5-замещенные 2-(алкоксиметил)фураны
Формула / Реферат
1. Способ получения 5-замещенного 2-(алкоксиметил)фурана посредством взаимодействия исходных веществ, содержащих по меньшей мере один 5-гидроксиметилфурфураль или 5-алкоксиметилфурфураль и необязательно содержащих фурфураль, с водородом в присутствии спирта и каталитической системы.
2. Способ по п.1, в котором спирт может содержать от 1 до 20 атомов углерода.
3. Способ по п.1 или 2, в котором спирт может содержать от 1 до 8 атомов углерода.
4. Способ по п.3, в котором спирт выбран из метанола, этанола, 2-пропанола, 2-бутанола, 2-метил-1-пропанола (изобутанола), 2-метил-2-пропанола (трет-бутанола), 2-пентанола (втор-амилового спирта); 2-метил-1-бутанола (п-амилового спирта), 2-метил-2-бутанола (трет-амилового спирта), 3-метил-1-бутанола (изоамилового спирта), 2,2-диметил-1-пропанола (неопентилового спирта), 2-гексанола, 2-этил-1-гексанола (изооктилового спирта) или смесей из двух или более указанных выше спиртов.
5. Способ по пп.1-4, в котором каталитическая система представляет собой гетерогенный кислотный катализатор гидрирования.
6. Способ по п.5, в котором гетерогенный кислотный катализатор гидрирования содержит по меньшей мере один благородный металл на углеродном носителе.
7. Способ по пп.1-6, в котором каталитическая система содержит два катализатора, причем один из них представляет собой катализатор гидрирования, а другой представляет собой катализатор этерификации.
8. Способ по любому из пп.1-7, в котором реакцию осуществляют в одном реакторе при температуре от 20 до 140°C или в двух реакторах, где в первом реакторе осуществляют гидрирование при температуре от 20 до 80°C и во втором реакторе водород удаляют для этерификации при температуре от 40 до 160°C, где процесс в одном загрузочном реакторе может начинаться с низкой температуры гидрирования с последующим повышением температуры и удалением газообразного водорода.
9. Способ по любому из пп.1-8, в котором исходные вещества выбраны из одного или нескольких соединений группы, содержащей 5-(гидроксиметил)фурфураль и простые эфиры 5-(гидроксиметил)фурфураля, необязательно содержащих фурфураль.
10. Способ по п.9, в котором исходное вещество представляет собой 5-(гидроксиметил)фурфураль.
11. Способ по любому из пп.1-9, в котором используют растворитель или смесь растворителей и где растворитель представляет собой спирт.
12. Способ по любому из пп.1-11, в котором способ осуществляют непрерывным проточным способом.
13. Способ по п.12, в котором время пребывания в проточном способе составляет от 0,1 с до 10 ч.
14. Способ по п.13, в котором время пребывания в проточном способе составляет от 1 с до 1 ч.
15. Способ по п.14, в котором время пребывания в проточном способе составляет от 5 с до 20 мин.
16. Способ по пп.12-15, в котором непрерывный проточный способ представляет собой непрерывный проточный способ с неподвижным слоем.
17. Способ по п.16, в котором неподвижный слой содержит гетерогенный кислотный катализатор.
18. Способ по п.17, в котором непрерывный проточный способ представляет собой способ реакционной дистилляции или каталитической дистилляции.
19. Способ по п.18, в котором в дополнение к гетерогенному кислотному катализатору неорганический или органический кислотный катализатор добавляют к исходным веществам в непрерывном проточном способе с использованием неподвижного слоя или каталитической дистилляции.
20. Способ по пп.12-19, в котором объемная часовая скорость жидкости составляет от 1 до 1000.
21. Способ по п.20, в котором объемная часовая скорость жидкости составляет от 5 до 500.
22. Способ по п.21, в котором объемная часовая скорость жидкости составляет от 10 до 250.
23. Способ по п.21, в котором объемная часовая скорость жидкости составляет от 25 до 100.
24. 5-Замещенный 2-(алкоксиметил)фуран, представляющий собой 5-(трет-бутоксиметил)-2-(этоксиметил)фуран.
