发明领域
本发明通常涉及用于将葡萄糖源化学催化转化为己二酸产物的工艺。 本发明包括用于将葡萄糖经由葡糖二酸或其衍生物转化为己二酸产物的工 艺。本发明还包括包含将葡萄糖催化氧化为葡糖二酸和将葡糖二酸或其衍 生物催化加氢脱氧为己二酸产物的工艺。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、己二酸酯、聚酰胺(例如，尼龙)和聚酯的工艺，己二酸产物由包括 葡糖二酸或其衍生物的催化加氢脱氧的工艺获得。
发明背景
原油目前是大部分商品和专业有机化学品的源。这些化学品中许多被 用于制造聚合物及其他材料。实例包括乙烯、丙烯、苯乙烯、双酚A、对 苯二甲酸、己二酸、己内酰胺、六亚甲基二胺、己二腈、己内酯、丙烯酸、 丙烯腈、1，6-己二醇、1，3-丙二醇以及其他的。原油首先被精制成烃中间体， 例如乙烯、丙烯、苯和环己烷。然后通常使用各种工艺将这些烃中间体选 择性氧化以生产所需的化学品。例如，原油被精制成环己烷，环己烷然后 被选择性地氧化为“KA油”，“KA油”然后被进一步氧化以生产己二酸，己 二酸是一种用于生产尼龙6，6的重要的工业单体。工业上采用许多已知的 工艺来由原油中发现的前体生产这些石油化学产品。例如，参见Ullmann’s EncyclopediaofIndustrialChemistry(乌尔曼工业化学百科全书)，Wiley 2009(第7版)，其通过引用并入本文。
好多年以来，已经对使用生物可再生的材料作为原料以代替或补充原 油有兴趣。参见，例如，Klass，BiomassforRenewableEnergy，Fuels， andChemicals(用于可再生的能量、燃料和化学品的生物质)，学术出版社 (AcademicPress)，1998，其通过引用并入本文。此外，已经努力使用包括 生物催化工艺和化学催化工艺的组合的工艺来由可再生的资源生产己二 酸。参见，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，以及 美国专利第4,400,468号和第5,487,987号。
用于生物可再生的资源例如碳水化合物(例如，由淀粉、纤维素或蔗糖 衍生的葡萄糖)转化为当前商品和专业化学品的主要挑战之一是从碳水化 合物选择性地除去氧原子。用于将碳-氧单键转化为碳-氢键的方法是已知 的。参见，例如：美国专利第5,516,960号；美国专利申请公布US 2007/0215484和日本专利第78,144,506号。这些已知方法中的每一种遭受 各种限制，且我们认为，目前，这些方法中一个也没有在工业上用于制造 专业或工业化学品。
因此，对用于将碳-氧单键选择性地和商业上有意义地转化为碳-氢键， 尤其如与由含多羟基的基质(例如，葡糖二酸)生产化学品有关所应用的， 和尤其是用于将由含多羟基的生物可再生的材料(例如，由淀粉、纤维素或 蔗糖衍生的葡萄糖)至重要的化学中间体例如己二酸来生产化学品的新的、 工业上可缩放的方法仍存在需求。
发明概述
因此，简要地，本发明涉及用于由含多羟基的生物可再生的材料制备 己二酸产物的工艺。根据一个实施方案，提供了用于由葡萄糖源生产己二 酸产物的工艺，该工艺包括通过化学催化方式将葡萄糖源的至少一部分转 化为己二酸产物。
根据另一个实施方案，用于制备己二酸产物的工艺包括在加氢脱氧催 化剂和卤素源的存在下使加氢脱氧基质和氢气反应以将加氢脱氧基质的至 少一部分转化为己二酸产物，其中加氢脱氧基质包括式I的化合物或其单 内酯或双内酯
其中X独立地是羟基、氧代、卤代、酰氧基或氢，条件是至少一个X 不是氢且R1独立地是成盐离子、氢、烃基或取代的烃基。
根据另一个实施方案，用于制备己二酸产物的工艺包括将葡萄糖源的 至少一部分转化为包括葡糖二酸或其衍生物的加氢脱氧基质，和将葡糖二 酸或衍生物的至少一部分转化为己二酸产物。
本发明还涉及用于制备葡糖二酸的工艺。在一个实施方案中，该工艺 包括在氧化催化剂的存在下和在实质上没有加入的碱下使葡萄糖与氧源反 应。
本发明还涉及用于在氧化催化剂的存在下通过使葡萄糖与氧气反应来 制备葡糖二酸的工艺，其中葡萄糖的至少一部分用弱羧酸(优选乙酸)来溶 解。
