2,5-呋喃二甲酸的结晶和晶体结构解析

陆贻超, 刘志春, 张亚杰

(中国科学院 宁波材料技术与工程研究所, 浙江 宁波 315201)

1 前 言

生物质来自光合作用，具有数量大、来源广、可再生性等优点，近年来，其作为化工原料用于能源和化工原材料的研究和开发受到了广泛关注[1]。2,5-呋喃二甲酸(2,5-furandicarboxylic acid，FDCA)来自生物质，是美国能源部从300 多种生物基化合物中筛选出来的12 种最具潜力的生物基平台化合物之一，也是其中唯一一种芳环生物基单体，被喻为“沉睡的巨人”[2-7]，未来可用于聚酯、聚酰胺、增塑剂及其他生物基聚合物的制备[8-17]。在聚酯合成过程中，原料 FDCA 晶体构型和大小影响聚合工艺过程，进而影响后续聚合物的性能，其纯度尤其是颜色和聚合温度会影响聚酯产品的色度，从而影响聚酯产品质量。GRABOWSKI等[18]在通过电化学方法氧化5-羟甲基糠醛生成FDCA的研究中经过盐酸酸化首次得到了暗黄色的FDCA 晶体，并提到通过在水中重结晶可以提纯FDCA，但未公开具体纯化方法。前期研究表明FDCA 在水中的溶解度较低(100 ℃溶解度约为每100 g 水中溶解FDCA 0.82 g)，水中重结晶时选择性和脱色效果差，不适用于规模化结晶纯化。另一种纯化二元羧酸的方法是加合结晶法，即二元羧酸选择性地与加合结晶溶剂(如酰胺类)反应生成加合物结晶并从母液中析出，杂质不能结晶而留在母液中，从而使二元羧酸与杂质分离。加合结晶热稳定性较差，通过加热去除溶剂即可得到纯化的二元羧酸。这种方法可以有效地去除副产物和有色物质。例如2,6-萘二甲酸，对苯二甲酸 (terephthalic acid，TA)等都可形成加合结晶，可去除对苯二甲酸残渣中90%～95%的有色杂质[19-21]。为了获得高质量的FDCA 晶体，将黄色的粗FDCA 用加合结晶方法先脱色，再通过重结晶进一步提纯并获得FDCA 单晶，对晶形和晶体结构进行研究，探讨氢键在FDCA 单晶及加合结晶中的作用。由于FDCA 晶体学研究极少，对FDCA 晶体结构和晶形等进行研究有利于了解其晶体形成原理，为FDCA 纯化工艺研发奠定理论基础。

2 实验(材料与方法)

2.1 试剂

粗 FDCA(纯度质量分数 R=94.33%)来自宁波贝欧斯生物科技有限公司；N,N-二甲基乙酰胺(N,N-dimethylacetamide，DMAC)和 N,N-二甲基甲酰胺 (N,N-dimethylformamide，DMF) 均为AR 级别，购于国药集团化学试剂有限公司。

2.2 晶体生长

(1) 水中重结晶：将5 g 粗FDCA 和一定量的去离子水混合，使FDCA:H2O(m:v)分别为1:3、1:4 和1:5，80 ℃恒温结晶2 h，25 ℃冷却1 h，过滤收集FDCA 晶体。

(2) DMAC 中加合结晶：将5 g 粗FDCA 粉末和一定量的DMAC 置于圆底烧瓶中，使FDCA:DMAC(m:v)分别为1:3、1:3.5、1:4、1:4.5 和1:5，60～80 ℃水浴使FDCA 完全溶解，将混合溶液取出置于25 ℃下使加合结晶形成并析出，本文中FDCA 与DMAC 形成的加合结晶称为FDCA-DMAC 加合结晶，其为白色针状晶体，过滤收集FDCA-DMAC 加合结晶晶体，在氮气保护下120 ℃加热使DMAC 挥发去除可得到纯化后的FDCA 粉末，纯度R=96.35%～98.37%。

