专利名称：羟甲基糠醛的制备的制作方法
技术领域：
本发明涉及制备羟甲基糠醛的方法。
背景技术：
逐渐减少的矿物燃料储量和全球变暖效应已经成为人们主要关注的问题。寻找持 久的替代能源至关重要。作为目前仅有的液体燃料的可持续来源，生物燃料备受关注。然 而，由于缺少将碳水化合物选择性转化为用于生物燃料制备的化合物的高效方法，用生物 量替代石油原料受到限制。能够将丰富的生物量转化为通用化合物的实用的催化方法也将 为化学工业提供可再生原料。最近，已经做出很多努力将生物量转化为5-羟甲基糠醛(HMF)，其在生物燃料化 学和石油工业中是一种通用的、关键的中间体。HMF及其2，5-双取代呋喃衍生物能够替代 关键的基于石油的基本成分(building blocks) 0目前存在大量的对于糖脱水形成HMF具 有活性的催化剂。然而，其中大部分促进了形成不需要的副产物的副反应并进一步将HMF 再水化形成乙酰丙酸和甲酸。它们通常也限于单糖原料，例如果糖。最近的报道表明使用1-H-3-甲基咪唑氯化物(HMIM+CD作为溶剂和酸催化剂能 有效地以约90%的产率将果糖转化为HMF。然而，这种体系并未表现出能转化更稳定且充 足的糖源——葡萄糖。Dumesic的研究组已经开发出两相体系(水/有机相)用于分离和 稳定 HMF 产物((a) Y. Roman-Leshkov, J. N. Chheda, J. A. Dumesic, Science 2006，312，1933 ； (b) J. N. Chheda, Y. Roman-Leshkov, J. A. Dumesic, Green Chem. 2007,9,342)。Zhang 的研究 组已经报道了金属氯化物/离子液体体系，其对于果糖(采用Pt或1 氯化物为83%，采用 CrCl2为65% )和葡萄糖(采用CrCl2的最高纪录为68% )均能得到中等至良好的HNF产 率(H. Zhao, J. Ε. Holladay, H. Brown, Ζ. C. Zhang, Science 2007，316，1597)。需要以良好至诸如超过约80%的极好的产率将果糖和葡萄糖均转化为HMF的改 进方法。也需要用于将其他糖类转化为HMF的改进的方法。发明目的本发明的目的在于基本上克服或者至少改善一个或多个上述缺陷。本发明另一目 的为至少部分地满足至少一种上述需要。
发明内容
本发明的第一方面提供制备羟甲基糠醛的方法，其包括将糖类与N-杂环碳烯的 金属络合物接触。以下选择可以独立地或以任何适当的组合方式与所述第一方面结合使用。所述糖类可以包括单糖。其也可以包括二糖。其可以包括寡糖。其可以包括多糖。 其可以包括(或可以是)以上这些的任意两种或多种的混合物。所述单糖可以包括果糖、 葡萄糖或其混合物。所述二糖可以是蔗糖。所述接触可以在偶极非质子溶剂中进行。该溶剂可以是或者可以包括离子液体。所述离子液体可以为或者可以包括咪唑的盐(例如，卤化物，如氯化物)。其可以为或者可 以包括1- 丁基-3-甲基咪唑氯化物。所述金属络合物可以是过渡金属络合物。其可以是铬络合物或钛络合物或钨络合 物或钼络合物或镍络合物或钯络合物或钌络合物或铝络合物，或者其可以是以上这些的任 意两个或多个的混合物。其可以是CrII络合物或CrIII络合物。所述N-杂环碳烯可以是单体的(monomeric)。其可以是二聚的。其可以是低聚 的。其可以是聚合的。N-杂环碳烯的金属络合物可以是N-咪唑碳烯的金属络合物，例如， 单体N-咪唑碳烯的金属络合物或聚合N-咪唑碳烯的金属络合物。所述方法也可以包括生成N-杂环碳烯的金属络合物的步骤。所述生成N-杂环碳 烯的金属络合物的步骤可以包括在所述金属的盐的存在下将氮杂环盐与碱反应。所述碱可 以是叔丁醇钾。所述方法还可以包括分离羟甲基糠醛。所述单糖可以是果糖且羟甲基糠醛的产率可以在约80%以上。所述单糖可以是葡 萄糖且羟甲基糠醛的产率可以在约70%以上。从反应混合物中除去羟甲基糠醛后可以回收N-杂环碳烯的金属络合物。如果接 触是在离子液体中进行的，从反应混合物中除去羟甲基糠醛后可以回收所述离子液体。回 收可包括将从中去除羟甲基糠醛后的反应混合物加热足够的时间以除去其中的挥发性物 质。