ZrOCl2催化琼脂糖制备5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸

何欣骏, 马 娇, 王康军, 许占威, 贾松岩,3*

(1.沈阳化工大学 化学工程学院, 辽宁 沈阳 110142; 2.中国科学院 大连化学物理研究所, 辽宁 大连 116023;3.大连理工大学 精细化工国家重点实验室, 辽宁 大连 116024)

5-羟甲基糠醛(5-HMF)和乙酰丙酸(LA)是2种重要的生物基平台化合物[1]。5-HMF可以通过六碳糖等碳水化合物选择性脱水制得，而LA可通过5-HMF的进一步酸催化水解来获取。5-HMF通过加氢、氧化等工艺可转化为2,5-二甲基呋喃、 2,5-呋喃二甲醛、 2,5-呋喃二甲酸等，而LA通过加氢、酯化等可获得1,4-戊二醇、γ-戊内酯、乙酰丙酸烷基酯等。上述产物在高分子加工、燃料生产、医药中间体合成等领域具有广泛的潜在应用，为生物质资源利用奠定了基础[2]。目前，制备5-HMF的研究主要集中在果糖、葡萄糖等资源的转化。果糖的转化活性较高，如无机酸、金属盐、固体酸等都能将其有效转化为5-HMF[3-5]。但是葡萄糖转化为5-HMF较为困难。Zhao等[6]报道CrCl2在离子液体中能够将葡萄糖有效转化为5-HMF之后，葡萄糖转化制备5-HMF获得了广泛的关注。研究表明，葡萄糖可经过2步串联反应制得5-HMF[6-8]，而5-HMF可通过酸催化生成LA。以无机酸、金属盐和杂多酸等作为催化剂，催化果糖和葡萄糖转化制备LA取得了诸多进展，获得LA的得率为40%～80%[9-12]。

琼脂糖是一种源于水生植物的生物质，其具有线性结构，由D-半乳糖和3,6-脱水半乳糖通过β-1,4和α-1,3糖苷键连接交替形成重复双糖单位[13]。近年来，关于采用琼脂糖制备5-HMF和LA的报道不少[13-15]。Kim等[13]采用Dowex树脂和CrCl2在DMSO中110 ℃下5 h可转化琼脂糖制备5-HMF，产物得率约为22%;Yan等[14]以琼脂糖为原料，采用MgCl2为催化剂，在质量分数为1%的硫酸水溶液中200 ℃方可获得5-HMF的得率约为40%;Oh等[15]以琼脂糖为原料，采用固体酸Amberlyst 36为催化剂，在DMSO中140 ℃下反应180 min，5-HMF的得率约为50%，而当采用水为溶剂时，产物主要是LA，得率约为50%。但上述研究存在一些问题，如反应时间较长，温度高等。

因此，本研究以琼脂糖为原料，筛选较好的催化剂，用于制备与5-HMF和LA，并分析了琼脂糖在DMSO溶剂体系中的转化情况，考察了反应条件对反应的影响，以期探索出一种能够将琼脂糖有效转化为5-HMF和LA的方法。

1 实 验

1.1 材料与试剂

琼脂糖，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氯化铜(CuCl2·2H2O，99%)、氯化镍(NiCl2·6H2O，98%)、氯化锰(MnCl2·4H2O，99%)、氯化镁(MgCl2·6H2O，99%)、氯化铁(FeCl3·6H2O，99%)、氯化铝(AlCl3·6H2O，99.9%)、氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O，98%)、氯化锆(ZrCl4，98%)、氯化锡(SnCl4·5H2O，99%)、二甲基亚砜(DMSO)、甘油，均为市售分析纯。超纯水由陶氏超纯水设备生产，电阻率为1.82×105Ω·m。

1.2 样品制备

称取50 mg琼脂糖和一定量催化剂(加入量为10%，以琼脂糖中单糖物质的量计，下同)，加入到5 mL 容积的反应瓶中，然后向反应瓶中加入总体积为1 mL的反应溶剂DMSO/H2O和磁子，在密封盖拧紧后将反应瓶放入预设反应温度的加热块中，磁力搅拌，并开始计时。达到预设的反应时间后，将反应瓶从加热块中立即取出并放入冰水混合物中冷却。反应后的混合物经加入一定量甘油作为内标物并用水稀释之后直接用高效液相色谱(HPLC)分析测定5-HMF和LA峰面积，通过计算求得率。

1.3 分析方法

1.3.1HPLC分析 HPLC分析采用岛津LC-16型HPLC仪，配RID-20示差检测器。色谱柱为安捷伦Hi-Plex系列H型色谱柱(300 mm×7.7 mm，8 μm)，前置保护柱为Hi-Plex系列H型色谱柱(50 mm×7.7 mm，8 μm)；流动相为5 mmol/L的硫酸水溶液，流速为0.65 mL/min，单相洗脱；色谱柱和检测器温度分别设定为65和50 ℃，测试样品的进样体积为20 μL。测试时间为35 min，其中甘油的保留时间为14.8 min，LA的保留时间为17.5 min，5-HMF的保留时间为32.0 min。

产物得率计算公式如下：

Y(5-HMF)=n1/n2×100%

(1)

Y(LA)=n3/n2×100%

(2)

式中：Y—产物得率，%；n1—HPLC检测到的5-HMF物质的量，mol;n2—加入琼脂糖获得相应产物的理论物质的量，mol;n3—HPLC检测到的LA物质的量，mol。

