5-羟甲基糠醛的制备及应用研究

第２２卷第４期２０１０年１２月甘肃科学学报ＪｏｕｒａａｌｏｆＧａｎｓｕＳｃｉｅｎｃｅｓＶｏｌ－２２Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２０１０

５一羟甲基糠醛的制备及应用研究李凤，荣先国，黄玉玲（滨州医学院烟台校区，山东烟台２６４００３）

摘要：阐述了５一羟甲基糠醛的形成原理，研究了其各种制备方法及其在不同领域中的应用，提

出５一羟甲基糠醛可能成为生物质资源的新型平台化舍物的方法，有广阔的应用前景和深远的意义．关键词：５一羟甲基糠醛；己糖；新型平台化合物中图分类号：０６２１．３文献标志码：Ａ文章编号：１００４—０３６６（２０１０）０４—００６９—０４

ＴｈｅＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｏｆ

５－ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ—ｆｕｒｆｕｒａｌ

ＬＩＦｅｎｇ，ＲＯＮＧＸｉａｎ—ｇｕｏ，ＨＵＡＮＧＹｕ—ｌｉｎｇ

（ＢｉｎｚｈｏｕＭｅｄｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｙａｎｔａｉ２６４００３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆ５－ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ－－ｆｕｒｆｕｒａｌｗａｓｅｘｐｌａｉｎｅｄａｎｄａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｐｒｅｐ‘－

ａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔ５－ＨＭＦｃａｎｔｕｒｎｉｎｔｏｎｅｗｐｌａｔｆｏｒｍ

ｃｈｅｍｉｃａｌｏｆｂｉｏｍａｓｓｅｎｅｒｇｙ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｈａｖｅｗｉｄｅａｎｄｇｏｏｄｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：５一ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ—ｆｕｒｆｕｒａｌ；ｈｅｘａｎｏｓｅ；ｎｅｗｐｌａｔｆｏｒｍｃｈｅｍｉｃａｌ

众所周知，目前世界所需能源和有机化工原料绝大部分来源于石油、煤和天然气．这些化石类资源对社会的发展和经济的繁荣作出了巨大的贡献，但是专家预测：最迟［１］到２０４０年石油将因为它的不可再生和环境污染严重而不再是一种便宜、受青睐的资源．相反，生物质资源的量丰价廉、可被生物降解、无污染以及可再生的优点凸显出来，随着使用量的不断增加，其将在２０３０～２０４０年与石化资源使用量相当．因此，在未来的资源和能源结构中生物质资源将担当起重要的角色．发掘可再生生物质资源制备新型平台化合物，已经成为全球关注的重大战略方向．可再生生物质资源的主要成分是半纤维索、纤维素和木质素，淀粉等．它们可以水解生成六碳糖（葡萄糖和果糖），六碳糖进而脱水生成收穑日期：２０１０—０４－０６５一羟甲基糠醛，被认为是“联系碳水化合物和矿物油基有机化学品的关键物质［２］＂，因此羟甲基糠醛有望成为基于生物质资源的新型平台化合物．可见，研究和利用可再生生物质资源来制备新型平台化合物——羟甲基糠醛，具有十分广阔的应用前景和深远的意义．

