固体载体上的多功能任务特定离子液体：作为布朗斯特催化剂和固体溶剂的双重功能，用于从果糖生产HMF

《ChemSusChem》：Multifunctional Task-Specific Ionic Liquids on Solid Supports: A Dual Function as Br?nsted Catalyst and Solid Solvent for HMF Production from Fructose

双功能支持离子液体相（SILP）整合DMSO和磺酸基团，显著提升果糖脱水生成HMF的产率（>70%）与选择性（>80%），并抑制副产物黑液形成，DFT计算揭示协同氢键机制稳定中间体。

　　在当前的可持续化学研究中，将生物质转化为有价值的化学品是重要的研究方向之一。其中，5-羟甲基糠醛（HMF）作为一种关键的平台化合物，因其在生物精炼等领域的广泛应用而受到广泛关注。HMF的合成通常基于糖类物质的脱水反应，但该过程面临诸多挑战，如反应条件的控制、产物的选择性以及催化剂的回收效率等。为了克服这些障碍，研究人员正在探索新的催化剂设计策略，其中一种特别引人注目的方法是使用支持离子液体相（SILP）材料，这类材料结合了多种功能基团，能够在固相中模拟液相催化剂的性能，从而实现更高效的HMF合成。

本研究中，研究人员开发了一种新型的支持离子液体相材料，其分子结构中同时包含了二甲基亚砜（DMSO）和磺酸基团（SO3H）。这种材料被设计为具有双重功能的异质催化剂，能够在脱水反应中发挥类似于DMSO和酸性催化剂的作用。DMSO作为一种常用的极性溶剂，已被证明能够显著提高HMF的产率和选择性，因为它可以稳定糖类分子中的呋喃糖形式，从而促进脱水反应的进行。然而，DMSO的高沸点使得其在工业应用中面临回收和产物分离的困难。相比之下，离子液体（ILs）由于其低蒸气压和可调节的物理化学性质，被认为是生物质转化过程中的潜在替代品。然而，离子液体的回收和再利用仍然是其广泛应用的主要障碍。

为了在不牺牲DMSO优点的前提下解决离子液体和DMSO的回收问题，研究团队开发了一种结合了DMSO和磺酸基团的支持离子液体相材料。该材料通过将功能性基团引入多孔聚合物树脂中，形成了一种固相溶剂，既能保持DMSO的溶剂特性，又能提供酸性催化作用。这种方法不仅提升了HMF的产率和选择性，还简化了催化剂的回收过程，提高了整体的可持续性和经济性。

实验结果显示，该材料在脱水反应中表现出优异的性能。在使用深共沸溶剂（DES）的体系中，其HMF产率和选择性均显著高于传统均相酸催化剂，如盐酸（HCl）。例如，在特定的反应条件下，该材料能够实现高达91%的HMF选择性，同时减少不期望的副产物，如木质素类物质（humin）的形成。此外，该材料还被证明适用于葡萄糖的脱水反应，能够高效地转化为HMF或左旋柠檬酸（LA）。这种多功能性的设计使得材料能够在不同的反应体系中发挥关键作用，从而拓展其应用范围。

为了进一步理解该材料在HMF合成中的作用机制，研究团队进行了密度泛函理论（DFT）计算，揭示了DMSO和磺酸基团之间的协同作用。DFT分析表明，DMSO能够通过增强氢键相互作用，稳定反应中间体，从而降低副反应的发生概率。而磺酸基团则提供了必要的酸性催化环境，有助于推动脱水反应的进行。这种双重作用机制使得材料能够在反应过程中有效调控反应路径，从而提高HMF的产率和选择性。

除了催化性能的提升，该材料在实际应用中的可回收性和稳定性也是其优势之一。在多次循环实验中，材料的催化活性和选择性保持稳定，表明其具有良好的重复使用潜力。通过优化洗涤步骤，研究人员成功地恢复了材料的活性，使其在多个循环中仍能保持高效性能。这不仅减少了催化剂的浪费，还降低了整个工艺的成本，使其更符合工业化生产的需求。

此外，该材料在不同溶剂体系中的表现也值得关注。在使用二甲基碳酸酯（DMC）和水的双相体系中，材料能够有效促进葡萄糖的转化，同时减少副产物的形成。这种双相体系的引入不仅改善了反应物与催化剂之间的接触，还提高了反应效率，为HMF的生产提供了更灵活的选择。相比之下，传统均相催化剂在类似的条件下往往难以实现高选择性和可回收性，限制了其在大规模生产中的应用。

在实际应用中，该材料的多功能性使其成为一种极具潜力的催化剂。它不仅能够高效地催化糖类脱水反应，还能通过其固相结构减少溶剂的使用量，从而降低对环境的影响。同时，该材料的制备过程也较为简便，能够在实验室和工业环境中实现规模化生产。这种设计思路为未来可持续化学的发展提供了新的方向，尤其是在生物质转化领域。

综上所述，这项研究提出了一种结合DMSO和磺酸基团的支持离子液体相材料，通过分子级别的设计，实现了对糖类脱水反应的高效催化。该材料不仅在HMF的合成中表现出优异的性能，还具备良好的可回收性和稳定性，为可持续化学技术的发展提供了重要的参考价值。未来，随着对这类材料的进一步研究和优化，其在工业生产中的应用前景将更加广阔。