(57)【要約】【課題】穏和な反応条件で且つ低毒性の触媒を用いて、ヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖を加水分解、異性化及び脱水反応、又は異性化及び脱水反応させて、1種以上の糖基質が混在した条件下においても多様なフルアルデヒドを製造できる方法を提供する。また、ヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖の加水分解、異性化及び脱水反応、又は異性化及び脱水反応を促進するための触媒として、容易に再使用できる触媒を提供する。【解決手段】本発明は、2-フルアルデヒド、5-メチル-2-フルアルデヒド及び5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドから選択されるフルアルデヒドを製造する方法であって、ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒とが存在する反応系において、D-ガラクトース、D-アラビノース、L-ラムノース、ラクトース及びラフィノースからなる群より選択される1種以上の糖を原料として、前記フルアルデヒドの少なくともいずれかを形成させるフルアルデヒド形成工程を含む、フルアルデヒドを製造する方法に関する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
2-フルアルデヒド、5-メチル-2-フルアルデヒド及び5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドから選択されるフルアルデヒドを製造する方法であって、
ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒とが存在する反応系において、
（i）D-アラビノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて2-フルアルデヒドを形成させる；
（ii）L-ラムノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-メチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
（iii）D-ガラクトースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
（iv）ラクトースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；及び
（v）ラフィノースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
の少なくともいずれかのフルアルデヒド形成工程を含む、フルアルデヒドを製造する方法。
【請求項２】
前記陽イオン交換樹脂が、-2以下の酸度関数（H0）を有する、請求項1の方法。
【請求項３】
前記陽イオン交換樹脂が、0.08〜350 m2/gの範囲のBET表面積を有する、請求項1又は2の方法。
【請求項４】
前記陽イオン交換樹脂が、25〜50 nmの範囲の平均細孔径を有する、請求項1〜3のいずれか1項の方法。
【請求項５】
前記塩基性触媒と前記酸性触媒と前記糖とを実質的に同時に接触させることにより、前記フルアルデヒド形成工程が開始される、請求項1〜4のいずれか1項の方法。
【請求項６】
前記フルアルデヒド形成工程を実施した後に、前記塩基性触媒及び酸性触媒を反応系から分離する触媒分離工程、及び触媒分離工程で得られた使用済の前記塩基性触媒及び酸性触媒をさらなるフルアルデヒド形成工程に再使用する再使用工程を含む、請求項1〜5のいずれか1項の方法。
【請求項７】
ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒とが組み合わされていることを特徴とする、
（i）D-アラビノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて2-フルアルデヒドを形成させる；
（ii）L-ラムノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-メチル-2-フルアルデヒドを形成させる； 
（iii）D-ガラクトースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
（iv）ラクトースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；及び
（v）ラフィノースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
の少なくともいずれかのフルアルデヒドを形成させるための触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖からフルアルデヒドを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
2-フルアルデヒド、5-メチル-2-フルアルデヒド及び5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドのようなフルアルデヒドは、農薬、香料、食品添加物、抗腫瘍剤及び／又は工業用溶媒の原料等として使用される、極めて有用な有機化合物である。
【０００３】
上記のフルアルデヒドは、対応する単糖を異性化反応させた後、該異性化反応生成物を脱水反応させることにより、製造することができる。例えば、2-フルアルデヒドはアラビノースから、5-メチル-2-フルアルデヒドはラムノースから、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドはグルコース又はガラクトースから、それぞれ得ることができる。
【０００４】
上記のフルアルデヒドのうち、2-フルアルデヒド（以下「フルフラール」とも称する）は、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂であるナフィオン（登録商標）-17（非特許文献1）、又は塩化クロム化合物（非特許文献2）を触媒として用いて、キシロースから製造し得ることが知られている。キシロースの脱水反応としては、多孔性シリカ（非特許文献3）、金属酸化物ナノシート（非特許文献4）、イオン交換樹脂（非特許文献5）又はゼオライト（非特許文献6）を触媒に用いる方法が知られている。
【０００５】
フルクトースの脱水反応としては、臨界水中で無機酸を用いる方法（非特許文献7）、又はp-トルエンスルホン酸を用いる方法（非特許文献8〜11）が知られている。
【０００６】
上記の反応の反応場を活性化させる方法としては、水−メチルイソブチルケトン又は水−トルエンの二相系において、ゼオライトを触媒として用いる方法が知られている（非特許文献12）。
【０００７】
本発明者らは、ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂であるアンバーリスト（登録商標）-15を含む酸性触媒とが存在する反応系において、キシロースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて2-フルアルデヒドを形成させる方法（ワンポット反応）を開発した（非特許文献13）。
【０００８】
5-メチル-2-フルアルデヒド（MF）は、2-メチルフランを、リントリクロリドオキシド及びN,N-ジメチルホルムアミド（DMF）とジクロロエタン中で反応させることによって製造し得る（非特許文献14〜16）。また、高濃度の塩素イオンを用いて、5-クロロメチルフルフラールを生成させた後、水素化反応して、5-メチル-2-フルアルデヒドを製造する方法も知られている（非特許文献17及び18）。或いは、RuCl3、HI及びPt/Cを用いて、高圧水素気流下、水−ベンゼン二相系において、フルクトースから5-メチル-2-フルアルデヒドを製造する方法も知られている（非特許文献19）。
【０００９】
5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒド（HMF）について、本発明者らは、ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂であるアンバーリスト（登録商標）-15を含む酸性触媒とが存在する反応系において、単糖であるグルコース若しくはマンノースを異性化反応させた後、又は二糖であるスクロース、セロビオース若しくはマルトースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させてHMFを形成させる方法（ワンポット反応）を開発した（特許文献1並びに非特許文献20及び21）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第2010/101024号パンフレット
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Lam, E.ら, Chem. Sus. Chem., 2011年, 第4巻, p. 535
【非特許文献２】Binder, J.B.ら, Chem. Sus. Chem., 2010年, 第3巻, p. 1268
【非特許文献３】Das, A.S.ら, J. Catal., 2005年, 第229巻, p. 414
【非特許文献４】Das, A.S.ら, J. Catal., 2006年, 第244巻, p. 230
【非特許文献５】Mercadier, D.ら, J. Chem. Technol. Biotechnol., 1981年, 第31巻, p. 503
【非特許文献６】Moreau, C.ら, Appl. Catal. A., 1996年, 第145巻, p. 211
【非特許文献７】Asghari, F.S.ら, Ind. Eng. Chem. Res., 2006年, 第45巻, p. 2163
【非特許文献８】Mendnick, M.L., J. Org. Chem., 1962年, 第67巻, p. 398
【非特許文献９】Szmant, H.H.ら, J. Chem. Technol. Biotechnol., 1981年, 第31巻, p. 135
