DMA中添加剂对葡萄糖制备5-羟甲基糠醛的影响

董 坤，张泽会

(1.中国科学院大连化学物理研究所，辽宁 大连 116023；2.中国科学院研究生院，北京 100039)

面对能源和环境的双重压力，人类亟待寻找一种绿色环保的可再生能源[1，2]。在积极推进的各种方案中，开发生物质能源被认为是解决能源与环境问题的重要途径之一，受到世界各国的高度重视[3～6]。

作为生物质能源中六碳糖脱水产物的5-羟甲基糠醛(HMF)是一种重要的呋喃基化合物，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，如乙酰丙酸、2，5-二甲基呋喃(DMF)、2，5-呋喃二甲酸等，被认为是连接碳水化合物资源与石油工业之间的桥梁[7～9]，已成为目前生物质转化研究领域的热点之一。

国内外许多研究人员致力于生物质制备HMF的研究。Dumesic等从果糖出发，研发了水-有机溶剂双相体系的方法，并进一步将分离产物HMF加氢处理，得到了清洁燃料DMF[7，10～12]。此外，以果糖为原料，在离子液体以及离子液体-有机溶剂双相体系中制备HMF的报道也相继出现[13～19]，并且有朝着低温方向发展的趋势[17，19]。由于果糖价格比较昂贵，不利于HMF的大规模生产，因而有必要寻找廉价的原料替代果糖。Zhao等[20]研究发现，在离子液体中，CrCl2能够有效地将相对廉价的葡萄糖催化转化为HMF。Yong等[21]利用NHC/Cr催化转化葡萄糖得到HMF的产率高达81%，而且催化剂和离子液体可以重复使用。

Binder等[8]以未处理的玉米秸秆为原料，通过两步法制备了优质燃料DMF。由于离子液体比较贵重，尝试了其它可溶解纤维素以及木质纤维素的溶剂，发现含有LiCl的N，N-二甲基乙酰胺(DMA)是既可以溶解单糖、又能溶解纤维素的溶剂，纤维素在其中的溶解量可达15%。为了提高HMF的产率，他们向溶剂中加入了可溶解纤维素的离子液体。在CrCl2/DMA体系中，葡萄糖制备HMF的产率可达80%，达到了以咪唑离子液体为溶剂时的产率。该方法降低了生产成本，然而反应体系复杂、溶剂回收困难，并且催化剂CrCl2和CrCl3用量较大，不利于大规模推广。

胍盐是一种新型离子液体，具有较高的热和化学稳定性[22，23]、较高的催化活性、较强的生理活性，受到化学家和药学家的广泛关注[24～26]，但有关胍盐在生物质利用方面的报道较少。

由于DMA/LiCl体系可以较好地溶解纤维素，作者考虑构建具有DMA结构的酰胺基离子液体，探讨其在生物质利用方面是否具有普通咪唑离子液体不具有的特性。在此，首先参照DMA的结构合成酰胺基离子液体，探讨酰胺基离子液体在葡萄糖转化方面的应用；然后以葡萄糖为原料、DMA为反应溶剂、CrCl3·6H2O为催化剂、胍盐等离子液体作为添加剂，系统地考察添加剂种类、添加剂用量等因素对HMF产率的影响，并初步研究了混合反应体系的反应机理。

酰胺基离子液体结构如下：

R1(R2)=H,CH3,CH3CH2,CH3CH2CH2

1 实验

1.1 试剂与仪器

二氯甲烷(DCM)、乙腈、乙酸乙酯、N，N-二甲基乙酰胺，天津科密欧化学试剂有限公司；二乙胺、N-甲基丁胺、四甲基胍，Alar Aesar；氯乙酰氯、一水合氯化锂、溴化钠、四丁基溴化铵，天津博迪化工有限公司；溴乙烷，ACROS；吡啶，中国医药集团上海化学试剂公司；葡萄糖，ABCR；六丁基胍氯盐，长春应化所；六水合三氯化铬，国药集团化学试剂有限公司。上述试剂除吡啶为化学纯外，其余均为分析纯。N-甲基咪唑(99%)，上海化学试剂一厂；1-氯代正丁烷(98.5%)，天津市光复精细化工研究所。

