CN106458950A - 选择性氧化5‑羟甲基糠醛的方法 - Google Patents

选择性氧化5‑羟甲基糠醛的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106458950A
CN106458950A CN201580032096.2A CN201580032096A CN106458950A CN 106458950 A CN106458950 A CN 106458950A CN 201580032096 A CN201580032096 A CN 201580032096A CN 106458950 A CN106458950 A CN 106458950A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hmf
catalyst
carboxylic acid
oxidation
bars
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201580032096.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106458950B (zh
Inventor
马尔科·米霍夫依洛维克
迈克尔·舍恩
斯特凡·多可黑夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Novolana Co Ltd
Annikki GmbH
Original Assignee
Mick Roy Nova Engineering Ltd
Annikki GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mick Roy Nova Engineering Ltd, Annikki GmbH filed Critical Mick Roy Nova Engineering Ltd
Publication of CN106458950A publication Critical patent/CN106458950A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106458950B publication Critical patent/CN106458950B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/34—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/38—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with substituted hydrocarbon radicals attached to ring carbon atoms
    • C07D307/40—Radicals substituted by oxygen atoms
    • C07D307/42—Singly bound oxygen atoms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/34—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/38—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with substituted hydrocarbon radicals attached to ring carbon atoms
    • C07D307/40—Radicals substituted by oxygen atoms
    • C07D307/46—Doubly bound oxygen atoms, or two oxygen atoms singly bound to the same carbon atom
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/34—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/38—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with substituted hydrocarbon radicals attached to ring carbon atoms
    • C07D307/40—Radicals substituted by oxygen atoms
    • C07D307/46—Doubly bound oxygen atoms, or two oxygen atoms singly bound to the same carbon atom
    • C07D307/48—Furfural

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Low-Molecular Organic Synthesis Reactions Using Catalysts (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Furan Compounds (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Heterocyclic Carbon Compounds Containing A Hetero Ring Having Oxygen Or Sulfur (AREA)

Abstract

用于在溶剂、氧化剂、催化剂和任选的碱的存在下，由5‑羟甲基‑2‑糠醛选择性制备氧化呋喃衍生物的方法，该方法的特征在于，氧化过程是在流动中连续进行的，并提供了改变反应参数的装置。

