非均相催化法制備異山梨醇的研究現狀

郭佳星，李 通，王新承，宋永吉，黃 龍，李翠清

（1. 北京石油化工學院 新材料與化工學院，北京 102617；2. 恩澤生物質精細化工北京市重點實驗室，北京 102617；3. 山東新龍集團，山東 壽光 262709）

隨著不可再生化石燃料的日益枯竭，面對能源短缺和環境污染及生物經濟的要求，人們越來越關注從可再生且來源豐富的生物質原料中可持續生產有價值的化學品生物質及其衍生物的研究［1-4］。與其他生物質衍生平臺化學品相比，葡萄糖加氫產物山梨醇可以通過氫解、脫水、聚合等反應轉化為許多其他高價值的化學品和材料［5］。因此，開發山梨醇衍生物、擴大山梨醇的應用范圍、提高山梨醇的附加值成為廣大工作者的共同目標。

異山梨醇是山梨醇的二次脫水環化產物，是一種新型的生物質基功能性二醇材料，在食品和化妝品、醫藥、塑料及聚合物等工業領域有廣泛應用［6］。山梨醇脫水是生物質轉化為異山梨醇的關鍵步驟，工業上，異山梨醇的合成主要以濃硫酸為催化劑，采用間歇式反應器［5，7］，而連續生產過程的建立是一個亟待解決的問題。其中，最重要的技術問題是高效可回收催化劑的開發。近年來，纖維素一步法合成異山梨醇成為一個新的研究熱點。該方法可大大強化反應過程，減少廢物排放，具有重要的研究意義和應用背景［8］。

本文介紹了以山梨醇和纖維素為原料合成異山梨醇的反應機理，并對近年來合成異山梨醇催化劑的制備和應用進展進行了綜述。

1 山梨醇制備異山梨醇

山梨醇首先脫去一分子水得到中間物1，4-失水山梨醇，再脫去一分子水得到異山梨醇，反應路徑見圖1所示。

圖1 山梨醇脫水制異山梨醇反應路線Fig.1 Reaction path of sorbitol dehydration to isosorbide.

山梨醇脫水所用催化劑包括液體酸與固體酸，液體酸［9］主要包括無機酸和離子液體；固體酸則包括分子篩、磷酸鹽、金屬氧化物、雜多酸等。由于液體酸均相催化體系使后續產物分離耗能巨大，許多學者投身于固體酸催化劑的研究，以克服液體酸缺點，開發新的高效催化體系。

1.1 液體酸催化劑

液體酸催化劑主要有硫酸、磷酸、對苯磺酸和甲烷磺酸等［7，10］。無機催化劑在較低溫度下具有較高的催化活性。當硫酸與山梨醇的質量比為1∶100時，在3 kPa和130 ℃下反應90 min，異山梨醇的收率達到80%。

張建等［11］擬合了濃硫酸催化作用下山梨醇脫水的反應動力學，發現在酸催化下山梨醇脫水是擬一級反應，符合SN2反應機理，也就是說，先在C1或C6位的一級羥基經酸催化質子化，然后通過C4—OH或C3—OH基團發生SN2取代反應，得到反式四氫呋喃環，反應機理如圖2所示［8，12］。他們指出 B酸催化劑與山梨醇之間的相互作用比與 1，4-失水山梨醇的相互作用強，使催化劑與山梨醇形成加合物，比與1，4-失水山梨醇形成加合物更容易，這也是限制1，4-脫水山梨醇脫水反應速率的關鍵因素［6，13］。通過對比B酸和L酸對山梨醇脫水選擇性的影響發現兩種酸都能除去山梨醇的第一個水分子，形成1，4-脫水山梨醇［13-14］。但B酸比L酸可以更有效地去除山梨醇中的第二個水分子。在160 ℃下，L酸和B酸的協同作用可使異山梨醇的收率達70%以上。

圖2 酸催化山梨醇級聯脫水制異山梨醇的反應機理Fig.2 The reaction mechanism of acid catalyzed cascade dehydration of sorbitol to isosorbide.

