JP2018090511A - Method for producing furan derivative - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、糖類から得られたフルフラール類を原料としたフラン誘導体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a furan derivative using furfurals obtained from sugars as a raw material.
近年、地球温暖化が世界的な問題となっている中、カーボンニュートラル資源、再生可能資源としてバイオマスを活用する技術の開発が活発に進められている。 In recent years, global warming has become a global problem, and the development of technologies that utilize biomass as carbon neutral resources and renewable resources is being actively promoted.
フルフラール類は、バイオマス由来の物質の中でも、特にセルロース、ヘミセルロースやデンプンなどの多糖類、あるいはグルコース、キシロース、フルクトースなどの糖類から得られる化合物であり、特にグルコースやフルクトースからは、下記の式(1)で表されるヒドロキシメチルフルフラール(以下、「HMF」ということもある。)が得られ、キシロースからは下記の式(2)で表されるフルフラールが得られることは既に多くの文献等で報告されている(特許文献1)。 Furfurals are compounds obtained from polysaccharides such as cellulose, hemicellulose and starch, or saccharides such as glucose, xylose and fructose among substances derived from biomass, and particularly from glucose and fructose, the following formula (1 ) (Hereinafter sometimes referred to as “HMF”), and the fact that furfural represented by the following formula (2) is obtained from xylose has already been reported in many literatures. (Patent Document 1).
バイオマス由来のフルフラール類は、樹脂、化成品、燃料などの中間体原料として利用することができる石油代替物質の一つの重要な候補となる化合物の一つである。
例えば、フルフラールにおいては、2−フルフリルアルコールに変換してフラン樹脂の原料とする方法、或いは脱カルボニル化反応によりフランに変換した後、水素化してテトラヒドロフランとする方法等が知られている。
また、HMFにおいては、酸化して得られる2,5−ジホルミルフランや5−ホルミルフラン−2−カルボン酸を、長鎖アミン類と反応させて界面活性剤とする方法、或いは、酸化して得られるフラン−2,5−ジカルボン酸や選択的水素化により得られる2,5−ビス(ヒドロキシメチル)フランを、ポリアミド、ポリエステル、ポリウレタン等の原料とする方法、或いは、2,5−ビス(ヒドロキシメチル)フランを水素化分解して得られるジメチルフランあるいはHMFから直接水素化および水素化分解をして得られるジメチルフランをガソリンの代替物とする方法等が知られている。
Biomass-derived furfurals are one of the important candidate compounds for petroleum substitutes that can be used as intermediate raw materials for resins, chemical products, fuels and the like.
For example, in the case of furfural, a method of converting to 2-furfuryl alcohol to use as a raw material for furan resin, a method of converting to furan by a decarbonylation reaction, and then hydrogenating to furan to form tetrahydrofuran is known.
In HMF, a method of reacting 2,5-diformylfuran or 5-formylfuran-2-carboxylic acid obtained by oxidation with a long-chain amine to form a surfactant, or by oxidizing A method using the obtained furan-2,5-dicarboxylic acid or 2,5-bis (hydroxymethyl) furan obtained by selective hydrogenation as a raw material for polyamide, polyester, polyurethane, or the like, or 2,5-bis ( There are known methods such as dimethylfuran obtained by hydrogenolysis of hydroxymethyl) furan or dimethylfuran obtained by direct hydrogenation and hydrogenolysis from HMF, as an alternative to gasoline.
こうしたバイオマスから得られるHMFやフルフラールなどの化合物は、合成する際に発生するギ酸、酢酸などの有機酸、不溶のフミン質、未反応の糖類等が不純物として共存しているために、そのままでは、水素化、水素化分解、エステル化等々の種々の反応による有用な化合物への転換には使えないうえ、保存中に分解又は重合する等の理由で長期保存が難しく、精製してから用いることが必要である。 Compounds such as HMF and furfural obtained from such biomass coexist as impurities such as organic acids such as formic acid and acetic acid, insoluble humic substances, unreacted saccharides, etc. generated during synthesis. It cannot be used for conversion to useful compounds by various reactions such as hydrogenation, hydrogenolysis, esterification, etc., and it is difficult to store for a long time because it decomposes or polymerizes during storage. is necessary.
しかしながら、HMFの精製は、特にHMFの合成反応時に水を溶媒として用いた場合、反応液中からHMFを取り出して精製することが難しく、精製時に生成したHMFを多くロスすることが少なくない。
また、HMFの精製方法は、複数の手法が報告されているが、HMFは水酸基をホルミル基が分子内に置換されているため、加熱等によって容易に重合するなどの反応が起こりやすい。そのため蒸留などの手法が使えない。
However, in the purification of HMF, in particular, when water is used as a solvent during the synthesis reaction of HMF, it is difficult to take out HMF from the reaction solution and purify it, and a lot of HMF produced during the purification is often lost.
