专利名称：碳水化合物向羟甲基糠醛(hmf)及衍生物的转化的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于从诸如果糖或高果糖玉米糖浆(HFCS)的己糖碳水化合物原料合 成并回收基本上纯的HMF及其衍生物的工艺。更具体地，HMF及其衍生物通过碳水化合物 与诸如固相催化剂的强酸阳离子交换树脂接触而合成、分离和回收。背景在果糖的酸催化脱水中的主要产物是2-羟甲基-5-糠醛，还被称为羟甲基糠醛 (HMF)。HMF的结构如下所示 羟甲基糠醛HMF表示从诸如碳水化合物的可再生的源易于得到的一种关键中间体物质，并且 是用于形成多种呋喃单体的合适的起始源(starting source)，所述呋喃单体用于制备 非石油衍生的聚合材料。虽然不受理论束缚，但通常相信果糖通过无环的途径(acyclic pathway)转化为HMF，尽管也存在通过环状的呋喃果糖基(fructofuransyl)中间体途径转 化为HMF的证据。不管HMF形成的机理，在反应过程中形成的中间体物质可能依次经受更 多的反应，例如缩合、再水合、返硫(reversion)及其他重排，导致过多不需要的副产物。以 下是提出的一种用于将果糖转化为HMF的途径 HMF和2，5-二取代的呋喃衍生物在来自再生资源的中间化学品领域中具有巨大 潜力。由于其多种官能性，已提出HMF可用于生产多种产物如聚合物、溶剂、表面活性剂、药 物和植物保护剂，并已报导HMF具有抗菌性和抗腐蚀性。HMF在多种化合物的合成中还是作 为起始物料或中间体的关键组分，所述多种化合物例如糠二醇(furfuryl dialcohol)、二 醛、酯、醚、卤化物和羧酸。此外，HMF具有作为生物燃料的巨大潜力，所述生物燃料是源自生物质的燃料并被 视为对化石燃料的有前景的替代物。HMF目前还处于用于治疗镰状细胞贫血的研究中。简 言之，HMF是重要的化合物，并且大规模生产不含显著量的杂质、副产物和残留的起始物料 的HMF的合成方法已经被探索了近一个世纪。HMF是用于形成多种呋喃单体的合适的起始源，所述呋喃单体用于制备非石油衍 生的聚合材料。呋喃是5元杂环有机化合物。HMF和2，5-二取代的呋喃衍生物在来自再生 资源的中间化学品领域中具有巨大潜力。由于其多种官能性，已提出HMF可用于生产多种 产物如聚合物、溶剂、表面活性剂、药物和植物保护剂，并已报导HMF具有抗菌性和抗腐蚀 性。虽然HFM的制备方法许多年来是已知的，但仍需找到提供具有良好选择性且以高 产量(yield)的HMF的方法。由HMF的再水合产生复杂因素，这导致诸如乙酰丙酸和甲酸 的副产物。另一不需要的副反应包括HMF和/或果糖的聚合，这导致是固体废物的胡敏素 聚合物。进一步的复杂因素可由溶剂选择产生。水是易于处置的，且可溶解果糖，但不幸的是，低选择性和聚合物与胡敏素的更多形成在含水条件下被增强。诸如淀粉、纤维素、蔗糖或菊粉的农业原料是用于制备诸如葡萄糖和果糖的己糖 的便宜的起始物料。如上所述，这些己糖又可被转化为HMF。糖脱水而产生HMF是众所周 知的。HMF最初在1895年由Dull从左旋糖(Chem. Ztg. ,19,216)和由Kiermayer从蔗糖 (Chem. Ztg.，19，1003)而制备。然而，由于起始物料至产物的低转化率，这些最初的合成不 是用于生产HMF的实用方法。用于制备HMF的常用催化剂包括便宜的无机酸，例如H2S04、H3P04和HCl。这些酸 催化剂在溶液中使用且难以再生。为了避免再生和处置问题，已使用了固体磺酸催化剂。不 幸的是，由于在固体酸性树脂的表面上形成降低活性的胡敏素聚合物，该树脂的有效性受 到限制。还已经证明HMF的纯化是麻烦的操作。在长时间暴露于所期望的产物可被蒸馏的 温度时，HMF和与合成混合物相关的杂质易于形成焦油状降解产物。因为这种热不稳定性， 必须使用降膜真空蒸馏釜。即使在这样的设备中，在加热表面上形成树脂状固体，导致转子 的失速和频繁的停机时间，使操作效率低。已进行的现有技术采用蒸馏和添加诸如PEG-600 的非挥发性溶剂以防止固体胡敏素聚合物的累积(Cope，美国专利第2，917，520号)。不幸 的是，使用聚乙二醇类导致HMF-PEG醚的形成。现有技术的工艺还不能提供可经济地进行的用于生产HMF的方法。例如，Besemer 等人 Netherlands Organ. App 1. Sci. Res. Nutr. . Food Res.，描述了 HMF 酯的酶促合成。该 工艺需要使用昂贵的酶并因此不能提供经济上可行的合成HMF酯的途径。Garber等人，加拿大专利第654240号，描述了使用过量的酐和吡啶溶剂从HMF合 成2，5_四氢呋喃二甲醇单酯。