【非特許文献１０】Chen, J.D.ら, Biomass Bioenergy, 1991年, 第1巻, p. 217
【非特許文献１１】Jow, J.ら, Biomass, 1987年, 第14巻, p. 185
【非特許文献１２】Moreau, C.ら, Ind. Crops Prod., 1998年, 第7巻, p. 95
【非特許文献１３】Takagaki, A.ら, Chem. Lett., 2010年, 第39巻, p. 838
【非特許文献１４】Miller, J.J.ら, J. Org. Chem., 1957年, 第22巻, p. 1268
【非特許文献１５】Zhu, Y-L.ら, New J. Chem., 2003年, 第27巻, p. 208
【非特許文献１６】Liu, Z-N.ら, Shiyou Huagong, 1999年, 第28巻, p. 39
【非特許文献１７】Hamada, K.ら, J. Oleo. Sci., 2001年, 第50巻, p. 533
【非特許文献１８】Harry, H.H.ら, J. Tech. Biotech., 1981年, 第31巻, p. 205
【非特許文献１９】Yang, W.ら, Chem. Sus. Chem., 2011年, 第4巻, p. 349
【非特許文献２０】Takagaki, A.ら, Chem. Commun., 2009年, p. 6276
【非特許文献２１】Ohara, M.ら, Appl. Catal., 2010年, 第383巻, p. 149
【非特許文献２２】Farcasiu, D.ら, J. Am. Chem. Soc., 1997年, 第119巻, p. 11826
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術のフルアルデヒドの製造方法のうち、水−有機化合物の二相系反応を用いる方法の場合、使用される無機酸又は有機酸のような酸触媒を反応生成物と分離することが困難であるだけでなく、分離後の酸触媒を再使用できないという問題点が存在した。また、使用後の酸触媒は、大量の酸性廃棄物となり、廃棄処理のためのコストが必要となる。
【００１３】
非特許文献14〜19に記載の方法の場合、使用されるリントリクロリドオキシド、ジクロロエタン、高濃度の塩素イオン及びHIは、いずれも毒性が高い。また、非特許文献19に記載の方法の場合、高圧水素気流下で反応させるため、危険性が高い。このため、これらの方法は、工業的規模で実施する場合、安全面から不利である。
【００１４】
これに対し、本発明者らの開発した特許文献1並びに非特許文献13、20及び21に記載の方法は、塩基性触媒及び酸性触媒として不均一系触媒である固体触媒を用いるため、反応生成物及び未反応の糖基質と触媒とを分離することが容易である。また、穏和な条件で反応が進行するため、安全且つ低エネルギー負荷でフルアルデヒドを製造することができる。しかしながら、当該方法のうち、特許文献1並びに非特許文献20及び21の場合には、単糖であるグルコース若しくはマンノース、又は二糖であるスクロース、セロビオース若しくはマルトースのいずれか１種の糖に基質が限定されており、且つ得られるフルアルデヒドは5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドのみであるという問題点が存在した。また、非特許文献13に記載の方法は、糖基質が単糖のキシロースのみに限定されており、且つ得られるフルアルデヒドは2-フルアルデヒドのみであるという問題点が存在した。
【００１５】
それ故、本発明は、穏和な反応条件で且つ低毒性の触媒を用いて、ヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖を加水分解、異性化及び脱水反応、又は異性化及び脱水反応させて、1種以上の糖基質が混在した条件下においても多様なフルアルデヒドを製造できる方法を提供することを目的とする。また、本発明は、ヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖の加水分解、異性化及び脱水反応、又は異性化及び脱水反応を促進するための触媒として、容易に再使用できる触媒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】
【００１６】
本発明者は、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、D-ガラクトース、D-アラビノース、L-ラムノース、ラクトース及びラフィノースからなる群より選択される1種以上の糖に、ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒及び酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒を作用させ、該糖の異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させることにより、毒性の高い反応剤及び／又は高圧水素を用いることなく、穏和な条件下で効率良くフルアルデヒドを製造できることを見出し、本発明を完成した。
【００１７】
すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（1）  2-フルアルデヒド、5-メチル-2-フルアルデヒド及び5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドから選択されるフルアルデヒドを製造する方法であって、
ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒とが存在する反応系において、
（i）D-アラビノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて2-フルアルデヒドを形成させる；
（ii）L-ラムノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-メチル-2-フルアルデヒドを形成させる； 
（iii）D-ガラクトースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
（iv）ラクトースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；及び
（v）ラフィノースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
の少なくともいずれかのフルアルデヒド形成工程を含む、フルアルデヒドを製造する方法。
【００１８】
（2）  前記陽イオン交換樹脂が、-2以下の酸度関数（H0）を有する、前記（1）の方法。
（3）  前記陽イオン交換樹脂が、0.08〜350 m2/gの範囲のBET表面積を有する、前記（1）又は（2）の方法。
【００１９】
（4）  前記陽イオン交換樹脂が、25〜50 nmの範囲の平均細孔径を有する、前記（1）〜（3）のいずれかの方法。
（5）  前記塩基性触媒と前記酸性触媒と前記糖とを実質的に同時に接触させることにより、前記フルアルデヒド形成工程が開始される、前記（1）〜（4）のいずれかの方法。
（6）  前記フルアルデヒド形成工程を実施した後に、前記塩基性触媒及び酸性触媒を反応系から分離する触媒分離工程、及び触媒分離工程で得られた使用済の前記塩基性触媒及び酸性触媒をさらなるフルアルデヒド形成工程に再使用する再使用工程を含む、前記（1）〜（5）のいずれかの方法。
【００２０】
（7）  ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒とが組み合わされていることを特徴とする、
（i）D-アラビノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて2-フルアルデヒドを形成させる；
（ii）L-ラムノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-メチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
（iii）D-ガラクトースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
（iv）ラクトースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；及び
（v）ラフィノースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
の少なくともいずれかのフルアルデヒドを形成させるための触媒。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、穏和な反応条件で且つ低毒性の触媒を用いて、ヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖を異性化及び脱水反応させて、1種以上の糖基質が混在した条件下においても多様なフルアルデヒドを製造できる方法を提供することが可能となる。また、本発明により、ヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖の加水分解、異性化及び脱水反応、又は異性化及び脱水反応を促進するための触媒として、容易に再使用できる触媒を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の方法の一実施形態を示す工程図である。
【図２】実施例1において、反応に使用される溶媒と2-フルアルデヒドの収率及び選択率との関係を示す図である。
【図３】実施例1において、反応の経時変化を示す図である。アラビノースの変換率を菱形で、リブロースの収率を四角で、2-フルアルデヒドの収率を三角で、それぞれ示す。
【図４】実施例2において、反応に使用される溶媒と2-メチル-2-フルアルデヒドの収率及び選択率との関係を示す図である。
【図５】実施例2において、反応の経時変化を示す図である。373 Kの温度で反応させた結果を菱形で、383 Kの温度で反応させた結果を四角で、393 Kの温度で反応させた結果を三角で、それぞれ示す。
【図６】実施例4において、1回目使用、2回目使用及び3回目使用の触媒を用いた各反応におけるフルアルデヒドの収率を示す図である。
