CN106220592B - 一种由果糖在低共熔体/甲基异丁基甲酮双相体系中制备5-溴甲基糠醛的方法 - Google Patents

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Abstract

一种由果糖在低共熔体/甲基异丁基甲酮双相体系中制备5‑溴甲基糠醛的方法，涉及5‑溴甲基糠醛。1)将果糖、溴化胆碱、催化剂硫酸铝和萃取剂甲基异丁基甲酮加入容器中，在油浴锅中加热反应后得反应混合物，将反应混合物分离，得低共熔反应混合物和有机萃取相；2)在步骤1)所得低共熔反应混合物中再加入甲基异丁基甲酮，萃取后的萃取液与步骤1)所得有机萃取相合并，再调节pH为中性，并加入无水硫酸镁去除溶液中的水分，经离心分离后取上清液，提纯后即得5‑溴甲基糠醛。3)将步骤2)中萃取后的低共熔反应混合物用水溶解，过滤，旋蒸,得混合物，再添加果糖，加入甲基异丁基甲酮，重复步骤1)～3)，进行低共熔反应混合物的回收。

Description

一种由果糖在低共熔体/甲基异丁基甲酮双相体系中制备5- 溴甲基糠醛的方法
技术领域
本发明涉及5-溴甲基糠醛，尤其是涉及一种由果糖在低共熔体/甲基异丁基甲酮双相体系中制备5-溴甲基糠醛的方法。
背景技术
5-溴甲基糠醛是5-羟甲基糠醛的溴代产物，分子中含有溴甲基和醛基，化学反应活性良好，而且在常温常压下性质稳定易于储存，可以作为一种平台化合物的替代品和化学中间品，有潜力应用于化工、医药合成、化学合成和工业生产等产业中。因此，以自然界来源广泛的生物质基糖类为原料制备5-溴甲基糠醛，对石化资源替代的研究开发和化学工业可持续发展具有重要的意义。5-溴甲基糠醛是最早被制备出的卤代甲基糠醛(H.J.H.Fenton,M.Gostling,J.Chem.Soc.Trans.1899,75,423)，但是直到近年来才重新被学者所研究，现有相关文献较少。2011年Kumari等(Kumari N,Olesen JK,Pedersen CM,Bols M,Synthesis of 5-bromomethylfurfural from cellulose as a potentialintermediate for biofuel.Eur J Org Chem,2011,1266–1270)报道以碳水化合物为原料，溴化锂作为催化剂，浓缩氢溴酸作为溶剂，甲苯作为萃取剂常温反应48h的条件下，5-溴甲基糠醛产率最高可以达到82％。该研究将5-溴甲基糠醛作为平台化合物分子再次带入公众视线，但是由于反应时间过长，作为溶剂使用的溴化氢、甲苯危害较大，其研究和应用一直受到极大限制。2013年Bredihhin等(Bredihhin A,Maeorg U,Vares L,Evaluation ofcarbohydrates and lignocellulosic biomass from different wood species as rawmaterial for the synthesis of5-bromomethyfurfural.Carbohydr Res,2013(375):63–67)报道出一种以氢溴酸/甲苯双相体系制备5-溴甲基糠醛的方法，以葡萄糖、纤维素和软木原料在65℃温度下反应24h，5-溴甲基糠醛的产率分别达到了64％、59％和56％。该研究在双相反应体系下，通过提高反应温度，大大增加了反应活性，缩短了完成反应需要的时间，但是仍然依赖高腐蚀性的氢溴酸作为反应溶剂。
低共熔体系由Abbott等(Abbott P,Boothby David,Capper Glen,Davies DavidL,Rasheed,Raymond K,Deep eutectic solvents formed between choline chlorideand carboxylic acids:versatile alternatives to ionic liquids,J.Am.Chem.Soc.,2004(126)29:9142-9147)于2004年首次报道，是指由一定化学计量比的氢键受体(如季铵盐)和氢键给体(如酰胺、羧酸和多元醇等化合物)组合而成的两组分或三组分低共熔混合物，其凝固点显著低于各个组分纯物质的熔点。低共熔体的物理化学性质与离子液体非常相似，有良好的催化和反应性能。溴化胆碱又称溴化2-羟乙基三甲铵，可以作为低共熔体中的氢键受体应用，和果糖在一定温度下形成低共熔体，而且该物质绿色环保，不会造成环境负担。
发明内容
本发明的目的在于提供制备方法成本低、产率高、步骤简单、可循环使用、绿色环保的一种由果糖在低共熔体/甲基异丁基甲酮双相体系中制备5-溴甲基糠醛的方法。
本发明包括以下步骤：
1)将果糖、溴化胆碱、催化剂硫酸铝和萃取剂甲基异丁基甲酮加入容器中，在油浴锅中加热反应后得反应混合物，将反应混合物分离，得低共熔反应混合物和有机萃取相；
2)在步骤1)所得低共熔反应混合物中再加入萃取剂甲基异丁基甲酮，萃取后的萃取液与步骤1)所得有机萃取相合并，再调节pH为中性，并加入无水硫酸镁去除溶液中的水分，经离心分离后取上清液，上清液提纯后即得5-溴甲基糠醛。
3)将步骤2)中萃取后的低共熔反应混合物用去离子水溶解，震荡后经过滤得到滤液，经旋蒸后得到褐色的混合物，再添加果糖作为反应底物，然后加入萃取剂甲基异丁基甲酮，重复上述步骤1)～3)，进行低共熔反应混合物的回收循环利用。
