BR112013003819B1 - Método para a síntese de um produto de saída contendo um ou mais de um éster do ácido 5-metil-2 -furoico, uma amida do ácido 5-metil-2-furoico e um tioéster do ácido 5-metil-2-furoico - Google Patents

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(54) Título: MÉTODO PARA A SÍNTESE DE UM PRODUTO DE SAÍDA CONTENDO UM OU MAIS DE UM ÉSTER DO ÁCIDO 5-METIL-2-FUROICO, UMA AMIDA DO ÁCIDO 5-METIL-2-FUROICO E UM TIOÉSTER DO ÁCIDO 5-METIL-2-FUROICO (51) Int.CI.: C07D 307/68 (52) CPC: C07D 307/68 (30) Prioridade Unionista: 19/08/2010 US 61/375,189, 20/08/2010 US 61/375,367 (73) Titular(es): INCITOR INCORPORATED (72) Inventor(es): PETER MIKOCHIK; AVIAD CAHANA

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MÉTODO PARA A SÍNTESE DE UM PRODUTO DE SAÍDA CONTENDO UM OU MAIS DE UM ÉSTER DO ÁCIDO 5-METIL-2-FUROICO, UMA AMIDA DO ÁCIDO 5-METIL-2-FUROICO E UM TIOÉSTER DO ÁCIDO 5-METIL-2-FUROICO

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção refere-se à síntese de ácido 5metil-2-furoico, incluindo derivados éster, amido, e tioéster de tal, a partir de 5-(clorometil)-2-furaldeído (CMF). As moléculas assim preparadas são úteis como intermediárias para moléculas farmacêuticas, de comida, e de fragrância; bem como combustível ou aditivos de combustível.

TÉCNICA ANTERIOR

A geração de produtos químicos de mercadorias a partir de matérias-primas renováveis permanece uma das maiores prioridades no campo da química verde. Além disso, processos químicos que possam operar em uma maneira catalítica, de modo que subprodutos estequiométricos tóxicos possam ser evitados, serão essenciais no desenvolvimento de rotas de longo prazo e sustentáveis para moléculas de interesse. Embora a maior parte dos processos catalíticos em uso hoje seja mediada através da ação de metais de transição, avanços recentes mostraram que certas estruturas completamente orgânicas, isto é, contendo somente átomos não metálicos, como carbono, hidrogênio, nitrogênio, enxofre, oxigênio ou fósforo, podem atuar em uma maneira catalítica e afetar transformações aparentemente não óbvias em substratos reativos.

Tal estrutura que é capaz de transformações inusitadas compreende anéis heterocíclicos, em que três átomos consecutivos no anel são da forma 'X+=C^--X', com 'X' sendo nitrogênio, enxofre, silício ou fósforo (Figura 2) .

Após o tratamento com uma base adequada, estas moléculas geram carbenos estabilizados singletos, contendo um centro de carbono bivalente. Estes carbenos são capazes de transmitir reatividade muito incomum em certos grupos funcionais

Petição 870180033247, de 24/04/2018, pág. 8/13

2/21 reatividade muito incomum em certos grupos funcionais orgânicos; a melhor entendida sendo aquela da vitamina tiamina em piruvato durante o metabolismo. Grande parte das pesquisas acadêmicas atuais sobre estes carbenos se concentra no agrupamento 'R(R')N+=C’XR', o qual foi denominado 'carbenos N-heterocíclicos (NHC)' , e sua ação em aldeídos. Classicamente, grupos aldeídos são considerados eletrófilos altamente reativos, com uma carga positiva parcial residindo no átomo de......carbono. A organocatálise de NHC é capaz de reverter esta carga, em um fenômeno conhecido como reatividade 'umpolong', em que aquele mesmo carbono agora tem uma carga negativa parcial no aduto aldeído-NHC (Ver Seebach Angewandte Chemie International Edition in English 18, 239 (1979)). A literatura química contém exemplos de adições, eliminações, cicloadições, e muitas outras reações onde este intermediário é invocado.

Publicações recentes de Mark Mascai na Universidade da Califórnia, Davis, detalharam um processo de alto rendimento, a partir do qual 5-(clorometil)-2-furaldeído (CMF) pode ser produzido a partir de um número de matériasprimas celulósicas e hemicelulósicas renováveis (ver Mascai e Nikitin Energy & Fuels 24, 2170 (2009)) . Uma vez que o processo faz uso de ácidos minerais fortes, ele é agnóstico a estequiometria e a ligações glicosídicas dos sacarídeos unitários, e converterá açúcares de seis carbonos a CMF, com a exceção de desoxiaçúcares e ácidos gluconurônicos. Trabalhos similares no campo de furanos a partir de carboidratos se concentraram na geração de 5-(hidroximetil)2-furaldeído (HMF) (ver Binder e Raines, Energy & Environmental Science 3, 677 (2010)). Tanto o CMF quando o HMF podem ser convertidos em produtos químicos valiosos, primariamente através de hidrogenação catalítica, para produzir 5-metil-2-furaldeído ou 2,5-dimetilfurano ou oxidado

3/21 de outra maneira para 2,5-furano-dicarboxilato, o qual pode ser utilizado como monômero plástico.

