[发明专利]一种具有螺环烷烃结构的燃料分子及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料推进剂领域，涉及具有螺环烷烃结构的燃料分子及其制备方法。

背景技术

高密度燃料是液体推进剂的重要组成部分，其性能决定了飞行器的飞行性能(包括航程、航速和有效载荷)，是为飞行器提供动力保障的关键。高密度燃料可以应用于以煤油为燃料的吸气式发动机、火箭发动机、以及火箭-冲压、涡轮-冲压组合动力发动机。除具有一般液体碳氢燃料的优点外，高密度燃料还具有更大的质量密度和体积热值(即高能量密度)，在发动机油箱容积有限的情况下，能有效增加所携带的能量，满足高航速、大载荷和远射程的要求。

高密度燃料采用化学方法人工合成，以石油化工中间体为原料合成的高密度燃料包括JP-10，RJ-4，RJ-5，RJ-7等。为减少对石油的过度依赖以及缓解温室效应等环境问题，以生物质及其衍生物为原料合成高密度燃料日益重要。

木质纤维素广泛存在于自然界的植物中，是大自然中最丰富的有机物。通过水解、热裂解、催化裂解或生物降解，可以得到一系列的纤维素平台化合物，例如糠醛类化合物、呋喃类化合物。这些化合物通过烷基化、aldol缩合、脱氧还原可以得到不同碳数的烷烃产品，用于制备第二代生物燃料。文献Science,2005,308,1446以线性醛酮分子作为桥梁分子，与糠醛、5-羟甲基糠醛进行aldol缩合反应及后续加氢脱氧得到的碳氢燃料主要是密度低的正十三烷(密度0.755g/cm³)与正十五烷(密度为0.769g/cm³)。文献Chemical Communication,2013,49,5727；Applied Catalysis B:Environmental,2015,170-171,124以糠醛选择性加氢脱氧得到的2-甲基呋喃与线性醛酮分子发生烷基化反应，经过加氢脱氧后得到的密度都低于0.80g/cm³碳氢燃料。文献Energy Fuels,2014,28,5112使用2-甲基呋喃与环戊酮在酸催化剂发生烷基化反应，加氢脱氧得到密度为0.82g/cm³的燃料。文献Chemical Engineering Science,2015,138,239以环己酮和2-甲基呋喃为原料，合成密度为0.825g/cm³的燃料。文献Scientific Reports,2015,5,9565；Chemical Communication,2014,50,2572将环戊酮进行缩合和加氢脱氧制备得密度为0.866g/cm³的燃料。文献Green Chemistry,2015,17,4473将环戊酮进行缩合和加氢脱氧制备得到双环己烷，密度为0.887g/cm³的燃料，但冰点(1.2℃)偏高，限制了其直接应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有螺环烷烃结构的燃料分子，以及基于木质纤维素类衍生物合成新型的高密度且低冰点(凝固点)的具有螺环烷烃结构的高能量密度的燃料分子的制备方法。

本发明的第一方面涉及一种具有螺环烷烃结构的燃料分子，其特征在于具有如下结构：

其中，n＝1或2。

所述具有螺环烷烃结构的燃料分子，当n＝1时，具有螺环烷烃结构的燃料分子的密度为0.940g/ml，凝固点为-43℃；当n＝2时，具有螺环烷烃结构的燃料分子的密度0.944g/ml，凝固点为-36℃。

本发明的第二方面涉及一种具有螺环结构的燃料分子的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)使2-甲基呋喃和环戊酮或环己酮在催化剂作用下发生如下烷基化反应，生成产物FCF：

(2)使步骤(1)的产物FCF在酸性条件下发生如下水解反应，得到四酮分子：

(3)使步骤(2)的所述四酮分子与丙酮在碱性催化剂存在下在溶剂中按下式发生分子内aldol反应，得到三酮分子：

(4)使步骤(3)的所述三酮分子与肼按下式发生还原脱氧反应，生成所述具有螺环烷烃结构的燃料分子。

优选地，步骤(1)中的2-甲基呋喃和环戊酮或环己酮的摩尔比为2:1，反应温度为40℃～60℃，反应时间为3h～9h，所述催化剂为nafion-212、amberlyst-15、MMT-K10、Al-MCM-41、ZSM-5或Hβ中的一种或几种；