相关申请的引用
本申请要求2009年6月13日提交的美国临时申请第61/268,414号的 权益，该临时申请的全部公开内容通过引用并入本文。
发明领域
本发明通常涉及用于将碳水化合物源化学催化转化为己二酸产物的工 艺。本发明包括用于将碳水化合物源经由呋喃基质例如2，5-呋喃二羧酸或 其衍生物转化为己二酸产物的工艺。本发明还包括用于生产己二酸产物的 工艺，该工艺包括将呋喃基质催化加氢以产生四氢呋喃基质和将四氢呋喃 基质的至少一部分催化加氢脱氧为己二酸产物。本发明还涉及用于由己二 酸产物制备工业化学品例如己二腈、六亚甲基二胺、己内酰胺、己内酯、 己二酸酯、1，6-己二醇、聚酰胺(例如，尼龙)和聚酯的工艺，己二酸产物由 包括四氢呋喃基质的催化加氢脱氧的工艺获得。本发明还涉及由通过本发 明的工艺生产的己二酸产物生产的这些工业化学品。
发明背景
至少最近四十年，科学和经济界的专家已经预测，减少石油化学资源 生产全世界所需的能量和基于化学品的材料的可用性。幸运地，对大部分 该时期，新发现的石油储量以及石油生产和转化技术的进步已经使这些资 源和可由其生产的产品的供应能够基本上跟上不断增加的需求。然而，最 近，世界上人口最多的国家中国和印度的快速的工业化速率，加上生产石 油区域(最显著地，中东、尼日利亚和委内瑞拉)中的增加的政治不稳定性， 已经将油价格推到最高纪录水平，不利地影响美国经济以及其他的。此外， 由于从商业性开发除去探明储量以及其他的，美国的环境的、生态的和政 治的考虑继续影响该有价值资源的生产。
不断增加的需求和石油生产中减慢的增长率的组合影响不仅影响汽 油、柴油和取暖用油价格，而且还影响各种各样的化学品的价格，各种各 样的化学品是同样各种各样的产品的原料，仅举几个例子，从药品到塑料 到杀虫剂。
在过去的十年，该不利的经济影响已经成为开发可选择的和可持续的 方法来满足基于化学品的材料需求的驱动因素。由26位前沿专家编著的 TheRoadmapforBiomassTechnologiesintheUnitedStates(美国的生物 质技术的路标)(美国能源部，登记号ADA436527，2002年12月)预言，到 2030年，美国所消耗的所有化学品的25％将由生物质生产。最近，美国能 源部已经确定用于生物质处理的12顶层化学品结构单元(top-tierchemical buildingblock)，如DOE能量效率和可再生能量办公室的标题为TopValue AddedChemicalsfromBiomass(来自生物质的最高增值的化学品)的生物 质报告中所报告的，第1卷--ResultsofScreeningforPotentialCandidates fromSugarsandSynthesisGas(从糖和合成气体筛选潜在候选物的结果)， 2004年8月。
已经报道，每年生产约2000亿吨生物质，其95％以碳水化合物的形 式，且总碳水化合物的仅3至4％目前用于食物及其他目的。因此，存在 丰富的未被使用的生物质碳水化合物供给，其可以潜在地用于生产完全可 再生的基于非石油的专业和工业化学品。即，有价值的化学品例如，诸如 可用于生产各样各样的产品的醇、醛、酮、羧酸和酯的持续供给的生物可 再生的路线不太可能变成现实，直到与由基于石油的原料的相应的生产成 本相比，将生物质转化为这些化学品的成本几乎可比得上或更优选地有利。
己二酸是可由生物可再生的原料生产的最终产物之一。这样的工艺已 经被公开在例如美国专利第4,400,468号和第5,487,987号和例如 “Benzene-FreeSynthesisofAdipicAcid(己二酸的无苯合成)”，Frost等人 Biotechnol.Prog.2002，第18卷，第201-211页。然而，至今，还没有用 于由生物可再生的原料生产己二酸的工艺被商业化。
被美国政府作为目标的用于由生物质生产的12个结构单元化学品列 表中之一是2，5-呋喃二羧酸，且政府已经征求2，5-呋喃二羧酸用于生产工 业化学品的提案。至今，还没有实现由2，5-呋喃二羧酸大规模生产高价值 工业化学品。
为此，申请人已经发现能够由诸如2，5-呋喃二羧酸的主要结构单元材 料成本有效地生产高价值、大市场的工业化学品的工艺。
发明概述
因此，简要地，本发明涉及用于由碳水化合物源制备己二酸产物的工 艺，该工艺包括将碳水化合物源转化为呋喃基质和将呋喃基质的至少一部 分转化为己二酸产物的步骤。根据各个实施方案，公开了用于由呋喃基质 生产己二酸产物的工艺，该工艺包括通过化学催化方式将呋喃基质的至少 一部分转化为己二酸产物。此外，根据本发明，用于生产己二酸产物的工 艺还包括将呋喃基质的至少一部分转化为四氢呋喃基质和将四氢呋喃基质 的至少一部分转化为己二酸产物。
根据各个实施方案，用于制备己二酸产物的工艺包括通过化学催化方 式将全部被共同地称为“呋喃基质”的式I的基质
