TWI664291B - 自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法 - Google Patents

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Abstract

一種自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，包含以下步驟：(a)使含有葡萄糖之原料在酵素異構酶催化下轉化為含有果糖及葡萄糖的糖類混合水溶液；(b)將糖類混合水溶液、無機酸及有機溶劑進行混合，得到混合液；(c)使該混合液於加熱下進行第一次脫水反應，以讓果糖轉變為5-羥甲基糠醛並獲得反應液；(d)使該反應液於金屬鹵化物存在下進行第二次脫水反應，以讓葡萄糖轉變為5-羥甲基糠醛。本發明方法使用含有葡萄糖之原料進行製備，並經過兩階段脫水反應，能有效降低成本及提高5-羥甲基糠醛的產率。

Description

自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法
本發明是有關於一種5-羥甲基糠醛的製法，特別是指一種自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法。
5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural，簡稱5-HMF)除了是醫藥上重要的中間體外，也是重要的生質材料的中間體，其應用範圍涵蓋化學工業、生物藥學及農業科學等領域。5-HMF經化學轉換後可產出如2,5-呋喃二甲醇[2,5-Bis(hydroxymethyl) furan]、2,5-四氫呋喃二甲醇[2,5-Bis(hydroxymethyl) tetrahydrofuran]、2,5-二甲基呋喃(2,5-dimethylfuran)、2,5-二甲基四氫呋喃(2,5-dimethyltetrahydrofuran)、1,2,6-己三醇(1,2,6-hexane- triol)、1,6-己二醇(1,6-hexanediol)等氫化衍生物。5-HMF於氧化後可獲得2,5-呋喃二甲酸(2,5-furandicarboxylic acid，FDCA)，而FDCA和乙二醇進行聚合可獲得高阻氣性的聚酯材料—聚2,5-呋喃二甲酸乙二酯(polyethylene 2,5-furan- dicarboxylate，PEF)。
噸級量產規模的5-HMF大多是以果糖作為原料，並讓果糖於酸性水溶液中進行脫水反應而製得。但是，基於製備成本的考量，又因果糖的原料價格遠高於葡萄糖及纖維素，所以，部分研究已朝向以葡萄糖或纖維素來取代果糖作為製備5-HMF的原料。例如Novozymes A/S公司於US 2014/0349351A1美國專利公開案中就提到一種製備5-羥甲基糠醛的方法。此方法包含以下步驟：(a) 提供含有果糖及葡萄糖的水溶液；(b)使此含有果糖及葡萄糖的水溶液與葡萄糖異構酶(glucose isomerase enzyme，如E.C.5.3.1.5)接觸，以讓其中的葡萄糖轉變為果糖並獲得一溶液；(c)將該溶液與至少一種有機溶劑及酸催化劑及/或鹽進行混合並獲得一反應混合物，而後使該反應混合物於20°C、1大氣壓下的單相系統中；(d)加熱該反應混合物並進行果糖的脫水反應，以製得5-HMF。在此美國專利公開案所提到的步驟(b)中，水溶液中的葡萄糖並無法100%轉變為果糖(目前最高轉化率不超過50%)，所以在步驟(d)的反應混合物中仍然會存有葡萄糖，且葡萄糖於步驟(c)及(d)的條件下無法經反應轉變為5-HMF，也導致5-HMF產率無法更進一步提升。
另於進一步研究實驗發現，5-HMF是一個熱不穩定化合物，在葡萄糖和果糖同時存在的反應中，因為果糖轉變為5-HMF的速率較快。所以，自果糖所先生成的5-HMF在高溫長時間作用下，有可能會因熱破壞而聚合為腐植酸(humins)或水解成乙醯丙酸(levulinic acid)，將導致整體反應生成5-HMF的產率下降。由此可知，將葡萄糖與果糖同時反應脫水生成5-HMF的方法仍無法大幅提高產率。
