以减少的副产物形成从糖制造hmf的方法以及改进稳定性的hmf组合物的制作方法
【专利说明】以减少的副产物形成从糖制造HMF的方法以及改进稳定性 的HMF组合物
【背景技术】
[0001] 本发明在一个方面涉及用于从糖（并且特别是但并非限制，从己糖碳水化物如葡 萄糖和果糖）制造羟甲基糠醛的方法。在一个第二方面，本发明涉及从此类糖通过脱水产 生的羟甲基糠醛产品。
[0002] 农业原料（如淀粉、纤维素、蔗糖或菊糖）是用于制造己糖（如葡萄糖和果糖） 的廉价的起始材料。使这些己糖脱水产生除其他产物（如乙酰丙酸和甲酸）之外，2-羟甲 基-5-糠醛（还被称为羟甲基糠醛（HMF)。HMF和其相关的2, 5-双取代的呋喃衍生物已经 被认为用于在来自再生资源的中间体化学品的领域中具有很大的潜力。更具体地，由于它 的不同的功能性，已建议可以将HMF用于生产广泛的产品例如聚合物、溶剂、表面活性剂、 药物、以及植物保护剂，并且已报道HMF具有抗菌和防腐的特性。HMF还是一种关键组分， 在多种多样的化合物（如糠基二醇、二醛、酯、醚、卤化物以及羧酸）的合成中或者作为一 种起始材料或者中间物。可以从HMF制备的化合物的值得注意的实例是2, 5-呋喃二甲酸 (或FDCA)，其可以从HMF、HMF的醚或酯衍生物通过氧化过程制备，参见，例如，Sanborn等 人的US 7, 317, 116和US 2009/0156841。已经讨论了 FDCA在如对苯二甲酸乙二酯或对苯 二甲酸丁二酯的如此的数百万吨级聚酯聚合物的生产中作为对苯二甲酸的生物基可再生 替代物。近期也已经对FDCA酯替代用于PVC的邻苯二甲酸酯塑化剂进行了评估，参见例如 WO 2011/023491 Al 和 WO 2011/023590 A1，两者均转让给赢创艾森诺公司（Evonik Oxeno GmbH)，以及R. D.桑德森（R. D. Sanderson)等人，《应用聚合物科学杂志（Journal of Appl. Pol. Sci.)》1994,第 53 卷，第 1785-1793 页。
[0003] 此外，HMF已经被认为对于发展衍生自生物质的生物燃料、燃料作为化石燃料的一 种可持续的替代物是有用的。HMF附加地已经被评估为用于镰状细胞性贫血的治疗。简言 之，HMF是一种重要的化学化合物，并且差不多一个世纪一直在寻找大规模生产HMF (不存 在显著量的杂质、副产物以及剩余的起始材料）的合成方法。
[0004] 尽管长期以来相应地已经知道HMF可以从糖通过脱水制备，最初是在1895年从 果糖由Dull (化学报纸（Chem. Ztg. )，19, 216)以及从鹿糖由Kiermayer (化学报纸（Chem. Ztg. )，19, 1003)制备，化学家多年以来关于HMF从某些糖形成的精确机制存在不同意 见。如最近在Weingarten等人"从水性葡萄糖溶液生产乙酰丙酸的动力学和反应工程 (Kinetics and Reaction Engineering of Levulinic Acid Production from Aqueous Glucose Solutions) "化学与可持续性、能源与材料（ChemSUSChem) 2012,第5卷，第 1280-1290页（2012)中所涉及的，"总的来说，关于从C6碳水化物形成HMF的机制存在两种 意见。一种理论假设该反应经由非环的1，2-烯二醇中间体进行。另一种理论考虑了在从 果糖形成HMF中的一种咲喃果糖基环状中间体。"具体地，关于葡萄糖，Weingarten报道了 同样存在两种HMF是如何从葡萄糖形成的理论："一种理论提出从葡萄糖形成HMF经由果糖 进行并且提出与葡萄糖相比果糖的接近不存在可以归因于其高的反应性。相反地，其他作 者声称葡萄糖可以直接地通过由开环形式的葡萄糖所形成的3-脱氧-葡糖酮醛中间体的 环化转化为HMF。在这个方面，葡萄糖至HMF的相对低的转化率由其在该开环形式（由于在 水溶液中葡萄糖吡喃糖形式的稳定性）中存在的低亲和性引起。"
[0005] 尽管关于HMF和其他所观察的脱水产物在己糖碳水化物（如果糖和葡萄糖）的 脱水中形成的确切方式相应地似乎没有最重要的一致意见，但是尽管如此存在一种一致意 见，无论机制可能如何工作并且无论中间体物种可能通过此类机制如何形成，一些不想要 的副产物总是连同HMF -起产生（不论通过涉及中间体物种或者涉及HMF的反应），使得 尚未实现一种具有优良产率的大规模制造 HMF的经济的方法。并发情况起因于HMF的再水 合，这种情况产生副产物，如乙酰丙酸和甲酸。另一种不想要的副反应包括产生腐黑物聚合 物的HMF和/或果糖的聚合，腐黑物聚合物是固体废物产物。其他并发情况可能由于溶剂 选择而产生。水容易处置并溶解果糖，但不幸的是低选择性以及增加的聚合物形成并且在 水性条件下腐黑物增加。
