离子液体中纤维素直接转化为5-羟甲基糠醛催化反应研究

As an important chemical intermediates, 5-hydroxymethyfurfural( 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 mechanism will be investigated by NMR, FT-IR, UV-vis and LC-MS et. al. The catalysis system developed in this program is environmentally benign and efficient, conducted under mild reaction conditions. The catalyst can be 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，FT-IR、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。

生物质燃料和平台化合物因其可从储量丰富、可再生和低污染的生物质资源中获取成为有前途的化石燃料替代品。纤维素作为生物质中含量最为广泛的一类原料，它的降解利用具有重要的实际意义。5-羟甲基糠醛(5-HMF)，由于其存在活性官能团羟基和甲酰基，可转化为许多高附加值产品。本项目中，合成了多种功能化酸性离子液体催化降解纤维素转化为HMF。在SO3H-离子液体-水/四氢呋喃(H2O-THF)双液相体系中催化纤维素一步转化为HMF，并探究了反应温度、催化剂用量、含水量等条件对催化效率的影响，当THF相作为萃取相时，HMF的产率可达到58%。另外，为探索离子液体在降解糖类的过程中所起到的关键性作用以及反应机理，将研究目标从纤维素扩大到纤维二糖、蔗糖、麦芽糖甚至是葡萄糖以及果糖等单糖类分子，并在多种糖类的降解过程中分析表征过程中提出了糖类在离子液体中的降解机理。同时，制备了一系列不同负载量的负载型固体酸催化剂B2O3/ZrO2-Al2O3，考察了催化剂对葡萄糖的脱水性能。实验结果表明，B2O3负载量为20 wt%时 (BZA-0.20),反应温度150 oC ，反应时间4 h， 5-HMF的最高收率为41.2%。此外，还采用共沉淀和等体积浸渍的方法制备了一系列负载磷钨酸型固体酸催化剂H3PW12O40(HPA)/TiO2-ZrO2，探究其催化葡萄糖制备5-HMF的活性。结果显示，反应最佳条件为t=3 h, T=160oC，VNaCl(aq):VTHF=1:5，m催:m葡=1:5，1200 r/min。最优条件下5-HMF的收率为57.7%、选择性为58.5%，葡萄糖转化率为98.5%。这些催化剂及催化体系在低污染、高效生产HMF具有优秀的应用前景。