四氢呋喃-2,5-二甲醛(二甲酰-四氢呋喃,dfthf)以及用于制造其的方法
【专利说明】四氢呋喃-2, 5-二甲醛（二甲酿-四氢呋喃，DFTHF)以及 用于制造其的方法
[0001] 优先权声明
[0002] 本申请要求于2013年6月28日提交的美国临时申请号61/840, 896优先权的权 益，该申请的内容结合在此。
技术领域
[0003] 本发明涉及呋喃甲醛分子，涉及制备此类分子的具体方法，涉及从此类分子制得 的某些衍生化合物或材料，以及制得某些衍生化合物的方法。
[0004] 背景
[0005] 近年来，因为生物质的丰富、可再生性、以及全世界范围内分布，越来越多的努力 致力于寻找利用生物质作为原料用于生产有机化学品的方法。当考虑到可能的下游化学处 理技术时，糖转化为增值化学品是非常重要的。近来，因为它有助于实现可持续能源供应 和化学品生产的主要途径，所以从糖生产呋喃衍生物在化学和催化研究中已经变得激动人 心。
[0006] 环状的双功能材料通常被用作聚合物合成中的单体以及作为中间体。由于这些 双功能材料目前源自日益稀缺的并昂贵的石油来源，基于可再生来源的替代品已在近年来 具有越来越大的兴趣。生物质包含可以转化为增值产品的碳水化合物或糖（即，己糖和戊 糖）。非食物用途的生物质衍生产品的生产是一个不断壮大的行业。基于生物的燃料是一 个越来越感兴趣的应用的实例。另一个感兴趣的应用是从可再生烃源使用生物质作为原料 用于合成各种化工原料。
[0007] 碳水化合物代表最丰富的生物学上衍生的或可再生的来源原料用于生产类此可 替代材料，但是碳水化合物容易烧焦并且通常不适于在形成和加工所得聚合物组合物中遇 到的高温。此外，与具有低官能度的基于石油的疏水性脂肪族的或芳香族的原料相比，碳水 化合物例如多糖类是复杂的，超过了功能化的亲水性材料。
[0008] 因此，研究人员已经试图生产基于生物的材料，这些材料源自碳水化合物但是更 低度功能化，例如，2, 5-呋喃二甲酸（FDCA)、块茎糖酸和异山梨醇，这些碳水化合物可以作 为单体以及共聚单体或在有用的基于生物的单体或共聚单体的合成中作为中间体。
[0009] 作为容易从可再生资源制得的另一种重要的中间体物质，尤其是碳水化合物， 2,5-(羟甲基）呋喃甲醛（HMF，还称2,5-(羟甲基）-糠醛）是一种可再生的、基于单糖的 结构单元。
[0010]
[0011] HMF是一种用于形成各种呋喃环衍生物的适合的起始材料，这些衍生物是用于各 种化学合成的已知中间体，并且作为通常源自石油来源的基于苯的化合物的潜在替代物。 由于其多种功能，已经提出可以利用HMF来生产各式各样的产品例如聚合物、溶剂、表面活 性剂、药物、和植物保护剂。作为取代基，可以将HMF的衍生物与具有对应基于苯的环的化 学品相比较，或者与包含呋喃或四氢呋喃的其他化合物相比较。因此，HMF和2, 5-双取代 的呋喃以及四氢呋喃衍生物在来自可再生农业资源的中间体化学品领域中具有较大潜力。 然而，为了与基于石油的衍生物竞争，来自常见农业资源材料例如糖的HMF衍生物的制备 必须是经济的。
[0012] THF-二醇、或2, 5-双（羟甲基）四氢呋喃是感兴趣的基于生物的材料的另一个 实例。然而，在数量上参考文献相对较少。这可能部分因为在商业规模数量上（从该商业 规模数量上制备THF-二醇和THF-二醇的衍生物）HMF的数据不可用，尽管已经长时间进行 努力来开发用于制得HMF的有效的方法，参见美国专利申请公开号2009/0156841，桑伯恩 (Sanborn)等人。多年来，研究人员已经开发出借助HMF的还原将HMF转化到更容易使用 的化合物例如2, 5-双-(羟甲基）-四氢呋喃（THF-二醇）中的方法。典型地，使用拉尼镍 还原制备THF-二醇。此方法的改进是使用镍和锆催化剂体系制备的方法，如在美国专利号 7, 393, 963B2,桑伯恩（Sanborn)等人中所述，通过引用以其内容结合在此。
[0013]THF-二醇是一种少见但通用的有机化合物，该有机化合物作为起始材料用于增 塑剂、树脂、表面活性剂、药物和农药的各种合成具有较大潜力。由于来自两个-0H基团的 THF-二醇的双功能反应性，可以将THF-二醇用作聚合物（例如聚氨基甲酸酯（预聚合物、 铸塑弹性体、热塑性弹性体、反应注射成型和纤维如氨纶）、聚对苯二甲酸丁二酯（PBT)、同 聚物和共聚物的大家族、以及共聚酯-醚热塑性弹性体）领域中的前体材料。
