JP2016513626A - メトキシ化芳香族化合物を単純芳香族化合物に変換する方法 - Google Patents

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Abstract

メトキシ化芳香族化合物を単純芳香族化合物に変換するのに有用な水素処理触媒及び方法を提供する。触媒は、第8族金属、第9族金属、第10族金属、第11族金属、及びこれらの混合物からなる群から選択される遷移金属と、形状選択的ゼオライト、シリカ、チタニア、ジルコニア、及びこれらの混合物からなる群から選択される触媒担体と、を含む。

Description

本発明は、一般に、メトキシ化芳香族化合物を単純芳香族化合物に変換するのに有用な触媒及び方法に関する。より具体的には、本発明は、高い収量、選択率、及び変換率で、解重合リグニン組成物を水素処理して単純芳香族化合物(例えば、ベンゼン、トルエン、及びキシレン)にするのに有用な触媒及び方法に関する。
リグニンは、リグノセルロースバイオマスの3つの基本成分のうちの1つであり、他の2つは、セルロース及びへミセルロースである。乾量基準で、リグニンは、バイオマスの約17重量%〜33重量%であり、そのエネルギーの約40%(針葉樹では27重量%〜33重量%、広葉樹では18重量%〜25重量%、及び草本では17重量%〜24重量%;Bozell,et al.,Top Value Added Chemicals from BiomassーVolume II,PNNLー16983,2007)であるが、一方、セルロース及びへミセルロースは、合わせて、バイオマスの約60重量%〜85重量%である。リグニンは、天然の非晶質架橋三次元ポリフェノール化合物である。リグニンの正確な構造は複雑であり、それがどのバイオマスの一部であるかに依存して変化するが、一般論として、リグニンは、β−O−4、5−5、β−5、β−1、α−O−4、4−O−5、β−β等の種類の炭素ー炭素又は炭素ー酸素(エーテル)結合で互いに結合しているフェニルプロペニル(C9)分枝ユニットを含有する。リグニンは、芳香族ユニットを含有する唯一のバイオマスポリマーであり、リグニンの約40重量%が芳香族であると推定される。リグニンは、自然界では、コニフェリルアルコール、シナプリルアルコール、及びパラクマリルアルコールの酵素重合によって生成される。これらアルコールは、本質的に、リグニン中のモノマーユニットである。コニフェリルアルコール(4−(3−ヒドロキシ−1−プロペニル)−2−メトキシフェノール)は、1つの−OH(ヒドロキシ)基と、1つの−OCH(メトキシ)基と、1つの−CH=CHCHOH(ヒドロキシプロペニル)基とを有し、シナプリルアルコール(4−(3−ヒドロキシプロパ−1−エニル)−2,6−ジメトキシフェノール)は、1つの−OH基と、2つの−OCH基と、1つの−CH=CHCHOH基と、を有し、パラクマリルアルコール(4−(3−ヒドロキシ−1−プロペニル)フェノール))は、1つのーOH基と1つの−CH=CHCHOH基と、を有する。したがって、リグニン中のモノマーユニットは、芳香環由来のフェノールヒドロキシ、ヒドロキシプロペニル、及びメトキシペンダント基を有し、C9ユニット100個当たりメトキシ基が最も豊富である(例えば、針葉樹のリグニンでは、C9ユニット100個当たり約95個のメトキシペンダント基)。
今日、リグニンの世界的生産量は、約90億キログラム(100万トン)であり、それは、パルプ及び紙の生産工程の副産物として様々な形態で得られる。リグニンの1つの形態は、硫酸塩パルプ化法で生成されるクラフトリグニンであり、分子量は2,000〜3,000g/モルであり、モノマーユニットの平均分子量は180g/モルである。リグニンの別の形態は、亜硫酸塩パルプ化法で生成されるリグノスルホン酸塩であり、分子量は20,000〜50,000g/モルであり、モノマーユニットの平均分子量は、215〜254g/モルである。リグニンの第3の形態は、アルコールパルプ化法で生成されるオルガノソルブリグニンであり、分子量は1,000g/モル未満であり、モノマーユニットの平均分子量は188g/モルである(Lebo et al.,Kirk−Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,Online Edition,J.Wiley & Sons,2001)。今日、リグニンの主な用途は、発電、洗剤、分散剤、添加剤、バニリンやフミン酸等の原材料、粉塵抑制剤等である。
多くの企業が、セルロース糖質及びエタノールを商業化しようとしており、リグニンは、これらの生産工程の副産物となるので、リグニンは、将来的に更に大量に生産されると予測される。例えば、最近の研究では、US DoEが、バイオ燃料及びバイオマテリアル用に米国で年間1.2E12キログラム(13億トン)のバイオマスが入手可能であることを示唆している。この量のバイオマスからは、年間約4E14キログラム(4億トン)のリグニンを得ることができる。この大量のリグニンを、今日石油又は天然ガス源から作製されている高価値及び/又は大量の化学物質及び燃料(例えば、フェノール、ベンゼン、トルエン、キシレン等)に変換すれば、生産コストを下げられることに加えて、これら化学物質の環境プロファイルにも役立つことができる。更に、このリグニンの使用は、生物精製型の生産工程において同時に精製されるセルロース糖質及びエタノールの最終価格を引き下げるのに役立つことができる。
急速熱分解プロセスから得られるリグニン又はバイオオイルを化学物質(例えば、ベンゼン、トルエン、及びキシレン)に変換するためには、酸素を除去し、水素を添加しなければならない、即ち、水素処理反応を実施しなければならない。石油産業では、それぞれ水素化脱硫(HDS)及び水素化脱窒素(HDN)を介して硫黄又は窒素を除去する、水素処理と呼ばれる類似の水素処理工程のために触媒が用いられている。リグニン化合物又はモデルモノマーを水素処理するための類似の触媒が提案されている。しかし、これらHDS触媒は、水又はアルコール溶媒において安定ではなく、水素処理環境において低い変換率を示し、その活性を維持するためにHSを同時に供給する必要があり、且つ高コストを示す(Deutsch,K.L.,and B.H.Shanks,Applied Catalysis A:General,447〜448,144〜150(2012))。
したがって、高い収量、選択率、及び効率(例えば、短い滞留時間)で、解重合リグニン化合物を含むメトキシ化芳香族化合物を単純芳香族化合物に変換するための方法及び触媒、並びに長寿命触媒が必要とされている。
1つの実施形態では、メトキシ化芳香族化合物及びメトキシ化芳香族化合物を含む組成物を単純芳香族化合物に変換する方法を提供する。該方法は、反応器内で、メトキシ化芳香族化合物及びメトキシ化芳香族化合物を含む組成物を触媒及び水素と接触させる工程を含み、該触媒は、a)第8族金属、第9族金属、第10族金属、第11族金属、及びこれらの混合物からなる群から選択される遷移金属と、b)形状選択的ゼオライト、シリカ、チタニア、ジルコニア、及びこれらの混合物からなる群から選択される触媒担体と、を含む。
別の実施形態では、メトキシ化芳香族化合物及びメトキシ化芳香族化合物を含む組成物を単純芳香族化合物に変換する方法を提供する。該方法は、反応器内で、メトキシ化芳香族化合物及びメトキシ化芳香族化合物を含む組成物を触媒及び水素と接触させる工程を含み、前記触媒は、a)第8族金属、第9族金属、第10族金属、第11族金属、及びこれらの混合物からなる群から選択される遷移金属と、b)プロモーター金属と、c)アルミナ触媒担体と、を含む。
本発明の別の実施形態では、解重合リグニンの組成物を単純芳香族化合物に変換する方法を提供する。該方法は、流通反応器内で、解重合リグニンの組成物を触媒及び約32モル当量の水素と接触させる工程を含み、該触媒は、フェリエライトゼオライトに担持されているNiを含み、前記流通反応器は、約350℃の温度、約2.6MPa(370psig)の圧力、及び約3h−1のLHSVを有する。