A plurality of methods for purifying HMF have been reported, but since HMF has a hydroxyl group substituted in the molecule, a reaction such as polymerization easily occurs by heating or the like. Therefore, methods such as distillation cannot be used.
そこで、特許文献2では、反応液をそのまま無水酢酸を加えて水酸基をアシル化した後、分離精製したアシル体を脱アセチルによって綺麗なHMFを得ている。そのため、HMFの純度は99%以上であるが、出発原料のD−フルクトースからの収率は28%と低い。
また、特許文献3では、抽出によって精製する手法が記載されている。即ち、反応液を濾過して水に不溶の不純物が生成するが、これらは糖の分子間脱水による無水物や糖縮合物、更に精製したHMF同士の縮重合体、更にはHMF、糖、反応中間体、およびHMFが更に反応した生成物から得られると考えられる総称フミン質と思われ、これらを除去した後、HMFが両親媒性であることを利用して反応液に疎水性の溶媒を添加して、HMF純度が60%以上の比較的高選択的に得られたHMFの反応液からHMFを抽出して溶媒を留去後、HMFを含む抽出液に蒸留水またはイオン交換水または純水を加えて、更に疎水性溶媒を再度加えて抽出精製をする。この手法は、溶媒留去に減圧したり時間がかかったりすること、HMFがもともと比較的高い純度の反応液からでしか適応できず、更に最終的なHMFの純度は90%程度にまでしか向上できない。そのため純粋なHMFを得るには再結晶、蒸留、カラムクロマトグラフィーでの精製などの更なる操作が必要であることなど、一般的な有機化合物の精製法との差は無い。
Thus, in Patent Document 2, acetic anhydride is added to the reaction solution as it is to acylate the hydroxyl group, and then a clean HMF is obtained by deacetylating the separated and purified acyl form. Therefore, the purity of HMF is 99% or more, but the yield from the starting material D-fructose is as low as 28%.
Patent Document 3 describes a method of purification by extraction. That is, the reaction solution is filtered to produce water-insoluble impurities, which are anhydrides and sugar condensates due to intermolecular dehydration of sugars, polycondensation products of purified HMFs, and further HMFs, sugars, and reactions. It is considered to be a generic humic substance that is thought to be obtained from intermediates and products obtained by further reacting HMF. After removing these, a hydrophobic solvent is added to the reaction solution by utilizing the fact that HMF is amphiphilic. The HMF is extracted from a reaction solution of HMF obtained with a relatively high selectivity with an HMF purity of 60% or more, and the solvent is distilled off. Then, distilled water, ion-exchanged water or pure water is added to the extract containing HMF. Water is added, and a hydrophobic solvent is added again for extraction and purification. This method can be applied only when the solvent distills out under reduced pressure or takes time, HMF is originally only from a relatively high purity reaction solution, and the final purity of HMF is improved only to about 90%. Can not. Therefore, there is no difference from a general method for purifying organic compounds in that pure HMF requires further operations such as recrystallization, distillation and purification by column chromatography.
更に、特許文献4では、合成したHMFを水で抽出し溶媒置換した後の溶液を用いて酸化を行っているが、HMFの純度が90%以上の高いものであるため適応できる手法であり、フミン質を含む純度の低いHMFや、長期間保存するなどして不純物が発生してしまったHMFなどの場合は、次の酸化工程においてフミン質などによる触媒被毒などで酸化反応阻害が起こるため、これらを用いることは難しい。 Furthermore, in Patent Document 4, oxidation is performed using a solution after extracting the synthesized HMF with water and replacing the solvent, but this is a technique that can be applied because the purity of HMF is 90% or higher. In the case of HMF with low purity containing humic substances, or HMF that has generated impurities due to long-term storage, etc., oxidation reaction inhibition occurs due to catalyst poisoning by humic substances in the next oxidation step. These are difficult to use.
更に、特許文献5では、糖類の脱水反応によって得られたヒドロキシメチルフルフラール混合物を分離・精製せずにアルカリ性環境下で過マンガン酸塩で酸化させフラン−2,5−ジカルボン酸を製造しているが、多量のアルカリを加えて非常に強力な酸化剤で酸化しており、過マンガン酸塩は酸化反応後に二酸化マンガンとなるため、廃棄物が多量に出てしまう。また、フラン−2,5−ジカルボン酸以外の製造には適しているが、2,5−ジホルミルフランや5−ホルミルフラン−2−カルボン酸などの製造には適していない。 Further, in Patent Document 5, furan-2,5-dicarboxylic acid is produced by oxidizing a hydroxymethylfurfural mixture obtained by dehydration reaction of sugars with permanganate in an alkaline environment without separation and purification. However, a large amount of alkali is added to oxidize with a very strong oxidizing agent, and permanganate becomes manganese dioxide after the oxidation reaction, resulting in a large amount of waste. Moreover, although it is suitable for manufacture other than furan-2,5-dicarboxylic acid, it is not suitable for manufacture of 2,5-diformylfuran or 5-formylfuran-2-carboxylic acid.
