生物谷：人們一直夢(mèng)寐以求利用生物質(zhì)能取代石油來(lái)制備化學(xué)制品,、塑膠和燃料?？茖W(xué)家最近開(kāi)發(fā)出了利用葡萄糖制備塑膠等石油化工產(chǎn)品的新方法,，使人類向著這一目標(biāo)又邁近了一步。相關(guān)論文發(fā)表在6月15日的《科學(xué)》雜志上,。
葡萄糖是植物光合作用的主要產(chǎn)物之一,，是人類等許多生物的能量之源。葡萄糖在自然界中廣泛存在,，因此是科學(xué)家青睞的石油替代物質(zhì),。然而，迄今為止,，利用合適的催化劑將葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫男问饺匀皇且粋€(gè)難題,。
在最新的研究中，來(lái)自美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory,，簡(jiǎn)稱PNNL）的科學(xué)家找到了一種新的催化工藝,，能夠直接將糖類轉(zhuǎn)換成某些石油產(chǎn)物的替代來(lái)源。
論文高級(jí)作者,、PNNL化學(xué)家Z. Conrad Zhang和同事嘗試了多種金屬催化劑,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，離子液體（ionic liquid）催化劑能夠有效地將葡萄糖等糖類轉(zhuǎn)化成羥甲基糠醛（HMF）,，它被認(rèn)為石油化學(xué)中最有前途的代用品,，能夠容易地轉(zhuǎn)化為多種化學(xué)制品和塑膠。Zhang說(shuō),，“葡萄糖能夠直接從纖維素和淀粉得到,，它是自然界最充足的碳水化合物材料。而由果糖和葡萄糖產(chǎn)生的HMF是一個(gè)‘萬(wàn)能’的平臺(tái),，它能夠制造數(shù)百種其他化學(xué)物品,。”
Zhang和同事通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，金屬二氯化物形成的離子液體能夠?qū)?0%的葡萄糖和接近90%的果糖轉(zhuǎn)化為HMF,，僅僅殘余微量的酸性雜質(zhì),。而實(shí)驗(yàn)的96種此類催化劑中，二氯化鉻離子液體的催化效果最好,，所產(chǎn)生的雜質(zhì)也最少,，同時(shí)這種反應(yīng)需要的溫度也很低,，只要100攝氏度左右。
盡管精確的轉(zhuǎn)化過(guò)程還是一個(gè)謎團(tuán),，但Zhang推測(cè),，離子液體催化劑能夠促使糖類分子鍵打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)了H（氫）與 OH（氫氧根）的變旋作用（mutarotation）,，從而變成新的結(jié)構(gòu),。
新的研究成果有望成為生物質(zhì)能（樹(shù)木、秸稈,、海藻等）轉(zhuǎn)化為化學(xué)制品,、塑膠和燃料的基礎(chǔ)。Zhang 的下一步工作是要改進(jìn)離子溶劑與金屬鹵化物化合物,，看看是否能夠增加葡萄糖的 HMF 產(chǎn)量,，并同時(shí)減少分離、純化的成本,。Zhang表示,，“這是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，我們的研究結(jié)果指明了一種潛在的HMF制備工藝,。因?yàn)檫€有一些改進(jìn)和優(yōu)化的步驟,，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化可能還需要幾年的時(shí)間。”（援引科學(xué)網(wǎng)）
原始出處:
Science 15 June 2007: Vol. 316. no. 5831, pp. 1597 - 1600
DOI: 10.1126/science.1141199
Reports
Metal Chlorides in Ionic Liquid Solvents Convert Sugars to 5-Hydroxymethylfurfural
Haibo Zhao, Johnathan E. Holladay, Heather Brown, Z. Conrad Zhang*
Replacing petroleum feedstocks by biomass requires efficient methods to convert carbohydrates to a variety of chemical compounds. We report the catalytic conversion of sugars giving high yield to 5-hydroxymethylfurfural (HMF), a versatile intermediate. Metal halides in 1-alkyl-3-methylimidazolium chloride are catalysts, among which chromium (II) chloride is found to be uniquely effective, leading to the conversion of glucose to HMF with a yield near 70%. A wide range of metal halides is found to catalyze the conversion of fructose to HMF. Only a negligible amount of levulinic acid is formed in these reactions.
Institute for Interfacial Catalysis, Pacific Northwest National Laboratory, Post Office Box 999, Richland, WA 99352, USA.
* To whom correspondence should be addressed. E-mail: [email protected]
