KR102560488B1 - Method of preparing 5-acyloxymethyl-2-furfural from d-fructose using immobilized enzyme and solid acid catalyst - Google Patents

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Abstract

고정화 효소 및 고체 산촉매를 이용한 D-프룩토스로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법을 개시한다. 상기 제조방법은 반응식 1과 같이, (a) 고정화 효소(immobilized enzyme) 존재 하에서 화합물 1인 D-프룩토스(D-Fructose)와 아실 공여체(acyl donor)를 트랜스-에스터(trans-esterification) 반응시켜 화합물 2를 제조하는 단계; 및 (b) 고체 산촉매 존재 하에서 상기 화합물 2를 탈수 반응(dehydration reaction)시켜 화합물 3인 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
[반응식 1]

상기 반응식 1에서,
R1은 C1 내지 C3 알킬기이다.
본 발명의 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural)의 제조방법은 간단한 반응 경로를 가지며, 고정화 효소와 양이온 교환수지를 이용한 불균일 촉매 반응으로 효소와 화학촉매를 이용한 하이브리드 반응을 이용하고, 분리 정제가 용이하며, 촉매의 재활용이 가능하여 경제성이 높은 효과가 있다.
또한 본 발명의 제조방법은 고온/고압을 사용하지 않는 온화한 반응 조건을 가지며, 상업적으로 이용 가능한 촉매와 독성이 적은 범용용매를 함께 사용하여 효율적으로 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural), 특히 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF)을 제조할 수 있다.
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural from D-fructose using an immobilized enzyme and a solid acid catalyst is disclosed. As shown in Scheme 1, the preparation method is as shown in Scheme 1, (a) trans-esterifying D-fructose, which is compound 1, and an acyl donor in the presence of an immobilized enzyme to prepare compound 2; and (b) preparing compound 3, 5-acyloxymethyl-2-furfural, by dehydrating compound 2 in the presence of a solid acid catalyst.
[Scheme 1]

In Scheme 1 above,
R 1 is a C1 to C3 alkyl group.
The method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural of the present invention has a simple reaction route, a heterogeneous catalytic reaction using an immobilized enzyme and a cation exchange resin, a hybrid reaction using an enzyme and a chemical catalyst, easy separation and purification, and recycling of the catalyst is possible, resulting in high economic efficiency.
In addition, the production method of the present invention has mild reaction conditions that do not use high temperature / high pressure, and can efficiently produce 5-acyloxymethyl-2-furfural, especially 5-acetoxymethyl-2-furfural (AMF), by using a commercially available catalyst and a general-purpose solvent with low toxicity.

Description

고정화 효소 및 고체 산촉매를 이용한 D-프룩토스로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법{METHOD OF PREPARING 5-ACYLOXYMETHYL-2-FURFURAL FROM D-FRUCTOSE USING IMMOBILIZED ENZYME AND SOLID ACID CATALYST}Method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural from D-fructose using immobilized enzyme and solid acid catalyst

본 발명은 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고정화 효소 및 고체 산촉매를 이용하여 D-프룩토스로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural), 특히 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF)을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, and more particularly, to a method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, particularly 5-acetoxymethyl-2-furfural (AMF), from D-fructose using an immobilized enzyme and a solid acid catalyst.

19세기 이래로 화석 연료가 개발되었으며 석유 정제가 발전하였다. 현재, 에너지 및 대량 화학 물질에서부터 정제된 물질에 이르기까지 현대 산업의 많은 측면이 석유에 의존하고 있으며, 따라서 이러한 재생 불가능한 자원이 과도하게 소모되고 있다. 최근 연구는 고분자 물질, 유기 화학 물질 및 연료의 생산을 위한 전구체로서 바이오 매스 자원을 사용하는 데 큰 관심을 보이고 있다.Since the 19th century, fossil fuels have been developed and petroleum refining has been developed. Currently, many aspects of modern industry, from energy and bulk chemicals to refined materials, rely on petroleum, thus over-consuming these non-renewable resources. Recent research has shown great interest in using biomass resources as precursors for the production of polymeric materials, organic chemicals and fuels.

