制备5-羟甲基糠醛的方法及装置的制作方法

专利名称：制备5-羟甲基糠醛的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及制备5-羟甲基糠醛的装置及方法。
背景技术：
目前，全世界正面临石油蕴藏量渐被开采枯竭与地球大气温室效应持续扩大的问题。欧、美、日等国家已制定2020年塑胶消费市场产品部分比例必须来自可再生资源的政策，使得从生质原料提炼出化工原料的研究受到重视。欧美国家在BREW与BI0MASS 生质能源开发计画中，已将5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural, HMF)与其衍生物 2，5-呋喃二甲酸(2,5-Furandicarboxylic acid, FDCA)列为呋喃聚酯(Furanic Polyesters)与呋喃聚酰胺(Furanic Polyamides)生质塑胶产品应用的重要环状起始化学品(building block)。5-羟甲基糠醛(HMF)的下游衍生物中间体产品包括(1)四氢呋喃(Tetrahydrofuran)的化学中间产物；( 合成瓷漆的原料或树脂的溶剂；以及( 有机合成原料，尤其是吡咯(Pyrrole)及噻吩(Thiophene)的合成原料。未来制造5-羟甲基糠醛(HMF)的原料是以预计在2015年以纤维素生物水解商业技术生产的糖类为来源。5-羟甲基糠醛属于糠醛类，其会抑制溶液中微生物的生长，因此，无法以生物发酵法合成，仅能以化学法由己糖转化而来。但由于其副反应不易控制且5-羟甲基糠醛不易分离纯化，导致反应效率低下与生产成本过高，以致其下游应用产品失去市场商品化的机会。 5-羟甲基糠醛生产效率低下的原因包括(1) 5-羟甲基糠醛在高温与酸性环境下会聚合成腐黑物；( 5-羟甲基糠醛在酸性水溶液与高温环境下会水解生成果糖酸；以及03)5-羟甲基糠醛在高温环境下会与糖类进行交叉醛醇缩合(crossed aldol)反应产生腐黑物。Lewkowski (ARKIV0C 2001)综述四类合成5_羟甲基糠醛的方法包括(1)低于 200°C的均相水溶液反应制造方法；( 高于200°C的均相水溶液反应制造方法；C3)有机溶液反应制造方法；以及(4)两相反应制造方法。低于200°C的均相水溶液反应方法，其 5-羟甲基糠醛的产率仅为30%，而高于200°C的均相水溶液反应方法，其5-羟甲基糠醛的最高产率亦仅达58%。以上四方法中，有机溶液反应制造方法是为避免5-羟甲基糠醛水解生成果糖酸。kmant在1981年发表以三氟化硼乙醚配合物(BF3 · Et2O)为催化剂将糖类置于二甲基亚砜(Dimethyl Sulfoxide, DMS0)中合成5_羟甲基糠醛的方法(J. Chem. Tech. Biotechnol.)，其中仅有果糖可获得大于90%的产率。但三氟化硼乙醚配合物有腐蚀性、高单价、不能重复使用与产生废水的问题，且5-羟甲基糠醛难以从二甲基亚砜(DMSO) 中分离出来，因而无法商业化。Archer-Daniels-Midland Co. (US 7，317，116B2，2008)以高果糖糖浆在N-甲基-2-吡咯烷酮(N-Methyl-2-Pyrrolidone，NMP)或二甲基乙酰胺 (Dimethylacetamide,DMAc)中与固体酸催化下合成5_羟甲基糠醛，但也存在5_羟甲基糠醛从N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)分离复杂与困难的问题。以上四种方法中，两相反应方法是以不溶于水的有机溶剂从177°C含无机酸的水相中连续萃取出5-羟甲基糠醛，以提升主产物产率。但，该方法须使用大量有机溶剂进行萃取且须投入可观能源从稀薄的5-羟甲基糠醛混合液中分离出5-羟甲基糠醛，且仍有腐蚀的问题。
为达降低副反应与建立可商业化的技术，国外已有例如Dupont、Merk&Co、Canon KK、FURCHIM、Roquette等知名化学公司与Battelle、Wisconsin等研究机构分别尝试如何突破5-羟甲基糠醛产率偏低的技术障碍。其中Roquette公司(US 4，590，283，1986)将 20%果糖置于二甲基亚砜(DMSO)中以AMBERLIT C200阳离子树脂酸作为催化剂，在80°C反应同时以甲基异丁基酮(Methyl Isobutyl ketone，MIBK)萃取5_羟甲基糠醛，得到的5_羟甲基糠醛，其产率最高为97%，但，反应须耗费8小时，尤其甲基异丁基酮(MIBK)的5-羟甲基糠醛含量太稀，仅有2重量％，且须回收大量溶剂，增加了可观的生产成本。而Wisconsin 大学在水相反应中同时加入可溶解5-羟甲基糠醛且与水不互溶的有机溶剂形成两相反应，以降低5-羟甲基糠醛与水接触水解生成果糖酸(Levulinic acid)的几率。但是，该方法虽然其反应仅须3分钟，但5-羟甲基糠醛的产率仅约75%。

发明内容
