JPWO2019017490A1 - ペンテン酸エステル誘導体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
工程Aでは、下記反応式(I)に示すように、バイオマス原料と第1のアルコール(ROH)とを酸触媒の存在下で反応させてレブリン酸エステル及びギ酸エステルを得る。下記反応式(I)中、一般式(1)は、レブリン酸エステルを示し、一般式(2)は、ギ酸エステルを示す。
工程Bでは、下記反応式(II)に示すように、工程Aで得られるレブリン酸エステル(一般式(1)で表される化合物)と、水素源と、を反応させてγ−バレロラクトンを得る。下記反応式(II)中、一般式(3)は、γ−バレロラクトンを示す。
工程Cでは、下記反応式(III)に示すように、工程Bで得られるγ−バレロラクトン(一般式(3)で表される化合物)と、第2のアルコール(R’OH)と、を酸触媒又は塩基触媒の存在下で反応させてペンテン酸エステルを得る。ペンテン酸エステルは、一般式(4)、一般式(5)及び一般式(6)からなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでいてよい。
ペンテン酸エステル誘導体の製造方法は、上述の工程A〜Cに加えて、以下の工程Dを更に含んでいてよい。この場合、当該製造方法によりアジピン酸化合物を得ることができる。アジピン酸化合物とは、アジピン酸又はそのエステルである。アジピン酸エステルは、アジピン酸ジエステルであってもよいし、アジピン酸モノエステルであってもよい。
工程Dは、工程Cで得られるペンテン酸エステルと、ギ酸エステルと、を錯体金属の存在下で反応させてアジピン酸化合物を得る工程である。
工程Eでは、下記反応式(V)に示すように、工程Dで得られるアジピン酸ジエステルを加水分解してアジピン酸又はアジピン酸モノエステル(式(8)で表される化合物)を得る。
ペンテン酸エステル誘導体の製造方法は、上述の工程A〜D又は工程A〜Eに加えて、工程Fを更に含んでいてよい。この場合、当該製造方法により、1,6−ヘキサンジオールを得ることができる。
工程Fは、アジピン酸化合物と水素源とを反応させて1,6−ヘキサンジオールを得る工程である。工程Fにおけるアジピン酸化合物は、工程Dで得られるアジピン酸ジエステルであってもよいし、工程Eで得られるアジピン酸又はアジピン酸モノエステルであってもよい。この中で、後述する水素化触媒の寿命の観点から、工程Dで得られるアジピン酸ジエステルが好ましい。
ペンテン酸エステル誘導体の製造方法は、上述の工程A〜Cに加えて、以下の工程Gを更に備えていてよい。この場合、当該製造方法により、1,3−ブタジエンを得ることができる。
工程Gは、工程Cで得られるペンテン酸エステル、水及び酸無水物を錯体金属の存在下で反応させて1,3−ブタジエンを得る工程である。
この工程における水の使用量は、ペンテン酸エステル1モルに対して、1〜100モル(1〜100モル当量)であってよく、5.0〜60モル(5.0〜60モル当量)であってよく、10モル〜30モル(10〜30モル当量)であってよい。
この工程の反応は、例えば、金属酸化物触媒を充填した反応管に、ブテン(1−ブテンと2−ブテンの混合物)を流通させながら反応させる。なお、必要に応じて、反応管への触媒の充填を支持するような不活性な固体充填物を反応管内に配してもよい。
ペンテン酸エステル誘導体の製造方法は、上述の工程A〜Cに加えて、以下の工程H〜Iを更に含んでいてよい。この場合、当該製造方法により、ε−カプロラクタムを得ることができる。
工程Hは、工程Cで得られるペンテン酸エステルと一酸化炭素と水素とを錯体金属の存在下で反応させて5−ホルミルペンタン酸エステル(5−ホルミルバレレートともいう。)を得る工程である。
工程Iは、5−ホルミルペンタン酸エステル(上述の一般式(9)で表される化合物)とアンモニアと水素源とを反応させてε−カプロラクタムを得る工程である。