BASF公司於US 9260402B2美國專利公告案中提到利用果糖或葡萄糖作為原料，並於離子液體系統及金屬鹵化物觸媒中進行5-HMF的製備，且最後利用固液分離及蒸餾的純化方式獲得5-HMF。BASF公司雖成功提高5-HMF產率，但其方法所使用的離子液體屬於高價格溶劑，仍無法滿足較低成本下製備5-HMF的需求。其他利用葡萄糖作為原料來製備5-HMF的相關研究則是在反應中加入觸媒 [例如磷酸(H 3PO 4)、Nb 2O 5、中介(meso-)TiO 2、經磷酸前處理的Nb 2O 5、CZS (SO 4 2 -/ZrO 2)、AlCl 3、B(OH) 3、Ag 3PW 12O 40、SnCl 4、CrCl 3、Al(O- iPr) 3、Al(Et) 3等]進行反應；而此類使用觸媒的方法多數需使用較高用量的觸媒，且產率普遍低於65%。在上述使用觸媒的方法中，特別是在葡萄糖濃度為30wt%時，以Ag 3PW 12O 40作為觸媒可獲得64%的產率，但觸媒用量卻高達13.3wt%，同樣無法滿足低成本需求，也大幅降低量產的可能性。
綜合上述各種方法，5-HMF要達到噸級量產的商業化規模仍需解決以下問題：(1)避免使用離子液體等高價格溶劑、(2)盡可能使用葡萄糖或纖維素作為原料、(3)使用葡萄糖製成含有果糖及葡萄糖的溶液時，必須讓溶液中的果糖及葡萄糖都能反應轉變為5-HMF、及(4)避免已生成的5-HMF進行熱破壞的反應等。
因此，本發明之目的，即在提供一種能有效降低成本且提升產率的自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法。
於是，本發明自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，包含以下步驟： (a) 使一含有葡萄糖之原料在一酵素異構酶的催化下轉化為一含有果糖及葡萄糖的糖類混合水溶液； (b) 將該糖類混合水溶液、無機酸及有機溶劑進行混合，得到一混合液； (c) 使該混合液於加熱下進行第一次脫水反應，以讓該果糖轉變為5-羥甲基糠醛並獲得一反應液；及 (d) 使該反應液於金屬鹵化物存在下進行第二次脫水反應，以讓該葡萄糖轉變為5-羥甲基糠醛。
本發明之功效在於：本發明利用價格便宜的含有葡萄糖之原料，再經過酵素異構酶催化而讓原料轉化為含有果糖及葡萄糖的糖類混合水溶液，接著使該糖類混合水溶液進行第一次脫水反應及第二次脫水反應而獲得5-羥甲基糠醛。在第一次脫水反應中，糖類混合水溶液中的果糖於無機酸存在下反應轉變為5-羥甲基糠醛並獲得反應液，而糖類混合水溶液中的葡萄糖不會進行反應並會留在反應液中，也就是反應液含有5-羥甲基糠醛、葡萄糖、無機酸、溶劑及水。而反應液中的葡萄糖則是在第二次脫水反應中，經由金屬鹵化物的催化轉變為5-羥甲基糠醛。經由上述二階段脫水反應，糖類混合水溶液中的果糖及葡萄糖將更有效率地轉變為5-羥甲基糠醛，且第一次脫水反應所生成的5-羥甲基糠醛也不易在第二次脫水反應後發生熱破壞反應變化。
本發明自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，包含以下步驟： (a) 使一含有葡萄糖之原料在一酵素異構酶的催化下轉化為一含有果糖及葡萄糖的糖類混合水溶液； (b) 將該糖類混合水溶液、無機酸及有機溶劑進行混合，得到一混合液； (c) 使該混合液於加熱下進行第一次脫水反應，以讓該果糖轉變為5-羥甲基糠醛並獲得一反應液；及 (d) 使該反應液於金屬鹵化物存在下進行第二次脫水反應，以讓該葡萄糖轉變為5-羥甲基糠醛。
＜含有葡萄糖之原料＞