Текст
Изобретение относится к способу получения 5-замещенного 2-(алкоксиметил)фурана (или смеси таких фуранов) посредством взаимодействия исходного вещества, содержащего по меньшей мере 5-замещенный фурфураль, с водородом в присутствии спирта и каталитической системы. Грутер Герардус Йоханнес Мария Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к способу получения 5-замещенного 2-(алкоксиметил)фурана(или смеси таких фуранов) путем взаимодействия исходных веществ, содержащих, по меньшей мере, 5 замещенный фурфураль, с водородом в присутствии спирта и каталитической системы. Настоящее изобретение также относится к применению продуктов или смесей продуктов, полученных способом в соответствии с настоящим изобретением, в качестве топлива или добавки к топливу. Уровень техники Топливо, добавки к топливу и различные химикаты, используемые в нефтехимической промышленности, получают из нефти, газа и угля, все это невозобновляемые источники. Биомасса, с другой стороны, считается возобновляемым источником. Биомасса представляет собой биологический материал(включая биоразлагаемые отходы), который может быть использован для производства топлива или для промышленного производства, например, волокон, химикатов или тепла. В это понятие не входит органический материал, который преобразован в результате геологических процессов в веществах, такой как уголь или нефть. Получение продуктов из биомассы, предназначенных для непищевых применений, представляет собой растущую область промышленности. Виды топлива на биологической основе представляют собой пример применения, к которому быстро растет интерес. Биомасса содержит сахара (гексозы и пентозы),которые могут быть преобразованы в более ценные продукты. Современная деятельность по получению биотоплива из сахаров направлена в основном на ферментацию сахарозы или глюкозы с получением этанола или на полное разложение с помощью синтез-газа до синтетического жидкого топлива. Европейский патент EP 0641854 описывает применение топливных композиций, содержащих углеводороды и/или производные растительных масел, содержащих по меньшей мере один простой эфир глицерина,для уменьшения выбросов в виде частиц вещества. Позже была пересмотрена катализируемая кислотой реакция фруктозы, в результате которой образуется HMF в виде промежуточного соединения, представляющего большой интерес. Большинство исследуемых способов имеет тот недостаток, что HMF является не очень стабильным при условиях реакции, необходимых для его получения. Быстрое удаление из водной фазы, содержащей в исходном веществе сахар и кислотный катализатор, рассматривалось как решение этой проблемы. Исследователи изUniversity of Wisconsin-Madison разработали способ получения HMF из фруктозы. HMF может быть преобразован в мономеры для пластиков, наполнители для нефти или топлива или даже в само топливо. Этот способ, разработанный профессором James Dumesic с сотрудниками, предусматривает сначала дегидратацию фруктозы в водной фазе с использованием кислотного катализатора (хлористоводородной кислоты или кислотной ионообменной смолы). Для высаливания HMF в экстрагирующую фазу добавляют соль. В качестве экстрагирующей фазы используют инертный органический растворитель, который способствует экстрагированию HMF из водной фазы. Двухфазный способ работает при высоких концентрациях фруктозы (10-50 мас.%), достигает высоких выходов (80% селективности по отношению к HMF,90% преобразования фруктозы) и позволяет получать HMF в растворителе, благоприятном для разделения (DUMESIC, James A., et al. "Phase modifiers promote efficient production of Hydroxymethylfurfural fromfructose", Science, 30 June 2006, vol. 312, no. 5782, p. 1933-1937). Хотя выходы HMF в этом способе вызывают интерес, способ с использованием множества растворителей имеет экономические недостатки вследствие относительно сложной конструкции установки и выходов меньших, чем идеальные, в случае,когда более дешевые и менее реакционно-способные гексозы, чем фруктоза, такие как глюкоза или сахароза, используют в качестве исходных соединений. HMF, который является твердым при комнатной температуре, должен быть преобразован на последующих стадиях в полезные продукты. Dumesic сообщает об объединенной стадии способа гидрогенолиза для преобразования HMF в диметилфуран (DMF),который считается представляющей интерес добавкой к бензину. В заявке на международный патент WO 2006/063220 предусматривается способ преобразования фруктозы в 5-этоксиметил фурфураль (EMF) при 60C с использованием кислотного катализатора, либо в периодическом режиме в течение 24 ч, либо в непрерывном режиме посредством элюирования из колонны в течение 17 ч. Применения EMF не обсуждаются. Также в одновременно рассматриваемой предварительной заявке на патент PCT/EP 2007/002145 описывается получение простых эфиров HMF, включая применение таких простых эфиров в качестве топлива или добавки к топливу. Действительно, получили и исследовали как простой метиловый эфир, так и простой этиловый эфир (метоксиметилфурфураль или MMF; этоксиэтилфурфураль