JP6275278B2 - 酸触媒の組合せ混合物を用いた糖アルコールの脱水 - Google Patents

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Description

優先権の利益
本出願は、各々の内容が参照により本明細書に組み込まれる、２０１４年４月１０日に出願された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０３３５８０号および第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０３３５８１号、ならびに２０１４年１１月１９日に出願された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／６６２９８号の優先権の利益を主張する。
本発明は、ある二官能分子およびその調製に関する。詳細には、本発明は、ジアンヒドロ糖を産生するための、触媒による糖アルコールの脱水方法に関連する。
従来、ポリマーおよび汎用化学製品は石油由来の原料から調製されてきた。しかし、石油貯留層が急速に枯渇し、同時に貯留層への到達がより困難になるにつれ、再生可能な、すなわち「環境に優しい」生物由来資源からの代替物質を開発するという急務が、多くの現状の研究、とりわけ、商業的に耐え得る代用品の従来型石油系または石油由来対応品に対する役割の研究、あるいは化石から生み出される再生不可能資源と同じ物質を産生するための研究にあっては、最先端テーマとなっている。
このような物質の代替原料で、最も種類豊富な生物由来の、すなわち再生可能な原料の１つが、炭水化物である。しかし、炭水化物は現状の高温の工業処理には概して適さない。官能化度が低い石油系で疎水性の脂肪族または芳香族の原料とは対照的に、糖類のような炭水化物は、複雑で高度に官能化された親水性の物質である。結果として、研究者らは、炭水化物に由来するが官能化度がより低い、２，５−フランジカルボン酸（FDCA）、レブリン酸、１，４：３，６−ジアンヒドロヘキシトールなどの、より安定な二官能性化合物を含む、生物系化学物質を生成することを試みてきた。
１，４：３，６−ジアンヒドロヘキシトール（本明細書ではイソヘキシドとも称される）は、穀物系多糖類からの再生可能な資源に由来する。イソヘキシドは、対応する還元された糖アルコール、すなわちそれぞれＤ−ソルビトール、Ｄ−マンニトール、およびＤ−イジトールに由来する二環式フランジオールの一分類を含む。イソヘキシドの３つの異性体はキラリティーに応じて、それぞれＡ）イソソルビド、Ｂ）イソマンニド、およびＣ）イソイジドであり、これらの構造をスキーム１に図示する。
Figure 0006275278
ジアンヒドロヘキシドを生成するために糖アルコールの脱水に用いられる従来の化学反応では、望ましくない副生成物が産生される。多数の副生成物からイソヘキシドを分離するための現状の方法はコストと複雑性が高いため、より安価で簡素な代替方法の開発が非常に望まれている。従って、所望生成物のより優れた変換およびより高い収率を強化できるだけでなく、副生成物の量を減らすような方法であれば、歓迎されるであろう。
本開示は、部分的には、環式脱水生成物を調製する方法を記載する。本方法は、糖アルコールを、ｐＫａ≦０を有する少なくとも１種の強いブレンステッド酸もしくはルイス酸または強いブレンステッド酸およびルイス酸の両種類と共に約１．０〜１．５のｐＫａを有する還元性ブレンステッド酸を溶液中に含有する混合酸触媒反応混合物に、この糖アルコール分子を脱水および閉環し生成混合物中で対応する環式脱水生成物を得るために、十分な温度および時間で、接触させることを含む。本方法は、生成物アカウンタビリティー（accountability）のレベルに著しく有害な影響を与えることなく、全変換率および生成物収率の顕著な改善、ならびに着色体（color body）形成の低減を可能にすることができる。
還元性酸および少なくとも１種のブレンステッド酸またはルイス酸の比率は、約１０００：１〜約５：１の相対量で存在する。本方法は、同じ反応時間および温度に対して各酸触媒の同じ添加量の下で、還元性ブレンステッド酸、強いブレンステッド酸、およびルイス酸のいずれかを別々にかつ単独で用いた脱水反応に比して、ジアンヒドロ糖生成物の相対収率を少なくとも３％増加させることができる。
本方法のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な記述で開示する。先述の概要も以下の詳細な記述および実施例も本発明の代表例に過ぎず、特許請求の範囲に記載される本発明を理解するための全体像の提供を意図するものと理解される。
１）１０ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．１ｍｏｌ．％Ｈ２ＳＯ４、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１４０℃、２時間（１２０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）１０ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．１ｍｏｌ．％Ｈ２ＳＯ４、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１５０℃、１時間（６０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．１ｍｏｌ．％Ｈ２ＳＯ４、単独、および３）これらの２つを混合酸触媒中で合わせたもので１４０℃、２時間（１２０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．１ｍｏｌ．％Ｈ２ＳＯ４、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１５０℃、１時間（６０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）１０ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１４０℃、２時間（１２０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）１０ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１５０℃、１時間（６０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１４０℃、２時間（１２０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１５０℃、１時間（６０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）２．５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１４０℃、２時間（１２０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）２．５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１５０℃、１時間（６０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．００５ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１４０℃、２時間（１２０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．