馬 浩，鄺棟鈴，陳利利，蔡 滔，滕俊江，李 凝

(1.廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

果糖是制備5-羥甲基糠醛(HMF)活性最高的原料，在質(zhì)子酸(H+)催化作用下即可高效脫水形成HMF[1-2]。然而，傳統(tǒng)質(zhì)子酸催化劑具有較強(qiáng)的腐蝕性，且重復(fù)使用困難，而固體酸催化劑則存在制備過(guò)程復(fù)雜，易失活等缺點(diǎn)，不利于HMF的工業(yè)化生產(chǎn)[3-5]。因此，構(gòu)建高效無(wú)質(zhì)子酸催化劑的非催化體系具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

無(wú)酸催化劑存在時(shí)，果糖在較高的反應(yīng)溫度條件下，同樣可以脫水形成HMF[6]。例如，Cao Q等[7]研究了果糖在離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([C4mim]Cl)、1-己基-3-甲基咪唑氯鹽([C6mim]Cl)以及1-辛基-3-甲基咪唑氯鹽([C8mim]Cl)中非催化脫水形成HMF的性能，結(jié)果表明，[C4mim]Cl為反應(yīng)體系時(shí)，有利于果糖的脫水反應(yīng)，在140 ℃條件下反應(yīng)50 min，HMF產(chǎn)率達(dá)到60.4%；Li Y等[8]研究了1-丁基-3-甲基咪唑溴鹽([C4mim]Br)在無(wú)催化劑作用下對(duì)果糖脫水反應(yīng)的促進(jìn)作用，在優(yōu)化的溫度條件下，HMF產(chǎn)率達(dá)95%，并通過(guò)原位FT-IR和DFT分析發(fā)現(xiàn)，果糖分子與[C4mim]Br之間的氫鍵作用是該體系中果糖高效脫水形成HMF的關(guān)鍵，控速步驟的最大能壘為173.0 kJ·mol-1[9]；Shi J等[10]研究發(fā)現(xiàn)，1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽([Amim]Cl)同樣可以促進(jìn)果糖非催化脫水形成HMF，產(chǎn)率達(dá)84.9%。

作者前期的研究發(fā)現(xiàn)，含有氯基(-Cl)的功能化離子液體1-氯乙基-3-甲基咪唑氯鹽([C2Clmim]Cl)可以高效促進(jìn)果糖非催化脫水反應(yīng)，HMF分離產(chǎn)率約90%[11]。作者課題組又系統(tǒng)對(duì)比了果糖在4種非酸性離子液體[C4mim]Cl、[Amim]Cl、1-羥乙基-3-甲基咪唑氯鹽([C2OHmim]Cl)、[C2Clmim]Cl中非催化脫水形成HMF的性能，發(fā)現(xiàn)[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，在較低的溫度下幾乎可以實(shí)現(xiàn)HMF的定量轉(zhuǎn)化，表明-Cl功能基有利于促進(jìn)果糖脫水反應(yīng)形成HMF[12]。鑒于-Cl對(duì)果糖非催化脫水的促進(jìn)作用，課題組繼續(xù)研究了2-氯乙醇在[C4mim]Cl中對(duì)果糖非催化脫水的性能[13]，結(jié)果表明，HMF選擇性大于95%，且動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在2-氯乙醇的促進(jìn)作用下，果糖脫水轉(zhuǎn)化的活化能為48.3 kJ·mol-1，進(jìn)一步證實(shí)了-Cl的促進(jìn)作用。

為了深入理解鹵基(-X)試劑對(duì)果糖非催化脫水的促進(jìn)作用，本文研究系列鹵代烷烴和芳基鹵化物對(duì)果糖在異丙醇(i-PrOH)溶劑體系中非催化脫水形成HMF的規(guī)律，并對(duì)過(guò)程影響因素、穩(wěn)定性、底物實(shí)用性進(jìn)行系統(tǒng)考察。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

高效液相色譜儀，HPLC，Agilent1200，安捷倫科技有限公司，配有示差和紫外檢測(cè)器；LCQ DECA XP液-質(zhì)聯(lián)用儀，ESI-MS，美國(guó)Thermo公司。

鹵代烷烴、芳基鹵化物、甲醇(色譜純)，百靈威科技有限公司；果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、菊粉、異丙醇，廣東光華科技股份有限公司，所有試劑均未進(jìn)一步純化。

