JP6425936B2 - Process for producing 5-hydroxymethylfurfural - Google Patents

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Description

本発明は、5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法に関し、特に、セルロースを原料に用いた5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法に関する。   The present invention relates to a process for producing 5-hydroxymethylfurfural, and more particularly to a process for producing 5-hydroxymethylfurfural using cellulose as a raw material.

5−ヒドロキシメチルフルフラール(以下、「HMF」ということもある)は、樹脂材料、燃料、化成品、界面活性剤、香粧品などの種々の有用な化学物質の原料となるので、重要な化学中間体である。このHMFを有用な化学物質に変換する方法、および変換で得られた生成物の有効利用方法の例として、次のようなものがある。
酸化反応によればフランジカルボン酸に変換することができて、この生成物はテレフタル酸の代替物質として期待されている。また、水素化反応によれば、ジメチルフランへと変換され、燃料添加剤としての利用が期待されている。さらに、加水分解反応によればレブリン酸が生成し、γ-バレロラクトンの原料など広範な利用が期待できる。
5-hydroxymethylfurfural (hereinafter sometimes referred to as "HMF") is a raw material for various useful chemicals such as resin materials, fuels, chemicals, surfactants, cosmetics etc. It is a body. The following are examples of methods of converting this HMF into useful chemicals, and methods of making effective use of the product obtained by the conversion.
It can be converted to furandicarboxylic acid by the oxidation reaction, and this product is expected as a substitute for terephthalic acid. Also, according to the hydrogenation reaction, it is converted to dimethyl furan, and its use as a fuel additive is expected. Furthermore, levulinic acid is produced by the hydrolysis reaction, and it can be expected to be widely used as a raw material of γ-valerolactone.

このHMFは、糖類を種々の条件下で加水分解及び脱水反応をさせることにより製造することができるが、近年、石油の代替として、廃木材などの廃棄バイオマスが化学原料資源として注目されており、セルロースを原料にしてHMFを合成する方法が種々提案されている。   This HMF can be produced by hydrolyzing and dehydrating sugars under various conditions, but in recent years, waste biomass such as waste wood has attracted attention as a chemical raw material resource as a substitute for petroleum, Various methods for synthesizing HMF using cellulose as a raw material have been proposed.

例えば、特許文献1では、セルロースから乳酸及び5−ヒドロキシメチルフルフラール及びフルフラールを製造する方法において、セルロースを含有する水を経路へ流す流通工程と、前記水に塩基が添加されている状態で前記水が前記経路内で温度150℃以上400℃未満、圧力5MPa以上の状態にされる乳酸製造工程と、前記乳酸製造工程の前あるいは後に、前記水に酸が添加されている状態で前記水が前記経路内で温度250℃以上400℃未満、圧力10MPa以上の状態にされる5−ヒドロキシメチルフルフラール及びフルフラール製造工程とにより、乳酸及び5−ヒドロキシメチルフルフラール及びフルフラールを製造することが記載されている。しかしながら、圧力5MPaという高圧条件を課す必要があり、高圧反応を安全に行うための装置や維持管理にコストがかかると予想される。   For example, in Patent Document 1, in the method for producing lactic acid and 5-hydroxymethylfurfural and furfural from cellulose, a process of flowing water containing cellulose into a route, and the water in a state where a base is added to the water. In the lactic acid production process in which the temperature is 150 ° C. or more and less than 400 ° C., and the pressure is 5 MPa or more, and before or after the lactic acid production process, the water is added with the acid added to the water. It is described that lactic acid and 5-hydroxymethylfurfural and furfural are produced by 5-hydroxymethylfurfural and furfural manufacturing steps in which the temperature is 250 ° C. or more and less than 400 ° C. and the pressure is 10 MPa or more. However, it is necessary to impose a high pressure condition of 5 MPa pressure, and it is expected that equipment and maintenance for safely performing the high pressure reaction will be costly.

また、特許文献2では、セルロースから5−ヒドロキシメチルフルフラールを製造する方法において、反応温度200℃以上400℃未満、圧力10MPa以上40MPa以下の水に、セルロースと酸と触媒を共存させることによって、前記セルロースを直接5−ヒドロキシメチルフルフラールにまで選択的に分解すること、及び該触媒として、スカンジウムトリフラート、モンモリロナイト、白金担持アルミナを用いることが記載されている。しかしながら、該方法では、水を10MPa以上40MPa以下と高圧条件に保つ必要があり、安全な反応のためには装置コスト、維持管理コストが多大になると予想される。また、酸としては硫酸や硝酸、リン酸などの無機酸やギ酸や酢酸などの有機酸が挙げられており、水以外に添加剤的に使用する必要性がある。また装置腐食など維持管理にコストがかかることが予想される。   Moreover, in Patent Document 2, in the method of producing 5-hydroxymethylfurfural from cellulose, the reaction temperature is 200 ° C. or more and less than 400 ° C., and the pressure is 10 MPa or more and 40 MPa or less. The selective decomposition of cellulose directly to 5-hydroxymethylfurfural and the use of scandium triflate, montmorillonite, platinum-loaded alumina as the catalyst are described. However, in this method, it is necessary to maintain water under high pressure conditions of 10 MPa to 40 MPa, and it is expected that equipment cost and maintenance cost will be large for safe reaction. Further, as the acid, inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid and phosphoric acid, and organic acids such as formic acid and acetic acid are mentioned, and it is necessary to use as an additive other than water. In addition, it is expected that maintenance costs such as equipment corrosion will be expensive.

