CN101720320B - 使用非功能性聚合树脂提纯羟甲基糠醛的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种依靠使用非功能性聚合树脂，从含有由果糖进行的HMF合成的反应物和产物的水溶液混合物中至少部分地提纯HMF的方法。第一类型非功能性聚合树脂相对于果糖优先地吸附HMF，用于从反应混合物中除去大部分果糖。利用有机溶剂如丙酮将HMF从所述第一类型非功能性聚合树脂中解吸出来。第二类型非功能性聚合树脂从水溶液反应混合物中优先地吸附糠醛，以允许HMF通过。在一种实施方式中，这些非功能性聚合树脂可单独地彼此相互结合使用，以获取高纯度的HMF。在其他一些实施方式中，将一种或多种前述非功能性聚合树脂与阳离子交换层析法结合以进一步提纯HMF。

Description

使用非功能性聚合树脂提纯羟甲基糠醛的方法

相关申请的交叉引用

本申请基于申请号为60/944629(代理人案号为：010253-0013)、申请日为2007年6月18日的美国临时专利申请并主张其优先权，该申请的全部内容以引用的方式合并于此以作参考。

发明领域

技术领域

本申请涉及提纯羟甲基糠醛的方法。更具体地，本申请涉及使用一种或多种非功能性聚合树脂、吸附并吸解含有羟甲基糠醛合成混合物组分的水相混合物以提纯羟甲基糠醛的方法，在特定情形下，选择性地使用阳离子交换树脂层析分离技术。

介绍

果糖经过酸催化脱水后的主要产物为2-羟甲基-5-糠醛，也简称为羟甲基糠醛，HMF。HMF结构如下图所示：

羟甲基糠醛

据报道，HMF具有抗菌和防腐蚀的性质。在许多化合物诸如糠基二醇类、二醛类、酯类、醚类、卤化物和二羧酸类的合成中，HMF作为起始反应物或者中间体也是重要的组分。可以从HMF得到二羧酸的一个实例为乙酰丙酸。HMF的一个重要反应就是有机氧化得到2，5-呋喃二羧酸，2，5-呋喃二羧酸已被建议用作生产塑料的单体。当前还在进行用HMF治疗镰状细胞性贫血症的研究。总之，HMF是重要的化合物，并且寻找大规模生产不含有大量杂质、副产物和残留起始反应物的HMF的合成方法已经持续近了一个世纪。

一种合成HMF的方法包括：使果糖水溶液穿过热渗流反应器以获取未反应果糖和HMF的混合物。通过该方法，会发生进一步反应例如缩合、再水化、回复及重排等反应，结果是产生过量不希望得到的副产物。希望除去会干扰HMF提纯的上述副产物。上述副产物的一种为胡敏素，其为一种从褐色到黑色的蓬松固体，几乎完全不溶于水、碱、酸和各种类型的有机溶剂。它作为一种高效的绝热体覆盖在反应容器的侧壁上，从而引起传热性能差。胡敏素还会诱发各种萃取溶剂和水相的乳化，从而使HMF的提纯更加复杂。

通常，反应混合物中还含有能将HMF从水相中萃取出来的有机溶剂。但是，尽管萃取步骤可除去一些HMF，可是水相中仍然保留有大量的HMF，水相中还含有未反应的果糖和其他杂质例如胡敏素。为了提高反应的产率，期望将HMF从水相中除去。

已知有几种从水溶液中提纯HMF的技术。专利号为UK 600871的英国专利描述了在温度为130-230℃的高压釜中生产HMF的方法。使用适当的有机溶剂例如乙酸乙酯将HMF从水相反应混合物中萃取出来。专利号为US 2929823的美国专利描述了250-380℃温度下用极短的反应时间，约0.1-180秒，从糖的水溶液中制备HMF的方法。将HMF萃取至有机溶剂中，例如糠醛、不溶于水的醇类、酮、醚、酯和卤代烃或者它们的混合物中。所述有机溶剂可于反应过程中或反应后加入所述水相反应混合物中。

另一种用果糖制备HMF的方法需要在两相反应器系统中转换10-50重量％果糖水溶液，在此两相反应器系统中所述果糖水溶液与DMSO(二甲基亚砜)或PVP(聚乙烯吡咯烷酮)结合。通过不断地萃取至有机相例如甲基异丁酮、2-丁醇或其混合物中使HMF得到提纯。

但是，前述方法的缺点在于果糖和低分子量的胡敏素也被萃取到有机相中。相应地，通过这些方法得到的HMF其纯度是值得怀疑的。

DE-OS 3033527还描述了另一种两相提纯HMF的过程。其中，在低于100℃的温度下，在不溶于水但能溶解HMF的有机溶剂存在的情况下，包含果糖的水溶液被酸性离子交换树脂分解。但是，该过程存在的问题是必须使用大量过剩的有机溶剂，即有机溶剂与水相的体积比约为7∶1，需要高成本来除去所述溶剂并产生过度浪费。

