1 前言

合成高分子材料的发展极大地推动了人类社会与文明的进步，目前合成高分子材料主要依赖化石资源的炼制，在带来便利的同时也造成了资源枯竭、环境污染等问题。源头替代和循环再生是解决上述问题的两条可选的路径。生物质是地球上储量丰富的可再生资源，用生物质代替化石资源，有希望实现合成高分子材料的可持续发展。

2,5-呋喃二甲酸(2,5-FDCA)是一个具有芳香平面、刚性结构的生物质基单体，有望替代石油基聚酯单体对苯二甲酸。果糖催化转化制备2,5-FDCA是目前研究最多的路线，但果糖价格较高，中间体5-羟甲基糠醛(HMF)的稳定性差、难分离^[1]，导致生产成本较高。葡萄糖-葡萄糖二酸路线生产2,5-FDCA是一条具有巨大潜力的路线，因为葡萄糖的价格仅为果糖的三分之一、中间体葡萄糖二酸稳定性高、容易分离^[2]。葡萄糖二酸脱水环合是2,5-FDCA合成的关键一步，Brønsted酸对此反应有较好的催化效果^[3-6]。本课题组对己糖二酸的脱水环合反应开展了系统的研究^[7-15]，对关键副产物进行了定性分析，确定了脱羧副产物糠酸及其衍生物2,3-苯并呋喃和氧芴及脱水副产物3-羟基-6-羧基-2-吡喃酮，推测了可能的反应路径^{[11, 15]}，对己糖二酸脱水环合的催化剂进行筛选，从单一催化剂扩展到复合催化剂，构建了氢卤酸-金属卤化物复合催化体系，筛选到HBr-MgBr₂、HBr-LiBr两个高效体系，并对HBr-MgBr₂体系进行了工艺优化和反应动力学研究^[9-10]。己糖二酸制备2,5-FDCA需要脱除3分子水，MgBr₂遇水后会生成溴化镁水合物，而溴化镁水合物需要在溴化氢气体氛围下脱除结晶水得到MgBr₂，条件苛刻，导致MgBr₂的回用难度大。LiBr的水合物可以通过真空、喷雾干燥等简单的方法得到无水LiBr^[16]，再生回用难度远远低于MgBr₂，所以HBr-LiBr更适合用作己糖二酸脱水环合制备2,5-FDCA的工业化催化体系。本研究将对HBr-LiBr催化葡萄糖二酸单钾盐(PBS)脱水环合制备2,5-FDCA的工艺进行系统的优化。

2 实验部分 2.1 实验试剂

葡萄糖二酸单钾盐(质量分数w= 98%)购自北京凯森莱科技公司；溴化锂(w= 99%)、环丁砜(AR)、3-甲基环丁砜(w= 98%)、2-甲基四氢呋喃(w= 99%)、N-甲基吡咯烷酮(w= 98%)、糠酸(w= 98%)购自上海麦克林生化科技有限公司；2,5-呋喃二甲酸(w= 99%)、氢溴酸(w= 48%)购自阿拉丁试剂上海有限公司；环己酮(AR)、四氢呋喃(AR)、1, 4-二氧六环(AR)、N,N-二甲基甲酰胺(AR)、硫酸(w= 98%)购自国药集团化学试剂有限公司；二甲基砜(w= 99%)购自梯希爱(上海)化成工业发展有限公司；二甲基亚砜(w= 99%)购自上海韶远试剂有限公司。

2.2 实验装置与过程

实验装置：带磁力搅拌的10 mL六联微型高压反应釜(南京正信仪器有限公司，型号PSK-6-10ML)，带聚四氟乙烯内衬，固定式全封闭模块电加热器。

实验过程：称取一定量的无水溴化锂、葡萄糖二酸单钾盐、5 mL溶剂、氢溴酸，依次加入10 mL微型高压反应釜中，加入磁子后密封，置于提前预热至反应温度的磁力搅拌加热器中加热。反应一定时间后将反应釜取出并于冷水中急冷终止反应，待其冷却至室温后开釜。用去离子水将反应液稀释一定的倍数，经0.22 μm微孔滤膜过滤后制样，用高效液相色谱仪(HPLC)对样品进行定量分析。

2.3 分析方法

采用HPLC(Agilent 1260，UV检测器)分析产物，用外标法进行定量。色谱条件为Agilent Hi-Plex H 300 mm×7.7 mm色谱柱，流动相为5 mmol⋅L⁻¹的硫酸水溶液、流速为0.7 mL⋅min⁻¹，柱温为65 ℃，进样量为10 µL，检测波长设定为265 nm。产物2,5-FDCA和副产物糠酸的收率计算如式(1)：

$ 收率=\frac{反应所得产物物质的量}{反应物完全转化所得产物的理论物质的量} $

(1)

