由含碳水化合物的物質(zhì)生產(chǎn)戊二酸和衍生物的制作方法
【專利說明】由含碳水化合物的物質(zhì)生產(chǎn)戊二酸和衍生物
[00011本申請是申請?zhí)枮?01080026095.4的發(fā)明專利申請的分案申請，原申請的申請日 為2010年6月11日，發(fā)明名稱為：由含碳水化合物的物質(zhì)生產(chǎn)戊二酸和衍生物。 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明通常涉及用于將戊糖源化學(xué)催化轉(zhuǎn)化為戊二酸產(chǎn)物的工藝。本發(fā)明包括用 于將戊糖經(jīng)由戊酸和/或其衍生物轉(zhuǎn)化為戊二酸產(chǎn)物的工藝。本發(fā)明還包括包含將戊糖催 化氧化為戊酸和將戊酸和/或其衍生物催化加氫脫氧為戊二酸產(chǎn)物的工藝。本發(fā)明還涉及 用于由戊二酸產(chǎn)物制備工業(yè)化學(xué)品例如二醇(例如，1，5_戊二醇）、二胺(例如，1，5_二氨基 戊烷）、聚酰胺和聚酯的工藝，所述戊二酸產(chǎn)物由包括催化加氫脫氧戊酸（例如，木糖二酸 和/或阿拉伯酸)和/或其衍生物的用于化學(xué)催化轉(zhuǎn)化戊糖源的工藝獲得。
[0003] 發(fā)明背景
[0004] 半纖維素代表自然界中第二最豐富的碳水化合物，構(gòu)成木質(zhì)纖維生物質(zhì)的高達約 20-35%。半纖維素是戊糖(例如，木糖和阿拉伯糖）、己糖和糖酸的非均相聚合物。已知半纖 維素可以被酸水解為木糖且隨后被環(huán)化脫水以產(chǎn)生糠醛。每年超過350,000噸的糠醛由木 糖產(chǎn)生，用于塑料、藥物和農(nóng)用化學(xué)品中的應(yīng)用。參見例如，F(xiàn)urfural :Hemicelluloses/ xylose-derived biochemical (糠醛：半纖維素/木糖衍生的生物化學(xué)品），Mamman等人 Biofuels，Bioprod · Bioref ·第 2卷，第438-454 頁。
[0005] 用于將生物可再生的碳水化合物衍生的戊糖(例如，由半纖維素衍生的木糖和阿 拉伯糖)轉(zhuǎn)化為更寬的組的當(dāng)前商品和專業(yè)化學(xué)品的主要挑戰(zhàn)之一是從碳水化合物選擇性 地除去氧原子。用于將碳-氧單鍵轉(zhuǎn)化為碳-氫鍵的方法是已知的。參見，例如:美國專利第 5，516，960號；美國專利申請公布2007/0215484和日本專利第78，144，506號。這些已知方法 中的每一種遭受各種限制，且我們認為，目前，這些方法中一個也沒有在工業(yè)上用于制造工 業(yè)化學(xué)品。
[0006] 鑒于半纖維素的豐度，對用于將碳-氧單鍵選擇性地和商業(yè)上有意義地轉(zhuǎn)化為碳-氫鍵，尤其是如與由戊酸(和/或其衍生物)例如諸如木糖二酸生產(chǎn)化學(xué)品有關(guān)所應(yīng)用的，和 尤其是用于將戊糖（例如，木糖和阿拉伯糖)轉(zhuǎn)化為有價值的化學(xué)中間體例如戊二酸的新 的、工業(yè)上可縮放的方法仍存在需求，戊二酸可以用于制造二醇(例如，1，5-戊二醇）、二胺 (例如，1，5_二氨基戊烷）、聚酰胺、聚酯、聚酯型多元醇、香料和藥物以及其他的。參見 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry(烏爾曼工業(yè)化學(xué)百科全書），Wiley-VCH 2009和還參見美國專利5,290，852、5,281，647、4,439,551、W0 2008/144514和2008/ 070762、日本專利2005060447和2001316311以及美國專利申請公布2008/0103232。
[0007] 發(fā)明概述
[0008] 因此，簡要地，本發(fā)明涉及用于制備戊二酸產(chǎn)物的工藝。根據(jù)一個實施方案，提供 了一種用于由戊糖源生產(chǎn)戊二酸產(chǎn)物的工藝。該工藝包括通過化學(xué)催化方式將戊糖源的至 少一部分轉(zhuǎn)化為戊二酸產(chǎn)物。
