铁、锰、铜和水杨醛缩金刚烷胺席夫碱配体原位催化5-羟甲基糠醛氧化制备5-甲酰基呋喃-2-羧酸

白继峰，程曼芳，卢虹竹，侯明波，杨 雨，王景芸,*，周明东

（1.辽宁石油化工大学 石油化工学院, 辽宁 抚顺 113001；2.中国石油抚顺石化公司石油二厂, 辽宁 抚顺 113004）

当前，我们正进入一个可利用化石能源日益减少的时代，有限的石油资源使当前的石油基燃料和化学品生产难以为继。因此，已投入大量精力研究可再生资源的转化利用，以满足社会对燃料和化学品不断增长的需求[1]。由于其可再生性和丰富性，生物质可替代石油资源生产各种化学品[2−4]。5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural，简称HMF)是重要的平台化合物，易于通过纤维素或其衍生糖类化合物合成[5−8]。HMF可通过多种化学反应制备马来酸、甲酸、2,5-二甲酰呋喃(2,5-diformylfuran，简称DFF)、5-甲酰基呋喃-2-羧酸(5-formyl-2-furancarboxylic acid，简称FFCA)和2,5-呋喃二甲酸(2,5-furancarboxylic acid，简称FDCA)等高附加值精细化学品[9,10]，其中，由于FFCA分子中含有醛基和羧基等官能团，化学性质十分活泼，可以作为化学反应中间体、合成大环化合物原料及高分子材料单体等，在燃料、化学中间体、药物等领域具有广阔的应用前景[11−13]。

HMF氧化反应路径如图1所示。第一条反应路径是HMF分子中的醛基被氧化成羧基，生成HMFCA，然后HMFCA分子中的羟基被氧化成醛基，生成FFCA；另一条反应路径是HMF分子中的羟基被氧化成醛基形成DFF，然后DFF分子中的一个醛基被氧化成羧基，形成FFCA，最后FFCA可继续氧化为FDCA。由此可以看出，FFCA是HMF氧化反应过程的反应中间体，如何控制氧化反应程度，提高FFCA选择性是HMF氧化制备FFCA反应的关键问题。因此，一些报道通过设计高效催化剂和调控HMF氧化反应条件以提高FFCA选择性[14−17]。

图1 HMF氧化反应路径Figure 1 Reaction path of HMF oxidation

Xu等[14]设计合成一种Fe-Anderson型杂多酸基催化剂Na3H6FeMo6O24·5H2O，以30 mL/min氧气为氧化剂进行HMF氧化反应，比较不同的溶剂、不同的碱性化合物对反应的影响。结果表明，当K2CO3/HMF物质的量比为0.5时，在溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮中获得75%的FFCA。但是，该催化剂稳定性差，不能重复使用。Zhu等[15]合成复合光催化剂g-C3N4/NaNbO3催化HMF氧化反应，该复合材料异质结构的形成有效地促进了光致电子-空穴对的分离，加速了电子转移速率，从而减少了(OH)-O中心点的形成，进而提高了FFCA的选择性，在最优化条件下，HMF转化率最高为35.8%，FFCA选择性达87.4%。过渡金属氧化物对HMF氧化反应具有良好的催化活性。Priyanka等[16]通过水热法合成了不同组成的Mn-Fe复合金属氧化物催化剂MnzFeyOx。结果表明，在最佳反应条件（0.5 mmol Na2CO3、140 ℃，90 min和3.0 MPa O2）下，使用Mn3Fe7Ox可得到37.7%的FFCA，催化剂Mn3Fe7Ox至少可循环使用四次。此外，据报道在水中，使用氧气作为氧化剂，混合金属氧化物基催化剂（CuO·CeO2和MgO·CeO2）对HMF表现出良好的活性。在最佳的反应条件下，FFCA的产率达到了90%[17,18]。

