生物質(zhì)液化技術(shù)糖類轉(zhuǎn)化的介紹

關(guān)于生物質(zhì)液化技術(shù)糖類轉(zhuǎn)化的介紹第1頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三4.1糖概述1.人類（或動(dòng)植物）的三大能量（糖、蛋白質(zhì)、脂肪）來源之一。xCO2+yH2O+能量Cx(H2O)y+xO2植物光合作用動(dòng)物呼吸作用2.生理作用：植物的支持組織，細(xì)胞膜的組成部分；生物信息的攜帶、傳遞者。糖的主要功能第2頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三廣布于動(dòng)植物體中，所有生物的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核皆含核糖動(dòng)物血液含有葡萄糖，肝臟、肌肉中含有糖原，乳汁含有乳糖植物體的組分約85％～90％為糖類。植物的細(xì)胞壁、木質(zhì)部、棉花、竹木等除水分以外，幾乎全是由纖維素所組成。糧食（谷類）含豐富的淀粉，甘蔗和甜菜含大量蔗糖，鮮果含果糖和果膠所有這些核糖、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、糖原、果膠、纖維素、淀粉以及麥芽糖（俗稱飴糖）等都屬于糖類。哪些物質(zhì)屬于糖?第3頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三糖的分類按化學(xué)結(jié)構(gòu)醛糖酮糖按含碳數(shù)三糖（丙糖）四糖（丁糖）五糖（戊糖）六糖（己糖）按結(jié)構(gòu)單元數(shù)單糖二糖寡聚糖多糖糖類物質(zhì)是多羥基(2個(gè)或以上)的醛類(Aldehyde)或酮類(Ketone)化合物，或在水解后能變成以上兩者之一的有機(jī)化合物。在化學(xué)上，由于其由碳、氫、氧元素構(gòu)成，在化學(xué)式的表現(xiàn)上類似于“碳”與“水”聚合，故又稱之為碳水化合物。

通式為Cn(H2O)m，但不夠全面，例如脫氧糖是例外。糖的定義與分類第4頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三醛糖與酮糖葡萄糖果糖醛糖酮糖醛糖和酮糖分別具有醛和酮的性質(zhì)，也具有醇的性質(zhì)。第5頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三最簡單的醛糖和酮糖甘油醛二羥基丙酮醛糖和酮糖可以在適當(dāng)?shù)臈l件下相互轉(zhuǎn)換第6頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三按含碳數(shù)對(duì)糖分類根據(jù)糖分子結(jié)構(gòu)中含碳原子的多與少進(jìn)行劃分：丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖從3C糖至8C糖天然界都有存在。甘油醛赤蘚糖木糖葡萄糖葡庚糖第7頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三自然界中單糖以戊糖、己糖數(shù)量最大，結(jié)構(gòu)分多羥基醛、酮的開鏈、半縮醛環(huán)狀兩種形式天然情況以環(huán)狀占絕大多數(shù)。以葡萄糖為例吡喃環(huán)開鏈O？第8頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三開鏈C原子結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)吡喃環(huán)O半縮醛羥基比其它羥基更活潑第9頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三第10頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三第11頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三命名時(shí)為α（β）—D（L）—糖名椅式構(gòu)象與糖命名名？α—D—葡萄糖名？β—D—葡萄糖平面結(jié)構(gòu)空間構(gòu)象第12頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三水溶液中α-D-葡萄糖、β-D-葡萄糖和開鏈結(jié)構(gòu)三者是并存的。第13頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三戊糖，多為五元環(huán)呋喃糖，如核糖脫氧核糖oo第14頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三糖的相對(duì)甜度甜度是一個(gè)比較值，以蔗糖為標(biāo)準(zhǔn)定為100。第15頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三小常識(shí)（糖為什么是甜的？）