De relevância particular, a presente invenção é a conversão de CMF a 5-(etoximetil)-2-furaldeído (EMF) por Mascai (ver Nikitin and Mascai Angewandte Chemie International Edition 47, 4Ί (2008)), a qual demonstrou características de combustível favoráveis em termos de seu conteúdo energético (30.3 MJ L-l). Embora seja similar à gasolina em relação a isto, o EMF falhou em se mistura.r com gasolina em um nível apreciável, e também está propenso a auto-oxidação após repouso prolongado em virtude do grupo aldeído relativo (Figura 3) .

Os α-cloroaldeídos são substratos que foram estudados por Bode, Rovis, e Scheidt com a catálise de NHC (ver Sohn e Bode Organic Letters 7, 3873 (2005)); Reynolds e

Rovis Journal of the American Chemical Society 127, 16406 (2005)); Chan e Scheidt Organic Letters 7, 905 (2005)).

Mecanisticamente, após a adição de carbeno ao aldeído, a carga negativa no centro de carbono do aldeído eliminará cloreto, produzindo um intermediário enólico (Figura 4). Após a tautomerização à cetona, nucleófilos exógenos, tais como alcoóis ou água ou aminas, expelirão a parte azólica e regenerar o ciclo catalítico. O ácido, o éster ou a amida resultante, respectivamente, são imunes a reações posteriores com o catalisador. 0 CMF pode ser considerado um acloroaldeído, entretanto, a ligação σ de carbono-cloro é separada da ligação π de aldeído através do sistema de anéis de f urano. Em grupos funcionais onde uma ligação π ou um sistema π conecta certos átomos, o grupo pode ser considerado 'vinílogo¹, 'duplamente-vinílogo' etc. Por exemplo, um grupo funcional amida com uma ligação dupla carbono-carbono conectando o nitrogênio à carbonila é chamado de uma 'amida viníloga'. No caso da CMF, o grupo carbono-cloro e o aldeído

4/21 são 'duplamente vinílogos', ou talvez, 'furanílogos', onde o sistema π do furano conecta as ligações, e, assim, preserva a reatividade.

A presente invenção descreve a conversão de alto rendimento de CMF e derivados de 5-metil-furaldeído relacionados a ácido 5-metil-2-furoico e derivados do mesmo, utilizando esta transformação inovadora, catalisada por moléculas de NHC. O CMF, que é produzido a partir de matérias-primas de carboidratos, pode ser convertido em produtos úteis de maneira catalítica, sem utilizar metais de transição, gás de hidrogênio pressurizado ou pressões ou temperaturas extremas.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

Em uma realização, a presente invenção provê um método para preparar éster de 5-metil-2-furoato metílico, em rendimento maior que 50%. O método inclui o contato de uma molécula contendo furano de fórmula II, uma base, um solvente orgânico, um catalisador, e metanol, em 32°C, de modo que seja produzido éster de 5-metil-2-furoato metílico.

Em outra realização, a presente invenção provê um método para preparar éster de 5-metil-2-furoato metílico, em rendimento maior que 50%. O método inclui o contato de uma molécula contendo furano de fórmula II, uma base, um solvente orgânico, um catalisador, e metanol, em 32°C, de modo que seja produzido éster de 5-metil-2-furoato metílico.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 ilustra moléculas de fórmula I e fórmula II, as quais são produtos e substratos, respectivamente, para a presente invenção.

A Figura 2 ilustra a reatividade divergente de 5(clorometil)-2-furaldeído (CMF, 1) a 5-(etoximetil)-2furaldeído (EMF, 2) ou a 5-metil-2-furoato etílico (3) , dependendo da ausência ou da presença de catalisador.

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A Figura 3 ilustra o mecanismo de ciclo catalítico proposto da presente invenção, com aquele de a-cloroaldeídos conhecidos com a catalise de NHC.

A Figura 4 ilustra sais precursores representativos de catalisadores de carbeno N-heterocíclico, e sua desprotonação com bases.

A Figura 5 é uma ilustração esquemática da redução de glicerol para 1,2-propanodiol ou desidratação a acroleína.

A Figura 6 é uma ilustração esquemática de sistemas de anéis tiazólicos ou triazólicos como agentes nucleofílicos.

A Figura 7 é uma ilustração esquemática de um método exemplar de acordo com a presente invenção.

A Figura 8 é uma ilustração esquemática de um método exemplar de acordo com a presente invenção.

A Figura 9 é uma ilustração esquemática de glicose e moléculas derivadas.

A Figura 10 é uma ilustração esquemática de cloroaldeído atacado pelo anel tiazólico, seguida pela eliminação do cloreto. A tautomerização para a cetona provê um intermediário que é suscetível a hidrólise.

A Figura 11 é uma ilustração esquemática da reação díspar do intermediário acila para prover ésteres de furoato.

MODOS PARA REALIZAR A INVENÇÃO E APLICABILIDADE INDUSTRIAL

I. Geral

Um método de acordo com a presente invenção compreende a preparação de ácido 5-metil-2-furoico, incluindo derivados de éster, amida e tioéster, a partir de CMF, como blocos de construção químicos úteis e combustível ou aditivo de combustíveis. A primeira etapa envolve o contato entre uma molécula de fórumla II, o catalisador, uma base, um solvente orgânico e um nucleófilo reativo, em temperaturas entre 10

6/21 graus C e 50 graus C. A reação é parada com água, e o produto furano hidrofóbico pode ser extraído com um solvente hidrofóbico e purificado por cromatografia de sílica. Os produtos de furano hidrofóbicos podem também ser isolados por destilação, precipitação ou sublimação. Os rendimentos de 5metil-2-furoato metílico e de 5-metil-2-furoato etílico são maiores que 50% através deste método. No caso de produtos de furano hidrofílicos, tais como ácido 5-metil-2-furoico, o produto pode ser purificado .por destilação, precipitação ou sublimação.

