KR101904356B1 - 전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법 - Google Patents

전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101904356B1
KR101904356B1 KR1020160101552A KR20160101552A KR101904356B1 KR 101904356 B1 KR101904356 B1 KR 101904356B1 KR 1020160101552 A KR1020160101552 A KR 1020160101552A KR 20160101552 A KR20160101552 A KR 20160101552A KR 101904356 B1 KR101904356 B1 KR 101904356B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reaction
electrochemical
aldose
alcohol intermediate
ketone compound
Prior art date
Application number
KR1020160101552A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180017550A (ko
Inventor
권영국
김범식
최지나
권순일
임정애
Original Assignee
한국화학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국화학연구원 filed Critical 한국화학연구원
Priority to KR1020160101552A priority Critical patent/KR101904356B1/ko
Priority to PCT/KR2017/008277 priority patent/WO2018030698A1/ko
Publication of KR20180017550A publication Critical patent/KR20180017550A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101904356B1 publication Critical patent/KR101904356B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07H—SUGARS; DERIVATIVES THEREOF; NUCLEOSIDES; NUCLEOTIDES; NUCLEIC ACIDS
    • C07H3/00—Compounds containing only hydrogen atoms and saccharide radicals having only carbon, hydrogen, and oxygen atoms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/16—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/24—Chromium, molybdenum or tungsten
    • B01J23/31—Chromium, molybdenum or tungsten combined with bismuth
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/54—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B01J23/56—Platinum group metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/76—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/89—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with noble metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/89—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with noble metals
    • B01J23/8926—Copper and noble metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C49/00—Ketones; Ketenes; Dimeric ketenes; Ketonic chelates
    • C07C49/04—Saturated compounds containing keto groups bound to acyclic carbon atoms
    • C07C49/17—Saturated compounds containing keto groups bound to acyclic carbon atoms containing hydroxy groups
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07H—SUGARS; DERIVATIVES THEREOF; NUCLEOSIDES; NUCLEOTIDES; NUCLEIC ACIDS
    • C07H1/00—Processes for the preparation of sugar derivatives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C25B13/08—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on organic materials
    • C25B3/02—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/01—Products
    • C25B3/07—Oxygen containing compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20—Processes
    • C25B3/23—Oxidation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20—Processes
    • C25B3/25—Reduction
    • C25B9/08—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

본 발명은 알도오스(aldose)를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하는 단계(단계 1); 및 상기 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 단계(단계 2);를 포함하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법을 제공한다. 본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법은 바이오매스 유래 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 단일 반응기에서 촉매반응을 이용하여 빠른 반응속도와 높은 선택성으로 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 전환할 수 있다. 또한, 단일 반응기에서 산화반응과 환원반응을 동시에 진행함에 따라 반응을 위한 과전압을 줄일 수 있다.

