转化方法 本发明涉及一种使纤维素水解，以生成其水溶性单糖、二糖和低聚糖衍生物的方法。
纤维素是地球上最丰富的生物可再生材料。纤维素由β-D-葡萄糖结构单元通过1-4糖苷键重复连接所形成的多分散性线型聚合物链组成。这些线型聚合物链形成不溶于水和大多数常见有机溶剂的氢键键合的超分子结构。已知纤维素的水解生成单糖、二糖和低聚糖产物，其中葡萄糖通常是主要的水解产物。这些产物可以发酵而生成用作燃料或燃料组分的醇。
纤维素
β-D-葡萄糖
葡萄糖特别是用于发酵成乙醇和其它化学品的重要中间体；因而，纤维素的糖化在生物燃料的开发中具有重要性。
可以将化学的、酶的、微生物的和大生物的催化剂用于在被选择为在热力学上对产物生成有利的条件下加速纤维素的水解。在“聚合物科学技术百科全书(The Encyclopaedia of Polymer Science and Technology)”，第2版，J.I.Kroschwitz(主编)，Wiley(New York)，1985中讨论了纤维素的化学和酶水解。因此，可以利用水解纤维素酶(纤维素酶)或所收的丝状真菌如木霉菌属(Trichoderma sp)使纤维素水解。然而，通过化学方法使纤维素水解存在许多问题。一般而言，此类方法涉及以下两条途径之一：在高温和高压下(＞100℃)的稀酸处理和/或浓酸预处理，这在“Trends inNew Corps and New Uses”，J.Janick和A.Whipkey(编辑)，ASHS Press，Alexandria VA，2002，17-21中的“Cellulose to Ethanol：A General Review”，P.C.Badger中有描述。稀酸处理在高温、压力下进行(例如，在237℃使用1％硫酸)。浓酸处理通常以10％的初始酸浓度开始，该浓度在100℃和环境压力下通过脱水升高到70％。
由于与这些已知方法相关联的低收率和/或极端条件，仍然需要通过化学手段使纤维素水解的改进方法。具体地，需要可以在相对温和的条件下进行以提供足够高的成糖转化率的相对快速反应。
已知纤维素可以被溶解在某些离子液体中。例如，美国专利6,824,599公开了可以将纤维素溶解在基本上不存在水或含氮碱的亲水性离子液体中，从而形成混合物，随后将其搅拌直到溶解完全，而WO 2005/017001公开了可以在微波辐射下和/或在压力下，将木材、麦秆和其它天然木质纤维素材料溶解在某些离子液体中。本发明人现已发现某些含有某些特定阴离子的离子液体可以被用于纤维素水解的方法中。
因此，本发明提供一种用于制备水溶性纤维素水解产物的方法，所述方法包括：混合纤维素以及能够将至少一些所述的纤维素溶剂化或溶解的离子液体，所述离子液体为仅包含阳离子和阴离子的化合物，所述化合物在150℃以下的温度以液态形式存在，并且其中所述阴离子选自硫酸根、硫酸氢根和硝酸根；和在水的存在下，将所得到的溶剂化物或溶液用酸处理，所述酸在25℃的水中具有小于2的pKa。
除了上下文另有要求以外，在整个说明书和权利要求中，术语“纤维素”应被理解为包括未处理形式或纯化形式的纤维素本身和含有纤维素的材料。要被水解的纤维素可以是已被精制到任何所需程度的纤维素，或者其可以是未处理或经部分处理的纤维素材料，如纤维素生物质或城市垃圾。其可以以任何经得起被液体润湿的形式使用。例如，纤维素可以存在于或来源于：木材(特别是，木屑和木浆)、棉、人造纤维、醋酸纤维素、纸、棉绒、草如玉米秸秆或柳枝稷(switch grass)、或甘蔗渣(甘蔗残渣)。
在本发明的方法中使用的酸是强酸，其在25℃的水中具有小于2，优选小于1，优选0以下的pKa。pKa为0的酸在水中完全解离，并且在本发明中优选使用这样的酸。本发明中使用的酸为布朗斯台德(或质子)类型。合适的酸包括例如卤化氢、硫酸、硝酸、强卤代羧酸、卤代磺酸、四氟硼酸、杂多酸、芳基磺酸和烷基磺酸、以及卤代烷基磺酸和卤代芳基磺酸。合适的酸的实例包括例如，三氟乙酸、对甲苯磺酸、三氟甲磺酸(triflicacid)、三氯甲磺酸、盐酸、氢溴酸、氢碘酸、四氟硼酸、以及硫酸。优选的酸为硫酸和盐酸，特别是硫酸。
