本申请要求于2013年12月18日提交的美国临时申请号61/917,390以及2013年12月20日提交的美国临时申请号61/918,810的优先权的权益，这些申请的内容通过引用结合在此。
发明领域
本披露涉及作为聚合物合成中的单体、以及增塑剂、表面活性剂和中间体化学化合物有用的某些环状双官能材料。具体地，本发明涉及1,4:3,6-双脱水己糖醇的酯以及用于它们制备的方法。
背景
传统上，已经由石油衍生的原料制备了许多聚合物和商品化学品。随着石油供应变得越来越昂贵和难以获取，对于从生物衍生的源开发可再生的或“绿色的”替代材料用于将充当常规的、石油基或石油衍生的对应物的商业上可接受的替代品的化学品，或者用于生产与由化石(不可再生源)生产的相同的材料的兴趣和研究已经增加。
对于此类材料的生物衍生的或可再生的替代原料的最丰富种类之一是碳水化合物。然而，碳水化合物通常不适合现在的高温工业方法。与具有低官能度的石油基、疏水的脂肪族或芳香族的原料相比，碳水化合物(如糖)是复杂的、多官能化的亲水材料。其结果是，研究人员已经寻求生产以下生物基化学品，这些生物基化学品可以衍生自碳水化合物，但是它们是较小高度官能化的，包括更稳定的双官能化合物，如2,5-呋喃二甲酸(FDCA)、乙酰丙酸、以及1,4:3,6-双脱水己糖醇。
1,4:3,6-双脱水己糖醇(在此还被称为异己糖醇(isohexide))衍生自来自谷物基多糖的可再生资源。异己糖醇具体为一类衍生自相应的还原糖醇的二环呋喃二醇，例如取决于手性，对应地D-山梨糖醇、D-甘露糖醇、以及D-艾杜糖醇被脱水并且被环化成A)异山梨醇、B)异甘露糖醇、以及C)异艾杜糖醇，它们的结构在方案A中展示。
方案A：ABC
这些分子实体已经得到相当大的重视并且由于种种原因被认为是一种有价值的、有机化学支架。一些有益的属性包括它们的制备和纯化的相关便利性、所使用的母体原料的固有经济性，不仅由于它们的可再生的生物质来源(给予非常大的作为不可再生的石油化学产品的替代物的可能性)，而且可能最显著地由于固有的手性双官能度，该双官能度允许设计并且合成几乎无限制扩张的衍生物。
这些异己糖醇由两个顺式稠合的四氢呋喃环构成，这些环是几乎平面的并且V形的(具有在环之间120°角度)。这些羟基位于碳2和5处并且置于该V形分子的或者内部或者外部上。分别将它们指定为内型或外型。异艾杜糖醇具有两个外型羟基，而在异甘露糖醇中这些羟基都是内型，并且在异山梨醇中一个外型和一个内型羟基。这些外型取代基的存在增加了其所附接的环的稳定性。再者外型和内型基团展示了不同的反应性，因为它们取决于衍生反应的空间要求是更容易或更不容易接近的。
随着在衍生自自然资源的化学品的兴趣的增加，潜在的工业应用已经在异己糖醇的生产和使用上产生兴趣。例如，在聚合物材料的领域中，这些工业应用包括使用这些二醇来合成或改性缩聚物。作为单体它们有吸引力的特征与它们的刚性、手性、无毒性、以及它们不是衍生自石油的事实相关。出于这些原因，具有优良的热机械耐受性和/或具有特定光学特性的高玻璃化转变温度聚合物的合成是有可能的。再者这些分子的无害特征打开了在包装或医学设备中应用的可能性。例如，在大工业规模下以满足用于聚合物制造者的要求的纯度生产异山梨醇可能是用于作为一种工业聚合物应用的重要化合物出现的异山梨醇的基础。