JP2017513940A - ホモセリン系化合物の処理工程 - Google Patents

ホモセリン系化合物の処理工程 Download PDF

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Abstract

本開示内容は、産業界で重要な化合物の製造に中間体として用いることができる有用な化合物をホモセリン系化合物から製造することに関するものであり、容易かつ優れた効率でホモセリン系化合物から有用な化合物を大量生産できる、ホモセリン系化合物の処理工程を提供するためのものである。【選択図】図1

Description

本開示内容は、ホモセリン系化合物から有用な化合物を大量生産できる、ホモセリン系化合物の処理工程に関する。
産業界の主要資源である石炭及び石油は、化石燃料として用いられると共に、様々な化合物の合成原料としても用いられている。特に、石油を蒸留すると様々なアルカン、アルケンなどの物質が得られるが、これを合成原料として様々な物質を合成することができる。例えば、高分子、医薬、食品添加物など様々な物質が石油から合成されている。しかし、石油埋蔵量に限界があるという問題や、石油消費過程において二酸化炭素及び有害物質が発生するという問題がある。
よって、合成原料としての石油を代替する研究が行われており、その中でもバイオマスが注目されている。バイオマスとは、植物、例えばトウモロコシ、大豆、サトウキビなどの再生可能な植物資源から化学的又は生物学的方法を用いて製造される素材を意味する。
特に、サトウキビなどの植物から糖類(ブドウ糖や果糖など)が得られる。これは、食品としても用いられ、微生物で発酵させることにより様々な化合物、例えばホモセリン系化合物が得られる。ホモセリンは、2−アミノ−4−ヒドロキシブタン酸の構造を有するアミノ酸であり、メチオニン、トレオニン又はイソロイシンなどを製造する中間体として用いられる。ホモセリンは、ラクトン型に変換されたり、4−ヒドロキシ部分が置換されてもよく、例えばホモセリン、ホモセリンラクトン、O−アセチルホモセリン、O−スクシニルホモセリン、ホモセリンラクトン塩酸塩、ホモセリンラクトン臭素酸塩などの構造を有してもよい。
前記ホモセリン系化合物の付加価値を向上させるために、ラクトン化反応や加水分解反応によりγ−ブチロラクトン又はその誘導体、フラノン、コハク酸ジアルキルなどを製造してもよい。そのためには、ホモセリン系化合物の化学構造からアミノ基を除去する工程、すなわち脱アミノ化工程が必要である。
産業的な化学工程により脱アミノ化工程を行う方法としては、触媒の使用、酵素の使用などが提案されている。しかし、触媒の使用はその効果がいまだ検証されておらず、酵素の使用は産業的大量生産方式には適さない。
一方、γ−ブチロラクトンは、高分子、薬学などにおける中間体としてN−ピロリドン誘導体の製造に用いられる重要な中間体であり、γ−ブチロラクトンの需要はますます高まっている。γ−ブチロラクトンは、石油化学工程において1,4−ブタンジオールを脱水素化反応させるか、マレイン酸無水物又はコハク酸無水物を水素化反応させることにより製造することができる。しかし、上記方法は、原料物質の価格の変動が激しく、生産コストが高くなる恐れがあるので、γ−ブチロラクトンを製造できる新たな原料が求められている。
一方、1,4−ブタンジオールは、産業界で広範囲に用いられており、特にポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリウレタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフランなどの合成原料として用いられる重要な原料である。1,4−ブタンジオールは、石油化学工程により主に製造されている。例えば、アセチレン、ブタジエン、酸化プロピレン及び無水マレイン酸などから生産される。しかし、原料物質の価格の変動により生産コストが高くなる恐れがあり、工程が複雑で巨大設備を要するという欠点がある。よって、石油依存型原料物質でない他の原料から1,4−ブタンジオールを製造する方法が求められている。
そこで、本発明者らは、産業界で重要な化合物の製造に中間体として用いることができる有用な化合物をホモセリン系化合物から製造する方法を研究した結果、容易で、かつ高い収率が得られ、産業的大量生産に有利なホモセリン系化合物の処理工程を確認し、本開示内容を完成するに至った。
韓国登録特許第10−0538979号公報
本開示内容は、産業界で重要な化合物の製造に中間体として用いることができる有用な化合物をホモセリン系化合物から製造するものであり、容易かつ優れた効率でホモセリン系化合物から有用な化合物を大量生産できる、ホモセリン系化合物の処理工程、及びそれにより製造される化合物に関する。
上記課題を解決するために、本開示内容は、ホモセリン系化合物の溶液をNOxと反応させるステップ(ステップ1)と、ステップ1の生成物からγ−ブチロラクトン、γ−ブチロラクトン誘導体、フラノン、コハク酸ジアルキル、副産物又はそれらの混合物を回収するステップ(ステップ2)とを含む、γ−ブチロラクトン、γ−ブチロラクトン誘導体、フラノン、コハク酸ジアルキル、副産物又はそれらの混合物の製造方法を提供する。
ステップ1は、ホモセリン系化合物の脱アミノ化反応であり、ホモセリン系化合物のアミノ基をNOxと反応させて脱アミノ化するステップである。
前記ホモセリン系化合物は、ホモセリン、ホモセリンラクトン、O−アセチルホモセリン、O−スクシニルホモセリン、ホモセリンラクトン塩酸塩、ホモセリンラクトン臭素酸塩又はそれらの混合物であり、各化合物の構造は次の通りである。
これらのホモセリン系化合物はアミノ基を有するので、本開示内容においてはアミノ基を除去するためにNOxと反応させる。本開示内容における「NOx」とは、窒素酸化物を意味し、本開示内容においては酸化剤として用いられる。前記xは、1、1.5、2又は3である。本開示内容において用いられるNOxの例としては、NO、N、NO又はNOが挙げられる。
NOxは、ガスの形態で直接反応するか、又は硝酸塩の形態でホモセリン系化合物と反応する。NOxを硝酸塩の形態で用いる場合は、HNO、NHNO又は金属イオンと結合することにより触媒として作用する。例えば、NaNO、Fe(NO、Al(NO、Cu(NO、Bi(NO、Zn(NO又はPb(NOの形態で作用する。
NOxをガスの形態で用いる場合は、NOガスを単独で用いて脱アミノ化することができる。また、NOガスと共にOガス、不活性ガス又はそれらの混合物の形態で用いることができ、触媒と共に用いることもできる。前記不活性ガスとしては、Nガス、Heガス、Arガス又はそれらの混合物を用いることができる。
また、NOガスをOガスと共に用いると、NOとOが反応してNOやNなどを形成するが、それらはNOと共に脱アミノ化に用いることができる。前述したように用いるNOガスとOガスは、1〜3:1(NO:O)、具体的には2:1のモル比で用いることができる。OガスはAirガスとしても用いることができる。
閉鎖系反応システムにおいては、反応圧力を増加させる目的で不活性ガスを共に用いることができる。また、開放系反応システムにおいては、不活性ガスが含まれないNO又はOを用いることができる。さらに、開放系システムにおいては、不活性ガスを同時に用いることができるが、供給ガスの流量が増加することにより反応物とガスの接触時間が短くなるので、NOガスの損失が生じ得る。よって、不活性ガスを含まない純粋なNOガスを用いることができる。
前記NO又はNOxとホモセリン系化合物の反応のために、ホモセリン系化合物は溶液又は溶媒に分散した状態で用いることができる。具体的には、ホモセリン系化合物溶液の溶媒としては、ホモセリン系化合物が溶解又はスウェリングする溶媒を用いることができ、NO又はNOxガスの吸収濃度が高い溶媒を用いることができる。他の態様において、溶媒は生成物の分離を容易にするものを用いることができる。前記溶媒としては、生成物の選択度に応じて、水、クロロホルム、ジクロロホルム、メタノール、ハロ−γ−ブチロラクトン又はそれらの混合物を用いることができる。
脱アミノ化反応により生成される生成物のうち、γ−ブチロラクトン誘導体の選択度は、ホモセリン系化合物の溶媒の選定により変化する。具体例として、水を溶媒として用いると、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトンの生成が促進され、有機溶媒であるクロロホルム、ジクロロホルム、ハロ−γ−ブチロラクトン又はそれらの混合物を用いると、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトンの生成が最小限に抑えられる。また、メタノールを溶媒として用いると、メトキシ−γ−ブチロラクトンが生成される。
