用于制备呋喃-2,5-二甲酸的方法与流程

本发明涉及用于制备2,5-呋喃二甲酸(或另外地(特别是反应性的)它的酸衍生物)的新方法，所述方法能够例如由在己糖或含己糖的物质(分别特别是来自生物质)脱水时，如尤其是果糖获得的和/或由hmf以富集的、纯化的或纯净形式存在的含有5-羟甲基糠醛(hmf)的原料或反应物制备2,5-呋喃二甲酸(fdca)。

背景技术：

fdca是聚合物如聚呋喃二甲酸乙二醇酯(pef)的起始原料，聚呋喃二甲酸乙二醇酯在性质方面与聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)相当，然而例如具有更好的针对气体扩散的密封性(例如在饮料瓶应用时)并且因此具有更低的氧化风险或者在含碳酸内容物的情况下能够更少地损失co2或者对于合成纤维而言由于其比pet更高的极性而具有有利的性质。此外，pef例如比pet更轻。

basf在2017年在https://www.basf.com/de/company/news-and-media/news-releases/2017/06/p-17-246.html报告了为工业联营企业提供了2500万欧元的pef补贴。

可以将含碳水化合物的植物生物质用作含醛基和酮基的化合物的来源，其中所述化合物通过热的、化学的或酶的方法分解成二糖、寡糖和多糖，然后进一步分解成单糖，如麦芽糖、木糖、葡萄糖或特别是果糖。在这种情况下，许多其它混合物成分如反应物、主产物、中间产物、副产物或次要产物时反应混合物的成分，其可以作为“反应水”获得。耗费的清洁过程是必需的；例如采用高能量消耗的蒸馏方法或采用有问题的溶剂和对于醛和酮的不期望的副反应可能性的萃取后处理或结合在带有氨基基团的吸附剂上的方法(如de1102015121190中所描述)可以被用于获得5-(羟甲基)-糠醛(hmf)。

例如在热水合(“水热处理”)的情况下，特别是作为在包含(尤其由生物质获得的)己糖(如特别是果糖)的物质的水热碳酸化(htc)的情况下或其之后的步骤，根据先前的方法以粗产物(“水溶液，工艺水”)的形式产生hmf，其含有许多副产物(也许是低聚物、缩合产物等)并且经常为褐色并且相对“发粘”，参见https://www.baselarea.swiss/baselarea-swiss/channels/innovation-report/2016/08/muttenz-is-home-to-the-world-s-largest-plant-for-the-production-of-5-hmf-from-biomass.html。

如果这些产物按照目前已知的方法氧化反应，则产生难以过滤和后处理的产物，其另外主要仅包含简单氧化的产物呋喃-2,5-二甲醛。l.cottieretal.,j.heterocycl.chem.1995，第927-930页描述了在二次氧化剂如次氯酸钠、亚溴酸钠、次氯酸钙、氯化铜(i)和氧气、对甲苯磺酸、电化学生成的自由基溴或双相体系(水/二氯甲烷)中的电极表面上的电子存在下用氮氧化物tempo将来自生物质的hmf氧化成呋喃-2,5-二甲醛。

l.huetal.,renewableandsustainableenergyreviews74,230-257(2017)描述了由hmf通过金/陶瓷催化剂制备呋喃二甲酸甲酯而不制备游离酸。另外的文献如us2008/0103318a1、us9,617,234b1和wo2017/106591a1同样描述了用重金属催化剂如经负载的金催化剂、铂催化剂或钯催化剂与来自空气的分子氧，由通过糖脱水获得的hmf获得fdca。不利之处在于，这样的催化剂在由糖的水合所得的非常粗的混合物的情况下快速粘着和污染，并且因此一方面作为废料累积，另一方面必须快速进行交换和更新。

wo2016/191682描述了由5-(氯甲基)-糠醛获得呋喃-2,5-二甲酸二酰氯(fdcc)，所述5-(氯甲基)-糠醛借助含铋的催化剂转化成呋喃-2,5-二甲醛(dff)，然后所述呋喃-2,5-二甲醛在第二个反应中借助次氯酸叔丁酯在无水条件下转化成fdcc。