综上所述，上述研究在HMF的氧化反应中获得了良好的FFCA收率，但仍然存在一些难题，例如所报道催化剂制备和操作方法复杂；反应需在碱性条件下进行，需要大量酸中和反应液，产生大量工业废水；有些反应使用高压氧气作为氧化剂，反应操作不易控制等。因此，开发廉价、绿色的催化体系，在温和条件下进行HMF氧化反应，高选择性地制备FFCA具有重要的意义。基于上述研究思路，本研究合成了水杨醛缩金刚烷胺席夫碱配体，与锰（II）、铁（Ⅲ）、铜（II）形成原位催化剂，在非碱性、温和条件下催化HMF选择性氧化制备FFCA。该方法反应过程简单且易于控制，催化剂合成及处理成本。

1 实验部分

1.1 试剂与催化剂的制备

试剂：四水合氯化锰，三氯化铁，二水合氯化铜（99%，500 g，Sigma Aldrich）， 金刚烷胺（98.5%，25 g，Meryer），水杨醛（99%，500 mL，Meryer），5-羟甲基糠醛（98%，25 g，Aladdin），5-羟甲基-2-呋喃羧酸、2,5-呋喃二甲醛、5-甲酰基呋喃-2-羧酸、2,5-呋喃二甲酸（98%，1 g，Aladdin）。

1.2 席夫碱配体的制备与表征

按照文献报道的方法[19]制备席夫碱配体。将金刚烷胺（2.0 mmol）和水杨醛（2.0 mmol）于20 mL无水乙醇中混合并回流1 h，然后冷却至室温。溶剂自然蒸发7 d后，获得黄色席夫碱配体，反应方程式如图2所示。

1.3 配合物的制备与表征

合成方法参照文献[20]：向含有2 mmol配体的20 mL无水甲醇中分别加入2 mmol NaOH的无水甲醇和含有1 mmol金属盐的甲醇溶液各20 mL，60 ℃回流2 h，然后浓缩直至观察到大量沉淀，将沉淀物过滤，用冷水洗涤并干燥，得到如图3所示的三种配合物。

配合物1: C34H40MnN2O2(563.62): elemental analysis calcd.: C, 72.45, H, 7.15, N, 4.97; found: C,72.41, H, 7.12, N, 4.95; FT-IR (KBr, cm−1): 1618 (m),1122 (m), 578 (w), 549 (m)。

配合物2: C34H40FeN2O2(564.53): elemental analysis calcd.: C, 72.33, H, 7.14, N, 4.96; found: C,72.29, H, 7.11, N, 4.92; FT-IR (KBr, cm−1): 1613 (m),1122 (m), 576 (w)。

配合物3: C34H40CuN2O2(564.53): elemental analysis calcd.: C, 71.36, H, 7.05, N, 4.90; found: C,71.31, H, 7.02, N, 4.88; FT-IR (KBr, cm−1): 1617 (s),1147 (m), 761 (m)。

图2 水杨醛缩金刚烷胺席夫碱配体的合成路径Figure 2 Synthetic route of salicylaldehyde amantadine Schiff base ligand

图3 配合物合成路径Figure 3 Synthesis path of complexes

1.4 HMF氧化反应及产物分析

称取1 mmol HMF置于25 mL三口烧瓶中，加入4 mL DMSO和3 mmol 70%的叔丁基过氧化氢，搅拌至溶解，加入一定量配比的金属盐和席夫碱配体，在一定温度下进行反应。反应结束后冷却至室温，随后向反应液中加入去离子水稀释定容至100 mL，取少量稀释后的溶液经滤膜过滤后进行定量分析。本研究采用Waters1525型高效液相色谱仪进行定量分析，所用液相色谱检测器为紫外检测器，测定波长 278 nm。色谱柱为 C18 反相色谱柱 (200 mm × 4.6 mm)，柱温35 ℃，以乙腈和质量分数 0.1% 的乙酸水溶液(体积比 = 30∶70)为流动相，流量1.0 mL/min。通过标准曲线计算反应生成的FDCA、 DFF、HMFCA和FFCA 等氧化产物收率，计算公式如下：

