JP5469608B2 - 液体co2およびco2膨張溶媒におけるオゾン分解反応 - Google Patents
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Description
しかし、従来の方法は、いくつかの欠点を有する。
第一に、O3は高度に反応性であるので、使用される反応温度は、代表的には、外界温度より低く(しばしばほぼ0℃)、ここでは液相のO3の溶解度は低いが、二酸素の溶解度より典型的には大きい。
例えば、水の中のO3溶解度は、0℃でかつ1.013バールの圧力で0.105×10−2g/mLである。
第二に、O3は、基質を酸素化するためのO3利用性を低下するだけでなく、溶媒の酸化および溶媒の使用増大から生じる、望まれない産物(例えば、廃棄物)の形成も生じる多くの伝統的な有機溶媒と反応する。
第三に、液相におけるO3の溶解度は、圧力によって敏感に調節可能ではなく、このせいで反応速度および生成物の選択性を制御する能力が制限される場合が多い。
さらに、O3に関して実質的に不活性である溶媒中でオゾン分解を行いそれによって望ましくない副産物の数および量を制限するためのプロセスおよび反応条件を有することが有益であろう。
さらに、液相中のO3溶解度が圧力で調節可能でありそれによって反応速度および生成物の選択性を制御する能力を得るオゾン分解を行うためのプロセスおよび反応条件を有することが有益であろう。
またこの温度は、オゾンの臨界温度の約1倍〜約1.2倍の間であってもよく、この温度はケルビンで表される。
さらに、上記圧力は、オゾンの臨界圧力の約0.5〜約2倍まで増大されてもよく、この圧力はバールで表される。
この液体中のオゾン濃度は少なくとも約5倍、10倍のほぼ半分、または10倍程度の大きさまで増大される。
当然ながら、この温度および圧力の範囲は、他の単位に変換されて表わされてもよい。
また、この液体は、前述の液体の二酸化炭素膨張液体であってもよい。
このような方法は、オゾンの臨界温度の約0.8倍と約1.5倍の間の温度で、オゾンを有するガスを提供する工程と、このオゾンの臨界圧力の約0.3倍〜約5倍までこのオゾンの圧力を等温的に増大する工程と、液体中にこの圧縮されたオゾンを導入する工程であって、この液体およびオゾンの組み合わせが、オゾンの臨界温度の約0.8倍〜約1.5倍の温度を有しており、かつこの液体の圧力およびオゾンの組み合わせの圧力は、オゾンの臨界圧力の約0.3倍〜約5倍である工程とを含み得る。
この温度および圧力は、本明細書に記載されるとおりであり得る。
また、この液体および二酸化炭素膨張液体は、本明細書に記載されるとおりであり得る。
このような方法は、液体およびオゾンを有している組成物を提供する工程であって、この液体およびオゾン組成物が、オゾンの臨界温度の約1倍〜約1.2倍の温度と、オゾンの臨界圧力の約0.5倍〜約2倍の圧力とを有し、この分子がこの液体中に溶解または分散されている工程と、この分子とこのオゾンとを反応させる工程とを含み得る。
この方法は、上記オゾンの前に上記液体、上記液体の前に上記オゾン、または上記液体およびオゾンの組み合わせ、のうちの1つ以上に上記分子を導入する工程をさらに含み得る。
上記温度および圧力は、本明細書において記載されるとおりであり得る。
また、その液体および二酸化炭素膨張液体は、本明細書に記載されるとおりであり得る。
この組成物はまた、オゾン分解を受けている分子を包含し得る。この温度および圧力は、本明細書に記載されたとおりであり得る。
また、液体および二酸化炭素膨張液体は本明細書に記載されたとおりであり得る。
このような方法は、オゾンを含むガスであって、オゾンの臨界温度を超える温度と、オゾンのこの臨界圧力未満の圧力とを有している、ガスを提供する工程と、オゾンの臨界温度程度またはそれ未満までの温度にこのガスの温度を変化させる工程と、このガスのこの圧力をオゾンのほぼ臨界圧力まで増大させ、それによってこのガスからこのオゾンを分離する工程とを含み得る。
この温度および圧力は本明細書に記載されるとおりであり得る。
また、この液体および二酸化炭素膨張液体は、本明細書に記載されるとおりであり得る。
必要に応じて、このガスは、液体の存在下にあり、かつこのオゾンがこの液体中へのガスから分離する。
例示した態様、実施例および上記の特徴に加えて、さらなる態様、実施例および特徴が、図面および以下の詳細な説明を参照して明らかになるであろう。
これらの図面はオゾン分解リアクターデバイスの例示的な実施例を示すだけであって、従ってその範囲を制限するものと考えるべきではないことが理解される。
そのようなものとして、この図は、本発明の形状または大きさおよび特徴におけるいかなる物も限定すると解釈されるべきではなく、例えば、オゾン分解リアクターデバイスは、必要に応じて、または、決定される場合、種々の形状およびサイズを有してもよい。
この図面では、類似の符号は、文脈上他を示すのでない限り、典型的には、類似の成分を特定する。
詳細な説明、図面および特許請求の範囲に記載される例示的な実施例は、限定を意味するものではない。
本明細書に提示される主題の趣旨からも範囲からも逸脱することなく、他の実施例が利用されてもよく、他の変更が行われてもよい。
一般には、本発明は、液体中のオゾン濃度を増大するため、およびオゾン分解反応を行うための新規なプロセスを包含する。
オゾンは、−12.15℃(261K)という臨界温度(Tc)、55.73バールという臨界圧力(Pc)、および540kg/m3という臨界密度(ρc)を有する。
オゾン分解プロセスでは、基質(例えば、C=Cを含有している分子)は、液体二酸化炭素または二酸化炭素膨張溶媒中に溶解または乳化される。
液体中のオゾン濃度を増大するためには、オゾン発生器で空気または酸素のいずれかを用いて生成される、オゾン(O3)含有ガス流をこの液相(例えば、液体炭素または液体二酸化炭素膨張溶媒)に、O3の臨界温度の好ましくは約1〜1.2倍の温度(Kで表す)で加える。
オゾンは、O3の臨界圧力の好ましくは約0.5〜2倍の圧力まで圧縮される。
液体CO2中のO3の溶解度は、圧力が約51〜65バールまで増大されるとき、ほぼ10倍程度まで増大されることが確認されている。
これらの条件下では、O3は、液体CO2と混合された場合安定であり、かつO3は、特にバイオリファイナリの状況における基質などの基質中の炭素−炭素の二重結合を切断し得、種々の工業的化合物の合成のための構成要素を生じることが示されている。
この反応は、準安定である中間体を介して進行するが、最初のオゾン酸化に続くさらなる酸化または還元が質量の少ない分子を生じ、この分子は化学合成のための構成要素として通常安定である。
例として、液体CO2およびCO2膨張液体中のオレイン酸メチル、CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7C(=O)OCH3のオゾン分解によって、カルボン酸類、ジカルボン酸類、およびアルデヒド類が生じることが現在示されている。
この反応は、準安定である中間体を介して進行するが、最初のオゾン酸化に続くさらなる酸化または還元が、化学合成のための構成要素に適切な質量の少ない分子を生じる。
液体CO2中では、オゾン密度は、その臨界点のかなり近くまで増大し、これによってオゾンの溶解度の増大と、特定の目的のための液相におけるオゾン濃度を調節する能力とが可能になる。
また、オゾンはCO2およびCXLにおいて多くのオレフィンの基質を優先的に酸化する。
オレイン酸メチルのオゾン化については、溶媒系は以下を生じる。
CO2中では、ノナナール、ノナン酸およびノナン二酸が生成され、CO2膨張ヘキサン中では、ノナナール、ノナン酸、ノナン二酸が生成され、そして、CO2膨張メタノール中では、ノナン二酸およびノナン酸が生成される。
(i)O3は、その非反応性に起因して好ましい反応条件で好ましい溶媒中で安定であり、(ii)好ましい反応温度では、溶媒中のO3溶解度は、圧力の比較的小さい変化を伴って10倍程度まで増大され得る。
この調節可能性によって、反応速度および生成物の選択性を制御する能力が得られる。 (iii)引火の危険性の減少、(iv)溶媒の毒性の低さ、(v)生成物の分離の容易さ。
例えば、オレイン酸メチルCH3(CH2)7CH=CH(CH2)7C(=O)OCH3のオゾン分解、その後の水の中での触媒作用性還元によって、90%に達するアルデヒドの収量が得られる。
準安定な初期酸素生成物の詳細な研究によって、オレイン酸メチルの90%が1,2,4−トリオキソランに変換され、過酸化オリゴマーに10%の収率であることが示されている(図1A)。
後者は、等モル量のアルデヒドによって達成されるはずである。
