使用酸催化劑的呋喃衍生物的合成方法和酸催化劑的制備方法

使用酸催化劑的呋喃衍生物的合成方法和酸催化劑的制備方法
【專利摘要】依照本公開內容的主旨，提供了一種呋喃衍生物的制備方法，所述方法包括以下步驟：將糖與單相有機溶劑接觸從而獲得反應混合物；和將所述反應混合物在酸催化劑的存在下經受100℃至180℃范圍內的溫度0.5分鐘至4.0小時的時間范圍，從而獲得所述糖向單一呋喃衍生物的轉化率至少70％，其中所述酸催化劑選自由均相酸催化劑、非均相固體酸催化劑和其組合組成的組。也提供了一種非均相固體酸催化劑的制備方法。
【專利說明】
使用酸催化劑的巧喃衍生物的合成方法和酸催化劑的制備 方法
技術領域
[0001] 本文的主題大體上設及在單相有機溶劑中使用酸催化劑的巧喃衍生物的合成方 法。主題進一步設及酸催化劑和其制備。
【背景技術】
[0002] 例如5-甲基慷醒和5-甲基慷醇W及徑甲基慷醒和慷醒等的巧喃衍生物是具有高 的工業價值的糖類的脫水產物。5-徑甲基慷醒(5-HMF)是多用途和多功能的有機分子，其在 例如大宗化學品、精細化學品、藥物、農用化學品、聚合物和化學中間體等的合成有機化學 的各種領域中具有廣泛的用途。5-HMF的結構在W下示出：
[0003]
5-輕甲基慷醒
[0004] 由于5-HMF在生產工業上重要的生物型化學品例如生物型聚合物、化學品和藥品 等生產所需要的巧喃2,5-二簇酸(FDCA)方面的潛質，5-HMF的合成方法在化學工業中引起 了極大的興趣。巧喃2,5-二簇酸來源的聚合物具有對石油系對苯二甲酸聚合物的潛在代 替。因此，石油系聚合物被生物型聚合物的大量代替在聚合物工業的領域中提供了很大的 綠色化學平臺。但運些代替的關鍵是5-HMF的合成，由此5-HMF合成占據生物型產品的合成 的重要位置。
[0005] 5-HMF的化學合成經由酸催化的環化脫水反應W己糖、葡萄糖和果糖，更具體地W 果糖為起始。因為5-HMF生產的合成化學應用設及酸催化作用的發展。如礦物酸、無機酸和 固體酸的大量酸催化劑已經用于該目的。但通過酸催化作用生產5-HMF的合成過程遇到產 率、選擇率、加工可行性和加工成本等方面的很多技術問題。由于反應底物之間復雜的化學 性質、用于脫水的催化劑和反應產物分離，在合成5-HM即寸產生大量問題。
[0006] 影響5-HMF合成的另一重要因素是用于脫水反應的催化劑的種類。各種類型的有 機、無機和礦物酸已經用作5-HMF合成的原位催化劑。但運些方法的大多數由于礦物酸的腐 蝕性W及在接著的催化劑循環再利用方面從反應混合物分離催化劑困難的方案而遇到加 工性問題。
[0007] 因此，非均相酸催化作用W及例如沸石、二氧化娃和離子交換樹脂(amberlyst樹 月旨)等的各種固體酸催化劑已經作為可能的替代物而被開發并且研究。Ken-icM Shimizu 和同事報道了在DMSO作為溶劑的情況下雜多酸、沸石和酸性樹脂的使用（Catalysis Communications,2009,10,1849-1853)。雖然利用非均相催化作用導致較高的產率，但溶劑 的高沸點使產物的分離困難。
[000引化gen zhang的報道（ChemSusChem，2011，12，1745-1748)公開 了在肥 1 水溶液作為 催化劑的情況下在異丙醇中的5-HMF的合成。然而，在水性條件中使用面代腐蝕性HC1作為 催化劑導致產物分離問題W及在大規模生產期間的操作中催化劑回收困難。
[0009] US2007757461公開了在具有水相和1-下醇、DCM、MIBK、2-下醇和其混合物的有機 相的兩相反應器中，使用礦物酸，沸石，由酸根官能化的二氧化娃系、二氧化娃-氧化侶和二 氧化鐵系支承體，陽離子交換樹脂，路易斯酸，雜多酸。然而，該發明也使用難W分離并且非 生態友好的例如DMS0、DMF、N-甲基化咯燒酬(NMP)等的調節劑。
[0010] 相似地，專利文獻胖02009/076627、1152009/0156841、1]57579489、6?223：3476和^6 等(ChemSusChem，2012,5，1737-1742)公開了在產率達到小于80%的情況下，在如DMF、N-甲 基化咯燒酬(NMP)的高沸點溶劑中，非均相催化劑離子交換樹脂(amberlyst-35樹脂）的使 用。使用的溶劑是非綠色的并且需要高的能量使其與反應物料(reaction mass)分離。
[0011] 典型地，水性兩相溶劑和離子液體用于在酸催化劑的存在下合成5-HMF。然而，由 于5-HMF在水中較高的溶解度，過程變得復雜并且需要大量的有機溶劑來提取。運導致加工 成本和大規模生產5-HMF的單元操作的明顯增加。運迫使作為經濟高效的溶劑和催化體系 的最優化W及提供加工操作的容易性。
[0012] W02011124639請求保護:使用例如HCUA1C13的水溶液等的礦物酸和路易斯酸催 化劑，分別在兩相有機溶劑中使用鹽化(：1、^(：1、^8'、^側3、雌1、1(化、腳〇3少6(：13等，其中 所述兩相有機溶劑由水和甲基異下基酬(MIBK)的混合物組成。然而，該發明公開的方法導 致低的產率巧2%)和選擇率(小于65%)。該方法也采用導致腐蝕問題W及環境公害的面代 催化劑和鹽。
[0013] 已經獲得了微波輔助5-HMF的合成反應的重要性，運是因為其導致反應時間的降 低，增加了選擇率并且也導致能量消耗的減少。Thomas S.化nsen和同事（Carbohydrate Research ,2009,344,2568-2572)報道了僅具有52 %的HMF產率的通過在200 °C的溫度下使 用HC1水溶液催化劑微波輔助5-HMF的合成。Xinhua Q巧日同事（Ind.Eng.化em. Res . 2008， 47,9234-9239)報道了在微波加熱的條件下通過采用強酸性陽離子交換樹脂催化劑和W 70:30w/w的比包含丙酬和DMS0的混合有機溶劑體系的HMF合成。該反應在10-30分鐘的反應 時間內達到80 %的產率。
