CN103119149A - 用于将异-α-酸和四氢-异-α-酸氢化成六氢-异-α-酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将异-α-酸（或四氢-异-α-酸）氢化成六氢-异-α-酸的方法，其中，异-α-酸（或四氢-异-α-酸）与含钌的非均相催化剂混合，在无溶剂的条件下，或在存在溶剂相（例如，二氧化碳、水、乙醇或另一种有机溶剂，或它们的混合物）的情况下，以及在不存在或存在其他啤酒花化合物（例如β-酸）的情况下，所述催化剂催化由异-α-酸或四氢-异-α-酸氢化成为六氢-异-α-酸。然后获得的混合物经受一个温度，在该温度下含异-α-酸（或四氢-异-α-酸）的反应介质粘度足够低以便于与含钌的非均相催化剂混合，并在含氢气的气氛（纯氢气或与惰性气体混合）下保持足以使异-α-酸（或四氢-异-α-酸）反应物高效转化成六氢-异-α-酸产物的反应时间。异-α-酸或四氢-异-α-酸相对于钌的摩尔比在1:1至2000:1之间变化。在氢化过程之后，含钌的非均相催化剂可以通过离心、过滤、倾析或其他液-固分离技术从六氢-异-α-酸产物相中分离。氢化过程可以分批地或可替代地以连续方式进行。

Description

用于将异-α-酸和四氢-异-α-酸氢化成六氢-异-α-酸的方法
技术领域
本发明涉及通过使用催化由异-α-酸或四氢-异-α-酸氢化成六氢-异-α-酸的含钌的非均相催化剂，通过氢化异-α-酸（异葎草酮或异葎草酸酯/盐（isohumulate））或四氢-异-α-酸（四氢-异葎草酮或四氢-异葎草酸酯/盐（tetrahydro-isohumulate））来生产六氢-异-α-酸（六氢-异葎草酮或六氢-异葎草酸酯/盐（hexahydro-isohumulate））。
背景技术
本发明涉及六氢-异-α-酸的生产，六氢-异-α-酸是异-α-酸的还原衍生物，用于为啤酒提供苦味和泡沫。这些六氢-异-α-酸是具有优异的泡沫稳定性能的苦味的啤酒花酸衍生物，并且在抗光解和氧化降解（US3,552,975）方面优于所有其他异-α-酸产物。
传统上，苦啤酒的味道来自啤酒花球果中存在的α-酸。在常规的酿造过程的麦芽汁煮沸阶段期间，α-酸从（粉末状）啤酒花球果中提取并且部分转化成相应的苦味的异-α-酸。然而，在传统酿造过程中啤酒花利用率（或异-α-酸产率）只有约35％（GB1,158,697）。
已经清楚的是可以通过在酿造过程外进行α-酸异构化，并且更具体地通过在无机碱性化合物的作用下离线预异构化α-酸（US3,952,061；US4,002,683；US4,758,445；US5,015,491；US5,155,276；US5,370,897）来改善啤酒花利用率。这种离线生产的异-α-酸的使用将酿造过程中啤酒花α-酸的利用率提高至最多约70％。
然而，异-α-酸具有多种内在缺点。这样的负面特性之一是它们对光解降解的敏感性，这导致归因于3-甲基-2-丁烯-1-硫醇（MBT）的形成的所谓的“抗日光嗅味（lightstruck flavor）”的发展，也称为“臭鼬巯基（skunkythiol）”。光解反应的发生是在异-α-酸分子中存在异-3-己烯酰基侧链的结果。通过改变异-α-酸的分子结构，例如通过还原在这种异-3-己烯酰基侧链中的C=C和/或C=O键，可以防止由光解降解造成的大量的MBT副产物形成（例如在啤酒中）。
因此，还原的异-α-酸衍生物已被介绍，就是说二氢-异-α-酸、四氢-异-α-酸和六氢-异-α-酸，并且现在被许多啤酒制造商使用，一般通过在酿造过程的初发酵阶段之后加入它们。二氢-异-α-酸（也称为ρ-异-α-酸）是通过将上述异-3-己烯酰基链中的羰基还原为羟基而获得，通常使用碱金属硼氢化物作为还原剂。提供氢化上述异-3-己烯酰基侧链和异戊烯基侧链中的C=C键来获得四氢-异-α-酸。六氢-异-α-酸是通过结合上述还原过程和氢化过程而生产。
用于生产二氢-异-α-酸的所有工业应用步骤使用异-α-酸的硼氢化物类还原（US3,558,326；US4,324,810）。用于生产四氢-异-α-酸的工业过程一般使用钯（Pd）类非均相催化剂（US5,013,571，US5,600,012）。
对于六氢-异-α-酸的形成，已经描述了两种方法。第一个类型使用四氢-异-α-酸作为前体，并使用碱金属硼氢化物通过还原（US3,552,975）获得所需的六氢-异-α-酸。第二种方法由二氢-异-α-酸开始，二氢-异-α-酸在负载的Pd催化剂上用氢气氢化（US5,013,571）。
US3,552,975描述了通过使用碱金属硼氢化物作为还原剂，水和/或醇溶剂作为优选的惰性质子反应介质，以及在弱碱性pH值条件下，由四氢-异-α-酸开始形成“抗臭鼬（skunk-proof）”六氢-异-α-酸。还原过程之后，通过添加HCl水溶液来分解过量的还原剂，并且通过与水不混溶的溶剂（例如，低级烃或醚）萃取来回收六氢-异-α-酸。为了获得高纯度的六氢-异-α-酸产物，需要额外的溶剂蒸发步骤。
US6,198,004描述了通过将贵金属催化剂（优选Pd催化剂）逐渐地或连续地加入到反应混合物中用于将异-α-酸转化为四氢-异-α-酸的方法，如通过Pd催化剂类实验数据支持的，所述催化剂催化将异-α-酸氢化成四氢-异-α-酸。然而，US6,198,004还教导，当六氢-异-α-酸是期望的产物时，四氢-异-α-酸需要进一步在还原步骤中还原，所述还原步骤特别地使用了碱金属硼氢化物类型的还原剂。
US5,013,571描述了使用碱金属硼氢化物化合物将异-α-酸还原成二氢-异-α-酸并随后在Pd催化剂上氢化成六氢-异-α-酸，使用碳、碳酸钡、硫酸钡、钙碳酸或氧化铝作为负载材料。在作为碱性pH条件下的结果的还原过程中，以及在来源于氢解的氢化过程中，通过报告侧链裂解，该专利还反映了这些还原过程和氢化过程的关键性质。