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、己二酸酯、聚酰胺(例如，尼龙) 和聚酯的工艺，己二酸产物由可以包括例如葡糖二酸或其衍生物的催化加 氢脱氧的用于化学催化转化葡萄糖源的工艺获得。
本发明还涉及至少部分地由通过加氢脱氧基质的加氢脱氧生产的己二 酸产物且更具体地由葡糖二酸或其衍生物生产的己二酸产物、聚酰胺、聚 酯和己内酰胺。
其他目的和特征将变得明显和/或在下文被指出。
优选的实施方案的描述
根据本发明，申请人公开了用于将葡萄糖源化学催化转化为己二酸产 物的工艺。
此外，根据本发明，申请人公开了用于将包括葡糖二酸和/或其衍生物 的加氢脱氧基质催化加氢脱氧为己二酸产物的工艺。催化加氢脱氧包括在 加氢脱氧催化剂(即，适合于加氢脱氧反应的催化剂)和卤素源的存在下， 使加氢脱氧基质和氢气反应以将加氢脱氧基质的至少一部分转化为己二酸 产物。本发明的加氢脱氧催化剂包括d-区金属(即，过渡金属；周期表的第 3-12族)且是羟基、卤代、氧代或酰氧基选择性的，更通常是羟基选择性的， 其增加收率和改进工艺经济学。
本发明还涉及用于由葡萄糖催化生产葡糖二酸的工艺。该工艺包括在 氧化催化剂的存在下和在实质上没有加入的碱下使葡萄糖与氧气反应，其 中葡萄糖的至少50％被转化为葡糖二酸。在实质上没有加入的碱下进行氧 化反应利于产物回收和改进工艺经济学。此外，该反应可以在弱羧酸例如 乙酸的存在下进行，葡萄糖的至少一部分被溶解在弱羧酸中。此外，优选 的氧化催化剂和/或氧化反应条件提供超过60％，和高达65％或更大的葡 糖二酸收率。
在本发明的另一个方面，根据所公开的工艺制备的己二酸产物可以根 据本领域已知的工艺被转化为各种其他工业上重要的化学品，包括，例如， 己二腈、己内酰胺、己内酯、六亚甲基二胺、1，6-己二醇、己二酸酯、聚 酰胺(例如，尼龙)或聚酯。因此，己二腈、己内酰胺、己内酯、六亚甲基 二胺、1，6-己二醇、己二酸酯、聚酰胺(例如，尼龙)和聚酯可以由衍生自生 物可再生源的葡萄糖制备。
I.原料
葡萄糖可以由各种含碳水化合物源获得，含碳水化合物源包括常规的 生物可再生源例如玉米颗粒(玉米)、小麦、马铃薯、木薯和水稻以及可选 择的源例如能量作物、植物生物质、农业废物、森林残留物、糖处理残留 物和植物衍生的家庭废物。更通常，可以根据本发明使用的生物可再生源 包括任何可再生的有机物质，再生的有机物质包括碳水化合物源例如，诸 如柳枝稷、芒属、树(硬木和软木)、植被和农作物残留物(例如，甘蔗渣和 玉米秸)。其他源可以包括，例如，废物材料(例如，废纸、绿色废物、城 市废物等)。可以使用本领域已知的方法从生物可再生的材料分离诸如葡萄 糖的碳水化合物。参见，例如，Centi和vanSanten，Catalysisfor Renewables(可再生物的催化)，Wiley-VCH，Weinheim2007；Kamm， Gruber和Kamm，Biorefineries-IndustrialProcessesandProducts(生物精 制机-工业工艺和产品)，Wiley-VCH，Weinheim2006；Shang-TianYang， BioprocessingforValue-AddedProductsfromRenewableResourcesNew TechnologiesandApplications(来自可再生资源新技术和应用的增值产品 的生物处理)，ElsevierB.V.2007；Furia，StarchintheFoodIndustry(食品 工业中的淀粉)，第8章，CRCHandbookofFoodAdditives(食物添加剂的 CRC手册)，第2版，CRC出版社，1973。还参见Kirk-OthmerEncyclopedia ofChemicalTechnology(Kirk-Othmer化学技术百科全书)，第5版，John Wiley和Sons2001内的专门论述淀粉、糖和糖浆的章。此外，将淀粉转化 为葡萄糖的工艺是本领域已知的，参见，例如，Schenck，“Glucoseand GlucosecontainingSyrups(葡萄糖和包含葡萄糖的糖浆)”，在Ullmann’s EncyclopediaofIndustrialChemistry(乌尔曼工业化学百科全书)， Wiley-VCH2009。