或其盐、或其分子间的同聚体或异聚体、或其分子间的或分子内的酸酐或 立体异构体转化为己二酸产物，其中每一个X独立地选自由-OH、-OR2和-H组成的组，或，在一些实施方案中，X独立地选自由-OH和-H组成 的组，或，在一些实施方案中，每一个X是-OH，或，在一些实施方案中， 每一个X是-H；Y选自由-C(O)OH、-C(O)OR1、-C(O)NR3R4和-CH2N R3R4组成的组；Z选自由-C(O)OH、-C(O)OR1、-C(O)NR3R4和-CH2NR3R4组成的组；每一个R1独立地选自由烃基和取代的烃基组成的组；每一个 R2独立地选自由烃基和取代的烃基组成的组；每一个R3独立地选自由氢、 烃基和取代的烃基组成的组；每一个R4独立地选自由氢、烃基和取代的烃 基组成的组；且优选地，前述R1、R2、R3和/或R4中的任一个中的每一个 烃基或取代的烃基可以独立地选自由以下组成的组：烷基、亚烷基、烷氧 基、烷基氨基、硫代烷基、卤代烷基、环烷基、环烷基烷基、杂环基、N- 杂环基、杂环烷基、芳基、芳烷基、杂芳基、N-杂芳基和杂芳基烷基，在 每一种情况下任选地是取代的。
在各个实施方案中，本发明涉及用于制备己二酸产物的工艺，该工艺 包括在加氢脱氧催化剂、溶剂和卤素源的存在下使四氢呋喃基质与氢气反 应，以将四氢呋喃基质的至少一部分转化为己二酸产物，其中四氢呋喃基 质是式III的化合物(和其盐)，
其中每一个X独立地选自由-OH、-OR2和-H组成的组，或，在一些实施 方案中，X独立地选自由-OH和-H组成的组，或，在一些实施方案中， 每一个X是-OH，或，在一些实施方案中，每一个X是-H；Y选自由 -C(O)OH、-C(O)OR1、-C(O)NR3R4和-CH2NR3R4组成的组；Z选自由 -C(O)OH、-C(O)OR1、-C(O)NR3R4和-CH2NR3R4组成的组；每一个R1独立地选自由烃基和取代的烃基组成的组；每一个R2独立地选自由烃基和 取代的烃基组成的组；每一个R3独立地选自由氢、烃基和取代的烃基组成 的组；每一个R4独立地选自由氢、烃基和取代的烃基组成的组；且优选地， 前述R1、R2、R3和/或R4中的任一个中的每一个烃基或取代的烃基可以独 立地选自由以下组成的组：烷基、亚烷基、烷氧基、烷基氨基、硫代烷基、 卤代烷基、环烷基、环烷基烷基、杂环基、N-杂环基、杂环烷基、芳基、 芳烷基、杂芳基、N-杂芳基和杂芳基烷基，在每一种情况下任选地是取代 的。
本发明还涉及通过在碘化氢或溴化氢和溶剂的存在下使包括四氢呋喃 -2，5-二羧酸(THFDCA)的四氢呋喃基质与氢气反应来制备己二酸或其衍生 物的工艺，其中四氢呋喃-2，5-二羧酸的至少一部分被转化为己二酸或其衍 生物。
本发明还涉及用于制备己二酸或其衍生物的工艺，该工艺包括在加氢 催化剂和溶剂的存在下，但在没有加入的卤素源下使呋喃基质与氢气反应， 以将呋喃基质的至少一部分转化为四氢呋喃基质，和在加氢脱氧催化剂、 溶剂和加入的卤素源的存在下使四氢呋喃基质的至少一部分与氢气反应， 以将四氢呋喃基质的至少一部分转化为己二酸或其衍生物。
在本发明的各个实施方案中，用于制备己二酸产物的工艺包括在加氢 催化剂和乙酸的存在下，但在没有加入的卤素源下使呋喃基质与氢气反应， 以将呋喃基质的至少一部分转化为四氢呋喃-2，5-二羧酸，和在加氢脱氧催 化剂、溶剂和碘化氢或溴化氢的存在下使四氢呋喃-2，5-二羧酸的至少一部 分与氢气反应，以将四氢呋喃-2，5-二羧酸的至少一部分转化为包括己二酸 的己二酸产物。
本发明还涉及用于由己二酸产物制备工业化学品例如己二腈、六亚甲 基二胺、己内酰胺、己内酯、己二酸酯、1，6-己二醇、聚酰胺(例如，尼龙) 和聚酯的工艺，己二酸产物由用于化学催化转化碳水化合物源的工艺获得， 该工艺通常包括四氢呋喃基质的催化加氢脱氧。
本发明还涉及用于由己二酸产物制备工业化学品例如己二腈、六亚甲 基二胺、己内酰胺、己内酯、1，6-己二醇和聚酰胺(例如，尼龙)的工艺，己 二酸产物由用于化学催化转化碳水化合物源的工艺获得，该工艺包括呋喃 基质的催化加氢和四氢呋喃基质的催化加氢脱氧。
本发明还涉及至少部分地由己二酸产物生产的己二酸产物、聚酰胺、 聚酯和己内酰胺，己二酸产物通过包括将四氢呋喃基质且更具体地包括四 氢呋喃-2，5-二羧酸或其衍生物的四氢呋喃基质化学催化转化为己二酸产物 的工艺生产。
本发明还涉及至少部分地由己二酸产物生产的己二酸产物、聚酰胺、 聚酯和己内酰胺，己二酸产物通过包括呋喃基质的催化加氢和四氢呋喃基 质的催化加氢脱氧的工艺生产。
其他目的和特征将变得明显和/或将在下文被指出。
优选的实施方案的描述
I.源材料
