JP6380018B2 - Method for producing furfural - Google Patents

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Description

本発明は、糖からフルフラールを製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing furfural from sugar.

バイオマス資源を原料とするフルフラールは、水素添加して得られるフルフリルアルコール、脱カルボニル反応を経て得られるフラン、及びテトラヒドロフランの製造原料に用いることができ、それぞれフラン樹脂やPTMG(ポリテトラメチレンエーテルグリコール)といった植物由来のポリマー原料へ転換できる有用な化合物である。   Furfural using biomass resources as raw materials can be used as a raw material for producing furfuryl alcohol obtained by hydrogenation, furan obtained through decarbonylation reaction, and tetrahydrofuran, respectively, and furan resin and PTMG (polytetramethylene ether glycol). It is a useful compound that can be converted into a plant-derived polymer raw material.

フルフラールを製造する方法としては、五単糖(ペントース)などの糖類を含む原料を酸触媒の存在下で反応させ、脱水により得る方法が古くから知られている。酸触媒として、硫酸を使用する方法(特許文献1)、イオン交換樹脂を使用する方法(特許文献2)、固体酸化物を使用する方法(非特許文献1)、酢酸等の有機酸を使用する方法(特許文献3)が知られている。   As a method for producing furfural, there has been known for a long time a method in which a raw material containing a saccharide such as pentose is reacted in the presence of an acid catalyst and obtained by dehydration. As an acid catalyst, a method using sulfuric acid (Patent Document 1), a method using an ion exchange resin (Patent Document 2), a method using a solid oxide (Non-Patent Document 1), an organic acid such as acetic acid is used. A method (Patent Document 3) is known.

国際公開2013/101999号パンフレットInternational publication 2013/101999 pamphlet 特開2013−253069号公報JP2013-253069A 特開昭54−039071号公報Japanese Patent Laid-Open No. 54-039071

Applied Catalysis B: Environmental 145 (2014) p.34Applied Catalysis B: Environmental 145 (2014) p.34

特許文献1に記載される酸触媒として硫酸を使用する製造方法では、使用後の酸触媒が大量の酸性廃棄物となり、廃棄処理のための多大なコストが必要になるという課題があった。また、特許文献2や非特許文献1に記載されるイオン交換樹脂や固体酸化物を使用する製造方法では、反応中に生成するフミンやチャー等の不溶性物質の付着によって触媒活性が低下するという課題があった。さらに、イオン交換樹脂においては熱安定性が悪く、反応温度を上げられないという問題がある。
一方、特許文献3に記載される有機酸は、不溶性物質の付着がなく、触媒処理コストが安価な触媒であるが、目的生成物の収率が低いという難点があった。
In the production method using sulfuric acid as the acid catalyst described in Patent Document 1, there is a problem that the acid catalyst after use becomes a large amount of acidic waste, and a great cost for disposal is required. Moreover, in the manufacturing method using the ion exchange resin and solid oxide described in Patent Literature 2 and Non-Patent Literature 1, there is a problem that the catalytic activity is reduced due to adhesion of insoluble substances such as humin and char generated during the reaction. was there. Furthermore, the ion exchange resin has a problem that the thermal stability is poor and the reaction temperature cannot be increased.
On the other hand, the organic acid described in Patent Document 3 is a catalyst that does not adhere insoluble substances and has a low catalyst treatment cost, but has a drawback that the yield of the target product is low.

そこで本発明は、触媒存在下で糖からフルフラールを製造するにあたり、触媒の処理コストが低く、効率的に目的生成物を製造する方法を提供することを課題とするものである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a method for efficiently producing a target product at a low catalyst processing cost when producing furfural from sugar in the presence of a catalyst.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、1atm、200℃において液体または固体状態であって2個以上のカルボキシル基を有する化合物を触媒として用い、該触媒存在下で糖を反応させることにより、触媒の処理コストを低減し、さらに、効率的にフルフラールを製造できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明の要旨は以下に存する。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors used a compound having two or more carboxyl groups in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C. as a catalyst. As a result of the reaction, it was found that the treatment cost of the catalyst was reduced, and that furfural could be efficiently produced, and the present invention was completed.
That is, the gist of the present invention is as follows.

[1] 触媒存在下で糖からフルフラールを製造工程(以下、「FRL製造工程」という
。)を有するフルフラールの製造方法であって、該触媒が、1atm、200℃において液体または固体状態であり、2個以上のカルボキシル基を有する化合物であることを特徴とする、フルフラールの製造方法。
[2] 前記触媒は、pKaが3.0以上4.6以下の化合物である[1]に記載のフルフラールの製造方法。
[3] 前記触媒が、フマル酸、コハク酸またはテレフタル酸である[1]または[2]に記載のフルフラールの製造方法。
[4] 前記触媒が、糖に対して0.02〜50wt%存在する[1]〜[3]のいずれかに記載のフルフラールの製造方法。
[5] 前記糖が、炭素数5の単糖または炭素数5の単糖を構成成分として有する多糖である[1]〜[4]のいずれかに記載のフルフラールの製造方法。
[6] 前記FRL製造工程における反応温度が100℃〜250℃である[1]〜[5]のいずれかに記載のフルフラールの製造方法
[7] 前記FRL製造工程における反応溶媒が水を含み、水に対する糖の濃度が0.1〜50wt%である[1]〜[6]のいずれかに記載のフルフラールの製造方法。
[8] 前記FRL製造工程における反応溶媒が水と有機溶媒とを含み、水に対する有機溶媒の比率が10〜5000wt%である[1]〜[7]のいずれかに記載のフルフラールの製造方法。
[9] 前記有機溶媒がエーテル、ケトン、エステル、アルコール、芳香族炭化水素、および飽和脂肪族炭化水素よりなる群の少なくとも1つから選ばれる[8]に記載のフルフラールの製造方法。
[1] A method for producing furfural having a process for producing furfural from sugar in the presence of a catalyst (hereinafter referred to as “FRL production process”), wherein the catalyst is in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C., A method for producing furfural, which is a compound having two or more carboxyl groups.
[2] The method for producing furfural according to [1], wherein the catalyst is a compound having a pKa of 3.0 or more and 4.6 or less.
[3] The method for producing furfural according to [1] or [2], wherein the catalyst is fumaric acid, succinic acid, or terephthalic acid.
[4] The method for producing furfural according to any one of [1] to [3], wherein the catalyst is present in an amount of 0.02 to 50 wt% based on sugar.
[5] The method for producing furfural according to any one of [1] to [4], wherein the sugar is a polysaccharide having a monosaccharide having 5 carbon atoms or a monosaccharide having 5 carbon atoms as a constituent component.
[6] The method for producing furfural according to any one of [1] to [5], wherein the reaction temperature in the FRL production step is 100 ° C. to 250 ° C. [7] The reaction solvent in the FRL production step contains water, The manufacturing method of the furfural in any one of [1]-[6] whose density | concentration of the saccharide | sugar with respect to water is 0.1-50 wt%.
[8] The method for producing furfural according to any one of [1] to [7], wherein a reaction solvent in the FRL production step includes water and an organic solvent, and a ratio of the organic solvent to water is 10 to 5000 wt%.
[9] The method for producing furfural according to [8], wherein the organic solvent is selected from at least one of the group consisting of ether, ketone, ester, alcohol, aromatic hydrocarbon, and saturated aliphatic hydrocarbon.

