CN112074500B - α,β-二羟基羰基化合物脱水并裂解为乳酸和其他产物 - Google Patents

Abstract

披露了用于从起始底物合成裂解产物的方法，该起始底物具有羰基官能团(C＝O)，和相对于该羰基官能团在α和β位处的羟基取代的碳原子。在一个实施例中，将α‑,β‑二羟基羧酸或羧酸盐通过将α‑羟基转化为第二羰基并去除β‑羟基进行脱水，以形成二羰基中间体。裂解该二羰基中间体以形成裂解产物，在该裂解产物中保留了第一和第二羰基。由该二羰基中间体的碳‑碳键裂解产生的(i)裂解产物和(ii)第二裂解产物之一或二者可以氢化以形成额外的产物。

Description

α,β-二羟基羰基化合物脱水并裂解为乳酸和其他产物

技术领域

本发明涉及用于合成裂解产物的方法，这些裂解产物包括作为许多高价值最终产物前体的丙酮酸和甘油醛，其中这些裂解产物和最终产物相对于α,β-二羟基羰基起始化合物(包括α,β-二羟基羧酸和羧酸盐(如从葡萄糖获得的产物))具有较低的碳原子数。

背景技术

化石燃料的枯竭极大地刺激了寻找用于生产具有低碳原子数的所谓的“平台”分子(如丙二醇和其他3碳原子数(C₃)的产物)的石油基碳的可替代资源。生物质目前被认为是潜在的替代品，从其中可以衍生出许多此类已知的、高价值的石油基化学品，但用于从可再生资源生产此类化学品的可持续技术的发展仍然是一个重大挑战。近年来，生物柴油工业提供了大量的作为在植物油和动物脂肪中精炼甘油三酯的副产物的粗甘油。该甘油可以充当生产这些相同较低碳数的高价值化学品(如丙二醇)的原料。然而，为了该目的而充分纯化甘油所需的步骤需要重大代价，并且生物柴油工业的盈利能力严重依赖税收抵免和政府补贴的其他形式。

本现有技术将从以下中大大获益：由可容易获得或可获得的底物、并且特别是由衍生自可再生的碳水化合物基资源的底物合成高价值中间体(如丙酮酸和甘油醛)和/或下游转化产物(如乳酸和丙二醇)的途径。

发明内容

本发明的方面与发现合成方法有关，该方法可以使用底物如葡糖酸和葡糖二酸，该葡糖酸和葡糖二酸易于例如自葡萄糖的氧化获得。相比于它们的前体醛(例如葡萄糖)，此类底物倾向于在高温条件下展现出更大的稳定性，这可以导致增加沿着希望的反应序列向一种或多种限定产物的反应选择性和产率。从而减少了由于不希望的副反应而带来的产物损失。特别感兴趣的产物包括“裂解”产物，该“裂解”产物是由碳-碳键裂解形成并且从而相对于所使用的底物具有较低的碳原子数。从醛前体氧化为羧酸盐来获得合适的底物是简单且廉价的，通常仅需要空气作为氧化剂。具体的方面与含有羧酸盐阴离子的底物在溶液中经受一系列反应步骤的能力有关，致使形成希望的3碳原子数的裂解产物(如丙酮酸和甘油醛)，该裂解产物可以在相同反应条件(例如通过氢化/还原)下被转化为希望的最终产物(如乳酸、甘油、以及甚至丙二醇(1,2-丙二醇))。

具体的方面涉及使用裂解步骤的合成途径，接着由α,β-二羟基羰基起始化合物形成二羰基中间体。可以使用裂解催化剂在如本文所述的反应条件下促进裂解。较低碳原子数的裂解产物包括例如3碳原子数的化合物，如以上所述的可以由任何4-、5-、或6-碳原子数的底物或起始化合物合成的那些。此类底物可以例如通常形成作为裂解产物的丙酮酸。更具体的方面涉及发现合成此类途径或此类途径的单独反应步骤，这些途径可以非酶促进行，意味着在反应混合物中没有使用酶(例如多肽)。在本文所述的方法在非酶促(如仅使用一种或多种化学催化剂而不是一种或多种生物催化剂)进行的情况下，优势在于允许较宽范围的可能的反应条件，如对生物试剂(例如使蛋白质(包括酶)变性)有害但仍允许所希望的中间体和/或最终产物的高产率的温度和/或pH条件。与非均相或均相化学催化剂分离相关的相对较低的成本相比，其他优势可以来自于降低的操作成本，并且特别是与从产物中分离酶相关的那些。根据某些实施例，本文所述的以下合成步骤中的至少一个是非酶促反应步骤(即，不是使用酶催化的)：(i)使起始化合物脱水以形成二羰基中间体，(ii)裂解该二羰基中间体以产生裂解产物，(iii)氢化该裂解产物以产生最终产物，以及(iv)将第二裂解产物转化为额外量的最终产物。优选地，(i)、(ii)、(iii)、以及(iv)中的至少两个是非酶促反应步骤，更优选(i)、(ii)、(iii)、以及(iv)中的至少三个是非酶促反应步骤，并且还更优选(i)、(ii)、(iii)以及(iv)都是非酶促反应步骤。

本发明的实施例涉及用于合成裂解产物的方法，该裂解产物相对于起始化合物具有较低的碳原子数。起始化合物或底物包括羰基官能团(C＝O)，和相对于该羰基官能团在阿尔法(α)和贝塔(β)位处的羟基取代的碳原子。根据一个反应步骤，通过将α-羟基转化为第二羰基(与起始化合物的羰基相邻)并去除β-羟基将此起始化合物(也就是α-,β-二羟基羰基化合物(即包含α-,β-二羟基羧酸和羧酸盐的化合物的通用类别))脱水，以形成二羰基中间体。然后裂解二羰基中间体以形成裂解产物，其本身是二羰基化合物，但相对于二羰基中间体具有较少的碳原子且保留了第一和第二羰基。该裂解通常导致产生不同于裂解(二羰基)产物的第二裂解产物如醛或羧酸盐。通常，在6碳原子数底物的情况下，裂解(二羰基)产物和第二裂解(例如醛或羧酸盐)产物二者可以是3碳原子数的产物，如甘油醛或2-羟基-3-氧代丙酸。在5碳原子数底物的情况下，裂解(二羰基)产物可以是3碳原子数的产物且第二裂解(例如醛或羧酸盐)产物可以是2碳原子数的产物，如2-羟基乙醛或2-氧代乙酸。在4碳原子数底物的情况下，裂解(二羰基)产物可以是3碳原子数的产物且第二裂解(例如醛或羧酸盐)产物可以是单碳原子数的产物，如甲醛或甲酸。