本発明の更に別の実施形態では、解重合リグニンの組成物を単純芳香族化合物に変換する方法を提供する。前記方法は、流通反応器で、解重合リグニンの組成物を触媒及び約32モル当量の水素と接触させる工程を含み、前記触媒は、H−ZSM−5ゼオライトに担持されているPtを含み、前記流通反応器は、約350℃の温度、約2.6MPa(370psig)の圧力、及び約3h−1のLHSVを有する。
本発明の更に別の実施形態では、解重合リグニンの組成物を単純芳香族化合物に変換する方法を提供する。前記方法は、流通反応器で、解重合リグニンの組成物を触媒及び約32モル当量の水素と接触させる工程を含み、該触媒は、シリカに担持されているPd及びCrを含み、前記流通反応器は、約350℃の温度、約2.6MPa(370psig)の圧力、及び約3h−1のLHSVを有する。
本発明の別の実施形態では、モノエチレングリコール及びテレフタル酸からポリ(エチレンテレフタレート)樹脂が生成され、該テレフタル酸は、パラキシレンから生成され、該パラキシレンは、リグニンから生成され、該ポリ(エチレンテレフタレート)樹脂は、約30%超のバイオベース含量を有する。
本発明の更に別の実施形態では、リグニンをBTXに変換する方法を提供する。該方法は、a)リグニンを解重合して解重合リグニン組成物を生成する工程と、b)該解重合リグニン組成物を水素処理して単純芳香族化合物を生成する工程と、c)前記単純芳香族化合物を芳香族脱アルキル化して前記BTXを生成する工程と、を含む。
I定義
本明細書で使用するとき、用語「リグノセルロース材料」とは、リグニン、セルロース、及びへミセルロースを含む材料を指す。
本明細書で使用するとき、用語「メトキシ化芳香族化合物」とは、芳香環から出ているメトキシ基、及び任意で芳香環からの少なくとも1つの他のペンダント基を有する芳香族化合物を指す。芳香環からの他のペンダント基の非限定的な例は、ヒドロキシル、メトキシ、メチル、エチル、プロピル、及びアリル(2ープロペニル)である。メトキシ化芳香族化合物の非限定的な例は、メトキシベンゼン(アニソール)、2,6−ジメトキシフェノール(シリンゴール)、4ーアリルー2−メトキシフェノール(オイゲノール)、2ーメトキシフェノール(グアイアコール)、コニフェリルアルコール、及びシナプリルアルコールである。
本明細書で使用するとき、用語「単純芳香族化合物」とは、フェノール、ベンゼン、トルエン(メチルベンゼン)、エチルベンゼン、プロピルベンゼン、キシレン(オルト−、メタ−、及びパラ−ジメチルベンゼン化合物)、及び様々なジアルキル置換ベンゼン化合物(例えば、異性体メチルエチルベンゼン)を指す。
本明細書で使用するとき、用語「BTX」とは、集合的に、ベンゼン、トルエン、及びキシレン(即ち、オルトキシレン、メタキシレン、及びパラキシレン)を指す。
本明細書で使用するとき、用語「形状選択的ゼオライト」とは、分子の大きさ及び形状が異なるため、本発明の特定の触媒プロセス(例えば、拡散、吸着、及び脱離)に対して異なる選択率を示すゼオライトを指す。本発明の目的のために、形状選択的ゼオライトは、10個の環を有し、孔径は0.60nm以下である。このような形状選択的ゼオライトの非限定的な例は、H−ZSM−5及びフェリエライトである。
本明細書で使用するとき、用語「リグニンモノマー」とは、パラクマリルアルコール、シナプリルアルコール、コニフェリルアルコール、これらの誘導体、及びこれらの混合物からなる群から選択される化合物である。
本明細書で使用するとき、用語「リグニンオリゴマー」とは、数個(即ち、2〜10個)のリグニンモノマーを含有するリグニン化合物を指す。
本明細書で使用するとき、用語「リグニン断片」とは、当業者に公知の任意の方法を用いるリグニン解重合プロセス中に生成されるリグニンのセグメントを指す。
本明細書で使用するとき、用語「解重合リグニン組成物」とは、当業者に公知の任意の方法を用いてリグニンを破壊することによって生成される、リグニンオリゴマー、リグニンモノマー、及びリグニン断片を含む組成物を指す。
本明細書で使用するとき、用語「水素モル当量」とは、単一の化学化合物として組成物中に存在する分子水素(H、分子量は2g/モルである)とシリンゴール(分子量は、154g/モルである)とのモル比を指す。シリンゴールが組成物中に存在する唯一のメトキシ化芳香族化合物ではなく、又は組成物中に全く存在しない場合、シリンゴールの等モル量(equivalent amount of moles)を計算し、用いる。シリンゴールの等モル量は、組成物中のメトキシ化芳香族化合物の全重量をシリンゴールの分子量で除することによって計算される。
本明細書で使用するとき、用語「バイオベース材料」とは、再生可能材料を指す。
本明細書で使用するとき、用語「再生可能材料」とは、再生可能資源から製造される材料を指す。
本明細書で使用するとき、用語「再生可能資源」とは、その消費速度に匹敵する速度(例えば、100年の時間枠内)で自然過程を介して生産される資源を指す。この資源は、自然に、又は農業的手法によって補充され得る。再生可能資源の非限定的な例としては、植物(例えば、サトウキビ、テンサイ、トウモロコシ、ジャガイモ、柑橘果実、木本植物、リグノセルロース、ヘミセルロース、セルロース廃棄物)、動物、魚、細菌、真菌及び林産物が挙げられる。これらの資源は、自然発生、交雑、又は遺伝子組み換えされた生物であってよい。形成に100年超かかる原油、石炭、天然ガス及び泥炭等の天然資源は、再生可能資源とはみなされない。本発明の材料の少なくとも一部は、二酸化炭素と切り離すことのできる再生可能資源に由来することから、該材料の使用は、地球温暖化の可能性及び化石燃料消費量を低減することができる。
本明細書で使用するとき、用語「バイオベース含量」とは、ASTM D6866−10方法Bによって決定したとき、材料中の全有機炭素の重量(質量)のパーセントとしての材料中の再生可能資源由来の炭素量を指す。
本明細書で使用するとき、用語「石油ベース」とは、石油、天然ガス、石炭等の化石原料から製造される材料を指す。
本明細書で使用するとき、用語「粒径範囲」とは、所与の粒子サンプルの統計的表現を指し、(Dv,0.90−Dv,0.10)/Dv,0.50に等しい。用語「中央粒径」又はDv,0.50とは、粒子の合計体積の50%がこれを下回る粒径を指す。更に、Dv,0.10は、10%の体積分率で粒子サンプルを区分する粒径を指し、Dv,0.90,は、90%の体積分率で粒子サンプルを区分する粒径を指す。
本明細書で使用するとき、用語「変換率」(%)とは、[リグニン化合物の流入量(モル/分)ーリグニン化合物の流出量(モル/分)]/「リグニン化合物の流入量(モル/分)]×100として定義される。本発明の目的のため、用語「変換率」とは、他に記載のない限り、モル変換率を意味する。
本明細書で使用するとき、用語「収率」(%)とは、[生成物の流出量(モル/分)/リグニン化合物の流入量(モル/分)]×100として定義される。本発明の目的のため、用語「収率」とは、他に記載のない限り、モル収率を意味する。
本明細書で使用するとき、用語「選択率」(%)とは、[収率/変換率]×100として定義される。本発明の目的のため、用語「選択率」とは、他に記載のない限り、モル選択率を意味する。
本明細書で使用するとき、用語「液時空間速度」又は「LHSV」(h−1)とは、60×[合計液体流量(mL/分)/触媒床体積(mL)]として定義される。
本明細書で使用するとき、用語「NmL/分」とは、標準圧力及び温度条件(STP;0℃及び1atm)下で計算される体積流入量(mL/分)を指す。
本明細書で使用するとき、用語「全細孔体積」とは、粒子内細孔、即ち、マイクロ細孔、メソ細孔、及びマクロ細孔の全ての体積を指す。全細孔体積は、当業者に周知であるBETプロセス(ASTM D 4820−99規格)を用いて0.9814の相対圧力で吸着される窒素の体積として計算される。
II触媒及び方法
