(57)【要約】【構成】本発明は、少なくとも一の非プロトン性溶媒および少なくとも一の脱水触媒の存在下でフルクトース含有原料より5-ヒドロキシメチルフルフラールを合成するためのプロセスに関する。本プロセスでは、最大瞬間フルクトース濃度5.0 重量%のフルクトースが使用される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
5-ヒドロキシメチルフルフラールの製造のためのプロセスであって、少なくとも一のフルクトース含有糖供給原料を、少なくとも一の極性非プロトン性溶媒中で、均一系若しくは不均一系の有機又は無機のブレンステッド酸及びルイス酸より選ばれる少なくとも一の脱水触媒と接触させる工程を含み、前記工程が30℃〜175℃の間の温度でかつ0.0001 MPa〜8.0 MPaの間の圧力で実施され、この工程における瞬間フルクトース濃度が4.0重量%以下である、プロセス。
【請求項２】
瞬間フルクトース濃度が3.5重量%未満である、請求項1に記載のプロセス。
【請求項３】
瞬間フルクトース濃度の維持が、供給原料の逐次的又は連続的な導入によって行われる、前記請求項のいずれか1項に記載のプロセス
【請求項４】
供給原料が液状形態で、ブタン-2-オン、アセトン、無水酢酸、N,N,N',N'-テトラメチルウレア、ベンゾニトリル、アセトニトリル、メチルエチルケトン、プロピオニトリル、ヘキサメチルホスホルアミド、ニトロベンゼン、ニトロメタン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、スルホラン、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、炭酸プロピレン、γ-バレロラクトン、水、メタノール、エタノール、ギ酸及び酢酸より選択される追加溶媒の存在下に導入される、請求項3に記載のプロセス。
【請求項５】
供給原料が液状形態で、反応混合物の一部又は全部に対応する追加溶媒の存在下に導入される、請求項3に記載のプロセス。
【請求項６】
温度が40℃〜150℃である、前記請求項のいずれか1項に記載のプロセス。
【請求項７】
糖供給原料が、モノマー状、オリゴマー状又はポリマー状形態のフルクトースを含む、前記請求項のいずれか1項に記載のプロセス。
【請求項８】
供給原料が、フルクトース、スクロース、ケストース、フルクタン、オリゴフルクタン又はイヌリンから選択される、前記請求項のいずれか1項に記載のプロセス。
【請求項９】
供給原料が、溶媒/原料重量比が0.1〜200の間において導入される、前記請求項のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１０】
極性非プロトン性溶媒が、ブタン-2-オン、アセトン、無水酢酸、N,N,N',N'-テトラメチルウレア、ベンゾニトリル、アセトニトリル、メチルエチルケトン、プロピオニトリル、ヘキサメチルホスホルアミド、ニトロベンゼン、ニトロメタン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、スルホラン、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、炭酸プロピレン及びγ-バレロラクトンより選択される、前記請求項のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１１】
極性非プロトン性溶媒がジメチルスルホキシドである、前記請求項のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項１２】
均一系有機ブレンステッド酸触媒が、一般式R'COOH、R'SO2H、R'SO3H、(R'SO2)NH、(R'O)2PO2H、R'OHよりなる有機酸から選択されるとともに、R'が下記群より選ばれる、前記請求項のいずれか1項に記載のプロセス。
・アルキル:好ましくは1〜15個の炭素原子を含み、ヒドロキシル、アミン、ニトロ並びにハロゲン、好ましくはフッ素及びハロゲン化アルキルから選択される少なくとも一の置換基によって置換されているか、置換されていない
・アルケニル:ヒドロキシル、アミン、ニトロ、オキソ並びにハロゲン、好ましくはフッ素及びハロゲン化アルキルから選ばれる少なくとも一の基で置換されているか、置換されていない
・アリール:好ましくは5〜15個の炭素原子を含み、ヒドロキシル、アミン、ニトロ、オキソ並びにハロゲン、好ましくはフッ素及びハロゲン化アルキルから選ばれる置換基で置換されているか、置換されていない
・ヘテロアリール:好ましくは4〜15個の炭素原子を含み、ヒドロキシル、アミン、ニトロ、オキソ並びにハロゲン、好ましくはフッ素及びハロゲン化アルキルから選択される置換基で置換されているか、置換されていない
【請求項１３】
均一系無機ブレンステッド触媒が、HF、HCl、HBr、HI、H2SO3、H2SO4、H3PO2、H3PO4、HNO2、HNO3、H2WO4、H4SiW12O40、H3PW12O40、(NH4)6(W12O40) .xH2O、H4SiMo12O40、H3PMo12O40、(NH4)6Mo7O24.xH2O、H2MoO4、HReO4、H2CrO4、H2SnO3、H4SiO4、H3BO3、HClO4、HBF4、HSbF5、HPF6、H2FO3P、ClSO3H、FSO3H、HN(SO2F)2及びHIO3 から選択される、前記請求項のいずれか1項に記載のプロセス。
【請求項１４】
