KR101155936B1 - 자일리톨 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응 기질의 산화성 탈카르복시화를 포함하는 자일리톨 제조 방법에 관한 것이다. 상기 산화성 탈카르복시화는 두가지 방법들 중 어느 하나로 수행된다. 그 첫째로, 산화성 탈카르복시화는 전기화학적 과정, 바람직하기로는 반응 기질의 양극의 산화적 탈카르복시화에 의해 실시된다. 두번째로, 반응 기질의 산화성 탈카르복시화는 일련의 산화-환원 화학 반응에 의해 실시된다.
자일리톨, 탈카르복시화 반응

Description

자일리톨 제조 방법{PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF XYLITOL}
본 출원은 2004년 3월 26일자 미국 가출원 제 60/556,571, "자일리톨 제조 방법"에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용은 전체로서 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 자일리톨 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 화합물의 산화성 탈카르복시화(oxidative decarboxylation)를 포함하는 자일리톨 제조 방법에 관한 것이다.
자일리톨은 수많은 과일과 식물에 존재하는 천연 5 탄당 알코올로, 정상적인 대사를 통해 인체에서 생산된다. 또한, 자일리톨은 중요한 공산품으로, 무설탕 츄잉검, 입냄새 제거용 보조제(breath mint) 및 경질 건상 캔디를 포함한 사탕 과자 제품뿐만 아니라 치아 케어 제품, 건강 식품, 약용 제품 등의 제조에 널리 사용되고 있다.
자일리톨의 특정 특징들로 인해, 자일리톨은 매력적인 감미료 또는 설탕 대체물일 뿐만 아니라, 특히 가당 식품의 제조에 사용된다. 예컨대, 자일리톨은 무독성이며, 거의 자당과 동일한 단맛을 가지며, 약 2.4 kcal/g으로 저열량이다. 자일리톨은 포도당과는 독립적으로 대사되며, 혈당 지수가 매우 낮아 비-인슐린 의존 적 당뇨병 환자들도 안전하게 섭취할 수 있으며, 당뇨병에서 케톤 생성을 억제하는 효과(anti-ketogenic effect)가 있는 것으로 보고된 바 있다. 자일리톨 결정은 용해시 흡열성을 가져, 구강에서 용해될 때 청량감을 형성시킨다. 또한, 자일리톨은 충치 발생을 억제하고, 심지어는 항-우식성(anti-cariogenic)을 나타내며, 충치를 발생시키는 구강 세균총(microflora)이 이용하지 못하는 것으로 여겨지고 있다. 실제, 자당 대신 자일리톨의 사용은 충치의 감소와 연계된다. 전반적으로, 자일리톨은 바람직한 감미료이다.
자일리톨은 일반적으로 다양한 천연 원료, 특히 자일란(xylan) 함유 물질을 이용하는 공정에 의해 제조된다. 자일리톨은 미국 특허 제 2,989,569호, 제 3,558,725호 및 제 4,008,285호에 개시된 바와 같이, 헤미셀룰로스(자일란 또는 아라비노자일란) 하이드롤리제이트(hydrolyzate)로부터 분리된 자일로스의 수소 첨가 반응을 포함한, 여러가지 공정들로 수득할 수 있다.
헤미셀룰로스 하이드롤리제이트에서 D-자일로스의 촉매성 수소 첨가 반응으로, 자일리톨의 산업용 일차 원료가 생성된다. D-자일로스의 산업적 생산은 일차로 헤미셀룰로스(자일란 및 아라비녹실란)의 가수분해에 의해 수행된다. 그러나, 자일리톨 생산 공정 대부분은 비용이 많이 들고, 시간이 소요되는 공정이기에, 자일리톨을 합성하기 위한 다양한 대체 방법들이 제안되고 있다. 이러한 방법들은, 여러가지 화합물 합성 공정, 미생물 이용 공정 및 발효와 같은 공정들을 포함한다. 그러나, 이러한 개발에도 불구하고, 비용을 저감시키고 고순도로 생산할 수 있는 자일리톨 제조 방법이 필요한 실정이다. 또한, 자일리톨 생산 공정 중에 발생되는 부산물을 감소시킬 수 있는 방법이 바람직하다. 자일리톨의 사용 증가, 특히 감미료로서 그리고 치료 효과와 같은 특성으로 인한 사용 증가를 고려하면, 자일리톨 제조 방법에 대한 필요성이 계속적으로 존재하고 있다.
개요
본 발명은 반응 기질의 산화성 탈카르복시화를 포함하는 자일리톨 제조 방법을 제공한다. 바람직하기로는, 산화성 탈카르복시화는 두가지 방법들중 어느 한가지의 방법으로 수행된다. 제1 구현예에서, 산화성 탈카르복시는 전기화학적 공정, 바람직하기로는 반응 기질의 양극의 산화성 탈카르복시화에 의해 수행된다. 제2 구현예에서, 반응 기질의 산화성 탈카르복시화는 한가지 이상의 화학 반응에 의해 수행된다.
매우 다양한 반응 기질을 사용하여 자일리톨 제조 방법에 실제 적용할 수 있다. 반응 기질은 산화성 탈카르복시화 반응을 위한 출발 물질일 수 있으며, 또는 임의의 적정 전구 물질로부터 생산할 수 있다. 바람직한 전구 물질은 피라노스 또는 퓨라노스 고리 구조를 포함하는 유론산이다. 일부 예들에서, 하나 이상의 전구 물질은 산화 반응, 환원 반응 또는 가수분해 반응과 같은 한가지 이상의 화학 반응을 진행하여, 적합한 반응 기질을 제조할 수 있다.
도 1은 일부 예들에 따른 자일리톨 생산의 일반적인 반응식(10')을 나타낸다. 반응식(10')은 유론산 모이어티를 포함하는 반응 기질(50')을 제공하는 단계 및 상기 반응 기질을 산화적으로 탈카르복시화하는 단계(55')를 포함한다. 적합한 반응 기질로는 특정 반응 조건하에서 적정 탈카르복시화 반응을 거치는 반응 기질을 함유하고 있는 유론산이 있다. 제1 구현예에서, 자일리톨 제조 방법은 유론산 모이어티를 포함하는 반응 기질(50')을 제공하는 단계 및 적합한 반응 기질의 전기화학적 산화 탈카르복시화에 의해 상기 반응 기질을 산화적으로 탈카르복시화하는 단계(55')를 포함한다. 바람직하기로는, 반응 기질은 피라노스 또는 퓨라노스 고리 구조의 유론산을 포함한다. 다른 예로, 자일리톨 제조 방법은 유론산 모이어티를 포함하는 반응 기질(50')을 제공하는 단계 및 적합한 반응 기질의 화학적 산화 탈카르복시화에 의해 반응 산물을 산화적으로 탈카르복시화하는 단계(55')를 포함한다. 바람직하기로는, 두번째 예의 반응 기질은 L-굴론산(L-Gulonic acid) 모이어티를 포함한다.
산화성 탈카르복시화 단계(55')는 자일리톨 중간체 화합물(60')을 제조하거나, 또는 자일리톨이나 자일리톨 생산에 유용한 다른 화합물을 제조한다. 다양한 자일리톨 중간체 화합물이 생산될 수 있으며, 제1 구현예에서 생산된 자일리톨 중간체 화합물은 제2 구현예에 따른 방법으로 생산된 자일리톨 중간체 화합물과 동일하거나 상이할 수 있다. 반응 기질은 출발 물질로서 제공될 수도 있으며(50'), 또는 하나 이상의 전구 물질로부터 수득될 수 있다.
도 1에서, 자일리톨 제조 방법은(10') 출발 물질을 제공하는 단계(20'), 상기 출발물질(20')을 화학적으로 변형시켜(25') 제1 전구 물질을 수득하는 단계(30'), 제1 전구 물질(30')을 화학적으로 변형시켜(35') 제2 전구 물질을 수득하는 단계(40'), 및 제2 전구 물질(40')을 화학적으로 변형시켜(45') 반응 기질을 수득하는 단계(50)를 더 포함한다. 자일리톨 중간체(60')는 화학적으로 변형시켜(65') 자일리톨을 포함하는 반응 산물을 제조한다(70'). 바람직하기로는, 반응 산물은 자일리톨의 이론적 수율의 20% 이상의 수율로 자일리톨을 포함한다. 출발 물질, 전구 물질 또는 자일리톨 중간체의 화학적 변형은 임의의 적정 반응 또는 물질의 화학적 구조를 변형시키는 일련의 반응들을 지칭할 수 있으며, 산화 반응, 환원 반응, 가수분해 또는 축합 반응을 포함한다.
제1 구현예의 바람직한 일 측면에 있어서, 자일리톨 제조 방법은 D-글루쿠론산 반응 기질, D-프럭토퓨라노실 유론산 반응 기질 또는 L-굴론산 반응 기질을 전기화학적 산화 탈카르복시화하여 자일리톨 중간체를 제조하는 단계를 포함한다. 바람직하기로는, 상기 방법은 양극의 탈카르복시화에 의해 반응 기질을 산화적으로 탈카르복시화하는 단계를 포함하며, 여기에서, 반응 기질은 글리코시드, 올리고당, 다당류, 1-포스페이트 또는 D-글루쿠론산염의 글리코실 플루오라이드로 이루어진 군으로부터 선택된다. 산화성 탈카르복시화 단계에서는 자일리톨 중간체 화합물이 제조된다. 자일리톨 중간체는 바람직하기로는 이후 수소화 촉매제(hydrogenation catalyst) 및 수소 가스를 이용하여 환원되어 자일리톨을 포함하는 산물을 형성하는, 디알데하이드 또는 디카르보닐 구조이다.
