JP7416016B2 - 製造方法、使用方法及び反応システム - Google Patents
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Description
本明細書では製造方法、使用方法及び反応システムを開示する。
従来、糖の異性化反応を行うに際して、Ｓｎを含むゼオライトを触媒として、ｐＨ＝１～２、水溶液中１１８℃以上で実施するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、酢酸亜鉛を均一系触媒として用い、ｐＨ＝８．４のリン酸バッファ水溶液中、２５℃で反応させ、ケトース化反応を実施するものが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。また、２価の金属であるカルシウムを含むハイドロキシアパタイトの固体を不均一触媒として用い、水中、８５℃で反応させ、ケトース化反応を実施するものが提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
Journal of American Chemical Society 123 (2001), 794.
ACS Sustainable Chemistry & Engineering 7 (2019) 3372.
しかしながら、上述の特許文献１では、ゼオライトを触媒とすることで強酸性条件下でケトース化反応を実施しているが、強酸性条件下でのケトース異性化反応の触媒活性が低く、異性化反応を進行させるには、９０～１８０℃の温度が必要であった。また、非特許文献１では、酢酸亜鉛触媒をバッファ水溶液中で用いることで、中性付近でのケトース化反応を実施しているが、同時に進行するアルドール反応の影響を抑制するため、反応率１０％以下で反応を停止しており、反応をより進めることは困難であった。また、非特許文献２では、ハイドロキシアパタイトの固体を不均一系触媒として水中、８５℃と比較的高温の条件でケトース化反応を実施する必要があった。また、固体触媒であるため、アルドース類の分子サイズによって反応性が異なり、アルドース類の炭素分子数の増加に伴って収率が低下する傾向があった。具体的には、炭素分子が３個のアルドースでは８５％の収率で進行するものの、炭素分子が４個以上のアルドース類では目的とするケトース類の収率が４０％以下であった。
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、より温和な条件下でケトース化反応を行うことができる新規な製造方法、使用方法及び反応システムを提供することを主目的とする。
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体触媒を用い、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応をより温和な条件下で実行できることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。
即ち、本明細書で開示する製造方法は、
２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を用い、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応を行う反応工程、を含むものである。
２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を用い、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応を行う反応工程、を含むものである。
本明細書で開示する触媒の使用方法は、
２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応に用いる、ものである。
２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応に用いる、ものである。
本明細書で開示する反応システムは、
２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を用い、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応を行うものである。
２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を用い、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応を行うものである。
本開示の製造方法、使用方法及び反応システムでは、より温和な条件下でケトース化反応を行うことができる。このような効果が得られる理由は、例えば、以下のように推察される。アルドース－ケトース異性化反応は、アルドース類から工業的に有用なケトース類を得るために広く検討されている。例えば、ロブリー・ド・ブリュイン＝ファン・エッケンシュタイン転位として知られているケトース生成反応では、塩基性条件下で図１に示すアルドース－ケトース異性化反応のスキームで反応が進行することが知られている。しかし、塩基性条件下ではアルドール反応あるいはレトロアルドール反応が並行して進行するため、目的とするケトース化合物の収率が低下することが懸念されていた。本開示では、２価の金属イオンとアミノ酸を構造中に含む化合物を触媒として用いることで、中性付近のｐＨでケトース化反応を進行させ副反応を抑制することができるものと推察される。この錯体触媒では、等電点がｐＨ６～８．５の範囲であり、この領域では、アルドール反応あるいはレトロアルドール反応という副反応はほとんど進行せず、目的とするケトース生成反応を優位に進行させることができるものと推察される。このように、中性付近の領域で双性イオンを形成するアミノ酸と、アルドース化合物からケトース化合物への変換反応の触媒の一種である２価の金属イオンと、の両方を構造中に含む錯体を触媒に用いることにより、従来よりも温和な条件下でのケトース生成反応を実施することができるものと推察される。
