專利名稱：一種利用廢棄生物質(zhì)制備5-硝基-2-糠酸酯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種硝基呋喃類藥物的制備方法，特別涉及ー種利用廢棄生物質(zhì)制備 5-硝基-2-糠酸酯的方法。
背景技術(shù)：
糠醛，又稱為2-呋喃甲醛，分子式C5H4O2,是呋喃2位上的氫原子被醛基取代的衍生物，是呋喃環(huán)系最重要的衍生物?？啡┓肿咏Y(jié)構(gòu)中具有呋喃環(huán)和醛基，化學(xué)性質(zhì)活潑，可以進(jìn)行多種化學(xué)反應(yīng)，制得多種衍生物，是極為重要的有機(jī)化工原料，也是制備多種藥物和 エ業(yè)產(chǎn)品的原料?？啡┑闹苽涫怯晌炀厶窃谒嶙饔孟滤馍晌焯?，再由戊糖脫水環(huán)化而成。生產(chǎn)原料有玉米芯、甘蔗渣、棉籽殼、稻殼等，來源豐富，價格便宜。目前世界上生產(chǎn)糠醛的方法有硫酸法、醋酸法、鹽酸法、無機(jī)鹽法，我國生產(chǎn)的糠醛95%以上采用硫酸法。如公開號為CN1858043的中國發(fā)明專利公開了ー種利用植物秸稈擠壓制取糠醛的方法，將植物秸稈切割成2-4cm的顆粒段，打捆、儲存后，將植物秸稈顆粒段混酸后用螺旋擠壓給料器連續(xù)的將植物秸稈擠壓后裝入水解釜中，擠壓出來的稀酸重新返回到混酸機(jī)中進(jìn)行混酸，在水解釜內(nèi)通入水蒸氣；再將水解過程中得到的糠醛原液引入后續(xù)エ序，經(jīng)初餾塔提取毛醛后在糠醛連續(xù)精制設(shè)備內(nèi)精制得到糠醛。本發(fā)明方法生產(chǎn)穩(wěn)定可靠、降低了糠醛生產(chǎn)成本，提高了糠醛得率，保證了糠醛質(zhì)量，擴(kuò)大了糠醛生產(chǎn)原料范圍，為エ業(yè)化生產(chǎn)糠醛和植物秸稈的綜合利用提供了現(xiàn)實(shí)途徑?？匪?，又稱β -呋喃羧酸或呋喃甲酸，由糠醛經(jīng)氧化而制得，可用作防腐劑、殺菌劑，也用于制造香料等。由糠醛氧化制備糠酸的方法多祥，一般常在堿性介質(zhì)中采用較溫和的氧化條件，如康尼查羅法、高錳酸鉀法、重鉻酸鉀法、次氯酸鈉法、過氧化鈉法、純氧法等。 這些方法一般需要采用Ag、Au、Pt、Pd的氧化物作為催化劑，或再加入Cu、Ti、Ce、Th、Fe、 Νη、Ca、Ni、Co、Bi、Sb的氧化物作為助催化劑。同濟(jì)大學(xué)化學(xué)系王元正在1984年《化學(xué)世界》中公開名稱為由糠醛氧化制備2-呋喃甲酸，以空氣催化氧化法制備糠酸，其以硝酸銀作為催化劑，以氧化銅、氧化錳、氧化亞銅或氧化鈣作為助催化劑，在30-55°C進(jìn)行反應(yīng)，糠酸最高產(chǎn)率達(dá)88.0%。硝基呋喃類藥物(Nitrofurans)是ー類合成的抗菌藥物，它們作用于微生物酶系統(tǒng)，抑制乙酰輔酶A，干擾微生物糖類的代謝，從而起抑菌作用。目前在醫(yī)療上應(yīng)用較廣者有呋喃西林(化學(xué)名為5-硝基-2-呋喃甲醛縮氨基服)、呋喃妥因(化學(xué)名為1-[[(5_硝基-2-呋喃基)亞甲基]氨基]-2，4_咪唑烷ニ酮)和呋喃唑酮(化學(xué)名為[3-(5-硝基糠醛縮氨基)-2-惡唑烷酮])。呋喃西林只供局部應(yīng)用，而后兩者則可供系統(tǒng)治療應(yīng)用。然而硝基呋喃類藥物很不穩(wěn)定，容易生成具有致癌作用代謝物。5-硝基-2-糠酸酷，是糠醛經(jīng)氧化、硝化、酷化工藝制得，是ー種先進(jìn)的醫(yī)藥中間體，該產(chǎn)品可作為生產(chǎn)非抗生素類抗菌藥物的前體化合物，其衍生制劑在抗病毒、抗菌、 消炎方面療效顯著。