JP2020143046A

JP2020143046A - ５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールおよび２，５−ジホルミルフランの合成方法

Info

Publication number: JP2020143046A
Application number: JP2020028010A
Authority: JP
Inventors: 川波　肇; Hajime Kawanami; 肇川波
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2020-09-10
Also published as: JP2024019582A

Abstract

【課題】バイオマス由来の原料から５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールを経由して２，５−ジホルミルフランを効率的に合成する。【解決手段】２，５−ジホルミルフランを合成する時、アルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩の一種類以上の塩、またはこれらの塩と卑金属塩の存在下、バイオマス由来の炭水化物を含有する原料を、有機液体と水の混合液体を媒体として水熱処理することにより、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールを含有する反応液を得る水熱工程と、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールを含有する反応液を、５−ヒドロキシ−２−メチルフルフラールの変質を抑制しながら２，５−ジホルミルフランへと変換することで効率良く２，５−ジホルミルフランを得る技術を有する。【選択図】なし

Description

本発明は、バイオマス由来の原料から５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールを合成する方法と、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールから２，５−ジホルミルフランを合成する方法に関する。

木、草、藁、竹、もしくは綿などの各種バイオマス、そしてこれらバイオマス由来のチップ、パルプ、糸、またはこれらから得られる紙などの製品を原料として、これらに含まれるセルロースまたはヘミセルロースなどを水熱条件で処理すると、オリゴ糖、グルコマンナン、グルコース、マンノース、キシロース、フルクトースなどの糖類が得られる。これらの糖類をさらに処理すると、炭素数が１個から６個の各種炭化水素の誘導体が得られる。これらの炭化水素の誘導体のうち、２，５−ジホルミルフラン（以下「ＤＦＦ」と記載することがある）は、中間体である５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（以下「ＨＭＦ」と記載することがある）を経由して得られる（下記化学反応式）。ＤＦＦは、ＨＭＦの酸化または脱水素によって得られる。現在、ＤＦＦは、流通量が少ないため、医薬品原料価格ベースで約１万円／ｋｇと高価である。

これらバイオマス等からＨＭＦを合成し、このＨＭＦを酸化してＤＦＦを製造する方法が報告されている（特許文献１〜特許文献３および非特許文献１〜非特許文献４）。近年では、グルコースまたはフルクトースからＨＭＦを経由して直接ＤＦＦを合成する手法も報告されている（特許文献４および特許文献５）。しかし、バイオマスからＤＦＦの合成と各段階で得られる生成物の精製を考えた場合、ＨＭＦを経由してその酸化によってＤＦＦを合成する方法が確実である。

近年、ＨＭＦは、バイオマスから得られる重要な化合物の一つで、様々な化合物原料としての利用が期待されている。例えば、ＨＭＦ自体に生理活性があることは既に報告されている。医薬品、機能性食品、化粧品、浴用品、または医薬部外品にＨＭＦを配合することで、安全性が高い新しい抗アレルギー剤および抗炎症剤が容易に製造できる（特許文献６）。また、ＨＭＦから、鋳型造型用粘結剤、バイオプラスチックモノマー、医薬、農薬、殺虫剤、抗菌剤、香料、および高分子材料等を製造できる（特許文献７〜特許文献１０）。その他にも、ＨＭＦは、燃料改質剤等としての利用価値もあり、潜在的需要が非常に大きい。

しかし、バイオマスから得られるＨＭＦは、アルデヒド基、ヒドロメチル基、およびフラン環から形成されるため、一般的な芳香族化合物に比べて反応しやすく、容易にオリゴマーとなりフミン質と呼ばれる褐色の不溶物（固形廃棄物）へと変化し、大量製造の実用化の大きな壁となっている。このため、フミン質への変化を抑えたＨＭＦの精製が重要である。ＨＭＦの精製方法として、多種多様な手法が提案されている。ＨＭＦの精製は困難である。

例えばＨＭＦの物理的な精製方法である蒸留を行う場合、蒸留可能な温度で長時間ＨＭＦを晒すと、上記の固形廃棄物またはタール状の生成物が生じる。そのため、例えば超高真空下でＨＭＦを蒸留したり、流下薄膜減圧でＨＭＦを精製したり、より低温でＨＭＦを蒸留したりする方法、および蒸留後にさらに再結晶等を行って精製する方法が報告されている（特許文献１１）。これらの精製方法でもＨＭＦの収率低下を抑えることは難しい。

さらに、ＨＭＦを化学的に精製する方法として、活性なアルデヒド基またはヒドロキシメチル基に保護基を導入し、アセタールまたはエステルに変換してから蒸留した後、保護基を外し、再結晶で精製する方法がよく知られている（非特許文献５〜８）。また、酵素を使ってＨＭＦをエステルにしてから精製する方法が報告されている。しかし、これらの精製手法でさえも、エステルからＨＭＦを精製する工程で約２３％のＨＭＦが減少する。このため、精製されたＨＭＦは高価である。