（製造方法）
本開示の製造方法は、アルドース－ケトース異性化反応を実行することにより、ケトース化合物を得る方法である。この製造方法は、２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を用い、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応を行う反応工程を含む。アルドース化合物としては、例えば、グリセルアルデヒド、エリトロース（エリスロース）、トレオース、リボース、アラビノース、キシロース、リキソース、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース及びタロースなどのうち１以上又はいずれかの誘導体などが挙げられる。ケトース化合物としては、例えば、ジヒドロキシアセトン、エリトルロース、キシルロース、リブロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトース、セドヘプツロース、コリオースなどのうち１以上又はいずれかの誘導体などが挙げられる。
本開示の製造方法は、アルドース－ケトース異性化反応を実行することにより、ケトース化合物を得る方法である。この製造方法は、２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を用い、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応を行う反応工程を含む。アルドース化合物としては、例えば、グリセルアルデヒド、エリトロース（エリスロース）、トレオース、リボース、アラビノース、キシロース、リキソース、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース及びタロースなどのうち１以上又はいずれかの誘導体などが挙げられる。ケトース化合物としては、例えば、ジヒドロキシアセトン、エリトルロース、キシルロース、リブロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトース、セドヘプツロース、コリオースなどのうち１以上又はいずれかの誘導体などが挙げられる。
反応工程では、原料であるアルドース化合物と錯体触媒とを溶媒に入れて異性化反応を行うことが好ましい。反応を行う溶媒は、例えば、水や有機溶媒などが挙げられ、このうち水が好ましい。また、この工程において、反応温度は、異性化反応を進める観点からはより高いことが好ましく、副反応をより抑制する観点からはより低い温度が好ましい。この反応温度は、例えば、８０℃以下が好ましく、６０℃以下がより好ましい。また、反応温度は、室温（２０℃）以上であることが好ましく、４０℃以上がより好ましい。反応時間は、生成物をより得る観点からはより長いことが好ましく、作業効率の観点からはより短いことが好ましい。反応時間は、例えば、２時間以上が好ましく、１２時間以上がより好ましく、２４時間以上としてもよい。また、反応時間は、４８時間以下が好ましく、３６時間以下がより好ましく、２４時間以下としてもよい。また、反応処理時の溶液のｐＨは、より温和な中性領域であることが好ましい。このｐＨは、６以上であることが好ましく、６．５以上がより好ましく、６．８以上としてもよい。また、このｐＨは、９以下であることが好ましく、８以下であることがより好ましく、７．５以下であるものとしてもよい。
この工程に用いる触媒は、等電点がｐＨ６以上８．５以下の範囲にあるアミノ酸を含むことが好ましい。この触媒は、プロリン、アラニン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン及びトレオニンのうち１以上のアミノ酸を含むことが好ましく、このうち、プロリンがより好ましい。この触媒は、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１以上の金属イオンを含むことが好ましく、このうち、Ｚｎがより好ましい。即ち、アルドース－ケトース異性化反応を実行するに際して、用いる触媒は、亜鉛プロリン錯体であることが好ましい。この反応工程では、触媒を０．０５ ～２質量％含む水溶液中でケトース生成反応を行うことが好ましい。触媒量は、異性化反応を進める観点からはより多いことが好ましく、添加効率の観点からはより少ないことが好ましい。触媒量は、例えば、０．０５質量％以上が好ましく、０．１質量％以上がより好ましく、０．５質量％以上としてもよい。また、触媒量は、例えば、２質量％以下が好ましく、１．５質量％以下がより好ましく、１質量％であるものとしてもよい。また、この触媒量は、基質Ｂに対する触媒Ａの質量比Ａ／Ｂで、１／５０以上２０／５０以下の範囲が好ましく、５／５０以上１０／５０以下の範囲がより好ましい。
