Дегидратация и расщепление альфа-, бета-дигидроксикарбонильных соединений до молочной кислоты и других продуктов Российский патент 2023 года по МПК C07C51/347 C07C29/141 C07C51/377 C07C59/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к способам синтеза продуктов расщепления, предусматривающим пировиноградную кислоту и глицеральдегид в качестве предшественников для ряда ценных конечных продуктов, причем продукты расщепления и конечные продукты содержат меньшее число атомов углерода относительно α-, β-дигидроксикарбонильных исходных соединений, включая α-, β-дигидроксикарбоновые кислоты и карбоксилаты, например, продукты, полученные из глюкозы.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Истощение ископаемых видов топлива создало большой стимул для поиска альтернативных источников нефтяному углероду для получения так называемых "платформенных" молекул с небольшими числами атомов углерода, таких как пропиленгликоль и другие продукты с 3 атомами углерода (С₃). В настоящее время в качестве потенциальной замены рассматривается биомасса, из которой можно получать многие такие известные ценные химические вещества на нефтяной основе, но разработка рациональных технологий для получения таких химических веществ из возобновляемых ресурсов остается серьезной проблемой. В последние годы биодизельная промышленность обеспечивала большое количество неочищенного глицерина в качестве побочного продукта очистки триглицеридов из растительных масел и животных жиров. Этот глицерин может служить в качестве сырья для получения этих же ценных химических веществ с меньшим углеродным числом, таких как пропиленгликоль. Однако значительные расходы присущи стадиям, необходимым для надлежащей очистки глицерина для этой цели, и биодизельная промышленность сильно зависит от налоговых льгот и других форм государственных дотаций для своей рентабельности.

Существующий ныне уровень техники будет значительно выигрывать от разработки путей синтеза, предназначенных для получения ценных промежуточных соединений, таких как пировиноградная кислота и глицеральдегид, и/или получаемых из них продуктов превращения, таких как молочная кислота, глицерин и пропиленгликоль, из легко доступных или получаемых субстратов и, в частности, из субстратов, которые получают из возобновляемых углеводных ресурсов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Аспекты настоящего изобретения связаны с выявлением способов синтеза, в которых можно использовать субстраты, такие как глюконовая кислота и глюкаровая кислота, которые легко получать, например, при окислении глюкозы. Такие субстраты, как правило, характеризуются более высокой стабильностью при условиях высокой температуры по сравнению со своими альдегидными предшественниками (например, глюкозой), что может приводить к повышению селективности реакции и выхода в требуемой последовательности реакций в отношении получения одного или нескольких определенных продуктов. Тем самым снижаются потери продуктов из-за нежелательных побочных реакций. Особый интерес представляют продукты "расщепления", образованные при разрыве углерод-углеродной связи и, таким образом, содержащие меньшее число атомов углерода по сравнению с используемым субстратом. Получение подходящих субстратов при окислении альдегидных предшественников в карбоксилаты является прямым и недорогим, при этом обычно необходим лишь воздух в качестве окисляющего средства. Конкретные аспекты связаны со способностью содержащих карбоксилат-анион субстратов подвергаться ряду реакционных стадий в растворе, что приводит к образованию требуемых продуктов расщепления с 3 атомами углерода, таких как пировиноградная кислота и глицеральдегид, которые могут быть далее превращены при таких же условиях реакции (например, путем гидрирования/восстановления) в требуемые конечные продукты, такие как молочная кислота, глицерин и даже пропиленгликоль (1,2-пропандиол).

Конкретные аспекты относятся к путям синтеза, в которых используют стадию расщепления после образования дикарбонильного промежуточного соединения из α-, β-дигидроксикарбонильного исходного соединения. Расщепление можно инициировать при помощи катализатора расщепления при условиях реакции, описанных в данном документе. Продукты расщепления с меньшим числом атомов углерода включают, например, соединения с 3 атомами углерода, такие как соединения, описанные выше, которые можно синтезировать из любых субстратов или исходных соединений с 4-, 5- или 6 атомами углерода. Такие субстраты могут, например, обычно образовывать пировиноградную кислоту в качестве продукта расщепления. Более конкретные аспекты относятся к выявлению таких путей синтеза или отдельных стадий реакций таких путей, которые можно осуществлять неферментативно, что означает - без использования фермента (например, полипептида) в реакционной смеси. В случае, когда способы, описанные в данном документе, осуществляют неферментативно, например, при использовании лишь одного или нескольких химических катализаторов, а не биологического(-их) катализатора(-ов), преимущества состоят в обеспечении более широкого диапазона возможных условий реакции, таких как условия температуры и/или рН, которые будут неблагоприятными для биологических средств (например, будут вызывать денатурацию белков, в том числе ферментов), но которые, тем не менее, обеспечивают высокие значения производительности в отношении требуемого промежуточного соединения и/или конечного продукта. Другие преимущества могут быть результатом снижения эксплуатационных затрат, а особенно затрат, которые в ином случае связаны с отделением фермента от продукта, по сравнению с относительно низкой стоимостью, связанной с отделением гетерогенного или гомогенного химического катализатора. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления по меньшей мере одна из стадий синтеза, описанных в данном документе: (i) дегидратации исходного соединения с образованием дикарбонильного промежуточного соединения, (ii) расщепления дикарбонильного промежуточного соединения с получением продукта расщепления, (iii) гидрирования продукта расщепления с образованием конечного продукта и (iv) превращения второго продукта расщепления в дополнительное количество конечного продукта, представляет собой стадию неферментативной реакции (т.е. катализируется без использования фермента). Предпочтительно по меньшей мере две из (i), (ii), (iii) и (iv) не представляют собой стадии с ферментативной реакцией, более предпочтительно по меньшей мере три из (i), (ii), (iii) и (iv) не представляют собой стадии с ферментативной реакцией, и еще более предпочтительно все из (i), (ii), (iii) и (iv) не представляют собой стадии с ферментативной реакцией.

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способам синтеза продукта расщепления, содержащего меньшее число атомов углерода относительно исходного соединения. Исходное соединение или субстрат содержит карбонильную функциональную группу (С=O) с замещенными гидроксигруппой атомами углерода в альфа (α) и бета (β) положениях относительно карбонильной функциональной группы. В соответствии с одной стадией реакции это исходное соединение, а именно α-, β-дигидроксикарбонильное соединение, т.е. общий класс соединений, который охватывает α-, β-дигидроксикарбоновые кислоты и карбоксилаты, подвергают дегидратации с образованием дикарбонильного промежуточного соединения путем преобразования α-гидроксигруппы во вторую карбонильную группу (смежную с карбонильной группой исходного соединения) и удаления β-гидроксигруппы. Дикарбонильное промежуточное соединение затем расщепляют с образованием продукта расщепления, который сам по себе является дикарбонильным соединением, но который содержит меньшее число атомов углерода относительно дикарбонильного промежуточного соединения и в котором сохранены первая и вторая карбонильные группы. Это расщепление обычно приводит к получению второго продукта расщепления, такого как альдегид или карбоксилат, который отличается от (дикарбонильного) продукта расщепления. Зачастую в случае субстратов с 6 атомами углерода, как (дикарбонильный) продукт расщепления, так и второй продукт расщепления (например, альдегид или карбоксилат) могут представлять собой продукты с 3 атомами углерода, такие как глицеральдегид или 2-гидрокси-3-оксопропановая кислота. В случае субстратов с 5 атомами углерода (дикарбонильный) продукт расщепления может представлять собой продукт с 3 атомами углерода, а второй продукт расщепления (например, альдегид или карбоксилат) может представлять собой продукт с 2 атомами углерода, такой как 2-гидроксиацетальдегид или 2-оксоуксусная кислота. В случае субстратов с 4 атомами углерода (дикарбонильный) продукт расщепления может представлять собой продукт с 3 атомами углерода, а второй продукт расщепления (например, альдегид или карбоксилат) может представлять собой продукт с одним атомом углерода, такой как формальдегид или муравьиная кислота.

