5-羟甲基糠醛的相关研究报告

5-羟甲基糠醛的相关研究
摘要
5-羟甲基糠醛(5-HMF)具有高活性的呋喃环、芳醇、芳醛结构，其衍生物被广泛的用作真菌剂、腐蚀抑制剂、香料，也可以代替由石油加工得到的苯系化合物作为合成高分子材料的原料；因而，以生物质资源的糖类化合物为原料合成精细化工产品5-HMF的研究备受关注。

本课题主要从5-羟甲基糠醛(5-HMF)的性质、制备、用途、检测等方面，展示近年来对5-羟甲基糠醛(5-HMF)的研究成果。

关键词：5-羟甲基糠醛(5-HMF) 果糖葡萄糖紫外-分光光度法（UV）
1、5-羟甲基糠醛的性质
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)，英文名5-hydroxymethyl-2-furfural，可简写为5-HMF。

它是一种暗黄色针状结晶，具有甘菊花味，有吸湿性，易液化，需避光低温密封保存。

其物化性质如下[1]。

分子式: C6H6O3
分子量: 126.116
英文简写：5-HMF
结构式：[2]
5-HMF不能与强碱、强氧化剂、强还原剂共存。

加热时放出干燥刺激性的
烟雾，燃烧和分解时释放一氧化碳和二氧化碳。

5-HMF易溶于水、甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、甲基异丁基甲酮、二甲基甲酰胺等，可溶于乙醚、苯、氯仿等，微溶于四氯化物，难溶于石油醚。

5-HMF是一种重要的化工原料，它的分子中含有一个醛基和一个羟甲基，可以通过加氢，氧化脱氢，酯化，卤化，聚合，水解以及其它化学反应，用于合成许多有用化合物和新型高分子材料，包括医药，树脂类塑料，柴油燃料添加物等。

5-HMF本身具有药物活性，是很多中药中的有效成分，由5-HMF出发制备的一系列呋喃衍生物也具有不同的功能，包括合成医药和农药方面的先导化合物；作为单体合成具有光学活性、可生物降解等特性的高分子材料，还可以合成具有强配位能力的大环化合物。

2、5-羟甲基糠醛的制备
5-HMF可由六碳糖、低聚糖、高聚糖甚至可以是一些由工业废料转化而来
的碳水化合物为原料，在酸性催化剂的作用下脱水而得。

通常是以六碳糖为原料，期间会产生甲酸和乙酰丙酸等副产物，其原理如下。

2.1 果糖降解生成5-HMF的机理
VanDam、Kuster、Antal提出果糖脱水生成5-HMF有两种可能的反应机理i 和ii。

其中路线i中包括一个环状化合物而路线ii没有经历环状化合物直接脱水得到5-HMF。

Antal通过实验进一步证明了5-HMF的生成要经历一个环状中间体。

其根据如下：
(1)果糖比蔗糖易于发生该反应。

(2)当果糖在氘代的水溶液中反应时，产物中不含有C-D键。

如果化合物a在反应中生成，那么由于烯醇互变异构会在产物中生成C-D键。

因此，该反应应按路线i进行。

2.2 葡萄糖生成5-HMF的反应原理
链式葡萄糖在酸性催化剂作用下由葡萄糖及其异构化中间产物二烯醇脱水生成烯醇式产物3-脱氧D-赤藓-己酮糖，3-脱氧D-赤藓-己酮糖会进一步消除第二个羟基脱水闭环，生成5-HMF，具体反应机理如图[3]。

2.3 5-羟甲基糠醛制备的研究进展
最早制备5-HMF的方法是以D-果糖为原料，采用液体酸作为催化剂，它具有设备腐蚀严重、副产物多、后处理工艺复杂、废水排放量大等缺点，不符合当今化学工业绿色化的发展方向；后来采用的有机酸类催化剂则需要有机溶剂；近年来有人开始研究离子树脂和离子液体催化。

