本發(fā)明屬于生物技術領域。

背景技術：

固體酸催化劑是一種新型的綠色催化劑，與傳統(tǒng)的無機酸催化劑，金屬鹽催化劑相比，其具有制備簡單、對設備腐蝕性小、熱穩(wěn)定性好、易回收、可循環(huán)利用等特點。生物質碳基固體酸是以糖類化合物或生物質為原料，經不完全碳化和磺化制備而成。

現有技術中，一般以蔗糖、葡萄糖、淀粉等為原料，進行不完全碳化再進行磺酸化處理獲得生物質碳基固體酸。2004年，Hara H等利用稠環(huán)芳烴葡萄糖和微晶纖維素等含碳化合物制備出含有高密度磺酸基團的新型碳基固體酸。2005年，Toda M等以葡萄糖為原料，在400℃下進行不完全碳化，然后將其粉末與濃H₂SO₄在150℃下進行磺酸化，得到碳基固體酸催化劑。國內研究人員近年來以蔗糖、木粉和淀粉為原料合成固體酸催化劑，用于水解纖維素都取得了良好的效果。

目前，對碳基固體酸的研究主要集中在將其用于纖維素的水解，而用合成的碳基固體酸催化單糖水解缺乏相關研究。

技術實現要素：

本發(fā)明的技術目的在于提供一種新型的生物質碳基固體酸，制備該生物質碳基固體酸的方法，以及利用該固體酸合成5-羥甲基糠醛中的應用。

具體的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種制備生物質碳基固體酸的方法，其中，其合成的具體步驟依次為：

(1)生物質原料的碳化，將生物質置于密封的容器中，用氮氣排空密封容器，在450-500℃加熱5-6h，保持充氮狀態(tài)至常溫，獲得黑色固體；將黑色固體研磨過篩獲得碳化生物質，備用；

(2)碳化生物質的磺酸化，將步驟(1)獲得的碳化生物質加入到干物質含量為20-23wt.％的發(fā)煙硫酸中，80℃煮沸10h，獲取黑色沉淀物，用水沖洗至沖洗的水中經檢測不再含有硫酸根離子；

(3)干燥步驟(2)中的黑色沉淀物，獲得生物質碳基固體酸。

本發(fā)明所述的方法，其中，所述發(fā)煙硫酸和碳化生物質的質量數量比為，碳化生物質：發(fā)煙硫酸為1：4-25。

本發(fā)明所述的方法，其中，所述生物質為甘蔗渣、微晶纖維素中的一種。

上述任一方法制備得到的生物質碳基固體酸，其中，該固體酸的表面酸量為1.1-1.2mmol/g。

利用上述任一生物質碳基固體酸合成5-羥甲基糠醛的方法，其中，將單糖與生物質碳基固體酸接觸，并加入溶劑DMSO，在密封容器中充氮飽和處理，在373-413K的溫度下，反應0-8h，在混合液中分離獲得5-羥甲基糠醛。

本發(fā)明所述的方法，其中，所述單糖為葡萄糖、果糖中的一種。

本發(fā)明所述的方法，其中，所述DMSO、單糖、生物質碳基固體酸的質量比為，100：5-10：2。

利用本發(fā)明獲得的固體酸催化葡萄糖和果糖生成5-羥甲基糠醛，其轉化率和得率最高分別達到99％和64％。

附圖說明

附圖1固體酸C-SO₃H(a-b)和B-SO₃H(c-d)的SEM照片，(a)(c)：整體的照片，(b)(d)：放大后的照片。

圖2所制得的碳化產物在磺酸化前后的XRD圖。

圖3所制備的碳化產物在磺酸化前后的紅外光譜圖。

具體實施方式

在實施例方案中，所用到的材料與設備說明如下。

材料：微晶纖維素(97％純度)，分析純，購自上海沃凱試劑有限公司；發(fā)煙硫酸(20～23wt.％SO₃)、氯化鈉、氫氧化鈉、濃硫酸(98％純度)，分析純，購自于國藥集團化學試劑有限公司；乙酰丙酸(LA，99％純度)，購自于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

儀器：安捷倫1100高效液相色譜儀(HPLC)，RID檢測器，Bio-rad Aminex HPX-87H(300mm×7.8mm)色譜柱。Nicolet iS50型傅里葉紅外光譜儀，美國熱電(上海)科技儀器有限公司；PXS-450型精密離子計，上海大普儀器有限公司；XJA-100A型粉碎機，江蘇金壇市億通電子有限公司；SX2-5-12型箱式電阻爐，上海躍進醫(yī)療器械廠；S-3000N型掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司；D8ADVANCE型X射線衍射儀，德國BRUK公司。

實施例1：本實施例說明制備固體酸催化的方法

在本實施例中，在箱式電阻爐中制備固體酸，具體步驟為：

(1)連接好箱式電阻爐管路，打開N2，流速設為100mL/min，用肥皂水檢查氣密性并保證無漏氣，預先通入氮氣5min，排盡管內空氣，N2流速設置為60mL/min，備用；

