Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5 hydroxymethyl 2 furfuraldehyde (5 hmf) bằng sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác hcl

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA HÓA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI:

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP BỀ MẶT ĐÁP ỨNG
ĐỂ TỐI ƯU HÓA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ
SUCROSE THÀNH
5-HYDROXYMETHYL-2-FURFURALDEHYDE
BẰNG SỰ KẾT HỢP GIỮA NHIỆT
VÀ XÚC TÁC HCl
Người hướng dẫn: ThS. BÙI VIẾT CƯỜNG
Sinh viên thực hiện: VÕ THỊ HOÀNG YẾN
Số thẻ sinh viên: 107130129
Lớp: 13H2B

Đà Nẵng, 05/2018


TÓM TẮT
Tên đề tài: Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng
đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl.
Sinh viên thực hiện: Võ Thị Hoàng Yến
Số thẻ SV: 107130129
Lớp: 13H2B

5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) là một sản phẩm trung gian của phản
ứng caramel, được coi là một hóa chất quan trọng do có nhiều ứng dụng trong các lĩnh
vực khác nhau. Trong y dược, 5-HMF được sử dụng để điều trị các bệnh tim mạch, chấn
thương do thiếu oxy,…; trong thực phẩm, hợp chất này được sử dụng để sản xuất các
loại phụ gia thực phẩm; ngồi ra, cịn được ứng dụng trong các lĩnh vực cơng nghiệp vật
liệu, hóa chất, năng lượng… .
Dựa trên kết quả khảo sát đơn biến ban đầu, phương pháp bề mặt đáp ứng được sử
dụng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5HMF bằng sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl với hàm mục tiêu là hiệu suất chuyển
hóa 5-HMF (H, %). Hàm lượng 5-HMF được xác định bằng phương pháp sắc kí lỏng
hiệu năng cao (HPLC). Phần mềm Minitab version 16 được sử dụng để xử lý số liệu
thực nghiệm thu được, sự khác biệt có ý nghĩa đối với hiệu suất trích ly được phân tích
bằng phương pháp phương sai ANOVA – one way. Mơ hình tốn học mơ tả ảnh hưởng
của các yếu tố cũng như sự tương tác của chúng đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF có
dạng: H = - 238,523 + 10,970T + 248,784C - 7,343R - 0,555TC - 0,158TR + 8,330CR
- 0,258T2 - 81,507C2 - 0,428R2; trong đó, T: Thời gian phản ứng (phút), C: Nồng độ xúc
tác HCl (M), R: Tỉ lệ thể tích xúc tác HCl:sucrose (mL:g). Hiệu suất chuyển hóa 5-HMF
đạt giá trị cực đại Hmax = 56,229 ± 2,519% tại điều kiện phản ứng tối ưu là T = 17,4
(phút); C = 1,81 (M) và R = 6,6:1 (v:w). Hiệu suất trích ly đạt giá trị cực đại là 61,067
± 0,645% với độ tinh khiết của 5-HMF là 75,56 ± 3,67% khi tiến hành tinh chế hợp chất
5-HMF bằng phương pháp trích ly với dung mơi diethyl ether ở tỉ lệ sản phẩm
thô:diethyl ether là 1:09 (v:v). Nghiên cứu đã cung cấp thông tin quan trọng cho các
nghiên cứu tiếp theo về 5-HMF và quá trình sản xuất 5-HMF với qui mô lớn.


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
KHOA HÓA

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ...Võ Thị Hoàng Yến ......... Số thẻ sinh viên: 107130129
Lớp: 13H2B………Khoa: Hóa ........................... Ngành: Cơng nghệ thực phẩm
1. Tên đề tài:
Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hoá sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2furfuraldehyde bằng sự kết hợp giữa nhiệt và xúc tác HCl.
2. Đề tài thuộc diện: □ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quá thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
MỞ ĐẦU
Chương 1: TỔNG QUAN
Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
KẾT LUẬN
KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
5.
6.
7.
8.

