JP6563992B2 - ヒドロキシメチルフルフラールから２，５−フランジカルボン酸を製造するための噴霧酸化方法 - Google Patents

ヒドロキシメチルフルフラールから２，５−フランジカルボン酸を製造するための噴霧酸化方法 Download PDF

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Description

背景
現在石油系または化石燃料系の出発原料から大規模製造されている様々な化学製品および燃料製品を製造するための出発原料として、すなわちこれらのバイオベースの等価物または類似物を製造するための出発原料として天然物を使用する分野の重要性が高まっている。例えば、天然物を燃料に変換すること、洗浄剤とすること、および勿論、より持続可能性の高い化石燃料系エネルギー源の代替物とすることに関しても膨大な研究が行われてきた。
デンプン、セルロース、スクロース、イヌリン等の農産物原料はグルコースおよびフルクトース等の六炭糖を製造するための安価で再生可能な出発原料である。同様に、このグルコースその他の六炭糖、特にフルクトースを他の有用な物質、例えば２−ヒドロキシメチル−５−フルフルアルデヒド（５−ヒドロキシメチルフルフラールまたは単にヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）としても知られる）：

に変換できることはかなり以前から認識されている。入手可能な炭水化物系バイオマスは絶対的に豊富であり、ＨＭＦから誘導される汎用化学品および燃料製品を開発するための再生可能資源の基盤は万全である。例えば、２００８年６月発行の、Gongに付与された米国特許第７，３８５，０８１号においては、例えば、１年間に生産されたバイオマス約２０００億トンのうち９５％が炭水化物の形態にあり、その後、食品その他の目的に使用された炭水化物は全体のわずか３〜４％であったと見積もられている。
この事実を踏まえて、また、ＨＭＦが様々な官能性を有することに基づき、フルクトースやグルコース等の六炭糖からこうして得ることができるＨＭＦを用いてポリマー、溶媒、界面活性剤、医薬品、農薬等の再生可能資源に由来する多種多様な製品を製造することができると提案されてきた。このことに関連して、ＨＭＦを、フルフリルジアルコール、ジアルデヒド、エステル、エーテル、ハロゲン化物およびカルボン酸等の多種多様な化合物の合成における出発原料または中間体のいずれかとして用いることが提案されてきた。
ＨＭＦの酸化により誘導される多くの生成物が文献において検討されている。そのようなものとして、ヒドロキシメチルフランカルボン酸（ＨｍＦＣＡ）、ホルミルフランカルボン酸（ＦＦＣＡ）、２，５−フランジカルボン酸（ＦＤＣＡ、デヒドロ粘液酸としても知られる）およびジホルミルフラン（ＤＦＦ）が挙げられる。その中でもＦＤＣＡは、数百万トン規模で製造されているポリ（エチレンテレフタレート）やポリ（ブチレンテレフタレート）等のポリエステルポリマーの再生可能なバイオベース代替品として検討されてきた。ＦＤＣＡ等の誘導体は、２，５−ジヒドロキシメチルフランおよび２，５−ビス（ヒドロキシメチル）テトラヒドロフランから製造することができ、ポリエステルポリマーの製造に使用することができる。最近ではＦＤＣＡエステルもＰＶＣ用フタル酸エステル可塑剤の代替品として評価されている。例えば、国際公開第２０１１／０２３４９１Ａ１号および国際公開第２０１１／０２３５９０Ａ１号（いずれもEvonik Oxeno GmbHに譲渡）ならびにR. D. Sanderson et al, Journal of Appl. Pol. Sci. 1994, vol. 53, pp.1785-1793を参照されたい。
ＦＤＣＡは、例えば、米国エネルギー省（United States Department of Energy）による２００４年の報告書（study）の中で、「グリーン」ケミストリーに基づく化学産業（“green” chemical industry）を将来的に確立するための１２基幹化学物質（12 priority chemicals）の１つに選定されており、そのため、最近になってＦＤＣＡおよびその誘導体に多大な商業的関心が寄せられているが、テレフタル酸と構造が類似しているＦＤＣＡがポリエステル製造に使用できる可能性は少なくとも１９４６年という早い時期から認識されていた。Drewittらに付与された「Improvements in Polymer」と題した英国特許第６２１，９７１号を参照されたい。
このように、ＨＭＦおよびその酸化により得られる誘導体（ＦＤＣＡ等）は、様々な用途に用いられるバイオベースの出発原料、中間体および最終生成物として長い間有望
視されてきたが、残念なことに、実用的な商業規模の方法を実現するのが困難であることが分かっていた。ＨＭＦを製造するための酸を使用する脱水法はかなり以前から知られており、少なくとも１８９５年の時点で、レブロースから（Dull, Chem. Ztg., 19, 216）およびスクロースから（Kiermayer, Chem. Ztg., 19, 1003）ＨＭＦを調製するために用いられている。しかしながら、これらのＨＭＦを製造するための初期の合成は、出発原料から生成物への転化率が低くて実用的とは言えなかった。Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４およびＨＣｌ等の安価な無機酸が使用されていたが、これらは溶液で使用され、再利用が難しい。再生および廃棄の問題を回避するために固体のスルホン酸触媒も使用されてきた。しかしながら、固体酸樹脂を用いると樹脂表面に失活を招くヒューミン（humin）の重合物が生成するため、代替品として完全に成り立つわけではないことが分かっている。六炭糖の炭水化物からＨＭＦを生成するためのさらなる他の酸触媒法が、Zhao et al., Science, June 15, 2007, No.316, pp.1597-1600およびBicker et al., Green Chemistry, 2003, no.5, pp.280-284に記載されている。Zhaoらの文献においては、六炭糖がイオン性液体の存在下に塩化クロム（ＩＩ）等の金属塩と一緒に１００摂氏度で３時間処理され、その結果としてＨＭＦが７０％の収率で得られており、一方、Bickerらの文献においては、亜臨界または超臨界アセトンおよび硫酸触媒を作用させることにより、糖類がほぼ７０％の選択性で脱水環化してＨＭＦになると報告されている。
酸を用いる脱水方法では、ＨＭＦが再び水和してレブリン酸やギ酸等の副生成物が生じることが煩雑さを増大させる。それ以外の望ましくない副反応としては、ＨＭＦおよび／またはフルクトースが重合することによりヒューミンの重合物が生成するというものがあり、これは固体の廃棄物であるため、直前に述べたように固体酸樹脂触媒を使用している場合は触媒毒として作用する。溶媒の選択によっては煩雑さが一層増大する可能性がある。水は廃棄が容易であり、フルクトースを溶解するが、残念なことに、水性環境下では選択性が低くなり、高分子およびヒューミンの生成が増加する。
これらの難点を踏まえ、また、商業的に実現可能なＨＭＦ製造方法を得るためのこれまでの取り組みをさらに検討して、Sanbornらは、米国特許出願公開第２００９／０１５６８４１Ａ１号（Sanbornら）において、出発原料である炭水化物（好ましくはフルクトース）をカラム内において溶媒中で加熱し、加熱された炭水化物および溶媒を固相触媒（好ましくは酸性イオン交換樹脂）に連続的に送液し、生成物混合物中のＨＭＦおよび他の構成成分の溶出速度の差を利用して「実質的に純粋な」ＨＭＦ生成物を回収することによる、「実質的に純粋な」ＨＭＦを製造するための方法を記載しており、ここで「実質的に純粋な」とは、純度が約７０％以上、任意選択的に約８０％以上または約９０％以上であることを意味すると記載している。ＨＭＦエステルを製造するための他の方法は、溶媒としての役割も果たすことができる有機酸の存在下において変換を行うものである。特に、フルクトース用の溶媒として酢酸が挙げられている。結果として得られるアセチル化ＨＭＦ生成物はＨＭＦよりも「安定」であると報告されており、その理由が、ＨＭＦを加熱すると分解して、「分離または除去が容易でない」副生成物を生成することにあると４頁第００４８段落に記載されている。
さらに、アセチル化ＨＭＦは蒸留または抽出よってより容易に回収されると述べられているが、濾過、蒸発およびＨＭＦエステルを単離するための方法の組合せも記載されている（２頁第００１７段落）。一実施形態においては、生成物であるＨＭＦエステル（若干の残留ＨＭＦを含む可能性がある）を、次いで、有機酸、酢酸コバルト、酢酸マンガンおよび臭化ナトリウムと混合して、高温および高圧で酸素の存在下に酸化することによりＦＤＣＡにすることができる。この例においては、酸化を行うためにParr反応器が使用されている。
