葡萄糖可以大量地从自然界中获取，是一种可再生的资源. 5-羟甲基糠醛(HMF)，是一种重要的生物基平台化合物，可以通过加氢、氧化脱氢、酯化、卤化、聚合、水解等化学反应制备多种衍生物，减少人类对化石能源的依赖^[1-3]. 葡萄糖转化为HMF的化学反应并不容易发生，需要较高的活化能^[4-5]. 为了提高HMF的收率和选择性，反应通常在高温条件下进行. 同时，葡萄糖在转化为HMF的过程中，容易发生副反应，而且以水作为反应溶剂时，生成的HMF容易水解，产生大量的副反应产物，使得HMF的收率降低^[6-7].

过去多数研究以有机溶剂作为反应溶剂抑制HMF的水解，减少副反应的发生，例如二甲基亚砜(DMSO)^[8]. ROMÁN-LESHKOV^[9]提出了一种双相体系，通过在反应过程中不断将水相中的HMF萃取到有机相中，同样可以减少副反应的发生. ZHAO等^[10]提出以[EMIM][Cl]离子液体作为反应溶剂，能够显著减少副反应的发生，以葡萄糖作为反应底物时，HMF的收率达到70%(100 ℃，3 h).

通过对反应溶剂的选择，可以获得较高的HMF收率，特别是离子液体的应用有效抑制了副反应的发生，降低了反应温度. 与有机溶剂相比，离子液体更环保，目前尚未有数据证明离子液体对环境有污染. 但现实的问题是，离子液体的价格昂贵，难以与产物分离，不适合在工业上生产HMF^[11-13].

研究人员尝试在水中将葡萄糖转化为HMF，但这十分困难. 以水作为反应溶剂时，反应通常在高温、高压下进行，且通过以果糖作为反应底物获得较高的HMF收率. 例如，HANSEN等^[6]报道了以HCl作为催化剂、果糖作为反应底物，200 ℃下微波水热反应60 s后，果糖的转化率为95%，HMF的选择性为55%；TUERCKE等^[14]采用连续微反应器工艺，在185 ℃条件下，以HCl作为催化剂、果糖作为反应底物，果糖的转化率为71%，HMF的选择性为75%. 通常情况下，以果糖作为反应底物能够获得更高的HMF收率. 目前主流的假设：葡萄糖在转化为HMF的过程中，先异构成果糖，再以果糖为起始物进行反应. 葡萄糖转化为HMF的速率主要受葡萄糖异构成果糖速率的影响，而葡萄糖异构成果糖所需的活化能较高，导致HMF的收率和选择性较低.

NOMA等^[13]通过同位素标记法，跟踪了3-deoxyglucosone(脱氧葡萄糖酮醛)中间体的形成，证明了以TiO₂和磷酸/TiO₂作为催化剂时，葡萄糖先异构成活泼的烯醇中间体，然后脱水形成脱氧葡萄糖酮醛中间体，最后脱水形成HMF(Pathway D). 在这种路径下，由于不需要先异构成果糖，葡萄糖转化为HMF的收率得到了较大的提高. LANZIANO等^[7]制备了hybrid-TiO₂催化剂，在130 ℃下水热反应5 h催化葡萄糖转化为HMF的收率为45%，葡萄糖转化率为75%. 因此，以TiO₂作为催化剂时，可以在较低的反应温度下，以廉价、易得、无污染的水作为反应溶剂，获得较高的HMF收率.

为了进一步降低HMF的制备成本，推动HMF的工业化生产进程. 本研究以聚乙二醇200为溶剂^[15]，采用溶胶凝胶法^[16]制备纳米TiO₂溶胶催化剂，产物为交联丝状^[17]；以水作为反应溶剂、葡萄糖作为反应底物，利用一锅法制备HMF，采用高效液相色谱法进行检测^[18]，并对其工艺进行评估，寻找适合工业化生产的条件.