Любой или оба из продукта расщепления и второго продукта расщепления можно далее превращать, например, путем гидрирования/восстановления при восстановительных условиях (например, повышенном парциальном давлении водорода), которые могут присутствовать в реакционной среде, в гидрированные конечные продукты. Такие гидрированные конечные продукты в случае пировиноградной кислоты в качестве (дикарбонильного) продукта расщепления могут включать молочную кислоту или в случае глицеральдегида или 2-гидрокси-3-оксопропановой кислоты в качестве второго продукта расщепления (например, альдегида или карбоксилата) могут включать глицерин или глицериновую кислоту соответственно. Другие ценные конечные продукты могут включать молочную кислоту, полученную из глицеральдегида посредством реакций, включающих 1,2-гидридный сдвиг или гидридный перенос (реакция Канниццаро).

Эти и другие аспекты, варианты осуществления и связанные преимущества станут очевидными из следующего подробного описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На фигуре 1 показан общий механизм реакции, включающий стадии синтеза продуктов расщепления и конечных продуктов в соответствии со способами синтеза, описанными в данном документе.

На фигуре 2 показан конкретный механизм реакции, в соответствии с которым глюконовая кислота является исходным материалом или субстратом.

Фигуры следует понимать как представляющие варианты осуществления настоящего изобретения для способствования пониманию принципов и вовлеченной химии реакции, а не для ограничения объема настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения. Как будет очевидно специалисту в данной области техники, знающему о настоящем изобретении, в способах синтеза в соответствии с различными другими вариантами осуществления настоящего изобретения будут использоваться конкретные реагенты и определенные условия реакции, по меньшей мере отчасти в соответствии с конкретными целями.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

При использовании в данном документе термин "субстрат" или альтернативно "исходное соединение" относится к первоначальному соединению, которое подвергают одной стадии или предпочтительно ряду стадий превращения, таким как стадии превращения "дегидратация", "расщепление" и необязательно "гидрирование", с получением одного или нескольких продуктов расщепления и/или конечных продуктов. Эти стадии превращения не исключают применения предварительных стадий превращения, например, при таких же условиях реакции (например, в том же реакторе) или при других условиях реакции (например, в отдельном реакторе), что и используемые для получения продуктов расщепления и/или конечных продуктов. Такие предварительные стадии превращения могут включать превращение легкодоступного предшественника, такого как глюкоза, в глюконовую кислоту или глюкаровую кислоту в качестве исходного соединения, например, путем окисления. Аналогично стадии, осуществляемые "для получения продукта расщепления" или "для получения конечного продукта", не исключают применения последующих стадий превращения, например, при таких же условиях реакции (например, в том же реакторе) или при других условиях реакции (например, в отдельном реакторе), что и используемые для получения продуктов) расщепления и/или конечного(-ых) продукта(-ов), с получением одного или нескольких других требуемых конечных продуктов. Например, молочная кислота в качестве гидрированного конечного продукта может подвергаться дальнейшему превращению в пропиленгликоль или акриловую кислоту. Глицериновая кислота в качестве гидрированного конечного продукта может подвергаться дальнейшему превращению в глицерин.

Термины "мол. %" и "вес. %" используют для обозначения количеств или концентраций в пересчете на проценты по молям и проценты по весу соответственно. Значения выхода продуктов, указанные в пересчете на "мол. %", относятся к количеству молей полученного заданного продукта (например, продукта расщепления, такого как пировиноградная кислота), исходя из количества молей используемого субстрата (введенного или поданного в реактор).

Термин "алкил" при использовании отдельно или в комбинации с другими фрагментами, например, при использовании в комбинации в "алкокси", "алкоксиалкиле", "гидроксиалкиле", "карбоксиалкиле", "алканоиле" и "алканоилалкиле", представляет углеводородный фрагмент, который получен из алкана. При использовании отдельно "алкил", следовательно, включает "метил" (СН₃-), "этил" (С₂Н₅-) и т.д. При использовании в комбинации алкильная часть фрагмента "алкокси" связана на конце фрагмента с остальной частью молекулы посредством промежуточной кислородной связи, -О- как в случае "метокси" (СН₃-О-), "этокси" (С₂Н₅-О-) и т.д., которые охвачены термином "алкокси". Алкильная часть фрагмента "алканоил" связана на конце фрагмента с остальной частью молекулы посредством промежуточной карбонильной связи, -(С=O)-, причем "метаноил" (НС=O-) представляет собой концевой альдегидный фрагмент, "этаноил" (СН₃-(С=O-) представляет собой метил, связанный карбонильной связью, и т.д., которые охвачены термином "алканоил".

Термин "гидрокси" представляет собой фрагмент -OH, а термин "карбокси" представляет собой фрагмент -(С=O)ОН. Термин "гидроксиалкил" представляет собой гидрокси, связанный на конце фрагмента с остальной частью молекулы посредством промежуточной двухвалентной алкильной части, как в случае "гидроксиметила" (НО-СН₂-), "гидроксиэтила" (НО-С₂Н₅-) и т.д., которые охвачены термином "гидроксиалкил". Термин "карбоксиалкил" представляет собой карбокси, связанный на конце фрагмента с остальной частью молекулы посредством промежуточной двухвалентной алкильной части, как в случае "карбоксиметила" (НО-(С=O)-СН₂-), "карбоксиэтила" (НО-(С=O)-С₂Н₅-) и т.д., которые охвачены термином "карбоксиалкил". Термин "алкоксиалкил" включает как концевую алкокси-часть (т.е. присоединенную в конце фрагмента), как определено выше и показано обозначением "алкокси", так и промежуточную двухвалентную алкильную часть, посредством которой "алкокси" связан с остальной частью молекулы. Таким образом, "алкоксиалкил" охватывает "метоксиметил" (СН₃-О-СН₂-), "метоксиэтил" (СН₃-O-С₂Н₄-), "этоксиметил" (С₂Н₅-O-СН₂-), "этоксиэтил" (С₂Н₅-О-С₂Н₄-) и т.д. Термин "алканоилалкил" включает как концевую алканоильную часть (т.е. связанную на конце фрагмента), как определено выше и показано обозначением "алканоил", так и промежуточную двухвалентную алкильную часть, посредством которой "алканоил" связан с остальной частью молекулы. Таким образом, "алканоилалкил" охватывает "метаноилметил" (Н(С=O)-СН₂-), "метаноилэтил" (Н(С=O)-С₂Н₄-), "этаноилметил" (СН₃-(С=O)-СН₂-), "этаноилэтил" (CH₃-(C=O)-C₂H₄-) _и т.д.

