製備環醯胺單體的方法和相關的衍生物和方法

2023-06-03 10:30:31 2

專利名稱：製備環醯胺單體的方法和相關的衍生物和方法
製備環醯胺單體的方法和相關的衍生物和方法
背景技術：
一種製備ε -己內醯胺的方法包括使用苯作為起始化合物，苯可被轉化為環己 烷或苯酚，這兩種化學品均可通過環己酮轉化為環己酮肟，然後可在硫酸中加熱該中間體。 已知該化學反應是貝克曼重排反應。起始化學品苯可通過不可再生資源石油的精煉而製備。諸如無毒的葡萄糖之類的糖是製備己內醯胺的一種可選來源。為了用葡萄 糖替代苯作為很多這些合成的起點，可使用生物精煉廠。生物精煉廠是整合了生物質轉 化方法和設備從生物質生產燃料、電力和化學品的工廠。生物精煉廠的概念類似於從石 油生產多種燃料和產品的石油精煉廠。通過生產多種產品，生物精煉廠可利用各生物質 組份和中間體的不同，並以最小的浪費和排放從生物質原料獲得最大的價值。生物質轉 變為諸如葡萄糖之類的糖是本領域中已知的(參見Advancing Sustainability Through Green Chemistry and Engineering, ACS Symposium Series,823, 由 Lanky, R. L.禾口 Anastas, P. Τ.編輯，American Chemical Society, Washington, DC, 2002 ；Biomass for Energy,Industry and Environment,6th European Community Conference,由 Grassi,G., Collina, A.禾口 Zibetta, H.編輯，Elsevier Science Publishing Co. , Inc. , New York, 1998 ；Biobased Industrial Products :Research and Commercialization Priorities, 由 Dale, B. E.編 輯，Natural Research Council, Washington, DC, 1999 ；Emerging Technologies for Materials and Chemicals for Biomass, ASC Symposium 467,由 Narayan, R. , Rowel 1, R. , Schultz, T.編輯，American Chemical Society, Washington, DC, 1991)。從糖起始並生產賴氨酸的細菌發酵是已知的。L-賴氨酸由多種工業來源生產和 提供，所述工業來源包括如下公司例如Aginomoto、Kyowa Hakko> Sewon> Arthur Daniels Midland,Cheil Jedang、BASF 和 Cargill。以前已經嘗試將L-賴氨酸環化形成七元環的α-氨基-ε-己內醯胺，並且報導 顯示低產率。這樣的嘗試已包括在接近超臨界水中的反應(參見日本專利第2003206276 號，Goto等人，2003年7月22日公告)或在甲苯中用過量的Al2O3的反應(參見Blade-Font， Α. ， Tetrahedron Lett. ,1980,21,2443-2446. Pellegata, R. ， Pinza, Μ. =Pifferi G.， Synthesis 1978,614-616)。美國公開第2007/0149777號(Frost)公開了一種從賴氨酸製備α -氨基-ε -己 內醯胺、將α-氨基-ε-己內醯胺轉化為ε-己內醯胺，並從ε _己內醯胺製備尼龍_6的 方法。


