JP2015502972A - 5−ヒドロキシメチルフルアルデヒドを選択的に酸化するための改善された方法 - Google Patents

5−ヒドロキシメチルフルアルデヒドを選択的に酸化するための改善された方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、有機酸、ニトロキシルラジカル、酸素供給源、及び酸素輸送剤の存在下での少なくとも1つの酸化ステップを含む、5−ヒドロキシメチルフルアルデヒドの酸化方法に関する。

Description

本発明は、5−ヒドロキシメチルフルアルデヒド(5−HMF)の酸化のための新しい方法に関する。この方法の後に選択的に形成された5−HMFの酸化生成物は、フラン−2,5−ジアルデヒドすなわち2,5−ジホルミルフラン(DFF)である。
5−HMFは、特に、フルクトース及びグルコースなどのC6サッカリドに由来する有機化合物である。これは、フラン複素環から構成され、2個の官能基を有するが、一方はアルデヒドであり、他方はアルコールである。
5−HMFの酸化により、下記のような化合物が形成される:
− 5−HMFの第一級アルコール官能基のアルデヒド官能基への単独の酸化によって生成する、フラン−2,5−ジアルデヒドすなわち2,5−ジホルミルフラン(DFF)、
− 5−HMFのアルコール及びアルデヒド官能基のアルデヒド官能基及びカルボン酸官能基への酸化によって生成する、5−フルアルデヒド−2−カルボン酸すなわち5−ホルミルフラン−2−カルボン酸(FFCA)、
− 5−HMFのアルデヒド及び第一級アルコール官能基のカルボン酸官能基への酸化によって生成する、2,5−フランジカルボン酸(FDCA)。
5−HMFには、特に高温で不安定であるという大きな欠点がある。そのため、一般に、5−HMFの酸化生成物は、たとえ選択的酸化生成物であっても、その純度が不十分である。
このような欠点にもかかわらず、5−HMFを酸化する方法が極めて広範に研究されてきた。例えば、仏国特許第2,669,634号明細書は、FDCAの合成をもたらす5−HMFの触媒酸化の方法に関する。この方法は、酸素流の下、鉛で活性化した白金系触媒の存在下で、水性アルカリ性媒質において5−HMFを酸化することから成る。この酸化方法によって、塩の形態のFDCAが選択的に得られる。従って、アルカリ性媒質中でのこのような方法は、主として、多量の塩を生成し、そのため、工業化するのが困難であるという大きな欠点を有する。
従って、出願人は、酸性媒質中で5−HMFを酸化する方法に特に注目した。さらに、出願人企業は、一般にコストのかかる後続ステップを追加せずに、高い純度の生成物を取得するために、5−HMFの選択的酸化方法に取り組んだ。
酸性媒質中でのこれらの方法の中でも、不均一触媒作用が、一見して最も有望な方法であると思われる。特に、均一触媒作用下での反応は、一般に、溶解反応生成物の分離を必要とする。
不均一触媒作用は、通常、様々な支持体に固定した貴金属の使用を特徴とする。この種の触媒作用は、酸化媒質に含まれる不純物にとりわけ敏感である。従って、この方法を工業的に許容できるものにするためには、触媒支持体が、又は触媒自体も、活性部位の被毒によって不活性化されないように、高純度の試薬を用いて実施することが重要である。
こうして本出願人は、最終的に、均一触媒作用下、酸性媒質中で5−HMFを酸化する方法に注目した。しかし、このような方法は、工業スケールで実現可能にするためには、比較的低い触媒/試薬比を必要とする。
Cottier et al.(J.Heterocyclic Chem.(1995),vol.32,No.3,pp.927−930)は、DFFを調製するための様々なタイプの方法を記載している。最良の収率を有する方法は、塩基性媒質において、酸素以外の共酸化体及び(2,2,6,6−テトラメチルピペリド−1−イル)オキシルなどの触媒(本明細書では、以後、Tempoと呼ぶ)の存在下で実施されるものである。しかし、このような条件下での酸性媒質中の触媒も記載されており、必要とされる触媒の量は極めて高く(Tempo/5−HMFモル比:2/10)、これらの触媒は、金属タイプの共酸化体の存在も必要とする。
