5-羥甲基糠醛的分離純化研究進展

方 鑫，李 愈，劉迎新

（浙江工業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院，浙江 杭州 310014）

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，人們對于能源的需求日益增加，傳統(tǒng)的化石能源在滿足人們的日常需求時也會對環(huán)境造成破壞。在過去的幾十年中，人們付出了巨大努力尋找對環(huán)境友好的新能源來代替化石能源。生物質(zhì)能因可再生、清潔、低碳、來源廣泛等特點而備受矚目。由生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化得到眾多高附加值平臺化合物，其中5-羥甲基糠醛（5-HMF）作為一種重要的生物質(zhì)能平臺分子受到廣泛關(guān)注[1-2]。由于醛基、羥基和呋喃環(huán)共存，5-HMF 表現(xiàn)出非常強的反應(yīng)活性。通過加氫、氧化、醚化、酯化和胺化等不同類型的化學(xué)反應(yīng)，可將5-HMF 進一步轉(zhuǎn)化為高附加值的衍生物，如2,5-呋喃二甲酸、2,5-呋喃二甲胺等，在化工、醫(yī)藥和高分子等諸多領(lǐng)域有著重要應(yīng)用[3-5]。

長期以來，人們對于5-HMF 的研究興趣濃厚，其中大部分的工作主要集中在開發(fā)新型催化降解體系[6]。與提高碳水化合物降解制備5-HMF的收率相比，如何實現(xiàn)5-HMF 從反應(yīng)體系中有效分離至今是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。實現(xiàn)5-HMF 的分離純化是后續(xù)實現(xiàn)5-HMF 規(guī)?；a(chǎn)及下游衍生物開發(fā)的必要條件。本文概述了萃取法、蒸餾法、吸附法和結(jié)晶法等5-HMF 分離純化方法的研究進展，并討論了這些方法的優(yōu)缺點。

1 萃取法

萃取法被廣泛用于5-HMF 的分離純化，其機理是基于5-HMF 在兩種不互溶溶劑中的溶解度差異。根據(jù)操作方式不同，萃取法主要分為傳統(tǒng)萃取法和原位萃取法。由于在常壓下操作，無需特殊溶劑，反應(yīng)裝置簡單，目前該方法在工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛。

1.1 傳統(tǒng)萃取法

在水相、有機相或離子液體中完成碳水化合物降解反應(yīng)后，采用萃取法可從復(fù)雜的混合體系中有效分離出5-HMF。選擇合適且高效的萃取劑至關(guān)重要，所選取的溶劑既要保證5-HMF 在體系中的分配系數(shù)高，也要保證溶劑沸點低，盡可能減少蒸發(fā)溶劑所帶來的問題。

Blumenthal 等[7]通過熱力學(xué)模型COSMO-RS從包含8000 種溶劑的數(shù)據(jù)庫中篩選出900 種溶劑。研究發(fā)現(xiàn)，在短鏈烷基化的酚如鄰丙基苯酚、鄰異丙基苯酚與水組成的體系中顯示出最強的5-HMF 提取能力。

DMSO 由于出色的溶解碳水化合物的能力和對副產(chǎn)物形成的抑制作用，被廣泛用作制備5-HMF 的反應(yīng)溶劑[8]。然而，從DMSO 體系中分離5-HMF 仍具有挑戰(zhàn)性，這主要歸因于5-HMF 與DMSO 分子內(nèi)較強的氫鍵以及它們的高沸點。Wang 等[9]基于DMSO 在水和乙醚中的不同溶解度，設(shè)計了一種有效的5-HMF 分離工藝。當反應(yīng)在THF 與DMSO 體系中完成后，通過添加飽和氯化鈉溶液促使體系分相，THF、5-HMF 轉(zhuǎn)移至上層有機相中，DMSO 則保留在下層水相中。研究發(fā)現(xiàn)，體系中添加乙醚可促進水相中5-HMF 快速轉(zhuǎn)移至有機相中。最后，通過較低的溫度蒸餾即可從THF、乙醚中得到5-HMF。

離子液體在碳水化合物降解制備5-HMF 方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。然而，Wang 等[10]發(fā)現(xiàn)1-丁基-3-甲基咪唑鎓鹽離子液體中的陰離子與5-HMF 易形成較強的氫鍵不利于產(chǎn)物的萃取分離。Zhou 等[11]采用添加低級醇與離子液體的陰離子形成競爭來避免離子液體與5-HMF 形成氫鍵。以甲醇或乙醇作為促進劑，采用甲基異丁基酮作為萃取劑將5-HMF 從離子液體中分離出來。結(jié)果表明，添加乙醇組比未添加乙醇組的5-HMF萃取率提高了十倍左右。