生物可再生源例如玉米颗粒(玉米)、甜菜、甘蔗以及能量作物、植物 生物质、农业废物、森林残留物、糖处理残留物、植物衍生的家庭废物、 城市废物、废纸、柳枝稷、芒属、木薯、树(硬木和软木)、植被、农作物 残留物(例如，甘蔗渣和玉米秸)全部富含己糖，己糖可以用于生产呋喃衍 生物，例如5-羟基甲基糠醛(HMF)。己糖容易地由这样的碳水化合物源通 过水解来生产。还通常已知，生物质碳水化合物可以被酶促转化为葡萄糖、 果糖及其他糖。果糖的脱水可以容易地产生呋喃衍生物例如HMF。葡萄 糖的酸解还已知产生HMF；参见，例如，美国专利第6,518,440号。已经 开发了用于产生HMF的各种其他方法，包括，例如，在美国专利第 4,533,743号(授予Medeiros等人)、第4,912,237号(授予Zeitsch)、第 4,971,657号(授予Avignon等人)、第6,743,928号(授予Zeitsch)、第2,750,394 号(授予Peniston)、第2,917,520号(授予Cope)；第2,929,823号(授予 Garber)、第3,118,912号(授予Smith)、第4,339,387号(授予Fleche等人)、 第4,590,283号(授予Gaset等人)和第4,740,605号(授予Rapp)中描述的那 些。在外国专利文献中，参见GB591,858、GB600,871；和GB876,463， 其全部以英语公布。还参见，FR2,663,933、FR2,664,273、FR2,669,635 和CA2,097,812，其全部以法语公布。因此，各种各样的碳水化合物源可 以用于通过各种各样的已知技术来生产HMF。
HMF可以通过选择性氧化被转化为2，5-呋喃二羧酸(FDCA)。用于由 HMF生产FDCA的工艺的实例被公开在例如，美国专利第3,326,944号和 第4,977,283号、美国专利申请2008/0103318，和日本专利特许公开申请案 第H02-088569号。还参见，Corma等人，ChemSusChem.，2009，第1138 页。FDCA的衍生物还可以由HMF通过诸如在以下中阐明的那些的工艺 来生产：Moreau，TopicsinCatalysis2004，第27卷，第11页；Lewkowski， Arkivoc，2001(i)，第17页；Lichtenthaler，C.R.，Chimie，第7卷，第65 页；Moore，OrganicPreparationsandProceduresInternational(国际有机 物制备和程序)，第4卷，1972，第289页；和还在美国专利第3,225,066 号、第7,579,490号和第7,432,382号。
因此，本领域已知由碳水化合物生产各种各样的呋喃及其衍生物，申 请人已经发现，呋喃及其衍生物可用于通过本发明的工艺生产己二酸产物。
II.呋喃基质及其加氢
申请人已经发现，下面式II的己二酸产物可以由碳水化合物源通过以 下工艺来生产，该工艺包括根据以下总的反应通过化学催化方式转化下面 式I的基质或其盐、或其分子间的同聚体或异聚体、或其分子间的和分子 内的酸酐或立体异构体，下文全部被共同地称为“呋喃基质”，其可通过本 领域已知的方式获得，
其中每一个X独立地选自由-OH、-OR2和-H组成的组，或，在一些实施 方案中，X独立地选自由-OH和-H组成的组，或在一些实施方案中，每 一个X是-OH，或，在一些实施方案中，每一个X是-H；Y选自由-C(O)OH、 -C(O)OR1、-C(O)NR3R4和-CH2NR3R4组成的组；Z选自由-C(O)OH、 -C(O)OR1、-C(O)NR3R4和-CH2NR3R4组成的组；每一个R1独立地选自 由烃基和取代的烃基组成的组；每一个R2独立地选自由烃基和取代的烃基 组成的组；每一个R3独立地选自由氢、烃基和取代的烃基组成的组；每一 个R4独立地选自由氢、烃基和取代的烃基组成的组；且优选地，前述R1、 R2、R3和/或R4中的任一个中的每一个烃基或取代的烃基可以独立地选自 由以下组成的组：烷基、亚烷基、烷氧基、烷基氨基、硫代烷基、卤代烷 基、环烷基、环烷基烷基、杂环基、N-杂环基、杂环烷基、芳基、芳烷基、 杂芳基、N-杂芳基和杂芳基烷基，在每一种情况下任选地是取代的。如果 是取代的，则前述R1、R2、R3和/或R4可以优选地被C1-C4烷基、羟基、 胺、C1-C4烷基氨基、硫醇和C1-C4硫代烷基中的一个或多个取代。
根据本发明，呋喃基质最初与氢气在加氢催化剂的存在下反应，以将 呋喃基质的至少一部分转化为四氢呋喃基质，和将四氢呋喃基质的至少一 部分转化为己二酸产物。
加氢反应通常在本领域已知的条件下进行。参见例如，“Catalytic HydrogenationandDehydrogenation(催化加氢和脱氢)”，在Fine ChemicalsThroughHeterogeneousCatalysis(通过非均相催化的精细化学 品)中，第2版，Sheldon和vanBekkum，第351页；还参见Handbookof HeterogeneousCatalyticHydrogenationforOrganicSynthesis(有机合成的 非均相催化加氢手册)，Nishimura2001Wiley，NewYork。例如，加氢反 应在适合于呋喃基质的溶剂的存在下进行。适合于加氢反应的溶剂包括水、 醇、酯、醚、酮、弱羧酸及其混合物。如本文使用的术语“弱羧酸”意指具 有至少约3.5，更优选地至少约4.5的pKa的任何未被取代的或取代的羧 酸，且更具体地选自未被取代的酸，例如乙酸、丙酸或丁酸或其混合物。 在有用的溶剂中，乙酸是更优选的，因为其在随后的四氢呋喃基质的加氢 脱氧中还可用作溶剂。
通常，加氢反应的温度是至少约30℃，更通常60℃或更高。在各个实 施方案中，加氢反应的温度是约60℃至约200℃，且更优选地约60℃至约 160℃。
