生物质资源合成烷氧基甲基呋喃醚的研究进展

沈鸿波, 李兴龙, 傅 尧

(中国科学技术大学 化学与材料科学学院,安徽 合肥 230026)

化石资源的日益消耗及其带来的环境污染问题，迫使人们将更多的注意力转移到其他可再生资源的利用上[1-2]。而生物质资源被认为是地球上唯一可替代化石资源获取液态燃料和化学品的可再生资源，其有着丰富、廉价、多样、广泛、唯一碳源、可再生等优点。生物质资源产量约为1.0×1011吨/年，作为一种可持续原料，人们对生物质资源的转化利用进行了广泛的研究，如生产燃料和生物质产品[3-5]。近年来，生物质燃料的合成取得许多新进展[6-7]。各种催化途径包括氧化、缩合、加氢脱氧及酶催化等，已被用于生物质平台分子及其衍生物催化转化制备液体燃料和化学品[8]。其中生物质醚类衍生物已成为一类结构稳定、性能优异的分子，是目前柴油添加剂[9-10]、柴油十六烷值促进剂[11-12]、汽车润滑油等产品的理想替代品，具有广阔的应用前景[13]。

从生物质平台分子脱水形成的烷氧基甲基呋喃醚，其生物来源广泛以及在燃料方面具有良好性能，可解决柴油热氧化稳定性差和低温性能差的应用限制。如5-乙氧基甲基糠醛(EMF)和2,5-二乙氧基甲基呋喃(BEMF)，它们都具有较高十六烷值，可以添加到柴油中使用。其中EMF的能量密度为8.7 kWh/L，与汽油(8.8 kWh/L)和柴油(9.7 kWh/L)相当，并优于乙醇(6.1 kWh/L)，同时EMF还兼具高稳定性和良好的流动性等优点[14-16]。当生物基醇类化合物用于醚合成时，烷氧基甲基呋喃醚是100%生物基的，并且在制备过程中不会产生除水之外的副产品。此外，Lange等[17]报道了烷氧基甲基呋喃醚的制备工艺在CO2排放和投资成本方面占比较少，其规模化生产制备并不需要大规模的成本投入。

如何以高选择性和低成本的方式从生物质原料中合成烷氧基甲基呋喃醚是一个亟待解决的关键问题，其中酸催化转化技术是研究重点之一，国内外许多研究者已经对此展开了大量的研究。本文综述了以不同的生物质为底物，以5-羟甲基糠醛为关键中间体合成各种烷氧基甲基呋喃醚的研究进展，重点讨论了这些醚的制备催化体系以及催化剂的构效关系，以期为以生物质为原料制备更多种类烷氧基甲基呋喃醚及新型催化体系的开发提供研究思路和参考。

1 5-乙氧基甲基糠醛

以生物质为底物，通过转化可生成烷氧基甲基呋喃醚，其反应途径见图1。在众多的烷氧基甲基呋喃醚中，5-乙氧基甲基糠醛(EMF)是一种性能优良的柴油添加剂，它具有如下特点：1) 高沸点(508 K)，与柴油的沸点接近；2) 高十六烷值；3) 良好的氧化稳定性，与柴油混合后能减少细小颗粒物的排放；4) 能量密度高达8.7 kWh/L；5) 低毒性，甚至用作酒精饮料(如白葡萄酒)的调味剂[18]。这些优良特性决定了EMF可以作为重要燃料添加剂。同时，在EMF的合成过程中主要副产物乙酰丙酸乙酯(EL)和EMF的氢化产物也是潜在的柴油添加剂[19-20]。此外，EMF具有良好的化学反应特性，可作为原料制备多种产物如环戊烯酮等，在化工、农药及燃料领域具有重要用途[21]。

图1 生物质底物转化为烷氧基甲基呋喃醚的反应途径Fig.1 Reaction pathway of biomass substrates to alkoxylmethylfuran ether

国内外相关文献对EMF的研究报道日益增多，许多研究者和商业公司对EMF的关注度持续上升[22-24]。作者对不同底物(5-羟甲基糠醛、卤甲基糠醛、果糖、葡萄糖和其他生物质原料)来源合成EMF的化学反应过程和研究进展进行概括总结，比较了各种合成方法的优缺点，并展望了以生物质原料合成EMF的前景。

1.1 5-羟甲基糠醛合成EMF

5-羟甲基糠醛(HMF)是一种存在于蔬菜、水果、咖啡、蜂蜜等食品中的天然物质，也是一种化学性质活泼的重要生物质平台分子[25]。5-羟甲基糠醛衍生物在市场中得到了广泛的应用，其中部分衍生物具有巨大的市场潜力。在酸性催化剂存在下，将HMF与乙醇直接醚化得到EMF，EMF比HMF更加稳定，同时也更易分离。相比于原料HMF的发展路径，EMF的合成和分离在近几年才受到人们的关注，在这之前，EMF仅仅是作为生产HMF中的副产物出现。研究人员制备各种催化剂(无机液体酸、固体酸、无机金属盐、分子筛、离子液体等)，并用于HMF醚化合成EMF，同时确定最佳的反应条件，研究结果见表1。

