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CN102477020A - 一种催化碳水化合物制备5-羟甲基糠醛的方法 - Google Patents

一种催化碳水化合物制备5-羟甲基糠醛的方法 Download PDF

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CN102477020A
CN102477020A CN201010563786XA CN201010563786A CN102477020A CN 102477020 A CN102477020 A CN 102477020A CN 201010563786X A CN201010563786X A CN 201010563786XA CN 201010563786 A CN201010563786 A CN 201010563786A CN 102477020 A CN102477020 A CN 102477020A
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刘启顺
杨凤丽
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Abstract

本发明涉及一种适用于高效转化碳水化合物制备5-羟甲基糠醛(HMF)的含钽化合物的固体酸催化剂，其对糖脱水制备HMF有很高的活性、选择性及稳定性，是一种制备HMF的理想催化剂。反应在比较温和的条件下进行，目标产物HMF即可得到很好的收率，该催化剂环境友好，易于分离回收，可以重复使用，操作简便易行，且不会对设备造成腐蚀，是理想的制备HMF的固体酸催化剂，具有很强的工业应用意义。

Description

一种催化碳水化合物制备5-羟甲基糠醛的方法
技术领域
本发明涉及由高效固体酸催化剂制备5-羟甲基糠醛(HMF)的方法，即用固体酸催化剂高效转化生物质糖源(六碳糖或富含六碳糖的生物质)，催化剂可回收重复使用，对设备无腐蚀，绿色环保，具有很强的工业应用意义。
背景技术
5-羟甲基糠醛(HMF)是一种重要的呋喃基化合物，由于其分子中含有活泼基团醛基和羟甲基，性质比较活泼，可作为制备许多材料和化学品的中间体，有望成为新的平台化合物。而且，HMF是一种介于生物质化学和石油基化学之间的关键中间体，以生物质为原材料制备HMF，然后再转化为液体燃料2，5-二甲基呋喃或烷烃(Kunkes E L，Simonetti D A，DumesicJ A，et al.Catalytic Conversion of Biomass to Monofunctional Hydrocarbonsand Targeted Liquid-Fuel Classes[J].Science 2008 322：417-421)，将对缓解日益紧张的石油资源有重大帮助。据报道2，5-二甲基呋喃这种生物燃料具有更好的性能，如辛烷值和沸点都高于现在所用的燃料乙醇，有着替代化石燃料的巨大潜力。如果把HMF进一步氧化可得到2，5-二甲酰呋喃和2，5-呋喃二甲酸，2，5-二甲酰呋喃可以作为药物中间体或聚合物前体及抗菌剂；而2，5-呋喃二甲酸可以作为生产聚酯(如PET和PBT)原料对苯二甲酸和间苯二甲酸的优良替代品(Pentz K W.Br.Pat.2131014，1984；Werpy T，Petersen G.Top Value Added Chemicals From Biomass，2004)；另外，HMF在化妆品工业中可作为香味添加剂，也可以作为医药中间体等。
由于HMF作为化学中间体，在很多行业有着重要的应用前景，近年来对其研究也逐渐增多。HMF的制备一般以六碳糖作为反应物，经过酸催化脱水得到。其中反应物可以是己糖，也可以是一些低聚糖及高聚糖，甚至是原生态生物质。对六碳糖分子转化生成HMF的研究已趋于成熟，就其反应体系及所用的催化剂可以分为均相酸催化、离子液催化及固体酸催化剂催化。均相酸催化，即用一些质子酸如HCl，H3PO4，H2SO4，及有机酸如甲酸，乙酰丙酸等。用这些质子酸催化制备HMF时，由于反应过程中消耗大量酸，产生大量废液，造成设备腐蚀，环境污染，而且催化剂和产物也不易分离。离子液是近年来研究的比较多的化合物，其作为反应介质时，HMF可得到很高的收率。