００５ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１３０℃、３時間（１８０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．０１ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１１０℃、１時間（６０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．０１ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１４０℃、２時間（１２０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．０１ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１３０℃、３時間（１８０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．０５ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１４０℃、２時間（１２０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．０５ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１５０℃、１時間（６０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １）５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、単独、２）０．１ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、単独、および３）これらの２つを合わせて混合酸触媒にしたもの、を用いて１５０℃、１時間（６０分）触媒した、ソルビトールの３種の脱水環化反応からの生成混合物の組成アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 ５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．０１ｍｏｌ．％Ｂｉ（ＯＴｆ）３、および０．０５ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨの３つの異なる触媒を、１５０℃、１時間(６０分)で、共に用いた場合およびそれぞれ単独で用いた場合の、ソルビトールの脱水環化による生成混合物の相対的組成およびパーセントアカウンタビリティーを示す棒グラフである。 ２．５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．０１ｍｏｌ．％Ｂｉ（ＯＴｆ）３、および０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨの３つの異なる触媒を、１５０℃、１時間(６０分)で、共に用いた場合およびそれぞれ単独で用いた場合の、ソルビトールの脱水環化による生成混合物の相対的組成およびパーセントアカウンタビリティーを示す棒グラフである。 ５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．０１ｍｏｌ．％Ｈｆ（ＯＴｆ）４、および０．０５ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨの３つの異なる触媒を、１５０℃、１時間(６０分)で、共に用いた場合およびそれぞれ単独で用いた場合の、ソルビトールの脱水環化による生成混合物の相対的組成および存在する（present）アカウンタビリティーを示す棒グラフである。 １０ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３および０．１ｍｏｌ．％Ｈ２ＳＯ４の組合せの共触媒作用を、種々の温度(１７０℃および１９０℃)および様々な時間で用いた、ソルビトールの脱水環化による生成混合物の相対的組成およびパーセントアカウンタビリティーを示す棒グラフである。 硫酸触媒のみを複数の触媒添加量、温度、および反応時間で用いた、ソルビトールの脱水環化による生成混合物の相対的組成およびパーセントアカウンタビリティーを示す棒グラフである。
本開示で、変換および収率を改善することができ、かつ糖アルコールの脱水反応から調製される生成混合物の組成アカウンタビリティーを高めることができる方法が記載される。一般的には、本方法は、糖アルコールを、約１．０〜１．５のｐＫａを有する還元性ブレンステッド酸と、ｐＫａ≦０を有する１種の強いブレンステッド酸もしくはルイス酸のいずれかまたは両方の酸とを溶液中に含有する混合酸触媒に、この糖アルコール分子を脱水および閉環し対応する環式脱水生成物を得るために、接触させることを含む。
糖アルコールを酸触媒によって脱水するとき、いくつかの副生成物が典型的に形成される。これらの望ましくない生成物は、容易には同定することができないが、つまり、特定の環式脱水誘導体種として同定されない生成物（例えば、イソヘキシドまたはソルビタン化合物）が形成されるということである。これらの同定困難な副生成物には、重合縮合物および着色体が含まれ、この両方により、不必要な色および不透明さが反応混合物に付与される。本明細書で用いられる「アカウンタビリティー」は、環式脱水誘導体化合物および未反応の出発物質として定量的に同定することが可能な生成混合物の百分率の尺度であるが、環式脱水生成物として同定されない重縮合物、着色体または他の種類(例えば、フラン化合物)は除外される。
本明細書に記載される方法は、還元性ブレンステッド酸としてのリン含有酸としても公知であるホスホン酸（Ｈ３ＰＯ３）を、糖アルコールの脱水を行い対応する環式誘導体にするために用いることにより、例証される。本方法の有利な特徴によれば、ホスホン酸を他の酸と組み合わせて糖アルコールの脱水に用いると、単一の酸（例えば、硫酸）で触媒される脱水反応に比して高いアカウンタビリティーを有する生成混合物が結果としてもたらされる。
本発明者らは、驚くべきことに、２つ以上の酸触媒の組合せは、環式脱水生成物（例えば、ジアンヒドロ糖化合物）の変換収率および組成アカウンタビリティーの結果に反映されるように、顕著な相乗的利点を有することを発見した。一般的には、混合酸の触媒作用は、単独で作用する構成酸触媒のいずれかよりも、多量の所望生成物を同等レベルの組成アカウンタビリティーで生成することができる。本方法によれば、その反応は、還元性ブレンステッド酸、強いブレンステッド酸およびルイス酸のいずれかを、別々にかつ単独で、各酸触媒の同じ添加量の下で、同じ反応時間および温度で用いた脱水反応に比して、特定の環式脱水生成物の相対的収率が少なくとも３％〜５％増加した生成混合物をもたらす。特定の実施形態において、特定の環式脱水生成物の相対的収率は、酸の各々を個々にまたは別々に用いて触媒される脱水反応に比して、約７％〜約２０％またはそれ以上増加する（例えば、反応条件が最適化された場合で約１０％または１１％〜約１５％または１８％）。特定の好ましい実施形態において、複合酸または多重酸の触媒作用からの収率は、複合触媒作用における個々の単一の酸を用いた触媒作用からの量の少なくとも２倍または３倍になり得る。
