HBr-MgBr2催化己糖二酸脫水環合制備2，5-呋喃二甲酸的研究

陳旭杰，呂喜蕾，史歡歡，鄭麗萍，魏茜文，田鵬輝，蔣雨希，呂秀陽

（1浙江大學化學工程與生物工程學院生物質化工教育部重點實驗室，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

2,5-呋喃二甲酸(2,5-furandicarboxylic acid,2,5-FDCA)是生物可降解塑料聚呋喃二甲酸乙二醇酯(polyethylene furanoate，PEF)的聚合單體[1-2]，未來需求量巨大。2,5-FDCA 目前主流的路線為葡萄糖/果糖經5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,5-HMF)制備。由于5-HMF反應活性高、水熱穩定性差致使分離成本居高不下，亟需另辟蹊徑[3]。其中值得探索的路徑之一是六元糖先氧化得到己糖二酸再脫水環合制備2,5-FDCA，該路徑己糖二酸很穩定、易于分離[4]，同時六碳糖氧化制備己糖二酸無論化學法[5]還是生物法[6]都已經取得突破，因而己糖二酸的低成本制備已經成為可能。

己糖二酸包括葡萄糖二酸、半乳糖二酸(黏酸)、甘露糖二酸及其鹽。呂秀陽課題組近年來對己糖二酸脫水環合制備2,5-FDCA 開展了廣泛的研究，優化了半乳糖二酸催化脫水環合制備2,5-呋喃二甲酸工藝[7]，測定了反應動力學參數[8]，開展了不同己糖二酸脫水環合制備2,5-呋喃二甲酸的對比研究[9]，并進而探究己糖二酸脫水環合制備2,5-呋喃二甲酸反應路徑[8]，但在較佳的工藝條件下以半乳糖二酸為原料2,5-FDCA 收率也不到50%[7]，以葡萄糖二酸鈣為原料2,5-FDCA 收率也只有59.2%[9]，因此，亟待構建更高選擇性的催化體系。

盡管已有專利報道了氫鹵酸催化己糖二酸脫水環合制備2,5-FDCA[10-12]，但是并沒有詳細的工藝和反應動力學研究。本課題組前期在催化劑篩選中對氫鹵酸進行了嘗試[7-8]，發現并沒能高收率得到2,5-FDCA 產物。本文在前期實驗2,5-FDCA 收率低原因分析的基礎上，構建了兩個高效、高選擇性的己糖二酸脫水環合催化體系，并進而開展了工藝優化和動力學研究，以期推進己糖二酸脫水環合制備2,5-FDCA路線工業化進程。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑和裝置

試劑：半乳糖二酸(98%)、2,5-呋喃二甲酸(98%)、環丁砜(98%)、糠酸(98%)、氫溴酸(48%)、氫碘酸(55%～58%)、溴化鈣(98%)、溴化銅(99%)、溴化亞銅(99%)購自阿拉??；溴化鈉(99%)、溴化鉀(99%)、溴化鋰(99.9%)、溴化鈷(97%)、溴化亞錫(99%)、溴化亞鐵(99.995%)購自麥克林；D-葡萄糖二酸單鉀鹽(98%)、D-葡萄糖二酸鈣(98.5%)購自Sigma；溴化鍶(99%)、溴化亞銅(99.5%)購于畢得醫藥；溴化鎂(98%)購自Sigma-Aldrich；溴化鋅(98%)購自上海笛柏;D-葡萄糖二酸1,4-內酯購自上海吉至生化；鹽酸(36%～38%)、硫酸(98%)購自國藥集團。

裝置：采用二套高壓釜。一是南京正信儀器有限公司制造的帶磁力攪拌六聯式平行高壓反應釜(型號PSK-6-10ML)，反應釜外殼材料為316L不銹鋼，內襯材料為聚四氟乙烯，體積為10 ml，最高使用壓力為6 MPa，最高使用溫度為200℃，采用固定式模塊電加熱器加熱；二是大連科茂實驗設備有限公司制造的14.5 ml的微型高壓反應釜，由鋁體電加熱爐加熱。裝置二僅用于酸催化劑種類的篩選，其余實驗全部采用裝置一。

1.2 實驗過程

稱取一定量的己糖二酸、溶劑、催化劑和助催化劑，加入聚四氟乙烯內襯中，放入攪拌子后，將聚四氟內襯用六聯式反應釜密封。待加熱器升溫至設定值并穩定后，將反應釜放入加熱器中同時開啟磁力攪拌(除了2.3.1 節實驗，其他實驗轉速設定為300 r/min)，反應一定時間后，取出反應釜，放入冷水中迅速冷卻至室溫，然后將反應產物用去離子水定容至50 ml，經0.22 μm 一次性針頭過濾器過濾后，采用HPLC進行定量分析。

