CC BY
38
Химия растительного сырья. 2011. №4. С. 71-76.
УДК 547.917: 547.724: 547.48 НОВЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ 5-БРОММЕТИЛФУРФУРОЛА
© М.Ю. Черняк1, В.Е. Тарабанько1, A.C. Соснерж2, М.А. Смирнова1, Н.В. Коропачинская1
1 Институт химии и химической технологии СО РАН, Академгородок,
Красноярск 660036 (Россия), e-mail: veta@icct.ru
2Сибирский федеральный университет, пр. Свободный, 79, Красноярск,
660041 (Россия)
Предложена и исследована новая каталитическая двухфазная система для одностадийного получения 5-бром-метилфурфурола из гексозных углеводов при умеренных температурах (75-90° С), Показано, что в системе толуол -вода - фруктоза - бромид калия - серная кислота 5-бромметилфурфурол может быть получен с выходом более 70 мол.%. Зависимости выхода продукта от продолжительности процесса, концентрации фруктозы, отношения объемов водной и органической фаз имеют экстремальный характер,
Ключевые слова: кислотно-каталитическая конверсия, углеводы, 5-бромметилфурфурол, двухфазная система,
Введение
Производные фурана являются незаменимыми полупродуктами для многих отраслей химической промышленности [1]. В последнее время активно исследуются новые методы получения высокореакционных фурановых соединений из углеводной части возобновляемого растительного сырья, а именно 5-гидрокси-метилфурфурола (5-ГМФ) и его галоген-аналогов - 5-бромметилфурфурола (5-БМФ) и 5-хлорметил-фурфурола (5-ХМФ). Эти соединения используют для синтеза фармацевтических препаратов, препаратов сельскохозяйственного назначения, различных химических реагентов [2, 3, 5-7], присадок к топливам [4, 8, 9], полупродуктов для полимерной промышленности, содержащих альдегидные, спиртовые или карбоксильные группы [3, 5].
Галогенпроизводные 5-ГМФ получают либо путем нуклеофильного замещения гидроксильной группы в этом соединении, либо в одну стадию из фруктозы и других углеводов путем кислотнокаталитической конверсии в присутствии достаточных концентраций галоген-анионов [3, 6, 10]. В современной литературе подавляющая часть работ посвящена исследованиям процессов получения 5-ХМФ, очевидно, в связи большей доступностью и дешевизной различных хлорирующих агентов. Сведения о процессах получения 5-БМФ ограничены.
Получение 5-галогенметилфурфуролов из 5-ГМФ. Получение 5-ХМФ и 5-БМФ действием галоген-водородов, галогенидов фосфора и серы на 5-ГМФ подробно описано в [9-11]. В концентрированных водных растворах HCl и HBr 5-ГМФ быстро конвертируется в 5-ХМФ и 5-БМФ с выходом до 50-70 мол.% [3, 10].
Применение растворов галогенидов водорода в органических растворителях позволяет достичь бо -лее высокой селективности. Наилучшие результаты получены в диэтиловом эфире, где выход достигает 90% при начальной концентрации 5-ГМФ 0,1-0,2 М. В четыреххлористом углероде и 1,1,2-трихлорэтане селективность несколько ниже (около 80%) [10, 11]. При высоких концентрациях 5-ГМФ (2 М) в диэтиловом эфире, насыщенном бромоводородом, выход 5-БМФ падает до 40 мол.% [12].
Показана возможность замещения гидроксильной группы 5-ГМФ применением сульфурил- и тио-нилгалогенидов в пиридине или галогенуглеводородах, но более высокие выходы (91%) получены в системе оксихлорид фосфора - пиридин [11]. Почти количественные выходы 5-галогенметилфурфуролов (9599%) получены взаимодействием 5-ГМФ с галогентриметилсиланами [11]. Эти результаты могут быть
* Автор, с которым следует вести переписку,
обусловлены высокой нуклеофильностью галогенотриметилсиланов в реакциях Бж типа, и вместе с тем низкой кислотностью системы.
