半乳糖二酸催化脫水環(huán)合制備2，5-呋喃二甲酸工藝及動(dòng)力學(xué)

徐海峰，鄭麗萍，王洪營(yíng)，呂喜蕾，陳旭杰，徐玲，李彥辰，蔣雨希，呂秀陽(yáng)

（1 生物質(zhì)化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（浙江大學(xué)），浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江杭州310027；2浙江恒逸石化有限公司研發(fā)中心，浙江杭州311209）

引 言

隨著石化資源日益枯竭，可再生的生物質(zhì)作為化學(xué)工業(yè)替代原料備受關(guān)注[1-2]。生物質(zhì)基的2,5-呋喃二甲酸（2,5-FDCA）由于與石油基的對(duì)苯二甲酸結(jié)構(gòu)相似，在聚合物領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛[3-5]，2004年被美國(guó)能源部列為12 種生物質(zhì)基平臺(tái)化合物之一。目前，2,5-FDCA 制備的主流路線是從葡萄糖/果糖出發(fā)，先脫水環(huán)合生成5-羥甲基糠醛（5-HMF），再氧化制得[6-7]。由于5-HMF 反應(yīng)活性高、穩(wěn)定性差、分離困難、成本高，嚴(yán)重制約了該路線的工業(yè)化進(jìn)程。

2,5-FDCA也可以從己糖出發(fā)，先氧化得到己糖二酸，再脫水環(huán)合制備，其中己糖二酸包括葡萄糖二酸、半乳糖二酸（粘酸）、甘露糖二酸等。該路線的優(yōu)點(diǎn)包括：工藝路線短；原料可以是己糖混合物水溶液、要求低；中間產(chǎn)物己糖二酸非常穩(wěn)定、分離容易。目前己糖二酸的制備不論在化學(xué)法[8-9]還是生物法[10-11]上都已經(jīng)取得了突破，從而使得該路線的應(yīng)用價(jià)值得到了顯現(xiàn)，但己糖二酸脫水環(huán)合仍停留在小試研究。Bratulescu[12-13]以葡萄糖二酸為原料，微波輔助脫水環(huán)合反應(yīng)，若以正丁醇為溶劑、濃硫酸為催化劑，2,5-FDCA 的雙丁醇酯收率可達(dá)43%，在無(wú)溶劑下以苯磺酸為催化劑，2,5-FDCA 的收率最高達(dá)58%；Lewkowski 等[14]采用半乳糖二酸為原料，對(duì)甲苯磺酸作催化劑，140℃無(wú)溶劑反應(yīng)，2,5-FDCA 最高收率為52%；Taguchi 等[15]以半乳糖二酸為原料，正丁醇作溶劑，硫酸作催化劑，2,5-FDCA雙丁醇酯的收率最高達(dá)64%；Zhao 等[16]用甲磺酸同時(shí)作催化劑和溶劑催化半乳糖二酸脫水環(huán)合制備2,5-FDCA，最大收率為41%；Guo 等[17]在50%(質(zhì)量)環(huán)丁砜/ 31%(質(zhì)量)氫溴酸/ 19%(質(zhì)量)水的體系中100℃催化葡萄糖二酸單鉀鹽反應(yīng)24 h，2,5-FDCA 最高收率達(dá)79.8%。針對(duì)己糖二酸脫水環(huán)合制備2,5-FDCA 存在產(chǎn)物收率偏低、數(shù)據(jù)可重現(xiàn)性差、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)缺乏等問(wèn)題，本文以半乳糖二酸為起始原料，在副產(chǎn)物定性的基礎(chǔ)上開(kāi)展半乳糖二酸催化脫水環(huán)合制備2,5-呋喃二甲酸工藝及動(dòng)力學(xué)研究，以期推動(dòng)己糖二酸路線制備2,5-FDCA工業(yè)化進(jìn)程。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和裝置

試劑：半乳糖二酸（98%）、環(huán)丁砜（98%）、二苯砜（97%）、二甲基砜(99%)、氫溴酸(48%)、氫碘酸(55%～58%)、NMP(98%)、糠酸(98%)購(gòu)自阿拉??；鹽酸(36%～38%)、硫酸(98%)、二氧六環(huán)(AR)、四氫呋喃(AR)、DMSO(AR)、DMF(AR)購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)；對(duì)甲苯磺酸(AR)購(gòu)自Innochem；甲磺酸(99%)、三氟甲磺酸(98%)、三氟乙酸(99%)購(gòu)自麥克林。

