JP6267240B2 - 糖アルコールの酸脱水のための方法 - Google Patents

Description

[0001] 本発明は、糖アルコールから脱水生成物を製造するための方法に関し、より詳細にはこれに限定するものではないが、ソルビトールなどのヘキシトールまたは１，４−ソルビタンなどのモノアンヒドロヘキシトールから、イソソルビドなどのイソヘキシドを製造するための酸触媒方法に関する。

[0002] 糖アルコール、特に、ソルビトールなどのヘキシトールの酸触媒二重脱水によって（つまり、糖アルコールから２個の水を連続して除去することによって）製造できる脱水生成物は、広範な研究の対象となっている。１，４，３，６−ジアンヒドロソルビトールとしても知られているイソソルビドは、ポリエステルおよびポリカーボネートに再生可能分（renewable content）を付与するためのモノマーとして現在商業的に生産および市販され、医薬中間体として使用されている。

[0003] ソルビトールからある特定のモノアンヒドロヘキシトール中間体（例えば1,4-ソルビタン）を介してイソソルビドへの脱水の実施に使用するために、多様な酸触媒が評価されている。Ｈ_２ＳＯ_４、Ｈ_３ＰＯ_４、およびＨＣｌなどの無機酸は、容易に得られる安価な材料であるが、再生が困難である。再生および付随する処理の問題を回避するために、固体樹脂触媒が試されている。残念なことに、水の存在下でかつ脱水の実施に要する温度で、商業的に実現可能な方法を企図し始めるのに必要な活性および安定性を実証し得る固体酸はほとんどない。

[0004] 米国特許第６，８４９，７４８号、第７，４２０，０６７号、第７，４３９，３５２号、第７，７７２，４１２号、および第７，９８２，０５９号は、デキストロース由来のソルビトールから、イソソルビドなどのイソヘキシド（無水糖アルコール、アンヒドロヘキシトール、アンヒドロアルジトール等とも称される）を生成するための先行技術の方法の例を提供している。

[0005] 本発明の譲受人に譲渡されたＭｏｏｒｅらの米国特許第６，８４９，７４８号は、例えば、糖アルコール−ソルビトールなど−を、溶融するまで撹拌しながら加熱し、次いで真空下（水生成物を除去し、反応を生成物側に進めるため）および高温で、可溶性の酸または酸性イオン交換樹脂の存在下で撹拌しながら脱水し、次いで得られた無水糖アルコールを蒸留によって精製し、続いて溶融結晶化および／または再蒸留を行う、無溶媒の方法を記載している。最終の精製された生成物は、遠心分離または濾過によって単離される。列挙された好ましい酸触媒としては、硫酸、リン酸、ｐ−トルエンスルホン酸、およびｐ−メタンスルホン酸が挙げられる。

[0006] 本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，４２０，０６７号は、これらの同じ酸、ならびにさらなる選択肢としての酸性イオン交換樹脂および酸性ゼオライト粉末を記述している。連続フィルム蒸発器、とりわけ真空下のワイプトフィルム蒸発器が、生成物のイソソルビドの精製における使用のために記載されている。

[0007] Ｈｏｌｌａｄａｙらの米国特許第７，７７２，４１２号は、イソソルビドを製造するための方法であって、脱水触媒および水素化共触媒を含有する反応器にソルビトールを供給し、水が形成された際に水を除去するためおよび「脱水生成物中の…オリゴマーまたはポリマー材料を低減または排除する」ために、反応器に水素を向流的に供給する、方法を記載しており、このため、望ましくない色の形成が生じていた。好適な脱水触媒としては、鉱酸触媒、ヘテロポリ酸などの固体酸触媒、メソ多孔質シリカ、酸性白土、硫酸化ジルコニア、分子篩材料、陽イオン交換樹脂およびゼオライト、ならびにこれらのいずれかの組合せが挙げられる。水素化触媒は、典型的には担持金属または多金属触媒であると記載されている。特に、パラジウムは、金属としてとりわけ好ましいと記載されており、白金、ニッケル、コバルト、ルテニウム、レニウム、ロジウム、イリジウム、および鉄もまた掲載されている。