式中，Wp: 产物产率，%；mp、mHMF: 产物和原料HMF的质量，g；MP、MHMF: 产物和原料HMF的相对分子质量

2 结果与讨论

2.1 配合物的晶体结构解析

利用溶剂蒸发法，从体积比为1∶1的CH3OH和CH2Cl2溶液中制备出适合X射线分析的配合物单晶。以配合物3为例，采用ω扫描方式进行扫描，使用SAINT程序进行数据还原，配合物晶体衍射数据在SHELX-2014软件上通过直接法得到晶体衍射数据[21]。并且通过全矩阵最小二乘法对晶体数据精修。然后分别通过dimand和Mercury软件作图，得到热椭球结构图与晶体结构堆积图，最后得到配合物的完整晶体数据。具体的晶体结构和数据见图4和表1。

图4 配合物3晶体结构图Figure 4 Crystal structure of complex 3

根据以上晶体学数据表明，配合物3属于单晶斜系，空间点群为C2/c，每个晶胞存在着四个不对称单元。并且配合物均是由两个双齿配体通过两个N原子和两个O原子与中心金属离子形成的四配位的结构。并且每个配合物的金属与N原子形成的键长均大于Pauling共价键理论计算出的理论值，所有数据均与相应文献报道的结构相符[22]，因此，可以推出所有配合物与N原子形成的键均为配位键，其CCDC号为2113434。

表1 配合物3的单晶数据Table 1 Single crystal data for complex 3

2.2 不同催化剂对HMF氧化反应的催化作用

在相同的反应条件下比较配体、无机盐、金属配合物及原位催化剂等不同种类的催化剂对HMF氧化反应的影响，结果列于表2。由表2可以看出，配体L对HMF氧化反应没有表现出催化活性。以不同无机盐为催化剂进行HMF氧化反应，结果表明，FeCl3和CuCl2也不能有效催化HMF氧化反应进行，同样，与配体相互反应生成的配合物及原位催化剂均不能使HMF转化率和FFCA产率显著提升。与FeCl3和CuCl2相比，MnCl2可以在一定程度上促进HMF氧化反应的进行，HMF转化率和FFCA产率提高至36.1%和15.2%，而随着配体的加入，HMF转化率和FFCA产率可继续增加76.3%和21.7%。其原因可能是配体与金属盐络合形成配位化合物，致使中心金属的电子密度改变，使HMF氧化反应更容易进行。此外，由表2中数据可以发现，当催化剂为金属配合物时，HMF转化率和FFCA产率增大趋势和金属和配体组成的原位催化剂无明显差异，两者催化性能基本相当。该结果表明，在该反应体系中，MnCl2·4H2O可与加入的有机配体进行配位，生成的配合物对HMF氧化反应进行原位催化。

综上所述，在众多Mn基催化剂中，MnCl2·4H2O和配体L5组成的原位催化剂对HMF氧化反应表现出较好的催化活性，同时，对氧化产物FFCA具有较高的选择性；而不同种类的Fe基催化剂虽然能同时催化HMF的羟基和醛基，但对HMF氧化反应整体催化活性不高，尤其是对氧化产物FFCA 选择性也较低；相对Mn基催化剂，Cu基催化剂氧化产物DFF表现出相对较高的选择性，而对FFCA的选择性相对较低。因此，综合考虑，催化HMF氧化制备FFCA最合适的原位催化剂是MnCl2·4H2O和配体L5组成的原位催化剂，在接下来的工作中，以MnCl2·4H2O和配体L5为原位催化剂进行HMF氧化反应，对反应温度、反应时间、氧化剂用量、催化剂用量及配比等反应条件进行优化。

表2 不同种类催化剂对HMF氧化反应催化性能比较Table 2 Comparison of different types of catalysts for oxidation of HMF

2.3 HMF氧化反应条件优化

2.3.1 反应温度对HMF氧化反应的影响

由图5可知，反应温度对HMF氧化反应的影响较大。

图5 反应温度对HMF氧化反应的影响Figure 5 Influence of temperature on HMF oxidation

当反应温度为60 ℃时，HMF转化率仅为13.3%，DFF产率为8.1%，并没有获得FFCA。当反应温度升高至90 ℃时，HMF的转化率增大至92.3%，FFCA产率为29.0%，DFF产率为16.3 %。继续升高温度至100 ℃ 时，HMF几乎完全转化，但FFCA、DFF以及FDCA的产率却分别降低到8.2%、7.1%、1.4%。由此可以推断，当反应在较高温度下进行时，HMF氧化反应速率增大，HMF转化率随着温度的升高而显著增加。但由于HMF和FFCA在较高温度条件下化学性质不稳定，副反应程度较大，因此，FFCA选择性降低，这与以前的文献报道的结果一致[23,24]。因此，选择90 ℃作为HMF氧化反应的最佳反应温度。

