木质纤维生物质制备乙酰丙酸及其应用综述

杨佳鑫,司传领*,刘坤，刘华玉，李晓云,2,梁敏

(1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津 300457；2.天津科技大学 天津市海洋资源与化学重点实验室，天津 300457)

近年来，传统化石燃料的大量使用使其储量迅速下降，同时人们对环境污染和碳排放的担忧日益加剧，因此寻找环境友好且可持续生产的新能源迫在眉睫。木质纤维生物质是一种可再生的碳源，包含各种木林竹材及其加工剩余物,以及农作物采收剩余物(如麦秸、甘蔗渣、稻壳、玉米芯)，具有储量丰富、分布广泛、廉价易得等优点，可以用来生产液体燃料和化学品[1-2]。其作为原料既可降低生产成本，又可减少二氧化碳排放，已引起广泛关注。

乙酰丙酸是美国能源部确定的12种最有价值的平台化合物之一[3]，具有反应性双官能团的性质，在合成生产各种高能量化学品/产品方面具有广泛的潜力。此外，乙酰丙酸是制药、食品香精、聚合物塑料、树脂、纺织、农药化学品、燃料、溶剂和有机合成等行业的重要合成前体[2]。

木质纤维生物质主要包括纤维素、半纤维素和木质素[4]，其中纤维素和半纤维素是高度功能化的多糖，在乙酰丙酸的合成中起着决定性的作用，故如何将木质纤维生物质转化为乙酰丙酸来生产燃料和增值化学品变得尤为重要[5]。

1 乙酰丙酸的合成

利用木质纤维生物质制备乙酰丙酸有两种反应路径。木质纤维生物质通过酸催化水解，形成己糖和戊糖单体或低聚体，然后进一步转化为中间产物(即糠醛、5-羟甲基糠醛)，最后在酸催化剂的存在下转化为乙酰丙酸，即纤维素(己糖)和半纤维素(戊糖)路线[6]，见图1。其中纤维素(己糖)途径更为常见，包括以下4个步骤：①纤维素水解成葡萄糖；②葡萄糖异构为果糖；③果糖脱水形成5-羟甲基糠醛；④5-羟甲基糠醛最终形成乙酰丙酸。然而，这个过程还存在着许多困难：一是纤维素的晶体结构中密集分布着分子间氢键；二是纤维素不溶于水和其他溶剂；三是纤维素的化学特性在许多条件下都是稳定的。

图1 生物质制备乙酰丙酸Fig. 1 Levulinic acid preparation from biomass

乙酰丙酸的产生也可以从半纤维素(戊糖)开始,反应过程也由4个步骤组成：①半纤维素水解为木糖;②在酸性催化剂的作用下木糖形成糠醛;③糠醛被还原为糠醇;④路易斯酸将糠醇催化水解为乙酰丙酸[7]。虽然以上两个路径均可实现乙酰丙酸的制备，然而在实际应用中木质纤维生物质制备乙酰丙酸还存在一些挑战。例如：反应条件苛刻(较高的反应温度、较长的反应时间及较高的催化剂浓度)，目标化学物产率低，回收成本高等问题。

2 合成乙酰丙酸的催化反应体系

2.1 水体系

乙酰丙酸的传统生产工艺是在水溶液中催化进行的，产率较低。具有强布朗斯特酸位点的均相酸催化剂经常被用于水解生物质以制备乙酰丙酸，其中H2SO4和HCl是使用最广泛、最有效的催化剂(表1)。

表1 均相布朗斯特酸在水溶液中催化乙酰丙酸的生产Table 1 The production of levulinic acid in aqueous solution by homogeneous Bronsted acid

Kang等[12]以海藻为原材料，用硫酸进行浸泡后得到浸泡液和固体残渣，将浸泡液中的半乳糖用于制备乙酰丙酸，而固体残渣则用来发酵制乙醇。最终，乙酰丙酸的产率为45.88%。Kang等[13]开发了一种连续型的乙酰丙酸生产工艺，他们以H2SO4为催化剂催化甘蔗糖蜜生产乙酰丙酸，在整个生产中，H2SO4的浓度为0.2 mol/L，反应时间和温度分别为180 min和180 ℃，最终在第3和第5阶段制得的乙酰丙酸平均产率分别为30.5%和24.9%。