[0008] 米国特許第７，９８２，０５９号は、酸触媒の存在下でかつ水素化共触媒を用いずに水性ソルビトールをキシリトールおよびイソソルビドに変換するための方法、より詳細には、約２５０℃および約６８ｂａｒから約８０ｂａｒに維持した圧力でソルビトール水溶液を酸性ゼオライトと反応させて、キシリトールおよびイソソルビドを生成することを伴う方法を記載している。

[0009] ＢｉｎｄｅｒらのＷＯ２０１３／１３８１５３は、五炭糖および六炭糖由来の１種または複数のアルコールを含む糖アルコール水溶液から１種または複数の脱水生成物を形成するための方法であって、糖アルコール水溶液を、糖アルコール水溶液に可溶化された置換スルホン酸触媒を使用した酸触媒脱水に供する、方法を記載している。ある特定の好ましい実施形態では、脱水方法は、ＳａｎｂｏｒｎらのＷＯ２０１３／１０６１３６において糖水溶液の脱水について規定された様式で、急速にかつ全生成物混合物中の脱水生成物から残留糖アルコール（複数可）のいかなる分離の前にも脱水生成物を急速冷却することにより行われる。

[0010] 本発明の態様の一部の基本的な理解が得られるように、以下に本発明の簡略化した概要を提示する。この概要は、本発明の広範な概観ではなく、本発明の主要なまたは重大な要素を特定することやその範囲を画定することを意図したものではない。この概要の唯一の目的は、後に提示するより詳細な説明への前置きとして、本発明の一部の概念を簡略化した形で提示することである。

[0011] このことを念頭に置いて、第１の態様における本発明は、糖アルコールの酸触媒脱水のための方法であって、触媒が耐水性ルイス酸を含む、方法に関する。特定の実施形態では、触媒は、均質な耐水性ルイス酸、とりわけ、ビスマス（ＩＩＩ）トリフラート、ガリウム（ＩＩＩ）トリフラート、スカンジウム（ＩＩＩ）トリフラート、アルミニウムトリフラート、スズ（ＩＩ）トリフラート、およびインジウム（ＩＩＩ）トリフラートからなる群から選択される均質なルイス酸を含む。そのような触媒は、ソルビトールおよびイソソルビドの１，４−ソルビタン脱水前駆体の両方の脱水のために有効であり、特に、ビスマス（ＩＩＩ）トリフラートは、マンニトールからイソマンニドへの脱水のために有益であり、そのため、第２のより詳細な態様では、本発明は、対応するヘキシトールからイソヘキシドを製造するための改良された方法に関する。

[0012] ソルビトールを脱水するための本発明による好ましい方法は、ソルビトールを０．００５モルパーセント以上の耐水性ルイス酸と混合することと、少なくとも１４０℃に加熱することと、ソルビトールの酸触媒脱水を減圧下で等温的に１時間以上実施して、反応から水を継続的に除去することとを伴う。耐水性ルイス酸は、好ましくは、ビスマス（ＩＩＩ）トリフラート、ガリウム（ＩＩＩ）トリフラート、スカンジウム（ＩＩＩ）トリフラート、アルミニウムトリフラート、スズ（ＩＩ）トリフラート、およびインジウム（ＩＩＩ）トリフラートの１種または複数であり、これらの触媒から得られるイソソルビドおよびイソソルビドの１，４−ソルビタン前駆体の収率は、使用される触媒、触媒添加量、ならびに温度および持続時間という反応条件に応じて幾分変動することが下記の例から分かるが、０．１モルパーセント以下の触媒添加量、１６０℃以下の温度、および３時間以下の反応時間により、商業的に許容される収率のイソソルビドが得られると予想される。次いで、粗生成物混合物の精製を、そのための公知の方法のいずれかに従って行うことができる。

