转化方法

转化方法

本发明涉及一种使纤维素水解，以生成其水溶性单糖、二糖和低聚糖 衍生物的方法。

纤维素是地球上最丰富的生物可再生材料。纤维素由P-D-葡萄糖结构 单元通过l-4糖苷键重复连接所形成的多分散性线型聚合物链组成。这些 线型聚合物链形成不溶于水和大多数常见有机溶剂的氢键键合的超分子 结构。已知纤維素的水解生成单糖、二糖和低聚糖产物，其中葡萄糖通常 是主要的水解产物。这些产物可以发酵而生成用作燃料或燃料组分的醇。

p-D-葡萄糖

葡萄糖特别是用于发酵成乙醇和其它化学品的重要中间体：因而，纤 维素的糖化在生物燃料的开发中具有重要性。

可以将化学的、酶的、微生物的和大生物的催化剂用于在被选择为在 热力学上对产物生成有利的条件下加速纤維素的水解。在"聚合物科学技 术百科全书(The Encyclopaedia of Polymer Science and Technology)", 2ndEd, J.I.Rroschwite (主编），Wiley (NewYork), 1985中讨论了纤维素的 化学和酶水解。因此，可以利用水解纤维素酶（纤维素酶）或所收的丝状 真菌如木霉菌属（7WcAo血r附aw)使纤维素水解。然而，通过化学方法使 纤維素水解存在许多问题。一般而言，此类方法涉及以下两条途径之一-在高温和高压下OIOO'C)的稀酸处理和/或浓酸预处理，这在"Trends in New Corps and New Uses ，，， J. J肌ick和A. Whipkey (编辑），ASHS Press, Alexandria VA, 2002， 17-21中的"Cellulose to Eth肌ol: A General Review"， R C. Badger中有描述。稀酸处理在高温、压力下进行（例如，在237"使 用1%硫酸）。浓酸处理通常以10%的初始酸浓度开始，该浓度在ioot:和 环境压力下通过脱水升高到70%。

由于与这些已知方法相关联的低收率和/或极端条件，仍然霈要通过化 学手段使纤维素水解的改进方法。具体地，需要可以在相对温和的条件下 迸行以提供足够高的成糖转化率的相对快速反应。

已知纤维素可以被溶解在某些离子液体中。例如，美国专利6,824,599 公开了可以将纤维素溶解在基本上不存在水或含氮碱的亲水性离子液体 中，从而形成混合物，随后将其搅拌直到溶解完全，而WO 2005/017001 公开了可以在微波辐射下和/或在压力下，将木材、麦秆和其它天然木质纤 维素材料溶解在某些离子液体中。本发明人现已发现某些含有某些特定阴 离子的离子液体可以被用于纤维素水解的方法中。

因此，本发明提供一种用于制备水溶性纤維素水解产物的方法，所述 方法包括：混合纤维素以及能够将至少一些所述的纤維素溶剂化或溶解的 离子液体，所述离子液体为仅包含阳离子和阴离子的化合物，所述化合物 在150'C以下的温度以液态形式存在，并且其中所述阴离子选自卤化物和 氰酸根；和在水的存在下，将所得到的溶剂化物或溶液用酸处理，所述酸 在25'C的水中具有小于2的pKa。

本发明方法的优选实施方案提供用于制备水溶性纤维素水解产物的 方法，所述方法包括：将纤维素与其中纤维素至少具有一定溶解度的离子 液体混合，所述离子液体为仅包含阳离子和阴离子的化合物，所述化合物 在150'C以下的温度以液态形式存在，并且其中阴离子选自卤化物和氰酸 根；和在水的存在下，将所得到的溶液用酸处理，所述酸在25t:的水中具有小于2的pKa。

除了上下文另有要求以外，在整个说明书和权利要求中，术语"纤維 素"应被理解为包括未处理形式或纯化形式的纤维素本身和含有纤维素的 材料。被水解的纤維素可以是已被精制到任何所需程度的纤維素，或者其 可以是未处理或经部分处理的纤维素材料，如纤维素生物质或城市垃圾。 其可以以任何经得起被液体润湿的形式使用。例如，纤维素可以存在于或 来源于：木材（特别是，木屑或木浆)、棉、人造纤維、醋酸纤维素、纸、 棉絨、草如玉米秸秆或柳枝稷(switchgrass)、或甘蔗渣（甘蔗残渣)。