因为路易斯酸会加速葡萄糖与果糖的异构化，布朗斯特酸能够促进果糖向乙酰丙酸的转化，因此将两者进行结合是一种有效的乙酰丙酸制备手段。Choudhary等[14]报道，在CrCl3和HCL的共同催化反应中，乙酰丙酸获得了较高的得率(46%)，并确定两个催化剂之间复杂的相互作用，例如布朗斯特酸抑制醛糖和酮糖的异构化，而路易斯酸加速了果糖向5-羟甲基糠醛的转化，然而也加速了副反应的进行。金属氯化物作为一种有效的路易斯酸被广泛地应用于乙酰丙酸的生产。Li等[15]在AlCl3-NaCl水热体系中，以氯化钠溶液为溶剂，AlCl3为催化剂，催化玉米芯水解制备乙酰丙酸。在较低温度下，乙酰丙酸的产率就可达到46.8%。Peng等[16]研究了不同金属氯化物对纤维素在液态水中高温转化为乙酰丙酸的催化性能, 探讨了反应参数对乙酰丙酸产率的影响。结果表明，碱金属氯化物和碱土金属氯化物对纤维素的转化率不高，而过渡金属氯化物，尤其是CrCl3、FeCl3、CuCl2和a族ⅢA金属氯化物(AlCl3)具有较高的催化活性。其中氯化铬被发现是非常有效的将纤维素转化为乙酰丙酸的催化剂，在反应时间180 min、反应温度200 ℃、催化剂用量0.02 mol/L和底物质量分数50%的条件下，得到一个最佳的产量67%。此外，均相过渡金属也被证实可用来制备乙酰丙酸。Cao等[17]发现，Cu2+和Fe3+可以在200 ℃下加速纤维素水解为葡萄糖的反应，从而达到纤维素向乙酰丙酸高效转化的目的。

2.2 非水体系

为了进一步提高乙酰丙酸的产率，近年来诸多研究者将目光转向了非水溶剂，作为木质纤维生物质水解制备乙酰丙酸过程中水的替代品，主要包括离子液体和绿色化学品γ-戊内酯。离子液体以其沸点高、挥发性低、极性高等优点，受到了广泛关注。它不仅可以减少环境污染、促进绿色化学，而且具有与非均相催化剂类似的优点，即很容易从反应混合物中分离出来。此外，离子液体作为反应溶剂可降低反应温度，同时重复使用几次仍保持较高的活性。γ-戊内酯作为一种可再生的生物质基平台化合物，以其卓越的物理化学特性，常被用于有机溶剂和纤维素水解产品。基于以上非水体系，现将催化剂类型分为均相催化剂和多相催化剂。

2.2.1 均相催化剂

与水溶剂相比，离子液体具有独特的可调溶解度和再循环能力等诸多优势，这为生物质研究开辟了广阔的可能性，因此可作为制备乙酰丙酸的绿色溶剂，具体例子见表2。

Sun等[22]研究发现，在水-甲基异丁基酮(MIBK)双相体系中，使用杂多酸催化剂可通过一锅法直接从纤维素中合成乙酰丙酸。在反应温度140 ℃、反应时间12 h的条件下，乙酰丙酸的产率为63.1%。在此条件下进行的反应，目标产物乙酰丙酸和催化剂的分离相对容易，回收的催化剂可重复使用6次，催化活性并没有明显下降。此反应体系离子液体中纤维素降解过程的研究明显缺乏。因此，继续加强这一领域的研究和开发具有重要的现实意义。

表2 非水体系中均相催化剂催化乙酰丙酸生产Table 2 The production of levulinic acid by homogeneous catalyst in non-aqueous system

酸性离子液体是一类含有酸性基团的离子液体，纤维素在其中的溶解度远高于普通离子。因此，酸性离子液体既可以作为制备乙酰丙酸的溶剂，也可以作为催化剂。近年来使用含有SO3H基团的功能化离子液体作为溶剂也有相关的报道。Ren等[23]开发了一种利用微波辅助SO3H功能化离子液体由纤维素生产乙酰丙酸的高选择性方法。该功能化离子液体是纤维素转化为乙酰丙酸和随后酯化反应的有效催化剂和溶剂，有利于产物的分离和再使用。在反应温度为160 ℃、反应时间为30 min的条件下，乙酰丙酸的产率可达55.1%。该方法为生物质利用开辟了一条绿色环保的途径。Liu等[25]也探讨了酸性离子液体[C3SO3Hmim]HSO4催化转化稻草制备乙酰丙酸，最终乙酰丙酸的产率为21.6%。Khan等[26]研究了阳离子液体作为催化剂在乙酰丙酸制备中的应用，在100 ℃条件下，以[C4(Mim)2][(2HSO4)(H2SO4)2]为催化剂反应3 h，乙酰丙酸的最大产率为55%。