(参见例如，F.Fenouillot等人，“来自可再生的1,4:3,6-双脱水己糖醇(异山梨醇、异甘露糖醇以及异艾杜糖醇)的聚合物：综述(Polymers From Renewable 1,4:3,6-Dianhydrohexitols(Isosorbide,Isommanide and Isoidide):A Review)”聚合物科学进展(Progress in Polymer Science)，第35卷，第578-622页(2010)；或者X.Feng等人，“环境可持续应用的糖基化学品(Sugar-based Chemicals for Environmentally sustainable Applications)”聚合物材料的现代科学(Contemporary Science of Polymeric Materials)，美国化学会志(Am.Chem.Society)，2010年12月；或者异山梨醇基增塑剂(isosorbide-based plasticizers)，例如美国专利号6,395,810，各自的内容通过引用结合在此。)
用使用异己糖醇来制造酯衍生物的常见缺点之一是这些合成反应产生作为衍生自使异己糖醇反应的一种副产物或者作为副产物化合物降解的颜色体的倾向。典型地，在升高的温度下、在氧存在下形成这些颜色体。鉴于酯显示了作为增塑剂、分散剂、润滑剂、调味剂、溶剂等的众多利用并且异己糖醇酯通常用作增塑剂和聚合物，并且其变体是积极地合成的并且被研究用于在相对于目前材料的这些领域中的增强的性能，合成具有较少颜色体的较大纯度的产物的更好的方法是令人希望的。一种减少颜色体的形成的方法将帮助制造商产生一种更好品质且更纯的最终产物。
发明概述
本披露部分地涉及一种用于从异己糖醇酯制备酯的方法。总体上，该方法涉及使一种异己糖醇和一种有机酸、在一种还原布朗斯台德酸催化剂存在下在最高达约250℃的温度下反应，持续一段足以产生该异己糖醇酯的时间，同时将一种产物混合物中的颜色体的形成限制为小于230的APHA值。该方法进一步包括在与该还原布朗斯台德酸反应之前在制备该异己糖醇或有机酸中减少现有者(incumbent)颜色体或颜色产生前体化合物。
本发明纯化方法的另外的特征和优点将披露于以下详细说明中。应理解的是上述概述以及以下详细说明和实例都仅代表本发明，并且旨在提供理解如所要求的本发明的概述。
附图简要说明
图1描绘了根据本方法的实施例的异山梨醇酯的一种示例性合成。
图2示出了从通过根据本发明的实施例合成的异构体的气相色谱法(GC)进行的定量分析获得的结果的一幅色谱图。
图3是一幅曲线图，该曲线图示出了当在175℃下反应7小时时在亚磷酸(H3PO3)的百分比催化剂负载量与其对APHA值和异山梨醇的百分比转化率的影响之间的关系。
图4示出了与2-乙基-己酸(2EH)的原料溶液相比，在已经与H3PO3催化剂反应(175℃，7h)的异己糖醇酯产物混合物中的颜色衰减的对应程度的一系列照片。
图5示出了在对应地使用1wt.％和5wt.％的亚磷酸催化剂负载量从一种2EH的预蒸馏溶液(APHA 6)在205℃下7小时制备的异己糖醇产物混合物中的APHA颜色衰减的照片。
图6是对于约10g在空气中经受200℃持续1小时的异山梨醇产物混合物的高温热应力试验的结果的照片。
发明详细说明
第I部分-说明
作为提供非常大的作为不可再生的石油化学品的替代物的潜力的生物质衍生的化合物，1,4:3,6-双脱水己糖醇是一类作为可再生的分子实体有价值的二环呋喃二醇。(为了方便起见，1,4:3,6-双脱水己糖醇在以下的说明中将被称为“异己糖醇”)。如以上提到的，这些异己糖醇是优良的化学品平台，这些化学品平台由于它们固有的手性双官能度最近已经得到关注，该手性双官能度可以允许现存的和可合成的新的衍生化合物二者的显著发展。