また、用いるホモセリン系化合物に応じて様々な生成物が生成される。具体的には、ホモセリンラクトンを用いると、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトンが優先的に生成され、ホモセリンラクトン塩を用いると、ハロ−γ−ブチロラクトンが優先的に生成される。フラノンは、ホモセリン誘導体の種類に関係なく、他の生成物と共に生成される。O−スクシニルホモセリン又はO−アセチルホモセリンを用いると、2,4−ジヒドロキシブタン酸が生成され、コハク酸、無水コハク酸、酢酸、無水酢酸が生成される。よって、アルコールを用いてさらなるエステル化反応を行うことにより、コハク酸ジアルキルを製造することができる。アセトキシ−γ−ブチロラクトンの製造は、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトンを酢酸、無水酢酸、塩化アセチルとさらにアセチル化反応させることにより行うことができる。ステップ1において、特に、ホモセリンラクトン塩が反応物であり、水又はハロ−γ−ブチロラクトン誘導体が溶媒である場合、脱アミノ化反応時に生成物の比重及び溶解度の差により生成物の層分離が起こる。よって、未反応物及び生成物を容易に分離及び回収することができる。
また、生成物中のハロ−γ−ブチロラクトンの選択度を向上させるために、ハロゲン塩を添加してもよい。より具体的には、選択度を最大化するためには、ホモセリンラクトン塩を用いた脱アミノ化反応時にホモセリンラクトン塩と同じハロゲン塩を添加することができる。前記ハロゲン塩としては、臭素酸、塩酸、フッ化水素酸又はヨウ素酸であってもよく、これを添加することによりハロゲンが置換されたγ−ブチロラクトンの生成比率が高くなる。これは、理論的に限定されるものではないが、ホモセリン系化合物とNOxが反応する過程において、ハロゲン塩のハロゲンの一部が反応に関与するので、生成物におけるハロゲンが置換されたγ−ブチロラクトンの生成比率が高くなる。また、溶媒使用時にヒドロキシ−γ−ブチロラクトンの生成量を最小限に抑えるために、水が含まれないクロロホルム、ジクロロホルム、ハロ−ブチロラクトンを用いることができる。
さらに、ステップ1は触媒がなくても反応が起こるが、金属触媒を用いてもよい。前記金属触媒は、NOx、具体的にはOを用いないNOガスとホモセリン系化合物の反応を促進させることができる。前記金属触媒は、ステップ1の反応系に添加されるか、又は前記ホモセリン系化合物の溶液に添加される。前記金属触媒は、少なくとも1つのM/X、M/X又はFeであり、ここでM及びMは同一ではなく、貴金属又は遷移金属を用いることができ、Xは活性炭素又はSiOである。具体的には、前記貴金属は、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、Re又はAuであり、前記遷移金属は、Fe、Pb、Sb、Ag、Al、Cu、Ni、Cr又はZnである。
また、ステップ1の反応温度は0℃〜200℃であってもよい。さらに、ステップ1の反応圧力は1atm〜100atmであってもよい。前記反応圧力は、供給されるガス(NO、不活性ガスなど)により調節することができる。
具体例として、ステップ1において、Oを用いないNOガスを用いて触媒と共に脱アミノ化反応を行う場合、反応温度は50℃〜150℃であってもよい。また、反応圧力は5atm〜50atmであってもよいう。前記反応圧力は、供給されるガス(NO、不活性ガスなど)により調節することができる。
他の具体例として、ステップ1において、触媒を用いずにNOガス、又はNOガスとOガスを同時に用いる場合、反応温度は0℃〜50℃であってもよい。また、反応圧力は1atmであってもよいが、特に限定されるものではない。
ステップ2は、ステップ1により前記ホモセリン系化合物から製造されたγ−ブチロラクトン、γ−ブチロラクトン誘導体、フラノン、コハク酸ジアルキル、副産物又はそれらの混合物を分離及び回収するステップである。
上記生成物において、前記γ−ブチロラクトン誘導体は、ハロ−γ−ブチロラクトン、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、メトキシ−γ−ブチロラクトン、アセトキシ−γ−ブチロラクトン又はそれらの混合物であってもよい。前記副産物は、コハク酸、無水コハク酸、酢酸、無水酢酸、2,4−ジヒドロキシブタン酸、4−ヒドロキシ−2−ブテン酸メチルエステル、4−ヒドロキシ−2−メトキシブタン酸、4−ヒドロキシ−2−クロロブタン酸ブチル又はそれらの混合物である。また、前記副産物は、分離、回収することにより、本開示内容の工程において産物の選択度を向上させる目的で再循環させて用いることができる。
上記生成物からそれぞれ生成された化合物は、通常用いられる分離方法、例えば蒸留などの方法により分離することができる。
また、ステップ1で用いたホモセリン系化合物に応じて、工程の効率のために次の方法により各生成物を分離及び回収することができる。
具体例として、ステップ1の反応物がホモセリンラクトン塩酸塩又はホモセリンラクトン臭素酸塩である場合は、次のように各生成物を分離及び回収することができる。
ステップ1の反応物がホモセリンラクトン塩酸塩又はホモセリンラクトン臭素酸塩である場合、ハロ−γ−ブチロラクトン及びヒドロキシ−γ−ブチロラクトンが主生成物として得られる。ハロ−γ−ブチロラクトン及びヒドロキシ−γ−ブチロラクトンは、比重又は溶解度の差により、下部層からハロ−γ−ブチロラクトンを高い純度で回収及び分離することができる。
また、ステップ1の生成物が含まれる溶液をクロロホルム、ジクロロホルム、メチルクロロホルム又はテトラクロロエタンなどの有機溶媒で抽出することにより、ハロ−γ−ブチロラクトン又はヒドロキシ−γ−ブチロラクトンを回収することができる。ステップ1の生成物から下部層を分離及び回収し、次いで上部層を前述したように有機溶媒で抽出してもよい。これは、層分離により下部層を先に分離してハロ−γ−ブチロラクトンを先に回収し、次いで前述したように抽出したほうが容易に抽出できるからである。
あるいは、生成物から下部層を分離及び回収し、次いで上部層の一部をステップ1で回収して反応溶媒として用い、上部層の残部を前述したように抽出してもよい。こうすると、上層部に存在する脱アミノ化生成物溶液に含まれる酸(HCl、HBrなど)及びNOxを再循環させ、ハロ−ブチロラクトンが除去されて相対的にヒドロキシ−γ−ブチロラクトンの分率が増加した溶液を再び用いることにより、ハロ−γ−ブチロラクトンが主生成物として製造されるようにして工程の効率を高くすることができる。また、全工程において溶媒の使用量を最小限に抑えることにより、廃水処理コスト及びNOガス、ハロゲン塩(HCl、HBrなど)の使用にかかるコストを低減することができる。
また、前記ハロ−γ−ブチロラクトン又はヒドロキシ−γ−ブチロラクトンを回収し、次いで残った濾液をステップ1に再循環させることができる。このような再循環を行うと、濾液に存在する未反応出発物質を再びステップ1に再循環させることにより工程の効率を高められるだけでなく、前記濾液はステップ1のホモセリン系化合物の溶媒を多量に含むので、全工程における溶媒の使用量を最小限に抑えられるという利点がある。あるいは、前記濾液からヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、フラノン又はそれらの混合物を回収することができる。前記濾液は、ハロ−γ−ブチロラクトンが最も大きく除去された状態であるので、前記濾液に含まれる溶媒を除去することにより、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、フラノン又はそれらの混合物を回収することができる。前記溶媒の除去は、通常用いられる方法、例えば蒸留や加熱などの方式により除去することができる。
他の具体例として、ステップ1の反応物がO−スクシニルホモセリンである場合は、次のように各生成物を分離及び回収することができる。
ステップ1の反応物がO−スクシニルホモセリンである場合は、O−スクシニルホモセリンの脱アミノ化反応と共に加水分解反応が同時に行われるので、コハク酸又は無水コハク酸と2,4−ジヒドロキシブタン酸が一次的に生成され、コハク酸又は無水コハク酸が沈殿物として生成される。濾過によりコハク酸及び無水コハク酸の一部は回収し、そのうちコハク酸、無水コハク酸、2,4−ジヒドロキシブタン酸を含む溶液から溶媒を減圧蒸留により除去し、メタノールとエステル化反応を行わせることにより、コハク酸又は無水コハク酸をコハク酸ジアルキルに変換する。前記溶媒除去及びエステル化反応過程で添加される酸により2,4−ジヒドロキシブタン酸が脱水環化反応を起こすことによりヒドロキシ−γ−ブチロラクトンが形成される。コハク酸(b.p.235℃)、無水コハク酸(b.p.261℃)、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン(b.p.249.3℃)及びコハク酸ジメチル(b.p.195.3℃)を減圧蒸留することにより、主生成物として回収することができる。
さらに他の具体例として、ステップ1の反応物がホモセリンである場合は、次のように各生成物を分離及び回収することができる。
