一种制备2,5-呋喃二甲酸及其前体物质的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备2,5‑呋喃二甲酸及其前体物质的方法，采用葡萄糖酸作为原料，首先，通过由葡萄糖酸脱氢酶与NAD(P)H氧化酶组成的双酶耦合系统，将葡萄糖酸氧化生成葡萄糖酸衍生物；其次，在醇溶剂中，酸催化条件下，将上步葡萄糖酸衍生物脱水、环化生成2,5‑呋喃二甲酸的前体物质，然后进一步氧化为2,5‑呋喃二甲酸。本发明专利技术提供了一种制备2,5‑呋喃二甲酸的新路径，采用来源广泛的葡萄糖酸做为原料，流程简单易于操作，绿色环保，节约了生产成本，具有工业化生产前景。

A method for preparing 2,5- furan two formic acid and its precursors

The invention discloses a method for preparing 2,5 furan two formic acid and its precursors. By using gluconic acid as raw material, first, by the double enzyme coupling system composed of gluconate dehydrogenase and NAD (P) H oxidase, the gluconic acid is oxidized to the gluconic acid derivative; secondly, in the alcohol solvent and acid catalysis condition The precursor gluconic acid derivatives were dehydrated and cyclized to form precursors of 2,5 furan two formic acid and then further oxidized to 2,5 furan two formic acid. The invention provides a new route for preparing 2,5 furan two formic acid, using a wide range of gluconic acid as raw material, simple and easy to operate, green environmental protection, saving the production cost, and has the prospect of industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种制备2,5-呋喃二甲酸及其前体物质的方法
本专利技术涉及化学酶法制备大宗化学品领域，具体涉及一种制备2,5-呋喃二甲酸及其前体物质的方法。
技术介绍
2,5-呋喃二甲酸（furan-2,5-dicarboxylicacid，FDCA），结构式如下：FDCA是一种极具价值的生物炼制品，具有芳香环以及对称的二酸结构，与对苯二甲酸（p-Phthalicacid,PTA)的结构十分类似。FDCA主要用于合成生物基高分子材料，可有效提高材料的耐热性和机械性能，被认为是石油基单体PTA的理想替代品，同时也能替代间苯二甲酸、己二酸、丁二酸、双酚A等应用于聚酯、聚酰胺、环氧树脂等生物基聚合物的合成。目前，FDCA可由5-羟甲基糠醛（HMF）、糠酸、呋喃、二甘醇酸和己糖二酸等不同起始原料制备。但其主要制备方式仍依赖于以下两个步骤：（1）由六碳糖脱水制备5-羟甲基糠醛（5-hydroxymethylfurfural,HMF）；（2）通过氧化HMF来生成FDCA；反应式如下所示：。近几十年来，研究者们已深入了解六碳糖制备HMF的脱水机制，并利用离子液体、双相系统等方法来改进和优化制备方法（李雪辉等，CN201610820992.1）。HMF氧化制备FDCA也有大量研究，目前主要集中在通过使用不同类型的纳米颗粒作为催化剂和氧化条件来实现（李峰等，CN201710016617.6）。例如，使用几种类型的纳米颗粒如Pt、Pt/Bi、Pd和用Pd或Pt改性的Au，在温和条件下，氧化HMF水溶液制备FDCA（傅杰等，CN201710108023.8）。然而除了果糖外，其他六碳糖制备HMF过程中产物选择性不高，而HMF自身固有的不稳定性，使得HMF即使大量生成，也会在反应过程中分解为乙酰丙酸，甲酸及胡敏素等副产物；而HMF氧化为FDCA的过程，也要求高度的氧化选择性，氧化不完全产生的5-甲酰基呋喃甲酸、5-羟甲基呋喃甲酸、呋喃二甲醛等中间产物会对后续分离产生极大影响，同时氧化条件严苛，需要大量的碱中和，这些都使得整个反应历程的成本增加，最终产物FDCA的价格无法与对苯二甲酸竞争。而本专利技术所涉及的一类葡萄糖酸衍生物，如：5-酮基-D-葡萄糖酸（5-keto-D-gluconicacid,5-KGA）、2-酮基-D-葡萄糖酸，或者2-酮基-L-古龙酸，或者2-脱氢-3-脱氧葡萄糖酸，或者4-脱氧-5-脱氢葡萄糖二酸等具有与果糖类似的酮基结构，能够自发形成呋喃环结构，从而为脱水制备FDCA提供了新的途径。而此类葡糖酸衍生物一般由葡萄糖酸特定位置羟基，例如5-KGA由葡萄糖酸的5-位羟基，氧化而获得。化学氧化法选择性差、副产物多，如德国科学家Kiliani等在1922年提出了硝酸化学法用于氧化葡萄糖酸制备5-KGA，收率仅为10-12%。相较而言，生物法可以特异性的对葡萄糖酸的特定位置羟基进行氧化，从而高选择性的获得葡萄糖酸衍生物。另外，体外多酶催化方法灵活，可操作性强，是优良的葡萄糖酸衍生物获取方法。体外多酶催化葡萄糖酸到葡萄糖酸衍生物，主要依赖于葡萄糖酸脱氢酶和NAD(P)H氧化酶。在酶促反应中葡萄糖酸脱氢酶是一种辅酶依赖性的还原酶，对NAD(P)+存在极其强烈的依赖性，需要添加辅酶NAD(P)+，葡萄糖酸脱氢酶在NAD(P)+存在下可以催化葡萄糖酸为葡萄糖酸衍生物，并生成NAD(P)H和H+；与此同时，在于体系中加入NAD(P)H氧化酶之后，NAD(P)H氧化酶能够在氧气存在下，将NAD(P)H催化脱氢形成NAD(P)+，实现辅酶原位在生以及葡萄糖酸的完全转化,反应式如下所示：。
技术实现思路
针对目前报道的FDCA制备过程中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种由葡萄糖酸通过化学酶法来制备FDCA的方法，避免了中间产物HMF易于分解、HMF氧化不完全所导致FDCA产率低的缺陷。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种制备2,5-呋喃二甲酸及其前体物质的方法，它包括以下步骤：1、以含有葡萄糖酸脱氢酶、NAD(P)H氧化酶的整细胞或葡萄糖酸脱氢酶、NAD(P)H氧化酶的游离酶为催化剂，在弱碱性条件下，NADP+或NAD+作为氢受体，催化葡萄糖酸制备葡萄糖酸衍生物；2、将步骤1）所得的葡萄糖酸衍生物加入溶剂中，在酸催化条件下反应，并将反应液中和、干燥，柱层析后得到2,5-呋喃二甲酸前体物质；3、将步骤2）所得的2,5-呋喃二甲酸前体物质通过氧化剂或催化剂催化氧化，最终获得2,5-呋喃二甲酸。本专利技术步骤1）所述的葡萄糖酸脱氢酶由含有葡萄糖酸脱氢酶基因的重组菌所表达，所述的葡萄糖酸脱氢酶基因来源于氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacteroxydans),或弱氧化葡糖杆菌(Gluconobactersuboxydans)，或巴氏醋杆菌(Acetobacterpasteurianus)，或攀膜醋杆菌(Acetobacterascendens)，或猪链球菌(Streptococcussuis)，或克雷伯氏菌(Klebsiellasp)，或产黄青霉(Penicilliumchrysogenum)等其他含有葡萄糖酸脱氢酶的菌种。所述的葡萄糖酸脱氢酶由含有该基因的重组菌E.coliBL21(DE3)所表达，表达载体选用但不限于pet-28a(+)。本专利技术步骤1）所述的NAD(P)H氧化酶由含有NAD(P)H氧化酶基因的重组菌所表达，所述的NAD(P)H氧化酶基因来源于旧金山乳杆菌(Lactobacillussanfranciscensis)，或乳酸乳球菌(Lactococcuslactis)，或褐家鼠(Rattusnorvegicus)，或哈茨木霉(Trichodermaharzianum)等其他含有NAD(P)H氧化酶的物种。所述的NAD(P)H氧化酶由含有该基因的重组菌E.coliBL21(DE3)所表达，表达载体选用但不限于pet-28a(+)。本专利技术步骤1）中催化反应体系是:1.5-150g/L葡萄糖酸钠、50-5000U的葡萄糖酸脱氢酶、70-8000U的NAD(P)H氧化酶和0.05-0.2mmol/L的NADP+或NAD+，在pH7.5-9.0、反应温度25-45℃、搅拌转速180-280rpm以及通气量1-3VVM条件下反应1-24h，得到葡萄糖酸衍生物转化液。本专利技术步骤1）中所述的葡萄糖酸衍生物为醛酸，或者5-酮基-D-葡萄糖酸，或者2-酮基-D-葡萄糖酸，或者2-酮基-L-古龙酸，或者2-脱氢-3-脱氧葡萄糖酸，或者4-脱氧-5-脱氢葡萄糖二酸等酮酸类物质。本专利技术步骤2）所述醇溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、仲丁醇、异丁醇、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇等C1-C10的一元至多元醇的一种或者几种。本专利技术步骤2）所述催化使用的催化剂为盐酸、硫酸、硝酸等无机酸，或者SO42﹣/ZrO2、SO42﹣/TiO2、SO42﹣/Fe2O3等固体酸，或者离子液体等催化剂，催化剂用量为0.3-3M。本专利技术步骤2）中采用反应温度为20-200℃；反应时间为1-72h。本专利技术步骤2）中所述2,5-呋喃二甲酸前体物质为2-甲酰基-5-呋喃羧酸酯类，或者2-半缩醛-5-呋喃羧酸酯类，2-缩醛-5-呋喃羧酸酯类等此类物质。本专利技术步骤3）中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备2,5‑呋喃二甲酸及其前体物质的方法，其特征在于，它包括以下步骤：1）以含有葡萄糖酸脱氢酶、NAD(P)H氧化酶的整细胞或葡萄糖酸脱氢酶、NAD(P)H氧化酶的游离酶为催化剂，在弱碱性条件下，NADP

【技术特征摘要】
1.一种制备2,5-呋喃二甲酸及其前体物质的方法，其特征在于，它包括以下步骤：1）以含有葡萄糖酸脱氢酶、NAD(P)H氧化酶的整细胞或葡萄糖酸脱氢酶、NAD(P)H氧化酶的游离酶为催化剂，在弱碱性条件下，NADP+或NAD+作为氢受体，催化葡萄糖酸制备葡萄糖酸衍生物；2）将步骤1）所得的葡萄糖酸衍生物加入溶剂中，在酸催化条件下反应，并将反应液中和、干燥，柱层析后得到2,5-呋喃二甲酸前体物质；3）将步骤2）所得的2,5-呋喃二甲酸前体物质通过氧化剂或催化剂催化氧化，最终获得2,5-呋喃二甲酸。2.根据权利要求1所述的一种制备2,5-呋喃二甲酸及其前体物质的方法，其特征在于，步骤1）所述的葡萄糖酸脱氢酶由含有葡萄糖酸脱氢酶基因的重组菌所表达，所述的葡萄糖酸脱氢酶基因来源于氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacteroxydans),或弱氧化葡糖杆菌(Gluconobactersuboxydans)，或巴氏醋杆菌(Acetobacterpasteurianus)，或攀膜醋杆菌(Acetobacterascendens)，或猪链球菌(Streptococcussuis)，或克雷伯氏菌(Klebsiellasp)，或产黄青霉(Penicilliumchrysogenum)等其他含有葡萄糖酸脱氢酶的菌种。3.根据权利要求1所述的一种制备2,5-呋喃二甲酸及其前体物质的方法，其特征在于，步骤1）所述的NAD(P)H氧化酶由含有NAD(P)H氧化酶基因的重组菌所表达，所述的NAD(P)H氧化酶基因来源于旧金山乳杆菌(Lactobacillussanfranciscensis)，或乳酸乳球菌(Lactococcuslactis)，或褐家鼠(Rattusnorvegicus)，或哈茨木霉(Trichodermaharzianum)等其他含有NAD(P)H氧化酶的物种。4.根据权利要求1所述的一种制备2,5-呋喃二甲酸及其前体物质的方法，其特征在于，步骤1）中催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹飞，陈姣，沙凤，武红丽，欧阳平凯，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32