此外，将纤维素转化为葡萄糖的方法是本领域已知的， 参见，例如，Centi和vanSanten，CatalysisforRenewables(可再生物的 催化)，Wiley-VCH，Weinheim2007；Kamm，Gruber和Kamm， Biorefineries-IndustrialProcessesandProducts(生物精制机-工业工艺和产 品)，Wiley-VCH，Weinheim2006；Shang-TianYang，Bioprocessingfor Value-AddedProductsfromRenewableResourcesNewTechnologiesand Applications(来自可再生资源新技术和应用的增值产品的生物处理)， ElsevierB.V.2007。
II.葡糖二酸的制备
根据本发明，葡萄糖被转化为，例如葡糖二酸。葡糖二酸的制备可以 使用本领域通常已知的氧化方法用葡萄糖来实现。参见，例如，美国专利 第2,472,168号，其阐明在氧气和碱的存在下使用铂催化剂由葡萄糖制备葡 糖二酸的方法。在氧气和碱的存在下使用铂催化剂由葡萄糖制备葡糖二酸 的另外的实例被阐明在JournalofCatalysis，第67卷，第1-13页和第14-20 页(1981)。还可以采用其他氧化方法，参见例如，美国专利第6,049,004号、 第5,599,977号和第6,498,269号、WO2008/021054和J.Chem.Technol. Biotechnol.第76卷，第186-190页(2001)；J.Agr.FoodChem.第1卷，第 779-783页(1953)；J.CarbohydrateChem.第21卷，第65-77页(2002)； CarbohydrateRes.第337卷，第1059-1063页(2002)；Carbohydrate Res.336，第75-78页(2001)；CarbohydrateRes.第330卷，第21-29页(2001)。 然而，这些工艺遭受由工艺收率限制和对另外的反应成分的需要以及其他 的引起的经济缺点。
申请人已经发现，葡萄糖可以根据以下反应通过在氧化催化剂的存在 下和在没有加入的碱下使葡萄糖与氧气(如本文使用的，氧气作为空气、富 氧空气、单独的氧气或具有对反应基本上惰性的其他成分的氧气被供应至 反应)反应而以高的收率被转化为葡糖二酸：
令人惊讶地，没有加入的碱和根据本文阐明的反应条件进行氧化反应， 不会导致显著的催化剂中毒效应且催化剂氧化选择性被维持。实际上，催 化选择性可以被维持以获得超过50％，甚至60％的葡糖二酸收率，且在一 些情况下获得超过65％或更高的收率。没有加入的碱有利地促进葡糖二酸 的分离和离析，由此提供更经得起工业应用和通过消除反应成分来改进总 的工艺经济学的工艺。如本文使用的“没有加入的碱”意指如果存在的话(例 如，作为原料的成分)，以对反应的功效基本上没有影响的浓度存在的碱； 即，氧化反应在基本上没有加入的碱下进行。还已经发现，该氧化反应还 可以在葡萄糖在其中可溶的弱羧酸例如乙酸的存在下进行。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。
还已经发现，当在实质上没有加入的碱下进行反应时，在增加的氧气 分压和/或较高的氧化反应混合物温度下进行氧化反应倾向于增加葡糖二 酸的收率。
在这些和各种其他实施方案中，当使用弱羧酸来溶解葡萄糖的至少一 部分时，反应混合物的初始pH不大于约7，且通常小于7，例如诸如6或 更小。根据本发明，反应混合物的初始pH是反应混合物在氧化催化剂的 存在下与氧气接触之前的pH。期望反应混合物在氧气接触之后的pH将随 反应进行而改变。认为，当葡糖二酸的浓度增加时(当反应进行时)，pH将 从初始pH下降。