(3) DMF 中结晶：将5 g 加合结晶纯化后的FDCA(纯度R=96.3%)和10 mL DMF 混合，80 ℃加热1 h后冷却至25 ℃结晶1 h，过滤并收集FDCA 晶体。

(4) 单晶制备：将FDCA 分别溶解在80 ℃去离子水、60 ℃ DMF和50 ℃的DMAC 中，配制成饱和FDCA 溶液，缓慢降温(22 ℃·h-1)至25 ℃后恒温结晶1～6 d，使其自发成核结晶并生长成理想的单晶。晶体生长过程通过显微镜(BX51，Olympus)进行观测和拍照，不同的单晶均经过X-射线单晶衍射仪进行测定并进行晶体结构解析。

2.3 纯度和脱色率测定

纯度测试方法为用外标法在高压液相色谱仪(1260，Angilent)上测定样品浓度(SB-C18 色谱柱，柱温30 ℃，0.05%三氟乙酸水溶液和甲醇为流动相梯度洗脱，流速为1 mL·min-1，紫外检测波长为278 nm)，用式(1)计算纯度R。用氢氧化钠溶液溶解样品，配成2.5 g·L-1的FDCA 水溶液并用紫外可见分光光度计(UV-3300，美普达)测定纯化前后样品339 nm(有色杂质吸收波长)吸光度，脱色率D(%)计算如式(2)：

2.4 热重分析方法

FDCA-DMAC 加合结晶的热稳定性通过热重分析仪 (Pyris 6，Perkin-Elmer) 在氮气保护条件下进行检测，升温范围为30.47～600 ℃，升温速率为10 ℃·min-1[22]。

2.5 X-射线数据采集和晶体结构解析

将一个大小适合的单晶粘贴在玻璃纤维上，用X-射线单晶衍射仪(R-AXIS RAPID，Rigaku)在21.85 ℃下，使用经石墨单色器单色化的 Mo-Kα 射线 (λ= 0.710 73 Å)，以 ω-θ 形式扫描在 4.12° ＜ θ ＜ 27.45°采集数据. 晶体结构用直接法经SHELXS-97 程序解出[23]，通过SHELXL-97 程序用全矩阵最小二乘法进行精修[24]。

3 实验结果与讨论

3.1 水中FDCA 晶形及晶体结构解析

按 FDCA:水(m:v)=1:3～1:5 的比例在80 ℃水中重结晶后，FDCA 脱色率仅有24.60%～27.15%。为了从理论上进一步探索FDCA 的结晶方法，需要制备单晶并掌握晶体结构数据。晶体生长过程中发现，80 ℃饱和FDCA 水溶液降至25 ℃时相对过饱和度δ 较大，为4.18，容易自发成核结晶。图1 为在水中形成的FDCA 晶体，首先生成无色的三角形或长方形薄片状单晶(如图 1(a))，然后在片状单晶的一边以垂直方向或其他角度生长出另一片长方形(如图 1(b))或三角形 (如图 1(c)) 晶体，随后以前两片晶体相交线为中心，从不同方向生长出越来越多的长方形(如图 1(d))或三角形(如图 1(e)，1(f)) 片状晶体。一个晶体中可能同时生长出三角形和长方形的晶片，形成团聚体(图1(d)，1(i))，新晶片的不断生长使整个晶体呈放射状(如图1(g)～1(i))。薄片状的晶体表面积较大，结晶过程容易吸附杂质，纯化效果差。

图1 在水中形成的片状FDCA 晶体图Fig.1 Sheet-shaped crystals of FDCA formed in water

表1 FDCA 晶体学数据和结构精修结果Table 1 Crystallographic data and structure refinement of FDCA

表2 FDCA 的原子坐标(×104)和等效各向同性位移参数(Å2 ×103)Table 2 Atomic coordinates (×104) and equivalent isotropic displacement parameters (Å2 ×103) of FDCA