【図７】実施例5において、反応に使用される溶媒とラフィノースの変換率及び5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの選択率との関係を示す図である。
【図８】実施例5において、反応の経時変化を示す図である。373 Kの温度で反応させた結果を四角で、383 Kの温度で反応させた結果を丸で、393 Kの温度で反応させた結果を三角で、それぞれ示す。
【図９】実施例5において、反応の経時変化を示す図である。ラフィノースの変換率を四角で、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率を丸で、メリビオースの収率を三角で、フルクトースの収率を逆三角で、グルコースの収率を星で、それぞれ示す。
【図１０】実施例5において、1回目使用、2回目使用及び3回目使用の触媒を用いた各反応における5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
＜1. フルアルデヒドを製造する方法＞
本発明は、フルアルデヒドを製造する方法に関する。
【００２４】
図1は、本発明のフルアルデヒドを製造する方法の一実施形態を示す工程図である。以下、図1に基づき、本発明の方法の好ましい実施形態について詳細に説明する。
［1-1. フルアルデヒド形成工程］
本発明の方法は、ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒とが存在する反応系において、1種以上のヘミセルロース由来糖若しくは他の植物由来糖のような各種の糖を異性化反応させた後、又は加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて、フルアルデヒドを形成させるフルアルデヒド形成工程（工程S1）を含む。
【００２５】
本明細書において、「ヘミセルロース」は、植物の細胞壁構成成分である水不溶性且つアルカリ可溶性の多糖類であってセルロース及びペクチンを除いたものを意味し、「ヘミセルロース由来糖」は、前記ヘミセルロースに由来する単糖、二糖及び／又はオリゴ糖を意味する。前記ヘミセルロース由来糖としては、限定するものではないが、例えば、D-ガラクトース、D-アラビノース、L-ラムノース、ラクトース、キシロース及びマンノースを挙げることができる。本発明の方法は、当該技術分野で公知の種々のヘミセルロース由来糖に適用することができる。木材若しくは廃パルプ等の木質系バイオマス及び／又は海洋系バイオマスから得られるヘミセルロース由来糖は、安価に入手可能であり、本発明の方法の反応基質として好ましい。
【００２６】
本明細書において、「他の植物由来糖」は、植物に由来する糖のうち、ヘミセルロースに属さない単糖、二糖及び／又はオリゴ糖を意味する。前記他の植物由来糖としては、限定するものではないが、例えば、ラフィノース及びメリビオースを挙げることができる。ラフィノースは、グルコース、ガラクトース及びフルクトースからなる三糖であって、ダイズ、ビート、ブドウ、イモ、ワタ及びユーカリ等の多くの植物に存在することが知られている。メリビオースは、グルコース及びガラクトースがα1-6結合した二糖であって、ラフィノースの還元末端のフルクトースが加水分解されることによって生成する。ラフィノースは、哺乳動物によって消化されない糖である。このため、ラフィノースは、ビート等から糖蜜を製造する際に分離・除去されて、産業廃棄物として排出される。それ故、前記のような農業系バイオマスから得られるラフィノース及びメリビオースは、安価に入手可能であり、本発明の方法の反応基質として好ましい。
【００２７】
本明細書において、「塩基性触媒」は、反応系において塩基として作用し、糖の異性化反応を促進し得る触媒を意味する。本工程において使用される塩基性触媒は、通常、ハイドロタルサイトを含む。
【００２８】
本明細書において、「ハイドロタルサイト」は、一般式：
[(M2+)1-x(M3+)x(OH)2]x+[(An-)x/n・mH2O]x-
〔式中、M2+は2価金属、M3+は3価金属、An-はn価(nは1以上の整数)のアニオンを表し、xは、0<x≦0.33の範囲であり、mは正の整数である。〕
で表されるものを意味する。
【００２９】
本工程において、塩基性触媒として使用されるハイドロタルサイトは、上記一般式中、
M2+が、Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+又はZn2+等であることが好ましく、
M3+が、Al3+、Fe3+、Cr3+、Co3+又はIn3+等であることが好ましく、
An-が、OH-、F-、Cl-、Br-、NO3-、CO32-、SO42-、Fe(CN)63-、CH3COO-、シュウ酸イオン又はサリチル酸イオン等であることが好ましく、CO32-又はOH-であることがより好ましい。
【００３０】
具体的には、上記一般式中、M2+がMg2+であり、M3+がAl3+であり、An-がCO32-であって、Mg/Alが2〜5の範囲であるハイドロタルサイトが好ましく、Mg0.75Al0.25(OH)2(CO3)0.125・0.5H2O（式中、Mg/Al=3）で表される天然ハイドロタルサイト、又はMg4.5Al2(OH)13CO3・3.5H2O、Mg4.3Al2(OH)12.6CO3（式中、Mg/Al=2.25）等で表される合成ハイドロタルサイト等がより好ましい。
【００３１】
本工程において使用されるハイドロタルサイトを含む塩基性触媒の形状及び寸法は、特に限定されない。前記塩基性触媒の形状としては、限定するものではないが、例えば細粒状及び粉末状等の形状を挙げることができ、いずれの形状の塩基性触媒も使用することができる。粉末状の形状であることが特に好ましい。
【００３２】
ハイドロタルサイトは、塩基性の固体触媒である。それ故、ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒を本工程に用いることにより、NaOH又はKHCO3のような可溶性の塩基を添加することなく、それ自体が塩基性触媒として作用し、糖の異性化反応を促進することが可能となる。また、ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒は固体触媒であるため、本工程の終了後に反応系から容易に分離及び洗浄し、再利用することが可能となる。
【００３３】
本明細書において、「酸性触媒」は、反応系において酸として作用し、糖の脱水反応若しくは加水分解反応、又は脱水反応及び加水分解反応を促進し得る触媒を意味する。本工程において使用される酸性触媒は、通常、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む。
【００３４】
本明細書において、「酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂」は、酸性官能基が結合された高分子を含む樹脂を意味する。かかる樹脂は、陽イオンを含有する液相と接触させると、酸性官能基が解離して陽イオンと結合し得るため、陽イオン交換能力を発揮することができる。また、前記樹脂は、水又は有機溶媒のような液相に対して実質的に不溶であるため、不均一系酸性触媒として使用し得る。
【００３５】
本工程において、酸性触媒として使用される酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂は、スルホン酸基、ホスホン酸基及びカルボキシル基からなる群より選択される酸性官能基を有することが好ましく、スルホン酸基を有することがより好ましい。
【００３６】
前記酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂は、スチレン重合体、パーフルオロアルキル骨格を有する重合体及びこれらの重合体高分子で被覆されたアモルファスシリカからなる群より選択される樹脂で構成されていることが好ましく、スチレン重合体、パーフルオロアルキル骨格を有する重合体、又はパーフルオロアルキル骨格を有する重合体で被覆されたアモルファスシリカで構成されていることがより好ましい。
【００３７】
本工程において、前記酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂は、酸性官能基が解離してプロトンを放出し、糖のヒドロキシル基をプロトン化することにより、主に糖の脱水反応を促進する酸性触媒として作用する。このため、前記陽イオン交換樹脂は、中程度〜強酸であることが好ましい。具体的には、前記陽イオン交換樹脂は、-2以下の酸度関数（H0）を有することが好ましく、-12〜-2の範囲のH0を有することがより好ましい。-12未満の範囲のH0を有する強酸の場合、原料である糖からフミン質のような望ましくない褐色の不溶性副生成物が形成されるため、好ましくない。また、-2を超える範囲のH0を有する中程度〜弱酸の場合、触媒活性が低く、目的物であるフルアルデヒドの収率が低下するため好ましくない。それ故、上記の範囲のH0を有する陽イオン交換樹脂を本工程に使用することにより、望ましくない副生成物の形成を抑制しつつ、所望のフルアルデヒドを高収率で得ることが可能となる。
【００３８】
なお、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂に関するハメットの酸度関数（H0）は、限定するものではないが、例えば特許第4649379号公報又は非特許文献22に記載の方法により、決定することができる。
【００３９】
本工程において、前記酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂は、糖のヒドロキシル基をプロトン化することにより、糖の脱水反応の反応場を提供する。このため、前記陽イオン交換樹脂は、平均細孔径及び／又はBET表面積が大きいことが好ましい。具体的には、前記陽イオン交換樹脂は、5〜50 nmの範囲の平均細孔径を有することが好ましく、10〜50 nmの範囲の平均細孔径を有することがより好ましく、25〜50 nmの範囲の平均細孔径を有することが特に好ましい。また、前記陽イオン交換樹脂は、0.08〜350 m2/gの範囲のBET表面積を有することが好ましく、1〜350 m2/gの範囲のBET表面積を有することがより好ましく、1〜100 m2/gの範囲のBET表面積を有することが特に好ましい。上記の範囲の平均細孔径及び／又はBET表面積を有する陽イオン交換樹脂を本工程に使用することにより、所望のフルアルデヒドを高収率で得ることが可能となる。