Description

选择性氧化5-羟甲基糠醛的方法
技术领域
本发明涉及5-羟甲基糠醛的选择性氧化。
背景技术
下式的5-羟甲基-2-糠醛(HMF)
在可再生碳水化合物技术中起到重要的作用，并在呋喃化学中表现为主要中间体。糖的三碳水化合物单体脱水导致了HMF的形成，这在文献中是广泛已知的。HMF提供了三个化学感兴趣的位点—5-羟甲基基团、2-甲醛(2-carbaldehyde)基团和呋喃环本身。目前工业上最感兴趣的是两个侧链，可以将其氧化以得到各种呋喃衍生物。
根据本发明，以下四种氧化HMF衍生物是特别令人感兴趣的
下式的5-羟甲基呋喃-2-羧酸(HMFCA)
下式的2,5-二甲酰基呋喃(DFF)
下式的5-甲酰基呋喃-2-羧酸(FFCA)
和
下式的2,5-呋喃二羧酸(FDCA)
可以认为HMFCA是将HMF中的醛基基团选择性氧化以得到羧酸的结果。对于这种选择性氧化，只有少数方案是已知的。在大多数情况下，使用昂贵的以化学计量的量的银基试剂来合成HMFCA。碱性(NaOH)水性介质中的氧化银(Bull.Soc.Chim.Fr.1987，5，855-860)以及混合的银-铜催化剂Ag2O-CuO/O2/NaOH/H2O(US 3,326,944，1967)是最常用的试剂。从经济上来说，这些试剂不能用于大的工业规模。因此，提出了贵金属催化剂(特别是铂催化剂)，例如记载在ChemSusChem 2009，2，1138-1144；ChemSusChem 2009，2，672-675；Catal.Today 2011，160，55-60；Green Chem.2011，13，824-827；Green Chem.2011，13，2091-2099)中，或钌基催化(Top Catal.2011，54，1318-1324；Catal.Lett.2011，141，1752-1760)。氧化过程主要在空气存在下和在水性反应环境中进行从而以高转化频率(TOF)合成具有较好的产率的HMFCA，使得该方法经济和环境友好。
对合成DFF，已知了大量的方案。在批量合成中，采用硝酸(J.Chem.Soc.Trans.1912，101，1074-1081)、乙酸铅-(IV)/吡啶(Tetrahedron 1970，26，1291-1301)、CrO3/吡啶或Ac2O/DMSO(Noguchi Kenkyusho Jiho 1978，21，25-33；JP7909260，1979；JP8049368，1980)、BaMnO4/苯/CCl4/1,2-二氯乙烷(Bull.Soc.Chim.Fr.1987，5，855-860；J.Heterocycl.Chem.1983，20，233-235)或4-取代TEMPO/NaOCl/KBr(J.Heterocycl.Chem.1995，32，927-930)的经典氧化反应是已知的。
利用催化作用，采用均相和多相催化已经进行了广泛的研究。使用钴盐、锰盐、锌盐、铈盐或锆盐与气态氧化剂一起可以批量合成DFF(US 2003/055271 A1，2003；Adv.Synth.Catal.2001，343，102-111；WO 01/072732 A2，2001；CA2400165 A1，2001；WO2010/132740 A2，2010；Catal.Sci.Technol.2012，2，79-81)。此外，还报道了多种钒催化剂(ChemSusChem2011，4，51-54；Green Chem.2011，13，554-557；J.Mater.Chem.2012，22，3457-3461)。在多相催化中，有机溶剂中主要应用钒-基催化剂(Pure Appl.Chem.2012，84，765-777；ChemCatChem 2013，5，284-293)、锰-基催化剂(Green Chem.2012，14，2986-2989)和银-基催化剂(WO 2012/073251 A1，2012；Appl.Catal.B 2014，147，293-301)。
在技术上不同的，还采用了声化学方法(Org.Prep.Proced.Int.1995，27，564-566；Pol.J.Chem.1994，68，693-698)和电化学方法(Synthesis 1996，11，1291-1292)-这两种方法对于工业规模上的选择性、大规模工艺来说兴趣较低。
尽管文献中公开了许多致力于将HMF选择性氧化成DFF的出版物，但是仅有有限数量的所述条件可能找到工业应用，满足安全、快速、环境和经济友好的要求。然而，报道的工艺依赖于有机溶剂的使用，当与强的、加压的氧化剂如(如纯氧)结合使用时，这些工艺很麻烦。此外，迄今，连续流动技术仅在相当特定的反应策略下使用，其中，将超价碘物种(BAIB)或HNO3与催化量的TEMPO组合使用(Beilstein J.Org.Chem.2013，9，1437-1442；GreenChem.2013，15，1975-1980)。
HMF的另一种氧化衍生物是FFCA，其由于其高反应性和不稳定性而在文献中仅有少量报道。它可以采用双相反应介质中的络合催化体系(如4-BzOTEMPO/氯化乙酰胆碱/Py*HBr3)(Bull.Chem.Soc.Jpn.2009，82，1000-1002)、金催化下的强酸性条件(Catal.Sci.Technol.2012，2，79-81)或者流动中贵金属催化来合成，但不能精确确定停留时间和时空产率使得该方法对于有成本效益的FFCA制备不太有吸引力(Top Catal.2010，53，1264-1269)。
FDCA也被报道为特别令人感兴趣的氧化呋喃衍生物，因为其作为对苯二甲酸的替代物在聚酯合成中有潜在的应用。也在这里，采用硝酸(Chem.Weekblad 1910，6，717-727；Noguchi Kenkyusho Jiho 1979，22，20-27；Pol.J.Chem.1994，68，693-698)或高锰酸盐(Bull.Soc.Chim.Fr.1987，5，855-860)进行经典的氧化以选择性地得到产物FDCA。在催化工艺领域中，来自钴型、锰型、锌型、铈型和锆型的均相催化剂是容易知道的(US 2003/055271 A1，2003；Adv.Synth.Catal.2001，343，102-111；WO 01/72732 A2，CA2400165 A1，2001；WO 2010/132740 A2，2010；US 2009/0156841 A1，2009；WO 2011/043661 A1(A2)，2011；Catal.Sci.Technol.2012，2，79-81；WO 2012/161967 A1，WO 2012/161970 A2；US20120302769 A1，2012)。
