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在化石资源减少和环保需求增长的背景下，研究人员开展从木糖一锅法合成环戊酮（CPO）的研究。通过双相溶剂工程和多功能 Co/Nb?O?催化剂，克服中间产物缩合和催化剂中毒问题，为生物基 CPO 生产提供可行路线，助力可持续发展。
随着化石资源日益枯竭，环境问题愈发严峻，寻找绿色、经济的高价值燃料和化学品生产方法迫在眉睫。环戊酮（CPO）作为一种用途广泛的化学中间体，在可持续航空燃料、制药、农用化学品及先进材料合成中至关重要。但目前其主要依赖石化路线生产，不仅能耗高，还会造成环境污染。
在此背景下，利用木质纤维素衍生的平台化学品，尤其是半纤维素衍生的 C5 糖来合成 CPO 成为了极具潜力的可再生替代方案。此前，已有研究以糠醛（FFR）为起始原料在水相进行还原转化制备 CPO，但 FFR 需从糖类经酸催化转化而来，分离 FFR 的过程耗时、费力且耗能，限制了这种生产模式的效率和经济性。此外，在木糖转化过程中，固体酸催化剂容易因副产物（如羧酸）中毒和结焦而失活，现有研究对双相溶剂系统中中间产物的分配动力学关注不足，这些问题都亟待解决。
为攻克这些难题，国内研究人员开展了一项关于从木糖一锅法合成 CPO 的研究。他们开发了一种可持续的一锅法工艺，通过双相溶剂工程和多功能 Co/Nb?O?催化剂，成功实现了木糖到 CPO 的转化。该研究成果对于推动生物基 CPO 生产、促进可持续发展具有重要意义，相关论文发表在《Applied Catalysis A: General》上。
在研究过程中，研究人员主要采用了以下关键技术方法：一是构建双相溶剂系统，研究关键中间产物和产物在其中的分配行为；二是制备多功能 Co/Nb?O?催化剂，并对其催化性能进行评估；三是分析催化剂的结构 - 活性关系，探究不同还原温度对催化效果的影响。
关键中间产物在双相溶剂系统中的分配行为
研究人员发现，双相溶剂系统中关键中间产物（如 FFR、糠醇（FOL）、2 - 环戊烯酮（CPEO））和（副）产物（CPO、环戊醇（CPOL））的分布对反应路径和产物选择性影响重大。通过研究不同双相溶剂对木糖转化和产物选择性的影响，发现甲苯 / 水体系因其较高的 FFR 和 CPO 萃取能力，且能使其他关键中间产物在水相保持平衡分布，有利于 FOL 环化，是理想的一锅法转化溶剂体系。
Co/Nb?O?催化剂的性能
Co/Nb?O?催化剂展现出优异的性能，其 CPO 选择性可达 53%，超越了贵金属催化剂。这得益于其具有 Br?nsted/Lewis 双酸性、适度的氢化能力以及对羧酸副产物中毒的抗性。其中，Br?nsted 酸位点可驱动木糖脱水和呋喃环重排，Lewis 酸位点则有助于异构化和加氢脱氧反应。
结构 - 活性关系分析
进一步的结构 - 活性关系分析表明，与还原温度相关的 Coδ?物种对 FFR 转化至关重要，Coδ?/Co total 比值与 FFR 转化率呈线性相关。这揭示了催化剂结构与催化活性之间的内在联系，为优化催化剂性能提供了理论依据。
研究成功开发了从木糖一锅法合成高价值 CPO 的转化策略。通过研究关键中间产物和产物的分布行为，明确了不同双相溶剂的作用，筛选出甲苯 / 水体系为理想溶剂；多功能 Co/Nb?O?催化剂展现出良好的催化性能和抗中毒能力；结构 - 活性关系分析揭示了催化剂活性的关键影响因素。
该研究成果为生物基 CPO 生产提供了一种可扩展、经济可行的路线，有望应用于可持续航空燃料合成和高价值化学品制造领域。同时，这种集成策略消除了高能耗步骤，为催化反应系统设计提供了实践指导，有助于实现从木糖到工业高价值化合物的便捷、高效一锅法转化，对推动绿色化学和可持续发展具有重要的理论和实践意义。