PL203型电子天平，Mettler Toledo；DF-101S型磁力搅拌器、DLSB-10/30型低温冷却液体循环泵，巩义市英峪予华仪器厂；RE3000型旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；DZF-6050型真空干燥箱，上海一恒科技有限公司；2XZ-4型真空泵，上海真空泵厂；台式冷冻干燥机，Labconco；INOVA-400型核磁共振仪，Varian；P680型高效液相色谱仪，戴安公司。

1.2 酰胺基离子液体的合成[27，28]

(1)将200 mL二氯甲烷加入到500 mL烧瓶中，加入7.3 g(100 mmol)二乙胺并使其溶解；加入12.8 g(120 mmol)无水碳酸钠，在低温反应器中-10 ℃搅拌，用恒压滴液漏斗滴加10.0 mL(125 mmol)氯乙酰氯，反应液冒出白雾，滴加完后-10 ℃反应2 h，室温反应过夜(20 h)；将反应液抽滤，滤液用5%的盐酸溶液萃取2次(2×50.0 mL)，弃上清；用 5%碳酸氢钠溶液萃取2次(2×50.0 mL)，弃上清；用水萃取3次(3×50.0 mL)，有机层用无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发除去溶剂；用真空泵抽真空2 h，即得到N，N-二乙基-2-氯乙酰胺。反应式如下：

1HNMR(400 MHz，CDCl3)，δ，ppm：4.07(s，2H)，3.40(q，J=7.0 Hz，2H)，3.36(q，J=7.0 Hz，2H)，1.23(t，J=7.0 Hz，3H)，1.13(t，J=7.0 Hz，3H)。

(2)同(1)法合成N-甲基-N-丁基-2-氯乙酰胺：

1HNMR(400 MHz，CDCl3)，δ,ppm：4.07(s，2H)，4.06(s，2H)，3.37(t，J=7.0 Hz，2H)，3.31(t，J=7.0 Hz，2H)，3.05(s，3H)，2.94(s，3H)，1.61～1.28(m，4H)，0.97(t，J=7.0 Hz，3H)，0.90(t，J=7.0 Hz，3H)。

(3)将50.0 mL四氢呋喃(THF)加入到100 mL烧瓶中，加入4.5 g(30 mmol)N，N-二乙基-2-氯乙酰胺并使其溶解，加入2.5 mL(30 mmol)甲基咪唑，50 ℃油浴加热，回流反应24 h，反应液出现黄色分层；将反应液上层溶剂倒掉，加入10.0 mL水，振荡溶解，用乙酸乙酯萃取3次(3×20.0 mL)；旋转蒸发除去溶剂，真空泵抽真空干燥3 h；油浴100 ℃搅拌，真空泵抽真空3 h，得到黄色玻璃态固体[Et2NCOCH2mim]Cl。反应式如下：

1HNMR(400 MHz，CDCl3)，δ,ppm：9.96(s，1H)，7.60(s，1H)，7.58(s，1H)，5.60(s，2H)，3.97(s，3H)，3.40(q，J=7.0 Hz，2H)，3.31(q，J=7.0 Hz，2H)，1.25(t，J=7.0 Hz，3H)，1.06(t，J=7.0 Hz，3H)。

(4)同(3)法合成黄色玻璃态固体[BuNCH3COCH2mim]Cl：

1HNMR(400 MHz，CDCl3)，δ,ppm：9.94(s，1H)，9.83(s，1H)，7.57～7.42 (m，2H)，5.56(s，2H)，5.54(s，2H)，3.92(s，3H)，3.28(t，J=7.0 Hz，2H)，3.20(t，J=7.0 Hz，2H)，3.02(s，3H)，2.81(s，3H)，1.54～1.15(m，4H)，0.87(t，J=7.0 Hz，3H)，0.77(t，J=7.0 Hz，3H)。