ステップ1の反応物がホモセリンである場合は、一次的に2,4−ジヒドロキシブタン酸とコハク酸が主生成物として生成される。また、2,4−ジヒドロキシブタン酸が脱水環化反応を起こすとヒドロキシ−γ−ブチロラクトンに変換され、コハク酸がエステル化反応を起こすとコハク酸ジメチルを主生成物として回収することができる。その後、相対的に沸点が低い溶媒と副生成物を蒸留により除去することによってヒドロキシ−γ−ブチロラクトンを回収することができる。
さらに他の具体例として、ステップ1の反応物がアセチル−ホモセリンである場合は、次のように各生成物を分離及び回収することができる。
ステップ1の反応物がアセチル−ホモセリンである場合は、一次的に2,4−ジヒドロキシブタン酸と酢酸又は無水酢酸が主生成物として生成され、最終生成物としてヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、アセトキシ−γ−ブチロラクトン又はそれらの混合物が得られる。目標生成物がヒドロキシ−γ−ブチロラクトンであるかアセトキシ−γ−ブチロラクトンであるかによって、精製過程のみ経ることもあり、さらにアセチル化反応を行うこともある。目標生成物がヒドロキシ−γ−ブチロラクトンである場合、低温減圧を用いて酢酸、無水酢酸、溶媒及び低沸点不純物を除去することにより得られる。それに対して、アセトキシ−γ−ブチロラクトンである場合、生成された2,4−ジヒドロキシブタン酸を脱水環化反応させて溶液に含まれる酢酸、無水酢酸とさらにアセチル化反応を行い、低沸点不純物を除去すると、アセトキシ−γ−ブチロラクトンを回収することができる。
また、本開示内容は、ステップ2で回収されたγ−ブチロラクトンの誘導体のうち、ハロ−γ−ブチロラクトン又はヒドロキシ−γ−ブチロラクトンをさらに水素化触媒下で水素と反応させてγ−ブチロラクトン、フラノン又はそれらの混合物に変換するステップ(ステップ3)をさらに含んでもよい。
ステップ3は水素化反応であり、前記ハロ−γ−ブチロラクトンとヒドロキシ−γ−ブチロラクトンは水素化触媒によりそれぞれハロゲンとヒドロキシが離脱するので、γ−ブチロラクトン又はフラノンが製造される。その他副産物として、4−ハロ−酪酸、3−ハロプロパノール、酪酸、THF、2−HO−THF、1−PrOH、2−PrOH、1−BuOH及び2−BuOHからなる群から選択される少なくともいずれかが製造される。
前記水素化触媒は、脱塩化反応触媒又は加水素脱水反応触媒として用いられ、少なくとも1つのM/X、M/X、M/X又はM/Xである。ここで、M及びMは同一ではなく、貴金属又は遷移金属であり、X及びXは活性炭素又は金属酸化物であるものを用いることができる。具体的には、前記貴金属は、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、Re又はAuであり、前記遷移金属は、Fe、Pb、Sb、Ag、Al、Cu、Ni、Cr、In、W、P、Te又はZnである。また、X及びXは同一ではなく、活性炭素、金属酸化物であるものを用いることができる。前記金属酸化物は、Al、Zr、Si、Tiからなる群から選択される物質が含まれる混合金属酸化物であり、前記金属酸化物は化学的に改質されてもよく、それには無機酸(PO,SO)を用いることができる。前記水素化触媒において、X及びXが化学的に改質された金属酸化物である場合、水素化反応の産物としてフラノン(furanone)が主に生成される。
ステップ3は、ジオキサン、γ−ブチロラクトン、ハロ−γ−ブチロラクトン、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、ジエチルグリコール、ジメチルエーテル、ジメチルスルホキシド及び炭酸プロピレンからなる群から選択される少なくともいずれかの溶媒存在下で行われる。ステップ3は水素化反応であり、当業界の通常の反応条件で行われ、100℃〜400℃の範囲、1atm〜30atmで行われることが好ましい。
また、本開示内容は、ステップ2で回収されたγ−ブチロラクトン誘導体のうちヒドロキシ−γ−ブチロラクトンを酢酸、無水酢酸又は塩化アセチルと反応させてアセトキシ−γ−ブチロラクトンに変換するステップ(ステップ4)と、前記アセトキシ−γ−ブチロラクトンを加熱してγ−ブチロラクトン、フラノン、副産物又はそれらの混合物に変換するステップ(ステップ5)とをさらに含んでもよい。
ステップ4は、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトンのヒドロキシ基をアセトキシ基に置換する反応であり、酢酸、無水酢酸又は塩化アセチルと反応させることによりアセトキシ−γ−ブチロラクトンに変換される。前記反応は、加熱還流下で行われてもよく、反応温度は80℃〜150℃、反応圧力は5torr以下で行われてもよい。また、反応温度を低くするために、さらなる触媒を用いてもよい(例えば、レジン;アンバーリスト−35ドライ(Amberyst-35dry))。
ステップ5は脱アセトキシ化反応であり、ステップ4で製造されたアセトキシ−γ−ブチロラクトンを加熱することにより、γ−ブチロラクトン、フラノン、副産物又はそれらの混合物に変換することができる。前記加熱によりアセトキシ−γ−ブチロラクトンのアセトキシ基が離脱する。反応温度は400℃〜600℃であってもよい。また、加熱によりさらにフラノンが生成され、さらに反応が進められると副産物が生成される。前記副産物は、アクロレイン、酢酸ブチル、ハロ−γ−ブチロラクトン又はそれらの混合物である。また、アセトキシの離脱により酢酸が生成されるが、酢酸を回収して、再びステップ4に回収して用いることができる。さらに、前記ハロ−γ−ブチロラクトンは、γ−ブチロラクトン誘導体に該当するので、分離及び回収することにより再循環させて用いることができる。
また、本開示内容は、ステップ2、ステップ3又はステップ5で製造されたγ−ブチロラクトン又はフラノンをさらに金属触媒下で水素と反応させて1,4−ブタンジオールに変換するステップ(ステップ6)をさらに含んでもよい。
ステップ6は開環反応であり、γ−ブチロラクトン又はフラノンが開環することにより1,4−ブタンジオールに変換される。前記反応は、金属触媒下で水素と反応させることにより行われ、前記金属触媒は少なくとも1つのM/X又はM/Xであり、ここでM及びMは同一ではなく、貴金属又は遷移金属であり、Xは活性炭素又は金属酸化物である。具体的には、前記貴金属は、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、Re又はAuである。また、具体的には、前記遷移金属は、Fe、Pb、Sb、Ag、Al、Cu、Ni、Cr又はZnである。さらに、具体的には、前記金属酸化物は、Al、ZrO、SiO又はTiOである。
前記反応は、150℃〜200℃で行われてもよい。また、前記反応は、20atm〜60atmの圧力で行われてもよい。
また、本開示内容は、ステップ2で製造されたコハク酸ジアルキルを金属触媒下で水素と反応させて1,4−ブタンジオールに変換するステップ(ステップ7)をさらに含んでもよい。
前記反応は、金属触媒下で水素と反応させることにより行われ、前記金属触媒は少なくとも1つのM/X又はM/Xであり、ここでM及びMは同一ではなく、貴金属又は遷移金属であり、Xは活性炭素又は金属酸化物である。具体的には、前記貴金属は、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、Re又はAuである。また、具体的には、前記遷移金属は、Fe、Pb、Sb、Ag、Al、Cu、Ni、Cr又はZnである。さらに、具体的には、前記金属酸化物は、Al、ZrO、SiO又はTiOである。
前記反応は、150℃〜200℃で行われてもよい。また、前記反応は、20atm〜60atmの圧力で行われてもよい。
前述した本開示内容による製造方法全体を図1に図式的に示す。図1に示すように、ステップ1及び2によりホモセリン系化合物からγ−ブチロラクトン、γ−ブチロラクトン誘導体、フラノン及びコハク酸ジアルキルを回収することができる。ステップ3〜7により各生成物からγ−ブチロラクトンを製造することができ、最終的に1,4−ブタンジオールを製造することができる。
また、上記全製造過程において、各製造する生成物によってはステップを省略することもでき、生成物の量が少ない場合もステップを省略することができる。
本開示内容によるホモセリン系化合物の処理工程は、産業界で重要な化合物の製造に中間体として用いることができる有用な化合物をホモセリン系化合物から容易かつ優れた効率で製造することができるので、ホモセリン系化合物の活用価値を向上させることができる。