通過參考結合附圖對本發明各實施方式的下列描述，本發明的優點和實現這些優 點的方式將變得更加明顯，本發明本身也將更好理解，其中圖1是根據本發明從發酵液製備環醯胺單體和聚醯胺的本發明方法的框圖。
具體實施例方式下面描述的本發明的實施方式不是窮舉性的或將本發明限制為下面的詳細說明 中公開的精確形式。相反，選擇和描述這些實施方式是為了本領域其他技術人員可以了解 並理解本發明的原則和實施。雖然將在使用賴氨酸來最終製備己內醯胺單體的具體語 境中描述本發明，但是本發明的原則適用於發酵液中的其他胺基酸以及其他環醯胺單體。本發明包括從發酵液製備環醯胺(此處也稱為「內醯胺」)單體的方法。此處使用的「發酵液」是發酵的產物，其中發酵過程生產一種或多種胺基酸和/或 它們的鹽。用於本發明的氨基官能團化的羧酸可環化以形成穩定的內醯胺，優選具有5至8 元環的內醯胺。用於本發明的氨基官能團化的羧酸可包含其他官能團，只要那些官能團不 幹擾醯胺化反應(例如可選地由醇溶劑介導的醯胺化反應(下文中討論))。在某些實施方 式中，所述一種或多種胺基酸至少包括賴氨酸和/或其鹽。賴氨酸是能通過發酵製備的氨 基酸，具有化學式C6H14N202。通過發酵製備的賴氨酸可包括賴氨酸的異構體，例如結構異構 體、立體異構體或這些異構體的組合。賴氨酸的結構異構體包括α-賴氨酸和β-賴氨酸。 賴氨酸的「結構異構體」是指氨基中的一個沿著碳鏈位於不同位置。例如α-賴氨酸可以 用下列化學結構表示而β -賴氨酸可以用下列化學結構表示
H2N各種α-賴氨酸和β-賴氨酸異構體都可以具有立體異構體，例如L-α-賴氨酸、 D- α -賴氨酸、L- β -賴氨酸和D- β -賴氨酸。賴氨酸的L和D異構體是光學異構體(對映 異構體)，意思是L和D異構體是彼此的鏡像，但是L和D異構體不能彼此重疊。在優選的 實施方式中，賴氨酸至少包括L-賴氨酸。賴氨酸的具體形式包括，例如L-賴氨酸二鹽酸鹽、 L-賴氨酸鹽酸鹽、L-賴氨酸磷酸鹽、L-賴氨酸二磷酸鹽、L-賴氨酸醋酸鹽、L-賴氨酸硫酸 鹽和L-賴氨酸，這些形式的組合等。除了包括一種或多種胺基酸和/或它們的鹽之外，發酵液還包括一種或多種發酵 的其他產物。例如，發酵液可包括發酵微生物、糖、鹽、脂類、蛋白質碎片、這些的組合等。優 選地，在從胺基酸前體形成內醯胺之前將細胞物質與細胞外物質分離。細胞材料包括用於 發酵的微生物。細胞外物質包括發酵微生物的質膜外的液體中的物質。例如，細胞外物質 可包括代謝產物、離子、蛋白質、一種或多種胺基酸和/或其鹽、糖、鹽、脂類和蛋白質碎片。 將細胞物質與細胞外物質分離可包括滅活並從細胞外物質過濾發酵微生物。優選地，根據本發明的發酵液沒有經過將發酵後存在的一種類型的胺基酸和/或其鹽與不同種類的氨 基酸和/或其鹽分離的過程。在發酵液包括賴氨酸和/或其鹽的各個實施方式中，除了賴 氨酸和/或其鹽之外，發酵液優選還包括至少一種胺基酸和/或其鹽。優選地，經加熱以從 胺基酸和/或其鹽形成內醯胺的發酵液還包括發酵的其他產物(例如代謝產物、離子、蛋白 質、糖、鹽、脂類、蛋白質碎片、這些產物的組合等)。有利地，例如在圖1的上下文中，在賴氨酸仍然存在於發酵液中，並且在一種或多 種另外的胺基酸和/或發酵的其他產物存在的情況下，賴氨酸和/或其鹽能經加熱形成 α -氨基-ε -己內醯胺。在加熱形成α -氨基-ε -己內醯胺之前，賴氨酸和/或其鹽不需 要從發酵液中純化。例如，在加熱形成α-氨基-ε-己內醯胺之前，發酵液不需要進行離 子交換過程。避免這樣的離子交換過程能夠從根本上降低製造成本。至少包括能夠形成內醯胺的胺基酸的任何發酵液都可以用於本發明的方法中。 製備發酵液的方法是公知的。參見例如，美國公開號2007/0149777 (Frost)和Savas Anastassiadis,「 L-Lysine Fermentation,「 Recent Patents on Biotechnology 2007, volume 1，pages 11-24，Bentham Science Publishers Ltd. (2007)，這些參考文獻的全文 通過引用合併於此。用於本發明的示例性發酵液在美國專利號5，840，358(H0fler等)中 說明，該專利的全文通過引用合併於此。具體製備L-β-賴氨酸的方法在國際公開號WO