3 实验结果与讨论 3.1 溶剂的筛选

在120 ℃、w(HBr)=2%、w(LiBr)=5% 和底物质量分数w(PBS)=0.5% 的条件下，对葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应的溶剂进行筛选，结果如图 1所示。选取了10种常见的溶剂，可以分为3类，含硫溶剂：二甲砜(MSM)、环丁砜、3-甲基环丁砜和二甲基亚砜(DMSO)；含氧溶剂：2-甲基四氢呋喃(2-MeTHF)、四氢呋喃(THF)、1,4-二氧六环和环己酮；含氮氧的酰胺类溶剂：N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)。由图 1可见，在含硫溶剂二甲砜、环丁砜和3-甲基环丁砜中，葡萄糖二酸单钾盐脱水环合得到的2,5-FDCA收率均 > 80%，而同样是在含硫溶剂DMSO中，2,5-FDCA的收率极低(< 1%)，推测可能是砜基O═S═O的氧原子与葡萄糖二酸单钾盐的羟基形成氢键，促进了环合反应，葡萄糖二酸与环丁砜可能的成环溶剂效应机理如图 2所示^[7-8]，而DMSO中只有一个O═S键，较难促进葡萄糖二酸单钾盐发生环合反应。在含氧溶剂中，2,5-FDCA的收率均低于15%，1, 4-二氧六环中葡萄糖二酸单钾盐制备2,5-FDCA的收率仅有3.0%，而徐海峰等^[7-8]报道在1, 4-二氧六环中，硫酸催化半乳糖二酸转化，2,5-FDCA的收率可以达到30%，这说明在不同的催化体系中，溶剂对反应的影响不同。在强极性酰胺溶剂DMF和NMP中几乎没有2,5-FDCA生成。环丁砜的熔点低、价格较低，是工业上常用的溶剂，所以后续的研究都选择环丁砜为溶剂。

3.2 HBr与LiBr配比的优化

为了提高葡萄糖二酸单钾盐脱水环合制备2,5-FDCA的收率，对催化剂HBr与LiBr的配比进行优化，结果如图3所示。筛选的w(HBr)=0.5%~3%，w(LiBr)=0~6%,一共42组全面试验。陈旭杰等^[9-10]对HBr-MgBr₂二元复合体系催化葡萄糖二酸单钾盐中HBr和MgBr₂的配比进行了优化，发现2,5-FDCA的收率极大值倾向于较高的w(HBr)和w(MgBr₂)。类似的，在HBr-LiBr二元复合催化体系中，2,5-FDCA的收率极大值也出现在较高的w(HBr)和w(LiBr)下，在w(HBr)=3%、w(LiBr)=6% 催化下，2,5-FDCA的收率可以达到81.9%。在相同w(HBr)下，随着助催化剂w(LiBr)的增大，2,5-FDCA的收率呈现明显的上升趋势，例如在w(HBr)=3% 下，当w(LiBr)从0升高到3% 时，2,5-FDCA的收率从59.9% 升高到74.4%；在相同的w(LiBr)下，随着w(HBr)的增大，2,5-FDCA的收率呈现出先上升后下降的趋势，例如在w(LiBr)=3% 催化下，当w(HBr)从0.5% 升高到1% 时，2,5-FDCA的收率从74.1% 升高到78.1%，当w(HBr)继续升高到3% 时，2,5-FDCA的收率下降到74.4%，但整体变化幅度较小。以上结果说明LiBr浓度变化对2,5-FDCA收率的影响较大，LiBr是高效的助催化剂，可以大大提高2,5-FDCA的收率。在能够保证2,5-FDCA收率的前提下，减少催化剂的用量可以降低生产成本，所以综合对比，w(HBr)=2%、w(LiBr)=5%为较优的催化剂配比，在w(HBr)=2%、w(LiBr)=5% 催化下，葡萄糖二酸单钾盐转化制备2,5-FDCA的收率为81.1%。对比图3(a)和(b)的结果可以发现，催化剂对副产物糠酸的影响更大，尤其是w(HBr)的变化，随w(HBr)的增加，糠酸的收率明显下降，据魏茜文等^[14-15]研究，在酸催化下糠酸会分解生成2,3-苯并呋喃和氧芴等副产物，并且w(H₂SO₄)=10% 催化糠酸分解的速率远远高于w(HBr)=3%，说明糠酸的稳定性随着酸浓度的提高逐渐变差。

3.3 底物质量分数对2,5-FDCA合成的影响

前面的工作都是在底物质量分数w(PBS)=0.5% 下开展的，为了提高生产效率，需要进一步提高w(PBS)，所以探究了w(PBS)对2,5-FDCA合成的影响，结果如图 4所示。采用动态法测定了反应温度120 ℃下葡萄糖二酸单钾盐在环丁砜中的溶解度，为0.2 g⋅L⁻¹左右。当w(PBS)=0.5% 时，2,5-FDCA的收率为81.1%，当w(PBS)提高到4% 时，2,5-FDCA的收率下降到71.9%，当w(PBS)提高到6% 时，2,5-FDCA的收率仅有17.5%，w(PBS)在4% 以下时，2,5-FDCA的收率随着w(PBS)的提高略有下降，w(PBS)从4% 提高到6% 时，2,5-FDCA的收率急剧下降，为了得到较高收率的2,5-FDCA，w(PBS)需要保持在4% 以下。副产物糠酸的收率随w(PBS)的提高呈现先上升后下降的趋势，与2,5-FDCA相比，w(PBS)对糠酸收率的影响更小。葡萄糖二酸单钾盐在环丁砜中的溶解度很低，这可能是高w(PBS)下目标产物收率低的原因，高w(PBS)时反应物来不及溶解就在较高的温度下被催化，发生了副反应。

