CN118440032A - 一种高纯度5-羟甲基糠醛的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高纯度5‑羟甲基糠醛的制备方法，包括：以水和有机季铵盐的混合溶液为反应相，以硫酸为催化剂，低沸点极性有机溶剂作为萃取相，果糖基碳水化合物进行分子内脱水反应得到5‑羟甲基糠醛；反应结束后目标产物可原位萃取至萃取相中，硫酸和副产物胡敏素几乎全部保留在反应相中，实现5‑羟甲基糠醛与酸催化剂和副产物的原位高效分离，大幅度提高目标产物的纯度。

Description

一种高纯度5-羟甲基糠醛的制备方法

技术领域

本发明属于有机含氧化合物领域，具体涉及一种5-羟甲基糠醛的制备方法。

背景技术

生物质能源是地球上唯一可再生有机碳源，可实现化学品和燃料的循环可持续性合成，是目前化石资源的有效补充和替代。在众多生物质基平台分子中，通过以果糖为代表的糖类碳水化合物经质子酸催化直接脱水制备的5-羟甲基糠醛(HMF)是一种公认的高附加值的生物质基平台分子，通过其醛基和羟基等活性基团，可以发生加氢、氧化脱氢、酯化、卤化、聚合、水解等反应，用于合成聚合物、药物、树脂、塑料、燃料添加剂等重要材料。因此HMF被认为是从化石能源经济向可持续能源经济过度的重要桥梁。

水溶液是果糖脱水反应的理想介质，但由于需要较高的反应温度，并且果糖、中间产物和HMF在高温水相条件下极不稳定，生成大量胡敏素(Humins)、甲酸和乙酰丙酸副产物，导致HMF收率极低。而使用以二甲基亚砜(DMSO)为代表的高沸点有机溶剂具有优良的果糖溶解度和溶剂化效应，HMF收率大幅度提升(>90％)。但DMSO沸点过高，HMF无法通过蒸馏等常规方法从反应体系中分离，因此研究学者们开始探索低沸点有机溶剂和其他新型溶剂的使用。其中水/低沸点有机溶剂的双液相体系，离子液体，以及低共熔溶剂等新型反应体系，耦合酸性较强的酸性催化剂可以得到较高的HMF收率。但在这些新型反应体系中，都需要氯盐作为助剂，例如水/有机溶剂的双液相反应体系中，尤其使用四氢呋喃时需要NaCl减小水在有机溶剂的溶解度(Top Catal(2009)52:297–303)；离子液体(例如咪唑氯盐，Journal of Molecular Catalysis A:Chemical 253(2006)165–169)和低共熔溶剂(氯化胆碱，Industrial Crops and Products 99(2017)1–6)，这些化合物本身就是典型的氯化物。而在这些反应体系中无论使用常见强酸性的液体酸(盐酸、硫酸、硝酸、氢碘酸等)还是固体酸(Amerblyst-15，Nafion等)时，催化剂提供的质子会与上述反应介质中的氯离子会形成HCl，在高温条件下造成部分HCl挥发，导致催化剂外溢损失，造成严重的管道腐蚀。为了避免HCl的生成，反应过程中需使用酸性较弱的催化剂。但催化剂酸性减弱后反应活性降低，需要更高的反应温度和更长的反应时间，反应能耗增加。除此之外，果糖脱水反应过程中生成的胡敏素是最主要的副产物，并且与HMF难分离。因此，如何避免催化剂的外溢损失，有效分离HMF中的胡敏素杂质，是提高HMF经济性的最有效方法。

为了避免上述过程中催化剂损失问题，以及胡敏素杂质的分离问题，进一步提高HMF生产过程中的可实施性和经济性，仍需优化强酸性催化剂和反应介质的使用，提出高选择性和高纯度制备HMF的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的上述缺点，提供一种高纯度5-羟甲基糠醛的制备方法。

