(57)【要約】  脱水生成物が優れたアカウンタビリティーと、無色透明またはほぼウォーターホワイトの外観への改善された色とを示すように、糖アルコールに由来する材料を調製する方法が記載される。特に、本方法は、糖アルコールのその対応する脱水環化生成物への触媒作用のために還元ブレンステッド酸（例えば、ホスホン酸）を使用することを伴う。
2017512823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５または６炭素ポリオールから環状脱水生成物を調製する方法であって、５または６炭素ポリオールを生成物混合物中の対応する環状分子内脱水生成物に変換するのに十分な温度、且つ十分な時間、前記５または６炭素ポリオールを反応混合物中の還元ブレンステッド酸触媒と反応させることを含み、前記５または６炭素ポリオールの少なくとも７０％が前記対応する環状脱水生成物に変換される方法。
【請求項２】
クロマトグラフィー、結晶化および蒸留からなる群から選択される少なくとも１つの手段によって、前記脱水生成物を精製することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記還元ブレンステッド酸触媒がホスホン酸である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記生成物混合物が、精製または脱色操作に供することなく、前記反応時間の終了後に、ミディアムブラウンからライトハニー色の半透明から、透明、明澄またはほぼウォーターホワイト色に及ぶ不透明度および色外観を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記生成物混合物が、前記反応時間の終了後に、同じ時間および温度でホスホン酸触媒の代わりに０．１ｍｏｌ％以上の触媒添加量で硫酸触媒を用いて調製した生成物混合物と比較して淡く、半透明の色外観を示す、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記生成物混合物が、同じ時間および温度でホスホン酸触媒の代わりに、０．１ｍｏｌ％以上の触媒添加量で硫酸触媒を用いて調製した生成物混合物と比較して前記生成物混合物中の色体形成または蓄積のレベル低下を示す、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記５または６炭素ポリオールが、ソルビトール、マンニトール、イジトール、キシリトールおよび１，２，５，６−ヘキサンテトラオールからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記反応混合物が、ホスホン酸に加えて、１種または複数の他の酸触媒を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記還元ブレンステッド酸が、前記５または６炭素ポリオールの濃度に対して約１ｍｏｌ％〜約２０ｍｏｌ％の触媒添加量で存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ホスホン酸が、前記５または６炭素ポリオールの濃度に対して約２ｍｏｌ％〜約１５ｍｏｌ％の触媒添加量である、請求項３に記載の方法。
【請求項１１】
前記反応温度が、約１００℃〜最高約１６０℃の範囲にある、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記５または６炭素ポリオールの少なくとも８０％〜実質的に全部が、前記対応する分子内脱水生成物に変換される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記生成物混合物が重縮合生成物をさらに含み、前記生成物混合物中の前記重縮合生成物の相対濃度が全生成物の２５％未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記対応する脱水生成物の１つの種の収率が少なくとも５０％である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記５または６炭素ポリオールがマンニトール、ソルビトール、イジトールおよびキシリトールからなる群から選択され、前記対応する環状脱水生成物が１，４−ソルビタン、２，５−ソルビタン、イソソルビド、イソマンニド、イソイジドおよび１，４−アンヒドロキシリトールからなる群から選択される少なくとも１つのメンバーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記５または６炭素ポリオールが１，２，５，６−ヘキサンテトラオールであり、前記対応する環状脱水生成物が一次生成物としての２，５−ビス−（ヒドロキシメチル）−テトラヒドロフランジオール（THFジオール）である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記５または６炭素ポリオールがソルビトールおよびマンニトールからなる群から選択され、前記対応する環状脱水生成物が一次生成物としてのイソソルビドまたはイソマンニドおよび二次生成物としての１，４−ソルビタンまたは２，５−ソルビタンの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記反応時間が最大約３時間である、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記反応が約５トル〜約１００トルの操作圧力で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記反応が約１０トル〜約３０トルの操作圧力で行われる、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その内容が参照により本明細書に組み込まれる、２０１４年４月１０日出願の国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０３３５８０からの優先権の利益を主張する。
【０００２】