II. Definições

Conforme utilizado neste documento, o termo catalisador se refere a qualquer átomo ou agrupamento de moléculas que estiver presente em quantidades sub15 estequiométricas em relação ao CMF, o qual ê capaz de afetar a transformação química desejada para ácido 5-metil-2furoico, e ésteres, amidas, e tioésteres do mesmo. O catalisador pode também estar presente em quantidades iguais ou superestequiométricas em relação ao CMF.

Conforme utilizado neste documento, o termo carbeno N-heterocíclico se refere a quaisquer moléculas orgânicas policíclicas ou heterocíclicas, as quais contenham pelo menos dois átomos diferentes de carbono, os quais incluam um nitrogênio, e um dentre os seguintes: nitrogênio, *25 enxofre, fósforo ou silício; bem como pelo menos um átomo de carbono. Estes átomos são dispostos em tal modo que, após o tratamento com uma base anídrica, um carbeno singleto se formará em um átomo de carbono contido dentro do anel heterocíclico.

Conforme utilizado neste documento, o termo nucleófilo se refere a moléculas orgânicas que contenham um elemento eletronegativo reativo. Exemplos incluem água; álcoois, incluindo metanol, etanol, butanol, propanol, e

7/21 outros grupos alifáticos ou aromáticos; aminas, incluindo grupos de amônia, amônia alquílica, amônia dialquilica, e amônia trialquílica; e tióis, incluindo sulfeto de hidrogênio, e espécies de mercaptano alquílico; e ânions de carbono estabilizados em metal, tais como espécies de alquilmagnésio ou alquil-titânio.

Conforme utilizado neste documento, o termo base se refere a moléculas capazes de neutralizar espécies. Bases

- úteis na invenção atual -incluem-, entre outras; carbonato de potássio, carbonato de césio, 1,8-diazabiciclo[5.4.0]undec-7eno (DBU), 1,4-diazabiciclo[2.2.2]octano (DABCO), e quinuclidina. Outras bases são também úteis, tais como carbonato de sódio, carbonato de lítio, bicarbonato de sódio, bicarbonato de potássio, alquilaminas, dialquilaminas, e trialquilaminas.

Conforme utilizado neste documento, o termo carbeno singleto se refere a um átomo de carbono ligado a dois substituintes, com a geometria orbital atômica restante compreendendo um s-orbital tendo dois elétrons, e um p20 orbital vazio.

Conforme utilizado neste documento, o termo solvente orgânico se refere a solventes que são geralmente solventes não-polares, apróticos polares ou próticos polares. Solventes orgânicos incluem, entre outros, tetrahidrofurano, ’25 acetonitrila, éter dietílico, éter t-butil metílico, acetato de etila, pentano, hexano, heptano, ciclohexano, benzeno, tolueno, metanol, etanol, bem como solventes halogenados como clorofórmio, diclorometano, tetracloreto de carbono, 1,2dicloroetano ou combinações dos mesmos. Outros solventes orgânicos são úteis na presente invenção.

Conforme utilizado neste documento, o termo solvente hidrofóbico se refere a solventes que são imiscíveis em água. Solventes de extração incluem, entre

8/21 outros, éter dietílico, acetato de etila, éter t-butil metílico, hexanos, pentano, heptano, ciclohexano, benzeno, tolueno, bem como solventes halogenados como clorofórmio, diclorometano, tetracloreto de carbono, 1,2-dicloroetano ou combinações dos mesmos. Outros solventes de extração são úteis na presente invenção.

Conforme utilizado neste documento, o termo produto furânico hidrofóbico se refere a produtos deste presente processo que contenham um anel furânico, e são geralmente insolúveis em água. Produtos furânicos hidrofóbicos incluem, entre outros, ésteres alifáticos e aromáticos de ácido 5-metil-2-furoico, amidas alifáticas e aromáticas de ácido 5-metil-2-furoico, e tioésteres alifáticos e aromáticos de ácido 5-metil-2-furoico.

Conforme utilizado neste documento, o termo produto furânico hidrofílico se refere a produtos deste presente processo que contenham um anel furânico, e são geralmente solúveis em água. Produtos furânicos hidrofilicos incluem, mas não estão limitados a, ácido 5-metil-2-furoico.

III. Método para preparar ácido 5-metil-2-furoico e derivados.

método da presente invenção envolve a preparação de moléculas contendo furano de fórmula I, as quais são blocos de construção químicos e combustível ou aditivo de combustíveis úteis, a partir de moléculas contendo furano de fórmula II, em rendimento maior que 50%. A primeira etapa envolve o contato entre uma molécula contendo furano de fórmula II, uma base, tal como DBU, um solvente orgânico, tal como tetrahidrofurano (THF) , um catalisador, tal como carbeno N-heterocíclico, e um nucleófilo reativo, tal como álcoois, água, aminas ou tióis, em um vaso de reação em uma temperatura de cerca de -78 graus Ca 150 graus C. Após a finalização, a segunda etapa envolve a separação das

9/21 moléculas do produto de fórmula I por extração com um solvente hidrofóbico, tal como acetado de etila. Os rendimentos de 5-metil-2-furoato metílico e de 5-metil-2furoato etílico são maiores que 70% através deste método.