5-아세트옥시메틸푸르푸랄, 특히 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄(5-hydroxymethyl-2-furfural, HMF)과 그 유도체는 재생 가능 및 지속 가능한 산업에서 "탄소 중립(carbon-neutral)" 공급 원료가 될 잠재력을 가진 유망한 바이오 매스 유래 플랫폼 화학 물질 중 하나이다. 다양한 탄수화물 공급원으로부터의 HMF 합성에 관한 수많은 연구가 지난 30년간 수행되었다. 5-acetoxymethylfurfural, particularly 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF) and its derivatives, is one of the promising biomass-derived platform chemicals with the potential to become a “carbon-neutral” feedstock for renewable and sustainable industries. Numerous studies on the synthesis of HMF from various carbohydrate sources have been conducted in the past 30 years.

그러나 HMF 분리에 있어서 N, N-디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), 술포란(sulfolane) 같은 극성 용매를 사용하는 반응은 문제를 발생시키며, 마이크로파 가열, 이온성 액체, 또는 초임계 용매와 같은 특수한 반응 조건을 사용하는 HMF 합성 공정은 높은 합성 비용으로 인해 현재 상용화에 적합하지 않다. 또한 HMF의 낮은 녹는점(30-34℃)과 친수성 및 소수성 용매 모두에서 우수한 혼화성으로 인해 정제 과정에 대한 옵션이 줄어들고, 분리정제가 어려워 고순도 상태로 얻기 힘든 문제점이 있다.However, in HMF separation, reactions using polar solvents such as N, N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), and sulfolane cause problems, and the HMF synthesis process using special reaction conditions such as microwave heating, ionic liquids, or supercritical solvents is not suitable for commercialization at present due to high synthesis cost. In addition, due to the low melting point (30-34 ° C.) of HMF and its excellent miscibility in both hydrophilic and hydrophobic solvents, options for the purification process are reduced, and it is difficult to obtain a high purity state due to difficult separation and purification.

본 발명의 목적은 HMF의 대체 플랫폼 화합물로서 간단한 반응 경로를 가지며, 고정화 효소와 양이온 교환수지를 이용한 불균일 촉매 반응으로 분리 정제가 용이하고 촉매의 재활용이 가능하여 경제성이 높은 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural), 특히 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF)의 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a method for preparing 5-acyloxymethyl-2-furfural, especially 5-acetoxymethyl-2-furfural (AMF), which has a simple reaction route as an alternative platform compound for HMF, easy separation and purification through a heterogeneous catalytic reaction using an immobilized enzyme and a cation exchange resin, and high economic feasibility because the catalyst can be recycled.

또한 본 발명의 목적은 고온/고압을 사용하지 않는 온화한 반응 조건을 가지며, 상업적으로 이용 가능한 촉매와 독성이 적은 범용용매를 함께 사용하여 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural), 특히 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF)을 효율적으로 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for efficiently producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, particularly 5-acetoxymethyl-2-furfural (AMF), using a commercially available catalyst and a general-purpose solvent with low toxicity, under mild reaction conditions without using high temperature/high pressure.

본 발명의 일 측면에 따르면, 반응식 1과 같이, (a) 고정화 효소(immobilized enzyme) 존재 하에서 화합물 1인 D-프룩토스(D-Fructose)와 아실 공여체(acyl donor)를 트랜스-에스터(trans-esterification) 반응시켜 화합물 2를 제조하는 단계; 및 (b) 고체 산촉매 존재 하에서 상기 화합물 2를 탈수 반응(dehydration reaction)시켜 화합물 3인 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계;를 포함하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법이 제공된다.According to one aspect of the present invention, as shown in Scheme 1, (a) trans-esterifying D-fructose, which is compound 1, and an acyl donor in the presence of an immobilized enzyme to prepare compound 2; and (b) preparing compound 3, 5-acyloxymethyl-2-furfural, by dehydrating compound 2 in the presence of a solid acid catalyst. A method for preparing 5-acyloxymethyl-2-furfural is provided.

[반응식 1] [Scheme 1]

상기 반응식 1에서,In Scheme 1 above,

R1은 C1 내지 C3 알킬기이다.R 1 is a C1 to C3 alkyl group.

또한 상기 아실 공여체가 아래 화학식 4로 표시되는 화합물일 수 있다.In addition, the acyl donor may be a compound represented by Formula 4 below.