従って、1種又は複数種の5−HMF酸化生成物製造のための非常に多数の方法が存在するが、残念ながら、これらはすべて、以下に挙げる問題点の少なくとも1つを有する:5−HMFの低い転化率、酸化工程後のDFFへの低い選択性、低い回収率、高い経済的費用、塩の大量生成、三相混合物用に設計される反応器の必要性など。従って、前述した問題が一切ない、5−HMFを酸化するための改善された方法を開発することが切実に求められている。
本発明の一主題は、少なくとも有機酸、ニトロキシルラジカル、酸素供給源、及び酸素輸送剤(oxygen−transfer agent)の存在下での酸化のステップを含むことを特徴とする、5−HMFの酸化方法である。
本発明に従う5−HMFの酸化方法は、高い転化率で、しかも特に高い収率及び選択性で、5−HMFからDFFの製造を可能にするという利点を特に有する。
本出願全体を通じて、「選択性」(S)、「転化率」(C)及び「収率」(Y)という用語は、下記の定義に基づいて用いられる:
C(モル%)=((転化された5−HMFの量)×100)/初期5−HMFの量
S(モル%)=((形成されたDFFの量)×100)/転化された5−HMFの量
Y(モル%)=S×C/100=((形成されたDFFの量)×100)/初期HMFの量
本発明の酸化方法は、圧力又はその他の下で、任意のタイプの回分又は固定層反応器において実施してよい。回分反応器のタイプは、可変速度の撹拌器とインペラ型の二重パドルシステムを備えるオートクレーブであってよい。優先的には、反応器は、圧力調節装置を備える圧力下のシステムに接続されたガス供給管、及びガス排出管も備える。反応器はまた、冷却システム、さらには、温度を測定及び調節するシステムを含んでもよい。
本発明の主題である上記方法で用いられる5−HMFは、当業者には公知の任意の技術に従って得ることができ、特に、下記の文献:仏国特許第2,551,754号明細書、仏国特許第2,464,260号明細書及び国際公開第2011/124,639号パンフレットの教示に従って得ることもできる。これはまた、前述した文献に記載されているように粗反応生成物であってもよく、上記粗反応生成物は、反応溶媒から単純に分離される。特に、本発明によれば、工程後に高い純度のDFFを得るために、精製した5−HMFから出発する必要がない。「高い純度のDFF」という用語は、90%超の純度、優先的には95%超の純度、より優先的には98%超の純度を有するDFFを意味する。
本発明の主題の方法で用いられる有機酸は、還元性官能基を含むもの以外、特にギ酸を除いて、任意の有機酸であってよい。特に、この有機酸は、溶媒として用いられるため、製造方法の条件下で安定していなければならない。本発明の主題である方法で用いられる有機酸は、特に、室温で液体である、ギ酸以外の脂肪族有機酸であってよい。これは、酢酸及びプロピオン酸から選択するのが好ましい。
本発明の主題の方法によれば、有機酸は、反応混合物の50重量%〜99重量%、優先的には反応混合物の70重量%〜90重量%の割合で存在するのが有利である。
本発明の主題の方法によれば、ニトロキシルラジカルは、(2,2,6,6−テトラメチルピペリド−1−イル)オキシル(本明細書では、以後、Tempoと呼ぶ)から優先的に選択され、これは任意選択で置換されている。より優先的には、ニトロキシルラジカルは、4位で置換された(2,2,6,6−テトラメチルピペリド−1−イル)オキシルであり、さらに優先的には4−アセトアミノ(2,2,6,6−テトラメチルピペリド−1−イル)オキシルすなわち4AATempoである。本発明の方法で用いられるTempoは、任意選択で固定化してもよい。固定化Tempoの場合には、これを4位でポリマー樹脂に固定する。固定化Tempoの場合には、固定層連続式反応器で本方法を実施するのが有利となり得る。