本発明のフルフラールの製造方法によれば、糖からフルフラールを製造するにあたって用いる触媒の処理コストを低減することができる。また、効率的に目的生成物を製造するための反応条件を設定することが可能となり、高収率でフルフラールを製造する方法が提供される。加えて、特定の触媒を用いることで、触媒のリサイクルや精製を容易に行うことができ、生産効率に優れたプロセス設計が可能になる。   According to the method for producing furfural of the present invention, the processing cost of the catalyst used for producing furfural from sugar can be reduced. Moreover, it becomes possible to set reaction conditions for efficiently producing the target product, and a method for producing furfural with high yield is provided. In addition, by using a specific catalyst, the catalyst can be easily recycled and purified, and a process design with excellent production efficiency becomes possible.

以下、本発明について具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば種々変更して実施することができる。   Hereinafter, the present invention will be specifically described. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention.

本発明の製造方法は、触媒存在下で糖からフルフラール(FRL)を製造する工程(FRL製造工程)を有し、該触媒が、1atm、200℃において液体または固体状態であり、2個以上のカルボキシル基を有する化合物であることを特徴とする。
以下、それぞれの要件に分けて詳細に説明する。
The production method of the present invention includes a step of producing furfural (FRL) from sugar in the presence of a catalyst (FRL production step), wherein the catalyst is in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C., and two or more It is a compound having a carboxyl group.
Hereinafter, it explains in detail according to each requirement.

(フルフラール(FRL)製造工程)
本発明の製造方法で行われるFRL製造工程は、多糖類や単糖類などの糖を、触媒の存在下で脱水反応させて、フルフラールを生成させる工程である。
糖からフルフラールの合成反応は、主に五炭糖からの脱水反応である。この脱水反応は、フルフラールの生産性向上、得られるフルフラールの純度向上の観点から、反応溶媒及び触媒を用いて行うことが好ましい。
(Furfural (FRL) manufacturing process)
The FRL production process performed by the production method of the present invention is a process for producing a furfural by dehydrating a sugar such as a polysaccharide or a monosaccharide in the presence of a catalyst.
The synthesis reaction of furfural from sugar is mainly dehydration reaction from pentose sugar. This dehydration reaction is preferably performed using a reaction solvent and a catalyst from the viewpoint of improving the productivity of furfural and improving the purity of the obtained furfural.

(糖)
本発明で用いられる糖は、フルフラールを製造することができれば特に限定されず、単糖類や多糖類などのいわゆる糖類一般を用いることができる。
単糖類としては、具体的にはリボース、リキソース、キシロース、アラビノース、デオキシリボース、キシルロース、リブロース等の炭素数5の単糖(ペントース);アロース
、タロース、グロース、グルコース、アルトロース、マンノース、ガラクトース、イドース、フコース、フクロース、ラムノース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトース等の炭素数6の単糖(ヘキソース);セドヘプツロース等の炭素数7の単糖(ヘプトース)等が挙げられる。これらの単糖の中でも、自然界、植物の構成成分となっていることから豊富に存在し、原料の入手が容易であるためヘキソース、ペントースが好ましく、収率の観点から炭素数5の単糖であるペントースが最も好ましい。
(sugar)
The sugar used in the present invention is not particularly limited as long as it can produce furfural, and so-called general sugars such as monosaccharides and polysaccharides can be used.
Specific examples of monosaccharides include monosaccharides having 5 carbon atoms (pentose) such as ribose, lyxose, xylose, arabinose, deoxyribose, xylulose, ribulose; allose, talose, gulose, glucose, altrose, mannose, galactose, Examples thereof include monosaccharides having 6 carbon atoms (hexose) such as idose, fucose, fucose, rhamnose, psicose, fructose, sorbose, and tagatose; monosaccharides having 7 carbon atoms (heptose) such as cedoheptulose. Among these monosaccharides, hexose and pentose are preferred because they are abundant because they are constituents of nature and plants, and the raw materials are easily available. From the viewpoint of yield, these are monosaccharides having 5 carbon atoms. Some pentoses are most preferred.

上記ヘキソースとしては、グルコース、フルクトース、マンノース、ガラクトースが好ましく、グルコースがより好ましい。ペントースとしてはキシロース、アラビノースが好ましく、キシロースがより好ましい。グルコース、キシロースは、自然界、植物の主な構成成分となっているため、原料の入手が容易である点で好ましい。   As said hexose, glucose, fructose, mannose, and galactose are preferable, and glucose is more preferable. As pentose, xylose and arabinose are preferable, and xylose is more preferable. Glucose and xylose are preferable in terms of easy availability of raw materials because they are the main constituents of nature and plants.

多糖類としては、具体的にはスクロース、ラクトース、マルトース、トレハノース、ツラノース、セロビオース等の二糖類;ラフィノース、メレジトース、マルトトリオース等の三糖類;フラクトオリゴ糖、ガラクトオリゴ糖、マンナオリゴ糖などのオリゴ糖類;デンプン、デキストリン、セルロース、ヘミセルロース、グルカン等の多糖類が挙げられる。これらの多糖類の中でも、スクロース、セルロース、ヘミセルロースが好ましく、ペントースの含有率が高いヘミセルロースがより好ましく、なかでもキシランやアラバンなどのペントースを構成成分とするペントサンが特に好ましい。   Specific examples of polysaccharides include disaccharides such as sucrose, lactose, maltose, trehanose, tulanose, and cellobiose; trisaccharides such as raffinose, melezitose, and maltotriose; oligosaccharides such as fructo-oligosaccharide, galactooligosaccharide, and manna-oligosaccharide; Examples include polysaccharides such as starch, dextrin, cellulose, hemicellulose, and glucan. Among these polysaccharides, sucrose, cellulose and hemicellulose are preferable, hemicellulose having a high pentose content is more preferable, and pentose containing pentose such as xylan and araban is particularly preferable.

本発明で用いる糖は、上記の単糖類や多糖類の1種類を単独で含有していてもよいし、2種類以上を含有していてもよい。
フルフラールの合成反応は主に五炭糖からの脱水反応であることから、本発明で用いる糖は、炭素数5の単糖および/または炭素数5の単糖を構成成分として有する多糖であることが好ましい。
The sugar used in the present invention may contain one of the above monosaccharides and polysaccharides alone, or may contain two or more kinds.
Since the synthesis reaction of furfural is mainly a dehydration reaction from a pentose sugar, the sugar used in the present invention is a polysaccharide having a monosaccharide having 5 carbon atoms and / or a monosaccharide having 5 carbon atoms as a constituent component. Is preferred.

(バイオマス原料)
前述の糖は、主にバイオマス原料に含まれており、これらのバイオマス原料から得られる糖を用いることが好ましい。バイオマス原料は上記の糖類を構成成分とする多糖類を含んでいれば特に限定されないが、具体的には、セルロース、ヘミセルロースを含む植物や澱粉糖化液、または糖蜜なども使用される。たとえば、サトウキビ、甜菜またはサトウカエデ等の植物から搾取した糖液が挙げられる。
(Biomass raw material)
The aforementioned sugars are mainly contained in biomass raw materials, and it is preferable to use sugars obtained from these biomass raw materials. The biomass raw material is not particularly limited as long as it contains a polysaccharide having the above-mentioned saccharide as a constituent component, and specifically, a plant containing cellulose or hemicellulose, a starch saccharified solution, or molasses is also used. For example, sugar solution extracted from plants such as sugarcane, sugar beet, sugar maple and the like can be mentioned.

