CN103113326A - 一种5-羟甲基糠醛的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种5-羟甲基糠醛的制备方法,属于化学合成技术领域。该方法以生物质糖类为原料,以酸和氯化物为联合催化剂,在水和二甲基亚砜的溶液中,一锅法得到了5-羟甲基糠醛,解决了现有技术中5-羟甲基糠醛易氧化、易水解、其不稳定、难分离的问题,大大简化了反应,提高了产率;原料及各种试剂均价廉易得,成本低,后处理工艺简单,收率高;采用的原料为自然界中的生物质,生产过程无污染,环境友好,符合绿色化学的要求,为产品的工业化规模生产和商品化创造了良好的条件。
Description
技术领域
本发明属于化学合成技术领域,涉及一种5-羟甲基糠醛的制备方法,尤其涉及一种以生物质糖类为原料制备5-羟甲基糠醛的方法。
背景技术
5-羟甲基糠醛又名为:5-羟甲基-2-糠醛或5-羟甲基-2-呋喃甲醛等,其英文简写为HMF,其化学结构式为:
5-羟甲基糠醛是一种重要的新型平台化合物,其分子中含有一个醛基和一个羟甲基,可通过加氢,脱氢,酯化,卤化,聚合和水解等反应制备出许多有用化合物和新型高分子材料,广泛应用于医药,塑料,燃料添加物等领域,其自身是一种很好的原材料。淀粉,纤维素等生物质水解可生成葡萄糖和果糖等生物质糖,再经脱水反应可制出HMF。因此,HMF是跨在碳水化合物化学和石油化学之间的一种新型平台化合物,有望成为利用生物质资源替代化石燃料合成化学品路线的突破点。
目前,关于5-羟甲基糠醛的合成方法,国内外文献报道有很多,主要是通过糖类异构化成果糖,然后果糖在质子酸或金属氯化物催化剂的催化下脱水形成HMF。Binder等使用CrCl2作为催化剂在100 ℃的离子液体中合成出了HMF,产率达到了60 %。Hu等人研究发现,在[EMIM]BF4中,在SnCl4的催化作用下,在100 ℃反应3 h,得到HMF,产率可达64 %。Kerton等人在微波辅助下,使用SnCl4·5H2O为 催化剂,将壳聚糖转变成了HMF,产率为10%。而Abu-Omar在AlCl3·6H2O-NaCl-H2O/THF的两相反应体系中,用AlCl3·6H2O为催化剂,160 ℃微波照射下,反应10 min后,将糖类转变成了HMF,产率51%~66 %。近来,Wang et al.又研究出了Sn–Mont催化剂,在THF-DMSO的单相反应系里,将糖类转化成了HMF,其中在160 ℃条件下反应3 h,葡萄糖的产率可达53.5 %。然而,在这些质子酸或金属氯化物催化剂体系中,有的催化剂虽然可以使HMF有较高的产率,但是,都存在着一定的缺陷,如:Cr和Sn有毒,离子液体比较昂贵,两相反应介质难以控制,Sn-Mont催化剂制备复杂,因此它们在工业领域的应用受到了极大的限制。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题,提供一种以生物质糖类为原料制备5-羟甲基糠醛的方法。
本发明5-羟甲基糠醛的制备方法,是以酸和氯化物为联合催化剂,使生物质糖类在水和二甲基亚砜的混合液中进行水解、异构化及脱水反应后经中和,萃取,分离,干燥而得。其反应方程式如下:
所述生物质糖类为:葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、菊粉、纤维素、淀粉以及生物质玉米秸秆。
所述联合催化剂中的酸为对甲苯磺酸,其用量是生物质糖类质量的15~45%;氯化物为氯化锂,其用量为生物质糖类质量的 35~90%。
所述水和二甲基亚砜的混合液中,水与二甲基亚砜的体积比为 1:2~1:3。
所述水解反应的温度为90~150 ℃,反应时间为0.2~8 h。
上述合成产物经FTIR (KBr), 1H NMR,13C NMR,HRMS (ESI)和HPLC检测,其产品为纯的化合物5-羟甲基糠醛。
本发明相对现有技术具有以下优点:
1、本发明采用以生物质糖类为原料,采用酸和氯化物为联合催化剂,在水和二甲基亚砜的溶液中,一锅法得到了5-羟甲基糠醛,解决了现有技术中5-羟甲基糠醛易氧化、易水解、其不稳定、难分离的问题,大大简化了反应,提高了产率。
2、原料及各种试剂均价廉易得,成本低,后处理工艺简单,收率高,为产品的工业化规模生产和商品化创造了良好的条件。
3、采用的原料无毒,生产过程无污染,环境友好,符合国家的绿色产业政策。
具体实施方式
下面通过具体实例对本发明5-羟甲基糠醛的合成方法做进一步的说明。
实施例一、葡萄糖合成5-羟甲基糠醛
在50 mL圆底烧瓶中加入5 mmol (0.99 g)的葡萄糖,0.35 g对甲苯磺酸,0.7 g氯化锂,然后再加入3 mL蒸馏水和6 mL二甲基亚砜,在150 ℃的油浴中搅拌反应4 h;反应完成后,取出圆底烧瓶置于冰水中迅速冷却,向反应液中加3~6mL蒸馏水,反应混合物用碳酸氢钠中和,然后用乙酸乙酯萃取3次,合并有机相,40℃下用旋转蒸发仪除去乙酸乙酯,真空干燥,过夜,得黄色油状液体HMF,收率78 %。
FTIR (KBr) (ν, cm-1): 3410 (-OH), 1713 (-CHO), 1672 (C=C), 1026 (C-O-C), 2920, 2850 (-CH2); 1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ = 9.58 (s, 1H, CHO), δ = 7.23 (d, J=3.6 Hz, 1H, Furan-H-3), δ = 6.52 (d, J=3.6 Hz, 1H, Furan-H-4), δ = 4.72 (s, 2H, CH2), δ = 3.00 (s, 1H, OH); 13C-NMR (101 MHz, CDCl3) δ:117.69, 160.83, 152.15, 123.18, 109.53, 57.39。HRMS (ESI) calculated for C6H6O3 [M+H]+ 127.0390, found: 127.0392。
实施例二、果糖合成5-羟甲基糠醛
在50 mL圆底烧瓶中加入5 mmol (0.9 g)的果糖,0.35 g对甲苯磺酸,0.7 g氯化锂,然后再加入3 mL蒸馏水和6 mL二甲基亚砜,在90 ℃的油浴中搅拌反应0.25 h,等反应完成后,取出圆底烧瓶置于冰水中迅速冷却,向反应液中加入3~6mL蒸馏水,反应混合物用碳酸氢钠中和;然后用乙酸乙酯萃取3次,合并有机相,40 ℃下用旋转蒸发仪除去乙酸乙酯,真空干燥过夜,得黄色油状液体HMF,收率93 %。其各性能指标或表征数据同实施例一。
实施例三、蔗糖合成5-羟甲基糠醛
在50 mL圆底烧瓶中加入5 mmol (1.71 g)的蔗糖,0.35 g对甲苯磺酸,0.7 g氯化锂,然后再加入3 mL蒸馏水和6 mL二甲基亚砜,在120 ℃的油浴中搅拌反应0.25 h,等反应完成后,取出圆底烧瓶置于冰水中迅速冷却,向反应液中加入3~6mL蒸馏水,反应混合物用碳酸氢钠中和。然后用乙酸乙酯萃取3次,合并有机相,40 ℃条件下用旋转蒸发仪除去乙酸乙酯,真空干燥过夜,得黄色油状液体HMF,收率61 %。其各性能指标或表征数据同实施例一。
实施例四、麦芽糖合成5-羟甲基糠醛
在50 mL圆底烧瓶中加入5 mmol (1.8 g)的麦芽糖,0.35 g对甲苯磺酸,0.7 g氯化锂,然后再加入3 mL蒸馏水和6 mL二甲基亚砜,在100 ℃的油浴中搅拌反应1.5 h,等反应完成后,取出圆底烧瓶置于冰水中迅速冷却,向反应液中加入3~6mL蒸馏水,反应混合物用碳酸氢钠中和;然后用乙酸乙酯萃取3次,合并有机相,40 ℃条件下用旋转蒸发仪除去乙酸乙酯,真空干燥过夜,得黄色油状液体HMF,收率56 %。其各性能指标或表征数据同实施例一。
实施例五、菊粉合成5-羟甲基糠醛
