BR112017027815B1

BR112017027815B1 - Método de produção de 2,4-dihidroxibutirato

Info

Publication number: BR112017027815B1
Application number: BR112017027815-4A
Authority: BR
Inventors: Jonathan STAPLEY; David Genders
Original assignee: Dynamic Food Ingredients Corporation
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2021-12-21
Also published as: WO2016210281A1; EP3313808A4; RU2743228C2; CA2989434A1; US10377691B2; US11578029B2; RU2017144646A; US20200002260A1; CN107683274A; EP3313808A1; US20210114964A1; US10882812B2; JP2018520138A; CA2989434C; KR20180021791A; RU2017144646A3; BR112017027815A2; US20180162798A1; JP6806716B2; KR102643377B1

Abstract

método para a produção de ácido 2,4- dihidroxibutírico. são revelados métodos para a produção de 2,4-dihidroxibutirato (2,4-dhb) a partir de eritrose e outros açúcares de quatro carbonos. os métodos aprimorados facilitam a produção de 2,4-dhb que é um precursor para produtos químicos biorrenováveis e de nutrição animal, entre outros.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A invenção refere-se à produção de 2,4-dihidroxibutirato a partir de eritrose e outros carboidratos de quatro carbonos.

ANTECEDENTES

[002] O 2,4-dihidroxibutirato (também referido como 2,4-DHB ou DHB) é um intermediário quiral altamente útil e de considerável interesse econômico. O DHB pode ser facilmente convertido em α-hidroxi-Y-butirolactona em meio aquoso ajustando ao pH apropriado. A a-hidroxi—Y—butirolactona é um precursor proeminente para a produção do 2-hidroxi-4-(metiltio)-butirato (HMTB) substituído com metionina, como descrito no Pedido de Patente dos EUA 2009/0318715, que possui um grande mercado de nutrição animal. O DHB também é um precursor promissor para produtos químicos biorrenováveis, como o 3—hidroxipropanal, ácido 3—hidroxipropiônico, 3—propanodiol e ácido malônico. O DHB foi produzido usando abordagens complexas de engenharia metabólica como descrito na publicação de pedido de patente dos EUA N° 2013/0273623, publicação de pedido de patente Europeia N°s 2841584 A2 e 2872640 A1. Tais abordagens de engenharia metabólica requerem matérias— primas caras e condições de reação complexas. Outras rotas sintéticas têm usado matérias—primas caras, tais como HMTB, como descrito na Publicação do Pedido de Patente dos EUA N° 2013/0204016 A1. Ainda existe uma necessidade de métodos econômicos viáveis para produzir DHB.

[003] A reação de açúcares em condições alcalinas tem sido estudada desde o século XIX. Os açúcares reagem com o hidróxido em vias complicadas tanto na presença de oxigênio como em condições anaeróbicas. Por exemplo, a glicose ou a frutose reagem com o gás oxigênio em uma solução de água alcalina (ver, por exemplo, como descrito na US 4,125,559 e US 5,831,078), onde a ligação de carbono 1-2 é quebrada, produzindo predominantemente ácido fórmico (do carbono 1) e ácido arabinônico (dos carbonos 2-6). Além disso, grandes quantidades de ácidos de cadeias de carbono mais curtas também são produzidas como descrito em Tapani Vuorinen, "Cleavage of the Intermediate Hydroperoxides in the Oxidation of D-Glucose and D-Fructose with Oxygen,"Carbohydrate Research, 141 (1985): 319-332. As reações anaeróbicas de açúcares em condições alcalinas são geralmente denominadas degradações e resultam em misturas complexas de produtos de reação que são difíceis de analisar, mas que incluem pequenas quantidades de DHB, conforme descrito em Byung Yun Yang e Rex Montgomery, "Alkaline Degradation of Glucose: Effect of Initial Concentration of Reactants,"Carbohydrate Research 280 (1996): 27-45, and J. F. Harris, "Alkaline Decomposition of D-Xylose-1-14C, D-Glucose-1-14C, and D-Glucose-6-14C,"Carbohydrate Research 23, (July 1972): 207-215. Além disso, compostos, como a cor caramelo Classe I, são criados reagindo a glicose com hidróxido em condições anaeróbicas. Sob condições alcalinas mais leves, sabe-se que a glicose se isomeriza meramente em frutose, como descrito na Patente dos EUA 3,256,270. Como o oxigênio é discretamente solúvel na água, muitas vezes ocorrem degradações quando exposta à atmosfera.

