La présente invention décrit un procédé industriel de production du 5-hydroxyméthylfurfural à partir de sucres cétoses tels que le fructose, le tagatose, le psicose, le sorbose, le tagatose par isomérisation de sucres aldoses tels que le rhamnose, le fucose, le lactose, le galactose, le mannose, l'allose, l'idose, le talose, l'altrose, le gulose ou le glucose, puis déshydratation des mélanges d' aldoses et cétoses.

Le 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) est une matière première pour la chimie. Il peut être transformé en 2,5 diméthyle furàn qui est un biocarburant liquide. Il peut aussi être converti en acide 2,5 furan dicarboxylique qui peut servir à remplacer l'acide téréphtalique dans la production de polyesters.

Différentes voies de synthèse sont envisageables pour obtenir le 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) . La synthèse du HMF est basée sur une triple déshydratation acido- catalysée de sucres hexoses sous leur forme monomère, principalement le glucose et le fructose.

Il a été décrit qu'il était possible d'obtenir le HMF directement à partir de polysaccharides , notamment à partir de la cellulose, d'amidon ou d' inuline, ou de glucose, mais la meilleure méthode décrite à ce jour est celle basée sur la déshydratation du fructose. En effet, lorsque la déshydratation est menée sur un céto-hexose, tel que le fructose, la réaction est plus efficace et sélective. Cependant, l'utilisation de cette voie est aujourd'hui limitée par le coût du fructose, supérieur à celui du glucose. A partir d' aldo-hexoses (tels que le glucose), 1' isomérisation en céto-hexose est l'étape limitante du processus. L'obtention du HMF directement à partir de polysaccharides ou de glucose requiert alors l'emploi de catalyseurs métalliques souvent toxiques, tels que ceux à base de chrome, notamment pour obtenir des rendements en HMF supérieurs à 50%. Ces catalyseurs peuvent être utilisés en solution (catalyse homogène) , ce qui rend leur récupération problématique. Un procédé de préparation de HMF consommant des métaux de transition, nobles ou précieux, n'est donc pas viable sur le plan industriel. Une forme solide de catalyseur permet une récupération plus aisée par simple filtration ou centrifugation, mais cette récupération est très souvent partielle. De plus, derrière la formation du HMF, la déshydratation peut conduire à des coproduits, tels que des polymères insolubles, appelés humines ou acides humiques. Dans un procédé industriel, il est très important de trouver les conditions opératoires permettant d'éviter la formation de coproduits, qui entraînent une diminution de la sélectivité, mais également peuvent boucher le réacteur ou désactiver le catalyseur .

L'accès à une source économique de fructose utilisable pour la préparation du HMF permettrait de lever ces inconvénients .

Industriellement, le fructose est obtenu par isomérisation du glucose avec une enzyme telle que la glucose isomérase. Dans les conditions industrielles, la conversion à l'équilibre est de 50%, ce qui rend nécessaire un processus de séparation chromatographique afin d'obtenir le produit industriel, un sirop contenant 55% de fructose. L'enzyme est utilisée sous une forme immobilisée. Elle est préparée au niveau industriel sous la forme de colonne, dont la durée de demi-vie n'excède pas 200 jours, ce qui rend le procédé peu flexible et la productivité de l'enzyme faible. De plus, les sirops obtenus doivent aussi être conservés, de façon à éviter toute contamination par des traces d'enzyme. Ces inconvénients limitent l'utilisation de sirops riches en fructose pour la production de HMF.

La préparation de fructose peut aussi être envisagée par isomérisation du glucose par action de catalyseurs chimiques. L ' isomérisation en solution aqueuse des aldoses par action de bases, telles que Ca(OH) ₂ , NaOH, KOH, MgO, CaO est connue depuis longtemps. Cette réaction d ' isomérisation, est connue sous le nom de Conversion de Lobry de Bruyn-Van Ekenstein d'après le nom de ses inventeurs (Rec. Trav. Chim. Pays-Bas 1895 (14) 203) . Malgré l'utilisation de catalyseurs peu onéreux, ces procédés présentent les inconvénients d'être peu productifs (utilisation de solutions aqueuses de glucose peu concentrées : inférieur à 10% en poids), d'utiliser des concentrations de catalyseur élevées (de 10 à 25% en poids par rapport au glucose) et de dégrader les sucres de façon aléatoire, donnant ainsi de faibles rendements et nécessitant des étapes complexes d'extraction, afin d'éliminer les produits de dégradation.

