本發(fā)明涉及通過選擇性催化脫羥基反應(yīng)由醛糖二酸制備糖酸平臺(tái)化學(xué)品。特別地，本發(fā)明涉及粘康酸和呋喃的制備，所述粘康酸和呋喃是制備各種各樣的工業(yè)上重要的化學(xué)品和藥物結(jié)構(gòu)單元的重要中間體。

背景技術(shù)：

最近，纖維素生物質(zhì)作為化學(xué)品和燃料的可再生原料備受關(guān)注。工業(yè)相關(guān)的化合物通常是通過原油衍生工藝或采用生物技術(shù)例如發(fā)酵來制備。該領(lǐng)域一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是生物化合物通常太過富氧以至于不能與當(dāng)前的石油基工業(yè)相容。對有效脫氧(deoxygenation)方法的研究導(dǎo)致對催化脫氧脫水(deoxydehydration)(DODH)方法的日益增長的興趣，以便將生物基資源選擇性地轉(zhuǎn)化為目標(biāo)化學(xué)品。

在現(xiàn)有技術(shù)中，Rennovia(WO 2010/144862 A2)描述了一種將葡萄糖轉(zhuǎn)化為己二酸產(chǎn)品的方法，通過催化氧化反應(yīng)(葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡糖二酸)和通過使用加氫脫氧催化劑、鹵素源和H₂的催化加氫脫氧反應(yīng)(catalytic hydrodeoxygenation)(葡糖二酸轉(zhuǎn)化為己二酸)。

Shiramizu和Toste(2013)描述了通過使用DODH和加氫反應(yīng)將粘酸轉(zhuǎn)化為己二酸酯的適度的轉(zhuǎn)化(43-94％)。根據(jù)Shiramizu和Toste的粘康酸制備中的缺點(diǎn)之一是所用的3-戊醇或1-丁醇的顯著的化學(xué)計(jì)量的犧牲(每摩爾的粘康酸產(chǎn)品耗費(fèi)2-4摩爾醇)。因此，粘康酸制備中的缺點(diǎn)之一是所用的3-戊醇或1-丁醇的顯著的化學(xué)計(jì)量的犧牲。粘康酸的合成使用高溫(155℃)。該方法還使用化石戊醇代替可再生醇，例如甲醇。此外，作為還原劑的戊醇產(chǎn)生了4摩爾當(dāng)量的作為副產(chǎn)物的氧化戊醇。

Li等人(2014)描述了通過DODH反應(yīng)將粘酸轉(zhuǎn)化為粘康酸的甚至更有效的轉(zhuǎn)化(高達(dá)99％)，其通過氧化錸(oxorhenium)復(fù)合物來催化。通過結(jié)合DODH和轉(zhuǎn)移氫化反應(yīng)(transfer-hydrogenation reaction)，粘酸可以被成功地轉(zhuǎn)化為己二酸。Li等人在他們的反應(yīng)中除了催化劑外使用了化石戊醇和酸。Shiramizu&Toste和Li等人都描述了甲基三氧化錸(methyltrioxorhenium)作為催化劑和3-戊醇(或1-丁醇)作為還原劑的使用，反應(yīng)溫度從120℃至170℃變化。

呋喃化學(xué)品也可以通過醛糖二酸的脫羥基反應(yīng)制備。然而，當(dāng)前的方法使用強(qiáng)無機(jī)酸作為試劑，并且反應(yīng)時(shí)間長，長達(dá)40小時(shí)(FR2723945，Taguchi et al.，2008)。

Ahmad等人(2011)描述了通過亞硫酸鹽驅(qū)動(dòng)的氧化錸催化的乙二醇的脫氧脫水反應(yīng)制備烯烴。使用固體還原劑，其產(chǎn)生固體廢物材料。氫被提及為一種經(jīng)濟(jì)上可行的還原劑，但是這僅用四氫呋喃示出。Ahmad等人沒有描述通過使用相同的方法設(shè)置并且僅改變溫度能夠制備呋喃或粘康酸的方法。

