[发明专利]一种蔗糖基5-羟甲基糠醛的低成本制备方法

说明书

本发明公开了一种蔗糖基5‑羟甲基糠醛的低成本制备方法，具体是将蔗糖、负载型酸碱双功能催化剂、催化剂助剂以及溶剂加入到高压反应釜中，搅拌形成均匀分散溶液，在惰性气体保护下，90～180℃反应30～240min，可得到以5‑羟甲基糠醛为主要产物的混合液。所用酸碱双功能催化剂可同时催化葡萄糖异构化为果糖、果糖脱水选择性生成5‑羟甲基糠醛反应，通过调节催化剂中的酸碱比例，可以有效提高5‑羟甲基糠醛产物的选择性和产率。本发明所用的溶剂绿色环保、沸点低，很大程度减轻了环境的负担及分离纯化的难度，为蔗糖制备5‑羟甲基糠醛的产业化推广提供了可靠的技术支持。

技术领域

本发明涉及生物质基平台化合物的制备的方法，具体的说是由蔗糖一步催化转化为5-羟甲基糠醛的方法，属于工业催化和生物质基化学品领域。

背景技术

煤炭、石油等化石资源人类社会发展的基石，为人类提供可靠的能源保障和物质保障。近年来，随着化石能源的快速消耗以及伴随的环境问题日渐突出，开发新型可再生清洁能源越显迫切。生物质是一种可持续性资源，数量巨大，价格低廉，可被生物降解。发掘可再生生物质资源制备新型平台化合物，是解决目前资源和能源危机的重要方法。其中，糖类化合物，尤其是六碳糖，作为生物质资源的重要组成部分，广泛存在于天然植物中，具有较大潜力成为未来新型能源及化工产品的来源。然而，由于糖类分子结构多羟基官能团的特点使得糖类化合物在溶解性、反应性和稳定性等方面具有一定的局限。因此，研究人员提出通过催化转化对生物质糖类进行提质，借助平台分子实现生物质中糖类组分的高值化转化利用

5-羟甲基糠醛可由廉价的、可再生的六碳糖、低聚糖、高聚糖，甚至秸秆、甘蔗渣、以及玉米芯等生物质原料在催化剂作用下脱水分解制备，在国际上被视为一种介于生物基糖化学和石油基化学之间的关键桥梁化合物，由它为基础可以合成许多精细化学品、医药用品以及大环化合物，还可以进一步羟醛缩合、加氢生成液态燃料；作为单体可以合成具有光学活性，可生物降解特性的新型高分子材料

寻找高效的催化剂一直是糖类化合物降解制备5-羟甲基糠醛领域的首要任务。很早以前人们就发现采用简单的无机酸、有机酸可以有效地将果糖降解为5-羟甲基糠醛，5-羟甲基糠醛的产率可达20％以上，但是该催化反应仅适合在有机溶剂中进行，在水溶液中5-羟甲基糠醛往往会进一步反应生成乙酰丙酸等副产物，同时由于糖类化合物降解制备5-羟甲基糠醛的反应温度通常在120～200℃，在此条件下大部分无机酸、有机酸等均相催化剂都有强腐蚀性，降低反应设备的使用寿命。多相酸性催化剂凭借其可调变的酸量及孔道结构，可以明显提高5-羟甲基糠醛的产率，是近年来的主要研究方向。如金属盐与金属氧化物、H型沸石及其他分子筛、酸性阳离子交换树脂以及杂多酸等，也被广泛用于果糖、葡萄糖等糖类化合物的催化降解，所得5-羟甲基糠醛收率在25％～95％不等。

果糖、葡萄糖、菊糖、甘露糖、半乳糖以及蔗糖等单糖和寡糖都被作为合成5-羟甲基糠醛的直接原料，其中又以果糖的转化效果最好，但是由于果糖成本较高，限制了其应用前景。蔗糖是一种由一分子葡萄糖和一分子果糖通过糖苷键形成的二糖，与葡萄糖和果糖相比，蔗糖的生产成本更低，来源更丰富。因此，就结构和成本考量，以蔗糖为原料制备5-羟甲基糠醛是一条更具经济可行性的生产路线。一般情况下，由蔗糖制备5-羟甲基糠醛的过程一般包括以下3步：①蔗糖水解生成葡萄糖和果糖；②葡萄糖催化异构化为果糖；③果糖催化脱水生成5-羟甲基糠醛。一般认为，碱性化合物和Lewis酸(L-酸)有利于催化葡萄糖异构化生成果糖，酸(B-酸)有利于催化果糖脱水生成5-羟甲基糠醛。因而通过制备同时具有L-酸和B-酸位的多功能高效催化剂，对催化糖类化合物制备5-羟甲基糠醛的反应意义重大。关于蔗糖脱水制备5-羟甲基糠醛、葡萄糖异构化为果糖的相关催化剂开发，目前已经呈现了许多非常有参考价值的研究报道。