[0014] Sudipta De和同事(Green化em. ,2011，13,2859)報道了通過使用路易斯酸催化 劑^(：13微波輔助5-^?^的合成，在溶劑0150和兩相體系水-1181(中具有21.4-60.6%的產 率。Xinhua Qi和同事(Green Chem. ,2008,10,799-805)采用在陽離子交換樹脂催化劑的存 在下在丙酬-水混合物中微波輔助加熱來合成HMF，在150°C下5-HMF的產率高達73.4%，轉 化率為94% eSakita Dutta和同事(A卵lied Catalysis A，第409-410卷，133-139)在溶劑 DMS0和NMP中通過使用介孔(mesoporous)Ti化納米顆粒來進行微波輔助5-HMF的合成。
[0015] W02012/015616A1請求保護:通過使用催化劑amberlyst和出S〇4微波輔助5-HMF的 合成，通過使用DMS0溶劑在5-30分鐘的反應時間內具有0-69.47%的產率。微波輔助5-HMF 的合成的運些方法也表現出先前的窘況:不利地影響方法的大型化的較低的產率、選擇率、 非綠色溶劑體系的使用和較高的成本。
[0016] W02014180979公開了從糖類合成5-徑甲基慷醒(HMF)的方法。特別地，其公開了具 有6個碳原子的單糖類(己糖）、二糖類、從其衍生的寡糖類和多糖類脫水從而W高產率獲得 高純的5-徑甲基慷醒(HM巧的方法。
[0017] 現有技術的方法公開了通過微波輔助W及常規手段使用各種催化劑和溶劑體系 來合成5-HMF。顯然，運些方法與設及較高的成本、反應可行性、較長的反應時間、催化劑和 產物分離、低的催化劑活性、低的選擇率&產率、和導致環境公害的非綠色溶劑的使用等問 題相關。
[0018] 因此，現有技術中存在對5-HMF的合成方法的需要，其中該方法導致較高的選擇率 和產率;在提高了催化穩定性的情況下具有較高的轉化率，容易分離產物，并且最重要地W 100 %的回收率循環再利用催化劑的優勢。

【發明內容】

[0019] 本公開內容設及一種巧喃衍生物的制備方法，所述方法包括W下步驟:a)將糖與 單相有機溶劑接觸從而獲得反應混合物;和b)將所述反應混合物在酸催化劑的存在下經受 100°C至180°C范圍內的溫度0.5分鐘至4.0小時的時間范圍，從而獲得所述糖向單一巧喃衍 生物的轉化率至少70%，其中所述酸催化劑選自由均相酸催化劑、非均相固體酸催化劑和 其組合組成的組。
[0020] 本公開內容也設及一種非均相固體酸催化劑的制備方法，所述方法包括W下步 驟:在有機溶劑的存在下將橫化劑與聚合物接觸從而獲得反應懸浮液;將所述反應懸浮液 在35°C至10(TC范圍內的溫度下攬拌30分鐘至4小時的時間范圍，從而獲得非均相酸催化劑 的懸浮液;和將所述非均相酸催化劑的懸浮液分離從而獲得非均相固體酸催化劑。
[0021] 本主題的運些和其它特征、方面和優勢將參考W下說明書和所附的權利要求而更 好地理解。提供了本
【發明內容】
來W簡化形式介紹一些概念。本
【發明內容】
并非旨在標識所請 求保護的主題的關鍵特征或必要特征，其也不意欲用于限制所請求保護的主題的范圍。
【具體實施方式】
[0022] 本領域技術人員將明白的是，本公開內容可進行除具體描述的W外的改變和修 改。要理解的是，本公開內容包括全部此類改變和修改。本公開內容也包括在本說明書中單 獨或一起設及或指明的全部此類步驟、特征、組合物和化合物，和任何或更多的此類步驟或 特征的任意和全部組合。
[002；3]定義;
[0024] ?便，在本公開內容的進一步說明之前，此處總結用于本說明書和實施例中 的特定的術語。運些定義應該根據本公開內容的其余部分來閱讀并且被本領域技術人員理 解。本文使用的術語具有本領域技術人員公認和已知的意義，然而，為了方便和完整化，特 定的術語和其意義如下所述。
[0025] 冠詞"一"和所述/該是指一個或超過一個(即至少一個)該冠詞的語法上的主語。
[0026] 術語"包含用于表示開放式包含，其意指可W包括另外的元素。在本說明書通篇 中，除非上下文需要，否則詞語"包含"及其語法上的變形將理解為意指包括規定的元素或 步驟或者元素組或步驟組，但不排除任何其它的元素或步驟或者元素組或步驟組。
[0027] 術語"包括"用于意指"包括但不限于"。可交換地使用"包括"和"包括但不限于"。
[002引本文使用的術語"DICaT"是指在本公開內容中公布并且DBT-ICT Centre for Elnergy Biosciences, Institute of Qiemical Technology 開發的固體酸催化劑。通過使 用不同的聚合物載體制備并且在本公開內容中公開的各種固體酸催化劑，并且在本公開內 容中進一步公開的是：
[00巧]DICaT-1 :通過使用聚乙締醇制備的DBT-ICT-C邸催化劑
[0030] DI CaT-2 :通過使用纖維素制備的DBT-1CT-C邸催化劑
[0031] DICaT-3:通過使用徑基丙締酸醋聚合物制備的DBT-ICT-C邸催化劑
[0032] 本文使用的術語"糖類(saccharides)"是指由單糖類、二糖類和/或多糖類組成的 具有根據式(CH2〇)n的組成的糖類。詞語"糖類（sugars)"與詞語"糖類(saccharides)"在本 公開內容中可交換地使用。