裂解产物和第二裂解产物之一或二者可以被进一步转化，如通过在可存在于反应环境中的还原条件(例如升高的氢分压)下氢化/还原为氢化的最终产物。此类氢化的最终产物分别在丙酮酸作为裂解(二羰基)产物的情况下可以包括乳酸，或者在甘油醛或2-羟基-3-氧代丙酸作为第二裂解(例如醛或羧酸盐)产物的情况下可以包括甘油或甘油酸。其他有价值的最终产物可以包括通过涉及1,2-氢化物转换或氢化物转移(坎尼扎罗反应)的反应由甘油醛生产的乳酸。

这些方面和其他方面、实施例以及相关的优势将从以下详述说明书中变得明显。

附图说明

图1示出了通用反应机理，包括根据本文所述的合成方法合成裂解产物和最终产物的步骤。

图2示出了具体的反应机理，根据该反应机理，葡糖酸是起始材料或底物。

这些图被理解为呈现本发明的实施例，以帮助理解所涉及的原理和化学反应，但不限制如所附权利要求中定义的本发明的范围。如对于具有本披露知识的本领域技术人员来说将明显的是，根据本发明的各种其他实施例的合成方法将利用至少部分根据具体目标确定的特定试剂和反应条件。

具体实施方式

如本文所用，术语“底物”或可替代性地“起始化合物”是指经受一个或优选一系列转化步骤(如“脱水”、“裂解”以及任选的“氢化”转化步骤)以产生一种或多种裂解产物和/或最终产物的初始化合物。这些转化步骤不排除使用现有的转化步骤，如在相同的反应条件下(例如在相同的反应器中)或在不同的反应条件下(例如在单独的反应器中)使用以生产裂解产物和/或最终产物。此类现有的转化步骤可以包括将可容易获得的前体(如葡萄糖)转化(如通过氧化)为作为起始化合物的葡糖酸或葡糖二酸。同样地，进行其“以生产裂解产物”或“以生产最终产物”的步骤不排除使用后续的转化步骤，如在相同的反应条件下(例如在相同的反应器中)或在不同的反应条件下(例如在单独的反应器中)使用以产生一种或多种裂解产物和/或一种或多种最终产物，以获得一种或多种其他希望的最终产物。例如，作为氢化的最终产物的乳酸可以经受到丙二醇或丙烯酸的进一步转化。作为氢化的最终产物的甘油酸可以经受到甘油的进一步转化。

术语“mol-％”和“wt-％”分别用于指定摩尔百分数或重量百分数的量和浓度。基于所使用(引入或进料至反应器)的底物的摩尔，以“mol-％”给出的产物产率是指给定产物(例如裂解产物如丙酮酸)的摩尔。

术语“烷基”，当单独或与其他基团组合使用时，例如当在“烷氧基”、“烷氧基烷基”、“羟基烷基”、“羧基烷基”、“烷酰基”和“烷酰基烷基”中组合使用时，表示衍生自烷烃的烃部分(moiety)。当单独使用时，“烷基”因此包括“甲基”(CH₃-)、“乙基”(C₂H₅-)等。当组合使用时，部分“烷氧基”的烷基部分是在部分的末端处通过介于中间的氧连接(-O-)键合至分子的其余部分，如在“甲氧基”(CH₃-O-)、“乙氧基”(C₂H₅-O-)等的情况下，该术语被“烷氧基”涵盖。部分“烷酰基”的烷基部分是在部分的末端处通过介于中间的羰基连接(-(C＝O)-)键合至分子的其余部分，其中“甲酰基”(HC＝O-)表示末端醛部分，“乙酰基”(CH₃-(C＝O)-)表示通过羰基连接键合的甲基等，该术语被“烷酰基”涵盖。

术语“羟基”表示-OH部分，并且术语“羧基”表示-(C＝O)OH部分。术语“羟基烷基”表示在部分的末端处通过介于中间的二价烷基部分键合至分子的其余部分的羟基，如在“羟甲基”(HO-CH₂-)、“羟乙基”(HO-C₂H₅-)等的情况下，该术语被“羟基烷基”涵盖。术语“羧基烷基”表示在部分的末端处通过介于中间的二价烷基部分键合至分子的其余部分的羧基，如在“羧甲基”(HO-(C＝O)-CH₂-)、“羧乙基”(HO-(C＝O)-C₂H₅-)等的情况下，该术语被“羧基烷基”涵盖。术语“烷氧基烷基”包括如以上所定义并且由名称“烷氧基”指示的末端烷氧基部分(即键合在部分的末端处)以及介于中间的二价烷基部分二者，“烷氧基”通过该介于中间的二价烷基部分键合至分子的其余部分。因此，“烷氧基烷基”包含“甲氧基甲基”(CH₃-O-CH₂-)、“甲氧基乙基”(CH₃-O-C₂H₄-)、“乙氧基甲基”(C₂H₅-O-CH₂-)、“乙氧基乙基”(C₂H₅-O-C₂H₄-)等。术语“烷酰基烷基”包括如以上所定义并且由名称“烷酰基”指示的末端烷酰基部分(即键合在部分的末端处)以及介于中间的二价烷基部分二者，“烷酰基”通过该介于中间的二价烷基部分键合至分子的其余部分。因此，“烷酰基烷基”包含“甲酰基甲基”(H(C＝O)-CH₂-)、“甲酰基乙基”(H(C＝O)-C₂H₄-)、“乙酰基甲基”(CH₃-(C＝O)-CH₂-)、“乙酰基乙基”(CH₃-(C＝O)-C₂H₄-)等。