本開示は、二官能性環状化合物およびその合成方法に関する。特に、本発明は、５および６炭素ポリオールの還元ブレンステッド酸触媒脱水に由来する環状化合物および環状化合物を調製する方法に関係する。
【背景技術】
【０００３】
伝統的に、ポリマーおよび汎用化学製品は石油由来原料から調製されてきた。しかしながら、石油貯蔵が急速に枯渇しており、付随して入手するのがより困難になっているために、生物由来資源から再生可能なまたは「グリーン」代替材料を開発する急務が、特に、従来の石油由来対応物に対する商業的に持続可能な代用物の役割においてまたは化石の再生不可能源から製造されるのと同じ材料を生成するために、多くの現在の研究の先頭になっている。
【０００４】
このような材料のための生物由来のまたは再生可能な代替原料の最も豊富な種類の１つに炭水化物がある。しかしながら、炭水化物は、一般的に現在の高温工業プロセスに適さない。官能化の程度が低い石油系疎水性脂肪族または芳香族原料と対照的に、糖などの炭水化物は複雑な、多官能化親水性材料である。結果として、研究者らは、２，５−フランジカルボン酸（FDCA）、レブリン酸および１，４：３，６−ジアンヒドロヘキシトールなどのより安定な二官能性化合物を含む、炭水化物に由来するが、あまり高度に官能化されていない生物系化学物質を製造しようと努めてきた。
【０００５】
１，４：３，６−ジアンヒドロヘキシトール（本明細書中ではイソヘキシドとも呼ばれる）は、穀物系多糖およびその加水分解によって得られる糖などの再生可能な資源に由来する。イソヘキシドは、対応する還元糖アルコール、例えば、Ｄ−ソルビトール、Ｄ−マンニトールおよびＤ−イジトールの脱水に由来するクラスの二環式フラノジオールであり、それぞれその構造がスキーム１に示されるＡ）イソソルビド、Ｂ）イソマンニドおよびＣ）イソイジドに脱水および環化されている。
【０００６】
【化１】
2017512823.tif 000003
【０００７】
硫酸を使用するなどの従来の技術による糖アルコールのイソヘキシドへの脱水は、典型的にはいくつかの望ましくない副産物の生成をもたらす。このような副産物を所望のイソヘキシドならびに他のフラン誘導体から分離することは、依然として複雑で高価である。さらに、副産物は望ましくない収率低下をもたらす。したがって、生成する副産物が少なく、所望の生成物の収率が高く、および組成アカウンタビリティーがより優れた方法が歓迎されるだろう。
【発明の概要】
【０００８】
本開示は、一つには、５または６炭素ポリオールから環状誘導体生成物を調製する方法を記載する。本方法は、糖アルコールの少なくとも７０％または７５％が対応する環状脱水生成物に変換されるように、５または６炭素ポリオールを対応する環状分子内脱水生成物に変換するのに十分な温度および時間、５または６炭素ポリオールを、単独または１種もしくは複数の他の酸触媒と組み合わせた還元ブレンステッド酸と反応させることを含む。本方法は、少なくとも：クロマトグラフィー、結晶化および蒸留によって、脱水生成物を精製することをさらに含んでもよい。反応生成物混合物は、精製または脱色操作に供することを必要としないで、反応の終了直後に、ミディアムブラウンからライトハニー色の少なくとも半透明から、透明、明澄またはほぼウォーターホワイトの液体（すなわち、無色および明澄度において水に近づく）に及ぶ外観および不透明度を有する。換言すれば、反応生成物混合物は、従来の硫酸触媒を用いて調製した反応生成物に比較して淡く、半透明な色を示す。
【０００９】
種々の実施形態では、環状脱水生成物が、１，４−アンヒドログルシトール（１，４ソルビタン）、２，５−アンヒドログルシトール（複数可）（２，５ソルビタン）、１，４：２，５−アンヒドロマンニトール、１，４−アンヒドロキシリトールまたは１，４：３，６−ジアンヒドロヘキシトール、例えば、イソソルビド、イソマンニド、イソイジドまたは２，５−ビス−（ヒドロキシメチル）−テトラヒドロフラン（THFジオール）の少なくとも１つを含む。ソルビトール、マンニトールまたはイジトールが５または６炭素ポリオールである代表的な実施形態では、生成物混合物が、一次生成物としてイソソルビド、イソマンニドまたはイソイジドの少なくとも１つ、および二次生成物としてソルビタンを含む。キシリトールが５または６炭素ポリオールである実施形態では、一次反応生成物が１，４−アンヒドロキシリトールである。１，２，５，６ヘキサンテトラオールが５または６炭素糖ポリオールである実施形態では、ＴＨＦ−ジオールが一次生成物である。
【００１０】
本方法のさらなる特徴および利点を以下の詳細な説明で開示する。前記要約と以下の詳細な説明および実施例の両者は共に単に本発明を表すにすぎず、請求される発明を理解するための概要を提供することを意図していることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ホスホン酸（Ｈ３ＰＯ３）触媒（２ｍｏｌ％触媒添加量）を用いた種々の反応温度でのソルビトール変換の相対百分率および生成物組成アカウンタビリティーの百分率を示すグラフである。
【図２】ホスホン酸触媒（５ｍｏｌ％触媒添加量）を用いた種々の反応温度でのソルビトール変換の相対百分率および生成物組成アカウンタビリティーの百分率を示すグラフである。
【図３】ホスホン酸触媒（１０ｍｏｌ％触媒添加量）を用いた種々の反応温度でのソルビトール変換の相対百分率および生成物組成アカウンタビリティーの百分率を示すグラフである。
【図４】ホスホン酸触媒（１３ｍｏｌ％触媒添加量）を用いた種々の反応温度でのイソソルビド収率の相対百分率および生成物組成アカウンタビリティーの百分率を示すグラフである。
【図５】ホスホン酸触媒（１５ｍｏｌ％触媒添加量）を用いた種々の反応温度でのイソソルビド収率の相対百分率および生成物組成アカウンタビリティーの百分率を示すグラフである。
【図６】ホスホン酸触媒（２０ｍｏｌ％触媒添加量）を用いた種々の反応温度でのイソソルビド収率の相対百分率および生成物組成アカウンタビリティーの百分率を示すグラフである。
