Az 5-HMF képződésének mechanizmusa

Általánosan a D-glükóz vagy D-fruktóz 5-HMF-lá történő átalakításának legszélesebb körben tanulmányozott és elfogadott útja a közvetlen dehidratálás, amelyre két alapvetően különböző mechanizmust is javasoltak. A folyamat bekövetkezhet mind aciklusos,^54–58 mind pedig ciklusos intermediereken keresztül.⁵⁹

Az aciklusos mechanizmus, vagy más néven "én-diol mechanizmus" (10. ábra) feltételezés szerinti első lépése a ^D-glükóz, ^D-fruktóz, vagy a ^D-mannóz a szakirodalomban 1,2-éndiolként ismert intermedierré történő izomerizációja, amelyet a folyamat sebességmeghatározó lépéseként is azonosítottak. Megjegyzendő, hogy az 1,2-éndiol az irodalomban ismert Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein aldóz-ketóz izomerizáció széleskörben elfogadott köztiterméke,⁶⁰ ami a mechanizmusban három egymást követő

9. ábra. 5-HMF-ra vonatkozó publikációk száma évenként (2000–2017, forrás: Web of Science)

vízvesztéssel, 2,3-didehidro-3-dezoxiglükózon és 3,4-didehidro-3,4-didezoxiglükoszonon keresztül 5-HMF-lá alakul. A 2,3-didehidro-3-dezoxiglükóz egyensúlyban van a mechanizmus egy másik fontos szereplőjével, a 3-dezoxi-D-glükoszonnal (3-DG). A közelmúltban BOLS és munkatársai bizonyították, hogy az 5-HMF képződése 3-DG-ből lényegesen nagyobb sebességgel megy végbe, mint hexózokból. Következésképpen jelenlétét a mechanizmusból kizárni igen kétséges.⁶¹

A ciklusos intermediereket magában foglaló reakcióút (11. ábra) javasolt kezdőlépése a

D-fruktóz furanóz formájának második szénatomján (C-2) történő protonálása, majd a keletkezett karbokation (5CK) dehidratálása, amely a (2R,3S,4S)-2-(hidroximetil)-5-(hidroximetilidén)tetrahidrofurán-3,4-diol, a szakirodalomban 3,4-DIOL néven ismert köztitermék képződéséhez vezet. Ennek további dehidratálásával a (4S,5R)-4-hidroxi-5-(hidroximetil)-4,5-dihidrofurán-2-karbaldehid (karbaldehid-5) keletkezik, ami könnyedén további vízvesztéssel 5-HMF-lá alakul. A két vázolt mechanizmus azonban még nem ad magyarázatot a reakció jellemző melléktermékeinek, a huminoknak a képződésére. Ennek felderítésére a közelmúltban HORVÁTH és csoportja egy részletesebb, ciklusos intermedierek sorozatán alapuló molekulatérképet közölt (12. ábra). ¹³C-Izotópjelzéses in situ technikával igazolták, hogy dimetil-szulfoxidban (DMSO) a D-fruktóznak a furanóz, a nyílt láncú és a piranóz formája is egyaránt jelen van. A reakcióelegyben jelen lévő D-fruktofuranóz C-2 protonálódása a 11. ábrán feltüntetett reakcióúttal egyezően az 5-HMF képződéséhez vezet.

A hattagú gyűrűt tartalmazó D-fruktopiranóz izomer C-2 protonálódása azonban egy olyan

10. ábra. A hexózok dehidratálásának aciklusos köztitermékeket tartalmazó javasolt útvonala

11. ábra. A hexózok dehidratálásának ciklusos köztitermékeket tartalmazó javasolt útvonala

HOCH₂ O CHO

karbokation kialakulásához vezet, mely nem a 3,4-DIOL, hanem a (3S,4R,5R)-2-(hidroximetilidén)-tetrahidro-2H-pirán-3,4,5-triol (3,4,5-TRIOL) képződéséért felel. A 3,4,5-TRIOL a 3,4-DIOL dehidratálásával megegyező módon vízkilépéssel (3R,4S)-3,4-dihidroxi-3,4-dihidro-2H-pirán-6-karbaldehiddé (karbaldehid-6) alakul, ami a huminok megjelenésért felelős. A vizsgálatok továbbá rámutattak arra, hogy a két párhuzamos út között nemcsak a D-fruktóz nyíltláncú formáján keresztül van egy egyetlen egyensúlyi jellegű kapcsolat, hanem több, a két kulcs karbokation reakciójából származó többgyűrűs vegyületeken keresztül is. A reakciók reverzibilitását D2O, mint deutériumforrás alkalmazásával igazolták. Az átalakulás javasolt teljes molekuláris térképét a 12. ábrán mutatom be.

