纤维素在离子液体中直接转化为5-羟甲基糠醛催化反应研究

As one of important chemical intermediates, 5-hydroxymethyfurfural(or HMF) is traditionally produced from biomass monosaccharides （e.g., fructose and glucose）. However, the use of monosaccharides is expensive, and may imperil food security as well. An alternative way to solve this issue is to produce HMF from the most abundant bioresource: cellulose. This program is targeting at the HMF production from cellulose in one step within an imidazole ionic liquid media via the combination of the cellulose hydrolysis reaction and glucose dehydration reaction over a bifunctional catalyst which contains a sulfonic-acid ionic liquid and a heteropoly acid or salt on a solid support.The reaction mechanism will be investigated by NMR, FTIR, UV-vis and LC-MS etc. The catalysis system developed in this program is environmentally benign and efficient, conducted under mild reaction conditions. The catalyst can be possibly reusable for many times.Consequently,the industrial application of the proposed system can be expected.

5-羟甲基糠醛（HMF）是一种重要的化工中间体，通常用生物质单糖（果糖和葡萄糖）转化制得，但单糖价格较高，且威胁粮食安全，而由非粮生物质纤维素直接转化为HMF可解决此弊端。该项目拟用咪唑类离子液体溶解纤维素，加入一种同时固载磺酸基功能化离子液体和杂多酸盐的双功能催化剂，将纤维素的水解和脱水两步反应串联起来，一步制备HMF，结合NMR，FTIR、Uv-vis、液质联用等表征方法，探索反应机理。该催化体系具有绿色环保、条件温和、高效、催化剂可重复利用等特点，有望实现工业化生产。

5-羟甲基糠醛(5-HMF)具有多个官能团，因而被认为是最有潜力的平台化合物之一，目前主要由果糖或葡萄糖降解而得。纤维素作为自然界中最丰富的可再生资源，若能从纤维素一步得到高产率的HMF，将会大大降低其生产成本。该项目主要研究了以双功能离子液体、金属氯盐及固体酸为催化剂,在离子液体[BMIM]Cl中直接将纤维素一步转化为HMF。通过对系列双功能离子液体催化剂的催化反应筛选，结果表明Cr([PSMIM]HSO4)3的催化活性最好。此外，确定了反应最佳条件：0.1 g纤维素，120℃，5 h，5.82×10-5mol Cr([PSMIM]HSO4)3 / 1.146×10-2mol [BMIM]Cl，此时HMF的最高产率可达53 %，还原糖（TRS）的最高产率为94 %，纤维素转化率在95 %以上。在对双功能离子液体催化剂的研究中，我们发现催化剂的酸性对降解过程有重要的影响。催化剂的酸性太高会发生副反应，酸性太低纤维素很难降解。Cr([PSMIM]HSO4)3酸性适中，且Cr3+具有稳定HMF的作用。总之，该催化体系具有绿色环保、条件温和、高效、催化剂易于分离及可重复利用等特点，具有良好的工业化应用前景。