异己糖醇起始材料可以通过对应地制造异山梨醇、异甘露糖醇、或异艾杜糖醇的已知的方法获得。异山梨醇和异甘露糖醇可以衍生自对应的糖醇(D-山梨糖醇和D甘露糖醇)的脱水。作为一种商业产品，异山梨醇还是容易从制造商可获得的。第三种异构体(异艾杜糖醇)可以从罕有地存在于自然中并且不能够从植物生物质中提取的l-艾杜糖产生。由于这个原因，研究人员已经积极地探索异艾杜糖醇的不同的合成方法。例如，异艾杜糖醇起始材料可以从异山梨醇通过差向异构作用制备。在L.W.Wright,J.D.Brandner，有机化学期刊(J.Org.Chem.)，1964，29(10)，第2979-2982页中，差向异构作用是借助于Ni催化剂使用负载在硅藻土上的镍诱导的。在相对苛刻的条件(如220℃至240℃的温度在150大气压的压力下)下进行该反应。在约两小时之后该反应达到稳态，其中平衡混合物包含异艾杜糖醇(57％-60％)、异山梨醇(30％-36％)和异甘露糖醇(5-7-8％)。当从异艾杜糖醇或异甘露糖醇开始时，获得了可比较的结果。增加pH至10-11发现具有促进的作用，与增加温度和镍催化剂浓度一样。在美国专利号3,023,223中可以发现类似的披露，其提出了将异山梨醇或异甘露糖醇异构化。最近，P.Fuertes提出了一种用于通过层析段分L-艾杜糖醇和L-山梨糖的混合物获得L-艾杜糖醇(异艾杜糖醇的前体)的方法(美国专利公开号2006/0096588；美国专利号7,674,381 B2)。L-艾杜糖醇是从山梨糖醇开始制备的。在第一步骤中，将山梨糖醇通过发酵转化为L-山梨糖，随后将该L-山梨糖氢化为D-山梨糖醇和L-艾杜糖醇的混合物。然后将这种混合物转化为L-艾杜糖醇和L-山梨糖的混合物。在与L-山梨糖分离之后，可以将L-艾杜糖醇转化为异艾杜糖醇。因此，在四步反应中将山梨糖醇转化为异艾杜糖醇，产率为约50％。(参见，例如，国际专利申请WO13125950)所引用的参考文献的内容通过引用结合在此。
A.异己糖醇酯的制备
费歇尔-斯皮尔(Fischer-Speier)酯化是目前用于酯的工业制备的标准方案。费歇尔-斯皮尔酯化具体为一种使用布朗斯台德酸或路易斯酸催化剂用羧酸直接酰化醇的简单方法。然而，当在强酸催化剂存在下转化热敏底物如异己糖醇时，颜色是有问题的。希望是通过开发一种催化剂使下游加工单元操作最小化，该催化剂可以提供目标酯的相对高的产率(例如，≥55％-60％)同时使颜色体形成或增值最小化。
与典型地涉及至少两个操作步骤(该产物的合成反应接着纯化或脱色(例如，结晶、蒸馏和/或色谱法))的常规商业酯化方案相比，根据本发明的酯化方法是更简单的。该方法涉及一种单步操作。在该商业领域中，存在一种完全消除下游加工的希望。因此，在单反应中可以制造是无色亦或接近无色(所谓的“无色透明的”)的产物或者是在可容许的颜色规格内的产物而无需另外的稍后纯化的一种方法就成本和效率而言将是相当有利的。
出于确定在该产物混合物中的颜色的可接受水平的目的，人们使用美国公共卫生协会命名的并且由ASTM D1209定义的APHA颜色标准，将其通过引用结合在此。(它最初旨在描述废水的颜色，但其使用已经扩充到包括其他工业应用。)APHA与色度色标试验类似，它使用一种铂-钴(Pt/Co)溶液，其中该水颜色可以用作所溶解的且微粒的材料的浓度的一种量度。杂质可以是深色的，例如溶解的有机化合物如单宁可以导致深棕色颜色。该APHA色标是从0至500，其中0是无色的并且500是最有色的。
本发明的一个特征是减少或消除可能在一种异己糖醇化合物的酯化过程中原位生成的颜色体的能力。这些颜色体或者被阻止形成或者使它们的量在所得产物混合物中最小化。该方法涉及：使一种异己糖醇和一种羧酸、在一种还原布朗斯台德酸催化剂存在下反应，持续一段足以产生展示小于230的APHA值的产物混合物的时间。典型地，该产物混合物展示了≤185的APHA值，令人希望地该APHA值是≤150。