予想外に、第8族金属、第9族金属、第10族金属、第11族金属、又はこれらの混合物からなる群から選択される遷移金属、及び担体として形状選択的ゼオライト又はシリカを含む触媒は、高い収率、選択率、及び変換率で、活性を失うことなく、メトキシ化芳香族化合物又はリグニンの単純芳香族化合物への変換において、水又はアルコール及び水混合溶媒を使用することを可能にすることが見出された。従来の水素化脱硫触媒又は水素処理触媒とは異なり、これら触媒は、HS又は有機溶媒の使用を必要としなかったので、変換の安全性プロファイルが改善された。
本発明の1つの実施形態では、メトキシ化芳香族化合物を含む組成物を単純芳香族化合物に変換するための方法は、反応器内でメトキシ化芳香族化合物を含む組成物を触媒及び水素と接触させる工程を含み、前記触媒は、a)第8族金属、第9族金属、第10族金属、第11族金属、及びこれらの混合物からなる群から選択される遷移金属と、b)形状選択的ゼオライト、シリカ、チタニア、ジルコニア、及びこれらの混合物からなる群から選択される触媒担体と、を含む。
別の実施形態では、メトキシ化芳香族化合物及びメトキシ化芳香族化合物を含む組成物を単純芳香族化合物に変換する方法を提供する。前記方法は、反応器内でメトキシ化芳香族化合物及びメトキシ化芳香族化合物を含む組成物を触媒及び水素と接触させる工程を含み、前記触媒は、a)第8族金属、第9族金属、第10族金属、第11族金属、及びこれらの混合物からなる群から選択される遷移金属と、b)プロモーター金属と、c)アルミナ触媒担体と、を含む。
別の実施形態では、メトキシ化芳香族化合物は、リグニンモノマー、リグニンオリゴマー、及びリグニン断片を含む解重合リグニン組成物を含み、これは、当業者に公知の任意の方法を用いてリグニンを破壊することによって生成される。リグニンを生成する方法の非限定的な例は、クラフト、亜硫酸塩、オルガノソルブ、熱分解、水蒸気爆砕、希酸、アルカリ酸化、熱水、アルカリ、及びアンモニア繊維爆砕(AFEX)である。これら方法は、広葉樹、針葉樹、及び農業残留物に適用されているが、成功の程度は様々である。更に、解重合リグニン組成物は、例えば、一例として、限定するものではないが、超臨界条件下におけるリグニンの熱分解、ガス化、水素化分解、酸化、及び加水分解等の様々な方法を用いて得ることができる(Pandey et al.,Chem.Eng.Technol.,34,29(2011)を参照)。
別の実施形態では、解重合リグニン組成物は、リグニンオリゴマーを含む。リグニンオリゴマーは、互いに結合している2〜約10個のリグニンモノマーを含有し得る。更に別の実施形態では、解重合リグニン組成物は、例えば、パラクマリルアルコール、コニフェリルアルコール、及びシナプリルアルコール等のリグニンモノマー、又はこれらの誘導体を含む。リグニンモノマー誘導体の非限定的な例は、パラクマリル、コニフェリル、及びシナプリルアルコールのヒドロキシル基が単純カルボン酸(例えば、酢酸及びプロパン酸)でエステル化されているか、又はプロピル側鎖を得るためにパラクマリル、コニフェリル、及びシナプリルアルコールの不飽和ヒドロキシプロペニル側鎖が還元されている、化合物である。
メトキシ化芳香族化合物の組成物から生成される単純芳香族化合物としては、フェノール、ベンゼン、トルエン(メチルベンゼン)、エチルベンゼン、プロピルベンゼン、キシレン、及び様々なジアルキル置換ベンゼン化合物(例えば、異性体メチルエチルベンゼン)が挙げられる。これら単純芳香族化合物としては、例えば、フェノール及びBTX等の非常に重要な商業的価値を有する化合物、及び特に、ベンゼンに脱アルキル化することができる他の化合物が挙げられる。バイオベースベンゼンの可能性のある用途は、石油ベースベンゼンが今日用いられているのと同じ分野であり、例えば、スチレン、フェノール、ナイロン、及び直鎖アルキルベンゼンスルホネート(LAS)界面活性剤の生産等である。バイオベースパラキシレンは、(石油ベースパラキシレンをテレフタル酸に変換するために現在用いられているのと同じ方法を用いて)バイオベーステレフタル酸を生成するために用いることができる。次いで、バイオベーステレフタル酸は、石油ベースモノエチレングリコール又はバイオベースモノエチレングリコールのいずれかと組み合わせたとき、ポリ(エチレンテレフタレート)を作製するために用いることができる。
メトキシ化芳香族化合物は、反応器内で触媒及び水素と接触させることによって、単純芳香族化合物に変換される。触媒は、第8族金属、第9族金属、第10族金属、第11族金属、及びこれらの混合物からなる群から選択される遷移金属を含む。1つの実施形態では、遷移金属は、Fe、Ru、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Cu、及びこれらの混合物からなる群から選択される。別の実施形態では、遷移金属は、Ni、Pd、Pt、Cu、及びこれらの混合物からなる群から選択される。1つの実施形態では、遷移金属は、全触媒重量の約20重量%未満である。別の実施形態では、遷移金属は、全触媒重量の約5重量%未満である。
また、触媒は、触媒担体を含む。1つの実施形態では、触媒担体は、形状選択的ゼオライト、シリカ、チタニア、ジルコニア、及びこれらの混合物からなる群から選択される。別の実施形態では、形状選択的ゼオライトは、フェリエライトゼオライト又はH−ZSM−5ゼオライトを含む。典型的に、フェリエライトゼオライトは、化学式(Na,K)Mg(Si,Al)1836(OH)・9HOを有し、H−ZSM−5ゼオライトは、化学式NaAlSi96−n192・16HO(0<n<27)を有する。
1つの実施形態では、触媒担体のBET表面積は、約60m/g〜約750m/gである。別の実施形態では、触媒担体のBET表面積は、約250m/gである。1つの実施形態では、触媒担体の全細孔体積は、約0.4mL/g〜約3.2mL/gである。別の実施形態では、触媒担体の全細孔体積は、約0.9m/gである。
また、触媒担体は、プロモーター金属も含み、これは、典型的に、触媒の活性を高めるが、触媒自体ではない。1つの実施形態では、プロモーター金属は、Mg、V、Cr、Sn、及びこれらの混合物からなる群から選択される。別の実施形態では、プロモーター金属は、Mgである。1つの実施形態では、プロモーター金属は、全触媒重量の約10重量%未満である。別の実施形態では、プロモーター金属は、全触媒重量の約5重量%未満である。更に別の実施形態では、プロモーター金属は、全触媒重量の約2重量%未満である。
水素ガスは、方法において単純芳香族化合物に変換される特定のメトキシ化芳香族化合物のモル数に対するモル当量として計算される量で用いられる。第I章に記載の通り、シリンゴールが組成物中に存在する唯一のメトキシ化芳香族化合物である場合、特定のメトキシ化芳香族化合物は、分子量が〜154g/モルのシリンゴールである。シリンゴールが組成物中に存在する唯一のメトキシ化芳香族化合物ではないか又は組成物中に全く存在しない場合、シリンゴールの当モル量を計算し、用いる。シリンゴールの当モル量は、組成物中のメトキシ化芳香族化合物の全重量をシリンゴールの分子量で除することによって計算される。1つの実施形態では、約2〜約128モル当量の水素を用いる。別の実施形態では、約4〜約96モル当量の水素を用いる。更に別の実施形態では、約8〜約64モル当量の水素を用いる。更に別の実施形態では、約32モル当量の水素を用いる。
1つの実施形態では、水素ガスは、不活性ガス(即ち、本方法の条件下で反応混合物に対してその他の点で不活性であるガス)を含む。不活性ガスの非限定的な例は、窒素、空気、ヘリウム、アルゴン、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気、及びこれらの混合物である。別の実施形態では、不活性ガスは、窒素である。
メトキシ化芳香族化合物の組成物の単純芳香族化合物への変換は、反応器内で実施してよく、これは、バッチ形態又は連続形態で作業してよい。1つの実施形態では、変換は、流通反応器内で実施される。変換は、組成物が下方に流れる、又は上方に流れる、又は水平に流れる反応器内で実施してよい。1つの実施形態では、変換は、組成物が下方に流れる反応器内で実施される。
