果糖非催化脫水過程中含鹵試劑的促進作用

馬 浩，鄺棟鈴，陳利利，蔡 滔，滕俊江，李 凝

(1.廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

果糖是制備5-羥甲基糠醛(HMF)活性最高的原料，在質(zhì)子酸(H+)催化作用下即可高效脫水形成HMF[1-2]。然而，傳統(tǒng)質(zhì)子酸催化劑具有較強的腐蝕性，且重復(fù)使用困難，而固體酸催化劑則存在制備過程復(fù)雜，易失活等缺點，不利于HMF的工業(yè)化生產(chǎn)[3-5]。因此，構(gòu)建高效無質(zhì)子酸催化劑的非催化體系具有一定的競爭優(yōu)勢。

無酸催化劑存在時，果糖在較高的反應(yīng)溫度條件下，同樣可以脫水形成HMF[6]。例如，Cao Q等[7]研究了果糖在離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([C4mim]Cl)、1-己基-3-甲基咪唑氯鹽([C6mim]Cl)以及1-辛基-3-甲基咪唑氯鹽([C8mim]Cl)中非催化脫水形成HMF的性能，結(jié)果表明，[C4mim]Cl為反應(yīng)體系時，有利于果糖的脫水反應(yīng)，在140 ℃條件下反應(yīng)50 min，HMF產(chǎn)率達到60.4%；Li Y等[8]研究了1-丁基-3-甲基咪唑溴鹽([C4mim]Br)在無催化劑作用下對果糖脫水反應(yīng)的促進作用，在優(yōu)化的溫度條件下，HMF產(chǎn)率達95%，并通過原位FT-IR和DFT分析發(fā)現(xiàn)，果糖分子與[C4mim]Br之間的氫鍵作用是該體系中果糖高效脫水形成HMF的關(guān)鍵，控速步驟的最大能壘為173.0 kJ·mol-1[9]；Shi J等[10]研究發(fā)現(xiàn)，1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽([Amim]Cl)同樣可以促進果糖非催化脫水形成HMF，產(chǎn)率達84.9%。

作者前期的研究發(fā)現(xiàn)，含有氯基(-Cl)的功能化離子液體1-氯乙基-3-甲基咪唑氯鹽([C2Clmim]Cl)可以高效促進果糖非催化脫水反應(yīng)，HMF分離產(chǎn)率約90%[11]。作者課題組又系統(tǒng)對比了果糖在4種非酸性離子液體[C4mim]Cl、[Amim]Cl、1-羥乙基-3-甲基咪唑氯鹽([C2OHmim]Cl)、[C2Clmim]Cl中非催化脫水形成HMF的性能，發(fā)現(xiàn)[Amim]Cl、[C2OHmim]Cl以及[C2Clmim]Cl均有利于HMF的生成，尤其是含有-Cl的[C2Clmim]Cl，在較低的溫度下幾乎可以實現(xiàn)HMF的定量轉(zhuǎn)化，表明-Cl功能基有利于促進果糖脫水反應(yīng)形成HMF[12]。鑒于-Cl對果糖非催化脫水的促進作用，課題組繼續(xù)研究了2-氯乙醇在[C4mim]Cl中對果糖非催化脫水的性能[13]，結(jié)果表明，HMF選擇性大于95%，且動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在2-氯乙醇的促進作用下，果糖脫水轉(zhuǎn)化的活化能為48.3 kJ·mol-1，進一步證實了-Cl的促進作用。

為了深入理解鹵基(-X)試劑對果糖非催化脫水的促進作用，本文研究系列鹵代烷烴和芳基鹵化物對果糖在異丙醇(i-PrOH)溶劑體系中非催化脫水形成HMF的規(guī)律，并對過程影響因素、穩(wěn)定性、底物實用性進行系統(tǒng)考察。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

高效液相色譜儀，HPLC，Agilent1200，安捷倫科技有限公司，配有示差和紫外檢測器；LCQ DECA XP液-質(zhì)聯(lián)用儀，ESI-MS，美國Thermo公司。