用于避免这些全氢化产物的方法在US5,600,012中进行了描述。如果源自于氢解降解的不希望的副产物存在于产物中，需要使用例如己烷的额外的提取步骤来除去这些降解产物，随后通过溶剂蒸发步骤来获得纯化的六氢-异-α-酸。
US7,344,746描述了使用基于Pd类和Pt类的催化剂通过（无溶剂）氢化过程由二氢-异-α-酸生产六氢-异-α-酸，其中有可能以间歇方式或连续方式掺混二氧化碳。
以上清楚地说明，本领域已知的啤酒花异-α-酸转化成六氢-异-α-酸需要复杂的多步过程，包括氢化和（碱金属硼氢化物类）还原反应，其中通常需要通过萃取和蒸发过程来去除不希望形成的降解副产物（例如，侧链裂解和氢解）。因此，对于用于由异-α-酸或四氢-异-α-酸获得六氢-异-α-酸的改进的、简化的方法仍然存在需要。
发明内容
本发明涉及使用催化将异-α-酸或四氢-异-α-酸氢化成六氢-异-α-酸的含钌的非均相催化剂，用于一步生产六氢-异-α-酸（六氢-异葎草酮或六氢-异葎草酸酯/盐（hexahydro-isohumulate））的方法，并且涉及通过所述方法获得的六氢-异-α-酸组合物。
因此，本发明的第一个方面提供了用于将异-α-酸或四氢-异-α-酸氢化成六氢-异-α-酸的方法，包括（i）在不存在或存在溶剂（例如二氧化碳、水、乙醇或其他有机溶剂，或它们的混合物）的情况下，以及在不存在或存在其他啤酒花化合物（例如α-酸或β-酸）的情况下，使异-α-酸反应物（例如，处于异-α-酸、异葎草酸碱金属盐（alkali metal isohumulate）或异葎草酸碱土金属盐（alkaline earth metal isohumulate）的形式）或四氢-异-α-酸反应物（例如，处于四氢-异-α-酸、四氢-异葎草酸碱金属盐（alkai metaltetrahydro-isohumulate）或四氢-异葎草酸碱土金属盐（alkaline earth metaltetrahydro-isohumulate）的形式）与含钌的非均相催化剂接触或混合；以及（ii）在含氢气的气氛下保持该混合物。含氢气的气氛可以通过用纯氢气或用另一种气体（优选惰性气体，例如氮气、氦气、氩气、二氧化碳或它们的混合物）稀释的氢气增压反应混合物来获得。
与现有技术已知的相反，根据本发明的方法不包括使用无机还原剂来获得六氢-异-α-酸的额外的还原反应，例如碱金属硼氢化物类还原剂（例如，硼氢化钠或硼氢化钾），或氢化铝类还原剂（例如，氢化锂铝）。
在本发明的一个优选的实施方式中，氢化反应在至少293K的反应温度下进行，优选在293K至398K的范围内，更优选在333K和373K之间，以及最优选在343K和363K之间。在另一个优选的实施方式中，使用在0.02MPa至10.0MPa之间变化的氢气分压来进行氢化反应，并且更优选在0.1MPa和5.0MPa之间，以及最优选在0.2MPa和2.0MPa之间。
氢化反应的反应时间足以达到超过99％的异-α-酸（或四氢-异-α-酸）的转化率（处于游离酸形式或处于解离形式（例如，处于异葎草酸酯/盐（isohumulate）或四氢-异葎草酸酯/盐（tetrahydro-isohumulate）的形式），对于六氢-异-α-酸（处于游离酸形式或处于六氢-异葎草酸酯/盐（hexahydro-isohumulate）的形式）选择性超过90％。
根据本发明的方法可以进一步包括在氢化反应之前或在与氢化反应相同的反应介质中将α-酸异构化成所述异-α-酸（或将四氢-α-酸异构化成所述四氢-异-α-酸）的步骤。
根据本发明的方法可以进一步包括在氢化过程之后从获得的六氢-异-α-酸产物相中分离含钌的非均相催化剂的步骤，例如通过离心、过滤、倾析或通过另一种液-固分离技术。
在本发明的一个优选的实施方式中，含钌的非均相催化剂是氢化非均相催化剂，包括在负载材料上的钌，包含至少0.1重量％的钌（基于总催化剂重量，包括负载材料）和基于金属的至少5重量％的钌，其中金属来自下组：银（Ag）、金（Au）、钴（Co）、铜（Cu）、铱（Ir）、镍（Ni）、Pd、Pt、铑（Rh）和钌（Ru）。这些包含Ru的催化剂的负载材料可以是碳类材料、氧化物或氢氧化物、合成聚合物、生物聚合物、金属结构、有机-无机混合材料、沸石、粘土或盐材料。钌以金属、氢氧化物或氧化物状态存在。优选地，含钌的非均相催化剂是使用碳或氧化铝作为负载材料的含钌催化剂。
紧接着钌之后，一种或多种其他（贵）金属，例如，Ag、Au、Co、Cu、Ir、Ni、Pd、Pt和Rh，也可以是导致六氢-异-α-酸的氢化催化剂的一部分，并且这些（贵）金属能够以单独的相或者与钌的混合相形式或者以合金形式存在。并且，可以使用含钌催化剂连同另一种非均相氢化催化剂一起的组合，例如，Ru和Pd催化剂的组合（具有较高的以及有选择性的C=C氢化活性）。钌能够以其金属状态或以氢氧化物或氧化物状态存在于这些氢化催化剂中。
优选地，含钌催化剂中存在的钌部分或钌簇（cluster）的平均粒径为至少1nm以及至多1000nm（如通过透射电子显微镜测量的）。
在本发明方法的另一个优选的实施方式中，异-α-酸或四氢-异-α-酸（处于游离酸形式或处于解离形式（如处于异葎草酸酯/盐（isohumulate）和四氢-异葎草酸酯/盐（tetrahydro-isohumulate）的形式））相对于氢化催化剂的钌部分的摩尔比是在1至2000之间，优选在10至500之间，更优选在20至200之间。
本发明的另一个目的提供了通过根据本发明的方法获得的啤酒花六氢-异-α-酸组合物。具体地，所述啤酒花六氢-异-α-酸组合物包括至少50、60、70或80重量％，优选至少85或90重量％的六氢-异-α-酸（基于α-酸、异-α-酸和它们的氢化和/或还原衍生物的总质量），其中所述六氢-异-α-酸组合物基本上不含源自无机还原剂的无机化合物，特别是硼氢化钠类还原剂。优选地，如通过元素分析测定的，所述六氢-异-α-酸组合物包括小于50ppm的含硼物质。六氢-异-α-酸可以处于其游离酸形式，或处于解离形式。所述啤酒花六氢-异-α-酸组合物可以是无溶剂的或六氢-异-α-酸可以溶解在合适的溶剂中。
