CN104684903A - 用于从包含呋喃-2,5-二醛的组合物合成2,5-呋喃二甲酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于从呋喃-2,5-二醛(DFF)合成2,5-呋喃二甲酸(FDCA)的方法。由于使用的试剂的简单性和有效性，并且由于所述方法所基于的实验条件：该方法要求低温并且使得反应能够在大气压下进行，反应时间相对较短，因此所述方法在工业上是可接受的。此外，该方法并不导致形成需要在该方法的下游进行处理的盐，并且相对于初产品，催化比率特别低。

Description

用于从包含呋喃-2,5-二醛的组合物合成2,5-呋喃二甲酸的方法

本发明涉及用于从包含呋喃-2,5-二醛(DFF)的组合物合成2,5-呋喃二甲酸(FDCA)的方法。这种方法是可易于工业化的：它的实施非常简单，使用的试剂是易于获得的，并且它所基于的实验条件是非常“温和”的，即在低温和大气压下。此外，它并不导致形成需要在下游进行处理的盐。最后，相对于初产品，涉及的催化剂的量特别低，由此从所述催化剂的价格考虑来说，表现出不可否认的经济优势。

本发明因此涉及一种用于生产在术语FDCA下表示的并且对应于以下化学式的2,5-呋喃二甲酸的方法：

FDCA被用于药理学，其中它的二乙酯已经示出可与可卡因相比的强的麻醉活性。它还是非常强力的螯合剂，使之有可能复合多种离子，例如Ca²⁺、Cu²⁺和Pb²⁺。在医学方面，它被用于治疗肾结石，而且还用于制备其生物学特性类似于天然器官的那些的移植物，并且它的特征在于移植后没有排异作用。

然而，FDCA首先是一种基单体，它是产生多种聚合物的一部分，这些聚合物例如是聚酯、聚酰胺或另外是聚氨酯，使之有可能特别改进它的机械特性。在聚酯方面，它能够用于取代邻苯二甲酸酯。从这样一种可能性的观点看，FDCA已经被归在提供最大工业潜能的12种源自蔬菜的原料之中(沃佩(Werpy)，T.，彼得森(Peterson)，G.，2004，《来自生物质的顶级附加值化学品》(Top Value Added Chemicals from Biomass)，第1卷，26–28页)。

在目前，存在用于合成FDCA的4个路径。第一个路径是基于己糖衍生物的脱水。仅在如下非常严格的操作条件下，这样一种反应才是可能的：使用高浓度的酸溶液，温度大于120℃，并且反应时间约为半天。文件FR 2 723945是对它的说明。

另一路径在于进行呋喃衍生物的催化转化。例如可以借助硝酸将糠醛氧化，以给出2-呋喃甲酸，然后，后者被转化为它的甲酯。通过氯甲基化，将该酯转化为5-氯甲基糠酸酯。然后再使用硝酸将后者氧化一次，以便形成2,5-二甲基呋喃二羧酸酯，在碱法水解后，它产生FDCA，其中产率仅为约50％。并且，已经证明，在氮气氛下，在300℃加热2-糠酸钾，产生2,5-呋喃二羧酸二钾(安德里萨诺(Andrisano)，R.；安杰洛尼(Angeloni)，A.S.《化学年鉴》(Ann.Chim.)(罗马)1963，53，1658)。

第三种可能性，在目前它无疑是工业上最广泛应用的，在于氧化在位置2和5上经双取代的呋喃衍生物，包括5-羟甲基呋喃甲醛(5-HMF)和呋喃-2,5-二醛或2,5-二甲酰基呋喃(DFF)。因此，专利FR 2 669 634描述了一种用于催化氧化5-HMF、导致合成FDCA的方法。此方法在于，在氧气流下，在碳支持的、铅活化的、铂基催化剂的存在下，在水性碱介质中氧化5-HMF。这种方法具有产生大量盐的缺陷。

