專利名稱：5-(氯甲基)-2-呋喃甲醛向5-甲基-2-糠酸及其衍生物的轉(zhuǎn)化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由5-(氯甲基)-2-呋喃甲醛(CMF)來合成5-甲基_2_糠酸，包括它的酯、酰胺以及硫代酯衍生物。如此制備的這些分子作為制藥、食品以及香料分子的中間體、以及燃料或燃料添加劑是有用的。
背景技術(shù)：
由可再生原料產(chǎn)生商品化學(xué)品仍然是綠色化學(xué)領(lǐng)域中最優(yōu)先的項(xiàng)目之一。此外，可以在催化形式下進(jìn)行而使得可以避免化學(xué)計量的有毒副產(chǎn)物的化學(xué)過程對于開發(fā)感興趣的分子的長期且可持續(xù)的路徑而言將是重要的。雖然現(xiàn)在使用的大多數(shù)催化過程是通過過渡金屬的作用來介導(dǎo)的，但是最近的進(jìn)展已經(jīng)顯示，某些全有機(jī)的支架，即僅包含非金屬原子如碳、氫、氮、硫、氧或磷，可以在催化形式中起作用并且影響反應(yīng)底物上的在表面上不明顯的轉(zhuǎn)化。能夠?qū)崿F(xiàn)特殊轉(zhuǎn)化的一種這樣的支架包括雜環(huán)，其中在該環(huán)中有三個連續(xù)的碳原子具有‘X+=C_X’的形式，其中‘X’為氮、硫、硅或磷(圖2)。在用適合的堿進(jìn)行處理時，這些分子產(chǎn)生包含二價碳中心的穩(wěn)定的單線態(tài)卡賓。該卡賓能夠向某些有機(jī)官能團(tuán)賦予非常特殊的活性；最普遍理解的是在新陳代謝期間丙酮酸鹽上的硫胺素維他命。目前對這些卡賓進(jìn)行的許多學(xué)術(shù)研究都關(guān)注著以下集合(grouping): ‘R(R’)，也被稱為“N雜環(huán)卡賓(NHC)”，以及它們對醛類的作用。經(jīng)典地，醛基團(tuán)被認(rèn)為是高反應(yīng)性的親電體，具有位于碳原子上的部分正電荷。NHC有機(jī)催化能夠在被稱為“極反轉(zhuǎn)(umpolong)”反應(yīng)的現(xiàn)象中逆轉(zhuǎn)這個電荷，其中這個碳現(xiàn)在在醛-NHC加成物中攜帶了部分負(fù)電荷(參見澤巴赫(Seebach) AnRewandte Chemie International Edition in EnRlish (德國應(yīng)用化學(xué)國際版，英語)18，239 (1979))。該化學(xué)文件包括加成、消除、環(huán)加成以及涉及該中間體的許多其他反應(yīng)的實(shí)例。來自美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯校區(qū)的馬克.馬斯卡(Mark Mascal)最近的出版物詳細(xì)地闡述了可以由多種可再生的纖維的以及半纖維的原料產(chǎn)生5_(氯甲基)-2_呋喃甲醒(CMF)的一種高產(chǎn)率的方法(參見馬斯卡(Mascal)和尼吉丁(Nikitin)EnerRY & Fuels(能源與燃料)24,2170 (2009))。由于該方法利用了強(qiáng)無機(jī)酸，糖單元的立體化學(xué)以及糖苷鍵是不可知的，并且會將六個碳的糖轉(zhuǎn)化為CMF，脫氧糖或葡萄糖酸是例外。在來源于碳水化合物的呋喃的領(lǐng)域中相似的工作集中在產(chǎn)生5-(羥甲基)-2-呋喃甲醛(HMF)(參見賓得(Binder)和雷恩斯(Raines) Energy &Environmental Science (倉R源與環(huán)境科學(xué))3,677(2010))。CMF和HMF均可以轉(zhuǎn)化為有價值的化學(xué)品，首先是通過催化加氫來提供5-甲基-2-呋喃甲醛或2，5- 二甲基呋喃、或者另外被氧化成2，5-呋喃-二羧酸酯,可以用作塑料單體。與本發(fā)明特別相關(guān)的是馬斯卡(Mascal)的CMF向5_ (乙氧基甲基)_2_呋喃甲醒(EMF)的轉(zhuǎn)化(參見尼吉丁(Nikitin)和馬斯卡(Mascal) Angewandte ChemieInternational Edition (德國應(yīng)用化學(xué)國際版)47,47 (2008)),這種轉(zhuǎn)化證實(shí)了就其能量含量而言的有利的燃料特性(30.3MJL-1)。雖然在此方面與汽油相似，但EMF不能與汽油在可觀的水平上摻合、并且還易于因?yàn)榉磻?yīng)性醛基而在長時間靜置時自動氧化(圖3)。α -氯-醒是博德(Bode)、羅維斯(Rovis)以及沙伊特(Scheidt)對于NHC催化進(jìn)行了研究的底物(參見Sohn (索恩)和博德(Bode) Organic Letters (有坑化學(xué)通訊)7,3873 (2005^ ;雷諾茲(Reynolds)和羅維斯(Rovis) Tournal of the American ChemicalSociety (美國化學(xué)學(xué)會雜志)127,16406 (2005):陳(Chan)和沙伊特(Scheidt) OrganicLetters (有機(jī)化學(xué)通訊)7,905 (2005^)。在機(jī)械方面,在卡賓加成為醒之后,在醒-碳中心的負(fù)電荷將消除氯化物，從而提供烯醇中間體(圖4)。