本発明の主題の方法によれば、ニトロキシルラジカルは、触媒量で存在するのが有利である。特に、ニトロキシルラジカルは、5−HMFの重量に対して0.01重量%〜15重量%、優先的には5−HMFの重量に対して1重量%〜10重量%、より優先的には5−HMFの重量に対して2重量%〜5重量%の割合で存在する。
本発明の方法によれば、酸素の供給源は、圧力下及び/又はストリーム中での空気及び分子状酸素から選択される。
酸素輸送剤自体は、窒素酸化物誘導体から選択するのが有利である。窒素酸化物誘導体は、優先的には、硝酸塩、一酸化窒素(NO)及び二酸化窒素(NO)の供給源から選択される。例として、硝酸塩の供給源は、硝酸、硝酸アンモニウム、硝酸アルキルアンモニウム、及びアルキル金属又はアルカリ土類金属硝酸塩を含む。本発明の特定の態様によれば、1種又は複数種の窒素酸化物誘導体を酸化方法に用いてもよい。本発明の特に好ましい態様によれば、窒素酸化物誘導体は硝酸である。
本発明の主題の方法によれば、硝酸塩の供給源は、有利には、反応混合物中に0.5/1〜40/1の硝酸塩の供給源/ニトロキシルラジカル比、優先的には反応混合物中に3/1〜10/1の硝酸塩の供給源/ニトロキシルラジカル比で存在する。
本発明の主題の方法によれば、とりわけ塩化ルテニウム、塩化鉄及び塩化銅などの金属タイプの共触媒を反応媒質に特に添加する必要がない。本出願人は、特に、酸素輸送剤の代わりに金属タイプの共触媒を用いても、5−HMFをDFFに転化することができないことを実証している。さらに、本発明の主題の方法によれば、硝酸の存在下又は非存在下で、金属タイプの共触媒を添加しても、DFFの収率に何ら顕著な改善をもたらさない。
極めて具体的な実施形態によれば、本発明の酸化方法の試薬同士の比は、5−HMFの重量に対して2.1重量%の4AA Tempo、5−HMF/酢酸モル比:約0.05及びHNO/4AA Tempoモル比4を達成するように確立する。
本発明の方法は、水の存在下又は非存在下で実施してよい。本方法を水の存在下で実施する場合には、この水は、5−HMFに対して200重量%以下、優先的には5−HMFに対して50重量%以下の割合で存在する。
本発明の方法によれば、試薬を反応器に導入するが、その際、この反応器を圧力下で少なくとも1回パージするのが有利である。パージは、例えば、0.3MPaの酸素で実施してよい。次に、反応器を加熱する。加熱は、有利には酸素の圧力下で、優先的には0.01〜5MPaの酸素で実施してよい。
酸化工程中、反応媒質を撹拌し続ける。撹拌速度は、優先的には、800〜2200rpm、より優先的には1500〜1700rpmに設定する。
有利な実施形態によれば、反応器内の温度が約70℃に達したら、酸素圧力を0.01MPa〜5MPa、優先的には0.1MPa〜2MPa、より優先的には0.2MPa〜0.5MPaの反応雰囲気圧に調節する。
本発明の方法の酸化の第1ステップ中の酸素の消費は、一般に80℃で開始する。有利には、酸化の第1ステップ中の温度を50℃〜150℃、優先的には70℃〜110℃、より優先的には80℃〜90℃に調節する。
好ましい実施形態によれば、本発明の方法の酸化の第1ステップは、1分〜5時間、優先的には30分〜2時間持続させる。
本発明の方法の酸化の第1ステップの終わりに、例えば、冷却ループを用いることなく、加熱マントルを取り外し、単に加熱を中断することによって、反応器を冷却する。
反応器内の撹拌は、冷却中、任意選択で徐々に減速させる。
有利には、反応器が40〜80℃、優先的には60℃に達すると、撹拌を完全に停止し、圧力を大気圧にまで減じる。
特に有利な方法において、また30重量%の出発5−HMFの固形分まで、酸化の第1ステップの終わり、及び冷却後、成分はすべて溶液状であり、結晶も沈殿物もいずれも一切ない。
本発明に従う5−HMFの酸化方法は、高い収率でDFFの選択的製造を可能にすることから、特に有利である。特に、酸化の第1ステップにおけるDFFへの5−HMFの酸化の選択性は、優先的には80%〜100%、より優先的には90%〜100%である。