また、特許文献3では、ヘキソースを、不均一系リン酸ジルコニウム触媒の存在下、亜臨界状態または超臨界状態の水と接触させて5−ヒドロキシメチルフルフラールを得ること、及びセルロース又はセルロース含有物質を、不均一系リン酸ジルコニウム触媒の存在下、亜臨界状態または超臨界状態の水と接触させて、ヘキソースに分解し、さらに得られたヘキソースから5−ヒドロキシメチルフルフラールを得ることが記載されている。
しかしながら、反応開始物質がセルロールやセルロース含有物質である場合については、亜臨界状態または超臨界状態の水と接触させると、分解が進み、単糖類、二糖類を生成する、この分解の際に、反応系にリン酸ジルコニウム触媒が存在していても、セルロースの分解反応を妨害しない、との記載があるだけで、セルロースの分解については具体的な記載はない。また、本手法においては、亜臨界条件、または超臨界条件で反応を行う必要性があり、高温高圧条件の反応を安全に行うための設備やその維持管理が高コストであることが予想される。
Further, in Patent Document 3, a hexose is contacted with water in a subcritical or supercritical state in the presence of a heterogeneous zirconium phosphate catalyst to obtain 5-hydroxymethylfurfural, and a cellulose or a cellulose-containing material In the presence of a heterogeneous zirconium phosphate catalyst, it is described that it is decomposed into a hexose by contacting with water in a subcritical or supercritical state, and furthermore, 5-hydroxymethylfurfural is obtained from the obtained hexose .
However, when the reaction starting material is cellulose or a cellulose-containing material, when it is brought into contact with water in the subcritical or supercritical state, decomposition proceeds to form monosaccharides and disaccharides. There is a statement that the presence of a zirconium phosphate catalyst in the reaction system does not disturb the decomposition reaction of cellulose, but there is no specific description of the decomposition of cellulose. In addition, in this method, it is necessary to carry out the reaction under subcritical conditions or supercritical conditions, and it is expected that equipment for safely carrying out the reaction under high temperature and high pressure conditions and maintenance thereof are expensive. .

また、特許文献4では、セルロースを、酸性電解水に混合し、得られた混合物を、最高温度が210℃で飽和蒸気圧の条件下で、撹拌することで、ヒドロキシメチルフルフラールを得ることが記載されている。しかしながら、通常の水ではなく、酸性電解水を溶媒に使用しているので高コストにつながることが予想される。   Further, Patent Document 4 describes that hydroxymethyl furfural is obtained by mixing cellulose in acidic electrolyzed water and stirring the obtained mixture under the condition of the maximum temperature of 210 ° C. and the saturated vapor pressure. It is done. However, the use of acidic electrolyzed water as a solvent rather than ordinary water is expected to lead to high cost.

また、特許文献5においては、木材及び農業廃棄汚物のリグノセルロース材料(セルルース、ヘミセルロース及びリグニン)を、固体不均一酸触媒を用いて、一段階加水分解法により付加価値材料に変換するための方法が提案されており、該文献の実施例中には、溶媒として水のみを用いたものも記載されている。
しかしながら、反応混合物の分析について、HPLC(高速液体クロマトグラフ装置)で分析し、すべての化合物(キシロース、アラビノース、グルコース、5−ヒドロキシメチルフルフラール及びフルアルデヒド)の較正を分析に先立て行ったことが記載されているものの、キシロース以外の生成物については、40%のフルフラール収率が観察されたことが記載されているだけで、HMFについては具体的な記載がない。
Also, in Patent Document 5, a method for converting lignocellulosic materials (cellulose, hemicellulose and lignin) of wood and agricultural waste into value-added materials by one-step hydrolysis using solid heterogeneous acid catalysts Have been proposed, and in the examples of the document also those using only water as solvent are described.
However, for analysis of the reaction mixture, it was analyzed by HPLC (high performance liquid chromatograph), and calibration of all compounds (xylose, arabinose, glucose, 5-hydroxymethylfurfural and furaldehyde) was performed prior to analysis. Although described, for products other than xylose, it is only described that a 40% furfural yield was observed, and there is no specific description for HMF.

また、非特許文献1には、CuCl2とCrCl2の触媒金属成分を1-ethyl-3-methylimidazolium chlorideに溶解して得られる反応系がセルロースの変換に効果的であり、HMFの収率が55.4±4.0%であると記載されている。
しかしながら、触媒に有害金属のクロムが使用されており、製造時の安全性に問題が生じることや、使用後の触媒の処理や廃液処理等に多大なコストがかかることが予想される。
In addition, in Non-Patent Document 1, a reaction system obtained by dissolving a catalyst metal component of CuCl 2 and CrCl 2 in 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride is effective for conversion of cellulose, and the yield of HMF is It is stated that 55.4 ± 4.0%.
However, chromium, which is a harmful metal, is used as a catalyst, which is expected to cause problems in safety during production, and to require a great deal of cost for treating the catalyst after use, treating waste liquid, and the like.

さらに、非特許文献2には、セルロース及びグルコースをイオン液体(ionic liquid)の存在下でマイクロウェーブ処理をすることがHMFを得る効果的な方法であり、触媒には3塩化クロム6水和物が効果的であると記載されている。
しかし、この方法では、同じく有害金属であるクロムの処理に多大なコストがかかることが予想される。
Further, in Non-Patent Document 2, microwave treatment of cellulose and glucose in the presence of an ionic liquid is an effective method for obtaining HMF, and chromium trichloride hexahydrate is used as a catalyst. Is stated to be effective.
However, in this method, it is expected that the cost of treating chromium, which is also a harmful metal, is high.

特開2005−232116号公報Japanese Patent Application Publication No. 2005-232116 特開2007−145736号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2007-145736 特開2007−196174号公報JP 2007-196174 A 特開2011−115061号公報JP, 2011-115061, A 特開2013−517792号公報JP, 2013-517792, A

Applied Catalysis A: General,第361巻,Issues 1-2, 117-122ページApplied Catalysis A: General, 361, Issues 1-2, pages 117-122 Tetrahedron Letters 第50巻,(2009年) 5403-5405ページTetrahedron Letters Vol. 50, (2009) 5403-5405.