2.3.2 反应时间对HMF氧化反应的影响

由图6可以看出，HMF转化率和FFCA产率均随反应时间的延长而增加。当反应时间为12 h时，HMF转化率由75.2%增加至95.1%，继续延长反应时间，HMF转化率增加趋势不明显。FFCA产率随反应时间的延长而增大，当反应时间为18 h时，FFCA产率由20.3%增加至36.2%，进一步延长反应时间，FFCA产率开始下降，当反应时间为30 h时，FFCA的产率从36.2%降低至29.2%。这表明当反应时间超过18 h后，FFCA继续氧化、聚合或分解的副反应程度增加，导致FFCA收率开始下降。由图6还可以看出，中间氧化产物DFF收率虽然也随着反应时间的延长而增加，但整个反应过程中并未获得较高收率的DFF，这可能是由于DFF向FFCA转化的反应速率较快，HMF氧化生成的DFF可迅速转化为FFCA，因此，反应体系中并未检测到较高收率的DFF。反应过程中还得到了少量的FDCA，这是FFCA继续氧化的结果，但反应时间超过18 h后，FDCA收率也未显著增加，这是由于FFCA向FDCA的继续氧化反应速率较慢，未生成大量的FDCA；同时，由于FDCA化学性质不稳定，可继续发生开环、聚合等副反应，因此，反应体系中并未得到较高收率的FDCA。综合来看，最佳反应时间应选择为18 h。

图6 反应时间对HMF氧化反应的影响Figure 6 Influence of reaction time on HMF oxidation

2.3.3 金属与配体的物质的量比对HMF氧化反应的影响

在上述最优化反应温度和反应时间条件下，对金属和配体物质的量比进行优化。由图7可以看出，金属和配体物质的量比对HMF转化率和FFCA产率影响明显。当金属和配体物质的量比为1∶1时，HMF的转化率为100%，产物FFCA的产率为43.3%。当金属和配体物质的量比变为1∶2时，FFCA的产率降低到36.2%。此后，随着金属和配体物质的量比增加，HMF的转化率以及FFCA产率均呈下降趋势。这可能是由于随着配体摩尔数的增加，金属在溶液中的分散度低，金属和配体难以按比例络合形成具有催化活性的配合物，金属活性中心并未按照一定的比例与金属配位。并且配体分子数量的增加导致了HMF分子难以接触到已经形成的金属配合物的活性中心，进而使催化活性和选择性均降低。此外，由图中数据可以看出，DFF在本催化体系没有受到配比的改变的影响。所以，金属和配体的最佳的配比是1∶1。

2.3.4 催化剂用量对HMF反应的影响

图7 金属与配体配比对HMF氧化反应的影响Figure 7 Influence of molar ratio of metal and ligand on the oxidation of HMF

考察催化剂用量对HMF氧化反应的影响，结果见表3。由结果可以知，HMF转化率、FFCA和FDCA的产率均随着催化剂用量的增加出现先增加然后降低的趋势，当催化剂的用量为3%时，DFF、FDCA和FFCA的产率分别达到最大值(14.3%、10.5%和48.6%)，HMF的转化率达到100%。当催化剂用量继续增加时，FDCA和FFCA的产率分别降低到36.4%和6.1%。原因是由于催化剂用量较少时，可提供的活性中心数有限，催化效果不明显，叔丁基过氧化氢只能将部分HMF氧化，故而产物产率较低。而随着催化剂用量的增加，活性中心也不断增加，反应物分子与活性中心作用的机会与时间延长，促使氧化反应充分进行，因而呋喃类产物产率升高。继续增加催化剂用量时，产物呈现下降趋势。这是由于增加催化剂的用量造成了呋喃环开环等副反应的增加，HMF反应体系颜色逐渐变深。综上所述，当催化剂用量为3%时，主产物FFCA的产率最高，同时获得了产率相对较高的DFF以及FDCA。因此，HMF氧化反应适宜的催化剂用量为3%。