1つの実施形態では、反応器内の温度は、約200℃〜約500℃である。別の実施形態では、反応器内の温度は、約250℃〜約400℃である。更に別の実施形態では、反応器内の温度は、約300℃〜約375℃である。1つの実施形態では、反応器内の圧力は、約0.10MPa〜約26MPa(約15psig〜約3,700psig)である。別の実施形態では、反応器内の圧力は、約1.0MPa〜約3MPa(約150psig〜約500psig)である。更に別の実施形態では、反応器内の圧力は、約2.6MPa(370psig)である。
流通反応器内のメトキシ化芳香族化合物の組成物のLHSVは、約3,600h−1未満である。1つの実施形態では、流通反応器内のメトキシ化芳香族化合物の組成物のLHSVは、約1,800h−1未満である。別の実施形態では、流通反応器内のメトキシ化芳香族化合物の組成物のLHSVは、約360h−1未満である。更に別の実施形態では、流通反応器内のメトキシ化芳香族化合物の組成物のLHSVは、約10h−1未満である。1つの実施形態では、流通反応器内のメトキシ化芳香族化合物の組成物のLHSVは、約3h−1未満である。別の実施形態では、流通反応器内のメトキシ化芳香族化合物の組成物のLHSVは、約1.5h−1未満である。
1つの実施形態では、単純芳香族化合物のバイオベース含量は、約3%超である。別の実施形態では、単純芳香族化合物のバイオベース含量は、約30%超である。更に別の実施形態では、単純芳香族化合物のバイオベース含量は、約90%超である。
本発明の1つの実施形態では、解重合リグニンの組成物を単純芳香族化合物に変換する方法を提供する。該方法は、流通反応器内で、解重合リグニンの組成物を触媒及び約32モル当量の水素と接触させる工程を含み、該触媒は、フェリエライトゼオライトに担持されているNiを含み、該流通反応器は、約350℃の温度、約2.6MPa(370psig)の圧力、及び約3h−1のLHSVを有する。
本発明の別の実施形態では、解重合リグニンの組成物を単純芳香族化合物に変換する方法を提供する。該方法は、流通反応器で、解重合リグニンの組成物を触媒及び約32モル当量の水素と接触させる工程を含み、該触媒は、H−ZSM−5ゼオライトに担持されているPtを含み、該流通反応器は、約350℃の温度、約2.6MPa(370psig)の圧力、及び約3h−1のLHSVを有する。
本発明の更に別の実施形態では、解重合リグニンの組成物を単純芳香族化合物に変換する方法を提供する。該方法は、流通反応器で、解重合リグニンの組成物を触媒及び約32モル当量の水素と接触させる工程を含み、該触媒は、シリカに担持されているPd及びCrを含み、該流通反応器は、約350℃の温度、約2.6MPa(370psig)の圧力、及び約3h−1のLHSVを有する。
本発明の1つの実施形態では、モノエチレングリコール及びテレフタル酸からポリ(エチレンテレフタレート)樹脂が生成され、該テレフタル酸は、パラキシレンから生成され、該パラキシレンは、リグニンから生成され、該ポリ(エチレンテレフタレート)樹脂は、約30%超のバイオベース含量を有する。別の実施形態では、モノエチレングリコール及びテレフタル酸からポリ(エチレンテレフタレート)樹脂が生成され、テレフタル酸は、パラキシレンから生成され、パラキシレンは、リグニンから生成され、ポリ(エチレンテレフタレート)樹脂は、約90%超のバイオベース含量を有する。
本発明の1つの実施形態では、リグニンをBTXに変換する方法を提供する。該方法は、a)リグニンを解重合して解重合リグニン組成物を生成する工程と、b)該解重合リグニン組成物を水素処理して単純芳香族化合物を生成する工程と、c)該単純芳香族化合物を芳香族脱アルキル化して前記BTXを生成する工程と、を含む。本発明の別の実施形態では、水素処理工程は、反応器内で、解重合リグニン組成物を触媒及び水素と接触させる工程を含み、前記触媒は、第8族金属、第9族金属、第10族金属、第11族金属、及びこれらの混合物からなる群から選択される遷移金属と、形状選択的ゼオライト、シリカ、チタニア、ジルコニア、及びこれらの混合物からなる群から選択される触媒担体と、を含む。
芳香族脱アルキル化は、当業者に周知のプロセスであり、石油化学産業において非常に重要なプロセスである。それは、蒸気又は水素を用い、芳香環からアルキルペンダント基を除去し、ベンゼン等の脱アルキル化芳香族化合物を生成する触媒プロセスを含む。米国特許第3,649,706号(1972年発行)、同第4,199,436号(1980年発行)、及び同第4,268,703号(1981年発行)は、脱アルキル化プロセスの例である。トルエン又はキシレンからのベンゼンの生成、及びアルキルナフタレンからのナフタレンの生成は、今日石油化学産業で実施されている芳香族脱アルキル化の2つの例である。典型的なプロセス条件としては、約300℃〜約700℃の温度、約0.1MPa〜約10MPa(約1barg〜約100barg)の圧力、及び約10h−1未満のLHSVが挙げられる。より具体的には、トルエンのベンゼンへの脱アルキル化は、約500℃〜約600℃及び約4MPa〜約6MPa(約40barg〜約60barg)の圧力で、クロム、モリブデン、又は白金酸化物触媒上で実施される。
本発明を用いてリグニンから生成されるベンゼン(即ち、バイオベースベンゼン)は、例えば、一例として、限定するものではないが、エチルベンゼン、クメン、及びシクロヘキサンの生成等、典型的な石油ベースベンゼンの用途で用いることができる。次いで、これら3つの化学物質は、それぞれ、プラスチック、スチレンーブタジエンゴム(SBR)、及びスチレンコポリマー用のスチレン;樹脂及び接着剤、ポリカーボネート、ナイロン、及びエポキシ樹脂用のフェノール;並びにナイロンを生成するために用いることができる。本発明の1つの実施形態では、直鎖アルキルベンゼンスルホネート界面活性剤(LAS)は、ベンゼンから生成され、ベンゼンは、リグニンから生成される。本発明の別の実施形態では、ポリスチレン樹脂は、エチルベンゼンから生成され、エチルベンゼンは、ベンゼンから生成され、ベンゼンは、リグニンから生成される。本発明の更に別の実施形態では、フェノール樹脂は、クメンから生成され、クメンは、ベンゼンから生成され、ベンゼンは、リグニンから生成される。
本発明の1つの実施形態では、単純芳香族化合物由来のパラキシレンは、テレフタル酸に変換され、テレフタル酸は、更にエチレングリコールと反応して、ポリ(エチレンテレフタレート)樹脂を生成する。別の実施形態では、BTX由来のパラキシレンは、テレフタル酸に変換され、テレフタル酸は、更にエチレングリコールと反応して、ポリ(エチレンテレフタレート)樹脂を生成する。
本発明の1つの実施形態では、単純芳香族化合物由来のベンゼンは、直鎖アルケンと合わせられて直鎖アルキルベンゼン(LAB)化合物を生成し、LAB化合物は、更にスルホン化されて、直鎖アルキルベンゼンスルホネート(LAS)界面活性剤を生成する。別の実施形態では、BTX由来のベンゼンは、直鎖アルケンと合わせられて直鎖アルキルベンゼン(LAB)化合物を生成し、前記LAB化合物は、更にスルホン化されて、直鎖アルキルベンゼンスルホネート(LAS)界面活性剤を生成する。
適用した手順に加えて、様々な反応条件下における芳香族生成物の収率を、リグニン及び解重合リグニン化合物の水素処理について例証する以下の非限定的な実施例において提供する。
(実施例1)(比較触媒)
アルミナ触媒上の10重量% Mo(MoSとして)を以下の通り調製した。11.46gのアンモニウムテトラチオモルブデート(Sigma−Aldrich Co.LLC,St.Louis,MO;純度99.97%、カタログ番号332446)を反応容器内で20mLのエチレンジアミン(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;純度99%、カタログ番号A12132)に溶解させ、これを氷浴に入れ、最初の添加時の激しい反応を避けるために固体をゆっくりと添加した。溶液を約60℃で約30分間加熱し、次いで、室温に冷却した。モリブデン前駆体の溶液を水中で混合し、アルミナ(約105℃で約18時間乾燥)に約60℃の溶液を含浸させた。単離された固体を一晩ロータリーエバポレーター内で真空下にて加熱し、次いで、約450℃で約3時間、窒素下でか焼した。