在本发明的方法中使用的酸是强酸，其在25'C的水中具有小于2，优 选小于1,优选0以下的沐a。 pKa为0的酸在水中完全解离，并且在本 发明中优选使用这样的酸。本发明中使用的酸为布朗斯台德（或质子）类 型。合适的酸包括例如卤化氢、硫酸、硝酸、卤代磺酸、四氟硼酸、杂多 酸、芳基磺酸和烷基磺酸、以及卤代烷基磺酸和卤代芳基磺酸。合适的酸 的实例包括例如，对甲苯磺酸、三氟甲磺酸（triflk acid)、三氯甲磺酸、 盐酸、氢溴酸、氢碘酸、四氟硼酸、以及硫酸。优选的酸为硫酸和盐酸。

所述酸可以以水溶液形式，例如稀释水溶液形式加入，或者如果需要 可以为无水的。为了使水解反应如下面所解释的那样发生，需要一些水， 并且其可以存在于反应混合物中和/或与酸一起加入。可以使用酸的混合 物，条件是至少一种酸具有所需的酸强度，或者该棍合物具有所需的酸强 度。除了质子酸以外，如果需要也可以向反应混合物中加入路易斯酸。

合适的路易斯酸包括强质子酸的金属盐（pKa小于约O),其中金属为 例如锂、钾、镁、锌、铜、铝、锡、锑、铁、镍或镧。此类盐的合适实例 包括，例如金属卤化物，例如氯化铝（III)、氯化镓（III)、氯化铟（III) 和氯化锌（II);三氟甲磺酸盐，例如三氟甲磺酸锂、三氟甲磺酸钠、三氟 甲磺酸镁、三氟甲磺酸锌、三氟甲磺酸铝、三氟甲磺酸锡（II)和三氟甲 磺酸铜（II);四氟硼酸盐，例如四氟硼酸锌（11)、四氟硼酸银（11)、四

氟硼酸铁（n)和四氟硼酸镍以及磺酸盐，例如对甲苯磺酸锌。 优选地，使用催化量的酸。例如，酸在反应混合物中的浓度可以为 重量％。如果在加入酸之前反应混合物含有任何碱性物质，则一些 初始加入的酸将被中和，考虑到这点，需要加入足够的酸。

7本发明的方法适当地进行，直至所需部分的纤维素转化为水溶性衍生

物。适宜地，使用酸的处理进行至多96小时，优选少于24小时，更优选 少于5小时，并且最优选少于！小时。

本发明的方法可以在任何合适的温度进行。当然，纤维素与离子液体 的混合必须在离子液体实际上为液体的温度下进行。如果需要，可以通过 加热将随后与酸的反应加速；例如，该反应可以在50至20(TC,优选70 至15(TC,例如卯至95"C范围内的温度进行。可以通过任何合适方法， 例如使用常规热方法、微波加热或使用其它来源，如超声或红外辐射完成 加热。优选该反应在大气压下进行。

在本发明的方法中使用的离子液体为由阳离子和阴离子组成，并且在

150'c以下，优选ioo'c以下，例如在-io(TC至i5or:，优选-io至ioot:的

范围内的温度为液态的化合物。必需的是，所述离子液体应当能够将至少 部分纤维素溶解，或者应当能够将至少部分纤维素溶剂化。当以生物质的 形式使用纤维素时，溶剂化通常导致生物质的溶胀，并且在处理生物质时， 这可以是优选的操作模式。