在50 mL圆底烧瓶中加入5 mmol (0.86 g)的菊粉,0.35 g对甲苯磺酸,0.7 g氯化锂,然后再加入3 mL蒸馏水和6 mL二甲基亚砜,在120 ℃的油浴中搅拌反应0.25 h,等反应完成后,取出圆底烧瓶置于冰水中迅速冷却,向反应液中加入3~6mL蒸馏水,反应混合物用碳酸氢钠中和;然后用乙酸乙酯萃取3次,合并有机相,40 ℃条件下用旋转蒸发仪除去乙酸乙酯,真空干燥过夜,得黄色油状液体HMF,收率47 %。其产品为纯的化合物,其各性能指标或表征数据同实施例一。
实施例六、淀粉合成5-羟甲基糠醛
在50 mL圆底烧瓶中加入5 mmol (0.81 g)的淀粉,0.35 g对甲苯磺酸,0.7 g氯化锂,然后再加入3 mL蒸馏水和6 mL二甲基亚砜,在120 ℃的油浴中搅拌反应1.5 h,等反应完成后,取出圆底烧瓶置于冰水中迅速冷却,向反应液中加入3~6mL的蒸馏水,反应混合物用碳酸氢钠中和,过滤,滤液用乙酸乙酯萃取3次,合并有机相,40 ℃条件下用旋转蒸发仪除去乙酸乙酯,真空干燥过夜,得黄色油状液体HMF,收率45 %。合成产物的各性能指标或表征数据同实施例一。
实施例七、纤维素合成5-羟甲基糠醛
在50 mL圆底烧瓶中加入5 mmol (0.81 g)的纤维素粉,0.35 g对甲苯磺酸,0.7 g氯化锂,然后再加入3 mL蒸馏水和6 mL二甲基亚砜,在120 ℃的油浴中搅拌反应5 h,反应完成后,取出圆底烧瓶置于冰水中迅速冷却,向反应液中加入3~6mL蒸馏水,反应混合物用碳酸氢钠中和;过滤,滤液用乙酸乙酯萃取3次,合并有机相,40 ℃条件下用旋转蒸发仪除去乙酸乙酯,真空干燥过夜,得黄色油状液体HMF,收率43 %。合成产物的各性能指标或表征数据同实施例一。
实施例八、葡萄糖合成5-羟甲基糠醛
在250 mL圆底烧瓶中加入100 mmol (20g)的葡萄糖,6g对甲苯磺酸,14 g氯化锂,然后再加入20 mL蒸馏水和40 mL二甲基亚砜,在150 ℃的油浴中搅拌反应8 h,等反应完成后,取出圆底烧瓶置于冰水中迅速冷却,向反应液中加入3~6mL蒸馏水,反应混合物用碳酸氢钠中和;然后用乙酸乙酯萃取3次,合并有机相,40 ℃条件下用旋转蒸发仪除去乙酸乙酯,真空干燥过夜,得黄色油状液体HMF,收率29 %。合成产物的各性能指标或表征数据同实施例一。
实施例九、玉米秸秆合成5-羟甲基糠醛
在50 mL圆底烧瓶中加入0.5 g的玉米秸秆,0.35g对甲苯磺酸,0.7 g氯化锂,然后再加入3 mL蒸馏水和6 mL二甲基亚砜,在120 ℃的油浴中搅拌反应3 h,等反应完成后,趁热过滤,用蒸馏水洗涤,滤液用碳酸氢钠中和。然后用乙酸乙酯萃取3次,合并有机相,40 ℃条件下用旋转蒸发仪除去乙酸乙酯,真空干燥过夜,得黄色油状液体HMF,收率10 %。合成产物的各性能指标或表征数据同实施例一。
Claims (6)
1.一种5-羟甲基糠醛的制备方法,以酸和氯化物为联合催化剂,使生物质糖类在水和二甲基亚砜的混合液中进行水解、异构化及脱水反应后经中和、萃取,分离、干燥而得。
2.如权利要求1所述5-羟甲基糠醛的制备方法,其特征在于:所述生物质糖类为葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、菊粉、纤维素、淀粉或生物质玉米秸秆。
3.如权利要求1所述5-羟甲基糠醛的制备方法,其特征在于:所述联合催化剂中的酸为对甲苯磺酸,其用量是生物质糖类质量的 15~45%。
4.如权利要求1所述5-羟甲基糠醛的制备方法,其特征在于:所述联合催化剂中的氯化物为氯化锂,其用量为生物质糖类质量的 35~90%。
5.如权利要求1所述5-羟甲基糠醛的制备方法,其特征在于:所述水和二甲基亚砜的混合液中,水与二甲基亚砜的体积比为 1:2~1:3。
6.如权利要求1所述5-羟甲基糠醛的制备方法,其特征在于:所述水解,异构化及脱水反应的温度为90~150 ℃,反应时间为0.2~8 h。
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