Термин "необязательно замещенный" касательно "алкила" или касательно концевых или промежуточных алкильных частей фрагментов, как определено выше, означает охватывающий замещение заместителя водорода при одной или нескольких углерод-водородных связях в алкиле или алкильной части определенным заместителем. В случае заместителя гидрокси (-ОН) или метила (-СН₃) - один, два или три заместителя водорода при углерод-водородных связях концевого атома углерода в алкиле могут быть замещены соответствующими заместителями -OH и/или СН₃, и один или два заместителя водорода при углерод-водородных связях промежуточного атома углерода в алкиле (алкилене) могут быть замещены соответствующими заместителями -ОН и/или -СН₃. Например, в случае концевой алкильной части ее концевой атом углерода может быть замещен двумя заместителями -CH₃ с получением концевого изопропилового фрагмента или может быть замещен тремя заместителями -СН₃ с получением концевого трет-бутилового фрагмента. В случае промежуточной алкильной части или промежуточного атома углерода в концевой алкильной части: один или два заместителя водорода на углерод-водородных связях атома углерода в алкилене могут быть замещены заместителями -СН₃ с получением соответствующих метил-замещенных или диметил-замещенных производных. В соответствии с этим описанием можно получить аналогичные замещения концевого атома углерода в алкиле или промежуточного атома углерода в алкиле одним или несколькими заместителями -ОН. В случае заместителя карбонила (=O): заместители водорода при двух углерод-водородных связях любого концевого атома углерода в алкиле или промежуточного атома углерода в алкиле (алкилене) могут быть замещены =O с получением концевого альдегидного фрагмента (или группы) или карбонильного фрагмента (или группы) соответственно.

Принимая во внимание возможные фрагменты и способ, которым они могут быть замещены, нельзя не отметить, что может быть перекрытие в определениях фрагментов, например, в случае "метаноила" и концевого "метила", замещенного =O, оба из которых представляют концевой альдегидный фрагмент (или группу). Конкретные фрагменты упомянуты, однако, для того, чтобы подчеркнуть их точное включение в данное соединение. Кроме того, если "алкил" или "алкильная часть" дополнительно определена касательно ее соответствующего числа атомов углерода (например, алкил или алкильная часть "содержащие 1-5 атомов углерода"), необязательные заместители -СН₃, если есть, не включены в это число атомов углерода. Т.е. фраза "содержащие 1-5 атомов углерода" и другие фразы, определяющие количество атомов углерода в алкиле, относятся к числу атомов углерода в остове алкила, которые могут быть дополнительно замещены заместителями -СН₃ или другими заместителями в соответствии с конкретными приведенными определениями.

Соединения на основе карбоновой кислоты включают их соответствующие солевые формы. В случае, когда исходное соединение или субстрат содержит функциональную группу карбоновой кислоты, солевая форма обычно используется в водном растворе для осуществления способов синтеза, описанных в данном документе. Соответствующие солевые формы карбоновой кислоты включают, например, соли щелочных металлов (например, форма натриевой соли), соли щелочноземельных металлов (например, форма кальциевой соли) и аммонийные соли. Таким образом, соединения, такие как "глюконовая кислота", "глюкаровая кислота", "винная кислота", "пировиноградная кислота", "молочная кислота", "2-гидрокси-3-оксопропановая кислота", "глицериновая кислота" и т.д, понимаются как включающие солевые формы "глюконата", "глюкарата", "тартрата", "пирувата", "лактата", "2-гидрокси-3-оксопропаноата", "глицерата" и т.д. Как общие, так и конкретные структуры, иллюстрирующие соединения на основе карбоновой кислоты, аналогично понимаются как охватывающие их солевые формы или ионизированные формы, таким образом, структура глюконовой кислоты, например, когда показана со своей неионизированной карбоксильной группой, понимается как охватывающая структуру с ее ионизированной карбоксильной группой, и наоборот, с неионизированной и ионизированной карбоксильной группой эквивалентных структур этого соединения, показанного ниже:

Соединения могут иметь один или несколько стереоцентров, и структуры проиллюстрированы без учета какой-либо конкретной стереохимии с пониманием, что реакции, описанные касательно субстратов, таких как "глюконовая кислота", "глюкаровая кислота" и "эритроновая кислота", которые в соответствии с их номенклатурой обозначают конкретную стереохимию, могут быть аналогично осуществлены аналогичным образом с использованием соответствующих нестереоспецифических субстратов "2,3,4,5,6-пентагидроксигексановой кислоты", "2,3,4,5-тетрагидроксигександиовой кислоты" и "2,3,4-тригидроксибутановой кислоты", а также с использованием всех стереоизомеров таких соединений. Таким образом, если не определено иное, "глюконовая кислота" предназначена для охвата "глюконовой кислоты и ее стереоизомеров", как предусмотрено и в отношении других соединений, обозначая конкретную стереохимию. Общие и конкретные соединения, описанные в данном документе, можно применять или получать в виде чистых или очищенных (обогащенных) оптических изомеров или же в форме их рацемических смесей. Применение оптически активных субстратов или исходных соединений может приводить в результате к образованию оптически активных продуктов с использованием способов синтеза, описанных в данном документе, что будет оценено специалистами в данной области в сочетании со знаниями из настоящего изобретения. Если требуется, очистку конкретного оптического изомера или обогащение одним оптическим изомером относительно другого можно обеспечить, например, путем образования диастереомерных солей посредством обработки оптически активными кислотой или основанием. Примерами соответствующих кислот являются винная, диацетилвинная, дибензоилвинная, дитолуоил винная и камфорсульфоновая кислоты. Примерами подходящих оснований являются хиральные алкалоиды растительного происхождения. Смеси диастереомеров затем разделяют кристаллизацией, с последующим высвобождением оптически активных оснований или кислот из этих солей. Другой способ разделения оптических изомеров включает использование колонки для хиральной хроматографии, выбранной с целью максимизации степени разделения энантиомеров. Еще один доступный способ включает синтез ковалентных диастереомерных молекул путем осуществления реакции с оптически чистой кислотой в активированной форме или оптически чистым изоцианатом. Синтезированные диастереомеры можно разделять традиционными методами, такими как хроматография, дистилляция, кристаллизация или сублимация, а затем гидролизовать с получением энантиомерно чистого соединения.

Общий механизм реакции для синтеза продуктов расщепления и конечных продуктов показан на ФИГ. 1. Как показано, исходный материал общей формулы I представляет собой в широком смысле α-, β-дигидроксикарбонильное соединение, которое охватывает предпочтительный класс соединений, а именно α-, β-дигидроксикарбоксилаты, если R¹ представляет собой гидрокси (ОН), для обеспечения концевой карбоксильной группы с левой стороны проиллюстрированного соединения. Исходный материал общей формулы I из ФИГ. 1 содержит α-гидроксигруппу, замещенную по α-атому углерода относительно показанной карбонильной (С=O) группы, а также β-гидроксигруппу, замещенную по β-атому углерода относительно этой карбонильной группы. В соответствии с проиллюстрированным механизмом синтеза первая стадия дегидратации (удаления воды) вызывает удаление β-гидроксигруппы вместе с образованием участка ненасыщенности, т.е. углерод-углеродной двойной связи между α-атомом углерода и β-атомом углерода. Полученное этиленненасыщенное, дегидратированное соединение, показанное как соединение А, как правило, сохраняет таутомерное равновесие с дикарбонильным промежуточным соединением, показанным как имеющее общую формулу IIA. Стадия дегидратации может, таким образом, включать образование воды из комбинации β-гидроксигруппы и водорода α-гидроксигруппы в исходном соединении или субстрате общей формулы I.

Дикарбонильное промежуточное соединение общей формулы IIA можно затем подвергать расщеплению с образованием продукта расщепления общей формулы IIB.

