JP2015209411A - ヒドロキシメチルフルフラールの合成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セルロースを含むバイオマスやグルコース等の糖類から、ヒドロキシメチルフルフラールの高効率合成方法を提供する。【解決手段】ヒドロキシメチルフルフラールを効率的に合成する方法であり、原料として、セルロースを含むバイオマスやグルコース等の糖類を使用し、当該原料の混合物または水溶液を所定の温度圧力条件の高温高圧の水等で糖化しつつ、水等中で、有機塩を触媒としつつ、温度２００℃〜５００℃の範囲で急速に昇温させて反応を行うことによりヒドロキシメチルフルフラールを合成する。水に溶解するグルコース等の糖類はもとより、原料にパルプ等の水に溶けないセルロースを含むバイオマスを原料にでき、更にフミン化合物等の精製による沈殿物が殆ど無く、反応時間（滞留時間）は１０分以内と短時間で、ＨＭＦの選択率、収率が高い。【選択図】なし

Description

本発明は、５−ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）の製造方法に関する。さらに詳しくは、木質バイオマスを直接の原料として、効率的にＨＭＦを製造する方法に関する。本発明は、セルロースやグルコース、フルクトースを含む木質バイオマス原料から、当該原料にアルコール等を含む高温高圧水を用いた処理を施すことにより、木質バイオマスに含まれるセルロース、ヘミセルロースがグルコース、フルクトースへと糖化分解されると同時に、脱水反応を起こしＨＭＦを安定的に合成する新技術を提供するものである。

従来、バイオマスに含まれるセルロース等を水熱条件等で処理すると、主に炭素数が１個から６個の炭化水素を基本骨格とした多くの化合物が得られる。その化合物の中で、おもにＨＭＦは、炭素数は６個で、化１に示した化合物を経由して得られること（ＨＭＦ生成ルート）が知られている。

近年ＨＭＦが注目される理由として次の点が挙げられる。石化資源を経ずバイオマスを原料として容易に得られる化合物の一つであり、各種生理活性が見られることが最近の研究により報告され、環境にやさしい製造を目指す各種メーカーにとって、医薬品やその原料、そし各種化学原料や燃料改質剤等としての利用価値が急激に上がってきたことがある。実際、ＨＭＦを医薬品や機能性食品、化粧品、浴用品、医薬部外品に配合することで、安全性が高く容易に製造することができる新しい抗アレルギー剤、抗炎症剤を調整したり（特許文献１）、ＨＭＦを混合した鋳型造型用粘結剤（特許文献２）、その他ＨＭＦを原料としてバイオプラスチック、医薬、農薬、殺虫剤、抗菌剤、香料、バイオ燃料等を製造することができる（特許文献３）。

ＨＭＦの合成は、様々な特徴のある手法を用いた合成方法が、特許文献４〜８、非特許文献１〜４等にて報告されている。しかし、現時点でＨＭＦの製造方法は、フルフラールにホルムアルデヒドでヒドロキシメチル化させて合成するもので、ＨＭＦ生成ルートは用いられていない。理由はフルクトースからの脱水で容易に得られるが、フルクトースは高価であること、又グルコースからの収率が低いことが挙げられる。

この問題を解決するため、グルコースからＨＭＦへの合成において、様々な手法が開発されている。手法は、溶媒の改良による方法、酸触媒の改良による方法の２つに大別される。溶媒の改良については、イオン液体を用いる手法が、多く報告されている。即ち、室温で液体の塩を溶媒として用い、そこに硫酸やＣｒなどの酸触媒を用いる（非特許文献１）。しかし、フルクトースを原料とした場合は、塩化ブチルメチルイミダゾリウム塩を媒体にして、硫酸を酸触媒とし、120℃で30分の反応で、96％のＨＭＦ収率を誇るが、グルコースを原料にすると途端に収率は11％となる（非特許文献２）。そのため、塩化クロムを触媒に添加することで、グルコースからの収率を91％に改善させている。しかし、更に原料をセルロースとした場合は、0％とＨＭＦは生成しない（非特許文献３）。そのため、更に塩酸を触媒に加えることで、53％の収率を得ている（非特許文献４）。

イオン液体を用いる場合は、イオン液体自体が特殊な溶媒で、価格が通常の溶媒と比べて著しく高価であり、更にＣｒを触媒にするため、ＨＭＦを原料とした医薬品などに用いるには、好ましくない。また、これら以外の報告でも、特にセルロースを原料としたときにＨＭＦの収率は高くない。

