ZrOCl2催化瓊脂糖制備5-羥甲基糠醛和乙酰丙酸

何欣駿, 馬 嬌, 王康軍, 許占威, 賈松巖,3*

(1.沈陽化工大學 化學工程學院, 遼寧 沈陽 110142; 2.中國科學院 大連化學物理研究所, 遼寧 大連 116023;3.大連理工大學 精細化工國家重點實驗室, 遼寧 大連 116024)

5-羥甲基糠醛(5-HMF)和乙酰丙酸(LA)是2種重要的生物基平臺化合物[1]。5-HMF可以通過六碳糖等碳水化合物選擇性脫水制得，而LA可通過5-HMF的進一步酸催化水解來獲取。5-HMF通過加氫、氧化等工藝可轉化為2,5-二甲基呋喃、 2,5-呋喃二甲醛、 2,5-呋喃二甲酸等，而LA通過加氫、酯化等可獲得1,4-戊二醇、γ-戊內酯、乙酰丙酸烷基酯等。上述產物在高分子加工、燃料生產、醫藥中間體合成等領域具有廣泛的潛在應用，為生物質資源利用奠定了基礎[2]。目前，制備5-HMF的研究主要集中在果糖、葡萄糖等資源的轉化。果糖的轉化活性較高，如無機酸、金屬鹽、固體酸等都能將其有效轉化為5-HMF[3-5]。但是葡萄糖轉化為5-HMF較為困難。Zhao等[6]報道CrCl2在離子液體中能夠將葡萄糖有效轉化為5-HMF之后，葡萄糖轉化制備5-HMF獲得了廣泛的關注。研究表明，葡萄糖可經過2步串聯反應制得5-HMF[6-8]，而5-HMF可通過酸催化生成LA。以無機酸、金屬鹽和雜多酸等作為催化劑，催化果糖和葡萄糖轉化制備LA取得了諸多進展，獲得LA的得率為40%～80%[9-12]。

瓊脂糖是一種源于水生植物的生物質，其具有線性結構，由D-半乳糖和3,6-脫水半乳糖通過β-1,4和α-1,3糖苷鍵連接交替形成重復雙糖單位[13]。近年來，關于采用瓊脂糖制備5-HMF和LA的報道不少[13-15]。Kim等[13]采用Dowex樹脂和CrCl2在DMSO中110 ℃下5 h可轉化瓊脂糖制備5-HMF，產物得率約為22%;Yan等[14]以瓊脂糖為原料，采用MgCl2為催化劑，在質量分數為1%的硫酸水溶液中200 ℃方可獲得5-HMF的得率約為40%;Oh等[15]以瓊脂糖為原料，采用固體酸Amberlyst 36為催化劑，在DMSO中140 ℃下反應180 min，5-HMF的得率約為50%，而當采用水為溶劑時，產物主要是LA，得率約為50%。但上述研究存在一些問題，如反應時間較長，溫度高等。

因此，本研究以瓊脂糖為原料，篩選較好的催化劑，用于制備與5-HMF和LA，并分析了瓊脂糖在DMSO溶劑體系中的轉化情況，考察了反應條件對反應的影響，以期探索出一種能夠將瓊脂糖有效轉化為5-HMF和LA的方法。

1 實 驗

1.1 材料與試劑

瓊脂糖，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氯化銅(CuCl2·2H2O，99%)、氯化鎳(NiCl2·6H2O，98%)、氯化錳(MnCl2·4H2O，99%)、氯化鎂(MgCl2·6H2O，99%)、氯化鐵(FeCl3·6H2O，99%)、氯化鋁(AlCl3·6H2O，99.9%)、氧氯化鋯(ZrOCl2·8H2O，98%)、氯化鋯(ZrCl4，98%)、氯化錫(SnCl4·5H2O，99%)、二甲基亞砜(DMSO)、甘油，均為市售分析純。超純水由陶氏超純水設備生產，電阻率為1.82×105Ω·m。

