仿酶固體酸的制備及其改善纖維素水解的研究進(jìn)展

靳書緣 程 意 魯 杰 王海松

（大連工業(yè)大學(xué)輕工與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連，116034）

能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，可是化石能源的過度使用所帶來的氣候變化以及生物多樣性銳減等問題日益凸顯，因此從傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)向綠色可持續(xù)發(fā)展能源成為亟需解決的問題［1］。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)具有來源廣泛、價(jià)格低廉、污染少等優(yōu)點(diǎn)［2-3］，將其主要組分纖維素水解成葡萄糖再經(jīng)生物或催化轉(zhuǎn)化為可以代替化石能源或化學(xué)品的路線越來越受到重視，纖維素的高效水解成為糖平臺(tái)轉(zhuǎn)化利用的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的液體酸水解纖維素雖然水解效率高，但存在腐蝕性強(qiáng)、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染、容易發(fā)生副反應(yīng)產(chǎn)生發(fā)酵抑制物等問題。近幾年，選擇性高、條件溫和的酶水解研究較多，但仍存在反應(yīng)耗時(shí)長且成本高等缺點(diǎn)［3］。因此，具有易分離、可重復(fù)使用、對(duì)設(shè)備無腐蝕性等諸多優(yōu)點(diǎn)的固體酸引起了科研人員的關(guān)注［4-7］，但因?yàn)楣腆w酸和纖維素之間的低傳質(zhì)效率影響了其水解效果，為此模仿生物酶水解纖維素的機(jī)理，賦予固體酸對(duì)纖維素具有親和力基團(tuán)的仿酶固體酸研究成為了熱點(diǎn)。

1 仿酶固體酸水解纖維素的機(jī)理

纖維素大分子中的β-1，4糖苷鍵是一種縮醛堿，對(duì)酸性條件敏感，在適當(dāng)?shù)臍潆x子濃度、溫度和時(shí)間下，糖苷鍵斷裂，使得纖維素聚合度下降，還原能力提高，這類反應(yīng)稱為纖維素的酸性水解［8］。纖維素的液體酸水解經(jīng)歷3個(gè)連續(xù)的反應(yīng)步驟（見圖1）：①纖維素上糖苷氧原子迅速質(zhì)子化；②糖苷鍵上的正電荷緩慢地轉(zhuǎn)移到C1上，形成碳陽離子并斷開糖苷鍵；③水分子迅速攻擊碳陽離子，得到游離的糖殘基并重新形成水合氫離子。

與液體酸水解不同，固體酸和纖維素均不溶于常規(guī)溶劑，兩者之間存在嚴(yán)重傳質(zhì)限制［9］，使得固體酸催化性能遠(yuǎn)低于無機(jī)酸等均相液體酸。研究者發(fā)現(xiàn)［10］，纖維素酶能夠高效水解纖維素的主要原因是其結(jié)構(gòu)上存在結(jié)合基團(tuán)以及催化基團(tuán)（見圖2（a）），結(jié)合基團(tuán)主要負(fù)責(zé)在纖維素酶與纖維素鏈上的羥基之間形成氫鍵，拉近纖維素酶與纖維素的距離；催化基團(tuán)負(fù)責(zé)切斷纖維素鏈β-1，4糖苷鍵，結(jié)合基團(tuán)和催化基團(tuán)的協(xié)同作用極大提高了纖維素酶的水解效率。所以，通過模擬纖維素酶水解纖維素的機(jī)理，研究人員在固體酸催化劑上引入了對(duì)纖維素具有親和力的基團(tuán)X，如—Cl、—COOH、—OH以及—B（OH）2等（見圖2（b）），這些基團(tuán)不僅可與纖維素形成氫鍵，還可破壞纖維素的分子內(nèi)和分子間氫鍵，協(xié)同固體酸上的催化基團(tuán)—SO3H或—COOH以提高纖維素的水解效率。

