JP2004137347A6 - Method for producing phenol derivatives of lignin - Google Patents
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Abstract
【課題】リグノセルロース系材料からリグニンのフェノール誘導体を得るのに際して、導入するフェノール化合物の導入率や2種以上のフェノール化合物の導入比率を制御できる技術を提供する。
【解決手段】(a)第1のフェノール化合物で予め親和したリグノセルロース系材料に酸を添加して第1次リグニンフェノール誘導体を得る工程、及び(b)第(n+1)のフェノール化合物で予め親和した前記n次リグニンフェノール誘導体に酸を添加して第(n+1)次のリグニンフェノール誘導体を得る工程、を備え、nが1からN(Nは1以上の整数である)までの計N回の前記(b)工程を順次実施し、各(b)工程において第(n+1)次リグニンフェノール誘導体を得るようにする。
【選択図】図2An object of the present invention is to provide a technique capable of controlling the introduction ratio of a phenol compound to be introduced and the introduction ratio of two or more phenol compounds when a phenol derivative of lignin is obtained from a lignocellulosic material.
(A) a step of adding an acid to a lignocellulosic material previously affinityd with a first phenol compound to obtain a primary lignin phenol derivative; Adding an acid to the n-th lignin phenol derivative to obtain an (n + 1) -th lignin phenol derivative, wherein n is a total of N times from 1 to N (N is an integer of 1 or more). The step (b) is sequentially performed, and an (n + 1) -th lignin phenol derivative is obtained in each step (b).
[Selection diagram] FIG.
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、植物体の構成成分であるリグニンの構成ユニットにフェノール誘導体を導入して、リグニンのフェノール誘導体を形成する技術に関し、特に、2種類以上のフェノール誘導体の導入に際して導入量や導入比率等の制御を容易に実現してリグニンのフェノール誘導体の構造を精密に制御する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
植物体の主たる構成成分である細胞壁構成成分、すなわち、リグニンとセルロースやヘミセルロースなどとの複合系含有材料(以下、リグノセルロース系材料という。)を、これをフェノール誘導体と酸とを用いて分離・誘導体化する技術がある(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。
かかる技術においては、リグニンをリグニン−セルロースマトリックスから分離するために、相分離という手法を用いている。すなわち、予め、リグノセルロース系材料をフェノール化合物で溶媒和させておくかあるいは収着しておいた上で、リグノセルロース系材料を酸と接触させることにより、リグニンにフェノール化合物をグラフトさせると同時にリグニンをセルロースとのマトリックスから分離するというものである。
また、これらの方法において、分離効率を改善する技術もある(特許文献3)。
【0003】
【特許文献1】
特開平2−233701号公報
【特許文献2】
特開平9−278904号公報
【特許文献3】
特開2001−131201号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
現在、この方法で得られるリグニン誘導体の物性等は、由来するリグノセルロース系材料に大きく由来しており、フェノール化合物の導入効率を制御するには至っていない。また、2種以上のフェノール化合物を導入しようとする場合、用いるフェノール化合物の反応性の相違により必ずしも意図する比率でフェノール化合物を導入することができなかった。
しかしながら、リグニンを目的に応じて誘導体化していくためには、フェノール化合物の導入効率や導入比率を高度にコントロールすることが望まれる。
そこで、本発明では、リグノセルロース系材料からリグニンのフェノール誘導体を得るのに際して、導入するフェノール化合物の導入率や2種以上のフェノール化合物の導入比率を制御できる技術を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、リグノセルロース系材料をフェノール化合物で親和した後、酸を添加してリグニンをフェノール誘導体化するのにあたり、一旦フェノール誘導体化した後のリグノフェノール誘導体に対して、更にフェノール化合物で親和後、酸を添加することにより更なるフェノール化合物の導入が可能であることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明によれば、以下の手段が提供される。
【0006】
(1)リグニンのフェノール誘導体の生産方法であって、
以下の工程:
(a)第1のフェノール化合物で予め親和したリグノセルロース系材料に酸を添加して第1次リグニンフェノール誘導体を得る工程、及び
(b)第(n+1)のフェノール化合物で予め親和した前記n次リグニンフェノール誘導体に酸を添加して第(n+1)次のリグニンフェノール誘導体を得る工程、
を備え、nが1からN(Nは1以上の整数である)までの計N回の(b)工程を順次実施し、各(b)工程において第(n+1)次リグニンフェノール誘導体を得る方法。
(2)前記(b)工程において、Nは1以上3以下の整数である、(1)記載の方法。
(3)前記(b)工程において用いる前記第n次リグニンフェノール誘導体は前記(a)工程で同時に生成したリグノセルロース系材料由来の炭水化物の少なくとも一部を含む組成物として供給されている、(1)又は(2)に記載の方法。(4)前記(b)工程の少なくとも1工程で用いる酸は、前記(a)工程で用いる酸とは異なる種類の酸であるか、前記(a)工程で用いられる酸と異なる強度で用いられる(1)〜(3)のいずれかに記載の方法。
(5)前記(a)工程で用いる酸は、リグニン−セルロースマトリックスを膨潤させうる強度で添加されている、(1)〜(4)のいずれかに記載の方法。
(6)前記(a)工程で用いる酸は、リグニン−セルロースマトリックスを膨潤させない強度で添加されている、(1)〜(4)のいずれかに記載の方法。
(7)リグニンフェノール誘導体を得るいずれかの工程において、リグノセルロース系材料あるいはフェノール誘導体とフェノール化合物とを含む混合系に対して超音波を照射する、(1)〜(6)のいずれかに記載の方法。
(8)リグニンフェノール誘導体を得るいずれの工程において、リグノセルロース系材料あるいはリグノフェノール誘導体とフェノール化合物と酸とを含む混合系に対して超音波を照射する、(1)〜(6)のいずれかに記載の方法。
(9)前記(a)工程における酸を、少なくとも、前記リグノセルロース系材料におけるリグニン−セルロースマトリックスを膨潤させうる強度で添加し、前記第1のフェノール化合物と前記リグノセルロース系材料と酸とを含む混合系に超音波を照射する、(1)〜(4)のいずれかに記載の方法。
(10)前記(a)工程における酸を、少なくとも、前記リグノセルロース系材料におけるリグニン−セルロースマトリックスを膨潤させない強度で添加し、前記第1のフェノール誘導体と前記リグノセルロース系材料と酸とを含む混合系に超音波を照射する、(1)〜(4)のいずれかに記載の方法。
(11)第1のフェノール化合物と第2のフェノール化合物とは互いに異なる種類のフェノール化合物を含んでいる、(1)〜(10)のいずれかに記載の方法。
(12)(1)〜(11)のいずれかに記載の方法によって得られる、2種以上のフェノール化合物が導入されたリグニンのフェノール誘導体を含有する組成物。
(13)さらに、前記(a)工程で生成したリグノセルロース系材料由来の炭水化物の少なくとも一部を含有する、(12)記載の組成物。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明のリグニンのフェノール誘導体の生産方法は、少なくとも、
(a)第1のフェノール化合物で予め親和したリグノセルロース系材料に酸を添加して第1次リグニンフェノール誘導体を得る工程、及び、
(b1)第2のフェノール化合物で予め親和した前記第一次リグニンフェノール誘導体に酸を添加して第2次リグニンフェノール誘導体を得る工程、を備えることを特徴としている。そして、第3次以上のリグニンフェノール誘導体を得る工程を備えることを特徴としている。なお、以下の説明において、第1次リグニンフェノール誘導体に対して2次以上のフェノール化合物による1段あるいは2段以上の誘導体化工程からなる工程を(b)工程と総称するものとする。
【0008】
本発明の生産方法は、多段的あるいは逐次的に変換処理(フェノール化合物による誘導体化工程)を実施するに特徴がある。かかる方法によれば、各段の工程で用いるフェノール化合物の種類、酸強度あるいは外部からのエネルギーの付加などの多様な調整が可能となる。この結果、高い導入比率でフェノール化合物が導入されたリグニンフェノール誘導体や、異なるフェノール化合物の導入比率が制御されたリグニンフェノール誘導体を得ることができるようになる。
【0009】
また、本発明方法では、リグニンのフェノール誘導体を得るいずれかの工程において、酸の強度を調節することを特徴としている。
酸強度を調節することにより、酸との接触効率が変化してフェノール化合物の導入反応を変化させ、フェノール化合物の導入量を調節することができる。
さらに、本発明方法では、リグニンのフェノール誘導体を得るいずれかの工程において、フェノール化合物とリグノセルロース系材料とを含む混合系、及び/又はフェノール化合物とリグノセルロース系材料と酸とを含む混合系に対して超音波を照射することを特徴としている。
超音波を照射することにより、フェノール化合物の導入及びリグニンとセルロースとのマトリックスの脱複合が促進される。このため超音波照射条件、あるいは超音波照射条件と他の条件とを組み合わせることにより、より高いフェノール化合物の導入制御を行うことができる。
さらに、超音波の照射は他の側面においても有用である。すなわち、フェノール誘導体の導入にあたって使用する酸強度を低下させることができる。これにより、フェノール化合物の導入量や導入比率の制御が容易になる。
【0010】
なお、従来より、相分離処理においては、リグニンのアリールプロパンユニットのC1位にフェノール化合物が導入されてリグニンのフェノールプロパンユニットを有するリグニンフェノール誘導体が得られることが知られている。しかしながら、当該相分離処理においては、酸によるセルロース(炭水化物)の膨潤を達成しなければ、フェノール化合物の導入も困難であった。一方、セルロースの膨潤を達成できる程度の酸の存在下における相分離変換処理は、反応速度が非常に迅速であり、フェノール化合物の導入量をコントロールすることは非常に困難であった。すなわち、フェノール化合物の導入量を安定化する、あるいは導入量を制御するには、十分時間相分離変換処理を行い、当該処理によってフェノール化合物が導入されうるC1位にフェノール化合物を導入するしかなかった。結果として、多段階に、更なるフェノール化合物の導入を想定することが困難であった。また、追加のフェノール化合物の導入可能性についても予測困難であった。したがって、相分離処理後においても、更にC1位へのフェノール化合物の導入については予測しえない知見であった。本発明はかかる知見に基づいてなされたものである。
【0011】
さらに、このような状況下、複数のフェノール化合物の導入に際しては、それぞれの反応性と配合比とを選択することで導入量や比率を調整していたが、上述のように、迅速な反応速度下では、これらの調整による制御は非常に困難であった。本発明の別の側面によれば、酸の強度を調節すること、さらにこれに超音波照射などを組み合わせることにより、第1段の相分離変換処理において、フェノール化合物の導入量の制御を可能にした。特に、第1段の処理において従来困難であった、フェノール化合物の低導入量を達成することができる。さらに、このことにより、第2段以降の変換処理の多様性を高めると同時に、高精度なフェノール化合物の導入制御が可能となる。
【0012】
また、少なくとも、本発明における第1段のフェノール誘導体化工程において、及びそれに続くフェノール化合物の誘導体化工程において、リグノセルロース系材料由来の炭水化物とともにリグニンフェノール誘導体を分離する手法を採用すると、得られるリグニンフェノール誘導体は、少なくとも部分的に当該炭水化物と複合状態となっている。したがって、かかる複合体組成物においては、リグニンフェノール誘導体は活性なC1位、すなわち、フェノール化合物が導入されていないC1位を安定して保持することができる。したがって、当該複合体組成物によれば、当該活性なC1を利用した更なるフェノール誘導体化工程や他の誘導体化工程(架橋性基の導入処理、アルカリ処理、水酸基保護処理など)を容易に実施することができる材料組成物が提供される。なお、当該複合体組成物は、可塑性を有するため、当該可塑性に基いて成形素材等として各種用途に用いることができることが本発明者らにより既に見出されている(2001−342353号公報参照)。したがって、当該複合体組成物によれば、活性なC1位を保持し、長期にかつ多段階に活用可能な材料組成物(熱可塑性組成物)が提供される。
【0013】
なお、第1次リグニンフェノール誘導体(以下、第1次リグノフェノール誘導体ともいう。)とは、リグノセルロース系材料から得られ、リグニンのアリールプロパンユニットのC1位に第1のフェノール化合物がグラフトされた1,1−ビス(アリール)プロパンユニット(以下、第1のユニットともいう。)を有するリグニン誘導体を意味している。また、第2次リグノフェノール誘導体とは、前記第1のユニットに加え、リグニンのアリールプロパンユニットのC1位に第2のフェノール化合物がグラフトされた1,1−ビス(アリール)プロパンユニット(以下、第2のユニットともいう。)を有するリグニン誘導体を意味している。以下、第3次リグノフェノール誘導体以降の高次のリグノフェノール誘導体は、いずれも、第1のユニット、第2のユニットに加えて、更なるフェノール化合物がアリールプロパンユニットのC1位にグラフトされた1,1−ビス(アリール)プロパンユニットを備えたリグニン誘導体を意味している。
【0014】
以下に、リグノセルロース系材料から得られる一次リグノフェノール誘導体の有する全体的、一般的性質を挙げる。ただし、本発明における1次あるいは2次以上の高次リグノフェノール誘導体を、以下の性質を有するものに限定する趣旨ではない。
(1)重量平均分子量が約2000〜20000程度である。
(2)分子内に共役系をほとんど有さずその色調は極めて淡色である。典型的には淡いピンク系白色粉末である。
(3)針葉樹由来で約170℃、広葉樹由来で約130℃に固−液相転移点を有する。
(4)メタノール、エタノール、アセトン、ジオキサン、ピリジン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミドなどに容易に溶解する。
【0015】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
(リグノセルロース系材料)
本発明で用いる「リグノセルロース系材料」とは、植物細胞壁の構成成分であるリグニン−セルロース複合体を含有する材料であれば足り、特にその種類を問うものではない。例えば、木質化した材料、主として木材である各種材料、例えば、木粉、チップの他、廃材、端材、古紙などの木材資源に付随する農産廃棄物や工業廃棄物を挙げることができる。また用いる木材の種類としては、針葉樹、広葉樹など任意の種類のものを使用するこができる。さらに、ケナフ、稲、さとうきび、とうもろこしなどの各種草本植物の全体あるいは一部、それに関連するバガスなどの農産廃棄物や工業廃棄物なども使用できる。
【0016】
(1次あるいは高次リグノフェノール誘導体及びその製造プロセス)
リグノフェノール誘導体は、リグニンのアリールプロパンユニット(C9ユニット)のC1位に、フェノール誘導体がC−C結合で導入された1、1−ビス(アリール)プロパン単位を含む重合体を意味するものである。ポリフェノールの一種である。
このリグノフェノール誘導体は、また、リグニン含有材料から反応、分離して得られるリグニン由来のポリマーの混合物であり、また、得られるポリマーにおける導入フェノール誘導体の量や分子量は、原料となるリグニン含有材料(典型的にはリグノセルロース系材料である。)および反応条件により変動することが多いとされている。