単一酸の触媒作用からの生成混合物に対して、複合酸の触媒作用による生成混合物においては、生成物アカウンタビリティーに伴う着色体の顕著な沈着を観測することはない（例えば、表２を参照されたい）。この反応は、還元性酸、強いブレンステッド酸、およびルイス酸のいずれかを、別々かつ単独で用いた脱水反応に由来する組成アカウンタビリティーのａ）約２０％に等しい、ｂ）約２０％より大きい、またはｃ）約２０％以上(典型的には１２％〜約１８％以上)のいずれかである、組成アカウンタビリティーの相対的百分率を有する生成混合物を産生することができる。特定の実施形態において、相乗的複合酸の触媒作用による生成物アカウンタビリティーは、還元性酸、強いブレンステッド酸、およびルイス酸のいずれかを、別々かつ単独で、各酸触媒の同じ添加量の下で、同じ反応時間および温度で用いた脱水反応に由来する組成アカウンタビリティーのものに対して、約２％〜１０％以上大きい。例を挙げると、図１および２における複合混合酸の触媒作用による反応の各々の組成アカウンタビリティー値（それぞれ８３．６％および８２．８％）は、硫酸単独で触媒された反応の各々のアカウンタビリティー値（それぞれ８３．３％および８２．６％）にほとんど等しいが、ホスホン酸単独を用いた反応の各々の値（それぞれ８８．５％および８９．２％）よりわずかに小さくもある。さらに、図１１および１２における複合混合酸の触媒作用による反応の各々の組成アカウンタビリティー値（それぞれ９４．０％および９５．１％）は、ホスホン酸単独で触媒された反応の各々のアカウンタビリティー値（それぞれ８９．７％および９１．５％）よりも大きいが、ガリウムトリフレート単独で触媒された反応の各々のアカウンタビリティー値（それぞれ９９．９％および１００％）より小さくもある。
多重酸または複合酸の触媒作用は、様々な異なる糖アルコールの種類を対応する生成物へ変換することに使用できる。特定の実施形態によれば、糖アルコールは、例えば、ソルビトール、マンニトール、イジトール、キシリトール、およびエリスリトールであり得る。あるいは、その試薬は、１，２，５，６−ヘキサンテトラオール（HTO）のような糖アルコールの脱水生成物であり得る。例えば、ソルビトールからイソソルビドへの変換は、ソルビトールからソルビタン、そしてイソソルビドへと分子内の脱水環化を使って行われる。別の例では、キシリトールは直接脱水して１，４−アンヒドロキシリトールにすることができる。あるいは、ＨＴＯを脱水環化するとラセミ体ＴＨＦジメタノールになる。
還元性ブレンステッド酸は、糖アルコールの濃度に対して、触媒添加量が約０．５ｍｏｌ．％または１ｍｏｌ．％または２ｍｏｌ．％〜約１５ｍｏｌ．％または２０ｍｏｌ．％であってもよく、あるいはその中の範囲値の任意の組合せであってもよい。他の特定の実施形態において、ホスホン酸は、触媒添加量が約５ｍｏｌ．％または７ｍｏｌ．％〜約１０ｍｏｌ．％または１３ｍｏｌ．％の範囲である。好ましい実施形態において、還元性ブレンステッド酸はホスホン酸（Ｈ３ＰＯ３）である。
強いブレンステッド酸は、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、ｐ−トルエンスルホン酸（ｐ−ＴｓＯＨ）、メタンスルホン酸、またはトリフルオロメタンスルホン酸であり得る。
ルイス酸は、耐水性である。つまり、ルイス酸は水の存在下で不活性化されない。ルイス酸には、アルミニウムトリフルオロメタンスルホネート（Ａｌ（ＯＴｆ）３）、ガリウムトリフルオロメタンスルホネート（Ｇａ（ＯＴｆ）３、ビスマストリフルオロメタンスルホネート（Ｂｉ（ＯＴｆ）３）、スカンジウムトリフルオロメタンスルホネート（Ｓｃ（ＯＴｆ）３）、インジウムトリフルオロメタンスルホネート（Ｉｎ（ＯＴｆ）３）、スズトリフレート（Ｓｎ（ＯＴｆ）２）、およびハフニウムトリフレート（Ｈｆ（ＯＴｆ）４）のうち、少なくとも１つが含まれ得る。
強いブレンステッド酸またはルイス酸はそれぞれ、糖アルコールの濃度に対して、約０．００５ｍｏｌ．％または０．１ｍｏｌ．％〜約２ｍｏｌ．％または約５ｍｏｌ．％の触媒添加量を有してもよい。一般的に、存在する還元性ブレンステッド酸の量は、強いブレンステッド酸またはルイス酸のいずれかの触媒添加量より大きい。複合酸の触媒作用において配分される、還元性ブレンステッド酸触媒および強いブレンステッド酸またはルイス酸のいずれかの触媒の量は、約１０００：１〜約５：１の比率であり、この間の様々な範囲の組合せが含まれる。反応性が高いルイス酸の性質を考慮すると、還元性ブレンステッド酸の添加量対ルイス酸の添加量は、約１００：１〜１０００：１が理想的である。典型的には、その比率は約２５０：１、２００：１、１５０：１、または１００：１となり得る。本開示においては、ルイス酸の活性は高い順に、Ｈｆ＞Ｇａ＞Ｓｃ＞Ｂｉ＞Ｉｎ＞Ａｌ＞Ｓｎである。還元性ブレンステッド酸の添加量対強いブレンステッド酸の添加量は、約１００：１〜５：１が理想的である。典型的には、比率はより狭く、約７０：１、５０：１、４０：１〜約２０：１、１５：１、または１０：１となり得る。
反応時間は約４時間または６時間になり得るが、典型的には着色体形成を最小限にするために、反応時間はより短く、約１時間〜約２．５または３時間の間となる。（例えば、表２を参照されたい）
反応温度は、約１００℃〜最大約１８０℃または１９０℃の範囲となり得る。典型的には、反応温度は約１１０℃〜約１５０℃または１６５℃の範囲である。
最適な生成物収率を得るためには、脱水反応は約５トル〜約１００トルの作業圧力の真空下で行う。典型的には、作業圧力は約１０トル〜約３０トルの間であり、好ましくは約１２または１５トル〜約２０または２５トルの間である。
１．糖アルコール
本明細書に記載される方法の有利な特徴は、ソルビトールの脱水を用いて例証されるが、本方法は、様々な糖アルコールまたは糖アルコールの脱水生成化合物（例えば、ソルビトール、マンニトール、イジトール、キシリトール、および１，２，５，６−ヘキサンテトラオール（HTO））をそれらの脱水生成物の調製において変化させるために使用することができる。
例示のため、本方法の実施形態に従った様々な反応条件下における、触媒によるソルビトールの脱水反応の結果を、表１に概括する。実施例１〜２１では、ホスホン酸（Ｈ３ＰＯ３）が約２．５ｍｏｌ．％〜約１０ｍｏｌ．％の範囲の複数の異なる触媒添加量で、強いブレンステッド酸およびルイス酸をやはり様々な触媒添加量にした、いくつかの例と共に、脱水反応に用いられている。これらの反応は、約１１０℃〜約１５０℃の間の様々な温度で、約１、２、または３時間の時間に渡って行われている。結果が示すように、ホスホン酸の触媒作用のいくつかの例では、生成混合物の組成アカウンタビリティーレベルをさほど低下させずに、ソルビトールからイソソルビドへの相対的に良好な変換率を生じることができる。イソソルビドの収率は、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）のような強いブレンステッド酸を触媒として用いた反応よりも、良好であるかまたは同等であるかのいずれかである（表３の比較例１〜７を参照されたい）。いくつかの例において、ホスホン酸触媒と、ビスマストリフレート（Ｂｉ（ＯＴｆ）３）のような強い耐水性ルイス酸触媒との組合せでは、ルイス酸単独で使用した場合に対してイソソルビドの収率が改善している。
ホスホン酸は、固有の還元能力および抗酸化的挙動を示す。ホスホン酸は、脱水環化の触媒としての機能、および生成物の発色緩和を助ける還元剤としての機能、の両方を有すると考えられている。付属の図面における実施例および結果から、脱水反応の操作条件についての好ましい範囲には、反応時間および温度に応じて、約２ｍｏｌ．％または５ｍｏｌ．％〜約１０ｍｏｌ．％または２０ｍｏｌ．％の濃度のホスホン酸が含まれ得る。より長い持続時間およびより高い温度のバランス調整は、最適な反応結果が得られるように行うべきである。