[화학식 4][Formula 4]

상기 화학식 4에서,In Formula 4,

R1은 C1 내지 C3 알킬기이고,R 1 is a C1 to C3 alkyl group;

R2는 C1 내지 C3 알킬기, 또는 이고,R 2 is a C1 to C3 alkyl group, or ego,

R3은 수소원자 또는 C1 내지 C3 알킬기이다.R 3 is a hydrogen atom or a C1 to C3 alkyl group.

또한 다른 하나의 실시예에 따르면 상기 화학식 4에서, R1은 메틸기이고, 화합물 2가 1,6-디아세틸프룩토스(DAF)이고, 화합물 3이 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(AMF)일 수 있다.According to another embodiment, in Chemical Formula 4, R 1 may be a methyl group, compound 2 may be 1,6-diacetylfructose (DAF), and compound 3 may be 5-acetoxymethyl-2-furfural (AMF).

또한 상기 고정화 효소가 리파아제(lipase)일 수 있다.In addition, the immobilized enzyme may be a lipase.

또한 상기 고정화 효소가 사용하지 않은 것 또는 상기 트랜스-에스터 반응에 촉매로 사용된 후 여과하여 리사이클된 것일 수 있다.In addition, the immobilized enzyme may be one that is not used or one that is filtered and recycled after being used as a catalyst for the trans-esterification reaction.

또한 단계 (a)가 용매를 사용하는 용액 반응으로 수행되고, 단계 (a)의 상기 용매가 물, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 테트라히드로퓨란, 1,4-디옥산, 디메틸술폭시드, 에틸아세테이트, 메틸이소부틸케톤, 헥산, 및 디클로로메탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, step (a) is performed by a solution reaction using a solvent, and the solvent of step (a) may include at least one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, acetone, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, dimethyl sulfoxide, ethyl acetate, methyl isobutyl ketone, hexane, and dichloromethane.

또한 단계 (a)의 상기 용매가 테트라히드로퓨란 및 1,4-디옥산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the solvent of step (a) may include at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran and 1,4-dioxane.

또한 상기 고체 산촉매가 양이온 교환 수지를 포함할 수 있다.In addition, the solid acid catalyst may include a cation exchange resin.

또한 상기 양이온 교환 수지가 Amberlyst 15를 포함할 수 있다.In addition, the cation exchange resin may include Amberlyst 15.

또한 단계 (b)가 용매를 사용하는 용액 반응으로 수행되고, 단계 (b)의 용매가 테트라히드로퓨란, 1,4-디옥산 및 디메틸술폭시드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, step (b) may be performed by a solution reaction using a solvent, and the solvent of step (b) may include at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, and dimethyl sulfoxide.

또한 상기 단계 (b)의 용매가 상기 1,4-디옥산 및 상기 디메틸술폭시드를 포함하고, 상기 1,4-디옥산 100중량부에 대하여 상기 디메틸술폭시드 10 내지 100중량부를 포함할 수 있다.In addition, the solvent of the step (b) may include the 1,4-dioxane and the dimethylsulfoxide, and 10 to 100 parts by weight of the dimethylsulfoxide based on 100 parts by weight of the 1,4-dioxane.

또한 상기 고체 산촉매가 유기 지지체 또는 무기 지지체 상에 브뢴스테드산 또는 루이스산 기능기가 연결된 것일 수 있다.In addition, the solid acid catalyst may be one in which a Bronsted acid or Lewis acid functional group is connected to an organic support or an inorganic support.

또한 상기 고체 산촉매가 사용하지 않은 것 또는 상기 탈수 반응에 촉매로 사용된 후 리사이클된 것일 수 있다.In addition, the solid acid catalyst may be unused or recycled after being used as a catalyst for the dehydration reaction.

또한 상기 단계 (b)에서 상기 화합물 2에 대한 상기 고체 산촉매의 중량비(고체 산촉매/화합물 2)가 0.5 내지 1일 수 있다.In addition, in the step (b), the weight ratio of the solid acid catalyst to the compound 2 (solid acid catalyst/compound 2) may be 0.5 to 1.

또한 상기 고정화 효소 및 고체 산촉매가 각각 독립적으로 담체에 고정화된 것일 수 있다.In addition, the immobilized enzyme and the solid acid catalyst may be each independently immobilized on a carrier.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 제조방법으로 제조된 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄이 제공된다.According to another aspect of the present invention, 5-acyloxymethyl-2-furfural prepared by the above production method is provided.

