果糖非催化脱水过程中含卤试剂的促进作用

2020-02-22邝栋铃陈利利滕俊江

工业催化 2020年12期

马浩，邝栋铃，陈利利，蔡滔，滕俊江，李凝

(1.广东石油化工学院化学学院，广东茂名 525000；2.广东石油化工学院化学工程学院，广东茂名 525000)

果糖是制备5-羟甲基糠醛(HMF)活性最高的原料，在质子酸(H+)催化作用下即可高效脱水形成HMF[1-2]。然而，传统质子酸催化剂具有较强的腐蚀性，且重复使用困难，而固体酸催化剂则存在制备过程复杂，易失活等缺点，不利于HMF的工业化生产[3-5]。因此，构建高效无质子酸催化剂的非催化体系具有一定的竞争优势。

无酸催化剂存在时，果糖在较高的反应温度条件下，同样可以脱水形成HMF[6]。例如，Cao Q等[7]研究了果糖在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([C4mim]Cl)、1-己基-3-甲基咪唑氯盐([C6mim]Cl)以及1-辛基-3-甲基咪唑氯盐([C8mim]Cl)中非催化脱水形成HMF的性能，结果表明，[C4mim]Cl为反应体系时，有利于果糖的脱水反应，在140 ℃条件下反应50 min，HMF产率达到60.4%；Li Y等[8]研究了1-丁基-3-甲基咪唑溴盐([C4mim]Br)在无催化剂作用下对果糖脱水反应的促进作用，在优化的温度条件下，HMF产率达95%，并通过原位FT-IR和DFT分析发现，果糖分子与[C4mim]Br之间的氢键作用是该体系中果糖高效脱水形成HMF的关键，控速步骤的最大能垒为173.0 kJ·mol-1[9]；Shi J等[10]研究发现，1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([Amim]Cl)同样可以促进果糖非催化脱水形成HMF，产率达84.9%。

作者前期的研究发现，含有氯基(-Cl)的功能化离子液体1-氯乙基-3-甲基咪唑氯盐([C2Clmim]Cl)可以高效促进果糖非催化脱水反应，HMF分离产率约90%[11]。作者课题组又系统对比了果糖在4种非酸性离子液体[C4mim]Cl、[Amim]Cl、1-羟乙基-3-甲基咪唑氯盐([C2OHmim]Cl)、[C2Clmim]Cl中非催化脱水形成HMF的性能，发现[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，在较低的温度下几乎可以实现HMF的定量转化，表明-Cl功能基有利于促进果糖脱水反应形成HMF[12]。鉴于-Cl对果糖非催化脱水的促进作用，课题组继续研究了2-氯乙醇在[C4mim]Cl中对果糖非催化脱水的性能[13]，结果表明，HMF选择性大于95%，且动力学分析发现，在2-氯乙醇的促进作用下，果糖脱水转化的活化能为48.3 kJ·mol-1，进一步证实了-Cl的促进作用。

为了深入理解卤基(-X)试剂对果糖非催化脱水的促进作用，本文研究系列卤代烷烃和芳基卤化物对果糖在异丙醇(i-PrOH)溶剂体系中非催化脱水形成HMF的规律，并对过程影响因素、稳定性、底物实用性进行系统考察。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

高效液相色谱仪，HPLC，Agilent1200，安捷伦科技有限公司，配有示差和紫外检测器；LCQ DECA XP液-质联用仪，ESI-MS，美国Thermo公司。

卤代烷烃、芳基卤化物、甲醇(色谱纯)，百灵威科技有限公司；果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、菊粉、异丙醇，广东光华科技股份有限公司，所有试剂均未进一步纯化。