通過以上的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)萃取法一定程度上可實現(xiàn)5-HMF 與反應(yīng)體系的分離，但一些溶解性能良好的雜質(zhì)（如胡敏素）也可在萃取劑中分配，難以獲得較高純度的5-HMF。

1.2 原位萃取法

與傳統(tǒng)提取法相比，原位萃取方法通常與雙相系統(tǒng)結(jié)合使用。通過不斷將反應(yīng)形成的5-HMF及時萃取分離，避免了5-HMF 進一步發(fā)生水解或聚合反應(yīng)，顯著提高5-HMF 的選擇性及收率。

2008 年，Román 等[12]創(chuàng)新性地在2-丁醇或二氯甲烷改性的MIBK/H2O 兩相體系中加入適量DMSO 及PVP 用于果糖降解制備5-HMF。與常規(guī)MIBK/H2O 體系相比，5-HMF 的選擇性從73%提高到85%，收率從54.8%提高到75.7%。近期該工作組[13]還發(fā)現(xiàn)兩相體系中添加無機鹽可提高5-HMF 在有機相中的分配系數(shù)，從而避免5-HMF在水相中發(fā)生降解。

基于上述改性兩相體系的啟發(fā)，一系列兩相體系不斷地被開發(fā)用于碳水化合物降解反應(yīng)，并取得了良好的效果，但改性劑的添加也導(dǎo)致反應(yīng)體系變得更為復(fù)雜，體系的回收利用更為困難。因此，簡化兩相體系并進一步提高5-HMF 的原位萃取效率仍有待研究。Yan 等[14]設(shè)計了循環(huán)水相、循環(huán)有機相和萃取裝置反應(yīng)系統(tǒng)，通過實時循環(huán)反應(yīng)相與萃取相，最大程度地提高反應(yīng)的選擇性與5-HMF 收率。從5 wt%的果糖溶液中萃取5-HMF，收率為94%，純度可達98%。

Sayed 等[15]在連續(xù)管道式反應(yīng)器中進行酸催化果糖脫水反應(yīng)。10 wt%的果糖以2 mL/min 的流速在反應(yīng)器中停留1 min，5-HMF 收率達89.1%。較低沸點（90°C）的碳酸二甲酯可通過溫和的方式將其與產(chǎn)物分離，5-HMF 純度可達93%。

2 蒸餾法

由于5-HMF 的熱不穩(wěn)定性及其沸點較高[16-17]，直接采取蒸餾方法提取5-HMF 效益較差。近幾年的研究表明，采用一些輔助步驟或添加一些特殊的助劑，間接蒸餾提取5-HMF 也是可行的方法。

Wei 等[18]在[OMIM]Cl 離子液體的真空蒸餾裝置中添加夾帶劑（如己烷或氮氣），從而促進果糖脫水反應(yīng)及產(chǎn)物5-HMF 的蒸發(fā)。通過該反應(yīng)工藝，果糖脫水制備5-HMF 的收率最高可達93.5%，其純度可達92.9%～95.1%。然而離子液體的高成本及苛刻的高真空度限制了其工業(yè)應(yīng)用。

Gomes 等[19]在果糖雙相體系中添加1 wt%Na2S2O4作為5-HMF 的穩(wěn)定劑，于170 °C 下反應(yīng)2 h，反應(yīng)后使用THF 反復(fù)萃取水相中的5-HMF。將收集的有機相經(jīng)干燥后于真空條件下蒸發(fā)除去溶劑，獲得了收率和純度分別為98%和92%的略帶黃色的粗制5-HMF。而未添加Na2S2O4的體系中5-HMF 收率和純度僅為67%和83%。進一步將粗制的5-HMF 與2 wt% Na2S2O4混合，在真空條件下于120 °C 蒸餾出5-HMF 產(chǎn)物。當蒸餾過程完成時，獲得了幾乎無色的5-HMF，收率為85%，純度進一步提高到99%。而未添加2 wt%Na2S2O4進行蒸餾處理，5-HMF 的收率僅為52%。