2007/101867 Gelder等)中說明，其全文通過引用合併於此。用於本發明的示例性發酵液
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可從 Evonik Degussa 公司，Kennesaw, GA 商購，商標名為 Biolys 。用於本發明的微生物發酵的起始材料是公知的。這類材料包括細菌和細菌營養物 質，例如生物質、多元醇(例如甘醇)、這些物質的組合等。參見圖1，其中示出了將L-賴氨 酸環化為α-氨基-ε-己內醯胺的新方法，α-氨基-ε-己內醯胺最後轉化為尼龍6。如 圖所示，生物質最後轉化為糖。生物質是微生物、植物或動物生長所產生的物質，生物質被 供應到系統中。生物質的實例包括農業產品和副產品，例如玉米、秕、莖、穀類作物、紫花苜 蓿、三葉草、草地修剪物、蔬菜殘渣、秸稈、玉蜀黍、穀粒、葡萄、大麻、甘蔗、亞麻和馬鈴薯；林 業和造紙的產品和副產品，例如鋸屑紙、纖維素、木紙漿、木屑、紙漿泥和葉子，這些物質的 組合，以及其它現有技術中已知的合適的材料。生物質可以是高纖維素含量的物質、高澱粉 含量的物質及其組合。如圖1中步驟10所示，在一些實施方式中，生物質可經分級得到諸如 纖維素、半纖維素、木質纖維素、植物油和/或澱粉之類的成分。標記有「纖維素和/或澱粉 「的框可包括澱粉、纖維素、半纖維素、木質纖維素或其組合等。生物質這樣的分離或分級成 纖維素成分和/或澱粉是本領域中已知的(參見例如美國專利第6，022，419號，Torget等， 2000年2月8日公告；美國專利第5，047，332號，Chahal，1991年9月10日公告；和美國專 利第 6，228，177 號，Torget, 2001 年 5 月 8 日公告；美國專利第 6，620，292 號，Wingerson, 2003 年 9 月 16 曰公告；以及 B. Kamm 禾口 Μ. Kamm, Biorefinery-System, Chem. Biochem. Eng. Q. 18 (1) 1-62004)。在可選的實施方式中，如步驟11所示，不分離生物質，而是將生物質直 接移入步驟15中。在圖1的步驟15中，纖維素成分、澱粉或其組合通過水解被轉化為糖，例如葡萄 糖。在多種實施方式中，標有「糖」的方框可包括但不限於葡萄糖、右旋糖、木糖、蔗糖、果 糖、阿拉伯糖、甘油、其它本領域技術人員已知的其它糖類或多元醇，以及上述物質的組合 等。在本發明的多種實施方式中，原材料生物質通過水解轉變為糖。在本發明的多種實施
如果發酵液中存在β -賴氨酸，則β -賴氨酸的環化反應產生用下列化學結構表 示的β-氨基-ε-己內醯胺
方式中，水解是酸水解。在本發明的其他實施方式中，水解是酶水解。能夠產生諸如葡萄 糖之類的糖的水解方法是本領域公知的(參見美國專利第6，692，578號，Schmidt等，2004 年2月17日公告；美國專利第5，868，851號，Lightner，1999年2月9日公告；美國專利第 5，628，830 號，Brink，1997 年 5 月 13 日公告；美國專利第 4，752，579 號，Arena 等，1988 年 6月21日公告；美國專利第4，787，939號，Barker等，1988年11月四日公告；美國專利第 5，221，357 號，Brink，1993 年 6 月 22 日公告；和美國專利第 4，615，742 號，Wright，1986 年 10月7日公告)。