用于生產(chǎn)化學(xué)品和其衍生物的組合物和方法
【專利說明】用于生產(chǎn)化學(xué)品和其衍生物的組合物和方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2012年8月21日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列第61/704, 408號(hào)的權(quán)益， 該臨時(shí)申請(qǐng)的全文，包括所有的表格、圖和權(quán)利要求，以引用的方式并入本文中。
[0003] 序列表的并入
[0004] 隨附序列表中的材料在此以引用的方式并入本申請(qǐng)中。名稱為SGI1660_1W0_PCT_ SequenceListing_ST25的隨附的序列表文本文件創(chuàng)建于2013年8月_日，且為_KB。該 文件可利用使用WindowsOS的計(jì)算機(jī)上的MicrosoftWord來評(píng)估。
[0005] 發(fā)明背景
[0006] 近年來，已有越來越多的努力致力于確定新穎且有效的方式使用可再生的原料進(jìn) 行有機(jī)化學(xué)品的生產(chǎn)。在大量下游化學(xué)處理技術(shù)中，將生物質(zhì)衍生的糖轉(zhuǎn)化成增值化學(xué)品 被認(rèn)為是非常重要的。特別地，含六碳的碳水化合物，即己糖，諸如果糖和葡萄糖，被廣泛認(rèn) 為是自然界中存在的最豐富的單糖，因此可以適當(dāng)?shù)睾徒?jīng)濟(jì)地用作化學(xué)原料。
[0007] 從糖生產(chǎn)呋喃和呋喃衍生物已在化學(xué)和催化研宄方面吸引了越來越多的關(guān)注，并 被認(rèn)為有潛力提供實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源供應(yīng)和化學(xué)品生產(chǎn)的主要路線之一。事實(shí)上，在具有集 成生物質(zhì)轉(zhuǎn)化加工的生物精煉廠內(nèi)使可獲得的糖的脫水和/或氧化可產(chǎn)生一個(gè)大的系列 產(chǎn)品，包括各種各樣的呋喃和呋喃衍生物。
[0008] 在最具商業(yè)價(jià)值的呋喃中，呋喃-2,5-二甲酸（亦稱為2,5_呋喃-二甲酸，在下 文中縮寫為FDCA)是有價(jià)值的中間體，它在包括制藥、殺蟲劑、抗菌劑、芳香劑、農(nóng)藥的數(shù)種 產(chǎn)業(yè)中，以及在聚合物材料（例如生物塑料樹脂）的各種不同制造應(yīng)用中具有各種用途。 因此，F(xiàn)DCA被認(rèn)為是對(duì)苯二甲酸（TPA)的綠色替代品，對(duì)苯二甲酸是一種基于石油的單體， 它是全世界每年生產(chǎn)的最大量的石油化學(xué)品之一。事實(shí)上，美國(guó)能源部已確定FDCA為由 糖制成增值化學(xué)品以建立未來的"綠色"化學(xué)的前12種優(yōu)先化合物之一，因此，它已被命 名為可再生中間體化學(xué)品的"沉睡的巨人"之一（Werpy和Petersen，TopValueAdded ChemicalsfromBiomass.USDepartmentofEnergy，Biomass，第 1 卷，2004)〇
[0009] 雖然已提出商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)FDCA的各種方法（對(duì)于綜述，參見例如Tong等人， Appl.CatalysisA:General，385,1-13, 2010)，但目前FDCA的主要工業(yè)合成依賴于己糖 (諸如葡萄糖或果糖）化學(xué)脫水成中間體5-羥甲基糠醛（5-HMF)，隨后通過化學(xué)氧化變成 FDCA。然而，已有報(bào)道稱，目前的經(jīng)由脫水進(jìn)行的FDCA生產(chǎn)過程通常是非選擇性的，除非當(dāng) 不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物形成時(shí)其可以立即轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的物質(zhì)。因此，在生產(chǎn)和使用FDCA中的 主要技術(shù)壁皇是從生物質(zhì)衍生的糖開發(fā)有效且選擇性的脫水過程。