裝置：14.5 ml 微型高壓反應(yīng)釜和鋁體加熱爐由大連科茂實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司制造，釜的材料為316L不銹鋼，最高使用壓力為20 MPa，最高工作溫度為300℃，鋁體加熱爐控溫精度±1℃。油浴鍋（DF-101S）購(gòu)自河南予華儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與過(guò)程

催化劑和溶劑篩選、初始濃度影響采用14.5 ml 的316 L 不銹鋼微型高壓反應(yīng)釜，用鋁體加熱爐加熱，每組反應(yīng)做三組平行樣，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，誤差是三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：向反應(yīng)釜中加入一定量的半乳糖二酸、催化劑、溶劑，密封后置于預(yù)先升溫至設(shè)定溫度的加熱爐中反應(yīng)，一定時(shí)間后取出，用冷水冷卻至室溫，將樣品用水定容到25 ml 容量瓶中，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)0.45 μm 微孔有機(jī)濾膜過(guò)濾后，用HPLC 進(jìn)行定量分析。

工藝和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)采用250 ml 的三口燒瓶（分別用于測(cè)溫、取樣、氣球密封），用油浴鍋加熱。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：在三口燒瓶中加入一定體積、一定質(zhì)量濃度的硫酸/環(huán)丁砜溶液，采用磁子攪拌，轉(zhuǎn)速設(shè)定為500 r/min，加熱到設(shè)定溫度后再加入一定量的半乳糖二酸/2,5-FDCA，定時(shí)取樣分析（取1 ml 反應(yīng)液至25 ml 容量瓶，用水定容，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)0.45 μm微孔有機(jī)濾膜過(guò)濾后，用HPLC 進(jìn)行定量分析）。圖1 為130℃、10%(質(zhì)量)硫酸/環(huán)丁砜下數(shù)據(jù)重復(fù)性結(jié)果，可見(jiàn)數(shù)據(jù)具有良好的可重復(fù)性。

圖1 數(shù)據(jù)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)（130℃,10%(質(zhì)量)H2SO4）Fig.1 Results of repeated experiments(130℃,10%(mass)H2SO4)

1.3 分析方法

HPLC分析中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有兩個(gè)較大的副產(chǎn)物峰，其中一個(gè)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)品確定為糠酸，另一個(gè)副產(chǎn)物先通過(guò)制備色譜分離得到樣品，質(zhì)譜（ESI-）測(cè)得分子量為156，經(jīng)核磁的碳譜和氫譜推測(cè)出三個(gè)可能的結(jié)構(gòu)，再通過(guò)比較紫外光譜的實(shí)測(cè)值和激發(fā)態(tài)計(jì)算值推測(cè)為4-羥基-6-羧基-2-吡喃酮（HOPC）。HOPC 的核磁數(shù)據(jù)如下：1H NMR (600 MHz, D2O)，δ=6.80～6.85 (s, 1H)、7.00～7.05 (s, 1H)；13C NMR (600 MHz, D2O)，δ=114.1，119.5，147.3，148.7，164.9，169.0。

反應(yīng)產(chǎn)物用HPLC（Agilent 1260，UV 檢測(cè)器）定量，外標(biāo)法。色譜條件為：Agilent Hi-Plex H 300×7.7 mm；流動(dòng)相為5 mmol/L 的硫酸水溶液；流速為0.6 ml/min；柱溫為65℃；進(jìn)樣量為20 μl，半乳糖二酸和HOPC 的檢測(cè)波長(zhǎng)為210 nm，而2,5-FDCA和糠酸的檢測(cè)波長(zhǎng)為265 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑篩選

圖2 為130℃、環(huán)丁砜為溶劑、24 h 下不同催化劑對(duì)反應(yīng)的影響，催化劑質(zhì)量濃度均為10%(質(zhì)量)。在這些常見(jiàn)的液體酸中硫酸的催化效果最好，其次是三氟甲磺酸，接著是對(duì)甲苯磺酸、甲磺酸，它們的共同特征是含有磺酸基團(tuán)。其他不含磺酸基團(tuán)的催化劑2,5-FDCA 收率都小于2%，特別是氫鹵酸幾乎得不到任何目標(biāo)產(chǎn)物。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是以三氟乙酸和磷酸作為催化劑，糠酸的收率約10%，選擇性達(dá)25%。

圖2 不同催化劑對(duì)反應(yīng)的影響（130℃,環(huán)丁砜,24 h）Fig.2 Effect of different catalysts on reaction(130℃,sulfone,24 h)

圖3 不同溶劑對(duì)反應(yīng)的影響（130℃,10%(質(zhì)量)H2SO4,24 h）Fig.3 Effect of different solvents on reaction(130℃,10%(mass)H2SO4,24 h)