【００４０】
なお、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂の平均細孔径は、限定するものではないが、例えば、ガス吸着法により吸着等温線を決定し、該吸着等温線から細孔容積分布を算出することによって決定することができる。また、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂のBET表面積は、限定するものではないが、例えば、ガス吸着法により吸着等温線を決定し、該吸着等温線に基づき決定することができる。
【００４１】
本工程において使用される酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂は、具体的には、アンバーリスト（商標）-15、アンバーリスト（商標）A26、アンバーリスト（商標）A21、ナフィオン（登録商標）SAC13、及びナフィオン（登録商標）NR50からなる群より選択されることが好ましく、アンバーリスト（商標）-15、ナフィオン（登録商標）SAC13、及びナフィオン（登録商標）NR50からなる群より選択されることがより好ましく、アンバーリスト（商標）-15であることが特に好ましい。上記の陽イオン交換樹脂を本工程に使用することにより、望ましくない副生成物の形成を抑制しつつ、所望のフルアルデヒドを高収率で得ることが可能となる。
【００４２】
本発明者らは、上記で説明したハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒とが存在する反応系において、ヘミセルロース由来糖若しくは他の植物由来糖のような各種の糖を異性化反応させた後、又は加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させることにより、対応するフルアルデヒドが高収率で得られることを見出した。通常、糖の異性化反応は平衡反応であり、脱水反応は不可逆反応であることが知られている。このため、異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させることにより、異性化反応の平衡状態を順方向に遷移させ、異性化反応の進行を促進することが可能となる。
【００４３】
上記の点に鑑みれば、本工程は、ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒とが存在する反応系において、ヘミセルロース由来糖若しくは他の植物由来糖のような各種の糖を異性化反応させた後、又は加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させることができれば、前記塩基性触媒、酸性触媒及びヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖を接触させる順序は特に限定されない。例えば、予めハイドロタルサイトを含む塩基性触媒のみが存在する反応系においてヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖の単糖の異性化反応を開始した後に、前記塩基性触媒及び糖を含有する異性化反応混合物と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒とを接触させることにより、本工程を開始してもよい。また、ヘミセルロース由来糖若しくは他の植物由来糖の二糖又はオリゴ糖の加水分解反応を、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒により開始した後に、前記酸性触媒及び糖を含有する加水分解反応混合物と、前記塩基性触媒とを接触させることにより、本工程を開始してもよい。或いは、前記塩基性触媒と前記酸性触媒と前記糖とを実質的に同時に接触させることにより、本工程を開始してもよい。いずれの場合も本工程の実施形態に包含されるものとする。フルアルデヒドの収率向上の観点から、前記塩基性触媒と前記酸性触媒と前記糖とを実質的に同時に接触させることにより、本工程を開始することが好ましい。
【００４４】
本明細書において、「接触させる」とは、例えば、ある成分に別の成分を加えることを意味するが、これに限定されない。例えば、ヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖を含有する溶液中に前記塩基性触媒及び／又は酸性触媒を加えてもよく、前記塩基性触媒及び／又は酸性触媒を充填した容器中にヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖を含有する溶液を加えてもよい。この場合、各成分を接触させる順序及び速度は、使用される成分の化学的性質等に基づき適宜設定することができる。
【００４５】
また、本発明者らは、上記で説明したハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒とが存在する反応系において、D-ガラクトース、D-アラビノース、L-ラムノース、ラクトース及びラフィノースからなる群より選択される1種以上のヘミセルロース由来糖を原料として、
（i）D-アラビノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて2-フルアルデヒドを；
（ii）L-ラムノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-メチル-2-フルアルデヒドを；
（iii）D-ガラクトースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを；
（iv）ラクトースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを；及び
（v）ラフィノースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを；
高収率且つ高選択率で得られることを見出した。上記の反応は、前記糖のいずれかを単独で用いた場合だけでなく、複数の前記糖の混合物を反応基質として用いた場合であっても高収率且つ高選択率で進行した。
【００４６】
それ故、本発明の方法を適用し得る糖は、D-ガラクトース、D-アラビノース、L-ラムノース、ラクトース及びラフィノースからなる群より選択される1種以上の糖であることが好ましい。前記糖は、それぞれを単独で用いてもよく、複数の前記糖を含有する混合物の形態で用いてもよい。
【００４７】
本工程において、D-ガラクトース、D-アラビノース、L-ラムノース、ラクトース及びラフィノースからなる群より選択される1種以上の糖を原料として、
（i）D-アラビノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて2-フルアルデヒドを形成させる；
（ii）L-ラムノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-メチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
（iii）D-ガラクトースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
（iv）ラクトースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；及び
（v）ラフィノースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
の少なくともいずれかを含むことが好ましい。
【００４８】
上記の糖を本工程の反応基質に用いることにより、上記のフルアルデヒドを高収率且つ高選択率で製造することが可能となる。
【００４９】
本工程は、前記糖及びフルアルデヒドを実質的に分散又は溶解させる溶媒存在下で実施することが好ましい。本工程において使用される溶媒は、前記糖の異性化反応及び脱水反応を阻害するものでなければ特に制限されず、当該技術分野で慣用される溶媒を使用することができる。当該溶媒は、限定するものではないが、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド（DMF）、N,N-ジメチルアセトアミド（DMA）、ジメチルスルホキシド（DMSO）及びアセトニトリル（AN）のような非プロトン性極性溶媒を挙げることができる。DMFを溶媒として用いることが好ましい。上記の溶媒存在下で本工程を実施することにより、フルアルデヒドを高収率且つ高選択率で製造することが可能となる。
【００５０】
本発明の方法は、ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒との作用によって、ヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖の異性化反応及び脱水反応、又は加水分解反応、異性化反応及び脱水反応が促進されることを特徴とする。このため、非特許文献14〜19に記載の方法のように、毒性の高い反応剤及び／又は高圧水素を用いる必要はなく、穏和な圧力条件で反応させることができる。具体的には、本工程を実施する気相雰囲気は、空気、又は窒素、アルゴン若しくはヘリウムのような不活性ガス雰囲気であることが好ましい。本工程を実施する圧力は、100〜500 kPaの範囲であることが好ましく、100〜150 kPaの範囲であることがより好ましい。また、本工程を実施する時間は、1〜12時間の範囲であることが好ましく、3〜6時間の範囲であることがより好ましい。上記の条件で本工程を実施することにより、加熱によって生じる望ましくない副生成物の形成を抑制しつつ、穏和な条件下でフルアルデヒドを製造することが可能となる。
【００５１】