关于“烷基”或关于如以上所定义的部分的末端或介于中间的烷基部分，术语“任选取代的”意指在烷基或具有指定取代基的烷基部分的一个或多个碳-氢键处包含氢取代基的取代。在羟基(-OH)或甲基(-CH₃)取代基的情况下，末端烷基碳原子的碳-氢键处的一个、两个或三个氢取代基可以被相应的-OH和/或-CH₃取代基取代，并且介于中间的(亚烷基)烷基碳原子的碳-氢键处的一个或两个氢取代基可以被相应的-OH和/或-CH₃取代基取代。例如，在末端烷基部分的情况下，其末端碳原子可以被两个-CH₃取代基取代，以产生末端异丙基基团，或可以被三个-CH₃取代基取代，以产生末端叔丁基基团。在介于中间的烷基部分或末端烷基部分的介于中间的碳原子的情况下，亚烷基碳原子的碳-氢键处的一个或两个氢取代基可以被-CH₃取代基取代，以产生相应的甲基取代的或二甲基取代的衍生物。由本说明书可以认识到具有一个或多个-OH取代基的末端烷基碳原子或介于中间的烷基碳原子的类似取代。在羰基(＝O)取代基的情况下，末端烷基碳原子或介于中间的(亚烷基)烷基碳原子的两个碳-氢键处的氢取代基可以被＝O取代，以分别产生末端醛部分(基团)或羰基部分(基团)。

鉴于可能的部分以及其中它们可以被取代的方式，应认识到在部分定义中可能存在重叠，例如在“甲酰基”和末端“甲基”被＝O取代的情况下，该二者表示末端醛部分(或基团)。然而，为了强调它们在给定化合物中的正包合，提及了特定的部分。此外，当“烷基”或“烷基部分”关于其对应的碳原子数被进一步定义时(例如，“具有1至5个碳原子”的烷基或烷基部分)，任选的-CH₃取代基(当存在时)不包括在该碳原子数中。即短语“具有1至5个碳原子”和定义烷基碳原子数的其他短语是指可以进一步被-CH₃取代基或根据给出的具体定义的其他取代基取代的烷基碳原子的骨架数。

羧酸化合物包括它们对应的盐形式。在带有羧酸官能团的起始化合物或底物的情况下，通常在水溶液中使用盐形式用于进行本文所述的合成方法。羧酸的对应的盐形式包括例如，碱金属的盐(例如钠盐形式)、碱土金属的盐(例如钙盐形式)和铵盐。因此，化合物如“葡糖酸”、“葡糖二酸”、“酒石酸”、“丙酮酸”、“乳酸”、“2-羟基-3-氧代丙酸”、“甘油酸”等意指包含“葡糖酸盐”、“葡糖二酸盐”、“酒石酸盐”、“丙酮酸盐”、“乳酸盐”、“2-羟基-3-氧代丙酸盐”、“甘油酸盐”等的盐形式。说明羧酸化合物的通用和特定结构二者同样地意指包括它们的盐形式或电离形式，以使得葡糖酸的结构，例如，以其未电离的羧基示出时，意指包含具有其电离的羧基的结构，并且反之亦然，该化合物的等价结构的未电离和电离的羧基在以下示出：

化合物可以具有一个或多个立构中心，并且不考虑任何特定的立体化学来说明结构，应理解关于根据它们的命名法指定了具体的立体化学的底物如“葡糖酸”、“葡糖二酸”和“三羟丁酸”所述的反应可以同样地以类似的方式用“2,3,4,5,6-五羟基己酸”、“2,3,4,5-四羟基己二酸”和“2,3,4-三羟基丁酸”相应的非立体定向底物以及与此类化合物的所有立体异构体进行。因此，除非另外指出，“葡糖酸”旨在包含“葡糖酸和其立体异构体”，如关于指定特定的立体化学的其他化合物的目的。本文所述的通用和特定化合物可以以纯的或纯化(富集)的光学异构体的形式，或另外以其外消旋混合物的形式使用或获得。如本领域技术人员结合本披露的知识将认识到的，使用光学活性的底物或起始化合物可以导致形成使用本文所述合成方法的光学活性的产物。如果需要，可以例如通过用光学活性的酸或碱处理形成非对映异构体的盐来获得特定光学异构体的纯化或相对于另一个光学异构体在一个光学异构体的富集。合适的酸的实例是酒石酸、二乙酰酒石酸、联苯酰酒石酸、二甲苯酰酒石酸以及樟脑磺酸。合适的碱的实例是植物衍生的手性生物碱。然后通过结晶分离非对映异构体的混合物，接着从这些盐中释放光学活性的碱或酸。用于分离光学异构体的不同方法涉及使用选择的手性色谱柱以最大化分离对映异构体。又另一个可用的方法涉及通过与呈活化形式的光学纯酸或光学纯的异氰酸酯反应来合成共价非对映异构体的分子。合成的非对映异构体可以通过常规方式如色谱、蒸馏、结晶或升华分离，并且然后水解以产生在对映异构体意义上纯的化合物。

用于合成裂解产物和最终产物的通用反应机理在图1中示出。如示出的，具有通式I的起始材料广泛地是α-,β-二羟基羰基化合物，当R¹是羟基(-OH)时，其包含优选的化合物种类，即，α-,β-二羟基羧酸盐，以在所示出的化合物的左手侧上提供末端羧基。图1中具有通式I的起始材料包含相对于示出的羰基(C＝O)在α-碳原子处取代的α-羟基，以及相对于该羰基在β-碳原子处取代的β-羟基。根据所示的合成机理，脱水(去除水)的第一步骤导致去除β-羟基，同时形成不饱和的位点，即α-碳原子与β-碳原子之间的碳-碳双键。所得的烯键式不饱和的脱水化合物(以化合物A示出)趋向于与二羰基中间体(以具有通式IIA示出)保持互变异构平衡。因此，脱水步骤可以包括由具有通式I的起始化合物或底物中的β-羟基和α-羟基的氢的结合形成水。