表1 HMF与乙醇在不同酸性催化剂作用下的醚化反应

分子筛催化剂又称沸石催化剂，具有耐热性好、催化活性高等特点。将分子筛催化剂应用到HMF醚化合成EMF的反应中，得到了较好的结果。使用HY沸石作为HMF醚化反应的催化剂反应结果并不理想[26](表1，序号1)，这是由于分子筛的分子尺寸和小孔径限制了HMF和EMF的扩散，从而导致反应效果不佳，所以需要对分子筛催化剂进一步的改进[37]。文献报道介孔铝硅酸盐分子筛MCM- 41已被用于烷基糖苷的制备[38]。Lanzafame等[26-27]研究了Al掺杂不同硅铝比的介孔铝硅酸盐Al-MCM- 41催化剂对HMF醚化制备EMF的影响(表1，序号2～4)，研究发现硅铝比为50的催化剂的反应效果最好，在140 ℃反应5 h可达到68%的EMF收率。单独使用SBA-15催化剂进行HMF的醚化反应效果很差(表1，序号5)。Lanzafame等[26]在SBA-15催化剂上引入了ZrO2，在ZrO2-SBA-15催化剂存在下，HMF和乙醇在140 ℃下进行醚化反应，5 h后得到76%的EMF收率(表1，序号6)。Neves等[28]制备酸处理的Al-TUD-1型介孔铝硅酸盐催化剂，在140 ℃下催化HMF醚化反应4 h后，得到了88%的HMF转化率和81%的EMF收率(表1，序号7)。

Lanzafame等[26-27,39]还对分子筛催化剂在HMF醚化合成EMF反应机理进行研究，探讨了直接醚化和缩醛化的两种途径，研究发现HMF转化EMF过程中还可能生成其他副产物，比如1,1-二乙氧基乙烷(DE)和乙酰丙酸乙酯(EL)，研究者认为这种情况是3个相互竞争的平行反应所导致的，产物的选择性与催化剂Lewis和 Brønsted酸性位点分布密切相关：当催化剂中存在强Lewis酸性位点时，例如通过在SBA-15催化剂中引入ZrO2，或使用Al掺杂的催化剂Al-MCM- 41(Si/Al=50)，反应对EMF的生成更有利，可以得到更高的EMF选择性。这可能是因为HMF在Lewis酸中心的吸附形成了氧离子，然后通过乙醇亲核攻击得到EMF。副产物乙酰丙酸乙酯(EL)的选择性也是由反应体系的Lewis和Brønsted酸性位点的分布所决定的。Brønsted酸性位点更易发生HMF的深度水解反应生成乙酰丙酸(LA)，LA再与乙醇发生酯化反应生成相应的酯EL。结果表明：在HMF转化率100%时，EL收率大于99%[26]。而1,1-二乙氧基乙烷(DE)的形成不能通过羟甲基糠醛与乙醇的反应来解释，这可能是由乙醇与少量乙醛在其平衡状态下发生反应而产生的。

固体酸催化剂在固体表面上存在具有催化活性的酸性部位，不仅催化性能高，且易分离回收，不腐蚀设备，具有绿色环保的特点。Balakrishnan等[29]发现磺酸树脂催化HMF制备EMF有很好的收率(表1，序号8～12)， 以Amberlyst-15树脂为催化剂可得到55%的EMF收率，Dowex DR2030树脂为催化剂得到57%的EMF收率，由于具有磺酸根，会生成大量胡敏素，导致反应的碳收率较低。Liu等[30]制备一种固体酸催化剂，在蒙脱石K-10黏土上负载磷钨酸H3PW12O40(HPW)，所制备的HPW-K-10固体酸催化剂对HMF醚化反应有较好的催化活性，在100 ℃下反应10 h可达到91.5%的EMF收率(表1，序号13)。Che等[31]制备了颗粒更细小的纳米球40% H4SiW12O40/MCM- 41催化剂，HMF和乙醇在90 ℃油浴反应4 h，HMF转化率达92.0%， EMF选择性为84.1%(表1，序号14～18)。Liu等[32]制备了有机-无机杂化固体催化剂[MIMBS]3PW12O40，将HMF直接转化为EMF，在100 ℃下该催化剂表现出最佳的催化活性，得到EMF收率91.5%(表1，序号19)，并且循环测试表明，[MIMBS]3PW12O40催化剂重复使用5次而催化活性不会流失，平均EMF收率约为90%。另一种固体酸催化剂硫酸纤维素，是一种环境友好的生物质基催化剂，可以催化HMF醚化得到84.4%的EMF收率(表1，序号20)[33]。

Liu等[34]使用SiO2-SO3H固体酸催化剂高效地将HMF转化成EMF，其首先制得介孔SiO2，然后将其与硫酸混合搅拌以引入磺酸基，洗涤干燥后得到SiO2-SO3H固体酸催化剂(表1，序号21)。固载磺酸基的催化剂，不仅具有较高的催化性能，而且具有不腐蚀设备、绿色环保等特点[40]。随后对该催化剂进行了改进，采用共沉淀法合成磁性Fe3O4，再与正硅酸乙酯混合处理以制成SiO2包裹Fe3O4的磁性载体，用氯磺酸磺化后，制得Fe3O4@SiO2-SO3H磁性固体酸催化剂，得到EMF收率与之前结果接近(表1，序号22)。Yuan等[35]用非晶碳来包裹磁芯，以防止磁芯聚集，此外，—SO3H作为酸性官能团加入载体中，成功制备Fe3O4@C-SO3H催化剂，可将HMF转化为EMF，收率高达88.4%(表1，序号23)。这类催化剂不仅具有良好催化效果，并且可以通过磁分离手段使产品与催化剂分离以方便回收，从而开拓了EMF的应用前景。

