5-羟甲基糠醛制备及应用的研究进展

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2008年第27卷第5期·702·化工进展5-羟甲基糠醛制备及应用的研究进展王军1,2，张春鹏1，欧阳平凯1（1南京工业大学制药与生命科学学院材料化学工程国家重点实验室，江苏南京210009；2江苏警官学院公安科技系，江苏南京210012）摘要：综述了利用可再生资源制备羟甲基糠醛的方法及研究进展，讨论了其重要衍生物及其应用：2,5-呋喃二甲醛可用于合成许多新化合物；呋喃二甲酸可以作为合成聚酯类材料的初始原料，还可应用于药理学的研究；乙酰丙酸制取各种产品，包括树脂、医药、香料、溶剂、涂料和油墨、橡胶和塑料助剂、润滑油添加剂、表面活性剂等，还可以作为农药、染料的中间体。分析了目前利用生物质制备羟甲基糠醛研究中存在的问题，对其今后的研究发展提出了建议。关键词：羟甲基糠醛；生物质；平台化合物中图分类号：TQ031.5；Q81文献标识码：A文章编号：1000–6613（2007）05–0702–06Advancesinproductionandapplicationof5-hydroxymethylfurfuralWANGJun1,2，ZHNGChunpeng1，OUYANGPingkai1（1StateKeyLaboratoryofMaterials-OrientedChemicalEngineering，CollegeofLifeScienceandPharmaceuticalEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，Jiangsu，China；2DepartmentofForensicScience，JiangsuPoliceInstitute，Nanjing210012，Jiangsu，China）Abstract：Theproductionandprogressof5-hydroxymethylfurfuralusingrenewableresourcesasrawmaterialsarereviewed.Itssignificantderivativesandtheirapplicationsarealsodiscussed.TheexistingproblemsoftheproductionofHMFusingbiomassareanalyzedandsomesuggestionsonfutureresearchanddevelopmentarepresented.Keywords：5-hydroxymethylfurfural；biomass；platformchemical5-羟甲基糠醛（又名5-羟甲基-2-糠醛、羟甲基糠醛、5-羟甲基呋喃甲醛或5-羟甲基-2-呋喃甲醛），英文名5-hydroxymethyl-2-furfural、5-hydroxymethyl-furfural或5-HMF，是一种重要的化工原料，其结构为：OCHOHOH2CHOH2CCHOO它的分子中含有一个醛基和一个羟甲基，可以通过加氢、氧化脱氢、酯化、卤化、聚合、水解以及其它化学反应，用于合成许多有用化合物和新型高分子材料，包括医药[1-5]、树脂类塑料、柴油燃料添加物[6]等。羟甲基糠醛的制备方法主要是生物质水解法[7]，其原料来源丰富，价格低廉，从HMF出发可以合成一系列具有很大市场和高附加值的产品。因此羟甲基糠醛有望成为基于生物质资源的新型平台化合物[8]。目前平台化合物主要从石油资源中获得，随着石油等不可再生资源的大量消耗，原油价格不断上升，以石油为主导的化工工业的成本将不断地提高[8]。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，并且可不断再生。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。