Kupchik EJ等人研究了抗菌劑5-硝基-2-糠酸酯的合成及抗菌活性，將5-硝基-2-糠酸與相應(yīng)的雙(三有機(jī)錫)氧化物或羥化物反應(yīng)，制備了五種抗菌劑5-硝基-2-糠酸酷，其中制備的(三丁基錫)5-硝基-2-糠酸酯是ー種優(yōu)良的抗真菌劑， 對10種測試真菌中的6種具有完全抑制作用，此外新合成的5-硝基-2-糠酸酯化合物還具有抗菌作用，尤其是抗革蘭氏陽性菌(Kupchik EJ, Pisano MA et al. Synthesis and antimicrobial activity of triorganotin 5-nitro-2-furoates[J]. J Pharm Sci,1982, 71(3) :311-314)。目前，糠醛的生產(chǎn)主要以富含半纖維素的原料，如玉米芯、燕麥殼、棉籽糠殼、米糠殼等，采用常壓高溫酸水解技木，主要的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)エ藝有Ouaker燕麥間歇エ藝、中國式 エ藝、Agrifurane法、Roni-Sebara法等，這些エ藝均存在生產(chǎn)時間長、設(shè)備腐蝕、廢液污染等問題。由于生產(chǎn)的原料受到限制，而且僅利用了其中的半纖維素，沒有對其它成分進(jìn)行合理的利用，從而造成糠醛生產(chǎn)的成本較高，抑制了其下游產(chǎn)品的開發(fā)，如5-硝基-2-糠酸酯類產(chǎn)品都需要從國外進(jìn)ロ。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題提供ー種利用廢棄生物質(zhì)制備5-硝基-2-糠酸酯的方法。本發(fā)明使用的原料范圍廣，制備的5-硝基-2-糠酸酯類產(chǎn)品純度高，結(jié)晶度好，應(yīng)用范圍廣泛。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提供ー種利用廢棄生物質(zhì)制備5-硝基-2-糠酸酷的方法，包括如下順序進(jìn)行的步驟1)將廢棄生物質(zhì)進(jìn)行酸水解反應(yīng)制得糠醛；2)將糠醛與氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)制得糠酸；3)將糠酸與硝酸鹽進(jìn)行硝化反應(yīng)制得5-硝基-2-糠酸；4)將5-硝基-2-糠酸與醇進(jìn)行酯化反應(yīng)制得5-硝基-2-糠酸酷。其中，所述廢棄生物質(zhì)包括大豆秸稈、玉米秸稈、玉米芯、甘蔗渣、燕麥殼、棉籽糠殼、米糠殼、葵花殼、蘆葦?shù)?。特別是，步驟1)中將廢棄生物質(zhì)加工成生物質(zhì)漿料后，用濃硫酸對生物質(zhì)漿料進(jìn)行所述的酸水解，其中生物質(zhì)漿料與濃硫酸的重量配比為100 1-5，生物質(zhì)漿料的含水率為 60-65%。尤其是，步驟1)中所述酸水解反應(yīng)分兩步進(jìn)行，其中第一歩酸水解的溫度為 200-260°C，絕對壓カ為1.8-2. 6Mpa，反應(yīng)時間為10-20分鐘；第二步酸水解的溫度為 180-220°C，絕對壓カ為1. 0-1. 6Mpa，反應(yīng)時間為15-20分鐘；第一歩酸水解主要是將廢棄生物質(zhì)中的半纖維素轉(zhuǎn)化為糠醛，第二步酸水解主要是將廢棄生物質(zhì)中的纖維素轉(zhuǎn)化成乙酰丙酸，兩步水解有利于廢棄生物質(zhì)的充分利用。特別是，收集到的糠醛總混合氣體依次經(jīng)過氣渣分離器、蒸餾塔、分醛罐、中和罐以及真空蒸餾塔后，制得糠醛。其中，步驟2、包括如下順序進(jìn)行的步驟A)將糠醛溶解于堿性溶液中，制得糠醛堿溶液；B)在銅銀鈰復(fù)合催化劑的作用下，將糠醛堿溶液與氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，制得氧化反應(yīng)混合物；C)將氧化反應(yīng)混合物過濾后進(jìn)行酸化處理，制得糠酸。
