Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СИНТЕЗА 5-ГИДРОКСИМЕТИЛФУРФУРАЛЯ (5-HMF) ИЗ УГЛЕВОДОВ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается новой методики способа синтеза 5-гидроксиметилфурфураля (5-HMF) из углеводов. Был разработан удобный, атомно-эффективный, высокоселективный и экономически выгодный способ получения 5-HMF из целлюлозы, гемицеллюлозы, крахмала, различных источников углеводов, и далее он был распространен на глюкозу и фруктозу.

Предшествующий уровень техники

Нефтехимические источники энергии истощаются с каждым днем. Поэтому люди начали искать подходящие способы их замены на возобновляемые ресурсы. Ресурсы биомассы (лигноцеллюлоза, целлюлоза, крахмал, фруктоза, глюкоза, сахароза и т.д.) рассматриваются как возобновляемые источники для производства энергии и продуктов крупнотоннажного и тонкого химического синтеза, поскольку эти ресурсы широко доступны в природе. Получаемый из биомассы 5-гидроксиметилфурфураль (HMF) является интермедиат-платформой для производства многих массовых химических продуктов и топлива на биологической основе. 5-HMF является мостиком между ресурсами биомассы и различными биохимикатами и топливом. 5-HMF, наряду с фурфуралем и 2,5-фурандикарбоновой кислотой (FDCA), были внесены Министерством энергетики США в список наиболее важных биохимикатов [(a) T. Werpy and G. Petersen, Top Value Added Chemicals from Biomass, NREL/TP-510-35523, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, 2004; (b) J. J. Bozell and G. R. Petersen, Green Chem., 2010, 12, 539–554]. До середины 20-го века меньше внимания уделялось области разработки эффективных способов производства 5-HMF и его производных из биомассы. Эта область исследования стала более популярной после 1951 года, когда была опубликована первая обзорная статья по производству фурана из углеводов (F. H. Newth, Adv. Carbohydr. Chem., 1951, 6, 83–106). В 1956 Пенистон впервые описал двухфазную систему растворителей, в которой он сообщил об улучшенной селективности синтеза 5-HMF из фруктозы при использовании н-бутанола в качестве экстрагирующего растворителя. (Q. P. Peniston, U.S. Pat Appl, US 2,750,394, 1956). Позднее B.F.M. Kuster и H.J.C. van der Steen описали двухфазную систему метилизобутилкетон-вода для синтеза 5-HMF из фруктозы (B. F. M. Kuster and H. J. C. van der Steen, Starch/Staerke, 1977, 29, 99–103). Найденной Кустером двухфазной системе МИБК-вода было уделено большое внимание при более поздней разработке синтеза 5-HMF из биомассы. В то же время многие исследователи начали работы по синтезу 5-HMF из углеводов с использованием органических растворителей.

В рамках этих исследований было обнаружено, что ДМСО является прекрасным органическим растворителем для получения 5-HMF, благодаря хорошей растворимости в нём углеводов и стабильности продукта.

Wang с соавторами опубликовали синтез 5-HMF с высоким выходом (53%) из целлюлозы с использованием Cr[(DS)H₂PW₁₂O₄₀]₃ в качестве катализатора при 150°C в одной водной системе (S. Zhao, M. Cheng, J. Li, J. Tian and X. Wang, Chem. Commun., 2011, 47, 2176–2178). Твердые кислоты, такие как поливольфрамовая кислота и фосфовольфрамовая кислота на подложке MOF, также применялись для синтеза 5-HMF с хорошим выходом из фруктозы в полярных апротонных растворителях [(a) K. Shimizu, R. Uozumi and A. Satsuma, Catal. Commun., 2009, 10, 1849–1853; (b) A. J. Sanborn, U.S. Pat, 7,317,116, 2008; (c) Y. Zhang, V. Degirmenci, C. Li and E. J. M. Hensen, Chem-SusChem, 2011, 4, 59–64].

