(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、穏和な条件に於いても高い収率と選択性を示す触媒的な酸化による生産性に優れた糖質の転換方法を提供することにある。【解決手段】  金超微粒子からなる触媒を用いることによって課題が達成できる。例えば、この触媒を用いることによって、グルコースから、室温、常圧の穏和な条件で、グルコン酸を高収率、高選択的に製造することができる。【選択図】          なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金超微粒子を触媒として用いることを特徴とする糖質の酸化方法。
【請求項２】
金超微粒子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察による一次粒子径が１０ｎｍ以下である、請求項１に記載の糖質の酸化方法。
【請求項３】
金超微粒子をシリカ、チタニア、ジルコニア、又は活性炭に担持した触媒を用いる、請求項１又は２に記載の糖質の酸化方法。
【請求項４】
糖質が単糖、オリゴ糖、多糖、又はこれらの誘導体である、請求項１から３の何れかに記載の糖質の酸化方法。
【請求項５】
原料のグルコースを酸化してグルコン酸を製造するに際して、請求項１から４の何れかに記載の金超微粒子を触媒とする糖質の酸化方法を用いるグルコン酸の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金超微粒子を触媒として用いる糖質の酸化方法、及び原料のグルコースを酸化してグルコン酸を製造するに際して当該酸化方法を用いるグルコン酸の製造方法に関する。
グルコン酸又はグルコン酸の脱水によって容易に得られるグルコン酸無水物は、健康食品、食品添加物、凝固剤、洗浄剤等の広範な用途に用いられる有用な化合物である。
【背景技術】
【０００２】
糖質は、エネルギー源としてのみならず、例えば細胞構造の維持や免疫応答などの生命活動に於いて重要な役割を演じている。近年、特に食品分野、医療・医薬分野、農業分野、各種工業分野や環境分野等に於いて、糖質を用いた機能製品の開発が活発に進められており、その応用は多岐に渡り枚挙に暇がないが、技術的な観点からは、特定の単糖類を他の基質に導入するグリコシル化、単糖類のオリゴーマー又はポリマー化、或いはアミノ基、アセチル基、フッ素原子等を糖質に導入する化学変換が基本であり、グルコースの水酸基へのフッ素原子、アミノ基、アセチル基等の導入、或いはホルミル基やヒドロキシメチル基の酸化によるカルボキシル基への変換が典型である。代表的な単糖であるグルコースからは種々の有用物質の製造が試みられている。例えば、グルコースからグルコン酸、グルクロン酸、ビタミンＣ、デキストラン、セルロース、グルコサミンが製造出来る。また、グルコースとヒドロキノンからは美白効果のあるα−アルブチンが製造可能である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この中、グルコン酸はグルコースの発酵法（例えば、特許文献２参照）、パラジウム、白金触媒等を用いる空気酸化（例えば、特許文献３，４、非特許文献１，２参照）、臭素或いは次亜臭素酸等による化学的な酸化等によって製造される（例えば、非特許文献３参照）。商業的には、アスペルギルスやグルコノバクテロ属の微生物による発酵法が成功を収めている。しかし、発酵法は微生物の増殖時間、及びグルコン酸への転化時間からなる全体の生産時間が数日と長い事、グルコースの一部が微生物の増殖に消費されてしまううえ培養菌体を反応後除去する必要があり精製に手間が掛かる欠点がある。
【０００４】
一方、化学法は、発酵法に比べて反応時間が短く生産性が高い利点を有するが、収率が充分ではなく不純物が多い場合が一般的であり、反応の選択性を改善し化学法の欠点を解決する試みが成されている（例えば、特許文献５，６参照）。特許文献５の方法は、酸化触媒としてパラジウムとビスマスからなる活性炭担持触媒を用いたもので、グルコースを５０℃で１時間、酸化した場合の選択率は９９％を超えると記載されている。また特許文献６の方法は、ビスマス、パラジウム、及び白金を活性炭に担持させた触媒を用いるもので、選択率は９８％に達すると記載されている。このように、従来に比べて酸素酸化反応の選択性が改善され、生産性の向上が期待できるが、何れの場合も触媒成分として２乃至３種類の複数の金属原子を用いる必要があり、その為に触媒調製に手間を要し、しかも反応成績が安定しない問題や繰り返しの使用により選択性が低下する問題があるため、単一な金属原子からなる酸化触媒の提供が望まれてきた。
【特許文献１】特開平５−１７６７８５号公報
【特許文献２】特公昭３３−７６２０号公報
【特許文献３】特公昭６０−９２２３９号公報
【特許文献４】特公昭６２−２２８０９８号公報
【特許文献５】特開平２−７２１３７号公報
【特許文献６】特開平１０−１８００９４号公報
【非特許文献１】Chemistry of Organic Fluorine CompoundsII, Monograph1, American Chem. Society, 1995, p.187
【非特許文献２】Busch, DRP 702729, (1939), DRP/DRBP Org. Chem.: 3 1320
【非特許文献３】Heyns Heinemann, JLACBF, Justus Liebigs Ann. Chem., 558 (1947) 190
【非特許文献４】Ruff, CHBEAM, Chem. Ber.,32 (1899),2274
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、穏和な条件に於いても高い収率と選択性を示す触媒的な酸化による生産性に優れた糖質の転換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者等は、上記課題を解決する為に鋭意検討を重ねた結果、近年、触媒作用が確認されているナノサイズの金超微粒子（例えば、特開平１０−１８００９４号公報参照）を触媒に用いると、グルコースから、室温、常圧下の穏和な条件に於いても酸化反応が容易に進行し、高選択的にグルコン酸が生成する事、また触媒を繰り返し使用しても活性低下が小さい事を見出して本発明を成すに至った。即ち本発明は、以下の（１）から（５）に示すナノサイズの金超微粒子を触媒として用いる糖質の酸化方法、及び当該酸化方法を用いて原料のグルコースからグルコン酸を製造する方法に関する。
（１）金超微粒子を触媒として用いることを特徴とする糖質の酸化方法。
（２）金超微粒子の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察による一次粒子径が１０ｎｍ以下である、（１）に記載の糖質の酸化方法。
（３）金超微粒子をシリカ、チタニア、ジルコニア、又は活性炭に担持した触媒を用いる、（１）又は（２）に記載の糖質の酸化方法。
（４）糖質が単糖、オリゴ糖、多糖、又はこれらの誘導体である、（１）から（３）の何れかに記載の糖質の酸化方法。
（５）原料のグルコースを酸化してグルコン酸を製造するに際して、（１）から（４）の何れかに記載の金超微粒子を触媒とする糖質の酸化方法を用いるグルコン酸の製造方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば単一元素からなり、調製が簡便で、比較的安価な金触媒を用いて、穏和な条件下に糖質、特にグルコースを選択的に酸化する事が出来る。また、触媒寿命も長いのでグルコン酸の生産性が高く、工業的な意義は大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明で用いる触媒は、ＴＥＭで観察した一次粒子径が１０ｎｍ以下の金超微粒子である。目的の反応に用いるには、一次粒子径が１０ｎｍ以下である事が好ましく、特に１から５ｎｍのものが好ましい。一次粒子径が１０ｎｍ以上の場合、反応の選択性や活性が低下するので好ましくない。この様な一次粒子径を有する金粒子は公知の方法で調製する事が出来るが、例えば塩化白金酸の水溶液と遷移金属の水溶液を炭酸ナトリウム溶液中に滴下して得られる沈殿物を、洗浄、乾燥、焼成する方法（M. Haruta et al., J. Catal., 115, 301(1989)）や活性炭を水に懸濁し、塩化金酸の水溶液を加熱した後にホルムアルデヒドで還元する含浸法（G. J. Hutchings et al., Chem. Commun., 2002, 696）等の方法が適用できる。またマイクロ波を利用すると簡単にナノサイズの粒子を得る事が出来る。
【０００９】
更に、Ａｕ−Ｚｒ合金を酸化処理してＡｕ−ＺｒＯ２を得るアモルファス合金法（M. Shibata et al., Chem. Lett., 1985, 1605）、 金チオールクラスターを形成させた後、ゾル−ゲル法によってチタニアに金を組み込む金チオールクラスター法（J. J. Pietron et al., Nano Lett. 2, 545（2002））が適用出来る他、塩化金酸の水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を滴下し、担体を加える化学的表面固定化法、金錯体のＣＶＤ法（所謂、気相グラフティング法）や金ホスフィン錯体析出法（液相グラフティング法）等も利用できる。
【００１０】
金超微粒子は、通常、適当な担体に担持して用いる。この目的に適した担体として、例えば、一般的な無機酸化物類、或いは活性炭が好ましい。具体的には、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、カルシア、マグネシア、イットリア等が挙げられる。取り分け好ましいのは、活性炭、またはナノサイズのカーボンであるカーボンナノチューブやカーボンナノホーン、シリカ、チタニア、ジルコニア、イットリア等である。
【００１１】
担体に担持する金原子の量は、０．０１重量％以上である事が好ましい。通常、０．５から５重量％を担持して用いるがさらに担持可能であれば５重量％以上を用いても特に支障は無い。また活性や選択性等に悪影響がなければ、金以外の原子種が含まれても良く、金と共に用いられる原子として、例えば、Ｐｄ、Ｂｉ等が挙げられる。
【００１２】
酸化反応の基質としては、ヒドロキシメチル基又はホルミル基を含む糖質であれば良く、例えば、グルコース、フコース、Ｎ−アセチルグルコサミン、Ｎ−アセチルガラクトサミン、Ｎ−アセチルノイラミン酸、エリトロース、トレオース、リボース、アラビノース、キシロース、アロース、リキソース、アルトロース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトース、不飽和結合を有するヘキサエノース等の不飽和糖、アピオースの様な分岐糖、デオキシ糖、アミノ糖、チオ糖や縮合糖、単糖無水物等の各種誘導体である単糖類、或いは他の糖類単位とグリコシド結合をしたマルトース、ショ糖、ラクトース等の二糖類を含む単糖が二から数個程度結合したオリゴ糖類、デンプン、グリコーゲン、セルロース等の多糖類、これら糖類がタンパク質や脂質等と結合した複合糖質、核酸塩基と結合したヌクレオシドやリボ核酸、デオキシリボ核酸等の糖誘導体がヒドロキシメチル基若しくはホルミル基を有する場合であれば使用できる。グルコン酸の製造に限ればグルコースが基質として特に好ましい。基質グルコースは、Ｄ体、Ｌ体、ラセミ体のいずれでも良く、これらの混合物であっても良い。
【００１３】
該触媒は固定床に充填して、或いは反応液中に添加、共存させて反応を行う。反応は、回分式、半回分式、或いは連続方式での実施が可能であり、通常の熱反応、或いはマイクロ波及び／又はマイクロ波近傍の電磁波の照射下に反応を行う事も出来る。反応温度は、室温から１５０℃以下で実施する事が好ましく、特に室温から１００℃の温度範囲が好ましい。酸化には空気または酸素を用いる。当該ガスは常圧、又は加圧下に導入して反応を行うが、通常は常圧下のバブリングで行う事が安全上望ましい。
【実施例】
【００１４】
以下に本発明を実施例によってさらに詳しく説明する。但し、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものでは無い。
［分析条件］：グルコースの酸化生成物は、キャピラリー電気泳動法を用いて以下の条件で分析を行った。
キャピラリー：Fused Silica ５０μm×７２cm
バッファー：HP Basic Anion Buffer（部品番号5064-8209）
電圧：−２５ＫＶ
温度：２０℃
Detector Signal 350 nm, 20 nm; Reference 275 nm, 10 nm
【００１５】
参考例１．金超微粒子触媒１の調製
滴下漏斗、還流菅、温度計を備えた５００ｍｌの４つ口フラスコに活性炭（クラレコール、（株）クラレ製）４ｇを仕込み、クエン酸ナトリウム２ｇを水３００ｍｌに溶かした水溶液を加えて、１０分間攪拌した。滴下漏斗に水５０ｍｌと０．１Ｍ塩化金酸水溶液２ｍｌを混ぜた水溶液を入れ、３０分かけて滴下した。滴下終了後、さらに３０分間攪拌した。次いで、０．１Ｍ水酸化ナトリウム水溶液４０ｍｌと水１０ｍｌを混ぜた水溶液を３０分間で滴下、３０分間攪拌した。ホルムアルデヒド液（37％濃度）２ｇと水５０ｍｌを混ぜた水溶液を３０分で滴下し、滴下終了後、７０℃迄加温した。その温度でさらに１０分攪拌した。攪拌を止めて室温まで放冷し、ろ過した。２００ｍｌの水で２回洗浄し、９０℃で５時間乾燥して金超微粒子触媒１（3.68g）を得た。この触媒の金の担持量は１ｗｔ％であり、ＴＥＭ観察による金粒子の一次粒子径は８ｎｍであった。
【００１６】
参考例２．金超微粒子触媒２の調製
文献（Preparation of Catalysts VI, 227）に準じて行った。４つ口フラスコに、純水２００ｍｌ、０．０５Ｍの塩化金酸水溶液１ｍｌ、０．１Ｍの水酸化ナトリウム水溶液２０ｍｌを入れてｐＨを１１とした。液温を７０℃に於いて１０分間攪拌した後にチタニア（日本アエロジル（株）製P25）を２ｇ加え、２時間攪拌した。室温まで冷却し、遠心分離機で固液分離した。沈殿を充分に乾燥し、４００℃で３時間焼成した。青紫色のチタニア担持金超微粒子触媒２（1.34g）が得られた。金の担持量は１ｗｔ％であり、ＴＥＭ観察による金粒子の一次粒子径は９ｎｍであった。
【００１７】
実施例１
スターラーチップを入れた１００ｍｌの４つ口フラスコにグルコース１．８ｇと金超微粒子触媒１（0.197g）を入れて（基質：金＝１０００：１）、１０ｍｌの水でグルコースを溶解した。別の容器に水酸化ナトリウム０．４ｇを水１０ｍｌに溶かし、４つ口フラスコ反応器に添加した。酸素を１気圧でバブリングし、６００ｒｐｍで攪拌しながら反応を開始した。室温で１時間反応を行った後、触媒を含む懸濁液を遠心分離した。上澄みを０．４５μｍのメンブレンフィルターでろ過し、生成物を分析した。その結果、グルコース転化率１００％、グルコン酸の選択率９９％であった。
【００１８】
実施例２
触媒として金超微粒子触媒２を用いた以外は実施例１と同様にして反応を行った。室温１時間で転化率９９％、グルコン酸選択率９９％となった。
【００１９】
比較例１
触媒として、５％の活性炭担持Ｐｄを用い、基質に対してＰｄを１０００：１の割合で添加した以外は実施例１と同様に行った。その結果、グルコース転化率２０％、グルコン酸選択率２０％であった。
【００２０】
実施例３
触媒回収した後、実施例１に記載の反応を、１０回繰り返した。触媒の活性低下は殆ど見られずグルコース転化率９９％、グルコン酸転化率９９％であった。