所述酸可以以水溶液形式，例如稀释水溶液形式加入，或者如果需要可以为无水的。为了使水解反应如下面所解释的那样发生，需要一些水，并且其可以存在于反应混合物中和/或与酸一起加入。可以使用酸的混合物，条件是至少一种酸具有所需的酸强度，或者该混合物具有所需的酸强度。除了质子酸以外，如果需要也可以向反应混合物中加入路易斯酸。合适的路易斯酸包括强质子酸(pKa小于约0)的金属盐，其中金属为例如锂、钾、镁、锌、铜、铝、锡、锑、铁、镍或镧。此类盐的合适实例包括，例如金属卤化物，例如氯化铝(III)、氯化镓(III)、氯化铟(III)和氯化锌(II)；三氟甲磺酸盐，例如三氟甲磺酸锂、三氟甲磺酸钠、三氟甲磺酸镁、三氟甲磺酸锌、三氟甲磺酸铝、三氟甲磺酸锡(II)和三氟甲磺酸铜(II)；四氟硼酸盐，例如四氟硼酸锌(II)、四氟硼酸银(II)、四氟硼酸铁(II)和四氟硼酸镍(II)；以及磺酸盐，例如对甲苯磺酸锌。
优选地，使用催化量的酸。例如，酸在反应混合物中的浓度可以为0.1-10重量％。如果在加入酸之前反应混合物含有任何碱性物质，则一些初始加入的酸将被中和，考虑到这点，需要加入足够的酸。
本发明的方法适当地进行，直至所需部分的纤维素转化为水溶性衍生物。适宜地，使用酸的处理进行至多96小时，优选少于24小时，更优选少于5小时，并且最优选少于1小时。
本发明的方法可以在任何合适的温度进行。当然，纤维素与离子液体的混合必须在离子液体实际上为液体的温度下进行。如果需要，可以通过加热将随后与酸的反应加速；例如，该反应可以在50至200℃，优选70至150℃，例如90至95℃范围内的温度进行。可以通过任何合适方法，例如使用常规热方法、微波加热或使用其它来源，如超声或红外辐射完成加热。优选该反应在大气压下进行。
在本发明的方法中使用的离子液体为由阳离子和阴离子组成的化合物，并且所述化合物在150℃以下，优选100℃以下，例如在-100℃至150℃、优选-10至100℃的范围内的温度为液态。必需的是，所述离子液体应当能够将至少部分纤维素溶解，或者应当能够将至少部分纤维素溶剂化。优选地，选择的离子液体是纤维素在其中至少具有一些溶解度的离子液体。当以生物质的形式使用纤维素时，溶剂化通常导致生物质的溶胀，并且在处理生物质时，这可以是优选的操作模式。作为选择，可以选择纤维素在其中易于溶解的离子液体。关于纤维素与离子液体的混合，可以将条件选择为使得纤维素被离子液体溶剂化；基本上全部纤维素溶解，从而形成均匀溶液；或部分纤维素溶解而部分保持未溶解。特别是在后一种情况中，如果需要，可以通过任何适合的方法将残余固体材料从纤维素在离子液体中的溶液中除去。作为选择，可以不经另外的处理而使用混合物。适宜地，选择其中发生简单的溶剂化或溶解，即在没有纤维素衍生的情况下的溶剂化或溶解的离子液体。当然，在本发明的方法所使用的强酸的存在下，离子液体应当是充分惰性的；含有中和酸的碱性基团的离子液体是不适宜的。
离子液体的阴离子必须为硫酸根、硫酸氢根或硝酸根。阴离子优选为硫酸根或硫酸氢根。最令人吃惊的是，已经发现以前表现出溶解纤维素的含其它阴离子如羧酸根的离子液体的使用不导致令人满意的纤维素的水解。
在US 6,284,599中公开了在本发明的方法中所使用的离子液体中可以存在的优选阳离子。离子液体的阳离子优选为环状的，优选包含选自下列中的任选取代的阳离子：吡啶鎓、哒嗪鎓、嘧啶鎓、吡嗪鎓、咪唑鎓、吡唑鎓、噁唑鎓、三唑鎓、噻唑鎓、哌啶鎓、吡咯烷鎓、喹啉鎓和异喹啉鎓；并且其结构优选与选自由下列各项组成的组中的结构式相对应：
吡啶鎓 哒嗪鎓 嘧啶鎓 吡嗪鎓