眾所周知，原油是有限但必不可少的資源。另一方面，醛糖二酸，例如半乳糖酸，可以由果膠和其它不可食用的碳水化合物產(chǎn)生。通過將醛糖二酸轉(zhuǎn)化成粘康酸和/或呋喃，打開了允許從生物基資源制備多種化合物的一扇門，否則其將由原油原料制備。因此，需要一種避免有限資源的使用并且替代地使用有利的技術(shù)，利用有機(jī)合成和催化劑工具并且允許所需的化學(xué)品的容易的可擴(kuò)展性、選擇性和即時(shí)純化的環(huán)保方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是通過環(huán)境友好的方法由醛糖二酸制備粘康酸和呋喃化學(xué)品。

此外，本發(fā)明描述了通過使用有機(jī)合成和催化工具、特別是催化脫羥基反應(yīng)將醛糖二酸例如半乳糖二酸和葡糖二酸轉(zhuǎn)化為粘康酸和呋喃的選擇性方法。

更確切地說，本發(fā)明的方法的特征在于權(quán)利要求1的特征部分中公開的內(nèi)容。本發(fā)明的用途的特征在于權(quán)利要求17和18。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括將不可食用的碳水化合物轉(zhuǎn)化為中間體，其可用于工業(yè)上重要的化學(xué)品和藥物結(jié)構(gòu)單元的制備。此外，本發(fā)明所述的方法允許所獲得的產(chǎn)物的容易的可擴(kuò)展性和純化。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該方法是環(huán)保的，并且?guī)淼湍芰肯?基于例如反應(yīng)溫度和時(shí)間)和低廢物產(chǎn)生(基于例如H₂還原劑)。

下面參考某些實(shí)施例更密切地描述本發(fā)明。

附圖說明

圖1描述了通過錸催化的脫羥基反應(yīng)的從半乳糖二酸到粘康酸和呋喃的兩種溫度控制路線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及糖酸平臺(tái)化學(xué)品的制備，更準(zhǔn)確地是通過選擇性催化脫羥基反應(yīng)從醛糖二酸到粘康酸和呋喃例如糠酸和呋喃二甲酸的制備。

醛糖二酸是糖酸族，其中糖的末端羥基已被末端羧酸取代，并且其具有化學(xué)式HOOC-(CHOH)_n-COOH的特征。醛糖二酸的命名法是基于它們衍生的糖。例如，葡萄糖被氧化成葡糖二酸，半乳糖被氧化成半乳糖酸和木糖被氧化成木糖酸。與其母體糖不同，醛糖二酸在其碳鏈的兩端具有相同的官能團(tuán)。因此，兩種不同的醛糖二酸可制備相同的粘康酸。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述方法包括在過渡金屬催化劑的存在下，于加壓容器中將醛糖二酸、溶劑和還原劑加熱至90至300℃的溫度反應(yīng)預(yù)定的反應(yīng)時(shí)間并純化所得的一種或多種產(chǎn)物。

特別地，所述方法包括醛糖二酸的選擇性催化脫羥基反應(yīng)，其中催化選擇性地指向粘康酸通過使用90至150℃的催化溫度，例如100至120℃，優(yōu)選約100℃。另一方面，所述催化可以選擇性地指向呋喃通過使用150至300℃的催化溫度，例如150至250℃，優(yōu)選約200℃。然而，所有II至IX的化合物也能在120至150℃的溫度下制備。反應(yīng)溫度可以基于目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行選擇和調(diào)節(jié)，如在下面的實(shí)施例中所描述的。反應(yīng)通常從半乳糖酸開始，但也可以使用其他的醛糖二酸，例如葡糖二酸。

如前所述，本發(fā)明的催化可以僅通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度和時(shí)間選擇性地指向粘康酸路線或呋喃路線。這種令人驚訝的和有利的發(fā)現(xiàn)在本領(lǐng)域中尚未公開。