通常，氢气的分压是至少约50磅每平方英寸(绝对值)(psia)(345kPa)、 至少约100psia(689kPa)、至少约250psia(1724kPa)或至少约500psia (3447kPa)。在各个实施方案中，氢气的分压高达约2000psia(13790kPa) 或更通常在约500psia(3447kPa)至约2000psia(13790kPa)的范围内且还 更通常在约1000psia(6890kPa)至约2000psia(13790kPa)的范围内。
一般而言，加氢反应可以在使用固定床反应器、滴流床反应器、淤浆 反应器、移动床反应器的分批反应器设计、半分批反应器设计或连续反应 器设计、或允许非均相催化反应的任何其他设计中进行。反应器的实例可 以见于ChemicalProcessEquipment-SelectionandDesign(化学工艺设备- 选择和设计)，Couper等人，Elsevier1990，其通过引用并入本文。应理解， 呋喃基质、氢气、任何溶剂和加氢脱氧催化剂可以单独地或以各种组合被 引入合适的反应器中。
适合于加氢反应的催化剂(加氢催化剂)包括非均相催化剂，包括包含 一种或多种负载的或未被负载的金属的固相催化剂。合适的催化剂被公开 在“CatalyticHydrogenationandDehydrogenation(催化加氢和脱氢)”，在 FineChemicalsThroughHeterogeneousCatalysis(通过非均相催化的精细 化学品)中，第2版，Sheldon和vanBekkum，第351页和Handbookof HeterogeneousCatalyticHydrogenationforOrganicSynthesis(有机合成的 非均相催化加氢手册)，Nishimura2001Wiley，NewYork。在各个实施方 案中，金属存在于载体的表面处(即，在一个或多个表面处，外部的或内部 的)。通常，金属包括至少一种d-区金属(即，过渡金属；周期表的第3-12 族)。在更优选的实施方案中，金属选自由钯、铂、铑、钌、镍、钴、铁及 其组合组成的组。可以存在另外的其他金属，包括单独的或与一种或多种 稀土金属(例如镧系元素)组合的，单独的或与一种或多种主族金属(例如 Al、Ga、Tl、In、Sn、Pb或Bi)组合的一种或多种d-区金属。一般而言， 金属可以以各种形式(例如，元素、金属氧化物、金属氢氧化物、金属离子 等)存在。通常，在载体的表面处的金属可以构成催化剂总重量的约0.25％ 至约10％或约1％至约8％或约2.5％至约7.5％(例如，5％)。
在各个实施方案中，加氢催化剂包括在载体的表面处的第一金属(M1) 和第二金属(M2)，其中M1金属选自由钌、铑、钯、铂、镍、钴和铁组成 的组，且M2金属选自由d-区金属、稀土金属和主族金属组成的组，其中 M1金属是与M2金属不同的金属。在各个实施方案中，M2选自由钼、钌、 铑、钯、铱、铂和金组成的组。在各种优选的实施方案中，M1金属是钯， 且M2金属选自由锰、铁和钴组成的组。
M1∶M2摩尔比可以改变，例如，约500∶1至约1∶1、约250∶1至约1∶1、 约100∶1至约1∶1、约50∶1至约1∶1、约20∶1至约1∶1或约10∶1至约1∶1。 在各种其他实施方案中，M1∶M2摩尔比可以改变，例如，约1∶100至约 1∶1、约1∶50至约1∶1、约1∶10至约1∶1、约1∶5至约1∶1或约1∶2至约1∶1。
此外，M1和M2相对于催化剂重量的重量百分比可以改变。通常， M1的重量百分比的范围可以为约0.5％至约10％，更优选地约1％至约 8％，且还更优选地约2.5％至约7.5％(例如，约5％)。M2的重量百分比 的范围可以为约0.25％至约10％、约0.5％至约8％或约0.5％至约5％。
在各种其他实施方案中，可以加入第三金属(M3)以产生M1/M2/M3 催化剂，其中M3金属是与M1金属和M2金属不同的金属。在还其他实 施方案中，可以加入第四金属(M4)以产生M1/M2/M3/M4催化剂，其中 M4金属是与M1金属、M2金属或M3金属不同的金属。M3和M4可以 各自选自由d-区金属、稀土金属(例如镧系元素)或主族金属(例如Al、Ga、 Tl、In、Sn、Pb或Bi)组成的组。
合适的催化剂载体包括炭、氧化铝、二氧化硅、二氧化铈、二氧化钛、 氧化锆、氧化铌、沸石、氧化镁、粘土、氧化铁、碳化硅、硅铝酸盐、及 其变化形式、混合物或组合。载体材料可以使用本领域已知的方法来改性， 例如热处理、酸处理或通过引入掺杂剂(例如，金属掺杂的二氧化钛、金属 掺杂的氧化锆(例如，钨酸化氧化锆)、金属掺杂的二氧化铈和金属改性的 氧化铌)。特别优选的载体是炭(其可以是活性炭、炭黑、焦炭或木炭)、氧 化铝、氧化锆、二氧化钛、沸石和二氧化硅。在各个实施方案中，氧化催 化剂的载体选自由炭、氧化锆、沸石和二氧化硅组成的组。
