RU2801218C2 - Dehydration and splitting of alpha-, beta-dihydroxycarbonyl compounds to lactic acid and other products - Google Patents
Dehydration and splitting of alpha-, beta-dihydroxycarbonyl compounds to lactic acid and other products Download PDFInfo
- Publication number
- RU2801218C2 RU2801218C2 RU2020135596A RU2020135596A RU2801218C2 RU 2801218 C2 RU2801218 C2 RU 2801218C2 RU 2020135596 A RU2020135596 A RU 2020135596A RU 2020135596 A RU2020135596 A RU 2020135596A RU 2801218 C2 RU2801218 C2 RU 2801218C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acid
- salt
- cleavage
- alkyl
- products
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к способам синтеза продуктов расщепления, предусматривающим пировиноградную кислоту и глицеральдегид в качестве предшественников для ряда ценных конечных продуктов, причем продукты расщепления и конечные продукты содержат меньшее число атомов углерода относительно α-, β-дигидроксикарбонильных исходных соединений, включая α-, β-дигидроксикарбоновые кислоты и карбоксилаты, например, продукты, полученные из глюкозы.The present invention relates to methods for the synthesis of cleavage products, using pyruvic acid and glyceraldehyde as precursors for a number of valuable end products, and the cleavage products and end products contain fewer carbon atoms relative to α-, β-dihydroxycarbonyl starting compounds, including α-, β- dihydroxycarboxylic acids and carboxylates, such as products derived from glucose.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИPRIOR ART
Истощение ископаемых видов топлива создало большой стимул для поиска альтернативных источников нефтяному углероду для получения так называемых "платформенных" молекул с небольшими числами атомов углерода, таких как пропиленгликоль и другие продукты с 3 атомами углерода (С3). В настоящее время в качестве потенциальной замены рассматривается биомасса, из которой можно получать многие такие известные ценные химические вещества на нефтяной основе, но разработка рациональных технологий для получения таких химических веществ из возобновляемых ресурсов остается серьезной проблемой. В последние годы биодизельная промышленность обеспечивала большое количество неочищенного глицерина в качестве побочного продукта очистки триглицеридов из растительных масел и животных жиров. Этот глицерин может служить в качестве сырья для получения этих же ценных химических веществ с меньшим углеродным числом, таких как пропиленгликоль. Однако значительные расходы присущи стадиям, необходимым для надлежащей очистки глицерина для этой цели, и биодизельная промышленность сильно зависит от налоговых льгот и других форм государственных дотаций для своей рентабельности.The depletion of fossil fuels has created a strong incentive to look for alternative sources of petroleum carbon to produce so-called "platform" molecules with low carbon numbers, such as propylene glycol and other 3 carbon (C 3 ) products. Biomass, from which many of these well-known valuable petroleum-based chemicals can be derived, is currently being considered as a potential replacement, but developing sustainable technologies to produce such chemicals from renewable resources remains a major challenge. In recent years, the biodiesel industry has provided large quantities of crude glycerol as a by-product of refining triglycerides from vegetable oils and animal fats. This glycerin can serve as a feedstock for these same valuable lower carbon chemicals, such as propylene glycol. However, significant costs are inherent in the steps required to properly purify glycerol for this purpose, and the biodiesel industry is highly dependent on tax credits and other forms of government subsidies for its profitability.
Существующий ныне уровень техники будет значительно выигрывать от разработки путей синтеза, предназначенных для получения ценных промежуточных соединений, таких как пировиноградная кислота и глицеральдегид, и/или получаемых из них продуктов превращения, таких как молочная кислота, глицерин и пропиленгликоль, из легко доступных или получаемых субстратов и, в частности, из субстратов, которые получают из возобновляемых углеводных ресурсов.The current state of the art will greatly benefit from the development of synthetic routes designed to produce valuable intermediates such as pyruvic acid and glyceraldehyde and/or their derived transformation products such as lactic acid, glycerol and propylene glycol from readily available or readily available substrates. and in particular from substrates that are derived from renewable carbohydrate resources.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Аспекты настоящего изобретения связаны с выявлением способов синтеза, в которых можно использовать субстраты, такие как глюконовая кислота и глюкаровая кислота, которые легко получать, например, при окислении глюкозы. Такие субстраты, как правило, характеризуются более высокой стабильностью при условиях высокой температуры по сравнению со своими альдегидными предшественниками (например, глюкозой), что может приводить к повышению селективности реакции и выхода в требуемой последовательности реакций в отношении получения одного или нескольких определенных продуктов. Тем самым снижаются потери продуктов из-за нежелательных побочных реакций. Особый интерес представляют продукты "расщепления", образованные при разрыве углерод-углеродной связи и, таким образом, содержащие меньшее число атомов углерода по сравнению с используемым субстратом. Получение подходящих субстратов при окислении альдегидных предшественников в карбоксилаты является прямым и недорогим, при этом обычно необходим лишь воздух в качестве окисляющего средства. Конкретные аспекты связаны со способностью содержащих карбоксилат-анион субстратов подвергаться ряду реакционных стадий в растворе, что приводит к образованию требуемых продуктов расщепления с 3 атомами углерода, таких как пировиноградная кислота и глицеральдегид, которые могут быть далее превращены при таких же условиях реакции (например, путем гидрирования/восстановления) в требуемые конечные продукты, такие как молочная кислота, глицерин и даже пропиленгликоль (1,2-пропандиол).Aspects of the present invention relate to the discovery of synthetic methods that can use substrates such as gluconic acid and glucaric acid, which are easy to obtain, for example, from the oxidation of glucose. Such substrates generally exhibit higher stability under high temperature conditions than their aldehyde precursors (e.g., glucose), which can result in increased reaction selectivity and yield in the desired reaction sequence to one or more specific products. This reduces the loss of products due to unwanted side reactions. Of particular interest are the "cleavage" products formed by breaking the carbon-carbon bond and thus containing fewer carbon atoms compared to the substrate used. The preparation of suitable substrates from the oxidation of aldehyde precursors to carboxylates is straightforward and inexpensive, usually requiring only air as an oxidizing agent. Particular aspects relate to the ability of carboxylate anion-containing substrates to undergo a series of reaction steps in solution, resulting in the formation of the desired 3-carbon cleavage products, such as pyruvic acid and glyceraldehyde, which can be further converted under the same reaction conditions (e.g., by hydrogenation/reduction) into desired end products such as lactic acid, glycerol and even propylene glycol (1,2-propanediol).
Конкретные аспекты относятся к путям синтеза, в которых используют стадию расщепления после образования дикарбонильного промежуточного соединения из α-, β-дигидроксикарбонильного исходного соединения. Расщепление можно инициировать при помощи катализатора расщепления при условиях реакции, описанных в данном документе. Продукты расщепления с меньшим числом атомов углерода включают, например, соединения с 3 атомами углерода, такие как соединения, описанные выше, которые можно синтезировать из любых субстратов или исходных соединений с 4-, 5- или 6 атомами углерода. Такие субстраты могут, например, обычно образовывать пировиноградную кислоту в качестве продукта расщепления. Более конкретные аспекты относятся к выявлению таких путей синтеза или отдельных стадий реакций таких путей, которые можно осуществлять неферментативно, что означает - без использования фермента (например, полипептида) в реакционной смеси. В случае, когда способы, описанные в данном документе, осуществляют неферментативно, например, при использовании лишь одного или нескольких химических катализаторов, а не биологического(-их) катализатора(-ов), преимущества состоят в обеспечении более широкого диапазона возможных условий реакции, таких как условия температуры и/или рН, которые будут неблагоприятными для биологических средств (например, будут вызывать денатурацию белков, в том числе ферментов), но которые, тем не менее, обеспечивают высокие значения производительности в отношении требуемого промежуточного соединения и/или конечного продукта. Другие преимущества могут быть результатом снижения эксплуатационных затрат, а особенно затрат, которые в ином случае связаны с отделением фермента от продукта, по сравнению с относительно низкой стоимостью, связанной с отделением гетерогенного или гомогенного химического катализатора. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления по меньшей мере одна из стадий синтеза, описанных в данном документе: (i) дегидратации исходного соединения с образованием дикарбонильного промежуточного соединения, (ii) расщепления дикарбонильного промежуточного соединения с получением продукта расщепления, (iii) гидрирования продукта расщепления с образованием конечного продукта и (iv) превращения второго продукта расщепления в дополнительное количество конечного продукта, представляет собой стадию неферментативной реакции (т.е. катализируется без использования фермента). Предпочтительно по меньшей мере две из (i), (ii), (iii) и (iv) не представляют собой стадии с ферментативной реакцией, более предпочтительно по меньшей мере три из (i), (ii), (iii) и (iv) не представляют собой стадии с ферментативной реакцией, и еще более предпочтительно все из (i), (ii), (iii) и (iv) не представляют собой стадии с ферментативной реакцией.Particular aspects relate to synthetic routes that use a cleavage step after the formation of the dicarbonyl intermediate from the α-,β-dihydroxycarbonyl starting compound. Cleavage can be initiated using a cleavage catalyst under the reaction conditions described herein. Cleavage products with fewer carbon atoms include, for example, compounds with 3 carbon atoms, such as those described above, which can be synthesized from any substrates or starting compounds with 4-, 5-, or 6 carbon atoms. Such substrates may, for example, typically form pyruvic acid as a cleavage product. More specific aspects relate to identifying such synthetic pathways or individual reaction steps of such pathways that can be carried out non-enzymatically, which means without the use of an enzyme (eg, polypeptide) in the reaction mixture. In the case where the methods described herein are carried out non-enzymatically, for example, using only one or more chemical catalysts, and not biological catalyst(s), the advantages are to provide a wider range of possible reaction conditions, such as temperature and/or pH conditions that will be unfavorable for biological agents (for example, will cause denaturation of proteins, including enzymes), but which, nevertheless, provide high performance values in relation to the desired intermediate and/or end product. Other advantages may result from lower operating costs, and especially the costs otherwise associated with separating the enzyme from the product, compared to the relatively low cost associated with separating a heterogeneous or homogeneous chemical catalyst. According to some embodiments, at least one of the synthetic steps described herein: (i) dehydration of the starting compound to form the dicarbonyl intermediate, (ii) cleavage of the dicarbonyl intermediate to form the cleavage product, (iii) hydrogenation of the cleavage product with the formation of the final product and (iv) the conversion of the second cleavage product into an additional amount of the final product, is a non-enzymatic reaction step (ie, catalyzed without the use of an enzyme). Preferably at least two of (i), (ii), (iii) and (iv) are not enzymatic reaction steps, more preferably at least three of (i), (ii), (iii) and (iv ) are not enzymatic reaction steps, and even more preferably all of (i), (ii), (iii) and (iv) are not enzymatic reaction steps.
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способам синтеза продукта расщепления, содержащего меньшее число атомов углерода относительно исходного соединения. Исходное соединение или субстрат содержит карбонильную функциональную группу (С=O) с замещенными гидроксигруппой атомами углерода в альфа (α) и бета (β) положениях относительно карбонильной функциональной группы. В соответствии с одной стадией реакции это исходное соединение, а именно α-, β-дигидроксикарбонильное соединение, т.е. общий класс соединений, который охватывает α-, β-дигидроксикарбоновые кислоты и карбоксилаты, подвергают дегидратации с образованием дикарбонильного промежуточного соединения путем преобразования α-гидроксигруппы во вторую карбонильную группу (смежную с карбонильной группой исходного соединения) и удаления β-гидроксигруппы. Дикарбонильное промежуточное соединение затем расщепляют с образованием продукта расщепления, который сам по себе является дикарбонильным соединением, но который содержит меньшее число атомов углерода относительно дикарбонильного промежуточного соединения и в котором сохранены первая и вторая карбонильные группы. Это расщепление обычно приводит к получению второго продукта расщепления, такого как альдегид или карбоксилат, который отличается от (дикарбонильного) продукта расщепления. Зачастую в случае субстратов с 6 атомами углерода, как (дикарбонильный) продукт расщепления, так и второй продукт расщепления (например, альдегид или карбоксилат) могут представлять собой продукты с 3 атомами углерода, такие как глицеральдегид или 2-гидрокси-3-оксопропановая кислота. В случае субстратов с 5 атомами углерода (дикарбонильный) продукт расщепления может представлять собой продукт с 3 атомами углерода, а второй продукт расщепления (например, альдегид или карбоксилат) может представлять собой продукт с 2 атомами углерода, такой как 2-гидроксиацетальдегид или 2-оксоуксусная кислота. В случае субстратов с 4 атомами углерода (дикарбонильный) продукт расщепления может представлять собой продукт с 3 атомами углерода, а второй продукт расщепления (например, альдегид или карбоксилат) может представлять собой продукт с одним атомом углерода, такой как формальдегид или муравьиная кислота.Embodiments of the present invention relate to methods for synthesizing a cleavage product containing fewer carbon atoms relative to the parent compound. The parent compound or substrate contains a carbonyl functional group (C=O) with hydroxy-substituted carbon atoms in the alpha (α) and beta (β) positions relative to the carbonyl functional group. In accordance with one stage of the reaction, this is the starting compound, namely α-, β-dihydroxycarbonyl compound, i.e. a general class of compounds that encompasses α-, β-dihydroxycarboxylic acids and carboxylates are dehydrated to form a dicarbonyl intermediate by converting the α-hydroxy group to a second carbonyl group (adjacent to the carbonyl group of the parent compound) and removing the β-hydroxy group. The dicarbonyl intermediate is then cleaved to form a cleavage product which is itself a dicarbonyl but which contains fewer carbon atoms than the dicarbonyl intermediate and retains the first and second carbonyl groups. This cleavage usually results in a second cleavage product, such as an aldehyde or carboxylate, which is different from the (dicarbonyl) cleavage product. Often in the case of 6 carbon substrates, both the (dicarbonyl) cleavage product and the second cleavage product (eg aldehyde or carboxylate) can be 3 carbon products such as glyceraldehyde or 2-hydroxy-3-oxopropanoic acid. In the case of 5 carbon substrates (dicarbonyl) the cleavage product may be a 3 carbon product and the second cleavage product (e.g. aldehyde or carboxylate) may be a 2 carbon product such as 2-hydroxyacetaldehyde or 2-oxoacetic acid. In the case of 4 carbon substrates (dicarbonyl), the cleavage product may be a 3 carbon product and the second cleavage product (eg aldehyde or carboxylate) may be a one carbon product such as formaldehyde or formic acid.