В 2009 году Binder, Raines с соавторами описали синтез 5-HMF из фруктозы, глюкозы и целлюлозы в ДМА с применением бромидов или иодидов металлов. В этом полярном апротонном растворителе был получен хороший выход 5-HMF (J. B. Binder and R. T. Raines, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 1979–1985).

Группа под руководством Dumesic успешно применила двухфазную систему растворителей для конверсии фруктозы в 5-HMF с хорошим выходом [(a) Y. Román-Leshkov, J. N. Chheda and J. A. Dumesic, Science, 2006, 312, 1933–1937; (b) J. N. Chheda, Y. Román-Leshkov and J. A. Dumesic, Green Chem., 2007, 9, 342–350].

Несколько исследователей применяли ионные жидкости в качестве растворителя для дегидратации целлюлозы до 5-HMF с заметными выходами (>50%) с применением многих металлсодержащих катализаторов в определенных условиях [(a) F. Ilgen, D. Ott, D. Kralisch, C. Reil, A. Palmberger and B. König, Green Chem., 2009, 11, 1948–1954; (b) P. Wang,H. Yu, S. Zhan and S. Wang, Bioresour. Technol., 2011, 102, 4179–4183; (c) X. Qi, M. Watanabe, T. M. Aida and R. L. Smith Jr., ChemSusChem, 2010, 3, 1071–1077].

Zhang с соавторами сообщали о самом высоком выходе HMF (89%) из целлюлозы при использовании CrCl₂ как катализатора и ионной жидкости [EMIM]Cl как растворителя при 120°C в течение 6 часов, но эти процессы непросто масштабировать (Y. Zhang, H. Du, X. Qian and E. Y. X. Chen, Energy Fuels, 2010, 24, 2410–2417).

Несмотря на то, что выходы 5-HMF при дегидратации фруктозы, глюкозы и полисахаридов в ионных жидкостях прекрасные по сравнению с другими описанными выше способами, есть ограничения их применения, поскольку они очень дорогие, не очень стабильны при высокой температуре, сложны для масштабирования и сопряжены с трудностями при разделении.

Цель изобретения

Главной целью настоящего изобретения является разработка способа высокоселективного и экономически эффективного синтеза 5-HMF из углеводов (целлюлоза, гемицеллюлоза, крахмал, полисахариды, глюкоза и фруктоза), который имеет разнообразное применение в области биополимеров, биотоплива и не имеет указанных выше недостатков.

Другой целью настоящего изобретения является разработка атомно-эффективного и характеризующегося высоким выходом способа с формированием намного меньшего количества побочных продуктов, не требующего трудной очистки.

Другой целью настоящего изобретения является разработка более мягкого и эффективного подхода, который может применяться в масштабируемом способе синтеза 5-HMF из дешевых углеводов.

Другой целью настоящего изобретения является использование несъедобных и дешевых целлюлозы/углеводов для синтеза ценного 5-HMF как сырья для биополимеров и биотоплива.

Другой целью настоящего изобретения является использование 5-HMF для дешевого синтеза 2,5-фурандикарбоновой кислоты (FDCA) как предшественника биополимеров, 2,5-диметилфурана (DMF) как биотоплива и коммерчески важных молекул/продуктов.

Краткое описание изобретения

В настоящем изобретении описан экономически выгодный, атомно-эффективный, высокоселективный и характеризующийся высоким выходом подход к синтезу 5-HMF из дешевых углеводов (таких как целлюлоза, гемицеллюлоза, крахмал, полисахарид, глюкоза и фруктоза) по удобной и масштабируемой методике, отличающейся небольшим количеством образующихся побочных продуктов.

В одном аспекте настоящего изобретения описан однореакторный способ получения соединения 5-HMF [5-гидроксиметилфурфураль], включающий следующие стадии:

i. реакция углеводов с щавелевой кислотой и неорганическими кислотами в присутствии двухфазного растворителя и углеродного материала при 110^oC-160^oC в течении 6-12 часов при интенсивном перемешивании.

ii. сушка над Na₂SO₄ и последующее упаривание растворителя при пониженном давлении с получением 5-HMF [5-гидроксиметилфурфураль] с высоким выходом и высокой степенью чистоты.