ホスホン酸が触媒としての特有な有用性および顕著な性能特性を有することにより、良好な変換率および生成物アカウンタビリティーの両方が生じ得る。触媒添加量、温度、および時間を種々に組み合わせた特定の実施例において、特に有利な結果が示された。これは、混合酸系の潜在的改善を示唆するものである。サンプルのより高いイソソルビド収率によって、強いブレンステッド酸およびルイス酸を伴ったホスホン酸の有益な影響が、特により高い酸濃度で存在する場合に、強調されている。
実施例１〜４において、硫酸のソルビトールへの触媒作用により、約２０〜２４ｗｔ．％のイソソルビドが、約８０％〜８４％の生成物アカウンタビリティーで産生されている。ホスホン酸のソルビトールへの触媒作用により、約５〜２０ｗｔ．％のイソソルビドが、約８５〜８５％の生成物アカウンタビリティーで生み出されている。その複合酸の触媒作用では概して、単一の酸触媒の各々を単独で用いた脱水反応よりも、約１．３〜２倍多い量のイソソルビド（例えば、約２５〜４５ｗｔ．％）が、同等レベルの生成物アカウンタビリティー（例えば、約８０〜８７％）で生み出されている。
これらの結果は、ｐ−トルエンスルホン酸、ホスホン酸、およびこの２つの酸の組合せを用いた触媒作用を提示する、実施例５〜１０における反応の同様の結果に劣らないものである。ｐ−ＴｓＯＨ単独でソルビトールを触媒することにより、約５〜９％のイソソルビドが約８９％〜９５％生成物アカウンタビリティーで産生されている。ホスホン酸のソルビトールへの触媒作用により、約２〜１８％のイソソルビドが、約８５〜９８％の生成物アカウンタビリティーで生み出されている。その複合酸の触媒作用では概して、単一の酸触媒の各々を単独で用いた脱水反応よりも、約２〜６倍多い量のイソソルビド（例えば、約１３〜３６ｗｔ．％）が、同等レベルの生成物アカウンタビリティー（例えば、約８０％または８２％〜９４％または９５％）で生み出されている。
同様に、実施例１１〜１７ではガリウムトリフルオロメタンスルホネート、ホスホン酸、およびこの２つの酸の組合せを用いた触媒作用が提示されている。Ｇａ（ＯＴｆ）３単独でソルビトールを触媒することにより、最小量のイソソルビド（０〜１ｗｔ．％）が約８９％〜９５％の生成物アカウンタビリティーで産生されている。ホスホン酸のソルビトールへの触媒作用により、約２〜１８％のイソソルビドが、約８５〜９８％の生成物アカウンタビリティーで生み出されている。その複合酸の触媒作用では概して、単一の酸触媒の各々を単独で用いた脱水反応よりも、少なくとも２倍または３倍多い量のイソソルビド（例えば、約７〜３４ｗｔ．％）が、同等レベルの生成物アカウンタビリティー（例えば、約８０％または８２％〜９４％または９５％）で生み出されている。
このルイス酸が高反応性の性質を有することを考慮し、ルイス酸の使用量を低い濃度に保っているが、その結果、イソソルビドの変換収率がより低いものとなっている。それに比して、実施例１８のように用いる酸の量を変えると、反応性が１桁分増大し、より多くのイソソルビドが産生される。実施例１８では、ａ）アルミニウムトリフルオロメタンスルホネート、ｂ）ホスホン酸、およびこの２つの酸の組合せ（ａおよびｂ）を用いてソルビトールを触媒し、それぞれ約１３．３９ｗｔ．％、５．１８ｗｔ．％、および４０．０７ｗｔ．％の収率のイソソルビドを得ている。生成物アカウンタビリティーは、Ａｌ（ＯＴｆ）３については８９．０％、Ｈ３ＰＯ３については９４．１％、およびその複合酸については８５．８ｗｔ．％である。
実施例１９および２０では、ビスマストリフルオロメタンスルホネート、ｐ−トルエンスルホン酸、ホスホン酸、およびこの３つの構成酸の組合せを用いた触媒作用が提示される。Ｂｉ（ＯＴｆ）３単独でソルビトールを触媒することにより、最小量のイソソルビド（０〜１ｗｔ．％）が約９７％〜９９％の生成物アカウンタビリティーで産生されている。ｐ−ＴｓＯＨのソルビトールへの触媒作用により、約２〜８ｗｔ．％のイソソルビドが、約９０〜９５％の生成物アカウンタビリティーで生み出されている。ホスホン酸のソルビトールへの触媒作用により、約２〜６％のイソソルビドが、約９３〜９６％の生成物アカウンタビリティーで生み出されている。その複合多重酸の触媒作用では概して、単一の酸触媒の各々を単独で用いた脱水反応よりも、少なくとも２倍または４倍多い量のイソソルビド（例えば、約１７〜４２ｗｔ．％）が、同等レベルの生成物アカウンタビリティー（例えば、約８５％〜９０％）で生み出されている。
実施例２１では、ハフニウムトリフルオロメタンスルホネート、ｐ−トルエンスルホン酸、ホスホン酸、およびこの３つの構成酸の組合せ混合物を用いた触媒作用が概括されている。Ｈｆ（ＯＴｆ）４単独でソルビトールを触媒することにより、約６．６２％のイソソルビドが約９６．６％生成物アカウンタビリティーで産生されている。ｐ−ＴｓＯＨのソルビトールへの触媒作用により、約２．３６ｗｔ．％のイソソルビドが、約９３．７％の生成物アカウンタビリティーで生み出されている。ホスホン酸のソルビトールへの触媒作用により、約５．１８％のイソソルビドが、約９４．１％の生成物アカウンタビリティーで生み出されている。その複合多重酸の触媒作用では、単一の酸触媒の各々を単独で用いた脱水反応よりも、少なくとも３倍または５倍〜最大約１２倍多い量のイソソルビド（例えば、約２９．１８ｗｔ．％）が、同等レベルの生成物アカウンタビリティー（例えば、約８６．３％）で生み出されている。
Figure 0006275278
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１０ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３および０．１ｍｏｌ．％Ｈ２ＳＯ４の混合酸触媒を、１７０℃および１９０℃で様々な時間で用いて、ソルビトールの脱水環化反応を２セット行った。反応による生成混合物の相対的組成およびパーセントアカウンタビリティーを表２に概括し、また図２２に図示する。
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生成物アカウンタビリティーは、より高い温度であっても一貫して高かった（＞９６％）。１９０℃で得られた生成物の色は、１７０℃で反応が行われたものから劇的には変化しなかった。本事例では、サンプルは金色で、固体の形成はなかった。過去には、混合酸触媒を用いずに触媒した反応による生成物は、ソルビトールを高変換した場合、概して暗色でありタール様であった（例えば、参照によりその内容が本明細書に組み込まれる、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／６６２９８を参照されたい）。
比較の目的で、表３では、ソルビトールの濃厚溶液（約６５％ＤＳ）において、Ｈ３ＰＯ３は用いずに硫酸を単独で用いて同様の変換が得られることが示されている。Ｈ３ＰＯ３の存在下で、ソルビタンの比率は１７０℃でより高く、全体的なアカウンタビリティーは１７０℃および１９０℃の両方でより高くなっている。硫酸を用いた１９０℃での生成混合物は、１７０℃で観測されたものよりも色が暗い。本方法からは、本方法が妥当な反応時間で硫酸とうまく機能することが示された。
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２．変換収率および組成アカウンタビリティー