[0033] 比率、濃度、量和其它數據可W在本文中W范圍格式給出。要理解的是，此類范圍 格式僅為了方便和簡潔使用并且應該靈活地解釋為不僅包括作為范圍界限而明確列出的 數值，而且如同明確列出每個數值和子范圍一般，包括該范圍內包含的所有各個數值或子 范圍。例如，約70°C至約180°C的溫度范圍應該解釋為不僅包括約70°C至約180°C的明確列 出的界限，例如也包括例如90°C至110°C、12(rC至160°C等的子范圍，W及例如82°C、121.6 °C和168.3°C等的在規定范圍內的包括余數的各個量。
[0034] 如W上討論的，現有技術中公開的通過微波輔助方法和常規方法使用各種催化劑 和溶劑的5-徑甲基慷醒(5-HMF)的合成方法具有例如較長的反應時間、較高的成本、催化劑 和產物的分離、低的催化劑活性和低的產率等幾個缺點。本公開內容設及通過使用均相或 非均相固體酸催化劑使用短時間微波輔助或常規加熱反應從糖類合成巧喃衍生物、更具體 的是5-徑甲基慷醒巧-HMF)的方法。在單相有機溶劑體系中使用酸催化劑來合成5-HMF提供 了優異的催化活性、選擇率、轉化率、生產速度和產物產率。同時，在本發明使用非均相固體 酸催化劑DICaT提供了用于將催化劑與反應混合物分離的簡單方法的便利。反應產物和催 化劑通過例如簡單溶劑蒸饋和過濾步驟等的常規方法容易地與反應混合物分離。
[0035] 本文公開的巧喃衍生物的制備方法包括W下步驟:a)將糖與單相有機溶劑接觸從 而獲得反應混合物;和b)將所述反應混合物在酸催化劑的存在下經受在100°C至180°C范圍 內的溫度0.5分鐘至4.0小時的時間范圍，從而獲得所述糖向單一巧喃衍生物的轉化率至少 70%，其中所述酸催化劑選自由均相酸催化劑、非均相固體酸催化劑和其組合組成的組。
[0036] 本公開內容進一步設及一種非均相固體酸催化劑的制備方法，所述方法包括W下 步驟:a)在有機溶劑的存在下將橫化劑與聚合物接觸從而獲得反應懸浮液;b)將所述反應 懸浮液在35°C至100°C范圍內的溫度下攬拌30分鐘至4小時的時間范圍，從而獲得非均相酸 催化劑的懸浮液；和C)將所述非均相酸催化劑的懸浮液分離從而獲得非均相固體酸催化 劑。
[0037] 在一個實施方案中，通過公開的方法制備的巧喃衍生物是5-徑甲基慷醒(5-HMF)。
[0038] 糖類用作合成巧喃衍生物的底物。在一個實施方案中，用于公開的方法的糖源包 括，但不限于：己糖和戊糖、包含至少一種己糖的多糖類、玉米糖漿、高果糖玉米糖漿、薦糖 蜜、果糖、果糖漿、晶體果糖、粗果糖;純化果糖、高果糖濃縮物、果糖漿或其組合。在一個實 施方案中，所述底物是己糖。在一個實施方案中，所述糖選自由葡萄糖、果糖、薦糖和其組合 組成的組。在另一實施方案中，所述糖是果糖。在一個應用中，果糖的形式是無水的。在一個 實施方案中，所述糖是無定形形式的。在一個實施方案中，所述糖是晶體形式的。
[0039] 用于本文公開的方法的溶劑是單相有機溶劑。在一個實施方案中，所述溶劑選自 由具有式R-OH的醇類、N，N-二甲基甲酯胺、二甲亞諷、醋類和1,4-二嗯燒組成的組。在一個 實施方案中，所述溶劑是具有式R-OH的醇類，其中R的范圍為Cl至Ci5,更優選Cl至C4。在一個 實施方案中，Cl至C4醇選自由甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、仲下醇、叔下醇和其組合組成的 組。在另一實施方案中，Cl至C4醇是異丙醇。在一個實施方案中，所述單相有機溶劑具有小于 100°C的沸點。
[0040] 用于制備巧喃衍生物的反應混合物包含糖和低沸點有機溶劑。在一個實施方案 中，在反應混合物中的糖的濃度在1-50% (w/v)，優選1-10% (w/v)的范圍內。在一個實施方 案中，在反應混合物中的水含量在0-20%，優選0-6%w/w的范圍內。
[0041] 在一個實施方案中，反應在100-180°C范圍內的溫度下進行。在一個實施方案中， 將反應混合物與微波福射接觸從而使其在期望的時間內經受在l〇〇°C至180°C范圍內的溫 度足W將反應物的至少70%轉化為期望的產物。在另一實施方案中，將反應混合物與微波 福射接觸從而使其在期望的時間內經受在l〇〇°C至180°C范圍內的溫度足W將反應物的至 少90 %轉化為期望的產物。
[0042] 在一個實施方案中，反應在100-180°C范圍內的溫度下進行。在一個實施方案中， 將反應混合物與常規加熱器接觸從而使其在期望的時間內經受在l〇〇°C至180°C范圍內的 溫度足W將反應物的至少70%轉化為期望的產物。在另一實施方案中，將反應混合物與常 規加熱器接觸從而使其在期望的時間內經受在l〇〇°C至180°C范圍內的溫度足W將反應物 的至少90 %轉化為期望的產物。
[0043] 在一個實施方案中，5-HMF的合成方法在微波反應器中進行，其中所述溫度在100- 180°C的范圍內。在另一實施方案中，優選溫度在微波加熱條件下在110-150°C的范圍內。在 一個實施方案中，該方法提供了頻率為2.45G化并且功率范圍在10-400瓦特之間的微波反 應器的使用。在一個實施方案中，將反應混合物在范圍為200-800rpm的旋轉速度下攬拌。在 另一實施方案中，將反應混合物在范圍為400-65化pm的旋轉速度下攬拌。在一個實施方案 中，該反應在微波加熱條件下進行30-300秒。在另一實施方案中，該反應在微波加熱條件下 進行30-120秒。
[0044] 在一個實施方案中，5-HMF的合成方法在5-50己范圍內的壓力下通過常規加熱的 方式來進行。在另一實施方案中，常規加熱在5-30己范圍內的壓力下進行。在一個實施方案 中，將反應混合物加熱至在100-180°C范圍內的溫度。在另一實施方案中，將反應混合物加 熱至在100-150°C范圍內的溫度。通過比例-積分-微分(PID)加熱溫度控制器來保持溫度。 在一個實施方案中，在常規加熱下的反應時間在0.5-5小時的范圍內。在一個實施方案中， 在常規加熱下的反應時間在0.5-4小時的范圍內。在一個實施方案中，在常規加熱下的反應 時間在0.5-3小時的范圍內。在一個實施方案中，反應混合物的攬拌通過在100-8(K)巧m范圍 內的旋轉速度下通過四個傾斜葉片式葉輪(pitch bladed impeller)來進行。
