợp HMF từ carbohydrate
• 3.6. Công thức tính toán
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ, THẢO LUẬN
• 4.1. Xác định cấu trúc và tính chất của một số chất lỏng ion hiệu quả trong quá trình chuyển hóa HMF
• 4.2. Xác định cấu trúc HMF
• 4.3. Cấu trúc của cellulose trích ly từ bã mía
• 4.4. Ảnh hưởng của chất lỏng ion trong phản ứng điều chế HMF từ fructose
• 4.5. Điều chế HMF từ fructose sử dụng IL 1 làm xúc tác trong dung môi EMIMCI
• 4.6. Điều chế HMF từ fructose sử dụng IL 2 làm xúc tác trong dung môi EMIMCI
• 4.7. Tóm tắt kết quả chuyển hóa fructose
• 4.8. Ảnh hưởng của chất lỏng ion trong phản ứng điều chế HMF từ glucose
• 4.9. Điều chế HMF từ glucose sử dụng IL 1 làm xúc tác trong dung môi EMIMCI
• 4.10. Điều chế HMF từ glucose sử dụng IL 10 làm xúc tác
• 4.11. Điều chế HMF từ glucose sử dụng xúc tác BG-H2SO4 và DES 5 làm dung môi
• 4.12. Điều chế HMF từ glucose sử dụng xúc tác CrCl3 và DES 5 làm dung môi
• 4.13. Tóm tắt kết quả chuyển hóa glucose
• 4.14. Ảnh hưởng của chất lỏng ion trong phản ứng điều chế HMF từ sucrose
• 4.15. Điều chế HMF từ sucrose sử dụng IL 2 làm xúc tác
• 4.16. Điều chế HMF từ sucrose sử dụng IL 10 làm xúc tác
• 4.17. Điều chế HMF từ sucrose sử dụng IL 15 làm xúc tác
• 4.18. Tóm tắt kết quả chuyển hóa sucrose
• 4.19. Ảnh hưởng của chất lỏng ion trong phản ứng điều chế HMF từ cellulose
• 4.20. Điều chế HMF từ cellulose sử dụng xúc tác C-H2SO4/EMIMCI
• 4.21. Điều chế HMF từ cellulose sử dụng xúc tác BG-H2SO4/DES 5
• 4.22. Tóm tắt kết quả chuyển hóa cellulose
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Tóm tắt kết quả
• 5.2. Đóng góp của luận án
• DANH MỤC CÁC BÀI BÁO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Chất lỏng ion và ứng dụng trong hóa học xanh

Chất lỏng ion (IL) là một trong những công cụ quan trọng trong hóa học xanh và hóa học bền vững. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các phản ứng hóa học nhờ tính chất độc đáo như độ dẫn điện cao, khả năng hòa tan tốt, và ổn định nhiệt. Trong nghiên cứu này, chất lỏng ion được tổng hợp và ứng dụng trong quá trình chuyển hóa carbohydrate thành 5-hydroxymetylfurfural (HMF), một hợp chất quan trọng trong sản xuất năng lượng tái tạo. Các chất lỏng ion mới được tổng hợp lần đầu tiên, mang lại hiệu quả cao trong xúc tác hóa học và giảm thiểu tác động môi trường.

1.1. Tổng hợp chất lỏng ion

Quy trình tổng hợp chất lỏng ion bao gồm các bước kích hoạt phản ứng bằng vi sóng và dòng chảy. Các chất lỏng ion mới được tạo ra từ các cation và anion khác nhau, mang lại tính chất hóa lý đa dạng. Phương pháp này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo tính an toàn và hiệu quả cao. Các chất lỏng ion tổng hợp được ứng dụng trong quá trình chuyển hóa carbohydrate, đặc biệt là từ fructose, glucose, và cellulose.

1.2. Ứng dụng trong hóa học xanh

Chất lỏng ion được coi là dung môi thân thiện với môi trường, thay thế các dung môi hữu cơ độc hại. Chúng được sử dụng trong các phản ứng hóa học như chuyển hóa carbohydrate thành HMF, một quá trình quan trọng trong sản xuất năng lượng tái tạo. Nghiên cứu này đã chứng minh hiệu quả của chất lỏng ion trong việc tăng hiệu suất phản ứng và giảm thiểu chất thải, góp phần vào sự phát triển của hóa học bền vững.

II. Chuyển hóa carbohydrate thành 5 hydroxymetylfurfural

Chuyển hóa carbohydrate thành 5-hydroxymetylfurfural (HMF) là một quá trình quan trọng trong hóa học hữu cơ và hóa học ứng dụng. HMF là tiền chất cho nhiều hợp chất giá trị trong công nghiệp, bao gồm nhiên liệu sinh học và hóa chất. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng chất lỏng ion làm môi trường phản ứng và xúc tác hóa học để tối ưu hóa quá trình chuyển hóa. Các nguồn carbohydrate như fructose, glucose, và cellulose được khảo sát để đánh giá hiệu suất chuyển hóa.

2.1. Chuyển hóa fructose thành HMF

Fructose là nguồn carbohydrate dễ chuyển hóa nhất thành HMF. Nghiên cứu đã sử dụng chất lỏng ion làm xúc tác trong dung môi EMIMCI, đạt hiệu suất chuyển hóa cao. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian phản ứng, và lượng xúc tác được tối ưu hóa để đạt hiệu quả tối đa. Kết quả cho thấy chất lỏng ion không chỉ tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu sản phẩm phụ.

2.2. Chuyển hóa glucose và cellulose thành HMF

Quá trình chuyển hóa glucose và cellulose thành HMF phức tạp hơn do cấu trúc phân tử phức tạp. Nghiên cứu đã sử dụng hệ thống xúc tác hóa học kết hợp chất lỏng ion và các muối kim loại để tăng hiệu suất. Các kết quả cho thấy chất lỏng ion đóng vai trò quan trọng trong việc phá vỡ cấu trúc cellulose, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển hóa.

III. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại như HPLC và FT-IR để đánh giá cấu trúc và tính chất của chất lỏng ion và sản phẩm HMF. Các quy trình tổng hợp và chuyển hóa được thực hiện trong điều kiện tối ưu, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả. Kết quả nghiên cứu cho thấy chất lỏng ion là công cụ hiệu quả trong quá trình chuyển hóa carbohydrate thành HMF, mở ra hướng nghiên cứu mới trong hóa học vật liệu và hóa học môi trường.

3.1. Phương pháp phân tích

Các phương pháp phân tích như HPLC và FT-IR được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của chất lỏng ion và HMF. Các kết quả phân tích cho thấy sự ổn định và hiệu quả của chất lỏng ion trong quá trình chuyển hóa. Các phương pháp này cũng giúp đánh giá hiệu suất và độ tinh khiết của sản phẩm.

3.2. Kết quả và đánh giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy chất lỏng ion đạt hiệu suất cao trong quá trình chuyển hóa carbohydrate thành HMF. Các chất lỏng ion mới được tổng hợp lần đầu tiên, mang lại hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Nghiên cứu này đóng góp quan trọng vào sự phát triển của hóa học xanh và hóa học bền vững.