圖1 纖維素的液體酸水解機(jī)理

圖2 仿酶固體酸模擬纖維素酶水解纖維素或葡聚糖的機(jī)理

2 仿酶固體酸的制備方法

2.1 樹脂基仿酶固體酸

樹脂基仿酶固體酸是指以樹脂為載體，通過化學(xué)改性使其同時(shí)含有纖維素結(jié)合基團(tuán)及催化基團(tuán)的一類高分子聚合物。近幾年報(bào)道的樹脂基仿酶固體酸的載體及其水解微晶纖維（MCC）的效果如表1所示［10-14］。Li等［11］通過分子設(shè)計(jì)合成了含有纖維素結(jié)合基團(tuán)（—Cl）和催化基團(tuán)（—SO3H）的新型仿酶固體酸（CP-SO3H），合成路徑見圖3，即首先以氯甲基聚苯乙烯樹脂（CP）為載體，然后通過對(duì)氨基苯磺酸取代載體CP上部分氯的方式引入—SO3H。該催化劑在120℃的超純水中水解MCC 48 h，葡萄糖得率可達(dá)93%。較高的葡萄糖得率主要?dú)w因于CP-SO3H中結(jié)合基團(tuán)與催化基團(tuán)的協(xié)同作用。此外，CP-SO3H水解MCC的表觀活化能為83 kJ/mol，遠(yuǎn)低于H2SO4水解MCC時(shí)所需的表觀活化能（174.7 kJ/mol）。Li等指出，經(jīng)3次重復(fù)利用，CP-SO3H仍可保持較高的催化活性。但Yabushita等［15］指出，他們?cè)谥噩F(xiàn)性實(shí)驗(yàn)中，利用制得的CP-SO3H水解纖維素時(shí)沒有達(dá)到Li等所提及的高活性，并指出若將磺化或氯化的材料用于高溫水熱條件時(shí)，應(yīng)考慮—SO3H和氯的浸出問題。

Zuo等［12］以同樣的合成原理，首先以硫脲部分取代氯球上的氯甲基以引入硫原子，然后與NaOH溶液反應(yīng)得到硫負(fù)離子，并在H2SO4溶液中經(jīng)質(zhì)子化反應(yīng)得到巰基樹脂（CP-SH），最后經(jīng)H2O2氧化處理得到仿酶固體酸CP-SO3H-1.69（1.69指—SO3H含量）（見圖4）。該固體酸在170℃超純水中，可100%水解MCC，乙酰丙酸產(chǎn)率為33.1%；當(dāng)反應(yīng)體系為90%γ-戊內(nèi)酯和10%水時(shí)，乙酰丙酸產(chǎn)率達(dá)到65.5%，這是因?yàn)楦邷貤l件下，γ-戊內(nèi)酯能夠部分溶解纖維素，促進(jìn)了其水解轉(zhuǎn)化。未經(jīng)活化的CP-SO3H-1.69可催化轉(zhuǎn)化纖維二糖，得到葡萄糖（得率62%），乙酰丙酸的產(chǎn)率從45%降至12%；經(jīng)H2O2活化后，其催化活性可完全恢復(fù)。Tyufekchiev等［10］則對(duì)—Cl與糖類聚合物鏈上—OH存在吸附提出質(zhì)疑，并合成CMP-SO3H-0.3來證明猜想；提出仿酶固體酸的水解作用有可能是由于C—Cl在水解條件下轉(zhuǎn)化為C—OH，釋放出Cl-并以HCl的形式存在于反應(yīng)體系中；其在無反應(yīng)底物的條件下模擬C—Cl水解得到CMP-SO3H-0.3的浸出液，用該浸出液水解MCC得到的乙酰丙酸和甲酸的產(chǎn)率分別為57%和60%。同時(shí)，合成的CMP-SO3H-1.2（無C—Cl）在相同條件下得到的乙酰丙酸和甲酸產(chǎn)率遠(yuǎn)低于CMP-SO3H-0.3，這證明了—Cl在仿酶固體酸制備過程中的重要性。