[0045] 在一個實施方案中，通過本文公開的方法的糖的轉化率在45-100%的范圍內。在 另一實施方案中，通過本文公開的方法的糖的轉化率在95-100%的范圍內。
[0046] 在一個實施方案中，通過本文公開的方法的巧喃衍生物的產率在10-95%的范圍 內。在另一實施方案中，通過本文公開的方法的巧喃衍生物的產率在80-95%的范圍內。
[0047] 在一個實施方案中，該方法在分批模式反應器中進行。在一個實施方案中，該方法 在連續反應器中進行。在一個實施方案中，該方法在固定床反應器中進行。
[0048] 從糖制備巧喃衍生物的方法在酸催化劑的存在下進行。在一個實施方案中，酸催 化劑的使用量在反應混合物的0.01至5g/cc的范圍內。在另一實施方案中，酸催化劑的使用 量在反應混合物的0.1至1. Og/cc的范圍內。
[0049] 糖轉化為巧喃衍生物之后，將反應混合物冷卻，并且將催化劑通過過濾來分離并 且再用于下一個反應。在一個實施方案中，在不添加新的催化劑并且沒有再生的情況下，進 行催化劑的循環再利用多至20次。在另一實施方案中，在不添加新的催化劑并且沒有再生 的情況下，進行催化劑的循環再利用大于20次。在另一實施方案中，在不添加新的催化劑并 且沒有再生的情況下，進行催化劑的循環再利用多至5次。
[0050] 在一個實施方案中，酸催化劑是均相酸催化劑。在一個實施方案中，該均相酸催化 劑是脂族橫酸。在一個實施方案中，該均相酸催化劑是芳香族橫酸。在一個實施方案中，該 芳香族橫酸選自由糞橫酸、二甲基苯胺橫酸、對甲苯橫酸（P-TSA)、鄰/間甲苯橫酸（o/m- TSA)和其組合組成的組。在另一實施方案中，該芳香族橫酸是對甲苯橫酸(P-TSA)。
[0051] 在一個實施方案中，所述酸催化劑是非均相固體酸催化劑。在一個實施方案中，所 述非均相固體酸催化劑是親水性橫化固體介孔基體。在一個實施方案中，所述非均相固體 酸催化劑是DICaT酸催化劑。
[0052] 在一個實施方案中，提供了一種非均相固體酸催化劑的制備方法。所述非均相固 體酸催化劑的制備方法包括W下步驟:a)在有機溶劑的存在下將橫化劑與聚合物接觸從而 獲得反應懸浮液;b)將所述反應懸浮液在35 °C至100°C范圍內的溫度下攬拌30分鐘至4小時 的時間范圍，從而獲得非均相酸催化劑的懸浮液;和C)將所述非均相酸催化劑的懸浮液分 離從而獲得非均相固體酸催化劑。
[0053] 在一個實施方案中，所述橫化劑選自由氯橫酸、硫酸、=氧化硫和其組合組成的 組。在一個實施方案中，所述橫化劑是氯橫酸。
[0054] 在一個實施方案中，所述非均相固體酸催化劑由親水性官能化聚合物組成。在一 個實施方案中，所述官能化聚合物具有在5-200m2/g范圍內的表面積。在另一實施方案中， 所述官能化聚合物具有在5-50m2/g范圍內的表面積，在2-50nm范圍內的孔徑，在0.5- lOmmol/g范圍內的酸性，在0.022-2.0cc/g范圍內的孔容積。在一個實施方案中，該聚合物 的分子量在3-23kDa的范圍內，粒徑在10-300皿的范圍內，并且徑值在l-20mg/g的范圍內。 在一個實施方案中，該聚合物是均一線性聚合物化omolinear polymer)。在一個實施方案 中，該聚合物是交聯聚合物。在一個實施方案中，使用的聚合物是晶體形式的。在一個實施 方案中，使用的聚合物是無定形形式的。在一個實施方案中，該聚合物是球狀珠的形式。
[0055] 在一個實施方案中，該聚合物包括徑基官能團。在一個實施方案中，該聚合物包括 胺官能團。在一個實施方案中，所述聚合物選自由纖維素、聚乙締醇、聚甲基丙締酸徑乙醋、 聚甲基丙締酸徑甲醋、聚乙二醇、聚丙二醇、二氧化娃、氧化侶、聚乙締胺、聚酷胺、聚締丙基 胺組成的組。在另一實施方案中，所述聚合物選自由纖維素、聚乙締醇、聚甲基丙締酸徑乙 醋和聚甲基丙締酸徑甲醋組成的組。
[0056] 在一個實施方案中，聚合物表面橫酸衍生化從而獲得非均相固體酸催化劑在有機 溶劑的存在下進行。在一個實施方案中，所述有機溶劑是非親核性溶劑。在一個實施方案 中，所述有機溶劑選自由二氯甲燒、氯仿、四氯化碳、二氯乙燒、二氯丙烷、和其組合組成的 組。
[0057] 在一個實施方案中，通過本文公開的方法制備的非均相固體酸催化劑也可W用于 例如水解、消去、加成、取代、縮合、醋化、保護、解保護、重排和開環等各種酸催化的有機轉 化。
[0058] 在一個實施方案中，公開了一種5-HMF的制備方法，所述方法包括W下步驟:a)將 果糖與異丙醇接觸從而獲得反應混合物;和b)將所述反應混合物在2.0分鐘的時間內、在酸 催化劑的存在下經受120°C的溫度從而獲得至少70 %的果糖向5-HMF的轉化率，其中所述酸 催化劑是PTSA。
[0059] 在一個實施方案中，公開了一種5-HMF的制備方法，所述方法包括W下步驟:曰)將 果糖與異丙醇接觸從而獲得反應混合物;和b)將所述反應混合物在2.0分鐘的時間內、在酸 催化劑的存在下經受130°C的溫度從而獲得至少70 %的果糖向5-HMF的轉化率，其中所述酸 催化劑是DICaT。
[0060] 本公開內容使用W下圖例進一步表明：
[0061] 圖例1.從果糖合成5-HMF的反應如下
[0062
[006；3] 實施例
[0064]本公開內容現在將使用操作實施例來說明，運意欲說明本公開內容的操作方式并 且不會限制性地意味著對本公開內容的范圍的任何限制。在本公開內容的范圍內的其它實 施例也是可能的。
[00化]實施例1