鹵代烷烴、芳基鹵化物、甲醇(色譜純)，百靈威科技有限公司；果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、菊粉、異丙醇，廣東光華科技股份有限公司，所有試劑均未進一步純化。

1.2 果糖脫水反應(yīng)及產(chǎn)物分析方法

向25 mL的水熱反應(yīng)釜中加入10 mL的i-PrOH、15 mmol鹵代試劑和1.80 g(10 mmol)果糖，密閉反應(yīng)釜。磁力攪拌(400 rpm)，在設(shè)定溫度下反應(yīng)一定時間后，冰水浴快速冷卻至室溫。利用80%的乙醇溶液進行定容至100 mL，并通過HPLC對果糖轉(zhuǎn)化率、HMF產(chǎn)率進行定量分析[12]，通過反應(yīng)前后果糖的摩爾數(shù)量計算果糖轉(zhuǎn)化率、HMF產(chǎn)率、HMF選擇性以及HMF生成量。

1.3 果糖脫水中間產(chǎn)物分析

向25 mL的水熱反應(yīng)釜中加入10 mL的i-PrOH、15 mmol的1，2-二氯乙烷(DCE)和1.80 g(10 mmol)果糖，密閉反應(yīng)釜。磁力攪拌(轉(zhuǎn)速為400 rpm)，在設(shè)定溫度下反應(yīng)一定時間后，冰水浴快速冷卻至室溫，通過減壓蒸餾(旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀)回收DCE-i-PrOH。獲得的粘稠狀殘余物用去離子水定容后，以負離子模式(ESI-MS)進行定性分析。

回收的DCE-i-PrOH經(jīng)過無水氯化鈣(CaCl2)干燥后即可進行重復(fù)使用。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹵代烷烴促進果糖脫水

鑒于前期的研究發(fā)現(xiàn)，氯功能化離子液體([C2Clmim]Cl)以及氯乙醇對果糖脫水反應(yīng)具有較好的促進作用[12-13]，首先研究系列鹵代烷烴在異丙醇(i-PrOH)溶劑體系中對果糖脫水反應(yīng)的促進作用，結(jié)果如表1所示。

表1 鹵代烷烴的促進作用[a]Table 1 Promotion effect of halogenated alkanes

從表1可以看出，在沒有促進劑作用下，果糖在i-PrOH溶劑中非催化脫水形成HMF的能力較弱，在120 ℃條件下反應(yīng)2 h，只有15.0%的果糖參與反應(yīng)，且轉(zhuǎn)化為HMF的選擇性極低，只有1.3%(序號1)。當DCE加入到反應(yīng)體系中，果糖的脫水轉(zhuǎn)化效率明顯提高，在相同反應(yīng)條件下，果糖轉(zhuǎn)化率達97.7%，HMF產(chǎn)率達到61.1%，表明DCE對果糖的脫水轉(zhuǎn)化具有較大的促進作用(序號2)。繼續(xù)研究1，3-二氯丙烷、1，4-二氯丁烷、1，5-二氯戊烷和1，6-二氯己烷對果糖在i-PrOH中脫水性能的促進作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該類氯代烷烴均可以高效促進果糖的脫水反應(yīng)，且促進效率明顯優(yōu)于DCE，可實現(xiàn)果糖的完全轉(zhuǎn)化，HMF產(chǎn)率在80%以上(序號3～6)，表明-Cl之間適當?shù)目臻g(烷基鏈長度)有利于果糖的脫水反應(yīng)[14]。然而，當以1，2-二氯丙烷為促進劑時，發(fā)現(xiàn)其不具備促進果糖脫水轉(zhuǎn)化為HMF的能力(序號7)，可能是由于甲基(-CH3)的空間位阻影響1號碳上的-Cl和2號碳上的-Cl對果糖脫水的協(xié)同促進作用，同時也影響1，2-二氯丙烷分子間-Cl的協(xié)同作用。