以上のとおり、HMFの製造においては、セルロースから、酸触媒等を用いてグルコースなどの糖を製造し、得られたグルコースなどの糖からHMFを製造することは可能であるが、セルロース又はセルロース含有物質を原料として、ワンポット(一段)反応でHMFを合成させることが好ましい。
しかしながら、セルロースから直接一段でHMFを製造する手法は少なく、あったとしても有害なクロム触媒や高価なイオン液体を用いるものがほとんどであった。
また、グリーンケミストリーの考え方に基づけば、触媒には有害金属元素を含まないことが求められる。さらに、溶媒は後処理やコストの点から水であることが望ましい。
As described above, in the production of HMF, it is possible to produce sugars such as glucose from cellulose using an acid catalyst etc. and produce HMF from the obtained sugars such as glucose, but it is possible to produce cellulose or cellulose-containing It is preferable to synthesize HMF by one pot (one step) reaction using a substance as a raw material.
However, there are few methods for producing HMF directly from cellulose in one step, and most of them use harmful chromium catalysts or expensive ionic liquids, if any.
In addition, based on the concept of green chemistry, the catalyst is required to be free of harmful metal elements. Furthermore, the solvent is preferably water from the viewpoint of post-treatment and cost.

本発明は、こうした現状を鑑みてなされたものであって、セルロース又はセルロース含有物質を原料として、有害な触媒や有機溶剤を用いることなく、ワンポット(一段)反応でHMFを合成する方法を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the present situation, and provides a method for synthesizing HMF by one-pot (one-step) reaction using cellulose or a cellulose-containing substance as a raw material without using a harmful catalyst or an organic solvent. The purpose is to

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、リン酸カルシウムを触媒に用いて、好ましくは、原料のセルロース及び/又はセルロース含有物質を単独で又は該触媒と混合して、事前に、ボールミルや自動乳鉢などで粉砕混合を行うことにより、セルロース含有原料の結晶性を低下させたり、物理的に強固な接触状態を作ったりした後、該触媒と原料のセルロース又はセルロース含有物質との混合体を、水溶媒ともにオートクレーブ内に密封して加熱することにより目的生成物のHMFへの反応が効果的に進行するという知見を得た。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have used calcium phosphate as a catalyst, preferably, a raw material cellulose and / or a cellulose-containing substance alone or in combination with the catalyst. The catalyst and the cellulose or cellulose-containing material of the raw material are reduced after the crystallinity of the cellulose-containing raw material is reduced or a physically strong contact state is established by grinding and mixing in a ball mill or an automatic mortar. It has been found that the reaction of the desired product to HMF proceeds effectively by sealing and heating the mixture in the autoclave together with the water solvent.

本発明はこれらの知見に基づいて完成に至ったものであり、本発明によれば、以下の発明が提供される。
[1]セルロース及び/又はセルロース含有物質を反応原料として用い、Ca (PO ) からなる触媒と水溶媒中で加熱処理することにより、5−ヒドロキシメチルフルフラールを得ることを特徴とする5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
[2]前記加熱処理前に、前記反応原料単独で又は前記触媒と混合して、粉砕・摺り合わせ処理を行うことを特徴とする[1]に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
[3]前記前処理が、ボールミル処理であることを特徴とする[2]に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
[4]前記加熱処理が、不活性ガス中で行われることを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
[5]前記加熱処理が、180〜220℃で行われることを特徴とする[1]〜[4]のいずれかに記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。
The present invention has been completed based on these findings, and according to the present invention, the following inventions are provided.
[1] Using a cellulose and / or a cellulose-containing substance as a reaction raw material, heat treatment is carried out in a catalyst comprising Ca 3 (PO 4 ) 2 and a water solvent to obtain 5-hydroxymethylfurfural. Process for the preparation of hydroxymethylfurfural.
[2] The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to [1], wherein the reaction raw material alone or the catalyst is mixed with the catalyst before pulverization and grinding.
[3] The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to [2], wherein the pretreatment is ball milling.
[4] The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to any one of [1] to [3], wherein the heat treatment is performed in an inert gas.
[5] The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to any one of [1] to [4], wherein the heat treatment is performed at 180 to 220 ° C.

本発明の方法によれば、人体に害のないリン酸カルシウムを触媒に用い、溶媒として水だけを用いることにより、セルロース又はセルロース含有物質から、有害な触媒や、有機溶剤を用いることなく、ワンポット(一段)反応でHMFを合成することができる。   According to the method of the present invention, by using calcium phosphate which does not harm human body as a catalyst and using only water as a solvent, cellulose or a cellulose-containing material can be used in one pot without using harmful catalyst or organic solvent. HMF can be synthesized by reaction).

本発明の化学反応の概要を示す図Figure showing an outline of the chemical reaction of the present invention

本発明の5−ヒドロキシメチルフルフラールを製造する方法は、セルロース及び/又はセルロース含有物質を反応原料として用い、該反応原料とリン酸カルシウムからなる触媒とを水溶媒中で混合した後、該混合物を加熱することを特徴とする。
図1は、本発明の化学反応の概要を示す図であって、本発明によれば、セルロース及び/又はセルロース含有物質から、有害な触媒や有機溶剤を用いることなく、従来の2段階又は多段階の反応をワンポット(一段)反応で、HMFを合成することができる。
The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to the present invention comprises using cellulose and / or a cellulose-containing substance as a reaction raw material, mixing the reaction raw material with a catalyst comprising calcium phosphate in an aqueous solvent and heating the mixture. It is characterized by
FIG. 1 shows the outline of the chemical reaction of the present invention, and according to the present invention, from cellulose and / or cellulose-containing substances, conventional two-step or multi-steps without the use of harmful catalysts or organic solvents The HMF can be synthesized in a one-pot (one-step) reaction.

本発明において、原料に用いるセルロース又はセルロース含有物質として好適なものは、試薬や食品添加物などとして提供されている精製セルロースのほかに、廃棄物系の資源としては古紙や古布、さらには間伐材やオガクズなどに代表される天然木材やその加工品などが使用可能である。廃棄物の場合には紙類には添加剤やインク、布類の場合には染料や合成繊維類、天然木材にはリグニンやヘミセルロースなどセルロース以外の不純物が含有されているが、それらは特に反応に悪影響を与えることはなく、セルロース含有原料を使用すれば良好な反応結果が得られる。   In the present invention, as cellulose or a cellulose-containing substance suitable for use as a raw material, besides purified cellulose provided as a reagent or food additive, waste paper resources such as waste paper and waste cloth, and further thinning materials It is possible to use natural wood and processed products typified by sawdust and the like. In the case of waste, paper contains additives and inks, in the case of cloth, dyes and synthetic fibers, and in natural wood, impurities other than cellulose such as lignin and hemicellulose are contained. It does not adversely affect the use of cellulose-containing materials, and good reaction results can be obtained.

