葡萄糖催化制备5-羟甲基糠醛研究新进展

2022-04-15张雄飞于梦姣邱健豪姚建峰

林业工程学报 2022年2期

张雄飞，于梦姣，邱健豪，姚建峰

(南京林业大学化学工程学院，南京 210037)

利用储量丰富、可再生的生物质资源来制备燃料和各种化学品具有重要的现实意义。通常来讲生物质资源主要由植物经光合作用形成，其中碳水化合物约占75%(质量分数)，生物质资源的开发被认为是缓解化石资源依赖的主要途径。然而，目前每年得到有效利用的生物质资源仅占总碳水化合物的4%(质量分数)左右，亟须发展各种生物质资源综合利用技术[1]。将生物质通过催化的手段转化为高附加值的燃料和化学品是生物质资源化利用的重要途径之一。美国能源署(DOE)依据生物质炼制转化的可行性和潜力曾提出了一系列生物质平台化合物。其中，5-羟甲基糠醛(5-HMF)具有广泛的适用性和附加值高的特点，可用于药物中间体、液体燃料、染料和塑料等多种下游化学品的制备[2-3]，被称为是连接生物质炼制和石化炼制的桥梁。5-HMF及其常见衍生物如图1所示，5-HMF可经加氢、醚化、C—C偶联反应制备汽油、柴油等生物基燃料，或经氧化反应合成2,5-呋喃二甲酸等化合物[4]，以及用于替代依赖于石油的对苯二甲酸来生产聚酯类化合物；因此，如何实现5-HMF的高效绿色制备一直是生物质资源利用领域的热点问题。

LA为乙酰丙酸；GVL为戊内酯；DFF为2,5-二甲酰基呋喃；FDCA为2,5-呋喃二甲酸；THFDM为四氢呋喃二甲醇； DMF为N，N-二甲基甲酰胺；DMTHF为2,5-二甲基四氢呋喃；HMTHFA为5-羟甲基四氢呋喃；EMF为5-乙氧基甲基糠醛。图1 5-HMF及其衍生物制备下游化学品的技术路线图[2]Fig. 1 Reaction network of 5-HMF and its derivatives

5-HMF可通过含C6糖结构单元的二糖或多糖脱水得到，因此果糖、葡萄糖、蔗糖和纤维素均可作为5-HMF的制备原料[1, 5]。从果糖脱水可直接高效地获得5-HMF，但相比之下，葡萄糖来源广泛，因而越来越多的研究者将目光转移到葡萄糖上来。葡萄糖一般需要经过一步异构化成果糖，再由果糖脱水获得5-HMF，其反应途径见图2。第1步是在Lewis酸(L酸)或Brønsted碱(B碱)的作用下葡萄糖的C2羟基开环形成果糖中间体，从而实现C2到C1的氢原子转移和重排反应[6-7]；第2步为果糖在B酸条件下脱除三分子水得到5-HMF[3,8]。由于5-HMF结构中含有醛基、羟基及呋喃环等基团，化学性质较为活泼，在葡萄糖转化制备过程中容易与体系中其他物质发生聚合反应生成不溶性物质或可溶性低聚物，同时伴随着乙酰丙酸等副产物的生成；因此，需要开发合适的催化体系来提升反应选择性和收率。笔者主要概述了国内外葡萄糖异构脱水获得5-HMF的催化剂及其反应体系的研究进展，包括溶剂的筛选、高活性催化剂的合成和新型反应体系的设计。

图2 葡萄糖脱水制备5-HMF的主要反应途径Fig. 2 Reaction pathways for glucose conversion to 5-HMF

1 5-HMF制备反应溶剂体系

化学催化转化对溶剂环境的变化非常敏感[9]。反应溶剂是葡萄糖转化为5-HMF催化体系的重要组成部分，对反应速率、选择性和转化率均存在影响。已有报道中围绕5-HMF制备的溶剂体系主要包括一元溶剂体系、二元溶剂体系、多元溶剂体系和离子液体体系等，具体总结和分类见图3。