本发明的另一个优点是基本上没有作为活性反应成分的氮。通常，氮 在已知的工艺中被用作氧化剂，例如以硝酸盐的形式，在许多例子中作为 硝酸。使用以其为活性反应成分的形式例如硝酸盐或硝酸的氮，导致对NOx减少技术和酸再生技术的需要，两种技术显著增加了由这些已知的工艺生 产葡糖二酸的成本，以及提供可以有害地影响用于进行工艺的设备的腐蚀 环境。相反，例如，在空气或富氧空气作为氧源用于本发明的氧化反应的 情况下，氮是基本上不活泼的或惰性的成分。因此，例如，根据本发明， 采用空气或富氧空气的氧化反应是在基本上没有以其将是活性反应成分的 形式的氮下进行的反应。
通常，氧化反应混合物的温度为至少约40℃，更通常60℃或更高。 在各个实施方案中，氧化反应混合物的温度为约40℃至约150℃、约60℃ 至约150℃、约70℃至约150℃、约70℃至约140℃或约80℃至约120℃。
通常，氧气的分压为至少约15磅每平方英寸(绝对值)(psia)(104kPa)、 至少约25psia(172kPa)、至少约40psia(276kPa)或至少约60psia(414 kPa)。在各个实施方案中，氧气的分压为高达约1000psia(6895kPa)或， 更通常，在约15psia(104kPa)至约500psia(3447kPa)的范围内。
氧化反应通常在适合于葡萄糖的溶剂的存在下进行。适合于氧化反应 的溶剂包括水和弱羧酸例如乙酸。利用弱羧酸作为溶剂增加了工艺的成本， 作为实际的问题，该成本必须和由使用弱羧酸获得的任何益处保持平衡。 因此，本发明的合适的溶剂包括水、水和弱羧酸的混合物、或弱羧酸。
一般而言，氧化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， 葡萄糖、氧气、任何溶剂和氧化催化剂可以单独地或以各种组合被引入合 适的反应器中。
适合于氧化反应的催化剂(“氧化催化剂”)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。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，金属选自由钯、铂及其组合组成的组。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，氧化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金属选自由钯和铂组成的组，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。在各种优选的实施方案中，M1金属是铂，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金属和M4 金属可以各自选自由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。优选的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)。
如上所述，氧化步骤的反应产物将以相当大的和至今意想不到的部分 生产葡糖二酸，但还可以产生其衍生物，例如葡糖二酸内酯。这些葡糖二 酸内酯，比如葡糖二酸，构成特别地经得起如下文所描述的己二酸产物的 生产的加氢脱氧基质。可以在由氧化步骤得到的反应混合物中存在的葡糖 二酸内酯包括单内酯和双内酯，例如D-葡糖二酸-1，4-内酯、D-葡糖二酸 -6，3-内酯和D-葡糖二酸-1，4：6，3-双内酯。较高浓度的葡糖二酸内酯的一个 优点是进一步改进加氢脱氧步骤的经济学，这是由所产生的水的量的减少 引起的。
可以将根据上面生产的葡糖二酸转化为各种其他葡糖二酸衍生物，例 如盐、酯、酮和内酯。将羧酸转化为这样的衍生物的方法是本领域已知的， 参见，例如，Wade，OrganicChemistry(有机化学)第3版，PrenticeHall 1995。
III.己二酸产物的制备
根据本发明，己二酸产物可以通过化学催化转化葡萄糖源来制备。在 各个实施方案中，己二酸产物的制备包括将葡萄糖源化学催化转化为葡糖 二酸。在这些和其他实施方案中，包括葡糖二酸或其衍生物的至少一部分 的加氢脱氧基质被转化为己二酸产物。葡糖二酸的衍生物包括如下面所定 义的化合物。
加氢脱氧基质包括式I的化合物或其单内酯或双内酯：
其中X独立地是羟基、氧代、卤代、酰氧基或氢，条件是至少一个X不是 氢；R1独立地是成盐离子、氢、烃基或取代的烃基。