Description

전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법{Conversion method of aldose to ketone for electrocatalytic reaction}
본 발명은 전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법에 관한 것이다.
알도오스(aldose, Cn(H2O)n)는 하나의 분자에 하나의 알데하이드 군을 포함하는 단당류(단순한 설탕)이다. 오직 두 개의 탄소 원자가 있는 글리콜알데하이드가 모든 알도스 가운데 가장 단순한 형태를 지녔다.
자연계에 풍부한 자원인 바이오매스 유래 알도오스를 고부가가치의 키톤으로 선택적으로 전환하는 방법은 제한적이다. 예를 들어, 셀룰로오스에서 유래한 글루코스(Glucose)를 고부가가치의 프럭토스(Fructose)로 전환하는 반응은 자일로스 아이소머라아제(Xylose Isomerase)라는 효소에 의해서만 선택적인 반응을 보이고 있으나, 관련 효소반응은 반응의 예민성, 적은 생산량, 그리고 느린 반응속도로 인해 새로운 접근방법의 필요성이 제기되고 있다.
이에, 본 발명자들은 전기화학 촉매반응을 통하여 바이오매스에서 유래한 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 화학산업에서 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 단일 반응기에서 선택적으로 변형하는 방법에 관하여 연구하던 중, 알도오스(aldose)를 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하고, 생성된 알콜 중간체를 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 알도오스의 키톤 화합물로의 연속 전환 방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 전기화학 촉매반응을 통하여 바이오매스에서 유래한 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 화학산업에서 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 단일 반응기에서 선택적으로 변형하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
알도오스(aldose)를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하는 단계(단계 1); 및
상기 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 단계(단계 2);를 포함하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
양극(cathode)을 포함하고, 알도오스(aldose)의 전기화학 촉매반응으로 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 생성되는 환원반응부; 및
음극(anode)을 포함하고, 알콜 중간체의 전기화학 촉매반응으로 산화 반응을 통해 키톤 화합물이 생성되는 산화반응부;를 포함하는 전기화학 반응장치를 제공한다.
본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법은 바이오매스 유래 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 단일 반응기에서 촉매반응을 이용하여 빠른 반응속도와 높은 선택성으로 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 전환할 수 있다. 또한, 단일 반응기에서 산화반응과 환원반응을 동시에 진행함에 따라 반응을 위한 과전압을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학 반응장치의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1의 전기화학 반응장치 구성을 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1의 반응 동안 발생한 셀 전압을 나타낸 그래프이다.
본 발명은
알도오스(aldose)를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하는 단계(단계 1); 및
상기 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 단계(단계 2);를 포함하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법에 있어서, 단계 1은 알도오스(aldose)를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하는 단계이다.
상기 단계 1은 알도오스를 전기화학 촉매반응을 통해 환원 반응시켜 알콜 중간체를 형성한다. 이때, 상기 알콜 중간체는 알도오스의 환원 반응을 통해 생성되는 중간 생성물로 알도오스의 알데하이드기(aldehyde group, -CHO)가 하이드록시기(hydroxyl group, -OH)로 환원되어 생성된 화합물일 수 있다.
상기 단계 1의 알도오스는 3탄당, 4탄당, 5탄당, 6탄당 및 7탄당 등일 수 있으며, 구체적으로 글리세르알데하이드(glyceraldehyde), 에리트로오스(erythrose), 트레오스(threose), 리보오스(ribose), 아라비노오스(arabinose), 크실로오스(xylose), 릭소오스(lyxose), 알로오스(allose), 알트로오스(altrose), 글루코스(glucose), 만노오스(mannose), 굴로오스(gulose), 이도스(idose), 탈로오스(talose), 갈락토오스(galactose) 등일 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 촉매는 전이금속 또는 전이후금속 등을 사용할 수 있으며, 구체적인 일례로써 구리, 니켈, 아연, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 은, 카드뮴, 백금, 금, 주석 및 안티몬 등을 사용할 수 있으나, 일반적으로 알려진 전기화학 촉매반응으로 사용되는 금속 촉매를 사용할 수 있다.
