JP6534694B2

JP6534694B2 - 有機溶媒の下でイオン交換樹脂を用いる５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールまたはそのアルキルエーテル誘導体の製造方法

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Publication number: JP6534694B2
Application number: JP2017074905A
Authority: JP
Inventors: クチョ，ジン; ヨンキム，サン; フンチョ，ジェ; ラキム，ボ; ジュ，ポール
Original assignee: Korea Academy of Industrial Technology; SK Chemicals Co Ltd; SK Discovery Co Ltd
Current assignee: Korea Academy of Industrial Technology; SK Chemicals Co Ltd; SK Discovery Co Ltd
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2019-06-26
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Also published as: WO2013047984A1; US20140235881A1; CN103842349A; JP2014528407A; JP2017128600A; US9206147B2; KR20130035167A; KR101374209B1; EP2796454B1; CN103842349B; EP2796454A1; EP2796454A4

Description

本発明は、有機溶媒の下でイオン交換樹脂を用いてフラン系化合物を製造する方法に係り、より詳しくは、陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂を同時に又は連続的に用いて、バイオマスから得られるアルドース型六炭糖化合物から５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）またはそのエーテル誘導体たる５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）を製造する方法に関する。

限られた埋蔵量の石油資源の持続的な減少、および新興開発途上国の成長に伴う石油需要の急増は、市場需給の不均衡を誘発して高油価時代をもたらしている。しかも、石油の無分別な使用により発生する不可逆的温室ガスは、深刻な環境問題、たとえば地球温暖化などを引き起こしている。

既に、世界各国は、再生および持続使用が可能なバイオマスを用いて石油資源を代替するための多くの努力を注いでおり、バイオエタノールやバイオディーゼルなどのバイオ燃料、および乳酸やプロパンジオールなどのバイオプラスチック単量体などを産業的に生産して輸送用燃料または石油化学物質を代替している。

このような努力の一環として、最近脚光を浴びている物質がバイオマス由来フラン系化合物たる５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（5-hydroxymethyl-2-furfural、ＨＭＦ）とそのアルキルエーテル誘導体たる５−アルコキシメチル−２−フルフラール（5-alkoxymethyl-2-furfural、ＡＭＦ）である。

ＨＭＦとＡＭＦは酸化過程を介して２，５−フランジカルボン酸（2,5-furan dicarboxylic acid、ＦＤＣＡ）に転換できるが、ＦＤＣＡは飲料、食品容器などに広く用いられているＰＥＴ(Poly(ethylene terephthalate))の単量体たるテレフタル酸（terephthalic acid、ＴＰＡ）の代替物質として知られている。ＰＥＴはエチレングリコール（ethylene glycol、ＥＧ）とテレフタル酸（ＴＰＡ）を単量体として用いて縮合重合を介して得るが、現在バイオマス基盤のＰＥＴを製造するために、エチレングリコール（ＥＧ）単量体はバイオエタノール基盤のバイオエチレンから産業的生産が行われているが、テレフタル酸（ＴＰＡ）は未だバイオマスから得られない状況である。

また、ＡＭＦは、次世代バイオマス燃料として知られているが、ガソリン級以上のエネルギー密度を持っており、バイオエタノールとは異なり吸湿性が弱いため、長期保管および腐食の問題がない。それだけでなく、酵素転換工程を介して生産されるバイオエタノールは工程上で１当量の六炭糖から２当量の二酸化炭素が必然的に排出される（Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_６→２ＣＨ_３ＣＨ_２ＯＨ＋２ＣＯ_２↑）が、ＡＭＦは炭素損失のない完全なカーボンニュートラル型工程で生産可能である。

５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（5-hydroxymethyl-2-furfural、ＨＭＦ）および５−アルコキシメチル−２−フルフラール（5-alkoxymethyl-2-furfural、ＡＭＦ）は、バイオマス内に存在する炭水化物成分のうち糖分、澱粉、繊維素、寒天（紅藻類）のように六炭糖からなる多糖類物質から転換できる。具体的に、糖分、澱粉、繊維素、寒天(紅藻類)のように六炭糖からなる多糖類物質は、加水分解による糖化過程(saccharification)を介してフルクトース、グルコース、ガラクトースなどの単糖類物質に転換され、このように転換された単糖類物質から脱水反応条件の下で３当量の水分子が除去されると、ＨＭＦまたはＡＭＦが生成される。

フルクトース、グルコース、ガラクトースなどの単糖類の六炭糖化合物は、ケトース(ketose)とアルドース(aldose)の２種の構造異性体が存在する。ケトースとアルドースはカルボニル基の位置によって区分することができるが、ケトースはＣ２位置にカルボニル基が存在するケトン化合物であり、アルドースはＣ１位置にカルボニル基が存在するアルデヒド化合物である。

