硅胶固载化酸性离子液体催化壳聚糖生物质制备5-羟甲基糠醛

臧洪俊 ，焦硕磊 ，李明广 ，安国栋 ，张明川 ，王 娇

（1.天津工业大学 化学与化工学院，天津 300387；2.天津工业大学 环境科学与工程学院，天津 300387）

随着化石燃料储量的不断减少，可再生能源已经引起了世界范围内研究人员对开发替代能源和化学品的普遍关注[1]。生物质是一种可再生的、丰富的自然资源，是除化石燃料外广泛存在的碳源。因此，它为化工行业可持续供应有价值的中间体和平台化学品提供了一个很有前景的选择[2]。5-羟甲基糠醛（5-HMF）是一种重要的中间体，由于其高反应活性，已被认为是一种有价值的生物基多用途“建筑材料”[3]。从5-HMF 中可以获得到 2，5-二甲基呋喃（DMF）、乙酰丙酸（LA）、2，5-呋喃二甲酸（FDCA）、2，5-二甲酰呋喃（DFF）、5-氯甲基糠醛（CMF）、2，5-二羟甲基呋喃和5-羟基-4-酮-2-戊二酸[2，4-6]。其中最重要的衍生物之一是DMF，它被认为是最有应用前景的燃料。

用葡萄糖、果糖、蔗糖、果聚糖、纤维二糖、淀粉、菊粉、玉米秸秆、稻草、松木和纤维素等碳水化合物生产5-HMF 的方法已被多次报道[7]。然而，甲壳素生物质（这里指甲壳素、壳聚糖及其相应的单体和衍生物）作为地球上第二丰富的多糖（仅次于纤维素），在转化为化学中间体方面还没有得到足够的重视[8]。每年有超过1.5×1010t 甲壳素作为渔业和海产品工业的废弃物被生产出来[3]。然而，开发和利用甲壳素生物质来获得其他增值产品的数量却微乎其微。因此，迫切希望将这些可持续的甲壳素生物质废弃物转化为高价值的燃料和化工产品，从而带来巨大的经济和环境效益。Omari 等[9]报道了以 SnCl4·5H2O 为催化剂，在微波辐射条件下，壳聚糖和甲壳素在水中水解生成了5-HMF。此外，Wang 等[3]使用浓缩ZnCl2水溶液从甲壳素、壳聚糖和D-氨基葡萄糖中获得了5-HMF。Lee 等[10]在硫酸溶液中从壳聚糖中得到5-HMF。但上述研究存在明显的不足，如 SnCl4·5H2O、ZnCl2有毒，H2SO4具有腐蚀性，会产生大量酸性废水。因此，开发新的绿色催化体系，将碳水化合物转化为重要高附加值化学品具有重要的意义。

近年来，离子液体作为一种新型的反应介质和催化剂，已被广泛应用于六碳糖和纤维素的脱水反应[1，7，11-14]。最近，离子液体N-甲基咪唑硫酸氢盐（[Hmim]HSO4）和Brønsted-Lewis 酸性离子液体（[Hmim]HSO4-0.5FeCl2）被发现能有效降解壳聚糖制备5-HMF[15-16]。然而，从酸性水溶液中回收该类离子液体比较困难。因此，开发易分离且高效的催化剂已成为研究的重点。