到19世纪末，有关5-HMF的研究又日益引起科学家们的注意。

1895年，Dull和Kiermeyer独立研究、发表了关于5-HMF的合成方法以及该化合物的相关化学反应，他们被称为“氧甲基糠醛舻。

多年以后，其他的科学家们也发表了他们的研究。

例如Haworth和Jones 给5-HMF化学带来了更为广泛的进展，他们不仅用现代的方法合成了5-HMF，还阐述了反应的机理。

至今，超过1500篇文献己经发表，证明了该类化合物的重要性。

Kuster总结了近30年来的5-HMF化学的进展，着重讲述了以5-HMF为原料的众多化学反应；而Moore，Kellyt则总结了5-HMF在聚合化学中的应用，并证明了5-HMF在塑料产业中的巨大潜力。

James在2006年的Science上发表了两相体系盐酸催化果糖脱水以较高收率合成了5-HMF，并提供了一种简便的产物分离方法，再一次掀起了对5-HMF研究的高潮。

影响5-HMF生成速率主要有如下几个因素：
(1)底物的种类和水解程度
底物的选择上己酮糖优于己醛糖。

蔗糖在水中的水解速度要比脱水速度快，其中葡萄糖部分总是出现在反应后的混合物中。

这是由于葡萄糖结构稳定，其烯醇化程度低，而烯醇化的程度是影响生成5-HMF的一个重要因素。

另外，葡萄糖会缩合形成低聚糖或进一步与生成的5-HMF发生交联聚合反应。

(2)催化剂的种类和类型
(3)反应的时间和浓度
(4)聚合物的浓度和聚合的速度
(5)溶剂的类型和5-HMF在给定条件下的稳定性
2.4催化剂类型
己糖的脱水反应选择的催化剂主要有质子酸和Lewis酸。

早期使用的催化剂主要是无机酸，例如盐酸、硫酸等。

后来人们尝试使用有机酸及一些盐类化合物，如草酸、铵盐等。

最近研究比较多的是固体酸如离子交换树脂和离子液体等[4]。

3、5-羟甲基糠醛的应用
5-羟甲基糠醛(5-HMF)具有高活性的呋喃环、芳醇、芳醛结构，其衍生物被广泛的用作真菌剂、腐蚀抑制剂、香料，也可以代替由石油加工得到的苯系化合物作为合成高分子材料的原料。

如图所示。

3.1石油类产品
5-HMF和它的二取代衍生物可以替代石油燃料。

Chhed等利用两相体系将多糖(菊粉、蔗糖)转化为5-HMF，再加入各种固体碱性催化剂 (A1MgOx，Pd／MgO-ZrO2，La／ZrO2，MgO／ZrO2等)和一定的试剂，缩合脱水形成一系列液态烷烃。

