從1，3-丙二醇制造丙烯酸、丙烯腈和1，4-丁二醇的方法
【專利說明】從1，3-丙二醇制造丙稀酸、丙稀臘和1，4-T二醇的方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002 ]本申請要求2013年9月3日提交的美國臨時申請系列號61 /873，328的優先權。 發明領域
[0003] 本發明設及從生物1,3-丙二醇通過簡單的一步或兩步化學方法制造生物丙締酸、 生物丙締臘和生物1,4-下二醇的方法。在本發明中使用生物1,3-丙二醇作為起始材料，其 由一種或其他可再生碳源通過微生物發酵獲得。
[0004] 發明背景
[0005] 目前使用可再生生物材料作為原料制造商品化學品越來越受到關注。例如，已經 開發了生物催化劑用于使用生物原料，例如葡萄糖、甘油、薦糖和纖維素水解物來制造班巧 酸、乳酸、3-徑基丙酸、1,3-丙二醇、1,4-下二醇和下醇。因此，衍生自生物材料的商品化學 品可W在許多化學工業中用作目前衍生自石油化學原料的原材料的投入(drop-in)替換 品。本發明提供使用生物質衍生的1,3-丙二醇制造生物丙締酸、生物1,4-下二醇和生物丙 締臘的方法，1，3-丙二醇目前在工業規模上使用生物原料W成本有效的方式制造。
[0006] 丙締酸及其醋在用于生產聚丙締酸醋、彈性體、超吸收聚合物、地板拋光劑、粘合 劑、漆等中是重要的商品化學品。從歷史上看，丙締酸已經通過乙烘的徑簇基化反應來制 備。該方法使用幾基儀和高壓一氧化碳，運兩者均是昂貴的W及被認為對環境是不利的。其 他方法，例如利用乙締酬和3-徑基丙臘作為原料的那些方法通常具有相同的缺陷。BASF(德 國）、Dow Qiemicals(美國）、Arkema(法國）和Nippon Shokubai (日本)使用丙締作為原料來 制造丙締酸。
[0007] 在使用可再生資源來制造生物丙締酸上越來越受到關注。衍生自碳水化合物生物 發酵的乳酸和3-徑基丙酸被認為是用于通過化學催化劑介導的氣相脫水反應來制造丙締 酸的理想原料。從乳酸和3-徑基丙酸來衍生丙締酸的工藝條件還在研究中，并且遠未達到 商業規模生產的程度。Dow化emicals已經與OPXBio合作利用從糖發酵衍生的3-徑基丙酸 來開發生物丙締酸。BASF也與NovozymesA/S和化巧ill Inc.合作利用發酵衍生的3-徑基丙 酸作為起始材料來生產生物丙締酸。Myriant Corporation和Procter&Gamble也正在獨立 開發設及生物質衍生的乳酸的氣相脫徑方法。Metabolix正在試圖使用其FAST(快速作用選 擇性熱解）的方法來制造生物丙締酸。Genomatica已經開發使用衍生自發酵方法的富馬酸 制造生物丙締酸的新方法。Genomatica的技術利用乙締和富馬酸進行復分解反應，產生丙 締酸。運些制造生物丙締酸的不同方法目前與基于丙締的丙締酸制造相比沒有成本競爭 力，運些方法設及預期會造成高資金成本和運營成本的回收驟。因此，需要另外一種制造生 物質衍生的丙締酸及其醋的商業規模的成本有效的方法。本發明提供使用生物質衍生的1， 3-丙二醇來制造生物丙締酸的簡單的兩步可規模化方法。
[0008] 衍生自生物原料，例如葡萄糖、甘油、薦糖和纖維素水解物的班巧酸被認為在有用 的工業化學品制造中適宜的投入（drop-in)原料，所述工業化學品例如為1,4-下二醇 (BDO)、丫-下內醋(GBU和四氨巧喃(THF)。抓0目前被用作在塑料和聚醋制造中的工業溶劑 W及是諸如邸L和THF的有用化學品的前體。其為質子極性溶劑，并與水混溶。BDO的全球市 場為每年約30億磅，幾乎全部來自石油化工方法。G化適宜作為溶劑用在用作除草劑、橡膠 添加劑和藥品制造原料的化咯燒酬的制備W及可生物降解聚合物的生產中，替代對環境有 害的氯代溶劑。THF為在有機化學中使用的非質子性水混溶性溶劑。其被廣泛用于樹脂和聚 合物的生產中。
