JP7416177B2 - Alcohol manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、バイオマス原料からアルコールを製造する方法に関するものであり、詳しくは、バイオマス原料からアルコールを製造する際に、フラン骨格を有するアセタール中間体を経由することで、副反応を抑制して目的とするアルコールを高収率で得ると共に、長期操業安定性にも優れたアルコールの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing alcohol from biomass raw materials. Specifically, when producing alcohol from biomass raw materials, by passing through an acetal intermediate having a furan skeleton, side reactions are suppressed and the desired purpose is achieved. The present invention relates to a method for producing alcohol which can be obtained in high yield and has excellent long-term operational stability.
近年、化石燃料枯渇問題、大気中の二酸化炭素増加という地球規模での環境負荷の問題に対する対策が必要となっている。このような社会的要請から現在の大気圏の地球環境下で植生したバイオマス原料から各種有用化学品を製造するプロセスの開発が着目され、精力的に取り進められている。バイオマス原料を化学原料の出発物質として活用する手法は、例えば、植物原料生産が各地に分散して多様化できるので、原料供給が非常に安定していること、および大気圏の地球環境下において為されるために、二酸化炭素の吸収および放出の物質収支の較差が比較的均衡する為に、化石資源原料には全く期待できない、リサイクルを含めた循環型社会の実現性を潜在的に保有する利点を有し、産業上の利用価値は極めて大きい。 In recent years, it has become necessary to take measures to deal with the global environmental burden of fossil fuel depletion and an increase in atmospheric carbon dioxide. In response to such social demands, attention has been paid to the development of processes for producing various useful chemicals from biomass raw materials grown in the current atmospheric global environment, and efforts are being made vigorously. The method of utilizing biomass raw materials as starting materials for chemical raw materials is based on the fact that, for example, the production of plant raw materials can be dispersed and diversified in various places, so the supply of raw materials is extremely stable, and it is possible to use biomass raw materials in the global environment of the atmosphere. In order to achieve this goal, the material balance of carbon dioxide absorption and emission is relatively balanced, so it has the advantage of potentially realizing a recycling-oriented society, including recycling, which cannot be expected from fossil resource raw materials. It has extremely high industrial utility value.
これまで、化学品原料をバイオマス原料に求める技術としては、CO2排出量削減に大きく貢献する技術として、バイオマス原料そのものを汎用樹脂の原料として用いる手法や該樹脂の原料となるモノマーへバイオマス原料を誘導する手法が種々提案されている。また、バイオマス原料の構造を活用してバイオマス原料から高機能化学品へ誘導する手法の開発も盛んである(非特許文献1)。 Until now, technologies that require biomass raw materials from chemical raw materials include methods that use biomass raw materials themselves as raw materials for general - purpose resins, and methods that use biomass raw materials as raw materials for monomers that are raw materials for resins, as technologies that greatly contribute to reducing CO2 emissions. Various guidance methods have been proposed. Furthermore, there is active development of methods for inducing high-performance chemicals from biomass raw materials by utilizing the structure of the biomass raw materials (Non-Patent Document 1).
バイオマス原料から有用化学品へ誘導する反応としては、バイオマス原料の発酵法による生物学的変換方法、触媒反応を代表とする化学的変換方法、電気化学手法を用いた変換方法等が開発されている。しかしながら、これらのバイオマス原料から誘導される化学品を、化石資源から誘導される化学品と代替したり汎用材に適用したりする技術の多くは、汎用化ないし普及にまで至っていないのが実情である。その最大の理由は、化石資源から誘導される原料に比べて、バイオマス原料並びにそこから誘導される原料は、一般に、バイオマス原料特有の窒素含有化合物、硫黄含有化合物、金属塩等の不純物を多く含み、また、ヒドロキシル基やカルボニル基等の反応性官能基を多く有するために、製造時に副反応を引き起こしやすい特徴があることに起因する。すなわち、バイオマス原料を出発物質として適用したプロセスにおいては、これらの不純物や副生物の除去工程が必須となり、製造プロセスが煩雑化し、製造コストが高騰するばかりでなく、製造時の消費エネルギーも高騰するといった経済性ならびに環境負荷の観点で多くの課題を有する。 As reactions for inducing useful chemicals from biomass raw materials, biological conversion methods using fermentation of biomass raw materials, chemical conversion methods represented by catalytic reactions, conversion methods using electrochemical methods, etc. have been developed. . However, the reality is that many of the technologies for replacing chemicals derived from these biomass raw materials with chemicals derived from fossil resources or for applying them to general-purpose materials have not yet reached the point of generalization or widespread use. be. The biggest reason for this is that compared to raw materials derived from fossil resources, biomass raw materials and the raw materials derived from them generally contain many impurities such as nitrogen-containing compounds, sulfur-containing compounds, and metal salts that are unique to biomass raw materials. Another reason is that because it has many reactive functional groups such as hydroxyl groups and carbonyl groups, it tends to cause side reactions during production. In other words, in processes that use biomass raw materials as starting materials, a process for removing these impurities and byproducts is essential, which not only complicates the manufacturing process and increases manufacturing costs, but also increases energy consumption during manufacturing. There are many issues in terms of economic efficiency and environmental impact.
従って、本発明で対象とするバイオマス原料からの誘導化反応においては、如何に効率的な変換反応プロセスを設計できるかが求められ、上記の変換反応の中では、特に触媒反応を用いた化学変換方法が注目されている。例えば、このような効率的な変換技術としては、触媒反応を用いたセルロースからの単糖類や糖アルコール変換技術が、特許文献1~3等に提案されている。
Therefore, in the derivatization reaction from biomass raw materials that is the subject of the present invention, it is required to design an efficient conversion reaction process. The method is attracting attention. For example, as such an efficient conversion technique, a technique for converting monosaccharides and sugar alcohols from cellulose using a catalytic reaction has been proposed in
一方、バイオマス原料から有用化学品を誘導する一連の触媒反応の中では、フラン環を有する化合物を経由するプロセスが、その機能性、用途の多様性、環境負荷ならびに経済性の観点から特に重要なプロセスとして提案されている。例えば、本発明の製造対象の一つであるフランジメタノールは、一般的に以下の反応で製造されている。 On the other hand, among the series of catalytic reactions that derive useful chemicals from biomass raw materials, processes involving compounds with furan rings are particularly important from the viewpoints of functionality, diversity of uses, environmental impact, and economic efficiency. proposed as a process. For example, furandimethanol, which is one of the targets of the present invention, is generally produced by the following reaction.
具体的な製造方法としては、例えば、グルコースやフルクトース等の単糖類から含水ニオブ酸の存在下にヒドロキシメチルフルフラール(HMF)を製造する方法が特許文献4に提案されている。また、HMFの接触水素化でフランジメタノールを製造する方法については、30~35℃程度の常温付近で製造する手法が特許文献5,6に提案されている。一方、特許文献7では、HMFから接触水素化で1,2,6-ヘキサントリオールや1,6-ヘキサンジオールを製造する方法が提案されている。 As a specific production method, for example, Patent Document 4 proposes a method of producing hydroxymethylfurfural (HMF) from monosaccharides such as glucose and fructose in the presence of hydrous niobic acid. Further, regarding a method of producing flange methanol by catalytic hydrogenation of HMF, a method of producing it at room temperature of about 30 to 35° C. is proposed in Patent Documents 5 and 6. On the other hand, Patent Document 7 proposes a method for producing 1,2,6-hexanetriol and 1,6-hexanediol from HMF by catalytic hydrogenation.
しかしながら、上記のバイオマス資源からHMFを経由してアルコールを製造する反応においては、アルデヒド基ならびにヒドロキシル基といった反応性官能基を有するHMFが中間体となり、この反応性中間体の熱安定性が悪いことに起因して、HMFの重合や開環反応等が進行し、特に高温での反応が必要とされるプロセスにおいては、フミン等のオリゴマーならびにポリマーやレブリン酸等の形成により反応収率が低下するばかりでなく、副生するオリゴマーやポリマーが反応器や配管内に付着することにより、反応器の熱伝導効率の低下や配管内閉塞を引き起こし、安定した長期操業が困難になるといった課題がある。また、これらの副生物は一般に着色物であることが多く、製品中に混入して製品の着色を引き起こし、更には、これらの副生物の製品への混入により製品の耐久安定性を損ね、製品中の異物生成の要因にも繋がるといった課題もある。特に、工業製造プロセスにおいて、製造プロセスの長期安定操業が、プロセス設計上の重要な課題となるが、この本質的な課題はバイオマス原料を活用する化学品の製造プロセスにおいては未だ解決されていないのが実情である。従って、原料をバイオマス原料に求める製造プロセスにおいては、反応収率を向上させた効率的な変換反応プロセスの設計のみならず、反応中間体の熱安定性ならびに反応安定性を向上させる反応プロセスの設計が課題となっている。 However, in the reaction of producing alcohol from the above-mentioned biomass resources via HMF, HMF having reactive functional groups such as aldehyde groups and hydroxyl groups becomes an intermediate, and the thermal stability of this reactive intermediate is poor. Due to this, HMF polymerization and ring-opening reactions proceed, and especially in processes that require reactions at high temperatures, the reaction yield decreases due to the formation of oligomers such as humins, polymers, and levulinic acid. In addition, by-product oligomers and polymers adhere to the interior of the reactor and piping, causing a decrease in the heat conduction efficiency of the reactor and clogging of the piping, making stable long-term operation difficult. In addition, these by-products are generally colored substances and are mixed into the product, causing coloration of the product.Furthermore, the mixing of these by-products into the product impairs the durability and stability of the product, causing the product to deteriorate. There is also the issue that it may lead to the formation of foreign matter inside. In particular, in industrial manufacturing processes, long-term stable operation of the manufacturing process is an important issue in process design, but this essential issue has not yet been resolved in chemical manufacturing processes that utilize biomass raw materials. is the reality. Therefore, in manufacturing processes that require biomass raw materials as raw materials, it is important to design not only efficient conversion reaction processes that improve reaction yields, but also reaction processes that improve the thermal stability of reaction intermediates and reaction stability. has become an issue.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、バイオマス原料からアルコールを製造するに当たり、副反応を抑制して目的とするアルコールを高収率で得ることができると共に、長期操業安定性にも優れたアルコールの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is possible to suppress side reactions and obtain the desired alcohol in high yield when producing alcohol from biomass raw materials, and to achieve long-term operational stability. The purpose of the present invention is to provide an excellent method for producing alcohol.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、バイオマス原料からアルコールを製造する際に、フラン骨格を有するアセタール中間体を経由することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の要旨は、以下の[1]~[9]に存する。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors discovered that the above problems could be solved by passing through an acetal intermediate having a furan skeleton when producing alcohol from biomass raw materials, and the present invention. I was able to complete it.
That is, the gist of the present invention resides in the following [1] to [9].
[1]バイオマス原料からアルコールを製造する方法において、フラン骨格を有するアセタール中間体を経由することを特徴とするアルコールの製造方法。 [1] A method for producing alcohol from biomass raw materials, which is characterized in that the alcohol is produced via an acetal intermediate having a furan skeleton.
[2]前記アセタール中間体を水素ガスを用いて水素化することによりアルコールを製造することを特徴とする[1]に記載のアルコールの製造方法。 [2] The method for producing alcohol according to [1], wherein the alcohol is produced by hydrogenating the acetal intermediate using hydrogen gas.
[3]前記アセタール中間体を水と有機溶媒との混合溶媒を用いて製造することを特徴とする[1]または[2]に記載のアルコールの製造方法。 [3] The method for producing alcohol according to [1] or [2], wherein the acetal intermediate is produced using a mixed solvent of water and an organic solvent.
[4]前記アセタール中間体が環状アセタールであることを特徴とする[1]ないし[3]のいずれかに記載のアルコールの製造方法。 [4] The method for producing alcohol according to any one of [1] to [3], wherein the acetal intermediate is a cyclic acetal.
[5]前記環状アセタールが6員環環状アセタールであることを特徴とする[4]に記載のアルコールの製造方法。 [5] The method for producing alcohol according to [4], wherein the cyclic acetal is a 6-membered cyclic acetal.
[6]前記バイオマス原料が糖類原料であることを特徴とする[1]ないし[5]のいずれかに記載のアルコールの製造方法。 [6] The method for producing alcohol according to any one of [1] to [5], wherein the biomass raw material is a saccharide raw material.
[7]前記アルコールがフランジメタノールまたはテトラヒドロフランジメタノールであることを特徴とする[1]ないし[6]のいずれかに記載のアルコールの製造方法。 [7] The method for producing alcohol according to any one of [1] to [6], wherein the alcohol is furandimethanol or tetrahydrofurandimethanol.
[8] 下記式(1)で表される化合物。 [8] A compound represented by the following formula (1).
(式中、R1は水素原子、-CH2OH、-CH2OR2又は-CH2O(C=O)R2で表される基であり、R2は炭素数1~6のアルキル基、又は、アルキル置換基を有していてもよい炭素数6~12のアリール基を表す。) (In the formula, R 1 is a hydrogen atom, -CH 2 OH, -CH 2 OR 2 or -CH 2 O(C=O)R 2 , and R 2 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms. group or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms which may have an alkyl substituent.)
[9] [8]に記載の化合物からアルコールを製造することを特徴とするアルコールの製造方法。 [9] A method for producing alcohol, which comprises producing alcohol from the compound according to [8].
本発明の製造方法によれば、バイオマス原料からアルコールを製造する際に、アセタール中間体を経由することで、反応中間体の熱安定性を向上させて、反応中間体の重合や開環反応といった副反応を抑制し、目的とするアルコールの収率を向上させることができる。また、副反応を抑制することによって副生成物の混入による製品品質の低下や、副生重合物による配管閉塞、伝熱効率の低下といった操業トラブルを防止して、アルコールの連続生産を安定かつ効率的に行うことができる。更には、製造したアルコールを原料として誘導される製品の着色や異物の発生をも抑制することができる。 According to the production method of the present invention, when producing alcohol from biomass raw materials, by passing through the acetal intermediate, the thermal stability of the reaction intermediate is improved, and the polymerization and ring-opening reactions of the reaction intermediate are carried out. It is possible to suppress side reactions and improve the yield of the desired alcohol. In addition, by suppressing side reactions, it is possible to prevent operational problems such as deterioration of product quality due to contamination of by-products, blockage of pipes due to by-product polymers, and decrease in heat transfer efficiency, making continuous alcohol production stable and efficient. can be done. Furthermore, it is possible to suppress the coloring and generation of foreign substances in products derived from the produced alcohol as a raw material.
以下に本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
なお、本発明において、「当量」とは、モル当量を意味する。
Embodiments of the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with various modifications within the scope of the gist.
In addition, in the present invention, "equivalent" means molar equivalent.
本発明のアルコールの製造方法は、バイオマス原料からアルコールを製造する方法において、フラン骨格を有するアセタール中間体を経由することを特徴とする。 The method for producing alcohol of the present invention is characterized in that the method for producing alcohol from biomass raw materials involves passing through an acetal intermediate having a furan skeleton.
なお、以下においては、本発明に従ってアルコールとしてテトラヒドロフランジメタノールを製造する場合を主として例示して本発明を説明するが(下記反応式(A))、本発明のアルコールの製造方法は、テトラヒドロフランジメタノールの製造方法に何ら限定されず、例えば、テトラヒドロフルフリルアルコール、フランジメタノール、フルフリルアルコール等のアルコールの製造にも有効に適用することができる。 In the following, the present invention will be explained mainly by exemplifying the case where tetrahydrofurandimethanol is produced as an alcohol according to the present invention (reaction formula (A) below). The present invention is not limited to the production method, and can be effectively applied to, for example, the production of alcohols such as tetrahydrofurfuryl alcohol, furandimethanol, and furfuryl alcohol.
例えば、テトラヒドロフルフリルアルコールを製造する場合は、以下に説明するテトラヒドロフランジメタノールの製造において、炭素数が6の糖類単位を主成分として含むバイオマス原料、又はバイオマス原料から糖化工程を経て製造される炭素数が6の糖類を含む原料(以下、「糖類を含む原料」を「糖類原料」と称す。)を、炭素数が5の糖類単位を含むバイオマス原料又は糖類原料に変更することによりテトラヒドロフルフリルアルコールを製造することができる(下記反応式(B))。また、テトラヒドロフルフリルアルコールは、用いる触媒及び/又は溶媒を適宜変更することにより炭素数が6の糖類からも製造することもできる。また、アルコールとして、フランジメタノール、フリルアルコールを製造する場合は、以下に説明するテトラヒドロフランジメタノールの製造において、使用する触媒や適用する反応条件を適宜選定することにより、フランジメタノール(下記反応式(C))、フルフリルアルコール(下記反応式(D))を製造することができる。 For example, when producing tetrahydrofurfuryl alcohol, in the production of tetrahydrofurandimethanol described below, a biomass raw material containing a saccharide unit having 6 carbon atoms as a main component, or carbon produced from a biomass raw material through a saccharification process is used. Tetrahydrofurfuryl can be produced by changing a raw material containing a saccharide with a carbon number of 6 (hereinafter, "a raw material containing a saccharide" is referred to as a "saccharide raw material") to a biomass raw material or a saccharide raw material containing a saccharide unit with a carbon number of 5. Alcohol can be produced (reaction formula (B) below). Moreover, tetrahydrofurfuryl alcohol can also be produced from a saccharide having 6 carbon atoms by appropriately changing the catalyst and/or solvent used. In addition, when producing furan dimethanol and furyl alcohol as alcohols, in the production of tetrahydrofuran dimethanol described below, by appropriately selecting the catalyst to be used and the reaction conditions to be applied, furan dimethanol (the following reaction formula (C )), furfuryl alcohol (reaction formula (D) below) can be produced.
