(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（５-ｈｒｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ-２-ｆｕｒｆｕｒａｌ、ＨＭＦ）を製造する方法において、
前記５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールは、下記の化学式で表され、
【化１】
0006322146.tif 000009
前記コーンシロップ、ジオキサン溶媒および固体酸触媒を混合して加熱することによって、前記５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを含む反応物を生成する転換段階を含み、
前記転換段階において、前記ジオキサン１００重量部対比前記コーンシロップを、１〜５０重量部使用し、前記固体酸触媒は、陽イオン交換樹脂のアンバーリスト（Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ)１５であり、前記固体酸触媒の酸性基が、前記フルクトース１００当量部に対して、０.１〜１当量部であることを特徴とするフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項２】
前記反応物から前記固体酸触媒を濾過する濾過段階と、
前記濾過段階を経た反応物から前記ジオキサンを蒸留する蒸留段階と、
前記蒸留段階を経た反応物を精製する精製段階と、
前記精製段階を経た反応物から有機溶媒を回収する回収段階とをさらに含んでなることを特徴とする請求項１に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項３】
前記転換段階において、前記コーンシロップは、前記フルクトースを含む炭水化物と水を含むことを特徴とする請求項１に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項４】
前記コーンシロップは、前記炭水化物１００重量部に対し、前記水は、２０〜３０重量部であることを特徴とする請求項３に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項５】
前記コーンシロップは、前記炭水化物１００当量部に対し、前記フルクトースが４０〜９５当量部であることを特徴とする請求項３に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項６】
前記コーンシロップは、ｐＨが４〜９の条件で異性窒化反応により生成されたことを特徴とする請求項３に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項７】
前記転換段階において、転換温度は、８０〜１５０℃であることを特徴とする請求項１に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項８】
前記転換段階において、転換時間は、１〜８時間であることを特徴とする請求項１に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項９】
前記濾過段階において、分離した前記固体酸触媒は、前記転換段階の触媒として再使用することができることを特徴とする請求項２に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項１０】
前記蒸留段階において、分離した前記ジオキサンは、前記転換段階の溶媒として再使用することができることを特徴とする請求項２に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項１１】
前記精製段階において、前記蒸留段階を経た反応物に有機溶媒と水を加え、前記５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを含む有機溶媒層と副産物を含む水層に分離することを特徴とする請求項２に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項１２】
前記回収段階において、前記有機溶媒層を脱水過程により乾燥し、前記有機溶媒を蒸留して５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを得ることを特徴とする請求項１１に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【請求項１３】
前記回収段階において、分離した前記有機溶媒は、前記精製段階で再使用することを特徴とする請求項１２に記載のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フルクトース（ｆｒｕｃｔｏｓｅ）を含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法に関し、より詳しくは、トウモロコシのような炭水化物系バイオマスから発酵工程によって大量生産されるフルクトースを含むコーンシロップを原料物質とし、ジオキサン溶媒と酸性基を有する不均一の固体酸触媒を使用して、バイオ燃料またはバイオプラスチックの核心中間体化合物である５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率を効率的に高めるために転換して精製する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
限定された埋蔵量の石油資源の持続的な減少と新興開発途上国の成長に伴う石油需要の急増は、市場需給の不均衡を誘発し、原油高時代をもたらしている。さらに、石油の無分別な使用により発生する不可逆的温室ガスは、地球温暖化のような深刻な環境問題を引き起こしている。
