Способы электролитического получения эритрозы или эритритола
Изобретение относится к электролитическому способу получения эритрозы, предназначенной для химического синтеза эритритола - натурального полиольного сахарозаменителя, который имеет сладкий вкус, около 60-80% от сахарозы, не вреден для зубов, не обладает канцерогенностью и характеризуется высокими технологическими свойствами. Способы получения эритрозы включают этап электролитического декарбоксилирования рибоновой или арабиноновой кислоты, предварительно нейтрализованной примерно от 10% до 100%. Кислота может быть получена из подходящего гексозного сахара, такого, как аллоза, альтроза, глюкоза, фруктоза или манноза, и может быть нейтрализована путем смешивания с водой, метанолом, этанолом, пропанолом, диоксаном и ацетонитрилом. Полученную эритрозу гидрируют для получения эритритола. Декарбоксилирование кислоты в растворе проводится путем приведения кислоты в растворе в контакт с анодным электродом, который содержит графит. Повышение экономичности способа получения эритрозы, как продукта этапа электролитического декарбоксилирования рибоновой или арабиновой кислоты с последующей конверсией эритрозы в эритритол с использлванием любой подходящей реакции восстановления или гидрирования, является техническим результатом изобретения. 16 з.п. ф-лы, 5 табл., 3 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу получения эритрозы и/или эритритола.
Уровень техники
Эритритол, натуральный полиольный сахарозаменитель, может применяться для замены сахара, сохраняя сладкий вкус. Эритритол представляет собой содержащий четыре атома углерода сахарный полиол (тетритол), обладающий несколькими свойствами, такими, как сладость (около 60-80% от сахарозы), отсутствие вреда для зубов, очень низкая калорийность (0,2 ккал/г, 5% от калорийности сахарозы), отсутствие канцерогенности и, в отличие от других полиолов, он почти не вызывает или вовсе не вызывает желудочно-кишечного дискомфорта (Harald and Bruxelles (1993) Starch/Starke 45:400-405). Кроме того, эритритол обладает желаемыми технологическими свойствами, такими, как термостабильность, и минимальной нежелательной активностью к аминогруппам, чтобы сопротивляться побурению, находясь в органической субстанции. Эритритол может использоваться как сахарозаменитель, например, в напитках. Например, патенты US 4902525 и 6066345, JPA 7-274829 и EP 0759273 относятся к добавлению эритритола в напитки в целях улучшения вкуса. Жевательная резинка, сделанная с подсластителем, содержащим эритритол и жидкий сахар или сахарный спирт, раскрывается в патенте US 5120550. Способ уменьшения кариеса зубов путем приема не содержащей сахара жевательной резинки, сделанной с эритритолом, описан в Европейской патентной публикации № 0009325. Низкокалорийные подслащивающие композиции, содержащие мезо-эритритол, описываются в патентах США US 5080916 и 4902525 и Японских патентных публикациях № 89-225458 и 90-104259. Японская патентная публикация № 89-51045 описывает жевательную резинку, сделанную с расплавленной смесью мезо-эритритола и сахаров или сахарных спиртов. Сахарозаменитель, в котором используется эритритол, высушенный распылительной сушкой, раскрывается в Европейской патентной публикации № 0497439. Подсластительная композиция, сделанная из эритритола, сорбитола и олигомера глюкозы, раскрыта в Европейской патентной публикации № 0511761.
Эритритол можно обнаружить в лишайниках, листьях конопли и грибах. Эритритол можно найти также в сброженных продуктах, таких, как вино, соевый соус или саки (Sasaki, T. (1989) Production technology of erythritol. Nippon Nogeikagaku Kaishi 63: 1130-1132). Промышленное получение эритритола обычно проводится по одному из двух подходов: химический синтез или ферментативный биосинтез.
Химический синтез эритритола обычно включает добавление катализаторов, таких, как водород и никель, в сахарное сырье в условиях высокой температуры и высокого давления. Реакции декарбоксилирования могут быть проведены, например, с пероксидом водорода или гипохлоритом. Подходящим способом является так называемая реакция Руффа, в которой в качестве каталитического агента используется комбинация пероксида водорода и сульфата железа(II) (смотри, например, Ruff, Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 32 (1899) 553-554, и E. Fischer, O. Ruff, Ber. 33 (1900) 2142). Восстановление может быть проведено химически, например каталитическим гидрированием, электролитически или ферментативно. Например, D-арабинонат кальция может быть получен в присутствии водного раствора пероксида водорода. Другие способы получения D-эритрозы включают окисление D-глюкозы в присутствии татраацетата свинца (известен под названием способа Перлина (Perlin A. S., Methods Carbohydr. Chem., 1962, 1, 64)) или кислотный гидролиз 2,4-O-этилиден-D-эритрозы, полученной окислением периодатом 4,6-O-этилиден-D-глюкозы (Schaffer R., J. Am. Chem. Soc., 81 (1959), 2838; Barker R., MacDonald D.L., J. A. Chem. Soc, 82 (1960), 2301). Небольшое улучшение конверсии глюконовой кислоты в D-арабинозу было позднее введено R.C. Hockett и C.S. Hudson (J. Amer. Chem. Soc., 56, 1632-1633, (1934) и там же, 72, 4546 (1950)) и в патентном документе US 3755294. Там описан выход арабинозы в 60%, исходя из глюконовой кислоты. Прогресс был достигнут V. Bilik (CZ-232647 (1983)) при использовании двухвалентных ионов меди (Cu(II)) в качестве катализатора. После трудоемкой очистки достигаются выходы порядка 70%. Такие же результаты были недавно получены со смесью двухвалентных и трехвалентных ионов железа в качестве катализаторов (CZ-279002 (1994)). Наконец, в документе EP-A 0716067 сообщается о достигнутых в особых условиях выходах некоторых альдоз в 78%. Другой способ проводится химическим восстановлением сырья, такого, как мезо-тартрат (Kent, P.W., Wood, K.R. (1964) J. Chem. Soc. 2493-2497) или эритроза (Otey, F.H., Sloan, J.W. (1961) Ind. Eng. Chem. 53:267), для получения эритритола. Ни один из известных методов химического синтеза, таких, как восстановление мезо-тартрата, окисление/восстановление 4,6-O-этилиден-D-глюкозы и гидрирование гидролизатов диальдегида крахмала (T.Dola, T.Sasaki, Bio-Industry (1988), 5, (9), 32), не был широко использован для масштабного промышленного производства. Другие химические процессы, разработанные для получения эритритола, включают гидрирование винной кислоты для получения смесей тетритолов, включая эритритол (US 5756865). Для получения эритритола также восстанавливали сложные эфиры винной кислоты (US 2571967).
Кроме того, эритритол может производиться рядом микроорганизмов. Например, как описано в 5902739, эритритол может быть получен ферментацией глюкозы особыми дрожжевыми штаммами. Извлечение эритритола из бродильного бульона описано в документах US 6030820, US 6440712 и US 4906569. Микроорганизмы, подходящие для получения эритритола, включают высоко осмофильные дрожжи, например Pichia, Candida, Torulopsis, Trigonopsis, Moniliella, Aureobasidium и Trichosporon sp. (Onishi, H. (1967) Hakko Kyokaish 25:495-506; Hajny et al. (1964) Appl. Microbiol. 12:240-246; Hattor, K., Suziki, T. (1974) Agric. Biol. Chem. 38:1203-1208; Ishizuka, H. et al. (1989) J. Ferment. Bioeng. 68:310-314). Сообщалось о получении эритритола различными дрожжами: Debaryomyces (патент US 2986495), Pichia (патент US 2986495), Candida (патент US 3756917), Moniliella (Antonie van Leeuwenhoek, 37 (1971), 107-118) и Aureobasidium (JP-A 61/31091). В настоящее время известно, что на практике для получения эритритола исползуется два микроорганизма, а именно Moniliella tomentosa var. pollinis CBS461.67 и Aureobasidium sp. SN-G42 FERM P-8940. Первый применяется, например, в способах получения полиолов в промышленном масштабе посредством ферментации сахаридов (Японская патентная публикация № 6-30591 (30591/1994), там же, 6-30592 (30592/1994), там же, 6-30593 (30593/1994), там же, 6-30594 (30594/1994)), в этих публикациях раскрываются способы получения ряда полиолов, в том числе эритритола. Однако штамм Moniliella tomentosa var. pollinis, применяющийся в таких способах, имеет плохую устойчивость к сахаридам и отличаются в плохую сторону пониженным выходом эритритола при высокой концентрации сахаридов. Так, при концентрациях сахарида 25% вес/об. выход эритритола на основе сахарида (количество полученного эритритола, отнесенное к количеству израсходованного сахарида) составляет до 42%, а при высокой концентрации сахарида, 35 % вес/об. выход эритритола на основе сахарида составляет 33%, а при 35 % вес/об. выход заметно ниже, всего 27%. Часто исследования, проводимые по методам ферментации, дают эритритол как побочный компонент. Возможные недостатки получения эритритола ферментацией включают образование пены при ферментации, нежелательно низкую скорость ферментации, количество побочных продуктов и низкий выход.
