生物质双相溶剂体系制备5-羟甲基糠醛的过程强化研究进展

千嘉艺，肖建军，孙林，杨海平，王贤华，陈应泉，陈汉平

（华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

近年来，随着化石能源短缺问题日趋严峻，生物质制取高品位液体燃料、高附加值化学品也逐渐成为研究热点。由木质素（10%～25%）、纤维素（35%～50%）和半纤维素（20%～35%）构成的木质纤维素，作为重要的生物质资源，储量巨大却未被充分利用。其中纤维素是世界上最丰富的生物聚合物，其经酸催化水解可以得到5-羟甲基糠醛（HMF）。而HMF 被美国能源部列为基于生物质资源的十大平台化合物之一[1]，可以进一步转化为2,5-二甲基呋喃、2,5-呋喃二甲酸和长链烷烃等高价值产品[2]。但是，由生物质制备HMF还面临着诸多挑战，如在单一溶剂体系中HMF 选择性差、产率低，涉及原料种类、催化剂、溶剂体系等需要进一步优化。从己糖或由其组成的其他底物为原料出发制备HMF 的反应机理和催化条件已被较系统研究，HMF 产率也得到相应提高。特别是近来提出的基于水或离子液体与有机溶剂构成的双相溶剂体系，能将反应相（水或离子液体）中生成的HMF原位萃取至有机相，避免其进一步发生副反应，同时完成疏水性目标产物与亲水性副产物的有效分离[3]。然而由于HMF在有机相和反应相中均有一定的溶解度，且两相界面存在较大的传质阻力，进而使得HMF 产率仍然不高。因此，采取合适的传质强化手段，促进HMF 及时萃取转移，对提高双相溶剂体系中HMF产率至关重要[4]。

目前，已有文献对单相溶剂中HMF 的主要制备工艺、原料、催化剂进行了综述[5]，而近年来利用双相溶剂体系已成为一种趋势，溶剂和催化剂的选择备受关注。Romo等[6]总结了双相溶剂体系中制备糠醛类物质的沸石、聚合物/离子交换树脂等非均相催化剂，并对常用于该反应体系的有机溶剂性质加以探讨。Saha 等[7]也特别强调开发更有效的萃取溶剂对改善产物的两相分配系数提高产率的积极作用，及固体酸催化剂在提高HMF 选择性方面的良好效果。Esteban等[8]从性能、环境、健康和安全等影响因素出发关注溶剂选择，筛选出利于糠醛类物质原位萃取且符合绿色化学的有机溶剂。而涉及双相溶剂体系中生物质制备HMF 过程强化的综述性文章鲜见报道，鉴于此，本文在对双相溶剂体系中生物质液相降解制备HMF 研究进展进行总结的基础上，重点关注过程强化研究现状，并对后续工作提出建议和展望。

1 生物质双相溶剂体系液相降解制备HMF

最初纯水或纯有机溶剂被用于HMF 制备，高温条件下副反应较多，产率和选择性都较低。离子液体具有较低的蒸气压，可作为新型溶剂用于制备HMF，并能将反应温度降低至80℃左右[9]，但单相体系面临的副产物多、产物分离困难等问题仍然需要解决。通过在单一水相或离子液体的基础上加入有机溶剂作为萃取剂，形成双相溶剂体系，实现HMF 的即时分离，可减少副反应的发生，有效改善上述问题。