本文每個實驗點都設置3 個平行樣，數據為3個樣的平均值，誤差是3個樣的標準偏差。酸和鹽的濃度采用質量分數表示。

1.3 分析方法

反應產物除了2,5-FDCA，還有副產物糠酸。采用HPLC(Agilent 1260，UV 檢測器)外標法定量。色譜條件為：色譜柱為Agilent Hi-Plex H 300 mm×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；檢測波長設定為265 nm。2,5-FDCA 和糠酸的出峰時間分別為17.8和32.0 min。由于原料己糖二酸的峰與催化劑中鹵素離子的峰重疊，本方法不能對反應原料己糖二酸進行定量分析。產物的摩爾收率計算如下：

2 實驗結果

2.1 酸催化劑的篩選

2.1.1 酸催化劑種類的篩選 首先在帶攪拌內襯聚四氟乙烯反應釜中開展了以D-葡萄糖二酸單鉀鹽為原料、環丁砜為溶劑(全文同，不再另述)、120℃反應24 h 下的酸催化劑種類篩選，主要篩選不同的鹵化氫(HCl、HBr、HI)并與硫酸做對比，其中酸催化劑的質量分數全部為3%，反應底物濃度為0.45%(質量)(全文除了2.3.3 節外，其他同，不再另述)，結果如圖1(a)所示。從圖可見，氫溴酸的催化效果顯著優于硫酸、鹽酸、氫碘酸，硫酸、鹽酸、氫碘酸催化時2,5-FDCA 的摩爾收率都在30%以下，而氫溴酸催化時收率可達63%。還有一個值得注意的現象是鹽酸催化時糠酸的收率高于30%。

接著在無攪拌316L反應釜中開展了不同鹵化氫催化D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應，條件同上，結果如圖1(b)所示，與文獻[7]中圖2 相似，HI 催化時2,5-FDCA收率約5%，而HCl、HBr催化時幾乎檢測不到2,5-FDCA，反應結束打開反應釜時有明顯的氣體冒出，因此推測可能是鹵化氫與反應釜發生了反應，消耗了其酸性致使反應難以進行,所以在以鹵化氫為催化劑時，不適合選擇316L材質的反應釜；同時，如

圖1 不同酸催化劑對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響(環丁砜、120℃、24 h)Fig.1 Effect of different acid catalysts on the cyclodehydration of potassium bisaccharate (sulfolane,120℃,24 h)

2.3.1 節中的圖4所示，無攪拌也會對2,5-FDCA的收率有一定的影響，但與反應釜材質相比，攪拌對反應收率的影響是次要的。Cl-、Br-、I-三種離子的出峰與己糖二酸重疊致使難以對原料轉化率進行定量分析。

后面的實驗全部采用帶攪拌內襯聚四氟乙烯反應釜。

2.1.2 HBr 質量分數對脫水環合反應的影響 以D-葡萄糖二酸單鉀鹽為原料、120℃反應24 h 條件下，開展了HBr 質量分數對脫水環合反應的影響的研究，結果如圖2 所示。從圖可見，當HBr質量分數在0.2%以下時2,5-FDCA的摩爾收率隨著酸濃度的增加而升高，但HBr 質量分數在0.2%以上時2,5-FDCA的摩爾收率基本不變，約為63%?？匪岬氖章孰S著HBr 質量分數的增加有一極大值，0.2%～0.3%HBr質量分數時糠酸收率達28%。

圖2 HBr質量分數對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響(環丁砜、120℃、24 h)Fig.2 Effect of HBr concentration on the cyclodehydration of potassium bisaccharate(sulfolane,120℃,24 h)

2.2 助催化劑的篩選

為了進一步提高2,5-FDCA 的收率，開展了不同助催化劑對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響，反應條件為：2.5%(質量)HBr、120℃反應24 h。由于溴化氫是主催化劑，因而選擇溴化鹽為助催化劑，考察的金屬包括堿金屬(鋰、鈉、鉀)、堿土金屬(鎂、鈣、鍶)和部分副族金屬(鐵、鈷、銅、鋅)，溴化鹽的質量分數為5%，結果如圖3 所示。從圖可見，堿金屬和堿土金屬都有一定的促進作用，而副族金屬卻起反作用。效果最好的是LiBr 和MgBr2，2,5-FDCA 的摩爾收率從不加助催化劑的61.7%分別提升至82.1%和82.7%?？紤]到地球上鎂的豐度遠遠大于鋰，選擇MgBr2作為助催化劑開展后面的工藝和動力學研究。

