JP5549898B2

JP5549898B2 - ５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールの製造法

Info

Publication number: JP5549898B2
Application number: JP2006101218A
Authority: JP
Inventors: 豊生島; 正大佐藤; 肇川波; マヤ・チャタジー; 景一郎松嶋
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Hokkaido Research Organization
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Hokkaido Research Organization
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007269766A

Description

本発明は、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）の製造方法に関するものであり、更に詳しくは、高温高圧状態の水あるいは酢酸それらの混合溶媒を反応溶媒とし、一段階でＨＭＦを製造する方法に関するものである。本発明は、酢酸、それらの混合溶媒を反応溶媒とし、吸熱反応の場合には、温度１００〜４００℃、圧力０．１〜４０ＭＰａの水あるいは酢酸、それらの混合溶媒を反応溶媒として、無水カルボン酸を添加した場合の糖類からのＨＭＦを一段階かつ短時間、連続的に合成する方法を提供するものである。ここで、糖類として単糖類、二糖類、多糖類が挙げられ、単糖類としてグルコース、マンノース、ガラクトース、フルクトース等、二糖類としてサッカロース、マルトース等、多糖類としてセルロース等が挙げられる。

ＨＭＦは、原料・基質の機能性を向上し、更に、付加価値を付与するため、香料、医薬品、食品分野等において有用である。通常、ＨＭＦを合成する場合、従来法では、非プロトン性有機溶媒に加えて酸・塩基触媒が必要であり、食品、医薬品に利用される場合、残存する有機溶媒、触媒の除去は大きな労力を必要とし、環境に影響を与えるのみならず、生体に有害である等の問題点を有していた。本発明は、無水カルボン酸と糖類から、水を用いるプロセスのみでＨＭＦを合成する方法とその反応組成物を提供するものであり、香料、医薬品や食品のみならず、化成品合成にも応用可能であり、ＨＭＦを効率良く、短時間で、連続的に生産し、提供することを可能にするものである。

従来、糖類から有機溶媒中触媒を脱水剤としてＨＭＦを合成する方法が種々報告されている（非特許文献１参照）。一般的に、ＨＭＦは、ＤＭＳＯのような糖が溶解する有機溶媒を用いて、イオン交換樹脂やルイス酸を用いて、Ｄ−グルコースを原料として、９０％程度の収率で得られるという多くの報告がある。一方、溶媒として水を用いた場合には、報告は少ないが、有機溶媒使用の場合よりも低収率である。一般的に、温度２００℃以下の水中では、反応性が低いため低収率であるが、温度２００℃以上の水中では、反応性が向上するものの収率５８％程度とされている（図１）。最近、バッチ型装置を用いてリン酸でｐＨ２に調整した２７０℃の亜臨界水条件下、反応時間１２０秒で、Ｄ−グルコースから３０％、Ｄ−スクロースから４０％、Ｄ−フルクトースから６５％得たとの報告がある（非特許文献３）。

反応後における後処理に関しては、通常の触媒・有機溶媒中のＨＭＦ合成では、反応混合物に中和剤を脱水剤として中和後、抽出溶媒と水あるいは飽和食塩水を加え、分液し、溶媒層は、その後、乾燥、溶媒除去、蒸留あるいは精留のプロセスを得て目的物を得るが、水層には、水の他に、触媒、有機溶媒、酢酸、基質、生成物、副生成物、無機物の複雑な混合物が含有される。ここで、水層からの触媒の分離が容易である場合には、回収再生され、再使用されるが、分離が困難である場合には、そのまま廃棄・処分される（図２）。高温高圧水中ＨＭＦ合成の場合のように、水層に触媒、有機溶媒が含有されず、水、酢酸、生成物のみが含有されるならば、生成物をデカンテーションにより分離後、水層に対して共沸混合物を形成する物質を添加した共沸蒸留を行うことで、水と氷酢酸とに分離することが可能である（特許文献３）。このことは、水の再生を可能にし、通常法に比べて環境低減型のプロセスであることを意味する（図３）。

このように、従来法では、ＨＭＦ合成の場合、触媒及び有機溶媒が必要であるため、製品の品質上、反応後の分離操作において、触媒、有機溶媒やカルボン酸の除去が必要であり、分離操作後の水層は、廃棄物となりやすく、廃液の問題を生じる。更に、環境に対する影響や生体への有害性への配慮から、またヒトが経口する食品・医薬品の安全性から、触媒・有機溶媒のより高度分離が要求される。高度分離に必要なコストは、合成操作と同程度であり、望ましくは触媒と有機溶媒を使用しない方が良い。以上のことから、当該技術分野においては、簡単、低コスト、環境低減型の合成プロセスで、分離操作が容易かつ高度分離が可能で、触媒や有機溶媒の残存しないＨＭＦの連続的合成を可能とする合成手法が強く要請されていた。