本发明提供的一种高纯度5-羟甲基糠醛的制备方法，包括：(1)在含有水、有机季铵硫酸盐、硫酸催化剂和低沸点极性有机溶剂的反应体系中，加入果糖基碳水化合物进行分子内脱水反应，生成5-羟甲基糠醛；(2)反应结束后反应体系分为上下两相，下层为反应相，分离收集上层含有高纯度5-羟甲基糠醛的萃取相。

按照本发明方法，反应结束后目标产物HMF可原位萃取至萃取相(即低沸点有机溶剂)中，而硫酸催化剂和生成的胡敏素杂质被保留在下层反应相(即有机季铵硫酸盐与水的混合溶液)中，将反应相和萃取相分离，即可实现目标产物HMF与硫酸催化剂和胡敏素杂质的高效原位分离，得到高纯度HMF的溶液或产品。

根据本发明方法，可以将步骤(2)得到的萃取相经进一步减压蒸馏去除有机溶剂，可得到高纯度的HMF产品。

根据本发明方法，可以将步骤(2)得到的反应相返回步骤(1)中进行循环反应。

根据本发明方法，可以将步骤(2)得到的萃取相用有机溶剂进行重复萃取，可进一步提高HMF纯度。

所述有机季铵硫酸盐的阳离子选自C1-C6短碳链的有机季铵阳离子，优选为C1-C4烷基三甲基季铵阳离子的一种或几种，更优选为四甲基季铵阳离子。所述有机季铵硫酸盐的阴离子选自硫酸根和硫酸氢根。

所述硫酸为催化剂使用前先溶于水中，形成硫酸水溶液，浓度优选为0.01-0.2g/mL。

所述有机季铵硫酸盐与硫酸水溶液的质量比为0.1:1-5:1，优选为0.5:1-3:1。

所述低沸点极性有机溶剂作为萃取剂，可选自1,4-二氧六环、乙腈、丙酮、丁酮、甲基异丁基酮的一种或几种，优选为1,4-二氧六环、乙腈。

所述反应相体积占整个反应体系的体积比为5％-50％，优选为10％-25％。

所述果糖基碳水化合物选自粗制果糖、纯化果糖、多聚果糖、果糖糖浆中的一种或几种。

所述果糖基碳水化合物占整个反应体系的质量比为1％-20％，优选为4％-10％。

所述果糖基碳水化合物脱水反应的温度为90℃-160℃，优选为120℃-140℃；果糖脱水反应的时间为0.1-12小时，优选0.2-5小时，更优选为0.2-1小时。

根据本发明方法，果糖脱水反应过程进行搅拌。所述反应不需要单独控制反应压力，在所述温度下在密闭反应器内自生压力下进行即可。

果糖脱水反应过程所需的反应器可以是厚壁耐压瓶、具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜以及本领域人员容易想到的反应器。

按照本发明方法，一方面，使用以硫酸根或硫酸氢根为阴离子的有机季铵盐为反应介质，避免硫酸催化剂的质子与现有技术中氯化物反应介质的氯离子结合生成HCl挥发，从而减少了催化剂外溢损失。另一方面，硫酸催化剂的质子与水形成水合氢离子作为氢键供体，与氢键受体有机季铵盐形成了低共熔溶剂，构建了丰富的氢键网络结构。通过氢键作用力将水合氢离子固定在反应相中，可极大程度上提高催化剂在反应相中的回收率，解决了以硫酸为代表的均相酸催化剂在反应过程中难回收的问题。

按照本发明方法，由于果糖、HMF和其他呋喃环中间体不稳定，反应过程中通过缩合反应生成了胡敏素杂质，反应溶液呈棕褐色。胡敏素是本反应中最常见、量最大的杂质，通常需要进一步分离提纯才能得到高纯度的HMF。发明人意外发现，按照本发明方法，反应结束后，绝大部分胡敏素被吸附至下层反应相中，整个反应相呈棕褐色。而上层萃取相中的胡敏素杂质含量较低，整个萃取相呈淡黄色。因此反应结束后可以仅通过相分离，无需任何后处理即可实现HMF与胡敏素杂质的高效原位分离，提高了萃取相中HMF纯度，并且进一步通过减压蒸馏去除萃取相溶剂后即可得到高纯度的HMF产品。