具有通式IIA的二羰基中间体化合物可以然后经受裂解以形成具有通式IIB的裂解产物。作为裂解的结果，由该裂解产物中的R^2B表示的部分相对于具有通式IIA的二羰基中间体的由R^2A表示的部分具有较少的碳原子。因此，裂解产物相对于该二羰基中间体总体上具有较少的碳原子。裂解产物的任选的氢化可以然后产生最终产物，在该情况下，对应的氢化的最终产物具有如图1中所示的通式IIIB。裂解以形成裂解产物额外形成了具有通式IIC并且因此具有醛基的第二裂解产物。取决于底物或起始化合物，该第二裂解产物可以包括其他官能团，如由R^2C表示的部分的羧酸官能团，或者否则包括该部分的末端部分，其键合至醛官能团。例如当由具有通式IIA的二羰基中间体中的R^2A表示的部分通过羟基取代的碳原子键合时，可能产生此第二裂解产物。即，起始化合物可以进一步包含相对于第一羰基在γ碳原子处取代的γ羟基，使得裂解除了第一(二羰基)裂解产物之外还形成了具有醛基的第二裂解产物，该醛基是由二羰基中间体中对应于起始化合物的β碳原子和γ碳原子的β碳原子与γ碳原子之间的裂解产生。在具体实施例中，具有通式IIC的第二裂解产物可以导致在R^2A或R^2A的至少一个末端部分的情况下，表示以下部分：

在该情况下，裂解产物相对于二羰基中间体和底物二者将具有较少的碳原子。裂解产物可以然后任选地经受氢化，而第二裂解产物的进一步转化(例如，还通过氢化)可以形成其他希望的化合物，例如关于图2中示出的更具体实施例所述的。根据一些方法，由具有通式IIC的第二裂解产物中的R^2C表示的部分相对于由R^2A表示的部分可以少一个碳原子，并且该第二裂解产物可以表示由R^2A形成并且具有与R^2A相同的碳原子数的相应的醛或相应的羧酸。在该情况下，裂解产物可以是丙酮酸，该丙酮酸可以被氢化为乳酸。因此，可以认识到通过二羰基中间体的裂解以形成丙酮酸来合成乳酸的路线可以使用各种α-,β-二羟基羰基化合物(包括具有至少4个碳原子的α-,β-二羟基羧酸和羧酸盐)作为底物进行。

因此，代表性的方法除了产生为二羰基化合物的裂解产物之外，还可以包括氢化该裂解产物中的一些或全部以产生最终产物，该最终产物保留了起始化合物和二羰基中间体的第一羰基，但进一步包含相邻的羟基，该羟基是由裂解产物的第二羰基的氢化产生的。具有通式IIB的裂解产物通过其氢化而消耗，从而推动裂解反应向前进行，通过改变该方向的互变异构平衡，最终导致由化合物A进一步生产二羰基化合物。裂解(二羰基)产物变为氢化时的速率可以通过使用任选的裂解催化剂以及如本文所述的反应条件来调节。作为裂解步骤的结果，3碳原子数的裂解产物(如丙酮酸)，可以由可获得的4-、5-、或6-碳原子数的α-,β-二羟基羧酸和羧酸盐作为起始化合物来生产，如三羟丁酸(或通常是2,3,4-三羟基丁酸)；2,3-二羟基-4-氧代丁酸；酒石酸；2,3,4,5-四羟基戊酸；2,3,4-三羟基-5-氧代戊酸；2,3,4-三羟基戊二酸；葡糖酸(或通常是2,3,4,5,6-五羟基己酸)；2,3,4,5-四羟基-6-氧代己酸，以及葡糖二酸(或通常是2,3,4,5-四羟基己二酸)。因此，代表性的合成方法可以包括转化可获得的C₄-C₆底物(如可容易获得的碳水化合物)，以产生作为裂解产物和最终产物的C₃化合物。在此类实施例中，如果底物是6碳原子数的化合物(C₆底物)，则本合成方法的第二裂解产物同样是C₃化合物。例如，6碳原子数的底物葡糖酸和葡糖二酸可以各自产生作为裂解产物的丙酮酸、以及作为乳酸氢化的最终产物的乳酸。在葡糖酸的情况下，第二裂解产物可以是甘油醛，其可以经受氢化以产生作为最终产物的甘油。在葡糖二酸的情况下，第二裂解产物可以是2-羟基-3-氧代丙酸，其可以经受氢化以产生作为最终产物的甘油酸。

关于图1中具有通式I、IIA、IIB和IIIB的化合物，以及具有对于化合物A给定的通式的那些，R¹可以选自由以下组成的组：烷基、烷氧基、烷氧基烷基、羟基和羟基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基以及羟基烷基的烷基部分具有1至5个碳原子，这些碳原子任选地被一个或多个选自由-OH、-CH₃和＝O组成的组的取代基取代(即，可以任选地在如本文定义的被一个或多个取代基取代的碳-氢键处具有氢取代基)。根据具体实施例，在这些相应的化合物(包括具有通式I的起始化合物，分别具有通式IIA和IIB的二羰基中间体和裂解产物，和/或具有通式IIIB的最终产物)中，R¹可以是烷基(例如具有1至3个烷基碳原子)并且可以在相应的化合物中产生末端酮官能团；R¹可以是烷氧基(例如具有1至3个烷基碳原子)并且可以在相应的化合物中产生末端酯官能团；或者R¹可以是羟基并且可以在相应的化合物中产生末端羧基官能团。优选地，R¹是羟基，由此起始化合物和二羰基中间体是羧酸。例如，如以上关于本文通常使用的术语的描述，起始化合物、二羰基中间体、裂解产物和/或最终产物可以呈(例如在反应混合物中以以下呈现)羧酸盐形式，意指包含羧酸盐阴离子的化合物，并且可能以在用于进行本文所述的合成方法的水性反应混合物中的盐形式(例如，以它们的相应的铵盐形式)存在。

