CN110511196A - 一种糠醛或5-羟甲基糠醛的提纯方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种简单高效的糠醛或5‑羟甲基糠醛(HMF)的提纯方法。包括：在粗糠醛或5‑羟甲基糠醛溶液中，加入含碱的水溶性无机盐溶液，混合后静置分层；收集上层液，加入有机溶剂，过滤除去析出的无机盐固体；分离有机溶剂，即得到浓缩的糠醛或5‑羟甲基糠醛。本发明方法简单有效，成本低，可以很好的除去酸性杂质，糠醛或5‑羟甲基糠醛纯度可以达到95％以上。

Description

一种糠醛或5-羟甲基糠醛的提纯方法
技术领域
本发明涉及一种糠醛或5-羟甲基糠醛的提纯方法，属于利用生物质及衍生物合成可再生化学品制备领域。
背景技术
六碳糖脱水可以得到5-羟甲基糠醛，五碳糖脱水可以得到糠醛。5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,HMF)，其分子包括一个羟基，一个醛基和一个呋喃环，是一种具有高价值的呋喃类化合物。HMF可以通过不同的反应途径获得各种有用的六碳化合物，如分别经醚化、氧化和加氢可得到呋喃类衍生物，在燃料和高分子合成中有极高的应用潜力；一些重要的非呋喃类化合物可经HMF开环、异构得到。因此，HMF被视为生物质转化中一个重要的平台化合物，即从此化合物出发，可以合成多种有高附加值的下游产品，同时也被美国能源部确定为12个“平台化合物”之一。同样地，糠醛也是重要的基本有机化合物。
HMF可以通过六碳糖脱水制备，其反应方程式可表示为：
脱水后的反应体系中除HMF外，还含有多种杂质，例如甲酸、乙酰丙酸、胡敏素等，这些杂质与HMF沸点、极性等性质相近，因此难于分离。
HMF作为一种重要的中间平台化合物分子，具有潜在的市场价值。因此不仅仅要优化它的合成步骤，也要积极寻找高效的分离纯化方法。为了使HMF整个生产过程规模化，就要解决HMF存在杂质的问题，因为杂质会溶解于多种有机溶剂，与HMF共存，影响HMF最终纯度，并会影响下一步反应。
目前5-羟甲基糠醛(HMF)的纯化主要包括萃取，活性炭吸附，柱分离，蒸馏等。例如王健健等人用乙醚萃取HMF，94.5wt％的HMF被萃取进入乙醚相，从而达到提纯分离(Jianjian Wang,Jiawen Ren,Xiaohui Liu,Guanzhong Lu,and Yanqin Wang.AIChEJournal,2013,59(7):2558-2566)。该方法可以有效的提纯HMF，但仍存在一些问题。用有机溶剂乙醚萃取，仍会残留一些溶于有机溶剂的杂质。Jaewon Jeong等人用水洗来提纯HMF，他们认为水洗可以除去一些副产物，如糖类和乙酰丙酸(Jaewon Jeong，Journal ofIndustrial and Engineering Chemistry，2013,19,1106-1111)。但一些不溶于水的杂质不能有效除去。
其他提纯方法有活性炭吸附、柱分离、蒸馏等。活性炭吸附可以有效除去杂质，但HMF也会有50％的损失。柱分离提纯法虽然能得到非常纯的HMF，但只适合小规模生产。中国专利CN105377825，CN103380120，CN101289435等都用蒸馏法提纯HMF，但果糖脱水得到的HMF大部分都在高沸点的极性溶剂中，而蒸馏法不仅需要大量能量，HMF在高温下还容易分解，因此效果不是很好。
因此，迫切需要寻找一种简单高效的HMF提纯方法。
发明内容
本发明针对现有技术的缺点，提出一种简单高效的糠醛或5-羟甲基糠醛的提纯方法。
一种糠醛或5-羟甲基糠醛的提纯方法，包括：
(1)在粗糠醛或5-羟甲基糠醛溶液中，加入含碱的水溶性无机
盐溶液，混合后静置分层；
(2)收集上层液，加入有机溶剂，过滤除去析出的无机盐固体；
(3)分离有机溶剂，即得到浓缩的糠醛或5-羟甲基糠醛。
在步骤(1)中，所述粗糠醛或5-羟甲基糠醛是由糖类脱水得到。所述的糖类可以是六碳糖和五碳糖，六碳糖脱水得到5-羟甲基糠醛，五碳糖脱水得到糠醛。其中六碳糖是含有六碳糖基本结构单元的单糖或多糖，包括葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、半乳糖、纤维二糖或纤维素中的一种或多种。其中的五碳糖是含有五碳糖基本结构单元的单糖或多糖，例如木糖、木糖低聚物、木二糖、半纤维素、核糖、阿拉伯糖、来苏糖、木酮糖、鼠李糖等中的一种或多种。
在步骤(2)中，优选对收集到的上层液进行充分洗涤，以除去杂质。
在步骤(3)之后，还可根据需要，用定量的有机溶剂或去离子水溶解，可得所需浓度的糠醛有机溶液或5-羟甲基糠醛水溶液。