为克服上述问题，美国专利US 4740605描述了通过阳离子交换树脂和分馏洗脱液洗脱HMF、果糖和副产物的水相反应混合物进而分馏HMF的方法。但是，部分分馏物中含有果糖和HMF的混合物，必须在其他柱中将其进一步洗脱以提高反应混合物中HMF的产率。

总之，大多数已知的用果糖合成HMF的方法中，大量的果糖仍然残留在反应后的水相层中。相应地，分离与果糖的量相比较的少量的HMF存在难题，因此依然很难得到高纯度的HMF。因此，需要一种消除或减少上述问题的能从水相反应混合物中提纯HMF的方法。

发明内容

为克服上述问题，本申请提供了一种使用至少两个柱状仪器从水溶液反应混合物中提纯HMF的方法，其中至少一个所述柱状仪器内含有优先吸附HMF的非功能性树脂。在不同的实施方式中，第二柱状仪器中可含有强酸阳离子交换树脂或含有优先吸附糠醛的不同的非功能性聚合树脂。不过，使用顺序不重要，实施例中有的首先使用吸附HMF的非功能性聚合树脂，然后再使用阳离子交换树脂；有的首先使用吸附糠醛的非功能性聚合树脂，然后依次地使用两种非功能性聚合树脂。在任何一种情形下，通过使水溶液混合物接触柱状仪器中包含的吸附HMF的非功能性聚合树脂，将所述水溶液混合物中的果糖分离出，紧接着用水淋洗前述柱状仪器以除去果糖。

在通常的实施方式中，公开了从含有由果糖进行的HMF合成的反应物和产物所组成的混合物中至少部分地提纯HMF的方法，包括：使相对于果糖优先地吸附HMF的第一非功能性聚合树脂接触含有HFM合成的反应物与产物所组成的混合物的水溶液，经过足够长的时间，使大部分HMF从混合物中吸附到所述非功能性聚合树脂上；使上述非功能性聚合树脂与水接触直至混合物中的大部分果糖从非功能性聚合树脂中除去，而混合物中的大部分HMF仍保留吸附于所述非功能性聚合树脂上；使所述非功能性聚合树脂与足量的有机溶剂接触，以使得大部分所述HMF从所述非功能性聚合树脂上解吸；在含有上述有机溶剂的第一洗提液中收集被解吸的HMF。

在一种示例性实施例中，用丙酮从该柱状仪器中洗提HMF，除去丙酮，在水溶液中再溶解HMF，接着通过接触第二、阳离子交换柱柱状仪器，用水洗提阳离子交换柱以使其中的组分层析分离，从而使HMF从污染的副产物中进一步得到提纯。

另一个通常的实施方式中，公开了从含有由果糖进行的HFM合成的反应物和的产物所组成的混合物中至少部分地提纯HMF的方法，包括：使相对于HMF优先地吸附糠醛的第一非功能性聚合树脂接触含有HMF合成的反应物和产物的混合物的水溶液，经过足够长的时间，使大部分糠醛从混合物中吸附到所述第一非功能性聚合树脂上；使上述第一非功能性聚合树脂与水流接触，直至混合物中的大部分HMF和果糖从非功能性聚合树脂中除去并进入第一馏份，而混合物中的大部分糠醛仍保留吸附于所述非功能性聚合树脂上，收集所述第一馏份；使相对于果糖优先吸附HMF的第二非功能性聚合树脂与上述第一馏份接触，经过足够长的时间，使大部分HMF从所述第一馏份中吸附到所述第二非功能性聚合树脂上；使上述第二非功能性聚合树脂与水接触直至第一馏份中的大部分果糖从所述第二非功能性聚合树脂中除去，而混合物中的大部分HMF仍保留吸附于所述第二非功能性聚合树脂上；使所述第二非功能性聚合树脂与足量的有机溶剂接触，以从所述第二非功能性聚合树脂上解吸上述大部分HMF，在含有上述有机溶剂的第一洗脱液中收集被解吸的HMF。