鄧潔等［7，10］合成了酸性離子液體，并將其用于 催化山梨醇脫水反應。實驗結果表明，酸性離子液體的質子化活性中心主要來自活潑氫，當陽離子相同時，陰離子活度大小順序為：BF4-

鄧潔［10］進一步利用自制酸性離子液體（BILs）進行山梨醇脫水反應，并用不同的無機酸對離子液體進行質子化。通過對催化劑性能研究發現，異山梨醇收率的關鍵是合適的Gutmann受體數目，而不是酸度。動力學研究表明，山梨醇和1，4-山梨醇酐與酸形成加合物的速率不同［17-20］。不同BILs在二次脫水過程中表現出的顯著差異歸因于它們對多羥基底物的質子化能力。因此，有必要通過適當的酸值而不是酸度的固有值來優化異山梨醇的收率。以優化后的BIL-4為催化劑，構建了一個連續的反應過程，異山梨醇的收率為82%，純度為99.3%（w）。由于BILs具有不揮發、無腐蝕性等優點，可以代替傳統的無機酸作為液體催化劑實現催化劑的循環利用。

以雙三氟甲基磺酰亞胺咪唑類離子液體和磷酸咪唑離子液體為催化劑［21］時，異山梨醇的收率大于88%。在兩種離子液體的最佳摩爾比為3∶2、1.0 MPa和140 ℃條件下攪拌5 h，異山梨醇的收率達89.1%。

無機酸對設備的腐蝕性及后續產物分離提純的難度使其無法滿足綠色環保的要求，而離子液體成本高昂，使其難以用于工業催化，因此最佳的解決方案便是開發固體酸催化劑，實現工業化連續性生產。

1.2 金屬氧化物

Zhang等［22］制備了一系列磷酸改性水合氧化鉭（Ta2O5·nH2O）催化劑用于山梨醇脫水制異山梨醇。在P/Ta摩爾比為0.8時，山梨醇完全轉化，異山梨醇的收率達48.3%。磷酸鹽的引入可以使水合氧化鉭轉變為新的晶相。隨著磷含量的增加，催化劑的結晶度增加。

Guo等［23］使用硫酸溶液對自制的氧化鈮催化劑進行酸化，得到高活性的固體酸，并將其用于山梨醇脫水反應中。實驗結果表明，使用2 mol/L的硫酸溶液在60 ℃時酸化3 h處理Nb2O5制備的固體酸催化劑，在150 ℃下反應3 h，山梨醇轉化率達到100%，異山梨醇收率達到84%。

磺酸樹脂經各種金屬（Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Al，Bi，Ga）改性［24］后可具有L酸中心和B酸中心。研究結果表明，在濃硫酸催化下，兩步脫水過程是連續的，即先由山梨醇生成1，4-脫水山梨醇，再轉化為異山梨醇。以樹脂為催化劑時，1，4-脫水山梨醇和異山梨醇同時生成，并在反應開始時即生成副產物。當負載Fe，Al，Ga等金屬時，催化劑失去了活性，這可能是由于催化劑的酸性中心失活。其中，Bi（OTs）3可以實現100%的山梨醇轉化率和67%的異山梨醇選擇性。

采用離子交換法制備一系列銀交換磷鎢酸催化劑（AgH2PW，Ag2HPW，Ag3PW，其中PW為磷鎢酸）用于催化山梨醇脫水制備異山梨醇［25］。表征結果表明，隨著Ag/P摩爾比從1增加到3，B酸中心逐漸減少，L酸中心逐漸增加。如圖3所示，當使用AgH2PW催化劑時，山梨醇的轉化率大于99%，異山梨醇的選擇性在140 ℃下反應1 h后達到83%，催化效果與均相磷鎢酸相似。

圖3 不同反應時間下山梨醇在AgH2PW上的催化脫水Fig.3 Catalytic dehydration of sorbitol at different reaction times over AgH2PW.