【0017】
1次リグノフェノール誘導体は、通常、所定のフェノール誘導体により親和されたリグニン含有材料、好ましくはリグノセルロース系材料を酸に接触させることにより、得ることができる。なお、リグノフェノール誘導体に関するより一般的な記載及びその製造プロセスについては、既に、特開平2−23701号公報、特開平9−278904号公報及び国際公開WO99/14223号公報、2001−64494号公報、2001−261839号公報、2001−131201号公報、2001−342353号公報において記載されている(これらの特許文献に記載の内容は、全て引用により本明細書中に取り込まれるものとする)。
【0018】
本製造プロセスは、リグノセルロース系材料をフェノール誘導体相側に維持しながら、選択的に酸と接触させ、分解したセルロースを酸側に分配し、酸との接触を介してフェノール誘導体が導入されたリグニンをフェノール誘導体側に分配するというリグニンの構造変換と分離とを同時に達成するプロセスである。このような反応系を構築するのにあたり、特に、リグノセルロース系材料を予めフェノール誘導体で親和させておくことが好ましい。ここで、親和とは溶媒和、浸透、並びに吸収及び吸着(収着ともいう。)の意味で用いられている。すなわち、かかる反応系において、リグノセルロースの複合状態を緩和させ、同時に、天然リグニンのアリールプロパンユニットのC1位(ベンジル位)に選択的に前記フェノール誘導体をグラフティングさせて、リグノフェノール誘導体を生成させ、同時にセルロースとリグノフェノール誘導体とに分離できる方法である。
この方法によると、使用したフェノール誘導体のオルト位あるいはパラ位でリグニンのアリールプロパンユニットのC1位に当該フェノール誘導体がグラフトされた、1、1−ビス(アリール)プロパンユニットを有するリグノフェノール誘導体を得ることができる。なお、得られるリグノフェノール誘導体においては、通常、フェノールがグラフトされていないアリールプロパンユニットも残存している。
【0019】
上記反応に基くリグノセルロース系材料からリグノフェノール誘導体を得る方法、すなわち、第1次リグノフェノール誘導体を得る(a)工程としては、各種方法を例示することができる。また、第2次より高次のリグノフェノール誘導体を得る(b)工程は、以下に例示されるリグノセルロース系材料が、前段において得られたリグノフェノール誘導体あるいはそれを含有する組成物とする以外は共通の操作によって構成される。
なお、(b)工程は、特にその工程数を限定するものではない。通常は1〜3回程度、すなわち、2次リグノフェノール誘導体〜4次リグノフェノール誘導体程度の高次リグノフェノール誘導体であることが多い。なお、少なくとも2種類のフェノール化合物が導入された2次リグノフェノール誘導体であれば、かなりの範囲の多様性あるリグノフェノール誘導体を得ることができる。
【0020】
リグノフェノール誘導体を得るいずれの形態においても、フェノール化合物によりリグノセルロース系材料(あるいはリグノフェノール誘導体)を親和する工程と、フェノール化合物により予め親和されたリグノセルロース系材料(あるいはリグノフェノール誘導体)に酸を添加して得られる反応系においてリグニンにフェノール化合物を導入する工程とを備えている。
これらの方法は、親和工程が1段かあるいは2段かという点で区別することができ、また、得られたリグノフェノール誘導体の分離方法において区別することもできる。
なお、以下に典型的な4種類の方法を例示するが、(a)あるいは(b)工程をこれら4種類の方法に限定することを意図するものではない。
【0021】
第1の方法は、特開平2−233701号公報に記載されている方法である。この方法は、1段の親和工程を備えている。1段の親和工程は、木粉等のリグノセルロース系材料に液体状のフェノール誘導体を浸透させ、リグニンをフェノール誘導体により溶媒和させる工程である。なお、フェノール誘導体はベンゼンなどの不活性溶媒によって希釈して用いることもできる。
次に、導入工程について説明する。導入工程は、リグノセルロース系材料に濃酸(上記で説明したもの、例えば、72%硫酸)を添加し混合して、セルロース成分を加水分解するとともに、フェノール誘導体をリグニンに導入する工程である。
この工程では、リグニンを溶媒和したフェノール誘導体と、セルロース成分を溶解した濃酸とが2相分離系を形成する。フェノール誘導体により溶媒和されたリグニンは、フェノール誘導体相が濃酸相と接触する界面においてのみ、酸と接触され、反応が生じる。すなわち、酸との界面接触により生じたリグニン基本構成単位の高反応サイトである側鎖C1位(ベンジル位)のカチオンが、フェノール誘導体により攻撃される。その結果、前記C1位にフェノール誘導体がC−C結合で導入され、またベンジルアリールエーテル結合が開裂することにより低分子化される。これによりリグニンが低分子化され、同時にその基本構成単位のC1位にフェノール誘導体が導入されたリグノフェノール誘導体がフェノール誘導体相に生成される。このフェノール誘導体相から、リグノフェノール誘導体が抽出される。リグノフェノール誘導体は、リグニン中のベンジルアリールエーテル結合が開裂して低分子化されたリグニンの低分子化体の集合体として得られる。なお、ベンジル位へのフェノール誘導体の導入形態は、そのフェノール性水酸基を介して導入されているものもあることが知られている。
図1には、アリールプロパンユニットを有する天然リグニンに対して相分離処理を行うことにより、各種のリグノフェノール誘導体が得られることを示している。
【0022】
フェノール誘導体相からのリグノフェノール誘導体の抽出は、例えば、次の方法で行うことができる。すなわち、フェノール誘導体相を、大過剰のエチルエーテルに加えて得た沈殿物を集めて、アセトンに溶解する。アセトン不溶部を遠心分離などにより除去し、アセトン可溶部を濃縮する。このアセトン可溶部を、大過剰のエチルエーテルに滴下し、沈殿区分を集める。この沈殿区分から溶媒留去し、リグノフェノール誘導体を得る。なお、粗リグノフェノール誘導体は、前記アセトン可溶部を単に減圧蒸留により除去することによって得ることができる。
【0023】
第2および第3の方法は、2段階の親和工程を備えている。2段の親和工程は、リグノセルロース系材料に、固体状あるいは液体状のフェノール誘導体(例えば、p−クレゾール又は2、4−ジメチルフェノールなど)を溶解した溶媒(例えば、エタノールあるいはアセトンなど)を浸透させた後、溶媒を留去する工程である。
次に、このリグノセルロース系材料に濃酸を添加してセルロース成分を溶解する(上記導入工程に該当する。)。この結果、第1の方法と同様、フェノール誘導体により溶媒和されたリグニンは、濃酸と接触して生じたリグニンの高反応サイト(側鎖C1位)のカチオンがフェノール誘導体により攻撃されて、フェノール誘導体が導入される。また、ベンジルアリールエーテル結合が開裂してリグニンが低分子化される。得られるリグノフェノール誘導体の特性は、第1の方法で得られるものと同様である。そして、第1の方法と同様にして、フェノール誘導体が導入されたリグノフェノール誘導体を液体フェノール誘導体にて抽出する。液体フェノール誘導体相からのリグノフェノール誘導体の抽出は、第1の方法と同様にして行うことができる(これを第2の方法と称する)。あるいは、濃酸処理後の全反応液を過剰の水中に投入し、不溶区分を遠心分離にて集め、脱酸後、乾燥する。この乾燥物にアセトンあるいはアルコールを加えてリグノフェノール誘導体を抽出する。さらに、この可溶区分を第1の方法と同様に、過剰のエチルエーテル等に滴下して、リグノフェノール誘導体を不溶区分として得る(これを第3の方法と称する)。以上、リグノフェノール誘導体の調製方法の具体例を説明したが、これらに限定されるわけではなく、これらに適宜改良を加えた方法で調製することもできる。
【0024】
第4の方法は、特開2001−131201号公報に記載の方法であり、リグノセルロース系材料、フェノール誘導体、及び酸を含む混合物(本明細書においては反応系ともいう。)にベンゼン、キシレン、トルエン、ヘキサンまたはこれらの混合物から選択される不活性低沸点疎水性有機溶媒とを混合後、遠心分離して3層に分離し、リグノフェノール誘導体画分をバンド状に凝集した第2層として分取する方法である。上記反応系を得るまでの親和工程及び導入工程は、上記第1の方法〜第3の方法と同様に実施することができる。また、分取したリグノフェノール誘導体は、上記第1及び第2の方法に示すようにエーテル不溶画分に分配後、アセトン可溶画分に分取することもできるし、上記第3の方法のように、過剰の水に投入して水不溶画分として得ることができる。好ましくは、上記第3の方法のように、水不溶画分に分取した後、酸を洗浄除去し、最終的にアセトン等に溶解する画分にリグノフェノール誘導体を得る。
【0025】
本発明方法は、従来の(a)工程に加え、1工程以上の(b)工程を備えることを特徴とするが、(b)工程以降に供給される、フェノール化合物がグラフトされるべきリグノフェノール誘導体は、必ずしも、リグノフェノール誘導体として分離されたものに限定しない。既に例示した方法においても明らかであるように、最終的にリグノフェノール誘導体を分離する前段階の画分(組成物)であってもよい。例えば、上記第2〜4の方法において、酸反応後の反応系を大量の水に投入して得られるリグノフェノール誘導体の他リグノセルロース系材料由来の炭水化物を含む画分(組成物)として採取されるものであってもよい。また、かかる炭水化物が反応系に由来せずに別途添加された組成物であってもよい。以下の説明において、(b)工程において供給されるリグノフェノール誘導体というときは、リグノフェノール誘導体単体の他、リグノセルロース系材料由来の炭水化物を含む場合や他成分を含有する組成物を意味して用いられる。
【0026】
本発明方法においては、リグニンのアリールプロパンユニットのC1位にグラフトさせるのに用いるフェノール化合物を(a)工程と(b)工程とそれぞれ変更することができる。これにより、2種以上のフェノール化合物がグラフトされた異なるユニットを備えるリグニン誘導体を容易に得ることができる。異なるフェノール化合物を異なる工程にて用いることにより、これらのフェノール化合物の導入率をそれぞれ制御できるようになる。なお、フェノール化合物は、これらの工程中、一部の工程あるいは全部の工程で一部一致あるいは全部一致していてもよい。
【0027】
なお、異なるフェノール化合物を2段で逐次的に導入する場合の概念図を図2に示す。この図においては、第1のフェノール化合物としてp−クレゾールを、第2のフェノール化合物としてp−エチルフェノールが用いられている。
図2の上段の例では、第1のフェノール化合物を低い導入率で導入し、第1のフェノール化合物と異なる第2のフェノール化合物を相対的に高い導入率で導入する工程を示している。
図2の中段の例では、第1のフェノール化合物を半分程度の導入率で導入し、第2のフェノール化合物を同程度の導入率で導入する工程を示している。
図2の下段の例では、第1のフェノール化合物を高い導入率で導入し、第2のフェノール化合物を低い導入率で導入する工程を示している。
【0028】
また、図3には、(a)工程を上記第3の方法で実施し、計1回(b)工程を上記第1方法ないし第4の方法にて実施する本発明方法の一形態の工程フローを示している。このフローでは、1次リグノフェノール誘導体は、リグノセルロース系材料由来の炭水化物を含む組成物として(b)工程に供給されている。
【0029】
また、本発明方法においては、(a)工程と(b)工程とでそれぞれ用いる酸の種類や強度を変更することができる。これにより、炭水化物の分解や分離程度、フェノール化合物の導入率も制御することができる。特に、工程間で異なるフェノール化合物を用いた場合、異なるフェノール化合物の導入率を容易に制御することができる。
以下、フェノール化合物と酸とについて説明する。
【0030】
(フェノール化合物)
本発明方法における(a)工程他、高次のリグノフェノール誘導体を得るために使用するリグノフェノール化合物としては、1価のフェノール化合物、2価のフェノール化合物、または3価のフェノール化合物などを用いることができる。1価のフェノール化合物の具体例としては、1以上の置換基を有していてもよいフェノール、1以上の置換基を有していてもよいナフトール、1以上の置換基を有していてもよいアントロール、1以上の置換基を有していてもよいアントロキノンオールなどが挙げられる。
2価のフェノール化合物の具体例としては、1以上の置換基を有していてもよいカテコール、1以上の置換基を有していてもよいレゾルシノール、1以上の置換基を有していてもよいヒドロキノンなどが挙げられる。
3価のフェノール化合物の具体例としては、1以上の置換基を有していてもよいピロガロールなどが挙げられる。
本発明においては1価のフェノール化合物、2価のフェノール化合物及び3価のフェノール化合物のうち、1種あるいは2種以上を用いることができるが、好ましくは1価のフェノールを用いる。
各工程におけるフェノール化合物は1種あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。
【0031】
前記1価から3価のフェノール化合物が有していてもよい置換基の種類は特に限定されず、任意の置換基を有していてもよいが、好ましくは、電子吸引性の基(ハロゲン原子など)以外の基であり、例えば、炭素数が1〜4、好ましくは炭素数が1〜3の低級アルキル基含有置換基である。導入率を考慮すれば、メチル基、あるいはエチル基などのバルキーでない置換基であることが好ましい。低級アルキル基含有置換基としては、例えば、低級アルキル基(メチル基、エチル基、プロピル基など)、低級アルコキシ基(メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基など)である。また、アリール基(フェニル基など)の芳香族系の置換基を有していてもよい。また、水酸基含有置換基であってもよい。
【0032】
これらのフェノール化合物は、そのフェノール性水酸基に対してオルト位あるいはパラ位の炭素原子がリグニンのアリールプロパンユニットのC1位の炭素に結合することにより、アリールプロパンユニットに導入されることになる。したがって、導入サイトを確保するには、オルト位及びパラ位のうち、少なくともひとつの位置に置換基を有していないことが好ましい。
【0033】
以上のことから、本発明では、無置換フェノール化合物の他、少なくとも一つの無置換のオルト位あるいはパラ位を有する各種置換形態のフェノール化合物の1種あるいは2種以上を適宜選択して用いることができる。
【0034】
なお、フェノール化合物の導入頻度は、導入しようとするフェノール化合物の置換基の有無、位置、大きさ等によって変動する。したがって、フェノール化合物を選択することにより導入頻度を調節することができる。特に、置換基の大きさによる立体障害によって導入頻度を容易に調節することができる。置換基を利用して導入位置などを制御しようとする場合、置換基として低級アルキル基を利用すると、炭素数や分枝形態によって容易に導入頻度を調節できる。置換基をメチル基とすると、導入頻度を高く維持して導入位置を制御できる。
【0035】
本発明においては、2段階以上の工程でフェノール化合物を導入するため、(a)工程や(b)工程で用いるフェノール化合物の種類や組み合わせを変えることで、置換基等によるフェノール化合物の導入位置や導入率制御を精度よく実現することが可能となる。また、後述するように、反応条件のコントロール、すなわち、酸の強度、攪拌強度、あるいは超音波の照射条件のコントロールによって、工程毎にフェノール化合物の導入量や比率を制御することができるようになる。したがって、導入反応性の相違のあるフェノール化合物についてもその導入比率を一層容易に制御することができる。この結果、例えば、架橋反応性や架橋時の構造制御を高い精度で実現できるようになる。
なお、2段階以上の工程で同じフェノール化合物を導入する場合であっても、高い導入率を容易に得ることができる点において有効である。
【0036】
なお、用いられるフェノール化合物の具体例としては、p−クレゾール、p−エチルフェノール、2、6−ジメチルフェノール、2、4−ジメチルフェノール、2−メトキシフェノール(Guaiacol)、2、6−ジメトキシフェノール、カテコール、レゾルシノール、ホモカテコール、ピロガロール及びフロログルシノールなどが挙げられる。
【0037】
(酸)
(a)工程及び(b)工程において用いる酸としては、特に限定しない。例えば、硫酸、塩酸、リン酸、p−トルエンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、トリクロロ酢酸、ギ酸などを挙げることができる。好ましくは、本来的にあるいは濃度によりリグニン−セルロースマトリックスを膨潤させうる強度の酸であることが好ましい。なお、ここで酸で膨潤させる対象は主としてセルロースである。かかる強度の酸としては、例えば、65wt%以上の硫酸、85wt%以上のリン酸、35wt%以上の塩酸、p−トルエンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、トリクロロ酢酸、及びギ酸などを挙げることができる。好ましい酸として、72wt%の硫酸、95wt%のリン酸、45wt%のトリフルオロ酢酸及びギ酸を挙げることができる。