この精製したHMFやフルフラールを用いて様々な化合物が合成されるが、例えば、特許文献6では、触媒存在下で酸素を酸化剤に用いて、HMFから2,5−ジホルミルフランが製造され、特許文献7では、触媒存在下で酸化剤を用いて、HMFから2,5−ジホルミルフランが製造されるが、いずれも精製したHMFを用いているため、工業的にはHMFの精製工程がコスト向上の要因となっていた。 Various compounds are synthesized using this purified HMF and furfural. For example, in Patent Document 6, 2,5-diformylfuran is produced from HMF using oxygen as an oxidizing agent in the presence of a catalyst. In Patent Document 7, 2,5-diformylfuran is produced from HMF using an oxidant in the presence of a catalyst. Since all of them use purified HMF, there is an industrial process for purifying HMF. It was a factor of cost improvement.
また、一般的には、非特許文献1に示されるように、二酸化マンガンまたは三酸化クロムを酸化剤とした、HMFから2,5−ジホルミルフランを製造する方法が開示されている。
しかし精製されたHMFを用いているため、原料となるHMFの価格からコスト的に不利である。
In general, as shown in Non-Patent Document 1, a method for producing 2,5-diformylfuran from HMF using manganese dioxide or chromium trioxide as an oxidizing agent is disclosed.
However, since purified HMF is used, it is disadvantageous in terms of cost from the price of HMF as a raw material.
本発明は、上記のような問題点を解決するため、精製したHMFやフルフラール等のフルフラ−ル類を用いずとも、未精製状態のフルフラール類を用いて各種合成反応を行い、2,5−ジホルミルフラン、2−フルフリルアルコ−ルなどの対応するフラン誘導体を高収率かつ高選択的で容易に得る製造方法であり、更に生成物の容易な精製方法を提供し、これまでのフルフラール類を用いた様々な化合物への合成のコストの大幅に縮小する技術を提供することを目的とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention performs various synthetic reactions using unpurified furfurals without using purified furfurals such as HMF and furfural. It is a production method for easily obtaining a corresponding furan derivative such as diformylfuran and 2-furfuryl alcohol in a high yield and high selectivity, and further provides an easy purification method for the product. It is an object to provide a technique for significantly reducing the cost of synthesis into various compounds using a class.
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、セルロース、でんぷん、グルコース、フルクトースから合成した直後のフルフラール類には、有機酸及びフミン質が多く含まれており、これらが次の酸化反応や還元反応に影響し、複雑な生成物を与えることを見いだし、その結果、合成後の水溶液にアルミナなどの吸着剤を添加してこれら反応に影響する不純物のみを吸着・濾過等するだけで、それ以上フルフラール類を精製せずとも次の反応を行うことが可能となることが判明した。更に、アルミナの吸着剤などが次の反応に影響しない場合は、反応時にこれらの吸着剤を共存させることで、容易に純度の高い目的物を合成することができることを見出し、上記目的を達成できることが判明した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that furfurals immediately after synthesis from cellulose, starch, glucose, and fructose contain a lot of organic acids and humic substances. It has been found that it affects the next oxidation reaction and reduction reaction and gives complex products. As a result, adsorbents such as alumina are added to the synthesized aqueous solution, and only impurities that affect these reactions are adsorbed and filtered. Thus, it was found that the next reaction can be carried out without further purification of furfurals. Furthermore, when the adsorbent of alumina does not affect the next reaction, it can be found that a high-purity target can be easily synthesized by coexisting these adsorbents during the reaction, and the above object can be achieved. There was found.