可再生生物质资源的主要成分是半纤维素、纤维素和木质素，它在酸性条件下水解生成六碳糖（葡萄糖和果糖），六碳糖进而脱水生成5-羟甲基糠醛。由于羟甲基糠醛良好的反应性能，由它还可以收稿日期：2007–12–10；修改稿日期：2007–12–22。第一作者简介：王军（1969—），男，博士，副教授。电话[phone]；E–[e-mail]。第5期王军等：5-羟甲基糠醛制备及应用的研究进展·703·合成2,5-呋喃二甲醛（FDC）、2,5-呋喃二甲酸（FDCA）、乙酰丙酸（LA）等高附加值产品。因此利用可再生生物质资源来制备新型平台化合物——羟甲基糠醛，具有十分广阔的前景和深远的意义。1羟甲基糠醛物性[9]羟甲基糠醛为针状结晶、暗黄色液体或粉末，甘菊花味，有吸湿性，易液化，需避光密封保存。物性参数如表1所示。不能与强碱、强氧化剂、强还原剂共存。加热时放出干燥刺激性的烟雾，燃烧和分解时释放一氧化碳和二氧化碳。羟甲基糠醛易溶于水、甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、甲基异丁基甲酮、二甲基甲酰胺等；可溶于乙醚、苯、氯仿等；微溶于四氯化物；难溶于石油醚。表1羟甲基糠醛物性[9]项目数值相对分子质量126.1116沸点/℃(mmHg)110(0.02)，114～116(1)熔点/℃32～35相对密度（d4/T）1.2062/18℃折光率（nD/T）1.5627/18℃闪点/℃79UV最大吸收波长/nm2842羟甲基糠醛形成的原理己糖在酸性催化剂作用下脱水形成5-羟甲基糠醛（HMF）。在水溶液中，HMF继续与水结合，产生乙酰丙酸和甲酸。反应过程如图1所示。OCHOCHOH2_H2O_H2OH2O_HHCHOHCOHCHCOHCOHCH2OHHOCHOCCHCOHCOHCH2OHHHOHCHOCOCHCHCOHCH2OHHxose己糖CHOHCOHHOCHHCOHHCOHCH2OH－H2O－H2OCHOCOHCHHCOHHCOHCH2OH－H2OCHOC=OCHCHHCOHCH2OHHOH2COCHO+2H2OCH3COOH+HCOOH甲酸O乙酰丙酸图1己糖在酸性催化剂作用下的反应过程己糖在溶液中先异构化成1,2-烯二醇（1,2-enediol），烯醇式结构被认为是生成HMF的决定性步骤。1,2-烯二醇进一步转化为3-脱氧-己糖，然后再脱水生成羟甲基糠醛。在脱水过程中，经过两个中间产物C6H10O5和C6H8O4。己糖除脱水生成HMF外，还有其它复杂的反应产物。反应过程中，容易发生聚合，产生可溶的聚合物和不溶的腐黑物，还会产生2-羟基乙酰呋喃[10]、5-氯甲基糠醛[11]、呋喃甲醛、乙酰丙酸、甲酸等副产物，这些副产物大大影响了羟甲基糠醛的产率。因此需要选择合适的反应条件来提高HMF的产率，这些条件包括：原料、催化剂、反应时间、反应温度、溶剂条件。目前己糖脱水生产HMF还处在实验室阶段。国内研究者研究生物质水解主要以乙酰丙酸为目的产物，而羟甲基糠醛研究主要集中在检测牛乳[12]、果汁[13]、蜂蜜[14]、酒类[15]和药物[16-17]中5-羟甲基糠醛的含量，HMF含量的多少是反映这些物质质量的重要指标。5-羟甲基糠醛对人体横纹肌及内脏有损害，葡萄糖氯化钠注射液中5-羟甲基糠醛的含量吸光度不得大于0.25[17]。中国药品生物制品鉴定所已有羟甲基糠醛标准物质，作为对照品用于科研和医学检验。3羟甲基糠醛制备方法及研究进展早在19世纪末，人们就已认识羟甲基糠醛，研究人员经过大量的实验研究与总结，全面而详尽地论述了羟甲基糠醛的制备、物理性质和化学性质[18]。经过一个多世纪的研究和发展，羟甲基糠醛的产率不断提高，目前可达85%以上[6]，为大规模工业化生产打下基础。羟甲基糠醛的生产方法根据反应溶剂系统[7]的不同主要分为两种：一是单相法，在单纯水相或有机相中生成羟甲基糠醛；二是双相法，有机相和水相形成互不相溶的反应系统，在水相中形成羟甲基糠醛，同时反应过程中HMF不断地被萃取到有机相中。此外，还有采用超临界流体[19－20]、亚临界水/二氧化碳[21－22]和离子液体[23]反应体系制备HMF。