在一个实施方案中，提供了制备羟甲基糠醛的方法，包括在离子液体中将果糖、葡 萄糖或其混合物与N-杂环碳烯的铬络合物接触。在另一实施方案中，提供了制备羟甲基糠醛的方法，包括 生成N-杂环碳烯的铬络合物；以及 在离子液体中将果糖、葡萄糖或其混合物与所述N-杂环碳烯的铬络合物接触。在另一实施方案中，提供了制备羟甲基糠醛的方法，包括 在铬盐的存在下，将氮杂环与碱反应以生成N-杂环碳烯的铬络合物；以及 在离子液体中将果糖、葡萄糖或其混合物与所述N-杂环碳烯的铬络合物接触。本发明还提供通过第一方面的方法制备的羟甲基糠醛。本发明的第二方面提供N-杂环碳烯的金属络合物在制备羟甲基糠醛中的用途。本发明的第三方面提供使用通过第一方面的方法制备的羟甲基糠醛在生产诸如 生物燃料的燃料中的用途。本发明的第四方面提供使用通过第一方面的方法制备的羟甲基糠醛制备的生物 燃料。附图简要说明现仅以例举的方式参考本文附图来对本发明的优选的实施方案进行描述，其中
图1的曲线图表示采用9mol%的6_CrCl2，反应温度对于来自果糖(■)和葡萄 糖( )的HMF产率的作用(底物/BMIM重量比=0. 2，6h)；图2的曲线图表示采用9mol%的6_CrCl2，反应时间对于来自果糖(■)和葡萄 糖( )的HMF产率的作用(底物/BMIM重量比=0. 2，100°C )；图3的曲线图表示6_CrCl2的载样量对于来自果糖(■)和葡萄糖( )的HMF产率的作用(底物/BMIM重量比=0.2，6h，10(rC )；图4的曲线图表示采用9mol%的6_CrCl2，底物的载样量对于来自果糖(■)和 葡萄糖( )的HMF产率的作用(6h，IOO0C )；和图5为6_CrCl2的反应中间体的XPS图谱。优选实施方案的详细说明发明人已经发现，N-杂环碳烯-金属络合物能够催化诸如葡萄糖或果糖的糖类转 化为羟甲基糠醛(5-(羟甲基)-2-呋喃甲醛；HMF)。该反应以相对高的产率进行，尤其是采 用离子液体溶剂时。也可使用适当的糖类的混合物。该反应可采用单糖(例如，葡萄糖、果 糖)、二糖(例如蔗糖)、低聚糖或多糖(例如淀粉、纤维素)。所述糖可以是己糖或己糖类 的混合物，或己糖的二聚体、低聚物或聚合物或共聚物或其混合物。本文所述的反应优点在 于，采用相对廉价的和/或易于获得的底物，在某些情况下，其代表废料。例如，通过本发明 的方法转化纤维素，实现了 30%的HMF产率。已经发现，以聚合NHC为基础的催化剂相比 于其单体相对物，提供的来自果糖和葡萄糖的HMF产率略有下降，然而，基于聚合NHC的催 化剂相比于其单体相对物具有更好的再循环能力的优势。N-杂环碳烯-金属络合物可与 酸催化剂协同使用。所述酸催化剂可以是多相酸催化剂。其可以是固体多相酸催化剂。例 如，其可以是沸石(zeolyte)。这在糖为二糖、低聚糖和多糖的情况下是特别有利的。本方 法可以包括二糖、低聚糖和多糖的水解。所述水解可以是原位水解。其可以由酸催化剂来 催化。对于本方法适合的溶剂为偶极非质子溶剂。该溶剂可以包括或可以是离子液体。 适合的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯化物。其他咪唑盐也适用。咪唑盐的反离子可 以是卤化物，例如氯化物。该溶剂可以是混合溶剂，例如偶极非质子溶剂的混合物。该溶剂 可包括离子液体与不同的偶极非质子溶剂(诸如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、六甲基磷酰 胺等)。该溶剂可以主要由离子液体组成，例如，重量或体积比大于约50%、或大于约60%、 70%、80%或 90%。N-杂环碳烯的金属络合物可以是N-咪唑碳烯金属络合物。它可以是N-杂环碳 烯的铬II或铬III络合物。N-杂环碳烯(NHC)可源自咪唑盐、或取代的咪唑盐，尤其是N， N' -二取代咪唑盐。咪唑盐可以是二咪唑盐，如吡啶二咪唑盐。NHC可源自咪唑啉盐，或取 代的咪唑啉盐，尤其是N，N' -二取代咪唑啉盐。所述咪唑啉盐可以是咪唑啉盐，如吡啶咪 唑啉盐。NHC可以是α，α ‘ - 二氮碳(α，α ‘ -dimtrogen carbon)。每个α -氮原子 都可以被取代。它们可以彼此独立地被大基团所取代。它们可以都被大基团所取代(任选 地被相同的大基团取代)。