これと同じＣｏ／Ｍｎ／Ｂｒ触媒系は、従来、パラキシレンを液相酸化してテレフタル酸を得るＭｉｄ−Ｃｅｎｔｕｒｙ法に使用されていたが、テレフタル酸製造の当業者は、ＨＭＦエステルおよび残留ＨＭＦのＦＤＣＡ（すなわちＴＰＡのバイオベース類縁体）への酸化におけるこの触媒の有用性がこのようにして示されたことが分かる。バイオベース原料の変換に、石油由来原料の処理に主に使用されているものと同じ触媒が用いられるという特徴は、調達性および使用性という点で有益かつ望ましいものである。
ごく最近になって公開された国際公開第２０１１／０４３６６１号（以後、「ＷＯ’６６１」と称する）には、フルクトースやグルコース等の炭水化物から中間体としてのＨＭＦおよびＨＭＦ誘導体を経てＦＤＣＡを商業的に製造するための努力が継続されていると記載されている。先に公開された、Ｐｔ族触媒を使用して水性媒体中でＨＭＦをＦＤＣＡに酸化する方法または金系触媒上でＨＭＦを酸化することを含む方法に関するＷＯ’６６１の発明者らの見解または分析を総合すると、ＷＯ’６６１の発明者らは、Sanbornらが、実際には、ＨＭＦを酢酸溶媒と反応させることにより生成する５−（アセトキシメチル）フルフラール（ＡＭＦ）エステルからＦＤＣＡを製造することができなかったと主張している。「驚くべきことに」、ＷＯ’６６１の発明者らは、コバルトおよびマンガンをベースとする、臭化物を含む酸化触媒を使用すると、５−（アセトキシメチル）フルフラールおよびこれに類する他のＨＭＦエステル誘導体を含む様々なフラン系物質からＦＤＣＡを得ることができ、１４０摂氏度を超える反応温度を用いた場合は「高収率」となることを見出している。
SanbornらおよびＷＯ’６６１の両方に共通するＨＭＦエステル出発原料は、ＷＯ’６６１において周知の方法による手順として示されているように、アルキルカルボン酸の存在下に炭水化物供給源をＨＭＦエステルおよび任意選択的にＨＭＦを含む生成物に変換することにより得られるものである。次いで、引き続き酸化を１４０華氏度（いわゆる臨界温度）を超える温度で行うために、この生成物からＨＭＦエステルおよび任意選択的なＨＭＦ供給原料が分離される。一般に、回分式、半回分式および連続式プロセスが考えられるが、「特定の時間に温度を上昇させ、特定の時間に圧力を上昇させ、反応開始時の触媒濃度が変化し、反応中の触媒組成が変化する、回分方式で運転する」ことが好ましいと示唆されている（４頁第２８〜３２行）。そして、ＷＯ’６６１の酸化プロセス中における圧力が溶媒の圧力に依存することがはっきりと認められているが（４頁最終行〜５頁１行）、好ましくは、溶媒が「主として液相中にある」圧力を用いるべきである（５頁２行）。
発明の概要
これとは対照的に、本発明は、一態様においては、触媒として有効なコバルト成分、マンガン成分および臭化物成分の組合せを、酸化すべきフラン系基質と一緒に含む噴霧可能な供給原料を酸化するための方法であって、この供給原料が反応器内に噴霧され、反応器内の酸化剤と合一して反応する方法に関する。さらに、反応器内の発熱による温度上昇の少なくとも一部が、反応器内の圧力を選択および制御することによって制限される。
好ましくは、反応器内の圧力は、非常に発熱性の高い酸化が進行している間の反応器内に存在する液体の沸点が（勿論、沸点は液体に作用する圧力に基づき変化することになる）、酸化開始時点の温度よりもわずか１０〜３０摂氏度高い温度になるように選択および制御される。液体の沸点が酸化開始時点の温度を大幅に超えないような圧力を選択および制御することにより、酸化過程で生じる熱の一部が液体の気化に割り当てられ、それによって反応器内の発熱による温度上昇を制限することができる。発熱による温度上昇が制限されることに対応して、温度がさらに上昇して副生成物および分解物が生じることと、溶媒が燃焼することとに起因する収率の損失が抑えられることが分かる。
酢酸は、参考文献であるＷＯ’６６１、SanbornらおよびPartenheimer（Adv. Synth. Catal. 2001, vol. 343, pp. 102-111）ならびにＷＯ’６６１の背景に記載されている参考文献であるGrushin（国際公開第０１／７２７３２号）においてＨＭＦおよびＣｏ／Ｍｎ／Ｂｒ触媒の溶媒／担体として共通して使用されており、ＨＭＦからＦＤＣＡを得る本方法においては、好都合なことに、温和な圧力下において、通常所望される酸化温度に非常に近い沸点を有する液体としての役割を果たすことができる。この場合、酢酸が気化することもさらなる利点となる。供給原料の様々な成分と、ＨＭＦがその酸化誘導体であるＦＤＣＡに変換される際の中間体とが酢酸に溶解したままである一方で、ＦＤＣＡは酢酸中に最小限にしか溶解しないため、析出させることが可能になり（反応器自体の内部で析出するか、および／または反応器から排出された反応混合物の冷却時に析出するかのどちらでも）、実質的に純粋な固体生成物として回収することができる。
第２の態様においては、本発明は、Sanbornら、ＷＯ’６６１、PartenheimerおよびGrushinの参考文献に加えてSanbornに付与された国際公開第２０１０／１３２７４０号においてこれまで様々な取り組みがなされてきた、バイオベースのフラン系基質を酸化することによるＦＤＣＡの製造を根本的に改善するものである。上述したように、ＨＭＦは自己重合する傾向や酸性環境および高温下で分解する傾向があるために、近年は、ＨＭＦを誘導体化してより安定な中間体（これもやはり酸化することによってＦＤＣＡを生成することができる）にする試みがなされてきた。本第２態様は、フルクトース、グルコースまたはこれらの組合せからＦＤＣＡを製造するための方法を提供するものであり、これは、Ｍｉｄ−Ｃｅｎｔｕｒｙ法形式でＣｏ／Ｍｎ／Ｂｒ酸化触媒を使用する本発明の噴霧酸化プロセスにおいて、従来の炭水化物を酸で脱水することにより得られる脱水粗生成物の混合物を直接溶媒に溶解して、反応器内に噴霧して酸化することができ、続いてＦＤＣＡ生成物を回収すると、予期せぬ高収率になるという発見に基づいている。ＨＭＦの単離も精製も不要であり、ＨＭＦの誘導体化も不要である（但し、本発明の範囲は、酸化可能なフラン系基質等のＨＭＦ誘導体にまで及ぶ）。実際、後述する実施例で確かめられているように、脱水粗生成物（粗製ＨＭＦ）を使用することにより、酸化プロセスに流入する供給原料のＨＭＦ含有量を基準として１００パーセントを超える収率でＦＤＣＡを得ることができる。
酸化反応システムの実施形態を例示する略図である。
特定の実施形態の詳細な説明
特定の実施形態をより詳細に説明することにより本発明をさらに十分に理解することができる。これらの実施形態は、本発明を限定するものと解釈すべきではなく、本発明の基礎となる原理を例示し、本発明の実施にこれらの原理を適用する様々な方法および選択肢を示すものであり、本発明の目的および範囲は以下の特許請求の範囲においてより具体的に定義される。
触媒として有効なコバルト成分、マンガン成分および臭化物成分の組合せと、酸化すべきフラン系基質とを含む噴霧可能な供給原料の酸化を実施するための方法の一実施形態は、供給原料を反応器内に噴霧して、供給原料中のフラン系基質を酸化剤（酸化気体等）と合一して反応させると同時に、反応器内の圧力を選択および制御することにより、反応器内における発熱による温度上昇を管理および制限することを含む。
本発明の方法による酸化に用いるための様々なフラン系基質が考えられるが、好ましくは、フラン系基質は、全部または大部分が再生可能供給源（renewable sources）に由来するものであり、「バイオベース」すなわち「生物由来（bioderived）」と見なすことができるものである。本明細書においては、これらの語は、ＡＳＴＭ Ｄ６８６６により示される炭素含有量の全部または大部分（例えば、少なくとも約２０パーセント以上）が、生物学的産物（biological product）または再生可能な農産物原料（これらに限定されるものではないが、植物原料、動物原料および海産物原料が挙げられる）または林産原料に由来する物質またはこれらの原料を主成分とする（based upon）物質を指す同義語として使用することができる。この点に関し、放射性炭素年代測定法に類似したＡＳＴＭ Ｍｅｔｈｏｄ Ｄ６８６６は、試料中に残存している放射性炭素同位体の量を、同じ試料が全て現代に生育した材料から製造されていると仮定した場合に含まれるはずの量と比較するものである。この百分率はその製品のバイオマス炭素含有率（biobased content）と呼ばれる。試料を石英試料管内で燃焼させ、気体状燃焼生成物を集めてホウケイ酸ガラス管に封管（break seal tube）する。１つの方法においては、液体シンチレーションを用いて気体状燃焼生成物中の二酸化炭素に含まれる炭素同位体の相対量を計測する。第２の方法においては、加速器質量分析法を用いて１３Ｃ／１２Ｃおよび１４Ｃ／１２Ｃ同位体比を計数（１４Ｃ）および測定（１３Ｃ／１２Ｃ）する。１４Ｃが０パーセントであれば、その物質中に１４Ｃ原子が全く存在しないこと、つまり化石（例えば石油系）炭素源であることを示唆している。１９５０年以降の核実験により大気中に放出された１４Ｃに関する補正を行った後の１４Ｃが１００パーセントとなった場合は、それが最近の炭素源であることを示唆している。ＡＳＴＭ Ｄ６８６６はバイオベースの物質と石油由来の物質とを識別するのに有効であり、その理由の一部として、例えば、光合成により植物体内へ二酸化炭素が移行するなどの生理的過程により同位体分別が起こり、その天然すなわちバイオベース化合物の同位体比が特定の値になることが挙げられる。一方、石油および石油由来製品中の１３Ｃ／１２Ｃ炭素同位体比は、石油が生成する際の化学的過程および同位体分別が異なるため、天然すなわち生物由来化合物の同位体比とは異なっている。さらに、不安定な１４Ｃ炭素放射性同位体に放射性崩壊が起こるため、バイオベース製品の同位体比は石油製品と異なるものになる。