また、六炭糖化合物はｐＨ条件によって線形構造と環状構造との間で平衡をなして存在するが、この際、ケトースは５員環構造をなし、アルドースは６員環構造をなす。

したがって、単糖類の六炭糖化合物から、５員環構造を持つフラン系化合物たるＨＭＦとＡＭＦを得るとき、アルドースよりケトースが一層転換されやすいと知られている。よって、ＨＭＦまたはＡＭＦを生産するために、ケトースであるフルクトースを出発物質として用いることが一般的である。

ところが、自然界に存在する六炭糖化合物は大部分がグルコースまたはガラクトースなどのアルドースであり、フルクトースなどのケトースは糖分、牛乳などに制限的に存在する。酵素転換を介してグルコースをフルクトースに添加する方法が知られており、高濃度の果糖という形態で大量生産されて食品添加物などに用いられているが、グルコースを直接使用することに比べて別途の工程費用がかかるうえ、高濃度の果糖内にも依然として約５０％程度のグルコースが存在する。

したがって、自然界において最も富む六炭糖化合物たるグルコースなどのアルドースから直接ＨＭＦとＡＭＦを得ようとする研究が現在行われている。

アルドースから直接ＨＭＦとＡＭＦを得るためには、アルドースをケトースに転換する異性化反応条件が求められる。現在まで知られている最も代表的な方法は、イミダゾリウム形態のイオン性液体溶媒の下でＣｒ（ＩＩ）またはＣｒ（ＩＩＩ）触媒を使用する(Science 2007; 316; 1597-1600)。ところが、この発明で使用したイオン性液体は、高価の溶媒であるため、産業的な大量生産工程に適用するには経済性に問題点がある。

別の方法としては、二相系(Biphasic system)を用いて生成されるフラン系化合物を実時間で抽出して転換率を極大化する方法がある(Science, 2006; 312; 1933-1937)。ところが、この方法は、別の異性化反応条件を提供しないため、アルドースよりはケトースたるフルクトースに主に効果的であり、反応中に二相系を保つためには溶媒の選択が制限的であり、不均一触媒を使用し難いという欠点がある。また、前記２つの方法とも、得られるフラン系生成物はＨＭＦに局限されるという問題点がある。また、ＨＭＦはＡＭＦに比べて不安定な化合物であって、反応混合物から回収する過程中に一部が分解されるという問題点がある。

国際特許出願ＷＯ２００７／１０４５１４は、ＡＭＦを得るための方法として、六炭糖化合物をアルコール溶媒の下で固体酸触媒を用いて転換する方法を開示する。ところが、この方法も、二相系転換方法と同様に別途の異性化反応条件を提供しないため、ケトースたるフルクトースに主に効果的な方法である。また、反応条件で基質たる六炭糖化合物の濃度が約１％（ｗｔ／Ｖ）程度と低いため、生産および回収工程上で費用増加を誘発するという問題点がある。

本発明の目的は、水溶液ではなく有機溶媒の下で陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂を同時に又は連続的に使用することにより、高価な試薬を使用せず、分離精製が容易であり、化学的に安定なＡＭＦを直接製造することができる、アルドース型六炭糖化合物からの５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）またはそのエーテル誘導体たる５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るフラン系化合物の製造方法は、アルドース型六炭糖化合物から有機溶媒の下で陰イオン交換樹脂および陽イオン交換樹脂を用いてフラン系化合物を製造する。

前記フラン系化合物の製造方法は、アルドース型六炭糖化合物を陰イオン交換樹脂を用いて異性化反応させてケトース型六炭糖化合物を製造する段階（段階１）と、前記ケトース型六炭糖化合物を陽イオン交換樹脂を用いて脱水化反応させてフラン系化合物を製造する段階（段階２）とを含むことができる。

前記陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂は同時に又は連続的に使用することができる。

前記アルドース型六炭糖化合物は、アルドース型グルコース；アルドース型ガラクトース；またはアルドース型グルコースまたはアルドース型ガラクトースを含む糖化合物；であってもよい。

前記アルドース型グルコースまたはアルドース型ガラクトースを含む糖化合物は、アミロース、セルロースまたはアガロースであってもよい。

前記フラン系化合物は、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）または５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）であってもよい。

前記５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）のアルコキシ基はＣ１〜Ｃ５であってもよい。

前記陰イオン交換樹脂は、ポリスチレン基盤のビーズ型樹脂であって、末端に第４級アンモニウムまたは第３級アミン官能基を有しており、中心イオンが重炭酸またはアルミン酸で置換されて交換樹脂周辺のｐＨが１２〜１３を示す塩基性陰イオン交換樹脂であってもよい。

前記陽イオン交換樹脂は、ポリスチレン基盤のビーズ型樹脂であって、末端にスルホン酸官能基を有しており、中心イオンがプロトンで置換されてｐＫａが１〜２を示す酸性陽イオン交換樹脂であってもよい。