本発明は、これらの知見に基づいて完成させるに至ったものであり、以下のとおりである。
[1]バイオマス由来のヒドロキシメチルフルフラール及び/又はフルフラールを含む溶液に吸着剤を添加して不純物を除去した後、該吸着剤を分離除去して得られた溶液を用いて、フラン誘導体を製造することを特徴とするフラン誘導体の製造方法。
[2]前記吸着材が、酸化マンガン、アルミナ、シリカ、チタニア、マグネシア、ジルコニア、及びゼオライトから選ばれる少なくとも1つ以上であることを特徴とする[1]に記載のフラン誘導体の製造方法。
[3]ヒドロキシメチルフルフラールの酸化反応により、2,5−ジホルミルフランを生成させることを特徴とする[1]又は[2]に記載のフラン誘導体の製造方法。
[4]酸素を酸化剤とし、触媒としてルテニウム担持アルミナを用いることを特徴とする[3]に記載のフラン誘導体の製造方法。
[5]二酸化マンガンを酸化剤として用いることを特徴とする[3]に記載のフラン誘導体の製造方法。
[6]ヒドロキシメチルフルフラールの還元反応により、2,5−ビス(ヒドロキシメチル)フランを生成させることを特徴とする[1]又は[2]に記載のフラン誘導体の製造方法。
[7]ヒドロキシメチルフルフラールの還元反応により、2,5−ジメチルフランを生成させることを特徴とする[1]又は[2]に記載のフラン誘導体の製造方法。
[8]フルフラールの還元反応により、2−フルフリルアルコールを生成させることを特徴とする[1]又は[2]に記載のフラン誘導体の製造方法。
[9]フルフラールの還元反応により、2−メチルフランを生成させることを特徴とする[1]又は[2]に記載のフラン誘導体の製造方法。
The present invention has been completed based on these findings and is as follows.
[1] An adsorbent is added to a solution containing biomass-derived hydroxymethylfurfural and / or furfural to remove impurities, and then a solution obtained by separating and removing the adsorbent is used to produce a furan derivative. A method for producing a furan derivative.
[2] The method for producing a furan derivative according to [1], wherein the adsorbent is at least one selected from manganese oxide, alumina, silica, titania, magnesia, zirconia, and zeolite.
[3] The method for producing a furan derivative according to [1] or [2], wherein 2,5-diformylfuran is generated by an oxidation reaction of hydroxymethylfurfural.
[4] The method for producing a furan derivative according to [3], wherein oxygen is used as an oxidizing agent and ruthenium-supported alumina is used as a catalyst.
[5] The method for producing a furan derivative according to [3], wherein manganese dioxide is used as an oxidizing agent.
[6] The method for producing a furan derivative according to [1] or [2], wherein 2,5-bis (hydroxymethyl) furan is generated by a reduction reaction of hydroxymethylfurfural.
[7] The method for producing a furan derivative according to [1] or [2], wherein 2,5-dimethylfuran is generated by a reduction reaction of hydroxymethylfurfural.
[8] The method for producing a furan derivative according to [1] or [2], wherein 2-furfuryl alcohol is produced by a reduction reaction of furfural.
[9] The method for producing a furan derivative according to [1] or [2], wherein 2-methylfuran is generated by a reduction reaction of furfural.
本発明のフラン誘導体の製造法によれば、合成して精製をしていない粗フルフラール類にアルミナなどの吸着剤を用いることで、合成時の不純物として生成する有機酸やフミン質を除去することが可能となり、これによって次の反応への影響を極力抑えることが可能となるため、精製したフルフラール類を用いた場合と同じ様に粗フルフラール類を用いても反応を行うことができき、ほぼ同等の選択率と収率でフラン誘導体を得ることができる。 According to the method for producing a furan derivative of the present invention, by using an adsorbent such as alumina for crude furfurals that have not been synthesized and purified, organic acids and humic substances that are generated as impurities during synthesis can be removed. As a result, it is possible to suppress the influence on the next reaction as much as possible, so that the reaction can be carried out using crude furfurals in the same manner as in the case of using purified furfurals. A furan derivative can be obtained with an equivalent selectivity and yield.
以下、本発明について詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
本発明に用いられるフルフラール類は、セルロース、ヘミセルロースやデンプンなどの多糖類、あるいはグルコース、キシロース、フルクトースなどの糖類を原料とするバイオマス由来の化合物であって、代表的には、ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)や、フルフラールが挙げられる。 The furfurals used in the present invention are biomass-derived compounds made from polysaccharides such as cellulose, hemicellulose, and starch, or sugars such as glucose, xylose, and fructose, and are typically hydroxymethylfurfural (HMF). ) And furfural.
なお、バイオマスで合成したHMF中には、フルフラールが含まれている。これは、フルフラールが、バイオマスのセルロールの単糖であるグルコースを同じ部類である、ヘミセルロースの成分であるキシランからの単糖であるキシロースに由来するものであるためである。
フルフラールは、水酸基を有しないので、酸化反応には進まないが、本発明の方法によれば、フミン質などの不純物が除去されるため、粗HMF中に含まれる粗フルフラールも、精製されたフルフラールと同じように還元反応に用いることができる。
In addition, the furfural is contained in HMF synthesize | combined with biomass. This is because furfural is derived from xylose, which is a monosaccharide from xylan, which is a component of hemicellulose, which is the same class of glucose, which is a monosaccharide of biomass cellulose.