2016 年，王沿方[17]制备了载体 MCM-41，并将合成的配合物和酸性离子液体共同固载在载体MCM-41上，以DMSO 为溶剂催化葡萄糖制备5-HMF，葡萄糖的转化率和5-HMF 的产率分别达到了99.2%和43.5%。催化剂在循环使用5 次之后，催化活性没有明显的降低。2017 年，汤洛[18]制备了固载化离子液体在催化转化果糖制备5-HMF 获得的产率达到了69.9%，并且该体系中的固载催化剂易于回收，循环使用性能良好。溶胶-凝胶法是合成纳米级环氧-硅杂化材料的有效方法[19-20]。硅凝胶约束离子液体（IL）体系是以硅酸盐酯水解为基础，采用传统的溶胶-凝胶工艺对IL 进行物理约束或包封，生成具有所需孔径或孔洞和孔道的固体基质，该固体基质必须足够大，以便能够容纳IL[21-23]。固载的离子液体可以在较高的温度下工作，缩短反应时间，抑制5-HMF 的分解，并且可以调节其表面酸度，提高选择性，使其在壳聚糖生物质转化为高附加值化学品方面比液体酸性催化剂更具优势[5]。基于以上的研究成果，本文中将固载离子液体应用于壳聚糖生物质的降解并研究其催化性能，希望探索一条简便高效的壳聚糖生物质转化制备5-HMF 的绿色路线。

1 实验部分

1.1 材料及催化剂制备

壳聚糖（白色结晶粉末），山东奥康生物技术有限公司产品，根据粘度测定，壳聚糖的粘均分子量约为350 ku，脱乙酰度DD=87.2%[24]；甲壳素，由天津市光复精细化工研究院提供，无需进一步纯化，壳聚糖和几丁质干燥后直接使用；四乙氧基硅烷（TEOS，0.929～0.936 g/mL），天津科威有限公司产品；甲醇（HPLC级）、乙酸乙酯（AR 级），天津科米欧化学试剂有限公司产品；5-HMF（>98%）、LA（>99%）、1-甲基咪唑（99%）、1，4-丁烷磺酸（97%）、N-乙酰-D-氨基葡萄糖（NAG，99%）、D（+）-盐酸氨基葡萄糖（GlcN HCl，99%），阿拉丁化学有限公司（上海）产品；乙醇、二氯甲烷、硫酸（98%）、盐酸（36%～38%），均为分析级。所有其他化学品均从当地供应商获得，未经进一步净化即可使用。

离子液体 [HO3S（CH2）4MIM]HSO4根据文献[25]制备。1H-NMR（400 MHz，D2O，TMS）δ：1.62（m，2H，CH2），1.90（m，2H，CH2），2.83（t，2H，CH2），3.77（s，3H，CH3），4.13（t，2H，CH2），7.32（s，1H，CH），7.38（s，1H，CH），8.61（s，1H，CH）。

IL/SG 催化剂是在前人研究[20]的基础上进行了一些方法的改进。将TEOS（25 mL，0.11 mol）加入到圆底烧瓶（100 mL）中并加热至60 ℃，然后将乙醇（15 mL）与 IL[HO3S（CH2）4MIM]HSO4（0.26 mol，0.03 mol）的混合物在快速搅拌下转移到TEOS 中。待形成透明均匀的液体混合物后，加入盐酸（15 mL，4 mol/L），逐渐凝固。产品在60 ℃陈化6 h 后，用乙酸乙酯（320 mL）洗涤，110 ℃真空干燥5 h。经机械活化后得到硅胶（SG）和硅胶固定化IL [HO3S（CH2）4MIM]HSO4（IL/SG）催化剂，其化学结构如图 1 所示。采用 FTIR、SEM、XPS、TG/DTG、BET 和XRD 等手段对IL/SG 的结构和性能进行表征。

1.2 性能测试及表征

图1 IL/SG 可能的化学结构Fig.1 Possible chemical structure of IL/SG

以无水KBr 为标准，在AVATAR360 Nicolet 分光光度计上进行傅里叶变换红外光谱（FT-IR）研究。采用 JSM 5600LV 扫描电镜（SEM）对 SG 和 IL/ SG 的表面形貌进行表征。利用X 射线衍射仪DX-2500（中国）对样品进行X 射线衍射（XRD）图谱分析。采用日本EXSTAR 6000 热分析系统对样品进行热性能测试。用定量自动吸附分析仪测定氮的吸附等温线。用BJH 模型从解吸等温线计算孔隙大小分布，用MBET 模型计算表面积，用K-alpha X 射线光电子能谱仪进行X 射线光电子能谱分析。

