KR102498728B1 - 5-히드록시메틸푸르푸랄의 선택적 산화 방법 - Google Patents

5-히드록시메틸푸르푸랄의 선택적 산화 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102498728B1
KR102498728B1 KR1020167034486A KR20167034486A KR102498728B1 KR 102498728 B1 KR102498728 B1 KR 102498728B1 KR 1020167034486 A KR1020167034486 A KR 1020167034486A KR 20167034486 A KR20167034486 A KR 20167034486A KR 102498728 B1 KR102498728 B1 KR 102498728B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
selective
furan
oxidized furan
production
carboxylic acid
Prior art date
Application number
KR1020167034486A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170029419A (ko
Inventor
말코 미호빌로빅
미카엘 셴
스테판 도체프
Original Assignee
안니키 게엠베하
노보라나 게엠베하
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 안니키 게엠베하, 노보라나 게엠베하 filed Critical 안니키 게엠베하
Publication of KR20170029419A publication Critical patent/KR20170029419A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102498728B1 publication Critical patent/KR102498728B1/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/34—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/38—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with substituted hydrocarbon radicals attached to ring carbon atoms
    • C07D307/40—Radicals substituted by oxygen atoms
    • C07D307/42—Singly bound oxygen atoms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/34—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/38—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with substituted hydrocarbon radicals attached to ring carbon atoms
    • C07D307/40—Radicals substituted by oxygen atoms
    • C07D307/46—Doubly bound oxygen atoms, or two oxygen atoms singly bound to the same carbon atom
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/34—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/38—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with substituted hydrocarbon radicals attached to ring carbon atoms
    • C07D307/40—Radicals substituted by oxygen atoms
    • C07D307/46—Doubly bound oxygen atoms, or two oxygen atoms singly bound to the same carbon atom
    • C07D307/48—Furfural

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Low-Molecular Organic Synthesis Reactions Using Catalysts (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Furan Compounds (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Heterocyclic Carbon Compounds Containing A Hetero Ring Having Oxygen Or Sulfur (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

용매, 산화제, 촉매 및 선택적으로 염기의 존재하에서 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄로부터 시작하여 산화된 푸란 유도체의 선택적 제조방법이며, 이 방법은 산화 방법이 연속적인 흐름으로 수행되고, 반응 파라미터를 변화시키기 위한 수단이 제공된다.