类似地，专利WO 2012/017052描述了通过在100℃，并且在5巴的压力下，在碳支持的铂催化剂的存在下，在碱性介质中，氧化5-HMF来合成FDCA，其中形成了大量盐。

还可以将DFF用作起始产物，如在专利US 2007/0232815中所披露的。其中还描述了通过在氧的存在下，使用催化剂具体地是高锰酸钾，在水性碱介质中氧化DFF，来合成FDCA。虽然如此，此方法导致89％的产率，参考相对于DFF的非常高的催化比率，相当于在其实例4中的195％(重量比)。

沿着这些线路，文件“通过在离子交换树脂上糖的酸处理，5-羟甲基呋喃-2-甲醛的合成和它的衍生物的合成(Synthèse de l’hydroxyméthyl-5furannecarboxaldehyde-2 et de ses dérivés par traitement acide de sucres sur résineséchangeuses d’ions”[synthesis of 5-hydroxymethylfuran-2-carboxaldehyde and ofderivatives thereof by acid treatment of sugars on ion exchange resins])(法国化学学会公报(Bulletin de la Société Chimique de France[Bulletin of the FrenchChemical Society])，法国化学学会(Soc.Fr.de Chim.)，第5卷，1月1日，1987年，855-860页)在第859页上，披露了在水性氢氧化钠溶液中，由氧化银催化的DFF到FDCA的反应。反应产率是80％，其中催化剂与DFF的重量比等于222.5％。

最后，仍在这一类别中，文件“包含苯-、吡咯-、和呋喃-的在直径上呈带形的杯[4]吡咯类-在氯阴离子识别中的氢键效应的实验的和理论的研究(Benzene-,Pyrrole-,and Furan-containing diametrically strapped calix[4]pyrroles-An experimental and theoretical study of hydrogen-bonding effects in chlorideanion recognition)”(应用化学国际版(Angewandte Chemie InternationalEdition)，第47卷，第27期，6月23日，2008年，5038-5042页)描述了在水性氢氧化钠溶液中，在KMnO₄的存在下，从DFF合成FDCA(方案1)。产率是60％，但是没有提到催化比率(催化剂/DFF重量比)。

重要的是注意到，这三个文件事实上导致FDCA盐的合成，并不是FDCA本身的合成，因为这些合成都是在碱性介质中进行的(存在水性氢氧化钠溶液)。

最后，存在第四种类型的方法，它是基于在分子氧的存在下，并且使用已经分离自细菌巴塞尔贪铜菌(Cupriavidus basilensis)HMF14的5-HMF/糠醛氧化还原酶，将5-HMF经酶转化为FDCA(F.库普曼(Koopman)，N.威尔克斯(Wierckx)，J.H.德温德(de Winde)和H.J.睿杰森纳(Ruijssenaars).《美国科学院院刊》(Proc.Nat.Acad.Sci.USA.)2010,107:4919-4924)。这一方法使之有可能在水中，在环境压力和温度下进行，并且对于具有大于99％的FDCA含量的最终组合物而言，提供了约97％的产率。虽然如此，在目前，是在极小规模上产生使用的酶，这与工业方法的要求是不匹配的。此外，此方法产生了并非不显著的量的盐。

总之，用于根据现有技术合成FDCA的方法具有以下缺陷：在极度严格的温度和/或压力条件下操作，产生必须随后进行处理的大量的盐，提供普通的产率，使用高催化比率，即消耗太多催化剂，并且仅产生非常普通的产率，或依赖于非常特定的酶，在目前，从工业生产考虑来看，该酶的供应是不确定的。

通过从事以克服此类缺陷为目的的研究，申请人已经成功地开发出一种用于生产FDCA的新颖方法，它是基于在特别温和的温度和压力条件下(温度小于100℃，并且是在大气压下)，氧化DFF。此外，可以在水中进行此方法，具有非常有利的催化比率(小于1mol的催化剂/mol的DFF)。此外，不存在盐的形成，由此避免了后续的再处理或处理的任何问题。

