【文献解读】ACS Sustain: 化学-酶转化葡萄糖制备5-羟甲基糠醛：离子液体-超声的协同作用

木质纤维素高效转化制备工业相关的高附加值化学品是当前研究的热点，其目的在于石油资源替代或最小量利用。生物质是一种大量存在的、低环境影响、低成本的原料，其中一大部分来源于农业废弃物。因此，从经济性和环境角度考虑，木质纤维素的利用是有价值的。

Scheme 1. Reactions studied and IL mixtures used.

近日，Francesca D’Anna教授等报道了通过化学-酶两步将葡萄糖转化为5-羟甲基糠醛的方法：分别为葡萄糖异构酶（GI）催化葡萄糖异构化制备果糖和Amberlyst 15催化果糖脱水制备5-羟甲基糠醛。值得一提的是，论文采用了蓝藻提取物和市售GI一同作为异构化催化剂，在H₂O/[bmim][Cl]_0.5[BF₄] ]_0.5共溶剂和超声的作用下，制备了C_Fructose 50 %的果糖和C_5-HMF 74 %的5-羟甲基糠醛，超声的作用也大大缩短了反应时间。

Figure 1. C_Fructose from glucose in water, in the presence of 10 wt % of immobilized GI, at 60 °C.

作者对异构化和脱水转化两步反应分别进行优化，首先，作者采用市售GI对葡萄糖异构化制备果糖进行条件筛选，图1，结果显示：10% GI用量，60℃ 8h处理下能够得到C_Fructose 50 %的果糖。

Figure 2. C_Fructose from glucose in water, in the presence of 10 wt % of commercial GI, at 60 °C, 5 mg/mL of MgSO₄ 7H₂O, and 5 mg/mL of MgSO₄ 7H₂O and 145 mg/mL of NaCl.

作者进一步探索的2价阳离子和氯离子对酶催化效果的影响，如图2，结果显示，MgSO₄  7H₂O的添加能够在3h内得到C_Fructose 40 %的果糖。氯离子的添加能够促进酶的作用，4h就能达到C_Fructose 50 %的果糖。

Figure 3. C_Fructose from glucose in water, in the presence of 5 mg/mL of MgSO₄ 7H₂O, 145 mg/mL of NaCl and variable amounts of GI, at 60 °C.

最后作者对第一步催化剂的用量进行了优化，如图3。作者也采取了2.5%和5%的催化剂用量，结果显示：在5%催化剂用量以下对催化速率有较大影响，进一步提高催化剂用量对催化活性影响不大。

Figure 4. C_Fructose from glucose in water, at 60 °C, in the presence of variable amounts of GI from cell extract, MgSO₄∙7H₂O (0.6 mg/mL), and CoCl₂∙6 H₂O (0.12 mg/mL).

基于以上优化，作者进一步探索了天蓝色链霉菌提取物对异构化的作用，结果如图4显示：在6mg/ml酶的作用下，24h后C_Fructose果糖达到49%，进一步提高酶浓度对果糖得率影响不大。

Figure 5. C_Fructose from glucose in water, at 60 °C, in the presence of 6 mg/mL of GI from cell extract and a) variable initial amounts of glucose and b) variable amounts of MgSO₄ 7 H₂O and CoCl₂∙6 H₂O.

接下来，作者同样对葡萄糖底物浓度和二价金属阳离子的作用进行了探索，如图5。结果显示：在保持底物浓度和酶含量比例相同的条件下，果糖得率基本相同，说明了本实验的可重复性；二价金属阳离子对果糖产率影响不大，但是对反应速率略有促进作用。

Figure 6. C_5-HMF from fructose, at 100 °C, in the presence of 50 mg Amberlyst and 1.5 mg/mL of MgSO₄ ∙7H₂O in a) H₂O, [bmim][Cl]_0.5[BF₄]_0.5 and [bmim][Cl]_0.5[BF₄]_0.5 without catalyst , b) ternary mixtures H₂O/[bmim][Cl]_0.5[BF₄]_0.5, at variable water-IL mass ratios, c) binary and ternary water/IL mixtures, and d) in H₂O/[bmim][Cl]_x[BF₄]_1-x 1:3 w:w ternary mixtures.