將PW負載于不同金屬氧化物（SiO2，γ-Al2O3，TiO2，ZrO2，CeO2）上，可作為山梨醇脫水的催化劑［26］。在常壓下，PW/SiO2的催化性能優于其他催化劑。30%（w）PW/SiO2催化劑在250 ℃時，異山梨醇的選擇性最高為56%。表征結果表明，以SiO2為載體的PW催化劑的酸性最強。山梨醇在強酸催化劑存在下具有更高的反應活性，在弱酸催化劑存在下，山梨醇更傾向于轉化為焦炭而不是脫水產物。

采用研磨法直接制備介孔鋁氧化鋯（mAl-SZ）用于催化山梨醇無溶劑脫水制備異山梨醇［27］。實驗結果表明，制備的催化劑具有較高的比表面積。含6%（w）鋁的介孔氧化鋯（6Al-SZ）具有較高的異山梨醇選擇性（73%），山梨醇在175 ℃下反應2 h后完全轉化，這可能是由于硫酸化氧化鋯的介孔結構和納米晶尺寸所致，有利于反應物和產物分子向活性中心擴散并減少副產物的產生。同時，硫酸化氧化鋯具有更多的B酸位，使中間產物1，4-脫水山梨醇迅速轉化為異山梨醇。另外，異山梨醇生產適宜的酸位應為中強酸位，當鋁含量為6%（w）時，催化劑上的酸強度和B酸強度的分布最合適。鋁的加入增加了氧化鋯表面硫酸根的數量，但過量的鋁聚集在催化劑表面，形成結晶氧化鋁。

Cao等［28］研究了水熱法制備的多孔磷酸鋯催化劑對無水條件下山梨醇脫水制備異山梨醇的影響。實驗結果表明，在210 ℃下反應 2 h，山梨醇可完全轉化，異山梨醇選擇性可達73%。該催化劑具有多孔結構和良好的連通性，使得催化劑具有較高的比表面積。吡啶紅外光譜表征結果顯示，催化劑中同時存在B酸和L酸，其中，62%為B酸中心，可視為中強酸［29］。

大連理工大學［30］采用回流浸漬法和共沉淀法制備了WO3/ZrO2和MoO3/ZrO2固體超強酸，并在700～850 ℃下煅燒后使用，在無溶劑減壓條件下，異山梨醇的收率在65%以上。當采用H-15%W/Zr-800、200 ℃下反應3 h時，異山梨醇的收率達74%，而使用磷酸鋯的收率僅為26%。因此，磷酸鋯的催化活性明顯低于H-15%W/Zr-800催化劑。H-15%W/Zr-800催化劑經過三次回收后異山梨醇的收率仍在50%以上。

1.3 金屬磷酸鹽固體酸催化劑

Gu等［31］研究了錫、鋯、鈦等金屬磷酸鹽對山梨醇脫水的催化活性，發現磷酸錫對山梨醇脫水的催化效果最好。他們還研究發現，當H3PO4負載在Nb2O5上時，Nb2O5的酸強度可以顯著提高，且在高溫水環境中仍可有效保持酸強度［32-33］。當P/Nb2O5摩爾比為2時，山梨醇完全轉化，異山梨醇的收率最高為62.49%。

以山梨醇溶液為原料，磷改性HZSM-5分子篩為催化劑催化脫水制異山梨醇，經分離純化后，可得到純度大于99%（w）的異山梨醇晶體產品［34］。該方法避免了在凈化過程中使用有機溶劑，且無需精餾，降低了生產成本，減少了環境污染。

專利［35］公開了一種H3PO4改性的四價金屬氧化物的制備方法，將一定量的ZrO2，TiO2，SnO2浸漬在1～3 mol/L磷酸溶液中，異山梨醇的最佳選擇性為63.49%。

1.4 其他固體酸催化劑

在檸檬酸鈣上接枝苯磺酸基制備介孔碳酸MC-PhSO3H，并在無溶劑條件下催化山梨醇脫水制備異山梨醇［27］。在160 ℃反應1.5 h后異山梨醇的收率達82.7%，優于均相硫酸或典型的強固體酸SO42-/ZrO2催化體系。表征結果表明，催化劑上存在—PhSO3H，—COOH，—OH等基團，形貌不規則，孔道結構疏松；經—PhSO3H改性后，生成了更多的B酸中心，總酸密度增加，有利于山梨醇脫水轉化為異山梨醇。

