ZrOCl2催化瓊脂糖制備5-羥甲基糠醛和乙酰丙酸

何欣駿, 馬 嬌, 王康軍, 許占威, 賈松巖,3*

(1.沈陽(yáng)化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110142; 2.中國(guó)科學(xué)院 大連化學(xué)物理研究所, 遼寧 大連 116023;3.大連理工大學(xué) 精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024)

5-羥甲基糠醛(5-HMF)和乙酰丙酸(LA)是2種重要的生物基平臺(tái)化合物[1]。5-HMF可以通過(guò)六碳糖等碳水化合物選擇性脫水制得，而LA可通過(guò)5-HMF的進(jìn)一步酸催化水解來(lái)獲取。5-HMF通過(guò)加氫、氧化等工藝可轉(zhuǎn)化為2,5-二甲基呋喃、 2,5-呋喃二甲醛、 2,5-呋喃二甲酸等，而LA通過(guò)加氫、酯化等可獲得1,4-戊二醇、γ-戊內(nèi)酯、乙酰丙酸烷基酯等。上述產(chǎn)物在高分子加工、燃料生產(chǎn)、醫(yī)藥中間體合成等領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用，為生物質(zhì)資源利用奠定了基礎(chǔ)[2]。目前，制備5-HMF的研究主要集中在果糖、葡萄糖等資源的轉(zhuǎn)化。果糖的轉(zhuǎn)化活性較高，如無(wú)機(jī)酸、金屬鹽、固體酸等都能將其有效轉(zhuǎn)化為5-HMF[3-5]。但是葡萄糖轉(zhuǎn)化為5-HMF較為困難。Zhao等[6]報(bào)道CrCl2在離子液體中能夠?qū)⑵咸烟怯行мD(zhuǎn)化為5-HMF之后，葡萄糖轉(zhuǎn)化制備5-HMF獲得了廣泛的關(guān)注。研究表明，葡萄糖可經(jīng)過(guò)2步串聯(lián)反應(yīng)制得5-HMF[6-8]，而5-HMF可通過(guò)酸催化生成LA。以無(wú)機(jī)酸、金屬鹽和雜多酸等作為催化劑，催化果糖和葡萄糖轉(zhuǎn)化制備LA取得了諸多進(jìn)展，獲得LA的得率為40%～80%[9-12]。

瓊脂糖是一種源于水生植物的生物質(zhì)，其具有線性結(jié)構(gòu)，由D-半乳糖和3,6-脫水半乳糖通過(guò)β-1,4和α-1,3糖苷鍵連接交替形成重復(fù)雙糖單位[13]。近年來(lái)，關(guān)于采用瓊脂糖制備5-HMF和LA的報(bào)道不少[13-15]。Kim等[13]采用Dowex樹(shù)脂和CrCl2在DMSO中110 ℃下5 h可轉(zhuǎn)化瓊脂糖制備5-HMF，產(chǎn)物得率約為22%;Yan等[14]以瓊脂糖為原料，采用MgCl2為催化劑，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的硫酸水溶液中200 ℃方可獲得5-HMF的得率約為40%;Oh等[15]以瓊脂糖為原料，采用固體酸Amberlyst 36為催化劑，在DMSO中140 ℃下反應(yīng)180 min，5-HMF的得率約為50%，而當(dāng)采用水為溶劑時(shí)，產(chǎn)物主要是LA，得率約為50%。但上述研究存在一些問(wèn)題，如反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，溫度高等。

因此，本研究以瓊脂糖為原料，篩選較好的催化劑，用于制備與5-HMF和LA，并分析了瓊脂糖在DMSO溶劑體系中的轉(zhuǎn)化情況，考察了反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)的影響，以期探索出一種能夠?qū)傊怯行мD(zhuǎn)化為5-HMF和LA的方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與試劑

瓊脂糖，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氯化銅(CuCl2·2H2O，99%)、氯化鎳(NiCl2·6H2O，98%)、氯化錳(MnCl2·4H2O，99%)、氯化鎂(MgCl2·6H2O，99%)、氯化鐵(FeCl3·6H2O，99%)、氯化鋁(AlCl3·6H2O，99.9%)、氧氯化鋯(ZrOCl2·8H2O，98%)、氯化鋯(ZrCl4，98%)、氯化錫(SnCl4·5H2O，99%)、二甲基亞砜(DMSO)、甘油，均為市售分析純。超純水由陶氏超純水設(shè)備生產(chǎn)，電阻率為1.82×105Ω·m。