図１〜２０は、表１で概括されているデータをグラフ形式で示している。これらの図は、様々な反応条件（すなわち、温度および時間）の下、様々な触媒添加レベルのホスホン酸（Ｈ３ＰＯ３）触媒と、様々な触媒添加レベルの強いブレンステッド酸および／またはルイス酸触媒とを、単独で、ならびに強いブレンステッド酸および／またはルイス酸触媒と共に用いて、イソソルビドに変換されたソルビトールの百分率および生成物組成アカウンタビリティーの百分率を示している。
全体として、時間、温度、および触媒添加量を制御または調節して、所望の目標収率および生成物アカウンタビリティーのバランス調整および最適化が可能なことを、データは示唆している。複合触媒およびより高い触媒添加量により、相対的に低い温度で、最小限の生成物アカウンタビリティー低下で、糖アルコールの対応する脱水生成物への迅速な変換が促進される。
図１では、１０ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．１ｍｏｌ．％Ｈ２ＳＯ４、１４０℃、２時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。３種の反応全てにおいて、ソルビトールの全量が変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約１２．３０ｗｔ．％であり、硫酸の触媒作用では反応生成混合物の約２１．７４ｗｔ．％であり、ホスホン酸および硫酸の複合触媒作用では約３５．８８ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用の各々と比較すると、より多くのイソソルビドを産生しているが、また、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持してもいる。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、互いに顕著な相違がない（すなわち、Ｈ３ＰＯ３／Ｈ２ＳＯ４で８３．６％、Ｈ２ＳＯ４で８３．３％、Ｈ３ＰＯ３で８８．５％）。
再び図２では、１０ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．１ｍｏｌ．％Ｈ２ＳＯ４、１５０℃、１時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。再び、３種の反応全てにおいて、ソルビトールの全量が変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約１６．３３ｗｔ．％であり、硫酸の触媒作用では反応生成混合物の約２３．８２ｗｔ．％であり、ホスホン酸および硫酸の複合触媒作用では約４０．３９ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用の各々と比較すると、より多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｈ２ＳＯ４で８２．８％、Ｈ２ＳＯ４で８２．６％、Ｈ３ＰＯ３で８９．２％という範囲だった。
図３では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．１ｍｏｌ．％Ｈ２ＳＯ４、１４０℃、２時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約９．７６ｗｔ．％であり、硫酸の触媒作用では反応生成混合物の約２１．７４ｗｔ．％であり、ホスホン酸および硫酸の複合触媒作用では約３３．８１ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用の各々と比較すると、より多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｈ２ＳＯ４で８６．２％、Ｈ２ＳＯ４で８３．３％、Ｈ３ＰＯ３で８９．７％という範囲だった。複合酸およびＨ２ＳＯ４の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、Ｈ３ＰＯ３単一酸の触媒作用（２０．８％）については顕著なパーセントが未反応のままである。
図４では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．１ｍｏｌ．％Ｈ２ＳＯ４、１５０℃、１時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約５．１８ｗｔ．％であり、硫酸の触媒作用では反応生成混合物の約２３．８２ｗｔ．％であり、ホスホン酸および硫酸の複合触媒作用では約２７．１７ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用の各々と比較すると、より多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｈ２ＳＯ４で８４．５％、Ｈ２ＳＯ４で８２．６％、Ｈ３ＰＯ３で９４．１％という範囲だった。複合酸およびＨ２ＳＯ４の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、Ｈ３ＰＯ３単一酸の触媒作用（２４．４７％）については顕著なパーセントが未反応のままである。
図５では、１０ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、１４０℃、２時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約１２．３０ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨの触媒作用では反応生成混合物の約６．９２ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨおよびホスホン酸の複合触媒作用では約２９．２３ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、約２〜３倍多くイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／ｐ−ＴｓＯＨで８５．０％、ｐ−ＴｓＯＨで９３．４％、Ｈ３ＰＯ３で８８．５％という範囲だった。複合酸およびＨ３ＰＯ３の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、ｐ−ＴｓＯＨ単一酸の触媒作用（１７％）については顕著なパーセントが未反応のままである。
図６では、１０ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、１５０℃、１時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約１６．３３ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨの触媒作用では反応生成混合物の約７．１３ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨおよびホスホン酸の複合触媒作用では約３２．４３ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、約２〜３倍多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／ｐ−ＴｓＯＨで８４．９％、ｐ−ＴｓＯＨで９１．７％、Ｈ３ＰＯ３で８９．２％という範囲だった。複合酸およびＨ３ＰＯ３の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、ｐ−ＴｓＯＨ単一酸の触媒作用（１２．６％）については顕著なパーセントが未反応のままである。
