CN110256381A - 一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以糖类化合物为原料，一步法清洁制备2,5‑呋喃二甲酸的方法，具体是将糖类化合物、催化剂以及反应溶剂加入到高压反应容器中，搅拌形成均匀溶液；随即通入CO2/O2混合气至体系压力达6～8MPa，在185～195℃条件下反应10～45min，可高效催化糖类化合物脱水制备2,5‑呋喃二甲酸。同时，通过添加少量的碳酸钠‑戊二酸锌作为催化剂助剂，能够起到活化CO2并增加其在高温溶剂中的溶解力，提高反应效率。本发明具有选择性高、反应速度快、绿色环保以及成本低的优点，可为糖类化合物制备2,5‑呋喃二甲酸提供可靠的技术支持。

Description

一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法
技术领域
本发明涉及一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，具体的说是利用糖类化合物为原料，经一步法催化转化制备2,5-呋喃二甲酸的方法，属于工业催化和生物质基化学品领域。
背景技术
煤炭、石油等化石资源人类社会发展的基石，为人类提供可靠的能源保障和物质保障。近年来，随着化石能源的快速消耗以及伴随的环境问题日渐突出，开发新型可再生清洁能源越显迫切。生物质是一种可持续性资源，数量巨大，价格低廉，可被生物降解。发掘可再生生物质资源制备新型平台化合物，是解决目前资源和能源危机的重要方法。其中，糖类化合物，尤其是六碳糖，作为生物质资源的重要组成部分，广泛存在于天然植物中，具有较大潜力成为未来新型能源及化工产品的来源。
5-羟甲基糠醛可由廉价的、可再生的六碳糖、低聚糖、高聚糖，甚至秸秆、甘蔗渣、以及玉米芯等生物质原料在催化剂作用下脱水分解制备，在国际上被视为一种介于生物基糖化学和石油基化学之间的关键桥梁化合物，可用于合成许多有用化合物以替代石油基化学品，应用于包括燃料、医药、新型高分子材料、塑料、燃油添加物等。但是事实上，时至今日该线路仍然难以满足大规模工业化生产的需求，主要原因是由于该反应产物5-羟甲基糠醛本身的化学不稳定性，在水溶液中容易生成部分不可溶的胡敏素和一些可溶的聚合物，以及进一步水合生成乙酰丙酸和甲酸等副产物。
5-羟甲基糠醛分子呋喃环上带有醛基和羟甲基，可以催化氧化生成一系列呋喃类芳香化合物，根据氧化的位置和氧化程度，可以分别氧化成5-羟甲基-2-呋喃甲酸(5-hydroxymethylfuroic acid，HMFCA)，2，5-呋喃二甲醛(2，5-diformylfuran，DFF)，5-甲酰基-2-呋喃甲酸(5-formylfuroic acid，FFCA)，2，5-呋喃二甲酸(2，5-furandicarboxylicacid，FDCA)等基于呋喃环的平台化合物。
5-羟甲基糠醛的氧化衍生物中，FDCA的市场前景最为广阔。FDCA与石油基大宗化学品对苯二甲酸结构相似，可以作为市场份额高达4500万t/a的对苯二甲酸替代物，用于聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚对苯二酸丙二醇酯(PTT)等大宗型聚酯材料的制备；聚酯、聚酰胺等聚合物新材料。例如，作为年产量超过7000万吨的PET的生物基替代物制备得到聚呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)不仅具有更好的可持续性，在性能上也具有明显的优势，包括更高的耐热性、力学强度以及高约一个数量级的气体阻隔性。
FDCA的合成技术路线主要包括5-羟甲基糠醛路线、己糖二酸路线、糠醛路线和二甘醇酸路线，如图2所示。其中，5-羟甲基糠醛路线最受重视，已取得了显著的进展，是有望率先实现工业化生产的方法。5-羟甲基糠醛路线路线通常分为两步法和一步法，两步法即首先从糖类脱水得到5-羟甲基糠醛路线，将5-羟甲基糠醛路线分离、纯化后，再用于氧化合成FDCA。一步法是通过糖类脱水得到5-羟甲基糠醛路线，5-羟甲基糠醛不经分离直接被氧化得到目标产物FDCA。由于在5-羟甲基糠醛的制备过程中，其分离和纯化技术难关尚未得到有效解决，导致其在相关衍生物的研究及工业应用领域受到一定程度限制。因此直接由糖类化合物如果糖、葡萄糖以及蔗糖等生物质，通过“一锅法”合成5-羟甲基糠醛氧化衍生物成为了解决该问题的有效途径。
