任東成，楊 英

（中國石油大學(xué)（北京），國家重質(zhì)油重點實驗室，北京 102249）

0 引 言

近年來，由于日益嚴(yán)重的能源危機與環(huán)境問題，探索能夠取代傳統(tǒng)化石能源的可再生能源引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。生物質(zhì)作為一類重要的可再生能源，因具有儲量大、廉價易得、碳中性等特點受到高度重視。纖維素作為自然界最為豐富的生物質(zhì)，可被催化轉(zhuǎn)化為高附加值糖醇等化學(xué)品，既可緩解目前通過石油路線制備精細(xì)化學(xué)品造成能源枯竭與環(huán)境污染的壓力，也可避免以糧食為原料生產(chǎn)大宗化學(xué)品所帶來的“與農(nóng)爭地”“與人爭食”的弊端[2-3]。因此，以纖維素為原料制備高附加值化學(xué)品，具有重要的現(xiàn)實與戰(zhàn)略意義，是一條富有潛力的利用可再生資源進行“生物煉制”的綠色路線，已成為國內(nèi)外研究的熱點[4-5]。

催化轉(zhuǎn)化纖維素可獲得乙二醇、丙二醇、甘露醇、山梨醇、異山梨醇等精細(xì)化學(xué)品。異山梨醇作為重要的纖維素價值化產(chǎn)物，除了可作為新型溶劑、醫(yī)藥中間體、手性助劑、增塑劑和燃料添加劑外，還可作為聚酯等聚合物材料的單體，具有廣闊的應(yīng)用前景[6-7]。

異山梨醇可以纖維素、葡萄糖、山梨醇為原料制備得到。目前，異山梨醇主要以工業(yè)山梨醇為原料經(jīng)兩步脫水制得，年產(chǎn)量不超過10 萬t。因此，以纖維素為原料制備異山梨醇不僅可望實現(xiàn)異山梨醇增產(chǎn)，還能避免以葡萄糖為原料制異山梨醇所帶來“與人爭食”的問題。

目前纖維素轉(zhuǎn)化的相關(guān)研究已見諸報道，但由于纖維素轉(zhuǎn)化制異山梨醇的困難性及高效催化劑的缺失，纖維素轉(zhuǎn)化制異山梨醇的相關(guān)報道甚少。因此，本文綜述以自然界儲量最為豐富的纖維素為原料制備異山梨醇的研究進展，從反應(yīng)路徑、工藝方法、催化劑體系及催化性能影響因素幾個方面進行總結(jié)，并對未來該領(lǐng)域可能取得的突破進行展望。

1 纖維素制備異山梨醇的反應(yīng)路徑

纖維素是D-葡萄糖單元以β-1,4-糖苷鍵結(jié)合的鏈狀高分子化合物，具有高度有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)且富含分子內(nèi)氫鍵。這些特點使纖維素結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，同時也增加了纖維素降解的難度。纖維素制備異山梨醇的反應(yīng)路徑如圖1 所示，纖維素解聚需酸催化促使兩個葡萄糖苷單元之間的β-1,4-糖苷鍵斷裂生成葡萄糖，葡萄糖經(jīng)金屬催化劑催化加氫生成山梨醇，山梨醇在強酸催化劑作用下經(jīng)連續(xù)兩步高溫脫水（＞200℃）生成異山梨醇。該過程中最易發(fā)生的副反應(yīng)是葡萄糖通過異構(gòu)化?脫水?再水合的競爭性酸催化多步反應(yīng)，生成5-羥甲基糠醛、乙酰丙酸和甲酸副產(chǎn)物以及不溶性胡敏素等副產(chǎn)物[8-12]。這些副產(chǎn)物已通過氣相/液相色譜、液質(zhì)聯(lián)用等分析所證實，其生成降低了葡萄糖加氫生成山梨醇的選擇性。另外，這些副產(chǎn)物可相互聚合，生成聚合物或胡敏素等不溶性物質(zhì)并沉積在催化劑表面，覆蓋金屬和酸活性位，從而降低催化劑的活性。因此，催化劑的酸性與反應(yīng)條件對葡萄糖定向加氫生成山梨醇具有重要作用。需要指出的是，山梨醇經(jīng)第一步脫水的產(chǎn)物包括1,5-脫水山梨醇和2,5-脫水山梨醇、1,4-脫水山梨醇和3,6-脫水山梨醇等。1,5-脫水山梨醇和2,5-脫水山梨醇生成量少且由于其空間位阻大不能進行第二次脫水反應(yīng)，只有1,4-脫水山梨醇和3,6-脫水山梨醇可進一步脫水生成異山梨醇，且第二步脫水反應(yīng)比第一步脫水需要更高的活化能。相關(guān)研究表明，1,5-脫水山梨醇易在溫和反應(yīng)條件或酸性較弱的條件下生成[13-14]。相反，適當(dāng)提高酸性或改變反應(yīng)條件（高溫）可有效抑制1,5-脫水山梨醇等物質(zhì)的生成，控制1,4-脫水山梨醇和3,6-脫水山梨醇脫水定向生成異山梨醇，進而提高異山梨醇的選擇性。