如本文使用的，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个碳原子的烃基部分，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。
成盐离子包括但不限于，例如铵离子和金属离子(例如，碱金属和碱土 金属)。当R1是成盐离子(即，阳离子)时，羧基可以被认为是阴离子(即， 羧酸盐阴离子)。
在各个实施方案中，加氢脱氧基质包括式I的化合物，其中X是羟基 且R1独立地是成盐离子、氢、烃基或取代的烃基。
如式I中所示出的，加氢脱氧基质包含六个碳链，六个碳链包括四个 手性中心。因此，若干立体异构体是可能的。然而，优选的加氢脱氧基质 包括葡糖二酸。
加氢脱氧基质还可以包含各种酮。例如，不希望受理论束缚，当葡糖 二酸被进一步氧化时，可以形成酮例如2-酮基-葡糖二酸(2，3，4-三羟基-5- 氧代己二酸)和3-酮基-葡糖二酸(2，3，5-三羟基-4-氧代己二酸)。
加氢脱氧基质可以包括衍生自葡糖二酸的各种内酯。例如，不希望受 理论束缚，认为，各种单内酯和双内酯与水溶液中的葡糖二酸平衡存在， 葡糖二酸包括例如，D-葡糖二酸-1，4-内酯、D-葡糖二酸-6，3-内酯和D-葡糖 二酸-1，4：6，3-双内酯。此外，工艺已经被开发为将溶液中的葡糖二酸或其盐 定量地转化为一种或多种内酯和回收基本上纯的内酯流。例如参见 “ConvenientLarge-ScaleSynthesisofD-Glucaro-1，4：6，3-dilactone(D-葡 糖二酸-1，4：6，3-双内酯的简便大规模合成)”Gehret等人，J.Org.Chem.， 74(21)，第8373-8376页(2009)。此外，内酯例如L-苏式-4-脱氧-己-4-烯芳 -6，3-内酯(L-threo-4-deoxy-hex-4-enaro-6，3-lactone)和L-赤式-4-脱氧-己-4- 烯芳-6，3-内酯可以由D-葡糖二酸-1，4：6，3-双内酯的热分解形成。
因此，在各个实施方案中，加氢脱氧基质包括D-葡糖二酸-1，4-内酯。 在这些和其他实施方案中，加氢脱氧基质包括D-葡糖二酸-6，3-内酯。还进 一步地，在这些和其他实施方案中，加氢脱氧基质包括D-葡糖二酸-1，4：6，3- 双内酯。在这些和其他实施方案中，加氢脱氧基质包括L-苏式-4-脱氧-己 -4-烯芳-6，3-内酯。还甚至此外，在这些和其他实施方案中，加氢脱氧基质 包括L-赤式-4-脱氧-己-4-烯芳-6，3-内酯。
此外，根据本发明，己二酸产物(式II)可以根据以下反应通过在加氢 脱氧催化剂和卤素源的存在下使加氢脱氧基质(式I)和氢气反应来制备：
其中X和R1如上所定义的。
在优选的实施方案中，己二酸产物(式II)包括己二酸。
在上面的反应中，加氢脱氧基质通过催化加氢脱氧被转化为己二酸产 物，其中碳-羟基被转化碳-氢基团。在各个实施方案中，催化加氢脱氧是 羟基选择性的，其中在实质上没有转化基质的一个或多个其他非羟基官能 团时完成反应。
根据本发明，加氢脱氧基质在氢气、卤素源和加氢脱氧催化剂的存在 下被催化加氢脱氧。不受理论束缚，认为，在该反应期间，加氢脱氧基质 被卤素源卤化，以形成包含碳-卤素键的卤化中间体(例如，葡糖二酸上的 仲醇基团被转化为卤化物以产生卤代烷)。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(或 烯烃可以是酮的烯醇形式，酮的烯醇形式可以与可以还原为醇基的酮基形 式互换，醇基可以经历进一步加氢脱氧)。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，连同形成分子卤素(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。
应认识到，加氢脱氧反应可以通过首先形成这些各种中间体和任选地 纯化或离析这些各种中间体来进行，这些各种中间体通过组合加氢脱氧基 质和卤素源以及随后在加氢脱氧催化剂的存在下和任选地在没有任何卤素 源下使中间体与氢气反应来形成。
在各个实施方案中，加氢脱氧基质被氢卤酸卤化以形成卤化中间体(例 如，卤代烷)。在其他实施方案中，加氢脱氧基质被分子卤素卤化以形成卤 化中间体(例如，卤代烷)。