1,2,4トリオキソランは、二重結合に対するオゾンの1,3付加の最初の生成物1,2,3−トリオキソランの再配置によって形成される。
その再配置は、アルデヒドおよび双性イオン過酸化物への可逆性の解離プロセスを介して生じると理解される。
図1Bは、反応スキームを示しており、これは、この解離プロセスが生じる中間体の複雑性を示すために拡張されている。
重要なことに、オゾン分解反応の後に酸化プロセスの完了が続く場合、この生成物はカルボン酸およびジカルボン酸である(図1C)。
一実施例では、本発明は、液体溶媒(すなわち、液体媒体)中の増加したO3溶解度におけるオゾン分解を行うための改善されたプロセスおよび反応条件をもたらす。
オゾン分解を行うためのプロセスおよび反応条件は、O3に関して実質的に不活性であり、それによって好ましくない副産物の数および量を制限する液体溶媒の使用を包含し得る。
オゾン分解プロセスは、液相中のO3溶解度が圧力によって調節可能であり、それによって反応速度および生成物の選択を制御することができる。
このようなプロセスおよび反応は、液体CO2(Pc、CO2=73.76バール;Tc、CO2=31.1℃または304.25K)またはCO2膨張液体を溶媒媒体として使用することによって達成され得る。
オゾン分解のための反応速度は、液相におけるオゾンの低い溶解度によって限定される可能性が最も高い。
CO2およびCO2膨張液体(CXL類)の反応媒体としての使用によって、O3溶解度が改善され得、同様にオゾン分解の不活性な環境がもたらされる。
さらに、不燃性のCO2はまた、n−ヘキサンなどの低極性の溶媒と混和性である。
オゾン分解、その後の適切な加水分解的工程、還元的工程または酸化的工程によって、カルボン酸類、ジカルボン酸類、末端カルボキシアルコール類またはカルボキシアルデヒドが生じ得る。
有意には、2つまたは3つの炭素−炭素二重結合を有している他の脂肪酸で同様の結果が期待され得る。
本明細書では、O3は液体CO2中で安定であって、CO2とは実質的に反応しないことが示されている。
液体CO2中のO3の溶解度は、オゾンの臨界圧力に近い圧力での比較的小さい変化で連続的に調節され得る(例えば、最大で10倍程度の大きさまで溶解度が増大する)。
例えば、−0.7℃(272.45K)での液体CO2中のO3の溶解度(例えば、1.044Tc、O3)は、52.4バール(0.94Pc、O3)で約0.006の吸収単位であり、65.5バール(1.18 Pc、O3)で0.06吸収単位であることが実験的に確認された。
従って、液体CO2中のO3の溶解度の鋭敏な調節性は、その臨界点の近傍におけるO3の過度の圧縮率に関連する。
従って、オゾン圧縮率(従って、その密度)は、圧力がその臨界圧力(例えば、約55.6バール)を超えて等温的に増大されるにつれて先鋭に増大するであろう。
他方では、−0.7℃(272.45K)でのO3流中のバックグラウンドのガスである空気およびO2はそれぞれの臨界温度から十分に遠く、従って、圧縮率の鋭い増大を何ら示すことなく50.6〜66.9バールの圧力範囲で理想的なガスのように挙動する。
そのようなものとして、O3が、例えば、空気の流れにおける、またはO2の流れにおける2〜3モルパーセントの大きさのような薄い濃度で存在するときでさえ、その圧縮率、従ってその密度は、その臨界圧力の近傍で鋭く増大し、それによって、液体CO2の選択的な溶解が得られる。
この現象は、圧力が臨界圧力を超えて増大する場合、有機溶媒中の臨界に近いCO2の溶解の増大と類似である。
溶媒媒体としてのCO2またはCO2膨張液体中のオゾン濃度の増大の他の利点は以下のとおりである。
(i)気相における難燃剤である高密度CO2の存在に起因する引火の危険性の減少、(ii)CO2はほとんどの有機溶媒よりも毒性が低いこと、(iii)CO2の使用は、既存の封鎖されていない供給源に由来する場合、環境的によいと考えられること、そして、(iv)生成物は、圧力減少によってCO2溶媒から容易に分離され得ることである。
液体CO2中のオゾンの温度は、オゾンの0.75〜1.5Tcの間であってもよく、さらに好ましくは、オゾンの約0.9〜約1.35Tc、そして、最も好ましくはオゾンの約0.95〜約1.25Tcであってもよい。
液体CO2中のオゾンの好ましい温度は、オゾンの約1、約1.1、および約1.15Tcであってもよい。
Tcの関数としての温度は、絶対単位(ケルビンまたはランキン)で表される。
しかし、温度および温度範囲は、他の単位に変換されてもよい。
液体CO2中のオゾンの圧力は、オゾンの0.75と1.5Pcとの間、より好ましくはオゾンの約0.9〜約1.35Pc、そして、最も好ましくはオゾンの約0.95〜約1.25Pcであってもよい。
液体CO2中のオゾンの好ましい圧力は、オゾンの約1、約1.1、および約1.15Pcであってもよい。
言い換えれば、液体CO2中のオゾンの圧力は、約40.5バールより上、約45.6バール〜76バールの間、より好ましくは約50.7バール〜約65.9バール、そして、最も好ましくは約54.7バール〜約60.8バールであってもよい。
液体CO2中のオゾンの好ましい圧力は、約52.7バール、約55.7バール、および約59.8バールであってもよい。
Pcの関数としての圧力は、大気圧(atm)またはバールで表わすことが可能で、適切な単位の変更は、他の圧力単位について行うことができる。
オゾンの密度は、オゾンの0.75と1000ρcとの間、より好ましくは約0.9〜約100ρc、そして、最も好ましくは約0.95〜約10ρcであり得る。
不活性であるか、基質と比較してより不活性である溶媒は、熱のシンクとして作用して、反応の熱を吸収する。
しかし、溶媒として機能して、同様にオゾン分解反応のために十分な基質を提供するのに十分な量で提供される場合、基質が溶媒であってもよい場合がある。
しかし、それらは、中間体の過酸化物類のアレイを生じ得る。
水が望ましいが、より高分子量の酸およびエステルのこのような反応は、二相性の液体系の使用を必要とし得る。
アルコールは、良好な溶解度と関連して、また、一つには、その溶媒がエステルのアルキル基を反映し得るという理由で魅力的である。
アルコールがオゾン分解の溶媒として不利な点は、危険性を示し得る要因である、酸化の受けやすさである。
本発明では、低分子量アルコール類、メタノールおよびエタノールで生成される二酸化炭素膨張液体(CXL)などの溶媒系が用いられ得る。
それらの利点としては、O2の高い溶解度(例えば、有機溶媒の100倍程度)、および不燃性であって、かつ反応媒体と平衡である気相を支配している媒体の安全性といった利点が挙げられる。
酸化剤の溶解度の増大に基づいたプロセス増強に加えて、CXL類における分子輸送は、ほとんどの媒体に比較して高い。
さらに、極性のアルコールに基づいたCXL類は、非極性の媒体、例えば、超臨界CO2、または炭化水素に比較して反応速度が増大した極性を示す。
脂肪酸、例えば、パルミチン酸は、メタノールまたは超臨界CO2のいずれでも限られた溶解度を示す。
超臨界CO2におけるパルミチン酸の溶解度は、最大150バールの圧力でさえ10−4モル分率の大きさである。
例えば、大豆油はまた、オゾン分解の液体媒体として用いてもよい。
このエマルジョンは、消失し、メタノール/大豆油の界面はCO2が放出されるときに再び現れる。
この観察によって、CO2膨張メタノール中でエマルジョンとして分散された脂肪酸基質のオゾン分解を行う能力が示される。
従って、二酸化炭素膨張メタノールは、不飽和酸のメチルエステルのオゾン酸化に極めてよく適しており、より低分子量の二官能性分子を生じ、バイオリファイナリの産物として重要であると考えられる。
しかし、本発明者らの結果によって、特に、メタノールの濃度が基質よりも実質的に高い場合、O3がメタノールを攻撃し得ることが示される。
上述の任意の溶媒におけるオゾンの溶解度は、本明細書に記載のようにCXLを調製することによって増大され得る。
オゾン分解に用いられ得るCXLの可能性のある不活性溶媒のいくつかの例としては、SF6、キセノン、水、水溶液類、フッ化炭素溶媒類、高度に酸素化された分子類、高度にフッ素化された分子類、CF3CO2H、H2SO4、HSO3F、およびHSO3CF3を挙げることができる。
すなわち、液体基質は、反応されることが所望される基質がオゾン分解にさらに反応性である場合に溶媒として用いられ得る。
これによってオゾンは、溶媒よりも所望の基質と反応する(例えば、不活性で、またはより不活性な溶媒で用いられる場合可能な基質)。
例えば、いくつかの基質候補物、例えば、大豆油を含む植物油は、オゾンと反応性であることが公知であり、所望の基質が比較してより反応性である場合に溶媒として用いられ得る。
この状況では、溶媒は、溶媒基質系のさらに不活性な成分である。