半纖維素的解聚可產生D-木糖和L-阿拉伯糖，這些糖可用作微生物合 成化學品的可選起始材料。植物油是生物質的另一種成分。植物油的酯交換反應得到可用 作生化柴油的酯化的脂肪酸和甘油，甘油是適於在微生物合成中作為起始材料的另一種多 元醇。在本發明的多種實施方式中，步驟15可產生包括或不包括葡萄糖的其它糖。從諸如葡萄糖之類的糖產生的L-賴氨酸的發酵是已知的。穀氨酸棒狀桿菌能夠 合成賴氨酸。通過傳統的菌株優化，該菌已經變得能夠合成大量的賴氨酸。生產可在發酵 罐中進行，在發酵罐中穀氨酸棒狀桿菌將原料糖如葡萄糖、甘蔗和/或糖蜜轉變成賴氨酸。 該生產過程是現有技術中已知的(參見美國專利第2，979，439號，Kinoshita等，1961年 4月11日公告；美國專利第3，687，810號，Kurihara等，1972年8月四日公告；美國專 利第3，707，441號，Shiio等，1972年12月洸日公告；美國專利第3，871，960號，Kubota 等，1975年3月18日公告；美國專利第4，275，157號，"Tosaka等，1981年6月23日公告; 美國專利第4，601，擬9號，Kaneko等，1986年7月22日公告；美國專利第4，623，623號， Nakanishi 等，1986 年 11 月 18 日公告；美國專利第 4，411，997 號，Shimazaki 等，1983 年 10月25日公告；美國專利第5，954，411號，Katsumata等，1990年9月4日公告；美國專 利第5，650，304號，Ishii等，1997年7月22日公告；美國專利第5，250，423號，Murakami 等，1993年10月5日公告；美國專利第4，861，722號，Sano等，1989年10月四日公告和 Manufacturing of Stabilised Brown Juice for L-Iysine Production—from University Lab Scale over Pilot Scale to Industrial Production, M. H. Thomsen et al. , Chem. Biochem. Eng. Q. 18 (1) 37-46 (2004))。根據本發明，以有效製備環醯胺單體的方式加熱發酵液。在優選的實施方式中，環 醯胺單體具有的5至8元環範圍內的環大小。在某些實施方式中，根據本發明製備的環醯 胺單體包括己內醯胺，例如α -氨基-ε -己內醯胺、β -氨基-ε -己內醯胺、ε _己內醯胺 和這些的組合。參見圖1，步驟25示出了發酵液中的α-賴氨酸環化成為α-氨基-ε-己 內醯胺的反應。α-氨基-ε-己內醯胺單體可以用下列化學結構(I)表示
權利要求
1.一種製備環醯胺的方法，所述方法包括以有效製備環醯胺的方式加熱發酵液的步 驟，其中所述發酵液包括胺基酸或其鹽。
2.一種製備聚醯胺的方法，所述方法包括步驟a、以有效製備多個環醯胺單體的方式加熱發酵液，其中所述發酵液包括胺基酸或其鹽.；b、以有效形成聚醯胺的方式聚合所述多個環醯胺單體。
3.一種製備α-氨基-ε-己內醯胺的方法，所述方法包括以有效製備生產α-氨 基-ε -己內醯胺的方式加熱發酵液的步驟，其中所述發酵液包括賴氨酸或其鹽。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述發酵液還進一步包括除賴氨酸或其鹽之外的一 種或多種胺基酸。
5.如權利要求3所述的方法，其中所述加熱發酵液的步驟包括在包含醇的溶劑存在下 加熱所述發酵液。
