CN110958906B - 用于分离和纯化含有二羧酸的混合物的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于将二羧酸产物从含有此类二羧酸的混合物中分离的方法。所述方法涉及：提供含有二羧酸的混合物，在所述混合物中所述混合物的羧酸含量的至少35％是感兴趣的二羧酸产物；通过配置有两性树脂的色谱柱运行对所述含有二羧酸的混合物的萃取，使得所述二羧酸产物优先从所述含有二羧酸的混合物中洗脱出。在某些实施例中，所述感兴趣的二羧酸产物可以是来自这些中的一种或两种与仍然其他羧酸的混合物中的葡糖二酸或葡糖酸产物。

Description

用于分离和纯化含有二羧酸的混合物的方法

技术领域

本披露涉及有机化合物的色谱分离。特别地，本发明涉及一种用于至少部分地通过色谱手段从含有二羧酸的混合物生产纯化的二羧酸的方法。

背景技术

已知用于制备二羧酸的方法会产生含有各种在途(on-path)和非在途(off-path)羧酸的粗混合物。来自其他方法的各种废物流也可能含有商业上感兴趣的二羧酸。

需要用于精制这些粗混合物和废物流的方法，并且已经被开发用于能够从粗混合物中生产足够纯的二羧酸产物或者提供有用的含有二羧酸的废物流的级分以供进一步使用或精制。

一种引起近期商业兴趣的二羧酸是葡糖二酸。Diamond等人的US 9,776,945描述了通常使用阴离子交换色谱法用特定洗脱液(诸如有机酸(例如，乙酸或甲酸)、碱(例如，碳酸氢钠或四硼酸钠)、和强酸(例如，硫酸或盐酸))回收二羧酸的方法，但是指出，使用除水以外的此类洗脱液是不希望的，因为增加试剂成本并且需要处置或另外的去除和再循环成本。特别考虑到用于将糖水溶液氧化以产生相应酸的方法，例如，如Boussie等人的US 8,669,397中所描述的将葡萄糖氧化以提供葡糖二酸，或如US 8,785,683中所描述的将木糖氧化以提供木糖二酸，因此，Diamond等人提出使在分离区中的分离介质与Boussie等人的反应产物接触，将所述反应产物中的葡糖二酸或其盐的至少一部分与葡糖二酸的其他在途中间体(on-path intermediate)(尤其是在Boussie等人的方法中以与葡糖二酸可比较的水平形成的葡糖酸)分离，所述中间体包含在萃余液中，从分离区中除去所述萃余液，并且用包含水的洗脱液从分离介质中洗脱出葡糖二酸或其盐。

描述了优选的分离介质，所述分离介质包含在模拟移动床中使用的弱碱性阴离子交换色谱树脂，尤其是葡糖二酸形式的阴离子交换色谱树脂。这些树脂与弱碱和强碱官能度的组合也被描述为是有用的。实例2中给出了用于将葡糖二酸与葡糖酸和其他在途中间体分离的方法的具体实例，并且所述实例涉及使用具有1.4当量/L的交换容量和0.3mm的珠粒尺寸的Lanxess Lewatit MDS 4368苯乙烯/二乙烯基苯交联的大孔阴离子交换树脂(表征为具有75％-80％的弱碱和25％-20％的强碱官能度)的模拟移动床系统。在使用前，将游离碱和羟基形式的树脂通过暴露于1M葡糖二酸溶液中而转化为葡糖二酸形式。据说能够将葡糖二酸含量从在进料中的47.9摩尔百分比富集至在提取物中的90.1摩尔百分比，其中按质量计97百分比的未转化的葡萄糖和在途中间体被浓缩在萃余液中并且可以再循环回到Boussie等人的氧化过程以制造另外的葡糖二酸。

发明内容

本披露描述了一种用于从含有此类二羧酸的混合物中分离出二羧酸产物的方法。所述方法涉及：提供含有二羧酸的混合物，在所述混合物中所述混合物的羧酸含量的至少35％是感兴趣的二羧酸产物；通过配置有两性树脂的色谱柱运行对所述含有二羧酸的混合物的萃取，使得所述二羧酸产物优先从所述含有二羧酸的混合物中洗脱出。在某些实施例中，所述感兴趣的二羧酸产物可以是来自这些中的一种或两种与仍然其他羧酸的混合物中的葡糖二酸或葡糖酸产物。