咪唑鎓 吡唑鎓 噁唑鎓
1，2，3-三唑鎓 1，2，4-三唑鎓 噻唑鎓
哌啶鎓 吡咯烷鎓
喹啉鎓 异喹啉鎓
其中R1和R2独立为C1-C6烷基或C1-C6烷氧基烷基，并且当存在R3、R4、R5、R6、R7、R8和R9(R3-R9)时，R3-R9独立地选自氢、C1-C6烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷氧基。更优选地，R1和R2基团均为C1-C4烷基，其中一个优选为甲基，并且当存在R3-R9时，R3-R9优选为氢。示例性的C1-C6烷基包括甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、伸丁基、异丁基、戊基、异戊基、己基、2-乙基丁基、2-甲基戊基等。相应的C1-C6烷氧基包含结合在氧原子上的上述C1-C6烷基，该氧原子还结合在阳离子环上。烷氧基烷基包含结合到烷基上的醚基，并且在此包含总共至多六个碳原子。应当指出存在两种同分异构的1，2，3-三唑。优选所有对于形成阳离子不需要的R基团为氢。
因为不是所有阳离子都具有全部的编号基团，因此对于取代基R，在此使用短语“当存在时”。所有被考虑的阳离子包含至少四个R基团，但是R2不需要在所有阳离子中存在。
更优选包含不与其它环结构稠合的单个五元环的阳离子，例如，特别优选式A的咪唑鎓阳离子，其中R1、R2和R3-R5如前面所限定；优选离子液体中的阴离子为上述所给出的那些中的一种，特别是卤素或拟卤素。
更特别优选的阳离子为1，3-二-(C1-C6烷基或C1-C6烷氧基烷基)取代的咪唑鎓离子；即，这样的咪唑鎓离子，其中式A的R3-R5各自为氢，并且R1和R2各自独立为C1-C6烷基或C1-C6烷氧基烷基。还更优选1，3-二-C1-C6烷基R1或R2中的一个为甲基。
最优选的是1-(C1-C6-烷基)-3-甲基-咪唑鎓[Cn-mim，其中n＝1-6]阳离子。下面由结构与式B相符的化合物示出最优选的阳离子，其中式A的R3-R5各自为氢，并且R1为C1-C6烷基或C1-C6烷氧基烷基。
也优选与上述讨论的咪唑鎓阳离子相似的吡啶鎓阳离子，例如1-C1-6烷基吡啶鎓阳离子。因此，特别优选的阳离子为1-甲基-3-C1-6烷基咪唑鎓或1-C1-6烷基吡啶鎓阳离子。C1-6烷基优选为C1-4烷基，例如甲基或乙基。
典型地，将纤维素以至少5重量％的量，优选以5至约35重量％，例如5至25重量％，特别是10至约25重量％的量与离子液体混合。
在化学计量上，对于纤维素中的每一个单体单元，水解反应需要存在一摩尔当量的水。纤维素本身含有一定量的水，精确的量取决于纤维素的来源和物理形态；制备的纤维素通常含有至少10-15重量％的水。如果使用酸水溶液，则更多的水被加入反应混合物中。然而，反应混合物中过高的水量可能导致纤维素在离子溶液中的溶解度降低，和/或纤维素向水溶性水解产物的转化率降低。反应体系中的总含水量优选为使得水与纤维素的重量比为1∶1至1∶20，优选1∶5至1∶15，特别为约1∶10这样的总含水量。
如果需要，反应混合物中，可以与纤维素和离子液体一起存在额外的与离子液体相容的共溶剂，例如，用以改变反应混合物的粘度。适合的溶剂包括非碱性极性溶剂，例如二甲亚砜、二甲基甲酰胺和环丁砜。
如前所述，纤维素可以被精制，或者直接得自纤维素生物质、城市垃圾或其它来源。纤维素的水解的水溶性产物包括(a)具有3至10个D-葡萄糖单元的水溶性低聚糖；(b)纤维素二糖；(c)单糖，如葡萄糖和果糖；以及(d)葡萄糖衍生物，如左旋葡聚糖、左旋葡萄糖酮(levoglucosenone)、3-乙酰丙酸、甲酸、2-糠醛、5-羟甲基-2-糠醛、5-甲基-2-糠醛、2，3-丁二酮、乙醇醛、乙二醛、2-呋喃基-羟甲基酮和丙酮醛(pyruval)。一般而言，使用本发明的方法可获得的大部分所需产物是葡萄糖和/或其水溶性低聚物。
