一种从葡萄糖制备5-羟甲基糠醛的方法技术领域
本发明涉及5-羟甲基糠醛，尤其是涉及一种从葡萄糖制备5-羟甲基糠醛的方法。
背景技术
5-羟甲基糠醛又名5-羟甲基-2-糠醛、羟甲基糠醛、5-羟甲基呋喃甲醛或5-羟甲基-2-呋喃
甲醛(5-hydroxymethylfurfural，HMF)。HMF分子中同时含有一个呋喃环、一个醛基和一个
醇羟基，其化学性质比较活泼，可以通过氧化、加氢、水解、酯化、醚化和缩合等反应制备
各种高附加值衍生物，广泛应用于能源、材料和医药领域，被认为是一种极为重要的平台化
合物，具有广阔的市场前景[1]。早期研究主要集中在由果糖在酸催化作用下脱水生成HMF。
相对于果糖，葡萄糖价格便宜，来源广泛，由葡萄糖制备HMF更具有现实意义。但以葡萄
糖为原料生产HMF时，葡萄糖的转化率和产物得率都相对较低。研究结果表明，单糖在酸
催化剂的作用下主要有两条反应路线，一条是环状反应路线，经过一系列的呋喃环中间体形
成HMF[2-6]；一条是非环状反应路线，经过一系列直链中间体形成HMF[7]。其中，在环状
反应路线中，葡萄糖需要首先经过1,2-烯醇式反应机制[5,8-11]或1,2-氢转移反应机制[6,12-15]
异构为果糖，果糖再通过上述两种反应路线脱水形成HMF，而异构化过程是整个反应过程的
控速步骤，也就是说，一旦葡萄糖异构为果糖，果糖就能很容易的发生脱水反应形成HMF，
这也能够解释为什么以葡萄糖为原料制备HMF要比以果糖为原料制备HMF要更加困难和缓
慢。目前，人们已经对葡萄糖转化制备HMF进行了深入的研究，相继开发出了各种各样的
催化体系，其中以金属氯化物/离子液体反应体系的效果最令人满意。赵海波[16]课题组发现
CrCl2在离子液体中能有效催化葡萄糖转化为HMF，得率可达到70％。但是，以金属离子Cr3+
为催化剂存在毒性大、污染环境的问题，同时离子液体价格昂贵，循环利用性差，不利于工
业化生产。
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发明内容
本发明的目的在于提供可有效加速葡萄糖异构化过程，使葡萄糖能更快捷、更高效地转
化为HMF的一种从葡萄糖制备5-羟甲基糠醛的方法。
本发明包括以下步骤：
1)将葡萄糖、胆碱、硼砂和水混合于反应容器中，加热反应；
2)反应结束后，减压蒸馏除水得到残余物；
3)往残余物中加入盐酸中和反应液，然后加入氯化胆碱混合加热反应，反应结束后，用
乙腈萃取反应得到的5-羟甲基糠醛，分离乙腈得到5-羟甲基糠醛产物。
在步骤1)中，所述葡萄糖、胆碱、硼砂和水的质量比可为(25～100)∶(1～5)∶(0.5～4)∶
500，优选(50～75)∶(2～3)∶(1.5～2)∶500；所述加热反应的温度可为30～100℃，加
热反应的时间可为0.2～20h，优选温度65～75℃、时间为2～3h。
在步骤3)中，所述盐酸可采用质量百分浓度为37％的盐酸，所述盐酸与葡萄糖的质量
比可为(2.4～12)∶500,优选(3.6～4.8)∶500,氯化胆碱与葡萄糖的质量比可为(20～60)∶
500，优选(30～40)∶500；所述加热反应的温度可为80～120℃，加热反应的时间可为1～
9h，优选温度为100～110℃，时间为2～4h。
本发明所涉及反应的优点在于：
1、与传统无机碱催化葡萄糖异构生成果糖相比，本发明应用胆碱和硼砂作为催化剂催化
葡萄糖高得率、快速制备果糖，果糖得率可达到50.8％，进而使葡萄糖能更高效、更快捷地
转化为HMF。
2、反应后剩余的催化剂胆碱用盐酸中和成氯化胆碱，果糖和氯化胆碱能形成低共熔体，
在低共熔体系中以盐酸作为催化剂可以高效的制备HMF，HMF得率可达到70.8mol％。与目
前效果最好的葡萄糖转化制备HMF的金属氯化物/离子液体反应体系相比，本发明具有方法
简单、条件较温和、价格低廉、绿色环保等特点。同时异构化催化剂胆碱能充分利用，具有
良好的经济性，有利于实现大规模生产。
本发明所制备的5-羟甲基糠醛得率测定按高效液相色谱(HPLC)外标定量分析法。
附图说明
图1为本发明实施例17的液相色谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，实施例并不构成对本发明要
求保护范围的限定。
实施例1
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，3g氯化胆碱和0.3ml盐酸(37％)，充分
溶解。将烧瓶置于水浴锅中进行加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应结束后，用
乙腈萃取反应得到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测
定产品摩尔得率为0.86mol％。
实施例2
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.2g胆碱，0.1g硼砂，充分溶解。将烧
瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为30℃，反应时间为20h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.3ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入3g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为90℃，反应时间为6h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为22.5mol％。
实施例3
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.2g胆碱，0.1g硼砂，充分溶解。将烧
瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为55℃，反应时间为8h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.3ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入3g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为90℃，反应时间为6h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为20.4mol％。
实施例4
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.2g胆碱，0.1g硼砂，充分溶解。将烧
瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.3ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入3g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为90℃，反应时间为6h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为30.9mol％。
实施例5
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.2g胆碱，0.1g硼砂，充分溶解。将烧
瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为85℃，反应时间为0.5h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.3ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入3g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为90℃，反应时间为6h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为16.6mol％。
实施例6
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.2g胆碱，0.1g硼砂，充分溶解。将烧
瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为100℃，反应时间为0.2h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.3ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入3g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为90℃，反应时间为6h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为11.2mol％。
实施例7
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.2g胆碱，0.1g硼砂，充分溶解。将烧
瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.3ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入2g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为90℃，反应时间为6h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为30.7mol％。
实施例8
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.2g胆碱，0.1g硼砂，充分溶解。将烧
瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.3ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入2g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为80℃，反应时间为9h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为24.3mol％。
实施例9
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.2g胆碱，0.1g硼砂，充分溶解。将烧
瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.3ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入2g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为120℃，反应时间为1h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为20.6mol％。
实施例10
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.2g胆碱，0.1g硼砂，充分溶解。将烧
瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.3ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入2g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为36.2mol％。
实施例11
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.25g胆碱，0.2g硼砂，充分溶解。将
烧瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.3ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入2g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为39.3mol％。
实施例12
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.25g胆碱，0.2g硼砂，充分溶解。将
烧瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.4ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入3g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为42.2mol％。
实施例13
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.5g胆碱，0.4g硼砂，充分溶解。将烧
瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.4ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入4g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为23.8mol％。
实施例14
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.25g胆碱，0.2g硼砂，充分溶解。将
烧瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入1ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入3g氯化胆碱混合，置于
水浴锅中进行加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应结束后，用乙腈萃取反应得到
的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率为
30.8mol％。
实施例15
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.25g胆碱，0.2g硼砂，充分溶解。将
烧瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.3ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入6g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为45.2mol％。
实施例16
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，2.5g葡萄糖，0.25g胆碱，0.2g硼砂，充分溶解。将
烧瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.4ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入4g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为47.2mol％。
实施例17
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，5g葡萄糖，0.25g胆碱，0.2g硼砂，充分溶解。将烧
瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.4ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入6g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为70.8mol％(如图1)。
实施例18
在100mL圆底烧瓶中加入50g水，10g葡萄糖，0.25g胆碱，0.2g硼砂，充分溶解。将
烧瓶置于水浴锅中，在N2气氛下进行加热反应，温度为65℃，反应时间为3h。反应完毕后，
减压蒸馏除水。往残余物加入0.4ml盐酸(37％)中和反应液，然后加入4g氯化胆碱混合，置
于水浴锅中进行加热反应，温度为100℃，反应时间为4h。反应结束后，用乙腈萃取反应得
到的5-羟甲基糠醛，减压蒸馏分离乙腈得到产品5-羟甲基糠醛，经HPLC测定产品摩尔得率
为48.6mol％。
本发明制备操作工艺过程简单，反应条件温和，环境友好，提供了一种制备5-羟甲基糠
醛的新途径，易于产业化，具有十分良好的工业前景。