由此实现了：以100％的转化度生产FDCA，并且按重量计，最终产物含量大于70％，优先地大于80％，非常优先地大于90％，并且极优先地大于99％，同时FDCA选择性大于70％，优先地大于80％，非常优先地大于90％。因此实现了：按由此形成的FDCA的重量计，多数情况下大于80％的产率。

此外，为了获得高FDCA选择性(>75％)，就从具有高DFF含量的组合物开始，这并不是必须的。的确，根据一种具体变体，从5-HMF的氧化生成的DFF/FFCA(5-呋喃甲醛-2-羧酸)的混合物(根据如在带有文件号FR 1162343的文件中由申请人获得专利的技术)可以用作起始试剂。

如已经解释的，作为本发明的主题的方法使之有可能直接获得FDCA，而没有它的盐。具体地，此方法的特征在于它是在酸性介质(pH<7)中进行的。

贯穿本申请，术语选择性(S)、转化(C)以及产率(Y)是参见以下定义使用的：

C(mol％)＝((转化的DFF的量)x 100)/DFF的初始量

S(mol％)＝((形成的FDCA的量)x 100)/转化的DFF的量

Y(mol％)＝S x C/100＝((形成的FDCA的量)x 100)/DFF的初始量)

因此，本发明的第一主题由以下组成：在小于7的pH下，通过使以下项接触，用于合成FDCA的方法：

a)一种包含DFF的组合物，

b)一种质子溶剂，

c)一个氧化剂来源，

d)以及一种氧化催化剂，

并且其特征在于：催化剂和DFF之间的比率是在按重量计0.01％和5％之间(相对于DFF)，更优先地是在按重量计0.1％和3％之间。

完全出人意料地是，本发明使之有可能不仅以非常高的转化度和非常高的产率直接获得FDCA，而且为了做到这一点，同时极显著地降低了使用的催化剂的量。当从这一结果的观点来考虑一般而言作为从复杂合成法生成的产物的这些催化剂的成本、以及它们不仅关于人类还关于环境的危险性时，作为本发明的主题的该方法的所有优点可得以理解。

因此起始试剂是包含DFF的组合物。在这方面，它可以是单独的DFF，或为与至少一种其他组分的混合物。有利地，当在组合物中并不单独存在DFF时，所述组合物将由以下组成：按任何比例的DFF/FFCA的组合物或混合物。特别有利地，根据作为在编号FR 11 62343下的由申请人获得专利的发明的主题的方法，此混合物生成自5-HMF的氧化。

作为上述专利FR 11 62343的主题的方法的特征在于：它包括在至少一种有机酸、氮氧自由基、氧源和氧转移剂的存在下的氧化步骤。氮氧自由基具体选自(2,2,6,6-四甲基哌啶-1-基)氧基，也称为TEMPO。与这一变体一致，根据本发明的方法因此具有从5-HMF开始，在“一锅”法中合成FDCA的优点：根据在专利FR 11 62343中描述的方法，通过氧化5-HMF以给出DFF/FFCA混合物，其中没有纯化步骤，然后根据本发明，氧化该混合物，以给出FDCA。

因此作为本发明的主题的方法的特征在于：在小于7、优先地小于4、非常优先地小于1的pH下，使上述化合物进行接触来导致FDCA的合成。借助本领域普通技术人员熟知的任何手段调整pH，具体地是通过将酸添加至待酸化的介质中。

在FDCA合成的水平下，在本发明中使用的质子溶剂选自水、醇(例如一元醇)、和有机酸、或它们的混合物，优先地选自水和乙酸、和它们的混合物。由此如在用于氧化在位置2和5上双取代的呋喃衍生物的技术中，防止了需要用于后续处理的手段的盐的形成。

氧化剂的来源具体地选自水性过氧化氢溶液、过氧乙酸和在商标下销售的产品(或在其他商品名下的同系物)，并且还选自这些组分的混合物，过氧乙酸是最优选的。申请人注意到，当使用过氧乙酸时，应逐滴引入(除了就在反应开始时)，以便改进FDCA选择性。