Любой или оба из продукта расщепления и второго продукта расщепления можно далее превращать, например, путем гидрирования/восстановления при восстановительных условиях (например, повышенном парциальном давлении водорода), которые могут присутствовать в реакционной среде, в гидрированные конечные продукты. Такие гидрированные конечные продукты в случае пировиноградной кислоты в качестве (дикарбонильного) продукта расщепления могут включать молочную кислоту или в случае глицеральдегида или 2-гидрокси-3-оксопропановой кислоты в качестве второго продукта расщепления (например, альдегида или карбоксилата) могут включать глицерин или глицериновую кислоту соответственно. Другие ценные конечные продукты могут включать молочную кислоту, полученную из глицеральдегида посредством реакций, включающих 1,2-гидридный сдвиг или гидридный перенос (реакция Канниццаро).Either or both of the cleavage product and the second cleavage product can be further converted, eg by hydrogenation/reduction under reducing conditions (eg, elevated hydrogen partial pressure), which may be present in the reaction medium, into hydrogenated end products. Such hydrogenated end products in the case of pyruvic acid as the (dicarbonyl) cleavage product may include lactic acid or in the case of glyceraldehyde or 2-hydroxy-3-oxopropanoic acid as the second cleavage product (e.g. aldehyde or carboxylate) may include glycerol or glyceric acid respectively. Other valuable end products may include lactic acid obtained from glyceraldehyde via reactions involving 1,2-hydride shift or hydride transfer (Cannizzaro reaction).
Эти и другие аспекты, варианты осуществления и связанные преимущества станут очевидными из следующего подробного описания.These and other aspects, embodiments and associated advantages will become apparent from the following detailed description.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВBRIEF DESCRIPTION OF GRAPHICS
На фигуре 1 показан общий механизм реакции, включающий стадии синтеза продуктов расщепления и конечных продуктов в соответствии со способами синтеза, описанными в данном документе.Figure 1 shows the general mechanism of the reaction, including the steps for the synthesis of cleavage products and final products in accordance with the methods of synthesis described in this document.
На фигуре 2 показан конкретный механизм реакции, в соответствии с которым глюконовая кислота является исходным материалом или субстратом.The figure 2 shows the specific reaction mechanism, according to which gluconic acid is the starting material or substrate.
Фигуры следует понимать как представляющие варианты осуществления настоящего изобретения для способствования пониманию принципов и вовлеченной химии реакции, а не для ограничения объема настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения. Как будет очевидно специалисту в данной области техники, знающему о настоящем изобретении, в способах синтеза в соответствии с различными другими вариантами осуществления настоящего изобретения будут использоваться конкретные реагенты и определенные условия реакции, по меньшей мере отчасти в соответствии с конкретными целями.The figures are to be understood as representing embodiments of the present invention to aid understanding of the principles and reaction chemistry involved, and not to limit the scope of the present invention as defined in the appended claims. As will be apparent to one of ordinary skill in the art having knowledge of the present invention, the synthetic methods in accordance with various other embodiments of the present invention will use specific reactants and certain reaction conditions, at least in part in accordance with the specific objectives.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
При использовании в данном документе термин "субстрат" или альтернативно "исходное соединение" относится к первоначальному соединению, которое подвергают одной стадии или предпочтительно ряду стадий превращения, таким как стадии превращения "дегидратация", "расщепление" и необязательно "гидрирование", с получением одного или нескольких продуктов расщепления и/или конечных продуктов. Эти стадии превращения не исключают применения предварительных стадий превращения, например, при таких же условиях реакции (например, в том же реакторе) или при других условиях реакции (например, в отдельном реакторе), что и используемые для получения продуктов расщепления и/или конечных продуктов. Такие предварительные стадии превращения могут включать превращение легкодоступного предшественника, такого как глюкоза, в глюконовую кислоту или глюкаровую кислоту в качестве исходного соединения, например, путем окисления. Аналогично стадии, осуществляемые "для получения продукта расщепления" или "для получения конечного продукта", не исключают применения последующих стадий превращения, например, при таких же условиях реакции (например, в том же реакторе) или при других условиях реакции (например, в отдельном реакторе), что и используемые для получения продуктов) расщепления и/или конечного(-ых) продукта(-ов), с получением одного или нескольких других требуемых конечных продуктов. Например, молочная кислота в качестве гидрированного конечного продукта может подвергаться дальнейшему превращению в пропиленгликоль или акриловую кислоту. Глицериновая кислота в качестве гидрированного конечного продукта может подвергаться дальнейшему превращению в глицерин.As used herein, the term "substrate" or alternatively "parent compound" refers to a parent compound that is subjected to one or preferably a series of transformation steps, such as "dehydration", "cleavage" and optionally "hydrogenation" transformation steps, to give one or more cleavage products and/or end products. These conversion steps do not preclude the use of pre-conversion steps, e.g. under the same reaction conditions (e.g. in the same reactor) or under different reaction conditions (e.g. in a separate reactor) as those used to obtain the cleavage products and/or final products. . Such preliminary conversion steps may include the conversion of a readily available precursor, such as glucose, to gluconic acid or glucaric acid as the starting compound, for example, by oxidation. Similarly, the steps carried out "to obtain the cleavage product" or "to obtain the final product" do not exclude the use of subsequent conversion steps, for example under the same reaction conditions (for example, in the same reactor) or under different reaction conditions (for example, in a separate reactor) as used to obtain products) splitting and/or end product(s), to obtain one or more other desired end products. For example, lactic acid as a hydrogenated end product may be further converted to propylene glycol or acrylic acid. Glyceric acid as a hydrogenated end product may be further converted to glycerol.
Термины "мол. %" и "вес. %" используют для обозначения количеств или концентраций в пересчете на проценты по молям и проценты по весу соответственно. Значения выхода продуктов, указанные в пересчете на "мол. %", относятся к количеству молей полученного заданного продукта (например, продукта расщепления, такого как пировиноградная кислота), исходя из количества молей используемого субстрата (введенного или поданного в реактор).The terms "mole %" and "wt %" are used to refer to amounts or concentrations in terms of mole percentages and weight percentages, respectively. Yields given in terms of "mole %" refer to the number of moles of a given product (eg, a cleavage product such as pyruvic acid) obtained, based on the number of moles of substrate used (introduced or fed into the reactor).
Термин "алкил" при использовании отдельно или в комбинации с другими фрагментами, например, при использовании в комбинации в "алкокси", "алкоксиалкиле", "гидроксиалкиле", "карбоксиалкиле", "алканоиле" и "алканоилалкиле", представляет углеводородный фрагмент, который получен из алкана. При использовании отдельно "алкил", следовательно, включает "метил" (СН3-), "этил" (С2Н5-) и т.д. При использовании в комбинации алкильная часть фрагмента "алкокси" связана на конце фрагмента с остальной частью молекулы посредством промежуточной кислородной связи, -О- как в случае "метокси" (СН3-О-), "этокси" (С2Н5-О-) и т.д., которые охвачены термином "алкокси". Алкильная часть фрагмента "алканоил" связана на конце фрагмента с остальной частью молекулы посредством промежуточной карбонильной связи, -(С=O)-, причем "метаноил" (НС=O-) представляет собой концевой альдегидный фрагмент, "этаноил" (СН3-(С=O-) представляет собой метил, связанный карбонильной связью, и т.д., которые охвачены термином "алканоил".The term "alkyl", when used alone or in combination with other moieties, for example, when used in combination in "alkoxy", "alkoxyalkyl", "hydroxyalkyl", "carboxyalkyl", "alkanoyl" and "alkanoylalkyl", represents a hydrocarbon moiety that derived from an alkane. When used alone, "alkyl" therefore includes "methyl" (CH 3 -), "ethyl" (C 2 H 5 -), etc. When used in combination, the alkyl portion of the "alkoxy" moiety is linked at the end of the moiety to the rest of the molecule via an intermediate oxygen bond, -O- as in the case of "methoxy" (CH 3 -O-), "ethoxy" (C 2 H 5 -O -), etc., which are covered by the term "alkoxy". The alkyl portion of the "alkanoyl" moiety is linked at the end of the moiety to the rest of the molecule via an intermediate carbonyl bond, -(C=O)-, with "methanoyl" (HC=O-) being the terminal aldehyde moiety, "ethanoyl" (CH 3 - (C=O-) is carbonyl-bonded methyl, etc., which are encompassed by the term "alkanoyl".
Термин "гидрокси" представляет собой фрагмент -OH, а термин "карбокси" представляет собой фрагмент -(С=O)ОН. Термин "гидроксиалкил" представляет собой гидрокси, связанный на конце фрагмента с остальной частью молекулы посредством промежуточной двухвалентной алкильной части, как в случае "гидроксиметила" (НО-СН2-), "гидроксиэтила" (НО-С2Н5-) и т.д., которые охвачены термином "гидроксиалкил". Термин "карбоксиалкил" представляет собой карбокси, связанный на конце фрагмента с остальной частью молекулы посредством промежуточной двухвалентной алкильной части, как в случае "карбоксиметила" (НО-(С=O)-СН2-), "карбоксиэтила" (НО-(С=O)-С2Н5-) и т.д., которые охвачены термином "карбоксиалкил". Термин "алкоксиалкил" включает как концевую алкокси-часть (т.е. присоединенную в конце фрагмента), как определено выше и показано обозначением "алкокси", так и промежуточную двухвалентную алкильную часть, посредством которой "алкокси" связан с остальной частью молекулы. Таким образом, "алкоксиалкил" охватывает "метоксиметил" (СН3-О-СН2-), "метоксиэтил" (СН3-O-С2Н4-), "этоксиметил" (С2Н5-O-СН2-), "этоксиэтил" (С2Н5-О-С2Н4-) и т.д. Термин "алканоилалкил" включает как концевую алканоильную часть (т.е. связанную на конце фрагмента), как определено выше и показано обозначением "алканоил", так и промежуточную двухвалентную алкильную часть, посредством которой "алканоил" связан с остальной частью молекулы. Таким образом, "алканоилалкил" охватывает "метаноилметил" (Н(С=O)-СН2-), "метаноилэтил" (Н(С=O)-С2Н4-), "этаноилметил" (СН3-(С=O)-СН2-), "этаноилэтил" (CH3-(C=O)-C2H4-) и т.д.The term "hydroxy" represents the -OH moiety, and the term "carboxy" represents the -(C=O)OH moiety. The term "hydroxyalkyl" is hydroxy linked at the end of the moiety to the rest of the molecule via an intermediate divalent alkyl moiety, as in the case of "hydroxymethyl" (HO-CH 2 -), "hydroxyethyl" (HO-C 2 H 5 -) and t .d., which are covered by the term "hydroxyalkyl". The term "carboxyalkyl" is a carboxy bonded at the end of the moiety to the rest of the molecule via an intermediate divalent alkyl moiety, as in the case of "carboxymethyl" (HO-(C=O)-CH 2 -), "carboxyethyl" (HO-(C =O)-C 2 H 5 -), etc., which are covered by the term "carboxyalkyl". The term "alkoxyalkyl" includes both the terminal alkoxy moiety (i.e. attached at the end of the moiety) as defined above and indicated by the notation "alkoxy" and the intermediate divalent alkyl moiety through which the "alkoxy" is linked to the rest of the molecule. Thus "alkoxyalkyl" encompasses "methoxymethyl" (CH 3 -O-CH 2 -), "methoxyethyl" (CH 3 -O-C 2 H 4 -), "ethoxymethyl" (C 2 H 5 -O-CH 2 -), "ethoxyethyl" (C 2 H 5 -O-C 2 H 4 -), etc. The term "alkanoylalkyl" includes both the terminal alkanoyl moiety (i.e., linked at the end of the moiety) as defined above and shown by the notation "alkanoyl" and the intermediate divalent alkyl moiety through which the "alkanoyl" is bonded to the rest of the molecule. Thus "alkanoylalkyl" encompasses "methanoylmethyl" (H(C=O)-CH 2 -), "methanoylethyl" (H(C=O)-C 2 H 4 -), "ethanoylmethyl" (CH 3 -(C =O)-CH 2 -), "ethanoylethyl" (CH 3 -(C=O)-C 2 H 4 -) , etc.
