商业离子交换树脂催化蔗糖高效转化为5-羟甲基糠醛(HMF)的机制研究与工艺优化

本研究针对生物质资源高值化利用需求，采用水溶剂体系和多种商业离子交换树脂催化剂，系统探究了蔗糖一锅法脱水生成5-羟甲基糠醛(HMF)的转化路径。研究发现CT-251树脂凭借最高酸度实现24.59%的HMF收率，并证实催化剂可循环使用4次保持22%收率稳定，为绿色生物炼制技术开发提供了重要数据支撑。

　　

随着化石能源枯竭与环境问题加剧，开发可再生生物质资源转化技术成为全球研究热点。5-羟甲基糠醛(HMF)作为连接生物质与高值化学品的"黄金平台分子"，其高效制备技术备受关注。然而现有HMF合成面临三大瓶颈：果糖原料成本高昂、水相体系中HMF易降解为乙酰丙酸(LA)等副产物、均相催化剂难以回收。针对这些问题，泰国国家科学研究院基金资助团队在《Biomass and Bioenergy》发表研究，系统评估了Purolite?系列离子交换树脂催化蔗糖水相转化HMF的性能。

研究采用SEM-EDX、NH₃-TPD（程序升温脱附）和BET比表面积测试等表征技术，结合高压反应釜批次实验，揭示了催化剂酸性与孔隙结构对反应路径的调控机制。通过建立包含温度(120-180°C)、时间(30-180min)、催化剂负载量(0.11-0.44g/g)的多参数优化体系，实现了反应过程的全产物监控。

催化剂表征
N₂吸附-脱附等温线显示CT-251具有最大比表面积(46m²/g)和介孔结构。NH₃-TPD证实其强Br?nsted酸位密度达1.68mmol/g，显著高于CT-145(0.41mmol/g)。这种酸强度梯度分布为解释不同催化剂性能差异提供了结构基础。

反应条件优化
在150°C/150min条件下，CT-251使HMF收率达到峰值24.59%，同时实现蔗糖完全转化。值得注意的是，延长反应时间至180min时HMF收率下降至19.30%，伴随LA含量上升，证实了HMF在水相中的二次反应路径。催化剂负载实验揭示0.11g/g为经济阈值，过量使用反而促进副反应。

催化剂循环性
经过4次循环使用，CT-251维持22%的HMF收率，SEM显示其表面磺酸基团保留完整。这种稳定性源于交联聚苯乙烯骨架对-SO₃H基团的稳固锚定作用，解决了传统均相酸催化剂回收难题。

反应机理探讨
产物分布分析表明：蔗糖首先水解为葡萄糖和果糖，其中果糖直接脱水生成HMF，而葡萄糖需经异构化转化。CT-251的高酸密度既加速了脱水步骤，又通过适度酸强度避免了HMF过度降解。研究同时发现，当温度超过160°C时，humins（腐殖质类聚合物）生成量显著增加，这与催化剂表面碳沉积现象相关。

该研究通过精准调控Br?nsted酸位密度与反应动力学参数，建立了蔗糖水相转化HMF的高效催化体系。CT-251树脂展现的"强酸位主导脱水、介孔结构促进传质"特性，为设计新型生物质转化催化剂提供了理论依据。特别值得注意的是，研究首次系统比较了商业树脂CT系列与Amberlyst-15的性能差异，发现前者在循环稳定性上更具优势。这些发现不仅推动了HMF工业化生产技术进步，更为开发"蔗糖→HMF→LA"的级联反应工艺奠定了科学基础。未来研究可进一步探索葡萄糖异构化促进策略，以实现碳源利用率的最大化。