(工程A:レブリン酸エステル及びギ酸エステルの合成)
内容積1.5Lのオートクレーブに、バイオマス原料として針葉樹由来パルプ(セルロース含有量:76質量%)を37.5g、添加剤としてトリス(2,4−ペンタンジオナト)アルミニウム(III)(Al(acac)3)を0.49g(1.5mmol)、酸触媒としてp−トルエンスルホン酸を2.58g(15mmol)、メタノールを600g加え、窒素雰囲気下、3.5MPa、180℃の条件で5時間反応させた。反応後、室温(25℃)まで冷却し、内容物を回収後、ろ過によりろ物とろ液(以下、反応液と称す)に分離した。反応液中の成分をガスクロマトグラフィーにより分析した結果、レブリン酸メチルが収率67%、ギ酸メチルが収率77%で生成していることを確認した。
得られた反応液570g(レブリン酸メチルの含有量:15.1g、ギ酸メチルの含有量:5.4g)を1Lナスフラスコに仕込み、85℃、常圧条件で加熱及び撹拌して、蒸留処理を行った。これによって、留出液としてギ酸エステルのメタノール溶液(ギ酸エステルの含有量:6.8質量%、メタノールの含有量:89質量%、以下「ギ酸エステル溶液」という。)を得た。ここで得たギ酸エステル溶液は、後述する工程Dにおけるアジピン酸エステルの合成反応のギ酸エステル原料として使用した。次に、上述の蒸留処理により得られた、蒸留残渣(釜残)を90〜95℃、常圧条件で加熱及び撹拌してメタノールを留去し、更に90℃、25〜45kPaの減圧条件で加熱及び撹拌して残留する不純物を留去した。得られた蒸留残渣を更に90℃、0.8〜1.0kPaの減圧条件で加熱及び撹拌し、留出液としてレブリン酸メチル8.1gを得た。得られたレブリン酸メチルのガスクロマトグラフィーによる純度は99質量%、NMRによる純度は99質量%であることを確認した。
反応管(φ10mm×100mm)に、水素化触媒として25wt%Cu−32wt%Zn/Al2O3触媒(商品名:Cu−0891T1/8、Engelhard社製)を3.0mL(Cu:12mmol、Zn:15mmol)充填して水素化触媒層とした。水素化触媒は、水素化触媒全量基準で、Cuを25質量%含み、Znを32質量%含む。この水素化触媒層の上に、予熱層として2mmサイズのガラスビーズ2.0mLを充填した。前処理として、水素による水素化触媒の還元処理を行った。還元処理は、水素化触媒及び予熱層を充填した反応管に、水素ガスを20mL/min.で供給しながら、反応管をヒーターで180℃に加熱して、2時間保持することにより行った。その後、温度を160℃に、水素ガスの供給速度を15.0mL/min.にそれぞれ変更し、工程Aで得たレブリン酸メチルの反応管への通液を開始した。レブリン酸メチルの供給速度は5.7mmol/hとした。反応液の組成の安定化を図るため、レブリン酸メチルの反応管への通液を開始してから1時間経過後に、反応管出口から導出される反応液の捕集を開始した。
反応管(φ10mm×100mm)に、ナトリウムX型ゼオライト触媒(和光純薬工業株式会社製、モレキュラーシーブ13X)4.0mLを充填して、ナトリウムX型ゼオライト触媒層とした。また、予熱層として2mmサイズのガラスビーズ2.0mLを上記ナトリウムX型ゼオライト触媒層の上に充填した。また、工程Bで得たγ−バレロラクトン原料(γ−バレロラクトンの含有量:92.9質量%、メタノールの含有量:6.9質量%)をγ−バレロラクトンの含有量が29.6質量%となるようにメタノールで希釈することにより、γ−バレロラクトンとメタノールとの混合溶液を調製した。
(工程D:アジピン酸ジメチルの合成)