在特定的示例性实施方式中，所述优先吸附HMF的第一非功能性聚合树脂为

S7768。

在特定的示例性实施方式中，所述第二阳离子交换树脂为选自包括

CS13GC293和UBK555的组中的强酸性树脂。

在另一种示例性实施方式中，使用了两种非功能性聚合树脂，优先吸附糠醛的第一或第二非功能性聚合树脂为

VPOC 1064。

这里描述的方法的一个优点在于在分馏水溶液混合物的残留组分之前，已将果糖从水溶液混合物中除去，从而以除去可能出现的任何其他杂质，例如胡敏素聚合物。

另一个优点在于本方法使用两种非功能性聚合树脂，通过两步工序用廉价的材料生产出糠醛含量大大降低的高纯度HMF产物。

附图说明

图1为实施例1所用的优先吸附HMF的非功能性聚合树脂柱收集的物质的HPLC分析曲线图。

图2为实施例2所用的阳离子交换柱收集的部分的HPLC分析曲线图。

图3为实施例3所用的阳离子交换柱收集的部分的HPLC分析曲线图。

图4为实施例4所用的阳离子交换柱收集的部分的HPLC分析曲线图。

图5为实施例5所用的阳离子交换柱收集的部分的HPLC分析曲线图。

图6为实施例6所用的阳离子交换柱收集的部分的HPLC分析曲线图。

图7为实施例7所用的阳离子交换柱收集的部分的HPLC分析曲线图。

图8为在第一非功能性聚合树脂柱上吸附并吸解HMF后阳离子交换柱收集的部分的HPLC分析曲线图。

图9为优先吸附糠醛的非功能性聚合树脂收集的部分的HPLC分析曲线图。

具体实施方式

在详细描述本发明之前，先对几个本领域技术人员知晓其通常含义的术语进行定义，以更好地辨别其用于不同实施方式中的可能含有的细微差别。应理解本文中的定义在没有限定的前提下意图在于涵盖本领域技术人员知晓的通常含义，除非该通常含义与本发明提供的定义不一致，出现这种不一致时，应以本发明提供的定义为准。

“层析分离”及其变形方案是指，通过固定固体相层析吸附剂在固定相和洗脱液流动相之间区别分离各类物质的基于速率的化学物质的分离。相应地，在需要改变洗脱液的条件下，使用单个流动相就可以完成层析分离。在这方面，层析分离可以被描述为“连续分离过程”，因为各类物质在连续的移动中被分离。

“吸附/解吸分离”或“吸附/解吸层析”及其变形方案专门用来与层析分离相区分，其是指如下过程：在第一洗脱条件下将一种化学物质固定在固相吸附剂上，同时移动另一种亲洗脱液的物质，接着，改变洗脱条件，在第二洗脱液条件下上述固定的化学物质从上述吸附剂中被吸解，优先解吸至所述洗脱液中。因此，将根本性地将层析分离与吸附/解吸分离区分开的两个特征为，在吸附/解吸分离中，(i)、选择第一洗脱条件尽可能将一种化学物质固定在层析材料上，以及(ii)、改变洗脱条件，选择第二洗脱液条件以使所述固定的化学物质变为流动的。从这个意义来说，吸附/解吸分离的特征在于其为“非连续的”或“分步的”分离过程。

本领域技术人员将认识到依靠洗脱液选择和化学物质可将相同的固相层析材料用于完成层析分离、吸附/解吸分离或同时使用。例如，在分离含有A、B和C的化学物质的第一步中，可使用一种离子交换材料作为吸附剂固定相与一种洗脱液结合，在选定的pH值下，使化学物质A和B固定在所述吸附剂上，而化学物质C优先分离到洗脱液流动相中，从而实现物质A和B从物质C的吸附/解吸分离。在第二步中，将洗脱条件改为第二pH值，使物质A和B优先分离至流动相中。如果通过改变pH值，使物质A和B区别地在固定相和流动相之间分离，则A和B在固定相上以不同的速率移动，从而在相同的离子交换材料上得到层析分离。

“非功能性聚合树脂”是指聚合碳链材料例如聚苯乙烯，除C-C、C＝C和CH键外，其本身不具有有机官能团，交联形成多孔性基体，该多孔性基体并不衍生为包括任何附加的有机或无机部分。非功能性聚合树脂的一个特征是其不具有活性，不含有离子或其他可溶性分子，该离子或其他可溶性分子在水溶液环境下将形成氢键或离子键。因此，与非功能性聚合树脂分子间相互作用唯一相联系的作用力是范德华力。

现在开始讨论本发明，通常在酸催化剂存在的条件下由果糖经过脱水反应合成HMF。尽管可以使用几种溶剂，但是水最廉价的溶剂，用水而不用有机溶剂会增大生成不希望得到物质的可能性，所述不希望得到的物质包括例如糠醛、HMF和/或糠醛的聚合物(胡敏素-在实施例中检测为“有色体”(color bodies)或“主观色”(subjective color))和各种分解产物。另外，在典型的水相条件下反应不能彻底进行，因为存在过量的水时发生逆向反应并达到平衡，发生大量再水化反应，所以通常仍有大量果糖残留在反应混合物中。因而，HMF合成的反应物和产物将至少包括果糖和HMF，也很可能包括糠醛和胡敏素。

以往通常从反应物和其他产物中提纯HMF依靠蒸馏和/或双向性流体萃取或者依靠阳离子交换层析分离。本发明中，出人意料地发现非功能性聚合树脂可以很有效地将HMF从HMF合成的其他反应物和产物中分离出来。由于HMF合成的主要反应物和产物即果糖、糠醛、HMF和胡敏素的尺寸和极性相似，发现这些化学物质相对于非功能性聚合树脂的吸附能力具有本质上的差别是出人意料的。此外，通常非功能性聚合树脂不宜用于从反应混合物中分离主要成分，比如HMF和果糖，而是常用于除去痕量杂质。然而，在本发明的一种优选实施方式中，据发现非功能性聚合树脂

