生物质醇解制备乙酰丙酸酯研究进展∗

周 瑜 孙 钟 时君友 段喜鑫

（1.吉林省木质材料与科学重点实验室，北华大学，吉林省 吉林市 132013;2.东北电力大学化学工程学院，吉林省 吉林市 132012）

生物质资源具有成本低、可再生、来源广泛、环境友好等特点，因而利用生物质资源生产相关化学品对可持续发展具有重要意义[1-2]。乙酰丙酸酯（Levulinate，LE）被认为是最具潜力的平台化学品[3]，可通过酯化[4]、取代[5]和氧化[6]还原等方式生产各种化学品，如溶剂、树脂、增塑剂、聚合物、除草剂、药物、调味剂、生物燃料等[7]。

乙酰丙酸酯可以由乙酰丙酸（Levulinic Acid，LA）酯化直接获得，但是乙酰丙酸价格昂贵。目前，生产LE多从碳水化合物开始，主要包括生物质直接醇解以及糖类化合物的醇解制备LE。本文综述了不同催化体系制备LE的最新研究进展，分析了各种催化剂的优缺点，并对该领域的发展做出了展望。

1 LA和LE的性质

乙酰丙酸，又称为戊隔酮酸、左旋糖酸、果糖酸等，分子量为116.12，密度为1.133 5 g/cm3，沸点245～246 ℃，是一种用途广泛的工业化学品，可由生物质经过化学转化获得[8]。乙酰丙酸的脂类衍生物主要有乙酰丙酸甲酯（Methyl Levulinate，ML）、乙酰丙酸乙酯（Ethyl Levulinate，EL）、乙酰丙酸丁酯（Butyl Levulinate，BL）等。一般为无色液体或淡黄色液体，沸点较高，具有芳香性气味，易溶于醇类、乙醚、氯仿等大多数有机溶剂[9]。乙酰丙酸酯的结构通式如图1 所示。

图1 乙酰丙酸酯的结构通式Fig. 1 General structural formula of Levulinate

2 LE合成路径

LE的合成主要有3种途径：1）在酸性介质中纤维素醇解直接一锅合成LE[10]。但该方法存在较多的中间产物，产率与转化率较低，且存在大量杂质，产物的分离会比较困难[11]；2）糠醇的催化醇解[12-13]，该法制备的LE产率高，反应条件相对温和，副产物较少[14]；3）在酸性催化剂的作用下直接从LA酯化得到LE[15-17]。不同底物催化制备乙酰丙酸酯的过程如图2所示。

图2 不同底物制备LE的过程Fig. 2 The preparing of LE from different substrates

3 LE催化合成

鉴于生物质醇解制备乙酰丙酸酯过程复杂，因此寻找高效实用的催化体系是该领域的关键问题[18]。目前多采用酸催化过程，如使用无机酸、离子液体、沸石、杂多酸、金属盐等催化剂。

3.1 无机酸

无机酸是制备乙酰丙酸酯最常用的催化剂，具有催化活性高、廉价易得等优点。反应过程中可以通过添加水或酸调节其酸性强度[14,19]。无机酸催化生物质醇解制备乙酰丙酸酯的性能比较见表1。

表1 常见无机酸催化生物质醇解制备乙酰丙酸酯的性能比较Tab.1 Comparison of the performance of different inorganic acid in the production of LE from biomass in alcohol

无机酸具有的Brønsted酸性在催化纤维素、葡萄糖、果糖等制备LE方面显示出优异的催化活性，但无机酸催化剂均为液态，形成均相催化体系，因此在反应过后难以重复使用。废弃液的处理、反应器的腐蚀、反应温度高等缺点阻碍了无机酸催化剂的应用[26]。因此，开发以无机酸为基础的高效可再生催化剂成为该领域的研究方向。

以无机酸为基础的混酸或磺化碳催化剂可提高LE的制备效果。Dai等[23]以低负载H2SO4与Al(OTf)3的混酸作为催化剂，催化纤维素获得了64.9%的EL产率。在相同条件下，与单纯使用H2SO4催化纤维素相比，EL产率提高了44.7%。Filoklis等[25]采用水热处理碳质材料（HTC），经H2SO4磺化处理后（HTC-S），催化乙酰丙酸酯化制备LE，LA的转化率和LE的选择性均能达到90%以上，且固体催化剂易于反应后回收。