Since furfural has no hydroxyl group, it does not proceed to the oxidation reaction. However, according to the method of the present invention, impurities such as humic substances are removed, so that the crude furfural contained in the crude HMF is also purified furfural. It can be used for the reduction reaction in the same manner as.
本発明に用いられる吸着剤は、アルミナなどの濾別が容易な固体の吸着剤であることを特徴とする。 The adsorbent used in the present invention is a solid adsorbent such as alumina that can be easily separated by filtration.
本発明に用いられる吸着剤としては、炭素、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、酸化スズ、酸化ストロンチウム、酸化カルシウム、酸化鉄、酸化マンガン、酸化バナジウム、酸化コバルト、酸化銅、酸化亜鉛、ゼオライト、モンモリロナイト、モレキューラーシーブ、ヒドロキシアパタイト等が挙げられるが、アルミナ、ジルコニア、チタニア、酸化マンガン、ゼオライトが好ましく、更には、アルミナ、ゼオライト、酸化マンガンが最も好ましい。 Examples of the adsorbent used in the present invention include carbon, alumina, silica, zirconia, titania, tin oxide, strontium oxide, calcium oxide, iron oxide, manganese oxide, vanadium oxide, cobalt oxide, copper oxide, zinc oxide, zeolite, and montmorillonite. , Molecular sieves, hydroxyapatite and the like, alumina, zirconia, titania, manganese oxide and zeolite are preferred, and alumina, zeolite and manganese oxide are most preferred.
本発明に用いられる吸着剤の量は特に限定されず、粗HMF溶液に含まれる不純物が十分吸着される量を適宜決めることができる。 The amount of the adsorbent used in the present invention is not particularly limited, and the amount by which impurities contained in the crude HMF solution are sufficiently adsorbed can be determined as appropriate.
吸着剤を入れた後、吸着媒は濾過により容易に系中から分離することができ、洗浄・乾燥・焼成後、再び吸着剤として用いることができる。 After the adsorbent is added, the adsorbent can be easily separated from the system by filtration, and can be used again as an adsorbent after washing, drying and firing.
本発明に用いられる吸着剤で不純物を除いた粗HMF溶液は、酸化反応によって下記の式(3)で表される2,5−ジホルミルフランを製造する方法、更に酸化することによって下記の式(4)で表されるフラン−2,5−ジカルボン酸を製造するする方法、又は還元反応によって下記の式(5)で表される2,5−ビス(ヒドロキシメチル)フランを製造する方法、更に還元することにより下記の式(6)で表される2,5−ジメチルフランを製造する方法などに用いることができる。
また、本発明に用いられる吸着剤で不純物を除いた粗フルラール溶液は、還元反応によって、下記の式(7)で表される2−フルフリルアルコールを製造する方法、更に還元することにより下記の式(8)で表される2−メチルフランを製造する方法などに用いることができる。
The crude HMF solution from which impurities are removed with the adsorbent used in the present invention is a method for producing 2,5-diformylfuran represented by the following formula (3) by an oxidation reaction, and further, the following formula is obtained by oxidation. A method for producing furan-2,5-dicarboxylic acid represented by (4), or a method for producing 2,5-bis (hydroxymethyl) furan represented by the following formula (5) by a reduction reaction; Furthermore, it can be used in a method for producing 2,5-dimethylfuran represented by the following formula (6) by reduction.
In addition, the crude flural solution from which impurities have been removed by the adsorbent used in the present invention is a method for producing 2-furfuryl alcohol represented by the following formula (7) by a reduction reaction, and further reduced to the following. It can be used in a method for producing 2-methylfuran represented by the formula (8).
本発明に用いられる吸着剤は、粗フルフラール類から不純物を除く際に用いることもできるが、反応に影響しなければ、先の反応系に添加して反応を行うこともできる。 The adsorbent used in the present invention can be used for removing impurities from the crude furfurals, but can be added to the previous reaction system to carry out the reaction if it does not affect the reaction.
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、反応の転化率および収率の決定は以下の方法で行った。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples, but the present invention is not limited thereto. The reaction conversion and yield were determined by the following method.