本工程において使用される、ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒及びヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖の使用量は、これらの成分の種類等に基づき当業者が適宜設定することができる。限定するものではないが、例えば、約0.5 mmolの前記糖に対して0.02〜0.6 gの前記塩基性触媒を用いることが好ましく、0.04〜0.4 gの前記塩基性触媒を用いることがより好ましい。また、約0.5 mmolの前記糖に対して0.01〜0.3 gの前記酸性触媒を用いることが好ましく、0.02〜0.2 gの前記酸性触媒を用いることがより好ましい。ここで、ヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖の量は、使用される前記糖の合計量である。
【００５２】
本工程で形成されたフルアルデヒドは、分取クロマトグラフィー又は再結晶のような当該技術分野で慣用される精製手段によって、反応系から精製及び単離することができる。
【００５３】
以上の条件で本工程を実施することにより、ヘミセルロース由来糖又は他の植物由来糖のような各種の糖からフルアルデヒドを高収率且つ高選択率で形成させることが可能となる。
【００５４】
［1-2. 触媒分離工程及び再使用工程］
本発明の方法は、前記フルアルデヒド形成工程を実施した後に、前記塩基性触媒及び酸性触媒を反応系から分離する触媒分離工程（工程S2）を含んでもよい。
【００５５】
前記塩基性触媒及び酸性触媒は、いずれも実質的に溶媒に不溶性の不均一系触媒である。それ故、容易に反応系から分離することができる。前記塩基性触媒及び酸性触媒を反応系から分離する手段は特に制限されず、デカンテーション、遠心分離又は濾過のような、当該技術分野で慣用される通常の分離手段を使用すればよい。
【００５６】
反応系から分離された使用済みの前記塩基性触媒及び酸性触媒は、上記で説明した溶媒と接触させることにより夾雑物を除去及び洗浄した後、本発明の方法に再使用することができる。それ故、本発明の方法は、触媒分離工程で得られた使用済の前記塩基性触媒及び酸性触媒を、さらなるフルアルデヒド形成工程に再使用する、再使用工程（工程S3）を含んでもよい。
【００５７】
以上のように、本発明により、穏和な反応条件で且つ低毒性の触媒を用いて、フルアルデヒドを高収率且つ高選択率で製造することが可能となる。
【００５８】
＜2. フルアルデヒドを形成させるための触媒＞
本発明はまた、D-ガラクトース、D-アラビノース、L-ラムノース、ラクトース及びラフィノースからなる群より選択される1種以上の糖を原料として、
（i）D-アラビノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて2-フルアルデヒドを形成させる；
（ii）L-ラムノースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-メチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
（iii）D-ガラクトースを異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
（iv）ラクトースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；及び
（v）ラフィノースを加水分解反応に次いで異性化反応させた後、該異性化反応生成物を反応系から分離することなく脱水反応させて5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを形成させる；
の少なくともいずれかのフルアルデヒドを形成させるための触媒に関する。
【００５９】
本発明のフルアルデヒドを形成させるための触媒は、ハイドロタルサイトを含む塩基性触媒と、酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂を含む酸性触媒とが組み合わされていることを特徴とする。当該触媒は、上記で説明した塩基性触媒と酸性触媒とが組み合わされていることが好ましい。
【００６０】
前記塩基性触媒と酸性触媒とが組み合わされている具体的な形態としては、前記塩基性触媒と前記酸性触媒とを、一緒に配合した混合物の形態であってもよく、前記塩基性触媒と前記酸性触媒とを、それぞれ別々で含むキットの形態であってもよい。いずれの場合も、本発明のフルアルデヒドを形成させるための触媒に包含される。
【００６１】
上記の特徴を有することにより、本発明の触媒は、穏和な反応条件でフルアルデヒドを高収率且つ高選択率で形成させることが可能となる。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。
【００６３】
＜材料＞
L-(-)ラムノース、D-(+)-ガラクトース、D-(-)-グルコース、D-(-)-フルクトース、N,N-ジメチルホルムアミド（DMF）、ジメチルスルホキシド（DMSO）、N,N-ジメチルアセトアミド（DMA）及びアセトニトリル（AN）は、関東化学株式会社から購入した。D-(-)-アラビノースは、Acros Organics社から入手した。D-(-)-タガトース、アンバーリスト（商標）-15、アンバーリスト（商標）-A26、アンバーリスト（商標）-A21、ナフィオン（登録商標）SAC13、及びナフィオン（登録商標）NR50は、シグマ  アルドリッチ株式会社から購入した。ハイドロタルサイト（HT, Mg/Al=3）は、富田製薬株式会社から入手した。ラクトース一水和物及びD-(-)-リブロースは、和光純薬工業株式会社及びMPバイオメディカル社からそれぞれ入手した。ラフィノース五水和物は、和光純薬工業株式会社から入手した。全ての溶媒は、使用前に精製した。
【００６４】
＜参考例1：D-アラビノースからのリブロースの合成：二段階反応＞
反応は、還流冷却器を接続したガラス製シュレンク管内において、窒素雰囲気下で行った。0.083 g（0.55 mmol）のD-(-)-アラビノース、0.2 gのHT及び3 mlのDMFをシュレンク管に入れ、磁気攪拌機を用いて500 rpmで撹拌しながら、油浴中373 Kで所定の時間反応させた。反応後、得られた反応混合物を、水で30倍に希釈し、Millex-LG（孔径0.2μm；ミリポア社）を用いて触媒を濾別した。その後、濾液に含まれる成分を、Aminex HPX-87Hカラム（内径7.8 mm×カラム長300 mm；バイオラッド社）を接続した高速液体クロマトグラフィー（HPLC）装置（WATERS 600Pump）を用いて分析した。各々の糖の合成品を、標準物質として使用し、検量線を作成した。検量線に基づき、濾液に含まれる成分を定量した。HPLC分析の条件は以下の通りである。
HPLC分析
装置  ：WATERS 600Pump
カラム：Aminex HPX-87H（内径7.8 mm×カラム長300 mm；バイオラッド社）
移動相：10 mM硫酸水溶液
流速  ：0.5 ml/分
温度  ：323 K
検出  ：示差屈折検出器（WATERS 2414）
様々な反応時間で上記の反応を行った結果を表1に示す。
【００６５】
【表１】
2013253069.tif 000002
【００６６】
上記表中、アラビノースの変換率は、使用したアラビノースの総モル数から反応後の濾液に含まれるアラビノースのモル数を減じた値を、反応により変換されたアラビノースのモル数と仮定して、使用したアラビノースの総モル数に対する反応により変換されたアラビノースのモル数の百分率を示した値である。
【００６７】
上記表中、リブロース又は2-フルアルデヒドの収率は、使用したアラビノースの総モル数に対する反応後の濾液に含まれる2-フルアルデヒドのモル数の百分率を示した値である。
【００６８】
＜参考例2：リブロースからの2-フルアルデヒドの合成：二段階反応＞
反応は、還流冷却器を接続したガラス製シュレンク管内において、窒素雰囲気下で行った。0.083 g（0.55 mmol）のD-(-)-リブロース、0.1 gのアンバーリスト-15及び3 mlのDMFをシュレンク管に入れ、磁気攪拌機を用いて500 rpmで撹拌しながら、油浴中373 Kで所定の時間反応させた。反応後、得られた反応混合物を、水で30倍に希釈し、Millex-LG（孔径0.2μm；ミリポア社）を用いて触媒を濾別した。その後、濾液に含まれる成分を、Aminex HPX-87Hカラム（内径7.8 mm×カラム長300 mm；バイオラッド社）を接続した高速液体クロマトグラフィー（HPLC）装置（WATERS 600Pump）を用いて分析した。各々の糖の合成品を、標準物質として使用し、検量線を作成した。検量線に基づき、濾液に含まれる成分を定量した。HPLC分析の条件は以下の通りである。
HPLC分析
装置  ：WATERS 600Pump
カラム：Aminex HPX-87H（内径7.8 mm×カラム長300 mm；バイオラッド社）
移動相：10 mM硫酸水溶液
流速  ：0.5 ml/分
温度  ：323 K
検出  ：示差屈折検出器（WATERS 2414）
様々な反応時間で上記の反応を行った結果を表2に示す。
【００６９】
【表２】
2013253069.tif 000003
【００７０】
上記表中、リブロースの変換率は、使用したリブロースの総モル数から反応後の濾液に含まれるリブロースのモル数を減じた値を、反応により変換されたリブロースのモル数と仮定して、使用したリブロースの総モル数に対する反応により変換されたリブロースのモル数の百分率を示した値である。
【００７１】
上記表中、2-フルアルデヒドの収率は、使用したリブロースの総モル数に対する反応後の濾液に含まれる2-フルアルデヒドのモル数の百分率を示した値である。
【００７２】
上記表中、2-フルアルデヒドの選択率は、反応により変換されたリブロースの総モル数に対する反応後の濾液に含まれる2-フルアルデヒドのモル数の百分率（リブロースの変換率に対する2-フルアルデヒドの収率の百分率）を示した値である。
【００７３】
＜実施例1：D-アラビノースからの2-フルアルデヒドの合成：ワンポット反応＞
［1-A：塩基性触媒及び酸性触媒の比較試験］
反応は、還流冷却器を接続したガラス製シュレンク管内において、窒素雰囲気下で行った。0.1 g（0.66 mmol）のD-(-)-アラビノース、0.1 gの酸性触媒、0.2 gの塩基性触媒及び3 mlのDMFをシュレンク管に入れ、磁気攪拌機を用いて500 rpmで撹拌しながら、油浴中373 Kで3時間反応させた。反応後、得られた反応混合物を、水で30倍に希釈し、Millex-LG（孔径0.2μm；ミリポア社）を用いて触媒を濾別した。その後、濾液に含まれる成分を、Aminex HPX-87Hカラム（内径7.8 mm×カラム長300 mm；バイオラッド社）を接続した高速液体クロマトグラフィー（HPLC）装置（WATERS 600Pump）を用いて分析した。各々の糖の合成品を、標準物質として使用し、検量線を作成した。検量線に基づき、濾液に含まれる成分を定量した。HPLC分析の条件は以下の通りである。