在步骤1)中，所述果糖、溴化胆碱、催化剂硫酸铝和萃取剂甲基异丁基甲酮的质量比可为(0.4～0.5)︰(1.6～2.0)︰(0.8～0.9)︰(12～15)；所述反应的温度可为100～140℃，反应的时间为1～8h。
在步骤2)中，所述萃取剂甲基异丁基甲酮的用量与步骤1)中的萃取剂甲基异丁基甲酮的用量相同；所述调节pH采用的试剂可为碳酸氢钠、碳酸钙等中的一种；所述无水硫酸镁与萃取剂甲基异丁基甲酮的质量比可为(2～5)︰(12～15)。
在步骤3)中，所述果糖用量与步骤1)中的果糖用量相同。
本发明提供一种以果糖作为原料，在低共熔体和有机萃取剂联用的双相反应体系中以硫酸铝作为催化剂制备5-溴甲基糠醛的方法，本发明不但避免了使用高腐蚀性高毒性的氢溴酸作为反应原料，而且极大缩短了反应所需的时间。此外，本发明还提出反应底物回收并循环利用的方法，具有良好的经济性。
综上所述，本发明的优点在于：
1、与传统方法使用高毒性和腐蚀性氢溴酸制备5-溴甲基糠醛的反应相比，本发明采用无毒无害的溴化胆碱和催化剂硫酸铝催化果糖脱水高效制备5-溴甲基糠醛，以绿色有机溶剂甲基异丁基甲酮协同参与反应并萃取反应产物。实验方法更加高效温和，绿色环保。
2、本发明提出反应底物回收并循环利用的方法，具有良好的经济性，其中回收得到的催化剂和反应底物循环利用率较高，经过4次循环后仍可以得到14.83％的5-溴甲基糠醛的产率，为5-溴甲基糠醛和其下游化学品制备提供了一个绿色经济的新思路。
附图说明
图1为5-溴甲基糠醛GC-MS图谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
取0.45g果糖、1.8g氯化胆碱、0.87g硫酸铝，置于圆底烧瓶中混合均匀，加入12g甲基异丁基甲酮，在油浴锅中加热到120℃，反应5h，完成反应后待反应混合物冷却至室温，分离有机相反应液，并加入6g甲基异丁基甲酮萃取反应混合物两次后与原反应液合并，测得5-溴甲基糠醛的产率为59.90％。
实施例2
取0.45g果糖、1.8g氯化胆碱、0.87g硫酸铝，置于圆底烧瓶中混合均匀，加入12g甲基异丁基甲酮，在油浴锅中加热到100℃，反应8h，完成反应后待反应混合物冷却至室温，分离有机相反应液，并加入6g甲基异丁基甲酮萃取反应混合物两次后与原反应液合并，测得5-溴甲基糠醛的产率为42.43％。
实施例3
取0.45g果糖、1.8g氯化胆碱、0.87g硫酸铝，置于圆底烧瓶中混合均匀，加入12g甲基异丁基甲酮，在油浴锅中加热到140℃，反应1h，完成反应后待反应混合物冷却至室温，分离有机相反应液，并加入6g甲基异丁基甲酮萃取反应混合物两次后与原反应液合并，测得5-溴甲基糠醛的产率为56.29％。
实施例4
取0.45g果糖、0.45g氯化胆碱、0.87g硫酸铝，置于圆底烧瓶中混合均匀，加入12g甲基异丁基甲酮，在油浴锅中加热到120℃，反应5h，完成反应后待反应混合物冷却至室温，分离有机相反应液，并加入6g甲基异丁基甲酮萃取反应混合物两次后与原反应液合并，测得5-溴甲基糠醛的产率为24.26％。
实施例5
取0.45g果糖、2.25g氯化胆碱、0.87g硫酸铝，置于圆底烧瓶中混合均匀，加入12g甲基异丁基甲酮，在油浴锅中加热到120℃，反应5h，完成反应后待反应混合物冷却至室温，分离有机相反应液，并加入6g甲基异丁基甲酮萃取反应混合物两次后与原反应液合并，测得5-溴甲基糠醛的产率为33.72％。
实施例6
将实例1中反应完成所得的残渣用水溶解，过滤并旋蒸后回收得到硫酸铝和溴化胆碱混合物。加入0.45g果糖原料至该混合物中，并置于圆底烧瓶中混合均匀，随后加入12g甲基异丁基甲酮，在油浴锅加热至120℃，反应5h，完成反应后待反应混合物冷却至室温，分离有机相反应液，并加入6g甲基异丁基甲酮萃取反应混合物两次后与原反应液合并，测得5-溴甲基糠醛的产率为42.67％。
实施例7
将实例6中反应完成所得的残渣用水溶解，过滤并旋蒸后回收得到硫酸铝和溴化胆碱混合物。加入0.45g果糖原料至该混合物中，并置于圆底烧瓶中混合均匀，随后加入12g甲基异丁基甲酮，在油浴锅加热至120℃，反应5h，完成反应后待反应混合物冷却至室温，分离有机相反应液，并加入6g甲基异丁基甲酮萃取反应混合物两次后与原反应液合并，测得5-溴甲基糠醛的产率为32.01％。
实施例8
将实例7中反应完成所得的残渣用水溶解，过滤并旋蒸后回收得到硫酸铝和溴化胆碱混合物。加入0.45g果糖原料至该混合物中，并置于圆底烧瓶中混合均匀，随后加入12g甲基异丁基甲酮，在油浴锅加热至120℃，反应5h，完成反应后待反应混合物冷却至室温，分离有机相反应液，并加入6g甲基异丁基甲酮萃取反应混合物两次后与原反应液合并，测得5-溴甲基糠醛的产率为17.19％。
实施例9
将实例8中反应完成所得的残渣用水溶解，过滤并旋蒸后回收得到硫酸铝和溴化胆碱混合物。加入0.45g果糖原料至该混合物中，并置于圆底烧瓶中混合均匀，随后加入12g甲基异丁基甲酮，在油浴锅加热至120℃，反应5h，完成反应后待反应混合物冷却至室温，分离有机相反应液，并加入6g甲基异丁基甲酮萃取反应混合物两次后与原反应液合并，测得5-溴甲基糠醛的产率为14.83％。
5-溴甲基糠醛GC-MS图谱参见图1。

