2， 5- 呋喃二甲酸的制备方法 【技术领域】
本发明涉及由 5- 羟甲基糠醛制备 2， 5- 呋喃二甲酸的方法。背景技术 对制备 2， 5- 呋喃二甲酸 ( 以下可称为 “FDCA” ) 的各种方法已进行了研究， 原因在 于作为在包括生物塑料单体、 医药、 农药、 杀虫剂、 抗菌剂、 香料和聚合物材料的各种领域的 每一个中的中间体， FDCA 的利用价值高。方法之一是包括在催化剂的存在下将 5- 羟甲基 糠醛 ( 以下可称为 “5-HMF” ) 氧化以提供 FDCA 的方法。5-HMF 能够通过将己糖例如果糖或 葡萄糖脱水而得到， 并且是能够用作例如表面活性剂、 塑料和树脂的每一个的中间体的有 用的化合物。
日本专利翻译公开 No.2003-528868 报道了包括在高压条件下在乙酸中用 Co/Mn/ Br 催化剂对 5-HMF 进行空气氧化以提供 FDCA 的方法。
发明内容
由日本专利翻译公开 No.2003-528868 中记载的方法得到 FDCA 的收率低， 原因在 于反应在如下条件下进行 ： 催化剂的浓度高并且原料浓度低。为了使该方法可作为工业制 备方法提出， 需要增加原料浓度和进一步降低成本。 但是， 用以往已知的技术难以实现原料 浓度的增加。此外， 也要求开发即使在高浓度条件下以高纯度和高收率得到 FDCA 的方法。
鉴于这样的背景技术完成了本发明， 并且提供 FDCA 的新型制备方法， 由该制备方 法能够以高收率制备高纯度 FDCA。
本发明中， 将注意力放到反应过程中生成的水， 并且提供以下方法。即， 提供水含 量调节手段 (regulator) 并且在减少溶剂中的水含量的同时进行反应， 因此能够以高收率 和高纯度制备 FDCA 而不存在水引起的任何阻碍。根据本发明， 即使增加原料的浓度时， 也 能以高收率和高纯度制备 FDCA 而不存在水引起的任何阻碍。此外， 作为反应溶剂的有机酸 溶剂中水含量的调节能够有助于工业制备方法中成本的降低， 原因在于能够防止由水引起 的催化剂的失活并因此能够减少催化剂的量。
用于解决上述问题的由 5-HMF 制备 FDCA 的方法是如下方法， 其包括 ： 在溴和金属 催化剂的存在下在有机酸溶剂中使 5-HMF 与氧化剂接触 ； 和使 5-HMF 与该氧化剂彼此反应 以制备 FDCA， 同时除去由该反应生成的水。
本发明的发明人将注意力放到反应过程中生成的水， 并且已发现包括在减少溶剂 中水含量的同时进行反应从而以高纯度和高收率制备 FDCA 而不存在由水引起的任何阻碍 的方法。 根据本发明， 能够以高纯度稳定地供给生物塑料单体、 医药、 农药、 杀虫剂、 杀菌剂、 香料和聚合物材料。
由以下参照附图对示例性实施方案的说明， 本发明进一步的特征将变得清楚。附图说明
图 1 是表示根据本发明实施方案的制备 FDCA 的制备装置的示意图。具体实施方式
以下参照图 1 对本发明的实施方案详细说明。
本发明的发明人已发现通过将反应过程中生成的水除去以调节作为反应溶剂的 有机酸溶剂中的水含量， 能够以高纯度和高收率制备 FDCA。即， 本发明的特征在于 ： 在溴和 金属催化剂的存在下在反应溶剂中使 5-HMF 与氧化剂接触 ； 和使 5-HMF 与氧化剂彼此反应 以致可以在将由反应生成的水除去的同时制备 FDCA。
用语 “除去反应过程中生成的水” 意指不仅 “将反应过程中生成的水排出到反应溶 剂外” 而且 “使反应溶剂中的脱水剂吸收水以防止反应过程中生成的水对 FDCA 的制备反应 产生不利影响” 。反应过程中生成的水对 FDCA 的制备反应的不利影响意指例如副产物的生 成和催化剂的失活。
本发明中， 通过调节反应溶剂中的水含量以防止因从 5-HMF 制备 FDCA 时反应溶剂 中生成的水引起的副产物的生成和催化剂的失活， 以高纯度和高收率制备 FDCA。 本发明的发明人已发现通过采用上述 FDCA 的制备方法， 能够以高纯度和高收率 得到 FDCA。基于这样的发现， 本发明人已完成了本发明。
将水除去的方法是例如包括用脱水剂将水除去的方法。将水除去的其他方法包 括： 包括使含有水的反应溶剂例如有机酸溶剂蒸发以将反应溶剂排出到体系外， 从蒸气中 除去水和除去后使反应溶剂返回到体系中的方法 ； 包括使用过滤装置的方法 ； 和包括利用 分离的方法。
在通过将脱水剂引入溶剂中来除去水的情况下， 即使没有设置用于蒸发水的单元 也能将水除去。
将含有水的反应溶剂蒸发的方法包括保持反应容器 1 中的压力低于反应温度下 的水的蒸汽压以将含有水的反应溶剂蒸发。在这种情况下， 反应温度优选为 200℃以下， 或 更优选 140℃ -180℃。此外， 反应压力优选为 0.2-1.6MPa， 或更优选 0.2-1.0MPa。
通过设定水蒸发的反应条件， 反应容器 1 中的水变为水蒸汽。通过反应路径中途 存在的冷却冷凝器 3 将该水蒸汽冷却以变为水。在脱水器 2 中用脱水剂将该水除去以致可 以在将反应溶剂中的水含量调节到 1.3％以下的同时进行反应。于是以高收率制备 FDCA。