본 발명의 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural)의 제조방법은 간단한 반응 경로를 가지며, 고정화 효소와 양이온 교환수지를 이용한 불균일 촉매 반응으로 효소와 화학촉매를 이용한 하이브리드 반응을 이용하고, 분리 정제가 용이하며, 촉매의 재활용이 가능하여 경제성이 높은 효과가 있다.The method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural of the present invention has a simple reaction route, a heterogeneous catalytic reaction using an immobilized enzyme and a cation exchange resin, a hybrid reaction using an enzyme and a chemical catalyst, easy separation and purification, and recycling of the catalyst is possible, resulting in high economic efficiency.

또한 본 발명의 제조방법은 고온/고압을 사용하지 않는 온화한 반응 조건을 가지며, 상업적으로 이용 가능한 촉매와 독성이 적은 범용용매를 함께 사용하여 효율적으로 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural), 특히 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF)을 제조할 수 있다.In addition, the production method of the present invention has mild reaction conditions that do not use high temperature / high pressure, and can efficiently produce 5-acyloxymethyl-2-furfural, especially 5-acetoxymethyl-2-furfural (AMF), by using a commercially available catalyst and a general-purpose solvent with low toxicity.

도 1은 실시예 3의 고정화 리파아제의 재사용 횟수에 따른 DAF 수율 및 촉매 손실(loss)을 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 4-4의 DAF 탈수 반응에서 시간에 따른 AMF와 HMF의 수율 및 DAF 전환율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 5-1 내지 5-7에 따른 AMF와 HMF의 수율 및 DAF 전환율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 5-2, 5-8 내지 5-11에 따른 AMF와 HMF의 수율을 나타낸 그래프이다.
도 5은 실시예 7의 Amberlyst 15의 재사용 횟수에 따른 AMF 및 HMF 수율을 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing the DAF yield and catalyst loss according to the number of reuses of the immobilized lipase of Example 3.
Figure 2 is a graph showing the yield of AMF and HMF and DAF conversion over time in the DAF dehydration reaction of Example 4-4.
3 is a graph showing the yield of AMF and HMF and the DAF conversion rate according to Examples 5-1 to 5-7.
4 is a graph showing yields of AMF and HMF according to Examples 5-2, 5-8 to 5-11.
5 is a graph showing AMF and HMF yields according to the number of reuses of Amberlyst 15 of Example 7.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments are exemplified and described in detail in the detailed description. However, it should be understood that this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and includes all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Also, terms including ordinal numbers such as first and second to be used below may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.

또한, 어떤 구성요소가 “다른 구성요소 상에,” "다른 구성요소 상에 형성되어," "다른 구성요소 상에 위치하여," 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어, 위치하여 있거나 또는 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, when a component is referred to as “on another component,” “formed on another component,” “located on another component,” or “laminated on another component,” it should be understood that although it may be directly attached to, positioned on, or stacked on the front or one surface of the other component, other components may be present in the middle.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but it should be understood that the presence or addition of one or more other features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not excluded in advance.

본 명세서에서 "수소"란 별도의 정의가 없는 한, 일중수소, 이중수소, 또는 삼중수소를 의미한다. In this specification, "hydrogen" means single hydrogen, double hydrogen, or tritium unless otherwise defined.

본 명세서에서 "알킬(alkyl)기" 란 별도의 정의가 없는 한, 지방족 탄화수소기를 의미한다. In the present specification, "alkyl (alkyl) group" means an aliphatic hydrocarbon group unless otherwise defined.

알킬기는 어떠한 이중결합이나 삼중결합을 포함하고 있지 않은 "포화 알킬(saturated alkyl)기" 일 수 있다. An alkyl group may be a "saturated alkyl group" that does not contain any double or triple bonds.

알킬기는 적어도 하나의 이중결합 또는 삼중결합을 포함하고 있는 "불포화 알킬(unsaturated alkyl)기"일 수도 있다.The alkyl group may also be an "unsaturated alkyl group" containing at least one double bond or triple bond.

이하, 반응식 1을 참고하여 본 발명의 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a method for preparing 5-acyloxymethyl-2-furfural of the present invention will be described with reference to Scheme 1.