这些产品是石油类燃料的优秀替代品。

3.2 高分子单体
5-HMF作为单体，可以合成具有光学活性、可生物降解等特性的高分子材料，用于合成纤维、橡胶和铸造工业。

5-HMF经过氧化可以形成2，5-呋喃二酸。

2，5-呋喃二酸是一种性质稳定的呋喃衍生物，可以用来制备药品、杀虫剂、农药、杀菌剂和香水等。

2，5-呋喃二酸还可以发生卤代、酯化、酰胺化等反应，其中一个最重要的转化就是生成聚酰胺。

Smay合成了一系列的聚酰胺，这些聚酰胺的最大特点就是耐高温，可广泛应用于纺织工业。

3.3医药和农药
5-HMF本身就是具有药物活性的化合物，多种中药中都含有该成分。

5－HMF 存在于可能发生蔗糖或单糖的热降解反应的食品和植物中。

例如，葡萄干、速溶咖啡、啤酒、蜂蜜、婴儿乳制品、黄杏（日本）等。

已发现含有5－HMF及其衍生物的植物见表[5][6]。

不仅单味中药中存在5－HMF，中药复方中也同样存在。

所不同的是，复方中的5－HMF多由配伍、煎煮后新产生。

例如，在生脉散合煎剂中分离得到了一个新成分，经光谱鉴定后确定为5－HMF。

该研究表明，单味人参、麦冬、五味子在煎煮前均不含5－HMF，5－HMF是麦冬与五味子共煎过程中生成的，且含量随麦冬的增加而增加。

因此分析生脉散中5－HMF产生和变化机理为：麦冬在与五味子共煎时（酸性条件下），麦冬中所含的糖降解生成了5－HMF。

复方独特疗效有其独特的物质基础，即复方在煎煮、制剂过程中发生了化学变化，从而使复方的化学成分与单味药化学成分与其简单加和有了很大区别，甚至是本质的区别。

在复方组成过程的特定条件下，药物与药物间发生了相互作用,从而使化学成分发生了改变，而且这种变化与中药疗效直接相关。

3.4呋喃类树脂
5-HMF具有多种官能团，可以用于合成各种性能的呋喃类产品(如呋喃树脂、呋喃配合醛树脂、呋喃沥青胶泥等)。

脂、呋喃沥青胶泥等)。

Fang等以呋喃烯酯为结构单元通过共聚、嫁接等手段修饰，并通过酯交换反应得到具有优良光学活性的光敏材料。

Elsa 等发现利用5-HMF与三乙基磷酸酯反应得到的 5-HMFAE 可以与高聚物EHH发生本体酯交换生成具有优良光活性的光敏高分子材料。

Lasseuguete 等研究了呋喃二甲酰氯与异山梨醇缩聚，得到的聚酯具有可生物降解的特性。

该化合物DP值94，溶解性良好。

4、检测5-羟甲基糠醛的方法
葡萄糖注射液或葡萄糖口服制剂中的葡萄糖在高温或弱酸等条件下脱水会产生5-HMF，过量的5-HMF对人体横纹肌和内脏是有损害的。

5-HMF含量的控制是很重要的质量指标。

很多食品在热处理、发酵等加工过程中会产生糠醛(furfural，2-furfural)和5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural，5-(hydroxymethyl)furan-2-carbaldehyde，HMF)，其主要来源于加工过程中所发生的美拉德反应(maillard reaction)及焦糖化反应。

糠醛和HMF具有增香调色功能，因为随着糠醛和HMF的产生，糠醛和HMF继续反应还会产生很多棕色物质及呈香物质。

食品加工环境中的诸多因素如pH值、压力、温度等和食物组成成分对糠醛和HMF生成量的影响比较显著，比如在反应温度、时间、压力、pH 值、氧含量等体系因素改变时，非还原糖转换为还原糖或多酚，这都会影响糠醛反应的进程，因此通过控制这些因素可以有效调控糠醛反应进程。

工业上生产糠醛和HMF，主要使用富含糖类的生物质材料或农业废料，即它们在提取、加工和保存过程中降解生成戊糖、己糖等单糖，继而在受热、氧化或酸性环境发生水解、裂解、脱水反应，产生糠醛和HMF等化合物。

糠醛和HMF在达到一定剂量时可对人体产生危害。

研究表明，一定剂量的糠醛或HMF被机体吸收后，会对肝脏、肾脏、心脏等器官产生不良影响；HMF还对眼黏膜、上呼吸道黏膜等产生刺激作用。

因此，研究食品中糠醛的反应机理及其产生的糠醛类化合物的潜在安全问题，有效调控糠醛反应进程和糠醛类化合物的积累，具有重要意义[7]。

4.1紫外-分光光度法（UV法）
5-HMF的最大吸收波长为284nm，该处干扰较少，UV法常可以作为5-HMF检查的首选方法。

如中国药典2000、BP2000、USP27和日本药局方中纳入的葡萄糖注射液，均采用UV法控制5-羟甲基糠醛含量。

如果制剂中的主药或辅料在284nm 有明显的吸收，会干扰5-HMF的检查，可采用HPLC法代替[8]。

4.2高效液相色谱法（HPLC）
采用HPLC法检查5-HMF，具有较强的专属性，一般采用的色谱条件为：ODS 柱，甲醇-水作流动相，也可加入适量的酸调节pH值，在284nm波长下进行限度检查。