本发明的优选的技术方案可按如下方式操作：将粗糠醛或5-羟甲基糠醛溶液置于分液漏斗，随后加入含碱的水溶性无机盐溶液，充分混合后，静置分层，上层液为含糠醛或5-羟甲基糠醛的产物层，下层为黑色杂质层。分离除去下层液体，将上层液重复洗涤多次，确保杂质除去。再加入有机溶剂溶解糠醛或5-羟甲基糠醛，过滤除去析出的无机盐固体，最后除去有机溶剂得到提纯的糠醛或5-羟甲基糠醛。
所述的碱选自水溶性无机碱或碱性化合物，优选氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙等无机碱中的一种或几种，和/或选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸氢钠等无机盐中的一种或几种，碱液浓度为0.01-1.0mol/L，优选为0.1-0.8mol/L。
所述水溶性无机盐选自硫酸钠、硫酸钾、氯化钠、氯化钾等中的一种或几种，优选氯化钠。无机盐溶液的浓度为5wt％-饱和浓度，最优选为饱和溶液。无机盐水的加入量为糠醛或5-羟甲基糠醛溶液体积的1/25-1/10，优选1/20-1/15。
所述的有机溶剂优选甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、甲基异丁基甲酮、二甲基甲酰胺和四氢呋喃等中的一种或多种，有机溶剂的加入量能溶解糠醛或5-羟甲基糠醛即可。
本发明方法与已有报道相比，具有以下优点：(1)可以很好的除去酸性杂质，糠醛或5-羟甲基糠醛纯度可以达到95％以上。(2)方法简单，成本低。(3)所得高纯度HMF作为原料用于后续的催化氧化反应制2,5-呋喃二甲酸，HMF转化率大于99％，2,5-呋喃二甲酸收率大于94％。
附图说明
图1为实施例1提纯后的HMF液相色谱RID图。
图2为实施例1提纯后的HMF液相色谱UVD图
具体实施方式
为了便于理解本发明，本发明列举实施例如下，但所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
反应液用高效液相色谱进行分析，色谱柱采用AminexHPX-87H(Biorad)，流动相采用0.004mol/L硫酸水溶液，色谱柱温度恒定为55℃，检测器采用紫外检测器，采集波长260nm处信号。
制备例
葡萄糖脱水制备5-羟甲基糠醛：称取一水合葡萄糖6.6g，硅铝催化剂(硅铝比20)6.0g，氯化钠21g，THF(四氢呋喃)/H2O 180/60ml加入到反应釜中，拧紧反应釜，反复充放氮气三次置换釜内空气，然后充氮气至釜内压力为1MPa。将间歇釜放入到加热套中，同时打开磁力搅拌器，升温至160℃，反应140min，葡萄糖转化为5-羟甲基糠醛。
实施例1
将葡萄糖脱水得到的170ml HMF溶液置于分液漏斗，随后加入10ml含0.4mol氢氧化钠的饱和食盐水溶液。剧烈摇晃后，静置分层，下层为黑色杂质层。分离下层后，重复洗涤三次，确保杂质除去。将洗涤好的上层HMF层蒸馏分离溶剂，加入甲醇溶解HMF，过滤除去不溶的氯化钠后，将有机溶剂蒸馏分离，最后用定量去离子水溶解，即得HMF水溶液，纯度为96.5％。
实施例2
将果糖脱水得到的170mlHMF溶液置于分液漏斗，随后加入含0.2mol氢氧化钾的10ml饱和食盐水溶液。剧烈摇晃后，静置分层，下层为黑色杂质层。分离下层后，重复洗涤三次，确保杂质除去。将洗涤好的上层HMF层蒸馏分离溶剂，加入乙醇溶解HMF，过滤除去不溶的氯化钠后，将有机溶剂蒸馏分离，最后用定量去离子水溶解，即得HMF水溶液，纯度为95.4％。
实施例3
将蔗糖脱水得到的170mlHMF溶液置于分液漏斗，随后加入含0.6mol碳酸钠的饱和氯化钾15ml溶液。剧烈摇晃后，静置分层，下层为黑色杂质层。分离下层后，重复洗涤三次，确保杂质除去。将洗涤好的上层HMF层蒸馏分离溶剂，加入乙酸乙酯溶解HMF，过滤除去不溶的氯化钠后，将有机溶剂蒸馏分离，最后用定量去离子水溶解，即得HMF水溶液，纯度为95.1％。
实施例4
将葡萄糖脱水得到170mlHMF溶液置于分液漏斗，随后加入含0.8mol碳酸氢钠的12ml饱和食盐水溶液。剧烈摇晃后，静置分层，下层为黑色杂质层。分离下层后，重复洗涤三次，确保杂质除去。将洗涤好的上层HMF层蒸馏分离溶剂，加入丙酮溶解HMF，过滤除去不溶的氯化钠后，将有机溶剂蒸馏分离，最后用定量去离子水溶解，即得HMF水溶液，纯度为96.3％。
实施例5
