半乳糖二酸催化脫水環合制備2，5-呋喃二甲酸工藝及動力學

徐海峰，鄭麗萍，王洪營，呂喜蕾，陳旭杰，徐玲，李彥辰，蔣雨希，呂秀陽

（1 生物質化工教育部重點實驗室（浙江大學），浙江大學化學工程與生物工程學院，浙江杭州310027；2浙江恒逸石化有限公司研發中心，浙江杭州311209）

引 言

隨著石化資源日益枯竭，可再生的生物質作為化學工業替代原料備受關注[1-2]。生物質基的2,5-呋喃二甲酸（2,5-FDCA）由于與石油基的對苯二甲酸結構相似，在聚合物領域應用前景廣泛[3-5]，2004年被美國能源部列為12 種生物質基平臺化合物之一。目前，2,5-FDCA 制備的主流路線是從葡萄糖/果糖出發，先脫水環合生成5-羥甲基糠醛（5-HMF），再氧化制得[6-7]。由于5-HMF 反應活性高、穩定性差、分離困難、成本高，嚴重制約了該路線的工業化進程。

2,5-FDCA也可以從己糖出發，先氧化得到己糖二酸，再脫水環合制備，其中己糖二酸包括葡萄糖二酸、半乳糖二酸（粘酸）、甘露糖二酸等。該路線的優點包括：工藝路線短；原料可以是己糖混合物水溶液、要求低；中間產物己糖二酸非常穩定、分離容易。目前己糖二酸的制備不論在化學法[8-9]還是生物法[10-11]上都已經取得了突破，從而使得該路線的應用價值得到了顯現，但己糖二酸脫水環合仍停留在小試研究。Bratulescu[12-13]以葡萄糖二酸為原料，微波輔助脫水環合反應，若以正丁醇為溶劑、濃硫酸為催化劑，2,5-FDCA 的雙丁醇酯收率可達43%，在無溶劑下以苯磺酸為催化劑，2,5-FDCA 的收率最高達58%；Lewkowski 等[14]采用半乳糖二酸為原料，對甲苯磺酸作催化劑，140℃無溶劑反應，2,5-FDCA 最高收率為52%；Taguchi 等[15]以半乳糖二酸為原料，正丁醇作溶劑，硫酸作催化劑，2,5-FDCA雙丁醇酯的收率最高達64%；Zhao 等[16]用甲磺酸同時作催化劑和溶劑催化半乳糖二酸脫水環合制備2,5-FDCA，最大收率為41%；Guo 等[17]在50%(質量)環丁砜/ 31%(質量)氫溴酸/ 19%(質量)水的體系中100℃催化葡萄糖二酸單鉀鹽反應24 h，2,5-FDCA 最高收率達79.8%。針對己糖二酸脫水環合制備2,5-FDCA 存在產物收率偏低、數據可重現性差、動力學數據缺乏等問題，本文以半乳糖二酸為起始原料，在副產物定性的基礎上開展半乳糖二酸催化脫水環合制備2,5-呋喃二甲酸工藝及動力學研究，以期推動己糖二酸路線制備2,5-FDCA工業化進程。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑和裝置

試劑：半乳糖二酸（98%）、環丁砜（98%）、二苯砜（97%）、二甲基砜(99%)、氫溴酸(48%)、氫碘酸(55%～58%)、NMP(98%)、糠酸(98%)購自阿拉丁；鹽酸(36%～38%)、硫酸(98%)、二氧六環(AR)、四氫呋喃(AR)、DMSO(AR)、DMF(AR)購自國藥集團；對甲苯磺酸(AR)購自Innochem；甲磺酸(99%)、三氟甲磺酸(98%)、三氟乙酸(99%)購自麥克林。

裝置：14.5 ml 微型高壓反應釜和鋁體加熱爐由大連科茂實驗設備有限公司制造，釜的材料為316L不銹鋼，最高使用壓力為20 MPa，最高工作溫度為300℃，鋁體加熱爐控溫精度±1℃。油浴鍋（DF-101S）購自河南予華儀器有限公司。

1.2 實驗裝置與過程

催化劑和溶劑篩選、初始濃度影響采用14.5 ml 的316 L 不銹鋼微型高壓反應釜，用鋁體加熱爐加熱，每組反應做三組平行樣，實驗數據取平均值，誤差是三次實驗數據的標準偏差。實驗過程如下：向反應釜中加入一定量的半乳糖二酸、催化劑、溶劑，密封后置于預先升溫至設定溫度的加熱爐中反應，一定時間后取出，用冷水冷卻至室溫，將樣品用水定容到25 ml 容量瓶中，反應產物經0.45 μm 微孔有機濾膜過濾后，用HPLC 進行定量分析。