Các bản vẽ, đồ thị (Không):
Họ tên người hướng dẫn:
Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
Ngày hồn thành đồ án:
Trưởng Bộ mơn

ThS. Bùi Viết Cường
12/01/2018
28/05/2018

Đà Nẵng, ngày 28 tháng 05 năm 2018
Người hướng dẫn



LỜI CẢM ƠN

Sau hơn 3 tháng nghiên cứu, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cơ
giáo khoa Hóa – trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, các thầy cô trong bộ môn Công
Nghệ Thực Phẩm và đặc biệt là thầy Bùi Viết Cường, giáo viên hướng dẫn đã tận tình
giúp đỡ, định hướng, góp ý, để từ đó giúp tơi nắm bắt kĩ lưỡng, chi tiết hơn về nội dung,
cũng như cung cấp kiến thức về các vấn đề liên quan trong suốt thời gian hồn thành đồ
án của mình. Tiếp đến, tơi xin chân thành cảm ơn tất cả bạn bè và người thân đã động
viên giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian làm đồ án và học tập. Họ là
những người ln cho tơi những góp ý về nội dung cũng như giúp tôi thu thập những tài
liệu cần thiết phục vụ cho đồ án nghiên cứu này .
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Đà Nẵng, ngày 21 tháng 05 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Võ Thị Hoàng Yến

i


CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đồ án “Sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa các
yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hoá sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2furfuraldehyde bằng sự kết hợp giữa nhiệt với xúc tác HCl” dưới sự hướng dẫn của
giảng viên ThS. Bùi Viết Cường là cơng trình nghiên cứu độc lập được thực hiện bởi

bản thân tơi. Việc hồn thành đồ án tốt nghiệp được soạn thảo và hoàn thành một cách
độc lập, sáng tạo, không sao chép từ đề tài khác. Các kết quả số liệu thu được trong bài
đều trung thực, khách quan, khơng có chỉnh sửa, sao chép. Tài liệu tham khảo sử dụng
trong đồ án chính xác, có độ tin cậy cao, được trích dẫn đầy đủ và đúng quy định.
Đà Nẵng, ngày 21 tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Võ Thị Hoàng Yến

ii


MỤC LỤC

Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp
Lời cảm ơn ................................................................................................................... i
Cam đoan .................................................................................................................... ii
Mục lục ......................................................................................................................iii
Danh sách các bảng, hình vẽ ........................................................................................ v
Danh sách các chữ viết tắt.......................................................................................... vii
Trang
Mở đầu ........................................................................................................................ 1
Chương 1. Tổng quan ................................................................................................ 2
1.1. Tổng quan về 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF).......................... 2
1.1.1. Định nghĩa .................................................................................................... 2
1.1.2. Cấu trúc ........................................................................................................ 2
1.1.3. Tính chất vật lí .............................................................................................. 2
1.1.4. Tính chất hóa học.......................................................................................... 3
1.1.5. Cơ chế tổng hợp 5-HMF từ sucrose ............................................................ 10

1.1.6. Ứng dụng của 5-HMF ................................................................................. 13
1.2. Phản ứng caramel............................................................................................ 14
1.2.1. Định nghĩa .................................................................................................. 14
1.2.2. Đặc điểm của phản ứng caramel.................................................................. 15
1.2.3. Cơ chế của phản ứng caramel...................................................................... 16
1.3. Các phương pháp sản xuất 5-HMF ................................................................ 17
1.4. Các phương pháp định lượng 5-HMF ............................................................ 19
1.5. Giới thiệu về phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) ..................................... 20
1.5.1. Nguyên tắc của phương pháp RSM ............................................................. 20
1.5.2. Công dụng của phương pháp RSM.............................................................. 21
1.5.3. Ưu, nhược điểm của phương pháp RSM ..................................................... 21
1.5.4. Các mơ hình xây dựng ma trận thí nghiệm trong RMS ................................ 22
1.6. Tình hình nghiên cứu 5-HMF tại Việt Nam và trên thế giới. ........................ 24
1.6.1. Tại Việt Nam .............................................................................................. 24
1.6.2. Trên thế giới ............................................................................................... 25
Chương 2. Hóa chất và phương pháp nghiên cứu .................................................. 27
2.1. Hóa chất nghiên cứu........................................................................................ 27
iii