2.2 溶劑篩選

2.3 初始濃度的影響

圖4 初始濃度對(duì)反應(yīng)的影響（130℃,10%(質(zhì)量)H2SO4,24 h）Fig.4 Effect of initial concentration on reaction(130℃,10%(mass)H2SO4,24 h)

為了研究本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，測(cè)定了130℃、10%(質(zhì)量)H2SO4、24 h 下初始濃度對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖4 所示，從圖可見(jiàn)隨著初始濃度的增加2,5-FDCA 的收率呈現(xiàn)一個(gè)略微下降的趨勢(shì)，綜合考慮定量分析，下面研究半乳糖二酸的初始濃度采用6 mg/ml。

2.4 硫酸濃度和反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響

圖5為130℃下、不同硫酸濃度對(duì)半乳糖二酸轉(zhuǎn)化率和三種反應(yīng)產(chǎn)物收率隨時(shí)間變化的影響，從圖可見(jiàn)硫酸濃度對(duì)反應(yīng)的影響很大。圖5(a)為半乳糖二酸轉(zhuǎn)化率在不同硫酸濃度下隨時(shí)間的變化，隨著硫酸濃度的增大，反應(yīng)速率加快，硫酸濃度分別為10%(質(zhì)量)、15%(質(zhì)量)、20%(質(zhì)量)時(shí)，轉(zhuǎn)化率大于95%所需的時(shí)間分別約為24、10、6 h；當(dāng)硫酸濃度為5%(質(zhì)量)時(shí)，24 h 后半乳糖二酸轉(zhuǎn)化率僅達(dá)到74.1%。圖5(b)為2,5-FDCA 收率在不同硫酸濃度下隨時(shí)間的變化，可以看出在15%(質(zhì)量)硫酸濃度的條件下，2,5-FDCA 收率在10～18 h 的時(shí)間段內(nèi)均大于48%；當(dāng)硫酸濃度為20%(質(zhì)量)時(shí)，2,5-FDCA的收率在12 h時(shí)達(dá)到最高，為45.9%；5%(質(zhì)量)和10%(質(zhì)量)的硫酸濃度下，收率均未達(dá)到極值，反應(yīng)24 h 的收率分別為41.1%（此時(shí)選擇性較高為55.4%）和47.2%。圖5(c)、(d)分別為糠酸和HOPC 收率在不同硫酸濃度下隨時(shí)間的變化，可以看出兩者在反應(yīng)條件下均不穩(wěn)定，容易降解，最高收率分別為2.6%和6.7%。綜合考慮反應(yīng)速率和收率，后面的研究采用15%(質(zhì)量)的硫酸作為催化劑。

圖5 不同硫酸濃度下半乳糖二酸轉(zhuǎn)化率和2,5-FDCA、糠酸、HOPC收率隨時(shí)間的變化（130℃）Fig.5 Conversion of galactaric acid and yield of 2,5-FDCA,2-furoic acid,HOPC as a function of time under different concentration of sulfuric acid(130℃)

圖6為15%(質(zhì)量)硫酸催化下，不同溫度對(duì)半乳糖二酸轉(zhuǎn)化率和三種反應(yīng)產(chǎn)物收率隨時(shí)間變化的影響，從圖同樣可見(jiàn)反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)影響很大。圖6(a)為半乳糖二酸轉(zhuǎn)化率在不同溫度下隨時(shí)間的變化，隨著溫度的升高，反應(yīng)速率加快，溫度分別為120、130、140℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率大于95%所需的時(shí)間分別約為24、12、4 h；當(dāng)溫度為110℃時(shí)，48 h后半乳糖二酸轉(zhuǎn)化率為90.1%。圖6(b)為2,5-FDCA收率在不同溫度下隨時(shí)間的變化，110℃時(shí)，反應(yīng)速率較慢，2,5-FDCA 在48 h 時(shí)收率為50.2%；120℃時(shí)，2,5-FDCA 在22 h 時(shí)達(dá)到最大收率49.1%；130℃時(shí)，2,5-FDCA 在16 h 時(shí)達(dá)到最大收率49.1%；140℃，2,5-FDCA 在4 h 時(shí)達(dá)到最大收率45.2%。圖6(c)、(d)分別為糠酸和HOPC 收率在不同溫度下隨時(shí)間的變化曲線，可以看出兩者均不穩(wěn)定，降解嚴(yán)重，最高收率分別為1.2%和6.2%。110℃時(shí)2,5-FDCA 降解速率較低，可以得到較大收率，但反應(yīng)所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；140℃時(shí)反應(yīng)速率很快但2,5-FDCA 降解速率也很快。綜合來(lái)看120℃和130℃是較優(yōu)的反應(yīng)溫度。因此，較佳的反應(yīng)條件為15%(質(zhì)量)硫酸、130℃、16 h，此時(shí)2,5-FDCA收率為49.1%。