従って、その溶媒は、オゾン攻撃に対して総合的に、もしくは、実質的に不活性であるか、またはより反応性の基質の存在下で、オゾンによって優先的に攻撃される可能性が低い液体である。
不飽和脂肪酸類の二重結合によって、種々の形質転換を行うための反応性の部位が得られる。
従って、オレフィンの酸化的切断はオゾン分解で得ることができる。
図2Aに示すとおり、この高度に選択性の反応で最初にオゾニドが形成され、オゾニドは、それぞれ還元操作または酸化操作によって、アルデヒド類またはカルボン酸類のいずれかを生じ得る。
この方法は、ポリメチレン骨格中に奇数の炭素原子を含むカルボン酸を産生するために特に魅力的である。
例えば、工業的には、アゼライン酸は、オレイン酸からオゾン分解を介して産生され、可塑剤類、潤滑剤類、作動油類、および化粧品の製造に用いられる。
これはまた、にきびの治療における抗菌薬としても用いられる。
このオゾン分解反応の潜在的な基質は、広範であって、これには脂肪酸類、そのエステル類ならびに油類および脂肪類の他の供給源が挙げられる。
例えば、テルペンのオゾン処理が、成分および試薬を調製するために用いられてもよい。
酸素化された化合物は、ほとんどの臭気のある化合物のバルクを形成し、そのため、アルケン類のオゾン分解性の分裂が、香水および芳香剤の業界で広範に用いられることは驚くことではない。
テルペンからの種々の芳香性の分子の産生に関連する広範な要素があり、ほとんどの合成の経路は、テルペン分子内のアリル部分のオゾン分解性切断で開始する。
例えば、テルペン、(+)−p−メタ−1−エンのオゾン分解は、還元性の操作、(−)−3−イソプロピル−6−オキソヘプタナールによって形成され得る。
次いで、この分子は、種々の反応を受けて、図2Bに示されるようないくつかの芳香性の分子(例えば、刈りたての干草(ニュー・モーン・ヘイ:new mown hay)、ミント風(ミンティー・ノート:minty note)、谷間のユリ(リリー・オブ・ザ・バレー:lily of the valley)、ベルガモット様(ベルガモット・ライク:bergamot−like)、ローズ/オレンジ開花(ローズ/オレンジ・ブロッサム:rose/oragne blossom)、など)を形成し得る。
適切な基質、例えば、天然の生成物または生理活性剤のオゾン分解が、種々の生理活性分子の新規な生理活性剤または誘導体を調製するために用いられてもよい。
例えば、オキサンドロンは、手術、慢性感染または重度の外傷を経験した患者に体重増加を生じるために用いられるアナボリックステロイドである。
これはまた、骨粗しょう症に関連する骨の疼痛も救済する。
これはもともとG.D.Searle Companyによって開発され、高度に毒性のOsO4およびPb(OAc)4の使用を包含する多段階の工程を介してメチルアンドソスタノロンから合成された。
USPのオキサンドロンの何キログラムもの量についての別の経路は、Cedarburg Pharmaceuticals,Inc.によって開発されており、この経路は、オゾン分解反応を利用して、重要な中間体の酸を良好な収率で生じ、一方では高度に毒性の持続性の試薬の使用および危険な廃棄物の蓄積に伴う問題を回避する。
図2Cに示されるとおり、本発明のオゾン分解プロセスは、より安全で、さらに経済的なプロセスでオキサンドロロン(oxandrolone)を調製するために用いられ得る。
セファクロールおよびセフチブテンは、セファロスポリン抗生物質と呼ばれる分類の医薬に属する化合物である。
それらは、広範な範囲の感染に対して有効であり、塩野義製薬(Shionogi and Co. Ltd.,Osaka,Japan)によって開発された。
もともと、それらは、ペニシリン・スルホキシドから合成的に産生されたが、Schering Plough Research Instituteの科学者による産生の費用を減少する企図で、セファロスポリンCブロスからの合成経路が行われている。
この経路の重要な工程は、オゾン分解工程であって、ここでは3−エクソメチレンセファロスポリン(1)を3−ヒドロキシセフェム(2)に変換する。
図2Dに示されるとおり、本発明のオゾン分解プロセスが、より安全で、より経済的なプロセスで3−ヒドロキシセフェム(2)を調製するために用いられてもよい。
ファイザー(Pfizer)は以前に、何キログラムもの規模の合成を2−インダノン由来のアルデヒド、2−ヒドロキシインダン−2−カルボキシアルデヒドについて開発しており、これは還元性のアミノ化反応に用いられる。
2−インダノンは、臭化ビニルマグネシウムでのグリニャール付加を受けて、三級アリルアルコールを生じる。
これは、メタノール中でオゾン分解を受け、引き続いて溶媒はカルボニル・オキシド中間体をトラップして、メトキシ−ヒドロペルオキシドを形成する。
このヒドロペルオキシドを重硫酸ナトリウムで還元して、安定な重硫酸塩添加物を形成し、この添加物がアルデヒドに優先して還元性のアミノ化に用いられる。
図2Eに示されるとおり、本発明のオゾン分解プロセスが、安全でさらに経済的なプロセスで2−ヒドロキシインダン−2−カルボキシアルデヒドを調製するために用いられてもよい。
例えば、非オレフィンの酸化反応は、オゾン分解を介したベンジル基質などの酸化であってもよい。
従って、有機基質のオゾン分解の要素は、二重結合の選択的な切断に限定されない。
オゾンは、置換されたベンジル化合物をその対応するベンズアルデヒドおよび安息香酸へ、遷移金属触媒を用いて効率的に酸化し得ることが示されている。
そのようなものとして、本明細書に記載されている溶媒および反応条件で、ならびに酢酸マンガン(II)を触媒として用いて、トルエン誘導体の酸化は、アルデヒドまたはカルボン酸産物のいずれかに向けられてもよい。
産生される唯一のオフガスは酸素である。
本発明のオゾン分解プロセスは、ベンズアルデヒド類および安息香酸類をより安全でより経済的なプロセスで調製するために用いられてもよい。
オゾンからの一重項酸素の産生は、近年ある程度の注目を受けている。
産生のための従来の方法は、テトラフェニルポルフィリンなどの感作物質の存在下において紫外光で酸素ガスを照射する工程を包含する。
専門的なガス/液体の光反応器の費用に加えて、大量の二酸素、有機溶媒および光の存在によって、工業的適用が阻止され、かつ工業的な用途は香料および芳香の産生における小規模の適用に限定されている。
結果として、1O2産生の光を使わない方法は、広範に検討されており、モリブデン酸塩による過酸化水素の触媒作用性変換が最も魅力的である。
オゾンはまた、1O2を産生するために用いられており、これによって1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセンが、オゾンの分裂を促進して1O2を生じることが示されている。
従って、CO2またはCXLの中のオゾンを1,1’−ビス(ジフェニルホスフィノ)フェロセンと一緒に用いて、1O2を生じることができる。
また、フェロセン触媒の酸化型の還元的リサイクル(例えば、水素化)によって、連続的プロセスを行って1O2を産生してもよい。
CO2またはCXL中のオゾン溶解度の増強をオゾン分解を介してメタンの酸化のために用いてもよい。
これまでに、メタンの酸化は、メタンを超酸性媒体中でプロトン化ホルムアルデヒドに変換することが報告されている。
このような強力な酸溶液では、メタンはまた、オリゴマー形成とともに、プロトン化されたアセトンに、または関連のアルキル・カルベニウム・イオンに酸化されることが報告されている。
ここでは、このような変換は、CO2またはCXL中においてオゾンを用いて行われ得る。
最も一般的な基質は、植物の脂肪酸類、脂肪酸類のエステル、脂肪類および油類であり得る。