利用多相催化，最终也在流动中采用金催化剂(ChemSusChem 2009，2，1138-1144；ChemSusChem 2009，2，672-675；Top Catal.2012，55，24-32)、钌催化剂(Top Catal.2011，54，1318-1324；Catal.Lett.2011，141，1752-1760)以及铂催化剂(Top.Catal.2000，13，237-242；US 3,326,944,1967；Stud.Surf.Sci.Catal.1990，55，147-157；Stud.Surf.Sci.Catal.1991，59，385-394；Top Catal.2010，53，1264-1269)。
从WO 2012/017052A1和WO 2008/054804A2中知晓涉及HMF反应成氧化产物的其它方法。
然而，总结工艺参数和特征，尚未报道用于HMFCA、DFF、FFCA和FDCA的模块化合成的精确确定、环境和经济友好、本质上安全和可规模化的方法。
发明内容
目前，令人惊奇的是，发现了用于在相同反应器装备中由HMF制备不同的氧化5-羟甲基糠醛衍生物(如5-羟甲基呋喃-2-羧酸(HMFCA)、2,5-二甲酰基呋喃(DFF)、5-甲酰基呋喃-2-羧酸(FFCA)和2,5-呋喃二羧酸(FDCA))的方法。
一方面，本发明提供了一种用于在溶剂、氧化剂、催化剂和任选的碱和/或助溶剂的存在下，由下式的5-羟甲基-2-糠醛选择性制备氧化呋喃衍生物的方法，
其特征在于：
-氧化过程在流动中连续进行，
-提供了改变反应参数(如温度、压力、氧化剂和/或催化剂)的装置。
本发明提供的方法在本文中也被称为根据本发明的“方法”。
优选地，在本发明的方法中，用于氧化过程的溶剂是水，存在偶极非质子溶剂作为助溶剂。特别优选存在N-甲基吡咯烷酮作为助溶剂。
本发明的方法中的氧化呋喃衍生物包括至少一个醛基基团和/或至少一个羧酸基团，优选5-羟甲基呋喃-2-羧酸(HMFCA)、2,5-二甲酰基呋喃(DFF)、5-甲酰基呋喃-2-羧酸(FFCA)和2,5-呋喃二羧酸(FDCA)。
本发明的方法在溶剂中，优选在水中进行。任选地，可以存在助溶剂。该助溶剂对更好的溶解性有用或使得能够使用来自之前的脱水反应的富含HMF的流作为原料。助溶剂的典型例子是偶极非质子溶剂，例如N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮；优选N-甲基吡咯烷酮。
WO 2014/033289中公开了由糖类、特别是果糖制备HMF的方法，其涉及使用NMP作为溶剂。已经发现，可以使用WO 2014/033289中公开的方法中的富含HMF的产物流(包括NMP)实施本发明的方法。因此，在氧化步骤之前不需要去除包含在所述富含HMF流中的NMP。
因此，在本发明的另一个优选实施方案中，将来自之前的脱水反应、特别是糖类脱水的富含5-羟甲基-2-糠醛的流用作原料。在该实施方案中，优选采用包含NMP的流作为溶剂，并且该方法不包括在氧化步骤之前去除NMP的步骤。
在本发明的该实施方案中，任选地在氧化步骤之前，可以进行选自以下步骤中的一个以上预处理步骤：
(i)用水稀释实际流至所需浓度
(ii)离心以分离在流的制备期间形成的任何黑焦油
(iii)过滤
(iv)使溶液通过填充有活性炭的填充床筒。
此外，通常发现，就反应混合物的均化而言，偶极非质子溶剂(包括NMP)，特别是在将HMF氧化成极性产物(如FDCA)中，具有有利的性质。
最后，观察到偶极非质子溶剂(包括NMP)对催化剂稳定性的积极影响(防止失活)。
根据本发明的方法在50℃至180℃、优选60℃至160℃的反应温度下进行。
在本发明的方法中，
-用于制备5-羟甲基呋喃-2-羧酸的反应温度为60℃至120℃，特别是80℃至120℃，特别是100℃至120℃；
-用于制备2,5-二甲酰基呋喃的反应温度为100至160℃，特别是120至160℃，特别是140℃至160℃；
-用于制备5-甲酰基呋喃-2-羧酸的反应温度为60℃至160℃，特别是80℃至140℃，特别是100℃至120℃；
-用于制备2,5-呋喃二羧酸的反应温度为60℃至160℃，特别是60℃至120℃，特别是80℃至120℃。
已经发现，在根据本发明的方法中，当采用水作为溶剂并使用NMP作为助溶剂时，采用稍微苛刻的反应条件是有利的，特别是在期望的氧化产物是FDCA的情况下。发现温度在120℃至160℃、特别是140℃至160℃范围内时是有利的。
根据本发明的方法在氧化剂的存在下进行。该氧化剂优选氧气或空气，特别是压缩氧气或压缩空气。
本发明的方法在压力下进行。优选的工作压力为5巴至100巴，特别是10巴至80巴。
在根据本发明的方法中使用催化剂。用于制备HMF的氧化产物的催化剂是已知的。在本发明的方法中用于制备DFF的优选催化剂是K-OMS-2；用于制备HMFCA、FFCA和FDCA的优选催化剂为10％的Pt/C。
K-OMS-2和其在催化中的用途是已知的。“OMS-2”表示锰钾矿型结晶混合价态(氧化)锰基八面体分子筛。“K-OMS-2中的K”代表钾。K-OMS-2大约具有分子式KMn8O16，具有2×2锰钡矿结构。“K-OMS-2”是指OMS-2的孔(隧道)被K+离子占据，K+离子中和了由共边和共角的[MnO6]-八面体组成的OMS-2骨架的负电荷。
在本发明用于制备HMFCA、FFCA和FDCA的方法中，可以采用碱(例如氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐，例如碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐或碱金属碳酸氢盐，如氢氧化钠、碳酸钠或碳酸氢钠)作为助催化剂并用于增加溶解度。
在本发明的用于由5-羟甲基-2-糠醛选择性制备2,5-呋喃二羧酸的方法中，发现以下特征的组合是特别有利的：
-使用选自碳酸盐类和碳酸氢盐类、特别是碳酸钠和/或碳酸氢钠的组的碱作为助催化剂
-工作压力为80至100巴。
在氧化剂是压缩氧气的情况下，该实施方案是特别优选的。特别地，发现在压力低于80巴的情况下，观察到了所用催化剂的失活，这导致了FDCA产率的损失和选择性损失。
本发明的该实施方案中的优选温度为120℃至160℃，更优选140℃至160℃。
进一步优选地，将活性炭上的铂用作本发明的该实施方案中的催化剂。
同样，依然在该实施方案中，优选使用水作为溶剂。此外，优选偶极非质子溶剂、特别是NMP用作助溶剂。
与已知方法相反，本发明提供了使用相同的反应器装备而仅改变反应参数(如温度、压力、氧化剂和/或催化剂)来合成四种不同的HMF的呋喃衍生物的单一方法。这反映了在工艺优化时间、工艺成本和总体工艺效率方面的巨大好处，而这在批量化学中是不可能实现的。