该异己糖醇可以是：异山梨醇、异甘露糖醇、以及异艾杜糖醇中的至少一种。该有机酸可以是至少一种具有C2-C26的链烷酸、链烯酸、链炔酸和芳香族酸。该异己糖醇以至少40％的转化率被转化为一种相应的酯，令人希望地该转化率是约50％或更大。
在从约150℃或160℃至约240℃或250℃的范围内的温下进行该酯化。典型地，该反应温度是在从约170℃或175℃至约205℃或220℃的范围内。
该还原布朗斯台德酸催化剂以相对于异己糖醇的量的至少0.5wt.％的量存在。在某些实施例中，当该还原布朗斯台德酸催化剂的量是>5.0wt.％时，该产物混合物主要包含二酯。在其他实施例中，当该还原布朗斯台德酸催化剂以从约2.5wt.％至约5.0wt.％的量存在时，该产物混合物包含约1:1比率的单酯和二酯。在还其他实施例中，当该还原布朗斯台德酸催化剂量是以<2.5wt.％量存在时，该产物混合物主要包含单酯。
表1列出了就产物颜色、催化剂负载量，以及转化率而言相对于一种还原布朗斯台德酸作为对比实例的若干常规具有商业或潜在价值的酸催化剂物种。在此描述的这些方法通过使用作为该还原布朗斯台德酸的亚磷酸(H3PO3)进行例示。在表1中，这些对比实例倾向于产生具有超过250的APHA值的深色产物。
表1.催化剂、催化剂负载量，百分比(％)异山梨醇转化率、APHA颜色值
某些强的布朗斯台德酸或路易斯酸催化剂(例如，H2SO4)将产生颜色体。我们已经发现包含完成异山梨醇到该2-乙基己酸的对应的单和二酯的高转化率的一种还原布朗斯台德酸和一种或多种布朗斯台德和/或路易斯酸还可以伴随地减轻颜色体在产物中的积累。该酯化的产物混合物的颜色色泽随着该还原布朗斯台德酸催化剂的浓度的增加而降低。
一种具体的还原布朗斯台德酸物种是亚磷酸(H3PO3)，该亚磷酸是一种可商购的、廉价的结晶固体并且具有强酸度(pKa约1)。这种材料表明了在费歇尔酯化的背景下高催化活性以及该产物混合物的显著的颜色衰减两者。迄今为止，我们相信亚磷酸或者作为异己糖醇与羧酸的酰化的催化中的一种布朗斯台德酸，关于产物的颜色减轻或者关于高的异己糖醇转化率，在此方面没有得到极大关注。此外，此时，亚磷酸是显示高反应性和伴随的颜色减少两者的物质。
因此，出人意料发现的是，当以足够量(例如，≥1.0wt.％；优选地≥1.5wt.％或2.0wt.％)使用时尽管一种布朗斯台德酸(亚磷酸)不仅帮助催化并且增加由异己糖醇制造酯的转化率，而且还可以帮助显著减少产物混合物中的所不希望的颜色体的发展。根据一个具体的实施例，在异山梨醇到2-乙基己酸的单和二酯的酯化中，亚磷酸显示了高度有效的催化活性(约80％-95％)(即，与对于氯化锡展示的效能(约87％-89％)相似的效能)。
亚磷酸证明是产生了到对应的单酯和二酯的高异山梨醇转化率，同时还显示了有效控制并且抑制产物混合物中的颜色体形成或累积的显著抗氧化剂特性。
亚磷酸作为一种用于酰化反应的催化剂起作用，并且提供了一种帮助减轻颜色体形成的溶液中的强还原剂。尽管不受理论束缚，据信该亚磷酸可以与颜色体前体相互作用以阻止它们过渡到颜色实体。方案1说明了该反应的一个实施例。该反应简易地进行。
方案1.亚磷酸(H3PO3)催化异山梨醇到2-乙基己酸(2EH)的单酯和二酯的费歇尔酯化。
根据本方法，该异己糖醇到其对应酯的转化率是约最小40％-50％。典型地，该异己糖醇转化率是约55％或更大、更典型地约65％或70％或更大(例如，约75％、80％、84％、87％、90％、92％、95％或更大)。
虽然在此描述的方法用2-乙基己酸进行例示，但是该方法适合于与对于该异己糖醇酯化的所希望的任何有机酸一起使用，该有机酸包括C2至C26大小的链烷酸、链烯酸、以及芳香族酸，其条件仅是该有机酸可溶于反应混合物中。