или EMF). Аналогичным случаем является одновременно рассматриваемая предварительная заявка на патент PCT/EP 2007/002146, в которой описывается получение сложных эфиров HMF, таких как ацетилметилфурфураль (AMF). Кроме того, известно получение фурфураля из полисахарида гемицеллюлозы, полимера сахаров,содержащих, каждый, по пять атомов углерода. При нагревании с серной кислотой гемицеллюлоза подвергается гидролизу с получением этих сахаров, в основном ксилозы. При таких же условиях с нагреванием и кислотой ксилоза и другие сахара с пятью атомами углерода подвергаются дегидратации, теряя три молекулы воды и становясь фурфуралем:C5H10O5C5H4O2+3H2O. Хотя MMF, EMF, AMF и другие простые и сложные эфиры HMF и фурфураля являются пригодными в качестве топлива или добавок к топливу, авторы обнаружили, что эти простые и сложные эфиры еще оставляют широкие возможности для улучшения, в частности, когда используются в смесях с более высокой концентрацией вместе с такими видами топлива, как бензин, керосин, дизельное топливо, биодизельное топливо или зеленое дизельное топливо. По этой причине авторы предпринимают попытки преодоления этого недостатка. Известно, что HMF может быть преобразован в 2,5-диметилфуран. Например, в публикации "Production of dimethylfuran for liquid fuels from biomass-derived carbohydrates", Nature, vol. 447 (21 June 2007), p. 982-985, James Dumesic et al. описывают преобразование фруктозы в HMF,который затем преобразуют на нескольких стадиях гидрирования через 2,5-дигидроксиметилфуран и 2 метил-5-гидроксиметилфуран в DMF. Таким образом, требуется большое количество водорода для получения жидкого топлива, подходящего для отрасли транспортировки. Неожиданно авторы настоящего изобретения обнаружили, что преобразования HMF в DMF не требуется для получения продукта с высокой энергетической плотностью, подходящей для использования температурой кипения и подходящей для использования растворимостью. Кроме того, соответствующие виды топлива или добавки к топливу могут даже быть получены из фурфураля, HMF, простых эфировHMF и сложных эфиров HMF, таких как EMF и AMF и/или смесей, содержащих эти компоненты, с помощью гораздо меньших количеств водорода и без потери молекулярной массы, но с добавлением молекулярной массы к продуктам. Следовательно, это обеспечивало бы способ получения альтернативного топлива или добавки к топливу из возобновляемого (и, следовательно, нейтрального по отношению кCO2) источника. Описание изобретения Соответственно настоящее изобретение предусматривает способ получения простых эфиров 5 замещенного фурфураля через соответствующий спирт путем взаимодействия 5-замещенного фурфураля с водородом в присутствии спирта и каталитической системы, содержащей один или несколько катализаторов. В объем настоящего изобретения входит применение 5-замещенного фурфураля и, в частности, 5 гидроксиметилфурфураля и его простых эфиров, которые могут быть получены из C6 сахаров. Синтез фурфураля (из C5 сахаров) и/или 5-замещенного фурфураля не является частью настоящего изобретения. Следует отметить, однако, что настоящий способ является идеально подходящим для получения компонентов топлива или добавок из исходных веществ, содержащих 5-замещенный фурфураль и необязательно незамещенный фурфураль, которые, в свою очередь, получают из источника биомассы, содержащего пентозу и гексозу. Когда продукт реакции по указанному выше способу используют как таковой или когда его используют в качестве промежуточного соединения для последующего преобразования, селективность реакции предпочтительно является высокой, когда продукт предпочтительно является чистым. Однако когда продукт реакции по указанному выше способу используют в качестве топлива, добавки к топливу или в качестве промежуточного соединения для топлива или добавки к топливу, продукт реакции не обязательно должен быть чистым. Действительно, при получении топлива и добавок к топливу из биомассы, которая сама представляет собой смесь различных пентоз и гексоз, это является преимуществом. Вместе с 5 замещенным 2-(алкоксиметил)фураном и 2-(алкоксиметил)фураном продукт реакции может содержать дополнительные не причиняющие вреда компоненты, такие как производные левулиновой кислоты и/или продукты неселективного гидрирования, такие как 5-замещенный 2-метилфуран, 2-метилфуран,диметилфуран, производные тетрагидрофурана и тому подобное. С целью упрощения, однако, способ и продукт реакции по настоящему изобретению описываются в терминах реакции исходных соединений 5 замещенного фурфураля, приводящей к образованию простого диэфира 5-замещенного 2(алкоксиметил)фурана. Также в объем изобретения входит реакция HMF и смесей HMF и простых эфиров HMF, которые могут содержать фурфураль, с водородом в присутствии спирта и каталитической системы, поскольку HMF, как предполагают, получается в качестве промежуточного соединения из исходных веществ, содержащих фруктозу и/или глюкозу, во время синтеза простых эфиров HMF. Способ (способы) осуществления изобретения Синтез HMF из