氧化催化剂具体地选自本领域普通技术人员熟知的均相氧化催化剂，并且具体地选自处于氯化物、溴化物、硫酸盐、硝酸盐、氧化物或酸的形式的常规金属氧化催化剂(基于Ru、Mn、Cr、Mo、Zn、Fe、Cu、V)，所述催化剂最优先地是KMnO₄或RuCl₃。此外，不必使用助催化剂。

在3℃和溶剂的回流温度(加热至溶剂的沸腾)之间的温度下进行氧化反应，优先地是在10℃和溶剂的回流温度(加热至溶剂的沸腾)之间，并且甚至更优先地是在40℃和60℃之间的温度下。它可以任选地在压力下进行，但是有利地是在大气压下进行。具体地与涉及呋喃衍生物的催化转化的现有技术中描述的那些条件相比，这类条件特别“温和”并且易于实施。

不同组分a)、b)、c)和d)之间的接触时间是在1分钟和8小时之间，优先地是在15分钟和2小时之间。具体地与文件FR 2 723 945中设想的那些时间相比，这些是相对较短的反应时间。

相对于DFF，氧化剂的摩尔当量数是在0.1和10之间，更优先地是在2.5和5之间。

至于其他，可以在压力下或不在压力下，优先地不在压力下，在任何类型的间歇反应器或固定床反应器中进行本发明的氧化过程。间歇反应器的类型可以是平底圆派热克斯烧瓶，装备有磁力搅拌器棒。优先地，反应器还具有用于逐滴引入氧化剂来源的系统。该反应器可以另外包含一个冷却系统并且还有一个用于测量和调节温度的系统。

在该氧化过程中，保持搅拌该反应介质。优先地将搅拌速度调节至100和500转/分钟之间，更优先地至100和250转/分钟之间。

有关根据本发明的方法的另一优点在于FDCA的回收，这是特别容易的，因为在它的形成期间，所讨论的FDCA得以沉淀；它可以因此具体地是使用物理手段在反应终点或有利地在反应期间被回收，即它在所述反应期间不断被抽走。这种容易的回收因此允许过量催化剂和氧化剂以及还有溶剂的再循环。

下列实例使得有可能更清晰地理解本发明，但不限制其范围。

实例

下表1至3列出了根据与下文描述的那些方案相同的方案，而进行的不同合成的实验条件：

在这一实验中，对应于测试号3，使用了以下项：

-包含DFF的组合物(按重量计95.1％的DFF和按重量计4.9％的FFCA)：4g

-KMnO₄(0.02mol/L的溶液)：2.53g

-脱矿质水：36ml

-过氧乙酸(38％的溶液)：36g

操作条件：

反应温度：50℃

反应时间：2h00(过氧乙酸引入)+3h00(接触时间)

将4g的包含DFF的组合物和2.53g的在0.02mol/L的KMnO₄溶液、并且然后是36g的脱矿质水放置在平底单颈圆烧瓶中。建立了比率，以便具有相对于DFF的重量，按重量计0.2％的KMnO₄，以及还有相对于DFF而言摩尔当量为5的氧化剂。

在磁力搅拌下，将圆烧瓶放置在水浴中，以便达到50℃的反应温度。在磁力搅拌下，以0.3g/min的速率逐滴添加(即大约2h00的逐滴引入)36g的按体积计处于38％的过氧乙酸溶液，导致反应介质逐渐酸化。在添加过氧乙酸结束时，将反应介质另外维持搅拌3h00。然后反应介质具有小于0.5的pH。然后停止磁力搅拌，并且通过气相色谱法分析反应介质。

然后确定关于FDCA的反应的转化度以及还有选择性。

说明书测试号17

在这一实验中，对应于测试号17，使用了以下项：

-包含DFF的组合物(按重量计93.4％的DFF)：1.2g

-高氯酸HClO₄：1.15g

-甲醇：46g

-FeCl₃：0.11g，即按重量计9％/包含DFF的组合物

-过氧化氢(30％溶液)：8.6g

操作条件：

反应温度：5℃

反应时间：10分钟(过氧化氢引入)+4h00(接触时间)