[0066] 在頻率為2.45G化的微波加熱下W分批模式操作來進行實驗。將Igm的晶體果糖添 加至在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的8ml的異丙醇;并且在室溫下攬拌5分鐘， 從而獲得反應懸浮液。將O.lgm/cc的酸催化劑(如表1中示出）在連續攬拌下添加至該反應 懸浮液。將所得反應混合物通過進行微波福射在120秒內在攬拌下加熱至120°Cd120秒之 后，將反應物料冷卻至室溫。獲得了樣品的HPLC分析，其表明84-94摩爾％的HMF產率和97- 98%的果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋除去從而獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0067] W下列出的表1提供了使用上述方法在不同的酸催化劑的情況下的HMF產率和果 糖轉化率。
[006引
[00~]實施例2
[0070] 在頻率為2.45G化的微波加熱下W分批模式操作來進行實驗。將Igm的晶體果糖添 加至在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的8ml的溶劑(如表2中示出）；并且在室溫下 攬拌5分鐘，從而獲得反應懸浮液。將O.lgm/cc的酸催化劑(PTSA)在連續攬拌下添加至該反 應懸浮液。將所得反應物料通過進行微波福射在120秒內在攬拌下加熱。120秒之后，將反應 混合物冷卻至室溫。獲得了樣品的HPLC分析，其表明76-88摩爾％的HMF產率和80-99 %的果 糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋除去從而獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0071] W下列出的表2提供了使用上述方法在不同的溶劑的情況下的HMF產率和果糖轉 化率。
[00771
[007；3] 實施例3
[0074]在頻率為2.45G化的微波加熱下W分批模式操作來進行實驗。將Igm的晶體果糖添 加至在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的8ml的異丙醇;并且在室溫下攬拌5分鐘。 向該反應懸浮液中，在攬拌下投入期望量的PTSA(如表3中示出）。將所得反應物料通過進行 微波福射加熱90秒。90秒之后，將反應物料冷卻至室溫。獲得了樣品的HPLC分析，其表明74- 88摩爾％的匪。產率和94-98%的果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋除去從而獲得粗制HMF 的深褐色粘性油。
[0075] W下列出的表3提供了使用上述方法在改變酸催化劑濃度的情況下的HMF產率和 果糖轉化率。
[0076]
[0077] 實施例4
[0078] 在頻率為2.45G化的微波加熱下W分批模式操作來進行實驗。將Igm的晶體果糖添 加至在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的8ml的異丙醇;并且在室溫下攬拌5分鐘。 向該反應懸浮液中，在攬拌下投入0. lOgm/cc的PTSA。將所得反應物料在期望的時間（如表4 中示出）內通過進行微波福射加熱至120°C。之后，將反應物料冷卻至室溫。獲得了樣品的 HPLC分析，其表明32-91摩爾％的歷。產率和50-100 %的果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋 除去從而獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0079] W下列出的表4提供了使用上述方法在改變反應時間的情況下的HMF產率和果糖 轉化率。
[0080] 一、-一-------------?、-、 ........ 一一一、、一一一一一一一一 一-;一一一一一一一一一
[0081 ] 實施例5
[0082] 在頻率為2.45G化的微波加熱下W分批模式操作來進行實驗。將Igm的晶體果糖添 加至在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的8ml的溶劑(如表5中示出）；并且在室溫下 攬拌5分鐘。向該反應懸浮液中，在攬拌下添加期望量的酸催化劑(DICaT-1)。將所得反應混 合物在攬拌下通過進行微波福射加熱120秒。120秒之后，將反應物料冷卻至室溫并且將催 化劑通過真空過濾來除去。獲得的樣品通過HPLC分析表明50-94摩爾％的麗F產率和80- 99%的果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋除去從而獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0083] W下列出的表5提供了使用上述方法在改變反應溶劑的情況下的HMF產率和果糖 轉化率。
[0084]
[00化]實施例6
[0086] 在頻率為2.45G化的微波加熱下W分批模式操作來進行實驗。將Igm的晶體果糖添 加至在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的8ml的溶劑(如表6中示出）；并且在室溫下 攬拌5分鐘。向該反應懸浮液中，在攬拌下添加期望量的酸催化劑(DICaT-3)。將所得反應混 合物在攬拌下通過進行微波福射加熱120秒。120秒之后，將反應物料冷卻至室溫并且將催 化劑通過真空過濾來除去。獲得的樣品通過HPLC分析表明50-94摩爾％的麗F產率和80- 99%的果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋除去從而獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0087] W下列出的表6提供了使用上述方法在改變反應溶劑的情況下的HMF產率和果糖 轉化率。