1.1 双相溶剂体系

双相溶剂体系相较于单一相溶剂具有显著优势，Yang 等[10]发现与纯水体系相比，水/四氢呋喃（THF）双相溶剂体系中果糖转化率由95.4%提高至99.5%，HMF产率从17%提高到39.3%。而在水/有机溶剂双相溶剂体系中加入助剂，如二甲基亚砜（DMSO）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）等，可降低HMF在水中的浓度，从而抑制副产物产生，进而提高产物的选择性[11]。离子液体由无机阴离子和有机阳离子构成，在木质纤维素类生物质的高值转化过程中具有一定的优势，Zhang 等[12]直接以1-丁基-3-甲基咪唑氯化物作为溶剂，从松木等木质纤维素原料制备HMF，在反应仅几分钟后产率即可达到52%。Lansalot-Matras 等[13]分别用亲水的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIM+BF4-）和疏水的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BMIM+PF6-）作为溶剂由果糖制备HMF，其质量产率为50%，体系加入DMSO作为共溶剂后一定程度上抑制了乙酰丙酸和腐黑物的形成，产率达到将近80%，从而体现出双相溶剂体系的优势。另一方面，离子液体中高浓度的阴离子可以通过结合纤维素的羟基形成更稳定的氢键，从而促进纤维素溶解[14]。对比上述水-有机溶剂与离子液体-有机溶剂两种双相溶剂体系，后者在降低反应温度和溶解木质纤维素等方面有更好的表现，但成本较高，而且存在黏度大等影响高效萃取的问题，因而水/有机溶剂体系有更广阔的应用前景。

1.2 有机溶剂

提高HMF 在有机溶剂中的分配系数对提升其产率至关重要，这取决于有机溶剂本身的萃取能力，并与体系中有机溶剂的占比等因素紧密相关。De Moreau 等[15]最早采用甲基异丁基酮（MIBK）作为萃取剂用于制备HMF，其水溶性较低，可以抑制副反应并对HMF 有较高的萃取能力。Román-Leshkov 等[16]将C3～C6范围内的伯醇、仲醇、酮和环醚用作双相溶剂体系中的萃取剂，C4溶剂中HMF产率最高，特别是以THF 作为有机相时，HMF 选择性达到83%且分配系数达到最高为7.1，THF 和MIBK 成为目前该反应中应用最为广泛的两种有机溶剂。此外，2-甲基四氢呋喃、γ-戊内酯、正丁醇等有机溶剂也因其环境友好性被采用，而绿色溶剂乙酸乙酯和甲酸丙酯在萃取HMF 方面也有较好的应用前景[8]。

在一定范围内，原料转化率、HMF 萃取效率和产率会随有机相占比的增加而成比例增加，呈线性相关[17]，目前双相溶剂体系制备HMF 的研究中，萃取相与反应相体积比多采用(2～4)∶1，最常见的为3:1。Marunaka 等[18]发现在有机溶剂与水体积比为1时，HMF有效萃取率仅为80%，而在该比例增加到3 后，HMF 可以全部被萃取至有机相。Shi等[19]研究双相溶剂体系中高浓度硫酸盐对纤维素生成HMF 的影响，采用的有机相（THF）与水相的体积比高达25倍以上，纤维素表面有丰富的羟基，而水性溶剂极性较THF 更强，因此纤维素表面将形成水包覆的液膜。有机相不仅作为HMF 的保护剂，还被用作分散剂来分散纤维素颗粒和含纤维素的水溶液。液膜传质缩短了产物从水相到有机相的传质距离，更多的有机相也提供了对HMF 更强的溶解能力，这也为提高双相体系内反应的萃取效率提供了一种新途径。

1.3 反应原料

木质纤维素直接转化为HMF 的过程会因三组分之间的相互作用而较为困难，需解决高效溶解与高效催化转化的问题，通常进行球磨预处理或采用微波加热辅助，且原生生物质相较于纤维素明显反应时间更长[2,12]。HMF 则是经纤维素降解形成葡萄糖或异构化为果糖后，再释放三分子水形成的，果糖从而成为生成HMF 最直接的生物质原料之一，葡萄糖相较于果糖不具有较多的烯醇式结构，在催化异构为果糖后转化为HMF，但其成本低廉更易得，也因而被广泛应用，两者均能在较低温度下（120～180℃）通过双相溶剂体系水解获得较高转化率[8]。Rigal 和Gaset[20]早在1983 年就对比葡萄糖、甘露糖、半乳糖、山梨糖和果糖转化为HMF 的特性，并发现果糖直接转化的HMF 产率（73%）远高于其他几种己糖。双相溶剂体系中不同糖类转化制备HMF 的研究促进了对木质纤维素直接转化为HMF的理解，Li等[2]通过DFT计算发现Cl-对葡萄糖异构化及果糖脱水的积极影响，并以微晶纤维素、松木、桦木、玉米杆等常见木质纤维素类生物质为原料，在最优反应条件下HMF 产率最高可以达到55.4%。

1.4 催化剂

均相酸是一种常见的催化剂，特别是无机强酸，而HCl 相较于H2SO4、H3PO4等更是对制备HMF 展现出较高的催化潜力。Lee 等[21]发现CO2也对碳水化合物制备HMF 展现出良好的催化性能，葡萄糖在其催化作用下转化，HMF 产率可以达到64%。有机酸如甲酸、乙酸等是生物质本身分解产物，相较于无机酸降低了对环境的不利影响和对反应器的腐蚀，并具有显著的催化效果[22]。此外，马来酸等有机酸相较于酸性较强的无机酸在葡萄糖转化中展现出更优异的选择性，既能有效降低葡萄糖异构化为果糖的能垒，同时抑制了反应过程中腐黑物的形成[23]。Lewis 酸CrCl3、AlCl3、SnCl4等金属氯化物[24-27]促进葡萄糖异构为果糖的优异特性也使其获得广泛应用。均相催化剂虽然活性较高，对于木屑、秸秆等固体原料的转化具有较好的循环使用性能，但易造成反应器腐蚀和环境污染[28]，尽管固体催化剂在催化不溶性原料转化时不便于重复使用，但对于果糖、葡萄糖等可溶性原料的转化具有较明显优势，而且对环境友好[29]。常见的固体酸催化剂包括具有酸功能的聚合物[30]、金属氧化物[31]、金属磷酸盐[32]、沸石[33]和双功能催化剂杂多酸[34]等，通过调节其酸性和结构达到调控催化活性的目的。

金属氯化物和HCl的共用可以大大改善酸性条件下葡萄糖转化为HMF 产率及选择性低的问题[27]，是由于Lewis 酸和Brønsted 酸分别催化葡萄糖异构化为果糖的过程和果糖降解为HMF 的过程，因此将其结合开发出不同的双功能催化剂用于制备HMF已成为一种重要趋势。Moreno-Recio等[35]对商业NH4-ZSM-5 沸石改性处理使其产生Brønsted 和Lewis 酸位点，催化葡萄糖反应30min 后转化率达到80%，HMF 产率为42%，证明了双功能催化剂的有效性。由于Lewis 酸相较于Brønsted 酸有更明显的诱导聚合的作用，会加剧产物消耗从而不利于HMF 选择性的提高，因此双功能催化体系中两种酸比例（L∶B）直接影响水解效率，Ordomsky 等[34]指出随着L∶B 由5.3 减少到1，HMF 选择性从27%提高至55%，而由于HMF选择性相对于L∶B曲线呈火山型，在不同固体催化剂作用下的L∶B 最佳值会在0.7～3.8 之间变化[36]。尽管固体酸作为非均相催化剂在糖类转化为HMF 的研究中有广泛的应用，而纤维素的不溶性限制了其在以木质纤维素类为原料反应时的有效性，高昂的预处理成本和反应中腐黑物的形成使均相催化剂在技术可行性上获得进一步认同[4]。

2 双相溶剂体系中的液-液传质强化技术

如前所述，双相溶剂体系中HMF 被及时萃取可有效避免其在反应相中的再水合与其他副反应，但两相界面的传质阻力直接限制了反应速率和产率的提高。因此在生物质原料制备HMF 的过程中，一系列强化传质的方法与技术手段被研究，以期强化反应效果，主要包括增强扰动和优化溶剂体系两个方面。

2.1 增强扰动

通过强力搅拌可以增强相界面扰动以达到强化传质的目的，He 等[37]利用磁力搅拌强化葡萄糖制备HMF 反应过程，转速由200r/min 逐步增长至1200r/min，总产率也从36.2%提高至51.2%。Teong等[38]在乳液反应体系中由果糖和葡萄糖制备HMF，得到了在不破坏乳液体系液滴结构的范围内转速越大产率越大的结论，转速为1000r/min时其HMF产率可以达到70%。强力搅拌的强化作用主要归结为三点：①通过搅拌使两相混合更均匀，降低体系中水的局部浓度并减小腐黑物生成和5-HMF 水解的可能性；②通过搅拌可以增大HMF 从反应相转移至萃取相的概率，从而增强萃取效率；③搅拌通过促进5-HMF 从水相到有机相的传质同时提高了反应速率，因而常作为一种有效的辅助手段用于生物质双相溶剂体系制备HMF。但其作用有限，Li等[39]指出在葡萄糖转化过程中，将转速提高至300r/min以上，将不会对催化性能造成显著的影响，而对于离子液体/有机溶剂体系而言，即使强力搅拌也难以克服因黏度差带来的传质阻力。

沸腾试剂被用于离子液体双相溶剂体系以达到强化传质的目的，如图1所示，甲醇、乙腈等低沸点有机物作为沸腾试剂在反应体系中因过热而不断气化，生成的气泡能够穿过两相界面，在温度较低的有机相中液化后又回流至离子液体相，从而增强混合物的动态扰动并增加相界面面积，有效提升有机溶剂对HMF 的萃取效率，使产物在有机相中的比例显著增加[40]。Zhou 等[41]在1-丁基-3 甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）-乙二醇二甲醚（GDE）-H2O三元双相溶剂体系中由葡萄糖制备HMF，其产率几乎是在单一[BMIM]Cl/CrCl3/葡萄糖反应相中获得的产率的两倍。GDE 在该体系中由于其低沸点发生持续沸腾起泡现象，与上述沸腾试剂作用类似，可以提高相间传质速率。另一方面水还起到降低离子液体黏度的助萃取剂作用。

图1 沸腾试剂作用示意图[40]

微反应器在毛细管内的段塞流动由毛细管壁和段塞轴之间剪切形成强烈的内部循环，也通过增强相间扰动而增大两相界面的接触面积和传质系数，较传统的间歇式反应器体现出一定的优势。Tuercke 等[42]最早提出利用微反应器制备HMF，他们基于纯水溶液中果糖的盐酸催化脱水，建立了连续微反应过程来分析和改进HMF的“绿色”合成。当采用高温高压的工艺条件后，反应时间减少到仅1min；加入有机溶剂作为萃取剂抑制水合反应后，HMF 产率可以进一步提高到85%。Shimanouchi等[43-44]将简化模型的动力学分析与实验结果进行对比，通过计算不同条件下的两相分配系数，证实了段塞流动可增加HMF相间传质的表面-体积比，从而达到强化传质的目的。葡萄糖和果糖常被用作微反应器内制备HMF 的碳源[18]，研究表明，在更短的停留时间下，微反应器中的传质限制将不存在，Lueckgen 等[45]用果糖制备HMF，在150℃下总产率可高于90%，反应器出口处水相和有机相自发分离，MIBK相中获得HMF产率为80%，纯度为92%。尽管微反应器能在一定程度上提高传质效率和反应选择性，可调控性较好，相比于传统的间歇式反应器具有种种优势，然而其不能很好地耐受颗粒，堵塞被认为是微反应器应用的最大障碍，因而鲜有利用木质纤维素颗粒在微反应器转化为HMF的研究，在离子液体应用方面也较少，腐蚀和工业化困难也是微反应器面临的重要挑战[46]。图2为毛细管内段塞流示意图。

图2 毛细管内段塞流示意图[47]

2.2 优化溶剂体系

溶剂体系的改善有利于提高有机相萃取效率，无机盐电解质在水中电离后能够减少HMF 在水中的溶解度，从而促进其向有机相转移。Nikolla等[48]对比了MgCl2、KBr、KCl 及NaCl 对改善HMF 选择性的作用，发现NaCl 作用时有机相的萃取系数最高，进而使产物选择性也达到最高，Guo 等[49]以葡萄糖为原料制备HMF，加入20%NaCl 改性水相后产率由53%增长为66.2%。1.1 节中提到的水相改性剂DMSO、PVP、NMP 对副产物有一定的抑制作用，却以增加产物在水相的溶解度为代价，因此开始通过在有机相加入丁醇类助萃取剂抵消这种影响以提高HMF 在有机相的溶解度。Román-Leshkov等[11]以果糖制备HMF用DMSO和PVP修饰水相，加入正丁醇后有机相萃取能力得到提升，HMF 选择性从75%提高至83%，产率从56%提高至73%。Crisci 等[50]利用仲丁醇作为助萃取剂，最终在果糖66%的转化率下实现了74%的HMF 选择性。在以葡萄糖为原料制备HMF 的过程中，仲丁醇和正丁醇也被作为助萃取剂以适当比例加入MIBK相，提高有机相对产物的萃取效率[8]。

在使用离子液体的“绿色”环境中，低临界压力和低温度的超临界CO2或亚临界CO2可以作为载体从离子液体中提取产物：Shi 等[51]提出一种可切换的新型双相反应分离/耦合系统，以亚/超临界CO2作为“相分离开关”完成果糖制备HMF 的过程，CO2能作为载体将产物HMF萃取至有机相，增强其与反应相的分离，该方法获得的HMF 产率可达84%。两亲性固体纳米颗粒同样可以作为载体通过吸附水相中亲水性分子并在有机相中解吸以实现强化相间传质的目的，Faba等[4]用不同碳材料作为HMF 的传质促进剂，以碳纳米管和活性炭作为研究对象探究水/MIBK 体系中HMF 的产率变化，在碳纳米管质量分数为1.5%时，可使HMF完全转移并获得很高的全局传质系数，使有机相中的HMF浓度提高270%以上。此外，固体纳米颗粒还可以被置于液-液界面形成Pickering 乳液体系增大两相接触面积，此时固体颗粒起稳定乳液体系的作用，如图3所示，对于亲水性更强的固体颗粒优先形成水包油乳液（o/w），而对于疏水性更强的固体颗粒，则更倾向于形成油包水（w/o）乳液[52]。Pickering乳液反应体系已被广泛应用于生物质原料加氢脱水缩合反应，CNTs 附着在金属氧化物颗粒上构成的纳米杂化物被用于形成稳定的w/o乳液体系，完成香兰素的加氢缩合反应[53]，也进一步被用于生物质水解制备HMF过程，Teong等[38]开发烷基/氨基官能化的二氧化硅纳米粒子在NaCl-H2O/MIBK 中形成乳液，用于糖脱水制备HMF。与传统两相体系相比，果糖和葡萄糖的HMF 产率增加了10%以上，选择性也提高了将近20%。Faria等[54]研究多壁碳纳米管官能化后的NaX 八面沸石催化剂稳定形成的水/油乳液中葡萄糖异构化为果糖及其转化为HMF的过程，也表明乳液体系的采用有利于HMF 连续分离至有机相。

图3 Pickering乳液形成示意图[55]

3 结语

目前，生物质液相降解制备HMF 已开展大量研究，以提高产物产率为最终目标，大量研究致力于开发更有效的溶剂体系以及新型双功能催化剂，并通过双相溶剂体系实现对产物的原位萃取以避免其发生不希望的水合反应，减少反应体系中腐黑物的生成，同时为产物的后续提纯分离提供便利，因此沸点较低且对HMF萃取效果较好的THF和MIBK获得了广泛应用。但传质限制仍是双相溶剂体系实现反应强化面临的重大阻碍，从增强体系内扰动和优化溶剂体系的角度出发，多种提高HMF 在有机溶剂分配比的方法被应用，而还需解决工业化困难等问题，传质机理也尚未有深入探究。针对以上问题，建议从以下方面进行研究：①原料选择范围应进一步扩大，考虑木质纤维素等原料在三组分交互作用下对HMF 的选择性高效制备；②反应体系“绿色”化，开发新型高效环保的溶剂体系和催化剂；③扩展对上述强化传质手段的探究，对反应器结构进一步优化；④考虑多种强化方法的耦合，计算模拟与实验相结合，更深入探究传质系数的影响因素，最终实现对HMF的高效制备与提纯。