前記有機溶媒は非プロトン性極性溶媒であってもよい。

前記非プロトン性極性溶媒は、ジオキサン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アセトン、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）および１−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）のいずれか１種であってもよい。

前記有機溶媒はプロトン性極性溶媒であってもよい。

前記プロトン性極性溶媒はアルコール溶媒であってもよい。

前記プロトン性極性溶媒はエタノール、ｎ−ブタノールおよびイソプロパノールのいずれか１種であってもよい。

前記アルドース型六炭糖化合物は有機溶媒との混合溶液において１％〜３０％（ｗｔ／Ｖ）の濃度であってもよい。

前記陰イオン交換樹脂はアルドース型六炭糖化合物１００重量部に対して５０〜３００重量部であってもよい。

前記フラン系化合物の製造方法は反応温度が５０℃〜２００℃であってもよい。

本発明の製造方法によって、陰イオン／陽イオン交換樹脂を触媒として同時に又は連続的に使用することにより、バイオマスから得られるアルドース型六炭糖化合物を、高価の試薬を使用することなく、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）またはそのアルキルエーテル誘導体たる５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）を製造することができる。

また、本発明は、有機溶媒の選択が制限的ではなく、不均一触媒が使用できるため分離精製が容易であり、化学的に安定なＡＭＦを直接製造することができる。その上、アルドース型六炭糖化合物の転換率に優れるうえ、六炭糖化合物を１０倍以上の高濃度で使用することができる。

本発明の実施例１〜８の陰イオン交換樹脂の洗浄溶液によるフルクトース収率を比較して示す。

本発明の実施例９〜１６の陰イオン交換樹脂／グルコースの重量比によるフルクトース収率を比較して示す。

本発明の実施例１７〜２４の反応時間によるフルクトース収率を比較して示す。

本発明の実施例２５〜２８の反応容器溶媒によるフルクトース収率を比較して示す。

本発明の実施例２９〜３２の陰イオン交換樹脂の種類によるフルクトース収率を比較して示す。

本発明の実施例５６のＨＭＦおよびＥＭＦへの転換反応における時間経過に伴う生成物収率の変化を分析して示す。

以下、本発明のイオン交換樹脂を用いる５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールまたはそのアルキルエーテル誘導体の製造方法について説明する。

前記５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）またはそのアルキルエーテル誘導体たる５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）の化学式を下記化学式１で表す。

本発明のフラン系化合物の製造方法は、アルドース型六炭糖化合物を有機溶媒の下で陰イオン交換樹脂および陽イオン交換樹脂を用いてフラン系化合物を製造する。

詳しくは、本発明の５−ヒドロキシメチル−２−フルフラールおよびその誘導体を製造する方法は、アルドース型六炭糖化合物を陰イオン交換樹脂を用いて異性化反応させてケトース型六炭糖化合物を製造する段階（段階１）と、前記ケトース型六炭糖化合物を陽イオン交換樹脂を用いて脱水化反応させてフラン系化合物を製造する段階（段階２）とを含む。

前記段階１は、アルドース型六炭糖化合物を陰イオン交換樹脂を用いて異性化反応を介してケトース型六炭糖化合物に転換する段階である。

六炭糖化合物には、ケトースとアルドースの２種の構造異性体が存在する。
本発明で使用される用語「アルドース型六炭糖化合物」は、１モル当たり１個のアルデヒドを含む単糖類たるアルドースであって、６個の炭素を有する糖を意味する。本発明で使用される用語「ケトース型六炭糖化合物」は、１モル当たり１個のケトンを含む単糖類たるケトースであって、６個の炭素を有する糖を意味する。

ケトースとアルドースは下記化学式２に示すようにカルボニル基の位置によって区分することができるが、ケトースはＣ２位置にカルボニル基が存在するケトン化合物であり、アルドースはＣ１位置にカルボニル基が存在するアルデヒド化合物である。

また、六炭糖化合物は、ｐＨ条件によって線形構造と環状構造との間で平衡をなして存在するが、この際、化学式２のように、ケトースは５員環構造をなし、アルドースは６員環構造をなす。

したがって、単糖類の六炭糖化合物から５員環構造のフラン系化合物たるＨＭＦとＡＭＦを得るとき、アルドースよりケトースが一層転換されやすいから、ＨＭＦとＡＭＦを生産するためにケトース型を出発物質として用いることが好ましい。このために、前記段階１の反応によって、自然界に存在する六炭糖化合物の大部分の形態たるアルドース型をケトース型に高収率で転換することができる。

前記段階１の反応において、前記アルドース型六炭糖化合物は、アルドース型グルコース；アルドース型ガラクトース；またはアルドース型グルコースまたはアルドース型ガラクトースを含む糖化合物；であってもよい。また、アルドース型グルコースまたはアルドース型ガラクトースを含む糖化合物はアミロース、セルロースまたはアガロースであることが好ましい。