合适的大基团为叔丁基、新戊基、2，6_ 二甲基苯基、2，4，6_三甲 基苯基、2，6_ 二异丙基苯基、2，4，6_三异丙基苯基等。氮原子上的取代基可以独立地为烷 基或芳基或杂芳基。因此，NHC可以是咪唑-2-亚基(imidazol-2-ylidene)。其可以是N， N' - 二取代的咪唑-2-亚基，即1，3-二取代的咪唑-2-亚基。其可以是咪唑啉-2-亚基 (imidazolin-2-ylidine)。其可以是Ν，Ν' -二取代的咪唑啉_2_亚基，即1，3-二取代的 咪唑啉-2-亚基。N-杂环碳烯的金属络合物可在溶剂中(或在反应混合物中)溶解，或可以在其中 不溶解。其可被用作均相催化剂或多相催化剂。尤其在聚合络合物的情况下，其可用作多 相催化剂。如果该络合物用作多相催化剂，随后，其可任选地通过沉淀、过滤、离心或这些方法的某些组合来从反应混合物中除去。然后，必要时，其在随后的反应中被重复使用。其被 重复使用时，催化活性的损失小于约10%、或小于约5%、2%或1%。N-杂环碳烯的金属络合物可通过将相应的氮杂环盐在金属的盐的存在下与碱反 应生成。该碱可以是叔丁醇钾或某些其他的强碱，例如氢化钠、氢化钾、NaNCTMQ2等。该 碱可以为足够强的碱，足以使氮杂环盐转化为相应的N-杂环碳烯。因此，例如，为产生1， 3-二取代咪唑-2-亚基的金属络合物，可以在金属的盐的存在下用强碱处理相应的1，3-二 取代咪唑盐。氮杂环盐可以是卤化物，例如氯化物、溴化物或碘化物，或可以具有某些其他 的反离子。金属的盐可以是卤化物，例如氯化物、溴化物或碘化物，或可以具有一些其他的 反离子。该金属的盐的反离子可以与氮杂环盐的反离子相同或不同。所述金属可以是过渡 金属。该金属可以是铬、钛、钨、钼、镍、钯、钌、铝，或可以是上述这些的任意两个或多个的混 合物。该反应可在溶剂进行。所述溶剂可以是偶极非质子溶剂。其可以是对碱不敏感的溶 剂。例如，其可以是DMF、DMSO、HMPT、HMPA或其他一些适合的溶剂。其可以是用于杂环盐的 溶剂。其可以是用于碱的溶剂。其可以是用于金属盐的溶剂。其可以是用于NHC的金属络 合物的溶剂。可能需要加热反应混合物以形成NHC的金属络合物。在某些情况下，可不加 热。适合的温度在约20°C至约100°C，或约30°C至100°c、5(rc至100°c、2(rc至80°C、20°C 至 50°C、30°C至 70°C、5(TC至 80°C、70°C至 100°C或 70 至 90°C，例如，约 20°C、30°C、40°C、 50。C、60°C、70°C、80°C、90°C或100°C。为了基本上完成转化，所述反应可以进行足够长的时 间。其可以进行约1至约6小时、或约1至3小时、3至6小时或2至5小时，如约1小时、 2小时、3小时、4小时、5小时或6小时。温度和时间应足以形成NHC的金属络合物。在本发明的方法中，所述糖(果糖和/或蔗糖)可以与溶剂(如离子液体)混合。 糖与溶剂的适合的比为约20% w/w，或约5%至约30%、或约5%至25%、5%至20%、5% 至 10%、10%至 30%、20%至 30%、10%至 25%或 15%至 25%，如约 5%、10%、15%、20%、 25%或30%。在以葡萄糖为底物的情况下，其可以高达50%、60%、70%、80%、90%或甚 M 100% (例如，也可以为约40%、50%、60%、70%、80%、90%或100% w/w)。然后可以加 入该催化剂(金属-碳烯络合物)。相对于糖的适合的加入比可以为约1至约15mol%， 或约 Imol %M IOmol %Umol %M 5mol%,5mol%M 15mol %UOmol %M 15mol%,5mol% 至 IOmol %、Imol % 至 3mol%、2mol% 至 5mol% 或 2mol% 至 4mol%，如约 lmol%、2mol%、 3mol %,4mol %,5mol %,6mol %,7mol %,8mol %,9mol %UOmol %UImol %U2mol lSmol^^Hmol1^或15m0l%。该加入比应足以获得可接受的、任选地为最佳的产品产率。 