特開２００５−２００３２１号公報特開２００５−２３２１１６号公報米国特許第５，９８０，６９６号明細書Ｊ．Ｌｅｗｋｏｗｓｋｉ，ＡＲＫＩＶＯＣ，２００１，（ｉ），１７−５４Ｋ．Ｓｅｒｉ，Ｙ．Ｉｎｏｕｅ，Ｈ．Ｉｓｈｉｄａ，Ｃｈｅｍ．Ｌｅｔｔ．，２０００，２２Ｆ．Ｓ．ＡｓｇｈａｒｉａｎｄＨ．Ｙｏｓｈｉｄａ＊，Ｉｎｄ．Ｅｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．，２００６，４５，２１６３−２１７３

このような状況のなかで、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、低コストで、環境に優しい簡単な高速合成プロセスで、上記ＨＭＦを連続的に合成することができる新しい合成方法を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、高温高圧水、又は亜臨界水又は超臨界水を反応溶媒とすることで、糖類から無水カルボン酸を脱水剤としてＨＭＦを合成できることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明は、糖類から無水カルボン酸を脱水剤としてＨＭＦを短時間の反応条件下で連続的に合成する方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）無水カルボン酸を触媒として糖類から５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）を合成する方法であって、
１）高温高圧状態の亜臨界流体ないし超臨界流体を反応溶媒として使用し、無水カルボン酸以外の触媒を用いることなく、無水カルボン酸を添加した反応場の糖類から一段階の合成反応でＨＭＦを合成すること、２）その際に、亜臨界水ないし超臨界水を反応溶媒として使用して該亜臨界水ないし超臨界水中で反応時間３〜６０秒の範囲で無水カルボン酸と糖類から無水カルボン酸を脱水剤とするプロセスでＨＭＦを合成すること、を特徴とするＨＭＦの製造方法。
（２）糖類として、単糖類、二糖類、又は多糖類を用いる、前記（１）記載の方法。
（３）温度２００〜４００℃、圧力５〜４０ＭＰａの亜臨界水ないし超臨界水を反応溶媒として使用する、前記（１）記載の方法。
（４）流通式高温高圧装置に、基質としての糖類水溶液及び反応溶媒を導入し、反応時間を３〜１５秒の範囲で変化させることで合成反応を実施する、前記（１）記載の方法。
（５）前記（１）記載の方法において、ＨＭＦに変換後、回収水溶液に水を注入してデカンテーションし、油／水二層溶液に分離後、ＨＭＦを含む油層を分液回収する一方、水層からは酢酸と水を共沸蒸留によって分離し回収する簡易な連続分離法。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、化１の糖類と化２の無水カルボン酸から、化３に示すようにＨＭＦを、一段階の反応プロセスで、触媒無添加、短時間の反応条件下で、選択的かつ連続的に合成することを特徴とするものである。本発明では、上記反応溶媒として、温度２００〜４００℃、圧力５〜４０ＭＰａの亜臨界水、超臨界水が用いられる。また、反応条件として、好適には、温度２００〜２５０℃、圧力５ＭＰａ、反応時間が３〜６０秒の範囲、好適には１０秒程度に調整される。

本発明においては、上記基質及び反応溶媒を反応容器に導入して所定の反応時間で合成反応を実施するものである。したがって、上記反応器としては、例えば、バッチ式の高温高圧反応容器、及び連続型の流通式高温高圧反応装置を使用することができる。

本発明の方法では、反応溶媒として、高温高圧状態にある亜臨界水、超臨界水が用いられるが、具体的には、亜臨界水（１００℃以上、０．１ＭＰａ以上）、超臨界水（３７５℃以上、２２ＭＰａ以上）、好適には、亜臨界水（２００−２５０℃、５ＭＰａ以上）が用いられる。

本発明では、上記、亜臨界流体、超臨界流体の反応溶媒の組成、温度及び圧力条件、基質の種類及びその使用量、反応時間を調整することにより、短時間で、効率良く、反応生成物を合成することができる。また、本発明では、例えば、基質及び反応溶媒を流通式高温高圧装置に導入し、それらの反応時間を３〜６０秒の範囲で変えることにより、所定の反応生成物を合成することができる。上記反応条件は、使用する出発原料、目的とする反応生成物の種類等により適宜設定することができる。