3.1单相法制备羟甲基糠醛20世纪40～50年代，大多数研究人员通过改变催化剂，反应温度、反应时间、反应釜气体环境，不同的碳水化合物（果糖、葡萄糖或蔗糖）来增加化工进展2008年第27卷·704·HMF的产率，但实际产量很低[24]。1944年，研究人员[24－25]用氢氧化钠预处理葡萄糖和甘露糖、果糖的混合物，经盐酸中和后，以草酸为催化剂，最高产率为17%。1947年，研究人员[25]用葡萄糖为底物，氢气环境下，温度控制在162～167℃，产率仅为6.7%。Garber等[26]以乙酰丙酸为催化剂，蔗糖为底物，在稀硫酸溶液中，250℃下反应，得率为31%～38%，同时发现反应后残留物主要是葡萄糖。进入20世纪80年代，Brown等[11]分别以乙腈、乙酸丁酯、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺和乙酸乙酯为溶剂制备羟甲基糠醛。以乙腈作为溶剂时，用Amberlyst-15树脂和三乙胺盐酸盐为催化剂，反应温度95～100℃，氮气环境下反应2.5h，HMF的产率为78%。以乙酸丁酯为溶剂，其它条件不变，HMF的产率为58%，但产物中含有约10%5-氯甲基糠醛。以二甲基亚砜为溶剂、氯化铵为催化剂时，果糖45min就可以完全转化，但由于二甲基亚砜沸点高，分离所需温度高，在分离过程中会产生大量碳化物，大大影响了HMF的产率。N,N-二甲基甲酰胺为溶剂时，HMF的产率为55%。乙酸乙酯用作溶剂时，反应速度较慢。乙酸乙酯不仅水解，还会与产物发生酯化反应，产物分离困难。近年来，Seri等[27－29]以镧系氯化物作为催化剂，研究了葡萄糖、果糖、甘露糖和半乳糖在水中脱水生成HMF。比较不同单糖HMF的产率，发现果糖生成HMF的产率明显高于葡萄糖、甘露糖、半乳糖生成HMF的产率，即酮糖高于醛糖的产率。以果糖为底物，催化剂浓度为2.0×10－3mol/L时，在反应最初15min内，HMF的选择性可达95%。HMF在反应条件下并不稳定，20min后，HMF的选择性开始随时间逐渐减小；到120min时，HMF的产率仅为40%。同时发现HMF的选择性减小并不是因为水解生成乙酰丙酸，而是非催化的结焦过程。动力学研究发现反应的控制步骤不是生成糖和催化剂的络合物，而是络合物脱水生成产物HMF的反应。催化剂摩尔浓度约5.0×10－3mol/L时，镧系催化剂催化能力达到饱和。镧系元素的催化剂活性与原子序数之间的关系不是线性的，而是呈两段弧状的趋势，一段在La3+和Sm3+之间，以Nd3+催化活性最大；另一段在Sm3+和Lu3+之间，以Er3+催化活性最大。Carlini等[30]以磷酸铌作为催化剂，研究了糖类100℃和85℃下脱水生成HMF。发现磷酸铌对HMF的选择性很高，没有乙酰丙酸和甲酸生成，但果糖的转化率并不高。以果糖为底物时，当反应0.5h后，HMF选择性高达90%，但果糖的转化率仅为30%左右。随着反应时间的延长，HMF选择性不断降低，反应3h后果糖的转化率达到65.5%。其后Benvenuti等[31]使用磷酸锆和磷酸钛催化剂研究了糖类100℃脱水生成HMF，发现磷酸锆和磷酸钛催化剂均能催化果糖生成HMF，而没有乙酰丙酸和甲酸生成，副产物主要是少量聚合物和糠醛，HMF的选择性达到95%以上，此时果糖转化率为70%～90%。3.2双相法制备羟甲基糠醛Peniston[24]在水溶液上方加入有机相正丁醇作为萃取剂。正丁醇在125℃以下不能与水互溶，在125℃以上可以与水互溶。反应时温度高于125℃时，正丁醇与水互溶，并不断萃取水相中形成的羟甲基糠醛，反应后冷却到125℃以下，正丁醇相与水相分层，羟甲基糠醛主要存在于正丁醇相中。利用水相-正丁醇相双相法，以果糖为底物，硫酸为催化剂，在170℃油浴中反应，产率可达到68%。分析HMF的生成反应速率k1和分解反应速率k2后，指出随着温度的提高，k1和k2都增加，但k1比k2增加得快，HMF的产量提高，到达最高产量的时间也缩短。因此可以通过提高温度