综上所述，本发明具有以下优点：

(1)避免硫酸的质子与有机季铵盐助剂的阴离子形成HCl挥发，减少了催化剂外溢损失。

(2)反应相将硫酸催化剂和胡敏素杂质固定在反应相中，减少了萃取相中杂质含量，提高了萃取相中HMF纯度，得到高纯度HMF产品。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步说明。

根据本发明方法，所述果糖脱水反应结束后，可通过高效液相色谱分析和计算反应过程中反应底物的转化率，HMF的选择性、收率和纯度。

实施例中的果糖为纯化结晶果糖，购于梯希爱(上海)化成工业发展有限公司。其他原料均为市售商品。

实施例1

在15mL耐压瓶中加入1.0g的果糖，1.0g的四甲基硫酸铵，0.5mL的硫酸水溶液(质量为0.5g，硫酸浓度为0.01g/mL)，8.5mL的1,4-二氧六环，此时反应相的体积占总体积的15％。当多通道加热器的温度加热至130℃后将密封的耐压瓶置于多通道加热器中，在600r/min的转速下搅拌反应50分钟。反应结束后，从多通道加热器中取出耐压瓶，自然冷却至室温，反应液用高效液相色谱进行分析，测定果糖的转化率为99.7％，HMF收率为84.5％。

实施例2

按照实施例1进行反应，不同的是将四甲基硫酸铵换为等质量的四甲基硫酸氢铵。测定果糖转化率为99.8％，HMF收率为84.6％。

实施例3

按照实施例1进行反应，不同的是将硫酸水溶液的浓度提升至0.2g/mL，反应温度下降至120℃，反应温度降至12分钟。测定果糖转化率为99.7％，HMF收率为84.4％。

实施例4

按照实施例1进行反应，不同的是将有机溶剂换为乙腈。测定果糖转化率为99.8％，HMF收率为84.9％。

实施例5

按照实施例1进行反应，不同的是将四甲基硫酸铵换为等质量的丁基三甲基硫酸铵。测定果糖转化率为99.6％，HMF收率为84.0％。

实施例6

按照实施例1进行反应，不同的是将反应相的比例提升至25％，反应温度提升至135℃，测定果糖转化率为99.7％，HMF收率为84.2％。

实施例7

按照实施例1进行反应，反应结束后取出耐压瓶，自然冷却至室温。然后将两相分离，使用碱式滴定法计算反应相中的硫酸含量，并根据初始投料量计算反应相中的催化剂回收率为99.0％。

实施例8

按照实施例1进行反应，不同的是耐压瓶不密封。加热过程中耐压瓶中溶液体积减少至一半时取出耐压瓶，自然冷却至室温，使用碱式滴定法计算耐压瓶中残余的硫酸含量，并根据初始投料量计算催化剂回收率为100％。

实施例9

按照实施例1进行反应，反应结束后将两相分离，然后分别加入2g的活性炭(比表面积>1500m²/g)在室温下搅拌5小时，用于吸附两相中的胡敏素杂质。然后分别用滤膜过滤，烘干后利用差重法分别计算上下两相中胡敏素的质量为0.007g和0.118g，下层反应相中胡敏素质量为胡敏素总质量的94.4％。

实施例10

按照实施例5进行反应，反应结束后将两相分离，然后分别加入2g的活性炭(比表面积>1500m²/g)在室温下搅拌5小时，用于吸附两相中的胡敏素杂质。然后分别用滤膜过滤，烘干后利用差重法分别计算上下两相中胡敏素的质量为0.007g和0.123g，下层反应相中胡敏素质量为胡敏素总质量的94.6％。

实施例11

按照实施例1进行反应，反应结束后将两相分离，获得棕褐色的反应相和淡黄色的萃取相。然后将得到的萃取相进行减压蒸馏去除溶剂后得到淡黄色的HMF产品，经液相色谱测定纯度为98.7％。