以下の通り、プロモーター金属に適切な量のNi(NO・6HO(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;カタログ番号12222)又はCo(NO・6HO(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;カタログ番号36418)又は(NH1240(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;カタログ番号44792)を含浸させることによって、アルミナ触媒上の10重量% Moを添加した。プロモーター金属水溶液の原液を調製した。原液の適切な混合物を含浸瓶に添加し、水で5mLにし;か焼したアルミナ触媒上の10重量% Moの1.5gを含浸瓶に添加し;それを混合しながら、サンプルを約18時間含浸させた。得られた固体を約105℃で約2時間乾燥させ、約450℃で約6時間窒素下でか焼した。単一のプロモーター、二元及び三元混合物を全てこの方法で作製した。
(実施例2)
湿潤共含浸を用いて、シリカ触媒上の10重量% Pt(又はPd又はNi又はCu)を調製した。白金硝酸塩Pt(NO(Chempur GmbH,Karlsruhe,Germany;カタログ番号6438)又は硝酸パラジウム水和物塩Pd(NO・xHO(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;カタログ番号11035)又は硝酸ニッケル水和物塩Ni(NO・6HO(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;カタログ番号12222)又は硝酸銅水和物塩Cu(NO・3HO(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;カタログ番号12523)を、10mLの水中2gの乾燥シリカ(Saint−Gobain NorPro GmbH,Steinefrenz,Germany;カタログ番号SS 61138)に添加した。周囲温度で撹拌しながら、スラリーを一晩含浸させた。含浸後、液体をデカントし、触媒を約105℃で約4時間乾燥させた後、約320℃で約4時間空気中でか焼した。触媒を反応器内で還元した後、約320℃の温度で約2時間、N中5体積% Hを触媒上に流すことによって試験した。
(実施例3)
湿潤共含浸を用いて、シリカ触媒上の10重量% Pt及び2重量%Mg(プロモーターとして)を調製した。白金硝酸塩Pt(NO(Chempur GmbH,Karlsruhe,Germany;カタログ番号6438)及び硝酸マグネシウム水和物塩Mg(NO・6HO(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;カタログ番号11564)塩を、10mLの水中2gの乾燥シリカ担体(Saint−Gobain NorPro GmbH,Steinefrenz,Germany;カタログ番号SS 61138)に添加した。周囲温度で攪拌しながら、スラリーを一晩含浸させた。含浸後、液体をデカントし、触媒を約105℃で約4時間乾燥させた後、約320℃で約4時間空気中でか焼した。触媒を反応器内で還元した後、約320℃の温度で約2時間、N中5体積%Hを触媒上に流すことによって試験した。
(実施例4)
湿潤共含浸を用いて、フェリエライト触媒上の10重量% Ptを調製した。白金硝酸塩Pt(NO(Chempur GmbH,Karlsruhe,Germany;カタログ番号6438)を、10mLの水中2gの乾燥フェリエライト担体(Zeolyst International,Valley Forge,PA;カタログ番号CP 914C CY(1.6))に添加した。周囲温度で攪拌しながら、スラリーを一晩含浸させた。含浸後、液体をデカントし、触媒を約105℃で約4時間乾燥させた後、約320℃で約4時間空気中でか焼した。触媒を反応器内で還元した後、約320℃の温度で約2時間、N中5体積% Hを触媒上に流すことによって試験した。
(実施例5)
湿潤共含浸を用いて、H−ZSM−5触媒上の10重量% Ptを調製した。白金硝酸塩Pt(NO(Chempur GmbH,Karlsruhe,Germany;カタログ番号6438)を、10mLの水中2gの乾燥H−ZSM−5担体(Zeolyst International,Valley Forge,PA;カタログ番号CBV 3014 CY(1.6))に添加した。周囲温度で攪拌しながら、スラリーを一晩含浸させた。含浸後、液体をデカントし、触媒を約105℃で約4時間乾燥させた後、約320℃で約4時間空気中でか焼した。触媒を反応器内で還元した後、約320℃の温度で約2時間、N中5体積% Hを触媒上に流すことによって試験した。
同様に、硝酸ニッケル水和物塩Ni(NO・6HO(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;カタログ番号12222)を用いてH−ZSM−5触媒上10重量% Niを調製し、硝酸銅水和物塩Cu(NO・3HO(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;カタログ番号12523)を用いて、H−ZSM−5触媒上10重量% Cuを調製した。
(実施例6)
湿潤共含浸を用いて、アルミナ触媒上の10重量% Ni及び2重量% Sn(プロモーターとして)を調製した。硝酸ニッケル水和物塩Ni(NO・6HO(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;カタログ番号12222)及び酢酸スズSn(OAc)(Alfa Aesar GmbH & Co KG,Karlsruhe,Germany;カタログ番号22361)塩を、10mLの水中2gの乾燥アルミナ担体(Saint−Gobain NorPro GmbH,Steinefrenz,Germany;カタログ番号SA 6173)を添加した。周囲温度で攪拌しながら、スラリーを一晩含浸させた。含浸後、液体をデカントし、触媒を約105℃で約4時間乾燥させた後、約320℃で約4時間空気中でか焼した。触媒を反応器内で還元した後、約320℃の温度で約2時間、N中5体積% Hを触媒上に流すことによって試験した。
(実施例7)(比較)
アニソール(Sigma−Aldrich Co.LLC,St.Louis,MO;純度99.7%;カタログ番号296295)の5重量%エタノール溶液を、約3h−1のLHSVにて、実施例1に記載の通り調製したアルミナ触媒上の10重量%Mo及び1重量% Wプロモーターの100μLの床を備える反応器(第IV章の反応器の詳細を参照)に供給した。供給を約22℃で約1時間かけて安定させた後、温度を約250℃に上昇させ、ガスを流し始めた。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)であった。系を約2時間かけて安定させ、その時間中、流出液を廃棄した。次いで、流出液を約16時間回収し、GCによって分析して、ランタイムにわたる平均生成物分布を得た。生成物は、約25体積%のフェノール及び約55体積%のアニソールを含有していた。
(実施例8)
アニソール(Sigma−Aldrich Co.LLC,St.Louis,MO;99.7%純度;カタログ番号296295)の5重量%エタノール溶液を、約3h−1のLHSVにて、実施例4に記載の通り調製したフェリエライト触媒上の10重量% Ptの100μLの床を備える反応器(第IV章の反応器の詳細を参照)に供給した。最初に供給を約22℃で約1時間かけて安定させた後、温度を約300℃に上昇させ、ガスを流し始めた。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)であった。最初に系を約2時間かけて安定させ、その時間中、流出液を廃棄した。次いで、流出液を約16時間回収し、GCによって分析して、ランタイムにわたる生成物分布の平均を得た。生成物は、約96体積%のフェノールを含有していた。