為了進一步研究空間位阻的影響，對比了2-氯丁烷和1-氯丁烷對果糖脫水反應(yīng)的影響(序號8～10)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有較大空間位阻的2-氯丁烷對果糖脫水反應(yīng)的促進作用明顯優(yōu)于1-氯丁烷，可能是由于2-氯丁烷分子間的-Cl基之間的協(xié)同效應(yīng)優(yōu)于1-氯丁烷體系，表明在氯代烷烴促進的反應(yīng)體系中，-Cl基之間的距離(空間效應(yīng))對其促進作用具有明顯影響，適當?shù)木嚯x是獲得較高協(xié)同效率的關(guān)鍵[14]。此外，通過對比發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)體系中-Cl基的量不是影響其促進果糖脫水的關(guān)鍵因素，進一步證明-Cl基之間協(xié)同促進作用的重要性[15]。

研究其他鹵代烷烴對果糖脫水反應(yīng)的影響發(fā)現(xiàn)，-Br基也可以有效促進果糖脫水形成HMF，而-I基促進作用較弱，這主要是由于-Cl和-Br為強氫鍵受體，可以與果糖的羥基(-OH)形成氫鍵，加強果糖分子與促進劑的相互作用，降低活化能，從而起到加速果糖非催化脫水形成HMF的反應(yīng)過程[16]。

2.2 芳基鹵化物促進果糖脫水

研究芳基鹵化物對果糖脫水反應(yīng)的促進性能，結(jié)果如表2所示。

表2 芳基鹵化物的促進作用Table 2 Promotion effect of aryl halides

從表2可以看出，單取代芳基鹵化物對果糖脫水反應(yīng)的促進性能較弱，尤其是氟苯為促進劑時，不具備果糖脫水的促進能力(序號1～4)。通過對比氟苯、氯苯、溴苯和碘苯分子中鹵原子的電子云密度，并與鹵代烷烴比較(表1)，可以推斷鹵代試劑中，鹵基(-X)對果糖脫水反應(yīng)的促進作用與其電子云密度有關(guān)，過低或過高均不利于果糖脫水反應(yīng)的進行。隨后通過在芳基鹵化物對位引入供電子(-OCH3)和吸電子基(-NO2)進一步證實上述假設(shè)(對照實驗)。例如，在氟苯的對位引入-NO2，通過誘導(dǎo)效應(yīng)(拉電子效應(yīng))降低-F的電子云密度，而其促進果糖的脫水性能明顯下降，果糖轉(zhuǎn)化率僅6.3%(序號5)；在氟苯的對位引入-OCH3，增加了-F的電子云密度，果糖的脫水性能明顯改善，果糖轉(zhuǎn)化率增加到28.9%(序號6)。在氯苯對位引入供電子(-OCH3)和吸電子基(-NO2)時，對果糖脫水反應(yīng)的促進規(guī)律與氟苯相同(序號7～8)，然而卻低于相應(yīng)的氯代烷烴，主要是由于苯環(huán)與鹵基(-X)的p-π共軛效應(yīng)，導(dǎo)致芳基鹵化物中-X電子云密度低于相應(yīng)的鹵代烷烴[17]。

當以原子半徑和電子云密度較大的溴苯和碘苯為促進劑時，對位引入供電子(-OCH3)和吸電子基(-NO2)對其促進性能影響規(guī)律與氟苯和氯苯明顯不同。例如，溴苯對位引入-NO2時，其促進性能較弱，而引入-OCH3時，促進性能仍沒得到改善，主要是由于-OCH3為強供電子基團，對溴基(-Br)電子云密度調(diào)控并未達到最佳范圍。當在碘苯的對位引入強拉電子基團-NO2時，其促進效應(yīng)有極大提升，以對硝基碘苯為促進劑時，果糖完全轉(zhuǎn)化，HMF產(chǎn)率達71.6%，優(yōu)于溴苯(表2，序號3)和對應(yīng)的溴代烷烴(表1，序號14～16)，與氯代烷烴相當(表1，序號9)。當供電基團-OCH3存在時，幾乎不具備促進果糖脫水轉(zhuǎn)化能力(表2，序號12)。