より詳細には、好ましいフラン系基質としては、デンプン、セルロース、スクロースまたはイヌリン、特にフルクトース、グルコースまたはフルクトースおよびグルコースの組合せ等の農産物原料から容易に入手可能な炭水化物から誘導されるものを用いることができるが、一般には、この種の任意の炭水化物供給源を使用することができる。対象のフラン系基質を得るために使用することができる好適な炭水化物供給源の例としては、これらに限定されるものではないが、六炭糖、フルクトースシロップ、フルクトース結晶およびフルクトースの結晶化により得られる残液（process stream）が挙げられる。好適な混合炭水化物供給源は、コーンシロップ等の工業上好都合な任意の炭水化物供給源を含むことができる。他の混合炭水化物供給源としては、これらに限定されるものではないが、六炭糖、フルクトースシロップ、フルクトース結晶、高フルクトースコーンシロップ、粗精製フルクトース、精製フルクトース、高フルクトースコーンシロップ、精製中間体および精製副産物、フルクトースまたはグルコースまたはキシロースの結晶化により得られる残液ならびに糖蜜、例えば、濃縮大豆タンパク製造時に生成する大豆糖液またはこれらの混合物が挙げられる。
特に注目すべきは、この天然炭水化物に由来するという特徴を有するフラン系基質の中でも、フラン系基質を含有する噴霧可能な供給原料を、この供給原料中に含まれる均一酸化触媒の存在下に噴霧酸化することにより、商業的な関心を集めている２，５−フランジカルボン酸（ＦＤＣＡ）等の生成物を得ることができるものである。ＷＯ’６６１においては、例えば、Ｃｏ／Ｍｎ／Ｂｒ触媒等の金属臭化物混合触媒の存在下に酸化することによりＦＤＣＡを得ることができる様々なフラン系基質が同定されており、そのようなものとして、５−ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）、ＨＭＦのエステル、５−メチルフルフラール、５−（クロロメチル）フルフラール、５−メチルフロ酸、５−（クロロメチル）フロ酸および２，５−ジメチルフラン（に加えてこれらの任意の混合物）が挙げられる。
しかしながら、最も好ましくは、この方法に供給されるフラン系基質は、フルクトース、グルコースまたはこれらの組合せをこの特徴を有する様々な周知の方法に従い酸触媒脱水反応に付すことにより生成する、主としてＨＭＦと、有機酸または有機酸塩を作用させることにより生成するＨＭＦのエステルとを含む単純なものである。
上述したように、この種の有機酸の１種である酢酸は、ＨＭＦおよびＨＭＦエステル、例えば、ＨＭＦおよび酢酸のエステルである５−（アセトキシメチル）フルフラール（ＡｃＨＭＦ）を続いてＣｏ／Ｍｎ／Ｂｒ触媒で酸化するための溶媒として特に有用であることが見出されている。参考文献であるＷＯ’６６１に説明されているように、酢酸は、有用なことに、酸化ステップを経たＡｃＨＭＦから再生され、しかもＨＭＦおよびその誘導体の良溶媒であるが、ＦＤＣＡの良溶媒ではないため、実質的に純粋なＦＤＣＡ固体生成物の分離および回収を実質的に簡素化する。さらに、Sanbornらが説明しているように、ＡｃＨＭＦおよびＨＭＦを一緒に酸化して単一のＦＤＣＡ生成物を妥当な収率で得ることができる。本発明に関連して、酢酸は、妥当な圧力下における沸点が、所望の範囲内、すなわちＨＭＦおよびＨＭＦエステルからＦＤＣＡを得るためのＣｏ／Ｍｎ／Ｂｒ触媒を用いた酸化を実施するのに好ましい温度範囲を１０〜３０摂氏度超える範囲内にあるというさらに有利な特性を有し、したがって、酢酸溶媒の沸点がこの範囲に維持されるように運転圧力を選択すると共に系内の圧力を制御することによって、反応系に蒸発放熱（evaporative heat sink）を提供し、それによってＨＭＦおよびＨＭＦエステルが酸化するにつれて確実に増大する発熱による熱を制限することができる。したがって、温度に起因して、基質から副生成物が生じることによる収率の損失および溶媒が燃焼することによる損失を、この手段を用いることと、触媒組成、水の含有率および基質の添加方式（以下に示す）をさらに最適化することとによって制限することができる。
その後に続く酸化ステップにおける酢酸の有用性を考えると、一実施形態における酸による炭水化物の脱水は、第１脱水反応器において、高濃度（好ましくは非常に高い濃度の）形態の酢酸を使用して、後続の酸化温度に相当する高温に予熱し、十分な滞留時間を経ることにより単純に達成される。それにより、炭水化物が実質的に完全に転化し、その後、この脱水粗生成物の混合物をＣｏ／Ｍｎ／Ｂｒ触媒成分と合一することにより噴霧可能な供給原料組成物が得られる。別法として、第１脱水反応器内で供給原料中の炭水化物の転化を促すために固相酸触媒も使用することができ、第１反応器からの脱水粗生成物の混合物は、後続の噴霧酸化反応器で使用するための噴霧可能な供給原料に使用される。他の有機酸および無機強酸（例えば、フルクトースからＨＭＦを製造するために従来使用されてきたもの）でさえもこの脱水に同様に使用することができる。つまり、この選択が、その後に行われる酸化ステップにおいて、例えば、Ｃｏ／Ｍｎ／Ｂｒ触媒の失活または他の作用による著しい悪影響を及ぼさない限りは、一般にあらゆる酸または酸の組合せが考えられることが分かる。しかしながら、有用な手法として期待されるのは、第１反応器における脱水ステップの実施に高濃度の酢酸溶液および固体酸触媒を使用することであろう。
例えば、フルクトース／酢酸混合物を、固体酸触媒を含む１５０摂氏度の反応槽に供給する連続式プロセスを考えることができる。フルクトースは脱水されてＨＭＦとなり、ＨＭＦは過剰の酢酸により実質的に完全にＡｃＨＭＦエステルに転化され、次いでこの粗製脱水混合物が、次の槽でＣｏ／Ｍｎ／Ｂｒ触媒と一緒に噴霧可能な供給原料を生成する。こうして得られた噴霧可能な供給原料は、次いで、第２の酸化ステップに連続供給される。脱水ステップで生成した水の量を考慮して、脱水粗生成物混合物の水含有率が１０重量を超えないように、好ましくは水含有率が７重量パーセントを超えないように、酢酸は、十分に濃縮したものを使用することが好ましい。
このような構成の脱水ステップに有用な固相酸触媒としては、Amberlyst 35、Amberlyst 15、Amberlyst 36、Amberlyst 70、Amberlyst 131（Rohm and Haas）；Lewatit S2328、Lewatit K2431、Lewatit S2568、Lewatit K2629（Bayer Company）；およびDianion SK104、PK228、RCP160、Relite RAD/F（Mitsubishi Chemical America,Inc.）等の酸性樹脂が挙げられる。クレーおよびゼオライト等の他の固相触媒、例えば、CBV 3024およびCBV 5534G（Zeoiyst International）、T-2665、T-4480（United Catalysis,Inc）、LZY 64（Union Carbide）、H-ZSM-5（PQ Corporation）に加えて、スルホン化ジルコニアまたはNafionスルホン化テトラフルオロエチレン樹脂も同様に有用となり得る。Amberlyst 35等の酸性樹脂はカチオン性であり、一方、ゼオライト、アルミナおよびクレー等の触媒は小さな分子を捕捉する多孔質粒子である。脱水ステップにより水が生成することになるので、脱水ステップを実施する際は水含有率を低減した陽イオン交換樹脂を用いることが好ましい。dry Amberlyst 35等の多くの市販の固相触媒は水含有率が約３％であり、こうした理由から好ましいと見なされている。