特表２０１７−５１８３８６号公報特開昭５４−９２６０号公報特開昭５５−４９３６８号公報特表２０１１−５０６４７８号公報特開２０１３−２３１０６１号公報特開２０１０−２４８１０７号公報特開２０１３−２１２５３６号公報特開２００９−０５７３４５号公報特開２００７−１４５７３６号公報特開２００５−２００３２１号公報特開２００５−２３２１１６号公報

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本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、バイオマス由来の各種原料からＨＭＦを効率的に合成する方法と、ＨＭＦからＤＦＦを効率的に合成する方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、安価なアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩と、塩化鉄などの卑金属塩の混合物を用い、テトラヒドロフランなどの有機液体と水を混合した混合液体中で、各種バイオマス由来のセルロース、六炭糖であるグルコースもしくはフルクトース等、もしくは六炭糖から構成されるオリゴ糖を含有する原料、またはこれらオリゴ糖を含有する原料をさらに糖化して得られたグルコースもしくはフルクトース等の糖類を含む糖液を含有する原料を水熱処理することで、ＨＭＦが高選択的に得られることを見出した。

また、得られたＨＭＦは反応液中で不安定で、特に水の存在が安定性に影響を与える。そこで、このＨＭＦを含む反応液を冷却し、反応液中の水を固体（氷）として除去することで、ＨＭＦがフミン質に変化するのを極力抑えたＨＭＦ含有液が得られることを見出した。一方、芳香族化合物を含まずに、グルコースまたはフルクトースを含む糖液を原料として製造したＨＭＦは、反応溶液中で安定であることを見出した。したがって、溶媒中でＨＭＦを取り扱うことで、ＨＭＦのロスが極力抑えられる。

さらに、このＨＭＦ含有液を酸化することでＤＦＦが容易に合成できることと、その後の既報で示された各種簡単な再結晶等の精製操作で純度９５％以上のＤＦＦが得られることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成に至ったものである。本発明のＨＭＦの合成方法は、アルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩の一種類以上の塩の存在下、バイオマス由来の炭水化物を含有する原料を、有機液体と水の混合液体を媒体として水熱処理することにより、ＨＭＦを含有する反応液を得る水熱工程を有する。

本発明のある態様のＤＦＦの合成方法は、アルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩の一種類以上の塩と、卑金属塩の混合物の存在下、バイオマス由来の炭水化物を含有する原料を、有機液体と水の混合液体を媒体として水熱処理することにより、ＨＭＦを含有する反応液を得る水熱工程と、反応液の有機液体層から水を除去してＨＭＦを含有する粗生成物を効率的に得る水除去工程と、粗生成物中のＨＭＦを酸化してＤＦＦを得る酸化工程を有する。

本発明の他の態様のＤＦＦの合成方法は、アルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩の一種類以上の塩の存在下、糖類を含有する原料を、有機液体と水の混合液体を媒体として水熱処理することにより、ＨＭＦを含有する反応液を得る水熱工程と、有機液体および水の沸点より沸点が高い高沸点有機液体を反応液に加えた後、有機液体および水の少なくとも一部を留去して、ＨＭＦを含有する含有液を得る置換工程と、含有液中のＨＭＦを酸化してＤＦＦを得る酸化工程を有する。

本発明によれば、水に溶解する糖類はもちろん、水に溶けないバイオマスなどを原料とした水熱処理によってＨＭＦが効率的に製造できる。また、得られたＨＭＦを含有する反応液から水を除去することにより、ＨＭＦの安定性が向上し、ＨＭＦを高度に精製せずにこのまま酸化することで、ＤＦＦが効率良く製造できる。さらに、糖類を原料とした水熱処理によって得られたＨＭＦは、有機溶媒中で安定している。このため、ＨＭＦを含有する反応液に高沸点有機液体を加えた後に、有機液体と水の少なくとも一部を留去すれば、ＨＭＦは高沸点有機液体中でそのまま酸化できる。したがって、ＨＭＦのロスを抑えながらＤＦＦが得られる。

本発明の実施形態に係るＨＭＦの合成方法は水熱工程を備えている。水熱工程では、塩の存在下、原料を水熱処理して、ＨＭＦを含有する反応液を得る。本実施形態で用いる塩は、アルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩の一種類以上である。この塩の存在によって、ＨＭＦの反応収率が向上する。塩は、リチウム塩、ナトリウム塩、またはカルシウム塩であることが好ましい。塩のアニオンとしては、Ｆ⁻、Ｃｌ⁻、Ｂｒ⁻、Ｉ⁻、ＨＳＯ_４ ⁻、ＳＯ_４ ^２−、ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻、ＮＯ_３ ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻、ＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、ＣＨ_３ＣＯＯ⁻、ＣＦ_３ＣＯＯ⁻、ＨＰＯ_４ ⁻、およびＰＯ_４ ^２−などが挙げられる。

アルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩の一種類以上の塩と、アルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩以外であって、塩化鉄および塩化亜鉛などの卑金属塩の存在下で水熱処理することで、ＨＭＦの反応収率がさらに向上する。卑金属塩のカチオンとしては、鉄、鉄鋼、銅、アルミニウム、鉛、亜鉛、すず、タングステン、インジウム、モリブデン、クロム、ゲルマニウム、タンタル、マグネシウム、コバルト、カドミウム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ガリウム、アンチモン、マンガン、ニッケル、ハフニウム、ニオブ、ビスマス、レニウム、およびタリウムなどが挙げられる。卑金属塩のアニオンとしては、Ｆ⁻、Ｃｌ⁻、Ｂｒ⁻、Ｉ⁻、ＨＳＯ_４ ⁻、ＳＯ_４ ^２−、ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻、ＮＯ_３ ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻、ＢＦ_４ ⁻、ＰＯ_４ ^３−、ＰＦ_６ ⁻、ＣＨ_３ＣＯＯ⁻、ＣＦ_３ＣＯＯ⁻、ＨＰＯ_４ ⁻、およびＰＯ_４ ^２−などが挙げられる。

原料は、バイオマス由来の炭水化物を含有する。より具体的には、この原料は、例えば、稲わらまたはスギチップ等の草木系バイオマス、これらのバイオマス由来のパルプ、紙および再生紙、これらを糖化して得られたセルロース、ならびにこれらを糖化して得られた六炭糖および六炭糖から構成されるオリゴ糖を含む糖液を含有する。また、原料としては、水に溶解するグルコースまたはフルクトース等の六炭糖およびこれらの六炭糖からなるオリゴ糖等の糖類はもちろん、ソーダパルプ、クラフトパルプ、サルファイトパルプ、ケミグランドパルプ、リファイナーグランドパルプ、サーモメカニカルパルプ、および蒸解パルプなどの各種パルプ、水に溶けないセルロースを含むバイオマス、ならびに段ボール、新聞、紙容器、および再生紙などの紙が挙げられる。

水に溶けないセルロースを含むバイオマスとしては、例えば松、杉、ブナ、楓、およびユーカリなどの木材、稲わら、麦わら、もみがら、およびバガスなどの草、ならびに綿、麻、亜麻、椰子の果皮、および竹などの非木材が挙げられる。
原料に含まれる炭水化物としては、セルロース、グルコースまたはフルトースなど六炭糖、および六炭糖から構成されるオリゴ糖、ならびにバイオマス由来の物質に含まれるセルロースを糖化した糖類の一種類以上が挙げられる。

原料に含まれる炭水化物の元となるバイオマスは特に制限はされず、じゃがいもまたはサトウキビのデンプンなどを含む食料となるバイオマスも使用できる。しかし、近年の食糧事情等から鑑みるに、食料に影響を及ぼさないまたは影響が小さい稲わら、麦わら、もみがら、椰子の果皮、バガス、トウモロコシの芯などの残渣、および野草などの草本系バイオマス由来の原料、ユーカリ、竹、杉、クヌギ、アカシデ、松などの薪、チップ、ペレット、ブリケット、木くず、製材端材などの木質系バイオマス由来の原料、ならびにこれらを糖化した糖類を含む糖液などを用いることが好ましい。

これらの中でも原料は、ユーカリ、竹、および杉由来のチップ、ならびにこれらから得られる各種パルプ、そしてさらに各種パルプを糖化した糖類を含む糖液が好ましく、ユーカリ、竹、および杉由来のチップ、ならびにこれらから得られた蒸解パルプ、さらに杉またはユーカリのパルプを糖化した糖類を含む糖液がより好ましい。バイオマスを原料として直接用いる以外にも、近年はセルロース、六炭糖、および六炭糖から構成されるオリゴ糖を含む古紙なども原料として用いることができる。また、汎用的に流通しているグルコース、フルクトース、果糖、でんぷん、およびセルロースなどの炭水化物を含む物質も、原料として当然用いることができる。

本実施形態では、有機液体と水の混合液体を媒体として原料を水熱処理する。水熱処理は、バッチ式、フロー式、またはパーコレート式で行える。また、水熱処理は温度１００℃以上２５０℃以下で行える。また、水熱処理は、バッチ式の場合は１時間以上６０時間以下で、フロー式およびパーコレート式の場合は１０分以上の滞在時間で行える。また、水熱処理は圧力０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下で行える。水熱処理の媒体としては、有機液体と水の混合液体が使用できる。セルロース、グルコース、およびフルクトースが反応しやすいからである。有機液体は、温度１００℃以上２５０℃以下、圧力０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下で、セルロース、グルコース、およびフルクトースと反応せず、かつ分解しないものから選択できる。

このような有機液体としては、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、ジエチルエーテル、ジメチルエーテル、ジメチルイミダゾリジノン、アセトニトリル、メタノール、エタノール、ブタノール、メチルイソブチルケトン、ヘキサフルオロイソプロパノール、酢酸エチル、ヘキサン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフィド、アセトン、メチルエチルケトン、アセトンなどが挙げられる。これらの中で、有機液体としては、水に少しだけ溶け、かつ水と相分離できるテトラヒドロフラン、ジオキサン、ブタノール、メチルイソブチルケトン、酢酸エチル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフィド、メチルエチルケトンなどが好ましい。