Description

5-히드록시메틸푸르푸랄의 선택적 산화 방법{PROCESS FOR THE SELECTIVE OXIDATION OF 5-HYDROXYMETHYLFURFURAL}
본 발명은 5-히드록시메틸푸르푸랄의 선택적 산화에 관한 것이다.
다음 화학식의 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄 (HMF)은
Figure 112016120474076-pct00001
재생가능한 탄수화물 기술에서 중요한 역할을 하며, 푸란 화학에서 중심 중간물임을 나타낸다. 당의 삼중 탄수화물 모노머 탈수는 HMF의 형성을 유도하며, 이는 문헌에 널리 알려져있다. HMF는 화학적으로 흥미로운 3개의 사이트-5-히드록시메틸기, 2-카바알데히드기 및 이의 푸란링을 제공한다. 산업에서 가장 흥미로운 것은 단연코 2개 측면 사슬이며, 이들은 산화되어 다양한 푸란 유도체를 얻을 수 있다.
본 발명에 따라, 4개 산화된 HMF 유도체, 다음 식의 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산 (HMFCA)
Figure 112016120474076-pct00002
다음 식의 2,5-디포르밀푸란 (DFF)
Figure 112016120474076-pct00003
다음 식의 5-포르밀푸란-2-카르복실산 (FFCA)
Figure 112016120474076-pct00004
및
다음 식의 2,5-푸란디카르복실산 (FDCA)
Figure 112016120474076-pct00005
이 특히 흥미롭다.
HMFCA은 HMF의 알데히드기가 선택적 산화하여 그 결과로 카르복실산을 얻는 것으로 여겨진다. 그러한 선택적 산화에 대하여, 단지 소수의 프로토콜만이 알려져있다. 대부분의 경우에, 값비싼 은(Ag)계 시약이 화학양론적 함량으로 사용되어 HMFCA를 합성한다. 염기성(NaOH) 수성 매체 내 은 산화물(Bull. Soc . Chim . Fr . 1987, 5, 855-860) 뿐만 아니라 혼합된 은-구리 촉매 Ag2O-CuO/O2/NaOH/H2O (US 3,326,944, 1967)는 가장 흔히 사용된 시약이다. 경제적으로, 이들 시약들은 대량의 산업적 규모로 적용될 수 없다. 그러므로 귀금속 촉매(특히 플라티늄 촉매)가 제안되었고, 예를 들어 ChemSusChem 2009, 2, 1138-1144; ChemSusChem 2009, 2, 672-675; Catal . Today 2011, 160, 55-60; Green Chem . 2011, 13, 824-827; Green Chem. 2011, 13, 2091-2099)에 서술되거나, 또는 류테늄계 촉매 (Top Catal . 2011, 54, 1318-1324; Catal . Lett . 2011, 141, 1752-1760)가 있다. 산화 방법은 주로 공기 및 수성 반응 환경하에서 수행되어 HMFCA를 우수한 수율로 합성하였고, 방법이 경제적으로 그리고 환경적으로 우수하다고 간주할 수 있는 높은 전환빈도(TOF)를 갖는다.
DFF의 합성에서 보다 큰 수의 프로토콜이 알려져 있다. 배치 합성에서, 질산을 사용하는 전통적인 산화 반응(J. Chem. Soc. Trans. 1912, 101, 1074-1081), 납-(IV)-아세테이트/피리딘 (Tetrahedron 1970, 26, 1291-1301), CrO3/피리딘 또는 Ac2O/DMSO (Noguchi Kenkyusho Jiho 1978, 21, 25-33; JP7909260, 1979; JP8049368, 1980), BaMnO4/벤젠/CCl4/1,2-디클로로에탄 (Bull. Soc. Chim. Fr. 1987, 5, 855-860; J. Heterocycl. Chem. 1983, 20, 233-235) 또는 4-치환된 TEMPO/NaOCl/KBr (J. Heterocycl. Chem. 1995, 32, 927-930)이 알려져 있다.
촉매 작용의 이점을 취하면서, 동종 및 이종 촉매 작용을 사용하는 광범위한 연구가 이미 수행되었다. DFF는 코발트, 망간, 아연, 세륨 또는 지르코늄 염을 기체성 산화제 (US 2003/055271 A1, 2003; Adv. Synth. Catal. 2001, 343, 102-111; WO 01/072732 A2, 2001; CA2400165 A1, 2001; WO 2010/132740 A2, 2010; Catal. Sci. Technol. 2012, 2, 79-81)와 함께 사용하여 배치 내에서 합성될 수 있었다. 게다가, 또한, 다양한 바나듐 촉매가 보고되었다(ChemSusChem 2011, 4, 51-54; Green Chem. 2011, 13, 554-557; J. Mater. Chem. 2012, 22, 3457-3461). 이종 촉매에서, 주로 바나듐-(Pure Appl. Chem. 2012, 84, 765-777; ChemCatChem 2013, 5, 284-293), 망간-(Green Chem. 2012, 14, 2986-2989) 및 은계 촉매 (WO 2012/073251 A1, 2012; Appl. Catal. B 2014, 147, 293-301)가 유기 용매 내에서 사용되었다.
기술적으로 다른, 또한 음향 화학(Org. Prep. Proced. Int. 1995, 27, 564-566; Pol. J. Chem. 1994, 68, 693-698) 및 전기 화학 (Synthesis 1996, 11, 1291-1292)의 접근이 뒤따르며-양자는 모두 산업적 규모 측면에서 선택적, 대량 규모 방법에 대해서는 흥미롭지 못했다.
HMF을 DFF로 가게하는 선택적 산화에 공헌한 많은 문헌들이 공개되어 있지만, 단지 제한된 수의 설명된 조건들은, 환경적으로 그리고 경제적으로 우수한 방법에 필요한 요구사항을 만족시키는 산업적 응용분야를 잠재적으로만 발견할 수 있었다. 그러나, 보고된 방법은 유기 용매의 사용에 의존하며, 이는 강력하고, 가압된 산화제, 예를 들어 순수한 산소와 조합하여 사용될 때 문제가 된다. 게다가, 연속적인 흐름 기술은 단지 상당히 특이적 반응 전략과 함께 어느 정도만 사용되었고, 여기서 초고가 요오드 종(hypervalent iodine species, BAIB) 또는 HNO3이 촉매적 함량의 TEMPO(Beilstein J. Org. Chem. 2013, 9, 1437-1442; Green Chem. 2013, 15, 1975-1980)과 조합하여 사용되었다.
HMF의 추가 산화된 유도체는 FFCA이고, 이것의 높은 반응성 및 불안정성으로 인하여 문헌에는 잘 보고되어 있지 않다. 이상성 반응 매체(Bull. Chem. Soc. Jpn. 2009, 82, 1000-1002) 내에서, 금 촉매 작용하에서 강산 조건(Catal. Sci. Technol. 2012, 2, 79-81) 또는 귀금속 촉매 작용 흐름에서 4-BzOTEMPO/아세틸콜린 클로라이드/Py*HBr3과 같은 복합체 촉매계를 사용하여 합성될 수 있으며, 그러나 FFCA의 비용 효과적 생산(Top Catal. 2010, 53, 1264-1269) 면에서, 방법을 덜 매력적으로 만드는 잔류 시간 및 공간 시간 수율(space-time-yield)의 정확한 결정은 없었다.
FDCA는 또한 폴리에스테르 합성에서 테레프탈산의 대체제로서의 잠재적 응용가능성으로 인하여, 특히 관심이 있는 산화된 푸란 유도체로서 보고되었다. 또한, 여기서 전통적인 산화는 질산(Chem. Weekblad 1910, 6, 717-727; Noguchi Kenkyusho Jiho 1979, 22, 20-27; Pol. J. Chem. 1994, 68, 693-698) 또는 과망간산염(Bull. Soc. Chim. Fr. 1987, 5, 855-860)를 사용하여 수행되어, 생성물로서 FDCA를 선택적으로 제공한다. 촉매 방법 분야에서, 코발트-, 망간-, 아연-, 세륨- 및 지르코늄-형 동종 촉매가 이미 알려져있다 (US 2003/055271 A1, 2003; Adv. Synth. Catal. 2001, 343, 102-111; WO 01/72732 A2, CA2400165 A1, 2001; WO 2010/132740 A2, 2010; US 2009/0156841 A1, 2009; WO 2011/043661 A1(A2), 2011; Catal. Sci. Technol. 2012, 2, 79-81; WO 2012/161967 A1, WO 2012/161970 A2; US20120302769 A1, 2012).
이종 촉매 작용을 사용하여, 금(ChemSusChem 2009, 2, 1138-1144; ChemSusChem 2009, 2, 672-675; Top Catal. 2012, 55, 24-32), 루테늄 (Top Catal. 2011, 54, 1318-1324; Catal. Lett. 2011, 141, 1752-1760) 뿐만 아니라 플래티늄 촉매 (Top. Catal. 2000, 13, 237-242; US 3,326,944, 1967; Stud. Surf. Sci. Catal. 1990, 55, 147-157; Stud. Surf. Sci. Catal. 1991, 59, 385-394; Top Catal. 2010, 53, 1264-1269)가 결국 또한 흐름으로 사용되었다.
HMF를 산화 생성물로 하는 반응과 관련하는 추가 방법은 WO　2012/017052 A1 및 WO 2008/054804 A2에 알려져있다.