[メカニズム]
本発明者らは、バイオマス原料および/又はバイオマス原料から誘導される糖類原料から脱水反応により生成するフラン骨格を有するアルデヒド中間体を経由してアルコールを製造する従来法においては、該アルデヒド中間体の熱安定性の悪さに起因して上記の種々の問題が生じることを見出した。そこで、本発明者らは、これらの問題を解決すべく検討を重ね、脱水反応で生成するフルフラール(以下「FRL」と略記する。)やヒドロキシメチルフルフラール(以下「HMF」と略記する。)等のアルデヒド中間体を、アルコール、より好ましくは、ジオールとの反応により直ちにアセタール化、特に好ましくは脱水反応によるフラン骨格の形成と同時にアセタール化することにより、熱安定性が高いアセタール中間体を得、引き続き該中間体の水素化反応により各種アルコールを製造することで、上記の種々の問題を解決することができることを見出した。
[mechanism]
The present inventors have discovered that in the conventional method of producing alcohol via an aldehyde intermediate having a furan skeleton produced by a dehydration reaction from a biomass raw material and/or a saccharide raw material derived from a biomass raw material, the aldehyde intermediate is It has been found that the various problems described above occur due to poor thermal stability. Therefore, the present inventors have made repeated studies to solve these problems, and have investigated furfural (hereinafter abbreviated as "FRL") and hydroxymethylfurfural (hereinafter abbreviated as "HMF") produced by dehydration reactions. An acetal intermediate with high thermal stability is obtained by immediately acetalizing the aldehyde intermediate by reaction with an alcohol, more preferably a diol, particularly preferably simultaneously with the formation of a furan skeleton by a dehydration reaction, It has been found that the various problems described above can be solved by subsequently producing various alcohols by hydrogenation of the intermediate.
以下フラン骨格を有するアルデヒドがHMFであり、好ましい態様として、環状アセタールを形成させる場合を例に説明すると(下記反応式(E))、バイオマス原料および/又はバイオマス原料から誘導される糖類原料からの脱水反応により生成したHMFを環状アセタール化するには、反応系にジオールを存在させればよい。使用するジオールは、好ましいジオールとして、1,3-プロパンジオール(1,3-PD)又はエチレングリコール(EG)が選ばれ、形成されるアセタールの熱安定性が顕著に向上する理由から6員環環状アセタール体を形成できる1,3-プロパンジオール(1,3-PD)が特に好ましい。 The following explanation will be given using an example in which the aldehyde having a furan skeleton is HMF and a cyclic acetal is formed as a preferred embodiment (reaction formula (E) below). In order to cyclic acetalize HMF produced by the dehydration reaction, a diol may be present in the reaction system. The diol used is preferably 1,3-propanediol (1,3-PD) or ethylene glycol (EG), and is a 6-membered diol because the thermal stability of the acetal formed is significantly improved. Particularly preferred is 1,3-propanediol (1,3-PD) which can form a cyclic acetal.
具体的には、脱水反応系内に1,3-プロパンジオール(1,3-PD)又はエチレングリコール(EG)を存在させることで、下記反応式に示すように、脱水反応で生成したHMFは、直ちに1,3-プロパンジオール(1,3-PD)又はエチレングリコール(EG)と反応して、HMFの1,3-プロパンジオールアセタール化物(以下「PD-HMF」と略記する。)又はHMFのエチレングリコールアセタール化物(以下「EG-HMF」と略記する。)に変換される。 Specifically, by allowing 1,3-propanediol (1,3-PD) or ethylene glycol (EG) to exist in the dehydration reaction system, HMF generated in the dehydration reaction is , immediately reacts with 1,3-propanediol (1,3-PD) or ethylene glycol (EG) to form a 1,3-propanediol acetal of HMF (hereinafter abbreviated as "PD-HMF") or HMF. is converted into ethylene glycol acetal (hereinafter abbreviated as "EG-HMF").
一方、使用するアルコールは、メタノール(MeOH)、エタノール(EtOH)、プロパノール(PrOH)、ブタノール(BuOH)等の後述のモノアルコール、又は炭素数が1~6のアルキル置換基を有しても良いフェノール等を用いても良い(下記反応式(F))。この場合も、具体的には、下記反応式に示すように、脱水反応系内にモノアルコール(ROH(Rは炭素数1~6のアルキル基、又は炭素数が1~6のアルキル置換基を有しても良いフェニル基を表す。))を存在させることで、下記反応式(F)に示すように、脱水反応で生成したHMFは、直ちにモノアルコール(ROH)と反応して、HMFのモノアルコールアセタール化物(以下「R-HMF」と略記する。)に変換される。 On the other hand, the alcohol used may be monoalcohols described below such as methanol (MeOH), ethanol (EtOH), propanol (PrOH), butanol (BuOH), or may have an alkyl substituent having 1 to 6 carbon atoms. Phenol etc. may also be used (reaction formula (F) below). In this case as well, specifically, monoalcohol (ROH (R is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an alkyl substituent having 1 to 6 carbon atoms) is added to the dehydration reaction system as shown in the reaction formula below. ) represents a phenyl group that may be present, as shown in reaction formula (F) below, HMF generated in the dehydration reaction immediately reacts with monoalcohol (ROH) to form HMF. It is converted into a monoalcohol acetal (hereinafter abbreviated as "R-HMF").
後述の実験例1に示されるように、これらのアセタール化物、特にPD-HMF、EG-HMF等の環状アセタールは、HMFに比べて熱安定性に優れるため、このようなアセタール中間体を経由することで、
(1) HMFの重合によるオリゴマーやポリマーの形成が抑制される。
(2) 上記(1)より、反応収率を高く維持することができる。
(3) 上記(1)より、反応器や配管内に副生成物に起因する汚れが付着し難く、熱伝導率の低下や配管内閉塞といったトラブルを防止して安定生産を行える。また、副生物に起因する着色や異物の発生を防止して高品質の製品を得ることができる。
といった効果が奏される。
As shown in Experimental Example 1 below, these acetalized products, especially cyclic acetals such as PD-HMF and EG-HMF, have superior thermal stability compared to HMF, so it is difficult to proceed via such acetal intermediates. By that,
(1) Formation of oligomers and polymers due to HMF polymerization is suppressed.
(2) From (1) above, the reaction yield can be maintained high.
(3) According to (1) above, dirt caused by by-products is less likely to adhere to the inside of the reactor and piping, and stable production can be achieved by preventing problems such as a decrease in thermal conductivity and clogging of the piping. In addition, high-quality products can be obtained by preventing coloring and foreign matter caused by by-products.
This effect is produced.
なお、フルフラールをアセタール化するには、上記の通り、反応系にアルコールを添加する必要があり、一方で、アセタール中間体の水素化でアルコールを製造する際には、以下の通り、アルコールが副生する。本発明のプロセスにおいては、この工程で副生するアルコールは、通常、例えば、蒸留等の手法を用いて回収され、アセタール化工程のアセタール化剤として再利用される。勿論、副生するアルコールは、製造プロセスの経済性が保たれる場合は、そのまま廃棄してもよい。 In addition, in order to acetalize furfural, it is necessary to add alcohol to the reaction system as described above.On the other hand, when producing alcohol by hydrogenating an acetal intermediate, alcohol is added as a sub-agent as shown below. live. In the process of the present invention, the alcohol by-produced in this step is usually recovered using a technique such as distillation, and reused as an acetalizing agent in the acetalizing step. Of course, the by-product alcohol may be disposed of as is if the economic efficiency of the manufacturing process is maintained.
このように、アルコールを添加してアセタール化し、次いで脱アルコールするというように、後工程で除去することになる成分を前工程で添加し、回収する工程は、当業者が通常行うことではなく、反応系にあえてアルコールを添加してフルフラールをアセタール化する本発明のアルコールの製造方法は、従来の合成法からは容易に想起し得ないものである。上記の特徴を有するバイオマス原料又はその誘導体を原料として扱う際には、反応中間体を如何に安定化してバイオマス原料由来の副生物の生成を抑制するかが、プロセス全体を設計する上で特に重要である。本発明の手法を採用することにより、バイオマス原料又はその誘導体を原料とする製造プロセスにおいて特有の上記の種々の課題を解決することができる。 In this way, the process of adding and recovering components to be removed in a subsequent process in the previous process, such as adding alcohol to acetalize and then dealcoholizing, is not something that those skilled in the art would normally do. The alcohol production method of the present invention, in which furfural is acetalized by intentionally adding alcohol to the reaction system, cannot be easily imagined from conventional synthesis methods. When using biomass raw materials or their derivatives with the above characteristics as raw materials, how to stabilize reaction intermediates and suppress the production of byproducts derived from biomass raw materials is particularly important in designing the entire process. It is. By employing the method of the present invention, the above-mentioned various problems specific to production processes using biomass raw materials or derivatives thereof as raw materials can be solved.
尚、本発明における環状アセタールは HMFの場合に、ヒドロキシル基がカルボン酸無水物((R2CO)2O(R2は、炭素数1~6のアルキル基、又は、アルキル置換基を有していてもよい炭素数6~12のアリール基を表す。))との反応によりエステル基に誘導された環状体アセタール、或いはヒドロキシル基がアルコール(R2OH(R2は、炭素数1~6のアルキル基、又は、アルキル置換基を有していてもよい炭素数6~12のアリール基を表す。))との反応によりエーテル基に変換された環状体アセタールであっても良い。 In the case of HMF, the cyclic acetal in the present invention has a hydroxyl group of carboxylic acid anhydride ((R 2 CO) 2 O (R 2 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an alkyl substituent). A cyclic acetal derived from an ester group by reaction with an aryl group having 6 to 12 carbon atoms (R 2 OH (R 2 is an aryl group having 1 to 6 carbon atoms) or a hydroxyl group derived from an alcohol It represents an alkyl group or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms which may have an alkyl substituent.
以下、本発明の好ましい形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be explained in detail.
[バイオマス原料]
本発明におけるバイオマス原料とは、植物の光合成作用で太陽の光エネルギーがデンプンやセルロース、ヘミセルロースなどの形に変換されて蓄えられたもの、植物体を食べて成育する動物の体や、植物体や動物体を加工してできる製品等が含まれる。バイオマス原料としては、例えば、木材、稲わら、籾殻、米ぬか、古米、とうもろこし、サトウキビ、キャッサバ、サゴヤシ、カルドン、スイッチグラス、松材、ポプラ材、カエデ材、おから、コーンコブ、コーンストーバー、コーンファイバー、タピオカ、バガス、植物油カス、芋、そば、大豆、古紙、製紙残渣、水産物残渣、家畜排泄物、下水汚泥、食品廃棄物等が挙げられる。この中でも木材、稲わら、籾殻、米ぬか、古米、とうもろこし、サトウキビ、キャッサバ、サゴヤシ、カルドン、スイッチグラス、松材、ポプラ材、カエデ材、おから、コーンコブ、コーンストーバー、コーンファイバー、タピオカ、バガス、植物油カス、芋、そば、大豆、古紙、製紙残渣等の植物資源が好ましく、より好ましくは、木材、稲わら、籾殻、古米、とうもろこし、サトウキビ、キャッサバ、サゴヤシ、カルドン、スイッチグラス、松材、ポプラ材、カエデ材、コーンコブ、コーンストーバー、コーンファイバー、バガス、芋、油脂、古紙、製紙残渣であり、最も好ましくはとうもろこし、サトウキビ、キャッサバ、サゴヤシ、バガス、カルドン、スイッチグラス、松材、ポプラ材、カエデ材、コーンコブ、コーンストーバー、コーンファイバーである。
[Biomass raw material]
In the present invention, biomass raw materials are those in which sunlight energy is converted and stored in the form of starch, cellulose, hemicellulose, etc. through the photosynthetic action of plants, the bodies of animals that grow by eating plants, and the bodies of animals that grow by eating plants. Includes products made by processing animal bodies. Examples of biomass raw materials include wood, rice straw, rice husk, rice bran, old rice, corn, sugar cane, cassava, sago palm, cardoon, switchgrass, pine wood, poplar wood, maple wood, okara, corn cob, corn stover, and corn fiber. , tapioca, bagasse, vegetable oil residue, potatoes, buckwheat, soybeans, waste paper, paper manufacturing residue, marine product residue, livestock excrement, sewage sludge, food waste, etc. Among these, wood, rice straw, rice husk, rice bran, old rice, corn, sugar cane, cassava, sago palm, cardoon, switchgrass, pine wood, poplar wood, maple wood, bean curd, corn cob, corn stover, corn fiber, tapioca, bagasse, Preferably, plant resources such as vegetable oil residue, potatoes, buckwheat, soybeans, waste paper, and paper residues are used, and more preferably wood, rice straw, rice husk, old rice, corn, sugar cane, cassava, sago palm, cardoon, switchgrass, pine wood, and poplar. wood, maple wood, corn cob, corn stover, corn fiber, bagasse, potato, oil and fat, waste paper, paper residue, most preferably corn, sugar cane, cassava, sago palm, bagasse, cardoon, switch grass, pine wood, poplar wood, These are maple wood, corn cob, corn stover, and corn fiber.
本発明においては、例えば、Green Chemistry 16 (2014) 4816-4838、ならびにその引用文献に記載の文献等の公知手法を用いて、これらのバイオマス原料から直接FRLやHMFへ誘導し、その後、該FRLや該HMFとアルコールとの反応によりアセタールへ誘導する手法は、バイオマス原料からの糖化工程を経る必要がなく、最終目的物までの反応ステップ数が少なくなる理由から、好ましい態様である。また、バイオマス原料とアルコールとを共存させ、該手法を用いて直接FRLやHMFのアセタール体へ誘導しても良い。反応ステップ数が少なく、反応プロセスが効率的であるという点では、後者のバイオマス原料とアルコールとを共存させ、直接アセタールを得る手法が好ましい。 In the present invention, these biomass raw materials are directly induced into FRL and HMF using, for example, known methods such as those described in Green Chemistry 16 (2014) 4816-4838 and its cited documents, and then the FRL The method of deriving acetal by reacting HMF with alcohol is a preferred embodiment because it does not require a saccharification step from the biomass raw material and the number of reaction steps to reach the final target product is reduced. Alternatively, the biomass raw material and alcohol may be made to coexist, and the method may be used to directly induce the acetal form of FRL or HMF. The latter method, in which the biomass raw material and alcohol are allowed to coexist and directly obtain acetal, is preferable in that the number of reaction steps is small and the reaction process is efficient.
[糖化]
本発明においては、上記のバイオマス原料からFRLやHMFならびにそれらのアセタール体へ直接誘導する手法以外にも、特に限定はされないが、例えばバイオマス原料を酸やアルカリ等の化学処理、微生物を用いた生物学的処理、物理的処理等の公知の前処理・糖化の工程を経て、バイオマス原料に含まれる多糖類をその構成単位である糖類まで分解(糖化)してオリゴ糖、2糖や単糖を含む糖液を得、その糖液からFRLやHMFを得て、上述の通り、ジオールと反応させることにより、それらのアセタール体へ誘導する手法も、好適に使用できる。この手法を用いることにより、バイオマス原料に含まれる異物や不純物によるアセタール化反応の反応収率や生成アセタール体の純度の低下を回避することが可能となる。
[Saccharification]
In the present invention, in addition to the method of directly deriving FRL, HMF, and their acetal forms from the biomass raw material described above, for example, the biomass raw material can be treated with acids, alkalis, etc., or biologically with microorganisms. Through known pretreatment and saccharification processes such as chemical and physical treatments, polysaccharides contained in biomass raw materials are decomposed (saccharified) into their constituent units, saccharides, to form oligosaccharides, disaccharides, and monosaccharides. A method can also be suitably used in which a sugar solution containing FRL is obtained, FRL and HMF are obtained from the sugar solution, and as described above, they are reacted with a diol to induce their acetal forms. By using this method, it is possible to avoid a decrease in the reaction yield of the acetalization reaction and the purity of the produced acetal product due to foreign substances and impurities contained in the biomass raw material.
バイオマス原料の糖化方法については、特に限定されず、例えば、Green Chemisry 16 (2014) 4816-4838、ならびにその引用文献に記載の文献等の、公知手法を用いることができる。 The method for saccharifying the biomass raw material is not particularly limited, and for example, known methods such as those described in Green Chemisry 16 (2014) 4816-4838 and the cited documents thereof can be used.