CO2是一种温室气体同时也是地球上储量最丰富的廉价碳资源，总量约为2.75×1012吨，比煤、石油、天然气的总和还要多，价格低廉；CO2可以与水反应生成碳酸从而产生大量的氢离子，可以起到破坏多糖分子链上的糖苷键，促进碳水化合物的分解。同时，碳酸的酸性较弱，在催化碳水化合物转化为5-羟甲基糠醛时可避免设备的受腐蚀。而且，反应后期碳酸易以CO2的形式从产物中分离，有利于反应产物的分离和纯化，是一种绿色的催化剂(CN201110448646.2)。但是CO2在水中的溶解度对温度十分敏感，随着温度升高，其溶解度迅速下降。如在10MPa压力条件下，在0℃CO2在水中的溶解度为49.13dm3/Kg，而当温度升高至100℃时，其溶解度下降至17.67dm3/Kg。由于果糖降解制备5-羟甲基糠醛的反应温度通常在120～200℃，在此条件下，CO2在水溶液中的溶解能力差，从而极大的限制了CO2的催化活性。
戊二酸锌，是一种白色的粉末，是由戊二酸和氧化锌反应制备的。可以起到活化CO2的作用，主要用于催化CO2和环氧丙烷共聚制备聚碳酸亚丙酯反应。
1,3-二甲基-2-咪唑啉酮是一种非质子强极性溶剂，可促进原料和催化剂的混合，促进物料分子间、分子内的缩合反应，另在碱性条件下的亲核取代、还原、氧化、消除、卤素交换反应等领域的应用都具有良好效果。
碳酸二甲酯具有优良的溶解性能，其沸点范围窄，粘度低，同时还具有闪点高、空气中爆炸下限高等特点，是集清洁性和安全性于一身的绿色溶剂；以果糖为原料，利用碳酸二甲酯为溶剂，Amberlyst-15树脂为催化剂，在果糖初始浓度高达12.5wt％时，在90℃反应5h，仍然获得了高达80％的5-羟甲基糠醛产率，作为参照组的乙腈溶剂，其5-羟甲基糠醛产率仅有37％。说明在适当的催化剂及催化助剂协助下，碳酸二甲酯是一类适用于温和条件下高效制备5-羟甲基糠醛的绿色溶剂。(Manuele Musolino,John Andraos,Fabio Arico*.An Easy Scalable Approach to HMF Employing DMC as Reaction Media:ReactionOptimization and Comparative Environmental Assessment[J].Chemistry Select2018,3,2359-2365.)。
基于原料HMF分离困难因而价格昂贵，使得2,5-呋喃二甲醛的生产成本很高。本发明采用碳水化合物作原料，温和条件下一锅法原位氧化HMF得到2,5-呋喃二甲醛，避免分离HMF，降低成本，在经济上有着极大的优势，且更符合绿色化学的目标。
发明内容
为了克服现有技术所存在的问题，本发明提供了一种利用糖类化合物为原料，经一步法催化转化制备2,5-呋喃二甲酸的方法，该方法采用高压CO2/O2气体和钌基镧铌酸为催化剂，辅以碳酸钠-戊二酸锌作为助剂，在双氧水/1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液/碳酸二甲酯溶剂体系中一步法将糖类化合物转化为FDCA，在经济上有着极大的优势。
本发明的一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，具体操作步骤如下：
(1)将5～20重量份的糖类化合物、0.5重量份碳酸钠-戊二酸锌、0.3～0.5重量份的催化剂以及100重量份由双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合溶剂，倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀；
(2)继续保持300r/min的搅拌速度，通入CO2/O2混合气体至高压反应釜内压力为6～8MPa，随后加热至185～195℃，反应10～45min后停止反应，自然冷却至室温，即得以2,5-呋喃二甲酸为主要产物的混合液。
在本发明中，作为进一步说明，步骤(1)所述的糖类化合物为果糖、葡萄糖、菊糖、甘露糖、半乳糖或蔗糖，优选果糖。
在本发明中，作为进一步说明，步骤(1)所述的碳酸钠-戊二酸锌中碳酸锌和戊二酸锌的质量比例为1～4：1，优选质量比例为2：1。
作为本发明的进一步限定，所述催化剂助剂碳酸钠-戊二酸锌的制备方法如下：
称取0.1mol Zn(NO3)2·6H2O和200mL甲苯于500mL烧瓶中加入，然后升温至60℃，以1000r/min的速度搅拌，通过滴液漏斗将100mL浓度为1mol/L戊二酸乙醚溶液滴加至烧瓶中，控制30min滴加完毕，随后加入一定量的碳酸钠颗粒，继续搅拌反应60min后，将所得沉淀物用丙醇洗涤数次后于100℃真空干燥24h，得最终催化剂助剂。
在本发明中，作为进一步说明，步骤(1)所述的催化剂为钌基镧铌酸，其化学式可表示为0.25Ru/HLaNb2O7。