Получение 5-галогенметилфурфуролов из углеводов. Первые публикации о получении 5-галоген-метилфурфуролов действием галогеноводородов на углеводы относятся к началу XX в. [13-15]. Содержащие кетонную группу фруктоза и сахароза подвергаются реакции дегидратации-галогенирования в большом избытке (20 : 1 моль/моль) водных концентрированных растворов бромистоводородной или соляной кислот при 70-75 °С в течение 10-30 мин. Выход продуктов невелик (20-25 мол %) [16, 17].
Более широкими синтетическими возможностями обладают двухфазные системы, позволяющие использовать различные типы галогенирующих агентов. Ввиду большого разнообразия двухфазных систем и галогенирующих агентов, а также природы углевода выход продуктов варьируется в широких пределах и не всегда превышает результаты, полученные в водной среде. Так, 5-ХМФ с выходом 23 мол. % получен из сахарозы пропусканием газообразного хлороводорода в суспензию вода - четыреххлористый углерод с отношением фаз 1 : 22 при 40 °С в течение 4 ч [18].
Наиболее распространенными органическими растворителями, применяемыми для создания таких систем, являются толуол, хлорбензол, пиридин, трихлорэтилен [19]. Отношение фаз, используемое в экспериментах, составляет, согласно различным источникам, от 1 : 5 до 1 : 200. Применение поверхностноактивных веществ благодаря мицеллообразованию способствует предотвращению гидролиза и конденсации 5-галогенпроизводных [19].
Оптимальная температура проведения данного типа реакций составляет 70-100 °С [19, 20]. Применение концентрированной соляной кислоты в двухфазной системе хлорбензол - вода (200 : 1) позволяет получать высокие выходы 5-ХМФ из фруктозы и концентрированных глюкозо-фруктозных сиропов вплоть до 90 мол.%. Альдозы (глюкоза и крахмал) в аналогичных условиях малоактивны и конвертируются с выходами 15-30 мол % при значительном увеличении времени реакции [19].
В [4, 9] для эффективной конверсии целлюлозы и целлюлозосодержащих материалов предложено использовать смесь концентрированной соляной кислоты и хлорида лития (5%), что, по мнению авторов, способствует гомогенизации полимерных углеводов. Процесс проводят при 65 °С в реакторе с одновременной экстракцией 1,2-дихлорэтаном в течение 12-18 ч. Выход одинаков как для целлюлозы, так и для глюкозы и составляет 70 мол.%.
Сократить время реакции и увеличить выход в препаративных методиках удается путем изменения условий непосредственного взаимодействия реагента и углевода. Так, в [20] конверсию фруктозы в 5-ХМФ проводят постепенным введением смеси углевода и концентрированной соляной кислоты (отношение кислота - углевод 4 : 1) в разогретый до 80 °С толуол или хлорбензол. Выход 5-ХМФ (70 мол %) значительно выше по сравнению с аналогичной системой, описанной в [16, 17].
5-БМФ и 5-ХМФ получены из фруктозы действием пербромида и хлорида пиридиния в безводной среде с выходом 40 и 70 мол. % соответственно [21]. Отмечено образование 5-ГМФ в качестве побочного продукта.
В патентах [22, 23] описываются методы получения 5-галогенметилфурфуролов из различных углеводов в двухфазных системах раствор углевода - неполярный органический растворитель в присутствии бромида или хлорида магния и серной кислоты с добавками ПАВ при 50-75 °С. Выходы 80-90%.
Возможности переработки соломы и целлюлозы в 5-ХМФ в концентрированной соляной кислоте с выходами 20 и 63 масс. % соответственно отмечены в [4, 9]. Обобщенные данные по методам получения 5-галогенметилфурфуролов из углеводов даны в таблице 1.
Таким образом, в литературе представлены сведения по выходам и методам получения бром- и хлорметилфурфуролов в различных галогенирующих системах. Однако зависимости выхода продуктов от времени, температуры, концентраций реагентов практически не изучены. В литературе также отсутствуют какие-либо указания на механизм процессов образования этих веществ. Неясно, например, на каком этапе превращения фруктозы в 5-БМФ происходит замещение гидроксильной группы бромид-ионом. Цель настоящей работы заключается в изучении закономерностей процесса получения 5-БМФ из гексозных углеводов в двухфазной системе при умеренных температурах (около 100 °С).