附图说明
附图列表
图1示出了根据本发明，通过包含钌的非均相催化剂催化的，啤酒花异-α-酸至六氢-异-α-酸的氢化反应。通常地，R是低级烷基，优选C1-C6烷基。
R=-CH2CH(CH3)2：n-；
R=-CH(CH3)2：co-；
R=-CH(CH3)CH2CH3：ad-；
R=-CH2CH2CH(CH3)2：pre-；
R=-CH2CH3：post-。
图2示出了用Ru/C催化剂氢化处于水中的二氢-异-α-酸和四氢-异-α-酸，特别是反应物转化率的时间依赖性。
具体实施方式
令人惊讶的是，发明人发现使用含钌的非均相催化剂允许一步反应，更具体地说，将啤酒花异-α-酸一步氢化成六氢-异-α-酸，无需使用无机还原剂的还原步骤，例如通过使用碱金属硼氢化物。因此，含钌的非均相催化剂能够催化异-3-己烯酰基侧链和异戊烯基侧链的C=C键以及异-3-己烯酰基侧链的C=O键的氢化。相反，本领域已知的氢化催化剂，例如含Pd的催化剂，仅催化异-3-己烯酰基侧链和异戊烯基侧链的C=C键的氢化。当使用本领域已知的氢化催化剂（例如，含Pd和Pt的催化剂）时，异-3-己烯酰基侧链的C=O键的还原需要使用无机还原剂（例如硼氢化钠或硼氢化钾）的额外的还原步骤。
本发明提供了使用含钌的非均相催化剂用于将异-α-酸转化或氢化成六氢-异-α-酸的改进方法（如图1示意性地示出）。因此，本发明涉及用于氢化异-α-酸的方法，包括：在氢气存在下（纯氢或者与另一种气体的混合物形式），不存在或存在合适溶剂的情况下，以及不存在或存在其他啤酒花化合物（例如α-酸和β-酸）的情况下，混合含异-α-酸的进料和含钌的非均相催化剂。使用含钌的非均相催化剂并且使α-酸和β-酸在过程进料中，α-酸和β-酸被分别氢化为四氢-α-酸和六氢-β-酸。含钌的非均相催化剂能够催化α-酸（具有两个异戊烯基侧链）和β-酸（具有三个异戊烯基侧链）的异戊烯基侧链中的C=C键的氢化。
在本发明的上下文中，含异-α-酸的进料优选通过啤酒花提取物（例如啤酒花α-酸浓缩提取物）的异构化获得的预异构化的α-酸提取物，所述啤酒花提取物优选通过液体或超临界二氧化碳提取获得。在本发明的另一个实施方式中，含异-α-酸的进料也可以是含异律草酸酯/盐（isohumulate）的混合物或处于溶剂（如水、二氧化碳、有机溶剂（包括但不限于甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇或这些醇溶剂的混合物或它们的混合物）中的异律草酸酯/盐（isohumulate）（解离的异-α-酸）（例如异律草酸碱金属盐（alkalimetal isohumulate）或异律草酸碱土金属盐（alkaline earth metalisohumulate））的溶液。
本发明还涉及使用含钌的非均相催化剂用于将四氢-异-α-酸氢化成六氢-异-α-酸的方法，包括在氢气（纯氢或者与另一种气体的混合物形式）存在下，不存在或存在合适溶剂的情况下，以及不存在或存在其他啤酒花化合物（例如α-酸和β-酸）的情况下，混合含四氢-异-α-酸的进料（四氢-异-α-酸，处于非解离形式或处于解离形式），和含钌的非均相催化剂。
本发明还涉及用于基本上同时将α-酸异构化和氢化成六氢-异-α-酸（以及将四氢-α-酸异构化和氢化成六氢-异-α-酸）的方法。“基本上同时”是指异构化和氢化发生在同一反应介质中，通过它们各自的催化剂进行催化（即合适的异构化催化剂和含钌的非均相氢化催化剂）。优选地，选择工艺条件以保证在反应介质中异构化步骤在氢化反应前面。然而，如果α-酸的氢化发生在α-酸异构化前面，这将导致主要形成四氢-α-酸，接下来，四氢-α-酸将被异构化成四氢-异-α-酸。随后，在根据本发明的含钌的非均相催化剂上，这些四氢-异-α-酸将被氢化成六氢-异-α-酸。用于啤酒花α-酸的异构化的合适的异构化催化剂是本领域技术人员已知的。优选地，用于将α-酸异构化成异-α-酸（或将四氢-α-酸异构化成四氢-异-α-酸）的所述催化剂是作为非均相催化剂起作用的碱土金属类化合物，其基本上不溶解在含α-酸的进料中或溶解在（还原的）异-α-酸产物相中。更优选地，所述异构化催化剂是铝酸盐、钛酸盐、硅酸盐或羟基磷灰石类型的碱土金属类无机材料，包含镁、钙、锶或钡或它们的混合物。
在本发明的一个优选实施方式中，所述方法进一步包括在含氢气的气氛下保持混合物的步骤，由此使用纯氢气或氢气与另一种气体（优选惰性气体，例如氮气、氩气、氦气、二氧化碳或它们的混合物）混合通过增压混合物来产生所述气氛。优选地，在氢气存在下所述反应混合物经受一个温度，在该温度下含异-α-酸或四氢-异-α-酸的反应介质具有足够低的粘度以便于与氢化催化剂混合，优选同时进行搅拌。优选地，所述温度为至少293K。更优选地，允许氢化反应进行足够长的时间以达到95％以上，最优选99％以上的异-α-酸（或四氢-异-α-酸）的转化率，对于六氢-异-α-酸（处于非解离形式或处于解离形式，对于六氢-异律草酸酯/盐（hexahydro-isohumulate）具有90％以上的选择性。如本领域技术人员所理解的，给出了特定的底物相对于钌的比例，并且对于特定的含异-α-酸或四氢-异-α-酸的过程进料，获得>90％的六氢-异-α-酸产率的反应时间依赖于含钌的非均相催化剂的特性，包括但不限于在含钌催化剂中存在的钌簇或钌部分的平均粒径或粒径分布以及负载材料的类型，并且还依赖于所使用的工艺条件，例如反应温度和氢气压力。