また、本発明において、ワンポット(一段)反応に用いる触媒は、リン酸カルシウム(化学式:Ca3(PO4)2)であり、市販の試薬や公知の種々の方法で合成したものが使用できる。 In the present invention, the catalyst used for the one-pot (one-step) reaction is calcium phosphate (chemical formula: Ca 3 (PO 4 ) 2 ), and commercially available reagents and those synthesized by various known methods can be used.

本発明においては、セルロース又はセルロース含有物質は、好ましくは、加熱処理前に、単独でまたは前記触媒と混合し、機械的エネルギーとして自動乳鉢やボールミル装置などを用いて粉砕・摺り合わせ処理を行った後に、水溶媒中で混合して反応を行う。機械的処理装置を使用して、粉砕・摺り合わせ処理を行うことで、原料セルロース又はセルロース含有物質の結晶性が低下して反応性が大幅に高まる効果が得られるので、高い目的生成物の収率を得るためには、前処理操作は行うことが好ましい。前処理を行う時間は、好ましくは1時間〜7日間、特に好ましくは24時間〜72時間程度である。   In the present invention, the cellulose or the cellulose-containing substance is preferably ground alone or mixed with the catalyst before heat treatment, and subjected to grinding and grinding using mechanical mortar or the like as mechanical energy. Later, the reaction is carried out by mixing in an aqueous solvent. By crushing and grinding using a mechanical processor, the crystallinity of the raw material cellulose or the cellulose-containing material is reduced, and the reactivity is greatly enhanced. In order to obtain a rate, it is preferable to carry out the pretreatment operation. The pretreatment time is preferably about 1 hour to 7 days, and more preferably about 24 hours to 72 hours.

本発明において、加熱処理は、180〜220℃、好ましくは、200℃前後の反応温度に加熱して、1〜10時間、特に好ましくは2時間程度反応を行う。この反応は多段階の逐次反応であるので、長時間過ぎれば目的生成物の分解や重合、触媒表面への沈着など望ましくない反応や現象が進行し収率の低下を招く。短時間すぎた場合には、原料の反応率が低いので収率が低下する。
また、加熱処理は、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気下で行うことにより、空気の存在による酸化などの悪影響をなくすことが好ましい。
また、加熱処理は公知の種々の方式が適用できるが、代表的な例として回分式(バッチ式)と流通式が挙げられる。回分式の場合は、密閉状態を保ち反応温度で溶媒の水が液体状態にあるようにすることが好ましい。流通式の場合は、圧力調整弁などの機構により内圧を調整し、溶媒の水が液体状態のまま反応装置を通過できるような構造であることが好ましい。
In the present invention, the heat treatment is carried out by heating to a reaction temperature of 180 to 220 ° C., preferably about 200 ° C., for 1 to 10 hours, preferably 2 hours. Since this reaction is a multistep sequential reaction, undesirable reactions and phenomena such as decomposition and polymerization of the desired product and deposition on the catalyst surface progress if the time is too long, leading to a decrease in yield. If the reaction time is too short, the reaction rate of the raw material is low and the yield is lowered.
The heat treatment is preferably performed under an inert gas atmosphere such as argon gas to eliminate adverse effects such as oxidation due to the presence of air.
Moreover, although various well-known systems can be applied to heat processing, a batch system (batch system) and a circulation system are mentioned as a representative example. In the case of the batch system, it is preferable to keep the closed state so that the solvent water is in the liquid state at the reaction temperature. In the case of the flow-through type, it is preferable that the internal pressure is adjusted by a mechanism such as a pressure control valve so that water of the solvent can pass through the reactor in a liquid state.

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
反応原料である、メルク製微結晶セルロースに対して、ボールミルを用いて通算48時間のすり潰し・擦り合わせ処理を施した。この際使用したボールミルは、容量3Lの容器を用いて、直径2cmのアルミナボールを1kgともにセルロースを空気中で封入した。その後水分含有量を調整するために80℃の乾燥機の中で空気中12時間以上乾燥処理を行い、その後シリカゲルで乾燥状態を保っているデシケーター内で室温保管した。
耐圧硝子工業製反応容器(TPR‐1型、内容積100mL)に、上記の保管されたセルロースを0.2g、触媒であるリン酸カルシウム(メルク製)を1.8g、及び蒸留水を20mL加えた。反応容器を密封し、空間部を空気中の酸素の影響を排除するためにアルゴンで置換し初圧を室温で0.4MPaに調節した。加熱用ヒーターを用いて200℃まで加熱し、撹拌機を使用して300rpmで撹拌操作を行いながら反応を行った。2時間経過後、ヒーターを外して、反応容器を室温の水に浸して急冷し反応を停止させた。
Example 1
The reaction raw material, microcrystalline cellulose manufactured by Merck, was ground and rubbed for a total of 48 hours using a ball mill. In this case, the ball mill used was a container of 3 L in volume, in which 1 kg of alumina balls each having a diameter of 2 cm was enclosed in air with cellulose. Thereafter, in order to adjust the water content, drying was carried out in air in a drier at 80 ° C. for 12 hours or more, and then it was stored at room temperature in a desiccator kept dry with silica gel.
0.2 g of the above-stored cellulose, 1.8 g of calcium phosphate (made by Merck) as a catalyst, and 20 mL of distilled water were added to a pressure-resistant glass industrial reaction container (TPR-1 type, internal volume 100 mL). The reaction vessel was sealed, the space was replaced with argon to eliminate the influence of oxygen in air, and the initial pressure was adjusted to 0.4 MPa at room temperature. The reaction was carried out while heating to 200 ° C. using a heater and performing stirring operation at 300 rpm using a stirrer. After 2 hours, the heater was removed and the reaction vessel was immersed in water at room temperature to quench and quench the reaction.