[0010] 因此，需要開發(fā)用于通過替代方式生產(chǎn)這一非常重要的化合物以及許多其它化學(xué) 品和代謝產(chǎn)物的方法，所述替代方式不僅能夠用可再生的原料取代基于石油的原料，而且 還使用更少的能量和資本密集技術(shù)。特別地，糖脫水的選擇性控制可能是非常強(qiáng)大的技術(shù)， 從而產(chǎn)生各種各樣額外、廉價(jià)的基礎(chǔ)材料（buildingblocks)。
[0011] 發(fā)明概述
[0012] 本發(fā)明提供了產(chǎn)生一種或多種酶途徑產(chǎn)物的方法。用于本發(fā)明方法的途徑包括 一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)化步驟，例如，古羅糖醛酸酶轉(zhuǎn)化成D-葡萄糖二酸（步驟7) ;5_酮葡萄糖酸 (5-KGA)酶轉(zhuǎn)化成L-艾杜糖醛酸（步驟15) ;L-艾杜糖醛酸酶轉(zhuǎn)化成艾杜糖二酸步驟7b); 以及5-酮基葡糖酸（1^1:〇(3111(3〇1^七6)酶轉(zhuǎn)化成4,6-二羥基2,5-二酮基己酸（2,5-001{) (步驟16)。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法產(chǎn)生2,5_呋喃-二甲酸（FDCA)作為產(chǎn)物。 所述方法包括作為步驟的酶轉(zhuǎn)化和化學(xué)轉(zhuǎn)化。還提供各種途徑來將葡萄糖轉(zhuǎn)化成5-脫 氫-4-脫氧葡萄糖二酸（DDG)，以及將葡萄糖轉(zhuǎn)化成FDCA。所述方法還可以包括使用以高 特異性和效率進(jìn)行反應(yīng)的工程化酶。
[0013] 在第一方面，本發(fā)明提供了一種從起始底物產(chǎn)生酶途徑或化學(xué)途徑產(chǎn)物的方法。 所述途徑可含有以下轉(zhuǎn)化步驟中的任何一個(gè)或多個(gè)：古羅糖醛酸酶轉(zhuǎn)化成D-葡萄糖二酸 (步驟7) ;5_酮葡萄糖酸（5-KGA)酶轉(zhuǎn)化成L-艾杜糖醛酸（步驟15) ;L-艾杜糖醛酸酶 轉(zhuǎn)化成艾杜糖二酸（步驟7b);以及5-酮基葡糖酸酶轉(zhuǎn)化成4,6-二羥基2, 5-二酮基己酸 (2, 5-DDH)(步驟16) ;1，5-葡萄糖酸內(nèi)酯酶轉(zhuǎn)化成古羅糖酸內(nèi)酯（步驟19)。
[0014] 在一個(gè)實(shí)施方案中，酶途徑的產(chǎn)物是5-脫氫-4-脫氧葡萄糖二酸（DDG)。在各種 實(shí)施方案中，所述方法的底物可為葡萄糖，且產(chǎn)物可為5-脫氫-4-脫氧葡萄糖二酸（DDG)。 所述方法可包括以下步驟：D-葡萄糖酶轉(zhuǎn)化成1，5-葡萄糖酸內(nèi)酯（步驟1) ;1，5-葡萄糖 酸內(nèi)酯酶轉(zhuǎn)化成古羅糖酸內(nèi)酯（步驟19);古羅糖酸內(nèi)酯酶轉(zhuǎn)化成古羅糖醛酸（步驟1B); 古羅糖醛酸酶轉(zhuǎn)化成D-葡萄糖二酸（步驟7);以及D-葡萄糖二酸酶轉(zhuǎn)化成5-脫氫-4-脫 氧葡萄糖二酸（DDG)(步驟8)。
[0015] 在本發(fā)明的另一個(gè)方法中，底物是葡萄糖且產(chǎn)物是DDG，并且該方法包括以下步 驟：D-葡萄糖轉(zhuǎn)化成1，5-葡萄糖酸內(nèi)酯（步驟1) ;1，5-葡萄糖酸內(nèi)酯轉(zhuǎn)化成葡萄糖酸（步 驟la);葡萄糖酸轉(zhuǎn)化成5-酮葡萄糖酸（5-KGA)(步驟14) ;5_酮葡萄糖酸（5-KGA)轉(zhuǎn)化成 L-艾杜糖醛酸（步驟15) ;L-艾杜糖醛酸轉(zhuǎn)化成艾杜糖二酸（步驟7b);以及艾杜糖二酸轉(zhuǎn) 化成DDG(步驟8a)。