[0006] HMF的经济商业生产的实现还由HMF相当的不稳定性以及降解的趋势所阻碍，使 得HMF从各种副产物和未反应的糖中的纯化本身被证明是困难的。在长时间暴露于可以蒸 馏所希望的产物的温度下时，例如，HMF以及与合成混合物相关的杂质趋向形成像焦油的降 解产物。由于这种热不稳定性，必须使用降膜真空蒸馏器。甚至在这样一种装置中，在加热 面上形成树脂状的固体，从而导致转子停转以及频繁的停止时间，使得该操作无效率。已经 使用蒸馏并且添加非挥发性溶剂（像PEG-600)进行现有工作来阻止固体腐黑物聚合物的 累积（Cope，美国专利号2, 917, 520)。不幸地，聚乙二醇的使用导致HMF-PEG醚的形成。
[0007] 处理HMF的相当不稳定性以及降解趋势的还其他最近的努力已经寻求或者形成 更稳定并且容易分离的HMF衍生物（例如，HMF酯和醚衍生物）或者快速地从暴露于那些 条件（例如酸性条件，趋向有助于其降解）中去除HMF。
[0008] 前者方法的一个实例可以在先前引用的Sanborn等人的US 2009/0156841中找 到，其中提供了从碳水化物源通过将该碳水化物源与固相催化剂接触生产基本上纯的HMF 和HMF酯的一种方法；"基本上纯的"被定义为指代约70%或更大、任选地约80%或更大、 或约90 %或更大的HMF的纯度。
[0009] -种从碳水化物源和有机酸生产HMF酯的方法涉及在一个实施例中在一个柱中 加热一种碳水化物起始材料与一种溶剂，并且在一种有机酸的存在下使所加热的碳水化物 和溶剂连续不断地流动通过一种固相催化剂以形成HMF酯。通过旋转蒸发去除该溶剂以提 供一种基本上纯的HMF酯。在另一个实施例中，将一种碳水化物与有机酸和固体催化剂一 起在溶液中加热以形成一种HMF酯。然后可以将所生产的HMF酯通过过滤、蒸发、萃取、以 及蒸馏或其任何组合纯化。
[0010] 后者方法的一个实例可以在Dignan等人的WO 2009/012445中找到，其中提出HMF 是通过以下方式制造的，混合或者搅拌果糖和无机酸催化剂与一种水不混溶的有机溶剂的 水溶液以形成水相和有机相的一种乳液，然后在一个流通式反应器中在升高的压力下加热 该乳液并且允许该水相和有机相相分离。HMF以约相等的量存在于水相和有机相中，并且例 如通过真空蒸发和真空蒸馏从有机相中并且通过使水相经过离子交换树脂从两者中去除。 残留的果糖与水相保持在一起。对于最初的水相，支持高的果糖水平以相对于所反应的果 糖的量使用相对较小量的溶剂。
[0011] 在授予Sanborn等人的WO 2013/106136中，我们描述了一种用于从水性己糖糖溶 液制造 HMF或HMF衍生物（例如，酯或醚衍生物）的新方法，其中根据某些实施例，通过将 水性己糖溶液从周围环境快速加热至反应温度以及在从HMF和/或HMF衍生物产物中分离 准备好发酵的残余糖产物之前通过将该HMF和/或HMF衍生物未转化的糖混合物快速冷却 进行酸催化的脱水步骤。此外，优选地限制在当水性己糖溶液已经引入至反应器时与HMF 和/或HMF醚产物开始冷却之间的时间。
[0012] 通过接受受限制的至HMF的单程转化率，从任何给定的水性己糖溶液形成的HMF 的至酸性、升高的温度条件下的整个暴露是受限制的，并且优选地生产非常少至没有不想 要的或不可用的副产物如腐黑物（要求废物处理）。这些产物的分离和回收得以简化，并且 HMF以及已知用于抑制通过发酵生产乙醇的其他己糖脱水产物的水平在残留糖产物中减少 至一个程度，从而如果希望的话这些残留糖产物可以直接用于乙醇发酵。如所描述而进行 的方法的特征是非常高的糖可计量性（accountabilities)以及高的转化效率，其中非常 低的糖损失是明显的。
【发明内容】
[0013] 以下呈现了本发明的简化概述以便提供其方面中的一些的基本理解。此概述不是 本发明的广泛的综述并且其既不旨在确定本发明的关键或极重要的元素也不旨在描绘其 范围。此概述的唯一目的是以一种简化的形式作为稍后呈现的更详细的说明的前奏呈现本 发明的一些概念。
[0014] 在这种情况下，在一个方面，本发明涉及一种解决这些困难中的一些的仍然不同 的方法，这些困难在寻找尤其从来自玉米湿磨或干磨或者来自木质纤维素生物质的纤维素 部分的常见的己糖糖中制造商业规模的HMF中已经遇到，例如通过提供使一种或多种己糖 糖通过在减氧环境中脱水制造 HMF或HMF的衍生物的方法。
[0015] 在另一个相关的方面，本发明涉及一种通过将HMF产物与一种或多种抗氧化剂结 合来改进HMF产物的稳定性和耐降解性的方法，该HMF产物如可以从一种或多种己糖糖的 酸脱水生产，其中"抗氧化剂"应理解为广义上指的是直接或间接能够限制或甚至防止（不 管具体的作用方式）单体或聚合物性质的天然或合