特開２０１０−２４８１０７号公報 特開２０１３−２１２５３６号公報 特表２０１１−５０６４７８号公報 特開２０１３−２３１０６１号公報 特開２００９−０５７３４５号公報 特開２００７−１４５７３６号公報 特開２００５−２００３２１号公報 特開２００５−２３２１１６号公報

Malgorzata E. Zakrzewska, Ewa Bogel-Lukasik, and Rafal Bolgel-Lukasik，Ionic Liquid-Mediated Formation of ５−Hydroxymethylfurfural - A Promising Biomass-Derived Building Block -, Chemical Review, 2011, 111, ｐ.397-417 C. Sievers, I. Musin, T. Marzialetti, M. B. Valenzuela-Olarte, P. K. Agrawal, C. W. Jones, ChemSUSChem, 2009, 2, ｐ.665 S. Lima, P. Neves, M. M. Antunes, M. Pillinger, N. Ignatyev, A. A. Valente, Applyied Catalysis, A, 2009, 363, ｐ.93 J. B. Binder, R. T. Raines, Journal of American Chemical Society, 2009, 131, ｐ.1979

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、セルロースを原料として、環境にもやさしく、入手が容易な水等を媒体にしつつ、Ｃｒなどの触媒を用いることなく、効率的にヒドロキシメチルフルフラールを製造する方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、水等の溶媒を用いて、比較的安価なアンモニウム塩などの有機塩とごく微量有機酸を触媒とし、かつ高温高圧条件下で、複数段階に反応温度を変化させたところ、セルロースからＨＭＦを比較的短い反応時間で高い収率で合成する方法を見出すことに成功し、本発明を完成するに至った。

本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料又は該原料の分解物から５−ヒドロキシメチルフルフラールを製造する方法であって、高温高圧下で、セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料の水溶液または水分散液或いは該原料を分解して得られた各種糖を含む水溶液に、有機酸を加えて反応させてなる反応液を、触媒としての４級アンモニウム塩の存在下で、水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒に混合して、前記反応液の反応温度とは温度を変えて反応させることを特徴とする５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

［２］前記反応液として、セルロースおよびオリゴ糖を含む原料の水溶液または水分散液或いは該原料を分解して得られた各種糖を含む水溶液に、カルボン酸を加えてなる反応液を用い、該反応液を前記水又はアルコール又は水とアルコールの混用溶媒に混合する前と後を含めた少なくとも２段階以上の複数段階で反応温度を変化させながらさらに反応させることを特徴とする上記［１］に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

［３］Ｔ字型マイクロミキサーを含む高温高圧用のマイクロ反応デバイスを用いて、前記反応液を、前記の水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒に急速に混合するとともに、温度を急速に変化させて、前記反応液を反応させることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

［４］前記セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料が、杉、ユーカリ等の木質由来のバイオマスであることを特徴とする上記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

［５］前記オリゴ糖が、グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトースの少なくとも１種類以上の単糖類から構成されるオリゴ糖であることを特徴とする上記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

［６］前記オリゴ糖が、スクロース、ラクトース、マルトース、トレハロース、ツラノース、セロビオースの少なくとも１種類以上の二糖類であることを特徴とする上記［１］〜［５］のいずれ１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

［７］前記単糖類が、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトースの少なくとも１種類以上であることを特徴とする上記［１］〜［６］の何れかに１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

［８］前記アルコールが、炭素数１〜１０の脂肪族系アルコールまたは芳香族系アルコールであって、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、フェノール、ベンジルアルコール、サリチルアルコール、クミニルアルコール、フェネチルアルコールのいずれか１種類以上を含むことを特徴とする上記［１］〜［７］のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

［９］前記混合溶媒を、２００〜４００℃、かつ０．１〜５０ＭＰａの条件下で混合することを特徴とする上記［１］〜［８］のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

［１０］前記４級アンモニウム塩が、テトラブチルアンモニウム塩、トリオクチルメチルアンモニウム塩、又はベンジルジメチルオクタデシルアンモニウム塩であって、アンモニウムクロライド、アンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムヨージド、テトラブチルアンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムクロライド、テトラブチルアンモニウムフロリド、ヒドロキシテトラブチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート、テトラブチルアンモニウム硫酸、テトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレートのいずれか１種類以上の塩であることを特徴とする上記［１］〜［９］のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