早在20世紀(jì)60年代，就有人提出了糖之所以甜，是因?yàn)樘穷惙肿又卸己卸嗔u基，多羥基中兩個(gè)氫原子之間有一定的距離，這個(gè)距離恰好能與舌頭上的味覺感受器形成化學(xué)吻合物。這種化學(xué)吻合物可以刺激味覺感受器，使其產(chǎn)生脈沖，進(jìn)而由神經(jīng)將脈沖傳入大腦，使人感到甜味。

糖精，它的甜度是蔗糖的500倍，過去曾用作糖的代用品。但它不是糖類，它是鄰磺酰苯甲酰亞胺，分子結(jié)構(gòu)中根本沒有多羥基。

第16頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三按結(jié)構(gòu)單元數(shù)對(duì)糖分類單糖：一般是含有3-6個(gè)碳原子的多羥基醛或多羥基酮。最簡單的單糖是甘油醛和二羥基丙酮。單糖是構(gòu)成各種糖分子的基本單位，天然存在的單糖一般都是D型。在糖通式中，單糖的n是從3-7的整數(shù)。單糖既可以環(huán)式結(jié)構(gòu)形式存在，也可以開鏈形式存在。單糖就是不能再水解的糖類，是構(gòu)成各種二糖和多糖的分子的基本單位。自然界已發(fā)現(xiàn)的單糖主要是戊糖和己糖。常見的戊糖有D-（-）-核糖、D-（-）-2-脫氧核糖、D-（+）-木糖和L-（+）-阿拉伯糖。它們都是醛糖，以多糖或苷的形式存在于動(dòng)植物中。常見的己糖有D-（+）-葡萄糖、D-（+）-甘露糖、D-（+）-半乳糖和D-（-）-果糖，前三者為醛糖，后者為酮糖。己糖以游離或結(jié)合的形式存在于動(dòng)植物中。第17頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三半乳糖甘露糖葡萄糖木糖阿拉伯糖代表性單糖的結(jié)構(gòu)第18頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三單糖：二糖又名雙糖，由二分子的單糖通過糖苷鍵形成，在一種單糖的還原基團(tuán)和另一種糖的醇羥基相結(jié)合的情況下，顯示出與單糖的共同化學(xué)性質(zhì)，諸如還原于Fehling溶液、變旋光化、脎形成等（如麥芽糖、乳糖），通過還原基結(jié)合的單糖則無這種性質(zhì)（如蔗糖、海藻糖）。二糖（雙糖）常見的二糖蔗糖：由一分子葡萄糖和一分子果糖脫水縮合形成。纖維二糖：兩個(gè)D-葡萄糖分子通過β構(gòu)型的1，4鍵連接起來的。麥芽糖：兩個(gè)D-葡萄糖分子通過α構(gòu)型的1，4鍵連接起來的。乳糖：由一分子β-D-半乳糖和一分子β-D-葡萄糖在β-1，4-位形成糖苷鍵相連。第19頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三二糖（雙糖）的結(jié)構(gòu)蔗糖麥芽糖纖維二糖乳糖第20頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三寡聚糖定義：由2～9個(gè)單糖基通過苷鍵鍵合而成的直糖鏈或支糖鏈的聚糖。按單糖數(shù)量：分二糖、三糖、四糖等。按還原性分：還原糖：有半縮醛羥基，即有C1-OH

或非還原糖：兩個(gè)單糖都以端基脫水縮合，分子中無半縮醛

羥基。第21頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三多聚糖定義：亦稱多糖。一個(gè)分子多聚糖水解時(shí)能生成10個(gè)分子以上單糖的糖叫多聚糖，如菊粉（果聚糖和葡果聚糖）、淀粉和纖維素（葡聚糖），可用通式(C6H10O5)n表示菊粉淀粉纖維素淀粉和纖維素的組成單元均為葡萄糖。第22頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三淀粉纖維素第23頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三如何利用糖類生物質(zhì)？第24頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三4.2六碳糖轉(zhuǎn)化制呋喃化學(xué)品果糖葡萄糖5-羥甲基糠醛（5-HMF）-3H2O-3H2O第25頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三5-羥甲基糠醛（5-HMF）的性質(zhì)5-HMF（5-hydroxymethylfurfural）（又名5-羥甲基-2-糠醛，羥甲基糠醛，5-羥甲呋喃甲醛或5-羥甲基-2-呋喃甲醛），是一種暗黃色針狀結(jié)晶，具有甘菊花味，有吸濕性，易液化，需避光低溫密封保存。5-HMF可由六碳糖脫水生成，分子中含有一個(gè)呋喃環(huán)，一個(gè)醛基和一個(gè)羥甲基，其化學(xué)性質(zhì)比較活潑，可以通過氧化、氫化和縮合等反應(yīng)制備多種衍生物，是重要的精細(xì)化工原料。