Produtos úteis para a presente invenção incluem moléculas de fórmula I, em que a fórmula I compreende oxigênio, enxofre, e nitrogênio; e em que R' da fórmula I compreende carbono, hidrogênio, enxofre, nitrogênio, oxigênio, ou qualquer combinação aromática ou alifática dos mesmos.

Em algumas realizações, a presente invenção provê um método para preparar ácido 5-metil-2-furoico. 0 método envolve o contato entre uma molécula contendo furano de fórmula II, uma base, um solvente orgânico, uma catalisador, e água, em um vaso de reação em uma temperatura de cerca de 78 graus Ca 150 graus C.

Em algumas realizações, a presente invenção provê um método para preparar ésteres de ácido 5-metil-2-furoico. O método envolve o contato entre uma molécula contendo furano de fórmula II, uma base, um solvente orgânico, uma catalisador, e um álcool, tal como metanol, etanol, propanol, butanol, ou outro álcool alifático ou aromático, em um vaso de reação em uma temperatura de cerca de -78 graus C a 15 0 graus C.

“25 Em algumas realizações, a presente invenção provê um método para preparar 5-metilfurano-2-carboxiamida, ou uma amida substituída da mesma. O método envolve o contato entre a molécula contendo furano de fórmula II, uma base, um solvente orgânico, um catalisador, e uma amina, tal como amônia, uma alquilamina alifática ou aromática ou uma dialquilamina alifática ou aromática, em um vaso de reação em uma temperatura de cerca de -78 graus C a 150 graus C.

Em algumas realizações, a presente invenção provê

10/21 um método para preparar ácido-S 5-metilfurano-2-carbotióico, ou um tioéster alifático ou aromático do mesmo. 0 método envolve o contato entre uma molécula contendo furano de fórmula II, uma base, um solvente orgânico, um catalisador, e um tiol, tal como sulfeto de hidrogênio ou um tiol alifático ou aromático, em um vaso de reação em uma temperatura de cerca de -78 graus C a 150 graus C.

CMF utilizado na presente invenção compreende a estrutura molecular ~ exata/ 5-(clorometil)-2-furaldeíd.o ,

C6H5C1O2. 0 CMF pode ser produzido a partir de materiais que contenham carboidratos, tais como fluxos de resíduos agriculturais, municipais ou florestais. 0 CMF pode também ser produzido sinteticamente, a partir de 5-metil-2furaldeído, 5-(hidroximetil)-2-furaldeído, ou outros derivados de furano, através de reações conhecidas por técnicos no assunto da síntese orgânica.

Substratos úteis para a presente invenção incluem moléculas de fórmula II, incluindo CMF, bem como outros derivados de 5-metil-2-furaldeído, em que R da fórmula II compreende cloreto, fluoreto, brometo, iodeto, ptoluenossulfonato, metanossulfonato, trifuoroacetato, fenóxi, hidróxi, amônio, ou outros átomos ou agrupamentos de elementos conhecidos por participar nesta química.

O catalisador utilizado na presente invenção *25 compreende aqueles átomos ou agrupamentos de átomos que são conhecidos por afetar a reatividade umpulong em aldeídos. Por exemplo, carbenos N-heterocíclicos que contenham quaisquer moléculas orgânicas policíclicas ou heterocíclicas que contenham um átomo de nitrogênio, e pelo menos um dentro os seguintes: nitrogênio, enxofre, fósforo, ou silício; bem como pelo menos um átomo de carbono. Estes átomos são dispostos em tal maneira que, após o tratamento com uma base anídrica, um carbono bivalente se formará. Tais exemplos incluem sais

11/21 orgânicos ou inorgânicos de sistemas de anéis tiazólicos, 1,2,4-triazólicos, imidazólicos e tetrazólicos, bem como outros sistemas conhecidos por gerar carbenos singletos. Ainda outros catalisadores úteis incluem grupos de ânions nucleofílicos, tais como cianeto, cloreto, brometo e iodeto.

O método da presente invenção pode ser realizado em qualquer temperatura adequada. A temperatura pode variar de 78 graus C a 120 graus C. Outras faixas úteis para a temperatura variam de cerca de 10 graus C acerca de 50. graus C. Ainda outras faixas úteis para a temperatura incluem de cerca de 25 graus C a cerca de 3 5 graus C. Um técnico no assunto apreciará que outras faixas de temperatura são úteis na presente invenção.

Métodos de acordo com a presente invenção podem ser realizados ao longo de qualquer duração de tempo adequada. Uma duração de tempo útil pode ser de 1 segundo a 24 horas. Outras faixas úteis incluem de cerca de 1 hora a 4 horas. Um técnico no assunto apreciará que outras durações de tempo são úteis na presente invenção.

Um solvente orgânico utilizado na presente invenção compreende solventes que são miscíveis ou imiscíveis com a água. Solventes orgânicos incluem, entre outros, tetrahidrofurano, acetonitrila, éter dietílico, éter t-butil metílico, acetato de etila, pentano, hexano, heptano, çiclohexano, benzeno, tolueno, metanol, etanol, bem como solventes halogenados como clorofórmio, diclorometano, tetracloreto de carbono, 1,2-dicloroetano, ou combinações dos mesmos. Outros solventes orgânicos são úteis na presente invenção.