【０００３】
このため、全世界は、再生および持続使用が可能なバイオマス資源によって石油資源を代替するための多くの努力を傾けており、バイオエタノール、バイオディーゼルのようなバイオ燃料と乳酸、プロパンジオールのようなバイオプラスチック単量体などを産業的に大量生産して輸送用燃料として使用したり、既存の石油化学製品を代替している。
【０００４】
このような努力の一環として、バイオ燃料とバイオプラスチックの核心中間体化合物として、最近脚光を浴びている代表的な化合物は、炭水化物系バイオマス由来フラン系化合物である５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（５-Ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ-２-ｆｕｒｆｕｒａｌ、ＨＭＦ）である。
【０００５】
５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールは、２、５-ジメチルフラン（２、５-Ｄｉｍｅｔｙｌｆｕｒａｎ、ＤＭＦ）と５- アルコキシメチル -２-フルフラール（５-Ａｌｋｏｘｙｌｍｅｔｈｙｌ-２-ｆｕｒｆｕｒａｌ、ＡＭＦ）に転換され、次世代フラン系バイオ燃料として使用することができるという事実が知られている。また、５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールは、ガソリン級以上のエネルギー密度を有しており、バイオエタノールと異なり、吸湿性が弱いため、長期保管と腐食の問題がない。さらに、酵素転換工程により生産されるバイオエタノールの場合、工程上１当量の６炭糖から２当量の二酸化炭素が必然的に排出される（Ｃ６Ｈ１０Ｏ６→２ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋２ＣＯ２↑）反面、前記フラン系バイオ燃料は、炭素の損失がない完全な炭素中立型工程による生産が可能である。
【０００６】
また、５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールは、酸化過程によって２、５-フランジカルボン酸（２、５-Ｆｕｒａｎ  ｄｉｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ  ａｃｉｄ、ＦＤＣＡ）に転換されることができ、ＦＤＣＡは、飲食品容器などに広く使用されているＰＥＴの単量体であるテレフタル酸（Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｉｃ  ａｃｉｄ、ＴＰＡ）の代替物質として知られている。ＰＥＴは、エチレングリコール（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｇｌｙｃｏｌ、ＥＧ）とＴＰＡを単量体として使用して縮合重合によって得ることになり、現在のバイオマス基盤のＰＥＴを製造するために、ＥＧは、バイオエタノール基盤のバイオエチレンから産業的生産が行われているが、ＴＰＡは、まだバイオマス基盤で得ることができない状況である。
【０００７】
一方、フルクトース（Ｆｒｕｃｔｏｓｅ）を含むコーンシロップは、高果糖コーンシロップ（Ｈｉｇｈ ｆｒｕｃｔｏｓｅ ｃｏｒｎ  ｓｙｒｕｐ、ＨＦＣＳ）を指すものであって、１９５７年Ｍａｒｓｈａｌｌなどにより、製造技術が開発されて以来、大量生産が行われ（Ｒ．Ｏ．Ｍａｒｓｈａｌｌ、Ｅ．Ｒ．Ｋｏｏｉ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９５７、１２５、６４８）、砂糖の代替物質として飲食品産業に広く使用されている。フルクトースを含むコーンシロップは、炭水化物系バイオマスの一種であるトウモロコシから酵素工程によって転換されたフルクトース（Ｆｒｕｃｔｏｓｅ）が多量に含まれた混合物質である。また、フルクトースの組成比に応じて混合物質１００重量部に対し、９０、５５、４２重量部を含むとき、それぞれＨＦＣＳ-９０、ＨＦＣＳ-５５、ＨＦＣＳ-４２に分けることができ、水を含有しているため、シロップの形状を帯びている。
【０００８】
フルクトースを含むコーンシロップの主成分であるフルクトースは、脱水化反応によって３つの水分子が除去されると、５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールに転換されるものとして知られている。最近になって５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールは、バイオ燃料とバイオプラスチックの核心中間体化合物として、これを大量生産するための多くの研究が進められているが、まだ産業的な生産のための工程開発はなされていない実情である。
【０００９】
現在開発されているフルクトースから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを得る転換方法の大部分は、ＤＭＳＯ（Ｄｉｍｅｔｈｙｌ  ｓｕｌｆｏｘｉｄｅ）を溶媒として使用している。これは、ＤＭＳＯを溶媒として使用して酸性条件下において、１〜２時間の間８０〜１５０℃の熱を加熱したとき、フルクトースの７０〜９０％が５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールに転換されることができるためである。しかし、ＤＭＳＯは、沸点が１８９℃と非常に高いため、蒸留によって分離することが難しい。また、ＤＭＳＯは、大部分の溶媒とよく混合されるため、ＤＭＳＯから溶媒抽出によって５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを回収することも非常に難しいという短所がある。