その工程は、特に限定はされないが、通常、バイオマス原料をチップ化する、削る、擦り潰す等の前処理による微細化工程が含まれる。必要に応じて、更にグラインダーやミルによる粉砕工程が含まれる。こうして微細化されたバイオマス原料は、更に前処理・糖化の工程を経て糖液が製造されるが、その具体的な方法としては、硫酸、硝酸、塩酸、燐酸等の強酸による酸処理、アルカリ処理、アンモニア凍結蒸煮爆砕法、溶媒抽出、亜臨界流体処理、超臨界流体処理、酸化剤処理等の化学的方法や、微粉砕、蒸煮爆砕法、マイクロ波処理、電子線照射等の物理的方法、微生物や酵素処理による加水分解といった生物学的処理、或いはこれらの組み合わせが挙げられる。 The process is not particularly limited, but usually includes a micronization process by pretreatment such as chipping, shaving, or grinding the biomass raw material. If necessary, a pulverizing step using a grinder or a mill is further included. The biomass raw material that has been refined in this way undergoes further pretreatment and saccharification steps to produce sugar solution.Specific methods include acid treatment with strong acids such as sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, and phosphoric acid, and alkaline treatment. , chemical methods such as ammonia freeze-steam explosion method, solvent extraction, subcritical fluid treatment, supercritical fluid treatment, oxidizing agent treatment, physical methods such as pulverization, steam explosion method, microwave treatment, electron beam irradiation, etc. Biological treatments such as hydrolysis by microorganisms or enzyme treatments, or a combination thereof may be used.
上記のバイオマス原料から誘導される糖類としては、通常、グルコース、マンノース、ガラクトース、フルクトース、ソルボース、タガトース等のヘキソース、アラビノース、キシロース、リボース、キシルロース、リブロース等のペントース、ペントサン、キシラン、サッカロース、澱粉、セルロース等の2糖・オリゴ糖・多糖類、が用いられ、このうちグルコース、フルクトース、キシロースが好ましい。その中でも、反応収率が高い理由から、フルクトース、キシロースが特に好ましい。一方、より広義の植物資源由来の糖類としてはセルロースやヘミセルロースが好ましい。 Saccharides derived from the above biomass raw materials usually include hexoses such as glucose, mannose, galactose, fructose, sorbose, and tagatose, pentoses such as arabinose, xylose, ribose, xylulose, and ribulose, pentosan, xylan, saccharose, starch, Disaccharides, oligosaccharides, and polysaccharides such as cellulose are used, and among these, glucose, fructose, and xylose are preferred. Among these, fructose and xylose are particularly preferred because of their high reaction yields. On the other hand, cellulose and hemicellulose are preferred as saccharides derived from plant resources in a broader sense.
バイオマス原料の糖化で得られる糖液は通常、糖類の水溶液であり、水と糖類以外に他の成分を含んでいてもよい。他の成分は、特に限定されないが、例えばバイオマス原料から糖類を得た際に生じる糖類以外の副生成物や糖原料に含まれる不純物を含んでいてもよい。このような不純物としては、具体的には、糖類以外のカルボニル化合物、脂肪族共役アルコール等のアルコール化合物、リグニン由来のフェノール化合物や、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物、窒素化合物、硫黄化合物、ハロゲン化合物、硫酸イオン等の無機化合物等が挙げられる。 The sugar solution obtained by saccharification of biomass raw materials is usually an aqueous solution of sugars, and may contain other components in addition to water and sugars. Other components are not particularly limited, but may include, for example, by-products other than sugars produced when sugars are obtained from biomass raw materials and impurities contained in sugar raw materials. Specifically, such impurities include carbonyl compounds other than sugars, alcohol compounds such as aliphatic conjugated alcohols, phenol compounds derived from lignin, alkali metal compounds, alkaline earth metal compounds, nitrogen compounds, sulfur compounds, Examples include inorganic compounds such as halogen compounds and sulfate ions.
本発明における糖液中に含まれる糖類の合計濃度(以下「糖濃度」という)は、糖液の由来や、含有する糖の種類等によって大きく変動し、特に限定されないが、その下限は、通常1質量%以上、好ましくは3質量%以上、より好ましくは5質量%以上、一方、その上限は通常60質量%以下が好ましく、より好ましくは50質量%以下である。この糖液は、そのまま次工程に供してもよく、必要に応じて、減圧下で水を留去する方法、加熱して水を留去する方法、又は、国際公開WO2010/067785に記載のナノ濾過膜および/または逆浸透膜に通じて濾過する方法等を用いて、糖成分が濃縮された濃縮糖液を得、次工程に供しても良い。特に、糖液を濃縮する手法は、その後の脱水反応ならびにアセタール化反応において、プロセス全体の生産性が向上する点で好ましい。 The total concentration of sugars contained in the sugar solution in the present invention (hereinafter referred to as "sugar concentration") varies greatly depending on the origin of the sugar solution, the type of sugar contained, etc., and is not particularly limited, but the lower limit is usually The content is 1% by mass or more, preferably 3% by mass or more, more preferably 5% by mass or more, while the upper limit is usually preferably 60% by mass or less, more preferably 50% by mass or less. This sugar solution may be subjected to the next step as it is, and if necessary, a method of distilling off water under reduced pressure, a method of distilling water off by heating, or a method of distilling off water by heating, or nano A concentrated sugar solution with concentrated sugar components may be obtained using a method of filtering through a filtration membrane and/or a reverse osmosis membrane, and then subjected to the next step. In particular, the method of concentrating the sugar solution is preferable in that the productivity of the entire process is improved in the subsequent dehydration reaction and acetalization reaction.
また、その他の手段として、公知の手法を用いて、糖液からグルコース、フルクトース、キシロース等の単糖類を分離し、分離した単糖類を次工程に供する方法は、原料中の不純物量を低減させることが可能となり、その後の反応工程の反応収率が向上すると共に、ロット間のその変動量を低減させることが可能となる為、安定した長期操業が可能である点で最も好ましい態様である。これらの単糖類は、現在工業スケールで入手が可能である。本発明では、糖成分の含有量が多い糖液を得る為に、単離された単糖類を追添加しても良い。 In addition, as another method, a method of separating monosaccharides such as glucose, fructose, and xylose from a sugar solution using a known method and subjecting the separated monosaccharides to the next process reduces the amount of impurities in the raw materials. This is the most preferable embodiment in that stable long-term operation is possible because it is possible to improve the reaction yield of the subsequent reaction step and to reduce the amount of variation between lots. These monosaccharides are currently available on an industrial scale. In the present invention, isolated monosaccharides may be additionally added in order to obtain a sugar solution with a high content of sugar components.
[脱水・アセタール化]
本発明におけるアセタール中間体を経由するアルコールの製造においては、バイオマス原料から直接アセタール中間体を製造する方法、或いはバイオマス原料から糖化工程を経て糖類原料へ一旦誘導し、該糖類原料からアセタール中間体を製造する方法が用いられる。
[Dehydration/acetalization]
In the production of alcohol via an acetal intermediate in the present invention, there is a method of directly producing an acetal intermediate from a biomass raw material, or a method of first deriving a saccharide raw material from a biomass raw material through a saccharification process, and then producing an acetal intermediate from the saccharide raw material. A manufacturing method is used.
また、これらの手法において、バイオマス原料及び/又は糖類原料からアセタール中間体を製造する為には、バイオマス原料及び/又は糖類原料からFRL及び/又はHMFを製造する工程と、FRL及び/又はHMFからアセタール体を製造する工程との2工程を経て行ってもよく(以下、この方法を「2段法」と称す。)、バイオマス原料及び/又は糖類原料から生成したFRL及び/又はHMFを直ちにアセタール体に変換するように1工程で行ってもよい(以下、この方法を「1段法」と称す。)。即ち、後述のアセタール化用アルコールの存在下では、熱安定性が低いFRL及び/又はHMFは直ちにFRL及び/又はHMFのアセタール体に変換されるため、バイオマス原料や糖類原料から脱水反応により生成するFRL及び/又はHMFの製造反応系にアセタール化用アルコールを存在させておくことにより、同一の反応系内で熱安定性が高いアセタール中間体を形成させることができる。これにより、中間体の反応収率が向上するばかりでなく、副生する着色物や重合物の生成を低減することが可能になり、これらの製品への混入が抑制された工業的に有利な製造プロセスとなる。特に、本発明の効果は、HMFアセタール中間体を経由する製造プロセスを採用することにより顕著となる。 In addition, in these methods, in order to produce an acetal intermediate from a biomass raw material and/or a saccharide raw material, there are a step of producing FRL and/or HMF from a biomass raw material and/or a saccharide raw material, and a step of producing FRL and/or HMF from a biomass raw material and/or a saccharide raw material. It may be carried out through two steps, including the step of producing an acetal (hereinafter, this method is referred to as a "two-step method"), and FRL and/or HMF produced from biomass raw materials and/or saccharide raw materials are immediately converted into acetals. It may be carried out in one step so as to convert into a compound (hereinafter, this method will be referred to as a "one-step method"). That is, in the presence of the acetalizing alcohol described below, FRL and/or HMF, which have low thermal stability, are immediately converted into acetal forms of FRL and/or HMF, so they are generated from biomass raw materials and saccharide raw materials through a dehydration reaction. By allowing an acetalizing alcohol to exist in the FRL and/or HMF production reaction system, an acetal intermediate with high thermal stability can be formed in the same reaction system. This not only improves the reaction yield of intermediates, but also reduces the production of colored and polymerized by-products, which is an industrially advantageous method that suppresses the contamination of these products. It becomes a manufacturing process. In particular, the effects of the present invention become remarkable by employing a production process that involves an HMF acetal intermediate.
なお、2段法でアセタール中間体を製造する場合、一旦製造したFRL及び/又はHMFを単離及び/又は精製(以下「単離/精製」と記載する。)して別の反応容器でアセタール化を行ってもよく、FRL及び/又はHMFを単離/精製することなく同一の反応容器でアセタール化を行ってもよい。 In addition, when producing an acetal intermediate by a two-step method, once produced FRL and/or HMF is isolated and/or purified (hereinafter referred to as "isolation/purification"), and the acetal is produced in a separate reaction vessel. The acetalization may be carried out in the same reaction vessel without isolation/purification of FRL and/or HMF.
バイオマス原料及び/又は糖類原料からのFRL又はHMF、更にはそのアセタール体の製造は、触媒の存在下に、溶媒中で行うことが好ましい。触媒としては、バイオマス原料又は糖類原料からFRL又はHMF、更にはそのアセタール体を製造することができるものであればよく、特に制限はないが、通常、塩酸、硫酸、リン酸、硝酸、ホウ酸等の無機酸およびそれらのアルカリ金属又はアルカリ土類金属等の金属塩、p-トルエンスルホン酸等のスルホン酸およびそれらのアルカリ金属又はアルカリ土類金属等の金属塩、アンバーリスト、アンバーライト、ダイヤイオン等の酸性陽イオン交換樹脂、ゼオライト、Al2O3、TiO2、ZrO2、SiO2-Al2O3、SiO2-MgO、SiO2-TiO2、Nb2O5、YNbO4、SnO2、In2O3、Ga2O3、WO3、MoO3、Ta2O5、CeO2、Nb2O5-WO3、Nb2O5-MoO3、TiO2-WO3、TiO2-MoO3、SiO2-Nb2O5、SiO2-Ta2O5、SiO2-ZrO2等の金属酸化物や金属複合酸化物、粘土、硫酸化ZrO2等の硫酸固定化触媒、リン酸で処理したチタニアやニオビア等のリン酸固定化触媒、ヘテロポリ酸等が挙げられる。 The production of FRL or HMF from biomass raw materials and/or saccharide raw materials, as well as its acetal form, is preferably carried out in a solvent in the presence of a catalyst. The catalyst may be any catalyst as long as it can produce FRL or HMF, or even its acetal form, from biomass raw materials or saccharide raw materials, and is not particularly limited, but typically includes hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, and boric acid. inorganic acids and their metal salts such as alkali metals or alkaline earth metals, sulfonic acids such as p-toluenesulfonic acid and their metal salts such as alkali metals or alkaline earth metals, amberlyst, amberlite, diamond Acidic cation exchange resin such as ion, zeolite, Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , SiO 2 -Al 2 O 3 , SiO 2 -MgO, SiO 2 -TiO 2 , Nb 2 O 5 , YNbO 4 , SnO 2 , In 2 O 3 , Ga 2 O 3 , WO 3 , MoO 3 , Ta 2 O 5 , CeO 2 , Nb 2 O 5 -WO 3 , Nb 2 O 5 -MoO 3 , TiO 2 -WO 3 , TiO 2 - Metal oxides and metal composite oxides such as MoO 3 , SiO 2 -Nb 2 O 5 , SiO 2 -Ta 2 O 5 , SiO 2 -ZrO 2 , clay, sulfuric acid immobilized catalysts such as sulfated ZrO 2 , phosphorus Examples include phosphoric acid fixed catalysts such as acid-treated titania and niobia, and heteropolyacids.
また、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、カプロン酸等の脂肪族モノカルボン酸、シュウ酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、アコニット酸、イタコン酸、オキサロ酢酸、フマル酸、マレイン酸、シクロペンタンジカルボン酸、シクロヘキサンジカルボン酸等の脂肪族ジカルボン酸、シクロヘキサントリカルボン酸等の脂肪族トリカルボン酸、安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、トリメシン酸、トリメリット酸、ヘミメリット酸、メロファン酸、プレニト酸、ピロメリト酸、ベンゼンペンタカルボン酸、メリト酸等の芳香族カルボン酸、乳酸、リンゴ酸、クエン酸、酒石酸等のヒドロキシカルボン酸等の有機酸およびこれらの有機酸の少なくとも一部を中和したアルカリ金属やアルカリ土類金属等の塩も触媒として用いることができる。 Also, aliphatic monocarboxylic acids such as formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, and caproic acid, oxalic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, suberic acid, azelaic acid, sebacic acid, aconitic acid, and itaconic acid. , aliphatic dicarboxylic acids such as oxaloacetic acid, fumaric acid, maleic acid, cyclopentanedicarboxylic acid, cyclohexanedicarboxylic acid, aliphatic tricarboxylic acids such as cyclohexanetricarboxylic acid, benzoic acid, phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, trimesic acid, Aromatic carboxylic acids such as trimellitic acid, hemimellitic acid, merophanic acid, prenitic acid, pyromellitic acid, benzenepentacarboxylic acid, mellitic acid, organic acids such as hydroxycarboxylic acids such as lactic acid, malic acid, citric acid, tartaric acid, etc. Salts of alkali metals, alkaline earth metals, etc. that are obtained by neutralizing at least a portion of these organic acids can also be used as catalysts.
本発明においては、上記触媒の中では、反応溶媒に不溶の固体触媒を用いて不均一系で反応を行うことが、連続流通反応が容易であり且つ反応選択性が高い点で好ましい。具体的には、上記触媒の中では、アンバーリスト、アンバーライト、ダイヤイオン等の酸性陽イオン交換樹脂、ゼオライト、Nb2O5、YNbO4、Ta2O5、Nb2O5-WO3、Nb2O5-MoO3、TiO2-WO3、TiO2-MoO3、SiO2-Nb2O5、SiO2-Ta2O5等の金属酸化物や金属複合酸化物、粘土、硫酸化ZrO2等の硫酸固定化触媒、リン酸で処理したチタニアやニオビア等のリン酸固定化触媒等が好ましい。中でも、HMFのアセタール化反応のみを選択的に進行させるという点で、ゼオライト、Nb2O5、Nb2O5-WO3、Nb2O5-MoO3がより好ましく、特にゼオライト、Nb2O5が好ましい。 In the present invention, among the above-mentioned catalysts, it is preferable to carry out the reaction in a heterogeneous system using a solid catalyst insoluble in the reaction solvent, since the continuous flow reaction is easy and the reaction selectivity is high. Specifically, among the above catalysts, acidic cation exchange resins such as Amberlyst, Amberlite, and Diaion, zeolite, Nb 2 O 5 , YNbO 4 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 -WO 3 , Metal oxides and metal composite oxides such as Nb 2 O 5 -MoO 3 , TiO 2 -WO 3 , TiO 2 -MoO 3 , SiO 2 -Nb 2 O 5 , SiO 2 -Ta 2 O 5 , clay, sulfated Sulfuric acid immobilized catalysts such as ZrO 2 and phosphoric acid immobilized catalysts such as titania and niobia treated with phosphoric acid are preferred. Among them, zeolite, Nb 2 O 5 , Nb 2 O 5 -WO 3 , and Nb 2 O 5 -MoO 3 are more preferable in that they selectively allow only the acetalization reaction of HMF to proceed, and in particular zeolite, Nb 2 O 5 is preferred.
これらの触媒は、単独で用いても、2種類以上組み合わせて用いてもよい。触媒を2種類以上用いるときは、その組み合わせは特に限定されず、それぞれの金属が触媒活性を有するもの(共触媒)でも、1種類以上の金属の触媒活性を向上させるもの(助触媒)であってもよい。 These catalysts may be used alone or in combination of two or more. When using two or more types of catalysts, the combination is not particularly limited, and it may be one in which each metal has catalytic activity (cocatalyst) or one that improves the catalytic activity of one or more metals (cocatalyst). You can.