Вследствие расщепления фрагмент, представленный как R^2B в этом продукте расщепления, имеет меньше атомов углерода относительно фрагмента, представленного как R^2A в дикарбонильном промежуточном соединении общей формулы IIA. Следовательно, продукт расщепления в общем имеет меньше атомов углерода относительно этого дикарбонильного промежуточного соединения. Необязательное гидрирование продукта расщепления может затем обеспечивать получение конечного продукта - в данном случае соответствующий гидрированный конечный продукт характеризуется общей формулой IIIB, как показано на ФИГ. 1. Расщепление с образованием продукта расщепления дополнительно обеспечивает образование второго продукта расщепления, характеризующегося общей формулой IIC, а следовательно содержащего альдегидную группу. В зависимости от субстрата или исходного соединения этот второй продукт расщепления может содержать другие функциональные группы, такие как функциональная группа карбоновой кислоты, как фрагмент, представленный как R^2C, или иным образом включенный в концевую часть этого фрагмента, который связан с альдегидной функциональной группой. Такой второй продукт расщепления может получаться, например, когда фрагмент, представленный как R^2A в дикарбонильном промежуточном соединении общей формулы IIA, связан посредством гидрокси-замещенного атома углерода. То есть исходное соединение может дополнительно содержать гамма-гидроксигруппу, замещенную по гамма-атому углерода относительно первой карбонильной группы, так что расщепление обеспечивает образование, в дополнение к первому (дикарбонильному) продукту расщепления, второго продукта расщепления, содержащего альдегидную группу, образующуюся в результате разрыва связи между бета-атомом углерода и гамма-атомом углерода дикарбонильного промежуточного соединения, соответствующими бета-атому углерода и гамма-атому углерода исходного соединения. В конкретном варианте осуществления второй продукт расщепления общей формулы IIC может образовываться в случае R^2A или по меньшей мере концевой части R^2A, представляющей фрагмент:

в случае которого продукт расщепления будет иметь меньше атомов углерода относительно как дикарбонильного промежуточного соединения, так и субстрата. Продукт расщепления можно затем необязательно подвергать гидрированию, при этом дополнительные превращения второго продукта расщепления (например, также посредством гидрирования) могут обеспечивать образование других необходимых соединений, например, как описано касательно более конкретного варианта осуществления, показанного на ФИГ. 2. В соответствии с некоторыми способами фрагмент, представленный как R^2C во втором продукте расщепления, характеризующемся общей формулой IIC, может иметь на один атом углерода меньше, чем фрагмент, представленный как R^2A, и этот второй продукт расщепления может представлять собой соответствующий альдегид или соответствующую карбоновую кислоту, образованные из R^2A и содержащие такое же число атомов углерода, что и R^2A. В этом случае продукт расщепления может представлять собой пировиноградную кислоту, которую можно гидрировать до молочной кислоты. Таким образом, можно отметить, что путь синтеза до молочной кислоты посредством расщепления дикарбонильного промежуточного соединения с образованием пировиноградной кислоты можно осуществлять с использованием в качестве субстратов ряда α-, β-дигидроксикарбонильных соединений, включая α-, β-дигидроксикарбоновые кислоты и карбоксилаты, содержащие по меньшей четыре атома углерода.

Следовательно, типичные способы могут включать, помимо получения продукта расщепления, который представляет собой дикарбонильное соединение, гидрирование некоторой части или всего этого продукта расщепления с получением конечного продукта, которой сохраняет первую карбонильную группу исходного соединения и дикарбонильного промежуточного соединения, а также содержит смежную гидроксигруппу, полученную гидрированием второй карбонильной группы продукта расщепления. Таким образом, расход продукта расщепления общей формулы IIB путем его гидрирования смещает реакцию расщепления вперед, давая в конечном итоге дополнительный выход дикарбонильного соединения из соединения А путем сдвига таутомерного равновесия в данном направлении. Скорость, с которой (дикарбонильный) продукт расщепления становится гидрированным, можно регулировать с использованием необязательного катализатора расщепления, а также условий реакции, как описано в данном документе. В результате стадии расщепления продукт расщепления с 3 атомами углерода, такой как пировиноградная кислота, можно получать из доступных α-, β-дигидроксикарбоновых кислот и карбоксилатов с 4-, 5- или 6-атомами углерода в качестве исходных соединений, таких как эритроновая кислота (или обычно 2,3,4-тригидроксибутановая кислота); 2,3-дигидрокси-4-оксобутановая кислота; винная кислота; 2,3,4,5-тетрагидроксипентановая кислота; 2,3,4-тригидрокси-5-оксопентановая кислота; 2,3,4-тригидроксипентандиовая кислота; глюконовая кислота (или обычно 2,3,4,5,6-пентагидроксигексановая кислота); 2,3,4,5-тетрагидрокси-6-оксогексановая кислота и глюкаровая кислота (или обычно 2,3,4,5-тетрагидроксигександиовая кислота). Таким образом, типичные способы синтеза могут включать превращение доступных С₄-С₆-субстратов, таких как легкодоступные углеводы, с получением С₃-соединений в качестве продуктов расщепления и конечных продуктов. В таких вариантах осуществления, если субстрат представляет собой соединение с 6 атомами углерода (C₆-субстрат), то второй продукт расщепления способа синтеза также является С₃-соединением. Например, каждый из субстратов с 6 атомами углерода, глюконовая кислота и глюкаровая кислота, могут давать пировиноградную кислоту в качестве продукта расщепления и молочную кислоту в качестве конечного продукта гидрирования молочной кислоты. В случае глюконовой кислоты второй продукт расщепления может представлять собой глицеральдегид, который может подвергаться гидрированию с получением глицерина в качестве конечного продукта. В случае глюкаровой кислоты второй продукт расщепления может представлять собой 2-гидрокси-3-оксопропановую кислоту, которая может подвергаться гидрированию с получением глицериновой кислоты в качестве конечного продукта.

Что касается соединений на ФИГ. 1, характеризующихся общими формулами I, IIA, IIB и IIIB, а также соединений, характеризующихся общими формулами, представленными для соединения A, R¹ может быть выбран из группы, состоящей из алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси и гидроксиалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила и гидроксиалкила содержат от 1 до 5 атомов углерода, необязательно замещенных одним или несколькими заместителями (т.е. могут необязательно иметь заместители водорода на углерод-водородных связях, замещенные, как определено в данном документе, одним или несколькими заместителями), выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН₃ и =O. В соответствии с конкретными вариантами осуществления в этих соответствующих соединениях, включая исходное соединение общей формулы I, дикарбонильное промежуточное соединение и продукты расщепления, характеризующиеся соответственно общими формулами IIA и IIB, и/или конечный продукт общей формулы IIIB, R¹ может представлять собой алкил (например, содержащий 1-3 атома углерода алкила) и может давать в результате концевую кетоновую функциональную группу в соответствующих соединениях; R¹ может представлять собой алкокси (например, содержащий 1-3 атома углерода алкила) и может давать в результате концевую сложноэфирную функциональную группу в соответствующих соединениях; или R¹ может представлять собой гидрокси и может давать в результате концевую карбоксильную функциональную группу в соответствующих соединениях. Предпочтительно, R¹ представляет собой гидрокси, при этом исходное соединение и дикарбонильное промежуточное соединение представляют собой карбоновые кислоты. Например, как описано выше относительно терминов, используемых обычно в данном документе, исходное соединение, дикарбонильное промежуточное соединение, продукт расщепления и/или конечный продукт могут быть в форме (например, находиться в реакционной смеси в виде) карбоксилатов, что означает соединения, содержащие карбоксилат-анион и вероятно присутствующие в солевой форме в водной реакционной смеси (например, в форме их соответствующей аммонийной соли), которую используют для осуществления способов синтеза, описанных в данном документе.