关于图1中具有通式I和IIA的化合物，以及具有对于化合物A给定的通式的那些，R^2A可以选自由以下组成的组：烷基、烷氧基、烷氧基烷基、羟基、羟基烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基、羟基烷基、羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基的烷基部分具有1至5个碳原子，这些碳原子任选地被一个或多个选自由-OH、-CH₃和＝O组成的组的取代基取代。根据具体实施例，R^2A可以选自由以下组成的组：烷基、烷氧基、羟基、羟基烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基和烷酰基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基、羟基烷基、羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基的烷基部分具有1至3个碳原子，这些碳原子任选地被一个或多个-OH和/或一个或多个-CH₃取代。根据更具体实施例，R^2A可以是烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基或烷酰基烷基，其中烷基和羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基的烷基部分具有1至3个碳原子，这些碳原子任选地被一个或多个-OH取代。具有4-6个碳原子的特定的底物包括三羟丁酸(或通常是2,3,4-三羟基丁酸)；2,3-二羟基-4-氧代丁酸；酒石酸；2,3,4,5-四羟基戊酸；2,3,4-三羟基-5-氧代戊酸；2,3,4-三羟基戊二酸；葡糖酸(或通常是2,3,4,5,6-五羟基己酸)；2,3,4,5-四羟基-6-氧代己酸，以及葡糖二酸(或通常是2,3,4,5-四羟基己二酸)。

在特别是4碳原子数底物的情况下，当R¹是羟基且R^2A是羟甲基时，起始化合物是三羟丁酸(或通常是2,3,4-三羟基丁酸)。在该情况下，除了单碳原子数的第二裂解产物(如甲醛)之外，裂解步骤还可以因此产生丙酮酸。氢化裂解产物将因此分别产生乳酸和甲醇。下表1中提供了例如4-和5-碳数的底物的其他实例以及它们对应的裂解产物、第二裂解产物、以及氢化产物。

表1—代表性的4-和5-碳原子数的底物和它们的合成产物

6碳数的底物的具体实例以及它们对应的裂解产物、第二裂解产物和氢化产物与具有在式I范围内的式IV和VI的特定结构的底物相关联描述。

关于具有通式IIB和IIIB的化合物，R^2B可以选自由以下组成的组：氢取代基、烷基、烷氧基、烷氧基烷基、羟基、羟基烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基、羟基烷基、羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基的烷基部分具有1至4个碳原子，这些碳原子任选地被一个或多个选自由-OH、-CH₃和＝O组成的组的取代基取代。根据具体实施例，R^2B可以选自由以下组成的组：氢取代基、烷基、烷氧基、羟基、羟基烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基和烷酰基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基、羟基烷基、羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基的烷基部分具有1至3个碳原子，这些碳原子任选地被一个或多个-OH和/或一个或多个-CH₃取代。根据更具体实施例，R^2B可以是氢取代基、烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基或烷酰基烷基，其中烷基和羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基的烷基部分具有1或2个碳原子，这些碳原子任选地被一个或多个-OH取代。根据另一个具体实施例，R^2B可以是氢取代基或具有1至3个碳原子的烷基，这些碳原子任选地被一个或多个-OH取代。

由本披露可以进一步认识到，当R¹是羟基并且R^2B是氢取代基时，裂解产物是可以被氢化以潜在地由如以上所述的各种可能的α-,β-羟基羧酸盐底物形成乳酸的丙酮酸。此外，具有通式IIC的第二裂解产物可以导致在R^2A或R^2A的至少一个末端部分的情况下，表示以下部分：

因此，具有通式IIC的化合物中的R^2C可以表示如以上关于R^2A定义的部分但是少至少一个碳原子。因此，R^2C可以选自由以下组成的组：氢取代基、烷基、烷氧基、烷氧基烷基、羟基、羟基烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基和烷酰基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基、羟基烷基、羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基的烷基部分具有1至4个碳原子，这些碳原子任选地被一个或多个选自由-OH、-CH₃和＝O组成的组的取代基取代。根据具体实施例，R^2C可以选自由以下组成的组：氢取代基、烷基、烷氧基、羟基、羟基烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基和烷酰基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基、羟基烷基、羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基的烷基部分具有1或2个碳原子，这些碳原子任选地被一个或多个-OH和/或一个或多个-CH₃取代。根据更具体实施例，R^2C可以是氢取代基或具有1或2个碳原子的烷基，这些碳原子任选地被一个或多个-OH取代。

在更具体实施例中，图1中的化合物的R^2A部分可以表示

使得起始化合物和二羰基中间体化合物分别具有通式IV和通式VA：

这些化合物可以任选地以它们相应的盐形式，如上所述。对于这些化合物，R¹可以如上所述。R^3A可以选自由以下组成的组：氢取代基、烷氧基、羟基和羧基，其中烷氧基的烷基部分具有1至5个碳原子，这些碳原子可以任选地被一个或多个选自由-OH、-CH₃和＝O组成的组的取代基取代。优选地，R^3A是氢取代基、甲基、甲氧基、羟基或羧基。R^4A可以选自由以下组成的组：氢取代基、烷基、烷氧基、烷氧基烷基、羟基、羟基烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基和烷酰基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基、羟基烷基、羧基烷基、烷酰基以及烷酰基烷基的烷基部分具有1至5个碳原子，这些碳原子可以任选地被一个或多个选自由-OH、-CH₃和＝O组成的组的取代基取代。优选地，R^4A是氢取代基、甲基、甲氧基、羟基或羧基。

在特别是6碳原子数底物的情况下，R¹和R^3A都可以是羟基，并且R^4A可以是羧基，产生作为具有通式IV的底物的葡糖二酸(或通常是2,3,4,5-四羟基己二酸)和作为具有通式VA的二羰基中间体的2-酮-3-脱氧葡糖二酸(2,3-二羟基-5-氧代己二酸)。在该情况下，具有通式IIB的裂解产物可以是丙酮酸，其可以氢化以产生如上所述的作为具有通式IIIB的最终产物的乳酸。具有通式IIC的第二裂解产物可以是2-羟基-3-氧代丙酸，其可以氢化以产生如上所述的甘油酸。在另一个特别是6碳原子数底物的情况下，R¹和R^3A都可以是羟基，并且R^4A可以是甲酰基，产生作为具有通式IV的底物的2,3,4,5-四羟基-6-氧代己酸和作为具有通式VA的二羰基中间体的4,5-二羟基-2,6-二氧代己酸。在该情况下，具有通式IIB的裂解产物可以是丙酮酸，其可以氢化以产生如上所述的作为具有通式IIIB的最终产物的乳酸。具有通式IIC的第二裂解产物可以是2-羟基丙二醛，其可以氢化以产生甘油醛。