其中，步驟A)中所述堿性溶液選自氫氧化鈉溶液、碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液、碳酸鉀溶液、氫氧化鉀溶液、醋酸鈉溶液、醋酸鉀溶液中的一種，優(yōu)選為氫氧化鈉溶液或碳酸氫鈉溶液；所述堿性溶液的摩爾濃度為l_4mol/L。其中，步驟B)中所述銅銀鈰復(fù)合催化劑包括氧化銅、氧化銀和氧化鈰，其中氧化銅的質(zhì)量百分比含量為80-90%，氧化銀的質(zhì)量百分比含量為3-5%，氧化鈰的質(zhì)量百分比含量為5-14% ；特別是，銅銀鈰復(fù)合催化劑在使用前用氫氣進(jìn)行還原處理，其中還原處理的溫度為180-250°C，還原時間為10-20小時；尤其是，步驟B)中銅銀鈰復(fù)合催化劑與糠醛的重量配比為0.5-1. 5 100 ；所述氧化反應(yīng)的溫度為70-80°C，絕對壓カ為0. 1-0. 2MPa，反應(yīng)2_4h。其中，步驟C)中所述酸化處理包括用酸將過濾后濾液的pH值調(diào)至2. 5-3，所述酸為質(zhì)量百分比濃度為30-65%的硝酸溶液。特別是，酸化處理后用冰的CaCl2溶液進(jìn)行冷卻，析出結(jié)晶，制得糠酸。其中，步驟幻中糠酸與硝酸鹽的摩爾比為1 2-5，所述硝化反應(yīng)的溫度為 300-500°C，絕對壓カ為22j6Mpa，反應(yīng)時間為2_10分鐘。特別是，所述硝酸鹽為硝酸鉀，其摩爾濃度為0. 1-0. 4mol/L。尤其是，步驟3)包括將糠酸與硝酸鹽進(jìn)行硝化反應(yīng)后的混合物降溫至 240-250°C，排出糠酸及小分子氣體后，水洗過濾除掉不溶雜質(zhì)，于120°C蒸干后，再用乙醇洗滌去除硝酸鹽，制得5-硝基-2-糠酸。其中，步驟4)中5-硝基-2-糠酸與醇在酯化酶的作用下進(jìn)行所述酯化反應(yīng)，其中 5-硝基-2-糠酸與醇的摩爾比為1 2-10，酷化反應(yīng)的溫度為43-47°C，反應(yīng)時間為對-48 小吋。特別是，所述醇選自甲醇、乙醇或丙醇，優(yōu)選為乙醇。本發(fā)明另一方面提供一種按照上述方法制備的5-硝基-2-糠酸酷。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用廢棄生物質(zhì)為原料制備5-硝基-2-糠酸酷，不僅可以變廢為寶，減少環(huán)境污染，節(jié)約生產(chǎn)成本，同時拓寬了廢棄生物質(zhì)的應(yīng)用范圍，制備的5-硝基-2-糠酸酯可作為非抗生素類抗菌藥的中間體，應(yīng)用廣泛；2、本發(fā)明對廢棄生物質(zhì)采用兩步酸水解，第一歩酸水解將廢棄生物質(zhì)中的半纖維素轉(zhuǎn)化為糠醛，第二步酸水解將廢棄生物質(zhì)中的纖維素轉(zhuǎn)化成乙酰丙酸，兩步水解有利于廢棄生物質(zhì)的充分利用；3、本發(fā)明對糠酸進(jìn)行硝化的系統(tǒng)為超臨界條件，硝化時間短，僅需2-10分鐘即可獲得高收率的產(chǎn)品；此外本發(fā)明采用固定化酯化酶進(jìn)行酯化反應(yīng)，反應(yīng)條件溫和，制備的 5-硝基-2-糠酸酯類產(chǎn)品純度高，結(jié)晶度好。