Claims (5)

1.一种由果糖在低共熔体/甲基异丁基甲酮双相体系中制备5-溴甲基糠醛的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将果糖、溴化胆碱、催化剂硫酸铝和萃取剂甲基异丁基甲酮加入容器中，在油浴锅中加热反应后得反应混合物，将反应混合物分离，得低共熔反应混合物和有机萃取相；所述果糖、溴化胆碱、催化剂硫酸铝和萃取剂甲基异丁基甲酮的质量比为(0.4～0.5)︰(1.6～2.0)︰(0.8～0.9)︰(12～15)；
2)在步骤1)所得低共熔反应混合物中再加入萃取剂甲基异丁基甲酮，萃取后的萃取液与步骤1)所得有机萃取相合并，再调节pH为中性，并加入无水硫酸镁去除溶液中的水分，经离心分离后取上清液，上清液提纯后即得5-溴甲基糠醛；所述无水硫酸镁与萃取剂甲基异丁基甲酮的质量比为(2～5)︰(12～15)；
3)将步骤2)中萃取后的低共熔反应混合物用去离子水溶解，震荡后经过滤得到滤液，经旋蒸后得到褐色的混合物，再添加果糖作为反应底物，然后加入萃取剂甲基异丁基甲酮，重复上述步骤1)～3)，进行低共熔反应混合物的回收循环利用。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于在步骤1)中，所述反应的温度为100～140℃，反应的时间为1～8h。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于在步骤2)中，所述萃取剂甲基异丁基甲酮的用量与步骤1)中的萃取剂甲基异丁基甲酮的用量相同。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于在步骤2)中，所述调节pH采用的试剂为碳酸氢钠、碳酸钙中的一种。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于在步骤3)中，所述果糖用量与步骤1)中的果糖用量相同。
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