1.3 实验程序与分析方法

在一个典型的反应中，100 mg 的壳聚糖、20 mL 去离子水、适量的IL/SG 催化剂和磁子被加入到一个30 mL并具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢容器中，密封螺帽，然后将反应堆沉浸到一个预热油浴中并以200 r/min 转速搅拌。超过预定时间后，液体部分通过0.22 μm 孔隙大小膜过滤，滤液由高效液相色谱分析（北京LC3000 Chuangxin Tongheng 科技有限公司），使用35 ℃的C18柱，以流速 0.5 mL/min 的甲醇/水（23/77，v/v）为洗脱剂并采用紫外检测器。HPLC 分析的实验误差为1%。在碳的基础上采用式（1）、式（2）分别计算得到5-HMF（摩尔分数）和TRS（摩尔分数）的产率[15]。

1.4 实验设计与统计分析

采用响应面法（RSM）的因子中心复合设计（CCD）研究反应温度（163.2～196.8 ℃）、催化剂浓度（催化剂与原料的比例，（1～5）× 0.1 g）、反应时间（1.6～8.4 h）3 个自变量对反应收率（5-HMF）的影响。表1 列出了编码因子和实际因子（Xi）及其水平。

表1 自变量的范围和水平Tab.1 Range and level of independent variables

2 结果与讨论

2.1 催化剂的结构和热稳定性分析

用扫描电镜（SEM）对样品表面形貌进行了观察，如图2 所示。

图2 SG 和IL/SG 催化剂的SEM 图像Fig.2 SEM images of SG and IL/SG catalyst

由图2 可见，IL/SG 的形状以及纯SG 的形状都是不规则的。同时，硅胶和硅胶负载的IL 的粒径都不均匀（见图 2（a）和图 2（c））。2 个样品的表面形态也不相同，在放大倍数下，硅胶表面相当平整光滑（图2（b）），相反，IL/SG 的表面明显较粗糙（图 2（d）），说明离子液体[HO3S（CH2）4MIM]HSO4已被固定在硅胶表面。

纯硅胶（SG）和硅胶固定化离子液体催化剂（IL/SG）的 XRD 图谱如图 3 所示。

图3 SG 与IL/SG 催化剂的XRD 谱图Fig.3 XRD spectra of SG and IL/SG catalysts

由图3 可见，对于纯SG 和IL/SG 催化剂的图谱，在23.8°处都出现了宽峰，这都认为是非晶态二氧化硅的衍射峰。因此，IL/SG 催化剂的结构是非晶态的。

IL/SG 的红外光谱如图4 所示。由图4 可见，[HO3S（CH2）4MIM]HSO4的特征峰出现在 3 154、1 467和1 567 cm-1处，主要是由于芳香环的C—H 伸缩振动和咪唑侧烷基链的剪切振动以及咪唑环的C=N 骨架伸缩振动。此外，在595 和1 178 cm-1处，咪唑环和C—H 的弯曲振动均由咪唑环引起。另外，Si—O—Si的典型峰在 1 068 和798 cm-1左右，Si—OH 键的绕组振动在 954 cm-1左右[23]。在 3 450 和 1 641 cm-1的波段归因于物理吸附水的O—H。这些结果表明[HO3S（CH2）4MIM]HSO4被硅胶束缚。

