HBr-MgBr2催化己糖二酸脱水环合制备2，5-呋喃二甲酸的研究

时间：2024-09-03

陈旭杰，吕喜蕾，史欢欢，郑丽萍，魏茜文，田鹏辉，蒋雨希，吕秀阳

（1浙江大学化学工程与生物工程学院生物质化工教育部重点实验室，浙江杭州 310027；2浙江恒逸石化有限公司研发中心，浙江杭州 311209）

引言

2,5-呋喃二甲酸(2,5-furandicarboxylic acid,2,5-FDCA)是生物可降解塑料聚呋喃二甲酸乙二醇酯(polyethylene furanoate，PEF)的聚合单体[1-2]，未来需求量巨大。2,5-FDCA 目前主流的路线为葡萄糖/果糖经5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,5-HMF)制备。由于5-HMF反应活性高、水热稳定性差致使分离成本居高不下，亟需另辟蹊径[3]。其中值得探索的路径之一是六元糖先氧化得到己糖二酸再脱水环合制备2,5-FDCA，该路径己糖二酸很稳定、易于分离[4]，同时六碳糖氧化制备己糖二酸无论化学法[5]还是生物法[6]都已经取得突破，因而己糖二酸的低成本制备已经成为可能。

己糖二酸包括葡萄糖二酸、半乳糖二酸(黏酸)、甘露糖二酸及其盐。吕秀阳课题组近年来对己糖二酸脱水环合制备2,5-FDCA 开展了广泛的研究，优化了半乳糖二酸催化脱水环合制备2,5-呋喃二甲酸工艺[7]，测定了反应动力学参数[8]，开展了不同己糖二酸脱水环合制备2,5-呋喃二甲酸的对比研究[9]，并进而探究己糖二酸脱水环合制备2,5-呋喃二甲酸反应路径[8]，但在较佳的工艺条件下以半乳糖二酸为原料2,5-FDCA 收率也不到50%[7]，以葡萄糖二酸钙为原料2,5-FDCA 收率也只有59.2%[9]，因此，亟待构建更高选择性的催化体系。

尽管已有专利报道了氢卤酸催化己糖二酸脱水环合制备2,5-FDCA[10-12]，但是并没有详细的工艺和反应动力学研究。本课题组前期在催化剂筛选中对氢卤酸进行了尝试[7-8]，发现并没能高收率得到2,5-FDCA 产物。本文在前期实验2,5-FDCA 收率低原因分析的基础上，构建了两个高效、高选择性的己糖二酸脱水环合催化体系，并进而开展了工艺优化和动力学研究，以期推进己糖二酸脱水环合制备2,5-FDCA路线工业化进程。

1 实验部分

1.1 实验试剂和装置

试剂：半乳糖二酸(98%)、2,5-呋喃二甲酸(98%)、环丁砜(98%)、糠酸(98%)、氢溴酸(48%)、氢碘酸(55%～58%)、溴化钙(98%)、溴化铜(99%)、溴化亚铜(99%)购自阿拉丁；溴化钠(99%)、溴化钾(99%)、溴化锂(99.9%)、溴化钴(97%)、溴化亚锡(99%)、溴化亚铁(99.995%)购自麦克林；D-葡萄糖二酸单钾盐(98%)、D-葡萄糖二酸钙(98.5%)购自Sigma；溴化锶(99%)、溴化亚铜(99.5%)购于毕得医药；溴化镁(98%)购自Sigma-Aldrich；溴化锌(98%)购自上海笛柏;D-葡萄糖二酸1,4-内酯购自上海吉至生化；盐酸(36%～38%)、硫酸(98%)购自国药集团。

装置：采用二套高压釜。一是南京正信仪器有限公司制造的带磁力搅拌六联式平行高压反应釜(型号PSK-6-10ML)，反应釜外壳材料为316L不锈钢，内衬材料为聚四氟乙烯，体积为10 ml，最高使用压力为6 MPa，最高使用温度为200℃，采用固定式模块电加热器加热；二是大连科茂实验设备有限公司制造的14.5 ml的微型高压反应釜，由铝体电加热炉加热。装置二仅用于酸催化剂种类的筛选，其余实验全部采用装置一。