Термин "необязательно замещенный" касательно "алкила" или касательно концевых или промежуточных алкильных частей фрагментов, как определено выше, означает охватывающий замещение заместителя водорода при одной или нескольких углерод-водородных связях в алкиле или алкильной части определенным заместителем. В случае заместителя гидрокси (-ОН) или метила (-СН3) - один, два или три заместителя водорода при углерод-водородных связях концевого атома углерода в алкиле могут быть замещены соответствующими заместителями -OH и/или СН3, и один или два заместителя водорода при углерод-водородных связях промежуточного атома углерода в алкиле (алкилене) могут быть замещены соответствующими заместителями -ОН и/или -СН3. Например, в случае концевой алкильной части ее концевой атом углерода может быть замещен двумя заместителями -CH3 с получением концевого изопропилового фрагмента или может быть замещен тремя заместителями -СН3 с получением концевого трет-бутилового фрагмента. В случае промежуточной алкильной части или промежуточного атома углерода в концевой алкильной части: один или два заместителя водорода на углерод-водородных связях атома углерода в алкилене могут быть замещены заместителями -СН3 с получением соответствующих метил-замещенных или диметил-замещенных производных. В соответствии с этим описанием можно получить аналогичные замещения концевого атома углерода в алкиле или промежуточного атома углерода в алкиле одним или несколькими заместителями -ОН. В случае заместителя карбонила (=O): заместители водорода при двух углерод-водородных связях любого концевого атома углерода в алкиле или промежуточного атома углерода в алкиле (алкилене) могут быть замещены =O с получением концевого альдегидного фрагмента (или группы) или карбонильного фрагмента (или группы) соответственно.The term "optionally substituted" with respect to "alkyl" or with respect to terminal or intermediate alkyl portions of moieties as defined above, means substituting a hydrogen substituent on one or more carbon-hydrogen bonds in the alkyl or alkyl portion with the specified substituent. In the case of a hydroxy (-OH) or methyl (-CH 3 ) substituent, one, two or three hydrogen substituents on the carbon-hydrogen bonds of the terminal carbon atom in the alkyl may be replaced by the corresponding substituents -OH and/or CH 3 , and one or two the hydrogen substituent in the carbon-hydrogen bonds of the intermediate carbon atom in the alkyl (alkylene) may be substituted by the corresponding substituents -OH and/or -CH 3 . For example, in the case of an alkyl terminal moiety, its terminal carbon atom may be substituted with two -CH 3 substituents to form an isopropyl terminal moiety, or may be substituted with three -CH 3 substituents to form a tert-butyl terminal moiety. In the case of an intermediate alkyl moiety or an intermediate carbon atom in a terminal alkyl moiety: one or two hydrogen substituents on the carbon-hydrogen bonds of the carbon atom in the alkylene can be replaced by —CH 3 substituents to give the corresponding methyl-substituted or dimethyl-substituted derivatives. In accordance with this description, similar substitutions of a terminal carbon atom in an alkyl or an intermediate carbon atom in an alkyl with one or more substituents -OH can be obtained. In the case of a carbonyl substituent (=O): hydrogen substituents at two carbon-hydrogen bonds of any terminal carbon atom in alkyl or intermediate carbon atom in alkyl (alkylene) can be substituted with =O to give a terminal aldehyde moiety (or group) or carbonyl moiety ( or group) respectively.
Принимая во внимание возможные фрагменты и способ, которым они могут быть замещены, нельзя не отметить, что может быть перекрытие в определениях фрагментов, например, в случае "метаноила" и концевого "метила", замещенного =O, оба из которых представляют концевой альдегидный фрагмент (или группу). Конкретные фрагменты упомянуты, однако, для того, чтобы подчеркнуть их точное включение в данное соединение. Кроме того, если "алкил" или "алкильная часть" дополнительно определена касательно ее соответствующего числа атомов углерода (например, алкил или алкильная часть "содержащие 1-5 атомов углерода"), необязательные заместители -СН3, если есть, не включены в это число атомов углерода. Т.е. фраза "содержащие 1-5 атомов углерода" и другие фразы, определяющие количество атомов углерода в алкиле, относятся к числу атомов углерода в остове алкила, которые могут быть дополнительно замещены заместителями -СН3 или другими заместителями в соответствии с конкретными приведенными определениями.Given the possible moieties and the manner in which they may be substituted, it should be noted that there may be overlap in the moiety definitions, for example in the case of "methanol" and the terminal "methyl" substituted with =O, both of which represent a terminal aldehyde moiety. (or group). Specific fragments are mentioned, however, in order to emphasize their precise inclusion in this connection. In addition, if "alkyl" or "alkyl part" is further defined with respect to its corresponding number of carbon atoms (e.g., alkyl or alkyl part "containing 1-5 carbon atoms"), optional substituents -CH 3 , if any, are not included in this the number of carbon atoms. Those. the phrase "containing 1-5 carbon atoms" and other phrases defining the number of carbon atoms in the alkyl refer to the number of carbon atoms in the backbone of the alkyl, which may be additionally substituted by substituents -CH 3 or other substituents in accordance with the specific definitions given.
Соединения на основе карбоновой кислоты включают их соответствующие солевые формы. В случае, когда исходное соединение или субстрат содержит функциональную группу карбоновой кислоты, солевая форма обычно используется в водном растворе для осуществления способов синтеза, описанных в данном документе. Соответствующие солевые формы карбоновой кислоты включают, например, соли щелочных металлов (например, форма натриевой соли), соли щелочноземельных металлов (например, форма кальциевой соли) и аммонийные соли. Таким образом, соединения, такие как "глюконовая кислота", "глюкаровая кислота", "винная кислота", "пировиноградная кислота", "молочная кислота", "2-гидрокси-3-оксопропановая кислота", "глицериновая кислота" и т.д, понимаются как включающие солевые формы "глюконата", "глюкарата", "тартрата", "пирувата", "лактата", "2-гидрокси-3-оксопропаноата", "глицерата" и т.д. Как общие, так и конкретные структуры, иллюстрирующие соединения на основе карбоновой кислоты, аналогично понимаются как охватывающие их солевые формы или ионизированные формы, таким образом, структура глюконовой кислоты, например, когда показана со своей неионизированной карбоксильной группой, понимается как охватывающая структуру с ее ионизированной карбоксильной группой, и наоборот, с неионизированной и ионизированной карбоксильной группой эквивалентных структур этого соединения, показанного ниже:The carboxylic acid compounds include their respective salt forms. In the case where the parent compound or substrate contains a carboxylic acid functional group, the salt form is typically used in aqueous solution to carry out the synthetic methods described herein. Suitable carboxylic acid salt forms include, for example, alkali metal salts (eg sodium salt form), alkaline earth metal salts (eg calcium salt form) and ammonium salts. Thus, compounds such as "gluconic acid", "glucaric acid", "tartaric acid", "pyruvic acid", "lactic acid", "2-hydroxy-3-oxopropanoic acid", "glyceric acid", etc. e are understood to include the salt forms of "gluconate", "glucarate", "tartrate", "pyruvate", "lactate", "2-hydroxy-3-oxopropanoate", "glycerate", etc. Both general and specific structures illustrating carboxylic acid compounds are similarly understood to encompass their salt forms or ionized forms, thus the structure of gluconic acid, for example, when shown with its non-ionized carboxyl group, is understood to encompass the structure with its ionized carboxyl group, and vice versa, with non-ionized and ionized carboxyl group of the equivalent structures of this compound shown below:
Соединения могут иметь один или несколько стереоцентров, и структуры проиллюстрированы без учета какой-либо конкретной стереохимии с пониманием, что реакции, описанные касательно субстратов, таких как "глюконовая кислота", "глюкаровая кислота" и "эритроновая кислота", которые в соответствии с их номенклатурой обозначают конкретную стереохимию, могут быть аналогично осуществлены аналогичным образом с использованием соответствующих нестереоспецифических субстратов "2,3,4,5,6-пентагидроксигексановой кислоты", "2,3,4,5-тетрагидроксигександиовой кислоты" и "2,3,4-тригидроксибутановой кислоты", а также с использованием всех стереоизомеров таких соединений. Таким образом, если не определено иное, "глюконовая кислота" предназначена для охвата "глюконовой кислоты и ее стереоизомеров", как предусмотрено и в отношении других соединений, обозначая конкретную стереохимию. Общие и конкретные соединения, описанные в данном документе, можно применять или получать в виде чистых или очищенных (обогащенных) оптических изомеров или же в форме их рацемических смесей. Применение оптически активных субстратов или исходных соединений может приводить в результате к образованию оптически активных продуктов с использованием способов синтеза, описанных в данном документе, что будет оценено специалистами в данной области в сочетании со знаниями из настоящего изобретения. Если требуется, очистку конкретного оптического изомера или обогащение одним оптическим изомером относительно другого можно обеспечить, например, путем образования диастереомерных солей посредством обработки оптически активными кислотой или основанием. Примерами соответствующих кислот являются винная, диацетилвинная, дибензоилвинная, дитолуоил винная и камфорсульфоновая кислоты. Примерами подходящих оснований являются хиральные алкалоиды растительного происхождения. Смеси диастереомеров затем разделяют кристаллизацией, с последующим высвобождением оптически активных оснований или кислот из этих солей. Другой способ разделения оптических изомеров включает использование колонки для хиральной хроматографии, выбранной с целью максимизации степени разделения энантиомеров. Еще один доступный способ включает синтез ковалентных диастереомерных молекул путем осуществления реакции с оптически чистой кислотой в активированной форме или оптически чистым изоцианатом. Синтезированные диастереомеры можно разделять традиционными методами, такими как хроматография, дистилляция, кристаллизация или сублимация, а затем гидролизовать с получением энантиомерно чистого соединения.Compounds may have one or more stereocenters, and the structures are illustrated without reference to any particular stereochemistry, with the understanding that the reactions described with respect to substrates such as "gluconic acid", "glucaric acid" and "erythronic acid" are, in accordance with their nomenclature designate a specific stereochemistry can be similarly carried out in a similar manner using the corresponding non-stereospecific substrates "2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoic acid", "2,3,4,5-tetrahydroxyhexanedioic acid" and "2,3,4 -trihydroxybutanoic acid", as well as using all stereoisomers of such compounds. Thus, unless otherwise specified, "gluconic acid" is intended to encompass "gluconic acid and its stereoisomers", as provided for other compounds, denoting a specific stereochemistry. General and specific compounds described in this document, you can use or get in the form of pure or purified (enriched) optical isomers, or in the form of their racemic mixtures. The use of optically active substrates or starting compounds may result in the formation of optically active products using the synthetic methods described herein, which will be appreciated by those skilled in the art in conjunction with the knowledge of the present invention. If desired, purification of a particular optical isomer or enrichment of one optical isomer relative to another can be achieved, for example, by the formation of diastereomeric salts by treatment with an optically active acid or base. Examples of suitable acids are tartaric, diacetyltartaric, dibenzoyltartaric, ditoluoyltartaric and camphorsulfonic acids. Examples of suitable bases are chiral alkaloids of plant origin. Mixtures of diastereomers are then separated by crystallization, followed by the release of optically active bases or acids from these salts. Another method for separating optical isomers involves using a chiral chromatography column chosen to maximize the degree of separation of the enantiomers. Another available method involves the synthesis of covalent diastereomeric molecules by reaction with an optically pure acid in activated form or an optically pure isocyanate. The synthesized diastereomers can be separated by conventional methods such as chromatography, distillation, crystallization or sublimation and then hydrolyzed to give an enantiomerically pure compound.
Общий механизм реакции для синтеза продуктов расщепления и конечных продуктов показан на ФИГ. 1. Как показано, исходный материал общей формулы I представляет собой в широком смысле α-, β-дигидроксикарбонильное соединение, которое охватывает предпочтительный класс соединений, а именно α-, β-дигидроксикарбоксилаты, если R1 представляет собой гидрокси (ОН), для обеспечения концевой карбоксильной группы с левой стороны проиллюстрированного соединения. Исходный материал общей формулы I из ФИГ. 1 содержит α-гидроксигруппу, замещенную по α-атому углерода относительно показанной карбонильной (С=O) группы, а также β-гидроксигруппу, замещенную по β-атому углерода относительно этой карбонильной группы. В соответствии с проиллюстрированным механизмом синтеза первая стадия дегидратации (удаления воды) вызывает удаление β-гидроксигруппы вместе с образованием участка ненасыщенности, т.е. углерод-углеродной двойной связи между α-атомом углерода и β-атомом углерода. Полученное этиленненасыщенное, дегидратированное соединение, показанное как соединение А, как правило, сохраняет таутомерное равновесие с дикарбонильным промежуточным соединением, показанным как имеющее общую формулу IIA. Стадия дегидратации может, таким образом, включать образование воды из комбинации β-гидроксигруппы и водорода α-гидроксигруппы в исходном соединении или субстрате общей формулы I.The general reaction mechanism for the synthesis of cleavage products and final products is shown in FIG. 1. As shown, the starting material of general formula I is broadly α-, β-dihydroxycarbonyl compound, which covers the preferred class of compounds, namely α-, β-dihydroxycarboxylates, if R 1 represents hydroxy (OH), to provide terminal carboxyl group on the left side of the illustrated compound. The starting material of general formula I from FIG. 1 contains an α-hydroxy group substituted at the α-carbon atom relative to the carbonyl (C=O) group shown, as well as a β-hydroxy group substituted at the β-carbon atom relative to this carbonyl group. According to the synthesis mechanism illustrated, the first step of dehydration (removal of water) causes the removal of the β-hydroxy group along with the formation of a site of unsaturation, i.e. carbon-carbon double bond between α-carbon atom and β-carbon atom. The resulting ethylenically unsaturated, dehydrated compound shown as Compound A generally maintains tautomeric equilibrium with the dicarbonyl intermediate shown as having the general formula IIA. The dehydration step may thus involve the formation of water from the combination of the β-hydroxy group and the α-hydroxy hydrogen in the parent compound or substrate of general formula I.
Дикарбонильное промежуточное соединение общей формулы IIA можно затем подвергать расщеплению с образованием продукта расщепления общей формулы IIB.The dicarbonyl intermediate of general formula IIA can then be cleaved to form a cleavage product of general formula IIB.