本発明の方法では、従来、触媒存在下で行われていた、カルボン酸無水物と糖類からのＨＭＦの合成を、高速で連続的に実施できるため、長時間を要するプロセスを効率化することができる。また、本発明の方法では、従来用いられた触媒を全く使用しないので、反応後の溶液の中和処理、無害化処理等の後処理・処分の必要がなく、環境負荷低減を達成可能である。更に、反応後はデカンテーションのような静置分離操作のみであるため、触媒や有機溶媒の分離回収の必要性はなく、生成物分離が容易になる。本発明によれば、１０秒程度の短時間で、基質がＤ−グルコースの場合、４７％の収率で、Ｄ−スクロースの場合、５８％の収率で、Ｄ−フルクト−スの場合、７０％の収率で得られる。本発明の合成方法は、香料、医薬品、食品に利用可能な、ＨＭＦを効率良く、大量に高速で連続的に生産することを可能にするものとして有用である。

従来、亜臨界流体、超臨界流体を利用して、ＨＭＦ合成を実施した例が報告されている。しかし、カルボン酸無水物と糖類から、カルボン酸無水物を脱水剤として亜臨界水プロセスでＨＭＦを高収率で合成できることを実証した例はなく、本発明の対象とするＨＭＦの合成反応法は、本発明者らによって初めてその有効性が実証されたものである。しかも、従来法で糖類から合成されるＨＭＦは、触媒及び有機溶媒の残存が問題とされていたが、本発明の方法によりカルボン酸無水物と糖類から合成される反応組成物は、触媒及び有機溶媒の残存がなく、本発明の方法により合成されるＨＭＦ組成物は、従来製品にない利点を有している。

本発明では、無水カルボン酸を添加した場合の糖類からのＨＭＦ合成反応を実現するために、亜臨界急速昇温急速冷却装置を用いた（図４）。なお、反応後における反応観察は、排出後の水溶液を採取し、ＧＣ−ＦＩＤにより、生成物の純品を用いた検量線から定量を実施し、ＧＣ／ＭＳにより定性分析を実施した。

以下、図４について説明すると、水導入シリンジポンプ１から水が送液され、高温高圧水供給装置３に送液され、上部から高温高圧水（亜臨界水・超臨界水）が排出され、断熱材７で保温された反応ティー８に導入される。一方、基質導入ポンプ２から、基質が、脱水剤が脱水剤導入ポンプ１５から導入され、混合ティーで混合後、ティー８に導入され、高温高圧水と衝突反応後、温度センサ６で測温され、一定温度に保持された加熱炉９に導入されコイル１０を通過しながら反応する。出口温度を温度センサ１１で測温後、冷却器１２で急冷され、背圧弁１３を通過後、受器１４で回収される。本発明は、これらに限らず、これらと同効の反応装置であれば同様に使用することができる。

本発明により、次のような効果が奏される。
（１）カルボン酸無水物を脱水剤として糖類から高速で連続的にＨＭＦを合成することができる。
（２）有機溶媒を用いない合成プロセスを実現できる。
（３）そのため、有機溶媒の残存がなく、生体に対して有害性のない安全性の高い生体適合性ＨＭＦ組成物を提供できる。
（４）生成物が水に溶解しない場合には、排出された油水分散水溶液に対して更に水を注入することで、洗浄しつつ油水二層に分液し、高純度の生成物を容易に回収できる。
（５）香料、医薬品、食品として有用なＨＭＦの新しい大量生産プロセスとして、既存の生産プロセスに代替し得る新しい生産技術を提供できる。

次に、実施例に基づいて本発明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。

以下の実施例では、図４の流通式高温高圧反応装置を用いて、合成条件を、温度２００〜３２５℃、圧力５〜２０ＭＰａ、滞留時間秒で実施した。図７の流通式高温高圧反応装置の本体（主要部分）を所定温度、所定圧力に設定し、水導入ポンプ１ないしは反応コイル１０の長さにより滞留時間を調節した。純水は、流量５．０ｍｌ／ｍｉｎで高温高圧水供給装置に送液し、高温高圧水（亜臨界水）とした。その後、糖飽和水溶液、トルエンを内標準として添加した（基質の５ｍｏｌ％）カルボン酸無水物をそれぞれ基質ポンプ１、脱水剤ポンプ１５から送液混合後、ティー８で衝突させた。