나아가, 상기 단계 1의 전기화학 촉매반응은 전해질로서 산, 중성, 알칼리 용액 내에서 수행될 수 있으며, 구체적인 일례로써 황산, 황산나트륨, 수산화나트륨 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 1에서 생성되는 알콜 중간체는 폴리올(polyol)일 수 있으며, 구체적인 일례로써 글리세롤(glycerol), 에리스리톨(erythritol), 트레이톨(threitol), 아라비톨(arabitol), 자일리톨(xylitol), 리비톨(ribitol), 마니톨(mannitol), 솔비톨(sorbitol), 갈락티톨(galactitol), 푸시톨(fucitol), 이디톨(iditol), 이노시톨(inositol), 볼레미톨(volemitol), 이소말트(isomalt), 말티톨(maltitol), 락티톨(lactitol), 말토트리톨(maltotriitol), 말토테트라이톨(maltotetraitol), 폴리글리시톨(polyglycitol) 등일 수 있다.
상기 단계 1의 전기화학 촉매반응은 하기 반응식 1과 같은 반응이 수행될 수 있다.
<반응식 1>
알도오스(aldose) + 2H+ + 2e- → 알콜 중간체
다음으로, 본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법에 있어서, 단계 2는 상기 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 단계이다.
상기 단계 2는 상기 단계 1에서 생성된 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 최종 키톤 화합물을 생성한다. 상기 키톤 화합물은 먼저, 상기 단계 1과 같이 알도오스의 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 형성되고, 상기 알콜 중간체의 산화 반응으로 키톤기가 형성된 화합물일 수 있다.
상기 단계 2에서 생성되는 키톤 화합물은 디하이드록시아세톤(dihydroxyacetone), 에리트룰로오스(erythrulose), 리불로오스(ribulose), 크실룰로스(xylulose), 프럭토스(fructose), 프시코스(psicose), 솔보스(sorbose), 타가토스(agatose), 세도헵툴로오스(sedoheptulose), D-만노-옥툴로스(D-manno-octulose), D-글리세로-D-갈락토-노눌로오스(D-glycero-D-galacto-nonulose)일 수 있다.
상기 단계 2의 촉매는 전이 금속 또는 전이후금속 등을 사용할 수 있으며, 구체적인 일례로써 비스무스, 백금, 팔라듐, 주석 및 안티몬 등을 사용할 수 있고, 비스무스 또는 안티몬으로 변형된 탄소 담지 백금 촉매(BiPt/C 또는 SbPt/C)를 사용할 수 있으나 상기 촉매가 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 상기 단계 2의 전기화학 촉매반응은 전해질로서 산 용액 내에서 수행될 수 있으며, 구체적인 일례로써 황산을 사용할 수 있다.
상기 단계 2의 전기화학 촉매반응은 하기 반응식 2와 같은 반응이 수행될 수 있다.
<반응식 2>
알콜 중간체 → 키톤 화합물 + 2H+ + 2e-
이때, 상기 단계 1 및 단계 2의 반응은 연속적으로, 또는 동시에 수행되는 것이 바람직하다. 상기 단계 1 및 단계 2의 전기화학 촉매반응은 개별적인 반응기에서 수행되는 것이 아닌 단일 반응기에서 수행되는 반응으로 최종적으로는 알도오스가 키톤 화합물로 전환되는 반응이다.
본 발명에서 제시하는 전환방법을 통해 바이오매스 유래 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 단일 반응기에서 촉매반응을 이용하여 빠른 반응속도와 높은 선택성으로 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 전환할 수 있다.
또한, 단일 반응기에서 산화반응과 환원반응을 동시에 진행함에 따라 반응을 위한 과전압을 줄일 수 있다.
예를 들어, 글루코스를 환원하는 양극에서의 환원 반응과 솔비톨을 산화하는 음극에서의 산화 반응을 결합하는 경우에 고부가가치의 키톤 화합물로 프럭토스 또는 솔보스를 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 음극에서 솔비톨이 없을 경우 물이 산화하여 발생하는 과전압보다 현저히 낮출 수준의 전압에서 운전이 가능하다.
또한, 본 발명은
양극(cathode)을 포함하고, 알도오스(aldose)의 전기화학 촉매반응으로 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 생성되는 환원반응부; 및
음극(anode)을 포함하고, 알콜 중간체의 전기화학 촉매반응으로 산화 반응을 통해 키톤 화합물이 생성되는 산화반응부;를 포함하는 전기화학 반응장치를 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 전기화학 반응장치에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전기화학 반응장치(100)는 양극(cathode, 11)을 포함하고, 알도오스(aldose)의 전기화학 촉매반응으로 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 생성되는 환원반응부(10); 및 음극(anode, 21)을 포함하고, 알콜 중간체의 전기화학 촉매반응으로 산화 반응을 통해 키톤 화합물이 생성되는 산화반응부(20)를 포함한다.
또한, 상기 환원반응부(10) 및 상기 산화반응부(20)를 분리하는 양이온 교환막(30)을 포함하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 전기화학 반응장치(100)는 막전극 집합체(membrane electrode assembly, MEA)일 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학 반응장치(100)는 전기화학 촉매반응을 통하여 바이오매스에서 유래한 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 화학산업에서 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 단일 반응기에서 전환할 수 있는 장치이다.
본 발명에 따른 전기화학 반응장치(100)에 있어서, 상기 환원반응부(10)는 양극(cathode, 11)을 포함하고, 알도오스(aldose)의 전기화학 촉매반응으로 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 생성된다.
상기 환원반응부(10)는 전기화학 반응장치(100)에서 양극(11)을 포함하고, 환원 반응이 수행되는 부분으로 알도오스의 촉매 하 전기화학 촉매반응을 통해 알콜 중간체가 형성된다.