Jeong等［36］通過微孔沸石和Amberlyst 35研究了不同酸強度和孔結構的固體酸的催化作用。實驗結果表明，高酸強度、小孔徑的MOR分子篩和MFI分子篩催化劑的山梨醇轉化率和異山梨醇收率較低；中等酸強度的BEA分子篩具有較高的山梨醇轉化率和異山梨醇收率；Amberlyst 35固體酸催化劑的山梨醇轉化率較高，但異山梨醇收率較低。孔徑與反應物和產物相似的BEA分子篩對副產物的生成有較強的抑制作用。Amberlyst 35固體酸法合成異山梨醇的收率較低可能是由于缺少微孔。

Kamaruzaman等［37］研究了離子交換樹脂催化山梨醇脫水的產物分布和動力學行為，比較了不同離子交換樹脂（CT 269，P—SO3H，AM35，AM36）的催化效果。實驗結果表明，AM36的異山梨醇收率明顯高于其他樹脂，催化劑用量（w）從5%增加到7%對異山梨醇的收率沒有顯著影響；溫度越高，反應速率越快；反應時間越長，異山梨醇的收率越高。在連續除水條件下，以5%（w）的AM36為催化劑，在150 ℃下攪拌4 h，山梨醇的轉化率（100%）和異山梨醇的收率（99.8%）最高。

工業磺酸樹脂（Purolite型和Amberlyst型）被用作山梨醇脫水制備異山梨醇的酸性催化劑［38］。研究發現，在150 ℃下反應12 h，異山梨醇的收率最高，為75%。

以對苯乙烯磺酸鈉（SPSS）和DVB為原料，采用水熱法和離子交換法制備了一系列疏水聚合物基固體酸催化劑PDS［39］。通過改變SPSS的用量和SPSS與DVB的摩爾比，可以控制催化劑的比表面積、酸密度和疏水性。實驗結果表明，PDS催化劑具有介孔結構、高比表面積，酸性中心豐富，具有較高的熱穩定性和超疏水性。當SPSS與DVB的摩爾比為0.3時，催化劑表現出良好的催化性能，150 ℃下反應12 h，異山梨醇收率為81.7%，由此得出結論：1）與傳統的多相酸催化劑相比，PDS具有更大的比表面積，較高的酸中心濃度和超疏水性。這些性質為山梨醇高效催化脫水制備異山梨醇提供了必要的條件；2）與比表面積相比，酸濃度對山梨醇脫水的影響更顯著；3）山梨醇在PDS催化劑表面更易擴散，因此對山梨醇脫水反應具有較好的催化效果。

Dabbawala等［40］采用有機模板法直接水解氧化硫酸鈦制備介孔硫酸鈦固體酸（MST）。與傳統方法制備的硫酸鈦相比，該方法避免了繁瑣的操作步驟，所制備的納米MST催化劑對山梨醇無溶劑脫水反應具有顯著的催化活性。不同溫度煅燒的催化劑具有多孔結構和高比表面積，催化劑的硫含量和活性可通過煅燒溫度進行調節。催化劑的介孔結構和硫含量對提高山梨醇的轉化率和異山梨醇的選擇性起著重要作用。MST-450（450 ℃煅燒制備的MST）具有最高的催化活性和異山梨醇選擇性，在180 ℃下反應2 h，山梨醇轉化完全，異山梨醇選擇性為70%。。

不同類型的硅酸鋁分子篩也可用作山梨醇脫水制異山梨醇的多相催化劑［41］。在200 ℃下反應2 h，硅鋁比為75的BEA型硅酸鋁分子篩的異山梨醇收率高達80%。山梨醇的反應速率與溫度密切相關：在180 ℃下反應2 h，山梨醇的轉化率為43%，而在220 ℃時，山梨醇的轉化率達到99%。在180，200，220 ℃下，異山梨醇的收率分別為81%（反應60 h），77%（反應20 h）和74%（反應6 h）。雖然增加催化劑的用量可以提高山梨醇的轉化率，但相應的異山梨醇收率并不一定提高，說明副產物的生成逐漸增加。