なお、カルボン酸無水物／糖飽和水溶液（モル比：３〜５．５／１）混合溶液は、０．５〜１ｍｌ／ｍｉｎになるように調整した。基質と脱水剤送液後、３０分後の背圧弁からの排出水溶液を１ｍｌ採取した。反応ティーから背圧弁出口までの配管内容積を反応体積とした場合、反応時間は９．９秒であった。回収された１ｍｌの水溶液に１ｍｌのアセトンを加え、振とうし、組成分析をＧＣ／ＭＳ分析計（ＨｅｗｌｅｔｔＰａｃｋａｒｄ社製ＨＰ６８９０、カラムＨＰ−５、注入口温度１５０℃、初期カラム温度６０℃（保持時間２分）、昇温速度１０℃／分、最終カラム温度２５０℃（保持時間２分））で実施し、得られたマススペクトルは、Ｗｉｌｌｅｙデ−タベ−スで一致度９０％以上で確認した。また、定量分析及び市販試薬がある場合の定性分析は、トルエンを内標準としてＧＣ−ＦＩＤ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製ＧＣ６８９０、カラムＤＢ−ＷＡＸ、注入口温度２３０℃、スプリット比５．６１、初期カラム温度５０℃（保持時間０．５分）、昇温速度２０℃／分、最終カラム温度２３０℃（保持時間２０分））で実施した。

また、得られた生成物水溶液は、黄色〜茶褐色に着色しているが、水を２０ｍｌ／ｍｉｎで３分注入し、デカンテ−ションすると油水２層溶液となり、下層の油層に酢酸を含まないＨＭＦを、上層の水相に酢酸水溶液を得た（ＧＣにより確認）。このことは、生成物が水に溶解しない場合、反応終了後の油水分散水溶液に、水を更に注入することで、油水二層に変化してＨＭＦと酢酸水溶液を分液することができることを示す。酢酸水溶液は、有機溶媒を含まないため、酢酸と共沸化合物を作る化合物（例えば、酢酸ターシャリーブチル等）を添加することにより、共沸蒸留により水と氷酢酸に分留することができるため、膨大なエネルギーを必要とする精留を実施しなくても良い。

（実施例１−４）
Ｄ−グルコース１モル等量に対して無水酢酸５．５モル等量、圧力５ＭＰａと一定条件で、滞留時間１．７、１．７、３．４、１５秒で、２００℃、２２５℃、２１０℃、２００℃の温度依存性を検討したところ、ぞれぞれ転化率は２９％、２８％、１８％、２３％、ＨＭＦ選択率は６％、４％、０．４％、１％と低収率であった。

（実施例５−７）
Ｄ−グルコース１モル等量に対して無水酢酸５．５モル等量、圧力１０ＭＰａ、滞留時間１５秒で、２５０℃、２７５℃、３００℃の温度依存性を検討したところ、ぞれぞれ転化率は３２％、４１％、６２％、ＨＭＦ選択率は３２％、７３％、７１％となり、２７５℃以上で選択率が７３％に向上し、転化率は３００℃で向上し、３００℃付近の温度が最適条件であった（図５）。３００℃以上の場合には、チャーの増加が観測された。

（実施例８−１２）
Ｄ−グルコース１モル等量に対して無水酢酸４モル等量、温度３００℃、滞留時間１５秒と一定として、圧力を１０ＭＰａ、１５ＭＰａ、１７．５ＭＰａ、２０ＭＰａ、３０ＭＰａと変化させたところ、それぞれ転化率が６０％、６８％、７０％、７４％、７４％、７４％となり、ＨＭＦ選択率が４５％、５９％、５７％、６３％、５７％、５７％となった。２５ＭＰａ以上の圧力ではチャーが析出し、選択率が低下した。２０ＭＰａが最適条件であった（図６）。

（実施例１３−１５）
Ｄ−グルコース１モル等量に対して無水酢酸４モル等量、圧力１０ＭＰａで、滞留時間７．９秒、１３．７秒、１５．７秒の滞留時間依存性を検討したところ、ぞれぞれ転化率は４９％、５８％、５６％、ＨＭＦ選択率は４０％、８０％、６０％となり、１３．７秒が最適条件であった（図７）。

（実施例１６、１７）
Ｄ−グルコース１モル等量に対して無水酢酸３又は４モル等量、温度３００℃、圧力１０ＭＰａで、滞留時間１５秒の無水酢酸量の依存性を検討したところ、ぞれぞれ転化率は６４％、７４％、ＨＭＦ選択率は６９％、６３％となり、無水酢酸が４モル等量の場合最適条件であった。

