CN109438399A - 一种选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法 - Google Patents

一种选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种选择性氧化5‑羟甲基糠醛制备2,5‑二甲酰基呋喃的方法，包括，以5‑羟甲基糠醛为原料，氧气或者空气为氧化剂，硝酸盐为催化剂主要活性成分，哌啶氮氧化物为共催化剂，冰乙酸作为溶剂，在常压条件下，25～50℃反应一定时间，分离产物，得到所述2,5‑二甲酰呋喃，其中，所述硝酸盐为硝酸铝、硝酸锌、硝酸铜、硝酸钾、硝酸铁和硝酸钠中的一种；所述硝酸盐的用量为底物5‑羟甲基糠醛的5～7.5mol％。本发明采用乙酸为溶剂，所用的催化剂廉价易得，50℃反应5h，2,5‑二甲酰基呋喃的收率最高可达99％，反应时间短，反应条件温和，对设备要求低，适于工业化生产。

Description

一种选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法
技术领域
本发明属于有机化合物制备领域，特别是涉及一种选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法。
背景技术
随着石油等化石资源的不断消耗，开发利用可再生、储量丰富的生物质资源，制备大宗化学品、精细化学品及高分子材料，补充石油资源的短缺，具有重要意义。生物质资源中以碳水化合物所占的比例最大，通过酸催化果糖、葡萄糖和纤维素等碳水化合物脱水，可制得具有广阔应用市场的5-羟甲基糠醛(HMF)。HMF是生物质基平台化合物之一，也是合成多种精细化学品和呋喃基聚合物的重要中间体，受到国内外的广泛关注。
HMF氧化会产生多种重要的平台化合物，如2,5-二甲酰基呋喃(DFF)、2,5-呋喃二甲酸(FDCA)、5-醛基-2-呋喃甲酸(FFCA)和5-羟甲基糠酸(HMFCA)，其中DFF、FDCA和HMFCA是选择氧化HMF所得的重要下游产品。2,5-二甲酰基呋喃是5-羟甲基糠醛最重要的衍生物之一，在化工领域具有广泛的应用的同时，还可以用于制备农药中间体、杀菌剂以及杂环化合物等。
目前，制备2,5-二甲酰基呋喃以5-羟甲基糠醛为原料，主要利用计量的二氧化锰、三氧化铬、次氯酸钠等氧化剂氧化制得，但是此类制备方法环境污染较为严重，反应时间较长，氧化剂、反应溶剂用量较大，且产物收率很低，造成分离困难，不适合大规模工业化生产。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明其中一个目的是，克服现有技术的不足，提供一种选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法，包括，以5-羟甲基糠醛为原料，氧气或者空气为氧化剂，硝酸盐为催化剂主要活性成分，哌啶氮氧化物为共催化剂，冰乙酸作为溶剂，在常压条件下，25～50℃反应一定时间，分离产物，得到所述2,5-二甲酰呋喃，其中，所述硝酸盐为硝酸铝、硝酸锌、硝酸铜、硝酸钾、硝酸铁和硝酸钠中的一种；所述硝酸盐的用量为底物5-羟甲基糠醛的5～7.5mol％。
作为本发明所述选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法的一种优选方案，其中：所述硝酸盐为硝酸铜。
作为本发明所述选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法的一种优选方案，其中：所述硝酸盐的用量为底物5-羟甲基糠醛的7.5mol％。
作为本发明所述选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法的一种优选方案，其中：所述哌啶氮氧化物为2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物。
作为本发明所述选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法的一种优选方案，其中：所述哌啶氮氧化物，其用量为底物5-羟甲基糠醛的2～5mol％。
作为本发明所述选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法的一种优选方案，其中：所述哌啶氮氧化物用量为底物5-羟甲基糠醛的5mol％。
作为本发明所述选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法的一种优选方案，其中：所述冰乙酸作为溶剂，其中，5-羟甲基糠醛的浓度为0.5mol/L。
作为本发明所述选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法的一种优选方案，其中：所述在常压条件下，25～50℃反应一定时间，其中，反应时间为5～8h。