1.2 实验过程

称取一定量的己糖二酸、溶剂、催化剂和助催化剂，加入聚四氟乙烯内衬中，放入搅拌子后，将聚四氟内衬用六联式反应釜密封。待加热器升温至设定值并稳定后，将反应釜放入加热器中同时开启磁力搅拌(除了2.3.1 节实验，其他实验转速设定为300 r/min)，反应一定时间后，取出反应釜，放入冷水中迅速冷却至室温，然后将反应产物用去离子水定容至50 ml，经0.22 μm 一次性针头过滤器过滤后，采用HPLC进行定量分析。

本文每个实验点都设置3 个平行样，数据为3个样的平均值，误差是3个样的标准偏差。酸和盐的浓度采用质量分数表示。

1.3 分析方法

反应产物除了2,5-FDCA，还有副产物糠酸。采用HPLC(Agilent 1260，UV 检测器)外标法定量。色谱条件为：色谱柱为Agilent Hi-Plex H 300 mm×7.7 mm；流动相为5 mmol/L的硫酸水溶液、流速为0.6 ml/min；柱温为65℃；进样量为20 μl；检测波长设定为265 nm。2,5-FDCA 和糠酸的出峰时间分别为17.8和32.0 min。由于原料己糖二酸的峰与催化剂中卤素离子的峰重叠，本方法不能对反应原料己糖二酸进行定量分析。产物的摩尔收率计算如下：

2 实验结果

2.1 酸催化剂的筛选

2.1.1 酸催化剂种类的筛选首先在带搅拌内衬聚四氟乙烯反应釜中开展了以D-葡萄糖二酸单钾盐为原料、环丁砜为溶剂(全文同，不再另述)、120℃反应24 h 下的酸催化剂种类筛选，主要筛选不同的卤化氢(HCl、HBr、HI)并与硫酸做对比，其中酸催化剂的质量分数全部为3%，反应底物浓度为0.45%(质量)(全文除了2.3.3 节外，其他同，不再另述)，结果如图1(a)所示。从图可见，氢溴酸的催化效果显著优于硫酸、盐酸、氢碘酸，硫酸、盐酸、氢碘酸催化时2,5-FDCA 的摩尔收率都在30%以下，而氢溴酸催化时收率可达63%。还有一个值得注意的现象是盐酸催化时糠酸的收率高于30%。

接着在无搅拌316L反应釜中开展了不同卤化氢催化D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应，条件同上，结果如图1(b)所示，与文献[7]中图2 相似，HI 催化时2,5-FDCA收率约5%，而HCl、HBr催化时几乎检测不到2,5-FDCA，反应结束打开反应釜时有明显的气体冒出，因此推测可能是卤化氢与反应釜发生了反应，消耗了其酸性致使反应难以进行,所以在以卤化氢为催化剂时，不适合选择316L材质的反应釜；同时，如

图1 不同酸催化剂对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响(环丁砜、120℃、24 h)Fig.1 Effect of different acid catalysts on the cyclodehydration of potassium bisaccharate (sulfolane,120℃,24 h)

2.3.1 节中的图4所示，无搅拌也会对2,5-FDCA的收率有一定的影响，但与反应釜材质相比，搅拌对反应收率的影响是次要的。Cl-、Br-、I-三种离子的出峰与己糖二酸重叠致使难以对原料转化率进行定量分析。

后面的实验全部采用带搅拌内衬聚四氟乙烯反应釜。

2.1.2 HBr 质量分数对脱水环合反应的影响以D-葡萄糖二酸单钾盐为原料、120℃反应24 h 条件下，开展了HBr 质量分数对脱水环合反应的影响的研究，结果如图2 所示。从图可见，当HBr质量分数在0.2%以下时2,5-FDCA的摩尔收率随着酸浓度的增加而升高，但HBr 质量分数在0.2%以上时2,5-FDCA的摩尔收率基本不变，约为63%。糠酸的收率随着HBr 质量分数的增加有一极大值，0.2%～0.3%HBr质量分数时糠酸收率达28%。

图2 HBr质量分数对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响(环丁砜、120℃、24 h)Fig.2 Effect of HBr concentration on the cyclodehydration of potassium bisaccharate(sulfolane,120℃,24 h)