[반응식 1] [Scheme 1]

상기 반응식 1에서,In Scheme 1 above,

R1은 C1 내지 C3 알킬기이다.R 1 is a C1 to C3 alkyl group.

먼저, 고정화 효소(immobilized enzyme) First, immobilized enzyme 존재 하에서in the presence 화합물 1인 D- Compound 1, D- 프룩토스(D-Fructose)와With D-Fructose 아실 공여체( acyl donor ( acylacyl donor)를 트랜스-에스터(trans-esterification) 반응시켜 화합물 2를 제조한다(단계 a). donor) by trans-esterification to prepare compound 2 (step a).

상기 아실 공여체는 아래 화학식 4로 표시되는 화합물일 수 있다.The acyl donor may be a compound represented by Chemical Formula 4 below.

[화학식 4][Formula 4]

상기 화학식 4에서,In Formula 4,

R1은 C1 내지 C3 알킬기이고,R 1 is a C1 to C3 alkyl group;

R2는 C1 내지 C3 알킬기, 또는 이고,R 2 is a C1 to C3 alkyl group, or ego,

R3은 수소원자 또는 C1 내지 C3 알킬기이다.R 3 is a hydrogen atom or a C1 to C3 alkyl group.

상기 고정화 효소는 리파아제(lipase)일 수 있다.The immobilized enzyme may be a lipase.

상기 고정화 효소는 사용하지 않은 것 또는 상기 트랜스-에스터 반응에 촉매로 사용된 후 여과하여 리사이클된 것일 수 있다.The immobilized enzyme may be one that is not used or one that is filtered and recycled after being used as a catalyst for the trans-esterification reaction.

단계 (a)는 용매를 사용하는 용액 반응으로 수행되고, 단계 (a)의 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 테트라히드로퓨란, 1,4-디옥산, 디메틸술폭시드, 에틸아세테이트, 메틸이소부틸케톤, 헥산, 및 디클로로메탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 테트라히드로퓨란 및 1,4-디옥산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.Step (a) is carried out by a solution reaction using a solvent, and the solvent in step (a) may include at least one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, acetone, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, dimethylsulfoxide, ethyl acetate, methyl isobutyl ketone, hexane, and dichloromethane, and preferably at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran and 1,4-dioxane. can include

마지막으로, 고체 Finally, solid 산촉매acid catalyst 존재 하에서in the presence 상기 화합물 2를 탈수 반응(dehydration reaction)시켜 화합물 3인 5- Compound 2 was subjected to a dehydration reaction to obtain compound 3, 5- 아실옥시메틸acyloxymethyl -2-푸르푸랄을 제조한다(단계 b).-2-furfural is prepared (step b).

상기 화학식 4에서, R1은 메틸기이고, 화합물 2는 1,6-디아세틸프룩토스(DAF)이고, 화합물 3은 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(AMF)일 수 있다.In Formula 4, R 1 may be a methyl group, compound 2 may be 1,6-diacetylfructose (DAF), and compound 3 may be 5-acetoxymethyl-2-furfural (AMF).

상기 고체 산촉매는 양이온 교환 수지를 포함할 수 있다.The solid acid catalyst may include a cation exchange resin.

상기 양이온 교환 수지는 Amberlyst 15를 포함할 수 있다.The cation exchange resin may include Amberlyst 15.

단계 (b)는 용매를 사용하는 용액 반응으로 수행되고, 단계 (b)의 용매는 테트라히드로퓨란, 1,4-디옥산 및 디메틸술폭시드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.Step (b) is performed as a solution reaction using a solvent, and the solvent of step (b) may include at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, and dimethylsulfoxide.

상기 단계 (b)의 용매는 상기 1,4-디옥산 및 상기 디메틸술폭시드를 포함하고, 상기 1,4-디옥산 100중량부에 대하여 상기 디메틸술폭시드 10 내지 100중량부를 포함할 수 있다.The solvent of the step (b) includes the 1,4-dioxane and the dimethylsulfoxide, and may include 10 to 100 parts by weight of the dimethylsulfoxide based on 100 parts by weight of the 1,4-dioxane.

상기 고체 산촉매는 유기 지지체 또는 무기 지지체 상에 브뢴스테드산 또는 루이스산 기능기가 연결된 것일 수 있다.The solid acid catalyst may be one in which a Bronsted acid or Lewis acid functional group is connected to an organic support or an inorganic support.

