KR20200137015A - 알파-, 베타-디하이드록시 카르보닐 화합물의 탈수 및 락트산 및 기타 다른 생성물로의 분해 - Google Patents

알파-, 베타-디하이드록시 카르보닐 화합물의 탈수 및 락트산 및 기타 다른 생성물로의 분해 Download PDF

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아처 다니엘 미드랜드 캄파니
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Abstract

카르보닐 작용기(C=O)를 가지며, 카르보닐 작용기에 대해 알파(α) 및 베타(β) 위치에 하이드록시-치환된 탄소원자를 갖는 출발 기질로부터 분해 생성물(cracked product)을 합성하기 위한 방법이 개시된다. 일 구현예에서, α-, β-디하이드록시 카르복실산 또는 카르복실레이트는 탈수되어, α-하이드록시 기의 제2 카르보닐 기로의 변환 및 β-하이드록시 기의 제거에 의해 디카르보닐 중간체를 형성한다. 디카르보닐 중간체는 분해되어, 제1 및 제2 카르보닐 기가 보존된 분해 생성물을 형성한다. 디카르보닐 중간체의 탄소-탄소 결합의 절단으로부터 생성되는 (i) 분해 생성물 및 (ii) 제2 분해 생성물 중 어느 하나 또는 둘 모두는 수소화되어 추가의 생성물을 형성할 수 있다.

Description

알파-, 베타-디하이드록시 카르보닐 화합물의 탈수 및 락트산 및 기타 다른 생성물로의 분해
본 발명은 다수의 고부가가치 최종 생성물에 대한 전구체로서 피루브산 및 글리세르알데하이드를 포함하는 분해 생성물(cracked product)을 합성하는 방법에 관한 것으로, 여기서 분해 생성물 및 최종 생성물은 글루코스로부터 수득된 생성물과 같은 α-, β-디하이드록시 카르복실산 및 카르복실레이트를 포함하는 α-, β-디하이드록시 카르보닐 출발 화합물에 비해 더 적은 탄소원자를 갖는다.
화석 연료의 고갈은 저탄소원자를 갖는 이른바 "플랫폼(platform)" 분자, 예컨대 프로필렌 글리콜 및 기타 다른 탄소원자수 3(C3) 생성물의 생성에 있어서 석유계 탄소의 대체 공급원을 모색하는 데 주요 동기를 제공해 왔다. 바이오매스는 현재 그렇게 알려진 많은 고부가가치 석유계 화학물질을 유도할 수 있는 잠재적인 대체물로 간주되지만, 재생 가능한 자원으로부터 그러한 화학물질을 생성하기 위한 지속 가능한 기술의 개발은 상당한 난제로 남아 있다. 최근에, 바이오디젤 산업은 식물성 오일 및 동물성 지방 내의 트리글리세라이드의 정제 시에 발생하는 부산물로서 풍부한 미정제(crude) 글리세롤을 제공해 왔다. 이 글리세롤은 이들 동일한 저탄소수 고부가가치 화학물질, 예컨대 프로필렌 글리콜을 생성하기 위한 공급원료(feedstock)로서의 역할을 할 수 있다. 그러나, 이러한 목적을 위하여 글리세롤을 충분히 정제할 것을 필요로 하는 이들 단계에는 상당한 비용이 들며, 바이오디젤 산업은 수익성(profitability)을 위해 세액 공제(tax credit) 및 기타 다른 형태의 정부 보조금(governmental subsidy)에 크게 의존하고 있다.
당업계의 현재 기술 상태는, 쉽게 이용 가능하거나 입수 가능한 기질(substrate)로부터, 특히 재생 가능한 탄수화물계 자원으로부터 유도되는 기질로부터, 피루브산 및 글리세르알데하이드와 같은 고부가가치 중간체 및/또는 락트산, 글리세롤, 및 프로필렌 글리콜과 같은 하류 전환 생성물로의 합성 경로로부터 상당한 이익을 얻을 것이다.
본 발명의 양태는, 예를 들어 글루코스의 산화로부터 용이하게 유도되는 기질, 예컨대 글루콘산 및 글루카르산을 이용할 수 있는 합성 방법과 발견과 관련되어 있다. 그러한 기질들은 그들의 전구체 알데하이드(예를 들어, 글루코스)에 비하여 고온 조건 하에서 더 큰 안정성을 나타내는 경향이 있으며, 이는 하나 이상의 규정된 생성물로의 원하는 반응 순서를 따라 증가된 반응 선택성 및 수율로 이어질 수 있다. 그럼으로써, 원치 않는 부반응으로 인한 생성물 손실이 감소된다. 특히 관심 있는 생성물은 탄소-탄소 결합 절단으로부터 형성되고, 그럼으로써 사용된 기질에 비해 더 적은 탄소원자를 갖는 "분해" 생성물을 포함한다. 알데하이드 전구체의 카르복실레이트로의 산화로부터 적합한 기질을 수득하는 것은 간단하고 비용이 적게 들며, 일반적으로 산화제로서 단지 공기만을 필요로 한다. 특정 양태는 카르복실레이트 음이온-함유 기질이 용액 중에서 일련의 반응 단계를 거쳐서, 바람직한 C3 분해 생성물, 예컨대 피루브산 및 글리세르알데하이드의 형성으로 이어질 수 있는 능력과 관련되어 있으며, 이때 피루브산 및 글리세르알데하이드는 동일한 반응 조건 하에서 (예를 들어, 수소화/환원에 의해) 바람직한 최종 생성물, 예컨대 락트산, 글리세롤, 및 심지어 프로필렌 글리콜(1,2-프로판디올)로 추가로 전환될 수 있다.
특정 양태는 α-, β-디하이드록시카르보닐 출발 화합물로부터 디카르보닐 중간체를 형성한 후에, 분해 단계를 이용하는 합성 경로에 관한 것이다. 분해는 본 명세서에 기재된 바와 같은 반응 조건 하에서 분해용 촉매(cracking catalyst)를 사용하여 촉진될 수 있다. 더 적은 탄소원자수의 분해 생성물은, 예를 들어 전술된 것들과 같은 C3 화합물을 포함하며, 이 화합물은 C4, C5, 또는 C6 기질 또는 출발 화합물 중 임의의 것으로부터 합성될 수 있다. 그러한 기질은, 예를 들어, 분해 생성물로서 일반적으로 피루브산을 형성할 수 있다. 더 특정한 양태는 비효소적으로 수행될 수 있는 그러한 합성 경로, 또는 그러한 경로의 개별 반응 단계들의 발견에 관한 것으로, 이때 비효소적이란, 반응 혼합물에 효소(예를 들어, 폴리펩타이드)를 사용하지 않는 것을 의미한다. 비효소적으로, 예컨대 생물학적 촉매(들)와 대조적으로 오로지 하나 이상의 화학적 촉매만을 사용하여 수행되는 본 명세서에 기재된 방법의 경우에, 더 넓은 범위의 가능한 반응 조건, 예컨대 생물학적 작용제에 대해서는 해롭겠지만(예를 들어, 효소를 포함하는 단백질을 변성시키겠지만) 그럼에도 불구하고 원하는 중간체 및/또는 최종 생성물의 높은 생산성을 가능하게 하는 온도 및/또는 pH 조건을 허용한다는 관점에서 이점이 있다. 다른 이점은 감소된 작업 비용으로부터 얻어질 수 있는데, 특히, 그렇지 않으면, 불균일 또는 균일 화학적 촉매 분리와 관련된 상대적으로 더 낮은 비용에 비하여 생성물로부터의 효소 분리와 관련되었을 비용의 감소로부터 얻어질 수 있다. 일부 구현예에 따르면, (i) 출발 화합물을 탈수하여 디카르보닐 중간체를 형성하는 단계, (ii) 디카르보닐 중간체를 분해하여 분해 생성물을 생성하는 단계, (iii) 분해 생성물을 수소화하여 최종 생성물을 생성하는 단계, 및 (iv) 제2 분해 생성물을 추가량의 최종 생성물로 전환하는 단계의 본 명세서에 기재된 합성 단계들 중 적어도 하나는 비효소적 반응 단계이다(즉, 효소를 사용하여 촉매작용되지 않음). 바람직하게는, (i), (ii), (iii), 및 (iv) 중 적어도 2개는 비효소적 반응 단계이고, 더 바람직하게는 (i), (ii), (iii), 및 (iv) 중 적어도 3개는 비효소적 반응 단계이며, 훨씬 더 바람직하게는 (i), (ii), (iii), 및 (iv) 전부가 비효소적 반응 단계이다.