在本发明的上下文中，含钌的非均相催化剂为氢化催化剂，包含至少0.1重量％的钌（基于催化剂的总质量，包括负载材料）和基于金属的至少5重量％的钌，其中金属来自下组：Ag、Au、Co、Cu、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh和Ru。这些含钌催化剂的负载可以是碳类的（例如，具有不同孔径和粒径的碳或活性炭、碳纳米管、石墨烯类型材料）、（氢）氧化物（例如，基于Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Ti、Si的单一氧化物或混合氧化物）、合成聚合物（例如，聚乙烯吡咯烷酮）、生物聚合物（例如，壳聚糖）、金属结构（例如，金属网）、有机-无机混合材料（例如，金属-有机框架、配位聚合物等）、沸石（天然来源的或合成来源的）、粘土（例如，膨润土）或盐（例如，碱土金属类碳酸盐、硫酸盐等）。应当理解的是，这个列表不是限制性的。其中非均相是指可以通过六氢-异-α-酸产物相的元素分析来测量钌没有显著地或基本上没有溶解在产物相中。更具体地，“钌催化剂没有显著地或基本上没有溶解”的意思是产物相基本上不含钌。如通过元素分析测定的，可以在六氢-异-α-酸产物相中发现优选地小于0.01％，更优选小于0.001％的钌存在于催化剂中。
紧接着钌之后，还可以存在一个或多个其他（贵）金属，例如，Ag、Au、Co、Cu、Ir、Ni、Pd、Pt和Rh。同样，应当理解的是，这个列表不是限制性的。这些额外的（贵）金属能够以单独相，或混合相，或与钌的合金形式存在。含钌的催化剂也可以与另一种基于上述（贵）金属的氢化非均相催化剂结合。钌能够以其金属状态或以氢氧化物或氧化物形式存在于含钌的氢化催化剂中。含钌的氢化催化剂（因为它们出现在负载材料上）中存在的钌部分或簇具有在1nm至1000nm之间变化的粒径分布，优选在1.5nm至100nm之间，更优选在2nm至25nm之间（如通过透射电子显微镜确定的）。
能够以在1至2000之间，更优选在10至500之间，并且最优选20至200之间变化的异-α-酸（或四氢-异-α-酸）相对于氢化催化剂的钌部分的摩尔比使用含钌的氢化催化剂。
在本发明的又一个实施方式中，在至少293K的中等温度下通过含钌的非均相催化剂催化将异-α-酸（或四氢-异-α-酸）氢化成六氢-异-α-酸。优选地，将反应混合物保持在293K至398K范围内的反应温度下，并且更优选在333K和373K之间，最优选在343K和363K之间。将反应混合物保持在优选的温度下持续在0.1至48小时范围内的反应时间，更优选在0.5至24小时的范围内，最优选在1至12小时的范围内。在氢化反应期间，含氢气的气氛保持在反应混合物的上面。可以使用纯氢气或可替代地氢气与其他气体混合（具体地是惰性气体，如氮气、氦气、氩气、二氧化碳或它们的混合物）。氢气的分压可以在0.02至10.0MPa之间变化。更优选氢气的分压在0.1至5.0MPa的范围内，并且最优选在0.2至2.0MPa之间。
在另一个实施方式中，有机分子可以在称为转移氢化的过程中用作氢源，如在Heterogeneous Catalytic Transfer Hydrogenation and Its Relation toOther Methods for Reduction of Organic Compounds(R.A.W.Johnstone etal.，Chemical Reviews85(1985)129-170)中描述的。
含钌的非均相催化剂可在无溶剂条件下使用。可替代地，水、二氧化碳和有机溶剂（例如，甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇或这些醇溶剂的混合物）或它们的混合物可以用作反应介质。
此外，含钌的非均相催化剂可以通过简单离心、过滤、倾析，或通过其他液-固分离技术从反应介质中分离，从而允许回收催化剂。
氢化过程可以在间歇反应器中进行，由此在氢化反应开始时将含钌的催化剂和含异-α-酸（或四氢-异-α-酸）的进料装入间歇式反应器中。在另一个实施方式中，在管式反应器中氢化催化剂用作固定床并且将含异-α-酸（或四氢-异-α-酸）的进料泵送通过反应器，这允许在反应器出口处直接收集六氢-异-α-酸产物。还可以使用非均相催化的技术人员通常已知的其他反应器和工艺设计。这种反应器设置的非限制性列表可以在AppliedHeterogeneous Catalysis（J.-F.Lepage et al.,Institut  du Pétrole,Editions Technip,1987）中找到。
在无溶剂的条件下在异-α-酸（或四氢-异-α-酸）反应物的高度转化之后，六氢-异-α-酸产物可以作为有机液相通过适合固-液分离的任何单元操作来分离。优选的技术是离心或过滤含钌的非均相催化剂，或倾析液体层。在溶剂存在下进行氢化反应的情况下，固-液分离可以获得处于水和/或有机溶剂（如乙醇）中的六氢-异-α-酸产物的溶液。本发明的一个优点是，在无溶剂氢化过程的情况下，不需要额外的工作操作（work-up operation）（例如萃取和蒸发过程）以获得高纯度的六氢-异-α-酸，作为产物相。
应当理解的是，不需要额外的还原步骤，进行根据本发明的氢化反应，以获得六氢-异-α-酸，例如在现有技术中描述的由异-α-酸获得六氢-异-α-酸的方法中就是这种情况。具体而言，在现有技术中，通过以下得到六氢-异-α-酸，（i）通过碱金属硼氢化物还原异-α-酸以形成二氢-异-α-酸，随后通过将所述二氢-异-α-酸（例如，Pd催化）氢化成六氢-异-α-酸；或（ii）通过将异-α-酸（例如，Pd催化）氢化成四氢-异-α-酸，随后通过碱金属硼氢化物还原所述四氢-异-α-酸以形成六氢-异-α-酸。因此，本发明的一个优点是，获得的六氢-异-α-酸基本上不含源自无机还原剂的无机化合物，例如硼氢化物或氢化铝类还原剂。特别地，获得的六氢-异-α-酸基本上不含源自硼氢化物类还原反应的含硼物质。