(生成物の分析方法と分析結果)
反応容器内の反応終了後の混合物はメンブレンフィルター(アドバンテック製)を用いて触媒と未反応原料を分離し、フィルターを通過した黄色透明な水溶液を得た。水溶液は、蒸留水で10倍に希釈し高速液体クロマトグラフ装置(以下HPLCと記載)(島津製作所製)により分析を行った。市販試薬を標準物質として検量線を作成し、その検量線により水溶液中の含有濃度を算出した。セルロースの単位構造はC6105で(C6105)nと表記され、すべてグルコース(C6126)に加水分解された場合をグルコース収率100%とした。HMFについてはグルコース100%から収率100%で得られるHMFの濃度を算出し収率100%とした。
前記反応結果は、グルコースの収率が9.0%、HMFの収率が35.1%と良好な収率を得られた。他の副生成物は検出下限界に近い微小量のフルクトースが見られたが、他の微小ピークは試薬との比較では同定不可能であった。これらは、グルコースやHMFの単量体以外の2量体や複数重合しているオリゴマー的なものと推測される。
(Product analysis method and analysis results)
The mixture after completion of the reaction in the reaction vessel was separated from the catalyst and the unreacted raw material using a membrane filter (manufactured by Advantec) to obtain a yellow transparent aqueous solution passed through the filter. The aqueous solution was diluted 10 times with distilled water and analyzed with a high performance liquid chromatograph (hereinafter referred to as HPLC) (manufactured by Shimadzu Corporation). A calibration curve was prepared using a commercially available reagent as a standard substance, and the concentration contained in the aqueous solution was calculated by the calibration curve. Unit structure of the cellulose is denoted by C 6 H 10 O 5 and (C 6 H 10 O 5) n, a case where it is hydrolyzed to the 100% yield of glucose to all glucose (C 6 H 12 O 6) . For HMF, the concentration of HMF obtained in 100% yield from 100% glucose was calculated to be 100% yield.
As a result of the reaction, a good yield was obtained with a yield of glucose of 9.0% and a yield of HMF of 35.1%. Other byproducts showed minute amounts of fructose close to the lower detection limit, but other minute peaks could not be identified by comparison with the reagents. These are presumed to be dimers other than glucose and HMF monomers, and oligomers having multiple polymerization.

反応温度条件を205℃に変更して、それ以外の条件は変更せずに上述の実験を行った。その結果は、HMF収率25.0%、グルコースは検出下限界に近い微小量であった。
次に反応温度条件を195℃に変更して、これ以外の条件は変更せずに上述の実験を行った。その結果は、HMF収率が25.9%、グルコースの収率が12.2%であった。
さらに、温度195℃の条件で、反応時間を3時間に延長した時は、HMF収率が26.5%、グルコースの収率が8.2%であった。
The above experiment was carried out with the reaction temperature conditions changed to 205 ° C. and the other conditions not changed. As a result, HMF yield was 25.0% and glucose was a minute amount close to the lower limit of detection.
Next, the reaction temperature conditions were changed to 195 ° C., and the above experiment was performed without changing the other conditions. As a result, the HMF yield was 25.9%, and the yield of glucose was 12.2%.
Furthermore, when the reaction time was extended to 3 hours at a temperature of 195 ° C., the HMF yield was 26.5% and the yield of glucose was 8.2%.

(実施例2)
本実施例では、反応原料の汎用性を確認するために、メルク製微結晶セルロースに代えてSERVA社製の微結晶性セルロースを原料に用いて、ボールミルを用いて通算48時間のすり潰し・擦り合わせ処理を前述の実施例と同様に施した。その後、前記と同様の反応操作を行い、反応温度200℃、反応時間2時間でHMFの合成を行った。
その結果は、HMF収率が27.0%、グルコースの収率が9.4%であった。
この結果、原料セルロースの製造元により、多少のばらつきは認められるものの、HFFが合成できることは間違いないことが明らかになった。
(Example 2)
In this example, in order to confirm the versatility of the reaction raw material, microcrystalline cellulose made by SERVA is used as a raw material in place of microcrystalline cellulose made by Merck as a raw material, and grinding and rubbing for a total of 48 hours using a ball mill. The treatment was carried out as in the previous example. Thereafter, the same reaction operation as described above was performed, and synthesis of HMF was performed at a reaction temperature of 200 ° C. and a reaction time of 2 hours.
As a result, the HMF yield was 27.0%, and the yield of glucose was 9.4%.
As a result, it became clear that HFF can be synthesized although there is some variation depending on the manufacturer of the raw material cellulose.