Вследствие расщепления фрагмент, представленный как R2B в этом продукте расщепления, имеет меньше атомов углерода относительно фрагмента, представленного как R2A в дикарбонильном промежуточном соединении общей формулы IIA. Следовательно, продукт расщепления в общем имеет меньше атомов углерода относительно этого дикарбонильного промежуточного соединения. Необязательное гидрирование продукта расщепления может затем обеспечивать получение конечного продукта - в данном случае соответствующий гидрированный конечный продукт характеризуется общей формулой IIIB, как показано на ФИГ. 1. Расщепление с образованием продукта расщепления дополнительно обеспечивает образование второго продукта расщепления, характеризующегося общей формулой IIC, а следовательно содержащего альдегидную группу. В зависимости от субстрата или исходного соединения этот второй продукт расщепления может содержать другие функциональные группы, такие как функциональная группа карбоновой кислоты, как фрагмент, представленный как R2C, или иным образом включенный в концевую часть этого фрагмента, который связан с альдегидной функциональной группой. Такой второй продукт расщепления может получаться, например, когда фрагмент, представленный как R2A в дикарбонильном промежуточном соединении общей формулы IIA, связан посредством гидрокси-замещенного атома углерода. То есть исходное соединение может дополнительно содержать гамма-гидроксигруппу, замещенную по гамма-атому углерода относительно первой карбонильной группы, так что расщепление обеспечивает образование, в дополнение к первому (дикарбонильному) продукту расщепления, второго продукта расщепления, содержащего альдегидную группу, образующуюся в результате разрыва связи между бета-атомом углерода и гамма-атомом углерода дикарбонильного промежуточного соединения, соответствующими бета-атому углерода и гамма-атому углерода исходного соединения. В конкретном варианте осуществления второй продукт расщепления общей формулы IIC может образовываться в случае R2A или по меньшей мере концевой части R2A, представляющей фрагмент:Due to cleavage, the moiety represented as R 2B in this cleavage product has fewer carbon atoms relative to the moiety represented as R 2A in the dicarbonyl intermediate of general formula IIA. Therefore, the cleavage product generally has fewer carbon atoms relative to this dicarbonyl intermediate. Optional hydrogenation of the cleavage product can then provide the final product - in this case, the corresponding hydrogenated final product is characterized by the general formula IIIB, as shown in FIG. 1. Cleavage to form a cleavage product further provides for the formation of a second cleavage product having the general formula IIC and hence containing an aldehyde group. Depending on the substrate or parent compound, this second cleavage product may contain other functional groups, such as a carboxylic acid functional group, as a moiety represented as R 2 C , or otherwise included at the end of this moiety, which is associated with an aldehyde functional group. Such a second cleavage product can be obtained, for example, when the moiety represented by R 2A in the dicarbonyl intermediate of general formula IIA is linked via a hydroxy-substituted carbon atom. That is, the parent compound may further contain a gamma-hydroxy group substituted at the gamma carbon atom relative to the first carbonyl group, such that cleavage produces, in addition to the first (dicarbonyl) cleavage product, a second cleavage product containing the aldehyde group resulting from the cleavage. bonds between the beta carbon atom and the gamma carbon atom of the dicarbonyl intermediate corresponding to the beta carbon atom and gamma carbon atom of the parent compound. In a specific embodiment, the second cleavage product of the general formula IIC may be formed in the case of R 2A or at least the terminal part of R 2A representing the fragment:
в случае которого продукт расщепления будет иметь меньше атомов углерода относительно как дикарбонильного промежуточного соединения, так и субстрата. Продукт расщепления можно затем необязательно подвергать гидрированию, при этом дополнительные превращения второго продукта расщепления (например, также посредством гидрирования) могут обеспечивать образование других необходимых соединений, например, как описано касательно более конкретного варианта осуществления, показанного на ФИГ. 2. В соответствии с некоторыми способами фрагмент, представленный как R2C во втором продукте расщепления, характеризующемся общей формулой IIC, может иметь на один атом углерода меньше, чем фрагмент, представленный как R2A, и этот второй продукт расщепления может представлять собой соответствующий альдегид или соответствующую карбоновую кислоту, образованные из R2A и содержащие такое же число атомов углерода, что и R2A. В этом случае продукт расщепления может представлять собой пировиноградную кислоту, которую можно гидрировать до молочной кислоты. Таким образом, можно отметить, что путь синтеза до молочной кислоты посредством расщепления дикарбонильного промежуточного соединения с образованием пировиноградной кислоты можно осуществлять с использованием в качестве субстратов ряда α-, β-дигидроксикарбонильных соединений, включая α-, β-дигидроксикарбоновые кислоты и карбоксилаты, содержащие по меньшей четыре атома углерода.in which case the cleavage product will have fewer carbon atoms relative to both the dicarbonyl intermediate and the substrate. The cleavage product may then optionally be subjected to hydrogenation, whereby further transformations of the second cleavage product (eg also via hydrogenation) may provide the formation of other desired compounds, eg as described in relation to the more specific embodiment shown in FIG. 2. According to some methods, the moiety represented by R 2C in the second cleavage product having the general formula IIC may have one carbon atom less than the moiety represented by R 2A and the second cleavage product may be the corresponding aldehyde or the corresponding carboxylic acid formed from R 2A and containing the same number of carbon atoms as R 2A . In this case, the cleavage product may be pyruvic acid, which can be hydrogenated to lactic acid. Thus, it can be noted that the route of synthesis to lactic acid through the cleavage of a dicarbonyl intermediate to form pyruvic acid can be carried out using a number of α-, β-dihydroxycarbonyl compounds as substrates, including α-, β-dihydroxycarboxylic acids and carboxylates containing less than four carbon atoms.
Следовательно, типичные способы могут включать, помимо получения продукта расщепления, который представляет собой дикарбонильное соединение, гидрирование некоторой части или всего этого продукта расщепления с получением конечного продукта, которой сохраняет первую карбонильную группу исходного соединения и дикарбонильного промежуточного соединения, а также содержит смежную гидроксигруппу, полученную гидрированием второй карбонильной группы продукта расщепления. Таким образом, расход продукта расщепления общей формулы IIB путем его гидрирования смещает реакцию расщепления вперед, давая в конечном итоге дополнительный выход дикарбонильного соединения из соединения А путем сдвига таутомерного равновесия в данном направлении. Скорость, с которой (дикарбонильный) продукт расщепления становится гидрированным, можно регулировать с использованием необязательного катализатора расщепления, а также условий реакции, как описано в данном документе. В результате стадии расщепления продукт расщепления с 3 атомами углерода, такой как пировиноградная кислота, можно получать из доступных α-, β-дигидроксикарбоновых кислот и карбоксилатов с 4-, 5- или 6-атомами углерода в качестве исходных соединений, таких как эритроновая кислота (или обычно 2,3,4-тригидроксибутановая кислота); 2,3-дигидрокси-4-оксобутановая кислота; винная кислота; 2,3,4,5-тетрагидроксипентановая кислота; 2,3,4-тригидрокси-5-оксопентановая кислота; 2,3,4-тригидроксипентандиовая кислота; глюконовая кислота (или обычно 2,3,4,5,6-пентагидроксигексановая кислота); 2,3,4,5-тетрагидрокси-6-оксогексановая кислота и глюкаровая кислота (или обычно 2,3,4,5-тетрагидроксигександиовая кислота). Таким образом, типичные способы синтеза могут включать превращение доступных С4-С6-субстратов, таких как легкодоступные углеводы, с получением С3-соединений в качестве продуктов расщепления и конечных продуктов. В таких вариантах осуществления, если субстрат представляет собой соединение с 6 атомами углерода (C6-субстрат), то второй продукт расщепления способа синтеза также является С3-соединением. Например, каждый из субстратов с 6 атомами углерода, глюконовая кислота и глюкаровая кислота, могут давать пировиноградную кислоту в качестве продукта расщепления и молочную кислоту в качестве конечного продукта гидрирования молочной кислоты. В случае глюконовой кислоты второй продукт расщепления может представлять собой глицеральдегид, который может подвергаться гидрированию с получением глицерина в качестве конечного продукта. В случае глюкаровой кислоты второй продукт расщепления может представлять собой 2-гидрокси-3-оксопропановую кислоту, которая может подвергаться гидрированию с получением глицериновой кислоты в качестве конечного продукта.Therefore, typical methods may include, in addition to obtaining a cleavage product that is a dicarbonyl compound, hydrogenating some or all of this cleavage product to obtain an end product that retains the first carbonyl group of the starting compound and the dicarbonyl intermediate, and also contains the adjacent hydroxy group obtained hydrogenation of the second carbonyl group of the cleavage product. Thus, the consumption of the cleavage product of general formula IIB by its hydrogenation shifts the cleavage reaction forward, ultimately giving an additional yield of the dicarbonyl compound from compound A by shifting the tautomeric equilibrium in this direction. The rate at which the (dicarbonyl) cleavage product becomes hydrogenated can be controlled using an optional cleavage catalyst as well as reaction conditions as described herein. As a result of the cleavage step, a 3-carbon cleavage product such as pyruvic acid can be prepared from available α-, β-dihydroxycarboxylic acids and 4-, 5-, or 6-carbon carboxylates as starting compounds such as erythronic acid ( or usually 2,3,4-trihydroxybutanoic acid); 2,3-dihydroxy-4-oxobutanoic acid; wine acid; 2,3,4,5-tetrahydroxypentanoic acid; 2,3,4-trihydroxy-5-oxopentanoic acid; 2,3,4-trihydroxypentanedioic acid; gluconic acid (or usually 2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoic acid); 2,3,4,5-tetrahydroxy-6-oxohexanoic acid and glucaric acid (or usually 2,3,4,5-tetrahydroxyhexanedioic acid). Thus, typical synthesis methods may involve the conversion of available C 4 -C 6 substrates, such as readily available carbohydrates, to produce C 3 compounds as cleavage products and end products. In such embodiments, if the substrate is a 6 carbon compound (C 6 substrate), then the second cleavage product of the synthesis process is also a C 3 compound. For example, each of the 6 carbon substrates, gluconic acid and glucaric acid, can produce pyruvic acid as a cleavage product and lactic acid as the end product of lactic acid hydrogenation. In the case of gluconic acid, the second cleavage product may be glyceraldehyde, which may be hydrogenated to give glycerol as the final product. In the case of glucaric acid, the second cleavage product may be 2-hydroxy-3-oxopropanoic acid, which may be hydrogenated to give glyceric acid as the final product.
Что касается соединений на ФИГ. 1, характеризующихся общими формулами I, IIA, IIB и IIIB, а также соединений, характеризующихся общими формулами, представленными для соединения A, R1 может быть выбран из группы, состоящей из алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси и гидроксиалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила и гидроксиалкила содержат от 1 до 5 атомов углерода, необязательно замещенных одним или несколькими заместителями (т.е. могут необязательно иметь заместители водорода на углерод-водородных связях, замещенные, как определено в данном документе, одним или несколькими заместителями), выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН3 и =O. В соответствии с конкретными вариантами осуществления в этих соответствующих соединениях, включая исходное соединение общей формулы I, дикарбонильное промежуточное соединение и продукты расщепления, характеризующиеся соответственно общими формулами IIA и IIB, и/или конечный продукт общей формулы IIIB, R1 может представлять собой алкил (например, содержащий 1-3 атома углерода алкила) и может давать в результате концевую кетоновую функциональную группу в соответствующих соединениях; R1 может представлять собой алкокси (например, содержащий 1-3 атома углерода алкила) и может давать в результате концевую сложноэфирную функциональную группу в соответствующих соединениях; или R1 может представлять собой гидрокси и может давать в результате концевую карбоксильную функциональную группу в соответствующих соединениях. Предпочтительно, R1 представляет собой гидрокси, при этом исходное соединение и дикарбонильное промежуточное соединение представляют собой карбоновые кислоты. Например, как описано выше относительно терминов, используемых обычно в данном документе, исходное соединение, дикарбонильное промежуточное соединение, продукт расщепления и/или конечный продукт могут быть в форме (например, находиться в реакционной смеси в виде) карбоксилатов, что означает соединения, содержащие карбоксилат-анион и вероятно присутствующие в солевой форме в водной реакционной смеси (например, в форме их соответствующей аммонийной соли), которую используют для осуществления способов синтеза, описанных в данном документе.With regard to the connections in FIG. 1 having the general formulas I, IIA, IIB and IIIB, as well as compounds having the general formulas shown for compound A, R 1 may be selected from the group consisting of alkyl, alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxy and hydroxyalkyl, where alkyl and alkyl the alkoxy, alkoxyalkyl, and hydroxyalkyl portions contain from 1 to 5 carbon atoms optionally substituted with one or more substituents (i.e., may optionally have hydrogen substituents on carbon-hydrogen bonds substituted, as defined herein, with one or more substituents), selected from the group consisting of -OH, -CH 3 and =O. According to specific embodiments, in these respective compounds, including the parent compound of general formula I, the dicarbonyl intermediate, and the cleavage products of general formulas IIA and IIB, respectively, and/or the final product of general formula IIIB, R 1 may be alkyl (for example , containing 1-3 alkyl carbon atoms) and may result in a terminal ketone functional group in the corresponding compounds; R 1 may be alkoxy (eg, having 1-3 alkyl carbons) and may result in an ester terminal functional group in the corresponding compounds; or R 1 may be hydroxy and may result in a terminal carboxyl functional group in the respective compounds. Preferably, R 1 is hydroxy, wherein the parent compound and the dicarbonyl intermediate are carboxylic acids. For example, as described above with respect to terms commonly used herein, the starting compound, dicarbonyl intermediate, cleavage product, and/or end product may be in the form of (e.g., present in the reaction mixture as) carboxylates, which means compounds containing a carboxylate -anion and likely present in salt form in the aqueous reaction mixture (eg, in the form of their corresponding ammonium salt) that is used to carry out the synthetic methods described herein.