1.2 果糖脫水反應(yīng)及產(chǎn)物分析方法

向25 mL的水熱反應(yīng)釜中加入10 mL的i-PrOH、15 mmol鹵代試劑和1.80 g(10 mmol)果糖，密閉反應(yīng)釜。磁力攪拌(400 rpm)，在設(shè)定溫度下反應(yīng)一定時(shí)間后，冰水浴快速冷卻至室溫。利用80%的乙醇溶液進(jìn)行定容至100 mL，并通過(guò)HPLC對(duì)果糖轉(zhuǎn)化率、HMF產(chǎn)率進(jìn)行定量分析[12]，通過(guò)反應(yīng)前后果糖的摩爾數(shù)量計(jì)算果糖轉(zhuǎn)化率、HMF產(chǎn)率、HMF選擇性以及HMF生成量。

1.3 果糖脫水中間產(chǎn)物分析

向25 mL的水熱反應(yīng)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，密閉反應(yīng)釜。磁力攪拌(轉(zhuǎn)速為400 rpm)，在設(shè)定溫度下反應(yīng)一定時(shí)間后，冰水浴快速冷卻至室溫，通過(guò)減壓蒸餾(旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀)回收DCE-i-PrOH。獲得的粘稠狀殘余物用去離子水定容后，以負(fù)離子模式(ESI-MS)進(jìn)行定性分析。

回收的DCE-i-PrOH經(jīng)過(guò)無(wú)水氯化鈣(CaCl2)干燥后即可進(jìn)行重復(fù)使用。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹵代烷烴促進(jìn)果糖脫水

鑒于前期的研究發(fā)現(xiàn)，氯功能化離子液體([C2Clmim]Cl)以及氯乙醇對(duì)果糖脫水反應(yīng)具有較好的促進(jìn)作用[12-13]，首先研究系列鹵代烷烴在異丙醇(i-PrOH)溶劑體系中對(duì)果糖脫水反應(yīng)的促進(jìn)作用，結(jié)果如表1所示。

表1 鹵代烷烴的促進(jìn)作用[a]Table 1 Promotion effect of halogenated alkanes

從表1可以看出，在沒(méi)有促進(jìn)劑作用下，果糖在i-PrOH溶劑中非催化脫水形成HMF的能力較弱，在120 ℃條件下反應(yīng)2 h，只有15.0%的果糖參與反應(yīng)，且轉(zhuǎn)化為HMF的選擇性極低，只有1.3%(序號(hào)1)。當(dāng)DCE加入到反應(yīng)體系中，果糖的脫水轉(zhuǎn)化效率明顯提高，在相同反應(yīng)條件下，果糖轉(zhuǎn)化率達(dá)97.7%，HMF產(chǎn)率達(dá)到61.1%，表明DCE對(duì)果糖的脫水轉(zhuǎn)化具有較大的促進(jìn)作用(序號(hào)2)。繼續(xù)研究1，3-二氯丙烷、1，4-二氯丁烷、1，5-二氯戊烷和1，6-二氯己烷對(duì)果糖在i-PrOH中脫水性能的促進(jìn)作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該類氯代烷烴均可以高效促進(jìn)果糖的脫水反應(yīng)，且促進(jìn)效率明顯優(yōu)于DCE，可實(shí)現(xiàn)果糖的完全轉(zhuǎn)化，HMF產(chǎn)率在80%以上(序號(hào)3～6)，表明-Cl之間適當(dāng)?shù)目臻g(烷基鏈長(zhǎng)度)有利于果糖的脫水反應(yīng)[14]。然而，當(dāng)以1，2-二氯丙烷為促進(jìn)劑時(shí)，發(fā)現(xiàn)其不具備促進(jìn)果糖脫水轉(zhuǎn)化為HMF的能力(序號(hào)7)，可能是由于甲基(-CH3)的空間位阻影響1號(hào)碳上的-Cl和2號(hào)碳上的-Cl對(duì)果糖脫水的協(xié)同促進(jìn)作用，同時(shí)也影響1，2-二氯丙烷分子間-Cl的協(xié)同作用。