(実施例3)
反応原料を実施例1と同一のメルク製微結晶セルロースを使用し、メルク製微結晶セルロースを、自動乳鉢を用いて通算10時間のすり潰し・擦り合わせ処理を空気中、室温で施した。その後水分含有量を調整するために80℃の乾燥機の中で空気中12時間以上乾燥処理を行い、その後シリカゲルで乾燥状態を保っているデシケーター内で室温保管した。
耐圧硝子工業製反応容器(TPR‐1型)に、上記の保管されたセルロースを0.2g、触媒であるリン酸カルシウム(メルク製)を1.8g、及び蒸留水を30mL加えた。反応容器を密封し、空間部を空気中の酸素の影響を排除するためにアルゴンで置換し初圧を室温で0.4MPaに調節した。加熱用ヒーターを用いて200℃まで加熱し撹拌機を使用して300rpmで撹拌操作を行いながら反応を行った。2時間経過後、ヒーターを外して、反応容器を室温の水に浸して急冷し反応を停止させた。HPLCの分析は実施例1とまったく同様に行った。
前記反応の分析結果は、グルコースの収率が8.7%、HMFの収率が25.1%と良好な収率を得られた。他の副生成物は検出下限界に近い微小量のフルクトースが見られたが、他の微小ピークは同定不可能であった。グルコースやHMFの単量体以外の2量体や複数重合しているオリゴマー的なものと推測される。
この結果、前処理手法としては、ボールミル48時間処理が、自動乳鉢処理10時間よりも優れていると言える。
(Example 3)
Using the same Merck microcrystalline cellulose as in Example 1 as the reaction raw material, Merck microcrystalline cellulose was subjected to grinding and rubbing treatment in air at room temperature for a total of 10 hours using an automatic mortar. Thereafter, in order to adjust the water content, drying was carried out in air in a drier at 80 ° C. for 12 hours or more, and then it was stored at room temperature in a desiccator kept dry with silica gel.
0.2 g of the above-stored cellulose, 1.8 g of calcium phosphate (made by Merck) as a catalyst, and 30 mL of distilled water were added to a pressure-resistant glass industrial reaction container (TPR-1 type). The reaction vessel was sealed, the space was replaced with argon to eliminate the influence of oxygen in air, and the initial pressure was adjusted to 0.4 MPa at room temperature. The reaction was carried out while heating to 200 ° C. using a heater and stirring at 300 rpm using a stirrer. After 2 hours, the heater was removed and the reaction vessel was immersed in water at room temperature to quench and quench the reaction. The HPLC analysis was performed exactly as in Example 1.
The analysis results of the reaction showed that the yield of glucose was 8.7%, and the yield of HMF was 25.1%. Other byproducts showed minute amounts of fructose close to the lower detection limit, but other minute peaks could not be identified. It is presumed that dimers other than glucose and HMF monomers and oligomers having multiple polymerizations are used.
As a result, as a pretreatment method, it can be said that the ball mill for 48 hours is superior to the automatic mortar treatment for 10 hours.

反応温度条件を205℃に変更して、それ以外の条件は変更せずに上述の実験を行った。その結果は、HMF収率が21.2%、グルコース収率が5.4%であった。
また、反応温度条件を195℃に変更して、それ以外の条件は変更せずに上述の実験を行った。その結果は、HMF収率が18.1%、グルコース収率が8.5%であった。
The above experiment was carried out with the reaction temperature conditions changed to 205 ° C. and the other conditions not changed. As a result, the HMF yield was 21.2%, and the glucose yield was 5.4%.
In addition, the reaction temperature conditions were changed to 195 ° C., and the above experiment was performed without changing the other conditions. As a result, the HMF yield was 18.1% and the glucose yield was 8.5%.

(実施例4)
メルク製セルロースに代えてSERVA社製微結晶セルロースを10時間自動乳鉢にて粉砕処理を行い原料として用いた。リン酸カルシウム触媒を1.8g添加して30mLの水に分散させ、実施例1と同様の反応容器に入れ、アルゴンを封入し205℃で2時間の加熱を300rpmで撹拌しながら行い反応させた。その結果、グルコースが収率5.1%で、HMFが収率15.1%で得られた。その他、いくつかの同定および定量が不可能な少量の副生成物のピークが検出された。
この実施例の結果は、メルク製セルロース特有の現象ではなく一般性のある反応結果であることを示している。
(Example 4)
Instead of Merck cellulose, microcrystalline cellulose from SERVA was crushed for 10 hours in an automatic mortar and used as a raw material. 1.8 g of a calcium phosphate catalyst was added and dispersed in 30 mL of water, charged in the same reaction vessel as in Example 1, charged with argon, and reacted by heating at 205 ° C. for 2 hours with stirring at 300 rpm. As a result, glucose was obtained at a yield of 5.1%, and HMF was obtained at a yield of 15.1%. In addition, some minor by-product peaks that could not be identified and quantified were detected.
The results of this example show that it is not a phenomenon unique to Merck cellulose but a general reaction result.

(実施例5)
本実施例では、原料の汎用性を確認するために、セルロース含有原料に古布(ワイシャツ、綿100%、ユニクロ製)を用いて反応を行った。
古布を1センチ×5センチの大きさに切り、縫製等に用いられている糸を取り除いた後に、粉砕機で粉砕処理を行い綿状のセルロースを得た。実施例1と同様に触媒と混合して水中で反応を行った所、HMFが10.4%生成した。その他副生成物として、同定困難な多数の微小ピークが見られ、触媒表面上にも褐色の沈着物が見られた。これらは、グルコースやHMFの単量体以外の2量体や複数重合しているオリゴマー的なものと推測される。定量計算は原料がすべてセルロースであると仮定している。
(Example 5)
In this example, in order to confirm the versatility of the raw material, the reaction was performed using waste cloth (a shirt, 100% cotton, manufactured by UNIQLO) as the cellulose-containing raw material.
The used cloth was cut into a size of 1 cm × 5 cm, and after removing threads used for sewing, etc., pulverization treatment was performed with a crusher to obtain cotton-like cellulose. The reaction was carried out in water by mixing with the catalyst in the same manner as in Example 1. As a result, 10.4% of HMF was formed. As other by-products, many difficult-to-identify micro peaks were observed, and brown deposits were also observed on the catalyst surface. These are presumed to be dimers other than glucose and HMF monomers, and oligomers having multiple polymerization. The quantitative calculation assumes that the raw material is all cellulose.