2.2. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................27
2.2.1. Phương pháp chuẩn bị mẫu và bố trí thí nghiệm ..........................................27
2.2.2. Phương pháp phân tích ................................................................................31
Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận ..........................................................32
3.1. Kết quả thí nghiệm và xây dựng mơ hình tốn học tối ưu cho phản ứng chuyển
hóa 5-HMF dưới tác dụng của nhiệt và xúc tác HCl. .............................................32
3.2. Đánh giá phương trình hồi qui cấp 2 mơ tả mối quan hệ của các yếu tố ảnh
hưởng đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF . ..............................................................33
3.3. Kết quả xác định điều kiện phản ứng tối ưu của phản ứng chuyển hóa sucrose
thành 5-HMF dưới sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl bằng phương pháp RSM

– CCD. ......................................................................................................................35
3.4. Kết quả tinh chế hợp chất 5-HMF bằng phương pháp trích ly với dung mơi
diethyl ether ..............................................................................................................40
3.5. Đề xuất qui trình thu nhận 5-HMF ..................................................................43
KẾT LUẬN...............................................................................................................44
KIẾN NGHỊ..............................................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................46
PHỤ LỤC

iv


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của 5-HMF ......................................................................... 2
Bảng 1.2. Nhiệt độ xảy ra phản ứng caramel của một số loại đường .......................... 15
Bảng 1.3. Các nhóm chất xúc tác [20] ....................................................................... 18
Bảng 2.1. Mức, khoảng biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng ..................................... 28
Bảng 2.2. Ma trận thí nghiệm..................................................................................... 30
Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm hiệu suất chuyển hóa 5-HMF theo ma trận thí nghiệm
(bảng 2.2) .................................................................................................................. 32
Bảng 3.2. Kết quả phân tích phương sai ANOVA ...................................................... 33
Bảng 3.3. Bảng so sánh hiệu suất chuyển hóa 5-HMF giữa kết quả thực nghiệm và
phương trình hồi qui. ................................................................................................. 39
Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm tinh chế đối với hiệu suất trích ly 5-HMF .................... 42
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cơng thức cấu tạo của 5-HMF...................................................................... 2
Hình 1.2. Các sản phẩm của phản ứng este hóa của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH) .. 4
Hình 1.3. Các sản phẩm của phản ứng ether hóa của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH) 5

Hình 1.4. Các sản phẩm của phản ứng halogen hóa của nhóm hydroxymethyl ............. 5
Hình 1.5. Phản ứng OXH của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH) ................................... 6
Hình 1.6. Các sản phẩm của phản ứng khử của nhóm andehyde (-CHO) ..................... 6
Hình 1.7. Các sản phẩm của phản ứng ngưng tụ của nhóm andehyde (-CHO).............. 7
Hình 1.8. Các sản phẩm của phản ứng OXH của nhóm andehyde (-CHO) ................... 8
Hình 1.9. Phản ứng polyme hóa của 5-HMF ............................................................... 9
Hình 1.10. Phản ứng OXH vịng furan ......................................................................... 9
Hình 1.11. Cơ chế tổng hợp 5-HMF từ sucrose [2] .................................................... 10
Hình 1.12 Chuyển hóa Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein [9]............................ 11
Hình 1.13. Các giai đoạn mất nước của fructose ........................................................ 12
Hình 1.14. Quá trình thủy phân sucrose tạo thành glucose và fructose ....................... 12
Hình 1.15. Q trình chuyển hóa glucose thành 5-HMF............................................. 12
Hình 1.16. Một số dẫn xuất của 5-HMF [18] ............................................................. 14
Hình 1.17. Q trình đồng phân hóa aldose thành ketose ........................................... 16
Hình 1.18. Phản ứng caramel trong mơi trường acid .................................................. 17
Hình 1.19. Các sản phẩm tạo ra của quá trình caramel trong mơi trường kiềm ........... 17
Hình 1.20. Sơ đồ chức năng chuyển đổi ..................................................................... 20
Hình 1.21.a) Mơ hình Box-Behnken cho 3 yếu tố dưới dạng hình học (khối lập phương)
và b) 3 thiết kế kết hợp 22 giai thừa. ........................................................................... 22
Hình 1.22. Mơ hình CCD cho các yếu tố dưới dạng hình học .................................... 24
Hình 3.1. Phát đồ đường viền 2D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa thời gian phản
ứng (T, phút) và nồng độ xúc tác HCl (C, M) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %)
khi tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) (constant) = 10:1 (mL:g) ......................... 35