在上述方法中， 水含量调节手段的存在减少了阻碍反应的因素例如生成副产物的 量的增加和催化剂的失活。结果， 能够以低成本、 高纯度和高收率制备 FDCA。
通过采用已知方法将生物质例如纤维素、 葡萄糖、 果糖或粘液酸转化而得到的产 物能够用作具有呋喃环的 5-HMF。
将溴和金属催化剂用作催化剂。
该金属催化剂优选地含有 Co 或 Mn， 或者更优选地含有 Co 和 Mn。
Br 用作反应的引发剂， 并且用于通过离子放出将作为主要氧化催化剂的 Co 还原 的同时使反应进行。同时， 已知 Co 为主要氧化催化剂并且已知 Mn 的作用是 Co 的辅助催化 剂， 因此通过使 Co 和 Mn 之间的催化剂比最优化， 能够用少量的催化剂以高收率得到 FDCA。
优选用以下催化剂量进行反应 ： Co 的 含 量 为 0.50-5.0wt ％， Mn 的 含 量 为
0.15-3.0wt％， Br 的含量为 0.11-3.2wt％， 相对于原料。考虑作为工业制备方法的成本有 效性， 通过研究 Co、 Mn 和 Br 中最佳催化剂比， 能够将作为具有高单价的催化剂的 Co 的量抑 制在低水平。当基于总催化剂量和收率考虑成本而设定催化剂范围时， 更优选 Co 的含量为 0.50-1.0wt％， Mn 的含量为 1.5-2.3wt％和 Br 的含量为 0.32-3.2wt％。
氧和含氧气体均优选用作氧化剂， 氧化剂的具体实例包括， 但未必限于， 空气、 纯 空气和纯氧气。
上述方法可在含有乙酸的溶剂中或溶剂混合物中进行。
以下， 通过实施例对本发明详细说明。但是， 该实施例并不限制本发明。
在每个实施例中， 将原料、 催化剂和溶剂装入设置有搅拌机的反应容器中， 通过对 该混合物加压和搅拌的同时使该原料与氧化剂接触而开始反应。 为了在开始反应前使原料 与催化剂能充分地溶解在溶剂中， 首先将该混合物在室温下搅拌 1 小时。
为了可在高浓度溶液中得到高收率， 必须减少反应过程中生成的水的影响。这意 在防止因水引起的副反应和催化剂的失活。鉴于上述内容， 反应容器设置有水含量调节手 段， 在将反应溶剂中的水含量调节到 1.3％以下的同时进行氧化。
温度升高后的温度优选为等于或小于 200 ℃的温度， 即 5-HMF 的分解温度。考 虑反应时间和反应效率， 该温度更优选为 140℃ -180℃。为了可使溶剂中的水充分消散， 优选将反应容器中的压力设定为低于对于设定温度的水的蒸汽压。具体地， 压力优选为 0.2-1.6MPa， 或更优选 0.2-1.0MPa。
此外， 将通过反应制备的 FDCA 过滤以分离为液体和固体。用水将该固体充分洗 涤， 然后将其干燥。然后， 通过高性能液相色谱 (HPLC) 测定 FDCA 的收率， 并且通过 Karl Fischer 法测定反应溶剂中的水含量。每个测定的条件如下所示。
HPLC 测定
分析仪器 ： 由 Waters 制造的 2695
检测器 ： UV 吸光度检测器和反射检测器
洗脱液 ： 3mM 的高氯酸 HCiO4
流速 ： 1ml/min
柱温度 ： 40℃
柱： 由 SHOKO CO.， LTD. 制造的 SHODEX SUGAR SH-1011/SH-G
Karl Fischer 测定
分析仪器 ： 由 KYOTO ELECTRONICS MANUFACTURING CO.， LTD. 制造的 MKA-210
溶剂 ： HAYASHI-solvent 脱水溶剂
滴定剂 ： 由 Sigma-Aldrich Japan 制造的 HYDRANAL Composite 2
( 实施例 1)
将通过称量 45.5ml 的乙酸、 4.8g 的 5-HMF、 0.10g 的乙酸钴四水合物、 0.32g 的乙 酸锰四水合物和 0.010g 的溴化钠而制备的催化剂悬浮水溶液装入设置有搅拌机的反应容 器 1( 参见图 1) 中。此外， 在反应容器 1 设置有由 KISHIDA CHEMICAL Co.， Ltd. 制造的 MolecularSieve(4A)30g 的捕集器 (trap) 作为水含量调节手段。
在 0.3MPa 的压力下引入空气的同时在 25℃下搅拌制备的催化剂悬浮水溶液 1 小 时。然后， 将温度提高到 150℃， 然后进行搅拌 1 小时以使水能充分地被捕集器的脱水剂吸附。然后， 将压力增加到 3MPa， 然后进行搅拌 1 小时。其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产 物取出。
将已取出的产物过滤。然后， 进行采用 HPLC 的定量和采用 KarlFischer 法的水含 量测定。结果， FDCA 的收率为 70.4％和水含量为 1.16％。反应前的水含量为 0.023％。