植物の脂肪酸類の例は、酪酸、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、ヘキサコサン酸、オクタコサン酸、トリアコンタン酸およびn−ドトリアコンタン酸、ならびに奇数の炭素原子を有している酸、例えば、プロピオン酸、n−吉草酸、エナント酸、ペラルゴン酸、ヘンデカン酸、トリデカン酸、ペンタデカン酸、ヘプタデカン酸、ノナデカン酸、ヘンエイコサン酸、トリコサン酸、ペンタコサン酸、ヘプタコサン酸、イソ酪酸、イソカプロン酸、イソカプロン酸、イソカプリル酸、イソカプリン酸、イソラウリン酸、11−メチルドデカン酸、イソミリスチン酸、13−メチル−テトラデカン酸、イソパルミチン酸、15−メチル−ヘキサデカン酸、イソステアリン酸、17−メチルオクタデカン酸、イソアラキジン酸、19−メチル−エイコサン酸、α−エチル−ヘキサン酸、α−ヘキシルデカン酸、α−ヘプチルウンデカン酸、2−デシルテトラデカン酸、2−ウンデシルテトラデカン酸、2−デシルペンタデカン酸、2−ウンデシルペンタデカン酸、Fineオキソコール1800酸(日産化学(Nissan Chemical Industries,Ltd.)の製品)、6−メチル−オクタン酸、8−メチル−デカン酸、10−メチル−ドデカン酸、12−メチル−テトラデカン酸、14−メチル−ヘキサデカン酸、16−メチル−オクタデカン酸、18−メチル−エイコサン酸、20−メチル−ドコサン酸、22−メチル−テトラコサン酸、24−メチル−ヘキサコサン酸、26−メチルオクタコサン酸、例としては、4−デセン酸、カプロレイン酸、4−ドデセン酸、5−ドデセン酸、ラウロレイン酸、4−テトラデセン酸、5−テトラデセン酸、9−テトラデセン酸、パルミトレイン酸、6−オクタデセン酸、オレイン酸、9−オクタデセン酸、11−オクタデセン酸、9−エイコセン酸、シス−11−エイコセン酸、セトレイン酸、13−ドコセン酸、15−テトラコセン酸、17−ヘキサコセン酸、6,9,12,15−ヘキサデカテトラエン酸、リノール酸、リノール酸(18:3 n3)、γリノール酸(18:3 n6)、α−エレオステアリン酸、ガドレイン酸(20:1)、α−エレオステアリン酸、プニカ酸、6,9,12,15−オクタデカテトラエン酸、パリナリン酸、5,8,11,14−エイコサテトラエン酸、エルカ酸、5,8,11,14,17−エイコサペンタエン酸(EPA)、7,10,13,16,19−ドコサペンタエン酸、4,7,10,13,16,19−ドコサヘキサエン酸(DHA)、α−ヒドロキシラウリン酸、α−ヒドロキシミリスチン酸、α−ヒドロキシパルミチン酸、α−ヒドロキシステアリン酸、ω−ヒドロキシラウリン酸、α−ヒドロキシアラキジン酸、9−ヒドロキシ−12−オクタデセン酸、リシノール酸、α−ヒドロキシベヘン酸、9−ヒドロキシ−トランス−10,12−オクタデカジエン酸、カモレン(kamolenic)酸、イプロール(ipurolic)酸、9,10−ジヒドロキシステアリン酸、12−ヒドロキシステアリン酸、シュウ酸、クエン酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、D,L−リンゴ酸、それらの任意の誘導体、ならびにそれらの任意の組み合わせからなる群より選択される。
パルミチン酸ブチル、オレイン酸ブチル、エライジン酸ブチル、リノール酸ブチル、リノレン酸ブチル、ステアリン酸ブチル、エルカ酸ブチル、リシノール酸ブチル、リカン酸ブチル、ブチル・エラストステアレート、アラキドン酸ブチル、ブチル・クルパノドネート、ラウリン酸sec.ブチル、ミリスチン酸sec.ブチル、パルミチン酸sec.ブチル、オレイン酸sec.ブチル、エライジン酸sec.ブチル、リノール酸sec.ブチル、リノレン酸sec.ブチル、ステアリン酸sec.ブチル、エルカ酸sec.ブチル、リシノール酸sec.ブチル、リカン酸sec.ブチル、sec.ブチル・エラストステアレート、アラキドン酸sec.ブチル、secブチル・クルパノドネート、ラウリン酸イソブチル、ミリスチン酸イソブチル、パルミチン酸イソブチル、オレイン酸イソブチル、エライジン酸イソブチル、リノール酸イソブチル、リノレン酸イソブチル、ステアリン酸イソブチル、エルカ酸イソブチル、リシノール酸イソブチル、リカン酸イソブチル、イソブチル・エラストステアレート、アラキドン酸イソブチル、イソプロピル・クルパノドネート、ラウリン酸アミル、ミリスチン酸アミル、パルミチン酸アミル、オレイン酸アミル、エライジン酸アミル、リノール酸アミル、リノレン酸アミル、ステアリン酸アミル、エルカ酸アミル、リシノール酸アミル、リカン酸アミル、アミル・エラストステアレート、アラキドン酸アミル、アミル・クルパノドネート、ラウリン酸ヘキシル、ミリスチン酸ヘキシル、パルミチン酸ヘキシル、オレイン酸ヘキシル、エライジン酸ヘキシル、リノール酸ヘキシル、リノレン酸ヘキシル、ステアリン酸ヘキシル、エルカ酸ヘキシル、リシノール酸ヘキシル、リカン酸ヘキシル、ヘキシル・エラストステアレート、アラキドン酸ヘキシル、ヘキシル・クルパノドネート、ラウリン酸ヘプチル、ミリスチン酸ヘプチル、
パルミチン酸ヘプチル、オレイン酸ヘプチル、エライジン酸ヘプチル、リノール酸ヘプチル、リノレン酸ヘプチル、ステアリン酸ヘプチル、エルカ酸ヘプチル、リシノール酸ヘプチル、リカン酸ヘプチル、ヘプチル・エラストステアレート、アラキドン酸ヘプチル、ヘプチル・クルパノドネート、ラウリン酸オクチル、ミリスチン酸オクチル、パルミチン酸オクチル、オレイン酸オクチル、エライジン酸オクチル、リノール酸オクチル、リノレン酸オクチル、ステアリン酸オクチル、エルカ酸オクチル、リシノール酸オクチル、リカン酸オクチル、オクチル・エラストステアレート、アラキドン酸オクチル、オクチル・クルパノドネート、ラウリン酸2−エチルヘキシル、ミリスチン酸2−エチルヘキシル、パルミチン酸2−エチルヘキシル、オレイン酸2−エチルヘキシル、エライジン酸2−エチルヘキシル、リノール酸2−エチルヘキシル、リノレン酸2−エチルヘキシル、ステアリン酸2−エチルヘキシル、エルカ酸2−エチルヘキシル、リシノール酸2−エチルヘキシル、リカン酸2−エチルヘキシル、2−エチルヘキシル・エラストステアレート、アラキドン酸2−エチルヘキシル、2−エチルヘキシル・クルパノドネート、ラウリン酸t−ブチル、ミリスチン酸t−ブチル、パルミチン酸t−ブチル、オレイン酸t−ブチル、エライジン酸t−ブチル、リノール酸t−ブチル、リノレン酸t−ブチル、ステアリン酸t−ブチル、エルカ酸t−ブチル、リシノール酸t−ブチル、リカン酸t−ブチル、t−ブチル・エラストステアレート、アラキドン酸t−ブチル、t−ブチル・クルパノドネート、ラウリン酸イソオクチル、ミリスチン酸イソオクチル、パルミチン酸イソオクチル、オレイン酸イソオクチル、エライジン酸イソオクチル、リノール酸イソオクチル、リノレン酸イソオクチル、ステアリン酸イソオクチル、エルカ酸イソオクチル、リシノール酸イソオクチル、リカン酸イソオクチル、イソオクチル・エラストステアレート、アラキドン酸イソオクチル、イソオクチル・クルパノドネート、ラウリン酸ノニル、ミリスチン酸ノニル、
パルミチン酸ノニル、オレイン酸ノニル、エライジン酸ノニル、リノール酸ノニル、リノレン酸ノニル、ステアリン酸ノニル、エルカ酸ノニル、リシノール酸ノニル、リカン酸ノニル、ノニル・エラストステアレート、アラキドン酸ノニル、ノニル・クルパノドネート、ラウリン酸デシル、ミリスチン酸デシル、パルミチン酸デシル、オレイン酸デシル、エライジン酸デシル、リノール酸デシル、リノレン酸デシル、ステアリン酸デシル、エルカ酸デシル、リシノール酸デシル、リカン酸デシル、デシル・エラストステアレート、アラキドン酸デシル、デシル・クルパノドネート、ラウリン酸ウンデシル、ミリスチン酸ウンデシル、パルミチン酸ウンデシル、オレイン酸ウンデシル、エライジン酸ウンデシル、リノール酸ウンデシル、リノレン酸ウンデシル、ステアリン酸ウンデシル、エルカ酸ウンデシル、リシノール酸ウンデシル、リカン酸ウンデシル、ウンデシル・エラストステアレート、アラキドン酸ウンデシル、ウンデシル・クルパノドネート、ラウリン酸ドデシル、ミリスチン酸ドデシル、パルミチン酸ドデシル、オレイン酸ドデシル、エライジン酸ドデシル、リノール酸ドデシル、リノレン酸ドデシル、ステアリン酸ドデシル、エルカ酸ドデシル、リシノール酸ドデシル、リカン酸ドデシル、ドデシル・エラストステアレート、アラキドン酸ドデシル、ドデシル・クルパノドネート、メチル・ブラシデート(brasidate)、エチル・ブラシデート、プロピル・ブラシデート、イソプロピル・ブラシデート、ブチル・ブラシデート、sec−ブチル・ブラシデート、イソブチル・ブラシデート、t−ブチル・ブラシデート、アミル・ブラシデート、ヘキシル・ブラシデート、ヘプチル・ブラシデート、オクチル・ブラシデート、2−エチルヘキシル・ブラシデート、イソオクチル・ブラシデート、ノニル・ブラシデート、デシル・ブラシデート、ウンデシル・ブラシデート、ドデシル・ブラシデート、ラウリン酸ヒドロキシエチル、ミリスチン酸ヒドロキシエチル、パルミチン酸ヒドロキシエチル、オレイン酸ヒドロキシエチル、エライジン酸ヒドロキシエチル、リノール酸ヒドロキシエチル、リノレン酸ヒドロキシエチル、