THF为四氢呋喃；DMSO为二甲基亚砜；MIBK为甲基异丁基酮； iPrOH为异丙醇；EMIMCl为1-乙基-3-甲基咪唑氯盐；EMIMBr为 1-乙基-3-甲基咪唑溴盐；BMIMCl为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐； BMIMBF4为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。图3 葡萄糖制备5-HMF常用反应溶剂Fig. 3 The common reaction solvents for the preparation of 5-HMF from glucose

1.1 一元溶剂体系

一元溶剂体系可以分为单一水相和单一有机相。水作为廉价易得的绿色溶剂，通常是反应溶剂体系的首要选择。de Souza等[10]通过考察25～250 ℃温度梯度下葡萄糖转化率的变化，发现低于100 ℃葡萄糖基本没有转化，当温度达150 ℃时葡萄糖转化率仅8%，在250 ℃获得最高转化率(95%)，5-HMF产率最高为26%。以上研究说明水相条件下葡萄糖脱水制备5-HMF需要在较高温度下进行。Lanziano等[11]以水作为溶剂，采用有机-无机锐钛矿双功能催化剂催化葡萄糖制备5-HMF，在130 ℃的单相间歇反应器中， 5-HMF的产率可达45%。此外，研究者们也开始关注水的存在温度和形式对反应的影响。Antal等[12]对中高温水中葡萄糖制备5-HMF的反应历程进行研究，在无机酸催化下5-HMF产率为31%。而张明等[13]对超(近)临界水中葡萄糖脱水情况进行了探究，结果发现葡萄糖转化率随温度升高而增大，在临界温度(374.3 ℃)附近葡萄糖转化率达到100%，在低于临界温度20 ℃时5-HMF产率最大，约为40%。由此可以看出，葡萄糖制备5-HMF过程中以单一水相作为溶剂的效果并不理想，难以获得稳定的高收率。主要原因在于水相条件下会产生大量的氢质子，导致副反应较多，5-HMF继续脱水生成乙酰丙酸、甲酸、腐殖酸等。当前，围绕水相体系的研究主要聚焦于超临界态、微波辅助等手段，以及与水相相匹配的表面浸润性调控催化剂的开发。

为了实现葡萄糖到5-HMF的高效转化，单一有机溶剂体系不断被开发出来，例如二甲基亚砜(DMSO)，甲基异丁基酮(MIBK)，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和N，N-二甲基乙酰胺(DMA)等。由于5-HMF在极性有机溶剂中溶解度比在水中大，在以糖为底物制备5-HMF时，原料溶液中有极性溶剂更有利于提高对5-HMF的选择性[7-8]。其中对非质子极性溶剂DMSO的研究最为广泛，Qian等[14]以DMSO为非质子有机溶剂代表加入葡萄糖制备5-HMF过程中，通过计算模拟发现，DMSO有效降低了葡萄糖转化为5-HMF的反应活化能。Rasrendra等[15]在DMSO溶剂中，使用金属盐催化剂催化葡萄糖制备5-HMF，同时与其他非质子极性溶剂如1-甲基-2-吡咯酮(NMP)、DMA和DMF进行了比较，结果发现在DMSO溶剂中5-HMF产率最高，可达到46%。根据Zhu等[16]的研究，DMSO在果糖脱水过程中发挥重要作用，其在5-HMF形成过程中的作用机理如图4所示。首先碳阳离子中间体与DMSO络合得到含1个DMSO溶剂分子和2个水分子的氧硫中间体；接着该氧硫中间体失去1个水分子得到关键中间体[2-(羟二甲基亚砜氧基)-β-D-呋喃果糖]。Zhang等[17]通过13C、1H和17O同位素标记技术也确定了DMSO通过2-(羟二甲基亚砜氧基)-β-D-呋喃果糖的形成在果糖制备5-HMF过程中发挥了关键作用。与相同条件下的水催化体系相比，DMSO等有机溶剂与产物5-HMF具有更强的结合力，能够有效降低或屏蔽亲核攻击，减少副反应。此外，从反应平衡的角度出发，也有研究者选取副产物乙酰丙酸或甲酸等作为溶剂，从而抑制相关副反应的发生。有机溶剂通常作为萃取剂存在于反应过程中，虽然有助于提升选择性和收率，但会大幅度降低原料的有效反应体积，影响反应效率，且由于其较高的沸点和较好的混溶性使得5-HMF分离需在高温、高真空的相对苛刻条件下进行，造成大量5-HMF的损失。