表3 FDCA 的键长和键角Table 3 Bond lengths and angles of FDCA

经X-射线单晶衍射仪测定数据、SHELXS-97 程序和SHELXL-97 程序解析修正，FDCA 主要晶体结构数据如表1 所示，原子坐标如表2 所示，FDCA 的键长和键角如表3 和表4 所示，FDCA 结构如图2、图3 所示。实验中三角形和长方形的片状晶体均属于单斜晶系(monoclinic)，P21/m 空间群，a=3.673 1(7) Å，b=16.667(3) Å，c=4.978 7(10) Å，V=303.16(10) Å3，α=γ=90°，β= 95.94(3)°，Dcalc=1.71 g·cm-3(如表 1)。每个晶胞中包含2 个FDCA 分子(如图3(a))。作为首次发表，FDCA 的晶体学数据收录在剑桥晶体学数据中心(Cambridge Crystallographic Data Centre)，记录编号CCDC No. 1559784。

表4 FDCA 的选择性键长和键角Table 4 Selected bond lengths and angles of FDCA

图2 FDCA 分子结构图Fig.2 Molecular structure of FDCA

图3 FDCA 晶体结构图Fig.3 Crystal structure of FDCA

测得的FDCA 为左右对称结构(如图2)，如表2 所述，每个分子中含有3 种碳原子(C)和3 种氧原子(O)，表 3 中呋喃环内 C(1)−C(2) 键最短，键长为 1.352 4(16) Å，O(1)−C(1)键稍长(1.365 4(13) Å)，C(2)−C(2)#1 键最长，为 1.418(2) Å。而在 FDCA 分子中 C(1)−C(3)键最长，为 1.467 3(15) Å，O(1)−C(1)−C(3)键角为 117.14(11)°。

一些二元羧酸如富马酸[25]和对苯二甲酸[26]等晶体内分子之间是通过两条O−H···O 键相连，FDCA 晶体也具有类似的氢键，FDCA 相邻分子间通过两条O−H···O 键使相邻羧酸相连接，从而形成非直线无限延长的羧酸链(表4 和图3(b))。这种O−H···O 键是一种强氢键，键长为2.670 9 (13)Å，键能为3 667.01 kJ·mol-1(如表 4)，因此羧酸链较稳固。此外，呋喃环上的 C−H 键与相邻羧酸链上羰基上的氧能形成C−H···O 键，虽然这种弱氢键键能仅为1 454.01 kJ·mol-1(如表4)，但是大量的这种弱氢键也使相邻羧酸链间彼此相连，从而形成无限扩展的FDCA 片层。这种相邻的FDCA 片层间无化学键相连，但是排列很紧密(图3(d))。图3(c)中[100]面中心投影效果图可以看到FDCA 片层的堆叠效果，相邻羧酸链之间通过C−H···O 键相连接的呋喃环分布在一条直线上，FDCA 片层间距离最近的呋喃环也在一条直线上。在FDCA 片层中，由于两种氢键的存在使得分子间距离较近，相对于其他只有一种氢键的二元羧酸晶体，FDCA 晶体结构更稳定。不易像TA 一样使片层间的呋喃环发生错位从而形成多种晶型[26-27]。分子间氢键的存在使得FDCA 在水和一般的有机溶剂中溶解度较低，提高结晶母液浓度所需的温度较高，且脱色效果差，水中重结晶纯化FDCA 效果不佳。

3.2 加合结晶和FDCA 纯化

选择常用的加合结晶溶剂DMAC 与粗FDCA 进行加合结晶，去除有色杂质。实验结果表明，粗FDCA初始为黄色晶体(如图4(a))，将粗FDCA 与不同比例的DMAC 反应，生成的FDCA-DMAC 加合结晶脱溶剂处理后得到的FDCA 均为白色(图4(b)为纯化后的FDCA 晶体粉末，FDCA:DMAC=1:5，m:v)。且FDCA脱色率(如图5)随着FDCA:DMAC 比例的减少而提高，从82.65%提高至94.94%，各处理组FDCA 纯度均高于粗FDCA，在R=96.35%～98.37%。