セルロース、ヘミセルロース由来の水溶性多糖、オリゴ糖、及び単糖を効率的に回収するには、硫酸を用いることが好ましく、セルロースに対する作用を抑制し、その高次構造をある程度保持した形で回収するには、リン酸など酸強度の低い酸を用いることが好ましい。
【0038】
本発明においては、特に、(a)工程及び(b)工程の各工程において、酸の種類や酸の強度を替えることができる。酸に関連する条件を調整することによって、炭水化物の分解や分離程度、ひいてはフェノール化合物の導入率を調節することができる。例えば、弱い強度の酸を用いる場合には、フェノール化合物の導入率は低下し、強い強度で酸を用いる場合には、フェノール化合物の導入率を向上させることができる。また、(a)工程、すなわち、リグノセルロース系材料から第1次リグノフェノール誘導体を生成分離する工程においては、強い強度で酸を用いることにより、セルロースの分解分離を促進し、フェノール化合物のグラフトを促進するため、第1のフェノール化合物が高い導入率でグラフトされた第1次リグノフェノール誘導体を得ることができる。また、リグノセルロース系材料由来の炭水化物がリグノフェノール誘導体画分に含まれうる上記第3の方法などによる場合には、当該炭水化物含有量が顕著に低下される。なお、ここで、強い強度とは、リグニン−セルロースマトリックスが膨潤させうる強度で添加されていることが好ましく、既に例示した各酸を好ましく用いることができる。なお、強い酸強度を採用するとともに、リグノセルロース系材料と第1のフェノール化合物と酸とを含む混合系(反応系)に後述する超音波照射を実施することにより、一層フェノール化合物の導入率を向上させることができる。
【0039】
一方、(a)工程、すなわち、リグノセルロース系材料から第1次リグノフェノール誘導体を生成分離する工程においては、弱い強度で酸を用いることにより、セルロースの分解分離を遅延させ、フェノール化合物のグラフトを遅延させるため、第1のフェノール化合物が低い導入率でグラフトされた第1次リグノフェノール誘導体を得ることができる。また、リグノセルロース系材料由来の炭水化物がリグノフェノール誘導体画分に含まれうる上記第3の方法などによる場合には、当該炭水化物含有量が顕著に増加される。なお、ここで、弱い酸強度とは、リグニン−セルロースマトリックスが膨潤させない強度で添加されていることが好ましい。ここで、リグニン−セルロースマトリクスを膨潤させない程度の酸としては、上記したリグニン−セルロースマトリクスを膨潤させうる酸の強度よりも弱い程度とすることができる。具体的には、65t%未満の硫酸、85wt%未満のリン酸、35wt%未満の塩酸、p−トルエンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、トリクロロ酢酸、及びギ酸などを挙げることができる。好ましい酸として、60wt%以下の硫酸、80wt%以下のリン酸、30wt%以下の塩酸、トリフルオロ酢酸及びギ酸を挙げることができる。なお、酸との反応工程に先立つ親和時における混合系においては、さらに弱い酸強度であってもよい。なお、弱い酸強度を採用するとともに、リグノセルロース系材料と第1のフェノール化合物と酸とを含む混合系(反応系)に対して後述する超音波照射を実施することにより、フェノール化合物の導入率を向上させることができる。当該組み合わせによれば、低い酸強度を採用しているため、超音波照射の強度によって容易にフェノール化合物の導入率を調整することができる。
【0040】
なお、上記例示においては、(a)工程において酸の強度や超音波を利用する場合について説明したが、(b)工程においても酸強度や超音波照射を利用して、第2以降のフェノール化合物の導入率や炭水化物の分離を制御することができる。
【0041】
(超音波の照射)
本発明の(a)工程及び(b)工程においては、リグノセルロース系材料あるいは前段で得られたリグノフェノール誘導体とフェノール化合物との混合系(親和時における混合系である。)、あるいはこれら2成分に加えて酸との混合系(酸との反応時における混合系である。)に対して超音波照射を実施することにより、親和及び反応を促進させることができる。したがって、これらの混合系に対する超音波照射の有無により、フェノール化合物の導入率他、炭水化物の分離分解程度を調節することができる。
【0042】
(フェノール化合物との親和時における超音波の照射)
本発明方法においては、フェノール化合物によるリグノセルロース系材料の親和時に、リグノセルロース系材料及び/又はフェノール誘導体に超音波を照射することにより、酸との反応を促進させることができる。好ましくは、リグノセルロース系材料とフェノール誘導体とが同時に存在する状態(混合系)において両者に超音波を照射するようにする。かかる超音波照射により、リグノセルロース系材料へのフェノール化合物を効率的にかつ十分に浸透させて、両者が十分に親和した状態を容易にかつ速やかに得ることができる。この結果、その後のリグニンへのフェノール化合物の導入工程において、効率的にリグニンにフェノール化合物を導入できるようになる。したがって、親和時における超音波照射の有無や強度によってフェノール化合物の導入率や比率を制御可能である。
【0043】
かかる親和時における超音波照射は、上記した第1の方法及び第2の方法において例示した親和時のいずれにも適用することができる。上記第1の方法にあっては、リグノセルロース系材料に液体のフェノール誘導体を浸透させた状態、あるいはリグノセルロース系材料あるいはリグノフェノール誘導体をフェノール誘導体に浸漬した状態で、超音波を照射することができる。また、上記第2の方法にあっては、リグノセルロース系材料にフェノール誘導体を溶解させた有機溶媒(例えば、アセトン、エタノール、ベンゼン、ヘキサン、トルエン、キシレン、またはこれらの混合液)を浸漬あるいは浸透させた状態であって好ましくは有機溶媒の留去前の状態で超音波を照射することができる。なお、超音波を照射しながら有機溶媒を留去することもできる。
【0044】
なお、親和時の混合系に対して照射する超音波の電圧や周波数は特に限定しないで、フェノール化合物とリグノセルロース系材料あるいはリグノフェノール誘導体との親和性を向上できる程度以上の条件で照射すればよい。通常用いられ得る超音波発生器の電圧及び周波数(電力約100W〜約1500W、周波数約20kHz〜約40kHz)であれば、数十秒〜数十分程度の照射で上記効果を得ることができる。
超音波の照射形態は特に限定しないが、液体であるフェノール誘導体中に発振子を侵入させた状態でもよいし、また、液体であるフェノール誘導体が入った容器を浸漬した水槽等に発振子を配置して照射してもよい。
また、超音波照射に伴って、別途機械的攪拌を付随させてもよい。なお、超音波照射は必ずしも連続的である必要はなく、断続的であってもよい。また、親和時の全時間にわたって使用することを要するものでもなく、親和時の一部において使用するのみであってもよい。
【0045】
(酸との反応時における超音波照射)
また、既に述べたように、本発明にあっては、予め親和されたリグノセルロース系材料に酸を添加して得られる反応系に対して超音波を照射することもできる。当該反応系に対して超音波を照射する場合、好ましくはほぼその全域に超音波を照射する。あるいは、他の攪拌混合手段、具体的には攪拌子や攪拌羽根による機械的攪拌手段や噴流等による攪拌手段を付随させることも好ましい。
【0046】
リグニンへのフェノール化合物の導入工程において、超音波を照射することにより、リグノセルロース系材料におけるリグニン−セルロースマトリックスの脱複合を促進できる。脱複合の促進は、また、リグニンと酸との接触確率を向上させ、早期にフェノール誘導体の高い導入率が得られるという側面がある。例えば、例えば、機械的攪拌を用いる以外は同条件下において得られる導入率を、適度な超音波の照射を伴う導入工程を実施することにより、約4分の1〜半分程度の時間で達成することができる。また、超音波の照射により、フェノール化合物の導入率とリグノフェノール誘導体の生成量はいずれも増大させることができる。なお、親和混合系に対して超音波照射を行っている場合には、リグノセルロース系材料あるいはリグノフェノール誘導体とフェノール化合物とがよく親和しているので、より一層導入が速やかであり、また、導入後も安定的にフェノール化合物相へ分配され、セルロースとの分離を容易化することができる。
したがって、反応系に対する超音波照射の有無、強度の調節により、フェノール化合物の導入率や比率を調節することができるようになる。
【0047】
リグニンへのフェノール化合物の導入工程において、超音波を照射することにより、リグノセルロース系材料あるいはリグノフェノール誘導体と酸との接触確率が向上し、効率的に導入工程を実施できる。また、例えば、機械的攪拌を用いる以外は同条件下において得られる導入率を、適度な超音波の照射を伴う導入工程を実施することにより、約4分の1〜半分程度の時間で達成することができる。また、超音波の照射により、フェノール化合物の導入率とリグノフェノール誘導体の生成量はいずれも増大させることができる。
なお、親和混合系に対して超音波照射を行っている場合には、リグノセルロース系材料とフェノール誘導体とがよく親和しているので、より一層導入が速やかであり、また、導入後も安定的にフェノール誘導体相への分配され、セルロースとの分離を容易化することができる。
【0048】
反応系に対する超音波照射の電圧や周波数は、親和工程と同様、特に限定しない。フェノール誘導体とリグノセルロース系材料との接触確率は、通常用いられ得る超音波発生器の電圧及び周波数(電力約100W〜約1500W、周波数約20kHz〜約40kHz)であれば、数十秒〜数十分程度の照射で十分向上させることができる。
超音波の照射形態は特に限定しないが、液体であるフェノール誘導体中に発振子を侵入させた状態でもよいし、また、液体であるフェノール誘導体が入った容器外部に発振子を配置して照射してもよい。また、親和工程と同様、超音波照射に伴って、別途機械的攪拌を付随させることもできるし、照射は、連続的でも断続的であってもよい。また、導入工程の全時間にわたって使用することを要するものでもなく、導入工程の一部において使用するのみであってもよい。
【0049】
(リグノフェノール誘導体組成物)
(b)工程において得られる酸性の反応混合物を水に投入して得られる水不溶画分(水不溶画分組成物)は、2次以上の高次のリグノフェノール誘導体の他、リグノセルロース系材料由来の水不溶性のセルロース等の炭水化物を含有しており、リグノフェノール誘導体含有組成物であるといえる。当該組成物においては、リグノフェノール誘導体の少なくとも一部分はリグノセルロース系材料由来の炭水化物(セルロース)と複合体を構成している。また、当該組成物は熱可塑性を有している。
既に説明したように、超音波処理と酸強度の組み合わせにより、水不溶画分におけるリグノフェノール誘導体とセルロースなどの炭水化物の含有比率を調節することができる。また、同時に、フェノール化合物の導入率や導入比率も調節することができる。
したがって、所望のフェノール化合物が高度に制御された導入率あるいは比率で導入されたリグノフェノール誘導体を含有し、必要に応じて炭水化物の含有比率が調整されたリグノフェノール誘導体含有組成物を得ることができる。
なお、当該組成物においては、残存する活性なC1位が安定的に保持されているため、次なるフェノール化合物の誘導体化工程あるいは他の誘導体化工程に供する材料組成物として好ましいものなっている。また、当該組成物に形状を付与した成形体等も次なる変換に適した状態でリグノフェノール誘導体を保持することができる点において好ましいリグノセルロース系複合体が提供される。
【0050】
このようにして得られた2次以上の高次リグノフェノール誘導体に対しては、アシル化保護処理等による水酸基保護処理、ヒドロキシメチル基等の架橋性基の導入、クマランユニットの生成を伴うアルカリ処理など各種の他の誘導体化工程を施すことができる。
【0051】
【実施例】
以下、本発明を具体例について説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
1次リグノフェノール誘導体の調製
(1)親和工程−フェノール誘導体の収着
針葉樹のベイマツ(Pseudotsuga menziessi以下、Douglas firと称する。)を、Retsh社製の超遠心粉砕機ZM100にかけて微粉化し、その後、IIDA製作所製の80メッシュのふるいかけて、80メッシュパスの木粉を得た。
この木粉を、エタノール:ベンゼン=1:2(V/V)溶液にてソックスレー抽出器を用いて、48時間抽出した。抽出後、木粉をステンレスバットに広げ、ドラフト内で溶媒を完全に留去した。さらに、送風乾燥機にて105℃で24時間乾燥させ、絶乾木粉を得た。
【0052】
絶乾木粉3g相当の木粉を、100ml容セパラブルフラスコに入れ、フェノール化合物であるp−クレゾールのアセトン溶液約30ml(リグニンC9単位あたり3mol倍相当のフェノール化合物を含む)を加えた。次に、木粉内部に存在する気泡を除去するため攪拌用の羽で少し攪拌し、アルミホイルおよびパラフィルムでビーカーに蓋をして約24時間静置した。静置後、ドラフト内で激しく攪拌してアセトンを完全に留去した。アセトン留去した試料を、フェノール化合物収着木粉とした。
【0053】
(2)フェノール化合物の導入工程−硫酸処理
(1)で親和処理したフェノール化合物収着木粉に、あらかじめ30℃に調整しておいた60wt%、65wt%、72wt%濃度の各硫酸水溶液60mlを加え攪拌機より、500rpmで所定時間攪拌しつつ、超音波発生器(BRANSON SONIFIER450D、20kHz、出力180W)により超音波を照射して、5分、10分、20分の3種類の処理時間で導入工程を行った。工程終了後、それぞれの内容物を11容三角フラスコ中の大過剰の水(約600ml、強制攪拌下)に投入し、硫酸濃度を10%以下に低下させ、約1時間攪拌した。なお、超音波を照射しない以外は、上記と同様に操作を行い、それぞれのコントロールとした。
【0054】
(3)脱酸処理
三角フラスコ内容物を脱イオン水にて遠沈管(ポリプロピレン製)に移し、遠心分離〔8800rpm(10560G)、20min、5℃〕により水可溶区分(浮遊物を含む)と水不溶区分とに分離した。分離後、遠沈管中の可溶区分(浮遊物を含む)を駒込ピペットで51容三角フラスコに取り出し、水不溶区分はさらに脱イオン水を加え、攪拌および遠心分離を行い、未反応のフェノール誘導体および酸を可溶区分として除去した。なお、5l容三角フラスコに取った可溶区分は約1日静置した後、沈殿を乱さないように上澄みを吸引濾過鐘でビーカーに取り、あらかじめ恒量を求めておいたガラス繊維濾紙にてろ過し後、濾紙に残留した浮遊物の恒量を測定した。
【0055】
(4)水不溶区分の乾燥
脱酸処理後の不溶区分は少量の脱イオン水を使用してあらかじめ恒量を測定しておいたプラスチック容器に移し、凍結乾燥し、その後、五酸化二リン上で減圧乾燥し、恒量を求め当初の木粉に対する収率を測定した。
【0056】
(5)導入工程における超音波照射における反応系の観察
[60wt%硫酸水溶液を用いた超音波処理]
60wt%硫酸を用いた反応系において、コントロール試料では、硫酸水溶液を加えた直後に、黄緑色に変化し、約5〜6分程度で少し暗い緑色に変化した。木粉粒子に関しては、硫酸処理後も、木粉粒子状のものが確認された。超音波処理試料においても、反応後に同様の粒子が確認できた。また、硫酸水溶液を添加時に、試料における粘性の上昇は超音波照射の有無に関係なく、確認できなかった。これらの結果は、60%硫酸水溶液が植物細胞壁の十分な膨潤を引き起こすことができないことを意味している。水分散後、処理試料の色は、コントロール試料および超音波処理試料のそれぞれにおいて、処理時間が5分、10分、20分と変化するにつれて赤色化する傾向が得られた。また、超音波処理試料の方がコントロール試料よりも暗色化していた。この試料の赤色化は、木材中の発色成分であるリグニン分子の変換程度に由来している。
【0057】
[65wt%硫酸水溶液を用いた超音波処理]
65wt%硫酸水溶液を用いた処理において、コントロール試料では、硫酸水溶液を加えた直後に緑色へ変化し、その後、約3〜4分でより暗い緑色へと変化した。超音波処理試料では、木粉粒子は約5〜6分で確認できなくなったが、コントロール試料では、木粉粒子が処理時間10分〜13分で確認できなくなった。水分散後、各処理試料の色は、処理時間が5分、10分、20分と増加するにつれて赤色化した。60wt%硫酸処理の場合と同様に、超音波処理試料の方が、コントロール試料よりも暗色化していた。また、コントロール試料では、不溶区分の回収時に白色の沈殿区分が確認された。この白色区分は超音波処理5分、10分試料においても同様に確認されたが、20分の超音波処理においては確認されなかった。この白色区分は、植物細胞壁中の加水分解不十分の炭水化物区分が凝集したものと考えられ、超音波20分処理試料ではこの炭水化物の白色区分が確認されなかったことから、超音波エネルギーにより、炭水化物の加水分解が促進されることが示された。相分離処理試料の赤色化については、60wt%硫酸処理と同様に、木材中の発色成分であるリグニン分子の変換程度に由来している。
【0058】
[72wt%硫酸水溶液を用いた超音波処理]