1.   实验部分

1.1   试剂与仪器

主要试剂：聚乙二醇200(PEG 200)、甲酸、氘代氯仿为分析纯，乙腈为色谱纯，购于中国阿拉丁试剂(上海)有限公司；钛酸丁酯(TiO₂质量分数为33%~35%)、无水乙醇、二甲基亚砜(DMSO)为分析纯，购于中国天津大茂化学试剂有限公司；钛酸乙酯(TiO₂质量分数为33%~35%)为分析纯，购于中国上海麦克林生化科技有限公司；D-葡萄糖、5-羟甲基糠醛(HMF)为色谱纯，购于中国源叶生物科技(上海)有限公司.

主要仪器：陶瓷纤维马弗炉(HG-12-4B，上海禾工科学仪器有限公司)、X射线粉末衍射仪(D8 ADVANCE，布鲁克(北京))、透射电子显微镜(JEOL JSM 2100，200 kV，日本电子)、场发射扫描电子显微镜(ZEISS Gemini 500，德国卡尔·蔡司)、纳米粒径电位分析仪(SZ-100, 英国马尔文).

1.2   催化剂的制备

纳米TiO₂溶胶的制备：将20 mL去离子水与250 mL乙醇混合，用5%的HNO₃溶液调节溶液pH至1.8，记为A溶液；将10 mL钛酸丁酯与250 mL无水乙醇混合得到B溶液；在搅拌状态下，将B溶液迅速加入到A溶液中，30 min后加入200 mL水，搅拌均匀，记为纳米TiO₂溶胶.

纳米TiO₂粉体的制备：将100 mL水与500 mL乙醇混合，用5%的HNO₃溶液调节pH至1.8，记为A溶液；将10 mL钛酸丁酯与90 mL乙醇混合得到B溶液；将B溶液慢慢滴入A溶液中，搅拌并静置足够长的时间，形成溶胶. 将溶胶置于鼓风干燥箱中100 ℃下干燥12 h，将得到的固体研磨30 min，记为纳米TiO₂粉体.

PEG-TiO₂溶胶的制备：在烘箱中加热PEG 200和钛酸乙酯至50 ℃，然后在搅拌条件下将50 mL钛酸乙酯倒入200 mL PEG 200溶剂中，快速倒入120 mL去离子水，钛酸乙酯快速水解生成氢氧化钛水合物，搅拌4 h，得到分散性良好的370 mL PEG-TiO₂溶胶. 在此过程中，前期钛酸乙酯快速水解可能会导致溶胶成蜡状，但通过增加机械搅拌的力度使溶胶恢复为流体，制得PEG-TiO₂溶胶性质稳定，静置不发生沉淀.

PEG-TiO₂的制备：将制得的PEG-TiO₂溶胶用水蒸气蒸馏法除去溶剂，然后在烘箱中90 ℃下干燥，在马弗炉中600 ℃下反应2 h，所得产物记为PEG-TiO₂.

1.3   催化剂的表征结果

采用透射电子显微镜(TEM)和场发射扫描电子显微镜(SEM)对催化剂进行表征. 采用X-射线衍射仪进行表征，扫描角度从20°到90°，扫描速率为5°/min. 采用纳米粒径电位分析仪进行表征，采用粒径样品池测量平均粒径.

2.   结果与讨论

2.1   不同催化剂的TEM和SEM表征

纳米TiO₂溶胶为无定形的结构(图 1A), 纳米TiO₂为球形微粒，其粒径约10~15 nm(图 1B). 采用钛酸乙酯和PEG 200为原料制备得到PEG-TiO₂溶胶，其形貌为交联丝状的无定形结构(图 1C). 根据文献[15]的研究，钛酸乙酯在PEG 200溶剂中水解时，会形成Ti—O—PEG键，使得形成的PEG-TiO₂溶胶呈交联丝状结构，疏松且不易团聚. 将PEG-TiO₂溶胶干燥后在600 ℃下烧结，得到的PEG-TiO₂为质密的片状结构(图 1D).

图  1  不同催化剂的TEM、SEM图

Figure  1.  The TEM and SEM images of different catalysts

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2.2   不同催化剂的XRD表征结果

将PEG-TiO₂溶胶干燥后得到的PEG-TiO₂，无明显的X射线衍射现象，说明其没有形成晶体，为无定形(图 2曲线a). 将PEG-TiO₂在600 ℃下烧结得到锐钛矿型TiO₂ (图 2曲线b)；在700、800 ℃下烧结得到金红石型TiO₂ (图 2曲线c、d). 因此，通过对干燥后的PEG-TiO₂溶胶进行烧结，可以得到锐钛矿型和金红石型的TiO₂，但PEG-TiO₂溶胶为无定形.