제2 구현예의 바람직한 일 측면에 있어서, 자일리톨 제조 방법은 D-글루쿠론산 반응 기질을 산화성 탈카르복시화하여 D-자일로-펜트-1,5-디오스와 같은 디알데하이드 자일리톨 중간체를 제조하는 단계를 포함한다. 상기 산화성 탈카르복시화 단계에서는 제1 자일리톨 중간체 화합물, 바람직하기로는 디알데하이드 또는 디카르보닐 구조가 형성된다. 제2 구현예의 다른 바람직한 측면에 있어서, 자일리톨 제조 방법은 L-굴론산 반응 기질의 산화성 탈카르복시화에 의해 제2 자일리톨 중간체, 바람직하기로는 디알데하이드 또는 디카르보닐 구조를 제조하기 위한 L-자일로스와 같은 자일리톨 중간체를 제조하는 단계를 포함한다. 바람직하기로는, 제2 구현예의 모든 측면에서, 자일리톨 중간체는 추가적으로 예컨대 환원/탈수소화 반응에 의해 화학적으로 변형되어, 자일리톨을 포함하는 반응 산물로 제조된다.
발명의 상세한 설명
수치에 참조로 사용된 용어 "약" 또는 "실질적으로"는 기재된 수치와 동급의 수치상의 변화를 나타내며, 예컨대 의도한 목적이나 기능에 있어서 기재한 수치와 비실질적으로(insubstantially) 상이한 수치를 의미한다. 용어 "약" 또는 "실질적으로"로 수식된 수치 또는 관계 변화는 당업자가 파악하는 명세서에 포함된 일반적인 지침을 기준으로 한 변동을 포함한다.
"D-프럭투로노퓨라노실산(fructuronofuranosyl acid) 화합물" 및 "D-글루쿠로노피라노실산(glucuronopyranosyl acid) 화합물"에 대한 언급은, 별도로 언급하지 않는 한, 글리코시드, 폴리머 또는 올리고머 및 그것의 유도체 및 염을 포함한다.
본원에서 "D-글루쿠론산 화합물"에 대한 언급은 바람직하기로는 글리코시드, 보호된 환원성 말단을 가진 그의 폴리머 또는 올리고머, 및 그의 유도체 및 그의 염을 포함한다.
본원에서 "글루코피라노스 화합물"에 대한 언급은 글리코시드, α(알파)-, β(베타)- 및 α,β(알파,베타)-글루코피라노스의 폴리머 또는 올리고머, 그의 유도체 및 그의 염을 포함한다.
본원에서, "프럭토퓨라노스 화합물"에 대한 언급은 글리코시드, α(알파)-, β(베타)- 및 α,β(알파,베타)-프럭토퓨라노스의 폴리머 또는 올리고머, 그의 유도체 및 그의 염을 포함한다.
본원에서, "글루코피라노시두론산 화합물"에 대한 언급은 글리코시드, α(알파)-, β(베타)- 및 α,β(알파,베타)-(알파,베타)-글루코피라노시두론산의 폴리머 또는 올리고머, 그의 유도체 및 그의 염을 포함한다.
용어 "출발 물질"은 산화성 탈카르복시화 반응 전에 자일리톨 제조 방법 초기에 제공되는 화합물을 의미한다. 출발 물질을 화학적으로 변형시켜 전구 물질을 제조할 수 있으며, 또는 산화성 탈카르복시화 반응의 반응 기질일 수 있다.
용어 "전구 물질"은 출발 물질의 화학적 변형 산물이나 또는 다른 전구 물질의 화학적 변형 산물이다.
용어 "반응 기질"은 산화성 탈카르복시화 반응을 수행하여 자일리톨 중간체나 자일리톨 산물을 생산하기 위한 화합물이다. 일부 측면에서는, 또한 출발 물질은 반응 기질일 수 있다. "유론산 반응 기질"은 적어도 하나 이상의 유론산 모이어티를 포함하는 반응 기질이다.
용어 "유론산 화합물"은 임의의 글리코시드, 그것의 폴리머 또는 그것의 올리고머를 포함한 유론산 뿐만 아니라 이의 염을 포함하는 화합물을 의미한다. 유론산 화합물이나 또는 그것의 유도체 및 염은 바람직하기로는 자일리톨의 디알데하이드 중간체 또는 그것의 염 및 유도체로 변환시킬 수 있다.
전기화학적 산화성 탈카르복시화를 포함하는 자일리톨 합성
도 2에 도시한 제1 구현예에서, 자일리톨 제조 공정은 전기화학적 수단, 바람직하기로는 반응 기질의 산화성 탈카르복시화에 의해 수행되는 산화성 탈카르복시화 단계를 포함한다. 자일리톨 합성에서 전기화학적 탈카르복시화를 이용하는 것은 많은 이점이 있다. 대개, 적은 수의 화학 시약이 사용되고, 반응은 매우 선택적이므로, 산물을 정제하는데 보다 간단하다. 게다가, 전형적인 최소 폐기물 공정이며, 부산물이 무시할 수 있을 정도로 미량이며, 전기화학적 탈카르복시화 공정 이후 전형적으로 최소한의 시약이 사용된다.
적합한 반응 기질로 변환될 수 있는 모든 출발 물질을 출발 물질 또는 전구 물질로 사용할 수 있지만, 도 2에 개시한 두 가지 공정의 출발 물질로 글루코피라노스 화합물(1)을 사용한다. 글루코피라노스 화합물(1)은 임의의 적절한 산화 반응에 의해 글루코피라노시두론산 화합물(2a)로 산화(a)되어, 바람직한 반응 기질을 형성할 수 있다. 출발 물질 또는 전구 물질은 6-위치의 산소에서 비치환된 임의의 D-글루쿠로노피라노실기, 또는 고리 위치의 산소에서 비치환된 D-프럭투로노퓨라노실기를 포함할 수 있다. 반응 기질(2a)은 바람직하기로는 천연 물질이거나 또는 산화 반응(a)으로 제조된 물질인 D-글루쿠론산 또는 글리코시드의 염, 그의 올리고 또는 폴리머이다. 반응 기질(2a)은 선택적으로 소듐, 포타슘, 암모늄, 칼슘 및/또는 마그네슘 염의 형태로 제공될 수 있다.
전구 물질(1)의 반응 기질로의 산화 반응(a)은 공지된 방법으로 이룰 수 있으며, 그 예로는 백금과 같은 공기/O2 산화, 안정한 니트록실 라디칼(예, 재생시 TEMPO), 전기화학적 재생을 이용한 전이 금속 이온 산화 및 전기화학적인 방법이 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다. D-글루코피라노일 화합물을 D-글루쿠론노피라노실 단위로 산화하는데 이용되는 적정 산화 반응(a)은, 아래 문헌에 기재되어 있으며, 이들은 원용에 의해 본 발명에 포함된다: K. Heyns et at, "Selective catalytic oxidation of carbohydrates, employing platinum catalysts", Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistiy, 17, 169-221(1962); T. Yamada et al., Air oxidation of cyclodextrin with a platinum catalyst", Journal., of Applied Glycoscience, 47, 21-26(2002); P. L, Bragd et al, "Selective oxidation of carbohydrates by 4-AcNH-TEMPO/peracid systems", Carbohydrate Polymers, 49, 397-406(2002); K. Yasuda et al., "The simultaneous use of immobilized reagents for the one-pot conversion of alcohols to carboxylic acids", Journal., of the Chemical., Society, Perkin Transactions, 1, 1024-1025(2002).
글루코피라노시두론산(2a)은 전기화학적 탈카르복시화(c)되는 반응 기질로 이용하여 자일리톨 중간체(3)를 제조할 수 있다. 대안적으로, 글루코피라노시두론산(2a)을 가수분해(b)를 거치는 전구 물질로 이용하여 D-글루쿠론산(2b) 반응 물질을 제조할 수 있다. 글루코피라노시두론산 화합물의 가수분해(b)는 α- 및/또는 β-글루쿠로노시다제(또는 이 둘의 혼합) 또는 열과 산을 이용하여 수행하여, D-글루쿠론산을 방출시킬 수 있다. 글루쿠론산은 임의의 비이온성 사카라이드로부터 이온 교환 크로마토그래피 또는 전기투석(electrodialysis)에 의해 분리할 수 있다. 이들 반응 방법에 있어서, 반응 기질(예, 글루코피라노시두론산 화합물(2a) 또는 D-글루쿠론산(2b)) 반응 기질상의 카르복실-모이어티는 전기화학적으로 탈카르복시화되어, 자일리톨 중간체(3)를 형성한다. 도 2에 나타낸 두가지 공정으로 제조한 자일리톨 중간체는 D-자일로-펜트-1,5-디오스(d)를 포함한다. 바람직하기로는 자일리톨 중간체(3)은 디알데하이드 자일리톨(dialdehydo xytitol) 중간체이다.