Что касается соединений на ФИГ. 1 характеризующихся общими формулами I и IIA, а также соединений, характеризующихся общей формулой, данной для соединения А, R^2A может быть выбран из группы, состоящей из алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-5 атомов углерода, необязательно замещенных одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН₃ и =O. В соответствии с конкретным вариантом осуществления R^2A может быть выбран из группы, состоящей из алкила, алкокси, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-3 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -ОН и/или одним или несколькими -СН₃. В соответствии с более конкретным вариантом осуществления R^2A может представлять собой алкил, карбокси, карбоксиалкил, алканоил или алканоилалкил, где алкил и алкильные части карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-3 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -ОН. Конкретные субстраты, содержащие 4-6 атомов углерода, включают эритроновую кислоту (или обычно 2,3,4-тригидроксибутановую кислоту); 2,3-дигидрокси-4-оксобутановую кислоту; винную кислоту; 2,3,4,5-тетрагидроксипентановую кислоту; 2,3,4-тригидрокси-5-оксопентановую кислоту; 2,3,4-тригидроксипентандиовую кислоту; глюконовую кислоту (или обычно 2,3,4,5,6-пентагидроксигексаную кислоту); 2,3,4,5-тетрагидрокси-6-оксогексановую кислоту и глюкаровую кислоту (или обычно 2,3,4,5-тетрагидроксигександиовую кислоту).

В случае конкретного субстрата с 4 атомами углерода, когда R¹ представляет собой гидрокси, и R^2A представляет собой гидроксиметил, исходное соединение представляет собой эритроновую кислоту (или обычно 2,3,4-тригидроксибутановую кислоту). В данном случае стадия расщепления может, таким образом, обеспечивать пировиноградную кислоту, в дополнение ко второму продукту расщепления с одним атомом углерода, такому как формальдегид. Таким образом, гидрирование продуктов расщепления будет давать в результате молочную кислоту и метанол, соответственно. Этот пример и другие примеры субстратов с 4 и 5 атомами углерода и их соответствующие продукты расщепления, вторые продукты расщепления и продукты гидрирования представлены ниже в таблице 1.

Конкретные примеры субстратов с 6 атомами углерода и их соответствующие продукты расщепления, вторые продукты расщепления и продукты гидрирования описаны ниже вместе с субстратами, характеризующимися конкретными структурами формул IV и VI, находящимися в объеме формулы I.

Что касается соединений, характеризующихся общими формулами IIB и IIIB, R^2B может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-4 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -OH, -СН₃ и =O. В соответствии с конкретным вариантом осуществления R^2B может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-3 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -ОН и/или одним или несколькими -СН₃. В соответствии с более конкретным вариантом осуществления R^2B может представлять собой заместитель водорода, алкил, карбокси, карбоксиалкил, алканоил или алканоилалкил, где алкил и алкильные части карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1 или 2 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -ОН. В соответствии с другим конкретным вариантом осуществления R может представлять собой заместитель водорода или алкил, содержащие 1-3 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -ОН.

Кроме того, из настоящего раскрытия можно понять, что когда R¹ представляет собой гидрокси, и R^2B представляет собой заместитель водорода, продукт расщепления представляет собой пировиноградную кислоту, которая может гидрироваться с образованием молочной кислоты, теоретически из различных возможных α-, β-гидроксикарбоксилатных субстратов, как описано выше. Кроме того, второй продукт расщепления общей формулы IIC может образовываться в случае R^2A или по меньшей мере концевой части R^2A, представляющей собой фрагмент

Следовательно, R^2C в соединениях общей формулы IIC может представлять фрагменты, как определено выше в отношении R^2A, однако содержащие на по меньшей мере один атом углерода меньше. Таким образом, R^2C может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-4 атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН₃ и =О. В соответствии с конкретным вариантом осуществления R^2C может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат один или два атома углерода, необязательно замещенные одним или несколькими -OH и/или одним или несколькими -СН₃. В соответствии с более конкретным вариантом осуществления R^2C может представлять собой заместитель водорода или алкил с одним или двумя атомами углерода, необязательно замещенными одним или несколькими -ОН.

В более конкретном варианте осуществления фрагмент R^2C соединений на ФИГ. 1 может представлять собой

так что исходное соединение и дикарбонильное промежуточное соединение характеризуются соответственно общей формулой IV и формулу VA,

причем соединения могут необязательно находиться в их соответствующих солевых формах, как описано выше. Что касается этих соединений, то R¹ может являться таким, как определено выше. R^3A может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкокси, гидрокси и карбокси, где алкильная часть алкокси содержит 1-5 атомов углерода, которые могут быть необязательно замещены одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН₃ и =O. Предпочтительно, R^3A представляет собой заместитель водорода, метил, метокси, гидрокси или карбокси. R^4A может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-5 атомов углерода, которые могут быть необязательно замещены одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН₃ и =O. Предпочтительно, R^4A представляет собой заместитель водорода, метил, метокси, гидрокси или карбокси.

В случае конкретного субстрата с 6 атомами углерода R¹ и R^3A могут оба представлять собой гидрокси, и R^4A может представлять собой карбокси, что дает в результате глюкаровую кислоту (или обычно 2,3,4,5-тетрагидроксигександиовую кислоту) в качестве субстрата общей формулы IV и 2-кето-3-дезоксиглюкаровую кислоту (2,3-дигидрокси-5-оксогександиовую кислоту) в качестве дикарбонильного промежуточного соединения общей формулы VA. В данном случае продукт расщепления общей формулы IIB может представлять собой пировиноградную кислоту, которую можно гидрировать с получением молочной кислоты в качестве конечного продукта общей формулы IIIB, как описано выше. Второй продукт расщепления общей формулы IIC может представлять собой 2-гидрокси-3-оксопропановую кислоту, которую можно гидрировать с получением глицериновой кислоты, как описано выше. В случае другого конкретного субстрата с 6 атомами углерода R¹ и R^3A могут оба представлять собой гидрокси, и R^4A может представлять собой метаноил, что дает в результате 2,3,4,5-тетрагидрокси-6-оксогексановую кислоту в качестве субстрата общей формулы IV и 4,5-дигидрокси-2,6-диоксогексановую кислоту в качестве дикарбонильного промежуточного соединения общей формулы VA. В данном случае продукт расщепления общей формулы IIB может представлять собой пировиноградную кислоту, которую можно гидрировать с получением молочной кислоты в качестве конечного продукта общей формулы IIIB, как описано выше. Второй продукт расщепления общей формулы IIC может представлять собой 2-гидроксималоновый альдегид, который можно гидрировать с получением глицеральдегида.

В соответствии с еще более конкретными вариантами осуществления фрагмент R^2A соединений на ФИГ. 1 может представлять собой

который получают, когда в соединениях общей формулы IV выше R^4A содержит атом углерода метилена (-СН₂-), так что R^4A может быть выбран из группы, состоящей из алкила, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила и алканоилалкила. В соответствии с такими вариантами осуществления возможно, что исходное соединение общей формулы IV и дикарбонильное промежуточное соединение общей формулы VA характеризуются более конкретными структурами, соответствующими общей формуле VI и общей формуле VIIA, соответственно:

Фрагменты R¹ и R^3A могут быть такими, как определено выше, и фрагмент R^5A может быть выбран из группы, состоящей из заместителя водорода, алкила, алкокси, алкоксиалкила, гидрокси, гидроксиалкила, карбокси, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила, где алкил и алкильные части алкокси, алкоксиалкила, гидроксиалкила, карбоксиалкила, алканоила и алканоилалкила содержат 1-4 атома углерода, которые могут быть необязательно замещены одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, состоящей из -ОН, -СН₃ и =O. Предпочтительно, R^5A представляет собой заместитель водорода, метил, метокси, гидрокси или карбокси.