図７では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、１４０℃、２時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約９．７６ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨの触媒作用では反応生成混合物の約６．９２ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨおよびホスホン酸の複合触媒作用では約１８．５３ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、約２〜３倍多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／ｐ−ＴｓＯＨで１８．５３％、ｐ−ＴｓＯＨで６．９２％、Ｈ３ＰＯ３で９．７６％という範囲だった。複合酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用については、Ｈ３ＰＯ３（２０．８％）もｐ−ＴｓＯＨ（１７％）も、顕著なパーセントが未反応のままである。複合酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用については、Ｈ３ＰＯ３（２０．８％）もｐ−ＴｓＯＨ（１７％）も、顕著なパーセントが未反応のままである。
図８では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、１５０℃、１時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約５．１８ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨの触媒作用では反応生成混合物の約７．１３ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨおよびホスホン酸の複合触媒作用では約１４．１２ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、約２〜３倍多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／ｐ−ＴｓＯＨで８７．０％、ｐ−ＴｓＯＨで９１．７％、Ｈ３ＰＯ３で９４．１％という範囲だった。複合酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用については、Ｈ３ＰＯ３（２４．４７ｗｔ．％）もｐ−ＴｓＯＨ（１３ｗｔ．％）も、顕著なパーセントが未反応のままである。複合酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用については、Ｈ３ＰＯ３（２４．４７％）もｐ−ＴｓＯＨ（１３％）も、顕著なパーセントが未反応のままである。
図９では、２．５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、１４０℃、２時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約５．１８ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨの触媒作用では反応生成混合物の約７．１３ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨおよびホスホン酸の複合触媒作用では約１４．１２ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、約２〜３倍多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／ｐ−ＴｓＯＨで８７．０％、ｐ−ＴｓＯＨで９１．７％、Ｈ３ＰＯ３で９４．１％という範囲だった。複合酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用については、Ｈ３ＰＯ３（４３．５ｗｔ．％）もｐ−ＴｓＯＨ（１７ｗｔ．％）も、顕著なパーセントが未反応のままである。
図１０では、２．５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、１５０℃、１時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約２．５１ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨの触媒作用では反応生成混合物の約７．１３ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨおよびホスホン酸の複合触媒作用では約２０．１６ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、約２〜６倍多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／ｐ−ＴｓＯＨで８７．０％、ｐ−ＴｓＯＨで９１．７％、Ｈ３ＰＯ３で９４．１％という範囲だった。複合酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用については、Ｈ３ＰＯ３（３９．６ｗｔ．％）もｐ−ＴｓＯＨ（１３ｗｔ．％）も、顕著なパーセントが未反応のままである。
図１１では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．００５ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、１４０℃、２時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約９．７６ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３の触媒作用では反応生成混合物の０ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３およびホスホン酸の複合触媒作用では約１１．６２ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、より多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｇａ（ＯＴｆ）３で９４．０％、Ｇａ（ＯＴｆ）３で９９．９％、Ｈ３ＰＯ３で８９．７％という範囲だった。
図１２では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．００５ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、１３０℃、３時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約２．９１ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３の触媒作用では反応生成混合物の０ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３およびホスホン酸の複合触媒作用では約７．２２ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、より多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｇａ（ＯＴｆ）３で９５．１％、Ｇａ（ＯＴｆ）３で１００％、Ｈ３ＰＯ３で９１．５％という範囲だった。