氧化石墨烯(GO)是一种非金属、稳定和可回收的固体酸催化剂，Wang等[41]将其作为固体酸催化剂用于EMF制备，比较了该催化剂与其他酸性催化剂(对甲苯磺酸、H3PW12O40、Amberlyst-15和 H2SO4)在相同反应条件下(100 ℃，反应12 h)的催化性能，结果证明GO的优越活性，其EMF产率可达到92%，而其它4种催化剂催化下，EMF产率分别为61%、 82%、 59%和54%。但是经过还原的石墨烯氧化物(RGO)催化效果并不好，在140 ℃、反应24 h，EMF产率仅33%，EL产率4%。Antunes等[42]将氧化石墨烯部分还原，并且加以磺化制备成磺化石墨烯氧化物(S-RGO)，在140 ℃下反应24 h，循环多次均能得到较高的EMF收率，循环使用3次，EMF得率分别为42%、 73%和71%。

离子液体具有不易挥发、沸点高、热稳定性高、化学稳定性强等特点，在HMF醚化合成EMF中也有所应用。离子液体不仅可以作为溶剂，还可以作为催化剂，与固体酸催化效果同样良好。Liu等[32]引入杂多酸基离子液体([BmimSO3H]3PW12O40)，能以98.7%的转化率达到90.7%的EMF收率(表1，序号24)。Alam等[43]制备Brønsted酸性的离子液体[DMA]+[CH3SO3]-和[NMP]+[CH3SO3]-，用于HMF醚化EMF反应，结果发现HMF在2 h内几乎定量地转化为EMF。其中使用催化剂[NMP]+[CH3SO3]-的转化效率略低于使用[DMA]+[CH3SO3]-，使用离子液体[DMA]+[CH3SO3]-可将0.3 g HMF底物转化成0.31 g的EMF。

无机金属盐也可以作为酸性催化剂催化HMF醚化合成EMF。Liu等[36]用市售的AlCl3催化HMF醚化合成EMF，在100 ℃下反应5 h得到收率92.9%的EMF(表1，序号25)。而无机液体酸催化剂(如硫酸)则很少在HMF醚化合成EMF中应用，更多的是用于以果糖和葡萄糖为原料制备EMF，这主要是因为HMF的活性较高，加入强酸(如硫酸)后，会促进HMF的降解及低聚反应，不利于醚化产物的得到。

综上所述，各种分子筛、固体酸、离子液体、无机金属盐催化剂在HMF醚化合成EMF中发挥出重要的催化作用，并且通过合理的优化条件可以有效地降低EL及胡敏素等副产物的生成。而其中固体酸催化剂，尤其是磁性Fe3O4@SiO2-SO3H催化剂易于分离和重复使用，受到了广泛的关注。但是反应过程中催化剂的构造关系及反应的机理仍需进一步的研究和探讨，同时催化剂中Lewis酸和Brønsted酸性位点的比例调节对醚化产物的选择性至关重要，同样也是需要重点研究的内容。

1.2 卤甲基糠醛合成EMF

EMF的合成也可以通过多步法合成，在多步法中，先得到EMF的前体HMF或卤甲基糠醛，然后再继续合成产物EMF。这里重点介绍了以氯甲基糠醛(CMF)为代表的卤甲基糠醛到EMF的合成。

CMF一般通过纤维素、葡萄糖或果糖水解得到，CMF通过Williamson反应可转化为EMF[44]。此外CMF可以用来制备双官能团化的醛类化合物[45]，进一步聚合可以得到高分子聚合物；CMF也可以转化为δ-氨基乙酰丙酸, 它是重要的农药、医药中间体[46]。

Mascal 等在CMF的制备及转化方面做了一系列的研究工作[47-49]，在含有氯化锂(5%)的浓盐酸溶液中加入微晶纤维素，在65 ℃连续搅拌18 h，并用1,2-二氯乙烷溶剂连续萃取，得到71%的CMF收率，在分离纯化CMF后，室温下加入乙醇，搅拌反应8 h，EMF收率可达95%。此外，Mascal等[50-51]还改进了反应体系，将六碳糖、纤维素和玉米秸秆等原料加入双相反应体系中，并在80～100 ℃的封闭反应容器内，加入盐酸进行水解和氯代反应，原料在3 h内即可转化为CMF，分离收率大于80%。Bredihhin等[52]使用CaH2干燥后的96%乙醇作为原料，将卤甲基糠醛转化为EMF，得到高EMF收率，但仍有相当数量的副产物乙酰丙酸乙酯(EL)的形成(高达20%)。此外，如果将页岩油灰[53]引入反应介质，呋喃环开环水解的副反应大大减少，抑制副产物EL的形成，产物基本为EMF(收率87%)。

由CMF直接转化为EMF可以得到较高产物收率，但该转化过程仍存在不少问题，阻碍了该方法的大规模应用。由于在制备CMF过程中需要用到过量浓盐酸，这不仅会腐蚀设备，如何回收和再利用也是一个问题，并且可能会形成潜在危险氯化有机产品。如果存在未反应完的卤化物，不仅对环境危害较大，对汽车燃油系统也有负面影响[54-55]。同时由CMF制备EMF也涉及到CMF的分离提纯问题，且目前尚未找到有效的非均相催化体系用于原始生物质资源到CMF的一步转化，且氯源的替代也是需要进一步的研究和探索。

1.3 果糖合成EMF

尽管可将HMF直接醚化制备收率相对较高的EMF，但由于HMF分离提纯困难，且本身价格贵，导致将HMF作为制备EMF的原料在工业上应用并未引起人们太多的兴趣。目前更具吸引力的方法是将廉价的生物质资源(例如葡萄糖、果糖等)在醇类溶剂中一步醇解制备EMF(图2)，避免了复杂的分离过程及多种催化体系的使用。因此通过选择适当的酸催化体系和反应条件，可以提高反应对EMF的选择性，表2列出了以果糖为原料经醇解制备EMF的反应体系情况。