本发明的另一个目的提供了在不使用应用无机还原剂（例如碱金属硼氢化物（例如，硼氢化钠或硼氢化钾）或碱金属氢化铝（例如，硼氢化铝锂））的还原反应情况下，可以通过根据本发明的方法获得的六氢-异-α-酸组合物。所述六氢-异-α-酸组合物包括至少50、60、70、80、85或90重量％的六氢-异-α-酸（以α-酸、异-α-酸和它们（氢化的和/或还原的）衍生物的总质量计），并且基本上不含源自无机还原剂的无机化合物。更优选的是，所述六氢-异-α-酸组合物基本上不含源自硼氢化物类还原反应的含硼物质。更具体地，“基本上不含有含硼物质”的意思是所述组合物包括小于50、40、30、20、10或5ppm的硼（如通过元素分析测定的）。
下面将参考实施例说明本发明的详细情况：
实施例1.用Ru/C催化剂无溶剂氢化异-α-酸
为了统计的可靠性，所有的氢化实验进行三次。异-α-酸反应物的起始组合物为>96％的异-α-酸；在过程进料中基本上不存在还原的异-α-酸，α-酸含量为<1％并且β-酸含量为<3％。将具有2nm平均Ru粒径（如通过透射电子显微镜测定的）的0.04克的5％Ru/C催化剂（≈0.02mmol Ru），加入0.36g的异-α-酸进料中（≈1mmol异-α-酸）。接着，搅拌反应混合物并加热至333K、348K或363K持续不同的反应时间。所有反应容器用0.8MPa的氢气增压。在氢化反应后，通过离心将粉末催化剂从反应混合物中分离。
通过配备二元泵、真空脱气装置、自动进样器、柱温箱、和二极管阵列检测器的HPLC装置进行样品分析。两个Zorbax Extend C18柱（150mm长×4.6mm内径，填充有5μm颗粒）串联使用。用氨（A溶剂）和由60％乙腈（v/v）和40％乙醇（v/v）组成的混合物（B溶剂）将由处于20％（v/v）乙醇中的5mM醋酸铵组成的流动相调节至pH为9.95。流动速率设定在0.4mL/min并进行溶剂梯度洗脱：0-12min：0-16％B，12-14min：16-25％B，14-44min：25-40％B，44-54min：40-60％B，54-64min：60-90％B，64-70min：90-100％B。柱温度保持在308K。注射100μL体积的过滤的样品。在256nm下针对异-α-酸反应物和衍生的还原的异-α-酸产物，特别是二氢-异-α-酸、四氢-异-α-酸和六氢-异-α-酸进行UV检测。在加入1mL乙醇后分析来自无溶剂氢化实验的样品。
在333K的反应温度下，使用0.04g的5％Ru/C催化剂（反应物：钌的摩尔比=50）将0.36g的异-α-酸转化为六氢-异-α-酸，在24h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表1，项目1）。在不添加5％Ru/C催化剂的情况下在333K下进行的对照实验中，在24h反应时间后<1％的异-α-酸反应物被转化（表1，项目2）。在与项目1相同，但是在348K下进行20h的实验中，也获得>90％的六氢-异-α-酸的产率（表1，项目3）。在363K的反应温度下，16h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表1，项目5）。在没有5％Ru/C催化剂的情况下在348或363K下进行的对照实验导致异-α-酸反应物<1％的转化率（表1，项目4和6）。
还评估了具有较大Ru粒径的其他Ru/C催化剂。观察到，以较大的平均Ru簇粒径（3nm-9nm）表征的5％Ru/C催化剂需要较长的反应时间来获得>90％的六氢-异-α-酸的产量水平，但是发现这些Ru催化剂对六氢-异-α-酸具有相同的高选择性。
还观察到，使用5％Ru/C催化剂，将在含异-α-酸的进料中低浓度存在的α-酸和β-酸，分别氢化为四氢-α-酸和六氢-β-酸。
表1.用Ru/C催化剂无溶剂氢化异-α-酸
Figure BDA00002833179300121
反应条件：反应物：钌的摩尔比=50；0.36g反应物；0.04g催化剂。
实施例2.用Ru/Al 2 O 3 催化剂无溶剂氢化异-α-酸
如在实施例1中描述的进行氢化实验，除了含Ru的催化剂的类型和用量之外。这里使用具有3nm的平均Ru粒径的0.08g的5％Ru/Al2O3，替代实施例1中应用的0.04g的5％Ru/C。
如实施例1中描述的进行样品分析。
在333K的反应温度下，使用0.08g的5％Ru/Al2O3催化剂（反应物：钌的摩尔比=25）将0.36g的异-α-酸转化为六氢-异-α-酸，24h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表2，项目1）。使用较高的温度（348K和363K替代333K）可以缩短获得>90％的六氢-异-α-酸的产率所需要的反应时间（如表2中的项目2和3描述的）。
观察到，使用5％Ru/Al2O3催化剂，在过程进料中低浓度存在的α-酸和β-酸，被分别氢化为四氢-α-酸和六氢-β-酸。
表2.用Ru/Al2O3催化剂无溶剂氢化异-α-酸
Figure BDA00002833179300131
反应条件：反应物：钌的摩尔比=25；0.36g反应物；0.08g催化剂。
实施例3.用Ru/C催化剂氢化处于水中的异-α-酸
异-α-酸进料的起始组合物是溶解在水中的5重量％的异-α-酸（以异葎草酸钾盐（potassium isohumulate salt）形式存在）；基本上没有还原的异-α-酸存在于过程进料中，基于（α-酸+异-α-酸+β-酸）质量，α-酸含量为<1％，并且β-酸含量为<1％。将0.08g的5％Ru/C催化剂（≈0.04mmol Ru）加入溶解在水中的0.36g的异-α-酸（≈1mmol异-α-酸）中。接着，搅拌反应混合物并加热至333K、348K或363K持续不同的反应时间。所有反应容器用1.6MPa的氢气增压。在氢化反应之后，通过使用5μm的过滤器过滤将粉末催化剂从反应混合物中分离。