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。卤素源包括氢卤酸(例如，HCl、HBr、HI及其混合 物；优选地HBr和/或HI)、卤化物盐、(取代的或未被取代的)卤代烷、或 元素卤素(例如，氯、溴、碘或其混合物，优选地溴和/或碘)。在各个实施 方案中，卤素源是以分子形式且更优选地是溴。在更优选的实施方案中， 卤素源是氢卤酸，具体地是溴化氢。
通常，卤素与加氢脱氧基质的摩尔比约等于或小于约1。在各个实施 方案中，卤素与加氢脱氧基质的摩尔比通常是约1∶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，加氢脱氧反应混合物的温度是至少约20℃，通常至少约80℃， 和更通常至少约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℃ 的范围内且还更优选地在约140℃和180℃之间。
通常，氢气的分压是至少约25psia(172kPa)，更通常至少约200 psia(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(10343 kPa)。
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。
一般而言，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，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。
在各种优选的实施方案中，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)组合和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。在某些实施方案中， 催化剂包括铂。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，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，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。在某些更优选的实施方案中， M1是铂且M2是铑。
在各个实施方案中，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，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 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。优选的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二氧化硅、 氧化锆和二氧化钛组成的组。在某些优选的实施方案中，包括铂和铑的催 化剂是在包括二氧化硅的载体上。
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℃ 或更高的温度下干燥催化剂至少约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)。
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。
可以通过本领域已知的一种或多种常规的方法从加氢脱氧反应混合物 回收己二酸产物，所述方法包括，例如溶剂萃取、结晶或蒸发过程。
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。
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 括(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。使用DionexICS-3000色谱法系统确定产物收率。对于实施例1，首先在AS11-HC柱上分离产物且然后通过电导率检测通过与校准标准品比较来量化产物。对于实施例2，首先在有机酸柱上分离产物且然后通过UV检测器通过与校准标准品比较来量化产物。
