甲基2,3-O-磺酰-α-D-葡萄糖苷合成5-羥甲基糠醛(5-HMF)及其衍生物的新方法

張菡旭,李敏嬌,楊 蓉,李端華,陳國華*

(1.四川輕化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,四川 自貢 64300; 2.成都大學(xué) 藥學(xué)院,四川 成都 610106)

隨著傳統(tǒng)石油資源的日漸枯竭,如何從生物質(zhì)出發(fā),再通過化學(xué)轉(zhuǎn)化方式獲得替代燃料資源和發(fā)展新型化工原料品已成為當(dāng)今生物質(zhì)資源化利用研究的重點(diǎn)[1-2]。纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖,占植物界碳含量的50%以上,其在強(qiáng)酸條件下水解,可以90%以上收率獲得D-葡萄糖單體。纖維素廉價易得,且用其制備D-葡萄糖單體方法有著簡單,污染少,收率高等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使其成為一種重要的可再生性生物質(zhì)來源。因此,如何利用廉價易得的D-葡萄糖單體為起始原料制備一些具有重要應(yīng)用價值的基礎(chǔ)化工品有著重要的研究意義[3]?，F(xiàn)今,基于D-葡萄糖單體為起始原料的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究主要集中在轉(zhuǎn)化為5-羥甲基糠醛(5-HMF)的平臺化合物上,因?yàn)樵摶衔锟梢灾苽湟恍V泛應(yīng)用于醫(yī)藥、塑料和燃料等領(lǐng)域的高附加值的化工品中[4-8],如2,5-呋喃二甲酸、2,5-二甲酰呋喃[2]、2,5-二甲基呋喃、乙酰丙酸和1,6-己二醇等。其中,2,5-呋喃二甲酸是合成聚呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)的主要單體[9-10],其比現(xiàn)年產(chǎn)量超過7000萬噸的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的性能更加優(yōu)越,但是由于5-HMF存在價格高昂、制備過程中副產(chǎn)物多和難以達(dá)到聚合單體純度要求的缺點(diǎn),限制了PEF的進(jìn)一步發(fā)展[11-12]。

如何高效地從D-葡萄糖單體中制備5-HMF一直是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究的重點(diǎn),到目前為止該方面的研究一直都是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[3-10]。綜合分析發(fā)現(xiàn):現(xiàn)有的制備研究主要集中在2條基礎(chǔ)路線上,第一條是先將纖維素先效水解制備出D-葡萄糖單體,然后再采用“一鍋法”制備5-HMF;第二條是直接利用果糖為起始原料,一鍋法制備。但無論是利用D-葡萄糖還是果糖為起始原料制備,其研究的重點(diǎn)都集中于在特定的反應(yīng)溶劑體系中,直接高溫脫水制備不同類型的催化劑。該制備過程的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化在于單糖結(jié)構(gòu)的2-位羥基的羰基化,從而獲得關(guān)鍵中間體3-脫氧葡萄糖醛酮(圖1),然后經(jīng)過由吡喃糖環(huán)到呋喃糖環(huán)的縮環(huán)化,獲得5-HMF的呋喃環(huán)化結(jié)構(gòu),最終對應(yīng)化合物經(jīng)過高溫脫水化形成目標(biāo)物[13]。雖然一些文獻(xiàn)報道的制備產(chǎn)率并不低[3,5-6,10],但這些方法一旦應(yīng)用到連續(xù)型的工業(yè)化生產(chǎn)中時,由于糖類的多羥基結(jié)構(gòu)特點(diǎn),會使得每一單元反應(yīng)都可能發(fā)生許多副反應(yīng),生成大量的不可預(yù)知的副產(chǎn)物,與此同時還會生成大量的水。這些不利因素會導(dǎo)致精心制作的各類型催化劑迅速失效,無法在工業(yè)中實(shí)現(xiàn)連續(xù)型的工藝生產(chǎn),進(jìn)一步會影響到催化劑的再生。同時,5-HMF的熔點(diǎn)低,且沸點(diǎn)亦高,在分離純化時,由于生成的結(jié)構(gòu)類似的副產(chǎn)物與5-HMF相溶性好,采用現(xiàn)有常規(guī)分離純化方法,獲得高純產(chǎn)品更是不易[6]。這些問題都是當(dāng)前工業(yè)化直接利用D-葡萄糖單體制備5-HMF時面臨的困境,因此導(dǎo)致5-HMF,特別是高純的5-HMF價格高昂,限制了其作為基礎(chǔ)平臺化合物進(jìn)一步的工業(yè)化應(yīng)用。因此打破傳統(tǒng)研究思路,研究新的5-HMF合成方法是一個具有應(yīng)用前景的課題,具有重要的經(jīng)濟(jì)價值?；谇捌诘难芯堪l(fā)現(xiàn):一個易由D-葡萄糖單體制備的衍生物——甲基2,3-O-磺酰-α-D-吡喃葡萄糖苷(圖2),能夠高效地制備出5-HMF,這為以D-葡萄糖為底物合成5-HMF提供了很好的方法學(xué)支持。