内容積50mLのオートクレーブに、工程Cで得られたペンテン酸エステル原料4.15g(ペンテン酸エステルの含有量:1.41g、メタノールの含有量:2.55g)、及び、工程Aで得られたギ酸エステル原料16.4g(ギ酸メチルの含有量:1.11g、メタノールの含有量:14.6g)を仕込み、さらに錯体金属として、酢酸パラジウム54mg(0.24mmol)、1,2−ビス(ジ−tert−ブチルホスフィノメチル)ベンゼン380mg(0.96mmol)及びp−トルエンスルホン酸・一水和物230mg(1.2mmol)を加えた。反応容器内を窒素ガスで置換した後に室温で0.5MPaにまで加圧し、100℃で10時間反応させた。反応後、室温まで冷却した後に、反応液をガスクロマトグラフィーで分析した結果、ペンテン酸エステルの転化率が46%であり、アジピン酸ジメチルが収率41%で得られていることを確認した。
精製したアジピン酸ジメチル0.25g(1.44mmol)に5.0MのHCl水溶液3.0gを加え、24時間静置して加水分解を行った。析出したアジピン酸をろ別後、水(10.0g)で洗浄した。60℃、10kPaで減圧乾燥を行い、アジピン酸0.21g(1.41mmol、アジピン酸ジメチル基準の収率98%)を得た。得られたアジピン酸のNMRによる純度は、99質量%であった。
内容積50mLのオートクレーブに、実施例2で製造したアジピン酸ジメチル0.87g(5mmol)、Cu−Zn触媒1.0g(日揮触媒化成株式会社製、N218)、及び溶媒として1,2−ジメトキシエタン6mLを仕込んだ。反応容器内を窒素ガスで置換した後に水素を室温で8.0MPaにまで加圧し、200℃で16時間反応させた。反応後、室温まで冷却した後に、反応液をガスクロマトグラフィーで分析した結果、アジピン酸ジメチルの転化率が95%であり、1,6−ヘキサンジオールが収率88%で得られていることを確認した。
実施例1で製造したペンテン酸エステル原料0.70g(ペンテン酸メチルの含有量:0.24g、メタノールの含有量:0.46g)、水80mg、及び溶媒としてジエチレングリコールジエチルエーテル5mLを仕込んだ。さらに触媒として塩化パラジウム18mg(和光純薬製、0.1mmol)とビス[2−(ジフェニルホスフィノ)フェニル]エーテル162mg(東京化成製、0.3mmol)を加えた。反応容器内を窒素で置換したのち、前処理として100℃で2時間撹拌した。その後、無水酢酸408mg(和光純薬製、4mmol)を加え、140℃で反応させた。このとき、出口ガスをメシチレンに通すことでガスとして生成する1,3−ブタジエンをトラップした。5時間反応させた後、反応液中のペンテン酸エステルと1,3−ブタジエン、またメシチレントラップ中の1,3−ブタジエンをガスクロマトグラフィーで定量分析した結果、ペンテン酸メチルの転化率は98%であり、1,3−ブタジエン収率は93%であることを確認した。
(5−ホルミルバレレートの合成)
実施例1で製造したペンテン酸エステル原料3.8g(ペンテン酸メチルの含有量:1.3g、メタノールの含有量:2.5g)をエバポレーターで濃縮し、メタノールを除去した。内容積50mLのオートクレーブに、ペンテン酸エステル原料の濃縮物と1,2−ジメトキシエタン20mLを仕込んだ。得られた液に、さらに触媒としてクロロ(1,5−シクロオクタジエン)ロジウム(I)ダイマー49mg(東京化成工業株式会社製、0.1mmol)と4,5−ビス(ジフェニルホスフィノ)−9,9−ジメチルキサンテン243mg(東京化成工業株式会社製、0.42mmol)とを加えた。反応容器内を窒素ガスで置換した後に一酸化炭素と水素の混合ガス(CO/H2=1/1(モル比))を室温で2.0MPaにまで加圧し、100℃で6時間反応させた。反応後、室温まで冷却した後に、反応液をガスクロマトグラフィーで分析した結果、ペンテン酸エステルの転化率が92%、5−ホルミルバレレートが収率31%で得られていることを確認した。