圖3 不同助催化劑對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響[環丁砜、2.5%(質量)HBr、120℃、24 h]Fig.3 Effect of different cocatalysts on the cyclodehydration of potassium bisaccharate[sulfolane,2.5%(mass)HBr,120℃,24 h]

2.3 HBr-MgBr2催化己糖二酸脫水環合工藝研究

2.3.1 攪拌速率對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響 由于D-葡萄糖二酸單鉀鹽在環丁砜中的溶解性較差，因此測定了3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2催化下攪拌速率對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響，反應條件為：0.45%(質量)D-葡萄糖二酸單鉀鹽、在120℃反應24 h，結果如圖4所示。不攪拌時2,5-FDCA 的收率為52.8%，當轉速提高到100 r/min 時，2,5-FDCA 的收率提高到了82.8%，隨著轉速的進一步提高，2,5-FDCA 的收率無明顯變化，因此選定攪拌速率為300 r/min。

圖4 攪拌速率對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響[環丁砜、3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2、120℃、24 h]Fig.4 Effect of rotating speed on the cyclodehydration of potassium bisaccharate[sulfolane,3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2,120℃,24 h]

2.3.2 HBr 和MgBr2配比優化為了優化HBr 和MgBr2配比，設計了如表1所示的“二因素七水平”共49 組全面實驗，結果如圖5 和圖6 所示，其中圖5 是對主產物2,5-FDCA 摩爾收率的影響，圖6是對副產物糠酸摩爾收率的影響。從圖5 可見，在實驗的HBr和MgBr2濃度范圍內2,5-FDCA摩爾收率的極值點傾向于較高的HBr 和MgBr2濃度，其中3%(質量)HBr、6%(質 量)MgBr2下2,5-FDCA 摩爾收率高 達84.2%。對于低濃度的HBr，有一較佳的MgBr2濃度：在0.5%、1.0%、1.5%(質量)HBr 對應的較佳MgBr2濃度為1.0%、3.0%、4.0%(質量)，此時對應的2,5-FDCA 摩爾收率分別為68.7%、75.2%、80.3%；對于高濃度的HBr，2,5-FDCA 最大收率出現在實驗的最高6%(質量)MgBr2濃度，2.0%、2.5%、3.0%、3.5%(質量)HBr 對應的2,5-FDCA 摩爾收率分別為81.5%、83.4%、84.2%、84.0%，差距不大。從圖6 可以看出，HBr 和MgBr2濃度對副產物糠酸的摩爾收率影響很大，糠酸在高濃度HBr 溶液中易分解。結合圖2 的結果可以看出2,5-FDCA 在HBr-MgBr2催化體系中很穩定，而糠酸則不穩定，易于降解，具體降解產物有待進一步研究。

圖5 HBr和MgBr2的濃度對2,5-FDCA摩爾收率的影響(環丁砜、120℃、24 h)Fig.5 Effect of HBr and MgBr2 concentrations on the yield of 2,5-FDCA(sulfolane,120℃,24 h)

圖6 HBr和MgBr2的濃度對糠酸摩爾收率的影響(環丁砜、120℃、24 h)Fig.6 Effect of HBr and MgBr2 concentrations on the yield of 2-furoic acid(sulfolane,120℃,24 h)

表1 全面實驗因素與水平Table 1 Factors and level of comprehensive test

2.3.3 底物濃度對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響 測定了3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2催化下底物濃度對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響，其他條件為120℃反應24 h，結果如圖7 所示。從圖中可以看出，底物濃度在5%(質量)以下時，底物濃度對2,5-FDCA的摩爾收率影響不大，可以維持在80%的收率，但從6%(質量)開始，2,5-FDCA 的摩爾收率開始急劇下降，副產物糠酸有所增加。

圖7 底物濃度對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響[環丁砜、3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2、120℃、24 h]Fig.7 Effect of substrate concentration on the cyclodehydration of potassium bisaccharate[sulfolane，3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2,120℃,24 h]

2.3.4 水量的富集對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響 由于每分子己糖二酸脫水環合制備FDCA 過程會產生3分子水，因而在連續反應過程中體系中的水量會富集，因此考察了水量的富集對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響，結果如圖8所示，催化劑初始濃度：3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2，其他條件為120℃反應24 h。由圖可見，水的含量從最初的3.3%富集到16.5%時2,5-FDCA 的摩爾收率下降很少，都能維持在80%以上，但含水量進一步增加時2,5-FDCA的摩爾收率會有明顯的下降。