作为选择，可以选择纤维素在其中易于溶解的离子液体。关于纤維素 与离子液体的混合，可以将条件选择为使得纤维素被离子液体溶剂化：基 本上全部纤维素溶解，从而形成均匀溶液；或部分纤维素溶解而部分保持 未溶解。特别是在后一种情况中，如果需要，可以通过任何适合的方法将 残余固体材料从纤维素在离子液体中的溶液中除去。作为选择，可以不经 另外的处理而使用混合物。适宜地，选择其中只发生溶剂化或溶解，即在 纤维素不衍生的情况下的溶剂化或溶解的离子液体。当然，在本发明的方 法所使用的强酸的存在下，离子液体应当是充分惰性的；含有中和酸的碱 性基团的离子液体是不适宜的。

离子液体的阴离子必须为卤化物（氯化物、溴化物或碘化物）或氰酸 根（OCN —)。阴离子优选为卤化物，最优选为氯化物。最令人吃惊的是, 已经发现以前表现出溶解纤維素的含其它阴离子如羧酸根的离子液体的 使用不导致令人满意的纤維素的水解。

在US 6,284,599中公开了在本发明的方法中所使用的离子液体中可以 存在的优选阳离子。离子液体的阳离子优选为环状的，优选包含选自下列中的任选取代的阳离子：吡啶鎗、哒嗪鑰、嘧啶鎿、吡嗪鎗、咪唑鎗、吡 唑絲、噁唑鑰、三唑鐵、噻唑鏠、哌徒鐵、妣咯烷鎗、喹啉鑰和异喹啉絲； 并且其结构优选与选自下列中的式相对应-

吡啶鏠 哒嗪鑰 嘧啶鐡 吡嗪鑰

咪唑鑰 吡唑鎗 噁唑鍮

1,2，3-三唑鎗 1,2,4-三唑鎗 噻唑:

a*

喹啉鑰 异喹啉

其中R'和^独立为d-C6烷基或C,-C6烷氧基垸基，并且当存在R3、 R4、r5、 r6、 r7、 R8和r9 (r3-R9)时，R3-R9独立地选自氢、CrC6烷基、CrC6 垸氧基烷基或CVC6烷氧基。更优选地，W和W基团均为C,-C4烷基，其 中--个优选为甲基，并且当存在113-^时,W-W优选为氢。示例性的C，-C6 烷基包括甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、仲丁基、异丁基、戊基、异 戊基、己基、2-乙基丁基、2-甲基戊基等。相应的C,-C6烷氧基包含结合 在氧原子上的上述C,-C6烷基，该氧原子还结合在阳离子环上。烷氧基烷 基包含结合到烷基上的醚基，并且在此包含总共至多六个碳原子。应当指 出存在两种同分异构的1,2,3-三唑。优选所有对于形成阳离子不需要的R 基团为氢。

因为不是所有阳离子都具有全部的编号基团，因此对于取代基R，在 此使用短语"当存在时"。所有被考虑的阳离子包含至少四个R基团，但 是f不需要在所有阳离子中存在。

更优选包含不与其它环结构稠合的单个五元环的阳离子，例如，特别 优选式A的咪唑鎗阳离子，其中R1、 W和RS-RS如前面所限定；优选离子 液体中的阴离子为上述所给出的那些中的一种，特别是卤素或拟卤素。

更特别优选的阳离子为1，3-二- (C，-C6烷基或C，-C6烷氧基烷基）取 代的咪唑鑰离子：即，这样的咪唑鎗离子，其中式A的R、RS各自为氢， 并且R1和f各自独立为C,-C6烷基或C,-Qi烷氧基烷基。还更优选1,3-二-C，-C6烷基R,或R2中的一个为甲基。

最优逸的是1- (CrCr烷基）-3-甲基-咪唑鎗[01-11^,其中n - l-6〗 阳离子。下面由结构与式B相符的化合物示出最优选的阳离子，其中式A 的R3-R5各自为氢，并且R1为Q-C6烷基或CrQi烷氧基烷基。也优选与上述讨论的咪唑鏺阳离子相似的吡啶鐡阳离子，例如1-Cr6 烷基吡啶鑰阳离子。因此，特别优选的阳离子为l-甲基-3-C,-6烷基咪唑鏺 或1- C,-6烷基吡啶鐵阳离子。C^垸基优选为d-4烷基，例如甲基或乙基。

