改進(jìn)的硝酸氧化方法
【專利說明】改進(jìn)的硝酸氧化方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)信息
[0002] 本文要求于2013年3月13日提交的美國專利申請(qǐng)?zhí)?1/780, 472和于2013年3 月13日提交的美國專利申請(qǐng)?zhí)?1/780, 498的優(yōu)先權(quán)，通過引用的方式將其全部?jī)?nèi)容整體 并入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明描述了使用硝酸和氧氣作為共氧化劑來氧化醛、醇和/或多元醇（優(yōu)選碳 水化合物）來生產(chǎn)相應(yīng)的羧酸的改進(jìn)方法。本文描述的改進(jìn)方法可以作為間歇過程使用， 也可以作為連續(xù)過程使用。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 如果能夠以工業(yè)規(guī)模高效地生產(chǎn)羥基羧酸，尤其是碳水化合物二酸（醛糖二酸 (aldaric acids))，其作為化學(xué)工業(yè)中的碳基平臺(tái)化合物，作為在藥物制劑和食物產(chǎn)品中 使用的安全添加劑或產(chǎn)品組分，以及作為可生物降解的聚合物的結(jié)構(gòu)組分，可提供巨大的 經(jīng)濟(jì)潛力。例如，葡萄糖二酸可通過葡萄糖的氧化生產(chǎn)，其鹽形式目前用作預(yù)防癌癥的營養(yǎng) 品。然而該原料的價(jià)格高昂，約$l〇〇/lb。醛糖二酸的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)還會(huì)為其他有用化合物 的生產(chǎn)提供足量的原料，所述化合物包括具有不同性質(zhì)和用途的可環(huán)境降解的聚酰胺，其 尚無商業(yè)化生產(chǎn)。
[0006] 碳水化合物二酸可通過使用包括硝酸的各種氧化劑從還原糖經(jīng)多種途徑生產(chǎn)。碳 水化合物的硝酸氧化的一個(gè)實(shí)例是由D-葡萄糖得到D-葡萄糖二酸，通常分離得到其單鉀 鹽（參見，W. N. Haworth 和 W. G. M. Jones，J. Chem. Soc.，65-76 (1944)，C. L. Mehltretter 和 C.E.Rist，Agric. and Food Chem. ,1,779-783(1953)和 C.L.Mehltretter，"D-Glucaric Acid"，in Methods in Carbohydrate Chemistry, R. L. Whistler, M. L.ffolfrom 編； Academic Press，紐約，1962,卷II，46-48頁）?；蛘撸珼-葡萄糖二酸可以從D-葡萄糖的 硝酸氧化中分離，得到其二鈉鹽（參見，D. E. Kiely，A. Carter和D. P. Shrout，美國專利號(hào) 5,599,977，1997 年 2月 4 日）或得到 1,4:6,3-雙內(nèi)酯（參見，D.E.Kiely和G.Ponder，美 國專利號(hào)6,049,004, 2000年4月11日）。已描述了顯示用氧氣和貴金屬催化劑通過催化 氧化來合成二酸的路徑（參見，C. L. Mehltretter，美國專利No. 2, 472, 168,1949年6月7 日）。存在通過使用氧銨鹽結(jié)合次鹵酸鹽作為最終氧化劑的其他合成路徑。例如，Merbough 和同事描述了使用4-乙酰氨基-2, 2, 4, 6-四甲基-1-哌啶氧化物（4-AcNH-TEMPO)和 次鹵酸鹽作為氧化介質(zhì)將D-葡萄糖、D-甘露糖、D-半乳糖氧化為其相應(yīng)的二酸（參見， N.Merbough，J.M. Bobbitt 和 C. Bruckner，J. Carbohydr. Chem. ,21，66-77 (2002)以及 Merbouh，J Μ· Bobbitt 和 C. Bruckner，美國專利號(hào) 6, 498, 269, 2002 年 12 月 24 日）。最近還 描述了將肌醇微生物氧化為葡萄糖醛酸，然后酶促氧化或通過催化氧化為葡萄糖二酸（參 見，W. A. Schroeder，P. M. Hicks，S. McFarlan 和 T. W. Abraham，美國專利申請(qǐng) 20040185562， 2004年9月24日）。