фруктозы, глюкозы и сахарозы в качестве источника биомассы является объектом интенсивных исследований. HMF получают в способах с использованием как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов, с использованием различных систем разбавителей, таких как вода, 2-фазных систем для экстрагирования HMF в органическую фазу после его образования или с использованием систем разбавителей, таких как ацетон, ДМСО или ионные жидкости. Настоящий способ предусматривает преобразование 5-замещенного фурфураля в 5-замещенный 2(алкоксиметил)фуран, и поскольку фурфураль может присутствовать, когда на стадии дегидратирования сахара присутствуют пентозы или когда фурфураль образуется в процессе дегидратирования гексозы,настоящий способ также предусматривает одновременное преобразование фурфураля в фурфуриловый спирт и его этерификацию с помощью добавления спирта. Неожиданно обнаружено небольшое количество простых эфиров, получаемых этерификацией добавленного спирта самого по себе, или они вообще отсутствуют. Спирт, используемый в способе по настоящему изобретению, предпочтительно несет одну гидроксильную группу, которая может находиться в первичном, вторичном или даже в третичном положении. Могут быть использованы диолы и многоатомные соединения, но они обеспечивают лишь небольшое преимущество. Спирт может содержать от 1 до 20 атомов углерода, предпочтительно от 1 до 8 атомов углерода. Примеры включают метанол, этанол, 2-пропанол, 2-бутанол, 2-метил-1-пропанол (изобутанол), 2-метил-2-пропанол (трет-бутанол), 2-пентанол (втор-амиловый спирт), 2-метил-1-бутанол (памиловый спирт), 2-метил-2-бутанол (трет-амиловый спирт), 3-метил-1-бутанол (изоамиловый спирт),2,2-диметил-1-пропанол (неопентиловый спирт), 2-гексанол; 2-этил-1-гексанол (изооктиловый спирт). Предпочтительные спирты, используемые в способе по настоящему изобретению, включают метанол,этанол, пропанол, изопропанол, изобутанол, трет-бутанол, изоамиловый спирт, изооктиловый спирт. Также могут быть использованы смеси спиртов, например метанола и этанола. Количество спирта, используемого во время получения простого эфира HMF, предпочтительно является, по меньшей мере, эквимолярным фурфуралю, но обычно используют гораздо больший избыток. На самом деле, спирт можно использовать в качестве растворителя или сорастворителя. В таком случае присутствует количество спирта, достаточное для образования простого фурфурилового эфира. Каталитическая система, используемая в способе по настоящему изобретению, может содержать один или несколько (со)катализаторов, а предпочтительно содержит один катализатор, имеющий функциональность для гидрирования и этерификации, или комбинацию (а) катализатора (катализаторов) гидрирования и катализатора (катализаторов) этерификации для стадии гидрирования и для стадии этерификации. Отдельный катализатор можно использовать, например, в форме кислотного катализатора гидрирования или можно использовать комбинацию двух или более катализаторов для стадии гидрирования и для стадии этерификации. Катализатор гидрирования (или один катализатор гидрирования/этерификации) предпочтительно представляет собой гетерогенный (то есть твердый) катализатор. Подходящим является гранулированный катализатор, который может быть образован в любой удобной форме, например в форме гранул,колец или в форме седла. Катализаторы гидрирования для альдегидов известны и считаются подходящими для способа по настоящему изобретению. Типичные катализаторы гидрирования альдегидов включают катализаторы,содержащие медь, и катализаторы, содержащие металлы группы VIII. Примеры подходящих катализаторов, содержащих медь, включают катализаторы типа медь на оксиде алюминия, катализаторы типа восстановленный оксид меди/оксид цинка, с промотором или без него, медные катализаторы, с марганцевым промотором, и восстановленные медьхромовые катализаторы, с промотором или без него, в то время как подходящие катализаторы, содержащие металлы группы VIII, включают платиновые, родиевые,рутениевые и палладиевые катализаторы, предпочтительно на жаропрочном носителе, таком как углерод, диоксид кремния, оксид алюминия, оксид алюминия-диоксид кремния, карбонат, такой как карбонат бария, диатомовая земля и тому подобное. Подходящие предшественники катализатора на основе оксида меди/оксида цинка включают смесиCuO/ZnO, где массовое отношение Cu:Zn находится в пределах примерно от 0,4:1 до примерно 2:1. Предшественники оксида меди/оксида цинка с промотором включают смеси CuO/ZnO, где массовое отношение Cu:Zn находится в пределах примерно от 0,4:1 до примерно 2:1, которые промотированы барием, марганцем или смесью бария и марганца в количестве примерно от 0,1 до примерно 15 мас.%. Подходящие предшественники медьхромового катализатора включают такие катализаторы, где массовое отношение Cu:Cr находится в пределах примерно от 0,1:1 до примерно 4:1, предпочтительно примерно от 0,5:1 до примерно 4:1. Промотированные медьхромовые предшественники имеют массовое отношение Cu:Cr в пределах примерно от 0,1:1 до примерно 4:1, предпочтительно примерно от 0,5:1 до примерно 4:1, где промотором является барий, марганец или смесь бария и марганца в количестве примерно от 0,1 до примерно 15 мас.