(実施例9)(比較)
2,6ージメトキシフェノール(Sigma−Aldrich Co.LLC,St.Louis,MO;純度97%;カタログ番号W313718)の5重量%エタノール:水(95:5体積%/体積%)溶液を、約3h−1のLHSVにて、実施例1に記載の通り調製したアルミナ触媒上の10重量%Mo及び1重量%Wプロモーターの100μLの床を備える反応器(第IV章の反応器の詳細を参照)に供給した。供給を約22℃で約1時間かけて安定させた後、温度を約325℃に上昇させ、ガスを流し始めた。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)であった。系を約2時間かけて安定させ、その時間中、流出液を廃棄した。次いで、流出液を約16時間回収し、GCによって分析して、ランタイムにわたる平均生成物分布を得た。生成物は、約5体積%の単純芳香族化合物を含有していた。
(実施例10)
オイゲノール(Acros Organics,Geel,Belgium;純度99%;カタログ番号119115000)の5重量%エタノール/水(95:5体積%/体積%)溶液を、約1.5h−1のLHSVにて、実施例4に記載の通り調製したフェリエライト触媒上の10重量% Ptの200μLの床を備える反応器(第IV章の反応器の詳細を参照)に供給した。最初に供給を約22℃で約1時間かけて安定させた後、温度を約300℃に上昇させ、ガスを流し始めた。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)であった。最初に系を約2時間かけて安定させ、その時間中、流出液を廃棄した。次いで、流出液を約16時間回収し、GCによって分析して、ランタイムにわたる生成物分布の平均を得た。生成物は、約100体積%の単純芳香族化合物を含有していた。
(実施例11)
オイゲノール(Acros Organics,Geel,Belgium;99%純度;カタログ番号119115000)の5重量%エタノール/水(95:5体積%/体積%)溶液を、約1.5h−1のLHSVにて、実施例5に記載の通り調製したH−ZSM−5触媒上の10重量% Niの200μLの床を備える反応器(第IV章の反応器の詳細を参照)に供給した。最初に供給を約22℃で約1時間かけて安定させた後、温度を約300℃に上昇させ、ガスを流し始めた。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)であった。最初に系を約2時間かけて安定させ、その時間中、流出液を廃棄した。次いで、流出液を約16時間回収し、GCによって分析して、ランタイムにわたる生成物分布の平均を得た。生成物は、約93体積%の単純芳香族化合物を含有していた。
(実施例12)
オイゲノール(Acros Organics,Geel,Belgium;純度99%;カタログ番号119115000)の5重量%エタノール/水(95:5体積%/体積%)溶液を、約1.5h−1のLHSVにて、実施例5に記載の通り調製したH−ZSM−5触媒上の10重量% Cuの200μLの床を備える反応器(第IV章の反応器の詳細を参照)に供給した。最初に供給を約22℃で約1時間かけて安定させた後、温度を325℃に上昇させ、ガスを流し始めた。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)であった。系を約2時間かけて安定させ、その時間中、流出液を廃棄した。次いで、流出液を約16時間回収し、GCによって分析して、ランタイムにわたる生成物分布の平均を得た。生成物は、約95体積%の単純芳香族化合物を含有していた。
(実施例13)
オイゲノール(Acros Organics,Geel,Belgium;純度99%;カタログ番号119115000)の5重量%エタノール/水(95:5体積%/体積%)溶液を、約3h−1のLHSVにて、実施例2に記載の通り調製したシリカ触媒上の5重量% Ptの100μLの床を備える反応器(第IV章の反応器の詳細を参照)に供給した。最初に供給を約22℃で約1時間かけて安定させた後、温度を300℃に上昇させ、ガスを流し始めた。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)であった。系を約2時間かけて安定させ、その時間中、流出液を廃棄した。次いで、流出液を約16時間回収し、GCによって分析して、ランタイムにわたる生成物分布の平均を得た。生成物は、約97体積%の単純芳香族化合物を含有していた。
(実施例14)
オイゲノール(Acros Organics,Geel,Belgium;純度99%;カタログ番号119115000)の5重量%エタノール/水(95:5体積%/体積%)溶液を、約3h−1のLHSVにて、実施例6に記載の通り調製したアルミナ触媒上の10重量% Ni及び2重量% Snプロモーターの100μLの床を備える反応器(第IV章の反応器の詳細を参照)に供給した。最初に供給を約22℃で約1時間かけて安定させた後、温度を300℃に上昇させ、ガスを流し始めた。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)であった。系を約2時間かけて安定させ、その時間中、流出液を廃棄した。次いで、流出液を約16時間回収し、GCによって分析して、ランタイムにわたる生成物分布の平均を得た。生成物は、約92体積%の単純芳香族化合物を含有していた。
(実施例15)
5重量%のオイゲノール(Acros Organics,Geel,Belgium;純度99%;カタログ番号119115000)及び2.5重量%の2,6ージメトキシフェノール(Sigma−Aldrich Co.LLC,St.Louis,MO;純度97%;カタログ番号W313718)のエタノール/水(95:5体積%/体積%)溶液を、約3h−1のLHSVにて、実施例4に記載の通り調製したフェリエライト上の10重量% Ptの100μLの床を備える反応器(第IV章の反応器の詳細を参照)に供給した。最初に供給を約22℃で約1時間かけて安定させた後、温度を約325℃に上昇させ、ガスを流し始めた。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)であった。系を約2時間かけて安定させ、その時間中、流出液を廃棄した。次いで、流出液を約16時間回収し、GCによって分析して、ランタイムにわたる生成物分布の平均を得た。生成物は、約49体積%の単純芳香族化合物を含有していた。
(実施例16)
5重量%のオイゲノール(Acros Organics,Geel,Belgium;純度99%;カタログ番号119115000)及び2.5重量%の2,6ージメトキシフェノール(Sigma−Aldrich Co.LLC,St.Louis,MO;純度97%;カタログ番号W313718)のエタノール/水(95:5体積%/体積%)溶液を、約1.5h−1のLHSVにて、実施例5に記載の通り調製したH−ZSM−5上の10重量% Ptの200μLの床を備える反応器(第IV章の反応器の詳細を参照)に供給した。最初に供給を約22℃で約1時間かけて安定させた後、温度を約325℃に上昇させ、ガスを流し始めた。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)であった。系を約2時間かけて安定させ、その時間中、流出液を廃棄した。次いで、流出液を約16時間回収し、GCによって分析して、ランタイムにわたる生成物分布の平均を得た。生成物は、約93体積%の単純芳香族化合物を含有していた。
(実施例17)