图4 纯化前后FDCA 晶体粉末图Fig.4 FDCA powder before and after purification(FDCA:DMAC=1:5, m:v)

图5 FDCA 和DMAC 比例对加合结晶过程中FDCA脱色率和纯化后FDCA 纯度的影响Fig.5 Effects of mass volume ratios of FDCA and DMAC on decolorization rate and purity of FDCA in adductive crystallization

3.3 加合结晶热重分析

热重分析(thermogravimetric analysis，TG/DTG)结果如图6(a)所示，FDCA-DMAC 加合结晶热稳定性较差，失重第1 阶段从30 到144 ℃失重55.33%，DTG 最大失重速率温度Tmax为105.28 ℃，与图6(b)中DMAC 纯物质的Tmax(98.55 ℃)接近，分解物质为DMAC，质量约占加合结晶中的55.33%，加合结晶中DMAC 分解温度比纯的DMAC 高可能是因为DMAC 与FDCA 分子间存在化学键的关系；第2 阶段Tmax为335.45 ℃，约等于图6(c)中FDCA 纯物质的Tmax(335.96 ℃)，失重约44.67%，分解物质为FDAC，因此加合结晶中FDCA 与DMAC 分子摩尔比约为1:2。DMAC 和FDCA 在FDCA-DMAC 加合结晶中的理论质量百分数分别为52.75% 和47.25%，与测试结果接近，加合结晶形成过程可用式(3)表示：

这里[FDCA·2DMAC]代表FDCA-DMAC 加合结晶分子式，由于到116 ℃时DMAC 基本挥发，144 ℃时达到平衡，则加热(116 ℃左右常压)去除DMAC，可得纯化的FDCA。

图6 FDCA-DMAC 加合结晶及组成成份热重分析图Fig.6 Thermal gravity analysis of FDCA-DMAC adductive crystals and compositions

3.4 FDCA-DMAC 加合结晶晶体结构解析

FDCA-DMAC 加合结晶主要晶体结构数据如表5 所示，原子坐标如表6 所示，FDCA-DMAC 加合结晶属于斜方晶系，Pca21空间群，a=25.787(5) Å，b=5.936 3(12) Å，c=11.219(2) Å，V=1 717.4(6) Å3，α=γ=β=90°，Dcalc=1.278 g·cm-3(如表 5)，CCDC 号为 No.1559898。 每个晶胞中包含 4 个 FDCA 和 8 个DMAC 分子(如图7(b))。因此，这也再次证明了FDCA-DMAC 加合结晶中每个FDCA 分子与2 个DMAC分子相结合，且是通过O−H···O 键相连(如表7，图7(b)，7(c))。但是由于FDCA 两端连接的DMAC 分子与相邻的DMAC 分子间无化学键相连，FDCA·2DMAC 分子交错排布，使FDCA-DMAC 加合结晶易受热打开氢键，开始挥发(105.28 ℃挥发最快)。但是与间苯二甲酸(isophthalic acid，IPA)形成的IPA-DMAC加合结晶不同的是，b 轴方向上相邻的FDCA 分子间可以通过C−H···O 键相连，而间苯二甲酸苯环间不形成 C−H···O 键[28-29]，IPA-DMAC 加合结晶从 40 ℃左右开始打开氢键，DMAC 开始挥发，100 ℃左右挥发完全，所以FDCA-DMAC 加合结晶比IPA-DMAC 加合结晶分解温度稍高。TA-DMAC 加合结晶从65 ℃左右开始分解，到125 ℃左右结束，虽然TA 与DMAC 间形成的氢键O−H···O 较强，平均距离为1.670 Å[29]，比 FDCA-DMAC 加合结晶中 O−H···O 之间的平均距离小，但是热稳定性比 FDCA-DMAC 加合结晶差，原因可能是相邻TA 分子间缺少氢键，不能像FDCA-DMAC 加合结晶一样形成长链。