圖1 纖維素制備異山梨醇的反應(yīng)路徑Fig.1 Route of cellulose converting into isosorbide

2 纖維素制備異山梨醇的工藝方法

纖維素轉(zhuǎn)化制異山梨醇需歷經(jīng)葡萄糖、山梨醇、脫水山梨醇等中間產(chǎn)物，其轉(zhuǎn)化方法主要為多步反應(yīng)法與一步反應(yīng)法。多步反應(yīng)是纖維素在轉(zhuǎn)化過程需要中間產(chǎn)物的分離，然后進行后續(xù)反應(yīng)生成異山梨醇，這個過程需要不同的催化劑及反應(yīng)條件。一步反應(yīng)是直接催化纖維素轉(zhuǎn)化為異山梨醇，無需中間產(chǎn)物的分離，這個過程不能改變使用的催化劑及反應(yīng)條件。

2.1 多步反應(yīng)

纖維素首先在低溫下（＜190℃）通過酸催化水解及葡萄糖加氫獲得較高收率的山梨醇，然后分離得到山梨醇，并加入酸催化劑，使山梨醇在高溫（＞220℃）反應(yīng)條件下經(jīng)兩步脫水生成高收率的異山梨醇。DE ALMEIDA 等[15]采用不同催化劑分三步將纖維素轉(zhuǎn)化為異山梨醇：首先在85℃熔融鹽ZnCl2介質(zhì)下加入少量鹽酸使纖維素完全水解為葡萄糖；分離出的葡萄糖在5 MPa H2下經(jīng)Ru/C 催化加氫，完全轉(zhuǎn)化為山梨醇；最后，山梨醇于180℃下通過熔融鹽ZnCl2催化轉(zhuǎn)化為收率高于95%的異山梨醇。XI 等[16]使用Ru/NbOPO4-pH2 金屬/酸催化劑在170℃下通過耦合纖維素水解與葡萄糖加氫反應(yīng)得到59.1%的山梨醇，分離出Ru/NbOPO4-pH2 催化劑后反應(yīng)升溫至230℃，采用NbOPO4-pH2 酸催化山梨醇兩步脫水生成異山梨醇，收率為56.7%。KESKIV?LI 等[17]也對纖維素多步反應(yīng)制異山梨醇進行了研究，在170℃下采用H2SO4+Ru/C 復(fù)合催化劑催化纖維素轉(zhuǎn)化為山梨醇中間產(chǎn)物，轉(zhuǎn)化率為59%，然后分離出Ru/C 加氫催化劑，于200℃下反應(yīng)得到異山梨醇，收率為54%。同時，他們對商業(yè)Ru/C 催化劑進行磺化、氧化處理，發(fā)現(xiàn)處理后得到的RuOx/C10M3h催化劑的催化性能顯著提高。即纖維素在相同的兩步反應(yīng)條件下通過RuOx/C10M3h催化劑的作用生成異山梨醇，收率為56%。這與磺化、氧化處理在催化劑載體表面植入強酸位點，提升了催化劑的酸催化性能有關(guān)。

多步反應(yīng)的每一步反應(yīng)溫度可調(diào)、催化劑可變，使每一步都可按照最佳反應(yīng)條件進行，可獲得較高的異山梨醇收率。多步反應(yīng)可通過改變反應(yīng)溫度獲得高收率的異山梨醇，但是不利于操作，需考慮中間產(chǎn)物的分離和純化，增加了反應(yīng)時間與能耗。

2.2 一步反應(yīng)