[0007] 已知有多種使用硝酸來氧化碳水化合物的方法。例如，美國專利號(hào) 2,380，196('196專利）描述了將碳水化合物硝酸氧化為二元酸，特別是酒石酸。'196專利 描述了循環(huán)過程，其中在每次循環(huán)中，用硝酸氧化新的碳水化合物和之前氧化的殘留物。使 用了諸如釩、錳、鐵和鉬的催化劑來提高酒石酸的產(chǎn)量。根據(jù)'196專利，當(dāng)硝酸與葡萄糖的 摩爾比為5:7. 5,優(yōu)選為6:7. 5時(shí)，可以得到好的產(chǎn)量。' 196專利還描述了混合原料時(shí)溫度 應(yīng)保持在20°C或更低。混合之后，將溫度逐漸升高或使其自發(fā)地升高到約30°C至35°C (此 為引發(fā)階段或升溫階段）。當(dāng)溫度達(dá)到30°C至35°C時(shí)，發(fā)生被稱為"暴沸"的自催化強(qiáng)放熱 反應(yīng)。所述"暴沸"階段在約50°C至75°C下，優(yōu)選為65-70°C下保持45至120分鐘不等。 氧化的最終溫度階段為"發(fā)煙"階段，該階段最后的硝酸被反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為低級(jí)的氮氧化物。 在"發(fā)煙"階段期間，反應(yīng)混合物保持在略低于混合物沸點(diǎn)的高溫，約90°C至95°C，直到不 再能通過煙來檢測(cè)到氮氧化物。通過直接沉淀和結(jié)晶將草酸和酒石酸從被氧化的反應(yīng)混合 物中回收。
[0008] 美國專利號(hào)2, 436, 659 ('659專利）公開了生產(chǎn)D-葡萄糖二酸的改進(jìn)且經(jīng)濟(jì)的方 法。特別是，'659專利公開了在更短的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)更高產(chǎn)量的D-葡萄糖二酸的方法，該方 法更加方便，同時(shí)不使用金屬氧化催化劑。根據(jù)'659專利，將無水或一水化物形式的結(jié)晶 D-葡萄糖可將反應(yīng)溫度控制在55°C至90°C之間的速率加入硝酸溶液中。該方法中使用的 葡萄糖與硝酸的摩爾比為1:4。然而，'659專利說明了 1:3的葡萄糖與硝酸的摩爾比降低 了 D-葡糖二酸的產(chǎn)量，而1:8的比例提高了該產(chǎn)量。'659專利還公開了使用60%至70% 的硝酸時(shí)，優(yōu)選使用55°C至70°C的反應(yīng)溫度，而使用更低濃度的硝酸時(shí)優(yōu)選更高的反應(yīng)溫 度。當(dāng)通過這種方式實(shí)施所述方法時(shí)非常迅速，在一小時(shí)的氧化時(shí)間得到D-葡糖二酸的最 大產(chǎn)量。
[0009] 美國專利號(hào)3, 242, 207( '207專利）公開了在高溫下用硝酸氧化D-葡萄糖的連 續(xù)方法。具體的，'207專利中所描述的方法按以下進(jìn)行：（1)通過用濃縮的硝酸氧化D-葡 萄糖的水溶液，在約40°C至70°C的溫度下，將分子比為1:3至1:3. 5的D-葡萄糖水溶液和 濃縮的硝酸同時(shí)且連續(xù)地加入來制備初始反應(yīng)混合物；（2)從反應(yīng)容器中連續(xù)回收對(duì)應(yīng)于 進(jìn)料液體體積的一部分反應(yīng)混合物；以及（3)分離所形成的產(chǎn)物。
[0010] 美國專利號(hào)7, 692, 041 ( '041專利）公開了利用硝酸氧化來氧化水溶性化合物的 改進(jìn)方法。所述方法包括（1)制備適于硝酸氧化的有機(jī)化合物的水溶液；（2)在氧氣正壓 下，在密閉的反應(yīng)容器中使用控制過程，將有機(jī)化合的水溶液與硝酸的水溶液合并一段時(shí) 間，以使有機(jī)化合物氧化為有機(jī)酸的混合物；（3)在氧化反應(yīng)過程中，保持約25°C至約50°C 的控制適中溫度，控制氧氣正壓，以及有機(jī)化合物和硝酸反應(yīng)混合物的控制攪拌；以及（4) 從合并的水溶液中去除一部分硝酸，得到適于進(jìn)一步加工的有機(jī)酸混合物。
[0011] 本領(lǐng)域中亟需安全、經(jīng)濟(jì)且有效的將有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為其相應(yīng)的酸的改進(jìn)氧化方 法。
[0012] 發(fā)明概述
[0013] 在一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及合成有機(jī)酸混合物的方法，所述方法包括以下步驟：