2.2.2 多相催化剂

由于均相催化剂应用于乙酰丙酸的生产具有很多缺点，且反应过程中会产生有污染的废液，为了解决这些问题，近年来，环境友好型多相酸性催化剂的开发引起了人们的广泛关注。各种类型的多相催化剂，包括由布朗斯特酸和路易斯酸位点组成的固体催化剂都得到了发展。例如以Fe/HY沸石为催化剂，将葡萄糖转化为乙酰丙酸[29]。值得注意的是，过量的路易斯酸催化位点也可以将葡萄糖转化为胡敏，从而降低乙酰丙酸的产量。常见的固体催化剂包括碳基催化剂、分子筛和离子交换树脂(Amberlyst-15和Nafion-117)，其中分子筛具有布朗斯特酸和路易斯酸的活性位点多被应用于乙酰丙酸的制备。常用的分子筛类型有HZSM-5、沸石、HY分子筛、H-Beta、SAPO等。Zhang等[30]研究发现SAPO-34催化剂至少可以循环再利用5次，且仍可保持较高的催化活性。

虽然固体酸可用可持续的方法促进乙酰丙酸的生产，但在乙酰丙酸制备方面的报道相对较少，这可能是由于固体酸在乙酰丙酸生产过程中反应困难所致。其催化效率受到诸多因素的影响，主要因素是固体酸与固体原料的接触面积有限。由于氢离子主要分布在固体催化剂表面，所以只有一小部分氢离子可以分散到溶液中。解决这一问题的关键是改善固体催化剂活性部位与原料之间的传质。Jeong等[31]以NaOH改性沸石Y为催化剂，以戊糖为原料制备乙酰丙酸，在190 ℃条件下反应180 min，乙酰丙酸的产率为42.7%。Alonso等[32]以Amberlyst 70为催化剂研究了纤维素转化成乙酰丙酸的过程，在190 ℃条件下反应16 h得到乙酰丙酸的收率为69%，但反应时间较长导致较高的能量消耗。另外，在反应温度高、强酸位点多的条件下，通常会导致副产物胡敏素的形成。因此，在设计固体酸催化剂时，需要优化强酸位点的数量来提高催化活性。因此，设计出比表面积更大、酸性更强的催化剂是今后催化剂制备的关键。

利用可再生的γ-戊内酯作为溶剂，水解木质纤维素制备平台化合物时，可以减少副产物腐殖质在反应器中的沉积。Wettstein等[33]研究了在γ-戊内酯和包含盐酸和其他溶质(如盐和糖)的两相系统中，以纤维素为原料制备乙酰丙酸和γ-戊内酯。最后，乙酰丙酸的产率达到70%，而且75%的乙酰丙酸被提取到γ-戊内酯中。由于溶剂γ-戊内酯也是产物，该方法省去了产物与溶剂分离的步骤，减少了生产成本。Luterbacher等[34]研究发现，使用γ-戊内酯作为溶剂可以使纤维素和半纤维素在单一反应器中同时存在。该方法免去了预处理步骤，简化了产品分离，可使生物燃料生产厂的总成本降低30%。因此，γ-戊内酯作为溶剂在木质纤维素转化为有价值材料的工艺优化和经济效益方面具有很大的优势[35]。

3 乙酰丙酸的应用转化

可再生生物质催化转化为绿色化学物质和燃料添加剂在过去几十年里得到了广泛的研究。乙酰丙酸作为一种绿色平台化合物，结构中的羧基和羰基可作为亲核基团攻击非常活跃的亲电位点，通过氧化、还原和生物转化进一步异构化为烯醇形式。因此，由木质纤维生物质制备的乙酰丙酸可转化为一系列广泛的燃料添加剂和各种有价值的化学品，见图2。目前，乙酰丙酸在制药、染料、农药、树脂和润滑油添加剂等的制备上得到了广泛的关注[36]。此外，乙酰丙酸还可以转化为液体燃料。乙酰丙酸和甲醇(或乙醇)在酸性催化剂作用下生成甲基和乙基酯。这些酯在柴油中的混合比例可达20%。它还可用于制备2-甲基四氢呋喃，可与汽油混合率达到70%，而且无需发动机的改造。此外，它还可衍生合成乙酰丙酸吡啶酯、2-甲基-3-吲哚乙酸等农药中间体和2-巯基-4-甲基-5-噻唑乙酸、吲哚美辛等医药中间体。乙酰丙酸和碳酸钙生产的癸酸钙可用于医学领域的静脉注射，有利于骨骼的形成，保持肌肉和神经的兴奋性。乙酰丙酸及其衍生物加入护肤品或化妆品中，可以减少皮脂分泌，杀菌消炎，同时可有效治疗痤疮，还可为生产茉莉香精提供原料[37]。