将纤维二糖脱水得到的170ml HMF溶液置于分液漏斗，随后加入含0.7mol碳酸钾的15ml饱和食盐水溶液。剧烈摇晃后，静置分层，下层为黑色杂质层。分离下层后，重复洗涤三次，确保杂质除去。将洗涤好的上层HMF层蒸馏分离溶剂，加入乙酸乙酯溶解HMF，过滤除去不溶的氯化钠后，将有机溶剂蒸馏分离，最后用定量去离子水溶解，即得HMF水溶液，纯度为95.3％。
实施例6
将木糖脱水得到170ml糠醛溶液置于分液漏斗，随后加入含氢氧化钾0.4mol的10ml饱和食盐水溶液。剧烈摇晃后，静置分层，下层为黑色杂质层。分离下层后，重复洗涤三次，确保杂质除去。将洗涤好的上层糠醛层蒸馏分离溶剂，加入丙酮稀释糠醛，过滤除去不溶的氯化钠后，将有机溶剂蒸馏分离，即得糠醛，纯度为95.7％。
实施例7
以实施例1所提纯的HMF为原料，用于催化氧化制备2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。将所得HMF水溶液配置成0.05mol/L，取10ml加入不锈钢高压反应釜中，随后加入40mg 5％Pt/C催化剂，0.106g碳酸钠，充入1MPa氧气作为氧源，磁力搅拌的同时在110℃下反应12小时。最后反应液通过HPLC分析底物转化率和产物收率，FDCA收率为94.8％，HMF转化率99％。
实施例8
以实施例2所提纯的HMF为原料，用于催化氧化制备2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。将所得HMF水溶液配置成0.15mol/L，取30ml加入不锈钢高压反应釜中，随后加入120mg 5％Pt/C催化剂，0.106g碳酸钠，充入1MPa氧气作为氧源，磁力搅拌的同时在110℃下反应12小时。最后反应液通过HPLC分析底物转化率和产物收率，FDCA收率为87.4％，HMF转化率99％。
实施例9
以实施例3所提纯的HMF为原料，用于催化氧化制备2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。将所得HMF水溶液配置成0.05mol/L，取10ml加入不锈钢高压反应釜中，随后加入40mg 5％Pt/C催化剂，0.5g碳酸钠，充入1MPa氧气作为氧源，磁力搅拌的同时在110℃下反应8小时。最后反应液通过HPLC分析底物转化率和产物收率，FDCA收率为88.5％，HMF转化率99％。
对比例1
以葡萄糖脱水后得到的HMF粗品不经任何提纯为原料，用于催化氧化制备2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。将10mL HMF粗品直接加入不锈钢高压反应釜中，随后加入40mg 5％Pt/C催化剂，0.106g碳酸钠，充入1MPa氧气作为氧源，磁力搅拌的同时在110℃下反应12小时。最后反应液通过HPLC分析底物转化率和产物收率，FDCA收率为14.8％。

Claims (10)

1.一种糠醛或5-羟甲基糠醛的提纯方法，包括：
(1)在粗糠醛或5-羟甲基糠醛溶液中，加入含碱的水溶性无机盐溶液，混合后静置分层；
(2)收集上层液，加入有机溶剂，过滤除去析出的无机盐固体；
(3)分离有机溶剂，即得到浓缩的糠醛或5-羟甲基糠醛。
2.按照权利要求1所述的方法，在步骤(2)中，还对收集到的上层液进行洗涤，以除去杂质。
3.按照权利要求1所述的方法，在步骤(3)之后，还可根据需要，用定量的有机溶剂或去离子水溶解，得到所需浓度的糠醛有机溶液或5-羟甲基糠醛水溶液。
4.按照权利要求1所述的方法，其中，所述的粗糠醛或5-羟甲基糠醛由糖类脱水得到。
5.按照权利要求1所述的方法，其中，所述的碱选自水溶性无机碱和/或碱性化合物，优选氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸氢钠中的一种或几种。
6.按照权利要求1或5所述的方法，其中，碱液浓度为0.01-1.0mol/L，优选为0.1-0.8mol/L。
7.按照权利要求1所述的方法，其中，所述水溶性无机盐选自硫酸钠、硫酸钾、氯化钠、氯化钾中的一种或几种，优选氯化钠。
8.按照权利要求1所述的方法，其中，无机盐溶液的浓度为5wt％-饱和浓度，优选为饱和溶液。
9.按照权利要求1所述的方法，其中，盐水的加入量为含糠醛或5-羟甲基糠醛溶液体积的1/25-1/10，优选1/20-1/15。
10.按照权利要求1所述的方法，其中，所述的有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、甲基异丁基甲酮、二甲基甲酰胺和四氢呋喃中的一种或多种。
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