由含碳水化合物的物質生產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生產戊二酸和衍生物
[00011本申請是申請號為201080026095.4的發明專利申請的分案申請，原申請的申請日 為2010年6月11日，發明名稱為：由含碳水化合物的物質生產戊二酸和衍生物。 發明領域
[0002] 本發明通常涉及用于將戊糖源化學催化轉化為戊二酸產物的工藝。本發明包括用 于將戊糖經由戊酸和/或其衍生物轉化為戊二酸產物的工藝。本發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物的工藝。本發明還涉及 用于由戊二酸產物制備工業化學品例如二醇(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催化轉化戊糖源的工藝獲得。
[0003] 發明背景
[0004] 半纖維素代表自然界中第二最豐富的碳水化合物，構成木質纖維生物質的高達約 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化脫水以產生糠醛。每年超過350,000噸的糠醛由木 糖產生，用于塑料、藥物和農用化學品中的應用。參見例如，Furfural :Hemicelluloses/ xylose-derived biochemical (糠醛：半纖維素/木糖衍生的生物化學品），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)轉化為更寬的組的當前商品和專業化學品的主要挑戰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上用于制造工 業化學品。
[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上有意義地轉化為碳-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化學品有關所應用的，和 尤其是用于將戊糖（例如，木糖和阿拉伯糖)轉化為有價值的化學中間體例如戊二酸的新 的、工業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(烏爾曼工業化學百科全書），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] 發明概述
[0008] 因此，簡要地，本發明涉及用于制備戊二酸產物的工藝。根據一個實施方案，提供 了一種用于由戊糖源生產戊二酸產物的工藝。該工藝包括通過化學催化方式將戊糖源的至 少一部分轉化為戊二酸產物。
[0009] 根據另一個實施方案，用于制備戊二酸產物的工藝包括，在加氫脫氧催化劑和鹵 素源的存在下，使C5-主鏈基質和氫氣反應以將C5-主鏈基質的至少一部分轉化為戊二酸產 物，其中C5-主鏈基質包括式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;或其內酯。
[0012] 根據另一個實施方案，用于制備戊二酸產物的工藝包括將戊糖源的至少一部分轉 化為包括戊酸或其衍生物的C5-主鏈基質，和將戊酸或衍生物的至少一部分轉化為戊二酸 產物。
[0013] 本發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。
[0014] 本發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來制備戊酸的 工藝，其中戊糖的至少一部分用弱羧酸，優選地乙酸來溶解。
[0015] 本發明還涉及用于由戊二酸產物制備工業化學品例如二醇（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，戊二酸產物由包括將戊糖源 化學催化轉化為C5-主鏈基質和將C5-主鏈基質（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物的工藝獲得。
[0016] 本發明還涉及至少部分地由包括加氫脫氧C5-主鏈基質且更具體地木糖二酸和/ 或其衍生物的工藝產生的戊二酸產物、二醇、二胺、聚酰胺和聚酯。
[0017]其他目的和特征將變得明顯和/或將在下文指出。
[0018]優選的實施方案的描述
[0019] 根據本發明，申請人公開了用于將戊糖源化學催化轉化為戊二酸產物的工藝。
[0020] 此外，根據本發明，申請人公開了用于將C5-主鏈基質催化加氫脫氧為戊二酸產物 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的催化劑)和鹵素 源的存在下，使C5-主鏈基質和氫氣反應以將C5-主鏈基質的至少一部分轉化為戊二酸產 物。本發明的加氫脫氧催化劑包括d-區金屬（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濟學。
[0021] 本發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 反應基本上惰性的一種或多種其他成分的氧氣被供應至反應)反應。在基本上沒有加入的 堿的情況下進行氧化反應利于產物回收和改進工藝經濟學。此外，該反應可以在溶解戊糖 的至少一部分的弱羧酸例如乙酸的存在下進行。
[0022] 在本發明的另一個方面，根據所公開的工藝制備的戊二酸產物可以根據本領域已 知的工藝被轉化為各種其他工業上重要的化學品，所述化學品包括，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、農業廢物、森林殘留物、糖處理殘留物和植物衍生的家 庭廢物。更通常，可以根據本發明使用的生物可再生源包括任何可再生的有機物質，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）。可以使用本領域已知的方法從包 含半纖維素的生物可再生源離析戊糖。此外，將戊糖轉化為限制組的化學品的方法也是本 領域已知的。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-工業工藝和產品），Wiley_VCH，Weinheim 2006。
[0025] II.戊酸的制備
[0026] 根據本發明，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中使用氧氣來氧化降解5-酮葡糖酸或其鹽生產木糖二 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成分的需要以及其他的引 起的經濟缺點。
[0027] 申請人已經發現，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)可以根據以下反應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基本上惰性的一種或 多種其他成分的氧氣被供應至反應)反應而以高的收率被轉化為戊酸：
[0029]令人驚訝地，沒有加入的堿和根據本文闡明的反應條件進行氧化反應，不會導致 顯著的催化劑中毒效應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，由此提供更經得起工業應用和通過消除反應成分來改進總的工藝經濟學的工藝。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），以對反應的功效 基本上沒有影響的濃度存在的堿；即，氧化反應在基本上沒有加入的堿下進行。還已經發 現，當在實質上沒有加入的堿下進行反應時，在增加的氧氣分壓和/或較