Одним из главных недостатков использования эритритола как заменителя сахара является то, что он намного дороже, чем некоторые из веществ, которые он замещает. Существует потребность в улучшенных, экономически выгодных способах получения эритритола или D-эритрозы (превращаемой в эритритол гидрированием полученной таким образом D-эритрозы).
Суть изобретения
Настоящее изобретение относится к новым экономически выгодных способам получения эритрозы или эритритола. В первом варианте осуществления способы включают этап электролитического декарбоксилирования арабиноновой или рибоновой кислоты для получения эритрозы. Этап электролитического декарбоксилирования может быть проведен при использовании высококристаллического угольного анода. Реагент арабиноновая или рибоновая кислота предпочтительно содержится в растворителе, причем примерно 35-80% арабиноновой или рибоновой кислоты нейтрализовано, более предпочтительно нейтрализовано около 50%, до или во время этапа электролитического декарбоксилирования. Растворитель предпочтительно является водой, хотя могут использоваться также другие растворители. Например, кислотный раствор может быть водным раствором, содержащим 50% арабиноновой кислоты и 50% арабинонатной соли или 50% рибоновой кислоты и 50% рибонатной соли, и температура может поддерживаться примерно на 25°C, когда начинается этап электролитического декарбоксилирования. Предпочтительно этап электролитического декарбоксилирования останавливают при конверсии кислоты около 80% с последующим рециклом остаточной кислоты. Альтернативно pH можно регулировать ионообменом или добавлением ненейтрализованной исходной кислоты во время электролитического декарбоксилирования.
Может применяться любая подходящая арабиноновая или рибоновая кислота, способная давать эритрозу как продукт этапа электролитического декарбоксилирования. В первом аспекте реагентом может быть рибоновая кислота, арабиноновая кислота или их смесь, включая их мезо-, d- или l-стереоoизомеры. Во втором аспекте эритрозным продуктом может быть мезо-эритроза, D-эритроза или L-эритроза, или их очищенные стереоизомеры. Предпочтительно реагентом этапа электролитического декарбоксилирования является мезо-, d- или l-арабиноновая кислота, а продуктом является полученная форма мезо-, D- или L-эритрозы.
Во втором варианте осуществления реагент арабиноновую или рибоновую кислоту получают из подходящего гексозного сахарного сырья любым подходящим способом. Предпочтительно исходный материал выбран из группы, состоящей из аллозы, альтрозы, глюкозы, фруктозы и маннозы, включая любые их мезо-, d- или l-формы. Более предпочтительно исходным материалом является d-глюкоза, фруктоза или d-манноза. Исходный материал может быть превращен в арабиноновую или рибоновую кислоту одним или более реакционным этапом. Предпочтительно подходящее C-6 сахарное сырье декарбоксилируют в положении C-1 путем подходящей реакции. Например, D-арабиноновая кислота может быть получена окислением D-глюкозы газообразным кислородом в водном растворе щелочи, окислением D-фруктозы, окислением D-глюкозы пиранозо-2-оксидазой в D-арабино-гексоз-2-улозу с последующей обработкой гидропероксидом или окислением D-глюкозы в D-арабино-2-гексулозоновую кислоту (или ее соль) с последующим декарбоксилированием пероксидом водорода или его солью. Факультативно гексозное сахарное сырье может быть синтезировано или получено из любого подходящего источника или любым подходящим способом или способами синтеза или очистки.
В третьем варианте осуществления эритрозный продукт этапа электролитического декарбоксилирования может быть позднее гидрирован любым подходящим способом для получения эритритола. Например, эритроза может быть восстановлена при использовании водорода и катализатора гидрирования для получения эритритола. Восстановление может быть осуществлено по любой подходящей реакции, например, с рутениевым или никелевым катализатором. В одном аспекте гидрирование может быть проведено при температурах от 70°C до 150°C и при давлениях H2 от 0,1 до 10 МПа. Альтернативно может применяться электрохимическое восстановление.
В одном частном варианте осуществления изобретение дает способ получения эритрозы, включающий этап электролитического декарбоксилирования кислоты, выбранной из группы, состоящей из рибоновой кислоты и арабиноновой кислоты, в растворе для получения эритрозы. Кроме того, способ может факультативно включать этап гидрирования эритрозы для получения эритритола. Кислота предпочтительно используется как водный раствор альдоновой кислоты, содержащий рибоновую кислоту и/или арабиноновую кислоту. Предпочтительно кислота является карбоновой кислотой с пятью атомами углерода, приводимой в контакт с анодом с высоким содержанием графита, чтобы позволить электролитическое декарбоксилирование кислоты для получения эритрозы. Рибоновая кислота и/или арабиноновая кислота в кислотном растворе предпочтительно подается на отдельный этап путем декарбоксилирования сахара, выбранного из группы, состоящей из аллозы, альтрозы, глюкозы, фруктозы и маннозы или их производных, аналогов или солей, для получения кислоты. Факультативно рибоновая кислота может получаться эпимеризацией aрибоновой кислоты. Например, патент US 4778531, Dobler и др., от 30 июня 1987, введенный здесь ссылкой, описывает способы эпимеризации D-арабинозы в D-рибозу. Раствор кислоты предпочтительно получается соединением альдоновой кислоты, такой, как рибоновая или арабиноновая кислота, с растворителем, таким, как вода или смешиваемый с водой растворитель, с получением кислотного раствора. Например, один особенно предпочтительный способ получения эритритола включает этапы: (a) окислительное декарбоксилирование сахара, выбранного из группы, состоящей из аллозы, альтрозы, глюкозы, фруктозы и маннозы, с получением кислоты, содержащей карбоновую кислоту с 5 атомами углерода, предпочтительно альдоновую кислоту; (b) соединение карбоновой кислоты с растворителем для получения раствора альдоновой кислоты; (c) электролитическое декарбоксилирование карбоновой кислоты с 5 атомами углерода в растворе альдоновой кислоты с получением эритрозы и (d) гидрирование эритрозы с получением эритритола. Предпочтительно раствор альдоновой кислоты содержит от примерно 10% до 100%, более предпочтительно от примерно 35% до 85%, наиболее предпочтительно примерно 50% кислоты, нейтрализованной до электролитического декарбоксилирования. Электролитическое декарбоксилирование предпочтительно проводится до тех пор, пока не прореагирует примерно 80% кислоты, в присутствии электрода с высоким содержанием графита, выполненного как анод. Остаточная альдоновая кислота с этапа декарбоксилирования может быть возвращена путем контакта непрореагировавшей альдоновой кислоты с ионообменным материалом или путем добавления ненейтрализованной кислоты с последующим повторением этапа окислительного декарбоксилирования для получения эритрозы.
Краткое описание чертежей
Фиг.1A является реакционной схемой, показывающей различные реакционные этапы, при использовании в качестве сырья определенных аллозы, альтрозы, глюкозы или маннозы.
Фиг.1B является реакционной схемой, где используются определенное глюкозное или фруктозное сырье.
Фиг.2 является реакционной схемой, показывающей примеры некоторых предпочтительных реакционных этапов.
Фиг.3 является схемой этапа электролитического окислительного декарбоксилирования для получения эритрозы.
Подробное описание
Способы получения эритрозы и/или эритритола, описываемые в настоящем изобретении, предпочтительно включают этап декарбоксилирования субстрата арабиноновой или рибоновой кислоты. Этап декарбоксилирования может быть окислительным декарбоксилированием, проводимым путем электролитического декарбоксилирования реагента арабиноновая или рибоновая кислота с получением эритрозного продукта. Предпочтительно эритрозу гидрогенизируют для получения эритритола.
Определения
Используемый здесь термин "альдоновая кислота" относится к любому соединению полиоксикислоты, имеющему общую формулу HOCH2[CH(OH)]nC(=O)OH (где n есть любое целое число, от 1 до 20 включительно, но предпочтительно 1-12, более предпочтительно 5-8), а также к их производным, аналогам и солям. Альдоновые кислоты могут быть произведены, например, из альдозы окислением альдегидной группы (например, D-глюконовая кислота).