[0016] 在本發(fā)明的另一個(gè)方法中，底物是葡萄糖且產(chǎn)物是DDG，并且該方法包括以下步 驟：D-葡萄糖轉(zhuǎn)化成1，5-葡萄糖酸內(nèi)酯（步驟1);1，5-葡萄糖酸內(nèi)酯轉(zhuǎn)化成葡萄糖酸（步 驟la);葡萄糖酸轉(zhuǎn)化成5-酮葡萄糖酸（5-KGA)(步驟14) ;5_酮葡萄糖酸（5-KGA)轉(zhuǎn)化 成4,6-二羥基2, 5-二酮基己酸（2, 5-DDH)(步驟16) ;4,6-二羥基2, 5-二酮基己酸（2， 5-DDH)轉(zhuǎn)化成4-脫氧-5-蘇-己酮糖糖醛酸（DTHU)(步驟4);以及4-脫氧-5-蘇-己酮 糖糖醛酸OTHU)轉(zhuǎn)化成DDG(步驟5)。
[0017] 在本發(fā)明的另一個(gè)方法中，底物是葡萄糖且產(chǎn)物是DDG，并且該方法包括以下步 驟：D-葡萄糖轉(zhuǎn)化成1，5-葡萄糖酸內(nèi)酯（步驟1) ;1，5-葡萄糖酸內(nèi)酯轉(zhuǎn)化成葡萄糖酸（步 驟la);葡萄糖酸轉(zhuǎn)化成5-酮葡萄糖酸（5-KGA)(步驟14) ;5_酮葡萄糖酸（5-KGA)轉(zhuǎn)化成 L-艾杜糖醛酸（步驟15) ;L-艾杜糖醛酸轉(zhuǎn)化成4-脫氧-5-蘇-己酮糖糖醛酸（DTHU)(步 驟7B);以及4-脫氧-5-蘇-己酮糖糖醛酸（DTHU)轉(zhuǎn)化成DDG(步驟5)。
[0018] 本文中公開的任何方法還可包括DDG轉(zhuǎn)化成2, 5-呋喃-二甲酸（FDCA)的步驟。 在任何方法中DDG轉(zhuǎn)化成FDCA可包括使DDG與無機(jī)酸接觸以使DDG轉(zhuǎn)化成FDCA。
[0019] 在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了用于合成衍生的（酯化的）FDCA的方法。該方法包 括使DDG與醇、無機(jī)酸在超過60C的溫度下接觸以形成衍生的FDCA。在不同實(shí)施方案中，所 述醇是甲醇、丁醇或乙醇。
[0020] 在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了用于合成FDCA衍生物的方法。該方法包括使DDG 與醇、無機(jī)酸和共溶劑接觸產(chǎn)生DDG的衍生物；任選地純化所述DDG的衍生物；以及使所述 DDG的衍生物與無機(jī)酸接觸，產(chǎn)生FDCA的衍生物。所述無機(jī)酸可以是硫酸并且所述醇可以 是乙醇或丁醇。在各種實(shí)施方案中，所述共溶劑可為以下任何一種：THF、丙酮、乙腈、醚、乙 酸丁酯、二噁烷、氯仿、二氯甲烷、1，2-二氯乙烷、己烷、甲苯，以及二甲苯。
[0021] 在一個(gè)實(shí)施方案中，DDG的衍生物是二乙基DDG且FDCA的衍生物是二乙基FDCA， 以及在另一個(gè)實(shí)施方案中，DDG的衍生物是二丁基DDG且FDCA的衍生物是二丁基FDCA。
[0022] 在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了用于合成FDCA的方法。該方法包括使DDG與無機(jī)酸 在氣相中接觸。
[0023] 在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了用于合成FDCA的方法。該方法包括使DDG與無機(jī)酸 在溫度超過120C下接觸。
[0024] 在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了用于合成FDCA的方法。該方法包括使DDG與無機(jī)酸 在無水反應(yīng)條件下接觸。
【附圖說明】
[0025] 圖1是蛋白474、475和476的粗裂解物和經(jīng)純化的酶的電泳凝膠。
[0026] 圖2a-h分別是路線1、2、2A、2C、2D、2E、2F的途徑的示意圖。
[0027] 圖3a_c分別呈現(xiàn)路線3、4和5的途徑的示意圖。
[0028] 圖4是用葡萄糖酸脫水酶