当使用催化剂载体时，可以使用本领域已知的程序来沉积金属，包括 但不限于初湿含浸法、离子交换、沉积-沉淀和真空浸渍。当将两种或更多 种金属沉积在相同的载体上时，它们可以按顺序地或同时地被沉积。在各 个实施方案中，在金属沉积之后，在至少约50℃，更通常至少约120℃的 温度下干燥催化剂至少约1小时，更通常3小时或更长的时间段。在这些 和其他实施方案中，在低于大气压的压力条件下干燥催化剂。在各个实施 方案中，在干燥之后还原催化剂(例如，通过在350℃流过N2中的5％H2， 持续3小时)。还进一步地，在这些和其他实施方案中，将催化剂在例如至 少约500℃的温度下煅烧一段时间(例如，至少约3小时)。
加氢反应优选地在实质上没有加入的卤素下进行。目前认为，引入独 立于呋喃基质内的卤素源(如果有的话)的卤素源抑制至四氢呋喃基质的反 应的转化率和选择性。
加氢步骤的反应产物是四氢呋喃基质，该基质出乎意料地可以高收率 转化为己二酸产物。本发明的四氢呋喃基质在下面式III中阐明(且还包括 其盐)：
其中每一个X独立地选自由-OH、-OR2和-H组成的组，或，在一些实施 方案中，X独立地选自由-OH和-H组成的组，或，在一些实施方案中， 每一个X是-OH，或，在一些实施方案中，每一个X是-H；Y选自由 -C(O)OH、-C(O)OR1、-C(O)NR3R4和-CH2NR3R4组成的组；Z选自由 -C(O)OH、-C(O)OR1、-C(O)NR3R4和-CH2NR3R4组成的组；每一个R1独立地选自由烃基和取代的烃基组成的组；每一个R2独立地选自由烃基和 取代的烃基组成的组；每一个R3独立地选自由氢、烃基和取代的烃基组成 的组；每一个R4独立地选自由氢、烃基和取代的烃基组成的组；且优选地， 前述R1、R2、R3和/或R4中的任一个中的每一个烃基或取代的烃基可以独 立地选自由以下组成的组：烷基、亚烷基、烷氧基、烷基氨基、硫代烷基、 卤代烷基、环烷基、环烷基烷基、杂环基、N-杂环基、杂环烷基、芳基、 芳烷基、杂芳基、N-杂芳基和杂芳基烷基，在每一种情况下任选地是取代 的。如果是取代的，则前述R1、R2、R3和/或R4可以优选地被C1-C4烷基、 羟基、胺、C1-C4烷基氨基、硫醇和C1-C4硫代烷基中的一个或多个取代。
如遍及本公开内容使用的，术语“烃基”是指优选地包含1至约50个碳 原子，优选地1至约30个碳原子和甚至更优选地1至约18个碳原子的烃 部分，包括支链的或无支链的和饱和的或不饱和的种类。优选的烃基可以 选自由以下组成的组：烷基、亚烷基、烷氧基、烷基氨基、硫代烷基、卤 代烷基、环烷基、环烷基烷基、杂环基、N-杂环基、杂环烷基、芳基、芳 烷基、杂芳基、N-杂芳基、杂芳基烷基及类似物。烃基可以任选地是取代 的烃基。因此，各种烃基还可以选自取代的烷基、取代的环烷基及类似物。
III.四氢呋喃基质至己二酸产物的转化
根据本发明，己二酸产物通过包括使四氢呋喃基质氢化脱氧的步骤的 工艺来生产，该工艺通过在加氢脱氧催化剂(即，适合于加氢脱氧步骤的催 化剂)、加入的卤素源和溶剂的存在下使四氢呋喃基质与氢气反应，以将四 氢呋喃基质的至少一部分转化为己二酸产物。
在各个实施方案中，四氢呋喃基质包括THFDCA，且该酸的一部分通 过加氢脱氧被转化为包括己二酸的己二酸产物。
不受理论束缚，认为，在该反应期间，THFDCA是开环的且和在卤素 源的存在下被卤化以产生开环的包含碳-卤素键的卤化中间体。认为卤化中 间体的碳-卤素键经由以下途径中的一个或多个被转化为碳-氢键。在第一 途径中，使卤化中间体与氢气在加氢脱氧催化剂的存在下反应，导致形成 碳-氢键，并且生成氢卤酸。在第二途径中，卤化中间体经历脱卤化氢反应 以形成烯烃中间体和氢卤酸。烯烃还在加氢脱氧催化剂的存在下被还原， 导致形成碳-氢键。按照上述第一途径和第二途径实现反应生成作为副产物 的氢卤酸，该氢卤酸可用于进一步反应。在第三途径中，卤化中间体与氢 卤酸反应，导致形成碳-氢键，并且形成分子卤素(或卤间化合物)。按照第 三途径实现反应生成作为副产物的分子卤素，分子卤素可用于进一步反应。 上述各种途径中的一种或多种可以同时发生。
卤素源可以是以选自由以下组成的组的形式：原子形式、离子形式、 分子形式及其混合物。在各个实施方案中，卤素源是氢卤酸。优选的卤素 源包括HBr和HI及其混合物。出乎意料地，HI能够使THFDCA至己二 酸产物的转化率大于90％。
通常，卤素源与四氢呋喃基质的摩尔比等于或小于约1。通常，卤素 源与基质的摩尔比是约0.9∶1至约0.1∶1，更通常约0.7∶1至约0.3∶1且还更 通常约0.5∶1。
通常，反应允许回收卤素源，且催化量的卤素(其中卤素与加氢脱氧基 质的摩尔比小于约1)可以被使用、回收和循环用于连续用作卤素源。
通常，呋喃基质的加氢脱氧反应的温度是至少约20℃，通常至少约 80℃，且更通常至少约100℃。在各个实施方案中，进行加氢脱氧反应的 温度在约20℃至约250℃、约80℃至约200℃，更优选地约120℃至约180℃ 且还更优选地约140℃至约180℃的范围内。