본 발명의 구현예는 출발 화합물에 비해 더 적은 탄소원자를 갖는 분해 생성물의 합성 방법에 관한 것이다. 출발 화합물 또는 기질은 카르보닐 작용기(C=O)를 포함하며, 카르보닐 작용기에 대해 알파(α) 및 베타(β) 위치에 하이드록시-치환된 탄소원자를 갖는다. 하나의 반응 단계에 따르면, 이 출발 화합물, 즉 α-, β-디하이드록시 카르보닐 화합물, 즉 α-, β-디하이드록시 카르복실산 및 카르복실레이트를 포함하는 화합물의 일반적인 부류를 탈수하여, α-하이드록시 기의 제2 카르보닐 기(출발 화합물의 카르보닐 기에 인접함)로의 변환 및 β-하이드록시 기의 제거에 의해 디카르보닐 중간체를 형성한다. 이어서, 디카르보닐 중간체를 분해하여 분해 생성물을 형성하며, 이 분해 생성물은 자체가 디카르보닐 화합물이지만, 디카르보닐 중간체에 비해 더 적은 탄소원자를 갖고 제1 및 제2 카르보닐 기를 보존한다. 이러한 분해는 일반적으로 제2 분해 생성물, 예컨대 알데하이드 또는 카르복실레이트의 생성으로 이어지며, 이들은 (디카르보닐) 분해 생성물(cracked (dicarbonyl) product)과는 상이하다. 종종, C6 기질의 경우에, (디카르보닐) 분해 생성물 및 제2 (예를 들어, 알데하이드 또는 카르복실레이트) 분해 생성물 둘 모두는 C3 생성물, 예컨대 글리세르알데하이드 또는 2-하이드록시-3-옥소프로판산일 수 있다. C5 기질의 경우에, (디카르보닐) 분해 생성물은 C3 생성물일 수 있고, 제2 (예를 들어, 알데하이드 또는 카르복실레이트) 분해 생성물은 C2 생성물, 예컨대 2-하이드록시아세트알데하이드 또는 2-옥소아세트산일 수 있다. C4 기질의 경우에, (디카르보닐) 분해 생성물은 C3 생성물일 수 있고, 제2 (예를 들어, 알데하이드 또는 카르복실레이트) 분해 생성물은 C1 생성물, 예컨대 포름알데하이드 또는 포름산일 수 있다.
분해 생성물 및 제2 분해 생성물 중 어느 하나 또는 둘 모두는, 예를 들어 반응 환경에 존재할 수 있는 환원성 조건(예를 들어, 상승된 수소 부분 압력) 하에서 수소화/환원에 의해, 수소화 최종 생성물로 추가로 전환될 수 있다. 그러한 수소화 최종 생성물은, (디카르보닐) 분해 생성물로서 피루브산의 경우에는 락트산을 포함할 수 있거나, 제2 (예를 들어, 알데하이드 또는 카르복실레이트) 분해 생성물로서 글리세르알데하이드 또는 2-하이드록시-3-옥소프로판산의 경우에는 각각 글리세롤 또는 글리세르산을 포함할 수 있다. 기타 다른 가치있는 최종 생성물은 글리세르알데하이드로부터 1,2-하이드라이드 이동(shift) 또는 하이드라이드 전달 (transfer)(칸니차로(Cannizzaro) 반응)을 수반하는 반응을 통해 생성된 락트산을 포함할 수 있다.
이들 및 다른 양태, 구현예, 및 관련된 이점은 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "기질", 또는 대안적으로, "출발 화합물"은 하나 또는 바람직하게는 일련의 전환 단계, 예컨대 "탈수", "분해", 및 선택적인 "수소화" 전환 단계를 거쳐서 하나 이상의 분해 생성물 및/또는 최종 생성물을 산출하게 될 초기 화합물을 지칭한다. 이들 전환 단계는 이전 전환 단계들의 사용, 예컨대 분해 생성물 및/또는 최종 생성물을 생성하는 데 사용되는 것과 동일한 반응 조건 하에서(예를 들어, 동일한 반응기 내에서) 또는 상이한 반응 조건 하에서(예를 들어, 별도의 반응기 내에서) 사용하는 것을 배제하지 않는다. 그러한 이전 전환 단계들은 용이하게 입수 가능한 전구체, 예컨대 글루코스를, 예를 들어 산화에 의해 출발 화합물로서의 글루콘산 또는 글루카르산으로 전환시키는 단계를 포함할 수 있다. 마찬가지로, "분해 생성물을 생성하기 위해" 또는 "최종 생성물을 생성하기 위해" 수행된 단계들은 후속 전환 단계들의 사용, 예컨대 분해 생성물(들) 및/또는 최종 생성물(들)을 생성하여 하나 이상의 다른 원하는 최종 생성물을 수득하는 데 사용되는 것과 동일한 반응 조건 하에서(예를 들어, 동일한 반응기 내에서) 또는 상이한 반응 조건 하에서(예를 들어, 별도의 반응기 내에서) 사용하는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 수소화 최종 생성물로서의 락트산은 프로필렌 글리콜 또는 아크릴산으로의 추가의 전환을 거칠 수 있다. 수소화 최종 생성물로서의 글리세르산은 글리세롤로의 추가의 전환을 거칠 수 있다.
용어 "몰%" 및 중량%"는 각각 몰 기준 퍼센트 및 중량 기준 퍼센트로 양 또는 농도를 지정하는 데 사용된다. "몰%"로 주어지는 생성물 수율은 (반응기에 도입되거나 공급되는) 사용된 기질의 몰수를 기준으로 한, 수득된 주어진 생성물(예를 들어, 분해 생성물, 예컨대 피루브산)의 몰수를 지칭한다.
용어 "알킬"은 단독으로 사용될 때 또는 다른 모이어티(moiety)와 조합하여 사용될 때, 예를 들어 "알콕시", "알콕시알킬", "하이드록시알킬", "카르복시알킬", "알카노일", 및 "알카노일알킬"에서와 같이 조합하여 사용될 때, 알칸으로부터 유도되는 탄화수소 모이어티를 나타낸다. 따라서, 단독으로 사용될 때, "알킬"은 "메틸"(CH3-), "에틸"(C2H5-) 등을 포함한다. 조합하여 사용될 때, 모이어티 "알콕시"의 알킬 부분은 개재 산소 연결(intervening oxygen linkage) -O-를 통해 분자의 나머지 부분에 이 모이어티의 말단에서 결합되는데, 이는, "메톡시"(CH3-O-), "에톡시"(C2H5-O-) 등의 경우에서와 같으며, 이들 용어는 "알콕시"에 포함된다. 모이어티 "알카노일"의 알킬 부분은, 개재 카르보닐 연결 -(C=O)-를 통해, 분자의 나머지 부분에 이 모이어티의 말단에서 결합되며, 이때 "메타노일"(HC=O-)은 말단 알데하이드 모이어티를 나타내고, "에타노일"(CH3-(C=O)-)은 카르보닐 연결을 통해 결합된 메틸을 나타내고, 등등이며, 이들 용어는 "알카노일"에 포함된다.
용어 "하이드록시"는 모이어티 -OH를 나타내고, 용어 "카르복시"는 모이어티 -(C=O)OH를 나타낸다. 용어 "하이드록시알킬"은 개재 2가 알킬 부분을 통해 분자의 나머지 부분에 이 모이어티의 말단에서 결합된 하이드록시를 나타내는데, 예컨대 "하이드록시메틸"(HO-CH2-), "하이드록시에틸"(HO-C2H5-) 등의 경우이며, 이들 용어는 "하이드록시알킬"에 포함된다. 용어 "카르복시알킬"은 개재 2가 알킬 부분을 통해 분자의 나머지 부분에 이 모이어티의 말단에서 결합된 카르복시를 나타내는데, 예컨대 "카르복시메틸"(HO-(C=O)-CH2-), "카르복시에틸"(HO-(C=O)-C2H5-) 등의 경우이며, 이들 용어는 "카르복시알킬"에 포함된다. 용어 "알콕시알킬"은 상기에 정의된 바와 같이 그리고 표기 "알콕시"에 의해 지시되는 바와 같이 말단 알콕시 부분(즉, 이 모이어티의 말단에서 결합됨)뿐만 아니라, "알콕시"를 분자의 나머지 부분에 결합시키는 개재 2가 알킬 부분 둘 모두를 포함한다. 따라서, "알콕시알킬"은 "메톡시메틸"(CH3-O-CH2-), "메톡시에틸"(CH3-O-C2H4-), "에톡시메틸"(C2H5-O-CH2-), "에톡시에틸"(C2H5-O-C2H4-) 등을 포함한다. 용어 "알카노일알킬"은 상기에 정의된 바와 같이 그리고 표기 "알카노일"에 의해 지시되는 바와 같이 말단 알카노일 부분(즉, 이 모이어티의 말단에서 결합됨)뿐만 아니라, "알카노일"을 분자의 나머지 부분에 결합시키는 개재 2가 알킬 부분 둘 모두를 포함한다. 따라서, "알카노일알킬"은 "메타노일메틸"(H(C=O)-CH2-), "메타노일에틸"(H(C=O)-C2H4-), "에타노일메틸"(CH3-(C=O)-CH2-), "에타노일에틸"(CH3-(C=O)-C2H4-) 등을 포함한다.
"알킬"에 대해, 또는 상기에 정의된 바와 같은 모이어티들의 말단 또는 개재 알킬 부분에 대해 "선택적으로 치환된"이라는 용어는 알킬 또는 알킬 부분의 하나 이상의 탄소-수소 결합에서 수소 치환체가 지정된 치환체로 치환되는 것을 포함하는 것을 의미한다. 하이드록시(-OH) 또는 메틸(-CH3)의 치환체의 경우에는, 말단 알킬 탄소원자의 탄소-수소 결합에서의 1개, 2개, 또는 3개의 수소 치환체가 -OH 및/또는 -CH3 치환체로 각각 치환될 수 있고, 개재 (알킬렌) 알킬 탄소원자의 탄소-수소 결합에서의 1개 또는 2개의 수소 치환체가 -OH 및/또는 -CH3 치환체로 각각 치환될 수 있다. 예를 들어, 말단 알킬 부분의 경우에는, 그의 말단 탄소원자가 2개의 -CH3 치환체로 치환되어 말단 이소프로필 모이어티를 생성할 수 있거나, 3개의 -CH3 치환체로 치환되어 말단 t-부틸 모이어티를 생성할 수 있다. 개재 알킬 부분, 또는 말단 알킬 부분의 개재 탄소원자의 경우에는, 알킬렌 탄소원자의 탄소-수소 결합에서의 1개 또는 2개의 수소 치환체가 -CH3 치환체로 치환되어 상응하는 메틸-치환된 또는 디메틸-치환된 유도체를 생성할 수 있다. 이 설명으로부터, 말단 알킬 탄소원자 또는 개재 알킬 탄소원자가 하나 이상의 -OH 치환체로 유사하게 치환되는 것이 이해될 수 있다. 카르보닐(=O)의 치환체의 경우에는, 말단 알킬 탄소원자 또는 개재 (알킬렌) 알킬 탄소원자 중 어느 하나의 2개의 탄소-수소 결합에서의 수소 치환체가 =O로 치환되어 말단 알데하이드 모이어티(또는 기) 또는 카르보닐 모이어티(또는 기)를 각각 생성할 수 있다.