[0014] (a)在氧氣正壓下，在一個(gè)或多個(gè)密閉的反應(yīng)容器中將適于硝酸氧化的有機(jī)化合 物和硝酸的水溶液合并并且采用連續(xù)混合一段時(shí)間，以形成第一反應(yīng)混合物，其中所述有 機(jī)化合物和所述硝酸的水溶液被引入所述一個(gè)或多個(gè)密閉的反應(yīng)容器；
[0015] (b)使所述第一反應(yīng)混合物流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)容器的同時(shí)，保持約5°C至約 105°C的控制溫度，約Obarg至約1000 barg的控制氧氣正壓一段時(shí)間，以適于將所述有機(jī)化 合物氧化為包含有機(jī)酸產(chǎn)物和氮氧化物混合物的后續(xù)反應(yīng)混合物；
[0016] (c)將所述后續(xù)反應(yīng)混合物再循環(huán)到反應(yīng)容器蒸氣空間的頂部空間中；以及
[0017] (d)從所述后續(xù)反應(yīng)混合物中回收硝酸。
[0018] 在上述方法中，所述一個(gè)或多個(gè)密閉的反應(yīng)容器包括一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器。更具體 地，所述一個(gè)或多個(gè)密閉的反應(yīng)容器相互串聯(lián)（連續(xù)）或并聯(lián)（間歇）。例如，反應(yīng)器可以 是連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器（CSTR)、降膜反應(yīng)器、管式平推流反應(yīng)器，或幾乎任何類型的混合型、 可控制溫度和壓力且含有液相和氣相（非水力充滿）的反應(yīng)器。
[0019] 上述方法可以是連續(xù)過程?；蛘?，上述方法可以是間歇過程。
[0020] 在上述方法中，所述有機(jī)化合物包括適于硝酸氧化的單一有機(jī)原料，或有機(jī)原料 的混合物。
[0021] 另一方面，上述方法進(jìn)一步包括從后續(xù)反應(yīng)混合物中去除大部分硝酸的步驟。
[0022] 在上述方法中，所述硝酸的去除是通過蒸發(fā)、蒸餾、納濾、擴(kuò)散滲析、或者醇或醚沉 淀來實(shí)現(xiàn)的。
[0023] 上述方法進(jìn)一步包括堿化所述已去除大部分硝酸的后續(xù)反應(yīng)混合物的步驟，以將 殘留的硝酸轉(zhuǎn)化為無機(jī)硝酸鹽，并將有機(jī)酸混合物轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸鹽混合物。
[0024] 在上述方法中，適于硝酸氧化的有機(jī)化合物選自一元醇、二元醇、多元醇、醛、酮、 碳水化合物、羥基酸、纖維素、淀粉及其組合。例如，碳水化合物選自單糖、二糖、寡糖、醛糖 酸、醛糖酸酯、醛糖酸鹽、糖醛酸、糖醛酸酯、糖醛酸鹽、糖醇、環(huán)醇、不同葡萄糖當(dāng)量的玉米 糖漿和來自植物、微生物或生物質(zhì)原料的單糖、二糖、寡糖和多糖。
[0025] 在上述方法中，氮氧化物為N203、N20 4、N0、勵(lì)2和N 20。
[0026] 另一方面，本發(fā)明涉及合成有機(jī)酸混合物的方法，所述方法包括以下步驟：
[0027] (a)在氧氣正壓下，在一個(gè)或多個(gè)密閉的反應(yīng)容器中，將適于硝酸氧化的有機(jī)化合 物和硝酸水溶液合并并采用連續(xù)攪拌混合一段時(shí)間，形成反應(yīng)混合物，其中所述有機(jī)化合 物和所述硝酸水溶液被同時(shí)引入一個(gè)或多個(gè)密閉的反應(yīng)容器中；
[0028] (b)使所述反應(yīng)混合物流經(jīng)一個(gè)或多個(gè)密閉反應(yīng)容器的同時(shí)，（i)保持反應(yīng)容器 的一部分約5°C至約105°C的控制溫度，（ii)保持反應(yīng)容器頂部空間約80°C至約_42°C的 溫度；以及（iii)保持約Obarg至約1000 barg的控制氧氣正壓一段時(shí)間，以適于將所述有 機(jī)化合物氧化為包含有機(jī)酸產(chǎn)物和氮氧化物混合物的后續(xù)反應(yīng)混合物；以及
[0029] (c)從所述后續(xù)反應(yīng)混合物去除大部分硝酸，以得到適于進(jìn)一步加工的最終有機(jī) 酸反應(yīng)混合物。
