制備乙酰丙酸的方法
【專利說明】制備乙酰丙酸的方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本國際申請要求2013年3月14日提交的標題為"PROCESS TO PREPARE LEVULINIC ACID"的美國專利申請序列號13/831，317的優(yōu)先權，該專利申請的內容出于所有目的以全 文引用的方式并入本文中。 發(fā)明領域
[0003] 本發(fā)明總體上涉及乙酰丙酸的制備和純化。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 乙酰丙酸可以用來制造樹脂、增塑劑、專用化學品、除草劑和用作調味物質。乙酰 丙酸衍生物可用作溶劑和作為起始材料用于制備多種工業(yè)和藥用化合物，諸如雙酚酸（可 用作保護性和裝飾性涂飾劑的組分）、乙酰丙酸鈣（一種用于鈣補給和用于治療低血鈣癥 的靜脈內注射用鈣形式）。還提出了使用乙酰丙酸鈉鹽代替乙二醇作為防凍劑。
[0006] 已知乙酰丙酸酯可用作增塑劑和溶劑，并且已經被建議用作燃料添加劑。乙酰丙 酸的酸催化脫水產生了 α-當歸內酯。
[0007] 已經通過多種化學方法合成了乙酰丙酸。但乙酰丙酸尚不具備重大商業(yè)意義，這 部分是由于大部分合成方法所獲得的乙酰丙酸的產率較低。而另一個原因是在合成期間形 成甲酸副產物和其與乙酰丙酸分離。因此，生產乙酰丙酸具有高昂的輔助設備成本。然而， 盡管乙酰丙酸生產中存在固有問題，但乙酰丙酸的反應性質使其成為生產眾多有用衍生物 的理想中間體。
[0008] 基于纖維素的生物質是一種廉價原料，其可用作原材料用于制造乙酰丙酸。來自 含纖維素植物生物質的糖的供應是無限的和可補充的。大部分植物在其細胞壁中含有纖 維素。舉例來說，棉花包含90%纖維素。此外，據(jù)估計，耕作地和草原上產生的大約2千4 百萬噸生物質中約有75%是廢料。來源于植物生物質的纖維素可以是用于獲得乙酰丙酸的 方法中的合適的糖來源。因此，將此類廢物料轉化成諸如乙酰丙酸的可用化學品是理想的。
[0009] 發(fā)明簡述
[0010] 在生產乙酰丙酸形式生物質時存在幾個主要問題。首先，乙酰丙酸難以與無機酸 催化劑（硫酸或HC1)或副產物，尤其是與甲酸和炭分離。其次，當前的方法一般需要高溫 反應條件、一般較長的生物質消化期、耐受水解條件的專用設備，且因此，乙酰丙酸的產率 相當?shù)?，產率一般小于50化學計量百分比或更小。還有，在當前的反應條件下獲得的固體 可能由于炭堵塞或粘著于設備內部而導致反應器和下游設備堵塞。
[0011] 因此，需要能克服一個或多個上述當前缺點的新方法。
[0012] 本發(fā)明令人驚訝地提供了以高產率和高純度更有效地制備商業(yè)用量的乙酰丙酸 的新穎方法。另外，還描述了乙酰丙酸產物的重要中間體5-羥甲基-2-糠醛（HMF)中間體 的生產。
[0013] 在一個方面中，使用高濃度酸（例如，以反應組分的總重量計，約20重量％至80 重量％ )和低反應溫度（大約60°C至160Γ )有助于在減少不需要的副產物的情況下提高 所要產物的產率。這是一種屬性，但還有更多屬性。
[0014] 盡管公開了多個實施方案，但根據(jù)以下詳細描述，本發(fā)明的其它實施方案對于本 領域技術人員將顯而易見。如顯而易見，本發(fā)明能夠在各種明顯的方面進行修改，所有修改 均不脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，詳細描述將被視為在本質上是說明性的而非限制性 的。
[0015] 詳細描述
[0016] 在本說明書和權利要求書中，術語"包括"和"包含"是開端式術語，且應解釋為意 指"包括但不限于……"。這些術語涵蓋更具限制性的術語"基本上由……組成"和"由…… 組成"。
