專利名稱：5-(氯甲基)-2-呋喃甲醛向5-甲基-2-糠酸及其衍生物的轉(zhuǎn)化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由5-(氯甲基)-2-呋喃甲醛(CMF)來合成5-甲基_2_糠酸，包括它的酯、酰胺以及硫代酯衍生物。如此制備的這些分子作為制藥、食品以及香料分子的中間體、以及燃料或燃料添加劑是有用的。
背景技術(shù)：
由可再生原料產(chǎn)生商品化學(xué)品仍然是綠色化學(xué)領(lǐng)域中最優(yōu)先的項(xiàng)目之一。此外，可以在催化形式下進(jìn)行而使得可以避免化學(xué)計(jì)量的有毒副產(chǎn)物的化學(xué)過程對于開發(fā)感興趣的分子的長期且可持續(xù)的路徑而言將是重要的。雖然現(xiàn)在使用的大多數(shù)催化過程是通過過渡金屬的作用來介導(dǎo)的，但是最近的進(jìn)展已經(jīng)顯示，某些全有機(jī)的支架，即僅包含非金屬原子如碳、氫、氮、硫、氧或磷，可以在催化形式中起作用并且影響反應(yīng)底物上的在表面上不明顯的轉(zhuǎn)化。能夠?qū)崿F(xiàn)特殊轉(zhuǎn)化的一種這樣的支架包括雜環(huán)，其中在該環(huán)中有三個(gè)連續(xù)的碳原子具有‘X+=C_X’的形式，其中‘X’為氮、硫、硅或磷(圖2)。在用適合的堿進(jìn)行處理時(shí)，這些分子產(chǎn)生包含二價(jià)碳中心的穩(wěn)定的單線態(tài)卡賓。該卡賓能夠向某些有機(jī)官能團(tuán)賦予非常特殊的活性；最普遍理解的是在新陳代謝期間丙酮酸鹽上的硫胺素維他命。目前對這些卡賓進(jìn)行的許多學(xué)術(shù)研究都關(guān)注著以下集合(grouping): ‘R(R’)，也被稱為“N雜環(huán)卡賓(NHC)”，以及它們對醛類的作用。經(jīng)典地，醛基團(tuán)被認(rèn)為是高反應(yīng)性的親電體，具有位于碳原子上的部分正電荷。NHC有機(jī)催化能夠在被稱為“極反轉(zhuǎn)(umpolong)”反應(yīng)的現(xiàn)象中逆轉(zhuǎn)這個(gè)電荷，其中這個(gè)碳現(xiàn)在在醛-NHC加成物中攜帶了部分負(fù)電荷(參見澤巴赫(Seebach) AnRewandte Chemie International Edition in EnRlish (德國應(yīng)用化學(xué)國際版，英語)18，239 (1979))。該化學(xué)文件包括加成、消除、環(huán)加成以及涉及該中間體的許多其他反應(yīng)的實(shí)例。來自美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯校區(qū)的馬克.馬斯卡(Mark Mascal)最近的出版物詳細(xì)地闡述了可以由多種可再生的纖維的以及半纖維的原料產(chǎn)生5_(氯甲基)-2_呋喃甲醒(CMF)的一種高產(chǎn)率的方法(參見馬斯卡(Mascal)和尼吉丁(Nikitin)EnerRY & Fuels(能源與燃料)24,2170 (2009))。由于該方法利用了強(qiáng)無機(jī)酸，糖單元的立體化學(xué)以及糖苷鍵是不可知的，并且會(huì)將六個(gè)碳的糖轉(zhuǎn)化為CMF，脫氧糖或葡萄糖酸是例外。在來源于碳水化合物的呋喃的領(lǐng)域中相似的工作集中在產(chǎn)生5-(羥甲基)-2-呋喃甲醛(HMF)(參見賓得(Binder)和雷恩斯(Raines) Energy &Environmental Science (倉R源與環(huán)境科學(xué))3,677(2010))。CMF和HMF均可以轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品，首先是通過催化加氫來提供5-甲基-2-呋喃甲醛或2，5- 二甲基呋喃、或者另外被氧化成2，5-呋喃-二羧酸酯,可以用作塑料單體。與本發(fā)明特別相關(guān)的是馬斯卡(Mascal)的CMF向5_ (乙氧基甲基)_2_呋喃甲醒(EMF)的轉(zhuǎn)化(參見尼吉丁(Nikitin)和馬斯卡(Mascal) Angewandte ChemieInternational Edition (德國應(yīng)用化學(xué)國際版)47,47 (2008)),這種轉(zhuǎn)化證實(shí)了就其能量含量而言的有利的燃料特性(30.3MJL-1)。雖然在此方面與汽油相似，但EMF不能與汽油在可觀的水平上摻合、并且還易于因?yàn)榉磻?yīng)性醛基而在長時(shí)間靜置時(shí)自動(dòng)氧化(圖3)。α -氯-醒是博德(Bode)、羅維斯(Rovis)以及沙伊特(Scheidt)對于NHC催化進(jìn)行了研究的底物(參見Sohn (索恩)和博德(Bode) Organic Letters (有坑化學(xué)通訊)7,3873 (2005^ ;雷諾茲(Reynolds)和羅維斯(Rovis) Tournal of the American ChemicalSociety (美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志)127,16406 (2005):陳(Chan)和沙伊特(Scheidt) OrganicLetters (有機(jī)化學(xué)通訊)7,905 (2005^)。在機(jī)械方面,在卡賓加成為醒之后,在醒-碳中心的負(fù)電荷將消除氯化物，從而提供烯醇中間體(圖4)。