一步反應(yīng)，即纖維素原料在恒定溫度、氫氣壓力下，在金屬、酸催化劑協(xié)同作用下，直接轉(zhuǎn)化為異山梨醇。表1 總結(jié)了纖維素一步制備異山梨醇的一系列體系。LIANG 等[18]采用HCl、Ru/C 復(fù)合催化劑經(jīng)一步反應(yīng)將纖維素直接轉(zhuǎn)化為異山梨醇，收率為49.5%。為了避免無機酸造成的反應(yīng)器腐蝕等問題，研究者相繼開發(fā)了Ru/C 與H4SiW12O40[19]或Amberlyst-70[20]結(jié)合的催化劑體系，纖維素經(jīng)一步反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為異山梨醇，其收率分別為52.0%或55.8%。為改善金屬與酸的協(xié)同作用，相關(guān)研究將Ru 納米顆粒（nanoparticles,NPs）負(fù)載在磷酸鈮上形成Ru/NbOPO4-pH2[16]和Ru@mNbPO[21]復(fù)合催化劑。然而，使用Ru/NbOPO4-pH2 進行纖維素的一步反應(yīng)，異山梨醇的收率僅為13.2%。而使用介孔Ru@mNbPO 可使異山梨醇收率達(dá)到52.0%。

研究表明，通過一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化纖維素制異山梨醇的優(yōu)點在于：操作簡單，無需中間產(chǎn)物的分離與純化，節(jié)約反應(yīng)時間，減少能耗；可快速去除不穩(wěn)定的中間體，減少副反應(yīng)[19]。但需要指出的是，纖維素轉(zhuǎn)化生成山梨醇與山梨醇脫水生成異山梨醇需要不同的反應(yīng)溫度，因此一步反應(yīng)需要一個最佳反應(yīng)溫度。較高的反應(yīng)溫度（＞200℃）有利于山梨醇脫水生成異山梨醇，而較溫和的溫度（＜190℃）有利于山梨醇生成。因此，在一步反應(yīng)條件下，高溫促進山梨醇脫水但加速葡萄糖氫解，低溫利于山梨醇生成卻抑制其脫水，這兩組主要矛盾導(dǎo)致進一步提高異山梨醇收率非常困難。此外，在一步反應(yīng)條件下加氫催化劑易失活，其失活原因包括不溶性副產(chǎn)物（如胡敏素）在催化劑上的沉積，金屬顆粒的燒結(jié)與浸出等。為了克服這些問題，高效催化劑的設(shè)計與制備是纖維素直接轉(zhuǎn)化制異山梨醇的關(guān)鍵。

表1 纖維素直接轉(zhuǎn)化制異山梨醇的研究Table 1 Direct conversion of cellulose into isosorbide

3 纖維素制備異山梨醇的催化體系

3.1 催化劑體系

由于纖維素轉(zhuǎn)化制備異山梨醇涉及水解、加氫和脫水反應(yīng)，催化劑須包含金屬、酸雙活性位。根據(jù)活性位之間的相互作用，催化劑體系可分為金屬、酸活性位單獨作用的二元催化劑及金屬、酸活性位耦合協(xié)同作用的雙功能催化劑。

3.1.1 二元催化劑

LIANG 等[18]采用鹽酸與商業(yè)Ru/C 結(jié)合的二元催化劑催化纖維素轉(zhuǎn)化，經(jīng)多步反應(yīng)得到49.5%的異山梨醇。在金屬參與的液相反應(yīng)中，催化劑的循環(huán)穩(wěn)定性非常重要。在該體系中，Ru/C 加氫催化劑可循環(huán)再利用四次，異山梨醇收率降至30%左右。他們認(rèn)為催化活性降低可能與Ru 納米顆粒團聚有關(guān)。OP DE BEECK 等[19]采用可分離的雜多酸H4SiW12O40與Ru/C 結(jié)合的二元催化劑催化纖維素轉(zhuǎn)化，異山梨醇收率為52.0%。該反應(yīng)體系中，H4SiW12O40酸強度高，對纖維素具有一定的親和力，可促進纖維素快速水解。反應(yīng)后，H4SiW12O40雜多酸可與反應(yīng)溶液分離，可回收再利用。但雜多酸成本高于傳統(tǒng)礦物酸，經(jīng)濟效益不高。體系中Ru/C 穩(wěn)定性較差，第二次循環(huán)的異山梨醇收率降至低于10%。反應(yīng)一次后的催化劑表面存在積碳，這可能是催化活性降低的原因。YAMAGUCHI 等[20]采用離子交換樹脂Amberlyst-70與Ru/C相結(jié)合的二元催化劑催化球磨纖維素轉(zhuǎn)化，異山梨醇收率為55.8%。雖然離子交換樹脂Amberlyst-70 是非均相催化劑，易與產(chǎn)物分離，但Amberlyst-70 在高溫下易分解，耐熱性差。Ru/C 和Amberlyst 70 結(jié)合的二元催化劑穩(wěn)定性較差，進行三次循環(huán)反應(yīng)后異山梨醇收率極低。催化劑失活的原因可能是反應(yīng)后Ru 表面碳沉積造成Ru/C 失活，導(dǎo)致葡萄糖加氫反應(yīng)不能有效進行。