表3 催化剂用量对HMF氧化的影响Table 3 Influence of dosage of catalyst on HMF oxidation

2.3.5 氧化剂用量对HMF氧化反应的影响

图8为氧化剂用量对HMF氧化反应的影响。由图8可知，在金属和席夫碱原位催化HMF氧化反应中，产物的产率受氧化剂的影响较大。

图8 氧化剂用量对HMF氧化反应的影响Figure 8 Influence of oxidant dosage on HMF oxidation

HMF氧化生成FFCA所需的氧化剂理论用量为2 equiv.，但由实验结果可以看出，当氧化剂的用量是2 equiv.时，产物FFCA的产率为仅为39.4%，而DFF的产率为10.2 %，并未检测到FDCA。当氧化剂增加到3 equiv.时，FDCA的产率仅为6.7%。而当氧化剂用量增加到4 equiv.时，呋喃类氧化产物的总产率达到最大值，其中主产物FFCA的产率为52.1%，FDCA和DFF的产率分别为13.2% 和16.3%。这是由于在90℃条件下氧化剂TBHP会部分分解，因此，2 equiv.的氧化剂并不能满足HMF向FFCA的高选择性转化。而当TBHP用量超过3 equiv.时，FFCA收率开始下降，当氧化剂的用量增加至5 equiv.时，产物FFCA产率降低到36.3%，而其他副产物产率基本保持不变。这说明过量的氧化剂用量使FFCA被过渡氧化发生开环、聚合等副反应，因此，反应体系中并未得到较高收率的FFCA。所以，TBHP与HMF的物质的量比为3∶1较合适。

2.3.6 不同溶剂对HMF氧化反应的影响

反应介质对反应的进行也有重要的影响，由表4中数据可知，溶剂对HMF氧化反应影响较大。在有机溶剂中HMF的转化率较高，在水中的转化率最低。尽管在甲醇中，HMF的转化率达到60.6%，但是并未获得FFCA。原因可能是HMF与甲醇发生了反应，生成了5-甲氧基甲基糠醛[25]。在所有测试的溶剂中，FFCA的产率在DMSO或者CH3CN中是较高的。FFCA在CH3OH和H2O中的产率最低，这是由于极性有机溶剂（例如DMSO和CH3CN）有利于稳定阳离子的正电荷。因此，综合来看，用MnCl2·4H2O和水杨醛缩金刚烷胺席夫碱配体催化HMF氧化制备FFCA时，在DMSO中可获得较高的FFCA收率。

表4 不同溶剂对HMF氧化的影响Table 4 Influence of different solvents on HMF oxidation

2.3.7 不同氧化剂对HMF氧化反应的影响

除了以上所述的因素外，还研究了不同类型的氧化剂对HMF氧化反应的影响。在上述最优化条件下，分别以常压氧气、双氧水和TBHP为氧化剂进行HMF氧化反应，结果见表5。由表5数据可知，以常压氧气和双氧水为氧化剂时，HMF的转化率均高于50%，但并未获得较高的DFF、FFCA和FDCA收率，这可能是由于90 ℃反应18 h，使HMF发生了开环、聚合、水解等副反应，而并未获得较高产率的FFCA。由结果还可以看出，以氧气为氧化剂时，FDCA产率高于FFCA，表明在该反应体系中FDCA的选择性高于FFCA。因此，就本研究催化体系而言，TBHP是比其他氧化剂更有效的氧化剂。

综上所述，MnCl2·4H2O和水杨醛缩金刚烷胺席夫碱组成的原位催化剂，催化HMF制备FFCA的最优条件为：HMF 0.126 g（1 mmol），3%的催化剂用量，金属与配体物质的量比为1∶1，氧化剂TBHP用量为3 equiv.，在DMSO中于90 ℃条件下反应18 h，此时HMF可完全转化，呋喃类氧化产物的总产率达到81%，其中，FFCA的产率达到52.1%。