v


Hình 3.2. Phát đồ bề mặt 3D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa thời gian phản ứng
(T, phút) và nồng độ xúc tác HCl (C, M) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF (H, %) khi
tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) (constant) = 10:1 (mL:g) ............................... 36

Hình 3.3. Phát đồ đường viền 2D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa thời gian phản
ứng (T, phút) và tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5HMF (H, %) khi nồng độ xúc tác HCl (C, M) (constant) = 2 M................................. 36
Hình 3.4. Phát đồ bề mặt 3D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa thời gian phản ứng
(T, phút) và tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF
(H, %) khi nồng độ xúc tác HCl (C, M) (constant) = 2 M .......................................... 37
Hình 3.5. Phát đồ đường viền 2D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa nồng độ xúc
tác HCl (C, M) và tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5HMF (H, %) khi thời gian phản ứng (T, phút) (constant) = 10 (phút) ........................ 37
Hình 3.6. Phát đồ bề mặt 3D thể hiện ảnh hưởng của tương tác giữa nồng độ xúc tác
HCl (C, M) và tỉ lệ thể tích xúc tác:sucrose (R, mL:g) đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF
(H, %) khi thời gian phản ứng (T, phút) (constant) = 10 (phút).................................. 38
Hình 3.7. Ảnh hưởng của tỉ lệ sản phẩm thô:diethyl ether (v:v) đến hiệu suất trích ly 5HMF (%) và độ tinh khiết của 5-HMF (%) ................................................................ 41
Hình 3.8. Sơ đồ qui trình thu nhận 5-HMF ................................................................ 43

vi


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

5-HMF

:

5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde

HPLC

:

Sắc kí lỏng hiệu năng cao

DMSO

:

Dimethyl sulfoxide

RSM

:

Response surface method (Phương pháp bề mặt đáp ứng)

CCD

:

Central Composite design (Phương án cấu trúc có tâm quay)

vii



Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

MỞ ĐẦU

5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) được coi là một hóa chất quan trọng
do có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như trong thực phẩm (sản xuất phụ
gia thực phẩm: alapyridaine, acid levulinic, acid fomic, ...), công nghiệp vật liệu (sản

xuất polymer, nhựa tái sinh, polyester, ....), công nghiệp năng lượng (phối trộn với nhiên
liệu lỏng), y dược, hóa chất,…. Hiên nay, các phương pháp sản xuất 5-HMF đã sử dụng
còn tồn tại nhiều khuyết điểm cần được khắc phục như: thiết bị phức tạp, thời gian phản
ứng kéo dài, cơ chất ban đầu đắt tiền, các xúc tác được sử dụng buộc phải loại bỏ hoàn
toàn trước khi đưa vào ứng dụng trong y dược hay thực phẩm,…. Nghiên cứu phản ứng
chuyển hóa sucrose thành 5-HMF bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl đã khắc
phục được các nhược điểm này. Tuy nhiên, các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển
hóa cịn mang tính rời rạc, chưa có mơ hình tốn học mơ tả ảnh hưởng của tất cả các yếu
tố cũng như sự tương tác của chúng đến hiệu suất chuyển hóa 5-HMF, nhằm kiểm sốt
phản ứng chuyển hóa khi ứng dụng vào thực tế sản xuất và đặc biệt chưa được xác định
được điều kiện phản ứng tối ưu cho hiệu suất chuyển hóa 5-HMF đạt giá trị cao nhất,
đồng thời chưa tiến hành tinh chế sản phẩm thô thu chế phẩm 5-HMF tinh khiết; vì vậy,
ứng dụng của nghiên cứu vào qui mơ sản xuất lớn bị giới hạn. Do đó, tơi được giao
nhiệm vụ: “Nghiên cứu tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa
sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde bằng sự kết hợp giữa nhiệt với xúc
tác HCl và tinh chế hợp chất 5-HMF”.