對比表1和表2的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以鹵化物(鹵代烷烴和芳基鹵化物)為促進劑時，鹵原子的電子云密度對其促進果糖脫水效率產(chǎn)生決定性影響，合適的電子云密度是其高效促進果糖脫水的關(guān)鍵所在。

2.3 過程影響因素及反應(yīng)機理

基于含氯試劑對果糖脫水性能的影響，以價格低廉、沸點適中的DCE為促進劑，研究過程參數(shù)對促進劑性能的影響規(guī)律，結(jié)果如圖1所示。

圖1 DCE用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對果糖脫水的影響Figure 1 Influence of DCE dosage，reaction temperature and reaction time on dehydration of fructose實驗條件：10 mmol果糖，15 mmol的DCE，10 mL的i-PrOH，120 ℃反應(yīng)2 h

由圖1可以看出，DCE的存在可以有效促進果糖脫水反應(yīng)的進行，果糖轉(zhuǎn)化率大于97%，HMF產(chǎn)率隨DCE用量的增加先升后降，當DCE用量為30 mmol時，HMF產(chǎn)率從39.2%增加到66.5%，進一步增加DCE用量，HMF產(chǎn)率下降，表明DCE用量的增加在有利于果糖脫水形成HMF的同時，也會促進HMF副反應(yīng)的發(fā)生，生成胡敏素等腐殖質(zhì)[11-13，18-20]。因此，為了獲得較高的HMF產(chǎn)率，控制DCE用量為(15～30) mmol。

從圖1還可以看出，較高的反應(yīng)溫度有利于DCE促進果糖向HMF的轉(zhuǎn)化，且在140 ℃條件下，HMF產(chǎn)率達到最大值81.1%。反應(yīng)時間的延長同樣有利于果糖向HMF的轉(zhuǎn)化，在HMF產(chǎn)率達到最大值(72.2%)后同樣呈現(xiàn)下降趨勢[11-13，18-20]。因此，合適的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間也是獲得較高HMF產(chǎn)率的重要影響因素。

圖2為反應(yīng)混合物的HPLC圖，對照實驗HPLC分析結(jié)果如表3所示。

圖2 反應(yīng)混合物的HPLC圖Figure 2 HPLC analysis of reaction mixture反應(yīng)條件：a.10 mmol果糖，10 mL的i-PrOH，90 ℃反應(yīng)2 h；[b].10 mmol果糖，15 mmol的DCE，10 mL的i-PrOH，90 ℃反應(yīng)2 h；[c].10 mmol果糖，15 mmol的DCE，10 mL的i-PrOH，90 ℃反應(yīng)2 h后冰水浴冷卻至室溫，然后在120 ℃繼續(xù)反應(yīng)2 h

表3 對照實驗HPLC分析結(jié)果Table 3 HPLC results from controlled experiments

從圖2和表3可以看出，沒有DCE存在時，溫和的反應(yīng)條件下(90 ℃反應(yīng)2 h)，果糖可以在反應(yīng)體系中穩(wěn)定存在(表3，序號1)。然而，當加入DCE時，在相同條件下，果糖轉(zhuǎn)化率達到75.8%，未知物產(chǎn)率達到67.5%。當反應(yīng)體系在120 ℃條件下繼續(xù)反應(yīng)2 h后，果糖轉(zhuǎn)化率升高到98.2%，增加幅度為22.4%，未知物產(chǎn)率下降到31.9%，降低幅度為35.6%，而HMF產(chǎn)率由8.3%增加到66.3%，增加幅度為58%，遠高于果糖轉(zhuǎn)化率的升高幅度，表明在該反應(yīng)過程中，有大量未知物轉(zhuǎn)化為HMF，DCE促進的果糖脫水過程初期形成的未知物為該反應(yīng)過程的中間體(圖2b，2c)。