脱水触媒が、溶媒/触媒重量比が20〜10000の間において導入されるとともに、溶媒の重量がプロセスで用いる溶媒の総重量に対応する、前記請求項のいずれか1項に記載のプロセス。
【請求項１５】
少なくとも二の脱水触媒を用いるとともに、この脱水触媒のうちの少なくとも一つが塩素含有触媒である、前記請求項のいずれか1項に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、糖、具体的にはヘキソース、より具体的にはフルクトースの5-ヒドロキシメチルフルフラール(以下、5-HMFと略記する)への転化を、少なくとも一の極性非プロトン性溶媒の存在下及び一以上の触媒の存在下で行うための、特定の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
5-ヒドロキシメチルフルフラールはバイオマス由来の化合物であり、製薬産業や農芸化学、特殊化学における活性成分の前駆体として、多くの分野で経済的価値が認められている。近年では2,5‐フランジカルボン酸(FDCA)の前駆体としての使用にメリットがあるとされており、テレフタル酸の代替品として、ポリエステル繊維や汎用性プラスチック、可塑剤のモノマーとして利用されている。
【０００３】
5-HMFはヘキソースの脱水反応で生成することが長年に亘って知られており、多くの研究対象とされてきた。
【０００４】
特筆すべきは、糖の脱水を極性非プロトン性溶媒中で行う複数の研究であろう。とりわけ、糖の脱水反応をジメチルスルホキシド(DMSO)中で実施した研究に論及できる。本研究によると、DMSO中では糖の5-HMFへの転化選択性が殊更良好であり、糖を完全に5-HMFへと転化させることができる (5-HMFの側基が再水和してギ酸とレブリン酸を生ずることがない) 。
【０００５】
ところが、5-HMFのDMSO溶液の蒸留には問題があることもよく知られており、蒸留以外の分離技術を想定せねばならず、例えば仏国特許発明第2669635号明細書で詳しく説明されている。この特許では、DMSOに含まれる5-HMFの液/液抽出を水並びにジクロロメタン及びジエチルエーテルなどの有機溶媒の添加によって行う方法が説明されている。この分離方法に要するコストはDMSO中の5-HMFの濃度と反比例する(必要とされる水と溶媒の流速の減少や、液/液抽出器で必要とされる段数の減少が例示される)。斯くして、DMSO中で可能な限り濃縮した5-HMFの溶液を糖より製造できると有利である。
【０００６】
前記文献に記載の手順が糖の初期濃度をより高くした状態で繰り返されると選択性が顕著に損なわれるとの記録があり、特にフミンのように、経済的に価値がないばかりかリサイクルもできない副生成物が形成するとされる。例えばXuらによるRSCAdv.,2014,4,13434には、DMSO中でのフルクトースの脱水反応を、塩酸の存在下、5重量%のフルクトース DMSO溶液と30重量%のフルクトースDMSO溶液とを用いて行うことが記載されており、DMSO中の供給原料であるフルクトースの濃度を高めると、5-HMFのモル収率が88%から69%に落ち込むとされる。しかし、現実問題として、糖質バイオマス由来の供給原料には高コストが想定されるため、選択性のわずかな低下も許容されない。また、仏国特許発明第2669635号明細書で説明されているように、フミンのような副生物が存在すると5-HMFの抽出プロセスが複雑化する (水を添加してフミンを部分的に沈殿させると濾過段階が要される)。こうした事情は、5-HMFの合成と抽出を前記反応経路で行うことが魅力的であるとしても、特にこのプロセスを工業的に実施する上で大きな制限となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】仏国特許発明第2669635号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上に鑑み、本発明は、先行技術の不利益を解消することを目的とする。本発明の目的の一つは、特にDMSO中の5-HMFの生産性を改善することである。具体的には、5-HMFの高濃度DMSO溶液を、高い選択性をもって提供するとともに、高い生産性をも達成することである。付随して、高濃縮の結果物たる前記溶液より5-HMFを抽出する作業を容易ならしめることも本発明の目的の一つである。
【０００９】
(定義及び略語)
瞬間フルクトース濃度は、反応混合物における任意の時点で測定されたモノマー状のフルクトースの濃度を意味しており、反応媒体中に存在するモノマー状のフルクトースの重量と、反応の同時点における反応溶媒の重量との比に対応すると理解される。
【００１０】
選択性は、生成した5-HMFのモル数と、プロセスに導入された供給原料に含まれているフルクトースの変換モル数との比を意味すると理解される。
【００１１】
生産性は、時間当たり且つ反応溶媒の重量当たりに生成した5-HMFのモル数を意味すると理解され、mol/(h*kg)で表される。
【００１２】
最終5-HMF濃度は、反応溶媒の重量に対する5-HMFの重量の比を意味すると理解される。
【００１３】
均一系触媒は、反応媒体に可溶な触媒を意味すると理解される。
【００１４】
不均一系触媒は、反応媒体に不溶な触媒を意味すると理解される。
【００１５】
ブレンステッド酸は、ブレンステッド酸に属する分子であって、反応媒体中でプロトンH+を放出可能なものを意味すると理解される。
【００１６】
無機触媒は、触媒であって、脱水反応において触媒活性を担う官能基が共有結合を介して炭化水素鎖に結合していないものを意味すると理解される。