如实施例1中描述的进行样品分析，除了样品后处理之外。这样分析了反应样品，无需在乙醇中稀释。
在333K的反应温度下，使用0.08g的5％Ru/C催化剂（反应物：钌的摩尔比=25）将溶解在水中的0.36g的异-α-酸转化为六氢-异-α-酸，24h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表3，项目1）。在与项目1相同，但是在348K和363K的温度下进行的实验中，分别在20h和16h后也获得>90％的六氢-异-α-酸的产率（表3，项目3和5）。在没有添加5％Ru/C催化剂的情况下在333K、348K和363K下进行的对照实验中，溶解在水中的<1％的异-α-酸反应物被转化（表3，项目2、4和6）。
与表3中项目1、3和5类似的氢化过程也使用在用于氢化过程之前通过在流动氢气下在363K下保持催化剂1小时而预处理的5％Ru/C催化剂来进行。预处理的5％Ru/C催化剂的催化性能类似于未处理的Ru催化剂。
表3.用Ru/C催化剂氢化处于水中的异-α-酸
Figure BDA00002833179300141
反应条件：反应物：钌的摩尔比=25；0.36g反应物；0.08g催化剂。
实施例4.用Ru/Al 2 O 3 催化剂氢化处于水中的异-α-酸
如实施例3中描述的进行氢化实验和样品分析，除了Ru催化剂的类型和用量之外。在此我们使用0.16g的5％Ru/Al2O3。
在333K的反应温度下，使用0.16g的5%Ru/Al2O3催化剂（反应物：钌的摩尔比=12.5）将溶解在水中的0.36g的异-α-酸转化为六氢-异-α-酸，24h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表4，项目1）。在348K和363K的反应温度下进行的类似实验中，分别在20h和16h后也获得>90％的六氢-异-α-酸的产率（表4，项目2和3）。
表4.用Ru/Al2O3催化剂氢化处于水中的异-α-酸
Figure BDA00002833179300142
反应条件：反应物：钌的摩尔比=12.5；0.36g反应物；0.16g催化剂。
实施例5.用Ru/C催化剂氢化处于乙醇中的异-α-酸
异-α-酸进料的起始组合物是溶解在乙醇中的25重量％的异-α-酸；基本上没有还原的异-α-酸存在于过程进料中，基于（α-酸+异-α-酸+β-酸）质量，α-酸含量为<1％并且β-酸含量为<3％。将0.04g的5％Ru/C催化剂（≈0.02mmol Ru）加入溶解在乙醇中的0.36g的异-α-酸（≈1mmol异-α-酸）中。接着，搅拌反应混合物并加热至333K或348K持续不同的反应时间。所有反应容器用2.0MPa的氢气增压。在氢化反应之后，通过离心将粉末催化剂从反应混合物中分离。
如实施例1中描述的进行样品分析，除了在HPLC分析之前的样品处理之外。这样分析了反应样品，无需进一步在乙醇中稀释。
在333K下，使用0.04g的5％Ru/C催化剂（反应物：钌的摩尔比=50）将溶解在乙醇中的0.36g的异-α-酸转化为六氢-异-α-酸，28h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表5，项目1）。在与项目1相同，但是在348K下进行的实验中，分别在24h后获得>90％的六氢-异-α-酸的产率（表5，项目3）。在不添加Ru/C催化剂在333K和348K下进行的对照实验中，<1％的异-α-酸反应物被转化（表5，项目2和4）。
表5.用Ru/C催化剂氢化处于乙醇中的异-α-酸
Figure BDA00002833179300151
反应条件：反应物：钌的摩尔比=50；0.36g反应物；0.04g催化剂。
实施例6.用Ru/Al 2 O 3 催化剂氢化处于乙醇中的异-α-酸
如实施例5中描述的进行氢化实验和样品分析，除了含Ru的催化剂的类型和用量之外。在此我们使用0.08g的5％Ru/Al2O3。
在333K的反应温度下，使用0.08g的5％Ru/Al2O3催化剂（反应物：钌的摩尔比=25）将溶解在乙醇中的0.36g的异-α-酸转化为六氢-异-α-酸，28h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表6，项目1）。在348K的反应温度下进行的类似实验中，在24h后获得>90％的六氢-异-α-酸的产率（表6，项目2）。
表6.用Ru/Al2O3催化剂氢化处于乙醇中的异-α-酸
Figure BDA00002833179300152
Figure BDA00002833179300161
反应条件：反应物：钌的摩尔比=25；0.36g反应物；0.08g催化剂。
实施例7.用Ru/C和Pd/C催化剂无溶剂氢化异-α-酸
异-α-酸反应物的起始组合物是>96％的异-α-酸；基本上没有还原的异-α-酸存在于过程进料中，α-酸含量为<1％并且β-酸含量为<3％。将0.04g的5％Ru/C催化剂（≈0.02mmol Ru）加入0.36g的异-α-酸进料中（≈1mmol异-α-酸）用于Ru催化的异-α-酸氢化实验。将0.04g的5％Pd/C（≈0.02mmolPd）加入0.36g的异-α-酸进料中（≈1mmol异-α-酸）用于Pd催化的异-α-酸氢化。接着，搅拌反应混合物并加热至348K，对于使用含Ru催化剂的氢化实验持续20h的反应时间并且对于使用Pd类催化剂的氢化实验持续16h。所有反应容器用0.8MPa的氢气增压。在氢化反应之后，通过离心将粉末催化剂从反应混合物中分离。
如实施例1中描述的，进行样品分析。
表7.用Ru/C和Pd/C催化剂无溶剂氢化异-α-酸
反应条件：反应物：钌的摩尔比=50；反应物：钯的摩尔比=50；0.36g反应物；0.04g催化剂；348K。
在348K的反应温度下，使用0.04g的5％Ru/C催化剂（反应物：钌的摩尔比=50）将0.36g的异-α-酸转化成六氢-异-α-酸，20h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表7，项目1）。在相同的反应温度下，使用0.04g的5％Pd/C催化剂（反应物：钯的摩尔比=50）将相同量的异-α-酸反应物转化>99％，16h后六氢-异-α-酸的产率低于1％，并且四氢-异-α-酸的产率超过90％（表7，项目2）。
实施例8.用Ru/C和Pd/C催化剂的组合无溶剂氢化异-α-酸
异-α-酸反应物的起始组合物是>96％的异-α-酸；基本上没有还原的异-α-酸存在于过程进料中，α-酸含量为<1％并且β-酸含量为<3％。将0.04g的5％Ru/C催化剂（≈0.02mmol Ru）和0.04g的5％Pd/C（≈0.02mmol Pd）加入0.36g的异-α-酸进料中（≈1mmol异-α-酸）。接着，搅拌反应混合物并加热至333K、348K或363K持续不同的反应时间。所有反应容器用0.8MPa的氢气增压。在氢化反应之后，通过离心将粉末催化剂从反应混合物中分离。
如实施例1中描述的，进行样品分析。
表8.用Ru/C和Pd/C催化剂的组合无溶剂氢化异-α-酸
Figure BDA00002833179300171
反应条件：反应物：（钌+钯）的摩尔比=25；0.36g反应物；0.04g Ru/C催化剂+0.04gPd/C催化剂。
在333K的反应温度下，使用0.04g的5％Ru/C和0.04g的5％Pd/C（反应物：（钌+钯）的摩尔比=25）将0.36g的异-α-酸转化成六氢-异-α-酸，16h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表8，项目1）。在与项目1相同，但是在348K和363K下进行的氢化实验中，分别在12h和8h后也获得>90％的六氢-异-α-酸的产率（表8，项目2和3）。
实施例9.用Ru/C催化剂氢化处于水中的异-α-酸、二氢-异-α-酸和四氢- 异-α-酸
反应物的起始组合物是溶解在水中的5重量％的异-α-酸，或5重量％的二氢-异-α-酸，或5重量％的四氢-异-α-酸（全部以衍生钾盐的形式存在）；除了预期的反应物（分别为异-α-酸、二氢-异-α-酸和四氢-异-α-酸）之外，基本上没有其他（还原的）异-α-酸存在于过程进料中，基于（α-酸+（还原的）异-α-酸+β-酸）质量，α-酸含量为<1％并且β-酸含量为<1％。将0.08g的5％Ru/C催化剂（≈0.04mmol Ru）加入溶解在水中的0.36g的异-α-酸（≈1mmol异-α-酸）中，或加入溶解在水中的0.36g的二氢-异-α-酸（≈1mmol二氢-异-α-酸）中，或加入溶解在水中的0.36g的四氢-异-α-酸（≈1mmo l四氢-异-α-酸）中。接着，搅拌反应混合物并加热至348K持续不同的反应时间。所有反应容器用1.6MPa的氢气增压。在氢化反应之后，通过过滤将粉末催化剂从反应混合物中分离。
如实施例1中描述的，进行样品分析，除了样品后处理之外。这样分析反应样品，无需在乙醇中稀释。
在348K的反应温度下，使用0.08g的5％Ru/C催化剂（反应物：钌的摩尔比=25）将溶解在水中的0.36g的异-α-酸转化为六氢-异-α-酸，20h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表9，项目1）。在348K的反应温度下，使用0.08g的5％Ru/C催化剂（反应物：钌的摩尔比=25）将溶解在水中的0.36g的二氢-异-α-酸转化为六氢-异-α-酸，12h后六氢-异-α-酸的产率>90％（项目3）。在没有5％Ru/C催化剂的对照试验中，<1％的二氢-异-α-酸反应物被转化（项目4）。在348K的反应温度下，使用0.08g的5％Ru/C催化剂（反应物：钌的摩尔比=25）将溶解在水中的0.36g的四氢-异-α-酸转化为六氢-异-α-酸，16h后六氢-异-α-酸的产率>90％（项目5）。在没有5%Ru/C催化剂的对照实验中，<1％的四氢-异-α-酸反应物被转化（项目6）。
在图2中报道了二氢-异-α-酸和四氢-异-α-酸的转化率的反应时间依赖性，两者都导致六氢-异-α-酸产物。
表9.用Ru/C催化剂氢化处于水中的异-α-酸、二氢-异-α-酸和四氢-异-α-酸
反应条件：反应物：钌的摩尔比=25；0.36g反应物；0.08g催化剂；348K。
实施例10.在无溶剂氢化异-α-酸中回收Ru/C催化剂
如实施例1中描述的进行氢化实验和样品分析。在通过离心将Ru/C催化剂粉末从反应混合物中分离之后，将Ru/C催化剂重新用于下一个异-α-酸氢化中。
在333K的反应温度下，使用0.04g的5％Ru/C催化剂（反应物：钌的摩尔比=50）将0.36g的异-α-酸转化为六氢-异-α-酸，24h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表10，项目1）。在相同的反应温度下，使用0.04g回收的5％Ru/C催化剂（反应物：钌的摩尔比=50）将0.36g的异-α-酸转化为六氢-异-α-酸，24h后六氢-异-α-酸的产率>90％（表10，项目2）。而且在更高反应温度的情况下（348K和363K），如在表10，项目3至6中证明的，当回收时，在氢化活性和选择性方面，5％Ru/C催化剂的性能证明是稳定的。
表10.无溶剂氢化异-α-酸中回收Ru/C催化剂
Figure BDA00002833179300191
反应条件：反应物：钌的摩尔比=50；0.36g反应物；0.04g5%Ru/C催化剂。
实施例11.用Ru/C催化剂氢化异-α-酸：对反应产物进行元素分析
通过ICP-AES设备进行反应样品的元素分析。用于检测Ru的谱线是240.272nm。在反应样品的元素分析之前，确定校准曲线用来使Ru浓度与检测信号的强度相关联。在水中稀释100倍之后分析来自无溶剂氢化实验、在水中的氢化实验和在乙醇中的氢化实验的样品。
在无溶剂条件下、在水介质中以及在乙醇介质中的氢化实验的条件下，通过ICP-AES检测出没有Ru从Ru/C催化剂浸出到反应介质中。在所有的情况下，在氢化实验的过程中少于0.01％的Ru从5％Ru/C催化剂溶解进入产物相中。
通过考虑本文所公开的本发明的说明书和实践，本领域技术人员应当清楚本发明的其他实施方式。应当指出的是，说明书和实施例应当认为仅是示例性的，本发明的真正范围和精神由随附的权利要求指出。

Claims (28)

1.一种用于将异-α-酸氢化成六氢-异-α-酸的方法，包括以下步骤（i）将含异-α-酸的进料与含钌的非均相催化剂接触或混合，其中，所述含钌的非均相催化剂催化异-α-酸氢化成六氢-异-α-酸，以及（ii）在包括氢气的气氛下保持反应介质或混合物以进行氢化反应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法不包括还原反应。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法不包括使用无机还原剂的还原反应，例如硼氢化物类的还原剂或氢化铝类的还原剂。
4.根据权利要求1至3所述的方法，其中，所述异-α-酸处于游离酸形式或处于解离形式。
5.一种用于将四氢异-α-酸氢化成六氢-异-α-酸的方法，包括以下步骤(ⅰ)使含四氢异-α-酸的进料和含钌的非均相催化剂接触或混合，其中，所述含钌的非均相催化剂催化所述四氢异-α-酸氢化成六氢-异-α-酸，以及（ii）在包括氢气的气氛下保持反应介质或混合物以进行氢化反应。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述四氢异-α-酸处于游离酸形式或处于解离形式。
7.根据权利要求1至6所述的方法，进一步包括在所述氢化反应之前或在与所述氢化反应相同的反应介质中将α-酸异构化成所述异-α-酸（或将四氢-α-酸异构化成所述四氢-异-α-酸）的步骤。
8.根据权利要求1至7所述的方法，其中，所述包括氢气的气氛是通过用纯氢气或用另一种气体，例如惰性气体，如氮气、氦气、氩气、二氧化碳或它们的混合物稀释的氢气，增压所述反应介质或混合物而获得。
9.根据权利要求1至8所述的方法，其中，所述氢化反应是在至少293K的温度下进行。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述氢化反应是在333K至373K之间的温度下进行。
11.根据权利要求1至10所述的方法，其中，所述氢化反应是在无溶剂条件下或在二氧化碳、水、乙醇、其他有机溶剂，或它们的混合物中进行。
12.根据权利要求1至11所述的方法，其中，所述氢化反应使用在0.02MPa至10.0MPa之间范围内的氢气的分压进行。
13.根据权利要求1至12所述的方法，进一步包括在反应之后通过离心、过滤或其他液-固分离技术从获得的六氢-异-α-酸产物中分离含钌的非均相催化剂的步骤。
14.根据权利要求1至13所述的方法，其中，所述含钌的非均相催化剂是包括在负载材料上的钌的非均相催化剂，包含基于包括负载材料的催化剂总重量，至少0.1重量％的钌，以及基于金属的至少5重量％的钌，其中金属来自下组：Ag、Au、Co、Cu、Ir、Ni、Pd、Pt、Rh以及Ru。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述含钌的催化剂的负载材料是碳、氧化物或氢氧化物、合成聚合物、生物聚合物、金属结构、有机-无机混合材料、沸石，粘土材料或盐材料。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述钌以金属、氢氧化物或氧化物状态存在。
17.根据权利要求14至16所述的方法，其中，所述钌与选自下组的一种或多种其他（贵）金属一起存在：Ag、Au、Co、Cu、Ir、Ni、Pd、Pt以及Rh。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述钌形成与所述其他一种或多种（贵）金属分离的相。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述钌形成与所述其他（贵）金属的混合相或合金相。
20.根据权利要求14至16所述的方法，其中，所述催化剂是负载在碳上的钌或负载在氧化铝上的钌。
21.根据权利要求14至20所述的方法，其中，所述催化剂中存在的钌部分具有如通过透射电子显微镜测量的，在1nm至1000nm之间的平均粒径。
22.根据权利要求1至21所述的方法，其中，所述异-α-酸相对于钌或所述四氢-异-α-酸相对于钌的摩尔比分别在1至2000之间的范围内。
23.一种通过根据权利要求1至22所述的方法获得的六氢-异-α-酸组合物，包括基于α-酸和异-α-酸化合物以及它们的衍生物的总质量，至少80重量％的六氢-异-α-酸，并且所述六氢-异-α-酸组合物基本上不含有源于无机还原剂的无机化合物。
24.根据权利要求23所述的组合物，其中，所述源自无机还原剂的无机化合物是含硼物质。
25.根据权利要求24所述的组合物，包括如通过元素分析测定的，小于50ppm的硼。
26.根据权利要求23至25所述的组合物，其中，所述六氢-异-α-酸处于游离酸形式或处于解离形式。
27.根据权利要求23至26所述的组合物，其中，所述组合物是无溶剂的。
28.根据权利要求23至26所述的组合物，其中，所述六氢-异-α-酸溶解在溶剂中。
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