表1 樹脂基仿酶固體酸水解MCC

圖3 仿酶固體酸CP-SO3H合成路線圖[11]

圖4 仿酶固體酸CP-SO3H-1.69的合成路線圖[12]

Cao等［14］以聚BnCl樹脂為載體制備了易于合成、低成本、無毒性且催化性能優(yōu)異的仿酶固體酸P-BnNH3Cl。該固體酸在160℃、采用雙相體系（DMSO+飽和NaCl溶液）且加入80μL濃HCl水解MCC 2 h，5-羥甲基糠醛的得率為40%。高產(chǎn)物得率主要?dú)w因于反應(yīng)在水相中進(jìn)行，有機(jī)相DMSO可快速萃取水相中生成的5-羥甲基糠醛，阻止其進(jìn)一步降解。在2 mol/L HCl溶液中攪拌P-BnNH3Cl 1 h，然后經(jīng)甲醇洗滌，并在50°C的真空下干燥6 h即可實(shí)現(xiàn)P-BnNH3Cl活化，且無明顯活性損失。

王海松等［13，16］以工業(yè)化的Amberlyst-15為原料，通過簡單的B1anc氯甲基化反應(yīng)一步制備了兼具纖維素結(jié)合基團(tuán)（—Cl）及催化基團(tuán)（—SO3H）的仿酶固體酸A-15-Cl，合成路線見圖5。該固體酸在170℃超純水中水解MCC 2 h，葡萄糖得率可達(dá)67.2%，循環(huán)利用5次后，其水解效率仍為最高值的80%。這主要是因?yàn)椋孩貯-15-Cl具有介孔結(jié)構(gòu)（孔直徑=24.11 nm），可使寡糖進(jìn)入固體酸內(nèi)部，提高水解反應(yīng)的有效接觸面積；②—CH2Cl的引入改善了固體酸與纖維素的傳質(zhì)障礙，提高了纖維素的水解效率。該仿酶固體酸通過氯甲基化廢液活化后，催化效率可達(dá)到首次催化效率的80%以上。

圖5 仿酶固體酸A-15-Cl的合成路線圖[13]

2.2 碳基仿酶固體酸

碳基仿酶固體酸是以不完全碳化碳基化合物為載體，進(jìn)一步引入纖維素催化基團(tuán)和結(jié)合基團(tuán)的一類催化劑，具體載體種類和水解MCC效果如表2所示［17-26］。

Kobayashi等［17］以氧化活性炭的方式引入羧基（—COOH）合成固體酸K26，然后以0.012 wt%HCl水溶液為反應(yīng)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)一鍋法水解MCC制備葡萄糖（見圖6），在180℃條件下反應(yīng)20 min，MCC轉(zhuǎn)化率為98%，葡萄糖得率達(dá)88%。如此高的產(chǎn)物得率主要?dú)w因于以下幾點(diǎn)：①M(fèi)CC與K26混合球磨，可以提高固體反應(yīng)物與固體催化劑之間有效接觸面積，使得MCC降解速率顯著提高；②活性炭上的催化基團(tuán)為弱酸性官能團(tuán)（—COOH），降低了葡萄糖進(jìn)一步降解的可能性，且—COOH與MCC上的—OH形成氫鍵，可提高M(jìn)CC的水解反應(yīng)效率。反應(yīng)后剩余的MCC和K26，再次與新鮮MCC研磨，葡萄糖得率提高至91%，這是因?yàn)樯弦惠啔埩舻腒26上的纖維素聚合度低，該殘留部分在隨后的反應(yīng)中更易轉(zhuǎn)化為可溶性產(chǎn)物。

Shrotri等［18］采用簡單且經(jīng)濟(jì)的空氣氧化法制備碳基仿酶固體酸BA-475，發(fā)現(xiàn)空氣氧化法是引入和控制碳材料表面氧化基團(tuán)數(shù)量的有效方法。將少量0.012 wt%HCl與BA-475和MCC進(jìn)行混合研磨，180℃下水熱反應(yīng)20 min后，葡萄糖得率為86%；其他條件不變，溫度提高至215℃，水解桉木可獲得產(chǎn)率分別為77%和67%的葡萄糖和木糖。