為了進(jìn)一步研究空間位阻的影響，對(duì)比了2-氯丁烷和1-氯丁烷對(duì)果糖脫水反應(yīng)的影響(序號(hào)8～10)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有較大空間位阻的2-氯丁烷對(duì)果糖脫水反應(yīng)的促進(jìn)作用明顯優(yōu)于1-氯丁烷，可能是由于2-氯丁烷分子間的-Cl基之間的協(xié)同效應(yīng)優(yōu)于1-氯丁烷體系，表明在氯代烷烴促進(jìn)的反應(yīng)體系中，-Cl基之間的距離(空間效應(yīng))對(duì)其促進(jìn)作用具有明顯影響，適當(dāng)?shù)木嚯x是獲得較高協(xié)同效率的關(guān)鍵[14]。此外，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)體系中-Cl基的量不是影響其促進(jìn)果糖脫水的關(guān)鍵因素，進(jìn)一步證明-Cl基之間協(xié)同促進(jìn)作用的重要性[15]。

研究其他鹵代烷烴對(duì)果糖脫水反應(yīng)的影響發(fā)現(xiàn)，-Br基也可以有效促進(jìn)果糖脫水形成HMF，而-I基促進(jìn)作用較弱，這主要是由于-Cl和-Br為強(qiáng)氫鍵受體，可以與果糖的羥基(-OH)形成氫鍵，加強(qiáng)果糖分子與促進(jìn)劑的相互作用，降低活化能，從而起到加速果糖非催化脫水形成HMF的反應(yīng)過(guò)程[16]。

2.2 芳基鹵化物促進(jìn)果糖脫水

研究芳基鹵化物對(duì)果糖脫水反應(yīng)的促進(jìn)性能，結(jié)果如表2所示。

表2 芳基鹵化物的促進(jìn)作用Table 2 Promotion effect of aryl halides

從表2可以看出，單取代芳基鹵化物對(duì)果糖脫水反應(yīng)的促進(jìn)性能較弱，尤其是氟苯為促進(jìn)劑時(shí)，不具備果糖脫水的促進(jìn)能力(序號(hào)1～4)。通過(guò)對(duì)比氟苯、氯苯、溴苯和碘苯分子中鹵原子的電子云密度，并與鹵代烷烴比較(表1)，可以推斷鹵代試劑中，鹵基(-X)對(duì)果糖脫水反應(yīng)的促進(jìn)作用與其電子云密度有關(guān)，過(guò)低或過(guò)高均不利于果糖脫水反應(yīng)的進(jìn)行。隨后通過(guò)在芳基鹵化物對(duì)位引入供電子(-OCH3)和吸電子基(-NO2)進(jìn)一步證實(shí)上述假設(shè)(對(duì)照實(shí)驗(yàn))。例如，在氟苯的對(duì)位引入-NO2，通過(guò)誘導(dǎo)效應(yīng)(拉電子效應(yīng))降低-F的電子云密度，而其促進(jìn)果糖的脫水性能明顯下降，果糖轉(zhuǎn)化率僅6.3%(序號(hào)5)；在氟苯的對(duì)位引入-OCH3，增加了-F的電子云密度，果糖的脫水性能明顯改善，果糖轉(zhuǎn)化率增加到28.9%(序號(hào)6)。在氯苯對(duì)位引入供電子(-OCH3)和吸電子基(-NO2)時(shí)，對(duì)果糖脫水反應(yīng)的促進(jìn)規(guī)律與氟苯相同(序號(hào)7～8)，然而卻低于相應(yīng)的氯代烷烴，主要是由于苯環(huán)與鹵基(-X)的p-π共軛效應(yīng)，導(dǎo)致芳基鹵化物中-X電子云密度低于相應(yīng)的鹵代烷烴[17]。

當(dāng)以原子半徑和電子云密度較大的溴苯和碘苯為促進(jìn)劑時(shí)，對(duì)位引入供電子(-OCH3)和吸電子基(-NO2)對(duì)其促進(jìn)性能影響規(guī)律與氟苯和氯苯明顯不同。例如，溴苯對(duì)位引入-NO2時(shí)，其促進(jìn)性能較弱，而引入-OCH3時(shí)，促進(jìn)性能仍沒(méi)得到改善，主要是由于-OCH3為強(qiáng)供電子基團(tuán)，對(duì)溴基(-Br)電子云密度調(diào)控并未達(dá)到最佳范圍。當(dāng)在碘苯的對(duì)位引入強(qiáng)拉電子基團(tuán)-NO2時(shí)，其促進(jìn)效應(yīng)有極大提升，以對(duì)硝基碘苯為促進(jìn)劑時(shí)，果糖完全轉(zhuǎn)化，HMF產(chǎn)率達(dá)71.6%，優(yōu)于溴苯(表2，序號(hào)3)和對(duì)應(yīng)的溴代烷烴(表1，序號(hào)14～16)，與氯代烷烴相當(dāng)(表1，序號(hào)9)。當(dāng)供電基團(tuán)-OCH3存在時(shí)，幾乎不具備促進(jìn)果糖脫水轉(zhuǎn)化能力(表2，序號(hào)12)。