【図７】１．０ｍｏｌ％触媒添加量で従来の触媒、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を用いた種々の反応温度でのソルビトール変換の相対百分率および生成物組成アカウンタビリティーの百分率を示す比較のためのグラフである。
【図８】０．５ｍｏｌ％触媒添加量で従来の触媒、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を用いた種々の反応温度でのソルビトール変換の相対百分率および生成物組成アカウンタビリティーの百分率を示す比較のためのグラフである。
【図９】異なる種類の酸触媒を用いて行ったソルビトール脱水からの生成物混合物を含有するジャー、ならびに左から右に、不透明な暗褐色−黒色から半透明のハニー色から透明な淡黄色に及ぶ各生成物混合物についてのそれぞれの不透明度および色外観を示す写真である。左から右に示されるように、各試料は、それぞれ１４０℃、５トル超の圧力で２時間、Ａ）従来の硫酸（１ｍｏｌ％Ｈ２ＳＯ４）；Ｂ）０．５ｍｏｌ％Ｈ２ＳＯ４；Ｃ）２０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３；Ｄ）１０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３；およびＥ）５ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３を用いて、調製した生成物である。
【図１０】本反応で使用される溶融ソルビトール原料を含有する容器の写真である。比較標準として、ソルビトールは、大部分は透明の白色を有する。
【図１１】ソルビトールをイソソルビドに変換する脱水反応の生成物の試料を含有する３つの瓶の写真である。左から右に、使用される触媒は：Ａ）０．１ｍｏｌ％Ｈ２ＳＯ４；Ｂ）０．１ｍｏｌ％Ｂｉ（ＯＴｆ）３；およびＣ）５ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３である。写真は、他の２つの試料と比べてホスホン酸を使用して調製した試料についての明白な生成物の色削減を示している。
【図１２】ｐ−ＴｓＯＨ（暗い不透明な色（左））および１０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１２０℃、３時間（淡い／明澄透明（右））により調製した、キシリトールから１，４−アンヒドロキシリトールへの脱水反応の生成物を含有する試料を比較する２つの瓶の写真である。
【図１３】１０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１４０℃、３時間による脱水反応の試料生成物を含有する瓶の写真である。
【図１４】１０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１５０℃、３時間による脱水反応の試料生成物を含有する瓶の写真である。
【図１５Ａ】２０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１４０℃、２時間による脱水の試料生成物を含有する瓶の写真である。
【図１５Ｂ】２０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１５０℃、２時間による脱水の試料生成物を含有する瓶の写真である。
【図１５Ｃ】１０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１５０℃、３時間による脱水の試料生成物を含有する瓶の写真である。
【図１６Ａ】１ｍｏｌ％Ｈ２ＳＯ４、１１０℃、３時間による脱水の比較試料生成物を含有する瓶の写真である。
【図１６Ｂ】０．５ｍｏｌ％Ｈ２ＳＯ４、１３０℃、３時間による脱水の比較試料生成物を含有する瓶の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
Ｉ．発明の説明
本開示は、５または６炭素ポリオールの脱水反応から調製される生成物混合物の色を改善し、組成アカウンタビリティーを増加させることができる方法を記載する。一般に、本方法は、５または６炭素ポリオールを対応する環状分子内脱水生成物に変換するのに十分な温度および時間、５または６炭素ポリオールを、還元ブレンステッド酸触媒と反応させることを含む。酸触媒は、５または６炭素ポリオールの実質的に全部を対応する分子内脱水生成物（例えば、１，４−アンヒドログルシトール（一般的に１，４ソルビタンとも呼ばれる）、２，５−アンヒドログルシトール（複数可）（一般的に２，５ソルビタンとも呼ばれる）、１，４：２，５−アンヒドロマンニトール、１，４−アンヒドロキシリトールまたは１，４：３，６−ジアンヒドロヘキシトール）に変換するのに十分な温度で、ｐＫａが約１〜約３（±０．５）の間である。酸触媒は、単独または２）ルイス酸もしくは３）固相酸触媒と組み合わせた、１）還元ブレンステッド酸であり得る。
【００１３】
脱水生成物に加えて、結果として生じる反応生成物混合物は、１種または複数の重縮合生成物を有することがある。反応生成物混合物の組成の構成成分は、約７０％または約７５％より高いレベルまで確認可能（acountable）である。反応生成物混合物は、後の精製または脱色操作に供する必要がなく、反応の終了直後に、ミディアムブラウンからライトハニー色の少なくとも半透明、または透明、明澄またはほぼ無色透明またはウォーターホワイトの液体までに及ぶ不透明度および色外観を有する（図９、図１１および図１２参照）。換言すれば、本方法は、従来の反応系と比較してきれいな初期生成物混合物をもたらし、これはより多い同定可能な成分およびより少ない種々雑多な重合副産物を含有している。
【００１４】
本明細書に記載される方法は、５または６炭素ポリオールの対応する環状誘導体への脱水を行うための、リン含有酸としても知られているホスホン酸（Ｈ３ＰＯ３）の使用によって例示される。５または６炭素ポリオールを脱水するために以前使用されていたリン酸（Ｈ３ＰＯ４）および他のブレンステッド酸、例えば、硫酸と異なり、ホスホン酸は１．３０という高いｐＫａを有し、還元剤としても作用し、ここではホスホン酸が反応混合物中の別の化学種の還元によりリン酸に酸化される。よって、ホスホン酸は、還元ブレンステッド酸の例である。このような酸の還元ポテンシャルによって、還元剤とプロトン供与体の両方としてのその使用が可能になる。還元酸の他の例には、式Ｒ（Ｈ２ＰＯ３）（式中、Ｒはアルキルまたはアリール部分である）を有するホスホン酸の有機誘導体、ならびにスルホン酸（Ｈ２ＳＯ３）およびその対応する有機誘導体がある。