반응 기질을 전기화학적으로 산화적 탈카르복시화하는 단계(c) 수행에 적합한 반응 기질은 바람직하기로는 피라노스 또는 퓨라노스 고리 구조가 바람직한 유론산을 포함한다. 유론산을 포함하는 반응 기질이 바람직하지만, 반응 기질은 알돈산 또는 사카린산과 같은 탄수화물산일 수 있다. 보다 구체적으로는, 반응 기질은 바람직하기로는 글리코시드, 폴리고당, 다당류, 1-포스페이트 또는 D-글루쿠론산 염의 글리코실 플루오라이드 및 D-프럭투로노퓨라노실산으로 이루어진 군으로부터 선택된 화학 모이어티를 포함한다. 바람직한 반응 기질의 예는 글루코피라노시두론산 화합물(2a) 또는 D-글루쿠론산 화합물(2b)와 같이 도 2에 개시되어 있다.
반응 기질(c)의 산화성 탈카르복시화 단계는 바람직하기로는 반응 기질의 전기화학적 산화성 탈카르복시화에 의해 수행된다. 반응 기질은 바람직하기로는 그것의 이온화(즉, 염) 형태로 자유 화합물이거나 또는 알코올이나 다른 분자에 당쇄로 연결된 형태이다. 자일리톨 중간체(3)을 제조하기 위한 적합한 산화성 탈카르복시화(c) 반응은 Hofer-Moest 반응(Hofer and Moest, Annalen, 1902, 828, 284)과 같은 산화성 탈카르복시화 반응이다. Hofer-Moest 반응은 예컨대, Kruis 및 Schanzer, Z. physikal. Chem., 1942, 191, A, 301. Neuberg (Biochemische Zeitschrift 7 (1908) 537)에 개시되어 있다. D-글루콘산의 D-아라비노스로의 탈카르복시화는 경제적으로 중요한 반응으로 연구되었으며, 상기 과정에 대한 연속 흐름 반응기(continuous flow reactor)가 개발되어 있다. 하기 참조문헌들은 원용에 의해 본 발명에 포함된다: Pergola et al., Electrochimica Acta 39 (1994) 1415; Pezzatini et al. Electroanalysis 4 (1992) 129; Vallieres and Matlosz, Journal., of the Electrochemical., Society 146 (1999) 2933.
반응 기질의 탈카르복시화용 기구는 전기화학적 셀을 포함한다. 양극의 산화성 탈카르복시화 반응(c)은 전기화학적 셀을 이용하여 수행할 수 있다. 전기화학적 셀의 양극은 임의의 적정 물질로 형성할 수 있지만, 바람직하기로는 분광 그라파이트(spectroscopic graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 왁스-함침 그라파이트(wax-impregnated graphite), 유리상 탄소(glassy carbon), 분산형 그라파이트(dispersed graphite), 분산형 탄소질 물질(dispersed carbonaceous material), 탄소 천(carbon cloth), 코크스, 또는 백금으로부터 충진상(packed bed), 유동상 또는 다공성 양극으로 제조할 수 있다. 미국 특허 제 4,950,366호는 산화성 탈카르복시화 반응(c)을 실시하는데 사용될 있는 D-아라비노스를 수득하기 위한 D-글루콘산의 탈카르복시화 장치를 개시하고 있으며, 상기 문헌은 원용에 의해 본 발명에 포함된다. 전기화학적 셀은 바람직하기로는 산화성 탈카르복시화 반응(c)이 발생될 것으로 여겨지는, 전기화학적 셀 양극을 포함한다. 양극의 표면부는 바람직하기로는 넓고, 많은 탄소질 물질, 백금 또는 그외 금속으로 이루어져 있다. 출발 물질과 양극간의 접촉으로 탈카르복시화가 이루어지며, 그 결과 이산화탄소가 유리되고 자일리톨 중간체(3)이 형성된다. 바람직하기로는 전기화학적 셀은 전기화학적 셀내에서 환원이 이루어질 수 있는 음극을 더 포함한다.
전기화학적 산화성 탈카르복시화는 반응 기질을 포함하는 용액이 전위가 인가된 전기화학적 셀의 양극과 접촉될 때, 발생되는 것으로 여겨진다. 이론에 결부되지 않고, 글루코피라노시두론산 화합물의 탈카르복시화는 5번 탄소의 탄소양이온(carbocation)(카보늄 이온)의 형성을 초래하고, 이는 (고리 산소 원자가 참여하는) 카르복소늄 이온(carboxonium ion)으로서 안정화된다. 상기 중간체에 하이드록사이드 이온 또는 물 분자를 첨가하여 헤미아세탈을 형성시킬 수 있으며, 수계 환경에서 개방되어 알데하이드(탄소 5) 및 탄소 1에서 헤미아세탈을 형성한다. 추후 알데하이드로 분해되어 디알데하이드를 형성한다.
전기화학적 산화 방법의 다른 예는 하기 문헌들에 기재되어 있으며, 이들은 원용에 의해 본 발명에 포함된다: Schuurman et al, Studies in Surface Science and Catalysis. 72(1992) 43; Applied Catalysis A: General., 89(1992) 31, 47; P.L Bragd, A.C. Besemer, and H. van Bekkum, Carbohydrate Polymers 49(2002) 397-406), Matsuoka et al., Fuel Cells 2 (2002) 35.
글루코피라노시두론산(2a) 또는 D-글루쿠론산(2b)와 같은 반응 기질의 전기화학적 탈카르복시화(c)의 수행으로, D-자일로-펜트-1,5-디오스(d)와 같은 자일리톨 중간체(3)가 제조된다. 자일리톨 중간체(3)의 후속적인 한가지 이상의 변형, 예컨대 환원-수소화 반응(e)을 통해 자일리톨(4)을 포함하는 산물 조성물이 산출된다. 비이온성 자일리톨 중간체(3)는 미반응의 출발 물질(2)로부터 예컨대, 음이온 교환 크로마토그래피 또는 전기투석에 의해 분리할 수 있다. 자일리톨 중간체(3)의 환원은 당업계에 공지된 적절한 방법으로 수행할 수 있으며, 그 예로는 수소화 촉매 반응이 있으나 이로 한정되는 것으로 아니다. 효과적인 촉매제로는 루테늄과 니켈이 있다. 특히, 지지된 루테늄 촉매(supported ruthenium catalyst)와 레이니 니켈(Raney nickel)을 사용할 수 있다. 일 측면에서, 자일리톨 중간체(3)는 수소와, 루테늄(국제 특허 출원번호 2004052813, 원용에 의해 본 발명에 포함됨), 니켈(미국 특허 제 4,008,285호, 원용에 의해 본 발명에 포함됨) 또는 그외 공지된 수소화 촉매와 반응시켜 자일리톨(4)을 제조할 수 있다. 수소화 반응은 약 70 ℃ 내지 약 150 ℃에서 약 0.1 내지 약 10 MPa H2 압력 조건에서 일반적으로 수행된다. 대안적으로, 전기화학적 환원을 사용할 수도 있다(Taylor, Chemical., and Metallurgical., Engineering, Vol. 44(1937) 588, 원용에 의해 본 발명에 포함됨). D-프럭투로노퓨라노실산의 탈카르복시화에 의해 수득한 중간체를 환원시켜 자일리톨과 D-아라비니톨의 혼합물을 만든다. 자일리톨은 결정화에 의해 회수할 수 있다(Dc Faveri et al., Journal., of Food Engineering 61(2004) 407, 원용에 의해 본 발명에 포함됨).
도 3은 도 2의 반응식에 따른 자일리톨 제조 방법에 사용할 수 있는 여러가지 화합물에 대한 구체적인 화학 반응식을 나타낸다. 출발 물질 또는 전구 물질(1)은 전기화학적 산화성 탈카르복시화(c)를 거치는 반응 기질(2)을 형성하기 위해 화학적으로 변이될 수 있는 임의의 적정 화합물일 수 있다. 전술한 바와 같이, 적합한 출발 물질 또는 전구 물질은 6번 위치의 산소에서 비치환된 임의의 D-글루쿠로노피라노실기나 D-프럭투로노퓨라노실기를 포함할 수 있다. 반응 기질로 전환되는 출발 물질(1) 또는 전구 물질(적용하는 경우)은 바람직하기로는 D-글루쿠론산(도 2의 1)의 염 또는 글리코시드, 그것의 올리고머, 그것의 폴리머이며, 천연 물질이거나 또는 산화 반응에 의해 제조된 것이다. 전구 물질 또는 출발 물질로 이용가능한 적합한 천연 물질의 두가지 예는, 글루우로란(gluuoran)과 글루쿠로난(glucuronan)(글루쿠론산의 천연 폴리머)이다. 그외 적합한 출발 물질(1)로는 글루코시드(R은 알킬 또는 아릴기임), 말토- 또는 셀룰로-올리고- 또는 다당류(R 및/또는 R'기들 중 하나는 D-글루코피라노실 단위이며, 다른 R'기는 H임)와 같은 글리코시드 결합에 D-글루코피라노실 단위를 포함하는 화합물, D-글루코피라노실 포스페이트(R은 포스페이트임), D-글루코피라노실 플루오라이드(OR은 F임), 또는 슈크로스(R은 D-프럭토퓨라노실 단위)가 있다. 출발 물질(1)은 탄소 1번이 알파 또는 베타 배위를 가질 수 있다. 대안적으로는, 2,1-연결된 D-프럭토퓨라노실 단위를 포함하는 올리고당 및 다당류를 출발 물질로서 사용할 수도 있다. 다른 측면으로, 그로부터 수득한 2,1-연결된 프럭탄 또는 올리고머의 산화에 의해 제조된 D-프럭토퓨라노실 함유 화합물의 염 또는 2,1-연결된 올리고 또는 그것의 폴리머 역시 반응 시퀀스의 반응 기질로서 사용할 수 있다.