（実施例１８−２０）
糖１モル等量に対して無水酢酸４モル等量、圧力２０ＭＰａで、滞留時間１５秒で、糖の種類に対する依存性、Ｄ−グルコース、Ｄ−スクロース、Ｄ−フルクトースを検討したところ、ぞれぞれ転化率は７４％、７５％、７９％、ＨＭＦ選択率は６３％、７７％、８９％となり、Ｄ−フルクトースが最も収率が高かった（図８）。

以上の実施例から、高温高圧水を反応溶媒として、ＨＭＦが高収率で合成可能であることが明らかとなった。また、アシル化後、回収水溶液に水を注入してデカンテーションし、油／水二層溶液に分離後、ＨＭＦを含む油層を分液回収する一方、水層からは酢酸と水を共沸蒸留によって分離し回収する簡易な連続分離法も構築できることが明らかとなった。

以上詳述したように、本発明は、高温高圧流体を反応溶媒として、カルボン酸無水物を脱水剤として糖類から有機溶媒を用いることなく、ＨＭＦを合成する方法に係るものであり、従来法では、糖類からのＨＭＦの合成は、有機溶媒に触媒を添加し、数時間の反応を実施する必要があったが、本発明で示した亜臨界流体・超臨界流体を用いることにより、触媒無添加で、有機溶媒を使用することなく高速で連続的にＨＭＦを合成することが可能となった。このことは、香料、医薬品、食品として有用なＨＭＦを短時間で、大量に連続的に生産できるというメリットをもたらす。

また、ＨＭＦ合成後、回収水溶液に水を注入してデカンテーションし、油／水二層溶液に分離後、ＨＭＦを含む油層を分液回収する一方、水層からは酢酸と水を共沸蒸留によって分離し、回収する簡易な連続分離法により、氷酢酸と水を分離し、水をリサイクルすることが可能である。これらのことから、合成・分離プロセスを単純化させることで、プロセスの初期コスト及びランニングコストを圧縮することが可能である。更に、中和処理の後処理も不必要であり、環境調和型生産が可能となる。本発明は、香料、医薬品、食品として有用なＨＭＦの新しい大量生産プロセスとして、既存の生産プロセスに代替し得るものである。

触媒・有機溶媒用いる糖類のアシル化を示す。触媒・有機溶媒を用いるアシル化の後処理フローチャートを示す。水溶媒を用いるアシル化の後処理フローチャートを示す。流通式高温高圧水装置を示す。ＨＭＦ合成における温度効果を示す。ＨＭＦ合成における圧力依存性を示す。ＨＭＦ合成における滞留時間依存性を示す。ＨＭＦ合成における糖類の種類による依存性を示す。

符号の説明

１水導入シリンジポンプ
２基質導入レシプロポンプ
３高温高圧水供給装置
４サーモスタット
５温度センサ
６温度センサ
７断熱材
８ティー
９加熱炉
１０反応コイル
１１温度センサ
１２冷却器
１３背圧弁
１４受器
１５縮合剤導入ポンプ
１６混合ティー

Claims

無水カルボン酸を触媒として糖類から５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）を合成する方法であって、
１）高温高圧状態の亜臨界流体ないし超臨界流体を反応溶媒として使用し、無水カルボン酸以外の触媒を用いることなく、無水カルボン酸を添加した反応場の糖類から一段階の合成反応でＨＭＦを合成すること、２）その際に、亜臨界水ないし超臨界水を反応溶媒として使用して該亜臨界水ないし超臨界水中で反応時間３〜６０秒の範囲で無水カルボン酸と糖類から無水カルボン酸を脱水剤とするプロセスでＨＭＦを合成すること、を特徴とするＨＭＦの製造方法。
糖類として、単糖類、二糖類、又は多糖類を用いる、請求項１記載の方法。
温度２００〜４００℃、圧力５〜４０ＭＰａの亜臨界水ないし超臨界水を反応溶媒として使用する、請求項１記載の方法。
流通式高温高圧装置に、基質としての糖類水溶液及び反応溶媒を導入し、反応時間を３〜１５秒の範囲で変化させることで合成反応を実施する、請求項１記載の方法。
請求項１記載の方法において、ＨＭＦに変換後、回収水溶液に水を注入してデカンテーションし、油／水二層溶液に分離後、ＨＭＦを含む油層を分液回収する一方、水層からは酢酸と水を共沸蒸留によって分離し回収する簡易な連続分離法。