【AM寧波材料所建所20周年專刊】5-羥甲基糠醛（HMF）及其下游衍生品的催化轉(zhuǎn)化
在全球能源危機和環(huán)境問題日益嚴(yán)重的背景下，對可再生能源和綠色化學(xué)的研究受到越來越多的關(guān)注。在可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域，生物質(zhì)因其豐富的儲量、可再生性和環(huán)境友好性，發(fā)揮著日益重要的作用，通過糖脫水制得的5-羥甲基糠醛（HMF）作為一種關(guān)鍵的生物質(zhì)平臺分子也脫穎而出，并在合成包括呋喃基聚合物、精細(xì)化學(xué)品和生物燃料在內(nèi)的多種重要化學(xué)品方面發(fā)揮著核心作用。然而，HMF分子結(jié)構(gòu)中的高活性醛基、羥基和呋喃環(huán)，為選擇性調(diào)控HMF高效合成和定向轉(zhuǎn)化帶來了巨大挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所非金屬催化團隊一直致力于HMF催化合成、高效轉(zhuǎn)化以及規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)開發(fā)（ACS Catal. 2024, 7182; Chem. Eng. J. 2023, 474, 145905; 2023, 472, 144877; J. Energy Chem. 2024, 92, 1; 2021, 54, 528; Appl. Catal. B 2022, 307, 121209; 2021, 297, 120396; Chin. J. Catal. 2022, 43, 793; Renew. Energ. 2022, 198, 123; ACS Sustainable Chem. Eng. 2022; 2017, 5, 11300; Ind. Eng. Chem. Res. 2022, 61, 987; 2019, 58, 6309; Green Chem. 2021, 23, 3241; 2019, 21, 6699; Prog. Chem. 2022, 34, 1661）。團隊聯(lián)合浙江糖能科技有限公司，在浙江岱山建成全球首條千噸級HMF連續(xù)生產(chǎn)線，并于2024年4月15日通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的成果鑒定，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
近日，該團隊受邀在Advanced Materials上發(fā)表了題為“5-hydroxymethylfurfural and its downstream chemicals: a review of catalytic routes”的綜述（Adv. Mater., 2024, https://doi.org/10.1002/adma.202311464），系統(tǒng)總結(jié)了通過催化方法進(jìn)行HMF合成、氧化、還原和醚化等反應(yīng)的研究進(jìn)展。近年來，國內(nèi)外研究者通過采用均相和非均相催化方式，借助熱催化、電催化、光催化和光電催化等途徑，通過理性設(shè)計催化劑和精準(zhǔn)控制反應(yīng)條件，實現(xiàn)了HMF的高效制備和轉(zhuǎn)化，為生產(chǎn)各類呋喃基化學(xué)品提供了有力支持。本文還概述了呋喃基化學(xué)品生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟分析、當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)性問題以及未來研究方向。通過分析發(fā)現(xiàn)，盡管HMF相關(guān)領(lǐng)域在催化基礎(chǔ)研究方面取得了顯著進(jìn)展，某些工藝路線在經(jīng)濟效益上也具備媲美石油基對標(biāo)產(chǎn)品的潛力，但由于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域缺乏足夠的工程化研究，生物基化學(xué)品商業(yè)化進(jìn)程仍面臨諸多挑戰(zhàn)，所以基礎(chǔ)研究與大規(guī)模工業(yè)化之間仍存在巨大差距。即便如此，本文中的一些重要發(fā)現(xiàn)和梳理仍為生物質(zhì)尤其是呋喃類生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與利用提供了獨到的見解和啟示。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目（22072170）和區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點支持項目（U23A20125）、浙江省重點研發(fā)（2021C03170）、寧波市2025科技重大專項（2019B10096）、寧波市自然科學(xué)基金（2023J359、2023J335）等項目的資助。
圖1? HMF合成及轉(zhuǎn)化的催化路徑及系統(tǒng)
圖2 以HMF為中心的上游原料及下游衍生物研究強度
（高分子與復(fù)合材料實驗室? 諶春林）
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