通常，在加氢脱氧反应中，氢气的分压是至少约25psia(172kPa)， 更通常至少约200psia(1379kPa)或至少约400psia(2758kPa)。在各个实 施方案中，氢气的分压是约25psia(172kPa)至约2500psia(17237kPa)、 约200psia(1379kPa)至约2000psia(13790kPa)或约400psia(2758kPa) 至约1500psia(10343kPa)。
加氢脱氧反应通常在溶剂的存在下进行。适合于选择性加氢脱氧反应 的溶剂包括水和羧酸、酰胺、酯、内酯、亚砜、砜及其混合物。优选的溶 剂包括水、水和弱羧酸的混合物、和弱羧酸。优选的弱羧酸是乙酸。
四氢呋喃基质的加氢脱氧可以在使用固定床反应器、滴流床反应器、 淤浆反应器、移动床反应器的分批反应器设计、半分批反应器设计或连续 反应器设计、或允许非均相催化反应的任何其他设计中进行。反应器的实 例可以见于ChemicalProcessEquipment-SelectionandDesign(化学工艺 设备-选择和设计)，Couper等人，Elsevier1990，其通过引用并入本文。 应理解，加氢脱氧基质、卤素源、氢气、任何溶剂和加氢脱氧催化剂可以 单独地或以各种组合被引入合适的反应器。
在各个实施方案中，加氢和加氢脱氧反应可以在相同的反应器中进行， 特别地当用于每一个反应的溶剂是相同的且采用有效作为用于加氢和加氢 脱氧反应的催化剂两者的催化剂时。在这些实施方案中，对本领域技术人 员明显的是，上面公开的许多反应器通常能够在各种条件下操作且可以被 容易地控制以便优化反应条件，用于得到反应物的所需的转化率。用于确 定优化的转化条件的方法可以包括，例如，经由已知的反应器排出机理对 反应混合物定期取样、分析被取样的产物和响应于分析控制工艺条件。此 外，在这些实施方案中，在加氢反应已经在足以将呋喃基质的合适的部分 转化为四氢呋喃基质的工艺条件下进行之后，卤素源最优选地被加入反应 器。
在更优选的实施方案中，加氢和加氢脱氧反应可以在单独的反应器中 进行，其中用于每一个反应的溶剂是相同的且来自加氢反应的产物直接地 进入加氢脱氧反应器。在这些实施方案中，对本领域技术人员明显的是， 上面公开的许多反应器通常能够在各种条件下操作且可以被容易地控制以 便优化反应条件，用于得到反应物的所需的转化率。
在更优选的实施方案中，加氢脱氧催化剂是非均相的，但可以采用合 适的均相催化剂。在这些和各种其他优选的实施方案中，加氢脱氧催化剂 包括固相非均相催化剂，其中一种或多种金属存在于载体的表面处(即，在 一个或多个表面处，外部的或内部的)。优选的金属是可以单独、彼此组合、 与一种或多种稀土金属(例如镧系元素)组合以及与一种或多种主族金属(例 如，Al、Ga、Tl、In、Sn、Pb或Bi)组合使用的d-区金属。优选的d-区金 属选自由钴、镍、钌、铑、钯、锇、铱、铂及其组合组成的组。更优选的 d-区金属选自由钌、铑、钯、铂及其组合组成的组。一般而言，金属可以 以各种形式(例如，元素、金属氧化物、金属氢氧化物、金属离子等)存在。 通常，在载体的表面处的金属可以构成催化剂重量的约0.25％至约10％或 约1％至约8％或约2.5％至约7.5％(例如，5％)。
在各个实施方案中，加氢脱氧催化剂包括两种或更多种金属。例如， 多种金属中的两种(M1和M2)可以被负载在相同的载体上或内(例如，作为 二氧化硅上的混合金属催化剂；M1/M2/二氧化硅催化剂)，或它们可以被 负载在不同的载体材料上。在各个实施方案中，加氢脱氧催化剂包括在载 体的表面处的第一金属(M1)和第二金属(M2)，其中M1金属包括d-区金属， 且M2金属选自由d-区金属、稀土金属和主族金属组成的组，其中M1金 属是与M2金属不同的金属。在各个实施方案中，M1金属选自由钴、镍、 钌、铑、钯、锇、铱和铂组成的组。在更优选的实施方案中，M1金属选 自由钌、铑、钯和铂组成的组。在各个实施方案中，M2金属选自由以下 组成的组：钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、钼、钌、铑、钯、银、钨、 铱、铂和金。在更优选的实施方案中，M2金属选自由以下组成的组：钼、 钌、铑、钯、铱、铂和金。
在更优选的实施方案中，加氢脱氧催化剂的M1金属选自铂、铑和钯 的组，且M2金属选自由以下组成的组：钌、铑、钯、铂和金。
在各个实施方案中，加氢脱氧催化剂的M1∶M2摩尔比可以改变，例 如，约500∶1至约1∶1、约250∶1至约1∶1、约100∶1至约1∶1、约50∶1至 约1∶1、约20∶1至约1∶1或约10∶1至约1∶1。在各种其他实施方案中，M1∶M2 摩尔比可以改变，例如，约1∶100至约1∶1、约1∶50至约1∶1、约1∶10至 约1∶1、约1∶5至约1∶1或约1∶2至约1∶1。
此外，在各个实施方案中，加氢脱氧催化剂的M1和M2相对于总催 化剂重量的重量百分比可以改变。通常，M1的重量百分比的范围可以为 约0.5％至约10％，更优选地约1％至约8％且还更优选地约2.5％至约 7.5％(例如，约5％)。M2的重量百分比的范围可以为约0.25％至约10％、 约0.5％至约8％或约0.5％至约5％。