Une autre famille de procédés utilise l'aluminate de sodium (voir les brevets US 3 256 270 et FR 2 862 973) . Ces procédés, bien que permettant d'obtenir des rendements plus élevés et des produits plus purs, ne sont pas acceptables industriellement à cause des grandes quantités de catalyseur utilisées (jusqu'à 1 équivalent en poids par rapport au glucose) et de la difficulté liée à l'élimination du catalyseur en fin de réaction par filtration. Cette étape peut se trouver facilitée si elle est réalisée à basse température et qu'elle est précédée par une étape de neutralisation permettant de transformer le catalyseur en une forme moins soluble dans l'eau. De plus, la réutilisation du catalyseur après retraitement n'a pas été démontrée. Cette stratégie n'est donc pas envisageable économiquement, puisque le catalyseur ne peut, sans retraitement préalable, être réutilisé dans une réaction d' isomérisation . JP 4360693A décrit la préparation de sucres cétoses par isomération d'un sucre de type aldose avec, comme catalyseur, une xylose isomérase dans un solvant cntenant de l'eau et du butanol .

En dépit des nombreuses recherches réalisées jusqu'à ce jour, un procédé efficace de production du HMF utilisant une source économique de sucre, tel que le glucose, reste à trouver. Afin de pallier les nombreux inconvénients liés à l'étape d'obtention de cétoses, tels que le fructose, il était utile de mettre au point un procédé simple et économique de préparation de fructose ou de cétoses utilisables pour la production du HMF.

Le but de la présente invention est ainsi de remédier aux inconvénients des procédés connus.

Un premier aspect de l' invention concerne un procédé de préparation de sucres cétoses. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il consiste à solubiliser dans au moins un solvant, au moins un sucre de type aldose, ou une solution ou une suspension dans l'eau de ce sucre, puis de mettre en contact la solution obtenue avec un catalyseur, afin de convertir 1 ' aldose en cétose par une réaction d ' isomérisation puis, éventuellement, à sécher la solution de sucres obtenue. Lorsqu'un catalyseur solide est utilisé, le mélange de sucres obtenu est récupéré après élimination du catalyseur par filtration ou centrifugation . La solution de sucres peut alors être utilisée dans une réaction de déshydratation pour la préparation de HMF.

II a été constaté que ce procédé d ' isomérisation d'aldose en cétose permettait d' atteindre des sélectivités en cétose pouvant atteindre 100%. De plus, lorsqu'un catalyseur hétérogène est utilisé, tel qu'un catalyseur à base de sels d'aluminium, la filtration est facilitée et est réalisée sans neutralisation préalable. Le catalyseur ainsi récupéré peut être réutilisé directement dans une nouvelle réaction d' isomérisation . Le procédé ne consomme alors pas de métal, comme c'est le cas dans l'état de l'art.

Une voie préférée de l'invention consiste, dans le cas de l'utilisation d'un catalyseur hétérogène et d'une solution ou dispersion d'aldose dans l'eau, à placer le milieu réactionnel sous vide partiel avant l'opération de filtration du catalyseur. Ainsi, le milieu réactionnel ne contient qu'une faible quantité d'eau ce qui facilite la récupération du catalyseur par filtration et le rend ainsi réutilisable sans retraitement.

De préférence, également, l'aldose est choisi parmi le glucose, le galactose, le mannose, le rhamnose, le fucose, le lactose.