〈転化率〉
転化率は、下記の通りの手法で求めた。
合成した反応液で各粗HMF液又は粗フルフラール液に含まれるHMF又はフルフラールを液体クロマトグラフィーを用いてそのピーク面積から予め作成していた検量線を用いてHMF又はフルフラールの濃度を求めた後、溶液に含まれる全HMF又はフルフラールのモル数を求めた。次に反応後の溶液から、同様に液体クロマトグラフィーを用いてHMF又はフルフラールの濃度を求め、反応後の溶液に残ったHMF又はフルフラールのモル数を求め、用いたHMF又はフルフラールのモル数に対する残ったHMF又はフルフラールのモル数の百分率を回収率とした。最後に100%から回収率の差を転化率とした。
転化率(%)=100(%)−回収率(%)
<Conversion rate>
The conversion rate was determined by the following method.
After calculating | requiring the density | concentration of HMF or a furfural using the analytical curve prepared beforehand from the peak area of HMF or a furfural contained in each crude HMF liquid or a rough furfural liquid with the synthesized reaction liquid, The number of moles of total HMF or furfural contained in the solution was determined. Next, from the solution after the reaction, similarly, the concentration of HMF or furfural is obtained using liquid chromatography, the number of moles of HMF or furfural remaining in the solution after the reaction is obtained, and the remaining amount relative to the number of moles of HMF or furfural used. The percentage of moles of HMF or furfural was taken as the recovery rate. Finally, the difference in recovery from 100% was taken as the conversion rate.
Conversion rate (%) = 100 (%)-recovery rate (%)
〈収率〉
収率は、下記の通りの手法で求めた。
反応液に残った目的物のモル数を液体クロマトグラフィーから求め、用いたHMFまたはフルフラールのモル数に対する得られた目的物のモル数の百分率を収率とした。
収率(%)=目的物のモル数/用いたHMF又はフルフラールのモル数×100(%)
<yield>
The yield was determined by the following method.
The number of moles of the target product remaining in the reaction solution was determined from liquid chromatography, and the percentage of the number of moles of the target product obtained relative to the number of moles of HMF or furfural used was defined as the yield.
Yield (%) = number of moles of target product / number of moles of HMF or furfural used × 100 (%)
〈選択率〉
選択率は、HMF又はフルフラールの転化率に対する目的物の収率の百分率とした。
選択率(%)=目的物の収率/HMF又はフルフラールの転化率×100(%)
<Selectivity>
The selectivity was the percentage of the yield of the target product relative to the conversion of HMF or furfural.
Selectivity (%) = target product yield / conversion rate of HMF or furfural × 100 (%)
(実施例1)
グルコース(0.5mol/L)の水−ブタノール混合液(ブタノール5%含有)を流通式で反応させて粗HMF溶液(HMF選択率30%、HMF含有濃度0.1〜0.2M、400mL)を得た。得られた溶液に食塩で塩析を行い濾別でフミン質を除去した。濾液に酢酸エチルを400mL加えHMFを抽出した。抽出率は90%であった。また、この抽出液のガスクロマトグラーフィーで測定したHMF純度は、活性炭又はセライトを用いた場合を除き、60〜80%程度に向上した。
この抽出液(1mL)に、各吸着剤(100mg)を入れ、目視で抽出液の脱色度によって不純物の除去の度合いを評価した。脱色度が高いものは、〇で特に良かったものは◎、脱色が殆どなかったものを×とした。
Example 1
A crude HMF solution (HMF selectivity 30%, HMF-containing concentration 0.1-0.2 M, 400 mL) is obtained by reacting glucose (0.5 mol / L) in a water-butanol mixture (containing 5% butanol) in a flow-through manner. Got. The obtained solution was salted out with sodium chloride, and humic substances were removed by filtration. 400 mL of ethyl acetate was added to the filtrate to extract HMF. The extraction rate was 90%. Moreover, the HMF purity measured by gas chromatography of this extract was improved to about 60 to 80% except when activated carbon or celite was used.
Each adsorbent (100 mg) was added to this extract (1 mL), and the degree of impurity removal was evaluated visually by the degree of decolorization of the extract. Those having a high degree of decolorization were rated as 〇 for those that were particularly good with ◯, and those that were hardly decolored as x.
その結果、二酸化マンガン、アルミナ、シリカ、チタニア、マグネシア、ジルコニア、ゼオライトが良好な結果を示すことが分かった。
以下の表に、結果を示す。
As a result, it was found that manganese dioxide, alumina, silica, titania, magnesia, zirconia, and zeolite showed good results.
The results are shown in the following table.