图2 乙酰丙酸的转化应用Fig. 2 The transformation application of levulinic acid

3.1 5-氨基乙酰丙酸

5-氨基乙酰丙酸(ALA)是一种存在于生物机体细胞中的天然物质,可作为无毒无污染的绿色农药(作为除草剂)[38]，其衍生物也是光动力疗法光敏剂的天然前体，在癌症治疗中备受关注[39]。

在通过乙酰丙酸合成ALA的过程中，其C5位置需要选择性地引入氨基。醇溶液中乙酰丙酸分子通过溴化作用来活化C5位置，再经胺化反应生成5-溴酯和3-溴酯混合物，然后通过蒸馏将它们分离开来。许多文献报道了关于ALA制备的方法[40]。生产ALA的一种典型方法包括3个步骤：第1步是在甲醇中溴化乙酰丙酸；第2步是邻苯二甲酸钾与5-溴代氨基磺酸的反应；最后一步是邻苯二胺衍生物的水解。

3.2 γ-戊内酯

γ-戊内酯(GVL)是一种来源于木质纤维生物质的绿色溶剂，可以提高催化活性和目标产物的选择性[41]。乙酰丙酸生产GVL的机理已经在许多文献中报道[42]，具体反应途径见图3。一是乙酰丙酸通过加氢反应生成γ-羟基戊酸，然后通过分子内酯化开环形成GVL；二是乙酰丙酸脱水形成当归内酯，然后通过氢化作用分子内酯化且自发地失去一个水分子最终形成GVL。Hengne等[43]报道了Cu-ZrO2和Cu-Al2O3纳米复合材料催化乙酰丙酸及其酯的加氢反应。采用Cu-ZrO2催化剂进行乙酰丙酸转化，GVL选择性大于90%。在甲醇存在的情况下，首先生成相应的酯而后加氢生成GVL和甲醇。此外，Ni/NiO催化剂可以促进氢化反应，因此在乙酰丙酸的氢化反应中表现出极高的催化活性[44]。

图3 乙酰丙酸生产γ-戊内酯的反应途径Pig. 3 The reaction pathway of GVL from levulinic acid

3.3 2-甲基四氢呋喃

2-甲基四氢呋喃(MTHF)是一种可燃性高的燃料添加剂，在燃料中加量可达到30%，既不降低燃料性能也不需对发动机进行改装[45]。贵重金属[46-47]和非贵重金属[48]都被证明可以催化乙酰丙酸制备MTHF。Mizugaki等[46]设想，在固体催化剂的作用下，通过中间物1,4-戊二烯利用乙酰丙酸的脱水成环作用制备MTHF。因为乙酰丙酸氢化生成1,4-戊二烯的反应被Pt纳米粒子和氧化钼之间的协同作用所加强，同时，1,4-戊二烯脱水环化被H-β所催化，在130 ℃条件下，以Pt-Mo/H-β为催化剂反应25 h， MTHF的产量可达到80%。

4 展 望

综上所述，乙酰丙酸是一个重要的平台分子，可以合成多种增值产品和能源化学品。它的利用极大地推动了对其制备和转化的研究，且进一步扩大了其在各个领域的应用。然而，从生物质亚单位合成乙酰丙酸是一个艰巨的任务，通常的合成路线产率较低，副产品的产生使得制备工艺效率较差。根据目前的研究现状，笔者对未来的研究展望如下：

1)高选择性生产乙酰丙酸的过程中，有许多仍处于开发的早期阶段，发展经济上可行的方法，将更复杂的生物质原料转变为燃料和工业产品的化学前体，将更具吸引力。

2)目前所研究的固体催化剂制备乙酰丙酸的产率不高，因此，开发用于水解的固体催化剂应具备适当的酸性和择形性，探讨催化剂的孔径、比表面积、酸位点类型和酸量对反应过程中产物的产率和选择性的影响。

3)为了提高乙酰丙酸的产量和减少资源浪费，需要在机理方面进行更多的探索。与此相反，在生物精炼厂废物的有价值利用方面，迫切需要进一步寻求对不可避免的杂质的可持续应用。

4)探索天然生物催化转化(使用酶或微生物)代替传统化学试剂应该是研究的首要任务。同时，这种方法可以避免违反绿色化学原则，如使用苛刻的反应条件。