在全球能(néng)源危機和環境問題日益嚴重的背景下，對(duì)可再生能(néng)源和綠色化學(xué)的研究受到越來越多的關注。在可持續發(fā)展領域，生物質因其豐富的儲量、可再生性和環境友好(hǎo)性，發(fā)揮著(zhe)日益重要的作用，通過(guò)糖脫水制得的5-羟甲基糠醛（HMF）作爲一種(zhǒng)關鍵的生物質平台分子也脫穎而出，并在合成(chéng)包括呋喃基聚合物、精細化學(xué)品和生物燃料在内的多種(zhǒng)重要化學(xué)品方面(miàn)發(fā)揮著(zhe)核心作用。然而，HMF分子結構中的高活性醛基、羟基和呋喃環，爲選擇性調控HMF高效合成(chéng)和定向(xiàng)轉化帶來了巨大挑戰。
中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所非金屬催化團隊一直緻力于HMF催化合成(chéng)、高效轉化以及規模化生産技術開(kāi)發(fā)（ACS Catal. 2024, 7182; Chem. Eng. J. 2023, 474, 145905; 2023, 472, 144877; J. Energy Chem. 2024, 92, 1; 2021, 54, 528; Appl. Catal. B 2022, 307, 121209; 2021, 297, 120396; Chin. J. Catal. 2022, 43, 793; Renew. Energ. 2022, 198, 123; ACS Sustainable Chem. Eng. 2022; 2017, 5, 11300; Ind. Eng. Chem. Res. 2022, 61, 987; 2019, 58, 6309; Green Chem. 2021, 23, 3241; 2019, 21, 6699; Prog. Chem. 2022, 34, 1661）。團隊聯合浙江糖能(néng)科技有限公司，在浙江岱山建成(chéng)全球首條千噸級HMF連續生産線，并于2024年4月15日通過(guò)中國(guó)石油和化學(xué)工業聯合會組織的成(chéng)果鑒定，技術指标達到國(guó)際領先水平。
近日，該團隊受邀在Advanced Materials上發(fā)表了題爲“5-hydroxymethylfurfural and its downstream chemicals: a review of catalytic routes”的綜述（Adv. Mater., 2024, https://doi.org/10.1002/adma.202311464），系統總結了通過(guò)催化方法進(jìn)行HMF合成(chéng)、氧化、還(hái)原和醚化等反應的研究進(jìn)展。近年來，國(guó)内外研究者通過(guò)采用均相和非均相催化方式，借助熱催化、電催化、光催化和光電催化等途徑，通過(guò)理性設計催化劑和精準控制反應條件，實現了HMF的高效制備和轉化，爲生産各類呋喃基化學(xué)品提供了有力支持。本文還(hái)概述了呋喃基化學(xué)品生産的技術經(jīng)濟分析、當前面(miàn)臨的挑戰性問題以及未來研究方向(xiàng)。通過(guò)分析發(fā)現，盡管HMF相關領域在催化基礎研究方面(miàn)取得了顯著進(jìn)展，某些工藝路線在經(jīng)濟效益上也具備媲美石油基對(duì)标産品的潛力，但由于生物質轉化領域缺乏足夠的工程化研究，生物基化學(xué)品商業化進(jìn)程仍面(miàn)臨諸多挑戰，所以基礎研究與大規模工業化之間仍存在巨大差距。即便如此，本文中的一些重要發(fā)現和梳理仍爲生物質尤其是呋喃類生物質的轉化與利用提供了獨到的見解和啓示。
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面(miàn)上項目（22072170）和區域創新發(fā)展聯合基金重點支持項目（U23A20125）、浙江省重點研發(fā)（2021C03170）、甯波市2025科技重大專項（2019B10096）、甯波市自然科學(xué)基金（2023J359、2023J335）等項目的資助。
圖1 HMF合成(chéng)及轉化的催化路徑及系統
圖2 以HMF爲中心的上遊原料及下遊衍生物研究強度
（高分子與複合材料實驗室 谌春林）