用于生产化学品和其衍生物的组合物和方法
【专利说明】用于生产化学品和其衍生物的组合物和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年8月21日提交的美国临时申请序列第61/704, 408号的权益， 该临时申请的全文，包括所有的表格、图和权利要求，以引用的方式并入本文中。
[0003] 序列表的并入
[0004] 随附序列表中的材料在此以引用的方式并入本申请中。名称为SGI1660_1W0_PCT_ SequenceListing_ST25的随附的序列表文本文件创建于2013年8月_日，且为_KB。该 文件可利用使用WindowsOS的计算机上的MicrosoftWord来评估。
[0005] 发明背景
[0006] 近年来，已有越来越多的努力致力于确定新颖且有效的方式使用可再生的原料进 行有机化学品的生产。在大量下游化学处理技术中，将生物质衍生的糖转化成增值化学品 被认为是非常重要的。特别地，含六碳的碳水化合物，即己糖，诸如果糖和葡萄糖，被广泛认 为是自然界中存在的最丰富的单糖，因此可以适当地和经济地用作化学原料。
[0007] 从糖生产呋喃和呋喃衍生物已在化学和催化研宄方面吸引了越来越多的关注，并 被认为有潜力提供实现可持续能源供应和化学品生产的主要路线之一。事实上，在具有集 成生物质转化加工的生物精炼厂内使可获得的糖的脱水和/或氧化可产生一个大的系列 产品，包括各种各样的呋喃和呋喃衍生物。
[0008] 在最具商业价值的呋喃中，呋喃-2,5-二甲酸（亦称为2,5_呋喃-二甲酸，在下 文中缩写为FDCA)是有价值的中间体，它在包括制药、杀虫剂、抗菌剂、芳香剂、农药的数种 产业中，以及在聚合物材料（例如生物塑料树脂）的各种不同制造应用中具有各种用途。 因此，FDCA被认为是对苯二甲酸（TPA)的绿色替代品，对苯二甲酸是一种基于石油的单体， 它是全世界每年生产的最大量的石油化学品之一。事实上，美国能源部已确定FDCA为由 糖制成增值化学品以建立未来的"绿色"化学的前12种优先化合物之一，因此，它已被命 名为可再生中间体化学品的"沉睡的巨人"之一（Werpy和Petersen，TopValueAdded ChemicalsfromBiomass.USDepartmentofEnergy，Biomass，第 1 卷，2004)〇
[0009] 虽然已提出商业规模生产FDCA的各种方法（对于综述，参见例如Tong等人， Appl.CatalysisA:General，385,1-13, 2010)，但目前FDCA的主要工业合成依赖于己糖 (诸如葡萄糖或果糖）化学脱水成中间体5-羟甲基糠醛（5-HMF)，随后通过化学氧化变成 FDCA。然而，已有报道称，目前的经由脱水进行的FDCA生产过程通常是非选择性的，除非当 不稳定的中间产物形成时其可以立即转化为更稳定的物质。因此，在生产和使用FDCA中的 主要技术壁皇是从生物质衍生的糖开发有效且选择性的脱水过程。
[0010] 因此，需要开发用于通过替代方式生产这一非常重要的化合物以及许多其它化学 品和代谢产物的方法，所述替代方式不仅能够用可再生的原料取代基于石油的原料，而且 还使用更少的能量和资本密集技术。特别地，糖脱水的选择性控制可能是非常强大的技术， 从而产生各种各样额外、廉价的基础材料（buildingblocks)。
[0011] 发明概述
[0012] 本发明提供了产生一种或多种酶途径产物的方法。用于本发明方法的途径包括 一个或多个转化步骤，例如，古罗糖醛酸酶转化成D-葡萄糖二酸（步骤7) ;5_酮葡萄糖酸 (5-KGA)酶转化成L-艾杜糖醛酸（步骤15) ;L-艾杜糖醛酸酶转化成艾杜糖二酸步骤7b); 以及5-酮基葡糖酸（1^1:〇(3111(3〇1^七6)酶转化成4,6-二羟基2,5-二酮基己酸（2,5-001{) (步骤16)。在一些实施方案中，本发明的方法产生2,5_呋喃-二甲酸（FDCA)作为产物。 所述方法包括作为步骤的酶转化和化学转化。还提供各种途径来将葡萄糖转化成5-脱 氢-4-脱氧葡萄糖二酸（DDG)，以及将葡萄糖转化成FDCA。所述方法还可以包括使用以高 特异性和效率进行反应的工程化酶。