在互變異構(gòu)化為酮之后，外源親核體(例如醇、水或胺)將排斥唑鎗(azolium)部分并且重新進(jìn)行催化循環(huán)。得到的酸、酯或酰胺各自對與催化劑的進(jìn)一步反應(yīng)是免疫的。CMF可以被認(rèn)為是α-氯-醛，然而該碳-氯ζ鍵通過呋喃環(huán)系統(tǒng)而與醛η鍵分離。在η鍵或η系統(tǒng)連接了某些原子的官能團(tuán)中，該基團(tuán)可以被認(rèn)為是‘插烯的(vinylogous)’、‘雙插烯的(doubly-vinylogous)’等。例如,具有將氮連接至羰基上的碳-碳雙鍵的酰胺官能團(tuán)被稱為“插烯酰胺”。在CMF的情況下，該碳-氯基團(tuán)以及醛是“雙插烯的“，或者在當(dāng)呋喃η系統(tǒng)連接了這些鍵時也許是‘插呋喃的(furanylogous)’，并且因此保持反應(yīng)性。本發(fā)明描述了使用這種新穎的轉(zhuǎn)化、由NHC分子催化的、CMF以及5_甲基_2_呋喃甲醛的相關(guān)衍生物向5-甲基-2-糠酸及其衍生物的高產(chǎn)率轉(zhuǎn)化。由可再生碳水化合物原料產(chǎn)生的CMF可以按催化方式被轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品，而不需要使用過渡金屬、壓縮氫氣或極端的壓力或溫度。
發(fā)明說明在一個實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基-2-糠酸甲酯的方法，產(chǎn)率大于50%。該方法包括使一種具有化學(xué)式II的含呋喃的分子、堿、有機(jī)溶劑、催化劑以及甲醇在32° C相接觸，這樣產(chǎn)生了 5-甲基-2-糠酸甲酯。在另一個實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基-2-糠酸乙酯的方法，產(chǎn)率大于50%。該方法包括使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子、堿、有機(jī)溶劑、催化劑以及乙醇在32° C相接觸，這樣產(chǎn)生了 5-甲基-2-糠酸乙酯。附圖簡要說明

圖1展示了具有化學(xué)式I和化學(xué)式II的分子，它們分別是本發(fā)明的產(chǎn)物和底物。圖2展示了取決于催化劑的存在與否，5-(氯甲基)-2-呋喃甲醛(CMF，I)向5_ (乙氧基甲基)-2-呋喃甲醛(EMF，2)或者5-甲基-2-糠酸乙酯(3)的不同反應(yīng)。圖3展示了本發(fā)明提出的、以及已知的α -氯代醒(chloroaldehyde)關(guān)于NHC催化的催化性循環(huán)機(jī)制。圖4展示了 N-雜環(huán)卡賓催化劑的代表性的前體鹽、以及用堿對它們?nèi)ベ|(zhì)子化。圖5是甘油還原為1，2-丙二醇或者脫水為丙烯醛的示意性圖解。圖6是作為親核劑的噻唑鎗或三唑鎗環(huán)系統(tǒng)的示意性圖解。圖7是本發(fā)明所述的一種示例性方法的示意性圖解。圖8是本發(fā)明所述的一種示例性方法的示意性圖解。圖9是葡萄糖 以及衍生分子的示意性圖解。圖10是被噻唑鎗環(huán)侵入、隨后消除了氯化物的氯代醛的示意性圖解?；プ儺悩?gòu)化為酮提供了一種容易水解的中間體。圖11是酰基中間體用來提供糠酸酯的不同反應(yīng)的示意性圖解。
本發(fā)明的實(shí)施模式以及工業(yè)實(shí)用性1.概述
本發(fā)明所述的一種方法包括由CMF來制備5-甲基-2-糠酸，包括酯、酰胺以及硫代酯衍生物，以作為有用的化學(xué)結(jié)構(gòu)單元以及燃料或燃料添加劑。第一步驟涉及使具有化學(xué)式II的分子、催化劑、堿、有機(jī)溶劑以及反應(yīng)性的親核體在10° C與50° C之間的溫度下相接觸。用水使該反應(yīng)淬滅，并且疏水性的呋喃產(chǎn)物可以用疏水性溶液萃取、并且通過二氧化硅層析法提純。疏水性的呋喃產(chǎn)物還可以通過蒸餾、沉淀或升華進(jìn)行分離。通過這種方法，5-甲基-2-糠酸甲酯以及5-甲基-2-糠酸乙酯的產(chǎn)率大于50%。在親水性的呋喃產(chǎn)物如5-甲基-2-糠酸的情況下，該產(chǎn)物可以通過蒸餾、沉淀或升華來提純。I1.定義
如在此使用的，術(shù)語“催化劑“指的是相對于CMF以亞化學(xué)計量的量存在的任何原子或分子集合，該原子或分子 集合能夠影響所希望的向5-甲基-2-糠酸以及它的酯類、酰胺類、以及硫代酯類的化學(xué)轉(zhuǎn)化。該催化劑還可以相對于CMF以等于或超過化學(xué)計量的量存在。如在此使用的，術(shù)語“N-雜環(huán)卡賓”指的是包含至少兩個非碳原子以及至少一個碳原子的任何多環(huán)或雜環(huán)的有機(jī)分子，這兩個非碳原子包括一個氮以及一個選自以下的原子:氮、硫、磷或硅。這些原子的排列方式是使得在用一種無水的堿處理時，單線態(tài)卡賓將在包含在該雜環(huán)內(nèi)的一個碳原子上形成。如在此使用的，術(shù)語“親核體”指的是包含反應(yīng)性的負(fù)電性元素的有機(jī)分子。實(shí)例包括:水；醇類，包括甲醇、乙醇、丁醇、丙醇以及其他脂肪族或芳香族基團(tuán)；胺類，包括氨、燒基氣、二燒基氣以及二燒基氣基團(tuán)；以及硫醇類，包括硫化氫!以及燒基硫醇類；以及金屬穩(wěn)定的碳陰離子，如烷基鎂或烷基鋰物質(zhì)。如在此使用的，術(shù)語“堿”指的是能夠中和酸類的分子。在本發(fā)明中有用的堿包括但不限于:碳酸鉀、碳酸銫、1，8-二氮雜二環(huán)[5.4.0] i^一碳-7-烯(DBU)、1，4-二氮雜二環(huán)[2.2.2]辛烷(DABCO)以及奎寧環(huán)定。其他堿也是有用的，如碳酸鈉、碳酸鋰、碳酸氫鈉、碳