なお、反応容器の耐圧性の事情などで高圧での水熱処理ができない場合、有機液体の一部を、より高沸点の有機液体に置換することで、目的のＨＭＦが得られる。例えば、有機液体であるテトラヒドロフランの約７５質量％を、より高沸点の有機液体であるトルエンなどの芳香族炭化水素で置換すれば、ＨＭＦの収率の低下を抑えつつ、圧力１ＭＰａ以下で水熱反応を行える。

原料の形態には特に制限がないが、混合液体中に均一に溶解または均一に分散していることが好ましい。原料からＨＭＦへの選択率が向上するからである。糖類を含む糖液が原料である場合は、混合液体中に原料が溶解するので、糖液を混合液体中に溶かした溶液をそのまま水熱処理できる。一方、木質系バイオマスまたは草本系バイオマスなどの水を含む各種媒体に難溶性のセルロースを含む原料は、予め粉砕して、混合液体に均一に分散させた分散液を水熱処理するのが好ましい。反応時に、混合液体中の原料に含まれる炭水化物の量は、０．１質量％以上であることが好ましく、１質量％以上であることがより好ましく、１０質量％以上であることがさらに好ましく、２５質量％以上であることが最も好ましい。

バッチ式での水熱処理では、この原料の粉砕後の粒径が水熱処理に影響しないため、原料の粉砕後の粒径は、特に限定されない。しかし、フロー式で水熱処理を行う場合は、原料の粉砕後の粒径を１００μｍ以下にすることが好ましく、５０μｍ以下にすることがより好ましく、３０μｍ以下にすることがさらに好ましく、２０μｍ以下にすることが最も好ましい。原料が分散した混合液体の分散液が安定するからである。

本発明の実施形態に係るＤＦＦの合成方法は、水熱工程と、水除去工程と、酸化工程を備えている。水熱工程では、本実施形態のＨＭＦの合成方法の水熱工程と同様に、ＨＭＦを含有する反応液を得る。必要に応じた濾過によって残った原料を取り除いたこの反応液を放置すると、水層と有機液体層に分離する。生成したＨＭＦは有機液体層により多く溶解している。

そこで、反応液から有機液体層を採取して、次の酸化工程に用いる。有機液体層に含まれるＨＭＦを酸化してＤＦＦを生成させるためには、水を含む有機液体層から、できるだけ多くの水を除去する必要がある。水除去工程では、反応液の有機液体層から水を除去して、ＨＭＦを含有する粗生成物を得る。

しかし、このＨＭＦを含有する反応液を加熱すると、ＨＭＦは、フミン質からなる不溶性固体であって、ＨＭＦへの再生が不可能な物質に容易に変換されてしまう。このため、蒸留などの加熱が必要な方法で、この反応液の有機液体層から水分を除去することは好ましくない。そこで、この反応液を冷却して、有機液体層中の水分を凍らせた後に氷を濾過することによって、有機液体層中の水を除去でき、ＨＭＦを含有する粗生成物が得られる。このときの反応液の冷却温度は、有機液体の凝固点以上０℃以下が好ましい。例えば、有機液体がテトラヒドロフラン（以下「ＴＨＦ」と記載することがある）のとき、反応液を−１０８℃以上０℃以下に冷却すれば、好適に反応液中の水を氷として除去できる。

なお、次の酸化工程の前に、ＨＭＦを含有する反応液の有機液体を、酸化工程で用いる他の有機液体に置換する場合、従来は、反応液から有機液体を除去した後に、この他の有機液体を添加していた。この従来の方法では、有機液体の除去時に濃縮されたＨＭＦと微量に残る水分などが要因となって、ＨＭＦがフミン質に変わる現象が著しかった。このため、ＨＭＦの大幅なロスを招き、最終的生成物であるＤＦＦの収率の低下をもたらした。

しかし、リグニン成分などの芳香族化合物を含まず、グルコースまたはフルクトースを含む糖類を原料とした場合、水熱工程で得られた反応液中で、ＨＭＦが長時間安定していた。このため、反応液中の水を氷として除去しなくても、液・液分離による水分除去のみで、次の酸化工程が行える。さらに、水熱工程で得られた反応液中の有機液体および水の沸点より沸点が高く、酸化工程で用いる高沸点有機液体を反応液に加えた後、有機液体を留去しつつ、共沸現象を利用して有機液体に含まれる水を留去すれば、溶液状態のままで有機媒体を置換でき、ＨＭＦを含有する含有液が得られる。

すなわち、糖類を含有する原料を水熱工程に用いる場合、本実施形態の水除去工程に代えて置換工程が適用できる。なお、本願の「糖類」は、単糖類と二糖類だけでなく、オリゴ糖などの少糖類、およびでんぷんなどの多糖類も含む。この置換工程では、有機液体および水の沸点より沸点が高い高沸点有機液体を反応液に加えた後、有機液体を留去しつつ、共沸現象を利用して有機液体に含まれる水の少なくとも一部を留去して、ＨＭＦを含有する含有液を得る。留去する有機液体および水の量は多いほど好ましい。酸化工程に適した高沸点有機液体の含有量を限りなく多くできるとともに、ＨＭＦの不安定化の原因の一つとなる水を少なくできるからである。不可避的に含まれる有機液体および水以外は、高沸点有機液体に置換することが最も好ましい。