实施例12

按照实施例5进行反应，反应结束后将两相分离，获得棕褐色的反应相和淡黄色的萃取相。然后将得到的萃取相进行减压蒸馏去除溶剂后得到淡黄色的HMF产品，经液相色谱测定纯度为98.8％。

实施例13

按照实施例1进行反应，不同的是将四甲基硫酸铵的质量减少至0.6g，硫酸水溶液的体积增加至0.9mL(仍维持反应相体积占总体积的15％)，并将反应温度提升至140℃。测定果糖转化率为99.6％，HMF收率为84.3％。然后按照实施例9进行反应，下层反应相中胡敏素质量为胡敏素总质量的93.1％。然后按照实施例11进行反应，得到淡黄色的HMF产品纯度为97.5％。

对比例1

按照实施例1进行反应，不同的是将四甲基硫酸铵换为等质量的四甲基氯化铵，反应温度降至120℃。测定果糖转化率为99.8％，HMF收率为84.8％。

对比例2

按照实施例1进行反应，不同的是将四甲基硫酸铵换为等质量的辛基三甲基硫酸铵。测定果糖转化率为92.5％，HMF收率为70.2％。

对比例3

按照实施例8进行反应，不同的是将四甲基硫酸铵换为等质量的四甲基氯化铵，使用碱式滴定法计算耐压瓶中残余的硫酸含量，并根据初始投料量计算催化剂回收率为97.5％。

对比例4

按照实施例9进行反应，不同的是将四甲基硫酸铵换为等质量的四甲基氯化铵。反应结束后按照相同的方法计算上下两相中胡敏素的质量为0.096g和0.031g，下层反应相中吸附的胡敏素质量为胡敏素总质量的24.4％。

对比例5

按照实施例10进行反应，不同的是将丁基三甲基硫酸铵换为等质量的丁基三甲基氯化铵。反应结束后按照相同的方法计算上下两相中胡敏素的质量为0.100g和0.033g，下层反应相中吸附的胡敏素质量为胡敏素总质量的24.8％。

对比例6

按照对比例4进行反应，反应结束后将两相分离但不进行活性炭吸附，获得深棕色的反应相和棕色的萃取相。然后将得到的萃取相进行减压蒸馏去除溶剂后得到棕黄色的HMF产品，经液相色谱测定纯度为82.9％。

对比例7

按照对比例5进行反应，反应结束后将两相分离但不进行活性炭吸附，获得深棕色的反应相和棕色的萃取相。然后将得到的萃取相进行减压蒸馏去除溶剂后得到棕黄色的HMF产品，经液相色谱测定纯度为82.1％。

将实施例1-2的结果比较可知，当有机季铵盐的阴离子为硫酸根和硫酸氢根时，二者在相同条件下的反应效果基本相同。

将实施例1-2和对比例1的结果比较可知，当有机季铵盐的阴离子换为氯离子后，反应活性提高，达到相同的反应效果所需的反应温度更低。

将实施例1和实施例3的结果比较可知，当硫酸浓度提高后，果糖脱水速率加快，所需反应温度和反应时间都相应减少。

将实施例1和实施例4的结果比较可知，使用1,4-二氧六环和乙腈时，相同反应条件下对应的果糖转化率和HMF收率基本上不变。

将实施例1和实施例5与对比例2的结果比较可知，当四甲基硫酸铵换为丁基三甲基硫酸铵时，即四甲基硫酸铵的一个甲基侧链(C1)被长碳链的侧链(C4)取代后，HMF收率略微下降但基本不变，仍不低于84.0％。当取代基侧链继续延长时(C8)，果糖脱水速率和HMF收率大幅度下降，并且由于侧链碳数增加此时反应相和萃取相混为一相，无法实现HMF、硫酸和胡敏素杂质原位分离。

将实施例1和实施例6的结果比较可知，当反应相的体积比例增大，反应体系内水含量增加，果糖脱水速率变慢，达到相同的反应效果需要提高反应温度。

实施例7的结果可知，反应结束后99.0％的硫酸被保留在反应相中，而目标产物HMF被萃取至萃取相中，实现了目标产物和液体酸催化剂的高效原位分离，解决了均相酸催化剂难回收的问题。