在互變異構(gòu)化為酮之后，外源親核體(例如醇、水或胺)將排斥唑鎗(azolium)部分并且重新進(jìn)行催化循環(huán)。得到的酸、酯或酰胺各自對與催化劑的進(jìn)一步反應(yīng)是免疫的。CMF可以被認(rèn)為是α-氯-醛，然而該碳-氯ζ鍵通過呋喃環(huán)系統(tǒng)而與醛η鍵分離。在η鍵或η系統(tǒng)連接了某些原子的官能團(tuán)中，該基團(tuán)可以被認(rèn)為是‘插烯的(vinylogous)’、‘雙插烯的(doubly-vinylogous)’等。例如,具有將氮連接至羰基上的碳-碳雙鍵的酰胺官能團(tuán)被稱為“插烯酰胺”。在CMF的情況下，該碳-氯基團(tuán)以及醛是“雙插烯的“，或者在當(dāng)呋喃η系統(tǒng)連接了這些鍵時(shí)也許是‘插呋喃的(furanylogous)’，并且因此保持反應(yīng)性。本發(fā)明描述了使用這種新穎的轉(zhuǎn)化、由NHC分子催化的、CMF以及5_甲基_2_呋喃甲醛的相關(guān)衍生物向5-甲基-2-糠酸及其衍生物的高產(chǎn)率轉(zhuǎn)化。由可再生碳水化合物原料產(chǎn)生的CMF可以按催化方式被轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品，而不需要使用過渡金屬、壓縮氫氣或極端的壓力或溫度。
發(fā)明說明在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基-2-糠酸甲酯的方法，產(chǎn)率大于50%。該方法包括使一種具有化學(xué)式II的含呋喃的分子、堿、有機(jī)溶劑、催化劑以及甲醇在32° C相接觸，這樣產(chǎn)生了 5-甲基-2-糠酸甲酯。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基-2-糠酸乙酯的方法，產(chǎn)率大于50%。該方法包括使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子、堿、有機(jī)溶劑、催化劑以及乙醇在32° C相接觸，這樣產(chǎn)生了 5-甲基-2-糠酸乙酯。附圖簡要說明

圖1展示了具有化學(xué)式I和化學(xué)式II的分子，它們分別是本發(fā)明的產(chǎn)物和底物。圖2展示了取決于催化劑的存在與否，5-(氯甲基)-2-呋喃甲醛(CMF，I)向5_ (乙氧基甲基)-2-呋喃甲醛(EMF，2)或者5-甲基-2-糠酸乙酯(3)的不同反應(yīng)。圖3展示了本發(fā)明提出的、以及已知的α -氯代醒(chloroaldehyde)關(guān)于NHC催化的催化性循環(huán)機(jī)制。圖4展示了 N-雜環(huán)卡賓催化劑的代表性的前體鹽、以及用堿對它們?nèi)ベ|(zhì)子化。圖5是甘油還原為1，2-丙二醇或者脫水為丙烯醛的示意性圖解。圖6是作為親核劑的噻唑鎗或三唑鎗環(huán)系統(tǒng)的示意性圖解。圖7是本發(fā)明所述的一種示例性方法的示意性圖解。圖8是本發(fā)明所述的一種示例性方法的示意性圖解。圖9是葡萄糖 以及衍生分子的示意性圖解。圖10是被噻唑鎗環(huán)侵入、隨后消除了氯化物的氯代醛的示意性圖解?；プ儺悩?gòu)化為酮提供了一種容易水解的中間體。圖11是?；虚g體用來提供糠酸酯的不同反應(yīng)的示意性圖解。
本發(fā)明的實(shí)施模式以及工業(yè)實(shí)用性1.概述
本發(fā)明所述的一種方法包括由CMF來制備5-甲基-2-糠酸，包括酯、酰胺以及硫代酯衍生物，以作為有用的化學(xué)結(jié)構(gòu)單元以及燃料或燃料添加劑。第一步驟涉及使具有化學(xué)式II的分子、催化劑、堿、有機(jī)溶劑以及反應(yīng)性的親核體在10° C與50° C之間的溫度下相接觸。用水使該反應(yīng)淬滅，并且疏水性的呋喃產(chǎn)物可以用疏水性溶液萃取、并且通過二氧化硅層析法提純。疏水性的呋喃產(chǎn)物還可以通過蒸餾、沉淀或升華進(jìn)行分離。通過這種方法，5-甲基-2-糠酸甲酯以及5-甲基-2-糠酸乙酯的產(chǎn)率大于50%。在親水性的呋喃產(chǎn)物如5-甲基-2-糠酸的情況下，該產(chǎn)物可以通過蒸餾、沉淀或升華來提純。I1.定義
如在此使用的，術(shù)語“催化劑“指的是相對于CMF以亞化學(xué)計(jì)量的量存在的任何原子或分子集合，該原子或分子 集合能夠影響所希望的向5-甲基-2-糠酸以及它的酯類、酰胺類、以及硫代酯類的化學(xué)轉(zhuǎn)化。該催化劑還可以相對于CMF以等于或超過化學(xué)計(jì)量的量存在。如在此使用的，術(shù)語“N-雜環(huán)卡賓”指的是包含至少兩個(gè)非碳原子以及至少一個(gè)碳原子的任何多環(huán)或雜環(huán)的有機(jī)分子，這兩個(gè)非碳原子包括一個(gè)氮以及一個(gè)選自以下的原子:氮、硫、磷或硅。這些原子的排列方式是使得在用一種無水的堿處理時(shí)，單線態(tài)卡賓將在包含在該雜環(huán)內(nèi)的一個(gè)碳原子上形成。如在此使用的，術(shù)語“親核體”指的是包含反應(yīng)性的負(fù)電性元素的有機(jī)分子。實(shí)例包括:水；醇類，包括甲醇、乙醇、丁醇、丙醇以及其他脂肪族或芳香族基團(tuán)；胺類，包括氨、燒基氣、二燒基氣以及二燒基氣基團(tuán)；以及硫醇類，包括硫化氫!以及燒基硫醇類；以及金屬穩(wěn)定的碳陰離子，如烷基鎂或烷基鋰物質(zhì)。如在此使用的，術(shù)語“堿”指的是能夠中和酸類的分子。在本發(fā)明中有用的堿包括但不限于:碳酸鉀、碳酸銫、1，8-二氮雜二環(huán)[5.4.0] i^一碳-7-烯(DBU)、1，4-二氮雜二環(huán)[2.2.2]辛烷(DABCO)以及奎寧環(huán)定。其他堿也是有用的，如碳酸鈉、碳酸鋰、碳酸氫鈉、碳