有機液体がＴＨＦのとき、酸化工程で用いる高沸点有機液体としては、常圧での沸点が６６℃以上の有機媒体が挙げられる。このような有機媒体としては、ヘキサン、酢酸エチル、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、またはトリクロロベンゼンなどの脂肪族系溶媒、およびトルエン、エチルベンゼン、クメン、キシレン、アニソール、ベンズアルデヒド、アセトフェノン、ベンゾフェノン、またはピリジンなどの芳香族系溶媒が挙げられる。これらの中でも、酸素または空気を酸化剤とする触媒反応でＨＭＦからＤＦＦを合成するのに適したトルエン、エチルベンゼン、クメン、キシレン、またはアニソールが好ましい。さらに、トルエンまたはアニソールが好ましい。水熱工程で用いたＴＨＦを容易に置換できると同時に、これらの有機媒体は水と共沸するため、有機媒体に溶解している水も除去できるからである。

酸化工程では、水除去工程で得られた粗生成物中のＨＭＦを酸化してＤＦＦを得る。より具体的には、例えば、ＨＭＦを含有する粗生成物から有機液体を除去した後、酸化反応に用いる溶媒にこのＨＭＦを溶かして酸化反応を行う。ＨＭＦの酸化方法には特に制限がない。しかし、粗生成物中には数十質量％のバイオマス由来の不純物が含まれており、ＨＭＦの酸化に固体触媒などを用いると、触媒被毒が起こりやすく、酸化反応を効率的に進ませることができない。

このため、酸化工程では、均一系の酸化触媒または強い酸化剤などを用いることが好ましいが、酸化マンガンなど不均一系の酸化剤等も好ましい。酸化触媒としては、塩化銅、ヨウ化銅、ニトロキシラジカル（Ｒ_２Ｎ−Ｏ・）、およびバナジウム錯体などが挙げられ、酸化剤としては、酸化マンガン、過マンガン酸、クロム酸、二クロム酸、酸化クロム、硝酸、塩素酸、次亜塩素酸、ハロゲン、オゾン、酸素、過酸化水素、過酸化物、および酸素などが挙げられる。酸化工程では、これらの酸化剤と前述の各種酸化触媒とを組み合わせた酸化も行うことができる。また、酸化工程では、置換工程で得られたＨＭＦ含有液中のＨＭＦを酸化してＤＦＦを得てもよい。

以下、実施例に基づいて、本発明のＨＭＦの合成方法およびＤＦＦの合成方法を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

ＨＭＦの収率は、原料中のユーカリチップ、杉チップ、孟宗竹チップ、パルプ、セルロース、または糖液に含まれるグルコース相当の物質量（いわゆるモル量）に対する得られたＨＭＦの物質量を百分率（原料％）で表した。ＤＦＦの収率は、用いたＨＭＦの物質量に対する得られたＤＦＦの物質量を百分率（ＨＭＦ％）で表したか、原料中のユーカリチップ、杉チップ、孟宗竹チップ、パルプ、セルロース、または糖液に含まれるグルコース相当の物質量に対する得られたＤＦＦの物質量を百分率（原料％）で表した。転化率は、原料中のグルコース相当の物質量または質量に対する反応した原料の物質量または質量を百分率（％）で表した。

（実施例１：糖液からＨＭＦの合成）
グルコース７．８４ｇとキシロース１．３５ｇを含む糖液３５ｇに、塩である塩化リチウム１０．５ｇ（０．２４ｍｏｌ）と、卑金属塩である塩化鉄６水和物６．７ｇ（０．０２４ｍｏｌ）を入れ、よくかき混ぜて完全に溶解させてから、容積３００ｍＬのオートクレーブに充填した。オートクレーブにＴＨＦ２００ｍＬをさらに入れた後、オートクレーブを密閉し、窒素置換を行った。その後、加熱炉でオートクレーブを加熱し、反応温度１５０℃になってから反応開始とし、その後２０時間反応を行った。反応時のオートクレーブ内の圧力は４ＭＰａであった。その後、反応液を室温まで冷やした。冷却後、得られた反応液の有機層（ＴＨＦ層）と水層をそれぞれ別々に採取した。有機層および水層に含まれるＨＭＦの糖液からの収率は４６原料％であった。

（実施例２：ＨＭＦからＤＦＦの合成）
実施例１で得られた反応液から分取した有機層を−３０℃に冷却した後、析出した氷を濾過し、有機層から水分を除去した。なお、濾液（有機層）の水分が十分に除去されなかった場合は、必要に応じて、冷却温度をさらに下げて、または再度冷却して氷を除去するなどの操作を繰り返すことで、濾液に含まれる水分をできる限り除去した。得られた濾液（ＨＭＦを含むＴＨＦ溶液）を６０℃以下の低温で減圧留去した。得られたＨＭＦを含む粘性の高い反応物に、酸化反応で用いる溶媒のジクロロメタン１００ｍＬを加えた。ジクロロメタンに不溶な固体を濾過して除去した。必要に応じて、アルミナを用いてフミン質およびその他の不純物を取り除いた。