5−HMFの酸化の第1ステップの後、DFFを含有する粗反応生成物は、いくつかの共産物(実施例ではこの用語で呼ぶ)も含んでいる場合がある。これらは、一般に、主として5−HMFの過酸化生成物、特にFFCA及び/又はFDCAである。
好ましくは、並びに特に、酸化の第1ステップの溶媒として酢酸を選択した場合、本発明の方法は、酸化の第1ステップの後、結晶化ステップも含む。特に、酢酸は、DFFの優れた結晶化溶媒である。
結晶化ステップは、特に連続工程中に、反応器又は別の装置中で直接実施してよい。有利には、この別の装置は、撹拌システムを備えるジャケット式結晶化恒温槽であってよい。
結晶化ステップ中、撹拌速度は有利には低速度、優先的には80rpm〜250rpmの速度に調整される。
有利には、結晶化ステップ中、温度を徐々に低下させるが、優先的には10℃/時の温度勾配で降温させる。
結晶化ステップの終わりに、約10℃前後の非常に低温を維持する。有利には、撹拌しながら、10〜15℃に温度を約1時間維持する。次に、媒質を濾過するのが有利である。例として、これは、濾過用漏斗を用いた真空濾過であってよい。このステップ中に、このようにして得られた結晶をさらに別の乾燥ステップで、例えば、室温での真空デシケータ内で乾燥させる。
本発明に従う5−HMFの酸化方法は、低純度の5−HMFから高純度のDFFの生成を可能にするため、特に有利である。「低純度の5−HMF」という用語は、従来の方法の粗反応生成物から得られる5−HMFを意味し、上記粗反応生成物は、反応溶液から単純に分離される。
本発明の特に有利な態様によれば、乾燥させた結晶は、90重量%超、優先的には95重量%超、さらに優先的には98重量%超のDFF純度を有する。
本発明はまた、以下の実施例によりさらに明瞭に理解されよう。これらの実施例は、限定を意図するものではなく、本発明の特定の実施形態、並びにDFFのいくつかの有利な特性を示すに過ぎない。
実施例1:5−HMFの調製
10g(79ミリモル)の5−(ヒドロキシメチル)フルフラール(本明細書では5−HMFと呼ぶ、純度98%)、0.213g(1ミリモル)の4−アセトアミノ(2,2,6,6−テトラメチルピペリド−1−イル)オキシル(本明細書では4AA Tempoと呼ばれる)、100g(1.67モル)の酢酸及び0.91モル/l(4ミリモル)の4.35gの硝酸を、Parr社から市販されている内容積600mlのステンレス鋼オートクレーブ(型名4346)中に導入するが、このオートクレーブは、可変速度撹拌器及びインペラ型二重パドルシステム、圧力調節装置を含む加圧ボトル(pressurized bottle)に接続されたガス供給管、ガス排出管、冷却コイル及び温度の測定及び調節システムを備える。
割合は、5−HMFに対して2.1重量%の4AA Tempo、5モル%の硝酸を有するように設定する。従って、HNO/4AA Tempo比は4である。
試薬を全てオートクレーブ中に導入したら、0.3MPaの酸素で1回パージしてから、0.1MPaの酸素下で加熱する。次に、撹拌速度を1600rpmに調節する。反応器が70℃に達したら、酸素圧力を0.3MPaに調節する。酸素の消費は80℃で開始する。温度を85℃に1時間調節する。
1時間の接触後、冷却ループの循環は用いずに(これにより、コイル上のDFFの結晶化を回避する)、加熱マントルを取り外して、加熱を単に中断することによって、オートクレーブを冷却させる。冷却中、撹拌を250rpmまで減速する。
反応器が60℃に達したら、撹拌を停止し、圧力を大気圧まで減じる。オートクレーブを60℃で開くと、すべての成分が溶液状で、結晶又は沈殿物のいずれも一切ない。
粗反応生成物のサンプルを採取し、ガスクロマトグラフィー(GC)により分析して、結果を面積分布の割合(%)として表す。
粗反応生成物の組成を表1に示す。
Figure 2015502972
結晶化ステップのために、錨型の撹拌器を備えるジャケット式恒温ビーカに反応媒質を移す。結晶化の工程では、撹拌速度を140rpmの速度に設定する。
結晶化を開始するために、ジャケット温度を50℃に設定してから、10℃/時の温度勾配で低下させる。結晶化の終わりに、撹拌しながら温度を12℃に1時間維持する。