使用二乙醚中的阮内镍催化剂进行还原反应。然而，该参考 文献未公开从果糖或使用羧酸来合成HMF酯。此外，除去阮内镍催化剂是危险的并且处理 该催化剂的成本可能会是难以承担的。部分涉及用于从天然资源合成与回收HMF的色谱工艺的本公开解决并消除了这 些问题并且提供了高纯度的产物。除了 HMF，研究已经扩展到包括多种HMF衍生物的合成 和纯化。特别感兴趣的衍生物包括HMF的酯以及HMF的氧化形式(2，5- 二甲酰基呋喃、2， 5_呋喃二甲酸和酸酯)和还原形式(呋喃_2，5-二甲醇和四氢呋喃二醇)。酯是更稳定的 并能够被容易地分离，潜在地使它们比HMF自身还更有用。本公开概述为了解决上述问题，本公开提供了通过使碳水化合物源与固相催化剂接触而从碳 水化合物源生产基本上纯的HMF、HMF酯或HMF醚的方法。在本公开中，基本上纯的是指HMF 的纯度为约70%或更高，任选地约80%或更高，或约90%或更高。本公开还提供了从碳水化合物源和有机酸生产HMF酯的方法。在一个实施方案 中，将碳水化合物起始物料与溶剂在柱中一起加热并在有机酸存在下连续流过固相催化剂 以形成HMF酯。通过旋转蒸发除去溶剂以提供基本上纯的HMF酯。在另一实施方案中，将 碳水化合物与有机酸和在溶液中的固相催化剂一起加热以形成HMF酯。然后所得HMF酯可 通过过滤、蒸发、萃取和蒸馏或其任何组合而纯化。在另一实施方案中，提供了用于通过在压力下使HMF酯与有机酸、醋酸钴、醋酸锰 和溴化钠合并而将HMF酯氧化为2，5-呋喃二甲酸(FDCA)并在过滤和蒸发后获得基本上纯的FDCA的方法。在另一实施方案中，提供了通过在压力和加热下添加醋酸钴、醋酸锰和溴化钠而 将HMF和HMF酯的反应混合物氧化为FDCA并在过滤和蒸发后分离FDCA的方法。在可选择的实施方案中，提供了通过在压力、加热、过滤和蒸发下添加诸如乙醇的 醇、还原剂而还原HMF酯的方法。如本文所述的方法的优势是碳水化合物向HMF-酯和衍生物的高转化率。这产生 HMF的更稳定的形式和原料的更低成本。在另一实施方案中，提供了用于从柠檬酸源和醇生产柠檬酸酯的方法。在色谱柱 上，在催化剂存在下将柠檬酸用醇酯化以生产柠檬酸三烷基酯或柠檬酸的单酯和柠檬酸的 二酯。在可选择的实施方案中，主要含有柠檬酸和残余微生物以及发酵副产物的发酵液用 于产生柠檬酸三烷基酯或柠檬酸的单酯和柠檬酸的二酯。在另一实施方案中，所述单酯和 二酯通过催化剂和柱再循环以产生所述三酯。在又一实施方案中，提供了经过中间体HMF酯的脱酰而制备HMF的方法。在本方法 的一个实施方案中，在有机酸和催化剂存在下使果糖脱水并经色谱柱分离而生产HMF酯。 在可选择的实施方案中，采用固相催化剂，在色谱柱中使HMF酯脱去酰基。可选择地，使用 金属醇盐进行HMF酯的脱酰和分离。在另一实施方案中，提供了用于通过在高温下使碳水化合物混合物在存在或不存 在有机酸下与固相催化剂接触而合成乙酰丙酸或乙酰丙酸酯的方法。比HMF更稳定的HMF 醚和/或乙酰丙酸酯可通过本工艺使用醇溶剂而合成并纯化。本文所述的方法的优势是碳 水化合物向基本上纯的HMF、HMF酯和其他HMF衍生物的高转化率。附图简述
图1说明了常规高压釜反应器；图2说明了使用高压釜反应器的常规方法中AcHMF的转化分数；图3说明了根据本申请的实施方案的AcHMF的转化分数；图4说明了使用根据本申请的实施方案的脉冲树脂试验(pulse resintest)的产 物的图；以及图5说明了根据本申请的实施方案的色谱图。图6是显示基本上纯的4-乙酰氧基甲基糠醛(AcHMF)的1H NMR分析图。图7是显示基本上纯的5-丙酰氧基甲基糠醛(5-propionoxymethylfurfual)的 1H NMR分析图。图8是显示基本上纯的2，5- 二甲酰基呋喃、2，5_呋喃二甲酸(FDCA)的1H NMR分 析图。图9是显示根据实施例1从果糖形成5-乙酰氧基甲基糠醛(AcHMF)的HPLC痕量 分析(HPLC trace)。图10是显示根据实施例2从果糖形成5-乙酰氧基甲基糠醛(AcHMF)的HPLC痕 量分析。图11是显示从果糖形成显示基本上纯的5-丙酰氧基甲基糠醛(PrHMF)的HPLC 痕量分析。详述