[0014] 保证了利用基于生物的原料材料的更好并更容易的方法。本发明可以提供一种 可以轻易从HMF通过THF-二醇衍生出二甲酰基四氢呋喃（DFTHF)的途径。因为DFTHF 与另一种HMF衍生的分子实体，2, 5-二甲酰基呋喃（DFF)，在结构上类似，该分子实体非 常明确作为基于咲喃的聚合物和其他材料的单体（参见例如，（Partenheimer)等人，高 级合成与催化（Adv.Synth.Catal. )2001, 343, 102-111;甘迪尼（Gandini)等人，国际聚 合物（Polym.Int.) 1998, 4, 987 ;鲍姆嘉通（Baumtarden)等人，欧洲化学期刊（0^11^证· J.) 1998, 4, 987,（Xiang)等人，国际聚合物（Polym.Int. )2013)，此途径可以打开一种解决 从基于生物材料制得有用化合物的需求的方法，该方法将在不断增长的、基于生物的"绿 色"化学品工业中受到欢迎。
[0015] 本发明的概述
[0016] 本披露内容部分涉及用于从四氢呋喃（THF)-二醇或5_(羟甲基）_糠醛（HMF)制 备2, 5-二甲酰基四氢呋喃（DFTHF)的方法。根据第一实施例，该方法涉及提供包含THF-二 醇和惰性有机溶剂的反应混合物；在高达约50°C的反应温度下，将THF-二醇与氧化剂反 应，以产生THF-2, 5-二醛。该反应可以在非惰性气氛如空气中进行。该氧化剂展现出与伯 醇部分的选择反应性。该氧化剂不与大气氧或水蒸汽反应，并且抑制所得的THF-2, 5-二醛 的进一步氧化。在另一个实施例中，该方法包括在根据以上反应的选择性氧化之前的还原 步骤中首先将HMF转化为THF-二醇。
[0017] 在另一个方面中，本披露内容涉及通过上述方法生产的二甲酰基四氢呋喃 (DFTHF)。THF-2, 5-二甲醛是以至少60 %的反应产率进行生产的，并且在从副产物中分 离THF-2, 5-二甲醛之后，是以至少50%的分离收率。在所得的混合物中THF-二醇和THF-2, 5-二甲醛以顺式：反式非对映异构体的90:10的比率存在。
[0018] 在另一个方面中，本披露内容描述了各种衍生化合物，这些衍生化合物可以根据 可供用于有机合成的各种化学反应从作为起始或前体材料的THF-2, 5-二甲醛制成。此类 衍生材料可以被用做现有化合物的取代基或各种应用中新的化学结构单元。
[0019] 将在以下详述中披露本合成方法和材料化合物的另外特征和优点。应理解的是上 述概述以及以下详细说明和实例都仅代表本发明，并且旨在提供理解如权利要求所述的本 发明的概述。
[0020] 发明详述
[0021] 部分I-描述
[0022] 当进行将THF-二醇完全氧化成羧酸时，第一阶段氧化产物是THF二甲醛。THF二 甲醛是一种对各种后续修饰开放的通用的化合物。THF-二甲醛可以打开使得更有效或更容 易并更好使用HMF和/或THF-二醇作为起始材料并且使得更方便化学合成的途径。本发 明能赋予一种使THF-二醇成为能够转化为众多呋喃衍生化合物的前体材料的单步转化方 法。
[0023] 相对于异己糖醇或其他基于生物的不对称的二醇，THF-二甲醛的明显的并有利的 特征是关于呋喃氧的固定手性中心，该手性中心消除了反转构型的可能性。因为衍生物化 学将发生在羰基部分，所以在α位的固定的手性中心没有经历倒置或反应。固定立体化学 是在合成应用中用于官能控制的所希望的特征。因此，THF-二甲醛被用作多种潜在化合物 的前体化学材料，包括例如：药物或药学前体化合物、聚合物或塑料、有机酸、溶剂、流变学 调节剂（例如，表面活性剂、分散剂）、等等。
[0024]A.THF-二甲醛的制备
[0025] 本发明部分涉及制造四氢呋喃-(THF)_2, 5-二甲醛的方法。该方法可以使用HMF 或THF-二醇作为起始材料。在一个实施例中，该方法涉及：提供包含THF-二醇和惰性有机 溶剂的反应混合物，在约l〇°C至约50°C之间的反应温度下，在非惰性气氛中，将THF-二醇 与氧化剂进行反应。
[0026] 在某些实施例中，该THF-二醇可以希望地衍生化为HMF的还原产物。当从HMF制 得时，能够实现顺式种类超过反式种类的主要的非对映异构体比例。可以产生约THF-二醇 分子的顺式：反式混合物的90:10比例。相比之下，当THF-二醇是从石油化学的来源制得 时，该顺式：反式分子是处于外消旋混合物（50:50)。本方法的该特征允许在THF-二甲醛 分子的反应性部分的手性中的选择性提高。因此，使用HMF作为起始碳来源的优点是因为 较高纯度产物的顺式种类的优势，在衍生化THF-二甲醛后具有更容易分离的可能性。
[0027] 因为，如上文所述，在氧化THF-二醇之前，通过还原进行将HMF转化为THF-二醇 的初步操作。因为醛基基团一般在任何还原条件下将会比芳香族双键更容易还原，所以由 于HMF环状结构中的双键，直接从HMF产生THF-二甲醛是不可能的。因此，如方案1所示， 为了产生THF-二甲醛，需要首先将HMF完全还原为THF-二醇，并且然后有选择地