圖8 水量的富集對D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應的影響[環丁砜、120℃、24 h;催化劑初始濃度：3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2]Fig.8 Effect of water added on the cyclodehydration of potassium bisaccharate[sulfolane,120℃,24 h;initial catalyst concentration：3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2]

2.3.5 不同己糖二酸原料對脫水環合反應的影響不同己糖二酸原料(半乳糖二酸、D-葡萄糖二酸單鉀鹽、D-葡萄糖二酸鈣鹽、D-葡萄糖二酸1,4-內酯)對脫水環合反應的影響如圖9 所示，反應條件：3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2、120℃反應24 h。從圖可見：2,5-FDCA收率的排序為：D-葡萄糖二酸1,4-內酯＞D-葡萄糖二酸單鉀鹽＞D-葡萄糖二酸鈣鹽＞半乳糖二酸，盡管以D-葡萄糖二酸1,4-內酯為原料2,5-FDCA摩爾收率可高達92.4%，但價格昂貴，不宜作為反應原料。

圖9 不同己糖二酸原料對脫水環合反應的影響[環丁砜、3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2、120℃、24 h]Fig.9 Effect of different hexaric acids on the cyclodehydration reaction[sulfolane,3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2,120℃,24 h]

2.4 D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合反應動力學研究

測定了3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2催化D-葡萄糖二酸單鉀鹽在100、110、120、130℃下的脫水環合反應動力學曲線，如圖10 和圖11 所示，其中圖10為2,5-FDCA收率、圖11為糠酸收率。從圖10可見：溫度對反應的影響非常大，但對最終的平衡收率影響不大，最終收率都在80%以上；100、110、120、130℃時達到平衡收率所需的反應時間分別為360、180、100、60 min。從圖11可見副產物糠酸的收率有一極值點，表明糠酸穩定性較差。

圖10 不同溫度下2,5-FDCA收率隨時間的變化[環丁砜、3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2]Fig.10 Yield of 2,5-FDCA as a function of time under different temperatures[sulfolane,3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2]

圖11 不同溫度下糠酸收率隨時間的變化[環丁砜、3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2]Fig.11 Yield of 2-furoic acid as a function of time under different temperatures[sulfolane,3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2]

D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合制備2,5-FDCA可簡化為如下的兩個平行反應，其中A為D-葡萄糖二酸單鉀鹽，B為2,5-FDCA，C為糠酸及其他副產物。

假設兩個平行反應均為一級反應，三個組分的變化速率為：

式(1)可積分得：

式(4)可改寫為：

將式(4)分別代入式(2)和式(3)，可得：

由于無法測得原料的濃度變化，因此從產物的收率角度進行動力學分析。由于糠酸在高溫下不穩定、易分解，因此選取式(6)進行產物2,5-FDCA 的生成動力學擬合。擬合工具：OriginLab Code Builder；擬合方法：Nonlinear Curve Fit (Model Explicit,Type Expression)；自定義擬合方程為：

不同溫度下2,5-FDCA 的生成動力學擬合結果如圖12所示，不同溫度下反應速率常數及決定系數見表2，從決定系數可見擬合結果良好。

圖12 不同溫度下2,5-FDCA的生成動力學擬合Fig.12 Kinetics fitting of 2,5-FDCA formation at different temperatures

表2 不同溫度下反應速率常數及決定系數Table 2 Reaction rate constant and R2 at different temperatures

根據不同溫度下的生成速率常數，通過Arrhenius 關系式可以計算出3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2催化下2,5-FDCA 的生成反應活化能Ea1=108.9 kJ/mol、副產物生成活化能Ea2=136.6 kJ/mol，可見副產物的生成活化能略高于主產物2,5-FDCA。

3 結論

(1)篩選出己糖二酸脫水環合制備2,5-FDCA 優良的催化體系：HBr-MgBr2、HBr-LiBr。

(2)3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2催化、120℃下反應2 h，D-葡萄糖二酸單鉀鹽脫水環合制備2,5-FDCA收率達到84.2%。

(3)當反應底物濃度低于5%(質量)以及水含量從3.3%富集到16.5%時，2,5-FDCA 的摩爾收率未見明顯下降，且都可維持在80%以上。

(4) 測定了100～130℃溫度范圍內3%(質量)HBr-6%(質量)MgBr2催化D-葡萄糖二酸脫水環合制備2,5-FDCA 動力學數據，采用一級反應動力學擬合得到2,5-FDCA 的生成反應活化能為108.9 kJ/mol、副產物生成活化能為136.6 kJ/mol。