Um solvente hidrofóbico na presente invenção compreende um solvente que é imiscível com água. Solventes de extração incluem, entre outros, éter dietílico, acetato de etila, éter t-butil metílico, hexanos, pentano, heptano,

12/21 ciclohexano, benzeno, tolueno, bem como solventes halogenados como clorofórmio, diclorometano, tetracloreto de carbono, 1,2-dicloroetano, ou combinações dos mesmos. Outros solventes hidrofóbicos são úteis na presente invenção.

Uma base utilizada na presente invenção pode compreender uma base inorgânica. Por exemplo, o cátion da base pode ser um metal alcalino, um metal alcalino-terroso, um metal de transição, um metal de pós-transição, um lantanídeo ou um actinídeo. Metais alcalinos incluem Li, Na,

K, Rb e Cs. Metais alcalino-terrosos incluem Be, Mg, Ca, Sr e

Ba. Metais de transição incluem Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co,

Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf,

Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg e Ac. O ânion da base pode ser carbonato, hidróxido, fosfato, sulfato, boronato, ou acetato.

Uma base utilizada na presente invenção pode também compreender uma molécula orgânica que contenha nitrogênio. Por exemplo, qualquer amina hibridizada sp3 ou sp2, tal como aquelas contidas em piridina, trietilamina, diisopropiletilamina, trimetilamina, tripropilamina, tributilamina, N,N-dimetilaminopiridina, imidazol, ou aminas policíclicas, tais como 1,8-diazabiciclo[5.4.0]undec-7-eno (DBU), 1,4-diazabiciclo[2.2.2]octano (DABCO), quinuclidina, quinolina, 1,5-diazabiciclo[4.3.0]non-5-eno (DBN), ou outras bases relacionadas.

*25 Uma base pode estar presente em qualquer concentração útil na presente invenção. Por exemplo, ela pode ocorrer de quantidades superestequiométricas em relação aos mols de CMF, até quantidades equimolares ou subestequiométricas.

Um método da presente invenção pode também incluir outros componentes e reagentes conhecidos por um técnico no assunto. Por exemplo, outros componentes e reagentes podem incluir tampões, surfactantes, sais adicionais, e solventes

13/21 adicionais .

IV. Exemplos: 5-metil-2-furoato metílico.

Iodeto de 1,3-dimesitil-lH-imidazól-3-io (0,031 g,

0,138 mmol) foi suspenso em tetrahidrofurano (46 ml) e etanol (16,2 ml). 1,8-diazabiciclo[5.4.0] undec-7-eno (4,14 ml, 27,68 mmol) foi então adicionado, e a reação aquecida a 32°C. O CMF (2,00 g, 13,84 mmol) foi dissolvido em THF (8 ml), e adicionado em gotas ao longo de 60 minutos. A agitação prosseguiu durante mais 2 horas, durante as quais a reação tomou uma cor vermelho escuro. Água (100 ml) foi adicionada em seguida, e a reação extraída com acetato de etila (3x150 ml). Os extratos orgânicos combinados foram reunidos e lavados com água salgada. A dessecação sobre Na₂S0₄ e a evacuação do solvente precederam a cromatografia de sílica do resíduo (15% Actato de etila:Hexanos), a qual forneceu o éster como um óleo amarelo pálido (1,56 g, 73% de rendimento): 1HNM δ (CDC13): 7,04 (d, 1H, J = 3Hz), 6,07 (d, 1H, J = 3 Hz) , 4,31 (q, 1H, J = 7 Hz) , 2,34 (s, 3H) , 1,33 (t, 2H, J = 7 Hz); 13CNMR δ (CDCI3) : 158,79, 156, 97, 143, 18, 119,13, 108,29, 60,60, 14,29, 13,89.

OUTRAS REALIZAÇÕES

O glicerol é uma molécula orgânica poli-hidroxilada de três carbonos que é produzido em abundância por todos os organismos vivos. Ele serve como a espinha dorsal de triacigliceróis, os quais são a principal fonte de energia celular derivada de gorduras, assim como de fosfolipídios, que compreendem a bicamada lipídica de membranas celulares. A baixa toxicidade e o inerente sabor doce do glicerol proporcionou sua inclusão em alimentos de baixa caloria como substituto de glicose. Como um sínton de três carbonos proquiral, o glicerol tem sido utilizado como material de início para diversos compostos farmacêuticos, bem como para metodologias químicas acadêmicas. Nos últimos anos, o

14/21 suprimento mundial de glicerol aumentou dramaticamente, uma vez que a demanda por combustíveis de biodiesel sobe, e é projetado que 1,2 toneladas de glicerol sejam geradas em 2010. Ver, por exemplo, Ott, L. Bicker, M .; Vogei, H. Green

Chem. 2006, 8, 214, o qual é incorporado a este documento por referência. Os triacilgliceróis (triglicérides) são tipicamente colhidos a partir de materiais de plantas e algas, e então transesterifiçados com álcoois alifáticos curtos para liberar os ácidos graxos do núcleo deglicerol.

Estes produtos de ésteres graxos exibem características de diesel combustível ideais, entretanto, devido a sua alta solubilidade em água e baixa inflamabilidade, o glicerol é visto como um subprotudo indesejado nesta indústria.