熔點(diǎn)28-34°C沸點(diǎn)114-116°C1mmHg密度1.243g/mLat25°C折射率n20/D1.562閃點(diǎn)79°C儲(chǔ)存條件2-8°C敏感性對(duì)光和空氣敏感穩(wěn)定性對(duì)光敏感，易吸水第26頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三5-HMF的一些下游轉(zhuǎn)化工藝5-HMF的潛在應(yīng)用第27頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三5-HMF下游產(chǎn)品對(duì)石化產(chǎn)品的替代潛力5-HMF的氧化與還原5-HMF的還原與醚化能量密度30kJ/cm3能量密度30.3kJ/cm3汽油：能量密度31.1kJ/cm3；柴油：能量密度33.6kJ/cm3；乙醇：能量密度23.5kJ/cm3高分子聚合物高分子聚合物第28頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三5-HMF的縮合與精煉制備液態(tài)烷烴航空燃油C8-C16第29頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三乙酰丙酸平臺(tái)轉(zhuǎn)化示意路線第30頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三1.5-HMF具有芳香性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有呋喃結(jié)構(gòu)，官能團(tuán)種類較多。2.5-HMF主要通過六碳糖脫水制得。3.5-HMF是一種重要的化工中間體（平臺(tái)化合物），并不主要作為最終產(chǎn)物。4.以可再生的生物質(zhì)資源生產(chǎn)5-HMF給新型替代能源的開發(fā)提供了參考和發(fā)展方向。第31頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三生活中可能與5-HMF的接觸第32頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三4.3六碳糖轉(zhuǎn)化制呋喃化學(xué)品常見的己糖有D-（+）-葡萄糖、D-（+）-甘露糖、D-（+）-半乳糖和D-（-）-果糖，前三者為醛糖，后者為酮糖。己糖以游離或結(jié)合的形式存在于動(dòng)植物中。主反應(yīng)六碳糖-3H2O+H2OHCOOH+humins腐殖質(zhì)副反應(yīng)副反應(yīng)其他化合物分子量126.11分子量180.16第33頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三5.3.1果糖轉(zhuǎn)化制5-HMF果糖中含6個(gè)碳原子，也是一種單糖，它以游離狀態(tài)大量存在于水果的漿汁和蜂蜜中，果糖還能與葡萄糖結(jié)合生成蔗糖。純凈的果糖為無色晶體，熔點(diǎn)為103～105℃，它不易結(jié)晶，通常為黏稠性液體，易溶于水、乙醇和乙醚。D-果糖是最甜的單糖。sugarα-pyranoseβ-pyranoseα-furanoseβ-furanoseopen-chainFructose2.5%65%6.5%25%0.8%α-D-吡喃果糖β-D-吡喃果糖α-D-呋喃果糖β-D-呋喃果糖第34頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三果糖轉(zhuǎn)化制5-HMF的影響因素工藝條件催化劑的選擇反應(yīng)溫度反應(yīng)時(shí)間底物濃度溶劑或反應(yīng)體系的選擇加熱方式非水溶劑中含水量的影響第35頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三果糖轉(zhuǎn)化制5-HMF的反應(yīng)溶劑（體系）水極性有機(jī)溶劑水/有機(jī)溶劑雙相體系離子液體超臨界流體第36頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三水作溶劑水是最為廉價(jià)和綠色的溶劑，但大量作為溶劑對(duì)于果糖（或糖類）脫水轉(zhuǎn)化制5-HMF具有負(fù)面效應(yīng)，因其能抑制果糖的脫水，并造成5-HMF的水解。因此，如果采用水作為果糖轉(zhuǎn)化的溶劑，通常與高溫或其他特殊方式結(jié)合。極性有機(jī)溶劑作反應(yīng)溶劑針對(duì)果糖（或糖類）轉(zhuǎn)化制5-HMF的常用溶劑包括：二甲基亞砜（DMSO），N,N-二甲基甲酰胺（DMF），N,N-二甲基乙酰胺（DMA），N-甲基吡咯烷酮（NMP），乙醇，異丙醇等。這些溶劑一方面可能會(huì)促進(jìn)脫水反應(yīng)的進(jìn)行，另一方面可能會(huì)抑制副反應(yīng)的發(fā)生，但應(yīng)注意醇類可能與5-HMF發(fā)生醚化。第37頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三水/有機(jī)溶劑雙相體系作溶劑水作為溶劑具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于5-HMF的生成具有抑制作用，而有機(jī)溶劑對(duì)于果糖的轉(zhuǎn)化以及5-HMF的穩(wěn)定性具有正面影響作用。