内容積50mLのオートクレーブに、得られたメチル 5−ホルミルバレレート0.360g(2.5mmol)と25%アンモニア水1.36g(富士フイルム和光純薬株式会社製、NH3として20mmol)、1,2−ジメトキシエタン10mLを仕込み、さらに触媒として5wt%Pd/Al2O3(エヌ・イーケムキャット製)150mgを加えた。反応容器内を窒素ガスで置換した後に水素を室温で2.0MPaにまで加圧した。最初に40℃で2時間反応させた後、温度を100℃まで昇温し、さらに4時間反応させた。反応後、室温まで冷却した後に、反応液をガスクロマトグラフィーで分析した結果、5−ホルミルペンタン酸メチル(メチル 5−ホルミルバレレート)の転化率が98%であり、ε−カプロラクタムが収率86%で得られていることを確認した。
Claims (14)
- バイオマス原料を用いるペンテン酸エステル誘導体の製造方法であって、
前記バイオマス原料と第1のアルコールとを酸触媒の存在下で反応させてレブリン酸エステル及びギ酸エステルを得る工程A、
前記レブリン酸エステルと水素源とを反応させてγ−バレロラクトンを得る工程B及び
前記γ−バレロラクトンと第2のアルコールとを酸触媒又は塩基触媒の存在下で反応させてペンテン酸エステルを得る工程Cを含む、製造方法。 - 前記第1のアルコールがメタノールを含む、請求項1に記載の製造方法。
- 前記水素源が水素ガスを含む、請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記第2のアルコールがメタノールを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記ペンテン酸エステルとギ酸エステルとを錯体金属の存在下で反応させてアジピン酸化合物を得る工程Dを更に含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記ギ酸エステルが、前記工程Aで得られるギ酸エステルを含む、請求項5に記載の製造方法。
- 前記アジピン酸化合物を加水分解する工程Eを更に含む、請求項5又は6に記載の製造方法。
- 前記アジピン酸化合物と水素源とを反応させて1,6−ヘキサンジオールを得る工程Fを更に含む、請求項5〜7のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記ペンテン酸エステル、水及び酸無水物を錯体金属の存在下で反応させて1,3−ブタジエンを得る工程Gを更に含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記ペンテン酸エステルと水とを酸触媒存在下で反応させてブテンを得る工程、前記ブテンを金属酸化物触媒存在下で脱水素して1,3−ブタジエンを得る工程、を更に含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記ペンテン酸エステルと一酸化炭素と水素とを錯体金属の存在下で反応させて5−ホルミルペンタン酸エステルを得る工程H及び
前記5−ホルミルペンタン酸エステルとアンモニアと水素源とを反応させてε−カプロラクタムを得る工程Iを更に含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。 - 前記バイオマス原料が、木材、おが屑、木粉、バーク、紙類、パルプ、紙廃棄物、バガス、もみ殻、ヤシ殻、フスマ、米糠、大豆粕、菜種粕、コーヒー粕、茶粕、おから、トウモロコシ穂軸、トウモロコシ茎葉、ヤシ毛、スイッチグラス、アルファルファ、竹、草、干し草、海草及び海藻からなる群より選択される少なくとも1種を含む、請求項1〜11のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記第1のアルコール又は前記第2のアルコールは、前記工程Bで得られるアルコールである、請求項1〜12のいずれか1項に記載の製造方法。
- 加速器質量分析法により求めたバイオマス度が、40%以上であるペンテン酸エステル。
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