技术实现要素：

在这种背景下，任务在于提供用于制备fdca的方法，该方法在生态上是有利的并且尤其是简单的并且适合于fdca的大量生产。

这尤其能够基于pef的生物起始原料和由fdca能够获得的其它产品进行可持续生产，并且因此能够替代来自化石碳化合物的反应物的消耗。

有利之处还在于省略了含贵金属或含重金属的催化剂。

现已出人意料地发现，在合适的反应条件的情况下，尤其是在碱性条件下，在氧化剂存在下，在根据流动原理的方法(连续流加工)或分批方法(间歇加工)中的一锅法反应中，hmf到fdca的氧化能够在液体(优选含水)反应混合物中进行。

这同时能够氧化干扰性副产物，从而也可以由褐色的反应物制备几乎无色的溶液。

下述方案阐明了本发明的基本方面(而不对其进行限制)：

本发明因此在第一实施方案中涉及用于制备呋喃-2,5-二甲酸的方法，其包括在一锅法中或在连续流方法中，在液体反应混合物中，氧化5-羟甲基糠醛或其反应性衍生物；其中使用除了来自空气或另一种气体或作为来自外部的纯气体各自作为供应至反应混合物的分子氧的气流以外的氧化剂。

本发明在第二实施方案中还涉及所述氧化剂的用途，用于在一锅法中，特别是在如上文和下文定义的方法中，在液体反应混合物中，由5-羟甲基糠醛或其反应性衍生物制备呋喃-2,5-二甲酸。

上文和下文所使用的特征的更通用的术语优选具有在下文给出的更具体的定义，其中在本发明的每个实施方案中，一个或更多个或全部更通用的术语可以被在下文提及的更具体的术语替代，这导致本发明的优选的实施方案。

5-羟甲基糠醛的反应性衍生物特别是被理解为醛。因此例如出于特殊化学目的，可以获得特别纯的fdca。也可以使用经纯化的，如经结晶的hmf。因此例如出于特殊化学目的或用于接种fdca溶液以使fdca在根据本发明的氧化之后结晶，可以获得特别纯的fdca。优选地，hmf(任选地以来自生物过程的混合物)本身是待氧化的反应物。

液体反应混合物可以为具有或不具有与水混溶的(单相反应方式)或特别是与水不混溶的有机溶剂(相转移反应)的含水体系。

在一锅法(在此为间歇法)的情况下，直接进行处理，在一锅法中制备终产物fdca。优选的反应条件在下文中。

在根据流动原理的方法(连续流加工)的情况下，反应物到产物的转化连续进行，其中反应混合物从起始点移动，连续添加反应物，并且在移动期间不断反应直至终点，在没有中断的情况下连续取出产物。在这种情况下可以在连续过程中从反应物(例如htc的粗产物)获得fdca。

除了来自空气或另一种气体或作为来自外部的纯气体各自作为供应至反应混合物的分子氧的气流以外的氧化剂是由分子氧以外的另一物质形成的反应性氧物类。

优选的是金属亚卤酸盐或(因为在金属亚卤酸盐的情况选可能存在形成爆炸性clo2的风险)金属次卤酸盐。作为金属(以阳离子形式)，特别提及碱金属、碱土金属或其它金属(以其盐形式)。特别优选的是kocl、liocl、naocl、ca(ocl)2或者这些次氯酸盐的两种或更多种的混合物。例如非常有利和简单地使用漂白水(eaudejavel)(亚氯酸钠和/或次氯酸钾的溶液，通常与氯化钠或氯化钾一起)形式的次氯酸钠和/或次氯酸钾。这种类型的氧化剂的两种或更多种的混合物也是可以的。

其它可能的氧化剂另外地可选自碱金属高氯酸盐或碱土金属高氯酸盐或者另外地(特别是不是涉及优选的不含重金属的催化剂时)选自碱金属(如钾)高锰酸盐、软锰矿、铈(iv)化合物和氧化铁等。