酸氫鉀、烷基胺類、二烷基胺類以及三烷基胺類。如在此使用的，術(shù)語“單線態(tài)卡賓”指的是碳原子鍵合至兩個(gè)取代基上，其中剩余的原子軌道幾何形狀包括攜帶有兩個(gè)電子的S-軌道、以及一個(gè)空的P-軌道。如在此使用的，術(shù)語“有機(jī)溶劑”指的是通常為非極性的、極性疏質(zhì)子的或極性質(zhì)子性溶劑的溶劑。有機(jī)溶劑包括但不限于:四氫呋喃、乙腈、二乙醚、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯、戊烷、己烷、庚烷、環(huán)己烷、苯、甲苯、甲醇、乙醇、以及齒代溶劑如氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1，2- 二氯乙烷或其組合)。其他有機(jī)溶劑在本發(fā)明中是有用的。如在此使用的，術(shù)語“疏水性溶劑”指的是與水不可混溶的溶劑。萃取溶劑包括但不限于:二乙醚、乙酸乙酯、甲基叔丁基醚、己烷、戊烷、庚烷、環(huán)己烷、苯、甲苯以及齒代溶劑如氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1，2-二氯乙烷或其組合)。其他萃取溶劑在本發(fā)明中是有用的。如在此使用的,術(shù)語“疏水性的呋喃產(chǎn)物”指的是本方法的產(chǎn)物,這些產(chǎn)物包含一個(gè)呋喃環(huán)、并且通常是不溶于水的。疏水性的呋喃產(chǎn)物包括但不限于:5_甲基-2-糠酸的脂肪族以及芳香族的酯類、5-甲基-2-糠酸的脂肪族以及芳香族的酰胺類以及5-甲基-2-糠酸的脂肪族以及芳香族的硫代酯類。
如在此使用的，術(shù)語“親水性的呋喃產(chǎn)物”指的是本方法的產(chǎn)物，這些產(chǎn)物包含一個(gè)呋喃環(huán)、并且通常是溶于水的。親水性的呋喃產(chǎn)物包括但不限于5-甲基-2-糠酸。II1.制備5-甲基-2-糠酸和衍生物的方法。
本發(fā)明的方法涉及由具有化學(xué)式II的含呋喃的分子來制備具有化學(xué)式I的含呋喃的分子，產(chǎn)率大于50%，該具有化學(xué)式I的含呋喃的分子是有用的化學(xué)結(jié)構(gòu)單元以及燃料或燃料添加劑。第一步驟涉及使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子，堿如DBU，有機(jī)溶劑如四氫呋喃(THF)，催化劑如N-雜環(huán)卡賓，以及反應(yīng)性的親核體如醇類、水、胺類或硫醇類，在從大約-78° C至大約150° C的溫度下在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)相接觸。完成之后，第二步驟涉及用一種疏水性溶劑如乙酸乙酯來分離具有化學(xué)式I的產(chǎn)物分子。通過這種方法，5-甲基-2-糠酸甲酯以及5-甲基-2-糠酸乙酯的產(chǎn)率大于70%。
本發(fā)明的有用產(chǎn)物包括具有化學(xué)式I的分子，其中化學(xué)式I中的R包括氧、硫以及氮；并且其中化學(xué)式I中的R’包括碳、氫、硫、氮、氧或它們的任何芳香族或脂肪族的組合。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基-2-糠酸的方法。該方法涉及使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子、堿、有機(jī)溶劑、催化劑以及水在從大約-78。C至大約150° C的溫度下在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)相接觸。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基-2-糠酸的酯類的方法。該方法涉及使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子，堿，有機(jī)溶劑，催化劑，以及醇如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或其他脂肪族或芳香族的醇，在從大約-78° C至大約150° C的溫度下在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)相接觸。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基-2-甲酰胺或其取代酰胺的方法。該方法涉及使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子，堿，有機(jī)溶劑，催化劑，以及胺如氨、脂肪族或芳香族的烷基胺、或脂肪族或芳香族的二烷基胺在從大約-78° C至大約150° C的溫度下在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)相接觸。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種制備5-甲基呋喃-2-硫代羧-S-酸或它的脂肪族或芳香族的硫代酯的方法。