本发明的一个实施例提供一种制备5-羟甲基糠醛的装置，该装置包括反应区， 其中包括第一有机层与第二有机层，其中该第一有机层包括糖类与溶剂，该第二有机层包括具有共沸、萃取与抑制副反应功能的溶剂组合物，在该第一有机层中，该糖类经脱水反应生成5-羟甲基糠醛与水，该溶剂组合物将该5-羟甲基糠醛萃取至该第二有机层中；与该反应区连接的煮沸区，其中包括由该5-羟甲基糠醛、副产物与该溶剂组合物形成的混合溶液，经煮沸后形成第一蒸气进入该反应区，该反应区的该第二有机层回流至该煮沸区；以及与该反应区连接的精馏区，其中包括水与液体层，其中该液体层包括该溶剂组合物，该反应区中的水与该第一蒸气混合形成第二蒸气进入该精馏区，该液体层回流至该反应区的该第二有机层。本发明的一个实施例提供一种5-羟甲基糠醛的制备方法，该方法包括制备糖类溶液，该糖类溶液包括糖类与溶剂；将该糖类溶液流入反应区，以形成第一有机层；将溶剂组合物倒入煮沸区进行煮沸，以形成第一蒸气进入该反应区，形成第二有机层；在该第一有机层中，该糖类经脱水反应生成5-羟甲基糠醛与水，该溶剂组合物将该5-羟甲基糠醛萃取至该第二有机层中；混合该反应区中的水与该第一蒸气，以形成第二蒸气进入精馏区，以在该精馏区中形成水与液体层，其中该液体层包括该溶剂组合物；将该液体层回流至该反应区的该第二有机层；将该反应区的该第二有机层回流至该煮沸区，以在该煮沸区中形成由该5-羟甲基糠醛与该溶剂组合物形成的混合溶液；在该煮沸区中，将该混合溶液进行煮沸，以形成该第一蒸气进入该反应区；以及冷却该煮沸区中未蒸发的该混合溶液，以分成富含该溶剂组合物的第三有机层与富含该5-羟甲基糠醛的第四有机层。为提高己糖经脱水反应转化成5-羟甲基糠醛的产率，本发明以有机溶剂溶解糖类后的溶液连续流入含有催化剂的化学反应装置。此装置可在反应生成5-羟甲基糠醛的同时萃取出5-羟甲基糠醛主产物以及以共沸原理除去生成的水，如此，即可获得高产率的 5-羟甲基糠醛。


图1根据本发明的一个实施例，公开了一种制备5-羟甲基糠醛的装置及方法。其中主要元件符号说明如下
100 装置；102 反应区；104 煮沸区；106 精馏区；108 第一有机层；110 第二有机层；112 混合溶液；113 第三有机层；114 第四有机层；116 第一蒸气；118 第二蒸气；120 水；122 液体层；124 冷凝器；126 糖类溶液。
具体实施例方式为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特意举出优选的实施例， 作详细说明如下请参阅图1，根据本发明的一个实施例，公开一种制备5-羟甲基糠醛的装置。装置 100包括反应区102、煮沸区104与精馏区106。反应区102中包括第一有机层108与第二有机层110。第一有机层108包括糖类、溶剂与催化剂。第二有机层110包括溶剂组合物。 在第一有机层108中，糖类经脱水反应生成5-羟甲基糠醛与水，溶剂组合物将5-羟甲基糠醛萃取至第二有机层110中。然而，随着溶剂选择的不同，上述各有机层密度会改变，让HMF 有机会在第一有机层或是第二有机层。煮沸区104与反应区102连接。煮沸区104中包括由5_羟甲基糠醛与溶剂组合物形成的混合溶液112。混合溶液112经煮沸后形成第一蒸气116进入反应区102。自煮沸区104导入的第一蒸气116可作为反应区102在进行糖类生成5-羟甲基糠醛的脱水反应时所需的热源。反应区102的第二有机层110回流至煮沸区104。未蒸发的混合溶液112 经冷却后分成富含溶剂组合物的第三有机层113与富含5-羟甲基糠醛的第四有机层114。 然而，随溶剂选择的不同，上述各有机层密度会改变，让HMF有机会在第三有机层或是第四有机层。精馏区106与反应区102连接。精馏区106中包括水与液体层。液体层包括溶剂组合物。反应区102中经脱水反应生成的水与第一蒸气116混合形成第二蒸气118进入精馏区106。水120自精馏区106流出。液体层122回流至反应区102的第二有机层110。精馏区106更包括冷凝器124，以冷凝第二蒸气118，形成水120与液体层122。在第一有机层108中，糖类可包括葡萄糖、蔗糖、果糖或高果糖糖浆，溶剂可为非质子极性溶剂，例如二甲基亚砜(Dimethyl Sulfoxide，DMS0)、二甲基乙酰胺 (Dimethylacetamide, DMAc)、二甲基甲酰胺(Dimethylformamide，DMF)或 N-甲基 _2_ 吡咯烷酮(N-Methyl-2-Pyrrolidone，NMP)，催化剂可包括例如酸性离子交换树脂、沸石 (zeolite)或杂多酸(heteropolyacids，ΗΡΑ)的固相催化剂或例如路易斯酸(Lewis acids)、氯化铵(NH4Cl)、氯化有机铵盐、盐酸金属盐、硝酸金属盐、磷酸金属盐或硫酸金属盐的均相催化剂。若上述使用的催化剂为均相催化剂，先在进料中配制完成，若为固相催化齐U，则先置放在反应区中。上述具有共沸与萃取功能的溶剂组合物是由具有与第一有机层108的二甲基亚砜(DMSO)、二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基甲酰胺(DMF)或N-甲基_2_吡咯烷酮(NMP)难相溶，但可与水产生最低共沸点特性的溶剂(可包括烷类或氯化烷类，优选为碳数7 8的烷类)、具有不可与水互溶特性的溶剂(可包括酯类、酮类、醚类或氯化苯类，优选为酯类或酮类，例如醋酸烷基(碳数2 4)酯类或碳数4 6的酮类)或其组合，依共沸与萃取功能的需要性能配比组成。