图4 IL/SG 催化剂的FT-IR 光谱Fig.4 FT-IR spectrum of IL/SG catalyst

利用X 射线光电子能谱（XPS）可以进一步证明该结构，如图5 所示。图5（a）中的XPS 谱图描绘了从0到1 300 eV 的整个结合能范围，表明IL/SG 中的主要化学成分为C（1s）、N（1s）、O（1s）、S（2p）和Si（2p）。对C1s区域的分析提供了IL 中存在的5 种碳的化学状态的电子结构，图 1 中编号为 1 到 5。根据文献（图 5（b））[26]，用不同结合能的5 个C 组分调整C1s 谱。图5（c）中N1s的主要结合能为401.85 eV，这与咪唑环中的N 有关。从图 5（d）可以看出，O1s 的结合能为 532.85 eV，这可能与—SO3H 和 HSO4—中的 O 有关。S2p 峰（图 5（e））在168.68 eV 处出现了1 个主要的双峰，在169.21 eV处出现了第2 个双峰。这些值是硫原子在磺酸盐和硫酸盐环境的典型值[27]。IL/SG 的 Si2p XPS 谱如图 5（f）所示，结合能约为103.44 eV，对应于从硅胶中提取的二氧化硅。这些XPS 谱结果表明，离子液体[HO3S（CH2）4MIM]HSO4已成功地固定在硅胶表面。

采用热重分析法（TG）研究了制备的催化剂的热稳定性，如图6 所示。

图5 IL/SG 催化剂的XPS 谱图Fig.5 XPS spectrum of IL/SG catalyst

图6 IL/SG 和SG 的热重曲线Fig.6 TG curves of IL/SG and SG

从图6 中可以明显看出，失重主要与硅胶中固定的[HO3S（CH2）4MIM]HSO4有关。95.4 ℃内的小失重是由于催化剂表面吸附的物理水和 [HO3S（CH2）4MIM]HSO4离子液体中存在的少量结合水的蒸发。实验结果表明，当温度达到329 ℃时，催化剂的质量急剧下降，质量损失率为33.2%，这种失重是由于封装在硅胶中的酸性离子液体[HO3S（CH2）4MIM]HSO4的分解造成的。因此，认为该催化剂在329 ℃下具有良好的热稳定性。

2.2 制备5-HMF 的反应条件优化

采用 Design-Expert 8 软件（Stat-Ease，Inc.，USA）对CCD 获得的实验数据（表2）和模型方差分析（表3）进行分析。

表2 中心可旋转二次设计5 级3 因子响应面分析的实验设计与数据Tab.2 Experimental design and data for 5-level，3-factor response surface analysis in central composite rotatable second-order design（CCRD）

表3 二次模型的方差分析Tab.3 ANOVA for quadratic model

模型F值为391.32，说明模型具有显著性。通过对“Prob>F”值的评估，小于0.050 0 的值表明模型项具有显著性。在本例中，确定 3 个线性系数（X1，X2，X3），2 个相互作用系数（X1X2，X1X3）和 3 个二次系数为显著性（表 3），同时，“Predr2”（0.885 8）与“Adjr2”（0.994 6）是合理一致的。“Adeq Precision”测量的是信噪比。56.756 的比值大于4，说明信号充足，该模型可用于导航设计空间。

最后的编码因子方程如式（3）所示。

图7 所示为预测与实际5-HMF 产率。由图7 可见，预测值与实测值相似。三维响应面和二维等值线图显示了各变量对5-HMF 产率的影响，如图8 所示。

图7 预测与实际5-HMF 产率Fig.7 Yield of 5-HMF predicted vs actual

图8 各变量对5-HMF 产率的影响Fig.8 Influence of variable quantity on yield of 5-HMF

通过保持一个变量为“0”，而另外2 个变量在一定范围内变化的方法，得到了自变量对响应（5-HMF产量）的交互影响。

图8（a）为催化剂用量为0.1×3 g，底物质量浓度为 5 g/L（100 mg 壳聚糖，20 mL 去离子水）时，反应时间、反应温度及其相互作用的影响。5-HMF 的产量在185 ℃以下，随温度的升高而增加，在185 ℃以上，随着温度的升高而降低。以反应时间为变量时，也可以观察到相同的趋势。由于壳聚糖结构的高稳定性，在较低的温度和较短的反应时间下，无法生成5-HMF。随着反应温度的升高和反应时间的延长，5-HMF 可能被分解或转化为腐殖质。