图4 DMSO在5-HMF形成中的作用Fig. 4 The role of DMSO in 5-HMF formation

1.2 二元溶剂体系

为了克服单相溶剂体系的弊端，研究者们不断发展出了水-有机和有机-有机等二元溶剂体系。以水-有机二元溶剂体系为例，葡萄糖可在水相中实现高效转化，而有机相能够作为5-HMF的储存场所，经萃取使产物不断由水相进入有机相，实现反应物和产物的有效分离。现有文献中报道的水-有机二元体系包括水-丙酮体系、水-DMSO体系、水-四氢呋喃(THF)体系和水-戊内酯(GVL)体系等。Bicker等[18]在水-丙酮二元溶剂体系下，选择硫酸催化葡萄糖，5-HMF选择性为48%。Kim等[19]研究发现，水-DMSO体系中，DMSO的存在可使水分子与中间体的羟基形成更紧密的配位球，增强中间体的稳定性，提高了5-HMF最低未占据分子轨道的能量，使5-HMF不易受亲核攻击，并抑制了开环或聚合等副反应。Hoang等[20]选择水-DMSO和水-THF两种体系，以HSO3/ZSM-5分子筛为催化剂由葡萄糖制备5-HMF。结果表明，溶剂中有机相占比越大，5-HMF的产率越高，当水相和有机相的体积比为 1∶3时，5-HMF在水-DMSO和水-THF体系中的产率分别为49%和43%。Gallo等[21]考察了一系列有机溶剂如GVL、THF、γ-辛内酯等与水组合的二元溶剂体系中葡萄糖转化为5-HMF的情况，以AlCl3和HCl为催化剂时，在水-GVL、水-THF中5-HMF产率分别为62%和57%。

DMSO本身具有一定的毒性，并且其沸点高(189 ℃)，对于产物分离需要更多能耗，因此有些学者尝试将DMSO与其他低沸点的有机溶剂结合，构成有机-有机二元溶剂体系。Lai等[22]研究发现以醇作为反应介质能有效抑制5-HMF水合副反应的发生，与DMSO等极性非质子溶剂相比，低碳醇具有沸点低的优势，能使5-HMF与反应体系有效分离。Zhang等[23]在DMSO-异丙醇溶剂体系中，利用酸碱双功能氮掺杂碳基催化剂催化葡萄糖脱水制备5-HMF，获得63%的产率。Wang等[24]考虑到DMSO的高沸点、后续产物分离困难，THF沸点较低，在纯THF中5-HMF产率较低，于是将DMSO与THF相结合，结果表明在DMSO/THF二元溶剂中，以Sn-蒙脱石为催化剂，5-HMF产率为54%。

1.3 多元溶剂体系

诸多研究发现在水-有机二元溶剂体系中加入盐能够有效增大5-HMF在溶剂中的分配系数，促进5-HMF进入有机相。Tang等[25]在水-THF体系中向水相加入适量NaCl，在AlCl3催化下，研究发现约有90%的5-HMF分散在有机相，总产率可达到28%。Moreno-Recio等[26]考察酸性ZSM-5分子筛在MIBK/H2O-NaCl溶剂体系中催化葡萄糖制备5-HMF，5-HMF产率最高达42%。Li等[27]在GVL/H2O-NaCl体系中，以HCl为催化剂，在140 ℃下反应1 h，5-HMF产率为62%。同时，通过考察不同的酸性催化剂以及盐类物质对5-HMF产率的影响，研究发现HCl和NaCl共同作用对于葡萄糖合成5-HMF具有较高的选择性和效率。Wang等[28]同样选择在THF有机溶剂中通过添加饱和NaCl溶液，构成THF/H2O-NaCl三元溶剂体系，NaCl的存在增加了水相的极性和离子强度，降低THF溶解度，有利于两相分层，同时促进5-HMF向有机相转移，研究表明在140 ℃反应8 h后5-HMF的产率达75%。