在使用“另外地”之处，这意味着没有指定该定语的特征或物质相对于在“另外地”之后述及的那些更优选。

除了在使用经富集的(例如40至80重量％)、经纯化的(例如81-92重量％)或纯的(例如93-100重量％，其中重量％各自基于总固含量计)hmf(这同样是优选的实施方案，因为能够制备特别高纯度的fdca)的情况下以外，反应物5-羟甲基糠醛替代地优选为在来自生物质的己糖或含己糖的物质，如葡萄糖或特别是果糖脱水时获得的原料(例如参见上文简化的反应方案)，其中含己糖的物质特别是可以作为水热碳化的“副”产物获得。然后其优选以水溶液或含水分散体(乳液或悬浮液)存在(在下文将二者称为“溶液”或称为“(任选含水的)原料”)。其通常是有色的并且含有许多副产物，所述副产物可以使其“发粘”和粘稠。非常纯的hmf(95至100重量％)使得能够根据本发明的方法以特别高的收率制备特别纯的fdca。

氧化优选在碱性条件下进行，例如通过碱，如碱性的碱金属盐或碱土金属盐，如相应的碳酸盐或磷酸盐，或者通过碱金属氢氧化物，如氢氧化钠或氢氧化钾进行调节。优选地，“碱性条件”意指在大于9，优选9.5至13，例如9.8至12.5的ph范围内发生反应。优选可以通过连续添加相应的碱而使ph保持恒定。

氧化在作为催化剂的硝酰基自由基存在下，优选在下述存在下进行：四甲基哌啶氧化物，如2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(tempo)、2,2,6,6-四甲基哌啶-l-氧基-4-醇(“4-oh-tempo”或“tempol”)、l-氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-4-酮(tempon)、1-氧基-2,2,6,6-四甲基-4-羧基-哌啶(4-羧基-tempo)、1-氧基-2,2,5,5-四甲基吡咯烷、1-氧基-2,2,5,5-四甲基-3-羧基吡咯烷(3-羧基-proxyl)、4-苯甲酰氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-n-氧基、4-甲氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶-n-氧基、4-氧代-2,2,6,6-四甲基哌啶-n-氧基，另外地铝-n-亚硝基苯基羟基胺或二乙基羟基胺。硝酰基自由基可以以游离形式或例如通过反应性基团如羟基基团或羧基基团键合至载体材料，特别是聚合物材料上的方式存在，这特别是易于应用在连续流方法中以及有助于避免溶解的硝酰基自由基的分离或者极大地简化了载体结合的硝酰基自由基的回收。这种类型的载体结合的硝酰基自由基的实例是具有通过氮杂衍生化再活化的环氧基团的树脂，在其上共价地键合具有通过溴丙炔官能化的羟基基团的硝酰基自由基，例如a.bogdanundd.t.mcquade,beilsteinj.organ.chem.5(17)2008中所描述(基于amb环氧乙烷，叠氮化物改性的，和4-羟基-tempo)；替代地也可使用这样的变型，其中通过羧基基团例如带有氨基基团的载体聚合物(例如通过与由肽化学已知的缩合试剂反应或通过对应的羧酸酰卤，如酰氯与带有羧基的硝酰基自由基，如4-羧基-tempo或3-羧基-proxyl反应)。也可以是两种或更多种游离的或载体结合的硝酰基自由基的混合物。

根据本发明的氧化特别是采用相对于5-羟甲基糠醛摩尔过量的氧化剂来进行，优选采用相对于5-羟甲基糠醛的4倍以上，特别是4.5倍至7倍的摩尔过量。

特别是在间歇方法中，但也在连续流方法中，反应单相地或优选在相转移条件下(即在存在水相和与水相不混溶的有机相的情况下)，特别是在相转移催化剂存在下进行。

作为相转移催化剂，在此特别是使用季铵盐(主要常用于阴离子转移，如将阴离子形式的fdca转移至含水介质中)或另外地使用冠醚(更确切而言常用于转移阳离子)。实例为四烷基铵如四丁基铵或十二烷基三甲基铵的硫酸盐或卤化物，如溴化物、盐酸盐或硫酸盐。