在各种其他实施方案中，可以加入第三金属(M3)以产生M1/M2/M3 加氢脱氧催化剂，其中M3金属是与M1金属和M2金属不同的金属。在 其他实施方案中，可以加入第四金属(M4)以产生M1/M2/M3/M4加氢脱氧 催化剂，其中M4金属是与M1金属、M2金属或M3金属不同的金属。 M3和M4可以各自选自由d-区金属、稀土金属(例如镧系元素)或主族金属 (例如Al、Ga、Tl、In、Sn、Pb或Bi)组成的组。
优选的加氢脱氧催化剂载体包括炭、氧化铝、二氧化硅、二氧化铈、 二氧化钛、氧化锆、氧化铌、沸石、氧化镁、粘土、氧化铁、碳化硅、硅 铝酸盐、及其变化形式、混合物或组合。载体可以使用本领域已知的方法 来改性，例如热处理、酸处理、引入掺杂剂(例如，金属掺杂的二氧化钛、 金属掺杂的氧化锆(例如钨酸化氧化锆)、金属掺杂的二氧化铈和金属改性 的氧化铌)。在各种优选的实施方案中，加氢脱氧催化剂载体选自由炭、二 氧化硅、氧化锆和二氧化钛组成的组。
当使用加氢脱氧催化剂的催化剂载体时，可以使用本领域已知的程序 来沉积金属，包括但不限于初湿含浸法、离子交换、沉积-沉淀和真空浸渍。 当将两种或更多种金属沉积在相同的载体上时，它们可以按顺序地或同时 地被沉积。在各个实施方案中，在金属沉积之后，在至少约50℃，更通常 至少约120℃或更高的温度下干燥加氢脱氧催化剂至少约1小时，更通常 至少3小时或更长的时间段。在这些和其他实施方案中，在低于大气压的 条件下干燥催化剂。在各个实施方案中，在干燥之后还原加氢脱氧催化剂 (例如，通过在350℃流过N2中的5％H2，持续3小时)。还进一步地，在 这些和其他实施方案中，将加氢脱氧催化剂在例如至少约500℃的温度下 煅烧一段时间(例如，至少约3小时)。
如从本文公开内容明显的，在某些优选的实施方案中，可用于四氢呋 喃基质的加氢脱氧的加氢脱氧催化剂还有效作为呋喃基质的加氢的催化 剂。
不受没有在权利要求中清楚陈述的理论束缚，包含多于一种金属的催 化剂混合物(助催化剂或混合金属催化剂)可以实现机械反应途径的单独的 步骤。
令人惊讶地，由四氢呋喃基质生产己二酸产物是相当容易的。来自该 基质的加氢脱氧的己二酸产物的收率可以是至少约90％或更大。
根据本发明的工艺生产的己二酸产物可以通过例如本领域已知的常规 方法的一种或多种组合从加氢脱氧反应回收，常规方法例如，诸如分离反 应液体与催化剂(通常是固体)和卤素(例如，以其蒸气相分离方式)，随后溶 剂萃取/蒸发或己二酸产物结晶。
IV.下游化学产品
本领域已知将己二酸转化为下游化学产品或中间体的各种方法，下游 化学产品或中间体包括己二酸酯、聚酯、己二腈、六亚甲基二胺(HMDA)、 己内酰胺、己内酯、1，6-己二醇、氨基己酸和聚酰胺例如尼龙。对于由己 二酸转化，参见例如，但不限于，美国专利第3,671,566号、第3,917,707 号、第4,767,856号、第5,900,511号、第5,986,127号、第6,008,418号、 第6,087,296号、第6,147,208号、第6,462,220号、第6,521,779号、第 6,569,802，和Musser，“AdipicAcid(己二酸)”，在Ullmann’sEncyclopedia ofIndustrialChemistry(乌尔曼工业化学百科全书)，Wiley-VCH， Weinheim，2005。
根据本发明的一个方面，当采周乙酸作为至少四氢呋喃基质的加氢脱 氧中的溶剂时，由此得到的己二酸产物将包括至少一种含酰基的化合物和， 可能的一种或多种二酰基化合物；即，当Y或Z＝-CH2NR3R4，其中R3 和R4是H时，则一个或多个的H原子将可能被转化为-C(O)Me(酰基基 团)，例如N，N’-二乙酰基六亚甲基二胺。在本发明的该方面，这样的化合 物的酰基可以容易地被水解(例如，在碱的存在下)，其中它们被再转化为 -H，且然后乙酸可以被再生。因此，可以生产六亚甲基二胺(HDMA)。
在各个实施方案中，己二酸产物被转化为己二腈，其中己二酸产物根 据本发明来制备。己二腈在工业上可以用于制造六亚甲基二胺，参见， Smiley，“Hexamethylenediamine(六亚甲基二胺)”，在Ullmann’s EncyclopediaofIndustrialChemistry(乌尔曼工业化学百科全书)， Wiley-VCH2009。因此，在另外的实施方案中，己二酸产物被转化为六亚 甲基二胺，其中己二酸产物根据本发明来制备。
己二酸可用于生产聚酰胺，例如尼龙6，6和尼龙4，6。参见，例如，美 国专利第4,722,997号，和Musser，“AdipicAcid(己二酸)”，在Ullmann’ sEncyclopediaofIndustrialChemistry(乌尔曼工业化学百科全书)， Wiley-VCH，Weinheim，2005。由根据本发明制备的己二酸产物形成的六 亚甲基二胺同样地可以进一步用于制备聚酰胺例如尼龙6，6和尼龙6，12。 参见，例如Kohan，Mestemacher，Pagilagan，Redmond，“Polyamides(聚 酰胺)”，在Ullmann’sEncyclopediaofIndustrialChemistry(乌尔曼工业 化学百科全书)，Wiley-VCH，Weinheim，2005。