1.4 离子液体体系

离子液体是指一类在室温下呈液态，由阴阳离子构成的物质，具有低挥发性和低毒性的特点，被认为是纤维素等碳水化合物的绿色溶剂。常用的离子液体是咪唑类离子液体，阳离子的聚合及阴离子与底物间的氢键都能影响5-HMF的产率，阳离子咪唑环上烷基链碳数小于4是有利的，能与果糖形成牢固氢键的阴离子或强酸也能够提高反应活性[29]。Tang等[30]在离子液体中进行葡萄糖转化为5-HMF，130 ℃反应3 h后产率达到41%。Ståhlberg等[31]报道了在咪唑离子液体中葡萄糖与硼酸质量比1∶1形成的葡萄糖硼酸配合物最有利于葡萄糖异构化成果糖，同时硼酸会进一步催化果糖脱水生成5-HMF，产率达42%。Bai等[32]报道了在离子液体1-乙基-3-甲基咪唑溴盐([EMIM]Br)中使用Sn修饰的Al2O3催化剂可以使葡萄糖有效地转化为5-HMF，其产率超过以前报道的催化体系，达57%。Zhao等[33]考察不同反应介质中CrCl3在葡萄糖转化中的作用，结果发现离子液体作为反应介质效果最好，能产生70%的5-HMF。葡萄糖脱水首先需经历异构步骤，因此研究葡萄糖异构化机理是必要的。Pidko等[34]在前人研究的基础上揭示了CrCl3在离子液体介质中对葡萄糖选择性脱水的作用机理。CrCl2/[EMIM]Cl催化剂以高选择性将葡萄糖转化为果糖，离子液体体系中CrCl2催化葡萄糖异构的作用机理如下：首先是羟基与Cr中心配位，催化葡萄糖开环，当第二个Cr中心参与时，O2去质子化；接着是关键步骤，C2和C1之间的H转移，这一过程涉及烯二醇中间体；最后C1去质子化，环合得到果糖。果糖脱水得5-HMF，产率高达62%。

另外，离子液体也会与其他反应溶剂介质相结合，Qi等[35]发现离子液体与水的结合对葡萄糖转化为5-HMF有协同作用，在离子液体中加水加速了葡萄糖向果糖的异构化，促进了果糖脱水生成5-HMF，5-HMF产率为53%。5-HMF在非质子有机溶剂中有较好的溶解度，而在有些离子液体中稳定性会有所下降。Zhou等[36]通过适当的有机物和水来调节离子液体[BMIM]Cl的性质，有效地促进葡萄糖转化为5-HMF，并在反应过程中将5-HMF连续回收到有机相，结果发现5-HMF的产率达到65%，这一产率几乎是单一[BMIM]Cl溶剂下CrCl3催化葡萄糖得到的产率的2倍。Saha等[37]选择[BMIM]Cl-MIBK双相溶剂，Zr(O)Cl2催化葡萄糖脱水，相较于水-MIBK两相体系(5-HMF产率为42%)，5-HMF产率提高到66%。不过，现阶段离子液体的成本相对较高，使用条件也相对严苛，这些因素限制了其作为葡萄糖转化溶剂的大规模应用。

随着离子液体的不断深入研究，学者们发现一类与离子液体性质相似的低共熔溶剂(DES)。低共熔溶剂是由一定化学计量比的氢键受体(如季铵盐)和氢键供体(如酰胺、羧酸和多元醇等化合物)组合而成的两组分或三组分低共熔混合物，其凝固点显著低于各个组分纯物质的熔点。相比于离子液体，低共熔溶剂具有价格低廉、性质稳定、制备简单且安全、低毒的优点，被认为是一种新型绿色溶剂[3]。Chen等[38]以氯化胆碱(ChCl)与柠檬酸组成的DES反应体系，在H2SO4催化下，5-HMF产率最高为16%。Matsumiya等[39]以琥珀酸、苹果酸、草酸、乙醇酸、扁桃酸及水杨酸作为有机酸催化剂，以氯化胆碱基熔融混合物作为溶剂催化葡萄糖制备5-HMF，获得的5-HMF产率分别为9%，35%，7%，42%，28%和26%。目前，DES用于葡萄糖转化为5-HMF的研究较少，因此开发高效催化剂与DES组合体系具有广阔的发展前景。

