己糖二酸脫水環合制備2，5-呋喃二甲酸反應路徑探究

2022-04-02 07:24:48呂喜蕾陳旭杰鄭麗萍魏茜文田鵬輝蔣雨希呂秀陽

浙江大學學報(理學版) 2022年2期

呂喜蕾，陳旭杰，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）

0 引言

1 實驗

在“限塑令”和“禁塑令”此起彼伏的當下，發展生物可降解塑料迫在眉睫，其中聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）的替代品聚呋喃二甲酸乙二醇酯（polyethylene furanoate，PEF），因其優良的耐熱性和阻隔性備受關注，但PEF 產業化目前仍受制于高價格的生物基質單體2，5-呋喃二甲酸（2，5-furandicarboxylic acid，2，5-FDCA）。

制備2，5-FDCA 的主流路線是，葡萄糖經異構、脫水環合得到5-羥甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF），再氧化［1-2］。由于5-HMF性質活潑、沸點高、水溶性好，分離純化異常困難，大大提高了2，5-FDCA的制備成本［3-4］。另一條路線是己糖先氧化得到己糖二酸，再脫水環合。由于己糖二酸化學性質穩定、水溶性差，分離純化簡單，近年來，此路線逐漸引起關注［4-12］。

現有的用己糖二酸制備2，5-FDCA 的研究主要集中在工藝優化上，對副產物和反應機理的報道較少且散亂，近年來，本課題組在己糖二酸脫水環合高效催化體系的構建、工藝優化和反應動力學研究基礎上［11-13］，開展了對副產物的定性和定量系統研究，測定了主副產物的生成曲線，結合已有文獻報道，提出了一條用己糖二酸脫水環合制備2，5-FDCA 的新的、完整的路線，此路線可為更高效、高選擇性催化體系的篩選以及工藝過程的確立、過程放大提供指導。

1.1 實驗試劑和裝置

實驗試劑：葡萄糖二酸鈣（98%）購自sigma-Aldrich；環丁砜（98%）、半乳糖二酸（98%）和糠酸（98%）購自阿拉丁試劑（上海）有限公司；硫酸（98%）購自國藥集團化學試劑有限公司。

實驗裝置：250 mL 三口燒瓶（分別用于取樣、測溫、氣球密封），用油浴鍋（購自河南予華儀器有限公司）加熱。

1.2 實驗過程

在250 mL 三口燒瓶中加入一定質量濃度的硫酸-環丁砜溶液，打開磁子攪拌（轉速設為500 r·min-1），加熱到設定溫度后加入一定量的己糖二酸原料，定時取1 mL 樣、用水定容至25 mL、經0.45 μm 微孔有機濾膜過濾后，用HPLC 定量分析。

1.3 分析方法

用高分辨質譜（HRMS，Agilent 6224）、核磁共振（NMR，Agilent DD2-600）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR，Nicolet iS50）進行定性分析；用HPLC（Agilent 1260，UV 檢測器）外標法進行定量分析；色譜條件為Agilent Hi-Plex H 300 ×7.7 mm，流動相為5 mmol·L-1的硫酸水溶液，流速為0.6 mL·min-1，柱溫為65 ℃，進樣量為20 μL，己糖二酸和3-羥基-6-羧基-2-吡喃酮的檢測波長為210 nm，而2，5-FDCA 和糠酸的檢測波長為265 nm。原料的轉化率、產物的收率和碳平衡計算式為：

2 結果與討論

2.1 副產物定性

以半乳糖二酸為原料，在硫酸催化下進行脫水環合反應，經HPLC 檢測發現有3 個主要產物，出峰時間分別為17.8，20.3，32.0 min。經與標準品比對，可以確定17.8 min 的峰為2，5-FDCA、32.0 min 的峰為糠酸。20.3 min 的副產物通過制備色譜分離、旋蒸、烘干得到單一峰產品，其質譜結果如圖1 所示，可確定該副產物的相對分子質量為156。

圖1 副產物的質譜Fig.1 Mass spectrum of side-product

該副產物的核磁碳譜和氫譜如圖2 所示，由圖2（a）知，副產物含有6類碳原子，結合相對分子質量和原料的分子化學式，推測其含有6 個碳原子，6 個碳的化學位移均在110×10-6以上，均為sp2 雜化，均含雙鍵結構，低場處的2 個峰（δ：164.9，169.0）為羰基碳，推測有2 個—C=O 官能團。13C-NMR（600 MHz，D2O）δ：114.1，119.5，147.3，148.7，164.9，169.0。由圖2（b）知，化學位移在7×10-6左右有2 個峰面積為1∶1的非活潑氫峰，推測副產物有2 種非活潑氫，具有芳香性，且數量比為1∶1；峰形裂分，可知臨位碳原子上有耦合的氫原子，1H-NMR（600 MHz，D2O）：δ=6.94（d，1H，J=6.0 Hz）、6.67（d，1H，J=6.0 Hz）。因此，推測該副產物可能為3-羥基-6-羧基-2-吡喃酮（3-hydroxy-2-oxopyran-6-carboxylic acid，HOCA），可能的結構如圖3（a）所示。徐海峰等［11］推測該副產物為4-羥基-6-羧基-2-吡喃酮（4-hydroxy-2-oxopyran-6-carboxylic acid，HOPC），其結構如圖3（b）所示。進一步分析發現，HOPC 的臨位碳原子上沒有耦合的氫原子，與氫譜不符，而HOCA的結構與氫譜相符，因此該副產物是HOCA 的可能性更大。