В другом аспекте настоящего изобретения, углеводы выбраны из группы, состоящей из целлюлозы, полисахарида, крахмала, гемицеллюлозы, целлюлозы из рисовой соломы, крахмала из картофельных отходов, глюкозы, фруктозы.

В другом аспекте настоящего изобретения, неорганические кислоты выбраны из группы, состоящей из AlCl₃ и HCl.

В другом аспекте настоящего изобретения, дигидрат щавелевой кислоты (1 экв.), AlCl₃ (10-15 вес.%) и HCl (4н., 25-35 вес.%) добавляют в реакционную смесь в равных объемных долях.

В другом аспекте настоящего изобретения, указанный материал выбран из группы, состоящей из активированного угля, углеродного строительного блока, материала, состоящего из углерода, полиуглеродного материала, такого как графен, и углеродных нанотрубок/наностержней, для уменьшения образования нежелательных побочных продуктов, стабилизации интермедиата, повышения селективности, уменьшения чувствительности к свету и стабилизации конечного продукта.

В другом аспекте настоящего изобретения, применяющийся двухфазный растворитель представляет собой смесь [метилизобутилкетон (MIBK) : 2-бутанол (3:1)] : ДМСО (1:1), для избежания нежелательной реакции, повышения выхода и облегчения очистки;

В другом аспекте настоящего изобретения, финальная экстракция и упаривание растворителя дают высокий выход 5-HMF, имеющего высокую степень чистоты.

В другом аспекте настоящего изобретения, растворитель, применяющийся для экстракции, выбран из группы, состоящей из алкилкетонов, этилацетата, дихлорметана, хлороформа, ТГФ и эфира.

В другом аспекте настоящего изобретения, способ включает саморазлагающийся дигидрат щавелевой кислоты, который обеспечивает селективное и специфичное поступление воды и кислотность системы, а также комбинацию неорганических кислот (AlCl₃ и HCl) для избежания нежелательной реакции и обеспечения условий, необходимых для успешной конверсии.

В другом аспекте настоящего изобретения, способ включает применение биосовместимого дешевого углеродного материала, угля, который играет важную роль для сохранения молекул в нужной форме и успешной реакции с высокоселективным образованием целевого продукта.

В другом аспекте настоящего изобретения, углеродный материал, применяющийся в данном способе, играет также заметную роль в регулировке светочувствительности системы для уменьшения образования побочных продуктов и создания нужной среды для стабилизации продукта.

В другом аспекте настоящего изобретения, реагент, субстрат, растворитель и условия все вместе играют важную роль для эффективного превращения углеводов в 5-HMF и минимизации образования побочных продуктов. Поэтому все субстраты, использующиеся в данном способе, в комбинации оказывают синергетическое и очень специфичное влияние на конверсию.

В другом аспекте настоящего изобретения, описанный способ может применяться для крупномасштабного коммерческого производства 5-HMF из углеводов, который может далее использоваться в качестве сырья для синтеза биополимеров, биотоплива и коммерчески ценных продуктов.

Краткое описание изобретения

В настоящем изобретении описан “Способ синтеза 5-гидроксиметилфурфураля (5-HMF)”, характеризующийся следующим:

a) целлюлоза используется в качестве основного исходного строительного материала для получения 5-HMF.

b) для расширения объема настоящего изобретения можно применять этот же способ в отношении гемицеллюлозы, крахмала, полисахарида, глюкозы и фруктозы для их селективного превращения в 5-HMF.

c) биосовместимый углеродный материал применяется в качестве вспомогательного агента для успешного осуществления конверсии с высокой селективностью, для поддержания концентрации кислоты, устойчивости структуры, водного баланса, обесцвечивания и обеспечения устойчивости к свету для уменьшения образования побочных продуктов и получения высокого выхода в синтезе 5-HMF.