本開示内容の全工程を示す図である。 本開示内容の一実施例によるホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応(1次反応)の過程及び結果を示す図である。 本開示内容の一実施例によるホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応(2次反応)の過程及び結果を示す図である。 本開示内容の一実施例によるホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応(3次反応)の過程及び結果を示す図である。 本開示内容の一実施例によるホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応の結果を示すグラフである。 本開示内容の一実施例によるホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応の結果を示すグラフである。 本開示内容の一実施例によるホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応の結果を示すグラフであり、各触媒における結果を示すグラフである。 本開示内容の一実施例によるホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応の結果を示すグラフである。 本開示内容の一実施例によるホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応の結果を示すグラフである。 本開示内容の一実施例によるホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応の結果を示すグラフである。 本開示内容の一実施例によるコハク酸ジメチルからの1,4−BDO製造の結果のうち、H/DMSのモル比による反応性の差を示すグラフである。 本開示内容の一実施例によるコハク酸ジメチルからの1,4−BDO製造の結果のうち、反応温度による反応性の差を示すグラフである。 本開示内容の一実施例によるγ−ブチロラクトン及びフラノンからの1,4−BDO製造の結果を示すグラフである。 本開示内容の一実施例によるO−スクシニルホモセリンからのヒドロキシ−γ−ブチロラクトン及びコハク酸ジメチル製造の過程及び結果を示す図である。 本開示内容の一実施例によるホモセリンからのメトキシ−γ−ブチロラクトン製造の結果を示すグラフである。 本開示内容の一実施例によるホモセリンからのヒドロキシ−γ−ブチロラクトン製造の結果を示すグラフである。
以下、本開示内容の理解を助けるために好ましい実施例を提示する。しかし、これらの実施例は本開示内容の理解を助けるために提示するものにすぎず、本開示内容がこれらに限定されるものではない。
実験方法
以下、実施例においては、各生成物をガスクロマトグラフィー(GC)により分析した。ガスクロマトグラフィーの分析条件は次の通りである。
・使用カラム:DB−200(Agilent, P.N 123−2033, 30m X 0.32mm, 0.5um)
DB−WAX(Agilent, P.N 123−7032, 30m, 0.32mm, 0.25um)
・GC分析条件(DB−200):100(5’)/7℃・min−1/250(10’)
・GC分析条件(DB−WAX):80(5)/7℃・min−1/220(10’)
また、以下の表において、変換率(conversion)は反応物に対する生成物の収率で計算し、選択度(selectivity)はGC分析による生成物全体に対する各生成物のピーク面積の百分率(%)を意味する。また、各触媒はM(n)/X又はM(n)M(n)/Xで表し、MとMは触媒成分を示し、nとnは触媒成分全体に対する各触媒成分の重量%を示し、Xは触媒支持体を示す。
実施例1:水を溶媒として用いたホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応
1)実施例1−1(1次反応)
図2に示すように、水を溶媒として用いたホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応(1次反応)を行った。
具体的には、120gのHSL・HCl(ホモセリンラクトン塩酸塩)、70gの水及び10mLのconc.HClを反応器に入れ、常温(25℃)及び常圧(1atm)でNO/Air(O)ガスを注入しながら反応させた。GC分析により未反応HSL・HClの有無を確認し、次いで分液漏斗に生成物を入れて層分離が起こるまで放置した。
前述したように層分離した溶液から下部層31.67gを回収し、回収した下部層から減圧(2〜4torr)下で50℃にて溶媒を蒸発させて28.96gの生成物を回収した。この生成物の成分を分析した結果、Cl−GBL(クロロ−γ−ブチロラクトン)が93.21%、HO−GBL(ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン)が3.85%、フラノンが2.12%含まれていた。
前記下部層を分離したところ、上部層は177.66gであった。そのうち80mL(92.24g)は次の2次反応の溶媒として用いた。残り(85.42g)はクロロホルムで3回抽出(70mL/60mL/60mL)し、1つにまとめた抽出物から減圧下で溶媒を蒸発させて22.36gの生成物を回収した。この生成物の成分を分析した結果、Cl−GBLが91.70%、HO−GBLが3.08%、フラノンが4.52%含まれていた。
クロロホルム抽出後の残余物63.09gから減圧下で溶媒を蒸発させて9.0gの生成物を回収した。この生成物の成分を分析した結果、Cl−GBLが2.47%、HO−GBLが95.78%、フラノンが0.59%含まれていた。
2)実施例1−2(2次反応)
図3に示すように、水を溶媒として用いたホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応(2次反応)を行った。
前記1次反応で回収した上部層の一部80mL(92.24g)及び120gのHSL・HClを反応器に入れ、常温(25℃)及び常圧(1atm)でNO/Air(O)ガスを注入しながら反応させた。GC分析により未反応HSL・HClの有無を確認し、次いで分液漏斗に生成物を入れて層分離が起こるまで放置した。
前述したように層分離した溶液から下部層64.04gを回収し、回収した下部層から減圧(2〜4torr)下で50℃にて溶媒を蒸発させて58.28gの生成物を回収した。この生成物の成分を分析した結果、Cl−GBLが91.34%、HO−GBLが5.04%、フラノンが2.62%含まれていた。
前記下部層を分離したところ、上部層は154.05gであった。そのうち80mL(94.25g)は次の3次反応の溶媒として用いた。残り(59.8g)はクロロホルムで3回抽出(60mL/60mL/60mL)し、1つにまとめた抽出物から減圧下で溶媒を蒸発させて18.57gの生成物を回収した。この生成物の成分を分析した結果、Cl−GBLが87.36%、HO−GBLが4.11%、フラノンが7.37%含まれていた。
クロロホルム抽出後の残余物から減圧下で溶媒を蒸発させて7.8gの生成物を回収した。この生成物の成分を分析した結果、Cl−GBLが2.28%、HO−GBLが91.44%、フラノンが0.92%含まれていた。
3)実施例1−3(3次反応)
図4に示すように、水を溶媒として用いたホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応(3次反応)を行った。
前記2次反応で回収した上部層の一部80mL(94.25g)及び120gのHSL・HClを反応器に入れ、常温(25℃)及び常圧(1atm)でNO/Air(O)ガスを注入しながら反応させた。GC分析により未反応HSL・HClの有無を確認し、次いで分液漏斗に生成物を入れて層分離が起こるまで放置した。
前述したように層分離した溶液から下部層63.46gを回収し、回収した下部層から減圧(2〜4torr)下で50℃にて溶媒を蒸発後させて58.66gの生成物を回収した。この生成物の成分を分析した結果、Cl−GBLが91.80%、HO−GBLが4.84%、フラノンが2.36%含まれていた。
前記下部層を分離したところ、上部層は154.05gであった。そのうち80mL(96.28g)は別に分離した。残り(59.8g)はクロロホルムで3回抽出(60mL/60mL/60mL)し、1つにまとめた抽出物から減圧下で溶媒を蒸発させて21.17gの生成物を回収した。この生成物の成分を分析した結果、Cl−GBLが83.97%、HO−GBLが5.12%、フラノンが9.63%含まれていた。
クロロホルム抽出後の残余物から減圧下で溶媒を蒸発させて8.42gの生成物を回収した。この生成物の成分を分析した結果、Cl−GBLが2.38%、HO−GBLが92.45%、フラノンが1.05%含まれていた。
実施例2:クロロホルムを溶媒として用いたホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応