상기 고체 산촉매는 사용하지 않은 것 또는 상기 탈수 반응에 촉매로 사용된 후 리사이클된 것일 수 있다.The solid acid catalyst may be unused or recycled after being used as a catalyst for the dehydration reaction.

상기 단계 (b)에서 상기 화합물 2에 대한 상기 고체 산촉매의 중량비(고체 산촉매/화합물 2)는 0.5 내지 1일 수 있다.In the step (b), the weight ratio of the solid acid catalyst to the compound 2 (solid acid catalyst/compound 2) may be 0.5 to 1.

상기 고정화 효소 및 고체 산촉매는 각각 독립적으로 담체에 고정화된 것일 수 있다.The immobilized enzyme and the solid acid catalyst may be each independently immobilized on a carrier.

또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄을 제공한다.In addition, the present invention provides 5-acyloxymethyl-2-furfural prepared by the above preparation method.

[실시예][Example]

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, this is for illustrative purposes and the scope of the present invention is not limited thereby.

실시예에서 사용한 시약인, D-Fructose (99%), 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF, 99%), 5-acetoxymethyl-2-furfural(AMF, 99%), vinyl acetate (99%), tetrahydrofuran (anhydrous, 99.9%, abbreviated as THF henceforth), 1,4-dioxane (anhydrous, 99.8%, abbreviated as dioxane henceforth), DMSO (anhydrous, 99.9%), sulfuric acid (H2SO4 95-98%), p-toluenesulfonic acid monohydrate (pTSA, 98.5%), alumina (Al2O3, activated, acidic, Brockmann I), and Amberlyst 15 (hydrogen form, dry)를 Sigma-Aldrich사에서 구매하여 사용하였다. 또한 Novozym 435와 Lipozyme TL IM과 같은 Immobilized lipase를 Novozymes(Denmark)에서 구매하였고, Lipozyme RM IM을 Sigma-Aldrich에서 구매하여 사용하였다.실시예에서 사용한 시약인, D-Fructose (99%), 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF, 99%), 5-acetoxymethyl-2-furfural(AMF, 99%), vinyl acetate (99%), tetrahydrofuran (anhydrous, 99.9%, abbreviated as THF henceforth), 1,4-dioxane (anhydrous, 99.8%, abbreviated as dioxane henceforth), DMSO (anhydrous, 99.9%), sulfuric acid (H 2 SO 4 95-98%), p-toluenesulfonic acid monohydrate (pTSA, 98.5%), alumina (Al 2 O 3 , activated, acidic, Brockmann I), and Amberlyst 15 (hydrogen form, dry)를 Sigma-Aldrich사에서 구매하여 사용하였다. Immobilized lipases such as Novozym 435 and Lipozyme TL IM were purchased from Novozymes (Denmark), and Lipozyme RM IM was purchased from Sigma-Aldrich.

실시예Example

실시예 1: DAF 제조Example 1: DAF Preparation

[Scheme 1][Scheme 1]

실시예 1-1Example 1-1

Scheme 1을 참고하면, D-프룩토스 50㎎, 비닐 아세테이트(3 당량) 80μL, 고정화 효소로서 고정화 리파아제 Lipozyme TL IM 50㎎ 및 용매로서 물(H2O) 5mL를 45℃에서 5시간 동안 300rpm으로 자기 교반하여 반응시켰다. 반응 후 리파아제를 여과하고, 여액을 회전 증발 및 진공 증발시켜 약간의 황색 시럽 형태로 최종 생성물인 DAF를 제조하였다.Referring to Scheme 1, 50 mg of D-fructose, 80 μL of vinyl acetate (3 equivalents), 50 mg of immobilized lipase Lipozyme TL IM as an immobilized enzyme, and 5 mL of water (H 2 O) as a solvent were reacted at 45 ° C. for 5 hours at 300 rpm with magnetic stirring. After the reaction, the lipase was filtered, and the filtrate was rotary evaporated and vacuum evaporated to obtain DAF as a final product in the form of a slight yellow syrup.