具体实施方式

除非上下文另外明确指明，否则如本申请所用，单数形式“一个/种(a/an)”和“所述(the)”包括复数指示物。如本文所用的术语“包含”及其变型类似地旨在是开放式术语，所述开放式术语指出所阐述的特征、要素、组分、组、整数和/或步骤的存在，但不排除其他未阐述的特征、要素、组分、组、整数和/或步骤的存在。这种理解也适用于具有类似含义的词语，诸如术语“包括”、“具有”以及其变型。如本文所用的术语“由……组成”及其变型旨在是封闭式术语，所述封闭式术语指出所阐述的特征、要素、组分、组、整数和/或步骤的存在，但不排除其他未阐述的特征、要素、组分、组、整数和/或步骤的存在。如本文所用的术语“基本上由……组成”旨在指出所阐述的特征、要素、组分、组、整数和/或步骤的存在，以及不实质性地影响所阐述的特征、要素、组分、组、整数和/或步骤的一种或多种基本且新颖的特征的那些。如本文所用的程度术语(诸如“基本上”、“约”和“大约”)意指加或减所阐述的值的五(5)百分比，与通常在数值上描述特定属性时所使用的有效数字的数目所理解的精确程度无关。

当使用特定数值来定量与本发明有关的某些参数而没有所附的程度术语时，以及当特定数值不是明确地属于数值范围的一部分时，应当理解，本文提供的每个此类具体数值应被解释为对所讨论的参数的宽、中和窄范围的值提供字面支持。宽范围应为数值加和减所述数值的60百分比，四舍五入到两位有效数字。中范围应为数值加和减所述数值的30百分比，四舍五入到两位有效数字，而窄范围应为数值加和减所述数值的15百分比，也四舍五入到两位有效数字。此外，这些宽、中和窄数值范围不仅应用于特定值，而且还应用于这些特定值之间的差。因此，如果说明书描述了第一流的第一压力为110kPa并且第二流的第二压力为48kPa(相差62kPa)，则这两个流之间的压力差的宽、中和窄范围将分别为25至99kPa、43至81kPa、和53至71kPa。

在本说明书使用数值范围来定量与本发明有关的某些参数的情况下，将类似地理解，这些范围将被解释为对仅陈述所述范围的下限值的权利要求限制以及仅陈述所述范围的上限值的权利要求限制提供字面支持。

除非另外指明，否则在此部分或其他部分中描述的任何定义或实施例均旨在适用于本文描述的主题的所有实施例和方面，对于这些实施例和方面，所述定义和实施例将是根据本领域普通技术人员的理解合适的。

两性树脂含有附接到聚苯乙烯基质的正和负官能团两者。这些种类的树脂典型地用于分离电解质和非电解质或用于分离两种不同的电解质(例如，糖/盐、甘油/盐、苛性材料/盐、盐/盐)。感兴趣的材料或化合物的正阳离子和负阴离子选择性地结合到两性树脂的相应部分。

在本发明的上下文中，已证明含有与聚苯乙烯基质附接的弱酸性正官能团和强碱性负官能团两者的两性树脂特别很适合用于从葡糖二酸与通常其他羧酸和其他二羧酸(具体例如但不限于如由Boussie等人的US 8,669,397中所描述的制造方法产生的)的混合物中回收葡糖二酸。在一个实施例中，此类树脂用于模拟移动床色谱法中。

D-葡糖二酸(D-glucaric acid)(也称为葡萄糖二酸(saccharic acid))是可商购的并且通过使用硝酸作为氧化剂将葡萄糖非选择性化学氧化来生产，尽管在本发明范围内已经提出了用于生产含有葡糖二酸的混合物的其他方法(其中葡糖二酸是所述混合物的总羧酸含量的至少35百分比)并且所述其他方法将是优选的。附带说明，为了清楚起见，根据本发明的“含有葡糖二酸的混合物”本身可以包含葡糖二酸和其他羧酸，或者可以包含葡糖二酸和其他羧酸的盐，其中所述混合物的葡糖二酸盐含量是所述混合物的总羧酸盐含量的至少35百分比。