6.一種製備己內醯胺的方法，所述方法包括步驟a.以有效製備α-氨基-ε -己內醯胺的方式加熱發酵液，其中所述發酵液包含賴氨酸 或其鹽；和b.以有效製備ε-己內醯胺的方式從所述α-氨基-ε-己內醯胺去除(脫氨)α-氨基。
7.一種製備聚己內醯胺(例如尼龍6)的方法，所述方法包括步驟a.以有效製備α-氨基-ε -己內醯胺的方式加熱發酵液，其中所述發酵液包括賴氨酸 或其鹽；b.以有效製備多個ε_己內醯胺單體的方式從所述α-氨基-ε-己內醯胺去除(脫 氨)所述α-氨基；和c.以有效製備聚己內醯胺的方式聚合所述多個ε-己內醯胺單體。
8.一種合成α-氨基-ε-己內醯胺的方法，所述方法包括在不存在催化劑的條件下， 在約99°C至約201°C的溫度下加熱發酵液以製備α -氨基-ε -己內醯胺的步驟，其中所述 發酵液包括在含醇的溶劑中的賴氨酸的鹽。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述賴氨酸為L-賴氨酸。
10.如權利要求8所述的方法，其中所述醇具有2至6個碳。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述醇包括二元醇。
12.如權利要求10所述的方法，其中所述醇包括三元醇。
13.如權利要求10所述的方法，其中所述醇包括甘醇。
14.如權利要求10所述的方法，其中所述醇選自由乙醇、1-丙醇、1-丁醇、1-戊醇、 1-己醇、1，2_丙二醇及其混合物組成的組中。
15.如權利要求10所述的方法，其中所述醇為1，2_丙二醇。
16.如權利要求8所述的方法，其中在低於己內醯胺的聚合溫度下進行所述加熱。
17.如權利要求8所述的方法，其中所述加熱能共沸除去水。
18.如權利要求8所述的方法，其中所述加熱通過回流完成。
19.一種合成ε-己內醯胺的方法，所述方法包括a)在約99°C至約201°C下加熱發酵液以製備α-氨基-ε-己內醯胺，其中所述發酵液包括在含醇溶劑中的賴氨酸的鹽；和b)用包括將α -氨基-ε -己內醯胺與脫氨催化劑和氣體以有效去除所述α _氨基並 提供ε -己內醯胺的方式接觸至少一次的方法對所述α -氨基-ε -己內醯胺脫氨，其中所 述氣體包括氫氣。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述ε-己內醯胺的產率大於約70%。
21.如權利要求19所述的方法，其中所述賴氨酸為L-賴氨酸。
22.如權利要求19所述的方法，其中步驟(b)的溫度為約_5°C至約-20°C。
23.如權利要求19所述的方法，其中所述方法進一步包括用溶劑洗滌去除脫氨步驟 (b)中產生的胺。
24.如權利要求23所述的方法，其中所述洗滌溶劑包括水和醇的混合物。
25.如權利要求23所述的方法，其中所述洗滌溶劑為水。
26.如權利要求19所述的方法，其中所述加熱步驟(a)包括在催化劑存在下加熱。
27.如權利要求沈所述的方法，其中所述催化劑為Al2O315
28.如權利要求19所述的方法，其中所述醇具有2至6個碳。
29.如權利要求觀所述的方法，其中所述醇選自由乙醇、1-丙醇、1-丁醇、1-戊醇、 1-己醇、1，2_丙二醇及其混合物組成的組中。
30.如權利要求19所述的方法，其中所述醇為1，2_丙二醇。
31.如權利要求19所述的方法，其中所述加熱步驟(a)在低於ε-己內醯胺的聚合溫 度下進行。
32.如權利要求19所述的方法，其中所述加熱能共沸除去水。
33.如權利要求19所述的方法，其中所述加熱通過回流完成。
34.如權利要求19所述的方法，其中所述脫氨步驟(b)包括氫化脫氮催化劑。