表5 不同氧化剂对HMF氧化反应的影响Table 5 Influence of different oxidant on HMF oxidation

2.4 反应过程分析

如前面所述，因为HMF分子中含有羟基和醛基，所以HMF氧化反应通常有两条反应路径。但通过对不同反应温度和反应时间的优化实验结果可知，Mn基催化剂催化的HMF氧化反应过程中并没有出现中间产物HMFCA，而当反应温度较低或反应时间较短时，可获得一定收率的中间产物DFF，该结果表明，Mn基原位配合物催化的HMF的氧化制备FFCA的反应路径应该是：HMF→DFF→FFCA→FDCA，而并没有经过HMF→HMFCA→FFCA→FDCA这条反应路径，如图9所示。

此外，分别以反应体系中出现的氧化产物为反应底物进行氧化反应，对HMF氧化反应过程进行分析。结果如表6所示。由表6中数据可知，在HMF的氧化反应中，FFCA收率最高为52.1%，同时获得了16.3%DFF和13.2%FDCA，而氧化产物中并未检测到HMFCA。当反应底物为DFF时，在最优的条件下，DFF的转化率达到了100%，FFCA的产率达到了67.2%，同时获得了17.9%的FDCA产率。而当底物是FFCA时，FFCA的转化率仅为17.7%，FDCA的产率为10%。该结果表明，在本催化体系中，HMF转化为DFF，进而继续向FFCA转化的反应速率较快，而FFCA氧化生成FDCA的反应速率较慢，这可能是MnCl2与水杨醛缩金刚烷胺席夫碱原位催化剂对FFCA具有较高选择性的主要原因。

图9 金属配合物原位催化HMF氧化反应路径Figure 9 HMF oxidation reaction paths with in-situ catalyst of metal complexes

表6 不同底物氧化反应的比较Table 6 Comparison of different substrate oxidation reactions

通过HPLC分析结果可知，反应体系中除存在DFF、FFCA和FDCA等呋喃类氧化产物之外，还检测到少量的甲酸（5.6%）、乙酰丙酸（4.4%）及其他未知产物，这主要是由原料HMF发生开环副反应产生。除此以外，反应过程中发现随着反应时间的延长，反应液颜色逐渐变为深棕色，反应液稀释过滤发现有棕黑色沉淀生成，这是由于反应过程中HMF及FDCA发生聚合副反应产生胡敏素等聚合物。

2.5 与其他催化体系比较

相对于DFF和FDCA而言，FFCA化学性质十分活泼，所以合成较为困难，相应的报道的文献也较少，表7列出了近年来催化HMF氧化制备FFCA的相关报道。由表7可以看出，HMF氧化制备FFCA的反应均需在碱性条件下进行，新型杂多酸催化剂Na3H6FeMo6O24·5H2O和贵金属基催化剂AuNPs-sPSB可获得较高产率的FFCA。但这两种催化剂合成成本较高。光催化剂g-C3N4/NaNbO3对HMF氧化反应也表现出一定的促进作用，但转化率较低，同时光催化限制了其工业应用。而过渡金属氧化物MnzFeyOx催化的HMF氧化反应温度和压力较高，操作不易控制。而本研究中采用金属配位原位催化，在中性、温和条件下进行HMF氧化反应，尽管FFCA的选择性与产率与贵金属基和其他新型催化剂还存在一定差距，但由于催化剂合成和HMF氧化反应过程简单，也具有重要的研究意义。

表7 用各种催化剂将HMF氧化为FFCATable 7 Oxidation of HMF to FFCA with various catalysts

3 结 论

本研究合成了一种席夫碱配体，并将所合成的配体和金属盐组成原位催化剂用于HMF选择性氧化反应制备FFCA。以叔丁基过氧化氢为氧化剂，以 MnCl2·4H2O和水杨醛缩金刚烷胺席夫碱组成原位催化剂进行FFCA的合成反应，在最优化条件下，HMF可完全转化，FFCA产率可达52.1%。对金属配合物催化的HMF氧化过程进行分析，结果表明，HMF氧化生成DFF并进而转化为FFCA的反应速率较快，而FFCA向FDCA转化的速率较慢，这是该催化体系对FFCA具有较好选择性的主要原因。