5重量%のオイゲノール(Acros Organics,Geel,Belgium;純度99%;カタログ番号119115000)及び2.5重量%の2,6ージメトキシフェノール(Sigma−Aldrich Co.LLC,St.Louis,MO;純度97%;カタログ番号W313718)のエタノール/水(95:5体積%/体積%)溶液を、約3h−1のLHSVにて、実施例3に記載の通り調製したシリカ触媒上の10重量% Pt及び2重量%Mgプロモーターの100μLの床を備える反応器(第IV章の反応器の詳細を参照)に供給した。最初に供給を約22℃で約1時間かけて安定させた後、温度を325℃に上昇させ、ガスを流し始めた。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)であった。最初に系を約2時間かけて安定させ、流出液を廃棄した。次いで、流出液を約16時間回収し、GCによって分析して、ランタイムにわたる生成物分布の平均を得た。生成物は、約95体積%の単純芳香族化合物を含有していた。
(実施例18)
リグニンを解重合させてリグニンモノマーを生成し、次いで、これをエタノール/水溶液に溶解させて、5重量%溶液を作製した。溶液を、約1.5h−1のLHSVで、実施例4に記載の通り調製したフェリエライト触媒上の10重量% Ptの200μLの床を備える反応器(第IV章の詳細を参照)に供給する。水素は、約16モル当量で供給し、窒素は、約10NmL/分で供給し、全ガス圧力は、約3MPa(30bar)である。生成物は、約90体積%超の単純芳香族を含有する。
IV試験及び計算手順
反応器:最大触媒床体積約0.2mLの流通反応器系内で変換を実施した。この系は、温度コントローラー及びマスフローコントローラーを備え、触媒床に達する前に混合される別個の液体原料及びガス原料が供給された。ガス原料は、分子窒素(N)及びヘリウム(He)で構成されており、これは、ガスクロマトグラフ(GC)分析用の内部標準として添加された。液体原料は、触媒床からの任意の圧力低下に打ち勝つために、ポンプ圧を約2.5MPa(360psig)に制御しながら反応器の上部に供給された。アスペクト比(即ち、長さ/直径)が75である石英又はステンレス鋼反応器を用いた。
様々な触媒床及びガス供給フローを使用して一定範囲の空間速度を得た(本明細書の結果の章に報告する)。また、反応器の流出液を別の窒素希釈ラインに接続して、前記流出液を2倍希釈した。分析目的のためにこの希釈物における任意の偏差をヘリウム内部標準で正規化した。回収バイアルのオーバーヘッドスペースにガス状生成物が蓄積している間、6.5℃〜10℃に冷却した液体サンプリング系によって縮合生成物を回収した。
原料を1時間平衡化し、その後液体サンプルを16時間回収し、オフラインGCによって実験の最後に分析した。生成物をGCによってオンラインで2回分析し、平均として報告した。3つの検出器(1つの水素炎イオン化検出器(FID)、及び2つの熱伝導率検出器(TCD)「A」及び「B」であり、以後それぞれ「TCD−A」及び「TCD−B」と称する)を使用するInterscience Compactガスクロマトグラフィー(GC)システム(Interscience BV(Breda、Netherlands))によって生成物を分析した。ガス状生成物は、2つの連続GCクロマトグラムによって得られた平均として報告した。
TCD−Aカラムは、Rt−Q Bond(Restek Corp.,Bellefonte,PA)(長さ26m、I.D.0.32mm、フィルム厚10μm、2mのプレカラムを使用)であった。圧力は、150kPaに設定し、分流は、10mL/分であった。カラムオーブン温度は、100℃に設定し、ベールオーブン温度は、50℃であった。流速は、5.0mL/分に設定し、キャリアガスは、ヘリウムであった。TCD−Bカラムは、Mol sieve MS5A(Restek Corp.,Bellefonte,PA)(長さ21m、フィルム厚10μm、2mのプレカラムを使用)であった。圧力は、200kPaに設定し、分流は、10mL/分であった。カラムオーブン温度は、70℃に設定し、ベールオーブン温度は、50℃であった。流速は、2.0mL/分に設定し、キャリアガスは、アルゴンであった。FIDカラムは、RTx−624(Restek(Bellefonte、PA))(長さ28m、内径0.25mm、フィルム厚14mm、2mのプレカラムを使用)であった。圧力は、100kPaに設定し、分流は、20mL/分であった。カラムオーブン温度は、45℃に設定し、ベールオーブン温度は、50℃であった。
BET表面積及び全細孔体積:BET表面積及び全細孔体積は、Coulter Corp.(Miami,FL)によって製造されているCoulter SA3100シリーズ表面積及び孔径アナライザーを用いる約ー196℃(77K)における多点窒素吸着により、参照によりその実体が本明細書に援用されるASTM D 4820−99に記載されている窒素吸着技術等を用いて測定する。理解されるように、当業者に公知である通りBET測定については他の機器に置換してもよい。
バイオベース含量:材料のバイオベース含量は、ASTM D6866方法を用いて測定し、これにより、加速器質量分析、液体シンチレーション計数、及び同位体質量分析による放射性炭素分析を用いて材料のバイオベース含量を測定することができる。大気中の窒素と、紫外線により生成された中性子とが衝突すると、窒素はプロトンを失い、14の分子量を有する放射性炭素が形成される。この14Cは、直ちに二酸化炭素へと酸化され、これは、割合は少ないものの測定可能な大気中炭素画分である。大気中の二酸化炭素は、緑色植物によって循環されて、光合成として知られるプロセス中に有機分子が製造される。循環は、緑色植物又は他の形態の生命体が、有機分子を代謝して二酸化炭素を生成することで完了し、これにより大気への二酸化炭素の再放出が生じる。地球上の生命体の実質上全ての形態は、成長及び生殖を促進する化学エネルギーを生成するにあたって、この緑色植物による有機分子の生成に依存する。したがって、大気中に存在する14Cは、全ての生命形態及びその生物学的生成物の一部となる。二酸化炭素に生分解されるこれらの再生可能ベースの有機分子では、大気に放出される炭素の純増加がないため、地球温暖化に寄与しない。対照的に、化石燃料ベース炭素は、大気中の二酸化炭素の、シグネチャー放射性炭素比率を有さない。参照により本明細書に援用される国際公開第2009/155086号を参照されたい。
「バイオベース含量」を導くためのASTM D6866の応用は、年齢方程式を用いないことを除いて、放射性炭素年代測定と同じ概念に基づいて行われる。分析は、現代の参照標準中の放射性炭素に対する未知のサンプル中の放射性炭素(14C)の比を導くことによって行われる。比率は、単位「pMC」(現代炭素パーセント)により百分率として報告される。分析されている物質が、現代の放射性炭素と化石炭素(放射性炭素を含有しない)との混合物である場合、得られるpMC値は、サンプル中に存在するバイオマス物質の量と直接相関する。放射性炭素年代測定法において使用される現代参照基準は、およそ紀元1950年と同等の既知の放射性炭素含有量を用いるNIST(米国標準技術局)基準である。紀元1950年は、各爆発と共に大量の過剰の放射性炭素(「爆発炭素」と称される)が大気中に導入された、熱核兵器実験前の時間を表すために選択された。紀元1950参照は、100pMCを表す。実験のピークであり、且つ実験を停止させる条約の前の1963年に、大気中の「爆発炭素」は、正常レベルのほぼ2倍に到達した。大気内のこの分布は、その出現以来近似されており、紀元1950年以来生存している植物及び動物に関しては100pMCを超える値が示される。爆発炭素の分布は、時間と共に徐々に減少してきており、今日の値は、107.5pMCに近い。結果として、トウモロコシのような新鮮なバイオマス物質からは、107.5pMCに近い放射性炭素シグネチャーが得られる。
石油ベース炭素は、大気中の二酸化炭素の、シグネチャー放射性炭素比率を有さない。研究は、化石燃料及び石油化学製品が約1pMC未満、典型的には約0.1pMC未満、例えば、約0.03pMC未満を有することに留意している。しかし、再生可能資源に完全に由来する化合物は、少なくとも約95パーセント、好ましくは少なくとも約99pMC、例えば、約100pMCが現代炭素(pMC)である。