前記バイオマス原料は、食用にできるか否かの観点で、「可食バイオマス原料」と「非可食バイオマス原料」に分類することができる。
可食バイオマス原料としては、サトウキビ、澱粉、テンサイ、とうもろこし、いも、キャッサバ、サトウカエデ等が挙げられる。
非可食バイオマス原料としては、具体的には、バガス、スイッチグラス、ネピアグラス、エリアンサス、コーンストーバー、稲わら、麦わら、米ぬか、樹木、木材、植物油カス、ササ、タケ、パルプ類、古紙、食品廃棄物、水産物残渣、家畜廃棄物等が挙げられる。また、砂糖の製造工程で発生する糖蜜から砂糖を回収した後に残る廃糖蜜も非可食バイオマス原料として使用可能である。
このうち、非可食バイオマス原料は、可食バイオマス原料と異なり、食用用途と競合せず、また通常であれば廃棄、焼却処理をされるものが多いため、安定的な供給、資源の有効利用が図れる点で好ましい。これら、バイオマス原料はそのまま使用することもできるし、酸処理や水熱処理等の前処理を行ってから使用することもできる。
The biomass raw materials can be classified into “edible biomass raw materials” and “non-edible biomass raw materials” from the viewpoint of whether or not they can be edible.
Examples of edible biomass materials include sugarcane, starch, sugar beet, corn, potato, cassava, and sugar maple.
Specific examples of non-edible biomass materials include bagasse, switchgrass, napiergrass, Eliansus, corn stover, rice straw, straw, rice bran, trees, wood, vegetable oil residue, sasa, bamboo, pulp, waste paper, Examples include food waste, marine product residues, and livestock waste. Also, the molasses remaining after the sugar is recovered from the molasses generated in the sugar production process can be used as a non-edible biomass raw material.
Of these, non-edible biomass raw materials, unlike edible biomass raw materials, do not compete with edible uses and are usually discarded or incinerated, so stable supply and effective use of resources Is preferable in that it can be achieved. These biomass raw materials can be used as they are, or can be used after pretreatment such as acid treatment or hydrothermal treatment.

(糖濃度)
フルフラール製造工程において、反応溶媒中に含まれる糖の濃度は特に限定されないが、反応溶媒としては水を含むことが好ましく、水に対する糖濃度が0.1wt%〜50w
t%であることが好ましく、より好ましくは1wt%〜30wt%であり、さらに好ましくは5wt%〜25wt%である。糖濃度が下限値以上であると、フルフラールと溶媒との分離効率が高くなる傾向があり、糖濃度が上限値以下であると副反応を抑制できフルフラールの収率が高くなる傾向があり好ましい。
反応溶媒として水と有機溶媒とを含む場合には、上記範囲に加えて、水に対する糖濃度が10wt%以上であることがさらに好ましく、特に好ましくは15wt%以上である。有機溶媒を用いる場合には、生成したフルフラールが有機溶媒へ溶解して、分解するのを抑制可能であると考えられることから、水に対する糖濃度を比較的高い範囲にすることができる。
(Sugar concentration)
In the furfural production process, the concentration of sugar contained in the reaction solvent is not particularly limited, but the reaction solvent preferably contains water, and the sugar concentration relative to water is 0.1 wt% to 50 w.
It is preferable that it is t%, More preferably, it is 1 wt%-30 wt%, More preferably, it is 5 wt%-25 wt%. When the sugar concentration is at least the lower limit value, the separation efficiency between furfural and the solvent tends to be high, and when the sugar concentration is at most the upper limit value, side reactions can be suppressed and the yield of furfural tends to be high.
When water and an organic solvent are included as the reaction solvent, in addition to the above range, the sugar concentration relative to water is more preferably 10 wt% or more, and particularly preferably 15 wt% or more. In the case of using an organic solvent, it is considered that the generated furfural can be suppressed from dissolving and decomposing in the organic solvent, so that the sugar concentration with respect to water can be set in a relatively high range.

フルフラール製造工程において、反応溶媒中にはフルフラール製造反応を阻害しないものであれば如何なるものが含まれていても構わない。具体的には、非可食バイオマス原料に含まれる成分として硫酸イオン、硝酸イオンなどの無機酸イオン類;塩素、フッ素などのハロゲン元素;カリウム、ナトリウムなどのアルカリ金属元素;マグネシウム、カルシウムなどのアルカリ土類金属元素;ケイ素元素;リグニン等の、非可食バイオマスに由来する糖類以外の化合物を含む。ここで、上記に示した元素は反応溶媒中でどのような形態で存在しているかは特に限定されず、たとえば、化合物やイオンを構成する元素の一部であってもよい。   In the furfural production process, any reaction solvent may be used as long as it does not inhibit the furfural production reaction. Specifically, inorganic acid ions such as sulfate ions and nitrate ions as components contained in non-edible biomass materials; halogen elements such as chlorine and fluorine; alkali metal elements such as potassium and sodium; alkalis such as magnesium and calcium It includes compounds other than sugars derived from non-edible biomass, such as earth metal elements; silicon elements; and lignin. Here, the form in which the above-described elements are present in the reaction solvent is not particularly limited, and may be, for example, a part of the elements constituting the compound or ions.

(触媒)
本発明のフルフラール製造方法では、1atm、200℃において液体または固体状態であり、2個以上のカルボキシル基を有するポリカルボン酸を触媒として用いる。
有機カルボン酸は、硫酸などの無機酸と比較して酸解離定数pKaが高いため、これを触媒として反応を行い高収率でフルフラールを得るには、反応温度を高温にする必要がある。本発明者らの検討によれば、熱安定性が低い有機酸は高温条件下で分解してしまい、フルフラール収率が低下することが明らかとなった。また、高温条件下で分解してしまう有機酸を触媒として用いた場合には、反応後に回収してリサイクルすることができず、生産性の低下につながってしまう。本発明のフルフラール製造方法では、1atm、200℃において、液体または固体状態であるポリカルボン酸を触媒として用いることにより、反応温度を高温にして高効率で安定にフルフラールを生成することが可能となり、触媒のリサイクルも容易になることから、生産効率に優れたプロセス設計が可能になる。
(catalyst)
In the furfural production method of the present invention, a polycarboxylic acid that is in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C. and has two or more carboxyl groups is used as a catalyst.
Since organic carboxylic acid has a higher acid dissociation constant pKa than inorganic acids such as sulfuric acid, it is necessary to increase the reaction temperature to obtain a furfural in a high yield by performing a reaction using this as a catalyst. According to the study by the present inventors, it has been clarified that an organic acid having low thermal stability is decomposed under a high temperature condition, and the furfural yield is lowered. In addition, when an organic acid that decomposes under high temperature conditions is used as a catalyst, it cannot be recovered and recycled after the reaction, leading to a decrease in productivity. In the furfural production method of the present invention, at 1 atm and 200 ° C., by using a polycarboxylic acid that is in a liquid or solid state as a catalyst, it becomes possible to produce furfural stably with high efficiency at a high reaction temperature. Since the catalyst can be easily recycled, it is possible to design a process with excellent production efficiency.

また、1atm、200℃において液体または固体状態であるポリカルボン酸は、通常、常温で固体であり、反応液から回収したのちに晶析による精製が可能である。さらに、ギ酸や塩酸のように反応器を腐食する懸念もない。
ここで、本明細書において1atm、200℃において液体または固体状態であるポリカルボン酸とは、1atm、200℃において気化していない、又は分解していない、2個以上のカルボキシル基を有する化合物である。よって、固体や液体から気体となる温度である沸点、昇華点が200℃以上、または分解温度が200℃以上であるポリカルボン酸であるといえる。
In addition, polycarboxylic acid that is in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C. is usually solid at room temperature and can be purified by crystallization after being recovered from the reaction solution. Furthermore, there is no concern of corroding the reactor like formic acid or hydrochloric acid.
Here, a polycarboxylic acid that is in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C. in this specification is a compound having two or more carboxyl groups that is not vaporized or decomposed at 1 atm and 200 ° C. is there. Therefore, it can be said that it is a polycarboxylic acid having a boiling point and a sublimation point of 200 ° C. or higher, or a decomposition temperature of 200 ° C. or higher, which is a temperature at which a solid or liquid becomes a gas.