與羧基（—COOH）和酚羥基（—OH）相比，具有更強(qiáng)電負(fù)性的—Cl不僅可以提高對(duì)糖類聚合物的吸附性，還可以提高—SO3H的酸性［25］。Shen等［22］通過先碳化淀粉和PVC混合物，再磺化引入—SO3H的方式成功制備了一種新型碳基仿酶固體酸40-CCSA（見圖7）；在150℃下，使用40-CCSA水解濃磷酸預(yù)處理過的無定形纖維素6 h，總還原糖得率達(dá)94.2%。40-CCSA的高水解效率除了與—Cl和MCC的—OH間的結(jié)合力有關(guān)外，還因?yàn)樵诠腆w酸載體碳化過程中，淀粉中的氧可與PVC中的烷基形成醚橋鍵（C—O—C）與亞甲基橋鍵（—CH2—），使碳骨架完全伸展，從而減少了—SO3H與糖苷鍵之間的阻礙。每次反應(yīng)后，通過簡單洗滌、干燥的方式可回收40-CCSA，回收3次后，約10%～25%的—Cl被浸出，40-CCSA水解MCC的總還原糖產(chǎn)率從94.2%降至90.0%。

表2 碳基仿酶固體酸水解MCC

圖7 碳基仿酶固體酸40-CCSA的制備過程[22]

Hu等［23］同樣采用先碳化后磺化的方式制備了帶有—Cl和—SO3H官能團(tuán)的仿酶固體酸SUCRA-SO3H，該固體酸在140℃、24 h條件下水解經(jīng)離子液體預(yù)處理后的MCC，葡萄糖得率為46%；在110℃下水解淀粉6 h時(shí)，葡萄糖得率高達(dá)92%。使用SUCRA-SO3H水解纖維二糖時(shí)所需表觀活化能為94 kJ/mol，遠(yuǎn)低于H2SO4和不含氯基的蔗糖衍生物固體酸SUCRO-SO3H水解時(shí)所需的表觀活化能（分別為133和114 kJ/mol），進(jìn)一步證明了—Cl作為纖維素結(jié)合基團(tuán)可以增強(qiáng)固體酸對(duì)葡聚糖的吸附能力，為解決多相催化水解MCC中存在的傳質(zhì)阻礙提供了有效方法。在連續(xù)7次重復(fù)使用之后，SUCRA-SO3H的活性有一定損失，但其在重復(fù)使用10次后仍保持了最初活性的約56%。進(jìn)一步對(duì)比SUCRA-SO3H和SUCRO-SO3H發(fā)現(xiàn)，通過碳化和磺化制備的催化劑SUCRA-SO3H的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于SUCRO-SO3H，可能是由于碳化可以增加—COOH的數(shù)量和碳骨架結(jié)構(gòu)的剛性。

Li等［24］通過先碳化PVC廢棄物，然后磺化的方式制備了碳基仿酶固體酸PCSA，該固體酸含有的酚羥基與—Cl同時(shí)起到纖維素結(jié)合基團(tuán)的作用，共同提高PCSA對(duì)纖維素的吸附性。PCSA在150℃水解經(jīng)濃磷酸預(yù)處理后的MCC 6 h，總還原糖得率為60.8%。第1次回收利用的PCSA水解MCC的總還原糖得率為50.6%，第2次為49.2%。Li等指出，PCSA催化活性的下降可能與磺酸的浸出有關(guān)，但未對(duì)該機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步解釋。Hu等［25］設(shè)計(jì)并制備了含有—Cl作為纖維素結(jié)合基團(tuán)的新型磁性碳基仿酶固體酸（CMCSO3H），并且通過外加磁鐵可輕松實(shí)現(xiàn)固體酸與反應(yīng)底物的分離。在130℃條件下，以［BMIM］［Cl］和水為溶劑，采用CMC-SO3H水解MCC，總還原糖得率為78.5%；當(dāng)反應(yīng)底物為稻草時(shí)，葡萄糖得率也可達(dá)到73.2%。CMC-SO3H通過簡單洗滌干燥后，連續(xù)重復(fù)使用5次后的催化活性未明顯降低，總還原糖的得率仍高于72.0%，表現(xiàn)出優(yōu)異的催化穩(wěn)定性。此外，在第5次反應(yīng)后，回收的CMC-SO3H上—SO3H和—Cl的密度分別為0.71 mmol/g和0.44 mmol/g，與初始CMCSO3H相差甚微，但其C含量為73.97%，高于初始CMC-SO3H，這表明在MCC水解過程中產(chǎn)生的某些腐殖質(zhì)會(huì)沉積在回收的CMC-SO3H表面，這可能是第5次反應(yīng)中總還原糖得率略有下降的原因。