A különböző fruktóz izomerek egyensúlyi koncentrációját megvizsgálva, amely a fentiek alapján döntő hatással lehet az 5-HMF hozamra, MATUBAYASHI megállapította, hogy a magasabb hőmérséklet kedvez a D-fruktofuranóz keletkezésének. Az egyensúlyi mennyiségeket vízben, metanolban (MeOH) és DMSO-ban összehasonlítva pedig kimutatta, hogy a D-fruktofuranóz koncentrációja utóbbiban a legmagasabb.⁶² Ezzel egybehangzó eredményeket közölt AMARASEKARA is, bizonyítva, hogy az 5-HMF képződése 150 °C-on nemkatalitikus úton is bekövetkezhet mind DMSO-ban, mind vízben.⁶³ Ezek az eredmények összhangban vannak az 5-HMF szintézisére javasolt oldószerek 0,5 M HCl jelenlétében 130

°C hőmérsékleten történő összehasonlításakor kapott sorrenddel: DMSO > tetrahidrofurán (THF) > acetonitril > GVL > aceton > dimetil-karbonát > H2O.⁶⁴ A ciklikus útra vonatkozóan HENSEN és csoportja 100 különböző reakcióutat tartalmazó útvonal lehetőséget

12. ábra. A D-fruktóz savkatalizált dehidratálási mechanizmusának azonosított köztitermékei

vizsgált elméleti kémiai számításos módszerrel. Igazolták, hogy a ^D-fruktopiranóz 2-es szénatomján található hidroxil csoport (O2–H) protonálódása a legkedvezőbb, ⁶⁵ ami összhangban van a 12. ábrán bemutatottakkal. WEIZT és munkatársai izotópjelzett ¹³C-1-D -fruktóz és ¹³C-6-D-fruktóz felhasználásával, in situ ¹³C NMR spektroszkópia segítségével bizonyították, hogy a fruktóz 1-es szénatomja az 5-HMF formil csoportjában, a 6-os szénatomja pedig hidroximetil szénatomjában jelenik meg. Ez a megfigyelés azonban mind az aciklusos, mind pedig a ciklusos intermediereket tartalmazó mechanizmus alapján magyarázható. Az izotópjelzett 1,6-¹³C-5-HMF hidratálása során igazolták, hogy a formil csoport izotópjelzett szénatomja a hangyasavon, a hidroximetil csoport izotópjelzett

szénatomja pedig a LA 5-ös szénatomján jelenik meg (13. ábra). A kutatócsoport ¹³C és ¹⁷O izotópjelzéses vizsgálatok alapján javaslatot tett a DMSO további szerepére, miszerint az 5CK karbokationnal nukleofil addíción keresztül reagálva elősegíti annak továbbalakulását. ⁶⁶ Az 5-HMF kialakulására vonatkozó mechanisztikus vizsgálatok természetesen kiterjedtek különböző speciális oldószerekre is pl. Lewis-sav (ZnCl2) olvadékra,⁶⁷ eutektikus közegekre,⁶⁸ és ionos folyadékokra,⁶⁹ melyek sorából az utóbbiak akár az oldószer, akár a katalizátor szerepét is betölthetik.

Gazdasági szempontokat is figyelembe véve a lignocellulózban található cellulóz olcsóbb és nagyobb mennyiségben rendelkezésre álló nyersanyag. Kézenfekvő tehát, hogy az 5-HMF és rajta keresztül a LA előállítására a drágább fruktóz helyett glükózt használjunk nyersanyagként. A mechanizmus vizsgálatok alapján azonban jelenleg elfogadottan az 5-HMF képződésének kiindulási vegyülete a fruktóz, így egy ilyen eljárásban szükség van a glükóz fruktózzá történő izomerizációjára. Az enyhén endoterm (DHr = 3 kJ/mol)⁷⁰ egyensúlyi átalakítást (Keq ≈ 1,25 °C) ipari szinten (2015-ben kb. 8,5 × 10⁶ tonna glükóz az USA-ban)⁷¹ enzimkatalízissel végzik. Az 5-HMF hozama azonos körülmények között azonban fruktózból messze meghaladja a glükózból, vagy más hexózokból kapott hozamokat. Az 5-HMF glükózból történő előállítására fejlesztett legújabb homogén és heterogén katalizátorokat a közelmúltban PALKOVITS,⁷² BAI,⁷³ DAVIS,⁷⁴ és MIKA¹⁹ foglalták össze. Tekintettel arra, hogy kutatómunkám során az 5-HMF glükózból történő előállítását nem vizsgáltam részletesen, eltekintek ennek a területnek az ismertetésétől.

13. ábra. A D-fruktóz átalakulása levulinsavvá és hangyasavvá

+ 2H2O O

COOH H O

OH O +

5-HMF OH O O

HO OH

OH

D-fruktofuranóz

HO OH - 3H₂O

1 6

6 1

levulinsav hangyasav

Összegzésként kijelenthető, hogy a nagyszámú, modellvegyületen elvégzett kísérleti eredmény és az elméleti kémiai számításos vizsgálatok ellenére sem állapítható meg egyértelmű következtetés a D-fruktóz és a D-glükóz 5-HMF-lá történő átalakulásának mechanizmusával kapcsolatban. Az in situ spektroszkópiai és izotópjelzést alkalmazó kísérleti eredmények alapján azonban a szakirodalom a ciklusos intermediereket tartalmazó útvonalat fogadja el valószínűbbnek és feltételezi, hogy a glükóz izomerizációja fruktózzá megelőzi az utóbbi protonálódását és dehidratálását.¹⁹ A termékhozamot olyan egyensúlyi reakciók befolyásolják, amelyek molekuláris szinten határozzák meg nemcsak az 5-HMF, hanem a belőle keletkező LA-nak is a maximális hozamát, amely újabb katalizátorok fejlesztésével és a körülmények optimálásával jelentősen emelhető.