1.2 樣品制備

稱取50 mg瓊脂糖和一定量催化劑(加入量為10%，以瓊脂糖中單糖物質(zhì)的量計(jì)，下同)，加入到5 mL 容積的反應(yīng)瓶中，然后向反應(yīng)瓶中加入總體積為1 mL的反應(yīng)溶劑DMSO/H2O和磁子，在密封蓋擰緊后將反應(yīng)瓶放入預(yù)設(shè)反應(yīng)溫度的加熱塊中，磁力攪拌，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。達(dá)到預(yù)設(shè)的反應(yīng)時(shí)間后，將反應(yīng)瓶從加熱塊中立即取出并放入冰水混合物中冷卻。反應(yīng)后的混合物經(jīng)加入一定量甘油作為內(nèi)標(biāo)物并用水稀釋之后直接用高效液相色譜(HPLC)分析測(cè)定5-HMF和LA峰面積，通過(guò)計(jì)算求得率。

1.3 分析方法

1.3.1HPLC分析 HPLC分析采用島津LC-16型HPLC儀，配RID-20示差檢測(cè)器。色譜柱為安捷倫Hi-Plex系列H型色譜柱(300 mm×7.7 mm，8 μm)，前置保護(hù)柱為Hi-Plex系列H型色譜柱(50 mm×7.7 mm，8 μm)；流動(dòng)相為5 mmol/L的硫酸水溶液，流速為0.65 mL/min，單相洗脫；色譜柱和檢測(cè)器溫度分別設(shè)定為65和50 ℃，測(cè)試樣品的進(jìn)樣體積為20 μL。測(cè)試時(shí)間為35 min，其中甘油的保留時(shí)間為14.8 min，LA的保留時(shí)間為17.5 min，5-HMF的保留時(shí)間為32.0 min。

產(chǎn)物得率計(jì)算公式如下：

Y(5-HMF)=n1/n2×100%

(1)

Y(LA)=n3/n2×100%

(2)

式中：Y—產(chǎn)物得率，%；n1—HPLC檢測(cè)到的5-HMF物質(zhì)的量，mol;n2—加入瓊脂糖獲得相應(yīng)產(chǎn)物的理論物質(zhì)的量，mol;n3—HPLC檢測(cè)到的LA物質(zhì)的量，mol。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑篩選

溶劑為DMSO，催化劑用量為10%，反應(yīng)溫度為140 ℃，反應(yīng)時(shí)間為60 min，考察不同催化劑對(duì)5-HMF和LA得率的影響，如圖1所示。由圖可知，外觀上不加催化劑時(shí)，瓊脂糖在DMSO中形成黏稠膠體，無(wú)法進(jìn)行攪拌，當(dāng)采用NiCl2、MnCl2以及MgCl2為催化劑時(shí)，仍然存在上述問(wèn)題，而采用CuCl2、AlCl3、FeCl3、SnCl4和ZrOCl2時(shí)，反應(yīng)混合物溶解且呈均勻狀。

圖1 不同金屬氯化物催化瓊脂糖轉(zhuǎn)化后的樣品圖

由于瓊脂糖在DMSO中會(huì)形成膠體，本研究探討了在DMSO中加入適量水作為共溶劑，以期待能夠消除膠體形成。采用DMSO/H2O體積比為8∶2混合溶劑進(jìn)行初步嘗試，當(dāng)采用NiCl2、MnCl2以及MgCl2為催化劑時(shí)，膠體仍會(huì)出現(xiàn)。然而，水的加入顯著提高了其他幾種催化劑轉(zhuǎn)化瓊脂糖的反應(yīng)性能(見(jiàn)表1)。在DMSO/H2O混合溶劑下，催化劑為ZrOCl2時(shí)，相比DMSO溶劑下的5-HMF得率提高了10.3個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到26.9%。水加入后也不同程度地提高了LA的收率，這是由5-HMF在足夠水存在的條件下發(fā)生水解反應(yīng)所致[9， 16]；LA得率為24.7%，相比在DMSO溶劑中反應(yīng)，其得率提高了14.1個(gè)百分點(diǎn)。由于ZrOCl2對(duì)催化瓊脂糖轉(zhuǎn)化具有良好的催化性能，因此選擇ZrOCl2作為催化劑進(jìn)行后續(xù)研究。