В другом примере конкретного субстрата с 6 атомами углерода R¹, R^3A и R^5A могут представлять собой гидрокси, что дает в результате глюконовую кислоту (или обычно 2,3,4,5,6-пентагидроксигексановую кислоту) в качестве субстрата общей формулы VI и 2-кето-3-дезоксиглюконовую кислоту (4,5,6-тригидрокси-2-оксогексановую кислоту) в качестве дикарбонильного промежуточного соединения общей формулы VIIA. В данном случае продукт расщепления общей формулы IIB может представлять собой пировиноградную кислоту, которую можно гидрировать с получением молочной кислоты в качестве конечного продукта общей формулы IIIB, как описано выше. Второй продукт расщепления общей формулы IIC может представлять собой глицеральдегид, который можно гидрировать с получением глицерина, как описано выше.

Типичная реакционная среда, связанная с синтезом продукта расщепления и/или конечного продукта, в соответствии с способами, описанными в данном документе, предусматривает повышенное парциальное давление водорода, как например, парциальное давление водорода, составляющее по меньшей мере 3 мегапаскаля (МПа) (435 фунтов/кв. дюйм), необязательно в комбинации с катализатором гидрирования. В этой среде для гидрирования/восстановления концевая альдегидная группа во втором продукте расщепления общей формулы IIC может превращаться в концевую спиртовую или гидрокси (-ОН) группу. Другие возможные продукты превращения продукта расщепления и второго продукта расщепления возможны, как описано более подробно ниже, относительно более конкретного варианта осуществления, показанного на ФИГ. 2.

На ФИГ. 2 показан способ синтеза, представленный на ФИГ. 1, с использованием глюконовой кислоты в качестве исходного соединения или соединениче формулы I, в котором R^2A представляет собой фрагмент

В данном варианте осуществления дикарбонильное промежуточное соединение формулы IIA, как показано представляет собой 2-кето-3-дезоксиглюконовую кислоту (2-кето-4,5,6-тригидроксигексановую кислоту). Это дикарбонильное промежуточное соединение можно затем подвергать расщеплению с получением на выходе продукта расщепления формулы IIB, который в варианте осуществления, показанном на ФИГ. 2, представляет собой пировиноградную кислоту. Кроме того, получают второй продукт расщепления формулы IIC, который в данном варианте осуществления представляет собой глицеральдегид, в соответствии с которым R^2C в общей формуле для этого соединения, как показано на ФИГ. 1, представляет собой фрагмент

который соответствует фрагменту R^2A, как показано выше, однако содержащему на один атом углерода меньше.

Конечный продукт и дополнительные продукты превращения могут также образовываться при условиях реакции, описанных в данном документе, как показано на ФИГ. 2. Например, гидрирование/восстановление пировиноградной кислоты, продукта расщепления формулы IIB, может давать на выходе молочную кислоту. Гидрирование/восстановление глицеральдегида, второго продукта расщепления формулы IIC, как показано, может давать на выходе глицерин. Кроме того, полученный глицеральдегид можно подвергать дополнительным реакциям, таким, как те, которые включают 1,2-гидридный сдвиг или гидридный перенос (реакция Канниццаро), чтобы вызвать его превращение в молочную кислоту, как показано на ФИГ. 2. Таким образом, в соответствии с конкретными вариантами осуществления молочную кислоту можно получать в молярном количестве, которое превышает молярное количество полученного глицеральдегида, несмотря на тот факт, что первая часть этой молочной кислоты может быть получена гидрированием пировиноградной кислоты, которую получают посредством реакции расщепления в эквимолярном количестве с глицеральдегидом. Т. е. глицеральдегид может превращаться во вторую часть молочной кислоты, так что реакционная смесь может содержать объединенные первую и вторую часть молочной кислоты, которые превышают в молярном соотношении количество глицеральдегида. Например, соотношение всего (объединенного) молярного количества молочной кислоты и чистого мольного количества глицеральдегида (например, в реакционной смеси после завершения способа синтеза) может составлять по меньшей мере 1,2, по меньшей мере 1,5 или по меньшей мере 2,0. Этот избыток может получаться, по меньшей мере частично, из-за превращения глицеральдегида в молочную кислоту. Как также показано на ФИГ. 2, молочная кислота также может вступать в реакцию с получением пропиленгликоля и акриловой кислоты в качестве дополнительных продуктов превращения, при условиях реакции, описанных в данном документе.

Таким образом, типичные способы описаны в данном документе для осуществления синтеза α-гидроксикарбоксилатного конечного продукта, содержащего меньшее число атомов углерода относительно α-, β-дигидроксикарбоксилатного исходного соединения. Способы предусматривают осуществление реакции α-, β-дигидроксикарбоксилатного исходного соединения в реакционной смеси, которая предпочтительно содержит катализатор расщепления, т.е. катализатор или промотор стадии реакции, показанной как "расщепление" на ФИГ. 1 и 2. Предпочтительные катализаторы расщепления предусматривают один или несколько активных металлов для расщепления, таких как вольфрам, молибден и/или ванадий, которые могут присутствовать в реакционной смеси в виде соответствующих солей, таких как вольфраматы, молибдаты или ванадаты, которые включают метавольфраматную соль, паравольфраматную соль, метамолибдатную соль, парамолибдатную соль, метаванадатную соль или параванадатную соль. Типичные вольфраматы представляют собой соли металлов группы 1 (щелочные) или металлов группы 2 (щелочноземельные), а также аммонийные соли. Типичными являются соли метавольфрамата аммония и паравольфрамата аммония. Катализатор расщепления (например, метавольфрамат аммония) может присутствовать в реакционной смеси в количестве от 0,1 мол. % до 30 мол. %, от 0,5 мол. % до 10 мол. % или от 1 мол. % до 5 мол. % относительно числа молей субстрата, например, в соответствии с исходной композицией для загрузки реактора в случае периодической реакции или в соответствии с композицией в установившемся состоянии в случае непрерывной реакции. Катализатор расщепления может также, или может в качестве альтернативы, присутствовать в реакционной смеси в таком количестве, чтобы количество моль активного металла для расщепления (например, вольфрама, молибдена или ванадия) могло составлять от 6 мол. % до 50 мол. % или от 10 мол. % до 35 мол. % относительно числа молей субстрата. Другие катализаторы расщепления могут содержать твердые кислоты и/или кислоты Льюиса (например, металлоорганические соединения, включая оловоорганические соединения).

В соответствии с этими способами α-гидроксикарбоксилатный конечный продукт, такой как молочная кислота, образуется из комбинации расщепления и гидрирования. Дополнительные аспекты настоящего изобретения относятся к обнаружению того, что использование основания, такого как гидроксид, может способствовать превращению по меньшей мере части альдегидного продукта расщепления, такого как глицеральдегид, в дополнительное количество конечного продукта. Например, глицеральдегид можно подвергать дополнительным реакциям, включая реакции, предусматривающие 1,2-гидридный сдвиг или гидридный перенос (реакция Канниццаро), так что он может превращаться или изомеризоваться в дополнительное количество молочной кислоты. Это дополнительное количество конечного продукта может быть выражено относительно количества на исходном уровне, в котором основание отсутствует или в ином случае находится в номинальном количестве. Дополнительное количество конечного продукта может представлять собой увеличение на по меньшей мере 10 мол. %, на по меньшей мере 20 мол. % или на по меньшей мере 50 мол. % относительно количества на исходном уровне. Таким образом, реакционная смесь может содержать основание, такое как гидроксид, для способствования получению такого дополнительного количества конечного продукта. Типичные гидроксиды включают гидроксид аммония, а также гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, такие как гидроксид лития, гидроксид натрия, гидроксид калия и т.д., причем гидроксид лития является предпочтительным.