本発明で使用される用語「イオン交換樹脂」は、微細な３次元網目構造の高分子基体にイオン交換基を結合させたものであり、高分子基体に固定させた固定イオンと反対符号の溶液中で溶出可能な対イオンからなる。イオン交換樹脂は、交換基の種類によって陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂に大別され、それぞれ不溶性の高分子酸、高分子塩基といえる。

イオン交換樹脂の種類には陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂があり、陰イオン交換の種類には強塩基性陽イオン交換樹脂１型、２型（第４級アンモニウム）、弱塩基性陰イオン交換樹脂（第１級〜第３級アミン）があり、陽イオン交換樹脂の種類には強酸性陽イオン交換樹脂、弱酸性陽イオン交換樹脂がある。

イオン交換樹脂の大部分は、微細な３次元網目構造を有する高分子基体にイオン交換基を導入したものであり、原料モノマー（スチレン）と２官能以上の架橋剤（ジビニルベンゼン：ＤＶＢ）との共重合によって合成され、ＤＶＢ％を架橋度と呼ぶ。過酸化ベンゾイルを触媒として、モノマーが不溶の媒質（大部分は水）中でＰＶＡなどの有機懸濁安定剤または炭酸カルシウムなどの無機懸濁安定剤を用いて懸濁重合による２０〜５０メッシュの粒状の共重合体を得ることができる。

強酸性陽イオン交換樹脂は、前記で製造したビーズ(beads)を濃硫酸、クロロスルホン酸などを用いてスルホン化させる。弱酸性陽イオン交換樹脂は、−ＣＯＯＨ基を有するものが大部分であり、アクリル酸エステルとメタクリル酸エステルとＤＶＢの共重合ポリマーの加水分解によって合成される。

強塩基性陰イオン交換樹脂１型は、スチレンとＤＶＢの共重合体ビーズを、ＡｌＣｌ_３、ＳｎＣｌ_４、ＺｎＣｌ_２などのルイス酸を触媒として、クロロメチルエーテルでクロロメチル化し、これをトリメチルアミンなどの第３級アミンで４級化させて製造する。強塩基性陰イオン交換樹脂２型は、共重合体ビーズをクロロメチル化させた後、ジメチルエタノールアミンで４級化させる。弱塩基性陰イオン交換樹脂は、クロロメチル化させたビーズを第１級アミン、第２級アミンにアミノ化する。また、ＤＶＢとアクリレートの共重合物をアミンでアミド化して製造する。

本発明では、陰イオン交換樹脂としては産業的に広く用いられるポリスチレン基盤のビーズ型樹脂を使用した。この際、陰イオン交換樹脂の末端は重炭酸塩またはアルミン酸塩の形態にして異性化反応のための塩基性条件（ｐＨ１２〜１３）を造成した。

また、陽イオン交換樹脂としては、産業的に広く用いられるポリスチレン基盤のビーズ型樹脂を使用した。この際、陽イオン交換樹脂の末端は３Ｎ塩酸水溶液を用いてプロトン(proton)を置換させ、末端にプロトンが導入された陽イオン交換樹脂のｐＫａ値を約１に調節した。これにより、脱水反応のための酸性条件を造成した。

前記段階１の反応において、陰イオン交換樹脂は、下記化学式３のようにポリスチレン基盤のビーズ型樹脂であって、末端に第４級アンモニウムまたは第３級アミン官能基を持っており、対イオン(counter ion)は重炭酸(bicarbonate)またはアルミン酸(aluminate)で置換されて弱塩基性を帯びることを特徴とする。このために、陰イオン交換樹脂は、使用前に、重炭酸ナトリウムまたはアルミン酸ナトリウム飽和溶液で十分に洗浄しなければならない。

化学式３のような構造で製造された陰イオン交換樹脂をもって、アルドース型六炭糖化合物たるグルコースの異性化反応を行ったとき、３０〜５０％の転換率と７０〜９０％の選択度でケトース型六炭糖化合物たるフルクトースに転換される。
陰イオン交換樹脂がアルドース型六炭糖化合物たるグルコースをケトース型六炭糖化合物たるフルクトースに転換させる過程は、陰イオン交換樹脂の周辺で塩基条件が形成されるとき、下記化学式４のようにアルドース末端のアルデヒド基内の電子が隣接の炭素原子に移りながら(delocalized)ケトースで異性化反応が行われるものと思われる。

前記段階２は、ケトース型六炭糖化合物を、陽イオン交換樹脂を用いて脱水反応を介してＨＭＦまたはＡＭＦなどのフラン系化合物に転換する段階である。

前記段階２の反応において、前記フラン系化合物は５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）または５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）であり、５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）におけるアルコキシ基はＣ１〜Ｃ５であることが好ましい。