图8（b）显示了180 ℃反应温度下反应时间、催化剂浓度及其相互作用的影响。随着催化剂浓度的增加，5-HMF 的产率呈先上升后达到最大值后下降的趋势。我们推测在催化剂浓度较低时，活性位点不足以产生更多的5-HMF。然而，当催化剂添加过多时，可能会发生副反应，5-HMF 可能转化为其他副产物。

图8（c）显示了反应温度、催化剂浓度以及它们在反应5 h 时相互作用的影响。在较低的温度下，如164℃，5-HMF 的收率略有提高，但在整个测试的催化剂浓度范围内相对较低。在180 ℃时，5-HMF 浓度略有增加，直至达到最大值，但随着催化剂浓度的增加，5-HMF 浓度急剧下降。随着催化剂用量的增加和温度的升高，5-HMF 可能发生降解或聚合。5-HMF 产率的降低可能是由于5-HMF 与中间体在高温下的聚合和交叉聚合所致[28]。

催化剂负载与反应时间、反应时间与温度、催化剂负载与温度等变量之间的双向交互作用对壳聚糖降解具有重要影响。以5-HMF 产率为响应，得到的最优（5-HMF）产率（摩尔分数）为31.4%，通过响应面设计软件（Design Expert 8.0.5）分析得出的最优条件为：催化剂负载：3.3 × 0.1 g，温度：185.26 ℃，反应时间：5.82 h。

2.3 其他壳聚糖生物质为原料的研究

表4 为5-HMF 制备中以不同原料和催化剂的比较。Omari 等[9]报道了壳聚糖在15 mL 水和0.12 mmol SnCl4·5H2O 中微波 200 ℃加热 30 min，得到 5-HMF的产率（质量分数）为9.9%。而在甲壳素转化过程中未发现5-HMF。Wang 等[3]报道了分别以壳聚糖-1 k、氨基葡萄糖和NAG 为原料，在67%ZnCl2水溶液中，120 ℃、90 min 条件下，5-HMF 的产率分别达到21.9%、10.1%和2.8%。Lee 等[10]报道的以壳聚糖为原料，在硫酸质量分数为2.2%、174 ℃和 36.9 min 条件下，5-HMF 收率为12.1%。在本次实验相比之下，以壳聚糖为原料，在催化剂为0.3 g（IL/SG）、180 ℃和 5 h 条件作用下，获得了的5-HMF 产率（摩尔分数）为31.4%。壳聚糖-350 k、壳聚糖-750 k 和壳聚糖-1 050 k 是 NAG 和 GlcNH2的共聚物，随着底物分子量的增加，5-HMF 的产率急剧下降。

表4 不同原料和催化剂对制备5-HMF 的影响比较Tab.4 Comparison of effect of different substrates and catalysts on production of 5-HMF

正如已发表的论文所述，从碳水化合物生物聚合物中制备5-HMF 的过程包括两个步骤：糖苷键水解，然后转化得到的单体[3]。壳聚糖的粘度越高，其反应性能越差。此外，还研究了压力对5-HMF 生产的影响。与常压反应器相比，封闭式水热反应器的5-HMF 产率较高。实验结果还表明，压力是影响5-HMF 收率的重要因素之一。分别以SG 和H2SO4为催化剂，得到的5-HMF产率较低。还需要注意的是，H2SO4是在pH 值等于IL/SG 时使用的。同时，用IL 作为壳聚糖的降解催化剂等同于IL/SG 的转化催化剂。这些数据表明，SG和H2SO4对壳聚糖转化为5-HMF 的效果明显较差。此外，IL 还被用来催化壳聚糖的水解，其TRS 产率（摩尔分数）约为20.4%。以咪唑为基础的ILs 具有很强的破坏氢键溶解纤维素的能力。类似的机理也适用于壳聚糖的增溶[29-30]。在相同条件下直接将甲壳素转化为5-HMF，得到摩尔分数为21.2%的5-HMF 收率（见表4）。TRS 与5-HMF 之间存在显著的正相关关系。但其原因尚不清楚，有待进一步研究。此外，与文献[3]相比，NAG 和GlcNH2被用作产生5-HMF 的底物。在IL/SG 提供的酸性水热条件下，[HO3S（CH2）4MIM]+催化 NAG 脱氨脱水生成5-HMF 的速度较慢，而腐殖质的形成的速度较快。