对于与水不混溶的有机相，使用非极性或弱极性的疏水性溶剂或这样的溶剂的混合物。

在此溶剂首先被理解为或使用下述：水不溶性溶剂，如饱和烃，特别是直链、支链或环状的烷烃，如戊烷、己烷、辛烷、环己烷，芳族烃，如苯或烷基苯，如单-、二-、三-、四-、五-或六-c1-c4烷基苯，如甲苯、二甲苯、异丙苯、乙苯等，或对于单相系统还理解为或使用水混溶的溶剂，如叔丁醇，烷基腈，如乙腈或丙腈，离子液体(液体形式的盐)，例如咪唑鎓、吡咯烷鎓、吡啶鎓、胍鎓、脲鎓、硫脲鎓、哌啶鎓、铵或鏻作为阴离子和卤离子如氯离子或氟离子或溴离子、四氟硼酸根、三氟乙酸根、三氟甲磺酸根、六氟磷酸根、次磷酸根或甲苯磺酸根作为阴离子的盐，如1-丁基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐，或(特别是由生物质可获得的)β-、γ-或δ-内酯，氢化呋喃，氢化吡喃，二氧六环或其组合，如γ-戊内酯等，或者另外地，二烷基甲酰胺，如二甲基甲酰胺，(水不溶性)卤化的烃，例如部分或全部卤化的烃，如二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、六氯乙烷、六氟乙烷等。也可以是所述溶剂的两种或更多种的混合物。

对于单相反应，也可以是水溶性溶剂，如上文所提及。只要它们不干扰两个相的形成，则也可以在两相体系的情况下将它们添加至反应混合物。

作为金属卤化物，优选使用碱金属卤化物或碱土金属卤化物，特别是溴化物或盐酸盐。优选的是溴化锂、溴化钠或溴化钾。这些化合物可以在反应期间转化成相应的次卤酸盐，特别是次溴酸盐，并且因此加速反应。

还可以这样进行反应，首先或作为根据本发明的氧化的组成部分，在碱性条件下歧化成5-羟甲基-呋喃-2-甲酸和2,5-二羟基甲基呋喃(特别是在康尼查罗(cannizzaro)反应条件下，特别是在碱金属氢氧化物存在下或通过与碱金属氢化物混合)，也就是说，hmf本身同时用作氧化剂和用作作为fdca的前体的5-羟甲基-呋喃-2-甲酸的反应物，然后如果期望的话在纯化之后，特别是为了分离2,5-二羟甲基呋喃，可以或者将会使其进一步在根据本发明的氧化条件下转化制备fdca。如果还希望二羟甲基呋喃作为产物，则这种类型的反应方式是特别优选的。这可以例如本身作为二醇用于相应的塑料的pef类似制备或用于其它合成目的。

还可能的是，呋喃-2,5-二甲酸(优选在不含水的条件下)进一步在一个或两个羧基基团上转化成衍生物，如酯(与醇，如乙醇或甲醇，优选在磺酰卤或更佳地亚硫酰卤，如磺酰氯或更佳地亚硫酰氯，或者有机羧酸酰卤，如有机羧酸酰氯以及各自有关的醇，如甲醇或乙醇存在下)，或反应性酸衍生物(如酰卤，例如酰氯)，或反应性酯，如4-硝基苯酯(与相应的苯酚)，或酸酐(来自两个或更多个fdca分子本身的酸酐，或与其它酸如乙酸或丙酸的混合酸酐)，以获得进一步有用的产物和化合物而用于另外的期望的反应。这也可以用于在纯化和水解之后获得特别纯的fdca，和/或fdca的酯，如二甲酯或二乙酯可以直接(优选在纯化之后)与多元醇或二醇(如上文所提及)转化成pef。

在本发明的一个优选实施方案中，用于制备fdca的前述根据本发明的方法还包括通过来自生物质的己糖或特别是含己糖的物质脱水，如由来自生物质的葡萄糖或特别是果糖制备起始原料5-羟甲基糠醛。