1atm、200℃において液体または固体状態であり、2個以上のカルボキシル基を有する化合物の具体例としては、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、アコニット酸、イタコン酸、オキサロ酢酸、フマル酸、cis−1,2−シクロペンタンジカルボン酸、trans−1,2−シクロペンタンジカルボン酸、cis−1,3−シクロペンタンジカルボン酸、trans−1,3−シクロペンタンジカルボン酸、cis−1,2−シクロヘキサンジカルボン酸、trans−1,2−シクロヘキサンジカルボン酸、cis−1,3−シクロヘキサンジカルボン酸、trans−1,3−シクロヘキサンジカルボン酸、cis−1,4−シクロヘキサンジカルボン酸、trans−1,4−シクロヘキサンジカルボン酸等の脂肪族ジカルボ
ン酸、1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸、1,3,5−シクロヘキサントリカルボン酸等の脂肪族トリカルボン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、トリメシン酸、トリメリット酸、ヘミメリット酸、メロファン酸、プレニト酸、ピロメリト酸、ベンゼンペンタカルボン酸、メリト酸等の芳香族ポリカルボン酸が挙げられる。また、これらの酸の少なくとも一部を中和した塩も用いることができる。
本発明で用いる触媒は、上記のポリカルボン酸を単独で含有していてもよいし、2種類以上を含有していてもよい。
Specific examples of compounds that are in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C. and have two or more carboxyl groups include succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, aconitic acid , Itaconic acid, oxaloacetic acid, fumaric acid, cis-1,2-cyclopentanedicarboxylic acid, trans-1,2-cyclopentanedicarboxylic acid, cis-1,3-cyclopentanedicarboxylic acid, trans-1,3-cyclo Pentanedicarboxylic acid, cis-1,2-cyclohexanedicarboxylic acid, trans-1,2-cyclohexanedicarboxylic acid, cis-1,3-cyclohexanedicarboxylic acid, trans-1,3-cyclohexanedicarboxylic acid, cis-1,4- Cyclohexanedicarboxylic acid, trans- Aliphatic dicarboxylic acids such as 1,4-cyclohexanedicarboxylic acid, aliphatic tricarboxylic acids such as 1,2,4-cyclohexanetricarboxylic acid, 1,3,5-cyclohexanetricarboxylic acid, phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, trimesic acid And aromatic polycarboxylic acids such as trimellitic acid, hemimellitic acid, merophanic acid, prenitic acid, pyromellitic acid, benzenepentacarboxylic acid, and mellitic acid. Moreover, the salt which neutralized at least one part of these acids can also be used.
The catalyst used in the present invention may contain the above polycarboxylic acid alone or may contain two or more kinds.

これらの中でも、フルフラール収率の観点から酸解離定数pKaが3.0以上4.6以下であることが好ましく、たとえばpKa3.03のフマル酸、pKa4.19のコハク酸、pKa3.51のテレフタル酸、pKa3.12のトリメシン酸、pKa4.6のセバシン酸が挙げられる。原料入手の観点からフマル酸、コハク酸、テレフタル酸が特に好ましい。
ここで、本発明で触媒として用いるポリカルボン酸の酸解離定数pKaとは、解離段が1の場合の数値とする。すなわち、2個以上のカルボキシル基のうち少なくとも1個の水素イオンが脱離する場合の酸解離定数pKaを意味する。たとえば、カルボキシル基を2個有するコハク酸では、通常、pKaは解離段が1の4.19と解離段が2の5.48となるが、本明細書では解離段が1の4.19をコハク酸のpKaと解する。
Among these, the acid dissociation constant pKa is preferably 3.0 or more and 4.6 or less from the viewpoint of furfural yield. For example, pKa3.03 fumaric acid, pKa4.19 succinic acid, pKa3.51 terephthalic acid. , PKa3.12 trimesic acid and pKa4.6 sebacic acid. From the viewpoint of obtaining raw materials, fumaric acid, succinic acid, and terephthalic acid are particularly preferable.
Here, the acid dissociation constant pKa of the polycarboxylic acid used as a catalyst in the present invention is a numerical value when the dissociation stage is 1. That is, it means the acid dissociation constant pKa when at least one hydrogen ion of two or more carboxyl groups is eliminated. For example, in the case of succinic acid having two carboxyl groups, the pKa is usually 4.19 with a dissociation stage of 1 and 5.48 with a dissociation stage of 2. In this specification, 4.19 with a dissociation stage of 1 is used. It is understood as pKa of succinic acid.

フルフラール製造工程において用いる触媒の量は、触媒の種類や反応条件等に基づき適宜設定することができ、特に限定されるものではないが、好ましくは糖に対し0.02〜50wt%であり、より好ましくは0.05〜30wt%であり、より好ましくは0.1〜20wt%である。触媒量が下限値以上であると、反応速度が速くなりフルフラールの生産性が向上する傾向がある。触媒量が上限値以下であると、副反応が抑えられてフルフラールの選択率が向上する傾向があり好ましい。   The amount of the catalyst used in the furfural production process can be appropriately set based on the type of catalyst, reaction conditions, etc., and is not particularly limited, but is preferably 0.02 to 50 wt% with respect to the sugar, more Preferably it is 0.05-30 wt%, More preferably, it is 0.1-20 wt%. When the catalyst amount is at least the lower limit value, the reaction rate tends to increase and the furfural productivity tends to improve. It is preferable that the amount of the catalyst is not more than the upper limit because side reactions are suppressed and the selectivity of furfural tends to be improved.

本発明の製造方法においては、主な触媒として、1atm、200℃において液体または固体状態であるポリカルボン酸を用いることが必要であるが、本発明の効果を損なわない限り、これ以外のカルボン酸を微量の範囲で含んでいてもよい。たとえば、乳酸、シュウ酸、ギ酸、酢酸、安息香酸、プロピオン酸、酪酸、カプロン酸、マレイン酸、リンゴ酸、クエン酸、酒石酸などのカルボン酸を含んでいてもよく、なかでも1atm、200℃で固体あるいは液体状態である、乳酸、安息香酸、カプロン酸などのカルボン酸が好ましい。これらを含む場合には、触媒の全体量に対して0.01〜30wt%の範囲で含んでいてもよい。   In the production method of the present invention, it is necessary to use a polycarboxylic acid that is in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C. as the main catalyst, but other carboxylic acids may be used as long as the effects of the present invention are not impaired. May be contained in a trace amount. For example, it may contain carboxylic acids such as lactic acid, oxalic acid, formic acid, acetic acid, benzoic acid, propionic acid, butyric acid, caproic acid, maleic acid, malic acid, citric acid, tartaric acid, and in particular at 1 atm and 200 ° C. Carboxylic acids such as lactic acid, benzoic acid and caproic acid which are in a solid or liquid state are preferred. When these are included, you may include in 0.01-30 wt% with respect to the whole quantity of a catalyst.

(反応溶媒)
フルフラール製造工程において用いる反応溶媒は、水や有機溶媒であることが好ましい。通常、水のみで反応を行うことが可能であるが、有機溶媒を添加して反応を行うこともできる。コスト優位性の観点からは、反応溶媒として水のみを用いることが好ましく、フルフラールの収率向上の観点からは、反応溶媒として水と有機溶媒とを用いることが好ましい。
有機溶媒の添加によって均一混合溶媒で反応を行うことができるが、フルフラールの重合や分解反応を抑制し、フルフラールの収率が向上するため、水層と有機層の2層系となる有機溶媒を用いることが好ましい。用いる有機溶媒の量は本発明の趣旨を損ねない限り、特に限定されないが、水に対して10〜5000wt%であることが好ましく、特に10〜1000wt%であることが好ましい。
(Reaction solvent)
The reaction solvent used in the furfural production process is preferably water or an organic solvent. Usually, the reaction can be performed only with water, but the reaction can also be performed by adding an organic solvent. From the viewpoint of cost advantage, it is preferable to use only water as the reaction solvent, and from the viewpoint of improving the yield of furfural, it is preferable to use water and an organic solvent as the reaction solvent.
Although the reaction can be carried out with a homogeneous mixed solvent by adding an organic solvent, the polymerization and decomposition reaction of furfural is suppressed, and the yield of furfural is improved. It is preferable to use it. The amount of the organic solvent to be used is not particularly limited as long as the gist of the present invention is not impaired, but it is preferably 10 to 5000 wt%, particularly preferably 10 to 1000 wt% with respect to water.

