α,β-二羟基羰基化合物脱水并裂解为乳酸和其他产物制造技术

披露了用于从起始底物合成裂解产物的方法，该起始底物具有羰基官能团(C＝O)，和相对于该羰基官能团在α和β位处的羟基取代的碳原子。在一个实施例中，将α‑,β‑二羟基羧酸或羧酸盐通过将α‑羟基转化为第二羰基并去除β‑羟基进行脱水，以形成二羰基中间体。裂解该二羰基中间体以形成裂解产物，在该裂解产物中保留了第一和第二羰基。由该二羰基中间体的碳‑碳键裂解产生的(i)裂解产物和(ii)第二裂解产物之一或二者可以氢化以形成额外的产物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】α,β-二羟基羰基化合物脱水并裂解为乳酸和其他产物
本专利技术涉及用于合成裂解产物的方法，这些裂解产物包括作为许多高价值最终产物前体的丙酮酸和甘油醛，其中这些裂解产物和最终产物相对于α,β-二羟基羰基起始化合物(包括α,β-二羟基羧酸和羧酸盐(如从葡萄糖获得的产物))具有较低的碳原子数。
技术介绍
化石燃料的枯竭极大地刺激了寻找用于生产具有低碳原子数的所谓的“平台”分子(如丙二醇和其他3碳原子数(C3)的产物)的石油基碳的可替代资源。生物质目前被认为是潜在的替代品，从其中可以衍生出许多此类已知的、高价值的石油基化学品，但用于从可再生资源生产此类化学品的可持续技术的发展仍然是一个重大挑战。近年来，生物柴油工业提供了大量的作为在植物油和动物脂肪中精炼甘油三酯的副产物的粗甘油。该甘油可以充当生产这些相同较低碳数的高价值化学品(如丙二醇)的原料。然而，为了该目的而充分纯化甘油所需的步骤需要重大代价，并且生物柴油工业的盈利能力严重依赖税收抵免和政府补贴的其他形式。本现有技术将从以下中大大获益：由可容易获得或可获得的底物、并且特别是由衍生自可再生的碳水化合物基资源的底物合成高价值中间体(如丙酮酸和甘油醛)和/或下游转化产物(如乳酸和丙二醇)的途径。
技术实现思路
本专利技术的方面与发现合成方法有关，该方法可以使用底物如葡糖酸和葡糖二酸，该葡糖酸和葡糖二酸易于例如自葡萄糖的氧化获得。相比于它们的前体醛(例如葡萄糖)，此类底物倾向于在高温条件下展现出更大的稳定性，这可以导致增加沿着希望的反应序列向一种或多种限定产物的反应选择性和产率。从而减少了由于不希望的副反应而带来的产物损失。特别感兴趣的产物包括“裂解”产物，该“裂解”产物是由碳-碳键裂解形成并且从而相对于所使用的底物具有较低的碳原子数。从醛前体氧化为羧酸盐来获得合适的底物是简单且廉价的，通常仅需要空气作为氧化剂。具体的方面与含有羧酸盐阴离子的底物在溶液中经受一系列反应步骤的能力有关，致使形成希望的3碳原子数的裂解产物(如丙酮酸和甘油醛)，该裂解产物可以在相同反应条件(例如通过氢化/还原)下被转化为希望的最终产物(如乳酸、甘油、以及甚至丙二醇(1,2-丙二醇))。具体的方面涉及使用裂解步骤的合成途径，接着由α,β-二羟基羰基起始化合物形成二羰基中间体。可以使用裂解催化剂在如本文所述的反应条件下促进裂解。较低碳原子数的裂解产物包括例如3碳原子数的化合物，如以上所述的可以由任何4-、5-、或6-碳原子数的底物或起始化合物合成的那些。此类底物可以例如通常形成作为裂解产物的丙酮酸。更具体的方面涉及发现合成此类途径或此类途径的单独反应步骤，这些途径可以非酶促进行，意味着在反应混合物中没有使用酶(例如多肽)。在本文所述的方法在非酶促(如仅使用一种或多种化学催化剂而不是一种或多种生物催化剂)进行的情况下，优势在于允许较宽范围的可能的反应条件，如对生物试剂(例如使蛋白质(包括酶)变性)有害但仍允许所希望的中间体和/或最终产物的高产率的温度和/或pH条件。与非均相或均相化学催化剂分离相关的相对较低的成本相比，其他优势可以来自于降低的操作成本，并且特别是与从产物中分离酶相关的那些。根据某些实施例，本文所述的以下合成步骤中的至少一个是非酶促反应步骤(即，不是使用酶催化的)：(i)使起始化合物脱水以形成二羰基中间体，(ii)裂解该二羰基中间体以产生裂解产物，(iii)氢化该裂解产物以产生最终产物，以及(iv)将第二裂解产物转化为额外量的最终产物。优选地，(i)、(ii)、(iii)、以及(iv)中的至少两个是非酶促反应步骤，更优选(i)、(ii)、(iii)、以及(iv)中的至少三个是非酶促反应步骤，并且还更优选(i)、(ii)、(iii)以及(iv)都是非酶促反应步骤。本专利技术的实施例涉及用于合成裂解产物的方法，该裂解产物相对于起始化合物具有较低的碳原子数。起始化合物或底物包括羰基官能团(C＝O)，和相对于该羰基官能团在阿尔法(α)和贝塔(β)位处的羟基取代的碳原子。根据一个反应步骤，通过将α-羟基转化为第二羰基(与起始化合物的羰基相邻)并去除β-羟基将此起始化合物(也就是α-,β-二羟基羰基化合物(即包含α-,β-二羟基羧酸和羧酸盐的化合物的通用类别))脱水，以形成二羰基中间体。然后裂解二羰基中间体以形成裂解产物，其本身是二羰基化合物，但相对于二羰基中间体具有较少的碳原子且保留了第一和第二羰基。该裂解通常导致产生不同于裂解(二羰基)产物的第二裂解产物如醛或羧酸盐。通常，在6碳原子数底物的情况下，裂解(二羰基)产物和第二裂解(例如醛或羧酸盐)产物二者可以是3碳原子数的产物，如甘油醛或2-羟基-3-氧代丙酸。在5碳原子数底物的情况下，裂解(二羰基)产物可以是3碳原子数的产物且第二裂解(例如醛或羧酸盐)产物可以是2碳原子数的产物，如2-羟基乙醛或2-氧代乙酸。在4碳原子数底物的情况下，裂解(二羰基)产物可以是3碳原子数的产物且第二裂解(例如醛或羧酸盐)产物可以是单碳原子数的产物，如甲醛或甲酸。裂解产物和第二裂解产物之一或二者可以被进一步转化，如通过在可存在于反应环境中的还原条件(例如升高的氢分压)下氢化/还原为氢化的最终产物。此类氢化的最终产物分别在丙酮酸作为裂解(二羰基)产物的情况下可以包括乳酸，或者在甘油醛或2-羟基-3-氧代丙酸作为第二裂解(例如醛或羧酸盐)产物的情况下可以包括甘油或甘油酸。其他有价值的最终产物可以包括通过涉及1,2-氢化物转换或氢化物转移(坎尼扎罗反应)的反应由甘油醛生产的乳酸。这些方面和其他方面、实施例以及相关的优势将从以下详述说明书中变得明显。附图说明图1示出了通用反应机理，包括根据本文所述的合成方法合成裂解产物和最终产物的步骤。图2示出了具体的反应机理，根据该反应机理，葡糖酸是起始材料或底物。这些图被理解为呈现本专利技术的实施例，以帮助理解所涉及的原理和化学反应，但不限制如所附权利要求中定义的本专利技术的范围。如对于具有本披露知识的本领域技术人员来说将明显的是，根据本专利技术的各种其他实施例的合成方法将利用至少部分根据具体目标确定的特定试剂和反应条件。具体实施方式如本文所用，术语“底物”或可替代性地“起始化合物”是指经受一个或优选一系列转化步骤(如“脱水”、“裂解”以及任选的“氢化”转化步骤)以产生一种或多种裂解产物和/或最终产物的初始化合物。这些转化步骤不排除使用现有的转化步骤，如在相同的反应条件下(例如在相同的反应器中)或在不同的反应条件下(例如在单独的反应器中)使用以生产裂解产物和/或最终产物。此类现有的转化步骤可以包括将可容易获得的前体(如葡萄糖)转化(如通过氧化)为作为起始化合物的葡糖酸或葡糖二酸。同样地，进行其“以生产裂解产物”或“以生产最终产物”的步骤不排除使用后续的转化步骤，如在相同的反应条件下(例如在相同的反应器中)或在不同的反应条件下(例如在单独的反应器中)使用以产生一种或多种裂解产物和/或一种或多种最终产物，以获得一种或多种其他希望的最终产物。例如，作为氢化的最终产物的乳酸可以经受到丙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于合成裂解产物的方法，该裂解产物相对于起始化合物具有较低碳原子数，该方法包括：/n(a)使包含相对于第一羰基在α碳原子处取代的α羟基和相对于该第一羰基在β碳原子处取代的β羟基的该起始化合物通过将该α羟基转化为第二羰基并且去除该β羟基进行脱水，以形成二羰基中间体；以及/n(b)裂解该二羰基中间体以产生相对于该二羰基中间体具有较少碳原子的裂解产物。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180413 US 62/657,4091.一种用于合成裂解产物的方法，该裂解产物相对于起始化合物具有较低碳原子数，该方法包括：
(a)使包含相对于第一羰基在α碳原子处取代的α羟基和相对于该第一羰基在β碳原子处取代的β羟基的该起始化合物通过将该α羟基转化为第二羰基并且去除该β羟基进行脱水，以形成二羰基中间体；以及
(b)裂解该二羰基中间体以产生相对于该二羰基中间体具有较少碳原子的裂解产物。