作为本发明的进一步限定，所述的钌基镧铌酸的制备方法如下：
将0.0025mol钌粉，0.005mol La2O3以及0.01mol Nb2O5用玛瑙研磨均匀后，通过粉末成型机，在30MPa的压力条件下压成圆柱形后，置入真空陶瓷管式炉中，在99.999％的氩气保护下，升温至1230℃并保温120min，冷却后即为钌基镧铌酸催化剂。其中，升温程序如下：
①以5℃/min的速率将样品由30℃升至530℃；
②以2℃/min的速率将样品由530℃升至830℃；
③以1℃/min的速率将样品由830℃升至1230℃；
④在1230℃保温120min；
⑤以2.5℃/min的速率将样品由1230℃升至830℃；
⑥结束程序，自动降温至50℃以下。
在本发明中，作为进一步说明，步骤(1)所述的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯的体积比为1：1：18。
在本发明中，作为进一步说明，步骤(2)所述的CO2/O2混合气体中CO2和O2的体积比为1：1～3，优选体积比为1：2.5。
本发明的优点：
1.采用CO2/O2混合气体、结合钌基镧铌酸作为催化剂，在高温高压条件下，该催化体系具有适宜的酸性和氧化性，可以一步法将糖类化合物高选择性的催化为2,5-呋喃二甲酸，一方面避免了在反应过程中使用液体强酸而腐蚀设备的缺陷，同时也避免了5-羟甲基糠醛复杂的分离纯化步骤，提高了该反应的可操作性。
2.针对CO2在高温液中的溶解能力弱，从而极大的降低了其催化果糖分解制备5-羟甲基糠醛的催化活性的问题，本发明首次提出以碳酸钠-戊二酸锌混合物作为催化剂助剂，可起到活化CO2、增加CO2高温液中的溶解度和电离为H+的能力，从而极大的提高了中间产物5-羟甲基糠醛的能力。其机理如下图所示：
3.本发明所用的钌基镧铌酸是一种非均相催化剂，在催化反应完成后可通过离心分离实现回收，并在高温焙烧活化处理后，可极大程度的恢复原催化活性，从而有效的降低2,5-呋喃二甲酸的生产成本。
4.本发明所用的钌基镧铌酸催化剂以Ru和HLaNb2O7为共同活性中心，一方面可通过改变两者的含量比调控的酸碱性含量及氧化能力，同时这两个活性中心还显示出了协同效应，提升了催化剂的催化效率和催化选择性。
5.本发明采用的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合液为溶剂，具有无毒、使用安全、污染少、容易运输等特点，一方面降低了生产成本和分离纯化的难度，同时很大程度减轻了环境的负担，更符合绿色化学的要求，此外相对单一的碳酸二甲酯或水溶剂，双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯体系间凭借溶剂间的协同效应，从而具有更优秀的催化效率。
附图说明：
图1为本发明实施例1-9中所用的钌基镧铌酸的SEM图；
图2为本发明实施例1降解产物的HPLC图(HMF:5-羟甲基糠醛；DFF:2,5-呋喃二甲醛；FDCA:2,5-呋喃二甲酸)
具体实施方式
下面结合具体的实施例，对本发明作进一步的阐述，但不限于这些具体的实施例，而所用的实施例均按上述的步骤操作。所用实施例中，用高效液相色谱法对糖类化合物的转化率及2,5-呋喃二甲酸的收率进行分析，其中，产物检测的色谱条件如下：
糖类化合物由美国Dionex公司的UltiMate3000HPLC分析，采用的色谱条件为:色谱柱为Phenomenex的Luna 5u NH2 100A(4.6mm×250mm)；流动相为乙腈/H2O(70/30，V/V)，流速为1mL/min；柱温为35℃；检测器为视差检测器，检测温度为35℃。
呋喃类化合物通过美国Dionex公司的UltiMate3000HPLC分析，采用的色谱条件为:色谱柱为DionexTM C18(4.6mm×250mm)；流动相为甲醇/H2O(15/85，V/V)，流速为0.7mL/min-1；柱温为35℃；检测波长为280nm。
实施例1：
一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，包括以下步骤：
将8g果糖、0.5g质量比例为2：1的碳酸钠-戊二酸锌、0.45g钌基镧铌酸催化剂以及100g体积比为1：1：18的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合溶剂，倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，通入体积比为1：2.5的CO2/O2混合气体至高压反应釜内压力为8MPa，随后加热至195℃，反应25min后停止反应，从取样管中取1mL反应液用高效液相色谱法对产物进行分析，得到如下结果：果糖转化率为98.78％，2,5-呋喃二甲酸收率为50.53％。
