纤维素及其衍生糖催化转化为5-羟甲基糠醛、羟基戊酸酯和山梨醇：综述

把植物废弃物变成有用的日常原料

每年，农田和森林都会留下大量植物残余——秸秆、锯末以及富含纤维素的各种碎屑。与其燃烧或丢弃这些物料，科学家们正研究如何将其转化为有价值的化学品，用于更清洁的燃料、塑料、电池、食品和药物。本文综述了研究者如何把纤维素转化为三类尤为重要的产物——5‑HMF、羟基戊酸酯和山梨醇——以及实现这些绿色工艺工业化所需的条件。

从木质纤维到多功能构建单元

纤维素是植物的主要结构成分，由紧密排列的长链糖单元组成。由密集的氢键网络维系的紧密堆积，使纤维素坚固且难以溶解或发生反应。综述解释了科学家如何首先把纤维素降解为葡萄糖这种常见的单糖，然后引导其进入不同的产物路径。一条路径将葡萄糖脱水生成5‑HMF，这是一种高度可塑的构建单元，可用于生物基塑料、燃料和特种化学品。另一条路径将相关分子重整为羟基戊酸酯，这类化合物作为燃料添加剂具有高能量密度且燃烧更清洁。第三条路线将葡萄糖加氢生成山梨醇，这是一种广泛用作甜味剂并作为药物与高性能材料前体的糖醇。

设计能够驯服顽固纤维素的液相介质

由于纤维素对水或醇类等普通溶剂具有抵抗性，许多创新集中在反应介质上。综述比较了从纤维素制备5‑HMF的四种主要溶剂策略。单相体系（均相液体）简单，但通常产率一般且易生成不良副产物。两相体系使用两种不互溶的液体：一种用于纤维素反应，另一种持续抽提脆弱的5‑HMF，防止其降解，从而显著提高产率并简化分离。离子液体——在室温下为液态的盐——能通过破坏氢键网络直接溶解纤维素，甚至可兼作催化剂，但其昂贵、黏度大且难以回收。深共晶溶剂由廉价、常为生物来源的组分组合而成，在成本和毒性上模仿了离子液体的许多优点，但仍处于早期阶段，尚未完全优化。

打造固体催化剂以生产更清洁的燃料和甜味醇

羟基戊酸酯和山梨醇都在很大程度上依赖精心设计的催化剂——这些催化剂像“交通指挥”一样引导反应沿优选路线进行。针对羟基戊酸酯，研究者探索了三种方法：用现成的羟基戊酸与醇发生酯化；从植物糖衍生的呋喃甲醇改造；以及直接的“单锅”纤维素转化。使用沸石、多金属氧酸盐（polyoxometalates）和功能化炭材料等固体酸可以将催化剂过滤回收再用，避免了强酸液体带来的腐蚀和废弃物问题。对于山梨醇，镍、钌等金属负载于多孔载体是关键。这些催化剂必须在开环纤维素形成葡萄糖的酸性与将葡萄糖迅速加氢生成热稳定山梨醇的氢化能力之间取得平衡，以防止葡萄糖分解为其他产物。综述表明，经精细调控的非贵金属催化剂可以接近贵金属的性能，具有降低成本的潜力。

逐原子模拟反应机制

除了实验室实验，计算机建模已成为该领域的重要帮手。密度泛函理论、分子动力学和热力学筛选等方法帮助研究者在原子尺度上观察纤维素链、溶剂与催化剂的相互作用。这些工具被用来筛选数千种潜在离子液体，从中找出最能溶解纤维素的候选，并绘制从葡萄糖到5‑HMF的详细逐步反应路径。模拟还揭示了副反应如何形成焦油状“胡敏物”（humins），造成碳浪费并污染反应器。展望未来，作者认为将这类模型与机器学习结合，可以加速寻找更好溶剂与催化剂的进程，减少实验室的试错工作。

将绿色化学推向现实规模

综述总结道，将纤维素转化为5‑HMF、羟基戊酸酯和山梨醇，有望支持更清洁的燃料、更轻更环保的塑料以及更可持续的食品和药物原料。然而，仍存在若干障碍：纤维素的天然惰性、先进溶剂和催化剂的成本与可回收性，以及需要限制能耗和废物排放。作者呼吁开发能够合并多个步骤的“单锅”工艺、多功能催化剂（既能降解纤维素又能升级所得糖类），以及能从同一原料协同生产多种产品的综合型生物炼厂。借助现代计算方法以及审慎的经济与环境评估，这些技术有望把低价值的植物残料转变为循环生物基经济的基石。

引用: Huang, K., Song, J., Su, K. et al. Catalytic conversion of cellulose and its derived sugars to 5-Hydroxymethylfurfural, levulinate esters, and sorbitol: a comprehensive review. npj Mater. Sustain. 4, 7 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-025-00091-7

关键词: 纤维素增值, 5-羟甲基糠醛, 羟基戊酸酯, 山梨醇生产, 绿色溶剂