SVTH: Võ Thị Hoàng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

1


Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)

1.1.1. Định nghĩa
5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) là một trong những sản phẩm trung
gian của phản ứng caramel [1] và đường là cơ chất chủ yếu dùng để sản xuất 5-HMF
bằng phản ứng khử nước [2].
1.1.2. Cấu trúc
Cấu tạo phân tử của 5-HMF bao gồm một vịng furan, có chứa cả nhóm chức
andehyde (-CHO) và nhóm hydroxymethyl (-CH2OH), được liên kết với vịng ở vị trí
số 2 và 5 [2].

Hình 1.1. Cơng thức cấu tạo của 5-HMF
Tên thông thường: 5-(Hydroxymethyl)-2-furancarboxaldehyde [3]
Tên gọi khác: 5-(Hydroxymethyl)-2-furaldehyde; HMF; 5-(Hydroxymethyl)-2furancarbonal; 5-(Hydroxymethyl)-2-furfural; 5-Hydroxymethyl-2- formylfuran; 5Oxymethylfurfurole; Hydroxymethyl furfuraldehyde [3]
1.1.3. Tính chất vật lí [3],[4]
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của 5-HMF
Tính chất

Giá trị

Cơng thức phân tử

C6H6O3

Phân tử lượng

126,11 (g/mol)

Trạng thái
Nhiệt độ sơi

SVTH: Võ Thị Hồng Yến

- Tinh thể rắn dạng kim/bột
- Dung dịch có màu vàng nhạt,
mùi hoa cúc nhẹ
126,11 (g/mol)

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

2


Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

-

Tan nhiều trong nước,

methanol, ethanol, aceton, ethyl
Khả năng hòa tan

acetade, dimethyl formamide
Tan được trong ether,
benzene, chloroform
Ít tan trong carbon
tetrachlorua

Nhiệt độ nóng chảy

31,5ºC, 28-34oC

Độ nhớt

1,2062

Chỉ số khúc xạ

1,5627 ( tại 18ºC)

Tỷ trọng

1,243 (tại 25oC)

Độ hấp thụ cực đại

284 nm

1.1.4. Tính chất hóa học
Dựa vào cấu trúc phân tử có các nhóm hydroxymethyl (-CH2OH), nhóm aldehyde
(-CHO) và vịng furan nên 5-HMF có các tính chất hóa học đặc trưng của những nhóm
này [5].
1.1.4.1. Phản ứng của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH)
• Phản ứng este hóa:
Triacetates hoặc monoacetate có thể được tạo thành từ sự acetyl hóa 5-HMF với
acid acetic . Nhưng 5-Acetoxymethylfurfural được thu nhận dễ dàng trong phản ứng của
5-HMF với acetic anhydride (CH3CO)2O.
5- Propionoxymethylfurfural là một loại thuốc diệt nấm được sử dụng nhiều trong
ngành dệt và công nghiệp thực phẩm, thu được bằng phản ứng của 5-HMF với anhydride
propionic (CH3CH2CO)2 (được gia nhiệt). Hoặc cho acid propionic (CH3CH2COOH)
phản ứng với 5HMF trong sự hiện diện của acid sulfuric (H2SO4) [5].

Phản ứng của 5-HMF với benzoyl clorua (C6H5COCl) xúc tác bởi natri hydroxide
(NaOH) tạo thành 5-Benzoyloxymethylfurfural là một chất trung gian để sản xuất vinyl
monomer 5-(Benzoyloxymethyl)-2-vinylfuran (BzMVF) [6]

SVTH: Võ Thị Hoàng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

3


Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

Hình 1.2. Các sản phẩm của phản ứng este hóa của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH)
• Phản ứng ether hóa:

Khi nhiệt phân 5-HMF trong môi trường acid hoặc dung môi dimethylsulphoxide
(DMSO) sẽ tạo thành một số 5,5'- Diformylfurfuryl ether.
Tổng hợp các ether khác của 5-HMF như 5- (triphenylmethoxy) methylfurfural
được tạo thành trong phản ứng của 5-HMF với trityl cloride (C19H15Cl) trong pyridin
(C5H5N).
Với xúc tác acid, phản ứng của 5-HMF với rượu đơn giản cũng tạo thành ether
tương ứng.