[0030] 在上述方法中，所述一個(gè)或多個(gè)密閉的反應(yīng)容器包括一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器。更具體 地，所述一個(gè)或多個(gè)密閉的反應(yīng)容器相互串聯(lián)（連續(xù)）或并聯(lián)（間歇）。例如，反應(yīng)器可以 是連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器（CSTRs)、降膜反應(yīng)器、管式平推流反應(yīng)器，或幾乎任何類型的混合型、 可控制溫度和壓力且含有液相和氣相（非水力充滿）的反應(yīng)器。上述方法可以是連續(xù)過程。 或者，上述方法可以是間歇過程。
[0031] 在上述方法中，有機(jī)化合物包含適于硝酸氧化的單一的有機(jī)原料或有機(jī)原料的混 合物。
[0032] 另一方面，上述方法進(jìn)一步包含從所述后續(xù)反應(yīng)混合物中去除大部分硝酸的步 驟。
[0033] 在上述方法中，所述硝酸的去除是通過蒸發(fā)、蒸餾、納濾、擴(kuò)散滲析或者醇或醚沉 淀來實(shí)現(xiàn)的。
[0034] 上述方法進(jìn)一步包括堿化所述已去除大部分硝酸的后續(xù)反應(yīng)混合物的步驟，以將 殘留的硝酸轉(zhuǎn)化為無機(jī)硝酸鹽，并將有機(jī)酸混合物轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸鹽混合物。
[0035] 在上述方法中，適于硝酸氧化的有機(jī)化合物選自一元醇、二元醇、多元醇、醛、酮、 碳水化合物、羥基酸、纖維素、淀粉及其組合。例如，碳水化合物選自單糖、二糖、寡糖、醛糖 酸、醛糖酸酯、醛糖酸鹽、糖醛酸、糖醛酸酯、糖醛酸鹽、糖醇、環(huán)醇、不同葡萄糖當(dāng)量的玉米 糖漿、和來自植物、微生物或生物質(zhì)原料的單糖、二糖、寡糖和多糖。
[0036] 在上述方法中，氮氧化物為N203、N20 4、N0、勵(lì)2和N 20。
[0037] 附圖簡(jiǎn)述
[0038] 圖1提供了實(shí)施例11中描述的結(jié)果，證明相比未裝配頂部空間冷卻裝置的相同反 應(yīng)器，裝配了頂部空間冷卻裝置的反應(yīng)器頂部空間內(nèi)有更低的NO2組分。
[0039] 發(fā)明詳述
[0040] 本發(fā)明涉及將有機(jī)化合物氧化為其相應(yīng)的有機(jī)酸產(chǎn)物的安全、高效且經(jīng)濟(jì)的氧化 方法。特別地，本發(fā)明涉及在氧化反應(yīng)期間原位再生硝酸，同時(shí)提高終產(chǎn)物的安全性和質(zhì)量 的改進(jìn)方法。有效地再生硝酸降低了完成氧化所需硝酸的量，使硝酸隨后能夠回收和再循 環(huán)，由此提高了過程的效率和經(jīng)濟(jì)性。然而，在反應(yīng)過程中硝酸含量的增加也會(huì)導(dǎo)致氧化速 率的失控和有機(jī)底物的過氧化。其他專利已公開了在氧化過程期間原位再生硝酸的方法。 美國專利號(hào)7, 692, 041 ( '041專利）公開了使用硝酸氧化，通過在反應(yīng)過程中引入氧氣正 壓來氧化水溶性化合物的改進(jìn)方法，將氣態(tài)的氮氧化物（NOx)、來自氧化反應(yīng)的副產(chǎn)物，轉(zhuǎn) 變回硝酸。'041專利中描述的方法使用密封的容器，用氧氣加壓，將頂部空間內(nèi)的^^^再氧 化回硝酸，由此通過增加液體反應(yīng)相中硝酸的濃度來提高反應(yīng)速率。'041專利未描述提高 硝酸再生速率或氧化反應(yīng)速率的可選方法。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可預(yù)期提高頂部空間的溫度 可通過提高NOx轉(zhuǎn)變回硝酸的氧化速率來改善硝酸的再生。本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可預(yù)期改 善氣相回到液相的傳質(zhì)也會(huì)提高有機(jī)底物的氧化速率。
[0041] 為了更好地理解頂部空間溫度的影響，發(fā)明人使用了能夠獨(dú)立地加熱和冷卻氣體 和液體的反應(yīng)器。'041專利未公開使用分別控制頂部空間溫度和液體溫度的反應(yīng)器。發(fā)明 人意外地發(fā)現(xiàn)，取代加熱，將頂部空間冷卻至液相溫度以下提高了硝酸再生的總體速率。與 先前描述的氧化方法相比，提高硝酸再生的速率使得本發(fā)明的氧化方法可使用更少的硝酸 達(dá)到相同的氧化程度。<