[008引
[0089] 實施例7
[0090] 在頻率為2.45G化的微波加熱下W分批模式操作來進行實驗。將Igm的晶體果糖添 加至在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的8ml的溶劑(如表6中示出）；并且在室溫下 攬拌5分鐘。向該反應懸浮液中，投入期望量的酸催化劑(DICaT-3)(如表6中示出）。將所得 反應物料在攬拌下通過進行微波福射加熱120秒。120秒之后，將反應物料冷卻至室溫并且 將催化劑通過真空過濾來除去。樣品的HPLC分析表明61-93摩爾％的HMF產率和97-100 %的 果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋除去從而獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0091] W下列出的表7提供了使用上述方法在改變催化劑DICaT-3濃度的情況下的HMF產 率和果糖轉化率。
[0092]
[OOW] 實施例8
[0094]在頻率為2.45G化的微波加熱下W分批模式操作來進行實驗。將Igm的晶體果糖添 加至在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的8ml的異丙醇;并且在室溫下攬拌5分鐘。 向該反應懸浮液中，在攬拌下投入0.1 Igm/cc的酸催化劑(DICaT-3)。將所得反應物料在期 望的時間（如表8中示出）內通過進行微波福射在連續攬拌下加熱至13(TC。在完成反應之 后，將反應物料冷卻至室溫并且將催化劑通過真空過濾來除去。獲得的樣品通過HPLC分析 表明50-92摩爾％的^^產率和98-100%的果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋除去從而獲得 粗制HMF的深褐色粘性油。
[00%] W下列出的表8提供了在改變反應時間的情況下的HMF產率和果糖轉化率。
[0096]
[0097] 實施例9
[0098] 在頻率為2.45G化的微波加熱下W分批模式操作來進行實驗。將Igm的晶體果糖添 加至在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的8ml的異丙醇;并且在室溫下攬拌5分鐘。 向該反應懸浮液中，在攬拌下投入0. llgm/cc的酸催化劑(DICaT-3)。將所得反應物料在120 秒內通過進行微波福射在連續攬拌下加熱至期望的溫度(如表9中示出）。在完成反應之后， 將反應物料冷卻至室溫并且將催化劑通過真空過濾來除去。獲得的樣品通過HPLC分析表明 21-93摩爾％的^^產率和73-100%的果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋除去從而獲得粗制 HMF的涂褐色粘性油。
[0099] W下列出的表9提供了使用上述方法在改變反應溫度的情況下的HMF產率和果糖 轉化率。
[0100]
[0101] 實施例10
[0102] 在頻率為2.45G化的微波加熱下w分批模式操作來進行實驗。將期望量的晶體果 糖(如表10中示出）添加至在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的必要量的溶劑;并且 在室溫下攬拌5分鐘。向該反應懸浮液中，在攬拌下投入O.llgm/cc的酸催化劑(DICaT-3)。 將所得反應物料在120秒內通過進行微波福射在連續攬拌下加熱至130°C的溫度。在完成反 應之后，將反應物料冷卻至室溫并且將催化劑通過真空過濾來除去。獲得的樣品通過HPLC 分析表明26-92摩爾％的匪。產率和99-100%的果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋除去從而 獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0103] W下列出的表10提供了使用上述方法在改變果糖濃度的情況下的HMF產率和果糖 轉化率。
[0104]
[0…引 實施例11
[0106] 在頻率為2.45G化的微波加熱下W分批模式操作來進行實驗。將1卵的期望底物 (如表11中示出）添加至在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的必要量的溶劑（16ml); 并且在室溫下攬拌5分鐘。向該反應懸浮液中，在攬拌下投入O.llgm/cc的酸催化劑(DICaT- 3)。將所得反應物料在120秒內通過進行微波福射在連續攬拌下加熱至130°C的溫度。在完 成反應之后，將反應物料冷卻至室溫并且將催化劑通過真空過濾來除去。獲得的樣品通過 HPLC分析表明48-93摩爾％的歷。產率和99-100%的果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋除去 從而獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0107] W下列出的表11提供了使用上述方法在改變底物的情況下的HMF產率和果糖轉化 率。
[010 引
[0…9] 實施例12