도 3에서, 출발 물질(1)은 도 2의 반응식에 따라 전술한 바와 같이 적합한 반응 기질(2)로 변환된다. 반응 기질(2)에서, 글리코시드(R)의 어글리콘은 바람직하기로는 알킬 또는 아릴 알코올, 당, 및 글루쿠로노피라노실 단위의 1번 탄소에 대한 글루코피란유로노실 단위(올리고 또는 폴리글루코론산) 또는 유사 보호기로 이루어진 군으로부터 선택된 화학 모이어티가 바람직하다. 자일리톨 중간체 화합물(3)을 제조하기 위한 산화성 탈카르복시화(c)와 자일리톨 산물(4)을 제조하기 위한 환원 수소화(e)를 포함하는, 도 3의 화학 반응식의 나머지 단계는 도 2에 도시된 반응식에 나타난 바와 같이 수행한다. 바람직하기로는, 반응 기질은 유론산이고, 자일리톨 중간체(3)는 디알데하이드 자일리톨 중간체이다.
제1 구현예의 바람직한 첫번째 측면에 따른 자일리톨 제조 방법은, D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 제공하는 단계, D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 임의의 적정 방법으로 산화시켜 D-글루쿠로노피라노실 모이어티를 포함하는 반응 기질을 제조하는 단계, D-글루쿠로노피라노실 모이어티를 함유하는 반응 기질을 전기화학적으로 탈카르복시화하여 자일리톨 중간체를 제조하는 단계, 상기 자일리톨 중간체를 임의의 적정 방법으로 환원 및 수소화하여, 자일리톨을 제조하는 단계를 포함한다. 바람직하기로는, 산화성 탈카르복시화는 양극의 전기화학적 공정에 의해 수행된다. 또한, 바람직하기로는 자일리톨 중간체는 비이온성 종이다. 일 측면으로, 자일리톨 중간체는 D-자일로-펜트-1,5-디오스이다.
제1 구현예의 다른 바람직한 측면에 따른 자일리톨 제조 방법은, D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 제공하는 단계, D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 임의의 적정 방법으로 산화시켜 D-글루쿠로노피라노실 모이어티를 포함하는 전구 물질을 제조하는 단계, D-글루쿠로노피라노실 모이어티를 함유하는 전구 물질을 임의의 적정 방법으로 가수분해시켜 D-글루쿠론산 모이어티를 포함하는 반응 기질을 제조하는 단계, 상기 D-글루쿠론산 모이어티를 포함하는 반응 기질을 전기화학적으로 탈카르복시화하여 자일리톨 중간체를 제조하는 단계, 및 상기 자일리톨 중간체를 임의의 적정 방법으로 환원 및 수소화하여, 자일리톨을 제조하는 단계를 포함한다. 바람직하기로는, 산화성 탈카르복시화는 양극의 전기화학적 공정에 의해 수행된다. 또한 바람직하기로는, 자일리톨 중간체는 비이온성 종이다. 일 측면에서, 자일리톨 중간체는 D-자일로-펜트-1,5-디오스이다.
제1 구현예의 바람직한 세번째 측면에 따른 자일리톨 제조 방법은, 6번 산소 위치에서 비치환된 D-프럭투로노퓨라노실 함유 출발 물질을 제공하는 단계, D-프럭투로노퓨라노실 함유 출발 물질을 임의의 적정 방법으로 산화시켜 D-프럭투로노퓨라노실 모이어티를 포함하는 반응 기질을 제조하는 단계, D-프럭투로노퓨라노실 모이어티를 함유하는 전구 물질을 가수분해하는 단계, 및 D-프럭투로노퓨라노실 모이어티를 함유하는 전구 물질을 산화적으로 탈카르복시화하여 자일리톨을 제조하는 단계를 포함한다. 바람직하기로는, 산화성 탈카르복시화를 양극의 전기화학적 공정에 의해 수행된다.
특정 분자 구조에 대한 제1 구현예의 특정 바람직한 측면을 나타내었지만, 그외 수많은 반응 기질, 전구 물질 및 출발 물질 또한 고려된다. 예컨대, 전기화학적 탈카르복시화는 다른 전구 물질을 생산하기 위해 유론산 모이어티를 포함하는 임의의 화합물에 적용될 수 있다. 2,1-연결된 D-프럭토퓨라노실유로네이트 단위는, D-글루코피라노실 단위를 포함하는 화합물이 산화되는 동일한 방식으로 1차 알콜기(이뉼린의 탄소-6, 이뉼린 올리고당 또는 그외 2,1-연결된 프럭탄)의 산화에 의해 수득될 수 있는 바와 같이, 퓨란의 탄소양이온(카르보늄 이온)화를 유도하는 근본적으로 동일한 일련의 반응을 거칠 수 있다. 이후 OH의 첨가와 고리의 개방 및 분리로 자일리톨과 L-아라비니톨의 혼합물로 환원될 수 있는 중간체가 산출된다. L-아라비니톨의 이성화(isomerization)를 통해 자일리톨중에서 알디톨 에피머(alditol epimer)들의 혼합물이 형성된다(미국 특허 제 5,714,602호 및 제 6,458,570호, 이들은 원용에 의해 본 발명에 포함됨). 또한, 자일리톨은 그외 펜티톨로부터 생화학적으로 형성될 수 있다(유럽 특허 제 421882호 및 미국 특허 제 6,303,353호 및 제 6,340,582호, 일본 특허 제 2004024140호).
제1 구현예의 일 측면에 따른 자일리톨 제조 방법은, 6번 산소 위치에서 비치환된 D-프럭투로노퓨라노실 함유 출발 물질을 제공하는 단계, D-프럭투로노퓨라노실 함유 출발 물질을 임의의 적정 방법으로 산화시켜 D-프럭투로노퓨라노실 화합물을 제조하는 단계, 전구 물질을 탈카르복시화하여 자일리톨 중간체와 D-아라비니톨을 제조하는 단계, 및 자일리톨 전구체를 환원시켜 D-아라비니톨과 함께 자일리톨을 제조하는 단계를 포함한다. 바람직하기로는, 산화성 탈카르복시화는 양극의 전기화학적 공정에 의해 수행된다.
화학적 산화성 탈카르복시화를 포함하는 자일리톨 합성
도 4에 나타낸 제2 구현예에서, 자일리톨 제조 방법은 한가지 이상의 화학 반응에 의해 수행되는 산화성 탈카르복시화 단계를 포함한다. 다양한 화학 반응을 사용하여 제2 구현예에 따른 반응 기질의 산화성 탈카르복시화를 수행할 수 있다.
탈카르복시화 단계를 수행하기 위한 화학 반응을 이용하는 것을 포함하는 자일리톨 제조 방법은 도 4에 도시화되어 있다. 도 4는 제2 구현예에 따른 자일리톨 제조 공정의 두가지 안을 나타낸다. 첫번째로, 자일리톨은 화학적 탈카르복시화(c2)를 거치는 D-글루쿠론산 반응 기질(30)으로부터 제조된다. 두번째로, 자일리톨은 자일리톨 중간체를 형성하기 위한 화학적 탈카르복시화(g2)를 거치는 L-굴론산 반응 기질(60)으로부터 제조된다. 제조되는 자일리톨 중간체는 사용된 반응 기질에 따라 결정된다. 먼저, D-자일로-펜트-1,5-디오스(d2) 자일리톨 중간체(40)가 제조된다. 두번째로, L-자일로스(h2) 자일리톨 중간체(70)가 제조된다. 자일리톨 중간체(40, 70)은 수소화 환원 반응(e2)에 의해 환원될 수 있다.