Термин "эритроза" относится здесь к альдозному (тетрозному) углеводу с химической формулой C4H8O4, включая любые его стереоизомеры, производные, аналоги и соли. Если не указано другое, подразумевается, что указание на "эритрозу" включает здесь, без ограничений, молекулы: D-(-)-эритроза, L(+)-эритроза, D(-)-эритроза, D-эритроза, L-эритроза и D(-)-эритроза и мезо-эритроза. Проекция Фишера структуры D-эритрозы (1) дается ниже.
Термин "эритритол" здесь, если не указано другое, включает молекулы с химической формулой C4H10O4, а также любые их стереоизомеры, производные и аналоги. Если не указано иное, подразумевается, что ссылка на "эритритол" здесь включает, без ограничений, молекулы: D(-)-мезо-эритритол, (D)-эритритол, (L)-эритритол, (R*,S*)-1,2,3,4-бутантетрол; (R*,S*)-тетрагидроксибутан; эритрол; эритрит; 1,2,3,4-бутантетрол, (R*,S*)-эритритол и фицитол. Проекция Фишера структуры D-эритритола (2) дается ниже.
Термин "декарбоксилирование", как он используется здесь, относится к удалению карбоксильной группы (-COOH) путем химической реакции или физического процесса. Типичные продукты реакции декарбоксилирования могут включать диоксид углерода (CO2) или муравьиную кислоту.
Термин "электрохимический" относится к химической реакции, которая происходит на границе раздела электрического проводника (электрода) и ионного проводника (электролита). Электрохимические реакции могут создавать разность потенциалов между двумя проводящими материалами (или двумя частями одного проводящего материала) или могут быть вызваны приложением внешнего напряжения. Вообще говоря, электрохимия имеет дело с ситуациями, где реакции окисления и восстановления разделены в пространстве. Термин "электролитический", как он используется здесь, относится к реакции электрохимического окисления или восстановления, которая приводит к разрыву одной или более химических связей. Электролитические реакции, как используется здесь, предпочтительно описывают реакции, идущие как результат взаимодействия с катодом или анодом.
Как используется здесь, термин "производное" относится к химически или биологически модифицированному варианту химического соединения, которое структурно схоже с исходным соединением и (реально или теоретически) может быть выведено из этого исходного соединения. Производное может иметь те же или другие химические или физические свойства, чем исходное соединение. Например, производное может быть более гидрофильным или оно может иметь другую реакционную способность, чем исходное соединение. Деривация (т.е. модификация) может включать замещение одного или более фрагментов в молекуле (например, изменение функциональной группы), которое не изменяет существенно функцию молекулы для желаемой цели. Термин "производное" используется здесь также для описания всех сольватов, например гидратов, или аддуктов (например, аддуктов со спиртами), активных метаболитов и солей исходного соединения. Тип соли, которая может быть получена, зависит от природы фрагмента в соединении. Например, кислотные группы, например группы карбоновой кислоты, могут образовывать, например, соли щелочного металла или соли щелочноземельного металла (например, натриевые соли, калиевые соли, магниевые соли и соли кальция, а также соли ионов четвертичного аммония и кислотно-аддитивные соли с аммиаком и физиологически приемлемыми органическими аминами, такими, например, как триэтиламин, этаноламин или трис-(2-гидроксиэтил)амин). Основные группы могут образовывать кислотно-аддитивные соли, например с неорганическими кислотами, такими, как соляная кислота, серная кислота или фосфорная кислота, или с органическими карбоновыми кислотами и сульфокислотами, такими, как уксусная кислота, лимонная кислота, бензойная кислота, малеиновая кислота, фумаровая кислота, винная кислота, метансульфоновая кислота или п-толуолсульфоновая кислота. Соединения, которые одновременно содержат основную группу и кислотную группу, например карбоксильную группу, в добавление к основным атомам азота, могут быть представлены как цвиттер-ионы. Соли могут быть получены обычными способами, известными специалистам в данной области, например путем объединения соединения с неорганической или органической кислотой или основанием в растворителе или разбавителе, или из других солей путем катионного обмена или анионного обмена.
Как используется здесь, термин "аналог" относится к химическому соединению, которое структурно схоже с другим, но немного отличается по составу (как при замене одного атома атомом другого элемента или в присутствии особой функциональной группы), и которое может или не может быть выведено из исходного соединения. "Производное" отличается от "аналога" тем, что исходное соединение может быть сырьем для образования "производного", причем исходное соединение не обязательно должно использоваться как сырье для образования "аналога".
Если не указано иное, любые приводимые здесь диапазоны концентраций, процентных долей или диапазон отношений, должны пониматься как включающие концентрации, процентные доли или отношения с любым целым числом и его долями в пределах этого диапазона, такими, как одна десятая и одна сотая целого. Также подразумевается, что любой указанный здесь численный диапазон, относящийся к любому физическому признаку, такому, как звенья полимера, размер или толщина, включает, если не указано иное, любое целое в пределах указанного диапазона. Следует понимать, что единственное число, как используется здесь выше и в других местах, относится к "одному или более" из перечисленных компонентов. Например, "полимер" относится к одному полимеру или к смеси, содержащей два или более полимеров. Как используется здесь, термин "примерно" относится к разнице, которая не важна для существенной цели или функции.
Электрохимическое декарбоксилирование
Этап окислительного декарбоксилирования реакционного субстрата предпочтительно проводится путем электрохимического окислительного декарбоксилирования реакционного субстрата. Фиг.1A показывает схему, описывающую различные способы, относящиеся к получению эритрозы и эритритола. Предпочтительно эти способы включают этап электролитического декарбоксилирования подходящего реагента для получения эритрозы. Реагент может предоставляться как раствор реагента, помещенный в контакт с электродом, чтобы вызвать декарбоксилирование реагента с получением эритрозы.
Согласно первому варианту осуществления в качестве реагента может применяться любая подходящая арабиноновая или рибоновая кислота, способная давать эритрозу как продукт этапа электролитического декарбоксилирования. Реагент предпочтительно представляет собой карбоновую кислоту с 5 атомами углерода, такую, как рибоновая кислота или арабиноновая кислота, включая один или более стереоизомеров (например, D-, L- или мезо-формы) или энантиомеров реакционных продуктов, а также подходящие производные, аналоги и соли реагентов. Подходящие реагенты включают производные и аналоги реагента - карбоновая кислота и могут включать реагенты с такими изменениями химической структуры, которые несущественно меняют реакционную способность молекулы, подвергшейся процессу электролитического декарбоксилирования, чтобы дать или эритрозу, или промежуточный продукт, который может быть превращен в эритрозу. Например, ссылка на реагент "арабиноновая кислота" включает D-арабиноновую кислоту, L-арабиноновую кислоту и мезо-арабиноновую кислоту. В некоторых предпочтительных аспектах первого варианта осуществления реагент может быть рибоновой кислотой, арабиноновой кислотой или их смесью, в том числе их мезо-, d- или l-стереоизомерами; эритрозный продукт может быть мезо-эритрозой, D-эритрозой или L-эритрозой, или их очищенными стереоизомерами. Предпочтительно реагент этапа электролитического декарбоксилирования является мезо-, d- или l-арабиноновой кислотой, а продуктом является получающаяся в результате мезо-, d- или l-форма эритрозы.
Фиг.1A показывает первый аспект первого варианта осуществления, в соответствии с которым первым реагентом 40 является D-рибоновая кислота, которая подвергается реакции декарбоксилирования 50 для получения D-эритрозного продукта 110. Показан также альтернативный аспект первого варианта осуществления, где D-арабиноновая кислота является вторым реагентом 90, который подвергается реакции окислительного декарбоксилирования 100 для получения D-эритрозного продукта 110. Факультативно первый реагент 40 может быть получен первой реакцией 140 превращения D-арабиноновой кислоты в D-рибоновую кислоту. Альтернативно второй реагент 90 может быть получен второй реакцией 150 превращения D-рибоновой кислоты в D-арабиноновую кислоту. Хотя реакции декарбоксилирования 50, 100 предпочтительно являются реакциями декарбоксилирования, которые дают альдегидный продукт, но могут также образовываться другие продукты реакции, такие, как карбоновые кислоты, которые предпочтительно частично восстанавливают для получения альдегидного продукта 110, такого, как D-эритроза.