(実施例2)
アルミナで不純物を除去した粗HMFを含む酢酸エチル溶液から溶媒を留去した後に得られた粗HMF(2.0g)を反応容器に入れ、酸化剤として二酸化マンガンを加えて、ジクロロメタン溶液中、酸化反応を行った。反応後、反応溶液を濾過した。淡黄色の濾液を溶媒留去したところ、淡黄色の固体が得られた。得られた固体は2,5−ジホルミルフランで純度は93%であった。更に再結晶を行うことで、白色の2,5−ジホルミルフラン(純度99%以上)が得られた。HMFから2,5−ジホルミルフランの収率は99%以上で、不純物を除去することによって、その後の反応が精製したHMFと同等であることが分かった。
(Example 2)
The crude HMF (2.0 g) obtained after distilling off the solvent from the ethyl acetate solution containing crude HMF from which impurities were removed with alumina was placed in a reaction vessel, manganese dioxide was added as an oxidizing agent, and oxidation was performed in a dichloromethane solution. Reaction was performed. After the reaction, the reaction solution was filtered. When the light yellow filtrate was evaporated, a light yellow solid was obtained. The obtained solid was 2,5-diformylfuran and had a purity of 93%. Furthermore, white 2,5-diformylfuran (purity 99% or more) was obtained by performing recrystallization. The yield of 2,5-diformylfuran from HMF was 99% or more, and it was found that the subsequent reaction was equivalent to purified HMF by removing impurities.
(実施例3)
アルミナで不純物を除去した粗HMFを含む酢酸エチル溶液から溶媒を留去した後に得られた粗HMF(0.28g)を反応容器に入れ、トルエン(5mL)を加え、触媒として5wt%ルテニウム担持アルミナを加えて懸濁させた。該反応容器に、酸素ガスを充填したガス採集袋を取り付け、アスピレーターを用いて反応容器内部を酸素置換した。反応液を強く撹拌しながら80℃で42時間反応させた後、ろ過により触媒を除去し、母液を減圧留去したところ、淡黄色の固体が得られた。得られた生成物を分析した結果、原料は完全に消失し目的の2,5−ジホルミルフランの収率は99%以上であった。
なお、アルミナに代えて、酸化マンガン、シリカ、チタニア、ジルコニア、ゼオライト、活性炭、又はゼオライトで不純物を除去した粗HMFを用いて、同じ条件で酸化反応を試みたところ、活性炭とゼオライトで除去した場合以外は、全て目的の2,5−ジホルミルフランの収率は99%以上であった(上記[表1]参照)。
(Example 3)
Crude HMF (0.28 g) obtained after distilling off the solvent from the ethyl acetate solution containing crude HMF from which impurities were removed with alumina was placed in a reaction vessel, toluene (5 mL) was added, and 5 wt% ruthenium-supported alumina as a catalyst. And suspended. A gas collection bag filled with oxygen gas was attached to the reaction vessel, and the inside of the reaction vessel was purged with oxygen using an aspirator. After the reaction solution was reacted at 80 ° C. for 42 hours with vigorous stirring, the catalyst was removed by filtration, and the mother liquor was distilled off under reduced pressure to obtain a pale yellow solid. As a result of analyzing the obtained product, the raw material was completely lost, and the yield of the desired 2,5-diformylfuran was 99% or more.
In addition, instead of alumina, when an oxidation reaction was attempted under the same conditions using manganese oxide, silica, titania, zirconia, zeolite, activated carbon, or crude HMF from which impurities were removed with zeolite, the removal was performed with activated carbon and zeolite. The yield of the target 2,5-diformylfuran was 99% or more (see [Table 1] above).
(実施例4)
アルミナで不純物を除去した粗HMFを含む酢酸エチル溶液から溶媒を留去した後に得られた粗HMF100mgを反応容器に入れ、水2mLを加え、触媒として5wt%白金担持メソポーラスシリカを加えて懸濁させた。水素ガスで反応容器内を0.8MPaまで加圧した後、35℃で2時間反応させた。反応後、濾過により触媒を除去し、濾液を減圧留去し、クロマトグラフィーで得られた成分を分析したところ、転化率99%以上で、下記の式で表される2,5−ビス(ヒドロキシメチル)フランが選択率98%、収率98%で得られることが分かった。
Example 4
100 mg of crude HMF obtained after distilling off the solvent from the ethyl acetate solution containing crude HMF from which impurities were removed with alumina was placed in a reaction vessel, added with 2 mL of water, and suspended by adding 5 wt% platinum-supported mesoporous silica as a catalyst. It was. The inside of the reaction vessel was pressurized to 0.8 MPa with hydrogen gas, and then reacted at 35 ° C. for 2 hours. After the reaction, the catalyst was removed by filtration, the filtrate was distilled off under reduced pressure, and the components obtained by chromatography were analyzed. The conversion was 99% or more and 2,5-bis (hydroxy) represented by the following formula: It was found that methyl) furan was obtained with a selectivity of 98% and a yield of 98%.