图2 以果糖为原料合成EMF的反应路径Fig.2 Synthesis of EMF from fructose

Tarabanko等[56]使用H2SO4作为无机液体酸催化剂催化果糖一锅法转化制备EMF，在硫酸浓度为1.8 mol/L时，EMF收率为60%(表2，序号1)，但使用硫酸作为催化剂会腐蚀设备，带来安全隐患及造成环境污染严重，其应用受到限制。Lai等[57]采用盐酸作为催化剂催化转化果糖的醇解可得到40%的EMF收率，根据碳平衡显示有相当量的HMF生成(表2，序号2)。无机液体酸作为催化剂并没有得到理想的催化效果，且在反应过程中存在一定的安全隐患及环境污染，由于前述非均相催化剂的优势，研究人员开始更多地在果糖一锅法醇解制备EMF中寻找和制备合适的固体酸催化剂。

表2 果糖到EMF的醚化

Balakrishnan等[29]使用固体酸催化剂对果糖在乙醇中的醇解反应进行研究，发现与以HMF作为原料直接发生醚化反应相比，果糖直接进行醇解反应需要更高的反应温度和酸催化剂使用量(摩尔分数10%)。其对多种树脂型催化剂及磺酸化二氧化硅催化剂进行了筛选(表3)，研究发现使用Amberlyst-15催化剂的反应效果最好，在10%(摩尔分数)催化剂存在下，110 ℃反应30 h可以得到收率71%的EMF。

表3 不同固体酸催化剂对果糖醇解到EMF的产物分布影响1)[29]

Liu等[58]使用负载的磷钨酸的介孔MCM- 41催化剂(MCM- 41-HPW)，在100 ℃下反应12 h得到42.9%的EMF(表2，序号3)。Liu等[30]制备磷钨酸H3PW12O40(HPW)负载的蒙脱石K-10黏土催化剂，研究发现30% HPW负载的K-10黏土催化剂对HMF和果糖转化制备EMF的反应均有良好的催化性能，在100 ℃，乙醇溶液中以果糖为原料反应24 h，得到61.5%的EMF(表2，序号4)，但远低于同样用该方法以HMF为原料得到的EMF收率91.5%(表1，序号13)。这是因为在相同条件下果糖的水解程度较低，不能完全转化成HMF，导致后一步的醚化并使EMF收率降低。Liu等[33]以硫酸处理过的纤维素为固体酸催化剂，醇解果糖得到72.5%的EMF(表2，序号5)。Gupta等[59]制备同时含Brønsted酸性和Lewis酸性的磺化碳催化剂(Glu-TsOH-Ti)，在100 ℃下催化转化果糖反应30 h可得到66%的EMF(表2，序号6)，但随着反应时间的延长，产物溶液颜色变深，说明反应过程中可能有胡敏素的生成。磺酸化的二氧化硅催化剂SiO2-SO3H也是果糖醇解到EMF的高效催化剂，同时通过磁性Fe3O4改性的磺酸化二氧化硅催化剂Fe3O4@SiO2-SO3H在催化剂回收及重复利用上具有明显的优势，将其应用在以果糖为原料的EMF制备上，也可得到72.5%的收率(表2，序号7～8)[42]。

果糖醇解到EMF的反应过程中会产生中间体HMF，由于HMF对水、酸及热的不稳定性，导致了产物收率的降低及胡敏素的增多，为了有效解决该问题，常使用混合溶剂体系保护生成的HMF不被破坏，从而提高反应的选择性和产物收率。Wang等[60]选用了磷钨酸作为酸催化剂，尝试了在乙醇、水和二甲基亚砜组成的混合溶剂体系中果糖到EMF的醇解反应情况。研究发现：140 ℃、反应130 min，EMF的收率最高可达64%。通过混合溶剂的使用可以在较短的反应时间内得到较高的EMF收率，并且通过使用甲基异丁基酮(MIBK)作为萃取剂可以有效分离EMF，解决产物分离困难的问题。此外，Wang等[60]还研究了水的添加量对醇解反应中产物分布的影响。表4总结了溶剂体系中的含水量对在5.0 mL溶剂，1 mmol果糖，0.012 5 HPW,140 ℃反应130 min下果糖转化率和产物分布的影响。结果表明：当无水存在时，反应转化率最高，同时主要产物是EMF；随着溶剂体系中含水量的增大，果糖的转化受到抑制，EMF收率逐渐下降，深度水解产物EL的收率逐渐增加，同时HMF收率有所增大，这是因为含水量的增大，会导致HMF醚化程度下降，从而导致HMF收率的上升及醚化产物EMF收率的下降。而HMF在反应体系中并不稳定，会在水和酸催化剂存在下进一步醇解得到EL。因此，溶剂体系中合适的含水量对果糖到EMF的醇解反应非常重要。

表4 溶剂体系对果糖到EMF转化的影响[60]

Jia等[61]用物质的量比为1 ∶1的AlCl3·6H2O和BF3·(Et)2O为共催化体系，在110 ℃下反应3 h，以果糖为底物，得到55%的EMF(表2，序号9)。对反应的机理进行了研究探讨，发现BF3·(Et)2O可以促进中间产物5-氯甲基糠醛(CMF)向EMF的转化，在较短的时间内得到一定的EMF收率。Liu等[36]发现市售AlCl3对六碳糖转化为EMF的反应具有较高的催化活性，在10%(摩尔分数)AlCl3催化剂存在下，100 ℃反应11 h，以果糖为原料得到71.2%的EMF(表2，序号10)。虽然使用其他金属盐如CrCl3、CuSO4和Fe2(SO4)3等对果糖到EMF的醇解反应也有一定的催化作用，但与AlCl3相比催化效果较差(表2，序号11～13)。