Um número de métodos químicos para a conversão de glicerol para produtos químicos de mercadorias foram examinados. Muitos envolvem a oxidação posterior do glicerol para derivados de acrilato, a qual encontrou uso na indústria de polímeros. A redução de glicerol para 1,2- ou 1,3propanodiol pode ser realizada utilizando diversos metais do grupo da platina e gás hidrogênio em temperaturas elevadas (ver Figura 5) . Um método específico envolve a desidratação catalítica de glicerol para acroleína. Ver, por exemplo, Katryniok, B.; Paul, S.; Capron, M. ; Dumeignil, F. ChemSusChem, 2009, 2, 719 a 730, o qual é incorporado a este ‘25 documento por referência. Embora não seja um combustível potencial em si, este processo é capaz de remover dois oxigênios do glicerol através de condições não hidrogenativas, e é a nossa suposição que a acroleína pode ser combinada com outras moléculas de cadeia curta para gerar combustíveis ou produtos químicos de interesse.

Quimicamente, a acroleína contém um grupo aldeído e um grupo alqueno. Como tal, a acroleína é altamente eletrofílica e propensa a polimerização, então é utilizada

15/21 rapidamente após a geração a partir do glicerol. A limitação da polimerização de acroleína à dimerização e à trimerização controlada pode produzir moléculas de seis carbonos e nove carbonos, respectivamente, as quais contêm baixas relações de oxigênio para carbono, e podem se adequar às especificações de combustíveis apropriadas para combustíveis de transporte e de aviação. Exemplos de realizações da presente invenção provêm um método para gerar um produto dimerizado de _______acroleína através do. uso da catalise de carbeno N10 heterofílico (NHC).

Os catalisadores de NHC tomam vantagem de comportamentos químicos incomuns dos carbenos, os quais são conhecidos por transmitir reatividade invertida em certos substratos, isto é, reatividade umpulong, tal como grupos 15 acila nucleofílicos. Ver, por exemplo, Seebach, D. Angew. Chem. Int. Ed. 1979, 18, 239 a 258, o qual é incorporado a este documento por referência; Breslow, R. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 3719 a 3726, o qual é incorporado a este documento por referência. Os chamados carbenos persistentes são 20 encontrados na natureza na forma de vitamina Bl, tiamina, os quais são envolvidos na descarboxilação de piruvato e no subsequente uso do intermediário químico no metabolismo trabalho recente de Rovis, Bode, e Scheldt escopo deste catalisador para incluir uma multitude de OC-oxoácidos e aldeídos em reações que, de outra maneira, não poderíam ocorrer sob a catálise convencional. Ver, por exemplo, Reynolds, N.T.; de Alaniz, J.R.; Rovis, T. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 9518 a 9519, o qual é este documento por referência;

Scheldt, K.A. Org. Lett. 2005, 7, 905 a 908, incorporado a este documento por referência; Chow, K.Y.-K.; Bode, J. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 8126-8127, o qual é incorporado a este documento por referência. Sob condições celular. O expandiu o incorporado a Scheldt, K.A.

Chan, A.; o qual é

16/21 básicas, os sistemas de anéis tiazólicos, imidazólicos, ou triazólicos atuam como agentes nucleofílicos, e atacarão centros carbonílicos deficientes em elétrons (ver Figura 6). Após a transferência de prótons, o centro de carbono de acila, por sua vez, se tornou nucleofílico, e atacará eletrófilos próximos, ou transferir estes elétrons para um nucleófugo interno próximo e eficazmente criar um redox interno.

Conforme contemplado na presente invenção, duas 10 moléculas de acroleína podem produzir o produto de 5vinilbutirolactona mostrado na Figura 7, através de uma reação em cascata de NHC, utilizando vitamina Bl, ou outra porção heterocíclica capaz de catálise similar. Glorious e Bode mostraram uma transformação de tipo similar, em que um homoenolato putativo de um enal pode ser gerado através de catálise de NHC, seguida de ataque intermolecular em um aldeído, seguido por um fechamento de anel e expulsão do catalisador. Ver, por exemplo, Sohn, S.S.; Rosen, E.L.; Bode,

J.W. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 14370 a 14371, o qual é incorporado a este documento por referência; Burstein, C;

Glorius, F. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 6205 a 6208, o qual é incorporado a este documento por referência.

Neste intermediário, está contido um acetato alílico, o qual será suscetível à inserção de Pd(II)Cl₂. A reorganização para a -lactona é altamente desfavorecida entropicamente, então, a eliminação de β-hidreto ocorrerá, seguida de isomerização de olefinas para produzir ácido sórbico, um produto químico de mercadorias de seis carbonos, o qual é amplamente utilizado na indústria alimentícia como conservante. A esterificação de ácido sórbico com metanol ou etanol sob catalisadores ácidos gerará sorbato de metila e sorbato de etila, respectivamente, os quais exibem pontos de fusão e pontos de evaporação similares a combustíveis de

17/21 aviação (ponto de evaporação: 63 °C e 69 °C, respectivamente; ponto de fusão: -46 °C e -34 °C, respectivamente). A hidrogenação destes compostos proverá derivados de metila e de etila, os quais mostram valores ainda menores para as categorias de combustíveis acima (ponto de evaporação: 45 °C e 49 °C, respectivamente; ponto de fusão: -71 °C e -67 °C, respectivamente). A Figura 8 é uma ilustração esquemática do processo acima.