72wt%硫酸水溶液を用いた処理では、60%硫酸水溶液や65%硫酸水溶液を加えた場合とは異なり、硫酸水溶液を加えた直後にかなり暗い緑色へと変化した。その後、約4〜5分で少し暗色化した。超音波処理試料では、木粉の粒子は約5〜6分で確認できなくなり、コントロール試料では9〜11分で確認できなくなった。水分散後、相分離処理試料の色は緑色をしていた。超音波処理試料の色は、処理時間が5分、10分、20分と増加してもほとんど変化がなかったが、コントロール試料では、処理時間が5分、10分、20分と増加するにつれて緑色化した。また、コントロール試料において、処理時間が5分、10分のものにおいては、65wt%硫酸処理時に確認された白色区分が確認されが、処理時間が20分のものではその白色区分は確認されなかった。超音波処理試料においては、65wt%硫酸処理時に観察された白色区分は確認されなかった。このことから、72wt%硫酸水溶液は炭水化物を十分に加水分解する能力がを持つこと、さらに、超音波エネルギーにより炭水化物の加水分解速度が加速されたこととが示された。
【0059】
なお、あくまで推論であって、本発明を拘束するものではないが、以上のリグニンの酸を添加してからの色の変化は、反応初期の緑色がリグニンの未端に存在するコニフェリルアルデヒドに、1分子のp−クレゾールが導入された際に、分子内の共役系が伸びることにより生じると考えられる。さらに、時間とともに濃緑色へと色が変化するのは、p−クレゾールの導入が十分に生じ、様々な種類の共役系が発生することによって、光の吸収波長を拡大することが可能となることに起因すると考えられる。また、超音波処理試料の明度の減少は、白色成分である炭水化物の加水分解が進行し、重合度の低いオリゴマーレベルの糖になることによつて、溶媒中へ溶解したことに起因すると考えられる。合成された相分離試料の色の違いは、酸化の程度および変換されたリグニン分子の分散程度の違いによって生じたと考えられる。
【0060】
(6)水不溶区分(リグノフェノール誘導体含有組成物)の収率
図4に、絶乾木紛あたりのリグノフェノール誘導体含有組成物の収率のグラフを示す。
60wt%硫酸水溶液を用いた場合、超音波処理試料の方が、コントロール試料に比べやや低い収率を示した。60%硫酸処理での収率低下は、酸に対する抵抗性の低い木材中のヘミセルロース区分およびセルロースの非晶性区分が、酸による加水分解作用を受け、水相へ流出した結果生じたと考えられる。
【0061】
65wt%硫酸水溶液を用いた場合、コントロール試料では、60wt%硫酸処理時とほとんど変わらない収率減少傾向(すなわち、緩やかな減少傾向)がえられた。一方、超音波処理試料においては、大幅な収率減少傾向を示した。コントロール試料については、65wt%硫酸水溶液がセルロースの結晶領域を膨潤させることができ、セルロース区分の加水分解も不十分ではあるが進むため、60wt%硫酸を用いた場合よリセルロース区分の流出が進行することがその原因と考えられる。超音波処理試料における大幅な収率低下は、65wt%硫酸による細胞壁の膨潤と加水分解とを超音波エネルギーが促進し、炭水化物区分と酸との接触性が上昇したため、炭水化物区分の加水分解が促進されたことに起因すると考えられる。
【0062】
72wt%硫酸水溶液を用いた場合では、コントロール試料において、超音波照射65wt%硫酸処理試料とほぼ同等の収率減少傾向を示した。このことは、72%硫酸水溶液に細胞壁の膨潤を引き起こし、さらに十分に炭水化物区分を加水分解する能力があることを示している。一方、超音波処理試料の場合、5分、10分、20分と処理時間を増加させてもその収率に大きな変化がみられなかったことから、超音波エネルギーにより植物細胞壁中の炭水化物の加水分解速度が加速され、約5分の処理で反応が平衡に達したと推測される。
【0063】
(実施例2)
1次リグノフェノール誘導体組成物中のリグニン含有量測定
十分乾燥させた実施例1の各組成物約200mgを10ml容サンプル管に精秤し、72%硫酸水溶液を3mlを少量ずつガラス棒で練りこみながら加え、20℃の水浴中で反応が均1に進行するように十分に攪拌しながら4時間反応させた。反応後、予め115mlに印をした200ml容三角フラスコに定量的に移し、脱イオン水を加えて、硫酸濃度を3%まで希釈した。希釈した処理物は、ガスバーナーで加熱し、硫酸濃度を3%に保つために、脱イオン水を適宜加えながら2時間煮沸した。処理後、恒量既値のlG4ガラスフィルターを用いて内容物を濾過し、不溶解物を熱水で洗浄後、105℃で乾燥させ、恒量を測定し、相分離処理試料中の酸不溶性リグニン量を求めた。濾液は、JASCOV‐520にて205nmでの紫外線吸収を測定し、次式より酸可溶性リグニン量を求め、酸不溶性リグニン量との総和として全リグニン量を算出した。
B=A/(110×D)
リグニン(%)=B×V×100/(1000×W)
A:吸光度
D:希釈率
V:全濾液量(ml)
W:試料重量(g)
【0064】
図5に1次リグノフェノール誘導体含有組成物中のリグニン含有量のグラフを示す。
硫酸水溶液を添加した直後に全ての試料で黒色化が観察された。60wt%硫酸を用いた試料では、超音波照射の有無に関係なく反応初期にかねりの粘性があったが、65wt%及び72wt%硫酸処理試料では、いずれも酸添加時においてもはや粘性の発現は認められなかった。このことは、60wt%硫酸処理時には、細胞壁の膨潤が十分に生じていないため後段で72wt%硫酸添加時にはじめて粘性が生じ、65wt%硫酸及び72wt%硫酸処理時には、細胞壁の膨潤が既に生じていたため、後段で72wt%硫酸を添加しても粘性上昇が生じなかったと考えられる。
【0065】
硫酸濃度を3wt%に希釈した段階では、超音波処理試料の方がコントロール試料に比べて黒色化していたが、煮沸に伴い赤色化した。これは、リグニンの変換により2次的な変性が抑制されたためであると考えられる。
全体として、導入工程における処理時間が延長されるほど、リグニン含有量が高くなる傾向が得られた。これは、反応時間が長くなるほど、炭水化物がより多く加水分解され、低分子化された炭水化物区分が水相へ流出することに対応する。また、酸可溶性リグニンが通常よりも高い値を示していた。このことは、超音波処理によってリグニン母体中の活性側鎖であるC1位にフェノール誘導体が導入され、二次変性が抑制されたために自己縮合できなかった低分子区分がろ液中に流出したことに起因すると考えられる。
【0066】
(実施例3)
1次リグノフェノール誘導体への追加のフェノール化合物の導入(2次フェノール誘導体の調製)
本実施例では、1次処理時に用いたフェノール誘導体と異なる別のフェノール誘導体を用いた相分離処理により、リグニン母体中に2種類のフェノール誘導体を導入する。以下、この1次変換処理および2次変換処理によりリグニン母体に導入されたフェノール誘導体の導入頻度を比較する。
【0067】
1次処理組成物を規定量(総体量が少ない72wt%硫酸処理組成物は400mg、超音波照射照射65wt%硫酸処理試料は600mg、その他のものは700mg)を50ml容遠沈管に精秤し、そこにフェノール化合物(フェノール化合物としてp−エチルフェノールを用い、p−エチルフェノール:ベンゼン=7:3の混合媒体で使用)を規定量(総体量が少ない72wt%硫酸処理組成物は4ml、超音波照射65wt%硫酸処理組成物は6ml、その他のものは7ml)加え、撹枠用の羽で叩くように約10分攪拌した。その後、予め30℃にしておいた72wt%硫酸水溶液を規定量(総体量が少ない72wt%硫酸処理組成物は8ml、超音波照射65wt%硫酸処理組成物は12ml、その他のものは14ml)加え、約1分攪拌した後、撹幹機に設置し、30℃の水浴中で計60分間攪拌した(500rpm)。攪拌後、遠心分離〔25℃、3500rpm(2200G)、3分〕にて有機相と水相に分離した。
【0068】
200ml容三角フラスコに150mlのジエチルエーテルを加え、水で冷やしながらかつスターラーで激しく攪拌しながら有機相を滴下した後、界面洗浄のためフェノール誘導体を数ml反応容器へ加え遠心分離〔25℃、3500rpm(2200G)、3分〕し、有機相をエーテルに滴下した。洗浄は計3回行った。その後油状物質が沈降し、上澄み液がクリアになるまで攪拌した。しかし、1時間攪拌を続けても上澄みがクリアにならない時は、遠心分離〔5℃、3500rpm(2220G)、10分〕にて不溶解物を回収した。上澄み液を取り除き、沈殿物および容器をさらに約15mlのジエチルエーテルで2回洗浄後、沈殿物に40〜60mlのアセトンを加え、完全に溶解するまで攪拌し、遠沈管に移すとともに、容器を少量のアセトンで洗浄した。上澄み液は、遠沈管に移し、遠心分離〔5℃、3500rpm(2220G)、5分〕した後、ガラス繊維濾紙を用いて濾過した。その後100ml容ナスフラスコヘ移し、エバポレーターで約10mlになるまで濃縮し、ジエチルエーテルに滴下後、生成した沈殿区分を遠心分離〔5℃、3500rpm(2220G)、5分〕にて回収し、洗浄のため沈殿物にジエチルエーテルを加え約3回洗浄した。
生成した沈殿を室温暗所で1日保管し、ジエチルエーテルを除いた。その後、遠沈管のまま五酸化ニリン上で減圧乾燥させ恒量を測定し、収率を求めた。これを2次リグノフェノール誘導体とした。
【0069】
(実施例4)
第1及び第2のフェノール誘導体の導入量
各種2次リグノフェノール誘導体約20mg、内部標準物質としてp−ニトロベンズアルデヒド(PNB)約3mgをlmI容テフロン(登録商標)ライナー付きスクリューバイアルに精秤し、lml容メスピペットにて重水素化ピリジンを150μl加え完全に溶解させた。溶解後テトラメチルシラン0.03%含有重水素化クロロホルムを1ml容メスピペットにて450μl加えた。完全に溶解していることを確認した後、試料溶液を綿ろ過し、NMR測定管(径5mm)に入れて、ALPHAFTNMR Spectrometer(JEOL社製)にて測定した。
【0070】
得られるNMRのチャートにおいて、1次処理で導入されたp−クレゾールのメチル基のプロトンシグナルと2次処理で導入されたp−エチルフェノール核のエチレン基のプロトンシグナルとの重なりが認められた。このため、p−クレゾールの導入量はp−クレゾールのメチル基のプロトンシグナルとp−エチルフェノールのエチレン基のプロトンシグナルの境界(2.30ppm)で区分分けを行い、p−クレゾールの積分値を計算する計算式(2)と、p−エチルフェノールにおけるエチル基のメチルプロトンシグナル(1.40〜0.80ppm)の積分値よりp−エチルフェノールのメチレン基のプロトンシグナル量を算出し、そこからp−クレゾール核の導入量を補正する計算式(3)とからそれぞれ導入量を求め、さらにこれらから計算式(4)を用いて導入フェノール量を求めた。
また、p−エチルフェノールの導入量は、以下の計算式(1)及び(4)により求めた。
【0071】
【数1】
計算式(1)
【数2】
計算式(2)
【数3】
計算式(3)
【数4】
計算式(4)
【0072】
IWt(%):導入フェノール(Wt%)
Pwt:PNBの重量(mg)
Pm:PNBの分子量=151
Pn:PNBにおける芳香核H数=4
Pi:PNBにおける芳香核4Hシグナルを示す領域(8.40〜7.80ppm)の積分値
Ci:p−クレゾールにおけるメチル基3Hシグナルを示す領域(2.30〜1.80ppm)の積分値
Cn:p−クレゾールにおけるメチル基のプロトン数=3
Cm:p−クレゾールの分子量=108
Ei:p−エチルフェノールにおけるエチル基のメチル3Hシグナルを示す領域(1.40〜0.80ppm)の積分値
En:p−エチルフェノールにおけるエチル基のメチルプロトン数=3
Em:p−エチルフェノールの分子量=122
si:p−クレゾールのメチルプロトンシグナルとp−エチルフェノールにおけるエチル基のメチレンプロトンのシグナルを示す領域(2.60〜1.80ppm)の積分値Lwt:リグノフェール重量
Imo1/C9:導入フェノール量は(mo1/C9)
Lm:リグニン1ユニットの分子量=2000(針葉樹)
【0073】
2次リグノフェノール誘導体中のp−クレゾールの導入量を図6及び図7に示す、p−エチルフェノールの導入量を図8に示す。また、p−クレゾールとp−エチルフェノールの導入量を合わせて図9及び図10に示す。なお、図6及び7は、それぞれ計算式(2)及び(3)によりそれぞれ求められたp−クレゾール導入量に基いている。同様に図9及び10も、それぞれ計算式(2)及び(3)によりそれぞれ求められたp−クレゾール導入量に基いている。
【0074】
図6〜10に示すように、全ての2次リグノフェノール誘導体において、第2のフェノール化合物であるp−エチルフェノールの導入が確認された。図8に示すように、いずれの酸濃度においても、コントロール試料の方が高いp−エチルフェノール導入量を示した。このことは、1次処理時において超音波照射により、リグニンへの第1のフェノール化合物であるp−クレゾールの導入が促進され、1次リグノフェノール誘導体中の残存活性側鎖が減少したことを示している。
【0075】
また、第1のフェノール化合物であるp−クレゾールの導入量に着目すると、60wt%硫酸処理試料では、両者において大きな差は見られなかった。また、65wt%硫酸処理試料では、超音波処理試料の方が導入量がやや多かった。一方、72wt%硫酸処理試料では、超音波処理試料の方が導入量が多いが、いずれも、おおよそ10分で導入量の増加が停止した。これは、72wt%硫酸は十分に植物細胞壁を膨潤してリグニンの分解を促進するため、2次リグノフェノール誘導体中の低分子量画分であってフェノール化合物の導入量が高い部位がエーテル可溶画分に流出したためであると思われる。超音波処理試料は10分を境に導入量が減少し、コントロール試料は10分以降も導入量が増加する傾向があった。
【0076】
また、図9及び10に示すように、導入フェノール化合物の総量は、72wt%硫酸処理試料において最も高かった。これは、1次変換時で十分にセルロース及びリグニンの複合状態が緩和され、リグニンへのフェノール化合物や酸のアクセスビリティーが向上して、1次リグノフェノール誘導体におけるフェノール化合物が高度に導入された結果であるといえる。
また、図9及び図10から明らかなように、1次処理において使用する酸の強度が高いほど、第1のフェノール化合物の導入率が高く、第2のフェノール化合物の導入率が低かった。第1のフェノール化合物と第2のフェノール化合物との比率が顕著に変化した。
さらに、超音波処理を行わなかったコントロール試料と超音波処理試料とを対比すると、超音波処理試料においては、全体的に第1のフェノール化合物の導入量が高いとともに、導入量の総量も高かった。
以上の結果によれば、使用する酸の強度や超音波処理の有無等を1次変換工程と2次変換工程において変化させることにより、それぞれの工程におけるフェノール化合物の導入量を調節でき、結果として2種類以上のフェノール化合物の導入比率を制御できることがわかった。特に、相対的に多くの導入量を得たいフェノール化合物にあっては、高い強度でかつ超音波照射を行う1次変換工程にて導入することが好ましいこともわかった。また、2種類以上のフェノール化合物の導入率を近似させるかあるいは高度に制御するには、1次工程側、あるいは前段側の工程において、中程度あるいは弱い酸強度で超音波処理条件あるいは超音波処理の有無をコントロールすることにより可能であることもわかった。
【図面の簡単な説明】
【図1】リグノセルロース系材料のリグニンにフェノール化合物を導入して得られる各種のリグノフェノール誘導体を示す図である。
【図2】1次変換工程((a)工程)及び2次変換工程((b)工程)を行うことによって多様な2次リグノフェノール誘導体が得られることを示す概念図である。
【図3】(a)工程及び1回の(b)工程を実施する本発明の一方法の工程フローを示す図である。
【図4】絶乾木紛あたりのリグノフェノール誘導体含有組成物の収率のグラフを示す図である。
【図5】1次リグノフェノール誘導体含有組成物中のリグニン含有量のグラフを示す図である。
【図6】実施例において得られた2次リグノフェノール誘導体におけるp−クレゾールの導入量を示す図である(計算式(2)による算出に基く)。
【図7】実施例において得られた2次リグノフェノール誘導体におけるp−クレゾールの導入量を示す図である(計算式(3)による算出に基く)。
【図8】実施例において得られた2次リグノフェノール誘導体におけるp−エチルフェノールの導入量を示す図である。
【図9】実施例において得られた2次リグノフェノール誘導体におけるp−クレゾールとp−エチルフェノールの導入量を示す図である(計算式(2)による算出に基く)。
【図10】実施例において得られた2次リグノフェノール誘導体におけるp−クレゾールとp−エチルフェノールの導入量を示す図である(計算式(3)による算出に基く)。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for forming a phenol derivative of lignin by introducing a phenol derivative into a constituent unit of lignin, which is a component of a plant, and particularly relates to an introduction amount and an introduction ratio when introducing two or more phenol derivatives. And a technology for precisely controlling the structure of a phenol derivative of lignin by easily realizing the control of lignin.
