2.3.3 反应介质、催化剂及反应原料
反应介质和催化剂是影响碳水化合物转化为HMF效率最重要的两个参数，对利用生物质原料制备HMF技术的经济性具有重要影响。目前人们开发了多种反应介质和催化剂以提高碳水化合物转化为HMF的效率。
2.3.3.1 反应介质
（1）水
水是转化木质纤维素生产各类平台化学品最理想的反应溶剂。然而，在水中转化葡萄糖和果糖制备HMF的收率往往难以超过30%。这是因为在酸性水溶液中HMF极易发生水解开环生成乙酰丙酸、甲酸和水热焦炭。Asghari等在270℃的高温水溶液中用磷酸转化纤维素能够得到约25%的HMF[70]。笔者曾尝试以水蒸气作为反应介质，在固定床中采用硫酸氢盐、磷酸二氢盐等酸式盐催化纤维素转化制取HMF，但是收率也难以超过30%[71,72]。未来的研究中可尝试采用气体作为反应介质，或者在真空条件下去转化碳水化合物制取HMF。
（2）单相极性有机溶剂体系
由于采用水作为溶剂转化碳水化合物制取HMF时，HMF易发生水解开环反应而生成乙酰丙酸和水热焦炭，因此，部分研究尝试采用极性非质子有机溶剂如N-甲基吡咯烷酮（NMP）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、N，N-二甲基乙酰胺（DMA）、N，N-二甲基亚砜（DMSO）、己内酰胺（CPL）等作为反应溶剂去转化碳水化合物制取HMF。在这些极性有机溶剂转化碳水化合物时，由于HMF的水解开环反应受到抑制，因此HMF收率可以得到明显的提高。以果糖为原料时，在上述各类有机溶剂中可以得到60%～100%的HMF[73]，特别是以DMSO为溶剂时能够非常容易地由果糖脱水得到超过70%的HMF。此外，将碱金属盐类加入有机溶剂中形成的催化体系对葡萄糖制取HMF具有独特催化作用。Binder等在由DMA与卤化锂盐（LiCl、LiBr）组成的体系中，采用卤化铬盐（CrCl2、CrCl3）催化葡萄糖的转化，得到了70%以上的HMF[74]。
在极性非质子有机溶剂中转化碳水化合物制取HMF具有条件温和、HMF收率高、反应时间短等优点。但是，利用这些有机溶剂作为反应介质用于制备HMF存在诸多难以克服的问题，比如：①这些有机溶剂价格昂贵，导致大规模制备HMF所需的成本高昂；②这类反应溶剂的沸点通常较高，导致将产物HMF从反应溶剂中通过蒸馏分离出来所需的能耗高；③这些极性有机溶剂对环境有污染，不能直接排放到环境中，需在反应结束后进行回收重复利用，但这又同样增加了生产成本。这些缺陷阻碍了这类溶剂在大规模工业化制备HMF上的应用。
（3）离子液体
离子液体是指在室温下呈液态的自由离子构成的液体。离子液体中，阴离子电负性很强，同时阳离子半径较大，这样就能有效削弱阴阳离子间的库仑力，从而降低熔点，使得物质在较低的温度下熔化，呈液体状。咪唑类离子液体，比如[HMIM]Cl、[EMIM]Cl、[BMIM]Cl、[EMIM]BF4、[OMIM]Cl等，常被用作转化碳水化合物制备HMF的反应介质[75]。当离子液体作为碳水化合物转化的反应介质时，由于离子液体间存在离子键，有很强的静电场，能够改变分子内的键能[76]，使得葡萄糖和果糖的脱水反应能够在较温和的反应条件下进行（通常反应温度在80～120℃），且得到较高的HMF收率。比如，Zhao等在离子液体[EMIM]Cl中采用CrCl2催化葡萄糖降解，在100℃的温和条件下，可以得到69%的HMF收率[77]。
虽然离子液体作为反应介质制备HMF具有选择性高、反应条件温和、反应速率快和副反应少等优点，但由于离子液体本身制备工艺复杂、造价昂贵、回收困难，同样不宜用作大规模转化木质纤维素的反应溶剂。