图  2  不同催化剂的XRD图谱

注：a为干燥的PEG-TiO₂溶胶，b为600 ℃下烧结得到的PEG-TiO₂溶胶，c为700 ℃下烧结得到的PEG-TiO₂溶胶，d为800 ℃下烧结得到的PEG-TiO₂溶胶.

Figure  2.  The XRD pattern of different catalysts

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2.3   不同催化剂的平均粒径

新制纳米TiO₂溶胶的平均粒径为52 nm(表 1)，放置2 d后，最终纳米TiO₂溶胶的平均粒径为352 nm，粒径较均匀(PdI < 0.5). PEG-TiO₂溶胶的平均粒径为1 510 nm，说明其交联网状结构的聚集体使平均粒径更大，且粒径不均匀(PdI=1.000).

表  1  催化剂的平均粒径

Table  1.  The average particle size of catalysts

样品	平均粒径/nm	PdI
纳米TiO2溶胶a	52	0.184
纳米TiO2溶胶b	352	0.303
PEG-TiO2溶胶c	1 510	1.000
PEG-TiO2溶胶d	1 580	1.000
注：a为新制的纳米TiO2溶胶; b为放置2 d后的纳米TiO2溶胶；c为新制的PEG-TiO2溶胶; d为放置2 d后的PEG-TiO2溶胶.

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2.4   纳米TiO₂溶胶的催化性能

以纳米TiO₂溶胶作为催化剂时，将葡萄糖直接加入到纳米TiO₂溶胶中，然后在冷凝回流条件下对体系进行加热，测得体系的温度为79 ℃. 这是由于纳米TiO₂溶胶中存在大量的乙醇，使得体系的沸点较低. 取100 mL纳米TiO₂溶胶，加入0.5 g葡萄糖，反应6 h后，葡萄糖转化率为93.74%，HMF收率为21.72%，HMF的选择性为23.17%. 反应12 h后，葡萄糖转化率为93.84%，HMF收率为28.58%，HMF的选择性为30.45%(图 3A). 以纳米TiO₂粉体作为催化剂时，以水作为反应溶剂，同样在冷凝回流条件下对体系进行加热，测得体系的温度为100 ℃. 取3 g纳米TiO₂，加入0.5 g葡萄糖，反应6 h后，葡萄糖的转化率接近100%，HMF收率为1.41%(图 3B). 因此，采用纳米TiO₂溶胶作为催化剂能够有效提高HMF的收率，可以避免纳米TiO₂粉体在干燥、烧结过程中的团聚，充分发挥纳米TiO₂粉体的催化效果.

图  3  纳米TiO₂溶胶和粉体的催化效果

注：A采用100 mL纳米TiO₂溶胶和0.5 g葡萄糖，在79 ℃下反应; B采用100 mL水和2 g葡萄糖，在100 ℃下反应.

Figure  3.  The catalytic effects of nano TiO₂ gel and powders

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2.5   PEG-TiO₂溶胶的催化性能

纳米TiO₂溶胶具有更好的催化效果，但其纳米TiO₂固含量较低，这增加了储存和运输的成本. 因此我们以PEG 200作为反应溶剂制备了PEG-TiO₂溶胶，具有更高的纳米TiO₂固含量. 当以PEG-TiO₂溶胶为催化剂时，分别取20、30和40 mL溶胶，加入水至总体积为100 mL，加入0.5 g葡萄糖，在100 ℃温度下反应6 h. 如图 4所示，在PEG-TiO₂溶胶最佳投加量(30 mL)条件下，HMF收率为17.70%，葡萄糖转化率为55.55%，对HMF的选择性为31.86%. 因此，以PEG-TiO₂溶胶为催化剂对HMF具有更高的选择性，也更具有经济优势.

图  4  催化剂体积对收率和转化率的影响

注：以PEG-TiO₂溶胶为催化剂，加水至反应液总体积为100 mL，葡萄糖为0.5 g，温度为100 ℃，反应时间为6 h.