これらの触媒は、触媒が溶媒に可溶な場合は、バイオマス原料又は糖類原料に対して、通常、その下限は、0.001質量%以上、好ましくは0.005質量%以上、より好ましくは0.01質量%以上、更に好ましくは0.05質量%以上であり、一方その上限は、50質量%以下、好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下、更に好ましくは10質量%以下である。一方、反応溶媒に不溶の固体触媒を用いて、例えば、固定床反応器や懸濁床反応器で連続式反応を行う場合はこの限りではない。 When these catalysts are soluble in a solvent, the lower limit is usually 0.001% by mass or more, preferably 0.005% by mass or more, and more preferably 0. .01% by mass or more, more preferably 0.05% by mass or more, while the upper limit is 50% by mass or less, preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, even more preferably 10% by mass or less. It is. On the other hand, this does not apply when a continuous reaction is carried out using a solid catalyst insoluble in the reaction solvent, for example, in a fixed bed reactor or a suspended bed reactor.
溶媒としては、通常、水や有機溶媒が使用されるが、水と有機溶媒との混合溶媒を用いることが好ましい場合がある。コスト優位性の観点からは、反応溶媒として単一の溶媒を用いることが好ましく、アセタール中間体の収率向上の観点からは、反応溶媒として水と有機溶媒との混合溶媒を用いることが好ましい場合がある。有機溶媒の選択によっては、均一混合溶媒で反応を行うことができるが、生成するFRLやHMF又はそれらのアセタール体の重合や分解反応を抑制し、アセタール体の収率が向上するため、水層と有機層の2層系となる有機溶媒を用いることが好ましい場合がある。即ち、この手法を用いることにより、生成したFRLやHMF又はそのアセタール体を有機溶媒中に抽出する連続抽出反応を行うことができ、反応後、反応液を2層分離することで、生成物を有機溶媒層から効率的に分離することができる。 As the solvent, water or an organic solvent is usually used, but it may be preferable to use a mixed solvent of water and an organic solvent. From the perspective of cost advantage, it is preferable to use a single solvent as the reaction solvent, and from the perspective of improving the yield of the acetal intermediate, it is preferable to use a mixed solvent of water and an organic solvent as the reaction solvent. There is. Depending on the selection of organic solvent, the reaction can be carried out in a homogeneous mixed solvent, but since it suppresses the polymerization and decomposition reactions of the generated FRL and HMF or their acetal forms, and improves the yield of acetal forms, the aqueous layer In some cases, it is preferable to use an organic solvent that forms a two-layer system consisting of an organic layer and an organic layer. That is, by using this method, it is possible to perform a continuous extraction reaction in which the generated FRL, HMF, or their acetal form is extracted into an organic solvent, and after the reaction, the reaction solution is separated into two layers to separate the products. It can be efficiently separated from the organic solvent layer.
用いる有機溶媒としては、生成するFRL、HMF、並びにそれらのアセタール化反応を阻害するものでなければ、特に限定されるものではないが、例えば、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、テトラヒドロピラン、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、メチル-tert-ブチルエーテル、ブチルエーテル、ペンチルエーテル、ヘキシルエーテル、オクチルエーテル、ノニルエーテル、デシルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル等の炭素数4~20のエーテル類;2-ブタノン、2-ペンタノン、3-ペンタノン、2-ヘキサノン、3-ヘキサノン、シクロヘキサノン、4-メチル-2-ペンタノン、2-ヘプタノン、5-メチル-2-ヘキサノン、2,4-ジメチルペンタノン、5-ノナノン、4-デカノン、5-デカノン、2-ウンデカノン、4-ウンデカノン、3-ドデカノン、2-トリデカノン、2-テトラデカノン、4-テトラデカノン、2-ペンタデカノン、3-ペンタデカノン、7-ペンタデカノン、2-ヘキサデカノン、3-ヘキサデカノン、4-ヘキサデカノン、6-ヘキサデカノン、2-ヘプタデカノン、4-ヘプタデカノン、9-ヘプタデカノン、3-オクタデカノン、アセトフェノン等の炭素数4~20のケトン類;酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル等のエステル類;ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ドデカン、イソドデカンなどの炭素数3~12の飽和脂肪族炭化水素化合物類;トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン、1-メチルナフタレンなどの芳香族炭化水素類;γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン等のラクトン類;ジクロロメタン、クロロホルム、ジクロロエタン、テトラクロロエタン、ヘキサクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類;その他、ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N-メチルモルホリン、N-メチル-2-ピロリジノン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、ヘキサメチルリン酸トリアミド、テトラメチルウレア、ジメチルスルホキシド、スルホラン、イソソルビド、イソソルビドジメチルエーテル、プロピレンカーボネート、ならびにこれらの混合物等が挙げられる。その他、例えば、1-ブチル-1-メチルピロリジニウムブロミド等のピロリジニウム塩;1-ブチル-1-メチルピペリジニウムトリフラート等のピペリジニウム塩;1-ブチルピリジニウムテトラフルオロボレート等のピリジニウム塩;1-エチル-3-メチルイミダゾリウムクロリド等のイミダゾリウム塩;テトラブチルアンモニウムクロリド等のアンモニウム塩;テトラブチルホスホニウムブロミド等のホスホニウム塩;トリエチルスルホニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等のスルホニウム塩、等のイオン性液体を用いても良い。 The organic solvent to be used is not particularly limited as long as it does not inhibit the produced FRL, HMF, and their acetalization reaction, but examples include diethyl ether, tetrahydrofuran (THF), tetrahydropyran, and dipropyl. Ether, diisopropyl ether, methyl-tert-butyl ether, butyl ether, pentyl ether, hexyl ether, octyl ether, nonyl ether, decyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, etc. with 4 carbon atoms ~20 ethers; 2-butanone, 2-pentanone, 3-pentanone, 2-hexanone, 3-hexanone, cyclohexanone, 4-methyl-2-pentanone, 2-heptanone, 5-methyl-2-hexanone, 2, 4-dimethylpentanone, 5-nonanone, 4-decanone, 5-decanone, 2-undecanone, 4-undecanone, 3-dodecanone, 2-tridecanone, 2-tetradecanone, 4-tetradecanone, 2-pentadecanone, 3-pentadecanone, Ketones having 4 to 20 carbon atoms such as 7-pentadecanone, 2-hexadecanone, 3-hexadecanone, 4-hexadecanone, 6-hexadecanone, 2-heptadecanone, 4-heptadecanone, 9-heptadecanone, 3-octadecanone, acetophenone; ethyl acetate , esters such as propyl acetate, butyl acetate; saturated aliphatic hydrocarbon compounds having 3 to 12 carbon atoms such as pentane, hexane, cyclohexane, heptane, octane, nonane, decane, dodecane, isododecane; toluene, xylene, trimethylbenzene , 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene, 1-methylnaphthalene; lactones such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone; dichloromethane, chloroform, dichloroethane, tetrachloroethane, hexachloroethane, etc. Halogenated hydrocarbons; Others: dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, N-methylmorpholine, N-methyl-2-pyrrolidinone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, hexamethylphosphoric triamide, tetra Examples include methylurea, dimethyl sulfoxide, sulfolane, isosorbide, isosorbide dimethyl ether, propylene carbonate, and mixtures thereof. Other examples include pyrrolidinium salts such as 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bromide; piperidinium salts such as 1-butyl-1-methylpiperidinium triflate; pyridinium salts such as 1-butylpyridinium tetrafluoroborate; 1- Ionicity such as imidazolium salts such as ethyl-3-methylimidazolium chloride; ammonium salts such as tetrabutylammonium chloride; phosphonium salts such as tetrabutylphosphonium bromide; sulfonium salts such as triethylsulfonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide; A liquid may also be used.
これらの中では、前記有機溶媒が、エーテル、ケトン、エステル、アルコール、フェノール、ラクトン、芳香族炭化水素、ハロゲン化炭化水素および飽和脂肪族炭化水素よりなる群の少なくとも1つから選ばれることが好ましい。これらの中では、環境負荷が少ないという理由からは、エーテル、ケトン、エステル、ラクトン、芳香族炭化水素、および飽和脂肪族炭化水素よりなる群の少なくとも1つから選ばれることが好ましい。 Among these, the organic solvent is preferably selected from at least one of the group consisting of ethers, ketones, esters, alcohols, phenols, lactones, aromatic hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, and saturated aliphatic hydrocarbons. . Among these, it is preferable to select at least one from the group consisting of ethers, ketones, esters, lactones, aromatic hydrocarbons, and saturated aliphatic hydrocarbons because of their low environmental impact.
また、2層系で反応を行う場合は、アセタール体の抽出効率が高く、また、有機溶媒の水への溶解量が少ない点で、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、アセトフェノン、シクロヘキサノン、トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン、1-メチルナフタレン、シクロヘキサン、イソドデカンが好ましく、これらの中では特に、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ブチルフェノール、シクロヘキサノン、トルエンが好ましい。これらの有機溶媒は溶媒の回収・再利用を考慮すると1種のみを用いるのが好ましいが、2種以上を用いてもよい。 In addition, when carrying out the reaction in a two-layer system, the extraction efficiency of the acetal is high, and the amount of organic solvents dissolved in water is small. Benzene, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene, 1-methylnaphthalene, cyclohexane, and isododecane are preferred, and among these, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, butylphenol, cyclohexanone, and toluene are particularly preferred. It is preferable to use only one type of these organic solvents in consideration of recovery and reuse of the solvent, but two or more types may be used.
尚、本発明においては、アセタール化剤としてアルコールを反応試剤として使用するが、アルコール自体を反応溶媒として使用することができ、その後の反応溶媒の回収、精製工程での煩雑さが回避できる理由から、アルコールを反応溶媒兼アセタール化剤として使用する手法は、好ましい態様の一つである。そのようなアルコールとしては、具体的には、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、2-メチル-1-プロパノール、2-メチル-2-プロパノール、1-ペンタノール、2-ペンタノール、3-ペンタノール、3-メチル-1-ブタノール、2,2-ジメチル-1-プロパノール、1-ヘキサノール、2-ヘキサノール、3-ヘキサノール、2-メチル-1-ペンタノール、1-ヘプタノール、2-ヘプタノール、1-オクタノール、2-オクタノール、3-オクタノール、2-エチル-1-ヘキサノール、1-ノナノール、1-デカノール、1-ウンデシルアルコール、1-ラウリルアルコール、1-トリデシルアルコール、1-テトラデカノール、1-ペンタデシルアルコール、1-ヘキサデカノール、シス-9-ヘキサデセン-1-オール、1-ヘプタデカノール、1-オクタデカノール、16-メチルヘプタデセン-1-オール、ノナデシルアルコール、アラキジルアルコール等の炭素数1~20のモノアルコール類;エチレングリコール、プロパンジオール、2-メチル-1,3-プロパンジオール、ネオペンチルグリコール、1,3-ブタンジオール、1,3-ペンタンジオール、1-フェニル-1,3-プロパンジオール、2-フェニル-1,3-プロパンジオール、1,2-プロパンジオール、1,2-ブタンジオール、1,2-ペンタンジオール、1-フェニル-エチレングリコール等の炭素数1~6のアルキル基や、アルキル置換基を有しても良い炭素数6~12のアリール基を置換基として有するジオール類;フェノール、メチルフェノール、エチルフェノール、プロピルフェノール、ブチルフェノール等の炭素数6~12のフェノール類が挙げられる。 In the present invention, alcohol is used as a reaction reagent as an acetalizing agent, but the reason is that alcohol itself can be used as a reaction solvent, and the subsequent recovery of the reaction solvent and complications in the purification process can be avoided. One of the preferred embodiments is a method in which alcohol is used as both a reaction solvent and an acetalizing agent. Specifically, such alcohols include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-methyl-1-propanol, 2-methyl-2-propanol, and 1-propanol. Pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 3-methyl-1-butanol, 2,2-dimethyl-1-propanol, 1-hexanol, 2-hexanol, 3-hexanol, 2-methyl-1-pene Tanol, 1-heptanol, 2-heptanol, 1-octanol, 2-octanol, 3-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, 1-nonanol, 1-decanol, 1-undecyl alcohol, 1-lauryl alcohol, 1 -Tridecyl alcohol, 1-tetradecanol, 1-pentadecyl alcohol, 1-hexadecanol, cis-9-hexadecen-1-ol, 1-heptadecanol, 1-octadecanol, 16-methylheptadecene Monoalcohols with 1 to 20 carbon atoms such as -1-ol, nonadecyl alcohol, arachidyl alcohol; ethylene glycol, propanediol, 2-methyl-1,3-propanediol, neopentyl glycol, 1,3-butane Diol, 1,3-pentanediol, 1-phenyl-1,3-propanediol, 2-phenyl-1,3-propanediol, 1,2-propanediol, 1,2-butanediol, 1,2-pentane Diols having as a substituent an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms such as diol, 1-phenyl-ethylene glycol, or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms which may have an alkyl substituent; phenol, methylphenol, Examples include phenols having 6 to 12 carbon atoms such as ethylphenol, propylphenol, and butylphenol.
本発明において、水と有機溶媒の混合溶媒を用いる際の有機溶媒の使用量は、本発明の趣旨を損ねない限り、特に限定されないが、水に対して10~5000質量%であることが好ましく、特に10~1000質量%であることが好ましい。上記範囲よりも有機溶媒の使用量が少な過ぎると、生成するFRLやHMF又はそれらのアセタール体の重合や分解反応が起こりやすく、それに伴いアセタール中間体の収率が低下する傾向があり、一方、多過ぎると、生成するアセタール中間体を回収する際に多量の有機溶媒を除去する必要が生じ、回収効率が低下し、プロセスが煩雑化するばかりでなく、反応設備が大きくなり経済的に不利になる傾向が有る。 In the present invention, when using a mixed solvent of water and an organic solvent, the amount of the organic solvent used is not particularly limited as long as it does not impair the spirit of the present invention, but it is preferably 10 to 5000% by mass based on water. , particularly preferably 10 to 1000% by mass. If the amount of the organic solvent used is too small than the above range, polymerization or decomposition reactions of FRL, HMF, or their acetals to be produced tend to occur, and the yield of the acetal intermediate tends to decrease accordingly. If the amount is too large, it will be necessary to remove a large amount of organic solvent when recovering the acetal intermediate produced, which will not only reduce recovery efficiency and complicate the process, but also increase the size of the reaction equipment, which is economically disadvantageous. There is a tendency to
従って、糖類原料として、糖液を用いる場合は、糖液中の水に対して、上記範囲となるように有機溶媒或いは水と有機溶媒を添加することが好ましい。 Therefore, when using a sugar solution as a saccharide raw material, it is preferable to add an organic solvent or water and an organic solvent to the water in the sugar solution so that the amount falls within the above range.
HMFのアセタール化のために添加するアルコール(以下「アセタール化用アルコール」と称す場合がある。)は、具体的には、使用される反応溶媒として例示したモノアルコール類、ジオール類、フェノール類が例示される。その中では、生成するHMFのアセタールが環状アセタール構造を有し、アセタールの熱安定性が高く、重合や開環反応といった副反応が抑制され、また、着色が起こりにくい理由から、ジオール類が好ましい。このような熱安定性が高いHMFの環状アセタール中間体を製造する際には、添加するジオール(以下「環状アセタール化用ジオール」と称する場合がある。)は、生成させる環状アセタール中間体の種類に応じて適宜決定され、PD-HMFの製造には6員環環状アセタールを形成可能なジオールが、EG-HMFの製造には5員環骨格のアセタールを形成可能なジオールが使用される。その中でも、アセタール中間体は6員環環状アセタールであることが好ましいために、使用するジオールも6員環環状アセタールが形成可能なジオールが好ましい。具体的には、PD-HMFの製造には1,3-プロパンジオールが、EG-HMFの製造にはエチレングリコールが代表的な例として例示されるが、何らこれらに限定されるものではなく、炭素数1~6のアルキル基やアルキル置換基を有しても良い炭素数6~12のアリール基を置換基として有する2-メチル-1,3-プロパンジオール、ネオペンチルグリコール、1,3-ブタンジオール、1,3-ペンタンジオール、1-フェニル-1,3-プロパンジオール、2-フェニル-1,3-プロパンジオール、1,2-プロパンジオール、1,2-ブタンジオール、1,2-ペンタンジオール、1-フェニル-エチレングリコールであっても良い。また、カテコールも好適に用いられる。これらの環状アセタール化用ジオールは2種以上を用いることも可能であるが、通常1種類が用いられる。尚、本発明においては、環状アセタール化剤として上記のジオールを反応試剤として使用するが、該ジオールを上記の有機溶媒として使用することもでき、その後の反応溶媒の回収、精製工程での煩雑さが回避できる理由から、ジオールを溶媒兼アセタール化剤として使用する手法は、好ましい態様の一つである。 Specifically, the alcohol added to acetalize HMF (hereinafter sometimes referred to as "alcohol for acetalization") includes monoalcohols, diols, and phenols listed as reaction solvents. Illustrated. Among them, diols are preferred because the acetal of HMF produced has a cyclic acetal structure, the acetal has high thermal stability, side reactions such as polymerization and ring-opening reactions are suppressed, and coloring is less likely to occur. . When producing such a cyclic acetal intermediate of HMF with high thermal stability, the diol to be added (hereinafter sometimes referred to as "diol for cyclic acetalization") is selected depending on the type of cyclic acetal intermediate to be produced. A diol capable of forming a 6-membered cyclic acetal is used in the production of PD-HMF, and a diol capable of forming an acetal with a 5-membered ring skeleton is used in the production of EG-HMF. Among these, since the acetal intermediate is preferably a 6-membered cyclic acetal, the diol used is also preferably a diol that can form a 6-membered cyclic acetal. Specifically, typical examples include 1,3-propanediol for the production of PD-HMF, and ethylene glycol for the production of EG-HMF, but are not limited to these in any way. 2-methyl-1,3-propanediol, neopentyl glycol, 1,3-propanediol having as a substituent an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms which may have an alkyl substituent Butanediol, 1,3-pentanediol, 1-phenyl-1,3-propanediol, 2-phenyl-1,3-propanediol, 1,2-propanediol, 1,2-butanediol, 1,2- It may also be pentanediol or 1-phenyl-ethylene glycol. Catechol is also preferably used. Although it is possible to use two or more types of these diols for cyclic acetalization, one type is usually used. In the present invention, the above-mentioned diol is used as a cyclic acetalizing agent as a reaction reagent, but the diol can also be used as the above-mentioned organic solvent, which reduces the complexity of subsequent reaction solvent recovery and purification steps. The method of using a diol as both a solvent and an acetalizing agent is one of the preferred embodiments because it can avoid this.