不同于现有的批量方案，在该批量方案中，反应条件需要从头开始优化，使反应容器适应所选择的化学，而连续流动方法以简洁的方式避免了这些缺点。开发的方法中最显著的优点是，实际反应体积被降低到了非常小的体积(通常小于1mL)，这也将安全危害降低了几个数量级。优选通过连续流动反应器的并行而不是增加反应体积，甚至还可以安全地处理和测量高压的纯氧。
具体实施方式
在以下反应方案1中，示意性地概述了根据本发明的在连续流动中从HMF开始选择性地得到了四种呋喃衍生物(5-羟甲基呋喃-2-羧酸(HMFCA)、2,5-二甲酰基呋喃(DFF)、5-甲酰基呋喃-2-羧酸(FFCA)和2,5-呋喃二羧酸(FDCA))的氧化反应。
反应方案1
在以下示例中，所有温度都以摄氏度(℃)表示。
采用了下列缩写
DFF 2,5-二甲酰基呋喃
FDCA 2,5-呋喃二羧酸
FFCA 5-甲酰基呋喃-2-羧酸
HMF 5-羟甲基-2-糠醛
HMFCA 5-羟甲基呋喃-2-羧酸
HPLC 高效(以前称为高压)液相色谱法
K-OMS-2 锰八面体分子筛
min 分钟
NMP N-甲基-2-吡咯烷酮
PDA 光电二极管阵列
RI 折射率
T 温度
TFA 三氟乙酸
基于原料HMF的量计算出下表中的产率，用％表示。
使用HPLC(柱：Phenomenex Rezex RHM 150×7.8mm，流动相：H2O中的0.1重量％TFA，温度：85℃，流速：0.6mL/min，方法持续时间：23min(不含NMP的样品)/60min(包含NMP的样品)，检测：RI或PDA，内标：苯酚)就HMF转化率和HMFCA、DFF、FFCA或FDCA产率/选择性来评价反应性能。
示例1
氧化HMF得到HMFCA
首先用20mg硅藻土545填充每个CatCart(70×4mm)，然后加入280mg 10％的Pt/C。当系统压力改变时，每次使用新鲜的CatCart。在每个筛选系列之前，用H2O(HPLC级)净化整个反应线，更换系统阀的特氟隆玻璃料，并进行ThalesNano X-Cube系统的自测试。使用NaOH/H2O溶液总能实现初始系统稳定，并且当反应参数保持恒定时，开始泵送反应溶液，然后使系统在新条件下稳定和平衡10min，然后收集两个样品，每个1mL。然后升高温度并再次使系统稳定(对实验系列内的所有温度都采用相同的程序)。在所有情况下，在系统压力和外部气体压力之间提供40巴的压力差以实现良好的系统稳定性。在HMF到HMFCA的选择性氧化中，采用温度介导催化剂失活有利于合成HMFCA，而不是完全氧化的FDCA。
下表1提供了采用下列参数：0.5mL HMF(5mg/mL)、0.5mL NaOH(0.08M)、H2O、10％Pt/C、80巴空气、60-120℃、0.5mL/min×0.5mL/min、1min，在流动中筛选的HMF-HMFCA氧化的结果总结。
表1
从表1可以明显看出，在给定条件下，随着温度的增加，HMFCA产率增加。反应优选在60℃至120℃，特别是80℃至120℃，特别是100℃至120℃下进行。如果温度超过100℃，则HMFCA的产率急剧增加。因此，特别优选的温度为105至130℃，如110至125℃，例如115至120℃。
示例2
氧化HMF得到DFF
首先用50mg硅藻土545填充每个CatCart(70×4mm)，然后加入263.4mg K-OMS-2。当系统压力改变时，每次使用新鲜的CatCart。在每个筛选系列之前，用H2O(HPLC级)净化整个反应线，更换系统阀的特氟隆玻璃料，并进行ThalesNano X-Cube系统的自测试。使用H2O(HPLC级)总能实现初始系统稳定，并且当反应参数保持恒定时，开始泵送反应溶液，然后使系统在新条件下稳定和平衡10min，并且然后收集两个样品，每个1mL。然后升高温度并再次使系统稳定(对实验系列内的所有温度都采用相同的程序)。在所有情况下，在系统压力和外部气体压力之间提供40巴的压力差以实现良好的系统稳定性。
使用一个或两个催化剂筒，提供理想的反应条件进行实验以制备产率良好(约70％)的DFF而仅需10巴的氧分压。
为了降低纯氧的可能危险，还用合成空气代替氧气来进行反应。然而，为了达到相似的产率，压缩空气的压力必须增加到80巴。
下表2示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-DFF氧化的结果总结：
1mL HMF(5mg/mL)、H2O、K-OMS-2/硅藻土、10巴O2、100-160℃、0.5mL/min，2min(采用一个催化剂筒)。
表2
下表3示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-DFF氧化的结果总结：
1mL HMF(5mg/mL)、H2O、2×K-OMS-2/硅藻土、10巴O2、100-160℃、0.5mL/min，4min(采用两个催化剂筒)
表3
下表4示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-DFF氧化的结果总结：
1mL HMF(5mg/mL)、H2O、K-OMS-2/硅藻土、80巴空气、100-160℃、0.5mL/min，2min(采用一个催化剂筒)。
表4
下表5示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-DFF氧化的结果总结：
1mL HMF(5mg/mL)、H2O、2×K-OMS-2/硅藻土、80巴空气、100-160℃、0.5mL/min，4min(采用两个催化剂筒)。
表5
从表2至5明显的是，在给定条件下，可以实现高DFF产率和高DFF选择性。平均产率随着温度的增加而增加。双份催化剂并没有引起大的差异，80巴的压力与10巴的压力相比也没有引起大的差异。
产生与原料HMF相关的在约50％至70％范围内的DFF的温度在约100至160℃，例如120℃至160℃，例如140至160℃的范围内。
示例3
氧化HMF得到FFCA
首先用20mg硅藻土545填充每个CatCart(70×4mm)，然后加入280mg 10％Pt/C。当系统压力改变时，每次使用新鲜的CatCart。在每个筛选系列之前，用H2O(HPLC级)净化整个反应线，更换系统阀的特氟隆玻璃料，并进行ThalesNano X-Cube系统的自测试。使用H2O(HPLC级)总能实现初始系统稳定，并且当反应参数保持恒定时，开始泵送反应溶液，然后使系统在新条件下稳定和平衡10min，并且然后收集两个样品，每个1ml。然后升高温度并再次使系统稳定(对实验系列内的所有温度都采用相同的程序)。在所有情况下，在系统压力和外部气体压力之间提供40巴的压力差以实现良好的系统稳定性。在100℃的温度下，实现了底物转化率和对产物FFCA的产物选择性之间的理想折衷。
下表6示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-FFCA氧化的结果总结：
