Pyrolysis mechanism of glucose and mannose: The formation of 5-hydroxymethyl furfural and furfural

糠醛 羟甲基 甘露糖 己糖 呋喃 化学 热解 果糖 产量(工程) 有机化学 催化作用 材料科学 冶金
作者
Bin Hu,Qiang Lü,Xiaoyan Jiang,Xiaochen Dong,Minshu Cui,Changqing Dong,Yongping Yang
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:27 (2): 486-501 被引量:104
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2017.11.013
摘要

Fast pyrolysis of biomass will produce various furan derivatives, among which 5-hydroxymethyl furfural (5-HMF) and furfural (FF) are usually the two most important compounds derived from holocellulose. In this study, density functional theory (DFT) calculations are utilized to reveal the formation mechanisms and pathways of 5-HMF and FF from two hexose units of holocellulose, i.e., glucose and mannose. In addition, fast pyrolysis experiments of glucose and mannose are conducted to substantiate the computational results, and the orientation of 5-HMF and FF is determined by 13C-labeled glucoses. Experimental results indicate that C1 provides the aldehyde group in both 5-HMF and FF, and FF is mainly derived from C1 to C5 segment. According to the computational results, glucose and mannose have similar reaction pathways to form 5-HMF and FF with d-fructose (DF) and 3-deoxy-glucosone (3-DG) as the key intermediates. 5-HMF and FF are formed via competing pathways. The formation of 5-HMF is more competitive than that of FF, leading to higher yield of 5-HMF than FF from both hexoses. In addition, compared with glucose, mannose can form 5-HMF and FF via extra pathways because of the epimerization at C2 position. Therefore, mannose pyrolysis results in higher yields of 5-HMF and FF than glucose pyrolysis.
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