第一作者：梁洁
通讯作者：蒋剑春院士，王奎研究员
通讯单位：中国林业科学研究院林产化学工业研究所
论文DOI：10.1002/anie.202410229
5-羟甲基糠醛（HMF）的低成本高效生产受到广泛关注。基于工业生产过程中廉价金属盐均相催化反应过程研究，蒋剑春院士团队研究发现：阴离子可以调控金属盐的催化活性，导致显著的HMF产率差异，即AlBr3(74.0 mol%)> AlCl3(60.8 mol%)> Al2(SO4)3(35.2 mol%)>Al(NO3)3(14.9 mol%) (150 ℃，60 min)。在上述实验结果的基础上，受霍夫曼斯特效应的启发，结合量子化学计算与分子动力学模拟，揭示了己糖转化HMF过程中阴离子效应可归因于邻近效应和电子张力效应。一方面，阴离子通过邻近效应与葡萄糖分子形成近距离的弱相互作用，促进葡萄糖异构化过程的电子转移速率，从而提升葡萄糖异构化效率。另一方面，阴离子通过电子张力效应诱导葡萄糖分子的电子云迁移，提高葡萄糖从基态转变为激发态的速率，促进葡萄糖到HMF的定向转化。该研究通过对阴离子效应的揭示，为生物基糖平台高效转化过程中均相催化剂的筛选提供了理论支撑。
将木质纤维类生物质高效转化为HMF是实现秸秆、竹木屑等农林剩余物资源高值化利用最有吸引力的途径之一。HMF具有呋喃环、羟甲基和羰基等活性结构单元，可以通过氧化、醚化、加氢等反应制备多种高附加值生物基化学品，但也导致其在合成与纯化过程中稳定性差，易发生缩合、氧化等副反应，规模化生产过程存在得率低（<50%）和成本高（>5万元/吨）等问题。值得注意的是，价格低廉且易获取的金属盐已被证明对选择性生成HMF是有效的。在前期的探索实验中，研究团队发现阳离子相同但阴离子不同的金属盐能够调控己糖分子结构的定向演化过程，从而导致HMF产率的显著差异。在此探索性实验的基础上，能否结合实验表征和化学计算进一步揭示阴离子效应的内在机制，实现HMF的低成本高效制备？
1. 本工作基于工业生产过程中廉价金属盐均相催化反应过程研究，首次揭示了阴离子通过邻近效应和电子张力调控己糖分子结构的定向演化过程。
2. 阴离子通过邻近效应与葡萄糖分子形成近距离的弱相互作用，促进葡萄糖异构化过程的电子转移速率，从而提升葡萄糖异构化效率。
3. 阴离子可有效诱导葡萄糖分子中碳原子周围的电子云迁移产生密度差，从而形成电子张力促进葡萄糖从基态转变为激发态的速率，从而提升HMF的产率。
团队前期系统研究了不同极性非质子溶剂和NaCl水溶液（NaCl aq）组成双相体系对葡萄糖转化为HMF的影响（图1a-d）。葡萄糖在不同双相体系中HMF的产率具有明显差异，这与有机溶剂的萃取能力和HMF在有机相中的稳定性有关。其中，在四氢呋喃（THF）/NaCl aq双相体系中获得了最高的HMF产率，因此，构建此体系并进行后续阴离子效应的研究。
考虑到阴离子对HMF在双相体系中分配的影响，将4种阳离子相同（Al3+）但阴离子不同（SO42-、Cl-、NO3-、Br-）的金属盐加入含HMF的THF/NaCl aq体系中（图1e-g）。结果表明，阴离子对HMF的萃取能力遵循Hofmeister序列（图1i），其中，加入SO42-获得了最高的HMF分配系数，表明SO42-对HMF具有强的萃取能力。通过分子静电势（ESP）和分子极性指数（MPI）（图1h）证实了SO42-的强萃取能力归因于Al2(SO4)3 具有最高的MPI值，表现出强的极性，能与水产生强烈的静电相互作用，减弱了HMF与水的结合，促进了HMF到有机相的萃取。
图1 以AlBr3为催化剂在a) THF, b) GVL, c) MIBK, d) 2-MeTHF和NaCl aq组成的双相体系中葡萄糖的转化。HMF在e)有机相和f)水相中的分布，以及g) HMF在THF/NaCl水溶液中的R值。h)金属盐的ESP图和MPI。i) Hofmeister阴离子序列。