[004] Ainda existe uma necessidade na técnica de métodos econômicos para a produção de DHB a partir de açúcares de quatro carbonos tais como a eritrose. A eritrose em si é um açúcar de quatro carbonos raro que recentemente tem sido produzido em grande escala por descarboxilação eletroquímica, como descrito na Publicação do Pedido de Patente dos EUA N° 2007/0181437. A presente divulgação fornece um método de conversão de açúcares de quatro carbonos em DHB de quatro carbonos reagindo os açúcares em uma solução alcalina.

SUMÁRIO

[005] Em um aspecto, é divulgado um método de produção de 2,4- dihidroxibutirato que inclui a mistura de um açúcar de quatro carbonos e um sal de hidróxido em solução. Em algumas modalidades, o açúcar de quatro carbonos pode ser a treose ou a eritrulose. Em algumas modalidades, a temperatura da solução é mantida abaixo de 100°C. Em algumas modalidades, o açúcar de quatro carbonos é diluído suficientemente para resultar em um rendimento molar de DHB que seja superior a 40%. O açúcar de quatro carbonos pode ser diluído com uma solução contendo DHB. Em algumas modalidades, o método é realizado num sistema de reator contínuo. Em algumas modalidades, a concentração de hidróxido da solução pode estar entre cerca de 0,1 M e cerca de 4 M.

[006] Em algumas modalidades, o método inclui a remoção de oxigênio da solução. O oxigênio pode ser removido por ventilação da solução com um gás selecionado dentre nitrogênio, argônio e misturas dos mesmos. O oxigênio também pode ser removido por ventilação da solução com hidrogênio.

[007] Em algumas modalidades, o açúcar de quatro carbonos é a eritrose. A eritrose pode ser diluída com uma solução contendo um ou mais outros sais de ácidos orgânicos. A eritrose pode ser diluída com uma solução contendo DHB.

DESCRIÇÃO DETALHADA Definições

[008] "Eritrose" refere-se a um aldeído de carboidrato de aldose (tetrose) com a fórmula química C4H8O4, incluindo quaisquer estereoisômeros, derivados e análogos do mesmo. Salvo indicação do contrário, a recitação de "eritrose" aqui é destinada a incluir, sem limitação, as moléculas: D-(-)- eritrose, L(+)- eritrose, D-eritrose, L-eritrose e meso-eritrose. Uma projeção Fischer da estrutura de D-eritrose (1) é mostrada abaixo.

[009] "Treose" refere-se a um aldeído de carboidrato de aldose (tetrose) com a fórmula química C4H8O4, incluindo quaisquer estereoisômeros, derivados e análogos do mesmo. Salvo indicação do contrário, a recitação de "treose" aqui é destinada a incluir, sem limitação, as moléculas: D-(-)-treose, L(+)-treose, D- treose, L-treose, e meso-treose.

[0010] "Eritrulose" refere-se a um aldeído de carboidrato de cetose (tetrulose) com a fórmula química C4H8O4, incluindo quaisquer estereoisômeros, derivados e análogos do mesmo. Salvo indicação do contrário, a recitação de "eritrose" aqui é destinada a incluir, sem limitação, as moléculas: D-(-)-eritrulose, L(+)-eritrulose, D-eritrulose, L-eritrulose.

[0011] O "2,4-dihidroxibutirato"(também conhecido como 2,4-DHB ou DHB) é um ácido orgânico e refere-se ao ácido tetrônico de carboidrato com a fórmula química C4H8O4, ou um sal do mesmo, incluindo quaisquer estereoisômeros, derivados e análogos do mesmo. Salvo indicação do contrário, a recitação de “2,4-dihidroxibutirato"(também conhecido como 2,4-DHB ou DHB) aqui é destinada a incluir, sem limitação, as moléculas: (S)-2,4- dihidroxibutirato, (R)-2,4-dihidroxibutirato, meso 2,4-dihidroxibutirato e 3- deoxitetronato.

