生物質雙相溶劑體系制備5-羥甲基糠醛的過程強化研究進展

千嘉藝，肖建軍，孫林，楊海平，王賢華，陳應泉，陳漢平

（華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

近年來，隨著化石能源短缺問題日趨嚴峻，生物質制取高品位液體燃料、高附加值化學品也逐漸成為研究熱點。由木質素（10%～25%）、纖維素（35%～50%）和半纖維素（20%～35%）構成的木質纖維素，作為重要的生物質資源，儲量巨大卻未被充分利用。其中纖維素是世界上最豐富的生物聚合物，其經酸催化水解可以得到5-羥甲基糠醛（HMF）。而HMF 被美國能源部列為基于生物質資源的十大平臺化合物之一[1]，可以進一步轉化為2,5-二甲基呋喃、2,5-呋喃二甲酸和長鏈烷烴等高價值產品[2]。但是，由生物質制備HMF還面臨著諸多挑戰，如在單一溶劑體系中HMF 選擇性差、產率低，涉及原料種類、催化劑、溶劑體系等需要進一步優化。從己糖或由其組成的其他底物為原料出發制備HMF 的反應機理和催化條件已被較系統研究，HMF 產率也得到相應提高。特別是近來提出的基于水或離子液體與有機溶劑構成的雙相溶劑體系，能將反應相（水或離子液體）中生成的HMF原位萃取至有機相，避免其進一步發生副反應，同時完成疏水性目標產物與親水性副產物的有效分離[3]。然而由于HMF在有機相和反應相中均有一定的溶解度，且兩相界面存在較大的傳質阻力，進而使得HMF 產率仍然不高。因此，采取合適的傳質強化手段，促進HMF 及時萃取轉移，對提高雙相溶劑體系中HMF產率至關重要[4]。

目前，已有文獻對單相溶劑中HMF 的主要制備工藝、原料、催化劑進行了綜述[5]，而近年來利用雙相溶劑體系已成為一種趨勢，溶劑和催化劑的選擇備受關注。Romo等[6]總結了雙相溶劑體系中制備糠醛類物質的沸石、聚合物/離子交換樹脂等非均相催化劑，并對常用于該反應體系的有機溶劑性質加以探討。Saha 等[7]也特別強調開發更有效的萃取溶劑對改善產物的兩相分配系數提高產率的積極作用，及固體酸催化劑在提高HMF 選擇性方面的良好效果。Esteban等[8]從性能、環境、健康和安全等影響因素出發關注溶劑選擇，篩選出利于糠醛類物質原位萃取且符合綠色化學的有機溶劑。而涉及雙相溶劑體系中生物質制備HMF 過程強化的綜述性文章鮮見報道，鑒于此，本文在對雙相溶劑體系中生物質液相降解制備HMF 研究進展進行總結的基礎上，重點關注過程強化研究現狀，并對后續工作提出建議和展望。

1 生物質雙相溶劑體系液相降解制備HMF

最初純水或純有機溶劑被用于HMF 制備，高溫條件下副反應較多，產率和選擇性都較低。離子液體具有較低的蒸氣壓，可作為新型溶劑用于制備HMF，并能將反應溫度降低至80℃左右[9]，但單相體系面臨的副產物多、產物分離困難等問題仍然需要解決。通過在單一水相或離子液體的基礎上加入有機溶劑作為萃取劑，形成雙相溶劑體系，實現HMF 的即時分離，可減少副反應的發生，有效改善上述問題。