当纤维素向产物的转化进行到所需程度时，可以通过任何合适的方法对反应混合物进行处理。例如，可以向反应混合物加入水或其它溶剂，如醇，例如乙醇，以沉淀出任何残余纤维素或任何不溶性的水解产物。当离子液体为亲水性的并且加入水时，可以制备离子液体和水溶性水解产物的水溶液。优选地，在本发明的方法中至少部分回收并再利用在本发明的方法中所使用的离子液体。如果需要，可以通过任何合适方法分离任何固体材料，例如包含未溶解或未转化的纤维素和/或不溶于水的纤维素水解产物的固体材料，并且如果需要，将其再循环到方法的起点。
作为选择，可以在处理反应产物所需的任何后续步骤中直接使用反应混合物或其任何部分。
在本发明方法的一个优选实施方案中，进行所形成产物的后续处理以制备适于用作生物燃料的低级醇，特别是乙醇。因此，在另外的一个实施方案中，本发明提供用于制备一种或多种醇的方法，所述方法包括：混合纤维素以及能够将至少一些所述的纤维素溶剂化或溶解的离子液体，所述离子液体为仅包含阳离子和阴离子的化合物，所述化合物在150℃以下的温度以液态形式存在，并且其中所述阴离子选自硫酸根、硫酸氢根和硝酸根；和在水的存在下，将所得到的溶剂化物或溶液用酸处理，所述酸在25℃的水中具有小于2的pKa；以及将所得到的产物的至少一部分转化为一种或多种醇。例如可以通过发酵将水溶性的纤维素水解产物转化为醇。
以下实施例举例说明了本发明。
实施例1
将10g的硫酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓(Emim2SO4)放置在圆底烧瓶中并且加热至100℃，通过这样使其熔融。通过注射器逐滴加入0.25ml的浓H2SO4，一段时间之后分两次加入0.5g芒属(Miscanthus)(研磨至0.5mm)并且将搅拌速度设定为最大值以有效率地进行底物的润湿。定期地取样并且通过折射率高效液相色谱分析。在60分钟之后，含有葡萄糖端基的水溶性产物的收率为18％。
实施例2
重复实施例1的方法，不同之处在于在加入Miscanthus 2分钟之后，使用注射器将5ml水加入反应混合物中。在60分钟之后，含有葡萄糖端基的水溶性产物的收率为30％。
实施例3
将5g的硫酸氢乙基吡啶鎓放置在圆底烧瓶中并且加热至100℃。通过注射器逐滴加入0.25ml的浓HCl，一段时间之后分两次加入0.25g蒲苇属(Cortaderia)(研磨至0.5mm)并且将搅拌速度设定为最大值以有效率地进行底物的润湿。2分钟之后，通过注射器加入5ml水。定期地取样并且通过折射率高效液相色谱分析。在5分钟之后，含有葡萄糖端基的水溶性产物的收率为22.5％。
实施例4
重复实施例3的方法，不同之处在于使用的温度为75℃。在90分钟之后，含有葡萄糖端基的水溶性产物的收率为20％。
实施例5(比较)
将0.25g的纤维状纤维素在110℃溶解于2g的乙酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓。向其加入0.3mL的浓HCl并且在5、15、30、90和180分钟之后对反应混合物进行取样。通过折射率HPLC或通过DNS分析没有检测到葡萄糖产物。
实施例6(比较)
将5g的二(三氟甲磺酰)亚氨1-乙基-3-甲基咪唑鎓(Emim.NTf2)放置在圆底烧瓶中并且加热至100℃，通过这样使其熔融。通过注射器逐滴加入0.125ml的浓H2SO4，一段时间之后分两次加入0.5g Miscanthus(研磨至0.5mm)并且将搅拌速度设定为最大值以有效率地进行底物的润湿。定期地取样并且通过折射率高效液相色谱分析。在60分钟之后，含有葡萄糖端基的水溶性产物的收率极低，为0.6％。重复该试验，并且在加入Miscanthus 2分钟之后加入2ml水仅略微提高收率(在60分钟之后至0.7％)。