酸氫鉀、烷基胺類、二烷基胺類以及三烷基胺類。如在此使用的，術(shù)語“單線態(tài)卡賓”指的是碳原子鍵合至兩個取代基上，其中剩余的原子軌道幾何形狀包括攜帶有兩個電子的S-軌道、以及一個空的P-軌道。如在此使用的，術(shù)語“有機(jī)溶劑”指的是通常為非極性的、極性疏質(zhì)子的或極性質(zhì)子性溶劑的溶劑。有機(jī)溶劑包括但不限于:四氫呋喃、乙腈、二乙醚、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯、戊烷、己烷、庚烷、環(huán)己烷、苯、甲苯、甲醇、乙醇、以及齒代溶劑如氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1，2- 二氯乙烷或其組合)。其他有機(jī)溶劑在本發(fā)明中是有用的。如在此使用的，術(shù)語“疏水性溶劑”指的是與水不可混溶的溶劑。萃取溶劑包括但不限于:二乙醚、乙酸乙酯、甲基叔丁基醚、己烷、戊烷、庚烷、環(huán)己烷、苯、甲苯以及齒代溶劑如氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1，2-二氯乙烷或其組合)。其他萃取溶劑在本發(fā)明中是有用的。如在此使用的,術(shù)語“疏水性的呋喃產(chǎn)物”指的是本方法的產(chǎn)物,這些產(chǎn)物包含一個呋喃環(huán)、并且通常是不溶于水的。疏水性的呋喃產(chǎn)物包括但不限于:5_甲基-2-糠酸的脂肪族以及芳香族的酯類、5-甲基-2-糠酸的脂肪族以及芳香族的酰胺類以及5-甲基-2-糠酸的脂肪族以及芳香族的硫代酯類。
如在此使用的，術(shù)語“親水性的呋喃產(chǎn)物”指的是本方法的產(chǎn)物，這些產(chǎn)物包含一個呋喃環(huán)、并且通常是溶于水的。親水性的呋喃產(chǎn)物包括但不限于5-甲基-2-糠酸。II1.制備5-甲基-2-糠酸和衍生物的方法。
本發(fā)明的方法涉及由具有化學(xué)式II的含呋喃的分子來制備具有化學(xué)式I的含呋喃的分子，產(chǎn)率大于50%，該具有化學(xué)式I的含呋喃的分子是有用的化學(xué)結(jié)構(gòu)單元以及燃料或燃料添加劑。第一步驟涉及使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子，堿如DBU，有機(jī)溶劑如四氫呋喃(THF)，催化劑如N-雜環(huán)卡賓，以及反應(yīng)性的親核體如醇類、水、胺類或硫醇類，在從大約-78° C至大約150° C的溫度下在一個反應(yīng)器內(nèi)相接觸。完成之后，第二步驟涉及用一種疏水性溶劑如乙酸乙酯來分離具有化學(xué)式I的產(chǎn)物分子。通過這種方法，5-甲基-2-糠酸甲酯以及5-甲基-2-糠酸乙酯的產(chǎn)率大于70%。
本發(fā)明的有用產(chǎn)物包括具有化學(xué)式I的分子，其中化學(xué)式I中的R包括氧、硫以及氮；并且其中化學(xué)式I中的R’包括碳、氫、硫、氮、氧或它們的任何芳香族或脂肪族的組合。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基-2-糠酸的方法。該方法涉及使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子、堿、有機(jī)溶劑、催化劑以及水在從大約-78。C至大約150° C的溫度下在一個反應(yīng)器內(nèi)相接觸。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基-2-糠酸的酯類的方法。該方法涉及使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子，堿，有機(jī)溶劑，催化劑，以及醇如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或其他脂肪族或芳香族的醇，在從大約-78° C至大約150° C的溫度下在一個反應(yīng)器內(nèi)相接觸。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基-2-甲酰胺或其取代酰胺的方法。該方法涉及使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子，堿，有機(jī)溶劑，催化劑，以及胺如氨、脂肪族或芳香族的烷基胺、或脂肪族或芳香族的二烷基胺在從大約-78° C至大約150° C的溫度下在一個反應(yīng)器內(nèi)相接觸。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基呋喃-2-硫代羧-S-酸或它的脂肪族或芳香族的硫代酯的方法。該方法涉及使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子，堿，有機(jī)溶齊U，催化劑，以及硫醇如硫化氫、或脂肪族或芳香族的硫醇，在從大約-78° C至大約150° C的溫度下在一個反應(yīng)器內(nèi)相接觸。