( 实施例 2)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬 浮水溶液。在 0.3MPa 的压力下引入氧的同时在 25℃下搅拌制备的催化剂悬浮水溶液 1 小 时。然后， 将温度提高到 150℃， 然后进行搅拌 2 小时， 同时将水除去。其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 73.4 ％和水含量为 1.03％。
( 实施例 3)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬 浮水溶液。在 0.3MPa 的压力下引入氧的同时在 25℃下搅拌制备的催化剂悬浮水溶液 1 小 时。然后， 将温度提高到 150℃， 然后进行搅拌 2 小时。其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产 物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 65.7 ％和水含量为1.31％。 ( 实施例 4)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬浮水 溶液。 在 0.2MPa 的压力下引入氧的同时在 25℃下搅拌制备的催化剂悬浮水溶液 1 小时。 然后， 将温度提高到 140℃， 然后进行搅拌 3 小时。其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 68.0 ％和水含量为 1.02％。
( 实施例 5)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬 浮水溶液。在 0.4MPa 的压力下引入氧的同时在 25℃下搅拌制备的催化剂悬浮水溶液 1 小 时。然后， 将温度提高到 155℃， 然后进行搅拌 2 小时。其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产 物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 67.8 ％和水含量为 1.06％。
( 实施例 6)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬 浮水溶液。在 0.5MPa 的压力下引入氧的同时在 25℃下搅拌制备的催化剂悬浮水溶液 1 小 时。然后， 将温度提高到 160℃， 然后进行搅拌 2 小时。其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产 物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 65.8 ％和水含量为 1.11％。
( 实施例 7)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬 浮水溶液。在 0.6MPa 的压力下引入氧的同时在 25℃下搅拌制备的催化剂悬浮水溶液 1 小 时。然后， 将温度提高到 165， 然后进行搅拌 2 小时。其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产物 取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 63.7 ％和水含量为 1.08％。
( 实施例 8)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬 浮水溶液。在 0.8MPa 的压力下引入氧的同时在 25℃下搅拌制备的催化剂悬浮水溶液 1 小 时。然后， 将温度提高到 170℃， 然后进行搅拌 1 小时。其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产 物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 65.4 ％和水含量为 1.09％。
( 实施例 9)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬 浮水溶液。在 1.0MPa 的压力下引入氧的同时在 25℃下搅拌制备的催化剂悬浮水溶液 1 小 时。然后， 将温度提高到 180℃， 然后进行搅拌 1 小时。其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产 物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 62.5 ％和水含量为1.08％。 ( 比较例 1)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬 浮水溶液。在 0.3MPa 的压力下引入空气的同时在 25℃下搅拌催化剂悬浮水溶液 1 小时。 然后， 将温度提高到 150℃， 然后进行搅拌 1 小时。1 小时后， 将压力提高到 3MPa， 然后进行 搅拌 1 小时。其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 55.1 ％和水含量为 2.20％。
