(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉとＡｌの原子数組成比Ｓｉ／Ａｌが２０を越える酸型−βゼオライトを含む、糖アルコールから二無水糖アルコールを製造するための脱水反応用固体触媒。
【請求項２】
上記Ｓｉ／Ａｌが４００以下である、請求項１に記載の固体触媒。
【請求項３】
糖アルコールが、ソルビトール、マンニトール及びイジトールからなる群より選択される、請求項１または２に記載の固体触媒。
【請求項４】
糖アルコールがソルビトールであり、二無水糖アルコールがイソソルビドである、請求項３に記載の固体触媒。
【請求項５】
糖アルコールから二無水糖アルコールを製造するための方法であって、糖アルコールを、請求項１〜４のいずれか１つに記載の触媒と接触させることを含む、方法。
【請求項６】
上記触媒に含まれる酸型−βゼオライトの量が、糖アルコール１００質量部を基準として５〜６０質量部である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
触媒と接触させた糖アルコールを、周囲圧力下または減圧下で保持することを含む、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
触媒と接触させた糖アルコールを、１１０℃〜１７０℃の温度で保持することを含む、請求項５〜７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項９】
触媒と接触させた糖アルコールを、１．５時間以上保持することを含む、請求項５〜８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１０】
ＳｉとＡｌの原子数組成比Ｓｉ／Ａｌが２０を越える酸型−βゼオライトの、糖アルコールから二無水糖アルコールを製造するための脱水反応用固体触媒としての使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルロース由来の糖アルコールから２分子の水分子を脱水して二無水糖アルコールを製造するための触媒、及びその触媒を使用して二無水糖アルコールを製造する方法、好ましくはソルビトールからイソソルビドを製造するための触媒とそれを用いたイソソルビドの改良された合成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油資源に代えて、森林資源、バイオマスを活用した化学反応プロセスの開発が盛んとなっており、セルロース由来の糖アルコールについても、その応用用途の開発が注目されている。その一つの例として、糖アルコールを脱水して有用化学物質の原料を得るプロセスがある。例えば、セルロース分解により得られるソルビトールを脱水して得られる二無水糖アルコールのイソソルビドは、医薬化合物の原料の製造や、ポリウレタン、ポリカーボネート類、ポリエステルなどの縮合ポリマーの製造に有用なため、それらの反応収率を向上させるための触媒開発が、例えば特許文献１で示されるように盛んに行われてきている。
【０００３】
ここにおいてソルビトールからイソソルビドを得る反応は、図１の化学反応式で示されるように、２段階の脱水反応から成る。ソルビトールは分子内に６個の水酸基を持つために、ソルビトールの脱水反応により、多種類の中間体が生成し、その中の特定のものがイソソルビドを生成することができる。このように副反応の種類が多いため、イソソルビドの収率を上げるための触媒の開発とそれを使用した化学反応制御技術には大きな困難が伴う。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ソルビトールからイソソルビドを得る反応に関して、ソルビトールの脱水触媒として均一系酸触媒である硫酸を用いるかまたは不均一系触媒としてのゼオライトを用いる多くの実験がなされている。その中で各種ゼオライト類は、最も高い収率を示す場合でも、１２時間に及ぶ反応時間で３８％程度の低い収率を示すに過ぎない（実施例１３）のに対して、硫酸は反応時間７５分で７０％を超える収率を示している（実施例３）。このように短時間で、ゼオライト触媒に比べて非常に高い収率が得られることから、硫酸がイソソルビド製造触媒として広く使用されてきている。
【０００５】
このように高い収率が得られ、また安価な硫酸触媒であっても、工業的には多くの課題がある。特に均一系触媒であるために、反応終了後にイソソルビドの分離・精製が必要であり、その設備と工程費用が大きな負担となること、また分離されて残る廃硫酸塩の中和・廃棄処理という煩雑な作業を伴い、更には化学反応装置が硫酸による腐食防止対策を必要とするなど、多くのコストアップ要因を抱えている。