Таблица 1. Условия и выход 5-галогенметилфурфуролов из углеводов в реакциях дегидратации -
галогенирования
Реагент Среда, углевод Т, °С Время, мин Выход, мол. % Ссылка
HCl 32% Водный раствор HCl, 0,5 М сахароза 70-75 10 20-25 16, 17
HCl газ Суспензия H20-CCl4 (1:12), 30 г сахарозы на 20 мл воды 40 120 22 18
HCl 32% Двухфазная система вода - хлорбензол (толуол, трихлорэтилен) 1 : 200. 0,1 моль фруктозы в 30 мл конц. HCl 0,1 моль глюкозы в 30 мл конц. HCl 16 г крахмала в 30 мл конц. HCl 75 75 75 60 60-1200 60-1200 95 30-45 15-20 19
5% LiCl в HCl 36% Целлюлоза, целлюлозосодержащие материалы, глюкоза с одновременной экстракцией 1,2-дихлорэтаном 65 1800 60-70 4,9
HBr в CCl4 250 мл, безводная среда 0,06 моль фруктозы 0,03 моль сахарозы 10 г крахмала 10 г целлюлозы 100 120 20 15 0,37 г 3-3,5 г 13-15
Пиридиний хлорид 0,01 моль фруктозы + 0,01 реагента, последующая экстракция EtOAc 0,01 моль глюкозы + 0,01 реагента 0,01 моль сахарозы + 0,01 реагента 120 30 70 5 30 21
Пербромид пиридина 0,01 моль фруктозы+0,01 реагента, последующая экстракция EtOAc 120 30 40 21
Бромид тетраэтил- аммония 0,01 моль фруктозы+0,01 реагента, последующая экстракция EtOAc 0,01 мольглюкозы+0,01 реагента 0,01 моль сахарозы+0,01 реагента 120 30 75 5 40 21
MgBr2-HBr MgCl2-HCl 150 мл толуола, 0,1 моль углевода, 2,2 мл воды, 31 г конц. HCl, 20-30 г MgX2 75 90 80-90 22, 23
Экспериментальная часть
Использованные в работе растворители и реактивы имели квалификацию ХЧ и ЧДА. 5-гидрокси-метилфурфурол синтезирован по методике [24].
Основные эксперименты выполнены в следующем порядке. В литровую трехгорлую колбу, снабженную термометром и обратным холодильником, загружали 500 мл толуола, смесь определенного количества углевода и 60 г бромида калия в 100 мл воды. Реакционную массу перемешивали и нагревали до требуемой температуры в термостатированной водяной бане. По достижении заданной температуры прибавляли по каплям эквимолярное (по отношению к бромиду калия) количество концентрированной серной кислоты в течение 1 ч при активном перемешивании. По мере протекания реакции отбирали пробы по 2 мл органической фазы, промывали раствором гидрокарбоната натрия и упаривали органическую фазу в бюксах до постоянного веса. Концентрацию продукта в органической фазе определяли весовым методом с контролем спектрофотометрическим [25] и газо-хроматографическим методами. По завершении процесса реакционную массу быстро охлаждали, отфильтровывали нерастворимые гумины. Органическую фазу отделяли от водной и промывали насыщенным холодным раствором гидрокарбоната натрия для удаления следов серной кислоты. Экстракт сушили над смесью безводных хлорида кальция и сульфата натрия. 5-БМФ выделяли из экстракта перегонкой в вакууме (0,5 торр, 160 °С). Спектры ЯМР записаны на спектрометре Bruker DPX-200W (200 МГц) с привязкой к дейтериевому сигналу растворителя ЦКП КНЦ СО РАН. Хромато-массспектры записаны с применением газового хроматографа Agilent Technologies 7890 A. Применяли 30 м кварцевую колонку HP-5 (сополимер 5%-дифенил-95%-диметилсилоксан) с внутренним диаметром 0,25 мм и толщиной пленки неподвижной фазы 0,25 мкм.