【００１０】
このような問題を解決するために、ＤＭＳＯと、他の溶媒を共に使用し、二成分系上で転換反応を行うことによって、リアルタイムで生成物である５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを抽出しようとする試みが行われたが（Ｇ．Ｗ．Ｈｕｂｅｒ、Ｊ．Ｎ．Ｃｈｈｅｄａ、Ｃ．Ｊ．Ｂａｒｒｅｔｔ、Ｊ．Ａ．Ｄｕｍｅｓｉｃ、Ｓｃｉｅｎｃｅ２００５、３０８、１４４６）、ＤＭＳＯからＨＭＦを完全に抽出するには限界がある。
【００１１】
したがって、ＤＭＳＯを代替するために、沸点がＤＭＳＯより低いＤＭＦ（Ｎ、Ｎ−Ｄｉｍｅｔｈｙｌｆｏｒｍａｉｄｅ）を使用したり（Ｇ．Ａ．Ｈａｌｌｉｄａｙ、Ｒ．  Ｊ．Ｙｏｕｎｇ、Ｖ．Ｖ．ＧｒｕＳｈｉｎ、Ｏｒｇ．Ｌｅｔｔ．２００３、５、２００３）、生成物の抽出が容易であるイオン性液体を使用したりもした（Ｈ．Ｂ．Ｚｈａｏ、Ｊ．Ｅ．Ｈｏｌｌａｄａｙ、Ｈ．Ｂｒｏｗｎ、Ｚ．Ｃ．Ｚｈａｎｇ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００７、３１６、１５９７）。しかし、ＤＭＦは、依然として沸点が高い（１５３℃） 限界があり、イオン性液体は価格が高いため、産業的大量生産工程に適用するには経済性に問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前記問題点を解決するためのものであって、フルクトースを含んでいるコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを転換する方法を開発し、優れた収率で得ることができる方法を提供することを目的とする。
【００１３】
さらに、フルクトースを含んでいるコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを転換する方法において、使用されるジオキサン、不均一の固体酸触媒および有機溶媒を工程に再使用することによって、連続反応が可能な５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの商業的生産を可能とする工程を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
フルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（５-ｈｒｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ-２-ｆｕｒｆｕｒａｌ、ＨＭＦ）を製造する方法において、
前記５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールは、下記の化学式で表され、
【化１】
0006322146.tif 000002
【００１５】
前記コーンシロップ、ジオキサン溶媒および固体酸触媒を混合して加熱することによって、前記５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを含む反応物を生成する転換段階（Ｓ１０）を含むことを特徴とする。
【００１６】
また、前記反応物から前記固体酸触媒を濾過する濾過段階（Ｓ２０）、前記濾過段階（Ｓ２０）を経た反応物から前記ジオキサンを蒸留する蒸留段階（Ｓ３０）、前記蒸留段階（Ｓ３０）を経た反応物を精製する精製段階（Ｓ４０）、前記精製段階（Ｓ４０）を経た反応物から有機溶媒を回収する回収段階（Ｓ５０）をさらに含んでなることを特徴とする。
【００１７】
前記転換段階（Ｓ１０）において、前記コーンシロップは、前記フルクトースを含む炭水化物と水を含むことを特徴とする。
【００１８】
また、前記コーンシロップは、前記炭水化物１００重量部に対し、前記水は、２０〜３０重量部であることを特徴とする。
【００１９】
さらに詳細には、前記コーンシロップは、前記炭水化物１００当量部に対し、前記フルクトースが４０〜９５当量部であることを特徴とする。また、前記コーンシロップは、ｐＨが４〜９の条件で異性窒化反応により生成されたことを特徴とし、前記転換段階（Ｓ１０）において、前記ジオキサン１００重量部対比前記コーンシロップは、１〜５０重量部であることを特徴とする。
【００２０】
前記転換段階（Ｓ１０）において、前記固体酸触媒は、陽イオン交換樹脂であることを特徴とする。また、前記固体酸触媒は、有機または無機支持体上でブレンステッド酸またはルイス酸機能基が連結された形態であることを特徴とし、フルクトース１００当量部に対し、前記ブレンステッド酸または前記ルイス酸の酸性基が０.１〜１当量部であることを特徴とする。
【００２１】
前記転換段階（Ｓ１０）において、転換温度は、８０〜１５０℃であることを特徴とし、転換時間は、１〜８時間であることを特徴とする。
【００２２】
前記濾過段階（Ｓ２０）において、分離した前記固体酸触媒は、前記転換段階（Ｓ１０）の触媒として再使用することができることを特徴とし、前記蒸留段階（Ｓ３０）において、分離した前記ジオキサンは、前記転換段階（Ｓ１０）の溶媒として再使用することができることを特徴とする。
【００２３】
前記精製段階（Ｓ４０）において、前記蒸留段階（Ｓ３０）を経た反応物に有機溶媒と水を加え、前記５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを含む有機溶媒層と副産物を含む水層に分離することを特徴とする。
【００２４】
また、前記回収段階（Ｓ５０）において、前記有機溶媒層を脱水過程により乾燥し、前記有機溶媒を蒸留して５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを得ることを特徴とする。
【００２５】