S7768是从HMF和其他副产物中分离大部分果糖的理想物质，并且无需进一步的分馏。根据HMF的浓度，几倍于柱床体积的HMF的水相混合物可加载于柱上，然后用洗脱液淋洗交换柱以除去果糖，而所述HMF留在交换柱上。第一交换柱上所用的洗脱液可以是能从树脂上洗脱果糖而不洗脱HMF的任何溶剂。在一种实施方式中，第一洗脱液为去离子水，尽管其他溶液例如无机盐水溶液、有机盐水溶液和缓冲材料水溶液可以用作第一洗脱液。

事实上，发现了水溶液中的HMF可几乎全部吸附在特定的非功能性聚合树脂上，而果糖和糠醛却得不到吸附并大量流过该树脂。经吸附后，所述HMF可通过接触有机溶剂特别是低分子量的极性有机溶剂从所述非功能性聚合树脂上解吸出来，所述低分子量的极性有机溶剂包括丙酮、乙醇、丙醇、乙酸乙酯、丁醇、戊醇、异戊醇及其混合物，例如杂醇油，其为从发酵液中蒸馏乙醇获得的低分子量极性有机溶剂的混合物。在特定的实施方式中，所述极性有机溶剂为水溶性的溶剂例如乙醇、丙酮、丙醇、乙腈、二甲基甲酰胺等。在一个示例性实施方式中，所述极性有机溶剂为丙酮。

非功能性聚合树脂的一个实例是优先吸附HMF的

S7768(LanxessSybron Chemicals Inc，Birmingham，NJ)。该树脂的特征为：中性的高度交联的聚苯乙烯珠，其平均直径为约0.44-0.55mm，混合孔隙直径为约0.5-10nm，孔隙体积为约0.6-0.8ml/g，表面积大于1300平方米每克，并且其保水能力为约38-45％。

我们还发现，其他非功能性聚合树脂可从反应物和HMF合成产物的水溶液混合物中优先吸附糠醛，而使果糖和HMF得不到实质性吸附并流过该树脂。该优先吸附糠醛的非功能性聚合树脂的一个实例是VPOC 1064(也可从Lanxess公司得到)，该树脂的特征为：其为大孔的中性交联聚苯乙烯珠，尺寸较均一，平均直径为约0.5+/-0.05mm，孔隙直径为约5-10nm且较为均一，孔隙体积为约1.2毫升每克，表面积为约800平方米每克，并且其保水能力为约50-60％。通过以下的方式，糠醛可以从这样的树脂上解吸以再生树脂：用相同类型的有机溶剂从另外一种非功能性聚合树脂上解吸，然后冲水，所述相同类型的有机溶剂用以从其他类非功能性聚合树脂上洗脱HMF。

其他优先吸附HMF或优先吸附糠醛的树脂包括但不限于：AmberliteXAD-4、XAD-1180和XAD-16(Rohm & Haas Chemicals LLC，Elgin IL)，DiaionHP20、HP21、SP70和SP850(Mitsubishi Chemical Company，Tokyo，Japan)。当前并不知晓这些和与其类似的非功能性聚合树脂的何种特性或特性的结合给予这些树脂优先吸附HMF或糠醛的能力，但是通过本发明描述的直接脉冲测试，本领域的技术人员可以使用此处及下文实施例中的教导去经验性地决定使何种物质受到吸附。

本发明还发现，将上述不同类型的树脂单独结合使用或者将它们与阳离子交换层析树脂(特别是强酸性树脂例如含有磺酸酯官能团的树脂)结合使用能够提供有效和经济地从其他反应物及HMF合成产物中实质上提纯HMF的方法。

使用非功能性聚合树脂吸附HMF后再结合使用阳离子交换层析分离的典型实施例是，先将水溶液中的HMF合成反应混合物加载在优先吸附HMF的第一非功能性聚合树脂上。然后用水淋洗所述树脂使大部分果糖同起始加载液和洗液一道穿过所述树脂，而大部分HMF仍吸附于所述树脂上。接着用有机溶剂解吸HMF并将其从所述非功能性聚合树脂上洗脱。图1描述了使用该非功能性聚合树脂吸附/解吸HMF的情况。最好用低沸点溶剂例如丙酮做解吸洗脱液，因为在一个典型实施例中，通过蒸发或蒸馏将所述有机溶剂从富集HMF的洗脱液中除去。

通常含有残留水的残留物为油状或固体状，用水相溶剂将其溶解并加载于所述阳离子交换树脂上。通常把该水相溶剂作为流动相来影响阳离子交换树脂上的层析分离。该水相溶剂可为单独的水或适宜的盐水溶液，例如CaCl₂，NaCl等，用以优化所述层析分离。所述通常加载于柱上的阳离子交换树脂，通过与所述水相溶剂达到相平衡来制取。如图2-7所示的是未采用HMF吸附和解吸预处理的全部HMF合成反应混合物所进行的阳离子交换层析，通常先洗脱胡敏素(主观色)，接着洗脱果糖，然后是HMF。图8所示的实施例中，先从非功能性聚合树脂上吸附和解吸HMF反应混合物，然后用阳离子交换层析进行分离。在这种情形下，较少的残留果糖存在于供给液(feed)中，并且其在两个峰值处洗脱，起始的一个在穿流(flow-through)中，另一个在HMF开始洗脱的峰值后。在HMF洗脱后糠醛也开始洗脱，因此为了最好地提纯要中止穿流以获得中间部分(例如，图8中穿流进行到0.5-1.5柱床体积时)，此时，HMF可最多地从糠醛和果糖中分离出来。可用本领域技术人员熟知的方法使HMF结晶。