Avantageusement, on utilisera une source anhydre d'aldose. Cependant, la quantité d'eau tolérable dans le procédé d' isomérisation pourra être comprise entre 0,5 et 90% en poids par rapport au poids d'aldose et de préférence entre 0,5 et 35% en poids par rapport au poids d' aldose . On utilisera comme solvant, tout solvant permettant de solubiliser le sucre ou la solution ou dispersion aqueuse de sucre. Parmi les solvants utilisables, on citera le DMSO, les polyols, tels que le propylène glycol, l'éthylène glycol, le glycérol ou un de ses dérivés, le dioxane, les alcools, tels que 1 ' isopropanol , les alcools amyliques, le tertio butanol, le butanol, l'éthanol et le méthanol .

On préférera tout particulièrement le DMSO, le butanol ou 1 ' isopropanol .

On préférera également les mélanges de DMSO et de propylène glycol ou d'éthylène glycol.

Le catalyseur pourra être homogène, c'est-à-dire soluble dans le milieu réactionnel, ou hétérogène, c'est-à-dire dispersé dans le milieu réactionnel. Comme catalyseurs on utilise, les bases aqueuses telles que Ca(OH) ₂ , NaOH, KOH, MgO, CaO. On citera également les catalyseurs à base d'aluminium, tels que l'aluminate de sodium ou de potassium, les sels d' étain, de fer, de zinc ou de titane, les zéolithes, les argiles ou montmorillonites , les spinelles.

Dans le cas de l'utilisation de base aqueuse, la proportion molaire de base ajoutée à la solution organique d'aldose est comprise entre 0,01 et 1 et, de préférence, comprise entre 0,01 et 0,07 par rapport à 1 ' aldose .

Dans le cas de l'utilisation d'un catalyseur hétérogène, la proportion molaire de base ajoutée à la solution organique d'aldose est comprise entre 0,1 et 1 et, de préférence, comprise entre 0,5 et 0,7 par rapport à l'aldose. Bien que le procédé puisse être utilisé sur un large éventail de températures et de durées, la conversion de 1 ' aldose en cétose est réalisée à une température comprise entre 15 et 70°C pendant 0,5 à 20 h et de préférence entre 50 et 55°C pendant 2 à 4 h.

Avantageusement, une fois la réaction d' isomérisation terminée, on éliminera l'eau du milieu réactionnel sous pression réduite de préférence entre 1 et 500 mbars et à une température, de préférence, inférieure à 70°C. L'élimination de l'eau se fera, de préférence, avant l'opération de filtration du catalyseur hétérogène le cas échéant .

Un second aspect de l'invention concerne l'utilisation des solutions organiques obtenues par le procédé d' isomérisation décrit précédemment pour la préparation de HMF. Notamment, on pourra mettre en contact la solution organique de sucres comportant les cétoses avec un catalyseur acide, afin de réaliser la déshydratation en HMF. Cette réaction, pour des considérations économiques, se fera avantageusement dans le même solvant ou mélange de solvants que celui utilisé pour 1' isomérisation . On pourra, cependant, ajouter tout autre solvant supplémentaire permettant de réaliser la réaction de déshydratation. De préférence, on utilisera des solutions organiques de sucres obtenues par le précédent procédé d' isomérisation et ne comportant pas plus de 5% en poids d' eau et tout particulièrement ne comportant pas plus de 2% en poids d' eau . De préférence également, on utilisera comme catalyseur l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique. La quantité de catalyseur acide ajouté est, de préférence, choisie de façon à obtenir un pH compris entre 1 et 2,5 d'une solution aqueuse comportant 10% de la solution organique de sucres. Bien que la réaction de déshydratation puisse être réalisée sur un large éventail de températures et de durées, la conversion des sucres en HMF est, de préférence, réalisée à une température comprise entre 50 et 170°C pendant 0,5 à 24 h. De préférence, la réaction sera réalisée à pression atmosphérique, mais peut également être réalisée sous pression réduite. Cette réaction pourra être réalisée dans un réacteur agité chauffé, mais elle pourra également être réalisée à l'aide d'un réacteur à activation micro-ondes. Un autre mode avantageux de réalisation de l'invention, et ceci en constitue un troisième aspect, consiste en un procédé de préparation du HMF, caractérisé en ce qu' il consiste à solubiliser dans au moins un solvant, au moins un sucre de type aldose, ou une solution ou une suspension dans l'eau de ce sucre, puis de mettre en contact la solution organique obtenue avec au moins un catalyseur hétérogène, afin de convertir l' aldose en cétose par une réaction- d ' isomérisation réalisée de préférence à pression atmosphérique, à une température comprise de préférence entre 40 et 70°C pendant 4 à 20 h. Le mélange de sucres obtenu est séché à une température inférieure à 70°C sous pression réduite, puis il est récupéré après élimination du catalyseur par filtration. Le catalyseur solide est alors directement réutilisable dans une nouvelle réaction d' isomérisation sans prétraitement. On pourra ensuite, éventuellement, ajouter un solvant ou un mélange de solvants, de façon à obtenir une solution organique de sucre comportant de 5 à 15% en poids de sucres. Tout particulièrement, on préférera obtenir cette concentration de sucres par ajout de DMSO, de butanol ou d' isopropanol . On ajoute ensuite un catalyseur acide, tel que l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique à la solution de sucres obtenue de façon à obtenir un pH compris entre 1 et 2,5, puis à placer la solution de sucres acide à une température comprise entre 50 et 170°C, éventuellement sous pression réduite, jusqu'à obtention d'une solution organique de HMF. De préférence, on utilisera comme catalyseur hétérogène de l'aluminate de sodium dans une concentration molaire comprise de préférence entre 0,5 et 1 équivalent par rapport à l'aldose de départ.