圖1 D-葡萄糖催化脫水制備5-HMF的基本反應(yīng)途徑

圖2 甲基2,3-O-磺酰-α-D-吡喃葡萄糖苷的結(jié)構(gòu)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

BRUKER ASCEND 600型核磁共振波譜儀(CDCl3為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo)),柱層析硅膠(200-300目,青島美高集團(tuán)有限公司);GF254型硅膠板(德國Merck公司)。

甲基-α-D-葡萄糖苷(≥98%,阿拉丁試劑有限公司);磺酰氯(≥98%,上海泰坦科技股份有限公司);苯甲酰氯(≥98%,上海泰坦科技股份有限公司);其他均為國產(chǎn)分析純試劑。

1.2 合成

(1) 甲基4,6-亞丙基-2,3-O-環(huán)磺酸酯基-α-吡喃葡萄糖苷(化合物Ⅰ)的合成

參考文獻(xiàn)[14]方法制備,產(chǎn)率75%;1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:5.12(d,J=3.0 Hz,1H),5.08(t,J=9.6 Hz,1H),4.59(dd,J=10.2 Hz,3.0 Hz,1H),4.12(t,J=9.6 Hz,1H),3.93～3.85(m,2H),3.76～3.72(m,1H),3.52(s,3H),1.54(s,3H),1.44(s,3H);13C NMR(150 MHz,CDCl3)δ:100.32,96.01,80.82,80.72,71.98,66.17,61.83,56.13,28.72,19.02。

(2) 2,3-O-環(huán)磺酸酯基-甲基-α-D-吡喃葡萄糖苷(化合物Ⅱ)的合成

按化學(xué)計(jì)量比稱量化合物Ⅰ(15.0 g,0.0506 mol)加入圓底燒瓶(150 mL)中,隨后加入甲醇(75 mL)的溶劑中,再滴加5滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸,常溫(15～25 ℃)下攪拌反應(yīng)3 h,TLC監(jiān)測反應(yīng)完全后(展開劑:乙酸乙酯),再加入5%的NaHCO3水溶液調(diào)節(jié)pH至中性,旋轉(zhuǎn)蒸干回收甲醇,剩余物中加入300 mL乙酸乙酯溶解,用100 mL飽和食鹽水洗滌分液,有機(jī)相經(jīng)無水硫酸鈉干燥,過濾,減壓蒸餾得到白色固體約12.2 g,產(chǎn)率94.0%;1H NMR(600 MHz,DMSO-d6)δ:5.75(s,2H,OH),5.24(d,J=1.8 Hz,1H),4.93～4.97(m,2H),3.95～3.99(m,1H),3.69(dd,J=12.0 Hz,1.2 Hz,1H),3.59(dd,J=12.0 Hz,5.4 Hz,1H),3.44～3.46(m,1H),3.41(s,3H);13C NMR(150 MHz,CDCl3)δ:94.61,86.19,81.43,75.24,67.22,59.89,55.41。