[0012] Tal como aqui utilizado, "derivado" refere-se a uma versão modificada quimicamente ou biologicamente de um composto químico que é estruturalmente semelhante a um composto precursor e (efetivamente ou teoricamente) derivável a partir desse composto precursor. Um derivado pode, ou não, ter propriedades químicas ou físicas diferentes do composto precursor. Por exemplo, o derivado pode ser mais hidrofílico ou pode ter reatividade alterada em comparação com o composto precursor. A derivatização (isto é, modificação) pode envolver a substituição de uma ou mais porções dentro da molécula (por exemplo, uma alteração no grupo funcional) que não altera substancialmente a função da molécula para uma finalidade desejada. O termo "derivado"também é usado para descrever todos os solvatos, por exemplo, hidratos ou adutos (por exemplo, adutos com álcoois), metabólitos ativos e sais do composto precursor. O tipo de sal que pode ser preparado depende da natureza das porções dentro do composto. Por exemplo, os grupos ácidos, por exemplo, os grupos de ácido carboxílico, podem formar, por exemplo, sais de metais alcalinos ou sais de metais alcalino-terrosos (por exemplo, sais de sódio, sais de potássio, sais de magnésio e sais de cálcio, e também sais de íons de amônio quaternário e sais de adição de ácido com amônia e aminas orgânicas fisiologicamente toleráveis tais como, por exemplo, trietilamina, etanolamina ou tris-((2-hidroxietil)amina). Os grupos básicos podem formar sais de adição de ácido, por exemplo, com ácidos inorgânicos tais como ácido clorídrico, ácido sulfúrico ou ácido fosfórico, ou com ácidos carboxílicos orgânicos e ácidos sulfônicos tais como ácido acético, ácido cítrico, ácido benzoico, ácido maleico, ácido fumárico, ácido tartárico, ácido metanossulfônico ou ácido p- toluenossulfônico. Os compostos que contêm simultaneamente um grupo básico e um grupo ácido, por exemplo, um grupo carboxil, além dos átomos de nitrogênio básicos, podem estar presentes como zwitterions. Os sais podem ser obtidos por métodos comuns conhecidos dos especialistas na técnica, por exemplo, combinando um composto com um ácido ou base inorgânica ou orgânica num solvente ou diluente, ou a partir de outros sais por troca catiônica ou troca aniônica.

[0013] Como aqui utilizado, "análogo"refere-se a um composto químico que é estruturalmente semelhante ao outro, mas difere ligeiramente na composição (como na substituição de um átomo por um átomo de um elemento diferente ou na presença de um grupo funcional particular), mas pode ou não ser derivável do composto precursor. Um "derivado" difere de um "análogo"no sentido que um composto precursor pode ser o material de partida para gerar um "derivado", enquanto o composto precursor pode não ser necessariamente usado como material de partida para gerar um "análogo".

[0014] Todas as faixas de concentração, faixa de porcentagem ou faixa de proporção aqui citadas devem ser entendidos para incluir concentrações, percentagens ou proporções de qualquer número inteiro dentro dessa faixa e suas frações, tais como um décimo e um centésimo de um número inteiro, a menos que indicado de outra forma. Além disso, qualquer faixa de números aqui recitada relacionada a qualquer característica física, tais como subunidades de polímero, tamanho ou espessura, deve ser entendido como incluindo qualquer número inteiro dentro da faixa recitada, a menos que seja indicado o contrário. Deve ser entendido que os termos "um" e "uma" como usado acima e em outro lugar aqui referem-se a "um ou mais" dos componentes enumerados. Por exemplo, “um” polímero refere-se a um polímero ou a uma mistura que compreende dois ou mais polímeros. Tal como aqui utilizado, o termo "cerca" refere-se a diferenças que são insubstanciais para o propósito ou função relevante.

Conversão alcalina

[0015] O processo de conversão de açúcares de quatro carbonos em DHB é descrito abaixo. Em algumas modalidades, um açúcar de quatro carbonos pode ser fornecido como uma solução à qual o íon hidróxido é adicionado na forma de um sal de metal alcalino, metal alcalino-terroso ou sal de amônio, ou solução salina. O rendimento de DHB nestas reações é muito influenciado pela concentração do açúcar e a concentração de hidróxido. A uma dada temperatura, a redução da concentração do açúcar de quatro carbonos resulta em rendimentos aumentados de DHB, e maior concentração de hidróxido resulta em rendimentos aumentados de DHB. Na mesma concentração de hidróxido, o aumento da temperatura resulta em rendimentos aumentados de DHB. Em algumas modalidades, a eritrose pode ser fornecida como o açúcar de quatro carbonos. Em outras modalidades, treose e eritrulose podem ser fornecidas como o açúcar de quatro carbonos. Em uma modalidade, a solução é purgada com um gás tal como nitrogênio, hidrogênio ou argônio ou misturas dos mesmos para remover o oxigênio da solução.