[0110] 在頻率為2.45G化的微波加熱下W分批模式操作來進行實驗。將Igm的果糖添加至 在具有磁力攬拌器的20ml的密封玻璃管中的必要量的溶劑（16ml);并且在室溫下攬拌5分 鐘。向該反應懸浮液中，在攬拌下投入0.1 Igm/cc的酸催化劑(DICaT-1 )。將所得反應物料在 120秒內通過進行微波福射在連續攬拌下加熱至130°C的溫度。在完成反應之后，將反應物 料冷卻至室溫并且將催化劑通過真空過濾來除去，并且催化劑用于后續運行循環再利用 (如表12中示出）。將獲得的濾液樣品用于HPLC分析，其表明94-95摩爾％的麗F產率和98- 99%的果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸饋除去從而獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0111] W下列出的表12提供了使用上述方法在催化劑循環再利用次數的情況下的HMF產 率和果糖轉化率。
[0112]
[01。] 實施例13
[0114] 在裝配有四個傾斜葉片式葉輪和精度±1°(：的PID溫度控制器的300ml的化rr壓力 反應器高壓蓋中，在常規加熱下W分批模式操作來進行實驗。將高壓蓋裝填有在期望量的 溶劑(32ml)中的2gm的晶體果糖和期望的酸催化劑DICaT(如表13中示出）。將高壓蓋中的反 應物料在室溫下攬拌5分鐘，接著累入氮氣2-3次。將高壓蓋使用氮氣加壓至15kg/cm3,并且 將反應物料在恒定攬拌下加熱120分鐘。在120分鐘的反應之后，將反應物料冷卻至室溫，并 且最后釋放氮氣壓。將在反應物料中的非均相催化劑通過真空過濾來除去。將來自該濾液 的樣品用于HPLC分析并且表明68-90摩爾％的HMF產率和96-98%的果糖轉化率。將溶劑通 過真空蒸饋除去從而獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0115] W下列出的表13提供了使用上述方法在改變酸催化劑的情況下的HMF產率和果糖 轉化率。
[0116]
[0117] 實施例14
[011引在裝配有四個傾斜葉片式葉輪和精度±1°(：的PID溫度控制器的300ml的化rr壓力 反應器高壓蓋中，在常規加熱下W分批模式操作來進行全部實驗。將高壓蓋裝填有在期望 量的溶劑(32ml)中的2gm的晶體果糖和期望的酸催化劑DICaT-3。將高壓蓋中的反應物料在 室溫下攬拌5分鐘，接著累入氮氣2-3次。期望的壓力(如表中示出14)通過采用氮氣來獲得， 并且將反應物料在攬拌下加熱120分鐘，接著在期望的時間間隔下取出樣品。120分鐘之后， 將反應物料在室溫下冷卻，并且釋放氮氣壓。將非均相催化劑通過真空過濾來除去。將來自 該濾液的樣品通過HPLC分析并且表明40-90摩爾％的歷。產率和60-100%的果糖轉化率。然 后，將溶劑通過真空蒸饋除去從而獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0119] W下列出的表14提供了使用上述方法在改變壓力的情況下的HMF產率和果糖轉化 率。
[0120]
[0121] 實施例15
[0122] 在裝配有四個傾斜葉片式葉輪和精度±1°(：的PID溫度控制器的300ml的化rr壓力 反應器高壓蓋中，在常規加熱下W分批模式操作來進行全部實驗。將高壓蓋裝填有在期望 量的IPA(32ml)中的2gm的晶體果糖和期望的酸催化劑DICaT-3。將高壓蓋中的反應物料在 室溫下攬拌5分鐘，接著累入氮氣2-3次。采用15kg/cm3的期望的氮氣壓，并且將反應物料在 恒定攬拌下加熱期望的時間（如表15中示出）。在完成反應之后，將反應物料在室溫下冷卻， 并且釋放氮氣壓。將非均相催化劑通過真空過濾從反應物料除去。將來自該濾液的樣品用 于HPLC分析并且表明30-90摩爾％的歷。產率和60-100%的果糖轉化率。將溶劑通過真空蒸 饋除去從而獲得粗制HMF的深褐色粘性油。
[0123] W下列出的表15提供了使用上述方法在改變時間的情況下的HMF產率和果糖轉化 率。
[0124]
[01巧]實施例16
[0126] 將非均相固體酸催化劑DICaT通過經由有機鍵合將橫酸錯固在親水性聚合物的脂 族徑基上來制備。DICaT的制備的典型實驗方法如下：
[0127] 在具有加熱油浴、回流冷凝器、溫度計插套、加料漏斗和頂置式攬拌器的四頸 250ml干燥圓底燒瓶中進行反應。將Igm的徑基聚合物（聚乙二醇）在氮氣覆蓋下添加。將 10ml的二氯乙燒在緩慢攬拌下投入燒瓶中。在大力攬拌下經由加料漏斗在30分鐘內滴加 9.5ml的橫化劑(氯橫酸）。在完成加成反應之后，將反應物料在室溫下大力攬拌20-30分鐘， 然后加熱回流1小時。在完成1小時的回流之后，使反應物料在室溫下冷卻，接著冷卻至〇°C; 之后，將10ml的甲醇水溶液在30分鐘內經由加料漏斗緩慢添加，并且在大力攬拌下保持在0 °C下另外30分鐘。將所得黑色固體然后通過真空累來過濾并且通過冷水來清洗，直至將氯 從濾液中除去，其通過AgN〇3沉淀測試來檢測。最后，將固體濾餅通過真空累來吸干并且在 真空和70-80°C下保持來干燥。將獲得的DICaT的所得黑色干燥粉末用于反應。
[012引 實施例17
[0129]在使用具有入口出口溫度傳感器和壓力控制閥的加熱套的2X20cm高的鋼柱 (steel column)中進行在填充床反應器中的HMF的合成。5cm的催化床填充有足夠量的惰性 物質。在將底物經過填充床柱之前，將該柱通過使2-5柱體積(CV)的新水和IPA經過來預平 衡，從而獲得120°(：的柱溫和10-1化旨八1113的壓力。將預加熱的1001111的在1?4中的6.25%果 糖溶液借助二元活塞壓力累在循環環中W期望的流速經過由常規加熱保持在120°C的催化 床。同時，W不同的時間間隔移除來自反應混合物的樣品來用于進行在線HPLC分析。一旦獲 得了必需的HMF產率和果糖轉化率，則終止底物流動并且將催化床通過2CV的新IPA來清洗 從而除去所支持的線路和催化床。所得復合物級分通過HPLC來分析并且表明結果在88- 94%的HMF產率和95-100 %的果糖轉化率的范圍內。