Что касается соединений на ФИГ. 1 характеризующихся общими формулами I и IIA, а также соединений, характеризующихся общей формулой, данной для соединения А, R2A может быть выбран из группы, состоящей из алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-5 атомов углерода, необязательно замещенных одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН3 и =O. В соответствии с конкретным вариантом осуществления R2A может быть выбран из группы, состоящей из алкила, алкокси, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-3 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -ОН и/или одним или несколькими -СН3. В соответствии с более конкретным вариантом осуществления R2A может представлять собой алкил, карбокси, карбоксиалкил, алканоил или алканоилалкил, где алкил и алкильные части карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-3 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -ОН. Конкретные субстраты, содержащие 4-6 атомов углерода, включают эритроновую кислоту (или обычно 2,3,4-тригидроксибутановую кислоту); 2,3-дигидрокси-4-оксобутановую кислоту; винную кислоту; 2,3,4,5-тетрагидроксипентановую кислоту; 2,3,4-тригидрокси-5-оксопентановую кислоту; 2,3,4-тригидроксипентандиовую кислоту; глюконовую кислоту (или обычно 2,3,4,5,6-пентагидроксигексаную кислоту); 2,3,4,5-тетрагидрокси-6-оксогексановую кислоту и глюкаровую кислоту (или обычно 2,3,4,5-тетрагидроксигександиовую кислоту).With regard to the connections in FIG. 1 characterized by the general formulas I and IIA, as well as compounds characterized by the general formula given for compound A, R 2A can be selected from the group consisting of alkyl, alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxy, hydroxyalkyl, carboxy, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl, where the alkyl and alkyl moieties of alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxyalkyl, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl contain 1-5 carbon atoms, optionally substituted with one or more substituents selected from the group consisting of —OH, —CH 3 and =O. In accordance with a specific embodiment, R 2A may be selected from the group consisting of alkyl, alkoxy, hydroxy, hydroxyalkyl, carboxy, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl, where the alkyl and alkyl moieties of alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxyalkyl, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl contain 1 -3 carbon atoms optionally substituted with one or more -OH and/or one or more -CH 3 . In a more specific embodiment, R 2A may be alkyl, carboxy, carboxyalkyl, alkanoyl, or alkanoylalkyl, where the alkyl and alkyl moieties of carboxyalkyl, alkanoyl, and alkanoylalkyl contain 1-3 carbon atoms, optionally substituted with one or more -OH. Specific substrates containing 4-6 carbon atoms include erythronic acid (or usually 2,3,4-trihydroxybutanoic acid); 2,3-dihydroxy-4-oxobutanoic acid; tartaric acid; 2,3,4,5-tetrahydroxypentanoic acid; 2,3,4-trihydroxy-5-oxopentanoic acid; 2,3,4-trihydroxypentanedioic acid; gluconic acid (or usually 2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoic acid); 2,3,4,5-tetrahydroxy-6-oxohexanoic acid and glucaric acid (or usually 2,3,4,5-tetrahydroxyhexanedioic acid).
В случае конкретного субстрата с 4 атомами углерода, когда R1 представляет собой гидрокси, и R2A представляет собой гидроксиметил, исходное соединение представляет собой эритроновую кислоту (или обычно 2,3,4-тригидроксибутановую кислоту). В данном случае стадия расщепления может, таким образом, обеспечивать пировиноградную кислоту, в дополнение ко второму продукту расщепления с одним атомом углерода, такому как формальдегид. Таким образом, гидрирование продуктов расщепления будет давать в результате молочную кислоту и метанол, соответственно. Этот пример и другие примеры субстратов с 4 и 5 атомами углерода и их соответствующие продукты расщепления, вторые продукты расщепления и продукты гидрирования представлены ниже в таблице 1.In the case of a specific 4 carbon substrate, when R 1 is hydroxy and R 2A is hydroxymethyl, the parent compound is erythronic acid (or typically 2,3,4-trihydroxybutanoic acid). In this case, the cleavage step may thus provide pyruvic acid, in addition to a second single carbon cleavage product such as formaldehyde. Thus, hydrogenation of the cleavage products will result in lactic acid and methanol, respectively. This example and other examples of 4 and 5 carbon substrates and their respective cleavage products, second cleavage products, and hydrogenation products are shown in Table 1 below.
Конкретные примеры субстратов с 6 атомами углерода и их соответствующие продукты расщепления, вторые продукты расщепления и продукты гидрирования описаны ниже вместе с субстратами, характеризующимися конкретными структурами формул IV и VI, находящимися в объеме формулы I.Specific examples of 6-carbon substrates and their respective cleavage products, second cleavage products, and hydrogenation products are described below along with substrates having specific structures of formulas IV and VI that are within the scope of formula I.
Что касается соединений, характеризующихся общими формулами IIB и IIIB, R2B может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-4 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -OH, -СН3 и =O. В соответствии с конкретным вариантом осуществления R2B может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-3 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -ОН и/или одним или несколькими -СН3. В соответствии с более конкретным вариантом осуществления R2B может представлять собой заместитель водорода, алкил, карбокси, карбоксиалкил, алканоил или алканоилалкил, где алкил и алкильные части карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1 или 2 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -ОН. В соответствии с другим конкретным вариантом осуществления R может представлять собой заместитель водорода или алкил, содержащие 1-3 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -ОН.With regard to compounds characterized by the general formulas IIB and IIIB, R 2B may be selected from the group consisting of the substituent hydrogen, alkyl, alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxy, hydroxyalkyl, carboxy, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl, where alkyl and alkyl parts of alkoxy, alkoxyalkyl , hydroxyalkyl, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl contain 1-4 carbon atoms, optionally substituted with one or more substituents selected from the group consisting of -OH, -CH 3 and =O. In accordance with a specific embodiment, R 2B may be selected from the group consisting of a substituent of hydrogen, alkyl, alkoxy, hydroxy, hydroxyalkyl, carboxy, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl, where alkyl and alkyl parts of alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxyalkyl, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl contain 1-3 carbon atoms optionally substituted with one or more —OH and/or one or more —CH 3 . In a more specific embodiment, R 2B may be a hydrogen substituent, alkyl, carboxy, carboxyalkyl, alkanoyl, or alkanoylalkyl, where the alkyl and alkyl moieties of carboxyalkyl, alkanoyl, and alkanoylalkyl contain 1 or 2 carbon atoms, optionally substituted with one or more -OH. In accordance with another specific embodiment, R may be a hydrogen substituent or alkyl containing 1-3 carbon atoms, optionally substituted with one or more -OH.
Кроме того, из настоящего раскрытия можно понять, что когда R1 представляет собой гидрокси, и R2B представляет собой заместитель водорода, продукт расщепления представляет собой пировиноградную кислоту, которая может гидрироваться с образованием молочной кислоты, теоретически из различных возможных α-, β-гидроксикарбоксилатных субстратов, как описано выше. Кроме того, второй продукт расщепления общей формулы IIC может образовываться в случае R2A или по меньшей мере концевой части R2A, представляющей собой фрагментIn addition, it can be understood from the present disclosure that when R 1 is hydroxy and R 2B is a hydrogen substituent, the cleavage product is pyruvic acid, which can hydrogenate to lactic acid, theoretically from various possible α-, β-hydroxycarboxylate substrates as described above. In addition, the second cleavage product of the general formula IIC can be formed in the case of R 2A or at least the terminal part of R 2A , which is a fragment
Следовательно, R2C в соединениях общей формулы IIC может представлять фрагменты, как определено выше в отношении R2A, однако содержащие на по меньшей мере один атом углерода меньше. Таким образом, R2C может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-4 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН3 и =О. В соответствии с конкретным вариантом осуществления R2C может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат один или два атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -OH и/или одним или несколькими -СН3. В соответствии с более конкретным вариантом осуществления R2C может представлять собой заместитель водорода или алкил с одним или двумя атомами углерода, необязательно замещенными одним или несколькими -ОН.Therefore, R 2C in compounds of general formula IIC may represent moieties as defined above with respect to R 2A , but containing at least one less carbon atom. Thus, R 2C may be selected from the group consisting of the substituent hydrogen, alkyl, alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxy, hydroxyalkyl, carboxy, carboxyalkyl, alkanoyl, and alkanoylalkyl, where the alkyl and alkyl moieties of alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxyalkyl, carboxyalkyl, alkanoyl, and alkanoylalkyl contain 1-4 carbon atoms optionally substituted with one or more substituents selected from the group consisting of —OH, —CH 3 and ═O. In accordance with a specific embodiment, R 2C may be selected from the group consisting of a substituent of hydrogen, alkyl, alkoxy, hydroxy, hydroxyalkyl, carboxy, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl, where alkyl and alkyl parts of alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxyalkyl, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl contain one or two carbon atoms, optionally substituted with one or more -OH and/or one or more -CH 3 . In accordance with a more specific embodiment, R 2C may be a hydrogen substituent or alkyl with one or two carbon atoms, optionally substituted with one or more -OH.
В более конкретном варианте осуществления фрагмент R2C соединений на ФИГ. 1 может представлять собойIn a more specific embodiment, the R 2C fragment of the compounds in FIG. 1 could represent
так что исходное соединение и дикарбонильное промежуточное соединение характеризуются соответственно общей формулой IV и формулу VA,so that the parent compound and the dicarbonyl intermediate are characterized by the general formula IV and formula VA, respectively,
причем соединения могут необязательно находиться в их соответствующих солевых формах, как описано выше. Что касается этих соединений, то R1 может являться таким, как определено выше. R3A может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкокси, гидрокси и карбокси, где алкильная часть алкокси содержит 1-5 атомов углерода, которые могут быть необязательно замещены одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН3 и =O. Предпочтительно, R3A представляет собой заместитель водорода, метил, метокси, гидрокси или карбокси. R4A может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-5 атомов углерода, которые могут быть необязательно замещены одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН3 и =O. Предпочтительно, R4A представляет собой заместитель водорода, метил, метокси, гидрокси или карбокси.wherein the compounds may optionally be in their respective salt forms as described above. With regard to these compounds, R 1 may be as defined above. R 3A may be selected from the group consisting of a substituent of hydrogen, alkoxy, hydroxy and carboxy, where the alkyl part of the alkoxy contains 1-5 carbon atoms, which may be optionally substituted with one or more substituents selected from the group consisting of -OH, - CH 3 and =O. Preferably R 3A is a hydrogen substituent, methyl, methoxy, hydroxy or carboxy. R 4A may be selected from the group consisting of the substituent hydrogen, alkyl, alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxy, hydroxyalkyl, carboxy, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl, where the alkyl and alkyl moieties of alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxyalkyl, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl contain 1- 5 carbon atoms which may be optionally substituted with one or more substituents selected from the group consisting of —OH, —CH 3 and =O. Preferably R 4A is a hydrogen substituent, methyl, methoxy, hydroxy or carboxy.
В случае конкретного субстрата с 6 атомами углерода R1 и R3A могут оба представлять собой гидрокси, и R4A может представлять собой карбокси, что дает в результате глюкаровую кислоту (или обычно 2,3,4,5-тетрагидроксигександиовую кислоту) в качестве субстрата общей формулы IV и 2-кето-3-дезоксиглюкаровую кислоту (2,3-дигидрокси-5-оксогександиовую кислоту) в качестве дикарбонильного промежуточного соединения общей формулы VA. В данном случае продукт расщепления общей формулы IIB может представлять собой пировиноградную кислоту, которую можно гидрировать с получением молочной кислоты в качестве конечного продукта общей формулы IIIB, как описано выше. Второй продукт расщепления общей формулы IIC может представлять собой 2-гидрокси-3-оксопропановую кислоту, которую можно гидрировать с получением глицериновой кислоты, как описано выше. В случае другого конкретного субстрата с 6 атомами углерода R1 и R3A могут оба представлять собой гидрокси, и R4A может представлять собой метаноил, что дает в результате 2,3,4,5-тетрагидрокси-6-оксогексановую кислоту в качестве субстрата общей формулы IV и 4,5-дигидрокси-2,6-диоксогексановую кислоту в качестве дикарбонильного промежуточного соединения общей формулы VA. В данном случае продукт расщепления общей формулы IIB может представлять собой пировиноградную кислоту, которую можно гидрировать с получением молочной кислоты в качестве конечного продукта общей формулы IIIB, как описано выше. Второй продукт расщепления общей формулы IIC может представлять собой 2-гидроксималоновый альдегид, который можно гидрировать с получением глицеральдегида.In the case of a particular 6 carbon substrate, R 1 and R 3A can both be hydroxy and R 4A can be carboxy, resulting in glucaric acid (or typically 2,3,4,5-tetrahydroxyhexanedioic acid) as the substrate of general formula IV and 2-keto-3-deoxyglucaric acid (2,3-dihydroxy-5-oxohexanedioic acid) as a dicarbonyl intermediate of general formula VA. In this case, the cleavage product of general formula IIB may be pyruvic acid, which can be hydrogenated to lactic acid as the final product of general formula IIIB, as described above. The second cleavage product of general formula IIC may be 2-hydroxy-3-oxopropanoic acid, which can be hydrogenated to give glyceric acid as described above. In the case of another particular 6 carbon substrate, R 1 and R 3A may both be hydroxy and R 4A may be methanol, resulting in 2,3,4,5-tetrahydroxy-6-oxohexanoic acid as the total substrate formula IV; and 4,5-dihydroxy-2,6-dioxohexanoic acid as a dicarbonyl intermediate of the general formula VA. In this case, the cleavage product of general formula IIB may be pyruvic acid, which can be hydrogenated to lactic acid as the final product of general formula IIIB, as described above. The second cleavage product of general formula IIC may be 2-hydroxymalonic aldehyde, which can be hydrogenated to give glyceraldehyde.