对比果糖和HMF作为原料生产EMF两种情况，从果糖出发得到EMF一般需要更高的反应温度和较长的反应时间。虽然无机酸及均相金属盐的使用可以得到较高的EMF收率，但是催化剂的回收再利用及其使用带来的环境污染问题是不能忽视的。使用混合溶剂体系，不仅可以提高EMF的收率，同时解决了产物分离的问题。因此，开发混合溶剂体系，使用非均相催化体系，在解决产物分离及催化剂回收基础上，可以最大限度地提高EMF的产物选择性和收率。

1.4 葡萄糖合成EMF

与果糖相比，葡萄糖可由淀粉和纤维素通过化学水解或者酶水解直接得到，是自然界分布最丰富和价格最廉价的单糖。葡萄糖在转化过程中不易直接脱水转化为HMF，可以避免HMF在酸性条件下存在的深度水解及低聚问题，提高EMF产物的选择性，简化产物分离纯化步骤，工艺更加经济可行。因此，将葡萄糖一锅法转化为EMF更具有吸引力。

Yang等[62]在乙醇-水溶剂体系中，以AlCl3为催化剂，催化转化葡萄糖制备呋喃化合物(HMF和EMF)，该催化体系对葡萄糖转化为呋喃类化合物的活性较高，对深度水解产物乙酰丙酸和乙酰丙酸乙酯(EL)的催化活性较低。当含水量为10%时，160 ℃下反应15 min可以得到57%的呋喃化合物收率。

Liu等[63]在乙醇和二甲基亚砜混合溶剂中，以H2SO4和SnCl4为共催化剂将葡萄糖转化为EMF，实验发现EMF收率仅为18%左右。Lew等[64]使用Amberlyst-131与Sn-β分子筛联用，在乙醇中醇解葡萄糖制备EMF，结果表明：葡萄糖在Lewis酸催化剂Sn-β的存在下首先发生异构化反应生成果糖，果糖进一步水解得到HMF，后在 Brønsted 酸催化剂Amberlyst-131存在下HMF发生醚化反应得到EMF，收率达到31%。此外，作者以葡萄糖为原料，Amberlyst-131为催化剂(不含Sn-β)，在乙醇中进行实验，发现仅得到乙基葡萄糖吡喃糖苷和乙基葡萄糖呋喃糖苷(异构体α和β)，并没有EMF的产生。这说明在该催化剂条件下，HMF和EMF不能从葡萄糖直接产生，反应过程中必须加入Lewis酸催化剂如Sn-β，催化葡萄糖异构化到果糖后再参与后续的水解和醚化反应。Li等[65]对葡萄糖直接转化为EMF进行了研究，利用固体酸H-USY(6)和Amberlyst-15共催化体系，在乙醇溶剂中将葡萄糖转化为EMF，得到约40%的EMF，并提出了葡萄糖催化转化为EMF的可能反应途径(图3)。

图3 葡萄糖一锅法转化制备EMF的反应途径Fig.3 One-pot reaction pathway for the conversion of glucose to EMF

在Lewis酸催化剂作用下，葡萄糖异构化为果糖，随后果糖转化为乙基-D-呋喃果糖苷(EDFF)。另外，EDFF部分转化为乙基-D-吡喃葡萄糖(EDGP)，葡萄糖自身也可以直接转化为EDGP[66]。EMF的前体可以是EDFF或者HMF，EDFF可以在催化剂Brønsted酸的存在下参与脱水反应，形成EMF；而另一种原料果糖也可以经历脱水产生HMF，从而与乙醇反应产生EMF。EMF还可以进一步反应产生EL和缩醛等副产物。

葡萄糖具有来源丰富和价格低廉的优点，是一锅法制备EMF的理想原料。然而，由于葡萄糖到EMF转化过程中经历步骤较多，且各中间体在酸性条件下结构不稳定，易发生降解到EL及低聚生成胡敏素等副反应，导致产物选择性较低。同时反应一般需要Lewis酸及Brønsted 酸催化位点的共同作用，这对催化剂的设计及结构有较高的要求，这些因素导致葡萄糖转化到EMF的体系较复杂，因此设计同时具有Lewis酸及Brønsted 酸催化位点的固体酸催化剂，调配催化剂中各组分的比例，开发适合的溶剂体系，实现产物的高选择性制备。

纤维素一锅法制备EMF收率也非常低，这是因为纤维素结构复杂且相对分子质量大，催化剂中的有效成分难以进入纤维素内部，导致其解聚和解晶困难。因此，人们更多的是将纤维素通过化学或是酶法先水解成纤维二糖或者葡萄糖，再进行醇解制备EMF。Yang等[62]使用AlCl3·6H2O作为催化剂，在乙醇/水混合物中一锅转化纤维二糖为EMF，在最佳条件下(160 ℃，15 min)仅得到30%的EMF。Liu等[36]也采用AlCl3作为催化剂，以纤维二糖为原料得到的EMF收率也不足35%。可见，目前纤维二糖作原料得到的EMF收率普遍较低，所以如何提高以葡萄糖或纤维二糖为原料转化制备EMF的收率，仍然是今后研究的重要挑战。