(2)稱取微晶纖維素粉末50g，在450℃的N2氣流加熱6h，以產生黑色固體，冷卻,然后將其研磨成粉末，得到12.76g，為C。

(3)將碳化后的固體粉末加入發(fā)煙硫酸(20-23wt.％SO₃)，碳化后的微晶纖維素加入150mL發(fā)煙硫酸，在80℃煮沸10h。

(4)冷卻至室溫后，將懸浮液過濾，得到黑色沉淀物，將其反復用熱蒸餾水(80℃，3L)洗滌，直到雜質不再被檢測到，例如硫酸根離子在洗滌用水中不再被檢測到?；撬峄蟮奈⒕Юw維素記為C-SO₃H。

本實施例中獲得的生物質碳基固體酸為C-SO₃H。

實施例2：本實施例說明另一制備固體酸催化的方法

在本實施例中，在箱式電阻爐中制備固體酸，具體步驟為：

(1)連接好箱式電阻爐管路，打開N2，流速設為100mL/min，用肥皂水檢查氣密性并保證無漏氣，預先通入氮氣5min，排盡管內空氣，N2流速設置為60mL/min，備用；

(2)甘蔗渣粉200g在500℃的N₂氣流下在加熱5h，以產生黑色固體，冷卻,然后將其研磨成粉末,得到69.96g，為B。

(3)將碳化后的固體粉末加入發(fā)煙硫酸(20-23wt.％SO₃)，碳化后的微晶纖維素加入150mL發(fā)煙硫酸，碳化后的甘蔗渣粉末加入500mL發(fā)煙硫酸,在80℃煮沸10h。

(4)冷卻至室溫后，將懸浮液過濾，得到黑色沉淀物，將其反復用熱蒸餾水(80℃，3L)洗滌，直到雜質不再被檢測到，例如硫酸根離子在洗滌用水中不再被檢測到?；撬峄蟮母收嵩洖锽-SO₃H。本實施例中獲得的生物質碳基固體酸為B-SO₃H。

實施例3：本實施例說明另一制備固體酸催化的方法

(1)連接好箱式電阻爐管路，打開N₂，流速設為100mL/min，用肥皂水檢查氣密性并保證無漏氣，預先通入氮氣5min，排盡管內空氣，N2流速設置為60mL/min，備用；

(2)甘蔗渣粉150g在480℃的N₂氣流下在加熱5.5h，以產生黑色固體，冷卻,然后將其研磨成粉末,得到37.31g，為B。

(3)將碳化后的固體粉末加入發(fā)煙硫酸(20-23wt.％SO₃)，碳化后的微晶纖維素加入150mL發(fā)煙硫酸，碳化后的甘蔗渣粉末加入500mL發(fā)煙硫酸,在80℃煮沸10h。

(4)冷卻至室溫后，將懸浮液過濾，得到黑色沉淀物，將其反復用熱蒸餾水(80℃，3L)洗滌，直到雜質不再被檢測到，例如硫酸根離子在洗滌用水中不再被檢測到?；撬峄蟮母收嵩洖锽-SO₃H。

實施例4 本實施例說明實施例1與實施例2獲得的生物質碳基固體酸C-SO₃H，B-SO₃H的特性情況。

本實施中，所使用的材料為實施例1與實施例2中合成的材料。

(1)生物質碳基固體酸的表面酸量

生物質碳基固體酸表面酸量通過中和滴定法測定，即將0.1g生物質碳基固體酸加入到20mL 2mol·L^-1的NaCl溶液中，室溫下攪拌24h，使生物質碳基固體酸表面的H⁺和Na⁺交換達到平衡。過濾，清液用13.5mmol·L^-1的NaOH溶液滴定。得到如下結果：

表1催化劑表面酸量

(2)生物質碳基固體酸的形貌

用SEM直觀地觀察了C-SO₃H和B-SO₃H催化劑的微觀結構。如圖1(a)-1(d)所示，由圖(b)(d)可以清晰地看到，該催化劑主要是由一些形狀不規(guī)則，大小為1-10μm的無形碳顆粒組成。這些顆粒大多具有片狀或層狀的結構，堆積得比較緊密。

(3)生物質碳基固體酸的XRD譜圖

將所制得生物質碳化產物在磺酸化前后進行XRD表征，如圖2所示，以微晶纖維素和甘蔗渣為原料所制得的固體酸催化劑的XRD圖中均存在兩個峰形較寬的饅頭峰：2θ(°)＝20-30°，2θ(°)＝35-50°。前者代表碳的不定型結構，后者代表類似于石墨構型的峰?？梢?，該固體酸催化劑是由類似于石墨層面的多環(huán)芳烴以隨機方式組成的不定型碳結構。所有XRD圖中出現的尖銳峰代表甘蔗渣中殘余的灰分。