3.1.2 雙功能催化劑

XI 等[16]首次使用鈮基材料作為酸性載體負(fù)載Ru NPs 得到Ru/NbOPO4-pH2 雙功能催化劑。將此雙功能催化劑用于纖維素分步制備異山梨醇，得到收率為56.7%的異山梨醇。此處，磷酸鈮載體不僅提供理想的酸度和熱穩(wěn)定性以催化水解及脫水反應(yīng)，而且還通過強金屬?載體相互作用使金屬Ru NPs 均勻分散。Ru NPs 的加氫作用與磷酸鈮載體的酸催化水解及脫水作用產(chǎn)生協(xié)同催化，促使生成高收率的異山梨醇。使用NbOPO4-pH2 催化劑循環(huán)再利用4 次后，異山梨醇收率下降了大約10%。通過熱重分析發(fā)現(xiàn)，催化活性的降低是由于催化劑表面的碳沉積造成的。催化劑在400℃下煅燒除去積碳后再用于反應(yīng)，得到異山梨醇收率與第一次反應(yīng)中獲得的收率相似。為了提高Ru NPs-磷酸鈮雙功能催化劑的孔隙率，SUN 等[21]將Ru NPs 負(fù)載于具有介孔結(jié)構(gòu)的磷酸鈮載體上制備出Ru@mNbPO 雙功能催化劑。將此催化劑用于纖維素一步制備異山梨醇，得到52.0%的異山梨醇。所制備的介孔磷酸鈮比表面積為310 m2/g、平均孔徑為5.9 nm，有利于反應(yīng)物、產(chǎn)物的擴散，促進了纖維素水解和山梨醇脫水。該雙功能催化劑可穩(wěn)定使用多達(dá)6 次，異山梨醇收率基本保持不變，反應(yīng)液中未檢測到Ru 物種，且催化劑介孔結(jié)構(gòu)得以保持。

為了開發(fā)水熱穩(wěn)定性良好、便于回收的金屬?酸雙功能催化劑，本課題組[22]制備出可磁回收的中空“蛋黃?蛋殼”結(jié)構(gòu)的Ru-SO3H 雙功能催化劑。該催化劑是以磺酸（-SO3H）修飾的周期性介孔有機硅（periodic mesoporous organosilica,PMO）為殼，以磁性核負(fù)載Ru NPs 為核的“蛋黃?蛋殼”結(jié)構(gòu)。將此Ru-SO3H 雙功能催化劑用于纖維素一步反應(yīng)，可獲得58.1%的異山梨醇。所制備的磁性Ru-SO3H納米反應(yīng)器具有高孔隙率、大表面積（＞350 m2/g）、均勻的介孔（3.8 nm）、Ru NPs 分散性好（＜1.5wt%）和磁回收性能好等優(yōu)點。與傳統(tǒng)負(fù)載型雙功能催化劑不同，Ru-SO3H 納米催化劑不僅與纖維素接觸充分，且其獨特的“蛋黃?蛋殼”結(jié)構(gòu)使活性組分隔離?？招臍げ粌H能保護核，促進反應(yīng)，且其可調(diào)的結(jié)構(gòu)將賦予金屬?酸納米反應(yīng)器新的特性，如孔隙率高、密度低及滲透性好等。這種新型的金屬?酸“蛋黃?蛋殼”雙功能催化劑中，金屬官能團與酸性官能團的結(jié)合可縮短反應(yīng)途徑，提高金屬與酸性催化劑的協(xié)同作用。該雙功能催化劑可穩(wěn)定使用4 次，性能未發(fā)生明顯變化。熱重分析顯示，與新鮮催化劑相比，反應(yīng)后的催化劑失重更多，證實活性下降是由于催化劑表面碳沉積引起的。將失活的雙功能催化劑在300℃空氣中焙燒后可完全再生。

