四氫呋喃-2,5-二甲醛(二甲酰-四氫呋喃,dfthf)以及用于制造其的方法
【專利說明】四氫呋喃-2, 5-二甲醛（二甲釀-四氫呋喃，DFTHF)以及 用于制造其的方法
[0001] 優(yōu)先權(quán)聲明
[0002] 本申請要求于2013年6月28日提交的美國臨時申請?zhí)?1/840, 896優(yōu)先權(quán)的權(quán) 益，該申請的內(nèi)容結(jié)合在此。
技術領域
[0003] 本發(fā)明涉及呋喃甲醛分子，涉及制備此類分子的具體方法，涉及從此類分子制得 的某些衍生化合物或材料，以及制得某些衍生化合物的方法。
[0004] 背景
[0005] 近年來，因為生物質(zhì)的豐富、可再生性、以及全世界范圍內(nèi)分布，越來越多的努力 致力于尋找利用生物質(zhì)作為原料用于生產(chǎn)有機化學品的方法。當考慮到可能的下游化學處 理技術時，糖轉(zhuǎn)化為增值化學品是非常重要的。近來，因為它有助于實現(xiàn)可持續(xù)能源供應 和化學品生產(chǎn)的主要途徑，所以從糖生產(chǎn)呋喃衍生物在化學和催化研究中已經(jīng)變得激動人 心。
[0006] 環(huán)狀的雙功能材料通常被用作聚合物合成中的單體以及作為中間體。由于這些 雙功能材料目前源自日益稀缺的并昂貴的石油來源，基于可再生來源的替代品已在近年來 具有越來越大的興趣。生物質(zhì)包含可以轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品的碳水化合物或糖（即，己糖和戊 糖）。非食物用途的生物質(zhì)衍生產(chǎn)品的生產(chǎn)是一個不斷壯大的行業(yè)?；谏锏娜剂鲜且?個越來越感興趣的應用的實例。另一個感興趣的應用是從可再生烴源使用生物質(zhì)作為原料 用于合成各種化工原料。
[0007] 碳水化合物代表最豐富的生物學上衍生的或可再生的來源原料用于生產(chǎn)類此可 替代材料，但是碳水化合物容易燒焦并且通常不適于在形成和加工所得聚合物組合物中遇 到的高溫。此外，與具有低官能度的基于石油的疏水性脂肪族的或芳香族的原料相比，碳水 化合物例如多糖類是復雜的，超過了功能化的親水性材料。
[0008] 因此，研究人員已經(jīng)試圖生產(chǎn)基于生物的材料，這些材料源自碳水化合物但是更 低度功能化，例如，2, 5-呋喃二甲酸（FDCA)、塊莖糖酸和異山梨醇，這些碳水化合物可以作 為單體以及共聚單體或在有用的基于生物的單體或共聚單體的合成中作為中間體。
[0009] 作為容易從可再生資源制得的另一種重要的中間體物質(zhì)，尤其是碳水化合物， 2,5-(羥甲基）呋喃甲醛（HMF，還稱2,5-(羥甲基）-糠醛）是一種可再生的、基于單糖的 結(jié)構(gòu)單元。
[0010]
[0011] HMF是一種用于形成各種呋喃環(huán)衍生物的適合的起始材料，這些衍生物是用于各 種化學合成的已知中間體，并且作為通常源自石油來源的基于苯的化合物的潛在替代物。 由于其多種功能，已經(jīng)提出可以利用HMF來生產(chǎn)各式各樣的產(chǎn)品例如聚合物、溶劑、表面活 性劑、藥物、和植物保護劑。作為取代基，可以將HMF的衍生物與具有對應基于苯的環(huán)的化 學品相比較，或者與包含呋喃或四氫呋喃的其他化合物相比較。因此，HMF和2, 5-雙取代 的呋喃以及四氫呋喃衍生物在來自可再生農(nóng)業(yè)資源的中間體化學品領域中具有較大潛力。 然而，為了與基于石油的衍生物競爭，來自常見農(nóng)業(yè)資源材料例如糖的HMF衍生物的制備 必須是經(jīng)濟的。