임의의 적정 출발 물질은 반응 기질 또는 전구 물질로서 사용될 수 있는 적합한 반응 기질로 변환될 수 있다. 도 4의 공정의 출발 물질로서 글루코피라노스 화합물(10)이 기재되어 있다. 출발 물질은 제1 구현예의 자일리톨 합성 방법에 기재된 바와 같이, 임의의 적합한 산화 반응을 통해 글루코피라노시두론산 화합물(20)로 산화되어, 전구 물질 또는 반응 기질로 형성될 수 있다. 전구 물질(10)의 글루코피라노시두론산 전구 물질(20)으로의 산화 반응(a2)는 백금과 같은 촉매상에서의 공기/O2 산화, 안정한 니트록실 라디칼(예, 재생시 TEMPO), 전기화학적 재생에 의한 전기 금속 이온 산화 및 전기화학적인 방법을 비제한적으로 포함하는, 당업계에 공지된 방법으로 수행될 수 있다. D-글루코피라노실 화합물을 D-글루쿠로노피라노실 단위로 산화시키는데 사용하기 위한 적절한 산화 반응(a2)는 하기 문헌들에 기재되어 있으며, 이들은 원용에 의해 본 발명에 포함된다: K. Heyns et at, "Selective catalytic oxidation of carbohydrates, employing platinum catalyats", Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry, 17, 169-221(1962);. T. Yamada et al., Air oxidation of cyclodextrin with a platinum catalyst", Journal., of Applied Glycoscience, 47, 21-26(2002), P. L. Bragd et al., "Selective oxidation of carbohydrates by 4-ACNH-TEMPO/peracid systems", Carbohydrate Polymers, 49, 397-406(2002); K Yasuda et al., "The simultaneous use of immobilized reagents for the one-pot conversion of alcohols to carboxylic acids", Journal., of the Chemical., Society, Perkin Transactions, 1, 1024-1025(2002).
글루코피라노시두론산(20)은 반응 기질이나 다른 전구 물질로 변환시킬 수 있는 전구 물질로 사용될 수 있다. 글루코피라노시두론산(20)은 글루코피라노시두론산 전구 물질(20)의 가수분해(b2)에 의해 D-글루쿠론산(30)으로 변환시킬 수 있다. 글루코피라노시두론산 전구 물질(20)의 가수분해(b2)는 알파- 및/또는 베타-글루쿠로노시다제와 같은 효소를 이용하거나 또는 열을 가한 산을 이용하는 것과 같은 임의의 적정 방법으로 수행할 수 있다. 글루쿠론산(30)은 이온 교환 크로마토그래피에 의해 비이온성 사카라이드로부터 분리할 수도 있다.
D-글루쿠론산(30)은 반응 기질로 제공할 수 있으며 화학적 탈카르복시화(c2)를 거칠 수 있다. 대안적으로, D-글루쿠론산(30)은 적합한 탈수소 반응에 의해 이후 환원되는 전구 물질로서 제공하여, L-굴론산(60) 반응 기질을 형성하는 것이 바람직하다. D-글루쿠론산 반응 기질(30)은 당업계에 공지된 방법으로 환원시킬 수 있다. 적합한 수소화 환원 반응에는, 예컨대 도 2의 자일리톨 중간체(4)의 환원(e2)에 대해 전술한 바와 같이, 수소와 수소화 촉매가 사용된다.
D-굴론산 반응 기질(30)은 모든 적절한 형태의 화학적 산화성 탈카르복시화(c2)를 거쳐 제1 자일리톨 중간체(40)(D-자일로-펜트-1,5-디오스, d2)로 제조될 수 있다. 이와 유사하게, L-굴론산 반응 기질(60)은 모든 적절한 유형의 산화성 탈카르복시화(g2)를 거쳐, 제2 자일리톨 중간체(h2)(L-자일로스)로 제조될 수 있다. 산화성 탈카르복시화 반응은 전형적으로 이산화탄소를 유리시키고, D-자일로-펜트-1,5-디오스(d2) 또는 L-자일로스(h2)와 같은 자일리톨 중간체의 형성을 초래한다. 이러한 비이온성 자일리톨 중간체(40) 및 (70)은 음이온 교환 크로마토그래피에 의해 미반응의 출발 물질들로부터 분리할 수 있다.
산화성 탈카르복시화(c2),(g2)는 여러가지 화학 반응을 이용하여 반응 기질(30)에 대해 수행할 수 있다. 적합한 화학적 산화성 탈카르복시화 방법의 예로는, 1차 산화제를 이용한 전이 금속 이온 촉매 사용, 하이포클로라이트/하이포클로로우스 산의 사용, 광화학 Hofer-Moest 반응 및 초임계수(supercritical., water)의 사용들중 한가지 이상을 포함하나, 이로 한정되는 것은 아니다.
일 측면에서, 화학적 산화성 탈카르복시화는 하이포클로라이트/하이포클로로우스산을 이용하여 수행한다. 바람직하기로는, 화학적 산화성 탈카르복시화는 (알파)-하이드록시산 위치를 포함하는 반응 기질, 예컨대 D-글루쿠론산 또는 L-굴론산에서 수행된다. 당산(sugar acid)의 아미드는 또한 하이포클로라이드(호프만 분해)로부터 탈카르복시화할 수 있다. 호프만 분해 역시 글루쿠로노사이드의 탈카르복시화에 사용할 수 있다. 하이포클로라이트/하이포클로로우스산을 이용한 탄수화물의 산화성 탈카르복시화에 대한 추가적인 내용은 R. L. Whistler et at, "Preparation of D-arabinose and D-glucose with hypochiorite", Journal., of the American Chemical., Society, 81, 46397(1981)에서 볼 수 있으며, 상기 문헌은 원용에 의해 본 발명에 포함된다.
또한, 화학적 산화성 탈카르복시화는 예컨대, V. Di Tullio et al., "Superctitical., water refining of petroleum residues and simultaneous hydrolysis-decarboxylation of waste glycerides, fats and proteins", PCT 국제 출원 공개번호 WO 2002/74881(국제 출원일 2006년 9월 26일)(Chemical., Abstracts 137, 265376(2002))에 개시된 바와 같이, 초임계수를 이용하여 수행할 수 있으며, 상기 문헌은 원용에 의해 본 발명에 포함된다.
다른 측면으로, 화학 산화성 탈카르복시화는 Fe(III), Cu(II), Ru(III), Co(II), Mn(III), Ag(I), Bi(III)/Bi(0)와 같은 전이 금속 이온 촉매 및 상기 촉매를 재생하기 위하여 과산화 수소, 하이포클로라이트, 하이포클로라이트/브로마이드, 하이포브로마이트, 클로린 디옥사이드, 산소, 오존, 페록시니트리트, 퍼설페이트 또는 브로민과 같은 1차 산화제와 이들의 복합체를 이용하여 수행한다.
바람직하기로는, 자일리톨 제조 방법은 임의의 적합한 1차 산화제와 병용하여 Cu(II) 촉매와 같은 구리 전이 금속 이온 촉매를 이용하여 화학적 산화성 탈카르복시화를 수행하는 단계를 포함한다. 예를 들면, 루프(Ruff) 분해 과정은 바람직하기로는 산성 당의 루프 분해를 위해 철 보다는 구리 이온을 이용하여 수행할 수 있다. 유기용매중의 지방족 및 (알파)-하이드록시산의 Cu(I)/산소 탈카르복시화를 일 측면에서 사용할 수 있다. 다른 측면으로, 페리오데이트 및 텔루레이트의 Cu(III) 염을 이용하여 (알파)-하이드록시산을 탈카르복시하는데 사용하여, 알데하이드 및 케톤을 제조할 수 있다. 상기 루프 분해는 W. Pigman et al., "The Carbohydrates", Academic Press, New York, 2nd Ed., Vol. IA(1972), Vol. lB (1980)에 개시되어 있으며, 탄수화물의 산화성 탈카르복시화에 관한 내용은 원용에 의해 본 발명에 포함된다.
또한, 화학적 산화성 탈카르복시화는 예컨대, YR Rao et al, "Kinetics of ruthemum(III)-catalyzed oxidative decarboxylation of some aliphatic acids by ceric su1fate, Proceedings of the National., Symposium on Catalysis, 4th, 341-346 (Chemical., Abstracts 94, 46397(1981))에 개시된 바와 같이, 전술한 적합한 1차 산화제와 병용하여, Ru(III) 촉매를 이용하여 수행할 수 있으며, 상기 문헌은 원용에 의해 본 발명에 포함된다.
대안적으로, 화학적 산화성 탈카르복시화는 Ce(IV) 화합물을 이용하여 수행할 수 있으며, 예컨대 D-글루콘산을 탈카르복시화하여 D-아라비노스를 제조할 수 있다. 납(IV) 아세테이트 또한 예컨대 당업계에 공지된 바와 같이 글리쿠로노사이드 결합의 선택적 절단을 위해 탈카르복시화 반응에 사용할 수 있다.
여러가지 적합한 전이 금속 이온을 사용하여 (알파)-하이드록시 산을 이후 Hofer-Moest형의 탈카르복시화 매커니즘에 따라 탈카르복시화할 수 있다. 예컨대, 화학적 탈카르복시화 반응은 Pb(IV), Ag(II), Mn(III), Co(III), Ce(IV) 또는 Th(III) 중 한가지 이상의 것을 이용하여 수행하는 Kolbe/Hofer-Moest 형의 탈카르복시화 반응일 수 있다. 다른 예로, 루프 분해에서 Ni(II) 이온 또는 Ti(IV)를 포함하는 한가지 이상의 화합물의 사용을 포함한다. 그외 산화성 탈카르복시화 수행에 유용한 화합물은 당업계에 공지된 바와 같이, Au(III), Pt(IV), Ir(IV), Ag(II) 및 Hg(II)중 한가지 이상을 포함하는 화합물을 포함할 수도 있다. 피라노스 화합물의 탈카르복시화에 있어서, 바람직한 산화성 탈카르복시화 방법은 호프만 분해 방법 및 Pb(IV) 함유 화합물을 이용하는 단계를 포함하는 방법이다.