得られたＨＭＦのジクロロメタン溶液に、酸化剤である二酸化マンガン２０ｍｇ〜３０ｍｇ程度を数回に分けて添加し、室温で反応を行った。反応中、ガスクロマトグラフィーを用いてＨＭＦの残量を確認し、ＨＭＦが残っている場合は二酸化マンガンをさらに加えて反応を進めた。ＨＭＦがほぼ消失したことを確認した後、二酸化マンガンを濾過して回収した。使用した二酸化マンガンは、硫酸で洗浄して再利用した。得られた濾液にアルミナを加えて不純物を吸着させて濾過した。得られた濾液は減圧下で溶媒を留去した。その後、ジクロロメタンとヘキサンを適切な比で混合した溶液を加えて再結晶を行い、目的の物質であるＤＦＦ２．５０ｇ（糖液からの収率４６原料％）を得た。

（実施例３：各種塩を用いた糖液からＨＭＦの合成）
下記の表１に示す塩を用い、反応時間を２時間にし、塩化鉄を用いずに、実施例１と同様にして糖液からＨＭＦを合成した。その結果を表１に示す。転化率に対する収率の比（収率／転化率）は、塩化リチウムを塩として用いたときが最も大きかった。

（実施例４：各種条件での糖液からＨＭＦの合成）
下記の表２に示す条件で、塩化リチウムのみ、または表中の物質量比で塩化リチウムと塩化鉄を用いて、実施例１と同様の方法で糖液からＨＭＦを合成した。その結果を表２に示す。さらに塩化鉄を用いることで、転化率と収率が上がることがわかった。また、塩化リチウムの物質量に対する塩化鉄の物質量の比が０．１以上であるときに、転化率と収率の上昇効果があることがわかった。さらに、反応時間が長くなるものの、反応温度を１５０℃に下げることで、副生成物の生成を極力抑え、高収率でＨＭＦが得られることがわかった。

（実施例５：各種条件での糖液からＨＭＦの合成）
下記の表３に示す条件で、塩化リチウムより安価で入手容易な塩化カルシウムのみ、または表中の物質量比で塩化カルシウムと塩化鉄を用いて、実施例１と同様の方法で糖液からＨＭＦを合成した。その結果を表３に示す。塩化カルシウムと塩化鉄を用いると、塩化カルシウムのみを用いたときと比べて、転化率は同等であるものの、収率が上がることがわかった。

また、反応温度１９０℃のとき、オートクレーブ内の圧力は３ＭＰａ程度であったが、反応温度を１５０℃に下げることで、オートクレーブ内の圧力が１ＭＰａ程度となり、より汎用的な反応装置を用いてＨＭＦが製造できることがわかった。さらに、反応温度１３０℃〜１６０℃でＨＭＦの製造を行ったところ、反応温度１４５℃〜１５５℃のときに、転化率と収率がおおむね同等であった。すなわち、反応温度のむらが生じるような環境であっても、反応温度１４５℃〜１５５℃で反応を行うことができれば、安定した収率でＨＭＦが得られることがわかった。

（実施例６：溶媒の一部を置換したＨＭＦの合成）
反応圧力を低下させる目的で、有機液体であるＴＨＦの一部を、ＴＨＦの沸点より高沸点の有機液体であるトルエンに置き換えて、実施例５と同様の方法で糖液からＨＭＦを合成した。容積３０ｍＬのオートクレーブに、塩である塩化カルシウム１．２ｇと卑金属塩である塩化鉄０．１２ｇを入れ、糖液２．０ｇと水３．０ｇをさらに加え、下記の表４に示す量でＴＨＦとトルエンをさらに加え、反応温度１５０℃で２４時間反応を行った。

反応後、液体クロマトグラフィーで生成物の分析を行い、有機相と水相にそれぞれ含まれる成分を調べ、転化率と収率を求めた。反応時のオートクレーブ内の圧力と、ＨＭＦの転化率および収率を表４に示す。その結果、トルエンの置換量が増加すると、収率が１０％程度減少するものの、反応圧力を下げられることがわかった。これによって、耐圧性が低い反応容器を用いて、ＨＭＦが合成できることが証明された。

（実施例７：杉由来パルプからＨＭＦの合成）
下記の表５に示す条件で、原料として杉由来のパルプ０．５ｇを用いて、実施例１と同様の方法でＨＭＦの合成を行った。その結果を表５に示す。原料としてパルプを用いてもＨＭＦを合成できることがわかった。塩化リチウムのみを用いた場合は、収率が１９％であったが（Ｎｏ．１）、塩化リチウムに塩化鉄を加えることで、転化率と収率が向上した（Ｎｏ．２の６８％と４０％）。