次いで、上述した古布を粉砕機で粉砕して得られた綿状のセルロース原料をボールミルでさらに48時間の処理を行った。すなわち、粉砕機処理とボールミル処理の両方を行った原料である。ボールミル処理の結果、綿状の原料の大部分は綿状から微粉末状に変化した。微粉末状に粉砕した古布(セルロース含有原料)0.2gに、リン酸カルシウム触媒を1.8g添加して30mLの水に分散させ、実施例1と同様の反応容器に入れ、アルゴンを封入し200℃で2時間の加熱を300rpmで撹拌しながら行い反応させた。
その結果、グルコースが収率6.8%で、HMFが収率30.6%で得られた。ボールミル処理の効果で原料の反応性が高まり高収率につながったと言える。その他、いくつかの同定および定量が不可能な少量の副生成物のピークが検出された。これら副生成物は、グルコースやHMFの単量体以外の2量体や複数重合しているオリゴマー的なものと推測される。定量計算は原料がすべてセルロースであると仮定している。
この結果、試薬の微結晶セルロースと比較すれば収率は多少低下するが、セルロース含有廃棄物の一つである古布を原料にHMFが製造できることが明らかとなり、原料の汎用性が実証できた。
Subsequently, the cotton-like cellulose raw material obtained by pulverizing the above-mentioned waste cloth with a grinder was subjected to treatment for a further 48 hours by a ball mill. That is, it is the raw material which performed both a grinder process and a ball mill process. As a result of the ball milling, most of the cotton-like raw material changed from cotton-like to fine powder. Add 0.2 g of calcium phosphate catalyst to 0.2 g of finely powdered ground waste cloth (cellulose-containing raw material), disperse it in 30 mL of water, place in the same reaction vessel as in Example 1, and enclose argon at 200 ° C. The reaction was carried out by heating for 2 hours with stirring at 300 rpm.
As a result, glucose was obtained at a yield of 6.8% and HMF was obtained at a yield of 30.6%. It can be said that the reactivity of the raw materials is enhanced by the effect of the ball milling process, leading to a high yield. In addition, some minor by-product peaks that could not be identified and quantified were detected. These by-products are presumed to be dimers other than glucose and HMF monomers, and oligomers with multiple polymerization. The quantitative calculation assumes that the raw material is all cellulose.
As a result, although the yield slightly decreases compared to microcrystalline cellulose as a reagent, it became clear that HMF can be manufactured from waste cloth, which is one of cellulose-containing wastes, as raw materials, and the versatility of the raw materials could be demonstrated.

(実施例6)
本実施例では、原料の汎用性を確認するために、セルロース原料にコピー用紙を使用して反応を行った。
前処理として、印刷済みのコピー用紙を粉砕機にかけて処理した。綿状の粉砕物を原料として0.2g使用し、触媒を1.8g添加して、30mLの水中に分散し、200℃にて2時間反応を行った。定量は0.2gの原料全てがセルロースであると仮定して計算した。その結果、8.3%のHMF収率が得られたが、顕著に高い値ではなかった。
ボールミル処理などの機械的エネルギーを加えることの必要性を実証するためにボールミル処理を48時間行った原料を使用した場合は、HMF収率が21.7%まで向上した。その時のグルコース収率は検出下限界に近く正確な定量分析ができなかった。コピー用紙には、品質向上のために種々の添加剤が使用されているため、セルロース含有率は100%よりも低い値になる。したがって、セルロース基準のHMF収率は前記の値よりも高くなるものと考えられる。
(Example 6)
In this example, in order to confirm the versatility of the raw material, the reaction was performed using a copy paper as the cellulose raw material.
As pre-processing, printed copy paper was processed by a grinder. 0.2 g of cotton-like crushed material was used as a raw material, 1.8 g of a catalyst was added, dispersed in 30 mL of water, and reacted at 200 ° C. for 2 hours. The quantification was calculated assuming that all 0.2 g of raw material is cellulose. As a result, an HMF yield of 8.3% was obtained, but not at a significantly high value.
The HMF yield improved to 21.7% when using a raw material that was ball milled for 48 hours to demonstrate the need for mechanical energy such as ball milling. The glucose yield at that time was close to the lower limit of detection, and accurate quantitative analysis could not be performed. In copy paper, various additives are used for quality improvement, so the cellulose content is a value lower than 100%. Therefore, the HMF yield based on cellulose is considered to be higher than the above value.

(実施例7)
本実施例では、原料の汎用性を確認するために、天然木材を原料にして反応を行った。
粉砕機を用いて粉状にした秋田杉をそのまま原料に用いて反応を行った。原料の木材を構成している糖成分の含有率を測定した結果セルロースおよびヘミセルロース由来のグルコースが43.9%(重量比)であることが判明している。その他の糖成分はキシロース9.9%、ガラクトース7.5%、マンノース12.3%であり、糖成分以外の成分はリグニンである。
原料の使用量は、木粉中の糖含有率を基に算出してグルコース量が0.2gになるように重量調整を行った結果0.456gを使用した。反応の結果、HMFが収率14.3%で得られた。グルコースは検出下限界に近く正確な定量ができなかった。天然木材を原料とした場合の収率の算出方法は下記の通りである。この分析値を基に、HMFに変換されるグルコース量を基準にしてHMF収率を算出した。したがって、木材の全重量基準では上記の反応結果は、HMF収率(全重量基準)6.3%となる。
粉砕機で粉砕された木粉に対してさらに48時間のボールミル処理を施し、反応原料に使用した。その結果、HMF収率35.5%、グルコース収率9.3%を得た。この収率の計算に使用した基準値もグルコース(含有率43.9%)基準である。
本実施例の結果、木材原料も効率的にHMFに変換することができることが明らかとなり、原料の汎用性が実証できた。
(Example 7)
In this example, in order to confirm the versatility of the raw material, the reaction was performed using natural wood as the raw material.
The reaction was carried out using the powdered Akita cedar as a raw material as it was, using a crusher. As a result of measuring the content rate of the sugar component which comprises the wood of a raw material, it is revealed that the glucose derived from cellulose and hemicellulose is 43.9% (weight ratio). The other sugar components are 9.9% xylose, 7.5% galactose, 12.3% mannose, and the component other than the sugar component is lignin.
The amount of the raw material used was 0.456 g, which was calculated based on the sugar content in wood flour and adjusted in weight so that the amount of glucose was 0.2 g. As a result of the reaction, HMF was obtained in 14.3% yield. Glucose was close to the lower detection limit and could not be accurately quantified. The calculation method of the yield at the time of using natural wood as a raw material is as follows. Based on the analysis value, the HMF yield was calculated based on the amount of glucose converted to HMF. Therefore, the above reaction result is 6.3% HMF yield (based on total weight) based on the total weight of wood.
The wood flour crushed by the grinder was further subjected to ball milling for 48 hours and used as a reaction material. As a result, an HMF yield of 35.5% and a glucose yield of 9.3% were obtained. The standard value used to calculate this yield is also based on glucose (content 43.9%).
As a result of this example, it became clear that the wood raw material can also be efficiently converted to HMF, and the versatility of the raw material could be demonstrated.