上述幾種碳基仿酶固體酸都是采用發(fā)煙硫酸或濃硫酸磺化的方式引入—SO3H，這在一定程度上增加了實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)程度。Shen等［26］通過碳化三氯蔗糖（提供—Cl）和對(duì)甲苯磺酸（提供—SO3H）制備碳基仿酶固體酸SA-TsOH，制備過程中不使用濃硫酸或發(fā)煙硫酸，制備過程更安全，該方法為安全、綠色合成固體酸提供了新思路。在以［BMIM］［Cl］與水的混合溶液為反應(yīng)介質(zhì)、130℃、1 h條件下，采用SA-TsOH處理纖維素，總還原糖得率達(dá)到67.6%。SA-TsOH水解纖維素的過程研究表明，其較好的催化活性是由于—Cl對(duì)糖類聚合物的吸附作用及其中孔結(jié)構(gòu)使得低聚糖和寡糖可進(jìn)入孔道內(nèi)部，從而提高催化效率。通過過濾、洗滌和干燥可回收SA-TsOH，8次循環(huán)使用后，總還原糖得率從67.6%略降至60.4%，這表明—SO3H在催化劑上具有很好的穩(wěn)定性。通過電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP-AES）測定分析、對(duì)比循環(huán)使用8次后以及新鮮的SA-TsOH中Cl、S和C元素含量發(fā)現(xiàn)，Cl和S的損失可忽略，但C含量提高了5.6%，表明水解過程中產(chǎn)生的腐殖質(zhì)會(huì)附著在SA-TsOH表面。由此可知，仿酶固體酸SA-TsOH催化劑活性的降低不是由于官能團(tuán)的浸出，而是由于腐殖質(zhì)對(duì)活性酸位的阻塞。

近幾年，離子液體因?qū)w維素具有良好的溶解性而被應(yīng)用于纖維素水解，然而處理成本高、難回收的缺點(diǎn)限制了其使用。為了克服離子液體的應(yīng)用瓶頸，Zhang等［19］設(shè)計(jì)了一種新型仿酶固體酸，將離子液體接枝在磺化后的竹炭上，以其含有的—Cl作為纖維素結(jié)合基團(tuán)，磺化引入—SO3H為催化基團(tuán)，制備了仿酶固體酸BCSA-IL。在微波下利用BCSA-IL對(duì)纖維素和竹子進(jìn)行非均相催化水解，發(fā)現(xiàn)與生物碳磺酸BCSA相比，BCSA-IL表現(xiàn)出更高的水解效率，而且具有更優(yōu)異的重復(fù)性。2013年，該課題組［20］在離子液體［BMIM］Cl中接枝CuCl2制備IL-Cu，然后將其接枝在磺化竹炭上制得BCSA-IL-Cu固體酸。同樣，在微波加熱條件下，與BCSA-IL和BCSA相比，BCSA-IL-Cu的纖維素水解效率更高。利用BCSA-IL-Cu在90℃下水解纖維素20 min，得到35.6%的總還原糖以及少量5-羥甲基糠醛（＜0.1%），這主要是因?yàn)锽CSA-IL-Cu不僅具有纖維素結(jié)合基團(tuán)的作用，而且能夠促進(jìn)木質(zhì)素的脫除。Zhang等［21］在磺化竹炭上接枝IL-Zn并合成了BCSA-IL-Zn固體酸；相對(duì)于BCSA-IL以及BCSA-IL-Cu，該固體酸在相同水解條件下表現(xiàn)出更高的轉(zhuǎn)化數(shù)（對(duì)纖維素和竹子的轉(zhuǎn)化數(shù)分別為5.91和1.78），總還原糖得率和5-羥甲基糠醛得率分別提高至58.7%和0.2%。離子液體型仿酶固體酸的催化活性隨著催化次數(shù)的增加幾乎沒有變化，表明該類催化劑具有出色的重復(fù)性。對(duì)比BCSA以及BCSA-IL（-X）分子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，BCSA-IL（-X）穩(wěn)定性優(yōu)于BCSA的原因是其—IL和—SO3H之間的分子內(nèi)氫鍵作用。生物碳磺酸及生物碳仿酶固體酸的合成過程如圖8所示。