また、フルフラールを原料に同様の条件で反応を行ったところ、転化率99%以上で、下記の式で表されるフルフリルアルコ−ル(2−ヒドロキシメチルフラン)の選択率はいずれも95%であった。 Further, when the reaction was carried out under the same conditions using furfural as a raw material, the conversion rate was 99% or more, and the selectivity for furfuryl alcohol (2-hydroxymethylfuran) represented by the following formula was 95%. Met.
(実施例5)
実施例4と同様の条件で、アルミナを用いて不純物を除去した粗HMF100mgを用いて、触媒として5wt%パラジウム担持カーボンを反応容器に入れ、水1mLを加えた後、水素ガスで反応容器内を1MPaまで加圧した後、二酸化炭素を10MPa加えて、80℃で2時間反応させた。反応後、濾過により触媒を除去し、濾液をそのままクロマトグラフィーで得られた成分を分析したところ、転化率99%以上で、2,5−ジメチルフランが99%以上得られた。
(Example 5)
Under the same conditions as in Example 4, using 100 mg of crude HMF from which impurities were removed using alumina, 5 wt% palladium-supported carbon was placed in the reaction vessel as a catalyst, 1 mL of water was added, and the inside of the reaction vessel was filled with hydrogen gas. After pressurizing to 1 MPa, 10 MPa of carbon dioxide was added and reacted at 80 ° C. for 2 hours. After the reaction, the catalyst was removed by filtration, and the components obtained by chromatography of the filtrate as they were were analyzed. As a result, the conversion was 99% or more and 2,5-dimethylfuran was obtained 99% or more.
また、フルフラールを同様の条件で行ったところ、転化率99%以上で、下記の式で示される2−メチルフランの収率および選択率はいずれも99%以上であった。 Further, when furfural was performed under the same conditions, the conversion rate was 99% or more, and the yield and selectivity of 2-methylfuran represented by the following formula were both 99% or more.
(比較例1)
試薬会社から購入したHMF(アルドリッチ社、純度98%、100mg)に、酸化剤として二酸化マンガンを加えてジクロロメタン溶液中、酸化反応を行った。反応後、反応液を濾別して濾液を溶媒留去した結果、淡黄色の固体が得られた。得られた固体は2,5−ジホルミルフランで、純度は95%であった。HMFから2,5−ジホルミルフランの収率は99%以上であった。
(Comparative Example 1)
Manganese dioxide was added as an oxidizing agent to HMF purchased from a reagent company (Aldrich, purity 98%, 100 mg), and an oxidation reaction was performed in a dichloromethane solution. After the reaction, the reaction solution was filtered and the filtrate was evaporated to obtain a pale yellow solid. The resulting solid was 2,5-diformylfuran and the purity was 95%. The yield of 2,5-diformylfuran from HMF was 99% or more.
(比較例2)
試薬会社から購入したHMF(アルドリッチ社、純度98%、98mg)にトルエン(5mL)を加え、触媒として5wt%ルテニウム担持アルミナを加え懸濁させた。酸素ガスを充填したガス採集袋を取り付け、アスピレーターを用いて反応容器内部を酸素置換した。反応液を強く撹拌しながら80℃で24時間反応させた後、ろ過により触媒を除去し、母液を減圧留去した。得られた生成物を分析した結果、原料は完全に消失し目的の2,5−ジホルミルフランの収率は98%であった。
(Comparative Example 2)
Toluene (5 mL) was added to HMF purchased from a reagent company (Aldrich, purity 98%, 98 mg), and 5 wt% ruthenium-supported alumina was suspended as a catalyst. A gas collection bag filled with oxygen gas was attached, and the inside of the reaction vessel was purged with oxygen using an aspirator. The reaction solution was reacted at 80 ° C. for 24 hours with vigorous stirring, then the catalyst was removed by filtration, and the mother liquor was evaporated under reduced pressure. As a result of analyzing the obtained product, the raw material was completely lost, and the yield of the desired 2,5-diformylfuran was 98%.
(比較例3)
アルミナ等の吸着剤を入れずに得たHMF溶液を濃縮して冷蔵庫(10℃)で保管していたところ、時間経過に従ってHMFが消失し、1ヶ月後は30%程度あったHMFはほぼ消失したため、酸化反応を行うことができなかった。なお、室温(28℃)では、45%あったHMFは2日後に消失した。
(Comparative Example 3)
When the HMF solution obtained without adding an adsorbent such as alumina was concentrated and stored in a refrigerator (10 ° C.), the HMF disappeared with the passage of time, and the HMF that was about 30% disappeared after one month. Therefore, the oxidation reaction could not be performed. At room temperature (28 ° C.), 45% of HMF disappeared after 2 days.
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