在本發(fā)明中使用的CMF具有明確的分子結(jié)構(gòu)“5_(氯甲基)-2_呋喃甲醛”，C6H5C102。CMF可以由含碳水化合物的材料產(chǎn)生，如農(nóng)業(yè)、市政或林業(yè)的廢水流。CMF還可以由5-甲基-2-呋喃甲醛、5-(羥甲基)-2-呋喃甲醛或其他呋喃衍生物通過有機(jī)合成領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的反應(yīng)來以合成方式生產(chǎn)。對本發(fā)明有用的底物包括具有化學(xué)式II的分子，包括CMF，連同5-甲基_2_呋喃甲醛的其他衍生物，其中化學(xué)式II中的R”包括氯化物、氟化物、溴化物、碘化物、對甲苯磺酸酯、甲磺酸酯、三氟乙酸酯、苯氧基、羥基、銨或已知參與了這個化學(xué)作用其他原子或元素
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口 O在本發(fā)明中使用的催化劑包括已知影響了醛中的極反轉(zhuǎn)反應(yīng)的那些原子或者原子集合。例如，N-雜環(huán)卡賓包含任何多環(huán)或雜環(huán)的有機(jī)分子，這些多環(huán)或雜環(huán)的有機(jī)分子包含一個氮原子，以及至少一個選自以下的原子:氮、硫、磷或硅；連同至少一個碳原子。這些原子的排列方式是使得在用無水的堿進(jìn)行處理時，將形成二價碳。這類實(shí)例包括噻唑鎗、I，2，4-三唑鎗、咪唑鎗以及四唑鎗環(huán)系統(tǒng)的有機(jī)或無機(jī)鹽，連同已知會產(chǎn)生單線態(tài)卡賓的其他系統(tǒng)。另外其他有用的催化劑包括親核的陰離子基團(tuán)，如氰化物、氯化物、溴化物以及碘化物。本發(fā)明的方法可以在任何適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行。該溫度可為從-78° C至120° C。該溫度其他有用的范圍包括從大約10° C至大約50° C。該溫度又另一個有用的范圍包括從大約25° C至大約35° C。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會了解的是，其他溫度范圍在本發(fā)明中是有用的。根據(jù)本發(fā)明的方法可以進(jìn)行任何適合的持續(xù)時間。一個有用的持續(xù)時間為從I秒至24小時。其他有用的范圍包括從大約I小時至4小時。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會了解的是，其他持續(xù)時間在本發(fā)明中是有用的。
在本發(fā)明中使用的有機(jī)溶劑包括與水易混溶或不可混溶的溶劑。有機(jī)溶劑包括但不限于:四氫呋喃、乙腈、二乙醚、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯、戊烷、己烷、庚烷、環(huán)己烷、苯、甲苯、甲醇、乙醇以及鹵代溶劑如氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1，2-二氯乙烷或其組合。其他有機(jī)溶劑在本發(fā)明中是有用的。本發(fā)明的疏水性溶劑包括與水不可混溶的溶劑。萃取溶劑包括但不限于:二乙醚、乙酸乙酯、甲基叔丁基醚、己烷、戊烷、庚烷、環(huán)己烷、苯、甲苯以及鹵代溶劑如氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1，2-二氯乙烷或其組合。其他疏水性的溶劑在本發(fā)明中是有用的。本發(fā)明中使用的堿可以包括無機(jī)堿。例如，該堿的陽離子可以為堿金屬、堿土金屬、過渡金屬、后過渡金屬、鑭系元素或錒系元素。堿金屬包括L1、Na、K、Rb以及Cs。堿土金屬包括 Be、Mg、Ca、Sr 以及 Ba。過渡金屬包括 Sc、T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg 以及 Ac。該堿的陰離子可以為碳酸根、氫氧根、磷酸根、硫酸根、硼酸根或乙酸根。本發(fā)明中使用的堿還可以包括一種含氮的有機(jī)分子。例如，任何sp3或sp2雜化的胺，如包含在吡啶、三乙胺、二異丙基乙胺、三甲胺、三丙胺、三丁胺、N，N-二甲基氨基吡啶、咪唑中的胺；或多環(huán)胺，如1，8_ 二氮雜二環(huán)[5.4.0] i^一碳-7-烯(DBU)、1，4-二氮雜二環(huán)[2.2.2]辛烷(DABC0)、奎寧環(huán)定、喹啉、1，5-二氮雜二環(huán)[4.3.0]壬_5_烯(DBN)，或其他相關(guān)的喊。在本發(fā)明中堿可以按任何有用的濃度存在。例如，它可以相對于CMF的摩爾而言以從超化學(xué)計量的量直到等摩爾的或亞化學(xué)計量的量出現(xiàn)。本發(fā)明的方法還可以包括本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的其他組分和試劑。例如，其他組分和試劑可以包括緩沖劑、表面活性劑、另外的鹽以及另外的溶劑。IV.實(shí)例:5-甲基-2-糠酸乙酯。