該步驟(a)中的「含有葡萄糖之原料」可以選用葡萄糖、任何含有葡萄糖的原料、或經反應能產出葡萄糖的原料等。較佳地，該步驟(a)的含有葡萄糖之原料是選自於葡萄糖、澱粉的水解產物、蔗糖的水解產物、纖維素的水解產物、半纖維素的水解產物、纖維素生質(cellulosic biomass)的水解產物或前述的組合。上述的纖維素生質泛指任何含有纖維素的生質材料，可以衍生自單一來源、或者包含衍生自多種來源的混合物。適用於本發明的纖維素生質包括、但不限於：生物能源作物(bioenergy crops)、農業殘餘物(agricultural residues)、都市固體廢棄物(municipal solid waste)、工業固體廢棄物、來自造紙的污泥、庭園廢棄物、廢材與林業廢棄物等。較佳地，該纖維素生質是選自於植物、廢紙或前述的組合。上述的植物例如、但不限於：芒草、軟木、硬木、玉米穗軸、作物殘渣(如玉米殼)、玉米稈、禾草、小麥稈、大麥稈、乾草、稻稈、柳枝稷、甘蔗渣、蜀黍植物材料、大豆植物材料、得自穀粒之研磨組分、樹木、樹枝、根、葉、木屑、灌木、灌木叢、蔬菜、水果、花等。在本發明的一具體例中，該含有葡萄糖之原料為纖維素生質的水解產物，且該纖維素生質為稻稈。於本發明的另一具體例中，該含有葡萄糖之原料為市售的葡萄糖水溶液。
前述含有葡萄糖之原料為葡萄糖時，基本上無須再經過特殊前處理或水解反應，僅需配製成適當濃度之葡萄糖水溶液，即可直接被應用於本發明方法中，以製得5-羥甲基糠醛。當該含有葡萄糖之原料為澱粉的水解產物、蔗糖的水解產物、纖維素的水解產物、半纖維素的水解產物、纖維素生質的水解產物或前述的組合時，習知技藝者可依需求以任何習知前處理技術對纖維素生質進行處理，只要可獲致本發明含有葡萄糖之原料者，均可被應用於本發明，並無特別之限制。例如，習知技藝者可依據原料來源(澱粉、蔗糖、纖維素、半纖維素、纖維素生質等)選擇性地對原料進行前處理，例如、但不限於稀酸處理、固液分離處理、蒸氣爆裂處理等。之後再選用適合的水解酶進行水解反應。例如，在以纖維素生質的水解產物作為含有葡萄糖之原料的具體例中，首先將該纖維素生質先與稀酸混合後，再放入高壓反應器中加熱(如溫度120°C)下進行降解，以使纖維素生質降解為半纖維素；之後，進行固液分離，將固體部分置入蒸氣爆裂反應系統中進行蒸氣爆裂，得到酸處理渣料；最後將酸處理渣料與混合酶混合並進行水解反應，便能製得作為含有葡萄糖原料之纖維素生質的水解產物。前述的混合酶，例如由纖維素酶(cellulase)與半纖維素酶(hemicellulase)所構成的混合酶(市售商品例如Novozymes A/S公司所製造的Cellic ®CTec2)。
前述的水解反應的操作程序與參數條件等可以依據相關已知技術或知識進行調整變化。較佳地，該水解反應是藉由加入由纖維素酶與半纖維素酶所構成之混合酶於50至60°C溫度範圍下進行攪拌並歷時48至96小時而被進行。較佳地，該纖維素酶或混合酶的使用量範圍為12至15 FPU/g葡聚糖。在本發明的具體例中，該水解反應是使用由纖維素酶與半纖維素酶所構成之混合酶於50°C溫度下進行攪拌並歷時72小時。
＜步驟(a)＞
該步驟(a)的酵素異構酶主要是用於讓含有葡萄糖之原料中的葡萄糖轉化果糖，並進而獲得一含有果糖及葡萄糖的糖類混合水溶液。該步驟(a)的酵素異構酶可選用任何葡萄糖異構酶，例如但不限於E.C.5.3.1.5等。該步驟(a)的操作程序、裝置與參數條件等可以依據相關已知技術或知識進行調整變化。較佳地，該步驟(a)的轉化溫度範圍為45至70°C；更佳地，該轉化溫度範圍為50至60°C；又更佳地，該轉化溫度範圍為50至55°C。較佳地，該步驟(a)的轉化反應時間為36至72小時。該酵素異構酶可直接加入糖類混合水溶液中，或者先將酵素異構酶填充於管柱中，再讓含有葡萄糖之原料通過該管柱並進行反應。於本發明的具體例中，該酵素異構酶是填充於管柱中，然後將含有葡萄糖之原料循環通過管柱並進行轉化反應。
較佳地，該步驟(a)所獲得的糖類混合水溶液含有50~56 wt%的葡萄糖以及44~50 wt%的果糖。
＜步驟(b)＞
該步驟(b)是將該糖類混合水溶液、無機酸及有機溶劑進行混合，得到一混合液。該步驟(b)的溫度範圍可以依據相關已知技術或知識進行調整變化。較佳地，該步驟(b)的混合溫度範圍為0至40°C。