[0013] 以下の例から明らかにであるように、これらの条件下で好ましいルイス酸を使用すると、調査した最も有効なブレンステッド酸、すなわち硫酸と比較したイソソルビドおよびイソソルビドの１，４−ソルビタン前駆体の収率の向上、イソソルビドの目標収率を達成するための触媒添加量の大幅な低減、粗生成物混合物の蒸留の前に従来のブレンステッド酸が課す中和の必要性の回避、および実現され得る結晶イソソルビド蒸留物の色の改善を含めた多数の利益が得られる。

[0014] これらの利益の一部または全ては、糖アルコール全般（ここで、「糖アルコール」は、部分脱水糖アルコール、例えば、ヘキシトールの部分脱水から得られるモノアンヒドロヘキシトールなどを包含するものと理解される）の脱水において達成できると予想されるが、ある特定の利益または利点が観察される程度、最も有効であると判明する特定の耐水性ルイス酸触媒、およびルイス酸触媒脱水を実施するための最適なプロセス条件は、糖アルコールによって幾分変動すると予想することができる。一例として、本発明者らは、ビスマストリフラートが、マンニトールからイソマンニドへの脱水を触媒するために特に有利であることを見出した。当業者であれば、いかなる場合でも、本願で特許請求される耐水性ルイス酸触媒を使用して特定の糖アルコールを脱水するための方法の最適な特徴を、日常的な実験によって決定することが十分に可能であろう。

[0015] 本発明を、以下の非限定的な実施例によってさらに説明する。

[0016] 比較例１〜６
[0017] 本発明の耐水性ルイス酸触媒の性能を基準に従って評価するために、多数のブレンステッド酸をソルビトールの酸触媒脱水について評価した。各場合において、磁気撹拌子を備えた三ツ口の２５０ｍＬ丸底フラスコにソルビトール１００グラム（０．５４９モル）を投入し、次いで１４０℃に設定した油浴に浸した。ソルビトールが液化し、内部温度プローブによって決定して内部温度が１４０℃に達したら、一定量（全ての場合において２モルパーセント、ただし５モルパーセントで添加したリン酸を除く）の対象のブレンステッド酸を、ゴムセプタムで栓をしたネックを通してシリンジによって導入した。次いで、５ｔｏｒｒ未満の減圧下で、反応を等温的に１時間継続した。この後、真空を破壊し、粗生成物混合物を冷却し、５０パーセントの水酸化ナトリウム水溶液でクエンチし、次いで秤量し、ガスクロマトグラフィーによって定量的に分析した。表１に示した結果は、表示された条件下でソルビトールの脱水について調査したもののうち硫酸が最も有効なブレンステッド酸であったが、未同定の副生成物が粗生成物混合物の約２３パーセントを占めていたことを示す。

[0018] 比較例７および実施例１〜６
[0019] ０．１モルパーセントの各種ルイス酸（実施例１〜６の場合）または０．１モルパーセントの硫酸（比較例７の場合）を使用したことを除いて、比較例１〜６の場合と同じ実験の設定、手順、および条件を使用した。結果は以下の表２に示す通りであった。

[0020] 比較例８および実施例７〜１２
[0021] 触媒の導入後１４０℃で、１時間ではなく２時間反応を継続したことを除いて、比較例７および実施例１〜６（０．１モルパーセントの触媒）の場合と同じ実験の設定、手順、および条件を使用した。結果を表３に示す。

[0022] 比較例９および実施例１３〜１８
[0023] 触媒の導入後１４０℃で、２時間ではなく３時間反応を継続したことを除いて、比較例８および実施例７〜１２（０．１モルパーセントの触媒）の場合と同じ実験の設定、手順、および条件を使用した。結果を表４に示す。

[0024] 比較例１０および実施例１９〜２４
[0025] 反応温度を１６０℃に上昇させ、評価される酸触媒（同じく０．１モルパーセント）の導入後、１時間反応を継続したことを除いて、先の例の場合と同じ実験の設定および手順を使用した。結果は表５に示す通りであった。

[0026] 比較例１１および実施例２５〜３０
[0027] より低い０．０５モルパーセントの触媒添加量、より低い１４０℃の温度で、２時間の反応時間を用いて酸を評価し、結果を以下の通り表６に示す。