前記段階２の反応において、陽イオン交換樹脂は、下記化学式５のようにポリスチレン基盤のビーズ型樹脂であって、末端にスルホン酸官能基を持っており、対イオンがプロトンで置換されて強酸性を帯びることを特徴とする。このために、陽イオン交換樹脂は、使用前に、塩酸水溶液などで十分に洗浄しなければならない。

陽イオン交換樹脂がケトース型六炭糖化合物を脱水反応によってフラン系化合物に変換する過程を、下記化学式６に示した。下記化学式６に示すように、アルドースからケトースに転換された六炭糖化合物は、陽イオン交換樹脂周辺の酸性条件で環化反応と共に３分子の水が抜けながらフルフラール化合物が生成される（この際、環化反応が起こっていない状態で脱水化反応が行われるという主張もある−Acyclic intermediate mechanism）。

本発明は、アルドース型六炭糖化合物を異性化反応を介してケトース型六炭糖化合物に転換する役割を果たす陰イオン交換樹脂と、生成されたケトース型六炭糖化合物を脱水反応を介してＨＭＦまたはＡＭＦなどのフラン系化合物に転換する役割を果たす陽イオン交換樹脂を連続的に又は同時に用いることができる。

本発明において、有機溶媒は、親水性である六炭糖化合物の溶解度を考慮するとき、極性溶媒の使用が可能であり、特にジオキサン(dioxane)、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ、tetrahydrofuran）、アセトン(acetone)、ＤＭＳＯ(Dimethyl sulfoxide)、ＤＭＦ(Dimethylformamide)、ＮＭＰ(N-methyl-2-pyrrolidone)などの非プロトン性極性溶媒を使用する場合、最終生成物からＨＭＦを得ることができ、エタノール、ｎ−ブタノール、イソプロパノールなどのプロトン性極性溶媒を使用する場合、最終生成物としてＨＭＦとＡＭＦを得ることができる。

特に、アルコール（Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋１ＯＨ）溶媒を使用する場合、ＡＭＦの生産収率が高く、エタノール、ｎ−ブタノール、イソプロパノールなどを使用することが好ましい。

また、反応の際に、有機溶媒に対する出発物質たる六炭糖化合物の濃度は、有機溶媒との混合溶液の１％〜３０％（ｗｔ／Ｖ）であることを特徴とし、より好ましくは１０〜２０％（ｗｔ／Ｖ）であることを特徴とする。六炭糖化合物の濃度が１％未満になると、生産性が低下するうえ、有機溶媒の除去のための費用が上昇するという問題点があり、六炭糖化合物の濃度が３０％を超過すると、反応性に劣るという問題点がある。

また、反応の際に使用される陰イオン交換樹脂の重量比は、アルドース型六炭糖化合物１００重量部に対して５０〜３００重量部であることを特徴とし、より好ましくは１００〜２００重量部であることを特徴とする。陰イオン交換樹脂の重量比が５０重量部未満になると、転換速度が遅くなるという問題点があり、陰イオン交換樹脂の重量比が３００重量部を超過すると、副産物の生成が増加し、経済性に劣るという問題点がある。

また、反応温度は５０℃〜２００℃であることを特徴とし、さらに好ましくは７０℃〜１５０℃であることを特徴とする。反応温度が５０℃未満になると、反応速度が遅くなるという問題があり、反応温度が２００℃を超えると、副産物の生成が増加するという問題がある。

以下、本発明の好適な実施例を挙げて説明する。

［実施例］
実施例１〜５１（段階１）

チューブ型反応器内にグルコースを１００ｍｇずつ入れ、重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）またはアルミン酸ナトリウム（ＮａＡｌＯ_４）飽和水溶液で洗浄した陰イオン交換樹脂（ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−４００、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−９００、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３、ＡｍｂｅｒｌｙｓｔＡ−２６）を各反応器内に５０〜３００ｍｇ（陰イオン交換樹脂／グルコース（ＡＥＲ／Ｇｌｕ）の重量比＝０．５〜３）ずつ入れた。

各反応器に３ｍＬの有機溶媒（ＤＭＳＯ、ＤＭＦ、エタノール、ジオキサン、イソプロパノール）を入れ、８０〜１００℃で所定の時間攪拌した。反応終結の後、それぞれの反応器を室温に減温し、ＨＰＬＣ等級の蒸留水で希釈した後、ＨＰＬＣ分析を行ってフルクトースの転換収率を測定した。試料は高性能液体クロマトグラフィー（Ａｇｉｌｅｎｔ１２００ｓｅｒｉｅｓ）の下でイオン排除カラム（Ｂｉｏ−ＲａｄＡｍｉｎｅｘＨＰＸ−８７Ｈ３００×７．８ｍｍ）によって分離し、ＲＩＤ検出器で測定して転換収率を求めた。