가능한 모이어티 및 이들이 치환될 수 있는 방식의 관점에서, 모이어티 정의에 있어서 중첩이 있을 수 있음이 인식되는데, 예를 들어 "메타노일" 및 말단 "메틸"이 =O로 치환된 경우에, 이들 둘 모두는 말단 알데하이드 모이어티(또는 기)를 나타낸다. 그러나, 주어진 화합물에서 그들이 긍정적으로 포함되는 것을 강조하기 위하여, 특정 모이어티가 언급된다. 게다가, "알킬" 또는 "알킬 부분"이 상응하는 탄소원자의 개수에 대해 추가로 정의될 때(예를 들어, "1 내지 5개의 탄소원자를" 갖는 알킬 또는 알킬 부분), 선택적인 -CH3 치환체는, 존재하는 경우, 이러한 탄소원자의 개수에 포함되지 않는다. 즉, 어구 "1 내지 5개의 탄소원자를 갖는", 및 알킬 탄소원자의 개수를 정의하는 기타 다른 어구는 주어진 특정 정의에 따르면 -CH3 치환체 또는 기타 다른 치환체로 추가로 치환될 수 있는, 골격의 알킬 탄소원자의 개수를 지칭한다.
카르복실산 화합물은 그들의 상응하는 염 형태를 포함한다. 카르복실산 작용기를 갖는 출발 화합물 또는 기질의 경우에, 염 형태는 본 명세서에 기재된 합성 방법을 수행하기 위하여 통상적으로 수용액 형태로 사용된다. 카르복실산의 상응하는 염 형태는, 예를 들어 알칼리 금속의 염(예를 들어, 나트륨 염 형태), 알칼리 토금속의 염(예를 들어, 칼슘 염 형태), 및 암모늄 염을 포함한다. 따라서, "글루콘산", "글루카르산", "타르타르산", "피루브산", "락트산", "2-하이드록시-3-옥소프로판산", "글리세르산" 등과 같은 화합물은 "글루코네이트", "글루카레이트", "타르타레이트", "피루베이트", "락테이트", "2-하이드록시-3-옥소프로파노에이트", "글리세레이트" 등의 염 형태를 포함하는 것을 의미한다. 카르복실산 화합물을 예시하는 일반적 구조 및 특정 구조 둘 모두는 마찬가지로 그들의 염 형태 또는 이온화 형태를 포함하는 것을 의미하며, 그럼으로써 예를 들어 글루콘산의 구조는, 그의 카르복실 기가 이온화되지 않은 상태로 나타나 있을 때, 그의 카르복실 기가 이온화된 구조를 포함하고, 역으로도 성립되는 것을 의미하며, 이 화합물의 등가 구조의 이온화되지 않은 카르복실 기 및 이온화된 카르복실 기가 하기에 제시되어 있다:
Figure pct00001
화합물은 하나 이상의 입체중심을 가질 수 있으며, 구조는 임의의 특정 입체화학에 관계 없이 예시되어 있으며, 아울러, 기질, 예컨대 "글루콘산", "글루카르산", 및 "에리트론산"(이들은 명명법에 따라 특정 입체화학을 지정함)에 대해 설명된 반응은 마찬가지로 "2,3,4,5,6-펜타하이드록시헥산산", "2,3,4,5-테트라하이드록시헥산디오산", 및 "2,3,4-트리하이드록시부탄산"의 각각의 비-입체특이적 기질뿐만 아니라 그러한 화합물의 모든 입체이성질체에 대해서도 유사한 방식으로 수행될 수 있는 것으로 이해된다. 따라서, 달리 명시되지 않는 한, "글루콘산"은 "글루콘산 및 이의 입체이성질체"를 포함하는 것을 의미하며, 이는, 특정 입체화학을 지정하는 다른 화합물에 대해서도 이와 같이 의도된다. 본 명세서에 기재된 일반적 화합물 및 특정 화합물은 순수하거나 정제된(풍부화된) 광학 이성질체 형태로 또는 아니면 이들의 라세미 혼합물 형태로 사용되거나 수득될 수 있다. 광학적으로 활성인 기질 또는 출발 화합물의 사용은 본 명세서에 기재된 합성 방법을 사용하여 광학적으로 활성인 생성물을 형성할 수 있으며, 이는, 본 개시내용으로부터 얻은 지식과 조합하여 당업자에 의해 이해되는 바와 같을 것이다. 필요하다면, 예를 들어 광학적으로 활성인 산 또는 염기에 의한 처리를 통해 부분입체 이성질체 염을 형성함으로써, 특정 광학 이성질체의 정제, 또는 다른 광학 이성질체와 대비하여 하나의 광학 이성질체의 풍부화가 달성될 수 있다. 적절한 산의 예는 타르타르산, 디아세틸타르타르산, 디벤조일타르타르산, 디톨루오일타르타르산 및 캄퍼설폰산이다. 적절한 염기의 예는 식물-유래 키랄 알칼로이드이다. 이어서, 부분입체 이성질체들의 혼합물을 결정화에 의해 분리한 후, 이들 염으로부터 광학적으로 활성인 염기 또는 산을 유리시킨다. 광학 이성질체들의 분리를 위한 상이한 공정들은 거울상 이성질체의 분리를 최대화하도록 선택된 키랄 크로마토그래피 컬럼의 사용을 수반한다. 또 다른 이용 가능한 방법은 활성화된 형태의 광학적으로 순수한 산 또는 광학적으로 순수한 이소시아네이트와의 반응에 의한 공유적인(covalent) 부분입체 이성질체 분자의 합성을 수반한다. 합성된 부분입체 이성질체는 크로마토그래피, 증류, 결정화 또는 승화와 같은 통상적인 수단에 의해 분리되고, 이어서 가수분해되어 거울상 이성질체적으로 순수한 화합물을 생성할 수 있다.
분해 생성물 및 최종 생성물의 합성에 대한 일반적 반응 메커니즘이 도 1에 예시되어 있다. 나타나 있는 바와 같이, 일반 화학식 I의 출발 물질은 폭넓게 α-, β-디하이드록시 카르보닐 화합물이며, 이는 화합물들의 바람직한 부류, 즉 R1이 하이드록시(-OH)여서 예시된 화합물의 좌측에 말단 카르복실 기를 제공하는 경우의 α-, β-디하이드록시 카르복실레이트를 포함한다. 도 1에서의 일반 화학식 I의 출발 물질은, 나타나 있는 카르보닐(C=O) 기에 대해 α-탄소원자에서 치환된 α-하이드록시 기뿐만 아니라, 이 카르보닐 기에 대해 β-탄소원자에서 치환된 β-하이드록시 기를 포함한다. 예시된 합성 메커니즘에 따르면, 탈수(물 제거)의 제1 단계는, 불포화 부위, 즉 α-탄소원자와 β-탄소원자 사이의 탄소-탄소 이중 결합의 형성과 함께, β-하이드록시 기의 제거를 야기한다. 화합물 A로 나타낸, 생성된 에틸렌계 불포화 탈수 화합물은 일반 화학식 IIA를 갖는 것으로 나타낸 디카르보닐 중간체와의 호변이성질체 평형을 유지하는 경향이 있다. 따라서, 탈수 단계는 일반 화학식 I의 출발 화합물 또는 기질에서 β-하이드록시 기와 α-하이드록시 기의 수소의 조합으로부터 물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이어서, 일반 화학식 IIA의 디카르보닐 중간 화합물은 분해를 거쳐서 일반 화학식 IIB의 분해 생성물을 형성할 수 있다. 분해의 결과로서, 이 분해 생성물에서 R2B로 나타낸 모이어티는 일반 화학식 IIA의 디카르보닐 중간체에서 R2A로 나타낸 모이어티에 비해 더 적은 탄소원자를 갖는다. 따라서, 분해 생성물은 전체적으로 이 디카르보닐 중간체에 비해 더 적은 탄소원자를 갖는다. 이어서, 분해 생성물의 선택적인 수소화는 최종 생성물을 생성할 수 있으며, 이 경우에, 상응하는 수소화 최종 생성물은 도 1에 나타낸 바와 같은 일반 화학식 IIIB를 갖는다. 분해되어 분해 생성물을 형성하는 것은 일반 화학식 IIC를 갖는, 그리고 이에 따라 알데하이드 기를 갖는 제2 분해 생성물을 추가로 형성한다. 기질 또는 출발 화합물에 따라, 이 제2 분해 화합물은 R2C로 나타낸 모이어티로서의, 또는 아니면 알데하이드 작용기에 결합된, 이 모이어티의 말단 부분에 포함된 것으로서의 다른 작용기, 예컨대 카르복실산 작용기를 포함할 수 있다. 그러한 제2 분해 생성물은, 예를 들어, 일반 화학식 IIA의 디카르보닐 중간체에서 R2A로 나타낸 모이어티가 하이드록시-치환된 탄소원자를 통해 결합될 때 생성될 수 있다. 즉, 출발 화합물은 제1 카르보닐 기에 대해 감마 탄소원자에서 치환된 감마 하이드록시 기를 추가로 포함할 수 있으며, 그럼으로써 분해는, 제1 (디카르보닐) 분해 생성물에 더하여, 출발 화합물의 베타 탄소원자 및 감마 탄소원자에 상응하는, 디카르보닐 중간체의 베타 탄소원자와 감마 탄소원자 사이의 절단으로부터 생성되는 알데하이드 기를 갖는 제2 분해 생성물을 형성한다. 특정 구현예에서, 일반 화학식 IIC의 제2 분해 생성물은 R2A, 또는 적어도 R2A의 말단 부분이 하기의 모이어티를 나타내는 경우에 생성될 수 있으며:
Figure pct00002
,
이 경우에, 분해 생성물은 디카르보닐 중간체 및 기질 둘 모두에 비해 더 적은 탄소원자를 가질 것이다. 이어서, 분해 생성물은 선택적으로 수소화를 거칠 수 있으며, 한편 (예를 들어, 또한 수소화에 의한) 제2 분해 생성물의 추가의 전환은, 예를 들어 도 2에 나타낸 더 구체적인 구현예에 대해 기재된 바와 같이 다른 바람직한 화합물을 형성할 수 있다. 일부 방법에 따르면, 일반 화학식 IIC를 갖는 제2 분해 생성물에서 R2C로 나타낸 모이어티는 R2A로 나타낸 모이어티에 비해 탄소원자가 1개 더 적을 수 있으며, 이 제2 분해 생성물은 R2A로부터 형성되고 R2A와 동일한 개수의 탄소원자를 갖는 상응하는 알데하이드 또는 상응하는 카르복실산을 나타낼 수 있다. 이 경우에, 분해 생성물은 피루브산일 수 있으며, 이는 수소화되어 락트산이 될 수 있다. 따라서, 디카르보닐 중간체를 분해하여 피루브산을 형성하는 것을 통한 락트산으로의 합성 경로가 기질로서 다양한 α-, β-디하이드록시 카르보닐 화합물(적어도 4개의 탄소원자를 갖는 α-, β-디하이드록시 카르복실산 및 카르복실레이트를 포함함)을 사용하여 수행될 수 있는 것으로 이해할 수 있다.