Предпочтительно реакции декарбоксилирования 50, 100 проводятся электрохимически. В одном аспекте электролитическое декарбоксилирование реагента в растворе дает желаемый продукт или промежуточный продукт, который позднее может быть превращен в желаемый продукт. Предпочтительно реагент является рибоновой кислотой, такой, как D-рибоновая кислота, или арабиноновой кислотой, такой, как D-арабиноновая кислота, а продукт является эритрозой, такой, как D-эритроза. Реагент может предоставляться в подходящем растворе, содержащем по меньшей мере реагент и растворитель. Реагент может быть растворен в растворителе любым подходящим способом, в том числе смешением и/или, если подходит, нагреванием. Растворитель может быть любым растворителем, в котором реагент может растворяться до желаемой степени. Предпочтительно растворитель является водой, любым смешиваемым с водой растворителем, таким, как спирт, или их комбинацией. Например, растворители могут содержать одно или более из следующего: вода, метанол, этанол, пропанол, диоксан и ацетонитрил. Раствор предпочтительно является кислотным раствором, содержащим рибоновую кислоту или арабиноновую кислоту, или их комбинацию.
Предпочтительно по меньшей мере примерно 10% кислоты нейтрализовано или присутствует как ее соответствующая соль. Например, кислотный раствор реагента может даваться при степени нейтрализации одного или более кислотных реагентов примерно 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100%. Предпочтительно нейтрализовано 10%-100% по меньшей мере одного реагента рибоновая кислота или арабиноновая кислота. Более предпочтительно примерно 35%-80% присутствующего реагента рибоновая кислота или арабиноновая кислота нейтрализовано. Наиболее предпочтительно нейтрализовано примерно 50% реагента рибоновая кислота или арабиноновая кислота, присутствующих в растворе реагента.
В одном аспекте раствор реагента содержит кислоту, имеющую степень нейтрализации кислотного реагента примерно 10-100%, более предпочтительно примерно 35-80% и наиболее предпочтительно примерно 50%. При протекании электролитической реакции можно допустить повышение рН. Факультативно рН можно обеспечивать и/или удерживать в пределах желаемого диапазона в течение всей реакции, например, проводя реакцию в контакте с ионообменной смолой. рН можно также регулировать добавлением ненейтрализованной исходной кислоты. рН можно также регулировать, используя секционированную электролитическую ячейку с катионообменной мембраной. Раствор реагента предпочтительно является кислотным, но может иметь любое подходящее значение рН, чтобы обеспечить желаемую концентрацию диссоциированного реагента. Для раствора кислотного реагента, содержащего рибоновую кислоту, до начала реакции декарбоксилирования рН предпочтительно составляет примерно от 3,0 до 4,0. Для раствора реагента, содержащего арабиноновую кислоту, рН предпочтительно составляет от 3,0 до 4,0 до начала реакции декарбоксилирования.
Факультативно остаточный реагент можно возвращать, отделяя сырьевой материал от продуктов, например, используя анионообменную смолу. Частично декарбоксилированный раствор кислоты может содержать как исходную кислоту (например, арабиноновую кислоту), так и альдегидный продукт (например, эритрозу). Заряженная отрицательно арабиноновая кислота может пристать к положительно заряженной анионообменной среде. Частично прореагировавший раствор можно провести над слоем или колонкой зерен ионообменной смолы, чтобы заменить арабонат на ОН-. Затем раствор можно провести через катионную смолу, чтобы убрать все катионы и нейтрализовать ОН-. Полученный в результате раствор может содержать высокие уровни неионных компонентов (например, эритрозы). После того как анионообменная смола будет насыщена арабинонатом, его можно удалить, обрабатывая смолу ОН-. Хотя процесс рецикла ионообменной смолы был проиллюстрирован в отношении гидроксильной (ОН-) функциональной группы, могут использоваться также другие подходящие группы.
Электролитический аппарат
Электрохимическое декарбоксилирование подходящего кислотного реагента может быть проведено с использованием любой подходящей конструкции. Предпочтительно электрохимическое декарбоксилирование проводится путем контакта раствора кислотного реагента, содержащего рибоновую кислоту или арабиноновую кислоту, с анодом, где реагент может быть окислен и декарбоксилирован. Контакт между сырьем и анодом может вызвать декарбоксилирование, которое может привести к выделению диоксида углерода и образованию такого продукта, как эритроза. Продукт декарбоксилирования предпочтительно является альдегидом, таким, как эритроза, или промежуточным продуктом, таким, как аналог или производное эритрозы, которое может быть превращено в эритрозу или другой подходящий альдегид.
Предпочтительно электрохимическое декарбоксилирование реагента проводится в аппарате, имеющем любую конфигурацию, содержащую анод, соединенный по току с катодом. Фиг.3 схематически показывает электрохимический аппарат декарбоксилирования кислотного реагента для образования желаемого продукта, такого, как эритроза. Аппарат содержит анод 502, соединенный через электропроводящее средство 504 с катодом 508.
Анод 502 предпочтительно содержит углеродную активную поверхность, где может идти окисление кислотного реагента. Анод электрохимической ячейки может быть образован из любого подходящего материала, такого, как, графит, пироуглерод, графит, пропитанный воском, стеклоуглерод, дисперсный графит, дисперсный углеродосодержащий материал, углеродная ткань, кокс или платина, в виде планарного, засыпного анода, анода с псевдоожиженным слоем или пористого анода. Наиболее предпочтительно активная поверхность анода содержит высококристаллический графитовый материал, такой, как графитовая фольга. Другие, менее предпочтительные материалы, такие, как платина или золото, также могут использоваться для образования активной поверхности анода. Кислотный реагент 310 может быть рибоновой кислотой или арабиноновой кислотой, которая окисляется на или около активной поверхности анода 502 с образованием продукта 320, такого, как эритроза. Площадь поверхности анода предпочтительно большая и предпочтительно сделана из углеродосодержащего материала, платины или другого металла.
Предпочтительно электрохимическая ячейка содержит, кроме того, катод 508, причем восстановление может происходить внутри электрохимической ячейки. Катод 508 может быть сделан из любого подходящего материала, имеющего желаемый уровень электропроводности, такого, как нержавеющая сталь. В одном аспекте реакцией декарбоксилирования на аноде может быть реакция:
арабинат - 2е- → эритроза + СО2 + вода
Реакций на противоположном электроде может быть:
2Н2О+2е-→2ОН-+Н2
Обычно часть тока может быть потеряна из-за образования газообразного О2 на аноде.
Электрохимический аппарат может быть сформирован так, чтобы позволить перенос ионов 400, таких, как катионы (например, протоны), образованные окислительным декарбоксилированием, к окрестности катода 508. Электрохимический аппарат может содержать средство 506 для переноса ионов, таких, как катионы (например, протоны) от первого раствора или части раствора, контактирующего с анодом, ко второму раствору или части раствора, контактирующего с катодом. Первый раствор и второй раствор факультативно изолированы в отдельных ячейках, которые могут быть разделены средством для переноса ионов.
Электролитическая ячейка может иметь любую подходящую конфигурацию. Аппарат для декарбоксилирования химически активного субстрата предпочтительно содержит электрохимическую ячейку. Электрохимическая ячейка может быть сформирована так, чтобы удерживать раствор, содержащий реагенты, предпочтительно включающий кислоту, в контакте с анодом (несекционированная конфигурация). Факультативно катод может удерживаться в контакте с раствором в той же ванне, что и анод, или в отдельной второй половине ванны (секционированная конфигурация). В секционированной конфигурации средство переноса ионов, такое, как полупроницаемая мембрана, предпочтительно соединяет первую и вторую ванну. Предпочтительно мембрана проницаема для протонов. Другие подходящие конфигурации электролитической ячейки включают проточную конфигурацию реактора, конфигурацию с насыпным слоем, конфигурацию с периодической загрузкой или конфигурацию с псевдоожиженным слоем.
Патент US 4950366, который включен ссылкой во всей его полноте, описывает один пример подходящего аппарата для декарбоксилирования D-глюконовой кислоты с получением D-арабинозы, которая может использоваться для проведения реакции окислительного декарбоксилирования. Электролитическая ячейка предпочтительно содержит анод электролитической ячейки, на котором, по-видимому, идет реакция окислительного декарбоксилирования.