因此，己二酸和由己二酸产物衍生的聚合物前驱体(例如，六亚甲基二 胺)可以进行反应以生产聚酰胺，其中己二酸产物根据本发明来制备。如本 文使用的聚合物前驱体是指在适当的聚合条件下可以被转化为聚合物(或 共聚物)的单体。在各个实施方案中，聚酰胺包括尼龙6，6。在这些实施方 案中，尼龙6，6通过使己二酸产物与由己二酸产物衍生的聚合物前驱体反 应来生产，其中聚合物前驱体包括六亚甲基二胺。在这些实施方案中，六 亚甲基二胺可以通过将己二酸产物转化为己二腈，己二腈然后可以被转化 为六亚甲基二胺来制备，其中己二酸产物根据本发明来制备。
在其他实施方案中，己二酸产物被转化为己内酰胺，其中己二酸产物 根据本发明来制备。所形成的己内酰胺可以通过本领域通常已知的方式进 一步用于制备聚酰胺。特别地，己内酰胺可以进一步用于制备尼龙6。参 见，例如Kohan，Mestemacher，Pagilagan，Redmond，“Polyamides(聚 酰胺)”，在Ullmann’sEncyclopediaofIndustrialChemistry(乌尔曼工业 化学百科全书)，Wiley-VCH，Weinheim，2005。
在各个实施方案中，尼龙6通过使由根据本发明制备的己二酸产物衍 生的己内酰胺反应来生产。
在其他实施方案中，己二酸和聚合物前驱体可以反应以生产聚酯，其 中己二酸产物根据本发明来制备。
在其他实施方案中，己二酸产物被转化为1，6-己二醇，其中己二酸产 物根据本发明来制备。1，6-己二醇是用于生产聚酯和聚氨酯的有价值的化 学中间体。因此，在各个实施方案中，聚酯可以通过使己二酸和由根据本 发明制备的己二酸产物衍生的1，6-己二醇反应来制备。
在各个实施方案中，可以生产己二酸盐，其中工艺包括使己二酸与六 亚甲基二胺反应，由此形成盐，其中己二酸根据本发明来制备。
当介绍本发明或其优选的实施方案的要素时，冠词“一(a)”、“一(an)”、 “该(the)”和“所述(said)”意图是指存在要素中的一个或多个。术语“包 含(comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”意图是包括在 内的且意指可以存在不同于列出的要素的另外的要素。
鉴于上述内容，将看到，本发明的若干目的被实现且获得其他有利的 结果。
当对上述组合物和工艺进行各种变化时，不偏离本发明的范围，预期 上述描述中包含的所有内容应被解释为说明性的且不是以限制性的意义。
已经详细描述了本发明，明显的是，修改和变化形式是可能的，而不 偏离所附的权利要求中定义的本发明范围。
实施例
提供以下非限制性实施例以进一步阐释本发明。
根据在下面实施例中描述的程序，在被容纳在加压容器中的1mL玻 璃小瓶中进行反应。产物收率使用质谱法通过与校准标准品比较来确定。 M1/二氧化硅催化剂(M1＝Rh、Pd、Pt)的制备。
将2g干燥过的5μm二氧化硅Cariact(FujiSilysia)称量入小瓶中。 适当浓缩的M1储备溶液(M1＝Rh、Pd、Pt)由从Heraeus购买的浓缩的酸 性储备溶液制备(参见表1)。对于每一种M1，将稀释的M1储备溶液的多 个加入部分加入二氧化硅(二氧化硅孔体积＝0.7mL/g)，直到达到1.4ml的 总体积。在每一次加入之后，搅拌混合物以浸渍二氧化硅。浸渍后，将 M1/二氧化硅混合物在炉中在120℃下干燥12小时，之后在500℃煅烧3 小时。在冷却之后，将催化剂储存在干燥器中，直到使用。
四氢呋喃-2，5-二羧酸(THFDCA)的制备：
将带有玻璃导向装置和叶轮的100mL压力容器装载1.87g的呋 喃-2，5-二羧酸、0.5g的4％Pd/二氧化硅和40mL的乙酸。用氮气对压力 容器吹扫3次，并用氢气对压力容器吹扫2次。然后将容器加压至750psig 氢气并加热至140℃，持续3小时。在冷却之后，将容器排气并通过过滤 分离固体。在真空下蒸发乙酸溶液以提供1.68g(88％收率)的四氢呋喃-2，5- 二羧酸。
四氢呋喃-2，5-二羧酸至己二酸反应：
将M1/二氧化硅催化剂阵列转移到96孔反应器插入物(Symyx Solutions)内的1mL玻璃小瓶中。在每一个阵列内的每一个小瓶接收玻璃 珠和250μL的在乙酸(Sigma-Aldrich)中的0.2MTHFDCA、0.1至0.3M 的HBr(Sigma-Aldrich)或HI(Sigma-Aldrich)。在溶液加入之后，小瓶阵列 用特氟隆销孔片、硅氧烷销孔垫和钢气体扩散板(SymyxSolutions)覆盖。 将反应器插入物放置在压力容器中、加压并用氮气排气3次和用氢气排气 3次，然后用氢气加压至710psig，加热至140℃或160℃并摇动3小时。 在3小时之后，将反应器冷却、排气并用氮气吹扫。然后将750μL水加入 每一个小瓶。在水加入之后，将阵列覆盖并摇动以确保充分混合。随后， 将被覆盖的阵列放置在离心机中以分离催化剂颗粒。然后，每一个反应样 品用水稀释100倍以产生用于通过质谱法分析的样品。在表1中示出结果。
表1.