阳离子交换层析前，在HMF再溶解至水中前除去有机溶剂，作为选择，也可以省略蒸发步骤，仅仅将所述含有洗脱的HMF的有机溶剂与适宜量的水相溶剂混合以在该混合溶剂系统中完成阳离子交换层析。该种情形下，最好使用水相极性有机溶剂例如丙酮、乙醇或丙醇作为HMF溶剂和流动相。尽管该混合溶剂层析实施方式可以奏效，但是，在特定情形下，由于所述有机溶剂降低了胡敏素从HMF中阳离子交换分离的有效性，大量胡敏素仍残留在供给液中，这应该是不期望的。

在结合使用两种不同非功能性聚合树脂的典型实施方式中，可将阳离子交换层析分离完全省略。在一个步骤中，水中的HMF合成反应混合物吸附于非功能性聚合树脂上(例如优先吸附糠醛和一些胡敏素的

VPOC 1064)。HMF和果糖在穿流和洗液中洗脱，它们结合在一起随即加载于不同的优先吸附HMF的非功能性聚合树脂上使所述果糖穿过树脂。然后用丙酮洗脱所述HMF，再通过蒸发或蒸馏除去丙酮并得到含高纯度HMF的馏份。图9显示了

VPOC 1064对糠醛的吸附。使用VPOC 1064填充柱时，也可用丙酮洗脱糠醛。

两种不同非功能性聚合树脂的使用也可逆向操作，例如：使用HMF吸附树脂先除去果糖，接着除去有机溶剂，然后所述经所述有机溶剂洗脱的HMF和所有残留的糠醛可加载于水相试剂中，使糠醛吸附于优先吸附糠醛的非功能性聚合树脂上从而将其除去，而所述HMF穿过树脂进入穿流和洗液中。然后，可用水相溶剂淋洗所述树脂使其能够重复使用。

虽然在通常的实施方式中当结合使用两种不同非功能性聚合树脂时不必使用阳离子交换层析树脂，但是，在特定的实施方式中，最好通过各种结合使用所有三种树脂来提纯HMF。例如，如图9所示，先用优先吸附HMF的

S 7768树脂获取富含HMF并具有较少果糖的部分，再用Finex CS13GC293阳离子交换树脂层析分离将糠醛和残留果糖从HMF中分离出来，不过糠醛和HMF的峰值部分重合。为得到纯度约为82％HMF较富集的部分，从代表0.5-1.5柱床体积的洗脱液中取样以减少糠醛含量是必要的。如要得到更高的产率，最好取代表0.5-2柱床体积的部分，然而这种分馏将产生过多的糠醛。所述过多的糠醛可经过后续的层析将其吸附于

VPOC 1064树脂上将其除去，仍能在穿流中得到高回收率的HMF。

在结合使用阳离子交换层析树脂的实施方式中，最好使用强酸性阳离子交换树脂。在一个特定的实施方式中，该树脂为

CS13GC293，

UBK555或类似的树脂。强酸性阳离子交换树脂为含有活性官能团的合成树脂，其活性官能团包括磺基、羧基、苯基或其他酸性基团，这些基团使该树脂具有结合并在树脂和液体流动相之间交换阳离子的特性。可使用本领域已知的技术将所述阳离子交换树脂预处理为理想的形态。例如，若希望使用离子交换树脂的酸性形式，可用5％的盐酸水溶液预处理该树脂。若希望使用含钙离子形式的树脂，例如可用5％氯化钙或其他适宜的钙盐溶液预处理该树脂。若希望使用含钠离子形式的树脂，例如可用5％氢氧化钠或其他适宜的钠盐溶液预处理该树脂。对柱的预处理可使用含有足以使所有树脂转换成理想形式的过量离子的一定量的溶液来完成。例如，在一种实施方式中，将五个柱床体积的5wt/vol％氯化钙溶液穿过柱子从而使其得到预处理。然后，用去离子水淋洗柱子除去多余的预处理液。

将水相混合物加载于阳离子交换柱上，然后使用适宜的洗脱液。所述洗脱液的特性为可允许HMF通过层析与水相混合物中的其他物质分离。在一种优选实施方式中，使用去离子水作洗脱液，尽管洗脱液可以是无机盐溶液、有机盐溶液或缓冲材料的溶液，或与水溶性有机溶剂混合的水溶液。可通过调整所述洗脱液的流速来优化HMF从其他物质中的分离。流速取决于柱和样本的大小，从约1ml/分钟-约50ml/分钟，优选约2ml/分钟-约20ml/分钟。在实施例中，流速为约5ml/分钟-约15ml/分钟。洗脱温度可为任何适宜于优化物质分离的温度。通常，洗脱温度为从约15℃-约75℃，优选为从20℃-约60℃。如图5所示，在60℃的较高温度下层析检测到的分离结果比在室温下相同的条件下(如图2所示)的结果更好。柱的流速通过重力或压力来调节。