3.2 催化性能影響因素

3.2.1 催化劑的酸性

纖維素制備異山梨醇的反應(yīng)性能很大程度上取決于催化劑的酸性（酸量、酸強）。酸度越強、酸量越大，提供的H+的數(shù)量就越多，就越容易促使纖維素β-1,4-糖苷鍵斷裂及山梨醇脫水，獲得的異山梨醇收率就越高。XI 等[16]發(fā)現(xiàn)采用Ru/NbOPO4-pH2作為第二步酸脫水催化劑時，異山梨醇收率較使用NbOPO4-pH2 酸催化劑低23.5%。他們通過吡啶吸附紅外研究，計算得到 NbOPO4-pH2 的總酸量比Ru/NbOPO4-pH2 的總酸量高332.3 μmol/g，這與所得異山梨醇的收率結(jié)果相一致。SUN 等[21]以Ru@mNbPO 雙功能催化劑催化纖維素轉(zhuǎn)化，獲得異山梨醇的最高產(chǎn)率為 52.0%。為此，他們采用NH3-TPD 測定了所使用的固體酸載體的酸性，觀察到mNbPO 有較大的脫附峰，并且峰值移動到約613 K 的較高溫度，表明mNbPO 與其他鈮基催化劑和硅鋁氧化物相比具有更強的酸度和較高的酸量。這與使用mNbPO 催化劑表現(xiàn)出最佳的催化性能一致。為考察酸量對催化性能的影響，本課題組[22]也進行了NH3-TPD 測試。通過調(diào)整 -SO3H 的負(fù)載量，發(fā)現(xiàn)隨著 -SO3H 含量的增加，異山梨醇的收率逐漸增大，所得結(jié)果與上述文獻一致。

3.2.2 金屬粒徑

適當(dāng)尺寸的Ru NPs 可使葡萄糖的C=O 鍵定向快速地加氫生成山梨醇，有效避免葡萄糖異構(gòu)生成果糖，減少副產(chǎn)物。SUN 等[21]發(fā)現(xiàn)，Ru NPs 的平均粒徑顯著影響異山梨醇收率。Ru NPs 粒徑為0.9 nm時，異山梨醇的收率最低，為40%。隨著Ru NPs粒徑的增大，異山梨醇的收率逐漸增大。當(dāng)Ru NPs的粒徑增加至5.5 nm 時，異山梨醇收率最高，為52%。進一步增大Ru NPs 粒徑至8.8 nm 時，異山梨醇的收率卻明顯下降。本課題組[22]也研究發(fā)現(xiàn)，Ru NPs 的粒徑顯著影響纖維素轉(zhuǎn)化制異山梨醇的反應(yīng)性能。隨著Ru NPs 平均粒徑從0.9 nm 增大到2.2 nm，異山梨醇的收率相應(yīng)地從44.7%增加到47.6%，此時異山梨醇收率最高。然而，平均粒徑增大到5.5 nm和8.8 nm 時，其收率分別下降至42.3%和38.9%。這可能是由于Ru NPs 的平均粒徑大于4.0 nm 時，Ru NPs 主要分散在納米催化劑的外表面上，穩(wěn)定性較差，影響反應(yīng)收率。

3.2.3 催化劑的孔結(jié)構(gòu)

催化劑的孔道具有傳質(zhì)作用，不同孔徑具有不同的擴散速率，孔徑大小與反應(yīng)物或產(chǎn)物分子之間的大小關(guān)系又會引起擇形催化、空間限域效應(yīng)等。研究發(fā)現(xiàn)，微孔Ru/C 及Ru/NbOPO4催化纖維素轉(zhuǎn)化，異山梨醇收率僅為20%～56%，其產(chǎn)率低于0.300 molisosor/(h·gRu)[16,18-20]。而將Ru 負(fù)載于介孔磷酸鈮上[21]、PMO 空穴內(nèi)[22]，異山梨醇產(chǎn)率提高2～6倍，可見介孔結(jié)構(gòu)在促進傳質(zhì)、提升金屬/酸活性位協(xié)同作用方面的優(yōu)勢。

3.2.4 反應(yīng)條件

除了催化劑對反應(yīng)性能的影響外，反應(yīng)溫度、壓力、時間、溶劑、催化劑與原料用量比等反應(yīng)條件均會對產(chǎn)物的收率產(chǎn)生影響。就反應(yīng)溫度來說，較低的反應(yīng)溫度不足以活化反應(yīng)物，而較高的溫度又易引起金屬顆粒的燒結(jié)積碳等。為此，需找到纖維素制備異山梨醇的最佳反應(yīng)條件。