相較于萃取法和吸附法，蒸餾法分離5-HMF需要更高的能耗，且在分離過程中5-HMF 易發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致5-HMF 的回收率降低。因此，如何在不降低5-HMF 回收率的情況下節(jié)省能源是需要進一步研究的問題。

3 吸附法

對于熱穩(wěn)定性差的物質(zhì)，吸附法被認為是安全有效的分離手段。通過多孔固體物質(zhì)與混合體系充分接觸，有選擇地將所需物質(zhì)附著于固體表面，通過一定時間的處理使其擴散至空隙中間，從而達到飽和狀態(tài)。因此，選擇比表面積與材質(zhì)特性良好的吸附劑，是從復(fù)雜的果糖脫水反應(yīng)液成分中高選擇性分離5-HMF 的關(guān)鍵。1992 年，Vinke 等[20]首次報道了活性炭材料實現(xiàn)5-HMF 與反應(yīng)體系的分離，這為后來人們利用吸附法分離5-HMF 提供了重要的啟示。近幾年，一些具有高比表面積、高選擇性等優(yōu)良特性的疏水性吸附劑得到廣泛研究。

Zhang 等[21]以納米二氧化硅為硬模板，將1,3,5-苯乙炔和1,4-二碘苯通過Sonogashira 偶聯(lián)反應(yīng)包覆在納米二氧化硅表面，再通過氫氟酸刻蝕得到一種中孔結(jié)構(gòu)（464±15 nm）的多孔芳族聚合物（H-PAP）吸附劑，其材料良好的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)對5-HMF 的吸附分離表現(xiàn)出優(yōu)異的效果。實驗中，較大內(nèi)腔直徑的H-PAP 對5-HMF 表現(xiàn)出較高的選擇性吸附能力（吸附量：0.62±0.11 mg/mg）。當采用乙醇解吸8 h 后，尚未檢測出果糖、甲酸及乙酰丙酸等物質(zhì)。由于反應(yīng)過程中生成了聚合物胡敏素，導(dǎo)致5-HMF 最終純度為94.4%。

盡管吸附法分離碳水化合物降解體系中的5-HMF 往往可取得較好的結(jié)果，但由于吸附劑制備繁冗、吸附劑易被堵塞、吸附解吸時間長且消耗大量溶劑等導(dǎo)致該方法的實際應(yīng)用具有一定的局限性。

4 結(jié)晶法

利用混合物的各組分在同一溶劑中溶解度差異可達到分離提純的目的，然而5-HMF 的熔點較低（31.5 ℃），直接采用降溫結(jié)晶方式需要輸入大量能量。針對上述問題，陸貽超等[22]在低溫下利用5-HMF 與亞硫酸氫鈉反應(yīng)生成5-羥甲基呋喃-2-(α-羥基甲基磺酸)鹽沉淀，其在稀堿的作用下可重新形成5-HMF，經(jīng)溶劑提取分離后可得到純度為99.9 wt%以上的5-HMF。

5 總結(jié)

5-HMF 廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥和高分子等諸多領(lǐng)域。本文概述了萃取法、蒸餾法、吸附法和結(jié)晶法等5-HMF 分離純化方法的研究進展。

（1）蒸餾法通?？傻玫郊兌容^高的5-HMF，但對熱不穩(wěn)定的5-HMF 往往會產(chǎn)生進一步降解，從而導(dǎo)致其收率降低。

（2）吸附法對于吸附劑的選用要求較高，不僅要有良好的吸附性能，還要有穩(wěn)定的重復(fù)使用性。目前吸附法存在吸附周期長、吸附劑易被堵塞等缺點，限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。此外，在解吸過程中需要耗費大量溶劑，其工藝耗時耗能。

（3）結(jié)晶法通常需將5-HMF 轉(zhuǎn)化為中間體，從而與反應(yīng)體系達到分離的目的，但仍采用較低的溫度來促進結(jié)晶。

（4）傳統(tǒng)萃取法難以實現(xiàn)5-HMF 與易溶性胡敏素的分離，而原位萃取法通過降低底物濃度來提高5-HMF 的選擇性，從而提高了萃取劑中5-HMF 的純度，但較低的底物濃度不利于5-HMF 的規(guī)模化生產(chǎn)。

適當提高底物濃度對于原位萃取法分離5-HMF 具有一定的研究意義。與其他方法相比，原位萃取法操作簡單、原子利用率高、工藝成本較低，符合綠色化學(xué)發(fā)展原則。