따라서, 대표적인 방법은, 디카르보닐 화합물인 분해 생성물을 생성하는 단계에 더하여, 이 분해 생성물의 일부 또는 전부를 수소화하여, 출발 화합물 및 디카르보닐 중간체의 제1 카르보닐 기를 보존하지만, 분해 생성물의 제2 카르보닐 기의 수소화로부터 생성되는 인접한 하이드록시 기를 추가로 포함하는 최종 생성물을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 일반 화학식 IIB의 분해 생성물을 수소화에 의해 소비시킴로써 정방향으로 분해 반응을 유도하여, 이 방향으로 호변이성질체 평형을 이동시킴으로써 궁극적으로 화합물 A로부터 디카르보닐 화합물을 추가로 생성한다. (디카르보닐) 분해 생성물이 수소화되는 속도는 본 명세서에 기재된 바와 같이, 선택적인 분해용 촉매뿐만 아니라, 반응 조건의 사용에 의해 조절될 수 있다. 분해 단계의 결과로서, C3 분해 생성물, 예컨대 피루브산은 출발 화합물로서 이용 가능한 C4, C5, 또는 C6 α-, β-디하이드록시 카르복실산 및 카르복실레이트, 예컨대 에리트론산(또는 일반명 2,3,4-트리하이드록시부탄산); 2,3-디하이드록시-4-옥소부탄산; 타르타르산; 2,3,4,5-테트라하이드록시펜탄산; 2,3,4-트리하이드록시-5-옥소펜탄산; 2,3,4-트리하이드록시펜탄디오산; 글루콘산(또는 일반명 2,3,4,5,6-펜타하이드록시헥산산); 2,3,4,5-테트라하이드록시-6-옥소헥산산, 및 글루카르산(또는 일반명 2,3,4,5-테트라하이드록시헥산디오산)으로부터 생성될 수 있다. 따라서, 대표적인 합성 방법은 이용 가능한 C4 내지 C6 기질, 예컨대 용이하게 이용 가능한 탄수화물을 전환시켜 분해 생성물 및 최종 생성물로서 C3 화합물을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 그러한 구현예에서, 기질이 C6 화합물(C6 기질)인 경우에, 이러한 합성 방법의 제2 분해 생성물은 마찬가지로 C3 화합물이다. 예를 들어, C6 기질인 글루콘산 및 글루카르산은 각각 분해 생성물로서 피루브산을, 그리고 락트산의 수소화의 최종 생성물로서 락트산을 생성할 수 있다. 글루콘산의 경우에, 제2 분해 생성물은 글리세르알데하이드일 수 있으며, 이는 수소화를 거쳐서 최종 생성물로서 글리세롤을 생성할 수 있다. 글루카르산의 경우에, 제2 분해 생성물은 2-하이드록시-3-옥소프로판산일 수 있으며, 이는 수소화를 거쳐서 최종 생성물로서 글리세르산을 생성할 수 있다.
도 1에서 일반 화학식 I, 화학식 IIA, 화학식 IIB, 및 화학식 IIIB를 갖는 화합물뿐만 아니라, 화합물 A에 대해 주어진 일반 화학식을 갖는 화합물에 대해, R1은 알킬, 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시, 및 하이드록시알킬로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 및 하이드록시알킬의 알킬 부분은 1 내지 5개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환될 수 있다(즉, 탄화-수소 결합에서의 수소 치환체가 본 명세서에 정의된 바와 같이, 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환될 수 있음). 특정 구현예에 따르면, 일반 화학식 I의 출발 화합물, 일반 화학식 IIA 및 일반 화학식 IIB의 각각의 디카르보닐 중간체 및 분해 생성물, 및/또는 일반 화학식 IIIB의 최종 생성물을 포함하는 이들 각각의 화합물에서, R1은 알킬(예를 들어, 1 내지 3개의 알킬 탄소원자를 가짐)일 수 있고 각각의 화합물들에서 말단 케톤 작용기를 생성할 수 있거나; R1은 알콕시(예를 들어, 1 내지 3개의 알킬 탄소원자를 가짐)일 수 있고 각각의 화합물들에서 말단 에스테르 작용기를 생성할 수 있거나; R1은 하이드록시일 수 있고 각각의 화합물들에서 말단 카르복실 작용기를 생성할 수 있다. 바람직하게는, R1은 하이드록시이며, 그럼으로써 출발 화합물 및 디카르보닐 중간체는 카르복실산이다. 예를 들어, 본 명세서에서 전반적으로 사용되는 용어에 대해 전술된 바와 같이, 출발 화합물, 디카르보닐 중간체, 분해 생성물, 및/또는 최종 생성물은 카르복실레이트(예를 들어, 카르복실레이트로서 반응 혼합물 중에 존재하는) 형태일 수 있는데, 이는 카르복실레이트 음이온을 포함하고 가능하게는 본 명세서에 기재된 합성 방법을 수행하는 데 사용되는 염 형태로(예를 들어, 그들의 상응하는 암모늄 염 형태로) 수성 반응 혼합물 중에 존재하는 화합물을 의미한다.
도 1에서 일반 화학식 I 및 일반 화학식 IIA를 갖는 화합물뿐만 아니라, 화합물 A에 대해 주어진 일반 화학식을 갖는 화합물에 대해, R2A는 알킬, 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시, 하이드록시알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1 내지 5개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환된다. 특정 구현예에 따르면, R2A는 알킬, 알콕시, 하이드록시, 하이드록시알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1 내지 3개의 탄소원자를 가지며, 이들은 하나 이상의 -OH 및/또는 하나 이상의 -CH3로 선택적으로 치환된다. 더 특정한 구현예에 따르면, R2A는 알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 또는 알카노일알킬일 수 있으며, 여기서 알킬, 및 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1 내지 3개의 탄소원자를 가지며, 이들은 하나 이상의 -OH로 선택적으로 치환된다. 4 내지 6개의 탄소원자를 갖는 특정 기질은 에리트론산(또는 일반명 2,3,4-트리하이드록시부탄산); 2,3-디하이드록시-4-옥소부탄산; 타르타르산; 2,3,4,5-테트라하이드록시펜탄산; 2,3,4-트리하이드록시-5-옥소펜탄산; 2,3,4-트리하이드록시펜탄디오산; 글루콘산(또는 일반명 2,3,4,5,6-펜타하이드록시헥산산); 2,3,4,5-테트라하이드록시-6-옥소헥산산, 및 글루카르산(또는 일반명 2,3,4,5-테트라하이드록시헥산디오산)을 포함한다.
R1이 하이드록시이고, R2A가 하이드록시메틸인 경우의 특정 C4 기질의 경우에, 출발 화합물은 에리트론산(또는 일반명 2,3,4-트리하이드록시 부탄산)이다. 따라서 이 경우에, 분해 단계는 C1 제2 분해 생성물, 예컨대 포름 알데하이드에 더하여 피루브산을 생성할 수 있다. 따라서, 이들 분해 생성물의 수소화는 각각 락트산 및 메탄올을 생성할 것이다. 이 예, 및 C4 및 C5 기질의 다른 예 및 이들의 상응하는 분해 생성물, 제2 분해 생성물, 및 수소화 생성물이 하기 표 1에 제공되어 있다.
[표 1] 대표적인 C4 및 C5 기질 및 이들의 합성 생성물
Figure pct00003
C6 기질 및 이들의 상응하는 분해 생성물, 제2 분해 생성물, 및 수소화 생성물의 구체적인 예가 화학식 I의 범주에 속하는 화학식 IV 및 화학식 VI의 특정 구조를 갖는 기질과 관련하여 하기에 기재되어 있다.