[0009] 制造抓0的典型方法從石油化學衍生的乙烘開始，其與甲醒利用R邱pe化學進行反 應。獲得的1,4-下烘二醇然后被氨化W形成抓0。還有其他一些化學路線來合成抓0,但是最 經濟的途徑之一始于下燒作為原料。首先，下燒被氧化W產生馬來酸酢。然后，馬來酸酢可 通過BP/Lirrgi Geminox方法或化vy化chnology方法被轉化為抓0。前一方法回收馬來酸酢 作為馬來酸W及進行液相加氨W產生抓0與THF和/或邸L的混合物。在化vy Technology方 法中，馬來酸酢被醋化為馬來酸二甲醋，其然后被氣化并輸送到氣相加氨系統，產生班巧酸 二甲醋。班巧酸二甲醋經歷氨解反應，產生邸L和抓0,其可進一步轉化為THF。運些產品通過 蒸饋被分離W及甲醇被再循環返回到醋化反應器中。
[0010] 由于原料衍生自石油化學原料，用于生產抓〇、G化和THF的傳統方法是不可持續的 方法。一種可能的途徑是通過將生物班巧酸醋化為班巧酸二烷基醋來生產生物-BD0,接著 通過氨化步驟生產抓〇、G化和THF。另一種被采用的制造生物-BDO的方法為設計能夠產生生 物-BDO 作為發酵產物的微生物有機體（Burk, Int. Sugar J. 112，1333(2010) ;McGrew， Specialty Qiem Mag.July 2010,卵32-34;Yim et al.，化 1:ure Chem Bio.7,445(2011))。 美國專利號7，858，350和8,129,156提供了用于產生I，4-下二醇的微生物。美國專利號8， 067,214提供了用于生物合成1,4-下二醇及其前體的組合物和方法。美國專利號8,129,169 提供了用于產生1,4-下二醇的微生物及相關方法。美國專利號7,947,483提供了用于生長 聯合的1,4-下二醇生產的方法和有機體。美國專利號8,715,971提供了用于聯合生產異丙 醇和1,4-下二醇的微生物和方法。美國專利號8,530,210提供了用于聯合生產1,4-下二醇 和丫-下內醋的微生物和方法。美國專利號8,597,918提供了從發酵液中分離1,4-下二醇的 方法。本發明提供了又一種新的和成本有效的生產生物-BDO的方法，使用生物質衍生的1， 3-丙二醇作為起始材料。
[0011] 丙締臘是另一種商品化學品，其能夠依據本發明的使用生物質衍生的1,3-丙二醇 作為起始材料來制造。丙締臘廣泛大量應用于很多商業產品和方法中，特別是服裝和塑料。 其被用于生產許多不同的合成聚合物(ABS-丙締臘下二締苯乙締;ASA-丙締臘苯乙締丙締 酸醋;NBR-下臘橡膠和SAN-苯乙締丙締臘KABS被用于從孩子的LEGO玩具到高爾夫球桿頭 和汽車零部件的每一件物品中。NBR可能最常見于非膠乳手套中，但也用于合成皮革、墊圈 和密封件中。SAN因其對熱的高耐受性而最常見于廚房產品中。此外，丙締臘在工業上用作 生產丙締酸的起始試劑。目前，丙締臘從丙締通過氧化反應使用憐鋼酸祕催化劑來獲得。用 于丙締臘制造中的丙締衍生自石油和天然氣精煉的副產品。需要由可再生資源生產基于生 物的丙締臘。本發明提供了新的制造生物丙締臘的方法，使用生物質衍生的1,3-丙二醇作 為起始材料。
【發明內容】
[0012] 本發明提供從生物1,3-丙二醇經過一或兩種簡單化學反應來制造生物丙締酸、生 物丙締臘和生物I，4-下二醇的方法。適用于本發明的生物I，3-丙二醇使用生物催化劑通過 發酵衍生自可再生碳源。
[0013] 在本發明的一個實施方案中，生物丙締酸通過W兩步進行的方法衍生自可再生碳 源。在依據本發明方法的第一步中，使用適宜的生物催化劑通過生物發酵來生產生物1,3-丙二醇。在本發明方法的第二步，生物質衍生的1,3-丙二醇通過兩步化學反應轉化為丙締 酸。在化學轉化方法的第一步中，生物1,3-丙二醇進行催化脫水反應，導致生成生物締丙 醇，其進而被氧化生成生物丙締酸。用于本發明的生物1,3-丙二醇通過使用生物催化劑的 發酵由可再生碳源獲得，可再生碳源包括葡萄糖、薦糖、甘油和纖維素水解物W及其他等。
[0014] 在使用生物1,3-丙二醇作為起始材料生產生物丙締酸的該實施方案的另一方面， 提供了 W生物丙締醒作為中間體的兩步驟方法。在該方法的第一步中，生物質衍生的1,3-丙二醇通過使用生物催化劑的發酵由可再生碳源獲得。在本發明的下一步中，生物質衍生 的1,3-丙二醇在溫和氧化條件下進行催化脫水反應，得到生物締丙醇和生物丙締醒的混合 物，其隨后充分氧化得到生物丙締酸。