化石炭素を現代の炭素と物質中に組み合わせることで、現代のpMC含有量が希釈されるであろう。107.5pMCが現代のバイオマス物質を表し、0pMCが石油誘導体を表すと仮定すると、その物質について測定されるpMC値は、2つの成分タイプの割合を反映することになるであろう。現代のダイズに100%由来する物質は、107.5pMCに近い放射性炭素シグネチャーを示すであろう。この物質を50%石油誘導体で希釈した場合、それは、54pMCに近い放射性炭素シグネチャーを示すであろう。
バイオベース含量の結果は、100%が107.5pMCに等しく、0%が0pMCに等しいように割り当てることによって導き出される。これに関して、99pMCと測定されるサンプルは、93%の同等のバイオベース含量結果をもたらすであろう。
本明細書に記載する物質の評価は、ASTM D6866、特に方法Bに従って行った。中央値は、最終成分放射性炭素シグネチャーにおける変動を計上するために、6%の絶対範囲(バイオベースの含有量値のいずれかの側でのプラスマイナス3%)を含む。全ての物質が、現代の又は化石起源であり、所望の結果は、製造プロセスにおいて「使用される」バイオ物質の量ではなく、物質中に「存在する」バイオ成分の量であるものと推定される。
物質のバイオベース含量を評価するための他の技術は、各々参照により本明細書に援用される米国特許第3,885,155号、第4,427,884号、第4,973,841号、第5,438,194号、及び第5,661,299号、及び国際公開第2009/155086号に記載されている。
V結果
上述の記載は、理解を明確にするためにのみ与えられているものであり、当業者にとって本発明の範囲内の変更は自明のことであるので、上述の記載によって不必要な情報が理解されるべきではない。
以下の表1は、実施例2に記載したアニソールのフェノールへの変換の結果を示す。各実施例において、LHSVは、約3h−1であり、アニソールは、5重量%エタノール溶液であり、用いた水素の量は、約16モル当量であった。比較例7は、250℃の温度を用い、これは、触媒に最適な温度であった。実施例8は、約300℃の温度を用い、これは、フェリエライト触媒上の10重量% Ptに最適な温度であった。
Figure 2016513626
表1の結果は、本発明に係る触媒(即ち、実施例9)及び本発明に係らない触媒(即ち、実施例7)によるアニソールのフェノール(これは、単純芳香族化合物である)への変換の比較を提供する。特に、同じ又は類似の反応条件下で、本発明に係る触媒では、遥かに多いアニソールがフェノールに変換された。
表2は、本開示の触媒及び方法を用いたメトキシ化芳香族化合物の単純芳香族化合物への変換を表形式で示す。
Figure 2016513626
表2の結果は、本発明に係る触媒(即ち、実施例10〜17)が、メトキシ化芳香族化合物(例えば、オイゲノール、2,6−ジメトキシフェノール、又はこれらの混合物)を単純芳香族化合物に変換することを示す。しかし、プロモーター金属を含む又は含まない、硫化モリブデン等の触媒(即ち、実施例1に記載の通り調製した触媒を用いた実施例9)は、類似の反応条件下で、少量の単純芳香族化合物しか生成しない。
本明細書に開示した寸法及び値は、記載された正確な数値に厳密に限定されるものと理解されるべきではない。むしろ、特に断らないかぎり、そのような寸法のそれぞれは、記載された値及びその値の周辺の機能的に同等の範囲の両方を意味するものとする。例えば、「40mm」として開示される寸法は、「約40mm」を意味することを意図する。
任意の相互参照又は関連特許若しくは関連出願を含む本明細書に引用される文献は全て、明らかに除外されるか又は別の方法で限定されないかぎり、それらの全容を本明細書に参照によって援用する。いずれの文献の引用も、こうした文献が本明細書で開示又は特許請求される全ての発明に対する先行技術であることを容認するものではなく、あるいは、こうした文献が、単独で、又は他の全ての参照文献との任意の組み合わせにおいて、こうした発明のいずれかを教示、示唆又は開示していることを容認するものでもない。更に、本文書内の用語のいずれかの意味又は定義が、参照によって援用される文書内の同じ用語のいずれかの意味又は定義と矛盾する場合、本文書においてその用語に付与される意味又は定義が優先するものとする。
本発明の特定の実施形態が例示され記載されてきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく他の様々な変更及び修正を実施できることが、当業者には自明であろう。したがって、本発明の範囲内にあるそのような全ての変更及び修正を添付の特許請求の範囲で扱うものとする。

Claims (15)

  1. メトキシ化芳香族化合物及びメトキシ化芳香族化合物を含む組成物を単純芳香族化合物に変換する方法であって、
    a.反応器内で、前記メトキシ化芳香族化合物及び前記メトキシ化芳香族化合物を含む組成物を触媒及び水素と接触させる工程と、
    b.前記反応器から単純芳香族化合物を取り出す工程と、
    を含み、前記触媒が、
    i.第8族金属、第9族金属、第10族金属、第11族金属、及びこれらの混合物からなる群から選択される遷移金属と、
    ii.シリカ、チタニア、ジルコニア、形状選択的ゼオライト、及びこれらの混合物からなる群から選択される触媒担体と、
    を含む方法。
  2. 前記触媒担体が、形状選択的ゼオライトであり、更に、前記形状選択的ゼオライトが、フェリエライトゼオライトを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記触媒担体が、形状選択的ゼオライトであり、更に、前記形状選択的ゼオライトが、H−ZSM−5ゼオライトを含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記遷移金属が、Fe、Ru、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Cu、及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
  5. 前記遷移金属が、Ni、Pd、Pt、Cu、及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項4に記載の方法。
  6. 前記遷移金属が、前記触媒の約20重量%未満で含まれる、請求項1に記載の方法。
  7. 前記触媒担体が、シリカであり、更に、前記触媒担体が、プロモーター金属も含む、請求項1に記載の方法。
  8. 前記プロモーター金属が、Mg、V、Cr、Sn、及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項7に記載の方法。
  9. 前記水素を不活性ガスと混合する、請求項1に記載の方法。
  10. 前記反応器が、流通反応器である、請求項1に記載の方法。
  11. 前記流通反応器内の前記メトキシ化芳香族化合物及びメトキシ化芳香族化合物を含む組成物が、約10h−1未満の液時空間速度を有する、請求項10に記載の方法。
  12. 前記反応器が、動作温度を有し、前記動作温度が、約250℃〜約400℃である、請求項1に記載の方法。
  13. 前記単純芳香族化合物が、約30%超のバイオベース含量を有する、請求項1に記載の方法。
  14. メトキシ化芳香族化合物を含む前記組成物が、解重合リグニン組成物を含む、請求項1に記載の方法。
  15. 前記単純芳香族化合物が、パラキシレンを含み、
    a.前記パラキシレンをテレフタル酸に変換する工程と、
    b.前記テレフタル酸をエチレングリコールと反応させて、ポリ(エチレンテレフタレート)樹脂を生成する工程と、
    を更に含む、請求項1に記載の方法。
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