[0012] THF-二醇、或2, 5-雙（羥甲基）四氫呋喃是感興趣的基于生物的材料的另一個 實例。然而，在數(shù)量上參考文獻相對較少。這可能部分因為在商業(yè)規(guī)模數(shù)量上（從該商業(yè) 規(guī)模數(shù)量上制備THF-二醇和THF-二醇的衍生物）HMF的數(shù)據(jù)不可用，盡管已經(jīng)長時間進行 努力來開發(fā)用于制得HMF的有效的方法，參見美國專利申請公開號2009/0156841，桑伯恩 (Sanborn)等人。多年來，研究人員已經(jīng)開發(fā)出借助HMF的還原將HMF轉(zhuǎn)化到更容易使用 的化合物例如2, 5-雙-(羥甲基）-四氫呋喃（THF-二醇）中的方法。典型地，使用拉尼鎳 還原制備THF-二醇。此方法的改進是使用鎳和鋯催化劑體系制備的方法，如在美國專利號 7, 393, 963B2,桑伯恩（Sanborn)等人中所述，通過引用以其內(nèi)容結(jié)合在此。
[0013]THF-二醇是一種少見但通用的有機化合物，該有機化合物作為起始材料用于增 塑劑、樹脂、表面活性劑、藥物和農(nóng)藥的各種合成具有較大潛力。由于來自兩個-0H基團的 THF-二醇的雙功能反應性，可以將THF-二醇用作聚合物（例如聚氨基甲酸酯（預聚合物、 鑄塑彈性體、熱塑性彈性體、反應注射成型和纖維如氨綸）、聚對苯二甲酸丁二酯（PBT)、同 聚物和共聚物的大家族、以及共聚酯-醚熱塑性彈性體）領域中的前體材料。
[0014] 保證了利用基于生物的原料材料的更好并更容易的方法。本發(fā)明可以提供一種 可以輕易從HMF通過THF-二醇衍生出二甲?；臍溥秽―FTHF)的途徑。因為DFTHF 與另一種HMF衍生的分子實體，2, 5-二甲?；秽―FF)，在結(jié)構(gòu)上類似，該分子實體非 常明確作為基于咲喃的聚合物和其他材料的單體（參見例如，（Partenheimer)等人，高 級合成與催化（Adv.Synth.Catal. )2001, 343, 102-111;甘迪尼（Gandini)等人，國際聚 合物（Polym.Int.) 1998, 4, 987 ;鮑姆嘉通（Baumtarden)等人，歐洲化學期刊（0^11^證· J.) 1998, 4, 987,（Xiang)等人，國際聚合物（Polym.Int. )2013)，此途徑可以打開一種解決 從基于生物材料制得有用化合物的需求的方法，該方法將在不斷增長的、基于生物的"綠 色"化學品工業(yè)中受到歡迎。
[0015] 本發(fā)明的概述
[0016] 本披露內(nèi)容部分涉及用于從四氫呋喃（THF)-二醇或5_(羥甲基）_糠醛（HMF)制 備2, 5-二甲?；臍溥秽―FTHF)的方法。根據(jù)第一實施例，該方法涉及提供包含THF-二 醇和惰性有機溶劑的反應混合物；在高達約50°C的反應溫度下，將THF-二醇與氧化劑反 應，以產(chǎn)生THF-2, 5-二醛。該反應可以在非惰性氣氛如空氣中進行。該氧化劑展現(xiàn)出與伯 醇部分的選擇反應性。該氧化劑不與大氣氧或水蒸汽反應，并且抑制所得的THF-2, 5-二醛 的進一步氧化。在另一個實施例中，該方法包括在根據(jù)以上反應的選擇性氧化之前的還原 步驟中首先將HMF轉(zhuǎn)化為THF-二醇。