그러나, HMFCA, DFF, FFCA 및 FDCA의 모듈식 합성에 대한, 방법 파라미터 및 특성들을 요약하는 것, 정확하게 결정되지 않은 것, 환경적으로 경제적으로 우수한 점, 본질적으로 안전하고 측정가능한 방법은 아직 보고되지 않았다.
현재, 놀랍게도 HMF으로부터, 다른 산화된 5-히드록시메틸푸르푸랄 유도체들, 예를 들어 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산 (HMFCA), 2,5-디포르밀푸란 (DFF), 5-포르밀푸란-2-카르복실산 (FFCA) 및 2,5-푸란디카르복실산(FDCA)를 동일한 반응 설비 내서 생산하는 방법을 또한 발견하였다.
일 양상에서, 본 발명은, 용매, 산화제, 촉매, 및 선택적으로 염기 및/또는 공용매의 존재하에서, 다음 식의 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄로부터 시작한 산화된 푸란 유도체의 선택적 생산 방법을 제공하며,
Figure 112016120474076-pct00006
- 산화 방법은 연속적인 흐름으로 수행되고,
- 온도, 압력, 산화제 및/또는 촉매와 같은 반응 파라미터를 변화시키기 위한 수단이 제공되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해 제공된 방법은 또한 본 발명에 따른 "방법(들)"이라 규정된다.
바람직하게는, 본 발명의 방법에서, 산화 방법용 용매는 물이고 양성자성 이극성 용매(dipolar aprotic solvent)는 공용매로서 존재한다. 특히, 바람직하게는 N-메틸피롤리돈이 공용매로서 존재한다.
본 발명의 방법에서 산화된 푸란 유도체는 적어도 하나의 알데히드 기 및/또는 적어도 하나의 카르복실산 기, 바람직하게는 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산 (HMFCA), 2,5-디포르밀푸란 (DFF), 5-포르밀푸란-2-카르복실산 (FFCA) 및 2,5-푸란디카르복실산 (FDCA)을 포함한다.
본 발명의 공정은 용매, 바람직하게는 물 내에서 수행된다. 선택적으로 공용매가 존재할 수 있다. 그러한 공용매는 보다 나은 용해도를 위해서 사용되거나 또는 출발물질로서 이전 탈수 반응으로부터 풍부한 HMF 흐름의 사용을 가능하게 할 수 있다. 공용매의 전형적인 예들은 양자성 이극성 용매, 예를 들어 N,N-디메틸포름아미드, 디메틸술폭시드, N-메틸피롤리돈; 바람직하게는 N-메틸피롤리돈이다.
탄수화물, 특히 프록토오스로부터 HMF를 생산하는 방법은 용매로서 NMF를 사용하는 것과 관련이 있고, WO 2014/033289에 개시되어 있다. WO 2014/033289에 개시된 방법의 NMP를 포함하는 HMF-풍부한 생성물 흐름을 사용하여 본 발명의 방법을 수행하는 것이 가능하다는 것이 발견되었다. 그러므로, 산화 단계 전에 상기 HNF-풍부한 흐름 내에 포함된 NMP를 제거할 필요가 없다.
따라서, 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에서, 이전 탈수 반응, 특히 당의 탈수로부터 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄이 풍부한 흐름은 출발물질로서 채용된다. 이 실시예에서, 바람직하게는 용매로서 NMP를 포함하는 스트림이 사용되고 이 방법은 산화 단계 전에 NMP를 제거하는 단계를 포함하지 않는다.
본 발명의 실시예에서, 선택적으로 산화 단계 전에 하나 이상의 사전 처리 단계가 다음으로부터 선택되며,
(i) 물로 원하는 농도까지 희석한 실제 스트림
(ii) 스트림의 제조 동안 형성된 임의의 블랙 타르를 분리하기 위한 원심 분리
(iii) 여과
(iv) 활성탄으로 채워진 충전층 카트리지(packed-bed cartridge)를 통해 용액을 통과시키는 것이 수행될 수 있다.
게다가, 일반적으로 NMP를 포함하는 양자성 이극성 용매는 HMF를 극성 생성물, 예를 들어 FDCA로 산화시키는 데 있어서 반응 혼합물의 균질화 측면에서 특히 유리한 성질을 갖는다.
마지막으로,촉매의 안정성(탈활성에 대한 보호)에 대한, NMP를 포함하는 양자성 이극성 용매의 긍정적 영향이 관찰되었다.
본 발명에 따른 방법은 50℃ 내지 180℃, 바람직하게는 60℃ 내지 160℃의 반응 온도에서 수행된다.
본 발명의 방법에서, 다음 생성물의 반응 온도는 다음과 같다:
- 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산은 60℃ 내지 120℃, 특히 80℃ 내지 120℃, 특히 100 내지 120℃이고;
- 2,5-디포르밀푸란은 100 내지 160℃, 특히 120-160℃, 특히 140℃ 내지 160℃이고;
- 5-포르밀푸란-2-카르복실산은 60℃ 내지 160℃, 특히 80℃ 내지 140℃, 특히 100℃ 내지 120℃이고;
- 2,5-푸란디카르복실산은 60℃ 내지 160℃, 특히 60℃ 내지 120℃, 특히 80℃ 내지 120℃이다.
본 발명에 따른 방법에서, 물은 용매로 사용되고, NMP는 공용매로 사용될 때, 약간 더 엄격한 반응 조건이 유리하며 ,특히 원하는 산화 생성물이 FDCA일 때 더욱 그러하다. 120℃ 내지 160℃, 특히 140℃ 내지 160℃의 온도 범위가 유리한 것으로 발견되었다.
본 발명에 따른 방법은 산화제의 존재 하에서 수행된다. 그러한 산화제는 바람직하게는 산소 또는 공기, 특히 압축된 산소 또는 압축 공기이다.
본 발명의 방법은 압력하에서 수행된다. 바람직한 작동 압력은 5 bar 내지 100 bar, 특히 10 bar 내지 80 bar이다.
본 발명에 따른 방법에서, 촉매가 사용된다. HMF의 산화 생성물의 제조를 위한 촉매가 알려져 있다. 본 발명의 방법에서 DFF의 제조를 위한 바람직한 촉매는 K-OMS-2이고; HMFCA, FFCA 및 FDCA의 제조를 위한 바람직한 촉매는 10% Pt/C이다.
K-OMS-2 및 이의 촉매 작용에서의 사용이 알려져 있다. "OMS-2" 는 크립토멜레인 타입 결정질 혼합된-가(valent) 망간(산화물)-계 팔면체 분자체를 의미한다. "K-OMS-2 내 K"는 포타슘을 의미한다. K-OMS-2는 대략 분자식 KMn8O16을 가지며, 2x2 홀란다이트 구조체를 갖는다. "K-OMS-2"는, OMS-2의 기공(터널)이 K+ 이온에 의해 점유되며, 이는 엣지- 및 코너- 공유된 [MnO6]-옥타헤드라로 이루어지는, OMS-2 골격의 음전하를 중성화한다는 것을 의미한다.
HMFCA, FFCA 및 FDCA를 제조하기 위한 본 발명의 방법에서, 염기, 예를 들어, 히드록시드, 카보네이트 또는 바이카보네이트, 예를 들어 알칼리 히드록시드, 알칼리 카보네이트 또는 알칼리 바이카보네이트, 예를 들어 소듐 히드록시드, 소듐 카보네이트 또는 소듐 바이카보네이트가 공촉매로서 사용될 수 있을 뿐만 아니라 용해도를 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
5-히드록시메틸-2-푸르푸랄로부터 출발하여 2,5-푸란디카르복실산의 선택적 제조를 위한 본 발명의 방법에서, 다음 특징들의 조합이 특히 유리하다는 것이 발견되었다:
- 카보네이트 및 바이카보네이트, 특히 소듐 카보네이트 및/또는 소듐 바이카보네이트의 군으로부터 선택된 염기는 공촉매로서 사용되며,
- 작동 압력은 80 내지 100 bar이다.
본 실시예는, 산화제가 압축된 산소인 경우에 특히 바람직하다.
특히, 80 bar보다 낮은 압력의 경우에, 사용된 촉매의 탈활성화가 관찰되었고, 이로 인하여 FDCA의 수율 손실 및 선택성의 손실을 가져온다.
본 발명의 이 실시예에서 바람직한 온도는 120℃ 내지 160℃, 보다 바람직하게는 140℃ 내지 160℃이다.
보다 바람직하게는, 활성탄 담지 플래티늄 촉매가 본 발명의 실시예에서 촉매로서 사용된다.
다시, 본 실시예에서 또한, 바람직하게는 물이 용매로 사용된다. 게다가 바람직하게는 양자성 이극성 용매, 특히 NMP는 공용매로서 사용된다.
알려진 방법과 대조적으로, 본 발명은 온도, 압력, 산화제 및/또는 촉매와 같은 반응 파라미터를 단순히 변화시켜 동일한 반응 장치를 사용하여 HMF의 4개의 다른 푸란 유도체를 합성하는 단일의 방법을 제공한다. 이는 배치 화학에서 얻기에 불가능한 공정 최적화 시간, 공정 비용 및 전체 공정 효율에서 커다란 이득을 반영한다.
반응 용기를 선택된 화학에 적용시키면서, 반응 조건이 스크래치로부터 최적화되는 것이 필요한 기존 배치 프로토콜과는 달리, 연속적인-흐름성 연구는 우아한 방법으로 이들 단점들을 피한다. 개발된 공정의 가장 중요한 장점은, 실제 반응 부피를 매우 작은 부피(통상 1mL보다 낮음)로 줄이는 것이고, 이는 또한 안전 위험요소를 크게 줄이는 것이다. 순수한 산소의 높은 압력에서 조차 안전하게 조절될 수 있고, 반응 부피를 증가시키기 보다는 연속적인 흐름 반응기들을 평행하게 설치하는 것에 의해 보다 잘 규모화될 수 있다.
다음 반응식 1에서, 본 발명에 따라 연속적인 흐름으로, HMF로부터 출발하여 선택적으로 4개 푸란 유도체들 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산 (HMFCA), 2,5-디포르밀푸란 (DFF), 5-포르밀푸란-2-카르복실산 (FFCA) 및 2,5-푸란디카르복실산 (FDCA)을 얻는 산화 반응이 도식적으로 서술된다.
반응식 1