ステアリン酸ヒドロキシエチル、エルカ酸ヒドロキシエチル、リシノール酸ヒドロキシエチル、リカン酸ヒドロキシエチル、ヒドロキシエチル・エラストステアレート、アラキドン酸ヒドロキシエチル、ヒドロキシエチル・クルパノドネート、ヒドロキシエチル・ブラシデート、ポリエトキシル化ラウリン酸、ポリエトキシル化ミリスチン酸、ポリエトキシル化パルミチン酸、ポリエトキシル化オレイン酸、ポリエトキシル化エライジン酸、ポリエトキシル化リノール酸、ポリエトキシル化リノレン酸、ポリエトキシル化ステアリン酸、ポリエトキシル化エルカ酸、ポリエトキシル化リシノール酸、ポリエトキシル化リカン酸、ポリエトキシル化エラエオステアリック酸、ポリエトキシル化アラキドン酸、ポリエトキシル化クルパノドン酸、ポリエトキシル化ブラシジン酸、ラウリン酸ヒドロキシプロピル、ミリスチン酸ヒドロキシプロピル、パルミチン酸ヒドロキシプロピル、オレイン酸ヒドロキシプロピル、エライジン酸ヒドロキシプロピル、リノール酸ヒドロキシプロピル、リノレン酸ヒドロキシプロピル、ステアリン酸ヒドロキシプロピル、エルカ酸ヒドロキシプロピル、リシノール酸ヒドロキシプロピル、リカン酸ヒドロキシプロピル、ヒドロキシプロピル・エラストステアレート、アラキドン酸ヒドロキシプロピル、ヒドロキシプロピル・クルパノドネート、ヒドロキシプロピル・ブラシデート、ポリプロポキシル化ラウリン酸、ポリプロポキシル化ミリスチン酸、ポリプロポキシル化パルミチン酸、ポリプロポキシル化オレイン酸、ポリプロポキシル化エライジン酸、ポリプロポキシル化リノール酸、ポリプロポキシル化リノレン酸、ポリプロポキシル化ステアリン酸、ポリプロポキシル化エルカ酸、ポリプロポキシル化リシノール酸、ポリプロポキシル化リカン酸、ポリプロポキシル化エラエオステアリック酸、ポリプロポキシル化アラキドン酸、ポリプロポキシル化クルパノドン酸、ポリプロポキシル化ブラシジン酸、ラウリン酸シクロペンチル
ミリスチン酸シクロペンチル、パルミチン酸シクロペンチル、オレイン酸シクロペンチル、エライジン酸シクロペンチル、リノール酸シクロペンチル、リノレン酸シクロペンチル、ステアリン酸シクロペンチル、エルカ酸シクロペンチル、リシノール酸シクロペンチル、リカン酸シクロペンチル、シクロペンチル・エラストステアレート、アラキドン酸シクロペンチル、シクロペンチル・クルパノドネート、シクロペンチル・ブラシデート、ラウリン酸シクロヘキシル、ミリスチン酸シクロヘキシル、パルミチン酸シクロヘキシル、オレイン酸シクロヘキシル、エライジン酸シクロヘキシル、リノール酸シクロヘキシル、リノレン酸シクロヘキシル、ステアリン酸シクロヘキシル、エルカ酸シクロヘキシル、リシノール酸シクロヘキシル、リカン酸シクロヘキシル、シクロヘキシル・エラストステアレート、アラキドン酸シクロヘキシル、シクロヘキシル・クルパノドネート、シクロヘキシル・ブラシデート、ラウリン酸メトキシエチル、ミリスチン酸メトキシエチル、パルミチン酸メトキシエチル、オレイン酸メトキシエチル、エライジン酸メトキシエチル、リノール酸メトキシエチル、リノレン酸メトキシエチル、ステアリン酸メトキシエチル、
エルカ酸メトキシエチル、リシノール酸メトキシエチル、リカン酸メトキシエチル、メトキシエチル・エラストステアレート、アラキドン酸メトキシエチル、メトキシエチル・クルパノドネート、メトキシエチル・ブラシデート、ラウリン酸イソプロポキシエチル、ミリスチン酸イソプロポキシエチル、パルミチン酸イソプロポキシエチル、オレイン酸イソプロポキシエチル、エライジン酸イソプロポキシエチル、リノール酸イソプロポキシエチル、リノレン酸イソプロポキシエチル、ステアリン酸イソプロポキシエチル、エルカ酸イソプロポキシエチル、リシノール酸イソプロポキシエチル、リカン酸イソプロポキシエチル、イソプロポキシエチル・エラストステアレート、アラキドン酸イソプロポキシエチル、イソプロポキシエチル・クルパノドネート、イソプロポキシエチル・ブラシデート、ラウリン酸ブトキシエチル、ミリスチン酸ブトキシエチル、パルミチン酸ブトキシエチル、オレイン酸ブトキシエチル、エライジン酸ブトキシエチル、リノール酸ブトキシエチル、リノレン酸ブトキシエチル、ステアリン酸ブトキシエチル、エルカ酸ブトキシエチル、ブトキシエチル・エラストステアレート、リカン酸ブトキシエチル、リシノール酸ブトキシエチル、アラキドン酸ブトキシエチル、ブトキシエチル・クルパノドネート、ブトキシエチル・ブラシデート、ラウリン酸メトキシプロピル、ミリスチン酸メトキシプロピル、
パルミチン酸メトキシプロピル、オレイン酸メトキシプロピル、エライジン酸メトキシプロピル、リノール酸メトキシプロピル、リノレン酸メトキシプロピル、ステアリン酸メトキシプロピル、エルカ酸メトキシプロピル、リシノール酸メトキシプロピル、リカン酸メトキシプロピル、メトキシプロピル・エラストステアレート、アラキドン酸メトキシプロピル、メトキシプロピル・クルパノドネート、メトキシプロピル・ブラシデート、ラウリン酸エトキシプロピル、ミリスチン酸エトキシプロピル、パルミチン酸エトキシプロピル、オレイン酸エトキシプロピル、エライジン酸エトキシプロピル、リノール酸エトキシプロピル、リノレン酸エトキシプロピル、ステアリン酸エトキシプロピル、エルカ酸エトキシプロピル、リシノール酸エトキシプロピル、リカン酸エトキシプロピル、エトキシプロピル・エラストステアレート、アラキドン酸エトキシプロピル、エトキシプロピル・クルパノドネート、エトキシプロピル・ブラシデート、ラウリン酸ブトキシプロピル、ミリスチン酸ブトキシプロピル、パルミチン酸ブトキシプロピル、オレイン酸ブトキシプロピル、エライジン酸ブトキシプロピル、リノール酸ブトキシプロピル、リノレン酸ブトキシプロピル、ステアリン酸ブトキシプロピル、エルカ酸ブトキシプロピル、リシノール酸ブトキシプロピル、リカン酸ブトキシプロピル、ブトキシプロピル・エラストステアレート、
アラキドン酸ブトキシプロピル、ブトキシプロピル・クルパノドネート、ブトキシプロピル・ブラシデート、ラウリン酸イソプロポキシプロピル、ミリスチン酸イソプロポキシプロピル、パルミチン酸イソプロポキシプロピル、オレイン酸イソプロポキシプロピル、エライジン酸イソプロポキシプロピル、リノール酸イソプロポキシプロピル、リノレン酸イソプロポキシプロピル、ステアリン酸イソプロポキシプロピル、エルカ酸イソプロポキシプロピル、リシノール酸イソプロポキシプロピル、リカン酸イソプロポキシプロピル、イソプロポキシプロピル・エラストステアレート、アラキドン酸イソプロポキシプロピル、イソプロポキシプロピル・クルパノドネート、イソプロポキシプロピル・ブラシデートなどからなる群より選択される。
適切な脂肪酸の他の供給源としては、使用済み料理油、下水処理施設由来の浮いた油脂、動物脂、例えば、牛脂およびブタのラード、原油、「黄色油脂」、すなわち、動物または植物の油類および脂類であって、ヒトの消費のために食品を準備または調理するレストランまたは他の食品施設によって用いられたか、または食品の調理の結果として生成され、遊離脂肪酸含量が15%未満である油類および脂類、ならびに白色の油脂、すなわち、主にブタ肉および/または他の動物脂肪由来の溶けた脂が挙げられる。
いくつかの例としては、プロピレン、1−ブテン、シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン、シクロオクテン、シス−スチルベン、トランス−スチルベン、および類似のタイプの化合物を挙げることができる。
このような混和できない液相は、工業的なプロセスで珍しいことではない。
このような場合、界面の表面積は、質量移動の限界を克服するために増大され得、それによって反応速度が増強される。
界面の表面積は、機械的スターラーまたは超音波混合デバイスのいずれかを用いる激しい攪拌によって増大され得、その各々が溶媒相における基質のエマルジョンまたは分散を生じる。
激しい攪拌の他の手段も、界面を増大するために用いられ得る。
従って、本発明は、基質が溶媒に完全に溶解性でない反応で用いてもよい。
これは、本明細書に記載の多くの種類の生物油の多くの成分を含むバイオマス由来の重要な基質において特にあてはまる。
図1Aおよび1Bに示されるとおり、所望の生成物を得るための基質との反応は2工程であってもよい。
第一の工程は、本明細書に記載されるようなCO2またはCO2膨張液体(すなわち、CXL)におけるオゾン分解である。
全体的なプロセスにおける第二の工程は、開発における特定の場合によって、触媒作用性であっても、または化学量論的であってもよい。
例えば、トリオキソランの加水分解は対応するジカルボン酸類を生じること、および温和な還元剤の存在下での加水分解はアルデヒド類を生じることが報告されている。
平衡状態の方程式の検査によって、酸化した状態のトリオキソランの簡易な使用で、1モルのケトン/アルデヒドおよび、1モルのカルボン酸が生じることが明らかである。
実際、トリオキソランの切断の間の穏やかな還元は、両方の新たに生じる部分をアルデヒドに変換し、一方で酸化的切断が2モルのカルボン酸を生じる。
強力な還元が2モルのアルコールを生じる。
従って、新規な触媒作用プロセスを不飽和の酸、および、それらのエステルの有用な低分子量の産物へのオゾン分解またはオゾンベースの変換における第二の工程に用いてもよい。