作为本发明所述选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法的一种优选方案，其中：所述在常压条件下，25～50℃反应一定时间，是指50℃反应5h。
作为本发明所述选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法的一种优选方案，其中：所述分离产物，包括，反应结束后，加入乙酸乙酯，饱和氯化钠溶液水洗，乙酸乙酯萃取水相，无水硫酸钠干燥有机相，蒸馏分离除去溶剂，得到固体产物。
本发明有益技术效果：
(1)本发明以硝酸铝、硝酸锌、硝酸铜和硝酸铁中的一种为催化剂主要活性成分，以哌啶氮氧化物---2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物为共催化剂，以5-羟甲基糠醛为原料，氧气或者空气为氧化剂，冰乙酸作为溶剂，在此催化体系下，在常压条件下，50℃反应5h，2,5-二甲酰基呋喃的收率最高可达99％，反应时间短，反应条件温和，对设备要求低，催化体系廉价易得，不使用有毒溶剂，绿色环保，产品收率高，选择性高。
(2)本发明通过萃取和水洗可以达到产物与催化剂的分离以及产品的提纯，废物排放少，绿色环保，且对设备要求低，设备投资小，具有重要的生产应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施实例1制备得到的2,5-二甲酰基呋喃的HPLC谱图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
将18.1mg Cu(NO3)3·3H2O(0.075mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的7.5％)和7.8mg2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)加入到2mL冰乙酸中，构成催化体系，在催化体系中再加入126mg的5-羟甲基糠醛，再接入氧气球，在50℃搅拌5h，获得含目标产物2,5-二甲酰基呋喃的反应混合物。在反应混合物中加入乙酸乙酯，饱和氯化钠溶液水洗，乙酸乙酯萃取水相，无水硫酸钠干燥有机相，蒸馏分离除去溶剂，得到固体纯产物。
反应混合液的HPLC(高效液相色谱)检测结果如图1所示，从图1可知本实施成功获得了产物2,5-二甲酰基呋喃，且本实施例2,5-二甲酰基呋喃的收率为99％。其中，HPLC检测的条件：采用的是C18的反相色谱柱(250×4.6mm)，流动相为乙腈与0.1％酸水(乙酸)溶液(V乙腈：V酸水＝65:35)。检测结果显示HMF出峰时间为5.5min左右，DFF出峰时间为6.4min左右。
实施例2
将20.2mg Fe(NO3)3·9H2O(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)和7.8mg2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)加入到2mL冰乙酸中，构成催化体系，在催化体系中再加入126mg的5-羟甲基糠醛，再接入氧气球，在50℃搅拌5h，获得含目标产物2,5-二甲酰基呋喃的反应混合物。反应混合液通过HPLC(高效液相色谱)测得2,5-二甲酰基呋喃的收率为93％。
在反应混合物中加入乙酸乙酯，饱和氯化钠溶液水洗，乙酸乙酯萃取水相，无水硫酸钠干燥有机相，蒸馏分离除去溶剂，得到固体纯产物。
实施例3
将20.2mg Fe(NO3)3·9H2O(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)加入到2mL冰乙酸中，构成催化体系，在催化体系中再加入126mg的5-羟甲基糠醛，再接入氧气球，在50℃搅拌5h，得反应混合液，反应混合液的HPLC(高效液相色谱)检测结果显示本实施没有获得了产物2,5-二甲酰基呋喃。
实施例4
将20.2mg Fe(NO3)3·9H2O(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)和3.1mg2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)(0.02mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的2％)加入到2mL冰乙酸中，构成催化体系，在催化体系中再加入126mg的5-羟甲基糠醛，再接入氧气球，在50℃搅拌5h，获得含目标产物2,5-二甲酰基呋喃的反应混合物。反应混合液通过HPLC(高效液相色谱)测得2,5-二甲酰基呋喃的收率为69％。
在反应混合物中加入乙酸乙酯，饱和氯化钠溶液水洗，乙酸乙酯萃取水相，无水硫酸钠干燥有机相，蒸馏分离除去溶剂，得到固体纯产物。
实施例5
将7.8mg 2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)加入到2mL冰乙酸中，构成催化体系，在催化体系中再加入126mg的5-羟甲基糠醛，再接入氧气球，在50℃搅拌5h，获得含目标产物2,5-二甲酰基呋喃的反应混合物，通过HPLC检测结果可知得到痕量的2,5-二甲酰基呋喃。