实施例2：
一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，包括以下步骤：
将15g蔗糖、0.5g质量比例为4：1的碳酸钠-戊二酸锌、0.40g钌基镧铌酸催化剂以及100g体积比为1：1：18的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合溶剂，倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，通入体积比为1：3的CO2/O2混合气体至高压反应釜内压力为6MPa，随后加热至191℃，反应45min后停止反应，从取样管中取1mL反应液用高效液相色谱法对产物进行分析，得到如下结果：蔗糖转化率为94.38％，2,5-呋喃二甲酸收率为20.21％。
实施例3：
一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，包括以下步骤：
将9g葡萄糖、0.5g质量比例为1：1的碳酸钠-戊二酸锌、0.35g钌基镧铌酸催化剂以及100g体积比为1：1：18的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合溶剂，倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，通入体积比为1：1的CO2/O2混合气体至高压反应釜内压力为7.2MPa，随后加热至190℃，反应35min后停止反应，从取样管中取1mL反应液用高效液相色谱法对产物进行分析，得到如下结果：葡糖糖转化率为88.83％，2,5-呋喃二甲酸收率为30.24％。
实施例4：
一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，包括以下步骤：
将18g菊糖、0.5g质量比例为3.5：1的碳酸钠-戊二酸锌、0.42g钌基镧铌酸催化剂以及100g体积比为1：1：18的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合溶剂，倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，通入体积比为1：2的CO2/O2混合气体至高压反应釜内压力为7MPa，随后加热至185℃，反应15min后停止反应，从取样管中取1mL反应液用高效液相色谱法对产物进行分析，得到如下结果：菊糖转化率为91.37％，2,5-呋喃二甲酸收率为25.57％。
实施例5：
一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，包括以下步骤：
将16g半乳糖、0.5g质量比例为2.5：1的碳酸钠-戊二酸锌、0.36g钌基镧铌酸催化剂以及100g体积比为1：1：18的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合溶剂，倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，通入体积比为1：3的CO2/O2混合气体至高压反应釜内压力为7.8MPa，随后加热至190℃，反应30min后停止反应，从取样管中取1mL反应液用高效液相色谱法对产物进行分析，得到如下结果：半乳糖的转化率为99.24％，2,5-呋喃二甲酸收率为28.84％。
实施例6：
一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，包括以下步骤：
将20g甘露糖、0.5g质量比例为3：1的碳酸钠-戊二酸锌、0.45g钌基镧铌酸催化剂以及100g体积比为1：1：18的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合溶剂，倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，通入体积比为1：2.5的CO2/O2混合气体至高压反应釜内压力为6MPa，随后加热至185℃，反应10min后停止反应，从取样管中取1mL反应液用高效液相色谱法对产物进行分析，得到如下结果：甘露糖的转化率为85.45％，2,5-呋喃二甲酸收率为27.21％。
实施例7：
一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，包括以下步骤：