1.2 果糖脱水反应及产物分析方法

向25 mL的水热反应釜中加入10 mL的i-PrOH、15 mmol卤代试剂和1.80 g(10 mmol)果糖，密闭反应釜。磁力搅拌(400 rpm)，在设定温度下反应一定时间后，冰水浴快速冷却至室温。利用80%的乙醇溶液进行定容至100 mL，并通过HPLC对果糖转化率、HMF产率进行定量分析[12]，通过反应前后果糖的摩尔数量计算果糖转化率、HMF产率、HMF选择性以及HMF生成量。

1.3 果糖脱水中间产物分析

向25 mL的水热反应釜中加入10 mL的i-PrOH、15 mmol的1，2-二氯乙烷(DCE)和1.80 g(10 mmol)果糖，密闭反应釜。磁力搅拌(转速为400 rpm)，在设定温度下反应一定时间后，冰水浴快速冷却至室温，通过减压蒸馏(旋转蒸发仪)回收DCE-i-PrOH。获得的粘稠状残余物用去离子水定容后，以负离子模式(ESI-MS)进行定性分析。

回收的DCE-i-PrOH经过无水氯化钙(CaCl2)干燥后即可进行重复使用。

2 结果与讨论

2.1 卤代烷烃促进果糖脱水

鉴于前期的研究发现，氯功能化离子液体([C2Clmim]Cl)以及氯乙醇对果糖脱水反应具有较好的促进作用[12-13]，首先研究系列卤代烷烃在异丙醇(i-PrOH)溶剂体系中对果糖脱水反应的促进作用，结果如表1所示。

表1 卤代烷烃的促进作用[a]Table 1 Promotion effect of halogenated alkanes

从表1可以看出，在没有促进剂作用下，果糖在i-PrOH溶剂中非催化脱水形成HMF的能力较弱，在120 ℃条件下反应2 h，只有15.0%的果糖参与反应，且转化为HMF的选择性极低，只有1.3%(序号1)。当DCE加入到反应体系中，果糖的脱水转化效率明显提高，在相同反应条件下，果糖转化率达97.7%，HMF产率达到61.1%，表明DCE对果糖的脱水转化具有较大的促进作用(序号2)。继续研究1，3-二氯丙烷、1，4-二氯丁烷、1，5-二氯戊烷和1，6-二氯己烷对果糖在i-PrOH中脱水性能的促进作用，结果发现，该类氯代烷烃均可以高效促进果糖的脱水反应，且促进效率明显优于DCE，可实现果糖的完全转化，HMF产率在80%以上(序号3～6)，表明-Cl之间适当的空间(烷基链长度)有利于果糖的脱水反应[14]。然而，当以1，2-二氯丙烷为促进剂时，发现其不具备促进果糖脱水转化为HMF的能力(序号7)，可能是由于甲基(-CH3)的空间位阻影响1号碳上的-Cl和2号碳上的-Cl对果糖脱水的协同促进作用，同时也影响1，2-二氯丙烷分子间-Cl的协同作用。

为了进一步研究空间位阻的影响，对比了2-氯丁烷和1-氯丁烷对果糖脱水反应的影响(序号8～10)，结果发现，具有较大空间位阻的2-氯丁烷对果糖脱水反应的促进作用明显优于1-氯丁烷，可能是由于2-氯丁烷分子间的-Cl基之间的协同效应优于1-氯丁烷体系，表明在氯代烷烃促进的反应体系中，-Cl基之间的距离(空间效应)对其促进作用具有明显影响，适当的距离是获得较高协同效率的关键[14]。此外，通过对比发现，反应体系中-Cl基的量不是影响其促进果糖脱水的关键因素，进一步证明-Cl基之间协同促进作用的重要性[15]。

研究其他卤代烷烃对果糖脱水反应的影响发现，-Br基也可以有效促进果糖脱水形成HMF，而-I基促进作用较弱，这主要是由于-Cl和-Br为强氢键受体，可以与果糖的羟基(-OH)形成氢键，加强果糖分子与促进剂的相互作用，降低活化能，从而起到加速果糖非催化脱水形成HMF的反应过程[16]。