상기 알도오스는 3탄당, 4탄당, 5탄당, 6탄당 및 7탄당 등일 수 있으며, 구체적으로 글리세르알데하이드(glyceraldehyde), 에리트로오스(erythrose), 트레오스(threose), 리보오스(ribose), 아라비노오스(arabinose), 크실로오스(xylose), 릭소오스(lyxose), 알로오스(allose), 알트로오스(altrose), 글루코스(glucose), 만노오스(mannose), 굴로오스(gulose), 이도스(idose), 탈로오스(talose), 갈락토오스(galactose) 등일 수 있다.
상기 알콜 중간체는 폴리올(polyol)일 수 있으며, 구체적인 일례로써 글리세롤(glycerol), 에리스리톨(erythritol), 트레이톨(threitol), 아라비톨(arabitol), 자일리톨(xylitol), 리비톨(ribitol), 마니톨(mannitol), 솔비톨(sorbitol), 갈락티톨(galactitol), 푸시톨(fucitol), 이디톨(iditol), 이노시톨(inositol), 볼레미톨(volemitol), 이소말트(isomalt), 말티톨(maltitol), 락티톨(lactitol), 말토트리톨(maltotriitol), 말토테트라이톨(maltotetraitol), 폴리글리시톨(polyglycitol) 등일 수 있다.
상기 양극(11)은 전이금속 또는 전이후금속 등을 포함하는 전극일 수 있으며, 구체적인 일례로써 구리, 니켈, 아연, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 은, 카드뮴, 백금, 금, 주석 및 안티몬 등의 금속을 포함하는 전극을 사용할 수 있으나, 일반적으로 알려진 전기화학 촉매반응의 양극으로 사용되는 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학 반응장치(100)에 있어서, 상기 산화반응부(20)는 음극(anode, 21)을 포함하고, 알콜 중간체의 전기화학 촉매반응으로 산화 반응을 통해 키톤 화합물이 생성된다.
상기 산화반응부(20)는 전기화학 반응장치(100)에서 음극(21)을 포함하고, 산화 반응이 수행되는 부분으로 알콜 중간체의 촉매 하 전기화학 촉매반응을 통해 고부가가치의 키톤 화합물이 생성된다.
상기 키톤 화합물은 디하이드록시아세톤(dihydroxyacetone), 에리트룰로오스(erythrulose), 리불로오스(ribulose), 크실룰로스(xylulose), 프럭토스(fructose), 프시코스(psicose), 솔보스(sorbose), 타가토스(agatose), 세도헵툴로오스(sedoheptulose), D-만노-옥툴로스(D-manno-octulose), D-글리세로-D-갈락토-노눌로오스(D-glycero-D-galacto-nonulose)일 수 있다.
상기 음극(21)은 전이금속 또는 전이후금속 등을 포함하는 전극일 수 있으며, 구체적인 일례로써 비스무스, 백금, 팔라듐, 주석 및 안티몬 등의 금속을 포함하는 전극을 사용할 수 있으나, 일반적으로 알려진 전기화학 촉매반응의 음극으로 사용되는 물질을 사용할 수 있다. 또한, 비스무스로 변형된 탄소 담지 백금 촉매(BiPt/C)를 사용할 수 있으나 상기 촉매가 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 하기 실시예 및 실험예에 의해 더욱 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시할 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 글루코스의 프럭토스 또는 솔보스로의 전환
도 2에 나타낸 바와 같이 H-타입 셀(H-type cell)의 음극(anode)과 양극(cathode)를 양이온 교환막인 Nafion 117로 분리하였다.
양극으로는 구리 전극을 사용하였으며, 전해액으로는 0.1 M 글루코스(glucose)를 0.5 M 황산(H2SO4)에 넣어 용액을 준비하였다. 음극은 비스무스(Bismuth)로 변형된 탄소 담지 백금촉매(BiPt/C)를 전극으로 사용하였다. 전해액으로는 0.5 M 황산(H2SO4)의 용액에 0.1 M 솔비톨(Sorbitol)을 넣은 용액을 준비하여 전기화학 반응을 수행하였다.
<비교예 1>
도 2에 나타낸 바와 같이 H-타입 셀(H-type cell)의 음극(anode)과 양극(cathode)를 양이온 교환막인 Nafion 117로 분리하였다.
양극으로는 구리 전극을 사용하였으며, 전해액으로는 0.1 M 글루코스(glucose)를 0.5 M 황산(H2SO4)에 넣어 용액을 준비하였다. 음극은 비스무스(Bismuth)로 변형된 탄소 담지 백금촉매(BiPt/C)를 전극으로 사용하였으나, 산화반응부에는 솔비톨을 넣지 않은 0.5 M 황산(H2SO4)의 용액을 전해질로 사용하여 전기화학 반응을 수행하였다.
<실험예 1> 전기화학 반응장치의 전압 변화 분석
본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법의 효과를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 수행된 전기화학 반응의 셀 전압 변화를 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
글루코스가 양극(Cathode) 또는 환원반응부에서 환원되어 솔비톨(Sorbitol)로 전환되는 조건에서, 반대 반응인 산화 반응을 위해 셀(Cell)의 음극(Anode) 또는 환원반응부에 솔비톨(Sorbitol)을 주입할 경우(실시예 1)와 솔비톨을 넣지 않은 경우(비교예 1)를 비교하면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 1 mA/cm2의 전류에서 약 800 mV 셀의 전압이 낮아지는 것을 관찰할 수 있으며, 2 mA/cm2에서는 약 600 mV의 셀의 전압을 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
이와 같이, 양극(Cathode)에서는 글루코스가 환원되어 솔비톨(Sorbitol)을 생성하며, 동시에 음극(Anode)에서는 솔비톨(Sorbitol)이 선택적으로 산화되어 글루코스(glucose)의 이성질체인 프럭토스(Fructose)와 솔보스(Sorbose)가 생성되는 반응이 낮은 셀 전압에서 운전될 수 있음을 확인하였다.
이를 통해 본 발명에 따른 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법을 통하여 바이오매스 유래 저부가가치의 알도오스(Aldose)를 화학산업에서 고부가가치의 키톤(Ketone) 화합물로 선택적으로 단일 반응기에서 전환할 수 있으며, 반응을 위한 과전압을 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.
100 : 전기화학 반응장치
10 : 환원반응부 11 : 양극
20 : 산화반응부 21 : 음극
30 : 양이온 교환막