前記回収段階（Ｓ５０）において、分離した前記有機溶媒は、前記精製段階（Ｓ４０）で再使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、バイオ燃料とバイオプラスチック製造のための核心中間体化合物である５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを効率的に大量生産することができる方法を提供する。
【００２７】
また、産業的に大量生産されているフルクトースを含むコーンシロップを原料物質として直接使用することによって、原料費の部分において経済性を最大化することができる長所がある。
【００２８】
また、ジオキサンを溶媒として使用することによって、容易に溶媒を分離し、分離した溶媒を再使用することができる長所があり、不均一の固体酸触媒を使用することによって、容易に触媒を分離し、分離した触媒を再使用できる長所がある。
【００２９】
また、有機溶媒と水を使用して、反応混合物内の副産物を除去することによって、容易に５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを精製することができる長所があり、精製段階で使用された有機溶媒は、蒸留により分離して再使用することができる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係るフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）を製造する方法を順次に示すフローチャートである。
【図２】本発明に係るフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）を製造する方法によって得られるＨＭＦの１Ｈ−ＮＭＲの結果グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
下記に、本発明に係るフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（５-ｈｒｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ-２-ｆｕｒｆｕｒａｌ、ＨＭＦ）を製造する方法について、本発明の好ましい一つの実施形態を添付の図１を参照して詳細に説明する。
【００３２】
まず、フルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（５-ｈｒｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌ-２-ｆｕｒｆｕｒａｌ、ＨＭＦ）を製造する方法において、
前記５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールは、下記の化学式で表され、
【化１】
0006322146.tif 000003
【００３３】
前記コーンシロップ、ジオキサン溶媒および固体酸触媒を混合して加熱することによって、前記５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを含む反応物を生成する転換段階（Ｓ１０）を含んでなる。
【００３４】
前記転換段階（Ｓ１０）において、前記コーンシロップは、前記フルクトースを含む炭水化物と水を含むものであって、前記コーンシロップは、シロップの特性上、前記炭水化物１００重量部に対し、前記水２０〜３０重量部を含んでシロップ形態のものである。水が２０〜３０重量部の範囲を外れても、収率に影響を及ぼすことはない。
【００３５】
また、前記コーンシロップは、前記炭水化物１００当量部に対し、前記フルクトースが４０〜９５当量部であることが好ましく、さらに好ましくは、フルクトースが６０〜９５当量部であることが好ましい。フルクトースが４０当量部未満の場合、収率には影響を及ぼすことはないが、フルクトースに比例して転換される５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの総収得量が減って、経済性に適合せず、フルクトースが９５当量部を超える場合、収率に影響を及ぼさず、フルクトースに比例して転換される５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの総収得量は増加する。しかし、一般に市販されている低価格のコーンシロップの特性上、９５当量部以上のフルクトースを含むことが難しい。したがって、炭水化物１００当量部に対し、フルクトース９５当量部を超過して含むためには、追加の工程が必要であるので、経済性のために９５当量部を追加することは好ましくない。
【００３６】
前記コーンシロップのｐＨは、４〜９の条件で異性窒化反応により生成される。さらに好ましくは、ｐＨ６〜８であることが効果的である。ｐＨ４未満、またはｐＨ９を超える場合、一般的な異性窒化酵素の反応条件を外れるため、異性窒化反応がよく起こらなくなり、コーンシロップの生成が難しいためである。
【００３７】
また、前記転換段階（Ｓ１０）において、前記ジオキサン１００重量部に対し、前記コーンシロップが１〜５０重量部であることが好ましい。さらに好ましくは、コーンシロップを１０〜３０重量部で含むことが効果的である。数回の実験結果をみると、前記コーンシロップを１重量部未満で使用する場合、ジオキサンを蒸留して分離するときに大量のエネルギーが消耗して工程費用が増加する短所があり、５０重量部を超える場合には、反応時間が遅くなって転換効率が低くなる問題がある。
【００３８】
前記転換段階（Ｓ１０）において、前記固体酸触媒は、陽イオン交換樹脂であることが好ましく、前記固体酸触媒は、有機または無機支持体上にブレンステッド酸またはルイス酸の機能基が連結された形態であることが好ましい。
【００３９】
さらに詳しくは、有機支持体としてポリスチレン、ポリアミド、ポリエチレングリコールのうちの少なくとも１つであるものを含む高分子支持体が可能であり、無機支持体としてシリカ、アルミナ、ゼオライト（ｚｅｏｌｉｔｅ）、カーボンのうちの少なくとも１つであるものを含む無機化合物が可能であり、このような支持体上に化学的結合で連結された酸性基としてスルホン酸基、リン酸基のうちの少なくとも１つであるものを含むブレンステッド酸、またはリガンドに配位された金属によるルイス酸が効果的である。
【００４０】
また、フルクトース１００当量部に対し、前記ブレンステッド酸または前記ルイス酸の酸性基が０.１〜１当量部であるものを用い、好ましくは０.４〜０.７当量部であるものが効果的である。固体酸触媒内の酸性基がコーンシロップのフルクトースに対して、０.１当量部以下で使用する場合、転換効率が低くなる短所があり、１当量部以上で使用する場合、固体酸触媒の購買費用が増加して固体酸触媒の再使用のとき、濾過および洗浄に必要な工程費用が増加するという短所がある。
【００４１】
前記転換段階（Ｓ１０）において、加熱温度は７０〜１８０℃、 さらに好ましくは８０〜１５０℃であり、加熱温度が７０℃ 以下の場合、反応速度が遅くなり、加熱温度が１８０℃を超えた場合、副産物の生成が増加する問題がある。
【００４２】
転換段階（Ｓ１０）において、加熱時間は３０分〜１５時間、さらに好ましくは１時間〜８時間であることが最も高い収率で目的物質である５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを得ることができることが分かった。より具体的には、また、加熱時間が３０分未満の場合、転換率が低くなる短所があり、加熱時間が１５時間を超えた場合、副産物の生成が増加する問題がある。
【００４３】
また、前記反応物から前記固体酸触媒を濾過する濾過段階（Ｓ２０）、前記濾過段階（Ｓ２０）を経た反応物から前記ジオキサンを蒸留する蒸留段階（Ｓ３０）、前記蒸留段階（Ｓ３０）を経た反応物から副産物と水を除去する精製段階（Ｓ４０）、前記精製段階（Ｓ４０）を経た反応物から有機溶媒を回収する回収段階（Ｓ５０）をさらに含んでなる。
【００４４】
濾過段階（Ｓ２０）において、分離した前記固体酸触媒は、転換段階（Ｓ１０）の触媒として再使用できることが好ましく、蒸留段階（Ｓ３０）において、分離した前記ジオキサンは、転換段階（Ｓ１０）の溶媒として再使用できることが効果的である。
【００４５】
濾過段階（Ｓ２０）において、前記固体酸触媒は、液体生成物との分離が非常に容易であり、また、分離後の再使用が可能である。固体酸触媒と液体生成物との分離の原理は、固体の触媒と液体の生成物との密度差を利用する。密度差により、反応後に一定時間保持すると、反応器の底部分に固体触媒が沈むことになり、これによって液体生成物を容易に分離する。これにより、濾過紙または一般的に使用される濾過する装置を使用して液体生成物と固体酸触媒を分離することができる。
【００４６】
前記濾過段階（Ｓ２０）において、固体酸触媒は、前記転換段階（Ｓ１０）で再使用することができ、濾過段階（Ｓ２０）を終えた固体酸触媒をアセトンで好ましくは１〜４回、さらに好ましくは２〜３回洗浄した後、蒸溜水で好ましくは１〜４回、さらに好ましくは２〜３回、その後、塩酸で好ましくは１〜４回、さらに好ましくは２〜３回、蒸溜水で好ましくは１〜４回、さらに好ましくは２〜３回、アセトニトリルで好ましくは１〜４回、さらに好ましくは２〜３回の順で処理して洗浄と再活性化をした後、乾燥過程を経て、次の転換段階（Ｓ１０）で再使用することができる。
【００４７】
前記蒸留段階（Ｓ３０）において、従来の５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを得るために使用したＤＭＳＯ溶媒の沸点（７５０ｍｍＨｇ基準）１８９℃と比較して、ジオキサン溶媒の沸点（７５０ｍｍＨｇ基準）が９５〜１０５℃であるため、相対的に蒸留が容易であり、沸点を用いたいかなる装置でも分離が容易である。分離したジオキサンは、前記転換段階（Ｓ１０）の溶媒として再使用することができる長所がある。
【００４８】
前記精製段階（Ｓ４０）において、前記蒸留段階（Ｓ３０）を経た反応物に有機溶媒と水を加えると、前記５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを含む有機溶媒層と副産物を含む水層に効果的に分離する。したがって、前記有機溶媒は、５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを溶解することができ、水と混ざらない性質であるものが好ましい。前記有機溶媒は、好ましくは酢酸エチル（ｅｔｈｙｌ  ａｃｅｔａｔｅ、ＥＡ）、ジエチルエーテル（ｄｉｅｔｈｙｌ  ｅｔｈｅｒ）、ジクロロメタン（ｄｉｃｈｌｏｒｏｍｅｔｈａｎｅ）、クロロホルム（ｃｈｌｏｒｏｆｏｒｍ）、メチルイソブチルケトン（ｍｅｔｈｙｌ ｉｓｏｂｕｔｙｌ  ｋｅｔｏｎｅ、ＭＩＢＫ）のうちの少なくとも１つであるものを使用することが効果的である。
【００４９】
前記回収段階（Ｓ５０）において、前記有機溶媒層を脱水過程により乾燥し、前記有機溶媒を蒸留して５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを得る。また、前記回収段階（Ｓ５０）において、分離した前記有機溶媒は、前記精製段階（Ｓ４０）で再使用することができる。
【００５０】
ここまで、本発明のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法を転換段階（Ｓ１０）、濾過段階（Ｓ２０）、蒸留段階（Ｓ３０）、精製段階（Ｓ４０）、回収段階（Ｓ５０）に分けて説明した。
【００５１】
すなわち、出発物質である前記フルクトースを含むコーンシロップ（ＨＦＣＳ）に、ジオキサン溶媒および固体酸触媒を混合して加熱することによって、前記５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを含む反応物を生成する転換段階（Ｓ１０）を経た後、前記反応物から前記固体酸触媒を濾過する濾過段階、前記濾過段階を経た反応物から前記ジオキサンを蒸留する蒸留段階、前記蒸留段階を経た反応物から副産物と水を除去する精製段階、前記精製段階を経た反応物から有機溶媒を回収する回収段階をさらに含んでなることを特徴とするフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造した。
【００５２】
以下では、本発明のフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造する方法の優秀性を立証するための実験結果をみる。
【００５３】
本発明において、フルクトースを含むコーンシロップを転換し、５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）を得るための最適の溶媒を選定するために、それぞれの有機溶媒の適用に伴う５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率を実験例１で比較し、これによってジオキサンを最適の溶媒に選定した。
【００５４】
また、実験例２によって、最適の反応時間を求めるために、時間帯別の５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率を比較し、実験例３によって固体酸触媒内の酸性基量に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率を比較し、実験例４によってフルクトースを含むコーンシロップの濃度に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率を比較した。
【００５５】
また、実験例５においては、触媒の再使用方法と再使用回数に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率を比較し、実験例６においては、本発明で開発された全段階の方法によりフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造した。
【実施例】
【００５６】
本発明は、下記の実験例により、よく理解することができ、下記の実験例は、本発明の例示目的のためのものであって、本発明の特許請求範囲によって限定される保護範囲を制限するものではない。
【００５７】
実験例１-溶媒適用
チューブラータイプの多重反応器内に高果糖コーンシロップ（ＨＦＣＳ）を４３０ｍｇ（含まれた炭水化物３００ｍｇ、炭水化物内のフルクトース２７０ｍｇ、１.５ｍｍｏｌ）ずつ入れる。次に、ポリスチレン支持体にスルホン酸基が連結されたアンバーリスト（Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ）１５レジン（Ａｌｄｒｉｃｈ、４.７ｍｅｑ ｏｆ Ｈ＋／ｇ  ｒｅｓｉｎ）を各反応器内に３００ｍｇ（固体酸触媒内のブレンステッド酸性基１.４ｍｍｏｌ）ずつ入れる。その後、各反応器に３ｍＬのジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、アセトニトリル、ジオキサン、イソプロパノール、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）を入れ、温度を徐々に１００℃まで加熱して、４時間の間攪拌しながら、反応を進行させる。
【００５８】
反応後、反応器を室温に減温してＨＰＬＣ等級の蒸溜水で希釈した後、ＨＰＬＣ分析を行って収率を測定した。試料は、高性能の液体クロマトグラフィー（Ａｇｉｌｅｎｔ １２００ ｓｅｒｉｅｓ）上でイオン排除コラム（Ｂｉｏ−Ｒａｄ Ａｍｉｎｅｘ ＨＰＸ-８７Ｈ ３００７.８ｍｍ）により分離してＲＩＤ検出器で測定して生成された５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率を求める。
【００５９】
ＨＰＬＣ分析結果、前記反応条件下で、各溶媒に対する５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率は、表１の通りである。本実験により、ジオキサンを溶媒として使用したとき、７９％以上の収率で５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）が生成されることを確認することができた。これは、既存の最適の溶媒として知られているジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）を使用したときの５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率が８１％以上の純度であり、これとほぼ同様の優れた結果であることを確認することができた。
【００６０】
【表１】
0006322146.tif 000004
有機溶媒による５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率（温度１００℃）
【００６１】
実験例２-反応時間の最適化
２５０ｍＬの丸底フラスコ内に高果糖コーンシロップ（ＨＦＣＳ）１４.３ ｇ （含まれた炭水化物１０ｇ、炭水化物内の果糖９ ｇ、５０ｍｍｏｌ）を入れる。その後、ポリスチレン支持体にスルホン酸基が連結されたアンバーリスト（Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ）１５レジン１０ｇを入れる。次に、反応器に１００ｍＬのジオキサンを入れ、１００℃で反応して時間に応じて試料を分取した後、ＨＰＬＣ分析によって消耗するフルクトースと生成される５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率を測定した。ＨＰＬＣ分析の結果、時間に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率は、表 ２の通りである。
【００６２】
本実験によって、反応時間３時間で最高の５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率が現れることを確認することができ、それ以後には、レブリン酸（Ｌｅｖｕｌｉｎｉｃ  ａｃｉｄ）のような副産物の生成が増加し、５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率が徐々に減少することを確認することができた。
【００６３】
【表２】
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時間に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率（温度１００℃）
【００６４】
実験例３-固体酸触媒内の酸性基量に応じた効果
固体酸触媒内の酸性基量に応じた反応効果を調べるために、互いに異なる量のアンバーリスト（Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ）１５レジン（４.７ｍｅｑ ｏｆ Ｈ＋／ｇ ｒｅｓｉｎ）をそれぞれ１０ｇ、５ｇ 、２ｇ 、１ｇ各反応器に入れる。次に、各反応器に高果糖コーンシロップ（ＨＦＣＳ）１４.３ｇ（フルクトース９ｇ）とジオキサン１００ｍＬを入れ、温度を徐々に１００℃まで加熱しながら攪拌して反応を進行させる。反応を終えた後、ＨＰＬＣ分析によって生成される５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率を測定した。ＨＰＬＣ分析の結果、固体酸触媒内の酸性基量に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率は、表３の通りである。
【００６５】
本実験によって、固体酸触媒の量が減少すると、反応時間は多少長くなるが、２ｇのＡｍｂｅｒｌｙｓｔ１５レジン（固体酸触媒内の酸性基/フルクトース＝０.１９）だけでも７０％に近い５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率が現れることを確認することができた。
【００６６】
【表３】
0006322146.tif 000006
固体酸触媒内の酸性基量に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率
【００６７】
実験例４-高果糖コーンシロップ濃度に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率
高果糖コーンシロップ（ＨＦＣＳ）の濃度に応じた反応効果を調べるために、互いに異なる量の高果糖コーンシロップ１４.３ｇ（フルクトース９ｇ）、２８.６ｇ（フルクトース１８ｇ）、４２.９ｇ（フルクトース２７ｇ）、７１.５ｇ（フルクトース４５ｇ）を各反応器に入れる。その後、アンバーリスト（Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ）１５レジン１０ｇとジオキサン１００ｍＬをそれぞれ入れ、温度を徐々に１００℃まで加熱し、攪拌して反応を進行させた後、ＨＰＬＣ分析によって生成される５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率を測定した。
【００６８】
ＨＰＬＣ分析の結果、高果糖コーンシロップ（ＨＦＣＳ）の濃度に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率は、表４の通りである。本実験によって、高果糖コーンシロップ（ＨＦＣＳ）の濃度が増加すると、反応時間は多少長くなるが、ジオキサン１００ｍＬに４２.９ｇの高果糖コーンシロップ（ＨＦＣＳ）を入れた高濃度（高果糖コーンシロップ内のフルクトース濃度:１.５Ｍ）の反応条件でも７時間内に６０％以上の５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率が現れることを確認することができた。
【００６９】
【表４】
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高果糖コーンシロップ濃度に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率
【００７０】
実験例５-固体酸触媒の再使用
２５０ｍＬの丸底フラスコ内に高果糖コーンシロップ１４.３ｇ（含まれた炭水化物１０ｇ、炭水化物内のフルクトース９ｇ、５０ｍｍｏｌ）を入れ、アンバーリスト（Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ）１５レジン１０ｇを入れた。反応器に１００ｍＬのジオキサンを入れ、１００℃で３時間の間攪拌した。反応終結後、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ１５は濾過し、アセトンで３回、蒸溜水３回、２Ｎ ＮａＯＨで２回、蒸溜水で２回、３Ｎ ＨＣｌで２回、蒸溜水で２回、アセトニトリルで２回の順に処理し、洗浄と再活性化をした後の乾燥過程を経て、次の反応に再使用した。再使用したＡｍｂｅｒｌｙｓｔ１５によって得た５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の収率をＨＰＬＣで分析した結果、表５の示すようにＡｍｂｅｒｌｙｓｔ１５の活性が持続的に維持されることを確認することができた。
【００７１】
【表５】
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固体触媒の再使用回数に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）の生成収率
【００７２】
実験例６-５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの製造
２５０ｍＬの丸底フラスコ内に高果糖コーンシロップ（ＨＦＣＳ）１４.３ｇ（含まれた炭水化物１０ｇ、炭水化物内のフルクトース９ｇ、５０ｍｍｏｌ）を入れ、アンバーリスト（Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ）１５レジン１０ｇを入れた。反応器に１００ｍＬのジオキサンを入れ、１００℃で３時間の間攪拌した。反応終結後、アンバーリスト（Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ）１５レジンを濾過して除去し、ジオキサンを蒸留して反応混合物を得た。得られた反応混合物に酢酸エチル（１００ｍＬ）と蒸溜水（１００ｍＬ）を入れて層分離をした後、酢酸エチル層を硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ４）で乾燥し、酢酸エチルを蒸留して４.５ｇのＨＭＦ（収得率７１％）を得ることができた。得られた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）を１Ｈ−ＮＭＲで分析した結果、図２に示すように、高純度の５-ヒドロキシメチル-２-フルフラール（ＨＭＦ）が得られることを確認することができた。
【００７３】
前記実験例において、フルクトースを含むコーンシロップを転換し、５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを得るための最適の溶媒を選定するために、それぞれの有機溶媒を適用に伴う５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率を実験例１で比較した。これによって、ジオキサンのとき、７９％の収率で５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールが生成されることを確認することができた。これは、既存の最適の溶媒として知られているＤＭＳＯを使用したときの５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率（８１％）とほぼ同様の優れた結果であることを確認することができた。
【００７４】
また、実験例２によって、最適の反応時間を求めるために、時間帯別の５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率を比較して、反応時間３時間で最高の５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率が現れることを確認することができた。
【００７５】
次に、実験例３によって、固体酸触媒内の酸性基量に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率を比較し、固体酸触媒の量が減少すると、反応時間は多少長くなるが、２ｇのＡｍｂｅｒｌｙｓｔ１５レジン（固体酸触媒内の酸性基/フルクトース＝０.１９）だけでも７０％に近い５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率が示されることを確認した。
【００７６】
実験例４によって、フルクトースを含むコーンシロップ濃度に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率を比較した。コーンシロップの濃度が増加すると、反応時間は多少長くなるが、ジオキサン１００ｍＬに４２.９ｇのコーンシロップを入れた高濃度（コーンシロップ内のフルクトース濃度:１.５Ｍ）の反応条件でも７時間内に６０％以上のコーンシロップ収率が示されることを確認することができた。
【００７７】
また、実験例５においては、触媒の再使用方法と再使用回数に応じた５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの収率を比較し、収率が７９〜８２％であってＡｍｂｅｒｌｙｓｔ１５の活性が持続的に維持されることを確認することができた。
【００７８】
また、実験例６においては、本発明で開発された全段階の方法によりフルクトースを含むコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを製造した。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
フルクトースを含んでいるコーンシロップから５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールを転換する方法として、使用されるジオキサン、不均一の固体酸触媒および有機溶媒を工程に再使用することによって、連続反応が可能な５-ヒドロキシメチル-２-フルフラールの商業的な生産に容易であるため、産業上の利用が可能である。
【図１】
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【図２】
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