【有機】利用固體酸催化碳水化合物一鍋法選擇性合成2,5-二甲酰基呋喃
近年來，利用天然資源豐富的可再生生物質可持續合成具有附加值的精細化學品受到了廣泛關注。5-羥甲基糠醛（5-HMF）是一類可以利用碳水化合物製備的以呋喃爲基礎骨架的化合物，其在生物燃料、生物聚合物和製藥等領域有着廣泛的應用。利用5-HMF的選擇性氧化可以生成2,5-二甲酰基呋喃（DFF），其也是一種重要的以呋喃爲基礎骨架的化合物，可作爲高分子材料、有機導體、發光體、殺菌劑、藥物等的前體。因此，探索DFF的合成已經成爲學術界和工業界研究的熱點。通常情況下，通過氧化、均相或非均相催化、金屬氧化物以及酶催化可以實現由5-HMF製備DFF。然而，5-HMF較高的價格以及較低的穩定性限制了DFF的大量製備。爲了避免5-HMF價格昂貴、純化困難以及穩定性弱等不足，目前果糖被認爲是一種廉價易得的製備DFF的起始原料，其可以一鍋製備5-HMF後不需要分離直接實現DFF的合成（Scheme 1A）。Grushin、Laugel和Tran等課題組在此領域作出了傑出的貢獻。基於上述研究工作，目前仍需要發展出一個高效的催化體系來一鍋實現果糖到DFF的合成，從而避免文獻報道中催化劑難以製備、反應體系溫度過高、反應產率較低以及難以規模化製備等不足（Scheme 1B）。近期，印度喜馬拉雅生物資源技術研究所Pralay Das團隊報道了高效的無金屬催化體系，利用固體酸（Amberlite IR 120 H）催化碳水化合物一鍋法選擇性合成了2,5-二甲酰基呋喃（DFF）。反應具有操作簡單、可規模化製備、催化劑可循環使用等優點。相關成果發表在Green Chem.,2022, DOI: 10.1039/d2gc01728h上（Scheme 1C）。
（圖片來源：Green Chem.）
作者首先以果糖作爲模板底物進行條件篩選（Table 1，Figure 1）。得到的最優反應條件爲：果糖（1.0 equiv., 100 mg）, Amberlite IR 120 H（25 wt%, 25.0 mg）, KBr（0.5 equiv., 33.0 mg），以DMSO（1.5 mL）爲溶劑，120 °C下反應12 h, 可以以最高80%的核磁收率得到產物DFF（Table 1, entry 7）。
（圖片來源：Green Chem.）
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隨後，作者探索反應時間對反應中各組分的影響（Figure 2）。實驗結果表明，5-HMF在反應2-3 h時的產率達到最大值，然後逐漸降低。DFF的產率在前3 h緩慢增加，在6-9 h時產率顯著提高，12 h時達到最高產率 （80%）。
（圖片來源：Green Chem.）
接下來，作者發現最優反應條件也適用於使用5-HMF合成DFF。作者發現在沒有Amberlite IR 120 H和KBr存在的情況下，反應是無法進行的（Table 2，entry 1和2）。然而，當作者同時使用Amberlite IR 120 H和KBr時，以較高的產率（98%）實現了DFF的合成（Table 2，entry 3）。由此作者認爲Amberlite IR 120 H和KBr的協同作用是實現由5-HMF高效轉化爲DFF的主要因素。
（圖片來源：Green Chem.）
爲了更好地理解反應機理，作者進行了一系列控制實驗（Scheme 2）。首先，作者在反應4小時時觀察到反應中間體5-甲硫基甲基糠醛（MSMFC），並通過NMR和GCMS進行結構表徵（Scheme 2b）。當作者在最優條件下使用MSMFC作爲反應物時，可以以90%的產率得到DFF，由此進一步表明MSMFC爲反應的中間體（Scheme 2c）。此外，當體系中不加KBr或 Amberlite IR 120 H時反應均不發生（Scheme 2d-f）。最後，作者利用同位素標記實驗得出產物DFF中的氧來自於DMSO而非H 2 O（Scheme 2g）。
（圖片來源：Green Chem.）
接下來，作者利用紫外光譜探索了反應過程隨時間的變化（Figure 3）。圖中在284 nm處有一個尖峰，證實了反應3 h後5-HMF的形成。反應6 h後，在288 nm處觀察到紅移，表明MSMFC的形成。此外，在反應12 h從288 nm到290 nm的進一步紅移代表了MSMFC向DFF的轉化過程。
（圖片來源：Green Chem.）
基於上述實驗結果，作者提出了可能的反應機理（Figure 4）。首先，通過Amberlite IR 120 H對果糖進行酸性脫水，失去3個水分子後形成5-HMF （IV）。隨後通過Amberlite IR 120 H對5-HMF進一步脫水得到中間體V。接下來DMSO通過熱分解爲H 3 CS-，該陰離子可以進一步充當親核試劑進攻碳正離子中間體V從而形成中間體VI。接着，溴負離子進攻中間體VI得到中間體VII。最後，DMSO繼續參與反應，形成中間產物VIII，最終形成產物DFF（IX）。
（圖片來源：Green Chem.）
緊接着，作者對此反應使用的催化劑Amberlite IR 120 H進行了回收，發現此催化劑循環使用7次仍可以以較好的產率（僅僅損失5%）得到產物DFF（Figure 5）。
（圖片來源：Green Chem.）
爲了拓展此反應的應用性，作者探索了其它不同的碳水化合物，如蔗糖、棕櫚糖等均可以兼容此反應體系，實現DFF的合成（Table 3）。此外，作者證實反應可以放大量至20克規模而產率基本不受影響，進一步證明了此反應的實用性（Scheme 3）。
（圖片來源：Green Chem.）
（圖片來源：Green Chem.）
總結：
印度喜馬拉雅生物資源技術研究所Pralay Das團隊首次使用Amberlite IR 120 H爲催化劑，高效實現了由碳水化合物一鍋法選擇性合成2,5-二甲酰基呋喃。此反應具有避免使用昂貴的金屬催化劑、操作簡單、選擇性好、可規模化製備、不需要複雜的純化手段即可提純產物、催化劑可循環使用、可以兼容多種不同的碳水化合物等優點，具有較好的實用性。
論文信息：
A solid acid catalysed one-pot selective approach for 2,5-diformylfuran synthesis from fructose/carbohydrate feedstocks
Arvind Singh Chauhan, Ajay Kumar, Rohit Bainsa, and Pralay Das*
Green Chem. DOI: 10.1039/d2gc01728h
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