該無機酸可選用適於糖類進行脫水反應的種類，包括、但不限於鹽酸、硫酸、磷酸、硼酸或硝酸等。於本發明的具體例中，該無機酸是選自於鹽酸或硫酸。
該有機溶劑可選用已知適於糖類進行脫水反應的種類，包括、但不限於丙酮、四氫呋喃(THF)、丁醇、γ-戊內酯或前述的組合。於本發明的具體例中，該有機溶劑為丙酮或四氫呋喃。
較佳地，於該步驟(b)中，該糖類混合水溶液與無機酸先混合形成一酸液，之後再將酸液與有機溶劑進行混合而形成該混合液。較佳地，該無機酸於該酸液中的濃度範圍為0.03至0.15M；更佳地，該無機酸於該酸液中的濃度範圍為0.05至0.1M。於本發明的具體例中，該無機酸於該酸液中的濃度分別為0.065M、0.07M或0.090M。
＜步驟(c)＞
該步驟(c)是使該混合液於加熱下進行第一次脫水反應，以讓該果糖轉變為5-羥甲基糠醛並獲得一反應液。該步驟(c)的第一次脫水反應溫度範圍可以依據所使用的材料種類、用量等條件進行調整；較佳地，該步驟(c)的第一次脫水反應溫度範圍為130至180°C；更佳地，該第一次脫水反應溫度範圍為140至175°C；又更佳地，該第一次脫水反應溫度範圍為150至170°C。於本發明的具體例中，該步驟(c)的第一次脫水反應溫度範圍為150°C。
＜步驟(d)＞
該步驟(d)是使該反應液於金屬鹵化物存在下進行第二次脫水反應，以讓該葡萄糖轉變為5-羥甲基糠醛。較佳地，該步驟(d)的第二次脫水反應溫度範圍為130至180°C；更佳地，該第二次脫水反應溫度範圍為140至175°C；又更佳地，該第二次脫水反應溫度範圍為150至170°C。於本發明的具體例中，該步驟(d)的第二次脫水反應溫度範圍為150°C。
該步驟(d)所使用的金屬鹵化物可選用已知用於讓葡萄糖反應轉變為5-羥甲基糠醛的觸媒種類。較佳地，該金屬鹵化物為MX 3，M表示Al、In或Fe，X表示Cl、Br或I。於本發明的具體例中，該金屬鹵化物為AlCl 3或InCl 3。較佳地，該步驟(d)的金屬鹵化物的用量範圍為2至5 mmol。
特別值得說明的是，在本發明的方法中，雖然果糖與葡萄糖同時存在，但步驟(c)的果糖反應所生成的5-羥甲基糠醛並不會因為步驟(d)的反應而發生大量的熱破壞反應，因此，最終獲得的5-羥甲基糠醛仍能保有不錯的產率。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
＜ 製備例 1 至 5＞ 含有葡萄糖之原料的製備製備例1至5分別依據以下步驟進行作為含有葡萄糖之原料的稻稈水解液的製備： (i) 將稻稈(購自弘遠農產商行)予以切塊並以粉碎機切碎為粉末狀後，先與硫酸水溶液(濃度如表1所示)混合形成混合液，之後再將混合液放入100L的高壓反應器(七福工業股份有限公司製造)中進行降解(溫度及時間如表1所示)，以使稻稈之纖維素降解為半纖維素； (ii) 使降解完的混合液置於一孔徑為37 mm的濾袋(購自益昌濾布有限公司，型號為PP 60350S)中，繼而使用立式壓榨機(購自豐映科技股份有限公司)於8 MPa壓力下進行壓榨，以進行固液分離，得到固體部分及液體部分； (iii) 使固體部分置於一蒸氣爆裂反應系統(購自七福工業股份有限公司)中，而後於系統中通入蒸氣並進行加熱(溫度及時間如表1所示)；接著，將該蒸氣爆裂反應系統的壓力快速地降低至1 atm，以進行蒸氣爆裂處理，待處理時間結束後收集產物，此產物即為酸處理渣料。將酸處理渣料進行乾燥，並利用HPLC [Hitachi HPLC Chromaster 5110] 根據ASTME 1758-01方法分析酸處理渣料的葡萄糖(Glucose)及木糖(Xylose)的組成比例，結果整理於表1中； (iv) 將酸處理渣料與12~15 FPU/克葡聚糖的混合酶(Novozymes A/S公司所製造的Cellic ®CTec2)混合並於50°C溫度及150 rpm的攪拌速度下進行水解反應，待72小時後得到一稻稈水解液。
[表1]
製備例編號 硫酸水溶液濃度(wt%) 步驟(i)的溫度(°C)/時間(h) 步驟(iii)的蒸氣爆裂溫度(°C)/時間(min) 酸處理渣料乾重組成(wt%) 葡萄糖產率(%)*