1.2 樣品制備

稱取50 mg瓊脂糖和一定量催化劑(加入量為10%，以瓊脂糖中單糖物質的量計，下同)，加入到5 mL 容積的反應瓶中，然后向反應瓶中加入總體積為1 mL的反應溶劑DMSO/H2O和磁子，在密封蓋擰緊后將反應瓶放入預設反應溫度的加熱塊中，磁力攪拌，并開始計時。達到預設的反應時間后，將反應瓶從加熱塊中立即取出并放入冰水混合物中冷卻。反應后的混合物經加入一定量甘油作為內標物并用水稀釋之后直接用高效液相色譜(HPLC)分析測定5-HMF和LA峰面積，通過計算求得率。

1.3 分析方法

1.3.1HPLC分析 HPLC分析采用島津LC-16型HPLC儀，配RID-20示差檢測器。色譜柱為安捷倫Hi-Plex系列H型色譜柱(300 mm×7.7 mm，8 μm)，前置保護柱為Hi-Plex系列H型色譜柱(50 mm×7.7 mm，8 μm)；流動相為5 mmol/L的硫酸水溶液，流速為0.65 mL/min，單相洗脫；色譜柱和檢測器溫度分別設定為65和50 ℃，測試樣品的進樣體積為20 μL。測試時間為35 min，其中甘油的保留時間為14.8 min，LA的保留時間為17.5 min，5-HMF的保留時間為32.0 min。

產物得率計算公式如下：

Y(5-HMF)=n1/n2×100%

(1)

Y(LA)=n3/n2×100%

(2)

式中：Y—產物得率，%；n1—HPLC檢測到的5-HMF物質的量，mol;n2—加入瓊脂糖獲得相應產物的理論物質的量，mol;n3—HPLC檢測到的LA物質的量，mol。

2 結果與討論

2.1 催化劑篩選

溶劑為DMSO，催化劑用量為10%，反應溫度為140 ℃，反應時間為60 min，考察不同催化劑對5-HMF和LA得率的影響，如圖1所示。由圖可知，外觀上不加催化劑時，瓊脂糖在DMSO中形成黏稠膠體，無法進行攪拌，當采用NiCl2、MnCl2以及MgCl2為催化劑時，仍然存在上述問題，而采用CuCl2、AlCl3、FeCl3、SnCl4和ZrOCl2時，反應混合物溶解且呈均勻狀。

圖1 不同金屬氯化物催化瓊脂糖轉化后的樣品圖

由于瓊脂糖在DMSO中會形成膠體，本研究探討了在DMSO中加入適量水作為共溶劑，以期待能夠消除膠體形成。采用DMSO/H2O體積比為8∶2混合溶劑進行初步嘗試，當采用NiCl2、MnCl2以及MgCl2為催化劑時，膠體仍會出現。然而，水的加入顯著提高了其他幾種催化劑轉化瓊脂糖的反應性能(見表1)。在DMSO/H2O混合溶劑下，催化劑為ZrOCl2時，相比DMSO溶劑下的5-HMF得率提高了10.3個百分點，達到26.9%。水加入后也不同程度地提高了LA的收率，這是由5-HMF在足夠水存在的條件下發生水解反應所致[9， 16]；LA得率為24.7%，相比在DMSO溶劑中反應，其得率提高了14.1個百分點。由于ZrOCl2對催化瓊脂糖轉化具有良好的催化性能，因此選擇ZrOCl2作為催化劑進行后續研究。