Figure 112016120474076-pct00007
다음 실시예에서, 모든 온도는 섭씨 (℃)로 표시된다.
다음 약어들이 사용된다:
DFF 2,5-디포르밀푸란
FDCA 2,5-푸란디카르복실산
FFCA 5-포르밀푸란-2-카르복실산
HMF 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄
HMFCA 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산
HPLC 고성능(이전에 고압) 액체 크로마토그래피
K-OMS-2 망간 팔면체 분자체
min 분
NMP N-메틸-2-피롤리돈
PDA 광 다이오드 어레이
RI 굴절률
T 온도
TFA 트리플루오로아세트산
이하 표에서 수율 %은, 출발 물질 HMF의 함량을 기초로 계산된다.
반응 성능은, HMF 전환 및 HMFCA, DFF, FFCA 또는 FDCA 수율/선택성 측면에서 평가되었으며, HPLC (컬럼: Phenomenex Rezex RHM 150x7.8mm, 이동상: H2O 중 0.1 wt% TFA, 온도: 85℃, 흐름 속도: 0.6 mL/min, 방법 기간: 23 min (NMP-없는 샘플) / 60 min (NMP-포함 샘플), 검출: RI 또는 PDA, 내부 기준: 페놀)를 사용하였다.
실시예 1
HMFCA를 얻기 위한 HMF의 산화
반응물 물 중 HMF (5 mg/mL)
염기 첨가제 NaOH (HMF에 기초한 2 equiv., 2차 HPLC 펌프를
통해 HMF의 용액으로 원 위치에서 혼합됨, 물 중 0.08 M
용액으로 공급됨)
촉매 10% Pt/C (280 mg 10% Pt/C + 20 mg 셀라이트 545)
산화제 합성 공기
반응기 시스템 ThalesNano X-Cube, 펌프 흐름 속도: 2x0.5 mL/min,
잔류 시간: 1 min
각 CatCart (70x4 mm)은 일차적으로 20 mg의 Celite 545로 충진하고 이후 280 mg 10% Pt/C를 첨가하였다. 시스템 압력을 변화시킬 때 신선한 CatCart 를 매번 사용하였다. 각 스크리닝 시리즈(screening series) 전에 전체 반응 라인은 H2O (HPLC Grade)로 퍼지되고, 상기 시스템 벨브의 Teflon frit는 교체되고 ThalesNano X-Cube System Self-Test가 수행되었다. 시작 시스템 안정화는 항상 NaOH / H2O 용액을 사용하여 얻어졌고, 반응 파라미터가 일정하게 남아있을 때, 반응 용액의 펌핑을 시작하고, 이후 시스템은 10분 동안 새로운 조건들에서 안정화 및 평형화하게 되고, 1mL의 2개 샘플 각각을 이후 수집하였다. 온도를 증가시키고 시스템은 다시 안정화하였다(동일한 절차가 실험 시리즈 내에서 모든 온도에 대해 이루어졌다). 모든 경우에서, 시스템 압력 및 외부 기체 압력 사이에서 40bar 차이가 우수한 시스템 안정성을 위하여 제공되었다. HMF에서 HMFCA로의 선택적 산화에서, 온도-중재된 촉매 불활성화가 사용되어 완전히 산화된 FDCA에 유리한 HMFCA를 합성한다.
이하 표 1은 다음 파라미터를 사용하여 흐름으로 HMF-HMFCA 산화 스크리닝으로 얻어진 결과들을 요약한 것을 제공한다: 0.5 mL HMF (5 mg/mL), 0.5 mL NaOH (0.08 M), H2O, 10% Pt/C, 80 bar Air, 60-120°C, 0.5 mL/min x 0.5 mL/min, 1 min.
T
[℃] 		HMF 전환율 [ % ] DFF
수율 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ] 		FDCA /
HMFCA
선택성 [ % ]
60 99.71 0.32 29.49 0.91 73.73 73.94/
29.58
80 99.71 0.32 30.66 1.26 66.39 66.58/
30.75
100 99.46 0.58 32.92 0.62 58.07 58.37/
33.10
120 95.57 0.32 80.65 3.07 20.15 21.09/
84.39
표 1로부터, 온도를 증가시키면, HMFCA 수율은 주어진 조건들하에서 증가한다는 것이 명백하다. 반응은 바람직하게는 60℃ 내지 120℃, 특히 80℃ 내지 120℃, 특히 100 내지 120℃에서 수행된다. 온도가 100℃를 초과하면 HMFCA 수율이 급격히 증가한다. 특히 바람직한 온도는 105~130℃, 예를 들어 110 내지 125℃, 예를 들어 115 내지 120℃이다.
실시예 2
DFF를 얻기 위한 HMF의 산화
반응물 물 중 HMF (5 mg/mL)
촉매 Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 544-547에
따라 제조된 K-OMS-2 (263.4 mg K-OMS-2 +
50 mg Celite 545)
산화제 산소 또는 합성 공기
반응기 시스템 ThalesNano X-Cube, 펌프 흐름 속도:
0.5 mL/min, 잔류 시간: 2/4 min
각 CatCart (70x4 mm)는 일차적으로 50 mg Celite 545 으로 충진하고, 이후 263.4 mg K-OMS-2를 첨가하였다. 시스템 압력이 변화되었을 때 신선한 CatCart가 매번 사용되었다. 각 스크리닝 시리즈 전에, 전체 반응 라인은 H2O (HPLC Grade)으로 퍼지되었고, 시스템 밸브의 Teflon frit가 교체되고, ThalesNano X-Cube System Self-Test가 수행되었다. 초기 시스템 안정화는 항상 H2O (HPLC Grade)을 사용하여 얻었고, 반응 파라미터가 일정하게 남았을 때, 반응 용액의 펌핑을 시작하고, 이후 상기 시스템은, 10분 동안 새로운 조건에서 안정화 및 평형화되었고, 각 1mL 샘플을 수집하였다. 이후 온도를 증가시키고, 시스템은 다시 안정화되었다(동일 절차가 실험 시리즈 내에서 모든 온도에 대해 적용되었다). 모든 경우에, 상기 시스템 압력과 외부 기체 압력 사이의 40bar 차이는 우수한 시스템 안정성을 위해 제공되었다.
상기 실험은 이상적 반응 조건을 제공하는 하나 이상의 촉매 카트리지를 사용하여 수행되어, 단지 10bar의 산소 부분압만을 요구하는 우수한 수율(~70%)의 DFF을 제조하였다.
순수한 산소의 잠재적 해로움을 줄이기 위하여, 반응은 또한 산소를 합성 공기로 치환하여 수행되었다. 그러나, 유사 수율을 얻기 위하여, 압력은 80bar의 압축 공기까지 증가하여야만 하였다.
이하 표 2에서, 다음 파라미터를 사용하여 흐름으로 HMF-DFF 산화 스크리닝 결과를 요약해 놓았다: 1 mL HMF (5 mg/mL), H2O, K-OMS-2/Celite, 10 bar O2, 100-160°C, 0.5 mL/min, 2 min (하나의 촉매 카트리지 사용).
T[℃] HMF 전화율 [%] DFF
수율 [ % ] 		DFF
선택성 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ]
100℃ 30.97 20.24 65.47 0.00 4.63 0.15
110℃ 40.80 28.51 70.19 0.00 3.01 0.00
120℃ 49.97 37.13 74.51 0.00 4.77 0.00
130℃ 61.42 48.43 79.06 0.00 7.44 0.00
140℃ 73.19 54.23 74.08 0.00 10.09 0.00
150℃ 82.76 63.16 76.32 0.00 12.83 0.26
160℃ 88.74 69.00 77.88 0.00 14.55 0.89
이하 표 3에서, 다음 파라미터를 사용하여 흐름으로 HMF-DFF 산화 스크리닝의 결과를 요약한 것을 나타내었다: 1 mL HMF (5 mg/mL), H2O, 2x K-OMS-2/Celite, 10 bar O2, 100-160℃, 0.5 mL/min, 4 min (2개 촉매 카트리지 사용)
T[℃] HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		DFF
선택성 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ]
100 47.91 35.48 74.09 0.00 12.78 1.82
110 60.07 47.51 79.10 0.00 9.66 0.00
120 72.07 57.78 80.28 0.00 13.84 0.00
130 84.74 61.49 72.56 0.00 19.96 0.47
140 90.40 67.15 74.28 0.00 21.76 1.92
150 96.80 62.45 64.52 0.00 28.42 3.54
160 98.74 59.00 59.76 0.00 28.97 6.09
이하 표 4에서, 다음 파라미터를 사용하여 흐름으로 HMF-DFF 산화 스크리닝의 결과를 요약한 것을 나타내었다:
1 mL HMF (5 mg/mL), H2O, K-OMS-2/Celite, 80 bar 공기, 100-160℃, 0.5 mL/min, 2 min (하나의 촉매 카트리지를 사용).
T[℃] HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		DFF
선택성 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ]
100 32.31 19.17 59.33 0.00 1.04 0.00
110 42.28 30.14 71.28 0.00 2.37 0.00
120 54.06 39.36 72.81 0.00 4.26 0.00
130 68.06 48.24 70.87 0.00 7.39 0.00