公知の触媒作用系は、一般には反応におけるオゾンの完全な酸化力の使用を加速するのに、そして、特に、炭素−炭素二重結合の切断には有効ではない。
遷移金属触媒による最初の酸化プロセスの触媒は、オゾンの酸化力を調節し得る。
触媒は一般には、オゾン分子に利用可能な機構的な経路の排除、および、ヒドロキシラジカルに加えて、少ない反応産物へのオゾンのみかけの変換のために、酸化剤の選択性が失われ、所望の産物の収率が低減されるという2つの方法でオゾンを調節する。
触媒の非存在下では、オゾンは炭素−炭素の二重結合基を準安定性の中間体である1,2,4−トリオキソラン類に変換し、この1,2,4−トリオキソラン類は所望の生成物の容易に選択されるアレイをもたらし得る効率的な第二の工程(加溶媒分解、酸化、還元)によく適している。
しかし、第二の工程である1,2,4−オゾニドの所望の生成物への変換における触媒の望ましさは、それが酸化であっても還元であっても、触媒によって改善され得る。
従って、触媒は、本明細書に記載されるCO2およびCXL類における基質のオゾン分解で用いられ得る。
いくつかの触媒の例としては、遷移金属イオンを触媒として用いることを目的として、酸化鉄(III)、鉄、コバルト、ニッケル、銅、マンガン、クロム、マンガン(例えば、Mn(III)であってMn(VII)ではない)、オスミウム、ルテニウムおよびレニウム、マンガンポルフィリン、マンガン中心性ポリオキシ金属塩類、チタニウム、TiO2、それらの組み合わせ、それらの酸化物などが挙げられる。
さらに、本発明は、オゾンを調製するか、またはオゾンの純度を増大するためのプロセスおよび反応条件を提供する。
オゾンはガス、例えば、空気もしくは酸素に存在してもよいし、またはそれらから分離されてもよい。
オゾンの生成は当分野で周知である。
オゾンはしばしばオゾンが生成されるガスを伴う。
オゾンはもとのガスから選択的に精製されてもよい。
すなわち、CO2またはCXL中のオゾン濃度を増大するための同じ条件をガスからオゾンを精製するために用いてもよい。
そのようなものとして、オゾンの存在下におけるCO2またはCXL組成物は、基質なしでTcに近い温度で圧力を増大することによって調節され得る。
基質の欠失によって、O3は、O2+O3、または、O3+空気流のいずれかから、オゾンを反応および分解することなくCO2またはCXL中で濃縮されることによって分離可能になる。
この分離プロセスは、系の圧力を単純に増大する(例えば、O3の臨界圧力に20〜30バール近付ける)ことによってO3を凝縮するように、O3の臨界温度(例えば、−12℃または261.15K)のすぐ下にO2/空気+O3混合物を冷却することによって行うことができる。
この方法は、O3を分離するための冷蔵技術よりも安価でかつ容易であり得る。
次いで、液体中のオゾンガスを液体から分離して、精製されたオゾンを得てもよい。
前記温度がオゾンの前記臨界温度の約1倍〜約1.2倍との間であり、該温度が絶対単位(ケルビンまたはランキン)で表される。
前記圧力が、オゾンの前記臨界圧力の約0.5〜約2倍まで増大される。
前記液体中のオゾン濃度が少なくとも約5倍増大される。
前記液体およびオゾンに対して超音波攪拌を与える工程をさらに含む。
前記液体中の前記オゾン濃度がほぼ10倍程度まで増大される。
前記液体が、液体二酸化炭素、軽質炭化水素類(C4またはそれより低級)、メタノール、エタノール、アルコール類、ヘキサン、SF6、キセノン、水、フッ化炭素溶媒類、高度に酸素化された分子類、高度にフッ素化された分子類、CF3CO2H、イオン性の液体類、強力な液体の酸類、H2SO4、HSO3F、HSO3CF3、有機の酸類、飽和炭化水素類、またはそれらの組み合わせから構成される。
1.
オゾン濃度測定値およびオゾン分解実験を10cm3のチタニウム高圧ビューセルを用いて行った。
リアクターシステム10の模式図は図3に示す。
リアクターシステム10は、円柱の形状である高圧反応セル12を備えることが示されているが、任意の他の形状であってもよい。
セル12をビュー・ウインドウ14、例えば両端でサファイアウインドウに取り付けて、これをPEEK O−リングおよびスクリューキャップで密閉する(図示せず)。
分光光度計(図示せず)(例えば、Ocean Optics光ファイバーUV/可視分光光度計)を用いて、サファイアウインドウ14を介してUV/可視スペクトルを測定する。
セル12の本体をオゾンインプットのポート16、CO2および/またはCXLインプットポート18、熱電温度計22のインプットポート20、圧力トランスデューサー26のインプットポート24、および安全破裂ディスク30のポート28に取り付ける。
オゾンインプット16は、チタニウムフリット(図示せず)に取り付けて、オゾンとセル12の内容物との良好な混合を確立してもよい。
サンプルを任意のポートを介して液相または気相のいずれかから取り出してもよい。
混合は、磁気スターラーバー(図示せず)を用いて行い、温度調節はセル12に接触した循環液体温熱ジャケット(図示せず)を用いて行う。
温度は、熱電温度計22でモニターして、コンピューター制御のデータ獲得システム32(Dasylab,measX GmbH & Co.KG)を用いて制御して記録した。
圧力は、圧力トランスデューサー26を用いてモニターし、そして、コンピューター制御のデータ獲得システム32を用いて制御して記録した。
次いで、オゾン含有ガス流36をポンプ38(例えば、Teledyne ISCO 500Dシリンジポンプ)に導いて、オゾン含有流がフィード・リザーバー40を満たす。
このリザーバー40の含量は、反応セル12への導入に適した圧力に圧縮される。
過剰なオゾンは、酸化マグネシウム触媒をパックしたチューブ42の上を出ていくガス流を通過させることによって、続いて水酸化ナトリウム水溶液44を通してバブリングすることによって破壊される。
左下のインプットポート18を用いて、二酸化炭素供給源46からの二酸化炭素、および/または窒素供給源48からの窒素を反応セル12に導入し、また反応サイクルの終わりに末端で生成物を除去する。
生成物は、冷却した溶媒50を通して生成物流をバブリングすることによって収集する。
頂部のポート28は、破壊ディスク30を収容し、また生成物の収集にも用いられ得る。
Jurgeson(登録商標)ビューセルの説明および容量膨張を測定するための実験手順はいずれかに示されている(Ghezai Musie,Ming Wei,Bala Subramaniam,およびDaryle H.Busch,「Catalytic Oxidations in Carbon Dioxide−based Reaction Media,including novel CO2−expanded phases,」Coord.Chem.Revs.,219〜221,789〜820(2001);Ming Wei,Ghezai T.Musie,Daryle H.Busch and Bala Subramaniam,「CO2−expanded Solvents:Unique and Versatile Media for Performing Homogeneous Catalytic Oxidations,」J.Am.Chem.Soc.,124,2513〜17(2002))。
実験を行って、液体相のO3濃度を決定した。
液体CO2中のオゾン濃度を決定するための代表的な実験では、ある量のCO2をCO2が液相を形成し、かつセル圧力が注記される圧力までポートの1つを介してセル(所望の温度で維持される)に導入する。
セル中の液体のレベルは、ウインドウの上に達して、液相を通じたUV/可視光の完全な通過を可能にする。
オゾン発生器からのガスのアウトプット(O2/O3混合物)は、ISCOシリンジポンプを用いて、セル圧力を超える圧力まで圧縮される。
次いで、オゾン含有混合物をインレットポートを通してセルに入れて、液相のCO2のUV/可視スペクトルを測定する前に平衡にさせた。
さらにオゾンを繰り返し追加して、各々の追加の後、平衡化後に、所望の最大圧力に達するまでUV/可視スペクトルを測定した。
強力なバンドはλmax=253.7nmであって、弱い方のバンドは577nmおよび603nmで2つの最大値を有した(それぞれ、図4Aおよび4B)。
これらの波長でのオゾンによって吸収される光の強度はオゾンの濃度に直接比例し、従って、吸収の値は、オゾン濃度の指標として用いられ得る。
可視領域のシャピュイバンドの強度が研究したオゾン濃度での適切な吸収値を示したので、可視領域のシャピュイバンドを選択した。
次に、この溶液の既知の容積(0.52mL)をステンレス鋼の試験管中にサンプリングした(図3)。
このサンプルを部屋の温度および圧力(R.T.P.)までゆっくり拡大させて、出ていくガスをヨウ化カリウムの水溶液を通してバブリングした。