［１１］前記有機酸が、カルボン酸であることを特徴とする上記［１］〜［１０］のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

［１２］前記カルボン酸が、ギ酸、酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、プロピオン酸、シュウ酸のいずれか１種類以上であることを特徴とする上記［１１］に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。

水に溶解するグルコース等の糖類はもとより、原料にパルプ等の水に溶けないセルロースを含むバイオマスを原料にできる。一般的に糖類の水熱分解で得られる不純物の一つで、水不溶のフミン化合物等による沈殿物が殆ど無い。更に、生成したＨＭＦの水酸基がアルコールとエーテル結合を形成すること、またはアルデヒド基がアセタールを形成して保護されることにより、ＨＭＦの多量化等を防ぐため、これらの不純物の生成が少ない。更に金属触媒等の塩を含まず、安価な４級アンモニウム塩を用いることが出来、コストもあまりかからない。結果として、フロー式またはパーコレート式の場合は、反応時間（滞留時間）自体が１０分以内と短時間でありながら、ＨＭＦの選択率、収率が高くなる効果が得られる。

実施例１で使用する反応装置の概略図。 実施例１での反応時間に対するＨＭＦの重量収率を示す。 実施例２での反応時間に対するＨＭＦの選択率を示す。 実施例２で使用する反応装置の概略図。 実施例２での反応時間に対するＨＭＦの重量収率を示す。 実施例３での水・エタノール濃度に対するＨＭＦの収率を示す。 実施例４での触媒濃度に対するＨＭＦの収率を示す。 実施例５での各種触媒に対するＨＭＦの収率を示す。 実施例６での反応圧力に対するＨＭＦの収率を示す。

本発明は、高温高圧下で、セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料の水溶液または水分散液或いは該原料を分解して得られた各種糖を含む水溶液に有機酸を加えて反応させてなる反応液を、触媒としての４級アンモニウム塩の存在下で、水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒に混合して、前記反応液の反応温度とは温度を変えて反応させることによる５−ヒドロキシメチルフルフラールを製造する方法である。

本発明において、原料としては、セルロースやグルコース、フルクトースを含む木質バイオマス、草本系バイオマス原料を用いることができる。木質バイオマスは主にセルロースからなり、その他ヘミセルロースとリグニンを含んでいる。バイオマスには、糖類として、単糖類、二糖類、三糖類、四糖類、オリゴ糖、多糖類が存在する。単糖類としてヘキソースに属する、アルドース類（アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース）、ケトヘキソース類（プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトース）、ヘキソースからなる二糖類（ショ糖、ラクツロース、乳糖、麦芽糖、トレハロース、セロビオース等）、同様に三糖類、四糖類、オリゴ糖、その他セルロースを含む多糖類を例示できる。また、これらの成分は水溶性で有る必要は無い。

本発明は、前記セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料が、杉、ユーカリ等の木質由来のバイオマスであること、即ち木質バイオマスを原料とすることが好ましい。

前記オリゴ糖が、グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトースの少なくとも１種類以上の単糖類から構成されるオリゴ糖である。

前記オリゴ糖が、スクロース、ラクトース、マルトース、トレハロース、ツラノース、セロビオースの少なくとも１種類以上の二糖類である。

前記単糖類が、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトースの少なくとも１種類以上である。

本発明は、前記反応液として、セルロースおよびオリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料の水溶液または水分散液或いは該原料を分解して得られた各種糖を含む水溶液に、有機酸を加えて高温高圧下で、反応させてなる反応液を用いる。該反応液を前記水又はアルコール又は水とアルコールの混用溶媒に混合する前と後を含めた少なくとも２段階以上の複数段階で反応温度を変化させながらさらに反応させることがより好ましい。

前記２段階以上の複数段階で反応温度を変化させなるとは、反応液を水又はアルコール又は水とアルコールの混用溶媒に混合する前と後を含めた段階で、反応させる温度を少なくとも二段階に変化させることをいう。まず最初の第一段階は、酸糖化と抽出によるセルロースを糖化する過程である。

次の第二段階は、糖化された糖類を、反応溶媒と触媒とで転位・脱水反応させ、ＨＭＦを合成する段階である。この際に、反応は第一段階よりも高い反応温度で行うことが好ましい。なかでも急速に昇温させないと、糖類の脱水、レトロアルドール反応等を起こして不純物を多く生成するため、マイクロミキサー等を用いて短時間で所定の温度にして反応を起こさせるのがより好ましい。