140 78.14 57.02 72.98 0.00 9.70 0.00
150 82.29 61.83 75.14 0.00 9.06 0.00
160 84.97 63.69 74.96 0.00 10.52 0.00
이하 표 5에서, 다음 파라미터를 사용하여 흐름으로 HMF-DFF산화 스크리닝의 결과의 요약을 나타내었다:
1 mL HMF (5 mg/mL), H2O, 2x K-OMS-2/Celite, 80 bar 공기, 100-160℃, 0.5 mL/min, 4 min (2개 촉매 카트리지 사용).
T[℃] HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		DFF
선택성 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ]
100 60.53 36.24 60.30 0.00 19.86 0.00
110 64.16 44.51 69.39 0.00 10.01 0.00
120 76.13 52.80 69.37 0.00 12.93 0.00
130 85.77 59.16 68.97 0.00 16.53 0.00
140 92.83 61.12 65.85 0.00 20.26 0.00
150 95.93 65.46 68.24 0.00 19.95 0.00
160 95.18 66.61 69.98 0.00 17.45 0.00
표 2 내지 5로부터, 주어진 조건하에서 높은 DFF 수율 및 높은 DFF 선택성이 얻어졌다는 것이 명백하다. 평균 수율은 온도 증가에 따라 증가한다. 2배 촉매는 큰 차이를 나타내지 않았으며, 10bar의 압력에 비교하여 80bar에서도 큰 차이는 나타나지 않았다.
출발물질 HMF에 관련된 약 50 내지 70%의 DFF를 제공하는 온도는 약 100 내지 160℃, 예를 들어 120℃ 내지 160℃, 예를 들어 140℃ 내지 160℃이다.
실시예 3
FFCA를 얻기 위한 HMF의 산화
반응물 물 중 HMF (5 mg/mL)
염기성 첨가제 Na2CO3 (HMF 용액으로 사전 혼합된, HMF 기초로 2 equiv.)
촉매 10% Pt/C (280 mg 10% Pt/C + 20 mg Celite 545)
산화제 합성 공기
반응기 시스템 ThalesNano X-Cube, pump flow rate: 0.5mL/min,
잔류시간: 2 min
각 CatCart (70x4 mm)는 일차로 20 mg Celite 545로 충진하고 이후 280 mg 10% Pt/C가 첨가되었다. 시스템 압력이 변화될 때 신선한 CatCart를 매번 사용하였다. 각 스크리닝 시리즈 전에, 전체 반응 라인이 H2O (HPLC Grade)으로 퍼지되었고, 시스템 밸브의 Teflon frit가 교체되었고, ThalesNano X-Cube System Self-Test가 수행되었다. 초기 시스템 안정화는 이미 H2O (HPLC Grade)을 사용하여 얻어졌고, 반응 파라미터가 일정하게 남아있을 때 반응 용액의 펌핑을 시작하고, 이후 시스템을 10min 동안 새로운 조건들에서 안정화 및 평형화를 하였고, 1mL 각각의 2개 샘플을 수집하였다. 이후 온도를 증가시키고, 시스템을 다시 안정화시켰다(동일한 절차가 실험 시리즈 내 모든 온도에 대해 적용되었다). 모든 케이스 내에서, 시스템 압력과 외부 압력 사이에서 40bar 차이가 우수한 시스템 안정성을 위해 제공되었다. 100℃의 온도에서, 기질 전환율과 생성물 FFCA와 관련된 생성물 선택성 사이의 이상적 화합이 이루어졌다.
이하 표 6에서, 다음 파라미터를 사용하여 흐름으로 HMF-FFCA 산화 스크리닝의 결과를 요약해서 나타냈다:
1 mL HMF (5 mg/mL), 2 equiv. Na2CO3, H2O, 10% Pt/C, 80 bar Air, 60-160,℃, 0.5 mL/min, 2 min.
T[℃] HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ] 		FDCA /
FFCA
선택성 [ % ]
60 99.71 0.32 0.00 0.00 57.70 57.87/
0.00
80 99.71 0.32 1.84 44.90 43.28 43.41/
45.03
100 98.61 0.32 5.90 60.26 25.42 25.78/
61.11
120 94.15 0.32 6.55 56.77 19.80 21.03/
60.30
140 92.01 0.32 7.44 48.01 15.69 17.06/
52.18
160 85.69 0.32 9.87 25.41 13.44 15.69/
29.65
표 6으로부터, 주어진 조건하에서 높은 FFCA 수율 및 높은 FFCA 선택성이 얻어질 수 있다는 것이 명백하다. 평균 수율은 온도가 약 120℃까지 증가함에 따라 증가한다. 출발 물질 HMF와 관련된 약 45~60%의 FFCA를 산출하는 온도는 60~160℃, 특히 80~140℃, 예를 들어 100~120℃의 범위이다.
실시예 4
FDCA를 얻기 위한 HMF의 산화
반응물 물 중 HMF (5 mg/mL)
염기성 첨가제 NaOH (물 중 0.08M 용액으로 공급되며, 2차 HPLC 펌프를 통해 HMF의 용액으로 그 자리에서 혼합된, HMF를 기초로 2 equiv.) 또는 Na2CO3 (HMF 용액으로 사전 혼합된, HMF를
기초로 2 equiv.) 또는 NaHCO3 (HMF 용액으로 사전
혼합된, HMF를 기초로 한 4 equiv.)
촉매 10% Pt/C (280 mg 10% Pt/C + 20 mg Celite 545)
산화제 산소 또는 합성 공기
반응기 시스템 ThalesNano X-Cube, 펌프 흐름 속도: 2x0.5 mL/min
(NaOH), 0.5 mL/min (Na2CO3), 0.5 mL/min (NaHCO3),
잔류 시간: 1 min (NaOH), 2 min (Na2CO3),
2 min (NaHCO3)
각 CatCart (70x4 mm)는 일차로 20 mg의 Celite 545으로 충진되었고, 이후 280 mg의 10% Pt/C를 첨가하였다. 시스템 압력이 변화되었을 때 신선한 CatCart가 매번 사용되었다. 각 스크리닝 시리즈 전에, 전체 반응 라인을 H2O (HPLC Grade)으로 퍼지하고, 상기 시스템 밸프의 Teflon frit가 교체되었고, ThalesNano X-Cube System Self-Test가 수행되었다. 초기 시스템 안정화는 항상 NaOH / H2O 용액 또는 H2O (HPLC grade)을 사용하여 얻어졌다. 염기성 첨가제로서 Na2CO3 또는 NaHCO3을 사용하여, 단지 H2O (HPLC grade)만을 펌핑하면서 안정화되었으며, Na2CO3 또는 NaHCO3 수용액은 사용하지 않았다. 반응 파라미터가 일정하게 남아있을 때, 반응 용액의 펌핑이 시작되었고, 시스템은 10분 동안 새로운 조건에서 안정화 및 평형화되었고, 1Ml의 2개 샘플을 이후 수집하였다. 이후 온도를 증가시키고 시스템을 안정화시켰다 (동일한 절차가 실험 시리즈 내의 모든 온도에 적용되었다). 모든 경우에서 시스템 압력과 외부 기체 압력 사이에 40bar 차이가 우수한 시스템 안정성을 위해 제공되었다.
초기 실험은 염기로서 NaOH를 사용하여 수행되었다. 불행하게도 HMF를 NaOH 용액을 처리하면 용액의 즉각 어두워지고, 이어서 검은색 고체 물질 침전이 생겨 용액이 흐르지 못하게 한다. 이 문제를 극복하기 위하여, HMF 용액과 NaOH 용액의 제자리 혼합으로 수행되었다. 그러나, NaOH 용액으로부터 Na2CO3 또는 NaHCO3 용액으로 바꾸어 보다 나은 결과를 얻었다.
이하 표 7에는, 다음 파라미터를 사용하여 HMF-FDCA 산화 스크리닝 흐름의 결과를 요약한 것이다: 0.5 mL HMF (5 mg/mL), 0.5 mL NaOH (0.08 M), H2O, 10% Pt/C, 40 bar O2, 60-160℃, 0.5 mL/min x 0.5 mL/min, 1 min.
T[℃] HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ] 		FDCA
선택성 [ % ]
60 99.71 0.32 18.97 6.78 70.98 71.19
80 99.71 0.32 14.18 10.48 77.23 77.46
100 99.64 0.67 7.30 18.60 79.41 79.70
120 99.50 0.81 2.08 22.28 78.76 79.16
140 99.43 0.32 0.36 25.16 74.14 74.57
160 99.71 0.32 23.95 1.28 68.87 69.07
이하 표 8에는, 다음 파라미터를 사용하여 HMF-FDCA 산화 스크리닝 흐름의 결과를 요약한 것을 나타낸다: 0.5 mL HMF (5 mg/mL), 0.5 mL NaOH (0.08 M), H2O, 10% Pt/C, 80 bar O2, 60-160℃, 0.5 mL/min x 0.5 mL/min, 1 min.
T[℃] HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ] 		FDCA
선택성 [ % ]
60 99.71 0.32 17.23 8.20 74.15 74.37
80 99.71 0.32 11.79 10.67 79.33 79.57
100 99.59 0.81 6.16 17.31 77.97 78.29
120 99.06 0.32 1.68 23.86 76.25 76.98
140 99.34 0.32 0.79 31.01 64.85 65.28
160 99.71 0.32 27.81 1.29 57.83 58.00
