CN103788034A - 一种5-羟甲基糠醛的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种5-羟甲基糠醛的制备方法,其特征在于将果糖、葡萄糖或蔗糖与二甲亚砜、正丁醇、仲丁醇、环己醇、1,4-二氧六环、聚乙二醇400或乙腈按质量体积比为1g:5~10ml搅拌混合后,在FeCl3 ·6H2O/C固体酸催化剂下进行加热反应,反应液经浓缩提纯后制得产物为5-羟甲基糠醛。本发明与现有技术相比具有工艺简单、操作方便,生产成本低,产率高,反应条件更温和,避免了高毒化学原料的使用,不污染环境,而且催化剂廉价易得、高效且可多次回收再利用,实现了环保低碳、廉价易得、循环可持续发展的绿色目标,尤其适合工业化的规模生产。

Description

一种5-羟甲基糠醛的制备方法
技术领域
本发明涉及有机化合成技术领域,具体地说是一种5-羟甲基糠醛的制备方法。
背景技术
5-羟甲基糠醛(HMF)是极具代表性的生物质材料单体和有机合成的中间体。HMF分子中含有活泼基团——醛基和羟甲基,化学性质活泼,可以作为许多有机反应的中间体、大环化合物合成的原料、高分子材料合成的单体、溶剂、生物燃料等。
目前,HMF的制备是通过糖类脱水生成的,但是现行的方法中还存在着一些其它的缺陷:如反应的产率低,合成需要用到昂贵的离子液体以及毒性较大的重金属盐作为催化剂,而且对反应装置有着相当高的要求。
2003年,H. Vogel小组[Green Chemistry  2003, 5 (2), 280-284]发展了一种丙酮-水两相体系介导的合成HMF的方法,该方法不仅可以用于催化果糖脱水,还可以催化葡萄糖、蔗糖、聚糖等的脱水来制备HMF。但该制备方法对反应装置要求较高,且产率偏低。2009年[Chemical Communications  2009, 41, 6276-6278],K. Ebitani小组在一种温和条件下,在固体酸、碱的共同作用下来制备得到了HMF,但是该方法所得到的最终产率较低,而且反应过程中的副产物会粘附在催化剂表面,回收较为麻烦。2011年[Chemical Communications  2011, 47 (15), 4469-4471], Y. Du小组研发了一种在水-仲丁醇两相系统中利用固体酸催化剂催化糖苷脱水制备HMF的方法,但是该方法所使用的催化剂较为复杂,只适用于实验室内研究,并不适合工业化的大量生产。2013年[Journal of the American Chemical Society 2013, 135 (10), 3997-4006],S. I. Sandler和D. G. Vlachos使用的方法是在路易斯酸(CrCl3) 和布朗斯特酸 (HCl)共同作用下,先由葡萄糖异构化成为果糖再脱水制备HMF,但是该方法生成了大量的副产物乙酰丙酸,同时,最终的HMF产率并不高(59%)。  
近些年国内也有一些固体超强酸和杂多酸对HMF的合成方法进行了报到,如专利CN 101367782 A在固体超强酸作用下催化葡萄糖制备HMF;专利: CN 101289435 A使用杂多酸或杂多酸盐为催化剂,制备得到HMF;专利: CN 102153527 A 以N,N-二甲基乙酰胺为溶剂,氯化锂为添加剂的条件下,以果糖为原料,二氧化钛负载的杂多酸为催化剂在80~150℃温度下反应制备HMF;专利:CN 102101851 A 还报道了一种以含铌化合物为催化剂,在80~300℃温度下反应制备HMF的方法。还有在超临界条件下HMF的制备方法,如:专利CN101628902 A使用葡萄糖为原料,在高温高压下,使用超临界二氧化碳作为媒介制备得到HMF;专利:CN 102952103 A 以一种超临界CO2/离子液体两相体系中反应并通过液相色谱分析制备HMF。 
综上所述,现有技术制备5-羟甲基糠醛(HMF)的方法,存在着原料消耗大,产率低,催化剂的毒性大且回收困难,反应装置要求高。因此,寻找合适的反应体系,提高制备5-羟甲基糠醛(HMF)反应中能量的转换效率和物料利用率,提高催化剂的回收利用率,以达到生物质能更高效的综合利用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种5-羟甲基糠醛的制备方法,采用糖类与二甲亚砜、正丁醇、仲丁醇、环己醇、1,4-二氧六环、聚乙二醇400或乙腈,在FeCl3 · 6H2O/C固体酸的催化反应下合成5-羟甲基糠醛,工艺简单、操作方便,收率高,生产成本低,而且反应条件温和,避免了高毒化学原料的使用,而且催化剂廉价易得、高效且可多次回收再利用,尤其适合工业化的规模生产,是一种绿色环保和经济高效且很有应用前景的合成新方法。
实现本发明目的的具体技术方案是:一种5-羟甲基糠醛的制备方法,其特征在于将果糖、葡萄糖或蔗糖与二甲亚砜、正丁醇、仲丁醇、环己醇、1,4-二氧六环、聚乙二醇400或乙腈按质量体积比为1g:5~10 ml搅拌混合后,在FeCl3 ·6H2O /C固体酸催化剂下进行加热反应,反应温度为40~100℃,反应时间为3~6小时,反应结束后滤出催化剂,滤液经浓缩提纯后制得产物为5-羟甲基糠醛;所述果糖、葡萄糖或蔗糖与FeCl3 ·6H2O /C固体酸催化剂的摩尔比为10 : 0.5~5。
所述固体酸催化剂其FeCl3 ·6H2O与活性炭的质量比为1~2:1~10,其优选为1:1~3。
所述反应温度优选为60~95℃。
本发明与现有技术相比具有工艺简单、操作方便,生产成本低,产率高,反应条件更温和,避免了高毒化学原料的使用,不污染环境,而且催化剂廉价易得、高效且可多次回收再利用,尤其适合工业化的规模生产,是一种底物适用范围更广、绿色环保和经济高效的合成方法。
具体实施方式
本发明将果糖、葡萄糖或蔗糖与二甲亚砜、正丁醇、仲丁醇、环己醇、1,4-二氧六环、聚乙二醇400或乙腈按质量体积比为1g:5~10 ml搅拌混合后,在FeCl3 ·6H2O /C固体酸催化剂下进行加热反应,反应温度为40~100℃,反应时间为3~6小时,反应结束后滤出催化剂,滤液经浓缩提纯后制得产物为5-羟甲基糠醛,其反应方程式如下: 
                                                        