但离子液用于反应时，由于其价格高昂，其毒性有待进一步研究，后处理比较困难，这些缺点都限制了离子液的工业应用。固体酸催化剂催化反应时具有较高的活性和选择性，易于分离回收，可以重复利用，环境友好，是催化剂的发展发向。然而，许多固体酸分子筛催化剂在水相中活性不稳定，结构容易坍塌，造成其催化活性降低，不利于重复使用，而本发明所用的催化剂在含水体系中活性不但没有损失，相反还会有一定的增强，而水作为天然的绿色溶剂，以其作为反应介质有利于降低成本，推动HMF的工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简便的由六碳糖或糖基碳水化合物制备HMF的方法，此过程环境友好、条件温和、催化剂可重复使用，以克服已有技术中成本高，能耗高，催化剂不易回收等缺点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明涉及一种由高效催化转化单糖或多糖制备5-羟甲基糠醛(HMF)的固体酸催化剂，该催化剂为含钽化合物，催化单糖或多糖及原生态生物质作为反应物时，在60℃-300℃的温度下反应，HMF收率可达40％-100％。
所用催化剂为水合氧化钽、钽酸盐等化合物。水合氧化钽或氢氧化钽用无机酸处理；无机酸包括：硫酸、磷酸、硝酸等；无机酸浓度为0.1～10mol/L。处理时间为1小时到1星期。
含钽化合物为钽与其它金属形成的具有特定结构的复合氧化物或盐。其包括镍、钨、钛、锆、铬、铝、钴，铂，钯，钌，钼，钒，锡等形成的合氧化物或盐。其它金属化合物占钽化合物的百分含量为：0.1％-50％。含钽化合物可以负载在一些载体上，包括各类分子筛、氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆等；催化剂与载体的质量比例为0.001～1；催化剂在100-1000℃下焙烧活化(最好5分钟以上)。
所述反应物为果糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、蔗糖、淀粉、菊粉、玉米汁、经前处理的纤维素及原生态生物质菊芋块茎榨汁得到的菊芋汁。
采用的反应体系为水、水与有机溶剂组成的两相体系或混溶体系、或无水体系，其中有机溶剂可为不溶于水但能溶解HMF的溶剂，其为甲基异丁基酮、正丁醇、2-丁醇、四氢呋喃、乙酸乙酯、二氯甲烷、氯仿、丙酮以及它们任意比的混合物等；水相与有机相的体积比为1∶20～20∶1。
反应可以在无水体系下进行，溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、吡咯烷酮以及它们任意比的混合物。
反应体系温度为60℃-300℃；反应时间为10min-300min。
反应物浓度为0.5％～70％；催化剂与反应物的比例为1∶1～1∶10000。
制备HMF是在高压反应釜中，将反应溶剂水和/或有机溶剂丁醇、2-丁醇、甲基异丁基酮或它们的混合物、原料底物六碳糖或六碳糖源生物质及催化剂均匀混合与反应器中，将反应器送入加热的反应釜，以一定速度搅拌以促进HMF的生成。
催化反应时，操作温度为60℃-300℃，反应时间为10min～300min，搅拌速度为300-1000rpm，所述的反应物为六碳糖为：果糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖；所述的六碳糖源生物质为含果糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖的生物质菊粉、玉米糖浆、淀粉、纤维素、菊芋粉等，优选果糖、菊粉、菊芋汁。
本发明具有如下优点：
1与传统质子酸催化剂脱水制备HMF的方法相比，本发明使用的固体酸催化剂活性高，对HMF有很好的选择性，环境友好，不溶于水，易于分离，不易造成设备腐蚀，催化剂易于制备、成本低廉。
2反应中以天然溶剂水或含水混合物作为反应介质，且HMF有很高的选择性，过程环保无污染，操作条件温和、工艺简单成本低。
3反应中，糖转化生产HMF在水相中进行，HMF形成后通过搅拌作用及时被萃取到有机相中，这样不但促使水相中糖脱水制备HMF反应的进一步进行，还能避免HMF在水相中与水发生水合作用而降解，也减少了副产物胡敏素等的产生，从而在一定程度上抑制了催化剂的失活，提高了反应物的转化率和HMF收率。
4本发明可以直接以生物质原料作为反应物，直接制备生物质能源或生物质材料的关键中间体，过程绿色、收率高，且生产工艺与现行的石油化工工艺有很大相似性，具有很大的工业化前景和战略意义。