結晶化ステップの後、濾過用漏斗を用いて真空下で媒質を濾過する。
こうして得られた結晶を室温の真空デシケータ内で乾燥させる。
乾燥後の結晶の組成を表2に示す(GC分析及び面積分布の割合(%)として表す結果)。
Figure 2015502972
このようにして得られた結晶の純度は、粗反応生成物の単純な結晶化により、約98%に達する。
実施例2:反応雰囲気の酸素供給源及び圧力の影響
10g(79ミリモル)の5−HMF(純度98%)、0.213g(1ミリモル)の4AA Tempo、100g(1.67モル)の酢酸及び0.91モル/l(4ミリモル)の4.35gの硝酸を実施例1で用いたものと同じ反応器に導入する。
操作条件は、酸素の供給源(酸化剤)の種類と、反応雰囲気の圧力を変更した以外は、実施例1に記載したものと同じであり、結晶化ステップは含まない。
粗反応生成物のサンプルを採取し、GCにより分析して、結果を面積分布の割合(%)として表す。
粗反応生成物の組成を表3に示す。
Figure 2015502972
使用した酸化剤とは関係なく、5−HMFの酸化の優れた選択性が認められる(最小94.6%)。しかし、最大の転化(90%超)を達成するためには、高圧の純粋酸素又は空気を用いて実施するのが好ましい。
実施例3:酸素輸送剤の影響
10g(79ミリモル)の5−HMF(純度98%)、0.213g(1ミリモル)の4AA Tempo、及び100g(1.67モル)の酢酸を実施例1で用いたものと同じ反応器に導入する。また、酸素輸送剤も、任意選択で、表4に示す量で反応器に導入する。
操作条件は、実施例1に記載したものと同じであり、結晶化ステップは含まない。
粗反応生成物のサンプルを採取し、GCクロマトグラフィーにより分析して、結果を面積分布の割合(%)として表す。
粗反応生成物の組成を表4に示す。
Figure 2015502972
酸素輸送剤の非存在下では、5−HMFからDFFへの転化はない。さらに、輸送剤の種類及び量は、DFFの収率に影響を及ぼし、最大収率94%は、モル比が4/1の「薬剤/4AA Tempo」の存在下で得られる。
実施例4:ニトロキシルラジカルの影響
表5に記載するような様々なタイプのニトロキシルラジカルと、10g(79ミリモル)の5−HMF(純度98%)、100g(1.67モル)の酢酸及び0.91モル/l(4ミリモル)の4.35gの硝酸を実施例1で用いたのと同じ反応器に導入する。
操作条件は、実施例1に記載したものと同じであり、結晶化ステップは含まない。
粗反応生成物のサンプルを採取し、GCクロマトグラフィーにより分析して、結果を面積分布の割合(%)として表す。
粗反応生成物の組成を表5に示す。
Figure 2015502972
各種ニトロキシルラジカルは、5−HMFをDFFに転化するのに有効であり、4AA Tempoの場合に、DFFが最大94.6%である。
実施例5:含水量、固形分、溶媒及び4AA Tempoの含量の影響
試薬を実施例1で用いたのと同じ反応器に導入するが、反応の様々なパラメータ、例えば、表6に示す固形分(SC)、表7に示す溶媒、表8に示す反応媒質中の水の存在、及び表9に示す4AA Tempoの含量を変更する。
他の操作条件は、結晶化ステップを含まない実施例1に記載したものと同じである。
粗反応生成物のサンプルを採取し、GCにより分析して、結果を面積分布の割合(%)として表す。
粗反応生成物の組成を表6、7、8及び9に示す。
Figure 2015502972
固形分は、DFFの収率にほとんど影響せず、最小収率は、40%SCの約93%である。
Figure 2015502972
反応溶媒は、5−HMFのDFFへの転化に影響を及ぼす。DFFの収率は、酢酸媒質からプロピオン媒質に変更すると、9.1ポイント減少する。さらに、ギ酸媒質(還元性)では、5−HMFの転化は全く観察されない。従って、5−HMFのDFFへの転化には、酢酸媒質が好ましい。
Figure 2015502972
反応溶媒中の水の存在は、DFFの高収率に何ら減少をもたらさない。
Figure 2015502972