[0002]
[Prior art]
Cell wall constituents, which are the main constituents of plants, that is, composite-containing materials of lignin and cellulose or hemicellulose (hereinafter referred to as lignocellulosic materials) are separated and separated using phenol derivatives and acids. There is a derivatization technique (for example, see
In such a technique, a technique called phase separation is used to separate lignin from a lignin-cellulose matrix. That is, the lignocellulose-based material is solvated or sorbed with a phenol compound in advance, and then the lignocellulose-based material is brought into contact with an acid to graft the phenol compound onto the lignin and simultaneously with the lignin. Is separated from the matrix with cellulose.
Further, in these methods, there is a technique for improving the separation efficiency (Patent Document 3).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2-233701 [Patent Document 2]
JP-A-9-278904 [Patent Document 3]
JP 2001-131201 A
[Problems to be solved by the invention]
At present, the physical properties and the like of the lignin derivative obtained by this method are largely derived from the derived lignocellulosic material, and the introduction efficiency of the phenol compound has not yet been controlled. When two or more phenol compounds are to be introduced, the phenol compounds cannot always be introduced at an intended ratio due to the difference in reactivity of the phenol compounds used.
However, in order to derivatize lignin according to the purpose, it is desired to control the introduction efficiency and the introduction ratio of the phenol compound to a high degree.
Therefore, an object of the present invention is to provide a technique capable of controlling the introduction ratio of a phenol compound to be introduced and the introduction ratio of two or more phenol compounds when a phenol derivative of lignin is obtained from a lignocellulosic material.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have made the lignocellulose-based material affinity with a phenol compound, and then added an acid to convert the lignin into a phenol derivative. After the affinity, it was found that a further phenol compound could be introduced by adding an acid, and the present invention was completed.
That is, according to the present invention, the following means are provided.
[0006]
(1) A method for producing a phenol derivative of lignin,
The following steps:
(A) a step of adding an acid to a lignocellulosic material preliminarily affinityd with a first phenolic compound to obtain a primary lignin phenol derivative; Adding an acid to the lignin phenol derivative to obtain the (n + 1) th lignin phenol derivative;
Wherein n is from 1 to N (N is an integer of 1 or more), and a total of N (b) steps are sequentially performed to obtain an (n + 1) -th lignin phenol derivative in each (b) step. .
(2) The method according to (1), wherein in the step (b), N is an integer of 1 or more and 3 or less.
(3) The n-th lignin phenol derivative used in the step (b) is supplied as a composition containing at least a part of a carbohydrate derived from a lignocellulose-based material generated simultaneously in the step (a). ) Or (2). (4) The acid used in at least one of the steps (b) is a different kind of acid from the acid used in the step (a), or is used with a different strength from the acid used in the step (a). The method according to any one of (1) to (3).
(5) The method according to any one of (1) to (4), wherein the acid used in the step (a) is added with a strength capable of swelling the lignin-cellulose matrix.
(6) The method according to any one of (1) to (4), wherein the acid used in the step (a) is added with a strength that does not swell the lignin-cellulose matrix.
(7) The method according to any one of (1) to (6), wherein in any step of obtaining a lignin phenol derivative, ultrasonic waves are irradiated to a lignocellulose-based material or a mixed system containing a phenol derivative and a phenol compound. the method of.
(8) In any step of obtaining a lignin phenol derivative, ultrasonic waves are applied to a lignocellulose-based material or a mixed system containing a lignophenol derivative, a phenol compound and an acid, wherein (1) to (6). The method described in.
(9) The acid in the step (a) is added at least with a strength capable of swelling the lignin-cellulose matrix in the lignocellulose material, and the first phenol compound, the lignocellulose material and the acid are included. The method according to any one of (1) to (4), wherein the mixed system is irradiated with ultrasonic waves.
(10) Mixing the acid in the step (a) with at least a strength that does not swell the lignin-cellulose matrix in the lignocellulose material, and mixing the first phenol derivative, the lignocellulose material and the acid. The method according to any one of (1) to (4), wherein the system is irradiated with ultrasonic waves.
(11) The method according to any one of (1) to (10), wherein the first phenol compound and the second phenol compound contain different types of phenol compounds.
(12) A composition containing a phenol derivative of lignin into which two or more phenol compounds have been introduced, obtained by the method according to any one of (1) to (11).
(13) The composition according to (12), further comprising at least a part of a carbohydrate derived from the lignocellulosic material generated in the step (a).
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The method for producing the phenol derivative of lignin of the present invention comprises at least
(A) a step of adding an acid to a lignocellulosic material to which a first phenol compound has previously affinityd to obtain a first lignin phenol derivative; and
(B1) a step of adding an acid to the primary lignin phenol derivative to which the second phenol compound has previously affinityd to obtain a secondary lignin phenol derivative. The method is characterized by including a step of obtaining a tertiary or higher lignin phenol derivative. In the following description, a step consisting of one or more steps of derivatization of a primary lignin phenol derivative with a secondary or higher phenol compound is generally referred to as a step (b).
[0008]
The production method of the present invention is characterized in that a conversion treatment (a derivatization step with a phenol compound) is performed in a multistage or sequential manner. According to such a method, various adjustments such as the type of phenol compound used in each step, acid strength, or addition of external energy can be made. As a result, it becomes possible to obtain a lignin phenol derivative in which a phenol compound is introduced at a high introduction ratio or a lignin phenol derivative in which the introduction ratio of a different phenol compound is controlled.
[0009]
Further, the method of the present invention is characterized in that the acid strength is adjusted in any step of obtaining a phenol derivative of lignin.
By adjusting the acid strength, the contact efficiency with the acid changes to change the introduction reaction of the phenol compound, and the amount of the phenol compound introduced can be adjusted.
Furthermore, in the method of the present invention, in any step of obtaining a phenol derivative of lignin, a mixed system containing a phenol compound and a lignocellulosic material and / or a mixed system containing a phenol compound, a lignocellulosic material and an acid It is characterized by irradiating ultrasonic waves.
Irradiation of the ultrasonic wave promotes introduction of the phenol compound and decomposition of the matrix of lignin and cellulose. For this reason, higher introduction control of the phenol compound can be performed by combining the ultrasonic irradiation conditions or the ultrasonic irradiation conditions with other conditions.
Further, ultrasonic irradiation is useful in other aspects. That is, the strength of the acid used in introducing the phenol derivative can be reduced. This makes it easy to control the introduction amount and introduction ratio of the phenol compound.
[0010]
It is known that a lignin phenol derivative having a phenol propane unit of lignin is obtained by introducing a phenol compound at the C1 position of an aryl propane unit of lignin in the phase separation treatment. However, in the phase separation treatment, introduction of a phenol compound was difficult unless swelling of cellulose (carbohydrate) by an acid was achieved. On the other hand, the phase separation conversion treatment in the presence of an acid that can achieve the swelling of cellulose has a very rapid reaction rate, and it is very difficult to control the amount of the phenol compound introduced. That is, the only way to stabilize or control the amount of the phenol compound introduced was to perform a phase separation conversion treatment for a sufficient time and to introduce the phenol compound at the C1 position where the phenol compound can be introduced by the treatment. . As a result, it has been difficult to envisage further introduction of the phenol compound in multiple stages. It was also difficult to predict the possibility of introducing an additional phenol compound. Therefore, even after the phase separation treatment, the introduction of a phenol compound at the C1 position was a finding that could not be predicted. The present invention has been made based on such findings.
[0011]
In addition, under such circumstances, when introducing a plurality of phenol compounds, the amount and ratio of introduction were adjusted by selecting the respective reactivity and compounding ratio. Below, control by these adjustments was very difficult. According to another aspect of the present invention, it is possible to control the amount of a phenol compound to be introduced in the first-stage phase separation conversion treatment by adjusting the strength of the acid and further combining the irradiation with ultrasonic waves and the like. did. In particular, a low introduction amount of the phenol compound, which has been difficult in the first stage treatment, can be achieved. In addition, this makes it possible to increase the diversity of the conversion processing in the second and subsequent stages, and at the same time, control the introduction of the phenol compound with high accuracy.
[0012]
Further, at least in the first stage of the phenol derivatization step of the present invention and in the subsequent derivatization step of the phenol compound, a method of separating a lignin phenol derivative together with a carbohydrate derived from a lignocellulosic material is employed, whereby the resulting lignin is obtained. The phenol derivative is at least partially in a complex state with the carbohydrate. Therefore, in such a composite composition, the lignin phenol derivative can stably maintain the active C1 position, that is, the C1 position where the phenol compound is not introduced. Therefore, according to the composite composition, a further phenol derivatization step and another derivatization step (such as a crosslinkable group introduction treatment, an alkali treatment, and a hydroxyl group protection treatment) using the active C1 can be easily performed. There is provided a material composition that can be used. In addition, since the said composite composition has plasticity, it has already been discovered by the present inventors that it can be used for various uses as a molding material or the like based on the plasticity (see JP-A-2001-342353). . Therefore, according to the composite composition, there is provided a material composition (thermoplastic composition) that retains the active C1 position and can be used for a long time and in multiple stages.
[0013]
In addition, the primary lignin phenol derivative (hereinafter, also referred to as a primary lignophenol derivative) is obtained from a lignocellulose-based material, and the first phenol compound is grafted to the C1 position of the arylpropane unit of lignin. The term refers to a lignin derivative having a 1,1-bis (aryl) propane unit (hereinafter, also referred to as a first unit). In addition, a secondary lignophenol derivative refers to a 1,1-bis (aryl) propane unit (hereinafter, referred to as a “lignin phenol derivative”) in which a second phenol compound is grafted at the C1 position of an arylpropane unit of lignin in addition to the first unit. Lignin derivative). Hereinafter, the higher-order lignophenol derivatives after the tertiary lignophenol derivative are all obtained by grafting a further phenol compound to the C1-position of the arylpropane unit in addition to the first unit and the second unit. Lignin derivative having a, 1-bis (aryl) propane unit.
[0014]
Hereinafter, general and general properties of a primary lignophenol derivative obtained from a lignocellulosic material will be described. However, this is not intended to limit the primary or secondary or higher lignophenol derivative in the present invention to those having the following properties.
(1) The weight average molecular weight is about 2,000 to 20,000.
(2) It has almost no conjugated system in the molecule and its color tone is extremely light. Typically, it is a pale pinkish white powder.
(3) It has a solid-liquid phase transition point at about 170 ° C derived from softwood and at about 130 ° C derived from hardwood.
(4) It is easily dissolved in methanol, ethanol, acetone, dioxane, pyridine, tetrahydrofuran, dimethylformamide and the like.
[0015]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
(Lignocellulosic material)
The "lignocellulosic material" used in the present invention is not particularly limited as long as it is a material containing a lignin-cellulose complex which is a component of a plant cell wall. For example, woody materials, various materials that are mainly wood, such as wood flour and chips, as well as agricultural waste and industrial waste associated with wood resources such as waste materials, offcuts, and used paper can be mentioned. As the type of wood to be used, any type of wood, such as conifer or hardwood, can be used. In addition, all or part of various herbaceous plants such as kenaf, rice, sugar cane, and corn, and agricultural and industrial wastes such as bagasse related thereto can be used.
[0016]
(Primary or higher lignophenol derivative and its production process)
The lignophenol derivative means a polymer containing a 1,1-bis (aryl) propane unit in which a phenol derivative is introduced at the C1 position of a lignin arylpropane unit (C9 unit) by a CC bond. . It is a kind of polyphenol.
The lignophenol derivative is a mixture of a lignin-derived polymer obtained by reacting and separating from the lignin-containing material, and the amount and molecular weight of the introduced phenol derivative in the obtained polymer are determined based on the lignin-containing material ( It is typically a lignocellulosic material.) And reaction conditions.
[0017]
The primary lignophenol derivative can be usually obtained by contacting a lignin-containing material, preferably a lignocellulosic material, to which a predetermined phenol derivative has affinity, with an acid. In addition, about the more general description about a lignophenol derivative and its manufacturing process, it already describes Unexamined-Japanese-Patent No. 2-23701, Unexamined-Japanese-Patent No. 9-278904, and WO99 / 14223, 2001-64494, These are described in 2001-261839, 2001-131201 and 2001-342353 (the contents of these patent documents are all incorporated herein by reference).
[0018]
In this production process, the lignocellulosic material was selectively brought into contact with an acid while maintaining the lignocellulose-based material on the phenol derivative phase side, the decomposed cellulose was distributed to the acid side, and the phenol derivative was introduced through contact with the acid. This is a process that simultaneously achieves structural conversion and separation of lignin, which distributes lignin to the phenol derivative side. In constructing such a reaction system, it is particularly preferable that the lignocellulose-based material is previously made compatible with a phenol derivative. Here, the affinity is used in the meaning of solvation, permeation, absorption and adsorption (also called sorption). That is, in such a reaction system, the complex state of lignocellulose is relaxed, and at the same time, the phenol derivative is selectively grafted to the C1 position (benzyl position) of the arylpropane unit of natural lignin to form a lignophenol derivative. This is a method that can simultaneously separate cellulose and a lignophenol derivative.
According to this method, a lignophenol derivative having a 1,1-bis (aryl) propane unit is obtained in which the phenol derivative is grafted to the C1 position of the lignin arylpropane unit at the ortho or para position of the phenol derivative used. be able to. Note that, in the obtained lignophenol derivative, an arylpropane unit to which no phenol is grafted usually remains.
[0019]
Various methods can be exemplified as a method for obtaining a lignophenol derivative from a lignocellulosic material based on the above reaction, ie, the step (a) for obtaining a primary lignophenol derivative. The step (b) of obtaining a lignophenol derivative having a higher order than the second order is performed except that the lignocellulose-based material exemplified below is used as the lignophenol derivative obtained in the preceding step or a composition containing the same. Configured by common operations.
Step (b) does not particularly limit the number of steps. Usually, it is a high-order lignophenol derivative which is about 1 to 3 times, that is, a secondary lignophenol derivative to a quaternary lignophenol derivative. In addition, if it is a secondary lignophenol derivative into which at least two kinds of phenol compounds have been introduced, a lignophenol derivative having a considerable range of diversity can be obtained.
[0020]
In any of the modes for obtaining a lignophenol derivative, a step in which the lignocellulose-based material (or the lignophenol derivative) is affinityd with the phenol compound, and an acid is added to the lignocellulose-based material (or the lignophenol derivative) previously affinityd with the phenol compound. Introducing a phenol compound into lignin in a reaction system obtained by the addition.
These methods can be distinguished in terms of whether the affinity step is one step or two steps, and can also be distinguished in the method for separating the obtained lignophenol derivative.