[0013] 在第一方面，本发明提供了一种从起始底物产生酶途径或化学途径产物的方法。 所述途径可含有以下转化步骤中的任何一个或多个：古罗糖醛酸酶转化成D-葡萄糖二酸 (步骤7) ;5_酮葡萄糖酸（5-KGA)酶转化成L-艾杜糖醛酸（步骤15) ;L-艾杜糖醛酸酶 转化成艾杜糖二酸（步骤7b);以及5-酮基葡糖酸酶转化成4,6-二羟基2, 5-二酮基己酸 (2, 5-DDH)(步骤16) ;1，5-葡萄糖酸内酯酶转化成古罗糖酸内酯（步骤19)。
[0014] 在一个实施方案中，酶途径的产物是5-脱氢-4-脱氧葡萄糖二酸（DDG)。在各种 实施方案中，所述方法的底物可为葡萄糖，且产物可为5-脱氢-4-脱氧葡萄糖二酸（DDG)。 所述方法可包括以下步骤：D-葡萄糖酶转化成1，5-葡萄糖酸内酯（步骤1) ;1，5-葡萄糖 酸内酯酶转化成古罗糖酸内酯（步骤19);古罗糖酸内酯酶转化成古罗糖醛酸（步骤1B); 古罗糖醛酸酶转化成D-葡萄糖二酸（步骤7);以及D-葡萄糖二酸酶转化成5-脱氢-4-脱 氧葡萄糖二酸（DDG)(步骤8)。
[0015] 在本发明的另一个方法中，底物是葡萄糖且产物是DDG，并且该方法包括以下步 骤：D-葡萄糖转化成1，5-葡萄糖酸内酯（步骤1) ;1，5-葡萄糖酸内酯转化成葡萄糖酸（步 骤la);葡萄糖酸转化成5-酮葡萄糖酸（5-KGA)(步骤14) ;5_酮葡萄糖酸（5-KGA)转化成 L-艾杜糖醛酸（步骤15) ;L-艾杜糖醛酸转化成艾杜糖二酸（步骤7b);以及艾杜糖二酸转 化成DDG(步骤8a)。
[0016] 在本发明的另一个方法中，底物是葡萄糖且产物是DDG，并且该方法包括以下步 骤：D-葡萄糖转化成1，5-葡萄糖酸内酯（步骤1);1，5-葡萄糖酸内酯转化成葡萄糖酸（步 骤la);葡萄糖酸转化成5-酮葡萄糖酸（5-KGA)(步骤14) ;5_酮葡萄糖酸（5-KGA)转化 成4,6-二羟基2, 5-二酮基己酸（2, 5-DDH)(步骤16) ;4,6-二羟基2, 5-二酮基己酸（2， 5-DDH)转化成4-脱氧-5-苏-己酮糖糖醛酸（DTHU)(步骤4);以及4-脱氧-5-苏-己酮 糖糖醛酸OTHU)转化成DDG(步骤5)。
[0017] 在本发明的另一个方法中，底物是葡萄糖且产物是DDG，并且该方法包括以下步 骤：D-葡萄糖转化成1，5-葡萄糖酸内酯（步骤1) ;1，5-葡萄糖酸内酯转化成葡萄糖酸（步 骤la);葡萄糖酸转化成5-酮葡萄糖酸（5-KGA)(步骤14) ;5_酮葡萄糖酸（5-KGA)转化成 L-艾杜糖醛酸（步骤15) ;L-艾杜糖醛酸转化成4-脱氧-5-苏-己酮糖糖醛酸（DTHU)(步 骤7B);以及4-脱氧-5-苏-己酮糖糖醛酸（DTHU)转化成DDG(步骤5)。
[0018] 本文中公开的任何方法还可包括DDG转化成2, 5-呋喃-二甲酸（FDCA)的步骤。 在任何方法中DDG转化成FDCA可包括使DDG与无机酸接触以使DDG转化成FDCA。
[0019] 在另一个方面，本发明提供了用于合成衍生的（酯化的）FDCA的方法。该方法包 括使DDG与醇、无机酸在超过60C的温度下接触以形成衍生的FDCA。在不同实施方案中，所 述醇是甲醇、丁醇或乙醇。
[0020] 在另一个方面，本发明提供了用于合成FDCA衍生物的方法。该方法包括使DDG 与醇、无机酸和共溶剂接触产生DDG的衍生物；任选地纯化所述DDG的衍生物；以及使所述 DDG的衍生物与无机酸接触，产生FDCA的衍生物。所述无机酸可以是硫酸并且所述醇可以 是乙醇或丁醇。在各种实施方案中，所述共溶剂可为以下任何一种：THF、丙酮、乙腈、醚、乙 酸丁酯、二噁烷、氯仿、二氯甲烷、1，2-二氯乙烷、己烷、甲苯，以及二甲苯。
[0021] 在一个实施方案中，DDG的衍生物是二乙基DDG且FDCA的衍生物是二乙基FDCA， 以及在另一个实施方案中，DDG的衍生物是二丁基DDG且FDCA的衍生物是二丁基FDCA。
[0022] 在另一个方面，本发明提供了用于合成FDCA的方法。该方法包括使DDG与无机酸 在气相中接触。
[0023] 在另一个方面，本发明提供了用于合成FDCA的方法。该方法包括使DDG与无机酸 在温度超过120C下接触。
[0024] 在另一个方面，本发明提供了用于合成FDCA的方法。该方法包括使DDG与无机酸 在无水反应条件下接触。
【附图说明】
[0025] 图1是蛋白474、475和476的粗裂解物和经纯化的酶的电泳凝胶。
[0026] 图2a-h分别是路线1、2、2A、2C、2D、2E、2F的途径的示意图。
[0027] 图3a_c分别呈现路线3、4和5的途径的示意图。
[0028] 图4是用葡萄糖酸脱水酶