如Boussie等人的美国专利号8,669,397中所涉及的，美国专利号2,472,168展示了一种用于在氧气和碱的存在下使用铂催化剂由葡萄糖制备葡糖二酸的方法。在氧气和碱的存在下使用铂催化剂制备葡糖二酸的其他类似实例可见于Journal of Catalysis[催化杂志],第67卷,第1-13和14-20页(1981)。Boussie等人引用的其他现有的氧化方法包括US6,049,004中描述的那些方法(在硝酸氧化后，使用二烷基醚进行溶剂萃取以使葡糖二酸结晶，并且避免了中和的必要)；US 5,599,977(硝酸氧化，其中将气体注入反应产物中以缓和温度升高，然后中和)；US 6,498,269(使用氧铵(oxoammonium)催化剂/卤化物助催化剂体系)；J.Chem.Technol.Biotechnol.[化学技术与生物技术杂志],第76卷,第186-190页(2001)(通过使用五氧化二钒催化剂用硝酸在氧化介质中将填充床中的糖蜜氧化得到D-葡糖二酸)；J.Agr.Food Chem.[农业和食品化学杂志],第1卷,第779-783页(1953)；J.Carbohydrate Chem.[碳水化合物化学杂志],第21卷,第65-77页(2002)(使用元素氯或溴作为末端氧化剂进行4-AcNH-TEMPO催化的D-葡萄糖到D-葡糖二酸的氧化)；Carbohydrate Res.[碳水化合物研究],第337卷,第1059-1063页(2002)(使用漂白剂进行TEMPO介导的葡萄糖到葡糖二酸的氧化)。然而，Boussie等人将这些方法表征为遭受各种经济缺陷，这些缺陷是由除了其他问题之外的过程产率限制和对额外反应成分的要求产生的。

针对这些先前公开的氧化方法，Boussie等人的US 8,669,397描述了一种用于由葡萄糖生产葡糖二酸的催化方法，其中然后通过加氢脱氧将葡糖二酸转化为己二酸。根据Boussie等人的研究，可以通过在典型地包含钯和铂中一种或多种的催化剂存在下，任选地在一种或多种其他d区金属(例如，Rh或Ru)的存在下(单独地或与一种或多种稀土金属组合，在载体上或未负载下单独地或与一种或多种主族金属(例如，Al、Ga、Tl、In、Sn、Pb或Bi)组合)，但不存在碱的情况下，使葡萄糖与氧气(呈空气、富氧空气或含有对反应基本为惰性的其他成分的氧气的形式)反应，以高产率将葡萄糖转化为葡糖二酸。

Diamond等人在US 2016/0090346中描述了从Boussie等人的氧化过程的反应产物中将葡糖二酸与其他组分分离的方法，如上面已经概述。

为了本发明的目的，尽管由Boussie等人描述的方法优选于描述用于由葡萄糖制造葡糖二酸的其他氧化方法，但是我们将提出Diamond等人的用于分离这些酸的混合物中的葡糖二酸和葡糖酸的方法的替代方法。

我们改进的分离步骤将涉及借助两性树脂而不是弱碱性阴离子交换树脂进行色谱分离，优选在模拟移动床系统中进行。下面给出实例以证明此类树脂分离具有总体上非常相似特性的这些羧酸的出人意料的有效性。

然而，将在诸如由Boussie等人根据我们的概念生产的混合物中的葡糖二酸与葡糖酸分离的优选方法将涉及提供含有葡糖二酸的混合物，在所述混合物中所述混合物的羧酸含量的至少35％(在某些实施例中，例如为羧酸含量的40％-55％)是葡糖二酸；通过配置有两性树脂的色谱柱运行对所述混合物的萃取，使得所希望的葡糖二酸进料材料优先从所述混合物中洗脱出来。我们出人意料地发现，两性树脂提供对于葡糖二酸:葡糖酸至少2:1至3:1的优先亲和力比率，指示了比由Diamond等人传授的弱碱性阴离子交换树脂更优异的分离潜力，并且与弱碱性阴离子交换树脂相比，两性树脂的随着时间推移的性能也有所改进。

实例1和对比实例1

为了证明可从如Boussie等人生产的产物中回收葡糖二酸的方式，使用含有按重量计6.3％的葡萄糖酸盐、按重量计8.2％的葡糖二酸盐、0.013％的氯化物、0.025％的硫酸盐、和2.7％的其他有机酸盐(干固体负载量)的水性进料混合物进行一系列脉冲测试。更具体地，所述水性进料混合物中各种羧酸的分解，各自按百分比计如下：富马酸，0.4；乙醇酸，1.6；半乳糖醛酸，7.7；2-酮-葡糖酸，0.4；5-酮-葡糖酸，3.3；葡糖醛酸，0.5；葡糖酸，35.7，葡糖二酸，50.3(总量100.0)。

将280mL在Diamond等人中例示的特定Lanxess Lewatit MDS 4368苯乙烯/二乙烯基苯交联的大孔阴离子交换树脂负载到2个带夹套的玻璃柱(25mm x 600mm)中进行比较，并且除去空气气泡。将两个柱均连接至水浴并且加热至50摄氏度。将柱用大约10倍床体积的去离子水冲洗，然后将第一柱(柱号1)用7倍床体积的水性进料混合物调理，而将第二柱(柱号2)用7倍床体积的制备的葡萄糖二酸溶液调理，所述葡萄糖二酸溶液已通过400mlDowex 88钠形式的大孔强酸阳离子交换树脂。由于树脂溶胀(观察到约40百分比溶胀)，因此在预处理过程中两个柱均向上流动。预处理后，然后将柱用10倍床体积的去离子水冲洗。