塩化亜鉛のみを用いた場合、塩化リチウムのみまたは塩化鉄のみを用いた場合と比べてパルプの溶解度が向上し、ＨＭＦの収率が２８％と上昇することもわかった（Ｎｏ．４）。また、塩化リチウムに塩化亜鉛を加えることで転化率と収率が改善された（Ｎｏ．５の８４％と４５％）。さらに、塩化リチウムと塩化鉄または塩化亜鉛（Ｎｏ．２とＮｏ．５）の代わりに、塩化カルシウムと塩化鉄または塩化亜鉛（Ｎｏ．６とＮｏ．７）を用いた場合、転化率と収率の若干の低下が見られるが、おおむね良好な結果を得た。

（実施例８：ＨＭＦからＤＦＦの合成）
下記の表６に示す酸化触媒と酸化剤と、パルプから得たＨＭＦ溶液を用いて、実施例２と同様にしてＤＦＦを合成した。その結果を表６に示す。パルプから得られるＨＭＦを含む反応液には、水分とＴＨＦに不要な固形分が除去されているものの、リグニン由来の成分等が少量含まれている。このため、ＤＦＦの合成に固体触媒（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）を用いることは難しい傾向にある。逆に均一系のバナジウム触媒（Ｎｏ．５）は、収率が高い傾向にあった。

（実施例９：杉由来パルプからＤＦＦの合成）
原料として杉由来のパルプ１．１６ｇを用いた点を除いて、実施例２と同様にしてＨＭＦを経由してＤＦＦを合成した。ＤＦＦの収量は３６．２ｍｇで、ＤＦＦの収率は、パルプに含まれるセルロース換算で１７．９原料％であった。

（実施例１０：ユーカリ由来パルプからＤＦＦの合成）
原料としてユーカリ由来のパルプ１．０６ｇを用いた点を除いて、実施例２と同様にしてＨＭＦを経由したＤＦＦの合成を行った。ＤＦＦの収量は４５．４ｍｇで、ＤＦＦの収率はパルプに含まれるセルロース換算で７．４７％であった。

（実施例１１：孟宗竹チップからのＤＦＦの合成）
原料として孟宗竹チップ１．５ｇを用いた点を除いて、実施例２と同様にしてＨＭＦを経由してＤＦＦを合成した。ＤＦＦの収量は６０．２ｍｇで、ＤＦＦの収率は、チップに含まれるセルロース換算で、１０．７原料％であった。

（実施例１２：試薬のセルロース、グルコース、フルクトースを使用したＤＦＦの合成）
原料として、試薬で購入した純度９５％以上のセルロース（アビセル）１．０ｇ、グルコース１．０ｇ、およびフルクトース１．０ｇをそれぞれ用いて、実施例１および実施例２と同様にしてＨＭＦを経由してＤＦＦを合成した。ＤＦＦの収量（収率）は、それぞれ１２１．５ｍｇ（１５．８％）、２１５．１ｍｇ（３１．２％）、３０６．４ｍｇ（４４．５％）であった。

（実施例１３：二酸化マンガンの再利用）
実施例８から実施例１２で用いた二酸化マンガンを回収し、室温で濃硫酸を加えて撹拌後、濾過、水で洗浄し、６０℃のオーブンで１日乾燥させて再生した。得られた二酸化マンガンを２０ｇ〜３０ｇ程度に数回に分けて実施例８のＨＭＦ溶液に添加し、室温でＤＦＦの合成を行った。反応中、ガスクロマトグラフィーを用いてＨＭＦの残量を確認し、残っている場合はさらに二酸化マンガンを加えて反応を進めた。

ＨＭＦがほぼ消失したことを確認後、濾過して二酸化マンガンを回収した。なお、使用した二酸化マンガンは、さらに硫酸で洗浄して再々利用した。得られた濾液にアルミナを加えて不純物を吸着させてさらに濾過した。減圧下で得られた濾液の溶媒を留去した。その後、ジクロロメタン−ヘキサンを適当な比で混合した溶液を加えて再結晶を行い、目的の物質ＤＦＦ（２．５０ｇ、糖液からの収率４６原料％）を得た。

（実施例１４：糖液からＨＭＦの合成２）
容量３０ｍＬのオートクレーブに、実施例１で用いた糖液２ｇ（グルコース含有量０．８２ｇ）、塩である塩化カルシウム１．２ｇ、卑金属塩である塩化鉄０．１２ｇ、水２ｍＬ、およびＴＨＦ２０ｍＬを加え、反応温度１５０℃で２４時間反応させた。反応後、生成物を液体クロマトグラフィーで分析したところ、ＨＭＦの収率は６２％であった。分液ロートでＴＨＦ相のみを採取し、不溶物を濾過除去した。

このＨＭＦを含むＴＨＦ溶液の一部を採取して、常温常圧で１５日間放置した。採取した直後のＨＭＦ含有量に対する時間経過後のＨＭＦ含有量の比（時間経過後のＨＭＦ含有量／採取直後のＨＭＦ含有量（以下「ＨＭＦ含有量比」と記載することがある））は、１日経過後が０．９８で、４日経過後が１．１０で、５日経過後が０．９５で、６日経過後が１．０２で、１５日経過後が１．０１であった。ＨＭＦを含むＴＨＦ溶液の採取から１５日経過しても、ＨＭＦ含有量比はほとんど変化なく、ＨＭＦがフミン質などに変化する傾向は見られなかった。