该反应可以在如下温度下进行，约80至约120°C，或约80至100°C、80至90°C、90至120°C、 100 至 120°C或 90 至 100°C、例如870°C、85°C、90°C、95°C、100°C、105°C、110°C、115°C或 120°C，或在其他某些适当的温度下。可以选择温度，以便提供一个最佳的产率或得到可接 受的产率。对其进行选择以提供在低产率和过多副产物形成之间的权衡。该反应可以进行 约2至约10小时，或约2至8小时、2至6小时、4至10小时、6至10小时、4至8小时或5 至7小时，或约2、3、4、5、6、7、8、9或10小时。时间可以取决于温度。该反应可以在惰性气 体中进行，例如氮气、二氧化碳、氦气、氖气、氩气或这些的任意两个或多个的混合物，或者 其也可以在空气中或其他一些包含氧气的气体混合物中进行。在某些情况下，其可以在减 压下进行，例如约0. 2个大气压的绝对压强或以下、或约0. 1,0. 05,0. 02或0. 01个大气压 的绝对压强或以下。在这种情况下，至少一些副产物在其形成时可以被除去。这样使得可以回收N-杂环碳烯的金属络合物和/或溶剂，而无需除去挥发物的单独步骤。该羟甲基糠醛产物通过已知的方法从反应混合物中分离。这些方法包括溶剂萃取 法(例如乙醚萃取)、水洗、柱色谱法、气相色谱法、高效液相色谱法(hplc)或这些的任意两 个或更多的组合。该反应可以使用果糖、葡萄糖或两者混合物作为底物进行。如果采用适合的条件 (如上所述)，羟甲基糠醛的产率可至少为约70 %，或至少约75 %、80 %、85 %或90 %。通常 来自葡萄糖和果糖的产率是不同的。在从反应混合物中除去羟甲基糠醛后，可以回收N-杂环碳烯的金属络合物。特别 地，其可在随后的反应中重复使用，所述随后的反应为制备本文所述的羟甲基糠醛的方法。 这样在方法中提供成本节约，且可以在很少或没有羟甲基糠醛产率损失(如小于约5%的 产率损失，或小于约4%、3%或2%的产率损失)的情况下完成。如果在离子液体中进行接 触，该离子液体也可循环使用。通常，通过溶剂萃取(任选地反复进行溶剂萃取)将产物羟 甲基糠醛从反应混合物中除去。然后可以处理反应混合物(已除去羟甲基糠醛)以通过 将其加热和/或抽真空来除去挥发性物质(如，基本上全部的挥发性物质，或至少约80%、 85^^90^^95%或98%的挥发性物质)。可选地或另外地，可以在除去羟甲基糠醛之前将 挥发物除去。在本文中，“挥发性”物质是指沸点为约100°C或更低。加热的温度可以为约 80 至约 150°C，或约 80 到 120°C、80 至 100°C、100 至 150°C、120 至 150°C、100 至 120°C或 90 至 110°C，例如约 80°C、90°C、100°C、110°C、120°C、130°C、140°C或 150°C。所述真空可以 在大约0. 2个大气压的绝对压强或以下，或约0. 1、0. 05、0. 02或0. 01个大气压的绝对压强 或以下。在所述处理条件下，所述处理的时间可足以除去所需比例的挥发性物质。其可以 是约1至约5小时、或约1至3小时、2至5小时或1. 5至2. 5小时，如约1、1. 5、2、2. 5、3、 3. 5、4、4. 5或5小时。可以在适合的仪器中进行加热/真空，例如真空室、旋转蒸发器或其 他合适的仪器。在某些情况下不采用真空。本发明的羟甲基糠醛的生成可以作为一个持续的过程进行。在一个实例中，糖 (糖类)和催化剂被连续地加入至反应循环的加入区域，然后将所得的混合物在适合的温 度下维持适合的反应时间(如前文所述)以在反应循环的反应区域中形成羟甲基糠醛，在 分离区域中连续地将挥发物和羟甲基糠醛分离，且将溶剂和催化剂回收至加入区域用于再 利用。可以将反应区抽真空，以便在反应时除去挥发物，随后将羟甲基糠醛在分离区除去。因此，在本发明的很多实施方案中，出现了新的Cr-N-杂环碳烯(NHC)/离子液体 体系，其选择性地从葡萄糖和果糖中生产羟甲基糠醛(HMF)。该新型催化剂从果糖和葡萄 糖原料中均实现了已知的最高效率。来自果糖和葡萄糖的HMF产率分别高达96%和82 %。 新体系对于HMF具有高选择性，且能够承受高底物载样量。其还容易回收催化剂和离子液 体。