%. Предшественники медного катализатора с марганцевым промотором обычно имеют массовое отношение Cu:Mn примерно от 2:1 до примерно 10:1 и могут включать оксид алюминия в качестве носителя, в случае которого массовое отношение Cu:Al обычно составляет примерно от 2:1 до примерно 4:1. Другие катализаторы, которые можно рассматривать для использования, включают катализаторы на основе Pd/ZnO типа, рассмотренного в публикации P.S. Wehner и В.L. Gustafson, Journal ofCatalysis 136, 420-426 (1992), палладий-цинковые катализаторы на носителе типа, описанного в патенте США 4837368 и в патенте США 5185476, и химически смешанные оксиды меди-титана типа, описанного в патенте США 4929777. Другие катализаторы, представляющие интерес для использования в способе по настоящему изобретению, включают катализаторы на основе родия и олова, описанные в публикации А. El Mansour, J.P.Candy, J.P. Bournonville, O.A. Ferrehi и J.M. Basset, Angew. Chem. 101, 360 (1989). Для создания физического носителя для катализатора, используемого в способе по настоящему изобретению, можно использовать любую известную среду для носителя. Этот носитель может быть создан с помощью таких материалов, как оксид цинка, оксид алюминия, диоксид кремния, оксид алюминия-кремния, карбид кремния, диоксид циркония, диоксид титана, углерод, цеолит или любая подходящая их комбинация. Особенно предпочтительными являются каталитические системы, содержащие металл группы VIII ("благородный металл") на углеродном носителе, поскольку такие каталитические сис-3 017997 темы могут быть использованы для осуществления гидрирования и этерификации. Кислотная каталитическая система для этерификации в способе по настоящему изобретению может быть выбрана из (галогенированных) органических кислот, неорганических кислот, кислот Льюиса, ионообменных смол и цеолитов или их комбинаций и/или смесей. Она может представлять собой гомогенный катализатор, но гетерогенные катализаторы являются предпочтительными по причинам, связанным с очисткой. Простые эфиры HMF могут быть получены с помощью протонной кислоты, кислоты Бренстеда или, альтернативно, кислоты Льюиса, или с помощью катализаторов, которые имеют несколько этих кислотных функциональных групп. Протонная кислота может быть органической или неорганической. Например, органическая кислота может быть выбрана из щавелевой кислоты, левулиновой кислоты, малеиновой кислоты, трифторуксусной кислоты (трифлатной кислоты), метансульфоновой кислоты или п-толуолсульфоновой кислоты. Альтернативно, неорганическая кислота может быть выбрана из (поли)фосфорной кислоты, серной кислоты, хлористо-водородной кислоты, бромисто-водородной кислоты, азотной кислоты, йодистоводородной кислоты, необязательно полученной in situ. Определенные соли можно использовать в качестве катализатора, причем соль может представлять собой любую одну или несколько из солей (NH4)2SO4/SO3, фосфата аммония, пиридинийхлорида, фосфата триэтиламина, солей пиридиния, фосфата пиридиния, гидрохлорида/гидробромида/пербромата пиридиния, DMAP, солей алюминия, ионов Th и Zr, фосфата циркония, Sc и ионов лантанидов, таких как Sm и Y, как их ацетатная или трифторацетатная (трифлатная) соль, Cr-, Al-, Ti-, Ca-, In-ионов, ZrOCl2,VO(SO4)2, TiO2, V-порфирина, Zr-, Cr-, Ti-порфирина. Кислоты Льюиса, выбранные в качестве катализатора дегидратации, могут представлять собой любую соль из ZnCl2, AlCl3, BF3. Ионообменные смолы могут быть подходящими катализаторами дегидратации. Примеры включают Amberlite и Amberlyst, Diaion и Levatit. Другие твердые катализаторы, которые могут быть использованы, включат природные минеральные глины, цеолиты, кислоты на носителях, таких как диоксид кремния, пропитанный минеральными кислотами, термически обработанный древесный уголь, оксиды металлов, сульфиды металлов, соли металлов и их смешанные оксиды и смеси. Если используют повышенные температуры реакций, как определено ниже, тогда катализатор должен быть стабильным при этих температурах. Обзор катализаторов, которые могут быть использованы в способе по настоящему изобретению,можно найти в таблице обзорной статьи, подготовленной Mr. Lewkowski: "Synthesis, chemistry and applications of 5-hydroxymethylfurfural and its derivatives", Arkivoc, 2001, p. 17-54. Количество катализатора может варьировать в зависимости от выбора катализатора или смеси катализаторов. Например, катализатор можно добавлять к реакционной смеси в количестве, варьирующем от 0,01 до 40 мол.% по отношению к содержанию (замещенного) фурфураля в исходном веществе, предпочтительно от 0,1 до 30 мол.%,более предпочтительно от 1 до 20 мол.