일반 화학식 IIB 및 일반 화학식 IIIB를 갖는 화합물에 대해, R2B는 수소 치환체, 알킬, 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시, 하이드록시알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1 내지 4개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환된다. 특정 구현예에 따르면, R2B는 수소 치환체, 알킬, 알콕시, 하이드록시, 하이드록시알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1 내지 3개의 탄소원자를 가지며, 이들은 하나 이상의 -OH 및/또는 하나 이상의 -CH3로 선택적으로 치환된다. 더 특정한 구현예에 따르면, R2B는 수소 치환체, 알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 또는 알카노일알킬일 수 있으며, 여기서 알킬, 및 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1개 또는 2개의 탄소원자를 가지며, 이들은 하나 이상의 -OH로 선택적으로 치환된다. 또 다른 특정 구현예에 따르면, R2B는 수소 치환체, 또는 하나 이상의 -OH로 선택적으로 치환된, 1 내지 3개의 탄소원자를 갖는 알킬일 수 있다.
R1이 하이드록시이고 R2B가 수소 치환체인 경우에, 분해 생성물은 피루브산임을 본 개시내용으로부터 추가로 이해할 수 있으며, 이때 피루브산은 수소화되어 락트산을 형성할 수 있으며; 이는, 전술된 바와 같이 잠재적으로 각종 가능한 α-, β-하이드록시 카르복실레이트 기질로부터 가능할 수 있다. 게다가, 일반 화학식 IIC의 제2 분해 생성물은 R2A, 또는 적어도 R2A의 말단 부분이 하기의 모이어티를 나타내는 경우에 생성될 수 있다:
Figure pct00004
.
따라서, 일반 화학식 IIC의 화합물에서의 R2C는, 적어도 1개 더 적은 탄소원자를 갖는 것을 제외하고는, R2A에 대해 상기에 정의된 바와 같은 모이어티를 나타낼 수 있다. 따라서, R2C는 수소 치환체, 알킬, 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시, 하이드록시알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1 내지 4개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환된다. 특정 구현예에 따르면, R2C는 수소 치환체, 알킬, 알콕시, 하이드록시, 하이드록시알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1개 또는 2개의 탄소원자를 가지며, 이들은 하나 이상의 -OH 및/또는 하나 이상의 -CH3로 선택적으로 치환된다. 더 특정한 구현예에 따르면, R2C는 수소 치환체, 또는 하나 이상의 -OH로 선택적으로 치환된, 1개 또는 2개의 탄소원자를 갖는 알킬일 수 있다.
더 구체적인 구현예에서, 도 1에서의 화합물의 모이어티 R2A는 하기를 나타낼 수 있으며:
Figure pct00005
,
그럼으로써, 출발 화합물 및 디카르보닐 중간 화합물은 각각 일반 화학식 IV 및 화학식 VA를 가지며:
[화학식 IV]
Figure pct00006
및
[화학식 VA]
Figure pct00007
,
이들 화합물은 선택적으로, 전술된 바와 같이 그들 각각의 염 형태일 수 있다. 이들 화합물에 대해, R1은 상기에 정의된 바와 같을 수 있다. R3A는 수소 치환체, 알콕시, 하이드록시, 및 카르복시로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서 알콕시의 알킬 부분은 1 내지 5개의 탄소원자를 가지며, 이것은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환될 수 있다. 바람직하게는, R3A는 수소 치환체, 메틸, 메톡시, 하이드록시, 또는 카르복시이다. R4A는 수소 치환체, 알킬, 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시, 하이드록시알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1 내지 5개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환될 수 있다. 바람직하게는, R4A는 수소 치환체, 메틸, 메톡시, 하이드록시, 또는 카르복시이다.
특정 C6 기질의 경우에, R1 및 R3A는 둘 모두 하이드록시일 수 있고, R4A는 카르복시일 수 있으며, 그 결과 일반 화학식 IV의 기질로서 글루카르산(또는 일반명 2,3,4,5-테트라하이드록시헥산디오산)이 되고, 일반 화학식 VA의 디카르보닐 중간체로서 2-케토-3-데옥시글루카르산(2,3-디하이드록시-5-옥소헥산디오산)이 된다. 이 경우에, 일반 화학식 IIB의 분해 생성물은 피루브산일 수 있으며, 피루브산은 전술된 바와 같이 수소화되어 일반 화학식 IIIB의 최종 생성물로서 락트산을 생성할 수 있다. 일반 화학식 IIC의 제2 분해 생성물은 2-하이드록시-3-옥소프로판산일 수 있으며, 이것은 전술된 바와 같이 수소화되어 글리세르산을 생성할 수 있다. 또 다른 특정 C6 기질의 경우에, R1 및 R3A는 둘 모두 하이드록시일 수 있고, R4A는 메타노일일 수 있으며, 그 결과 일반 화학식 IV의 기질로서 2,3,4,5-테트라하이드록시-6-옥소헥산산이 되고, 일반 화학식 VA의 디카르보닐 중간체로서 4,5-디하이드록시-2,6-디옥소헥산산이 된다. 이 경우에, 일반 화학식 IIB의 분해 생성물은 피루브산일 수 있으며, 피루브산은 전술된 바와 같이 수소화되어 일반 화학식 IIIB의 최종 생성물로서 락트산을 생성할 수 있다. 일반 화학식 IIC의 제2 분해 생성물은 2-하이드록시말론알데하이드일 수 있으며, 이것은 수소화되어 글리세르알데하이드를 생성할 수 있다.
훨씬 더 특정한 구현예에 따르면, 도 1에서의 화합물의 모이어티 R2A는 하기를 나타낼 수 있으며:
Figure pct00008
,
이는 상기 일반 화학식 IV의 화합물에서, R4A가 메틸렌(-CH2-) 탄소원자를 포함하는 경우에 수득되며, 그럼으로써 R4A는 알킬, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 그러한 구현예에 따르면, 일반 화학식 IV의 출발 화합물 및 일반 화학식 VA의 디카르보닐 중간 화합물은 각각 일반 화학식 VI 및 일반 화학식 VIIA에 상응하는 더 특정한 구조를 갖는 것이 가능하다:
[화학식 VI]
Figure pct00009
및
[화학식 VIIA]
Figure pct00010
.
모이어티 R1 및 R3A는 상기에 정의된 바와 같을 수 있으며, 모이어티 R5A는 수소 치환체, 알킬, 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시, 하이드록시알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1 내지 4개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환될 수 있다. 바람직하게는, R5A는 수소 치환체, 메틸, 메톡시, 하이드록시, 또는 카르복시이다.
특정 C6 기질의 또 다른 예에서, R1, R3A, 및 R5A는 하이드록시일 수 있으며, 그 결과 일반 화학식 VI의 기질로서 글루콘산(또는 일반명 2,3,4,5,6-펜타하이드록시헥산산)이 되고, 일반 화학식 VIIA의 디카르보닐 중간체로서 2-케토-3-데옥시글루콘산(4,5,6-트리하이드록시-2-옥소헥산산)이 된다. 이 경우에, 일반 화학식 IIB의 분해 생성물은 피루브산일 수 있으며, 피루브산은 전술된 바와 같이 수소화되어 일반 화학식 IIIB의 최종 생성물로서 락트산을 생성할 수 있다. 일반 화학식 IIC의 제2 분해 생성물은 글리세르알데하이드일 수 있으며, 이는 전술된 바와 같이 수소화되어 글리세롤을 생성할 수 있다.
본 명세서에 기재된 방법에 따른 분해 생성물 및/또는 최종 생성물의 합성과 관련된 통상적인 반응 환경은, 선택적으로 수소화 촉매와 조합하여, 상승된 수소 부분 압력, 예컨대 적어도 3 메가파스칼(MPa)(435 psi)의 수소 부분 압력을 포함한다. 이러한 수소화/환원 환경에서, 일반 화학식 IIC의 제2 분해 생성물에서의 말단 알데하이드 기는 말단 알코올 또는 하이드록시(-OH) 기로 전환될 수 있다. 분해 생성물 및 제2 분해 생성물의 다른 가능한 전환 생성물이 가능하며, 이는, 도 2에 나타낸 더 특정한 구현예에 대해 하기에 더 상세히 기재된 바와 같다.
도 2는 출발 화합물로서 글루콘산, 또는 화학식 I의 화합물(여기서, R2A는 하기 모이어티를 나타냄)을 사용하여, 도 1에 나타낸 합성 방법을 예시한다:
Figure pct00011
.