2.2 芳基卤化物促进果糖脱水

研究芳基卤化物对果糖脱水反应的促进性能，结果如表2所示。

表2 芳基卤化物的促进作用Table 2 Promotion effect of aryl halides

从表2可以看出，单取代芳基卤化物对果糖脱水反应的促进性能较弱，尤其是氟苯为促进剂时，不具备果糖脱水的促进能力(序号1～4)。通过对比氟苯、氯苯、溴苯和碘苯分子中卤原子的电子云密度，并与卤代烷烃比较(表1)，可以推断卤代试剂中，卤基(-X)对果糖脱水反应的促进作用与其电子云密度有关，过低或过高均不利于果糖脱水反应的进行。随后通过在芳基卤化物对位引入供电子(-OCH3)和吸电子基(-NO2)进一步证实上述假设(对照实验)。例如，在氟苯的对位引入-NO2，通过诱导效应(拉电子效应)降低-F的电子云密度，而其促进果糖的脱水性能明显下降，果糖转化率仅6.3%(序号5)；在氟苯的对位引入-OCH3，增加了-F的电子云密度，果糖的脱水性能明显改善，果糖转化率增加到28.9%(序号6)。在氯苯对位引入供电子(-OCH3)和吸电子基(-NO2)时，对果糖脱水反应的促进规律与氟苯相同(序号7～8)，然而却低于相应的氯代烷烃，主要是由于苯环与卤基(-X)的p-π共轭效应，导致芳基卤化物中-X电子云密度低于相应的卤代烷烃[17]。

当以原子半径和电子云密度较大的溴苯和碘苯为促进剂时，对位引入供电子(-OCH3)和吸电子基(-NO2)对其促进性能影响规律与氟苯和氯苯明显不同。例如，溴苯对位引入-NO2时，其促进性能较弱，而引入-OCH3时，促进性能仍没得到改善，主要是由于-OCH3为强供电子基团，对溴基(-Br)电子云密度调控并未达到最佳范围。当在碘苯的对位引入强拉电子基团-NO2时，其促进效应有极大提升，以对硝基碘苯为促进剂时，果糖完全转化，HMF产率达71.6%，优于溴苯(表2，序号3)和对应的溴代烷烃(表1，序号14～16)，与氯代烷烃相当(表1，序号9)。当供电基团-OCH3存在时，几乎不具备促进果糖脱水转化能力(表2，序号12)。

对比表1和表2的结果发现，以卤化物(卤代烷烃和芳基卤化物)为促进剂时，卤原子的电子云密度对其促进果糖脱水效率产生决定性影响，合适的电子云密度是其高效促进果糖脱水的关键所在。

2.3 过程影响因素及反应机理

基于含氯试剂对果糖脱水性能的影响，以价格低廉、沸点适中的DCE为促进剂，研究过程参数对促进剂性能的影响规律，结果如图1所示。

图1 DCE用量、反应温度和反应时间对果糖脱水的影响Figure 1 Influence of DCE dosage，reaction temperature and reaction time on dehydration of fructose实验条件：10 mmol果糖，15 mmol的DCE，10 mL的i-PrOH，120 ℃反应2 h

由图1可以看出，DCE的存在可以有效促进果糖脱水反应的进行，果糖转化率大于97%，HMF产率随DCE用量的增加先升后降，当DCE用量为30 mmol时，HMF产率从39.2%增加到66.5%，进一步增加DCE用量，HMF产率下降，表明DCE用量的增加在有利于果糖脱水形成HMF的同时，也会促进HMF副反应的发生，生成胡敏素等腐殖质[11-13，18-20]。因此，为了获得较高的HMF产率，控制DCE用量为(15～30) mmol。

从图1还可以看出，较高的反应温度有利于DCE促进果糖向HMF的转化，且在140 ℃条件下，HMF产率达到最大值81.1%。反应时间的延长同样有利于果糖向HMF的转化，在HMF产率达到最大值(72.2%)后同样呈现下降趋势[11-13，18-20]。因此，合适的反应温度和反应时间也是获得较高HMF产率的重要影响因素。