d) применяется дигидрат органической кислоты для контролируемого проведения синтеза, стабильного высвобождения кислоты, необходимой для расщепления связей в полимерном углеводе с получением мономерных блоков (глюкоза/ фруктоза), и для работы в качестве кислоты и одновременного in situ разложения до некислого или менее кислого субстрата, что тоже помогает повысить выход продукта.

e) также применяется комбинация неорганических кислот для поддержания уровня кислотности, необходимого для конверсии, и одновременно кислота Льюиса играет важную роль в контролируемом in situ превращении глюкозы во фруктозу, необходимом для синтеза в целом.

f) были подобраны двухфазные растворители для решения нескольких проблем, достижения наивысшей конверсии, простоты отделения твердых веществ и очистки продукта с минимальным образованием побочных продуктов. Наилучшая комбинация в двухфазном растворителе была подобрана по критериям соответствия высокой температуре, высокой полярности, частичной смешиваемости с водой, разделяемости при промывке водой и органическим растворителем.

g) температура может быть подобрана в диапазоне от 100 до 140°C для достижения наивысшего выхода с небольшим образованием побочных продуктов, и температуру можно варьировать между 80 и 180°C в зависимости от выбора различных источников углеводов, применяемых в данном процессе.

h) время процесса можно подбирать в диапазоне от 6 до 20 часов, или до полного завершения реакции.

i) после очистки обычно применяется экстракция растворителем, и затем может применяться другая методика очистки.

j) в одном варианте осуществления настоящего изобретения, 5-HMF может применяться в качестве ценного сырья для синтеза нескольких коммерчески ценных продуктов. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, 5-HMF может применяться для синтеза биополимера [2,5-фурандикарбоновая кислота (FDCA), биотоплива (2,5-диметилфуран (DMF)] и продуктов тонкого органического синтеза.

k) в другом варианте осуществления настоящего изобретения описан экономичный, атомно-эффективный и эффективный способ синтеза 5-HMF в качестве строительного блока для нескольких коммерчески важных продуктов.

l) в другом варианте осуществления настоящего изобретения, данный способ можно применять для крупномасштабного производства 5-HMF для промышленных нужд.

Подробное описание изобретения

В одном варианте осуществления настоящего изобретения описан “Способ синтеза 5-гидроксиметилфурфураля (5-HMF)”, который включает in situ стадии гидролиза полисахаридов до мономерных блоков (глюкоза), изомеризации мономера, а именно глюкозы, с получением фруктозы, и путь синтеза 5-HMF (формула 1) на основе дегидратации.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения описано как проблематичный, трудоемкий и протекающий с низким выходом синтез 5-HMF из целлюлозы в промышленном масштабе был оптимизирован посредством способа по настоящему изобретению.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения описан способ синтеза 5-HMF исходя из целлюлозы в ходе однореакторной реакции без применения дорогих реагентов.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, такой же способ может применяться для превращения гемицеллюлозы, крахмала, картофельных отходов, других полисахаридов и мономерных фрагментов (таких как глюкоза и фруктоза) в 5-HMF с высоким выходом.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, было обнаружено, что модифицированный способ синтеза обладает высокой селективностью, высоким выходом и может применяться для крупномасштабного производства 5-HMF из разных углеводов.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, комбинированная реакционная среда также помогает ограничить ненужные реакции, повысить выход и облегчить выделение продукта, 5-HMF, из реакционной смеси с чистотой ~80-98% без применения трудоемкого процесса очистки.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, модифицированная реакционная система также ограничивает нежелательную полимеризацию и окрашивание в темный цвет в применяемых условиях реакции.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения, способ масштабного синтеза 5-HMF как базового соединения может также применяться для получения нескольких промышленно важных прекурсоров, таких как FDCA: 2,5-фурандикарбоновая кислота, DMF: 2,5-диметилфуран, DHMF: 2,5-дигидроксиметилфуран, DFF: 2,5-диформилфуран, LA: левулиновая кислота, и для получения других продуктов тонкого органического синтеза для промышленного или биохимического применения (Схема 1).