高圧反応システムを用いてホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応を行った。具体的には、2gのHSL・HCl、45gのクロロホルム及び1gのconc.HClを反応器に入れ、常温(25℃)及び高圧(約14atm)でNO/Air(O)ガスを注入しながら反応させた。2時間反応させ、その後生成物を回収して成分を分析した結果、Cl−GBLが92.7%、HO−GBLが3.3%、フラノンが3.8%、その他成分が0.2%含まれていた。
実施例3:クロロ−γ−ブチロラクトンを溶媒として用いたホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応
溶媒として30mLのCl−GBLを反応器に入れ、HSL・HClを順次10g、20g、30g、40g、50g、50g、50g、50g及び50g添加し、次いで常温(25℃)及び常圧(1atm)でNO/Air(O)ガスを注入しながら反応させた。GC分析により未反応HSL・HClの有無を確認し、次いで に生成物を入れて層分離が起こるまで放置した。
層分離した生成物は、上部層と下部層が約1:4の体積比で分離されていた。前述したように層分離した溶液から下部層を回収し、その成分を分析した結果、Cl−GBLが88.10%、HO−GBLが6.17%、フラノンが3.93%含まれていた。上部層を回収し、その成分を分析した結果、Cl−GBLが71.11%、HO−GBLが20.07%、フラノンが6.02%含まれていた。
実施例4:触媒を用いたホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応
1)実施例4−1
反応器に次の供給条件でNO/N及び10wt%HSL・HCl水溶液を供給し、触媒としてはそれぞれ2gのPt(5)/Ac及びPt(5)Au(5)/Acを用いてHSL・HClの脱アミノ化反応を行った。
・Feed:20mL/min(NO/N=1/1vol%),0.03mL/min(10wt%HSL・HCl水溶液)
反応条件は60℃及び20atmであった。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表1に示す。
また、上記結果を図5にグラフで示す。
2)実施例4−2
反応器に次の供給条件でNO/N及び10wt%HSL・HCl水溶液を供給し、触媒としては2.3gのFeを用いてHSL・HClの脱アミノ化反応を行った。
・Feed:20mL/min(NO/N=1/1vol%+Air(O)),0.03mL/min(10wt%HSL・HCl水溶液)
20atmで下記表2の反応温度にて反応させた。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表2に示す。
3)実施例4−3
反応器に次の供給条件でNO/N及び10wt%HSL・HBr水溶液を供給し、触媒としては2gのPt(5)/Acを用いてHSL・HClの脱アミノ化反応を行った。
・Feed:20mL/min(NO/N=1/1vol%),0.03mL/min(10wt%HSL・HBr水溶液)
反応条件は60℃及び20atmであった。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表3に示す。
4)実施例4−4
回分式反応器に反応物としてそれぞれ2gのHSL・HCl、HS(ホモセリン)及びHSL(ホモセリンラクトン(遊離塩)を入れた。前記反応器に40gの水及び0.1gのPt(5)/Acを入れ、下記表4の条件でホモセリン系化合物の脱アミノ化反応を行った。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表4に示す。
5)実施例4−5
反応器に下記i)〜iii)の物質を入れ、HSL・HClの脱アミノ化反応を行った。
i)2gのHSL・HCl,0.1gのPt(5)/Ac,40gの水,15atmのNO/N(1/1v/v)
ii)2gのHSL・HCl,0.1gのPt(5)/Ac,40gの水,13.5atmのNO/N(1/1v/v),1atmのO
iii)0.5gのHSL・HCl,6.5gの水,1atm,HSL・HCl/HNO=1/1.5m/m
各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を図6に示す。
6)実施例4−6
反応器に反応物として0.5gのHSL・HCl及び6.5gの水を入れた。前記反応器に下記表5の割合でFe(NO触媒を添加してHSL・HClの脱アミノ化反応を行った。反応条件は25℃、1atmであった。生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表5に示す。
7)実施例4−7
反応器に反応物として0.5gのHSL・HCl及び6.5gの水を入れた。前記反応器にFe(NO/HSL・HCl=0.5のモル比でFe(NO触媒を添加してHSL・HClの脱アミノ化反応を行った。反応温度は下記表6の通りである。反応圧力は1atmであった。生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表6に示す。
8)実施例4−8
実施例4−6と同様に行うが、触媒は下記表7の触媒を用いた。生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表7に示す。
また、上記結果を図7に示す。
実施例5:メタノールを溶媒として用いたホモセリンラクトン塩酸塩の脱アミノ化反応
1)実施例5−1
反応器に1gのHSL・HCl、40gのメタノール、及び0.05gのPt(5)/Acを入れ、NO/N(15atm,1:1(v/v))を入れた。下記表8に示すように、さらにH(6.5atm)を入れ、HSL・HClの脱アミノ化反応を行った。生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表8に示す。
また、上記結果を図8に示す。
2)実施例5−2
反応器にHSL・HCl、メタノール及び/又は水を下記表9に示すように入れた。前記反応器にPt(5)/Acを入れ、NO/N(15atm,1:1(v/v))を入れた。下記表9に示す反応時間及び反応温度でHSL・HClの脱アミノ化反応を行った。生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表9に示す。
また、上記結果を図9に示す。
3)実施例5−3
反応器に1gのHSL・HCl、20gのメタノール、20gのクロロホルム、0.1gのPt(5)/Acを入れた。前記反応器にNO/N(15atm,1:1(v/v))を入れ、表10に示す反応時間及び反応温度でHSL・HClの脱アミノ化反応を行った。生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表10に示す。
また、上記結果を図10に示す。
実施例6:クロロ−γ−ブチロラクトンの脱クロロ化反応
1)実施例6−1:様々な触媒及び溶媒を用いた反応
3gのCl−GBL並びに下記表11の溶媒(30g)及び触媒をそれぞれ反応器に入れ、反応を行ってCl−GBLの脱クロロ化反応の程度を評価した。常圧(1atm)で反応を行い、生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表11に示す。
2)実施例6−2:Pd/Acを触媒として用いた反応
反応器に次の供給条件でCl−GBLとHを供給し、触媒としてはPd(5)/Acを用いた。
・Feed:H/Cl−GBL=43/1m/m,WHSV=1.0h−1
反応条件は200℃及び常圧(1atm)であった。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表12に示す。
3)実施例6−3:Pd/Acを触媒として用い、1,4−ジオキサンを溶媒として用いた反応
反応器に次の供給条件でH、Cl−GBL及び1,4−ジオキサンを供給し、触媒としてはPd(5)/Acを用いた。
・Feed:25/75vol%Cl−GBL/1,4−ジオキサン,WHSV=1.5h−1
反応条件は常圧(1atm)であった。生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表13に示す。
4)実施例6−4:AuPd/Acを触媒として用い、1,4−ジオキサンを溶媒として用いた反応
反応器に次の供給条件でCl−GBL及び1,4−ジオキサンを供給し、触媒としてはAu(5)Pd(5)/Acを用いた。
・Feed:50/50vol%Cl−GBL/1,4−ジオキサン,WHSV=1.0h−1
反応条件は常圧(1atm)であった。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表14に示す。
5)実施例6−5:AuPd/Acを触媒として用い、溶媒を用いない反応
反応器に次の供給条件でCl−GBL及びHを供給し、触媒としてはAu(5)Pd(5)/Acを用いた。
・Feed:H/Cl−GBL=38.5/1m/m,WHSV=1.0h−1