发明人研究了将N-杂环碳烯(NHC)-金属络合物用作糖脱水反应的催化剂。这些 配体通过改变NHC的立体和电子性质对改变催化活性提供了很大的灵活性。检测了采用 1-丁基-3-甲基咪唑氯化物(BMIM)与不同催化剂时，果糖和葡萄糖的转化率(反应式1)。 通过在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中混合咪唑盐、KOtBu和金属氯化物来预先生产NHC-金属 络合物，加热了几个小时后才加入到反应体系。在典型的反应方案中，将IOOmg糖与500mg BMIM和2mol %预制的Cr-NHC催化剂混合。将反应混合物在100°C下保持6h。将HMF用乙
7醚萃取(三次)。重复所有实验，通过对所分离的产物进行GC和NMR来确定HMF产率
权利要求
1.用于制备羟甲基糠醛的方法，包括将糖类与N-杂环碳烯的金属络合物接触。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述糖类包括单糖。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述单糖包括果糖、葡萄糖或其混合物。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其中所述接触在偶极非质子溶剂中进行。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述溶剂为离子液体。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯化物。
7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其中所述N-杂环碳烯为单体的N-杂环碳烯。
8.如权利要求1-6任一项所述的方法，其中所述N-杂环碳烯为聚合的N-杂环碳烯。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其中所述金属络合物为过渡金属络合物。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述过渡金属络合物为铬络合物。
11.如权利要求1-10任一项所述的方法，其中所述N-杂环碳烯的金属络合物为N-咪 唑碳烯的金属络合物。
12.如权利要求1-11任一项所述的方法，其包括生成N-杂环碳烯的金属络合物的步马聚ο
13.如权利要求12所述的方法，其中所述生成N-杂环碳烯的金属络合物的步骤包括在 所述金属的盐的存在下将氮杂环盐与碱反应。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述碱为叔丁醇钾。
15.如权利要求1-14任一项所述的方法，还包括分离羟甲基糠醛。
16.如权利要求1-15任一项所述的方法，其中所述糖为果糖，且羟甲基糠醛的产率高 于约80%。
17.如权利要求1-15任一项所述的方法，其中所述糖为葡萄糖，且羟甲基糠醛的产率 高于约70%。
18.如权利要求1-17任一项所述的方法，其中在从反应混合物中除去羟甲基糠醛后， 回收N-杂环碳烯的金属络合物。
19.如权利要求1-18任一项所述的方法，其中所述接触在离子液体中进行，且在从反 应混合物中除去羟甲基糠醛后，回收所述离子液体。
20.如权利要求18或19所述的方法，其中所述回收包括从反应混合物中除去羟甲基糠 醛后，将反应混合物加热足够的时间以从其中除去挥发性物质。
21.通过权利要求1-20任一项的方法制备的羟甲基糠醛。
22.N-杂环碳烯的金属络合物在制备羟甲基糠醛中的用途。
23.通过权利要求1-20任一项的方法制备的羟甲基糠醛在生产燃料中的用途。
24.采用权利要求1-20任一项的方法制备的羟甲基糠醛所制备的生物燃料。
全文摘要
本发明提供制备羟甲基糠醛的方法，包括将诸如葡萄糖或果糖的糖类与N-杂环碳烯的金属络合物接触。
文档编号C07D307/50GK102137852SQ200880130724
公开日2011年7月27日 申请日期2008年6月18日 优先权日2008年6月18日
发明者张玉根, 杨根, 杰姬·Y·英 申请人:科技研究局