1 1 121 / 3 200 / 3 Glucose=54.7 Xylose=2.3 82
2 2 121 / 2 190 / 5 Glucose=60 Xylose=5 76
3 2 121 / 2 200 / 1 Glucose=56 Xylose=6 74
4 3 121 / 2 190 / 5 Glucose=59 Xylose=2 81
5 3 121 / 2 200 / 1 Glucose=57 Xylose=4 83
* 葡萄糖產率是根據稻稈原始組成計算而得，為酸處理渣料的乾重中的葡萄糖含量。
＜ 實施例 1 至 5＞實施例1至5分別依據以下表2所列的材料與條件、及下述共同製法進行5-羥甲基糠醛的製備： (a) 將30克葡萄糖酵素異構酶E.C.5.3.1.5填充於管柱 (直徑1.5公分、高40公分)中，之後將含有葡萄糖之原料[市售葡萄糖水溶液(購自景明化工公司，濃度為80.0克/升，表2稱「市售」)或製備例4所製得的稻稈水解液(表2稱「製備例4」)]以蠕動幫浦帶動填入上述管柱內，而後於60°C轉化溫度(最佳範圍為54~62°C)下進行循環反應48小時，以使該含有葡萄糖之原料於該葡萄糖酵素異構酶的催化下轉化為含有果糖及葡萄糖的糖類混合水溶液；其中，該糖類混合水溶液中的果糖與葡萄糖之組成比例是使用高效液相層析儀(DIONEX Ultimate 3000)進行分析，其中，高效液相層析儀是使用BioRad公司所製造的Aminex ®HPX-87H管柱(型錄編號為1250140，7.8´300毫米)，管柱溫度維持在65°C，注射體積為20微升，流動相為5mM硫酸水溶液，流速為0.5毫升/分，並配備有折射率偵測器(refractive index detector)，偵測器溫度為45°C，果糖與葡萄糖的滯留時間(retention time)分別為9.5及10.5分鐘。分析結果整理於表2中。 (b) 將該糖類混合液與無機酸先混合形成一酸液，之後再將150毫升酸液與750毫升有機溶劑進行混合，得到一混合液。 (c) 使該混合液升溫至150°C並進行第一次脫水反應，待反應經過第一段反應時間後，使果糖至轉變為5-羥甲基糠醛並獲得一反應液。 (d) 於該反應液中加入金屬鹵化物，然後於150°C下進行第二次脫水反應，待反應經過第二段反應時間後，使葡萄糖至轉變為5-羥甲基糠醛並獲得一反應產物。 5-羥甲基糠醛的產率分析：使用高效液相層析儀(DIONEX Ultimate 3000)對反應產物進行分析。高效液相層析儀是使用SunFire TMC18管柱(5mM，4.6´250毫米)，管柱溫度維持在25°C，注射體積為10微升，流動相及流速如下表所示，並以254 nm紫外光吸收光譜儀為偵測器，參考波長為400 nm，帶寬(bandwidth)為10 nm，5-羥甲基糠醛的滯留時間為6.9分鐘。分析結果整理於表2中。
時間(min) 0.0 3.0 4.0 11.0 11.1 14.1 14.2 22.2 22.3 24.3
流動相比例 乙腈 1 1 3 5 10 10 1 1 1 1
0.05%磷酸水溶液 9 9 7 5 0 0 9 9 9 9
流速(mL/min) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.2 1.2 1.0 1.0
[表2]
實施例編號 1 2 3 4 5
含有葡萄糖之原料 市售 市售 市售 製備例4 製備例4
糖類混合水溶液的葡萄糖及果糖組成Glucose% /Fructose% 51 / 49 51 / 49 51 / 49 51 / 49 51 / 49
無機酸 鹽酸 鹽酸 鹽酸 硫酸 硫酸
酸液中的無機酸濃度(M) 0.090 0.090 0.090 0.070 0.065
有機溶劑 丙酮 THF 丙酮 丙酮 丙酮
金屬鹵化物種類 AlCl3 AlCl3 InCl3 AlCl3 AlCl3