一方、ＨＭＦを含むＴＨＦ溶液を一部採取して、２０分間でＴＨＦを留去した直後にＴＨＦと同じ量のトルエンを加えてＨＭＦ含有量を測定したところ、ＨＭＦ含有量比は０．６５であった。さらに、ＨＭＦを含むＴＨＦ溶液を一部採取し、そこにＴＨＦの沸点より高沸点のトルエンをＴＨＦの１．５倍量加え、ＴＨＦと水分を留去し、ＨＭＦ含有量を測定したところ、ＨＭＦ含有量比は０．９であった。これらの結果から、ＨＭＦは有機液体中で安定しており、ＴＨＦの沸点より高沸点の有機液体を用いることで、ＨＭＦのロスを抑えた溶媒置換が可能であることがわかった。

（実施例１５：ＨＭＦからＤＦＦの合成２）
下記の表７に示すように、実施例１４の方法で得られたＨＭＦを含有する反応液を芳香族系のトルエンとアニソールでそれぞれ置換したＨＭＦを含有する含有液に、触媒である５質量％ルテニウム担持アルミナ触媒（和光純薬社製）２００ｍｇを加え、さらに酸素を導入して酸化工程を行った。トルエンとアニソールのそれぞれの沸点は、ＴＨＦおよび水の沸点より高い。その結果を表７に示す。

実施例８では、パルプから得られたＨＭＦをルテニウム担持アルミナ触媒で酸素酸化したとき、触媒被毒によりＤＦＦが得られなかった（表６のＮｏ．１）。このため、酸化マンガンを用いて酸化工程を行う必要があった。しかし、リグニンなどの芳香族化合物を含まない糖液を原料として得られたＨＭＦは、ルテニウム担持アルミナ触媒で酸素酸化を行えることが判明した。表７に示すように、ＤＦＦが収率９０％以上で得られた。また、実施例６では空気が酸化剤であったが、本実施例では、酸化剤として空気以外の酸素を用いることで、短時間でＤＦＦが得られた。

高沸点有機液体がトルエンの場合で反応温度について検討したところ、反応温度がトルエンの沸点を大幅に超えると収率が下がった。生成したＤＦＦが揮発するためだと考えられる。不純物を含む純度７５％の粗ＤＦＦ０．８９ｇを２００℃に加熱して昇華精製を行った。無色透明の針状の結晶０．４５ｇが得られた（収率６７％）。この結晶をＮＭＲ測定した結果、純度がほぼ１００％であった。すなわち、ＤＦＦは昇華性があり、昇華精製によって極めて高純度のＤＦＦが得られることがわかった。

Claims

アルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩の一種類以上の塩の存在下、バイオマス由来の炭水化物を含有する原料を、有機液体と水の混合液体を媒体として水熱処理することにより、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールを含有する反応液を得る水熱工程を有する５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールの合成方法。
請求項１において、
前記水熱工程では、さらにアルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩以外の卑金属塩の存在下で水熱処理する５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールの合成方法。
請求項２において、
前記卑金属塩が塩化鉄である５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールの合成方法。
請求項２において、
前記卑金属塩が塩化亜鉛である５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールの合成方法。
請求項１から４のいずれかにおいて、
前記有機液体がテトラヒドロフランである５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールの合成方法。
アルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩の一種類以上の塩の存在下、バイオマス由来の炭水化物を含有する原料を、有機液体と水の混合液体を媒体として水熱処理することにより、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールを含有する反応液を得る水熱工程と、
前記反応液の有機液体層から水を除去して５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールを含有する粗生成物を得る水除去工程と、
前記粗生成物中の５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールを酸化して２，５−ジホルミルフランを得る酸化工程と、
を有する２，５−ジホルミルフランの合成方法。
請求項６において、
前記水除去工程が、前記有機液体層中の水を氷として除去する過程を備える２，５−ジホルミルフランの合成方法。
請求項７において、
前記冷却過程では、前記反応液を有機液体の凝固点以上０℃以下の温度に冷却する２，５−ジホルミルフランの合成方法。
アルカリ金属塩およびアルカリ土類金属塩の一種類以上の塩の存在下、糖類を含有する原料を、有機液体と水の混合液体を媒体として水熱処理することにより、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールを含有する反応液を得る水熱工程と、
前記有機液体および水の沸点より沸点が高い高沸点有機液体を前記反応液に加えた後、前記有機液体および水の少なくとも一部を留去して、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールを含有する含有液を得る置換工程と、
前記含有液中の５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールを酸化して２，５−ジホルミルフランを得る酸化工程と、
を有する２，５−ジホルミルフランの合成方法。
請求項９において、
前記有機液体がテトラヒドロフランであり、
前記高沸点有機液体がトルエンまたはアニソールである２，５−ジホルミルフランの合成方法。
請求項９または１０において、
前記原料が芳香族化合物を含まない２，５−ジホルミルフランの合成方法。