一种从果糖制备5‑甲酰氧基甲基糠醛的方法与流程

本发明涉及5-甲酰氧基甲基糠醛，尤其是涉及一种从果糖制备5-甲酰氧基甲基糠醛的方法。

背景技术：

5-羟甲基糠醛(5-hmf)凭借其独特的化学结构，被认为是最具有发展前景的平台化学品，可以转化成各种具有高附加值的呋喃类物质，如2，5-二甲基呋喃(dmf)、2，5-呋喃二甲醇(fdm)、2，5-呋喃二甲醛(dff)、2，5-呋喃二甲酸(fdca)等。hmf在化工领域应用广泛，备受关注，其研究主要集中在得率的提高和分离纯化等方面。研究发现，离子液体是一种有效的制备5-hmf的反应介质，以果糖为原料，5-hmf得率可达90％以上，但其成本高，制备的5-hmf难以分离纯化。近年来，低共熔体(des)由于与离子液体有相似性质，催化及反应性能良好，且具有价廉，绿色可回收等优势，在生物质转化领域被广泛研究，特别是制备5-hmf方面，并且获得良好成效。des由一个氢键供体(hbd)和一个氢键受体(hba)组成，这种独特的性质使得来源广泛的的可再生的果糖可作为氢键供体，既是组分，也是反应物；而含有季铵阳离子的氯化胆碱(chcl)常作为氢键受体。另外，des可以允许高浓度的原料投入，这对工业生产具有重要意义。

相比于5-hmf，另一种新颖的生物质平台化合物，5-甲酰氧甲基糠醛(5-formyloxymethylfurfura，fmf)，可通过5-hmf衍生转化制备，分子中含有一个甲酰氧基和一个醛基，并且化学反应活性较好，可以替代5-hmf转化为其它高附加值的平台化学品，尤其是因性质比5-hmf更加稳定，可通过精馏分离纯化，工艺成本低，极具替代5-hmf成为新一代平台化合物的潜力。有文献报道，与fmf是类似的化学品，5-乙酰氧甲基糠醛(amf)，由5-氯甲基糠醛和乙酸盐制备得到，其性质稳定，疏水性增强，并且可以有效地转化为fdca和fdm等化学品。目前关于fmf的制备工艺的公开报道很少，中国专利cn104829564b公开了一种温和快速制备fmf的方法，其以来源广泛的纤维素、葡萄糖为反应物，溴化钠为催化剂，甲酸溶液为反应溶剂。反应物、催化剂与溶剂混合于反应容器中进行加热反应，反应条件为100～200℃、1～10h。反应结束后减压蒸馏回收溶剂，对残余物进行水洗，然后用甲苯或乙酸乙酯对残留物进行萃取，减压蒸馏回收萃取溶剂，得到蒸馏物后再进行水洗，即得5-甲酰氧基甲基糠醛产品，其纯度达到99％以上。该方法的原料来源广泛，工艺过程简单，但需要使用大量的催化剂溴化钠，并且投料量小，得率低。由于5-hmf在高温酸性条件下容易发生副反应，产生大量深褐色的副产物(胡敏素)，在甲酸体系直接“一锅法”将果糖转化为fmf，果糖脱水成5-hmf过程是整个反应的限制步骤，而5-hmf与甲酸酯化过程容易进行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供反应条件温和、反应体系绿色、可重复利用、投料量高、得率高的一种从果糖制备5-甲酰氧基甲基糠醛的方法。

本发明包括以下步骤：

1)将果糖和氯化胆碱混合，得混合物a；

2)向混合物a加入极性有机溶剂作为反应溶剂，盐酸作为催化剂，加热反应，果糖/氯化胆碱des体系与溶剂在反应过程中始终为两相，反应过程产生的5-hmf被萃取到上层溶剂中；

3)反应完毕后自然冷却，上层溶剂呈深黄色，将其取出得到反应溶液b，下层残留的副产物的氯化胆碱回收重复利用；

4)在溶液b中加入无水甲酸，加热反应后，减压蒸馏除去反应溶剂得到残余物c，使用萃取剂连续萃取残余物c，除去不溶的深色杂质，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂得到液体产物d；

5)对产物d精馏纯化，得到液体产物e后洗涤，除去酸性杂质，再使用无水硫酸镁干燥除水，得到纯度高于99％的5-甲酰氧基甲基糠醛。

在步骤2)中，所述极性有机溶剂可选自四氢呋喃、乙腈、甲基异丁基酮、甲酸乙酯等中的至少一种，所述极性有机溶剂的加入量为20～75ml/每克果糖；所述盐酸的质量百分比浓度可为38％。

在步骤4)中，所述无水甲酸与反应溶剂的体积比可为1︰4～2︰1；所述加热反应的温度可为60～120℃，加热反应的时间可为3～8h；所述萃取剂可选自甲基叔丁基醚和乙酸乙酯，或正己烷等中至少一种，所述甲基叔丁基醚和乙酸乙酯，与正己烷的体积比可为1︰1。

在步骤5)中，所述对产物d精馏纯化的条件可在压力2000pa，温度为125～130℃下对产物d精馏纯化；所述洗涤可使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤。