反応溶媒に対するバイオマス原料及び/又は糖類原料の使用量は、特に反応を不均一系で実施する際は特に制限はない。 There is no particular restriction on the amount of biomass raw material and/or saccharide raw material used relative to the reaction solvent, especially when the reaction is carried out in a heterogeneous system.
反応溶媒に原料を溶かして均一系で行う場合、反応溶媒に対する原料の濃度として、通常、その下限は、0.1質量%以上であり、好ましくは1質量%以上、より好まくは5質量%以上、更に好ましくは10質量%以上、特に好ましくは15質量%以上である。一方、その上限は、50質量%以下であり、好ましくは30質量%以下、より好まくは25質量%以下である。原料濃度が上記下限値以上であると、アセタール中間体と溶媒との分離効率が高くなる傾向があり、原料濃度が上記上限値以下であると副反応を抑制できアセタール体の収率が高くなる傾向があり、好ましい。なお、反応を均一系で行う際の反応液中の原料の濃度とは、2段法の場合は、反応に用いられる溶媒(糖液を用いる場合、糖液中の水を含む)と触媒と原料との合計に対する原料の割合であり、1段法の場合は、更に上記のアセタール化用ジオールを加えた合計に対する原料の割合である。 When the raw material is dissolved in the reaction solvent in a homogeneous system, the lower limit of the concentration of the raw material to the reaction solvent is usually 0.1% by mass or more, preferably 1% by mass or more, and more preferably 5% by mass. The content is more preferably 10% by mass or more, particularly preferably 15% by mass or more. On the other hand, the upper limit is 50% by mass or less, preferably 30% by mass or less, and more preferably 25% by mass or less. When the raw material concentration is above the above lower limit value, the separation efficiency between the acetal intermediate and the solvent tends to be high, and when the raw material concentration is below the above upper limit value, side reactions can be suppressed and the yield of the acetal body becomes high. There is a trend and it is desirable. In addition, when the reaction is carried out in a homogeneous system, the concentration of the raw materials in the reaction solution is the concentration of the solvent used in the reaction (including water in the sugar solution when using a sugar solution) and the catalyst in the case of a two-step method. It is the ratio of the raw material to the total of the raw materials, and in the case of a one-stage method, it is the ratio of the raw material to the total of the above-mentioned diol for acetalization.
2段法の場合、HMFを得る脱水反応の反応温度は、100℃以上であることが好ましく、より好ましくは120℃以上であって、250℃以下であることが好ましく、より好ましくは230℃以下である。反応温度が上記下限値以上であると、反応の進行が速くなる傾向があり、生成物の生産性が向上する。反応温度が上記上限値以下であると、生成物及び反応中間体の分解や重合を抑制し、生成物の収率を向上させる傾向があるため好ましい。また、2段法の場合、脱水反応でFRLやHMFを生成させた後、生成FRLやHMFを単離/精製して、或いは単離/精製せずに上記のアセタール化用アルコールを添加して更に脱水・アセタール化を行って、FRL又はHMFのアセタール体を得てもよい。アセタール化に用いる前述のアセタール化用アルコールは、想定されるFRL又はHMFの生成当量以上であればよく、通常想定されるFRL又はHMFの生成量に対して1~10当量倍添加して(但し、アセタール化用アルコールを反応溶媒として使用する際には、反応溶媒量のアルコールを添加して)、反応温度は10~150℃で行うことが好ましい。 In the case of a two-stage method, the reaction temperature of the dehydration reaction to obtain HMF is preferably 100°C or higher, more preferably 120°C or higher, and preferably 250°C or lower, and more preferably 230°C or lower. It is. When the reaction temperature is equal to or higher than the above lower limit, the reaction tends to proceed faster and the productivity of the product improves. It is preferable that the reaction temperature is below the above upper limit because it tends to suppress decomposition and polymerization of the product and reaction intermediates and improve the yield of the product. In the case of a two-stage method, after FRL and HMF are produced by a dehydration reaction, the produced FRL and HMF are isolated/purified, or the above-mentioned alcohol for acetalization is added without isolation/purification. Further dehydration and acetalization may be performed to obtain an acetal form of FRL or HMF. The above-mentioned alcohol for acetalization used in acetalization may be at least the expected production equivalent of FRL or HMF, and is usually added in an amount of 1 to 10 times the expected production amount of FRL or HMF (however, When an alcohol for acetalization is used as a reaction solvent, it is preferable to add the alcohol in the amount of the reaction solvent) and to carry out the reaction at a temperature of 10 to 150°C.
また、1段法の場合、反応液中の単糖類濃度及び反応溶媒中の有機溶媒量が前述の範囲となるように、単糖類又は糖液に溶媒を加え、更に前述のアセタール化用アルコールを想定されるFRL又はHMFの生成量に対して1~10当量倍添加して(但し、アセタール化用アルコールを反応溶媒として使用する際には、反応溶媒量のアルコールを添加して)、反応温度の下限としては、通常100℃以上、好ましくは120℃以上であって、一方、その上限は、通常250℃以下、好ましくは230℃以下で、脱水及びアセタール化反応を行うことが好ましい。 In addition, in the case of a one-stage method, a solvent is added to the monosaccharide or sugar solution so that the monosaccharide concentration in the reaction solution and the amount of organic solvent in the reaction solvent are within the above-mentioned ranges, and the above-mentioned alcohol for acetalization is added. Add 1 to 10 equivalents to the expected production amount of FRL or HMF (however, when using an alcohol for acetalization as a reaction solvent, add the same amount of alcohol as the reaction solvent), and adjust the reaction temperature. The lower limit of is usually 100°C or higher, preferably 120°C or higher, while the upper limit is usually 250°C or lower, preferably 230°C or lower to carry out the dehydration and acetalization reactions.
このようにして2段法又は1段法でアセタール中間体を生成させた反応液は、そのまま、以下の水素化に供してもよく、生成したアセタール中間体を単離/精製した後、水素化に供してもよい。 The reaction solution in which the acetal intermediate has been produced in this way by the two-step method or the one-step method may be directly subjected to the following hydrogenation, or the produced acetal intermediate may be isolated/purified and then hydrogenated. You may also serve it.
[水素化]
アセタール中間体の水素化は、触媒の存在下に行うことが好ましく、本発明において使用される水素化触媒は、特に制限はされないが、接触水素化能を有する金属元素(以下、「特定金属成分」と称する場合がある。)を有効成分として含む触媒が挙げられる。
[Hydrogenation]
Hydrogenation of the acetal intermediate is preferably carried out in the presence of a catalyst, and the hydrogenation catalyst used in the present invention is not particularly limited, but may include a metal element having catalytic hydrogenation ability (hereinafter referred to as "specific metal component"). (sometimes referred to as ".") as an active ingredient.
特定金属成分としては、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、口ジウム、オスミウム、パラジウム、白金、金、イリジウム、銅、亜鉛、銀、モリブデン、タングステン、クロム、マンガン、レニウム、及びこれらの混合物が挙げられる。その中でも、水素化触媒能が高く、反応選択性が良好である理由から、ニッケル、鉄、ルテニウム、口ジウム、パラジウム、白金、金、イリジウム、銅、亜鉛、モリブデン、クロム、マンガン、レニウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む固体触媒であると好ましく、特に好ましくはニッケル、ルテニウム、口ジウム、パラジウム、白金、金、イリジウム、銅、亜鉛、モリブデン、レニウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む固体触媒である。 Specific metal components include, for example, nickel, cobalt, iron, ruthenium, metal, osmium, palladium, platinum, gold, iridium, copper, zinc, silver, molybdenum, tungsten, chromium, manganese, rhenium, and mixtures thereof. Can be mentioned. Among them, nickel, iron, ruthenium, metal, palladium, platinum, gold, iridium, copper, zinc, molybdenum, chromium, manganese, and rhenium are used because of their high hydrogenation catalytic ability and good reaction selectivity. The solid catalyst is preferably a solid catalyst containing at least one member selected from the group consisting of nickel, ruthenium, metal, palladium, platinum, gold, iridium, copper, zinc, molybdenum, and rhenium. It is a solid catalyst containing.
この特定金属成分は、水素化能を示すのであれば、金属状態であっても、陽イオンの状態であってもよい。これらの中では、金属状態の方が水素化能が強く、還元雰囲気下で安定であるため、金属状態であることが好ましい場合がある。特定金属成分は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて、固体触媒に含有された状態で用いることができる。また、特定金属成分を2種以上用いる場合、それらの組み合わせ、混合比率及び形態について特に制限はなく、個々の金属の混合物、あるいは、合金又は金属間化合物のような形態で用いることができる。 This specific metal component may be in a metallic state or in a cationic state as long as it exhibits hydrogenation ability. Among these, the metal state is preferable in some cases because it has a stronger hydrogenation ability and is stable in a reducing atmosphere. The specific metal components can be used alone or in combination of two or more in a state contained in the solid catalyst. Furthermore, when two or more specific metal components are used, there are no particular restrictions on their combination, mixing ratio, or form, and they can be used in the form of a mixture of individual metals, an alloy, or an intermetallic compound.
これらの特定金属成分の原料に特に制限はなく、従来公知の方法により触媒を調製する際に原料として用いられるものを採用できる。そのような原料としては、例えば、それぞれの金属元素の水酸化物、酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩、アンモニウム塩、アンミン錯体及びカルボニル錯体が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 There are no particular limitations on the raw materials for these specific metal components, and those used as raw materials when preparing catalysts by conventionally known methods can be employed. Such raw materials include, for example, hydroxides, oxides, fluorides, chlorides, bromides, iodides, sulfates, nitrates, acetates, ammonium salts, ammine complexes, and carbonyl complexes of the respective metal elements. It will be done. These may be used alone or in combination of two or more.
本発明で使用される水素化触媒は、金属成分として特定金属成分を単独で又は接触水素化能を有しない金属と組み合わせて用いることもできる。その例としては、特定金属成分の金属微粉末で構成されるパラジウムブラック及び白金ブラックのような触媒、並びに、特定金属成分とアルミニウムと少量の添加物とから合金を形成し、その後にアルミニウムの全部又は一部をリーチングさせることにより調製されるスポンジ触媒が挙げられる。 In the hydrogenation catalyst used in the present invention, a specific metal component can be used alone or in combination with a metal that does not have catalytic hydrogenation ability. Examples include catalysts such as palladium black and platinum black that are composed of fine metal powders of specific metal components, and forming alloys from specific metal components, aluminum, and small amounts of additives, and then forming alloys with aluminum and small amounts of additives. Alternatively, a sponge catalyst prepared by partially leaching can be mentioned.
また、触媒の活性、選択性及び物性等を一層向上させるために、アルカリ金属元素としてリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム及びセシウム、アルカリ土類金属元素としてマグネシウム、カルシウム、ストロンチウム及びバリウム、ハロゲン元素としてフッ素、塩素、臭素及びヨウ素、補助添加元素としてアルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、ケイ素、鉛、ビスマス、錫、テルル及びアンチモンからなる群より選ばれる1種又は2種以上の元素の化合物(以下、特定添加成分と称する場合がある。)を、前述の特定金属成分と共に触媒に添加して用いることもできる。これらの特定添加成分の原料に特に制限はなく、従来公知の方法により触媒を調製する際に原料として用いられたものを採用できる。そのような原料としては、例えば、それぞれの金属元素の水酸化物、酸化物、フッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩、アンモニウム塩及びアンミン錯体が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。また、特定添加成分の添加方法、及び特定添加成分と特定金属成分との比率についても特に制限はない。 In addition, in order to further improve the activity, selectivity, and physical properties of the catalyst, we have added lithium, sodium, potassium, rubidium, and cesium as alkali metal elements, magnesium, calcium, strontium, and barium as alkaline earth metal elements, and fluorine as a halogen element. , chlorine, bromine, and iodine, and a compound of one or more elements selected from the group consisting of aluminum, gallium, germanium, silicon, lead, bismuth, tin, tellurium, and antimony as auxiliary additive elements (hereinafter referred to as specific additive components). ) can also be added to the catalyst together with the above-mentioned specific metal components. There are no particular restrictions on the raw materials for these specific additive components, and those used as raw materials for preparing catalysts by conventionally known methods can be employed. Such raw materials include, for example, hydroxides, oxides, fluorides, chlorides, bromides, iodides, sulfates, nitrates, acetates, ammonium salts, and ammine complexes of the respective metal elements. These may be used alone or in combination of two or more. Further, there are no particular limitations on the method of adding the specific additive component and the ratio of the specific additive component and the specific metal component.
本発明で使用される水素化触媒において、特定金属成分に非金属物質を組み合わせて用いることもできる。非金属物質としては、例えば、主に、元素単体、炭化物、窒化物、酸化物、水酸化物、硫酸塩、炭酸塩及びリン酸塩が挙げられる(以下、「特定非金属成分」と称する場合がある。)。その具体例としては、例えば、グラファイ卜、ダイアモンド、活性炭、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化ホウ素、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化ケイ素(シリ力)、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ニオブ、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸カルシウム、アルミン酸マグネシウム、アルミン酸カルシウム、酸化亜鉛、酸化クロム、アルミノシリケ一ト、アルミノシリコホスフエート、アルミノホスフエ一ト、ポロホスフエ一ト、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸ストロンチウム、水酸化アパタイト(ヒドロキシリン酸カルシウム)、塩化アパタイト、フッ化アパタイト、硫酸カルシウム、硫酸バリウム及び炭酸バリウムが挙げられる。特定非金属成分は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。2種以上を組み合わせて用いる場合の組み合わせや混合比率、形態については特に制限はなく、個々の化合物の混合物、複合化合物、又は複塩のような形態で用いることができる。工業的に用いる観点から、簡便で廉価に得られる特定非金属成分が好ましい。 In the hydrogenation catalyst used in the present invention, a specific metal component can also be used in combination with a non-metallic substance. Examples of nonmetallic substances include mainly simple elements, carbides, nitrides, oxides, hydroxides, sulfates, carbonates, and phosphates (hereinafter referred to as "specific nonmetallic components"). ). Specific examples thereof include graphite, diamond, activated carbon, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, boron oxide, aluminum oxide (alumina), silicon oxide (silica), titanium oxide, zirconium oxide, and Hafnium, lanthanum oxide, cerium oxide, yttrium oxide, niobium oxide, magnesium silicate, calcium silicate, magnesium aluminate, calcium aluminate, zinc oxide, chromium oxide, aluminosilicate, aluminosilicophosphate, aluminophosphate, porophosphate Magnesium phosphate, calcium phosphate, strontium phosphate, hydroxyapatite (calcium hydroxyphosphate), chlorinated apatite, fluorinated apatite, calcium sulfate, barium sulfate, and barium carbonate. The specific nonmetallic components may be used alone or in combination of two or more. There are no particular restrictions on the combination, mixing ratio, or form when two or more types are used in combination, and they can be used in the form of a mixture of individual compounds, a composite compound, or a double salt. From the viewpoint of industrial use, specific nonmetallic components that can be easily obtained at low cost are preferred.
水素化触媒としては、特定金属成分を単独で用いてもよく、特定金属成分と特定非金属成分とを組み合わせて用いてもよく、場合によっては、これらに加えて特定添加成分を含んでもよい。 As the hydrogenation catalyst, a specific metal component may be used alone, a specific metal component and a specific non-metal component may be used in combination, and in some cases, a specific additive component may be included in addition to these components.