Although four typical methods are illustrated below, it is not intended that the step (a) or (b) be limited to these four methods.
[0021]
The first method is a method described in JP-A-2-233701. This method includes a single affinity step. The first-stage affinity step is a step of infiltrating a liquid phenol derivative into a lignocellulosic material such as wood flour and solvating lignin with the phenol derivative. Note that the phenol derivative can be diluted with an inert solvent such as benzene before use.
Next, the introduction step will be described. The introduction step is a step of adding and mixing a concentrated acid (as described above, for example, 72% sulfuric acid) to the lignocellulosic material, hydrolyzing the cellulose component, and introducing a phenol derivative into lignin.
In this step, the phenol derivative solvated with lignin and the concentrated acid in which the cellulose component is dissolved form a two-phase separation system. Lignin solvated by the phenol derivative is contacted with the acid only at the interface where the phenol derivative phase contacts the concentrated acid phase, and a reaction occurs. That is, the cation at the side chain C1 position (benzyl position), which is a high reaction site of the lignin basic structural unit generated by interfacial contact with an acid, is attacked by the phenol derivative. As a result, a phenol derivative is introduced into the C1 position via a CC bond, and the molecular weight is reduced by cleavage of the benzyl aryl ether bond. As a result, lignin is reduced in molecular weight, and at the same time, a lignophenol derivative in which a phenol derivative is introduced at the C1 position of the basic structural unit is generated in the phenol derivative phase. From this phenol derivative phase, a lignophenol derivative is extracted. The lignophenol derivative is obtained as an aggregate of low molecular weight lignins in which the benzyl aryl ether bond in the lignin has been cleaved to reduce the molecular weight. It is known that some phenol derivatives are introduced into the benzyl position via the phenolic hydroxyl group.
FIG. 1 shows that various lignophenol derivatives can be obtained by subjecting natural lignin having an arylpropane unit to a phase separation treatment.
[0022]
The extraction of the lignophenol derivative from the phenol derivative phase can be performed, for example, by the following method. That is, the precipitate obtained by adding the phenol derivative phase to a large excess of ethyl ether is collected and dissolved in acetone. The acetone-insoluble portion is removed by centrifugation or the like, and the acetone-soluble portion is concentrated. The acetone-soluble portion is added dropwise to a large excess of ethyl ether, and the precipitate is collected. The solvent is distilled off from this precipitation section to obtain a lignophenol derivative. The crude lignophenol derivative can be obtained by simply removing the acetone-soluble portion by distillation under reduced pressure.
[0023]
The second and third methods include a two-step affinity process. In the two-stage affinity step, a solvent (eg, ethanol or acetone) in which a solid or liquid phenol derivative (eg, p-cresol or 2,4-dimethylphenol) is dissolved is penetrated into the lignocellulosic material. After that, the solvent is distilled off.
Next, a concentrated acid is added to the lignocellulosic material to dissolve the cellulose component (corresponding to the above-mentioned introduction step). As a result, as in the first method, the lignin solvated with the phenol derivative causes the cation at the high reaction site (side chain C1 position) of the lignin generated by contact with the concentrated acid to be attacked by the phenol derivative, and Derivatives are introduced. Further, the benzyl aryl ether bond is cleaved to lower the molecular weight of lignin. The properties of the obtained lignophenol derivative are the same as those obtained by the first method. Then, in the same manner as in the first method, the lignophenol derivative into which the phenol derivative has been introduced is extracted with the liquid phenol derivative. The extraction of the lignophenol derivative from the liquid phenol derivative phase can be performed in the same manner as in the first method (this is referred to as a second method). Alternatively, the entire reaction solution after the concentrated acid treatment is poured into excess water, the insoluble fraction is collected by centrifugation, deacidified, and dried. Acetone or alcohol is added to the dried product to extract a lignophenol derivative. Further, similarly to the first method, the soluble fraction is dropped into excess ethyl ether or the like to obtain a lignophenol derivative as an insoluble fraction (this is referred to as a third method). The specific examples of the method for preparing the lignophenol derivative have been described above. However, the present invention is not limited thereto, and the lignophenol derivative can also be prepared by appropriately improving the method.
[0024]
A fourth method is a method described in JP-A-2001-131201, in which a mixture containing a lignocellulose-based material, a phenol derivative, and an acid (also referred to as a reaction system in this specification) is mixed with benzene, xylene, After mixing with an inert low-boiling-point hydrophobic organic solvent selected from toluene, hexane or a mixture thereof, the mixture is separated into three layers by centrifugation, and the lignophenol derivative fraction is separated into a second layer which is aggregated in a band. How to take. The affinity step and the introduction step until the reaction system is obtained can be carried out in the same manner as in the first to third methods. Further, the fractionated lignophenol derivative can be distributed to an ether-insoluble fraction and then fractionated to an acetone-soluble fraction as described in the first and second methods, or can be fractionated to an acetone-soluble fraction. As described above, it can be added to excess water to obtain a water-insoluble fraction. Preferably, as in the above third method, after fractionating into a water-insoluble fraction, the acid is washed off and finally a lignophenol derivative is obtained in a fraction that is dissolved in acetone or the like.
[0025]
The method of the present invention comprises one or more steps (b) in addition to the conventional step (a). The lignophenol to be grafted with the phenol compound to be supplied after the step (b) is provided. Derivatives are not necessarily limited to those separated as lignophenol derivatives. As is clear from the methods already exemplified, the fraction (composition) at the stage before finally separating the lignophenol derivative may be used. For example, in the above-mentioned second to fourth methods, the reaction system after the acid reaction is collected as a fraction (composition) containing a lignophenol derivative and a carbohydrate derived from a lignocellulose-based material obtained by putting the reaction system into a large amount of water. May be used. Further, a composition in which such a carbohydrate is separately added without being derived from the reaction system may be used. In the following description, the term "lignophenol derivative" supplied in the step (b) means a composition containing carbohydrate derived from a lignocellulose-based material or a composition containing other components in addition to the lignophenol derivative alone. Can be
[0026]
In the method of the present invention, the phenolic compound used for grafting to the C1 position of the arylpropane unit of lignin can be changed between step (a) and step (b). Thereby, a lignin derivative having different units to which two or more phenol compounds are grafted can be easily obtained. By using different phenol compounds in different steps, the introduction rate of these phenol compounds can be controlled respectively. The phenol compound may be partially or completely identical in some or all of these steps.
[0027]
FIG. 2 shows a conceptual diagram in the case where different phenol compounds are sequentially introduced in two stages. In this figure, p-cresol is used as the first phenol compound and p-ethylphenol is used as the second phenol compound.
The example in the upper part of FIG. 2 shows the step of introducing the first phenol compound at a low introduction rate and introducing the second phenol compound different from the first phenol compound at a relatively high introduction rate.
The middle example in FIG. 2 shows a step of introducing the first phenol compound at an introduction rate of about half and introducing the second phenol compound at the same introduction rate.
The example in the lower part of FIG. 2 shows a step of introducing the first phenol compound at a high introduction rate and introducing the second phenol compound at a low introduction rate.
[0028]
FIG. 3 shows a step of an embodiment of the method of the present invention in which the step (a) is performed by the third method and the step (b) is performed by the first to fourth methods in total. 4 shows a flow. In this flow, the primary lignophenol derivative is supplied to the step (b) as a composition containing a carbohydrate derived from a lignocellulose-based material.
[0029]
Further, in the method of the present invention, the type and strength of the acid used in each of the steps (a) and (b) can be changed. This makes it possible to control the degree of decomposition and separation of carbohydrates and the rate of introduction of phenol compounds. In particular, when different phenol compounds are used between steps, the introduction rate of different phenol compounds can be easily controlled.
Hereinafter, the phenol compound and the acid will be described.
[0030]
(Phenol compound)
In step (a) of the method of the present invention, as a lignophenol compound used for obtaining a higher-order lignophenol derivative, a monovalent phenol compound, a divalent phenol compound, a trivalent phenol compound, or the like is used. Can be. Specific examples of the monovalent phenol compound include a phenol which may have one or more substituents, a naphthol which may have one or more substituents, and a phenol which may have one or more substituents. Examples include good anthrol and one or more anthroquinone ols which may have a substituent.
Specific examples of the divalent phenol compound include catechol optionally having one or more substituents, resorcinol optionally having one or more substituents, and one or more substituents. Good hydroquinone and the like.
Specific examples of the trivalent phenol compound include pyrogallol which may have one or more substituents.
In the present invention, one or more of a monovalent phenol compound, a divalent phenol compound and a trivalent phenol compound can be used, but a monovalent phenol is preferably used.
The phenol compound in each step can be used alone or in combination of two or more.
[0031]
The type of the substituent that the monovalent to trivalent phenol compound may have is not particularly limited, and may have any substituent. And the like, for example, a lower alkyl group-containing substituent having 1 to 4 carbon atoms, preferably 1 to 3 carbon atoms. In consideration of the introduction ratio, a non-bulky substituent such as a methyl group or an ethyl group is preferable. Examples of the lower alkyl group-containing substituent include a lower alkyl group (such as a methyl group, an ethyl group, and a propyl group) and a lower alkoxy group (such as a methoxy group, an ethoxy group, and a propoxy group). Further, it may have an aromatic substituent such as an aryl group (such as a phenyl group). Further, it may be a hydroxyl group-containing substituent.
[0032]
These phenol compounds are introduced into the arylpropane unit by bonding the carbon atom at the ortho or para position to the phenolic hydroxyl group to the carbon at the C1 position of the arylpropane unit of lignin. Therefore, in order to secure an introduction site, it is preferable that at least one of the ortho position and the para position has no substituent.
[0033]
From the above, in the present invention, in addition to the unsubstituted phenol compound, it is possible to appropriately select and use one or more kinds of various substituted phenol compounds having at least one unsubstituted ortho or para position. it can.
[0034]
The introduction frequency of the phenol compound varies depending on the presence, position, size, and the like of the substituent of the phenol compound to be introduced. Therefore, the frequency of introduction can be adjusted by selecting a phenol compound. In particular, the frequency of introduction can be easily adjusted by steric hindrance caused by the size of the substituent. When it is intended to control the introduction position or the like using a substituent, if a lower alkyl group is used as the substituent, the introduction frequency can be easily adjusted depending on the number of carbon atoms and the branched form. When the substituent is a methyl group, the introduction position can be controlled while maintaining a high introduction frequency.
[0035]
In the present invention, since the phenol compound is introduced in two or more steps, the type and combination of the phenol compound used in the step (a) and the step (b) are changed so that the introduction position of the phenol compound due to the substituent and the like can be improved. It is possible to accurately control the introduction rate. Further, as described later, by controlling the reaction conditions, that is, by controlling the strength of the acid, the stirring intensity, or the irradiation conditions of the ultrasonic wave, the introduction amount and the ratio of the phenol compound can be controlled for each step. . Therefore, the introduction ratio of a phenol compound having a difference in introduction reactivity can be more easily controlled. As a result, for example, crosslinking reactivity and structural control during crosslinking can be realized with high accuracy.
Even when the same phenol compound is introduced in two or more steps, it is effective in that a high introduction rate can be easily obtained.
[0036]
Specific examples of the phenol compound used include p-cresol, p-ethylphenol, 2,6-dimethylphenol, 2,4-dimethylphenol, 2-methoxyphenol (Guaiacol), 2,6-dimethoxyphenol, Catechol, resorcinol, homocatechol, pyrogallol, phloroglucinol and the like.
[0037]
(acid)
The acid used in the steps (a) and (b) is not particularly limited. For example, sulfuric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, p-toluenesulfonic acid, trifluoroacetic acid, trichloroacetic acid, formic acid and the like can be mentioned. Preferably, the acid is strong enough to swell the lignin-cellulose matrix by nature or depending on the concentration. Here, an object to be swollen with an acid is mainly cellulose. Examples of the acid having such a strength include sulfuric acid of 65% by weight or more, phosphoric acid of 85% by weight or more, hydrochloric acid of 35% by weight or more, p-toluenesulfonic acid, trifluoroacetic acid, trichloroacetic acid, and formic acid. Preferred acids include 72 wt% sulfuric acid, 95 wt% phosphoric acid, 45 wt% trifluoroacetic acid and formic acid.
In order to efficiently recover water-soluble polysaccharides, oligosaccharides, and monosaccharides derived from cellulose and hemicellulose, it is preferable to use sulfuric acid, which suppresses the action on cellulose and recovers it in a form that retains its higher-order structure to some extent. It is preferable to use an acid having a low acid strength such as phosphoric acid.
[0038]
In the present invention, in particular, in each of the steps (a) and (b), the type of the acid and the strength of the acid can be changed. By adjusting the conditions related to the acid, it is possible to adjust the degree of decomposition and separation of the carbohydrate, and thus the introduction rate of the phenol compound. For example, when an acid having a low strength is used, the introduction rate of a phenol compound decreases, and when an acid having a high strength is used, the introduction rate of a phenol compound can be improved. In the step (a), that is, in the step of producing and separating the primary lignophenol derivative from the lignocellulosic material, the use of an acid with a strong strength promotes the decomposition and separation of cellulose, and the grafting of the phenol compound is promoted. In order to promote this, a primary lignophenol derivative to which the first phenol compound is grafted at a high introduction rate can be obtained. In addition, when the carbohydrate derived from the lignocellulose-based material is included in the lignophenol derivative fraction according to the third method or the like, the carbohydrate content is significantly reduced. In addition, here, it is preferable that the strong strength is added so that the lignin-cellulose matrix can swell, and the acids exemplified above can be preferably used. In addition, while adopting a strong acid strength, a mixture system (reaction system) containing the lignocellulose-based material, the first phenol compound and the acid is subjected to ultrasonic irradiation, which will be described later, to further reduce the introduction rate of the phenol compound. Can be improved.
[0039]
On the other hand, in the step (a), that is, in the step of producing and separating the primary lignophenol derivative from the lignocellulose-based material, the use of an acid with a low strength delays the decomposition and separation of the cellulose and causes the grafting of the phenol compound. Because of the delay, a primary lignophenol derivative in which the first phenol compound is grafted at a low introduction rate can be obtained. Further, when the carbohydrate derived from the lignocellulose-based material is contained in the lignophenol derivative fraction according to the third method or the like, the carbohydrate content is significantly increased. Here, the weak acid strength preferably means that the lignin-cellulose matrix is added at such a strength that it does not swell. Here, the acid that does not swell the lignin-cellulose matrix can be weaker than the strength of the acid that can swell the lignin-cellulose matrix. Specific examples include sulfuric acid of less than 65 t%, phosphoric acid of less than 85 wt%, hydrochloric acid of less than 35 wt%, p-toluenesulfonic acid, trifluoroacetic acid, trichloroacetic acid, and formic acid. Preferred acids include 60 wt% or less sulfuric acid, 80 wt% or less phosphoric acid, 30 wt% or less hydrochloric acid, trifluoroacetic acid and formic acid. In the mixed system at the time of the affinity prior to the reaction step with the acid, the acid strength may be lower. In addition, while adopting a weak acid strength, the introduction rate of the phenol compound is increased by performing ultrasonic irradiation described later on a mixed system (reaction system) containing the lignocellulosic material, the first phenol compound and the acid. Can be improved. According to the combination, since a low acid strength is employed, the introduction rate of the phenol compound can be easily adjusted by the intensity of the ultrasonic irradiation.
[0040]
In the above example, the case where the strength of the acid or the ultrasonic wave is used in the step (a) has been described, but the acid strength or the ultrasonic irradiation is also used in the step (b), and the second and subsequent phenol compounds are used. Of carbohydrates and the rate of carbohydrate separation can be controlled.
[0041]
(Ultrasonic irradiation)
In the steps (a) and (b) of the present invention, a lignocellulose-based material or a mixed system of a lignophenol derivative obtained in the previous stage and a phenol compound (a mixed system at the time of affinity), or these two components. In addition, by applying ultrasonic irradiation to a mixed system with an acid (a mixed system at the time of reaction with an acid), the affinity and the reaction can be promoted. Therefore, depending on the presence or absence of ultrasonic irradiation on these mixed systems, the introduction rate of the phenol compound and the degree of carbohydrate separation and decomposition can be adjusted.