Конкретные способы направлены на синтез молочной кислоты из α-, β-дигидроксикарбоксилатного исходного соединения с более чем 3 атомами углерода, такого как соль глюконата (или обычно 2,3,4,5,6-пентагидроксигексаноата); 2,3,4,5-тетрагидрокси-6-оксогексаноата; глюкарата (или обычно 2,3,4,5-тетрагидроксигександиоата); 2,3,4,5-тетрагидроксипентаноата; 2,3,4-тригидрокси-5-оксопентаноата; 2,3,4-тригидроксипентандиоата; эритроната (или обычно 2,3,4-тригидроксибутаноата); 2,3-дигидрокси-4-оксобутаноата или тартрата. Как описано в данном документе, типичные способы включают дегидратацию этого исходного соединения с образованием дикарбонильного промежуточного соединения путем преобразования альфа-гидроксигруппы во вторую карбонильную группу и удаления бета-гидроксигруппы, и расщепление этого дикарбонильного промежуточного соединения путем разрыва связи между бета-атомом углерода и гамма-атомом углерода дикарбонильного промежуточного соединения, соответствующими бета-атому углерода и гамма-атому углерода, относительно карбоксилатной группы исходного соединения с образованием пирувата. Способы дополнительно предусматривают гидрирование или восстановление пирувата с получением молочной кислоты и необязательно дополнительных продуктов превращения, таких как пропиленгликоль или акриловая кислота.

В соответствии с конкретными вариантами осуществления общий(-ие) выход(-ы) продукта расщепления, второго продукта расщепления или любого конкретного конечного продукта и/или дополнительного продукта превращения, как описано в данном документе, на основе теоретических выходов, проходящих по соответствующим путям, что также описано в данном документе, может обычно составлять по меньшей мере 25 мол. % (например, от 25 мол. % до 90 мол. %), обычно по меньшей мере 35 мол. % (например, от 35 мол. % до 80 мол. %) и часто по меньшей мере 50 мол. % (например, от 50 мол. % до 75 мол. %). Эти выходы могут относиться, например, к (i) любому продукту расщепления общей формулы IIB, такому как пировиноградная кислота или любой другой конкретный продукт расщепления этой общей формулы, описанный в данном документе, (ii) любому второму продукту расщепления общей формулы IIC, такому как глицерин или любой другой конкретный второй продукт расщепления этой общей формулы, описанный в данном документе, (iii) любому конечному продукту общей формулы IIIB, такому как молочная кислота или любой другой конкретный конечный продукт этой общей формулы, описанный в данном документе, (iv) любому продукту, полученному в результате превращения (например, гидрирования) второго продукта расщепления общей формулы IIC, такому как глицерин или любой другой такой конкретный продукт превращения, описанный в данном документе, и/или (v) любому дополнительному продукту превращения, такому как пропиленгликоль или акриловая кислота, описанному в данном документе.

Реакционная смесь, которая предпочтительно представляет собой водную реакционную смесь, может дополнительно содержать катализатор гидрирования, такой как твердый (гетерогенный) катализатор. Типичный катализатор гидрирования может содержать один или несколько активных металлов для гидрирования, выбранных из групп 8-11 Периодической таблицы, таких как, например, рутений (Ru), кобальт (Со), никель (Ni), платина (Pt), палладий (Pd) или золото (Au). Предпочтительным активным металлом для гидрирования является рутений. Катализатор может также содержать твердую подложку для активного(-ых) металла(-ов) для гидрирования, при этом металлы диспергированы на твердой подложке в соответствии с распределением, например, предпочтительно вблизи наружной поверхности твердой подложки или иным образом фактически равномерно по всей пористой твердой подложке, в зависимости от конкретной используемой техники получения катализатора (например, пропитка с помощью испарения раствора активного металла для гидрирования). Предпочтительно, активный металл для гидрирования или такие металлы в комбинации присутствует/присутствуют в количестве от 1 вес. % до 15 вес. % или от 2 вес. % до 10 вес. % в пересчете на общий вес катализатора гидрирования.

Активный(-ые) металл(-ы) для гидрирования могут присутствовать в реакционной смеси в таком количестве, что количество молей активного(-ых) металла(-ов) для гидрирования (например, рутения) составляет от 1 мол. % до 20 мол. % или от 2 мол. % до 10 мол. % относительно количества молей субстрата, например, в соответствии с исходной композицией для загрузки реактора в случае периодической реакции или в соответствии с композицией в установившемся состоянии в случае непрерывной реакции. Твердая подложка предпочтительно является огнеупорной в реакционной смеси и при условиях реакции синтеза, описанных в данном документе. Типичные твердые подложки содержат один или несколько оксидов металлов, таких как оксид алюминия (окись алюминия), оксид кремния (диоксид кремния), оксид титана (диоксид титана), оксид циркония (диоксид циркония), оксид магния (окись магния), оксид стронция (окись стронция) и т.д. Предпочтительной твердой подложкой является углерод. В соответствии с конкретным вариантом осуществления катализатор гидрирования содержит рутений на подложке из углерода, при этом рутений присутствует в количестве, находящемся в указанном выше диапазоне в пересчете на общий вес катализатора и/или в указанном выше диапазоне относительно числа молей субстрата.

Условия реакции, при которых реакционная смесь поддерживается при синтезе продукта(-ов) расщепления и/или конечного(-ых) продукта(-ов), включают повышенное давление и парциальное давление водорода. Типичные абсолютные давления в реакторе, как правило, находятся в диапазоне от 2,07 МПа (300 фунтов/кв. дюйм) до 24,1 МПа (3500 фунтов/кв. дюйм), обычно от 3,45 МПа (500 фунтов/кв. дюйм) до 20,7 МПа (3000 фунтов/кв. дюйм) и часто от 10,3 МПа (1500 фунтов/кв. дюйм) до 17,2 МПа (2500 фунтов/кв. дюйм). Давление в реакторе может быть получено главным образом или фактически от водорода, так что эти диапазоны общего давления могут также соответствовать диапазонам парциального давления водорода. Однако присутствие газообразных частиц, испарившихся из реакционной смеси, таких как аммиак и/или водяной пар, может приводить в результате к снижению парциального давления водорода относительно этих общих давлений, так что, например, парциальное давление водорода может обычно находиться в диапазоне от 1,38 МПа (200 фунтов/кв. дюйм) до 22,4 МПа (3250 фунтов/кв. дюйм), обычно от 2,41 МПа (350 фунтов/кв. дюйм) до 19,0 МПа (2750 фунтов/кв. дюйм) и часто от 8,62 МПа (1250 фунтов/кв. дюйм) до 15,5 МПа (2250 фунтов/кв. дюйм).

Другие условия реакции включают температуру от 100°С до 350°С и предпочтительно от 130°С до 230°С. Время реакции, т.е. время, в течение которого реакционная смесь поддерживается при условиях давления и температуры на любых целевых значениях или в целевых поддиапазонах в любом из диапазонов давления и температуры, приведенных выше (например, целевое значение общего давления 13,8 МПа (2000 фунтов/кв. дюйм) и целевая температура 160°С), составляет от 0,5 часа до 24 часов и предпочтительно от 1 часа до 5 часов в случае периодической реакции. Для непрерывной реакции это время реакции соответствует времени пребывания в реакторе. Непрерывный режим можно проводить, например, при описанных выше условиях давления и температуры с непрерывной подачей субстрата и водорода и непрерывным отведением реакционной смеси, содержащей продукт(-ы) расщепления и/или конечный(-е) продукт(-ы). Непрерывный режим может также включать непрерывную очистку продуктов расщепления и/или конечных продуктов, непрерывное разделение технологических потоков, содержащих не прореагировавшие газообразные и/или жидкие продукты, и/или непрерывная рециркуляция одного или нескольких таких технологических потоков назад в реакционную смесь, находящуюся в реакторе синтеза. В случае операции рециркуляции выходы продукта(-ов) расщепления и/или конечного(-ых) продукта(-ов), как описано выше, будут соответствовать "однократному" или "за проход" выходу, при этом более высокие общие выходы возможны из-за рециркуляции.