前記有機溶媒は、前記糖からのフルフラール合成反応を阻害するものでなければ特に限定されるものではないが、例えば、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、メチル-tert−ブチルエーテ
ル、ブチルエーテル、ペンチルエーテル、ヘキシルエーテル、オクチルエーテル、ノニルエーテル、デシルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル等の炭素数4〜20のエーテル類;2−ブタノン、2−ペンタノン、3−ペンタノン、2−ヘキサノン、3−ヘキサノン、シクロヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン、5−メチル−2−ヘキサノン、2,4−ジメチルペンタノン、5−ノナノン、4−デカノン、5−デカノン、2−ウンデカノン、4−ウンデカノン、3−ドデカノン、2−トリデカノン、2−テトラデカノン、4−テトラデカノン、2−ペンタデカノン、3−ペンタデカノン、7−ペンタデカノン、2−ヘキサデカノン、3−ヘキサデカノン、4−ヘキサデカノン、6−ヘキサデカノン、2−ヘプタデカノン、4−ヘプタデカノン、9−ヘプタデカノン、3−オクタデカノン、アセトフェノン等の炭素数4〜20のケトン類;酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル等のエステル類;1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、2−メチル−2−プロパノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、3−メチル−1−ブタノール、2,2−ジメチル−1−プロパノール、1−ヘキサノール、2−ヘキサノール、3−ヘキサノール、2−メチル−1−ペンタノール、1−ヘプタノール、2−ヘプタノール、1−オクタノール、2−オクタノール、3−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、1−ノナノール、1−デカノール、1−ウンデシルアルコール、1−ラウリルアルコール、1−トリデシルアルコール、1−テトラデカノール、1−ペンタデシルアルコール、1−ヘキサデカノール、シス−9−ヘキサデセン−1−オール、1−ヘプタデカノール、1−オクタデカノール、16−メチルヘプタデセン−1−オール、ノナデシルアルコール、アラキジルアルコール等の炭素数3〜20のアルコール類;ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ドデカン、イソドデカンなどの炭素数3〜12の飽和脂肪族炭化水素化合物;トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン、1−メチルナフタレンなどの芳香族炭化水素があげられる。前記有機溶媒がエーテル、ケトン、エステル、アルコール、芳香族炭化水素、および飽和脂肪族炭化水素よりなる群の少なくとも1つから選ばれることが好ましい。
このうち、2層系で反応を行う場合は、フルフラールの抽出効率および有機溶媒の水への溶解量の観点からメチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、アセトフェノン、1−ブタノール、2−ブタノール、1−ペンタノール、1−ヘキサノール、トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、1,2,3,4−テトラヒドロナフタレン、1−メチルナフタレン、シクロヘキサン、イソドデカンが好ましい。上記有機溶媒は溶媒の回収・再利用を考慮すると単一溶媒のほうが好ましいが、2種類以上を用いても構わない。
The organic solvent is not particularly limited as long as it does not inhibit the furfural synthesis reaction from the sugar. For example, diethyl ether, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, dipropyl ether, diisopropyl ether, methyl-tert-butyl ether , Ethers having 4 to 20 carbon atoms such as butyl ether, pentyl ether, hexyl ether, octyl ether, nonyl ether, decyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether; 2-butanone, 2-pentanone, 3-pentanone, 2-hexanone, 3-hexanone, cyclohexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2-heptanone, 5- Til-2-hexanone, 2,4-dimethylpentanone, 5-nonanone, 4-decanone, 5-decanone, 2-undecanone, 4-undecanone, 3-dodecanone, 2-tridecanone, 2-tetradecanone, 4-tetradecanone, Carbon number 4 such as 2-pentadecanone, 3-pentadecanone, 7-pentadecanone, 2-hexadecanone, 3-hexadecanone, 4-hexadecanone, 6-hexadecanone, 2-heptadecanone, 4-heptadecanone, 9-heptadecanone, 3-octadecanone, acetophenone ~ 20 ketones; esters such as ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate; 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-methyl-1-propanol, 2-methyl-2-propanol 1-pentanol, 2 -Pentanol, 3-pentanol, 3-methyl-1-butanol, 2,2-dimethyl-1-propanol, 1-hexanol, 2-hexanol, 3-hexanol, 2-methyl-1-pentanol, 1- Heptanol, 2-heptanol, 1-octanol, 2-octanol, 3-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, 1-nonanol, 1-decanol, 1-undecyl alcohol, 1-lauryl alcohol, 1-tridecyl alcohol 1-tetradecanol, 1-pentadecyl alcohol, 1-hexadecanol, cis-9-hexadecen-1-ol, 1-heptadecanol, 1-octadecanol, 16-methylheptadecen-1-ol , Nonadecyl alcohol, arachidyl alcohol, etc. Saturated aliphatic hydrocarbon compounds having 3 to 12 carbon atoms such as pentane, hexane, cyclohexane, heptane, octane, nonane, decane, dodecane, isododecane; toluene, xylene, trimethylbenzene, 1, 2, 3, 4 -Aromatic hydrocarbons such as tetrahydronaphthalene and 1-methylnaphthalene. The organic solvent is preferably selected from at least one of the group consisting of ethers, ketones, esters, alcohols, aromatic hydrocarbons, and saturated aliphatic hydrocarbons.
Among these, when the reaction is carried out in a two-layer system, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, acetophenone, 1-butanol, 2-butanol, 1-pentanol, from the viewpoint of the extraction efficiency of furfural and the amount of organic solvent dissolved in water, 1-hexanol, toluene, xylene, trimethylbenzene, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene, 1-methylnaphthalene, cyclohexane and isododecane are preferred. The organic solvent is preferably a single solvent in consideration of solvent recovery / reuse, but two or more types may be used.

(反応形態)
フルフラール製造工程の反応形態は特に限定されず、バッチ式でも半回分式でも連続式でもよく、これらを組み合わせた反応形態でもよい。生産性向上の観点からは、半回文式反応および連続式反応が好ましく、操作の簡易さの観点からはバッチ式反応が好ましい。また、反応生成物であるフルフラールを生産しながら蒸留する反応蒸留方式でも構わない。反応蒸留式の場合、減圧で実施しても常圧で実施してもいずれでも構わない。
(Reaction form)
The reaction form of the furfural production process is not particularly limited, and may be a batch type, a semi-batch type, a continuous type, or a combination of these. From the viewpoint of improving productivity, semicircular reaction and continuous reaction are preferable, and batch reaction is preferable from the viewpoint of easy operation. Moreover, the reactive distillation system which distills while producing the furfural which is a reaction product may be used. In the case of the reactive distillation method, it may be carried out at reduced pressure or at normal pressure.

