改进的硝酸氧化方法
【专利说明】改进的硝酸氧化方法
[0001] 相关申请信息
[0002] 本文要求于2013年3月13日提交的美国专利申请号61/780, 472和于2013年3 月13日提交的美国专利申请号61/780, 498的优先权，通过引用的方式将其全部内容整体 并入本文。 发明领域
[0003] 本发明描述了使用硝酸和氧气作为共氧化剂来氧化醛、醇和/或多元醇（优选碳 水化合物）来生产相应的羧酸的改进方法。本文描述的改进方法可以作为间歇过程使用， 也可以作为连续过程使用。
[0004] 发明背景
[0005] 如果能够以工业规模高效地生产羟基羧酸，尤其是碳水化合物二酸（醛糖二酸 (aldaric acids))，其作为化学工业中的碳基平台化合物，作为在药物制剂和食物产品中 使用的安全添加剂或产品组分，以及作为可生物降解的聚合物的结构组分，可提供巨大的 经济潜力。例如，葡萄糖二酸可通过葡萄糖的氧化生产，其盐形式目前用作预防癌症的营养 品。然而该原料的价格高昂，约$l〇〇/lb。醛糖二酸的工业规模生产还会为其他有用化合物 的生产提供足量的原料，所述化合物包括具有不同性质和用途的可环境降解的聚酰胺，其 尚无商业化生产。
[0006] 碳水化合物二酸可通过使用包括硝酸的各种氧化剂从还原糖经多种途径生产。碳 水化合物的硝酸氧化的一个实例是由D-葡萄糖得到D-葡萄糖二酸，通常分离得到其单钾 盐（参见，W. N. Haworth 和 W. G. M. Jones，J. Chem. Soc.，65-76 (1944)，C. L. Mehltretter 和 C.E.Rist，Agric. and Food Chem. ,1,779-783(1953)和 C.L.Mehltretter，"D-Glucaric Acid"，in Methods in Carbohydrate Chemistry, R. L. Whistler, M. L.ffolfrom 编； Academic Press，纽约，1962,卷II，46-48页）。或者，D-葡萄糖二酸可以从D-葡萄糖的 硝酸氧化中分离，得到其二钠盐（参见，D. E. Kiely，A. Carter和D. P. Shrout，美国专利号 5,599,977，1997 年 2月 4 日）或得到 1,4:6,3-双内酯（参见，D.E.Kiely和G.Ponder，美 国专利号6,049,004, 2000年4月11日）。已描述了显示用氧气和贵金属催化剂通过催化 氧化来合成二酸的路径（参见，C. L. Mehltretter，美国专利No. 2, 472, 168,1949年6月7 日）。存在通过使用氧铵盐结合次卤酸盐作为最终氧化剂的其他合成路径。例如，Merbough 和同事描述了使用4-乙酰氨基-2, 2, 4, 6-四甲基-1-哌啶氧化物（4-AcNH-TEMPO)和 次卤酸盐作为氧化介质将D-葡萄糖、D-甘露糖、D-半乳糖氧化为其相应的二酸（参见， N.Merbough，J.M. Bobbitt 和 C. Bruckner，J. Carbohydr. Chem. ,21，66-77 (2002)以及 Merbouh，J Μ· Bobbitt 和 C. Bruckner，美国专利号 6, 498, 269, 2002 年 12 月 24 日）。最近还 描述了将肌醇微生物氧化为葡萄糖醛酸，然后酶促氧化或通过催化氧化为葡萄糖二酸（参 见，W. A. Schroeder，P. M. Hicks，S. McFarlan 和 T. W. Abraham，美国专利申请 20040185562， 2004年9月24日）。
[0007] 已知有多种使用硝酸来氧化碳水化合物的方法。例如，美国专利号 2,380，196('196专利）描述了将碳水化合物硝酸氧化为二元酸，特别是酒石酸。'196专利 描述了循环过程，其中在每次循环中，用硝酸氧化新的碳水化合物和之前氧化的残留物。使 用了诸如钒、锰、铁和钼的催化剂来提高酒石酸的产量。根据'196专利，当硝酸与葡萄糖的 摩尔比为5:7. 5,优选为6:7. 5时，可以得到好的产量。' 196专利还描述了混合原料时温度 应保持在20°C或更低。混合之后，将温度逐渐升高或使其自发地升高到约30°C至35°C (此 为引发阶段或升温阶段）。当温度达到30°C至35°C时，发生被称为"暴沸"的自催化强放热 反应。所述"暴沸"阶段在约50°C至75°C下，优选为65-70°C下保持45至120分钟不等。 氧化的最终温度阶段为"发烟"阶段，该阶段最后的硝酸被反应并转化为低级的氮氧化物。 在"发烟"阶段期间，反应混合物保持在略低于混合物沸点的高温，约90°C至95°C，直到不 再能通过烟来检测到氮氧化物。通过直接沉淀和结晶将草酸和酒石酸从被氧化的反应混合 物中回收。