1.1 雙相溶劑體系

雙相溶劑體系相較于單一相溶劑具有顯著優勢，Yang 等[10]發現與純水體系相比，水/四氫呋喃（THF）雙相溶劑體系中果糖轉化率由95.4%提高至99.5%，HMF產率從17%提高到39.3%。而在水/有機溶劑雙相溶劑體系中加入助劑，如二甲基亞砜（DMSO）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）等，可降低HMF在水中的濃度，從而抑制副產物產生，進而提高產物的選擇性[11]。離子液體由無機陰離子和有機陽離子構成，在木質纖維素類生物質的高值轉化過程中具有一定的優勢，Zhang 等[12]直接以1-丁基-3-甲基咪唑氯化物作為溶劑，從松木等木質纖維素原料制備HMF，在反應僅幾分鐘后產率即可達到52%。Lansalot-Matras 等[13]分別用親水的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（BMIM+BF4-）和疏水的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（BMIM+PF6-）作為溶劑由果糖制備HMF，其質量產率為50%，體系加入DMSO作為共溶劑后一定程度上抑制了乙酰丙酸和腐黑物的形成，產率達到將近80%，從而體現出雙相溶劑體系的優勢。另一方面，離子液體中高濃度的陰離子可以通過結合纖維素的羥基形成更穩定的氫鍵，從而促進纖維素溶解[14]。對比上述水-有機溶劑與離子液體-有機溶劑兩種雙相溶劑體系，后者在降低反應溫度和溶解木質纖維素等方面有更好的表現，但成本較高，而且存在黏度大等影響高效萃取的問題，因而水/有機溶劑體系有更廣闊的應用前景。

1.2 有機溶劑

提高HMF 在有機溶劑中的分配系數對提升其產率至關重要，這取決于有機溶劑本身的萃取能力，并與體系中有機溶劑的占比等因素緊密相關。De Moreau 等[15]最早采用甲基異丁基酮（MIBK）作為萃取劑用于制備HMF，其水溶性較低，可以抑制副反應并對HMF 有較高的萃取能力。Román-Leshkov 等[16]將C3～C6范圍內的伯醇、仲醇、酮和環醚用作雙相溶劑體系中的萃取劑，C4溶劑中HMF產率最高，特別是以THF 作為有機相時，HMF 選擇性達到83%且分配系數達到最高為7.1，THF 和MIBK 成為目前該反應中應用最為廣泛的兩種有機溶劑。此外，2-甲基四氫呋喃、γ-戊內酯、正丁醇等有機溶劑也因其環境友好性被采用，而綠色溶劑乙酸乙酯和甲酸丙酯在萃取HMF 方面也有較好的應用前景[8]。

在一定范圍內，原料轉化率、HMF 萃取效率和產率會隨有機相占比的增加而成比例增加，呈線性相關[17]，目前雙相溶劑體系制備HMF 的研究中，萃取相與反應相體積比多采用(2～4)∶1，最常見的為3:1。Marunaka 等[18]發現在有機溶劑與水體積比為1時，HMF有效萃取率僅為80%，而在該比例增加到3 后，HMF 可以全部被萃取至有機相。Shi等[19]研究雙相溶劑體系中高濃度硫酸鹽對纖維素生成HMF 的影響，采用的有機相（THF）與水相的體積比高達25倍以上，纖維素表面有豐富的羥基，而水性溶劑極性較THF 更強，因此纖維素表面將形成水包覆的液膜。有機相不僅作為HMF 的保護劑，還被用作分散劑來分散纖維素顆粒和含纖維素的水溶液。液膜傳質縮短了產物從水相到有機相的傳質距離，更多的有機相也提供了對HMF 更強的溶解能力，這也為提高雙相體系內反應的萃取效率提供了一種新途徑。

1.3 反應原料

木質纖維素直接轉化為HMF 的過程會因三組分之間的相互作用而較為困難，需解決高效溶解與高效催化轉化的問題，通常進行球磨預處理或采用微波加熱輔助，且原生生物質相較于纖維素明顯反應時間更長[2,12]。HMF 則是經纖維素降解形成葡萄糖或異構化為果糖后，再釋放三分子水形成的，果糖從而成為生成HMF 最直接的生物質原料之一，葡萄糖相較于果糖不具有較多的烯醇式結構，在催化異構為果糖后轉化為HMF，但其成本低廉更易得，也因而被廣泛應用，兩者均能在較低溫度下（120～180℃）通過雙相溶劑體系水解獲得較高轉化率[8]。Rigal 和Gaset[20]早在1983 年就對比葡萄糖、甘露糖、半乳糖、山梨糖和果糖轉化為HMF 的特性，并發現果糖直接轉化的HMF 產率（73%）遠高于其他幾種己糖。雙相溶劑體系中不同糖類轉化制備HMF 的研究促進了對木質纖維素直接轉化為HMF的理解，Li等[2]通過DFT計算發現Cl-對葡萄糖異構化及果糖脫水的積極影響，并以微晶纖維素、松木、樺木、玉米桿等常見木質纖維素類生物質為原料，在最優反應條件下HMF 產率最高可以達到55.4%。