(比較例1)
実施例1で使用したものと同じメルク製微結晶セルロースに対して48時間ボールミル処理を行い、反応の原料として0.2g用いた。触媒を一切添加せずに30mLの水に分散させ実施例と同様の反応容器に入れ、アルゴンを封入し200℃で2時間の加熱を300rpmで撹拌しながら行い反応させた。その結果、HMFが収率16.7%で、グルコースが収率14.8%で得られた。その他、いくつかの同定および定量が不可能な少量の副生成物のピークが検出された。
この反応結果は触媒を用いないと反応が遅くHMF収率が小さいことを示していて、触媒を反応系内に添加する効果を実証できた。
(Comparative example 1)
The same Merck Microcrystalline Cellulose as used in Example 1 was ball milled for 48 hours, and 0.2 g was used as a reaction raw material. The reaction vessel was dispersed in 30 mL of water without addition of any catalyst, placed in the same reaction vessel as in the example, sealed with argon, and heated at 200 ° C. for 2 hours while stirring at 300 rpm for reaction. As a result, HMF was obtained in 16.7% yield and glucose was obtained in 14.8% yield. In addition, some minor by-product peaks that could not be identified and quantified were detected.
The reaction results show that the reaction is slow without using a catalyst and the HMF yield is small, and the effect of adding the catalyst into the reaction system could be demonstrated.

(実施例8)
本実施例では、メルク製微結晶セルロースに対するボールミル処理を一切行わずに原料として用いた。触媒は実施例1と同様に1.8g加えて30mLの水に分散させ実施例1と同様の反応容器に入れ、アルゴンを封入し200℃で2時間の加熱を300rpmで撹拌しながら行い反応させた。
その結果、HMFが収率12.8%で、グルコースが収率5.8%で得られた。
(Example 8)
In this example, a ball mill process was not performed on microcrystalline cellulose manufactured by Merck, and it was used as a raw material. 1.8 g of the catalyst was added as in Example 1 and dispersed in 30 mL of water, placed in the same reaction vessel as in Example 1, charged with argon, heated at 200 ° C. for 2 hours with stirring at 300 rpm and reacted The
As a result, HMF was obtained in a yield of 12.8%, and glucose was obtained in a yield of 5.8%.

(実施例9)
実施例1においては反応容器内をアルゴンで置換し空気中の酸素の影響を排除しているが、本実施例では、残留空気の悪影響を明らかにするためにアルゴン置換を行わずに、空気が残留したまま反応を行った。その他条件は実施例1と同様であった。
その結果、HMF収率は23.1%と低下して、グルコース収率も4.9%と低下した。
この結果は、空気の悪影響を示すものであり、アルゴンなどの不活性ガスで反応容器内を置換する効果が明らかになった。
(Example 9)
In Example 1, the inside of the reaction vessel is replaced with argon to eliminate the influence of oxygen in the air, but in this example, air is removed without performing argon replacement in order to clarify the adverse effect of residual air. The reaction was carried out while remaining. The other conditions were the same as in Example 1.
As a result, the HMF yield decreased to 23.1%, and the glucose yield also decreased to 4.9%.
This result shows the adverse effect of air, and the effect of substituting the inside of the reaction vessel with an inert gas such as argon has become clear.

(比較例2)
天然木材を使用した実施例7について、触媒の有無の効果を調べる実験を行った。
実施例7で優れた反応結果を得ている、秋田杉の粉末に48時間のボールミル処理を施した原料をグルコースの量が0.2gになるような木材量である0.456gを用いた。この原料を用いて触媒を一切添加せずに実施例7と同条件で反応を行った結果、HMF収率が24.2%、グルコース収率が11.0%であった。
この結果、触媒を用いない場合はHMF収率が低下して、触媒を使用する効果が明らかになった。
(Comparative example 2)
An experiment was conducted to investigate the effect of the presence or absence of a catalyst on Example 7 using natural wood.
The raw material obtained by subjecting the powder of Akita cedar powder to a ball mill treatment for 48 hours for which excellent reaction results are obtained in Example 7 was used as the raw material of 0.456 g which is the amount of wood such that the amount of glucose is 0.2 g. As a result of carrying out the reaction under the same conditions as in Example 7 using this raw material without adding any catalyst, the HMF yield was 24.2%, and the glucose yield was 11.0%.
As a result, when the catalyst was not used, the HMF yield decreased, and the effect of using the catalyst became clear.

Claims (5)

セルロース及び/又はセルロース含有物質を反応原料として用い、Ca (PO ) からなる触媒と水溶媒中で加熱処理することにより、5−ヒドロキシメチルフルフラールを得ることを特徴とする5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。 A 5-hydroxymethyl furfural is obtained by using a cellulose and / or a cellulose-containing substance as a reaction raw material and performing heat treatment in a water solvent and a catalyst comprising Ca 3 (PO 4 ) 2 to obtain 5-hydroxymethylfurfural. How to make furfural. 前記加熱処理前に、前記反応原料単独で又は前記触媒と混合して、粉砕・摺り合わせ処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。   The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to claim 1, wherein the reaction raw material alone or mixed with the catalyst is subjected to a pulverization / grinding treatment before the heat treatment. 前記前処理が、ボールミル処理であることを特徴とする請求項2に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。   The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to claim 2, wherein the pretreatment is ball milling. 前記加熱処理が、不活性ガス中で行われることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。   The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat treatment is performed in an inert gas. 前記加熱処理が、180〜220℃で行われることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の5−ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法。   The method for producing 5-hydroxymethylfurfural according to any one of claims 1 to 4, wherein the heat treatment is performed at 180 to 220 ° C.
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