將1，3- 二三甲苯基-1H-咪唑-3-碘化物(0.031g, 0.138mmol)懸浮在四氫呋喃(46ml)和乙醇(16.2ml)中。然后加入 I, 8-二氮雜二環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯(4.14ml, 27.68mmol)并且將反應(yīng)加熱至32° C。將CMF (2.00g，13.84mmol)溶解在THF (8ml)中，并且將其在60分鐘的過程內(nèi)進(jìn)行逐滴添加。繼續(xù)攪拌另外2小時，在此時間段內(nèi)反應(yīng)呈現(xiàn)深紅色。然后加入水(100ml),并且用乙酸乙酯(3x150ml)萃取該反應(yīng)。將組合的有機(jī)萃取液進(jìn)行合并，并且用鹽水洗滌。，用Na2SO4干燥并且溶劑排空，然后對殘余物進(jìn)行二氧化硅層析(15%乙酸乙酯:己烷)，這提供了作為淡黃色油的酯(1.56g，73%的產(chǎn)率)=IHNMR δ (CDC13):7.04 (d, IH, J=3Hz)，6.07 (d, 1H, J=3Hz), 4.31 (q, IH, J=7Hz)，2.34 (s, 3H)，1.33 (t, 2H, J=7Hz) ; 13CNMR□ δ (CDC13): 158.79，156.97，143.18，119.13，108.29，60.60，14.29，13.89。其他實(shí)施例
甘油是通過所有有生命的有機(jī)體大量產(chǎn)生的三個碳的多羥基化的有機(jī)分子。它用作三酰甘油酯的主鏈，三酰甘油酯是衍生自脂肪的分子能量的主要來源，同樣是磷脂的主鏈，磷脂包括細(xì)胞膜的脂雙層。甘油的低毒性以及固有的“甜”味已經(jīng)使它作為葡萄糖替代品被包含在低卡路里的食物中。作為三個碳的前手性的合成子，甘油已經(jīng)用作許多藥用化合物以及學(xué)術(shù)上的化學(xué)方法的起始材料。近年來，由于對生物柴油燃料的需求增加，甘油在世界范圍的供應(yīng)已經(jīng)顯著增加，并且預(yù)計在2010年將產(chǎn)生1，200, 000噸甘油。例如，參見奧特*L(0tt，L)、K**M (Bicker, Μ.)、沃戈?duì)?H (Vogel, Η.), Green Chem.[綠色化學(xué)]2006,8,214，該文件通過引用結(jié)合在此。典型地，三酰甘油(甘油三酸酯)從植物和藻類材料中收獲，然后用短的脂肪醇將其進(jìn)行酯轉(zhuǎn)移以便從甘油核中釋放出脂肪酸。這些脂肪酯產(chǎn)物顯示出理想的柴油燃料特性，然而由于它的高水溶性以及低可燃性，甘油在這該行業(yè)中被認(rèn)為是一種不想要的副產(chǎn)物。已經(jīng)測試了用于甘油向商品化學(xué)品的轉(zhuǎn)化的多種化學(xué)方法。許多方法涉及將甘油進(jìn)一步氧化為在聚合物工業(yè)中有用的丙烯酸酯衍生物。甘油還原為1，2-或1，3-丙二醇可以在高溫下用不同的鉬族金屬以及氫氣實(shí)現(xiàn)(參見圖5)。一種具體的方法涉及甘油催化脫水為丙烯醒。參見卡特里娜.B (Katryniok, B.)、保羅.S (Paul, S.)、凱普倫.M(Capron, M.)、杜梅歌尼爾.F (Dumeignil, F.), ChemSusChem[化學(xué)與可持續(xù)性、能源與材料]，2009，2，719-730，該文件通過引用結(jié)合在此。雖然甘油本身不是一種有潛力的燃料，但這種方法能夠通過非加氫條件從甘油中去除兩個氧，我們的設(shè)想是丙烯醛可以與其他短鏈分子組合而產(chǎn)生感興趣的燃料或化學(xué)品。從化學(xué)方面看，丙烯 醛包含一個醛基和一個烯基。這樣，丙烯醛為高度親電子的并且易于聚合，因此在由甘油產(chǎn)生之后它很快被使用。將丙烯醛聚合限制為受控的二聚合以及三聚合可以分別提供六個碳以及九個碳的分子，這些分子包含低的氧碳比、并且可以滿足適當(dāng)?shù)膶τ谶\(yùn)輸或航空燃料的燃料規(guī)范。本發(fā)明的實(shí)例性實(shí)施例提供了通過使用N-雜環(huán)卡賓(NHC)催化來產(chǎn)生丙烯醛的二聚產(chǎn)物的方法。NHC催化劑利用了卡賓的特殊化學(xué)行為，已知卡賓在某些底物上進(jìn)行逆反應(yīng)，即，“極反轉(zhuǎn)”反應(yīng)，例如親核性?；＠?，參見澤巴赫.D (Seebach, D.), Angew.Chem.1nt.Ed.(德國應(yīng)用化學(xué)國際版)1979，18,239-258，該文件通過引用結(jié)合在此；布雷斯洛.R(Breslow, R.)，J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會雜志)1958，80，3719-3726，該文件通過引用結(jié)合在此。所謂的“持久性的”卡賓在自然界中以維他命BI (硫胺素)的形成出現(xiàn)，參與了丙酮酸鹽脫羧基作用以及在細(xì)胞代謝中化學(xué)中間體的后續(xù)使用。Rovis (羅維斯)、Bode(博德)以及Scheidt (沙伊特)的近期工作已經(jīng)將這種催化劑的范圍擴(kuò)展至在反應(yīng)中包括眾多的α-酮酸以及醛，否則這些反應(yīng)在傳統(tǒng)催化下不會發(fā)生。例如，參見雷諾茲.N.Τ.(Reynolds, N.Τ.)、deAlaniz, J.R.