以固體山梨醇為原料、沸石為催化劑、原料與催化劑的質量比為100∶3［42］時，產品中異山梨醇的純度大于80%（w）。該方法催化劑用量少，后處理工藝簡單，催化劑可回收。

山東福田藥業有限公司［43］以全氟磺酸樹脂和碳基鈀的混合物為催化劑、氫氣為抗碳化劑，制備了一種無碳化、顏色淺的異山梨醇反應溶液。溶劑結晶前用低溫濃縮法除去大部分鈣鹽。實驗結果表明，全氟磺酸樹脂與碳基鈀的最佳質量比為8∶1時，得到異山梨醇的收率為75.6%（產品純度為99.7%（w））。

以不溶性雜多酸AxH3-xPW12O40，AxH3-xPMo12O40，AyH4-ySiW12O40，AyH4-ySiMo12O40為催化劑（A為Ag+，Cs+，NH4+，Rb+，K+；x=1～2.5；y=1～3），在無溶劑和真空條件下將山梨醇轉化為異山梨醇，收率達75%以上［30］。以固體山梨醇為原料，在AgH2PW12O40上，140 ℃保溫80 min，山梨醇轉化率為99.5%，異山梨醇收率為89.6%。而在相同條件下，使用磷酸鋯為催化劑時山梨醇的轉化率僅為48.3%，幾乎沒有生成異山梨醇。

通過將山梨醇與溶劑（酯、酮、醚和碳氫化合物中的一種或兩種）和固體酸催化劑（強酸陽離子交換樹脂、氫分子篩或Keggin型雜多酸中的至少一種）接觸，也可以高效、高選擇性的制備異山梨醇［44］。實驗結果表明，A-70（酸性陽離子交換樹脂Amberlyst-70）、HSiW（Keggin型磷鎢酸、硅鎢酸雜多酸）和H-β是很有效的催化劑。在適宜的溶劑存在下，山梨醇的轉化率可達90%以上。溶劑與山梨醇的最佳摩爾比為1～70，而催化劑與山梨醇的最佳摩爾比為0.005～1。

中國科學院山西煤炭化學研究所［45］以二乙烯基苯磺酸鈉和對苯磺酸鈉的混合物為催化劑制備了異山梨醇，其中，對苯磺酸鈉與DVB的摩爾比為0.085～10。山梨醇與催化劑的質量比為1～300，反應溫度為100～300 ℃，壓力為0.01～0.05 MPa，催化劑與原料的最佳質量比為1∶100。在150 ℃下12 h后，山梨醇轉化率為94%，異山梨醇選擇性為91%。

使用帶有苯磺酸基官能團的碳基固體酸催化山梨醇轉化為異山梨醇［46］，典型的反應條件為：溫度140～200 ℃、反應壓力30～60 kPa 、固體酸質量為山梨醇質量的1% ～10%。當介孔炭與對氨基苯磺酸的質量比為1∶6時，山梨醇的轉化率達到100%，異山梨醇的收率為83%。

2 纖維素制備異山梨醇

纖維素由脫水的葡萄糖單元組成，這些單元通過β-1，4-糖苷鍵連接［47-48］。纖維素可以通過水解糖苷轉化為葡萄糖。在纖維素轉化過程中，葡萄糖是一種非常重要的中間體［32，48］。纖維素可以在酶催化下降解為葡萄糖，然后將葡萄糖氫化生成山梨醇，最后通過山梨醇的二級脫水制得異山梨醇，反應路線見圖4。纖維素一步法制備異山梨醇通常是在雙功能催化劑或復合多功能催化劑作用下進行的，一般采用貴金屬Ru/C與固體或液體酸組成的二元催化體系。鄧甜音等［49］使用固體酸和Ru/C加氫催化劑將纖維素轉化為異山梨醇，研究發現并非所有酸中心都是催化活性中心，且固體酸的結構可能影響異山梨醇的選擇性。梁觀峰等［50］通過雙催化劑實現了高濃度纖維素直接轉化為異山梨醇，纖維素在水溶液中經快速水解、選擇加氫、脫水和環化反應制得異山梨醇。該方法為生物質轉化為高分子材料提供了一條新的途徑，具有廣闊的應用前景和巨大的經濟效益和環境效益。

圖4 纖維素制備異山梨醇反應路徑Fig.4 Reaction pathway for the conversion of cellulose into isosorbide.