在以此方式将柱调理之后，将柱配置用于向下流动操作。将在柱顶部的阀打开，然后当液位与树脂床的顶部平齐时，引入20毫升水性进料混合物的脉冲。随着液位再次与树脂床的顶部平齐时，添加1-2毫升DI水，并且关闭在柱顶部的阀。开始以每分钟20毫升DI水的流量进行洗脱，并且以0.16倍床体积的间隔收集34个级分，每个级分约48mL，用于后续分析。

随后，将280mL Mitsubishi DIAION AMP-03两性离子交换树脂(三菱公司(Mitsubishi)根据附件A(应理解其内容被并入本文)将其表征为其中交联的聚苯乙烯框架上掺入季铵基团和羧基的两性离子交换树脂、具有260μm的均匀珠粒尺寸和出色的抗降解和浸出性)在DI水中制成浆液，并且以与对于弱碱性阴离子交换树脂Lewatit MDS 4368相同的方式负载到两个相同的带夹套的玻璃柱中。将第一柱使用相同的水性进料混合物调理/预处理，同时将第二柱用去离子水调理/预处理。预处理是在对于两性树脂柱的向下流动配置中完成的，然而，由于预期没有溶胀，并且实际上没有观察到。如前用去离子水冲洗后，以与MDS 4368树脂相同的方式用所述水性进料混合物进行脉冲测试。

对分别从MDS 4368柱和AMP-03柱的洗脱中收集的级分进行分析，通过将葡糖酸或葡糖二酸级分(视情况而定)与在一方面对于所有其他材料的级分和在另一方面对于具体并且分别来自所述“所有其他材料”的葡糖二酸和葡糖酸的级分的重叠累积面积比较证明，两性树脂的性能优于由Diamond等人提供的弱碱性阴离子交换树脂，参见下表1。更具体地，与由Diamond等人主张的弱碱性阴离子交换树脂相比，两性树脂被证明是用于从Boussie等人描述的类型的产物混合物中分离葡糖二酸的有效得多的树脂。在表1中，“OAGnF”应理解为是指葡糖酸级分与“所有其他材料”以及与具体来自所述“所有其他材料”的葡糖二酸的重叠面积，并且“OAGrF”相应地应理解为是指葡糖二酸级分与“所有其他材料”以及与具体来自所述“所有其他材料”的葡糖酸的重叠面积：

表1：MDS 4368与AMP-03脉冲测试之间的相对重叠面积

实例2

使用与实例1和对比实例1所用相同的水性进料混合物进行一系列另外的脉冲测试，因此所述水性进料混合物含有按重量计6.3％的葡糖酸盐、按重量计8.2％的葡糖二酸盐、0.013％的氯化物、0.025％的硫酸盐、和2.7％的其他有机酸盐(干固体负载量)。更具体地，所述水性进料混合物中各种羧酸的分解，各自按百分比计如下：富马酸，0.4；乙醇酸，1.6；半乳糖醛酸，7.7；2-酮-葡糖酸，0.4；5-酮-葡糖酸，3.3；葡糖醛酸，0.5；葡糖酸，35.7，葡糖二酸，50.3(总量100.0)。

将280mL具有掺入在二乙烯基苯交联的凝胶聚苯乙烯上的季铵官能度和羧基官能度并且如在附件B(应认为其内容被并入本文)中更充分表征的

WCA100两性树脂用去DI水制浆，并且负载到2个带夹套的玻璃柱(25mm x 600mm)中，并且除去空气气泡，如实例1和比较实例1所进行的那样。将两个柱均连接至水浴并且加热至50摄氏度。将柱用大约10倍床体积的去离子水冲洗，然后将第一柱(柱号1)用7倍床体积的水性进料混合物调理，而将第二柱(柱号2)用7倍床体积的去离子水调理，如用AMP-03树脂进行的那样。预处理后，然后将柱用10倍床体积的去离子水冲洗。

在以此方式将柱调理之后，将柱配置用于向下流动操作。将在柱顶部的阀打开，然后当液位与树脂床的顶部平齐时，引入20毫升水性进料混合物的脉冲。随着液位再次与树脂床的顶部平齐时，添加1-2毫升DI水，并且关闭在柱顶部的阀。开始以每分钟20毫升DI水的流量进行洗脱，并且以0.16倍床体积的间隔收集34个级分，每个级分约48mL，用于后续分析。