HPLC分析
装置  ：WATERS 600Pump
カラム：Aminex HPX-87H（内径7.8 mm×カラム長300 mm；バイオラッド社）
移動相：10 mM硫酸水溶液
流速  ：0.5 ml/分
温度  ：323 K
検出  ：示差屈折検出器（WATERS 2414）
本反応の概要を以下に示す。
【００７４】
【化１】
2013253069.tif 000004
【００７５】
各種の酸性触媒を用いて上記の反応を行った結果を表3に示す。なお、実施例1-2は、上記の手順において、反応温度を393 Kに変更した他は、上記と同様にして行った。実施例1-3は、上記の手順において、まず所定量の塩基性触媒（HT）のみを反応系に加えて4.5時間反応を行い、その後、該反応混合物に所定量の酸性触媒（アンバーリスト-15）を加えてさらに2時間反応させて行った。比較例1-1〜1-4は、上記の手順において、酸性触媒又は塩基性触媒のいずれか一方のみを反応系に添加するよう変更した他は、上記と同様にして行った。
【００７６】
【表３】
2013253069.tif 000005
【００７７】
上記表中、アラビノースの変換率は、使用したアラビノースの総モル数から反応後の濾液に含まれるアラビノースのモル数を減じた値を、反応により変換されたアラビノースのモル数と仮定して、使用したアラビノースの総モル数に対する反応により変換されたアラビノースのモル数の百分率を示した値である。
【００７８】
上記表中、2-フルアルデヒドの収率は、使用したアラビノースの総モル数に対する反応後の濾液に含まれる2-フルアルデヒドのモル数の百分率を示した値である。
【００７９】
上記表中、2-フルアルデヒドの選択率は、反応により変換されたアラビノースの総モル数に対する反応後の濾液に含まれる2-フルアルデヒドのモル数の百分率（アラビノースの変換率に対する2-フルアルデヒドの収率の百分率）を示した値である。
【００８０】
表3に示すように、酸性触媒又は塩基性触媒のみを用いて反応を行った場合、2-フルアルデヒドの収率は非常に低かった（比較例1-1〜1-4）。これに対し、酸性触媒としてアンバーリスト-15を、塩基性触媒としてHTをそれぞれ用い、酸性触媒及び塩基性触媒とアラビノースとを同時に混合して反応を開始（ワンポット反応）した場合、非常に高い2-フルアルデヒドの収率及び選択率を示した（実施例1-1及び1-2）。
【００８１】
塩基性触媒としてHTのみを反応系に加えて異性化反応を開始し、その後、該反応混合物に酸性触媒としてアンバーリスト-15を加え、酸性触媒及び塩基性触媒の存在下でさらに2時間反応させた場合、アラビノースの変換率は最も高くなったが、2-フルアルデヒドの収率及び選択率は上記の場合と比較してやや低下した（実施例1-3）。通常、糖の異性化反応は平衡反応であり、脱水反応は不可逆反応であることが知られている。実施例1-1及び1-2のように、酸性触媒及び塩基性触媒とアラビノースとを同時に混合して反応を開始するワンポット反応系の場合、脱水反応の進行が順方向の異性化反応の進行を促進することとなる。それ故、酸性触媒であるアンバーリスト-15を反応途中で加えた実施例1-3は、実施例1-1及び1-2の場合と比較して2-フルアルデヒドの収率及び選択率が低下したと考えられる。
【００８２】
一方、酸性触媒としてナフィオンNR50又はナフィオンSAC13を、塩基性触媒としてHTをそれぞれ用いてワンポット反応を行った場合、2-フルアルデヒドは形成されるが、酸性触媒としてアンバーリスト-15を用いた場合と比較して収率及び選択率が低下した（実施例1-4及び1-5）。実施例1-4及び1-5の場合、アラビノースの変換率は60％を超える範囲であったが、所望の2-フルアルデヒド以外の化合物は上記のHPLC分析で検出されなかった。
【００８３】
実施例1-4及び1-5で使用されるナフィオンNR50及びナフィオンSAC13は、ハメットの酸度関数（H0）が≦-12の強酸であることから、アラビノースから、フミン質のような望ましくない褐色の不溶性副生成物が形成されたと考えられる。フミン質及び重合体の形成は、糖の濃度が増加する程、或いは反応時間が長くなる程、増大する。これに対し、実施例1-1〜1-3で使用されるアンバーリスト-15は、H0が-2.2の中程度の酸であることから、副反応の発生を抑制しつつ2-フルアルデヒドを高収率で形成することができたと考えられる。
【００８４】
［1-B：溶媒の比較試験］
実施例1-1の手順において、使用される溶媒をDMF、DMA、DMSO、AN又は水に変更した他は、上記と同様にして行った。結果を図2に示す。
【００８５】
図2に示すように、DMF、DMA、DMSO及びANのような非プロトン性極性溶媒を用いて反応させた場合、高い2-フルアルデヒドの収率及び選択率を示した。とりわけDMFを用いて反応させた場合、2-フルアルデヒドの収率及び選択率のいずれも非常に高い値を示した。これに対し、水を用いて反応させた場合、2-フルアルデヒドは全く形成されなかった。
【００８６】
［1-C：反応の経時変化］
実施例1-1の手順において、反応開始時点から所定の時間毎に反応混合物をサンプリングし、HPLC分析を行った。結果を図3に示す。
【００８７】
図3に示すように、アラビノースの変換は、反応の初期段階から速やかに進行した。異性化反応生成物であるリブロースは、反応開始から3時間後に25.6％の収率に達したが、以後は徐々に収率が低下した。これに対し、リブロースの脱水反応生成物である2-フルアルデヒドは、反応開始から経時的に収率が上昇した。アラビノースから2-フルアルデヒドを形成させる反応は、HTのような塩基性触媒上で、アラビノースがリブロースに異性化された後、アンバーリスト-15のような酸性触媒上で、異性化反応生成物であるリブロースが脱水されて2-フルアルデヒドを生じると考えられる。
【００８８】
＜実施例2：L-ラムノースからの5-メチル-2-フルアルデヒドの合成：ワンポット反応＞
［2-A：塩基性触媒及び酸性触媒の比較試験］
反応は、還流冷却器を接続したガラス製シュレンク管内において、窒素雰囲気下で行った。0.1 g（0.55 mmol）のL-(-)ラムノース、0.1 gの酸性触媒、0.2 gの塩基性触媒及び3 mlのDMFをシュレンク管に入れ、3 ml/分の窒素気流下、磁気攪拌機を用いて500 rpmで撹拌しながら、油浴中383 Kで6時間反応させた。反応後、得られた反応混合物を、水で30倍に希釈し、Millex-LG（孔径0.2μm；ミリポア社）を用いて触媒を濾別した。その後、濾液に含まれる成分を、Aminex HPX-87Hカラム（内径7.8 mm×カラム長300 mm；バイオラッド社）を接続した高速液体クロマトグラフィー（HPLC）装置（WATERS 600Pump）を用いて分析した。各々の糖の合成品を、標準物質として使用し、検量線を作成した。検量線に基づき、濾液に含まれる成分を定量した。HPLC分析の条件は実施例1と同様である。
本反応の概要を以下に示す。
【００８９】
【化２】
2013253069.tif 000006
【００９０】
各種の酸性触媒を用いて上記の反応を行った結果を表4に示す。なお、実施例2-2は、上記の手順において、酸性触媒を25 mgのアンバーリスト-15に変更した他は、上記と同様にして行った。比較例2-1〜2-4は、上記の手順において、酸性触媒又は塩基性触媒のいずれか一方のみを反応系に添加するよう変更した他は、上記と同様にして行った。
【００９１】
【表４】
2013253069.tif 000007
【００９２】
上記表中、ラムノースの変換率は、使用したラムロースの総モル数から反応後の濾液に含まれるラムロースのモル数を減じた値を、反応により変換されたラムロースのモル数と仮定して、使用したラムロースの総モル数に対する反応により変換されたラムロースのモル数の百分率を示した値である。
【００９３】
上記表中、5-メチル-2-フルアルデヒドの収率は、使用したラムロースの総モル数に対する反応後の濾液に含まれる5-メチル-2-フルアルデヒドのモル数の百分率を示した値である。
【００９４】
上記表中、5-メチル-2-フルアルデヒドの選択率は、反応により変換されたラムロースの総モル数に対する反応後の濾液に含まれる5-メチル-2-フルアルデヒドのモル数の百分率（ラムロースの変換率に対する5-メチル-2-フルアルデヒドの収率の百分率）を示した値である。
【００９５】
表4に示すように、酸性触媒又は塩基性触媒のみを用いて反応を行った場合、2-フルアルデヒドの収率は非常に低かった（比較例2-1〜2-4）。これに対し、酸性触媒としてアンバーリスト-15を、塩基性触媒としてHTをそれぞれ用い、酸性触媒及び塩基性触媒とラムロースとを同時に混合して反応を開始（ワンポット反応）した場合、非常に高い5-メチル-2-フルアルデヒドの収率及び選択率を示した（実施例2-1）。また、アンバーリスト-15の使用量を1/4に減少させて同様の反応を行った場合も、高い5-メチル-2-フルアルデヒドの収率及び選択率を示した（実施例2-2）。
【００９６】
一方、酸性触媒としてナフィオンNR50又はナフィオンSAC13を、塩基性触媒としてHTをそれぞれ用いてワンポット反応を行った場合、5-メチル-2-フルアルデヒドは形成されるが、酸性触媒としてアンバーリスト-15を用いた場合と比較して収率及び選択率が低下した（実施例2-3及び2-4）。
【００９７】
［2-B：酸性触媒の比較試験］
