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Breaking the Concentration Barrier: Triethylbenzylammonium Chloride-Based Acidic Deep Eutectic Solvents for Sustainable 5-Hydroxymethylfurfural Production via Self-Regulated Dynamic Equilibrium Mechanism

共晶体系 化学 基质(水族馆) 化学工程 工作(物理) 三元运算 溶剂 深共晶溶剂 化学平衡 生物量(生态学) 原材料 果糖 反应机理 甲酸 氯化物 化学稳定性 催化作用 动力学 有机化学 化学动力学 三元数制 水溶液 材料科学 机制(生物学) 化学反应
作者
Jiuhang Song,Yinan Hu,Quanyuan Qiu,Xiaoling Fu,Chenxi Shi,Jiaxin Tang,Xinhui Chen,Haotian Yuan,Xiaoqing Lin
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (47): 20580-20594 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c10267
摘要

5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF), a key platform chemical derived from biomass, continues to face significant challenges in achieving efficient production under industrially viable conditions, particularly due to a prolonged reaction time and low yields at high substrate concentrations. This study designed a ternary acidic deep eutectic solvent (DES) system using triethylbenzylammonium chloride (TEBAC), dicarboxylic acids, and cosolvents. The optimized system (TEBAC/oxalic acid dihydrate (OAD)/H 2 O = 3:1.2:4.5) enabled high 5-HMF yields of 87.87 ± 0.10% from 10 wt % fructose at 90 °C in just 1.5 h while maintaining strong performance at higher substrate loadings, achieving 81.06 ± 1.29% at 20 wt % and 63.93 ± 0.93% at 50 wt %, significantly surpassing conventional methods. A central innovation of this work is the identification of a self-regulated dynamic equilibrium mechanism involving a difructose anhydride (DFA) intermediate. DFA dynamically suppresses humin formation while decomposing gradually to replenish reactive species, thereby sustaining high 5-HMF productivity. This mechanistic pathway was supported by detailed spectroscopic analyses, including FT-IR, 1 H/ 13 C NMR, and LC-MS. Moreover, the TEBAC-based acidic DES exhibited tunable hydrogen-bond networks and synergistic acid–base behavior, overcoming viscosity and stability limitations commonly associated with traditional solvent systems. This work offers a scalable and sustainable strategy for biomass valorization.
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