反応条件は常圧(1atm)であった。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表15に示す。
6)実施例6−6:改質されたPd/SiOを触媒として用い、ジオキサンを溶媒として用いた反応
反応器に次の供給条件でCl−GBLとジオキサンを供給し、触媒としては改質されたPd(5)/SiOを用いた。
・触媒組成:Pd(5)/PO(15)/SIO(Aerosil-380)
・供給条件:50/50vol%Cl−GBL/ジオキサン,WHSV=0.5h−1
各反応条件は下記表16の通りである。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表16に示す。
7)実施例6−7:改質されたPdRe/SiOを触媒として用い、ジオキサンを溶媒として用いた反応
反応器に次の供給条件でCl−GBLとジオキサンを供給し、触媒としては改質されたPd(5)Re(5)/SiOを用いた。
・触媒組成:Pd(5)Re(5)/PO(15)/SiO(Aerosil-380)
・供給条件:50/50vol%Cl−GBL/ジオキサン,WHSV=1.0h−1
各反応条件は下記表17の通りである。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表17に示す。
8)実施例6−8:改質されたRh/SiOを触媒として用い、ジオキサンを溶媒として用いた反応
反応器に次の供給条件でCl−GBLとジオキサンを供給し、触媒としては改質されたRh(5)/SiOを用いた。
・触媒組成:Rh(5)/PO(15)/SiO(Aerosil-380)
・供給条件:50/50vol%Cl−GBL/ジオキサン,WHSV=1.0h−1
各反応条件は下記表18の通りである。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表18に示す。
9)実施例6−9:Rh(5)/Acを触媒として用い、ジオキサンを溶媒として用いた反応
反応器に次の供給条件でCl−GBLとジオキサンを供給し、触媒としてはRh(5)/Acを用いた。
・供給条件:50/50vol%Cl−GBL/ジオキサン,WHSV=1.0h−1
各反応条件は下記表19の通りである。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表19に示す。
10)実施例6−10:Pd(4.5)Pt(0.5)/Acを触媒として用いた反応
反応器に下記表20の供給条件でCl−GBLを供給し、触媒としてはPd(4.5)Pt(0.5)/Acを用いた。
各反応条件は下記表20の通りである。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表20に示す。
11)実施例6−11:PdM/Acを触媒として用いた反応
反応器に下記表21の触媒及び供給条件でCl−GBLを供給した。各反応条件は下記表21の通りである。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表21に示す。
12)実施例6−12:PdM/Supportを触媒として用いた反応
反応器に下記表22の触媒及び供給条件でCl−GBLを供給した。各反応条件は下記表22の通りである。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表22に示す。
実施例7:−γ−ブチロラクトンの加水素脱水反応
1)実施例7−1:様々な触媒を用いた反応
HO−GBLの加水素脱水反応を次のように行った。具体的には、反応器に次の供給条件でHO−GBL及び1,4−ジオキサンを供給し、触媒としてはそれぞれPd(5)/Ac、Re(5)/Ac、Pd(5)Te(3.3)/Ac、Pd(5)Re(5)/Ac、Pt(5)Re(5)/Ac及びRh(5)Re(5)/Acを用いた。
・Feed:25/75v/vHO−GBL/ジオキサン,H/HO−GBL=110/1m/m,WHSV=0.15h−1
反応条件は250℃、5atmであった。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析し、上記結果を下記表23に示す。
2)実施例7−2:RhRe/Acを触媒として用いた反応
触媒としてRh(2.5)Re(5)/Acを用いたことを除いて、実施例7−1と同様に行った。その結果を下記表24に示す。
3)実施例7−3:RhRe/SiOを触媒として用いた反応
触媒としてRh(5)Re(5)/SiOを用いたことを除いて、実施例7−1と同様に行った。その結果を下記表25に示す。
4)実施例7−4:反応圧力を変化させた反応
触媒としてRh(5)Re(5)/Acを用い、実施例7−1と同様に行うが、反応温度と反応圧力を下記表26のように変化させて行い、90時間反応させた。その結果を下記表26に示す。
5)実施例7−5:RhRe/SiOを触媒として用いた反応
反応器に次の供給条件でHO−GBL及び1,4−ジオキサンを供給し、触媒としては2gのRh(5)Re(5)/SiO(HI−SIL233)を用いた。
・Feed:50/50vol%HO−GBL/1,4−Dioxane,H/HO−GBL=50/1,WHSV:0.3h−1
反応条件は250℃、5atmであった。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析し、上記結果を下記表27に示す。
実施例8:ヒドロキシ−γ−ブチロラクトンのアセチル化及び脱アセチル化反応
HO−GBLのアセチル化及び脱アセチル化反応を次のように行った。
1)実施例8−1
常温、常圧条件で5gのHO−GBLを攪拌しながら10gの塩化アセチルを徐々に加えた。ここで、アセチル化反応によりHClガスがヒューム(fume)状に発生し、熱が発生した。室温で30分間攪拌して反応を終了し、反応生成物を分析した結果、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトンの変換率は99.97%であった。ここで、生成されたアセトキシ−γ−ブチロラクトンの収率は93.24%であった。
2)実施例8−2
HO−GBLを含む試料108g(HO−GBL 92.22重量%、Cl−GBL 2.67重量%及びフラノン1.83重量%を含む)を反応器に入れ、無水酢酸117gを添加して135℃で加熱還流した。反応を終結させ、その後減圧蒸留(80℃,約3torr)すると生成物143gが得られた。その成分を分析した結果、Acetoxy−GBL(アセトキシ−γ−ブチロラクトン)87.83重量%、Cl−GBL 1.68重量%及びフラノン0.95重量%を含んでいた。
上記生成物を再び減圧蒸留(135〜145℃,約5torr)すると、Acetoxy−GBL 92.35重量%、Cl−GBL 4.31重量%及びフラノン1.19重量%を含む生成物が得られた。
上記生成物を下記表28の反応条件で脱アセトキシ化反応させた。その結果を表28に示す。
実施例9:ヒドロキシ−γ−ブチロラクトンの脱水反応
HO−GBL to GBL変換時に加水素脱水反応を下記表29の触媒(触媒使用量2g)及び条件(Feed rate=0.02ml/min,反応圧力=常圧)で行った。
実施例10:γ−ブチロラクトンの水素化反応
1)実施例10−1
GBLから水素化反応により1,4−BDO(1,4−ブタンジオール)を製造した。具体的には、反応器に下記表30の条件でH及びGBLを供給し、触媒としては特許文献1の実施例1で製造されるCuO(72.2)MnO(2.5)ZnO(0.3)SiO(25)(括弧内は重量%を示す)を用いた。生成物の成分を分析して下記表30に示す。
2)実施例10−2
GBLから水素化反応により1,4−BDOを製造した。具体的には、反応器に次の条件でH及びGBLを供給し、触媒としては特許文献1の実施例1で製造されるCuO(72.2)MnO(2.5)ZnO(0.3)SiO(25)(括弧内は重量%を示す)を用いた。
・反応条件:170℃,40atm
・供給条件:H/GBL=32/1m/m,WHSV=0.6h−1
各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表31に示す。
実施例11:コハク酸ジアルキルからの1,4−BDOの製造
DMS(コハク酸ジメチル)から水素化反応により1,4−BDOを製造した。具体的には、メタノール/DMS(50/50vol%)を用い、触媒としては特許文献1の実施例1で製造されるCuO(72.2)MnO(2.5)ZnO(0.3)SiO(25)(括弧内は重量%を示す)を用い、下記表32の条件で反応させた。生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表32に示す。
一方、表32の結果のうち、H/DMSのモル比による反応性の差を図11にグラフで表し、反応温度による反応性の差を図12にグラフで示す。