【００１５】
酸触媒として広範に調査していないが、本発明者らは、ホスホン酸などの還元ブレンステッド酸を、有意な利点を有しながら、５または６炭素ポリオールをその対応する環状二官能性誘導体材料に変換するために、単独または他のブレンステッドもしくはルイス酸触媒と組み合わせて使用することができることを見出した。第１に、還元ブレンステッド酸によって触媒された反応は、硫酸などの従来のまたは通常のブレンステッド酸触媒を使用する反応から作製された生成物混合物の典型的な暗着色を引き起こす不要な色体（color body）の形成を有意に減らすことができる。第２に、還元ブレンステッド酸触媒は、好ましいレベルの変換活性を維持しながら、反応の生成物組成アカウンタビリティーを増加させることができる（すなわち、還元ブレンステッド酸触媒は５または６炭素ポリオールのより多くを定義できない環化誘導体に変換することができる）。操作上の点で、Ｈ３ＰＯ３のいくつかの具体的な利点は、これが硫酸よりも反応の大きな制御を可能にすることができ、高いｐＫａ（約１）を有する固体として反応に導入することができ、その後の下流精製工程のために有意な量の塩基によって反応媒体を中和する必要がないということである。より高いｐＫａによって副産物形成の程度も限定される。よって、ホスホン酸を使用すると、反応性とその後の精製操作の両方についての利点が与えられる。
【００１６】
これらの特徴は、生成物を精製および／または脱色するために通常は複雑で、高価な下流操作の必要性を減らすことまたは排除することによって、製造コストの削減につながり得る。典型的には、５または６ポリオールをその対応する脱水生成物にした後、生成物混合物を一連の反応後精製プロセスに供する。これらのプロセスは、例えば、酸のクエンチまたは中和、濾過、イオン交換クロマトグラフィー、および残留色を除去するための炭素研磨を含み得る。これらの工程の各々が高価で、時間がかかり得る。本明細書に記載される本触媒系および反応の利点は、これらの工程（例えば、中和、塩の処分、陽イオンクロマトグラフィーおよび色を緩和するための炭素研磨（carbon polishing））の１つまたは複数を最小化または排除することができるということである。それにもかかわらず、要求はされないが、本方法が、例えば、より高品質または純度の生成物を得るために、クロマトグラフィー、結晶化または蒸留を用いて脱水生成物を精製することをさらに含んでもよい。
【００１７】
本方法の別の有利な特徴は、反応生成物混合物中の重縮合生成物の相対濃度を全生成物の２５％未満の低いレベルに維持しながら、５または６炭素ポリオール出発材料の少なくとも８０％〜実質的に全部を対応する分子内脱水生成物に変換する能力である。ある実施形態では、反応生成物混合物中の重縮合生成物の相対濃度が約２０％未満（例えば、望ましくは約１５％、１７％または１８％より下）であり得る。反応によって、少なくとも５０％の収率の脱水生成物が生成し；典型的には、収率は約７５％〜８０％またはそれより大きい。ある好ましい実施形態では、収率が約８５％、８８％または９０％〜約９５％、９８％または９９％の間の範囲にあり得る。
【００１８】
付随する写真（例えば、図９〜１５Ａ〜Ｃ）で定性的に示されるように、本発明の実施形態により行われる反応は、試料のより淡い色を示す。反応生成物混合物は、同じ時間および温度で還元ホスホン酸触媒の代わりに、０．１ｍｏｌ％以上の触媒添加量で硫酸などの従来の酸触媒を用いて調製した反応生成物と比較して淡く、半透明の色外観を示す（図１１、１６Ａおよび１６Ｂ）。この現象は、硫酸（例えば、０．１ｍｏｌ％以上の触媒添加量）を用いて調製した生成物混合物と比較して、生成物混合物中の色体形成および蓄積のレベルが低下した結果と考えられる。
【００１９】
ホスホン酸触媒を種々の異なる５または６炭素ポリオール種のその対応する生成物への変換に使用することができる。ある実施形態によると、５または６炭素ポリオールが、例えば、ソルビトール、マンニトール、イジトール、キシリトールおよび１，２，５，６−ヘキサンテトラオール（HTO）であり得る。例えば、ソルビトールを、ソルビトールのソルビタン、次いで、イソソルビドへの分子内脱水環化によってイソソルビトに変換する。別の例では、キシリトールを１，４−アンヒドロキシリトールに直接脱水することができる。あるいは、ＨＴＯをラセミＴＨＦジオールに脱水環化する。
【００２０】
ホスホン酸を、５または６炭素ポリオールの濃度に対して約１ｍｏｌ％または２ｍｏｌ％〜約１５ｍｏｌ％または２０ｍｏｌ％、あるいはその中の範囲値の任意の組み合わせの触媒添加量で使用することができる。ある他の実施形態では、ホスホン酸が、前記５または６炭素ポリオールの濃度に対して約５ｍｏｌ％または７ｍｏｌ％〜約１０ｍｏｌ％または１３ｍｏｌ％の範囲の触媒添加量である。
【００２１】
反応時間は最大約３時間とすることができるが、典型的には、色体形成を最小化するために、反応時間はより短く、約１〜２時間の間である。
【００２２】
反応温度は、約１００℃〜最高約１８０℃の範囲内とすることができる。典型的には、反応温度は、約１１０℃または１２０℃〜約１５０℃または１６０℃の範囲内にある。
【００２３】
最適な生成物収率を得るために、脱水反応を約５トル〜約１００トルの操作圧力において真空下で行う。典型的には、操作圧力は約１０トル〜約３０トルの間、好ましくは約１２または１５トル〜約２０または２５トルの間である。
【００２４】
１．組成アカウンタビリティー
