由含碳水化合物的物质生产戊二酸和衍生物的制作方法
【专利说明】由含碳水化合物的物质生产戊二酸和衍生物
[00011本申请是申请号为201080026095.4的发明专利申请的分案申请，原申请的申请日 为2010年6月11日，发明名称为：由含碳水化合物的物质生产戊二酸和衍生物。 发明领域
[0002] 本发明通常涉及用于将戊糖源化学催化转化为戊二酸产物的工艺。本发明包括用 于将戊糖经由戊酸和/或其衍生物转化为戊二酸产物的工艺。本发明还包括包含将戊糖催 化氧化为戊酸和将戊酸和/或其衍生物催化加氢脱氧为戊二酸产物的工艺。本发明还涉及 用于由戊二酸产物制备工业化学品例如二醇(例如，1，5_戊二醇）、二胺(例如，1，5_二氨基 戊烷）、聚酰胺和聚酯的工艺，所述戊二酸产物由包括催化加氢脱氧戊酸（例如，木糖二酸 和/或阿拉伯酸)和/或其衍生物的用于化学催化转化戊糖源的工艺获得。
[0003] 发明背景
[0004] 半纤维素代表自然界中第二最丰富的碳水化合物，构成木质纤维生物质的高达约 20-35%。半纤维素是戊糖(例如，木糖和阿拉伯糖）、己糖和糖酸的非均相聚合物。已知半纤 维素可以被酸水解为木糖且随后被环化脱水以产生糠醛。每年超过350,000吨的糠醛由木 糖产生，用于塑料、药物和农用化学品中的应用。参见例如，Furfural :Hemicelluloses/ xylose-derived biochemical (糠醛：半纤维素/木糖衍生的生物化学品），Mamman等人 Biofuels，Bioprod · Bioref ·第 2卷，第438-454 页。
[0005] 用于将生物可再生的碳水化合物衍生的戊糖(例如，由半纤维素衍生的木糖和阿 拉伯糖)转化为更宽的组的当前商品和专业化学品的主要挑战之一是从碳水化合物选择性 地除去氧原子。用于将碳-氧单键转化为碳-氢键的方法是已知的。参见，例如:美国专利第 5，516，960号；美国专利申请公布2007/0215484和日本专利第78，144，506号。这些已知方法 中的每一种遭受各种限制，且我们认为，目前，这些方法中一个也没有在工业上用于制造工 业化学品。
[0006] 鉴于半纤维素的丰度，对用于将碳-氧单键选择性地和商业上有意义地转化为碳-氢键，尤其是如与由戊酸(和/或其衍生物)例如诸如木糖二酸生产化学品有关所应用的，和 尤其是用于将戊糖（例如，木糖和阿拉伯糖)转化为有价值的化学中间体例如戊二酸的新 的、工业上可缩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、香料和药物以及其他的。参见 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry(乌尔曼工业化学百科全书），Wiley-VCH 2009和还参见美国专利5,290，852、5,281，647、4,439,551、W0 2008/144514和2008/ 070762、日本专利2005060447和2001316311以及美国专利申请公布2008/0103232。
[0007] 发明概述
[0008] 因此，简要地，本发明涉及用于制备戊二酸产物的工艺。根据一个实施方案，提供 了一种用于由戊糖源生产戊二酸产物的工艺。该工艺包括通过化学催化方式将戊糖源的至 少一部分转化为戊二酸产物。
[0009] 根据另一个实施方案，用于制备戊二酸产物的工艺包括，在加氢脱氧催化剂和卤 素源的存在下，使C5-主链基质和氢气反应以将C5-主链基质的至少一部分转化为戊二酸产 物，其中C5-主链基质包括式I的化合物
[0011 ]其中X独立地是羟基、氧代、卤代、酰氧基或氢，条件是至少一个X不是氢且R1独立 地是成盐离子、氢、烃基或取代的烃基;或其内酯。
[0012] 根据另一个实施方案，用于制备戊二酸产物的工艺包括将戊糖源的至少一部分转 化为包括戊酸或其衍生物的C5-主链基质，和将戊酸或衍生物的至少一部分转化为戊二酸 产物。
[0013] 本发明还涉及用于制备戊酸的工艺。在一个实施方案中，该工艺包括在氧化催化 剂的存在下和在基本上没有加入的碱的情况下，使选自由木糖、阿拉伯糖、核糖、来苏糖及 其混合物组成的组的戊糖与氧气反应。
[0014] 本发明还涉及用于通过在氧化催化剂的存在下使戊糖与氧气反应来制备戊酸的 工艺，其中戊糖的至少一部分用弱羧酸，优选地乙酸来溶解。
[0015] 本发明还涉及用于由戊二酸产物制备工业化学品例如二醇（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艺，戊二酸产物由包括将戊糖源 化学催化转化为C5-主链基质和将C5-主链基质（例如，木糖二酸和/或阿拉伯酸和/或其衍 生物)催化加氢脱氧为戊二酸产物的工艺获得。
[0016] 本发明还涉及至少部分地由包括加氢脱氧C5-主链基质且更具体地木糖二酸和/ 或其衍生物的工艺产生的戊二酸产物、二醇、二胺、聚酰胺和聚酯。
[0017]其他目的和特征将变得明显和/或将在下文指出。
[0018]优选的实施方案的描述
[0019] 根据本发明，申请人公开了用于将戊糖源化学催化转化为戊二酸产物的工艺。
[0020] 此外，根据本发明，申请人公开了用于将C5-主链基质催化加氢脱氧为戊二酸产物 的工艺。催化加氢脱氧包括在加氢脱氧催化剂（即，适合于加氢脱氧反应的催化剂)和卤素 源的存在下，使C5-主链基质和氢气反应以将C5-主链基质的至少一部分转化为戊二酸产 物。本发明的加氢脱氧催化剂包括d-区金属（即，过渡金属;周期表的第3-12族），其是羟基、 卤代、氧代或酰氧基选择性的，更通常是羟基选择性的，增加收率和改进工艺经济学。
[0021] 本发明还涉及用于由选自由木糖、阿拉伯糖、核糖、来苏糖及其混合物组成的组的 戊糖催化生产戊酸和/或其衍生物的工艺。该工艺包括在氧化催化剂的存在下和在基本上 没有加入的碱的情况下使戊糖与氧气(其中氧气作为空气、富氧空气、单独的氧气或具有对 反应基本上惰性的一种或多种其他成分的氧气被供应至反应)反应。在基本上没有加入的 碱的情况下进行氧化反应利于产物回收和改进工艺经济学。此外，该反应可以在溶解戊糖 的至少一部分的弱羧酸例如乙酸的存在下进行。
[0022] 在本发明的另一个方面，根据所公开的工艺制备的戊二酸产物可以根据本领域已 知的工艺被转化为各种其他工业上重要的化学品，所述化学品包括，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纤 维素的生物可再生源的戊糖制备。
[0023] I.原料
[0024] 戊糖是包含五个碳的糖且通常包括木糖、阿拉伯糖、核糖和来苏糖。戊糖可以由各 种包含碳水化合物的源(特别地包含半纤维素的源)获得，包含碳水化合物的源包括生物可 再生源，例如能量作物、植物生物质、农业废物、森林残留物、糖处理残留物和植物衍生的家 庭废物。更通常，可以根据本发明使用的生物可再生源包括任何可再生的有机物质，其包括 半纤维素源，例如，诸如柳枝稷、稻草(例如，稻猜、大麦猜、麦猜、黑麦猜、燕麦猜）、燕麦壳、 芒属、木薯、树(硬木和软木）、植被和农作物残留物(例如，甘蔗渣和玉米秸）。其他源可以包 括，例如，废物材料(例如，废纸、绿色废物、城市废物等）。可以使用本领域已知的方法从包 含半纤维素的生物可再生源离析戊糖。此外，将戊糖转化为限制组的化学品的方法也是本 领域已知的。对于这些方法的阐明，参见，例如，Saha，J. Ind.Microbiol .Biotechnol.第30 卷，第279-291页（2003)，和Kamm，Gruber和Kamm，Biorefineries-Industrial Processes and Products(生物精制机-工业工艺和产品），Wiley_VCH，Weinheim 2006。
[0025] II.戊酸的制备
[0026] 根据本发明，选自由木糖、阿拉伯糖、核糖、来苏糖及其混合物组成的组的戊糖被 转化为戊酸和/或其衍生物。各种戊酸(戊酸包括木糖二酸、阿拉伯酸、核酸和来苏酸）的制 备可以使用本领域通常已知的氧化方法由戊糖来完成。参见，例如，Journal of Molecular Catalysis，第77卷，第75-85页（1992)，其阐明用于在氧气和碱的存在下使用铂催化剂由戊 醛糖制备戊酸的方法。还可以采用其他氧化方法，参见例如，美国专利第6,049,004号、第5， 599，977号和第6，498，269号，和美国专利申请公布第2008/033205号。同样地，美国专利第 5,731，467号公开了通过在碱性介质中使用氧气来氧化降解5-酮葡糖酸或其盐生产木糖二 酸的方法。然而，这些工艺遭受由工艺收率限制和对另外的反应成分的需要以及其他的引 起的经济缺点。
[0027] 申请人已经发现，选自由木糖、阿拉伯糖、核糖、来苏糖及其混合物组成的组的戊 糖（即，氧化基质)可以根据以下反应通过在氧化催化剂的存在下和没有加入的碱下使氧化 基质与氧气(其中氧气作为空气、富氧空气、单独的氧气或具有对反应基本上惰性的一种或 多种其他成分的氧气被供应至反应)反应而以高的收率被转化为戊酸：
[0029]令人惊讶地，没有加入的碱和根据本文阐明的反应条件进行氧化反应，不会导致 显著的催化剂中毒效应且催化剂氧化活性被维持。没有加入的碱有利地促进戊酸的分离和 离析，由此提供更经得起工业应用和通过消除反应成分来改进总的工艺经济学的工艺。如 本文使用的"没有加入的碱"意指如果存在的话(例如，作为原料的成分），以对反应的功效 基本上没有影响的浓度存在的碱；即，氧化反应在基本上没有加入的碱下进行。还已经发 现，当在实质上没有加入的碱下进行反应时，在增加的氧气分压和/或较