実施例１〜実施例５１に適用される陰イオン交換樹脂、（ＡＥＲ／Ｇｌｕ）の重量比、有機溶媒、反応時間、反応温度およびフルクトースの収率は、下記表１に示すとおりである。

実験例１：陰イオン交換樹脂の洗浄溶液によるフルクトース収率の比較
実施例１〜実施例８における反応終結の後、それぞれの反応器を室温に減温し、ＨＰＬＣ等級の蒸留水で希釈した後、ＨＰＬＣ分析を行って収率を測定した。試料は、高性能の液体クロマトグラフィー（Ａｇｉｌｅｎｔ１２００ｓｅｒｉｅｓ）上でイオン排除カラム（Ｂｉｏ−ＲａｄＡｍｉｎｅｘＨＰＸ−８７Ｈ３００×７．８ｍｍ）によって分離し、ＲＩＤ検出器で測定して収率を求めた。

実施例１〜実施例８の陰イオン交換樹脂の洗浄溶液によるフルクトース収率を比較して図１に示した。

図１によれば、重炭酸ナトリウムで洗浄した陰イオン交換樹脂は種類を問わず２０〜３０％の収率でフルクトースが生成されることを確認することができた。一方、アルミン酸ナトリウムで洗浄したゲルタイプのＡｍｂｅｒｌｉｔｅＡ−２６を使用した場合、すなわち、実施例２では３８％の優れた収率でフルクトースが生成されたが、網目タイプのＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ０−４００とＩＲＡ−９００の場合、すなわち、実施例３〜６ではフルクトースへの異性化効果が微弱であった。また、第３級アミン官能基を持っているＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３の場合、すなわち、実施例６および７では洗浄溶液の種類を問わず同様のフルクトース転換収率を示したが、これはＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３が塩基性溶液による洗浄の後に遊離アミン(free amine)として存在して対イオンの効果がないためであると見做される。

実験例２：陰イオン交換樹脂／グルコース（ＡＥＲ／Ｇｌｕ）の重量比によるフルクトース収率の比較
実施例９〜１２（１０分間反応、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＡ−２６）、実施例１３〜１６（３０分間反応、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＡ−２６）、実施例３３〜３６（１０分間反応、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３）における反応の後、試料を採取してＨＰＬＣ等級の蒸留水で希釈した後、ＨＰＬＣ分析を行って収率を測定した。

分析の結果、グルコースの重量に対して陰イオン交換樹脂の重量が２倍（ＡＥＲ／Ｇｌｕ＝２）であるとき、実施例１１（２５％）、実施例１５（３４％）および実施例３５（１８％）で最も高いフルクトース収率を示した。

ここで、実施例９〜１６の陰イオン交換樹脂／グルコースの重量比によるフルクトース収率を図２に示した。図２によれば、前記重量比が２のときに最高の転換収率を示し、反応は３０分を経過するまで行い続けることを確認することができた。

実験例３：陰イオン交換樹脂との反応時間によるフルクトース収率の比較
実施例１７〜２０（ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＡ−２６）、実施例２１〜２４（ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３）における反応の後、試料を採取してＨＰＬＣ等級の蒸留水で希釈した後、ＨＰＬＣ分析を行って収率を測定し、その分析結果を図３に示した。

図３によれば、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＡ−２６を使用する場合は１０分内に最高収率たる約２０％まで到達したが、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３を使用する場合は最高収率に到達するためには３０分以上がかかることを確認することができた。ところが、最高収率はＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３を使用した方がさらに優れるものと確認された。

また、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＡ−２６を使用する場合、１２０分以上反応を持続したときにフルクトース収率が３０％以上を示し、実施例２９で１６時間反応させたときに４９％までフルクトース収率を増加させることができたが、褐色の副産物が樹脂上に吸着されることを確認することができた。

実験例４：反応有機溶媒によるフルクトース収率の比較
実施例２５〜２８での反応の後、試料を採取してＨＰＬＣ分析を行い、反応有機溶媒によるグルコースの転換率、フルクトースの選択度および収率を分析して図４に示した。

図４によれば、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−９００、反応有機溶媒としての水およびＤＭＳＯを使用したとき、フルクトースの選択度は９０％以上と優れたが、グルコースの転換率は１６時間後にもそれぞれ２６％、１５％と良くないことを確認することができた。ところが、プロトン性極性溶媒であるエタノールを使用したとき、グルコースに対する溶解度が低いにも拘らず、４５％以上の優れた収率でフルクトースを得ることができることを確認した。

このように、エタノール（ｂ．ｐ．７８℃）を反応有機溶媒として使用する場合、ＤＭＳＯ（ｂ．ｐ．１８９℃）またはＤＭＦ（ｂ．ｐ．１５３℃）より低い沸点を持つため、除去が一層容易であるうえ、次世代バイオ燃料として知られたＥＭＦ(5-ethoxymethyl-2-furfural)を直接得ることができるという利点がある。

