[发明专利]从糖类制备HMF和HMF衍生物同时回收适合于直接发酵为乙醇的未反应糖类的方法

说明书

本发明涉及用于从糖类，并且特别地但不限于，从己糖碳水化合物如葡萄糖和果糖，制备羟甲基糠醛和其衍生物的方法。

在果糖的酸催化脱水中的一种主要产物是2-羟甲基-5-糠醛，也被称为羟甲基糠醛(HMF)。HMF的结构在以下示出：

HMF表示从可再生资源像碳水化合物容易获得的一种关键的中间物质，并且已经提出HMF和HMF的某些衍生物(如HMF的酯和醚衍生物)作为形成各种呋喃单体的基于生物的原料，这些呋喃单体用于制备非石油衍生的聚合物材料。尽管不受理论约束，但通常相信果糖经由一个非循环途径转化为HMF，尽管也存在经由循环的呋喃果糖中间途径转化为HMF的证据。不管HMF形成的机理，众所周知在该反应过程中形成的中间物质可能进而经受另外的反应如缩合、再水合、复原和其他重排，导致过多的不想要的副产物。

以下是果糖转化为HMF的一个建议途径：

如提及的，HMF和其相关的2,5-二取代呋喃类衍生物已被认为对用于来自再生资源的中间化学品领域中具有很大的潜力。更具体地，由于它的不同的功能性，已建议将HMF用于生产宽范围的产品例如聚合物、溶剂、表面活性剂、药物、和植物保护剂，并且已报道HMF具有抗菌和防腐蚀特性。HMF在多种多样的化合物如糠基二醇、二醛、酯、醚、卤化物以及羧酸的合成中作为一种起始材料或中间物也是一种关键的组分。

此外，HMF已经被认为作为化石燃料的一种可持续替代物对于发展生物燃料、衍生自生物质的燃料是有用的。另外地，HMF已经被评估为镰状细胞贫血的一种治疗方法。简而言之，HMF是一种重要的化合物，并且一种大规模生产HMF而无显著量的杂质、副产物和剩余起始材料的合成方法已被寻求了将近一个世纪。

不幸地，尽管长期以来已知HMF可以从容易获得的己糖碳水化合物，例如通过脱水方法来制备，尚未找到一种提供具有良好选择性和高产率的HMF的方法。复杂的情况由HMF的再水合引起，这种情况产生副产物，如乙酰丙酸和甲酸。另一种不想要的副反应包括HMF和/或果糖的聚合，产生作为固体废物的腐黑物聚合物。其他复杂的情况可能作为溶剂选择的结果而产生。水容易处置并溶解果糖，但不幸地，在水性条件下低选择性以及增加的聚合物和腐黑物的形成增加。

农业原料(如淀粉、纤维素、蔗糖或菊糖)是用于制造己糖(如葡萄糖和果糖)的廉价的起始材料。如以上所示出的，这些己糖可以进而被转化为HMF。糖类脱水产生HMF是众所周知的。HMF最初是在1895年由Dull从果糖(Chem.Ztg.,19,216)并且由Kiermayer从蔗糖(Chem.Ztg.,19,1003)制成的。然而，这些最初合成不是切实可行的生产HMF的方法，由于起始材料到产物的转化率低。

制备HMF的常用催化剂包括便宜的无机酸如H₂SO₄、H₃PO₄、和HCl。这些酸催化剂以溶液来使用并且难以再生。为了避免再生和处置问题，已经使用了固体磺酸催化剂。不幸地，固体酸性树脂的有用性是有限的，因为在这些树脂的表面上形成去活化的腐黑物聚合物。

HMF的纯化也已经被证明是一种麻烦的操作。在长时间暴露于可以将所希望的产物蒸馏的温度时，HMF和与该合成混合物相关的杂质倾向于形成焦油降解产物。因为这种热不稳定性，必须使用降膜真空蒸馏器。即使在此类装置中，树脂固体在加热表面上形成，导致转子停转和频繁的停工时间，这使得该操作无效率。现有工作已经进行了蒸馏并且添加一种非挥发性溶剂像PEG-600以防止固体腐黑物聚合物的累积(Cope，美国专利号2,917,520)。不幸地，使用聚乙二醇导致形成HMF-PEG醚。

这些现有技术方法也未能提供可以经济地进行的一种生产HMF的方法。例如，Besemer等人，荷兰应用科学研究组织营养食品研究(Netherlands Organ.Appl.Sci.Res.Nutr.Food Res.)，描述了HMF酯类的酶促合成。该方法需要使用昂贵的酶并因此不能提供经济上可行的合成HMF酯类的途径。

Garber等人，加拿大专利654240，描述了使用过量的酸酐和吡啶溶剂从HMF合成2,5-四氢呋喃二甲醇单酯。使用二乙醚中的雷尼(Raney)Ni催化剂进行还原反应。然而，该参考文献未披露从果糖或使用羧酸来合成HMF酯类。此外，去除雷尼Ni催化剂是危险的并且处理该催化剂的成本可能造成负担。