在这种情况下，脱水可以根据us2008/0103318a1、us9,617,234b1、wo2017/106591中描述的方法之一或如fr2723945中所描述那样进行，特别是在水热碳化(htc)之后，在酸如硝酸存在下，在含水介质中，优选在升高的温度，如150至150℃进行，其中如上文所述获得(含水的)粗产物。

含己糖的，如含果糖的反应物在这种情况下在优选的变型中与水和催化剂一起加热。果糖在压力下反应消除水。任选地随后过滤工艺水。如果将水蒸发，则例如获得固体hmf连同尚未反应的果糖和20％的其它物质(例如碳、乙酸、甲酸、腐殖质、乙酰丙酸等)。然而优选使hmf保持液体形式用于下一步骤(根据本发明的氧化)获得水溶液形式的fdca(“工艺水”、“粗产物”)。

在本发明的另一个优选的实施方案中，通过随后与二醇，如二醇或多元醇，如糖醇、异山梨醇、2,5-二羟甲基呋喃或特别是乙二醇反应补充用于制备fdca的方法(优选在分离fdca之后，例如通过色谱、振摇或结晶，和如果需要的话重结晶)，形成聚酯树脂，其原理上类似于pet。

在通过根据本发明的氧化获得fdca之后，其结晶和重结晶在这种情况下同样是本发明的一个实施方案。

在间歇方法的情况下，批料(单独的装料)中的物质的处理在期望的过程的每个步骤(在此是所有氧化步骤)进行，后续的批料的处理必须等待直至结束整个的转化。

在根据流动原理的方法(连续流处理)的情况下，反应物到产物的转化连续地进行，其中反应混合物从空间上的起始点移动，连续添加反应物，并且在移动直至(空间上分开的)终点期间不断反应，在没有中断的情况下连续取出产物。

本发明特别还涉及分别在权利要求中所述的实施方案，这是权利要求在此也被认为属于说明书的原因。

附图说明

图1显示了用于根据流动原理(以连续流)的5-羟甲基糠醛(hmf)氧化的装置的示意性视图。

以下实施例用于阐释本发明，然而其也是本发明的优选的实施方案。

实施例1：在一锅法(分批(＝间歇)法，kg量级)中用tempo/naocl将5-羟甲基糠醛(hmf)氧化成2,5-呋喃二甲酸(fdca)

iproac为乙酸异丙酯，ptc表示相转移催化剂(phasetransfercatalyst)(四丁基硫酸氢铵)

相信该反应通过以下中间产物进行，而不将其视为具有约束力的描述：

在160l反应器中预置hmf水溶液(18％，17.0l，25.0mol，1.0eq；在含己糖的生物质水合之后的粗产物)，并且在5℃掺入作为相转移催化剂的四丁基硫酸氢铵(52.0g，0.150mol，0.6mol％)、溴化钠(2.06kg，20mol，0.8eq)、tempo(200g，1.25mol，0.05eq)和乙酸异丙酯(8l)。在强力搅拌下在0-8℃在6h期间缓慢滴加漂白水(基于naocl；13-14％，137.5mol，5.5eq)。通过连续添加30％氢氧化钠溶液将反应混合物的ph值保持在ph＝10-11。在内部过程控制(ipc)(¹h-nmr，在rg的水相的d2o中)不再显示中间体(dff、ffca)之后，分离rg的有机相并且将水相用乙酸异丙酯(2x10l)在<10℃萃取。丢弃有机相。将水相添加至冷的(<10℃)亚硫酸钠(9.5kg，75.0mol，3.0eq)在60l去离子水中的水溶液并且在5℃搅拌1h。然后在0-5℃向溶液缓慢掺入32％盐酸直至ph<1。将所得的悬浮液过滤并且将吸滤滤饼(fdca)用冷的去离子水(1x10l,2x5l)洗涤。将湿的fdca悬浮在去离子水(60l)中，借助30％氢氧化钠溶液变成溶液，并且通过添加32％盐酸重新在ph<1和0-5℃沉淀。在0-5℃搅拌1h之后进行过滤并且用冷的去离子水(1x10l，2x5l)后洗涤。将湿的fdca在真空中在60℃干燥。获得3.1kg(80％)白色粉末状fdca。

hplc在220nm处纯度为98.9％，nmr采用内标为98.4％含量。熔点：从330℃起分解。

¹h-nmr(400mhz,dmso-d6)：δ＝13.63(brs,2h),7.30(s,2h)。

ms(esi)：m/z＝156.9[m+h]⁺

实施例2：根据流动原理(在连续流中)用tempo/naocl将5-羟甲基糠醛(hmf)氧化成2,5-呋喃二甲酸(fdca)