５または６炭素ポリオールを酸触媒によって脱水すると、容易に同定することができないいくつかの副産物が形成する、つまり特定の環状脱水誘導体種として同定されない（例えば、イソヘキシドでもソルビタン化合物でもない）生成物が形成する。これらの同定することが困難な副産物には、共に不要な色および不透明度を反応混合物に付与する重合縮合物および色体が含まれる。本明細書で使用される「アカウンタビリティー」は、環状脱水誘導体化合物の１つとして定量的に同定することができる生成物混合物の割合の尺度であるので、環状脱水生成物として同定されない重縮合物、色体または他の種（例えば、フラン化合物）を除く。本方法の有利な特徴によると、ホスホン酸を使用して５または６炭素ポリオールを脱水すると、特に硫酸触媒脱水と比較して、高いアカウンタビリティーを有する生成物混合物が得られる。
【００２５】
図１〜図３は、種々の触媒添加量レベルでホスホン酸（Ｈ３ＰＯ３）触媒を用いて、種々の反応温度（x軸）で、ある反応生成物に変換されたソルビトール（ソルビトール変換）の百分率（右y軸）および説明可能な生成物として同定される（アカウンタビリティー）生成物の百分率（左y軸）を示している。各場合で、反応時間は３時間であった。それぞれのソルビトールの変換率および生成物アカウンタビリティーは温度によって逆に影響を受ける。高温は高いソルビトール変換をもたらすが、低い生成物アカウンタビリティーももたらす。例えば、図１は、約１１０℃で２ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３触媒を用いる反応について、ソルビトール変換がわずか約８３％であるが、生成物アカウンタビリティーがほぼ１００％である；しかしながら、１６０℃の温度では、変換量がほぼ１００％であるが、生成物アカウンタビリティーが約８８％に低下することを示している。この全体傾向は、図２および図３に示されるように、触媒の添加率にかかわらず残る。
【００２６】
図４、図５および図６は、それぞれ１３ｍｏｌ％、１５ｍｏｌ％および２９ｍｏｌ％のホスホン酸触媒添加量で、種々の反応温度（x軸）で、イソソルビド収率の百分率（イソソルビド収率）（右y軸）および説明可能な成分として同定される（アカウンタビリティー）生成物の百分率（左y軸）を比較している。各場合で、反応時間は３時間であった。図１〜図３のように、ソルビトール変換率および生成物アカウンタビリティーに関して、イソソルビド収率の百分率と生成物アカウンタビリティーの％は逆に関連がある。イソソルビド収率は温度上昇により増加する傾向があるが、生成物アカウンタビリティーは低下する。
【００２７】
ある実施形態では、ホスホン酸触媒が、約６０％のイソソルビド収率を維持することができながら、付随してほぼ完全なソルビトール変換（＞９５％）を可能にする。図１〜図３のホスホン酸触媒反応は１００％のソルビトール変換を示す。これらの結果は、硫酸触媒からの図７および図８の反応についての同様の結果（＞９３％ソルビトール変換）と遜色がない。
【００２８】
概して、データは、所望の標的収率、生成物アカウンタビリティーおよび色を釣り合わせ、最適化するために、時間、温度および触媒を制御または調節することができることを示唆している。高い触媒添加量は、比較的低温であるが、アカウンタビリティーを損失して、５または６炭素ポリオールのその対応する脱水生成物への迅速な変換を容易にする。
【００２９】
例えば、比較的低レベルの触媒（例えば、図１の約２ｍｏｌ％または図２の約５ｍｏｌ％）で、５または６炭素ポリオール変換率は、許容できるが、良好なレベルの生成物アカウンタビリティー（≧８５％）を維持しながら、約５０％〜７０％超の高い変換率を達成するのを助けるために高温を要求し得る。中等度の触媒レベル（例えば、図３の約１０ｍｏｌ％〜図４の約１３ｍｏｌ％または図５の約１５ｍｏｌ％）では、より高温およびより長い反応時間を使用することも必要とし得る。しかしながら、高い触媒レベル（例えば、図６の約２０ｍｏｌ％）では、低温または短い反応時間が、高収率のイソソルビド生成物を維持しながら、色体増大を低減または最小化するのを助け得る。
【００３０】
図４と図７の比較でそれぞれ提示されるように、生成物アカウンタビリティーとイソソルビド収率の点で、ホスホン酸触媒は機能的に硫酸と少なくとも同等に働く。従来の硫酸は、イソソルビドについて約６０％〜６７％の最大収率、および約７５％〜７８％の生成物アカウンタビリティーを有する。図４は、１３ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１５０℃で触媒された反応が、約８６％の生成物アカウンタビリティーを達成することを示しており、これは図７で描かれる１ｍｏｌ％硫酸触媒作用に対して約１０％の改善である。
【００３１】
２．色軽減
別の態様では、図９が、それぞれ硫酸（すなわち、Ａ）１ｍｏｌ％；Ｂ）０．５ｍｏｌ％）ならびにホスホン酸（すなわち、Ｃ）２０ｍｏｌ％；Ｄ）１０ｍｏｌ％；およびＥ）５ｍｏｌ％について、異なる触媒添加量で調製した５種の脱水生成物混合物の対照比較（side-by-side comparison）を示している。硫酸触媒試料の外観は色が非常に暗く（黒色タール様）、不透明である。ホスホン酸触媒試料は、色が中等度から淡く、半透明から透明で現れる。試料の各々の近接図を図１１〜図１６に示す。図１０は、半透明の淡い色の、溶融ソルビトール原料を含有する容器を示しており、これは比較基準として役立つ。
【００３２】
表１は、変化する温度および時間で実施した、ホスホン酸を異なる添加量レベルで触媒として用いたソルビトール脱水反応からのデータ要約を示している。
【００３３】
【表１】
2017512823.tif 000004
【００３４】
図１３〜図１５は、表１の対応する試料のいくつかの色軽減を示す像である。図１３では、試料生成物が１０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１４０℃、３時間を用いた脱水反応からのものである。この試料の色は透明な中等度の黄色である。図１４では、試料生成物を１０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１５０℃、３時間で調製している。高温では、混合物中の色体の部分が多くなるので、色が暗く見える。
【００３５】