2.5 2，5-FDCA的穩(wěn)定性

圖7 為15%(質(zhì)量)硫酸濃度下，不同溫度對(duì)2,5-FDCA 穩(wěn)定性的影響，從圖可見(jiàn)溫度對(duì)2,5-FDCA 降解影響很大，其降解動(dòng)力學(xué)曲線接近直線。當(dāng)反應(yīng)溫度為130℃、反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)，2,5-FDCA的轉(zhuǎn)化率不足5.5%，因此通過(guò)提高溫度加速降解來(lái)測(cè)得所需動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。

2.6 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合

反應(yīng)路徑如圖8所示。

圖6 不同溫度下半乳糖二酸轉(zhuǎn)化率和2,5-FDCA、糠酸、HOPC收率隨時(shí)間的變化（15%(質(zhì)量)H2SO4）Fig.6 Conversion of galactaric acid and yield of 2,5-FDCA,2-furoic acid,HOPC as a function of time under different temperatures(15%(mass)H2SO4)

圖7 不同溫度下2,5-FDCA轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化（15%(質(zhì)量)H2SO4）Fig.7 Conversion of 2,5-FDCA as a function of time under different temperatures(15%(mass)H2SO4)

圖8 半乳糖二酸制備2,5-FDCA的反應(yīng)路徑Fig.8 Reaction pathway for conversion of galactaric acid to 2,5-FDCA

反應(yīng)可簡(jiǎn)化為如下幾個(gè)反應(yīng)步驟。因?yàn)榉磻?yīng)為均相反應(yīng)，各反應(yīng)步驟均假設(shè)其為一級(jí)反應(yīng)（分別用字母A表示半乳糖二酸、B表示2,5-FDCA、C表示humins、D表示半乳糖二酸的其他副產(chǎn)物）。

式中，CA為半乳糖二酸濃度；CA0為初始濃度；k1為2,5-FDCA 的生成速率常數(shù)；k2為半乳糖二酸生成除2,5-FDCA 外其他物質(zhì)的速率常數(shù)；t為反應(yīng)時(shí)間，h。

式中，CB為2,5-FDCA 的濃度；k3為2,5-FDCA 的降解速率常數(shù)。

表1 不同溫度下各反應(yīng)速率常數(shù)（15%（質(zhì)量）H2SO4）Table 1 Reaction rate constant at different temperatures（15%（mass）H2SO4）

圖10 2,5-FDCA收率與溫度、時(shí)間的曲面圖Fig.10 Surface plot of 2,5-FDCA yield with temperature and time

因?yàn)?,5-FDCA 在生成的同時(shí)也在降解，因此存在一個(gè)臨界點(diǎn)使得其產(chǎn)率最大，可通過(guò)動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算其理論收率，將k值用溫度（T）的函數(shù)表示

分別將k1、k2、k3代入式（5）

可得2,5-FDCA 收率對(duì)溫度（T）和時(shí)間（t）的函數(shù)，用Matlab 畫出該函數(shù)，結(jié)果如圖10所示，曲面較平坦，并不存在明顯極值。

以上可見(jiàn)，2,5-FDCA降解活化能顯著高于其生成活化能，因而產(chǎn)物有一極值點(diǎn)，但在硫酸催化下半乳糖二酸脫水環(huán)合主、副反應(yīng)活化能相近，限制了其通過(guò)條件優(yōu)化提高收率的幅度，有待篩選出選擇性更高的催化體系。

3 結(jié) 論

（1）確認(rèn)了反應(yīng)副產(chǎn)物4-羥基-6-羧基-2吡喃酮。

（2）得出了半乳糖二酸脫水環(huán)合制備2,5-FDCA較佳的工藝條件：在15%(質(zhì)量)硫酸催化、環(huán)丁砜為溶劑、反應(yīng)溫度為130℃、反應(yīng)時(shí)間為16 h 時(shí)，2,5-FDCA收率達(dá)到49.1%。

（3）測(cè)定了不同硫酸濃度和不同溫度下半乳糖二酸脫水環(huán)合制備2,5-FDCA 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合得到了15%(質(zhì)量)硫酸催化下半乳糖二酸降解反應(yīng)活化能為54.4 kJ/mol、2,5-FDCA 生成活化能為57.8 kJ/mol、其他副反應(yīng)的活化能為50.7 kJ/mol、2,5-FDCA 進(jìn)一步降解反應(yīng)的活化能為130.6 kJ/mol。