１羟甲基糠醛的结构５一羟甲基糠醛（又名５一羟甲基一２一糠醛、羟甲基糠醛、５～羟甲基呋喃甲醛或ＨＭＦ）分子式是：

ＣｓＨｓ０３，结构式是：Ｈ糖或果糖脱水得到．ｏ

万方数据７０甘肃科学学报２０１０年第４期

２羟甲基糠醛的制备对果糖脱水生成５一羟甲基糠醛（ＨＭＦ）的研究始于１９世纪末．１８９５年，Ｄｒｉｌｌ和Ｋｉｅｒｍｅｙｅｒ相继发表了关于合成ＨＭＦ的方法以及该化合物的相关化学反应，随后各国科学家相继开展了该化合物的研究．到２００１年为止，已有１０００多篇关于ＨＭＦ的文献，足以证明该化合物的重要性．次年，该课题组又进一步对反应过程进行优化并以ＨＭＦ为原料连续式反应合成了一种类似石油的化合物，Ｎａｔｕｒｅ杂志对其研究成果给予了高度评价．此外，２００７年Ｚ．ＣｏｎｒａｄＺｈａｎｇ在Ｓｃｉｅｎｃｅ上发表了有关糖类合成ＨＭＦ的文章，将底物扩充到了葡萄糖，并得到了较好的收率［３］．遗憾的是，尽管对糖类合成ＨＭＦ的反应进行了大量研究，催化方法多种多样，直到现在，还没有找到一种成本低廉，操作简便的制备ＨＭＦ的方法，己糖脱水生产ＨＭＦ依然处在实验室阶段．该反应仅有一步，看似简单，其实化学过程是极其复杂的，包括一系列的脱水、聚合等诸多副反应，在很大程度上影响了反应的选择性．因此，需要选择合适的反应条件来提高ＨＭＦ的产率，抑制副反应的发生．我们着重讨论催化剂的影响．己糖的脱水反应催化剂有多种，Ｃｏｎｉｅｒ【们将这些催化剂分为了５类：无机酸、有机酸、盐、路易斯酸以及其他催化剂．２．１无机酸催化剂最初有人采用１％的硫酸在１８０℃下催化，反应进行３ｍｉｎ，收率在６５．７０Ａ～６６．４％［５３；利用盐酸和三氯化铝作为催化剂时收率为５１－８％～８０％．研究发现对于该反应己酮糖为底物效果优于醛糖．在最新的研究进展中，ＹｕｒｉｙＲ采用两相反应体系以盐酸催化果糖脱水制备ＨＭＦｃ５。．并提出水／甲基异丁基酮两相体系下以盐酸作为催化剂并在体系中添加ＤＭＳＯ和聚乙烯吡咯烷（ＰＶＰ）作为助剂，反应温度为１８０℃，反应时间为５ｍｉｎ，反应选择性为８０％，果糖的转化率为９０％．２００７年其仍以盐酸为催化剂，进一步优化反应条件，以廉价易得的氯化钠代替ＤＭＳＯ和ＰＶＰ，较高收率的合成了ＨＭＦ［６｜．研究表明，高温有利于提高反应的选择性；ＤＭＳＯ和ＰＶＰ对于抑制副反应的发生有明显效果，但会引起产物分离困难，用氯化钠做助剂消除该缺点；果糖的浓度太低会造成成本过高，但浓度过高会造成大量副产物的生成；在两相体系下通过添加异丁醇可以增加产品在有机相中的溶解度提高有机相对产品的萃取能力，阻止产品进一步反应．２．２有机酸催化剂ＨａｗｎｂＷＮ口３在草酸做催化体系下，１４５℃，反

应１５ｍｉｎ后再降温至１２５℃，２．２５ｈ，ＨＭＦ收率为５４％，并对蔗糖制备ＨＭＦ衍生物进行了研究，但是结果不理想．２．３盐催化在有机和无机盐催化果糖合成ＨＭＦ方面人们做了大量工作．Ｍｅｄｎｉｃ使用磷酸铵为催化剂，收率为２３％，三乙胺磷酸盐催化时收率为３６％．２．４Ｌｅｗｉｓ酸催化采用Ｌｅｗｉｓ酸催化该反应比较成功的是Ｋｅｉ—ｉｃｈｉｓＥ引．他是第一个尝试使用镧系的金属离子作为催化剂使果糖脱水得到ＨＭＦ的．根据他们的研究，镧系（ＩＩＩ）金属离子在糖类化合物脱水反应中起到很好的催化作用，特别是对于果糖在有机溶剂（例如ＤＭＳＯ）中的脱水反应．原料基本上全部转化为产物没有副产物生成．从ＨＭＦ的收率来看，果糖的效果最好（９５．２％），其次是蔗糖（９３％），葡萄糖的效果差（９．８％）．反应过程中水的生成对于ＨＭＦ的收率有一定影响．但镧系金属离子的催化活性高，所以当有机溶剂中水的含量（１０％时对于ＨＭＦ的生成影响很小．２．５其他催化剂——离子液体催化

随着近年来对离子液研究的深入，人们开始研究将离子液体用于该反应．当前，最引人注目的是ＭｅｒｃａｄｉｅｒＤ［９］报道的在１一烷基一３一甲基咪唑氯

盐中利用金属卤化物催化葡萄糖转化为ＨＭＦ，在这些卤化物中ＣｒＣｌ：效果最好，收率能达到７０％．但是对葡萄糖最好的催化剂ＣｒＣｌ。在水中的稳定性差，而反应本身是脱水过程，因此催化剂只能使用一次，反应条件也很苛刻．ＱｕａｎｘｉＢａｏ，ＫｕｎＱｉａｏ等