研究团队基于系列实验发现：阴离子可以影响金属盐的催化活性，导致显著的HMF产率差异（图2a-f），即AlBr3 (74.0 mol%)>AlCl3(60.8 mol%)>Al2(SO4)3(35.2 mol%) >Al(NO3)3(14.9 mol%) (150 ℃，60 min)。该结果与霍夫曼斯特序列的顺序产生了偏差：尽管SO42-萃取HMF的能力最强，但AlBr3却表现出最高的催化活性，表明HMF的分配系数仅反映阴离子对HMF的萃取能力，并不是双相体系中葡萄糖向HMF转化的决定因素。
图2 在(a) 140 ℃, (c) 150 ℃和(e) 160 ℃条件下，不同金属盐作为催化剂对葡萄糖的转化。(b) 140 ℃, (d) 150 ℃和(f) 160 ℃时果糖和HMF的产率。阴离子相对于g)葡萄糖，i)果糖和k) HMF的RDF曲线。h)葡萄糖，j)果糖和l) HMF周围阴离子的SDF图。
基于径向分布函数（RDF）和空间分布函数（SDF）进一步分析了阴离子与溶质葡萄糖分子之间的相互作用（图2g-l），证实了阴离子通过邻近效应与葡萄糖分子形成近距离的弱相互作用，促进葡萄糖异构化过程的电子转移速率：通过催化剂的最高占据轨道（HOMO）和葡萄糖的最低未占轨道（LUMO）之间的能隙（ΔE）计算（图3a），证实分子间近距离的弱相互作用有利于电子转移，从而提升葡萄糖异构化效率。其中，Br-与葡萄糖分子间的距离最小， AlBr3的HOMO与葡萄糖的LUMO之间的ΔE值最小，表现出最显著的邻近效应，从而获得了最高的HMF产率。
另外，阴离子还可通过电子张力效应诱导葡萄糖分子的电子云迁移，促进葡萄糖从基态转变为激发态的速率：通过葡萄糖转化速率实验与13C NMR谱图（图3b-c）、波函数分析相结合，证实了阴离子可有效诱导葡萄糖分子中碳原子周围的电子云迁移产生密度差，从而形成电子张力促进葡萄糖异构化为果糖的反应效率。其中，Br-诱导的葡萄糖分子中碳原子周围的电子云密度差最大，表现出最显著的电子张力效应，从而获得了最高的HMF产率。
图3 a) 葡萄糖和金属盐的HOMO-LUMO轨道图。b, c) 葡萄糖和金属盐在150 ℃下催化30 min葡萄糖的13C NMR谱图。
本研究选择具有不同阴离子的金属盐作为THF/NaCl aq双相体系中葡萄糖转化为HMF的催化剂，结合实验分析、分子动力学模拟和量子化学计算，揭示了阴离子调控己糖分子定向演化的内在机制。以AlBr3、AlCl3、Al2(SO4)3和Al(NO3)3为催化剂，在150 ℃ 1 h下催化葡萄糖的转化, HMF产率分别为74.0 mol%、60.8 mol%、35.2%和14.9 mol%。AlBr3优异的催化活性归因于邻近效应和电子张力效应。Br-通过邻近效应与葡萄糖分子形成近距离的弱相互作用，促进了葡萄糖向果糖异构化过程的电子转移速率。此外，Br-诱导葡萄糖分子中碳原子周围的电子云迁移产生密度差，通过电子张力促进葡萄糖分子从基态跃升至激发态的速率。该研究关于阴离子效应的基础理论创新，将为低成本、高效的HMF规模化生产提供新的思路。
梁洁，中国林科院林化所2021级博士研究生，研究方向为林木生物质定向液化。
蒋剑春，中国工程院院士，博士，研究员，博士生导师。我国林产化工学科带头人，主要从事生物质热化学转化的应用基础和工程化研究工作。
王奎，博士，研究员，博士生导师，国家优青。主要从事木质纤维定向液化的应用基础和工程化研究工作。
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