【００１７】
無機ブレンステッド酸触媒は、ブレンステッド酸であって、炭素原子を含まず、かつ反応媒体中でプロトンH+を放出可能なものを意味すると理解される。
【００１８】
無機ルイス酸触媒は、ルイス酸であって、金属又はランタニドに属する原子を含有するものを意味すると理解される。
【００１９】
非プロトン性溶媒は、溶媒として作用する分子であって、その全水素が炭素原子により担持されているものを意味すると理解される。
【００２０】
極性溶媒は、溶媒として作用する分子であって、その双極子モーメントμがデバイ(debye)単位で表されるとともに25℃における測定値が2.00以上であるものを意味すると理解される。
【００２１】
極性非プロトン性溶媒は、故に溶媒として作用する分子であって、その全ての水素が炭素原子により担持されており、その双極子モーメントμがデバイ(debye)単位で表されるとともに25℃における測定値が2.00以上であるものを意味すると理解される。
【００２２】
重量%は、重量基準のパーセンテージを示す。
【００２３】
(発明の主題)
本発明は、5-ヒドロキシメチルフルフラール(5-HMF)を製造するためのプロセスに関する。該プロセスは、フルクトースを含有する糖供給原料を、極性非プロトン性溶媒中で、少なくとも一種の脱水触媒に接触させる段階を含む。該脱水触媒は、均一系若しくは不均一系の有機又は無機ブレンステッド酸並びにルイス酸から選択される。該プロセスは、30℃〜175℃の温度において、かつ0.0001MPa〜8.0MPaの圧力下で行われ、該プロセスにおける瞬間的なフルクトース濃度は5.0重量%以下とされる。
【００２４】
本プロセスにおいて、異なる種類のパラメータを組み合わせることは有利である。特に瞬間フルクトース濃度を制御すると、5-HMFを収率よく、良好な選択性をもって得ることができ、ひいては生産性が向上する。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
(発明の詳細な説明)
(原料)
本発明のプロセスで用いるフルクトース含有糖供給原料はフルクトースを含んでおり、フルクトースを含む糖原料であればいかなるものであってもよい。フルクトースは遊離のフルクトース形態であってもよいし、モノマー状、オリゴマー状、或いはポリマー状のフルトシド糖単位形態であってもよい。後者形態はフルクトースを加水分解段階で放出する。本プロセスで処理される供給原料は、好ましくはフルクトースである。
【００２６】
フルクトース含有糖供給原料としては、モノマー状、オリゴマー状、或いはポリマー状形態のフルクトースを含むものが有利である。
【００２７】
遊離フルクトースを含有する原料は、例えばフルクトースや純フルクトースシロップを示す。他にも高フルクトースコーンシロップであって、フルクトースとグルコースを異なる比率(例えば、グルコース/フルクトースが重量比又はモル比で58/42、45/55、10/90)で含むものが示される。シロップは、糖の水溶液を意味すると解され、濃度は少なくとも30重量%、好ましくは少なくとも50重量%、より好ましくは少なくとも70重量%である。
【００２８】
糖供給原料であってフルクトースをモノマー状、オリゴマー状、或いはポリマー状のフルクトシド形態で含むものは、オリゴ糖及び多糖を意味しており、それらは少なくとも一の糖単位がフルクトースである。供給原料としては、スクロース、ケストース、フルクタン、オリゴフルクタン又はイヌリンを例示できる。
【００２９】
糖供給原料としては、グリコシド加水分解によりモノマー状のフルクトースを放出可能なものが好ましく、生成したフルクトースは5-HMFに転化させられ得る。
【００３０】
オリゴ糖は、より具体的には、経験式(C6mH10m+2O5m+1)(C5nH8n+2O4n+1)を有する炭水化物を示しており、m及びnは整数であって、それらの合計は2〜6である。また、前記オリゴ糖を構成する単糖単位は同一であるか又は異なっており、式(C6mH10m+2O5m+1)の少なくとも一単位がフルクトースである。敷衍して多糖類は、経験式(C6mH10m+2O5m+1)(C5nH8n+2O4n+1)を有する炭水化物を意味しており、m及びnは整数であって、それらの合計は7以上である。
【００３１】
供給原料がフルクトースだけでなくグルコースも含む場合には、本発明のプロセスにより、5-HMFとグルコースの混合物を製造できるため、有利である。例えば供給原料がスクロースである場合、本発明のプロセスによると、5-HMFとグルコースとの等モル混合物を製造できる。同様に、供給原料が高フルクトースコーンシロップである場合は、本発明のプロセスによって5-HMFとグルコースの混合物が得られ、その化学量論は出発原料である高フルクトースコーンシロップの組成に依存する。
【００３２】
供給原料を前記プロセスに導入するさい、溶媒/原料の重量比は0.1〜200.0、好ましくは0.3〜100.0、より好ましくは1.0〜50.0である。
【００３３】
(溶剤)