实施例6
将17.6mg Fe(acac)3(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)和7.8mg2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)加入到2mL冰乙酸中，构成催化体系，在催化体系中再加入126mg的5-羟甲基糠醛，再接入氧气球，在50℃搅拌5h，获得含目标产物2,5-二甲酰基呋喃的反应混合物，通过HPLC检测结果可知得到痕量的2,5-二甲酰基呋喃。
实施例7
将13.5mg FeCl3·6H2O(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)和7.8mg2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)加入到2mL乙酸中，构成催化体系，在催化体系中再加入126mg的5-羟甲基糠醛，再接入氧气球，在50℃搅拌5h，获得含目标产物2,5-二甲酰基呋喃的反应混合物，通过HPLC检测结果可知得到痕量的2,5-二甲酰基呋喃。
实施例8
将17.8mg Al(NO3)3·9H2O(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)和7.8mg2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)加入到2mL冰乙酸中，构成催化体系，在催化体系中再加入126mg的5-羟甲基糠醛，再接入氧气球，在50℃搅拌5h，获得含目标产物2,5-二甲酰基呋喃的反应混合物，通过HPLC检测可知2,5-二甲酰基呋喃的收率为93％。
在反应混合物中加入乙酸乙酯，饱和氯化钠溶液水洗，乙酸乙酯萃取水相，无水硫酸钠干燥有机相，蒸馏分离除去溶剂，得到固体纯产物。
实施例9
将22.3mg Zn(NO3)3·6H2O(0.075mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的7.5％)和7.8mg 2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)加入到2mL冰乙酸中，构成催化体系，在催化体系中再加入126mg的5-羟甲基糠醛，再接入氧气球，在50℃搅拌5h，获得含目标产物2,5-二甲酰基呋喃的反应混合物，通过HPLC检测可知2,5-二甲酰基呋喃的收率为97％。
在反应混合物中加入乙酸乙酯，饱和氯化钠溶液水洗，乙酸乙酯萃取水相，无水硫酸钠干燥有机相，蒸馏分离除去溶剂，得到固体纯产物。
实施例1～9中配制原料以及2,5-二甲酰基呋喃的收率见表1。
表1
从表1可知，不加TEMPO(例3)或加九水合硝酸铁(例6)均得不到目标化合物。且将九水合硝酸铁中阴离子(硝酸根离子)更换为氯离子和乙酰丙酮离子也得不到目标化合物，而硝酸铜、硝酸铁、硝酸锌和硝酸铝为催化剂均得到高收率的目标化合物。可以看出，催化组成中，TEMPO是必须组分，硝酸铁、硝酸铝、硝酸锌和硝酸铜均是较优的催化剂。
实施例10
将20.2mg Fe(NO3)3·3H2O(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)和7.8mg2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)加入到2mL冰乙酸中，构成催化体系，在催化体系中再加入126mg的5-羟甲基糠醛，在空气中，50℃搅拌5h，获得目标产物2,5-二甲酰基呋喃的收率为88％。
在反应混合物中加入乙酸乙酯，饱和氯化钠溶液水洗，乙酸乙酯萃取水相，无水硫酸钠干燥有机相，蒸馏分离除去溶剂，得到固体纯产物。
实施例11
在实施例3的实验基础条件下，将20.2mg Fe(NO3)3·3H2O(0.075mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的7.5％)和7.8mg 2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)(0.05mmol，占5-羟甲基糠醛物质的量的5％)加入到冰乙酸中，构成催化体系，在催化体系中再加入126mg的5-羟甲基糠醛，再接入氧气球，在搅拌反应一定时间，获得含目标产物2,5-二甲酰基呋喃的反应混合物，并通过HPLC检测得2,5-二甲酰基呋喃的收率。试验条件与结果见表2。
表2
可以看出，当冰乙酸的添加量为2mL，即5-羟甲基糠醛的浓度为0.5mol/L时，DFF收率最高，达到93％，当增加或减少5-羟甲基糠醛的浓度，DFF的收率均下降。同时，可以看出，当溶剂替换为1,2-二氯乙烷时，DFF收率为64％，催化效果不佳；当溶剂替换为乙腈时，需要反应24h，DFF收率才达到91％，反应时间较长，催化效率较低。