、羅維斯.T (Rovis, T.), J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會雜志)2004，126,9518-9519，該文件通過引用結(jié)合在此Jf、(Chan，A.)、沙伊特.K.A.(Scheldt K.A.)，Org.Lett.(有機(jī)化學(xué)通訊)2005，7，905-908，該文件通過引用結(jié)合在此；博德.J (Bode, J.), J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會雜志)2004，126，8126-8127，該文件通過引用結(jié)合在此。在堿性條件下，噻唑鎗、咪唑鎗或三唑鎗環(huán)系統(tǒng)用作親核劑，并且將侵襲缺電子的羰基中心(參見圖6)。質(zhì)子傳遞之后，?；贾行倪M(jìn)而成為親核的并且侵襲附近的親電體、或者將這些電子傳遞至一個內(nèi)部的鄰近離核體并且有效地創(chuàng)造一個“內(nèi)部氧化還原反應(yīng)”。如在本發(fā)明中考慮的，兩個丙烯醛分子可以通過NHC級聯(lián)反應(yīng)、使用維他命BI或其他能夠進(jìn)行類似催化的雜環(huán)部分來提供圖7展示的5-乙烯基丁內(nèi)酯產(chǎn)物。格洛斯(Glorius)和博德(Bode)已經(jīng)展示了一種類似形式的轉(zhuǎn)化，其中可以通過NHC催化、隨后在醛上進(jìn)行分子間侵襲、然后進(jìn)行閉環(huán)以及催化劑的排出，而產(chǎn)生烯醛(enal)的一種推定的高烯醇化物(homoenolate)。例如，參見索恩 *S.S.(Sohn, S.S.)、羅森.Ε.L.(Rosen, E.L.)、博德.J.W.(Bode, J.ff.)，J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會雜志)2004，126，14370-14371，該文件通過引用結(jié)合在 此；伯斯坦.C (Burstein, C.)、格洛斯.F (Glorius, F.), Angew.Chem.1nt.Ed.(德國應(yīng)用化學(xué)國際版)2004，43，6205-6208，該文件其通過引用結(jié)合在此。這個中間體中包含易于進(jìn)行Pd(II)C12插入的乙酸烯丙酯。至ε-內(nèi)酯的重排在熵方面是極度不利的，因此β -氫化物的消除將發(fā)生在烯烴異構(gòu)化之后以便提供山梨酸，一種六碳的商品化學(xué)品，其在食品工業(yè)中作為防腐劑廣泛使用。山梨酸與甲醇或乙醇在酸催化下的酯化作用將分別產(chǎn)生山梨酸甲酯和山梨酸乙酯，它們顯示出與航空燃料類似的熔點(diǎn)和閃點(diǎn)(閃點(diǎn)分別為63° C和69° C ;熔點(diǎn)分別為-46° C和-34° C)。這些化合物的加氫作用將提供己酸甲酯和己酸乙酯衍生物，它們對上述燃料種類展示出甚至更低的值(閃點(diǎn)分別為45° C和49° C ;熔點(diǎn)分別為-71° C和-67° C)。圖8是以上方法的一個示意圖。根據(jù)本發(fā)明所述的一個示例性實(shí)施例提供了一種將甘油轉(zhuǎn)化為一種液體燃料的方法，該方法包括:甘油催化脫水為丙烯醛；丙烯醛進(jìn)行受控縮合成為5-乙烯基丁內(nèi)酯；
5-乙烯基丁內(nèi)酯轉(zhuǎn)化為山梨酸；山梨酸酯化為山梨酸酯；并且山梨酸酯加氫為乙酸酯。在這種方法中，甘油催化脫水為丙烯醛可以包括與硫酸氫鉀、硫酸、磷酸、硫酸鎂、硫酸鋅或硫酸鋁中的一種或多種進(jìn)行反應(yīng)。在這種方法中，甘油催化脫水為丙烯醛可以在473開爾文與673開爾文之間的溫度下進(jìn)行、并且可以按分批法以及連續(xù)法或它們的組合方法進(jìn)行。丙烯醛進(jìn)行受控縮合成為5-乙烯基丁內(nèi)酯可以包括與影響?；娣磻?yīng)的催化系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)，這樣使得它們成為親核的。在這種實(shí)施例中，這些催化系統(tǒng)可以包括噻唑鎗、三唑鎗或咪唑鎗環(huán)系統(tǒng)中的一個或多個。5-乙烯基丁內(nèi)酯轉(zhuǎn)化為山梨酸可以包括通過鈀進(jìn)行異構(gòu)化。山梨酸酯化為山梨酸酯可以包括用一種醇進(jìn)行酸催化的酯化作用。山梨酸酯化為山梨酸酯可以包括該酸轉(zhuǎn)化為一種?；然蚧旌纤狒蛱妓猁}、以及與一種醇的反應(yīng)。山梨酸酯化為山梨酸酯可以包括通過一種碳二亞胺偶聯(lián)劑或其他脫水試劑來活化該酸、以及與一種醇的反應(yīng)。山梨酸酯加氫為乙酸酯可以包括通過貴金屬例如鈀、鉬、銠、銥、鎳、鐵或釕在高壓氫氣下的還原。本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括由在此描述的任何一種方法產(chǎn)生的液體燃料。本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括用于實(shí)行在此描述的任何一種方法的裝置。其他實(shí)施例