표 7 및 표 9로부터, 주어진 조건하에서, 높은 FDCA 수율 및 높은 FDCA 선택성은 온도와 거의 무관하게 얻어진 것이 명백하다. 출발 물질 HMF와 관련된 약 60~80%의 FDCA를 산출하는 온도는 60~160℃, 예를 들어 80~150℃의 범위이다.
이하 표 9에서는, 다음 파라미터를 사용하여 HMF-FDCA 산화 스크리닝 흐름의 결과를 요약한 것이다: 0.5 mL HMF (5 mg/mL), 0.5 mL NaOH (0.08 M), H2O, 10% Pt/C, 40 bar Air, 60-120℃, 0.5 mL/min x 0.5 mL/min, 1 min.
T[℃] HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ] 		FDCA
선택성 [ % ]
60 99.71 0.32 3.66 14.45 76.84 77.06
80 99.71 0.32 8.59 25.31 65.02 65.21
100 98.00 0.32 7.12 27.27 54.09 55.19
120 83.86 0.32 13.28 24.25 31.09 37.06
표 9로부터, 주어진 조건하에서, 높은 FDCA 수율 및 높은 FDCA 선택성이 얻어진 것이 명백하다. 출발 물질 HMF와 관련된 60~80%의 범위의 FDCD를 산출하는 온도는 60~120℃, 예를 들어 60~110℃의 범위이다.
이하 표 10에서, 다음 파라미터를 사용하여 HMF-FDCA 산화 스크리닝 흐름의 결과를 요약한 것이다: 1 mL HMF (5 mg/mL), 2 equiv. Na2CO3, H2O, 10% Pt/C, 80 bar O2, 60-120℃, 0.5 mL/min, 2 min.
T[℃] HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ] 		FDCA
선택성 [ % ]
60 99.71 0.32 0.00 0.00 79.02 79.25
80 99.68 0.32 0.00 0.00 91.44 91.73
100 99.71 0.32 0.00 0.00 95.23 95.51
120 99.71 0.32 0.00 0.00 95.23 95.51
표 10으로부터, 높은 선택성을 갖으면서, HMF의 높은 전환율 및 FDCA의 높은 전환율은 주어진 조건하에서 약 50℃ 내지 140℃에서 얻어질 수 있으며, HMF에서 FDCA로 거의 완전한 전환율은 약 70~130℃의 온도에서 이루어진 것이 명백하다.
동일한 반응 설비로 실시예를 수행하였으며 단지 O2-압력만 40bar로 감압되었고, 그 결과들이 다음과 같이 얻어졌다:
T
[℃] 		HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ] 		FDCA
선택성 [ % ]
60 99.55 0.32 0.00 0.00 78.62 78.97
80 99.55 0.32 11.45 0.00 68.62 68.94
100 99.51 0.32 13.96 0.00 58.15 58.43
120 99.42 0.32 12.20 0.00 49.36 49.65
표 11은 보다 낮은 산소 압력에서, 특히 보다 높은 온도에서 FDCA 수율 및 선택성이 감소되었다는 것을 나타낸다. 이는 명백하게 촉매 불활성화에 기인한 것이다.
이하 표 12에는 다음 파라미터를 사용하여 HMF-FDCA 산화 스크리닝 흐름의 결과를 요약한 것이다: 1 mL HMF (5 mg/mL), 4 equiv. NaHCO3, H2O, 10% Pt/C, 80 bar O2, 60-120℃, 0.5 mL/min, 2 min.
T
[℃] 		HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ] 		FDCA
선택성 [ % ]
60 99.71 0.32 0.00 0.00 73.46 73.67
80 99.71 0.32 0.00 7.51 87.82 88.08
100 99.71 0.32 0.00 2.07 90.33 90.59
120 99.71 0.32 0.00 0.00 96.46 96.74
표 12로부터, 높은 선택성을 가지면서 HMF의 높은 전환율 및 FDCA의 높은 수율은 주어진 조건하에서 약 50℃~140℃로부터 얻어진 것이 명백하며, HMF를 FDCA로 거의 완전한 전환은 100℃ 이상의 온도, 예를 들어 약 110~130℃의 온도에서 이루어졌다.
다시, 동일한 반응 설비로 실시예를 수행하였으며, 다만 O2-압력을 40bar로 감압하는 것만 차이가 있고, 다음 결과가 얻어졌다:
T[℃] HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ] 		FDCA
선택성 [ % ]
60 99.55 0.32 0.00 0.00 66.74 67.04
80 99.55 0.32 0.00 5.95 84.79 85.17
100 99.55 0.32 0.00 0.00 82.56 82.94
120 99.55 0.32 0.00 0.00 32.14 32.29
다시, 표 13에 따라 보다 낮은 산소 압력에서, 보다 높은 온도에서 촉매 불활성으로 인하여 FDCA 수율 및 선택성이 더 많이 줄어들었다.
그러므로, 상기 실시예는, FDCA로 HMF 산화는, 알칼리 카보네이트 또는 바이카보네이트를 공촉매로 사용하고 보다 높은 산소 압력을 사용하면 잔류 시간이 단지 2분에서 매우 우수한 결과를 얻는다는 것을 나타낸다.
실시예 5
용매로서 물을 사용하고, 공용매로 NMP를 사용하여 HMF 산화로 FDCA를 얻음:
본 실시예에서, HMF가 풍부한 인공 흐름은, 당의 이전 탈수의 결과로 나타난 흐름과 유사하며, 출발물질로 사용되었다.
인공 흐름 용액: 5 mg/mL HMF,
HMF : NMP의 비 = 4.7 wt% : 95.3 wt%
염기성 첨가제: NaHCO3, 4 equiv , HMF를 기초로 함
용매: H2O 를 1mL까지 인공 흐름 용액에 첨가
공용매로서 작용하는 인공 흐름 용액 NMP
촉매: 10% Pt/C / Celite 545 (280 mg / 20 mg)
산화제: O2, 압력: 80 bar
온도: 60℃, 80℃, 100℃, 120℃, 140℃, 160℃
흐름 속도: 0.5 mL/min
잔류 시간: 2 min
상기 실시예 4의 설명에 따라 반응이 수행되었다.
이하 표 14에서, 다음 파라미터를 사용하여 HMF-FDCA 산화 스크리닝 흐름의 결과의 요약을 나타낸다: 1 mL HMF (5 mg/mL), 4 equiv. NaHCO3, H2O/NMP, 10% Pt/C, 80 bar O2, 60-160℃, 0.5 mL/min, 2 min.
T
[℃] 		HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ] 		FDCA
선택성 [ % ]
60 99.55 0.32 2.25 38.75 43.52 43.72
80 99.55 0.32 0.49 39.55 59.17 59.43
100 99.15 0.32 0.00 19.03 77.42 78.09
120 99.55 0.32 0.00 6.19 90.53 90.94
140 99.55 0.32 0.00 1.61 92.13 92.55
160 99.55 0.32 0.00 0.72 80.72 81.09
상기 표 14로부터, NMP를 포함하는 생성물 흐름을 기초로 FDCA 수율 및 FDCA선택성이 우수한 결과가 얻어질 수 있다는 것이 명백해졌다. 그러나 가장 좋은 결과는 약간 더 높은 온도, 예를 들어 120℃ 내지 160℃에서 얻어진다.
실시예 6
HMF를 산화하여 이전 당 탈수 단계의 원료 생성물 흐름으로부터 FDCA를 얻음:
WO 2014/033289에서 개시된 것처럼, 용매로서 NMP를 사용하여 프룩토오스를 탈수시켜 얻어진 생성물 흐름은, 상기 실시예 5에 개시된 것과 동일한 조건하에서 처리되었다. 다시 상기 생성물 흐름 내에서 NMP에 대한 HMF의 비는 HMF : NMP = 4.7 wt% : 95.3　wt%이었다.
원료 흐름은 다음과 같이 산화 전에 사전 처리되었다:
(i)순수로 실제 흐름을 희석하여 원하는 HMF 농도 5 mg/Ml를 얻는 단계;
(ii) 흐름의 제조 동안 형성된 임의의 흑색 타르를 분리하기 위하여 원심분리하는 단계;
(iii) 필터지를 통해 여과하는 단계;
(iv) 활성탄으로 충전된 충전층 카트리지를 통해 얻어진 용액을 통과시키는 단계.
이하 표 15에서, 다음 파라미터를 사용하여 HMF-FDCA 산화 스크리닝 흐름의 결과들을 요약한 것이다:
1 mL HMF (5 mg/mL), 4 equiv. NaHCO3, H2O/NMP, 10% Pt/C, 80 bar O2, 60-160℃, 0.5 mL/min, 2 min.
T
[℃] 		HMF
전환율 [ % ] 		DFF
수율 [ % ] 		HMFCA
수율 [ % ] 		FFCA
수율 [ % ] 		FDCA
수율 [ % ] 		FDCA
선택성 [ % ]
60 99.55 0.31 6.75 50.33 10.75 10.79
80 98.73 0.31 6.57 72.46 10.97 11.11
100 98.44 0.31 4.13 71.62 18.16 18.45
120 98.27 0.31 1.11 61.42 35.02 35.64
140 98.74 0.31 0.00 32.69 64.64 65.47
160 99.55 0.31 0.00 8.57 87.01 87.40
표 15는, 결과들이 실시예 5의 인공 흐름의 것보다 약간 더 나쁜 결과임에도 불구하고- FDCA 수율 및 선택성 면에서 허용가능한 결과들이 얻어질 수 있었으며, 특히 보다 높은 온도, 예를 들어 140℃ 내지 160℃의 온도에서 얻어질 수 있으며, 생성물 흐름으로부터 NMP의 사전 제거할 필요가 없었다.