因此，有效地將水與有機(jī)溶劑結(jié)合成雙相體系可能具有如下的優(yōu)點(diǎn)：1.水對(duì)于糖類的溶解度大，可解決果糖的溶解問題。2.水的成本較低，且綠色。3.由于與水溶液分層，生成的5-HMF將會(huì)被萃取到有幾層中，減少在水溶液中發(fā)生副反應(yīng)的可能。4.分層后的有機(jī)相可以直接分離，并進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)物提純，減少了產(chǎn)物5-HMF從整個(gè)反應(yīng)體系中分離的能耗。第38頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三目前較為常用的雙相體系包括：水/MIBK（甲基異丁酮），水/THF（四氫呋喃），水-DMSO-PVP/MIBK-異丁醇，水-NaCl/THF等。加入鹽的作用是什么？第39頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三JamesADumesic第40頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三離子液體是指全部由離子組成的液體，如高溫下的KCI,KOH呈液體狀態(tài)，此時(shí)它們就是離子液體。在室溫或室溫附近溫度下呈液態(tài)的由離子構(gòu)成的物質(zhì)，稱為室溫離子液體、室溫熔融鹽、有機(jī)離子液體等，目前尚無統(tǒng)一的名稱，但傾向于簡稱離子液體。在離子化合物中，陰陽離子之間的作用力為庫侖力，其大小與陰陽離子的電荷數(shù)量及半徑有關(guān)，離子半徑越大，它們之間的作用力越小，這種離子化合物的熔點(diǎn)就越低。某些離子化合物的陰陽離子體積很大，結(jié)構(gòu)松散，導(dǎo)致它們之間的作用力較低，以至于熔點(diǎn)接近室溫。第41頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三離子液體中常見的陽離子和陰離子第42頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三第43頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三離子液體無味、不燃，其蒸汽壓極低，因此可用在高真空體系中，同時(shí)可減少因揮發(fā)而產(chǎn)生的環(huán)境污染問題；離子液體對(duì)有機(jī)和無機(jī)物都有良好的溶解性能，可使反應(yīng)在均相條件下進(jìn)行，同時(shí)可減少設(shè)備體積；可操作溫度范圍寬（-40～300℃），具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，易與其它物質(zhì)分離，可以循環(huán)利用；表現(xiàn)出Lewis、Franklin酸的酸性，且酸強(qiáng)度可調(diào)。離子液體的優(yōu)點(diǎn)離子液體的缺點(diǎn)成本較高潛在毒性第44頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三果糖在不同離子液體中轉(zhuǎn)化制5-HMF的性能示例第45頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三離子液體在果糖轉(zhuǎn)化為5-HMF反應(yīng)中可能的優(yōu)點(diǎn)：1.非水性溶劑，為果糖的脫水反應(yīng)提供非水環(huán)境；2.合適的離子液體具有吸水性，可以將果糖以及5-HMF分子周圍的水分吸走，促進(jìn)果糖的脫水以及減少5-HMF可能發(fā)生的水解；3.離子液體對(duì)于果糖和催化劑的溶解性較好，可均相進(jìn)行反應(yīng)；4.離子液體經(jīng)過功能化處理，可以同時(shí)作為溶劑與催化劑；5.采用與離子液體不溶的有機(jī)溶劑對(duì)產(chǎn)物5-HMF萃取后，離子液體可以重新利用?？赡艿娜秉c(diǎn)：1.對(duì)于原料，產(chǎn)物，催化劑的溶解性較好，分離產(chǎn)物不易；2.不適當(dāng)?shù)碾x子液體可能是憎水性的，不能溶解原料，對(duì)反應(yīng)也不利；3.離子液體中的少量雜質(zhì)以及均相催化劑很難剔除，因此使用過的離子液體雖可能在萃取產(chǎn)物后繼續(xù)用于果糖轉(zhuǎn)化，但很難提純回收用于其他方面，造成成本上升。第46頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三超臨界流體溫度及壓力均處于臨界點(diǎn)以上的液體。目前應(yīng)用于果糖轉(zhuǎn)化的常見超臨界流體包括：水、丙酮、CO2等。水：Tc=374.15oCPc=22.12MPa丙酮：Tc=235.5oCPc=4.72MPaCO2：Tc=31oCPc=7.4MPa值得注意的是，水在高溫下會(huì)展示出酸性，這也有可能對(duì)果糖的轉(zhuǎn)化起到催化作用。