由圖2可知,(a)圖是以微晶纖維素為原料碳化并經磺酸化后的XRD圖，(b)圖是以甘蔗渣為原料碳化并經磺酸化后的XRD圖，衍射峰(2θ(°)＝20-30°)均變窄，并向高角度值位移(a和b均從23°到25°)，表明磺酸化能使碳化產物進一步聚合。然以甘蔗渣為原料所制得的碳化產物在磺酸化后的衍射角更小，表明B-SO₃H聚合度低于C-SO₃H，這可能會導致甘蔗渣的磺酸化產物的酸強度低于微晶纖維素的磺酸化產物。

(4)生物質碳基酸催化劑的紅外光譜圖

分別比較不同條件下所制備的微晶纖維素和甘蔗渣碳化產物和磺酸化產物的紅外光譜圖 (圖3)，其相對應的官能團列在表2中。如圖3所示，發(fā)現微晶纖維素和甘蔗渣，碳化處理及磺酸化處理后(Carbonized C與Carbonized B，C-SO₃H與B-SO₃H)，其特征峰(羥基、芳烴、羰基和磺酸基團)的峰形和峰位均未發(fā)生明顯變化，提示不同的處理方法對基于微晶纖維素和甘蔗渣的碳化產物和磺酸化產物之結構影響甚微。通過比較圖3中每種處理方法的碳化產物與磺酸化產物，可知磺酸化不僅引入了-SO₃H基團(圖中1025cm^-1，1161cm^-1)，同時導致基于微晶纖維素和甘蔗渣的固體酸催化劑的脂肪烴C-H的振動峰(2989cm^-1)明顯增強，可見，磺酸化可能使所制備碳化產物的碳骨架發(fā)生一定的結構變化。

表2主要官能團及其對應的紅外光譜

(注^a：s，強；m，中；w，弱)

實施例5本實施例說明利用實施例1和實施例2獲得的固體酸催化葡萄糖與果糖制備5-HMF的方法。

在5mL的安瓿瓶中加入50mg葡萄糖，20mg實施例1所制備的固體酸催化劑C-SO₃H和1.0g溶劑DMSO，對其進行5min的沖氮飽和處理，并采用酒精噴燈封口，50℃溶解5min，在373K、383K、393K、403K、413K的油浴條件下，分別加熱0-480min，取適量的反應溶液并稀釋到一定倍數，用0.22m的水系濾膜過濾，用HPLC儀檢測，用外標法定量，每個樣做3個重復。

在5mL的安瓿瓶中加入75mg果糖，20mg實施例2獲得的固體酸催化劑B-SO3H和1.0g溶劑DMSO，對其進行5min的沖氮飽和處理，并采用酒精噴燈封口，50℃溶解5min，在343K、353K、363K的水浴和373K的油浴條件下，分別加熱30-360min，取適量的反應溶液并稀釋到一定倍數，用0.22m的水系濾膜過濾，用HPLC儀檢測，用外標法定量，每個樣做3個重復。

反應溫度和時間對葡糖糖和果糖轉化為5-HMF的影響，隨著反應溫度的升高和時間的延長，葡萄糖轉化率，果糖轉化率，5-HMF得率都呈不斷增加的趨勢。在403K的條件下，反應480min，葡萄糖轉化率達到最大值81.51±0.72％，5-HMF得率為8.077±0.35％，5-HMF得率較少為說明固體酸C-SO3H不利于催化葡萄糖異構化為果糖。在373K的條件下，反應480min，果糖轉化率達到最大值98.97±0.05％，5-HMF得率為61.27±1.47％。5-HMF在373K的溫度下發(fā)應180min時達到最大值64.29±1.47％。

在本實施例中，5-HMF、LA、葡萄糖、果糖的檢測均采用液相色譜法檢測，

$Y_{fructose}\left(\%\right)=(1-\frac{C_{fructose}\×N\×V\×{10}^{-3}}{m_{fructose}})\×100\%---\left(1\right)$

$Y_{5-HMF}\left(\%\right)=\frac{n_{5-HMF}}{n_{fructose}}\×100\%=\frac{m_{5-HMF}\×M_{fructose}}{m_{fructose}\×M_{5-HMF}}\×100\%---\left(2\right)$

$S_{5-HMF}\left(\%\right)=\frac{Y_{5-HMF}}{Y_{fructose}}\×100\%---\left(3\right)$

式(1)，(2)和(3)中，Y_fructose，Y_5-HMF和S_5-HMF分別為果糖轉化率，5-HMF得率和5-HMF選擇性；C_fructose(μg/mL)為通過HPLC測得的反應液中葡萄糖的濃度，N為反應液稀釋的倍數，V(mL)為反應液的體積，m_fructose(mg)為最初的果糖的質量，n_5-HMF為反應測得的5-HMF的物質的量，n_fructose為最初加入的果糖的物質的量。

此外，如果反應液中產生的乙酰丙酸，其得率同式(2)；在葡萄糖的水解發(fā)應中，葡萄糖轉化率，5-HMF得率和5-HMF的選擇性的計算公式分別同式(1)，(2)和(3)。