2 5-HMF制备反应催化剂类型

2.1 均相催化剂

葡萄糖制备5-HMF所涉及的催化剂主要包括均相催化剂和非均相催化剂。均相催化剂通常有无机酸、有机酸和金属盐溶液等，非均相催化剂主要有固体酸、固体碱和金属有机骨架(MOF)等。

2.1.1 无机酸

研究初期，葡萄糖制备5-HMF所使用的催化剂主要是以盐酸和硫酸为代表的B酸。均相酸催化的优点有：1)催化活性中心均匀分散于体系中，催化剂可以与反应底物充分接触；2)催化剂的催化活性高，产物的选择性好。Chheda等[40]采用HCl、H2SO4和H3PO4溶液作为催化剂，水相条件下催化转化葡萄糖制备5-HMF，葡萄糖的转化率均低于50%，5-HMF的产率分别为27%，17%和19%。Román-Leshkov等[41]使用HCl作为催化剂，在35%的NaCl溶液中，180 ℃下葡萄糖的转化率可以达到56%，5-HMF的选择性为48%。Li等[27]发现酸的性质和某些盐的添加以及某些阴离子的存在对提高5-HMF产率也有共同的作用，因此在GVL/H2O-NaCl体系中，以HCl为催化剂，在140 ℃下反应1 h，获得了62%的5-HMF产率。从上述结果可以看出，单独使用无机酸催化剂催化葡萄糖制备5-HMF效果并不理想。从长远来看，无机酸催化剂不易回收，容易腐蚀设备，废液对环境有污染，不符合绿色化学的发展要求。

图5 金属盐催化葡萄糖异构化制备果糖的反应机制(M=Cr, Al)[46]Fig. 5 Proposed mechanism of isomerization of glucose into fructose in the presence of metal salts(M=Cr, Al)

2.1.2 有机酸

与传统无机酸相比，有机酸所创造的反应环境更为温和，有助于反应选择性的提升。Yu等[42]考察了马来酸、苹果酸、琥珀酸和草酸/草酸酯等一系列有机酸对催化葡萄糖制备5-HMF的促进作用，结果发现马来酸、苹果酸和琥珀酸对葡萄糖转化效率高于草酸和草酸酯，5-HMF产率最高可达35%。Zhang等[43]研究发现马来酸和AlCl3自组装成催化配合物[Al (MA)2(OH)2(aq)]，相比较无机酸HCl/AlCl3体系，对葡萄糖转化为5-HMF具有更好的选择性，这是因为马来酸促进了葡萄糖的氢化物转移，从而提高了异构化的速率和选择性，促进果糖向5-HMF转化。为了将葡萄糖转化为5-HMF，Matsumiya等[39]评估了在异构化促进剂(硼酸)和胆碱盐存在下的一系列羧酸的催化性能，结果发现乙醇酸的5-HMF产率最高，为42%。概括来讲，单一的有机酸催化剂催化葡萄糖转化效果相较于无机酸催化剂较弱，往往需要将有机酸与其他催化剂结合使用，才能具有较好的催化效果，因而目前对单一有机酸催化葡萄糖转化为5-HMF的研究相对较少。