总之，本发明的反应过程HMF具有高选择性外，所用固体酸环境友好，操作条件温和，工艺简单，催化剂的重复使用降低了成本，为从生物质糖源出发工业化生产HMF提供了新途径，有利于推动以生物质为原料制备石油基化学品和替代燃料，具有很强的实用意义。
具体实施方式
实施例1
取氢氧化钽1.5g，加入配制好的1M磷酸20ml，室温搅拌52h，静置老化12h，离心分离出白色沉淀物，然后用水洗涤至pH成中性，60℃干燥，研磨，之后于真空干燥箱中110℃2h，再于马弗炉中缓慢升温至300℃活化3h，即可得到所需催化剂，其为经磷酸处理的氧化钽催化剂。
取上述经磷酸处理后得到氧化钽催化剂0.01g，葡萄糖1.2g，加入20ml水和30ml甲基异丁基酮，密封，在160℃反应30min，将反应液过滤分离出催化剂，去除催化剂后的反应液用高效液相色谱检测，测得HMF收率为78％。
实施例2
取五氯化钽1g，溶于10ml无水甲醇中，待其溶解后，加入氧氯化锆0.2g，搅拌情况下滴加氨水调节pH至中性后，继续搅拌4h，静置老化12h，水洗至不含氯离子，得到的沉淀物于60℃干燥2h，于500℃活化焙烧即得到负载量为20％的ZrO/Nb2O5。用XPS对其进行表征与验证。
取该催化剂0.1g，果糖2g，加入水20ml，丁醇30ml，160℃反应60min，将反应液过滤分离出催化剂，样品用高效液相色谱检测，测得HMF收率为89％。
实施例3
取氯化钽0.2g，加入20ml无水乙醇，待其溶解后，加入2g二氧化硅，搅拌3h，放置5h后过滤得到沉淀物，并水洗至不含氯离子，然后干燥，450℃焙烧得到负载量为10％的Nb2O5/SiO2。
取上述催化剂0.1g，果糖1.4g，水10ml，甲基异丁基酮40ml，置于高压釜，160℃反应45min后停止，取出样品，检测HMF收率为82％。
实施例4
取菊粉2g，二甲基亚砜50ml，实施例1经磷酸处理的水合氧化钽催化剂0.1g，置于高压釜中，800rpm下搅拌，160℃反应150min，将反应液过滤分离出催化剂，样品用高效液相色谱检测，测得HMF收率为85％。
实施例5
取玉米汁(总糖浓度50％)10ml，水10ml，2-丁醇30ml，实施例1经磷酸处理的水合氧化钽催化剂0.1g，置于高压反应釜中，800rpm下搅拌，180℃反应150min，将反应液过滤分离出催化剂，样品用高效液相色谱检测，测得HMF收率为55％。
实施例6
取菊芋汁(12wt％)10ml，加水10ml，2-丁醇30ml，水合氧化钽0.1g置于反应釜中，密封，置于之前预热30min的高压反应釜中，800rpm下搅拌，160℃反应90min，将反应液过滤分离出催化剂，样品用高效液相色谱检测，测得HMF收率为71％。
实施例7
取氯化钽3g，加入氨水沉淀，并用氨水调pH至中性后搅拌5h，静置过夜老化得沉淀物，水洗至不含氯离子后将沉淀物干燥350℃焙烧得到所需氢氧化钽催化剂。
取该催化剂0.1g，果糖1.2g，水20ml，丁醇30ml，于高压釜中160℃反应40min后停止，高效液相检测HMF收率91％。
实施例8
取钽酸铬钾0.2g，果糖2.0g，吡咯烷酮30ml，80℃反应2h停止，高效液相检测收率为70％。
实施例9
取淀粉3g，600℃活化的经磷酸处理的氢氧化钽催化剂0.1g，20ml水，30ml甲基异丁基酮，180℃反应1.5h，HMF收率可达42％。
实施例10
取菊粉3g，450℃经1M硝酸处理的氢氧化钽催化剂0.1g，水20ml，2-丁醇30ml，150℃反应2h，高效液相检测HMF收率为54％。
实施例11
取粉碎的菊芋块茎3g，300℃活化的经磷酸处理的钽酸催化剂0.05g，N，N-二甲基乙酰胺30ml，100℃反应2h，高效液相检测HMF收率为65％(相对于菊芋粉中的总糖含量)。
上述实验中，催化剂重复使用三次后未见活性下降。
通过以上实施例可以看出，本发明是以一种固体酸钽和钽的化合物作为催化剂，在水和有机溶剂组成的两相体系中，实现六碳糖或含有六碳糖的生物质高选择性脱水制备HMF。反应在比较温和的条件下进行，目标产物HMF即可得到比较高的收率，与其他固体酸和液体酸催化技术相比，本发明的具有显著优点：转化率高，选择性高，催化剂价格低廉，易于分离回收，可以重复使用，且不会对设备造成腐蚀，是一种理想的制备HMF的固体酸催化剂；操作条件温和工艺简单，成本低，环境友好。