本申请提供了用于通过使碳水化合物与固相催化剂接触而从碳水化合物源合成 并分离羟甲基糠醛(HMF)和羟甲基糠醛酯的方法。在色谱柱中使用固相催化剂来合成并纯化HMF限制了暴露于热和酸催化剂的时 间并使合成能够在较低温度下进行。较低温度引起减少的能量消耗和减少的加热与冷却反 应的时间。可用于本工艺的固相催化剂的非限制性实例包括酸性树脂，例如Amberlyst 35、 Amberlyst 15、Amberlyst 36、Amberlyst 70、Amberlyst 131 (Rohm and Haas) ；Lewatit S2328、LewatitK2431、Lewatit S2568、Lewatit K2629 (Bayer Company)；禾口 Dianion SK104、PK228、RCP160、Relite RAD/F(Mitsubishi Chemical America，Inc.)。还可使用其他 固相催化剂例如粘土和沸石，如 CBV 3024 和 CBV 5534G (ZeolystInternational)、T_2665、 T-4480(United Catalysis, Inc),LZY 64(UnionCarbide)、H-ZSM-5(PQ Corporation) 诸 如Amberlyst 35的酸性树脂是阳离子型的，而诸如沸石、矾土和粘土的催化剂是捕获小分 子的多孔颗粒。还可以使用可溶性催化剂，包括诸如1^04、!^04、!1(1的无机酸和诸如对甲 苯磺酸的有机酸。固相催化剂的优势在于它们不溶解于溶剂而保持在柱中。取决于所使用的柱尺寸 和溶剂类型，将约30-50g树脂装入柱中。例如，溶剂二甲基甲酰胺(DMF)导致Amberlyst 35树脂在柱中膨胀，且因此优选在300mm长的柱中仅使用约30g树脂。当乙酸是溶剂时使 用约50gAmberlyst 35树脂，因为乙酸不造成树脂膨胀。因为HMF的合成是脱水反应，因此优选具有减少的含水量的阳离子交换树脂。 在反应中存在水增加了诸如聚合物和胡敏素的副产物的形成。因此，在柱试验(column experiment)中固相催化剂的最大含水量通常小于约20%，任选地小于约15%，或小于或 约10%。许多商业可得的固相催化剂例如干的Amberlyst 35具有约3%的含水量。然而， 在某些情况下可使用具有大于20%的含水量的固相催化剂。具有大于约20%的含水量的 固相催化剂被视为“湿树脂”，因为它们过量的含水量和在反应过程中产生水的能力。如果 湿树脂的含水量大于约20%，可选择与水互溶的溶剂作为用于反应的溶剂，以便从湿树脂 中除去水。包括非质子极性溶剂的溶剂是优选的，因为它们与水互溶，这有助于果糖的溶解 度和水的去除。极性溶剂的实例是丙酮，其用于在柱上的反应之前洗涤湿树脂并使湿树脂 脱水。然后在柱上的反应之前，将所得的脱水树脂在真空下干燥。此外，DMF与水互溶，并 可用作使湿树脂在柱上脱水的溶剂。湿树脂的脱水可包括升高反应温度或用于使湿树脂脱 水的任何适当方法或其组合。在碳水化合物源向HMF、HMF酯或其他HMF衍生物转化中使用柱的另一优势是反应 从未反应的起始物料或可能全在一步中形成的其他不需要的副产物中处理和分离产物的 能力。当反应物通过柱时，产物与起始物料在保留上的不同将允许在柱中发生反应后分离 这些物质。因此，产物将从柱中以基本上纯的形式洗脱。虽然果糖是优选的源，但可使用任何碳水化合物源。可用于制备HMF衍生物的合 适的碳水化合物源包括但不限于己糖、果糖糖浆、结晶果糖和来自果糖结晶的工业生产液 流。合适的混合碳水化合物源可包括任何工业上方便的碳水化合物源，例如玉米糖浆。其 他混合碳水化合物源包括但不限于己糖、果糖糖浆、结晶果糖、高果糖玉米糖浆、粗果糖、纯 化果糖、高果糖玉米糖浆精制厂中间体和副产物、来自结晶果糖或葡萄糖或木糖的工业生产液流、和糖蜜如由生产浓缩大豆蛋白得到的大豆糖蜜，或其混合物。从碳水化合物源和有机酸或酸盐合成HMF酯对一系列有用的分子提供了直接的 途径。HMF的脂肪酯和芳族酯是商业可得的并具有多种用途。本工艺在生产HMF酯中具有 许多优势。可用于制备HMF酯的合适的碳水化合物源包括但不限于己糖、果糖糖浆、结晶果 糖和来自果糖结晶的工业生产液流。合适的混合碳水化合物源可包括任何工业上方便的碳 水化合物源，例如玉米糖浆。混合碳水化合物源包括但不限于己糖、果糖糖浆、结晶果糖、高 果糖玉米糖浆、粗果糖、纯化果糖、高果糖玉米糖浆精制厂中间体和副产物、来自结晶果糖 或葡萄糖或木糖的工业生产液流、和糖蜜如由生产浓缩大豆蛋白得到的大豆糖蜜。除了多 种起始源，本工艺还可采用包括但不限于乙酸、丙酸、丁酸、柠檬酸或二酸的多种有机酸而 进行。公开的工艺最小化和/或消除胡敏素和聚合副产物的形成。如果反应不完全并且 在反应混合物中观察到HMF和/或未反应的碳水化合物，则这些组分可被分离至水相中并 被再循环。此外，溶剂可被回收并被再循环。本方法比其他方法更有益，因为其消除了分离 用作起始源的基本上纯的HMF的困难任务。它是简单的工艺，产生基本上纯的产物，该产物 可在HMF酯向多种有用的衍生物和最终产物的转化中用作进料源(feeding source)。产物 的纯度将根据使用的特定的试剂和条件而变化。