反应区102可为由多个蒸馏板及其板间空间所构成的液体聚集区，或是由一或多个串联式气液接触的闪蒸罐构成。精馏区106可由多个蒸馏板或填料层构成。本发明制备5-羟甲基糠醛的装置分成煮沸、蒸发溶剂组合物的煮沸区、进行脱水反应兼5-羟甲基糠醛萃取的反应区以及脱水精馏区三部分，以同时达到糖类脱水、5-羟甲基糠醛萃取与除水等三种功能。进行脱水反应兼5-羟甲基糠醛萃取的反应区与精馏区位于塔型装置内。糖类/溶剂从塔型装置的下半部进料，在下半部(进行脱水反应兼5-羟甲基糠醛萃取)内与第一蒸气接触并受热进行脱水反应，其具有平衡温度(80 130°C)。糖类/溶剂不溶于第二有机层(溶剂组合物)而形成两个液层。糖类经脱水反应生成5-羟甲基糠醛，5-羟甲基糠醛溶解入第二有机层。催化剂仅存在于第一有机层中，不溶解入第二有机层以避免5-羟甲基糠醛产生自身缩合反应与水解反应。脱水反应后生成的水与第一蒸气的溶剂组合物产生共沸蒸气(第二蒸气)往塔型装置的上半部飞窜，经精馏区的塔顶(104 115°C )再至冷凝器冷凝后，即分成两个液相，上液层(液体层)为溶剂组合物， 进行全回流，下液层为富水层，流至收集瓶。在塔型装置的下半部，含溶剂组合物与5-羟甲基糠醛的第二有机层流入煮沸区。溶剂组合物再蒸发成第一蒸气回到塔型装置的底部。高浓度的5-羟甲基糠醛产品溶液在煮沸区生成(冷却后分成富含溶剂组合物的液层与富含 5-羟甲基糠醛的液层，富含5-羟甲基糠醛的液层含5-羟甲基糠醛的浓度大约为90 130 毫克/毫升)。仍请参阅图1，根据本发明的一个实施例公开一种5-羟甲基糠醛的制备方法，包括下列步骤。首先，制备糖类溶液126。糖类溶液1 包括糖类、溶剂与催化剂。在一个实施例中，本发明利用例如二甲基亚砜(DMSO)、二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基甲酰胺(DMF)或 N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等会溶解己糖或蔗糖的非质子极性溶剂配制成1 30重量％ 的糖类溶液。将糖类溶液1 流入反应区102，以形成第一有机层108。将溶剂组合物倒入煮沸区104进行煮沸，以形成第一蒸气116进入反应区102，形成第二有机层110。在第一有机层108中，在催化剂存在下，糖类经脱水反应生成5-羟甲基糠醛与水，溶剂组合物将 5-羟甲基糠醛萃取至第二有机层110中。混合反应区102中经脱水反应生成的水与第一蒸气116，以形成第二蒸气118进入精馏区106，以在精馏区106中形成水与液体层。液体层包括溶剂组合物。收集自精馏区106流出的水120。将液体层122回流至反应区102的第二有机层110。将反应区102的第二有机层110回流至煮沸区104，以在煮沸区104中形成由5-羟甲基糠醛与溶剂组合物形成的混合溶液112。混合溶液112经煮沸后以形成第一蒸气116进入反应区102。收集未蒸发的混合溶液112，经冷却后分成富含溶剂组合物的第三有机层113，与富含5-羟甲基糠醛的第四有机层114。糖类溶液126中，糖类可包括葡萄糖、蔗糖、果糖或高果糖糖浆，溶剂可为非质子极性溶剂，例如二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺或N-甲基-2-吡咯烷酮，催化剂可包括例如酸性离子交换树脂、沸石或杂多酸的固相催化剂或例如路易斯酸、氯化铵 (NH4Cl)、氯化有机铵盐、盐酸金属盐、硝酸金属盐、磷酸金属盐或硫酸金属盐的均相催化齐U。若上述使用的催化剂为均相催化剂，先在进料中配制完成，若为固相催化剂，则先置放在反应区中。上述具有共沸与萃取功能的溶剂组合物是由具有与第一有机层108的二甲基亚砜(DMSO)、二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基甲酰胺(DMF)或N-甲基_2_吡咯烷酮(NMP)难相溶，但可与水产生最低共沸点特性的溶剂，可包括烷类或氯化烷类，优选为碳数7 8的烷类，与具有不可与水互溶特性的溶剂，可包括酯类、酮类、醚类或氯化苯类，优选为酯类或酮类，例如醋酸烷基(碳数2 4)酯类或碳数4 6的酮类，依共沸与萃取功能的需要性能配比组成。反应区102可为由多个蒸馏板及其板间空间所构成的液体聚集区，或是由一或多个串联式气液接触的闪蒸罐所构成。精馏区106可由多个蒸馏板或填料层所构成。上述糖类溶液126中，糖类所占的重量百分比大体介于1 30重量％之间。在第二有机层110中，当溶剂组合物不含烷类、含有氯化烷类时，氯化烷类与酯类、酮类、醚类、 氯化苯类中的一种或多种的比例介于1 1 1 0之间(即，(氯化烷类)/(酯类、酮类、 醚类、氯化苯类中的一种或多种)=1 1 1 0)；当溶剂组合物含有烷类时，烷类与酯类、酮类、醚类、氯化苯类、氯化烷类中的一种或多种的比例介于1 1 1 0之间(即， (烷类)/(酯类、酮类、醚类、氯化苯类、氯化烷类中的一种或多种)=1 1 1 0)。所述比例优选介于1 1 3 1之间。上述脱水反应的温度大体介于80 150°C之间，脱水反应的时间大体介于10分钟至3小时之间，优选介于20分钟至2小时之间。