第47頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三果糖轉(zhuǎn)化制5-HMF的催化劑果糖脫水制5-HMF的反應(yīng)比較容易進(jìn)行，5-HMF收率一般可達(dá)約70%—80%以上。催化劑舉例無機(jī)酸HCl、H2SO4等有機(jī)酸甲酸、馬來酸等酸性樹脂Amberlyst-15等沸石分子篩H-ZSM-5、H-beta等超強(qiáng)固體酸ZrO2/SO42-金屬鹽金屬氯化物、三氟甲磺酸鹽等功能化離子液體酸性離子液體堿堿性離子液體無催化劑---第48頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三果糖脫水制5-HMF的反應(yīng)多數(shù)情況下是采用酸催化劑，而酸催化劑分為B（Bronsted）酸和L（Lewis）酸，除了有機(jī)酸和無機(jī)酸外，金屬鹽以及其他固體酸的活性位都可能歸入B酸與L酸之列。Bronsted酸堿理論：凡是能夠給出質(zhì)子(H+)的物質(zhì)都是酸；凡是能夠接受質(zhì)子的物質(zhì)都是堿Lewis酸堿理論：酸是電子的接受體，堿是電子的給予體。關(guān)于催化劑的使用還應(yīng)注意其用量的影響，以及某些多相催化劑是否可以重復(fù)利用。第49頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三催化劑用量影響果糖轉(zhuǎn)化的示例催化劑循環(huán)利用性能測試示例第50頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三非水溶劑中含水量的影響含水量增加含水量增加DMSO中不含催化劑DMSO中含催化劑果糖脫水轉(zhuǎn)化為5-HMF，理想狀態(tài)下在非水環(huán)境中更為有利。但果糖轉(zhuǎn)化脫水不可避免地在體系中引入水分。一般情況下，水量不大時(shí)，對(duì)5-HMF產(chǎn)率影響不大，而水量逐漸增加，果糖脫水性能會(huì)大幅下降。在催化劑存在時(shí)，果糖轉(zhuǎn)化對(duì)水量的耐受程度可能會(huì)略有提高，甚至少量水的存在可能會(huì)抑制某些副反應(yīng)。第51頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三含水量影響果糖轉(zhuǎn)化的示例第52頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間的影響反應(yīng)溫度提高，通常會(huì)提高反應(yīng)速率，短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)率的最大值。但溫度過高，或反應(yīng)時(shí)間過長也會(huì)造成產(chǎn)物的分解，而體現(xiàn)出產(chǎn)物收率的下降。不同溫度和時(shí)間情況下果糖轉(zhuǎn)化的示例第53頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三加熱方式的影響加熱方式傳統(tǒng)式加熱（例如水浴、油浴加熱）非傳統(tǒng)式加熱（例如微波加熱）微波加熱的特點(diǎn)：微波是在被加熱物內(nèi)部產(chǎn)生的，熱源來自物體內(nèi)部，加熱均勻，由于“里外同時(shí)加熱”大大縮短了加熱時(shí)間，加熱效率高。微波加熱的慣性很小，可以實(shí)現(xiàn)溫度升降的快速控制。傳統(tǒng)加熱的特點(diǎn)：憑借加熱周圍的環(huán)境，以熱量的輻射或通過熱空氣對(duì)流的方式使物體的表面先得到加熱，然后通過熱傳導(dǎo)傳導(dǎo)物體的內(nèi)部。這種方法效率低，加熱時(shí)間長。使用微波加熱，可以使果糖在水溶液中轉(zhuǎn)化，也可在某些非水溶劑中不使用催化劑便將果糖在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化。第54頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三底物濃度的影響根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中速率常數(shù)的計(jì)算，原料濃度越高，反應(yīng)速率將會(huì)越高，但存在的問題是將全部底物轉(zhuǎn)化需要的時(shí)間可能會(huì)延長，并且由于不能快速完全轉(zhuǎn)化，造成轉(zhuǎn)化率下降，原料相互之間，或與產(chǎn)物之間發(fā)生副反應(yīng)而生成大量副產(chǎn)物。主要優(yōu)點(diǎn)：單位體積，單位時(shí)間內(nèi)，原料處理量大，產(chǎn)物生成量多，生產(chǎn)成本可降低。主要缺點(diǎn)：產(chǎn)物收率下降，副產(chǎn)物增多，分離提純的成本會(huì)上升。