2.3 合成型仿酶固體酸

合成型仿酶固體酸指通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）、自組裝（SAM）以及其他化學(xué)方法合成同時(shí)含有纖維素催化基團(tuán)與結(jié)合基團(tuán)的仿酶固體酸。近幾年關(guān)于合成型仿酶固體酸的制備方法及其水解MCC效果如表3所示［27-35］。

Li等［27］通過CuBr催化ATRP反應(yīng)合成含有纖維素結(jié)合基團(tuán)（—COOH）和催化基團(tuán)（—SO3H）的聚丙烯酸-嵌段-聚苯乙烯磺酸（PAA-b-PSSH）和聚丙烯酸-隨機(jī)-聚苯乙烯磺酸（PAA-r-PSSH）固體酸。在120℃下利用PAA-r-PSSH和PAA-b-PSSH水解纖維素2 h，葡萄糖得率分別為35%和10%。這是因?yàn)闊o規(guī)共聚物比嵌段共聚物含有更多且更分散的活性基團(tuán)，其可以更有效地水解纖維素。在微波輔助作用下，使用PAA-r-PSSH水解淀粉（110℃、1 h），葡萄糖得率可達(dá)94.5%。

圖8 生物碳磺酸及生物碳仿酶固體酸的合成過程（Cl[19]/CuCl3[20]/ZnCl3[21]）

表3 合成型仿酶固體酸水解MCC

Qian等［28］通過兩步自由基引發(fā)合成新型固體酸PSSA/PIL（見圖9）：第一步通過ATRP將聚苯乙烯磺酸（PSSA）鏈接枝在玻璃珠或陶瓷（作為載體）上，第二步通過紫外光引發(fā)自由基聚合合成聚乙烯基咪唑氯化物（PIL）鏈并接枝在玻璃珠或陶瓷上。在水以及離子液體［EMIM］Cl中利用PSSA/PIL水解MCC，總還原糖得率分別為32.7%（140℃、48 h）和97.1%（130℃、5 h）。2018年，該課題組使用PSSA/PIL在離子液體［EMIM］Cl與γ-戊內(nèi)酯/水混合溶劑中水解預(yù)處理玉米秸稈，在100℃左右總還原糖得率即可達(dá)到最大值［29］。PSSA/PIL在離子液體［EMIM］Cl及其與γ-戊內(nèi)酯的混合溶劑中多次重復(fù)反應(yīng)后仍表現(xiàn)出高催化活性，但是在水或PIL/水混合液中進(jìn)行纖維素/生物質(zhì)水解反應(yīng)時(shí)，催化劑在重復(fù)使用后逐漸失去活性。這是由于羥甲基糠醛（HMF）的沉積或深棕色腐殖質(zhì)覆蓋在仿酶固體酸的表面，導(dǎo)致催化劑活性降低。研究結(jié)果表明，PSSA/PIL在非質(zhì)子離子液體溶劑中重復(fù)使用12次后，總還原糖的得率仍可達(dá)到90%以上，催化劑活性基本不變，表明催化劑在非質(zhì)子離子液體溶劑中比較穩(wěn)定。