次いで、こうして生成した脱水粗生成物の混合物を、Subramaniamらに付与された国際公開第２０１０／１１１２８８号（ＷＯ’２８８）に記載された形式の噴霧酸化プロセスに投入するための噴霧可能な供給原料の一部として加える。当該出願公開を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。一実施形態においては、噴霧可能な供給原料は、ＡｃＨＭＦエステルおよび任意選択的に若干の残留ＨＭＦを含むが、未反応の炭水化物を実質的に含まないことに加えて、酢酸と、好ましくは上述したように１０重量パーセント以下の水と、噴霧可能な供給原料中に溶解した均一酸化触媒とを含む。より一般には、他の実施形態においては、噴霧可能な供給原料は、１種または複数種の酸化すべきフラン系基質化学種と、均一酸化触媒と、フラン系基質化学種および均一酸化触媒の溶媒と、限られた量の水と、任意選択的に、噴霧可能な供給原料の噴霧特性または処理特性を改善し、さらに蒸発冷却または他の目的を達成するための他の材料とを含む。
噴霧可能な供給原料は、通常の運転圧力下における沸点が酸化反応の開始温度よりも１０〜３０摂氏度高い少なくとも１種の液体を含むことができる。該当する液体は、溶媒となることができるかもしくは溶媒を含む液体であるが、任意選択的に、反応の進行に伴う反応器内の発熱温度上昇を制限するために蒸発冷却を行う他の液体を選択することもできる。好ましくは、酢酸は、溶媒としての機能と、反応の進行に伴い蒸発冷却を行う気化可能な液体としての機能の両方を果たす。
参考文献であるＷＯ’２８８に記載したように、噴霧プロセスは多数の細かい小滴を生成し、この小滴内に酸素（酸化剤として使用される酸素含有気体の酸素）が浸透して、その中に含まれるＡｃＨＭＦエステルと反応することができるように構成されており、小滴は本質的に微小反応器として機能し、基質からＦＤＣＡへの酸化は実質的にこの小滴内で起こる。
この噴霧酸化プロセスは、溶媒の燃焼を可能な限り回避すると共に、温度に起因する、収率を低下させる副生成物の生成を回避するような方法で運転され、その一部は、直前に言及した「通常の運転圧力」を、蒸発冷却によって反応器内の発熱温度上昇を制限するように選択および管理することによって達成される。好ましくは、反応器内の溶媒の気液平衡を維持することにより、発熱温度上昇に対する安定した蒸発冷却制御が可能になる。実際、これは、酢酸および水の蒸発速度が、酢酸および水の蒸気が凝縮して反応器に戻る速度と一致するように反応器内の液面を実質的に一定に維持することによって実施することができる。内部冷却コイル等のさらなる除熱装置も使用することができる。好ましくは、噴霧可能な供給原料は、不活性バックグラウンドガス中にＯ２を含む反応器内に微小滴の形態で（例えば霧状物として）噴霧される。この小滴は、ネブライザー（nebulizer）や霧化器（mister）等の噴霧ノズルを介して可能な限り細かくなるように形成することができる。酸化すべきフラン系基質を含む小滴が細かい方が、液体の小滴および気体Ｏ２が接触する界面の表面積が増大する。界面の表面積を増大させることにより、反応速度および生成物の品質（例えば、収率および純度）を改善することができる。また、Ｏ２が拡散により小滴の体積全体に浸透するように、そして、所望の生成物への選択的酸化を小滴全体で進行させるために化学量論量のＯ２が利用できるように、小滴を十分に細かくする。同様に、小滴が細かい方が気化し易いため、非常に発熱性の高い酸化反応が効果的に蒸発冷却される。好ましくは、噴霧可能な供給原料は、平均小滴サイズが３００ミクロン〜１０００ミクロン、より好ましくは１００ミクロン〜３００ミクロン、よりさらに好ましくは１０〜１００ミクロンの小滴の形態で反応器に供給される。
図１に例示的な酸化系１００の実施形態の略図を示す。酸化系１００は、反応器１０８と、流路１１０等を介して流体連通関係にある、噴霧可能な供給原料の供給源１０２と、酸素または酸素含有気体（例えば、空気および酸素富化空気）供給源１０４と、希釈ガス（例えば、貴ガス、窒素、二酸化炭素）供給源１０６とを含むことができる。様々な構成要素を連結する流路１１０は管で示されており、これは、例えば、噴霧可能な供給原料がノズル１２８を通過するよりも前に、噴霧可能な供給原料の供給源１０２と、ポンプ１１４、分配器１１８および加熱器１２２とを流体連通させるように結合している。流路１１０は、流体流を流路１１０内に流通させることができるように、１つまたは複数の弁１１２、ポンプ１１４、連結器１１６および分配器１１８を含むことができる。したがって、この配置は、噴霧可能な供給原料、酸素または酸素含有気体（酸素単独が好ましい）および１種または複数種の希釈ガスを選択的に反応器１０８へ移送し、それによって上述したような酸化反応が起こるように構成することができる。
さらに、酸化系１００は、酸化系１００の任意の構成要素と連係可能なコンピューティングシステム１２０を含むことができる。したがって、弁１１２および／またはポンプ１１４等の各構成要素は、流路１１０内の流体流に関する命令をコンピューティングシステム１２０から受け取ることができる。コンピューティングシステム１２０および酸化系の構成要素１００間の全体的な情報伝達系は、酸化系１００の外側を囲む波線で表される。コンピューティングシステム１２０には、パーソナルコンピュータから産業用コンピューティングシステムまでの任意の種類のコンピューティングシステムを用いることができる。また、コンピューティングシステムは、酸化反応を実施するためおよび酸化系１００の構成要素を制御するためのコンピュータで実行可能な命令（例えばソフトウェア）を格納することができるディスクドライブ等の記憶媒体を含むことができる。
噴霧可能な供給原料の供給源１０２と流体連通可能に結合している流路１１０は、図に示すように加熱器１２２を含むことができる。加熱器１２２は、供給原料が反応器１０８に導入される前に噴霧可能な供給原料を所望の温度に予熱することができる。図に示すように、気体供給源１０４、１０６のいずれかを反応器１０８に流体連通可能に結合する流路１１０も同様に、これらの気体が反応器１０８に導入される前に気体を所定の温度に加熱する加熱器１２２を含むことができる。加熱器１２２はいずれも、コンピューティングシステム１２０が加熱器１２２に運転指令を与えることができるように、および／または加熱器１２２が運転データをコンピューティングシステム１２０に返送することができるように、コンピューティングシステム１２０と連係させることができる。したがって、加熱器１２２を含む任意の構成要素が、データ送信装置／受信装置（図示せず）に加えて制御モジュール（図示せず）を装備することができる。
流路１１０は、噴霧可能な供給原料（任意選択的に、ノズル１２８が気体および液体の両方または気体および液体の混合物を注入するために用いられる場合は、１０４および１０６からの酸素含有気体および／または希釈ガスも含む）を反応器１０８に噴霧するように構成された１つまたは複数のノズル１２８に流体連通可能に結合させることができる。この種の任意の配置のノズル１２８は、噴霧可能な供給原料の小液滴を上述したような適切な細かさで反応器１０８全体に分布させるように構成することができる。図１に示すノズル１２８は下方を向いているが、実際は、ノズル１２８は任意の方向に向けることができ、かつ複数のノズル１２８を任意の配置で構成することができる。同様に、噴霧可能な供給原料の噴流を超音波で破壊するなどの他の方法で小滴を形成することができる。一般的に言えば、小滴が酸化プロセスを実施するための微小反応器の役割を果たすことを考えると、反応条件が微小反応器間で一定となるように、ノズル１２８から噴霧される小滴の粒度分布がより狭く、反応器１０８全体に行き渡る方が好ましいことが理解される。そして、ノズル１２８の形態、数および空間的な向きならびに構成は、この点を念頭に置くことで少なくとも一部が決定されることとなる。
一実施形態における反応器１０８は、酸化生成物を受容するように構成されたトレー１３０を含むことができる。酸化生成物が生成すると、酸化生成物は析出等によって小滴から落下して、トレー１３０に着地することができる。トレー１３０は、金網、フィルタおよび膜とすることも、液体を通過させて酸化生成物を保持する複数の穴を有するものとすることもできる。酸化生成物を捕捉することができる任意の種類のトレー１３０を反応器１０８内に含むことができる。別法として、酸化生成物を液体と一緒に反応器１０８から取り出した後に、そこから分離することができる。
反応器１０８は、コンピューティングシステム１２０と連係しており、反応器１０８内の温度を変化させるための温度指令をコンピューティングシステム１２０から受け取ることができる温度制御装置１２４を備えることができる。そのようなものとして、温度制御装置１２４は、加熱および／または冷却要素に加えて熱交換要素も含むことができる。温度制御装置１２４は温度を測定するための熱電対も含むことができ、解析を行うために反応器１０８の運転温度をコンピューティングシステム１２０に提供することができる。