35.一種製備尼龍6的方法，所述方法包括a)在約99°C至約201°C下加熱發酵液以製備α-氨基-ε-己內醯胺，其中所述發酵液 包括在含醇溶劑中的賴氨酸；b)用包括將α-氨基-ε -己內醯胺與脫氨催化劑和氣體以有效去除所述α _氨基並 提供ε -己內醯胺的方式接觸至少一次的方法對所述α -氨基-ε -己內醯胺脫氨，其中所 述氣體包括氫氣；和c)將所述ε-己內醯胺聚合為尼龍6。
36.如權利要求35所述的方法，其中所述發酵液源自生物質，而且其中所述賴氨酸包 括L-賴氨酸。
37.如權利要求36所述的方法，其中所述L-賴氨酸通過從所述生物質得到糖，並將所 述糖轉化為L-賴氨酸來得到。
38.如權利要求37所述的方法，其中所述轉化包括用發酵反應來將所述糖轉化為L-賴氨酸。
39.如權利要求38所述的方法，進一步包括將通過α-氨基-ε-己內醯胺脫氨產生的 胺再循環到所述發酵反應中。
40.如權利要求36所述的方法，進一步從所述生物質製備乳酸。
41.如權利要求40所述的方法，進一步包括氫化所述乳酸以製備1，2_丙二醇。
42.如權利要求41所述的方法，進一步包括使用所述1，2-丙二醇作為所述加熱步驟 (a)中的所述醇。
43.如權利要求35所述的方法，其中所述加熱步驟(a)包括在催化劑存在下加熱。
44.如權利要求35所述的方法，其中所述加熱步驟(a)中使用的所述醇具有2至6個碳。
45.如權利要求44所述的方法，其中所述醇包括二元醇。
46.如權利要求44所述的方法，其中所述醇包括三元醇。
47.如權利要求44所述的方法，其中所述醇包括甘醇。
48.如權利要求44所述的方法，其中所述醇選自由乙醇、1-丙醇、1-丁醇、1-戊醇、 1-己醇、1，2_丙二醇及其混合物組成的組中。
49.如權利要求48所述的方法，其中所述醇為1，2_丙二醇。
50.如權利要求35所述的方法，其中所述加熱步驟(a)在低於ε-己內醯胺的聚合溫 度下進行。
51.如權利要求35所述的方法，其中所述加熱能共沸除去水。
52.如權利要求35所述的方法，其中所述加熱通過回流完成。
53.如權利要求1所述的方法，其中加熱發酵液的所述步驟包括將所述發酵液與蒸汽 以有效製備所述環醯胺的方式接觸的步驟。
54.如權利要求6所述的方法，其中從所述α-氨基-ε-己內醯胺去除(脫氨)α-氨 基的所述步驟包括將所述α -氨基-ε -己內醯胺與催化劑和氣體以有效去除α -氨基並 提供ε_己內醯胺的方式接觸，其中所述氣體包括氫氣。
55.如權利要求M所述的方法，其中所述接觸步驟在溶劑存在下進行。
全文摘要
本發明涉及製備環醯胺的方法。該方法包括以有效製備環醯胺(例如α-氨基-ε-己內醯胺)的方式加熱發酵液的步驟，其中所述發酵液包括胺基酸或其鹽(例如賴氨酸(例如L-α-賴氨酸、D-α-賴氨酸、L-β-賴氨酸和D-β-賴氨酸)或其鹽)。所述環醯胺單體可以有效形成聚醯胺的方式聚合。例如，製備聚己內醯胺(例如尼龍6)的方法包括步驟(a)以有效製備α-氨基-ε-己內醯胺的方式加熱發酵液，其中所述發酵液包括賴氨酸或其鹽；(b)以有效製備多個ε-己內醯胺單體的方式從α-氨基-ε-己內醯胺去除(脫氨)α-氨基；和(c)以有效製備聚醯胺的方式聚合所述多個ε-己內醯胺單體。本發明的一個優點是在賴氨酸仍然在發酵液中，並且在一種或多種另外的胺基酸和/或發酵的其他產物存在的情況下，賴氨酸和/或其鹽能經加熱形成α-氨基-ε-己內醯胺。在加熱形成α-氨基-ε-己內醯胺之前，賴氨酸和/或其鹽不需要從發酵液中純化。例如，在加熱形成α-氨基-ε-己內醯胺之前，發酵液不需要進行離子交換過程。避免這樣的離子交換過程能夠從根本上降低製造成本。
文檔編號C07D223/12GK102105450SQ200980129042
公開日2011年6月22日 申請日期2009年7月24日 優先權日2008年7月24日
發明者道格拉斯·A·威克斯 申請人:Draths公司