Схема 1. Синтез 5-HMF из различных углеводов

Примеры

Приведенные ниже примеры представлены исключительно для иллюстрации и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения. Использующаяся в настоящем изобретении целлюлоза из рисовой соломки была получена из риса посевного (Oryza Sativa, семейство Gramineae) и куплена у фермерского хозяйства, почтовый адрес: Trehal, Tehsil-Baijnath, Dist-Kangra, Pin-176061, H.P, а отходный сырой картофель [Solanum Tuberosum; Семейство: Solanaceae] был приобретен у Raj Kumar, Krishan Lals Co. Fruits & Vegetables, Commission agents, Shop No.2, New Sabzi Mandi, Palampur- 176061, H.P. Целлюлоза, крахмал и фруктоза были приобретены у CDH Pvt. Ltd. Corp. Office, 7/28 Vardaan House, Daryaganj, New Delhi-110002, а глюкоза была приобретена у Sigma Aldrich Chemicals Pvt. Ltd, Plot-12, Banglore-560100.

Общее описание эксперимента

В высушенную в термошкафу круглодонную колбу загружали эквивалентное количество углевода (1 экв.) и дигидрата щавелевой кислоты (1 экв.). Затем в реакционную смесь добавляли 10-15 вес.% AlCl₃, 20-30 вес.% активированного угля, 25-35 вес.% HCl (4н.), метилизобутилкетон:2-бутанол (3:1) и ДМСО в равных объемах и нагревали при 100-160°C в течение 6-12 часов при интенсивном перемешивании. Соединение 1 (5-HMF) экстрагировали из реакционной смеси смесью этилацетат/CHCl₃/CH₂Cl₂, сушили над Na₂SO₄ и упаривали при пониженном давлении.

Пример 1

Синтез 5-HMF из целлюлозы:

В высушенную в термошкафу круглодонную колбу (500 мл) загружали порошок целлюлозы (20 г), дигидрат щавелевой кислоты (20 г), AlCl₃ (3 г), активированный уголь (4 г), HCl (4н., 18 мл), смесь метилизобутилкетон:2-бутанол (90:30 мл) и ДМСО (120 мл), и смесь нагревали при 110°C в течение 6 часов при интенсивном перемешивании. Соединение 1 (5-HMF) экстрагировали из реакционной смеси этилацетатом, сушили (Na₂SO₄) и упаривали при пониженном давлении, получая соединение 1, 13.00 г (65 вес.%, 93 мол.%^a). ¹H ЯМР (300 МГц, CDCl₃) δ 9.37 (с, 1H), 7.12 (д, J = 3.5 Гц, 1H), 6.39 (д, J = 3.5 Гц, 1H), 4.55 (с, 2H); ¹³C ЯМР (300 МГц, CDCl₃) δ 177.65, 161.03, 151.72, 123.49, 109.71, 56.84; m/z MS (ESI) [M+1]⁺ = 127, [M+1-H₂O]⁺ = 109, [M+1-H₂O-CO]⁺ = 81.

Пример 2

Синтез 5-HMF из крахмала:

В высушенную в термошкафу круглодонную колбу (500 мл) загружали крахмал (20 г), дигидрат щавелевой кислоты (20 г), AlCl₃ (3 г), активированный уголь (4 г), HCl (4н., 18 мл), смесь метилизобутилкетон:2-бутанол (90:30 мл) и ДМСО (120 мл), и смесь нагревали при 110°C в течение 6 часов при интенсивном перемешивании. Соединение 1 (5-HMF) экстрагировали из реакционной смеси этилацетатом, сушили (Na₂SO₄) и упаривали при пониженном давлении, получая соединение 1, 12.80 г (64 вес.%, 92 мол.%^a) в достаточно чистом виде. Спектральные данные такие же, как описано для соединения 1 (см.описание Примера 1).

^# Выход в мольных процентах был вычислен относительно мономеров глюкозы.