圖1為本發(fā)明利用廢棄生物質(zhì)制備5-硝基-2-糠酸酯的エ藝流程圖。具體實(shí)施例方式本發(fā)明中所用的原料為廢棄生物質(zhì)，包括大豆秸稈、玉米秸稈、玉米芯、甘蔗渣、燕麥殼、棉籽糠殼、米糠殼、葵花殼、蘆葦?shù)龋槐景l(fā)明采用的聚酯纖維紡織品膜固定化酯化酶(金驕7871固定化酯化酶)購自金驕特種新材料(集団)有限公司，主要參數(shù)為酶活力> 30000，酶活力保存率為95%，砷含量彡0. 0003%，有效物質(zhì)含量為99%，重金屬彡0. 004%，適用pH范圍為6. 5-9. 5，溫度為 25-550C ο實(shí)施例1一、制備糠醛1、原料預(yù)處理將含水率為15%的玉米秸稈粉碎為0. 5-lcm的碎段后，加入自來水?dāng)嚢杌靹颍频煤蕿?5%的生物質(zhì)漿料，其中自來水與玉米秸稈的重量配比為1 1;2、第一歩酸水解反應(yīng)將上述生物質(zhì)漿料放入預(yù)混罐，向罐內(nèi)加入濃硫酸(質(zhì)量百分比濃度為98% )，混合均勻后用柱塞式高壓泵將漿料硫酸混合液送入第一反應(yīng)器，在反應(yīng)器底部通入高溫高壓蒸汽，使第一反應(yīng)器內(nèi)的溫度和壓カ升高，進(jìn)行第一歩酸水解反應(yīng)，得到第一歩到酸水解混合物，其中生物質(zhì)漿料與濃硫酸的重量配比為10 3，第一歩酸水解反應(yīng)的溫度為200°C， 絕對壓カ為2. 2Mpa，反應(yīng)時間為20分鐘；第一歩酸水解產(chǎn)物為含有糠醛、少量燃?xì)饧八羝幕旌蠚怏w，以及含有粗油、木質(zhì)殘渣及未反應(yīng)的生物質(zhì)原料的固液混合物，其中混合氣體從第一反應(yīng)器頂部排出，固液混合物進(jìn)入閃蒸塔進(jìn)行進(jìn)一步處理；將第一歩酸水解處理得到的固液混合物送入閃蒸塔中進(jìn)行閃蒸處理，得到糠醛混合蒸汽和未氣化的閃蒸混合物，糠醛混合蒸汽從塔頂排出，閃蒸混合物從塔底排出后進(jìn)行第二步酸水解反應(yīng)，其中閃蒸處理的溫度為200°C，絕對壓カ為0. IMpa ；第一歩酸水解過程中發(fā)生的反應(yīng)的反應(yīng)式如下
,^濃硫酸
豐纖錐素- 多聚戊糖
1S0-2601C i 1.8-2.6Mpa
> 一一. 濃硫酸多聚戊糖-糠酲
Ig0-2601C, l.S^.iMjm3、第二步水解反應(yīng)將閃蒸混合物用柱塞式高壓泵送入到第二反應(yīng)器，在第二反應(yīng)器底部通入高溫高壓蒸汽，使第一反應(yīng)器內(nèi)的溫度和壓カ升高，進(jìn)行第二步酸水解反應(yīng)，得到第二步酸水解反應(yīng)混合物，其中第二步酸水解反應(yīng)的溫度為180°C，絕對壓カ為1.4Mpa，反應(yīng)時間為15分鐘；第二步酸水解反應(yīng)產(chǎn)物中含有糠醛、甲酸、乙酰丙酸和木質(zhì)素殘渣；將第二步酸水解反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)冷卻系統(tǒng)冷卻到140°C，送入重力沉降分離器進(jìn)行沉降分離，分離器頂部排出的水、糠醛及甲酸等易揮發(fā)物形成糠醛混合蒸汽，分離器底部的乙酰丙酸、木質(zhì)素等殘渣形成殘渣混合物；第二步酸水解過程中發(fā)生的反應(yīng)的反應(yīng)式如下
權(quán)利要求
1.ー種利用廢棄生物質(zhì)制備5-硝基-2-糠酸酯的方法，包括如下順序進(jìn)行的步驟1)將廢棄生物質(zhì)進(jìn)行酸水解反應(yīng)制得糠醛；2)將糠醛與氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)制得糠酸；3)將糠酸與硝酸鹽進(jìn)行硝化反應(yīng)制得5-硝基-2-糠酸；4)將5-硝基-2-糠酸與醇進(jìn)行酯化反應(yīng)制得5-硝基-2-糠酸酷。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，步驟1)中將廢棄生物質(zhì)加工成生物質(zhì)漿料后，用濃硫酸對生物質(zhì)漿料進(jìn)行所述的酸水解，其中生物質(zhì)漿料與濃硫酸的重量配比為 100 1-5。