1mL HMF(5mg/mL)、2当量的Na2CO3、H2O、10％Pt/C、80巴空气、60-160℃、0.5mL/min、2min。
表6
从表6明显的是，在给定条件下，可以实现高FFCA产率和高FFCA选择性。平均产率随着温度升高高达约120℃而增加。产生与原料HMF相关的在约45％至60％范围内的FFCA的温度在60℃至160℃，特别是80℃至140℃，例如100至120℃的范围内。
示例4
氧化HMF得到FDCA
首先用20mg硅藻土545填充每个CatCart(70×4mm)，然后加入280mg 10％Pt/C。当系统压力改变时，每次使用新鲜的CatCart。在每个筛选系列之前，用H2O(HPLC级)净化整个反应线，更换系统阀的特氟隆玻璃料，并进行ThalesNano X-Cube系统的自测试。使用NaOH/H2O溶液或H2O(HPLC级)总能实现初始系统稳定。采用Na2CO3或NaHCO3作为碱添加剂，使系统稳定，同时仅泵送H2O(HPLC级)，而不泵送Na2CO3或NaHCO3水溶液。当反应参数保持恒定时，开始泵送反应溶液，然后使系统在新条件下稳定和平衡10min，并且然后收集两个样品，每个1ml。然后升高温度并再次使系统稳定(对实验系列内的所有温度都采用相同的程序)。在所有情况下，在系统压力和外部气体压力之间提供40巴的压力差以实现良好的系统稳定性。
初始实验是使用NaOH作为碱进行的。不幸的是，用NaOH溶液处理HMF溶液导致溶液立即变黑，随后沉淀出黑色固体材料，使得溶液不适于流动。为了克服这个问题，将HMF溶液和NaOH溶液进行原位混合。然而，将NaOH溶液转换为Na2CO3或NaHCO3溶液能得到更好的结果。
下表7示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-FDCA氧化的结果总结：
0.5mL HMF(5mg/mL)、0.5mL NaOH(0.08M)、H2O、10％Pt/C、40巴空气、60-160℃、0.5mL/min×0.5mL/min、1min。
表7
下表8示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-FDCA氧化的结果总结：
0.5mL HMF(5mg/mL)、0.5mL NaOH(0.08M)、H2O、10％Pt/C、80巴空气、60-160℃、0.5mL/min×0.5mL/min、1min。
表8
从表7和表8中明显的是，在给定条件下，可以几乎独立于温度实现高FDCA产率和高FDCA选择性。产生与原料HMF相关的在约60至80％范围内的FDCA的温度在60至160℃，例如80℃至150℃的范围内。
下表9示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-FDCA氧化的结果总结：
0.5mL HMF(5mg/mL)、0.5mL NaOH(0.08M)、H2O、10％Pt/C、40巴空气、60-120℃、0.5mL/min×0.5mL/min、1min。
表9
从表9中明显的是，在给定条件下，可以实现高FDCA产率和高FDCA选择性。产生与原料HMF相关的在约60至80％范围内的FDCA的温度在60至120℃，例如60℃至110℃的范围内。
下表10示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-FDCA氧化的结果总结：
1mL HMF(5mg/mL)、2当量的Na2CO3、H2O、10％Pt/C、80巴O2、60-120℃、0.5mL/min、2min。
表10
从表10中明显的是，在给定条件下，在约50℃至140℃下可以实现HMF的高转化率和具有高选择性的FDCA的高产率，在约70℃至130℃的温度范围内，HMF几乎完全转化为FDCA。
用相同的反应设置进行该示例，唯一的区别在于O2压力降低到40巴，得到以下结果：
表11
表11显示，在较低氧压下，尤其是在较高温度下，FDCA产率和选择性均降低。这显然是由于催化剂失活。
下表12示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-FDCA氧化的结果总结：
1mL HMF(5mg/mL)、4当量的Na2HCO3、H2O、10％Pt/C、80巴O2、60-120℃、0.5mL/min、2min。
表12
从表12中明显的是，在给定条件下，在约50℃至140℃下可以实现HMF的高转化率和具有高选择性的FDCA的高产率，在高于100℃的温度下，例如约110℃至130℃的温度下，HMF几乎完全转化为FDCA。
再次，用相同的反应装备进行该示例，唯一的区别在于O2压力降低到40巴，得到以下结果：
表13
再次，根据表13，在较低氧压下，尤其是在较高温度下，由于催化剂失活，FDCA产率和选择性均降低。
因此，上述示例表明，特别是将HMF氧化为FDCA，采用碱金属碳酸盐类或碳酸氢盐类作为助催化剂和采用较高的氧压，仅用2分钟的停留时间就产生了非常好的结果。
示例5
采用水作为溶剂并采用NMP作为助溶剂将HMF氧化得到FDCA
在该示例中，将富含HMF，类似由糖先脱水产生的流的人造流作为原料。
根据上述示例4的描述进行反应。
下表14示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-FDCA氧化的结果总结：
1mL HMF(5mg/mL)、4当量的NaHCO3、H2O/NMP、10％Pt/C、80巴O2、60-160℃、0.5mL/min、2min。
表14
从上表14可以明显看出，基于包含NMP的产物流，同样可以获得良好的FDCA产率和FDCA选择性的结果。然而，在稍高的温度(例如120℃至160℃)下获得了最好的结果。
示例6
将HMF氧化以从之前的糖脱水步骤的原料产物流得到FDCA：
将如在WO 2014/033289中所公开的通过使用NMP作为溶剂，将果糖脱水获得的产物流在与上述示例5中公开的相同的条件下进行处理。
再次，在该产物流中HMF与NMP的比为
HMF:NMP＝4.7重量％:95.3重量％。
在进行氧化之前将该原料流进行如下预处理：
(i)用纯水稀释实际流至所需的5mg/mL的HMF浓度；
(ii)离心以分离在流的制备期间形成的任何黑焦油；
(iii)用滤纸过滤；
(iv)使产生的溶液通过填充有活性炭的填充床筒。
下表15示出了采用下列参数在流动中筛选的HMF-FDCA氧化的结果总结：
1mL HMF(5mg/mL)、4当量的NaHCO3、H2O/NMP、10％Pt/C、80巴O2、60-160℃、0.5mL/min、2min。
表15
表15显示出-尽管结果比根据示例5的人造流的结果略差-但在FDCA产率和选择性方面可以得到可接受的结果，再次特别是在较高的温度(如140℃至160℃)下，而不需要事先从产物流中除去NMP。