Yang等［30］先通過Friedel-Crafts聚合帶有—Cl的芳香族單體，然后通過發(fā)煙硫酸磺化方式引入—SO3H，合成仿酶固體酸POP-SO3H-Cl（見圖10）。該固體酸在120℃下水解球磨MCC 24 h，葡萄糖得率達(dá)84.9%。高得率既得益于—Cl與—SO3H的協(xié)同作用，也與固體酸表面的中孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，Yang等進(jìn)一步研究了—Cl存在形式對(duì)其水解效率的影響，證明了—CH2Cl作結(jié)合基團(tuán)的效果優(yōu)于—CHCl2、—CH2CH2Cl和—CH2CH2CH2Cl，這為今后仿酶固體酸的合成提供了重要理論基礎(chǔ)。POP-SO3H-Cl經(jīng)4次重復(fù)使用后，葡萄糖得率為17.2%；檢測發(fā)現(xiàn)，其磺酸的密度從0.74 mmol/g降至0.16 mmol/g，說明磺酸的浸出是其催化活性下降的原因。

Shen等［31］通過分子自組裝的方法合成仿酶固體酸SA-SO3H，并以巰丙基三甲氧基硅烷和三氯蔗糖分別引入—SO3H和—Cl，避免了使用濃硫酸和發(fā)煙硫酸，具體合成方法如圖11所示。SA-SO3H在180℃超純水中水解球磨MCC 12 h，實(shí)現(xiàn)了51.5%的葡萄糖得率，同樣是因?yàn)椤狢l與—SO3H的協(xié)同作用，以及其本身的介孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)SA-SO3H重復(fù)使用5次，乙酰丙酸的產(chǎn)率從41%降至30%，且固體酸表面由棕色變?yōu)楹谏?。使用ICP-AES測定了使用5次后SA-SO3H的Cl和S含量，發(fā)現(xiàn)Cl和S損失可忽略。BET檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，新鮮和5次循環(huán)后的SA-SO3H總比表面積分別為482 m2/g和302 m2/g，該結(jié)果表明MCC水解過程中產(chǎn)生的腐殖質(zhì)堵塞了催化劑的孔。經(jīng)H2O2活化后，再生的SA-SO3H總比表面積增加至419 m2/g，乙酰丙酸的產(chǎn)率與新鮮SA-SO3H的相差無幾。

圖9 固體酸PSSA/PIL合成方法[28]

圖10 仿酶固體酸POP-SO3H-Cl合成過程[30]

圖11 介孔仿酶固體酸SA-SO3H合成方法[31]