2.2 助催化剂的筛选

为了进一步提高2,5-FDCA 的收率，开展了不同助催化剂对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响，反应条件为：2.5%(质量)HBr、120℃反应24 h。由于溴化氢是主催化剂，因而选择溴化盐为助催化剂，考察的金属包括碱金属(锂、钠、钾)、碱土金属(镁、钙、锶)和部分副族金属(铁、钴、铜、锌)，溴化盐的质量分数为5%，结果如图3 所示。从图可见，碱金属和碱土金属都有一定的促进作用，而副族金属却起反作用。效果最好的是LiBr 和MgBr2，2,5-FDCA 的摩尔收率从不加助催化剂的61.7%分别提升至82.1%和82.7%。考虑到地球上镁的丰度远远大于锂，选择MgBr2作为助催化剂开展后面的工艺和动力学研究。

图3 不同助催化剂对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响[环丁砜、2.5%(质量)HBr、120℃、24 h]Fig.3 Effect of different cocatalysts on the cyclodehydration of potassium bisaccharate[sulfolane,2.5%(mass)HBr,120℃,24 h]

2.3 HBr-MgBr2催化己糖二酸脱水环合工艺研究

2.3.1 搅拌速率对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响由于D-葡萄糖二酸单钾盐在环丁砜中的溶解性较差，因此测定了3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2催化下搅拌速率对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响，反应条件为：0.45%(质量)D-葡萄糖二酸单钾盐、在120℃反应24 h，结果如图4所示。不搅拌时2,5-FDCA 的收率为52.8%，当转速提高到100 r/min 时，2,5-FDCA 的收率提高到了82.8%，随着转速的进一步提高，2,5-FDCA 的收率无明显变化，因此选定搅拌速率为300 r/min。

图4 搅拌速率对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响[环丁砜、3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2、120℃、24 h]Fig.4 Effect of rotating speed on the cyclodehydration of potassium bisaccharate[sulfolane,3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2,120℃,24 h]

2.3.2 HBr 和MgBr2配比优化为了优化HBr 和MgBr2配比，设计了如表1所示的“二因素七水平”共49 组全面实验，结果如图5 和图6 所示，其中图5 是对主产物2,5-FDCA 摩尔收率的影响，图6是对副产物糠酸摩尔收率的影响。从图5 可见，在实验的HBr和MgBr2浓度范围内2,5-FDCA摩尔收率的极值点倾向于较高的HBr 和MgBr2浓度，其中3%(质量)HBr、6%(质量)MgBr2下2,5-FDCA 摩尔收率高达84.2%。对于低浓度的HBr，有一较佳的MgBr2浓度：在0.5%、1.0%、1.5%(质量)HBr 对应的较佳MgBr2浓度为1.0%、3.0%、4.0%(质量)，此时对应的2,5-FDCA 摩尔收率分别为68.7%、75.2%、80.3%；对于高浓度的HBr，2,5-FDCA 最大收率出现在实验的最高6%(质量)MgBr2浓度，2.0%、2.5%、3.0%、3.5%(质量)HBr 对应的2,5-FDCA 摩尔收率分别为81.5%、83.4%、84.2%、84.0%，差距不大。从图6 可以看出，HBr 和MgBr2浓度对副产物糠酸的摩尔收率影响很大，糠酸在高浓度HBr 溶液中易分解。结合图2 的结果可以看出2,5-FDCA 在HBr-MgBr2催化体系中很稳定，而糠酸则不稳定，易于降解，具体降解产物有待进一步研究。

图5 HBr和MgBr2的浓度对2,5-FDCA摩尔收率的影响(环丁砜、120℃、24 h)Fig.5 Effect of HBr and MgBr2 concentrations on the yield of 2,5-FDCA(sulfolane,120℃,24 h)

图6 HBr和MgBr2的浓度对糠酸摩尔收率的影响(环丁砜、120℃、24 h)Fig.6 Effect of HBr and MgBr2 concentrations on the yield of 2-furoic acid(sulfolane,120℃,24 h)

表1 全面实验因素与水平Table 1 Factors and level of comprehensive test

2.3.3 底物浓度对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响测定了3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2催化下底物浓度对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响，其他条件为120℃反应24 h，结果如图7 所示。从图中可以看出，底物浓度在5%(质量)以下时，底物浓度对2,5-FDCA的摩尔收率影响不大，可以维持在80%的收率，但从6%(质量)开始，2,5-FDCA 的摩尔收率开始急剧下降，副产物糠酸有所增加。

图7 底物浓度对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响[环丁砜、3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2、120℃、24 h]Fig.7 Effect of substrate concentration on the cyclodehydration of potassium bisaccharate[sulfolane，3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2,120℃,24 h]