本发明以硝酸铝、硝酸锌、硝酸铜和硝酸铁中的一种为催化剂主要活性成分，以哌啶氮氧化物---2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物为共催化剂，以5-羟甲基糠醛为原料，氧气或者空气为氧化剂，乙酸作为溶剂，在此催化体系下，在常压条件下，50℃反应5h，2,5-二甲酰基呋喃的收率最高可达99％，反应时间短，反应条件温和，对设备要求低，催化体系廉价易得，不使用有毒溶剂，绿色环保，产品收率高，选择性高，产品分离操作简单。
发明人发现，以硝酸铝、硝酸锌、硝酸铜和硝酸铁中的一种为催化剂主要活性成分，以哌啶氮氧化物---2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物为共催化剂，以乙酸为溶剂构成的催化体系，具有高的催化活性，其原因可能是由于TEMPO与硝酸铝、硝酸锌、硝酸铜和硝酸铁等路易斯酸配位，使得TEMPO被活化，从而在酸性条件下与硝酸根离子共同作用将5-羟甲基糠醛氧化得到产物2,5-二甲酰基呋喃。
发明人通过前期探索实验发现，采用乙酸乙酯为溶剂，反应5h，5-羟甲基糠醛的转化率为100％，2,5-二甲酰基呋喃的选择性为57％；采用1,2-二氯乙烷为溶剂，反应5h，5-羟甲基糠醛的转化了为100％，2,5-二甲酰基呋喃的选择性为64％；采用乙腈为溶剂，反应24h，5-羟甲基糠醛的转化率为96％，2,5-二甲酰基呋喃的收率为91％。本发明采用乙酸为溶剂，50℃反应5h，2,5-二甲酰基呋喃的收率最高可达99％，由此可见，以乙酸为溶剂能显著提高催化效果，且反应时间短，反应条件温和，对设备要求低，适于工业化生产。
综上所述，本发明以5-羟甲基糠醛为原料，氧气或者空气为氧化剂，硝酸盐为催化剂主要活性成分，哌啶氮氧化物为共催化剂，加入乙酸作为溶剂，在常压条件下，25～50℃反应5～8h，分离产物，得到所述2,5-二甲酰呋喃，氧化效率高，产品收率高，选择性高，催化剂廉价易得，且产物易分离、提纯，具有很好的工业应用前景。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法，其特征在于：包括，以5-羟甲基糠醛为原料，氧气或者空气为氧化剂，硝酸盐为催化剂主要活性成分，哌啶氮氧化物为共催化剂，冰乙酸作为溶剂，在常压条件下，25～50℃反应一定时间，分离产物，得到所述2,5-二甲酰呋喃，其中，
所述硝酸盐为硝酸铝、硝酸锌、硝酸铜、硝酸钾、硝酸铁和硝酸钠中的一种；
所述硝酸盐的用量为底物5-羟甲基糠醛的5～7.5mol％。
2.如权利要求1所述的选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法，其特征在于：所述硝酸盐为硝酸铜。
3.如权利要求1或2所述的选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法，其特征在于：所述硝酸盐的用量为底物5-羟甲基糠醛的7.5mol％。
4.如权利要求1所述的选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法，其特征在于：所述哌啶氮氧化物为2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物。
5.如权利要求1或4所述的选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法，其特征在于：所述哌啶氮氧化物，其用量为底物5-羟甲基糠醛的2～5mol％。
6.如权利要求5所述的选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法，其特征在于：所述哌啶氮氧化物用量为底物5-羟甲基糠醛的5mol％。
7.如权利要求1所述的选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法，其特征在于：所述冰乙酸作为溶剂，其中，5-羟甲基糠醛的浓度为0.5mol/L。
8.如权利要求1所述的选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法，其特征在于：所述在常压条件下，25～50℃反应一定时间，其中，反应时间为5～8h。
9.如权利要求1或8所述的选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法，其特征在于：所述在常压条件下，25～50℃反应一定时间，是指50℃反应5h。
10.如权利要求1所述的选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法，其特征在于：所述分离产物，包括，反应结束后，加入乙酸乙酯，饱和氯化钠溶液水洗，乙酸乙酯萃取水相，无水硫酸钠干燥有机相，蒸馏分离除去溶剂，得到固体产物。
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