对于使用二糖或者多糖等生物质为底物合成EMF，其经济效益较高，但在一锅法反应过程中由于原料的结构复杂，导致产物选择性较低，反应的碳平衡较差。因此使用生物质制备EMF仍需要进一步的深入研究，在此不做进一步详细综述。

2 其它烷氧基甲基呋喃醚

2.1 5-甲氧基甲基糠醛

5-甲氧基甲基糠醛(MMF)具有良好的共混性能，是一种潜在的燃料添加剂。通过果糖或纤维素等原料一锅法制备MMF已经受到人们的关注，该反应不依赖压力，且在催化剂可回收利用的情况下不产生固体废弃物，甲醇作为溶剂和反应物，由于其低沸点性可以通过蒸馏回收及循环利用，这些优点有助于推动该反应在工业上的利用。表5列出了不同生物质原料制备MMF的反应情况。

Garves等[67]研究了以纤维素为底物，在各种酸性催化剂存在下，一锅法制备MMF反应情况，结果表明：纤维素因为在甲醇中溶解度较低，所以在各种酸催化剂作用下得到的MMF收率都很低，并且使用液体酸HCl和HBr催化剂均不能得到MMF，使用H2SO4催化剂得到的MMF收率较低(表5，序号1)，更多的产物是深度降解产物乙酰丙酸甲酯(ML)。其他均相酸催化剂如CF3SO3H、对甲苯磺酸和SO2也能催化纤维素降解，但与使用H2SO4催化剂相比，需要更高的反应温度和反应时间(表5，序号2～4)，同时产物的收率也很低。Garves等[67]还尝试改变溶剂的组成，然而对MMF的收率提升并没有起到明显的促进作用(表5，序号5～8)。由于纤维素的结构复杂，导致整体反应的碳收率较低。同时使用纤维素作为底物，醇解反应温度一般较高(大于180 ℃)，导致深度水解产物ML的收率较高。

为了使反应条件更温和，同时提高MMF的收率，研究人员使用果糖作为底物，一锅法制备MMF[63]。催化剂为H2SO4时可以得到38.7%的MMF，而催化剂为盐酸时MMF的收率较低(表5，序号9～10)。Zhu等[68]在体积比为1 ∶1的四氢呋喃和甲醇的有机溶剂体系中，酸性树脂Amberlyst-15催化下，120 ℃反应3 h，MMF收率达47%(表5，序号11)。Kraus等[69]在溶剂甲醇中使用离子液体[MSPIM]Cl作为催化剂，不仅缩短了反应时间，还提高了MMF收率，在100 ℃下反应20 min得到57%的MMF收率(表5，序号12)。Bicker等[70]尝试在超临界甲醇溶液中研究果糖醇解到MMF的反应情况，在240 ℃，10 mmol/L的硫酸作用下反应30 s，可得到果糖转化率99%，MMF收率79%(表5，序号13)，这对于MMF的收率是一个巨大的提升。但是超临界甲醇的使用对设备要求较高，操作较为复杂。

表5 不同生物质底物到MMF的转化1)

Ⅰ.Brønsted酸 Brønsted acid; Ⅱ.Lewis酸 Lewis acid图4 Brønsted和Lewis酸催化剂催化MMF的降解机理图[71]Fig.4 The degradation mechanism of MMF in the presence of Brønsted acid and Lewis acid catalysts[71]

综上所述，以HMF和果糖为原料可以得到高收率的MMF，而由于纤维素自身结构的限制，导致以纤维素为原料，使用无机液体酸催化剂得到MMF收率较低。借鉴于EMF的合成，MMF的合成研究相对较少，缩醛反应、呋喃环开环反应和聚合反应等竞争性反应的存在，降低了反应的选择性和最终MMF的收率，对其催化体系的开发及机理的研究仍有较多的工作需要进行，因此寻找更温和的反应条件下制备高选择性MMF的高效催化体系将是未来研究的重点。

2.2 其他单烷氧基甲基呋喃醚

除了之前讨论过的MMF和EMF外，从仲醇、叔醇和中长链醇中得到的其他烷氧基甲基呋喃醚也因其在低温下较好的流动性能而受到关注[72-73]。近年来，研究人员对烷氧基甲基呋喃醚已经进行了更深一步的研究，如5-异丙氧基甲基糠醛(IPMF)、5-叔丁氧基甲基糠醛(TBMF)、5-辛氧基甲基糠醛(OMF)、5-十二氧基甲基糠醛(DDMF)、5-十六氧基甲基糠醛(HDMF)等。这些烷氧基甲基呋喃醚可以由HMF和各种醇通过醚化反应进行制备。