1.4 催化劑

均相酸是一種常見的催化劑，特別是無機強酸，而HCl 相較于H2SO4、H3PO4等更是對制備HMF 展現出較高的催化潛力。Lee 等[21]發現CO2也對碳水化合物制備HMF 展現出良好的催化性能，葡萄糖在其催化作用下轉化，HMF 產率可以達到64%。有機酸如甲酸、乙酸等是生物質本身分解產物，相較于無機酸降低了對環境的不利影響和對反應器的腐蝕，并具有顯著的催化效果[22]。此外，馬來酸等有機酸相較于酸性較強的無機酸在葡萄糖轉化中展現出更優異的選擇性，既能有效降低葡萄糖異構化為果糖的能壘，同時抑制了反應過程中腐黑物的形成[23]。Lewis 酸CrCl3、AlCl3、SnCl4等金屬氯化物[24-27]促進葡萄糖異構為果糖的優異特性也使其獲得廣泛應用。均相催化劑雖然活性較高，對于木屑、秸稈等固體原料的轉化具有較好的循環使用性能，但易造成反應器腐蝕和環境污染[28]，盡管固體催化劑在催化不溶性原料轉化時不便于重復使用，但對于果糖、葡萄糖等可溶性原料的轉化具有較明顯優勢，而且對環境友好[29]。常見的固體酸催化劑包括具有酸功能的聚合物[30]、金屬氧化物[31]、金屬磷酸鹽[32]、沸石[33]和雙功能催化劑雜多酸[34]等，通過調節其酸性和結構達到調控催化活性的目的。

金屬氯化物和HCl的共用可以大大改善酸性條件下葡萄糖轉化為HMF 產率及選擇性低的問題[27]，是由于Lewis 酸和Br?nsted 酸分別催化葡萄糖異構化為果糖的過程和果糖降解為HMF 的過程，因此將其結合開發出不同的雙功能催化劑用于制備HMF已成為一種重要趨勢。Moreno-Recio等[35]對商業NH4-ZSM-5 沸石改性處理使其產生Br?nsted 和Lewis 酸位點，催化葡萄糖反應30min 后轉化率達到80%，HMF 產率為42%，證明了雙功能催化劑的有效性。由于Lewis 酸相較于Br?nsted 酸有更明顯的誘導聚合的作用，會加劇產物消耗從而不利于HMF 選擇性的提高，因此雙功能催化體系中兩種酸比例（L∶B）直接影響水解效率，Ordomsky 等[34]指出隨著L∶B 由5.3 減少到1，HMF 選擇性從27%提高至55%，而由于HMF選擇性相對于L∶B曲線呈火山型，在不同固體催化劑作用下的L∶B 最佳值會在0.7～3.8 之間變化[36]。盡管固體酸作為非均相催化劑在糖類轉化為HMF 的研究中有廣泛的應用，而纖維素的不溶性限制了其在以木質纖維素類為原料反應時的有效性，高昂的預處理成本和反應中腐黑物的形成使均相催化劑在技術可行性上獲得進一步認同[4]。

2 雙相溶劑體系中的液-液傳質強化技術

如前所述，雙相溶劑體系中HMF 被及時萃取可有效避免其在反應相中的再水合與其他副反應，但兩相界面的傳質阻力直接限制了反應速率和產率的提高。因此在生物質原料制備HMF 的過程中，一系列強化傳質的方法與技術手段被研究，以期強化反應效果，主要包括增強擾動和優化溶劑體系兩個方面。