對(duì)比表1和表2的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以鹵化物(鹵代烷烴和芳基鹵化物)為促進(jìn)劑時(shí)，鹵原子的電子云密度對(duì)其促進(jìn)果糖脫水效率產(chǎn)生決定性影響，合適的電子云密度是其高效促進(jìn)果糖脫水的關(guān)鍵所在。

2.3 過(guò)程影響因素及反應(yīng)機(jī)理

基于含氯試劑對(duì)果糖脫水性能的影響，以價(jià)格低廉、沸點(diǎn)適中的DCE為促進(jìn)劑，研究過(guò)程參數(shù)對(duì)促進(jìn)劑性能的影響規(guī)律，結(jié)果如圖1所示。

圖1 DCE用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)果糖脫水的影響Figure 1 Influence of DCE dosage，reaction temperature and reaction time on dehydration of fructose實(shí)驗(yàn)條件：10 mmol果糖，15 mmol的DCE，10 mL的i-PrOH，120 ℃反應(yīng)2 h

由圖1可以看出，DCE的存在可以有效促進(jìn)果糖脫水反應(yīng)的進(jìn)行，果糖轉(zhuǎn)化率大于97%，HMF產(chǎn)率隨DCE用量的增加先升后降，當(dāng)DCE用量為30 mmol時(shí)，HMF產(chǎn)率從39.2%增加到66.5%，進(jìn)一步增加DCE用量，HMF產(chǎn)率下降，表明DCE用量的增加在有利于果糖脫水形成HMF的同時(shí)，也會(huì)促進(jìn)HMF副反應(yīng)的發(fā)生，生成胡敏素等腐殖質(zhì)[11-13，18-20]。因此，為了獲得較高的HMF產(chǎn)率，控制DCE用量為(15～30) mmol。

從圖1還可以看出，較高的反應(yīng)溫度有利于DCE促進(jìn)果糖向HMF的轉(zhuǎn)化，且在140 ℃條件下，HMF產(chǎn)率達(dá)到最大值81.1%。反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)同樣有利于果糖向HMF的轉(zhuǎn)化，在HMF產(chǎn)率達(dá)到最大值(72.2%)后同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[11-13，18-20]。因此，合適的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間也是獲得較高HMF產(chǎn)率的重要影響因素。

圖2為反應(yīng)混合物的HPLC圖，對(duì)照實(shí)驗(yàn)HPLC分析結(jié)果如表3所示。

圖2 反應(yīng)混合物的HPLC圖Figure 2 HPLC analysis of reaction mixture反應(yīng)條件：a.10 mmol果糖，10 mL的i-PrOH，90 ℃反應(yīng)2 h；[b].10 mmol果糖，15 mmol的DCE，10 mL的i-PrOH，90 ℃反應(yīng)2 h；[c].10 mmol果糖，15 mmol的DCE，10 mL的i-PrOH，90 ℃反應(yīng)2 h后冰水浴冷卻至室溫，然后在120 ℃繼續(xù)反應(yīng)2 h

表3 對(duì)照實(shí)驗(yàn)HPLC分析結(jié)果Table 3 HPLC results from controlled experiments

從圖2和表3可以看出，沒(méi)有DCE存在時(shí)，溫和的反應(yīng)條件下(90 ℃反應(yīng)2 h)，果糖可以在反應(yīng)體系中穩(wěn)定存在(表3，序號(hào)1)。然而，當(dāng)加入DCE時(shí)，在相同條件下，果糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到75.8%，未知物產(chǎn)率達(dá)到67.5%。當(dāng)反應(yīng)體系在120 ℃條件下繼續(xù)反應(yīng)2 h后，果糖轉(zhuǎn)化率升高到98.2%，增加幅度為22.4%，未知物產(chǎn)率下降到31.9%，降低幅度為35.6%，而HMF產(chǎn)率由8.3%增加到66.3%，增加幅度為58%，遠(yuǎn)高于果糖轉(zhuǎn)化率的升高幅度，表明在該反應(yīng)過(guò)程中，有大量未知物轉(zhuǎn)化為HMF，DCE促進(jìn)的果糖脫水過(guò)程初期形成的未知物為該反應(yīng)過(guò)程的中間體(圖2b，2c)。