Figure  4.  The effect of catalyst volume on the yield and the conversion rate

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2.6   PEG-TiO₂溶胶的催化性能

为了进一步提高HMF的收率，研究以PEG-TiO₂溶胶和甲酸作为协同催化剂，研究了甲酸的体积和反应时间对HMF收率和葡萄糖转化率的影响(图 5). 最佳的甲酸体积为40 mL，此时HMF的选择性最大(43.17%，图 5A). 当甲酸体积为40 mL时，连续反应12 h研究最佳的反应时间. 反应6 h后，HMF收率为46.4%，葡萄糖转化率为79.30%，HMF的选择性为58.51%；反应12 h后，HMF收率为56.20%，葡萄糖转化率为92.00%，HMF的选择性为61.09%. 因此，在最佳条件下，反应12 h，HMF收率可达56.20%，HMF的选择性可达61.09%. 因此，以PEG-TiO₂和甲酸为催化剂可以获得较高的HMF收率，同时HMF的选择性较高.

图  5  甲酸体积和反应时间对收率和转化率的影响

注：反应液总体积为100 mL，葡萄糖为2 g，温度为100 ℃.

Figure  5.  The effects of the volume of formic acid and reaction time on the the yield and the conversion rate

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图  6  催化剂的循环使用次数对收率和转化率的影响

注：采用30 mL水、30 mL PEG-TiO₂溶胶、40 mL甲酸、2 g葡萄糖，在100 ℃下反应6 h.

Figure  6.  The influence of catalyst cycle times on the yield and the conversion rate

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催化剂的循环使用可以有效降低工业生产的成本，同时减少催化剂对环境的污染. 但这需要催化剂有较强的稳定性，在多次使用后仍有较强的催化活性. PEG-TiO₂溶胶的循环使用实验，以水作为反应溶剂，与甲酸协同催化，在100 ℃下反应6 h，将葡萄糖转化为HMF. PEG-TiO₂溶胶采用过滤法回收，然后经3次水洗后分散在水中，即活化完成. 结果表明：PEG-TiO₂溶胶在循环1次后，HMF收率由44.43%降低到18.07%，催化效果降低了50%(图 5). 这是因为腐殖质沉积在催化剂表面，使其催化效果降低，而且由于腐殖质的沉积，反应之后PEG-TiO₂的颜色由白色变为黑色. 值得注意的是，PEG-TiO₂溶胶在第1次使用时，对HMF的选择性为57.46%，在循环1、2、3、4次后，对HMF的选择性分别为56.66%、58.43%、63.37%、45.51%. 催化剂的循环使用过程中保持着对葡萄糖转化为HMF的较高的选择性.

3.   结论

以更低成本、更高效的方法制备并研究HMF，希望实现HMF的大规模工业化生产，缓解能源危机. 纳米TiO₂被广泛用作非均相催化剂，但纳米TiO₂溶胶作为均相催化剂的研究尚少. 纳米TiO₂溶胶作为均相催化剂可以避免纳米粒子团聚，可以提供更多的Lewis酸位点，表面效应更显著. 本研究制备了纳米TiO₂溶胶、纳米TiO₂粉体、PEG-TiO₂溶胶等催化剂，催化葡萄糖转化为HMF；相比纳米TiO₂粉体，纳米TiO₂溶胶的催化效果大大提高. 同样是以水作为反应溶剂，纳米TiO₂粉体催化葡萄糖转化为HMF的收率为1.41%，而纳米TiO₂溶胶和PEG-TiO₂溶胶催化葡萄糖转化为HMF的收率分别为28.58%和17.70%. 在最佳条件下，以PEG-TiO₂溶胶作为催化剂，HMF的收率可以达到56.20%，葡萄糖转化率达92.00%，反应在水溶液中进行，添加适量的甲酸协同催化剂，在100 ℃下反应12 h. 因此，以纳米TiO₂溶胶作为催化剂，可以在不添加有机溶剂以及在较低的反应温度下，获得较高的HMF收率，大大降低了HMF的制备成本. 研究结果为HMF的大规模工业化生产提供了可行方法和技术指导.