典型地，将纤维素以至少5重量％的量，优选以5至约35重量％,例 如5至25重量％,特别是10至约25重量％的量与离子液体混合。

在化学计量上，对于纤维素中的每一个单体单元，水解反应需要存在 —摩尔当量的水。纤维素本身含有-定量的水，精确的量取决于纤维素的 来源和物理形态：制备的纤维素通常含有至少10-15重量％的水。如果使 用酸水溶液，则更多的水被加入反应混合物中。然而，反应混合物中过高 的水量可能导致纤维素在离子溶液中的溶解度降低，和/或纤维素向水溶性 水解产物的转化率降低。反应体系中的总含水量优选为使得水与纤維素的 重量比为1:1至1:20,优选1:5至1:15,特别为约1:10这样的总含水量。

如果需要，反应混合物中，可以与纤维素和离子液体一起存在额外的 与离子液体相容的共溶剂，例如，以改变反应混合物的粘度。适合的溶剂 包括非碱性极性溶剂，例如二甲亚砜、二甲基甲酰胺和环丁砜。

如前所述，纤維素可以被精制，或者直接得自纤维素生物质、城市垃 圾或其它来源。纤维素的水解的水溶性产物包括（a)具有3至10个D-葡萄糖单元的水溶性低聚糖；（b)纤维素二糖；（c)单糖，如葡萄糖和果 糖；以及（d)葡萄糖衍生物，如左旋葡聚糖、左旋葡萄糖酮 (levoghicose加ne)、 3-乙酰丙酸、甲酸、2-糠醛、5-羟甲基-2-糠醛、5-甲基 -2-糠醛、2，3-丁二酮、乙醇醛、乙二醛、2-呋喃基-羟甲基酮和丙酮醛 (pynwal)。一般而言，使用本发明的方法可获得的大部分所需产物是葡萄

糖和/或其水溶性低聚物。

当纤维素向产物的转化进行到所霈程度时，可以通过任何合适的方法

对反应混合物进行处理。例如，可以向反应混合物加入水或其它溶剂，如 醇，例如乙醇，以沉淀出任何残余纤维素或任何不溶性的水解产物。当离子液体为亲水性的并且加入水时，可以制备离子液体和水溶性水解产物的 水溶液。优选地，在本发明的方法中至少部分回收并再利用在本发明的方 法中所使用的离子液体。如果需要，可以通过任何合适方法分离任何固体 材料,例如包含未溶解或未转化的纤维素和/或不溶于水的纤维素水解产物 的固体材料，并且如果需要，将其再循环到方法的起点。

作为选择，可以在处理反应产物所需的任何后续步骤中直接使用反应 混合物或其任何部分。

在本发明方法的一个优选实施方案中，进行所形成产物的后续处理以 制备适于用作生物燃料的低级醇，特别是乙醇。因此，在另外的一个实施 方案中，本发明提供用于制备-•-种或多种醇的方法，所述方法包括：混合 纤维素以及能够将至少 一些所述的纤维素溶剂化或溶解的离子液体，所述 离子液体为仅包含阳离子和阴离子的化合物，所述化合物在150t以下的 温度以液态形式存在，并且其中所述阴离子选自卤化物和氰酸根；和在水 的存在下，将所得到的溶剂化物或溶液用酸处理，所述酸在25P的水中具 有小于2的pKa;以及将所得到的产物的至少一部分转化为一种或多种醇。 例如可以通过发酵将水溶性的纤维素水解产物转化为醇。以下实施例阐明 了本发明。

实施例1

向配备有高架搅拌器和半月形桨叶的250 mL圆底烧瓶中的90t的熔 融氯化l-乙基-3-甲基咪唑鎗（[Crmim】Cl) (25 g, Fhika)加入纤维状纤 维素（2.5 g, AMrich),并且将其在100ipm搅拌约两小时，以提供溶解 的纤维素的粘性均匀溶液。将l mL浓盐酸加入搅拌的纤维素溶液，随后 将其在400 .rpm搅拌30分钟。在此期间，可以直接依据反应混合物的粘 度的减小来观测长链纤维素聚合物的断裂。将样品从反应混合物中取出， 用蒸馏水猝灭并进行分析。纤维素的45%已被转化为具有葡萄糖端基的水 溶性产物。