表1 不同溶劑時催化劑種類對5-HMF和LA得率的影響

2.2 反應條件對產物得率的影響

表2 DMSO與H2O不同體積比對5-HMF和LA得率的影響

2.2.1溶劑中含水量 由2.1節分析可知，加入適量水能夠顯著提高5-HMF和LA的得率。以ZrOCl2為催化劑，140 ℃反應60 min，混合溶劑DMSO/H2O總體積為1 mL，探究不同體積比的DMSO/H2O對瓊脂糖轉化的性能的影響，結果如表2 所示。由表可知，當體系中沒有水時，5-HMF和LA可以生成，但得率較低，分別為16.6%和10.6%。隨著適量水的加入，5-HMF和LA的得率顯著提高，這是因為水的加入可能抑制了瓊脂糖、半乳糖等發生一些副反應，從而提高5-HMF的收率[17]，并且水的加入也有利于瓊脂糖水解為單體以及3,6-脫水半乳糖水合形成半乳糖[14-15]，水還能參與5-HMF的水解反應，提高LA的得率。然而，當V(DMSO)/V(H2O)超過8∶2時，隨著水在體系中所占比例繼續增大，產物得率逐漸下降，這是因為單糖轉化為5-HMF是一個脫水反應，過量的水會在一定程度上抑制5-HMF的形成，而LA是由5-HMF水解產生，5-HMF的減少也會影響LA的得率。因此，選擇體積比為8∶2的DMSO/H2O混合溶劑為溶劑進行后續考察。

2.2.2催化劑用量 在1 mL體積比為8∶2的DMSO/H2O混合溶劑中，140 ℃下反應60 min，ZrOCl2用量對瓊脂糖轉化為5-HMF和LA的影響見圖2。由2.1節可知，當不加入催化劑時，反應物易形成膠體，無法攪拌和采用HPLC進行檢測。當ZrOCl2用量為瓊脂糖中單糖物質的量的2.5%時，5-HMF和LA的得率分別為19.4%和13.6%。隨著催化劑用量的增加，2種產物得率呈先上升后下降的趨勢，這可能是由于過量催化劑導致產物發生更多副反應所致。當ZrOCl2用量為瓊脂糖中單糖物質的量的10%時，5-HMF和LA的得率最高。因此，選擇10%作為催化劑的優選用量。

2.2.3反應溫度和時間 以ZrOCl2作催化劑，加入量10%，采用DMSO/H2O(體積比為8∶2)為溶劑(總體積1 mL)，考察反應溫度和反應時間對產物得率的影響，結果見圖3。

圖2 催化劑用量對5-HMF和LA得率的影響

圖3 反應溫度和時間對5-HMF和LA得率的影響

由圖3可知，隨著反應溫度的提高，5-HMF和LA的生成速率加快，這是由于六碳糖轉化為5-HMF以及5-HMF進一步轉化為LA都是吸熱反應[18]。但是，高溫和長時間反應都可能引起產物發生更多的降解或聚合等副反應，因此，150 ℃時反應30 min之后LA得率逐漸降低。由圖3可知，在140 ℃下反應60 min時，2種產物的總得率可達到最高，為51.6%，其中5-HMF和LA的得率分別為26.9%和24.7%。

2.3 反應途徑與機理分析

圖4 瓊脂糖轉化為5-HMF和LA的反應途徑[14-15]

3 結 論

3.1以瓊脂糖為原料，采用不同催化劑催化轉化制備5-HMF和LA，考察了反應條件對產物得率的影響。研究結果表明：ZrOCl2是實現瓊脂糖轉化的一種優選催化劑，50 mg瓊脂糖在1 mL DMSO/H2O(體積比為8∶2)混合溶劑中，ZrOCl2用量為10%(以瓊脂糖中單糖物質的量計)，140 ℃下反應60 min，瓊脂糖可被有效轉化為5-HMF和LA，得率分別為26.9%和24.7%，產物的總得率為51.6%。

3.2瓊脂糖轉化為5-HMF和LA的過程中需經歷以下幾步：1) 瓊脂糖首先水解為單糖；2) 醛型單糖在催化劑的作用下異構化為酮型單糖；3) 酮型單糖脫水轉化為5-HMF；4)5-HMF在酸作用下進一步水解為LA。