这些较高相对分子质量的烷氧基甲基呋喃醚合成过程中所使用的催化剂一般为酸性沸石，对酸性沸石的酸度、类型和硅铝比进行相应的控制可以得到高选择性的烷氧基甲基呋喃醚。Shinde等[74]用催化剂Zr-Mont在100 ℃下催化醚化HMF和异丙醇，反应12 h，HMF可完全转化得到84%的IPMF。Luo等[75]选择使用酸性更强的H-BEA催化剂，在140 ℃下IPMF的选择性高达97.9%；而在相同的反应条件下，使用强Lewis酸催化剂Sn-BEA，IPMF的选择性仅为9.8%。可见酸性沸石中酸的种类对烷氧基甲基呋喃醚的生成有很大的影响，具有Brønsted酸性的沸石催化剂更有利于烷氧基甲基呋喃醚的形成。Yang等[76]使用硅铝比为80的HY催化剂，催化HMF与叔丁醇的醚化反应，在60 ℃反应3 h，TBMF的收率为42.8%，调整HY的硅铝比为12时，TBMF的收率增加，达55.5%。Salminen等[77]使用离子液体改性的催化剂H-β，在120 ℃下反应3 h，TBMF的选择性达76%，明显优于未改性的H-β的催化效果。关于TBMF的合成，除了通过HMF与叔丁醇的醚化反应制备，还可以通过HMF与异丁烯(IB)反应得到。Yang等[76]使用硅铝比为12的催化剂HY，在乙二醇二甲醚溶剂中60 ℃反应3 h，TBMF选择性为94%。Arias等[78]使用H-β合成OMF、DDMF和HDMF等烷氧基甲基呋喃醚，均能得到选择性92%以上的产物，同时发现硅铝比对产物选择性的显著影响。通过HMF与不同结构醇的醚化反应可以开发出更多种类和性能的烷氧基甲基呋喃醚，对于研究基于平台分子HMF的下游醚化产物的性能变化规律有很大帮助。但是受限于HMF的提纯与分离成本，开发基于生物质资源与不同醇的醇解反应制备相应的烷氧基甲基呋喃醚具有重要意义，同时还需要继续开发更多高活性的催化体系，实现醚化产物在温和条件下的高选择性制备。

2.3 2,5-二烷氧基甲基呋喃

2,5-二烷氧基甲基呋喃(BXMF)被认为是一种潜在的生物燃料或燃料添加剂，例如在六缸重型发动机上，2,5-二乙氧基甲基呋喃(BEMF)作为柴油添加剂[15]，在发动机运行中，任何测试的混合比均未发现与传统柴油性能的差异，显示出良好的添加性能。

为了确保最终得到的BXMF产物纯度高且易于分离，研究人员一般从HMF、5-烷氧甲基糠醛(XMF)或者2,5-二羟甲基呋喃(BHMF)出发进行制备，设计和制备合适的催化剂是其中的关键。使用HMF或XMF为原料制备BXMF，一般需要催化体系同时具备加氢活性和醚化活性，目前一般使用的是加氢催化剂和酸催化剂的物理混合，同时使用具有加氢活性和醚化活性的催化体系报道的较少。而使用BHMF作为底物，只需要使用具备醚化活性的催化体系即可。

Balakrishnan等[29]用一锅法直接从HMF制备BEMF，一步解决氢化和醚化两步反应，用Amberlyst-15(5%，摩尔分数)和Pt1Sn1/Al2O3(0.25%，金属铂摩尔分数)组成的催化体系，在1.4 MPa H2下，在乙醇中可得到64%的BEMF以及少量的单醚EMF。在HMF制备BEMF反应中观察到有缩醛中间体2和3的产生(图5)，认为从HMF制备BEMF反应遵循还原醚化的途径，而不是先进行羰基还原到BHMF，后进一步醚化到BEMF。根据还原醚化途径，催化剂中的酸性位点在乙醇中质子化HMF，生成中间体1、2和3，然后这些中间产物在Pt催化剂存在下进行加氢，生成相应的醚EMF和BEMF，如果在催化剂上引入了Pt、Sn金属，则增强了Lewis酸性，更容易生成二醚BEMF，单醚EMF也可以进一步还原醚化得到BEMF(图5)。Ras等[79]从EMF出发，使用铱/铬(Ir/Cr)金属负载的多孔γ-Al2O3催化剂，以碳酸二乙酯为溶剂，在120 ℃下得到较高的BEMF选择性。Hu等[80]使用HSZ-150催化剂在连续固定床反应器中，从BHMF得到BEMF产率为90.46%，该催化剂使用寿命至少为80 h，为未来工业化大规模生产BEMF提供了参考。

图5 一锅法还原醚化HMF的反应途径Fig.5 Reaction pathways for reductive etherification of HMF in one-pot

2,5-二甲氧基甲基呋喃(BMMF)是2,5-二羟甲基呋喃(BHMF)与甲醇醚化的产物，BMMF与柴油可以完全混溶，其闪点、冷滤点和沸点均能满足作为柴油添加剂的要求，其十六烷值为80，是一种优良的柴油十六烷值改进剂[81-82]。Cao等[55]采用硅铝比为25的催化剂HZSM-5催化BHMF醚化合成BMMF, 在140 ℃反应4 h，100%转化率下可得70%的BMMF。Fang等[83]选择了Lewis酸位点占比较高的1.5% Sn-ZSM-5，从BHMF出发，在65 ℃甲醇中反应8 h，得到95%的BMMF，大大降低反应温度的同时提高了产物收率。Li等[84]以市售Co3O4为原料，通过简单还原制备金属钴催化剂，在温和条件(90 ℃，2 MPa H2，1 h)下催化HMF还原醚化制备BMMF，BMMF的收率高达98.5%，结果表明钴催化剂有较好的还原醚化活性，并且XPS分析证实钴催化剂还原后同时存在Co0和Co2+/3+物种，且还原后的催化剂表面结构粗糙，这使催化剂不仅具有加氢活性，而且具有醚化能力。杨延军等[85]制备了双功能Cu-Co催化剂，在130 ℃，2 MPa H2条件下反应2 h，得到85.9%的BMMF。目前BMMF主要是通过精馏进行分离提纯，提高反应过程中BMMF的选择性有利于降低精馏的工艺条件[86]。