本發(fā)明一個(gè)重要的方面是選擇催化劑、溶劑和還原劑的有效的和功能的組合?，F(xiàn)有技術(shù)的早期嘗試不能促進(jìn)將低級(即短)醇如甲醇、乙醇和正丁醇用于還原步驟。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)設(shè)法開發(fā)向所需的終產(chǎn)品提供優(yōu)異結(jié)果的組合。因此，這種組合的一個(gè)實(shí)例是使用甲基三氧化錸催化劑以及低級醇如甲醇作為溶劑以及氫氣作為還原劑。當(dāng)使用半乳糖二酸作為醛糖二酸并且如本文所述的催化劑/還原劑/溶劑組合時(shí)，從粘康酸路線獲得的產(chǎn)物包含粘康酸(MA)和粘康酸甲酯(MAME)。因此，呋喃路線提供了諸如糠酸(FCA)、糠酸甲酯(FCAME)、呋喃二甲酸(FDCA)和呋喃二甲酸甲酯(FDCAME)的產(chǎn)物。

然而，也可以使用除錸之外的其它過渡金屬催化劑，例如鉬、釩和鈀催化劑。

使用上述組合的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是氫帶來作為副產(chǎn)物的H₂O，因此僅留下醇溶劑，例如甲醇，其在純化步驟中易于洗滌或蒸餾。氫也可以再循環(huán)并且比其它現(xiàn)有技術(shù)的還原劑例如1-丁醇更便宜。除了醇之外的其它還原劑在純化步驟中也是有問題的，并且必須物理除去。因此，該方法特別地環(huán)保并且僅產(chǎn)生少量的廢物。

與能量消耗保持低的現(xiàn)有技術(shù)方法相比，本發(fā)明所述的方法還能夠在更低的溫度下進(jìn)行。關(guān)于前述，反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為1分鐘至70小時(shí)，優(yōu)選1至2小時(shí)，特別是1至60分鐘，使得該方法更加能量有效。然而，反應(yīng)時(shí)間取決于目標(biāo)產(chǎn)物。通常更長的時(shí)間(例如48至70小時(shí))對于獲得MA/MAME是必需的，較短的時(shí)間(1分鐘至60分鐘，優(yōu)選1分鐘至10分鐘)可適用于制備呋喃產(chǎn)品。

所制備的產(chǎn)物的純化包括過濾任何固體沉淀物，用醇洗滌沉淀物并干燥洗滌的產(chǎn)物，例如通過蒸發(fā)。隨后蒸發(fā)含有本發(fā)明所需產(chǎn)物的有機(jī)相，然后通過例如二氧化硅柱色譜法純化。結(jié)果通過本領(lǐng)域通常公知的進(jìn)一步分析方法證實(shí)。

通過以下非限制性實(shí)施例說明本發(fā)明。然而，應(yīng)當(dāng)理解，以上的描述和實(shí)施例中給出的實(shí)施方式僅用于說明目的，并且在權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以進(jìn)行各種改變和修改。

實(shí)施例

以下實(shí)施例的相關(guān)化合物的編號和結(jié)構(gòu)式：

半乳糖二酸(I)

2,4-己二酸(2E,4E)(II)

2,4-己二酸1,6-二甲酯(2E,4E)(III)

2-呋喃甲酸(IV)

2-呋喃甲酸甲酯(V)

2,5-呋喃二甲酸(VI)

2,5-呋喃二甲酸2,5-二甲酯(VII)

2,4-己二酸1,6-二乙酯(2E,4E)(VIII)

2,4-己二酸1,6-二丁酯(2E,4E)(IX)

通用方法

反應(yīng)在25ml聚四氟乙烯涂覆的壓力容器中進(jìn)行。使用對每種產(chǎn)物化合物進(jìn)行外部校準(zhǔn)的GC-FID測定產(chǎn)物產(chǎn)率。使用相應(yīng)羧酸的標(biāo)準(zhǔn)酯化方法產(chǎn)生用于校準(zhǔn)的酯標(biāo)準(zhǔn)。使用GC-MS和NMR分析證實(shí)結(jié)果。

實(shí)施例1 用于化合物II-VII的制備的半乳糖二酸(I)的催化脫羥基反應(yīng)