該方法涉及使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子，堿，有機(jī)溶齊U，催化劑，以及硫醇如硫化氫、或脂肪族或芳香族的硫醇，在從大約-78° C至大約150° C的溫度下在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)相接觸。在本發(fā)明中使用的CMF具有明確的分子結(jié)構(gòu)“5_(氯甲基)-2_呋喃甲醛”，C6H5C102。CMF可以由含碳水化合物的材料產(chǎn)生，如農(nóng)業(yè)、市政或林業(yè)的廢水流。CMF還可以由5-甲基-2-呋喃甲醛、5-(羥甲基)-2-呋喃甲醛或其他呋喃衍生物通過有機(jī)合成領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的反應(yīng)來以合成方式生產(chǎn)。對本發(fā)明有用的底物包括具有化學(xué)式II的分子，包括CMF，連同5-甲基_2_呋喃甲醛的其他衍生物，其中化學(xué)式II中的R”包括氯化物、氟化物、溴化物、碘化物、對甲苯磺酸酯、甲磺酸酯、三氟乙酸酯、苯氧基、羥基、銨或已知參與了這個(gè)化學(xué)作用其他原子或元素
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口 O在本發(fā)明中使用的催化劑包括已知影響了醛中的極反轉(zhuǎn)反應(yīng)的那些原子或者原子集合。例如，N-雜環(huán)卡賓包含任何多環(huán)或雜環(huán)的有機(jī)分子，這些多環(huán)或雜環(huán)的有機(jī)分子包含一個(gè)氮原子，以及至少一個(gè)選自以下的原子:氮、硫、磷或硅；連同至少一個(gè)碳原子。這些原子的排列方式是使得在用無水的堿進(jìn)行處理時(shí)，將形成二價(jià)碳。這類實(shí)例包括噻唑鎗、I，2，4-三唑鎗、咪唑鎗以及四唑鎗環(huán)系統(tǒng)的有機(jī)或無機(jī)鹽，連同已知會(huì)產(chǎn)生單線態(tài)卡賓的其他系統(tǒng)。另外其他有用的催化劑包括親核的陰離子基團(tuán)，如氰化物、氯化物、溴化物以及碘化物。本發(fā)明的方法可以在任何適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行。該溫度可為從-78° C至120° C。該溫度其他有用的范圍包括從大約10° C至大約50° C。該溫度又另一個(gè)有用的范圍包括從大約25° C至大約35° C。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)了解的是，其他溫度范圍在本發(fā)明中是有用的。根據(jù)本發(fā)明的方法可以進(jìn)行任何適合的持續(xù)時(shí)間。一個(gè)有用的持續(xù)時(shí)間為從I秒至24小時(shí)。其他有用的范圍包括從大約I小時(shí)至4小時(shí)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)了解的是，其他持續(xù)時(shí)間在本發(fā)明中是有用的。
在本發(fā)明中使用的有機(jī)溶劑包括與水易混溶或不可混溶的溶劑。有機(jī)溶劑包括但不限于:四氫呋喃、乙腈、二乙醚、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯、戊烷、己烷、庚烷、環(huán)己烷、苯、甲苯、甲醇、乙醇以及鹵代溶劑如氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1，2-二氯乙烷或其組合。其他有機(jī)溶劑在本發(fā)明中是有用的。本發(fā)明的疏水性溶劑包括與水不可混溶的溶劑。萃取溶劑包括但不限于:二乙醚、乙酸乙酯、甲基叔丁基醚、己烷、戊烷、庚烷、環(huán)己烷、苯、甲苯以及鹵代溶劑如氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1，2-二氯乙烷或其組合。其他疏水性的溶劑在本發(fā)明中是有用的。本發(fā)明中使用的堿可以包括無機(jī)堿。例如，該堿的陽離子可以為堿金屬、堿土金屬、過渡金屬、后過渡金屬、鑭系元素或錒系元素。堿金屬包括L1、Na、K、Rb以及Cs。堿土金屬包括 Be、Mg、Ca、Sr 以及 Ba。過渡金屬包括 Sc、T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg 以及 Ac。該堿的陰離子可以為碳酸根、氫氧根、磷酸根、硫酸根、硼酸根或乙酸根。本發(fā)明中使用的堿還可以包括一種含氮的有機(jī)分子。例如，任何sp3或sp2雜化的胺，如包含在吡啶、三乙胺、二異丙基乙胺、三甲胺、三丙胺、三丁胺、N，N-二甲基氨基吡啶、咪唑中的胺；或多環(huán)胺，如1，8_ 二氮雜二環(huán)[5.4.0] i^一碳-7-烯(DBU)、1，4-二氮雜二環(huán)[2.2.2]辛烷(DABC0)、奎寧環(huán)定、喹啉、1，5-二氮雜二環(huán)[4.3.0]壬_5_烯(DBN)，或其他相關(guān)的喊。在本發(fā)明中堿可以按任何有用的濃度存在。例如，它可以相對于CMF的摩爾而言以從超化學(xué)計(jì)量的量直到等摩爾的或亞化學(xué)計(jì)量的量出現(xiàn)。本發(fā)明的方法還可以包括本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的其他組分和試劑。例如，其他組分和試劑可以包括緩沖劑、表面活性劑、另外的鹽以及另外的溶劑。IV.實(shí)例:5-甲基-2-糠酸乙酯。