Claims (16)

1.一种用于在溶剂、氧化剂、催化剂和任选的碱和/或助溶剂的存在下，由下式的5-羟甲基-2-糠醛选择性制备氧化呋喃衍生物的方法：
其特征在于：
-氧化过程在流动中连续进行，
-提供了用于改变反应参数的装置，
-用于所述氧化过程的所述溶剂是水，且
-存在偶极非质子溶剂作为助溶剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，存在N-甲基吡咯烷酮作为助溶剂。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，反应参数是温度、压力、氧化剂和/或催化剂。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述氧化呋喃衍生物包括至少一个醛基基团和/或至少一个羧酸基团。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述氧化呋喃衍生物选自
下式的5-羟甲基呋喃-2-羧酸
下式的2,5-二甲酰基呋喃
下式的5-甲酰基呋喃-2-羧酸
和
下式的2,5-呋喃二羧酸
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，反应温度为50℃至180℃，特别是60℃至160℃。
7.根据权利要求6所述的方法，其中
-用于制备5-羟甲基呋喃-2-羧酸的反应温度为60℃至120℃，特别是80℃至120℃，特别是100℃至120℃；
-用于制备2,5-二甲酰基呋喃的反应温度为100至160℃，特别是120至160℃，特别是140℃至160℃；
-用于制备5-甲酰基呋喃-2-羧酸的反应温度为60℃至160℃，特别是80℃至140℃，特别是100℃至120℃；
-用于制备2,5-呋喃二羧酸的反应温度为60℃至160℃，特别是60℃至120℃，特别是80℃至120℃。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化剂是压缩氧气或压缩空气。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，工作压力为5巴至100巴，特别是10巴至80巴。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，
-用于获得2,5-二甲酰基呋喃的所述催化剂是K-OMS-2；
-用于获得5-羟甲基呋喃-2-羧酸、5-甲酰基呋喃-2-羧酸和2,5-呋喃二羧酸的所述催化剂是活性炭上的铂。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，对于制备5-羟甲基呋喃-2-羧酸、5-甲酰基呋喃-2-羧酸和2,5-呋喃二羧酸，使用碱作为助催化剂。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述碱是氢氧化物、碳酸盐或碳酸氢盐，特别是碱金属氢氧化物、碱金属碳酸盐或碱金属碳酸氢盐，特别是氢氧化钠、碳酸钠或碳酸氢钠。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，采用来自之前的脱水反应，特别是糖脱水的富含5-羟甲基-2-糠醛的流作为原料。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，用于由5-羟甲基-2-糠醛选择性制备2,5-呋喃二羧酸，其特征在于以下特征的组合：
-使用选自碳酸盐类和碳酸氢盐类，特别是碳酸钠和/或碳酸氢钠的组的碱作为助催化剂
-所述工作压力为80至100巴。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述温度为120℃至160℃，优选140℃至160℃。
16.根据权利要求14和15所述的方法，其特征在于，使用活性炭上的铂作为催化剂。
CN201580032096.2A 2014-06-17 2015-06-17 选择性氧化5-羟甲基糠醛的方法 Active CN106458950B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP14172678.6 2014-06-17
EP14172678 2014-06-17
PCT/EP2015/063578 WO2015193364A1 (en) 2014-06-17 2015-06-17 Process for the selective oxidation of 5-hydroxymethylfurfural