図１５Ａ、図１５Ｂおよび図１５Ｃは、それぞれ２０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１４０℃、２時間（１５Ａ）、２０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１５０℃、２時間（１５Ｂ）および１０ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１５０℃、３時間（１５Ｃ）で調製した群の試料脱水生成物である。一連の写真は、高触媒添加量、高温および延長した反応時間の下でさえ、生成物が琥珀色からダークハニー色を有し、これはそれぞれ１ｍｏｌ％Ｈ２ＳＯ４、１１０℃、３時間（１６Ａ）および０．５ｍｏｌ％Ｈ２ＳＯ４、１３０℃、３時間（１６Ｂ）で、図１６Ａおよび図１６Ｂのように硫酸を用いて慣用的に調製した試料よりも、有意に優れて働いていることを示している。低触媒添加量および低温でさえ、生成物混合物は外観が不透明で、暗褐色から黒色である。ある実施形態によると、約１０ｍｏｌ％ホスホン酸は触媒活性において約１ｍｏｌ％硫酸に等しいと考えられる。
【００３６】
３．糖アルコール
Ａ．−ソルビトール
本方法は、イソヘキシドの処理およびその脱水生成物の調製に有用である。具体的には、本方法は、高い生成物アカウンタビリティーおよび付随する色体削減が伴う、ソルビトールの還元ブレンステッド酸触媒脱水を用いるソルビタンおよびイソソルビドの生成で評価されるだろう。
【００３７】
例示の目的のために、表２は、本方法の実施形態による種々の反応条件下でのソルビトールの触媒脱水反応の結果を要約する。実施例１〜２６では、脱水反応が約２ｍｏｌ％〜約２０ｍｏｌ％に及ぶいくつかの異なる触媒添加量レベルでホスホン酸（Ｈ３ＰＯ３）を使用する。これらの反応を約１１０℃〜約１８０℃の間の種々の温度で、約２または３時間の期間にわたって行う。結果が示すように、ホスホン酸触媒作用のいくつかの例は、一般的に生成物混合物の組成アカウンタビリティーが改善されると共に、比較実施例１〜１０に示される硫酸（Ｈ２ＳＯ４）などの強ブレンステッド酸を触媒として使用する反応に匹敵する優れたソルビトールからイソソルビドへの変換率（例えば、約６５％〜１００％）をもたらすことができる。ホスホン酸触媒はまた、比較実施例１１〜１３に提示されるように、生成物アカウンタビリティーおよび色減弱の点で、ビスマストリフレート（Ｂｉ（ＯＴｆ）３）などの耐水性、強ルイス酸触媒より優れていた。
【００３８】
ホスホン酸は本質的な還元能力および抗酸化挙動を示す。優れた変換率と生成物アカウンタビリティーの両方をもたらすことができる触媒としてのホスホン酸の特有の有用性および有意な性能特性を、抗酸化剤を含む還元酸と分類される節の実施例１および２に示す。試料の高いイソソルビド収率および色軽減能力は、高い酸濃度で存在する場合の、ホスホン酸の還元剤としての有益な影響を強調する。
【００３９】
実施例３および４は、ホスホン酸に近いｐＫａ値を有するアスコルビン酸などの別の抗酸化酸を比較している。これらの実施例は、ホスホン酸が許容される量のイソソルビドを生成しながら、ソルビトールを完全に（１００％）変換することができ、約７０％の組成アカウンタビリティーをまだ維持することができる一方で、対照的に、アスコルビン酸単独を使用した反応がこれらのパラメータに関してうまく働かなかったことを示している。アスコルビン酸単独試料について、生成物アカウンタビリティーレベルは高いにもかかわらず、不幸なことに、これはソルビトールの比較的低い変換およびゼロに等しいイソソルビド収率という結果となる。
【００４０】
ホスホン酸は脱水環化のための触媒と、生成物の発色を軽減するのを助けるための還元剤の両方として機能すると考えられる。付随する図面の実施例および結果から、脱水反応の操作条件に好ましい範囲は、反応時間および温度に応じて、約２ｍｏｌ％または５ｍｏｌ％〜約１０ｍｏｌ％または２０ｍｏｌ％の濃度のホスホン酸を含み得る。最適な反応結果のために、長い持続時間と高温のバランスをとるべきである。
【００４１】
表２の例示的実施例から一定のパラメータを識別可能である。一般的に、高濃度（すなわち、１５〜２０ｍｏｌ％）のホスホン酸は、低温（例えば、１１０〜１２０℃）および中間反応時間（例えば、約２〜３時間）で、ソルビトール変換、生成物アカウンタビリティーおよび色軽減についてよく働く。低濃度（例えば、≦５％）のホスホン酸では、生成物アカウンタビリティーは改善され、色体削減が一般的に同時発生するが、十分なソルビトール変換を満たすために、高い反応温度（例えば、＞１３０℃）および／または拡大した反応時間（＞２時間）が必要とされ得る。中間濃度（例えば、６ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％〜１３ｍｏｌ％）のホスホン酸では、生成物アカウンタビリティーを最大化し、色体増大を軽減するために反応時間を短縮するが、ソルビトール変換を高温（例えば、１４０℃〜１５０℃）で下すことができる。短い反応時間（＜２時間）では、反応が高いソルビトール変換を容易には促進しないが、色体形成は無視できる。中等度から高温（例えば、約１３０℃〜１５０℃）では、生成物組成アカウンタビリティーの低下および／または色体凝集を回避するために、反応時間を減少させる。
【００４２】
触媒添加量、温度および時間の異なる組み合わせを有する一定の実施例は、特に有利な結果を示した。このことは、組み合わせ酸系の潜在的な改善を示唆している。
【００４３】
【表２−１】
2017512823.tif 000005
【００４４】
【表２−２】
2017512823.tif 000006
【００４５】
【表２−３】
2017512823.tif 000007
【００４６】
Ｂ．−マンニトール