根据还更具体的实施例，图1中的化合物的R^2A部分可以表示

其是当以下时获得的：在具有以上通式IV的化合物中，R^4A包含亚甲基(-CH₂-)碳原子，使得R^4A可以选自由以下组成的组：烷氧基烷基、羟基烷基、羧基烷基、和烷酰基烷基。根据此类实施例，可能的是具有通式IV的起始化合物和具有通式VA的二羰基中间体化合物具有分别对应于通式VI和通式VIIA的更具体的结构：

部分R¹和R^3A可以是如上定义的，并且部分R^5A可以选自由以下组成的组：氢取代基、烷基、烷氧基、烷氧基烷基、羟基、羟基烷基、羧基、羧基烷基、烷酰基和烷酰基烷基，其中烷基和烷氧基、烷氧基烷基、羟基烷基、羧基烷基、烷酰基和烷酰基烷基的烷基部分具有1至4个碳原子，这些碳原子可以任选地被一个或多个选自由-OH、-CH₃和＝O组成的组的取代基取代。优选地，R^5A是氢取代基、甲基、甲氧基、羟基或羧基。

在特别是6碳原子数底物的另一个实例中，R¹、R^3A和R^5A可以是羟基，产生作为具有通式VI的底物的葡糖酸(或通常是2,3,4,5,6-五羟基己酸)和作为具有通式VIIA的二羰基中间体的2-酮-3-脱氧葡糖酸(4,5,6-三羟基-2-氧代己酸)。在该情况下，具有通式IIB的裂解产物可以是丙酮酸，其可以氢化以产生如上所述的作为具有通式IIIB的最终产物的乳酸。具有通式IIC的第二裂解产物可以是甘油醛，其可以氢化以产生如上所述的甘油。

与合成根据本文所述方法的裂解产物和/或最终产物相关的典型的反应环境包括任选地与氢化催化剂组合的升高的氢分压，如至少3兆帕(MPa)(435psi)的氢分压。在该氢化/还原环境中，具有通式IIC的第二裂解产物中的末端醛基可以转化为末端醇基或羟基(-OH)。裂解产物和第二裂解产物的其他可能的转化产物是可能的，如以下关于图2所示的更具体实施例更详细的描述。

图2示出了图1中呈现的合成方法，其使用作为起始化合物的葡糖酸，或具有式I的化合物，其中R^2A表示以下部分：

在该实施例中，具有式IIA的二羰基中间体是2-酮-3-脱氧葡糖酸(2-酮-4,5,6-三羟基己酸)，如示出的。该二羰基中间体可以然后经受裂解以产生具有式IIB的裂解产物，其在图2所示的实施例中是丙酮酸。此外，产生了具有式IIC的第二裂解产物，其在该实施例中是甘油醛，根据该情况，如图1中示出的该化合物通式中的R^2C是以下部分：

其对应于如以上示出的R^2A部分，但是少一个碳原子。

最终产物和另外的转化产物也可以在本文所述的反应条件下形成，如图2所示。例如，丙酮酸、具有式IIB的裂解产物的氢化/还原可以产生乳酸。甘油醛、具有式IIC的第二裂解产物的氢化/还原可以产生甘油，如示出的。此外，产生的甘油醛可以经受进一步的反应，如涉及1,2-氢化物转换或氢化物转移(坎尼扎罗反应)的那些，使其转化为乳酸，如图2所示。因此，根据具体实施例，乳酸可以以超过产生的甘油醛的摩尔量的摩尔量产生，尽管事实是该乳酸的第一部分可以衍生自丙酮酸的氢化，其是经由与甘油醛以等摩尔量的裂解反应产生的。即，甘油醛可以转化为乳酸的第二部分，使得反应混合物可以包含在摩尔基础上超过甘油醛的量的组合的乳酸的第一和第二部分。例如，乳酸的总的(组合)摩尔量与甘油醛的净摩尔量的比率(例如在完成合成方法之后的反应混合物中)可以是至少1.2、至少1.5、或至少2.0。该过量至少部分是由于甘油醛转化为乳酸而产生。还如图2所示，乳酸还可以在本文所述的反应条件下反应以产生作为另外的转化产物的丙二醇和丙烯酸。

因此，代表性的方法是本文所述的用于合成α-羟基羧酸盐最终产物，该最终产物相对于α-,β-二羟基羧酸盐起始化合物具有较低的碳原子数。这些方法包括使α-,β-二羟基羧酸盐起始化合物在反应混合物中反应，该反应混合物优选地包含裂解催化剂，即图1和2中以“裂解”示出的反应步骤的催化剂或促进剂。优选的裂解催化剂包括一种或多种裂解活泼金属，如钨、钼和/或钒，其可以在反应混合物中以相应的盐的形式存在，如钨酸盐、钼酸盐、或钒酸盐，其包括偏钨酸盐盐、仲钨酸盐盐、偏钼酸盐盐、仲钼酸盐盐、偏钒酸盐盐、或仲钒酸盐盐。代表性的钨酸盐是第1族(碱)金属或第2族(碱土)金属的盐以及铵盐。偏钨酸铵和仲钨酸铵盐是代表性的。裂解催化剂(例如偏钨酸铵)可以相对于底物的摩尔数以0.1mol-％至30mol-％、0.5mol-％至10mol-％、或1mol-％至5mol-％的量存在于反应混合物中，例如根据分批反应情况下的初始反应器负载组成或根据连续反应情况下的不变的组成。裂解催化剂还可以或可以可替代地相对于底物的摩尔数以以下量存在于反应混合物中，该量使得裂解活泼金属(例如钨、钼或钒)的摩尔占6mol-％至50mol-％、或10mol-％至35mol-％。其他裂解催化剂可以包括固体酸和/或路易斯酸(例如有机金属化合物，包括有机锡化合物)。

根据这些方法，α-羟基羧酸盐最终产物(如乳酸)是由裂解和氢化的组合形成的。本发明的另外方面涉及发现使用碱(如氢氧化物)可以促进裂解醛产物(甘油醛)的至少一部分转化为额外量的最终产物。例如，甘油醛可以经受进一步反应，包括涉及1,2-氢化物转换或氢化物转移(坎尼扎罗反应)的那些，使其可以转化为或异构化为额外量的乳酸。最终产物的该额外量可以相对于基线量表示，其中碱不存在或以名义上的量存在。相对于基线量，最终产物的额外量可以表示至少10mol-％、至少20mol-％、或至少50mol-％的增加。因此，反应混合物可以包含碱(如氢氧化物)以促进此额外量的最终产物的产生。代表性的氢氧化物包括氢氧化铵以及碱金属氢氧化物和碱土金属氢氧化物，如氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾等，其中氢氧化锂是优选的。