次いで、配管を圧縮空気でフラッシュして、これもKI溶液を通してバブリングした。 KI溶液は、4×10−4モルdm−3のNa2S2O3を用いて滴定して、ヨウ素濃度を決定した。
セル圧力のわずかな低下は、より多くのO3/O2ガス混合物を圧送することによって補償され、その手順は3回繰り返した。
εの値を表1に示す。
オゾン発生器のガスアウトプットがシリンジポンプを用いて反応セル中に圧縮されるとき、オゾンの濃度は、総圧力とともに直線的に増大する(ISCOポンプ条件で理想的なガス挙動と仮定する)。
アウトプット流中のオゾンのモル分率は一定なので、PO3は総圧力と比例して増大するはずである。
この挙動は、図5および図6において、O2および空気の両方について、オゾン産生のための供給源のガスとして確認される。
液体二酸化炭素中に溶解したオゾンの濃度を−0.7℃(または272.45K)で測定するとき、このような線形の挙動は観察されない(図7および図8)。
ある容積の液体CO2をセル中に導入して、その結果、ガス/液体の界面をセル中で十分に高くし、分光光度計の光路は実験全体を通じて液相中にする。
次に、オゾン発生器からのガスアウトプットをシリンジポンプを用いて圧縮し、オゾン混合物は、チタニウムフリットを通じて液体二酸化炭素中へ圧送して、良好な混合を確実にする。
次いで、一定期間の間平衡に到達させた後、液体CO2中のオゾン濃度を分光光度計で測定する。
オゾンの臨界圧力に接近するので(808psi、55.7バール)、液体二酸化炭素に溶解したオゾンの量には有意な増大がある。
53.1バールでは、液相中のオゾン濃度は、約0.005単位である。
しかし、62.1バールでは、液相中のO3濃度は0.05単位であって、10倍以上まで劇的に増大した。
同様の挙動が、ある範囲の温度にまたがって観察される。
CXL類の使用は従来のニートな溶媒の使用よりも多くの利点がある。
従来の有機溶媒の大きい画分を二酸化炭素を用いて置き換えることによって、CXL混合物は、質量移行および反応速度を増強し、廃棄物を減らし、かつリアクターを本質的に安全にする。
さらに、多くの分類の基質がCXL類の中で、純粋な液体または超臨界二酸化炭素よりも高い溶解度を有する。
CXLは、加圧された二酸化炭素で従来の溶媒を膨張して単相の混合物を作製することによって作製され、単相の混合物では、液体容積の測定可能な画分は、圧縮された二酸化炭素に起因し得る。
写真のデータ(図示せず)によって、CXLを形成するメタノールの膨張が示される。 このメニスカスは、総容積がこれらの条件下では約120%まで増大したことを示している(52.7バールの二酸化炭素)。
メタノール/ダイズ油の二相成分のCO2膨張に対する温度の効果を研究した。
CO2を用いて、6:1のメタノール大豆二相成分を296.15K、323.15Kおよび338.15Kで膨張させた。
図9に示されるとおり、296Kの温度は、圧力が増大されるにつれて、V/Voの変化がより有意であった。
メタノール+大豆油二相混合物でのCO2の混和性によって、上記で示すように、このCXL系でオゾン溶解度の増強を求める機会、および安全な選択的バイオマス酸化が得られる。
オゾン分解反応のためにCXL類の利点を利用することは、魅力的な目標である。
しかし、二酸化炭素で膨張すべき溶媒の選択が重要であることが研究によって示されている。
なぜなら、オゾンの反応性は、CXLを形成するために必要な増強された圧力で、多くの有機溶媒を急速に酸化するような反応性であるからである。
オゾンがCO2膨張メタノールに添加されるとき、UV/可視スペクトルにおける特徴的なオゾンバンドは観察されない(図10)。
オゾンがヘキサンCXLに加えられるとき同じことが観察される(図11)。
しかし、オゾン分解反応は、有機溶媒、特にメタノール中で行われ得ることが広く報告されている。
1.013バールおよび−4℃(268.15K)でニートなメタノール中でオゾン濃度を測定する本発明者らの試みでは、測定可能な濃度の溶媒中に溶解されたオゾンは示されない(図12;T=276.15K、P=1.013バール、1500mLのオゾン溶液50%、1.0A;O2供給源@200cfm、溶媒を通してオゾンをバブリングした)。
さらに、オゾンがバブリングされたメタノールのサンプルへの基質オレイン酸メチルの添加によっては、反応の証拠は示されなかった(図13)。
しかし、オレイン酸メチルのメタノール溶液へのオゾンの添加後にとったUV/可視スペクトル(図14;T=276.15K、P=1.013バール、9mLのメタノール中の0.5mLのオレイン酸メチル)によって、UV領域(λmax=284nm)で強力な吸収バンドを有する生成物の形成が示される。
これらの観察によって、オゾンはメタノールを容易に酸化するが、動態学的にはオレイン酸メチルとの反応が好ましいことが示される。
これは、この溶媒である基質がオゾン酸化の標的であり得るということを示し得る(例えば、基質および溶媒としてオレイン酸メチル)。
オゾン分解実験を種々の基質で行った。
代表的な基質オゾン分解実験では、基質を外界温度および所望の反応温度で維持される反応セル中に導入して、その後にCO2を添加して、液相を作製する。
ISCOポンプを用いて、次にオゾン含有ガスを反応セル中に、CO2/基質混合物の圧力を超える所定の圧力まで圧送する。
このオゾン濃度を反応の間、分光光度測定で追跡する。
バッチ反応の終わりには、サンプルをCO2液相から、減圧することによって溶出液を冷トラップ(−78℃または195.15Kに維持される)に取り出して、サンプルを収集して引き続きGC/MSを用いて分析する。
水中に溶解されたオゾンの濃度をO2およびO3のガス混合物の漸増圧力を加えながら、UV/可視分光光度測定を用いて測定した。
580nmでオゾンによって吸収される光の強度はオゾンの濃度に直接比例しており、従って、吸収の値は、オゾン濃度の測定として用いられ得る。
典型的な測定では、気液界面が、Ocean Optics Fiber Optic 分光光度計の光路をかなり上回るように水をビューセルに導入した。
次いでセルを密閉して、温度を平衡にさせた。
温度は、ビューセルと熱接触したアルミニウム・ジャケットを通じて熱移動液を循環する冷蔵浴を用いて制御した。
次に、オゾン発生器の気体のアウトプットを圧縮して、ISCOシリンジポンプを用いてビューセル中に圧送した。
圧力の増大につれて分光光度測定を行った。
圧力の各々の増大後、セルの内容物は、磁気スターラーバーを用いて少なくとも2分間徹底的に攪拌し、その後に分光光度測定を行った。
オゾンの臨界圧力(808psi、55.7バール)を通って圧力が増大する場合、液体二酸化炭素があるので、水中のオゾン濃度には著しい増大はない。
その溶液を反応温度まで冷却し、次いでオゾンおよび酸素の気体混合物は、ISCOシリンジポンプを用いて、反応セルに少なくとも2倍過剰のオゾンが添加されるまで添加した。
その混合物を攪拌しながら数時間反応させた。
生成物の収集は、メタノール、ヘキサン、またはジクロロメタンからなる冷(0℃または273.15K)トラップを通じて混合物の液体CO2部分をゆっくり通気させることによって行った。
次いでこのセルをCO2で再加圧して、2回目はトラップを通して通気した。
次いでセルを収集溶媒で2回洗浄した。
生成物分析は関連の内部標準を用いてGC/MSによって行った。
研究した各々の基質についての主な生成物を表2に示す。
高圧反応システム60は、図3に示す多くの特徴を含み得る。
高圧反応システム60はさらに、超音波プローブ64を組み込んでいる高圧チタニウム反応セル62を備える(図18)。
この超音波プローブ64は、反応セル62に伸びて、保持プレート66でそこにカップリングされる。
この保持プレートはさらに、超音波トランスデューサー68にカップリングされ、このトランスデューサー68が超音波プローブ64のためにシグナル発生器70から高頻度のインプットを受容する。
オゾンの溶解度は、オゾン含有溶液が超音波混合に供される時にも検討した。
本発明者らの研究では、おそらく、水中でのオゾン分解の機構に代表的なフリーラジカル増殖工程がないことに起因して、濃密相二酸化炭素を用いてもこのような影響がないことが示されている(図20)。
記載される実施例は、単に例示であり、限定するものではない全ての観点で考慮されるべきである。
従って、本発明の範囲は、前述の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。
特許請求の範囲と等価な、意味および範囲内となる全ての変更が、その範囲内に包含されるべきである。
本明細書の全ての引用文献は、具体的な参照により、その全体が本明細書に組み込まれる。