Claims (8)

1.一种催化碳水化合物制备5-羟甲基糠醛的方法，其特征在于：其以含钽化合物为催化剂，以碳水化合物为原料，在60℃-300℃的温度下反应，在液相条件下将碳水化合物高效催化转化成HMF。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述含钽化合物为水合氧化钽、氢氧化钽、钽酸盐、钽与其他金属形成的具有特定结构的复合氧化物或盐中的一种或一种以上；
所述钽与其它金属形成的具有特定结构的复合氧化物或盐，其它金属为镍、钨、钛、锆、铬、铝、钴、铂、钯、钌、钼，钒、锡、铌中的一种或多种；其它金属与钽的摩尔比为1∶1～1∶100。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：所述水合氧化钽或氢氧化钽使用前采用无机酸处理；无机酸为盐酸、硫酸、磷酸或硝酸；无机酸浓度为0.1-10mol/L，处理时间为1小时以上。
4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：氢氧化钽或氧化钽可以负载在其他载体表面，形成负载型含钽催化剂，载体为分子筛、氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆或氧化铌等；催化剂与载体的质量比例为0.001～1。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：所述氢氧化钽或负载型含钽催化剂使用前最好在100-1000℃下焙烧活化。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述碳水化合物为果糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖、蔗糖、淀粉、菊粉、玉米汁、或菊芋块茎榨汁得到的菊芋汁中一种或一种以上。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：采用的反应体系为水、水与有机溶剂的混溶体系、水与有机溶剂组成的两相体系、或无水体系；
其中两相体系：有机溶剂为不溶于水但能溶解HMF的溶剂，其为甲基异丁基酮、正丁醇、2-丁醇、乙酸乙酯、二氯甲烷、吡咯烷酮、氯仿中的一种或一种以上的任意比的混合物；水相与有机相的体积比为1∶20-20∶1；
其中水与有机溶剂的混溶体系：有机溶剂为溶于水且能溶解HMF的溶剂，其为：甲基异丁基酮、正丁醇、2-丁醇、四氢呋喃、N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、吡咯烷酮、丙酮；
采用的反应体系在无水体系下进行，溶剂为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、吡咯烷酮中一种或一种以上任意比的混合物。
8.按照权利要求1的方法，其特征在于：反应体系温度为60℃-300℃。反应时间为10min-300min；反应物原料的浓度为0.5-70wt％；催化剂与反应物的质量比例为1∶1～1∶10000。
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