级分的重叠面积分析证明，WCA100两性树脂同样提供了优于由Diamond等人提供的弱碱性阴离子交换树脂的性能以及与AMP-03树脂基本相似的性能。

实例3-5

使用与实例1中所用相同的设备和方法进行脉冲测试，但是仅用两性树脂和

其中依次加标有柠檬酸、苹果酸和乳酸的含有葡糖二酸的水性进料，所述柠檬酸、苹果酸和乳酸的加标量大于它们在如由Boussie等人(US 8,669,397)生产的产物混合物中发现的量。

更具体地，在每种用于脉冲测试的柠檬酸、苹果酸和乳酸加标的含有葡糖二酸水性进料中，各种羧酸的分解各自按百分比如下：

柠檬酸-加标的-0.6葡糖酸盐；0.0乳酸盐；0.04乙醇酸盐；0.09 2-酮-葡糖酸盐；0.20半乳糖醛酸盐/古洛糖醛酸盐；0.08葡糖醛酸盐；0.19 5-酮-葡糖酸盐；69.8葡糖二酸盐；0.0苹果酸盐；29.0柠檬酸盐。

苹果酸-加标的-0.6葡糖酸盐；0.0乳酸盐；0.05乙醇酸盐；0.10 2-酮-葡糖酸盐；0.22半乳糖醛酸盐/古洛糖醛酸盐；0.11葡糖醛酸盐；0.20 5-酮-葡糖酸盐；67.4葡糖二酸盐；31.3苹果酸盐；0.03柠檬酸盐。

乳酸-加标的-0.51葡糖酸盐；25.6乳酸盐；0.04乙醇酸盐；0.09 2-酮-葡糖酸盐；0.21半乳糖醛酸盐/古洛糖醛酸盐；0.09葡糖醛酸盐；0.19 5-酮-葡糖酸盐；73.3葡糖二酸盐；0.0苹果酸盐；0.03柠檬酸盐。

测试结果证实了有效地将葡糖二酸与这些其他羧酸中的每种分离的能力，并且指示了洗脱顺序(从最早到最晚)，如下：葡糖酸、乳酸、葡糖二酸、苹果酸并且然后柠檬酸。基于化合物结构和洗脱顺序，将看出吸附到AMP-03树脂上的机理是对这些分子中所含有的双键氧的亲和力。葡糖酸和乳酸两者均具有单一的双键氧，因此树脂对它们的亲和力较低并且它们被最早洗脱出，而葡糖二酸和苹果酸两者均具有两个双键氧并且稍后被紧密地一起洗脱出，而柠檬酸含有三个双键氧并且在被测试的那些中最后被洗脱出。基于这些结果，预期抗坏血酸和乙酸将早于葡糖二酸被洗脱出并且将也可与葡糖二酸分离，而琥珀酸和草酸将与苹果酸和葡糖二酸类似地被洗脱出。

Claims (5)

1.一种用于将感兴趣的羧酸从含有这种羧酸的混合物中与其他羧酸分离的方法，所述方法包括：提供含有羧酸的混合物，所述混合物含有基于所述混合物的总羧酸含量的至少35wt％的所述感兴趣的羧酸；并且通过配置有两性树脂的色谱柱运行对所述含有羧酸的混合物的萃取，使得感兴趣的羧酸产物优先从所述含有羧酸的混合物中洗脱出，

其中

所述感兴趣的羧酸是葡糖二酸或葡糖酸产物且所述混合物是这些中的一种或两种与仍然其他羧酸的混合物；并且

所述两性树脂的表面特征在于在聚合物主链上具有弱酸性正官能团和强碱性负官能团两者。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法用于从含有葡糖二酸和葡糖酸两者的混合物中分离葡糖二酸和葡糖酸，并且其中这些中的至少一种以基于所述混合物的总羧酸含量的大于35wt％存在。

3.根据权利要求2所述的方法，其中葡糖二酸或葡糖酸以基于所述混合物的总羧酸含量的50wt％或更大的浓度存在于所述混合物中。

4.根据权利要求3所述的方法，其中葡糖二酸或葡糖酸以基于所述混合物的总羧酸含量的60wt％或更大的浓度存在于所述混合物中。

5.根据权利要求4所述的方法，其中葡糖二酸或葡糖酸以基于所述混合物的总羧酸含量的70wt％或更大的浓度存在于所述混合物中。