图2为反应混合物的HPLC图，对照实验HPLC分析结果如表3所示。

图2 反应混合物的HPLC图Figure 2 HPLC analysis of reaction mixture反应条件：a.10 mmol果糖，10 mL的i-PrOH，90 ℃反应2 h；[b].10 mmol果糖，15 mmol的DCE，10 mL的i-PrOH，90 ℃反应2 h；[c].10 mmol果糖，15 mmol的DCE，10 mL的i-PrOH，90 ℃反应2 h后冰水浴冷却至室温，然后在120 ℃继续反应2 h

表3 对照实验HPLC分析结果Table 3 HPLC results from controlled experiments

从图2和表3可以看出，没有DCE存在时，温和的反应条件下(90 ℃反应2 h)，果糖可以在反应体系中稳定存在(表3，序号1)。然而，当加入DCE时，在相同条件下，果糖转化率达到75.8%，未知物产率达到67.5%。当反应体系在120 ℃条件下继续反应2 h后，果糖转化率升高到98.2%，增加幅度为22.4%，未知物产率下降到31.9%，降低幅度为35.6%，而HMF产率由8.3%增加到66.3%，增加幅度为58%，远高于果糖转化率的升高幅度，表明在该反应过程中，有大量未知物转化为HMF，DCE促进的果糖脱水过程初期形成的未知物为该反应过程的中间体(图2b，2c)。

通过ESI-MS对反应产物中间体进行分析(见图3)，发现该系列中间体为脱水低聚糖[23]，结果如表4所示。

图3 反应混合物的电喷雾电离质谱(ESI-MS)Figure 3 ESI-MS spectrum of reaction mixture

表4 ESI-MS结果Table 4 ESI-MS results

续表

基于上述研究结果，对DCE促进的果糖脱水形成HMF机理进行阐释(图4)。即果糖在DCE促进作用下，首先脱一分子水形成脱水单糖，而该脱水单糖不稳定，极易聚合形成系列脱水糖低聚物(动力学有利)。而脱水单糖在较高的反应温度下同样可以进一步脱除两分子水形成最终产物HMF(热力学有利)，从而呈现出随着反应温度升高，HMF产率逐渐升高的趋势(图1)。

图4 DCE促进的果糖脱水机理示意图Figure 4 Proposed fructose dehydration mechanism promoted by DCE

2.4 实用性能评价

反应结束后，反应体系中直接加入AgNO3溶液，并无浑浊现象出现，表明DCE在反应体系中没发生水解反应；通过GC-MS对反应后混合物进行分析，同样没有发现DCE水解产物，均证明DCE在反应过程中的稳定性，说明卤代试剂可以作为果糖脱水形成HMF稳定的促进剂。考察该体系的循环使用性能，结果如图5所示。从图5可以看出，该体系具有较高的重复使用性能，在循环使用8次后，HMF产率约60%，表明DCE促进果糖脱水形成HMF的体系具有较好的实用性。

图5 DCE促进的果糖脱水体系的循环使用性能Figure 5 Recycling performance of fructose dehydration promoted by DCE10 mmol果糖，15 mmol的DCE，10 mL的i-PrOH，120 ℃反应2 h

果糖成本较高，以果糖为原料制备HMF在成本上不具有优势[24]。研究DCE—i-PrOH体系对其他糖类化合物脱水性能的促进作用，结果如表5所示。分析表5数据结果发现，DCE可以有效促进含有果糖结构单元的原料(蔗糖)进行脱水形成HMF，而对果糖的同分异构体葡萄糖的促进作用较弱[25]，说明DCE可以作为含有果糖结构单元的原料制备HMF的促进剂，且以重要的果聚糖菊粉为原料时，HMF产率可以达到60%以上。