此外，本申请提供了用于合成柠檬酸酯的方法和使用柱中的加热的固相催化剂来 合成乙酰丙酸或乙酰丙酸酯并随后在柱中纯化所得产物的方法。在乙酰丙酸酯合成的实 例中，将溶液中的碳水化合物混合物(例如25%在乙酸中的果糖)通过填充有强酸阳离子 树脂(例如Amberlyst 35)的加热的柱。柱的温度维持在75°C并且流速设置为5mL/min。 开始通过时，形成Ac-HMF和Ac-乙酰丙酸酯。随后的通过产生较高的Ac-乙酰丙酸酯与 Ac-HMF的比。乙酸的浓度可从> 99%试剂级乙酸至水溶液中的乙酸变化。对于乙酰丙酸的合成，示例性的合成包括溶液中的碳水化合物混合物(例如25% 在水溶液或DMF溶液中的果糖)通过填充有强酸阳离子树脂(例如Amberlyst 35)的加热 的柱。柱的温度维持在100°C并且流速设置为5mL/min。开始通过时，形成HMF和乙酰丙酸。 随后的通过产生较高的乙酰丙酸酯与HMF的比。通过更改对用于本发明工艺中溶剂的选择而选择性地制备多种HMF酯。纯化和分 馏最终产物的量取决于使用的溶剂类型。例如，通过固相催化剂的、溶解于乙酸中的果糖溶 液的连续流导致基本上纯的乙酰化HMF(AcHMF)的形成，其是所期望的最终产物。比HMF更 稳定的HMF醚和/或乙酰丙酸酯可通过本工艺使用醇溶剂而合成并纯化。AcHMF具有比HMF低的沸点并通过真空蒸馏而分离。AcHMF还比HMF更稳定。AcHMF 在水中不是明显可溶的，这使得在非极性有机溶剂中的萃取是有效的纯化方法。AcHMF在低 温下的非极性溶剂(例如，约0-25°C的己烷)中结晶。此外，HMF在加热时分解并产生不易 分离或除去的副产物。 从葡萄糖和果糖合成HMF对于本公开的一个实施方案，包括用填充有固相催化剂的柱的色谱柱的装置可以 是连续分离，其中果糖、HMF和溶剂经该填充的柱进料多次和/或另外的反应物的速度是变 化的。该纯化技术可包括模拟移动床色谱法，该模拟移动床色谱法是基于与固体(固定相) 的恒流逆向移动的液体(流动相)的流动的色谱技术。逆流增强了分离势并因此使本工艺 更有效。其还允许待分离的进料物质的连续流动，并且相对于传统的分批色谱法使用较少 的溶剂且改善设备的生产能力。可选择地，该系统可包括但不限于模拟移动床、连续装置 (CSEP)或连续流动管道系统。例如，在模拟移动床色谱中，溶质比床移动得快并在柱的顶端被洗脱，而比床移动 得慢的那些则被移动床带至进料点以下。然后，在进料点以下的一部分床被加热以增加溶 质的洗脱速率，并且比床移动得快的任何溶质可通过侧管被第二气流所洗脱，而仍以比床 慢的速率移动的那些溶质继续在固定相中沿柱向下移动。可通过被加热至还更高温度的一 段柱以相同的方式除去较高的部分。为了加热模拟移动床色谱法中的柱，加夹套的柱允许 混合物在树脂床周围通过加热流体，例如丙二醇。在通过本文所述的方法进行的大部分反应中，催化剂提供了反应发生所需的酸 度。离子交换树脂是能够在周围溶液中结合或交换离子的合成聚合物，并且主要用于有机 分子的色谱法。离子交换树脂的优势包括长寿命、可重复使用、高的选择性和催化能力、稳 定性，并可用于含水和非水条件(Rohm and Haas) 0可用于公开的方法的第一种柱是重力流柱(gravity flow column) 0将反应混合 物装载至通过夹套加热的柱的顶部，然后允许其缓慢流过树脂，这允许在柱上的最大保留 时间。在重力流柱中的流速一般小于1. OmL/min，或通常为0. 1-1. OmL/min。一旦产物进料 通过柱，其可能被再次装载用于第二次通过，以通过允许在树脂上停留更多时间而产生所 期望产物的较高产量和增加的纯度。以大的部分或以多个部分收集重力柱的样品并分析产 量。可使用的另一种柱是脉冲柱。将起始物料装载至树脂的顶部并使用机械泵以将溶 剂泵送至柱上而维持恒定流速。以计时的部分(timed fraction)从柱的底部收集产物，并 因此可分析保留时间、产物与反应物的分离以及总产量。对于柱试验，取决于使用的柱的类型和溶剂的稳定性，温度可从约70°C至约 125°C变化，任选地从约75°C至约95°C变化，或任选地从约80°C至约90°C变化。流速通常 保持在约1.0ml/分钟以允许在柱上的最大保留时间并流至柱的顶部。然而，对于重力柱， 可保持较低流速，因为它不依赖于机械源。可使用较高温度。在本申请的一个实施方案中，将Amberlyst 35填充在加热的玻璃夹套的柱中，该 柱带有用乙酸溶解的果糖。使用连续移动床使产物暴露于树脂的时间最小化，因为其以流 的形式而不是以批的形式而通过柱。所得产物是高度纯化的乙酰基HMF。在本发明的另一实施方案中，连续流工艺使得能够形成柠檬酸酯。起始物料柠檬 酸可与溶剂在溶液中或在含有溶剂的发酵液中。使用醇溶剂以获得基本上纯的柠檬酸三烷 基酯或柠檬酸的单酯和二酯。诸如溶剂类型、树脂类型、在柱上的时间和/或温度的因素决 定是否形成单酯和二酯或是否形成基本上纯的柠檬酸三烷基酯。如果得到单酯和二酯，则 混合物可在柱中再循环以产生基本上纯的三酯。