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106458950A true CN106458950A (zh) 2017-02-22
CN106458950B CN106458950B (zh) 2019-08-27

Family

ID=50942190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580032096.2A Active CN106458950B (zh) 2014-06-17 2015-06-17 选择性氧化5-羟甲基糠醛的方法

Country Status (24)

Country Link
US (1) US20170137396A1 (zh)
EP (1) EP3157910B1 (zh)
JP (1) JP6626100B2 (zh)
KR (1) KR102498728B1 (zh)
CN (1) CN106458950B (zh)
AR (1) AR100893A1 (zh)
AU (1) AU2015276185B2 (zh)
BR (1) BR112016029597B1 (zh)
CA (1) CA2949436C (zh)
DK (1) DK3157910T3 (zh)
ES (1) ES2672932T3 (zh)
HR (1) HRP20180840T1 (zh)
HU (1) HUE037981T2 (zh)
LT (1) LT3157910T (zh)
MA (1) MA40011A (zh)
MX (1) MX365828B (zh)
NO (1) NO3157910T3 (zh)
PL (1) PL3157910T3 (zh)
PT (1) PT3157910T (zh)
RS (1) RS57293B1 (zh)
RU (1) RU2703511C2 (zh)
SI (1) SI3157910T1 (zh)
TR (1) TR201807834T4 (zh)
WO (1) WO2015193364A1 (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109912549A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 南京林业大学 一种5－羟甲基糠醛选择氧化制备5－羟甲基糠酸的新方法
CN113559930A (zh) * 2021-07-26 2021-10-29 南京林业大学 一种木质素磺酸钠作载体的固体催化剂的制备方法及应用
CN115028609A (zh) * 2022-07-14 2022-09-09 中科国生(杭州)科技有限公司 一种连续化生产5-羟甲基糠醛的生产工艺及装置
CN115536622A (zh) * 2021-06-29 2022-12-30 中国石油化工股份有限公司 合成2,5-呋喃二甲酸的方法和装置
CN115583875A (zh) * 2022-09-28 2023-01-10 联化科技（台州）有限公司 在连续流反应器中将烯丙型醇氧化为α,β-不饱和醛酮的方法

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9604202B2 (en) * 2014-05-08 2017-03-28 Eastman Chemical Company Furan-2,5-dicarboxylic acid purge process
US10010812B2 (en) 2014-05-08 2018-07-03 Eastman Chemical Company Furan-2,5-dicarboxylic acid purge process
US9943834B2 (en) 2014-05-08 2018-04-17 Eastman Chemical Company Furan-2,5-dicarboxylic acid purge process
US9944615B2 (en) 2014-05-08 2018-04-17 Eastman Chemical Company Purifying crude furan 2,5-dicarboxylic acid by hydrogenation and a purge zone
CO2018005804A2 (es) * 2015-12-10 2018-09-20 Annikki Gmbh Proceso para producción de ácido 2,5-furandicarboxílico (fdca)
EP3464606A1 (de) 2016-05-23 2019-04-10 Annikki GmbH Verfahren zur enzymatischen umwandlung von d-glucose in d-fructose via d-sorbitol
CN106008416B (zh) * 2016-07-04 2019-02-19 浙江大学 一种2,5-呋喃二甲醛的制备方法
US20190023837A1 (en) 2017-07-20 2019-01-24 Eastman Chemical Company Production of polyethylene furanoate in a retrofitted polyester plant
US10344011B1 (en) 2018-05-04 2019-07-09 Eastman Chemical Company Furan-2,5-dicarboxylic acid purge process
EP3626711A1 (en) * 2018-09-24 2020-03-25 Arbaflame Technology AS Process for the production of furfural
US10526301B1 (en) 2018-10-18 2020-01-07 Eastman Chemical Company Production of purified dialkyl-furan-2,5-dicarboxylate (DAFD) in a retrofitted DMT plant
CN116396249B (zh) * 2023-04-11 2023-11-21 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种Co/NC-DA-x中空结构催化剂的应用及2,5-二羟甲基呋喃的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4977283A (en) * 1988-07-30 1990-12-11 Hoechst Aktiengesellschaft Process for the oxidation of 5-hydroxymethylfurfural
WO2008054804A2 (en) * 2006-10-31 2008-05-08 Battelle Memorial Institute Hydroxymethyl furfural oxidation methods
CN103068809A (zh) * 2010-08-06 2013-04-24 诺瓦蒙特股份公司 合成2,5-呋喃二羧酸的方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU448177A2 (zh) * 1972-10-30 1974-10-30
JP5078490B2 (ja) * 2007-07-30 2012-11-21 キヤノン株式会社 カルボン酸の製造方法
CN103889943B (zh) * 2011-08-31 2015-12-02 堪萨斯大学 用于生产基于生物的琥珀酸和2,5-呋喃二甲酸二者的方法
UA78739U (ru) * 2012-10-26 2013-03-25 Институт Физико-Органической Химии И Углехимии Им. Л.М. Литвиненко Нан Украины Способ получения 2,5-диформилфурана