相应的装置示于图1中(流动反应器)。其为具有1mm直径的四氟乙烯制成的小管。

准备三种溶液：

溶液a)：将6.35g(5.0mmol)5-羟甲基糠醛、4.22g(4.1mmol)nabr溶于29g去离子水中并且与0.80g(0.5mmol)2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基在20ml(15.4g)乙腈中的溶液混合。所制备的溶液达到0.90mol/l(hmf/溶液)的浓度。

溶液b)：商业上可获得的naocl溶液(13-14％)，浓度为2.26mol/l(naocl/溶液)

溶液c)：3.0g(1.5mmol)naoh溶于55ml(68.8g)13-14％naocl溶液中，最终浓度为1.36mol/l(naoh/溶液)。

借助注射泵将溶液a以0.111ml/min的流速，将溶液b以0.139ml/min的流速和将溶液c以0.120ml/min的流速从左侧泵入根据图1的流动反应器中。在开始时丢弃三倍的死区容积并且随后在右侧收集反应溶液70分钟(nmr显示干净和完全地转化成产物)。然后如间歇试验中所描述那样后处理反应溶液并且获得经纯化的fdca。

实施例3：用socl2将2,5-呋喃二甲酸(fdca)酯化成2,5-呋喃二甲酸二甲酯(间歇，kg量级)

在160l反应器中预置在62l甲醇中的fdca(9.58kg，60.15mol，1.0eq)。在-10至-5℃缓慢滴加亚硫酰氯(10.6l，144.4mol，2.4eq)。在完全添加之后，将反应混合物升温至回流。ipc(hplc)在2h之后显示97％fdme、1％单酯并且不再存在fdca。将反应混合物冷却至-5℃并且在-5℃搅拌过夜。随后进行过滤并且将吸滤滤饼(fdme)用冷的甲醇(2x5l)后洗涤。将仍然湿的fdme在25℃溶于100l丙酮，掺入活性炭(400g)并且在25℃搅拌30min。随后通过hyflo(过滤助剂，二氧化硅)进行过滤并且将滤液在真空下在40℃浓缩至40-50l。将所得的悬浮液冷却至-5℃并且在-5℃搅拌过夜。随后进行过滤并且将吸滤滤饼用冷的甲醇(1x10l和1x5l)后洗涤。将产物在真空下在40℃干燥。获得9.22kg(83％)白色结晶粉末状fdme。

hplc在220nm处纯度为99.7％，nmr采用内标为99％含量。

¹h-nmr(400mhz,dmso-d6)：δ＝7.44(s,2h),3.87(s,6h)。ms(esi)：m/z＝185.0[m+h]⁺

实施例4：2,5-呋喃二甲酸(fdca)重结晶，克量级

在2.5l硫化烧瓶(sulfierkolben)中预置在乙腈(960ml)和甲醇(600ml)中的fdca(97％纯度，60.0g，0.373mol)并且升温至回流(76℃)。在回流下30min之后，将黄色溶液在2h内冷却至5℃。在61℃，fdca开始结晶出来。将悬浮液在5℃过滤并且将吸滤滤饼用冷的乙腈(2x60ml)后洗涤。将产物在真空下在60℃干燥。获得43.7g(75％)白色粉末状fdca。hplc在220nm处的纯度为99.6％，nmr采用内标为99％含量。

¹h-nmr(400mhz,dmso-d6)：δ＝13.63(brs,2h)，7.30(s,2h)。

ms(esi)：m/z＝156.9[m+h]⁺。