....... Uma .realização exemplar de acordo com a presente invenção provê um método para a conversão de glicerol em um combustível líquido compreendendo: a desidratação catalítica de glicerol para acroleína; a condensação controlada de acroleína para 5-vinilbutirolactona; a conversão de 5vinilbutirolactona para ácido sórbico; a esterificação de ácido sórbico para um éster de sorbato; e a hidrogenação do éster de sorbato para um éster de hexanoato. Em tal método, a desidratação catalítica de glicerol para acroleína pode compreender a reação com um ou mais dentre bissulfato de potássio, ácido sulfúrico, ácido fosfórico, sulfato de magnésio, sulfato de zinco ou sulfato de alumínio. Em tal método, a desidratação catalítica de glicerol para acroleína pode ser realizada em temperaturas entre 473 kelvin e 673 kelvin, e pode ser realizada em processos em lote e em processos contínuos ou combinações dos mesmos.

A condensação controlada de acroleína para 5vinilbutilactona pode compreender a reação com sistemas catalíticos que afeta a reatividade invertida em grupos acila, de modo que eles se tornem nucleof ílicos. Em tal realização, os sistemas catalíticos, podem compreender um ou mais dentre sistemas de anéis tiazólicos, triazólicos ou imidazólicos.

A conversão de 5-vinilbutilactona para ácido sórbico pode compreender isomeração por paládio. A

18/21 esterificação de ácido sórbico para um éster de sorbato pode compreender esterificação catalisada por ácido com um álcool. A esterificação de ácido sórbico a um éster de sorbato pode compreender a conversão do ácido para um cloreto ácido ou anidrido ou carbonato misturado e reação com um álcool. A esterificação de ácido sórbico a um éster de sorbato pode compreender a ativação do ácido por um agente de acoplamento de carbodiimida ou outro reagente desidratador e reação com um álcool. A hidrogenação de um éster de sorbato a um éster de hexanoato pode compreender a redução por um metal nobre, tal como paládio, platina, ródio, irídio, níquel, ferro ou rutênio, sob pressões elevadas de gás hidrogênio.

Realizações exemplares da presente invenção compreendem combustíveis líquidos produzidos por qualquer um dos métodos descritos neste documento. Realizações exemplares da presente invenção compreendem aparelhos para o desempenho de qualquer um dos métodos descritos neste documento.

Outras Realizações.

A desoxigenação catalítica de material celulósico é um obstáculo significativo no desenvolvimento de combustíveis líquidos de energia densa econômicos. A redução direta de uma ligação de carbono-hidroxila é fortemente desfavorecida termodinamicamente, e tecnologias atuais da técnica anterior para realizá-la envolvem altas temperaturas, altas pressões de gás hidrogênio, bem como um sistema de catalisador metálico do grupo da platina para ativação do grupo. A natureza contornou este problema ao limitar estas hidroxilas como grupos de fosfato, seguida de eliminação para prover a olefina. Existem inúmeros protocolos de desoxigenação na literatura de síntese orgânica, embora nenhum destes será compatível em um ambiente aquoso, nem serão livres de subprodutos, dos quais muitos podem ser de peso molecular mais alto que a molécula de glicose inicial.

19/21

Relatórios recentes por Zhang e Raines mostraram que o material celulósico pode ser desidratado através de diversas etapas para formar produtos a base de furano. Ver, por exemplo, Su, Y.; Brown, H.M.; Huang, W. ; Zhou, X.-d.; Amonette, J.E.; Zhang, C. Single-step Conversion of Cellulose to 5-hydroxymethylfurfural (HMF), a Versatile Platform Chemical. App. Cat. A: General. 2009, 361, 117 a 122, incorporado a este documento por referência; Binder, J.B.; Raines, R.T. Simple Chemical Transformation of Lignocellulosic Biomass into Furanics for Fuels and Chemicals. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 1979 a 1985, incorporado a este documento por referência. Reações em pequena escala mostraram que a glicose pode ser convertida a frutose utilizando catalisadores de cromo em solvente liquido iônico seco, seguido de desidratação para hidroximetilfurfural (HMF). Esta reação procede em bom rendimento geral, entretanto, as condições de reação não são passíveis de produção em grande escala.

Um relatório, por Mascai, abordou estas questões e desenvolveu um procedimento catalisado por ácido para a produção de 5-(clorometil)furfural (CMF) diretamente a partir da celulose. Ver, por exemplo, Mascai, M.; Nikitin, E.B.; Direct, High-Yield Conversion of Cellulose into Biofuel. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7924 a 7926, incorporado a este documento por referência. Utilizando ácido, calor, cloreto de lítio, e uma configuração de reação bifásica, o CMF hidrofóbico pode ser continuamente extraído do meio de reação e, em seguida, utilizado para reações de eterificação ou de condensação posteriores.

A presente invenção provê uma transformação química inovadora no CMF, envolvendo uma reação de acoplamento oxidativa para gerar ésteres de furoato que podem servir de substitutos drop-in à gasolina ou ao diesel combustível.

