Insight into the formation mechanism of levoglucosenone in phosphoric acid-catalyzed fast pyrolysis of cellulose

左旋葡糖 化学 催化作用 纤维素 磷酸 热解 有机化学 分解 聚合 乙酰丙酸 组合化学 聚合物 气溶胶 生物质燃烧
作者
Bin Hu,Qiang Lü,Yuting Wu,Wen-luan Xie,Minshu Cui,Ji Liu,Dong Chen,Yongping Yang
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:43: 78-89 被引量:52
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2019.08.001
摘要

The catalytic fast pyrolysis of cellulose impregnated with phosphoric acid (H3PO4) offers a promising method for the selective production of levoglucosenone (LGO), a valuable anhydrosugar product. However, the fundamental mechanism for selective LGO formation is unclear. Herein, quantum chemistry calculations and catalytic fast pyrolysis experiments were performed to reveal the formation mechanism of LGO in H3PO4-catalyzed cellulose pyrolysis. H3PO4 significantly decreased the energy barriers of the pyrolytic reactions and altered the competitiveness of the LGO formation pathways, promoting LGO formation. Through different pathways in the non-catalytic and H3PO4-catalyzed conditions, LGO is mainly produced from the primary decomposition of glucose units of cellulose and secondary conversion of levoglucosan. The major catalytic formation pathways of LGO comprise similar reactions, with dehydration at the 3-OH + 2-H site as the rate-determining step. Importantly, secondary conversion of 1,4;3,6-dianhydro-α-d-glucopyranose is not feasible for LGO formation, in contrast to previous reports. In addition, a high degree of polymerization is beneficial for the selectivity of LGO formation in the catalytic process, because the glycosidic bond is important for the formation of the bicyclic structure (1,5- and 1,6-acetal rings).

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