本发明的另一方面允许在使用固相催化剂的情况下脱水糖醇从所选糖醇或单脱 水糖醇起始物料中的色谱合成、分离和纯化。更具体地，异山梨醇从山梨醇源和固相催化剂 中在色谱柱中被合成、分离和纯化。中间体化合物山梨聚糖或山梨聚糖/异山梨醇/山梨 醇的混合物可被回收并被再循环直至获得基本上纯的异山梨醇。 从AcHMF和果糖合成HMF在本发明的另一方面中，提供了用于经中间体HMF酯制备HMF的工艺。优选地，果 糖被用作碳水化合物源并在有机酸和催化剂存在下在色谱柱中经受脱水以提供HMF酯。然 后HMF酯在用碱处理后经受脱酰。碱性物质可包括但不限于固相催化剂，例如树脂、粘土、 矾土和沸石。酯的皂化可以任何方式进行，只要其能够使起始物料和碱性催化剂互相接触。 例如，该反应可在流化床、管式反应器、盘管、柱或管道中分批或连续地进行。还可使用金属 醇盐获得AcHMF至HMF的脱酰。本方法是优选的，因为事实上HMF酯一般比HMF更稳定。在形成HMF酯的另一实施方案中，碳水化合物与有机酸和固相催化剂在溶液中合 并。将该溶液加热至约100°C至约140°C的温度，持续约90分钟至约150分钟之间，引起 HMF酯的形成。HMF酯可经柱色谱法、沉淀和重结晶或其组合而进一步纯化。将合成的HMF 酯例如经旋转蒸发而过滤和/或蒸发以除去催化剂和有机酸。HMF酯可通过用甲基叔丁基 醚的萃取而收集。粗物质可经受简单的蒸馏(150°C，3托)以提供作为晶体的HMF酯。可 选择地，在蒸发溶剂后，过滤的HMF酯可接着采用诸如热己烷的合适的溶剂而萃取。在用于形成FDCA的一个实施方案中，将含有HMF酯(例如，但不限于，5-乙酰氧 基甲基糠醛(AcHMF))或有机酸(例如，但不限于，乙酸)的反应混合物连同醋酸钴、醋酸 锰和溴化钠一起置于反应器中，并在约85°C至约110°C或在约100°C下经受约400psi至约 IOOOpsi之间或约500psi至约800psi之间的氧气，持续约100分钟至约150分钟。然后过 滤溶液并蒸发溶剂以获得2，5_呋喃二甲酸(FDCA)。
在用于还原HMF酯的实施方案中，将含有AcHMF和乙醇的反应混合物装载至反应 容器中。将得自Sud Chemie, Louisville, KY的G-69B催化剂加入该容器，并在搅拌下，优 选地在IOOOrpm下，用氢气优选地在4X500psi下吹扫该容器。然后在连续搅拌下将该容 器加压，优选地加压至600psi，并加热至150°C以上的温度，优选地加热至170°C。约1小时 后，将该反应加热至195°C，持续约1小时，然后允许冷至室温。然后经真空过滤除去催化 剂。优选地，例如通过旋转蒸发除去溶剂。还原产物包括但不限于2，5-呋喃二甲醇(FDM) 和四氢呋喃二醇(THF- 二醇)。
作为HMF-酯的通用性的实例，含有HMF与HMF-酯的组合的反应混合物可被氧化 为单一产物FDCA。2，5-呋喃二甲酸(FDCA)从占优势的HMF酯和在有机酸中残留的HMF的 混合物中形成。该混合物在诸如乙酸的有机酸中连同醋酸钴、醋酸锰和溴化钠一起反应。整 个混合物可用氧气或空气加压并加热至至少10(TC，持续超过1小时。将所得溶液过滤并蒸 发然后分离FDCA。HMF可由果糖源经HMF酯中间体而合成。例如，果糖在有机酸和催化剂存在下经受 脱水作用以提供HMF酯。HMF酯在用碱处理后经受脱酰。碱性物质可包括但不限于固相催 化剂，例如树脂、粘土、矾土和沸石。所述酯的皂化可以任何方式进行，只要其能够使所述物 质和碱性催化剂互相接触。例如，该反应可在流化床、管式反应器、盘管、柱或管道中分批或 连续地进行。还可使用金属醇盐获得AcHMF至HMF的脱酰。
实施例实施例1用于从果糖合成HMF和AcHMF的常规方法包括在高压釜(Parr)反应器中的分批 反应，然后是用于纯化的分离步骤。如图1所示，温度控制2控制在高压釜反应器1中的反 应混合物和加热套的温度。加热套(未显示)用于加热反应。压力计3显示反应是否产生 气体或监测容器上的压力(如果施加)。速度控制4用于搅拌机制。搅拌为保持反应混合 物与所有必要物质接触所必需。样品口 5允许科学工作者在反应期间的特定点(specific point)取回样品以监测进程。反应物在被放入反应容器中之前必须处于溶液状态。改变高压釜反应的反应条件以测试不同反应条件的效果。反应在IOOmL容量Parr 反应器中进行。将约20克高果糖玉米糖浆(HFCS)加入每个反应。