이 구현예에서, 화학식 IIA의 디카르보닐 중간체는, 나타낸 바와 같이 2-케토-3-데옥시글루콘산(2-케토-4,5,6-트리하이드록시헥산산)이다. 이어서, 이 디카르보닐 중간체는 분해를 거쳐서 화학식 IIB의 분해 생성물을 생성할 수 있으며, 도 2에 예시된 구현예에서 이는 피루브산이다. 게다가, 화학식 IIC의 제2 분해 생성물이 생성되는데, 이 구현예에서 이는 글리세르알데하이드이며, 이것에 따르면 도 1에 나타낸 바와 같은 이 화합물에 대한 일반 화학식에서의 R2C는 하기의 모이어티이며:
Figure pct00012
,
최종 생성물 및 추가의 전환 생성물은 또한 도 2에 나타낸 바와 같이 본 명세서에 기재된 반응 조건 하에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 화학식 IIB의 분해 생성물인 피루브산의 수소화/환원은 락트산을 생성할 수 있다. 화학식 IIC의 제2 분해 생성물인 글리세르알데하이드의 수소화/환원은, 나타낸 바와 같이, 글리세롤을 생성할 수 있다. 게다가, 생성된 글리세르알데하이드는 도 2에 나타낸 바와 같이, 추가의 반응, 예컨대 1,2-하이드라이드 이동 또는 하이드라이드 전달(칸니차로 반응)을 수반하는 반응을 거쳐서 락트산으로 전환될 수 있다. 따라서, 특정 구현예에 따르면, 락트산은 락트산의 제1 부분이 글리세르알데하이드와 등몰량으로 분해 반응을 통해 생성되는 피루브산의 수소화로부터 유도될 수 있다는 사실에도 불구하고, 생성된 글리세르알데하이드의 몰량을 초과하는 몰량으로 생성될 수 있다. 즉, 글리세르알데하이드는 락트산의 제2 부분으로 전환될 수 있으며, 그럼으로써 반응 혼합물은 몰 기준으로 글리세르알데하이드의 양을 초과하는 락트산의 조합된 제1 및 제2 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, 합성 방법의 완료 후에 반응 혼합물에서의) 락트산의 총(조합된) 몰량 대 글리세르알데하이드의 순몰량(net molar amount)의 비는 적어도 1.2, 적어도 1.5, 또는 적어도 2.0일 수 있다. 이러한 과량은, 적어도 부분적으로, 글리세르알데하이드의 락트산으로의 전환으로 인해 일어날 수 있다. 도 2에 또한 나타낸 바와 같이, 락트산은 또한 본 명세서에 기재된 반응 조건 하에서 반응하여, 추가의 전환 생성물로서 프로필렌 글리콜 및 아크릴산을 생성할 수 있다.
따라서, α-, β-디하이드록시 카르복실레이트 출발 화합물에 비해 더 적은 탄소원자를 갖는 α-하이드록시 카르복실레이트 최종 생성물을 합성하기 위한 대표적인 방법이 본 명세서에 기재되어 있다. 상기 방법은, 바람직하게는 분해용 촉매, 즉, 도 1 및 도 2에서 "분해"로 나타낸 반응 단계의 촉매 또는 촉진제를 포함하는 반응 혼합물 중에서 α-, β-디하이드록시 카르복실레이트 출발 화합물을 반응시키는 단계를 포함한다. 바람직한 분해용 촉매는 하나 이상의 분해용 활성 금속, 예컨대 텅스텐, 몰리브덴, 및/또는 바나듐을 포함하며, 이들은 반응 혼합물 중에 상응하는 염 형태로, 예컨대 텅스텐산염, 몰리브덴산염, 또는 바나듐산염으로 존재할 수 있으며, 이들은 메타텅스텐산염, 파라텅스텐산염, 메타몰리브덴산염, 파라몰리브덴산염, 메타바나듐산염, 또는 파라바나듐산염을 포함한다. 대표적인 텅스텐산염은 1족 금속(알칼리 금속) 또는 2족 금속(알칼리 토금속)의 염뿐만 아니라 암모늄 염이다. 메타텅스텐산암모늄 및 파라텅스텐산암모늄 염이 대표적이다. 분해용 촉매(예를 들어, 메타텅스텐산암모늄)는, 예를 들어 배치식(batchwise) 반응의 경우에는 초기 반응기 로딩 조성에 따라 또는 연속 반응의 경우에는 안정-상태 조성에 따라 기질의 몰수에 대해 0.1 몰% 내지 30 몰%, 0.5 몰% 내지 10 몰%, 또는 1 몰% 내지 5 몰%의 양으로 반응 혼합물 중에 존재할 수 있다. 분해용 촉매는 또한, 또는 대안적으로, 분해용 활성 금속(예를 들어, 텅스텐, 몰리브덴, 또는 바나듐)의 몰수가 기질의 몰수에 대해 6 몰% 내지 50 몰%, 또는 10 몰% 내지 35 몰%를 나타낼 수 있도록 하는 양으로 반응 혼합물 중에 존재할 수 있다. 다른 분해용 촉매는 고체 산 및/또는 루이스 산(예를 들어, 유기주석 화합물을 포함하는 유기금속 화합물)을 포함할 수 있다.
이들 방법에 따르면, α-하이드록시 카르복실레이트 최종 생성물, 예컨대 락트산은 분해 및 수소화의 조합으로부터 형성된다. 본 발명의 추가의 양태는 염기, 예컨대 수산화물을 사용하는 것이 알데하이드 분해 생성물, 예컨대 글리세르알데하이드의 적어도 일부분을 추가량의 최종 생성물로 전환시키는 것을 촉진시킬 수 있다는 발견에 관한 것이다. 예를 들어, 글리세르알데하이드는 1,2-하이드라이드 이동 또는 하이드라이드 전달(칸니차로 반응)을 수반하는 반응을 포함하는 추가의 반응을 거칠 수 있으며, 그럼으로써 추가량의 락트산으로 전환되거나 이성질화될 수 있다. 이러한 추가량의 최종 생성물은 염기가 부재하거나 아니면 공칭량으로 존재하는 기준량(baseline amount)에 대해 나타낼 수 있다. 최종 생성물의 추가량은 기준량에 대해 적어도 10 몰%, 적어도 20 몰%, 또는 적어도 50 몰%의 증가를 나타낼 수 있다. 따라서, 반응 혼합물은 그러한 추가량의 최종 생성물의 생성을 촉진하기 위하여 염기, 예컨대 수산화물을 포함할 수 있다. 대표적인 수산화물은 수산화암모늄뿐만 아니라 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 수산화물, 예컨대 수산화리튬, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등을 포함하며, 수산화리튬이 바람직하다.
특정 방법은 3개 초과의 탄소원자를 갖는 α-, β-디하이드록시 카르복실레이트 출발 화합물로부터 락트산을 합성하는 것에 관한 것으로, α-, β-디하이드록시 카르복실레이트 출발 화합물은, 예를 들어 글루코네이트(또는 일반명 2,3,4,5,6-펜타하이드록시헥사노에이트); 2,3,4,5-테트라하이드록시-6-옥소헥사노에이트; 글루카레이트(또는 일반명 2,3,4,5-테트라하이드록시헥산디오에이트); 2,3,4,5-테트라하이드록시펜타노에이트; 2,3,4-트리하이드록시-5-옥소펜타노에이트; 2,3,4-트리하이드록시펜탄디오에이트; 에리트로네이트(또는 일반명 2,3,4-트리하이드록시부타노에이트); 2,3-디하이드록시-4-옥소부타노에이트; 또는 타르타레이트의 염이다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 대표적인 방법은 이 출발 화합물을 탈수하여, 알파 하이드록시 기의 제2 카르보닐 기로의 변환 및 베타 하이드록시 기의 제거에 의해 디카르보닐 중간체를 형성하는 단계, 및 출발 화합물의 카르복실레이트 기에 대해 베타 탄소원자 및 감마 탄소원자에 상응하는, 디카르보닐 중간체의 베타 탄소원자와 감마 탄소원자 사이의 절단에 의해 이 디카르보닐 중간체를 분해하여 피루베이트를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 피루베이트를 수소화 또는 환원시켜 락트산, 및 선택적으로 추가의 전환 생성물, 예컨대 프로필렌 글리콜 또는 아크릴산을 생성하는 단계를 추가로 포함한다.
특정 구현예에 따르면, 본 명세서에 기재된 바와 같은 분해 생성물, 제2 분해 생성물, 또는 임의의 특정 최종 생성물 및/또는 추가의 전환 생성물의 총 수율(들)은, 본 명세서에 또한 기재된 바와 같은 각각의 경로를 통해 진행되는 이론적 수율을 기준으로 일반적으로 적어도 25 몰%(예를 들어, 25 몰% 내지 90 몰%), 통상적으로 적어도 35 몰%(예를 들어, 35 몰% 내지 80 몰%), 종종 적어도 50 몰%(예를 들어, 50 몰% 내지 75 몰%)일 수 있다. 이들 수율은, 예를 들어 (i) 일반 화학식 IIB의 임의의 분해 생성물, 예컨대 피루브산, 또는 본 명세서에 기재된, 이 일반 화학식의 임의의 다른 특정 분해 생성물, (ii) 일반 화학식 IIC의 임의의 제2 분해 생성물, 예컨대 글리세롤, 또는 본 명세서에 기재된, 이 일반 화학식의 임의의 다른 특정 제2 분해 생성물, (iii) 일반 화학식 IIIB의 임의의 최종 생성물, 예컨대 락트산, 또는 본 명세서에 기재된, 이 일반 화학식의 임의의 다른 특정 최종 생성물, (iv) 일반 화학식 IIC의 제2 분해 생성물의 전환(예를 들어, 수소화)로부터 생성되는 임의의 최종 생성물, 예컨대 글리세롤, 또는 본 명세서에 기재된, 임의의 다른 그러한 특정 전환 생성물, 및/또는 (v) 본 명세서에 기재된 임의의 추가의 전환 생성물, 예컨대 프로필렌 글리콜 또는 아크릴산에 적용될 수 있다.
바람직하게는 수성 반응 혼합물인 반응 혼합물은 수소화 촉매, 예컨대 고체(불균일) 촉매를 추가로 포함할 수 있다. 대표적인 수소화 촉매는 주기율표의 8족 내지 11족으로부터 선택되는 하나 이상의 수소화 활성 금속, 예컨대 루테늄(Ru), 코발트(Co), 니켈(Ni), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 금(Au)을 포함할 수 있다. 바람직한 수소화 활성 금속은 루테늄이다. 촉매는 수소화 활성 금속(들)의 고체 지지체를 추가로 포함할 수 있는데, 이때 금속은 분포에 따라 고체 지지체 상에 분포되며, 사용되는 특정 촉매 제조 기법(예를 들어, 수소화 활성 금속의 용액의 증발 침지)에 따라, 예를 들어 우선적으로는 고체 지지체의 외부 표면 부근에 또는 아니면 다공성 고체 지지체 전체에 걸쳐 실질적으로 균일하게 고체 지지체 상에 분산된다. 바람직하게는, 수소화 활성 금속, 또는 조합된 그러한 금속들은 수소화 촉매의 총 중량을 기준으로 1 중량% 내지 15 중량%, 또는 2 중량% 내지 10 중량%의 양으로 존재한다.