将1.2g的包含DFF的组合物、1.15g的高氯酸、0.11g的FeCl₃、以及然后是46g的甲醇放置在平底单颈圆烧瓶中。建立了比率，以便具有相对于DFF，按重量计9％的FeCl₃，以及还有相对于DFF而言其摩尔当量为7.8的氧化剂。

将圆烧瓶放置在磁力搅拌下，然后使反应混合物达到5℃的反应温度。在磁力搅拌下，经10分钟的总时间历程，逐滴添加8.6g的按体积计处于30％的过氧化氢溶液。在添加过氧化氢结束时，将反应介质另外维持搅拌4h00。然后使反应温度回到环境温度，并且然后停止磁力搅拌。通过气相色谱法分析反应介质。

然后确定关于FDCA的反应的转化度以及还有选择性。

应注意，所有测试都是在0和3之间的pH下进行的，并且直接导致产生FDCA，而没有它的盐。

表1

表2

表3

表4表明了与氧化反应相关的反应时间和温度，以及还有DFF含量、选择性和转化率。

表4

*对于测试17和18的结果，选择性对应于羧基官能团选择性和甲酯官能团选择性的总和。

这些实例，和具体地根据表4获得的值，证明了根据本发明的方法使得有可能以100％的转化度获得FDCA。FDCA选择性总是大于70％，并且有时甚至大于90％。

方法因此已经是成功开发的，它是可易于工业化的，这是由于它的简单性和使用的试剂的可获得性，并且由于它需要的实验条件：在大气压下并且在低温(在这些实例中是约50℃)下进行，反应时间相对较短(有时小于1小时)。此外，未形成需要在该方法的下游进行处理的盐，并且相对于初产品的催化比率(重量比)是特别低的。通过减少涉及的催化剂的量，该方法的总体成本相应地得以降低，并且相对于人类和环境，催化剂的与危险性关联的风险是有限的。

Claims (10)

1.通过使以下项进行接触，用于在小于7的pH下合成2,5-呋喃二甲酸(FDCA)的一种方法：

a)一种包含呋喃-2,5-二醛(DFF)的组合物，

b)一种质子溶剂，

c)一个氧化剂来源，

d)以及一种氧化催化剂，

并且其特征在于：催化剂和DFF之间的重量比是在按重量计0.01％和25％之间，优先地是在0.01％和10％之间，并且更优先地是在0.1％和3％之间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于这种包含DFF的组合物a)是DFF和5-呋喃甲醛-2-羧酸(FFCA)按任何比例的一种混合物。

3.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于这种包含DFF的组合物是在至少一种有机酸、一种氮氧自由基、一种氧源和一种氧转移剂的存在下，氧化5-羟甲基呋喃甲醛(5-HMF)生成的。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于该质子溶剂b)选自水、醇和有机酸、以及它们的混合物，优先地选自水和乙酸、以及它们的混合物。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于该氧化剂来源c)选自水性过氧化氢溶液、过氧乙酸和在商标下销售的产品或同系物，以及还选自这些组分的混合物，过氧乙酸是优选的并且进而被逐滴引入。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于该氧化催化剂d)选自处于氯化物、溴化物、硫酸盐、硝酸盐、氧化物或酸形式的金属氧化催化剂(基于Ru、Mn、Cr、Mo、Zn、Fe、Cu、V)，所述催化剂优先地是KMnO₄或RuCl₃。

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于该氧化反应是在3℃和该溶剂的回流温度之间的一个温度下、优先地是在40℃和60℃之间的一个温度下进行的。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于该压力对应于大气压。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于不同组分a)、b)、c)和d)之间的接触时间是在1分钟和8小时之间，优先地是在15分钟和2小时之间。

10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于相对于DFF，氧化剂的摩尔当量数是在0.1和10之间，更优先地是在2.5和5之间。