表1 不同溶劑時(shí)催化劑種類對(duì)5-HMF和LA得率的影響

2.2 反應(yīng)條件對(duì)產(chǎn)物得率的影響

表2 DMSO與H2O不同體積比對(duì)5-HMF和LA得率的影響

2.2.1溶劑中含水量 由2.1節(jié)分析可知，加入適量水能夠顯著提高5-HMF和LA的得率。以ZrOCl2為催化劑，140 ℃反應(yīng)60 min，混合溶劑DMSO/H2O總體積為1 mL，探究不同體積比的DMSO/H2O對(duì)瓊脂糖轉(zhuǎn)化的性能的影響，結(jié)果如表2 所示。由表可知，當(dāng)體系中沒(méi)有水時(shí)，5-HMF和LA可以生成，但得率較低，分別為16.6%和10.6%。隨著適量水的加入，5-HMF和LA的得率顯著提高，這是因?yàn)樗募尤肟赡芤种屏谁傊?、半乳糖等發(fā)生一些副反應(yīng)，從而提高5-HMF的收率[17]，并且水的加入也有利于瓊脂糖水解為單體以及3,6-脫水半乳糖水合形成半乳糖[14-15]，水還能參與5-HMF的水解反應(yīng)，提高LA的得率。然而，當(dāng)V(DMSO)/V(H2O)超過(guò)8∶2時(shí)，隨著水在體系中所占比例繼續(xù)增大，產(chǎn)物得率逐漸下降，這是因?yàn)閱翁寝D(zhuǎn)化為5-HMF是一個(gè)脫水反應(yīng)，過(guò)量的水會(huì)在一定程度上抑制5-HMF的形成，而LA是由5-HMF水解產(chǎn)生，5-HMF的減少也會(huì)影響LA的得率。因此，選擇體積比為8∶2的DMSO/H2O混合溶劑為溶劑進(jìn)行后續(xù)考察。

2.2.2催化劑用量 在1 mL體積比為8∶2的DMSO/H2O混合溶劑中，140 ℃下反應(yīng)60 min，ZrOCl2用量對(duì)瓊脂糖轉(zhuǎn)化為5-HMF和LA的影響見(jiàn)圖2。由2.1節(jié)可知，當(dāng)不加入催化劑時(shí)，反應(yīng)物易形成膠體，無(wú)法攪拌和采用HPLC進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)ZrOCl2用量為瓊脂糖中單糖物質(zhì)的量的2.5%時(shí)，5-HMF和LA的得率分別為19.4%和13.6%。隨著催化劑用量的增加，2種產(chǎn)物得率呈先上升后下降的趨勢(shì)，這可能是由于過(guò)量催化劑導(dǎo)致產(chǎn)物發(fā)生更多副反應(yīng)所致。當(dāng)ZrOCl2用量為瓊脂糖中單糖物質(zhì)的量的10%時(shí)，5-HMF和LA的得率最高。因此，選擇10%作為催化劑的優(yōu)選用量。

2.2.3反應(yīng)溫度和時(shí)間 以ZrOCl2作催化劑，加入量10%，采用DMSO/H2O(體積比為8∶2)為溶劑(總體積1 mL)，考察反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物得率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 催化劑用量對(duì)5-HMF和LA得率的影響

圖3 反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)5-HMF和LA得率的影響

由圖3可知，隨著反應(yīng)溫度的提高，5-HMF和LA的生成速率加快，這是由于六碳糖轉(zhuǎn)化為5-HMF以及5-HMF進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)A都是吸熱反應(yīng)[18]。但是，高溫和長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)都可能引起產(chǎn)物發(fā)生更多的降解或聚合等副反應(yīng)，因此，150 ℃時(shí)反應(yīng)30 min之后LA得率逐漸降低。由圖3可知，在140 ℃下反應(yīng)60 min時(shí)，2種產(chǎn)物的總得率可達(dá)到最高，為51.6%，其中5-HMF和LA的得率分別為26.9%和24.7%。

2.3 反應(yīng)途徑與機(jī)理分析

圖4 瓊脂糖轉(zhuǎn)化為5-HMF和LA的反應(yīng)途徑[14-15]

3 結(jié) 論

3.1以瓊脂糖為原料，采用不同催化劑催化轉(zhuǎn)化制備5-HMF和LA，考察了反應(yīng)條件對(duì)產(chǎn)物得率的影響。研究結(jié)果表明：ZrOCl2是實(shí)現(xiàn)瓊脂糖轉(zhuǎn)化的一種優(yōu)選催化劑，50 mg瓊脂糖在1 mL DMSO/H2O(體積比為8∶2)混合溶劑中，ZrOCl2用量為10%(以瓊脂糖中單糖物質(zhì)的量計(jì))，140 ℃下反應(yīng)60 min，瓊脂糖可被有效轉(zhuǎn)化為5-HMF和LA，得率分別為26.9%和24.7%，產(chǎn)物的總得率為51.6%。

3.2瓊脂糖轉(zhuǎn)化為5-HMF和LA的過(guò)程中需經(jīng)歷以下幾步：1) 瓊脂糖首先水解為單糖；2) 醛型單糖在催化劑的作用下異構(gòu)化為酮型單糖；3) 酮型單糖脫水轉(zhuǎn)化為5-HMF；4)5-HMF在酸作用下進(jìn)一步水解為L(zhǎng)A。