[0008] 美国专利号2, 436, 659 ('659专利）公开了生产D-葡萄糖二酸的改进且经济的方 法。特别是，'659专利公开了在更短的时间内生产更高产量的D-葡萄糖二酸的方法，该方 法更加方便，同时不使用金属氧化催化剂。根据'659专利，将无水或一水化物形式的结晶 D-葡萄糖可将反应温度控制在55°C至90°C之间的速率加入硝酸溶液中。该方法中使用的 葡萄糖与硝酸的摩尔比为1:4。然而，'659专利说明了 1:3的葡萄糖与硝酸的摩尔比降低 了 D-葡糖二酸的产量，而1:8的比例提高了该产量。'659专利还公开了使用60%至70% 的硝酸时，优选使用55°C至70°C的反应温度，而使用更低浓度的硝酸时优选更高的反应温 度。当通过这种方式实施所述方法时非常迅速，在一小时的氧化时间得到D-葡糖二酸的最 大产量。
[0009] 美国专利号3, 242, 207( '207专利）公开了在高温下用硝酸氧化D-葡萄糖的连 续方法。具体的，'207专利中所描述的方法按以下进行：（1)通过用浓缩的硝酸氧化D-葡 萄糖的水溶液，在约40°C至70°C的温度下，将分子比为1:3至1:3. 5的D-葡萄糖水溶液和 浓缩的硝酸同时且连续地加入来制备初始反应混合物；（2)从反应容器中连续回收对应于 进料液体体积的一部分反应混合物；以及（3)分离所形成的产物。
[0010] 美国专利号7, 692, 041 ( '041专利）公开了利用硝酸氧化来氧化水溶性化合物的 改进方法。所述方法包括（1)制备适于硝酸氧化的有机化合物的水溶液；（2)在氧气正压 下，在密闭的反应容器中使用控制过程，将有机化合的水溶液与硝酸的水溶液合并一段时 间，以使有机化合物氧化为有机酸的混合物；（3)在氧化反应过程中，保持约25°C至约50°C 的控制适中温度，控制氧气正压，以及有机化合物和硝酸反应混合物的控制搅拌；以及（4) 从合并的水溶液中去除一部分硝酸，得到适于进一步加工的有机酸混合物。
[0011] 本领域中亟需安全、经济且有效的将有机化合物转化为其相应的酸的改进氧化方 法。
[0012] 发明概述
[0013] 在一个方面中，本发明涉及合成有机酸混合物的方法，所述方法包括以下步骤：
[0014] (a)在氧气正压下，在一个或多个密闭的反应容器中将适于硝酸氧化的有机化合 物和硝酸的水溶液合并并且采用连续混合一段时间，以形成第一反应混合物，其中所述有 机化合物和所述硝酸的水溶液被引入所述一个或多个密闭的反应容器；
[0015] (b)使所述第一反应混合物流经一个或多个反应容器的同时，保持约5°C至约 105°C的控制温度，约Obarg至约1000 barg的控制氧气正压一段时间，以适于将所述有机化 合物氧化为包含有机酸产物和氮氧化物混合物的后续反应混合物；
[0016] (c)将所述后续反应混合物再循环到反应容器蒸气空间的顶部空间中；以及
[0017] (d)从所述后续反应混合物中回收硝酸。
[0018] 在上述方法中，所述一个或多个密闭的反应容器包括一个或多个反应器。更具体 地，所述一个或多个密闭的反应容器相互串联（连续）或并联（间歇）。例如，反应器可以 是连续搅拌釜反应器（CSTR)、降膜反应器、管式平推流反应器，或几乎任何类型的混合型、 可控制温度和压力且含有液相和气相（非水力充满）的反应器。
[0019] 上述方法可以是连续过程。或者，上述方法可以是间歇过程。
[0020] 在上述方法中，所述有机化合物包括适于硝酸氧化的单一有机原料，或有机原料 的混合物。
[0021] 另一方面，上述方法进一步包括从后续反应混合物中去除大部分硝酸的步骤。
[0022] 在上述方法中，所述硝酸的去除是通过蒸发、蒸馏、纳滤、扩散渗析、或者醇或醚沉 淀来实现的。
[0023] 上述方法进一步包括碱化所述已去除大部分硝酸的后续反应混合物的步骤，以将 残留的硝酸转化为无机硝酸盐，并将有机酸混合物转化为有机酸盐混合物。