实施例1：葡萄糖至葡糖二酸
若干催化剂从商业卖主获得：JohnsonMatthey5％Pt/C(三个实例； JM-23[B103032-5，Lot#C-9090]；JM-25[B103014-5，Lot#C9230]；和 JM-27[B-501032-5，Lot#C-9188])、JohnsonMatthey5％Pt/Al2O3(两个实 例；JM-32[B301013-5，Lot#C8959]和JM-33[B301099-5，Lot#C9218])， 和BASFEscat23515％Pt/SiO2[Lot#A4048107]；和1.5％Au/TiO2[Süd Chemie02-10]。其他催化剂根据本文所描述的程序来制备。
负载型铂催化剂的制备
将适当地浓缩的Pt(NO3)2水溶液(Heraeus)的多个部分加入适当的载 体中(其中Pt(NO3)2溶液的总组合体积匹配等于所选择的载体的孔体积)， 且在加入之间进行搅拌。浸渍后，将产物在炉中在120℃干燥12小时。 通过在200℃或350℃下流动的在N2中5vol.％H2下还原3小时来制备 用于催化剂测试的材料。注意，该程序用于除了碳之外的所有载体。参见 稍后的对于Pt/碳催化剂的制备的描述。
Pt/M2/载体催化剂(M2＝Mn、Co、Fe、Re、Cu)的制备
将约7-8mg的干燥的负载型铂催化剂(在干燥之后但在还原之前采集) 分配入包含1mL玻璃小瓶的8x12阵列中。为了选择阵列内的小瓶，加 入6-7μl(其中使总加入体积匹配等于被称量入小瓶中的载体的孔体积)的 适当地浓缩的M2储备溶液(M2＝Mn、Fe、Co、Re、Cu，从Strem或 Sigma-Aldrich获得，参见表1)。在M2加入之后，混合物经由多管涡旋 振荡器来搅拌以浸渍载体。浸渍之后，将Pt/M2/载体催化剂的玻璃小瓶阵 列在炉中在120℃下干燥1小时，随后在500℃下煅烧3小时，随后在200℃ 或350℃下流动的在N2中5vol.％H2下还原3小时。注意，该程序用于 制备除了1.5％Pt/1.5％Au/二氧化钛催化剂之外的所有Pt/M2/载体催化 剂。在该情况下，在搅拌下将Pt(NO3)2溶液加入干燥的商业1.5％Au/二氧 化钛催化剂样品[SüdChemie02-10](其中使Pt(NO3)2体积的总体积匹配等 于催化剂的孔体积)，之后，将材料在炉中在120℃下干燥1小时，随后在 350℃下流动的在N2中5vol.％H2下还原3小时。
4wt.％Pt/碳催化剂的制备
将适当地浓缩的Pt(NO3)2水溶液(Heraeus)的多个部分加入2g干燥的 DegussaHP-160炉炭黑(3.94mL总加入体积)，且在加入之间进行搅拌。 浸渍后，将4wt.％Pt/碳在真空下在50℃下干燥一个小时，随后在350℃ 下流动的在N2中5vol.％H2下还原3小时。
葡萄糖至葡糖二酸反应
将催化剂分配在96孔反应器插入物(SymyxSolutions)内的1mL小瓶 中。反应基质是D-葡萄糖(Sigma-Aldrich，0.552M在水中)。向每一个小 瓶加入250μL葡萄糖溶液。将小瓶各自用特氟隆销孔片、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 并用氧气装载三次，直至100psig，且在每一个加压步骤之后排气。然后 将反应器用氧气装载至75psig或用空气装载至500psig、封闭并放置在摇 动器上，在指定的温度下加热指定的反应时间。在反应时间已经过去之后， 停止摇动并将反应器冷却至室温，之后使反应器排气。用于离子-色谱法(I℃) 分析的样品通过以下来制备：向每一个反应小瓶加入750μL的1.067wt.％ 柠檬酸溶液(作为内标)，然后覆盖板并混合，之后离心以分离催化剂颗粒。 每一个反应样品通过进行两次20倍稀释来进一步稀释，然后通过离子色谱 法来分析。在一些情况下，通过在第二次20倍稀释期间加入100μL的50 ppm溶液将HCl用作可选择的内标。在表1中示出结果。
表1.
