2,5-呋喃二甲酸的結晶和晶體結構解析

陸貽超, 劉志春, 張亞杰

(中國科學院 寧波材料技術與工程研究所, 浙江 寧波 315201)

1 前 言

生物質來自光合作用，具有數量大、來源廣、可再生性等優點，近年來，其作為化工原料用于能源和化工原材料的研究和開發受到了廣泛關注[1]。2,5-呋喃二甲酸(2,5-furandicarboxylic acid，FDCA)來自生物質，是美國能源部從300 多種生物基化合物中篩選出來的12 種最具潛力的生物基平臺化合物之一，也是其中唯一一種芳環生物基單體，被喻為“沉睡的巨人”[2-7]，未來可用于聚酯、聚酰胺、增塑劑及其他生物基聚合物的制備[8-17]。在聚酯合成過程中，原料 FDCA 晶體構型和大小影響聚合工藝過程，進而影響后續聚合物的性能，其純度尤其是顏色和聚合溫度會影響聚酯產品的色度，從而影響聚酯產品質量。GRABOWSKI等[18]在通過電化學方法氧化5-羥甲基糠醛生成FDCA的研究中經過鹽酸酸化首次得到了暗黃色的FDCA 晶體，并提到通過在水中重結晶可以提純FDCA，但未公開具體純化方法。前期研究表明FDCA 在水中的溶解度較低(100 ℃溶解度約為每100 g 水中溶解FDCA 0.82 g)，水中重結晶時選擇性和脫色效果差，不適用于規?；Y晶純化。另一種純化二元羧酸的方法是加合結晶法，即二元羧酸選擇性地與加合結晶溶劑(如酰胺類)反應生成加合物結晶并從母液中析出，雜質不能結晶而留在母液中，從而使二元羧酸與雜質分離。加合結晶熱穩定性較差，通過加熱去除溶劑即可得到純化的二元羧酸。這種方法可以有效地去除副產物和有色物質。例如2,6-萘二甲酸，對苯二甲酸 (terephthalic acid，TA)等都可形成加合結晶，可去除對苯二甲酸殘渣中90%～95%的有色雜質[19-21]。為了獲得高質量的FDCA 晶體，將黃色的粗FDCA 用加合結晶方法先脫色，再通過重結晶進一步提純并獲得FDCA 單晶，對晶形和晶體結構進行研究，探討氫鍵在FDCA 單晶及加合結晶中的作用。由于FDCA 晶體學研究極少，對FDCA 晶體結構和晶形等進行研究有利于了解其晶體形成原理，為FDCA 純化工藝研發奠定理論基礎。

2 實驗(材料與方法)

2.1 試劑

粗 FDCA(純度質量分數 R=94.33%)來自寧波貝歐斯生物科技有限公司；N,N-二甲基乙酰胺(N,N-dimethylacetamide，DMAC)和 N,N-二甲基甲酰胺 (N,N-dimethylformamide，DMF) 均為AR 級別，購于國藥集團化學試劑有限公司。

2.2 晶體生長

(1) 水中重結晶：將5 g 粗FDCA 和一定量的去離子水混合，使FDCA:H2O(m:v)分別為1:3、1:4 和1:5，80 ℃恒溫結晶2 h，25 ℃冷卻1 h，過濾收集FDCA 晶體。

(2) DMAC 中加合結晶：將5 g 粗FDCA 粉末和一定量的DMAC 置于圓底燒瓶中，使FDCA:DMAC(m:v)分別為1:3、1:3.5、1:4、1:4.5 和1:5，60～80 ℃水浴使FDCA 完全溶解，將混合溶液取出置于25 ℃下使加合結晶形成并析出，本文中FDCA 與DMAC 形成的加合結晶稱為FDCA-DMAC 加合結晶，其為白色針狀晶體，過濾收集FDCA-DMAC 加合結晶晶體，在氮氣保護下120 ℃加熱使DMAC 揮發去除可得到純化后的FDCA 粉末，純度R=96.35%～98.37%。