实施例2

使用与实施例1相同的方法，将2.5 g纤维状纤維素溶解于25 g

12fCrmim]Cl (Fluka，工业级），随后将温度降低至72'C,并且加入1 mL 浓盐酸。80分钟后，将反应混合物的样品在水中猝灭并进行分析。纤维素 的37%已被转化为具有葡萄糖端基的水溶性产物。

实施例3

将25 g [Crmira]Cl (Fhika,工业级）加热至卯"t:直至熔融。将2.5 g 纤维状纤维素（Aldrieh)缓慢地加入热的、搅拌的离子液体中，并且搅拌 直至纤纟银素粉末的至少大部分已溶解。向反应混合物中缓慢地加入1 mL 50重量y。的硫酸水溶液，确保完全分散，以将纤維素与非均匀棍合物中的 局部含水区域接触时的再沉淀最小化。30分钟后，将反应混合物的样品在 水中猝灭并进行分析。纤维素的58%已被转化为具有葡萄糖端基的水溶性

实施例4

使用与实施例3中相同的方法，将2.5 g纤维状纤维素溶解于25 g 〖C2-mim]Cl (Fhika,工业级），并随后与1 mL浓硝酸反应。30分钟后， 将反应浪合物的样品在水中猝灭并进行分析。纤维素的4P/n已被转化为具 有葡萄糖端基的水溶性产物。

实施例5

使用与实施例3中相同的方法，将2.5 g纤维状纤维素溶解于25 g 〖Crmto】CKFluka,工业级)，并随后与1 mL75重量。/。的硫酸水溶液反应。 30分钟后，将反应混合物的样品在水中猝灭并进行分析。纤维素的45% 已被转化为具有葡萄糖端基的水溶性产物。

实施例6

使用与实施例3中相同的方、法，将1.25 g纤维状纤維素溶解于25 g [C2-mim〗CKFluka,工业级〉，并随后与3mL50重量^的硫酸水溶液反应。 30分钟后，将反应混合物的样品在水中猝灭并进行分析。所有纤维素已被 转化为具有葡萄糖端基的水溶性产物。实施例7

使用与实施例3中相同的方法，将2.2 g纤维状纤维素溶解于25 g [Crmim]Cl (Huka,工业级），并随后与1 mL三氟甲磺酸水溶液（1.95 mL 溶解于10 mL水中）反应。30分钟后，将反应混合物的样品在水中猝灭 并进行分析。纤維素的39%已被转化为具有葡萄糖端基的水溶性产物。

实施例8

将未处理的蒲苇(Owtofe，甸生物质粉碎并通过0.5 mm的筛网筛选。 随后在1001C将0.5 g加入10 g氯化l-乙基-3-甲基咪唑鑰和0.5 raL浓硫 酸的混合物。在此温度下搅拌5分钟后，取出样品，并通过与3,5-二硝基 水杨酸的反应进行分析。该分析表明具有葡萄糖端基的水溶性产物的收率

为n%。

实施例9

在卯'C将2.23 g纤维状纤维素加入25 g氯化l-乙基吡啶鐵，并且搅 拌直至观察到溶解。加入1 mL 50重量％的硫酸水溶液。12分钟后，分析 表明生成所需产物的转化率为10%。

实施例10 (对比）

在卯"将0.2 g纤维状纤维素溶解于2 g乙酸l-乙基-3-甲基咪唑鑰 盐。向其加入0.1mL浓盐酸，并且在5、 15、 30、 60和卯分钟后对反应 混合物取样。通过折射率HPLC或通过DNS分析没有检测到葡萄糖产物。

实施例U (对比）

在U(TC将0.25g纤维状纤维素溶解于2g乙酸l-乙基-3-甲基咪唑鐡。 向其加入OJ mL浓盐酸，并且在5、 15、 30、卯和l抑分钟后对反应混 合物取样。通过折射率HPLC或通过DNS分析没有检测到葡萄糖产物。