金屬鹵化物用量 g (mmol) 0.500 (3.75) 0.500 (3.75) 0.829 (3.75) 0.497 (3.73) 0.497 (3.73)
第一段反應時間(min) 30 30 30 30 30
第二段反應時間(min) 30 30 30 25 30
5-羥甲基糠醛產率(%)a 68 61 59 73 81
a. 以起始果糖和葡萄糖的總和(是指HPLC的分析起始葡萄糖和果糖的總量)為基準
＜ 比較例 1-1 至 1-7＞比較例1-1至1-7是使葡萄糖水溶液直接進行脫水反應。比較例1-1至1-7分別依據下表3所使用的材料與條件，使120毫升的市售葡萄糖水溶液(濃度為80.0克/升)與無機酸先混合形成一酸液，之後再將150毫升酸液與750毫升有機溶劑進行混合，得到一混合液。之後於混合液中加入0.500克(3.75 mmol)的AlCl 3後，於表3所列溫度下進行脫水反應並得到一反應液。待表3所列反應時間後，將反應後的反應液予以冷卻至室溫，之後再經過濾、將過濾所得液體減壓濃縮後，得到5-羥甲基糠醛水溶液。最後依據實施例1至5之5-羥甲基糠醛的產率分析方法對所得到的5-羥甲基糠醛水溶液進行分析，結果整理於表3中。
[表3]
比較例編號 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7
無機酸 鹽酸 鹽酸 鹽酸 鹽酸 鹽酸 硫酸 鹽酸
酸液中的無機酸濃度(M) 0.007 0.007 0.007 0.007 0.090 0.090 0.095
有機溶劑 丙酮 丙酮 丙酮 THF 丙酮 丙酮 丙酮
反應溫度 130 140 150 150 150 150 150
反應時間(min) 20 20 20 20 20 30 20
5-羥甲基糠醛產率(%) 14 37 52 46 56 54 42
＜ 比較例 2-1 至 2-3＞比較例2-1至2-3是先將葡萄糖轉化為含有果糖及葡萄糖的糖類混合水溶液後，直接進行脫水反應。比較例2-1至2-3的共同製法是：將30克葡萄糖酵素異構酶E.C.5.3.1.5填充於管柱 (直徑1.5公分、高40公分)中，之後將120毫升的葡萄糖水溶液(濃度80.0 克/升，購自景明化工公司)以蠕動幫浦帶動填入上述管柱內並於60°C轉化溫度(最佳範圍為54~62°C)下進行循環反應48小時，以使該葡萄糖水溶液於該葡萄糖酵素異構酶的催化下轉化為糖類混合水溶液；之後依據實施例1至5的果糖與葡萄糖之組成比例的HPLC分析方法進行分析，結果整理於表4中。將該糖類混合水溶液與無機酸先混合形成一酸液(無機酸濃度為0.090M)，再將150毫升酸液與750毫升丙酮進行混合，得到一混合液。之後於混合液中加入AlCl 3(用量如表4)並於150°C下進行脫水反應而得到一反應液。待表4所列的反應時間後，將反應後的反應液予以冷卻至室溫，之後再經過濾、將過濾所得液體減壓濃縮後，得到5-羥甲基糠醛水溶液。最後依據實施例1至5之5-羥甲基糠醛的產率分析方法對所得到的5-羥甲基糠醛水溶液進行分析，結果整理於表4中。
＜ 比較例 3 至 5＞比較例3至5是依據表4所列出的材料與條件、以及實施例1至5的步驟(a)至(c)進行5-羥甲基糠醛的製備，比較例3至5與實施例1至5的不同處在於：比較例3至5未進行步驟(d)的第二次脫水反應。5-羥甲基糠醛的產率同樣整理於表4中。
[表4]
比較例編號 2-1 2-2 2-3 3 4 5
含有葡萄糖之原料 市售 市售 市售 市售 製備例4 製備例4
糖類混合水溶液的葡萄糖及果糖組成 Glucose%/Fructose% 51 / 49 51 / 49 51 / 49 51 / 49 51 / 49 51 / 49
無機酸 鹽酸 鹽酸 硫酸 鹽酸 硫酸 硫酸
酸液中的無機酸濃度(M) 0.090 0.090 0.090 0.090 0.070 0.065
有機溶劑 丙酮 丙酮 丙酮 丙酮 丙酮 丙酮
反應時間(min) 20 60 20 30 30 30
金屬鹵化物種類 AlCl3 AlCl3 AlCl3 未使用 未使用 未使用