(反応条件)
フルフラール製造工程の反応温度は特に限定されないが、具体的には100℃以上であることが好ましく、より好ましくは120℃以上、さらに好ましくは160℃以上であって、250℃以下であることが好ましく、より好ましくは230℃以下である。反応温度が下限値以上であると、反応の進行が速くなる傾向があり、フルフラールの生産性が向上する。反応温度が上限値以下であると、フルフラール及び原料の糖が分解や重合を起こすことを抑制し、フルフラールの収率を向上させる傾向があるため好ましい。
本発明の製造方法によれば、1atm、200℃において液体または固体状態であるポ
リカルボン酸を触媒として用いるので、反応温度を160℃以上と比較的高温にすることができ、反応を効率よく進行させることができる。
(Reaction conditions)
Although the reaction temperature in the furfural production process is not particularly limited, specifically, it is preferably 100 ° C or higher, more preferably 120 ° C or higher, still more preferably 160 ° C or higher, and preferably 250 ° C or lower. More preferably, it is 230 degrees C or less. When the reaction temperature is equal to or higher than the lower limit, the progress of the reaction tends to be faster, and the productivity of furfural is improved. It is preferable for the reaction temperature to be equal to or lower than the upper limit value because it suppresses the decomposition and polymerization of furfural and the raw material sugar and improves the yield of furfural.
According to the production method of the present invention, since a polycarboxylic acid that is in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C. is used as a catalyst, the reaction temperature can be set to a relatively high temperature of 160 ° C. or more, and the reaction proceeds efficiently. Can be made.

フルフラール製造工程の反応時間は、原料や触媒の使用量、種類、反応温度により異なるが、具体的には0.1時間以上が好ましく、より好ましくは0.5時間以上であって、20時間以下が好ましく、より好ましくは10時間以下である。反応時間が下限値以上である場合には、反応の進行を促進し、転化率が向上することによりフルフラール収率が向上する傾向があり、反応時間が上限値以下であると、フルフラールが分解や重合を起こすことを抑制し、フルフラールの収率を向上させる傾向があるため好ましい。   The reaction time of the furfural production process varies depending on the amount of raw materials and catalyst used, the type, and the reaction temperature. Is more preferable, and more preferably 10 hours or less. When the reaction time is equal to or higher than the lower limit, the progress of the reaction is promoted, and the conversion tends to improve the furfural yield. When the reaction time is lower than the upper limit, the furfural is decomposed. It is preferable because it tends to suppress polymerization and improve the yield of furfural.

(分離・精製工程)
フルフラール製造工程で得られたフルフラールは、反応終了後、反応液から適宜、濃縮、抽出、蒸留等の一般的な分離・精製操作を経て、分離され適宜目的とする純度まで精製することができる。また、精密蒸留法やカラムクロマト分離精製法を用いることで、更に純度を向上することができる。
(Separation and purification process)
After completion of the reaction, the furfural obtained in the furfural production process can be separated from the reaction solution through general separation / purification operations such as concentration, extraction, distillation, and the like, and then purified to the desired purity. Further, the purity can be further improved by using a precision distillation method or a column chromatography separation and purification method.

(触媒リサイクル)
フルフラール製造工程で用いた触媒は、分離・精製工程で回収し、リサイクルしてもよい。具体的な分離・精製方法としては、蒸留、溶媒抽出、晶析があげられる。また、これら分離・精製方法を組み合わせて用いることもできる。
(Catalyst recycling)
The catalyst used in the furfural production process may be recovered and recycled in the separation / purification process. Specific separation / purification methods include distillation, solvent extraction, and crystallization. These separation / purification methods can also be used in combination.

(フルフラール収率)
本発明の製造方法で得られるフルフラールの収率は、特に限定はされず、原料によって大きく異なるが、通常15%以上であり、好ましくは20%以上であり、上限は特に限定されず、通常は100%以下である。
なお前記収率は、下記の通りの計算式で算出した。
収率(%) = (反応後のフルフラール(mol)/仕込原料糖類化合物(mol))×
100
(Furfural yield)
The yield of furfural obtained by the production method of the present invention is not particularly limited and varies greatly depending on the raw materials, but is usually 15% or more, preferably 20% or more, and the upper limit is not particularly limited, usually 100% or less.
The yield was calculated by the following calculation formula.
Yield (%) = (Furfural after reaction (mol) / Stage raw material saccharide compound (mol)) ×
100

以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

実施例で得られた反応混合物の高速液体クロマトグラフィー(以下、HPLC)の測定条件を以下に示す。
<高速液体クロマトグラフィー分析>
(糖・有機酸の測定条件)
ポンプ :島津製作所社製 LC−20AD
カラムオーブン:島津製作所社製 CTO−10A
UV検出器 :島津製作所社製 SPD−10A
RI検出器 :島津製作所社製 RID−10A
カラム: ULTRON PS− 80H 300L×8.0mmID(信和化工製)溶離液: 0.0108%HClOaq..
カラム温度: 60℃
流速: 1.0mL/min
注入量: 10μL
検出: RI
(フルフラールの測定条件)
装置: Agilent Technologys社製 1200Series
カラム: Develosil C30
4.6mm×100mmL. 3μm (野村化学製)
溶離液: A−0.054% HClOaq. B−アセトニトリル
A/B=95/5→0/100
カラム温度: 40℃
流速: 1.0mL/min
注入量: 10μL
検出器: UV(280nm、210nm)
The measurement conditions of the high performance liquid chromatography (henceforth, HPLC) of the reaction mixture obtained in the Example are shown below.
<High performance liquid chromatography analysis>
(Measurement conditions for sugars and organic acids)
Pump: LC-20AD manufactured by Shimadzu Corporation
Column oven: CTO-10A manufactured by Shimadzu Corporation
UV detector: Shimadzu Corporation SPD-10A
RI detector: Shimadzu Corporation RID-10A
Column: ULTRON PS-80H 300L × 8.0 mm ID (manufactured by Shinwa Kako) Eluent: 0.0108% HClO 4 aq. .
Column temperature: 60 ° C
Flow rate: 1.0 mL / min
Injection volume: 10 μL
Detection: RI
(Furfural measurement conditions)
Apparatus: 1200 Series made by Agilent Technologies
Column: Develosil C30
4.6mm x 100mmL. 3μm (Nomura Chemical)
Eluent: A-0.054% HClO 4 aq . B-acetonitrile
A / B = 95/5 → 0/100
Column temperature: 40 ° C
Flow rate: 1.0 mL / min
Injection volume: 10 μL
Detector: UV (280 nm, 210 nm)

<実施例1>
70mLミクロオートクレーブに、糖としてキシラン(SIGMA−ALDRICH製)を0.10g、反応溶媒として脱塩水を1.9g、および触媒としてフマル酸を0.02g入れて、容器を密閉した後、内部空間を窒素で置換した。内容物を撹拌しながら200℃まで昇温し、200℃で1時間、加熱撹拌して反応を行った。
反応終了後、撹拌を維持しながら室温まで放冷し、オートクレーブ中の反応液を全量回収した。得られた反応液のうち0.10gを脱塩水1.02gで希釈し、0.45μmのフィルターでろ過して、上記の条件にてHPLC分析を行った。
HPLC分析の結果をもとに、下記計算式によりフルフラール(FRL)収率、キシロース収率を求めた。なお、キシランは(C)nのユニットとして収率を算出した。
FRL収率(%) = (反応後のFRL量(mol)/仕込糖(キシラン)量(mol
))×100
キシロース収率(%) = (反応後のキシロース量(mol)/仕込糖(キシラン)量
(mol))×100
反応液中のFRL濃度は1.33wt%、キシロース濃度は0.931wt%であり、FRL収率は36.2%、キシロース収率は1.62%であった。
結果を表1に示した。
<Example 1>
In a 70 mL micro autoclave, 0.10 g of xylan (manufactured by SIGMA-ALDRICH) as a sugar, 1.9 g of demineralized water as a reaction solvent, and 0.02 g of fumaric acid as a catalyst were sealed, and after the container was sealed, the internal space was Replaced with nitrogen. While stirring the contents, the temperature was raised to 200 ° C., and the reaction was conducted by heating and stirring at 200 ° C. for 1 hour.
After completion of the reaction, the mixture was allowed to cool to room temperature while maintaining stirring, and the entire reaction solution in the autoclave was recovered. 0.10 g of the obtained reaction solution was diluted with 1.02 g of demineralized water, filtered through a 0.45 μm filter, and subjected to HPLC analysis under the above conditions.
Based on the result of the HPLC analysis, the furfural (FRL) yield and the xylose yield were determined by the following formula. The yield of xylan was calculated as a unit of (C 5 H 8 O 4 ) n.
FRL yield (%) = (FRL amount after reaction (mol) / Feed sugar (xylan) amount (mol
)) X 100
Xylose yield (%) = (Amount of xylose after reaction (mol) / Amount of charged sugar (xylan) (mol)) × 100
The FRL concentration in the reaction solution was 1.33 wt%, the xylose concentration was 0.931 wt%, the FRL yield was 36.2%, and the xylose yield was 1.62%.
The results are shown in Table 1.

