Direct Brønsted Acid-Catalyzed Dehydration of Glucose to HMF in Methyl Isobutyl Ketone

化学 质子化 催化作用 异构化 布朗斯特德-洛瑞酸碱理论 吡喃糖 酸催化 溶剂 有机化学 光化学 离子
作者
Natalia Rodriguez Quiroz,Tso‐Hsuan Chen,Stavros Caratzoulas,Dionisios G. Vlachos
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (21): 14221-14232 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c03153
摘要

We report the direct Brønsted acid-catalyzed glucose dehydration in methyl isobutyl ketone solvent doped with small fractions of water to a high yield of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) (74%) at low temperatures without using a Lewis acid catalyst, but the mechanistic understanding remains unclear. We combine fast experimental reaction kinetics, quantum mechanics/molecular mechanics molecular dynamics (QM/MM MD) simulations, IR and 13C NMR spectroscopy, and kinetic isotope effects to elucidate the solvent effects and infer the potential reaction mechanism for glucose dehydration. Our results indicate that the direct conversion of glucose to HMF proceeds via acyclic isomerization to fructose, initiated by protonation of the ring oxygen followed by the opening of the pyranose ring. We found that ketone-based organic solvents promote the selective dehydration of glucose by enhancing the catalyst–substrate interactions at the ring oxygen, which facilitates dehydration. In contrast, alcohol-based organic solvents promote protonation of secondary hydroxyl groups, leading to reversion products and humins. Our findings highlight the importance of solvent selection in facilitating the protonation of the target glucose oxygen while minimizing protonation of the hydroxyl groups, which leads to undesired byproducts.
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