実施例2-3及び2-4で使用されるナフィオンNR50及びナフィオンSAC13は、ハメットの酸度関数（H0）が≦-12の強酸であるのに対し、実施例2-1及び2-2で使用されるアンバーリスト-15は、H0が-2.2の中程度の酸である。これらの陽イオン交換樹脂は、いずれもスルホン酸基を有する点は同一であるが、樹脂の構造が相違する。ナフィオンNR50及びナフィオンSAC13は、炭素及びフッ素からなるパーフルオロアルキル骨格に、スルホン酸基を有するパーフルオロアルキル基が結合した構造を有する高分子樹脂を含む。ナフィオンNR50は、前記高分子からなるビーズ状の樹脂であり、ナフィオンSAC13は、アモルファスシリカの表面に前記高分子が被覆された樹脂である。一方、アンバーリスト-15は、スチレン重合体の骨格にスルホン酸基が結合した構造を有する。ナフィオンNR50及びナフィオンSAC13のパーフルオロアルキル構造は、樹脂の膨潤容量を低下させるため、反応基質が陽イオン交換基（スルホン酸基）に到達するのを阻害する。このため、ナフィオンNR50及びナフィオンSAC13は、アンバーリスト-15と比較して触媒活性が低くなったと考えられる。
【００９８】
上記の仮説を検証するため、アンバーリスト-15、ナフィオンNR50及びナフィオンSAC13のBET表面積、細孔容積及び平均細孔径を測定した。BET表面積及び細孔容積は、BEL SORP-max（（株）日本ベル製）を用いて77 Kにおける各酸性触媒の窒素吸着測定を行い、77 Kにおける窒素ガスの吸着等温線に基づき決定した。また、平均細孔径は、BJH法により前記吸着等温線から細孔容積分布を算出することによって決定した。結果を表5に示す。
【００９９】
【表５】
2013253069.tif 000008
【０１００】
表5に示すように、アンバーリスト-15の平均細孔径は、ナフィオンNR50及びナフィオンSAC13の平均細孔径と比較して大きく、ラムノースの変換率が高い触媒程、平均細孔径が大きいことが示された。ラムノースの変換率は、5-メチル-2-フルアルデヒドの収率と直接的な関連はないが、反応基質及び／又は異性化反応生成物の陽イオン交換基への到達特性もまた、酸度関数と同様に触媒活性の発現に重要と考えられる。
【０１０１】
［2-C：溶媒の比較試験］
実施例2-1の手順において、使用される溶媒をDMF、DMA、DMSO、AN又は水に変更した他は、上記と同様にして行った。結果を図4に示す。
【０１０２】
図4に示すように、非プロトン性極性溶媒のうち、DMFを用いて反応させた場合、高い2-メチル-2-フルアルデヒドの収率及び選択率を示した。これに対し、水を用いて反応させた場合、5-メチル-2-フルアルデヒドは全く形成されなかった。DMF以外の非プロトン性極性溶媒である、DMA、DMSO又はANを用いて反応させた場合、5-メチル-2-フルアルデヒドは形成されたが、DMFを用いた場合と比較して収率及び選択率は低かった。
【０１０３】
［2-D：反応の経時変化］
実施例2-1の手順において、反応温度を373、383又は393 Kに変更した他は上記と同様にして反応を開始した。反応開始時点から所定の時間毎に反応混合物をサンプリングし、HPLC分析を行った。結果を図5に示す。
【０１０４】
図5に示すように、5-メチル-2-フルアルデヒドの収率は、反応開始から3時間後まではいずれの温度で反応させた場合も略直線的に増加した。373又は383 Kで反応させた場合、その後、5-メチル-2-フルアルデヒドの収率は、それぞれ約10又は6時間後まで緩やかに増加した後、減少した。これに対し、393 Kで反応させた場合、5-メチル-2-フルアルデヒドの収率は、緩やかに減少した。以上の結果から、反応温度が上昇するに従い、最大収率に到達する時間が短縮されることが示された。
【０１０５】
本反応において、脱水反応は発熱反応であることが知られている。このため、高温条件下で長時間反応させると、生成物の収率は向上するが、フミン質又はオリゴマーのような望ましくない副生成物の形成、及び生成物の分解もまた促進される。それ故、ラムノースから5-メチル-2-フルアルデヒドを合成する反応においては、383 Kで6時間反応させることがもっとも好ましい。
【０１０６】
＜実施例3：ラクトースからの5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの合成：ワンポット反応＞
［3-A：反応温度の比較試験］
反応は、還流冷却器を接続したガラス製シュレンク管内において、窒素雰囲気下で行った。0.1 gのラクトース一水和物（0.28 mmol）、D-(-)-グルコース（0.056 mmol）若しくはD-(+)-ガラクトース（0.056 mmol）、0.1 gのアンバーリスト-15（酸性触媒）、0.2 gのHT（塩基性触媒）及び3 mlのDMFをシュレンク管に入れ、3 ml/分の窒素気流下、磁気攪拌機を用いて500 rpmで撹拌しながら、油浴中、所定の温度で3時間反応させた。反応後、得られた反応混合物を、水で30倍に希釈し、Millex-LG（孔径0.2μm；ミリポア社）を用いて触媒を濾別した。その後、濾液に含まれる成分を、Aminex HPX-87Hカラム（内径7.8 mm×カラム長300 mm；バイオラッド社）を接続した高速液体クロマトグラフィー（HPLC）装置（WATERS 600Pump）を用いて分析した。各々の糖の合成品を、標準物質として使用し、検量線を作成した。検量線に基づき、濾液に含まれる成分を定量した。HPLC分析の条件は実施例1と同様である。
【０１０７】
本反応の概要を以下に示す。ラクトースは、グルコース及びガラクトースからなる二糖であり、本反応においてこれらの単糖に加水分解される。加水分解により生じたグルコース及びガラクトースは、塩基性触媒によってそれぞれフルクトース及びタガトースに異性化され、さらに酸性触媒によって脱水されて、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを生じる。
【０１０８】
【化３】
2013253069.tif 000009
【０１０９】
各種の温度で上記の反応を行った結果を表6に示す。
【表６】
2013253069.tif 000010
【０１１０】
上記表中、反応基質の変換率は、使用した反応基質の総モル数から反応後の濾液に含まれる反応基質のモル数を減じた値を、反応により変換された反応基質のモル数と仮定して、使用した反応基質の総モル数に対する反応により変換された反応基質のモル数の百分率を示した値である。
【０１１１】
上記表中、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率は、使用した反応基質の総モル数に対する反応後の濾液に含まれる5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドのモル数の百分率を示した値である。
【０１１２】
上記表中、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの選択率は、反応により変換された反応基質の総モル数に対する反応後の濾液に含まれる5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドのモル数の百分率（反応基質の変換率に対する5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率の百分率）を示した値である。
【０１１３】
表6に示すように、全ての反応温度において、グルコースを反応基質に用いた場合、ガラクトース及びラクトースを用いた場合と比較して非常に高い5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率及び選択率を示した（実施例3-2、3-5及び3-8）。ガラクトースの異性化反応生成物であるタガトースは、グルコースの異性化反応生成物であるフルクトースのC-4エピマーであるため、フルクトースと比較して脱水反応が進行し難いと考えられる。
【０１１４】
それぞれの反応基質における至適反応温度を対比すると、グルコースの場合、373 Kであるのに対し、ガラクトース及びラクトースの場合、383 Kであった。
【０１１５】
実施例3-1、3-4及び3-7において、反応終了後の濾液に含まれる各糖の収率を表7に示す。
【０１１６】
【表７】
2013253069.tif 000011
【０１１７】
表7に示すように、いずれの反応温度の場合であっても、グルコース及びフルクトースの収率（残留率）と比較して、ガラクトース及びタガトースの収率（残留率）は高い値を示した。以上の結果から、ガラクトース及びタガトースは、グルコース及びフルクトースと比較して反応性が低いことが示された。
【０１１８】
＜実施例4：糖混合物からのフルアルデヒドの合成：ワンポット反応＞
［4-A：複数の反応基質による反応試験］
反応は、還流冷却器を接続したガラス製シュレンク管内において、窒素雰囲気下で行った。0.1 gの糖混合物、0.1 gのアンバーリスト-15（酸性触媒）、0.2 gのHT（塩基性触媒）及び3 mlのDMFをシュレンク管に入れ、3 ml/分の窒素気流下、磁気攪拌機を用いて500 rpmで撹拌しながら、油浴中383 Kで6時間反応させた。反応後、得られた反応混合物を、水で30倍に希釈し、Millex-LG（孔径0.2μm；ミリポア社）を用いて触媒を濾別した。その後、濾液に含まれる成分を、Aminex HPX-87Hカラム（内径7.8 mm×カラム長300 mm；バイオラッド社）を接続した高速液体クロマトグラフィー（HPLC）装置（WATERS 600Pump）を用いて分析した。各々の糖の合成品を、標準物質として使用し、検量線を作成した。検量線に基づき、濾液に含まれる成分を定量した。HPLC分析の条件は実施例1と同様である。
【０１１９】
各種の反応基質を用いて上記の反応を行った結果を表8に示す。なお、実施例4-1は、0.05 gのD-(-)-アラビノース（0.275 mmol）及び0.05 gのL-(-)ラムノース（0.275 mmol）を、実施例4-2は、0.04 gのD-(-)-アラビノース（0.22 mmol）、0.03 gのL-(-)ラムノース（0.165 mmol）及び0.03 gのラクトース一水和物（0.083 mmol）を用いた。
【０１２０】
【表８】
2013253069.tif 000012
【０１２１】
表8に示すように、複数の糖の混合物を反応基質として用いた場合であっても、それぞれの糖を単独で反応基質として用いた場合と比較して、実質的に同程度の高いフルアルデヒドの収率及び選択率を示した。
【０１２２】
［4-B：触媒の再使用試験］