纖維質(zhì)物料的催化脫氧在有成本效益的能源密集的液體燃料的開發(fā)中是一個顯著的障礙。碳-羥基鍵的直接還原在熱力學(xué)方面是極度不利的，并且用于這樣做的當(dāng)前的現(xiàn)有技術(shù)涉及高溫、高壓氫氣、以及用于基團(tuán)活化的鉬族金屬催化劑系統(tǒng)。自然界通過封端這些羥基成為磷酸基、隨后通過消除來提供烯烴而避免了這個問題。在有機(jī)合成文獻(xiàn)中有許多脫氧方案，但這些方案中沒有一個在水環(huán)境中是兼容的，并且它們也不會不含副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物中的許多可能具有比起始的葡萄糖分子更高的分子量。張(Zhang)和雷恩斯(Raines)最近的報告展示了纖維質(zhì)物料可以通過若干步驟脫水以便形成基于呋喃的產(chǎn)物。例如，參見蘇(Su，Y.)、布朗.H.M.(Brown，H.M.)、黃(Huang, W.)、周(Zhou, X.-d.)、阿曼列特.J.E.(Amonette, J.E.)、張(Zhang, C.), “纖維素向5-輕甲基糠醒(HMF)的一步轉(zhuǎn)化，通用平臺化學(xué)(Single-step Conversion ofCellulose to5-hydroxymethylfurfural (HMF), a Versatile Platform Chemical)，，，App.Cat.A:General.2009，361，117-122，該文件通過引用結(jié)合在此；賓得 *J.B.(Binder J.Β.)、雷恩斯*R.T.(Raines, R.Τ.)，“木質(zhì)纖維素物生質(zhì)向用于燃料和化學(xué)品的糠醛的簡單化學(xué)轉(zhuǎn)化(Simple Chemical Transformation of Lignocellulosic Biomass into Furanicsfor Fuels and Chemicals)”，J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會雜志)2009,131，1979-1985，該文件通過引用結(jié)合在此。小規(guī)模的反應(yīng)已經(jīng)顯示，可以在干燥的離子液體溶劑中用鉻催化將葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖，隨后脫水為羥甲基糠醛(HMF)。這個反應(yīng)具有好的總產(chǎn)率，然而這些反應(yīng)條件不適合大規(guī)模生產(chǎn)。馬斯卡(Mascal)的一篇報告已經(jīng)解決了這些問題、并且開發(fā)了直接由纖維素生產(chǎn)5-(氯甲基)糠醛(CMF)的酸催化過程。例如，參見馬斯卡.Μ.(Mascal，Μ.)、尼吉丁.Ε.B.(Nikitin, Ε.B.)，“纖維素向生物燃料的直接高產(chǎn)率轉(zhuǎn)化(Direct, High-YieldConversion of Cellulose into Biofuel)”，Angew.Chem.1nt.Ed.(德國有機(jī)化學(xué)國際版)2008，47，7924-7926，該文件通過引用結(jié)合在此。使用酸、熱、氯化鋰以及一個雙相反應(yīng)裝置，可以連續(xù) 地從該反應(yīng)介質(zhì)中萃取疏水性的CMF，并且然后將其用于后續(xù)的醚化作用或縮合反應(yīng)。
本發(fā)明提供了在CMF上的一種新穎的化學(xué)轉(zhuǎn)化，涉及一個氧化偶聯(lián)反應(yīng)以產(chǎn)生糠酸酯，該糠酸酯可以作為“滴入式(drop-1n)”汽油或柴油燃料替代品。α-氯代醛已經(jīng)展示了當(dāng)用類硫胺素(維他命BI)的分子處理時，發(fā)生內(nèi)部氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生酯產(chǎn)物。例如，參見雷諾茲.N.Τ.(Reynolds，N.Τ.)、de Alaniz, J.R.、羅維斯.T (Rovis1T.)，“ α -鹵代醛類通過親核卡賓催化的內(nèi)部氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為?；瘎?Conversion of a -haloaldehydes into acyating agents by an internal redoxreaction catalyzed by nucleophilic carbenes)，，, J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會雜志)2004，126，9518-9519，該文獻(xiàn)通過引用結(jié)合在此。CMF本身不包含α-氯代醛；然而該醛與氯甲基之間的芳香族連接通過共軛效應(yīng)將這些基團(tuán)相連接、并且因此可以被認(rèn)為是“雙插烯的或苯基的” α-氯代醛。還沒有這種反應(yīng)的報道。圖9圖解地展示了被噻唑鎗環(huán)侵襲、隨后消除了氯化物的氯代醛?；プ儺悩?gòu)化為酮提供了容易被水所水解或被醇所酯化的中間體。為了促進(jìn)催化劑再生，三唑鎗雜環(huán)的噻唑鎗可以附連至固相載體或超分子結(jié)構(gòu)，例如杯芳烴或環(huán)糊精分子。布瑞斯羅夫(Breslow)已經(jīng)展示，共價地錨定至Y-環(huán)糊精上的噻唑鎗鹽類比它們的自由的對應(yīng)物在類似的安息香縮合中快九倍。布雷斯洛.R.(Breslow, R.)、庫爾.E (Kool, E.)，“ Y -環(huán)糊精噻唑鎗鹽全酶模擬安息香縮合(AY-Cyclodextrin Thiazolium Salt Holoenzyme Mimic for the BenzoinCondensation)”，Tetrahedron Lett.(四面體通訊)1988, 29,1635-1638,該文獻(xiàn)通過引用