1.3 六烷基胍溴盐的合成[29，30]

将100 mL乙腈加入到250 mL烧瓶中，加入25 mL(0.2 mol)四甲基胍并使其溶解，加入8 g氢氧化钠，再加入0.3 g四甲基二乙基胍溴盐作为催化剂，室温下滴加31.5 mL(0.42 mol)溴乙烷，滴加完后40 ℃油浴回流加热反应24 h，反应液变为黄绿色；将反应液抽滤，滤液蒸干溶剂；粗产物加水溶解，再加入2 mL25%(质量分数)氢氧化钠溶液，用石油醚萃取未反应物；向水相中加入20 mL 溴化钠饱和溶液，用二氯甲烷萃取产物，合并有机相，用无水硫酸镁干燥，抽滤，蒸干溶剂；粗产物用乙腈/乙酸乙酯重结晶，然后用真空泵干燥6 h，即得到白色固体六烷基胍溴盐。反应式如下：

1HNMR(400 MHz，CDCl3)，δ,ppm：3.29(t，J=7.0 Hz，4H)，3.13～3.04(t，12H)，1.22(t，J=7.0 Hz，3H)。

1.4 [Bmim]Br的合成

将12 mL(0.15 mol)甲基咪唑加入到250 mL烧瓶中，加入60 mL四氢呋喃、16.5 mL(0.153 mol)溴丁烷，使其混合溶解，70 ℃油浴搅拌，回流加热反应24 h，反应过程中反应液变浑浊，反应结束后出现黄色分层；将反应液上层倒掉，保留黄色分层相，将其转移至旋转蒸发仪除去溶剂，所得产物用乙酸乙酯洗涤3次(3×50 mL)；用旋转蒸发仪在50 ℃除去乙酸乙酯，然后用真空泵干燥3 h，即得到黄色液体[Bmim]Br。

1HNMR (400 MHz，CDCl3)，δ，ppm：10.36(s，1H)，7.49(s，1H)，7.39(s，1H)，4.34～4.31(t，2H)，4.11～4.06(s，3H)，1.93～1.86(m，2H)，1.42～1.35(m，2H)，0.97～0.94(t，3H)。

1.5 [Bpy]Cl的合成

将1.8 mL(22 mmol)吡啶加入到25 mL烧瓶中，加入2.1 mL(20 mmol)氯丁烷使其溶解，100 ℃油浴搅拌，回流加热反应24 h，反应过程中反应液变浑浊；反应结束后，冷却，加入10 mL乙酸乙酯，析出灰白色固体；将反应混合物抽滤，固体用乙酸乙酯洗涤3次，用乙腈∶乙酸乙酯(1∶2)重结晶，然后用真空泵干燥2 h，即得到灰白色晶体[Bpy]Cl。

1HNMR (400 MHz，CDCl3)，δ，ppm：9.59 (d，2H)，8.50(t，1H)，8.13(t，2H)，5.04(t，2H)，2.03(m，2H)，1.42(m，2H)，0.96(t，3H)。

1.6 DMA中葡萄糖转化制备HMF

将100 mg葡萄糖加入到25 mL烧瓶中，加入2 mL DMA使其溶解，再加入10 mg CrCl3·6H2O、一定量的添加剂，120 ℃油浴加热搅拌反应2 h或100 ℃油浴反应6 h。考察不同添加剂、添加剂用量等因素对HMF产率的影响。实验结束后取样，样品用去离子水稀释200倍，用高效液相色谱仪分析产物含量。

1.7 HMF含量的测定

产物HMF含量用P680型高效液相色谱仪进行分析。色谱条件如下：反相C18色谱柱；PDA-100紫外检测器；柱温30 ℃；流动相为乙腈-0.1%(质量分数)乙酸水溶液(体积比15∶85)；流速1.0 mL·min-1；检测波长280 nm。