Способы получения эритрозы с применением электролитического аппарата могут дать выход, составляющий примерно 20, 30, 40, 40, 50, 60, 70, 80, 85, 90, 95 или до 100% от теоретического выхода, предпочтительно по меньшей мере примерно 35%, более предпочтительно по меньшей мере примерно 60%, еще более предпочтительно по меньшей мере примерно 80% или наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 95% или более от теоретического выхода.
Гексозные сырьевые материалы
Во втором варианте осуществления реагент арабиноновая или рибоновая кислота может быть получен из подходящего гексозного сырья любым подходящим способом. Обратимся снова к фиг.1A, согласно которой предпочтительные сырьевые материалы выбраны из группы, состоящей из аллозы 10, альтрозы 20, глюкозы 60 и маннозы 70. Хотя в вариантах осуществления, проиллюстрированных на фиг.1, показан D-стереоизомер сырьевого материала, может использоваться любой подходящий стереоизомер, в том числе D-, L- или мезо-формы показанных сырьевых материалов. Альтернативно в качестве сырья 40 может использоваться D-рибоновая кислота для получения реагента D-арабиноновая кислота 90 по способу 150, или vice versa (по способу 140). Предпочтительно, сырьевой материал является мезо-, d- или l-формой глюкозы, фруктозы или маннозы, хотя в качестве сырья может использоваться любое подходящее производное или аналог аллозы 10, альтрозы 20, глюкозы 60 или маннозы 70, которые позволяют превратить исходный материал в желаемый реагент. Фруктоза тоже является предпочтительным сырьевым материалом. Согласно фиг.1B другая предпочтительная реакционная схема 200 показывает конверсию сырья, содержащего фруктозу 210, глюкозу 220 или смесь фруктозы 210 и глюкозы 220, в арабиноновую кислоту 290 путем реакции окислительного декарбоксилирования 280. Арабиноновая кислота 290 предпочтительно является D-арабиноновой кислотой 90, подходящей в качестве реагента в реакции электролитического декарбоксилирования 100, описанной выше в связи с фиг.1A.
Реакции окислительного декарбоксилирования 30, 80, 280 могут быть поведены на химически активном субстрате, используя разные химические реакции. Примеры подходящих способов химического окислительного декарбоксилирования включают, без ограничений, применение катализатора на основе ионов переходного металла с агентом первичного окисления или использование гипохлорита/хлорноватистой кислоты. В другом аспекте химическое окислительное декарбоксилирование проводится с использованием катализатора на основе ионов переходного металла, таких, как Fe(III) или Cu(II), с агентом первичного окисления, таким, как пероксид водорода, для регенерации катализатора. Химическое окислительное декарбоксилирование может быть проведено с использованием медного катализатора на основе ионов переходного металла, такого, как Cu(II)-катализатор, в комбинации с любым подходящим агентом первичного окисления. Например, может быть проведена процедура разложения Руффа, предпочтительно с использованием ионов меди, а не железа, для разложения кислотных сахаров по Руффу (патент CS 232647 и патент FR 2771413). Разложение Руффа описано W. Pigman и др. в работе "The Carbohydrates", Academic Press, New York, 2nd Ed., Vol. 1A (1972), Vol. 1B (1980), части которой, относящиеся к окислительному декарбоксилированию углеводов, введены здесь ссылкой.
Обратимся опять к фиг.1B, согласно которой D-арабиноновую кислоту 290 предпочтительно получают окислением исходного материала, содержащего глюкозу 220 или фруктозу 210, газообразным кислородом в водном растворе щелочи (например, как описано в US 4125559 и US 5831078, которые введены здесь ссылкой). Предпочтительно сырьевой материал, содержащий глюкозу 220, фруктозу 210 или их смесь, приводят в реакцию с соединением щелочного металла в водном растворе, сначала нагревая соединение щелочного металла в водном растворе до температуры примерно 30°C-100°C, затем подводя кислород в раствор при давлении от примерно 1,5 до примерно 40 бар и, наконец, добавляя исходный материал и позволяя реакции продолжаться по меньшей мере примерно 4,5 часа на моль исходного материала при перемешивании реакционной смеси. Альтернативно сначала можно нагревать в водном растворе сырье, а не соединение щелочного металла, а соединение щелочного металла можно добавлять в реакционную смесь на последнем этапе, вместо сырья и после того, как добавлен кислород. Сырьевым материалом предпочтительно является D-гексоза, такая, как D-глюкоза, D-фруктоза или D-манноза, которая может находиться в разных циклических формах (пиранозы и фуранозы) и в виде разных диастереомеров, таких, как α-D-глюкопираноза и β-D-глюкопираноза. Сырьевой материал может реагировать с соединением щелочного металла в стехиометрическом количестве или в избытке, предпочтительно используется количество от 2 до 5 эквивалентов соединения щелочного металл на моль D-гексозного сырья. Предпочтительными соединениями щелочного металла являются гидроксиды, оксиды и алкоголяты, в частности соединения натрия или калия. Примеры подходящих соединений щелочного металла включают гидроксид калия, гидроксид натрия, этиленгликолят натрия, метилат натрия, пропилат натрия, этилат натрия, трипропиленгликолят натрия и трет-бутилат калия. Кислород используется предпочтительно как смесь с инертным газом, например в виде воздуха, при O2 в стехиометрическом количестве или в избытке, но предпочтительно в количестве от 1 до 20 молей O2 на моль D-гексозного сырья. Реакция предпочтительно проводится при температуре выше 30°C, но предпочтительно от примерно 40 до 60°C, и под давлением от примерно 1,5 до 40 бар, предпочтительно от 18 до 25 бар. Реакция может проводиться в непрерывном или периодическом режиме в подходящем растворителе. Растворителем предпочтительно является вода, желательно в таком количестве, которое примерно от 2 до 100 раз, предпочтительно примерно от 2 до 30 раз, больше веса добавленного D-гексозного сырья. Воду можно добавлять отдельно или предпочтительно вместе с соединением щелочного металла или с гексозным сырьем, наиболее предпочтительно в виде водного раствора соединения щелочного металла или водного раствора гексозного сырья. Предпочтительно водные растворы с соединением щелочного металла содержат примерно от 1 до 50 вес.% соединения щелочного металла или гексозного сырья. Полное время реакции составляет предпочтительно примерно от 4,5 до 9,0 часов на моль гексозного сырья. Реакционную смесь предпочтительно тщательно перемешивают в продолжении всей реакции, например, перемешиванием при скорости от примерно 1200 до примерно 2000 об/мин. Перемешивание реакционной смеси начинается предпочтительно после добавления гексозного сырья. Альтернативно фруктоза 210 (предпочтительно D-фруктоза) может быть превращена в D-арабиноновую кислоту реакцией с газообразным кислородом в водном растворе щелочи, как описано J. Dubourg и P. Nafifa в работе "Oxydation des hexoses reducteur par l'oxygene en milieu alcalin," Memoires Presentes a la Societe Chimique, p. 1353, которая введена здесь ссылкой.
В другом аспекте второго варианта осуществления реагент 90 D-арабиноновая кислота может быть приготовлен декарбоксилированием 80 исходного материала 60 D-глюкоза по одной или более реакциям. Согласно фиг.2 сырье может быть превращено в арабиноновый реагент 90 или реагент 40 рибоновая кислота по одному или более реакционным этапам. Предпочтительно подходящее C-6 сахарное сырье декарбоксилируют в положении C-1. Факультативно сырье, содержащее D(+)-аллозу или D(+)-альтрозу, можно подвергнуть реакции декарбоксилирования 35 для получения промежуточного продукта, содержащего D(-)-рибозу (альдегид), который позднее можно подвергнуть реакции окисления 37 для получения желаемого реагента 40, содержащего D-рибоновую кислоту. Так же, исходный материал, содержащий D(+)-глюкозу или D(+)-маннозу, может подвергаться реакции декарбоксилирования 85 для получения промежуточного продукта, содержащего D(-)-арабинозу (альдегид), который позднее может быть подвергнут реакции окисления 87 для получения желаемого реагента 90, содержащего D-арабиноновую кислоту. Патент US 4515667 описывает способ фотохимического декарбоксилирования альфа-гидроксикарбоновой кислоты в соответствующий спирт, причем этот способ включает облучение смеси раствора альфа-гидроксикарбоновой кислоты и титаната металла.
