多功能MOF催化转化纤维素制乳酸/乳酸酯的构效机制

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31870559
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C1604.林产化学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

At present, fossil products (such as polyethylene plastic, etc.) had resulted in serious environmental pollution. The conversion of renewable resources (such as cellulose, Cn) to platform compounds (such as lactic acid/lactate), and then the synthesis of green materials (such as polylactic acid, etc.) will be one of the fundamental and effective ways to solve this problem. However, the production of lactic acid by fermentation involves the problems of food competition in raw materials, difficulty in controlling the acidity of the fermentation broth and low yield, etc. The selectivity of traditional chemical catalysis is low, while its energy consumption is very high. In view of these questions, this project will firstly clarify the catalytic mechanism of Lewis acids (L acids) on the isomerization of C6-aldoketoses (glucose→fructose) and the cleavage of C6-ketose's C-C bonds (C6-ketose→ glyceraldehyde and dihydroxyacetone), providing the theoretical foundation for the construction of L acid-based metal-organic framework (MOF) catalyst with high selectivity. Moreover, this project will focus on revealing the synergetic mechanism between binding domain and B acid for hydrolyzing Cn to C6-aldose and analyzing the inhibition effect of carrier channels on the mass transfer efficiency of catalytic intermediates. Finally, this project will construct a multifunctional MOF catalyst with the structure of hierarchical pore, L acid and biomimetic B acid and uncover its structure-activity mechanism, which will be beneficial to realize efficiently heterogeneous conversion of Cn to lactic acid/lactate. The research of this project will provide theoretical and technical support for alleviating the crisis of energy and environment in our country.
目前,化石制品(如聚乙烯塑料等)已对环境产生严重污染,将可再生资源(如纤维素,Cn)转化为平台化合物(如乳酸/乳酸酯)、进而合成绿色材料(如聚乳酸等)将是解决此问题的根本有效途径之一。然而,发酵法生产乳酸涉及原料存在粮食竞争、发酵液酸度不易调控、产率低等问题;传统化学催化选择性低、能耗高。据此,本项目首先阐明路易斯酸(L酸)对碳六(C6)醛酮糖异构(葡萄糖→果糖)及C6-酮糖C-C键断裂(C6-酮糖→甘油醛和二羟基丙酮)的催化机制,为构建高选择性L酸金属-有机骨架(MOF)催化剂奠定理论基础;其次,揭示结合域对质子酸(B酸)催化Cn水解为C6-醛糖的协同促进机制;同时,分析载体孔道对催化中间产物传质效率的抑制作用;最终,构建具有多级孔、L酸和仿酶型B酸结构的多功能MOF催化剂,揭示其构效机制,实现Cn到乳酸/乳酸酯的高效非均相催化转化。项目研究将为缓解我国能源和环境危机提供理论和技术支持。

结项摘要

高效非酶催化纤维素转化为乳酸不仅可促进绿色材料和功能化学品产业的发展,而且有利于缓解能源和环境问题。本项目主要研究多功能金属有机骨架(MOFs) 材料催化纤维素转化为乳酸的构效机制。首先,基于磺化后处理和有机配体苯环侧链修饰,将Brønsted酸(如-SO3H)和结合域(如-OH、-Cl、-Br或-NH2等官能团)引入MOF材料;其次,以In、Al或Zr等金属为Lewis酸、SO3H为Brønsted酸,解析Lewis酸所介导C6醛/酮糖异构、C6酮糖逆羟醛和C3糖(1,3-二羟基丙酮与甘油醛)氢转移等主反应路径、以及Brønsted酸引发单糖(如葡萄糖)的脱水、逆羟醛、羟醛缩合以及脱羧等副反应,进而产生呋喃化合物(如羟甲基糠醛等)、以及C2‒C4小分子(乙醇酸、甘油酸、2-羟基丁酸和乙酰丙酸等)等副产物;同时,采用电镜和紫外漫反射等分析仪器表征所合成多功能MOF材料的结构,据此开发酸后处理等缺陷手段来构建高密度及活性的L酸,调控MOF材料中L酸和B酸比例;最终,开发廉价过渡金属(如Ni2+和Zn2+等)作为Lewis酸,使碳水化合物衍生单糖(果糖和葡萄糖)转化为乳酸的得率达到50%左右。目前,本项目已在Angew等国内外期刊发表论文7篇,申请中国发明专利2件、其中1件已授权,5名研究生参与该项目研究。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Production of Hydroxymethylfurfural Derivatives From Furfural Derivatives via Hydroxymethylation.
糠醛衍生物羟甲基化生产羟甲基糠醛衍生物
  • DOI:
    10.3389/fbioe.2022.851668
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Frontiers in bioengineering and biotechnology
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Lv X;Luo X;Cheng X;Liu J;Li C;Shuai L
  • 通讯作者:
    Shuai L
氯代UiO-66吸附染色纸废水中罗丹明B和刚果红
  • DOI:
    10.16085/j.issn.1000-6613.2018-1905
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    化工进展
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨光绪;龚正刚;罗小林;黄六莲;陈礼辉;刘婧
  • 通讯作者:
    刘婧
Bioinspired Cellulase-Mimetic Solid Acid Catalysts for Cellulose Hydrolysis.
用于纤维素水解的仿生纤维素酶固体酸催化剂
  • DOI:
    10.3389/fbioe.2021.770027
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Frontiers in bioengineering and biotechnology
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Yang G;Luo X;Shuai L
  • 通讯作者:
    Shuai L
Chemocatalytic Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol: A Mini-Review
木质纤维素生物质化学催化转化为乙醇:小综述
  • DOI:
    10.3390/catal12080922
  • 发表时间:
    2022-08
  • 期刊:
    Catalysts
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Zhenggang Gong;Xianqing Lv;Junhui Yang;Xiaolin Luo;Li Shuai
  • 通讯作者:
    Li Shuai
In-situ oxidation/reduction facilitates one-pot conversion of lignocellulosic biomass to bulk chemicals in alkaline solution
原位氧化/还原促进木质纤维素生物质在碱性溶液中一锅转化为散装化学品
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2021.132365
  • 发表时间:
    2021-09-15
  • 期刊:
    CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Luo, Xiaolin;Gong, Zhenggang;Shuai, Li
  • 通讯作者:
    Shuai, Li

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木质纤维高固酶解体系的糖化机制及其过程的分析与调控
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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