Van de Vyver等［36］通過A2（靛紅）+B3（1，3，5-三-（4-苯氧基芐基）苯）單體縮聚反應(yīng)合成水溶性超支化聚亞芳基羥吲哚，然后磺化合成新型固體酸SHPAO。該固體酸在170℃超純水中水解球磨MCC 3 h，乙酰丙酸得率為29.5%。Yu等［32］先將B3單體通過1，3，5-苯三甲酰氯與二苯醚的Friedel-Crafts?；磻?yīng)引入—Cl，然后與A2單體縮聚后磺化制備一系列水溶性仿酶固體酸5-OH-SHPAO、5-Cl-SHPAO、5-MeOSHPAO；水解纖維素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催化效率順序?yàn)椋?-OH-SHPAO＞5-Cl-SHPAO＞SHPAO＞5-MeO-SHPAO，且5-OH-SHPAO水解MCC對(duì)葡萄糖具有較高選擇性，170℃、2 h條件下的葡萄糖得率為56%，選擇率為64%。對(duì)葡萄糖的高選擇性主要?dú)w因于—OH與—SO3H的鄰位作用，—SO3H將糖苷鍵質(zhì)子化后，—OH可以作為弱堿與葡萄糖單元中氧化數(shù)最高的碳原子相互作用，進(jìn)而促進(jìn)催化反應(yīng)進(jìn)程。2016年，該課題組發(fā)現(xiàn)5-Cl-SHPAO在165℃超純水中水解球磨MCC 5 h后，乙酰丙酸得率為48.5%，遠(yuǎn)大于SHPAO的乙酰丙酸得率（29.5%）［33］。這不僅與—Cl的結(jié)合能力有關(guān)，鄰位的羥吲哚官能團(tuán)與—SO3H對(duì)實(shí)現(xiàn)如此高的水解效率也做出了巨大貢獻(xiàn)。這是因?yàn)榱u吲哚官能團(tuán)中的—NH類似—OH，可以作為弱堿來提高固體酸的催化效率。2017年，該課題組發(fā)現(xiàn)5-Cl-SHPAO［34］在乙醇溶液中兩步法催化降解MCC可以提高其水解轉(zhuǎn)化率。具體過程為，首先在160℃、乙醇溶液中將MCC轉(zhuǎn)化為乙酰丙酸乙酯，然后將產(chǎn)物中的乙醇蒸發(fā)，加入等量的水在140℃條件下將產(chǎn)物進(jìn)一步水解為乙酰丙酸，兩步法乙酰丙酸的得率達(dá)到60%。使用超支化聚亞芳基羥吲哚類仿酶固體酸（水溶/醇溶）時(shí)，腐殖質(zhì)不易附著在其表面且回收方式簡單，進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其催化活性和選擇性完全恢復(fù)。為了探討催化反應(yīng)過程中—SO3H的浸出問題，將反應(yīng)后濾液進(jìn)行ICP分析表明：硫元素浸出率2%左右，說明該類仿酶固體酸具有較好的穩(wěn)定性。

Yang等［35］通過Friedel-Crafts交聯(lián)苯硼酸合成一種以—B（OH）2為纖維素結(jié)合基團(tuán)，以—SO3H為纖維素催化基團(tuán)的多孔仿酶固體酸（PhB（OH）2-SO3H），合成方法如圖12所示。該固體酸在120℃水解球磨MCC 24 h，葡萄糖得率可達(dá)94.6%。PhB（OH）2-SO3H首次使用后，通過真空過濾回收的仿酶固體酸和殘留纖維素直接用于第二次水解，其催化活性約降低了15.6%（相對(duì)于初始催化活性），葡萄糖的得率從94.6%降至79.8%。Yang等指出，催化活性的降低可能歸因于兩點(diǎn)：①磺酸的浸出；②前一輪剩余的纖維素水解更困難，因?yàn)檩^容易水解的部分已先被水解。

圖12 多孔仿酶固體酸PhB(OH)2-SO3H合成方法[35]

3 結(jié)語

在能源緊缺和環(huán)境污染的大背景下，人們對(duì)綠色化學(xué)提出了更高的要求，而利用仿酶固體酸催化水解纖維素制備葡萄糖或下游產(chǎn)品是一個(gè)符合綠色化學(xué)主題且前景廣闊的研究領(lǐng)域。雖然仿酶固體酸水解纖維素已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步，但若想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，仍有些問題需要解決：①克服長時(shí)間水熱反應(yīng)中固體酸上—SO3H或—Cl的浸出問題；②建立簡單、可大規(guī)模合成仿酶固體酸的方法，降低過程成本；③借助微波輻射、離子液體溶解等輔助技術(shù)進(jìn)一步改善固體酸水解纖維素的效率和選擇性；④設(shè)計(jì)涉及纖維素預(yù)處理、水解、分離催化劑和目標(biāo)產(chǎn)物的連續(xù)反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)等。總之，隨著仿酶固體酸催化更加綠色、高效和低成本，其必將為纖維素的水解轉(zhuǎn)化和應(yīng)用帶來更廣闊的前景。