本発明によるプロセスは、少なくとも一の極性非プロトン性溶媒の存在下で実施される。極性非プロトン性溶媒は、ブタン-2-オン、アセトン、無水酢酸、N,N,N',N'-テトラメチル尿素、ベンゾニトリル、アセトニトリル、メチルエチルケトン、プロピオニトリル、ヘキサメチルホスホルアミド、ニトロベンゼン、ニトロメタン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、スルホラン、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、炭酸プロピレン及びγ-バレロラクトンから選択するのが有利である。極性非プロトン性溶媒は、アセトン、ヘキサメチルホスホルアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、スルホラン、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、炭酸プロピレン及びγ-バレロラクトンから選択するのが好ましい。好ましくは、極性非プロトン性溶媒はジメチルスルホキシド(DMSO)である。
【００３４】
(脱水触媒)
本発明によると、本プロセスは、少なくとも一の脱水触媒の存在下で実施される。脱水触媒は、均一系若しくは不均一系の有機又は無機ブレンステッド酸並びにルイス酸より選択され、フルクトースの脱水反応を媒介し、5-ヒドロキシメチルフルフラールを与える。
【００３５】
一の実施形態では、少なくとも一の脱水触媒が均一系若しくは不均一系の有機又は無機ブレンステッド酸より選択される。この触媒はフルクトースの脱水反応を媒介し、5-ヒドロキシメチルフルフラールを与える。
【００３６】
均一系有機ブレンステッド酸触媒は、好ましくは、一般式R'COOH、R'SO2H、R'SO3H、(R'SO2)NH、(R'O)2PO2H、R'OHよりなる有機酸から選択されるとともに、R'は以下に示す基より選ばれる。
・アルキル:好ましくは1〜15個の炭素原子、好ましくは1〜10個の炭素原子、より好ましくは1〜6個の炭素原子を含み、ヒドロキシル、アミン、ニトロ並びにハロゲン、好ましくはフッ素及びハロゲン化アルキルより選択される少なくとも一の置換基で置換されていてもよいし、されていなくてもよい。
・アルケニル:ヒドロキシル、アミン、ニトロ並びにハロゲン、好ましくはフッ素及びハロゲン化アルキルより選択される少なくとも一の置換基で置換されていてもよいし、されていなくてもよい。
・アリール:5〜15個の炭素原子、好ましくは6〜12個の炭素原子を含み、ヒドロキシル、アミン、ニトロ、オキソ並びにハロゲン、好ましくはフッ素及びハロゲン化アルキルより選択される少なくとも一の置換基で置換されていてもよいし、されていなくてもよい。
・ヘテロアリール基:4〜15個の炭素原子、好ましくは4〜12個の炭素原子を含み、ヒドロキシル、アミン、ニトロ、オキソ並びにハロゲン、好ましくはフッ素及びハロゲン化アルキルより選択される少なくとも一の置換基で置換されていてもよいし、されていなくてもよい。
【００３７】
有機ブレンステッド酸型の触媒が一般式R'-COOHの有機酸より選択される場合、R'は水素であってよい。
【００３８】
有機ブレンステッド酸は、好ましくは、ギ酸、酢酸、トリフルオロ酢酸、乳酸、レブリン酸、2,5-フランジカルボン酸、メタンスルフィン酸、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミン、安息香酸、パラトルエンスルホン酸、4-ビフェニルスルホン酸、リン酸ジフェニル及び1,1′-ビナフチル-2,2′-ジイルリン酸水素より選択するのが好ましい。均一系有機ブレンステッド酸触媒は、より好ましくは、メタンスルホン酸(CH3SO3H)及びトリフルオロメタンスルホン酸(CF3SO3H)より選択される。
【００３９】
不均一系有機ブレンステッド酸触媒は、イオン交換樹脂より選択される。具体的には、スルホン酸樹脂であって、好適にはスルホン化スチレン/ジビニルベンゼンのコポリマー又はスルホン化テトラフルオロエチレンコポリマーをベースとするもの(例えば次の市販樹脂:Amberlyst(登録商標) 15、16、35若しくは36、Dowex(登録商標) 50 WX2、WX4若しくはWX8、Nafion(登録商標) PFSA NR-40若しくはNR-50、又はAquivion(登録商標) PFSA PW 66、87若しくは98)や、スルホン基及び/又はカルボキシル基で官能基化されたチャコール、スルホン酸基及び/又はカルボン酸基で官能基化されたシリカより選ばれる。好ましくは、不均一系有機ブレンステッド酸触媒は、スルホン酸樹脂より選択される。
【００４０】
一の実施形態では、少なくとも一の脱水触媒が、均一系無機ブレンステッド酸、及び均一系若しくは不均一系の無機ルイス酸より選択される。それらはフルクトースの脱水反応を媒介し、5-ヒドロキシメチルフルフラールを与える。
【００４１】
均一系無機ブレンステッド酸触媒は、HF、HCl、HBr、HI、H2SO3、H2SO4、H3PO2、H3PO4、HNO2、HNO3、H2WO4、H4SiW12O40、H3PW12O40、(NH4)6(W12O40).xH2O、H4SiMo12O40、H3PMo12O40、(NH4)6Mo7O24.xH2O、H2MoO4、HReO4、H2CrO4、H2SnO3、H4SiO4、H3BO3、HClO4、HBF4、HSbF5、HPF6、H2FO3P、ClSO3H、FSO3H、HN(SO2F)2及びHIO3より選択される。該無機ブレンステッド酸は、好ましくはHCl、HBr、HI、H2SO4、H3PO4又はHNO3より選択され、とりわけHClが好適である。
【００４２】
好ましくは、無機脱水触媒は、一般式(II)MoXpに対応する均一系無機ルイス酸より選択され、溶媒和されていてもよいし、されていなくてもよい。式中:
Mは原子であり、リチウム又は、周期表の第3〜16族、好ましくは第6〜13族より選ばれ、ランタノイド類を含む。好ましくはLi、B、Al、Fe、Zn、Sn、Cr、Ce又はErであり、より好ましくはLi、Al、Sn又はCrである。
oは、1〜10の整数であり、好ましくは1〜5、より好ましくは1〜2である。
pは、1〜10の整数であり、好ましくは1〜5、より好ましくは1〜3である。
Xはアニオンであり、ハロゲン化物、アルキルスルホン酸塩、パーハロアルキルスルホン酸塩及びビス(パーハロアルキルスルホニル)アミドより選ばれる。好ましくは、Xはハロゲン化物であり、Cl-、Br-及びI-、並びにアルキルスルホン酸塩及びパーハロアルキルスルホン酸塩より選ばれる。前記アニオンXは、oが1より大きい場合には同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００４３】
非常に好ましくは、均一系無機ルイス酸は、LiCl、BF3、AlCl3、FeCl2、ZnCl2、SnCl2、CrCl3、CeCl3、Al(OTf)3及びErCl3より選択される。一層好ましくは、均一系無機ルイス酸はLiCl、Al(OTf)3及びAlCl3より選択される。
【００４４】
不均一系無機ルイス酸は、シリコン、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、ニオブ及びタングステンより選ばれた化合物の単一酸化物並びに混合酸化物より選択される。それらはスズ、タングステン及びハフニウムより選ばれる元素でドープされていてもよいし、ドープされていなくてもよい。また、不均一系無機ルイス酸は、リン酸金属塩より選択され、金属はニオブ、ジルコニウム、タンタル、スズ及びチタンより選ばれる。不均一系ルイス酸は、好ましくは、ジルコニウム酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物の混合物、スズをドープしたシリコン(例えばゼオライトSn-β、メソ構造シリカSn-MCM-41)、スズリン酸塩及びチタンリン酸塩より選択される。
【００４５】
脱水触媒は、反応混合物に、溶媒/触媒の重量比が20〜10000、好ましくは40〜2000、より好ましくは100〜1000となるように導入される。溶媒の重量は、反応プロセスで用いる溶媒の全重量に対応する。
【００４６】
特定の実施形態において、本発明のプロセスは、少なくとも2つの脱水触媒を用いて実施され、それらのうち少なくとも一つは塩素含有触媒である。塩素含有触媒は、好ましくは、HCl、LiCl、AlCl3、FeCl3、ZnCl2、SnCl2、CrCl3、CeCl3及びErCl3より選択される。
【００４７】
(プロセスの実施)
好ましくは、前記プロセスは、30°C〜175°C、好ましくは40°C〜150°C、好ましくは45°C〜130°C、好ましくは50°C〜120°C、好ましくは50°C〜100°C、好ましくは55°C〜95°C、好ましくは60°C〜90°C、好ましくは60°C〜85°C、好ましくは60°C〜80°C、非常に好ましくは65°C〜75°Cの温度において、かつ8MPa未満、好ましくは0.0001〜8.0MPa、好ましくは0.001〜5.0MPa、好ましくは0.001〜4.0MPa、好ましくは0.001〜3.5MPa、好ましくは0.01〜3.0MPaの圧力で、実施する。
【００４８】
本発明によると、本プロセスは、反応混合物中の瞬間フルクトース濃度が5.0重量%以下、好ましくは4.5重量%以下、好ましくは4.0重量%以下、好ましくは3.5重量%以下、より好ましくは3.0重量%以下、より好ましくは2.5重量%以下、より好ましくは2.0重量%以下、より好ましくは1.5重量%以下、より好ましくは1.0重量%以下の点で特徴づけられる。好ましくは、該瞬間濃度は、0.001〜5.0重量%、好ましくは0.001〜4.5重量%、より好ましくは0.001〜4.0重量%、より好ましくは0.001〜3.5重量%、より好ましくは0.001〜3.0重量%、より好ましくは0.001〜2.5重量%、より好ましくは0.001〜2.0重量%、より好ましくは0.001〜1.5重量%、非常に好ましくは0.001〜1.0重量%の範囲内である。
【００４９】
瞬間フルクトース濃度は、当業者に知られた任意の手段により維持できる。好ましくは、瞬間フルクトース濃度の維持は、本発明によるプロセスの実施中に瞬間フルクトース濃度を測定することにより制御される。この測定は、当技術に熟練した者に知られている任意の方法によって実施でき、好ましくは、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)により行う。
【００５０】
本発明による瞬間濃度は、反応媒体中のフルクトース量を制御することによって、維持できる。瞬間濃度の維持は、オリゴ糖又は多糖を用いて行うことができる。それら糖により、前記瞬間濃度は、オリゴ糖又は多糖が加水分解により単糖を生成する速度の関数として、制限される。瞬間濃度はまた、供給原料の反応混合物への供給を調節し、測定した瞬間フルクトース濃度の関数として維持することもできる。
【００５１】
瞬間フルクトース濃度を制御することによって、5-HMFの選択性が良好となるのみならず、生産性も向上するため、好適である。
【００５２】
前記原料の反応混合物への供給は、前記供給原料の種々の導入形態に従い行う。
【００５３】
第1の実施形態において、供給原料は固体状で反応混合物に導入される。そのさい、供給原料の流量を制御できる適当な装置を用いる。この装置はエンドレススクリューや、固体粒子の輸送用の空気圧システムであってよいが、それらに限定されない。また、かかる実施形態はオリゴ糖又は多糖類タイプの供給原料に対して好適であるが、これも限定的ではない。
【００５４】
導入形態が固体状の供給原料であって、ショ糖、ケストース或いはイヌリンに対応しており、それらの加水分解よりフルクトースが徐々に放出される形態は、実施可能な一態様である。かかる導入を一回以上、順次或いは連続的に実施することによって、瞬間フルクトース濃度を5.0重量%以下、好ましくは4.5重量%以下、好ましくは4.0重量%以下、好ましくは3.5重量%以下、好ましくは3.0重量%以下、好ましくは2.5重量%以下、好ましくは2.0重量%以下、好ましくは1.5重量%以下、好ましくは1.0重量%に維持できる。
【００５５】
第2の実施形態において、供給原料は液状で反応媒体に導入される。この反応媒体は溶液状であり、用いる溶媒は追加溶媒として知られる。供給原料を含む溶液を導入するさい、流速を調節できるポンプを用いる。前記追加溶媒は、供給原料の溶解を可能ならしめるものであるため、その選択は、最終的に高濃度の5-HMFを得るうえで非常に重要である。かかる実施形態は特に、単糖型のみならずオリゴ糖型の供給原料に適している。それらは追加溶媒に高濃度で溶解可能である。
【００５６】
好ましくは、フルクトースシロップ又は、フルクトースとグルコースのシロップ(高フルクトースコーンシロップタイプ)に対応する原料を漸次ポンプで導入するのがよい。かかる導入は一回で又はそれ以上の回数で、順次又は連続的に、瞬間フルクトース濃度が5.0重量%以下、好ましくは4.5重量%以下、好ましくは 4.0重量%以下、好ましくは 3.5重量%以下、好ましくは3.0重量%以下、好ましくは2.5重量%以下、 好ましくは2.0重量%、好ましくは1.5重量%以下、好ましくは1.0重量%以下に維持される限りにおいて、実施できる。
【００５７】
(追加溶媒)
第二の特定の実施形態において、本プロセスではさらに、極性非プロトン性溶媒及びプロトン性溶媒より選ばれる少なくとも一の追加溶媒を用いる。追加溶媒は、好ましくは、ブタン-2-オン、アセトン、無水酢酸、N,N,N',N'-テトラメチルウレア、ベンゾニトリル、アセトニトリル、メチルエチルケトン、プロピオニトリル、ヘキサメチルホスホルアミド、ニトロベンゼン、ニトロメタン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、スルホラン、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、炭酸プロピレン、γ-バレロラクトン、水、メタノール、エタノール、ギ酸及び酢酸より選択される。
【００５８】
極性非プロトン性溶媒又はプロトン性溶媒より選択される追加溶媒は、好ましくは、アセトン、ヘキサメチルホスホルアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、スルホラン、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、炭酸プロピレン、γ-バレロラクトン、水、メタノール及びエタノールから選ばれる。より好ましくはN,N-ジメチルホルムアミド、スルホラン、N-メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、水及びメタノールである。該追加溶媒は、より好ましくは、水及びジメチルスルホキシドより選択される。
【００５９】
第2の実施形態において、5-HMFの最終濃度は、前記追加溶媒における糖の溶解度の上限を超えない。最終濃度の調節は、5-HMFに対するフルクトースのモル質量比により行う。またこの調節は、極性非プロトン性溶媒の質量による供給原料の希釈により行う。
【００６０】
第3の実施形態において、追加溶媒は反応混合物の全部又は一部に対応する。この場合、追加溶媒には少なくとも前記極性非プロトン性溶媒と、本プロセスで用いられる一の脱水触媒とが含まれる。また、5-HMF生成後の未転化供給原料の少なくとも一部も追加溶媒に任意に含めてよい。本実施形態は、5-HMFの量を、追加溶媒を増やすことなく、徐々に増大させることができるため、有利である。本実施形態は、5-HMFの製造プロセスにおいて、非連続的に実施される。
【００６１】
本発明のプロセスを連続的に実施する形態において、重量時空間速度(触媒重量/供給原料重量、に基づく流速)は0.01 h-1〜5.0 h-1、好ましくは0.02 h-1〜2.0 h-1である。
【００６２】
本プロセスで採用する実施形態の如何によらず、反応混合物に含まれる水は、当業者に知られた任意の方法で、好ましくは連続的に除去することによって除かれ、含水率が、溶媒の総重量に対して30.0重量%未満、好ましくは20.0重量%未満、より好ましくは15.0重量%未満、非常に好ましくは10.0重量%未満に維持される。
【００６３】
5-HMFの製造プロセスを、特に瞬間濃度を制御することによって実施すると、反応に関与するフルクトースの転化が良好となり、5-HMFの選択性も良化し、5-HMFの生産性も向上するため、有利である。
【００６４】
斯くして、本発明のプロセスの実施によって所定の選択性、収率及び生産性が達成されるが故に、例えば、5-HMFの最終濃度は3.5重量%超に達する。本発明のプロセスの実施により、5-HMFの最終濃度が5.0重量%、好ましくは10重量%、より好ましくは15重量%を超えることも可能となり、有利である。
【００６５】
(合成品と分析法)
本発明に係る転化プロセスにより、選択的に5-ヒドロキシメチルフルフラール(5-HMF)が得られる。本プロセスにおける反応が終了した後、反応媒体は、5-HMF含有量を決定するべく、内部標準の存在下にガスクロマトグラフィー(GC)で分析されるとともに、供給原料の転化率を決定するべく、外部標準の存在下に液体クロマトグラフィーで分析される。また、それら分析により、例えばレブリン酸やギ酸、その他糖類を含む任意の副生成物といった望ましくない生成物も定量される。フミンの定量は、最初に導入された炭素との炭素バランスの相違に基づき行う。
【実施例】
【００６６】
(実施例)
以下の実施例において、供給原料として使用するフルクトースは市販品であり、精製せずに用いた。
【００６７】
塩酸は、市販の濃厚なジエチルエーテル溶液(1.0M  mol/l)を用いた。メタンスルホン酸は、本実施例ではMSAと表記するが、市販品であり、精製せずに用いた。
【００６８】
ジメチルスルホキシドとN-メチルピロリドンは、本実施例において、順にDMSO、NMPと表記する。両者は極性非プロトン性溶媒として、市販品を、精製せずに用いた。
【００６９】
実施例3で用いたチオ尿素1の調製方法は、特許出願WO2017/016924 A1に記載されている。
【００７０】
以下の実施例において、フルクトースから5-HMFへの転化度は合計値である。よって、5-HMFの選択性は転化プロセスの収率と対比させられ得る。生産性は、溶媒のキログラムあたりかつ時間あたりに形成される5-HMFのmmolで表される。
【００７１】
実施例1(本発明に非準拠)  フルクトースの5-HMFへの転化  塩酸存在下  初期フルクトース濃度([フルクトース]0)=9.0重量%
塩酸(ジエチルエーテルの1.0 M溶液)(200μl(0.007 g相当)、0.19 mmol)を、フルクトース(2.0 g、11.10 mmol)のDMSO(20.0)gよりなる溶液に加えた。フルクトースの初期濃度は9.0重量%であった。溶媒/触媒の重量比は2857であった。反応媒体を70℃で12時間撹拌した。フルクトースの5-HMFへの転化は、一定量の溶液を一定間隔でサンプリングし、直ちに0℃まで冷却させたのち、水に溶解させてから、液体クロマトグラフィーで測定することによって、追跡した。12時間後の5-HMFの選択率は90.0%であった。5-HMFのDMSO中の重量%濃度は、反応終了時において、5.7重量%であった。望まれないフミンの収率は5.0%であった。関連して生産性は41.6 mmol/kg/hであった。
【００７２】
実施例2(本発明に非準拠)   フルクトースの5-HMFへの転化  塩酸存在下  初期フルクトース濃度([フルクトース]0)=30.0重量%
塩酸(ジエチルエーテルの1.0 M溶液) (200μl(0.007 g相当)、0.19 mmol)を、フルクトース(8.6 g、47.73 mmol)のDMSO(20.0 g)よりなる溶液に加えた。フルクトースの初期濃度は30.0重量%であった。溶媒/触媒比の重量比は2857であった。反応媒体は70℃で24時間撹拌した。フルクトースの5-HMFへの転化は、一定量の溶液を一定間隔でサンプリングし、直ちに0℃まで冷却させたのち、水に溶解させてから、液体クロマトグラフィーで測定することによって、追跡した。24時間後の5-HMFの選択性は70.0%であった。5-HMFのDMSO中の重量%濃度は、反応終了時において、14.7重量%であった。望まれないフミンの収率は25.0%であった。関連して生産性は69.6 mmol/kg/hであった。
【００７３】
実施例 3 (本発明に非準拠)   グルコース及びフルクトースの混合物の5-HMFへの転化  チオ尿素1存在下  初期フルクトース濃度([フルクトース]0)= 4.6重量%
チオウレア1 (0.046 g, 0.12 mmol) をグルコース (1.0 g, 5.55 mmol)とフルクトース (1.0 g, 5.55 mmol) の NMP (20.0 g)よりなる溶液に加えた。フルクトースの初期濃度は4.6重量%であった。溶媒/触媒の重量比は435であった。反応媒体は120℃で6時間撹拌した。フルクトースの5-HMFへの転化は、一定量の溶液を一定間隔でサンプリングし、直ちに0℃まで冷却させたのち、水に溶解させてから、液体クロマトグラフィーで測定することによって、追跡した。6時間後の5-HMFの選択性は52.2%であった。6時間後の5-HMFのモル収率は58.0%であった。5-HMFのNMP中の重量%濃度は、反応終了時において3.0重量%であった。望まれないフミンの収率は25.0%であった。関連して生産性は53.7 mmol/kg/hであった。
【００７４】
実施例4(本発明に準拠)   フルクトースの5-HMFへの転化  塩酸存在下  瞬間フルクトース濃度([フルクトース]inst)を1.0重量%以下に維持
塩酸(ジエチルエーテルの1.0 M溶液) (200 μl (0.007 g相当)、0.19 mmol)を5.0gのDMSOに添加し、初期反応媒体を構成した。本媒体中、初期フルクトース濃度は0重量%であった。この反応媒体を70℃にサーモスタット制御した。この初期反応媒体に、シリンジを用いて、15.0gのDMSOにフルクトースを溶解させてなる12.0重量%の溶液を、4.0 ml/hの流速で4時間かけて、滴下させた。溶媒/触媒の全比率は2857であった。添加終了後、反応媒体を70℃でさらに1時間保持した。反応の間、反応混合物における瞬間フルクトース濃度は、液体クロマトグラフィーで測定したところ、1.0重量%以下であった。5-HMFの収率は、テスト終了時に一定量の溶液をサンプリングし、直ちに0℃まで冷却させたのち、水に溶解させてから、液体クロマトグラフィーで測定することによって、求めた。5時間後の5-HMFの選択率は99.5%であった。5-HMFのDMSO中の最終濃度は、反応終了時において、6.7重量%であった。望まれないフミンの収率は0.5%であった。関連して生産性は113.4 mmol/kg/hであった。
【００７５】
実施例5(本発明に準拠)   フルクトースの5-HMFへの転化  塩酸存在下  瞬間フルクトース濃度([フルクトース]inst)を1.0重量%以下に維持
塩酸 (ジエチルエーテルの1.0 M 溶液) (670 μl(0.023 g相当)、 0.64 mmol) を10.0gのDMSOに加え、初期反応媒体を構成した。本媒体中、初期フルクトース濃度は0重量%であった。この反応媒体を70℃にサーモスタット制御した。この初期反応媒体に、シリンジを用いて、140.0gのDMSOにフルクトースを溶解させてなる32.0重量%の溶液を、8.0 ml/hの流速で16時間かけて、滴下させた。溶媒/触媒の全比率は6521であった。添加終了後、反応媒体を70℃でさらに2時間保持した。反応混合物における反応中の瞬間フルクトース濃度は、液体クロマトグラフィーで測定したところ、1.0重量%以下であった。5-HMFの収率は、テスト終了時に一定量の溶液をサンプリングし、直ちに0℃まで冷却させたのち、水に溶解させてから、液体クロマトグラフィーで測定することによって、求めた。18時間後の5-HMFの選択率は99.0%であった。5-HMFのDMSO中の最終濃度は、反応終了時において、21.0重量%であった。望まれないフミンの収率は1.0%であった。関連して生産性は134.1 mmol/kg/hであった。
【００７６】
実施例6(本発明に非準拠)   フルクトースの5-HMFへの転化  メタンスルホン酸存在下  初期フルクトース濃度([フルクトース]0)=9.0重量%
メタンスルホン酸(0.018 g, 0.19 mmol)を、フルクトース(2.0 g, 11.10 mmol)のDMSO(20.0 g)よりなる溶液に加えた。初期フルクトース濃度は9.0重量%であった。溶媒/触媒の重量比は1111であった。反応媒体は70°C で12時間撹拌した。フルクトースの5-HMFへの転化は、一定量の溶液を一定間隔でサンプリングし、直ちに0℃まで冷却させたのち、水に溶解させてから、液体クロマトグラフィーで測定することによって、追跡した。12時間後の5-HMFの選択性は74.0%であった。DMSO中の5-HMFの最終濃度は、反応終了時において、4.7重量%であった。望まれないフミンの収率は10.0%であった。関連して生産性は34.2 mmol/kg/hであった。
【００７７】
実施例 7 (本発明に準拠)  フルクトースの5-HMFへの転化  塩酸存在下  瞬間フルクトース濃度([フルクトース]inst)を1.0重量%以下に維持
メタンスルホン酸(0.018 g, 0.19 mmol) を5.0gのDMSOに加え、初期反応媒体を構成した。本媒体における初期フルクトース濃度は 0重量%であった。この反応媒体を70℃にサーモスタット制御した。この初期反応媒体に、シリンジを用いて、15.0gのDMSOにフルクトースを溶解させてなる12.0重量%の溶液を、4.0 ml/hの流速で4時間かけて、滴下させた。溶媒/触媒の全重量比は1111であった。添加終了後、反応媒体を70℃でさらに1時間保持した。反応混合物の瞬間フルクトース濃度は、反応中、液体クロマトグラフィーで測定したところ、1.0重量%以下であった。5-HMFの収率は、テスト終了時に一定量の溶液をサンプリングし、直ちに0℃まで冷却させたのち、水に溶解させてから、液体クロマトグラフィーで測定することによって、求めた。5時間後の5-HMFの選択率は88.0%であった。5-HMFのDMSO中の最終濃度は、反応終了時において、5.6重量%であった。望まれないフミンの収率は3.0%であった。関連して生産性は100.3mmol/kg/hであった。
【００７８】
5-HMFの選択性は、瞬間フルクトース濃度を5.0重量%未満にした場合において、特に各実施例で1.0重量%未満にした場合において、より大きかった。
【００７９】
本発明のプロセスで到達可能な5-HMFの重量基準による最終濃度は、瞬間フルクトース濃度が4.0重量%未満にした場合において、特に各実施例で1.0重量%未満にした場合において、より大きかった。
【００８０】
フミンのような望まれない副生物の収量は、瞬間フルクトース濃度を4.0重量%未満にした場合において、特に各実施例で1.0重量%未満にした場合において、より小さかった。
【００８１】
5-HMFの生産性(mmol/kg/h)は、溶媒1kg及び1時間あたりに生産される5-HMFのmmolで表されるが、瞬間フルクトース濃度を4.0重量%未満にした場合において、特に各実施例で1.0重量%以下にした場合において、より大きかった。
【００８２】
以上より明らかに、本発明に従い瞬間フルクトース濃度を維持することには大きなメリットがあった。予期せぬことに、非常に良好な選択性と、5-HMFの重量基準による高い濃度と、大きな生産性と、糖を5-HMFに転換するさい生じる望まれない物質の低収率とが、瞬間フルクトース濃度が調節されない場合の転化との比較において、達成された。
【国際調査報告】
2021510371.tif 000002
2021510371.tif 000003
2021510371.tif 000004
2021510371.tif 000005
2021510371.tif 000006