Пример 1

Глюконат натрия (10 грамм) объединяли со 100 мл воды, 2,5 мол. % коммерческого катализатора рутения на угле относительно субстрата глюконата натрия, 2,5 г или 2 мол. % вольфрамата в виде гидрата метавольфрамата аммония и 1 эквивалента гидроксида лития в 450 куб. реакторе Парра высокого давления Hastelloy® С2000. Реактор продували три раза с помощью азота при 6,9 МПа (1000 фунтов/кв. дюйм), затем три раза с помощью водорода при 6,9 МПа (1000 фунтов/кв. дюйм). После третьей продувки водородом в реакторе повышали давление до 3,4 МПа (500 фунтов/кв. дюйм) с помощью водорода и начинали перемешивание при 700 об/мин. с нагреванием до 180 градусов Цельсия. Как только достигалась температура реакции, - добавляли дополнительный водород с получением 9,0 МПа (1300 фунтов/кв. дюйм) водорода в емкости. Через два часа содержимое реактора охлаждали до комнатной температуры путем гашения в бане с ледяной водой, снижали давление в реакторе и содержимое отфильтровывали для извлечения катализатора, а затем образцы силилировали для анализа с помощью GC/MS с использованием N,O-бис(триметилсилил)трифторацетамида (BSTFA) и триметилхлорсилана (TMCS) в пиридине. Анализ показал более чем 99% конверсию субстрата, и при этом получали 14,1 весового процента молочной кислоты (выход 38,4 мол. процента), 1,6 весового процента глицерина (выход 4,3 мол. процента), 3,4 весового процента этиленгликоля (выход 13,5 мол. процента) и 5,2 весового процента пропиленгликоля (выход 16,8 мол. процента).

Пример 2

Использовали устройство и протокол из примера 1, за исключением того, что использовали водород при 13,8 МПа (2000 фунтов/кв. дюйм) и не добавляли гидроксид лития. Более чем 98% субстрата превращалось в продукты, включая 0,6 весового процента молочной кислоты (выход 1,6 мол. процента), 3,3 весового процента глицерина (выход 8,8 мол. процента), 1,2 весового процента этиленгликоля (выход 4,8 мол. процента) и 1,0 весового процента пропиленгликоля (выход 3,2 мол. процента).

Пример 3

Условия примера 2 повторяли, за исключением того, что вольфрамат не использовали и использовали азот вместо водорода для повышения давления в реакторе. Молярное превращение субстрата снижалось до 92,7%. Продукты включали 4,97 весового процента молочной кислоты (выход 13,1 мол. процента), 5,3 весового процента глицерина (выход 13,7 мол. процента), 1,5 весового процента этиленгликоля (выход 5,7 мол. процента) и 2,1 весового процента пропиленгликоля (выход 6,5 мол. процента).

Пример 4

Для этого примера не использовали ни вольфрамат, ни коммерческий катализатор рутений на угле, и азот использовали снова вместо водорода, за исключением того, что использовали при давлении 1,0 МПа (150 фунтов/кв. дюйм). Происходило полное превращение субстрата, при этом продукты включали 1,29 весового процента молочной кислоты (выход 3,4 мол. процента), 4,8 весового процента пировиноградной кислоты (выход 13,11 мол. процента) и 0,3 весового процента 5-гидроксиметил-2-фуранкарбоновой кислоты (HMFCA) (выход 4,7 мол. процента), однако не было заметных глицерина, этиленгликоля или пропиленгликоля.

Пример 5

Для этого примера в качестве субстрата использовали 10 г эритроната кальция, водород использовали снова при 13,8 МПа (2000 фунтов/кв. дюйм) и в отношении субстрата использовали снова 2,5 мол. процента коммерческого катализатора рутения на угле и 2 мол. процента вольфрамата. Через 2 часа при 180 градусах Цельсия весь субстрат превращался и продукты включали 0,9 весового процента молочной кислоты (выход 1,7 мол. процента), 11,7 весового процента глицерина (выход 22,2 мол. процента), 0,7 весового процента этиленгликоля (выход 2,0 мол. процента) и 1,8 весового процента пропиленгликоля (выход 4,1 мол. процента).

В общем, аспекты настоящего изобретения относятся к применению способов синтеза, описанных в данном документе, для получения продукта(-ов) расщепления и/или конечного(-ых) продукта(-ов) из легкодоступных или легко получаемых субстратов. Конечные продукты и необязательно дополнительные продукты превращения, как описано в данном документе, можно получать в результате дальнейшего превращения продуктов расщепления (включая вторые продукты расщепления, как описано в данном документе) или in situ, или на дополнительной, отдельной стадии реакции. Продукт(-ы) расщепления и/или конечный(-ые) продукт(-ы) имеют меньшее число атомов углерода по отношению к субстратам, используемым для получения этих продуктов. Эти способы могут предпочтительно преодолевать различные недостатки обычных способов. Специалисты в данной области со знаниями, полученными из настоящего изобретения, признают, что различные изменения могут быть сделаны в этих способах для достижения этих и других преимуществ без отклонения от объема настоящего изобретения. Таким образом, следует понимать, что признаки настоящего изобретения подвергаются модификациям и/или замещениям без отклонения от объема настоящего изобретения. Конкретные варианты осуществления, показанные и описанные в данном документе, представлены только с иллюстративными целями и не ограничивают настоящее изобретение, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к химической промышленности, конкретно к способу синтеза пировиноградной кислоты или ее соли, включающему (a) дегидратацию исходного соединения в форме глюкаровой кислоты или ее соли, или стереоизомера глюкаровой кислоты или ее соли с образованием дикарбонильного промежуточного соединения 2-кето-3-дезоксиглюкаровой кислоты или ее соли, или стереоизомера 2-кето-3-дезоксиглюкаровой кислоты или ее соли путем преобразования альфа-гидроксигруппы во вторую карбонильную группу и удаления бета-гидроксигруппы и (b) расщепление дикарбонильного промежуточного соединения с получением пировиноградной кислоты или ее соли. Техническим результатом изобретения является предоставление способа синтеза пировиноградной кислоты или пирувата из субстратов, которые получают из возобновляемых углеводных ресурсов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 5 пр.

1. Способ синтеза пировиноградной кислоты или ее соли, включающий:

(a) дегидратацию исходного соединения в форме глюкаровой кислоты или ее соли, или стереоизомера глюкаровой кислоты или ее соли с образованием дикарбонильного промежуточного соединения 2-кето-3-дезоксиглюкаровой кислоты или ее соли, или стереоизомера 2-кето-3-дезоксиглюкаровой кислоты или ее соли путем преобразования альфа-гидроксигруппы во вторую карбонильную группу и удаления бета-гидроксигруппы;

и

(b) расщепление дикарбонильного промежуточного соединения с получением пировиноградной кислоты или ее соли.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий

(c) гидрирование пировиноградной кислоты или ее соли с получением молочной кислоты или ее соли.

3. Способ по п. 1, в котором дегидрирование включает образование воды из комбинации бета-гидроксигруппы и водорода альфа-гидроксигруппы.

4. Способ по п. 1, где на стадии расщепления (b) дополнительно образуется второй продукт расщепления в форме 2-гидрокси-3-оксопропановой кислоты или ее соли.

5. Способ по п. 4, дополнительно включающий гидрирование 2-гидрокси-3-оксопропановой кислоты или ее соли в глицериновую кислоту или ее соль.