[0017] 必須指出，除非上下文另外明確規(guī)定，否則如本文中和所附權利要求書中所使用， 單數(shù)形式"一個"、"一種"和"所述"包括復數(shù)指示物。同樣，術語"一個（種）"、"一個（種） 或多個（種）"和"至少一個（種）"在本文中可互換使用。還要指出，術語"包含"、"包括"、 "其特征為"和"具有"可互換使用。
[0018] 除非另外定義，否則本文中所使用的所有技術和科學術語具有與本發(fā)明所屬領域 的技術人員通常所理解的含義相同的含義。本文明確提及的所有出版物和專利出于所有目 的以全文引用的方式并入，包括描述和公開出版物中所報道的可結合本發(fā)明一起使用的化 學品、儀器、統(tǒng)計分析和方法論。本說明書中所引用的所有參考文獻將被視為指示本領域的 技術水平。本文中所有內容都不應被視為承認本發(fā)明由于先前發(fā)明而無權先于此類公開內 容。
[0019] 本發(fā)明提供制備乙酰丙酸、羥甲基糠醛和/或甲酸的各種優(yōu)點。以下優(yōu)點清單不 意在具有限制性，而是突出本文中所含的一些發(fā)現(xiàn)內容。
[0020] 首先，生物質材料可用作制備乙酰丙酸、羥甲基糠醛和/或甲酸的初始原料。這種 能力在獲得起始材料的恒定來源方面提供了較大靈活性且不具限制性。
[0021] 其次，生物質可為精煉材料，諸如果糖、葡萄糖、蔗糖、那些材料的混合物等。因而， 供應了充足的可轉化成最終產物的材料。舉例來說，糖甜菜或糖甘蔗可用作一個來源。果 糖-玉米糖漿或葡萄糖漿是其它可容易獲得的材料。此類材料的使用因此有助于降低制備 所需產物的成本。
[0022] 第三，已經發(fā)現(xiàn)，使用一般為約20重量％或更高（以反應介質的總質量計）的高 濃度酸能提供具有較少炭和不需要的副產物的較清潔反應產物。還發(fā)現(xiàn)使用一般高達80 重量％或更高（以反應介質的總質量計）的高濃度酸與在相同反應條件下使用較低酸濃度 相比能提供更快的反應時間。
[0023] 第四，還發(fā)現(xiàn)在使用較高濃度酸的情況下，反應條件可在比文獻中當前所利用的 低得多的溫度下進行。這再次減少了來自所發(fā)生的反應的炭和副產物的量，且增加了所需 產物的產率。
[0024] 第五，還發(fā)現(xiàn)利用本發(fā)明的方法，所產生的炭更易于從反應器去除，且炭保持良好 分散于反應介質中。
[0025] 第六，還發(fā)現(xiàn)新方法條件的優(yōu)點（包括在反應期間在一段時間內連續(xù)加入生物 質）可以并入現(xiàn)存方法中以提尚廣率、降低成本、提尚效率和提尚廣物純度。
[0026] 第七，本文中所描述的方法可以經由CSTR或連續(xù)批料處理條件來進行。
[0027] 第八，本文中還提供了利用再循環(huán)和去除雜質的整合方法。
[0028] 第九，本文中提供了能從反應介質中萃取LA但萃取極少量的硫酸的高選擇性萃 取溶劑的用途。
[0029] 在一個實施方案中，這種方法使用高濃度的硫酸，這具有若干個明顯的優(yōu)點。作為 其中之一，反應可在與低酸方法相比較低的溫度下進行，且仍在合理的時間框架內水解糖。 已經發(fā)現(xiàn)在這些高酸、低溫反應條件（例如60°C至160°C，優(yōu)選地80°C至150°C，且更優(yōu)選 地90°C至140°C )下，所形成的炭副產物呈懸浮顆粒形式，從而更易于從反應器中去除且可 以從液體水解產物流中過濾。相比之下，在低酸條件下，需要高溫來在合理的時間框架內有 效地水解糖，且那些條件產生的炭副產物以在無機械能或液壓能的情況下難以去除且大部 分不保持懸浮于反應混合物中的方式包覆反應器組件。然而，這種高酸反應策略使得難以 分離有機酸產物（乙酰丙酸和甲酸）與無機酸試劑。當使用少量硫酸時，如現(xiàn)有技術中典 型的情況，該強無機酸可通過小心地加入化學計量的堿而有效地中和成其鹽形式。然而，在 本文中所使用的高酸含量下，所產生的鹽的量將是過量的。同樣，使用離子交換柱是不切實 際的，因為大量的無機酸將快速填滿塔柱的容量。