De préférence, on utilisera comme solvant ou mélange de solvants, le DMSO, l' isopropanol, un mélange de DMSO et d' éthylène glycol ou de propylène glycol pour la réaction d' isomérisation .

Un autre mode avantageux de réalisation de l'invention, et ceci en constitue un quatrième aspect, consiste en un procédé de préparation du HMF n'utilisant pas de métal de transition, et caractérisé en ce qu' il consiste à solubiliser dans au moins un solvant, au moins un sucre de type aldose, ou une solution ou une suspension dans l'eau de ce sucre, puis d'ajouter à la solution organique obtenue au moins un catalyseur basique choisi parmi les hydroxydes ou oxydes alcalins ou alcalino-terreux, tels que Ca(0H) ₂ , NaOH , KOH, MgO, CaO, de préférence, dans des concentrations comprises entre 0,02 et 0,1 équivalent molaire par rapport à l'aldose, afin de convertir l'aldose en cétose par une réaction d ' isomérisation réalisée, de préférence, à une température comprise entre 40 et 70°C à pression atmosphérique pendant 4 à 10 h. Le mélange de sucres obtenu est, éventuellement, séché à une température inférieure à 70°C sous pression réduite. Avant, ou après l'opération de séchage, on pourra, éventuellement, ajouter un solvant ou mélange de solvants de façon à amener la concentration en sucres entre 5 et 15% en poids. On préférera, tout particulièrement, atteindre cette concentration par ajout de D SO, de butanol ou d' isopropanol . Ensuite, on ajoute à la solution de sucres un catalyseur, tel que l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique, de façon à obtenir un pH compris entre 1 et 2,5. Puis, on place la solution de sucres acide à une température comprise entre 50 et 170°C, éventuellement sous pression réduite, jusqu'à obtention d'une solution organique de HMF. De préférence, on préférera utiliser comme solvant ou mélange de solvants, le DMSO, le butanol, 1 ' isopropanol , un mélange de DMSO et d' éthylène glycol ou de propylène glycol pour la réaction d' isomérisation .

Il a été constaté que dans les deux derniers aspects du procédé de préparation du HMF, la dégradation des sucres est très limitée au point d'obtenir des rendements en HMF pouvant atteindre 96%. De plus, dans le dernier cas, aucun catalyseur métallique onéreux ou toxique n' est utilisé, ni consommé, ce qui en facilite la mise en œuvre au niveau industriel pour des raisons à la fois économiques et environnementales.