精馏区106 顶部的温度大体介于104 115°C之间。溶剂组合物的酯类、酮类、醚类或氯化苯类与非质子极性溶剂的重量比例大约为1 2。具有共沸与萃取功能的溶剂组合物与非质子极性溶剂会形成最低共沸点，易与5-羟甲基糠醛分离。为提高己糖经脱水反应转化成5-羟甲基糠醛的产率，本发明以有机溶剂溶解糖类后的溶液连续流入含有催化剂的化学反应装置。此装置可在反应生成5-羟甲基糠醛的同时萃取出5-羟甲基糠醛主产物以及以共沸原理除去生成的水，如此，即可获得高产率的 5-羟甲基糠醛。实施例15-羟甲基糠醛的制备(1)将256克的正辛烷与125克的醋酸异丁酯倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 0克果糖、1. 56克氯化铵(NH4Cl)(催化剂) 与80. 12克二甲基亚砜(DMSO)的糖类溶液以8. 1毫升/分钟的流量流入反应区进行反应。 在第10分钟50秒进料完毕。此时，煮沸区的温度为122°C，反应区的温度为116°C，脱水精馏区的塔顶温度为109°C。在第31分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为95毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为101毫克/ 毫升。由果糖残余量计算转化率为99.4%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为34. 5克，第一有机层为71. 2克，计算生成的5-羟甲基糠醛为10. 399克，5-羟甲基糠醛的产率为74. 6摩尔％。实施例25-羟甲基糠醛的制备O)将223克的正庚烷与106克的醋酸异丁酯倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 2克果糖、1. 554克氯化铵(NH4Cl)(催化剂)与83. 69克二甲基亚砜(DMSO)的糖类溶液以8. 1毫升/分钟的流量流入反应区进行反应。在第12分钟进料完毕。此时，煮沸区的温度为103°C，反应区的温度为99°C，脱水精馏区的塔顶温度为96°C。在第60分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中 5-羟甲基糠醛的含量为55毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为1 毫克/ 毫升。由果糖残余量计算转化率为99.9%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为41. 8克，第一有机层为64. 5克，计算生成的5-羟甲基糠醛为10. 323克，5-羟甲基糠醛的产率为73. 4摩尔％。实施例35-羟甲基糠醛的制备(3)将200克的正辛烷与IM克的醋酸异丁酯倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 5克果糖、1. 10克氯化铁O^eCl3)(催化剂) 与80. 11克二甲基亚砜(DMSO)的糖类溶液以4. 1毫升/分钟的流量流入反应区进行反应。 在第20分钟30秒进料完毕。此时，煮沸区的温度为121°C，反应区的温度为119°C，脱水精馏区的塔顶温度为115°C。在第45分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中 5-羟甲基糠醛的含量为94毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为69毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为100%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为77. 0克，第一有机层为56. 1克，计算生成的5-羟甲基糠醛为10. 541克，5-羟甲基糠醛的产率为73. 8摩尔％。实施例45-羟甲基糠醛的制备将2 克的正辛烷与153克的甲基异丁基酮(MIBK)倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 0克果糖与80. 53克二甲基亚砜(DMSO)的糖类溶液以4. 1毫升/分钟的流量流入含8. 88克Amberlyt_35 (催化剂)的反应区进行反应。在第19分钟25秒进料完毕。此时，煮沸区的温度为120°C，反应区的温度为115°C，脱水精馏区的塔顶温度为108°C。在第42分钟停止反应。待冷却后，以HPLC 分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为85毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为39毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为99.4%。另以GC分析第三有机层中 5-羟甲基糠醛的含量为2. 5毫克/毫升，第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量为0. 1毫克/ 毫升。第四有机层经称重为80. 28克，第一有机层为81. 3克，计算生成的5-羟甲基糠醛为 10. 564克，5-羟甲基糠醛的产率为75.6摩尔％。实施例5