金屬鹵化物用量 g (mmol) 0.500 (3.75) 0.500 (3.75) 0.497 (3.73) 0 0 0
5-羥甲基糠醛產率(%) 60 52 53 37 54 53
[ 結果討論 ]1. 由表2的結果，可以發現通過使用本發明方法能獲得59%至81%產率的5-羥甲基糠醛，可見讓含有葡萄糖之原料先轉化為含有果糖及葡萄糖的糖類混合水溶液，然後再讓糖類混合水溶液依序進行第一次脫水反應及第二次脫水反應，確實能有效提升5-羥甲基糠醛的產率。更值得一提的是，若以使用AlCl 3作為金屬鹵化物的實施例1、2、4及5之結果來看，5-羥甲基糠醛的產率可提高為61%至81%，且其中又以使用硫酸作為無機酸之實施例4及5的效果更佳，可讓產率進一步提升至81%。 2. 將表2的實施例1與表4的比較例2-2比較如下表，可以發現：比較例2-2是讓糖類混合水溶液中的果糖及葡萄糖同時進行脫水反應而僅能獲得產率52%的5-羥甲基糠醛；而反觀使用本發明方法的實施例1，通過依序讓果糖及葡萄糖進行脫水反應，而能將5-羥甲基糠醛的產率提升至68%。
第一段反應時間(min) 第二段反應時間(min) 5-羥甲基糠醛產率(%)
實施例1 30 30 68
比較例2-2 60 (果糖與葡萄糖同時進行脫水反應) 52
3. 將表2的實施例1、表3的比較例1-7與表4的比較例3比較如下表，可以發現：比較例1-7直接讓葡萄糖水溶液進行脫水反應，以及比較例3只讓糖類混合水溶液中的果糖進行脫水反應，所得到的5-羥甲基糠醛的產率分別為42%及37%。相較於本發明同時讓果糖及葡萄糖依序進行反應的實施例1，本發明方法能獲得更佳的產率(68%)。特別值得一提的是，比較例3的方法相當於進行本發明實施例1的步驟(a)至(c)，也就是只進行第一次脫水反應，但由實施例1的結果來看，步驟(d)之第二次脫水反應的進行，確實能有效地讓產率由37%提升至68%，顯示本發明方法不僅能提升產率，也能大幅降低5-羥甲基糠醛發生熱破壞反應的機率。
糖類混合水溶液的葡萄糖及果糖組成 Glucose%/Fructose% 酸液中的鹽酸濃度(M) 金屬鹵化物用量g(mmol) 第一段反應時間(min) 第二段反應時間(min) 5-羥甲基糠醛產率(%)
實施例1 51 / 49 0.090 0.500 (3.75) 30 30 68
比較例1-7 100 / 0 不進行酵素催化 0.095 0.500 (3.75) 20 (只進行葡萄糖的脫水反應) 42
比較例3 51 / 49 0.090 未使用 30 (只進行果糖的脫水反應) 37
4. 將表2的實施例4及5與表4的比較例2-3比較如下表，同樣也可發現：比較例2-3讓糖類混合水溶液中的果糖及葡萄糖同時進行脫水反應而僅能獲得產率53%的5-羥甲基糠醛；而反觀使用本發明方法的實施例4及5，通過依序讓果糖及葡萄糖進行脫水反應，而能將5-羥甲基糠醛的產率分別提升至73%及81%。
酸液中的硫酸濃度(M) 第一段反應時間(min) 第二段反應時間(min) 5-羥甲基糠醛產率(%)
實施例4 0.070 30 25 73
實施例5 0.065 30 30 81
比較例2-3 0.090 20 (果糖與葡萄糖同時進行脫水反應) 53
5. 將表2的實施例4及5、表3的比較例1-6與表4的比較例4及5比較如下表，可以發現：比較例1-6直接讓葡萄糖水溶液進行脫水反應，以及比較例4及5只讓糖類混合水溶液中的果糖進行脫水反應，所得到的5-羥甲基糠醛產率分別為54%、54%及53%；相較於本發明同時讓果糖及葡萄糖依序進行反應的實施例4及5，本發明方法能獲得更佳的產率(73%及81%)。
糖類混合水溶液的葡萄糖及果糖組成 Glucose%/Fructose% 酸液中的硫酸濃度(M) 金屬鹵化物用量g(mmol) 第一段反應時間(min) 第二段反應時間(min) 5-羥甲基糠醛產率(%)
實施例4 51 / 49 0.070 0.497 (3.73) 30 25 73
實施例5 51 / 49 0.065 0.497 (3.73) 30 30 81