このケトース化合物の製造方法は、反応工程のあと、生成物を分離する分離工程を含むものとしてもよい。この分離工程では、例えば、吸着剤を収容したカラムを用いて生成物を分離するものとしてもよい。また、この分離工程では、触媒や副反応物を分離するものとしてもよい。この分離工程では、用いる触媒や原料に応じて適宜、吸着剤の種別や分離時間、分離温度などを設定するものとすればよい。このような処理を行うことによって、ケトース化合物を得ることができる。
（触媒の使用方法）
本開示の触媒の使用方法は、２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応に用いるものである。この使用方法において、用いる触媒や反応条件などは、上述した製造方法で示したものを適宜、適用するものとして、その詳細な説明を省略する。
本開示の触媒の使用方法は、２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応に用いるものである。この使用方法において、用いる触媒や反応条件などは、上述した製造方法で示したものを適宜、適用するものとして、その詳細な説明を省略する。
（反応システム）
本開示の反応システムは、２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を用い、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応を行うものである。この反応システムにおいて、用いる触媒や反応条件などは、上述した製造方法で示したものを適宜、適用するものとして、その詳細な説明を省略する。
本開示の反応システムは、２価の金属イオンとアミノ酸とを含む錯体である触媒を用い、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応を行うものである。この反応システムにおいて、用いる触媒や反応条件などは、上述した製造方法で示したものを適宜、適用するものとして、その詳細な説明を省略する。
以上説明した本実施形態のケトース化合物の製造方法、触媒の使用方法及び反応システムでは、より温和な条件下でケトース化反応を行うことができる。このような効果が得られる理由は、例えば、以下のように推察される。アルドース－ケトース異性化反応は、アルドース類から工業的に有用なケトース類を得るために広く検討されている。例えば、ロブリー・ド・ブリュイン＝ファン・エッケンシュタイン転位として知られているケトース生成反応では、塩基性条件下で図１に示すアルドース－ケトース異性化反応のスキームで反応が進行することが知られている。しかし、塩基性条件下ではアルドール反応あるいはレトロアルドール反応が並行して進行するため、目的とするケトース化合物の収率が低下することが懸念されていた。本開示では、２価の金属イオンとアミノ酸を構造中に含む化合物を触媒として用いることで、中性付近のｐＨでケトース化反応を進行させ副反応を抑制することができるものと推察される。この錯体触媒では、等電点がｐＨ６～８．５の範囲であり、この領域では、アルドール反応あるいはレトロアルドール反応という副反応はほとんど進行せず、目的とするケトース生成反応を優位に進行させることができるものと推察される。このように、中性付近の領域で双性イオンを形成するアミノ酸と、アルドース化合物からケトース化合物への変換反応の触媒の一種である２価の金属イオンと、の両方を構造中に含む錯体を触媒に用いることにより、従来よりも温和な条件下でのケトース生成反応を実施することができるものと推察される。
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
以下には、本開示のケトース化合物の製造方法、触媒の使用方法及び反応システムを具体的に検討した例を実験例として説明する。なお、実験例１が本開示の実施例に相当し、実験例２～６が参考例に相当する。
（実験例１）
亜鉛プロリン錯体は、参考文献（Chemical Communications, 2006, 1482-1484）に記載の方法で合成した。基質であるＤ－エリスロース５０ｍｇと合成した亜鉛プロリン錯体５．９ｍｇとをイオン交換水１ｍＬに溶解した。反応溶液を６０℃で２４時間反応させた。反応溶液のｐＨは６．５であった。反応後、反応液にプロトン型イオン交換樹脂（アンバーライトＩＲ－１２０Ｂ Ｈ型）を加えｐＨ３～４とした後にイオン交換樹脂を除去した。凍結乾燥により水分を除去し、反応生成物を得た。高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ：日本分光社製ＧＵＬＬＩＶＥＲ）による生成物の分析において、生成物の含有量を３６０ｎｍの紫外光の吸収強度から見積もるため、芳香族化合物（２，４－ジニトロフェニルヒドラジン，ＤＮＰＨ）による反応生成物の化学修飾を実施した。移動相にアセトニトリルと水の１：１の混合液を用いて、１ｍＬ／分の流速でＤＮＰＨで修飾された反応生成物を逆相カラムに流して分析を実施した。その結果、収率５０％で、対応するケトースであるエリトルロースが得られた。