В соответствии с еще более конкретными вариантами осуществления фрагмент R2A соединений на ФИГ. 1 может представлять собойAccording to still more specific embodiments, the R 2A fragment of the compounds in FIG. 1 could represent
который получают, когда в соединениях общей формулы IV выше R4A содержит атом углерода метилена (-СН2-), так что R4A может быть выбран из группы, состоящей из алкила, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила и алканоилалкила. В соответствии с такими вариантами осуществления возможно, что исходное соединение общей формулы IV и дикарбонильное промежуточное соединение общей формулы VA характеризуются более конкретными структурами, соответствующими общей формуле VI и общей формуле VIIA, соответственно:which is obtained when, in the compounds of general formula IV above, R 4A contains a methylene carbon atom (-CH 2 -), so that R 4A can be selected from the group consisting of alkyl, alkoxyalkyl, hydroxyalkyl, carboxyalkyl and alkanoylalkyl. According to such embodiments, it is possible that the parent compound of general formula IV and the dicarbonyl intermediate of general formula VA have more specific structures corresponding to general formula VI and general formula VIIA, respectively:
Фрагменты R1 и R3A могут быть такими, как определено выше, и фрагмент R5A может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-4 атома углерода, которые могут быть необязательно замещены одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН3 и =O. Предпочтительно, R5A представляет собой заместитель водорода, метил, метокси, гидрокси или карбокси.The R 1 and R 3A moieties may be as defined above, and the R 5A moiety may be selected from the group consisting of hydrogen, alkyl, alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxy, hydroxyalkyl, carboxy, carboxyalkyl, alkanoyl, and alkanoylalkyl, where alkyl and the alkyl moieties of alkoxy, alkoxyalkyl, hydroxyalkyl, carboxyalkyl, alkanoyl and alkanoylalkyl contain 1-4 carbon atoms which may optionally be substituted with one or more substituents selected from the group consisting of —OH, —CH 3 and ═O. Preferably R 5A is a hydrogen substituent, methyl, methoxy, hydroxy or carboxy.
В другом примере конкретного субстрата с 6 атомами углерода R1, R3A и R5A могут представлять собой гидрокси, что дает в результате глюконовую кислоту (или обычно 2,3,4,5,6-пентагидроксигексановую кислоту) в качестве субстрата общей формулы VI и 2-кето-3-дезоксиглюконовую кислоту (4,5,6-тригидрокси-2-оксогексановую кислоту) в качестве дикарбонильного промежуточного соединения общей формулы VIIA. В данном случае продукт расщепления общей формулы IIB может представлять собой пировиноградную кислоту, которую можно гидрировать с получением молочной кислоты в качестве конечного продукта общей формулы IIIB, как описано выше. Второй продукт расщепления общей формулы IIC может представлять собой глицеральдегид, который можно гидрировать с получением глицерина, как описано выше.In another example of a particular 6 carbon substrate, R 1 , R 3A and R 5A can be hydroxy, resulting in gluconic acid (or typically 2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoic acid) as a substrate of general formula VI and 2-keto-3-deoxygluconic acid (4,5,6-trihydroxy-2-oxohexanoic acid) as a dicarbonyl intermediate of general formula VIIA. In this case, the cleavage product of general formula IIB may be pyruvic acid, which can be hydrogenated to lactic acid as the final product of general formula IIIB, as described above. The second cleavage product of general formula IIC may be glyceraldehyde, which can be hydrogenated to give glycerol as described above.
Типичная реакционная среда, связанная с синтезом продукта расщепления и/или конечного продукта, в соответствии с способами, описанными в данном документе, предусматривает повышенное парциальное давление водорода, как например, парциальное давление водорода, составляющее по меньшей мере 3 мегапаскаля (МПа) (435 фунтов/кв. дюйм), необязательно в комбинации с катализатором гидрирования. В этой среде для гидрирования/восстановления концевая альдегидная группа во втором продукте расщепления общей формулы IIC может превращаться в концевую спиртовую или гидрокси (-ОН) группу. Другие возможные продукты превращения продукта расщепления и второго продукта расщепления возможны, как описано более подробно ниже, относительно более конкретного варианта осуществления, показанного на ФИГ. 2.A typical reaction environment associated with the synthesis of the cleavage product and/or the final product, in accordance with the methods described herein, provides for an increased hydrogen partial pressure, such as a hydrogen partial pressure of at least 3 megapascals (MPa) (435 pounds /square inch), optionally in combination with a hydrogenation catalyst. In this hydrogenation/reduction medium, the terminal aldehyde group in the second cleavage product of the general formula IIC can be converted to an alcohol or hydroxy(-OH) terminal group. Other possible conversion products of the cleavage product and the second cleavage product are possible, as described in more detail below, with respect to the more specific embodiment shown in FIG. 2.
На ФИГ. 2 показан способ синтеза, представленный на ФИГ. 1, с использованием глюконовой кислоты в качестве исходного соединения или соединениче формулы I, в котором R2A представляет собой фрагментFIG. 2 shows the synthesis method shown in FIG. 1 using gluconic acid as the starting compound or a compound of formula I in which R 2A is a moiety
В данном варианте осуществления дикарбонильное промежуточное соединение формулы IIA, как показано представляет собой 2-кето-3-дезоксиглюконовую кислоту (2-кето-4,5,6-тригидроксигексановую кислоту). Это дикарбонильное промежуточное соединение можно затем подвергать расщеплению с получением на выходе продукта расщепления формулы IIB, который в варианте осуществления, показанном на ФИГ. 2, представляет собой пировиноградную кислоту. Кроме того, получают второй продукт расщепления формулы IIC, который в данном варианте осуществления представляет собой глицеральдегид, в соответствии с которым R2C в общей формуле для этого соединения, как показано на ФИГ. 1, представляет собой фрагментIn this embodiment, the formula IIA dicarbonyl intermediate as shown is 2-keto-3-deoxygluconic acid (2-keto-4,5,6-trihydroxyhexanoic acid). This dicarbonyl intermediate can then be cleaved to yield a Formula IIB cleavage product which, in the embodiment shown in FIG. 2 is pyruvic acid. In addition, a second cleavage product of formula IIC is obtained, which in this embodiment is glyceraldehyde, according to which R 2C in the general formula for this compound, as shown in FIG. 1 is a fragment
который соответствует фрагменту R2A, как показано выше, однако содержащему на один атом углерода меньше.which corresponds to the fragment R 2A as shown above, however, containing one less carbon atom.
Конечный продукт и дополнительные продукты превращения могут также образовываться при условиях реакции, описанных в данном документе, как показано на ФИГ. 2. Например, гидрирование/восстановление пировиноградной кислоты, продукта расщепления формулы IIB, может давать на выходе молочную кислоту. Гидрирование/восстановление глицеральдегида, второго продукта расщепления формулы IIC, как показано, может давать на выходе глицерин. Кроме того, полученный глицеральдегид можно подвергать дополнительным реакциям, таким, как те, которые включают 1,2-гидридный сдвиг или гидридный перенос (реакция Канниццаро), чтобы вызвать его превращение в молочную кислоту, как показано на ФИГ. 2. Таким образом, в соответствии с конкретными вариантами осуществления молочную кислоту можно получать в молярном количестве, которое превышает молярное количество полученного глицеральдегида, несмотря на тот факт, что первая часть этой молочной кислоты может быть получена гидрированием пировиноградной кислоты, которую получают посредством реакции расщепления в эквимолярном количестве с глицеральдегидом. Т. е. глицеральдегид может превращаться во вторую часть молочной кислоты, так что реакционная смесь может содержать объединенные первую и вторую часть молочной кислоты, которые превышают в молярном соотношении количество глицеральдегида. Например, соотношение всего (объединенного) молярного количества молочной кислоты и чистого мольного количества глицеральдегида (например, в реакционной смеси после завершения способа синтеза) может составлять по меньшей мере 1,2, по меньшей мере 1,5 или по меньшей мере 2,0. Этот избыток может получаться, по меньшей мере частично, из-за превращения глицеральдегида в молочную кислоту. Как также показано на ФИГ. 2, молочная кислота также может вступать в реакцию с получением пропиленгликоля и акриловой кислоты в качестве дополнительных продуктов превращения, при условиях реакции, описанных в данном документе.The final product and additional conversion products can also be formed under the reaction conditions described herein, as shown in FIG. 2. For example, hydrogenation/reduction of pyruvic acid, a cleavage product of formula IIB, may yield lactic acid. Hydrogenation/reduction of glyceraldehyde, the second cleavage product of Formula IIC, has been shown to yield glycerol. In addition, the resulting glyceraldehyde can be subjected to additional reactions, such as those involving 1,2-hydride shift or hydride transfer (Cannizzaro reaction), to cause it to be converted to lactic acid, as shown in FIG. 2. Thus, according to specific embodiments, lactic acid can be obtained in a molar amount that exceeds the molar amount of glyceraldehyde produced, despite the fact that the first part of this lactic acid can be obtained by hydrogenation of pyruvic acid, which is obtained by a cleavage reaction in equimolar amount with glyceraldehyde. That is, glyceraldehyde can be converted to the second part of lactic acid, so that the reaction mixture can contain combined first and second parts of lactic acid, which exceed the amount of glyceraldehyde in a molar ratio. For example, the ratio of total (combined) molar amount of lactic acid to net molar amount of glyceraldehyde (eg, in the reaction mixture after completion of the synthesis process) may be at least 1.2, at least 1.5, or at least 2.0. This excess may result, at least in part, from the conversion of glyceraldehyde to lactic acid. As also shown in FIG. 2, lactic acid can also react to form propylene glycol and acrylic acid as additional conversion products under the reaction conditions described herein.
Таким образом, типичные способы описаны в данном документе для осуществления синтеза α-гидроксикарбоксилатного конечного продукта, содержащего меньшее число атомов углерода относительно α-, β-дигидроксикарбоксилатного исходного соединения. Способы предусматривают осуществление реакции α-, β-дигидроксикарбоксилатного исходного соединения в реакционной смеси, которая предпочтительно содержит катализатор расщепления, т.е. катализатор или промотор стадии реакции, показанной как "расщепление" на ФИГ. 1 и 2. Предпочтительные катализаторы расщепления предусматривают один или несколько активных металлов для расщепления, таких как вольфрам, молибден и/или ванадий, которые могут присутствовать в реакционной смеси в виде соответствующих солей, таких как вольфраматы, молибдаты или ванадаты, которые включают метавольфраматную соль, паравольфраматную соль, метамолибдатную соль, парамолибдатную соль, метаванадатную соль или параванадатную соль. Типичные вольфраматы представляют собой соли металлов группы 1 (щелочные) или металлов группы 2 (щелочноземельные), а также аммонийные соли. Типичными являются соли метавольфрамата аммония и паравольфрамата аммония. Катализатор расщепления (например, метавольфрамат аммония) может присутствовать в реакционной смеси в количестве от 0,1 мол. % до 30 мол. %, от 0,5 мол. % до 10 мол. % или от 1 мол. % до 5 мол. % относительно числа молей субстрата, например, в соответствии с исходной композицией для загрузки реактора в случае периодической реакции или в соответствии с композицией в установившемся состоянии в случае непрерывной реакции. Катализатор расщепления может также, или может в качестве альтернативы, присутствовать в реакционной смеси в таком количестве, чтобы количество моль активного металла для расщепления (например, вольфрама, молибдена или ванадия) могло составлять от 6 мол. % до 50 мол. % или от 10 мол. % до 35 мол. % относительно числа молей субстрата. Другие катализаторы расщепления могут содержать твердые кислоты и/или кислоты Льюиса (например, металлоорганические соединения, включая оловоорганические соединения).Thus, exemplary methods are described herein for synthesizing an α-hydroxycarboxylate end product containing fewer carbon atoms relative to the α-,β-dihydroxycarboxylate starting compound. The methods involve reacting an α-,β-dihydroxycarboxylate starting compound in a reaction mixture that preferably contains a cleavage catalyst, i.e. the catalyst or promoter of the reaction step shown as "cleavage" in FIG. 1 and 2. Preferred cleavage catalysts provide one or more active cleavage metals such as tungsten, molybdenum and/or vanadium, which may be present in the reaction mixture as appropriate salts such as tungstates, molybdates or vanadates, which include the metatungstate salt, paratungstate salt, metamolybdate salt, paramolybdate salt, metavanadate salt or paravanadate salt. Typical tungstates are Group 1 (alkali) or Group 2 (alkaline earth) metal salts, as well as ammonium salts. Salts of ammonium metatungstate and ammonium paratungstate are typical. The cleavage catalyst (for example, ammonium metatungstate) may be present in the reaction mixture in an amount of from 0.1 mol. % up to 30 mol. %, from 0.5 mol. % up to 10 mol. % or from 1 mol. % up to 5 mol. % relative to the number of moles of the substrate, for example, in accordance with the initial composition for loading the reactor in the case of a batch reaction or in accordance with the composition in a steady state in the case of a continuous reaction. The cleavage catalyst may also, or may alternatively, be present in the reaction mixture in such an amount that the number of moles of active metal to be cleaved (eg tungsten, molybdenum or vanadium) can be from 6 mol. % up to 50 mol. % or from 10 mol. % up to 35 mol. % relative to the number of moles of the substrate. Other cleavage catalysts may contain solid acids and/or Lewis acids (eg, organometallic compounds, including organotin compounds).
В соответствии с этими способами α-гидроксикарбоксилатный конечный продукт, такой как молочная кислота, образуется из комбинации расщепления и гидрирования. Дополнительные аспекты настоящего изобретения относятся к обнаружению того, что использование основания, такого как гидроксид, может способствовать превращению по меньшей мере части альдегидного продукта расщепления, такого как глицеральдегид, в дополнительное количество конечного продукта. Например, глицеральдегид можно подвергать дополнительным реакциям, включая реакции, предусматривающие 1,2-гидридный сдвиг или гидридный перенос (реакция Канниццаро), так что он может превращаться или изомеризоваться в дополнительное количество молочной кислоты. Это дополнительное количество конечного продукта может быть выражено относительно количества на исходном уровне, в котором основание отсутствует или в ином случае находится в номинальном количестве. Дополнительное количество конечного продукта может представлять собой увеличение на по меньшей мере 10 мол. %, на по меньшей мере 20 мол. % или на по меньшей мере 50 мол. % относительно количества на исходном уровне. Таким образом, реакционная смесь может содержать основание, такое как гидроксид, для способствования получению такого дополнительного количества конечного продукта. Типичные гидроксиды включают гидроксид аммония, а также гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, такие как гидроксид лития, гидроксид натрия, гидроксид калия и т.д., причем гидроксид лития является предпочтительным.According to these methods, an α-hydroxycarboxylate end product, such as lactic acid, is formed from a combination of cleavage and hydrogenation. Additional aspects of the present invention relate to the discovery that the use of a base, such as a hydroxide, can help convert at least a portion of the aldehyde cleavage product, such as glyceraldehyde, into an additional amount of the final product. For example, glyceraldehyde can be subjected to additional reactions, including reactions involving 1,2-hydride shift or hydride transfer (Cannizzaro reaction), so that it can be converted or isomerized to additional lactic acid. This additional amount of the final product can be expressed relative to the amount at the original level, in which the base is absent or otherwise in a nominal amount. An additional amount of the final product may be an increase of at least 10 mol. %, at least 20 mol. % or at least 50 mol. % relative to the amount at the initial level. Thus, the reaction mixture may contain a base, such as a hydroxide, to help produce such an additional amount of the final product. Typical hydroxides include ammonium hydroxide, as well as alkali and alkaline earth metal hydroxides such as lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, etc., with lithium hydroxide being preferred.