具体的方法涉及从具有大于3个碳原子的α-,β-二羟基羧酸盐起始化合物合成乳酸，这些起始化合物如以下各项的盐：葡糖酸盐(或通常是2,3,4,5,6-五羟基己酸盐)；2,3,4,5-四羟基-6-氧代己酸盐；葡糖二酸盐(或通常是2,3,4,5-四羟基己二酸盐)；2,3,4,5-四羟基戊酸盐；2,3,4-三羟基-5-氧代戊酸盐；2,3,4-三羟基戊二酸盐；三羟丁酸盐(或通常是2,3,4-三羟基丁酸盐)；2,3-二羟基-4-氧代丁酸盐；或酒石酸盐。如本文所述，代表性的方法包括使该起始化合物通过将α羟基转化为第二羰基并且去除β羟基进行脱水，以形成二羰基中间体，以及通过该二羰基中间体中对应于起始化合物的羧酸盐基团的β碳原子和γ碳原子的β碳原子与γ碳原子之间的裂解来裂解该二羰基中间体，以形成丙酮酸盐。这些方法进一步包括氢化或变还原丙酮酸盐以产生乳酸，以及任选另外的转化产物如丙二醇或丙烯酸。

根据具体实施例，基于也如本文所述的相应的途径进行的理论产率，如本文所述的裂解产物、第二裂解产物或任何特定的最终产物和/或另外的转化产物的总产率可以总体上是至少25mol-％(例如25mol-％至90mol-％)、典型地至少35mol-％(例如35mol-％至80mol-％)、并且经常是至少50mol-％(例如50mol-％至75mol-％)。这些产率可以应用于例如(i)本文所述的具有通式IIB的任何裂解产物(如丙酮酸)或具有该通式的任何其他特定的裂解产物，(ii)本文所述的具有通式IIC的任何第二裂解产物(如甘油)或具有该通式的任何其他特定的第二裂解产物，(iii)本文所述的具有通式IIIB的任何最终产物(如乳酸)或具有该通式的任何其他特定的最终产物，(iv)本文所述的由具有通式IIC的第二裂解产物(如甘油)的转化(例如氢化)产生的任何最终产物或任何其他此类特定的转化产物，和/或(v)如本文所述的任何另外的转化产物(如丙二醇或丙烯酸)。

优选为水性反应混合物的反应混合物可以进一步包含氢化催化剂，如固体(非均相)催化剂。代表性的氢化催化剂可以包含一种或多种选自周期表第8-11族的氢化活泼金属，例如像钌(Ru)、钴(Co)、镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)或金(Au)。优选的氢化活泼金属是钌。催化剂可以进一步包含一种或多种氢化活泼金属的固体载体，其中金属根据一定分布分散在固体载体上，例如优选在固体载体的外表面附近或否则基本上均匀地遍及多孔固体载体，取决于所使用的特定的催化剂制备技术(例如氢化活泼金属溶液的蒸发浸渍)。优选地，基于氢化催化剂的总重量，氢化活泼金属或组合的此类金属以1wt-％至15wt-％、或2wt-％至10wt-％的量存在。

一种或多种氢化活泼金属可以相对于底物的摩尔数以以下量存在于反应混合物中，该量使得一种或多种氢化活泼金属(例如钌)的摩尔占1mol-％至20mol-％、或2mol-％至10mol-％，例如根据分批反应情况下的初始反应器负载组成或根据连续反应情况下的不变的组成。固体载体优选为反应混合物中和在本文所述合成反应条件下的耐火材料。代表性的固体载体包括一种或多种金属氧化物，如铝氧化物(氧化铝)、硅氧化物(二氧化硅)、钛氧化物(氧化钛)、锆氧化物(氧化锆)、镁氧化物(氧化镁)、锶氧化物(氧化锶)等。优选的固体载体是碳。根据具体实施例，氢化催化剂包括在碳载体上的钌，相对于底物的摩尔数，基于总催化剂重量和/或以上给定范围内，其中钌以在以上给定范围内的量存在。

在合成一种或多种裂解产物和/或一种或多种最终产物期间在反应条件下维持反应混合物，该反应条件包括高的压力和氢分压。代表性的绝对反应器压力是在通常为2.07MPa(300psi)至24.1MPa(3500psi)、典型地3.45MPa(500psi)至20.7MPa(3000psi)、并且经常10.3MPa(1500psi)至17.2MPa(2500psi)的范围。反应器压力可以主要或基本上由氢气产生，以使得总压力的这些范围也可以对应于氢分压的范围。然而，由反应混合物汽化而来的气态物种(如氨和/或水蒸气)的存在可能导致氢分压相对于这些总压力降低，使得例如氢分压可以是通常范围为1.38MPa(200psi)至22.4MPa(3250psi)、典型地2.41MPa(350psi)至19.0MPa(2750psi)、并且经常8.62MPa(1250psi)至15.5MPa(2250psi)。

其他反应条件包括100℃至350℃、并且优选130℃至230℃的温度。反应时间，即，将反应混合物维持在以上给出的压力和温度(例如，13.8MPa(2000psi)的目标总体压力值和160℃的目标温度)的任何范围内的任何目标值或目标子区间的压力下和温度条件下的时间是0.5小时至24小时，并且优选1小时至5小时，在分批反应的情况下。对于连续的反应，这些反应时间对应于反应器停留时间。例如，可以在上述压力和温度条件下进行连续操作，连续进料底物和氢，以及连续提取包含一种或多种裂解产物和/或一种或多种最终产物的反应混合物。连续操作可以进一步包括裂解产物和/或最终产物的连续纯化，包含未转化的气态和/或液态产品的工艺流的连续分离，和/或对一个或多个此类工艺流的连续循环，使其返回到维持在合成反应器中的反应混合物中。在循环操作的情况下，如上所述的一种或多种裂解产物和/或一种或多种最终产物的产率将对应于“单程(once-through)”或“单道次(per-pass)”，其中由于循环而更高的总体产率是可能的。