水素化触媒の製造方法は特に制限はなく、従来公知の方法を用いることができる。その例として、特定金属成分の原料化合物を、特定非金属成分上に含浸する方法(担持法)、特定金属成分の原料化合物と特定非金属成分の原料化合物とを適当な溶媒に共に溶解させた後にアルカリ化合物などを用いて同時に析出させる方法(共沈法)、特定金属成分の原料化合物と特定非金属成分を適当な比率で混合均一化する方法(混練法)などが挙げられる。 The method for producing the hydrogenation catalyst is not particularly limited, and conventionally known methods can be used. Examples include a method in which a raw material compound for a specific metal component is impregnated onto a specific non-metal component (support method), a method in which a raw material compound for a specific metal component and a raw material compound for a specific non-metal component are dissolved together in an appropriate solvent. Examples include a method of simultaneously precipitating using an alkali compound or the like (co-precipitation method), and a method of mixing and homogenizing the raw material compound of the specific metal component and the specific non-metal component in an appropriate ratio (kneading method).
水素化触媒の組成又は触媒調製法の都合によっては、特定金属成分を陽イオンの状態で調製した後に還元処理して、金属状態とすることもできる。そのための還元方法及び還元剤としては、従来公知のものを用いることができ、特に制限はない。還元剤としては、例えば、水素ガス、一酸化炭素ガス、アンモニア、ヒドラジン、ホスフィン及びシランのような還元性無機ガス、メタノール、ホルムアルデヒド及びギ酸のような低級含酸素化合物、水素化ホウ素ナトリウム及び水素化リチウムアルミニウムのような水素化物が挙げられる。その中では還元処理後に分離精製の必要がない水素ガスが好ましい。これらの還元剤が存在する気相中又は液相中で、陽イオンの状態の特定金属成分を還元処理することにより、特定金属成分は低原子価金属の状態に変換される。この時の還元処理条件は、特定金属成分及び還元剤の種類や分量などにより、好適な条件に設定することができる。この還元処理の操作は、アセタール中間体の水素化の前に、別途、触媒還元装置を用いて行ってもよく、アセタール中間体の水素化反応器中で反応開始前又は反応操作と同時に行ってもよい。 Depending on the composition of the hydrogenation catalyst or the catalyst preparation method, the specific metal component may be prepared in a cationic state and then subjected to a reduction treatment to be converted into a metallic state. As the reducing method and reducing agent for this purpose, conventionally known ones can be used, and there are no particular limitations. Examples of reducing agents include hydrogen gas, carbon monoxide gas, ammonia, reducing inorganic gases such as hydrazine, phosphine and silane, lower oxygen-containing compounds such as methanol, formaldehyde and formic acid, sodium borohydride and hydride. Examples include hydrides such as lithium aluminum. Among them, hydrogen gas, which does not require separation and purification after reduction treatment, is preferred. By reducing the specific metal component in the cation state in the gas phase or liquid phase where these reducing agents are present, the specific metal component is converted to the low valence metal state. The conditions for the reduction treatment at this time can be set to suitable conditions depending on the type and amount of the specific metal component and reducing agent. This reduction treatment operation may be carried out using a separate catalytic reduction device before the hydrogenation of the acetal intermediate, or it may be carried out before the start of the reaction or simultaneously with the reaction operation in the acetal intermediate hydrogenation reactor. Good too.
また、水素化触媒の金属含有量及び形状にも特に制限はない。その形状は粉末状であっても成形したものであってもよく、成形した場合の形状及び成形法についても特に制限はない。例えば、球状品、打錠成形品及び押出成型品、並びにそれらを適当な大きさに破砕した形状を、適宜選択して用いることができる。 Furthermore, there are no particular limitations on the metal content and shape of the hydrogenation catalyst. Its shape may be powder or molded, and there are no particular restrictions on the shape or molding method. For example, spherical products, tablet molded products, extrusion molded products, and shapes obtained by crushing them into appropriate sizes can be appropriately selected and used.
水素化触媒における金属の含有量は、特に限定されないが、金属に換算した重量百分率で、触媒の全重量に対して、通常0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上より好ましくは1質量%以上であり、通常50質量%以下、好ましくは20質量%以下、より好ましくは10質量%以下である。金属含有量を前記範囲内とすることにより、十分な触媒活性を得ることができる。なお、以下の触媒の記載において、質量%と記載されている値は、その触媒の全重量に対する金属含有量を示す。 The content of metal in the hydrogenation catalyst is not particularly limited, but is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, based on the total weight of the catalyst, as a weight percentage in terms of metal. It is 1% by mass or more, and usually 50% by mass or less, preferably 20% by mass or less, and more preferably 10% by mass or less. By keeping the metal content within the above range, sufficient catalytic activity can be obtained. In the description of the catalyst below, the value described as % by mass indicates the metal content based on the total weight of the catalyst.
水素化に用いる水素源としては特に限定はされないが、反応終了後に分離精製の必要がない気体の水素を用いることが望ましい。 The hydrogen source used for hydrogenation is not particularly limited, but it is desirable to use gaseous hydrogen that does not require separation and purification after the reaction is completed.
水素ガス圧は、特に限定はされないが通常、水素ガスの加圧条件下で行われる。水素化反応時の水素ガス圧は、通常0.1MPa以上、好ましくは0.3MPa以上、より好ましくは0.4MPa以上で、通常15MPa以下、好ましくは20MPa以下、より好ましくは5MPa以下、更に好ましくは3MPa以下である。 The hydrogen gas pressure is not particularly limited, but it is usually carried out under hydrogen gas pressurization conditions. The hydrogen gas pressure during the hydrogenation reaction is usually 0.1 MPa or higher, preferably 0.3 MPa or higher, more preferably 0.4 MPa or higher, and usually 15 MPa or lower, preferably 20 MPa or lower, more preferably 5 MPa or lower, and even more preferably It is 3 MPa or less.
一般的には、反応圧力を上昇させると水素化触媒への水素供給が促進され、反応速度が向上する。一方で、高い反応圧力で実施するには特別に耐圧性を高めた反応器等の設備が必要となるほか、水素化能力が上るため水素化分解が進行する可能性がある。 In general, increasing the reaction pressure promotes hydrogen supply to the hydrogenation catalyst and improves the reaction rate. On the other hand, in order to carry out the reaction at a high pressure, equipment such as a reactor with specially increased pressure resistance is required, and since the hydrogenation capacity increases, there is a possibility that hydrogenolysis will proceed.
また、水素ガス雰囲気における水素濃度は、特に限定はされないが、通常70体積%以上、好ましくは80体積%以上、より好ましくは90体積%以上であり、上限は通常100体積%である。 The hydrogen concentration in the hydrogen gas atmosphere is not particularly limited, but is usually 70% by volume or more, preferably 80% by volume or more, more preferably 90% by volume or more, and the upper limit is usually 100% by volume.
アセタール中間体の水素化は、原料であるアセタールのみを用い無溶媒の環境下で反応を行ってもよく、反応溶媒を用いてもよい。 The hydrogenation of the acetal intermediate may be carried out in a solvent-free environment using only the acetal as a raw material, or a reaction solvent may be used.
反応溶媒を用いる場合、水素化還元に不活性な状態であれば、その種類や濃度に特に制限はない。ただし、アセタールよりも水素化触媒における特定金属成分と強く相互作用するような反応溶媒を用いると、極端に反応速度が低下したり、反応が停止したりすることがある。このような観点から、例えば、リン、窒素、硫黄を含有する化合物は、反応溶媒として用いない方が好ましいが、反応速度に大きく影響を与えない程度の微量であれば、用いてもよい。反応溶媒として好ましいのは、水、炭化水素類、エステル類、エーテル類及びアルコール類であり、これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。 When using a reaction solvent, there are no particular restrictions on its type or concentration as long as it is inactive to hydrogenation reduction. However, if a reaction solvent that interacts more strongly with the specific metal component in the hydrogenation catalyst than acetal does, the reaction rate may be extremely reduced or the reaction may stop. From this point of view, for example, it is preferable not to use compounds containing phosphorus, nitrogen, or sulfur as a reaction solvent, but they may be used in trace amounts that do not significantly affect the reaction rate. Preferred reaction solvents are water, hydrocarbons, esters, ethers, and alcohols, and these may be used alone or in combination of two or more.
反応溶媒としては、例えば、水、ペンタン、ヘキサン、2,2-ジメチルブタン、へプタン、2,2,4-卜リメチルペンタン、オクタン、オクタン、及びノナンやその異性体、デ力ン、ペンタデ力ン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサンやその異性体、デカリン、トルエン、キシレン、トリメチルベンゼン、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン、1-メチルナフタレンなどの炭化水素類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸ブチル、酪酸シクロヘキシル、及び吉草酸メチルやその異性体などのエステル類;ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジプロプルエーテル、ジブチルエーテル、メチルプロピルエーテル、エチルプロピルエーテル、メチルブチルエーテル、メチルペンチルエーテル、エチルブチルエーテル、プロピルブチルエーテル、メチルシクロペンチルエーテル、メチルシクロヘキシルエーテル、エチルシクロペンチルエーテル、エチルシクロヘキシルエーテル、プロピルシクロペンチルエーテル、プロピルシクロヘキシルエーテル、ブチルシクロペンチルエーテル、ブチルシクロヘキシルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、メチルテトラヒドロピラン、1,4-ジオキサン及びジメチル-1,4-ジオキサンやそれらの異性体などのエーテル類が挙げられる。また、アルコール類としては、具体的には、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、2-メチル-1-プロパノール、2-メチル-2-プロパノール、1-ペンタノール、2-ペンタノール、3-ペンタノール、3-メチル-1-ブタノール、2,2-ジメチル-1-プロパノール、1-ヘキサノール、2-ヘキサノール、3-ヘキサノール、2-メチル-1-ペンタノール、1-ヘプタノール、2-ヘプタノール、1-オクタノール、2-オクタノール、3-オクタノール、2-エチル-1-ヘキサノール、1-ノナノール、1-デカノール、1-ウンデシルアルコール、1-ラウリルアルコール、1-トリデシルアルコール、1-テトラデカノール、1-ペンタデシルアルコール、1-ヘキサデカノール、シス-9-ヘキサデセン-1-オール、1-ヘプタデカノール、1-オクタデカノール、16-メチルヘプタデセン-1-オール、ノナデシルアルコール、アラキジルアルコール、エチレングリコール、プロパンジオール、2-メチル-1,3-プロパンジオール、1,3-ブタンジオール、1,3-ペンタンジオール、1-フェニル-1,3-プロパンジオール、2-フェニル-1,3-プロパンジオール、1,2-プロパンジオール、1,2-ブタンジオール、1,2-ペンタンジオール、1-フェニル-エチレングリコールなどが挙げられる。これらは、複数組み合わせて混合溶媒として使用しても良い。 Examples of the reaction solvent include water, pentane, hexane, 2,2-dimethylbutane, heptane, 2,2,4-dimethylpentane, octane, octane, nonane and its isomers, dehydrone, and pentade. Hydrocarbons such as cyclohexane, methylcyclohexane, dimethylcyclohexane and its isomers, decalin, toluene, xylene, trimethylbenzene, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene, 1-methylnaphthalene; methyl acetate, ethyl acetate , butyl acetate, methyl propionate, methyl butyrate, ethyl butyrate, butyl butyrate, cyclohexyl butyrate, and esters such as methyl valerate and its isomers; dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, methyl Propyl ether, ethyl propyl ether, methyl butyl ether, methyl pentyl ether, ethyl butyl ether, propyl butyl ether, methyl cyclopentyl ether, methyl cyclohexyl ether, ethyl cyclopentyl ether, ethyl cyclohexyl ether, propyl cyclopentyl ether, propyl cyclohexyl ether, butyl cyclopentyl ether, butyl cyclohexyl Ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, propylene glycol dimethyl ether, propylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, tetrahydrofuran, methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, methyltetrahydropyran , 1,4-dioxane, dimethyl-1,4-dioxane, and isomers thereof. In addition, specific alcohols include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-methyl-1-propanol, 2-methyl-2-propanol, 1- Pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 3-methyl-1-butanol, 2,2-dimethyl-1-propanol, 1-hexanol, 2-hexanol, 3-hexanol, 2-methyl-1-pene Tanol, 1-heptanol, 2-heptanol, 1-octanol, 2-octanol, 3-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, 1-nonanol, 1-decanol, 1-undecyl alcohol, 1-lauryl alcohol, 1 -Tridecyl alcohol, 1-tetradecanol, 1-pentadecyl alcohol, 1-hexadecanol, cis-9-hexadecen-1-ol, 1-heptadecanol, 1-octadecanol, 16-methylheptadecene -1-ol, nonadecyl alcohol, arachidyl alcohol, ethylene glycol, propanediol, 2-methyl-1,3-propanediol, 1,3-butanediol, 1,3-pentanediol, 1-phenyl-1, Examples include 3-propanediol, 2-phenyl-1,3-propanediol, 1,2-propanediol, 1,2-butanediol, 1,2-pentanediol, and 1-phenyl-ethylene glycol. A plurality of these may be used in combination as a mixed solvent.
溶媒の使用量は、無溶媒の環境下での反応も可能である為特に限定されないが、アセタールに対して、質量比で、下限は、通常1倍以上、好ましくは2倍以上、より好ましくは3倍以上、更に好ましくは4倍以上、最も好ましくは5倍以上であり、一方、上限は、通常100倍以下、好ましくは50倍以下、より好ましくは30倍以下、更に好ましくは20倍以下、最も好ましくは8倍以下である。溶媒の使用量が多すぎると、反応容器が大きくなりすぎ、生産効率が低下して経済性が求められる工業プロセスとして好ましくない。また、少なすぎると、反応速度が低下して反応時間が長くなる傾向があり好ましくない場合がある。しかしながら、本発明に係るアセタール中間体は、特に環状アセタール中間体の場合、熱安定性ならびに重合安定性に優れ、高濃度条件下でもフミン等のオリゴマーならびにポリマーやレブリン酸等の副生が起こりにくい特徴があるため、溶媒の使用量をより低減させた、すなわち、より高濃度条件下でのアルコールの生産が可能となる。 The amount of the solvent to be used is not particularly limited since the reaction can be carried out in a solvent-free environment, but the lower limit is usually 1 time or more, preferably 2 times or more, more preferably 2 times or more, based on the mass ratio of the acetal. 3 times or more, more preferably 4 times or more, most preferably 5 times or more, while the upper limit is usually 100 times or less, preferably 50 times or less, more preferably 30 times or less, still more preferably 20 times or less, Most preferably it is 8 times or less. If the amount of solvent used is too large, the reaction vessel becomes too large and the production efficiency decreases, which is not preferable for an economical industrial process. On the other hand, if the amount is too small, the reaction rate tends to decrease and the reaction time tends to become longer, which may be undesirable. However, the acetal intermediate according to the present invention, especially in the case of a cyclic acetal intermediate, has excellent thermal stability and polymerization stability, and even under high concentration conditions, oligomers such as humins, polymers, and by-products such as levulinic acid are unlikely to occur. Due to these characteristics, it is possible to produce alcohol with a lower amount of solvent used, that is, under conditions of higher concentration.
また、HMFの水素化反応においては、塩基を存在させると、環状アセタールの安定性が向上して反応中間体の重合や開環反応といった副反応を抑制することができると共に、目的とするアルコールの収率を向上させることができる場合があるため、塩基存在下で反応を行っても良い。このような塩基としては、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム等の無機塩基、ナトリウムアルコキシド、カリウムアルコキシド、トリエチルアミン等の有機塩基が挙げられる。 In addition, in the hydrogenation reaction of HMF, the presence of a base improves the stability of the cyclic acetal and suppresses side reactions such as polymerization of reaction intermediates and ring-opening reactions. The reaction may be carried out in the presence of a base because the yield may be improved in some cases. Examples of such bases include inorganic bases such as sodium hydroxide, sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium hydroxide, potassium carbonate, and potassium hydrogen carbonate, and organic bases such as sodium alkoxide, potassium alkoxide, and triethylamine.
塩基を存在させて水素化反応を行う際の塩基の使用量は、特に限定されないが、HMF環状アセタールに対して、その下限は、0.01当量以上、好ましくは0.1当量以上であり、その上限は、5当量以下、好ましくは、1当量以下、より好ましくは、0.5当量以下である。このような使用量を採用することにより、環状アセタールの安定性が向上して反応中間体の重合や開環反応といった副反応を抑制することができると共に、目的とするアルコールの収率を向上させることができる。 The amount of the base used when carrying out the hydrogenation reaction in the presence of a base is not particularly limited, but the lower limit is 0.01 equivalent or more, preferably 0.1 equivalent or more with respect to the HMF cyclic acetal, The upper limit is 5 equivalents or less, preferably 1 equivalent or less, and more preferably 0.5 equivalents or less. By using such an amount, the stability of the cyclic acetal can be improved and side reactions such as polymerization of reaction intermediates and ring-opening reactions can be suppressed, and the yield of the target alcohol can be improved. be able to.