Конкретные способы направлены на синтез молочной кислоты из α-, β-дигидроксикарбоксилатного исходного соединения с более чем 3 атомами углерода, такого как соль глюконата (или обычно 2,3,4,5,6-пентагидроксигексаноата); 2,3,4,5-тетрагидрокси-6-оксогексаноата; глюкарата (или обычно 2,3,4,5-тетрагидроксигександиоата); 2,3,4,5-тетрагидроксипентаноата; 2,3,4-тригидрокси-5-оксопентаноата; 2,3,4-тригидроксипентандиоата; эритроната (или обычно 2,3,4-тригидроксибутаноата); 2,3-дигидрокси-4-оксобутаноата или тартрата. Как описано в данном документе, типичные способы включают дегидратацию этого исходного соединения с образованием дикарбонильного промежуточного соединения путем преобразования альфа-гидроксигруппы во вторую карбонильную группу и удаления бета-гидроксигруппы, и расщепление этого дикарбонильного промежуточного соединения путем разрыва связи между бета-атомом углерода и гамма-атомом углерода дикарбонильного промежуточного соединения, соответствующими бета-атому углерода и гамма-атому углерода, относительно карбоксилатной группы исходного соединения с образованием пирувата. Способы дополнительно предусматривают гидрирование или восстановление пирувата с получением молочной кислоты и необязательно дополнительных продуктов превращения, таких как пропиленгликоль или акриловая кислота.Particular methods are directed to the synthesis of lactic acid from an α-,β-dihydroxycarboxylate starting compound with more than 3 carbon atoms, such as a salt of gluconate (or usually 2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoate); 2,3,4,5-tetrahydroxy-6-oxohexanoate; glucarate (or usually 2,3,4,5-tetrahydroxyhexanedioate); 2,3,4,5-tetrahydroxypentanoate; 2,3,4-trihydroxy-5-oxopentanoate; 2,3,4-trihydroxypentanedioate; erythronate (or usually 2,3,4-trihydroxybutanoate); 2,3-dihydroxy-4-oxobutanoate or tartrate. As described herein, exemplary methods include dehydrating this parent compound to form a dicarbonyl intermediate by converting the alpha hydroxy group to a second carbonyl group and removing the beta hydroxy group, and cleaving this dicarbonyl intermediate by breaking the bond between the beta carbon atom and the gamma carbon atom of the dicarbonyl intermediate, corresponding to the beta carbon atom and the gamma carbon atom, relative to the carboxylate group of the parent compound to form pyruvate. The methods further include hydrogenation or reduction of pyruvate to produce lactic acid and optionally additional conversion products such as propylene glycol or acrylic acid.
В соответствии с конкретными вариантами осуществления общий(-ие) выход(-ы) продукта расщепления, второго продукта расщепления или любого конкретного конечного продукта и/или дополнительного продукта превращения, как описано в данном документе, на основе теоретических выходов, проходящих по соответствующим путям, что также описано в данном документе, может обычно составлять по меньшей мере 25 мол. % (например, от 25 мол. % до 90 мол. %), обычно по меньшей мере 35 мол. % (например, от 35 мол. % до 80 мол. %) и часто по меньшей мере 50 мол. % (например, от 50 мол. % до 75 мол. %). Эти выходы могут относиться, например, к (i) любому продукту расщепления общей формулы IIB, такому как пировиноградная кислота или любой другой конкретный продукт расщепления этой общей формулы, описанный в данном документе, (ii) любому второму продукту расщепления общей формулы IIC, такому как глицерин или любой другой конкретный второй продукт расщепления этой общей формулы, описанный в данном документе, (iii) любому конечному продукту общей формулы IIIB, такому как молочная кислота или любой другой конкретный конечный продукт этой общей формулы, описанный в данном документе, (iv) любому продукту, полученному в результате превращения (например, гидрирования) второго продукта расщепления общей формулы IIC, такому как глицерин или любой другой такой конкретный продукт превращения, описанный в данном документе, и/или (v) любому дополнительному продукту превращения, такому как пропиленгликоль или акриловая кислота, описанному в данном документе.In accordance with specific embodiments, the overall yield(s) of the cleavage product, the second cleavage product, or any particular end product and/or additional conversion product, as described herein, based on the theoretical yields through the respective pathways, which is also described in this document, can usually be at least 25 mol. % (for example, from 25 mol.% to 90 mol.%), usually at least 35 mol. % (for example, from 35 mol.% to 80 mol.%) and often at least 50 mol. % (for example, from 50 mol.% to 75 mol.%). These yields may refer, for example, to (i) any cleavage product of general formula IIB, such as pyruvic acid or any other specific cleavage product of this general formula described herein, (ii) any second cleavage product of general formula IIC, such as glycerin or any other specific second cleavage product of this general formula described herein, (iii) any end product of general formula IIIB such as lactic acid or any other specific end product of this general formula described herein, (iv) any product resulting from the conversion (for example, hydrogenation) of the second cleavage product of general formula IIC, such as glycerol or any other such specific conversion product described herein, and/or (v) any additional conversion product, such as propylene glycol or acrylic acid described in this document.
Реакционная смесь, которая предпочтительно представляет собой водную реакционную смесь, может дополнительно содержать катализатор гидрирования, такой как твердый (гетерогенный) катализатор. Типичный катализатор гидрирования может содержать один или несколько активных металлов для гидрирования, выбранных из групп 8-11 Периодической таблицы, таких как, например, рутений (Ru), кобальт (Со), никель (Ni), платина (Pt), палладий (Pd) или золото (Au). Предпочтительным активным металлом для гидрирования является рутений. Катализатор может также содержать твердую подложку для активного(-ых) металла(-ов) для гидрирования, при этом металлы диспергированы на твердой подложке в соответствии с распределением, например, предпочтительно вблизи наружной поверхности твердой подложки или иным образом фактически равномерно по всей пористой твердой подложке, в зависимости от конкретной используемой техники получения катализатора (например, пропитка с помощью испарения раствора активного металла для гидрирования). Предпочтительно, активный металл для гидрирования или такие металлы в комбинации присутствует/присутствуют в количестве от 1 вес. % до 15 вес. % или от 2 вес. % до 10 вес. % в пересчете на общий вес катализатора гидрирования.The reaction mixture, which is preferably an aqueous reaction mixture, may further contain a hydrogenation catalyst such as a solid (heterogeneous) catalyst. A typical hydrogenation catalyst may contain one or more hydrogenation active metals selected from groups 8-11 of the Periodic Table, such as, for example, ruthenium (Ru), cobalt (Co), nickel (Ni), platinum (Pt), palladium (Pd ) or gold (Au). The preferred active metal for hydrogenation is ruthenium. The catalyst may also comprise a solid support for the active metal(s) to be hydrogenated, the metals being dispersed on the solid support in a distribution pattern, such as preferably near the outer surface of the solid support or otherwise substantially evenly throughout the porous solid support. , depending on the specific technique used to prepare the catalyst (for example, impregnation by means of evaporation of the active metal solution for hydrogenation). Preferably, the hydrogenation active metal, or such metals in combination, is/are present in an amount of from 1 wt. % up to 15 wt. % or from 2 wt. % up to 10 wt. %, based on the total weight of the hydrogenation catalyst.
Активный(-ые) металл(-ы) для гидрирования могут присутствовать в реакционной смеси в таком количестве, что количество молей активного(-ых) металла(-ов) для гидрирования (например, рутения) составляет от 1 мол. % до 20 мол. % или от 2 мол. % до 10 мол. % относительно количества молей субстрата, например, в соответствии с исходной композицией для загрузки реактора в случае периодической реакции или в соответствии с композицией в установившемся состоянии в случае непрерывной реакции. Твердая подложка предпочтительно является огнеупорной в реакционной смеси и при условиях реакции синтеза, описанных в данном документе. Типичные твердые подложки содержат один или несколько оксидов металлов, таких как оксид алюминия (окись алюминия), оксид кремния (диоксид кремния), оксид титана (диоксид титана), оксид циркония (диоксид циркония), оксид магния (окись магния), оксид стронция (окись стронция) и т.д. Предпочтительной твердой подложкой является углерод. В соответствии с конкретным вариантом осуществления катализатор гидрирования содержит рутений на подложке из углерода, при этом рутений присутствует в количестве, находящемся в указанном выше диапазоне в пересчете на общий вес катализатора и/или в указанном выше диапазоне относительно числа молей субстрата.Active(s) metal(s) for hydrogenation may be present in the reaction mixture in such an amount that the number of moles of active(s) metal(s) for hydrogenation (for example, ruthenium) is from 1 mol. % up to 20 mol. % or from 2 mol. % up to 10 mol. % relative to the number of moles of the substrate, for example, in accordance with the initial composition for loading the reactor in the case of a batch reaction or in accordance with the composition in a steady state in the case of a continuous reaction. The solid support is preferably refractory in the reaction mixture and under the synthesis reaction conditions described herein. Typical solid substrates contain one or more metal oxides such as alumina (alumina), silicon oxide (silicon dioxide), titania (titanium dioxide), zirconium oxide (zirconia), magnesium oxide (magnesium oxide), strontium oxide ( strontium oxide), etc. The preferred solid support is carbon. According to a specific embodiment, the hydrogenation catalyst contains ruthenium on a carbon support, the ruthenium being present in the above range based on the total weight of the catalyst and/or in the above range relative to the number of moles of the substrate.
Условия реакции, при которых реакционная смесь поддерживается при синтезе продукта(-ов) расщепления и/или конечного(-ых) продукта(-ов), включают повышенное давление и парциальное давление водорода. Типичные абсолютные давления в реакторе, как правило, находятся в диапазоне от 2,07 МПа (300 фунтов/кв. дюйм) до 24,1 МПа (3500 фунтов/кв. дюйм), обычно от 3,45 МПа (500 фунтов/кв. дюйм) до 20,7 МПа (3000 фунтов/кв. дюйм) и часто от 10,3 МПа (1500 фунтов/кв. дюйм) до 17,2 МПа (2500 фунтов/кв. дюйм). Давление в реакторе может быть получено главным образом или фактически от водорода, так что эти диапазоны общего давления могут также соответствовать диапазонам парциального давления водорода. Однако присутствие газообразных частиц, испарившихся из реакционной смеси, таких как аммиак и/или водяной пар, может приводить в результате к снижению парциального давления водорода относительно этих общих давлений, так что, например, парциальное давление водорода может обычно находиться в диапазоне от 1,38 МПа (200 фунтов/кв. дюйм) до 22,4 МПа (3250 фунтов/кв. дюйм), обычно от 2,41 МПа (350 фунтов/кв. дюйм) до 19,0 МПа (2750 фунтов/кв. дюйм) и часто от 8,62 МПа (1250 фунтов/кв. дюйм) до 15,5 МПа (2250 фунтов/кв. дюйм).The reaction conditions under which the reaction mixture is maintained during the synthesis of the cleavage product(s) and/or final product(s) include elevated pressure and hydrogen partial pressure. Typical reactor absolute pressures typically range from 2.07 MPa (300 psi) to 24.1 MPa (3500 psi), typically from 3.45 MPa (500 psi . inch) up to 20.7 MPa (3000 psi) and often from 10.3 MPa (1500 psi) to 17.2 MPa (2500 psi). The pressure in the reactor may be derived primarily or in fact from hydrogen, so that these total pressure ranges may also correspond to hydrogen partial pressure ranges. However, the presence of gaseous particles evaporated from the reaction mixture, such as ammonia and/or water vapor, may result in a reduction in the hydrogen partial pressure relative to these total pressures, so that, for example, the hydrogen partial pressure may typically be in the range of 1.38 MPa (200 psi) to 22.4 MPa (3250 psi), typically 2.41 MPa (350 psi) to 19.0 MPa (2750 psi) and often from 8.62 MPa (1250 psi) to 15.5 MPa (2250 psi).