5-羟甲基糠醛的制备(5)将四4克的正辛烷倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 1克果糖与80.31克二甲基亚砜(DMSO)的糖类溶液以5. 1毫升/ 分钟的流量流入含8. 9克Amberlyt-35 (催化剂)的反应区进行反应。在第16分钟10秒进料完毕。此时，煮沸区的温度为U9°C，反应区的温度为123°C，脱水精馏区的塔顶温度为 117°C。在第165分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为3 毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为120毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为100%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为80. 29克，第一有机层为77. 31克，计算生成的5-羟甲基糠醛为11. 493克，5-羟甲基糠醛的产率为82. 3摩尔％。实施例65-羟甲基糠醛的制备(6)将225克的正辛烷与IM克的醋酸异丁酯倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 0克果糖与79. 96克二甲基亚砜(DMSO)的糖类溶液以5. 1毫升/分钟的流量流入含8. 84克Amberlyt-35 (催化剂)的反应区进行反应。在第20分钟15秒进料完毕。此时，煮沸区的温度为122°C，反应区的温度为118°C，脱水精馏区的塔顶温度为108°C。在第60分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为81毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为52毫克/ 毫升。由果糖残余量计算转化率为100%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为92. 7克，第一有机层为56. 7克，计算生成的5-羟甲基糠醛为9. 856克，5-羟甲基糠醛的产率为70. 7摩尔％。实施例75-羟甲基糠醛的制备(7)将365克的正辛烷倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 1克果糖与76. 98克二甲基乙酰胺(DMAc)的糖类溶液以8. 1毫升/分钟的流量流入含8.95克Amberlyt-35(催化剂)的反应区进行反应。在第11分钟 40秒进料完毕。此时，煮沸区的温度为127°C，反应区的温度为122°C，脱水精馏区的塔顶温度为119°C。在第51分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为118毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为58毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为100%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为49. 8克，第一有机层为46. 2克，计算生成的5-羟甲基糠醛为8. 628克，5-羟甲基糠醛的产率为61. 7摩尔％。实施例85-羟甲基糠醛的制备(8)将235. 07克的正辛烷与115. 9克的醋酸异丁酯倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、 反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 08克果糖与80. 88克二甲基亚砜 (DMSO)的糖类溶液以4. 1毫升/分钟的流量流入含8. 88克DOWEX 50WX8-100 (催化剂)的反应区进行反应。在第20分钟进料完毕。此时，煮沸区的温度为122°C，反应区的温度为 119°C，脱水精馏区的塔顶温度为lilt。在第60分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为102. 6毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为57.5毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为100%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为74. 2克，第一有机层为74. 