수소화 활성 금속(들)은 수소화 활성 금속(들)(예를 들어, 루테늄)의 몰수가, 예를 들어 배치식 반응의 경우에는 초기 반응기 로딩 조성에 따라 또는 연속 반응의 경우에는 안정-상태 조성에 따라 기질의 몰수에 대해 1 몰% 내지 20 몰%, 또는 2 몰% 내지 10 몰%를 나타내도록 하는 양으로 반응 혼합물 중에 존재할 수 있다. 고체 지지체는 바람직하게는 반응 혼합물 중에 그리고 본 명세서에 기재된 합성 반응 조건 하에서 잘 용해되지 않는다(refractory). 대표적인 고체 지지체는 하나 이상의 금속 산화물, 예컨대 산화알루미늄(알루미나), 산화규소(실리카), 산화티타늄(티타니아), 산화지르코늄(지르코니아), 산화마그네슘(마그네시아), 산화스트론튬(스트론티아) 등을 포함한다. 바람직한 고체 지지체는 탄소이다. 특정 구현예에 따르면, 수소화 촉매는 탄소 지지체 상의 루테늄을 포함하며, 이때 루테늄은 총 촉매 중량을 기준으로 상기 주어진 범위 내의 양으로, 그리고/또는 기질의 몰수에 대해 상기 주어진 범위 내의 양으로 존재한다.
분해 생성물(들) 및/또는 최종 생성물(들)의 합성 동안 반응 혼합물이 유지되는 반응 조건은 상승된 압력 및 수소 부분 압력을 포함한다. 대표적인 절대 반응기 압력은 일반적으로 2.07 MPa(300 psi) 내지 24.1 MPa(3500 psi), 통상적으로 3.45 MPa(500 psi) 내지 20.7 MPa(3000 psi), 종종 10.3 MPa(1500 psi) 내지 17.2 MPa(2500 psi)의 범위이다. 반응기 압력은 주로 또는 실질적으로 수소로부터 생성될 수 있으며, 그럼으로써 총 압력의 이러한 범위는 또한 수소 부분 압력의 범위에 상응할 수 있다. 그러나, 반응 혼합물로부터 증발된 가스상 종, 예컨대 암모니아 및/또는 수증기의 존재는 이들 총 압력에 대한 수소 부분 압력이 감소되게 할 수 있으며, 그럼으로써 예를 들어 수소 부분 압력은 일반적으로 1.38 MPa(200 psi) 내지 22.4 MPa(3250 psi), 통상적으로 2.41 MPa(350 psi) 내지 19.0 MPa(2750 psi), 종종 8.62 MPa(1250 psi) 내지 15.5 MPa(2250 psi)의 범위일 수 있다.
다른 반응 조건은 100℃ 내지 350℃, 바람직하게는 130℃ 내지 230℃의 온도를 포함한다. 반응 시간, 즉 상기에 주어진 압력 및 온도의 임의의 범위 내의 임의의 목표값 또는 목표 하위범위에 있는 압력 및 온도(예를 들어, 13.8 MPa(2000 psi)의 목표 총 압력 값 및 160℃의 목표 온도)의 조건 하에서 반응 혼합물이 유지되는 시간은 배치식 반응의 경우에 0.5시간 내지 24시간, 바람직하게는 1시간 내지 5시간이다. 연속 반응의 경우, 이들 반응 시간은 반응기 체류 시간에 상응한다. 연속 작업은, 기질 및 수소의 연속 공급, 및 분해 생성물(들) 및/또는 최종 생성물(들)을 포함하는 반응 혼합물의 연속 취출을 동반하면서, 예를 들어 전술된 압력 및 온도의 조건 하에서 수행될 수 있다. 연속 작업은 분해 생성물 및/또는 최종 생성물의 연속 정제, 미전환 가스상 및/또는 액체 생성물을 포함하는 공정 스트림의 연속 분리, 및/또는 그러한 공정 스트림들 중 하나 이상을, 합성 반응기에 유지되어 있는 반응 혼합물로 반환하는 연속 재순환을 추가로 포함할 수 있다. 재순환 작업의 경우에, 전술된 바와 같은 분해 생성물(들) 및/또는 최종 생성물(들)의 수율은 "1회 관통(once-through)" 또는 "1회 통과당(per-pass)" 수율에 상응할 것이며, 이때 더 높은 전체 수율은 재순환으로 인해 가능하다.
도 1은 본 명세서에 기재된 합성 방법에 따라 분해 생성물 및 최종 생성물을 합성하기 위한 단계들을 포함하는 일반적인 반응 메커니즘을 예시한다.
도 2는 글루콘산이 출발 물질 또는 기질인 경우의 구체적인 반응 메커니즘을 예시한다.
이들 도면은 관련된 원리 및 반응 화학의 이해를 돕기 위하여 본 발명의 구현예를 제시하지만, 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범주를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시내용의 지식을 갖는 당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명의 다양한 다른 구현예에 따른 합성 방법은, 적어도 부분적으로, 구체적인 목적에 따라 결정된 특정 시약 및 반응 조건을 이용할 것이다.
이는 1개 더 적은 탄소원자를 갖는 것을 제외하고는, 상기에 나타낸 바와 같은 R2A의 모이어티에 상응한다.
실시예 1
글루콘산나트륨(10 그램)을 450 큐빅 Hastelloy® C2000 파르(Parr) 고압 반응기 내에서 100 mL의 물, 글루콘산나트륨 기질에 대해 2.5 몰%의 탄소 상의 루테늄 시판 촉매, 2.5 그램 또는 2 몰%의 메타텅스텐산암모늄 수화물 형태의 텅스텐산염, 및 1 당량의 수산화리튬과 배합하였다. 반응기를 6.9 MPa(1000 psi) 질소로 3회, 이어서 6.9 MPa(1000 psi) 수소로 3회 퍼지하였다. 세 번째 수소 플러싱 후에, 반응기를 수소로 3.4 MPa(500 psi)까지 가압하고, 700 rpm으로 교반하면서 180°C까지의 가열을 개시하였다. 일단 반응 온도에 도달하면, 추가의 수소를 첨가하여 베셀(vessel)에 9.0 MPa(1300 psi)의 수소를 제공하였다. 2시간 후에, 반응기 내용물을 빙수조 내에서 켄칭함으로써 실온까지 냉각시키고, 반응기를 압력해제시키고, 내용물을 여과하여 촉매를 회수하고, 이어서 GC/MS 분석을 위하여, 피리딘 중 N,O-비스(트리메틸실릴) 트리플루오로아세트아미드(BSTFA) 및 트리메틸클로로실란(TMCS)을 사용하여 샘플을 실릴화하였다. 분석은 기질의 99% 초과의 전환율을 보여주었으며, 14.1 중량%의 락트산(38.4 몰% 수율), 1.6 중량%의 글리세롤(4.3 몰% 수율), 3.4 중량%의 에틸렌 글리콜(13.5 몰% 수율) 및 5.2 중량%의 프로필렌 글리콜(16.8 몰% 수율)을 제공하였다.
실시예 2
13.8 MPa(2000 psi)의 수소를 사용하고 수산화리튬을 첨가하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1의 장치 및 프로토콜을 따랐다. 기질이 98%를 초과하여 생성물로 전환되었으며, 이때 생성물은 0.6 중량%의 락트산(1.6 몰% 수율), 3.3 중량%의 글리세롤(8.8 몰% 수율), 1.2 중량%의 에틸렌 글리콜(4.8 몰% 수율) 및 1.0 중량%의 프로필렌 글리콜(3.2 몰% 수율)을 포함하였다.
실시예 3
텅스텐산염을 사용하지 않고 수소 대신에 질소를 사용아여 반응기를 가압한 것을 제외하고는, 실시예 2의 상황을 반복하였다. 기질의 몰 전환율은 92.7%까지 감소되었다. 생성물은 4.97 중량%의 락트산(13.1 몰% 수율), 5.3 중량%의 글리세롤(13.7 몰% 수율), 1.5 중량%의 에틸렌 글리콜(5.7 몰% 수율) 및 2.1 중량%의 프로필렌 글리콜(6.5 몰% 수율)을 포함하였다.
실시예 4
이 실시예의 경우, 텅스텐산염 또는 탄소 상의 루테늄 시판 촉매 어느 것도 사용하지 않았으며, 1.0 MPa(150 psi)의 압력에서 사용한 것을 제외하고는, 수소 대신 질소를 역시 사용하였다. 기질의 완전한 전환을 겪었으며, 이때 생성물은 1.29 중량%의 락트산(3.4 몰% 수율), 4.8 중량%의 피루브산(13.11 몰% 수율), 및 0.3 중량%의 5-하이드록시메틸-2-푸란카르복실산(HMFCA)(4.7 몰% 수율)을 포함하였지만, 관찰 가능한 글리세롤, 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜은 포함하지 않았다.
