[发明专利]5‑(羟甲基)‑糠醛还原产物的酸催化酰化

说明书

发明领域

本披露涉及可用作聚合物合成的单体以及各种工业化学品的前体的糖衍生的二醇。特别地，本发明涉及呋喃酯及其合成方法。

背景

常规地，商品化学品大部分地由化石或石油基烃制成。近年来，随着对可再生资源的兴趣的增长，更有效技术的进展使可再生或“绿色”原料成为可行的经济替代品。一类可再生的生物衍生的烃资源已经衍生自糖。然而，由于糖分子的可以容易地降解(特别是在较高的温度下)的固有复杂官能度，这些材料对于工业用途传统上已经受到有限关注。

最近的研究工作已经集中在生产具有较小官能度的糖基原料上。呋喃是可以容易地衍生自糖的各种通用的分子平台。除了其他工业成分外，这些分子具有在制备聚合物、药物或溶剂中特别有用的结构特征。

引起关注的化合物是5-(羟甲基)-糠醛(HMF)，果糖的主要脱水产物，一种廉价且丰富的单糖(方案A)。

方案A.果糖的酸催化脱水环化，产生HMF

HMF的双醇和醛部分使其能够用作许多潜在的工业材料如聚合物、溶剂、表面活性剂和药物的前体。

直接使用HMF的缺点是其在空气的存在下容易聚合和氧化降解的倾向，因此需要存在抗氧化剂以改善寿命。HMF可以被还原为更稳定的分子，如呋喃-2,5-二甲醇(缩写为FDM)和双-2,5-(羟甲基)-四氢呋喃(缩写为bHMTHF)，如方案B所示。

方案B.a)FDM和bHMTHF的b)顺式、c)反式非对映异构体的结构

FDM由HMF的部分氢化(醛还原)产生，如方案C所描绘，而彻底的氢化产生饱和的类似物bHMTHF，典型地以9:1顺式与反式非对映体比例产生，如方案D中。(参见例如美国专利号7,317,116或7,393,963B2。)

方案C.来自HMF的部分氢化的FDM

方案D.来自HMF的彻底催化还原的顺式/反式bHMTHF

这些化合物的双官能性质使得它们能够容易地作为起始材料用于各种化学合成中，并且用作石油基芳香族烃的可行替代品。这些材料可能是，例如，对于聚酯、聚氨酯泡沫、增塑剂、树脂、表面活性剂、分散剂、润滑剂、农业化学品有价值的前体，或作为溶剂、粘合剂、或湿润剂。在四氢呋喃环的2和5位处的羟甲基附属物提供两个手性中心，其允许bHMTHF在不对称有机合成的新兴领域中是药物或手性助剂的可能的支架。FDM和bHMTHF的应用需要提供从HMF大规模制造这些化合物的既成本效益又流线型的方法。

使用FDM和/或bHMTHF制备分子衍生物的探索受到这些原料的过高成本(例如，商业上约$200/克)的限制。为了有效地与衍生自化石基烃源的化学前体竞争，从普通农业来源制备HMF衍生物需要更好的转化和生产所希望的衍生物和中间体化合物的方法。直到最近，呋喃化合物的大规模商业化已经是相对地成本低效的。

增强使用FDM和bHMTHF作为前体或原料的起始平台的一种方法是将其转化为酯。已建立的酯的商业合成典型地需要通过布朗斯特酸催化的用羧酸的直接醇酰化。该方案通常被指定为费歇尔-斯皮尔酯化(Fischer-Speier esterification)。典型地，强无机酸如H₂SO₄和HCl用作该催化剂。这些强酸是容易获得的、廉价的材料但是难以再生，这增加了废物流。此外，这些酸可以按照一种所不希望的方式通过其阴离子部分的加成进行反应，形成副产物(如硫酸酯)。

虽然最近已经发展了一些稳健的方法，其中获得了较高的纯度。(总体上参见，X.Tong等人，“生物质到化学品：通过催化方法将糖转化为呋喃衍生物，”应用催化A：总论(“Biomass into Chemicals:Conversion of Sugars to Furan Derivatives by Catalytic Processes,”Applied Catalysis A:General)385(2010)1-13)，开发更有效的纯化的问题仍然存在。

已经尝试使用固体树脂催化剂克服这些问题的努力，但是对于大体积尚未成功。不幸的是，传统使用的固体酸不是水解稳定的并且甚至痕量的水可能不利地影响催化活性。均相金属催化剂还由于其对水解的敏感性而显示出有限的活性，这降低了催化活性。

鉴于这些使用常规方法的缺点，仍然存在对以下方法的需要，在该方法中人们能够在用于制备用作前体的HMF衍生的化合物的经济的催化剂负载量下获得较高的酯产率。

发明概述