[0028] 比較例１２および実施例３１〜３６
[0029] 実施例２５〜３０で使用した、より低い０．０５モルパーセントの触媒添加量で、ただしより高い１６０℃の温度で、評価される触媒の導入後、２時間の代わりに１時間の反応時間を用いて酸を評価し、結果を以下の通り表７に示す。

[0030] 比較例１３および実施例３７〜４２
[0031] さらに低い０．０１モルパーセントの触媒添加量、１６０℃の温度で、評価される触媒の導入後、１時間の反応時間を用いて酸を評価し、結果を以下の通り表８に示す。

[0032] 比較例１４および実施例４３〜４４
[0033] さらに低い０．００５モルパーセントの触媒添加量、１６０℃の温度で、評価される触媒の導入後、１時間の反応時間を用いて酸を評価し、結果を以下の通り表９に示す。

[0034] 比較例１５および１６と実施例４５
[0035] これらの例については、マンニトールからイソマンニドおよびアンヒドロマンニトールへの脱水を触媒するために異なる量の硫酸（比較例１５の場合０．１モルパーセントおよび比較例１６の場合１モルパーセント）を使用して２回の試験を行い、１６０℃、１時間の試験時間、および２０ｔｏｒｒの減圧という同じ条件下で０．１モルパーセントのビスマス（ＩＩＩ）トリフラートを使用した試験と結果を比較した。

[0036] ２回の硫酸実験については、磁気撹拌子を備えた三ツ口の２５０ｍＬ丸底フラスコにマンニトール１００グラム（０．５４９モル）を投入し、次いで１６０℃に維持した油浴に浸した。マンニトールが液化し、内部温度プローブによって測定して内部温度が１６０℃に達したら、フラスコネックの１つにコンデンサーを取り付け、真空を開始した。次いで、硫酸を、ゴムセプタムで栓をしたネックを通してシリンジによって導入した。１時間後、真空を破壊し、粗生成物混合物を冷却し、秤量し、ガスクロマトグラフィーによって定量的に分析した。

[0037] 本発明のビスマストリフラート触媒を用いた試験については、三ツ口の２５０ｍＬ丸底フラスコにマンニトールとビスマストリフラート触媒３６０ミリグラムとを投入し、次いで１６０℃の油浴に浸した。マンニトールが液化し、ビスマストリフラートがマンニトールに溶解したら、また混合物が１６０℃の内部温度に達すると、次いでフラスコネックの１つにコンデンサーを取り付け、真空を開始し２０ｔｏｒｒの圧力まで下げた。１時間後、真空を破壊し、粗生成物混合物を冷却し、秤量し、ガスクロマトグラフィーによって定量的に分析した。

[0038] 結果は、３回の試験の全てにおいてマンニトールの１００％の変換率が実現されたが、ビスマストリフラート触媒を使用するとイソマンニドの収率（モルパーセントで表される）がはるかに大きかったということであり、０．１モルパーセントの硫酸では２パーセントのイソマンニドしか得られなかったのに対し、１モルパーセントの添加ではイソマンニド収率は２５パーセントであった。しかし、対照的に、本発明のビスマストリフラートでは、６１パーセントのイソマンニドが得られた。

Claims (3)

1. ヘキシトール及びモノアンヒドロヘキシトールの１つ又は両方からイソヘキシドを生成するための方法であって、１４０℃〜１６０℃の温度で１時間〜３時間の期間にわたり、減圧下で、脱水の過程で生成物混合物から水を継続的に除去して、ビスマス（ＩＩＩ）トリフラート、ガリウム（ＩＩＩ）トリフラート、スカンジウム（ＩＩＩ）トリフラート、アルミニウムトリフラート、インジウム（ＩＩＩ）トリフラート、スズ（ＩＩ）トリフラート、およびこれらの２種以上の組合せからなる群から選択される０．００５モルパーセント〜０．１モルパーセントの均質なルイス酸触媒と、上記開始材料とを接触させることを含む、方法。
2. 前記ヘキシトールはソルビトールである、請求項１に記載の方法。
3. 前記ヘキシトールはマンニトールであり、前記触媒はビスマス（ＩＩＩ）トリフラートである、請求項１に記載の方法。