Claims (29)

  1. 용매, 산화제, 촉매 및 선택적으로 염기 및/또는 공용매의 존재하에서, 다음 식의 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄로부터 시작하여 산화된 푸란 유도체를 선택적으로 제조하는 방법으로서,
    Figure 112022011437408-pct00013

    - 산화 공정이 연속적 흐름으로 수행되고,
    - 상기 공정은 반응 파라미터를 변화시키기 위한 반응기 설정(setup)에서 수행되고,
    - 산화 공정을 위한 용매는 물이고,
    - 양자성 이극성 용매가 공용매로 존재하고,
    상기 산화된 푸란 유도체는 적어도 하나의 알데히드 기 및/또는 적어도 하나의 카르복실산 기를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화된 푸란 유도체의 선택적 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    N-메틸피롤리돈이 공용매로서 존재하는 것을 특징으로 하는 산화된 푸란 유도체의 선택적 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    반응 파라미터는 반응 온도, 작동 압력, 산화제 및/또는 촉매인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란 유도체의 선택적 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화된 푸란 유도체가
    다음 식의 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산
    Figure 112022011437408-pct00014

    다음 식의 2,5-디포르밀푸란
    Figure 112022011437408-pct00015

    다음 식의 5-포르밀푸란-2-카르복실산
    Figure 112022011437408-pct00016
    및
    다음 식의 2,5-푸란디카르복실산
    Figure 112022011437408-pct00017

    으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 반응 온도가 50℃ 내지 180℃의 범위인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 반응 온도가 60℃ 내지 160℃의 범위인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    다음 화합물의 제조방법의 반응 온도는
    - 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산은 60℃ 내지 120℃이며;
    - 2,5-디포르밀푸란는 100 내지 160℃이며;
    - 5-포르밀푸란-2-카르복실산은 60℃ 내지 160℃이며;
    - 2,5-푸란디카르복실산은 60℃ 내지 160℃인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산의 제조를 위한 반응 온도는 80℃ 내지 120℃의 범위인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산의 제조를 위한 반응 온도는 100℃ 내지 120℃의 범위인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 2,5-디포르밀푸란의 제조를 위한 반응 온도는 120℃ 내지 160℃의 범위인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 2,5-디포르밀푸란의 제조를 위한 반응 온도는 140℃ 내지 160℃의 범위인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 5-포르밀푸란-2-카르복실산의 제조를 위한 반응 온도는 80℃ 내지 140℃의 범위인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 5-포르밀푸란-2-카르복실산의 제조를 위한 반응 온도는 100℃ 내지 120℃의 범위인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 2,5-푸란디카르복실산의 제조를 위한 반응 온도는 60℃ 내지 120℃의 범위인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 2,5-푸란디카르복실산의 제조를 위한 반응 온도는 80℃ 내지 120℃의 범위인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    산화제가 압축된 산소 또는 압축된 공기인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  17. 제3항에 있어서,
    상기 작동 압력이 5bar 내지 100bar인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 작동 압력이 10bar 내지 80bar인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  19. 제1항에 있어서,
    다음 화합물을 얻기 위해 사용된 촉매는
    - 2,5-디포르밀푸란는 K-OMS-2이고;
    - 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산, 5-포르밀푸란-2-카르복실산 및 2,5-푸란디카르복실산는 활성탄 담지 플래티늄 촉매인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  20. 제1항에 있어서,
    5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산, 5-포르밀푸란-2-카르복실산 및 2,5-푸란디카르복실산의 제조를 위하여 염기가 공촉매로서 사용된 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 염기가 히드록시드, 카보네이트 또는 바이카보네이트인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 염기가 알칼리 히드록시드, 알칼리 카보네이트 또는 알칼리 바이카보네이트인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 염기가 소듐 히드록시드, 소듐 카보네이트 또는 소듐 바이카보네이트인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  24. 제1항에 있어서,
    당의 탈수반응으로부터 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄이 풍부한 흐름이 출발 물질로서 사용되는 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  25. 제3항에 있어서,
    5-히드록시메틸-2-푸르푸랄로부터 출발하여 2,5-푸란디카르복실산을 선택적으로 제조하는 것은 다음 특징들의 조합에 의한 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법:
    - 카보네이트 및 바이카보네이트로부터 선택된 염기가 공촉매로서 사용되고,
    - 작동 압력은 80 내지 100 bar이다.
  26. 제25항에 있어서,
    소듐 카보네이트 및/또는 소듐 바이카보네이트로부터 선택된 염기가 공촉매로서 사용되는 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 반응 온도가 120℃ 내지 160℃인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 반응 온도가 140℃ 내지 160℃인 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
  29. 제25항 또는 제27항에 있어서,
    활성탄에 담지된 플래티늄이 촉매로서 사용된 것을 특징으로 하는 산화된 푸란의 선택적 제조방법.
KR1020167034486A 2014-06-17 2015-06-17 5-히드록시메틸푸르푸랄의 선택적 산화 방법 KR102498728B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP14172678 2014-06-17
EP14172678.6 2014-06-17
PCT/EP2015/063578 WO2015193364A1 (en) 2014-06-17 2015-06-17 Process for the selective oxidation of 5-hydroxymethylfurfural

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170029419A KR20170029419A (ko) 2017-03-15
KR102498728B1 true KR102498728B1 (ko) 2023-02-10

Family

ID=50942190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020167034486A KR102498728B1 (ko) 2014-06-17 2015-06-17 5-히드록시메틸푸르푸랄의 선택적 산화 방법

Country Status (24)

