【文献解读】ACS catalysis：多元模型预测葡萄糖催化转化HMF产率

背景介绍

羟甲基糠醛(HMF) 被称作“万能中间体”，由于可用于制备生物燃料和可再生聚合物的多功能性而受到广泛研究。使用含量丰富、廉价易得的葡萄糖制备HMF兼具可再生性和过程经济型。之前的研究表明，将葡萄糖转化为HMF需要在反应体系中同时存在Lewis酸活性位点催化葡萄糖异构化为果糖和Brønsted酸活性位点催化果糖脱水为HMF。

基于此，美国国家可再生能源实验室David K. Johnson教授等人介绍了一种理论-实验结合的方法，研究葡萄糖制备HMF的产量与金属氯化物中Lewis酸强度和溶解在水-有机溶剂体系中的Brønsted酸之间的关系。最后，在实验和计算研究的基础上，建立了一个多元模型来预测不同溶剂中HMF的产率。

图文解读

首先，作者研究了Lewis酸强度对HMF产率的影响。结果表明，在不添加金属氯化物的空白实验中，HMF的产率随着HCl（Brønsted酸）浓度的降低而降低；在均相催化体系中，AlCl₃和CrCl₃展现出最好产HMF的效果。作者发现基于hard−soft acid−base（HSAB，软硬酸碱）理论的描述符η = εHOMO – εLUMO可以很好地解释该现象。如图3所示，金属氯化物中的η越低，HMF的产率则越高。

在探究了Lewis酸强度的影响后，作者就溶剂对HMF产率的影响进行了研究。首先作者在不添加任何Lewis酸性催化剂的条件下，使用二恶烷、丙酮等13种不同溶剂进行葡萄糖转化实验，结果表明，二甲亚砜的催化效果最好，其对葡萄糖的转化率和HMF的产率分别为98%和70%。接下来作者针对三种不同溶剂（水、丙酮、二甲亚砜）对葡萄萄转化制备HMF的过程进行了DFT理论计算研究。结果如图7所示，该过程的速率限制步骤为质子转移过程（2→B1）。对中间产物1和B5的自由能计算表明，当使用水作为溶剂时，其体系内中间产物1和B5自由能比使用二甲亚砜作为溶剂时分别高出17.1kcal/mol和14.0kcal/mol。而中间产物1和B5正好是果糖第一次脱水反应和HMF形成反应的前体物，这说明溶剂对促进果糖第一次脱水和HMF产物稳定起到重要作用。同时，对三种不同溶剂体系下中间产物1的结构研究发现，相比于在水中的反应，当使用二甲亚砜为溶剂时，中间产物1的C-O键从1.55 Å（水）拉伸到2.61 Å（二甲亚砜），而OH-O···H氢键则从2.45 Å（水）缩短至2.45 Å（二甲亚砜），这说明在二甲亚砜溶液中更有利于质子化反应生成中间产物1以及更高的脱水反应活性。

接下来，作者在结合以前研究共溶剂实验的数据，以η、Δ、β（Abraham 氢键碱度）28个物理量为变量（如图S7所示），HMF为响应值，开发一个多元模型来预测不同溶剂体系中的HMF产率。经过模型筛选，对HMF产率影响最大的三个描述符分别为μ（计算偶极矩）、β、b（Kamlet−Taft 碱度），HMF的产率关系式为：HMF yield (%) =21.3ΔG-9.8μ+11.4β-21.1Q-24.4b-19.8ΔG_slov+19.5。最后，作者通过在新的四种溶剂体系下葡萄糖催化转化HMF实验来验证该模型的有效性，结果发现，模型预测值与实验值之间的误差小于4%。

结论

本文采用实验和理论相结合的方法，研究了Lewis酸强度和Brønsted酸性有机溶剂对葡萄糖转化HMF的影响，发现了描述符η与HMF产率之间存在相关性。为了阐明溶剂效应，对果糖脱水制备HMF机理进行了DFT计算研究，并比较了三种有机溶剂中的反应能，确定了反应中的关键步骤。 最后从机理研究中导出了几个与HMF产率相关的描述符，建立耦合模型，为将Lewis酸和Brønsted酸和有机溶剂组合到达HMF产率最大化提供了指导。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acscatal.0c04245

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