亚磷酸被报道为在200℃下分解为磷酸和膦，并且在此温度下又似乎不会不利地影响该酯化过程/颜色体减轻，如通过表2中的结果证明的，其中异山梨醇显示了完全转化为对应的酯(主要二酯)，具有来自205℃下持续7h进行的反应的最小颜色增值。
表2.用蒸馏过的2-乙基-己酸(2EH)、205℃、7h的H3PO3催化的异山梨醇酯化
作为使颜色最小化的方法的一部分，除了其他纯化技术之外人们可以或者在酯化之前预纯化这些起始试剂，例如通过蒸馏该链烷酸(还可以使用链烯酸或链炔酸)，或者后续进行色谱法。与该自动催化值(APHA 263)相比，在该产物混合物中对应地使用以约1wt.％(APHA 136-138)和5wt.％(APHA 98)的浓度的亚磷酸的结果显示了相对良好的颜色衰减，并且在颜色上更加接近于澄清的蒸馏过的2EH溶液的颜色(APHA 6)。
亚磷酸的独特的特征是它不仅仅催化该反应，而且具有适合的还原剂潜能，并且因此可以进一步氧化为磷酸。在异己糖醇酯化的领域中，亚磷酸是迄今为止筛选过的看出高异山梨醇转化率和颜色减轻两者的那些中的唯一的催化剂。此外，没有区别用于此类行为(积极的催化、颜色减轻)的在前的文献。
其他人已使用一种水溶液次磷酸(H3PO2)。反应动力学可以与该次磷酸和亚磷酸的反应动力学类似，因为各自具有接近1的pKa。然而，对于这些酸的对比催化表明了这些酸各自展示的减轻颜色的化学过程很可能不同。次磷酸在130℃下降解，并且可以仅仅作为50％的水溶液获得，由于水的存在该次磷酸将不以与本反应系统中的亚磷酸类似的方式起作用。
作为示例性方法，用于异己糖醇(例如，异山梨醇)与羧酸(例如，2-乙基己酸)的酸催化的酯化的本合成方案涉及：在配备有锥形的、PTFE涂覆的磁力搅拌棒的三颈、500mL圆底烧瓶中装入50g异山梨醇(0.342mol)、148g的2-乙基己酸(1.026mol)和5wt.％酸催化剂(相对于异山梨醇)。该烧瓶的颈配备有迪安-斯达克分水器、氩气管线、以及由不锈钢热电偶在中心穿刺的橡胶隔片。将该烧瓶浸入在油浴中并且加热至175℃具有同时剧烈的氩气吹扫。每个小时取出等份部分并且通过气体色谱法进行分析。在7小时处停止该反应。图1说明了用于合成异山梨醇2EH单酯的本方法的实施例。
图2是从通过根据以上反应合成的四种异构体的两组气相色谱法(GC)进行的定量分析获得的结果的一幅代表性的色谱图。
三种因素(催化剂负载量、温度、和时间)的相互影响似乎促进该酯化反应的操作以产生低量的颜色体，这导致了一种更澄清的产物并且使一种用于下游纯化的需要最小化。违反直觉其中较大量的酸催化剂倾向于产生更多的颜色体的常规观察，使用亚磷酸的优点和意外结果之一是随着酸的催化剂负载量增加，颜色体的显示倾向于减小。图3是一幅曲线图，该曲线图示出了当在175℃下反应7小时时在亚磷酸(H3PO3)的百分比催化剂负载量与其对APHA值和异山梨醇的百分比转化率的影响之间的关系。随着该酸催化剂浓度从1.3wt.％增加至11.6wt.％，产物混合物的APHA颜色值从181减少至137，并且转化率从约45％增加至约94％。
图4示出了根据本方法的经受酰化的异山梨醇产物的若干照片。这些所附照片突出显示出亚磷酸的双重作用催化和氧清除作用。与具有96的APHA色调计值的原料2-乙基己酸A相比，用以对应地1wt.％B、2.5wt.％C、5wt.％D、和10wt.％E催化剂负载量的亚磷酸反应(175℃下持续7h)的产物混合物样品示出了减少的颜色(对应地192、175、145、和137的APHA值)，同时异山梨醇的转化产率对应地从43.56％、55.22％、86.52％增加至99.39％。换言之，用较大量的催化剂，人们可以实现较大的产率或异己糖醇的转化率同时仍然维持一种具有小于约200的APHA值的具有良好颜色品质的澄清溶液。对于这种现象的试验结果汇总于表1和3中，它们对应地在205℃和175℃下反应持续7小时。
