中国林科院林化所蒋剑春院士团队提出微波耦合半纤维素多级串联高效转化糠醛新策略

研究背景

糠醛是农林剩余物高值化利用的关键平台化学品，其下游产品对多个基础工业至关重要，如生物基材料、燃料和化学品的制备。然而，产品得率低（<30%质量得率）、过程能耗高（20t蒸汽/t产品）限制了其相关产业的高质量发展。

研究进展

中国林科院林化所蒋剑春院士团队根据溶剂介电特性，提出了微波耦合溶剂体系构建的策略，开发了一种用于戊糖定向液化和糠醛分级分离的微波耦合双相溶剂系统（图1）。重点关注微波功率耦合溶剂蒸气压对反应路径的影响。通过比较常规加热和微波耦合下糠醛在γ-戊内酯（GVL）/氯化钠溶剂体系中的分配系数差异，研究了微波促进糠醛原位分离的机制。相较于传统加热下糠醛29.33的分配系数，微波条件下糠醛的分配系数高达35.68。

通过反应动力学验证了木聚糖多级串联转化为糠醛的机制，强调微波能量与底物之间的耦合效应（图2）。阐明了微波功率在木聚糖糖苷键解聚和木糖异构脱水过程中的作用。在水解初始阶段使用高功率微波可迅速解聚木聚糖中的糖苷键，从而使87.9 mol%的木糖迅速释放出来。随后的低功率脱水步骤促进了糠醛的形成，并立即将其转移到萃取相中，从而最大程度地减少了副反应和产品损失。最终，在优化条件下（140°C，20分钟），该方案从木聚糖中获得了85.38 mol%的糠醛收率，超过了传统加热条件下120分钟获得的78.1 mol%。

此外，以真实生物质为原料对该工艺的可行性进行了评估，其中小麦秸秆能够生产62.72 wt%糠醛。对传统加热和微波加热进行了实验室水平的能耗对比，结果表明微波加热较传统加热能够节能75%以上（图3）。这种方法为高效和可扩展的糠醛生产提供了一种可行的策略。

未来展望

作者利用溶剂介电特性，提出了微波条件的溶剂体系筛选原则。通过将微波能量与反应物的特性耦合，优化了微波能量的利用。因此，根据微波选择性加热的特点，通过与最匹配的溶剂系统耦合，能够有效促进戊糖转化，并且，防止了过热导致的能耗损失。有望为生物质耦合微波的工业化应用提供技术支持，在低值林木资源高效转化为高值化学品方面具有重要的应用前景。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1008