2.1 增強擾動

通過強力攪拌可以增強相界面擾動以達到強化傳質的目的，He 等[37]利用磁力攪拌強化葡萄糖制備HMF 反應過程，轉速由200r/min 逐步增長至1200r/min，總產率也從36.2%提高至51.2%。Teong等[38]在乳液反應體系中由果糖和葡萄糖制備HMF，得到了在不破壞乳液體系液滴結構的范圍內轉速越大產率越大的結論，轉速為1000r/min時其HMF產率可以達到70%。強力攪拌的強化作用主要歸結為三點：①通過攪拌使兩相混合更均勻，降低體系中水的局部濃度并減小腐黑物生成和5-HMF 水解的可能性；②通過攪拌可以增大HMF 從反應相轉移至萃取相的概率，從而增強萃取效率；③攪拌通過促進5-HMF 從水相到有機相的傳質同時提高了反應速率，因而常作為一種有效的輔助手段用于生物質雙相溶劑體系制備HMF。但其作用有限，Li等[39]指出在葡萄糖轉化過程中，將轉速提高至300r/min以上，將不會對催化性能造成顯著的影響，而對于離子液體/有機溶劑體系而言，即使強力攪拌也難以克服因黏度差帶來的傳質阻力。

沸騰試劑被用于離子液體雙相溶劑體系以達到強化傳質的目的，如圖1所示，甲醇、乙腈等低沸點有機物作為沸騰試劑在反應體系中因過熱而不斷氣化，生成的氣泡能夠穿過兩相界面，在溫度較低的有機相中液化后又回流至離子液體相，從而增強混合物的動態擾動并增加相界面面積，有效提升有機溶劑對HMF 的萃取效率，使產物在有機相中的比例顯著增加[40]。Zhou 等[41]在1-丁基-3 甲基咪唑氯鹽（[BMIM]Cl）-乙二醇二甲醚（GDE）-H2O三元雙相溶劑體系中由葡萄糖制備HMF，其產率幾乎是在單一[BMIM]Cl/CrCl3/葡萄糖反應相中獲得的產率的兩倍。GDE 在該體系中由于其低沸點發生持續沸騰起泡現象，與上述沸騰試劑作用類似，可以提高相間傳質速率。另一方面水還起到降低離子液體黏度的助萃取劑作用。

圖1 沸騰試劑作用示意圖[40]

微反應器在毛細管內的段塞流動由毛細管壁和段塞軸之間剪切形成強烈的內部循環，也通過增強相間擾動而增大兩相界面的接觸面積和傳質系數，較傳統的間歇式反應器體現出一定的優勢。Tuercke 等[42]最早提出利用微反應器制備HMF，他們基于純水溶液中果糖的鹽酸催化脫水，建立了連續微反應過程來分析和改進HMF的“綠色”合成。當采用高溫高壓的工藝條件后，反應時間減少到僅1min；加入有機溶劑作為萃取劑抑制水合反應后，HMF 產率可以進一步提高到85%。Shimanouchi等[43-44]將簡化模型的動力學分析與實驗結果進行對比，通過計算不同條件下的兩相分配系數，證實了段塞流動可增加HMF相間傳質的表面-體積比，從而達到強化傳質的目的。葡萄糖和果糖常被用作微反應器內制備HMF 的碳源[18]，研究表明，在更短的停留時間下，微反應器中的傳質限制將不存在，Lueckgen 等[45]用果糖制備HMF，在150℃下總產率可高于90%，反應器出口處水相和有機相自發分離，MIBK相中獲得HMF產率為80%，純度為92%。盡管微反應器能在一定程度上提高傳質效率和反應選擇性，可調控性較好，相比于傳統的間歇式反應器具有種種優勢，然而其不能很好地耐受顆粒，堵塞被認為是微反應器應用的最大障礙，因而鮮有利用木質纖維素顆粒在微反應器轉化為HMF的研究，在離子液體應用方面也較少，腐蝕和工業化困難也是微反應器面臨的重要挑戰[46]。圖2為毛細管內段塞流示意圖。

圖2 毛細管內段塞流示意圖[47]