对异构化反应优化后，作者对果糖脱水制备5-羟甲基糠醛进行了探索，首先在100℃，水和离子液体 [bmim][Cl]_0.5[BF₄]_0.5共溶剂作用下，对反应体系进行优化，结果如图6。结果显示：离子液体溶剂对Amberlyst 15催化果糖脱水制备5-羟甲基糠醛具有促进作用，[bmim][Cl]_0.5[BF₄]_0.5为溶剂时，5min 5-羟甲基糠醛得率超过60%，1.5h后达到最大值75%，并且离子液体回收利用5次依然不影响5-羟甲基糠醛得率。

作者也研究了不同水和离子液体比例对果糖脱水的影响，结果表明，水含量的减小有利于脱水反应，H₂O/[bmim][Cl]_0.5[BF₄]_0.5 1:3 w:w体系中，40min 5-羟甲基糠醛得率达77%，H₂O/[bmim][Cl]_0.5[BF4]_0.5 1:1 w:w体系中，4h 5-羟甲基糠醛得率达87%；对不同种类离子液体研究也发现，H₂O/[bmim][Cl]_0.5[BF₄]_0.5三元混合物是较好的溶剂介质；最后作者也探索了离子液体中阴离子的比例对脱水效果的影响，如图6d，研究发现，改变离子液体混合物中阴离子的相对比例对5-羟甲基糠醛产率影响不大，但主要影响其反应速率。最终，作者选取了5-羟甲基糠醛产率高，反应速度快的H₂O/[bmim][Cl]_0.5[BF₄]_0.5 1:3 w:w三元混合物作为脱水的最佳溶剂介质。

Figure 7. C_5-HMF from glucose for the chemo-enzymatic sequential conversion after isomerization promoted by a) commercial GI and b) GI activity of S. coelicolor crude cell extract.

基于前期优化，作者接下来研究了化学-酶作用下葡萄糖连续转化为5-羟甲基糠醛，如图7a；结果显示：采用市售GI酶催化剂，最终可得到40%的5-羟甲基糠醛；而采用实验提取的GI催化剂，甚至得到更高（50%）的5-羟甲基糠醛产率。

与文献报道的体系对比（表1）也可以发现，本论文所采用的体系与市售或提取的催化剂体系催化性能上可比较甚至更优。

Figure 8. a) C_Fructose from glucose for the US-promoted and silent isomerization, at 50 °C, in the presence of 5 mg/mL of MgSO₄ 7H₂O, 145 mg/mL NaCl, and 10 wt % of commercial GI. b) C_Fructose from glucose for the US-promoted isomerization, at 50 °C, in the presence of 5 mg/mL of MgSO₄ 7 H₂O, 145 mg/mL NaCl, and variable amounts of commercial GI.

最后，作者探索了超声对反应体系的作用，如图8。结果表明，超声对果糖异构化具有显著的促进作用，在超声作用下，2h就能得到50%的果糖产率，而未加超声4h也只得到40%产率的果糖，更有意思的是，超声的作用能够显著降低反应温度且不影响反应效率；不同酶负载量在超声的作用下均显示出类似的结果，说明超声能够显著降低催化剂的用量，进而降低成本。

Figure 9. C_5-HMF for the US promoted dehydration of fructose, at 50 °C, in the presence of 50 mg Amberlyst and 1.5 mg/mL of MgSO₄∙7H₂O, in H₂O/[bmim][Cl]_0.5[BF4]_0.5 1:3 w:w and silent reaction at 100 °C.

超声同样对果糖脱水具有促进作用，如图9，在超声的活化作用下，50℃，20min便可获得74%的5-羟甲基糠醛得率，与未加超声100℃的作用效果相当。

本论文研究了化学-酶作用下葡萄糖转化为5-羟甲基糠醛，市售GI或蓝藻粗提物的GI对葡萄糖的异构化具有促进作用，进一步用Amberlyt15催化果糖脱水制备5-HMF。在市售GI的作用下，分别在3.5h异构化和1h脱水后获得40%的总5-羟甲基糠醛产率，提取的GI可在24h异构化和1h脱水后获得50%的5-羟甲基糠醛产率。超声对以上两步均具有显著的促进，增效作用，可通过降低催化剂用量和温度来进一步降低反应成本；本论文提供了一种可持续的化学-酶作用葡萄糖转化为5-羟甲基糠醛的有效方法。

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cssc.201200065

Salvatore Marullo, Alberto Sutera, Giuseppe Gallo, Floriana Billeci, Carla Rizzo, and Francesca D'Anna. Chemo-enzymatic Conversion of Glucose in 5-hydroxymethylfurfural: the joint effect of Ionic Liquids and Ultrasound. ACS Sustainable Chem. Eng., 2020 DOI:10.1021/acssuschemeng.0c02555.