JP2010520157A - リグニンの分解法 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで提案する本発明の方法は、これまでの手法からは、思想の点で顕著に異なっている。
本発明で示す方法によって、その由来及び前処理に関わり無く全てのリグニンタイプのものから化学品を得ることができる。例えば、有機溶媒又は無機溶媒中の溶解性を変えるために、用いるリグニンの制御された前処理を行なうこともできる。既に部分的に分解されたリグニンを用いることもできる。リグニン含有バイオマス、例えば、木材を、そのバイオマスに含まれるリグニンを前もって除去することなく用いることもできる。
ポリオキソメタレートは、金属-酸素クラスターアニオンの化合物群の一部を形成している。ポリオキソメタレートは、他の性質のなかでも、その通常簡単な合成、その構造の修飾可能性、及びその特異的な酸化還元(レドックス)挙動について特に目立つ。多くの反応系にとって重要な鍵となる特性、例えば、有機/無機媒体中での溶解挙動、酸化還元電位及びpHは、制御した合成によって調節されうる。ポリオキソメタレートはここでは、全ての成分を所望の化学量論比で含む酸性水溶液を加熱することによって、一段階で通常は合成される。ポリオキソメタレート、又はポリオキソメタレート混合物は、したがって、用いた成分の量に起因して生じる。したがって、非常に多くの種類のポリオキソメタレートが存在することもまた明らかとなる。文献には、次の2つの用語が、構造的に異なるポリオキソメタレートに対して確立されている:「イソポリアニオン」及び「ヘテロポリアニオン」。これらのアニオンは以下の一般的な実験式によって表される。
[MmOy]p− イソポリアニオン
[XxMmOy]q− (x ≠ m) ヘテロポリアニオン
[SiW12O40]4− 12−タングストシリケート
H3[PMo12O40] 12−ホスホモリブデン酸
本発明の好ましい態様では、1種以上の成分をフリーラジカル捕捉剤として用いる。
リグニンの構造は、工業にとって興味ある多数の通常のフェノール性化合物を含んでいる。本発明の目的は、これらのフェノール性化合物をリグニンから直接、経済的に興味ある量で得ることである。
・ 上述した態様にしたがうリグニンの転化(反応段階)
・ 反応媒体からの生成物の取り出し(例えば、抽出による)
・ 生成物の処理(生成物混合物の分離)
・ フリーラジカル捕捉剤の除去(例えば、蒸留による)
・ フリーラジカル捕捉剤のリサイクル
・ 目的生成物に転化されていないリグニン断片を、酸素を用いて酸化して二酸化炭素と水にすること
・ 目的化合物に転化されていないリグニン断片又はリグニンの、エネルギーを生産するための使用(例えば、酸化による熱エネルギー)
・ POMの再酸化又は再生(一般には、リグニン断片の酸化と同時に)
・ 反応工程へのPOMのリサイクル
・ 目的に適った時点での固体の排出(例えば、ろ過による)
・ 目的に適った時点での溶媒の添加
・ 目的に適った時点での溶媒の排出
分子状水素、パーオキシド(例えば、過酸化水素又はジベンゾイルパーオキシド)、アルコール(例えば、メタノール及び/又はエタノール)、安定化されたフリーラジカル(例えば、ニトロキシルラジカル)、有機酸(例えば、アスコルビン酸)、フェノール(例えば、ブチルヒドロキシトルエン)、エーテル(例えば、ジメチルエーテル)、エステル(例えば、酢酸エチル)、酸無水物(例えば、無水酢酸)、又はそのようなシステムの混合。
試験01〜11及びブランク試料(表1を参照されたい)
典型的な試験では、9.13gのPOM(H3PMo12O40)を100mlの水又は水/アルコール混合物に溶かしたが、これは正式に0.05モル溶液に相当する。これを次に500mlのオートクレーブ(Premex Reactor AG, Lengnau, Switzerland)に移した。反応器を閉じる前に、1gの粉状のリグニンを添加した。最初に存在する空気を置換するために、この反応混合物を次に5barの酸素又は窒素と3回接触させて、換気した。最後に、反応器を5barの酸素又は10barの窒素で満たした。反応混合物を、8K/分の速度、1200rad/分の撹拌速度で、170℃に加熱した。混合物を170℃に20分間保った。液相を20分後に取り出した。これに続いて、水冷冷却コイルを通しての試料採取を行った。試料は一度濾過し、次に10mlのクロロホルムで3回抽出した。30μlのn−デカンをGC−MS分析(Fisons instruments GC8000/MD800; Restek社からのカラム Rtx-5MS 30 m x 0.25 mm x 0.25 μm)のための内部標準として有機相に添加した。
試験12の試験方法は、Wuらと同様にした。10gのリグニンを100mlの3モル水酸化ナトリウム溶液に溶かした。この溶液を500mlのオートクレーブに添加し、500mgの硫酸銅と50mgの塩化鉄とからなる触媒システムを添加した。最初に存在する空気を置換するために、反応器を閉じ、10barにて3回酸素で満たし空にした。次に、反応容器を13.2barの酸素を用いて圧力下に置いた。反応混合物を8K/分の速度で、1200rad/分の撹拌速度にて、170℃に加熱した。この混合物を170℃に20分間保った。液相を20分後に抜き出した。サンプリングは水冷冷却コイルを通して行った。
Claims (17)
- 液体媒体中にて、すくなくとも1種のポリオキソメタレートの存在下で、リグニン、リグニン誘導体、リグニン断片及び/又はリグニン含有物質又は混合物の分解によって、78g/モルの最小分子量をもつ分子類を直接製造する方法。
- 少なくとも前記分解時にフリーラジカル捕捉剤を用い、前記フリーラジカル捕捉剤は好ましくはフリーラジカル、例えば水素原子を提供し、及び/又はリグニン断片の再重合もしくは結合反応を防止又は少なくとも妨害するシステム又はシステムの混合であり、前記フリーラジカル捕捉剤はガス状、液状、及び/又は固体で使うことができ、且つ前記フリーラジカル捕捉剤は特に以下の:
分子状水素、パーオキシド(例えば、過酸化水素)、アルコール(例えば、メタノール及び/又はエタノール)、有機酸(例えば、アスコルビン酸)、フェノール(例えば、ブチルヒドロキシトルエン)、安定化されたフリーラジカル(例えば、ニトロキシルラジカル)、又は前記のシステムの混合、