(3) 甲基2,3-O-環(huán)磺?；?6-O-乙?；?α-D-吡喃葡萄糖苷(化合物Ⅲ)的合成

按化學(xué)計(jì)量比稱量化合物Ⅱ(10.0 g,0.0390 mol)加入圓底燒瓶(250 mL)中,隨后加入冰乙酸60 mL,充分溶解后,滴入5滴濃硫酸,常溫?cái)嚢璺磻?yīng)6 h,TLC監(jiān)測反應(yīng)完全后(展開劑:石油醚∶乙酸乙酯=7∶3,V∶V),向反應(yīng)完全的混合體系中加入150 mL乙酸乙酯稀釋,該有機(jī)相用水(2×100 mL)洗滌分液,合并水相。水相再用50 mL乙酸乙酯反萃取,合并有機(jī)相,有機(jī)層用100 mL飽和食鹽水洗滌,分液,得到有機(jī)相,經(jīng)無水硫酸鈉干燥,過濾,減壓蒸餾得到白色粗產(chǎn)物約10.7 g,產(chǎn)率92.0%;1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:5.12(d,J=3.1 Hz,1H),5.09(t,J=10.0 Hz,1H),4.59～4.49(m,2H),4.26(dd,J=12.5 Hz,2.2 Hz,1H),3.99(t,J=9.5 Hz,1H),3.80(ddd,J=9.5 Hz,3.9 Hz,2.2 Hz,1H),3.68(s,1H),3.52(s,3H),2.14(s,3H);13C NMR(151 MHz,CDCl3)δ:172.09,95.41,83.49,80.13,77.37,77.16,76.95,71.86,68.18,62.15,56.35,20.93。

(4) 甲基2,3-O-環(huán)磺?；?4,6-乙酰氧基-α-D-吡喃葡萄糖苷(化合物Ⅳ)的合成

按化學(xué)計(jì)量比稱量化合物Ⅱ(10.0 g,0.0390 mol)加入圓底燒瓶(250 mL)中,隨后加入二氯甲烷約60 mL和6.6 mL的吡啶充分溶解后,再加入7.7 mL乙酸酐,在35 ℃下攪拌反應(yīng)3 h,TLC監(jiān)測反應(yīng)完全后(展開劑:石油醚∶乙酸乙酯=7∶3,V∶V),向反應(yīng)完全的混合體系中加入150 mL乙酸乙酯稀釋,該有機(jī)相用水(2×50 mL)洗滌,分液,加入少量鹽酸調(diào)節(jié)pH≈6,合并水相。水相再用50 mL乙酸乙酯反萃取,合并有機(jī)相,有機(jī)層用100 mL飽和食鹽水洗滌,分液,得到有機(jī)相,經(jīng)無水硫酸鈉干燥,過濾,減壓蒸餾得到白色固體12.5g,產(chǎn)率94.0%;1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:5.40(d,J=10.2 Hz,1H),5.17(m,2H),4.68(dd,J=10.2 Hz,3.0 Hz,1H),4.28(dd,J=12.6 Hz,4.8 Hz,1H),4.18(dd,J=12.6 Hz,2.4 Hz,1H),3.99～3.97(m,2H),3.69～3.66(m,1H),3.54(s,3H),2.13(s,3H),2.11(s,3H);13C NMR(150 MHz,CDCl3)δ:170.47,168.77,96.08,80.99,79.85,69.31,67.08,61.21,56.33,20.66,20.49。

(5) 甲基2,3-O-環(huán)磺?；?6-O-苯甲酰-α-D-吡喃葡萄糖苷(化合物Ⅴ)的合成

按化學(xué)計(jì)量比稱量化合物Ⅱ(10.0 g,0.0390 mol)加入圓底燒瓶(250 mL)中,隨后加入二氯甲烷60 mL,再定量加入4.0 mL吡啶,冰浴下攪拌5 min混合均勻后加入5.8 mL苯甲酰氯,攪拌反應(yīng)4 h,TLC監(jiān)測反應(yīng)完全后(展開劑:石油醚∶乙酸乙酯=7∶3,V∶V),向反應(yīng)完全的混合體系中加入200 mL乙酸乙酯稀釋,該有機(jī)相用水(2×50 mL)洗滌,分液,加入少量鹽酸調(diào)節(jié)pH≈6.0,合并水相,水相再用50 mL乙酸乙酯反萃取,合并有機(jī)相,有機(jī)層用100 mL飽和食鹽水洗滌,分液,得到有機(jī)相,經(jīng)無水硫酸鈉干燥,過濾,減壓蒸餾得到白色固體12.8 g,產(chǎn)率91%;1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:8.10～7.94(m,2H),7.61(t,J=7.4 Hz,1H),7.46(t,J=7.6 Hz,2H),5.23～5.06(m,2H),4.89～4.77(m,1H),4.55(dd,J=10.4 Hz,3.1 Hz,1H),4.06(t,J=9.5 Hz,1H),3.95～3.88(m,1H),3.53(s,3H);13C NMR(150 MHz,CDCl3)δ:167.54,133.92,133.77,130.13,129.97,129.08,128.76,128.62,95.33,83.59,80.22,72.07,68.27,62.65,56.29。