反応器１０８は、コンピューティングシステム１２０と連係しており、反応器１０８内の圧力を変化させるための圧力指令をコンピューティングシステム１２０から受け取ることができる圧力制御装置１２６を備えることができる。そのようなものとして、圧力制御装置１２６は、コンプレッサ、ポンプまたは他の調圧要素を含むことができる。圧力制御装置１２６はまた、反応器の圧力を測定し、解析を行うために反応器１０８の運転圧力をコンピューティングシステム１２０に提供することができる圧力測定装置（図示せず）も含むことができる。好ましくは、気／液分離器１３４に繋がるライン１１０上の背圧調整器１３６によってさらなる圧力制御が行われ、これは、本明細書に記載するように、加熱された調量弁１１２を介して、液体を反応器１０８に添加する速度とほぼ等しい速度で反応器１０８から液体を抜き出すことにより、反応器１０８内の気液平衡（反応器１０８内の酸化による温度上昇を制限する蒸発冷却を行うため）の維持を助ける機能を果たす。さらに、反応器内の液相の液面（したがって、液相の滞留量）を一定に維持するために、液面制御システム（微量調量弁１１２に結合させた光ファイバ等）を用いることができる。
さらに、酸化系１００は、噴霧可能な供給原料の供給源１０２および任意選択的に１つまたは複数の気体供給源に流体連通可能に結合したマスフローコントローラ１３２を含むことができ、ノズル１２８から噴霧される前の噴霧可能な供給原料に気体（例えば、酸素、酸素含有気体、不活性ガスおよび／または希釈ガス）が加えられる。マスフローコントローラ１３２は、コンピューティングシステム１２０によって、噴霧可能な供給原料中に加えられる１種の気体（または複数種の気体）の量を調節することができるように、そして次に、ノズル１２８から噴霧される小滴のサイズを調節することができるように、構成することができる。したがって、マスフローコントローラ１３２を使用することにより、噴霧可能な供給原料中に付勢ガス（energizing gas）を供給することと、次いでノズル１２８を介して細かい小滴を形成することとを助けることとができる。
図１の酸化系１００は、貯蔵容器、貯蔵槽、流路、弁、ポンプおよび電子機器に慣用されている標準的な材料から作製された構成要素を含むことができる。また、反応器およびノズルは、耐酸化性材料から作製することができる。例えば、反応器は、加熱器、標準的な溶液ポンプおよびセラミック製噴霧ノズルを備えたチタン製圧力容器を含むことができる。噴霧可能な供給原料をノズル１２８を介して供給するために、高圧液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）送液用の往復動ポンプまたは非往復ピストンポンプ（non-reciprocating piston pump）を利用することができる。噴霧可能な供給原料（および様々な気体）は、反応器と連係している加熱管を用いて反応温度に予熱することができる。
また、噴霧可能な供給原料および／または気体を受け容れる前の反応器に、予め定められた量の液体溶媒を含有させておくことができる。液体溶媒としては、噴霧可能な供給原料中に含まれるものと同一の溶媒を用いることができ、噴霧可能な供給原料が導入される前に、システムの運転圧力下において溶媒の沸点付近の温度に加熱される。酸化反応を実施する前の反応器内に溶媒蒸気が存在するように、溶媒が沸騰することができる温度／圧力にすることができる。供給原料が反応器に噴霧されるに従い、液体溶媒が噴霧可能な供給原料と一緒に蒸発することを阻止するように（酸化反応の発熱性に起因する蒸発を除く）、また、溶媒が気化して噴霧可能な供給原料中の触媒およびフラン系基質が小滴内で析出することがないように、沸騰または気化する溶媒の量を平衡状態または飽和状態に到達させることができる。さらに、反応器に流入させるＯ２含有流は、噴霧反応器底部の液相を通して散気することができ、こうすることにより、この流れが液相を酸素で飽和するだけでなく、この流れ自体が酢酸で飽和する。酢酸で飽和した気体流は塔内を上昇し、反応器から排出される気流によって反応器から連続的に除去される酢酸蒸気の補充を助ける。気相に流入する酢酸は触媒を析出させる可能性があるので、この酢酸の実質的な蒸発を阻止するために、噴霧相内の酢酸および気相内の酢酸の間に十分な平衡が維持されることが重要である。
噴霧可能な供給原料に含まれる均一酸化触媒は様々な酸化触媒から選択することができるが、好ましくは、コバルトおよびマンガンの両方をベースとし、好適には臭素の供給源、好ましくは臭化物を含む触媒である。この点に関する臭素供給源は、臭化水素、臭化ナトリウム、元素状臭素、臭化ベンジルおよびテトラブロモエタン等の、噴霧可能な供給原料中で臭化物イオンを生成する任意の化合物とすることができる。アルカリ金属臭化物もしくはアルカリ土類金属臭化物等の臭素塩または臭化亜鉛等の他の金属臭化物を使用することもできる。好ましくは、臭化物は、臭化水素または臭化ナトリウムを介して含有される。さらなる他の金属、例えばＺｒおよび／またはＣｅもＣｏ／Ｍｎ／Ｂｒと併用するのに有用であることがこれまでに分かっており（Partenheimer, Catalysis Today, vol. 23, no. 2, pp 69-158 (1995）参照）、これらも同様に含有させることができる。
金属成分はそれぞれ任意の周知のイオン性形態で提供することができる。好ましくは、１種または複数種の金属は、反応溶媒に可溶な形態にある。コバルトおよびマンガンの対イオンの好適な例としては、これらに限定されるものではないが、炭酸イオン、酢酸イオン、酢酸イオン四水和物およびハロゲン化物が挙げられ、ハロゲン化物としては臭化物イオンが好ましい。噴霧可能な供給原料用の溶媒として酢酸を用いる場合は、ＣｏおよびＭｎの酢酸塩形態を使用すると好都合である。
フルクトースの酸脱水粗生成物から、例えば本発明の噴霧酸化プロセスにおいてＦＤＣＡを製造する場合のＣｏ／Ｍｎ／Ｂｒ触媒は、典型的なＣｏ：Ｍｎ：Ｂｒのモル比が約１：１：６であるが、好ましくは、この金属は１：１：４のモル比で存在し、１：１：２の比が最も好ましいことが分かる。触媒の総含有量は、典型的には、噴霧可能な供給原料の０．４〜２．０重量パーセント程度であるが、好ましくは、噴霧可能な供給原料の０．６〜１．６重量パーセント、特に０．８〜１．２重量パーセントとなる。
この系およびプロセスの溶媒として、酸化すべきフラン系基質および直前に述べた酸化触媒の両方を溶解することができる任意の有機溶媒を用いることができるが、酸化に起因する発熱温度上昇の制限に関して言えば、溶媒は、従来運転が所望されるであろう運転圧力における所望の反応温度よりも約１０〜約３０度高い沸点を有することも好ましいであろう。さらに、好ましい溶媒は、酸化生成物が生成すると噴霧可能な供給原料の小滴内で所望の生成物が容易に析出し、実質的に純粋な固体形態で容易に回収されるように、この１種または複数種の所望の酸化生成物の溶解性が限られている溶媒である。Ｃｏ／Ｍｎ／Ｂｒ触媒およびフラン系基質に特に好適な溶媒は、モノカルボン酸官能基を含むものである。その中でも、脂肪族Ｃ２〜Ｃ６モノカルボン酸を考えることができるが、Ｃ３＋酸の中では、酢酸の沸点が非常に好ましい。酢酸は水溶液で使用することができるが、上述したように、水の含有量は好ましくはプロセス（典型的には連続式）の状況に応じて制限されるべきであり、第１脱水反応器からの脱水粗生成物が噴霧可能な供給原料の補充に直接使用されるので、脱水ステップから得られる水を含む噴霧可能な供給原料の水の総含有率は、１０重量パーセント以下、特に７重量パーセント以下である。
フラン系基質の酸化反応器への供給速度は、好ましくは、維持が必要な発熱温度上昇の十分な制御が可能になるように、蒸発冷却および任意選択的な外部冷却／熱管理手段によって制御されることになる。したがって、噴霧可能な液体供給原料のフラン系基質部分は、通常は、噴霧可能な供給原料の１〜１０重量パーセントを構成することになり、対応する量の糖類が第１脱水ステップへの供給原料に含まれることになり、脱水粗生成物が直接第２酸化ステップへの噴霧可能な供給原料の補充に使用される。酸化剤（Ｏ２）を含む気体流の供給速度は、Ｏ２の装入速度（モル量）が、基質の添加速度（モル量）を基準として少なくともＦＤＣＡの生成に必要な化学量論量に一致するようなものである。通常は、供給気体は、可燃性蒸気が確実に存在しないように、不活性ガス、好ましくはＣＯ２を少なくとも５０体積％含む。