[0015] 在該實施方案的另一方面，生物質衍生的1，3-丙二醇在400° -500° K通過均相途徑 與氧反應。在該均相氧化反應期間，1，3-丙二醇經歷脫水和氧化性脫氨，幾乎僅形成丙締醒 (約90%的選擇性）。通過均相氧化反應如此形成的丙締醒在非均相催化劑存在下進一步氧 化，得到丙締酸。
[0016] 在該實施方案的另一方面，生物1，3-丙二醇進行單步氧化脫水反應，得到丙締酸。
[0017] 在本發明的另一實施方案中，提供了用于生產生物丙締臘的方法。在該實施方案 的一方面，生物質衍生的1,3-丙二醇進行脫水反應，得到締丙醇，其繼而進行胺化反應，得 到生物締丙胺。在該方法的下一步，生物締丙胺進行氧化反應，得到生物丙締臘。在該實施 方案的另一方面，生物締丙醇進行使用氨氧化催化劑的單步反應，得到丙締臘。
[0018] 在本發明另一實施方案中，提供了從可再生碳源生產生物1,4-下二醇的兩步方 法。在該方法的第一步中，使用生物催化劑從碳源衍生1,3-丙二醇，碳源包括葡萄糖、薦糖、 甘油和纖維素水解物。在該方法的第二步中，生物質衍生的1，3-丙二醇進行脫水反應，導致 生成生物締丙醇，其繼而進行加氨甲酯化反應和氨化反應，得到生物1,4-下二醇和2-甲基- 1,3-丙二醇。
[0019] 依據本發明的另一實施方案，衍生自生物1,3-丙二醇的生物締丙醇在設計為利用 丙締原料的傳統丙締酸制造設備中用作投入的化學中間體，導致產生生物丙締酸。在本發 明的另一方面，衍生自生物1,3-丙二醇的生物締丙醇在設計為利用環氧丙烷原料的傳統1， 4-下二醇制造設備中用作投入的化學中間體，導致產生生物1，4-下二醇。
[0020] 附圖簡要說明
[0021] 下面的【附圖說明】本發明的一些方面，不應該被看作是排他的實施方案。公開的主 題能被明顯改變、變化、組合W及在形式和功能上等同，如會被得益于本公開的本領域技術 人員所想到的那樣。
[0022] 圖1-從生物質衍生的1,3-丙二醇通過締丙醇生產生物丙締酸和生物丙締臘。用于 本發明的1，3-丙二醇通過使用生物催化劑的發酵衍生自可再生碳源，可再生碳源包括葡萄 糖、薦糖、甘油和纖維素水解物。生物質衍生的1,3-丙二醇進行脫水反應，產生生物締丙醇。 經氧化反應中，生物締丙醇產生生物丙締酸。
[0023] 圖2-用于生物丙締酸生產和純化的簡化工藝配置。生物質衍生的I，3-丙二醇進行 連續的催化脫水和催化氧化反應，生成生物丙締酸。
[0024] 圖3-從生物質衍生的1,3-丙二醇通過生物丙締醒作為中間體生成生物丙締酸。生 物質衍生的1,3-丙二醇在溫和氧化條件下進行催化脫水反應，產生生物丙締醒和生物締丙 醇的混合物，其隨后充分氧化，得到生物丙締酸。在該圖中還顯示了 1,3-丙二醇經歷氧化脫 水反應生成丙締酸的途徑。
[0025] 圖4-用于生物丙締酸生產和純化的簡化工藝配置。生物質衍生的1,3-丙二醇在溫 和氧化條件下進行催化脫水反應，產生生物丙締醒和生物締丙醇的混合物，其隨后充分氧 化，得到生物丙締酸。
[00%]圖5-用于生物丙締酸生產和純化的簡化工藝配置。生物質衍生的1,3-丙二醇進行 單步驟氧化脫水反應，得到生物丙締酸。
[0027]圖6-用于生物丙締酸生產和純化的簡化工藝配置。生物質衍生的1,3-丙二醇進行 均相氧化反應，幾乎僅形成丙締醒(約90%的選擇性）。由均相氧化反應如此形成的丙締醒 在非均相催化劑存在下進一步氧化，得到丙締酸。
[00%]圖7-從生物質衍生的1,3-丙二醇通過締丙醇中間體生產生物丙締臘。生物質衍生 的1,3-丙二醇進行脫水反應，得到生物締丙醇。如此生產的生物締丙醇進行胺化反應，得到 生物締丙胺，其繼而進行氧化反應，得到生物丙締臘。圖中還顯示了使生物締丙醇轉化為生 物丙締臘的單步驟氨氧化反應。
[0029] 圖8-用于生物丙締臘生產的簡化工藝配置。生物質衍生的1,3-丙二醇進行催化脫 水反應，