또한, Hofer-Moest 반응의 광화학 버전을 산화성 탈카르복시화에 사용할 수 있다. 상기 반응의 광화학 버전은 (Fe, Cu, Ag 또는 그외 금속 이온으로 도핑될 수 있는) 티타늄 옥사이드 또는 철(III)-포르피린 복합체를 사용한다. 이러한 광화학적인 산화성 탈카르복시화 방법의 추가적인 상세 사항은, J. M. Hermann et al, "Photocatalytic degradation of aqueous hydroxyl-butandioic acid(malic acid) in contact with powdered and supported titania in water", Catalysis Today, 54, 131-141(1999); P. Hanson et al, "The mechanisms of the photo-decarboxylation of alkyl- and arylmethyl-carboxylates using visible light and iron(III) tetra-(2-N-methylpyridyl)porphrin pentachioride in aqueous solution", Journal., of the Chemical., Society, Perkins Transactions, 2, 2653-2568 (1998)에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 원용에 의해 본 발명에 포함된다.
도 4를 참조하면, D-자일로-펜트-1,5 디오스(d2)로 나타낸 제1 자일리톨 중간체(40)와 L-자일로스로 나타낸 제2 자일리톨 중간체(70)는 수소 및 수소화 촉매를 이용하여 환원시켜, 자일리톨(50)을 제조할 수 있다. 상기 환원(e2)은 루테늄 또는 니켈 촉매와 같은 임의의 적합한 반응을 이용하여 수행할 수 있다. 예컨대, 환원(e2)은 자일리톨(50)을 제조하기 위해, 수소와, 루테늄(국제 특허 출원번호 2004052813, 원용에 의해 포함됨), 니켈(미국 특허 제 4,008,285호, 원용에 의해 본 발명에 포함됨) 또는 그외 당업계에 따른 수소화 촉매를 이용하여 수행하는 수소화 반응일 수 있다. 일 측면으로, 수소화 반응은 70 ℃ 내지 150 ℃에서 0.1 내지 10 MPa H2 압력 조건에서 수행한다. 대안적으로, 전기화학적 환원을 사용할 수도 있다(Taylor, Chemical., and Metallurgical., Engineering, Vol. 44(1937) 588, 원용에 의해 본 발명에 포함됨). 일 측면으로, D-자일로-펜트-1,5-디오스(d2) 자일리톨 중간체(40) 및/또는 L-자일로스(h2) 자일리톨 중간체(70)는 수소 및 루테늄을 이용하여 환원시킬 수도 있다.
환원(e2) 이후에, 자일리톨(50)은 예컨대 Dc Faveri et al., Journal., of Food Engineering 61(2004) 407에 개시된 바와 같이, 결정화에 의해 최종 산물을 분리할 수 있으며, 상기 문헌은 원용에 의해 본 발명에 포함된다. L-자일로스(70)는 음이온 교환 크로마토그래피로 미반응의 L-굴로네이트 염으로부터 분리할 수 있다. 자일리톨은 이온 교환 크로마토그래피를 포함한 임의의 적합한 방법으로 L-굴론산 또는 D-글루쿠론산으로부터 분리할 수 있다. 특히 바람직한 측면에서, 이온화된 염 형태의 L-굴론산은 산화되어 L-자일로스로 제조되고, D-글루쿠론산을 탈카르복시화하여 디알데하이드로 제조되며, 이들 산물 모두 환원시켜 자일리톨을 제조할 수 있다.
도 5는 출발 물질(10)이 글리코시드로 연결된 알파-D-글루코피라노실 단위나 또는 관련 화합물이고 반응 기질이 D-글루쿠론산(30)인 경우에, 도 4에 도시한 반응 순서를 나타낸다. 도 5에서, 출발 물질(10)은 D-글루쿠론산(30) 반응 기질로 가수분해되는 전구 물질(20)(예, 글루코피라노시두론산 화합물)로 산화된다(a2). D-글루쿠론산 반응 기질(30)의 화학적 산화성 탈카르복시화(c2)로 디알데하이드 자일리톨 중간체(40)이 제조되고, 이는 자일리톨(50)로 환원될 수 있다. 바람직하기로는, 자일리톨 중간체(40)은 디알데하이드 자일리톨 중간체이다.
도 6은 D-글루쿠론산(30) 화합물이 L-굴론산(60)으로 환원되는 전구 물질인 경우의 도 4에 따른 반응 순서를 나타낸다. L-굴론산(60)은 탈카르복시화를 거쳐 L-자일로스(70) 자일리톨 중간체로 제조되며, 이는 자일리톨(50)로 환원(e2)된다.
바람직하기로는, D-글루쿠론산 화합물(30)은 올리고- 또는 폴리(글루쿠론산)(중합도 2 이상)의 소듐, 포타슘, 암모늄, 칼슘 및/또는 마그네슘 염을 포함하는 염이다. 보다 구체적으로는, D-글루쿠론산 화합물(30)은 D-글루쿠론산의 염, 알킬 또는 아릴 D-글루쿠로노피라노사이드, D-글루쿠로노피라노스 1-포스페이트 및 D-글루쿠로노피라노실 플루오라이드일 수 있다. 반응 기질(30)은 또한 D-프럭토로노퓨라노실 화합물일 수 있으며, 선택적으로, 산화된 이뉼린 또는 그외 2,1-연결된 프럭탄의 소듐, 포타슘, 암모늄, 칼슘 및/또는 마그네슘 염을 포함한다. L-굴론산 염(60)은 바람직하기로는 L-굴론산의 소듐, 포타슘, 암모늄, 칼슘 및/또는 마그네슘 염으로 이루어진 군으로부터 선택된 한가지 이상을 포함한다.
도 5 및 6에서, 출발 물질(10) 또는 전구 물질은 글루코시드(R은 알킬 또는 아릴기임), 말토- 또는 셀룰로-올리고- 또는 다당류(R 및/또는 R'기들 중 하나는 D-글루코피라노실 단위이며, 다른 R'기는 H임)와 같은 글리코시드 결합에 D-글루코피라노실 단위를 포함하는 화합물, D-글루코피라노실 포스페이트(R은 포스페이트임), D-글루코피라노실 플루오라이드(OR은 F임), 또는 슈크로스(R은 D-프럭토퓨라노실 단위)일 수 있다. 출발 물질(10)의 1번 탄소에 하이드록시알킬(-OR)이 알파 또는 베타 배위중 어느 하나일 수 있다. 선택적으로, 출발 물질(10)은 천연 글루쿠로난 또는 D- 글루쿠론산 단위를 포함하도록 산화시킨 슈크로스일 수 있다. 또한, 출발 물질은 알킬 글루코사이드, D-글루코스 1-포스페이트 또는 D-글루코피라노실 플루오라이드를 D-글루쿠론산을 함유하는 해당 화합물로 산화시키거나; 전분, 덱스트린, 말토덱스트린 또는 그외 전분 유래 물질을 다수개의 D-글루쿠론산 단위를 함유하고 있는 화합물로 산화시키거나; 셀룰로스 또는 셀로덱스트린을 다수개의 D-글루쿠론산 단위를 포함하는 화합물로 산화시키거나; 글루쿠론산 단위를 제조하기 위해 슈크로스를 산화시켜 수득할 수 있다. 또한, 출발 물질은 천연의 글루쿠로난일 수 있다.
도 5의 반응 기질(20)은 바람직하기로는 천연 물질 또는 산화에 의해 제조된 것인 D-글루쿠론산 또는 글리코시드, 그것의 올리고머, 그것의 폴리머 또는 관련 화합물이다. 도 6의 반응 기질(60)은 바람직하기로는 L-굴론산 화합물이다. 도 5의 (D-글루쿠론산, 글리코시드 또는 그것의 관련 화합물의 산화성 탈카르복시화로부터의) 자일리톨 중간체(40)나, 또는 도 6의 (L-굴론산의 산화성 탈카르복시화로부터의) 자일리톨 중간체(60)을 환원시켜(e2) 자일리톨(50)을 제조할 수 있다. 환원(e2)은 제1 구현예의 경우 도 2의 자일리톨 중간체 환원 단계(e)에 관해 개시된 것을 포함한, 임의의 적합한 방법으로 수행할 수 있다.
제2 구현예의 일 측면에 따른 자일리톨 제조 방법은, D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 제공하는 단계, D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 임의의 적정 방법으로 산화시켜 D-글루쿠로노피라노실 모이어티를 포함하는 제1 전구 물질을 제조하는 단계, 상기 제1 전구 물질을 임의의 적합한 방법으로 가수분해하여 D-글루쿠론산을 포함하는 제2 전구 물질을 제조하는 단계, 상기 제2 전구 물질을 임의의 적합한 방법으로 환원 및 수소화 반응시켜 L-굴론산을 포함하는 반응 기질을 제조하는 단계, 상기 L-굴론산을 포함하는 반응 기질을 산화적으로 탈카르복시화하여 자일리톨 중간체를 제조하는 단계, 상기 자일리톨 중간체를 임의의 적정 방법으로 환원 및 수소화하여 자일리톨을 제조하는 단계를 포함한다. 바람직하기로는, 자일리톨 중간체는 L-자일로스이다.