一実施形態においては、微細な霧状の噴霧液の形態にある噴霧可能な供給原料は、気体反応区域において１６０〜２２０℃の範囲、より好ましくは１７０〜２１０℃の範囲または１８０〜２００℃の範囲（溶媒が酢酸である場合）にある反応温度で酸素と接触し、運転圧力は（気体および液体が投入される反応空間から気体および液体を連続的に除去することと、この反応空間からの気体ライン上の背圧調整器およびこの反応空間からの液体および固体排出ライン上の適切な調整弁を用いることとにより）１０〜６０バール、好ましくは１２〜４０バールまたは１５〜３０バールに選択および制御される。噴霧可能な供給原料および／または噴霧可能な供給原料と一緒にもしくは単独で反応器に装入される任意の気体装入物は、好ましくは気体反応区域に導入される前に実質的な反応温度に予熱される。
本噴霧酸化プロセスの特徴であるフラン系基質が好ましい圧力および反応器温度において速やかに酸化されることは、例えば、これまでのＨＭＦからＦＤＣＡを製造する試みにおいて認識されていた分解等やそれに伴う収率の損失を防止する一助となり、それと同時に、気化した酢酸または他の溶媒を反応器を通過した後に凝縮させ、さらなる噴霧可能な供給原料の一部として再利用されるため、溶媒の燃焼による収率の損失の防止の一助にもなる。これに関連して、小滴がノズル１２８を通過して反応器内に備えられたバルクの液体の貯留器（この貯留器は、気液平衡を保つ目的と、反応器内における小滴の合体および反応器内における小滴の気化の進行を考慮して用いられている）へと移行する際に、ノズル１２８から小滴が出現すると基質が実質的に酸化されるように、また、バルクの液体内でフラン系基質の酸化が実質的に起こらないように、ノズル１２８を所定のサイズの小滴を生成するように設計して、複数のノズル１２８を並べることができる。それと同時に、溶媒の酸化はフラン系基質の酸化ほど速くないので、小滴相内における酸素および溶媒の接触時間を、小滴内においてフラン系基質に所望の程度の酸化を達成するために必要な時間に制限することができ、それと共に、バルク液体を反応器から連続的に抜き出すことによって、バルク液体の液面を許容される水準に維持することができる。
したがって、反応器を連続運転する際の噴霧可能な供給原料の「平均滞留時間」は、バルク液体の安定した体積測定の滞留量対噴霧可能な供給原料の体積測定の流速の比を意味すると理解することができる。一実施形態において、反応器内の噴霧可能なフェド（ｆｅｄ）の平均滞留時間は０．０１分間、好ましくは０．１分間、特に０．５分間〜１．４分間である。
以下の実施例を用いて本発明をより詳細に例示する。
次に示す実施例においては、別段の指定がない限り、特定の装置および手順を使用した。
反応装置：試験反応装置は、反応温度および撹拌速度を設定および制御するためのParr ４８４３コントローラを備えた機械撹拌式高圧Parr反応器（観察窓を有する定格２８００ｐｓｉおよび３００℃の５０ｍＬチタン槽）とする。反応器圧の測定は反応器に取り付けた圧力変換器で行った。温度、圧力および撹拌速度をLabView（登録商標）データ取得システムで記録した。
使用した材料および一般手順：純粋な５−ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ、純度９９％）をAldrichより入手した。粗製ＨＭＦ４９５６−５７（純度２１％）および５３４５−８２（純度６０％）のロットはArcher Daniels Midland Companyより入手した。これは、ＨＭＦ二量体（５，５’−［オキシ−ビス（メチレン）］ビス−２−フルフラールすなわちＯＢＭＦ）および他のヒューミン類（ＨＭＦの自己重合により生成した重合物）を多量に含んでいた。触媒、添加剤、基質および溶媒は全てさらなる精製を行わずに直接使用した。工業用（純度≧９９．９％、Ｈ２Ｏ＜３２ｐｐｍ、ＴＨＣ＜２０ｐｐｍ）液体ＣＯ２および超高純度グレードの酸素をLinweldより購入した。
５０ｍＬのチタン製Parr反応器内で、ＨＭＦから２，５−フランジカルボン酸（ＦＤＣＡ）への半回分式酸化を行った。通常は、最初に、触媒成分（Ｃｏ、ＭｎおよびＢｒ）を含む既知の濃度の物質を溶解したおおよそで３０ｍＬの酢酸溶液を含む反応器に予め定められた量のＮ２またはＣＯ２を加えた。次いで、反応器の内容物を反応温度に加熱した後、選択した最終圧力に到達するまでＯ２を加えた。Ｏ２および希釈剤の分圧は既知であるものとした。次いで、ＨＭＦの酢酸溶液を予め定められた速度で反応器にポンプ注入することにより反応を開始させた。反応器全圧が一定になるように維持した。７５ｍＬのステンレス鋼製貯留器から新鮮なＯ２を連続的に供給することにより、反応により消費された酸素を補った。この外部酸素貯留器で認められた圧力降下を反応の進行の監視に用いた。
反応完了後（すなわち、所定量のＨＭＦ溶液を反応器にポンプ注入し、Ｏ２消費量が変化しなくなったら）、反応混合物を室温に冷却した。
次いで気相から試料を採取してガスクロマトグラフィー（ＧＣ）（Shin Carbon ST １００／１２０メッシュ）で分析することにより溶媒および基質の燃焼によって生成したＣＯおよびＣＯ２の収量を求めた。
液体混合物から不溶なＦＤＣＡ生成物を濾過によって分離し、固体を酢酸で洗浄することにより可溶な不純物の大部分を除去した。結果として得られた白色固体を１００℃のオーブンで２時間乾燥させることにより、吸収されていた溶媒を除去した。ＨＰＬＣおよび１Ｈ ＮＭＲ分析から、このＦＤＣＡが実質的に純粋なものであることが分かった。反応器を酢酸およびメタノールで洗浄することにより固体ＦＤＣＡ（残留している場合）を回収した。この抽出液を、固体ＦＤＣＡを単離した後に残しておいた濾液と一緒にＨＰＬＣ（ＣＩ ８ ＯＤＳ−２カラム）で分析して液体の組成を求めた。次に報告する酸化生成物の全収率は、固相および液相の組成を基準として求めたものである。特段の指定がない限り、百分率は全てモルパーセントで表す。
実施例１〜１１
実施例１〜１１の場合は、ＨＯＡｃを３０ｍＬおよびＨ２Ｏを２ｍＬの混合物中に異なる量のＣｏ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏ、Ｍｎ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２ＯおよびＨＢｒを加えたものを５０ｍＬのチタン反応器に装入し、５バールの不活性ガス（Ｎ２またはＣＯ２）で加圧した。反応器を反応温度に加熱した後、反応器圧が３０バールになるまで不活性ガスを添加した。３０バールのＯ２を導入した後（反応器全圧６０バール）、純粋な／精製ＨＭＦ（１３．２ｍｍｏｌ）を溶解したＨＯＡｃ溶液５．０ｍＬを反応器に０．２５ｍＬ／分の一定速度で連続的にポンプ注入した（したがって、ポンプ注入時間は計２０分間）。ポンプ注入の間およびＨＭＦ／ＨＯＡｃ溶液添加完了後さらに１０分間ずっと、反応混合物を反応温度で激しく撹拌した。次いで、生成物を分離して分析するために反応器を速やかに室温に冷却した。結果を表１に示す。
表１に示すように、ＦＤＣＡの収率は、コバルトの量が１．１から２．２ｍｍｏｌに増加するに従い、特に反応温度を１６０℃とした場合に増加した。少量のマンガンが存在することにより、（ａ）主反応の誘導期間が短縮され（Ｏ２消費プロファイルから推量）、（ｂ）ＦＤＣＡの収率が増加し（実施例７および８を比較）、かつ（ｃ）気体状副生成物であるＣＯの収量が低下した。マンガンの量が０．１３ｍｍｏｌを超えてさらに増加すると、ＦＤＣＡの収率に有利な効果は認められなかったが、ＣＯの収量は低下し続けた。
実施例１２〜１８
Ｃｏ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを２．２ｍｍｏｌと、Ｍｎ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを０．０３３ｍｍｏｌと、ＨＢｒを１．１ｍｍｏｌとを、体積比が異なるＨＯＡｃおよびＨ２Ｏの様々な混合物（全体積３２ｍＬ）に溶解した。各混合物を５０ｍＬのチタン反応器に装入し、Ｎ２で５バールに加圧した。反応器を１８０℃に加熱した後、反応器圧が３０バールになるまでＮ２を添加し、次いで反応器全圧が６０バールになるまで３０バールのＯ２を添加した。次いで、純粋な（９９％）ＨＭＦ（１３．２ｍｍｏｌ）を溶解したＨＯＡｃ溶液５．０ｍＬを０．２５ｍＬ／分の一定速度で反応器に連続的にポンプ注入した（したがって、ポンプ注入時間は計２０分間）。ポンプ注入を行う間およびＨＭＦ／ＨＯＡｃ溶液の添加完了後さらに１０分間ずっと、反応混合物を１８０℃で激しく撹拌した。次いで、生成物を分離および分析するために反応器を速やかに室温に冷却した。結果を表２にまとめる。
水が基質の転化率に影響することは認められなかったが（調査した全ての反応において＞９９％）、実施例１２〜１８に示すように、ＦＤＡおよび様々な副生成物の収率には大きく影響した。表２に示すように、ＦＤＣＡの収率は水分含有率が低い場合は高く、水分が１０％のときに最大に達した（約８３％）。その後、さらに水分含有率が増加するに従いＦＤＣＡ収率は単調に減少した。水分含有率がより高くなるとＦＤＣＡの生成が極度に阻害され（実施例１７および１８参照）、それに伴い、中間体である５−ホルミルフランカルボン酸（ＦＦＣＡ）の収率が大幅に増加した。しかしながら、気体状副生成物であるＣＯおよびＣＯ２の収量が低下したことから示されるように、溶媒および／または基質の燃焼に関しても、特に水分含有率が１０％を超えると、水の阻害作用が顕著となった。