將1，3- 二三甲苯基-1H-咪唑-3-碘化物(0.031g, 0.138mmol)懸浮在四氫呋喃(46ml)和乙醇(16.2ml)中。然后加入 I, 8-二氮雜二環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯(4.14ml, 27.68mmol)并且將反應(yīng)加熱至32° C。將CMF (2.00g，13.84mmol)溶解在THF (8ml)中，并且將其在60分鐘的過程內(nèi)進(jìn)行逐滴添加。繼續(xù)攪拌另外2小時(shí)，在此時(shí)間段內(nèi)反應(yīng)呈現(xiàn)深紅色。然后加入水(100ml),并且用乙酸乙酯(3x150ml)萃取該反應(yīng)。將組合的有機(jī)萃取液進(jìn)行合并，并且用鹽水洗滌。，用Na2SO4干燥并且溶劑排空，然后對殘余物進(jìn)行二氧化硅層析(15%乙酸乙酯:己烷)，這提供了作為淡黃色油的酯(1.56g，73%的產(chǎn)率)=IHNMR δ (CDC13):7.04 (d, IH, J=3Hz)，6.07 (d, 1H, J=3Hz), 4.31 (q, IH, J=7Hz)，2.34 (s, 3H)，1.33 (t, 2H, J=7Hz) ; 13CNMR□ δ (CDC13): 158.79，156.97，143.18，119.13，108.29，60.60，14.29，13.89。其他實(shí)施例
甘油是通過所有有生命的有機(jī)體大量產(chǎn)生的三個(gè)碳的多羥基化的有機(jī)分子。它用作三酰甘油酯的主鏈，三酰甘油酯是衍生自脂肪的分子能量的主要來源，同樣是磷脂的主鏈，磷脂包括細(xì)胞膜的脂雙層。甘油的低毒性以及固有的“甜”味已經(jīng)使它作為葡萄糖替代品被包含在低卡路里的食物中。作為三個(gè)碳的前手性的合成子，甘油已經(jīng)用作許多藥用化合物以及學(xué)術(shù)上的化學(xué)方法的起始材料。近年來，由于對生物柴油燃料的需求增加，甘油在世界范圍的供應(yīng)已經(jīng)顯著增加，并且預(yù)計(jì)在2010年將產(chǎn)生1，200, 000噸甘油。例如，參見奧特*L(0tt，L)、K**M (Bicker, Μ.)、沃戈?duì)?H (Vogel, Η.), Green Chem.[綠色化學(xué)]2006,8,214，該文件通過引用結(jié)合在此。典型地，三酰甘油(甘油三酸酯)從植物和藻類材料中收獲，然后用短的脂肪醇將其進(jìn)行酯轉(zhuǎn)移以便從甘油核中釋放出脂肪酸。這些脂肪酯產(chǎn)物顯示出理想的柴油燃料特性，然而由于它的高水溶性以及低可燃性，甘油在這該行業(yè)中被認(rèn)為是一種不想要的副產(chǎn)物。已經(jīng)測試了用于甘油向商品化學(xué)品的轉(zhuǎn)化的多種化學(xué)方法。許多方法涉及將甘油進(jìn)一步氧化為在聚合物工業(yè)中有用的丙烯酸酯衍生物。甘油還原為1，2-或1，3-丙二醇可以在高溫下用不同的鉬族金屬以及氫氣實(shí)現(xiàn)(參見圖5)。一種具體的方法涉及甘油催化脫水為丙烯醒。參見卡特里娜.B (Katryniok, B.)、保羅.S (Paul, S.)、凱普倫.M(Capron, M.)、杜梅歌尼爾.F (Dumeignil, F.), ChemSusChem[化學(xué)與可持續(xù)性、能源與材料]，2009，2，719-730，該文件通過引用結(jié)合在此。雖然甘油本身不是一種有潛力的燃料，但這種方法能夠通過非加氫條件從甘油中去除兩個(gè)氧，我們的設(shè)想是丙烯醛可以與其他短鏈分子組合而產(chǎn)生感興趣的燃料或化學(xué)品。從化學(xué)方面看，丙烯 醛包含一個(gè)醛基和一個(gè)烯基。這樣，丙烯醛為高度親電子的并且易于聚合，因此在由甘油產(chǎn)生之后它很快被使用。將丙烯醛聚合限制為受控的二聚合以及三聚合可以分別提供六個(gè)碳以及九個(gè)碳的分子，這些分子包含低的氧碳比、并且可以滿足適當(dāng)?shù)膶τ谶\(yùn)輸或航空燃料的燃料規(guī)范。本發(fā)明的實(shí)例性實(shí)施例提供了通過使用N-雜環(huán)卡賓(NHC)催化來產(chǎn)生丙烯醛的二聚產(chǎn)物的方法。NHC催化劑利用了卡賓的特殊化學(xué)行為，已知卡賓在某些底物上進(jìn)行逆反應(yīng)，即，“極反轉(zhuǎn)”反應(yīng)，例如親核性酰基。例如，參見澤巴赫.D (Seebach, D.), Angew.Chem.1nt.Ed.(德國應(yīng)用化學(xué)國際版)1979，18,239-258，該文件通過引用結(jié)合在此；布雷斯洛.R(Breslow, R.)，J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志)1958，80，3719-3726，該文件通過引用結(jié)合在此。所謂的“持久性的”卡賓在自然界中以維他命BI (硫胺素)的形成出現(xiàn)，參與了丙酮酸鹽脫羧基作用以及在細(xì)胞代謝中化學(xué)中間體的后續(xù)使用。Rovis (羅維斯)、Bode(博德)以及Scheidt (沙伊特)的近期工作已經(jīng)將這種催化劑的范圍擴(kuò)展至在反應(yīng)中包括眾多的α-酮酸以及醛，否則這些反應(yīng)在傳統(tǒng)催化下不會(huì)發(fā)生。