将实施例8和对比例3的结果比较可知，当有机季铵盐的阴离子为硫酸根时，与硫酸催化剂的阴离子相同，因此硫酸催化剂的质子不会与有机季铵盐助剂的阴离子生成气相产物并在高温下挥发，硫酸催化剂在整个反应体系中的回收率为100％。但当有机季铵盐的阴离子换为氯离子后，硫酸的质子与氯离子生成HCl，并在高温下挥发，每次反应结束后造成2.5％左右的催化剂外溢损失。

将实施例9-10和对比例4-5的结果比较可知，有机季铵硫酸盐作为反应相介质时，反应结束后，反应相对胡敏素杂质有更强的吸附能力，明显优于对应的有机季铵氯盐。反应相中胡敏素的保留率分别从不到25％提升至94％-95％，说明有机季铵硫酸盐的使用可以有效地将胡敏素杂质固定在反应相中，避免了胡敏素杂质向萃取相中转移，实现了HMF与胡敏素杂质的高效原位分离，提高了萃取相中的HMF纯度。

将实施例11-12和对比例6-7的结果比较可知，有机季铵硫酸盐作为反应相的介质时，反应结束后，对应的萃取相中胡敏素含量较低，因此将萃取相减压蒸馏去除溶剂后得到的HMF产品纯度更高，颜色更浅。

将实施例1、实施例9和实施例11与实施例13的结果比较可知，当反应相中的有机季铵硫酸盐的比例降低，而硫酸水溶液比例增加时，反应体系内含水量增加，果糖脱水速率变慢，达到相同的反应效果需要提高反应温度。并且此时反应相对胡敏素的吸附能力开始减弱，胡敏素吸附比例有略微下降趋势，最终得到的HMF产品纯度也因此呈现略微下降趋势。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种高纯度5-羟甲基糠醛的制备方法，包括：(1)在含有水、有机季铵硫酸盐、硫酸催化剂和低沸点极性有机溶剂的反应体系中，加入果糖基碳水化合物进行分子内脱水反应，生成5-羟甲基糠醛；(2)反应结束后反应体系分为上下两相，下层为反应相，分离收集上层含有高纯度5-羟甲基糠醛的萃取相。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，所述有机季铵硫酸盐的阳离子选自C1-C6短碳链的有机季铵阳离子，优选为C1-C4烷基三甲基季铵阳离子，更优选为四甲基季铵阳离子。

3.按照权利要求1所述的方法，其中，所述有机季铵硫酸盐的阴离子选自硫酸根和硫酸氢根。

4.按照权利要求1所述的方法，其中，所述硫酸催化剂使用前先溶于水中形成硫酸水溶液，浓度为0.01-0.2g/mL。

5.按照权利要求1或4所述的方法，其中，所述有机季铵硫酸盐与硫酸水溶液的质量比为0.1:1-5:1，优选为0.5:1-3:1。

6.按照权利要求1所述的方法，其中，所述果糖基碳水化合物选自粗制果糖、纯化果糖、多聚果糖、果糖糖浆中的一种或几种。

7.按照权利要求1所述的方法，其中，所述低沸点极性有机溶剂选自1,4-二氧六环、乙腈、丙酮、丁酮、甲基异丁基酮中的一种或几种，优选为1,4-二氧六环、乙腈。

8.按照权利要求1所述的方法，其中，所述反应相体积占整个反应体系的体积比为5％-50％，优选为10％-25％。

9.按照权利要求1所述的方法，其中，所述果糖基碳水化合物占整个反应体系的质量比为1％-20％，优选为4％-10％。

10.按照权利要求1所述的方法，其中，所述果糖基碳水化合物脱水反应的温度为90℃-160℃，优选为120℃-140℃。

11.按照权利要求1所述的方法，其中，果糖脱水反应的时间为0.1-12小时，优选0.2-5小时，更优选为0.2-1小时。