Обсуждениерезультатов
Влияние температуры на образование 5-бромметилфурфурола из фруктозы. Основные эксперименты выполнены при концентрациях фруктозы и бромида калия в водном растворе 1 и 5 моль/л соот-
ветственно. Одномолярная концентрация фруктозы в двухфазных системах - предел, при котором возможен высокоселективный синтез 5-ГМФ [26]. В реакциях нуклеофильного замещения необходимы высокие концентрации бромид-иона, а концентрация бромида калия 5 М близка к насыщенной; кроме того, эффект высаливания 5-БМФ из водной фазы способствует повышению выхода.
Представленные на рисунке 1 результаты показывают, что начальная скорость и максимальный выход 5-бромметилфурфурола возрастают с увеличением температуры, выход достигает максимума (0,7 моль на моль фруктозы) при 85-95 °С (табл. 2). С ростом температуры увеличивается также и количество образующихся гуминовых веществ, что объясняется ускорением как прямой реакции, так и побочных реакций конденсации и полимеризации (табл. 2).
Следует отметить важную роль скорости прибавления серной кислоты в реакционную массу. Мгновенное, также как и слишком быстрое прибавление серной кислоты приводит к олигомеризации фруктозы, следствием чего является застудневание реакционной массы и образование большого количества побочных продуктов полимеризации и конденсации. Для исключения этих побочных процессов серную кислоту в реакционную массу вводили по каплям с постоянной скоростью в течение 1 ч.
Выделенный и очищенный вакуумной перегонкой 5-бромметилфурфурол представляет собой светло-серую застывающую при 60 °С стекловидную массу. Ввиду высокой реакционной способности быстро темнеет на свету и в присутствии кислорода воздуха.
Масс-спектр 5-БМФ: М+ 190 (7), 188 (7), 161 (1), 109 (100), 97 (2), 81 (15), 53 (30). Спектр ЯМР 1Н продукта: 5 3,9 м.д. (синглет) - протоны - СН2Вг группы, 5,90 и 6,58 м.д. (дублеты) - звенья СН фураново-го кольца, 9,36 м.д. (синглет) - протон альдегидной группы.
Масс-спектр 5-БМФ имеет два молекулярных иона сателлита (188 и 190 а.е.м.), обусловленных почти равным содержанием изотопов 79Вг и 81Вг [26]. Их интенсивности молекулярных ионов практически совпадают и невелики (7%). Наиболее интенсивный осколочный ион (109 а.е.м.) соответствует разрыву связи С-Вг; в целом масс-спектр аналогичен спектру 5-ГМФ [27].
Рис. 1. Влияние температуры и продолжительности процесса на выход 5-бромметилфурфурола из фруктозы. 100 мл водной фазы: 5 М КВг, 1 М фруктозы, 500 мл толуола, интенсивное перемешивание
Таблица 2. Влияние температуры на выход 5-бромметилфурфурола и гуминов из фруктозы (Условия см. рис. 1)
Температура, °С Время достижения максимальной концентрации, мин Аналитический/препаративный выход*, моль/моль Гумины, г
75 80 0,40/0,36 2,5
80 70 0,70/0,56 4,0
95 60 0,70/0,56 5,5
* Препаративный выход оценивали весовым методом после очистки продукта вакуумной перегонкой при 0,5 торр и 160 °С.
Влияние соотношения водной и органической фазы на выход 5-БМФ из фруктозы. Выход 5-бром-метилфурфурола (75 °С, 1 М фруктоза) растет пропорционально отношению объемов органической и водной фаз Уог6/Уа(1 в ряду значений от 2 : 1 до 5 : 1 и далее снижается:
Время, мин
У^/Уа, 2 : 1 3 : 1 5 : 1 7 : 1
Аналитический выход, моль/моль 0,22 0,26 0,36 0,30
При определенном значении коэффициента распределения 5-БМФ в системе толуол-вода увеличение отношения фаз, естественно, приводит к более полному извлечению 5-БМФ и, соответственно, увеличению выхода. Дальнейшее увеличение УОГ6/Уа, приводит, вероятно, к значительному перераспределению интермедиатов процесса из водной фазы в органическую, что может служить причиной снижения выхода конечного продукта [28].