それだけでなく、エタノール以外の他の極性溶媒であるジオキサンとイソプロパノールの下でＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３陰イオン交換樹脂をグルコースの２倍の重量で使用して８０℃で反応を行った実施例４４および４５の場合、フルクトースの収率は３時間内にそれぞれ５３％と４１％に達する比較的良い結果を確認した。

これに対し、反応温度を５０℃に降温した実施例４６〜４８の場合、有機溶媒の種類を問わず、フルクトースの収率は１〜３％と非常に低いことを確認することができた。

実験例５：陰イオン交換樹脂によるフルクトース収率の比較
実施例２９〜３２での反応の後、試料を採取してＨＰＬＣ分析を行い、グルコース転換率、フルクトース選択度およびフルクトース収率を分析して図５に示した。

図５によれば、陰イオン交換樹脂としてＡｍｂｅｒｌｉｔｅＡ−２６を使用した実施例２９、および陰イオン交換樹脂としてＡｍｂｅｒｉｔｅＩＲＡ−９００を使用した実施例３１の場合、４９％の優れた収率でフルクトースが生成されることを確認することができた。ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＡ−２６を使用した実施例２９の場合、グルコースの転換率が６７％と優れるが、フルクトースの選択度が７３％と低かった。これに対し、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−９００を使用した実施例３１の場合、グルコースの転換率が４９％とＡｍｂｅｒｌｉｔｅＡ−２６の使用時より低かったが、フルクトースの選択度がほぼ１００％に近いことを確認することができた。

一方、実施例１、３、５および７の反応の後、試料を採取してＨＰＬＣ分析を行ってフルクトースの収率を測定した。この際、前記表１に示すように、ＡｍｂｅｒｌｙｓｔＡ−２６を使用した実施例１およびＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３を使用した実施例７でフルクトース収率が２８％、２６％と最も高かった。但し、実施例１はフルクトース収率が高いが、副産物が共に生成された。

特に、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３を使用した実施例４３の場合、陰イオン交換樹脂をグルコース重量の２倍とし、エタノールの存在下に８０℃で反応を行ったとき、フルクトースの転換収率は３時間内に５７％に達することを確認することができた。

実施例５２〜５６（段階１および段階２の連続遂行）
チューブラタイプの反応器内にグルコースおよび陰イオン交換樹脂ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３を入れて一定の時間反応（段階１）させた後、連続して陽イオン交換樹脂Ａｍｂｅｒｌｙｌｓｔ１５を入れて所定の温度および時間条件で反応（段階２）させた。この際、以前段階で使用されたイオン交換樹脂を濾過によって除去した後、新しいイオン交換樹脂を投入した。陰イオン／陽イオン交換樹脂を交互に使用した。
実施例５２〜５６の詳細な反応条件は、下記表２に示すとおりである。

実施例５７〜６２（段階１および段階２の同時遂行）
チューブラタイプの反応器内にグルコース、重炭酸ナトリウム飽和溶液で洗浄した陰イオン交換樹脂ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３、および陽イオン交換樹脂Ａｍｂｅｒｌｙｌｓｔ１５を同時に入れて有機溶媒（ＤＭＳＯ、ＤＭＦ、エタノール、ｎ−ブタノール）の下で所定の温度および時間条件で反応させた。
実施例５７〜６２の詳細な反応条件は、下記表３に示すとおりである。

比較例１：陰イオン交換樹脂を使用していない場合
チューブラタイプの反応器内にグルコース（１００ｍｇ）、およびプロトンで置換された陽イオン交換樹脂Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ１５（１００ｍｇ）を入れ、有機溶媒としてＤＭＳＯを３ｍＬ入れた後、陰イオン交換樹脂のない条件の下に１００℃で５時間攪拌した。反応終結の後、ＨＰＬＣ分析の結果、前記反応条件の下でフラン系化合物たるＨＭＦが生成されないことを確認することができた。

実験例６：グルコースからＨＭＦおよびＥＭＦへの転換反応における時間経過に伴う生成物収率の変化の分析
実施例５６によって、グルコースを入れてエタノール有機溶媒の下で陰イオン交換樹脂ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＩＲＡ−７４３と陽イオン交換樹脂Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ１５を１時間ずつ８０℃と１００℃で交互に使用して時間別に生成物の変化様相を分析し、その結果を図６に示した。

図６によれば、陰イオン交換樹脂が使用されるときにグルコースからフルクトースへの異性化反応が行われてフルクトース生成収率が増加し、陽イオン交換樹脂が使用されるときにフルクトース生成収率が減少し、ＨＭＦとＥＭＦが生成されることを確認することができた。

