2,3-戊二酮为黄绿色油状液体,主要用作食品香精的原料,明胶硬化剂,相片的粘结剂等。其天然品存在于芬兰松等精油中,远不能满足需求。现有的合成方法有:1)在盐酸羟胺存在下,用氮气保护,将甲基丙酮用过量亚硝酸钠和稀盐酸氧化而制得。2)由羟基丙酮与己醛在酸性催化下通过缩合反应得到。但上述两种合成方法均采用了大量的液体酸,生产过程废酸排量较大,对环境存在着较大的危害。因而,2,3-戊二酮的清洁生产在当下具有紧迫性。近年来,生物质及其衍生物由于具有可持续性、可再生性和绿色环保性,因此其开发利用成为重要的研究课题之一,受到国内外的广泛关注。基于此,本论文选择生物基乳酸为原料,通过催化缩合方式合成2,3-戊二酮展开研究,旨在探索一条2,3-戊二酮的清洁生产路线。2,3-戊二酮的合成存在的主要问题在于催化剂的表面酸碱位与缩合反应不匹配,导致反应选择性低;活性组分在反应过程中易于流失,导致稳定性较差。本文从催化剂分子设计思路出发,来构建缩合反应催化剂,结合现代表征手段探明催化剂表面酸碱位与缩合反应活性之间的关系,深入探讨催化剂的制备条件与反应工艺条件对反应的影响,在此基础上,提出了可能的反应机理。本文具体的研究内容如下:催化剂的制备采用浸渍法和沉淀法。催化剂的表征方面,主要采用了X-射线粉末衍射(XRD)、红外(FT-IR)对催化剂结构进行了表征;采用EDX对催化剂的元素组成进行了分析;采用N2-物理吸脱附(BET)、扫描电镜(SEM)等对催化剂的织构、外貌进行了分析;采用化学吸附-脱附(CO2-TPD/NH3-TPD)研究了催化剂表面的酸碱位分布及密度。催化剂活性评价采用固定床微反应装置进行气固催化反应活性评价。本论文主要研究了二氧化硅负载的碱金属硝酸盐,铯掺杂的镁铝复合物和铯掺杂的羟基磷灰石三大体系。催化剂体系1:二氧化硅通过浸渍法将不同碱金属硝酸盐负载其表面,并将该催化剂用于乳酸缩合反应生成2,3-戊二酮的反应中。考察了反应温度、硝酸盐的负载量等对乳酸缩合反应的影响。以4.4%(x,摩尔分数)CsNO3/SiO2为催化剂,在反应温度为300℃条件下,2,3-戊二酮的收率达54.1%。关联催化剂的活性与CO2-TPD表征的碱性发现,碱性位是影响该反应的关键,碱性位越多,活性越好。催化剂体系2:虽然前述催化剂体系对缩合反应的初始活性比较高,但稳定性较差,其原因在于活性组分Cs在催化反应过程中的流失。为了解决催化剂的稳定性,我们采用了原位分子组装手段,将活性组分Cs掺杂到载体结构中去,为此制备出了一系列掺杂型的镁铝复合物催化剂。并考察了镁铝比对催化剂性能的影响。在选用最优选的催化剂,在反应温度为300℃条件下,2,3-戊二酮的收率达30%,收率不高,但其稳定性较前一个体系相比有了较大的提高。催化剂体系3:尽管催化剂体系2的催化剂活性不高,但稳定性较好,表明分子组装手段掺杂活性组分Cs有可行性。在此思路指导下,我们采用分子组装手段制备了Cs掺杂的羟基磷灰石催化剂。考察了煅烧温度和硝酸铯的掺杂量这两个重要影响因素对催化剂的性能的影响。此外,还就反应工艺条件中的反应温度、原料乳酸的进样速率和乳酸浓度也进行了优化。在优选的最佳比例和最佳煅烧温度下,反应温度为290摄氏度条件下,2,3-戊二酮的收率可达65%左右;更为重要的是催化剂的稳定性很好,达40 h。通过对催化剂表征发现,催化剂表面的酸-碱位是影响催化活性的关键,碱位/酸位比为7-8,催化性能好,基于此,提出了乳酸缩合反应的酸碱协同催化反应机理。