圖2 副產物的核磁碳譜和氫譜Fig.213C-NMR（600 MHz，D2O）and 1H-NMR（600 MHz，D2O）spectrum of side-product

圖3 3-羥基-6-羧基-2-吡喃酮和4-羥基-6-羧基-2-吡喃酮的結構式Fig.3 The structure of 3-hydroxy-2-oxopyran-6-carboxylic acid and 4-hydroxy-2-oxopyran-6-carboxylic acid

2.2 己糖二酸脫水環合制備2，5-FDCA 的反應過程分析

呂喜蕾等［12］對不同己糖二酸脫水環合制備2，5-FDCA 進行了對比研究，發現在H2SO4催化下葡萄糖二酸鈣比半乳糖二酸更有利于2，5-FDCA的生成，且所需的H2SO4質量濃度更低（10%）。為探索不同己糖二酸的反應路徑，測定了不同溫度下質量濃度為10%的H2SO4催化葡萄糖二酸鈣的反應隨時間變化的曲線，結果如圖5 所示。由圖5知，與半乳糖二酸相同，葡萄糖二酸鈣在脫水環合生成2，5-FDCA 的同時也生成一定量的副產物糠酸和HOCA，糠酸和HOCA 的收率均遠低于主產物2，5-FDCA，產物分布與半乳糖二酸相似［11］，由此推測在H2SO4催化下，不同己糖二酸的反應路徑相似。當反應溫度為120 ℃時，隨著反應時間的延長，糠酸的收率先上升后下降，當反應時間為48 h 時，幾乎檢測不到糠酸；而HOCA 的收率逐漸上升，當反應時間為16 h 時，HOCA 的收率趨于平穩，為2.3%。隨著反應溫度的升高，糠酸快速分解，HOCA 的穩定性高于糠酸。當反應溫度為130 ℃，反應時間為6 h 時，質量濃度為10%的H2SO4催化半乳糖二酸生成2，5-FDCA、HOCA 和糠酸的收率分別為27.4%，4.9%和1.3%［11］，而10%的H2SO4催化葡萄糖二酸鈣生成2，5-FDCA 的收率達41.8%，HOCA 和糠酸的收率分別僅為2.0%和1.7%。與半乳糖二酸相比，葡萄糖二酸鈣的反應更易生成主產物2，5-FDCA，相對較難生成副產物HOCA。

圖4 副產物的傅里葉紅外光譜Fig.4 FTIR spectrum of side-product

圖5 不同溫度下10% H2SO4催化葡萄糖二酸鈣的轉化率和2，5-FDCA、糠酸、HOCA 的收率隨時間的變化Fig.5 Conversion of calcium saccharate and yield of 2，5-FDCA，2-furoic acid，and HOCA as a function of time with 10% H2SO4 under different temperatures

圖6 為不同溫度下質量濃度為10%的H2SO4催化葡萄糖二酸鈣轉化的碳平衡，由圖6 可知，隨著反應溫度的升高和反應時間的延長，碳平衡均快速下降，這可能是因為隨著反應的進行，主產物2，5-FDCA［11］和副產物糠酸及HOCA 的穩定性都逐漸變差；此外，葡萄糖二酸鈣含有多個羥基和羧基，在硫酸催化下，尤其是在高溫下可能會進一步發生酯化或縮合反應生成低聚物。

圖6 不同溫度下10% H2SO4催化葡萄糖二酸鈣轉化的碳平衡Fig.6 Carbon balance of the conversion of calcium saccharate with 10 % H2SO4 under different temperatures

2.3 己糖二酸脫水環合的反應路徑

根據已有文獻［14］和筆者的研究，得到己糖二酸脫水環合制備2，5-FDCA 可能的完整反應路徑，見圖7。在酸催化下，己糖二酸可先由3 位的羥基脫去一分子水生成烯醇中間體A，然后A 發生烯醇異構生成4- 脫氧-5- 脫氫己糖二酸（4-deoxy-5-dehydroglucaric acid，DDG），DDG 易分子內環化生成B，B 再進一步脫兩分子水生成目標產物2，5-FDCA。DDG 為α-酮酸，容易脫羧生成中間產物C，C 再環合脫水生成副產物糠酸（藍線）［15］。據報道，以DDG 為原料，在酸催化下2，5-FDCA 的收率可達90%以上［16］，說明與脫羧反應相比，DDG 更易發生分子內環化脫水反應生成2，5-FDCA，與本文的實驗結果相符。推測另一條副反應路徑（紅線）是己糖二酸的羧基先和5 位羥基脫水形成內酯D，接著D 再脫去兩分子水形成副產物HOCA。在相同條件下，以半乳糖二酸為原料，副產物HOCA 的收率高于葡萄糖二酸鈣，而2，5-FDCA 和糠酸的收率均低于葡萄糖二酸鈣，HOCA 產自中間產物內酯D，而2，5-FDCA 和糠酸均來自中間產物烯醇A，說明半乳糖二酸比葡萄糖二酸鈣更容易脫水形成內酯D，生成副產物HOCA，而葡萄糖二酸鈣更傾向于脫水形成烯醇A，再進一步生成2，5-FDCA 和糠酸。