己糖二酸脱水环合制备2，5-呋喃二甲酸反应路径探究

2022-04-02吕喜蕾陈旭杰郑丽萍魏茜文田鹏辉蒋雨希吕秀阳

浙江大学学报（理学版） 2022年2期

吕喜蕾，陈旭杰，郑丽萍，魏茜文，田鹏辉，蒋雨希，吕秀阳*

（1.浙江大学化学工程与生物工程学院生物质化工教育部重点实验室，浙江杭州 310027； 2.浙江恒逸石化有限公司研发中心，浙江杭州 311209）

0 引言

1 实验

在“限塑令”和“禁塑令”此起彼伏的当下，发展生物可降解塑料迫在眉睫，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）的替代品聚呋喃二甲酸乙二醇酯（polyethylene furanoate，PEF），因其优良的耐热性和阻隔性备受关注，但PEF 产业化目前仍受制于高价格的生物基质单体2，5-呋喃二甲酸（2，5-furandicarboxylic acid，2，5-FDCA）。

制备2，5-FDCA 的主流路线是，葡萄糖经异构、脱水环合得到5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural，5-HMF），再氧化［1-2］。由于5-HMF性质活泼、沸点高、水溶性好，分离纯化异常困难，大大提高了2，5-FDCA的制备成本［3-4］。另一条路线是己糖先氧化得到己糖二酸，再脱水环合。由于己糖二酸化学性质稳定、水溶性差，分离纯化简单，近年来，此路线逐渐引起关注［4-12］。

现有的用己糖二酸制备2，5-FDCA 的研究主要集中在工艺优化上，对副产物和反应机理的报道较少且散乱，近年来，本课题组在己糖二酸脱水环合高效催化体系的构建、工艺优化和反应动力学研究基础上［11-13］，开展了对副产物的定性和定量系统研究，测定了主副产物的生成曲线，结合已有文献报道，提出了一条用己糖二酸脱水环合制备2，5-FDCA 的新的、完整的路线，此路线可为更高效、高选择性催化体系的筛选以及工艺过程的确立、过程放大提供指导。

1.1 实验试剂和装置

实验试剂：葡萄糖二酸钙（98%）购自sigma-Aldrich；环丁砜（98%）、半乳糖二酸（98%）和糠酸（98%）购自阿拉丁试剂（上海）有限公司；硫酸（98%）购自国药集团化学试剂有限公司。

实验装置：250 mL 三口烧瓶（分别用于取样、测温、气球密封），用油浴锅（购自河南予华仪器有限公司）加热。

1.2 实验过程

在250 mL 三口烧瓶中加入一定质量浓度的硫酸-环丁砜溶液，打开磁子搅拌（转速设为500 r·min-1），加热到设定温度后加入一定量的己糖二酸原料，定时取1 mL 样、用水定容至25 mL、经0.45 μm 微孔有机滤膜过滤后，用HPLC 定量分析。

1.3 分析方法

用高分辨质谱（HRMS，Agilent 6224）、核磁共振（NMR，Agilent DD2-600）、傅里叶变换红外光谱（FTIR，Nicolet iS50）进行定性分析；用HPLC（Agilent 1260，UV 检测器）外标法进行定量分析；色谱条件为Agilent Hi-Plex H 300 ×7.7 mm，流动相为5 mmol·L-1的硫酸水溶液，流速为0.6 mL·min-1，柱温为65 ℃，进样量为20 μL，己糖二酸和3-羟基-6-羧基-2-吡喃酮的检测波长为210 nm，而2，5-FDCA 和糠酸的检测波长为265 nm。原料的转化率、产物的收率和碳平衡计算式为：

2 结果与讨论

2.1 副产物定性

以半乳糖二酸为原料，在硫酸催化下进行脱水环合反应，经HPLC 检测发现有3 个主要产物，出峰时间分别为17.8，20.3，32.0 min。经与标准品比对，可以确定17.8 min 的峰为2，5-FDCA、32.0 min 的峰为糠酸。20.3 min 的副产物通过制备色谱分离、旋蒸、烘干得到单一峰产品，其质谱结果如图1 所示，可确定该副产物的相对分子质量为156。

图1 副产物的质谱Fig.1 Mass spectrum of side-product

该副产物的核磁碳谱和氢谱如图2 所示，由图2（a）知，副产物含有6类碳原子，结合相对分子质量和原料的分子化学式，推测其含有6 个碳原子，6 个碳的化学位移均在110×10-6以上，均为sp2 杂化，均含双键结构，低场处的2 个峰（δ：164.9，169.0）为羰基碳，推测有2 个—C=O 官能团。13C-NMR（600 MHz，D2O）δ：114.1，119.5，147.3，148.7，164.9，169.0。由图2（b）知，化学位移在7×10-6左右有2 个峰面积为1∶1的非活泼氢峰，推测副产物有2 种非活泼氢，具有芳香性，且数量比为1∶1；峰形裂分，可知临位碳原子上有耦合的氢原子，1H-NMR（600 MHz，D2O）：δ=6.94（d，1H，J=6.0 Hz）、6.67（d，1H，J=6.0 Hz）。因此，推测该副产物可能为3-羟基-6-羧基-2-吡喃酮（3-hydroxy-2-oxopyran-6-carboxylic acid，HOCA），可能的结构如图3（a）所示。徐海峰等［11］推测该副产物为4-羟基-6-羧基-2-吡喃酮（4-hydroxy-2-oxopyran-6-carboxylic acid，HOPC），其结构如图3（b）所示。进一步分析发现，HOPC 的临位碳原子上没有耦合的氢原子，与氢谱不符，而HOCA的结构与氢谱相符，因此该副产物是HOCA 的可能性更大。