底物濃度底物濃度不同底物濃度對(duì)果糖轉(zhuǎn)化影響的示例第55頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三果糖轉(zhuǎn)化制5-HMF的最大問題在于：成本第56頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三5.3.2葡萄糖轉(zhuǎn)化制5-HMF葡萄糖，是自然界分布最廣且最為重要的一種單糖，它是一種多羥基醛。純凈的葡萄糖為無色晶體，有甜味但甜味不如蔗糖(一般人無法嘗到甜味)，易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。水溶液旋光向右，故屬于“右旋糖”。葡萄糖在生物學(xué)領(lǐng)域具有重要地位，是活細(xì)胞的能量來源和新陳代謝中間產(chǎn)物，即生物的主要供能物質(zhì)。植物可通過光合作用產(chǎn)生葡萄糖。在糖果制造業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。α-D-吡喃葡萄糖β-D-吡喃葡萄糖α-D-呋喃葡萄糖β-D-呋喃葡萄糖第57頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三長久以來，葡萄糖直接轉(zhuǎn)化為5-HMF都是一個(gè)難題，這主要是由于葡萄糖主要以六元吡喃環(huán)形式存在，這種結(jié)構(gòu)的化學(xué)性質(zhì)較五元呋喃環(huán)形式穩(wěn)定，不易于轉(zhuǎn)化為5-HMF，這也是造成葡萄糖與果糖轉(zhuǎn)化性能差異的主要原因。sugarα-pyranoseβ-pyranoseα-furanoseβ-furanoseopen-chain果糖2.5%65%6.5%25%0.8%葡萄糖38%62%0.5%0.5%0.002%第58頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三葡萄糖轉(zhuǎn)化制5-HMF的影響因素工藝條件催化劑的選擇/催化劑的用量反應(yīng)溫度反應(yīng)時(shí)間底物濃度溶劑或反應(yīng)體系的選擇加熱方式非水溶劑中含水量的影響第59頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三溶劑或反應(yīng)體系的選擇水極性有機(jī)溶劑水/有機(jī)溶劑雙相體系離子液體超臨界流體與果糖的轉(zhuǎn)化體系基本類似第60頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三葡萄糖轉(zhuǎn)化制5-HMF的催化劑葡萄糖轉(zhuǎn)化為5-HMF的突破性進(jìn)展果糖轉(zhuǎn)化葡萄糖轉(zhuǎn)化溶劑：離子液體EMIMCl，催化劑CrClx，100oC，3hZhaoetal.Science,2007,316:1597-1600.第61頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三葡萄糖轉(zhuǎn)化為5-HMF的基本策略：需要經(jīng)過一個(gè)兩步串聯(lián)的反應(yīng)果糖葡萄糖同分異構(gòu)體異構(gòu)化脫水直接脫水葡萄糖轉(zhuǎn)化為5-HMF催化劑的基本要求：1.能夠催化葡萄糖有效地異構(gòu)化為果糖；2.能夠催化果糖轉(zhuǎn)化為5-HMF；3.不能將5-HMF轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)物（這一點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況需要而定）。第62頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三葡萄糖異構(gòu)化為果糖的機(jī)理：多為堿催化，LobrydeBruyn在1895年報(bào)道。常用的堿催化劑：NaOH、KOH、Na2CO3、NaHCO3、水滑石（固體堿）、有機(jī)胺堿催化劑存在的問題：不能有效地催化果糖轉(zhuǎn)化為5-HMF，并且糖類在堿性條件下會(huì)發(fā)生大量副反應(yīng)，穩(wěn)定性差。第63頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三金屬催化劑催化葡萄糖異構(gòu)化為果糖的機(jī)理金屬催化劑主要依靠活性金屬中心與葡萄糖的1,2位氧原子發(fā)生作用，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)葡萄糖的異構(gòu)化。注意：不論堿催化劑還是金屬催化劑（Lewis酸）都能夠與葡萄糖和果糖發(fā)生作用，意味著這種異構(gòu)化存在可逆的現(xiàn)象。采用酶催化葡萄糖異構(gòu)化時(shí)，在水溶液中反應(yīng)平衡后的比例為50%葡萄糖，42%果糖，8%其他。這意味著果糖的產(chǎn)率可能存在最大值不超過50%。第64頁，講稿共70頁，2023年5月2日，星期三葡萄