披露了用于从底物合成2‑取代的呋喃衍生物的方法，该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。该二羰基中间体经受环化和脱水以产生2‑取代的呋喃衍生物。任选地，可以进行另外的氧化步骤，例如将作为5‑取代的呋喃环的羟甲基基团转化为2,5‑呋喃二甲酸的羧基基团。
【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环化为2-取代的呋喃衍生物
本专利技术涉及用于从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))合成2-取代的呋喃衍生物(包括呋喃二羧酸)的方法。
技术介绍
化石燃料的枯竭极大地刺激了寻找用于合成所谓的“平台”分子的石油基碳的可替代资源，这些“平台”分子可以充当用于商业价值产品的构造单元。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高价值的化学品，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。呋喃二羧酸(FDCA)被认为是称为聚呋喃二甲酸乙二酯(PEF)的聚合物的生物基单体，聚呋喃二甲酸乙二酯是石油衍生的商业产品聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的替代品并且事实上在许多方面优于聚对苯二甲酸乙二酯。FDCA也是生产在如塑料、纤维、涂料、粘合剂、个人护理产品、增塑剂和润滑剂中有多种应用的聚酰胺、聚氨基甲酸酯和酯的有用平台化学品。在PEF的情况下，该生物塑料作为瓶子和纤维的材料，以及用于制造袋、包装材料和热收缩材料的膜是特别有用的。在包装领域，PEF可以与PET共混，以提供在对CO2和O2的阻隔特性方面卓越的产品，这导致超过纯的PET的改善的保质期并为易受氧化降解的产品(如啤酒)提供可接受的容器。PEF的其他重要特性与它的高机械强度和可回收性有关。因此，工业上重要的有机分子(如FDCA)被视为衍生自常规石油炼制的它们的对应物的可行替代品。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合成此类高价值的化学品的途径。
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。有利地，在此种羧酸盐(羧酸)底物或起始化合物的情况下，它们相比于它们的前体醛(例如葡萄糖)可以潜在地展现出更大的稳定性。在高温反应条件下，此稳定性可以导致增加的反应选择性并产生导致产生一种或多种限定产物产生所希望的反应次序。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环化的产物并且特别是呋喃衍生物，其可以容易地转化为呋喃二羧酸(FDCA)和其他感兴趣的分子。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或它们对应的游离酸在溶液中经受一系列反应步骤的能力有关，致使形成所希望的2-取代的呋喃衍生物(如2,5-取代的产物、5-(羟甲基)呋喃-2-甲酸)，这些衍生物可以在相同反应条件(例如通过氧化)、有利地在同一反应器(提供“单锅”合成路线)中进一步转化为FDCA。另外的方面涉及使用环化步骤的合成途径，接着由可以称为α,β-二羟基羰基化合物的起始化合物形成二羰基中间体。环化可以伴随有第二次脱水以将初始形成的饱和的四氢呋喃环转化为呋喃环。可以使用适当的脱水催化剂在如本文所述的反应条件下促进该第二次脱水。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)环化该二羰基中间体以产生2-取代的呋喃衍生物或者产生2-取代的四氢呋喃衍生物，以及(iii)使该2-取代的四氢呋喃衍生物脱水成2-取代的四氢呋喃衍生物。优选地，(i)、(ii)和(iii)中的至少两个是非酶促反应步骤，并且更优选(i)、(ii)和(iii)都是非酶促反应步骤。本专利技术的实施例涉及用于从非环状的起始化合物或底物合成2-取代的呋喃衍生物的方法，该非环状的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-羟基将该起始化合物(也就是选自由α-,β-二羟基羧酸盐和羧酸组成的组的非环状的α-,β-二羟基羰基化合物)脱水，以形成二羰基中间体。二羰基中间体然后经受环化以形成2-取代的呋喃衍生物，任选地接着使对应的2-取代的四氢呋喃衍生物脱水。这些衍生物可以更具体地是2,5-取代的化合物，其中呋喃或四氢呋喃环的5-取代基对应于底物中没有环化的一部分(例如该底物的δ碳原子的取代基)。2-取代的呋喃衍生物，如2,5-取代的呋喃衍生物可以在单独的反应步骤中氧化以形成氧化的最终产物，如FDCA。优选地，如果进行此氧化，则该氧化在与用于合成2-取代的呋喃衍生物相同的反应器以及相同的条件下进行。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2-取代的四氢呋喃衍生物和对应的2-取代的呋喃衍生物的步骤。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”、“环化”以及任选的“氧化”转化步骤)以产生一种或多种环化产物。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)使用以生产环化产物。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“以产生2-取代的呋喃衍生物”的步骤不排除使用后续的转化步骤，如在相同的反应条件(例如在相同的反应器中)下或在不同的反应条件(例如在单独的反应器中)下，以获得一种或多种其他希望的最终产物，如通过氧化。例如，如以上所述，5-(羟甲基)呋喃-2-甲酸可以氧化为FDCA。术语“mol-％”和“wt-％”分别用于指定摩尔百分数或重量百分数的量和浓度。基于所使用(引入或进料至反应器)的底物的摩尔，以“mol-％”给出的产物产率是指获得的给定中间体或最终产物(5-(羟甲基)呋喃-2-甲酸或FDCA)的摩尔。术语“烷基”，当单独或与其他基团组合使用时，例如当在“烷氧基”、“烷氧基烷基”、“羟基烷基”、“羧基烷基”、“烷酰基”和“烷酰基烷基”中组本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于合成2-取代的呋喃衍生物的方法，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；/n(b)环化该二羰基中间体以产生包括该第一羰基的包含呋喃环的2-取代基的该2-取代的呋喃衍生物，/n其中该方法是以非酶促进行的。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180413 US 62/657,4161.一种用于合成2-取代的呋喃衍生物的方法，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；
(b)环化该二羰基中间体以产生包括该第一羰基的包含呋喃环的2-取代基的该2-取代的呋喃衍生物，
其中该方法是以非酶促进行的。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该脱水包括由该β-羟基和该α-羟基的氢的结合形成水。
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)包括在形成该2-取代的呋喃衍生物之前，形成包含该2-取代基的2-取代的四氢呋喃衍生物并使该2-取代的四氢呋喃衍生物脱水成该2-取代的呋喃衍生物。
4.如权利要求1所述的方法，其中，该2-取代的呋喃衍生物是2,5-二取代的呋喃衍生物，该2,5-二取代的呋喃衍生物的该呋喃环上具有2-取代基和5-取代基二者。
5.如权利要求4所述的方法，其中，该2,5-二取代的呋喃衍生物具有该起始化合物中没有环化的δ碳原子的取代基作为该5-取代基。
6.如权利要求5所述的方法，其中，该2-取代基是羧基且该5-取代基是羟甲基，由此该2,5-二取代的呋喃衍生物是5-(羟甲基)呋喃-2-甲酸。
7.如权利要求6所述的方法，该方法进一步包括氧化该5-(羟甲基)呋喃-2-甲酸的至少一部分以提供呋喃-2,5-二甲酸。
8.如权利要求7所述的方法，其中，该氧化是在如用于该脱水和环化的相同反应容器中进行的。
9.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
R2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，...
【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
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