比較例1-6 100 / 0 不進行酵素催化 0.090 0.500 (3.75) 30 (只進行葡萄糖的脫水反應) 54
比較例4 51 / 49 0.070 未使用 30 (只進行果糖的脫水反應) 54
比較例5 51 / 49 0.065 未使用 30 (只進行果糖的脫水反應) 53
綜上所述，本發明利用價格便宜的含有葡萄糖之原料，再經過酵素異構酶催化而讓原料轉化為含有果糖及葡萄糖的糖類混合水溶液，接著使該糖類混合水溶液進行第一次脫水反應及第二次脫水反應而獲得5-羥甲基糠醛，確實能有效提升5-羥甲基糠醛產率至高達81%，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (11)

  1. 一種自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，包含以下步驟： (a) 使一含有葡萄糖之原料在一酵素異構酶的催化下轉化為一含有果糖及葡萄糖的糖類混合水溶液； (b) 將該糖類混合水溶液、無機酸及有機溶劑進行混合，得到一混合液； (c) 使該混合液於加熱下進行第一次脫水反應，以讓該果糖轉變為5-羥甲基糠醛並獲得一反應液；及 (d) 使該反應液於金屬鹵化物存在下進行第二次脫水反應，以讓該葡萄糖轉變為5-羥甲基糠醛。
  2. 如請求項1所述的自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，其中，該步驟(a)的含有葡萄糖之原料是選自於葡萄糖、澱粉的水解產物、蔗糖的水解產物、纖維素的水解產物、半纖維素的水解產物、纖維素生質的水解產物或前述的組合。
  3. 如請求項2所述的自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，其中，該步驟(a)的含有葡萄糖之原料是纖維素生質的水解產物，該纖維素生質是選自於植物、廢紙或前述的組合。
  4. 如請求項1所述的自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，其中，該步驟(a)的轉化溫度範圍為45至70°C。
  5. 如請求項1所述的自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，其中，該步驟(b)的無機酸是選自於鹽酸、硫酸、磷酸、硼酸、或硝酸。
  6. 如請求項1所述的自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，其中，該步驟(b)的有機溶劑是選自於丙酮、四氫呋喃、丁醇、γ-戊內酯或前述的組合。
  7. 如請求項1所述的自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，其中，該步驟(b)的糖類混合水溶液與無機酸先混合形成一酸液，且該無機酸於該酸液中的濃度範圍為0.03至0.15M。
  8. 如請求項1所述的自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，其中，該步驟(c)的第一次脫水反應溫度範圍為130至180°C。
  9. 如請求項1所述的自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，其中，該步驟(d)的金屬鹵化物為MX 3，M表示Al、In或Fe，X表示Cl、Br或I。
  10. 如請求項1所述的自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，其中，該步驟(d)的金屬鹵化物的用量範圍為2至5 mmol。
  11. 如請求項1所述的自含有葡萄糖之原料製備5-羥甲基糠醛的方法，其中，該步驟(d)的第二次脫水反應溫度範圍為130至180°C。
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