4AA Tempoの含量は、5−HMFのDFFへの転化に影響を及ぼす。触媒の含量が増加すると、5−HMFの転化を促進する。
実施例6:金属共触媒の影響
10g(79ミリモル)の5−HMF(純度98%)、0.213g(1ミリモル)の4AA Tempo、及び100g(1.67モル)の酢酸を実施例1で用いたのと同じ反応器に導入する。試験に応じて、任意選択で、0.91モル/lの硝酸を4.35g(4ミリモル)の量で、及び/又は4ミリモルの金属共触媒を表10に示すように導入する。
操作条件は、実施例1に記載したものと同じであり、結晶化ステップは含まない。
粗反応生成物のサンプルを採取し、GCにより分析して、結果を面積分布の割合(%)として表す。
粗反応生成物の組成を表10に示す。
Figure 2015502972
酸素輸送剤の代わりに金属タイプの共触媒を用いると、5−HMFをDFFに転化させることは可能にはならない。
さらに、硝酸の存在又は非存在下で金属タイプの共触媒を添加しても、DFFの収率に評価可能な改善を全くもたらさない。

Claims (12)

  1. 少なくとも以下:
    − 有機酸、
    − ニトロキシルラジカル、
    − 酸素供給源、及び
    − 酸素輸送剤
    の存在下での少なくとも1つの酸化ステップを含むことを特徴とする、5−ヒドロキシメチルフルアルデヒドを酸化する方法。
  2. 酸化ステップの後に、結晶化ステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記有機酸が、還元性官能基を含まない有機酸から選択されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記有機酸が、酢酸及びプロピオン酸から選択されることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
  5. 前記有機酸が、反応混合物の50重量%〜99重量%、優先的には70重量%〜90重量%の割合で存在することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記酸素の供給源が、圧力下及び/又はストリーム中での空気及び分子状酸素から選択されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記ニトロキシルラジカルが、置換されているか、又は置換されていない(2,2,6,6−テトラメチルピペリド−1−イル)オキシル、優先的には、4位で置換された(2,2,6,6−テトラメチルピペリド−1−イル)オキシルから選択されることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記ニトロキシルラジカルが、5−HMFの重量に対して0.01重量%〜15重量%、優先的には1重量%〜10重量%の割合で存在することを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記酸素輸送剤が、窒素酸化物誘導体から選択されることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記酸化ステップが、0.01MPa〜5MPaの反応雰囲気圧で実施されることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記酸化ステップが、50℃〜150℃、優先的には70℃〜110℃の温度で実施されることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
  12. 前記酸化ステップが、水の非存在下、又は前記5−HMFに対して200重量%以下、優先的には50重量%以下の量の水の存在下で実施されることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
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