Влияние концентрации фруктозы на выход 5-бромометилфурфурола. Как правило, выходы 5-ГМФ и левулиновой кислоты понижаются при увеличении концентрации углевода [28]. Полученные результаты показывают, что аналогичная зависимость выхода 5-БМФ экстремальна с максимумом в области одномолярной концентрации водного раствора (выход 5-БМФ около 0,8 моль/моль за 60 мин, рис. 2). В тех же условиях выход 5-БМФ из 1 М сахарозы не превышает 0,2 моль/моль. Более подробно зависимость максимального выхода 5-БМФ от концентрации фруктозы приведена на рисунке 3.
1’01
0,8-
0,6-
0,4-
0,2-
§ 0,0-| л 00
ш
I
ю
10 20
30 40 50
Время, мин
60 70
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Концентрация фруктозы, М
Рис. 3. Влияние концентрации фруктозы на выход 5-БМФ. 85 °С, У^/У,, = 5 : 1
Рис. 2. Влияние продолжительности процесса и концентрации углевода в водной фазе на выход 5-БМФ. 85 °С, 500 мл толуола, активное перемешивание. 1 - 1 М фруктоза, 2 - 0,5 М фруктоза, 3 - 1,5 М фруктоза, 4 - 1 М сахароза
О механизме образования 5-БМФ. Для уточнения вопросов о механизме изученного процесса нами проведено сравнение характера поведения фруктозы и 5-ГМФ в условиях получения 5-бром-метилфурфурола. Полученные результаты показывают, что 5-бромметилфурфурол образуется из углевода со значительно большими выходами и скоростями, чем из 5-гидроксиметилфурфурола (рис. 4). Это означает, что 5-БМФ в основном образуется путем бромирования не 5-ГМФ, а фруктозы или иных предшественников 5-гидроксиметилфурфурола.
Рис. 4. Зависимости выхода 5-БМФ из фруктозы (1) и 5-ГМФ (2) от времени. Условия: подача серной кислоты по каплям в течение 1 ч, 85 °С, 5 М КВг, 500 мл толуола. 1 - 0,5 М фруктоза, 2 - 0,4 М 5-ГМФ
.о
о
.0
о
ш
I
ю
о
X
.0
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
20 30 40 50 60
Время, мин
1
Заключение
Полученные результаты показывают, что в системе фруктоза - вода - бромид калия - толуол - серная кислота выходы 5-бромметилфурфурола достигают 70-80 мол.%, причем происходит это только при условии постепенного, в течение всего эксперимента, прибавления серной кислоты. Зависимости выхода продукта от продолжительности процесса, концентрации фруктозы, отношения объемов водной и органической фаз имеют экстремальный характер.
Проведенное сопоставление скоростей образования 5-бромметилфурфурола из 5-гидроксиметил-фурфурола и фруктозы показывает, что замещение гидроксильной группы на атом брома протекает в основном в молекулах фруктозы или интермедиатов - предшественников гидроксиметилфурфурола.
Список литературы
1. Othmer Kirk. Encyclopedia of chemical technology. New York: John Wiley and Sons, Inc., 1951. V. 25, N6. Pp. 995-1007.
2. Lichtenthaler F.W. Towards improving the utility of ketoses as organic raw materials // Carbohydrate Research. 1998. V. 313, N2. Pp. 69-89.
3. Lewkowski J. Synthesis, chemistry and applications of 5-hydroxymethylfurfural and its derivatives // Arkivoc. 2001. V. 25, N1. Pp. 17-54.
4. Mascal M. Direct, high-yield conversion of cellulose into biofuel // Angew. Chem. Int. Ed. 2008. V. 47, N47. Pp. 7924-7926.
5. Chundury D., Szman H.H. Preparation of polymeric building blocks from 5-hydroxymethyl- and 5-chloromethyl-
furfuraldehyde // Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 1981. V. 20, N1. Pp. 158-163.
6. Corma A. Chemical routes for the transformation of biomass into chemicals // Chemical Reviews. 2007. V. 107, N10. Pp. 2411-2502.
7. Joseph B., Ronald T. Raines. Simple Chemical Transformation of Lignocellulosic Biomass into Furans for Fuels and Chemicals // J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 131. N5. Pp. 1979-1985.