將半乳糖二酸(1.0g，4.76mmol)、甲基三氧化錸(0.12g，0.47mmol，10mol％)和甲醇(10ml)裝入反應(yīng)容器中。將反應(yīng)容器用氫氣加壓并加熱至反應(yīng)溫度(表1)。在指定的反應(yīng)時(shí)間后，將混合物冷卻至室溫，過濾任何固體沉淀，用甲醇(5ml)洗滌并干燥。在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮溶劑級分。通過快速硅膠柱色譜法純化。使用GC-FID、GC-MS和NMR分析不同的級分。

表1.半乳糖二酸和MTO/MeOH的實(shí)驗(yàn)

實(shí)施例2 用于化合物VIII的制備的半乳糖二酸(I)的催化脫羥基反應(yīng)

將半乳糖二酸(1.0g，4.76mmol)，甲基三氧化錸(0.12g，0.47mmol，10mol％)和乙醇(10ml)裝入反應(yīng)容器中。將反應(yīng)容器用氫氣加壓并加熱至反應(yīng)溫度(表2)。在指定的反應(yīng)時(shí)間后，將混合物冷卻至室溫，過濾任何固體沉淀，用甲醇(5ml)洗滌并干燥。在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮溶劑級分。使用GC-FID和GC-MS分析不同的級分。

表2.半乳糖二酸和MTO/MeOH的實(shí)驗(yàn)

實(shí)施例3用于化合物IX的制備的半乳糖二酸(I)的催化脫羥基反應(yīng)

將半乳糖二酸(1.0g，4.76mmol)，甲基三氧化錸(0.12g，0.47mmol，10mol％)和1-丁醇(10ml)裝入反應(yīng)容器中。用氫氣加壓反應(yīng)容器并加熱至反應(yīng)溫度(表3)。在指定的反應(yīng)時(shí)間后，將混合物冷卻至室溫，過濾任何固體沉淀，用丁醇(5ml)洗滌并干燥。在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中濃縮溶劑級分。使用GC-FID和GC-MS分析不同的級分。

表3.半乳糖二酸和MTO/MeOH的實(shí)驗(yàn)

實(shí)施例4來自反應(yīng)#1的粘酸甲酯的純化

濃縮溶劑級分后得到紫色粉末(528mg)，將其溶于丙酮(10g)中，然后加入硅膠(1g)中。然后將其蒸發(fā)成粉末，并用溶劑10％乙酸乙酯/90％己烷從閃蒸柱(11cm硅膠)洗脫。從產(chǎn)物級分中除去溶劑，得到化合物III，為白色粉末，110.4mg，產(chǎn)率8.2％。¹H NMR(D6-DMSO)3.70(6H,s,CH₃)、6.49(2H,d,J 13.95烯烴H)、7.40(2H,d,J 13.95,烯烴H)。¹³C NMR(D6-DMSO)165、141、128、51。GC-MS m/z 170。

引文列表–專利文獻(xiàn)

1.WO 2010/144862 A2

2.FR2723945

引文列表–非專利文獻(xiàn)

1.Shiramizu,M.and Toste,F.D.,2013,Expanding the Scope of Biomass-derived Chemicals through Tandem Reactions Based on Oxorhenium-Catalyzed Deoxydehydration,Angew.Chem.Int.,Vol 52,pp.12905-12909,DOI:10.1002/anie.201307564.

2.Li,X.,Wu,D.,Lu,T.,Yi,G.,Su,H.and Zhang,Y.,2014,Highly Efficient Chemical Process to Convert Mucic Acid into Adipic Acid and DFT Studies of the Mechanism of the Rhenium-Catalyzed Deoxydehydration,Angew.Chem.,Vol 126,pp.1-6,DOI:10/1002/ange.201310991.

3.Taguchi,Y.,Oishi,A.,Iida,H.,2008,One-step Synthesis of Dibutyl Furandicarboxylates from Galactaric Acid,Chem.Lett.,Vol 37,pp.50-51,DOI:10.1246/cl.2008.50.

4.Ahmad,I.,Chapman,G.,Nicholas,K.M.,2011,Sulfite-Driven,Oxorhenium-Catalyzed Dehydroxylation of Glycols,Organometallics,Vol 30,pp.2810-2818.