2.3.4 水量的富集对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响由于每分子己糖二酸脱水环合制备FDCA 过程会产生3分子水，因而在连续反应过程中体系中的水量会富集，因此考察了水量的富集对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响，结果如图8所示，催化剂初始浓度：3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2，其他条件为120℃反应24 h。由图可见，水的含量从最初的3.3%富集到16.5%时2,5-FDCA 的摩尔收率下降很少，都能维持在80%以上，但含水量进一步增加时2,5-FDCA的摩尔收率会有明显的下降。

图8 水量的富集对D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的影响[环丁砜、120℃、24 h;催化剂初始浓度：3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2]Fig.8 Effect of water added on the cyclodehydration of potassium bisaccharate[sulfolane,120℃,24 h;initial catalyst concentration：3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2]

2.3.5 不同己糖二酸原料对脱水环合反应的影响不同己糖二酸原料(半乳糖二酸、D-葡萄糖二酸单钾盐、D-葡萄糖二酸钙盐、D-葡萄糖二酸1,4-内酯)对脱水环合反应的影响如图9 所示，反应条件：3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2、120℃反应24 h。从图可见：2,5-FDCA收率的排序为：D-葡萄糖二酸1,4-内酯＞D-葡萄糖二酸单钾盐＞D-葡萄糖二酸钙盐＞半乳糖二酸，尽管以D-葡萄糖二酸1,4-内酯为原料2,5-FDCA摩尔收率可高达92.4%，但价格昂贵，不宜作为反应原料。

图9 不同己糖二酸原料对脱水环合反应的影响[环丁砜、3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2、120℃、24 h]Fig.9 Effect of different hexaric acids on the cyclodehydration reaction[sulfolane,3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2,120℃,24 h]

2.4 D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应动力学研究

测定了3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2催化D-葡萄糖二酸单钾盐在100、110、120、130℃下的脱水环合反应动力学曲线，如图10 和图11 所示，其中图10为2,5-FDCA收率、图11为糠酸收率。从图10可见：温度对反应的影响非常大，但对最终的平衡收率影响不大，最终收率都在80%以上；100、110、120、130℃时达到平衡收率所需的反应时间分别为360、180、100、60 min。从图11可见副产物糠酸的收率有一极值点，表明糠酸稳定性较差。

图10 不同温度下2,5-FDCA收率随时间的变化[环丁砜、3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2]Fig.10 Yield of 2,5-FDCA as a function of time under different temperatures[sulfolane,3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2]

图11 不同温度下糠酸收率随时间的变化[环丁砜、3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2]Fig.11 Yield of 2-furoic acid as a function of time under different temperatures[sulfolane,3%(mass)HBr-6%(mass)MgBr2]

D-葡萄糖二酸单钾盐脱水环合制备2,5-FDCA可简化为如下的两个平行反应，其中A为D-葡萄糖二酸单钾盐，B为2,5-FDCA，C为糠酸及其他副产物。

假设两个平行反应均为一级反应，三个组分的变化速率为：

式(1)可积分得：

式(4)可改写为：

将式(4)分别代入式(2)和式(3)，可得：

由于无法测得原料的浓度变化，因此从产物的收率角度进行动力学分析。由于糠酸在高温下不稳定、易分解，因此选取式(6)进行产物2,5-FDCA 的生成动力学拟合。拟合工具：OriginLab Code Builder；拟合方法：Nonlinear Curve Fit (Model Explicit,Type Expression)；自定义拟合方程为：

不同温度下2,5-FDCA 的生成动力学拟合结果如图12所示，不同温度下反应速率常数及决定系数见表2，从决定系数可见拟合结果良好。

图12 不同温度下2,5-FDCA的生成动力学拟合Fig.12 Kinetics fitting of 2,5-FDCA formation at different temperatures

表2 不同温度下反应速率常数及决定系数Table 2 Reaction rate constant and R2 at different temperatures

根据不同温度下的生成速率常数，通过Arrhenius 关系式可以计算出3%(质量)HBr-6%(质量)MgBr2催化下2,5-FDCA 的生成反应活化能Ea1=108.9 kJ/mol、副产物生成活化能Ea2=136.6 kJ/mol，可见副产物的生成活化能略高于主产物2,5-FDCA。