[0042]
(Ultrasonic irradiation during affinity with phenolic compounds)
In the method of the present invention, a reaction with an acid can be promoted by irradiating the lignocellulose-based material and / or the phenol derivative with ultrasonic waves when the lignocellulose-based material has affinity for the phenol compound. Preferably, in a state where the lignocellulose-based material and the phenol derivative are simultaneously present (mixed system), both are irradiated with ultrasonic waves. By such ultrasonic irradiation, the phenol compound can be efficiently and sufficiently penetrated into the lignocellulose-based material, and a state in which both are sufficiently compatible can be easily and promptly obtained. As a result, in the subsequent step of introducing a phenol compound into lignin, the phenol compound can be efficiently introduced into lignin. Therefore, the introduction rate and ratio of the phenol compound can be controlled by the presence or absence and intensity of ultrasonic irradiation at the time of affinity.
[0043]
The ultrasonic irradiation at the time of the affinity can be applied to any of the affinity exemplified in the first method and the second method described above. In the first method, it is possible to irradiate ultrasonic waves in a state where a liquid phenol derivative is infiltrated into a lignocellulose material or a state where a lignocellulose material or a lignophenol derivative is immersed in a phenol derivative. it can. In the second method, an organic solvent (for example, acetone, ethanol, benzene, hexane, toluene, xylene, or a mixture thereof) in which a phenol derivative is dissolved in a lignocellulosic material is immersed or penetrated. Ultrasonic waves can be irradiated in a state where the organic solvent is distilled off, preferably before the organic solvent is distilled off. The organic solvent can be distilled off while irradiating ultrasonic waves.
[0044]
The voltage and frequency of the ultrasonic wave applied to the mixed system at the time of affinity are not particularly limited, provided that the irradiation is performed under conditions that can improve the affinity between the phenol compound and the lignocellulose-based material or the lignophenol derivative. Good. If the voltage and frequency of the ultrasonic generator that can be used normally (power of about 100 W to about 1500 W, frequency of about 20 kHz to about 40 kHz), the above effects can be obtained by irradiation for several tens of seconds to several tens of minutes.
The irradiation form of the ultrasonic wave is not particularly limited, but the oscillator may be invaded into a liquid phenol derivative, or the oscillator may be arranged in a water tank or the like in which a container containing the liquid phenol derivative is immersed. Irradiation may be performed.
In addition, mechanical stirring may be separately accompanied with the ultrasonic irradiation. The ultrasonic irradiation is not necessarily required to be continuous, but may be intermittent. Further, it is not necessary to use the entire time during the affinity, and it may be used only during a part of the affinity.
[0045]
(Ultrasonic irradiation during reaction with acid)
Further, as described above, in the present invention, it is also possible to irradiate ultrasonic waves to a reaction system obtained by adding an acid to a lignocellulosic material to which affinity has been previously applied. When irradiating the reaction system with ultrasonic waves, it is preferable to irradiate ultrasonic waves to almost the entire area. Alternatively, it is also preferable to add another stirring and mixing means, specifically, a mechanical stirring means using a stirrer or a stirring blade, or a stirring means using a jet or the like.
[0046]
In the step of introducing a phenol compound into lignin, irradiation with ultrasonic waves can promote decompositing of a lignin-cellulose matrix in a lignocellulosic material. The promotion of decomplexing also has the aspect that the probability of contact between lignin and an acid is improved, and a high introduction rate of a phenol derivative can be obtained at an early stage. For example, for example, the introduction rate obtained under the same conditions except for using mechanical stirring is achieved in about 1/4 to about half time by performing an introduction step involving moderate ultrasonic irradiation. be able to. In addition, both the introduction rate of the phenol compound and the production amount of the lignophenol derivative can be increased by ultrasonic irradiation. In addition, when ultrasonic irradiation is performed on the affinity mixed system, since the lignocellulose-based material or the lignophenol derivative and the phenol compound have a good affinity, the introduction is more rapid, and Thereafter, the mixture is stably distributed to the phenol compound phase, and the separation from the cellulose can be facilitated.
Therefore, the introduction rate and ratio of the phenol compound can be adjusted by adjusting the intensity of the ultrasonic irradiation to the reaction system.
[0047]
In the step of introducing the phenol compound into the lignin, the contact probability between the lignocellulose-based material or the lignophenol derivative and the acid is improved by irradiating ultrasonic waves, and the introduction step can be performed efficiently. In addition, for example, the introduction rate obtained under the same conditions except for using mechanical stirring is achieved in about 1/4 to about half the time by performing an introduction step involving moderate ultrasonic irradiation. be able to. In addition, both the introduction rate of the phenol compound and the production amount of the lignophenol derivative can be increased by ultrasonic irradiation.
In addition, when ultrasonic irradiation is performed on the affinity mixed system, since the lignocellulose-based material and the phenol derivative have a good affinity, the introduction is more rapid, and the introduction is stable even after the introduction. To the phenol derivative phase to facilitate separation from cellulose.
[0048]
The voltage and frequency of ultrasonic irradiation on the reaction system are not particularly limited, as in the affinity step. The contact probability between the phenol derivative and the lignocellulose-based material can be several tens of seconds to several tens of seconds if the voltage and frequency of the ultrasonic generator that can be used normally (power of about 100 W to about 1500 W, frequency of about 20 kHz to about 40 kHz). Irradiation for about a minute can sufficiently improve.
The irradiation form of the ultrasonic wave is not particularly limited, but may be a state in which the oscillator is penetrated into the liquid phenol derivative, or the oscillator is arranged outside the container containing the liquid phenol derivative and irradiated. You may. Further, similarly to the affinity step, mechanical stirring can be separately added with the ultrasonic irradiation, and the irradiation may be continuous or intermittent. In addition, it is not necessary to use it for the entire time of the introduction step, and it may be used only for a part of the introduction step.
[0049]
(Lignophenol derivative composition)
The water-insoluble fraction (water-insoluble fraction composition) obtained by pouring the acidic reaction mixture obtained in the step (b) into water is a lignocellulose-based material in addition to a secondary or higher-order lignophenol derivative. It contains carbohydrates such as water-insoluble cellulose derived from it and can be said to be a lignophenol derivative-containing composition. In the composition, at least a part of the lignophenol derivative forms a complex with a carbohydrate (cellulose) derived from a lignocellulose-based material. Further, the composition has thermoplasticity.
As described above, the combination of the lignophenol derivative and the carbohydrate such as cellulose in the water-insoluble fraction can be adjusted by a combination of the ultrasonic treatment and the acid strength. At the same time, the introduction ratio and introduction ratio of the phenol compound can be adjusted.
Therefore, it is possible to obtain a lignophenol derivative-containing composition containing a lignophenol derivative in which a desired phenol compound is introduced at a highly controlled introduction rate or ratio, and where necessary, the carbohydrate content ratio is adjusted. .
In addition, in the said composition, since the remaining active C1 position is stably hold | maintained, it is preferable as a material composition used for the following phenol compound derivatization process or another derivatization process. Further, a lignocellulose-based composite which is preferable in that a molded article or the like obtained by imparting a shape to the composition can hold the lignophenol derivative in a state suitable for the next conversion is provided.
[0050]
The secondary or higher secondary lignophenol derivative thus obtained is subjected to a hydroxyl group protection treatment such as an acylation protection treatment, the introduction of a crosslinkable group such as a hydroxymethyl group, or an alkali accompanied by the formation of a coumaran unit. Various other derivatization steps such as treatment can be performed.
[0051]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples. The present invention is not limited to the following examples.
(Example 1)
Preparation of Primary Lignophenol Derivatives (1) Affinity Step-Sorption of Phenol Derivatives Pinewood pine (Pseudosuga menziessi, hereinafter referred to as Douglas fir) is pulverized by an ultracentrifugal mill ZM100 manufactured by Retsh, and then IIDA. An 80 mesh pass wood powder was obtained by sifting through an 80 mesh manufactured by Seisakusho.
This wood flour was extracted with a solution of ethanol: benzene = 1: 2 (V / V) using a Soxhlet extractor for 48 hours. After extraction, the wood flour was spread in a stainless steel vat, and the solvent was completely distilled off in the fume hood. Further, it was dried at 105 ° C. for 24 hours with a blow dryer to obtain absolutely dry wood flour.
[0052]
Wood flour equivalent to 3 g of absolutely dried wood flour was placed in a 100 ml separable flask, and about 30 ml of an acetone solution of p-cresol, a phenol compound, was added (containing 9 mol units of lignin C containing a phenol compound equivalent to 3 mol times). Next, the wood flour was slightly agitated with a stirring wing to remove air bubbles, and the beaker was covered with aluminum foil and parafilm and allowed to stand for about 24 hours. After standing, acetone was completely distilled off by vigorous stirring in a fume hood. The sample from which acetone was distilled off was used as phenol compound sorptive wood flour.
[0053]
(2) Phenol compound introduction step-Sulfuric acid treatment 60 ml of each of 60 wt%, 65 wt%, and 72 wt% sulfuric acid aqueous solution, which has been previously adjusted to 30 ° C., is added to the phenol compound sorptive wood powder that has been affinity-treated in (1). In addition, ultrasonic waves are irradiated by an ultrasonic generator (
[0054]
(3) Deacidification treatment Transfer the contents of the Erlenmeyer flask to a centrifuge tube (made of polypropylene) with deionized water, and centrifuge [8800 rpm (10560 G), 20 min, 5 ° C] to obtain a water-soluble fraction (including suspended matter). Separated into water-insoluble section. After separation, the soluble fraction (including suspended matter) in the centrifuge tube is taken out into a 51 volume Erlenmeyer flask with a Komagome pipette, and the water-insoluble fraction is further added with deionized water, stirred and centrifuged, and the unreacted phenol derivative And the acid were removed as a soluble fraction. After the soluble fraction in a 5 l Erlenmeyer flask was allowed to stand for about 1 day, the supernatant was taken in a beaker with a suction filter bell so as not to disturb the precipitate, and filtered through a glass fiber filter paper whose constant weight had been determined in advance. After that, the constant weight of the suspended matter remaining on the filter paper was measured.
[0055]
(4) Drying of the water-insoluble section The insoluble section after the deoxidation treatment is transferred to a plastic container whose constant weight has been measured in advance using a small amount of deionized water, freeze-dried, and then on phosphorus pentoxide. After drying under reduced pressure, the constant weight was determined and the yield based on the initial wood flour was measured.
[0056]
(5) Observation of the reaction system during ultrasonic irradiation in the introduction step [Ultrasonic treatment using 60 wt% sulfuric acid aqueous solution]
In the reaction system using 60 wt% sulfuric acid, the control sample turned yellow-green immediately after the addition of the sulfuric acid aqueous solution, and turned slightly dark green in about 5 to 6 minutes. Regarding the wood flour particles, wood flour particles were confirmed even after the sulfuric acid treatment. In the ultrasonically treated sample, similar particles were confirmed after the reaction. In addition, when the sulfuric acid aqueous solution was added, no increase in the viscosity of the sample could be confirmed regardless of the presence or absence of ultrasonic irradiation. These results indicate that a 60% aqueous sulfuric acid solution cannot cause sufficient swelling of the plant cell wall. After the aqueous dispersion, the color of the treated sample tended to become red as the treatment time changed to 5 minutes, 10 minutes, and 20 minutes in each of the control sample and the ultrasonically treated sample. In addition, the sonicated sample was darker than the control sample. The red coloration of this sample is derived from the degree of conversion of lignin molecules, which are coloring components in wood.
[0057]
[Ultrasonic treatment using 65 wt% sulfuric acid aqueous solution]
In the treatment using the 65 wt% sulfuric acid aqueous solution, the control sample turned green immediately after the addition of the sulfuric acid aqueous solution, and then turned darker green in about 3 to 4 minutes. In the ultrasonically treated sample, wood powder particles could not be confirmed in about 5 to 6 minutes, but in the control sample, wood powder particles could not be confirmed in the treatment time of 10 to 13 minutes. After water dispersion, the color of each treated sample turned red as the treatment time increased to 5 minutes, 10 minutes, and 20 minutes. As in the case of the 60 wt% sulfuric acid treatment, the sonicated sample was darker than the control sample. In the control sample, a white precipitate section was confirmed when the insoluble section was recovered. This white section was similarly confirmed in the sample subjected to sonication for 5 minutes and 10 minutes, but was not confirmed in the sonication performed for 20 minutes. This white section is considered to be a result of aggregation of the under-hydrolyzed carbohydrate section in the plant cell wall, and the white section of the carbohydrate was not confirmed in the ultrasonically treated sample for 20 minutes. Has been shown to promote hydrolysis. The redness of the phase-separated sample is derived from the degree of conversion of lignin molecules, which are coloring components in wood, as in the case of the 60 wt% sulfuric acid treatment.
[0058]
[Ultrasonic treatment using 72 wt% sulfuric acid aqueous solution]
In the treatment using the 72 wt% sulfuric acid aqueous solution, the color changed to a rather dark green immediately after the addition of the sulfuric acid aqueous solution, unlike the case where the 60% sulfuric acid aqueous solution or the 65% sulfuric acid aqueous solution was added. Thereafter, the color was slightly darkened in about 4 to 5 minutes. Wood powder particles could not be confirmed in about 5 to 6 minutes in the sonicated sample, and could not be confirmed in 9 to 11 minutes in the control sample. After dispersion in water, the color of the sample subjected to phase separation was green. The color of the sonicated sample hardly changed even when the processing time was increased to 5 minutes, 10 minutes, and 20 minutes. However, in the control sample, as the processing time increased to 5 minutes, 10 minutes, and 20 minutes. It turned green. In the control sample, when the treatment time was 5 minutes and 10 minutes, the white section confirmed during the 65 wt% sulfuric acid treatment was confirmed, but when the treatment time was 20 minutes, the white section was not confirmed. . In the ultrasonically treated sample, the white section observed during the 65 wt% sulfuric acid treatment was not confirmed. This indicated that the 72 wt% sulfuric acid aqueous solution had the ability to sufficiently hydrolyze carbohydrates, and that the rate of carbohydrate hydrolysis was accelerated by ultrasonic energy.
[0059]
It should be noted that the change in color after the addition of the lignin acid is a coniferyl aldehyde present at the end of the lignin, which is merely an inference and does not limit the present invention. When one molecule of p-cresol is introduced, it is thought to be caused by the extension of the conjugated system in the molecule. Furthermore, the color changes to dark green with time because p-cresol is sufficiently introduced and various types of conjugated systems are generated, so that the light absorption wavelength can be expanded. It is thought to be caused by The decrease in the brightness of the sonicated sample is considered to be due to the hydrolysis of the carbohydrate, which is a white component, and the dissolution of the carbohydrate in the solvent due to the low-polymerized oligomer-level sugar. . It is considered that the difference in the color of the synthesized phase-separated sample was caused by the difference in the degree of oxidation and the degree of dispersion of the converted lignin molecules.
[0060]
(6) Yield of water-insoluble fraction (lignophenol derivative-containing composition) FIG. 4 shows a graph of the yield of the lignophenol derivative-containing composition per absolutely dry wood powder.
When a 60 wt% sulfuric acid aqueous solution was used, the sonicated sample showed a slightly lower yield than the control sample. It is considered that the decrease in the yield in the 60% sulfuric acid treatment was caused by the fact that the hemicellulose fraction and the amorphous fraction of cellulose in the wood having low acid resistance were hydrolyzed by the acid and flowed out to the aqueous phase.