8. Stephen K. On The Road To Green Gasoline // Science & Technology. 2008. V. 86. N46. Pp. 57-61.
9. Mascal M., Nikitin E.B. Towards the Efficient, total Glycan utilization of Biomass // Chem. Sus. Chem. 2010. V. 2, N1. Pp. 423-426.
10. Sanda K., Rigal L. Synthese du 5-bromomethyl- et du 5-cloromethyl-2-furannecarboxaldehyde // Carbohydrate Research. 1989. V. 187, N187. Pp. 15-23.
11. Sanda K., Rigal L. Chlorination du 5-hydroxymethyl-2-furane-carboxaldehyde par le chlorure de (chloromethylene)-dimethylammonium // J. Soc. Ouest-Afr. Chim. 1996. V. 2, N2. Pp. 13-20.
12. Newth F.H., Wiggins L.F. The conversion of sucrose into furan compounds. Part III. Some amidino-furans // J.
Chem. Soc. 1947. V. 20, N3. Pp. 396-398.
13. Fenton H.J.H., Gostling M. Action of hydrogen bromide in presence of ether on carbohydrates and certain organic acids // J. Chem. Soc. 1901. V. 79. N3. Pp. 361-367.
14. Hortsman H.F. The action of Hydrogen bromide on carbohydrates // J. Chem. Soc. Trans. 1910. V. 23, N4. Pp. 361-365.
15. Hibbert H., Hill H. S. Studies on cellulose chemistry. II. The action of dry hydrogen bromide on carbohydrates and polysaccharide // J. Am. Chem. Soc. 1923. V. 45, N1. Pp. 176-182.
16. Sugisawa H., Aso K. Formation of 3-hydroxy-6-benzyl-pyridine from 5-benzyl-furfural and ammonium sulfate // To-hoku Journal of agricultural research. 1954. V. 4, N2. Pp. 189-192.
17. Organic Syntheses Coll. 1943. V. 2. Pp. 393, 1934. V. 14. P. 62.
18. Haworth W.N., Jones W.G.M. The conversion of sucrose into furan compounds. Part I. 5-Hydroxy methyl-furfuraldehyde and some derivatives // J. Chem. Soc. 1944. V. 20, N5. Pp. 667-670.
19. Szmant H.H., Chundury D.D. The Preparation of 5-chloromethylfurfuraldehyde from high fructose syrup and other carbohydrates // J. Chem. Tech. Biotechnol. 2008. V. 31, N1. Pp. 205-212.
20. Hamada K., Yoshihara H. The Dehydration of Ketohexoses into 5-Chloromethyl-2-furaldehyde. The isolation of Diketohexose Dianhydrides // Bulletin of the Chemical Society of Japan. 2008. V. 57, N1. Pp. 307-308.
21. Fayet C., Gelas J. Nouvelle methode de preparation du 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde par action de sels d'ammonium ou d'immonium sur les mono-, oligo- et poly-saccharides. acces direct aux 5-halogenomethyl-2-furaldehydes // Carbohydrate Research. 2009. V. 122, N1. Pp. 59-68.
22. Патент№4424390 (US). Process for producing 5-halomethylfurfural / Sumitomo chemical company ltd. / 03.01.1984.
23. Патент№0079206 (EP). Process for producing 5-halomethylfurfural / Sumitomo chemical company ltd. / 14.11.2009.
24. Патент №2363698 (РФ). Способ получения 5-гидроксиметилфурфурола / В.Е. Тарабанько, М.А. Смирнова, М.Ю. Черняк / 10.08.2009. БИ № 22.
25. ГОСТ 29032-91. Методы определения оксиметилфурфурола.
26. Преч Э., Бюльманн Ф., Аффольтер К. Определение строения органических соединений. М., 2009. 439 с.
27. Spectral Database for Organic Compounds SDBS http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi
28. Тарабанько B.E., Черняк М.Ю., Смирнова М.А. 5-Гидроксиметилфурфурол, левулиновая кислота и их производные изуглеводов. Катализгидросульфатомнатрия // Химическая промышленность сегодня. 2007. №10. С. 13-23.
Поступило в редакцию 15 июля 2010 г.