제2 구현예의 다른 측면에 따른 자일리톨 제조 방법은, D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 제공하는 단계, D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 임의의 적정 방법으로 산화시켜 D-글루쿠로노피라노실 모이어티를 포함하는 전구 물질을 제조하는 단계, 상기 D-글루쿠로노피라노실 모이어티를 포함하는 전구 물질을 임의의 적합한 방법으로 가수분해하여 D-글루쿠론산을 포함하는 반응 기질을 제조하는 단계, 상기 D-글루쿠론산을 포함하는 반응 기질을 산화적으로 탈카르복시화하여 자일리톨 중간체를 제조하는 단계, 상기 자일리톨 중간체를 임의의 적정 방법으로 환원 및 수소화하여 자일리톨을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 측면에서, 자일리톨 중간체는 전형적으로 D-자일로-펜트-1,5-디오스이다.
제2 구현예의 또다른 측면에 따른 자일리톨 제조 방법은, D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 제공하는 단계, D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 임의의 적정 방법으로 산화시켜 D-글루쿠로노피라노시두론 모이어티를 포함하는 전구 물질을 제조하는 단계, 상기 D-글루쿠로노피라노시두론 모이어티를 포함하는 전구 물질을 임의의 적합한 방법으로 가수분해하여 D-글루쿠론산을 포함하는 반응 기질을 제조하는 단계, 상기 D-글루쿠론산을 포함하는 반응 기질을 산화적으로 탈카르복시화하여 자일리톨 중간체를 제조하는 단계, 상기 자일리톨 중간체를 임의의 적정 방법으로 환원 및 수소화하여 자일리톨을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 측면에서, 자일리톨 중간체는 전형적으로 D-자일로-펜트-1,5-디오스이다.
자일리톨 제조 방법의 수율은 이론적인 수율의 약 20, 30, 40, 40. 50, 60, 70, 80, 85, 90, 95 또는 최대 100%이며, 보다 바람직하기로는 약 40% 이상, 약 60% 이상, 약 80% 이상이거나 바람직하기로는 약 95%이상이다.
또한, 바람직하기로는, 자일리톨 제조 방법은 몰 기준으로 출발 물질의 약 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상, 40% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상 또는 최대 100%를 소모하며, 보다 바람직하기로는 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상을 소비한다. 일부 예들에서, 미반응의 출발 물질은 미반응의 출발 물질을 새로운 반응의 개시 시기에 출발 물질로서, 반응 기질로서, 전구 물질로서을 재사용함으로써 재활용한다.
본 발명의 상기한 구현예의 예시적인 조합을 하기에 개시하다. 제1 구현예의 자일리톨 합성 방법에 있어서, 피라노스 또는 퓨라노스 고리 구조를 포함하는 반응 기질의 전기화학적 산화성 탈카르복시화가 특히 바람직하다. 일 측면에서, 산화성 탈카르복시화를 위한 반응 기질은 피라노실 고리의 6번 위치의 산소에서 화학적으로 치환되지 않은 D-글루쿠로노피라노실 기를 포함하는 물질이다. 다른 측면에서는, 산화성 탈카르복시화를 위한 반응 기질은 퓨라노실 고리의 산소에 화학적 치환이 없는 D-프럭투로노퓨라노실 기를 포함하는 물질이다. 제2 구현예의 자일리톨 합성 방법에 있어서, 반응은 D-글루쿠로노피라노실 단위를 포함하는 화합물의 가수분해 단계, 유리 D-글루쿠론산을 방출하는 단계 및 이후 L-굴론산으로 환원하는 단계를 포함하는 반응이 바람직하다. 금속 이온 촉매, 특히 구리(예, 루프 분해)를 이용한 환원은 D-글루쿠론산을 L-굴론산으로 환원시키는데 바람직하다. 상기 제1 및 제2 구현예의 측면들의 예시적인 여러가지 조합을 하기에 나타낸다.
첫번째 예로, 자일리톨 제조 방법은 하기 단계들 중 한 단계 이상을 포함한다:
a. D-글루쿠론 화합물을 전기화학적으로 탈카르복시화하여 디알데하이드 자일리톨 중간체를 제조하는 단계,
b. 상기 자일리톨 중간체를 촉매 존재하에 수소화하여 자일리톨을 제조하는 단계,
c. 상기 자일리톨 중간체를 미반응의 유론산염 또는 글리코시드, 그것의 올리고머 또는 그것의 폴리머 및 관련 화합물들로부터 분리하는 단계,
d. 선택적으로 단계 (a)에서 임의의 미반응의 출발 물질을 재활용하는 단계.
두번째 예로, 자일리톨 제조 방법은 하기 단계들 중 한 단계 이상을 포함한다:
a. D-프럭투로노퓨라노실산염, 글리코시드, 그것의 올리고머 또는 그것의 폴리머를 전기화학적으로 탈카르복시화하여 디카르보닐 자일리톨 중간체를 제조하는 단계.
b. 상기 자일리톨 중간체를 촉매 존재하에 수소화하여 자일리톨과 D-아라비니톨의 혼합물을 제조하는 단계.
c. 선택적으로, 미반응의 D-프럭투로노퓨라노실산 염, 글리코시드, 그것의 올리고머 또는 그것의 폴리머들로부터 상기 자일리톨 중간체를 분리하는 단계, 또는
d. 선택적으로 단계 (a)에서 출발 물질 잔여물을 재활용하는 단계를 더 포함하는 단계.
세번째 예로, 자일리톨 제조 방법은 하기 단계들 중 한 단계 이상을 포함한다:
a. L-굴론산의 염을 전기화학적으로 탈카르복시화하여 L-자일로스를 제조하는 단계.
b. 상기 L-자일로스를 촉매 존재하에 수소화하여 자일리톨을 제조하는 단계,
c. 선택적으로, 미반응의 L-굴론산의 염으로부터 L-자일로스 또는 자일리톨을 분리하는 단계.
d. 선택적으로, 단계 (a)에서 임의의 미반응의 출발 물질을 재활용하는 단계.
네번째 예에서, 자일리톨 제조 방법은 물, 메탄올, 에탄올, 디옥산 또는 아세토니트릴과 같은 적정 수 혼화성 용매(water miscible solvent)에 유론산 염 또는 그의 글리코시드를 용해시키는 단계를 포함한다.
다섯번쩨 예에서, 자일리톨 제조 방법은 전기화학적 탈카르복시화 단계를 포함한다. 바람직하기로는, 산화성 탈카르복시화는 양극에 위치한 전기화학적 셀에서 이루어진다. 보다 바람직하게는, 상기 양극은 충진상, 유동상 또는 다공성 양극으로서 분광 그라파이트, 열분해 탄소, 왁스-함침성 그라파이트, 유리상 탄소, 분산형 그라파이트, 분산형 탄소질 물질, 탄소 천, 코크스 또는 백금을 포함한다. 또한, 바람직하기로는 환원 반응은 전기화학적 셀내 음극에서 이루어진다.
여섯번째 예로, 자일리톨 제조 방법은 루테늄, 레이니-니켈 또는 그외 수소화 촉매를 이용하여 선택적으로 수행되는 촉매성 수소화/환원 단계를 포함한다.
일곱번째 예로, 자일리톨 제조 방법은 하기 단계들 중 한 단계 이상을 포함한다:
a. D-글루쿠론산을 L-굴론산으로 환원시키는 단계,
b. L-굴론산의 염을 탈카르복시화하여 L-자일로스를 제조하는 단계,
c. 상기 L-자일로스를 수소화 촉매 존재하에 선택적으로 루테늄, 니켈 또는 그외 수소화 촉매를 이용하여 수소화하여, 자일리톨을 제조하는 단계,
d. 선택적으로, 미반응의 L-굴론산으로부터 L-자일로스를 분리하는 단계, 또는
e. 선택적으로, 단계 (a)에서 L-굴로네이트 잔여물을 재활용하는 단계.
L-굴론산은 선택적으로 그의 소듐, 포타슘, 암모늄, 칼슘, 및/또는 마그네슘 염의 형태로 제공될 수 있다.
여덟번째 예로, 자일리톨 제조 방법은 하기 한가지 이상의 방식으로 화학적 산화성 탈카르복시화 단계를 수행한다:
a. Fe(III), Cu(II), Ru(III), Co(II), Mn(III), Ag(I), Bi(III)/Bi(0)와 같은 전이 금속 이온 촉매를 사용하는 방법,
b. 착화물화된 전이 금속 이온(complexed transition metal, ion)을 사용하는 방법,
c. 과산화수소, 하이포플로라이트/하이포클로로우스산, 하이포브로마이트/하이포브로모우스산, 하이포클로라이트/브로마이드, 클로린 디옥사이드, 산소/공기, 오존, 페록시니트라이트 또는 퍼설페이트와 같은 1차 산화체(primary oxidant)를 이용하는 방법,
d. 티타늄 옥사이드, Fe, Cu, Ag 또는 그외 금속 이온으로 도핑된 티타늄 디옥사이드, 또는 철(III)-포르피린 또는 그외 금속 이온 착화물로 도핑된 티타늄 옥사이드로 작동화된(effectuated) 광산화성 탈카르복시화를 이용하는 방법, 또는
e. 하이포클로라이드/하이포클로로우스 산 또는 하이포브로마이트/하이포브로모우스산을 사용하는 방법.