[0009] 根據(jù)另一個實施方案，用于制備戊二酸產(chǎn)物的工藝包括，在加氫脫氧催化劑和鹵 素源的存在下，使C5-主鏈基質(zhì)和氫氣反應(yīng)以將C5-主鏈基質(zhì)的至少一部分轉(zhuǎn)化為戊二酸產(chǎn) 物，其中C5-主鏈基質(zhì)包括式I的化合物
[0011 ]其中X獨立地是羥基、氧代、鹵代、酰氧基或氫，條件是至少一個X不是氫且R1獨立 地是成鹽離子、氫、烴基或取代的烴基;或其內(nèi)酯。
[0012] 根據(jù)另一個實施方案，用于制備戊二酸產(chǎn)物的工藝包括將戊糖源的至少一部分轉(zhuǎn) 化為包括戊酸或其衍生物的C5-主鏈基質(zhì)，和將戊酸或衍生物的至少一部分轉(zhuǎn)化為戊二酸 產(chǎn)物。
[0013] 本發(fā)明還涉及用于制備戊酸的工藝。在一個實施方案中，該工藝包括在氧化催化 劑的存在下和在基本上沒有加入的堿的情況下，使選自由木糖、阿拉伯糖、核糖、來蘇糖及 其混合物組成的組的戊糖與氧氣反應(yīng)。
[0014] 本發(fā)明還涉及用于通過在氧化催化劑的存在下使戊糖與氧氣反應(yīng)來制備戊酸的 工藝，其中戊糖的至少一部分用弱羧酸，優(yōu)選地乙酸來溶解。
[0015] 本發(fā)明還涉及用于由戊二酸產(chǎn)物制備工業(yè)化學(xué)品例如二醇（例如，1，5-戊二醇）、 二胺(例如，1，5_二氨基戊烷）、聚酰胺和聚酯以及其他的工藝，戊二酸產(chǎn)物由包括將戊糖源 化學(xué)催化轉(zhuǎn)化為C5-主鏈基質(zhì)和將C5-主鏈基質(zhì)（例如，木糖二酸和/或阿拉伯酸和/或其衍 生物)催化加氫脫氧為戊二酸產(chǎn)物的工藝獲得。
[0016] 本發(fā)明還涉及至少部分地由包括加氫脫氧C5-主鏈基質(zhì)且更具體地木糖二酸和/ 或其衍生物的工藝產(chǎn)生的戊二酸產(chǎn)物、二醇、二胺、聚酰胺和聚酯。
[0017]其他目的和特征將變得明顯和/或?qū)⒃谙挛闹赋觥?br>[0018]優(yōu)選的實施方案的描述
[0019] 根據(jù)本發(fā)明，申請人公開了用于將戊糖源化學(xué)催化轉(zhuǎn)化為戊二酸產(chǎn)物的工藝。
[0020] 此外，根據(jù)本發(fā)明，申請人公開了用于將C5-主鏈基質(zhì)催化加氫脫氧為戊二酸產(chǎn)物 的工藝。催化加氫脫氧包括在加氫脫氧催化劑（即，適合于加氫脫氧反應(yīng)的催化劑)和鹵素 源的存在下，使C5-主鏈基質(zhì)和氫氣反應(yīng)以將C5-主鏈基質(zhì)的至少一部分轉(zhuǎn)化為戊二酸產(chǎn) 物。本發(fā)明的加氫脫氧催化劑包括d-區(qū)金屬（即，過渡金屬;周期表的第3-12族），其是羥基、 鹵代、氧代或酰氧基選擇性的，更通常是羥基選擇性的，增加收率和改進工藝經(jīng)濟學(xué)。
[0021] 本發(fā)明還涉及用于由選自由木糖、阿拉伯糖、核糖、來蘇糖及其混合物組成的組的 戊糖催化生產(chǎn)戊酸和/或其衍生物的工藝。該工藝包括在氧化催化劑的存在下和在基本上 沒有加入的堿的情況下使戊糖與氧氣(其中氧氣作為空氣、富氧空氣、單獨的氧氣或具有對 反應(yīng)基本上惰性的一種或多種其他成分的氧氣被供應(yīng)至反應(yīng))反應(yīng)。在基本上沒有加入的 堿的情況下進行氧化反應(yīng)利于產(chǎn)物回收和改進工藝經(jīng)濟學(xué)。此外，該反應(yīng)可以在溶解戊糖 的至少一部分的弱羧酸例如乙酸的存在下進行。
[0022] 在本發(fā)明的另一個方面，根據(jù)所公開的工藝制備的戊二酸產(chǎn)物可以根據(jù)本領(lǐng)域已 知的工藝被轉(zhuǎn)化為各種其他工業(yè)上重要的化學(xué)品，所述化學(xué)品包括，例如，二醇(例如，1，5_ 戊二醇）、二胺(例如，1，5-二氨基戊烷）、聚酰胺和聚酯以及其他的。因此，二醇(例如，1，5-戊二醇）、二胺(例如，1，5_二氨基戊烷)聚酰胺和聚酯以及其他的，可以由衍生自包含半纖 維素的生物可再生源的戊糖制備。