実施例１９〜２４
Ｃｏ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを１．１ｍｍｏｌと、Ｍｎ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを０．０３３ｍｍｏｌと、ＨＢｒを１．１ｍｍｏｌとを、ＨＯＡｃを３０ｍＬおよびＨ２Ｏを２ｍＬ中に溶解した溶液を５０ｍＬのチタン反応器に装入し、５バールのＣＯ２で加圧した。反応器を反応温度に加熱した後、反応器圧が３０バールになるまでＣＯ２を添加し、３０バールのＯ２を反応器全圧が６０バールになるまで連続的に添加した。その後、純度９９％のＨＭＦ（１３．２ｍｍｏｌ）を溶解したＨＯＡｃ溶液５．０ｍＬを０．２５ｍＬ／ｍｉｎの一定速度で反応器に連続的にポンプ注入した（したがって、ポンプ注入時間は計２０分間）。ポンプ注入を行う間およびＨＭＦ／ＨＯＡｃ溶液の添加完了後さらに１０分間ずっと、反応混合物を反応温度で激しく撹拌した。次いで生成物を分離および分析するために反応器を速やかに室温に冷却した。結果を表３にまとめる。
表３に示すように、ＦＤＣＡの収率は１８０〜１９０℃の範囲で最大になった。１６０℃における反応と比較すると、１８０℃のＯ２の消費プロファイルにおいては、ＨＭＦを添加すると、はっきりとした誘導期間がないままＯ２消費量が安定し、ＨＭＦ添加を停止すると間もなく変化しなくなった。酸素の大部分は所望の生成物（ＦＤＣＡ）の生成に消費された。しかしながら、反応温度が高い方が気体状副生成物であるＣＯの収量が高くなり、基質、生成物および溶媒が燃焼した可能性を示唆していた。
実施例２５〜２９
Ｃｏ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを２．２ｍｍｏｌと、Ｍｎ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを０．０３３ｍｍｏｌと、ＨＢｒを１．１ｍｍｏｌとをＨＯＡｃを３０ｍＬおよびＨ２Ｏを２ｍＬ中に溶解した溶液を５０ｍＬのチタン反応器に装入し、ＣＯ２で３〜５バールに加圧した。反応器を１８０℃に加熱した後、予め定められた特定の反応器圧になるまでＣＯ２を添加した。このステップの後、ＣＯ２およびＯ２の分圧比が１（すなわちＣＯ２／Ｏ２＝１）となるように反応器をＯ２で加圧した。このステップの後、純度９９％のＨＭＦ（１３．２ｍｍｏｌ）を溶解したＨＯＡｃ溶液５．０ｍＬを０．２５ｍＬ／分の一定速度で反応器に連続的にポンプ注入した（したがって、ポンプ注入時間は計２０分間）。ポンプ注入を行う間およびＨＭＦ／ＨＯＡｃ溶液の添加完了後さらに１０分間ずっと、反応混合物を１８０℃で激しく撹拌した。次いで生成物を分離および分析するために反応器を速やかに室温に冷却した。結果を表４にまとめる。
表４に示すように、反応器圧が６０バールから３０バールに低下するとＦＤＣＡの収率は８３％から９０％に増加した。さらに、気体状副生成物であるＣＯの生成に関しても圧力が低い方が不利であった。
実施例３０〜３５
Ｃｏ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを１．１ｍｍｏｌと、Ｍｎ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを０．０３３ｍｍｏｌと、ＨＢｒを１．１ｍｍｏｌと、ＺｒＯ（ＯＡｃ）２を０．２０ｍｍｏｌとをＨＯＡｃを３０ｍＬおよびＨ２Ｏを２ｍＬの混合物中に溶解した溶液を５０ｍＬのチタン反応器に装入し、ＣＯ２で５バールに加圧した。反応器を反応温度に加熱した後、反応器圧が３０バールになるまでＣＯ２を加え、さらに反応器全圧が６０バールになるまでＯ２３０バールを添加した。このステップの後、純度９９％のＨＭＦ（１３．２ｍｍｏｌ）を溶解したＨＯＡｃ溶液５．０ｍＬを０．２５ｍＬ／分の一定速度で反応器に連続的にポンプ注入した（したがって、ポンプ注入時間は計２０分間）。ポンプ注入の間およびＨＭＦ／酢酸溶液の添加完了後さらに１０分間ずっと、反応混合物を反応温度で激しく撹拌した。次いで、生成物を分離および分析するために反応器を速やかに室温に冷却した。比較のため、ＺｒＯ（ＯＡｃ）２を使用しない反応も実施した。結果を表５にまとめる。
表５に示すように、ＺｒＯ（ＯＡｃ）２を助触媒として使用することにより１２０℃および１６０℃においてＦＤＣＡの収率が約２０％増加した。しかしながら、この増進効果は１８０℃で消失し、１８０℃においては、気体状生成物であるＣＯの収量の増加から推測されるように、ＺｒＯ（ＯＡｃ）２によって溶媒および基質の燃焼がかなり促進された。
実施例３６〜４４
Ｃｏ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを２．２ｍｍｏｌと、Ｍｎ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを０．０３３ｍｍｏｌと、ＨＢｒを１．１ｍｍｏｌとを、ＨＯＡｃを３０ｍＬおよびＨ２Ｏを２ｍＬの混合物中に溶解した溶液を５０ｍＬのチタン反応器に装入し、ＣＯ２で５バールに加圧した。反応器を１８０℃に加熱した後、ＣＯ２を反応器圧が特定の値に到達するまで添加した。これと等しい分圧のＯ２を導入した後（すなわち、ＣＯ２／Ｏ２＝１）、粗製ＨＭＦのＨＯＡｃ溶液を予め定められた速度で反応器に連続的にポンプ注入した。ポンプ注入の間（連続運転中）およびＨＭＦの添加完了後さらに１０分間（連続運転中）ずっと、反応混合物を１８０℃で激しく撹拌した後、生成物を分離および分析するために反応器を速やかに室温に冷却した。比較のため、ＨＭＦを全て最初に添加する、時間を固定した回分式反応も実施した（３０分間継続）。結果を表６にまとめる。
表６に示すように、基質を回分方式で添加すると、多量のヒューミンを含む粗製ＨＭＦを酸化した場合のＦＤＣＡの収率が非常に低くなった（実施例３７：０．４５５／６．７７＝６．７％）。１０分後、触媒が失活（褐色析出物の生成により兆候が現れた）したので反応を停止した。これと比較すると、基質を連続的に添加することによって触媒の非常に急速な失活が何とか回避され、ＦＤＣＡの収率ははるかに高くなり、粗製基質混合物中の純粋なＨＭＦを基準として１００％を超えたものもあった（実施例３８、３９、４０および４４）。
実施例４５
実施例３８、３９、４０および４４で認められた粗製ＨＭＦから得られたＦＤＣＡの収率が１００％を超えることをより十分に理解するために、最初にＨＭＦ二量体調製物を用いて酸素を添加しないブランク実験に付した。この実験においては、Ｃｏ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを２．２ｍｍｏｌと、Ｍｎ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを０．１１ｍｍｏｌと、ＨＢｒを１．１ｍｍｏｌとを、ＨＯＡｃを３０ｍＬおよびＨ２Ｏを２ｍＬ中に溶解した溶液を５０ｍＬのチタン反応器に装入し、ＣＯ２で５バールに加圧した。反応器を１８０℃に加熱した後、反応器圧が６０バールになるまでＣＯ２を加えた。このステップの後、実施例３６〜４４の粗製ＨＭＦ混合物中に認められたＨＭＦ二量体（５，５’−［オキシ−ビス（メチレン）］ビス−２−フルフラールすなわちＯＢＭＦ）０．２２４ｍｍｏｌおよびＨＭＦ０．０２４４ｍｍｏｌを含む試料をＨＯＡｃ５．０ｍＬに溶解することにより二量体供給原料を調製した。この二量体供給原料を０．２５ｍＬ／分の一定速度で反応器に連続的にポンプ注入した（したがって、ポンプ注入時間は計２０分間）。ポンプ注入の間および二量体供給原料の添加完了後さらに１０分間ずっと、反応混合物を１２００ｒｐｍ、１８０℃で激しく撹拌した。次いで生成物を分離および分析するために反応器を速やかに室温に冷却した。「酸素不使用」ブランク運転の結果、酸素の非存在下に、ＯＢＭＦのわずか６．４％（すなわち０．０１４４ｍｍｏｌ）がＡｃＨＭＦ０．０２３２ｍｍｏｌおよびＨＭＦ０．０１５８ｍｍｏｌを含む生成物に転化した。
実施例４６および４７