（4）水-有机溶剂组成的双相反应介质
如前所述，HMF的水解开环反应会导致HMF在酸性水溶液中不稳定[78]。因此，部分研究者开发了由水和与水不互溶的有机溶剂所组成的双相反应介质[61,79-81]。在双相反应体系中，碳水化合物和催化剂主要分散于水相中，而反应生成的HMF则被萃取到有机相中，从而减少HMF的水解开环反应。双相反应体系中己糖脱水制备HMF的示意图见图2-7。
图2-7 双相反应体系中己糖脱水制备HMF的示意图
有机溶剂的选择是影响双相体系性能的一个关键因素。通常需要所选用的有机溶剂与水不互溶，对HMF具有较好的萃取作用，且沸点较低，易于从有机溶剂中分离出HMF。目前研究较多的双相体系采用的有机溶剂包括1-丁醇、2-丁醇、四氢呋喃、γ-戊内酯、甲基四氢呋喃、甲基异丁基酮（MIBK）、烷基酚等[46,61,82]。上述溶剂中，四氢呋喃、γ-戊内酯和烷基酚都可以由木质纤维素转化得到，从而减少对化石资源的依赖[66]。
2.3.3.2 催化剂
由于己糖生成HMF的过程涉及脱水反应，故研究大都采用对脱水反应具有催化作用的酸性催化剂来催化这一过程。研究较多的用于制备HMF的催化剂可以分为液体酸、酸性金属盐、固体酸或上述多种催化剂的组合。表2-1总结了用于己糖脱水制备HMF的催化剂[73]。其中，在离子液体和极性非质子有机溶剂中，无机酸和金属盐具有较好的催化效果，而在以水为反应介质的体系中，固体酸是研究较多的催化剂。
表2-1 用于己糖脱水制备HMF的催化剂
2.3.3.3 反应原料
己糖（葡萄糖和果糖）及能够水解生成己糖的物质（蔗糖、菊芋粉、淀粉、纤维素、木质纤维素）均可作为生产HMF的原料。然而，因为原料的性质不同，制备HMF的难易程度相差很大。果糖是酮糖，转化过程中发生的副反应较少，因此果糖是最易于制备HMF的原料；但果糖在自然界中存在量极少，价格较为昂贵，不适于大规模用作生产HMF的原料；木质纤维素在自然界中储量巨大，是最适于用作大规模生产HMF的原料，但由于木质纤维素结构复杂且其中的纤维素难水解，而生成的HMF稳定性又较差，导致采用木质纤维素制备HMF的难度较大，选择性较低。
（1）单糖
酸催化果糖脱水是制备HMF最方便的方法。大量研究采用液体无机酸（HCl、HBr、H2SO4）为催化剂，在离子液体或双相体系中转化果糖都能够得到70%以上的HMF[46,82-88]。然而，以果糖为原料大规模工业制备HMF的成本较高。
与果糖不同，葡萄糖可以通过水解淀粉、纤维素或含有纤维素的生物质得到，所以其来源更为广泛。然而，利用葡萄糖制备HMF的选择性通常都较低。2007年，Zhao等在[EMIM]Cl中使用CrCl2催化葡萄糖脱水，首次得到高达70%的HMF收率。他们提出，在离子液体中，Cr2+对葡萄糖经历烯醇式结构转化为果糖具有很好的催化效果，这是CrCl2能够高效催化葡萄糖制备HMF的原因[77]。继Zhao等的研究之后，大量的在各类离子液体中用铬盐催化葡萄糖基糖类制备HMF的研究工作被陆续报道。Yong等在[BMIM]Cl中分别使用CrCl2和CrCl3与N-杂环碳烯催化葡萄糖转化制备HMF，均可以得到81%的HMF收率[89]。由于Cr3+对葡萄糖异构为果糖有催化作用，含铬的各种物质是研究最多的一类催化剂[77,90-93]。其他的一些金属盐，比如ZnCl2、GeCl4、SnCl4、AlCl3等也被报道对催化葡萄糖转化为HMF具有较好的催化效果[94-98]。Yang等在水-四氢呋喃（THF）双相体系中采用AlCl3转化葡萄糖，得到的HMF收率可达到52%[97]。此外，部分研究也将一些路易斯酸和布朗斯特酸结合去催化葡萄糖转化制备HMF。比如AlCl3+HCl、ZnCl2+HCl、CrCl3+HCl、Sn-β+HCl等催化剂体系都能够有效地催化葡萄糖制备HMF[66,99-101]。