亜鉛プロリン錯体は、参考文献（Chemical Communications, 2006, 1482-1484）に記載の方法で合成した。基質であるＤ－エリスロース５０ｍｇと合成した亜鉛プロリン錯体５．９ｍｇとをイオン交換水１ｍＬに溶解した。反応溶液を６０℃で２４時間反応させた。反応溶液のｐＨは６．５であった。反応後、反応液にプロトン型イオン交換樹脂（アンバーライトＩＲ－１２０Ｂ Ｈ型）を加えｐＨ３～４とした後にイオン交換樹脂を除去した。凍結乾燥により水分を除去し、反応生成物を得た。高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ：日本分光社製ＧＵＬＬＩＶＥＲ）による生成物の分析において、生成物の含有量を３６０ｎｍの紫外光の吸収強度から見積もるため、芳香族化合物（２，４－ジニトロフェニルヒドラジン，ＤＮＰＨ）による反応生成物の化学修飾を実施した。移動相にアセトニトリルと水の１：１の混合液を用いて、１ｍＬ／分の流速でＤＮＰＨで修飾された反応生成物を逆相カラムに流して分析を実施した。その結果、収率５０％で、対応するケトースであるエリトルロースが得られた。
（実験例２）
実験例１の亜鉛プロリン錯体を酢酸亜鉛２水和物４．４ｍｇに代えた以外は実験例１と同様の処理を行い、ケトース生成反応を実施したものを実験例２とした。反応溶液のｐＨは５．５であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、ケトースであるエリトルロースが収率２０％で得られた。
実験例１の亜鉛プロリン錯体を酢酸亜鉛２水和物４．４ｍｇに代えた以外は実験例１と同様の処理を行い、ケトース生成反応を実施したものを実験例２とした。反応溶液のｐＨは５．５であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、ケトースであるエリトルロースが収率２０％で得られた。
（実験例３）
実験例１の亜鉛プロリン錯体をプロリン４．６ｍｇに代えた以外は実験例１と同様の処理を行い、ケトース生成反応を実施したものを実験例３とした。反応溶液のｐＨは５．５であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、ケトース生成反応生成物は検知されなかった。
実験例１の亜鉛プロリン錯体をプロリン４．６ｍｇに代えた以外は実験例１と同様の処理を行い、ケトース生成反応を実施したものを実験例３とした。反応溶液のｐＨは５．５であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、ケトース生成反応生成物は検知されなかった。
（実験例４）
実験例１の亜鉛プロリン錯体をハイドロキシアパタイト２０ｍｇに代えた以外は実験例１と同様の処理を行い、ケトース生成反応を実施したものを実験例４とした。反応溶液のｐＨは６．０であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、ケトースであるエリトルロースが収率１５％で得られた。
実験例１の亜鉛プロリン錯体をハイドロキシアパタイト２０ｍｇに代えた以外は実験例１と同様の処理を行い、ケトース生成反応を実施したものを実験例４とした。反応溶液のｐＨは６．０であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、ケトースであるエリトルロースが収率１５％で得られた。
（実験例５）
実験例１の亜鉛プロリン錯体を水酸化ナトリウム５．３ｍｇに代えた以外は実験例１と同様の処理を行い、ケトース生成反応を実施したものを実験例５とした。反応溶液のｐＨは１１であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、基質のエリスロースおよび生成物のエリトルロースの含有量が減少しており、収率は算出できなかった。
実験例１の亜鉛プロリン錯体を水酸化ナトリウム５．３ｍｇに代えた以外は実験例１と同様の処理を行い、ケトース生成反応を実施したものを実験例５とした。反応溶液のｐＨは１１であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、基質のエリスロースおよび生成物のエリトルロースの含有量が減少しており、収率は算出できなかった。
（実験例６）
実験例１の亜鉛プロリン錯体を酢酸カルシウム６．３ｍｇに代えた以外は実験例１と同様の処理を行い、ケトース生成反応を実施したものを実験例６とした。反応溶液のｐＨは１０．５であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、基質のエリスロースおよび生成物のエリトルロースの含有量が減少しており、収率は算出できなかった。
実験例１の亜鉛プロリン錯体を酢酸カルシウム６．３ｍｇに代えた以外は実験例１と同様の処理を行い、ケトース生成反応を実施したものを実験例６とした。反応溶液のｐＨは１０．５であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、基質のエリスロースおよび生成物のエリトルロースの含有量が減少しており、収率は算出できなかった。
（結果と考察）