2.1.3 金属盐

均匀的金属盐由于其多方面的性质和金属阳离子阴离子的不同属性，可以作为L酸和B酸催化剂、盐溶(析)剂以及木质纤维素溶解，是一种很有前途的介质[44]。金属卤化盐作为典型的L酸，能有效促进葡萄糖异构化成果糖。Pagán-Torres等[45]研究了在水和2-仲丁基苯酚组成的双相溶剂体系中，AlCl3、SnCl4、InCl3、GaCl3等金属盐对葡萄糖转化为5-HMF的作用。结果表明，金属盐在葡萄糖转化中的有效性取决于盐的路易斯酸硬度和离子半径的大小。葡萄糖异构化是得到5-HMF的关键步骤，根据Delidovich等[46]的研究，金属盐水溶液催化路径如图5所示。首先是葡萄糖开环，L酸中心与O-1、O-2相互作用，形成五元环络合物，接着分子内氢转移过程：氢从C-2向C-1转移，得到链状果糖，最后经闭环得到环状果糖。Kim等[19]考察B酸(HCl)和L酸均相金属氯化物催化剂(AlCl3、CrCl3、FeCl2、FeCl3和CuCl2)对葡萄糖制备5-HMF产率的影响，结果表明HCl浓度降低，5-HMF产率下降。在金属氯化物中，AlCl3和CrCl3的催化效果最好，5-HMF产率约为68%。虽然上述均相催化剂在葡萄糖制备反应过程中取得了不错的效果，但使用过程中普遍存在与产物分离困难、设备腐蚀和催化剂回收再生困难等问题。

2.2 非均相催化剂

非均相催化剂因易与产物分离、对杂质的耐受性及较长使用寿命，比均相催化剂受到更多关注。

2.2.1 固体酸

固体酸催化剂包含B酸和L酸活性中心，固体酸催化剂具有易于回收分离、高的比表面积、对设备腐蚀性小等优点，近年来得到越来越广泛的研究。目前常用于葡萄糖制备5-HMF的固体酸催化剂体系见表1，主要包括金属氧化物、固体超强酸、固载双功能杂多酸和分子筛等。

表1 葡萄糖制备5-HMF常见的固体酸催化剂及其性能比较Table 1 Solid acid catalysts for the preparation of 5-HMF from glucose and their performance comparison

金属氧化物催化活性较高，在葡萄糖催化转化过程中具有较多应用。Marianou等[62]将SnO2负载于γ-Al2O3用于葡萄糖转化为5-HMF，结果表明，Sn氧化物可提供L酸位点，同时γ-Al2O3也表现出L酸性，两者可促进5-HMF的生成，5-HMF产率为28%。由于Sn基催化剂在异构化、反醛醇转化和葡萄糖或其异构体的脱水反应中表现出了较高的活性，因此Bai等[32]使用Sn改性的Al2O3催化剂，在离子液体[EMIM]Br中催化葡萄糖转化。结果发现在Al2O3中引入少量的Sn物种，可以提高其L酸量和比表面积，有利于葡萄糖异构化为果糖，而B酸密度没有明显影响，从而减少5-HMF的进一步转化，提高了产率和选择性，5-HMF产率为57%。Zhang等[63]用H3PO4改性硅锡氧化物复合材料，得到了同时具有L酸和B酸位点的SiSnPO，在水-DMSO溶剂体系中进行葡萄糖转化为5-HMF，产率最高达70%。

杂多酸(HPA)一般是由2种以上不同金属氧化物缩合生成的，既具有酸性，也具有还原性，另外它结构稳定、毒副作用小，因此被认为是一种环境友好型绿色催化剂。Pardo Cuervo等[67]在DMSO溶剂中，以固载于活性炭的杂多酸H14[NaP5W30O110]为催化剂催化葡萄糖制备5-HMF， 5-HMF产率达23%。Fan等[49]使用杂多酸Ag3PW12O40作为催化剂，选择MIBK为溶剂，在120 ℃下进行葡萄糖异构脱水反应，5-HMF产率为76%。

沸石分子筛因具有规整的孔道结构、较强的酸性和高的水热稳定性而广泛应用于催化、吸附和离子交换等领域。酸性固体酸分子筛典型代表有β分子筛、ZSM-5分子筛等。Marianou等[62]通过离子交换或浸渍，将Sn负载到氢沸石(H-ZSM-5、H-Beta)和介孔铝硅酸盐Al-MCM-41上，结果发现改性催化剂的反应活性较低，但对5-HMF的选择性较高，产率最高达28%。这是由于Sn具有与羰基氧原子(开环形式葡萄糖)配位和与醇基氧原子螯合的能力，因此表现出很高的活性，能够促进沸石的强B酸位点增强中间果糖脱水。Li等[68]通过固-气同构取代制备了[Sn,Al]-β催化剂，得到了具有B酸和L酸中心的双功能催化剂。因此该催化剂在葡萄糖转化为5-HMF的一锅反应中表现出较高活性，葡萄糖转化率达60%，5-HMF产率为37%。