2 结果与讨论

2.1 催化剂筛选

溶剂为DMSO，催化剂用量为10%，反应温度为140 ℃，反应时间为60 min，考察不同催化剂对5-HMF和LA得率的影响，如图1所示。由图可知，外观上不加催化剂时，琼脂糖在DMSO中形成黏稠胶体，无法进行搅拌，当采用NiCl2、MnCl2以及MgCl2为催化剂时，仍然存在上述问题，而采用CuCl2、AlCl3、FeCl3、SnCl4和ZrOCl2时，反应混合物溶解且呈均匀状。

图1 不同金属氯化物催化琼脂糖转化后的样品图

由于琼脂糖在DMSO中会形成胶体，本研究探讨了在DMSO中加入适量水作为共溶剂，以期待能够消除胶体形成。采用DMSO/H2O体积比为8∶2混合溶剂进行初步尝试，当采用NiCl2、MnCl2以及MgCl2为催化剂时，胶体仍会出现。然而，水的加入显著提高了其他几种催化剂转化琼脂糖的反应性能(见表1)。在DMSO/H2O混合溶剂下，催化剂为ZrOCl2时，相比DMSO溶剂下的5-HMF得率提高了10.3个百分点，达到26.9%。水加入后也不同程度地提高了LA的收率，这是由5-HMF在足够水存在的条件下发生水解反应所致[9， 16]；LA得率为24.7%，相比在DMSO溶剂中反应，其得率提高了14.1个百分点。由于ZrOCl2对催化琼脂糖转化具有良好的催化性能，因此选择ZrOCl2作为催化剂进行后续研究。

表1 不同溶剂时催化剂种类对5-HMF和LA得率的影响

2.2 反应条件对产物得率的影响

表2 DMSO与H2O不同体积比对5-HMF和LA得率的影响

2.2.1溶剂中含水量 由2.1节分析可知，加入适量水能够显著提高5-HMF和LA的得率。以ZrOCl2为催化剂，140 ℃反应60 min，混合溶剂DMSO/H2O总体积为1 mL，探究不同体积比的DMSO/H2O对琼脂糖转化的性能的影响，结果如表2 所示。由表可知，当体系中没有水时，5-HMF和LA可以生成，但得率较低，分别为16.6%和10.6%。随着适量水的加入，5-HMF和LA的得率显著提高，这是因为水的加入可能抑制了琼脂糖、半乳糖等发生一些副反应，从而提高5-HMF的收率[17]，并且水的加入也有利于琼脂糖水解为单体以及3,6-脱水半乳糖水合形成半乳糖[14-15]，水还能参与5-HMF的水解反应，提高LA的得率。然而，当V(DMSO)/V(H2O)超过8∶2时，随着水在体系中所占比例继续增大，产物得率逐渐下降，这是因为单糖转化为5-HMF是一个脱水反应，过量的水会在一定程度上抑制5-HMF的形成，而LA是由5-HMF水解产生，5-HMF的减少也会影响LA的得率。因此，选择体积比为8∶2的DMSO/H2O混合溶剂为溶剂进行后续考察。

2.2.2催化剂用量 在1 mL体积比为8∶2的DMSO/H2O混合溶剂中，140 ℃下反应60 min，ZrOCl2用量对琼脂糖转化为5-HMF和LA的影响见图2。由2.1节可知，当不加入催化剂时，反应物易形成胶体，无法搅拌和采用HPLC进行检测。当ZrOCl2用量为琼脂糖中单糖物质的量的2.5%时，5-HMF和LA的得率分别为19.4%和13.6%。随着催化剂用量的增加，2种产物得率呈先上升后下降的趋势，这可能是由于过量催化剂导致产物发生更多副反应所致。当ZrOCl2用量为琼脂糖中单糖物质的量的10%时，5-HMF和LA的得率最高。因此，选择10%作为催化剂的优选用量。

2.2.3反应温度和时间 以ZrOCl2作催化剂，加入量10%，采用DMSO/H2O(体积比为8∶2)为溶剂(总体积1 mL)，考察反应温度和反应时间对产物得率的影响，结果见图3。

图2 催化剂用量对5-HMF和LA得率的影响

图3 反应温度和时间对5-HMF和LA得率的影响

由图3可知，随着反应温度的提高，5-HMF和LA的生成速率加快，这是由于六碳糖转化为5-HMF以及5-HMF进一步转化为LA都是吸热反应[18]。但是，高温和长时间反应都可能引起产物发生更多的降解或聚合等副反应，因此，150 ℃时反应30 min之后LA得率逐渐降低。由图3可知，在140 ℃下反应60 min时，2种产物的总得率可达到最高，为51.6%，其中5-HMF和LA的得率分别为26.9%和24.7%。

2.3 反应途径与机理分析

图4 琼脂糖转化为5-HMF和LA的反应途径[14-15]

3 结 论

3.1以琼脂糖为原料，采用不同催化剂催化转化制备5-HMF和LA，考察了反应条件对产物得率的影响。研究结果表明：ZrOCl2是实现琼脂糖转化的一种优选催化剂，50 mg琼脂糖在1 mL DMSO/H2O(体积比为8∶2)混合溶剂中，ZrOCl2用量为10%(以琼脂糖中单糖物质的量计)，140 ℃下反应60 min，琼脂糖可被有效转化为5-HMF和LA，得率分别为26.9%和24.7%，产物的总得率为51.6%。

3.2琼脂糖转化为5-HMF和LA的过程中需经历以下几步：1) 琼脂糖首先水解为单糖；2) 醛型单糖在催化剂的作用下异构化为酮型单糖；3) 酮型单糖脱水转化为5-HMF；4)5-HMF在酸作用下进一步水解为LA。