아홉번쩨 예로, 자일리톨 제조 방법은 한가지 이상의 하기 단계를 수행하는 것을 포함한다:
a. D-글루쿠론산 단위를 포함하는 화합물을 가수분해하는 단계.
b. D-글루쿠론산의 염을 탈카르복시화하여 자일리톨의 디알데하이드 중간체를 제조하는 단계, 및
c. 상기 자일리톨 중간체를 수소화 촉매 존재하에 수소화하여 자일리톨을 제조하는 단계,
d. 선택적으로, 미반응의 유론산 염으로부터 상기 자일리톨 중간체를 분리하는 단계,
e. 선택적으로, 출발 물질 잔여물을 단계 (b)에서 재활용하는 단계.
도 1은 자일리톨 합성의 일반적인 반응 공정을 나타낸다.
도 2는 전기화학적 산화 탈카르복시화를 포함하는 자일리톨의 2가지 합성 반응 공정이다.
도 3은 도 2의 공정에 따른 반응식이다.
도 4는 화학적 산화성 탈카르복시화 공정을 포함하는 자일리톨의 2가지 합성 반응 공정이다.
도 5는 도 4의 제1 공정에 따른 반응식이다.
도 6은 도 4의 제2 공정에 따른 반응식이다.
하기 실시예들은 단순히 예시하기 위한 것으로, 당업자라면 제시된 관점에서 기재된 구현예의 추가적인 변형을 알 수 있으므로, 본 발명을 한정하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 이러한 모든 변형은 본원에 기재된 구현예들의 범위내에 포함된다.
실시예 1:
D- 글루쿠로네이트 모노하이드레이트 염의 전기화학적 탈카르복시화에 의한 자일리톨 제조
소듐 D-글루쿠로네이트 모노하이드레이트(2.69 g, 0.0115 mol)을 메탄올-물(46.2% v/v) 43 mL에 용해하였다. 이 용액은 그라파이트 양극이 있는 미분할셀에서 4.31 W-시간동안 9.99 V의 일정한 전압하에서 전기분해하였다. 전해 용액에 에탄올-물(50%)을 가하여 110 mL로 만든 후, 레이니 니켈을 첨가하고 수소 가스를 50 ℃에서 1기압으로 가하여 수소화하였다. 제조되는 수소화된 시럽은 자일리톨 0.87 g(이론적 수율의 50%)와 소듐 L-굴로네이트 1.10 g(몰 기준으로 출발 물질의 42%)를 함유하고 있었다.
이론적 수율 또는 "이론적 수율%"는 다음과 같이 계산하였다:
먼저, 분자량은 다음과 같이 확인하였다:
a. 소듐 D-글루쿠로네이트 모노하이드레이트 235
b. 소듐 메틸 b-D-글루쿠로네이트 231
c. 소듐 L-굴로네이트 219
d. 자일리톨 152
다음으로, 하기와 같이 계산하였다: 출발 물질 2.69 g은 0.0114 mol이고, 자일리톨의 이론적 수율은 0.0114 X 152 또는 1.74 g이다. 실제 수율은 0.87 g이었고, 이는 이론적 수율의 50%이다.
실시예 2:
알킬 -β-D- 글루쿠로노사이드 염의 전기화학적 탈카르복시화에 의한 자일리톨 제조
소듐 메틸 β-D-글루쿠로노사이드(2.52 g, 0.0103 mol)을 물 39 mL에 용해하였다. 이 용액은 그라파이트 양극이 있는 미분할셀에서 8.49 W-시간동안 9.99 V의 일정한 전압하에서 전기분해하였다. 전해 용액에 에탄올-물(50%)을 가하여 110 mL로 만든 후, 레이니 니켈을 첨가하고 수소 가스를 50 ℃에서 1기압으로 가하여 수소화하였다. 제조되는 수소화된 시럽은 자일리톨 0.70 g(이론적 수율의 42%)을 함유하고 있었다.
실시예 3:
L- 굴로네이트 염의 전기화학적 탈카르복시화에 의한 자일리톨 제조
소듐 L-굴로네이트(2.67 g, 0.01222 mol)을 메탄올-물(46.2% v/v) 43 mL에 용해하였다. 이 용액은 그라파이트 양극이 있는 미분할셀에서 5.32 W-시간동안 9.99 V의 일정한 전압하에서 전기분해하였다. 전해 용액에 에탄올-물(50%)을 가하 여 110 mL로 만든 후, 레이니 니켈을 첨가하고 수소 가스를 50 ℃에서 1기압으로 가하여 수소화하였다. 제조되는 수소화된 시럽은 자일리톨 0.87 g(이론적 수율의 47%)와 소듐 L-굴로네이트 1.10 g(몰 기준으로 출발 물질의 41%)를 함유하고 있었다.
실시예 4:
L- 굴로네이트 염의 Cu ( II ) 탈카르복시화에 의한 자일리톨 제조
소듐 L-굴로네이트(2.25 g, 0.0100 mol)을 물 17 mL에 용해한 다음 구리 설페이트 펜타하이드레이트 35 mg을 첨가하였다. 이 용액의 pH를 소듐 하이드록사이드(2 M)을 이용하여 7.0으로 높혔다. 30% 과산화수소 1.2 mL을 반응 기간중에 연속 첨가하였다. 소듐 하이드록사이드(2 M)을 첨가하여 pH는 7.0으로 유지시켰다. 13분 후에, 온도는 44 ℃였으며, 구리는 오렌지색의 현탁물로서 석출되었다. 이 반응 용액을 여과한 다음, 50%의 에탄올-물을 가하여 110 mL로 만든 후, 레이니 니켈을 첨가하고 수소 가스를 50 ℃에서 1기압으로 가하여 수소화하였다. 제조되는 수소화된 시럽은 자일리톨 0.91 g(이론적 수율의 58%)와 소듐 L-굴로네이트 0.72 g(몰 기준으로 출발 물질의 32%)를 함유하고 있었다.
실시예 5:
L- 굴로네이트 염의 하이포클로로우스산 탈카르복시화에 의한 자일리톨 제조
소듐 L-굴로네이트(0.244 g, 1.12 x 10-3 mol)을 물 15 mL에 용해하고, 온도를 50 ℃로 승온하였다. 13% 소듐 하이포클로라이트 용액 1.5 mL을 첨가하였다. 2 M 하이드로클로르산을 첨가하여 pH를 5.0으로 낮추었다. 이 용액은 50 ℃로 유지시키고, 2 M 소듐 하이드록사이드를 첨가하여 pH 5.0으로 유지시켰다. 19분후, 상기 반응 용액에 50%의 에탄올-물을 가하여 110 mL로 만든 후, 레이니 니켈을 첨가하고 수소 가스를 50 ℃에서 1기압으로 가하여 수소화하였다. 제조되는 수소화된 시럽은 자일리톨 0.16 g(이론적 수율의 95%)와 소듐 L-굴로네이트 0.004 g(몰 기준으로 출발 물질의 2%)를 함유하고 있었다.
본 발명의 여러가지 예를 개시하지만, 당업자라면 다른 예 및 구현예가 본 발명의 범위내에서 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 청구범위 및 그의 동등 범위 이외로 한정되는 것은 아니다.

Claims (20)

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  6. a. D-글루쿠론산 화합물을 가수분해하는 단계;
    b. 상기 D-글루쿠론산 화합물의 염을 탈카르복시화하여 디알데하이드 자일리톨 중간체를 제조하는 단계; 및
    c. 상기 자일리톨 중간체를 수소화 촉매의 존재하에 수소화하여 자일리톨을 제조하는 단계;
    를 포함하는 자일리톨 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 미반응의 D-글루쿠론산 화합물로부터 상기 자일리톨 중간체를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자일리톨 제조 방법.
  8. 삭제
  9. a. D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 제공하는 단계;
    b. D-글루코피라노실 함유 출발 물질을 산화시켜 D-글루쿠로노피라노실 모이어티를 포함하는 전구 물질을 제조하는 단계;
    c. 상기 D-글루쿠로노피라노실 모이어티를 포함하는 전구 물질을 가수분해하여 D-글루쿠론산을 포함하는 반응 기질을 제조하는 단계;
    d. 상기 D-글루쿠론산을 포함하는 반응 기질을 산화적으로 탈카르복시화하여 자일리톨 중간체를 제조하는 단계; 및
    e. 상기 자일리톨 중간체를 환원 및 수소화하여 자일리톨을 제조하는 단계;
    를 포함하는 자일리톨 제조 방법.
  10. 삭제
  11. a. D-글루쿠론산 화합물을 전기화학적으로 탈카르복시화하여 자일리톨 중간체를 제조하는 단계; 및
    b. 상기 자일리톨 중간체를 촉매 존재하에 수소화하여 자일리톨을 제조하는 단계;
    를 포함하는 자일리톨 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 미반응의 D-글루쿠론산 화합물로부터 자일리톨 중간체를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자일리톨 제조 방법.
  13. 제 11항에 있어서, 미반응의 D-글루쿠론산 화합물을 재활용하는 단계 및 상기 미반응의 D-글루쿠론산 화합물을 전기화학적으로 탈카르복시화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자일리톨 제조 방법.
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