综述：遵循罐、原子和步骤经济性（PASE）的碳水化合物催化合成可再生化学品概述

这篇综述系统阐述了如何通过罐、原子和步骤经济性（PASE）原则提升生物质衍生碳水化合物催化转化过程的可持续性，重点探讨了呋喃类（HMF/FUR）、乙酰丙酸（LA）、二醇/多元醇等高价值化学品的绿色合成路径，并对比了不同路线的绿色指标（如AE/SE/PE）。文章为碳水化合物中心型生物精炼厂（biorefinery）的产业化提供了技术评估与未来方向。

　　

摘要

罐、原子和步骤经济性（PASE）通过减少资本投入、优化能源材料利用和最小化废弃物生成，为生物质衍生碳水化合物的催化转化提供了革命性策略。本文聚焦呋喃类、醇类、羧酸等关键平台化学品的合成，揭示了多功能催化剂设计、反应机理与绿色指标（如原子经济性AE>90%）的协同优化路径，为生物精炼厂的商业化落地奠定理论基础。

引言

20世纪石油化工的繁荣伴随生态代价，而生物质作为碳中性原料可缓解CO₂失衡问题。第二代（木质纤维素）和第三代（藻类）生物质因非粮特性成为研究热点，但其结构复杂性远超淀粉类生物质。传统热化学法（如热解）虽快速但选择性差，酶法精准却耗时；催化转化则兼具效率与选择性优势。PASE框架通过一锅法串联反应（如葡萄糖→HMF→LA）、高原子利用率步骤（如Diels-Alder缩合）和步骤精简策略（如跳过平台化学提纯），显著降低生物精炼厂的全生命周期能耗。

呋喃衍生物的PASE合成

5-羟甲基糠醛（HMF）和糠醛（FUR）是碳水化合物脱水转化的核心产物。酸-金属双功能催化剂可实现葡萄糖→果糖→HMF的级联反应，其中Br?nsted酸位点驱动水解/脱水，Lewis酸位点促进异构化。典型案例中，Sn-Beta分子筛催化纤维素一锅转化HMF收率达62%，PE提升使反应器占用减少40%。

乙酰丙酸（LA）的绿色路径

LA的酮基与羧基为衍生化提供双活性位点。PASE策略下，HMF可直接水合氢化为LA，跳过中间体分离（SE优化）。Ru/C催化剂在180°C实现HMF→LA转化率98%，AE达93%。副产物甲酸可循环用于预处理，体现原子经济性精髓。

二醇与环戊酮的创新合成

生物基1,6-己二醇（1,6-HDL）可通过LA酯化-加氢“一锅三步”制得，Ni-Co/Al₂O₃催化剂使总收率提升至85%。环戊酮（CPN）则通过FUR的Pt/WO₃催化氢化重排获得，该路径碳效率比苯路线高30%，且无需芳构化步骤。

技术经济与未来展望

生命周期评估（LCA）显示，PASE工艺可使GHG排放降低50-70%。但挑战仍存：木质素共转化效率低、催化剂寿命不足。未来需开发耐受粗原料的多孔催化剂，并建立CO₂负排放的集成工艺。正如作者强调：“将PASE扩展至蛋白质、脂质组分，方能实现全生物质价值链的闭环。”