在有和没有离子交换树 脂的情况下测试三种不同的温度110°C、125°C和150°C。所选的树脂是Amberlyst 35交 换树脂。结果在表1中示出。表 1 如可在上表1中看出，在高压釜反应器中，使用树脂，在150°C下，在对比实例#4中 以最大量形成AcHMF，如图2所示。在IOOmL容量的Parr反应器中，将在溶液中的6. 7799g 果糖和23. 79g HFCS加热至150°C。在对比实例#4中的AcHMF产量为0. 2331。在实施例1的这些实例中，生产基本上纯的HMF的第一种方法使用填充柱。两种 不同类型的柱用于生产和纯化HMF。然而，每种柱用阳离子交换树脂填充，所述阳离子交换 树脂已经在期望的溶剂中浸泡，然后在该树脂适当地膨胀时被装载至加热的柱。阳离子交 换树脂是将质子加入反应中的离子交换树脂。所用树脂的含水量从小于约20%至小于约 10%变化，以便防止HMF的再水合。柱的结果在图3中显示。主要产物是HMF，余下的是未 反应的果糖。在本实施例中，Amberlyst 35交换树脂在包括重力流柱的所有测试的柱中表 现最好。极限反应条件(maximal reaction condition)包括在用 Amberlyst 35 离子交换 树脂和乙酸填充的柱中80°C，提供约0. 395摩尔的AcHMF产量。柱比常规分批反应表现得 更具一致性，这可能是由于许多原因。产物在色谱柱的树脂中停留更长时间，并且在柱中比 在分批反应中保持更大量的树脂。由于加热的加夹套的柱，还更好地控制柱中的温度。在表2中标记(*)的样品是对比实例。对比实例包括分批反应。在高压釜中的温度 在反应过程中从约105°C _155°C变化。来自柱的反应混合物还可回料用于另一次通过，这 将进一步增加所期望的产物的产量。相比于在80°C的脉冲反应和在90°C的重力柱反应，当 在诸如125°C的较高温度下运行分批反应时，在分批反应中的产量更低。在使用Amberlyst 35、具有150°C的温度的分批反应中的产量由于高温而被提高了。表 2
实施例2图4中所示的图说明了在80°C下的脉冲树脂试验的结果，其中流速对于开始的33 分钟被设置为约1. 48mL/min,并且在第33分钟后被设置为约1. 36mL/min，直至反应在约 63分钟时完成。在约30分钟后，洗脱出0.07摩尔AcHMF，与起始物料(果糖)相比为约 0. 0006的摩尔分数。还测定了副产物乙酰丙酸和甲酸。在AcHMF的合成期间未发现可测量 的乙酰丙酸。表 3 实施例3使用HMF酯中间体从果糖制备HMF本实施例说明了使用本方法对HMF酯脱保护以提供基本上纯的HMF。制备进料并 将其置于甲醇和得自 Rohm and Haas Company (ffoodridge, IL)的 Amberlyst A260H树脂的 小瓶中。Amberlyst A260H树脂是基于含有季铵基团的交联的苯乙烯二乙烯基苯共聚物的、 强碱、1型、阴离子的、大网络聚合物树脂。在室温下静置约5分钟后，该物质通过薄层色谱 法(tic)分析以证明脱酰。固体收率(yield)为约85% HMF和约8% ACHMF,由Shimadzu QP-2010GC质谱仪确定。色谱图在图5中显示。余下的物质是残留的甲醇。用空气加热枪 将该甲醇溶液加热至60°C不到5分钟，这将余下的AcHMF转化为HMF。可选择地，使产物通 过带有固相催化剂的色谱柱将把余下的AcHMF转化为HMF。实施例4从果糖制备5-乙酰氧基甲基糠醛(AcHMF)将晶体果糖(18g)置于含有乙酸(50g)和Amberlyst 15树脂(4g)的IOOmL反应 容器中。将溶液加热至110°C，持续3小时，且定期收集样品。分析结果和HPLC痕量分析证 实AcHMF的形成。产物混合物的分析表明9. 89% AcHMF和5. 14% HMF的溶液，代表41 % AcHMF收率和28% HMF收率。本文公开的收率仅为示例性的并且不必反映当反应条件被优 化时可能的最佳收率。HPLC痕量分析证实形成AcHMF(见图4)。实施例5合成并纯化来自果糖的AcHM将晶体果糖(180g)置于含有乙酸(500g)和Amberlyst 15树脂(40g)的IL反应 容器中。将溶液加热至125°C，持续2小时。NMR和分析结果表明AcHMF的形成。将溶液过滤 以除去树脂催化剂，并通过旋转蒸发除去乙酸。通过用甲基叔丁基醚萃取而收集AcHMF。使 粗的物质经受简单蒸馏(115°C，3托)以提供橙色晶体的AcHMF。HPLC痕量分析证实AcHMF 的形成(见图5)，并且1H NMR分析表明了基本上纯的AcHMF。ΜΚ(δ，1Η) :9. 70 (s，1. OH)； 7. 