在研究过程中应注意进行方法学考察，确定5-HMF的色谱峰不受其它峰的干扰[9]。

4.3双波长法
双波长法是通过试验找到与干扰组分在284nm波长处吸收度相同的等吸收波长，测定样品在这两个波长处吸收度的差值，以消除制剂中其它组分的干扰。

如甲硝唑葡萄糖注射液，因甲硝唑在320nm 有最大吸收，在284nm、355nm 为等吸收波长,5%葡萄糖溶液在此两波长附近均无吸收，5-HMF在355nm 无吸收。

因此,有生产单位选择284nm为测定波长,355nm 为参比波长,以两波长的吸收度差值(ΔA = A284 - A355) 为定量信息测定5-HMF的含量。

需要注意的是，等吸收波长的准确性直接影响测定结果，因此需要进行完备的方法学验证，一般建议采用多个浓度进行试验[10]。

食品中可检测到的糠醛的含量可以达到几百毫克每千克，而HMF的含量则相对较低，一般不超过几十毫克每千克。

糠醛在我国是作为一种食品添加剂使用的，大鼠经口的半数致死量为65mg/kg。

而HMF则被看作是一种潜在的影响健康的化合物，对眼睛、上呼吸道、皮肤和黏膜等有刺激性，对肿瘤的恶化也有一定的诱导作用，但是目前对HMF的致病机制仅限于动物实验，并没有成熟的理论解释。

同时，有研究报道HMF具有一定的药理作用，如抗心肌缺血、抗氧化等。

糖类与人体健康有极其密切的关系，在糖类食品中一般都含有糠醛和HMF。

因此，探明糠醛和HMF的产生机理及在人体内的作用机制，对人体健康具有重要的意义。

5、5-羟甲基糠醛的发展前景
目前世界所需的能源和有机化工原料绝大部分来源于石油、煤和天然气。

些化石类资源对社会的发展和经济的繁荣做出了巨大的贡献，但从长远利益来考虑，随着石油等不可再生资源的大量消耗，原油的价格不断上升，以石油为主导的化工工业的成本不断提高，它们不再是人类所能长久依赖和利用的理想资源。

随着化石资源的减少，生物质能利用技术的研发引起了世界各国政府的重视。

许多国家均制定了相应的研发计划，如日本的“阳光计划’’、印度的“绿色能源工程"、美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源计划”等。

其中最具代表性的是5-HMF。

5-HMF因具有高活性的呋喃环系、芳醇、仿醛的结构而成为一种重要的精细化工产品。

此外5-HMF具有高反应活性和聚合能力，其衍生物被广泛的用作真菌剂、腐蚀抑制剂、香料；同时可以代替对苯二酸合成聚酯、2，5-呋喃二甲醛、2,5-二羟甲基呋喃；也可以替代相应的苯系化合物合成可降解的生物高分子材料。

因此将从生物质转化的5-HMF及其衍生物用作聚合单体代替石化产品大宗生产聚合物是有深远意义的，此外将呋喃环引入聚合物中也会带来一些新的优良性质。

参考文献
[1]牛凤芹.5-羟甲基糠醛制备研究.2009
[2]王军，张春鹏，欧阳平凯.5-羟甲基糠醛制备及应用的研究进展.2008
[3]李艳,魏作君,陈传杰,刘迎新.碳水化合物降解为5-羟甲基糠醛的研究.2010
[4]王娜妮，陈栓虎.5-羟甲基糠醛的制备与应用.2009
[5]耿放,王喜军.5- 羟甲基-2-糠醛(5-hydroxymet hyl-2-fur f ural)的研究现状.
[6]傅紫琴,王明艳,蔡宝昌.5-羟甲基糠醛(5- HMF)在中药中的研究现状探讨.2008
[7]张玉玉，宋弋，李全宏.食品中糠醛和5-羟甲基糠醛的产生机理、含量检测及安全性评价研究进展.2012
[8]张哲峰,为什么要控制药品中的5-羟甲基糠醛.2010
[9]姚会敏，金焱,HPLC法测定葡萄糖注射液中5一羟甲基糠醛的含量,2011
[10]邓海星,蒋煜.5-羟甲基糠醛的检查方法及限度要求初探.。