3.2 离子液体

与无机酸催化剂相比，离子液体具有优异的热稳定性，不可挥发性和易于回收等良好的性质[27-28]，在生物质转化中表现出较好的催化效果，近年来被应用于生物质转化制备乙酰丙酸酯[29]。大多数离子液体具有良好的水溶性，当水作为反应溶剂时，可通过离子液体催化剂容易地将产物从水相中萃取出来[30]。离子液体的酸度可以通过改变有机阳离子与阴离子的种类进行调控，因此该类催化剂不但能够保留酸性催化剂的性能，而且易于分离回收，简化废液和产物的后续处理[45]。离子液体醇解制备LE的性能比较见表2。

表2 离子液体醇解制备乙酰丙酸酯的性能比较Tab.2 Comparison of the performance of different ionic liquid in the production of LE in alcohol

Hao等[31]将含硫酸基团的离子液体引入杂多酸中制备[MIMBS]5[AlW12O40]催化剂，分别在甲醇、乙醇、丁醇中催化糠醇制备乙酰丙酸酯，均取得较好催化效果。其中，[MIMBS]5[AlW12O40]在丁醇中催化糠醇获得了94%的BL产率。Song等[32]合成了催化效率更高的杂多酸离子液体[PyPS]3PW12O40，以纤维素、葡萄糖、蔗糖、纤维二糖和淀粉为底物，ML产率分别为71.4%、58.7%、76.1%、58.6%、51.4%。Saurabh[33]的团队研究了直接使用LA和离子液体合成LE，发现1-甲基咪唑硫酸氢盐（[MIM] [HSO4]）是制备LE较适合的离子液体，在90℃情况下，获得了89.6%的BL产率和98.1%的选择性。

然而，大部分离子液体都有一定的毒性，对人体有一定的危害。制备过程中很难得到理想纯度的离子液体，而杂质的存在将会影响其催化性能。同时，大部分离子液体黏度较大，目前价格偏高，这些不利因素制约了其产业化应用[34]。此外，离子液体很容易吸收空气中的水分，部分离子液体还会与水发生反应，导致其催化性能大大降低[35]。

3.3 沸石

沸石是天然存在的由氧原子连接，具有特定的分子孔、通道和空穴的晶体三维硅铝酸盐微孔体系[36-37]，具有良好的吸附、催化、形状选择性和离子交换特性[38-39]。与其他无机材料相比，沸石因其可调节的化学性质、可控的孔结构和良好的水热稳定性而被广泛用作离子交换、有机催化和材料吸附剂等[40-41]。常见的沸石催化制备乙酰丙酸酯的性能比较见表3。

表3 常见的沸石催化制备乙酰丙酸酯的性能比较Tab.3 Comparison of the performance of zeolite catalysis in the production of LE

张郢峰等[42]合成了具有不同硅铝比的Al-MCM-41沸石催化剂，并考察这些催化剂催化葡萄糖醇解制备ML的反应性能。发现Al/Si比为3的Al-MCM-41具有较好的催化生成ML的活性，220 ℃、6 h催化葡萄糖获得了38%的ML产率。研究表明，催化剂的活性不仅与B酸、L酸的相对比例有关，而且与酸中心的强度有关，随着Al负载量的增加，催化剂表面的弱酸性位点相应增加，但是当引入过量Al时，就会破坏分子筛的结构，导致催化效果下降。Patil等[40]用NaOH对H/BEA沸石进行合成后改性，制备了一系列双峰微介孔H/BEA沸石，在微孔基质中形成了中孔，沸石结晶性和酸性得到了较好的保护，表现出较好的催化活性，LA转化率由之前的3.5%提升到40%。赵绘婷[43]采用H2NO3处理后的多级孔HUSY沸石，有效改变了HUSY沸石的孔结构，酸量、介孔数量显著提升，催化生成ML的效果较之前提升了10%。Morawala[44]以碱法处理的微孔ZSM-5前驱体为原料，利用十六烷基三甲基溴化铵和农业生物质稻壳，通过溶胶-凝胶法合成新型沸石复合材料MZCK，BL产率由85.7%提升到91.4%。

沸石分子筛的合成过程中需要使用价格较高的模板导向剂，增加了合成成本。高温煅烧去除模板剂会生成NOx等有害物质，同时产生CO2等温室气体。水热合成沸石分子筛的时间较长，且反应过程中悬浮液内固相与液相的质量或体积比较低，使分子筛的合成效率降低，且产生较多废液，导致环境污染[45]。沸石催化剂作为固体酸催化剂，在反应过程中与底物的接触面积较小，会降低催化效果[46-47]。此外，沸石催化剂重复使用前都需要经过高温煅烧，较为繁琐。