結(jié)合在此。根據(jù)本發(fā)明所述的一個示例性實(shí)施例提供了一種將5_(氯甲基)糠醛轉(zhuǎn)化為液體燃料的方法，該方法包括:卡賓催化劑親核加成為5-(氯甲基)糠醛的醛并且損失氯根離子；用醇取代卡賓催化劑。在這種方法中，該卡賓催化劑可以包括噻唑鎗、三唑鎗或咪唑鎗雜環(huán)。在這種方法中，該反應(yīng)溶劑可以包括一種經(jīng)適當(dāng)緩沖的水溶液或有機(jī)溶劑，如二氯甲烷、二甲基甲酰胺、四氫呋喃、氯仿、苯、甲苯或乙腈。用醇取代該卡賓催化劑可以包括與任何脂肪族或芳香族醇的反應(yīng)，這樣產(chǎn)生了一種糠酸酯產(chǎn)物。

雖然為便于理解的目的，通過圖解和實(shí)例的方式已經(jīng)相當(dāng)詳細(xì)地描述了上述發(fā)明，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解的是，可以在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行某些改變和變更。此外，在此提供的每個參考文件都通過引用以其全文結(jié)合在此，其程度就好像每個參考文件通過引用被單獨(dú)地結(jié)合在此。
權(quán)利要求
1.一種用于由具有化學(xué)式II的含呋喃的分子來合成具有化學(xué)式I的含呋喃的分子的方法，該方法包括:(a)使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子、堿、有機(jī)溶劑、催化劑以及反應(yīng)性的親核體在從大約-78° C至大約150° C的溫度下在一個反應(yīng)器內(nèi)相接觸，這樣產(chǎn)生了具有化學(xué)式I的含呋喃的分子；(b)通過用疏水性溶劑萃取、或者通過層析、蒸餾、升華或沉淀來分離具有化學(xué)式I的產(chǎn)物分子。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中化學(xué)式I中的R包括氧、硫和氮。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中化學(xué)式I中的R’包括碳、氫、硫、氮、氧、或者它們的任何芳香族或脂肪族的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中化學(xué)式II中的R”包括氯化物、氟化物、溴化物、碘化物、對甲苯磺酸酯、甲磺酸酯、三氟乙酸酯、苯氧基、羥基或銨。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該堿包括無機(jī)堿。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該堿包括一種含氮的有機(jī)堿。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該有機(jī)溶劑為與水易混溶的。
8.如權(quán)利要求1所述的 方法，其中該有機(jī)溶劑為與水不可混溶的。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該催化劑包括由氰化物、氯化物、溴化物或碘化物組成的親核陰離子組。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該催化劑包括一種N-雜環(huán)卡賓或它的鹽。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該反應(yīng)性的親核體包括水。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該反應(yīng)性的親核體包括一種醇。
13.如權(quán)利要求1所述的方法,其中該反應(yīng)性的親核體包括一種胺。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該反應(yīng)性的親核體包括一種硫醇。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該溫度為從大約25°C至35° C。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該疏水性溶劑包括一種與水不可混溶的溶劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及由5-(氯甲基)-2-呋喃甲醛(CMF)來合成5-甲基-2-糠酸，包括它的酯、酰胺以及硫代酯衍生物。如此制備的這些分子作為制藥、食品以及香料分子的中間體、以及燃料或燃料添加劑是有用的。
文檔編號C07D307/02GK103228638SQ201180047903
公開日2013年7月31日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者彼得·米考奇克, 阿維亞德·卡哈納 申請人:尹斯特有限公司