图2 副产物的核磁碳谱和氢谱Fig.213C-NMR（600 MHz，D2O）and 1H-NMR（600 MHz，D2O）spectrum of side-product

图3 3-羟基-6-羧基-2-吡喃酮和4-羟基-6-羧基-2-吡喃酮的结构式Fig.3 The structure of 3-hydroxy-2-oxopyran-6-carboxylic acid and 4-hydroxy-2-oxopyran-6-carboxylic acid

2.2 己糖二酸脱水环合制备2，5-FDCA 的反应过程分析

吕喜蕾等［12］对不同己糖二酸脱水环合制备2，5-FDCA 进行了对比研究，发现在H2SO4催化下葡萄糖二酸钙比半乳糖二酸更有利于2，5-FDCA的生成，且所需的H2SO4质量浓度更低（10%）。为探索不同己糖二酸的反应路径，测定了不同温度下质量浓度为10%的H2SO4催化葡萄糖二酸钙的反应随时间变化的曲线，结果如图5 所示。由图5知，与半乳糖二酸相同，葡萄糖二酸钙在脱水环合生成2，5-FDCA 的同时也生成一定量的副产物糠酸和HOCA，糠酸和HOCA 的收率均远低于主产物2，5-FDCA，产物分布与半乳糖二酸相似［11］，由此推测在H2SO4催化下，不同己糖二酸的反应路径相似。当反应温度为120 ℃时，随着反应时间的延长，糠酸的收率先上升后下降，当反应时间为48 h 时，几乎检测不到糠酸；而HOCA 的收率逐渐上升，当反应时间为16 h 时，HOCA 的收率趋于平稳，为2.3%。随着反应温度的升高，糠酸快速分解，HOCA 的稳定性高于糠酸。当反应温度为130 ℃，反应时间为6 h 时，质量浓度为10%的H2SO4催化半乳糖二酸生成2，5-FDCA、HOCA 和糠酸的收率分别为27.4%，4.9%和1.3%［11］，而10%的H2SO4催化葡萄糖二酸钙生成2，5-FDCA 的收率达41.8%，HOCA 和糠酸的收率分别仅为2.0%和1.7%。与半乳糖二酸相比，葡萄糖二酸钙的反应更易生成主产物2，5-FDCA，相对较难生成副产物HOCA。

图4 副产物的傅里叶红外光谱Fig.4 FTIR spectrum of side-product

图5 不同温度下10% H2SO4催化葡萄糖二酸钙的转化率和2，5-FDCA、糠酸、HOCA 的收率随时间的变化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

图6 为不同温度下质量浓度为10%的H2SO4催化葡萄糖二酸钙转化的碳平衡，由图6 可知，随着反应温度的升高和反应时间的延长，碳平衡均快速下降，这可能是因为随着反应的进行，主产物2，5-FDCA［11］和副产物糠酸及HOCA 的稳定性都逐渐变差；此外，葡萄糖二酸钙含有多个羟基和羧基，在硫酸催化下，尤其是在高温下可能会进一步发生酯化或缩合反应生成低聚物。

图6 不同温度下10% H2SO4催化葡萄糖二酸钙转化的碳平衡Fig.6 Carbon balance of the conversion of calcium saccharate with 10 % H2SO4 under different temperatures

2.3 己糖二酸脱水环合的反应路径

根据已有文献［14］和笔者的研究，得到己糖二酸脱水环合制备2，5-FDCA 可能的完整反应路径，见图7。在酸催化下，己糖二酸可先由3 位的羟基脱去一分子水生成烯醇中间体A，然后A 发生烯醇异构生成4- 脱氧-5- 脱氢己糖二酸（4-deoxy-5-dehydroglucaric acid，DDG），DDG 易分子内环化生成B，B 再进一步脱两分子水生成目标产物2，5-FDCA。DDG 为α-酮酸，容易脱羧生成中间产物C，C 再环合脱水生成副产物糠酸（蓝线）［15］。据报道，以DDG 为原料，在酸催化下2，5-FDCA 的收率可达90%以上［16］，说明与脱羧反应相比，DDG 更易发生分子内环化脱水反应生成2，5-FDCA，与本文的实验结果相符。推测另一条副反应路径（红线）是己糖二酸的羧基先和5 位羟基脱水形成内酯D，接着D 再脱去两分子水形成副产物HOCA。在相同条件下，以半乳糖二酸为原料，副产物HOCA 的收率高于葡萄糖二酸钙，而2，5-FDCA 和糠酸的收率均低于葡萄糖二酸钙，HOCA 产自中间产物内酯D，而2，5-FDCA 和糠酸均来自中间产物烯醇A，说明半乳糖二酸比葡萄糖二酸钙更容易脱水形成内酯D，生成副产物HOCA，而葡萄糖二酸钙更倾向于脱水形成烯醇A，再进一步生成2，5-FDCA 和糠酸。