本発明における反応方法は、原料の糖化分解と同時に、脱水反応を行える方法ならば、バッチ式、フロー式、パーコレート式のいずれの方法でも行うことができる。なかでもフロー式が反応、処理効率が良いので好ましい。

本発明において、高温高圧とは、一般に、高温高圧水ならば、超臨界状態ないし亜臨界状態の水をいう。水の超臨界状態とは、水の臨界点（臨界温度Ｔｃ＝３７４度、臨界圧力Ｐｃ＝２２．１ＭＰａ）を超えて、液体と気体の境界線がなくなった状態のことをいう。また、亜臨界状態とは、温度が１５０℃以上３７４℃未満、圧力が０．４ＭＰａ以上２２．１ＭＰａ未満の状態で、液体と気体が併存した状態のことをいう。

本発明においては、反応溶媒として水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒を用いる。なかでも、水、又は水とアルコールの混合溶媒を用いるのが、ＨＭＦの収率からしてより好ましい。混合溶媒の場合は、アルコールが０を超え９５質量％であるのが好ましく、０を超え７０質量％であるのがより好ましく、１０〜５０質量％であるのが更により好ましい。

反応溶媒に使用する水としては、水道水、蒸留水、イオン交換水、純水、超純水等が挙げられるが、反応収率を向上させるためには、イオン交換水、蒸留水、純水、超純水を使用することが好ましく、イオン交換水、蒸留水、純水、超純水を脱気した状態で使用することがより好ましい。

反応溶媒として用いるアルコールとしては、炭素数１〜１０の脂肪族系アルコールまたは芳香族系アルコールを用いることができる。脂肪族アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、芳香族系アルコールとしては、フェノール、ベンジルアルコール、サリチルアルコール、クミニルアルコール、フェネチルアルコールなどが例示でき、これらのいずれか１種類以上を含む。なかでも脂肪族系アルコールのメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノールを用いるのがより好ましい。

反応温度は、実際は、１００℃〜５００℃の範囲で行うことが可能であるが、反応の内容に応じて好適な温度を選べばよい。好ましくは、２００℃〜４００℃の範囲である。原料の糖化分解における反応、即ち糖化部分で１５０℃〜２５０℃、次の転位・脱水部分で２５０℃〜３５０℃あるのが好ましい。

反応圧力は、本発明の製造方法を実施することができる範囲のものであれば特に限定されないが、０．１ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲が好ましい。５ＭＰａ〜４０ＭＰａの範囲がより好ましく、１５ＭＰａ〜２５ＭＰａの範囲が更により好ましく、ＨＭＦをさらに収率良く得ることができる。

反応時間は、本発明の製造方法を実施することができる範囲のものであれば特に限定されない。好ましい反応時間は、所定温度（１００℃〜５００℃）、所定圧力条件下（５ＭＰａ〜４０ＭＰａ）によって変化するが、通常、糖化分解における反応と転位・脱水反応の双方で、バッチ式の反応方法では、数時間、フロー式の反応方法では、数十分以下、パーコレート式の反応方法では、３時間程度である。糖化分解における反応における反応時間の方が時間を要し、転位・脱水反応はより短い反応時間である。例えば、フロー式の反応方法では、糖化分解、転位・脱水時間として、反応時間自体は１０分以下である。

本発明の原料の糖化分解反応には、反応溶媒と触媒を必要とする。反応溶媒としては、上記した水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒を用いるのが好ましい。なかでも、水とアルコール（メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなど）の混合溶媒が好ましく、混合溶媒の使用により、糖鎖からのフミン体の生成、ＨＭＦの２量化、重合等、反応中の閉塞等を抑制することができる。ここで、アルコールは、ＨＭＦの水酸基と反応してエーテル体またはアルドール体となり、ＨＭＦの重合を抑制する効果があると考えられる。

上記触媒としては、酸触媒を用いることができる。例えば、ギ酸、酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、スルホン酸等の有機酸類、無機酸類を例示することができる。なかでも、ギ酸、酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、プロピオン酸、シュウ酸を用いることが好ましい。酸触媒濃度としては、原料に対して１μＭ〜１Ｍであることが好ましい。より好ましくは１ｍＭ〜１Ｍである。

次の段階の反応は、反応溶媒と触媒とで転位・脱水反応させＨＭＦを合成する段階である。反応溶媒としては、上記した水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒を用いるのが好ましい。なかでも、水とアルコールの混合溶媒を用いるのがより好ましい。