SVTH: Võ Thị Hoàng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

4

Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

Hình 1.3. Các sản phẩm của phản ứng ether hóa của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH)
• Phản ứng halogen hóa [7]:

Các nhóm hydroxyl trong 5-HMF thay thế halogen rất dễ dàng để tạo thành 5Halomethyfurfurals như 5-Chloromethylfurfural (CMF) hoặc 5-Bromomethylfurfural
(BMF), là những hóa chất nền để tổng hợp 1 loạt các hóa chất và nhiên liệu lỏng[8].
Thu được 5-Chloromethylfurfural từ phản ứng của hydroclorua (HCl) với 5-HMF.
Tương tự như vậy, 5-Bromomethylfurfural được tổng hợp trong phản ứng với
hydrobromide (HBr).

Hình 1.4. Các sản phẩm của phản ứng halogen hóa của nhóm hydroxymethyl

SVTH: Võ Thị Hoàng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

5


Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

• Q trình oxy hóa:

5-HMF có thể bị oxy hóa với các chất oxy hóa khác nhau như crom trioxide trong
pyridin (C5H5N) hoặc anhydride acetide (CH3CO)2O trong DMSO để tạo thành

dialdehyde, là tiền chất cho việc tổng hợp các macrocycles phức tạp, oxo-porphirines,
bis alkenyl,…. [5]

Hình 1.5. Phản ứng OXH của nhóm hydroxymethyl (-CH2OH)
1.1.4.2. Phản ứng của nhóm andehyde (-CHO)
• Phản ứng khử:
2,5-Bis- (hydroxymethyl) furan là một hợp chất được ứng dụng trong các lĩnh vực
như trong chế tạo nhựa, polymer. Nó được tổng hợp bằng việc khử nhóm andehyde (CHO) của 5-HMF xúc tác bởi niken, đồng chromide , platin oxide, oxide coban hoặc
oxide molybden và amalgam natri [5]

Hình 1.6. Các sản phẩm của phản ứng khử của nhóm andehyde (-CHO)

SVTH: Võ Thị Hoàng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

6


Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

• Phản ứng ngưng tụ:
Sự ngưng tụ của 5-HMF với các dẫn xuất của amoniac (NH3) tạo thành các hợp
chất như oximes (1), phenylhydrazone (2), p-nitrophenylhydrazone (3), semioxamazone
(4) và semicarbazone (5).

Hình 1.7. Các sản phẩm của phản ứng ngưng tụ của nhóm andehyde (-CHO)
• Phản ứng OXH:
Nhóm andehyde (-CHO) trên 5-HMF có thể dễ dàng bị oxy hóa thành nhóm

carboxylic. 5-HMF bị OXH bởi oxit bạc (Ag2O) tạo thành acid 5-Hydroxymethyl-2furancarboxylic. 5-HMF phản ứng với acid nitric (HNO3) tạo thành diacid và acid 5Formyl-2-furancarboxylic với hiệu suất cao. Các acid này là những tiền chất của nhiều
loại dược phẩm khác nhau và các diacid được ứng dụng rộng rãi để tổng hợp các
polyester, poly amid trong công nghiệp vật liệu,… [5].

SVTH: Võ Thị Hoàng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

7


Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

Hình 1.8. Các sản phẩm của phản ứng OXH của nhóm andehyde (-CHO)
1.1.4.3. Phản ứng polyme hóa [2, 5]
Tùy thuộc vào pH mà 5-HMF khi phản ứng với phenol sẽ tạo thành các sản phẩm
ngưng tụ hay nhựa. Các loại nhựa phản ứng với hexamethylenetetramine (aminof ORM)
với sự hình thành của chất kết dính sử dụng như chất làm dẻo. HMF tạo thành nhựa chịu
nhiệt khi phản ứng với p-toluenesulfonamide hoặc butanone. Phản ứng của HMF với
polyisocyanates cho polyure than, được sử dụng để sản xuất sợi không thể tan và khơng
hịa tan. Khi tinh bột được sử dụng như một chất ổn định trong tổng hợp nhựa phenolate,
sẽ hình thành HMF bằng việc phản ứng với phenol thơng qua các nhóm andehyde (CHO) và hydroxyl (CH2OH) của nó.