実施例12:γ−ブチロラクトン及びフラノンからの1,4−BDOの製造
GBL及びフラノンから水素化反応により1,4−BDOを製造した。具体的には、反応物の組成は下記表33の通りである。次の供給条件で反応器に入れた。触媒は実施例11と同じ触媒を用いた。
・Feed:H/反応物=32.6m/m,WHSV=0.6h−1
反応条件は180℃及び40atmであった。各反応経過時間に生成物を一部回収して成分を分析した。その結果を下記表33に示す。
また、上記結果を図13にグラフで示す。
実施例13:O−スクシニルホモセリンからのヒドロキシ−γ−ブチロラクトン及びコハク酸ジアルキルの製造
1)実施例13−1
O−スクシニルホモセリン(O−SH)の直接脱アミノ化及び加水分解反応を図14のように行った。具体的には、次のように行った。
まず、溶媒として水を用いた。ただし、O−SHの水に対する溶解度は8.7g/Lであるため、反応初期にO−SHを過剰量で投入すると、反応物として供給されるNOに含まれる不活性ガス(N、Arなど)又は脱アミノ化反応により生成される窒素ガスにより気泡が生成されるので、少量を数回に分けて投入した。最終的に投入されたO−SHの量は250gであり、O−SHを基準に濃度が50wt%になるように投入した。
反応終了後に水溶液の生成物を分析した結果を下記表34に示す。
表34に示すように、O−SHの加水分解によりコハク酸が生成されると共に、DL−HSの脱アミノ化反応により2,4−ジヒドロキシブタン酸が生成されることが確認された。また、最終生成物に生じる沈殿物はコハク酸であり、水に対する溶解度が58g/L(20℃)であるので、反応により生成されたコハク酸の一部が溶解していない状態で水溶液相に存在することが確認された。
1次フィルタ過程により純度88.5%のコハク酸を約64%回収し、さらに水で洗浄して純度99.5%のコハク酸を回収した。1次フィルタ過程において、コハク酸を除去した濾液として、16.6%のコハク酸が含まれる2,4−ジヒドロキシブタン酸水溶液が得られた。
2)実施例13−2
実施例13−1と同様に実施するが、O−SH(30g)の直接脱アミノ化・加水分解を行った後に生成物を分離しなかった。
生成物を減圧蒸留して水と酸を除去し、次いで60gのメタノールと2gのConc.HSOを添加して2時間還流することにより、2,4−ジヒドロキシブタン酸を脱水環化反応させると共に、コハク酸をエステル化反応させることにより、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトンとコハク酸ジメチル及びコハク酸モノメチルの混合物を製造した。最終生成物をGCで分析した。その結果を下記表35に示す。
実施例14:ホモセリンからのヒドロキシ−γ−ブチロラクトンの製造
250gのDL−ホモセリン、250gの水を反応器に入れ、常温(25℃)及び常圧(1atm)でNO/Oガスを注入しながら反応させた。反応終了後に上記反応の生成物を成分分析した結果を下記表36に示す。
上記生成物から、実施例13−2と同様に、2,4−ジヒドロキシブタン酸の脱水環化、コハク酸のエステル化を行い、最終的に分離された生成物としてそれぞれHO−GBL(22.6%)及びDMS(63%)を回収した。
実施例15:ホモセリンからのメトキシ−γ−ブチロラクトンの製造
1gのDL−ホモセリン、40gのメタノール、及び0.05gのPt(5)/Acを反応器に入れ、下記表37の条件で反応させた。上記生成物を成分分析した結果を下記表37に示す。
また、上記結果を図15に示す。
実施例16:ホモセリンからのヒドロキシ−γ−ブチロラクトンの製造
1gのDL−ホモセリン、40gの水、及び0.1gのPt(5)/Acを反応器に入れ、室温で反応器内部の圧力が15atmになるようにNO/Nガスを注入し、下記表38の条件で反応させた。上記生成物を成分分析した結果を下記表38に示す。
また、上記結果を図16に示す。表38及び図16に示すように、脱アミノ化反応と環化反応が同時に行われることによりHO−GBLが製造されることが確認された。

NOxは、ガスの形態で直接反応するか、又は酸又は塩の形態でホモセリン系化合物と反応する。NOxを酸又は塩の形態で用いる場合は、HNO、NHNO又は金属イオンと結合することにより触媒として作用する。例えば、NaNO、Fe(NO、Al(NO、Cu(NO、Bi(NO、Zn(NO又はPb(NOの形態で作用する。
さらに、ステップ1は触媒がなくても反応が起こるが、金属触媒を用いてもよい。前記金属触媒は、NOx、具体的にはOを用いないNOガスとホモセリン系化合物の反応を促進させることができる。前記金属触媒は、ステップ1の反応系に添加されるか、又は前記ホモセリン系化合物の溶液に添加される。前記金属触媒は、少なくとも1つのM/X、M/X又はFeであり、ここでM及びMは同一ではなく、貴金属又は遷移金属を用いることができ、Xは活性炭素又はSiOである。具体的には、前記貴金属は、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、又はAuであり、前記遷移金属は、Fe、Pb、Sb、Ag、Al、Cu、Ni、Cr又はZnである。
上記生成物において、前記γ−ブチロラクトン誘導体は、ハロ−γ−ブチロラクトン、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、メトキシ−γ−ブチロラクトン、アセトキシ−γ−ブチロラクトン又はそれらの混合物であってもよい。前記副産物は、コハク酸、無水コハク酸、酢酸、無水酢酸、2,4−ジヒドロキシブタン酸、4−ヒドロキシ−2−ブテン酸メチルエステル、4−ヒドロキシ−2−メトキシブタン酸、4−ヒドロキシ−2−クロロブタン酸又はそれらの混合物である。また、前記副産物は、分離、回収することにより、本開示内容の工程において産物の選択度を向上させる目的で再循環させて用いることができる。
前記水素化触媒は、脱塩化反応触媒又は加水素脱水反応触媒として用いられ、少なくとも1つのM/X、M/X、M/X又はM/Xである。ここで、M及びMは同一ではなく、貴金属又は遷移金属であり、X及びXは活性炭素又は金属酸化物であるものを用いることができる。具体的には、前記貴金属は、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、又はAuであり、前記遷移金属は、Fe、Pb、Sb、Ag、Al、Cu、Ni、Cr、In、W、P、Te又はZnである。また、X及びXは同一ではなく、活性炭素、金属酸化物であるものを用いることができる。前記金属酸化物は、Al、Zr、Si、Tiからなる群から選択される物質が含まれる混合金属酸化物であり、前記金属酸化物は化学的に改質されてもよく、それには無機酸(PO,SO)を用いることができる。前記水素化触媒において、X及びXが化学的に改質された金属酸化物である場合、水素化反応の産物としてフラノン(furanone)が主に生成される。
ステップ3は、ジオキサン、γ−ブチロラクトン、ハロ−γ−ブチロラクトン、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、ジエチレングリコール、ジメチルエーテル、ジメチルスルホキシド及び炭酸プロピレンからなる群から選択される少なくともいずれかの溶媒存在下で行われる。ステップ3は水素化反応であり、当業界の通常の反応条件で行われ、100℃〜400℃の範囲、1atm〜30atmで行われることが好ましい。
ステップ6は開環反応であり、γ−ブチロラクトン又はフラノンが開環することにより1,4−ブタンジオールに変換される。前記反応は、金属触媒下で水素と反応させることにより行われ、前記金属触媒は少なくとも1つのM/X又はM/Xであり、ここでM及びMは同一ではなく、貴金属又は遷移金属であり、Xは活性炭素又は金属酸化物である。具体的には、前記貴金属は、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、又はAuである。また、具体的には、前記遷移金属は、Fe、Pb、Sb、Ag、Al、Cu、Ni、Cr又はZnである。さらに、具体的には、前記金属酸化物は、Al、ZrO、SiO又はTiOである。
前記反応は、金属触媒下で水素と反応させることにより行われ、前記金属触媒は少なくとも1つのM/X又はM/Xであり、ここでM及びMは同一ではなく、貴金属又は遷移金属であり、Xは活性炭素又は金属酸化物である。具体的には、前記貴金属は、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、又はAuである。また、具体的には、前記遷移金属は、Fe、Pb、Sb、Ag、Al、Cu、Ni、Cr又はZnである。さらに、具体的には、前記金属酸化物は、Al、ZrO、SiO又はTiOである。
実験方法
以下、実施例においては、各生成物をガスクロマトグラフィー(GC)により分析した。ガスクロマトグラフィーの分析条件は次の通りである。
・使用カラム:DB−200(Agilent, P.N 123−2033, 30m X 0.32mm, 0.5um)