(6) 甲基2,3-O-環(huán)磺?；?4,6-O-二苯甲酰基-α-D-吡喃葡萄糖苷(化合物Ⅵ)的合成

按化學(xué)計(jì)量比稱量化合物Ⅱ(10.0 g,0.0390 mol)加入圓底燒瓶(250 mL)中,隨后加入二氯甲烷約60 mL,充分溶解后,再加入9.5 mL苯甲酰氯(或相應(yīng)比例的者苯甲酸酐),室溫下攪拌反應(yīng)4 h,TLC監(jiān)測反應(yīng)完全后(展開劑:石油醚∶乙酸乙酯=7∶3,V∶V),向反應(yīng)完全的混合體系中加入100 mL乙酸乙酯稀釋,該有機(jī)相用水(2×50 mL)洗滌分液,加入少量鹽酸調(diào)節(jié)pH≈6.0,合并水相,水相再用50 mL乙酸乙酯反萃取,合并有機(jī)相,有機(jī)層用100 mL飽和食鹽水洗滌,分液,得到有機(jī)相,經(jīng)無水硫酸鈉干燥,過濾,減壓蒸餾得到白色固體17.0 g,產(chǎn)率94.0%;1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:8.02(ddd,J=17.4 Hz,8.3 Hz,1.4 Hz,4H),7.65～7.53(m,2H),7.50～7.39(m,5H),5.78(t,J=9.7 Hz,1H),5.36(t,J=10.1 Hz,1H),5.21(d,J=3.1 Hz,1H),4.76(dd,J=10.3 Hz,3.1 Hz,1H),4.64(dd,J=12.4 Hz,2.8 Hz,1H),4.43(dd,J=12.3 Hz,4.8 Hz,1H),4.29(ddd,J=9.7 Hz,4.8 Hz,2.8 Hz,1H),3.58(s,3H);13C NMR(151 MHz,CDCl3)δ:166.09,164.57,134.20,133.52,130.16,129.80,129.41,128.78,128.63,128.26,95.24,81.15,80.07,69.64,68.25,62.19,56.52。

(7) 呋喃甲醛類衍生物的制備方法

按化學(xué)計(jì)量比任意稱量上述化合物Ⅰ～Ⅵ的一種,加入圓底燒瓶中,隨后加入至少5倍量的DMF,充分溶解后,再定量加入2倍當(dāng)量的碳酸氫鈉,在90 ℃下加熱攪拌反應(yīng),TLC監(jiān)測反應(yīng)完全后,加入適量鹽酸調(diào)節(jié)pH至中性,過濾,減壓蒸餾和純化得到目標(biāo)產(chǎn)物。

(8) 5-HMF的合成

精餾(機(jī)械油泵(5～3 mmHg),收集:115～120 ℃)得到淡黃色固體,產(chǎn)率91.6%;1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:9.59(s,1H),7.22(d,J=3.5 Hz,1H),6.52(d,J=3.6 Hz,1H),4.72(s,2H);13C NMR(150 MHz,CDCl3)δ:177.81,160.63,152.54,110.13,57.81。

(9) 5-苯甲酰氧甲基糠醛的合成

柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯∶石油醚=1∶10～1∶8,V∶V),淡黃色固體,產(chǎn)率87.6%;1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:9.65(s,1H),8.10～8.02(m,2H),7.58(tt,J=7.4 Hz,1.4 Hz,1H),7.44(t,J=7.8 Hz,2H),7.23(d,J=3.6 Hz,1H),6.67(d,J=3.6 Hz,1H),5.38(s,2H);13C NMR(151 MHz,CDCl3)δ:177.99,166.07,155.66,153.03,133.58,129.97,129.41,128.62,112.90,77.37,77.16,76.95,58.37。

(10) 5-乙酰氧甲基糠醛的合成

柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯∶石油醚=1∶10～3∶7,V∶V),無色油狀液體,產(chǎn)率90.0%;1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:9.63(s,1H),7.20(d,J=3.6 Hz,1H),6.58(d,J=3.6 Hz,1H),5.11(s,2H),2.10(s,3H);13C NMR(151 MHz,CDCl3)δ:177.83,170.33,155.44,152.87,112.59,77.25,77.04,76.82,57.81,20.70。