Romo等[69]将SAPO-34沸石晶体生长在5A沸石上，得到珠状SAPO-34/5A，可催化葡萄糖脱水制备5-HMF，产率仅有20%。Song等[56]将Sn改性的SAPO-34用于催化葡萄糖制备5-HMF，Sn/SAPO-34催化葡萄糖的反应历程如下：首先通过催化剂Sn/SAPO-34上Cl-(电负性基团)与葡萄糖—OH之间的氢键，催化剂吸附葡萄糖分子；然后在Sn/SAPO-34中L酸Sn4+位点和Al3+位点的催化下，被吸附的葡萄糖分子有效异构化为果糖分子；最后在Sn/SAPO-34催化剂的B酸位Si—OH—Al和Sn—OH的催化下，生成的果糖脱水生成5-HMF。结果发现在H2O/THF两相体系中，5-HMF产率达到64%。Zhang等[70]报道了一种构建酸碱双功能化SBA-15催化剂，首先在SBA-15上接枝并硫酸化双层氧化锆共形单分子层，得到具有B/L酸碱活性位点的2SZ@SBA-15催化剂。得到的2SZ@SBA-15样品被酸(—SO3H)、碱(—NH2)官能团进一步功能化，增强了催化剂的酸碱活性，—SO3H 的存在增强了B酸强度，有利于脱水得到5-HMF，在DMSO/H2O溶剂中获得了98%的葡萄糖转化率和69%的5-HMF产率。

2.2.2 固体碱

2.2.3 金属有机骨架

除了传统的非均相催化剂，一些新兴非均相催化剂，如金属有机骨架也被广泛应用。金属有机骨架(MOF)是指过渡金属离子与有机配体通过自组装形成的具有周期性网络结构的晶体多孔材料。MOFs材料因具有高比表面积及大的孔容，是一种优异的催化剂载体[74]。另外，MOFs材料易于功能性修饰，能够依据需要设计活性位点。Oozeerally等[75]将锆有机骨架UiO-66的有机连接物部分替换为2-单磺基苯-1,4-二羧酸酯，从而增加其部分B酸位点，在140 ℃，反应3 h，5-HMF产率为28%。MIL-101Cr及其衍生物以其水热稳定性在生物质催化转化过程中有着广泛应用。Herbst等[76]用不同硝基和磺酸基改性修饰MIL-101(Cr)，于THF/H2O混合物中反应24 h后，5-HMF产率达到29%。同时发现MIL-NO2的选择性最强，只产生5-HMF，不生成乙酰丙酸。Zhang等[77]在水溶液、温和条件下采用一锅调制水热法合成了UiO-66材料，通过离子配位，得到具有酸碱双功能中心的催化剂。以葡萄糖为底物在DMSO溶剂中，140 ℃反应12 h，得到产率50%的5-HMF。Zhang等[78]在g-C3N4上负载UiO-66型MOFs材料，合成的催化剂具有微孔结构、良好的热稳定性和酸碱双官能团活性中心。在异丙醇介导的DMSO体系中5-HMF产率达到55%。Tangsermvit等[79]将Al3+催化位点接枝到磺化UiO-66(U66SA)上，以提高MOF催化剂的B-L酸度，在DMSO-H2O二元体系、120 ℃下反应，葡萄糖转化率和5-HMF产率分别为99%和63%。同时，Tangsermvit等[79]还探究了在U66SA催化剂上由葡萄糖制备5-HMF的反应途径(图6),包括1)葡萄糖异构化为果糖。葡萄糖与U66SA之间存在氢键，使得葡萄糖在U66SA表面进行吸附，U66SA的[Al(OH)2(H2O)2]+位点通过其C4位置与β-吡喃糖形式的葡萄糖发生亲电反应；反应中间体通过分子内氢化物转移转化成酮，所生成的酮经过互变异构转化为烯醇形式，环化生成果糖，果糖通过其C4位置吸附在U66SA表面。2)B酸位点位于Al3+位点附近，随后促进果糖脱水生成5-HMF。