DB−WAX(Agilent, P.N 123−7032, 30m, 0.32mm, 0.25um)
・GC分析条件(DB−200):100(5’)/7℃・min−1/250(10’)
・GC分析条件(DB−WAX):80(5)/7℃・min−1/220(10’)

Claims (29)

  1. ホモセリン系化合物の溶液をNOxと反応させるステップ(ステップ1)と、
    前記ステップ1の生成物からγ−ブチロラクトン、γ−ブチロラクトン誘導体、フラノン、コハク酸ジアルキル、副産物又はそれらの混合物を回収するステップ(ステップ2)とを含み、
    前記ステップ1において、xは1、1.5、2及び3のいずれかである、
    γ−ブチロラクトン、γ−ブチロラクトン誘導体、フラノン、コハク酸ジアルキル、副産物又はそれらの混合物の製造方法。
  2. 前記ステップ1において、NOxは、前記ホモセリン系化合物とガスの形態で直接反応するか、又は前記NOxの硝酸塩の形態で反応することを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
  3. 前記硝酸塩は、HNO、NHNO、NaNO、Fe(NO、Al(NO、Cu(NO、Bi(NO、Zn(NO又はPb(NOであることを特徴とする、請求項2に記載の製造方法。
  4. 前記ステップ1において、NOxとの反応は、NOガス、又はNOガスと共にOガス、不活性ガスもしくはそれらの混合物を注入して反応させることを特徴とする、請求項2に記載の製造方法。
  5. 前記ホモセリン系化合物の溶液の溶媒は、水、クロロホルム、ジクロロホルム、メタノール、ハロ−γ−ブチロラクトン又はそれらの混合物であることを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
  6. 前記ホモセリン系化合物は、ホモセリン、ホモセリンラクトン、O−アセチルホモセリン、O−スクシニルホモセリン、ホモセリンラクトン塩酸塩、ホモセリンラクトン臭素酸塩又はそれらの混合物であることを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
  7. 前記ステップ1において、ハロゲン塩を前記ホモセリン系化合物の溶液に添加することを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
  8. 前記ステップ1において、金属触媒を前記ホモセリン系化合物の溶液にさらに添加することを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
  9. 前記金属触媒は、少なくとも1つのM/X、M/X又はFeであり、ここでM及びMは同一ではなく、貴金属又は遷移金属であり、Xは活性炭素又はSiOであることを特徴とする、請求項8に記載の製造方法。
  10. 前記貴金属は、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、Re又はAuであり、前記遷移金属は、Fe、Pb、Sb、Ag、Al、Cu、Ni、Cr又はZnであることを特徴とする、請求項9に記載の製造方法。
  11. 前記γ−ブチロラクトン誘導体は、ハロ−γ−ブチロラクトン、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、メトキシ−γ−ブチロラクトン、アセトキシ−γ−ブチロラクトン又はそれらの混合物であることを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
  12. 前記副産物は、コハク酸、無水コハク酸、酢酸、無水酢酸、2,4−ジヒドロキシブタン酸、4−ヒドロキシ−2−ブテン酸メチルエステル、4−ヒドロキシ−2−メトキシブタン酸、4−ヒドロキシ−2−クロロブタン酸ブチル又はそれらの混合物であり、分離回収して工程に再循環させて用いることができることを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
  13. 前記ステップ2において、クロロホルム、ジクロロホルム、メチルクロロホルム又はテトラクロロエタンで抽出してハロ−γ−ブチロラクトン又はヒドロキシ−γ−ブチロラクトンを回収することを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
  14. 前記ハロ−γ−ブチロラクトンを回収し、その後残りの液を前記ステップ1に再循環させることを特徴とする、請求項13に記載の製造方法。
  15. 前記ステップ2において、γ−ブチロラクトン、γ−ブチロラクトン誘導体、フラノン、コハク酸ジアルキル、副産物を回収し、その後残りの液から再びヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、フラノン又はそれらの混合物を回収することを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
  16. 前記ステップ2は、層分離法により上層の一部を回収し、次いで前記ステップ1に再循環させることを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
  17. γ−ブチロラクトンの誘導体のうち、ハロ−γ−ブチロラクトン又はヒドロキシ−γ−ブチロラクトンを水素化触媒下で水素と反応させてγ−ブチロラクトン、フラノン、副産物又はそれらの混合物に変換するステップ(ステップ3)をさらに含む、請求項1〜16のいずれかに記載の製造方法。
  18. 前記副産物は、4−クロロ酪酸、3−クロロプロパノール、酪酸、4−ブロモ酪酸、3−ブロモプロパノール、THF、2−HO−THF、1−PrOH、2−PrOH、1−BuOH及び2−BuOHからなる群から選択される少なくともいずれかであることを特徴とする、請求項17に記載の製造方法。
  19. 前記水素化触媒は、少なくとも1つのM/X、M/X、M/X又はM/Xであり、ここでM及びMは同一ではなく、貴金属又は遷移金属であり、X及びXは同一ではなく、活性炭素又は金属酸化物であることを特徴とする、請求項17に記載の製造方法。
  20. 前記貴金属は、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、Re又はAuであり、前記遷移金属は、Fe、Pb、Sb、Ag、Al、Cu、Ni、Cr、In、W、P、Te又はZnであることを特徴とする、請求項19に記載の製造方法。
  21. 前記金属酸化物は、Al、Zr、Si、Tiからなる群から選択される物質が含まれる混合金属酸化物又はその化学的に改質された金属酸化物であり、その化学的改質には無機酸(PO,SO)が用いられることを特徴とする、請求項19に記載の製造方法。
  22. 前記ステップ3は、さらにジオキサン、γ−ブチロラクトン、ハロ−γ−ブチロラクトン、ヒドロキシ−γ−ブチロラクトン、ジエチルグリコール、ジメチルエーテル、ジメチルスルホキシド及び炭酸プロピレンからなる群から選択される少なくともいずれかの溶媒存在下で行われることを特徴とする、請求項17に記載の製造方法。
  23. 前記γ−ブチロラクトン誘導体のうちヒドロキシ−γ−ブチロラクトンを酢酸、無水酢酸又は塩化アセチルと反応させてアセトキシ−γ−ブチロラクトンに変換するステップ(ステップ4)と、
    前記アセトキシ−γ−ブチロラクトンを加熱してγ−ブチロラクトン、フラノン、副産物又はそれらの混合物に変換するステップ(ステップ5)とをさらに含む、請求項1〜16のいずれかに記載の製造方法。
  24. 前記副産物は、アクロレイン、酢酸ブチル、ハロ−γ−ブチロラクトン又はそれらの混合物であることを特徴とする、請求項23に記載の製造方法。
  25. 前記γ−ブチロラクトン又はフラノンを金属触媒下で水素と反応させて1,4−ブタンジオールに変換するステップ(ステップ6)をさらに含む、請求項1〜24のいずれかに記載の製造方法。
  26. 前記コハク酸ジアルキルを金属触媒下で水素と反応させて1,4−ブタンジオールに変換するステップ(ステップ7)をさらに含む、請求項1〜24のいずれかに記載の製造方法。
  27. 前記金属触媒は、少なくとも1つのM/X又はM/Xであり、ここでM及びMは同一ではなく、貴金属又は遷移金属であり、Xは活性炭素又は金属酸化物であることを特徴とする、請求項25〜26のいずれかに記載の製造方法。
  28. 前記貴金属は、Pd、Pt、Rh、Ir、Re、Ru、Re又はAuであり、前記遷移金属は、Fe、Pb、Sb、Ag、Al、Cu、Ni、Cr又はZnであることを特徴とする、請求項27に記載の製造方法。
  29. 前記金属酸化物は、Al、ZrO、SiO又はTiOであることを特徴とする、請求項27に記載の製造方法。

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