9克，计算生成的5-羟甲基糠醛为11. 0克，5-羟甲基糠醛的产率为78. 7摩尔％。实施例95-羟甲基糠醛的制备(9)将235. 06克的正辛烷与116. 67克的醋酸异丁酯倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有19. 97克果糖与80. 21克二甲基亚砜 (DMSO)的糖类溶液以4. 1毫升/分钟的流量流入含8. 92克HPA-DW(H3W12O4tl)(催化剂)的反应区进行反应。在第20分钟进料完毕。此时，煮沸区的温度为120°C，反应区的温度为 115°C，脱水精馏区的塔顶温度为105°C。在第50分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为94. 6毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为52. 6毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为100%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为75. 8克，第一有机层为 77克，计算生成的5-羟甲基糠醛为10. 23克，5-羟甲基糠醛的产率为73. 6摩尔％。实施例105-羟甲基糠醛的制备(10)将100 克钨磷酸(l2_Tungstophosphoric acid，H3PO4-I2TO3,购自 Showa)在真空 1托，100°C加热8小时，形成无水钨磷酸；然后将无水钨磷酸50克溶于250毫升去离子水中，形成钨磷酸水溶液。将7. 07克碳酸铯溶在50克去离子水中，形成碳酸铯水溶液。将碳酸铯水溶液缓慢滴入钨磷酸水溶液中，形成白色混浊沉淀，静置16小时后，过滤得到白色固体。将此白色固体在110°C烘箱中干燥16小时得到杂多酸催化剂CS-HPA-PW(分子式为 Cs3PW12O40) ο将237. 63克的正辛烷与115. 6克的醋酸异丁酯倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、 反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 06克果糖与80. 57克二甲基亚砜 (DMSO)的糖类溶液以4. 1毫升/分钟的流量流入含8. 93克CS-HPA-PW的反应区进行反应。 在第20分钟进料完毕。此时，煮沸区的温度为121°C，反应区的温度为116°C，脱水精馏区的塔顶温度为107°C。在第70分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为80. 4毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为50. 4毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为100%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为83. 57克，第一有机层为74. 3克，计算生成的5-羟甲基糠醛为9. 676克，5-羟甲基糠醛的产率为69. 3摩尔％。实施例115-羟甲基糠醛的制备(11)将2. 3升Amberlyst 131树脂放进夹套玻璃槽反应器中。称取5. 756克半胱胺盐酸盐(Cysteamine Hydrochloride)，溶解于1200克去离子水中，待溶解后加入上述夹套玻璃槽中，在80°C搅拌4小时，然后过滤。过滤后，向滤饼树脂加入7. 5 升去离子水，在常温搅拌清洗，重复3次每次加入7. 5升去离子水清洗及过滤后得到磺酸树脂催化剂。
将236. 4克的正辛烷与115. 9克的醋酸异丁酯倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、 反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 00克果糖与80. 23克二甲基亚砜 (DMSO)的糖类溶液以4. 1毫升/分钟的流量流入含9. 55克磺酸树脂催化剂的反应区进行反应。在第20分钟进料完毕。此时，煮沸区的温度为122°C，反应区的温度为116°C，脱水精馏区的塔顶温度为lilt。在第70分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为80. 4毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为50. 4 毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为100%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为86. 55克，第一有机层为89. 49 克，计算生成的5-羟甲基糠醛为10. 03克，5-羟甲基糠醛的产率为72. 1摩尔％。实施例125-羟甲基糠醛的制备(12)将235. 95克的正辛烷与115. 