上記転位・脱水反応させるのに触媒として、有機塩を用いるのが好ましい。なかでもテトラブチルアンモニウムブロマイドなどの４級アンモニウム塩、４級アルキルアンモニウム塩などがより好ましい。以下、これらを４級アンモニウム塩という。また、反応溶媒が水とアルコールとの混合溶媒の場合、一般的に、相間移動触媒の部類に属する塩類が効果を発揮すると考えられる。

前記４級アンモニウム塩が、テトラブチルアンモニウム塩、トリオクチルメチルアンモニウム塩、又はベンジルジメチルオクタデシルアンモニウム塩であって、アンモニウムクロライド、アンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムヨージド、テトラブチルアンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムクロライド、テトラブチルアンモニウムフロリド、ヒドロキシテトラブチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート、テトラブチルアンモニウム硫酸、テトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレートのいずれか１種類以上の塩を例示できる。

転位・脱水反応させＨＭＦを合成する段階では、反応溶媒として、水とアルコールの混合溶媒を用い、触媒として、４級アンモニウム塩の触媒を用いる組み合わせが、より好ましくＨＭＦをさらに収率良く得ることができる。

本発明において使用することができるマイクロミキサーおよびマイクロリアクターは、高温高圧水を使用する技術分野において通常マイクロミキサーおよびマイクロリアクターと認識することが可能なものであれば特に制限はない。

マイクロミキサーとは、例えば、複数の配管を介して導入される２流体以上を混合して混合流体を生成する混合器において、第一流体を導入または第一流体と第二流体以降の混合流体を導出するための接続配管を有し、該接続配管の外周に作られた空間を通じて、第二流体以降の流体を導入し、第一流体の接続配管の先端に設けられた空間で、第一流体と第二流体以降の流体を混合して混合流体にする構造を有することを少なくとも満たすマイクロ混合デバイスのことを指すことがあり、特開２０１３−０３９５０３号に開示されたマイクロ混合デバイスを例示することができる。

また、マイクロリアクターとは、通常、極小サイズの反応装置をいい、特開２０１１−２２４４８０号に開示されたマイクロリアクターを例示することができる。

マイクロミキサー、マイクロリアクターの材質は、耐高温高圧であれば特に限定されないが、例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５（Ｎｉ系合金）、Ｈａｓｔｅｒｏｙ（Ｎｉ系合金）、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０６、ＳＵＳ３０４（ステンレス系）、Ｔｉ、Ｗなどが例示される。また、耐熱・耐圧がある材料であれば樹脂などを用いることも可能で、特に限定はされない。

本発明では、例えば、反応に高温高圧マイクロミキサーを使用することができ、より具体的な例としては、図１に示す高温高圧マイクロリアクションシステムを好適に使用することができる。また、これと同効のシステムであれば同様に使用することが可能である。当該マイクロリアクションシステムは、高温高圧水と原料水溶液を混合する混合手段、反応管から構成される反応部、これらを収容するためのオーブン設備、反応液の温度条件を所定の温度にコントロールするための熱電対、反応管で、高温高圧水条件下で反応させた反応液を所定の温度に冷却するための冷却器（熱交換器）、冷却した後に脱圧するための背圧弁などを備えている。

本発明の製造方法を実施することができる範囲のものであれば特に限定されないが、反応は、例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５製またはＳＵＳ３１６製で、外径１／１６インチ、内径０．５ｍｍ、長さ１１ｍのチューブタイプの反応管を用いて行うことができる。この場合、反応管の外径、内径、長さなどは、その実施に当たり適宜設計することが可能であり、上記反応管の材質、外径、内径、長さの条件についても適宜設定することができる。

本発明は、Ｔ字型マイクロミキサーを含む高温高圧用のマイクロ反応デバイスを用いて、前記反応液を、前記の水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒に急速に混合するとともに、温度を急速に変化させて、前記反応液を反応させることができる。

本発明において、ＨＭＦの収率は、木紛に含まれるセルロースをグルコース量で換算したモル数に対する得られたサンプルのＨＭＦの濃度より換算したＨＭＦのモル量の百分率で表す。セルロースの転化率は、木片に含まれるセルロース量に対する、反応したセルロース量の百分率、ＨＭＦの選択率は、転化率に対するＨＭＦの収率の百分率である。

次に、実施例および比較例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例などによって何ら限定されるものではない。

