离子液体固载化SBA-16催化果糖脱水制备5-羟甲基糠醛(5-HMF)的生物燃料转化研究

本研究针对传统生物质转化中酸催化剂腐蚀性强、难回收等问题，开发了以SBA-16为载体的磺酸化三聚氰胺基离子液体(SBA-16/Mla-SO3 H)固体酸催化剂，在DMSO溶剂中实现果糖30分钟内98%的5-HMF产率，且可循环使用7次，为生物基平台化学品绿色合成提供新策略。

　　

随着全球对化石能源依赖的可持续性危机加剧，生物质转化技术成为研究热点。5-羟甲基糠醛(5-HMF)因其独特的呋喃环结构和双官能团特性，被公认为最具潜力的生物基平台化合物，可衍生生物燃料2,5-二甲基呋喃(2,5-DMF)、生物聚酯等产品。然而传统矿物酸催化体系存在设备腐蚀、产物分离困难等问题，而游离离子液体(IL)虽具可设计性优势，却面临成本高、回收难的瓶颈。

为解决这一矛盾，沙特阿拉伯Taif大学的研究团队创新性地将磺酸化三聚氰胺基离子液体共价固载于三维立方介孔材料SBA-16，开发出SBA-16/Mla-SO₃
H复合催化剂。通过FT-IR、XRD、TEM等表征证实，该催化剂在保留SBA-16的Im3m对称介孔结构（孔径5-8nm）的同时，成功引入-SO₃
H酸性位点（酸密度1.8mmol/g）。在100℃的DMSO体系中，仅需15mg催化剂即可实现果糖30分钟转化率>99%，5-HMF选择性达98%，且循环7次后活性仍保持95%以上。该成果发表于《Journal of Organometallic Chemistry》，为生物质精炼提供了兼具均相催化效率与多相操作优势的新型材料。

关键技术包括：（1）水热法合成SBA-16介孔载体；（2）硅烷偶联剂(3-氯丙基)三甲氧基硅烷表面修饰；（3）三聚氰胺接枝与氯磺酸功能化；（4）BET比表面积分析（>800m²
/g）；（5）NH₃
-TPD酸性表征。

【结果与讨论】

1. 催化剂表征：XRD小角衍射显示2θ=1°处保持(110)晶面衍射峰，证明功能化未破坏SBA-16骨架；TEM显示3D立方孔道结构完整，孔径分布窄（6.2±0.3nm）。

2. 反应优化：在DMSO溶剂中，100℃反应30分钟为最佳条件，催化剂用量15mg时达到动力学平衡。相比传统Amberlyst-15树脂，本催化剂选择性提升32%。

3. 底物拓展：葡萄糖转化率仅68%，凸显果糖C2-酮基更易质子化引发脱水环化。

4. 机理推测：SBA-16的3D互穿孔道促进底物扩散，固载化IL的-SO₃
   H提供Br?nsted酸位点，协同完成果糖→呋喃糖中间体→5-HMF的两步脱水。

【结论】该研究通过精准设计"介孔限域-酸性位点"协同体系，实现了三大突破：（1）创制首例三聚氰胺基IL固载化SBA-16催化剂；（2）建立近定量转化的温和工艺；（3）证实载体3D孔道结构对传质效率的关键作用。这不仅推动了生物基化学品制造技术发展，也为其他多相催化体系设计提供了范式参考。后续研究可探索混合糖原料处理及连续流反应器适配性优化。