図１３では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．０１ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、１５０℃、１時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約５．１８ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３の触媒作用では反応生成混合物の約０．６３ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３およびホスホン酸の複合触媒作用では約１５．０９ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、より多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｇａ（ＯＴｆ）３で９２．２％、Ｇａ（ＯＴｆ）３で９８．４％、Ｈ３ＰＯ３で９４．１％という範囲だった。
図１４では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．０１ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、１４０℃、２時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約９．７６ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３の触媒作用では反応生成混合物の約０．３１ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３およびホスホン酸の複合触媒作用では約１２．４９ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、より多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｇａ（ＯＴｆ）３で９２．２％、Ｇａ（ＯＴｆ）３で９８．４％、Ｈ３ＰＯ３で９４．１％という範囲だった。
図１５では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．０１ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、１３０℃、３時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約２．９１ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３の触媒作用では反応生成混合物の０．１ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３およびホスホン酸の複合触媒作用では約８．７６ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、より多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｇａ（ＯＴｆ）３で９３．８％、Ｇａ（ＯＴｆ）３で９９．８％、Ｈ３ＰＯ３で９１．５％という範囲だった。
図１６では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．０５ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、１４０℃、２時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約９．７６ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３の触媒作用では反応生成混合物の約４．４７ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３およびホスホン酸の複合触媒作用では約２４．１３ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、より多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｇａ（ＯＴｆ）３で８９．６％、Ｇａ（ＯＴｆ）３で９２．５％、Ｈ３ＰＯ３で９４．１％という範囲だった。複合酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用については、Ｈ３ＰＯ３（２０．８ｗｔ．％）もＧａ（ＯＴｆ）３（３２．９ｗｔ．％）も、顕著なパーセントが未反応のままである。
図１７では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．０５ｍｏｌ．％Ｇａ（ＯＴｆ）３、１５０℃、１時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約５．１８ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３の触媒作用では反応生成混合物の約６．０１ｗｔ．％であり、Ｇａ（ＯＴｆ）３およびホスホン酸の複合触媒作用では約３３．１ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、約５〜６倍多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｇａ（ＯＴｆ）３で８３．９％、Ｇａ（ＯＴｆ）３で８７．６％、Ｈ３ＰＯ３で９４．１％という範囲だった。複合酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用については、Ｈ３ＰＯ３（２４．５ｗｔ．％）もＧａ（ＯＴｆ）３（２８．９ｗｔ．％）も、顕著なパーセントが未反応のままである。
図１８では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．１ｍｏｌ．％Ａｌ（ＯＴｆ）３、１５０℃、１時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の３種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約５．１８ｗｔ．％であり、Ａｌ（ＯＴｆ）３の触媒作用では反応生成混合物の約１３．３９ｗｔ．％であり、Ａｌ（ＯＴｆ）３およびホスホン酸の複合触媒作用では約４０．０７ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、約５〜６倍多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ａｌ（ＯＴｆ）３で８５．８％、Ａｌ（ＯＴｆ）３で８９．０％、Ｈ３ＰＯ３で９４．１％という範囲だった。複合酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用については、Ｈ３ＰＯ３（２４．５ｗｔ．％）もＡｌ（ＯＴｆ）３（９．８ｗｔ．％）も、顕著なパーセントが未反応のままである。