실시예 5
이 실시예의 경우, 10 그램의 에리트론산칼슘을 기질로서 사용하였으며, 13.8 MPa(2000 psi)의 수소를 역시 사용하였으며, 기질에 대해 2.5 몰%의 탄소 상의 루테늄 시판 촉매 및 2 몰%의 텅스텐산염을 역시 사용하였다. 180°C에서 2시간 후에, 모든 기질은 전환되었으며, 생성물은 0.9 중량%의 락트산(1.7 몰% 수율), 11.7 중량%의 글리세롤(22.2 몰% 수율), 0.7 중량%의 에틸렌 글리콜(2.0 몰% 수율) 및 1.8 중량%의 프로필렌 글리콜(4.1 몰% 수율)을 포함하였다.
전체적으로, 본 발명의 양태는 용이하게 이용 가능하거나 용이하게 유도되는 기질로부터 분해 생성물(들) 및/또는 최종 생성물(들)을 생성하기 위한 본 명세서에 기재된 합성 방법의 용도에 관한 것이다. 본 명세서에 기재된 바와 같은 최종 생성물, 및 선택적으로 추가의 전환 생성물은 동일계내(in situ) 또는 추가의 별도의 반응 단계에서의 분해 생성물(본 명세서에 기재된 바와 같은 제2 분해 생성물을 포함함)의 추가의 전환으로부터 생성될 수 있다. 분해 생성물(들) 및/또는 최종 생성물(들)은 이들 생성물을 생성하는 데 사용된 기질에 비해 더 적은 탄소원자를 갖는다. 상기 방법은 유리하게도 통상적인 방법의 다양한 결점에 대처할 수 있다. 당업자들은 본 개시내용으로부터 획득된 지식을 사용하여, 본 개시내용의 범주로부터 벗어나지 않고서 이들 및 다른 이점을 달성하는 데 있어서 이들 공정에 다양한 변화가 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 이와 같이, 본 개시내용의 특징은 본 개시내용의 범주로부터 벗어나지 않고서 수정 및/또는 대체가 가능하다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 예시되고 기재된 구체적인 구현예는 단지 예시적인 목적만을 위한 것이며, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.

Claims (17)

  1. 출발 화합물에 비해 더 적은 탄소원자를 갖는 분해 생성물(cracked product)을 합성하기 위한 방법으로서,
    (a) 제1 카르보닐 기에 대해 알파 탄소원자에서 치환된 알파 하이드록시 기, 및 제1 카르보닐 기에 대해 베타 탄소원자에서 치환된 베타 하이드록시 기를 포함하는 출발 화합물을 탈수하여, 알파 하이드록시 기의 제2 카르보닐 기로의 변환 및 베타 하이드록시 기의 제거에 의해 디카르보닐 중간체를 형성하는 단계; 및
    (b) 디카르보닐 중간체를 분해하여, 디카르보닐 중간체에 비해 더 적은 탄소원자를 갖는 분해 생성물을 생성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (c) 상기 분해 생성물을 수소화하여, 제1 카르보닐 기, 및 제2 카르보닐 기의 수소화로부터 생성되는, 인접한 하이드록시 기를 갖는 최종 생성물을 생성하는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 출발 화합물 및 디카르보닐 중간체는 각각 일반 화학식 I 및 화학식 IIA를 갖는 것인, 방법:
    [화학식 I]
    Figure pct00013
    및
    [화학식 IIA]
    Figure pct00014

    (상기 식에서,
    R1은 알킬, 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시, 및 하이드록시알킬로 이루어진 군으로부터 선택되며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 및 하이드록시알킬의 알킬 부분은 1 내지 5개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환될 수 있고,
    R2A는 알킬, 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시, 하이드록시알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택되며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1 내지 5개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환될 수 있음).
  4. 제3항에 있어서, R1은 하이드록시이고, R2A는 하이드록시메틸이며, 그럼으로써 상기 출발 화합물은 에리트로네이트이고, 또한 분해 생성물은 피루베이트인, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 분해 생성물은 디카르보닐 분해 생성물(cracked dicarbonyl product)이며, 디카르보닐 중간체의 제1 및 제2 카르보닐 기는 보존된 것인, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 출발 화합물은 제1 카르보닐 기에 대해 감마 탄소원자에서 치환된 감마 하이드록시 기를 추가로 포함하며, 분해 단계 (b)는, 분해 생성물에 더하여, 출발 화합물의 베타 탄소원자 및 감마 탄소원자에 상응하는, 디카르보닐 중간체의 베타 탄소원자와 감마 탄소원자 사이의 절단으로부터 생성되는 알데하이드 기를 갖는 제2 분해 생성물을 형성하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 분해 생성물의 적어도 일부분을 전환시켜, 분해 생성물의 수소화로부터 수득되는 추가량의 최종 생성물을 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 출발 화합물 및 디카르보닐 중간 화합물은 각각 일반 화학식 IV 및 화학식 VA를 갖는 것인, 방법:
    [화학식 IV]
    Figure pct00015
    및
    [화학식 VA]
    Figure pct00016

    (상기 식에서,
    R1은 알킬, 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시, 및 하이드록시알킬로 이루어진 군으로부터 선택되며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 및 하이드록시알킬의 알킬 부분은 1 내지 5개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환될 수 있고;
    R3A는 수소 치환체, 알콕시, 하이드록시, 및 카르복시로 이루어진 군으로부터 선택되며, 여기서 알콕시의 알킬 부분은 1 내지 5개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환될 수 있고;
    R4A는 수소 치환체, 알킬, 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시, 하이드록시알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택되며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1 내지 5개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환될 수 있음).
  9. 제8항에 있어서, 상기 분해 생성물은 일반 화학식 IIB를 가지며:
    [화학식 IIB]
    Figure pct00017
    ,
    상기 방법은 분해 생성물을 수소화하여 화학식 IIIB를 갖는 최종 생성물을 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법:
    [화학식 IIIB]
    Figure pct00018
    .
  10. 제9항에 있어서, R1 및 R3A는 각각 하이드록시이고, R4A는 카르복시이며, 그럼으로써 상기 출발 화합물은 글루카레이트이고, 디카르보닐 중간체는 2-케토-3-데옥시글루카레이트(4,5-디하이드록시-2-옥소헥산디오에이트)이고, 분해 생성물은 피루베이트이고, 최종 생성물은 락테이트인, 방법.
  11. 제9항에 있어서, R4A는 알킬, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택되고, 또한 일반 화학식 IV의 출발 화합물 및 일반 화학식 VA의 디카르보닐 중간 화합물은 각각 화학식 VA 및 화학식 VIIA를 갖는 것인, 방법:
    [화학식 VI]
    Figure pct00019
    및
    [화학식 VIIA]
    Figure pct00020

    (상기 식에서, R5A는 수소 치환체, 알킬, 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시, 하이드록시알킬, 카르복시, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬로 이루어진 군으로부터 선택되며, 여기서 알킬, 및 알콕시, 알콕시알킬, 하이드록시알킬, 카르복시알킬, 알카노일, 및 알카노일알킬의 알킬 부분은 1 내지 4개의 탄소원자를 가지며, 이들은 -OH, -CH3, 및 =O로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환체로 선택적으로 치환될 수 있음).
  12. 제11항에 있어서, 상기 분해 생성물은 일반 화학식 IIB를 가지며:
    [화학식 IIB]
    Figure pct00021
    ,
    상기 방법은 분해 생성물을 수소화하여 화학식 IIIB를 갖는 최종 생성물을 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법:
    [화학식 IIIB]
    Figure pct00022
    .
  13. 제12항에 있어서, 분해 단계 (b)는 일반 화학식 IIC를 갖는 제2 분해 생성물을 추가로 형성하는, 방법:
    [화학식 IIC]
    Figure pct00023
    .
  14. 제13항에 있어서, R1, R3A, 및 R5A는 각각 하이드록시이며, 그럼으로써 상기 출발 화합물은 글루코네이트이고, 디카르보닐 중간체는 4,5,6-트리하이드록시-2-옥소헥사노에이트이고, 분해 생성물은 피루베이트이고, 제2 분해 생성물은 글리세르알데하이드이고, 최종 생성물은 락테이트이며, 상기 방법은 글리세르알데하이드의 적어도 일부분을 이성질화하여, 피루베이트의 수소화로부터 수득되는 기준량(baseline amount)을 넘어서 추가량의 락테이트를 생성하는 단계를 선택적으로 포함하는, 방법.
  15. α-, β-디하이드록시 카르복실레이트 출발 화합물에 비해 더 적은 탄소원자를 갖는 α-하이드록시 카르복실레이트 최종 생성물을 합성하기 위한 방법으로서,
    수소 압력 하에서 분해용 촉매(cracking catalyst)를 포함하는 반응 혼합물 중에서 α-, β-디하이드록시 카르복실레이트 출발 화합물을 반응시켜 α-하이드록시 카르복실레이트 최종 생성물을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 반응 혼합물은 알데하이드 분해 생성물(cracked aldehyde product)의 적어도 일부분을 추가량의 α-하이드록시 카르복실레이트 최종 생성물로 전환시키는 것을 촉진하기 위하여 수산화물을 추가로 포함하는, 방법.
  17. 락트산의 합성 방법으로서,
    (a) α-, β-디하이드록시 카르복실레이트 출발 화합물을 탈수하여, 출발 물질의 알파 하이드록시 기의 카르보닐 기로의 변환 및 출발 물질의 베타 하이드록시 기의 제거에 의해 디카르보닐 중간체를 형성하는 단계;
    (b) 출발 화합물의 카르복실레이트 기에 대해 베타 탄소원자 및 감마 탄소원자에 상응하는, 디카르보닐 중간체의 베타 탄소원자와 감마 탄소원자 사이의 절단에 의해 디카르보닐 중간체를 분해하여 피루베이트를 형성하는 단계; 및
    (c) 피루베이트를 수소화하여 락트산을 생성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
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