前記実験例１〜６によれば、本発明のＨＭＦまたはＡＭＦなどのフラン系化合物の製造方法は、主に食糧資源を含む、限られた供給源のみから得ることが可能なケトース型六炭糖化合物だけでなく、自然界において最も富むアルドース型六炭糖化合物もＨＭＦまたはＡＭＦなどのフラン系化合物に転換することができるという利点があることを確認することができる。また、アルドース型六炭糖化合物をフラン系化合物に転換するために開発されたイオン性液体と金属触媒を用いる既存の方法と比較して、高価の試薬を使用しないため、産業的な量産を考慮するときに生産費用が節減できることが分かる。

一方、既存の二相系を用いる六炭糖化合物のフラン系化合物転換方法と比較して、有機溶媒の選択が制限的ではなく、不均一触媒が使用できるため分離精製が容易であるという利点がある。また、プロトン性極性溶媒を用いて、ＨＭＦだけでなく、高エネルギー密度を有するバイオ燃料として使用が可能であり、化学的に安定なＡＭＦを直接製造することができる。

すなわち、陽イオン交換樹脂のみを用いる既存の方法と比較するとき、陰イオン交換樹脂による異性化反応を用いるケトース型六炭糖化合物への変換を促進することができるため、アルドース型六炭糖化合物の転換率に優れるうえ、六炭糖化合物を１０倍以上の高濃度で使用することができることが分かる。

以上、本発明の好適な実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内において、当該分野における通常の知識を有する者によって様々な変形が可能である。

本発明の製造方法によって、陰イオン／陽イオン交換樹脂を触媒として同時に又は連続的に使用することにより、バイオマスから得られるアルドース型六炭糖化合物を、高価の試薬を使用することなく、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）またはそのアルキルエーテル誘導体たる５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）に製造することができる。

Claims

アルドース型六炭糖化合物から有機溶媒の下で陰イオン交換樹脂、これは末端に第３級アミンを有するか、または重炭酸ナトリウム飽和水溶液で処理されている、および陽イオン交換樹脂を用いて５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）および５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）の混合物、または５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）を製造する、フラン系化合物の製造方法であり、ここで、前記フラン系化合物は、５−ヒドロキシメチル−２−フルフラール（ＨＭＦ）および５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）の混合物、または５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）であり、有機溶媒がアルコール溶媒であることを特徴とする、前記方法。
前記フラン系化合物の製造方法は、
アルドース型六炭糖化合物を陰イオン交換樹脂を用いて異性化反応させてケトース型六炭糖化合物を製造する段階（段階１）と、
前記ケトース型六炭糖化合物を陽イオン交換樹脂を用いて脱水化反応させてフラン系化合物を製造する段階（段階２）とを含んでなる、請求項１に記載のフラン系化合物の製造方法。
前記陰イオン交換樹脂と前記陽イオン交換樹脂を、同時に又は連続的に使用することを特徴とする、請求項１に記載のフラン系化合物の製造方法。
前記アルドース型六炭糖化合物は、アルドース型グルコース；アルドース型ガラクトース；またはアルドース型グルコースまたはアルドース型ガラクトースを含む糖化合物；であることを特徴とする、請求項１に記載のフラン系化合物の製造方法。
前記アルドース型グルコースまたはアルドース型ガラクトースを含む糖化合物は、アミロース、セルロースまたはアガロースであることを特徴とする、請求項４に記載のフラン系化合物の製造方法。
前記５−アルコキシメチル−２−フルフラール（ＡＭＦ）のアルコキシ基は、Ｃ１〜Ｃ５であることを特徴とする、請求項１に記載のフラン系化合物の製造方法。
前記陰イオン交換樹脂は、ポリスチレン基盤のビーズ型樹脂であって、末端に第４級アンモニウムまたは第３級アミン官能基を有し、交換樹脂周辺のｐＨが１２〜１３を示す塩基性陰イオン交換樹脂であることを特徴とする、請求項１に記載のフラン系化合物の製造方法。
前記陽イオン交換樹脂は、ポリスチレン基盤のビーズ型樹脂であって、末端にスルホン酸官能基を有し、中心イオンがプロトンで置換されてｐＫａが１〜２を示す酸性陽イオン交換樹脂であることを特徴とする、請求項１に記載のフラン系化合物の製造方法。
前記アルコール溶媒は、エタノール、ｎ−ブタノールおよびイソプロパノールのいずれか１種であることを特徴とする、請求項１に記載のフラン系化合物の製造方法。
前記アルドース型六炭糖化合物は、アルコール溶媒との混合溶液において１％〜３０％（ｗｔ／Ｖ）の濃度であることを特徴とする、請求項１に記載のフラン系化合物の製造方法。
前記陰イオン交換樹脂は、アルドース型六炭糖化合物１００重量部に対して５０〜３００重量部であることを特徴とする、請求項１に記載のフラン系化合物の製造方法。
前記フラン系化合物の製造方法における反応温度は、５０℃〜２００℃であることを特徴とする、請求項１に記載のフラン系化合物の製造方法。