通過ESI-MS對反應(yīng)產(chǎn)物中間體進行分析(見圖3)，發(fā)現(xiàn)該系列中間體為脫水低聚糖[23]，結(jié)果如表4所示。

圖3 反應(yīng)混合物的電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)Figure 3 ESI-MS spectrum of reaction mixture

表4 ESI-MS結(jié)果Table 4 ESI-MS results

續(xù)表

基于上述研究結(jié)果，對DCE促進的果糖脫水形成HMF機理進行闡釋(圖4)。即果糖在DCE促進作用下，首先脫一分子水形成脫水單糖，而該脫水單糖不穩(wěn)定，極易聚合形成系列脫水糖低聚物(動力學(xué)有利)。而脫水單糖在較高的反應(yīng)溫度下同樣可以進一步脫除兩分子水形成最終產(chǎn)物HMF(熱力學(xué)有利)，從而呈現(xiàn)出隨著反應(yīng)溫度升高，HMF產(chǎn)率逐漸升高的趨勢(圖1)。

圖4 DCE促進的果糖脫水機理示意圖Figure 4 Proposed fructose dehydration mechanism promoted by DCE

2.4 實用性能評價

反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)體系中直接加入AgNO3溶液，并無渾濁現(xiàn)象出現(xiàn)，表明DCE在反應(yīng)體系中沒發(fā)生水解反應(yīng)；通過GC-MS對反應(yīng)后混合物進行分析，同樣沒有發(fā)現(xiàn)DCE水解產(chǎn)物，均證明DCE在反應(yīng)過程中的穩(wěn)定性，說明鹵代試劑可以作為果糖脫水形成HMF穩(wěn)定的促進劑?？疾煸擉w系的循環(huán)使用性能，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，該體系具有較高的重復(fù)使用性能，在循環(huán)使用8次后，HMF產(chǎn)率約60%，表明DCE促進果糖脫水形成HMF的體系具有較好的實用性。

圖5 DCE促進的果糖脫水體系的循環(huán)使用性能Figure 5 Recycling performance of fructose dehydration promoted by DCE10 mmol果糖，15 mmol的DCE，10 mL的i-PrOH，120 ℃反應(yīng)2 h

果糖成本較高，以果糖為原料制備HMF在成本上不具有優(yōu)勢[24]。研究DCE—i-PrOH體系對其他糖類化合物脫水性能的促進作用，結(jié)果如表5所示。分析表5數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DCE可以有效促進含有果糖結(jié)構(gòu)單元的原料(蔗糖)進行脫水形成HMF，而對果糖的同分異構(gòu)體葡萄糖的促進作用較弱[25]，說明DCE可以作為含有果糖結(jié)構(gòu)單元的原料制備HMF的促進劑，且以重要的果聚糖菊粉為原料時，HMF產(chǎn)率可以達到60%以上。

表5 底物拓展Table 5 Substrate scope

3 結(jié) 論

(1) 含有強氫鍵受體的氯代烷烴和溴代烷烴可以有效促進果糖非催化脫水形成HMF，且促進性能與其電子云密度有關(guān)，適合的電子云密度是其高效促進果糖脫水形成HMF的關(guān)鍵。通過芳基和硝基對碘基(-I)的電子云密度進行調(diào)控，同樣可以提升碘化物對果糖脫水性能的促進作用。

(2) 在1，3-二氯丙烷的促進作用下，果糖非催化脫水形成HMF的產(chǎn)率可達85.2%。在氯代烷烴促進果糖脫水過程中，果糖脫一分子水后，快速聚合形成脫水低聚糖，促進劑用量的增加、反應(yīng)溫度的升高和反應(yīng)時間的延長均有利于脫水低聚糖向HMF轉(zhuǎn)化。

(3) 含鹵試劑良好的穩(wěn)定性和底物普適性有利于促進生物質(zhì)化工的快速發(fā)展。

(4) 為了深入理解鹵原子的促進作用，可以通過計算機模擬手段對不同鹵原子外層電子云密度進行計算，從而找出最適宜的電子云密度，為含鹵促進劑或者催化劑的設(shè)計提供參考。