[0023] I.原料
[0024] 戊糖是包含五個碳的糖且通常包括木糖、阿拉伯糖、核糖和來蘇糖。戊糖可以由各 種包含碳水化合物的源(特別地包含半纖維素的源)獲得，包含碳水化合物的源包括生物可 再生源，例如能量作物、植物生物質(zhì)、農(nóng)業(yè)廢物、森林殘留物、糖處理殘留物和植物衍生的家 庭廢物。更通常，可以根據(jù)本發(fā)明使用的生物可再生源包括任何可再生的有機物質(zhì)，其包括 半纖維素源，例如，諸如柳枝稷、稻草(例如，稻猜、大麥猜、麥猜、黑麥猜、燕麥猜）、燕麥殼、 芒屬、木薯、樹(硬木和軟木）、植被和農(nóng)作物殘留物(例如，甘蔗渣和玉米秸）。其他源可以包 括，例如，廢物材料(例如，廢紙、綠色廢物、城市廢物等）?？梢允褂帽绢I(lǐng)域已知的方法從包 含半纖維素的生物可再生源離析戊糖。此外，將戊糖轉(zhuǎn)化為限制組的化學(xué)品的方法也是本 領(lǐng)域已知的。對于這些方法的闡明，參見，例如，Saha，J. Ind.Microbiol .Biotechnol.第30 卷，第279-291頁（2003)，和Kamm，Gruber和Kamm，Biorefineries-Industrial Processes and Products(生物精制機-工業(yè)工藝和產(chǎn)品），Wiley_VCH，Weinheim 2006。
[0025] II.戊酸的制備
[0026] 根據(jù)本發(fā)明，選自由木糖、阿拉伯糖、核糖、來蘇糖及其混合物組成的組的戊糖被 轉(zhuǎn)化為戊酸和/或其衍生物。各種戊酸(戊酸包括木糖二酸、阿拉伯酸、核酸和來蘇酸）的制 備可以使用本領(lǐng)域通常已知的氧化方法由戊糖來完成。參見，例如，Journal of Molecular Catalysis，第77卷，第75-85頁（1992)，其闡明用于在氧氣和堿的存在下使用鉑催化劑由戊 醛糖制備戊酸的方法。還可以采用其他氧化方法，參見例如，美國專利第6,049,004號、第5， 599，977號和第6，498，269號，和美國專利申請公布第2008/033205號。同樣地，美國專利第 5,731，467號公開了通過在堿性介質(zhì)中使用氧氣來氧化降解5-酮葡糖酸或其鹽生產(chǎn)木糖二 酸的方法。然而，這些工藝遭受由工藝收率限制和對另外的反應(yīng)成分的需要以及其他的引 起的經(jīng)濟缺點。
[0027] 申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，選自由木糖、阿拉伯糖、核糖、來蘇糖及其混合物組成的組的戊 糖（即，氧化基質(zhì))可以根據(jù)以下反應(yīng)通過在氧化催化劑的存在下和沒有加入的堿下使氧化 基質(zhì)與氧氣(其中氧氣作為空氣、富氧空氣、單獨的氧氣或具有對反應(yīng)基本上惰性的一種或 多種其他成分的氧氣被供應(yīng)至反應(yīng))反應(yīng)而以高的收率被轉(zhuǎn)化為戊酸：
[0029]令人驚訝地，沒有加入的堿和根據(jù)本文闡明的反應(yīng)條件進行氧化反應(yīng)，不會導(dǎo)致 顯著的催化劑中毒效應(yīng)且催化劑氧化活性被維持。沒有加入的堿有利地促進戊酸的分離和 離析，由此提供更經(jīng)得起工業(yè)應(yīng)用和通過消除反應(yīng)成分來改進總的工藝經(jīng)濟學(xué)的工藝。如 本文使用的"沒有加入的堿"意指如果存在的話(例如，作為原料的成分），以對反應(yīng)的功效 基本上沒有影響的濃度存在的堿；即，氧化反應(yīng)在基本上沒有加入的堿下進行。還已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)，當(dāng)在實質(zhì)上沒有加入的堿下進行反應(yīng)時，在增加的氧氣分壓和/或較