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在干，步驟1)中所述酸水解反應(yīng)分兩步進(jìn)行， 其中第一歩酸水解的溫度為200-260°C，絕對壓カ為1. 8-2. 6Mpa,反應(yīng)時間為10-20分鐘； 第二步酸水解的溫度為180-220°C，絕對壓カ為1. 0-1. 6Mpa，反應(yīng)時間為15-20分鐘。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，步驟2)包括如下順序進(jìn)行的步驟A)將糠醛溶解于堿性溶液中，制得糠醛堿溶液；B)在銅銀鈰復(fù)合催化劑的作用下，將糠醛堿溶液與氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，制得氧化反應(yīng)混合物；C)將氧化反應(yīng)混合物過濾后進(jìn)行酸化處理，制得糠酸。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在干，步驟A)中所述堿性溶液選自氫氧化鈉溶液、碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液、碳酸鉀溶液、氫氧化鉀溶液、醋酸鈉溶液、醋酸鉀溶液中的一種，所述堿性溶液的摩爾濃度為l-4mol/L。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在干，步驟B)中所述銅銀鈰復(fù)合催化劑包括氧化銅、氧化銀和氧化鈰，其中氧化銅的質(zhì)量百分比含量為80-90%，氧化銀的質(zhì)量百分比含量為3-5%，氧化鈰的質(zhì)量百分比含量為5-14% ；銅銀鈰復(fù)合催化劑與糠醛的重量配比為 0. 5-1. 5 100。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在干，步驟B)中所述氧化反應(yīng)的溫度為 50-100°C，絕對壓カ為0. 1-0. 2MPa，反應(yīng)時間為2_4h。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，步驟3)中糠酸與硝酸鹽的摩爾比為 1 2-5，所述硝化反應(yīng)的溫度為300-500°C，絕對壓カ為22_26Mpa，反應(yīng)時間為2_10分鐘。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在干，步驟4)中5-硝基-2-糠酸與醇在酯化酶的作用下進(jìn)行所述酯化反應(yīng)，其中5-硝基-2-糠酸與醇的摩爾比為1 2-10，酯化反應(yīng)的溫度為43-47°C，反應(yīng)時間為M-48小吋。
10.ー種5-硝基-2-糠酸酷，按照權(quán)利要求1-9任一所述方法制備而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用廢棄生物質(zhì)制備5-硝基-2-糠酸酯的方法，首先將廢棄生物質(zhì)進(jìn)行酸水解反應(yīng)制得糠醛；然后將糠醛與氧氣進(jìn)行氧化反應(yīng)制得糠酸；再將糠酸與硝酸鹽進(jìn)行硝化反應(yīng)制得5-硝基-2-糠酸；最后將5-硝基-2-糠酸與醇進(jìn)行酯化反應(yīng)制得5-硝基-2-糠酸酯。本發(fā)明使用的原料范圍廣，制備的5-硝基-2-糠酸酯類產(chǎn)品純度高，結(jié)晶度好。
文檔編號C07D307/71GK102558117SQ20111042152
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者張維, 頡二旺 申請人:北京金驕生物質(zhì)化工有限公司