(3) DMF 中結晶：將5 g 加合結晶純化后的FDCA(純度R=96.3%)和10 mL DMF 混合，80 ℃加熱1 h后冷卻至25 ℃結晶1 h，過濾并收集FDCA 晶體。

(4) 單晶制備：將FDCA 分別溶解在80 ℃去離子水、60 ℃ DMF和50 ℃的DMAC 中，配制成飽和FDCA 溶液，緩慢降溫(22 ℃·h-1)至25 ℃后恒溫結晶1～6 d，使其自發成核結晶并生長成理想的單晶。晶體生長過程通過顯微鏡(BX51，Olympus)進行觀測和拍照，不同的單晶均經過X-射線單晶衍射儀進行測定并進行晶體結構解析。

2.3 純度和脫色率測定

純度測試方法為用外標法在高壓液相色譜儀(1260，Angilent)上測定樣品濃度(SB-C18 色譜柱，柱溫30 ℃，0.05%三氟乙酸水溶液和甲醇為流動相梯度洗脫，流速為1 mL·min-1，紫外檢測波長為278 nm)，用式(1)計算純度R。用氫氧化鈉溶液溶解樣品，配成2.5 g·L-1的FDCA 水溶液并用紫外可見分光光度計(UV-3300，美普達)測定純化前后樣品339 nm(有色雜質吸收波長)吸光度，脫色率D(%)計算如式(2)：

2.4 熱重分析方法

FDCA-DMAC 加合結晶的熱穩定性通過熱重分析儀 (Pyris 6，Perkin-Elmer) 在氮氣保護條件下進行檢測，升溫范圍為30.47～600 ℃，升溫速率為10 ℃·min-1[22]。

2.5 X-射線數據采集和晶體結構解析

將一個大小適合的單晶粘貼在玻璃纖維上，用X-射線單晶衍射儀(R-AXIS RAPID，Rigaku)在21.85 ℃下，使用經石墨單色器單色化的 Mo-Kα 射線 (λ= 0.710 73 ?)，以 ω-θ 形式掃描在 4.12° ＜ θ ＜ 27.45°采集數據. 晶體結構用直接法經SHELXS-97 程序解出[23]，通過SHELXL-97 程序用全矩陣最小二乘法進行精修[24]。

3 實驗結果與討論

3.1 水中FDCA 晶形及晶體結構解析

按 FDCA:水(m:v)=1:3～1:5 的比例在80 ℃水中重結晶后，FDCA 脫色率僅有24.60%～27.15%。為了從理論上進一步探索FDCA 的結晶方法，需要制備單晶并掌握晶體結構數據。晶體生長過程中發現，80 ℃飽和FDCA 水溶液降至25 ℃時相對過飽和度δ 較大，為4.18，容易自發成核結晶。圖1 為在水中形成的FDCA 晶體，首先生成無色的三角形或長方形薄片狀單晶(如圖 1(a))，然后在片狀單晶的一邊以垂直方向或其他角度生長出另一片長方形(如圖 1(b))或三角形 (如圖 1(c)) 晶體，隨后以前兩片晶體相交線為中心，從不同方向生長出越來越多的長方形(如圖 1(d))或三角形(如圖 1(e)，1(f)) 片狀晶體。一個晶體中可能同時生長出三角形和長方形的晶片，形成團聚體(圖1(d)，1(i))，新晶片的不斷生長使整個晶體呈放射狀(如圖1(g)～1(i))。薄片狀的晶體表面積較大，結晶過程容易吸附雜質，純化效果差。

圖1 在水中形成的片狀FDCA 晶體圖Fig.1 Sheet-shaped crystals of FDCA formed in water

表1 FDCA 晶體學數據和結構精修結果Table 1 Crystallographic data and structure refinement of FDCA

表2 FDCA 的原子坐標(×104)和等效各向同性位移參數(?2 ×103)Table 2 Atomic coordinates (×104) and equivalent isotropic displacement parameters (?2 ×103) of FDCA