[0。0] 實施例18
[0131]在使用具有入口出口溫度傳感器和壓力控制閥的加熱套的2X20cm高的鋼柱中進 行在填充床反應器中的HMF的合成。5cm的催化床填充有足夠量的惰性物質。在將底物經過 填充床柱之前，將該柱通過使2-5柱體積(CV)的新水和IPA經過來預平衡，從而獲得120°C的 柱溫和10-1化g/cm3的壓力。將預加熱的100ml的在IPA中的6.25%果糖溶液借助二元活塞 壓力累在循環環中W期望的流速經過由微波加熱保持在120°C的催化床。同時，W不同的時 間間隔移除來自反應混合物的樣品來用于進行在線HPLC分析。一旦獲得了必需的HMF產率 和果糖轉化率，則終止底物流動并且將催化床通過2CV的新IPA來清洗從而除去所支持的線 路和催化床。所得復合物級分通過HPLC來分析并且表明結果在88-94 %的麗F產率和95- 100%的果糖轉化率的范圍內。
[0。。在本主題中示例性說明方法中獲得的優勢
[0133] 本公開內容設及使用酸催化劑從糖類制備5-徑甲基慷醒(5-HMF)的方法。合成5- HMF的酸催化環化脫水法提供了用于在單相有機溶劑中生產5-HMF的簡單和成本有效的途 徑。用于本文公開的方法中的非均相固體酸催化劑DICaT具有優異的催化活性、穩定性、向 期望產物的選擇率。由于催化劑的較高的選擇率，明顯減少了例如聚合物、腐殖質、乙酷丙 酸和縮合產物等的副產物的形成。整個方法采用了易于W用于溶劑蒸饋的最小能量分離的 單相有機溶劑(低沸點或高沸點）的使用。該方法通過常規或微波輔助加熱在明顯降低的反 應時間內進行，由此生產性增加。
[0134] 包括了微波輔助的短時間反應，在100-180°C的溫度范圍內在單相有機溶劑中進 行，由此提供了在經濟的成本和低的能量消耗下的加工可行性。30-120秒的短的反應時間 提高了在規定時間內5-HMF的生產的大規模生產和經濟性。
[0135] 本發明5-HMF的合成方法設及較低的能量利用和最小的廢物和廢水的產生。
[0136] 公開的方法由此是導致較高的選擇率和產率的綠色和有效的方法，在提高了催化 穩定性的情況下具有較高的轉化率，容易分離，并且最重要地具有W100%回收率循環再利 用催化劑的優勢。
[0137] 雖然本主題已經參考其特定的實施例和實施方案非常詳細地描述，但其它實施方 案是可能的。如此，所附權利要求的主旨和范圍不應該限于此處包含的優選實施例和實施 方案的說明。
【主權項】
1. 一種呋喃衍生物的制備方法，所述方法包括以下步驟： a) 將糖與單相有機溶劑接觸從而獲得反應混合物;和 b) 將所述反應混合物在酸催化劑的存在下經受100 °C至180 °C范圍內的溫度0.5分鐘至 4.0小時的時間范圍，從而獲得所述糖向單一呋喃衍生物的轉化率至少70%， 其中所述酸催化劑選自由均相酸催化劑、非均相固體酸催化劑和其組合組成的組。2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述糖選自由葡萄糖、果糖、蔗糖和其組合組成的 組，優選果糖。3. 根據權利要求1所述的方法，其中所述單相有機溶劑包括&至&5醇，優選&至(：4醇，所 述&至(： 4醇選自由甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、仲丁醇、叔丁醇和其組合組成的組，優選異丙 醇。4. 根據權利要求1所述的方法，其中所述均相酸催化劑是選自由萘磺酸、二甲基苯胺磺 酸、對甲苯磺酸(ρ-TSA)、鄰/間甲苯磺酸(o/m-TSA)和其組合組成的組的芳香族磺酸，優選 對甲苯磺酸(P-TSA)。5. 根據權利要求1所述的方法，其中所述非均相固體酸催化劑是親水性磺化固體多孔 基體。6. 根據權利要求1所述的方法，其中所述酸催化劑的使用量在所述反應混合物的0.01 至5g/cc的范圍內，優選在0.1至1 .Og/cc的范圍內。7. 根據權利要求1所述的方法，其中所述呋喃衍生物通過微波輔助加熱方法或常規加 熱方法來獲得。8. 根據權利要求1所述的方法，其中所述呋喃衍生物是5-羥甲基糠醛(5-HMF)。9. 一種根據權利要求1中所述的非均相固體酸催化劑的制備方法，所述方法包括以下 步驟： a. 在有機溶劑的存在下將磺化劑與聚合物接觸從而獲得反應懸浮液； b. 將所述反應懸浮液在35 °C至100 °C范圍內的溫度下在30分鐘至4小時的時間范圍內 攪拌，從而獲得非均相酸催化劑的懸浮液;和 c. 將所述非均相酸催化劑的懸浮液分離從而獲得非均相固體酸催化劑。10. 根據權利要求9所述的方法，其中所述磺化劑選自由氯磺酸、硫酸、三氧化硫和其組 合組成的組，優選氯磺酸。11. 根據權利要求9所述的方法，其中所述聚合物選自由纖維素、聚乙烯醇、聚甲基丙烯 酸羥乙酯、聚甲基丙烯酸羥甲酯、聚乙二醇、聚丙二醇、二氧化硅、氧化鋁、聚乙烯胺、聚酰 胺、聚烯丙基胺組成的組，優選選自由纖維素、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸羥乙酯和聚甲基丙 烯酸羥甲酯組成的組。12. 根據權利要求9所述的方法，其中所述有機溶劑選自由二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、 二氯乙烷、二氯丙烷、和其組合組成的組。
【文檔編號】C07D307/50GK106061955SQ201480073605
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年11月21日
【發明人】A·M·拉里, H·S·帕瓦爾
【申請人】印度生物技術部, 印度化工學院