40 (s，1. OH) ；6. 80 (s，1. OH) ；5. 10 (s, 2. OH) ；2. 10 (s, 3. OH)。见图 1。实施例6从果糖合成丙酰氧基甲基糠醛(PrHMF)将晶体果糖(40g)、丙酸(IOOmL)和干燥的Amberlyst 15树脂置于配有迪安-斯 达克榻分水器、磁性搅拌棒和温度传感器的500mL三颈圆底烧瓶中。允许反应混合物加热 至130°C，持续30分钟。HPLC痕量分析表明向HMF酯的快速转化。通过过滤除去树脂，将 溶剂蒸发并用热己烷萃取粗的油。蒸发己烷萃取物提供了黄色的油，1H NMR将其鉴定为基 本上纯的5-丙酰氧基甲基糠醛。计算显示PrHMF从果糖的总收率为28%。反应条件未优 化。HPLC痕量分析证实PrHMF形成(见图6)，并且1H NMR分析表明了 PrHMF形成(δ，1H)9. 70 (s, 1. 0H) ；7. 20 (s, 1. 0H) ；6. 60 (s, 1. 0H) ；5. 06 (s, 2. 0H) ；2. 47 (t, 2. 0H) ；1. 05(d,
3. OH)。见图 2。 实施例75-乙酰氧基甲基糠醛(AcHMF)氧化为2，5_呋喃二甲酸(FDCA)将含有AcHMF(5. Og)、乙酸(50mL)、醋酸钴(0. 132g)、醋酸锰(0. 135g)和溴化钠 (0. 114g)的反应混合物置于IOOmL反应器中并在100°C下经受500psi-800psi的氧气2小 时。紧接着过滤并蒸发溶剂，分离2. 53g褐色固体。1H NMR表明基本上纯的FDCA。FDCA从 AcHMF的总收率为54%。见图3。实施例85-乙酰氧基甲基糠醛(AcHMF)的还原将含有AcHMF (5. Og)和乙醇(50mL)的反应混合物装载入IOOmL反应容器中。 将可得自Sub Chemie, Louisville, KY的G-69B催化剂(0. 50g)加入该容器中。在搅拌 (IOOOrpm)下用氢气(4X500psi)吹扫容器。然后在连续搅拌下将容器加压至600psi并加 热至170°C。1小时后，允许反应加热至195°C，持续另外的1小时。然后允许反应冷至室温 并通过真空过滤除去催化剂。通过旋转蒸发除去大部分的溶剂以提供黄色的油(16.97g)。UV分析(λ = 284nm)未显示AcHMF的存在，表明AcHMF完全转化至2，5- 二羟基 甲基四氢呋喃。实施例9HMF和HMF酯的混合物氧化为FDCA使主要由占优势的HMF酯和在乙酸中残余的HMF组成的产物混合物在添加醋酸 钴、醋酸锰和溴化钠下经受氧化。该混合物用氧气加压并加热至超过100°c，持续超过1小 时。紧接着过滤和蒸发，分离FDCA产物。实施例10从果糖制备HMF向加夹套的柱加入Amberlyst 35干树脂(40g)在DMF中的浆料。通过油循环浴在 95°C下加热该柱。将树脂用无水DMF洗涤。然后将DMF的水平降至树脂顶部。然后用150g 的30%在DMF中的果糖装载柱。将果糖溶液经约1小时的时间缓慢通过树脂两次。tic和 NMR分析显示68 %的HMF收率。应当理解，上述优选实施方案的某些上述结构、功能和操作不是实施本公开所必 须的，并且仅为了示例性实施方案的完整性而被包含在说明书中。此外，应当理解，在以上 提及的专利中提出的特别描述的结构、功能和操作可连同本公开一起实施，但它们对本公 开的实施不是必须的。本公开的实施方案可不同于如特别描述的而实施，而实际上不偏离本公开的精神 和范围。本文公开的收率仅为示例性的并且不必反映当反应条件被优化时可能的最佳收率。
权利要求
一种通过使碳水化合物源与固相催化剂接触来合成HMF的方法。
2.如权利要求1所述的方法，其中接触所述碳水化合物源的步骤还包括以下步骤 在溶剂中形成所述碳水化合物源的溶液；使所述溶液通过柱中的固相催化剂；和 从所述柱中洗脱所述HMF。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述溶剂是DMF。
4.一种制备HMF酯的方法，所述方法包括将含有碳水化合物源、羧酸的物质在有或没有添加的催化剂的情况下合并以提供反应 混合物；将所述反应混合物加热至这样的温度并持续这样的时间，所述温度和所述时间足以促 进所述碳水化合物源的酸催化反应，以形成产物混合物；和 从所述产物混合物中分离HMF酯。
5.如权利要求4所述的方法，其中加热所述反应混合物的步骤还包括以下步骤 使所述溶液通过柱中的固相催化剂，和洗脱所述HMF酯。
6.如权利要求4所述的方法，其中通过选自由过滤、蒸发、萃取和蒸馏组成的组的工艺 从所述产物混合物中分离所述HMF酯。
7.如权利要求4所述的方法，其中所述溶剂是极性非质子溶剂。