Shinde等[74]利用醇作为氢转移试剂和反应溶剂，研究HMF与各种不同的醇反应制备2,5-二烷氧基甲基呋喃的反应情况，结果显示：在Zr-Mont与ZrO(OH)2组合催化剂存在下，分别使用异丙醇、2-丁醇、正丁醇可以得到95%、96%和49%的相应的还原醚化产物。其中2-丁醇和正丁醇得到2,5-二烷氧基甲基呋喃的收率差异较大，主要归因于在氢转移反应过程中，仲醇相比于伯醇在催化剂作用下更易于分解提供氢源，在氢转移反应中有更好的表现。Han等[87]在不同的醇溶剂中，用Amberlyst-15将BHMF醚化得到2,5-二烷氧基甲基呋喃， BMMF收率为57%，其余2,5-二烷氧基甲基呋喃收率均高于70%。Jae等[88]利用固体Lewis酸催化剂(如Sn-β和Zr-β)，在2-丙醇、2-丁醇等仲醇中均可从BHMF产出高收率(80%)的2,5-二烷氧基甲基呋喃。从果糖制备2,5-二烷氧基甲基呋喃也已经有所尝试，最近Wei等[89]制备了USY@ZrCP固体酸催化剂，该催化剂具有丰富Lewis酸位点与适量Brønsted酸位点，在异丙醇溶剂中，以果糖为原料可获得82.6%的2,5-二异丙氧基甲基呋喃(BPMF)。然而反应需要在连续除水并且溶剂回流的情况下进行，由于异丙醇和水的互溶性，增加了操作难度。

从HMF或BHMF出发制备2,5-二烷氧基甲基呋喃，在合适的催化剂和反应条件下可以得到较高的原料转化率和产物选择性。目前，HMF还原醚化制备2,5-二烷氧基甲基呋喃一般采用加氢催化剂和酸性催化剂组成的共催化剂体系来完成。然而，在温和的条件下，使用同时具有加氢活性和醚化活性的双功能催化剂来获得高收率的还原醚化产物仍然具有挑战性。而酸性催化剂中的Brønsted酸和Lewis酸位点的比例对2,5-二烷氧基甲基呋喃的选择性有重要影响[87]。同时反应的路径复杂，需要结合多种表征手段进一步探索反应机理和催化剂构效关系，阐明催化剂的作用机制。

2.4 5,5’-氧基双亚甲基-2-糠醛

5,5’-氧基双亚甲基-2-糠醛(OBMF)是两分子HMF自身醚化得到的产物，它不仅可用于制备具有优异热导性和导电性的亚胺基聚合物[90]，还可用于制备杂环配体和肝炎抗病毒药物[91]。一般来说，OBMF的制备有两种方法：1) 2分子HMF在酸性条件下发生自醚化；2) 1分子HMF和1分子CMF在碱存在下通过Williamson反应进行制备，前者是目前常用的制备方法[92]。

通过HMF自身醚化合成OBMF可以在多种溶剂中进行，二氯甲烷等非极性溶剂由于有利于氧离子的形成及促进OBMF的合成使用最多。Mliki等[93]使用Amberlyst-15树脂对HMF进行自醚化反应，在41～45 ℃的二氯甲烷溶剂中回流反应得到64%的OBMF。同时其尝试研究在超声波条件下的反应情况，发现：在超声波条件下35 ℃反应可得96%的OBMF。这是因为超声波条件下可以增加反应物与催化剂的接触面积，能显著地提升催化效率。氧化石墨烯也是HMF自醚化反应良好的催化剂。Wang等[94]使用氧化石墨烯作为催化剂，通过反应过程中连续除水，在100 ℃反应5 h，二氯甲烷中得到OBMF最大收率为86%。Shinde等[95]使用Sn-Mont为催化剂，在100 ℃反应2 h，OBMF选择性高达98%。通过除水操作可以大大提高原料转化率和产物的选择性，但同时也增加了操作的复杂性及溶剂使用量。Stanev等[96]探索了HMF在无溶剂下选择性醚化制备OBMF的反应情况，在SiO2/CF3SO3H催化剂存在下，反应1 min即可实现91%的HMF转化率和55%的产物收率，然而，反应过程中形成了大量的副产物胡敏素。

由于HMF自身结构的性质导致其在酸碱及热条件下的结构不稳定，通过HMF的自身醚化制备OBMF的反应过程中会导致碳收率的下降，以及胡敏素量的增加。因此，开发更加高效的催化体系，实现温和条件下OBMF的合成，减少胡敏素生成是具有挑战性的。

3 总结和展望

生物质资源是一种重要的可再生碳资源，将生物质资源转化为先进的生物燃料和平台化学品已成为当务之急。平台化学品烷氧基甲基呋喃醚更是一种具有发展潜力的燃料和燃料添加剂，可以应用于柴油添加剂中，降低人们对化石燃料的依赖。作者详细介绍了以不同生物质为底物，以HMF为基本结构的各种醚类化合物的合成及应用，并对国内外的研究进展进行了综述，得出：合适的催化剂和反应条件对提高产物的选择性和抑制副反应的发生十分重要。

目前基于HMF的醚类化合物的合成仍然需要面临诸多挑战，比如：1) 反应效果好的底物价格昂贵，例如HMF和果糖虽然都能得到良好的烷氧基甲基呋喃醚收率，但是它们本身的价格并不便宜，HMF本身的制备和纯化非常困难；2) 以廉价的葡萄糖为主要结构单元的生物质底物如纤维素、纤维二糖等反应的催化体系复杂且产物选择性普遍较低；3) 均相催化剂效果好且反应条件相对温和，但是回收再利用困难且环境污染严重，而非均相催化剂虽然回收方便，但是反应条件相对剧烈且反应速度较慢，这进一步导致了产物选择性和碳收率的下降。因此开发更高效的催化体系在温和条件下实现生物质底物制备烷氧基甲基呋喃醚是未来研究的重点。