<実施例2>
実施例1において触媒としてテレフタル酸を用いた以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は0.909wt%、キシロース濃度は0.280wt%であり、FRL収率は24.5%、キシロース収率は0.483%であった。
結果を表1に示した。
<Example 2>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that terephthalic acid was used as a catalyst in Example 1.
The FRL concentration in the reaction solution was 0.909 wt%, the xylose concentration was 0.280 wt%, the FRL yield was 24.5%, and the xylose yield was 0.483%.
The results are shown in Table 1.

<実施例3>
実施例1において触媒としてコハク酸を用いた以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は0.891wt%、キシロース濃度は0.499wt%であり、FRL収率は24.5%、キシロース収率は0.878%であった。
結果を表1に示した。
<Example 3>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that succinic acid was used as a catalyst in Example 1.
The FRL concentration in the reaction solution was 0.891 wt%, the xylose concentration was 0.499 wt%, the FRL yield was 24.5%, and the xylose yield was 0.878%.
The results are shown in Table 1.

<実施例4>
実施例1において触媒としてトリメシン酸を用いた以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は1.24wt%、キシロース濃度は0.835wt%であり、FRL収率は34.0%、キシロース収率は1.47%であった。
結果を表1に示した。
<Example 4>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that trimesic acid was used as a catalyst in Example 1.
The FRL concentration in the reaction solution was 1.24 wt%, the xylose concentration was 0.835 wt%, the FRL yield was 34.0%, and the xylose yield was 1.47%.
The results are shown in Table 1.

<実施例5>
実施例1において触媒としてトリメット酸を用いた以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は1.31wt%、キシロース濃度は1.808wt%であり、FRL収率は36.2%、キシロース収率は3.20%であった。
結果を表1に示した。
<Example 5>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that trimet acid was used as a catalyst in Example 1.
The FRL concentration in the reaction solution was 1.31 wt%, the xylose concentration was 1.808 wt%, the FRL yield was 36.2%, and the xylose yield was 3.20%.
The results are shown in Table 1.

<比較例1>
キシランを0.0538g、脱塩水を0.95g、および触媒として酢酸を0.02g用いたこと以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は0.371wt%、キシロース濃度は0.393wt%であった。FRL収率は9.61%、キシロース収率は0.635%となった。
結果を表1にまとめた。
<Comparative Example 1>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that 0.0538 g of xylan, 0.95 g of demineralized water, and 0.02 g of acetic acid were used as a catalyst.
The FRL concentration in the reaction solution was 0.371 wt%, and the xylose concentration was 0.393 wt%. The FRL yield was 9.61% and the xylose yield was 0.635%.
The results are summarized in Table 1.

<比較例2>
触媒としてシュウ酸を用い、反応を160℃で4時間で行った以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は0.797wt%、キシロース濃度は1.43wt%であった。FRL収率は22.1%、キシロース収率は25.3%となった。また、反応後にHPLC測定を実施した結果、シュウ酸濃度は0.282wt%であり、仕込み計算値である1.14wt%の約25%に低下していることから、反応中にシュウ酸が分解したと推測される。
結果を表1にまとめた。
<Comparative example 2>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that oxalic acid was used as a catalyst and the reaction was performed at 160 ° C. for 4 hours.
The FRL concentration in the reaction solution was 0.797 wt%, and the xylose concentration was 1.43 wt%. The FRL yield was 22.1% and the xylose yield was 25.3%. Moreover, as a result of carrying out HPLC measurement after the reaction, the oxalic acid concentration was 0.282 wt%, which was reduced to about 25% of 1.14 wt%, which is the calculated value of the charge, so oxalic acid was decomposed during the reaction. I guess it was.
The results are summarized in Table 1.

Figure 0006380018
Figure 0006380018

実施例1〜5と比較例1、2の比較により、1atm、200℃において、液体または固体状態であり、2個以上のカルボキシル基を有する化合物を触媒として用いた場合には、200℃という高温で反応を行っても安定してフルフラールを生成することができ、フ
ルフラール収率も十分高いものであることがわかる。また、触媒が分解することなく反応を終了できていることから、触媒を容易に回収し、リサイクル可能であることがわかる。
本実施例では、1atm、200℃において、液体もしくは固体状態であり、2個以上のカルボキシル基を有する化合物を触媒として用いた場合には、安定して高収率でフルフラールを生成することでき、生産効率に優れたプロセスであることを示している。
In comparison between Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, when a compound having two or more carboxyl groups in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C. is used as a catalyst, the temperature is as high as 200 ° C. It can be seen that furfural can be stably produced even when the reaction is carried out with a sufficiently high furfural yield. Further, since the reaction can be completed without decomposing the catalyst, it can be seen that the catalyst can be easily recovered and recycled.
In this example, when a compound having two or more carboxyl groups in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C. is used as a catalyst, furfural can be stably generated in a high yield, This shows that the process has excellent production efficiency.

<実施例6>
実施例1において反応を160℃で4時間で行った以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は0.877wt%、キシロース濃度は1.43wt%であり、FRL収率は24.4%、キシロース収率は25.5%であった。
結果を表2に示した。
<Example 6>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that the reaction was performed at 160 ° C. for 4 hours in Example 1.
The FRL concentration in the reaction solution was 0.877 wt%, the xylose concentration was 1.43 wt%, the FRL yield was 24.4%, and the xylose yield was 25.5%.
The results are shown in Table 2.

<実施例7>
実施例1において反応を160℃で6時間で行った以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は1.10wt%、キシロース濃度は0.597wt%であり、FRL収率は29.4%、キシロース収率は10.3%であった。
結果を表2に示した。
<Example 7>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that the reaction was performed at 160 ° C. for 6 hours in Example 1.
The FRL concentration in the reaction solution was 1.10 wt%, the xylose concentration was 0.597 wt%, the FRL yield was 29.4%, and the xylose yield was 10.3%.
The results are shown in Table 2.

<実施例8>
実施例1において反応を160℃で8時間で行った以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は1.26wt%、キシロース濃度は0.430wt%であり、FRL収率は34.5%、キシロース収率は7.55%であった。
結果を表2に示した。
<Example 8>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that the reaction was performed at 160 ° C. for 8 hours in Example 1.
The FRL concentration in the reaction solution was 1.26 wt%, the xylose concentration was 0.430 wt%, the FRL yield was 34.5%, and the xylose yield was 7.55%.
The results are shown in Table 2.

<実施例9>
実施例1において反応を180℃で4時間で行った以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は1.21wt%、キシロース濃度は0.140wt%であり、FRL収率は33.1%、キシロース収率は2.47%であった。
結果を表2に示した。
<Example 9>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that the reaction was performed at 180 ° C. for 4 hours in Example 1.
The FRL concentration in the reaction solution was 1.21 wt%, the xylose concentration was 0.140 wt%, the FRL yield was 33.1%, and the xylose yield was 2.47%.
The results are shown in Table 2.