別の実施形態では、ホスホン酸触媒が、イソソルビドを作製するホスホン酸触媒反応からの有益な結果（例えば、改善されたアカウンタビリティーおよび色体削減）と合わせて、マンニトールからイソマンニドを調製するための脱水反応にも同様に寄与することができる。イソマンニドを作製するための現在の方法の下では、脱水環化反応を少なくとも１７０℃、前駆体マンニトールの融解温度で行う。従来の合成方法は、莫大な量のポリマーまたは副産物の付随する生成と共にわずかな収率のイソマンニドを生成する強酸（例えば、硫酸、スルホン酸、ルイス酸）触媒を使用する。ホスホン酸を本発明によりイソマンニド合成に適用すると、ホスホン酸の触媒活性は脱水環化を行うのに十分強いが、重合およびその後の有意な量の重縮合物の生成を防ぐのに十分弱い。
【００４７】
さらに、ホスホン酸は、有意に上昇した収率のイソマンニドおよび全体生成物アカウンタビリティーを示す。スキーム２は、一般的なブレンステッド酸、Ｈ２ＳＯ４を用いたおよび本還元ブレンステッド酸Ｈ３ＰＯ３によるマンニトールのイソマンニドへの酸触媒脱水環化を概説している。
【００４８】
【化２】
2017512823.tif 000008
【００４９】
同様の操作条件下で、ホスホン酸触媒作用から得られたイソマンニドの収率％（約６０〜７０％）は、硫酸触媒作用に由来する収率（約２０〜２５％）より有意に高い（約２倍〜３倍）。
【００５０】
あるいは、スキーム３は、それぞれ１）０．１〜１ｍｏｌ％ｐ−ＴｓＯＨ、１７０℃、１〜２時間および２）５ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１７０℃、１〜２時間を用いたマンニトールの脱水環化の比較概略図を示している。ｐ−トルエンスルホン酸（ｐ−ＴｓＯＨ）触媒反応についてのイソマンニド収率は約２０〜２８％であり、生成物アカウンタビリティーは６０〜７２％で、暗褐色の濁った色を有する。Ｈ３ＰＯ３媒介反応についてのイソマンニド収率は約２３〜４１％で匹敵するが、生成物アカウンタビリティーは大きく、７３〜８２％であり、混合物は淡い赤みがかった色からオレンジ色の透明な外観を示す。
【００５１】
【化３】
2017512823.tif 000009
【００５２】
【表３】
2017512823.tif 000010
【００５３】
弱ブレンステッド酸であるホスホン酸は、強ブレンステッド酸であるｐ−トルエンスルホン酸と同等のイソマンニド収率をもたらす。さらに、ホスホン酸は、ｐ−トルエンスルホン酸よりも有意に大きな生成物アカウンタビリティーおよび生成物混合物中の色体の減少を示す。
【００５４】
Ｃ．−１，２，５，６−ヘキサンテトラオール（HTO）
別の態様では、本開示はまた、上記の方法と同様の様式でフラン脱水生成物を作製する方法を記載している。特に、本方法は、１，２，５，６−ヘキサンテトラオール（HTO）のｒａｃ−ＴＨＦ−ジオールへの脱水環化を伴う。
【００５５】
さらなる実施形態では、その内容が参照により本明細書に組み込まれる、国際特許出願番号：ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／３３５８０、「Synthesis of R-Glucosides, Sugar alcohol, Reduced Sugar Alcohols, and Furan Derivatives of Reduced Sugar Alcohol」に記載されているように１，２，５，６−ヘキサンテトラオール（HTO）のＴＨＦ−ジオールへの酸媒介環化にホスホン酸を使用することができる。ソルビトール水素化分解にも由来する、１，２，５，６−ＨＴＯは、閉環を通してＴＨＦ−ジオールを作製するための代替ポリオール出発材料である。
【００５６】
図１１は、１，２，５，６−ＨＴＯから調製したＴＨＦ−ジオールの３つの試料を比較する写真である。左から右に、硫酸、従来の触媒、ビスマストリフルオロメタンスルホネート（トリフレート）、ルイス酸、およびホスホン酸を用いて試料を調製する。ビスマストリフレートまたは硫酸に対して、ホスホン酸を用いて作製した試料で劇的な度合いの色軽減が観察される。ホスホン酸触媒試料は明澄、またはウォーターホワイトに近い（すなわち、清浄水のように透明で、ほぼまたは完全に無色）一方で、中央のルイス酸試料は半透明であるが、まだ極めて黄色がかっており、硫酸試料は不透明で、色が茶色−黒色である。
【００５７】
Ｄ．−１，４−アンヒドロキシリトール
別の実施形態では、ホスホン酸触媒が、ソルビトール／マンニトールのイソヘキシドへのホスホン酸触媒脱水と同様の結果で（すなわち、改善されたアカウンタビリティーおよび色体削減）、キシリトールから１，４−アンヒドロキシリトールを調製するための脱水反応にも同様に寄与することができる。キシリトールの脱水環化を誘導するために、反応を少なくとも１３０℃および少なくとも１００トルの真空下で行う。強ブレンステッドまたはルイス酸（例えば、硫酸、スルホン酸、ルイス酸）触媒を使用すると、高い変換およびすばらしい収率の１，４−アンヒドロキシリトールが生成するが、生成物の色で観察されるように、相当量のポリマーまたは副産物の同時発生的生成を伴う。ホスホン酸を使用してキシリトールを脱水環化する場合、酸強度は環化を誘導するのに十分であるが、重合および有意な量の副産物の生成をもたらすのには不十分である。さらに、ホスホン酸は、有意に上昇した収率および生成物アカウンタビリティーを示す。スキーム３は、一般的なブレンステッド酸であるＨ２ＳＯ４および還元ブレンステッド酸であるＨ３ＰＯ３を用いたマンニトールのイソマンニドへの酸触媒脱水環化を概説している。
【００５８】
図１２の写真で、２種の異なる触媒を用いて行ったキシリトール脱水の結果を比較する。各試料で、キシリトール約１００ｇをスキーム４に示される等式により反応させる。
【００５９】
【化４】
2017512823.tif 000011
【００６０】
第１の反応は、１ｍｏｌ％ｐ−ＴｓＯＨ、従来の触媒、１４０℃、７５トル、１時間を使用した。第２の反応は、５ｍｏｌ％Ｈ３ＰＯ３、１５０℃、７５トル、１時間を使用した。各反応でキシリトールを約９２ｍｏｌ％の収率の１，４−アンヒドロキシリトールのために完全に（１００％）変換する。ｐ−ＴｓＯＨ触媒を用いた反応は不透明で、暗着色の生成物試料（左）を生成するが；対照的に、Ｈ３ＰＯ３触媒を用いた反応は、透明で、淡い着色（ほぼウォーターホワイト）の生成物（右）を作製する。
【実施例】