[0016] Em algumas modalidades, a conversão alcalina de um açúcar de quatro carbonos em DHB por introdução de uma solução do açúcar de quatro carbonos em um reator contínuo contendo solução suficiente para diluir o açúcar de quatro carbonos resulta em rendimentos elevados de DHB. Em tal reator, o açúcar de quatro carbonos poderia ser diluído por uma solução contendo sal de hidróxido, DHB e/ou outros sais de ácidos orgânicos. O reator inclui os meios para manter a solução em temperatura específica, e os meios para introduzir a solução do açúcar de quatro carbonos, uma solução de sal de hidróxido e os meios para remover o produto.

Exemplos Exemplo 1

[0017] Foi fornecida uma solução de 153 gramas de eritrose por litro em água. A Tabela 1 fornece os resultados de experimentos em que o volume indicado da solução de eritrose foi adicionado em 10 ml de hidróxido de sódio 1 M em água. As misturas foram agitas durante 60 minutos à temperatura indicada. Tabela 1

Exemplo 2

[0018] Foi fornecida uma solução de 156 gramas de eritrose por litro em água. Adicionou-se 1 mL da solução de eritrose em 100 mL da solução de hidróxido indicada na Tabela 2 e agitou-se a 40°C durante 60 minutos. Tabela 2

Exemplo 3

[0019] Foi fornecida uma solução de 153 gramas de eritrose por litro em água. Adicionou-se 1 mL da solução de eritrose em 100 mL de uma solução de hidróxido de sódio 4 M que também tinha uma concentração do sal de ácido orgânico arabonato de sódio de 2,4 M. A solução foi misturada durante 60 minutos a 40°C. O DHB foi quantificado mostrando um rendimento molecular superior a 58%.

Exemplo 4

[0020] Foi fornecido um reator de 100 ml contendo NaOH 4 M e aquecido a 50°C. Foi fornecida uma solução de 80 gramas de eritrose por litro em água. Adicionou-se 1 mL da solução de eritrose ao reator por minuto e adicionou-se NaOH 45% a uma taxa de 0,19 mL por minuto. Adicionou-se 1 ml da solução de eritrose a uma solução de hidróxido de sódio 4 M e agitou-se sob argônio. A solução foi mantida a 30°C durante 60 min. O volume do reator foi mantido constante durante todo o experimento. Após 4 horas, a solução no reator foi analisada por HPLC e DHB foi quantificado mostrando um rendimento molecular de 46%.

Exemplo 5

[0021] Foi fornecido um reator de alta pressão de 1 L com um misturador para arraste de espaço superior com eixo oco. Foi fornecido 700 mL de uma solução de NaOH 4 M e o reator foi aquecido a 50°C. O reator foi então pressurizado com os gases descritos na Tabela 3 a 750 psi (5,17 MPa). Adicionou- se 7 mL de uma solução de 136 g por L de eritrose ao reator. Após 60 minutos, as soluções foram então analisadas por HPLC. Tabela 3

Exemplo 6

[0022] Foram adicionados 100 mg de treose em 50 mL de uma solução de hidróxido de sódio 4 M e agitou-se a 40°C durante 60 minutos. O DHB foi quantificado mostrando um rendimento molecular superior a 56%.

Exemplo 7

[0023] Foi fornecida uma solução de 152 gramas de eritrulose por litro em água. Adicionou-se 1 mL da solução de eritrose em 100 mL de solução de NaOH 2M. A solução foi então agitada a 50°C durante 15 min. O DHB foi quantificado mostrando um rendimento molecular de 65%.

Exemplo 8

[0024] Foi fornecida uma solução de 136 gramas de eritrose por litro em água. Adicionou-se 1 mL da solução de eritrose em 200 mL de solução de NaOH 4M sob um espaço livre de hidrogênio. A solução foi então agitada a 40°C durante os tempos indicados na Tabela 4. Os rendimentos de DHB também são reportados na Tabela 4. Tabela 4

Exemplo 9

[0025] Foi fornecida uma solução de 132 gramas de eritrose por litro em água. Adicionou-se 1 mL da solução de eritrose em 100 mL de BaOH 1 M. A solução foi então agitada a 60°C durante 100 min. O DHB foi quantificado mostrando um rendimento molecular de 20%.