Claims (10)

  1. 양극(cathode)을 포함하고, 알도오스(aldose)의 전기화학 촉매반응으로 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 생성되는 환원반응부; 음극(anode)을 포함하고, 알콜 중간체의 전기화학 촉매반응으로 산화 반응을 통해 키톤 화합물이 생성되는 산화반응부; 및 상기 환원반응부 및 상기 산화반응부를 분리하는 양이온 교환막을 포함하는 전기화학 반응장치를 이용하여, 상기 환원반응부에서 알도오스(aldose)를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 환원 반응시켜 알콜 중간체를 생성하는 단계; 및
    상기 산화반응부에서 상기 환원반응부에서 생성된 알콜 중간체를 촉매 하에서 전기화학 촉매반응으로 산화 반응시켜 키톤(ketone) 화합물을 생성하는 단계;를 포함하고,
    상기 환원 반응 및 산화 반응은 단일 전기화학 반응장치에서 동시에 수행되는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알도오스는 3탄당, 4탄당, 5탄당, 6탄당 및 7탄당으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 환원 반응 및 산화 반응은 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 환원 반응에서 사용되는 촉매는 구리, 니켈, 아연, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 은, 카드뮴, 백금, 금, 주석 및 안티몬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화 반응에서 사용되는 촉매는 비스무스, 백금, 팔라듐, 주석 및 안티몬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 알도오스의 키톤 화합물로의 전기화학적 전환방법.
  6. 양극(cathode)을 포함하고, 알도오스(aldose)의 전기화학 촉매반응으로 환원 반응을 통해 알콜 중간체가 생성되는 환원반응부;
    음극(anode)을 포함하고, 알콜 중간체의 전기화학 촉매반응으로 산화 반응을 통해 키톤 화합물이 생성되는 산화반응부; 및
    상기 환원반응부 및 상기 산화반응부를 분리하는 양이온 교환막을 포함하는 알도오스를 키톤 화합물로 단일 반응기에서 전환할 수 있는 전기화학 반응장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 양극은 구리, 니켈, 아연, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 은, 카드뮴, 백금, 금, 주석 및 안티몬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학 반응장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 음극은 비스무스, 백금, 팔라듐, 주석 및 안티몬으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 전기화학 반응장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 전기화학 반응장치는 막전극 집합체(membrane electrode assembly, MEA)인 것을 특징으로 하는 전기화학 반응장치.
KR1020160101552A 2016-08-10 2016-08-10 전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법 KR101904356B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160101552A KR101904356B1 (ko) 2016-08-10 2016-08-10 전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법
PCT/KR2017/008277 WO2018030698A1 (ko) 2016-08-10 2017-08-01 전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160101552A KR101904356B1 (ko) 2016-08-10 2016-08-10 전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180017550A KR20180017550A (ko) 2018-02-21
KR101904356B1 true KR101904356B1 (ko) 2018-10-05