66克的二异丙基醚(Diisopropylether)倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 11克果糖与82. 2克二甲基亚砜(DMSO)的糖类溶液以5. 1毫升/分钟的流量流入含8. 84克 Amberlyt-35(催化剂)的反应区进行反应。在第20分钟15秒进料完毕。此时，煮沸区的温度为116°C，反应区的温度为93°C，脱水精馏区的塔顶温度为67°C。在第70分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为162毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为64毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为100%。另以 GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为13. 8克，第一有机层为121克，计算生成的5-羟甲基糠醛为8. 967克，5-羟甲基糠醛的产率为64. 1摩尔％。实施例135-羟甲基糠醛的制备(13)将237克的正辛烷倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 15克蔗糖、5克水与75. 05克二甲基亚砜(DMSO)的糖类溶液以 5. 1毫升/分钟的流量流入含8. 84克Amberlyt-35 (催化剂)的反应区进行反应。在第23 分钟进料完毕。此时，煮沸区的温度为U9°C，反应区的温度为122°C，脱水精馏区的塔顶温度为117°C。反应在第40分钟前塔顶水全回流以提供水使蔗糖水解，之后，再将塔顶分相器的水层排出。在第100分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为139毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为35毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为100%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为2. 4克，第一有机层为147. 78克，计算生成的5-羟甲基糠醛为4. 977克，5-羟甲基糠醛的产率为35. 3摩尔％。实施例145-羟甲基糠醛的制备(14)将239. 9克的正辛烷倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有30. 85克高果糖糖浆(丰年果糖75%糖，糖含量分别为90%果糖，5%葡萄糖，5%还原糖，其余为25%水)、1. 65克氯化铁(FeCl3)与70. 62克二甲基乙酰胺(DMAc)的糖类溶液以4. 1毫升/分钟的流量流入反应区进行反应。在第23分钟进料完
12毕。此时，煮沸区的温度为122°C，反应区的温度为118°C，脱水精馏区的塔顶温度为115°C。 在第60分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为140 毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为58. 8毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为100%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为26. 45克，第一有机层为66. 58克，计算生成的5-羟甲基糠醛为 7. 494克，5-羟甲基糠醛的产率为51.4摩尔％。实施例155-羟甲基糠醛的制备(15)将M8. 26克的正辛烷倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有20. 077克果糖与81. 122克二甲基亚砜(DMSO)的糖类溶液以4. 1 毫升/分钟的流量流入含8. 975克DOWEX 50WX8-100 (催化剂)的反应区进行反应。在第 20分钟进料完毕。以4. 1毫升/分钟的流量将1 克的甲基异丁基酮(MIBK)流入反应区。 此时，煮沸区的温度为122°C，反应区的温度为117°C，脱水精馏区的塔顶温度为108°C。在第60分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为93毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为73. 2毫克/毫升。由果糖残余量计算转化率为99. 9 %。另以GC分析第三有机层中5-羟甲基糠醛的含量为0. 15毫克/毫升，第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎为零。第四有机层经称重为77. 09克，第一有机层为 60. 995克，计算生成的5-羟甲基糠醛为11. 309克，5-羟甲基糠醛的产率为81摩尔％。