表3 FDCA 的鍵長和鍵角Table 3 Bond lengths and angles of FDCA

經X-射線單晶衍射儀測定數據、SHELXS-97 程序和SHELXL-97 程序解析修正，FDCA 主要晶體結構數據如表1 所示，原子坐標如表2 所示，FDCA 的鍵長和鍵角如表3 和表4 所示，FDCA 結構如圖2、圖3 所示。實驗中三角形和長方形的片狀晶體均屬于單斜晶系(monoclinic)，P21/m 空間群，a=3.673 1(7) ?，b=16.667(3) ?，c=4.978 7(10) ?，V=303.16(10) ?3，α=γ=90°，β= 95.94(3)°，Dcalc=1.71 g·cm-3(如表 1)。每個晶胞中包含2 個FDCA 分子(如圖3(a))。作為首次發表，FDCA 的晶體學數據收錄在劍橋晶體學數據中心(Cambridge Crystallographic Data Centre)，記錄編號CCDC No. 1559784。

表4 FDCA 的選擇性鍵長和鍵角Table 4 Selected bond lengths and angles of FDCA

圖2 FDCA 分子結構圖Fig.2 Molecular structure of FDCA

圖3 FDCA 晶體結構圖Fig.3 Crystal structure of FDCA

測得的FDCA 為左右對稱結構(如圖2)，如表2 所述，每個分子中含有3 種碳原子(C)和3 種氧原子(O)，表 3 中呋喃環內 C(1)?C(2) 鍵最短，鍵長為 1.352 4(16) ?，O(1)?C(1)鍵稍長(1.365 4(13) ?)，C(2)?C(2)#1 鍵最長，為 1.418(2) ?。而在 FDCA 分子中 C(1)?C(3)鍵最長，為 1.467 3(15) ?，O(1)?C(1)?C(3)鍵角為 117.14(11)°。

一些二元羧酸如富馬酸[25]和對苯二甲酸[26]等晶體內分子之間是通過兩條O?H···O 鍵相連，FDCA 晶體也具有類似的氫鍵，FDCA 相鄰分子間通過兩條O?H···O 鍵使相鄰羧酸相連接，從而形成非直線無限延長的羧酸鏈(表4 和圖3(b))。這種O?H···O 鍵是一種強氫鍵，鍵長為2.670 9 (13)?，鍵能為3 667.01 kJ·mol-1(如表 4)，因此羧酸鏈較穩固。此外，呋喃環上的 C?H 鍵與相鄰羧酸鏈上羰基上的氧能形成C?H···O 鍵，雖然這種弱氫鍵鍵能僅為1 454.01 kJ·mol-1(如表4)，但是大量的這種弱氫鍵也使相鄰羧酸鏈間彼此相連，從而形成無限擴展的FDCA 片層。這種相鄰的FDCA 片層間無化學鍵相連，但是排列很緊密(圖3(d))。圖3(c)中[100]面中心投影效果圖可以看到FDCA 片層的堆疊效果，相鄰羧酸鏈之間通過C?H···O 鍵相連接的呋喃環分布在一條直線上，FDCA 片層間距離最近的呋喃環也在一條直線上。在FDCA 片層中，由于兩種氫鍵的存在使得分子間距離較近，相對于其他只有一種氫鍵的二元羧酸晶體，FDCA 晶體結構更穩定。不易像TA 一樣使片層間的呋喃環發生錯位從而形成多種晶型[26-27]。分子間氫鍵的存在使得FDCA 在水和一般的有機溶劑中溶解度較低，提高結晶母液濃度所需的溫度較高，且脫色效果差，水中重結晶純化FDCA 效果不佳。

3.2 加合結晶和FDCA 純化

選擇常用的加合結晶溶劑DMAC 與粗FDCA 進行加合結晶，去除有色雜質。實驗結果表明，粗FDCA初始為黃色晶體(如圖4(a))，將粗FDCA 與不同比例的DMAC 反應，生成的FDCA-DMAC 加合結晶脫溶劑處理后得到的FDCA 均為白色(圖4(b)為純化后的FDCA 晶體粉末，FDCA:DMAC=1:5，m:v)。且FDCA脫色率(如圖5)隨著FDCA:DMAC 比例的減少而提高，從82.65%提高至94.94%，各處理組FDCA 純度均高于粗FDCA，在R=96.35%～98.37%。