Figure 769222DEST_PATH_IMAGE002
以下将通过具体的实施例对本发明做进一步的阐述:
实施例1
将1 g(2.92 mmol)蔗糖和406 mg(0.56 mmol) FeCl3·6H2O /C(1:3)溶于10 mL 乙腈中,并于60℃下搅拌加热,反应6小时,经TLC(氯仿/甲醇/水=3:3:1)监测蔗糖转化完全后结束反应,然后滤出反应体系中的催化剂,并用乙酸乙酯(EtOAc)洗涤、回收后循环使用。合并滤液及洗涤液用饱和食盐水洗涤,分离出有机相,其水相用乙酸乙酯进行萃取多次,合并有机相后再次用饱和食盐水洗涤并分离有机相,分离的有机相经无水硫酸钠干燥后进行减压旋蒸、柱层析分离提纯得5-羟甲基糠醛478mg,其产率为65% 。
实施例2
将1 g(5.6 mmol)葡萄糖和406 mg(0.56 mmol) FeCl3·6H2O /C(1:5)溶于10 mL 聚乙二醇400中,并于100℃下搅拌加热,反应6小时,经TLC监测葡萄糖转化完全后结束反应,然后滤出反应体系中的催化剂,并用乙酸乙酯(EtOAc)洗涤、回收后循环使用。合并滤液及洗涤液用饱和食盐水洗涤,分离出有机相,其水相用乙酸乙酯进行萃取多次,合并有机相后再次用饱和食盐水洗涤并分离有机相,分离的有机相经无水硫酸镁干燥后进行减压浓缩、柱层析分离提纯得5-羟甲基糠醛353mg,其产率为50% 。
实施例3
将1 g(5.6 mmol)果糖和406 mg(0.56 mmol) FeCl3·6H2O /C(1:1)溶于10 mL二甲亚砜(DMSO)中,于80℃下加热反应3小时,经TLC监测果糖转化完全后结束反应,然后滤出反应体系中的催化剂,并用乙酸乙酯(EtOAc)洗涤、回收后循环使用。合并滤液及洗涤液用饱和食盐水洗涤,分离出有机相,其水相用乙酸乙酯进行萃取多次,合并有机相后再次用饱和食盐水洗涤并分离有机相,分离的有机相经无水硫酸钠干燥后进行减压旋蒸和柱层析分离提纯得5-羟甲基糠醛593mg,其产率为84% 。
实施例4
将上述实施例3所回收的FeCl3·6H2O /C催化剂中取出280mg与果糖0.7g溶于7 mL 二甲亚砜(DMSO)中,并于95℃温度下搅拌加热,反应3.5小时,经TLC监测果糖转化完全后结束反应,然后滤出反应体系中的催化剂,并用乙酸乙酯(EtOAc)洗涤、回收后循环使用。合并滤液及洗涤液用饱和食盐水洗涤,分离出有机相,其水相用乙酸乙酯进行萃取多次,合并有机相后再次用饱和食盐水洗涤并分离有机相,分离的有机相经无水硫酸钠干燥后进行减压旋蒸和柱层析分离提纯得5-羟甲基糠醛381.2mg,其产率为78% 。
实施例5
将上述实施例4所回收的FeCl3·6H2O /C催化剂中取出180mg与果糖0.46g溶于5mL二甲亚砜(DMSO)中,并于100℃温度下搅拌加热,反应4小时,经TLC监测果糖转化完全后结束反应,然后滤出反应体系中的催化剂,并用乙酸乙酯(EtOAc)洗涤、回收后循环使用。合并滤液及洗涤液用饱和食盐水洗涤,分离出有机相,其水相用乙酸乙酯进行萃取多次,合并有机相后再次用饱和食盐水洗涤并分离有机相,分离的有机相经无水硫酸钠干燥后进行减压旋蒸和柱层析分离提纯得5-羟甲基糠醛246mg,其产率为77% 。
实施例6