4 結(jié)論與展望

目前，纖維素催化制備異山梨醇已取得較大進展，反應(yīng)工藝從多步轉(zhuǎn)化纖維素制備異山梨醇發(fā)展到經(jīng)一步反應(yīng)直接將纖維素轉(zhuǎn)化為異山梨醇，既方便操作、節(jié)約能耗，又增強對可再生資源的利用。催化劑從Ru/C 與礦物酸、雜多酸，離子交換樹脂結(jié)合的二元催化劑體系發(fā)展到釕?磺酸耦合的雙功能催化劑，既提高了金屬、酸活性組分的協(xié)同，便于操作又環(huán)保。

盡管如此，纖維素催化轉(zhuǎn)化制異山梨醇的相關(guān)研究目前仍存在一些難題。由于纖維素結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，不溶于大多數(shù)溶劑，纖維素催化轉(zhuǎn)化的反應(yīng)條件比較苛刻，需高溫、高壓、強酸催化劑等。雖然一步轉(zhuǎn)化方法已取得一些進展，與多步反應(yīng)相比其效率仍然不高，在目前所有的工作中，異山梨醇的收率尚未突破60%?；诶w維素轉(zhuǎn)化制異山梨醇反應(yīng)歷程及水解/脫水速控步驟的特征，可通過構(gòu)建高活性、高選擇性的金屬/酸活性位以實現(xiàn)異山梨醇的高效、定向合成，但金屬/酸活性位催化性能的發(fā)揮依賴于孔道的傳質(zhì)作用。因此，基于功能導(dǎo)向的孔道與活性位結(jié)構(gòu)設(shè)計將有望構(gòu)筑高效金屬/酸雙功能催化劑，進一步提高異山梨醇收率與生產(chǎn)率。

在催化劑孔結(jié)構(gòu)方面，介孔結(jié)構(gòu)在促進傳質(zhì)、提升金屬/酸活性位協(xié)同作用方面具有很大優(yōu)勢。然而，目前介孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑仍需使用超分子模板劑，且其調(diào)變難度大、效率低。因此，如能在無模板條件下制備出介孔金屬/酸雙功能催化劑，并方便調(diào)變其孔道結(jié)構(gòu)，對進一步提升催化性能具有重要意義。

在金屬活性位結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，廣泛使用的釕催化劑均為納米顆粒，存在金屬含量高、分散性差、催化葡萄糖加氫活性低和山梨醇選擇性差等問題，導(dǎo)致異山梨醇產(chǎn)率偏低。減小粒徑能提高Ru NPs的分散性，而Ru 單原子是粒徑減小的極限。Ru 單原子催化劑在香蘭素/喹啉/乙酰丙酸加氫反應(yīng)中具有優(yōu)異的催化性能。將單原子催化的理念引入金屬/酸雙功能催化劑中，通過增強釕與載體相互作用并調(diào)控其含量，有望制備出低金屬含量、高活性的釕單原子/酸雙功能催化劑，從而提高異山梨醇產(chǎn)率。

在酸活性位研究方面，基于腐蝕性的礦物酸、昂貴的雜多酸、低高溫耐受性的酸性樹脂及低水熱穩(wěn)定性的磷酸鈮，如何構(gòu)建具有更高化學(xué)穩(wěn)定性和（水）熱穩(wěn)定性的固體強酸仍是纖維素轉(zhuǎn)化制異山梨醇催化劑研究的重要課題。另一方面，目前金屬/酸雙功能催化劑的制備只是簡單地結(jié)合酸與釕，或調(diào)變酸量研究酸量對異山梨醇收率的影響。由于酸活性位對水解、脫水反應(yīng)的影響機制尚不清楚，目前研究對酸活性位的設(shè)計與調(diào)控缺乏針對性。因此，針對水解、脫水性能進行固體酸活性位設(shè)計與調(diào)控，有望提高雙功能催化劑的水解、脫水反應(yīng)活性，進而提高異山梨醇收率。

由此可見，現(xiàn)有的催化劑遠(yuǎn)不能滿足綠色、高效、可持續(xù)發(fā)展的要求。缺乏有效的金屬?酸固體催化劑的設(shè)計方法是其癥結(jié)所在，目前迫切需要通過新路徑合成高效率、高穩(wěn)定性及易回收的金屬?酸雙功能固體催化劑。

此外，關(guān)于異山梨醇合成的報道多以純纖維素如微晶纖維素為底物，而以含有纖維素底物的生物質(zhì)原材料（如秸稈、甘蔗渣）合成異山梨醇的研究較少。就可持續(xù)發(fā)展而言，需進一步研究使用含纖維素的生物質(zhì)原材料轉(zhuǎn)化制異山梨醇。