実施例4-2の手順に従い、反応を行った（1回目使用）。反応後、得られた反応混合物を、デカンテーションによって反応混合物の上清画分及び反応（1回）終了後の触媒画分に分離した。得られた触媒画分を、10〜12 mlのDMFで洗浄し、減圧下で終夜乾燥させた。得られた洗浄済触媒を、再使用工程（1回）の触媒として、実施例4-2と同様の条件で再度反応に使用した（2回目使用）。反応終了後、上記と同様の手順で触媒を分離及び洗浄し、再使用工程（2回）の触媒として、同様の条件で再度反応に使用した（3回目使用）。1回目使用、2回目使用及び3回目使用の各反応におけるフルアルデヒドの収率を図6に示す。
【０１２３】
図6に示すように、2回目及び3回目使用時のフルアルデヒドの収率は、1回目使用時の収率と実質的に同等であった。この結果から、本発明の触媒は、複数回の再使用が可能であることが示された。
【０１２４】
＜実施例5：ラフィノースからの5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの合成：ワンポット反応＞
［5-A：塩基性触媒及び酸性触媒の比較試験］
反応は、還流冷却器を接続したガラス製シュレンク管内において、窒素雰囲気下で行った。0.2 g（0.33 mmol）のラフィノース五水和物、0.2 gの酸性触媒、0.4 gの塩基性触媒及び5 mlのDMFをシュレンク管に入れ、3 ml/分の窒素気流下、磁気攪拌機を用いて500 rpmで撹拌しながら、油浴中373 Kで3時間反応させた。反応後、得られた反応混合物を、水で30倍に希釈し、Millex-LG（孔径0.2μm；ミリポア社）を用いて触媒を濾別した。その後、濾液に含まれる成分を、Aminex HPX-87Hカラム（内径7.8 mm×カラム長300 mm；バイオラッド社）を接続した高速液体クロマトグラフィー（HPLC）装置（WATERS 600Pump）を用いて分析した。各々の糖の合成品を、標準物質として使用し、検量線を作成した。検量線に基づき、濾液に含まれる成分を定量した。HPLC分析の条件は実施例1と同様である。
【０１２５】
本反応の概要を以下に示す。ラフィノースは、グルコース、ガラクトース及びフルクトースからなる三糖であり、本反応においてこれらの単糖に加水分解される。加水分解により生じたグルコース及びガラクトースは、塩基性触媒によってそれぞれフルクトース及びタガトースに異性化され、さらに酸性触媒によって脱水されて、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを生じる。
【０１２６】
【化４】
2013253069.tif 000013
【０１２７】
各種の酸性触媒を用いて上記の反応を行った結果を表9に示す。なお、実施例5-2は、上記の手順において、反応温度を393 Kに変更した他は、上記と同様にして行った。比較例5-1及び5-2は、上記の手順において、酸性触媒又は塩基性触媒のいずれか一方のみを反応系に添加するよう変更した他は、上記と同様にして行った。
【０１２８】
【表９】
2013253069.tif 000014
【０１２９】
上記表中、ラフィノースの変換率は、使用したラフィノースの総モル数から反応後の濾液に含まれるラフィノースのモル数を減じた値を、反応により変換されたラフィノースのモル数と仮定して、使用したラフィノースの総モル数に対する反応により変換されたラフィノースのモル数の百分率を示した値である。
【０１３０】
上記表中、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率は、使用したラフィノースの総モル数に対する反応後の濾液に含まれる5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドのモル数の百分率を示した値である。
【０１３１】
上記表中、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの選択率は、反応により変換されたラフィノースの総モル数に対する反応後の濾液に含まれる5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドのモル数の百分率（ラフィノースの変換率に対する5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率の百分率）を示した値である。
【０１３２】
表9に示すように、塩基性触媒のみを用いて反応を行った場合、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率は非常に低かった（比較例5-2）。これに対し、酸性触媒としてアンバーリスト-15を、塩基性触媒としてHTをそれぞれ用い、酸性触媒及び塩基性触媒とラフィノースとを同時に混合して反応を開始（ワンポット反応）した場合、非常に高い5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率及び選択率を示した（実施例5-1）。また、反応温度を393 Kに変更して同様の反応を行った場合も、高い5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率及び選択率を示した（実施例5-2）。
【０１３３】
一方、酸性触媒としてナフィオンNR50又はナフィオンSAC13を、塩基性触媒としてHTをそれぞれ用いてワンポット反応を行った場合、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドは形成されるが、酸性触媒としてアンバーリスト-15を用いた場合と比較して収率及び選択率が低下した（実施例5-3及び5-4）。
【０１３４】
［5-B：溶媒の比較試験］
実施例5-1の手順において、使用される溶媒をDMF、DMSO、AN又は水に変更し、且つ反応温度を393 Kに、反応時間を6時間に、それぞれ変更した他は、上記と同様にして行った。結果を図7に示す。
【０１３５】
図7に示すように、いずれの非プロトン性極性溶媒であっても、ラフィノースの変換反応が進行した。前記非プロトン性極性溶媒のうち、DMF及びDMSOを用いて反応させた場合、高い5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの選択率を示した。これに対し、水を用いて反応させた場合、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドは全く形成されなかった。DMF及びDMSO以外の非プロトン性極性溶媒である、ANを用いて反応させた場合、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドは形成されたが、DMF及びDMSOを用いた場合と比較して収率及び選択率は低かった。
【０１３６】
［5-C：反応の経時変化（1）］
実施例5-1の手順において、反応温度を373、383又は393 Kに変更した他は上記と同様にして反応を開始した。反応開始時点から所定の時間毎に反応混合物をサンプリングし、HPLC分析を行った。結果を図8に示す。
【０１３７】
図8に示すように、5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率は、反応開始から3時間後まではいずれの温度で反応させた場合も略直線的に増加した。その後、5-メチル-2-フルアルデヒドの収率は、いずれの温度で反応させた場合も約8時間後まで緩やかに増加した後、略一定となった。ここで、一定の値となったときの収率を比較すると、反応温度が高いほど、より高い収率に到達した。以上の結果から、反応温度が上昇するに従い、より高い収率に到達することが示された。
［5-D：反応の経時変化（2）］
実施例5-1の手順において、反応温度を393 Kに変更した他は上記と同様にして反応を開始した。反応開始時点から所定の時間毎に反応混合物をサンプリングし、HPLC分析を行って、基質であるラフィノース、反応中間体であるメリビオース及びフルクトース、並びに最終生成物である5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドを定量した。結果を図9に示す。
【０１３８】
メリビオースは、グルコース及びガラクトースがα1-6結合した二糖であって、ラフィノースの還元末端のフルクトースが加水分解されることによって生成する。図9に示すように、メリビオースの収率は、反応開始から30分後に40％を超える最大値となり、その後反応開始から6時間後にかけて急激に減少した。また、グルコースの収率も、反応開始から30分後に約10％の最大値となり、その後反応開始から12時間後にかけて緩やかに減少した。これに対し、フルクトースの収率は、反応開始から1時間後まで増加し、約10％の最大値に到達した後、減少した。
【０１３９】
［5-E：触媒の再使用試験］
実施例5-1の手順において、反応温度を393 Kに、反応時間を6時間に、それぞれ変更した他は、上記と同様にして反応を行った（1回目使用）。反応後、得られた反応混合物を、デカンテーションによって反応混合物の上清画分及び反応（1回）終了後の触媒画分に分離した。得られた触媒画分を、10〜12 mlのDMFで洗浄し、減圧下で終夜乾燥させた。得られた洗浄済触媒を、再使用工程（1回）の触媒として、前記1回目使用と同様の条件で再度反応に使用した（2回目使用）。反応終了後、上記と同様の手順で触媒を分離及び洗浄し、再使用工程（2回）の触媒として、同様の条件で再度反応に使用した（3回目使用）。1回目使用、2回目使用及び3回目使用の各反応における5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率を図10に示す。
【０１４０】
図10に示すように、2回目及び3回目使用時の5-ヒドロキシメチル-2-フルアルデヒドの収率は、1回目使用時の収率と実質的に同等であった。この結果から、本発明の触媒は、複数回の再使用が可能であることが示された。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
本発明により、穏和な反応条件で且つ低毒性の触媒を用いて、農業系、木質系又は海洋系バイオマスから有用なフルアルデヒドを製造することが可能となる。また、本発明の触媒は不均一系触媒として使用し得るため、使用後の触媒を洗浄することにより、本発明の方法に再使用することが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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