【０００６】
そのために、硫酸の欠点を改良するための技術開発も進められており、その例として、各種固体（不均一系）触媒を使用する試みが、上記特許文献１においても示されている。特許文献１では、固体酸触媒として、Ｈ（酸型）−βゼオライト、Ｈ−モルデナイト、ＺＳＭ−５などの各種ゼオライトについて、Ｓｉ／Ａｌ比、反応時間、酸触媒添加量などの条件を種々変えてイソソルビドの生成収率を測定している。その結果を抜粋し、概要を下記の表１に示す。これらの固体触媒中で、最も高い収率は、Ｓｉ／Ａｌ＝１２．５の酸型−βゼオライトを用いた、反応時間１２．３時間における収率３８％である。反応時間７５分で収率が７０％を超える硫酸触媒に比べ、表１中のゼオライト系触媒は反応時間が非常に長く、且つ収率が非常に低いため、実用性に乏しいものであった。尚、特許文献１では、硫酸化ジルコニアが７３％と高い収率を示しているが（実施例２３）、耐久性が低いために大量合成用途に対して実用的でない。
【０００７】
【表１】
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【０００８】
ソルビトールからイソソルビドへの脱水反応の支配要因が、硫酸触媒の高い酸性度によると考えると、これら各種ゼオライトについても、酸性度の高いものを触媒として使用した場合にイソソルビドの収率が高くなると期待される。その酸性度は、活性点の濃度とそれぞれの活性の強さの両方に依存する。ブレンステッド酸としてのゼオライトの酸性度は、Ｓｉネットワーク中にＡｌが入ることによると考えられ、Ａｌ組成が相対的に大きい領域、即ちＳｉ／Ａｌの原子数比が小さい領域で、酸量が大きいと言われている。例えば特許文献２では、アルコールの脱水反応用固体酸触媒としてゼオライトが検討されており、その明細書中にはＳｉ／Ａｌ＝５〜２０において最も酸性度が高いと述べられている（特許文献２、段落［０００９］）。
【０００９】
上記の視点で特許文献１の実施例、比較例のデータ（上記の表１に抜粋）について、Ｓｉ／Ａｌ比に対するイソソルビド収率η１、及び副生成物の合計収率η２をプロットすると図２のようになる。ここでは、イソソルビドの収率η１とＳｉ／Ａｌ比との間には一定の関係は認められず、またイソソルビドの収率η１の高いものは、副生成物の収率η２も高い傾向が認められる。
【００１０】
また酸型−βゼオライトについては、前述したようにＳｉ／Ａｌ＝１２．５で３８％と比較的高い収率が得られているが、その反応時間は１２時間と、硫酸触媒の１０倍程度の長時間を必要としており、実用的でない。以上の特許文献１に基づくデータからは、硫酸触媒並みに１５０℃以下、反応時間１〜３時間程度で収率７０％程度の収率を、低価格で耐久性の良好な固体触媒により得ることは困難なように思われた。
【００１１】
上記の固体触媒の耐久性としては、反応時の高温、化学作用などに対する耐久性と、活性が低下したときに行う再生処理に対しての耐久性の両方が重要である。固体酸触媒による脱水反応は一般に、反応の進行に伴い炭素付着（コーキング）により反応活性点が覆われ、収率を下げる原因となる。コーキングによる活性劣化を低減させるためには、脱水反応温度を出来るだけ下げることが重要であるが、それでもコーキングを起こした場合には、触媒を洗浄、炭素除去するリサイクルを行って、触媒の寿命を延ばすことが行われる。そのためリサイクル工程で固体触媒の劣化が小さく、再生繰り返し安定性が良好なことが、実用化を進める上で非常に重要である。
【００１２】
以上述べた如く、従来の硫酸触媒を、取り扱い性の優れた固体酸触媒に置き換えたいというニーズは高いものの、高い反応収率、リサイクル性、コストなどの要求性能を満たす触媒を未だ実現できていないのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特表２００４−５０１１１７
【特許文献２】特開平８−２０６５０７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、糖アルコールから二無水糖アルコールを得る脱水反応、特にソルビトールからイソソルビドを得る脱水反応において、イソソルビドの高い選択性、高い収率を、好ましくは同時に達成できる、固体触媒を提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、糖アルコールから二無水糖アルコールを得る脱水反応、特にソルビトールからイソソルビドを得る脱水反応において、従来の硫酸触媒とほぼ同等の収率（反応時間２時間で、概ねη１が６５％以上）を達成できる固体触媒を提供することである。
【００１６】
本発明の別の目的は、従来に比べ低い温度で糖アルコールから二無水糖アルコールの合成、特にソルビトールからイソソルビドの合成を可能にする固体触媒、および当該触媒を用いたイソソルビドの改善された合成方法を提供することである。
【００１７】
更に本発明の別の目的は、繰り返し再生性能（「リサイクル性」とも言われる）に優れた、糖アルコールから二無水糖アルコールを製造するための、特にソルビトールからイソソルビド製造するための固体触媒を提供することである。
【００１８】
本願発明の他の目的は、以下の記載から明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者等は、上記の実状に鑑み、従来技術の欠点を解決すべく鋭意研究した結果、本発明の課題を解決するための考えとして以下のような指針を得た。
（１）特許文献１の実施例１のデータを参照すると、ゼオライト触媒で硫酸触媒並みの性能に到達するためには、反応時間を１０分の１程度に短縮しつつ、更に収率を２倍近く増加させる必要がある。
（２）そのように反応時間を短縮し、且つ収率を上げるためには、複雑な反応工程の中でも、イソソルビドに到達できるように高い酸性度と共に高選択性の触媒の選択と触媒量の設計が必要となる。
（３）そのような指針としては、特許文献２においてゼオライト触媒はそのＳｉ／Ａｌ比が小さい程、酸性度が高いとされていることから、ソルビトールの脱水反応についてもゼオライト触媒のＳｉ／Ａｌ比が小さい領域において高い収率が得られると予想した。
（４）しかしながら、特許文献１のデータから、必ずしもＳｉ／Ａｌ比を小さくすることでは、高い収率を得ることはできないことが認められる。
（５）また、イソソルビドの収率η１を上げようとすると、副生成物の収率η２も増加するというトレードオフの傾向がみられる。
（６）上記（５）の結果から、ゼオライトのＳｉ／Ａｌ比を小さくすることにより酸性度を大きくして脱水しやすくしても、一方でＳｉ／Ａｌ比を小さくすると立体的効果その他の理由で選択率が低下し、その結果として上記（５）の結果を起こしているのではないかと推定した。
（７）そこで、各種の酸触媒について再度スクリーニングした結果、特定のイオン交換樹脂などと並んで、酸型−βゼオライトを用いると比較的高いη１を得ることができることを確認した。
（８）ここでイオン交換樹脂は、１００℃以上の高温では耐久性が低いため、酸型−βゼオライトにつき、そのＳｉ／Ａｌ比を変化させ、更に触媒添加量や反応温度などの反応条件も組み合わせて考慮することにより、最適な触媒組成を探索した。
（９）その結果、驚くべきことに、特許文献１では具体的に示されていない、Ｓｉ／Ａｌ＝２０を越える酸型−βゼオライトを触媒として使用した場合に、副生成物の収率η２の増加を伴わずに、急激にη１が増加することを発見した。
（１０）更に上記（９）の触媒を使用する場合には、必ずしも高い反応温度が有利ではなく、好ましい反応温度領域が存在することを見出した。
（１１）以上の知見から、本発明では、比較的低い反応温度で、且つ短時間の反応時間で、硫酸触媒と同等程度の高いイソソルビド収率を得ることができた。
（１２）更に、このようにして得られた触媒のリサイクルテストを実施したところ、４回繰り返し使用後でも、硫酸触媒に近いレベルの６０％以上の高い収率η１を達成することができ、本発明に到達した。
【００２０】
すなわち本発明は、以下に関する：
１．ＳｉとＡｌの原子数組成比Ｓｉ／Ａｌが２０を越える酸型−βゼオライトを含む、糖アルコールから二無水糖アルコールを製造するための脱水反応用固体触媒。
２．上記Ｓｉ／Ａｌが４００以下である、上記１に記載の固体触媒。
３．糖アルコールが、ソルビトール、マンニトール及びイジトールからなる群より選択される、上記１または２に記載の固体触媒。
４．糖アルコールがソルビトールであり、二無水糖アルコールがイソソルビドである、上記３に記載の固体触媒。
５．糖アルコールから二無水糖アルコールを製造するための方法であって、糖アルコールを、上記１〜４のいずれか１つに記載の触媒と接触させることを含む、方法。
６．上記触媒に含まれる酸型−βゼオライトの量が、糖アルコール１００質量部を基準として５〜６０質量部である、上記５に記載の方法。
７．触媒と接触させた糖アルコールを、周囲圧力下または減圧下で保持することを含む、上記５または６に記載の方法。
８．触媒と接触させた糖アルコールを、１１０℃〜１７０℃の温度で保持することを含む、上記５〜７のいずれか１つに記載の方法。
９．触媒と接触させた糖アルコールを、１．５時間以上保持することを含む、上記５〜８のいずれか１つに記載の方法。
１０．ＳｉとＡｌの原子数組成比Ｓｉ／Ａｌが２０を越える酸型−βゼオライトの、糖アルコールから二無水糖アルコールを製造するための脱水反応用固体触媒としての使用。
【発明の効果】
【００２１】
上述したところからわかるように本発明によれば、糖アルコール（例えば、ソルビトール）から二無水糖アルコール（例えば、イソソルビド）を得る反応において、従来の硫酸触媒に比べて反応後の触媒分離が容易であり、そして反応装置への負荷を少なくすることができる。また本発明によれば、従来の固体触媒と比較して、上記反応において高い選択性および高い収率を、好ましくはより低い温度およびより短い時間で達成でき、さらに、繰り返し触媒使用時の再生性能にも優れた触媒が提供される。さらに、本発明によれば、上記触媒を用いることにより、糖アルコール（例えば、ソルビトール）から二無水糖アルコール（例えば、イソソルビド）を製造するための改善された方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ソルビトールからイソソルビドを得る反応の化学反応式を示す。
【図２】表１のデータに基づいて、特許文献１の実施例、比較例に開示される各ゼオライトに関して、Ｓｉ／Ａｌ比に対するイソソルビド収率η１、及び副生成物の合計収率η２をプロットしたグラフを示す。
【図３】イソソルビド収率とゼオライトの種類およびＳｉ／Ａｌ比との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
即ち本発明は、ＳｉとＡｌの原子数組成比Ｓｉ／Ａｌが２０を越える酸型−βゼオライトを含む、糖アルコールから二無水糖アルコールを製造するための脱水反応用固体触媒と、それを用いた糖アルコールから二無水糖アルコール（例えば、ソルビトールからイソソルビド）を製造する方法に関する。  
【００２４】
本発明における糖アルコールとしては、いわゆる炭水化物といわれる糖類をアルコールに還元した化合物が使用される。そのような糖類としてはアルドースやケトースなど種々のものがある。それらから還元され、本発明に適した糖アルコールとしては、例えば、マンニトール、イジトール及びソルビトール等が挙げられる。その中でもソルビトールが、その脱水後生成物であるイソソルビドが医薬品やプラスチックの原料として広い用途をもつことから特に好ましい。
【００２５】
本発明において、二無水糖アルコールとは、糖アルコールから２分子の水が脱水された糖アルコールを指す。例えば、糖アルコールとしてソルビトールを使用した場合、前述したようにソルビトールからは種々の副反応が生じ、種々の中間体および生成物が生じ得るが、本発明の場合には、好ましくは、その中でもイソソルビドを二無水糖アルコールとして得る。すなわち、上記二無水糖アルコールは、特に好ましくはイソソルビドである。従って、以下では主として、糖アルコールとしてソルビトール、二無水糖アルコールをイソソルビドとして本発明を説明するが、当該説明は他の糖アルコールなどに対しても同様に適用される。例えば、上記糖アルコールとしてマンニトールを使用した場合には、好ましくは、二無水糖アルコールとしてフルクトースが得られる。
【００２６】
本発明の目的を達成するためには、本発明において上記脱水反応に使用される固体触媒は、図１の２段階の縮合反応のそれぞれに触媒効果を有し、かつ反応系から効率的に分離・除去することができ、しかも設備や環境にダメージを与えないものであることが好ましい。このような観点から、本発明ではβゼオライトが採用され、特にその中でも酸型−βゼオライトが好適である。
【００２７】
従って、本発明における脱水反応用固体触媒は、βゼオライトを含有する触媒であり、好ましくは、酸型−βゼオライトを含有する触媒である。
【００２８】
上記触媒は、本発明の効果を損なわない範囲で、βゼオライトの他に例えばバインダー、シリカ等を含むことができる。
【００２９】
また、上記触媒は、βゼオライトを唯一の成分として含むこともでき、言い換えれば、上記触媒はβゼオライトのみからなることもできる。この場合、本発明は、βゼオライト、好ましくは、酸型−βゼオライトである、糖アルコールから二無水糖アルコールを製造するための脱水反応用固体触媒に関する。
【００３０】
ここで、ゼオライトとは、結晶性の多孔質アルミノケイ酸塩の総称であり、本発明においては上述のようにゼオライトの中でもβゼオライト（「ベータ型ゼオライト」とも表記される）、好ましくは酸型−βゼオライトが使用される。
【００３１】
βゼオライトは、単位胞組成が下記の平均組成式で表される組成を有する合成ゼオライトである：
Ｍｍ／ｘ  ［ＡｌｍＳｉ（６４−ｍ）Ｏ１２８］・ｐＨ２Ｏ
［式中、Ｍはカチオン種（例えば、Ｎａ＋等）であり、ｘは前記Ｍの価数であり、ｍは０より大きく６４未満の数であり、ｐは０以上の数である］。
【００３２】
また、酸型−βゼオライトは、Ｈ型−βゼオライトまたはプロトン型−βゼオライトとも呼ばれ、上記βゼオライトのカチオンサイトをイオン交換してＨ＋に置き換えた構造のものである。なお、本発明で使用される場合、当該酸型−βゼオライトには、本発明の効果を損なわない範囲で、置換されなかった微量の上記Ｍが含まれていても差し支えない。酸型−βゼオライトは、そのＨ＋がブレンステッド酸として作用するために、種々の反応の触媒や化学物質の吸着剤などに汎用されている。
【００３３】
従って、上記酸型−βゼオライトの製造方法については既に公知であり、種々の製品を商業的に入手することが可能である。例えば、本発明において使用できる酸型−βゼオライトとしては、クラリアント触媒社製Ｈ−ＢＥＡ−２５（Ｓｉ／Ａｌ＝１２．５）、クラリアント触媒社製Ｈ−ＢＥＡ−３５（Ｓｉ／Ａｌ＝１７．５）、クラリアント触媒社製Ｈ−ＢＥＡ−５０（Ｓｉ／Ａｌ＝２５）、クラリアント触媒社製Ｈ−ＢＥＡ−１５０（Ｓｉ／Ａｌ＝７５）等を商業的に入手することができる。
【００３４】
本発明における酸型−βゼオライトでは、ＳｉとＡｌの原子数組成比Ｓｉ／Ａｌ比が２０を越えることが必要であり、例えば、２２以上または２４以上であることもできる。Ｓｉ／Ａｌ比が２０以下であると、イソソルビドの収率が低下する。Ｓｉ／Ａｌ比が２０以下の酸型−βゼオライトは、一般には酸性度が高いと考えられることから、Ｓｉ／Ａｌ比が２０以下の領域では収率が高いと予想されるのに対して、何故そのようにならず、より高いＳｉ／Ａｌ比の領域で収率が高くなるのか、その理由は明確ではない。敢えて推定すると、Ｓｉ／Ａｌ比が２０以下では酸量が多いが、酸強度が足りないことが推定される。または、酸量が多すぎて触媒表面におけるカーボンの析出が多くなり、反応が阻害されることも他の要因として推定される。更には、Ｓｉ／Ａｌ比２０以下では、細孔径や細孔容積などの形状的な要因が、イソソルビドの選択性を小さくしていることもその理由の一つとして推定される。
【００３５】
ＳｉとＡｌの原子数組成比（Ｓｉ／Ａｌ比）は化学分析や原子吸光法での元素分析により、測定することができる。
【００３６】
なお、ＳｉとＡｌの原子数組成比（Ｓｉ／Ａｌ比）が大きすぎる場合には、酸型−βゼオライトの酸性度が低下して、反応収率が低下し、実用的でなくなる。従って、本発明における酸型−βゼオライトでは、Ｓｉ／Ａｌ比が４００以下であることが好ましく、例えば、３００以下、２００以下、１００以下または８０以下であることができる。
【００３７】
従って、上記酸型−βゼオライトのＳｉ／Ａｌ比は、好ましくは、例えば２０＜Ｓｉ／Ａｌ比≦４００、２０＜Ｓｉ／Ａｌ比≦２００、２２≦Ｓｉ／Ａｌ比≦１００、または２４≦Ｓｉ／Ａｌ比≦８０の範囲にある。
【００３８】
また、本発明における酸型−βゼオライトは、例えば５０ｍ２／ｇ〜１０００ｍ２／ｇの比表面積を有することができる。比表面積が小さすぎると酸型βゼオライトの吸着性能が十分ではなくなり、逆に大きすぎると生成物の脱離が妨げられて収率が低下しやすいという問題が生じ易くなる。このような観点から、本発明における酸型−βゼオライトは、好ましくは１００ｍ２／ｇ〜８００ｍ２／ｇ、特に好ましくは４００ｍ２／ｇ〜６００ｍ２／ｇの比表面積を有する。
【００３９】
本発明の固体触媒を用いて糖アルコール（例えばソルビトール）から二無水糖アルコール（例えばイソソルビド）を製造するための方法は、糖アルコール（例えばソルビトール）を上記触媒と接触させることを含む。その場合に例えば、ソルビトールを固体のまま触媒と混合した上で反応させてもよいし、またはソルビトールを液体の形態、好ましくは水溶液の形態にした後に、触媒と混合して反応させることもできる。
【００４０】
上記混合は、例えば撹拌によって行うことができ、撹拌は撹拌子や撹拌羽根等を用いて行うことができる。糖アルコール（例えばソルビトール）と上記触媒とを接触させる際、例えば、これらの量が少量である場合には撹拌子を用いて撹拌・混合し、これらの量が増えた場合には、モーター駆動によるリボン型撹拌羽根等によって撹拌を行うことができる。
【００４１】
本発明の１つの好ましい実施態様では、均一かつ十分な混合を達成することができるため、糖アルコールと上記触媒とを接触させる際には、撹拌子または撹拌羽根を用いて混合を行う。
【００４２】
このようなソルビトールの脱水反応に当たって、触媒に含まれる酸型−βゼオライトの量（以下、簡便のため単に「触媒量」とも言う）は、少なすぎると十分な反応速度が得られず、ソルビトールの転化率が低くなり、一方、多すぎると触媒の無駄使いだけではなく、副反応が促進されイソソルビドの収率が逆に低くなる。このような観点から、本発明においては、上記触媒量はソルビトール１００質量部に対して５〜６０質量部であることが好ましい。上記触媒量は、より好ましくはソルビトールの１００質量部に対して、１０〜６０質量部であり、さらに好ましくは２０〜６０質量部または２５〜６０質量部である。
【００４３】
本発明の脱水反応では、多くの副反応を伴うために、反応温度の制御が重要である。反応温度が低すぎると、反応速度が小さく、長時間の反応時間が必要となるため実用性に欠ける。温度が高すぎると、所望のイソソルビドの選択性が低下し、副生成物が多くなる。このような観点から、本発明における好ましい反応温度は約１１０℃〜約１７０℃であり、より好ましくは１１５℃〜１６０℃、特に好ましくは１２０℃〜１５０℃または１２０℃〜１４５℃または１２５℃〜１３５℃である。
【００４４】
また、本発明における脱水反応は、任意の圧力下で、触媒と接触させた糖アルコールを保持することによって行うことができる。上記脱水反応は、好ましくは周囲圧力下または減圧下で行われ、より好ましくは、減圧下で、例えば１０００ｈＰａ以下、８５０ｈＰａ以下、７５０ｈＰａ以下、５００ｈＰａ以下、４００ｈＰａ以下または１０ｈＰａ以下の圧力下で行われる。他方、圧力の下限は、使用する反応装置に依存するだけで特に制限はないが、一般的には、５ｈＰａ〜周囲圧力の圧力下で反応を行えば十分である。
【００４５】
本発明における脱水反応の反応時間は、短すぎると十分なイソソルビド収率を達成することができないため、好ましくは１時間以上であり、より好ましくは１．５時間以上である。ただし、長すぎる場合にはコスト増加や副生成物の発生の増加が懸念される。このような観点から、反応時間は、１時間〜１０時間であることが好ましく、１．５時間〜８時間であることがより好ましく、２時間〜６時間であることが特に好ましい。
【００４６】
例えば、本発明の方法では、固体酸触媒である酸型−βゼオライトはそのまま、原料の固体状態にある糖アルコールと混合し、上記のような所定温度で所定時間反応させることができ、いわゆるバッチ式で反応させることができる。または、成型した酸型−βゼオライト触媒をチューブ反応管に詰めて、液体の形態にした糖アルコールをそこに導入して流通で連続的に反応させることもできる。
【００４７】
反応後の生成物及び残留している原料（ソルビトール）と触媒の混合物を水で抽出して、濾過することにより、触媒と生成物を分離することができる。濾過で分離した触媒は乾燥・焼成された後、再使用が可能である。
【００４８】
上記のように、ソルビトールの脱水反応では、多種の中間体が生成し得、その中の特定のものだけがイソソルビドを生成できるが、本発明の触媒、ならびに当該触媒を用いる本発明の方法では、目的とするイソソルビドの高い選択性および高い収率での生成が達成される。
【００４９】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明は、これらの実施例等によって何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００５０】
実施例１
反応容器（フラスコ）中にソルビトール粉末（関東化学（株）製）１８２ｍｇを取り、酸型ベータゼオライト（クラリアント触媒社製Ｈ−ＢＥＡ−５０、Ｓｉ／Ａｌ＝２５）５０ｍｇとよく混ぜた。ソルビトールとＨ−ＢＥＡ−５０混合物を入れたフラスコを油浴中で１３０℃まで昇温し、さらに１３０℃で２時間保持した（周囲圧力）。混合物に２０ｍｌ水を加えて濾過することにより、Ｈ−ＢＥＡ−５０を分離した。水溶液を高速液体クロマトグラフィで分析し、生成物を定量した。イソソルビトの収率は６５％であった。
【００５１】
実施例２
Ｈ−ＢＥＡ−５０の代わりにＨ−ＢＥＡ−１５０（クラリアント触媒社製、酸型−βゼオライト  Ｓｉ／Ａｌ＝７５）を使用した以外、実施例１と同様の方法、条件で反応を行った。反応時間を０．５時間、１時間、１．５時間、２時間、３時間、４時間と変えて計６回実施した。イソソルビドの収率は０．５時間では１７％；１時間では４０％、１．５時間では６２％；  ２時間、３時間、４時間ともに６８％であった。
【００５２】
実施例３
反応温度を１４０℃にした以外は実施例２と同様に実施した。イソソルビドの収率反応時間０．５時間では４２％、１時間の場合に６７％、１．５時間で６８％、２時間で６５％、３時間で６２％、４時間で５９％となった。
【００５３】
実施例４
反応温度を１２０℃にした以外は実施例１と同様の方法、条件で反応を行った。反応時間を１時間、２時間、３時間、４時間、５時間、７時間、８時間と変えて計７回実施した。イソソルビドの収率は反応時間１時間で１４％、２時間の時に３２％、３時間で５８％、４時間で６８％、５時間で７４％、７時間で７０％、８時間で７０％となった。
【００５４】
実施例５
実施例２と同じ未使用の触媒（Ｈ−ＢＥＡ−１５０）を使用し、実施例２と同様の方法により５時間反応させた。その時のイソソルビドの収率は７４％であった。使用後の触媒を濾過により回収して１２０℃で５時間乾燥した後、空気中５００℃で３時間焼成し、触媒を再生した。それを同じ方法、条件で２回目の反応をさせたときの、イソソルビドの収率はフレッシュの触媒と同等で７４％であった。さらに３回繰り返しの場合、イソソルビドの収率は７１％であり、４回目は６６％、５回目は６２％であった。
【００５５】
実施例６
市販のソルビトール水溶液（関東化学（株）製、濃度７０質量％）０．２６ｇ（ソルビトール含有量０．１８２ｇ）を、Ｈ−ＢＥＡ−１５０触媒０．０５ｇと混合した以外は、実施例２と同様の方法により、１４０℃で２．５時間反応させた。そのときのイソソルビドの収率は５７％であった。
【００５６】
比較例１
酸型モルデナイトゼオライト（クラリアント触媒社製、Ｓｉ／Ａｌ＝４５）を使用した以外、実施例１と同様に実施した。イソソルビドの収率は３％であった。
【００５７】
比較例２
酸型ＺＳＭ−５（Ｓｉ／Ａｌ＝４０）を使用した以外、実施例１と同様に実施した。イソソルビドの収率は２７％であった。
【００５８】
比較例３
酸型Ｙゼオライト（クラリアント触媒社製、ＨＵＳＹ、Ｓｉ／Ａｌ＝４０）を使用した以外、実施例１と同様に実施した。イソソルビドの収率は２２％であった。
【００５９】
比較例４
Ｈ−ＢＥＡ−３５（クラリアント触媒社製、酸型−βゼオライト、Ｓｉ／Ａｌ＝１７．５）を使用した以外、実施例１と同様に実施した。イソソルビドの収率は１５％であった。
【００６０】
比較例５
陽イオン交換樹脂であるＮａｆｉｏｎ−Ｓｉｌｉｃａ（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社製）を使用した以外実施例１と同様に実施した。イソソルビドの収率は６６％である。析出したカーボンにより黒色化し、再使用はできなかった。
【００６１】
比較例６
均一系触媒である硫酸を使用した以外実施例１と同様に実施した。イソソルビドの収率は６１％であった。
【００６２】
以上の実施例１〜４、実施例６、及び比較例１〜６の実験結果を表２にまとめて示した。また実施例５については表３に示した。
【００６３】
表１から、本発明の触媒（Ｈ−ＢＥＡ−５０）は、１４０℃、１時間の反応でほぼ１００％の転化効率、６８％の高い選択率を示した。それよりも低い１２０℃での反応では５時間で７４％というイソソルビド選択率という高い値を示した。
【００６４】
また表２では、１２０℃、５時間の反応条件では、少なくとも４回繰り返し再生後においても、６０％以上という実用的な高い収率を得ることを示した。
【００６５】
【表２】
0006347545.tif 000003
【００６６】
【表３】
0006347545.tif 000004
【００６７】
実施例７
圧力を７００ｈＰａに減圧し、撹拌子により撹拌を行った以外は、実施例２と同様に実施した。反応時間４時間でのイソソルビド収率は７４％であり、実施例２の６８％に比べて増加した。
【００６８】
実施例８
圧力を７００ｈＰａに減圧し、撹拌子により撹拌を行った以外は、実施例３と同様に実施した。反応時間１時間でのイソソルビド収率は７０％であり、実施例３の６７％に比べて増加した。
【００６９】
実施例９
圧力を７００ｈＰａに減圧し、撹拌子により撹拌を行った以外は、実施例４と同様に実施した。反応時間７時間でのイソソルビトールは７３％であり、実施例４の７０％に比べて増加した。
【００７０】
以上の実施例７〜９の実験結果を表４に示した。減圧と撹拌を行うことにより、イソソルビドの収率を高めることができる。そこで、本反応条件で改めて各種触媒を用いてソルビトールの脱水反応を行った。
【００７１】
【表４】
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【００７２】
実施例１０
触媒量を１２．５ｍｇとした以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は２３％であった。
【００７３】
実施例１１
触媒量を２５ｍｇとした以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は５１％であった。
【００７４】
実施例１２
触媒量を３７．５ｍｇとした以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は６２％であった。
【００７５】
実施例１３
触媒量を７５ｍｇとした以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は７２％であった。
【００７６】
実施例１４
触媒量を１００ｍｇとした以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は７０％であった。
【００７７】
実施例１５
圧力を＜１０ｈＰａとした以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は７５％であった。
【００７８】
実施例１６
圧力を３５０ｈＰａとした以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は７２％であった。
【００７９】
実施例１７
圧力を１０００ｈＰａとした以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は７１％であった。
【００８０】
実施例１８
５５０℃で８時間焼成したＨ−ＢＥＡ−５０（酸型−βゼオライト，Ｓｉ／Ａｌ＝２５）を使用した以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は６８％であった。
【００８１】
比較例７
５５０℃で８時間焼成したＨ−ＢＥＡ−２５（クラリアント触媒製、酸型−βゼオライト，Ｓｉ／Ａｌ＝１２．５）を使用した以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は４１％であった。
【００８２】
比較例８
５５０℃で８時間焼成したＨ−ＢＥＡ−３５（酸型−βゼオライト，Ｓｉ／Ａｌ＝１７．５）を使用した以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は５１％であった。
【００８３】
比較例９
酸型ＺＳＭ−５ゼオライト（Ｓｉ／Ａｌ＝１２．５）を使用した以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は９％であった。
【００８４】
比較例１０
酸型ＺＳＭ−５ゼオライト（Ｓｉ／Ａｌ＝４５）を使用した以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は２７％であった。
【００８５】
比較例１１
酸型Ｙゼオライト（Ｓｉ／Ａｌ＝２．６）を使用した以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は０％であった。
【００８６】
比較例１２
酸型Ｙゼオライト（Ｓｉ／Ａｌ＝１５）を使用した以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は２％であった。
【００８７】
比較例１３
酸型Ｙゼオライト（Ｓｉ／Ａｌ＝４０）を使用した以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は２２％であった。
【００８８】
比較例１４
酸型モルデナイト（Ｓｉ／Ａｌ＝４５）を使用した以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は３％であった。
【００８９】
比較例１５
硫酸を使用した以外、実施例７と同様に実施した。反応時間２時間でのイソソルビドの収率は６９％であった。
【００９０】
以上の実施例１０〜１８、比較例７〜１５の実験結果を表５に示した。また、実施例７、１８、比較例７〜１４の反応時間２時間でのイソソルビド収率をＳｉ／Ａｌ比に対してプロットした結果を図３に示した。Ｓｉ／Ａｌ比が２０を越える酸型‐βゼオライトが特異的にイソソルビドを高収率で与えることが分かる。
【００９１】
【表５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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