实例1

将葡糖酸钠(10克)与100mL水、相对于葡糖酸钠底物为2.5mol％的商业碳载钌氢化催化剂、2.5克或2mol％呈偏钨酸铵水合物形式的钨酸盐以及1当量的氢氧化锂组合在450立方的C2000帕尔高压反应器中。将该反应器用6.9MPa(1000psi)氮气吹扫三次，然后用6.9MPa(1000psi)氢气吹扫三次。在第三次氢气冲洗之后，将反应器用氢气加压至3.4MPa(500psi)，并开始在700rpm下搅拌并加热至180℃。一旦达到反应温度，添加额外的氢气以为容器提供9.0MPa(1300psi)的氢气。在两小时之后，通过在冰水浴中骤冷将反应器内容物冷却至室温，使反应器减压并过滤内容物以去除催化剂并且然后将样品使用N,O-双(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺(BSTFA)和三甲基氯硅烷(TMCS)在吡啶中甲烷硅基化用于进行GC/MS分析。分析示出大于99％的底物转化率并且提供了14.1重量百分比的乳酸(38.4摩尔百分比产率)、1.6重量百分比的甘油(4.3摩尔百分比产率)、3.4重量百分比的乙二醇(13.5摩尔百分比产率)以及5.2重量百分比的丙二醇(16.8摩尔百分比产率)。

实例2

遵循实例1的设备和方案，除了使用13.8MPa(2000psi)氢气且没有添加氢氧化锂。大于98％的底物被转化为包含以下的产物：0.6重量百分比的乳酸(1.6摩尔百分比产率)、3.3重量百分比的甘油(8.8摩尔百分比产率)、1.2重量百分比的乙二醇(4.8摩尔百分比产率)和1.0重量百分比的丙二醇(3.2摩尔百分比产率)。

实例3

重复实例2的情况，除了没有使用钨酸盐且用氮气代替氢气使反应器增压。底物的摩尔转化率降低至92.7％。产物包含4.97重量百分比的乳酸(13.1摩尔百分比产率)、5.3重量百分比的甘油(13.7摩尔百分比产率)、1.5重量百分比的乙二醇(5.7摩尔百分比产率)和2.1重量百分比的丙二醇(6.5摩尔百分比产率)。

实例4

对于该实例，钨酸盐和商业的碳载钌催化剂都没有使用，且再次使用氮气代替氢气，除了在1.0MPa(150psi)的压力下。实现了底物的完全转化，其中产物包含1.29重量百分比的乳酸(3.4摩尔百分比产率)、4.8重量百分比的丙酮酸(13.11摩尔百分比产率)和0.3重量百分比的5-羟甲基-2-呋喃羧酸(HMFCA)(4.7摩尔百分比产率)，但是没有可观察到的甘油、乙二醇或丙二醇。

实例5

对于该实例，将10克三羟丁酸钙用作底物，将氢气再次在13.8MPa(2000psi)下使用且再次使用相对于底物为2.5摩尔百分比的商业碳载钌催化剂和2摩尔百分比的钨酸盐。在180℃下2小时之后，所有的底物都被转化且产物包含0.9重量百分比的乳酸(1.7摩尔百分比产率)、11.7重量百分比的甘油(22.2摩尔百分比产率)、0.7重量百分比的乙二醇(2.0摩尔百分比产率)以及1.8重量百分比的丙二醇(4.1摩尔百分比产率)。

总体上，本发明的方面涉及使用本文所述的合成方法以从可容易获得的或易于得到的底物生产一种或多种裂解产物和/或一种或多种最终产物。如本文所述的最终产物以及任选另外的转化产物可以由裂解产物(包括如本文所述的第二裂解产物)以原位或以进一步的单独反应阶段的进一步转化来生产。一种或多种裂解产物和/或一种或多种最终产物相对于用于生产这些产物的底物具有较低的碳原子数。这些方法可以有利地解决常规方法中的各种缺点。本领域技术人员通过从本披露得到知识将认识到，对于这些方法可以做出各种改变以获得这些和其他优势而不背离本披露的范围。同样地，应理解本披露的特征容易进行修改和/或替换而不背离本披露的范围。本文所述和所示的具体实施例仅用于说明目的，并且不限制所附权利要求中所述的本发明。

Claims (2)

1.一种用于合成裂解产物的方法，该裂解产物相对于起始化合物具有较低碳原子数，该方法包括：

(a)使包含相对于第一羰基在α碳原子处取代的α羟基和相对于该第一羰基在β碳原子处取代的β羟基的该起始化合物通过将该α羟基转化为第二羰基并且去除该β羟基进行脱水，以形成二羰基中间体；

(b)裂解该二羰基中间体以产生相对于该二羰基中间体具有较少碳原子的裂解产物和第二裂解产物，

其中

所述相对于该二羰基中间体具有较少碳原子数的裂解产物是丙酮酸盐；并且

所述起始化合物和所述第二裂解产物分别是2,3,4-三羟基丁酸盐和甲醛，2,3-二羟基-4-氧代丁酸和甲酸，酒石酸盐和甲酸，2,3,4,5-四羟基戊酸盐和2-羟基乙醛，2,3,4-三羟基-5-氧代戊酸盐和乙二醛，或者2,3,4-三羟基戊二酸盐和2-氧代乙酸盐；以及

(c)氢化该裂解产物以产生最终产物，该最终产物具有该第一羰基和由该第二羰基的氢化产生的相邻的羟基；其中所述最终产物是乳酸盐。

2.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括氢化该第二裂解产物，其中

当该第二裂解产物是甲醛时,氢化该第二裂解产物的产物是甲醇；

当该第二裂解产物是甲酸时,氢化该第二裂解产物的产物是甲醇或甲二醇；

当该第二裂解产物是2-羟基乙醛时,氢化该第二裂解产物的产物是乙二醇；

当该第二裂解产物是乙二醛时,氢化该第二裂解产物的产物是2-羟基乙醛；以及

当该第二裂解产物是2-氧代乙酸盐时,氢化该第二裂解产物的产物是2-羟基乙酸盐。