【００６１】
ＩＩ．実施例
以下の実施例は、本発明によるいくつかの代表的な５または６炭素ポリオールからの環状脱水生成物の調製、ならびに生成物混合物の色軽減および組成アカウンタビリティー改善についての関連する有利な特性を示している。
【００６２】
実施例１：ホスホン酸または硫酸によって媒介されるソルビトールのイソソルビドへの脱水
【００６３】
【化５】
2017512823.tif 000012
【００６４】
一般的なソルビトール脱水手順：ＰＴＦＥコーティング磁気攪拌棒を備える５００ｍＬ、三つ口丸底フラスコに、ソルビトール２００ｇ（１．１０ｍｏｌ）および２〜２０ｍｏｌ％のホスホン酸を装入した。フラスコの口は以下のとおりはめ込んだ：左側に１００ｍＬガラスバルブレシーバーを付けた短路冷却器、中心に熱電対をねじ込んだスリーブ式サーモウェルアダプター、および右側にすりガラスの栓。混合物を５〜１０トルの間の真空下で１〜３時間、１３０〜１５０℃の間の温度に加熱した。完了したら、生成物マトリックスを冷却し、真空を破壊し、生成物および水の重量（バルブレシーバー）を測定した。誘導体化法（−ＯＨアセチル化）を使用するガスクロマトグラフィーによって分析を行った。
【００６５】
実施例２：ホスホン酸または硫酸によって媒介されるマンニトールのイソマンニドへの脱水
【００６６】
【化６】
2017512823.tif 000013
【００６７】
一般的なマンニトール脱水手順：ＰＴＦＥコーティング磁気攪拌棒を備える５００ｍＬ、三つ口丸底フラスコに、マンニトール２００ｇ（１．１０ｍｏｌ）および５〜１０ｍｏｌ％のホスホン酸を装入した。フラスコの口は以下のとおりはめ込んだ：左側に１００ｍＬガラスバルブレシーバーを付けた短路冷却器、中心に熱電対をねじ込んだスリーブ式サーモウェルアダプター、および右側にすりガラスの栓。混合物を５〜１０トルの間の真空下で２〜３時間、１５０℃に加熱した。完了したら、生成物マトリックスを冷却し、真空を破壊し、生成物および水の重量（バルブレシーバー）を測定した。試料誘導体化（−ＯＨアセチル化）法を使用するガスクロマトグラフィーによって分析を行った。
【００６８】
実施例３：ホスホン酸またはｐ−トルエンスルホン酸によって媒介されるキシリトールの１，４−アンヒドロキシリトールへの脱水
【００６９】
【化７】
2017512823.tif 000014
【００７０】
実験：ＰＴＦＥコーティング磁気攪拌棒を備える２５０ｍＬ、三つ口丸底フラスコに、ソルビトール１００ｇ（０．６５７ｍｏｌ）および５％のホスホン酸または１ｍｏｌ％のｐ−トルエンスルホン酸を装入した。フラスコの口は以下のとおりはめ込んだ：左側に１００ｍＬガラスバルブレシーバーを付けた短路冷却器、中心に熱電対をねじ込んだスリーブ式サーモウェルアダプター、および右側にすりガラスの栓。５〜１０トルの間の真空下で１時間、ホスホン酸混合物を１５０℃の温度に加熱し、ｐ−トルエンスルホン酸混合物を１４０℃に加熱した。完了したら、生成物マトリックスを冷却し、真空を破壊し、生成物および水の重量（バルブレシーバー）を測定した。誘導体化（−ＯＨアセチル化）法を使用するガスクロマトグラフィーによって分析を行ったところ、各生成物混合物で約９１ｍｏｌ％収率の１，４−アンヒドロキシリトールが明らかになった。
【００７１】
実施例４：１，２，５，６−ヘキサンテトラオール（HTO）のｒａｃ−ｂＨＭＴＨＦへの脱水
【００７２】
【化８】
2017512823.tif 000015
【００７３】
実験：ＰＴＦＥコーティング磁気攪拌棒を備える５００ｍＬ、三つ口丸底フラスコに、約４２重量％の１，２，５，６−ヘキサンテトラオール（HTO）およびホスホン酸３．４４ｇ（Ｈ３ＰＯ３、HTOに対して５ｍｏｌ％）で構成される中間相の灰白色油３００ｇを装入した。１つの口はすりガラス接合で、中心は熱電対をねじ込んだスリーブ式サーモウェルアダプターで、最後はドライアイス冷却２５０ｍＬ洋ナシ型レシーバーを付けた短路冷却器で蓋をした。激しく攪拌しながら、混合物を真空（２０トル）下で４時間１５０℃に加熱した。この時間の後、真空を破壊し、残りの淡い着色油を冷却し、秤量すると、３．０６ｇが得られた。ＧＣ分析によって、ＨＴＯの９５ｍｏｌ％が８８％ｍｏｌ収率でｂＨＭＴＨＦに変換したことが分かった。
【００７４】
本発明を、例として一般的にかつ詳細に記載してきた。当業者であれば、本発明が具体的に開示される実施形態に必ずしも限定されず、本発明の範囲内で使用され得る、現在知られているまたは開発される予定である他の同等な成分を含む、以下の特許請求の範囲またはその同等物によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、修正および変形を行うことができることを理解する。そのため、変更が本発明の範囲から逸脱しない限り、変更が本明細書に含まれると解釈すべきである。
【図１】
2017512823.tif 000016
【図２】
2017512823.tif 000017
【図３】
2017512823.tif 000018
【図４】
2017512823.tif 000019
【図５】
2017512823.tif 000020
【図６】
2017512823.tif 000021
【図７】
2017512823.tif 000022
【図８】
2017512823.tif 000023
【図９】
2017512823.tif 000024
【図１０】
2017512823.tif 000025
【図１１】
2017512823.tif 000026
【図１２】
2017512823.tif 000027
【図１３】
2017512823.tif 000028
【図１４】
2017512823.tif 000029
【図１５Ａ】
2017512823.tif 000030
【図１５Ｂ】
2017512823.tif 000031
【図１５Ｃ】
2017512823.tif 000032
【図１６Ａ】
2017512823.tif 000033
【図１６Ｂ】
2017512823.tif 000034
【国際調査報告】
2017512823.tif 000035