%. В предпочтительном варианте осуществления катализатор представляет собой гетерогенный катализатор. Температура, при которой осуществляют реакцию, может варьировать, но, как правило, предпочтительно, чтобы реакция проходила при температуре от 0 до 200C, предпочтительно от 10 до 150C, более предпочтительно от 20 до 120C. Также реакция гидрирования является наиболее селективной при низких температурах, таких как, например, от 20 до 80C, в зависимости от выбранного катализатора. Реакцию по настоящему изобретению можно также осуществлять в системе с двумя реакторами, соединенными последовательно, причем стадию гидрирования и стадию этерификации проводят в первом и втором реакторе при более низкой и более высокой температуре соответственно. Реакцию можно осуществлять в одном реакторе при температуре от 20 до 140C или в двух реакторах, где в первом реакторе гидрирование проводят при температуре от 20 до 80C и где во второмреакторе водород удаляют для этерификации при температуре от 40 до 160C, предпочтительно от 60 до 120C. Процесс в первом загрузочном реакторе может начинаться с низкотемпературного гидрирования с последующим повышением температуры и удалением газообразного водорода. Водород подают в достаточном количестве и либо барботируют через реакционную среду, вводимую одновременно или в противотоке с одним из потоков исходных веществ, либо растворяют с использованием другой формы смешивания. В зависимости от катализатора и выбранной температуры способа реакцию осуществляют при давлении водорода от 1 до 100 бар, предпочтительно от 2 до 25 бар, более предпочтительно от 2 до 10 бар. Как правило, значения давления выше чем 100 бар являются менее предпочтительными, поскольку селективность реакции уменьшается и слишком много водорода потребляется из-за образования побочных продуктов. Исходные вещества, содержащие фурфураль, HMF и простой эфир HMF, обычно растворяют в растворителе или более предпочтительно в спиртовом реагенте для облегчения реакции. Спиртовой растворитель представляет собой спирт, выбранный для этерификации. Количество растворителя предпочтительно является достаточным для растворения или суспендирования исходных веществ и для предотвращения определенных побочных реакций. Способ по настоящему изобретению можно осуществлять в периодическом режиме или в непрерывном режиме с рециклированием (части) потока продукта для контроля температуры реакции (рециклирование с помощью теплообменника) или без него. Например, способ по настоящему изобретению можно осуществлять непрерывным проточным способом. При таком способе можно использовать один или два гомогенных катализатора, и время пребывания реагентов в проточном способе составляет от 0,1 с до 10 ч, предпочтительно от 1 с до 1 ч, более предпочтительно от 5 с до 20 мин. Альтернативно, непрерывный проточный способ может представлять собой непрерывный проточный способ с неподвижным слоем или способ реакционной (каталитической) дистилляции с гетерогенным кислотным катализатором. Для инициирования или регенерации гетерогенного кислотного катализатора, или для улучшения рабочих характеристик, или когда гетерогенный катализатор гидрирования используют в комбинации с гомогенными кислотными катализаторами этерификации, неорганическая или органическая кислота может быть добавлена к исходным веществам непрерывного проточного способа с неподвижным слоем или с реакционной дистилляцией. В способе с неподвижным слоем часовая объемная скорость жидкости (LHSV) может составлять от 1 до 1000, предпочтительно от 5 до 500, более предпочтительно от 10 до 250 и наиболее предпочтительно от 25 до 100 мин-1. Указанный выше способ приводит к получению стабильных простых фурановых эфиров. Авторы придерживаются того мнения, что некоторые продукты, полученные способом по настоящему изобретению, являются действительно новыми. Таким образом, простые эфиры, полученные из алкоксиметилфурфураля с C1-C20 спиртами, предпочтительно C1-C8 спиртами, являются новыми и представляют собой превосходные компоненты топлива или добавки к топливу. Поскольку эти спирты могут быть получены из биомассы, это может открыть класс продуктов, которые являются полностью полученными из биомассы. Соответственно эти новые простые эфиры также входят в объем притязаний настоящей заявки. Простые эфиры HMF по настоящему изобретению также можно применять в виде соединений или преобразовать в такие соединения, которые могут быть использованы в качестве растворителя, в качестве мономера при полимеризации (такого как 2,5-фурандикарбоновая кислота или FDCA), в качестве промежуточного соединения для тонкой химической или фармацевтической технологии, или в других областях применения. Окисление простых эфиров HMF с использованием соответствующего катализатора при соответствующих условиях, таких как, например, описано для п-ксилола с каталитической системой NHPI/Co(OAc)2/MnOAc)2 в Adv. Synth. Catal. 