実施例４６および４７のそれぞれにおいては、Ｃｏ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを２．２ｍｍｏｌと、Ｍｎ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを０．０３３ｍｍｏｌと、ＨＢｒを１．１ｍｍｏｌとをＨＯＡｃを３０ｍＬおよびＨ２Ｏを２ｍＬの混合物中に溶解した溶液を５０ｍＬのチタン反応器に装入し、ＣＯ２で５バールに加圧した。反応器を１８０℃に加熱した後、反応器圧が６０バールになるまでＣＯ２を加えた。このステップの後、ＨＭＦ二量体（５，５’−［オキシ−ビス（メチレン）］ビス−２−フルフラールすなわちＯＢＭＦ）を０．２２４ｍｍｏｌおよびＨＭＦを０．０２４４ｍｍｏｌを含む試料をＨＯＡｃ５．０ｍＬに溶解することにより二量体供給原料を調製した。等しい分圧のＯ２（すなわちＣＯ２／Ｏ２＝１）を反応器に導入した後、二量体供給原料を０．２５ｍＬ／分の一定速度で反応器に連続的にポンプ注入した（したがって、ポンプ注入時間は計２０分間）。ポンプ注入の間および二量体供給原料の添加完了後さらに１０分間ずっと、反応混合物を１２００ｒｐｍおよび１８０℃で激しく撹拌した。次いで生成物を分離および分析するために反応器を速やかに室温に冷却した。この分析から、ＨＭＦおよびＯＢＭＦの両方の転化率が９９％を超えたことが示され、実施例４６および４７においてはＦＤＣＡが０．２００ｍｍｏｌおよび０．２０７ｍｍｏｌ生成した。二量体供給原料中のＨＭＦが酸化されて１００％の選択性でＦＤＣＡ生成物となることが実証され、ＯＢＭＦ１モルからＦＤＣＡ２モルが生成するものと仮定すると、これらのＦＤＣＡの量はそれぞれ収率３９．１および４０．８パーセントに相当する。
実施例４８〜５２
実施例４８〜５２においては、Greenfield, MAのBETE Fog, Nozzle, Inc.からのＰＪ(登録商標）シリーズ型式のチタン製霧化ノズルを備えた７００ｍＬのチタン製噴霧反応器（内径３インチ、長さ６インチ）を使用して、ＨＭＦからＦＤＣＡへの酸化を行い、噴霧可能な供給原料（ＨＭＦ／酢酸）を噴霧ノズルから連続的に添加すると同時に、反応器内の圧力制御を維持するために気体および液体を抜き出した（同伴する固体ＦＤＣＡ生成物も一緒に）。ＰＪ(登録商標）シリーズ型式霧化ノズルはインパクション・ピン型（impaction pin）すなわち衝突型であり、製造業者によれば、５０ミクロン未満のサイズの小滴を「高い割合で」生成する。
各運転においては、反応器に予め酢酸５０ｍＬを装入し、二酸化炭素および酸素の混合物（モル比１：１）で３〜５バールに加圧し、反応温度に加熱した。次いで、反応器圧が１５バールになるまでさらに二酸化炭素／酸素を加えた。酢酸７０ｍＬを３５ｍＬ／分で反応器内に噴霧することにより反応器（多点式熱電対を備える）全体に均一な温度プロファイルを確立した。次いで、純度９９パーセントのＨＭＦを１３．２ｍｍｏｌと、Ｃｏ（ＯＡｃ）・４Ｈ２Ｏを１．３ｍｍｏｌと、Ｍｎ（ＯＡｃ）２・４Ｈ２Ｏを１．３ｍｍｏｌと、ＨＢｒを３．５ｍｍｏｌとを含む酢酸溶液１０５ｍＬを反応温度に予熱してから、３５ｍＬ／分で反応器内に噴霧し、その間、モル比１：１の二酸化炭素および酸素の混合物も反応温度に予熱し、これも反応器に３００ｓｔｄ ｍＬ／分で連続的に供給した。気体および液体の両方（同伴する固体粒子も一緒に）を噴霧反応器から背圧調整器を有するラインを通じて抜き出した。ノズルを洗浄するために酢酸３５ｍＬを後噴霧した後、生成物を分離および分析するために反応器を室温に冷却した。結果を表７にまとめた。
表７に示すように、ＨＭＦを２００℃および１５バールで連続的に酸化することによってＦＤＣＡの収率は約８５％になり、ＦＦＣＡは約２％になり（実施例４９および５０）、３分間の噴霧プロセスの間に生成物の大部分が分離器から回収される。反応器温度も圧力も非常に良好に制御されていた。温度がさらに２２０℃に上昇すると反応の生産性が低くなり、ＦＤＣＡの収率は７２．３％、ＦＦＣＡの収率は８．６％となった（実施例５２）。同様に、固体ＦＤＣＡ生成物中のＦＦＣＡの含有率は１．６％から（実施例５０、２００℃）７．９％（実施例５２、２２０℃）に増加する。温度が高い方が溶媒および基質が燃焼しやすくなり、それによってＦＤＣＡ生成に利用できる酸素が減少する。ＦＤＣＡの収率および生成物の純度は気体混合物の供給速度を２倍にしても有利にならない（実施例５０および実施例５１を比較）。酸素が利用しやすくなっても、気体流量が高くなることによって気相中の滞留時間が低下することにより相殺される可能性がある。
本発明を、本発明の趣旨および必須の特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施することができる。ここに記載した実施形態はあらゆる点に関して単なる例示であって限定を意図するものではないと見なすべきである。したがって、本発明の範囲は、前述の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の意味の範囲内および均等な範囲内のあらゆる変化が本発明の範囲内に包含される。特段の指定がない限り、本明細書に引用した全ての参考文献および刊行物を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。

Claims (14)

  1. 酸化すべきフラン系基質としての天然の六炭糖の脱水粗生成物と、前記フラン系基質の酸化を触媒するための触媒として有効なコバルト成分、マンガン成分および臭化物成分の組合せとを含む噴霧可能な供給原料を酸化して２，５−フランジカルボン酸を製造する方法であって、
    天然の六炭糖を酸脱水して、酸化すべきフラン系基質としての天然の六炭糖の脱水粗生成物を生成するステップと、
    前記脱水粗生成物を前記噴霧可能な供給原料中に直接組み込むステップと、
    前記供給原料を反応槽に噴霧するステップと、
    前記反応槽に酸化剤としての酸素又は酸素含有気体を供給するステップと、
    前記フラン系基質および前記酸化剤を、コバルト成分、マンガン成分および臭化物成分の存在下で反応させ、２，５−フランジカルボン酸を生成するステップと、
    前記反応に起因する発熱温度上昇を、前記反応槽内の運転圧力を選択および制御することによって管理するステップと
    を含む、方法。
  2. 前記酸化反応が進行している際の、前記反応槽内に存在する少なくとも１種の液体の沸点が、前記酸化反応開始時点の温度よりも１０〜３０摂氏度高くなるように、前記反応槽内の前記運転圧力が選択および制御される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記方法が連続式プロセスとして実施され、前記運転圧力制御の少なくとも一部が、前記反応槽から材料を連続的に抜き出すことによって達成される、請求項２に記載の方法。
  4. 前記供給原料が、２，５−フランジカルボン酸を生成するために酸化すべきフラン系基質として、１種または複数種の５−ヒドロキシメチルフルフラールならびにそのエステルおよびエーテル誘導体を含み、前記供給原料が酢酸を含み、２，５−フランジカルボン酸が酸化生成物として析出して、前記反応槽から純粋な固体として回収される、請求項２に記載の方法。
  5. 前記発熱温度上昇の少なくとも一部が、前記酸化反応の間の前記反応槽の温度が１６０摂氏度〜２００摂氏度の間に維持されるように、酢酸の蒸発潜熱を利用して、前記酸化反応により放出される熱を除去することにより管理される、請求項４に記載の方法。
  6. 前記運転圧力が４０バールを超えない、請求項５に記載の方法。
  7. 前記供給原料の流れが前記反応槽内に噴霧される前に、酢酸の蒸気が前記反応槽に供給される、請求項４に記載の方法。
  8. 前記反応槽内への前記供給原料の噴霧が開始されると前記反応槽が酢酸の蒸気で飽和する、請求項７に記載の方法。
  9. 前記反応槽内の酢酸の蒸気による飽和の少なくとも一部が、前記反応槽内に液体の酢酸を維持することによって保たれる、請求項８に記載の方法。
  10. 前記酢酸が供給原料を介して前記反応槽内に噴霧される際に、液体の酢酸を前記反応槽から同一の体積流量で抜き出すことにより、存在する液体の酢酸の量が一定に維持される、請求項９に記載の方法。
  11. 固体酸化生成物が前記抜き出された液体の酢酸と一緒に取り出され、次いで、
    前記液体の酢酸の少なくとも一部と一緒に前記液体の酢酸から分離され、次いで、
    前記方法のさらなる供給原料に使用するために再利用される、
    請求項１０に記載の方法。
  12. 前記供給原料が、１種または複数種の５−ヒドロキシメチルフルフラールならびに５−ヒドロキシメチルフルフラールのエステルおよびエーテル誘導体を含み、前記Ｃｏ成分、Ｍｎ成分およびＢｒ成分が、全体で、前記供給原料の０．４〜２．０重量パーセントを構成する、請求項１に記載の方法。
  13. 前記脱水粗生成物を得るために、フルクトース、グルコースまたはこれらの組合せが酸脱水される、請求項１に記載の方法。
  14. 前記噴霧可能な供給原料が前記反応槽内に噴霧される前に前記反応温度に予熱される、請求項１に記載の方法。
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