Country Link
US (1) US20170137396A1 (ko)
EP (1) EP3157910B1 (ko)
JP (1) JP6626100B2 (ko)
KR (1) KR102498728B1 (ko)
CN (1) CN106458950B (ko)
AR (1) AR100893A1 (ko)
AU (1) AU2015276185B2 (ko)
BR (1) BR112016029597B1 (ko)
CA (1) CA2949436C (ko)
DK (1) DK3157910T3 (ko)
ES (1) ES2672932T3 (ko)
HR (1) HRP20180840T1 (ko)
HU (1) HUE037981T2 (ko)
LT (1) LT3157910T (ko)
MA (1) MA40011A (ko)
MX (1) MX365828B (ko)
NO (1) NO3157910T3 (ko)
PL (1) PL3157910T3 (ko)
PT (1) PT3157910T (ko)
RS (1) RS57293B1 (ko)
RU (1) RU2703511C2 (ko)
SI (1) SI3157910T1 (ko)
TR (1) TR201807834T4 (ko)
WO (1) WO2015193364A1 (ko)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9604202B2 (en) * 2014-05-08 2017-03-28 Eastman Chemical Company Furan-2,5-dicarboxylic acid purge process
US10010812B2 (en) 2014-05-08 2018-07-03 Eastman Chemical Company Furan-2,5-dicarboxylic acid purge process
US9943834B2 (en) 2014-05-08 2018-04-17 Eastman Chemical Company Furan-2,5-dicarboxylic acid purge process
US9944615B2 (en) 2014-05-08 2018-04-17 Eastman Chemical Company Purifying crude furan 2,5-dicarboxylic acid by hydrogenation and a purge zone
MX2018006741A (es) * 2015-12-10 2018-08-01 Annikki Gmbh Proceso para produccion de acido 2,5-furandicarboxilico (fdca).
EP3464606A1 (de) 2016-05-23 2019-04-10 Annikki GmbH Verfahren zur enzymatischen umwandlung von d-glucose in d-fructose via d-sorbitol
CN106008416B (zh) * 2016-07-04 2019-02-19 浙江大学 一种2,5-呋喃二甲醛的制备方法
US10421736B2 (en) 2017-07-20 2019-09-24 Eastman Chemical Company Production of purified dialkyl-furan-2,5-dicarboxylate (DAFD) in a retrofitted DMT plant
CN109912549A (zh) * 2017-12-12 2019-06-21 南京林业大学 一种5－羟甲基糠醛选择氧化制备5－羟甲基糠酸的新方法
US10344011B1 (en) 2018-05-04 2019-07-09 Eastman Chemical Company Furan-2,5-dicarboxylic acid purge process
EP3626711A1 (en) * 2018-09-24 2020-03-25 Arbaflame Technology AS Process for the production of furfural
US10526301B1 (en) 2018-10-18 2020-01-07 Eastman Chemical Company Production of purified dialkyl-furan-2,5-dicarboxylate (DAFD) in a retrofitted DMT plant
CN115536622A (zh) * 2021-06-29 2022-12-30 中国石油化工股份有限公司 合成2,5-呋喃二甲酸的方法和装置
CN113559930B (zh) * 2021-07-26 2023-05-23 南京林业大学 一种木质素磺酸钠作载体的固体催化剂的制备方法及应用
CN115028609B (zh) * 2022-07-14 2024-04-30 中科国生(杭州)科技有限公司 一种连续化生产5-羟甲基糠醛的生产工艺及装置
CN115583875B (zh) * 2022-09-28 2023-12-01 联化科技（台州）有限公司 在连续流反应器中将烯丙型醇氧化为α,β-不饱和醛酮的方法
CN116396249B (zh) * 2023-04-11 2023-11-21 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种Co/NC-DA-x中空结构催化剂的应用及2,5-二羟甲基呋喃的制备方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU448177A2 (ko) * 1972-10-30 1974-10-30
DE3826073A1 (de) * 1988-07-30 1990-02-01 Hoechst Ag Verfahren zur oxidation von 5-hydroxymethylfurfural
US7700788B2 (en) * 2006-10-31 2010-04-20 Battelle Memorial Institute Hydroxymethyl furfural oxidation methods
JP5078490B2 (ja) * 2007-07-30 2012-11-21 キヤノン株式会社 カルボン酸の製造方法
IT1401911B1 (it) * 2010-08-06 2013-08-28 Novamont Spa Processo per la sintesi di acido 2,5-furandicarbossilico
EP2751060A4 (en) * 2011-08-31 2015-04-08 Univ Kansas PROCESS FOR THE PRODUCTION OF BOTH SUCCINIC ACID AND BIOSOURCED 2,5-FURANDICARBOXYLIC ACID
UA78739U (ru) * 2012-10-26 2013-03-25 Институт Физико-Органической Химии И Углехимии Им. Л.М. Литвиненко Нан Украины Способ получения 2,5-диформилфурана

Also Published As

Publication number Publication date
EP3157910A1 (en) 2017-04-26
BR112016029597A2 (pt) 2017-08-22
RS57293B1 (sr) 2018-08-31
BR112016029597B1 (pt) 2021-08-10
EP3157910B1 (en) 2018-03-14
JP2017518386A (ja) 2017-07-06
WO2015193364A1 (en) 2015-12-23
MX2016015690A (es) 2017-07-28
US20170137396A1 (en) 2017-05-18
CA2949436A1 (en) 2015-12-23
AR100893A1 (es) 2016-11-09
HRP20180840T1 (hr) 2018-06-29
RU2703511C2 (ru) 2019-10-18
AU2015276185A1 (en) 2016-12-01
NO3157910T3 (ko) 2018-08-11
LT3157910T (lt) 2018-06-25
MA40011A (fr) 2018-03-14
TR201807834T4 (tr) 2018-06-21
AU2015276185B2 (en) 2019-04-18
KR20170029419A (ko) 2017-03-15
MX365828B (es) 2019-06-17
CN106458950A (zh) 2017-02-22
JP6626100B2 (ja) 2019-12-25
CA2949436C (en) 2022-05-17
RU2017101164A (ru) 2018-07-17
PL3157910T3 (pl) 2018-08-31
SI3157910T1 (en) 2018-07-31
PT3157910T (pt) 2018-06-20
HUE037981T2 (hu) 2018-09-28
DK3157910T3 (en) 2018-06-18
CN106458950B (zh) 2019-08-27
ES2672932T3 (es) 2018-06-18
RU2017101164A3 (ko) 2019-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102498728B1 (ko) 5-히드록시메틸푸르푸랄의 선택적 산화 방법
Sayed et al. 5-Hydroxymethylfurfural from fructose: an efficient continuous process in a water-dimethyl carbonate biphasic system with high yield product recovery
JP5147309B2 (ja) ２，５−フランジカルボン酸の製造方法
CN107848995B (zh) 用于生产2,5-呋喃二甲酸及其衍生物以及由其制成的聚合物的方法
KR101936966B1 (ko) 2,5-푸란디카르복실산의 합성 방법
CN109438399B (zh) 一种选择性氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-二甲酰基呋喃的方法
US10316011B2 (en) Process for the production of 2, 5-furandicarboxylic acid (FDCA)
WO2015041013A1 (ja) ２，５－フランジカルボン酸の製造方法
JP2016512826A (ja) ケトカルボン酸を含む組成物からのジカルボン酸および誘導体の製造方法
CN112898250B (zh) 一种2,5-呋喃二甲酸的制备方法
JP6672941B2 (ja) フラン化合物の製造方法及びフルフラール組成物
JP6057376B2 (ja) ヒドロキシメチルフルフラール及び／又はフルフラールの還元方法
Hong et al. Bio-based green solvent for metal-free aerobic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural to 2, 5-diformylfural over nitric acid-modified starch
KR20200005875A (ko) 퓨란-2,5-디알킬카르복실레이트의 제조방법
CN111848379B (zh) 一种羰基化合物的制备方法
CN105001183A (zh) 一种联产环氧丙烷和糠酸的方法
KR102644180B1 (ko) 우수한 용해도를 가지는 촉매를 이용한 이종 선형 카보네이트를 제조하는 방법
Zuo et al. Liquid Phase Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural to 2, 5-Furandicarboxylic Acid over Co/Mn/Br Catalyst
WO2023242151A1 (en) Producing 2,5-furandicarboxylic acid with recovery of acid
CN102952132A (zh) 以胡椒环为原料的β-四氢咔啉化合物的新合成方法
Teong et al. Vinylation of Aryl Ether (Lignin β-O-4 Linkage) and Epoxides with Calcium Carbide via CO Bond Cleavage

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant