(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘキソースを含む原料を有機酸中で加熱して５−ヒドロキシメチルフルフラールを製造する方法であって、前記有機酸中にスルホン酸型のイオン交換樹脂を添加して液相中で反応を行うことを特徴とする５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
【請求項２】
前記ヘキソースを含む原料が、加水分解によりヘキソースを生成する糖類より得られたものであることを特徴とする請求項１に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
【請求項３】
前記ヘキソースがフルクトースであることを特徴とする請求項１又は２に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
【請求項４】
前記有機酸が、１気圧における沸点が１５０℃以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの請求項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
【請求項５】
前記有機酸が、酢酸若しくはギ酸又はこれらの混合液であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの請求項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
【請求項６】
反応温度が５０℃以上前記有機酸の沸点以下である請求項１乃至５のいずれかに記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
【請求項７】
前記反応温度が８０℃以上前記有機酸の沸点以下である請求項１乃至６のいずれかに記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
【請求項８】
前記有機酸の量が、前記原料が全て該有機酸に溶解する量である請求項１乃至７のいずれかに記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
【請求項９】
前記反応が終了した後、反応溶液から蒸留により前記有機酸を除去する請求項１乃至８のいずれかに記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘキソースの脱水反応により５−ヒドロキシメチルフルフラールを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
５−ヒドロキシメチルフルフラール（以下５−ＨＭＦと略す）は、各種医薬品、香料、農薬等の合成中間体として知られており、また、各種ポリマーの材料として期待されている。
【０００３】
糖類からの５−ＨＭＦの製法としては、水溶液中で、強酸触媒を用いて脱水反応を行う方法が知られている（非特許文献１乃至３参照）。しかし、この方法では、生成した５−ＨＭＦの重合、分解が起こりやすく、これを防ぐ為に高温、高圧下で瞬間的に反応させる必要がある。そのため、工業的方法としては、操作性や経済性の点から不利である。
【０００４】
また、ジメチルスルホキシドなどの極性溶媒中で無触媒もしくは酸触媒存在下で脱水反応を行う方法（非特許文献１、２及び４、特許文献１及び２参照）もあるが、生成した５−ＨＭＦからの溶媒除去には、カラムクロマトグラフィーなどを行う必要があるため、工業的方法として考えた場合、経済性の面から不利である。
【０００５】
さらに、水と極性溶媒の混合溶媒中で脱水反応を行う方法（非特許文献５参照）も知られているが、反応系にジメチルスルホキシドを添加している為、上記と同様に５−ＨＭＦとの分離の面で不利である。
【特許文献１】特開昭５４−１５４７５７
【特許文献２】特開平１０−２６５４６８
【非特許文献１】Ｂ．Ｆ．Ｍ．Ｋｕｓｔｅｒ著、１９９０年、ｓｔａｒｃｈ、Ｎｏ．８、ｐ．３１４−３２１
【非特許文献２】Ｌ．Ｃｏｔｔｉｅｒ著、１９９１年、Ｔｒｅｎｄｓ  ｉｎ  Ｈｅｔｅｒｏｃｙｃｌｉｃ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、２、ｐ．２３３−２４８
【非特許文献３】Ｆ．Ｓ．Ａｓｇｈａｒｉ著、２００６年、Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ、４５、ｐ．２１６３−２１７３
【非特許文献４】Ｋｅｉ−ｉｃｈｉ  Ｓｅｒｉ著、１９９９年、Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２０００、ｐ．２２−２３
【非特許文献５】Ｙｕｒｉｙ  Ｒｏｍ▲ａ▼ｎ−Ｌｅｓｈｋｏｖ著、２００６年、Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．３１２、ｐ．１９３３−１９３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水溶液中で強酸触媒を用いて糖類の脱水反応を行う５−ＨＭＦの製造方法では、高温、高圧下で瞬間的に反応させる必要があるため、工業的方法としては、操作性や経済性の点から不利である。
【０００７】
また、ＤＭＳＯなどの非プロトン性の極性溶媒中で糖類の脱水反応を行い、５−ＨＭＦを製造する方法では、高収率で５−ＨＭＦが得られるが、上記のように反応後の溶媒除去に時間や手間がかかり、経済的に不利である。
【０００８】
したがって、合成からその後の精製まで含めて、高温高圧条件を必要とせずに、溶媒除去が容易な５−ＨＭＦの製造方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、溶媒として有機酸を用いてヘキソースの脱水反応を行うことにより、穏和な条件で５−ＨＭＦを生成することができ、かつ溶媒の除去が容易であることがわかった。
【００１０】
したがって、本発明に係る５−ＨＭＦの製造方法は、
ヘキソースを含む原料を溶媒中で加熱して５−ＨＭＦを製造する方法において、
前記溶媒として有機酸を使用することを特徴とする。
【００１１】
前記ヘキソースを含む原料としては、加水分解によりヘキソースを生成する糖類を用いることも可能であり、又、この加水分解は系中で行ってもよく、その場合は、前記溶媒中に少量の水が含まれていることが好ましい。
【００１２】
前記ヘキソースはフルクトースであることが好ましい。
【００１３】
前記溶媒中に酸触媒を添加して反応を行うことが好ましい。
【００１４】
前記酸触媒はスルホン酸型のイオン交換樹脂であることが好ましい。
【００１５】
前記有機酸は、１気圧における沸点が１５０℃以下であることが好ましい。
【００１６】
前記有機酸は、酢酸若しくはギ酸又はこれらの混合液であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る製造方法により、ヘキソースから、穏和な条件で５−ＨＭＦを製造することができる。また、有機酸の沸点が低い為、反応溶液から蒸留等の方法により容易に溶媒を除去できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、ヘキソースを含む原料を溶媒中で加熱して５−ＨＭＦを製造する方法において、前記溶媒として有機酸を使用することを特徴とする５−ＨＭＦの製造方法である。以下、本発明の製造方法について詳細に説明する。
【００１９】
本発明による５−ＨＭＦ合成では、まず、容器内で有機酸とヘキソースを含む原料とを混合し、ヘキソースを溶解させる。その後、該反応溶液を加熱し、５−ＨＭＦを生成する。なお、該反応溶液には、酸触媒を添加してもよい。
【００２０】
本発明において溶媒として用いる有機酸は、特に限定されるものではないが、１気圧における沸点が１５０℃以下のものが好ましい。また、溶媒としては、異なる有機酸同士の混合液を用いることもできる。本発明に用いる有機酸としては、溶媒除去の観点から、沸点が１５０℃以下の有機酸として、例えば、プロピオン酸、酢酸又はギ酸が挙げられる。
【００２１】
また、溶媒中には水が存在しない方が望ましいが、少量の水が存在しても有機酸が溶媒としての機能を損なう程の量でなければ、本発明による５−ＨＭＦの製造は可能である。さらに、本発明における溶媒には、有機酸以外にも、本発明の効果を妨げるものでなければ他の溶媒が含まれていてもよく、溶媒としては、例えば、アセトン、メチルイソブチルケトンのようなケトン類、酢酸エチルのようなエステル類、ジエチルエーテルのようなエーテル類などが挙げられる。
【００２２】
本発明における原料としては、ヘキソースを用いることができる。ヘキソース、つまり炭素数６の単糖としては、特に限定されるものではないが、例えば、グルコース、フルクトース、ガラクトース、マンノース又はソルビトースを挙げることができ、特にフルクトースが望ましい。また、原料としては、これらの単糖類の混合物を用いることもできる。公知のようにヘキソースは加熱脱水反応を受けて５−ＨＭＦを生成する。
【００２３】
さらに、溶媒中に本発明の効果を妨げない程度に少量の水が含まれている場合は、本発明における原料としては、加水分解によりヘキソースを生成する糖類を用い、反応系中でヘキソースを生成させることができる。加水分解性を有する糖類が含有されている場合であっても、それらの糖類が加水分解されてヘキソースを生成した後、該ヘキソースが加熱脱水され、５−ＨＭＦを生成することができるからである。加水分解によりヘキソースを生成する糖類としては、例えば、オリゴ糖や多糖類が挙げられる。オリゴ糖としては、例えば、スクロースやマルトース等が挙げられる。多糖類としては、セルロース、デンプン又はイヌリンなどが挙げられる。なお、少量の水とは、本発明の効果を妨げない程度の量であって、加水分解によりヘキソースを生成する糖類を反応系において加水分解できる量のことをいう。
【００２４】
本発明における反応温度は、５０℃以上溶媒の沸点以下であればよいが、用いる原料や溶媒等に応じて適宜調整することができる。特に制限されるものではないが、６０℃以上溶媒の沸点以下が好ましく、８０℃以上溶媒の沸点以下がより好ましい。
【００２５】
本発明における方法では、特に触媒を用いなくても５−ＨＭＦを製造可能であるが、生成効率を向上する観点から、酸触媒を用いることが好ましい。酸触媒としては、スルホン酸型のイオン交換樹脂を使用することができ、例としては、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ  １５  Ｄｒｙ（登録商標、オルガノ株式会社製）、ＭＴ−Ｋ−１０２２（登録商標、ムロマチテクノス株式会社製）等を挙げることができる。反応に酸触媒を用いる場合、反応後の分離の観点から、強酸性イオン交換樹脂などの不溶性の触媒が望ましい。
【００２６】
また、最適な反応時間は、原料、溶媒、反応温度又は触媒の種類若しくは量等によって異なるが、例えば、反応温度を１１８℃とし、触媒にＡｍｂｅｒｌｙｓｔ１５  Ｄｒｙ  ２．５ｇを使用した場合は、０．５〜５時間程度が望ましい。また、反応温度を１００℃とし、触媒にＡｍｂｅｒｌｙｓｔ１５  Ｄｒｙ  ２００ｍｇを使用した場合には、２０〜４０時間程度が望ましい。反応温度を上げるほど、また触媒量を増やすほど、最適な反応時間は短くなる。
【００２７】
溶媒量は、特に限定されるものではないが、原料が全て溶媒に溶解する量であることが好ましい。例えば、原料をフルクトースとした場合、溶媒の量は、フルクトース１重量部に対して５〜１０００重量部であることが望ましく、９〜１００重量部であることがより望ましい。低温で長時間反応させる場合であれば、さらにフルクトースの量を増やすことも可能である。
【００２８】
なお、反応中、反応溶液内に不溶性の固体成分が析出する場合があるが、この析出はフルクトース濃度、反応温度、反応時間に依存し、糖類の濃度が高い程、反応温度が高い程、反応時間が長い程起こりやすくなる。例えば、原料をフルクトース、溶媒を氷酢酸として、フルクトース濃度を９．５重量部、反応温度を１１８℃で行った場合、２０時間後には析出が見られる。
【００２９】
反応終了後、反応溶液から溶媒を除去するためには、従来の方法を用いることができ、例えば、蒸留により容易に溶媒を除去することができる。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
５ｇフルクトース（キシダ化学株式会社製）、５０ｍｌ氷酢酸（キシダ化学株式会社製）およびマグネティックスターラーを丸底フラスコに添加し、フラスコの上部にモレキュラーシーブを充填した管を、さらにその上部に冷却管を装着した。
【００３１】
その後、上記フラスコの内容物を、電磁撹拌装置で撹拌しながら高温槽中で７０℃まで昇温し、フルクトースを溶解させた。フルクトースが溶解した後、上記フラスコに２．５ｇのＡｍｂｅｒｌｙｓｔ１５  Ｄｒｙを添加し、内容物を撹拌しながら３０分以内の間に反応温度である１１８℃まで昇温した。１１８℃に達してから３時間、保温・撹拌を続けながら反応を行った後、試料を採取し、純水で希釈して液体クロマトグラフィーで測定した。示唆屈折法およびＵＶ検出法（吸収波長：２８４ｎｍ）で得られたクロマトグラムにおける５−ＨＭＦのピーク面積を測定し、あらかじめ作成しておいた５−ＨＭＦの濃度−面積の関係図を用いて試料中の５−ＨＭＦ濃度を計算した。その結果、仕込みフルクトース基準で３５．４モル％の収率で５−ＨＭＦの生成が確認された。
【００３２】
（実施例２）
実施例１において、上記反応温度を１００℃、反応時間を２８時間、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ１５  Ｄｒｙの量を２００ｍｇに設定し、それ以外の条件は同じにして反応を行ったところ、仕込みフルクトース基準で２９．６モル％の収率で５−ＨＭＦの生成が確認された。
【００３３】
（実施例３）
実施例１において、上記反応温度を８０℃に、反応時間を３０時間に設定し、それ以外の条件を同じにして反応を行ったところ、仕込みフルクトース基準で１９．９モル％の収率で５−ＨＭＦの生成が確認された。
【００３４】
（実施例４）
実施例１において、酢酸の代わりにギ酸（キシダ化学株式会社製）を用い、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ１５  Ｄｒｙを添加せず、温度を１００℃、反応時間を２３時間に設定し、それ以外の条件を同じにして反応を行ったところ、仕込みフルクトース基準で２２．１モル％の収率で５−ＨＭＦの生成が確認された。
【００３５】
（比較例１）
実施例１において溶媒に、溶媒の除去が容易な純水を用い、反応時間を２４時間に設定し、それ以外の条件を同じにして反応を行ったところ、仕込みフルクトース基準で７．０モル％の低い収率で、５−ＨＭＦの生成が確認された。
【００３６】
（実施例５）
５重量％の５−ＨＭＦを含む酢酸溶液９ｍｌをナス型フラスコに入れ、エバポレーターに装着した。このフラスコを１８０ｒｐｍで回転させながら、４０〜６０℃、１３３〜２６６Ｐａで、留分が出なくなるまで（約４０分間）減圧蒸留を行い、酢酸を留去した。その後、フラスコに残った試料を採取し、純水で希釈して液体クロマトグラフィーで測定した。示唆屈折法およびＵＶ検出法（吸収波長：２８４ｎｍ）で得られたクロマトグラムにおける５−ＨＭＦおよび酢酸のピーク面積を測定し、あらかじめ作成しておいた濃度−面積の関係図を用いて試料中の５−ＨＭＦおよび酢酸の濃度を計算した。その結果、蒸留前と比較して８６．３モル％の５−ＨＭＦを回収することができた。また、酢酸は除去され、検出されなかった。
【００３７】
（比較例２）
実施例５において、溶媒にジメチルスルホキシド（極性溶媒、沸点１８９℃）を用い、その他は同じ条件で減圧蒸留を行った。その結果、減圧蒸留の時間は約１時間かかり、蒸留前と比較してほぼ１００モル％の５−ＨＭＦが確認できた。しかし、ジメチルスルホキシドは、蒸留前と比較して２０．９モル％残留していた。