[0017] 在另一個方面中，本披露內(nèi)容涉及通過上述方法生產(chǎn)的二甲酰基四氫呋喃 (DFTHF)。THF-2, 5-二甲醛是以至少60 %的反應產(chǎn)率進行生產(chǎn)的，并且在從副產(chǎn)物中分 離THF-2, 5-二甲醛之后，是以至少50%的分離收率。在所得的混合物中THF-二醇和THF-2, 5-二甲醛以順式：反式非對映異構(gòu)體的90:10的比率存在。
[0018] 在另一個方面中，本披露內(nèi)容描述了各種衍生化合物，這些衍生化合物可以根據(jù) 可供用于有機合成的各種化學反應從作為起始或前體材料的THF-2, 5-二甲醛制成。此類 衍生材料可以被用做現(xiàn)有化合物的取代基或各種應用中新的化學結(jié)構(gòu)單元。
[0019] 將在以下詳述中披露本合成方法和材料化合物的另外特征和優(yōu)點。應理解的是上 述概述以及以下詳細說明和實例都僅代表本發(fā)明，并且旨在提供理解如權(quán)利要求所述的本 發(fā)明的概述。
[0020] 發(fā)明詳述
[0021] 部分I-描述
[0022] 當進行將THF-二醇完全氧化成羧酸時，第一階段氧化產(chǎn)物是THF二甲醛。THF二 甲醛是一種對各種后續(xù)修飾開放的通用的化合物。THF-二甲醛可以打開使得更有效或更容 易并更好使用HMF和/或THF-二醇作為起始材料并且使得更方便化學合成的途徑。本發(fā) 明能賦予一種使THF-二醇成為能夠轉(zhuǎn)化為眾多呋喃衍生化合物的前體材料的單步轉(zhuǎn)化方 法。
[0023] 相對于異己糖醇或其他基于生物的不對稱的二醇，THF-二甲醛的明顯的并有利的 特征是關于呋喃氧的固定手性中心，該手性中心消除了反轉(zhuǎn)構(gòu)型的可能性。因為衍生物化 學將發(fā)生在羰基部分，所以在α位的固定的手性中心沒有經(jīng)歷倒置或反應。固定立體化學 是在合成應用中用于官能控制的所希望的特征。因此，THF-二甲醛被用作多種潛在化合物 的前體化學材料，包括例如：藥物或藥學前體化合物、聚合物或塑料、有機酸、溶劑、流變學 調(diào)節(jié)劑（例如，表面活性劑、分散劑）、等等。
[0024]A.THF-二甲醛的制備
[0025] 本發(fā)明部分涉及制造四氫呋喃-(THF)_2, 5-二甲醛的方法。該方法可以使用HMF 或THF-二醇作為起始材料。在一個實施例中，該方法涉及：提供包含THF-二醇和惰性有機 溶劑的反應混合物，在約l〇°C至約50°C之間的反應溫度下，在非惰性氣氛中，將THF-二醇 與氧化劑進行反應。
[0026] 在某些實施例中，該THF-二醇可以希望地衍生化為HMF的還原產(chǎn)物。當從HMF制 得時，能夠?qū)崿F(xiàn)順式種類超過反式種類的主要的非對映異構(gòu)體比例。可以產(chǎn)生約THF-二醇 分子的順式：反式混合物的90:10比例。相比之下，當THF-二醇是從石油化學的來源制得 時，該順式：反式分子是處于外消旋混合物（50:50)。本方法的該特征允許在THF-二甲醛 分子的反應性部分的手性中的選擇性提高。因此，使用HMF作為起始碳來源的優(yōu)點是因為 較高純度產(chǎn)物的順式種類的優(yōu)勢，在衍生化THF-二甲醛后具有更容易分離的可能性。
[0027] 因為，如上文所述，在氧化THF-二醇之前，通過還原進行將HMF轉(zhuǎn)化為THF-二醇 的初步操作。因為醛基基團一般在任何還原條件下將會比芳香族雙鍵更容易還原，所以由 于HMF環(huán)狀結(jié)構(gòu)中的雙鍵，直接從HMF產(chǎn)生THF-二甲醛是不可能的。因此，如方案1所示， 為了產(chǎn)生THF-二甲醛，需要首先將HMF完全還原為THF-二醇，并且然后有選擇地