本发明以果糖为原料利用des体系先合成中间产物5-hmf，再向分离得到的中间反应液中加入适量甲酸，使5-hmf与甲酸反应得到fmf产品。

本发明采用果糖/氯化胆碱des体系，将果糖“两步法”转化为fmf，不仅可以大大提高果糖的投料量，同时利用des体系，能够先将果糖高效地转化为5-hmf，并且使其稳定存在于有机溶剂中，减少了副产物的生成。整个反应条件温和，成本低，具有广阔的工业应用前景。

本发明的优点在于：

1、本发明以来源广泛、可再生的果糖为原料，采用无毒、可重复使用的氯化胆碱与果糖形成des体系，投料量高，制备成本低。

2、本发明的第一步反应中使用超低浓度的盐酸催化果糖脱水为5-hmf，在第二步的酯化反应中甲酸同时作为反应物和酸性催化剂，整个反应过程不需要使用其他催化剂，反应条件绿色、温和，成本低。

3、相比于现有的甲酸体系“一锅法”制备fmf，本发明采用“两步法”des体系使果糖有效地转化为5-hmf，并能稳定存在于反应溶剂中，减少副产物胡敏素的生成。

4、本发明使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤纯化产物，可以有效去除酸性杂质。

5、本发明所制备的5-甲酰氧基甲基糠醛的得率测定按高效气相色谱(gc)外标定量分析法。

附图说明

图1为本发明实施例制备5-羟甲基糠醛的流程图。

图2为本发明实施例的气相色谱图。

具体实施方式

以下实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例1

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入10ml四氢呋喃和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为1︰2)，油浴加热反应，温度100℃，反应6h。反应结束后，减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml甲基叔丁基醚萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为45.29％。

实施例2

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入10ml乙腈和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为1︰2)，油浴加热反应，温度100℃，反应6h。反应结束后，减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml甲基叔丁基醚萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为56.64％。

实施例3

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入20ml甲基异丁基酮和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为1︰4)，油浴加热反应，温度80℃，反应6h。反应结束后，减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml乙酸乙酯和正己烷(体积比为1︰1)的混合液萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为42.18％。

实施例4

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入15ml甲酸乙酯和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为1︰1)，油浴加热反应，温度120℃，反应3h。减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml乙酸乙酯和正己烷(体积比为1︰1)的混合液萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为46.18％。

实施例5

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入5.4ml乙腈和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为2︰1)，油浴加热反应，温度60℃，反应8h。减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml甲基叔丁基醚萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为52.68％。

实施例6

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入20ml乙腈和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为1︰2)，油浴加热反应，温度100℃，反应4h。减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml乙酸乙酯和正己烷(体积比为1︰1)的混合液萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为56.92％。

实施例7

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入20ml四氢呋喃和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为1︰3)，油浴加热反应，温度80℃，反应5h。减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml乙酸乙酯和正己烷(体积比为1︰1)的混合液萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为36.05％。

实施例8

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入10ml甲酸乙酯和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为2︰1)，油浴加热反应，温度100℃，反应5h。减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml乙酸乙酯和正己烷(体积比为1︰1)的混合液萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为36.05％。

实施例9

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入10ml乙腈和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为2︰1)，油浴加热反应，温度100℃，反应5h。减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml乙酸乙酯和正己烷(体积比为1︰1)的混合液萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为36.05％。

实施例10

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入10ml甲基异丁基酮和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为1︰1)，油浴加热反应，温度70℃，反应6h。减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml乙酸乙酯和正己烷(体积比为1︰1)的混合液萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为36.05％。

实施例11

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入20ml乙腈和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为1︰4)，油浴加热反应，温度100℃，反应7h。减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml乙酸乙酯和正己烷(体积比为1︰1)的混合液萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为36.05％。

实施例12

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入5.4ml甲酸乙酯和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为2︰1)，油浴加热反应，温度120℃，反应3h。减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml乙酸乙酯和正己烷(体积比为1︰1)的混合液萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为36.05％。

实施例13

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入20ml乙腈和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为1︰3)，油浴加热反应，温度110℃，反应4h。减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml乙酸乙酯和正己烷(体积比为1︰1)的混合液萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为36.05％。

实施例14

在50ml圆底烧瓶中加入1.08g氯化胆碱和0.27g果糖，适当振荡混匀。再加入5.4ml四氢呋喃和2μl盐酸(38％)。将烧瓶置于油浴锅中进行磁力搅拌，加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应完毕后，自然冷却。取出上层反应液，加入无水甲酸(无水甲酸︰反应液体积比为2︰1)，油浴加热反应，温度60℃，反应5h。减压蒸馏除去反应溶剂，连续使用5ml乙酸乙酯和正己烷(体积比为1︰1)的混合液萃取残余物数次，合并萃取液，减压蒸馏回收萃取剂。在125～130℃，压力为2000pa条件下精馏，使用饱和碳酸氢钠水溶液洗涤馏出物，无水硫酸镁干燥后得到5-甲酰氧基甲基糠醛。经gc测定，其纯度达到99％以上，产品摩尔得率为36.05％。

本发明实施例2制备5-甲酰氧基甲基糠醛的流程图参见图1，本发明实施例2制备的5-甲酰氧基甲基糠醛高效气相色谱检测图参见图2。