Enfin, les solutions organiques de HMF obtenues peuvent être utilisées directement ou après élimination des solvants dans d'autres réactions de transformation du HMF, notamment dans des réactions d'oxydation pour par exemple produire de l'acide furan 2,5 dicarboxylique , du 2,5 diformyl furan ou de l'acide ou de l'anhydride maléique. Il est également possible d'utiliser le HMF pour la production d'acide formique, d'acide succinique, d'acide lévulinique. Le HMF peut également être hydrogéné en diméthyle furan.

5 Afin d'illustrer le procédé correspondant à la présente invention, les exemples suivants sont rapportés.

Exemple 1 : Procédé de préparation de cétoses à partir d' aldose

Protocole :

10 On prépare une solution organique comprenant 100 g de glucose et éventuellement de l'eau. La suspension ou solution obtenue est chauffée sous agitation jusqu'à 55°C. On ajoute ensuite le catalyseur d' isomérisation . La température est maintenue à 55°C pendant 3 h.

15 La composition en aldose résiduel et en cétose basée sur l'extrait sec de la solution organique de sucres est mesurée par HPLC.

Tableau 1 : Résumé des essais

Essai Eau (g) Solvants (g) Catalyseur (éq. mol.)*

1 0 DMSO (120) NaOH (0,07)

2 43 DMF/Propylène glycol (36/84) NaOH (0,07)

3 43 DMA/Propylène glycol (36/84) NaOH (0,07)

4 43 CH ₃ CN/Propylène glycol (36/84) NaOH (0,07)

5 0 DMSO (120) NaAIO, (0,7)

6 43 DMSO/propylène Glycol (36/84) NaA10 ₂ , (0,7)

7 43 DMSO (120) NaOH (0,07)

8 43 DMSO (120) NaA10 ₂ (0,7)

9 43 Glycérol (120) NaAIO, (0,7)

10 163 DMSO / Glycérol (36/84) NaA10 ₂ (0,7)

11 163 - NaOH (0,07)

12 43 DMSO/Propylène glycol (36/84) KOH (0,07)

13 43 DMSO/Propylène glycol (36/84) _ +

14 43 DMSO/propylène Glycol (36/84) NaOH (0,07)

15 43 Isopropanol/Propylene glycol (36/84) NaOH (0,07)

15 43 Isopropanol/Propylene glycol (36/84) NaOH (0,07)

16 43 ^■ Isopropanol (120) NaOH (0,07) Equivalent molaire par rapport à l'aldose introduit Catalyseur récupéré à l'essai 6. Le catalyseur est récupéré à l'essai 6 après séchage préalable du milieu réactionnel à 60°C sous 50 mbar pendant 1 h.

Tableau 2 : Résultat des essais

Exemple 2 : Procédé de préparation du H F à partir de cétoses et d' aldoses

Protocole :

A une solution organique de sucre issue du procédé

10 d' isomérisation précédent, éventuellement, on sèche la solution organique par mise sous pression réduite à 50 mbar à une température de 60°C pendant 1 h, jusqu'à obtention d'une quantité d'eau inférieure à 5% en poids (séchage préalable dans le tableau 3). On ajoute ensuite

15 éventuellement du DMSO (dilution 1/5), puis on ajoute de l'acide chlorhydrique de façon à amener le pH d'une solution aqueuse à 10% de solution organique de sucres issue de 1 ' isomérisation à une valeur comprise entre 1 et 2,5. La solution acide de sucre est ensuite chauffée soit pendant 2 mn au micro-onde à une puissance de 700 Watts, soit à l'aide d'un bain d'huile pendant 1 h à 150°C à pression atmosphérique.

La conversion des sucres et le rendement en- HMF basée sur l'extrait sec de la solution organique de sucres sont mesurés par HPLC.

Tableau 3 : Résumé des essais

Tableau 4 : Résultats des essais

* Rendement basé sur la quantité initiale de sucres Exemple 3 : Procédé de préparation du HMF à partir d' aldose

Protocole On prépare une solution organique comprenant 100 g d' aldose et éventuellement de l'eau. La suspension ou solution obtenue est chauffée sous agitation jusqu'à 55°C. On ajoute ensuite du DMSO (dilution 1/5), puis on ajoute de l'acide chlorhydrique de façon à amener le pH d'une solution aqueuse à 10% de solution organique de sucres issue de 1 ' isomérisat ion à une valeur comprise entre 1 et 2,5. La solution acide de sucre est ensuite chauffée pendant 1 h à 150°C à pression atmosphérique.

La conversion des sucres et le rendement en HMF basée sur l'extrait sec de la solution organique de sucres sont mesurés par HPLC.

Tableau 5 : Résumé des essais

* Equivalent molaire par rapport à l' aldose introduit. Solvant : Eau/DMSO/Propylène glycol (43 g / 36 g /84 g) Exemple 4 : Utilisation du HMF de l'exemple 2 pour la production d'acide furan 2 , 5-dicarboxylique

La solution de l'essai 6 de l'exemple 2 est placée sous vide (1 mbar) à 90°C pendant 12 h. Le résidu est repris à l'acétate d' éthyle (3 fois 100 ml) filtré, puis le filtrat évaporé. 2 g de résidu HMF ainsi obtenu ayant une pureté de 98% sont dissous dans 113 g d'eau. Cette solution est alors introduite progressivement et avec agitation dans un réacteur en verre contenant 0,54 g d'un catalyseur à base de platine, préparé selon la demande de brevet FR 266963. Le pH de la solution est continuellement maintenu à une valeur de 10 par ajout d'une solution aqueuse de soude à 30,5%. Une pression d'oxygène de 1,5 bar est appliquée au mélange et le milieu réactionnel est placé à 80°C pendant 14 h.

L'évolution de la réaction est suivie par Chromatographie Liquide Haute Performance (CLHP),. les produits étant détectés au moyen d'un spectrophotomètre . En fin de réaction, le catalyseur est séparé du milieu réactionnel par filtration. La phase liquide, incolore, est analysée par CLHP. L'analyse quantitative par étalonnage interne permet de doser le FDA. Le FDA est récupéré selon la technique suivante : on acidifie le milieu réactionnel jusqu'à pH = 1 par addition d'acide chlorhydrique concentré, on sépare le précipité par filtration, on le lave à l'eau froide et on le sèche. La poudre obtenue est pesée et le rendement molaire global est de 0,82 mole de FDA par mole de HMF introduit. La pureté du FDA cristallisé est vérifiée par HPLC et RMN ; elle est supérieure à 99%.

Exemple 5 : Utilisation du HMF de l'exemple 2 pour la production d'anhydride maléique

La solution de l'essai 6 de l'exemple 2 est placée sous vide (1 mbar) à 90°C pendant 12 h. Le résidu est repris à l'acétate d'éthyle (3 fois 100 ml) filtré, puis le filtrat évaporé. 945 mg de résidu HMF ainsi obtenu ayant une pureté de 98% sont dissous dans 15 ml d'un solvant contenant 99% en poids d' acétonitrile et 1% en poids d'acide acétique. Cette solution est alors introduite progressivement dans un réacteur autoclave contenant 99 mg de vanadyl acétylacétonate : [VO (acac) ₂ ] · Une pression d'oxygène de 5 bars est appliquée sur le réacteur et le milieu réactionnel est placé à 90°C pendant 4 h.

L'évolution de la réaction est suivie par Chromatographie Liquide Haute Performance (CLHP) , les produits étant détectés au moyen d'un spectrophotomètre . En fin de réaction, le catalyseur est séparé du milieu réactionnel par filtration. La phase liquide, incolore, est analysée par CLHP. L'analyse quantitative par étalonnage interne permet de doser l'anhydride maléique.

Le filtrat est ensuite évaporé et la poudre obtenue est pesée. Le rendement molaire global est de 0,5 mole d'anhydride maléique par mole de HMF introduit.