2001, 343, 220-225, или таких, как описано для HMF с каталитической системой Pt/C при pH8 в EP 0356703, или таких, как описано для HMF с каталитической системой Pt/C при pH7 в FR 2669634, все с воздухом в качестве окислителя, приводит к образованию 2,5-фурандикарбоновой кислоты (FDCA). Примеры приведены для иллюстрации способа по настоящему изобретению и пригодности продуктов, полученных с его помощью, в качестве топлива. Примеры не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Пример 1. Получение 2,5-ди(этоксиметил)фурана. В загрузочном реакторе объемом 7,5 мл подвергают взаимодействию 0,06 ммоль 5(этоксиметил)фурфураля (EMF) в смеси этанол/Н 2 О (90/10) и 3,3 ммоль H2 в течение 2 ч при температуре 150 или 80C с использованием 5 мг гетерогенного катализатора гидрирования, а в некоторых случаях с использованием 5 мг кислотного катализатора. В УФ-спектре наблюдают четыре пика, соответствующих фурану. Масс-спектрометрия (ЖХ-МС CI) позволяет идентифицировать эти продукты как 5(этоксиметил)фурфураль (EMF; исходное соединение), 2,5 ди(этоксиметил)фуран (DEMF), 2(этоксиметил)-5-(гидроксиметил)фуран (EMHMF) и 2-(этоксиметил)-5-метилфуран (EMMeF). Преобразование субстрата, селективность и выход фурановых производных вычисляют в соответствии со следующими формулами:S соединение=100nr субстрат/n0 субстрат,где S соединение - селективность по отношению к соединению, %; Значения селективности и преобразования для гидрирования 5-(этоксиметил)фурфураля в присутствии этанола при различных значениях температуры и времени реакции Аналитический метод. Продукты реакции количественно определяют с помощью анализа ВЭЖХ с внутренним стандартом(сахарин, Sigma Aldrich). Используют хроматограф Agilent 1100 series, снабженный детекторами УФ иELSD (испарительный детектор светорассеяния). Стационарная фаза представляет собой колонку с обращенной фазой C18 (Sunfire 3,5 мкм, 4,6100 мм, Waters). Используют градиентное элюирование при постоянном потоке 0,6 мл/мин и при температуре 40C в соответствии со следующей схемой. Масс-спектр DEMF, C.I. (при химической ионизации) (MW=184,2 г/моль). Пример 2. Периодический эксперимент с гидрированием/этерификацией 5-(этоксиметил)фурфураля. В загрузочном реакторе объемом 7,5 мл подвергают взаимодействию 0,06 ммоль 5(этоксиметил)фурфураля (EMF) в 1 мл этанола и водород при давлении 5 бар с использованием 3 мол.% катализатора Pt/C в течение 4 дней при комнатной температуре. Исходное соединение полностью преобразуется со 100% селективностью в 5-(этоксиметил)-2-(гидроксиметил)фуран. Затем смесь нагревают до 75C в течение 1 дня без водорода. 5-(Этоксиметил)-2-(гидроксиметил)фуран полностью преобразуется,и получают 2,5 бис-(этоксиметил)фуран с выходом 80%. 20% побочных продуктов представляют собой левулинатные производные с раскрытием кольца. Эксперимент успешно повторяют в масштабе 20 г. Пример 3. Периодический эксперимент с гидрированием/этерификацией 5-(третбутоксиметил)фурфураля. В загрузочном реакторе объемом 7,5 мл подвергают взаимодействию 0,06 ммоль 5-(третбутоксиметил)фурфураля (tBMF) в 1 мл этанола и водород при давлении 2 бар с использованием 3 мол.% 5% катализатора Rh на оксиде алюминия в течение 4 ч при комнатной температуре. Исходное соединение полностью преобразуется со 100% селективностью в 5-(трет-бутоксиметил)-2-(этоксиметил)фуран. Эксперимент успешно повторяют в масштабе 20 г. Никакого восстановления фуранового кольца не могло быть обнаружено. Пример 4. Периодический эксперимент с гидрированием/этерификацией 5(гидроксиметил)фурфураля. В загрузочном реакторе объемом 7,5 мл подвергают взаимодействию 0,06 ммоль 5(гидроксиметил)фурфураля (HMF) в 1 мл этанола и водород при давлении 5 бар с использованием 3 мол.% катализатора Pt/C в течение 2 дней при комнатной температуре. Исходное соединение полностью преобразуется со 100% селективностью в 2,5-ди(гидроксиметил)фуран. Затем смесь нагревают до 75C в течение 1 дня без водорода. 2,5-Ди(гидроксиметил)фуран полностью преобразуется, и получают 2,5-бис(этоксиметил)фуран с выходом 75%. 25% побочных продуктов представляют собой левулинатные производные с открыванием кольца. Эксперимент успешно повторяют в масштабе 20 г. Пример 5. Применения для дизельного топлива. Растворимость в топливе. Растворимость в топливе является главной проблемой для применений в дизельном топливе. Не все сильно полярные оксигенаты обладают хорошей растворимостью в современных коммерческих видах дизельного топлива. Результаты показывают, что 2,5-ди(этоксиметил)фуран и 5-(трет-бутоксиметил)-2(этоксиметил)фуран могут смешиваться при всех соотношениях компонентов смеси с коммерческим дизельным топливом. В сравнительном ряду экспериментов показано, что этоксиметилфурфураль (EMF) является полностью смешиваемым в 5 об.% смеси с коммерческим дизельным топливом, но разделение фаз происходит в 25 и в 40 об.% смесях EMF и дизельного топлива. Пример 6. 5-Замещенные 2-(алкоксиметил)фураны. В покрытом изнутри тефлоном загрузочном реакторе объемом 7,5 мл, изготовленном из нержавеющей стали и содержащем 350 мг (2,3 ммоль) 5-(этоксиметил)фурфураля в 0,5 мл метанола, катализатор гидрирования (Ni на диоксиде кремния) и катализатор этерификации (цеолит P-SAR 75), создают давление водорода 12,5 бар, а затем нагревают при перемешивании до 100C в течение 3 ч. После реакции реактор быстро охлаждают на ледяной бане и понижают давление. Образец разбавляют метанолом и анализируют продукты с помощью ГХ и ГХ-МС. Результаты показаны в табл. 1 ниже. В этом эксперименте селективность вычисляют немного иначе, на основании формулы селективность=100nt(продукт)/[n0(субстрат)-nt(субстрат)],где n0 - начальное количество молей;nt - количество молей соединения в момент времени "t". Таблица 1 Гидрирование/этерификация EMF в MeOH до спирта и простых эфиров EMF Пример 7. 