水素化反応における反応温度は、特に限定されないが、通常20℃以上、好ましくは50℃以上、より好ましくは90℃以上、通常350℃以下、好ましくは250℃以下、より好ましくは150℃以下、さらに好ましくは120℃以下である。反応温度が前記範囲内であることにより、目的とするアルコールを高収率で得ることができる。特に本発明のアセタール中間体を経由する手法は、該中間体の熱安定性が優れる理由から、高温でのプロセスが有利となる。 The reaction temperature in the hydrogenation reaction is not particularly limited, but is usually 20°C or higher, preferably 50°C or higher, more preferably 90°C or higher, usually 350°C or lower, preferably 250°C or lower, more preferably 150°C or lower, and Preferably it is 120°C or lower. When the reaction temperature is within the above range, the target alcohol can be obtained in high yield. In particular, in the method using the acetal intermediate of the present invention, the process at high temperature is advantageous because the intermediate has excellent thermal stability.
水素化の反応時間については、アセタール中間体が水素化されて目的のアルコールを得ることができれば特に限定されない。通常30分以上、好ましくは1時間以上、より好ましくは3時間以上、通常24時間以下、好ましくは12時間以下、より好ましくは5時間以下である。尚、連続で水素化反応を行う場合には、反応時間はこの限りではない。 The reaction time for hydrogenation is not particularly limited as long as the acetal intermediate can be hydrogenated to obtain the desired alcohol. The duration is usually 30 minutes or more, preferably 1 hour or more, more preferably 3 hours or more, and usually 24 hours or less, preferably 12 hours or less, and more preferably 5 hours or less. Note that when the hydrogenation reaction is carried out continuously, the reaction time is not limited to this.
水素化で用いられる反応装置についても、特に限定されないが、通常は高圧反応が可能な高圧反応器が使用される。連続反応器の使用も可能であり、触媒を反応器に充填し、原料液と水素ガスを流通させて反応を行うこともできる。連続反応器の場合は、触媒の分離工程が不要であり、大量生産を行なう場合は連続反応器の方が望ましい。 The reaction apparatus used in hydrogenation is also not particularly limited, but usually a high-pressure reactor capable of high-pressure reaction is used. It is also possible to use a continuous reactor, and the reaction can also be carried out by filling the reactor with a catalyst and circulating the raw material liquid and hydrogen gas. In the case of a continuous reactor, a catalyst separation step is not necessary, and a continuous reactor is preferable for mass production.
[生成物の回収方法]
前述の各工程で得られた生成物は、反応終了後、単離及び/又は精製して回収してもよいし、単離及び/又は精製工程を経ずに次の工程の原料として使用してもよい。
[Product recovery method]
The products obtained in each of the above steps may be recovered by isolation and/or purification after the completion of the reaction, or may be used as raw materials for the next step without going through the isolation and/or purification steps. You can.
単離/精製を経ずに次工程の原料と使用する際には、反応をバッチ式反応で行う場合には、反応終了後の反応液をそのまま次工程の反応器に導入してもよく、或いは反応終了後の反応液から異なる有機溶媒を用いて該生成物を抽出して、該抽出液を次工程の反応器に導入してもよい。また、反応を流通反応で実施する場合には、流通反応プロセス下、反応液をそのまま次工程の反応器に流通させてもよく、該反応液を異なる有機溶媒と接触させて該生成物を抽出した後、該抽出液を次工程の反応器に導入してもよい。 When using it as a raw material for the next step without isolation/purification, if the reaction is carried out in a batch reaction, the reaction solution after the completion of the reaction may be directly introduced into the reactor for the next step. Alternatively, the product may be extracted from the reaction solution after completion of the reaction using a different organic solvent, and the extracted solution may be introduced into the reactor for the next step. In addition, when the reaction is carried out by a flow reaction, the reaction liquid may be passed as it is to the reactor of the next step under the flow reaction process, and the reaction liquid is brought into contact with a different organic solvent to extract the product. After that, the extract may be introduced into a reactor for the next step.
一方、各工程で得られた生成物を単離/精製する際には、生成物の物性に依存するが、通常、溶媒留去手法、溶媒留去後有機溶媒で抽出する手法、蒸留手法、昇華手法、晶析手法、クロマト手法により生成物を回収することができる。これらの中では、特に、取り扱い温度条件下で生成物が液体の場合は、蒸留手法により生成物を精製しながら回収する方法が好ましく、取り扱い温度条件下で生成物が固体の場合は、晶析手法により生成物の精製を行いながら回収する方法が好ましい。またその際、得られた固体生成物は、洗浄により精製する手法は好ましい態様である。 On the other hand, when isolating/purifying the product obtained in each step, depending on the physical properties of the product, usually a solvent distillation method, a method of extracting with an organic solvent after solvent distillation, a distillation method, The product can be recovered by sublimation, crystallization, or chromatography. Among these, when the product is liquid under the handling temperature conditions, it is preferable to collect the product while purifying it by distillation, and when the product is solid under the handling temperature conditions, it is preferable to use crystallization. A method in which the product is recovered while being purified by a method is preferred. In addition, in this case, a preferred embodiment is a method in which the obtained solid product is purified by washing.
[環状アセタール]
本発明において特に好ましい環状アセタールは、下記式(2)で表されるFRL又はHMFの1,3-プロパンジオールアセタール化物(以下「環状アセタール(2)」と称す場合がある。)であり、前述の脱水・環状アセタール化において、環状アセタール化用ジオールとして1,3-プロパンジオールを用いることにより製造される。
[Cyclic acetal]
A particularly preferable cyclic acetal in the present invention is a 1,3-propanediol acetal of FRL or HMF represented by the following formula (2) (hereinafter sometimes referred to as "cyclic acetal (2)"), as described above. In the dehydration and cyclic acetalization of 1,3-propanediol is used as the diol for cyclic acetalization.
(式中、Aは水素原子、又は-CH2OHを表す。) (In the formula, A represents a hydrogen atom or -CH 2 OH.)
この環状アセタールは、後述の実験例1に示されるように、熱安定性に優れ、前述の酸化的エステル化の原料として用いて、本発明に従って、カルボン酸エステル又はカルボン酸を工業的に有利に製造することができる。 As shown in Experimental Example 1 below, this cyclic acetal has excellent thermal stability and can be used as a raw material for the above-mentioned oxidative esterification to industrially advantageously produce carboxylic esters or carboxylic acids according to the present invention. can be manufactured.
更に、この環状アセタール(2)は、Aが-CH2OH基の場合に、ヒドロキシル基をカルボン酸無水物((R2CO)2O(R2は、炭素数1~6のアルキル基、又は、アルキル置換基を有していてもよい炭素数6~12のアリール基を表す。))との反応によりエステル基に、或いはアルコール(R2OH(R2は、炭素数1~6のアルキル基、又は、アルキル置換基を有していてもよい炭素数6~12のアリール基を表す。))との反応によりエーテル基に変換することにより、下記式(3)で表されるさらに熱安定性に優れたアセタール中間体に誘導できる。下記式(3)で表されるアセタール中間体は、HMFのヒドロキシル基をカルボン酸無水物((R2CO)2O(R2は、炭素数1~6のアルキル基、又は、アルキル置換基を有していてもよい炭素数6~12のアリール基を表す。))との反応によりエステル基に、或いはアルコール(R2OH(R2は、炭素数1~6のアルキル基、又は、アルキル置換基を有していてもよい炭素数6~12のアリール基を表す。))との反応によりエーテル基に変換した後に、プロパンジオールとの反応により誘導されたものであっても良い。 Furthermore, in this cyclic acetal (2), when A is a -CH 2 OH group, the hydroxyl group is replaced with a carboxylic acid anhydride ((R 2 CO) 2 O (R 2 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or represents an aryl group having 6 to 12 carbon atoms which may have an alkyl substituent), or an alcohol (R 2 OH (R 2 is an aryl group having 1 to 6 carbon atoms)). Represents an alkyl group or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms which may have an alkyl substituent. It can be derived into an acetal intermediate with excellent thermal stability. The acetal intermediate represented by the following formula (3) replaces the hydroxyl group of HMF with carboxylic acid anhydride ((R 2 CO) 2 O (R 2 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms or an alkyl substituent) (represents an aryl group having 6 to 12 carbon atoms which may have a It represents an aryl group having 6 to 12 carbon atoms which may have an alkyl substituent.) It may be one derived by converting it into an ether group by reaction with propanediol and then reacting with propanediol.
(式中、Bは、-CH2OR2又は-CH2O(C=O)R2(R2は、炭素数1~6のアルキル基、又は、アルキル置換基を有していてもよい炭素数6~12のアリール基を表す。)を表す。)
なお、上記R2がアルキル置換基を有していてもよい炭素数6~12のアリール基の場合、アルキル置換基としては炭素数1~6のアルキル基が挙げられる。
(In the formula, B is -CH 2 OR 2 or -CH 2 O(C=O)R 2 (R 2 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, or may have an alkyl substituent. Represents an aryl group having 6 to 12 carbon atoms.)
In addition, when the above R 2 is an aryl group having 6 to 12 carbon atoms which may have an alkyl substituent, examples of the alkyl substituent include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
すなわち、上記式(2)及び(3)を考慮して、本発明において、下記式(1)で表される化合物が好ましい環状アセタール中間体として挙げられる。 That is, in consideration of the above formulas (2) and (3), in the present invention, a compound represented by the following formula (1) is mentioned as a preferable cyclic acetal intermediate.
式(1)中、R1は水素原子、-CH2OH、-CH2OR2又は-CH2O(C=O)R2で表される基であり、R2は炭素数1~6のアルキル基、又は、アルキル置換基を有していてもよい炭素数6~12のアリール基を表す。なお、R2がアルキル置換基を有する場合の好ましい置換基としては、炭素数1~6のアルキル基が挙げられる。 In formula (1), R 1 is a hydrogen atom, -CH 2 OH, -CH 2 OR 2 or -CH 2 O(C=O)R 2 , and R 2 has 1 to 6 carbon atoms. represents an alkyl group or an aryl group having 6 to 12 carbon atoms which may have an alkyl substituent. In addition, when R 2 has an alkyl substituent, a preferable substituent is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.
以下、実験例及び実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail using experimental examples and examples, but the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist thereof.
[実験例1-1:HMFとHMFアセタールの熱安定性評価]
HMF(シグマアルドリッチ社製)と、後述の実験例7に記載された方法により得られた2種類のHMFアセタール(PD-HMF、EG-HMF)について、下記の方法により熱的安定性の評価を行った。
耐圧NMRチューブに3~4mgの試料を導入し、室温にて真空排気下で2時間処理することにより、試料に含有されている水分を除去した。その後、チューブをオーブンに入れて10℃/minにて室温から200℃まで昇温して200℃で2時間保持した。加熱後の試料に1mLのCDCl3と内部標準(安息香酸、1mg)を加え、1H NMRで試料の残存率を分析して熱安定性を評価した。残存率が多い程熱安定性に優れる。結果を図1に示す。
The thermal stability of HMF (manufactured by Sigma-Aldrich) and two types of HMF acetals (PD-HMF, EG-HMF) obtained by the method described in Experimental Example 7 below was evaluated by the following method. went.
Water contained in the sample was removed by introducing 3 to 4 mg of the sample into a pressure-resistant NMR tube and treating it at room temperature under vacuum evacuation for 2 hours. Thereafter, the tube was placed in an oven, and the temperature was raised from room temperature to 200°C at a rate of 10°C/min and held at 200°C for 2 hours. 1 mL of CDCl 3 and an internal standard (benzoic acid, 1 mg) were added to the sample after heating, and the residual rate of the sample was analyzed by 1 H NMR to evaluate thermal stability. The higher the residual rate, the better the thermal stability. The results are shown in Figure 1.
図1より、HMFアセタールはHMFに比べて熱安定性に優れることが分かる。 From FIG. 1, it can be seen that HMF acetal has superior thermal stability compared to HMF.
[実験例1-2:FRLとFRLアセタールの熱安定性評価]
FRL(シグマアルドリッチ社製)と後述の実験例7に記載された方法により得られたFRLアセタール(PD-FRL)について、実験例1-1と同様の方法により、熱的安定性の評価を行った結果、2時間後の残存率として、FRLの場合は12%であったのに対して、PD-FRLの場合は80%と著しく向上し、環状アセタールの熱安定性が高いことが分かった。 The thermal stability of FRL (manufactured by Sigma-Aldrich) and FRL acetal (PD-FRL) obtained by the method described in Experimental Example 7 described below was evaluated by the same method as Experimental Example 1-1. As a result, the residual rate after 2 hours was 12% for FRL, while it was significantly improved to 80% for PD-FRL, indicating that the cyclic acetal has high thermal stability. .
[実験例1-3:PD-HMFのエステル体とエーテル体の熱安定性評価]
後述する実験例7に記載の方法により得られたHMFアセタール(PD-HMF)のエステル体(PD-HMF-アセテート)とエーテル体(PD-HMF-エーテル)について、実験例1-1と同様の方法により熱安定性の評価を行った結果、2時間後の残存率として、それぞれ76%、74%となり、HMFに比べて熱安定性に優れることが分かった。 The ester form (PD-HMF-acetate) and ether form (PD-HMF-ether) of HMF acetal (PD-HMF) obtained by the method described in Experimental Example 7 described later were treated in the same manner as in Experimental Example 1-1. As a result of evaluating the thermal stability using this method, the residual rate after 2 hours was 76% and 74%, respectively, and it was found that the thermal stability was superior to that of HMF.
[実験例2:HMFアセタールの熱分解の温度依存性]
実験例1において、PD-HMFを150℃又は180℃で2時間保持した以外は、実施例1と同様の方法で、加熱後の試料について1H NMRにより残存率を分析し、結果を実験例1における200℃加熱の結果と共に、下記表1に示した。
[Experimental example 2: Temperature dependence of thermal decomposition of HMF acetal]
In Experimental Example 1, the residual rate of the heated sample was analyzed by 1 H NMR in the same manner as in Example 1, except that PD-HMF was held at 150°C or 180°C for 2 hours, and the results were used in Experimental Example. The results of heating at 200°C in Example 1 are shown in Table 1 below.
表1より、加熱温度と残存率には相関はないことが分かる。なお、PD-HMFの分解生成物のうち、約50%程度は溶媒持込みの水分によるアセタール体の加水分解物であるHMFであった。 From Table 1, it can be seen that there is no correlation between heating temperature and survival rate. Approximately 50% of the decomposition products of PD-HMF were HMF, which is a hydrolyzate of an acetal form due to water carried in the solvent.
[実験例3-1~3-8:HMFからのPD-HMFの収率評価]
HMF(シグマアルドリッチ社製、50mg)と、1,3-プロパンジオール(75μL)と、触媒とを2.5mLの各種溶媒に加えて、攪拌することで、反応を行い、PD-HMFを得た。なお、触媒、溶媒、反応温度及び反応時間は、表2に示す通りである。なお、実験例3-4~3-7で使用したβ型ゼオライトは、使用前に大気中にて550℃で8時間焼成を行った。反応後の溶液に内部標準としてクロロベンゼンを加え、生成したPD-HMFを、カラムガスクロマトグラフィー(島津製作所社製「GC2025」)にて定量し、PD-HMFの収率を求めた。なお、カラムは、DB-FFAP(アジレント・テクノロジー株式会社製)を用いた。得られた結果を表2に示す。
[Experimental Examples 3-1 to 3-8: Yield evaluation of PD-HMF from HMF]
HMF (manufactured by Sigma-Aldrich, 50 mg), 1,3-propanediol (75 μL), and a catalyst were added to 2.5 mL of various solvents and stirred to perform a reaction to obtain PD-HMF. . Note that the catalyst, solvent, reaction temperature, and reaction time are as shown in Table 2. Note that the β-type zeolite used in Experimental Examples 3-4 to 3-7 was calcined at 550° C. for 8 hours in the air before use. Chlorobenzene was added as an internal standard to the solution after the reaction, and the produced PD-HMF was quantified by column gas chromatography ("GC2025" manufactured by Shimadzu Corporation) to determine the yield of PD-HMF. The column used was DB-FFAP (manufactured by Agilent Technologies). The results obtained are shown in Table 2.
[実験例4:バイオマス原料から誘導された単糖類からのHMFアセタールの合成I]
含水ニオブ酸(CBMM社製「HY-340」)を400℃で4時間焼成して得られたNb2O5を触媒として用い、触媒量を変えてグルコースからHMFアセタールを合成する実験を行った。
[Experimental Example 4: Synthesis I of HMF acetal from monosaccharides derived from biomass raw materials]
An experiment was conducted to synthesize HMF acetal from glucose by changing the amount of catalyst using Nb 2 O 5 obtained by calcining hydrated niobic acid ("HY-340" manufactured by CBMM) at 400 ° C. for 4 hours as a catalyst. .