( 比较例 2)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬 浮水溶液。在 0.3MPa 的压力下引入氧的同时在 25℃下搅拌催化剂悬浮水溶液 1 小时。然 后， 将温度提高到 150℃， 然后进行搅拌 2 小时。 其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 52.2 ％和水含量为 1.71％。
( 比较例 3)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬 浮水溶液。在 3MPa 的压力下引入空气的同时在 25℃下搅拌催化剂悬浮水溶液 1 小时。然 后， 将温度提高到 150℃， 然后进行搅拌 2 小时。 其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 57.6 ％和水含量为 1.64％。
( 比较例 4)
通过称量与实施例 1 相同的样品的量， 以与实施例 1 中相同的方式制备催化剂悬 浮水溶液。在 3MPa 的压力下引入空气的同时在 25℃下搅拌催化剂悬浮水溶液 1 小时。然 后， 将温度提高到 150℃， 然后进行搅拌 2 小时。 其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 52.3 ％和水含量为 1.72％。
( 比较例 5)
作为现有技术的跟踪实验， 通过称量催化剂以使催化剂的浓度可与现有例的 那些相同， 用与实施例 1 相同的原料浓度制备催化剂悬浮水溶液， 该现有例记载于 Walt Partenheimer， Vladimir V.GrushinSynthesis of 2， 5-Diformylfuran and Furan-2， 5-Dicarboxylic Acidby Catalytic Air-Oxidation of 5-hydroxymethylfurfural. Unexpectedly Selective Aerobic Oxidation of Benzyl Alcohol toBenzaldehyde with Metal/Bromide Catalysts Advanced Synthesis&Catalysis.WI LEY-VCH Verlag Gmbll， 69451 Weinheim、 2000、 No.1， p102-111。具体地， 通过添加 0.031g 的 Co、 0.029g 的 Mn 和 0.082g 的 Br 来进行制备。 在 3MPa 的压力下引入空气的同时在 25℃下搅拌催化剂悬浮水溶液 1 小时。 然后， 将温度提高到 150℃， 然后进行搅拌 2 小时。其次， 将温度降低到 25℃， 然后将产物取出。
反应后， 进行与实施例 1 相同的分析。结果， FDCA 的收率为 40.2 ％和水含量为 2.36％。
表 1 示出实施例 1-9 和比较例 1-5 的分子量测定的结果。
实验结果的总结 发现通过以下方式获得了 62％以上的 FDCA 的收率 ： 将压力设定为比反应温度下水的蒸汽压低的值 ； 设置用脱水剂除去水的步骤 ； 和在反应溶剂中的水含量为 1.3％以下 的条件下进行反应。
应指出的是， 各温度下水的蒸汽压如下所示。
140℃ 0.37MPa
150℃ 0.49MPa
155℃ 0.56MPa
160℃ 0.64MPa
165℃ 0.73MPa
170℃ 0.82MPa
180℃ 1.05MPa
此外， 作为其中用 Partenheimer 等的催化剂量进行反应的实例， 比较例 5 中 FDCA 的收率为 40.2％。该收率低于文献中记载的 FDCA 的收率即 60.9％。上述内容表明通过本 发明中报道的催化剂比获得了比现有技术高的 FDCA 的收率。
工业应用性
根据本发明的 FDCA 的制备方法， 能够以高纯度稳定地供给包括生物塑料单体、 医 药、 农药、 杀虫剂、 抗菌剂、 香料和聚合物材料的各种领域的每一个中的中间体。 尽管已参照示例性实施方案对本发明进行了说明， 但应理解本发明并不限于公开 的示例性实施方案。 以下权利要求的范围应给予最宽泛的解释以包括所有这样的变形和等 同结构及功能。