［実施例１］
反応は、図１に示した通りの装置を用いて反応を行った。反応装置は、ヒーターで温度制御された反応器１（ＳＵＳ３１６製内径０．９ｃｍ×長さ１５ｃｍ（容量９．５３ｃｍ^３)、同じくヒーターで温度制御された反応器２（反応管長（ＳＵＳ３１６製内径０．１ｃｍ×長さ５００ｃｍ（容量３．９２ｃｍ^３））、冷却器と背圧弁からなる装置を用いた。反応器１に未精製パルプ（０．９２４５ｇ）を充填し、ポンプを用いて０．１％ギ酸水溶液を１５ＭＰａ、２２５℃、０．５ｍＬ／分で流し、未精製パルプに含まれるセルロース成分のみを酸糖化と抽出を行いながら反応器２に導入した。同じくポンプを用いて０．１Ｍテトラブチルアンモニウムブロマイド溶液（エタノール：水＝１：１）を１５ＭＰａの条件下、ヒーターで２８０℃まで加熱し、Ｔ字マイクロミキサーで先のパルプの糖化水溶液と混合させ、混合後の溶液の温度を急速に２７０℃にした後、そのまま反応器２中で２７０℃で反応させた。この時の反応器１での酸糖化＋抽出時間（滞在時間）は、１．９０秒、反応器２での反応時間（滞在時間）は、０．７９秒、合計２．７秒である。反応後は、冷却器で冷却され、背圧弁にて常圧に圧力を下げ、５−ヒドロキシフルフラール含有水溶液を得た。

得られたＨＭＦ水溶液は、２０分毎（１００ｍＬ）にサンプリングし、直ぐに其々のサンプルに含まれるＨＭＦの含有量を液体クロマトグラフィー（条件を入力）にて分析を行った。得られたＨＭＦの重量収率は、２４０分後に７１．６％（図２、表１）となり、反応器１には未精製パルプの残渣は殆ど無く１００％近くが変換された。また、各サンプルの選択率は、７１．５％〜１００％であった（表１）。

［実施例２］
実施例１と同様の条件で、Ｔ字マイクロミキサーを反応器２中に設置し、反応管長２の長さはそのままに、反応管長１を１００ｃｍにして、触媒温度を反応器２と同じ温度（２７０℃）にして反応を行った（図４）。Ｔ字マイクロミキサーにおいて混合直後の温度は、２５０℃程度に下がり、その後反応管２中に滞在する中で２７０℃となる。その結果、最終的なＨＭＦの重量収率は、２４０分後に４８．３％（図５）で、各サンプルにおける選択率は５９．９％〜１００％であった（図３）。

［実施例３］
実施例２と同様の反応装置を用いて、原料にグルコースを用い、触媒（テトラブチルアンモニウムブロマイド）の溶液におけるエタノールと水の比について検討を行った。各エタノール比を、０％（水のみ）から１００％（エタノールのみ）の条件で検討を行い、ＨＭＦの収量の変化を見た（図６）。なお、反応管長２を５００ｃｍと３００ｃｍの２通りで検討を行った。その結果、５００ｃｍの時は、エタノール濃度が５０％の時に最大となり（ＨＭＦ収率：２８．６％）、３００ｃｍの時は１０％〜３０％の時に最大となった（ＨＭＦ収率：２６．３％）。

［実施例４］
実施例２と同様の反応装置を用いて、原料にグルコースを用い、触媒（テトラブチルアンモニウムブロマイド）の濃度について検討を行った。濃度０Ｍ〜０．３Ｍと各濃度において検討を行った。その結果、１５ＭＰａ、５００ｃｍの時は、０．１Ｍの時に、最も良い値（ＨＭＦ収率：３３．９％）であることが分かった（図７）。

［実施例５］
実施例２と同様の反応装置を用いて、原料にグルコースを用い、各種無機塩を触媒として、水に溶解させて検討を行い、ＨＭＦの収量の変化を見た（図８）。その結果、触媒を加えない水のみのケースが最も良く（ＨＭＦ収率：２６．３％）、無機塩による大きな効果は見られなかった。

［実施例６］
実施例１と同様の反応装置を用いて、原料にグルコースを用い、触媒にテトラブチルアンモニウムブロマイドを用いて、圧力効果によるＨＭＦの収量の変化を見た（図９）。その結果、溶媒として、水：エタノール＝５０：５０の時は、１５ＭＰａ以上であれば、ＨＭＦ収率が、ほぼ１００％のとなり、また、６０：４０の場合は、１０ＭＰａで、ほぼ１００％の収率を得、１００：０（水のみ）の場合は、１５ＭＰａでも３０％であった。