Family

ID=61162904

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160101552A KR101904356B1 (ko) 2016-08-10 2016-08-10 전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101904356B1 (ko)
WO (1) WO2018030698A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113774398B (zh) * 2020-06-08 2023-03-31 清华大学 醇或醛选择性氧化耦合产氢的方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000505142A (ja) * 1996-11-12 2000-04-25 アドミニストレーターズ オブ ザ トゥレーン エデュケーショナル ファンド 固形ポリマー電解質反応装置内での低トランス含有食用油と非食用油あるいは脂肪酸の合成

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2963619B1 (fr) * 2010-08-04 2013-03-29 Rhodia Operations Procede de transfert d'hydrure pour la preparation de cetone

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000505142A (ja) * 1996-11-12 2000-04-25 アドミニストレーターズ オブ ザ トゥレーン エデュケーショナル ファンド 固形ポリマー電解質反応装置内での低トランス含有食用油と非食用油あるいは脂肪酸の合成

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Chemsuschem Communications, Vol. 6, Pages 455-462(인터넷 공개일: 2013. 1. 23.)*
Chemsuschem Communications, Vol. 8, Pages 970-973(인터넷 공개일: 2014. 11. 14.)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180017550A (ko) 2018-02-21
WO2018030698A1 (ko) 2018-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8961774B2 (en) Electrochemical production of butanol from carbon dioxide and water
KR101915824B1 (ko) 바이오매스 유래 화학물질로부터의 연료의 제조
KR101451630B1 (ko) 이산화탄소 환원방법 및 이를 이용한 이산화탄소 환원장치
Zhang et al. Electrocatalytic hydrogenation and oxidation in aqueous conditions
CA2989151A1 (en) Water treatment system using alkaline water electrolysis device and alkaline fuel cell
KR101904356B1 (ko) 전기화학 촉매반응을 이용한 알도오스의 키톤으로의 전환방법
CN114351173A (zh) 一种4-甲氧基苯甲醛的电化学合成方法
KR20140003233A (ko) 이산화탄소의 전기화학적 환원에 의한 포름산의 제조 방법 및 이를 위한 환원 장치
CN109196143A (zh) 用于电化学地利用二氧化碳的装置和方法
RU2694908C2 (ru) Способы одновременного электролитического декарбоксилирования и восстановления сахаров
US10934242B2 (en) Electrochemical method for producing valeric acid
WO2001066495A1 (fr) Procedes de production d&#39;un oxyde caracterise par une oxydation plus elevee qu&#39;un alcool
EP3854910A1 (en) Electrochemical production of formaldehyde
DE102020207192A1 (de) CO2-Elektrolyse mit sauerstofffreier Anode
CN114250481B (zh) 一种苯酞制邻苯二甲醇的电化学合成方法
KR20230058095A (ko) L-크실론산으로부터 l-트레온산 염을 생산하는 방법
US10689768B2 (en) Amalgam electrode, producing method thereof, and method of electrochemical reduction of carbon dioxide using the same
Latsuzbaia et al. Biomass Processing via Electrochemical Means
CN113832482B (zh) 电催化生物质多羟基化合物制备甲酸和氢气的方法
CN116752155A (zh) 电催化生物质单糖制备羟基丙酮的方法
US3658667A (en) Electrolyte reduction of ozonolysis products
US3397128A (en) Process of electrochemically producing amines
Okimoto et al. Electrooxidative Conversion of Aldehyde and Ketone Phenylhydrazones into the Methoxy (phenylazo) alkanes
Beliaeva et al. Methanol Generation from Co-Electrolysis of Co2 and H2o, Using Ionic Liquid as Electrolyte and Solvent for Co2 Capture
Senda et al. Stereoselectivity in the hydrogenation of 4-t-butylcyclohexanone with catalytically-active powder electrodes

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right