100mg又は200mgのNb2O5と、20mgのグルコースを耐圧ガラス容器に入れ、そこにTHF1.8mL、水0.2mL、1,3-プロパンジオール0.2mLを加えて密閉した。ガラス容器を125℃に予熱してあるオイルバスに入れ、撹拌しながら1時間加熱した。1時間の加熱撹拌の後、容器をすぐに冷水に導入して反応を停止させ、内部標準として25μLのクロロベンゼンを加え、生成したHMFおよびPD-HMFをガスクロマトグラフィー(島津製作所社製:GC-2025、カラム:DB-FFAP)にて定量し、グルコースに対する収率を求め、結果を表3に示した。 100 mg or 200 mg of Nb 2 O 5 and 20 mg of glucose were placed in a pressure-resistant glass container, and 1.8 mL of THF, 0.2 mL of water, and 0.2 mL of 1,3-propanediol were added thereto, and the container was sealed. The glass container was placed in an oil bath preheated to 125° C. and heated for 1 hour while stirring. After heating and stirring for 1 hour, the container was immediately introduced into cold water to stop the reaction, 25 μL of chlorobenzene was added as an internal standard, and the generated HMF and PD-HMF were analyzed by gas chromatography (Shimadzu Corporation: GC- 2025, column: DB-FFAP) to determine the yield relative to glucose, and the results are shown in Table 3.
表3より、触媒量を100mgとしたNo.1よりも200mgとしたNo.2の方が、PD-HMFの収率が高いことが分かる。 From Table 3, No. 1 with a catalyst amount of 100 mg. No. 1 was 200 mg. It can be seen that sample No. 2 has a higher yield of PD-HMF.
[実験例5:単糖類からのHMFアセタールの合成II]
触媒として以下のものを用い、触媒を変えてグルコースからHMFアセタールを合成する実験を行った。
[Experimental Example 5: Synthesis of HMF acetal from monosaccharides II]
Experiments were conducted to synthesize HMF acetal from glucose using the following catalysts and changing the catalyst.
Nb2O5:含水ニオブ酸(CBMM社製「HY-340」)を400℃で4時間焼成して得られたNb2O5
H-BEA-25:クラリアント触媒社製 酸型β-ゼオライト触媒「H-BEA-25」
Amberlyst-15:シグマアルドリッチ社製 強カチオン交換樹脂「Amberlyst-15」
TiO2:昭和タイタニウム(株)社製 酸化チタン「JRC-TIO-11(触媒学会,参照触媒)」
Nb 2 O 5 : Nb 2 O 5 obtained by calcining hydrated niobic acid (“HY-340” manufactured by CBMM) at 400° C. for 4 hours.
H-BEA-25: Acid-type β-zeolite catalyst “H-BEA-25” manufactured by Clariant Catalysts
Amberlyst-15: Strong cation exchange resin “Amberlyst-15” manufactured by Sigma-Aldrich
TiO 2 : Titanium oxide manufactured by Showa Titanium Co., Ltd. “JRC-TIO-11 (Catalysis Society of Japan, reference catalyst)”
表4に示す触媒200mgと、20mgのグルコースを耐圧ガラス容器に入れ、そこにTHF1.4mL、水0.6mL、1,3-プロパンジオール0.2mLを加えて密閉した。ガラス容器を125℃に予熱してあるオイルバスに入れ、撹拌しながら1時間加熱した。1時間の加熱撹拌の後、容器をすぐに冷水に導入して反応を停止させ、実験例4と同様に、生成したHMFおよびPD-HMFをガスクロマトグラフィーにて定量し、グルコースに対する収率を求め、結果を表4に示した。 200 mg of the catalyst shown in Table 4 and 20 mg of glucose were placed in a pressure-resistant glass container, and 1.4 mL of THF, 0.6 mL of water, and 0.2 mL of 1,3-propanediol were added thereto, and the container was sealed. The glass container was placed in an oil bath preheated to 125° C. and heated for 1 hour while stirring. After heating and stirring for 1 hour, the reaction was stopped by immediately introducing the container into cold water, and in the same manner as in Experimental Example 4, the produced HMF and PD-HMF were quantified by gas chromatography, and the yield relative to glucose was determined. The results are shown in Table 4.
表4より、触媒としてはNb2O5が好ましいことが分かる。 Table 4 shows that Nb 2 O 5 is preferable as the catalyst.
[実験例6:単糖類からのHMFアセタールの合成III]
含水ニオブ酸(CBMM社製「HY-340」)を400℃で4時間焼成して得られたNb2O5を触媒として用い、原料の単糖類を変えてHMFアセタールを合成する実験を行った。
[Experimental Example 6: Synthesis of HMF acetal from monosaccharide III]
Using Nb 2 O 5 obtained by calcining hydrated niobic acid ("HY-340" manufactured by CBMM) at 400°C for 4 hours as a catalyst, we conducted an experiment to synthesize HMF acetal by changing the raw material monosaccharide. .
200mgのNb2O5と、20mgのグルコース又はフルクトースを耐圧ガラス容器に入れ、そこにTHF1.8mL、水0.2mL、1,3-プロパンジオール0.2mLを加えて密閉した。ガラス容器を125℃に予熱してあるオイルバスに入れ、撹拌しながら2時間加熱した。2時間の加熱撹拌の後、容器をすぐに冷水に導入して反応を停止させ、実験例4と同様に、生成したHMFおよびPD-HMFをガスクロマトグラフィーにて定量し、グルコース又はフルクトースに対する収率を求め、結果を表5に示した。 200 mg of Nb 2 O 5 and 20 mg of glucose or fructose were placed in a pressure-resistant glass container, and 1.8 mL of THF, 0.2 mL of water, and 0.2 mL of 1,3-propanediol were added thereto, and the container was sealed. The glass container was placed in an oil bath preheated to 125° C. and heated for 2 hours while stirring. After heating and stirring for 2 hours, the reaction was stopped by immediately introducing the container into cold water, and in the same manner as in Experimental Example 4, the produced HMF and PD-HMF were quantified by gas chromatography, and the yield relative to glucose or fructose was determined. The ratio was determined and the results are shown in Table 5.
[実験例7:その他の試料の合成]
<HMFアセテート体の合成>
HMF(シグマアルドリッチ社製)が溶解しているアセトニトリル溶液(0.1mol/L)に対して、1.5モル当量の無水酢酸と2モル当量のトリエチルアミンを加え、室温で1時間撹拌することによってHMFの水酸基をアセテートへと変換した。得られた生成物をカラムクロマトグラフィーにて精製することにより、HMFアセテート体を得た。
[Experiment Example 7: Synthesis of other samples]
<Synthesis of HMF acetate>
By adding 1.5 molar equivalents of acetic anhydride and 2 molar equivalents of triethylamine to an acetonitrile solution (0.1 mol/L) in which HMF (manufactured by Sigma-Aldrich) is dissolved, and stirring at room temperature for 1 hour. The hydroxyl group of HMF was converted to acetate. The obtained product was purified by column chromatography to obtain HMF acetate.
<EG-HMFの合成>
上述の方法により得られたHMFアセテートをジクロロメタン溶液に溶解し(HMFアセテートの濃度:0.1mol/L)、そこに触媒量(0.01当量)のインジウムトリフルオロメタンスルホネート(In(OTf)3)と過剰量のオルトギ酸トリメチルおよびエチレングリコールを加え、室温にて撹拌することによってフラン環に結合しているアルデヒド部位を環状アセタールへと変換した。最後にメタノール溶液中にて生成物と炭酸ナトリウムとを反応させてアセテート部位を分解することによって、目的のエチレングリコール-HMFアセタール(EG-HMF)を得た。
<Synthesis of EG-HMF>
HMF acetate obtained by the above method was dissolved in a dichloromethane solution (concentration of HMF acetate: 0.1 mol/L), and a catalytic amount (0.01 equivalent) of indium trifluoromethanesulfonate (In(OTf) 3 ) was added thereto. By adding excess amounts of trimethyl orthoformate and ethylene glycol and stirring at room temperature, the aldehyde moiety bonded to the furan ring was converted into a cyclic acetal. Finally, the desired ethylene glycol-HMF acetal (EG-HMF) was obtained by reacting the product with sodium carbonate in a methanol solution to decompose the acetate moieties.
<PD-HMFの合成>
上述の方法により得られたHMFアセテートをジクロロメタン溶液に溶解し(HMFアセテートの濃度:0.1mol/L)、そこに触媒量(0.01当量)のインジウムトリフルオロメタンスルホネート(In(OTf)3)と過剰量のオルトギ酸トリメチルおよび1,3-プロパンジオールを加え、室温にて撹拌することによってフラン環に結合しているアルデヒド部位を環状アセタールへと変換した。最後にメタノール溶液中にて生成物と炭酸ナトリウムとを反応させてアセテート部位を分解することによって、目的のプロパンジオール-HMFアセタール(PD-HMF)を得た。
<Synthesis of PD-HMF>
HMF acetate obtained by the above method was dissolved in a dichloromethane solution (concentration of HMF acetate: 0.1 mol/L), and a catalytic amount (0.01 equivalent) of indium trifluoromethanesulfonate (In(OTf) 3 ) was added thereto. By adding an excess amount of trimethyl orthoformate and 1,3-propanediol and stirring at room temperature, the aldehyde moiety bonded to the furan ring was converted to a cyclic acetal. Finally, the desired propanediol-HMF acetal (PD-HMF) was obtained by reacting the product with sodium carbonate in a methanol solution to decompose the acetate moiety.
<PD-HMF-エーテルの合成>
HMF(シグマアルドリッチ社製、50mg)、メタノール(2mL)、および1,3-プロパンジオール(0.1mL)の混合溶液に、HMFに対して0.01モル当量のIn(OTf)3と過剰量のオルトギ酸トリメチルを加えて室温にて3時間撹拌した。反応後の溶液から触媒を分離し、さらにカラムクロマトグラフィーにて精製することによって、目的のPD-HMF-エーテルを得た。
<Synthesis of PD-HMF-ether>
To a mixed solution of HMF (manufactured by Sigma-Aldrich, 50 mg), methanol (2 mL), and 1,3-propanediol (0.1 mL), 0.01 molar equivalent of In(OTf) 3 and an excess amount relative to HMF were added. of trimethyl orthoformate was added thereto, and the mixture was stirred at room temperature for 3 hours. The target PD-HMF-ether was obtained by separating the catalyst from the solution after the reaction and further purifying it by column chromatography.
<PD-HMF-アセテートの合成>
上述の方法により得られたHMFアセテート体が溶解しているジクロロメタン溶液に(HMFアセテートの濃度:0.1mol/L)、HMFアセテート体に対して0.01モル当量のIn(OTf)3と過剰量のオルトギ酸トリメチルおよび1,3-プロパンジオールを加え、その溶液を室温にて3時間撹拌した。反応後の溶液から触媒を分離し、さらにカラムクロマトグラフィーにて精製することによって、目的のPD-HMF-アセテートを得た。
<Synthesis of PD-HMF-acetate>
In a dichloromethane solution in which the HMF acetate obtained by the above method is dissolved (HMF acetate concentration: 0.1 mol/L), 0.01 molar equivalent of In(OTf) 3 is added in excess to the HMF acetate. of trimethyl orthoformate and 1,3-propanediol were added and the solution was stirred at room temperature for 3 hours. The target PD-HMF-acetate was obtained by separating the catalyst from the solution after the reaction and further purifying it by column chromatography.
<PD-FRLの合成>
プロトン型ベータゼオライト(50mg)、フルフラール(シグマアルドリッチ社製、0.1mmol)、および1,3-プロパンジオール(75μL)を2mLのジクロロメタンに加え、室温にて3時間撹拌した。濾過によって固体触媒を分離した後、カラムクロマトグラフィーにて精製することによって、目的のPD-FRLを得た。
<Synthesis of PD-FRL>
Proton type beta zeolite (50 mg), furfural (manufactured by Sigma-Aldrich, 0.1 mmol), and 1,3-propanediol (75 μL) were added to 2 mL of dichloromethane, and the mixture was stirred at room temperature for 3 hours. After separating the solid catalyst by filtration, the target PD-FRL was obtained by purification by column chromatography.
[実施例1:バイオマス原料からPD-HMFを経由するアルコールの製造]
実験例7に基づき合成したPD-HMF30mgを1,3-プロパンジオール3.5mlに溶解し、パラジウム(2質量%)を酸化ジルコニウム担体に担持した触媒10mgの存在下、オートクレーブ内で水素ガスを8MPaで注入して230℃で、3時間水素化反応を行った。
反応終了後の反応液をガスクロマトグラフィー(島津製作所社製:GC-2025、カラム:RESTEK社製Rxi-35SilMS)で分析した結果、テトラヒドロフラン-2,5-ジメタノールがGC面積比で80%の高い選択率で生成しており、オートクレーブ内の汚れの付着物も少なかった。
[Example 1: Production of alcohol from biomass raw material via PD-HMF]
30 mg of PD-HMF synthesized based on Experimental Example 7 was dissolved in 3.5 ml of 1,3-propanediol, and hydrogen gas was heated to 8 MPa in an autoclave in the presence of 10 mg of a catalyst in which palladium (2% by mass) was supported on a zirconium oxide support. The hydrogenation reaction was carried out at 230° C. for 3 hours.
After the reaction was completed, the reaction solution was analyzed by gas chromatography (GC-2025, manufactured by Shimadzu Corporation, column: Rxi-35SilMS, manufactured by RESTEK). As a result, tetrahydrofuran-2,5-dimethanol accounted for 80% of the GC area ratio. It was produced with high selectivity, and there was little dirt attached inside the autoclave.
[比較例1:バイオマス原料由来のHMFからアルコールの製造]
上記のアルコールの製造(実施例1)において、PD-HMFの代わりにHMF(シグマアルドリッチ社製)を用いること以外は同様に反応を行うと、テトラヒドロフラン-2,5-ジメタノールはGC面積比で70%の選択率で生成しており、反応液中の副生不明物種も多い特徴があった。また、反応液は著しく着色しており、オートクレーブ内の汚れの付着物も多かった。
[Comparative Example 1: Production of alcohol from HMF derived from biomass raw material]
In the above alcohol production (Example 1), when the reaction was carried out in the same manner except that HMF (manufactured by Sigma-Aldrich) was used instead of PD-HMF, tetrahydrofuran-2,5-dimethanol was It was produced with a selectivity of 70%, and was characterized by a large number of unknown by-product species in the reaction solution. In addition, the reaction solution was significantly colored, and there was a lot of dirt deposited inside the autoclave.
[実施例2:バイオマス原料からPD-HMFを経由するアルコールの製造]
実験例7に基づき合成したPD-HMF148mg(0.80mmol)を水2mLに溶解し、金(1質量%)を酸化アルミニウム担体に担持した触媒50mgの存在下、高圧反応器内で水素ガスを5MPa注入し、140℃で、4時間水素化反応をおこなった。なお、140℃での圧力は7MPaであった。
反応終了後、反応液をガスクロマトグラフィーで分析した結果、フランジメタノールの選択率は34%であり、高圧反応器内の汚れの付着物も少なかった。
[Example 2: Production of alcohol from biomass raw material via PD-HMF]
148 mg (0.80 mmol) of PD-HMF synthesized based on Experimental Example 7 was dissolved in 2 mL of water, and hydrogen gas was heated to 5 MPa in a high-pressure reactor in the presence of 50 mg of a catalyst in which gold (1% by mass) was supported on an aluminum oxide support. The hydrogenation reaction was carried out at 140° C. for 4 hours. Note that the pressure at 140°C was 7 MPa.
After the reaction was completed, the reaction solution was analyzed by gas chromatography, and the selectivity of flange methanol was 34%, and the amount of dirt deposited inside the high-pressure reactor was also small.
[比較例2:バイオマス原料由来のHMFからアルコールの製造]
上記のアルコールの製造(実施例2)において、PD-HMFの代わりにHMF100mg(0.80mmol)(シグマアルドリッチ社製)を用いること以外は同様にして反応を行った結果、フランジメタノールの選択率は22%であり、反応液は濃い黄色に着色しており、液中の副生不明物種が多い特徴があった。
[Comparative Example 2: Production of alcohol from HMF derived from biomass raw material]
The reaction was carried out in the same manner as in the production of alcohol (Example 2) except that 100 mg (0.80 mmol) of HMF (manufactured by Sigma-Aldrich) was used instead of PD-HMF. As a result, the selectivity of furandimethanol was The reaction solution was colored deep yellow, and was characterized by a large number of unknown by-products in the solution.
本発明により得られるアルコールは、ポリエステル樹脂等の樹脂原料アルコールなどとして工業的に有用であり、特にテトラヒドロフランジメタノールは、その環状骨格により、耐熱性に優れた樹脂を提供することができるため、その工業的価値は極めて高い。 The alcohol obtained by the present invention is industrially useful as a raw material alcohol for resins such as polyester resins, and in particular, tetrahydrofurandimethanol can provide resins with excellent heat resistance due to its cyclic skeleton. Its industrial value is extremely high.
Claims (9)
The method for producing alcohol according to any one of claims 1 to 8, wherein the solid catalyst contains zeolite or Nb2O5 .
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