図２は、実験例１～６の高速液体クロマトグラフィーの分析結果である。また、表１に反応液のｐＨ、収率（質量％）、反応後のアルドース量（質量％）、ケトース量（質量％）ケトース含有率（質量％）及びアルドースの消費量に対するケトースの生成量（質量％）をまとめた。なお、ケトース含有率は、ケトース量／（アルドース量＋ケトース量）の式から求め、アルドースの消費量に対するケトースの生成量は、ケトース量／（１００－アルドース量）の式から求めた。図２および表１に示すように、実験例１ではｐＨが６．５とほぼ中性であり、目的生成物のケトースは得られた糖類中に４１質量％含まれていた。これに対して、実験例２～４では反応液のｐＨは５．５～６．０と、実験例１と同等であった。触媒として２価の金属イオンである亜鉛あるいはカルシウムを含むがアミノ酸を含まない触媒を用いた実験例２、４で得られたケトースの含有率は、実験例１の１／２以下であった。また、アルドースの消費量に対するケトースの生成量の割合は、実験例１、２、４はいずれも２０～２５質量％と、差は見られなかった。このことは、中性条件下においては、基質および生成物の分解反応が大幅に抑制されていることを示している。また、２価の金属イオンを含まず、アミノ酸のみを用いた実験例３では、ケトースの生成は確認されなかった。また、実験例５のように触媒に１価の金属イオンであるナトリウムを含み、ｐＨが１１の塩基性の場合、基質および生成物の両方の含有量が減少した。これは、塩基性条件で進行するレトロアルドール反応により、基質および生成物の分解反応が進行したためである。同様に、実験例６においては、触媒に２価の金属イオンであるカルシウムを含むが、ｐＨが１０．５の塩基性であったため、基質および生成物の分解反応が進行し、目的とするケトース生成反応の収率は評価できなかった。以上のように、２価の金属イオンである亜鉛とアミノ酸であるプロリンからなる化合物を触媒とした場合には、反応温度が８０℃以下、中性付近のｐＨなど、温和な条件において効率よくケトース生成反応物を得ることができることがわかった。また、触媒量は、反応液に対して０．０５ ～２質量％の範囲であり、基質に対する触媒の質量比が１／５０～１０／５０の範囲であることが良好であるものと推察された。
図２は、実験例１～６の高速液体クロマトグラフィーの分析結果である。また、表１に反応液のｐＨ、収率（質量％）、反応後のアルドース量（質量％）、ケトース量（質量％）ケトース含有率（質量％）及びアルドースの消費量に対するケトースの生成量（質量％）をまとめた。なお、ケトース含有率は、ケトース量／（アルドース量＋ケトース量）の式から求め、アルドースの消費量に対するケトースの生成量は、ケトース量／（１００－アルドース量）の式から求めた。図２および表１に示すように、実験例１ではｐＨが６．５とほぼ中性であり、目的生成物のケトースは得られた糖類中に４１質量％含まれていた。これに対して、実験例２～４では反応液のｐＨは５．５～６．０と、実験例１と同等であった。触媒として２価の金属イオンである亜鉛あるいはカルシウムを含むがアミノ酸を含まない触媒を用いた実験例２、４で得られたケトースの含有率は、実験例１の１／２以下であった。また、アルドースの消費量に対するケトースの生成量の割合は、実験例１、２、４はいずれも２０～２５質量％と、差は見られなかった。このことは、中性条件下においては、基質および生成物の分解反応が大幅に抑制されていることを示している。また、２価の金属イオンを含まず、アミノ酸のみを用いた実験例３では、ケトースの生成は確認されなかった。また、実験例５のように触媒に１価の金属イオンであるナトリウムを含み、ｐＨが１１の塩基性の場合、基質および生成物の両方の含有量が減少した。これは、塩基性条件で進行するレトロアルドール反応により、基質および生成物の分解反応が進行したためである。同様に、実験例６においては、触媒に２価の金属イオンであるカルシウムを含むが、ｐＨが１０．５の塩基性であったため、基質および生成物の分解反応が進行し、目的とするケトース生成反応の収率は評価できなかった。以上のように、２価の金属イオンである亜鉛とアミノ酸であるプロリンからなる化合物を触媒とした場合には、反応温度が８０℃以下、中性付近のｐＨなど、温和な条件において効率よくケトース生成反応物を得ることができることがわかった。また、触媒量は、反応液に対して０．０５ ～２質量％の範囲であり、基質に対する触媒の質量比が１／５０～１０／５０の範囲であることが良好であるものと推察された。
なお、本明細書で開示した製造方法、使用方法及び反応システムは、上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
本明細書で開示した製造方法、使用方法及び反応システムは、アルドース化合物からケトース化合物を生成する異性化反応を利用する技術分野に利用可能である。
Claims (6)
- ２価の金属イオンとアミノ酸とを含む亜鉛プロリン錯体である触媒を用い、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応を行う反応工程、を含む製造方法。
- 前記触媒は、等電点がｐＨ６以上８．５以下の範囲にある前記アミノ酸を含む、請求項１に記載の製造方法。
- 前記反応工程では、８０℃以下の反応温度、ｐＨが６以上９以下の範囲で前記ケトース生成反応を行う、請求項１又は２に記載の製造方法。
- 前記反応工程では、前記触媒を０．０５～２質量％含む水溶液中で前記ケトース生成反応を行う、請求項１～３のいずれか１項に記載の製造方法。
- ２価の金属イオンとアミノ酸とを含む亜鉛プロリン錯体である触媒を、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応に用いる、触媒の使用方法。
- ２価の金属イオンとアミノ酸とを含む亜鉛プロリン錯体である触媒を用い、アルドース化合物からケトース化合物を生成するケトース生成反応を行う、反応システム。
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