由包含酮基羧酸的组合物制造二羧酸和衍生物的方法
【专利说明】由包含酮基羧酸的组合物制造二羧酸和衍生物的方法
[0001] 优先权
[0002] 本申请要求在2013年3月15日提交的美国临时专利申请序列号61/798, 129的 优先权，出于所有目的，所述临时专利申请的内容以引用的方式整体并入本文。
[0003] 背景
[0004] 本公开涉及由酮基羧酸制造二羧酸。具体来说，本公开涉及由包含酮基羧酸的来 源于生物质的不纯水性组合物制造二羧酸。
[0005] 概述
[0006] 本发明人已经发现用于将包含酮基羧酸（如乙酰丙酸）、来源于生物质并且具有 显著的杂质水平的粗组合物有利地转化成二羧酸（如琥珀酸）的方法。粗产物可例如被来 自酮基羧酸制造的副产物污染，例如通过水解分解糠醇、糖、淀粉、木质纤维素或纤维素。
[0007] 在一个实施方案中，用于从生物质生产二羧酸如琥珀酸的方法包括从生物质中获 得包含酮基羧酸如乙酰丙酸以及至少1. 〇重量％的包含生物质残留物的杂质的粗组合物， 所述酮基羧酸具有以下结构：
[0009] 其中R2是C「(：6烷基并且a = 0-3,确切地1-3并且更确切地1-2 ;在氧化剂和任 选的催化剂存在下，使粗组合物反应以氧化酮基羧酸从而产生对应的二羧酸；并且任选地 纯化和干燥二羧酸以获得包含大于95重量％的二羧酸的固体组合物，确切地，其中R2被OH 替代。
[0010] 在一个实施方案中，本发明涉及用于从生物质生产琥珀酸或琥珀酸酐的方法，所 述方法包括从生物质中获得包含乙酰丙酸的粗组合物并且通过如上所定义的方法将组合 物中的乙酰丙酸转化成琥珀酸或琥珀酸酐。
[0011] 在一个实施方案中，本发明涉及用于从生物质生产琥珀酸的方法，所述方法包括 在酸催化剂的存在下从生物质中获得水解产物，所述水解产物是包含乙酰丙酸以及至少 1. 〇重量％的包含生物质残留物的杂质和至少5重量％的水的粗组合物，所述乙酰丙酸具 有以下结构：
[0013] 此后在氧化剂存在下加热粗组合物以氧化乙酰丙酸从而产生琥珀酸，其中氧化剂 是硝酸并且任选地包括五氧化钒的催化剂，任选地进一步在金属亚硝酸盐存在下，其中在 连续反应系统中将粗组合物加热至l〇°C至140°C、更确切地20°C至100°C，更确切地20°C至 80°C的范围内的温度，持续小于10、9、8、7、6、5、4、3、2小时或甚至1小时，接着在连续反应 系统中淬火；并且然后任选地纯化和干燥琥珀酸以获得包含至少95重量％琥珀酸的固体 组合物。
[0014] 附图简述
[0015] 图1是材料I和实施例6-8中的可溶性低聚物的尺寸排阻色谱图（UV检测器，1 = 300nm)〇
[0016] 详述
[0017] 可从生物质生产二羧酸如琥珀酸。确切来说，可从乙酰丙酸生产琥珀酸，所述乙酰 丙酸反过来可从生物质中获得。然而，以生物质开始的此类方法对所希望的产物的形成不 是完全选择性的，并且取决于所述方法，在所述方法的过程中可形成各种杂质。
[0018] 此外，此类方法常常要求必须在稀释的水性条件下工作。这些条件可给反应产物 的下游加工带来相当大的挑战。因此希望提供用于通过乙酰丙酸（4-氧代戊酸）从生物质 生产琥珀酸的适合的合成路线，所述乙酰丙酸可从生物质中获得。
[0019] 用于从生物质生产乙酰丙酸及其衍生物的各种方法是已知的，这产生了包含乙酰 丙酸或其衍生物的不纯水性组合物。例如，乙酰丙酸可通过低成本（半）纤维素材料的酸 催化转化来获得。而且，例如，US6, 054, 611公开了生产作为5-碳糖或6-碳糖的脱水产物 的乙酰丙酸以及副产物如糠醛、5-HMF(5-羟甲基-2-糠醛）、琥珀酸、马来酸或富马酸。
[0020] 琥珀酸可被用于许多生物基产品。例如，它可充当用于生产像琥珀酸、1，4-丁二 醇、THF(四氢呋喃）、γ - 丁内酯、2-吡咯烷酮、琥珀酸酯等化学品的平台化学品。此外，琥 珀酸及其衍生物具有用作各种聚合物制造中的结构单元的潜力。
[0021] -旦获得乙酰丙酸，可生产琥珀酸。例如，US 2, 676, 186公开了用于从乙酰丙酸 合成琥珀酸的方法，其中在升高的温度例如275°C -400°C下使用偏钒酸铵催化剂用于将乙 酰丙酸转化成琥珀酸。最近，US 2012/044168公开了通过将乙酰丙酸转化成琥珀酸的化学 路线合成琥珀酸，所述方法包括（a)从生物质中获得乙酰丙酸，并且（b)在硝酸的存在下， 特别地在温和的温度下加热乙酰丙酸。