20/21

Os α-cloroaldeídos demonstraram sofrer uma reação de redução de oxidação interna para gerar produtos de éster quando tratados com moléculas do tipo tiamina (vitamina Bl). Ver, por exemplo, Reynolds, N.T. ; de Alaniz, J.R.; Rovis, T. Conversion of a-haloaldehydes into acyating agents by an internai redox reaction catalyzed by nucleophilic carbenes. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 9518 a 9519, incorporado a este documento por referência. 0 CMF não contém um a-cloroaldeído em si; entretanto, a conexão aromática entre o aldeído e a clorometila liga estes grupos através de efeitos conjugativos, e pode, portanto, ser imaginada como um acloroaldeído duplamente-vinílogo ou fenílico. Não existem relatos de uma reação deste tipo.

A Figura 9 ilustra esquematicamente o cloroaldeído atacado pelo anel de tiazólio, seguido da eliminação do cloreto. A tautomerização para a cetona provê um intermediário que é suscetível a hidrólise pela água ou esterificação por um álcool.

Para facilitar a recuperação do catalisador, o tiazólio do heterociclo de triazólio pode ser fixado a um suporte sólido ou um construto supramolecular, tal como uma molécula de calixareno ou ciclodextrina. Braslow demonstrou que os sais de tiazólio ancorados covalentemente a γciclodextrina operam nove vezes mais rápido do que suas contrapartes livres na condensação de benzoína. Breslow, R.; Kool, E. A γ-Cyclodextrin Thiazolium Salt Holoenzyme Mimic for the Benzoin Condensation. Tetrahedron Lett. 1988, 29, 1635-1638, incorporado a este documento por referência.

Uma realização exemplar de acordo com a presente invenção provê um método para a conversão de 5(clorometil)furfural a um combustível líquido compreendendo: a adição nucleofílica de um catalisador de carbeno ao aldeído do 5-(clorometil)furfural e a perda do íon cloreto; o

21/21 deslocamento do catalisador com um álcool. Em tal método, o catalisador de carbeno pode compreender um heterociclo tiazólico, triazólico ou imidazólico. Em tal método, o solvente de reação pode compreender uma solução aquosa ou solvente orgânico apropriadamente tamponado(a), tal como diclorometano, dimetilformamida, tetrahidrofurano, clorofórmio, benzeno, tolueno ou acetonitrila.

deslocamento do catalisador de carbeno com um álcool põde compreender a reação com qualquer álcool alifático ou aromático, de modo que um produto de éster de furoato seja gerado.

Embora a invenção acima tenha sido descrita em alguns detalhes a título de ilustração e exemplo, para propósitos de clareza de entendimento, um técnico no assunto apreciará que certas alterações e modificações podem ser praticadas dentro do escopo das reivindicações apensas. Além disso, cada referência provida neste documento é incorporada por referência em sua totalidade na mesma medida que se cada referência fosse individualmente incorporada por referência.

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Claims (8)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. MÉTODO PARA A SÍNTESE DE UM PRODUTO DE SAÍDA, CONTENDO UM OU MAIS DE: UM ÉSTER DO ÁCIDO 5-METIL-2-FUROICO, UMA AMIDA DO ÁCIDO 5-METIL-2-FUROICO E UM TIOÉSTER DO ÁCIDO

   5 5-METIL-2-FUROICO, de um precursor que consiste em 5-metilfuraldeído com um hidrogênio do grupo 5-metila substituído por um de cloreto, flúor, brometo, iodeto, ptoluenossulfonato, metanossulfonato, trifluoroacetato, fenoxi, hidroxi ou amônio, caracterizado por compreender:

   10 (a) o contato do precursor, de uma base, de um solvente orgânico, de um catalisador e um nucleófilo reativo, em um vaso de reação, a uma temperatura de -78°C a 150°C, de modo que as moléculas de saída sejam produzidas; e (b) a separação das moléculas de saída através da

   15 extração com um solvente hidrofóbico, ou de outro modo por cromatografia, destilação, sublimação ou precipitação;

   em que o catalisador é um ou mais de: (1) um carbeno N-heterocíclico, (2) um sal de um carbeno Nheterocíclico, (3) cianeto, (4) cloreto, (5) brometo, (6)

   20 iodeto, (7) tiazol, (8) 1,2,4-triazol, (9) imidazol, (10) sistema de anéis tiazólicos.
2. 2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo produto de saída ser um éster do ácido 5metil-2-furoico tendo uma porção alcoxicarbonila, e em que a

   25 porção alcoxicarbonila é uma cadeia alifática linear ou ramificada ou um alifático cíclico, possuindo entre 1 e 20 átomos de carbono.
3. 3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo produto de saída ser um éster de ácido 530 metil-2-furoico tendo uma porção ariloxicarbonila, e em que a porção ariloxicarbonila é um anel aromático, tendo de 5 a 10 átomos de carbono.
4. 4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1,

   Petição 870180033247, de 24/04/2018, pág. 9/13

   2/2 caracterizado pela base compreender uma base inorgânica.
5. 5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela base compreender uma base orgânica contendo nitrogênio.

   5 6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo solvente orgânico ser miscível em água. 7 . MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo solvente orgânico ser imiscível em água. 8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, 10 caracterizado pelo nucleófilo reativo ser água. 9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo nucleófilo reativo ser um álcool. 10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo nucleófilo reativo ser uma amina. 15 11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo nucleófilo reativo ser um tiol. 12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela temperatura ser de 25 °C a 35°C. 13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, 20 caracterizado pelo solvente hidrofóbico compreender um

   solvente que é imiscível em água.

   Petição 870180033247, de 24/04/2018, pág. 10/13

   110

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