如下的实施例使用示例性树脂和条件意在阐明本发明，而不是对其进行限制。本领域技术人员可使用其他树脂或条件通过常规试验手段完成相似或改进的分离。

实施例

第一类型非功能性聚合树脂对HMF的吸附和吸解

实施例1

内径15mm×600mm的玻璃柱中装满100mlS7768树脂。接着对树脂进行预处理，先通过3柱床体积的重量体积比为5％的氢氧化钠水溶液，然后通过5柱床体积的去离子水。整个过程使用的流速为5ml(毫升)/分钟。接下来，5柱床体积的包含40g/kg的HMF、200g/kg果糖和其他未知量物质的混合水溶液加载至柱中。在洗脱水相混合物之后，4柱床体积的去离子水与柱接触，随之是5柱床体积的丙酮。

从反应第一步收集到的部分物质的分析显示在图1中。可以看出，通过11柱床体积后收集到的馏份中不包含果糖，只有HMF。此外，所有的果糖在HMF开始洗脱之前已经从柱上被除去。

实施例2-7第二类型阳离子交换树脂层析法

实施例2

内径15mmx600mm的玻璃柱中装满100ml

UBK555离子交换树脂。5柱床体积的重量体积比为5％的去离子水氯化钙溶液通过玻璃柱以对树脂进行预处理，然后用5柱床体积的去离子水淋洗柱。接着水被带到树脂床的顶部，15ml包含40g/kg HMF，200g/kg果糖和其他副产物的混合反应水溶液被加到柱顶部。打开柱排气阀允许混合物从树脂床顶部水平开始渗透。然后往柱中加入2ml去离子水，允许其渗透入树脂床达到树脂床顶部水平。接着往柱顶部加5ml去离子水。关闭柱，在60℃条件下用流速为10ml每分钟的去离子水流淋洗柱。每0.8分钟收集馏份。总共3.16柱床体积的洗脱液从柱中洗脱出。HPLC用于分析从柱中收获的部分。结果在图2中显示。

实施例3

实施例3中用到的条件和设备与实施例2中所述一样，不同之处为对柱的预处理用的是重量体积比为5％的氢氧化钠溶液。结果在图3中显示。

实施例4

实施例4中用到的条件和设备与实施例2中所述一样，不同之处为对柱的预处理用的是重量体积比为5％的氢氧化钠溶液和作为第三洗脱液的2％NaCl去离子水溶液。结果在图4中显示。

实施例5

实施例5中用到的条件和设备与实施例2中所述一样，不同之处为柱的温度为60℃。结果在图5中显示。

实施例6

实施例6中用到的条件和设备与实施例2中所述一样，不同之处为对柱的预处理用的是重量体积比为5％的氢氧化钠溶液，树脂用的是Finex CS13GC293离子交换树脂。结果在图6中显示。

实施例7

实施例7中用到的条件和设备与实施例6中所述一样，不同之处为对柱的预处理用的是重量体积比为5％的盐酸溶液。结果在图7中显示。

具体实施方式2-7代表了通过以上步骤所述第二类型玻璃柱洗脱提纯HMF。可以从曲线图2-7看出，代表胡敏素存在和其他存在于反应混合物中的有色杂质的主观色，在HMF开始从柱上洗脱之前已很大程度从柱上除去。因此，通过这个过程HMF得到明显纯化。但是，为了增加回收的HMF的产量，优选的方法是通过应用实施例1中的第一种柱和实施例2-7中的第二种柱，如实施例8所述。

第一类型非功能性聚合树脂吸附继以第二类型阳离子交换柱层析分离

实施例8

内径15mmx600mm的第一玻璃柱中装满100mlS7768树脂。先通过3柱床体积的重量体积比为5％的氢氧化钠水溶液，然后通过5柱床体积的去离子水对第一柱中的树脂进行预处理。通过第一柱的流速为5ml每分钟。然后5柱床体积的包含40g/kg的HMF、200g/kg果糖和其他未知量物质的第一水相混合物加载到柱中。第一水相混合物与柱接触后，加入5柱床体积的丙酮。收集并在真空中浓缩含丙酮的部分以产生含HMF和副产物的残余物。接着将残余物溶解在15ml去离子水中形成含有HMF和副产物的第二水相混合物。

内径15mmx600mm的第二玻璃柱中装满100ml

UBK555离子交换树脂即第二种树脂。5柱床体积的重量体积比为5％的去离子水氯化钙溶液通过第二玻璃柱以对第二种树脂进行预处理，然后用5柱床体积的去离子水淋洗柱。接着水被带到树脂床的顶部，15ml第二水相反应混合物被加到第二柱的顶部。打开柱排气阀允许混合物从树脂床顶部水平开始渗透。然后往第二柱中加入2ml去离子水，允许其渗透入第二树脂床达到第二树脂床顶部水平。接着往第二柱顶部加5ml去离子水。关闭第二柱在25℃条件下用流速为10ml/分钟的去离子水流淋洗玻璃柱。每0.8分钟收集馏份。总共3.16柱床体积的洗脱液从第二柱中洗脱出。HPLC用于分析从第二柱中收获的部分以得到大量纯化HMF。