2.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：
(c)氢化该裂解产物以产生最终产物，该最终产物具有该第一羰基和由该第二羰基的氢化的产生的相邻的羟基。


3.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，该起始化合物和该二羰基中间体分别具有通式I和通式IIA：



其中R1选自由以下组成的组：烷基、烷氧基、烷氧基烷基、羟基和羟基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基以及羟基烷基的烷基部分具有1至5个碳原子，这些碳原子可以任选地被一个或多个选自由-OH、-CH3和＝O组成的组的取代基取代，并且
其中R2A选自由以下组成的组：烷基、烷氧基、烷氧基烷基、羟基、羟基烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基和烷酰基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基、羟基烷基、羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基的烷基部分具有1至5个碳原子，这些碳原子可以任选地被一个或多个选自由-OH、-CH3和＝O组成的组的取代基取代。


4.如权利要求3所述的方法，其中，R1是羟基并且R2A是羟甲基，由此该起始化合物是三羟丁酸盐，并且进一步其中该裂解产物是丙酮酸盐。


5.如权利要求1所述的方法，其中，该裂解产物是裂解的二羰基产物，其中保留了该二羰基中间体的第一和第二羰基。


6.如权利要求5所述的方法，其中，该起始化合物进一步包含相对于该第一羰基在γ碳原子处取代的γ羟基，并且其中裂解步骤(b)除了该裂解产物之外还形成了具有醛基的第二裂解产物，该醛基是由该二羰基中间体中对应于该起始化合物的该β碳原子和该γ碳原子的β碳原子与γ碳原子之间的裂解产生。


7.如权利要求6所述的方法，该方法进一步包括转化该第二裂解产物的至少一部分以产生额外量的由该裂解产物的氢化获得的最终产物。


8.如权利要求1所述的方法，其中，该起始化合物和该二羰基中间体化合物分别具有通式IV和通式VA：



其中R1选自由以下组成的组：烷基、烷氧基、烷氧基烷基、羟基和羟基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基以及羟基烷基的烷基部分具有1至5个碳原子，这些碳原子可以任选地被一个或多个选自由-OH、-CH3和＝O组成的组的取代基取代；
R3A选自由以下组成的组：氢取代基、烷氧基、羟基和羧基，其中烷氧基的烷基部分具有1至5个碳原子，这些碳原子可以任选地被一个或多个选自由-OH、-CH3和＝O组成的组的取代基取代；并且
R4A选自由以下组成的组：氢取代基、烷基、烷氧基、烷氧基烷基、羟基、羟基烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基和烷酰基烷基，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·布拉兹迪尔，唐纳德·罗格内斯，
申请(专利权)人：阿彻丹尼尔斯米德兰德公司，
类型：发明
国别省市：美国;US