例如，參見雷諾茲.N.Τ.(Reynolds, N.Τ.)、deAlaniz, J.R.、羅維斯.T (Rovis, T.), J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志)2004，126,9518-9519，該文件通過引用結(jié)合在此Jf、(Chan，A.)、沙伊特.K.A.(Scheldt K.A.)，Org.Lett.(有機(jī)化學(xué)通訊)2005，7，905-908，該文件通過引用結(jié)合在此；博德.J (Bode, J.), J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志)2004，126，8126-8127，該文件通過引用結(jié)合在此。在堿性條件下，噻唑鎗、咪唑鎗或三唑鎗環(huán)系統(tǒng)用作親核劑，并且將侵襲缺電子的羰基中心(參見圖6)。質(zhì)子傳遞之后，酰基碳中心進(jìn)而成為親核的并且侵襲附近的親電體、或者將這些電子傳遞至一個(gè)內(nèi)部的鄰近離核體并且有效地創(chuàng)造一個(gè)“內(nèi)部氧化還原反應(yīng)”。如在本發(fā)明中考慮的，兩個(gè)丙烯醛分子可以通過NHC級聯(lián)反應(yīng)、使用維他命BI或其他能夠進(jìn)行類似催化的雜環(huán)部分來提供圖7展示的5-乙烯基丁內(nèi)酯產(chǎn)物。格洛斯(Glorius)和博德(Bode)已經(jīng)展示了一種類似形式的轉(zhuǎn)化，其中可以通過NHC催化、隨后在醛上進(jìn)行分子間侵襲、然后進(jìn)行閉環(huán)以及催化劑的排出，而產(chǎn)生烯醛(enal)的一種推定的高烯醇化物(homoenolate)。例如，參見索恩 *S.S.(Sohn, S.S.)、羅森.Ε.L.(Rosen, E.L.)、博德.J.W.(Bode, J.ff.)，J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志)2004，126，14370-14371，該文件通過引用結(jié)合在 此；伯斯坦.C (Burstein, C.)、格洛斯.F (Glorius, F.), Angew.Chem.1nt.Ed.(德國應(yīng)用化學(xué)國際版)2004，43，6205-6208，該文件其通過引用結(jié)合在此。這個(gè)中間體中包含易于進(jìn)行Pd(II)C12插入的乙酸烯丙酯。至ε-內(nèi)酯的重排在熵方面是極度不利的，因此β -氫化物的消除將發(fā)生在烯烴異構(gòu)化之后以便提供山梨酸，一種六碳的商品化學(xué)品，其在食品工業(yè)中作為防腐劑廣泛使用。山梨酸與甲醇或乙醇在酸催化下的酯化作用將分別產(chǎn)生山梨酸甲酯和山梨酸乙酯，它們顯示出與航空燃料類似的熔點(diǎn)和閃點(diǎn)(閃點(diǎn)分別為63° C和69° C ;熔點(diǎn)分別為-46° C和-34° C)。這些化合物的加氫作用將提供己酸甲酯和己酸乙酯衍生物，它們對上述燃料種類展示出甚至更低的值(閃點(diǎn)分別為45° C和49° C ;熔點(diǎn)分別為-71° C和-67° C)。圖8是以上方法的一個(gè)示意圖。根據(jù)本發(fā)明所述的一個(gè)示例性實(shí)施例提供了一種將甘油轉(zhuǎn)化為一種液體燃料的方法，該方法包括:甘油催化脫水為丙烯醛；丙烯醛進(jìn)行受控縮合成為5-乙烯基丁內(nèi)酯；
5-乙烯基丁內(nèi)酯轉(zhuǎn)化為山梨酸；山梨酸酯化為山梨酸酯；并且山梨酸酯加氫為乙酸酯。在這種方法中，甘油催化脫水為丙烯醛可以包括與硫酸氫鉀、硫酸、磷酸、硫酸鎂、硫酸鋅或硫酸鋁中的一種或多種進(jìn)行反應(yīng)。在這種方法中，甘油催化脫水為丙烯醛可以在473開爾文與673開爾文之間的溫度下進(jìn)行、并且可以按分批法以及連續(xù)法或它們的組合方法進(jìn)行。丙烯醛進(jìn)行受控縮合成為5-乙烯基丁內(nèi)酯可以包括與影響?；娣磻?yīng)的催化系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)，這樣使得它們成為親核的。在這種實(shí)施例中，這些催化系統(tǒng)可以包括噻唑鎗、三唑鎗或咪唑鎗環(huán)系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)。5-乙烯基丁內(nèi)酯轉(zhuǎn)化為山梨酸可以包括通過鈀進(jìn)行異構(gòu)化。山梨酸酯化為山梨酸酯可以包括用一種醇進(jìn)行酸催化的酯化作用。山梨酸酯化為山梨酸酯可以包括該酸轉(zhuǎn)化為一種酰基氯或混合酸酐或碳酸鹽、以及與一種醇的反應(yīng)。山梨酸酯化為山梨酸酯可以包括通過一種碳二亞胺偶聯(lián)劑或其他脫水試劑來活化該酸、以及與一種醇的反應(yīng)。山梨酸酯加氫為乙酸酯可以包括通過貴金屬例如鈀、鉬、銠、銥、鎳、鐵或釕在高壓氫氣下的還原。本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括由在此描述的任何一種方法產(chǎn)生的液體燃料。本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括用于實(shí)行在此描述的任何一種方法的裝置。其他實(shí)施例