から好ましくは選択されることを特徴とする、請求項1記載の方法。 - 第二の液相を混合物に添加し、前記第二の液相は第一の媒体と顕著に異なる極性を好ましくは有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
- 金属触媒、特に、遷移元素含有触媒の群からの、好ましくはVIIIB族の金属及び/又はIB族の金属を含むものの群からの金属触媒を追加して用い、前記触媒は好ましい多孔質基材上及び/又は多孔質基材中に結合されていることができることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応を、不活性ガス下、酸素含有ガス相下、水素含有ガス相下、又はオゾン含有ガス相下で、0〜300barの範囲の圧力で行なうことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応を0℃〜500℃、好ましくは25℃〜300℃の温度範囲で行うことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 用いた前記ポリオキソメタレートの少なくとも1つがケギン(Keggin)構造を有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 用いた前記ポリオキシメタレートの少なくとも1つが下記式(I)又は(II):
(I) [Y3−18]n+[X1−4M1−36O10−60]n−
(II) [Y3−18]n+[M1−36O10−60]n−
(式中、それぞれの「X」は、原子、又は4つより少ない原子を有する分子から選択され、原子は好ましくはP、Si、As、Ge、B、Co、S、及びFeからなる群からのものであり、それぞれの「M」は金属、好ましくは、Mo、W、V、Ti、Co、Cu、Zn、Fe、Ni、Mn、Cr、ランタニド、Ce、Al、Ga、In、及びTlから選択され、「Y」は対カチオンを表し、好ましくは、H、Zn、Co、Cu、Bi、Na、Li、K、Rb、Cs、Ba、Mg、Sr、アンモニウム、C1−12−アルキルアンモニウム及びC1−12−アルキルアミンから選択され、「n」は整数である。)
で表されることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ポリオキソメタレートが下記式(III):
(III) [Yy]n+[XM12O40]n−
(式中、「X」は、Si、P、及びGeからなる群から選択され、「M」は、Mo、V、及びWからなる群から選択され、対カチオン「Y」は、H、Zn、Co、Cu、Bi、Na、Li、K、Rb、Cs、Ba、Mg、Sr、アンモニウム、C1−12-アルキルアンモニウム、及びC1−12-アルキルアミン、及びそれらの組み合わせからなる群から選択され、「n」及び「y」は整数である。)
で表されることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ポリオキソメタレートが基材上に、特に好ましくは二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、活性炭、又はゼオライト上に結合されており、前記基材が好ましくは多孔質であり且つ前記ポリオキソメタレートの一部は前記基材の孔の中に存在することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記分子類が少なくとも1つのベンゼン環、多くても3つ以下のベンゼン環を有することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記分子類の少なくとも1つがバニリン又はバニリン誘導体、例えば、メチルもしくはエチルエステルであることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ポリオキソメタレートがH3PMo12O40であり、前記液体媒体が水であり、且つ、アルコール系フリーラジカル捕捉剤を用い、アルコール系フリーラジカル捕捉剤はメタノール及び/又はエタノールから選択されることが好ましく、水とアルコール系フリーラジカル捕捉剤との体積比が特に好ましくは1:10〜10:1の範囲であり、圧力が好ましくは2barよりも高いことを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記液体媒体が水、場合により、液状のフリーラジカル捕捉剤と組み合わせた水であることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
- ポリオキソメタレート又はポリオキソメタレート混合物が前記液体媒体中に溶けており、その濃度が好ましくは0.01モル/L〜1モル/Lの範囲であることを特徴とする、請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法。
- 前記分子類が、前記反応媒体から、特に好ましくは抽出及び/又は蒸留によって、前記分子類へのリグニンの分解中又は分解後に取り出されることを特徴とする、請求項1〜15のいずれか一項に記載の方法。
- フリーラジカル捕捉剤を少なくとも前記分解時に用い、
前記フリーラジカル捕捉剤は、間接又は直接にフリーラジカルを提供し且つリグニン断片の再重合もしくは結合反応を防止又は少なくとも妨害するシステム又はシステムの混合であり、
前記フリーラジカル捕捉剤はガス状、液状、及び/又は固体で使うことができ、且つ前記フリーラジカル捕捉剤は特に好ましくは以下の:
分子状水素、パーオキシド(例えば、ジベンゾイルパーオキシド又は過酸化水素)、アルコール(例えば、メタノール及び/又はエタノール)、安定化されたフリーラジカル(例えば、ニトロキシルラジカル)、有機酸(例えば、アスコルビン酸)、フェノール(例えば、ブチルヒドロキシトルエン)、エーテル(例えば、ジメチルエーテル)、エステル(例えば、酢酸エチル)、酸無水物(例えば、無水酢酸)、又はそのようなシステムの混合、
から選択されることが好ましい、
ことを特徴とする、請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
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