D-Арабиноновая кислота может быть также получена из D-глюкозы окислением D-глюкозы пиранозо-2-оксидазой в D-арабино-гексоз-2-улозу (Патент US 4423149) и ее обработкой пероксидом водорода (Carbohydr. Res. 127 (1984) 319) или другими гидропероксидами. Реакция D-арабино-гексоз-2-улозы и пероксида водорода идет наиболее быстро и наиболее селективно в щелочных растворах, когда продукты содержат соли D-арабиноновой и муравьиной кислот. В кислотных условиях в качестве окислителя может применяться, например, пермуравьиная кислота (т.е. смесь муравьиной кислоты и пероксида водорода). 0,3 М D-эритро-пентоз-2-улозы может быть окислено 0,6 M пермуравьиной кислоты. Реакция завершается за 10 минут и приводит к образованию D-эритроно-1,4-лактона, 3- и 4-о-формил-D-эритроновых кислот и незамещенной D-эритроновой кислоты. o-Формильные группы быстро гидролизуются в водном растворе. Еще одним способом получения D-арабиноновой кислоты является окисление D-глюкозы в D-арабино-2-гексулозоновую кислоту (или ее соль) и декарбоксилирование пероксидом водорода или его солью (JP 15610 ('63), Carbohydr. Res. 36 (1974) 283-291). D-Арабино-2-гексулозоновая кислота может быть получена ферментацией (патенты US 3255093 и 3282795), каталитическим окислением (EP-A-O-151498) или двухстадийным ферментативным окислением (патент US 4423149). Преимуществом маршрута через D-арабино-2-гексулозоновую кислоту является то, что не образуется муравьиной кислоты, которая способствует более прямому гидрированию деионизованной смеси продуктов окисления катализатором на основе рутения.
Аналогичные или сходные реакции могут быть проведены на другом сырье для образования подходящих реагентов. Во втором аспекте второго варианта осуществления реагент 90 D-арабиноновая кислота может быть приготовлен декарбоксилированием 80 исходного материала 70 D-манноза по одной или более реакциям. В третьем аспекте второго варианта осуществления реагент 40 D-рибоновая кислота может быть приготовлен декарбоксилированием 30 исходного материала 10 D-аллоза по одной или более реакциям. В четвертом аспекте второго варианта осуществления реагент 40 D-рибоновая кислота может быть приготовлен декарбоксилированием 30 исходного материала 20 D-альтроза по одной или более реакциям. Могут также использоваться и другие исходные материалы. Например, D-арабиноновая кислота также образуется как основной продукт при близком окислении D-фруктозы (Carbohydr. Res. 141 (1985) 319). Исходные материалы могут также быть превращены в альдоновые кислоты и позднее приведены в реакцию для образования подходящего реагента, такого, как арабиноновая кислота или рибоновая кислота. Одно подходящее химическое окислительное декарбоксилирование проводится с использованием гипохлорита/хлорноватистой кислоты. Амиды сахарных кислот могут также быть декарбоксилированы с использованием гипохлорида (деградация Хоффмана). Деградация Хоффмана может также использоваться для декарбоксилирования сырья сырьевой альдоновой кислоты. Другие детали окислительного декарбоксилирования углеводов с использованием гипохлорита/хлорноватистой кислоты можно найти в публикации R.L. Whistler и др., "Preparation of D-arabinose и D-glucose with hypochlorite," Journal of the American Chemical Society, 81, 46397 (1981), которая введена здесь ссылкой. Подходящие исходные материалы, такие, как гексозное сырье, могут быть синтезированы или получены из любого подходящего источника или любым подходящим способом или способами синтеза или очистки.
Превращение эритрозы в эритритол
В третьем варианте осуществления эритроза, полученная на этапе электролитического декарбоксилирования, может быть превращена в эритритол любым подходящим способом, во время или после окислительного декарбоксилирования. Конверсия эритрозы в эритритол может быть осуществлена с использованием любой подходящей реакции восстановления или гидрирования.
Предпочтительно эритроза может быть восстановлена, используя водород и катализатор гидрирования для получения эритритола. Восстановление может быть осуществлено при использовании любой подходящей реакции, такой, как с катализатором на основе рутения или никеля. В одном аспекте гидрирование может быть проведено при температурах от 70°C до 150°C и при давлениях H2 от 0,1 до 10 МПа. Например, патент US 6300049 описывает некоторые способы получения эритритола гидрированием D-эритрозы, причем используется от 1 до 10% катализатора от веса сахара (в расчете на сухое вещество) и подвергается гидрированию. В этой реакции гидрирование предпочтительно проводится на сиропах с содержанием сухих веществ от 15 до 50%, предпочтительно от 30 до 45%, при давлении водорода от 20 до 200 бар. Гидрирование может проводиться в непрерывном или периодическом режимах. Когда гидрирование проводится в периодическом режиме, используемое давление водорода обычно составляет от 30 до 60 бар, а температура, при которой проводится гидрирование, составляет от 100 до 150°C. Уровень pH гидрируемой смеси может поддерживаться, например, добавлением гидроксида натрия или карбоната натрия, предпочтительно не превышая pH 9,0. Предпочтительно гидрирование сводит к минимуму получение продуктов крекинга или изомеризации. Реакцию гидрирования останавливают предпочтительно тогда, когда содержание восстановительных сахаров в реакционной смеси становится ниже 1%, более предпочтительно ниже 0,5%, в частности ниже 0,1%. После охлаждения реакционной смеси катализатор удаляют фильтрацией и полученный так D-эритритол деминерализуют через катионную и анионную смолы. На этом этапе сироп предпочтительно содержит по меньшей мере 90% D-эритритола, который легко очищается кристаллизацией после концентрирования и охлаждения растворов. Одним примером подходящего рутениевого катализатора (20% катализатора от всего сухого вещества) является катализатор, нанесенный на активированный уголь (5% Ru на угле).
Альтернативно эритрозу превращают в эритритол путем электрохимического гидрирования эритрозы. Например, эритроза может быть гидрирована у электрода, предпочтительно катода, образованного из подложки, закрепленной на подходящем проводящем материале. Электрод может иметь любую подходящую форму, включая перфорированные материалы, такие, как сетки, металлические ячейки, ламеллы, профилированная ткань, решетки и гладкие металлические листы. В одном аспекте катод может быть плоскопараллельным электродом, выполненным как плоский лист, или электродом типа свечи, выполненным как цилиндр. В одном варианте осуществления электрод предпочтительно является катодом, содержащим проводящий материал, закрепленный на пористой подложке. Электрод может иметь любую подходящую форму и конфигурацию, включая плоский лист или трубу, сформированный как множество частиц, просочившихся в сетку подложки, или как агрегированный слой частиц, прикрепленный к поверхности цилиндрического листа плоской подложки.
Патент US 5919349, Huber и др., от 20 мая 1997, который введен здесь ссылкой, описывает одну подходящую электродную структуру, содержащую слой проводящих частиц, держащихся на пористой подложке. Подложка предпочтительно выполнена как проводящий пористый материал, такой, как сталь, никель, никелевые сплавы, тантал, платинированный тантал, титан, платинированный титан, графит, электродный уголь и аналогичные материалы, сплавы и их смеси. Электрически проводящий материал может быть прикреплен к материалу подложки, предпочтительно в виде частиц. Проводящий материал предпочтительно образует катодно поляризованный слой при осаждении на материал подложки. Предпочтительно проводящий материал образован из металлических частиц, проводящих оксидов металлов или углеродосодержащего материала. Подходящие металлы для проводящего слоя включают металлы I, Il и VIII групп периодической системы элементов, в частности Co, Ni, Fe, Ru, Rh, Re, Pd, Pt, Os, Ir, Ag, Cu, Zn, Pb и Cd, из которых Ni, Co, Ag и Fe предпочтительно используются в виде Ni Ренея, Co Ренея, Ag Ренея и Fe Ренея. Проводящий материал может быть легирован небольшими количествами таких металлов, как Mo, Cr, Au, Mn, Hg, Sn, или других элементов периодической системы элементов, в частности S, Se, Te, Ge, Ga, P, Pb, As, Bi и Sb. Проводящий материал может также быть оксидом металла, таким, как магнетит, или углеродосодержащим материалом, таким, как графит, активированный уголь или сажа. Особенно предпочтительными проводящими материалами являются частицы Pd/C, Pt/C, Ag/C, Ru/C, Re/C, Rh/C, Ir/C, Os/C и Cu/C, возможно легированные металлами или другими элементами периодической системы элементов, включая S, Se, Te, Ge, Ga, P, Pb, As, Bi и Sb. Проводящие металлические материалы могут быть прикреплены к подложке любым подходящим способом, таким, как восстановление в контакте с подложкой солей металлов, таких, как галогениды металлов, фосфаты металлов, сульфаты металлов, хлориды металлов, карбонаты металлов, нитраты металлов, и солей металлов и органических кислот, предпочтительно формиатов, ацетатов, пропионатов и бензоатов, особенно предпочтительно ацетатов. Размер пор подложки обычно составляет примерно от 1 до 500 мкм, предпочтительно примерно от 5 до 300 мкм и наиболее предпочтительно от 50 до 200 мкм, и пористый материал подложки предпочтительно имеет объемный коэффициент пустотности по меньшей мере примерно 0,2, предпочтительно до примерно 0,7 (т.е. до 70% пор). Размер пор подложки обычно превышает средний диаметр частиц, образующих слой проводящего материала, осажденного на подложке. Предпочтительно размер пор подложки примерно в два-четыре раза больше, чем средний размер частиц, образующих слой. Альтернативно подложки могут иметь другой размер пор, который меньше, чем средний размер частиц, образующих слой.