虽然采用金属盐做催化剂催化葡萄糖脱水能够得到很高的HMF收率，但由于金属盐催化剂与产物分离困难，且大部分金属盐有毒（CrCl2、CrCl3、SnCl4、GeCl4均有剧毒），致使后续处理工序复杂，且造成严重的环境污染。相比于液体酸和金属盐催化剂，固体催化剂具有与产物分离容易、环境友好、能重复回收利用等一系列优点。近几年，有学者对固体酸催化葡萄糖和果糖脱水进行了大量研究工作。研究中常用到的固体酸有ZrO2、TiO2、
、
/ZrO2-Al2O3、Sn-β、Nb2O5、H-ZSM-5、Ag3 PW12O40及磺化碳材料等[102-110]。在上述固体催化剂中，Sn-β分子筛对醛糖异构为酮糖具有较好的催化效果，是一种极有应用潜力的固体酸[111,112]。Nikolla等将Sn-β与HCl结合协同催化葡萄糖制取HMF，在水/THF中可得到56.9%的HMF收率[112]。
（2）纤维素
直接采用纤维素及木质纤维素制备HMF更具有原料来源广泛的优势，从而更具有工业应用前景。然而，由于纤维素结构较为稳定而HMF的稳定性又较差[113-115]，使得利用纤维素制备HMF成为一个巨大的挑战[116-119]。表2-2列出了一些采用纤维素制备HMF的代表性研究成果。
表2-2 采用纤维素制备HMF的代表性研究成果
以水作为反应介质转化纤维素通常仅能得到较低的HMF收率。Ehara等在280℃亚临界水中不使用催化剂转化纤维素，仅得到11.9%的HMF[120]。Asghari等在270℃的水热条件下用磷酸转化纤维素，得到约25%的HMF[70]。Daorattanachai等在230℃热水中以固体酸α-Sr（PO3）2作为催化剂转化纤维素得到15%的HMF[121]。
离子液体是优良的氢键受体，甚至能够在室温下有效地溶解纤维素[122,123]。因此，利用离子液体作为溶剂转化纤维素制备HMF可以在更温和的反应条件下进行[124,125]。大多数以离子液体作溶剂的反应体系中常用氯盐作为催化剂，比如CrCl3、CuCl2+CrCl2、CrCl2+RuCl3等，得到HMF收率在50%～70%之间[93,126-129]。Ding等在离子液体[EMIM][Ac]中，采用CuCl2和[C4SO3HMIM][CH3SO3]作为催化剂转化纤维素，得到69.7%的HMF[128]。Zhang等采用CuCl2和CrCl2组成的催化剂在[EMIM]Cl中转化纤维得到55%的HMF[129]。
除了离子液体，极性非质子有机溶剂（DMSO、DMF、DMA等）由于能够抑制HMF的水解开环反应，也常被用作制备HMF的反应介质[130,131]。Binder等采用DMA-LiCl作为反应溶剂，在HCl和CrCl3的催化作用下，转化纤维素可以得到54%的HMF[74]。
由水与有机溶剂组成的双相体系在转化纤维素制备HMF方面也表现出优异的性能。Yang等在水与四氢呋喃组成的双相体系中利用AlCl3催化纤维素转化得到37%的HMF[97]。笔者在水与四氢呋喃组成的双相体系中利用NaHSO4+ZnSO4协同催化纤维素转化得到53%的HMF[20]。Qi等采用Al2（SO4）3催化剂经球磨后处理纤维素，在由水和γ-戊内酯（GVL）组成的双相体系中转化可得到的HMF收率达到43.5%[132]。需要说明的是，一些从生物质转化中得到的有机溶剂，如烷基酚、γ-戊内酯等，被证明能够用作双相体系中的萃取相用于制备HMF[66,101,132]，这使得在双相体系中制备HMF有望实现工业应用。