3.4 金属盐催化剂

金属盐催化剂价格低廉，容易获得，同时具有很高的稳定性，易于回收和多次使用，而且不会丧失催化活性[26]。金属盐的中心金属离子具有较高的Lewis酸性，为酯化反应提供了结合位点和较高的反应速率[48-49]。同时，金属盐催化剂因其对环境的较少污染和对设备无腐蚀而受到关注[50]。近年来金属盐催化制备乙酰丙酸酯的研究见表4。

表4 金属盐催化制备乙酰丙酸酯的研究Tab.4 Investigation of the preparation of LE by metal salts

Martins等[49]采用一系列金属盐[Fe2(SO4)3、FeCl3、CuSO4、FeSO4、MnSO4，NiSO4]催化LA生成LE。其中，Fe2(SO4)3表现出最高的催化活性，LA转化率达到90%，EL选择性为97%，EL产率94%。邓琳[51]研究了不同金属硫酸盐[NiSO4、Ti(SO4)2、MnSO4、Na2SO4、CuSO4、ZnSO4、K2SO4、MgSO4、CaSO4、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3]催化小麦秸秆转化合成ML，其中CuSO4表现较好的催化活性，183 ℃反应3.3 h后ML产率为53.4%。黄耀兵等[54]研究了在微波辅助下SnCl4和H2SO4的二元混合体系催化纤维素醇解制备ML，获得了61.5%的ML产率，催化剂重复使用5次后ML产率仍然能达到54.9%。证明了质子酸和Lewis金属盐的二元体系能够有效催化纤维素醇解制备ML。

金属盐催化剂表面吸附活性中心的多样性既是其优点，同时也是缺点。吸附中心的多样性意味着几种竞争反应可能同时发生，降低了产物的选择性。此外，金属盐催化剂的高活化能，苛刻的反应温度以及后期产物的处理，仍存在较多问题[55]，高活化能意味着反应速率的降低，苛刻的反应温度增加了反应所需条件，这些都是阻止其广泛应用的难题。

3.5 杂多酸

近年来，具有良好催化性能的杂多酸基催化剂已广泛应用于酯化[56]、氢化[57]、氧化[58]等反应中。杂多酸具有很强的Brønsted酸性，通过对其结构性质进行调控，可拥有比无机酸更强的酸性和氧化性。同时，杂多酸表面的孔隙结构允许极性分子的进入，使得杂多酸有着和浓溶液相同的性质，因此也被称为“假液相”。通常大部分杂多酸催化剂在常温下与极性溶剂不混溶，但在高温下可混溶[59]。因此，杂多酸在酸催化反应氧化反应中具有广阔的应用前景[60-61]。杂多酸催化生物质醇解生成乙酰丙酸酯的性能比较见表5。

表5 杂多酸催化生物质醇解生成乙酰丙酸酯的性能比较Tab.5 Comparison of the performance of different heteropoly acid in the production of LE from biomass in alcohol

Sharath等[62]采用Keggin型固体HPAs（H3PW12O40、H3PMo12O40、H4SiW12O40)作为催化剂，用于LA的酯化。在120℃、6 h情况下，3种催化剂分别获得了92%、75%和69%的EL产率。Zhang等[63]采用H5PW11TiO40（HPWTi）在160 ℃、7 h下催化纤维素，获得51.3%的ML产率。但在微波条件辅助下，只需要2 h就能获得产率61.2%的ML，说明微波反应不仅可以缩短反应时间，同时还利于ML产率的提高。Liu等[64]以磷钨酸铁(FePWO40)为催化剂，在甲醇中催化果糖，转化率达到100%，在130 ℃、2 h后获得了73.7%的ML，表明Lewis酸和Brønsted酸的协同作用高效催化果糖向ML的转化。Pinheiro等[65]开发了一种锡交换的Keggin型杂多酸（SnPW12O40，SnPMo12O40，Sn2SiW12O40），以不同碳水化合物为底物采用一锅法醇解制备LE。其中，Sn2SiW12O40表现出较好的催化效果，在150 ℃条件下反应2 h后，果糖、蔗糖和菊糖几乎完全转化，得到的EL产率分别为78%、71%和61%。