将上述实施例5所回收的FeCl3·6H2O /C催化剂中取出150mg与果糖0.37g溶于4mL二甲亚砜(DMSO)中,并于100℃温度下搅拌加热,反应4小时,经TLC监测果糖转化完全后结束反应,然后滤出反应体系中的催化剂,并用乙酸乙酯(EtOAc)洗涤、回收后循环使用。合并滤液及洗涤液用饱和食盐水洗涤,分离出有机相,其水相用乙酸乙酯进行萃取多次,合并有机相后再次用饱和食盐水洗涤并分离有机相,分离的有机相经无水硫酸钠干燥后进行减压旋蒸和柱层析分离提纯得5-羟甲基糠醛181mg,其产率为69% 。
实施例7
将上述实施例6所回收的FeCl3·6H2O /C催化剂中取出110mg与果糖0.27g溶于3mL二甲亚砜(DMSO)中,并于100℃温度下搅拌加热,反应4小时,经TLC监测果糖转化完全后结束反应,然后滤出反应体系中的催化剂,并用乙酸乙酯(EtOAc)洗涤、回收后循环使用。合并滤液及洗涤液用饱和食盐水洗涤,分离出有机相,其水相用乙酸乙酯进行萃取多次,合并有机相后再次用饱和食盐水洗涤并分离有机相,分离的有机相经无水硫酸钠干燥后进行减压旋蒸和柱层析分离提纯得5-羟甲基糠醛127.3mg,其产率为68% 。
对上述各实施例所得产物经核磁波谱检测和分析后可以确定其结构为5-羟甲基糠醛目标产物,其结构表征数据如下 1H NMR (500MHz; CDCl3)  δ 9.55 (1H, S), 7.20 (1H, d, J = 3.5 Hz), 6.50 (1H, d, J = 3.5 Hz), 4.69 (2H, S), 3.08 (1H,S) . ESI-HRMS: Calcd for C6H6O3Na [M+Na+]: 149.0209, found: 149.0205 。
本发明从实施例3~实施例7可以看出:固体酸催化剂FeCl3·6H2O /C具有较高的回收率,且回收之后可多次重复使用并且仍具有较高的催化活性,实验验证可循环利用多达至少五次,前三次产率均高达70%以上,后两次也均为60%以上,具有高产率,高催化剂回收率且可多次循环利用,反应操作简单方便,所用有溶剂都可以回收再利用,实现了环保低碳、廉价易得、循环可持续发展的绿色目标,为大量的工业化生产奠定了坚定的基础。
以上只是对本发明作进一步的说明,并非用以限制本专利,凡为本发明等效实施,均应包含于本专利的权利要求范围之内。 

Claims (3)

1.一种5-羟甲基糠醛的制备方法,其特征在于将果糖、葡萄糖或蔗糖与二甲亚砜、正丁醇、仲丁醇、环己醇、1,4-二氧六环、聚乙二醇400或乙腈按质量体积比为1g:5~15 ml搅拌混合后,在FeCl3 · 6H2O /C固体酸催化剂下进行加热反应,反应温度为40~100℃,反应时间为3~6小时,反应结束后滤出催化剂,滤液经浓缩提纯后制得产物为5-羟甲基糠醛;所述果糖、葡萄糖或蔗糖与FeCl3 · 6H2O /C固体酸催化剂的摩尔比为10 : 0.5~5。
2.根据权利要求1所述5-羟甲基糠醛的制备方法,其特征在于所述固体酸催化剂其FeCl3 · 6H2O与活性炭的质量比为1~2:1~10,其优选为1:1~3。
3.根据权利要求1所述5-羟甲基糠醛的制备方法,其特征在于所述反应温度优选为60~95℃。
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