纖維質(zhì)物料的催化脫氧在有成本效益的能源密集的液體燃料的開發(fā)中是一個(gè)顯著的障礙。碳-羥基鍵的直接還原在熱力學(xué)方面是極度不利的，并且用于這樣做的當(dāng)前的現(xiàn)有技術(shù)涉及高溫、高壓氫氣、以及用于基團(tuán)活化的鉬族金屬催化劑系統(tǒng)。自然界通過封端這些羥基成為磷酸基、隨后通過消除來提供烯烴而避免了這個(gè)問題。在有機(jī)合成文獻(xiàn)中有許多脫氧方案，但這些方案中沒有一個(gè)在水環(huán)境中是兼容的，并且它們也不會(huì)不含副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物中的許多可能具有比起始的葡萄糖分子更高的分子量。張(Zhang)和雷恩斯(Raines)最近的報(bào)告展示了纖維質(zhì)物料可以通過若干步驟脫水以便形成基于呋喃的產(chǎn)物。例如，參見蘇(Su，Y.)、布朗.H.M.(Brown，H.M.)、黃(Huang, W.)、周(Zhou, X.-d.)、阿曼列特.J.E.(Amonette, J.E.)、張(Zhang, C.), “纖維素向5-輕甲基糠醒(HMF)的一步轉(zhuǎn)化，通用平臺化學(xué)(Single-step Conversion ofCellulose to5-hydroxymethylfurfural (HMF), a Versatile Platform Chemical)，，，App.Cat.A:General.2009，361，117-122，該文件通過引用結(jié)合在此；賓得 *J.B.(Binder J.Β.)、雷恩斯*R.T.(Raines, R.Τ.)，“木質(zhì)纖維素物生質(zhì)向用于燃料和化學(xué)品的糠醛的簡單化學(xué)轉(zhuǎn)化(Simple Chemical Transformation of Lignocellulosic Biomass into Furanicsfor Fuels and Chemicals)”，J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志)2009,131，1979-1985，該文件通過引用結(jié)合在此。小規(guī)模的反應(yīng)已經(jīng)顯示，可以在干燥的離子液體溶劑中用鉻催化將葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖，隨后脫水為羥甲基糠醛(HMF)。這個(gè)反應(yīng)具有好的總產(chǎn)率，然而這些反應(yīng)條件不適合大規(guī)模生產(chǎn)。馬斯卡(Mascal)的一篇報(bào)告已經(jīng)解決了這些問題、并且開發(fā)了直接由纖維素生產(chǎn)5-(氯甲基)糠醛(CMF)的酸催化過程。例如，參見馬斯卡.Μ.(Mascal，Μ.)、尼吉丁.Ε.B.(Nikitin, Ε.B.)，“纖維素向生物燃料的直接高產(chǎn)率轉(zhuǎn)化(Direct, High-YieldConversion of Cellulose into Biofuel)”，Angew.Chem.1nt.Ed.(德國有機(jī)化學(xué)國際版)2008，47，7924-7926，該文件通過引用結(jié)合在此。使用酸、熱、氯化鋰以及一個(gè)雙相反應(yīng)裝置，可以連續(xù) 地從該反應(yīng)介質(zhì)中萃取疏水性的CMF，并且然后將其用于后續(xù)的醚化作用或縮合反應(yīng)。
本發(fā)明提供了在CMF上的一種新穎的化學(xué)轉(zhuǎn)化，涉及一個(gè)氧化偶聯(lián)反應(yīng)以產(chǎn)生糠酸酯，該糠酸酯可以作為“滴入式(drop-1n)”汽油或柴油燃料替代品。α-氯代醛已經(jīng)展示了當(dāng)用類硫胺素(維他命BI)的分子處理時(shí)，發(fā)生內(nèi)部氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生酯產(chǎn)物。例如，參見雷諾茲.N.Τ.(Reynolds，N.Τ.)、de Alaniz, J.R.、羅維斯.T (Rovis1T.)，“ α -鹵代醛類通過親核卡賓催化的內(nèi)部氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為?；瘎?Conversion of a -haloaldehydes into acyating agents by an internal redoxreaction catalyzed by nucleophilic carbenes)，，, J.Am.Chem.Soc.(美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志)2004，126，9518-9519，該文獻(xiàn)通過引用結(jié)合在此。CMF本身不包含α-氯代醛；然而該醛與氯甲基之間的芳香族連接通過共軛效應(yīng)將這些基團(tuán)相連接、并且因此可以被認(rèn)為是“雙插烯的或苯基的” α-氯代醛。還沒有這種反應(yīng)的報(bào)道。圖9圖解地展示了被噻唑鎗環(huán)侵襲、隨后消除了氯化物的氯代醛?；プ儺悩?gòu)化為酮提供了容易被水所水解或被醇所酯化的中間體。為了促進(jìn)催化劑再生，三唑鎗雜環(huán)的噻唑鎗可以附連至固相載體或超分子結(jié)構(gòu)，例如杯芳烴或環(huán)糊精分子。布瑞斯羅夫(Breslow)已經(jīng)展示，共價(jià)地錨定至Y-環(huán)糊精上的噻唑鎗鹽類比它們的自由的對應(yīng)物在類似的安息香縮合中快九倍。布雷斯洛.R.(Breslow, R.)、庫爾.E (Kool, E.)，“ Y -環(huán)糊精噻唑鎗鹽全酶模擬安息香縮合(AY-Cyclodextrin Thiazolium Salt Holoenzyme Mimic for the BenzoinCondensation)”，Tetrahedron Lett.(四面體通訊)1988, 29,1635-1638,該文獻(xiàn)通過引用