实施例9

一种基于固体(果糖、HMF和糠醛)的含15.3％HMF的396克混合水溶液通过

S7768柱，随之用大约2.5柱床体积(BV)去离子水冲洗。用丙酮洗脱后回收得到107.5克HMF浓缩产物。所述产物中包含基于固体的82.9％HMF。用旋转式蒸发器除去丙酮获得40毫升含有HMF、水以及其他物质的橙色残余物。该残余物含有2.2克HMF的一部分(5.6克)进一步溶解在水中然后以酸式通过Finex CS13GC293阳离子树脂柱，水作为流动洗脱相。收集被洗脱的部分以0.5柱床体积(BV)开始，以1.5柱床体积(BV)结束，其中含有1.72克HMF。经过阳离子交换层析步骤，终产物为以固体为基础的94.0％HMF，产率为78.2％图8阐明了所述阳离子交换层析步骤直接用于S7768非功能性聚合树脂提纯步骤之后。

第一类型非功能性聚合树脂吸附糠醛，第二类型非功能性聚合树脂吸附HMF

实施例10

使包含合成HMF的水相反应组分的供给液约1044克通过100ml LevatitVPOC 1064柱(15mm IDx600mm)然后用水淋洗。所述供给液包含193克果糖、33克HMF和3.9克糠醛。代表3柱床体积穿过6柱床体积的中间穿流和洗液馏份被收集并显示含有72.1克果糖、10.6克HMF，未检测到糠醛，其中，水中含有果糖和HMF并且通过VPOC 1064树脂而没有被真正吸附。吸附到柱上的糠醛被丙酮洗脱。图9显示了糠醛从Levatit VPOC 1064树脂中吸附和洗脱，伴随流经的柱床体积的含有果糖和HMF的馏份

所述部分收集物被用作在Levatit S7768树脂柱中吸附和洗脱HMF的供给液。所述供给液被装载到柱上并如实施例1中所述大量地用水淋洗。立即从柱上洗脱的未被吸附的加载馏份被收集并显示含有71.7克果糖和大约0.4克HMF。洗涤之后，如实施例1中所述树脂被丙酮大量地洗脱。结合的丙酮洗脱液显示含有10.2克HMF和0.2克果糖。总的固态HMF纯化率为99.1％。

Claims (20)

1.一种从含有由果糖进行的羟甲基糠醛合成的反应物和产物的混合物中提纯羟甲基糠醛的方法，包括：

使相对于果糖优先地吸附羟甲基糠醛的第一非功能性聚合树脂接触含有羟甲基糠醛合成的反应物和产物的混合物的水溶液，经过足够长的时间，使大部分羟甲基糠醛从所述混合物中吸附到所述非功能性聚合树脂上；

使所述第一非功能性聚合树脂与水接触直至来自所述混合物中的大部分果糖从非功能性聚合树脂上除去，而来自所述混合物中的大部分羟甲基糠醛仍保留吸附于所述非功能性聚合树脂上；

使所述第一非功能性聚合树脂与足量的有机溶剂接触，以使得大部分所述羟甲基糠醛从所述非功能性聚合树脂上解吸；

在含有所述有机溶剂的第一洗脱液中收集被解吸的羟甲基糠醛。

2.如权利要求1所述的方法，其中，通过使从所述第一洗脱液得到的羟甲基糠醛接触不同于所述第一非功能性聚合树脂的层析分离树脂、并且洗脱所述层析分离树脂，来进一步提纯所述第一洗脱液中的羟甲基糠醛，从而得到含有进一步提纯的羟甲基糠醛的馏份。

3.如权利要求2所述的方法，其中，进一步提纯所述羟甲基糠醛包括：

从所述第一洗脱液中除去所述有机溶剂，并得到残留的部分提纯的羟甲基糠醛；

使所述残留的部分提纯的羟甲基糠醛溶解至水溶液中以得到含有羟甲基糠醛的第二水溶液；

用酸性离子交换聚合树脂接触所述含有羟甲基糠醛的第二水溶液；

用水溶液流动相洗脱所述酸性离子交换聚合树脂，以将至少大部分羟甲基糠醛从所述第二水溶液中的其他组分中层析分离出来，并且收集含有所述进一步提纯的羟甲基糠醛的第二洗脱液。

4.如权利要求3所述的方法，其中，使相对于羟甲基糠醛优先吸附果糖的第二非功能性聚合树脂接触所述第二洗脱液，并用水溶液流动相洗脱所述第二非功能性聚合树脂，来更进一步提纯含有所述羟甲基糠醛的所述第二洗脱液，以得到含有所述更进一步提纯的羟甲基糠醛的馏份。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述有机溶剂为从由丙酮、乙醇、丙醇、乙酸乙酯、丁醇、戊醇、异戊醇和杂醇油组成的组中选择的至少一种。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述有机溶剂为至少一种水溶性有机溶剂。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述有机溶剂为丙酮。