[0030] 優(yōu)選溶劑萃取技術，其中有機酸優(yōu)選被萃取至有機溶劑中。即使在本文中，高無機 酸含量也造成了挑戰(zhàn)。有機溶劑應不可溶于水相中，但在一些情況下，硫酸可驅動有機溶劑 與水相的相容性。在這種情況發(fā)生時，有機溶劑的一部分變得可溶于濃硫酸水相中，且溶劑 損失至副反應中的風險增加。即使有機溶劑在硫酸水相中是穩(wěn)定的，也必須從水性物流中 回收有機溶劑，隨后使萃余液再循環(huán)回到反應單元以便維持對形成LA的最佳反應選擇性 或由于反應器中因與萃取溶劑發(fā)生副反應而導致固體凝聚所造成的不可操作性。高無機 酸濃度還帶來了在有機萃取相中達到較高無機酸濃度的可能性。當這種情況發(fā)生時，特別 是在加熱有機物流以蒸餾出有機溶劑的情況下，存在溶劑損失及LA損失至由無機酸催化 的副反應中的風險。因此，有機酸產物的溶劑萃取理想地應具有以下特征中的至少一些特 征：
[0031] 很少甚至不與水混溶；
[0032] 很少甚至不與無機酸混溶；
[0033] 將有機酸選擇性地分配至有機溶劑相中；
[0034] 以較低程度將無機酸分配至有機溶劑相中；
[0035] 有機萃取溶劑與無機酸之間具有低反應性；
[0036] 有機萃取溶劑與有機酸產物之間具有低反應性；
[0037] 能夠去除或減少能分配至有機相中的任何無機酸；
[0038] 易于從有機酸中去除，諸如藉由反洗或蒸餾；
[0039] 允許中和或水洗滌無機酸。
[0040] 在一個實施方案中，萃取溶劑對乙酰丙酸的分配系數(shù)是至少0. 3,更具體來說是至 少〇. 5,更具體來說是至少0. 7,更具體來說是至少1. 0,更具體來說是至少1. 3,更具體來說 是至少1. 5,更具體來說是至少1. 7,且更具體來說是至少2. 0、3和4。在一個實施方案中， 萃取溶劑對甲酸的分配系數(shù)是至少〇. 3,更具體來說是至少0. 5,更具體來說是0. 7,更具體 來說是至少1. 〇,更具體來說是至少1. 3,更具體來說是至少1. 5,更具體來說是至少1. 7,且 更具體來說是至少2. 0,更具體來說是至少2. 3,更具體來說是至少2. 5,更具體來說是至少 3. 0,更具體來說是至少3. 5,更具體來說是至少4. 0,更具體來說是至少5. 0,更具體來說是 至少6. 〇,更具體來說是至少7. 0,更具體來說是至少8. 0,且更具體來說是至少9. 0。
[0041] 在一個方面中，本發(fā)明涉及制造可從糖溶液中結晶的乙酰丙酸（"LA"）的方法。
[0042] 蔗糖、葡萄糖、果糖或上述各項（具體來說果糖和蔗糖）的摻合物的水溶液的水解 在分批或連續(xù)反應器中，具體來說在連續(xù)進料反應器中發(fā)生。在一實施方案中，所述方法包 括在蔗糖、葡萄糖、果糖或上述各物的摻合物的溶液水解之后進行以下步驟：
[0043] (a)從水解產物混合物中過濾固體。
[0044] (b)水或萃取溶劑洗滌固體（任選的）。
[0045] (c)從水解產物水溶液中將LA和甲酸萃取至萃取溶劑中。
[0046] (d)通過蒸餾去除萃取溶劑。
[0047] (e)任選地薄膜蒸發(fā)LA。
[0048] (f)任選地使LA結晶。
[0049] (g)將萃取溶劑再循環(huán)至液體萃取步驟。
[0050] (h)使萃余液相再循環(huán)回到反應器。
[0051] ⑴回收甲酸。
[0052] 該方法允許快速反應時間、易于處理炭副產物、良好產率、無中和步驟（任選的）、 有效的萃取和蒸餾，以便得到可結晶的LA產物。
[0053] 已知有幾種方法由糖制造，但是幾乎不知道如何從反應器中去除LA和甲酸且從 水解產物中對其進行提純。所公開的方法產生大約>80%純度的LA，其可以蒸餾或結晶至 純度>95%。
[0054]