人［１。］弥补了这一缺陷，他们考察了果糖在Ｂｒｏｎｓｔｅｄ酸性离子液体３一烯丙基一１一（４一磺基丁基）咪唑三氟甲基磺酸盐，结果表明这种类型的酸性离子液体对该反应有很好的催化活性．以上研究虽然对果糖合成５一羟甲基糠醛取得了很大成果，但是普遍存在的问题是反应选择性差，催化剂对设备腐蚀性强，尚未达到工业化的要求．因此如何实现环境友好体系下，采用高效合适的催化剂，高选择性地合成目标产物ＨＭＦ是该反应亟待

万方数据第２Ｚ卷李凤等：５一羟甲基糠醛的制备及应用研究７１解决的问题．我们根据文献的调查和实验室的实际情况，本次试验共选择了８种催化剂进行尝试（其他条件相同），分别是：硫酸铝、氯化铝、氯化锌、盐酸、七水和硫酸钴、氯化锆、氯化铵、ｚｅｏｌｉｔｅ．通过对产率、选择性和成本的比较，最终选择了硫酸铝和氯化锌作为实验催化剂，其他催化剂的优缺点如下：Ｚｅｏｌｉｔｅ（３５、３６型沸石催化剂）基本上不溶于水，无法完成催化反应；盐酸催化反应的效率尚可，但选择性很差，不利于后期的提纯；氯化铝酸性很强，催化效果突出，有较好的研究前景，但容易对设备产生腐蚀，不利于工业使用；氯化铵有较好的催化效果，但是反应中产生大量氨气并伴有升华现象，对净化设备有一定的要求；七水和硫酸钴、氯化锫是新型的很好的催化剂，但是造价太高，所以只做简单的尝试，未进行深入研究．因此，我们选取了氯化锌和硫酸铝作为催化剂．一方面其成本较低，便于大量研究，另一方面，其性质温和便于操作．当然另一些催化剂也有相当大的发展潜力，例如氯化铝、氯化铵、氯化锫、七水和硫酸钴都有较好的催化效果，以待进一步研究．３５一羟甲基糠醛的应用ＨＭＦ的分子中含有一个醛基和一个羟甲基，可以通过加氢、氧化脱氢、酯化、卤化、聚合、水解以及其他化学反应，反应活性高．从它出发可以合成一系列具有很大市场和高附加值的产品，如合成许多有用化合物和新型高分子材料，包括医药、树脂类塑料、燃料添加物等．３．１医药用途大量研究证明：５一羟甲基糠醛是具有药物活性的化合物，多种中药中都含有该成分，经过煎煮形成该化合物的中药更是随处可见．贾天柱等［１１３研究了５一ＨＭＦ及其衍生物用于制备治疗神经系统疾病和症状的药物的用途，结果表明所述化合物在改善神经缺血缺氧以及神经损伤导致的功能障碍，减轻神经细胞水肿，提高自由基清除能力，减少自由基损伤，以及减轻神经细胞钙超载等方面具有良好的效果．普文英［１２］研究了５一ＨＮＦ在制备治疗内毒素血症及降低因此诱发的多脏器功能衰竭所致死亡的药物中的应用．同时探讨了５－ＨＭＦ在制备治疗严重创烧、战伤、感染等应激状态下产生的内毒素血症以及５一ＨＭＦ在制备治疗败血症、急性肺炎、急性肝衰竭和重症休克的厥脱症及巨细胞病毒、疙疹病毒、流感病毒引起的疾病在药物中的应用．３．２化工用途在能源方面，５一ＨＭＦ最受人关注的功能是合成可作为聚合物单体的衍生物，从而制备具有光学活性、可生物降解等特性的高分子材料．在这方面，已经有人做过大量的研究工作，例如呋喃基聚酰胺．１９８５年ＳｍａｙＧＬ［１妇合成一系列的聚酰胺，这些聚

酰胺的最大特点是耐高温，可广泛应用于纺织方面．另外，该聚酰胺还可以用于制备具有渗透活性的膜．研究表明：在温和条件下，通过酯交换在脂肪聚醑链中插入呋喃发色团，在近紫外光照射时，形成不溶交联产物，从而应用于感光材料．

４结语随着人们对可再生生物质资源利用的日益重视，从生物质中提取羟甲基糠醛极具前景．目前国内研究水平与国外先进水平还有一定差距．生物质的水解过程是一个十分复杂的多步反应过程，由生物质水解制备５一羟甲基糠醛副反应多、产物复杂、分离困难．针对实际研究中的问题，我们对以下几个方面加以重视．对生物质资源水解的反应动力学和反应机理的研究，优化反应条件，提高产率；研究可再生生物质资源水解产物的分离技术；开展５一羟甲基糠醛生活应用方面的研究．