将20g果糖、0.5g质量比例为1：1的碳酸钠-戊二酸锌、0.30g钌基镧铌酸催化剂以及100g体积比为1：1：18的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合溶剂，倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，通入体积比为1：1的CO2/O2混合气体至高压反应釜内压力为6，随后加热至185℃，反应15min后停止反应，从取样管中取1mL反应液用高效液相色谱法对产物进行分析，得到如下结果：果糖转化率为90.08％，2,5-呋喃二甲酸收率为40.34％。
实施例8：
一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，包括以下步骤：
将10g葡萄糖、0.5g质量比例为2：1的碳酸钠-戊二酸锌、0.3g钌基镧铌酸催化剂以及100g体积比为1：1：18的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合溶剂，倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，通入体积比为1：1的CO2/O2混合气体至高压反应釜内压力为8MPa，随后加热至195℃，反应45min后停止反应，从取样管中取1mL反应液用高效液相色谱法对产物进行分析，得到如下结果：葡糖糖转化率为94.27％，2,5-呋喃二甲酸收率为38.59％。
实施例9：
一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，包括以下步骤：
将12g半乳糖、0.5g质量比例为3/1的碳酸钠-戊二酸锌、0.5g钌基镧铌酸催化剂以及100g体积比为1：1：18的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合溶剂，倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀，通入体积比为1：3的CO2/O2混合气体至高压反应釜内压力为6MPa，随后加热至188℃，反应30min后停止反应，从取样管中取1mL反应液用高效液相色谱法对产物进行分析，得到如下结果：半乳糖转化率为90.71％，2,5-呋喃二甲酸收率为31.35％。

Claims (6)

1.一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将5～20重量份的糖类化合物、0.5重量份碳酸钠-戊二酸锌、0.3～0.5重量份的催化剂以及100重量份由双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮溶液和碳酸二甲酯组合而成的混合溶剂，倒入高压反应釜中，迅速密封后以300r/min的转速搅拌均匀；
(2)继续保持300r/min的搅拌速度，通入CO2/O2混合气体至高压反应釜内压力为6～8MPa，随后加热至185～195℃，反应10～45min后停止反应，自然冷却至室温，即得以2,5-呋喃二甲酸为主要产物的混合液。
2.根据权利要求1所述的一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，其特征在于：步骤(1)所述的糖类化合物为果糖、葡萄糖、菊糖、甘露糖、半乳糖或蔗糖。
3.根据权利要求1所述的一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，其特征在于：步骤(1)所述的碳酸钠-戊二酸锌中碳酸锌和戊二酸锌的质量比例为1～4：1。
4.根据权利要求1所述的一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，其特征在于：步骤(1)所述的催化剂为钌基镧铌酸。
5.根据权利要求1所述的一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，其特征在于：步骤(1)所述的双氧水、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮和碳酸二甲酯的体积比为1：1：18。
6.根据权利要求1所述的一步法清洁制备2,5-呋喃二甲酸的方法，其特征在于：步骤(2)所述的CO2/O2混合气体中CO2和O2的体积比为1：1～3。
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