实施例165-羟甲基糠醛的制备(16)将279克的正辛烷倒入煮沸区加热沸腾。待煮沸区、反应区与脱水精馏区的温度与流量稳定后，将含有10. 004克葡萄糖、0. 440克氯化亚铬(CrCl2)与91. 285克二甲基乙酰胺(DMAc)的糖类溶液以4. 1毫升/分钟的流量流入反应区进行反应。在第22分钟进料完毕。此时，煮沸区的温度为127°C，反应区的温度为1M°C，脱水精馏区的塔顶温度为108°C。 在第60分钟停止反应。待冷却后，以HPLC分析第四有机层中5-羟甲基糠醛的含量为33. 7 毫克/毫升，第一有机层中5-羟甲基糠醛的含量为10. 1毫克/毫升。由葡萄糖残余量计算转化率为98. 4%。另以GC分析第三有机层与第二有机层中5-羟甲基糠醛的含量近乎等于零。第四有机层经称重为75. 24克，第一有机层为19. 46克，计算生成的5-羟甲基糠醛为2. 907克，5-羟甲基糠醛的产率为41. 5摩尔％。虽然本发明已以优选的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内可作更动与修改，因此本发明的保护范围由权利要求书界定。
权利要求
1.一种制备5-羟甲基糠醛的装置，包括反应区，其中包括第一有机层与第二有机层，其中该第一有机层包括糖类与溶剂，该第二有机层包括溶剂组合物，在该第一有机层中，该糖类经脱水反应生成5-羟甲基糠醛与水，该溶剂组合物将该5-羟甲基糠醛萃取至该第二有机层中；与该反应区连接的煮沸区，其中包括由该5-羟甲基糠醛与该溶剂组合物形成的混合溶液，经煮沸后形成第一蒸气进入该反应区，该反应区的该第二有机层回流至该煮沸区；以及与该反应区连接的精馏区，其中包括水与液体层，其中该液体层包括该溶剂组合物，该反应区中的水与该第一蒸气混合形成第二蒸气进入该精馏区，该液体层回流至该反应区的该第二有机层。
2.根据权利要求1所述的制备5-羟甲基糠醛的装置，其中该溶剂为非质子极性溶剂。
3.根据权利要求1所述的制备5-羟甲基糠醛的装置，其中该溶剂组合物包括烷类、氯化烷类、酯类、酮类、醚类、氯化苯类或其组合。
4.根据权利要求3所述的制备5-羟甲基糠醛的装置，其中该烷类包括碳数7 8的烷类。
5.根据权利要求1所述的制备5-羟甲基糠醛的装置，其中该反应区为由多个蒸馏板及其板间空间构成的液体聚集区或由一或多个串联式气液接触的闪蒸罐构成。
6.一种5-羟甲基糠醛的制备方法，包括 制备糖类溶液，该糖类溶液包括糖类与溶剂； 将该糖类溶液流入反应区，以形成第一有机层；在煮沸区中煮沸溶剂组合物，以形成第一蒸气进入该反应区，形成第二有机层； 在该第一有机层中，该糖类经脱水反应生成5-羟甲基糠醛与水，该溶剂组合物将该 5-羟甲基糠醛萃取至该第二有机层中；混合该反应区中的水与该第一蒸气，以形成第二蒸气进入精馏区，以在该精馏区中形成水与液体层，其中该液体层包括该溶剂组合物； 将该液体层回流至该反应区的该第二有机层；将该反应区的该第二有机层回流至该煮沸区，以在该煮沸区中形成由该5-羟甲基糠醛与该溶剂组合物形成的混合溶液；在该煮沸区中，将该混合溶液进行煮沸，以形成该第一蒸气进入该反应区；以及冷却该煮沸区中未蒸发的该混合溶液，以分成富含该溶剂组合物的第三有机层与富含 5-羟甲基糠醛的第四有机层。
7.根据权利要求6所述的5-羟甲基糠醛的制备方法，其中该糖类在该糖类溶液中的重量百分比介于1 30重量％之间。
8.根据权利要求6所述的5-羟甲基糠醛的制备方法，其中该溶剂组合物包括烷类、氯化烷类、酯类、酮类、醚类、氯化苯类或其组合。
9.根据权利要求8所述的5-羟甲基糠醛的制备方法，其中在该第二有机层中当溶剂组合物不含烷类、含有氯化烷类时，氯化烷类与酯类、酮类、醚类、氯化苯类中的一种或多种的比例介于1 1 1 0之间。
10.根据权利要求8所述的5-羟甲基糠醛的制备方法，其中在该第二有机层中当溶剂组合物含有烷类时，烷类与酯类、酮类、醚类、氯化苯类、氯化烷类中的一种或多种的比例介于1 1 1 0之间。
11.根据权利要求8所述的5-羟甲基糠醛的制备方法，其中在该第二有机层中 当溶剂组合物含有烷类时，烷类与酯类、酮类、醚类、氯化苯类、氯化烷类中的一种或多种的比例介于1 1 3 1之间。
12.根据权利要求6所述的5-羟甲基糠醛的制备方法，其中该脱水反应的温度介于 80 150°C之间。
13.根据权利要求6所述的5-羟甲基糠醛的制备方法，其中该脱水反应的时间介于10 分钟至3小时之间。
全文摘要
本发明涉及制备5-羟甲基糠醛的方法及装置。本发明提供一种制备5-羟甲基糠醛的装置，该装置包括反应区，其中包括第一有机层与第二有机层，其中该第一有机层包括糖类与溶剂，该第二有机层包括具有共沸与萃取功能的溶剂组合物；与该反应区连接的煮沸区，其中包括由该5-羟甲基糠醛与该溶剂组合物形成的混合溶液；以及与该反应区连接的精馏区，其中包括水与液体层，其中该液体层包括该溶剂组合物。本发明还提供一种5-羟甲基糠醛的制备方法。
文档编号C07D307/46GK102464637SQ201010542328
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者施瑞虎, 许希彦 申请人:财团法人工业技术研究院