a将这些催化剂在还原之前在500℃下煅烧3小时。
b这些反应在500psig的空气下进行，表1中的所有其他反应在75psig的 O2下进行。
将实例4-7、11-12中的催化剂在200℃下在流动的在N2中5vol.％H2下 还原3小时。
将实例1-3、8-10、19-25中的催化剂在350℃下在流动的在N2中5vol.％ H2下还原3小时。
直接地筛选实例13-18中的商业催化剂。
实施例2：葡糖二酸至己二酸
M1/载体催化剂(M1＝Ru、Rh、Pd、Pt)x的制备
将2g干燥的5μm二氧化硅Cariact(FujiSilysia)或45μm二氧化钛 NorProST61120(Saint-Gobain)称量入小瓶。适当地浓缩的M1储备溶液 (M1＝Ru、Rh、Pd、Pt)由从Heraeus购买的浓缩酸性储备溶液制备(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载体(二 氧化硅孔体积＝0.7mL/g，二氧化钛NorPro＝0.45mL/g)，直到达到1.4ml(二 氧化硅)或0.9mL(二氧化钛)的总体积。在每一次加入之后，搅拌混合物以 浸渍载体。浸渍后，将Xwt.％M1/载体混合物(X＝2-5)在炉中在120℃下 干燥12小时。
M1/M2/载体催化剂(M2＝Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、Au、Mo)的制备
将7-12mg干燥的Xwt.％M1/载体(M1＝Ru、Rh、Pd、Pt)(X＝2-5)分 配入包含1mL玻璃小瓶的8x12阵列中。为了选择阵列内的小瓶，加入 3-8μl(其中使总加入体积匹配等于被称量入小瓶中的干燥的xwt.％M1/ 载体催化剂的孔体积)的适当地浓缩的M2储备溶液(M2＝Ru、Rh、Pd、Ir、 Pt、Au(从Heraeus获得)和Mo(从Strem获得)，参见表1)。在M2加入之 后，混合物经由多管涡旋振荡器来搅拌以浸渍载体。浸渍之后，将M1/M2/ 载体催化剂的玻璃小瓶阵列在炉中在120℃下干燥1小时，随后在500℃ 下煅烧3小时。在冷却之后，将催化剂阵列储存在干燥器中，直到使用。 通过共浸渍制备M1/M2/载体催化剂(M1/M2＝Rh、Pd、Pt)。
将7-12mg的二氧化硅载体(Davisil635W.R.Grace&Co.)分配入包含 1mL玻璃小瓶的8x12阵列中。将载体在使用之前在120℃下干燥12小 时。为了选择阵列内的小瓶，加入6-11μl(其中使总加入体积匹配等于被称 量入小瓶中的载体的孔体积)的适当地浓缩的预混合的M1/M2储备溶液 (M1/M2＝Rh、Pd、Pt)(从Heraeus获得)，在金属加入之后，混合物经由多 管涡旋振荡器来搅拌以浸渍载体。浸渍之后，将M1/M2/载体催化剂的玻 璃小瓶阵列在炉中在120℃下干燥1小时，随后在500℃下煅烧3小时。 在冷却之后，将催化剂阵列储存在干燥器中，直到使用。
葡糖二酸至己二酸反应。
将催化剂阵列转移至96孔反应器插入物(SymyxSolutions)内的1mL 玻璃小瓶中。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0.2M葡糖二酸(由葡萄糖酸钙制备)(Sigma-Adrich)、 0.1MHBr(实例1-37；Sigma-Aldrich)或0.2MHBr(实例38； Sigma-Aldrich)。在溶液加入之后，将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，压力容器用氮气加压和排气3次并用氢气加压和排气3次，然 后用氢气加压至710psig，被加热至140℃(实例1-37)或160℃(实例38)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。然后向 每一个反应小瓶加入750μL的水。在水加入之后，将阵列覆盖并摇动以确 保充分的混合。随后，将被覆盖的阵列放置在离心机中以分离催化剂颗粒。 然后将每一个反应样品用水稀释2倍以产生用于通过HPLC分析的样品。
在表2中示出结果。
表2.
a其中x+y＝3
b其中不使用M2，将M1/载体催化剂在使用之前在500℃下煅烧3小时
c通过共浸渍来制备
d该反应进行6小时
e该反应在160℃下进行。