[0024] 在上述方法中，适于硝酸氧化的有机化合物选自一元醇、二元醇、多元醇、醛、酮、 碳水化合物、羟基酸、纤维素、淀粉及其组合。例如，碳水化合物选自单糖、二糖、寡糖、醛糖 酸、醛糖酸酯、醛糖酸盐、糖醛酸、糖醛酸酯、糖醛酸盐、糖醇、环醇、不同葡萄糖当量的玉米 糖浆和来自植物、微生物或生物质原料的单糖、二糖、寡糖和多糖。
[0025] 在上述方法中，氮氧化物为N203、N20 4、N0、勵2和N 20。
[0026] 另一方面，本发明涉及合成有机酸混合物的方法，所述方法包括以下步骤：
[0027] (a)在氧气正压下，在一个或多个密闭的反应容器中，将适于硝酸氧化的有机化合 物和硝酸水溶液合并并采用连续搅拌混合一段时间，形成反应混合物，其中所述有机化合 物和所述硝酸水溶液被同时引入一个或多个密闭的反应容器中；
[0028] (b)使所述反应混合物流经一个或多个密闭反应容器的同时，（i)保持反应容器 的一部分约5°C至约105°C的控制温度，（ii)保持反应容器顶部空间约80°C至约_42°C的 温度；以及（iii)保持约Obarg至约1000 barg的控制氧气正压一段时间，以适于将所述有 机化合物氧化为包含有机酸产物和氮氧化物混合物的后续反应混合物；以及
[0029] (c)从所述后续反应混合物去除大部分硝酸，以得到适于进一步加工的最终有机 酸反应混合物。
[0030] 在上述方法中，所述一个或多个密闭的反应容器包括一个或多个反应器。更具体 地，所述一个或多个密闭的反应容器相互串联（连续）或并联（间歇）。例如，反应器可以 是连续搅拌釜反应器（CSTRs)、降膜反应器、管式平推流反应器，或几乎任何类型的混合型、 可控制温度和压力且含有液相和气相（非水力充满）的反应器。上述方法可以是连续过程。 或者，上述方法可以是间歇过程。
[0031] 在上述方法中，有机化合物包含适于硝酸氧化的单一的有机原料或有机原料的混 合物。
[0032] 另一方面，上述方法进一步包含从所述后续反应混合物中去除大部分硝酸的步 骤。
[0033] 在上述方法中，所述硝酸的去除是通过蒸发、蒸馏、纳滤、扩散渗析或者醇或醚沉 淀来实现的。
[0034] 上述方法进一步包括碱化所述已去除大部分硝酸的后续反应混合物的步骤，以将 残留的硝酸转化为无机硝酸盐，并将有机酸混合物转化为有机酸盐混合物。
[0035] 在上述方法中，适于硝酸氧化的有机化合物选自一元醇、二元醇、多元醇、醛、酮、 碳水化合物、羟基酸、纤维素、淀粉及其组合。例如，碳水化合物选自单糖、二糖、寡糖、醛糖 酸、醛糖酸酯、醛糖酸盐、糖醛酸、糖醛酸酯、糖醛酸盐、糖醇、环醇、不同葡萄糖当量的玉米 糖浆、和来自植物、微生物或生物质原料的单糖、二糖、寡糖和多糖。
[0036] 在上述方法中，氮氧化物为N203、N20 4、N0、勵2和N 20。
[0037] 附图简述
[0038] 图1提供了实施例11中描述的结果，证明相比未装配顶部空间冷却装置的相同反 应器，装配了顶部空间冷却装置的反应器顶部空间内有更低的NO2组分。
[0039] 发明详述
[0040] 本发明涉及将有机化合物氧化为其相应的有机酸产物的安全、高效且经济的氧化 方法。特别地，本发明涉及在氧化反应期间原位再生硝酸，同时提高终产物的安全性和质量 的改进方法。有效地再生硝酸降低了完成氧化所需硝酸的量，使硝酸随后能够回收和再循 环，由此提高了过程的效率和经济性。然而，在反应过程中硝酸含量的增加也会导致氧化速 率的失控和有机底物的过氧化。其他专利已公开了在氧化过程期间原位再生硝酸的方法。 美国专利号7, 692, 041 ( '041专利）公开了使用硝酸氧化，通过在反应过程中引入氧气正 压来氧化水溶性化合物的改进方法，将气态的氮氧化物（NOx)、来自氧化反应的副产物，转 变回硝酸。'041专利中描述的方法使用密封的容器，用氧气加压，将顶部空间内的^^^再氧 化回硝酸，由此通过增加液体反应相中硝酸的浓度来提高反应速率。'041专利未描述提高 硝酸再生速率或氧化反应速率的可选方法。本领域的技术人员可预期提高顶部空间的温度 可通过提高NOx转变回硝酸的氧化速率来改善硝酸的再生。本领域的技术人员也可预期改 善气相回到液相的传质也会提高有机底物的氧化速率。
[0041] 为了更好地理解顶部空间温度的影响，发明人使用了能够独立地加热和冷却气体 和液体的反应器。'041专利未公开使用分别控制顶部空间温度和液体温度的反应器。发明 人意外地发现，取代加热，将顶部空间冷却至液相温度以下提高了硝酸再生的总体速率。与 先前描述的氧化方法相比，提高硝酸再生的速率使得本发明的氧化方法可使用更少的硝酸 达到相同的氧化程度。<