【AM宁波材料所建所20周年专刊】5-羟甲基糠醛（HMF）及其下游衍生品的催化转化

在全球能源危机和环境问题日益严重的背景下，对可再生能源和绿色化学的研究受到越来越多的关注。在可持续发展领域，生物质因其丰富的储量、可再生性和环境友好性，发挥着日益重要的作用，通过糖脱水制得的5-羟甲基糠醛（HMF）作为一种关键的生物质平台分子也脱颖而出，并在合成包括呋喃基聚合物、精细化学品和生物燃料在内的多种重要化学品方面发挥着核心作用。然而，HMF分子结构中的高活性醛基、羟基和呋喃环，为选择性调控HMF高效合成和定向转化带来了巨大挑战。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所非金属催化团队一直致力于HMF催化合成、高效转化以及规模化生产技术开发（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）。团队联合浙江糖能科技有限公司，在浙江岱山建成全球首条千吨级HMF连续生产线，并于2024年4月15日通过中国石油和化学工业联合会组织的成果鉴定，技术指标达到国际领先水平。

近日，该团队受邀在Advanced Materials上发表了题为“5-hydroxymethylfurfural and its downstream chemicals: a review of catalytic routes”的综述（Adv. Mater., 2024, https://doi.org/10.1002/adma.202311464），系统总结了通过催化方法进行HMF合成、氧化、还原和醚化等反应的研究进展。近年来，国内外研究者通过采用均相和非均相催化方式，借助热催化、电催化、光催化和光电催化等途径，通过理性设计催化剂和精准控制反应条件，实现了HMF的高效制备和转化，为生产各类呋喃基化学品提供了有力支持。本文还概述了呋喃基化学品生产的技术经济分析、当前面临的挑战性问题以及未来研究方向。通过分析发现，尽管HMF相关领域在催化基础研究方面取得了显著进展，某些工艺路线在经济效益上也具备媲美石油基对标产品的潜力，但由于生物质转化领域缺乏足够的工程化研究，生物基化学品商业化进程仍面临诸多挑战，所以基础研究与大规模工业化之间仍存在巨大差距。即便如此，本文中的一些重要发现和梳理仍为生物质尤其是呋喃类生物质的转化与利用提供了独到的见解和启示。

上述工作得到了国家自然科学基金面上项目（22072170）和区域创新发展联合基金重点支持项目（U23A20125）、浙江省重点研发（2021C03170）、宁波市2025科技重大专项（2019B10096）、宁波市自然科学基金（2023J359、2023J335）等项目的资助。

图1  HMF合成及转化的催化路径及系统

图2 以HMF为中心的上游原料及下游衍生物研究强度

（高分子与复合材料实验室  谌春林）