本発明は、水に溶解するグルコース等の糖類はもとより、原料にパルプ等の水に溶けないセルロースを含むバイオマスを原料として使用できる。本発明の合成方法では、一般的に糖類の水熱分解で得られる不純物の一つで、水不溶のフミン化合物等による沈殿物が殆ど無い。更に、生成したＨＭＦの水酸基がアルコールとエーテル結合を形成すること、またはアルデヒド基がアセタールを形成して保護されることにより、ＨＭＦの多量化等を防ぐため、これらの不純物の生成が少ない。

更に金属触媒等の塩を含まず、安価な４級アンモニウム塩を用いることが出来、コストもあまりかからない。結果として、フロー式またはパーコレート式の場合は、反応時間（滞留時間）自体が１０分以内と短時間でありながら、ＨＭＦの選択率が７１％、収率が７２％と高くなる効果が得られる。

本発明は、水に溶解するグルコース等の糖類はもとより、原料にパルプ等の水に溶けないセルロースを含むバイオマスを原料として使用でき、本発明の合成方法では、ＨＭＦの多量化等を防ぐため、これらの不純物の生成が少ない。更に、反応時間（滞留時間）自体が従来より短時間でありながら、ＨＭＦの選択率、収率が高くなる効果が得られ有用である。

Claims (12)

1. セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料又は該原料の分解物から５−ヒドロキシメチルフルフラールを製造する方法であって、
   高温高圧下で、セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料の水溶液または水分散液或いは該原料を分解して得られた各種糖を含む水溶液に、有機酸を加え反応させてなる反応液を、触媒としての４級アンモニウム塩の存在下で、水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒に混合して、前記反応液の反応温度とは温度を変えて反応させることを特徴とする５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
2. 前記反応液として、セルロースおよびオリゴ糖を含む原料の水溶液または水分散液或いは該原料を分解して得られた各種糖を含む水溶液に、カルボン酸を加えてなる反応液を用い、該反応液を前記水又はアルコール又は水とアルコールの混用溶媒に混合する前と後を含めた少なくとも２段階以上の複数段階で反応温度を変化させながらさらに反応させることを特徴とする請求項１に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
3. Ｔ字型マイクロミキサーを含む高温高圧用のマイクロ反応デバイスを用いて、前記反応液を、前記の水又はアルコール又は水とアルコールの混合溶媒に急速に混合するとともに、温度を急速に変化させて、前記反応液を反応させることを特徴とする請求項１又は２に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
4. 前記セルロース、オリゴ糖または単糖類の少なくとも一種を含む原料が、杉、ユーカリ等の木質由来のバイオマスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
5. 前記オリゴ糖が、グルコース、ガラクトース、マンノース、フルクトースの少なくとも１種類以上の単糖類から構成されるオリゴ糖であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
6. 前記オリゴ糖が、スクロース、ラクトース、マルトース、トレハロース、ツラノース、セロビオースの少なくとも１種類以上の二糖類であることを特徴とする請求項１〜５のいずれ１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
7. 前記単糖類が、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース、タロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトースの少なくとも１種類以上であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
8. 前記アルコールが、炭素数１〜１０の脂肪族系アルコールまたは芳香族系アルコールであって、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、フェノール、ベンジルアルコール、サリチルアルコール、クミニルアルコール、フェネチルアルコールのいずれか１種類以上を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
9. 前記混合溶媒を、２００〜４００℃、かつ０．１〜５０ＭＰａの条件下で混合することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
10. 前記４級アンモニウム塩が、テトラブチルアンモニウム塩、トリオクチルメチルアンモニウム塩、又はベンジルジメチルオクタデシルアンモニウム塩であって、アンモニウムクロライド、アンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムヨージド、テトラブチルアンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムクロライド、テトラブチルアンモニウムフロリド、ヒドロキシテトラブチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウムヘキサフルオロホスフェート、テトラブチルアンモニウム硫酸、テトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレートのいずれか１種類以上の塩であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
11. 前記有機酸が、カルボン酸であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
12. 前記カルボン酸が、ギ酸、酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、プロピオン酸、シュウ酸のいずれか１種類以上であることを特徴とする請求項１１に記載の５−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
    
    
    

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