当業者に明白であるように、多くの改変および変更をその趣旨および範囲から逸脱することなく行うことができる。
本明細書に列挙される方法および装置に加えて、本開示の範囲内の機能的に等価な方法および装置は、前述の説明から当業者には明らかであろう。
このような改変および変更は、添付の特許請求の範囲内にあるものとする。
本開示は、このような特許請求の範囲が権利を与えられる等価物の全範囲内とともに、添付の特許請求の範囲の条項によってのみ限定されるべきである。
本開示は、特定の方法、試薬、化合物、組成物または生体系に限定されるものではなく、当然ながら変更し得ることが理解されるべきである。
本明細書に用いられる用語は、特定の実施例のみを記載する目的であって、限定するものではないことも理解されるべきである。
種々の単数/複数の置き換えは明瞭性のために本明細書で明確に示され得る。
誘導される特許請求の詳述の特定の番号が意図される場合、このような意図は、当該特許請求の範囲において明確に詳述されており、このような詳述がない場合はこのような意図はないということが当業者にはさらに理解されるであろう。
例えば、理解を補助する場合、以下に添付される特許請求の範囲は、特許請求の範囲の詳述を誘導するために「少なくとも1つ」および「1つ以上の」という前置きの句の使用を含んでもよい。
しかし、このような句の使用は、同じ特許請求の範囲が前置きの句「1つ以上の」または「少なくとも1つの」ならびに不定冠詞、例えば「1つの、ある(a)」または「1つの、ある(an)」を含む場合でさえ、不定冠詞「1つの、ある(a)」または「1つの、ある(an)」による特許請求の範囲の詳述の誘導が、このような誘導された特許請求の詳述を含む任意の特定の特許請求をこのような記述を1つだけ含む実施例に限定するということを意味するものと解釈されるべきではない(例えば、「1つの、ある(a)」および/または「1つの、ある(an)」は「少なくとも1つの」または「1つ以上の」を意味すると解釈されるべきである)。
特許請求の範囲の詳述を誘導するために用いられる定冠詞の使用についても同じことがあてはまる。
さらに、誘導される特許請求の範囲の詳述の特定の数が明らかに詳述される場合でさえ、当業者は、このような詳述が少なくとも詳述された数を意味するものと解釈されるべきであることを認識する(例えば、他に修飾のない「2つの詳述」という最低限の詳述は、少なくとも2つの詳述または2つ以上の詳述を意味する)。
さらに、「A、B、およびCなどの少なくとも1つ」と類似の表現が用いられる場合、一般にはこのような構造は、当業者がこの表現を理解する意味で意図される(例えば、「A、BまたはCの少なくとも1つを有しているシステム」とは、Aだけ、Bだけ、Cだけ、AおよびBを一緒に、AおよびCを一緒に、BおよびCを一緒に、および/またはA、BおよびCを一緒に有するなどのシステムを含むが、これに限定されるものではない)。 「AおよびB、またはCなどの少なくとも1つ」と類似の表現を用いる場合には、一般にこのような構造は、当業者がこの表現を理解する意味であるものとする(例えば、「A、BまたはCの少なくとも1つを有しているシステム」とは、Aだけ、Bだけ、Cだけ、AおよびBを一緒に、AおよびCを一緒に、BおよびCを一緒に、および/またはA、BおよびCを一緒に有するなどのシステムを含むが、これに限定されるものではない)。
事実上任意の択一的な言葉および/または2つ以上の代替的な用語に相当する句は、明細書、特許請求の範囲または図面のいずれであっても、1つの用語、いずれかの用語または両方の用語を含む可能性を考慮することが理解されるべきであるということが当業者にはさらに理解されるであろう。
例えば、「AまたはB」という句は、「A」または「B」または「AおよびB」という可能性を包含することが理解される。
任意の列挙された範囲が、十分に記載されており、かつ同じ範囲を少なくとも半分、三分の一、四分の一、五分の一、十分の一などに小分割することを可能にするということが容易に認識できる。
非限定的な例として、本明細書で述べられる各々の範囲は、三分の一の下、三分の一の真ん中および三分の一の上などに容易に小分割できる。
当業者によって理解されるとおり、全ての言葉、例えば、「最大、〜まで」、「少なくとも」、「より多く、より大きい」、「未満、〜より少ない」などは、述べられた数を含み、かつ引き続いて上記で述べられたような小範囲に小分割され得る範囲を指す。
結局、当業者に理解されるとおり、ある範囲は各々の個々の数を含む。
従って、例えば、1〜3個のセルを有するグループとは、1、2または3個のセルを有しているグループを指す。
同様に、1〜5個のセルを有しているグループは1、2、3、4または5個のセルを有しているグループなどを指す。
本明細書に開示される種々の態様および実施例は、例示の目的であって、限定を意図するものではなく、真の範囲および趣旨は添付の特許請求の範囲によって示される。
Claims (5)
- 液体中のオゾン濃度を増大するための方法であって、
オゾンを有しているガスを提供する工程と、
前記オゾン含有ガスを液体に導入する工程であって、該液体およびオゾンの組み合わせがオゾンの臨界温度の0.8倍と1.5倍との間の温度を有する工程と、
前記オゾンの臨界圧力の0.3倍〜5倍まで該液体中の該オゾンの圧力を等温的に増大し、それによって該液体中のオゾン濃度を少なくとも5倍増大させる工程とを含み、
該液体が、液体二酸化炭素、軽質炭化水素類(C4またはそれより低級)、メタノール、エタノール、アルコール類、ヘキサン、SF6、キセノン、フッ化炭素溶媒類、高度に酸素化された分子類、高度にフッ素化された分子類、CF3CO2H、イオン性の液体類、強力な液体の酸類、H2SO4、HSO3F、HSO3CF3、有機の酸類、飽和炭化水素類、またはそれらの組み合わせを含む液体であるか、あるいは軽質炭化水素類(C4またはそれより低級)、メタノール、エタノール、アルコール類、ヘキサン、SF6、キセノン、水、フッ化炭素溶媒類、高度に酸素化された分子類、高度にフッ素化された分子類、CF3CO2H、イオン性の液体類、強力な液体の酸類、H2SO4、HSO3F、HSO3CF3、有機の酸類、飽和炭化水素類、またはそれらの組み合わせを含む二酸化炭素膨張液体である、前記方法。 - 前記液体およびオゾンに対して超音波攪拌を与える工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
- 液体中の分子のオゾン分解を行う方法であって、
液体中にオゾンを導入する工程であって、該液体が、液体二酸化炭素、軽質炭化水素類(C4またはそれより低級)、メタノール、エタノール、アルコール類、ヘキサン、SF6、キセノン、フッ化炭素溶媒類、高度に酸素化された分子類、高度にフッ素化された分子類、CF3CO2H、イオン性の液体類、強力な液体の酸類、H2SO4、HSO3F、HSO3CF3、有機の酸類、飽和炭化水素類、またはそれらの組み合わせを含む液体であるか、あるいは軽質炭化水素類(C4またはそれより低級)、メタノール、エタノール、アルコール類、ヘキサン、SF6、キセノン、水、フッ化炭素溶媒類、高度に酸素化された分子類、高度にフッ素化された分子類、CF3CO2H、イオン性の液体類、強力な液体の酸類、H2SO4、HSO3F、HSO3CF3、有機の酸類、飽和炭化水素類、またはそれらの組み合わせを含む二酸化炭素膨張液体であり、該液体およびオゾンの組み合わせが、前記オゾンの臨界温度の0.8倍〜1.5倍との間の温度を有する工程と、
前記オゾンの臨界圧力の0.3倍〜5倍まで該液体中の該オゾンの圧力を等温的に増大し、それによって該液体中のオゾンの濃度を少なくとも5倍増大させる工程と、
液体およびオゾンを有している組成物を提供する工程であって、該液体およびオゾン組成物は、前記オゾンの臨界温度の1倍〜1.2倍との間の温度と、前記オゾンの臨界圧力の0.5倍〜2倍の間の圧力とを有し、前記分子が前記液体中に溶解または分散されている工程と、
前記分子と前記オゾンとを反応させる工程とを包含する、方法。 - 前記分子が、不飽和炭化水素を有している分子、炭素−炭素の二重結合を有している分子、不飽和炭化水素酸類、オレイン酸メチル、油類、脂質類、大豆油、不飽和脂肪酸類、植物性脂肪酸類、脂肪酸類のエステル、脂肪酸アミド類、アルケン類、ステロイド類、ベンジル類、アリル部分を有している分子、テルペン類、セファロスポリン、セファロスポリン誘導体類、三級アリルアルコールなどからなる群より選択される、請求項3記載の方法。
- 前記液体およびオゾンに対して超音波攪拌を提供する工程をさらに含む、請求項3または請求項4に記載の方法。
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