結(jié)合在此。根據(jù)本發(fā)明所述的一個(gè)示例性實(shí)施例提供了一種將5_(氯甲基)糠醛轉(zhuǎn)化為液體燃料的方法，該方法包括:卡賓催化劑親核加成為5-(氯甲基)糠醛的醛并且損失氯根離子；用醇取代卡賓催化劑。在這種方法中，該卡賓催化劑可以包括噻唑鎗、三唑鎗或咪唑鎗雜環(huán)。在這種方法中，該反應(yīng)溶劑可以包括一種經(jīng)適當(dāng)緩沖的水溶液或有機(jī)溶劑，如二氯甲烷、二甲基甲酰胺、四氫呋喃、氯仿、苯、甲苯或乙腈。用醇取代該卡賓催化劑可以包括與任何脂肪族或芳香族醇的反應(yīng)，這樣產(chǎn)生了一種糠酸酯產(chǎn)物。

雖然為便于理解的目的，通過圖解和實(shí)例的方式已經(jīng)相當(dāng)詳細(xì)地描述了上述發(fā)明，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將了解的是，可以在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行某些改變和變更。此外，在此提供的每個(gè)參考文件都通過引用以其全文結(jié)合在此，其程度就好像每個(gè)參考文件通過引用被單獨(dú)地結(jié)合在此。
權(quán)利要求
1.一種用于由具有化學(xué)式II的含呋喃的分子來合成具有化學(xué)式I的含呋喃的分子的方法，該方法包括:(a)使具有化學(xué)式II的含呋喃的分子、堿、有機(jī)溶劑、催化劑以及反應(yīng)性的親核體在從大約-78° C至大約150° C的溫度下在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)相接觸，這樣產(chǎn)生了具有化學(xué)式I的含呋喃的分子；(b)通過用疏水性溶劑萃取、或者通過層析、蒸餾、升華或沉淀來分離具有化學(xué)式I的產(chǎn)物分子。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中化學(xué)式I中的R包括氧、硫和氮。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中化學(xué)式I中的R’包括碳、氫、硫、氮、氧、或者它們的任何芳香族或脂肪族的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中化學(xué)式II中的R”包括氯化物、氟化物、溴化物、碘化物、對甲苯磺酸酯、甲磺酸酯、三氟乙酸酯、苯氧基、羥基或銨。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該堿包括無機(jī)堿。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該堿包括一種含氮的有機(jī)堿。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該有機(jī)溶劑為與水易混溶的。
8.如權(quán)利要求1所述的 方法，其中該有機(jī)溶劑為與水不可混溶的。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該催化劑包括由氰化物、氯化物、溴化物或碘化物組成的親核陰離子組。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該催化劑包括一種N-雜環(huán)卡賓或它的鹽。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該反應(yīng)性的親核體包括水。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該反應(yīng)性的親核體包括一種醇。
13.如權(quán)利要求1所述的方法,其中該反應(yīng)性的親核體包括一種胺。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該反應(yīng)性的親核體包括一種硫醇。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該溫度為從大約25°C至35° C。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該疏水性溶劑包括一種與水不可混溶的溶劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及由5-(氯甲基)-2-呋喃甲醛(CMF)來合成5-甲基-2-糠酸，包括它的酯、酰胺以及硫代酯衍生物。如此制備的這些分子作為制藥、食品以及香料分子的中間體、以及燃料或燃料添加劑是有用的。
文檔編號C07D307/02GK103228638SQ201180047903
公開日2013年7月31日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者彼得·米考奇克, 阿維亞德·卡哈納 申請人:尹斯特有限公司