Exemplo 10

[0026] Foi fornecida uma solução de 135 gramas de eritrose por litro em água. Adicionou-se 1 mL da solução de eritrose em 100 mL de solução de NaOH com uma concentração indicada na Tabela 5. A solução foi então agitada a 50°C durante 35 min. O DHB foi quantificado mostrando um rendimento molecular indicado na Tabela 5. Tabela 5

Exemplo 11

[0027] Foi fornecida uma solução de 135 gramas de eritrose por litro em água. Adicionou-se 1 mL da solução de eritrose em 100 mL de solução saturada de hidróxido de chumbo. A solução foi então agitada a 50°C durante 60 min. O DHB foi quantificado e não havia DHB presente na solução de reação.

[0028] Será evidente para os especialistas na técnica que a invenção não se limita aos detalhes dos exemplos ilustrativos anteriores e que a presente invenção pode ser incorporada em outras formas específicas sem se afastar dos atributos essenciais da mesma, e é portanto, desejado que as presentes modalidades e exemplos sejam considerados em todos os aspectos como ilustrativos e não restritivos, sendo feita referência às reivindicações anexas, em vez da descrição anterior, e todas as mudanças que se enquadram no significado e na faixa de equivalência das reivindicações são destinadas a serem incorporadas aqui. DECLARAÇÕES 1. Um método de produção de 2,4-dihidroxibutirato, compreendendo: misturar um açúcar de quatro carbonos e um sal de hidróxido em solução. 2. O método de 1, em que o açúcar de quatro carbonos é eritrose. 3. O método de 1, em que o açúcar de quatro carbonos é treose ou eritrulose. 4. O método de qualquer um de 1-3, em que a concentração de hidróxido da solução está entre 0,1 M e 4 M. 5. O método de qualquer um de 1-4, em que a temperatura da solução é mantida abaixo de 100°C. 6. O método de qualquer um de 1-5, em que o açúcar de quatro carbonos é diluído suficientemente para resultar num rendimento molar de DHB que seja superior a 40%. 7. O método de qualquer um de 1-6, em que o açúcar de quatro carbonos é diluído com uma solução contendo DHB. 8. O método de qualquer um de 1-7, em que a eritrose é diluída com uma solução contendo um ou mais de outros sais de ácidos orgânicos. 9. O método de qualquer um dos 7-8, em que o método é realizado em um sistema de reator contínuo. 10. O método de qualquer um de 1-9, compreendendo adicionalmente a remoção de oxigênio da solução. 11. O método de 10, em que o oxigênio é removido pela ventilação da solução com um gás selecionado dentre o grupo que consiste em nitrogênio, argônio e misturas dos mesmos. 12. O método de 10, em que o oxigênio é removido por ventilação da solução com hidrogênio.

Claims

1. Método de produção de 2,4-dihidroxibutirato (DHB), caracterizado pelo fato de que compreende: misturar um açúcar de quatro carbonos e um sal de hidróxido em solução, em que o açúcar de quatro carbonos é eritrose, treose ou eritrulose, e o sal de hidróxido é hidróxido de sódio.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o açúcar de quatro carbonos é treose ou eritrulose.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura da solução é mantida abaixo de 100°C.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o açúcar de quatro carbonos é diluído suficientemente para resultar em um rendimento molar de DHB que seja superior a 40%.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o açúcar de quatro carbonos é diluído com uma solução contendo DHB.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o método é realizado em um sistema de reator contínuo.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a concentração de hidróxido da solução está entre 0,1 M e 4 M.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a temperatura da solução é mantida abaixo de 100°C.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o açúcar de quatro carbonos é diluído com uma solução contendo DHB.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a remoção de oxigênio da solução.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o oxigênio é removido por ventilação da solução com um gás selecionado do grupo que consiste em: nitrogênio, argônio e misturas dos mesmos.

12. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o oxigênio é removido por ventilação da solução com hidrogênio.

13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o açúcar de quatro carbonos é eritrose.

14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a eritrose é diluída com uma solução contendo um ou mais de outros sais de ácidos orgânicos.

15. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o método é realizado em um sistema de reator contínuo.

16. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a eritrose é diluída com uma solução contendo DHB.

17. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a temperatura da solução é mantida abaixo de 100°C.

18. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a eritrose é diluída com uma solução contendo um ou mais de outros sais de ácidos orgânicos.

19. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o método é realizado em um sistema de reator contínuo.

20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente a remoção de oxigênio da solução.