2.2 優化溶劑體系

溶劑體系的改善有利于提高有機相萃取效率，無機鹽電解質在水中電離后能夠減少HMF 在水中的溶解度，從而促進其向有機相轉移。Nikolla等[48]對比了MgCl2、KBr、KCl 及NaCl 對改善HMF 選擇性的作用，發現NaCl 作用時有機相的萃取系數最高，進而使產物選擇性也達到最高，Guo 等[49]以葡萄糖為原料制備HMF，加入20%NaCl 改性水相后產率由53%增長為66.2%。1.1 節中提到的水相改性劑DMSO、PVP、NMP 對副產物有一定的抑制作用，卻以增加產物在水相的溶解度為代價，因此開始通過在有機相加入丁醇類助萃取劑抵消這種影響以提高HMF 在有機相的溶解度。Román-Leshkov等[11]以果糖制備HMF用DMSO和PVP修飾水相，加入正丁醇后有機相萃取能力得到提升，HMF 選擇性從75%提高至83%，產率從56%提高至73%。Crisci 等[50]利用仲丁醇作為助萃取劑，最終在果糖66%的轉化率下實現了74%的HMF 選擇性。在以葡萄糖為原料制備HMF 的過程中，仲丁醇和正丁醇也被作為助萃取劑以適當比例加入MIBK相，提高有機相對產物的萃取效率[8]。

在使用離子液體的“綠色”環境中，低臨界壓力和低溫度的超臨界CO2或亞臨界CO2可以作為載體從離子液體中提取產物：Shi 等[51]提出一種可切換的新型雙相反應分離/耦合系統，以亞/超臨界CO2作為“相分離開關”完成果糖制備HMF 的過程，CO2能作為載體將產物HMF萃取至有機相，增強其與反應相的分離，該方法獲得的HMF 產率可達84%。兩親性固體納米顆粒同樣可以作為載體通過吸附水相中親水性分子并在有機相中解吸以實現強化相間傳質的目的，Faba等[4]用不同碳材料作為HMF 的傳質促進劑，以碳納米管和活性炭作為研究對象探究水/MIBK 體系中HMF 的產率變化，在碳納米管質量分數為1.5%時，可使HMF完全轉移并獲得很高的全局傳質系數，使有機相中的HMF濃度提高270%以上。此外，固體納米顆粒還可以被置于液-液界面形成Pickering 乳液體系增大兩相接觸面積，此時固體顆粒起穩定乳液體系的作用，如圖3所示，對于親水性更強的固體顆粒優先形成水包油乳液（o/w），而對于疏水性更強的固體顆粒，則更傾向于形成油包水（w/o）乳液[52]。Pickering乳液反應體系已被廣泛應用于生物質原料加氫脫水縮合反應，CNTs 附著在金屬氧化物顆粒上構成的納米雜化物被用于形成穩定的w/o乳液體系，完成香蘭素的加氫縮合反應[53]，也進一步被用于生物質水解制備HMF過程，Teong等[38]開發烷基/氨基官能化的二氧化硅納米粒子在NaCl-H2O/MIBK 中形成乳液，用于糖脫水制備HMF。與傳統兩相體系相比，果糖和葡萄糖的HMF 產率增加了10%以上，選擇性也提高了將近20%。Faria等[54]研究多壁碳納米管官能化后的NaX 八面沸石催化劑穩定形成的水/油乳液中葡萄糖異構化為果糖及其轉化為HMF的過程，也表明乳液體系的采用有利于HMF 連續分離至有機相。

圖3 Pickering乳液形成示意圖[55]

3 結語

目前，生物質液相降解制備HMF 已開展大量研究，以提高產物產率為最終目標，大量研究致力于開發更有效的溶劑體系以及新型雙功能催化劑，并通過雙相溶劑體系實現對產物的原位萃取以避免其發生不希望的水合反應，減少反應體系中腐黑物的生成，同時為產物的后續提純分離提供便利，因此沸點較低且對HMF萃取效果較好的THF和MIBK獲得了廣泛應用。但傳質限制仍是雙相溶劑體系實現反應強化面臨的重大阻礙，從增強體系內擾動和優化溶劑體系的角度出發，多種提高HMF 在有機溶劑分配比的方法被應用，而還需解決工業化困難等問題，傳質機理也尚未有深入探究。針對以上問題，建議從以下方面進行研究：①原料選擇范圍應進一步擴大，考慮木質纖維素等原料在三組分交互作用下對HMF 的選擇性高效制備；②反應體系“綠色”化，開發新型高效環保的溶劑體系和催化劑；③擴展對上述強化傳質手段的探究，對反應器結構進一步優化；④考慮多種強化方法的耦合，計算模擬與實驗相結合，更深入探究傳質系數的影響因素，最終實現對HMF的高效制備與提純。