<実施例10>
実施例1において糖としてキシロースを用い、触媒であるフマル酸の量を0.004gとしたこと以外は実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
なお、糖としてキシロースを原料として用いた場合のFRLの収率は、以下の式で算出した。
FRL収率(%) = (反応後のFRL量(mol)/仕込糖(キシロース)量(mo
l))×100
反応液中のFRL濃度は1.32wt%、キシロース濃度は0.773wt%であり、FRL収率は40.1%、キシロース収率は39.6%であった。
結果を表2に示した。
<Example 10>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that xylose was used as the sugar in Example 1 and the amount of fumaric acid as a catalyst was 0.004 g.
In addition, the yield of FRL at the time of using xylose as a raw material as sugar was computed with the following formula | equation.
FRL yield (%) = (FRL amount after reaction (mol) / Feed sugar (xylose) amount (mo
l)) x 100
The FRL concentration in the reaction solution was 1.32 wt%, the xylose concentration was 0.773 wt%, the FRL yield was 40.1%, and the xylose yield was 39.6%.
The results are shown in Table 2.

<実施例11>
実施例1において触媒であるフマル酸の量を0.004gとしたこと以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は0.692wt%、キシロース濃度は0.924wt%であり、FRL収率は19.0%、キシロース収率は1.63%であった。
結果を表2に示した。
<Example 11>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 1 except that the amount of fumaric acid as a catalyst in Example 1 was 0.004 g.
The FRL concentration in the reaction solution was 0.692 wt%, the xylose concentration was 0.924 wt%, the FRL yield was 19.0%, and the xylose yield was 1.63%.
The results are shown in Table 2.

<実施例12>
実施例1において糖としてキシランを0.40g、反応溶媒として脱塩水を7.6g、および触媒としてフマル酸を0.08gとしたこと以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は1.30wt%、キシロース濃度は0.229wt%であり、FRL収率は36.0%、キシロース収率は4.06%であった。
結果を表2に示した。
<Example 12>
A reaction solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0.40 g of xylan was used as the sugar in Example 1, 7.6 g of demineralized water was used as the reaction solvent, and 0.08 g of fumaric acid was used as the catalyst. Analysis was carried out.
The FRL concentration in the reaction solution was 1.30 wt%, the xylose concentration was 0.229 wt%, the FRL yield was 36.0%, and the xylose yield was 4.06%.
The results are shown in Table 2.

<実施例13>
実施例1において糖としてキシランを0.80g、反応溶媒として脱塩水を15.2g、および触媒としてフマル酸を0.16gとしたこと以外は、実施例1と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は1.33wt%、キシロース濃度は0.154wt%であり、FRL収率は36.7%、キシロース収率は2.73%であった。
<Example 13>
A reaction solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0.80 g of xylan as a sugar, 15.2 g of demineralized water as a reaction solvent, and 0.16 g of fumaric acid as a catalyst in Example 1, Analysis was carried out.
The FRL concentration in the reaction solution was 1.33 wt%, the xylose concentration was 0.154 wt%, the FRL yield was 36.7%, and the xylose yield was 2.73%.

<実施例14>
実施例1において触媒であるテレフタル酸の量を0.004gとしたこと以外は、実施例2と同様にして反応液を得て、分析を行った。
反応液中のFRL濃度は0.643t%、キシロース濃度は0.280wt%であり、FRL収率は17.6%、キシロース収率は0.49%であった。
結果を表2に示した。
<Example 14>
A reaction solution was obtained and analyzed in the same manner as in Example 2 except that the amount of terephthalic acid as a catalyst in Example 1 was 0.004 g.
The FRL concentration in the reaction solution was 0.643 t%, the xylose concentration was 0.280 wt%, the FRL yield was 17.6%, and the xylose yield was 0.49%.
The results are shown in Table 2.

Figure 0006380018
Figure 0006380018

本発明のフルフラールの製造方法によれば、糖からフルフラールを製造するにあたって用いる触媒の処理コストを低減することができる。また、効率的に目的生成物を製造するための反応条件を設定することが可能となり、高収率でフルフラールを製造する方法が提供される。加えて、特定の触媒を用いることで、触媒のリサイクルや精製を容易に行うことができ、生産効率に優れたプロセス設計が可能になる。   According to the method for producing furfural of the present invention, the processing cost of the catalyst used for producing furfural from sugar can be reduced. Moreover, it becomes possible to set reaction conditions for efficiently producing the target product, and a method for producing furfural with high yield is provided. In addition, by using a specific catalyst, the catalyst can be easily recycled and purified, and a process design with excellent production efficiency becomes possible.

Claims (9)

触媒存在下で糖からフルフラールを製造する工程(以下、「フルフラール製造工程」という。)を有するフルフラールの製造方法であって、該触媒が、1atm、200℃において液体または固体状態であり、2個以上のカルボキシル基を有する化合物であることを特徴とする、フルフラールの製造方法。   A method for producing furfural comprising a step of producing furfural from sugar in the presence of a catalyst (hereinafter referred to as “furfural manufacturing step”), wherein the catalyst is in a liquid or solid state at 1 atm and 200 ° C. A method for producing furfural, which is a compound having the above carboxyl group. 前記触媒は、pKaが3.0以上4.6以下の化合物である、請求項1に記載のフルフラールの製造方法。   The method for producing furfural according to claim 1, wherein the catalyst is a compound having a pKa of 3.0 or more and 4.6 or less. 前記触媒が、フマル酸、コハク酸、またはテレフタル酸である、請求項1または2に記載のフルフラールの製造方法。   The method for producing furfural according to claim 1 or 2, wherein the catalyst is fumaric acid, succinic acid, or terephthalic acid. 前記触媒が、前記糖に対して0.02〜50wt%存在する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のフルフラールの製造方法。   The method for producing furfural according to any one of claims 1 to 3, wherein the catalyst is present in an amount of 0.02 to 50 wt% with respect to the sugar. 前記糖が、炭素数5の単糖または炭素数5の単糖を構成成分として有する多糖である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のフルフラールの製造方法。   The method for producing furfural according to any one of claims 1 to 4, wherein the sugar is a monosaccharide having 5 carbon atoms or a monosaccharide having 5 carbon atoms as a constituent component. 前記フルフラール製造工程における反応温度が100℃〜250℃である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のフルフラールの製造方法   The manufacturing method of the furfural of any one of Claims 1-5 whose reaction temperature in the said furfural manufacturing process is 100 to 250 degreeC. 前記フルフラール製造工程における反応溶媒が水を含み、水に対する糖の濃度が0.1〜50wt%である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のフルフラールの製造方法。   The method for producing furfural according to any one of claims 1 to 6, wherein a reaction solvent in the furfural production step contains water, and a sugar concentration relative to water is 0.1 to 50 wt%. 前記フルフラール製造工程における反応溶媒が水と有機溶媒とを含み、水に対する有機溶媒の比率が10〜5000wt%である、請求項1〜7のいずれか1項に記載のフルフラールの製造方法。   The manufacturing method of the furfural of any one of Claims 1-7 whose reaction solvent in the said furfural manufacturing process contains water and an organic solvent, and the ratio of the organic solvent with respect to water is 10-5000 wt%. 前記有機溶媒がエーテル、ケトン、エステル、アルコール、芳香族炭化水素、および飽和脂肪族炭化水素よりなる群の少なくとも1つから選ばれる、請求項8に記載のフルフラールの製造方法。   The method for producing furfural according to claim 8, wherein the organic solvent is selected from at least one of the group consisting of ethers, ketones, esters, alcohols, aromatic hydrocarbons, and saturated aliphatic hydrocarbons.
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