工藝和動力學實驗采用250 ml 的三口燒瓶（分別用于測溫、取樣、氣球密封），用油浴鍋加熱。實驗過程如下：在三口燒瓶中加入一定體積、一定質量濃度的硫酸/環丁砜溶液，采用磁子攪拌，轉速設定為500 r/min，加熱到設定溫度后再加入一定量的半乳糖二酸/2,5-FDCA，定時取樣分析（取1 ml 反應液至25 ml 容量瓶，用水定容，反應產物經0.45 μm微孔有機濾膜過濾后，用HPLC 進行定量分析）。圖1 為130℃、10%(質量)硫酸/環丁砜下數據重復性結果，可見數據具有良好的可重復性。

圖1 數據重復性實驗（130℃,10%(質量)H2SO4）Fig.1 Results of repeated experiments(130℃,10%(mass)H2SO4)

1.3 分析方法

HPLC分析中發現產物中有兩個較大的副產物峰，其中一個通過標準品確定為糠酸，另一個副產物先通過制備色譜分離得到樣品，質譜（ESI-）測得分子量為156，經核磁的碳譜和氫譜推測出三個可能的結構，再通過比較紫外光譜的實測值和激發態計算值推測為4-羥基-6-羧基-2-吡喃酮（HOPC）。HOPC 的核磁數據如下：1H NMR (600 MHz, D2O)，δ=6.80～6.85 (s, 1H)、7.00～7.05 (s, 1H)；13C NMR (600 MHz, D2O)，δ=114.1，119.5，147.3，148.7，164.9，169.0。

反應產物用HPLC（Agilent 1260，UV 檢測器）定量，外標法。色譜條件為：Agilent Hi-Plex H 300×7.7 mm；流動相為5 mmol/L 的硫酸水溶液；流速為0.6 ml/min；柱溫為65℃；進樣量為20 μl，半乳糖二酸和HOPC 的檢測波長為210 nm，而2,5-FDCA和糠酸的檢測波長為265 nm。

2 結果與討論

2.1 催化劑篩選

圖2 為130℃、環丁砜為溶劑、24 h 下不同催化劑對反應的影響，催化劑質量濃度均為10%(質量)。在這些常見的液體酸中硫酸的催化效果最好，其次是三氟甲磺酸，接著是對甲苯磺酸、甲磺酸，它們的共同特征是含有磺酸基團。其他不含磺酸基團的催化劑2,5-FDCA 收率都小于2%，特別是氫鹵酸幾乎得不到任何目標產物。一個有趣的現象是以三氟乙酸和磷酸作為催化劑，糠酸的收率約10%，選擇性達25%。

圖2 不同催化劑對反應的影響（130℃,環丁砜,24 h）Fig.2 Effect of different catalysts on reaction(130℃,sulfone,24 h)

圖3 不同溶劑對反應的影響（130℃,10%(質量)H2SO4,24 h）Fig.3 Effect of different solvents on reaction(130℃,10%(mass)H2SO4,24 h)

2.2 溶劑篩選

2.3 初始濃度的影響

圖4 初始濃度對反應的影響（130℃,10%(質量)H2SO4,24 h）Fig.4 Effect of initial concentration on reaction(130℃,10%(mass)H2SO4,24 h)

為了研究本征反應動力學，測定了130℃、10%(質量)H2SO4、24 h 下初始濃度對反應的影響，結果如圖4 所示，從圖可見隨著初始濃度的增加2,5-FDCA 的收率呈現一個略微下降的趨勢，綜合考慮定量分析，下面研究半乳糖二酸的初始濃度采用6 mg/ml。

2.4 硫酸濃度和反應溫度對反應的影響

圖5為130℃下、不同硫酸濃度對半乳糖二酸轉化率和三種反應產物收率隨時間變化的影響，從圖可見硫酸濃度對反應的影響很大。圖5(a)為半乳糖二酸轉化率在不同硫酸濃度下隨時間的變化，隨著硫酸濃度的增大，反應速率加快，硫酸濃度分別為10%(質量)、15%(質量)、20%(質量)時，轉化率大于95%所需的時間分別約為24、10、6 h；當硫酸濃度為5%(質量)時，24 h 后半乳糖二酸轉化率僅達到74.1%。圖5(b)為2,5-FDCA 收率在不同硫酸濃度下隨時間的變化，可以看出在15%(質量)硫酸濃度的條件下，2,5-FDCA 收率在10～18 h 的時間段內均大于48%；當硫酸濃度為20%(質量)時，2,5-FDCA的收率在12 h時達到最高，為45.9%；5%(質量)和10%(質量)的硫酸濃度下，收率均未達到極值，反應24 h 的收率分別為41.1%（此時選擇性較高為55.4%）和47.2%。圖5(c)、(d)分別為糠酸和HOPC 收率在不同硫酸濃度下隨時間的變化，可以看出兩者在反應條件下均不穩定，容易降解，最高收率分別為2.6%和6.7%。綜合考慮反應速率和收率，后面的研究采用15%(質量)的硫酸作為催化劑。

圖5 不同硫酸濃度下半乳糖二酸轉化率和2,5-FDCA、糠酸、HOPC收率隨時間的變化（130℃）Fig.5 Conversion of galactaric acid and yield of 2,5-FDCA,2-furoic acid,HOPC as a function of time under different concentration of sulfuric acid(130℃)