2 結(jié)果與討論

首先參照Berridge的方法合成得到化合物Ⅰ[14](圖3)。該化合物Ⅰ的立體結(jié)構(gòu)非常獨(dú)特,由于2-位和3-位的羥基處于吡喃糖環(huán)的相反位置,對于由離去基團(tuán)構(gòu)成的環(huán)硫酸酯結(jié)構(gòu)而言,該5元環(huán)并6元環(huán)的叉向結(jié)構(gòu)使得該離去基團(tuán)產(chǎn)生離去作用,誘導(dǎo)生成2-位或3-位碳正離子是極其不利的,因此難以發(fā)生對應(yīng)原子位點(diǎn)的親核取代反應(yīng),例如該化合物Ⅰ在苯酚鉀、醇鈉或氫氧化鈉等堿作用下,僅獲得2,3-環(huán)氧化合物Ⅶ[14],其扭曲的叉向環(huán)硫酸酯結(jié)構(gòu)使得該吡喃糖環(huán)結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的分子內(nèi)張力,從而誘導(dǎo)出一些獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)化合物Ⅰ在含水溶劑條件下,即使無酸性催化劑的存在,在室溫下亦可緩慢脫除4-和6-位的丙叉保護(hù)基,生成化合物Ⅱ?；衔铫蚺c具有位阻效用的酰化試劑進(jìn)行?；磻?yīng)時,具備較好的選擇性,如當(dāng)使用1 eq.的苯甲酰氯和吡啶進(jìn)行酰化時,室溫下僅獲得化合物Ⅴ;相同條件下,替換乙酰氯作為?；噭r,則以1∶3的物質(zhì)的量之比獲得化合物Ⅲ和化合物Ⅳ。進(jìn)一步化合物Ⅱ溶解在冰乙酸中,滴入催化量的濃硫酸,僅獲得化合物Ⅲ。

圖3 5-HMF的合成路線

為了進(jìn)一步探索該環(huán)硫酸叉酯結(jié)構(gòu)對吡喃糖環(huán)的化學(xué)性質(zhì)的影響,直接采用化合物Ⅰ在各種溶劑下進(jìn)行加熱分解,當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時,發(fā)生緩慢分解,經(jīng)過提取分離純化,獲得的主要產(chǎn)物為5-HMF。進(jìn)一步優(yōu)化該反應(yīng)條件,利用堿中和反應(yīng)過程中生成硫酸,該結(jié)構(gòu)以高達(dá)90%以上的收率獲得目標(biāo)產(chǎn)物。在相同反應(yīng)條件下,分別利用化合物Ⅰ～Ⅵ進(jìn)行反應(yīng),均獲得對應(yīng)的5-羥甲基具有不同保護(hù)基的5-HMF的衍生物,所有這些均為以D-葡萄糖為單體,高效制備5-HMF系列衍生物提供很好的方法學(xué)支持。

3 結(jié)論

以廉價的生物質(zhì)衍生物——無水D-葡萄糖為起始原料制備5-HMF的最簡生產(chǎn)流程為:按照MATTHIAS[15]和BAZIN[16]方法,先后進(jìn)行甲苷化和丙叉化反應(yīng)獲得甲基4,6-亞丙基-α-D-吡喃葡萄糖苷,2步反應(yīng)經(jīng)后處理直接獲得產(chǎn)物,均不需要進(jìn)一步的純化即可以直接用于后一步的反應(yīng),2步反應(yīng)的總產(chǎn)率為90%。隨后該中間體經(jīng)過環(huán)硫酸叉酯化獲得化合物Ⅰ,無需進(jìn)一步的純化最終經(jīng)過高溫脫水獲得5-HMF,該制備路線的總產(chǎn)率可達(dá)61.8%(0.9%×0.75%×0.916%)。雖然該方法是通過多步反應(yīng)的形式進(jìn)行,但是由于每一步的產(chǎn)率相對比較高,在獲取到最終目標(biāo)物之前,實(shí)驗(yàn)證明均不需要進(jìn)行額外的分離純化,所有此過程中使用的試劑均不存在劇毒,易爆和難以回收等不利生產(chǎn)的環(huán)境和安全問題,最終產(chǎn)品可以采用精餾的形式獲得,因此該新工藝路線具備極強(qiáng)的新穎性和創(chuàng)造性,且符合現(xiàn)有綠色工業(yè)化的特點(diǎn),為5-HMF的制備提供一個很好的方法選擇。