表3.H3PO3催化结果：2-乙基-己酸与异山梨醇175℃、7h的酯化
注意：来自典型使用的催化剂的样品的产物混合物显示APHA>275。
附加地，如表3中的结果，表明了亚磷酸展示了以约4:1比率的异己糖醇分子的外型-OH比内型OH的更大的区域选择性。
图5是照片，这些照片示出与一种2EH的预蒸馏溶液(APHA 6)相比，与在205℃下7小时对应地在1wt.％和5wt.％的亚磷酸催化剂负载量增加有关的异己糖醇产物混合物中的APHA颜色值(APHA 136，98)的减少。
图6示出了探索对于减轻颜色该酸催化剂的氧清除潜力的高温热应力试验的结果的照片。该试验样品包含约10g异山梨醇产物混合物，将该产物混合物在空气中经受200℃持续1小时。这些结果说明了就添加至该异山梨醇混合物中的亚磷酸的量而言良好的氧清除性能和/或使从异山梨醇的热氧化分解产生的颜色体前体不适用的能力的一个窗口。一种不包含亚磷酸的异山梨醇产物样品展示了很浅清澄的颜色(APHA约76)，而在约90,000ppm(900mg)的量的亚磷酸下，该溶液展示了深暗色(APHA 500)。对应地在约100ppm、300ppm、1000ppm的亚磷酸负载量下，该溶液的颜色随着增加的浓度而减轻(对应地，APHA>500、278、191、158)。然而，在约40,000ppm(400mg)的浓度下，该溶液的颜色再次变暗(APHA465)。这表明了该窗口具有用于在维持将颜色体发展控制到相对低水平下(在约76与约105之间的APHA值下)是有效的在约2,000ppm(0.2wt.％)(APHA 98)至约5,000ppm(0.5wt.％)或约10,000ppm(1.0wt.％)之间的亚磷酸量的下限和上限。
表4，异己糖醇与2-乙基-己酸的亚磷酸催化剂的酯化
*约80％纯度，THF饱和的
关于在表4中呈现的三种具体的异己糖醇，当使用亚磷酸催化剂反应时，相对于或者异艾杜糖醇(APHA187)或异甘露糖醇(APHA 210)，异山梨醇(APHA 151)示出了最好的性能与更好的颜色衰减。这可能是异甘露糖醇和异艾杜糖醇的性质的一种结果。异甘露糖醇比异山梨醇更加的热氧化地不稳定。尽管如此，对于异甘露糖醇的210的APHA值是比典型的远远更低的颜色产生。通常，当用常规催化剂酯化异甘露糖醇时，该产物将显示大大超过500的APHA颜色值。在另一个实例中，异甘露糖醇与7.6wt.％亚磷酸(相对于异甘露糖醇)在175℃下在7小时内反应并且产生89.44％的异甘露糖醇转化率(APHA 210)。在该表中示出的具体的异艾杜糖醇样品是约80％纯的，包含显著量的THF，该样品是一种容易易受热氧化分解影响的物种，并且因此产生颜色体。我们相信对于一种更大纯度(例如，接近100％纯度)的异艾杜糖醇样品，人们将看见比指出的颜色更大的颜色减少。该异艾杜糖醇产物将具有与该异山梨醇样品的着色可比较的或比其更好的着色。
聚酯可以从根据本方法制备的具有≤150的APHA值的异己糖醇酯(例如，异山梨醇酯)制造。因此，人们可以使用一种通过以下方式制造聚酯的方法，获得一种根据在此描述的这些方法制造的异己糖醇酯单体，并且使所述异己糖醇酯单体单独地或与一种附加的单体聚合。
已总体地并借助于实例详细地描述了本发明。本领域的普通技术人员应理解，本发明不必然限于特定披露的实施例，而是在不脱离如由以下权利要求书或其等效物(包括目前已知或有待开发的其他等效组分，它们可以在本发明的范围内使用)所定义的本发明的范围的情况下可以作出修改和变化。因此，除非变化另外脱离本发明的范围，否则这些变化应被解释为被包括在此。