SVTH: Võ Thị Hoàng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

8

Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

Hình 1.9. Phản ứng polyme hóa của 5-HMF
1.1.4.4. Sự phân cắt vòng furan
Sự phân cắt của vòng furan xảy ra trong môi trường acid để tạo thành acid levulinic
(CH3C(O)CH2CH2CO2H), acid formic (HCOOH),… được ứng dụng trong sản xuất phụ
gia thực phẩm và các chất polymer khác nhau.

Hình 1.10. Phản ứng OXH vịng furan

SVTH: Võ Thị Hồng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

9


Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

1.1.5. Cơ chế tổng hợp 5-HMF từ sucrose [2]
Dựa trên các dữ liệu thực nghiệm, có 3 con đường tổng hợp 5-HMF chính [3].
Trong đó, cơ chế phổ biến nhất là sự tổng hợp trực tiếp 5-HMF dựa trên sự mất phân tử
nước của hexoses với xúc tác acid . . Khi đó, 3 phân tử nước được loại bỏ khỏi phân tử
đường. Ngồi 5-HMF cịn tạo ra nhiều sản phẩm phụ khác nhau [5]. Cơ chế của phản
ứng này là khá phức tạp, bao gồm một loạt các phản ứng phụ ảnh hưởng lớn đến hiệu
suất của quá trình chuyển hóa [2].

Hình 1.11. Cơ chế tổng hợp 5-HMF từ sucrose [2]
5-HMF được hình thành từ sự mất nước của monosaccharides như fructose hoặc
glucose (mất ba phân tử nước). Cả hai có thể được sử dụng như một chất nền chính
hoặc được thu từ sự thủy phân các disaccharides hay polysaccharides ( như sucrose,
SVTH: Võ Thị Hoàng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

10


Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

cellobiose, celllose,…) với các xúc tác enzyme, acid. Hầu hết các polysaccharides đều
nhạy cảm với acid và có thể được thủy phân thành đường đơn, sau đó được dùng như
một chất nền cho sự hình thành 5-HMF. Sự khử nước ở fructose diễn ra hiệu quả và
nhanh chóng hơn so với glucose [2].
Trong điều kiện acid, glucose có thể thực hiện chuyển hóa Lobry de BruynAlberda van Ekenstein để tạo thành fructose. Q trình đồng phân hóa diễn ra với sản
phẩm trung gian là 1,2-Enodiol.
- Khi 1,2-Endiol bị khử nước, sẽ tạo thành 3-Deoxy-2,3-diulose (7), đây là một sản
phẩm trung gian quan trọng cho nhiều phản ứng phụ. Khi khơng có mặt các hợp chất
khác, hợp chất (7) sẽ chịu sự khử nước lần thứ hai tạo thành dicarbonyl với liên kết đơi
tại vị trí C số 3 (8).
- Tiếp theo là một quá trình dẫn đến sự hình thành 5-Hydroxymethyl-2-formylo2-hydroxy-2,5-dihydrofuran (9).
Cuối cùng, 5-Hydroxymethyl-2-formylo-2-hydroxy-2,5-dihydrofuran (9) bị mất
một nước và tạo thành 5-HMF. [Antal và cộng sự, 1990], [2]
-

Hình 1.12 Chuyển hóa Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein [9]

Sự chuyển đổi fructose để tạo thành 5-HMF xảy ra trong ba bước khử nước riêng
biệt [10]:
- Giai đoạn đầu tiên của sự biến đổi là việc khử nước của vòng furanose tại C5 tạo
thành fructofuranosyl oxocation (3). Tiếp đến, fructofuranosyl oxocation (3) được loại
bỏ một proton dẫn đến sự hình thành của enol 2,5-Anhydro-D-mannose(4).
- Tiếp theo, một phân tử nước được giải phóng khỏi enol đóng liên kết đơi đầu tiên
trong vịng furan (5). Các nhóm carbonyl ở C5 tạo ra ở giai đoạn này.
- Giai đoạn thứ ba: Sự khử nước lần thứ 3 tạo ra cấu trúc cuối cùng của 5Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde

SVTH: Võ Thị Hoàng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

11


Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

Hình 1.13. Các giai đoạn mất nước của fructose

Hình 1.14. Quá trình thủy phân sucrose tạo thành glucose và fructose

Hình 1.15. Q trình chuyển hóa glucose thành 5-HMF

SVTH: Võ Thị Hoàng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

12

Nghiên cứu tối ưu hóa phản ứng chuyển hóa sucrose thành 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF)
bằng sự kết hợp của nhiệt và xúc tác HCl

1.1.6. Ứng dụng của 5-HMF
Trong những thế kỷ qua, tốc độ tăng trưởng và phát triển cả các nước trên thế giới
đang ngày càng tăng nhanh, kéo theo đó là sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch
(dầu mỏ, than đá,..). Trong khi đó, lượng dự trữ nguồn nhiên liệu hóa thạch đang có xu
hướng giảm dần, địi hỏi việc tăng cường những mối quan tâm tìm một nguồn năng
lượng thay thế. Việc sử dụng các dẫn xuất furanic như là vật liệu khởi đầu cho những
hợp chất hóa học mới dựa trên sinh khối đang thu hút nhiều sự quan tâm [11, 12]. Trong
đó, 5-Hydroxymethyl-2-furfuraldehyde (5-HMF) được coi là một hóa chất quan trọng
do có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
• Trong hóa chất nơng nghiệp:
Acid 5-Amino-levulinic và các dẫn xuất của nó là một chất diệt cỏ được tổng hợp
từ 5-HMF [3]. Phản ứng của 5-HMF với acetonitril trong xúc tác HCl, tạo ra sản phẩm
chống rầy gây hại trong nông nghiệp. 5- Propionoxymethylfurfural là một chất diệt nấm
được thu từ phản ứng acyl hóa của 5-HMF với propionic anhydride [3].
• Trong cơng nghiệp vật liệu :
5-HMF là cơ chất để sản xuất polymer, nhựa tái sinh, polyester,.... Các dẫn xuất
quan trọng của 5-HMF như 2,5-Bis (hydroxymethyl) -furan (BHMF), 5Hydroxymethyl-acid -2-furoic (HMFA) và acid 2,5-Dicarboxylic (FDCA) đã được
nghiên cứu rộng rãi cho việc sản xuất các polyeste furanoic. Một số dẫn xuất khác của
5-HMF cũng có nhiều ứng dụng quan trọng như [5- (aminomethyl) furan-2-yl] methanol
(AMFM); furan-2,5-diyldimethanamine (FDDMA); furan-2,5-dicarb-aldehyde
(FDCAL); 5,5 '- (oxydimethanediyl) difuran-2-carb- aldehyde (ODFCA),... [10].
• Trong cơng nghiệp thực phẩm :
Hợp chất 5-HMF có thể được sử dụng để tổng hợp các phụ gia thực phẩm như
alapyridaine, acid levulinic, acid fomic, ... [13]. Hơn thế nữa, 5-HMF là hợp chất có khả
năng ức chế sự phát triển của nấm men và vi khuẩn, vì vậy được sử dụng để bảo quản

thực phẩm lên men [14].
Ngồi ra, 5-HMF cịn được sử dụng để điều chế các hợp chất tăng cường hương vị
như các hợp chất tăng vị ngọt (S)-alapyridainen được điều chế từ 5-HMF và alanine.
Các hợp chất pyridinium tương tự cũng được tạo ra bởi phản ứng giữa 5-HMF và
methylamine, 1-proplamin, glycine,  - alanine,  - aminobutyric acid và N – acetyl –
lysine [3].

SVTH: Võ Thị Hoàng Yến

GVHD: ThS. Bùi Viết Cường

13