8.如权利要求2所述的方法，其中所述柱被加热至从约70°C至约125°C的温度。
9.如权利要求4所述的方法，其中所述反应混合物被加热的温度为从约100°C至约 140 "C。
10.一种形成FDCA的方法，所述方法通过使权利要求4中形成的所述HMF酯与有机酸、 醋酸钴、醋酸锰和溴化钠在升高的压力和温度下反应一段时间，所述一段时间足以将基本 上所有HMF酯转化为FDCA。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述反应的所述压力为从约400psi至约 IOOOpsi。
12.—种还原权利要求4中形成的所述HMF酯的方法，所述方法包括以下步骤在升高 的压力和温度下将所述酯在溶剂中的溶液与催化剂一起加热足以还原所述酯的一段时间。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述压力为约600psi且所述温度为约170°C。
14.一种通过使HMF酯与阴离子固相催化剂接触来合成HMF的方法。
15.一种用于通过使含有柠檬酸酯源和醇的溶液与固相催化剂接触来合成柠檬酸酯的 方法，所述接触为通过使所述溶液经过填充有所述固相催化剂的柱洗脱以获得洗脱液。
16.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括以下步骤 从所述柱中收集所述洗脱液；和使所述洗脱液第二次通过所述柱以产生三取代的柠檬酸酯。
17.一种用于合成乙酰丙酸的方法，所述方法包括以下步骤 将碳水化合物源溶解于溶液中，使含有所述碳水化合物的所述溶液通过含有固相催化剂的柱，和 从所述柱中洗脱所述乙酰丙酸以获得洗脱液。2
18.如权利要求17所述的方法，所述方法还包括以下步骤在使含有所述碳水化合物的所述溶液通过所述柱之后，收集含有反应产物的所述洗脱 液，禾口在收集所述洗脱液之后，使所述洗脱液通过所述柱。
19.一种用于合成乙酰丙酸酯的方法，所述方法包括以下步骤 将碳水化合物源溶解于含有乙酸的溶液中，使含有所述碳水化合物的所述溶液通过含有固相催化剂的柱，和 从所述柱中洗脱所述乙酰丙酸酯以获得洗脱液。
20.如权利要求19所述的方法，所述方法还包括以下步骤在使含有所述碳水化合物的所述溶液通过所述柱之后，收集含有反应产物的所述洗脱液，在收集所述洗脱液之后，使所述洗脱液通过所述柱。
21.如权利要求19所述的方法，其中在所述溶液中的乙酸的浓度为大于约75%。
22.一种用于通过使果糖源与柱中的有机酸和固相催化剂接触以生产HMF酯和使所述 HM酯脱酰来合成HMF的方法。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述HMF酯采用金属氧化物来脱酰。
24.如权利要求2所述的方法，其中所述HMF通过使所述溶液通过所述柱而在反应过程 中纯化。
25.如权利要求5所述的方法，其中所述HMF酯通过使所述溶液通过所述柱而在反应过程中纯化。
26.如权利要求17所述的方法，其中所述柠檬酸酯通过使所述溶液通过所述柱而在反 应过程中纯化。
27.如权利要求19所述的方法，其中所述乙酰丙酸通过使所述溶液通过所述柱而在反 应过程中纯化。
28.如权利要求21所述的方法，其中所述乙酰丙酸酯通过使所述溶液通过所述柱而在 反应过程中纯化。
29.一种用于合成乙酰丙酸酯的方法，所述方法包括以下步骤 将碳水化合物源溶解于含有醇的溶液中，使含有所述碳水化合物的所述溶液通过含有固相催化剂的柱，和 从所述柱中洗脱所述乙酰丙酸酯以获得含有反应产物的洗脱液。
30.如权利要求29所述的方法，所述方法还包括以下步骤在获得含有所述反应产物的所述洗脱液之后，使所述洗脱液通过所述柱。
全文摘要
一种通过使碳水化合物源与固相催化剂接触来由碳水化合物源生产基本上纯的HMF、HMF酯和其他衍生物的方法。将碳水化合物起始物料在柱中的溶剂中加热并在有机酸存在下连续流过固相催化剂，或与有机酸和固体催化剂在溶液中加热以形成HMF酯。在没有有机酸的情况下加热形成HMF。所得产物通过过滤纯化以除去未反应的起始物料和催化剂。然后，通过将HMF酯与有机酸、醋酸钴、醋酸锰和溴化钠在压力下合并，HMF酯或HMF与HMF酯的混合物可被氧化为2，5-呋喃二甲酸(FDCA)。可选择地，HMF酯可被还原以形成呋喃或四氢呋喃二醇。
文档编号C07D307/54GK101896476SQ200880120354
公开日2010年11月24日 申请日期2008年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者亚历山德拉·桑伯恩, 斯蒂芬·霍华德 申请人:阿彻丹尼尔斯米德兰德公司