为了进一步探究w(PBS)对反应的影响，选择w(PBS)=0.5%、2% 和4% 三个条件，对反应动力学进行了研究，结果如图 5所示。为了更直观地比较w(PBS)对反应的影响，采用1级反应动力学对葡萄糖二酸单钾盐的反应进行了拟合。将葡萄糖二酸单钾盐脱水环合反应简化为两个平行反应，其中A为葡萄糖二酸单钾盐，B为2,5-FDCA，C为其他副产物。

各组分的变化速率为：

$ {r_{\text{A}}}{\text{ = }}\frac{{d{c_A}}}{{dt}} = - \left( {{k_1} + {k_2}} \right){c_A} $

(2)

$ {r_{\text{B}}}{\text{ = }}\frac{{d{c_B}}}{{dt}} = {k_1}{c_A} $

(3)

$ {r_{\text{C}}}{\text{ = }}\frac{{d{c_C}}}{{dt}} = {k_2}{c_A} $

(4)

式中：r_A是葡萄糖二酸单甲盐的反应速率，mol⋅L⁻¹⋅h⁻¹；r_B是2,5-FDCA的生成速率，mol⋅L⁻¹⋅h⁻¹；r_C是其他副产物的生成速率，mol⋅L⁻¹⋅h⁻¹；c_A、c_B、c_C是葡萄糖二酸单甲盐、2,5-FDCA、其他副产物的浓度，mol⋅L⁻¹；k₁、k₂是2,5-FDCA、其他副产物的生成速率常数，h⁻¹；t是时间，h。

对式(2)积分后改写为：

$ {c_A} = {c_{A0}}\exp [ - \left( {{k_1} + {k_2}} \right)t $

(5)

式中：c_A0是葡萄糖二酸单甲盐的初始浓度，mol⋅L⁻¹。

将式(5)代入式(3)并积分得到：

$ {c_{\text{B}}} = \frac{{{k_1}}}{{{k_1} + {k_2}}}{c_{A0}}\left[ {1 - \exp [ - \left( {{k_1} + {k_2}} \right)t]} \right] $

(6)

采用Origin对式(6)进行动力学拟合^[10]，拟合方程为：

$ y = \frac{{{k_2}}}{{{k_1} + {k_2}}}\left[ {1 - \exp [ - \left( {{k_1} + {k_2}} \right)x]} \right] $

(7)

拟合结果如图 5(a)所示，反应速率常数及决定系数见表 1，从表可见，决定系数接近于1，拟合效果较好。w(PBS)=0.5%、2%、4% 时，k₁分别为0.554、0.363、0.147 h⁻¹，随w(PBS)升高，2,5-FDCA的生成速率常数逐渐减小，推测可能是因为葡萄糖二酸单钾盐在环丁砜中的溶解度较低，反应速率受底物溶解速率的影响。

3.4 含水量对2,5-FDCA合成的影响

由于1分子葡萄糖二酸单钾盐发生脱水环合反应会生成3分子水，随反应的进行水会在反应体系内富集，因此考察了含水量对反应的影响，在120 ℃、w(HBr)=2%、w(LiBr)=5%、w(PBS)=4% 的条件下进行反应，结果如图 6所示。由于催化剂氢溴酸中含有52% 质量分数的水，在无额外向反应体系加水时，反应体系的含水量w(H₂O)=2.2%。w(PBS)=4% 按100% 转化反应后，反应体系理论上水量增加0.9%，所以本研究以1% 加水量为增量。由图 6可见，随着体系中含水量的增加，2,5-FDCA的收率逐渐下降。当含水量为2.2% (无额外加水)时，2,5-FDCA的收率为75.2%，当含水量提高到3.2% 时，2,5-FDCA的收率下降到69.5%，当含水量进一步提高到8.2% (约等于6次循环反应的累积水量)时，2,5-FDCA的收率下降到20.6%。随着含水量的增加，副产物糠酸的收率呈现出先增加后减小的趋势，但幅度较小。从以上结果可以看出，水是影响2,5-FDCA收率的关键因素，及时将反应产生的水从体系移除有利于提高2,5-FDCA的收率。

4 结论

(1) 提出了葡萄糖二酸与含O=S=O的溶剂可能的成环溶剂效应机理。

(2) 优化得到了葡萄糖二酸单钾盐脱水环合制备2,5-FDCA的较佳催化剂配比：w(HBr)=2%、w(LiBr)=5%，2,5-FDCA的收率为81.1%。

(3) 底物质量分数和含水量是影响HBr-LiBr催化下葡萄糖二酸单钾盐脱水环合制备2,5-FDCA反应的关键工艺参数。