2.4 催化剂的可重用性

对催化剂的可重用性进行了测试，如图9 所示。由图9 可见，结果并不如预期的那么理想。在最佳条件下，壳聚糖的5-HMF 收率（摩尔分数）可达31.4%。然而，当催化剂重复使用4 次后，5-HMF 的收率（摩尔分数）下降到12.8%，这可能说明固定化离子液体催化剂在反应过程中不够稳定。最可能的是，利用溶胶-凝胶方法产生的固定化离子液体是不稳定的，离子液体是倾向于结合硅胶的物理或化学吸附，并且在恶劣环境下容易分解，甚至在过滤固体催化剂时离子液体的一部分也许会丢失。为了进一步的发展，需要设计合成稳定的离子液体，并与硅胶形成共价键，以提高催化剂的可重用性和稳定性。

图9 催化剂的可重用性Fig.9 Reusability of catalyst

2.5 可能的反应途径

硅胶固定化离子液体催化壳聚糖降解机理如图10 所示。首先，由于硅胶具有良好的吸附效果，壳聚糖颗粒被收集并吸附在硅胶表面，由于磺酸功能化离子液体也分布在硅胶表面，壳聚糖颗粒与离子液体更容易发生接触和碰撞。然后，从IL 中提取的阴离子可以破坏壳聚糖的分子内氢键，由于阴离子具有很强的接氢键能力，使壳聚糖更容易降解。同时，来自IL 的阳离子与β-1，4-糖苷键中的O 结合以及削弱近端C1-O 键来促进葡萄糖键的分裂。阴离子和阳离子的共同作用导致壳聚糖解聚水解成 NAG（minor）和氨基葡萄糖（major）。在酸性条件下，NAG 通过脱乙酰作用进一步转化为氨基葡萄糖。然后，吡咯糖形式的葡萄糖胺进一步水解成葡萄糖胺的开链形式，并通过异构化转化为烯醇中间体。咪唑阳离子促进C5上O 原子的孤对电子攻击C2双键，形成一个新的C2-O 键从而生成一个五元环结构中间体。然后去除氨基，在侧链上形成双键，其中一个分子的水被去除后，侧链会异构化成醛。最后，再去除一个分子水，形成结构稳定的目标产物5-HMF。

图10 壳聚糖生产5-HMF 的反应途径Fig.10 Reaction pathway of 5-HMF production from chitosan

3 结 论

（1）本文通过溶胶-凝胶法成功的将酸性IL[HO3S（CH2）4MIM]HSO4固定在 SG 上，制备了一种高效催化剂，并通过 SEM、XRD、FT-IR、XPS、BET 和TG/DTG 对催化剂进行了表征。解决了IL 被用作催化剂和溶剂在壳聚糖生物质转化制备5-HMF 反应中所需要的量大，且不易从反应物中分离等问题。

（2）使用中心复合设计（CCD）和响应面法（RSM）优化了反应条件，反应条件包括催化剂量，反应温度和反应时间。结果表明：以较少量的质量分数为1.56%离子液体/硅胶为催化剂，水为溶剂，最优条件下获得了摩尔分数为31.4%5-HMF 的产率。该体系中催化剂易于分离，且用水作为溶剂绿色无污染。

（3）本文合成的IL/SG 催化剂在降解壳聚糖或甲壳素方面具有显著的优越性，本研究为壳聚糖转化为5-HMF 提供了一种绿色简便的方法。