図１９では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．０１ｍｏｌ．％Ｂｉ（ＯＴｆ）３、０．０５ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、１５０℃、１時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の４種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約５．１８ｗｔ．％であり、Ｂｉ（ＯＴｆ）３の触媒作用では反応生成混合物の０ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨの触媒作用では反応生成混合物の２．３６ｗｔ．％であり、Ｂｉ（ＯＴｆ）３、ｐ−ＴｓＯＨおよびホスホン酸の複合触媒作用では約１９．６３ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、約５〜６倍多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｂｉ（ＯＴｆ）３／ｐ−ＴｓＯＨで８７．１％、Ｂｉ（ＯＴｆ）３で９８．４％、ｐ−ＴｓＯＨで９３．７％、Ｈ３ＰＯ３で９４．１％という範囲だった。複合酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用についてはＨ３ＰＯ３（２４．４７ｗｔ．％）もＢｉ（ＯＴｆ）３（７４．６ｗｔ．％）もｐ−ＴｓＯＨ（３７．８ｗｔ．％）も、顕著なパーセントが未反応のままである。
図２０では、２．５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．０１ｍｏｌ．％Ｂｉ（ＯＴｆ）３、０．１ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、１５０℃、１時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の４種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約２．５１ｗｔ．％であり、Ｂｉ（ＯＴｆ）３の触媒作用では反応生成混合物の０ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨの触媒作用では反応生成混合物の７．１３ｗｔ．％であり、Ｂｉ（ＯＴｆ）３、ｐ−ＴｓＯＨおよびホスホン酸の複合触媒作用では約３９．０７ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、約５〜１０倍多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｂｉ（ＯＴｆ）３／ｐ−ＴｓＯＨで８８．５％、Ｂｉ（ＯＴｆ）３で９８．４％、ｐ−ＴｓＯＨで９１．７％、Ｈ３ＰＯ３で９５．４％という範囲だった。複合多重酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用については、Ｈ３ＰＯ３（３９．６ｗｔ．％）もＢｉ（ＯＴｆ）３（７４．６ｗｔ．％）もｐ−ＴｓＯＨ（１３ｗｔ．％）も、顕著なパーセントが未反応のままである。
図２１では、５ｍｏｌ．％Ｈ３ＰＯ３、０．０１ｍｏｌ．％Ｈｆ（ＯＴｆ）４、０．０５ｍｏｌ．％ｐ−ＴｓＯＨ、１５０℃、１時間で、各々の個々の酸触媒を別々に用いた場合および共に用いた場合の４種の反応において、ソルビトールがイソソルビドに変換されている。ホスホン酸の触媒作用で産生されたイソソルビドの量は反応生成混合物の約５．１８ｗｔ．％であり、Ｈｆ（ＯＴｆ）４の触媒作用では反応生成混合物の約６．６２ｗｔ．％であり、ｐ−ＴｓＯＨの触媒作用では反応生成混合物の２．３６ｗｔ．％であり、Ｈｆ（ＯＴｆ）４、ｐ−ＴｓＯＨおよびホスホン酸の複合触媒作用では約２９．１８ｗｔ．％である。この複合酸の触媒作用は、単一酸の触媒作用と比較すると、約５〜１０倍多くのイソソルビドを産生しているが、同時に、３種の酸反応によるそれぞれの反応生成混合物に対して、同等レベルの組成アカウンタビリティーを維持している。これらの反応の各々による生成物アカウンタビリティーは、Ｈ３ＰＯ３／Ｂｉ（ＯＴｆ）３／ｐ−ＴｓＯＨで８６．３％、Ｈｆ（ＯＴｆ）４で９６．６％、ｐ−ＴｓＯＨで９３．７％、Ｈ３ＰＯ３で９４．１％という範囲だった。複合多重酸の触媒作用ではソルビトールの全量が消費されているが、単一酸の触媒作用については、Ｈ３ＰＯ３（２４．４７ｗｔ．％）もＨｆ（ＯＴｆ）４（４７．４ｗｔ．％）もｐ−ＴｓＯＨ（３７．８１ｗｔ．％）も顕著なパーセントが未反応のままである。
比較のために、硫酸を単独で用いてソルビトールからイソソルビドへ脱水環化した触媒作用の結果を、表４に概括する。
Figure 0006275278
比較のために、ホスホン酸を単独で用いてソルビトールからイソソルビドへ脱水環化した触媒作用の結果を、表５に概括する。
Figure 0006275278
比較のために、ｐ−トルエンスルホン酸を単独で用いてソルビトールからイソソルビドへ脱水環化した触媒作用の結果を、表６に概括する。
Figure 0006275278
比較のために、ガリウムトリフルオロメタンスルホネートを単独で用いてソルビトールからイソソルビドへ脱水環化した触媒作用の結果を、表７に概括する。
Figure 0006275278
実施例を介して、本発明を一般的にかつ詳細に記載してきた。当業者は、本発明が具体的に開示された実施形態に必ずしも限定されるのではなく、以下の特許請求の範囲によって定義される、または、本発明の範囲内で用いることができる現在公知のもしくは開発され得る他の相当構成要素を含めた特許請求の範囲相当の記載によって定義される、本発明の範囲から逸脱することなく、修正および変形を行うことができるものと理解する。従って、変更は、本発明の範囲から逸脱しない限りにおいて、本明細書に含まれるものと解釈すべきである。

Claims (7)

  1. 環式脱水生成物を調製する方法であって、アルミニウムトリフルオロメタンスルホネート（Ａｌ（ＯＴｆ） ３ ）、ガリウムトリフルオロメタンスルホネート（Ｇａ（ＯＴｆ） ３ ）、ビスマストリフルオロメタンスルホネート（Ｂｉ（ＯＴｆ） ３ ）、スカンジウムトリフルオロメタンスルホネート（Ｓｃ（ＯＴｆ） ３ ）、インジウムトリフルオロメタンスルホネート（Ｉｎ（ＯＴｆ） ３ ）、スズトリフレート（Ｓｎ（ＯＴｆ） ２ ）、およびハフニウムトリフレート（Ｈｆ（ＯＴｆ） ４ ）からなる群から選択されるルイス酸と一緒に、ホスホン酸（Ｈ ３ ＰＯ ３ ）である還元性ブレンステッド酸を含有する混合酸触媒反応混合物に、糖アルコールをある温度で十分な時間接触させて、前記糖アルコールを脱水および閉環して生成混合物中で糖アルコールの対応する環式脱水生成物とすることを含む、方法。
  2. 前記糖アルコールが、ソルビトール、マンニトール、イジトール、キシリトール、エリスリトール、および１，２，５，６−ヘキサンテトラオール（HTO）のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
  3. 前記還元性ブレンステッド酸の、前記ルイス酸に対する比率が、１０００：１〜５：１である、請求項１に記載の方法。
  4. 前記温度が１２０℃〜１９０℃である、請求項１に記載の方法。
  5. 前記還元性ブレンステッド酸が、前記糖アルコールに対して１．０ｍｏｌ．％〜２０ｍｏｌ．％の濃度で存在する、請求項１に記載の方法。
  6. 前記還元性ブレンステッド酸が、前記糖アルコールに対して２ｍｏｌ．％〜１５ｍｏｌ．％の濃度で存在する、請求項５に記載の方法。
  7. 前記ルイス酸が、前記糖アルコールに対して０．００５ｍｏｌ．％〜０．５ｍｏｌ．％の濃度で存在する、請求項１に記載の方法。
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