2 结果与讨论

2.1 离子液体添加剂对HMF产率的影响

以DMA为溶剂，考察不同添加剂对葡萄糖转化制备HMF的影响，结果见表1。

表1 添加剂种类对HMF产率的影响

由表1可知，添加[Bmim]Cl或[Bpy]Cl对反应没有明显的促进作用；添加具有溶剂DMA类似结构的酰胺型离子液体发现，与DMA结构更为类似的[Et2NCOCH2mim]Cl对反应有抑制作用，而[BuNCH3COCH2mim]Cl对反应没有明显的抑制或促进作用；添加胍盐离子液体时，两种不同的胍盐对反应的影响却有显著差异，胍氯盐对反应有抑制作用，而胍溴盐对反应有明显的促进作用。由此可知，当离子液体为氯盐时，阳离子的结构对反应有明显的影响；添加剂的抑制作用可能是由于阳离子与反应体系中的某些分子结合，影响了反应的进行。当离子液体为溴盐时，阴离子在反应中的作用占优势，阳离子对反应的影响减小。

2.2 胍溴盐用量对HMF产率的影响(表2)

表2 添加剂用量对HMF产率的影响

由表2可知，当溶剂DMA用量不变、只增加胍溴盐的用量时，HMF产率基本呈上升趋势；当胍溴盐用量不变、减少溶剂DMA用量时，HMF产率略微升高。由此可知，溶剂DMA只是充当反应的介质，对反应的进行没有影响；胍溴盐参与反应的进行，对反应有促进作用。

2.3 不同阳离子溴盐对HMF产率的影响

考察不同阳离子溴盐[Bmim]Br、四丁基溴化铵对葡萄糖转化制备HMF的影响，结果如表3所示。

表3 Bmim]Br和四丁基溴化铵对HMF产率的影响

由表3可知，[Bmim]Br和四丁基溴化铵对转化反应具有与胍溴盐类似的促进效果，并且随添加剂用量的增大，促进效果都有所提高。由此判断，添加剂的阴离子在转化反应中起到主要的促进作用。综合实验结果可知，添加剂的阳离子对反应有一定的影响，抑制作用可能是由于阳离子与反应体系中的某些分子结合，影响了反应的进行；当添加剂的阴离子为溴时，阳离子的作用被阴离子溴屏蔽而减弱，阴离子的影响在反应中占据了主导地位。

2.4 反应机理[8]

图1 葡萄糖脱水形成HMF的机理

首先，葡萄糖在CrCl3的催化下，异构化形成果糖，然后果糖迅速脱水形成HMF。铬离子是一个可以进行六原子配位的络合离子，铬离子与葡萄糖络合，形成烯醇式中间体，催化葡萄糖异构化形成果糖。在果糖脱水形成HMF的过程中，需要形成烯醇结构中间体。在形成烯醇结构过程中，有两种路径。果糖呋喃环上的氧质子化，然后脱去一分子水形成呋喃钅翁离子(Ⅱ)。在混合反应体系中阴离子Cl-一方面可以作为碱夺取C1位质子形成烯醇结构(Ⅲ)。另一方面，在混合反应体系中Cl-作为亲核试剂，进攻离子C2形成中间体(Ⅳ)，然后脱掉HCl形成烯醇结构(Ⅲ)。最后，烯醇结构(Ⅲ)很容易脱掉两分子水形成HMF。

反应体系中，添加剂的加入促进了反应的进行。从反应机理上看，其促进作用主要是因为卤族离子的添加。实验结果有效地验证了反应机理中卤族原子的作用。溴离子与氯离子相比，具有更好的亲核性，因此对反应的促进作用更加明显。综合实验结果可知，添加剂的阳离子对反应有一定的影响，但当添加剂的阴离子为溴时，阳离子的作用被阴离子溴屏蔽而减弱，阴离子的影响在反应中占据了主导地位。

3 结论

(1)在DMA与添加剂的混合反应体系中，添加胍溴盐对反应的促进作用明显，HMF最高产率达88%。

(2)添加剂的阴、阳离子对转化反应都有影响，其中阴离子的作用占主导地位。

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