Пример 3

Синтез 5-HMF из картофельных отходов:

В высушенную в термошкафу круглодонную колбу (250 мл) загружали высушенный сырой картофель (15.45 г), дигидрат щавелевой кислоты (13.50 г), AlCl₃ (2.025 г), активированный уголь (2.700 г), HCl (12н., 1.745 мл), смесь метилизобутилкетон:2-бутанол (45:15 мл) и ДМСО (60 мл), и смесь нагревали при 110^oC в течение 6 часов при интенсивном перемешивании. Соединение 1 (5-HMF) экстрагировали из реакционной смеси этилацетатом, сушили (Na₂SO₄) и упаривали при пониженном давлении, получая соединение 1, 10.28 г (66 вес.%). Спектральные данные такие же, как описано для соединения 1 (см.описание Примера 1).

Пример 4

Синтез 5-HMF из целлюлозы из рисовой соломы:

В высушенную в термошкафу круглодонную колбу (100 мл) загружали целлюлозу из рисовой соломы (1 г), дигидрат щавелевой кислоты (1 г), AlCl₃ (150 мг), активированный уголь (200 мг), HCl (4н., 0.9 мл), смесь метилизобутилкетон:2-бутанол (4.5:1.5 мл) и ДМСО (6 мл), и смесь нагревали при 110°C в течение 12 часов при интенсивном перемешивании. Соединение 1 (5-HMF) экстрагировали из реакционной смеси этилацетатом, сушили (Na₂SO₄) и упаривали при пониженном давлении, получая соединение 1, 0.350 г (35 вес.%). Спектральные данные такие же, как описано для соединения 1 (см.описание Примера 1).

Пример 5

Синтез 5-HMF из глюкозы:

В высушенную в термошкафу круглодонную колбу (100 мл) загружали глюкозу (1 г), дигидрат щавелевой кислоты (1 г), AlCl₃ (150 мг), активированный уголь (200 мг), HCl (4н., 0.9 мл), смесь метилизобутилкетон:2-бутанол (4.5:1.5 мл) и ДМСО (6 мл), и смесь нагревали при 110°C в течение 6 часов при интенсивном перемешивании. Соединение 1 (5-HMF) экстрагировали из реакционной смеси этилацетатом, сушили (Na₂SO₄) и упаривали при пониженном давлении, получая соединение 1, 0.650 г (65 вес.%, 93 мол.%). Спектральные данные такие же, как описано для соединения 1 (см.описание Примера 1).

Пример 6

Синтез 5-HMF из фруктозы:

В высушенную в термошкафу круглодонную колбу (100 мл) загружали фруктозу (1 г), дигидрат щавелевой кислоты (1 г), AlCl₃ (150 мг), активированный уголь (200 мг), HCl (4н., 0.9 мл), смесь метилизобутилкетон:2-бутанол (4.5:1.5 мл) и ДМСО (6 мл), и смесь нагревали при 110°C в течение 6 часов при интенсивном перемешивании. Соединение 1 (5-HMF) экстрагировали из реакционной смеси этилацетатом, сушили (Na₂SO₄) и упаривали при пониженном давлении, получая соединение 1, 0.642 г (64 вес.%, 92 мол.%). Спектральные данные такие же, как описано для соединения 1 (см. описание Примера 1).

Преимущества настоящего изобретения

1. Был разработан простой, атомно-эффективный и экономически выгодный способ получения 5-HMF из углеводов.

2. Углеводы, предпочтительно дешевая целлюлоза, могут применяться для крупномасштабного производства 5-HMF без использования жестких условий реакции и трудоемкой очистки, с хорошим выходом.

3. Легко масштабируемый процесс и очистка снижают затраты на производство 5-HMF.

4. Легкая очистка и отсутствие необходимости традиционной колоночной хроматографии снижают затраты на производство.

5. Способ по настоящему изобретению может применяться для дешевого производства востребованного соединения-интермедиата 5-HMF и далее – для синтеза ценных и важных молекул, таких как DHMF, DMF, FDCA, DFF и LA.

6. Способ по настоящему изобретению может применяться для дешевого производства биополимера и биотоплива из углеводов.