8.如权利要求6所述的方法，其中，进一步提纯所述羟甲基糠醛包括:

使水溶液与所述含有所述有机溶剂的第一洗脱液混合以得到部分提纯的所述羟甲基糠醛的混合溶液；

使酸性阳离子交换聚合树脂接触部分提纯的所述羟甲基糠醛的混合溶液；

用包含相同比例的水和水溶性有机溶剂的流动相作为混合溶液，来洗脱所述阳离子交换聚合树脂，以从部分提纯的所述羟甲基糠醛的混合溶液的其他组分中将大部分羟甲基糠醛层析分离出来，并收集含有所述进一步提纯的羟甲基糠醛的第二洗脱液。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述水溶性有机溶剂为丙酮。

10.一种从含有由果糖进行的羟甲基糠醛合成的反应物和产物的混合物中提纯羟甲基糠醛的方法，包括：

使相对于羟甲基糠醛优先吸附糠醛的第一非功能性聚合树脂接触含有羟甲基糠醛合成的反应物与产物的混合物的第一水溶液，经过足够长的时间，使大部分糠醛从所述混合物中吸附到所述第一非功能性聚合树脂上；

使上述第一非功能性聚合树脂与第二水溶液流接触，直至来自所述混合物中的大部分羟甲基糠醛和果糖流过所述非功能性聚合树脂并进入第一馏份，而来自所述混合物中的大部分糠醛仍保留吸附于所述非功能性聚合树脂上，收集所述第一馏份；

使相对于果糖优先吸附羟甲基糠醛的第二非功能性聚合树脂与所述第一馏份接触，经过足够长的时间，使所述大部分羟甲基糠醛从所述第一馏份中吸附到所述第二非功能性聚合树脂上；

使所述第二非功能性聚合树脂与第三水溶液接触，直至所述第一馏份中的大部分果糖从所述第二非功能性聚合树脂上除去，而来自所述混合物中的大部分羟甲基糠醛仍保留吸附于所述第二非功能性聚合树脂上；以及

使所述第二非功能性聚合树脂与足量的有机溶剂接触，以从所述第二非功能性聚合树脂上解吸所述大部分羟甲基糠醛，在含有所述有机溶剂的第二洗脱液中收集所述被解吸的羟甲基糠醛。

11.如权利要求10所述的方法，还包括：从所述第二洗脱液中除去所述有机溶剂，并得到残留的至少部分提纯的羟甲基糠醛。

12.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一水溶液、第二水溶液和第三水溶液中至少两种为相同的溶剂。

13.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一水溶液、第二水溶液和第三水溶液中至少一种为水。

14.如权利要求10所述的方法，还包括：从所述第二洗脱液中除去所述有机溶剂以得到残留的至少部分提纯的羟甲基糠醛，使所述残留的至少部分提纯的羟甲基糠醛溶解至第四水溶液中以得到含有羟甲基糠醛的部分提纯的水溶液；

使强酸性阳离子交换聚合树脂接触所述含有羟甲基糠醛的部分提纯的水溶液；以及

用水溶液流动相洗脱所述强酸性阳离子交换聚合树脂，以从所述部分提纯的水溶液中的其他组分中层析分离至少大部分羟甲基糠醛，并且收集富含羟甲基糠醛的馏份。

15.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一非功能性聚合树脂先于所述第二非功能性聚合树脂得到接触。

16.如权利要求10所述的方法，其中，所述第二非功能性聚合树脂先于所述第一非功能性聚合树脂得到接触。

17.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一非功能性聚合树脂为聚苯乙烯珠，该聚苯乙烯珠的平均直径为0.44-0.55mm，孔隙直径为0.5-10nm，孔隙体积为0.6-0.8ml/g，表面积大于1300m²/g，并且保水能力为38-45%。

18.如权利要求10所述的方法，其中，所述第二非功能性聚合树脂为交联聚苯乙烯珠，该交联聚苯乙烯珠的平均直径为0.44-0.55mm，孔隙直径为5-10nm，孔隙体积为1.2ml/g，表面积为800m²/g，并且保水能力为50-60%。

19.如权利要求1所述的方法，其中，所述优先吸附羟甲基糠醛的第一非功能性聚合树脂为聚苯乙烯珠，该聚苯乙烯珠的平均直径为0.44-0.55mm，孔隙直径为0.5-10nm，孔隙体积为0.6-0.8ml/g，表面积大于1300m²/g，并且保水能力为38-45%。

20.如权利要求4所述的方法，其中，所述第二非功能性聚合树脂为交联聚苯乙烯珠，该交联聚苯乙烯珠的平均直径为0.44-0.55mm，孔隙直径为5-10nm，孔隙体积为1.2ml/g，表面积为800m²/g，并且保水能力为50-60%。

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