圖4 純化前后FDCA 晶體粉末圖Fig.4 FDCA powder before and after purification(FDCA:DMAC=1:5, m:v)

圖5 FDCA 和DMAC 比例對加合結晶過程中FDCA脫色率和純化后FDCA 純度的影響Fig.5 Effects of mass volume ratios of FDCA and DMAC on decolorization rate and purity of FDCA in adductive crystallization

3.3 加合結晶熱重分析

熱重分析(thermogravimetric analysis，TG/DTG)結果如圖6(a)所示，FDCA-DMAC 加合結晶熱穩定性較差，失重第1 階段從30 到144 ℃失重55.33%，DTG 最大失重速率溫度Tmax為105.28 ℃，與圖6(b)中DMAC 純物質的Tmax(98.55 ℃)接近，分解物質為DMAC，質量約占加合結晶中的55.33%，加合結晶中DMAC 分解溫度比純的DMAC 高可能是因為DMAC 與FDCA 分子間存在化學鍵的關系；第2 階段Tmax為335.45 ℃，約等于圖6(c)中FDCA 純物質的Tmax(335.96 ℃)，失重約44.67%，分解物質為FDAC，因此加合結晶中FDCA 與DMAC 分子摩爾比約為1:2。DMAC 和FDCA 在FDCA-DMAC 加合結晶中的理論質量百分數分別為52.75% 和47.25%，與測試結果接近，加合結晶形成過程可用式(3)表示：

這里[FDCA·2DMAC]代表FDCA-DMAC 加合結晶分子式，由于到116 ℃時DMAC 基本揮發，144 ℃時達到平衡，則加熱(116 ℃左右常壓)去除DMAC，可得純化的FDCA。

圖6 FDCA-DMAC 加合結晶及組成成份熱重分析圖Fig.6 Thermal gravity analysis of FDCA-DMAC adductive crystals and compositions

3.4 FDCA-DMAC 加合結晶晶體結構解析

FDCA-DMAC 加合結晶主要晶體結構數據如表5 所示，原子坐標如表6 所示，FDCA-DMAC 加合結晶屬于斜方晶系，Pca21空間群，a=25.787(5) ?，b=5.936 3(12) ?，c=11.219(2) ?，V=1 717.4(6) ?3，α=γ=β=90°，Dcalc=1.278 g·cm-3(如表 5)，CCDC 號為 No.1559898。 每個晶胞中包含 4 個 FDCA 和 8 個DMAC 分子(如圖7(b))。因此，這也再次證明了FDCA-DMAC 加合結晶中每個FDCA 分子與2 個DMAC分子相結合，且是通過O?H···O 鍵相連(如表7，圖7(b)，7(c))。但是由于FDCA 兩端連接的DMAC 分子與相鄰的DMAC 分子間無化學鍵相連，FDCA·2DMAC 分子交錯排布，使FDCA-DMAC 加合結晶易受熱打開氫鍵，開始揮發(105.28 ℃揮發最快)。但是與間苯二甲酸(isophthalic acid，IPA)形成的IPA-DMAC加合結晶不同的是，b 軸方向上相鄰的FDCA 分子間可以通過C?H···O 鍵相連，而間苯二甲酸苯環間不形成 C?H···O 鍵[28-29]，IPA-DMAC 加合結晶從 40 ℃左右開始打開氫鍵，DMAC 開始揮發，100 ℃左右揮發完全，所以FDCA-DMAC 加合結晶比IPA-DMAC 加合結晶分解溫度稍高。TA-DMAC 加合結晶從65 ℃左右開始分解，到125 ℃左右結束，雖然TA 與DMAC 間形成的氫鍵O?H···O 較強，平均距離為1.670 ?[29]，比 FDCA-DMAC 加合結晶中 O?H···O 之間的平均距離小，但是熱穩定性比 FDCA-DMAC 加合結晶差，原因可能是相鄰TA 分子間缺少氫鍵，不能像FDCA-DMAC 加合結晶一樣形成長鏈。