[0022] 后者的专利具有严重缺陷。US 2,676, 186要求200°C以上的非常高的温度， 其涉及氧化以蒸汽形式的乙酰丙酸。因此，可以假设乙酰丙酸必须是以纯的形式。US 2012/044168公开了由乙酰丙酸制备琥珀酸的方法，所述方法使用以纯的形式或来自生物 质的乙酰丙酸。在实施例中，使用其中加热乙酰丙酸持续1小时至4小时的间歇系统。US 2012/044168的实施例9和实施例11使用从生物质中获得的乙酰丙酸，即分别是D-果糖 (实施例8)和纤维素（实施例9)。在这两种情况中，显然地在生产乙酰丙酸的过程中形成 大量的炭。干燥呈黑色液体或悬浮液的粗乙酰丙酸，并且然后将其转化成琥珀酸。
[0023] 希望在一种方法（如连续方法）中，在不需要必须从乙酰丙酸中去除水或干燥乙 酰丙酸的情况下，将来源于生物质的酮基羧酸（如乙酰丙酸）有效地转化成二羧酸（如琥 珀酸），其中在形成乙酰丙酸中减少或消除炭和/或在乙酰丙酸转化成琥珀酸之前去除炭。
[0024] 商业上可获得的酮基羧酸可被杂质污染，所述酮基羧酸主要是来自生物质如糠 醇、糖、淀粉、木质纤维素或纤维素的酸催化降解的副产物。此类杂质可包括固体、当归内 酯、甲酸、呋喃、醛和各种低聚物。乙酰丙酸（具体的酮基羧酸）可直接来源于各种生物质 原料的酸性水解降解，并且因此可含有水和酸催化剂或只有水。含乙酰丙酸的粗产品流也 可从酸性水解混合物的固体过滤、萃取和/或纯化的各种阶段中获得，并且因此含有各种 量的萃取溶剂。此外，粗乙酰丙酸可以是基本上不含水、酸、固体或萃取溶剂，但尚未得到进 一步精制。例如，乙酰丙酸杂质可包含各种未知低聚物质（如可以通过尺寸排阻色谱法表 征的那些）。
[0025] 在本方法中，粗酮基羧酸（例如，乙酰丙酸）流可通过在方法条件下的处理转化为 粗二羧酸流（例如，琥珀酸流），所述方法条件可包括如下氧化乙酰丙酸的硝酸（任选地使 用亚硝酸钠）和任选地氧化钒（V)。
[0027] -方面，来源于生物质的含有杂质的粗酮基羧酸如乙酰丙酸可直接从包含酮基羧 酸如乙酰丙酸（即生物质来源的水解产物）的粗组合物有效地转化。对应的二羧酸可从粗 组合物中获得，而不需要从包含酮基羧酸如乙酰丙酸的水解产物组合物中去除杂质、或水 和杂质。此外，可在加热下以连续、半连续或间歇的方法，通过适当使用时间和温度将酮基 羧酸（如乙酰丙酸）转化成二羧酸，以便获得包含二羧酸的组合物。确切来说，粗酮基羧酸 (如乙酰丙酸）向二酸（如琥珀酸）的连续转化，可通过使粗酮基羧酸（如乙酰丙酸）与氧 化剂和任选地催化剂如硝酸（任选地使用金属亚硝酸盐如亚硝酸钠）和任选地氧化钒（V) 的混合物接触来实现。可允许反应在例如通过冷却来淬火之前，在预先选择的温度下反应 有限的一小段时间。反应产物然后可进行纯化并且干燥以获得呈白色粉末或晶体形式的固 体琥珀酸。在转化成二羧酸之后，可纯化二羧酸并且用于其他合成转化。因此，二羧酸可有 效地从粗酮基羧酸（如乙酰丙酸）生产，并且然后以高纯度获得而不需要产生并且纯化或 干燥酮基羧酸。具体来说，酮基羧酸（如乙酰丙酸）在氧化成对应的二羧酸之前，可含有显 著的量的低聚杂质、醛、甲酸、含硫的酸杂质、过渡金属杂质等。粗酮基羧酸（如乙酰丙酸） 可具有显著的颜色。然而，可通过在连续、半连续或间歇方法中适当控制施加至酮基羧酸 (如乙酰丙酸）的温度或无机酸杂质的浓度，持续相对有限的一段时间来显著减少或消除 炭化。呈颗粒形式产生的炭可容易地例如通过过滤来去除。在大多数情况下，含有酮基羧 酸（如乙酰丙酸）的粗反应混合物的显著深色在氧化后可减小至显著程度。
[0028] 如本文所用，术语"生物质"包括来自造纸方法的污泥；农业残渣；甘蔗渣髓；甘蔗 渣；糖蜜；水性橡树木材萃取物；稻壳；燕麦麸渣；木糖浆；杉木锯肩；玉米芯糠醛残渣；棉 花球；原木粉；水稻；稻草；大豆皮；大豆油残渣；玉米皮；棉花杆；棉籽皮；淀粉；马铃薯； 甜薯；乳糖；向日葵籽皮；糖；玉米浆；大麻；废纸；废纸纤维；锯肩；木材；来自农业或林业 的残渣；市政和工业废料的有机组分；来自硬木材或榉树皮的废弃植物材料；纤维板工业 废水；发酵后液体；糠醛馏渣；糖（包括C6糖）；木质纤维素和纤维素；淀粉；以及其组合。 因此，生物质可包括多糖、二糖和单糖。
[0029] 酮基羧酸如乙酰丙酸可在各种酸催化剂的存在下通过生物质产品的水解来获得。 酸催化剂可以是路易斯或布朗斯特-洛里酸。用于转化本文所述的生物质材料（例如糖） 的适合的布朗斯特酸可包括无机酸，如但不限于硫酸、盐酸、氢溴酸、氢碘酸、氢氟酸、高氯 酸以及其混合物。可以使用已知的用于缩酮形成的均相催化剂的酸催化剂，例如强