[0061]
In the case of using a 65 wt% sulfuric acid aqueous solution, the yield of the control sample was almost the same as that of the 60 wt% sulfuric acid treatment, that is, the yield decreased (ie, decreased gradually). On the other hand, the ultrasonically treated sample showed a significant decrease in yield. For the control sample, the aqueous solution of 65% by weight sulfuric acid can swell the crystalline region of cellulose and the hydrolysis of the cellulose section is insufficient, but the outflow of the recellulose section proceeds more than in the case of using 60% by weight sulfuric acid. Is considered to be the cause. The significant decrease in yield in the sonicated sample is due to the promotion of cell wall swelling and hydrolysis by 65 wt% sulfuric acid, which is enhanced by ultrasonic energy and the contact between the carbohydrate section and the acid is increased, thereby promoting the hydrolysis of the carbohydrate section. It is thought that it is caused by having been done.
[0062]
When a 72 wt% sulfuric acid aqueous solution was used, the yield of the control sample showed almost the same tendency as the yield of the ultrasonically irradiated 65 wt% sulfuric acid treated sample. This indicates that the 72% aqueous sulfuric acid solution is capable of causing cell wall swelling and more fully hydrolyzing the carbohydrate fraction. On the other hand, in the case of the ultrasonically treated sample, the yield was not significantly changed even when the treatment time was increased to 5 minutes, 10 minutes, and 20 minutes. It is presumed that the decomposition rate was accelerated and the reaction reached equilibrium in about 5 minutes.
[0063]
(Example 2)
Measurement of Lignin Content in Primary Lignophenol Derivative Composition About 200 mg of each composition of Example 1, which has been sufficiently dried, is precisely weighed in a 10-ml sample tube, and 3 ml of a 72% aqueous sulfuric acid solution is added little by little to a glass. The mixture was added while kneading with a stick, and reacted for 4 hours in a water bath at 20 ° C. with sufficient stirring so that the reaction progressed uniformly. After the reaction, the mixture was quantitatively transferred to a 200 ml Erlenmeyer flask marked 115 ml in advance, and deionized water was added to dilute the sulfuric acid concentration to 3%. The diluted processed product was heated with a gas burner and boiled for 2 hours while appropriately adding deionized water to keep the sulfuric acid concentration at 3%. After the treatment, the content is filtered using a constant-valued 1G4 glass filter, the insoluble matter is washed with hot water, dried at 105 ° C., the constant weight is measured, and the amount of acid-insoluble lignin in the phase-separated sample is measured. I asked. The filtrate was measured for ultraviolet absorption at 205 nm by JASCOV-520, the amount of acid-soluble lignin was determined from the following formula, and the total amount of lignin was calculated as the sum of the amount of acid-soluble lignin and the amount of acid-insoluble lignin.
B = A / (110 × D)
Lignin (%) = B × V × 100 / (1000 × W)
A: Absorbance D: Dilution rate V: Total filtrate volume (ml)
W: Sample weight (g)
[0064]
FIG. 5 shows a graph of the lignin content in the primary lignophenol derivative-containing composition.
Immediately after the addition of the aqueous sulfuric acid solution, blackening was observed in all samples. In the sample using 60 wt% sulfuric acid, there was a sticky viscosity in the early stage of the reaction regardless of the presence or absence of ultrasonic irradiation, but in the case of the 65 wt% and 72 wt% sulfuric acid-treated samples, the viscosity no longer appeared when the acid was added. I was not able to admit. This is because the cell wall did not swell sufficiently at the time of treatment with 60 wt% sulfuric acid, so that the viscosity was generated only after the addition of 72 wt% sulfuric acid in the subsequent stage, and the cell wall had already swelled at the time of treatment with 65 wt% sulfuric acid and 72 wt% sulfuric acid. It is considered that the viscosity did not increase even if 72 wt% sulfuric acid was added in the latter stage.
[0065]
At the stage where the sulfuric acid concentration was diluted to 3 wt%, the ultrasonically treated sample turned blacker than the control sample, but turned red with boiling. This is considered to be because secondary denaturation was suppressed by the conversion of lignin.
As a whole, the longer the processing time in the introduction step, the higher the lignin content tended to be. This corresponds to the fact that the longer the reaction time, the more the carbohydrate is hydrolyzed and the lower molecular weight carbohydrate fraction flows out into the aqueous phase. The acid-soluble lignin showed a higher value than usual. This indicates that the phenol derivative was introduced into the lignin matrix at the C1 position, which is the active side chain, by sonication, and the low molecular weight fraction that could not be self-condensed due to suppression of secondary denaturation flowed out into the filtrate. It is thought to be caused by
[0066]
(Example 3)
Introduction of additional phenolic compound to primary lignophenol derivative (preparation of secondary phenol derivative)
In this embodiment, two kinds of phenol derivatives are introduced into the lignin matrix by a phase separation treatment using another phenol derivative different from the phenol derivative used in the primary treatment. Hereinafter, the frequency of introduction of the phenol derivative introduced into the lignin matrix by the primary conversion process and the secondary conversion process will be compared.
[0067]
A primary treatment composition was weighed in a 50 ml centrifuge tube in a 50 ml centrifuge tube with a prescribed amount (400 mg of a 72 wt% sulfuric acid treatment composition having a small total body weight, 600 mg of a sulfuric acid treatment sample of 65 wt% ultrasonic irradiation irradiation, and 700 mg of the other samples). A phenol compound (using p-ethylphenol as a phenol compound and using a mixed medium of p-ethylphenol: benzene = 7: 3) in a prescribed amount (4 ml of a 72 wt% sulfuric acid-treated composition having a small total body weight, ultrasonic wave) 6 ml of the irradiated 65 wt% sulfuric acid-treated composition and 7 ml of the others were added, and the mixture was stirred for about 10 minutes by hitting with a stirring blade. Thereafter, a prescribed amount of a 72 wt% sulfuric acid aqueous solution which had been previously heated to 30 ° C. was added (8 ml for a 72 wt% sulfuric acid-treated composition having a small total body weight, 12 ml for a 65 wt% sulfuric acid-treated composition with ultrasonic irradiation, and 14 ml for the other). After stirring for about 1 minute, the mixture was placed on a stirrer and stirred in a 30 ° C. water bath for a total of 60 minutes (500 rpm). After stirring, the mixture was separated into an organic phase and an aqueous phase by centrifugation (25 ° C., 3500 rpm (2200 G), 3 minutes).
[0068]
150 ml of diethyl ether was added to a 200 ml Erlenmeyer flask, and the organic phase was added dropwise while cooling with water and stirring vigorously with a stirrer. Then, a few ml of a phenol derivative was added to the reaction vessel for washing the interface, and centrifugation [25 ° C., 3500 rpm (2200G) for 3 minutes], and the organic phase was added dropwise to ether. Washing was performed three times in total. Then, the mixture was stirred until the oily substance settled out and the supernatant liquid became clear. However, when the supernatant was not cleared even after stirring for 1 hour, insolubles were collected by centrifugation [5 ° C., 3500 rpm (2220 G), 10 minutes]. The supernatant was removed, and the precipitate and the vessel were further washed twice with about 15 ml of diethyl ether. Then, 40 to 60 ml of acetone was added to the precipitate, and the mixture was stirred until completely dissolved, and transferred to a centrifuge tube. And washed with acetone. The supernatant was transferred to a centrifuge tube, centrifuged (5 ° C., 3500 rpm (2220 G), 5 minutes), and then filtered using a glass fiber filter paper. Thereafter, the mixture is transferred to a 100 ml eggplant-shaped flask, concentrated to about 10 ml by an evaporator, dropped into diethyl ether, and the formed sediment is collected by centrifugation [5 ° C., 3500 rpm (2220 G), 5 minutes], and precipitated for washing. The product was added with diethyl ether and washed about three times.
The resulting precipitate was stored at room temperature in a dark place for 1 day to remove diethyl ether. Thereafter, the solution was dried under reduced pressure over nirin pentoxide in a centrifugal tube, the constant weight was measured, and the yield was determined. This was designated as a secondary lignophenol derivative.
[0069]
(Example 4)
Amount of first and second phenol derivatives introduced About 20 mg of various secondary lignophenol derivatives and about 3 mg of p-nitrobenzaldehyde (PNB) as an internal standard substance were placed in a screw vial with an lmI Teflon (registered trademark) liner. The mixture was precisely weighed, and 150 μl of deuterated pyridine was added thereto using a 1 ml volume pipette to dissolve completely. After dissolution, 450 μl of deuterated chloroform containing 0.03% of tetramethylsilane was added using a 1 ml volume pipette. After confirming complete dissolution, the sample solution was filtered with cotton, put into an NMR measurement tube (
[0070]
In the obtained NMR chart, it was recognized that the proton signal of the methyl group of p-cresol introduced in the primary treatment and the proton signal of the ethylene group of the p-ethylphenol nucleus introduced in the secondary treatment overlapped. For this reason, the amount of p-cresol to be introduced is classified at the boundary (2.30 ppm) between the proton signal of the methyl group of p-cresol and the proton signal of the ethylene group of p-ethylphenol, and the integrated value of p-cresol is calculated. The proton signal amount of the methylene group of p-ethylphenol was calculated from the calculation formula (2) to be calculated and the integral value of the methyl proton signal of the ethyl group in p-ethylphenol (1.40 to 0.80 ppm). The introduced amount was determined from the formula (3) for correcting the introduced amount of the p-cresol nucleus, and the introduced phenol amount was determined from these formulas using the formula (4).
The amount of p-ethylphenol introduced was determined by the following equations (1) and (4).
[0071]
(Equation 1)
Formula (1)
(Equation 2)
Formula (2)
[Equation 3]
Formula (3)
(Equation 4)
Formula (4)
[0072]
IWt (%): Introduced phenol (Wt%)
Pwt: weight of PNB (mg)
Pm: molecular weight of PNB = 151
Pn: number of aromatic nuclei in PNB = 4
Pi: Integral value of a region showing an aromatic nucleus 4H signal in PNB (8.40 to 7.80 ppm) Ci: Integral value of a region showing a methyl 3H signal in p-cresol (2.30 to 1.80 ppm) Cn: Proton number of methyl group in p-cresol = 3
Cm: molecular weight of p-cresol = 108
Ei: integrated value of a region (1.40 to 0.80 ppm) of methyl 3H signal of ethyl group in p-ethylphenol En: number of methyl protons of ethyl group in p-ethylphenol = 3
Em: molecular weight of p-ethylphenol = 122
si: integrated value of a region (2.60 to 1.80 ppm) indicating a signal of a methyl proton signal of p-cresol and a signal of a methylene proton of an ethyl group in p-ethylphenol Lwt: weight of lignofer Imo1 / C 9 : amount of introduced phenol Is (mo1 / C 9 )
Lm: molecular weight of 1 unit of lignin = 2000 (conifer)
[0073]
6 and 7 show the amount of p-cresol introduced into the secondary lignophenol derivative, and FIG. 8 shows the amount of p-ethylphenol introduced. 9 and 10 show the amounts of p-cresol and p-ethylphenol introduced together. 6 and 7 are based on the amounts of p-cresol introduced, which were determined by the equations (2) and (3), respectively. Similarly, FIGS. 9 and 10 are based on the amounts of p-cresol introduced, which are obtained by the calculation formulas (2) and (3), respectively.
[0074]
As shown in FIGS. 6 to 10, the introduction of the second phenol compound, p-ethylphenol, was confirmed in all the secondary lignophenol derivatives. As shown in FIG. 8, the control sample showed a higher p-ethylphenol introduction amount at any acid concentration. This indicates that the introduction of p-cresol, which is the first phenol compound into lignin, was promoted by ultrasonic irradiation during the primary treatment, and the remaining active side chains in the primary lignophenol derivative were reduced. ing.
[0075]
Focusing on the amount of p-cresol introduced as the first phenol compound, no significant difference was observed between the 60% by weight sulfuric acid-treated samples. Also, in the case of the 65 wt% sulfuric acid-treated sample, the introduction amount was slightly larger in the ultrasonic treatment sample. On the other hand, in the case of the 72 wt% sulfuric acid-treated sample, the introduction amount was larger in the ultrasonic treatment sample, but in all cases, the increase in the introduction amount was stopped in about 10 minutes. This is because the 72 wt% sulfuric acid sufficiently swells the plant cell wall and promotes the decomposition of lignin, and the low molecular weight fraction in the secondary lignophenol derivative where the amount of the phenol compound introduced is high is the ether-soluble fraction. It seems that it was leaked in minutes. The introduction amount of the ultrasonically treated sample tended to decrease after 10 minutes, and the introduction amount of the control sample tended to increase after 10 minutes.
[0076]
As shown in FIGS. 9 and 10, the total amount of the introduced phenol compound was the highest in the 72 wt% sulfuric acid-treated sample. This is because the complex state of cellulose and lignin was sufficiently relaxed during the primary conversion, the accessibility of the phenol compound and acid to lignin was improved, and the phenol compound in the primary lignophenol derivative was highly introduced. It can be said that it is a result.
Further, as is clear from FIGS. 9 and 10, the higher the strength of the acid used in the primary treatment, the higher the introduction rate of the first phenol compound and the lower the introduction rate of the second phenol compound. The ratio of the first phenol compound to the second phenol compound changed significantly.
Furthermore, when the control sample and the sonicated sample that were not subjected to the sonication were compared, in the sonicated sample, the introduction amount of the first phenol compound was high as a whole, and the total amount of the introduction amount was also high. .
According to the above results, the amount of the phenol compound introduced in each step can be adjusted by changing the strength of the acid used, the presence or absence of ultrasonic treatment, and the like in the primary conversion step and the secondary conversion step. It was found that the introduction ratio of two or more phenol compounds could be controlled. In particular, it has been found that it is preferable to introduce a phenol compound which is desired to obtain a relatively large amount of introduction in the primary conversion step in which high intensity and ultrasonic irradiation are performed. Further, in order to approximate or highly control the introduction ratio of two or more phenolic compounds, in the first step or the preceding step, the ultrasonic treatment conditions or ultrasonic treatment are performed under moderate or weak acid strength. It was also found that it was possible by controlling the presence or absence of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing various lignophenol derivatives obtained by introducing a phenol compound into lignin of a lignocellulosic material.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing that various secondary lignophenol derivatives can be obtained by performing a primary conversion step (step (a)) and a secondary conversion step (step (b)).
FIG. 3 is a view showing a process flow of one method of the present invention for performing the step (a) and one step (b).
FIG. 4 is a graph showing the yield of a composition containing a lignophenol derivative per absolutely dry wood powder.
FIG. 5 is a graph showing a lignin content in a primary lignophenol derivative-containing composition.
FIG. 6 is a graph showing the amount of p-cresol introduced into a secondary lignophenol derivative obtained in an example (based on calculation by calculation formula (2)).
FIG. 7 is a diagram showing the amount of p-cresol introduced into the secondary lignophenol derivative obtained in the example (based on calculation by calculation formula (3)).
FIG. 8 is a graph showing the amount of p-ethylphenol introduced into a secondary lignophenol derivative obtained in an example.
FIG. 9 is a diagram showing the amounts of p-cresol and p-ethylphenol introduced into the secondary lignophenol derivative obtained in the example (based on calculation by calculation formula (2)).
FIG. 10 is a graph showing the amounts of p-cresol and p-ethylphenol introduced into the secondary lignophenol derivative obtained in the example (based on calculation by calculation formula (3)).
Claims (13)
以下の工程:
(a)第1のフェノール化合物で予め親和したリグノセルロース系材料に酸を添加して第1次リグニンフェノール誘導体を得る工程、及び
(b)第(n+1)のフェノール化合物で予め親和した前記n次リグニンフェノール誘導体に酸を添加して第(n+1)次のリグニンフェノール誘導体を得る工程、
を備え、nが1からN(Nは1以上の整数である)までの計N回の前記(b)工程を順次実施し、各(b)工程において第(n+1)次リグニンフェノール誘導体を得る方法。A method for producing a phenol derivative of lignin,
The following steps:
(A) a step of adding an acid to a lignocellulosic material preliminarily affinityd with a first phenolic compound to obtain a primary lignin phenol derivative; Adding an acid to the lignin phenol derivative to obtain the (n + 1) th lignin phenol derivative;
The above (b) steps are sequentially performed a total of N times from 1 to N (N is an integer of 1 or more), and an (n + 1) -th lignin phenol derivative is obtained in each step (b). Method.
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