中國科學院大連化學物理研究所［51］在脂肪酮存在下，以1，4-脫水山梨醇為原料，通過固體酸催化縮酮化和分子內醚化制備異山梨醇。研究發現在3-戊酮與原料摩爾比為50∶1時，使用10%（w）的H-Beta催化劑在200 ℃下進行反應，反應結束后1，4-脫水山梨醇完全轉化，異山梨醇收率為97%。該方法反應條件溫和、操作簡單、產物易分離、催化劑可回收利用，為從山梨醇脫水制備異山梨醇開辟了一條新途徑。

以纖維素為原料，用H4SiW12O40與Ru/C為催化劑，合成異山梨醇時，山梨醇酐異構體的形成對異山梨醇的制備至關重要［52］。實驗結果表明，除1，5-山梨醇酐和2，5-山梨醇酐外，只有1，4-山梨醇酐和3，6-山梨醇酐異構體能進一步脫水生成異山梨醇。由于H4SiW12O40對纖維素具有很高的親和力，且無毒、易于回收、對環境友好，因此選擇H4SiW12O40為酸性催化劑。以去除木質素的麥草漿為原料，異山梨醇收率可達63%［47，53］。

Zhang等［27］以山梨醇脫水副產物為原料，通過原位部分炭化和低溫磺化制備了含碳固體酸催化劑，在水熱碳化過程中加入P-TSA為強酸性催化劑，促進副產物脫水形成碳網絡。Xi等［54］通過浸漬法制備了一系列NbOPO4催化劑，實驗結果表明，酸用量越高，催化劑催化性能越好。他們還對反應條件進行了優化，發現高溫（大于200 ℃）會使纖維素水解產生的葡萄糖快速降解，從而抑制了山梨醇的生成，進而影響異山梨醇的生成；較溫和的條件（小于190 ℃）雖然可以得到較高的山梨醇收率，但脫水速率較慢，反應18 h才能得到較高的異山梨醇收率（66%）。

目前纖維素催化制備異山梨醇已由多步反應發展到一步反應，反應的主要難點在于纖維素的結構非常穩定，不易溶解，反應條件較為苛刻，轉化制備異山梨醇時選擇性較低。若能開發出高活性且穩定的雙功能催化劑，由纖維素制備異山梨醇具有極大的工業化發展前景［55］。

3 結語

國內多采用熔融方法制備異山梨醇，工藝成本較低，但所得產品純度較低，且生產規模較小，只能在間歇性反應釜中制備，無法形成連續性生產。固體酸具有可重復使用、易于分離和回收等優點，克服了無機酸在應用中的缺陷，各種高性能固體酸成為生物質脫水制備異山梨醇的新型環保催化劑。

目前，非均相法制備異山梨醇仍存在催化選擇性低、副產物多、制備步驟復雜等缺點，需要更深入的研究。現有的催化劑遠不能滿足綠色、高效、可持續發展的要求，缺乏有效的固體酸催化劑使異山梨醇無法實現工業化大量生產，迫切需要合成高效率、高穩定性及易回收的催化劑。而多相催化劑的催化活性主要受表面酸中心、酸度、酸容量、孔結構和比表面積的影響，清楚地了解催化劑的孔結構和表面酸中心的性質，對于提高異山梨醇的選擇性和抑制各種副反應具有重要價值。因此，催化合成異山梨醇仍需進一步的研究。非均相催化劑的研究將為建立大規模的異山梨醇連續生產工藝鋪平道路。