圖6為15%(質量)硫酸催化下，不同溫度對半乳糖二酸轉化率和三種反應產物收率隨時間變化的影響，從圖同樣可見反應溫度對反應影響很大。圖6(a)為半乳糖二酸轉化率在不同溫度下隨時間的變化，隨著溫度的升高，反應速率加快，溫度分別為120、130、140℃時，轉化率大于95%所需的時間分別約為24、12、4 h；當溫度為110℃時，48 h后半乳糖二酸轉化率為90.1%。圖6(b)為2,5-FDCA收率在不同溫度下隨時間的變化，110℃時，反應速率較慢，2,5-FDCA 在48 h 時收率為50.2%；120℃時，2,5-FDCA 在22 h 時達到最大收率49.1%；130℃時，2,5-FDCA 在16 h 時達到最大收率49.1%；140℃，2,5-FDCA 在4 h 時達到最大收率45.2%。圖6(c)、(d)分別為糠酸和HOPC 收率在不同溫度下隨時間的變化曲線，可以看出兩者均不穩定，降解嚴重，最高收率分別為1.2%和6.2%。110℃時2,5-FDCA 降解速率較低，可以得到較大收率，但反應所需時間過長；140℃時反應速率很快但2,5-FDCA 降解速率也很快。綜合來看120℃和130℃是較優的反應溫度。因此，較佳的反應條件為15%(質量)硫酸、130℃、16 h，此時2,5-FDCA收率為49.1%。

2.5 2，5-FDCA的穩定性

圖7 為15%(質量)硫酸濃度下，不同溫度對2,5-FDCA 穩定性的影響，從圖可見溫度對2,5-FDCA 降解影響很大，其降解動力學曲線接近直線。當反應溫度為130℃、反應時間為12 h時，2,5-FDCA的轉化率不足5.5%，因此通過提高溫度加速降解來測得所需動力學數據。

2.6 反應動力學擬合

反應路徑如圖8所示。

圖6 不同溫度下半乳糖二酸轉化率和2,5-FDCA、糠酸、HOPC收率隨時間的變化（15%(質量)H2SO4）Fig.6 Conversion of galactaric acid and yield of 2,5-FDCA,2-furoic acid,HOPC as a function of time under different temperatures(15%(mass)H2SO4)

圖7 不同溫度下2,5-FDCA轉化率隨時間的變化（15%(質量)H2SO4）Fig.7 Conversion of 2,5-FDCA as a function of time under different temperatures(15%(mass)H2SO4)

圖8 半乳糖二酸制備2,5-FDCA的反應路徑Fig.8 Reaction pathway for conversion of galactaric acid to 2,5-FDCA

反應可簡化為如下幾個反應步驟。因為反應為均相反應，各反應步驟均假設其為一級反應（分別用字母A表示半乳糖二酸、B表示2,5-FDCA、C表示humins、D表示半乳糖二酸的其他副產物）。

式中，CA為半乳糖二酸濃度；CA0為初始濃度；k1為2,5-FDCA 的生成速率常數；k2為半乳糖二酸生成除2,5-FDCA 外其他物質的速率常數；t為反應時間，h。

式中，CB為2,5-FDCA 的濃度；k3為2,5-FDCA 的降解速率常數。

表1 不同溫度下各反應速率常數（15%（質量）H2SO4）Table 1 Reaction rate constant at different temperatures（15%（mass）H2SO4）

圖10 2,5-FDCA收率與溫度、時間的曲面圖Fig.10 Surface plot of 2,5-FDCA yield with temperature and time

因為2,5-FDCA 在生成的同時也在降解，因此存在一個臨界點使得其產率最大，可通過動力學參數計算其理論收率，將k值用溫度（T）的函數表示

分別將k1、k2、k3代入式（5）

可得2,5-FDCA 收率對溫度（T）和時間（t）的函數，用Matlab 畫出該函數，結果如圖10所示，曲面較平坦，并不存在明顯極值。

以上可見，2,5-FDCA降解活化能顯著高于其生成活化能，因而產物有一極值點，但在硫酸催化下半乳糖二酸脫水環合主、副反應活化能相近，限制了其通過條件優化提高收率的幅度，有待篩選出選擇性更高的催化體系。

3 結 論

（1）確認了反應副產物4-羥基-6-羧基-2吡喃酮。

（2）得出了半乳糖二酸脫水環合制備2,5-FDCA較佳的工藝條件：在15%(質量)硫酸催化、環丁砜為溶劑、反應溫度為130℃、反應時間為16 h 時，2,5-FDCA收率達到49.1%。

（3）測定了不同硫酸濃度和不同溫度下半乳糖二酸脫水環合制備2,5-FDCA 反應動力學數據，采用一級反應動力學擬合得到了15%(質量)硫酸催化下半乳糖二酸降解反應活化能為54.4 kJ/mol、2,5-FDCA 生成活化能為57.8 kJ/mol、其他副反應的活化能為50.7 kJ/mol、2,5-FDCA 進一步降解反應的活化能為130.6 kJ/mol。