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4977283A (en) * 1988-07-30 1990-12-11 Hoechst Aktiengesellschaft Process for the oxidation of 5-hydroxymethylfurfural
WO2008054804A2 (en) * 2006-10-31 2008-05-08 Battelle Memorial Institute Hydroxymethyl furfural oxidation methods
CN103068809A (zh) * 2010-08-06 2013-04-24 诺瓦蒙特股份公司 合成2,5-呋喃二羧酸的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SARA E. DAVIS ET AL.: ""Oxidation of 5-hydroxymethylfurfural over supported Pt, Pd and Au catalysts"", 《CATALYSIS TODAY》 *
ZHEN-ZHEN YANG ET AL.: ""A one-pot approach for conversion of fructose to 2,5-diformylfuran by combination of Fe3O4-SBA-SO3H and K-OMS-2"", 《GREEN CHEM.》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109912549A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 南京林业大学 一种5－羟甲基糠醛选择氧化制备5－羟甲基糠酸的新方法
CN115536622A (zh) * 2021-06-29 2022-12-30 中国石油化工股份有限公司 合成2,5-呋喃二甲酸的方法和装置
CN113559930A (zh) * 2021-07-26 2021-10-29 南京林业大学 一种木质素磺酸钠作载体的固体催化剂的制备方法及应用
CN113559930B (zh) * 2021-07-26 2023-05-23 南京林业大学 一种木质素磺酸钠作载体的固体催化剂的制备方法及应用
CN115028609A (zh) * 2022-07-14 2022-09-09 中科国生(杭州)科技有限公司 一种连续化生产5-羟甲基糠醛的生产工艺及装置
CN115028609B (zh) * 2022-07-14 2024-04-30 中科国生(杭州)科技有限公司 一种连续化生产5-羟甲基糠醛的生产工艺及装置
CN115583875A (zh) * 2022-09-28 2023-01-10 联化科技（台州）有限公司 在连续流反应器中将烯丙型醇氧化为α,β-不饱和醛酮的方法
CN115583875B (zh) * 2022-09-28 2023-12-01 联化科技（台州）有限公司 在连续流反应器中将烯丙型醇氧化为α,β-不饱和醛酮的方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015193364A1 (en) 2015-12-23
JP6626100B2 (ja) 2019-12-25
AR100893A1 (es) 2016-11-09
AU2015276185A1 (en) 2016-12-01
MX365828B (es) 2019-06-17
BR112016029597A2 (pt) 2017-08-22
SI3157910T1 (en) 2018-07-31
EP3157910A1 (en) 2017-04-26
NO3157910T3 (zh) 2018-08-11
PT3157910T (pt) 2018-06-20
RU2017101164A (ru) 2018-07-17
CN106458950B (zh) 2019-08-27
MA40011A (fr) 2018-03-14
MX2016015690A (es) 2017-07-28
RU2703511C2 (ru) 2019-10-18
KR20170029419A (ko) 2017-03-15
CA2949436A1 (en) 2015-12-23
JP2017518386A (ja) 2017-07-06
EP3157910B1 (en) 2018-03-14
CA2949436C (en) 2022-05-17
RS57293B1 (sr) 2018-08-31
LT3157910T (lt) 2018-06-25
DK3157910T3 (en) 2018-06-18
ES2672932T3 (es) 2018-06-18
US20170137396A1 (en) 2017-05-18
TR201807834T4 (tr) 2018-06-21
RU2017101164A3 (zh) 2019-01-23
PL3157910T3 (pl) 2018-08-31
HUE037981T2 (hu) 2018-09-28
AU2015276185B2 (en) 2019-04-18
KR102498728B1 (ko) 2023-02-10
HRP20180840T1 (hr) 2018-06-29
BR112016029597B1 (pt) 2021-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106458950A (zh) 选择性氧化5‑羟甲基糠醛的方法
JP5147309B2 (ja) ２，５−フランジカルボン酸の製造方法
Antonyraj et al. Heterogeneous selective oxidation of 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF) into 2, 5-diformylfuran catalyzed by vanadium supported activated carbon in MIBK, extracting solvent for HMF
CN109438399B (zh) 一种选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法
JP2011084540A (ja) ２，５−フランジカルボン酸の製造方法
RU2018106475A (ru) Способ получения фуран-2,5-дикарбоновой кислоты
CN104478835A (zh) 一种2,5-呋喃二甲醛的制备方法
Lappalainen et al. Simultaneous production of furfural and levulinic acid from pine sawdust via acid-catalysed mechanical depolymerization and microwave irradiation
Zhang et al. A facile and effective method for preparation of 2.5-furandicarboxylic acid via hydrogen peroxide direct oxidation of 5-hydroxymethylfurfural
CN108368076A (zh) 制备2,5-呋喃二甲酸（fdca）的方法
CN110283147A (zh) 甲酸供氢、非贵金属负载氮杂碳催化5-hmf转移氢化制备2,5-呋喃二甲醇的方法
CN110452193A (zh) 由5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲醛的方法
CN112898250B (zh) 一种2,5-呋喃二甲酸的制备方法
CN103028405A (zh) 糠醛选择加氢制备2-甲基呋喃的催化剂及其制备方法
Liu et al. Selective oxidation of biomass derived 5-hydroxymethylfurfural to 2, 5-diformylfuran using sodium nitrite
CN105254599A (zh) 一种以糠醛为原料制备γ-丁内酯的方法
CN104119212A (zh) 一种催化氧化3,3-二甲基-1-丁醇制备3,3-二甲基-1-丁醛的方法
CN105924414A (zh) 一种由碳水化合物制取5-羟甲基糠醛的方法
CN104478834A (zh) 一种催化体系可循环使用的2,5-呋喃二甲醛的制备方法
CN106967019A (zh) 一种制备2,5‑二甲酰基呋喃的方法
CN107011296B (zh) 利用糖类化合物降解制备2,5-呋喃二甲醛的方法
CN107235938B (zh) 一种基于mto复合催化剂一锅法制备5-hmf的方法
Paula et al. A new two-step green process for 2, 5-furandicarboxylic acid production from furfural, oxygen and carbon dioxide
Zhang et al. Recent progress and prospects in the selective catalytic production of 2, 5-diformylfuran
Derflinger et al. Development of a consolidated heterogeneous catalytic process for the selective oxidation of carbohydrate‐derived 5‐(hydroxymethyl) furfural for the industrial upscaling of 2, 5‐diformylfuran

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20190325

Address after: Raba-Granbach, Austria

Applicant after: Annikki GmbH

Applicant after: Novolana Co., Ltd.

Address before: Graz

Applicant before: Annikki GmbH

Applicant before: Mick Roy Nova Engineering Ltd

TA01 Transfer of patent application right
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant