以离子液体为探针催化剂研究碳水化合物制备5-羟甲基糠醛

The transformation of carbohydrates into biomass platform chemicals, 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), is regarded as efficient use of biomass resources. The key step for the preparation technology of 5-HMF is the development of efficient and environmentally friendly catalyst system. In this work, ILs will be used as a probe catalyst in the conversion of carbohydrates into 5-HMF. In order to nvestigate the structure and catalytic properties of ionic liquids and to demonstrate the relationship between it,ionic liquids with different functional group will be synthesied and uesd in the conversion of carbohydrates, fructose, glucose, sucrose, cellobiose, starch and cellulose, into 5-HMF. Through discussing the effects of reaction conditions on the preparation of 5-HMF, the dynamics analysis will be carried out and the rate controlling step of conversion will bｅ determined. From above research, suitable functional group composition for the conversion of carbohdrates can be identified and reoptimaized, which will be beneficial to the development of catalyst for the carbohdrates conversion.

碳水化合物转化成生物基平台化合物-5-羟甲基糠醛（5-HMF）是高效利用生物质资源的重要手段，制约其工业化生产的关键之一是能开发出高效、环境友好的催化剂体系。本申请利用离子液体结构可调性，将其用作碳水化合物制备5-HMF的探针催化剂，通过改变离子液体结构中的一些官能单元,评价其催化果糖、葡萄糖、蔗糖、纤维二糖、淀粉、纤维素等碳水化合物转化成5-HMF的性能，可以比较直观地得到催化剂官能团与反应过程之间的对应关系，从而系统地研究碳水化合物的转化机理以及催化剂官能团在反应过程中的作用机制；同时，通过考察反应条件等因素对制备5-HMF的影响，并进行动力学分析，确定碳水化合物转化成5-HMF的关键步骤；结合催化机理探讨和动力学分析，确定出适合的官能团组合,并进行合成和评价实验的验证与再优化，建立起适于碳水化合物制备5-HMF的催化理论框架，为设计高效催化碳水化合物转化的催化剂提供理论指导。

碳水化合物转化成生物基平台化合物-5-羟甲基糠醛（5-HMF）是高效利用生物质资源的重要手段，制约其工业化生产的关键之一是能否开发出高效、环境友好的催化剂体系。本项目利用离子液体结构可调性合成了19种离子液体，将其用作果糖、葡萄糖、蔗糖、纤维二糖、淀粉、纤维素等碳水化合物制备 5-HMF 的探针催化剂，直观地得到催化剂功能团与反应过程之间的对应关系：酸性离子液体对果糖转化成5-HMF活性高，但对于葡萄糖以及二糖、多糖活性较差；碱性催化剂对葡萄糖以及含葡萄糖的蔗糖、淀粉和纤维素制备5-HMF也有一定的活性；含羟基的[C2OHMIM]BF4在碳水化合物水解过程中表现出了优异的催化性能，葡萄糖、蔗糖、纤维二糖、淀粉与纤维素的最高收率分别为：67.30%，76.19%、33.49%、42.93%与41.66%。机理研究表明：葡萄糖、二糖和多糖碳水化合物转化成5-HMF过程中，二糖及多糖先水解成葡萄糖，葡萄糖异构化为果糖，果糖容易转化成5-HMF；葡萄糖异构化成烯醇中间体是碳水化合物水解反应的控制步骤，制约着5-HMF的生成；羟基功能团和适当酸强度匹配对葡萄糖异构化有利，显著提高5-HMF收率。结合催化机理，设计合成了具有羟基功能团和适当酸强度匹配的5种催化剂，并进行了合成和实验验证，新催化剂对葡萄糖、纤维二糖、蔗糖、淀粉转化为5-HMF的最高收率分别58.4%、39.2%、41.8%、66.9%；研究结果可以为设计高效催化碳水化合物转化的催化剂提供理论指导。研究过程表明将不同功能团结构的离子液体用作碳水化合物制备 5-HMF 的探针催化剂，可以直观地得到催化剂性质与反应过程之间的对应关系，从而方便地研究化学反应转化机理以及催化剂功能在反应过程中的作用机制，这一研究方法具有一定的普适性。