表5 FDCA-DMAC 加合結晶的晶體學數據和結構精修結果Table 5 Crystallographic data and structure refinement of FDCA-DMAC adductive crystals

表6 FDCA-DMAC加合結晶的原子坐標(×104)和等效各向同性位移參數(?2 ×103)Table 6 Atomic coordinates (×104) and equivalent isotropic displacement parameters (?2 ×103) of FDCA-DMAC adductive crystals

表7 FDCA-DMAC 加合結晶的選擇性鍵長和鍵角Table 7 Selected bond lengths and angles of FDCA-DMAC adductive crystals

圖7 FDCA-DMAC 加合結晶晶體結構圖Fig.7 Crystal structure of FDCA-DMAC adductive crystals

3.5 DMF 中結晶

前期研究發現FDCA 在25 ℃DMF 中并沒有形成加合結晶，而是重結晶，單晶為三棱柱狀，測定并解析出的晶體結構與水中生長的FDCA 單晶一致(數據省略)，這也為“兩種氫鍵的存在使得FDCA 晶體結構更穩定，不容易使片層間的呋喃環發生錯位從而形成不同的晶型”這一推論提供了實例證據。利用FDCA 在DMF 中溶解度大的特點進行重結晶有利于提高溶液濃度，促進FDCA 晶體生長、獲得優質晶體。通過將加合結晶純化后的FDCA 用DMF 重結晶的方法進一步純化后，發現各處理組得到的FDCA純度均在R=99.62% 以上(如表8)，最高為R=99.98%，因此在DMF 中重結晶可以得到高純度的FDCA。

此外，單晶生長試驗觀測結果表明，在DMF 溶液中首先形成三棱柱狀的 FDCA 單晶(如圖 8(a))，晶體長至一定大小后，從原有晶體的一端或中間生長出另一根三棱柱狀晶體(如圖 8(b)，8(c))，多表現為十字形晶體(如圖 8(d))，隨著晶體的不斷生長，從初始的十字交叉點位置生長出許多相似的三棱柱狀晶體，使整個晶體呈放射狀(圖8(e)，8(f))。當結晶母液濃度較高時，晶體快速生長，有時表現為針狀或柱狀晶體。

表8 DMF 中結晶前后的FDCA 純度Table 8 Purity of FDCA before and after crystallization in DMF

圖8 在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中形成的三棱柱狀FDCA 晶體Fig. 8 Triangular prism-shaped crystals of FDCA crystallized in N,N-dimethylformamide (DMF)

4 結 論

(1) 在水中重結晶可以得到長方形或三角形片狀的FDCA 單晶，在DMF 中重結晶可以得到三棱柱狀的 FDCA 單晶，且他們具有相同的晶體結構，相鄰分子通過 O?H···O 鍵形成羧酸鏈(表 4 和圖 3(b))。C?H···O 鍵使FDCA 的羧酸鏈連成片層，但片層間無化學鍵相連，片層間的呋喃環分布在同一直線上(圖3(c)，3(d))。

(2) 用與 DMAC 形成FDCA-DMAC 加合結晶，再將加合結晶加熱脫除溶劑的方法可以有效去除有色雜質，純化粗FDCA，隨著FDCA:DMAC (m:v)從1:3 至1:5，FDCA 脫色率從82.65% 升至94.94%，FDCA 純度從 R=94.33% 升至 R=96.35% ～ 98.37%。

(3) FDCA-DMAC 加合結晶中，每個 FDCA 分子與 2 個 DMAC 分子通過 O?H···O 鍵相連，熱穩定性較差，加熱破壞O?H···O 鍵并使DMAC 受熱揮發可重新得到FDCA。

(4) 經DMF 重結晶后，加合結晶純化的FDCA 純度最高可以達到R=99.98%。

符號說明：

A — 吸光度

c — 測定的FDCA 樣品濃度，g·L-1

D — 脫色率，%

m — FDCA 樣品質量，g

R — 純度，%

Tmax— 最大失重速率溫度，℃

V — 配制樣品溶液的體積，L

下標

0 — 初始值