但是杂多酸催化剂的合成成本较高，催化过程中的反应时间普遍较长，且需要大量的醇溶剂来减少副反应，因此存在时间成本高、后处理困难和环境污染等问题[66]。

4 乙酰丙酸酯应用领域

乙酰丙酸酯作为重要的生物质基平台化合物，在燃油添加剂、绿色溶剂、增塑剂、聚合物、除草剂、药物、调味剂等[7]领域都有着广泛的应用。

4.1 燃油添加剂

乙酰丙酸酯拥有与生物柴油相似的性质，具有低毒、高润滑性、闪点稳定性高、低温流动性好等优异性质[67-68]。与传统燃油添加剂（乙醇、甲基特丁基醚）相比，乙酰丙酸酯的添加可以降低燃油燃烧过程中氮氧化合物的排放[69]。同时，添加乙酰丙酸丁酯可以减缓发动机部件退化，延长机器使用寿命[70]。

4.2 绿色溶剂

与传统溶剂相比，由于内部氢键的存在，乙酰丙酸酯更易压缩并且蒸气压更低。研究表明，在100 ℃时，乙酰丙酸甲酯、乙酰丙酸乙酯、乙酰丙酸丁酯的饱和蒸气压分别为5.96、4.69 kPa和1.69 kPa，远远低于含氯溶剂在同样条件下400 kPa的饱和蒸气压[71]。这就意味着乙酰丙酸酯可以替代含氯溶剂用于金属表面脱脂，具有与工业脱脂剂三氯乙烯相同的脱脂效果，而且对环境无危害。乙酰丙酸丁酯和乙酰丙酸戊酯的细胞毒性、诱变性及其挥发性有机物分级标准在许可范围之内，证明了乙酰丙酸烷基酯类化合物可以用作绿色溶剂[72]。

4.3 乙酰丙酸酯衍生物

乙酰丙酸酯分子结构中有羰基和酯基2 个不饱和基团，其中羰基使得乙酰丙酸酯易异构化形成烯醇式异构体，这使得乙酰丙酸酯具有高反应活性，可用作有机化学中加成、亲电、酯交换和缩合反应中各种反应的底物[73]。因此，乙酰丙酸酯可以作为平台化合物衍生出一系列有高附加值的化学品，如γ-戊内酯、双酚酯和乙酰丙酸乙烯等[8]。乙酰丙酸酯衍生物见图3。

图3 乙酰丙酸酯衍生物Fig. 3 Derivatives of levulinates

4.4 药物中间体

以乙酰丙酸乙酯为原料，在正庚烷中用70 ℃经液溴溴化，然后在相转移催化剂存在下于正丁醇-水中与二硫氨基甲酸铵环合、水解、酸析得到2-巯-4-甲基-5-噻唑乙酸，可用作抗生素头孢地嗪中间体[74]。以乙酰丙酸乙酯为起始原料, 经过环合、溴代、消除、重铬酸钾氧化、酯化、POCl3氯代6 步反应合成6-氯哒嗪-3-甲酸甲酯[75]。6-氯哒嗪-3-甲酸甲酯是合成降血脂、抗肿瘤药物以及农药杀虫剂的中间体[76-77]。

5 结语

乙酰丙酸酯作为一种可以从生物质能源中开发利用的重要平台化合物，有着广泛的应用前景和巨大的应用价值，但是在其催化过程中仍然存在较多问题：

1）从催化底物角度，糠醛和乙酰丙酸是较好的制备乙酰丙酸酯的上游产品，这些在温和的条件下就能获得较高的乙酰丙酸酯产率，但是其高昂的价格无疑增加了催化成本。因此，以廉价生物质为原料就具备了极大的经济可行性，但是以生物质为原料直接生成乙酰丙酸酯的过程较为复杂，副产物较多且不容易控制，反应条件也较为苛刻，今后，需要深入研究乙酰丙酸酯的制备机理，争取在温和条件下将生物质转化成乙酰丙酸酯。

2）从不同催化体系角度看，无机酸腐蚀性大不利于回收；离子液体造价昂贵且具有一定毒性；固体酸催化剂与催化底物的接触面积较小，导致催化效率较低，且催化剂容易失活，每次使用都需要经过高温煅烧，较为繁琐；金属盐催化剂表面吸附活性的多样性可能会导致多种竞争反应同时进行，从而降低催化效果。因此，开发高活性、多功能、环境友好且价格低廉的催化反应体系以及有效的催化剂再生方法仍是当前工作的中心。

综上所述，对生物质制备乙酰丙酸酯的催化体系和反应机理的深入研究仍有很长的路要走，未来的研究重点也应该是寻找高效环保催化剂的同时降低反应成本和反应条件，达到一个较为理想的乙酰丙酸酯产率。