Альтернативно для превращения эритрозы в эритритол может также использоваться гидридный восстановитель. Например, эритроза, полученная реакцией электролитического декарбоксилирования, может быть превращена в эритритол добавлением избытка боргидрата натрия к раствору, содержащему эритрозу. Примерами гидридных восстановителей являются боргидрид натрия, боргидрид лития, алюмогидрид лития, причем предпочтительным восстановителем будет боргидрид калия (KBH4) или боргидрид натрия (NaBH4).
Восстановление может также быть реакцией гидрирования, осуществляемой водородом и рутением (см. патентную заявку WO 2004/052813, введенную здесь ссылкой), никелем (патент US 4008285, введенный здесь ссылкой) или другими катализаторами гидрирования, согласно известному способу получения полиолов из альдоз. Альтернативно может применяться электрохимическое восстановление (Taylor, Chemical and Metallurgical Engineering, Vol. 44 (1937) 588, введено здесь ссылкой). Кроме того, другие способы, подходящие для электролитического гидрирования эритрозы в эритритол, описаны в следующих ссылках: V. Anantharaman и др., "The Electrocatalytic Hydrogenation of Glucose II. Raney Nickel Powder Flow-Through Reactor Model," J. Electrochem. Soc, vol. 141, Mo. 10, Oct. 1994, pp. 2742-2752; и Coche и др., "Electrocatalytic Hydrogenation Using Precious Metal Microparticles in Redox-Active Polymer Films", J. Org. Chem., vol. 55, No. 23, pp. 5905-5910 (1990).
Примеры
Следующие примеры должны рассматриваться как иллюстрирующие различные аспекты изобретения и не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения, который определяется в приложенной формуле.
Порядок эксперимента
Эксперименты, подробно описанные в примерах 1-2, проводили в стеклянной электролитической ячейке, используя стержневой анод из графитовой фольги. Стеклянная ячейка состояла из большой пробирки, катодного стержня из нержавеющей стали площадью 5 см2, приваренного к титановому стержню, и стержня из материала Grafoil (AET GrafTech, толщина 0,03 дюйма) площадью 5 см2, прикрепленного к графитовому стержневому токоприемнику.
Пример 1: электролитическое декарбоксилирование рибоновой кислоты
Рибонат натрия (15 ммоль) растворяли в 20 мл воды. Для снижения pH с 6,8 до 3,5 (или до степени нейтрализации исходного материала приблизительно 50%) добавляли катионообменную смолу (Amberlite IRC747, форма H+). Раствор фильтровали для удаления катионной смолы, исходное рибонатное сырье разбавляли до 30 мл и 25 мл переводили в стеклянную ячейку для электролиза. Исходный раствор рибоната анализировали по ВЭЖХ относительно стандарта; было найдено, что содержится 9,54 ммоль (0,38 М). 25 мл исходного материала, содержащего 9,54 ммоль рибоната, перемешивали в стеклянной ячейке, прикладывая постоянный ток 0,5 ампер (100 мА/см2). Среднее напряжение в ячейке составляло около 6,5 вольт, и pH субстрата повышался с 3,5 до 7,6 после прохождения заряда 2 Ф/моль.
Пробы отбирались при 603, 1206 и 1809 кулонах. Пробы, содержащие полученную эритрозу, восстанавливали до эритритола избыточным количеством боргидрида натрия и анализировали на эритритол методом ВЭЖХ с детектором коэффициента преломления. Содержание эритритола в пробах определяли на основе фактора отклика, определяемого из известного эритритольного стандарта, смотри таблицу 1.
| Таблица 1 | |||
| Образец № | Заряд, Ф/моль | Концентрация эритритола, мг/мл | Выход эритритола, % |
| 652-25А | 0 | 0 | - |
| 652-25В | 0,7 | 12,8 | 27,4 |
| 652-25С | 1,3 | 28,7 | 61,7 |
| 652-25D | 2,0 | 37,8 | 81,1 |
Пример 2: электролитическое декарбоксилирование арабиноновой кислоты
Арабонат калия (15 ммоль) растворяли в 20 мл воды. Арабонат подкисляли до степени нейтрализации приблизительно 50% добавлением катионообменной смолы (Amberlite IRC747, форма H+) и снижали pH с 8,4 до 3,5. Арабонат фильтровали для удаления смолы, разбавляли до 30 мл и переводили в стеклянную ячейку для электролиза. Исходный арабонат анализировали ВЭЖХ с детектором показателя преломления относительно арабонатного стандарта; было найдено, что содержится 9,2 ммоль (0,37 М) арабоната. Имелась потеря 3,3 ммолей арабоната из-за катионообменной смолы.
25 мл исходного материала, содержащего 9,2 ммоль арабоната, перемешивали в стеклянной ячейке, прикладывая постоянный ток 0,5 ампер (100 мА/см2). Среднее напряжение в ячейке было около 5,5 вольт, и pH субстрата повышался с 3,5 до 7,7 после прохождения 2Ф заряда на моль сырья. Пробы отбирались при 603, 1206 и 1809 кулонах. Пробы, содержащие эритрозу, восстанавливали до эритритола избыточным количеством боргидрида натрия и анализировали на эритритол методом ВЭЖХ с детектором показателя преломления. Содержание эритритола в пробах определяли на основе фактора отклика, определяемого из известного стандарта, смотри таблицу 2.
| Таблица 2 | |||
| Образец № | Заряд, Ф/моль | Концентрация эритритола, мг/мл | Выход эритритола,% |
| 652-29А | 0 | 0 | - |
| 652-29В | 0,68 | 8,1 | 12,9 |
| 652-29С | 1,4 | 24,1 | 53,3 |
| 652-29D | 2,0 | 27,3 | 60,4 |
Теоретический пример 1: окислительное декарбоксилирование глюкозного сырья с образованием арабиноната
Один подходящий пример реакции окислительного декарбоксилирования глюкозного сырья в арабинонат приводится в патенте US 4125559, Scholz и др., зарегистрированного 19 мая 1977 г. и опубликованного 14 ноября 1978 г., который дается как теоретический пример 1. Раствор 396,07 граммов KOH в 10000 граммах воды вводят в вертикальный трубчатый реактор длиной 2000 мм и внутренним диаметром 50 мм, который заполнен кольцами Рашига диаметром 6 мм из стали V2A. Раствор нагревают до 45°C и перемешивают с помошью центробежного насоса с результатом смешения, соответствующим 1950 оборотам в минуту. Сверху реактора вводится 120 граммов кислорода и давление устанавливается на уровне 20,5 бар. В течение 5 минут сверху реактора, используя насос-дозатор, добавляют 1000 граммов водного раствора, содержащего 396,32 граммов моногидрата D-глюкозы, в щелочной раствор, который движется с помощью центробежного насоса (1950 оборотов в минуту) сверху реактора в направлении вниз. Теперь раствор перемешивают 9 часов при 1950 оборотах в минуту и выдерживают при 45°C и 20,5 бар. Затем его концентрируют при давлении 15 мбар, пока не останется 500 граммов остатка. Этот материал вводят в 6000 граммов метанола, перемешивая, пока в осадок не выпадет кристаллический арабонат калия. Фильтрация дает теоретический выход 408,44 граммов арабоната калия с температурой плавления 203-204°С (с разложением).
|
Таблица 3
Данные спектра 13C-ЯМР [внутренний стандарт: натриевая соль 3-(триметилсилил)пропансульфоновой кислоты] |
|
| Атом углерода | Химические сдвиги 13C-ЯМР (ppm) |
| 1 | 181,9 |
| 2 | 75,0 |
| 3 | 74,4 |
| 4 | 74,1 |
| 5 | 65,9 |
Теоретические примеры 2-5: окислительное декарбоксилирование и гидрирование глюкозы в арабинитол
Другие подходящие примеры реакции окислительного декарбоксилирования глюкозного сырья в арабинонат и превращения арабиноната в арабинитол приведены в патенте US 5831078, поданном Elseviers и др. 23 июля 1997 г. и опубликованном 3 ноября 1998 г., которые даются ниже как теоретические примеры 2-5.