5-Замещенные 2-(алкоксиметил)фураны с использованием смеси EMF и фурфураля. Пример 6 повторяют со 180 мг (1,9 ммоль) фурфураля и 180 мг (1,2 ммоль) 5(этоксиметил)фурфураля в 0,48 мл метанола. В загрузочном реакторе создают давление водорода 20 бар,а затем нагревают при перемешивании до 100C в течение 2 ч. Результаты показаны в табл. 2. Таблица 2 Гидрирование/этерификация фурфураля и EMF в MeOH(1989). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения 5-замещенного 2-(алкоксиметил)фурана посредством взаимодействия исходных веществ, содержащих по меньшей мере один 5-гидроксиметилфурфураль или 5 алкоксиметилфурфураль и необязательно содержащих фурфураль, с водородом в присутствии спирта и каталитической системы. 2. Способ по п.1, в котором спирт может содержать от 1 до 20 атомов углерода. 3. Способ по п.1 или 2, в котором спирт может содержать от 1 до 8 атомов углерода. 4. Способ по п.3, в котором спирт выбран из метанола, этанола, 2-пропанола, 2-бутанола, 2-метил-1 пропанола (изобутанола), 2-метил-2-пропанола (трет-бутанола), 2-пентанола (втор-амилового спирта); 2 метил-1-бутанола (п-амилового спирта), 2-метил-2-бутанола (трет-амилового спирта), 3-метил-1 бутанола (изоамилового спирта), 2,2-диметил-1-пропанола (неопентилового спирта), 2-гексанола, 2-этил 1-гексанола (изооктилового спирта) или смесей из двух или более указанных выше спиртов. 5. Способ по пп.1-4, в котором каталитическая система представляет собой гетерогенный кислотный катализатор гидрирования. 6. Способ по п.5, в котором гетерогенный кислотный катализатор гидрирования содержит по меньшей мере один благородный металл на углеродном носителе. 7. Способ по пп.1-6, в котором каталитическая система содержит два катализатора, причем один из них представляет собой катализатор гидрирования, а другой представляет собой катализатор этерификации. 8. Способ по любому из пп.1-7, в котором реакцию осуществляют в одном реакторе при температуре от 20 до 140C или в двух реакторах, где в первом реакторе осуществляют гидрирование при температуре от 20 до 80C и во втором реакторе водород удаляют для этерификации при температуре от 40 до 160C, где процесс в одном загрузочном реакторе может начинаться с низкой температуры гидрирования с последующим повышением температуры и удалением газообразного водорода. 9. Способ по любому из пп.1-8, в котором исходные вещества выбраны из одного или нескольких соединений группы,содержащей 5-(гидроксиметил)фурфураль и простые эфиры 5(гидроксиметил)фурфураля, необязательно содержащих фурфураль. 10. Способ по п.9, в котором исходное вещество представляет собой 5-(гидроксиметил)фурфураль. 11. Способ по любому из пп.1-9, в котором используют растворитель или смесь растворителей и где растворитель представляет собой спирт. 12. Способ по любому из пп.1-11, в котором способ осуществляют непрерывным проточным способом. 13. Способ по п.12, в котором время пребывания в проточном способе составляет от 0,1 с до 10 ч. 14. Способ по п.13, в котором время пребывания в проточном способе составляет от 1 с до 1 ч. 15. Способ по п.14, в котором время пребывания в проточном способе составляет от 5 с до 20 мин. 16. Способ по пп.12-15, в котором непрерывный проточный способ представляет собой непрерывный проточный способ с неподвижным слоем. 17. Способ по п.16, в котором неподвижный слой содержит гетерогенный кислотный катализатор. 18. Способ по п.17, в котором непрерывный проточный способ представляет собой способ реакционной дистилляции или каталитической дистилляции. 19. Способ по п.18, в котором в дополнение к гетерогенному кислотному катализатору неорганический или органический кислотный катализатор добавляют к исходным веществам в непрерывном проточном способе с использованием неподвижного слоя или каталитической дистилляции. 20. Способ по пп.12-19, в котором объемная часовая скорость жидкости составляет от 1 до 1000. 21. Способ по п.20, в котором объемная часовая скорость жидкости составляет от 5 до 500. 22. Способ по п.21, в котором объемная часовая скорость жидкости составляет от 10 до 250. 23. Способ по п.21, в котором объемная часовая скорость жидкости составляет от 25 до 100. 24. 5-Замещенный 2-(алкоксиметил)фуран, представляющий собой 5-(трет-бутоксиметил)-2(этоксиметил)фуран.
МПК / Метки
МПК: C10L 1/00, C07D 307/42, C10L 1/02
Метки: 2-(алкоксиметил)фураны, 5-замещенные
Код ссылки
<a href="https://eas.patents.su/9-17997-5-zameshhennye-2-alkoksimetilfurany.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">5-замещенные 2-(алкоксиметил)фураны</a>
Предыдущий патент: Система аэрации жидкости
Следующий патент: Способ высокотемпературного выщелачивания
Случайный патент: Система интернет-адресации на национальных языках