表5 FDCA-DMAC 加合结晶的晶体学数据和结构精修结果Table 5 Crystallographic data and structure refinement of FDCA-DMAC adductive crystals

表6 FDCA-DMAC加合结晶的原子坐标(×104)和等效各向同性位移参数(Å2 ×103)Table 6 Atomic coordinates (×104) and equivalent isotropic displacement parameters (Å2 ×103) of FDCA-DMAC adductive crystals

表7 FDCA-DMAC 加合结晶的选择性键长和键角Table 7 Selected bond lengths and angles of FDCA-DMAC adductive crystals

图7 FDCA-DMAC 加合结晶晶体结构图Fig.7 Crystal structure of FDCA-DMAC adductive crystals

3.5 DMF 中结晶

前期研究发现FDCA 在25 ℃DMF 中并没有形成加合结晶，而是重结晶，单晶为三棱柱状，测定并解析出的晶体结构与水中生长的FDCA 单晶一致(数据省略)，这也为“两种氢键的存在使得FDCA 晶体结构更稳定，不容易使片层间的呋喃环发生错位从而形成不同的晶型”这一推论提供了实例证据。利用FDCA 在DMF 中溶解度大的特点进行重结晶有利于提高溶液浓度，促进FDCA 晶体生长、获得优质晶体。通过将加合结晶纯化后的FDCA 用DMF 重结晶的方法进一步纯化后，发现各处理组得到的FDCA纯度均在R=99.62% 以上(如表8)，最高为R=99.98%，因此在DMF 中重结晶可以得到高纯度的FDCA。

此外，单晶生长试验观测结果表明，在DMF 溶液中首先形成三棱柱状的 FDCA 单晶(如图 8(a))，晶体长至一定大小后，从原有晶体的一端或中间生长出另一根三棱柱状晶体(如图 8(b)，8(c))，多表现为十字形晶体(如图 8(d))，随着晶体的不断生长，从初始的十字交叉点位置生长出许多相似的三棱柱状晶体，使整个晶体呈放射状(图8(e)，8(f))。当结晶母液浓度较高时，晶体快速生长，有时表现为针状或柱状晶体。

表8 DMF 中结晶前后的FDCA 纯度Table 8 Purity of FDCA before and after crystallization in DMF

图8 在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中形成的三棱柱状FDCA 晶体Fig. 8 Triangular prism-shaped crystals of FDCA crystallized in N,N-dimethylformamide (DMF)

4 结 论

(1) 在水中重结晶可以得到长方形或三角形片状的FDCA 单晶，在DMF 中重结晶可以得到三棱柱状的 FDCA 单晶，且他们具有相同的晶体结构，相邻分子通过 O−H···O 键形成羧酸链(表 4 和图 3(b))。C−H···O 键使FDCA 的羧酸链连成片层，但片层间无化学键相连，片层间的呋喃环分布在同一直线上(图3(c)，3(d))。

(2) 用与 DMAC 形成FDCA-DMAC 加合结晶，再将加合结晶加热脱除溶剂的方法可以有效去除有色杂质，纯化粗FDCA，随着FDCA:DMAC (m:v)从1:3 至1:5，FDCA 脱色率从82.65% 升至94.94%，FDCA 纯度从 R=94.33% 升至 R=96.35% ～ 98.37%。

(3) FDCA-DMAC 加合结晶中，每个 FDCA 分子与 2 个 DMAC 分子通过 O−H···O 键相连，热稳定性较差，加热破坏O−H···O 键并使DMAC 受热挥发可重新得到FDCA。

(4) 经DMF 重结晶后，加合结晶纯化的FDCA 纯度最高可以达到R=99.98%。

符号说明：

A — 吸光度

c — 测定的FDCA 样品浓度，g·L-1

D — 脱色率，%

m — FDCA 样品质量，g

R — 纯度，%

Tmax— 最大失重速率温度，℃

V — 配制样品溶液的体积，L

下标

0 — 初始值