通過(guò)ESI-MS對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物中間體進(jìn)行分析(見(jiàn)圖3)，發(fā)現(xiàn)該系列中間體為脫水低聚糖[23]，結(jié)果如表4所示。

圖3 反應(yīng)混合物的電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)Figure 3 ESI-MS spectrum of reaction mixture

表4 ESI-MS結(jié)果Table 4 ESI-MS results

續(xù)表

基于上述研究結(jié)果，對(duì)DCE促進(jìn)的果糖脫水形成HMF機(jī)理進(jìn)行闡釋(圖4)。即果糖在DCE促進(jìn)作用下，首先脫一分子水形成脫水單糖，而該脫水單糖不穩(wěn)定，極易聚合形成系列脫水糖低聚物(動(dòng)力學(xué)有利)。而脫水單糖在較高的反應(yīng)溫度下同樣可以進(jìn)一步脫除兩分子水形成最終產(chǎn)物HMF(熱力學(xué)有利)，從而呈現(xiàn)出隨著反應(yīng)溫度升高，HMF產(chǎn)率逐漸升高的趨勢(shì)(圖1)。

圖4 DCE促進(jìn)的果糖脫水機(jī)理示意圖Figure 4 Proposed fructose dehydration mechanism promoted by DCE

2.4 實(shí)用性能評(píng)價(jià)

反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)體系中直接加入AgNO3溶液，并無(wú)渾濁現(xiàn)象出現(xiàn)，表明DCE在反應(yīng)體系中沒(méi)發(fā)生水解反應(yīng)；通過(guò)GC-MS對(duì)反應(yīng)后混合物進(jìn)行分析，同樣沒(méi)有發(fā)現(xiàn)DCE水解產(chǎn)物，均證明DCE在反應(yīng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，說(shuō)明鹵代試劑可以作為果糖脫水形成HMF穩(wěn)定的促進(jìn)劑。考察該體系的循環(huán)使用性能，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，該體系具有較高的重復(fù)使用性能，在循環(huán)使用8次后，HMF產(chǎn)率約60%，表明DCE促進(jìn)果糖脫水形成HMF的體系具有較好的實(shí)用性。

圖5 DCE促進(jìn)的果糖脫水體系的循環(huán)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 ℃反應(yīng)2 h

果糖成本較高，以果糖為原料制備HMF在成本上不具有優(yōu)勢(shì)[24]。研究DCE—i-PrOH體系對(duì)其他糖類化合物脫水性能的促進(jìn)作用，結(jié)果如表5所示。分析表5數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DCE可以有效促進(jìn)含有果糖結(jié)構(gòu)單元的原料(蔗糖)進(jìn)行脫水形成HMF，而對(duì)果糖的同分異構(gòu)體葡萄糖的促進(jìn)作用較弱[25]，說(shuō)明DCE可以作為含有果糖結(jié)構(gòu)單元的原料制備HMF的促進(jìn)劑，且以重要的果聚糖菊粉為原料時(shí)，HMF產(chǎn)率可以達(dá)到60%以上。

表5 底物拓展Table 5 Substrate scope

3 結(jié) 論

(1) 含有強(qiáng)氫鍵受體的氯代烷烴和溴代烷烴可以有效促進(jìn)果糖非催化脫水形成HMF，且促進(jìn)性能與其電子云密度有關(guān)，適合的電子云密度是其高效促進(jìn)果糖脫水形成HMF的關(guān)鍵。通過(guò)芳基和硝基對(duì)碘基(-I)的電子云密度進(jìn)行調(diào)控，同樣可以提升碘化物對(duì)果糖脫水性能的促進(jìn)作用。

(2) 在1，3-二氯丙烷的促進(jìn)作用下，果糖非催化脫水形成HMF的產(chǎn)率可達(dá)85.2%。在氯代烷烴促進(jìn)果糖脫水過(guò)程中，果糖脫一分子水后，快速聚合形成脫水低聚糖，促進(jìn)劑用量的增加、反應(yīng)溫度的升高和反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)均有利于脫水低聚糖向HMF轉(zhuǎn)化。

(3) 含鹵試劑良好的穩(wěn)定性和底物普適性有利于促進(jìn)生物質(zhì)化工的快速發(fā)展。

(4) 為了深入理解鹵原子的促進(jìn)作用，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬手段對(duì)不同鹵原子外層電子云密度進(jìn)行計(jì)算，從而找出最適宜的電子云密度，為含鹵促進(jìn)劑或者催化劑的設(shè)計(jì)提供參考。