Теоретический пример 2: окислительное декарбоксилирование с использованием газообразного кислорода при давлении 2 бара
Исходный материал - раствор глюкозы (1,5 кг - 10%-ный (вес/вес) раствор) нагревают до 45°C в двухлитровом автоклаве при перемешивании со скоростью 1000 об/мин. Реактор, содержащий раствор глюкозы, дважды продувают в течение 0,5 минут газообразным кислородом при давлении 1 бар. После продувки давление кислорода в реакторе доводится до 2 бар. Реакция начинается с добавления раствора гидроксида калия (242 г - 50%-ный (вес/вес) раствор) дозировочной бюреткой в раствор глюкозы при скорости дозирования 1,3 моль KOH/ч. Необходимое время дозирования составляет 1,7 часов. Реакционную смесь перемешивают в течение всего времени реакции 5 часов, включая время добавления щелочи. Продукт анализируют с помощью ВЭЖХ (смотри таблицу 4).
| Таблица 4 | |||
| Теоретический пример № | Используется ли H2O2? | О2, атмосферное давление | О2, при давлении 2 бар |
| 2 | нет | 65% | 88% |
| 3 | да | нет данных | 83% |
Теоретический пример 3: окислительное декарбоксилирование кислородом при давлении 2 бара и добавлении пероксида водорода
Эксперимент в теоретическом примере 2 может быть проведен, используя раствор глюкозы при содержании сухих веществ 10%, 20% и 30%, прикладывая давление кислорода 2 бар при 40°C.
Раствор глюкозы нагревают до 40°C в двухлитровом автоклаве при перемешивании со скоростью 1000 об/мин. Реактор, содержащий раствор глюкозы, дважды в течение 0,5 минут продувают газообразным кислородом при давлении 1 бар. После продувки давление кислорода в реакторе доводят до 2 бар. Реакция начинается с добавления раствора гидроксида натрия (45%-ный (вес/вес) раствор) дозировочной бюреткой в раствор глюкозы при скорости дозирования 0,65 моль NaOH/ч.
| Таблица 5 | |
| Концентрация глюкозного сырья | Мольный выход арабиноната |
| 10% | 89% |
| 20% | 87% |
| 30% | 80% |
Теоретический пример 4: очистка арабиноната с последующим протонированием и гидрированием до арабинитола
Кристаллизация
До кристаллизации арабиноната щелочного металла (будь то арабинонат натрия или арабинонат калия) неочищенную реакционную смесь доводят до pH=7 с помощью ионообменной смолы (например, Lewatit S2528).
Полученную реакционную смесь (pH=7) концентрируют при пониженном давлении и 50°C до содержания сухих веществ 70%. Кристаллы собирают фильтрацией или центрифугированием и сушат при комнатной температуре. Получают арабинонат натрия чистотой 95-97% и арабинонат калия чистотой 98-99%. Оставшимися примесями являются гликолят и формиат.
Рекристаллизация
Полученные кристаллы снова растворяют в воде с получением 70%-ного раствора. Охлаждение до комнатной температуры позволяет кристаллизовать арабинонат натрия, полученный со 100%-ной чистотой. Эта рекристаллизация чаще всего требуется для удаления всех следов формиата. Предпочтительно полное удаление, так как любые следы муравьиной кислоты могут отравлять катализатор.
Теоретический пример 5: протонирование ионообменной смолой
Протонирование арабиноната щелочного металла до арабиноновой кислоты предпочтительно проводится ионообменной смолой (например, Mitsubishi UBK 550, Lewatit S2528). Затем эта арабиноновая кислота используется как исходный материал для электролитического декарбоксилирования.
Описанные варианты осуществления и примеры должны во всех отношениях рассматриваться только как иллюстративные, а не ограничивающие, таким образом, объем изобретения определяется приложенной формулой, а не предшествующим описанием. Все изменения, которые охватываются значением и диапазоном эквивалентности формулы, должны подпадать в ее объем.
1. Способ получения эритрозы в растворе, первоначально содержащем кислоту, выбранную из группы, состоящей из рибоновой кислоты и арабиновой кислоты, причем раствор содержит от примерно 10% до 100% нейтрализованной кислоты, способ отличается этапом электролитического декарбоксилирования кислоты в растворе для получения эритрозы.
2. Способ по п.1, где кислота является D- или L-арабиноновой кислотой.
3. Способ по п.1 или 2, где рибоновая кислота или арабиноновая кислота в растворе нейтрализованы на примерно от 35% до примерно 80% до этапа электролитического декарбоксилирования.
4. Способ по п.1 или 2, где электролитическое декарбоксилирование проводится, по меньшей мере, до тех пор, пока примерно 80% кислоты не превратится в эритрозу.
5. Способ по п.1 или 2, где раствор содержит кислоту и растворитель, выбранный из группы, состоящей из воды и смешиваемого с водой растворителя.
6. Способ по п.5, где смешиваемый с водой растворитель выбран из группы, состоящей из воды, метанола, этанола, пропанола, диоксана и ацетонитрила.
7. Способ по п.1 или 2, где электролитическое декарбоксилирование кислоты в растворе проводится путем приведения кислоты в растворе в контакт с анодом.
8. Способ по п.1 или 2, где электролитическое декарбоксилирование кислоты в растворе проводится путем приведения кислоты в растворе в контакт с анодным электродом, который содержит графит.
9. Способ по п.1 или 2, где электролитическое декарбоксилирование кислоты в растворе отличается, кроме того, приведением кислоты в растворе в контакт с частью электролизера, имеющей секционированную, несекционированную, проточную конфигурацию, насадочную конфигурацию с уплотненным слоем, конфигурацию периодического действия или конфигурацию с псевдоожиженным слоем.
10. Способ по п.1 или 2, где способ получения эритрозы дополнительно включает этап возврата остаточной арабиноновой кислоты.
11. Способ по п.1 или 2, где способ получения эритрозы дополнительно включает этап декарбоксилирования сахара, выбранного из группы, состоящей из аллозы, альтрозы, глюкозы, фруктозы и маннозы, для получения кислоты, выбранной из группы, состоящей из рибоновой кислоты и арабиноновой кислоты.
12. Способ по п.11, где способ получения эритрозы дополнительно включает этап приготовления раствора путем соединения кислоты с растворителем с получением раствора, содержащего одну или более кислот, выбранных из группы, состоящей из рибоновой кислоты и рабиноновой кислоты, причем, по меньшей мере, одна кислота в растворе нейтрализована на примерно от 10% до 100%.
13. Способ по п.12, где растворитель содержит воду или смешиваемый с водой растворитель, кислота является арабиноновой кислотой, а сахар содержит глюкозу, фруктозу или маннозу.
14. Способ по п.13, где сахар содержит глюкозу или фруктозу, и где примерно 40-60% кислоты в растворе нейтрализовано до электролитического декарбоксилирования.
15. Способ по п.1, дополнительно включающий этап установления рН раствора с целью получить кислоту в растворе, нейтрализованную примерно на 40-60% до проведения электролитического декарбоксилирования кислоты в растворе.
16. Способ по п.1, где кислота представляет собой арабиновую кислоту, дополнительно включающий этапы:
получение арабонатного раствора;
подкисление арабонатного раствора путем приведения арабонатного раствора в контакт с катионообменной смолой при подходящем рН для получения раствора кислоты, где раствор кислоты содержит примерно 40-60% нейтрализованной кислоты;
выделение раствора кислоты из катионообменной смолы; и
приведение раствора кислоты в контакт с анодом, содержащим электрод, включающий графит, для получения эритрозы.
17. Способ по п.16, где раствор первоначально содержит D- или L-арабиноновую кислоту; и раствор содержит растворитель, выбранный из группы, состоящей из воды, метанола, этанола, пропанола, диоксана и ацетонитрила;
и способ дополнительно отличается проведением электролитического декарбоксилирования до тех пор, пока примерно 80% кислоты в растворе не превратится в эритрозу.