Другие условия реакции включают температуру от 100°С до 350°С и предпочтительно от 130°С до 230°С. Время реакции, т.е. время, в течение которого реакционная смесь поддерживается при условиях давления и температуры на любых целевых значениях или в целевых поддиапазонах в любом из диапазонов давления и температуры, приведенных выше (например, целевое значение общего давления 13,8 МПа (2000 фунтов/кв. дюйм) и целевая температура 160°С), составляет от 0,5 часа до 24 часов и предпочтительно от 1 часа до 5 часов в случае периодической реакции. Для непрерывной реакции это время реакции соответствует времени пребывания в реакторе. Непрерывный режим можно проводить, например, при описанных выше условиях давления и температуры с непрерывной подачей субстрата и водорода и непрерывным отведением реакционной смеси, содержащей продукт(-ы) расщепления и/или конечный(-е) продукт(-ы). Непрерывный режим может также включать непрерывную очистку продуктов расщепления и/или конечных продуктов, непрерывное разделение технологических потоков, содержащих не прореагировавшие газообразные и/или жидкие продукты, и/или непрерывная рециркуляция одного или нескольких таких технологических потоков назад в реакционную смесь, находящуюся в реакторе синтеза. В случае операции рециркуляции выходы продукта(-ов) расщепления и/или конечного(-ых) продукта(-ов), как описано выше, будут соответствовать "однократному" или "за проход" выходу, при этом более высокие общие выходы возможны из-за рециркуляции.Other reaction conditions include temperatures from 100°C to 350°C and preferably from 130°C to 230°C. Response time, i.e. the time that the reaction mixture is maintained under pressure and temperature conditions at any of the target values or within the target sub-ranges in any of the pressure and temperature ranges above (for example, a total pressure target of 13.8 MPa (2000 psi) and target temperature 160°C) is from 0.5 hour to 24 hours and preferably from 1 hour to 5 hours in case of batch reaction. For a continuous reaction, this reaction time corresponds to the residence time in the reactor. Continuous mode can be carried out, for example, under the conditions of pressure and temperature described above with continuous supply of substrate and hydrogen and continuous withdrawal of the reaction mixture containing the product(s) of the split and/or end product(s). Continuous operation may also include continuous purification of cleavage products and/or end products, continuous separation of process streams containing unreacted gaseous and/or liquid products, and/or continuous recycling of one or more such process streams back to the reaction mixture located in the synthesis reactor. . In the case of a recycle operation, the yields of the cleavage product(s) and/or final product(s) as described above will correspond to a "single" or "per pass" yield, with higher overall yields being possible due to for recycling.
Пример 1Example 1
Глюконат натрия (10 грамм) объединяли со 100 мл воды, 2,5 мол. % коммерческого катализатора рутения на угле относительно субстрата глюконата натрия, 2,5 г или 2 мол. % вольфрамата в виде гидрата метавольфрамата аммония и 1 эквивалента гидроксида лития в 450 куб. реакторе Парра высокого давления Hastelloy® С2000. Реактор продували три раза с помощью азота при 6,9 МПа (1000 фунтов/кв. дюйм), затем три раза с помощью водорода при 6,9 МПа (1000 фунтов/кв. дюйм). После третьей продувки водородом в реакторе повышали давление до 3,4 МПа (500 фунтов/кв. дюйм) с помощью водорода и начинали перемешивание при 700 об/мин. с нагреванием до 180 градусов Цельсия. Как только достигалась температура реакции, - добавляли дополнительный водород с получением 9,0 МПа (1300 фунтов/кв. дюйм) водорода в емкости. Через два часа содержимое реактора охлаждали до комнатной температуры путем гашения в бане с ледяной водой, снижали давление в реакторе и содержимое отфильтровывали для извлечения катализатора, а затем образцы силилировали для анализа с помощью GC/MS с использованием N,O-бис(триметилсилил)трифторацетамида (BSTFA) и триметилхлорсилана (TMCS) в пиридине. Анализ показал более чем 99% конверсию субстрата, и при этом получали 14,1 весового процента молочной кислоты (выход 38,4 мол. процента), 1,6 весового процента глицерина (выход 4,3 мол. процента), 3,4 весового процента этиленгликоля (выход 13,5 мол. процента) и 5,2 весового процента пропиленгликоля (выход 16,8 мол. процента).Sodium gluconate (10 grams) was combined with 100 ml of water, 2.5 mol. % commercial catalyst ruthenium on carbon relative to the substrate sodium gluconate, 2.5 g or 2 mol. % tungstate in the form of ammonium metatungstate hydrate and 1 equivalent of lithium hydroxide in 450 cc. high pressure Parr reactor Hastelloy® C2000. The reactor was purged three times with nitrogen at 6.9 MPa (1000 psi), then three times with hydrogen at 6.9 MPa (1000 psi). After a third hydrogen purge, the reactor was pressurized to 3.4 MPa (500 psi) with hydrogen and agitation started at 700 rpm. with heating up to 180 degrees Celsius. Once the reaction temperature was reached, additional hydrogen was added to produce 9.0 MPa (1300 psi) of hydrogen in the vessel. After two hours, the contents of the reactor were cooled to room temperature by quenching in an ice water bath, the pressure in the reactor was reduced and the contents were filtered to recover the catalyst, and then the samples were silylated for analysis by GC/MS using N,O-bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide (BSTFA) and trimethylchlorosilane (TMCS) in pyridine. Analysis showed greater than 99% substrate conversion, yielding 14.1 weight percent lactic acid (38.4 mole percent yield), 1.6 weight percent glycerol (4.3 mole percent yield), 3.4 wt. percent ethylene glycol (yield 13.5 mole percent) and 5.2 weight percent propylene glycol (yield 16.8 mole percent).
Пример 2Example 2
Использовали устройство и протокол из примера 1, за исключением того, что использовали водород при 13,8 МПа (2000 фунтов/кв. дюйм) и не добавляли гидроксид лития. Более чем 98% субстрата превращалось в продукты, включая 0,6 весового процента молочной кислоты (выход 1,6 мол. процента), 3,3 весового процента глицерина (выход 8,8 мол. процента), 1,2 весового процента этиленгликоля (выход 4,8 мол. процента) и 1,0 весового процента пропиленгликоля (выход 3,2 мол. процента).The apparatus and protocol of Example 1 was used, except that hydrogen was used at 13.8 MPa (2000 psi) and no lithium hydroxide was added. More than 98% of the substrate was converted to products, including 0.6 wt% lactic acid (yield 1.6 mole percent), 3.3 wt% glycerol (yield 8.8 mole percent), 1.2 wt% ethylene glycol ( yield 4.8 mole percent) and 1.0 weight percent propylene glycol (yield 3.2 mole percent).
Пример 3Example 3
Условия примера 2 повторяли, за исключением того, что вольфрамат не использовали и использовали азот вместо водорода для повышения давления в реакторе. Молярное превращение субстрата снижалось до 92,7%. Продукты включали 4,97 весового процента молочной кислоты (выход 13,1 мол. процента), 5,3 весового процента глицерина (выход 13,7 мол. процента), 1,5 весового процента этиленгликоля (выход 5,7 мол. процента) и 2,1 весового процента пропиленгликоля (выход 6,5 мол. процента).The conditions of Example 2 were repeated except that no tungstate was used and nitrogen was used instead of hydrogen to pressurize the reactor. The molar conversion of the substrate was reduced to 92.7%. Products included 4.97 weight percent lactic acid (yield 13.1 mole percent), 5.3 weight percent glycerol (yield 13.7 mole percent), 1.5 weight percent ethylene glycol (yield 5.7 mole percent) and 2.1 weight percent propylene glycol (yield 6.5 mole percent).
Пример 4Example 4
Для этого примера не использовали ни вольфрамат, ни коммерческий катализатор рутений на угле, и азот использовали снова вместо водорода, за исключением того, что использовали при давлении 1,0 МПа (150 фунтов/кв. дюйм). Происходило полное превращение субстрата, при этом продукты включали 1,29 весового процента молочной кислоты (выход 3,4 мол. процента), 4,8 весового процента пировиноградной кислоты (выход 13,11 мол. процента) и 0,3 весового процента 5-гидроксиметил-2-фуранкарбоновой кислоты (HMFCA) (выход 4,7 мол. процента), однако не было заметных глицерина, этиленгликоля или пропиленгликоля.For this example, neither tungstate nor commercial ruthenium-carbon catalyst was used, and nitrogen was used again in place of hydrogen, except that it was used at 1.0 MPa (150 psi). Complete conversion of the substrate occurred, with the products comprising 1.29 weight percent lactic acid (yield 3.4 mole percent), 4.8 weight percent pyruvic acid (yield 13.11 mole percent) and 0.3 weight percent 5- hydroxymethyl-2-furancarboxylic acid (HMFCA) (yield 4.7 mole percent), but no glycerol, ethylene glycol or propylene glycol was noticeable.
Пример 5Example 5
Для этого примера в качестве субстрата использовали 10 г эритроната кальция, водород использовали снова при 13,8 МПа (2000 фунтов/кв. дюйм) и в отношении субстрата использовали снова 2,5 мол. процента коммерческого катализатора рутения на угле и 2 мол. процента вольфрамата. Через 2 часа при 180 градусах Цельсия весь субстрат превращался и продукты включали 0,9 весового процента молочной кислоты (выход 1,7 мол. процента), 11,7 весового процента глицерина (выход 22,2 мол. процента), 0,7 весового процента этиленгликоля (выход 2,0 мол. процента) и 1,8 весового процента пропиленгликоля (выход 4,1 мол. процента).For this example, 10 g calcium erythronate was used as substrate, hydrogen was used again at 13.8 MPa (2000 psi) and 2.5 mol % was used again in relation to substrate. percent commercial catalyst ruthenium on coal and 2 mol. percent tungstate. After 2 hours at 180 degrees Celsius, all of the substrate was converted and the products included 0.9 weight percent lactic acid (yield 1.7 mole percent), 11.7 weight percent glycerol (yield 22.2 mole percent), 0.7 wt. percent ethylene glycol (yield 2.0 mole percent) and 1.8 weight percent propylene glycol (yield 4.1 mole percent).
В общем, аспекты настоящего изобретения относятся к применению способов синтеза, описанных в данном документе, для получения продукта(-ов) расщепления и/или конечного(-ых) продукта(-ов) из легкодоступных или легко получаемых субстратов. Конечные продукты и необязательно дополнительные продукты превращения, как описано в данном документе, можно получать в результате дальнейшего превращения продуктов расщепления (включая вторые продукты расщепления, как описано в данном документе) или in situ, или на дополнительной, отдельной стадии реакции. Продукт(-ы) расщепления и/или конечный(-ые) продукт(-ы) имеют меньшее число атомов углерода по отношению к субстратам, используемым для получения этих продуктов. Эти способы могут предпочтительно преодолевать различные недостатки обычных способов. Специалисты в данной области со знаниями, полученными из настоящего изобретения, признают, что различные изменения могут быть сделаны в этих способах для достижения этих и других преимуществ без отклонения от объема настоящего изобретения. Таким образом, следует понимать, что признаки настоящего изобретения подвергаются модификациям и/или замещениям без отклонения от объема настоящего изобретения. Конкретные варианты осуществления, показанные и описанные в данном документе, представлены только с иллюстративными целями и не ограничивают настоящее изобретение, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.In general, aspects of the present invention relate to the use of the synthetic methods described herein to obtain cleavage product(s) and/or final product(s) from readily available or readily obtainable substrates. End products and optionally additional conversion products, as described herein, can be obtained from further conversion of cleavage products (including second cleavage products, as described herein) either in situ or in an additional, separate reaction step. The cleavage product(s) and/or final product(s) have a lower number of carbon atoms relative to the substrates used to obtain these products. These methods can advantageously overcome various disadvantages of conventional methods. Those skilled in the art, with the knowledge derived from the present invention, will recognize that various modifications can be made to these methods to achieve these and other benefits without departing from the scope of the present invention. Thus, it should be understood that the features of the present invention are subject to modifications and/or substitutions without deviating from the scope of the present invention. The specific embodiments shown and described herein are for illustrative purposes only and do not limit the present invention as set forth in the appended claims.
Claims (9)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US62/657,409 | 2018-04-13 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020135596A RU2020135596A (en) | 2022-05-13 |
RU2801218C2 true RU2801218C2 (en) | 2023-08-03 |
Family
ID=
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2014151793A (en) * | 2012-05-22 | 2016-07-10 | Торэй Индастриз, Инк. | METHOD FOR PRODUCING LACTIC ACID |
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2014151793A (en) * | 2012-05-22 | 2016-07-10 | Торэй Индастриз, Инк. | METHOD FOR PRODUCING LACTIC ACID |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Chattaway F. D., & Ray F. E. (1921). II.-The decomposition of tartaric acid by heat. J. Chem. Soc., Trans., 119(0), 34-37. Allen B.B., Journal of the American Chemical Society, 1939, vol. 61, p. 845. Rizescu C., Podolean I., Albero J., Parvulescu V. I., Coman S. M., Bucur C., Garcia H. (2017). N-Doped graphene as a metal-free catalyst for glucose oxidation to succinic acid. Green Chemistry, 19(8), 1999-2005. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6518060B2 (en) | Glucalic acid production process | |
WO2009077831A1 (en) | Method for obtaining alcohol from an aldehyde | |
AU2012351177A1 (en) | Method for the purpose of a catalytic condensation or coupling | |
EP2900648A1 (en) | Method for synthesising 2,5-di(hydroxymethyl)furan and 2,5-di(hydroxymethyl)tetrahydrofuran by selective hydrogenation of furan-2,5-dialdehyde | |
CN112074500B (en) | Dehydration and cleavage of alpha, beta-dihydroxycarbonyl compounds to lactic acid and other products | |
RU2801218C2 (en) | Dehydration and splitting of alpha-, beta-dihydroxycarbonyl compounds to lactic acid and other products | |
WO2008049440A1 (en) | Production of organic solvents, monomers and polymers from fermentable carbohydrate materials | |
AU2019253285B2 (en) | Dehydration and amination of alpha-, beta-dihydroxy carbonyl compounds to alpha-amino acids | |
WO2017100402A1 (en) | One-pot synthesis of anhydropentitol esters from pentitols, catalyzed by water-tolerant lewis acids | |
WO2007094471A1 (en) | Methanol synthesis catalyst, method for producing such catalyst and method for producing methanol | |
RU2785876C2 (en) | Dehydration and amination of alpha-, beta-dihydroxycarbonyl compounds to alpha-amino acids | |
JP7446239B2 (en) | Dehydration and cyclization of alpha-,beta-dihydroxycarbonyl compounds to 2-substituted furan derivatives | |
EP2943459A1 (en) | Production of acrylic acid | |
EP2943457B1 (en) | Production of methacrylic acid | |
US9334220B2 (en) | Production of acrylic acid | |
JPH08245477A (en) | Production of formaldehyde by catalytic hydrogenation of carbon dioxide | |
WO2023212665A2 (en) | Compositions and methods for production of high value chemicals from ethanol |