1H NMR of DAF (300 MHz, CDCl3): 4.44-4.33 (m, 1H on C2), 4.30-4.23 (m, 2H of C5-CH2), 4.21-4.13 (m, 2H on C3 and C4), 4.05-4.00 (m, 2H of C2-CH2), 2.17-2.12 (m, 6H of 2 -COOCH3; major anomer: 2.14 and 2.13; minor anomer: 2.17 and 2.12). 1 H NMR of DAF (300 MHz, CDCl 3 ): 4.44-4.33 (m, 1H on C2), 4.30-4.23 (m, 2H of C5-CH 2 ), 4.21-4.13 (m, 2H on C3 and C4), 4.05-4.00 (m, 2H of C2-CH 2 ), 2. 17-2.12 (m, 6H of 2 -COOCH3; major anomer: 2.14 and 2.13; minor anomer: 2.17 and 2.12).

13C NMR of DAF (300 MHz, DMSO-d6): 170.83-170.47 (d, 2C in -COO- groups), 100.86 (s, C5 in the ring), 78.85 (s, C2 in the ring), 76.49 (s, C4 in the ring), 75.57 (s, C3 in the ring), 66.16 (s, C6 in -CH2 group), 64.62 (s, C1 in -CH2 group), 21.04 (m, 2C in -CH3 groups) 13 C NMR of DAF (300 MHz, DMSO-d 6 ): 170.83-170.47 (d, 2C in -COO- groups), 100.86 (s, C5 in the ring), 78.85 (s, C2 in the ring), 76.49 (s, C4 in the ring), 75.57 (s, C3 in the ring), 66. 16 (s, C6 in -CH 2 group), 64.62 (s, C1 in -CH 2 group), 21.04 (m, 2C in -CH 3 groups)

LC-MS analysis with API-ES positive mode +70 V (in HCOOH 0.001 M), m/z: 282.2 (M + H2O, 38%), 247.1 (M - OH-, 100%).LC-MS analysis with API-ES positive mode +70 V (in HCOOH 0.001 M), m/z: 282.2 (M + H 2 O, 38%), 247.1 (M - OH - , 100%).

실시예 1-2 내지 1-35Examples 1-2 to 1-35

실시예 1-1의 용매, 고정화 효소, 및 비닐아세테이트의 당량 대신에 아래 표 1에 기재된 용매, 고정화 효소 및 비닐아세테이트의 당량을 각각 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 실시예 1-2 내지 1-35를 각각 수행하여 DAF를 제조하였다.Examples 1-2 to 1-35 were prepared in the same manner as in Example 1-1, except that the equivalents of the solvent, immobilized enzyme, and vinyl acetate described in Table 1 below were used instead of the equivalents of the solvent, the immobilized enzyme, and the vinyl acetate of Example 1-1, respectively, to prepare DAF.

아래 표 1은 실시예 1-1 내지 1-35의 DAF 제조에 사용된 용매의 종류, 고정화 효소의 종류 및 비닐 아세테이트의 당량을 정리하여 나타낸 것이다.Table 1 below summarizes the types of solvents, types of immobilized enzymes, and equivalents of vinyl acetate used in the preparation of DAFs in Examples 1-1 to 1-35.

용매menstruum 고정화 효소immobilized enzyme 비닐 아세테이트의 당량(equiv)Equivalents of vinyl acetate (equiv) 실시예 1-1Example 1-1 물(H2O)water (H 2 O) Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 실시예 1-2Example 1-2 물(H2O)water (H 2 O) Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 실시예 1-3Example 1-3 물(H2O)water (H 2 O) Novozym 435Novozym 435 33 실시예 1-4Example 1-4 MeOHMeOH Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 실시예 1-5Example 1-5 MeOHMeOH Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 실시예 1-6Example 1-6 MeOHMeOH Novozym 435Novozym 435 33 실시예 1-7Examples 1-7 EtOHEtOH Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 실시예 1-8Examples 1-8 EtOHEtOH Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 실시예 1-9Examples 1-9 EtOHEtOH Novozym 435Novozym 435 33 실시예 1-10Examples 1-10 AcetoneAcetone Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 실시예 1-11Example 1-11 AcetoneAcetone Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 실시예 1-12Examples 1-12 AcetoneAcetone Novozym 435Novozym 435 33 실시예 1-13Examples 1-13 THFTHF Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 실시예 1-14Examples 1-14 THFTHF Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 실시예 1-15Examples 1-15 THFTHF Novozym 435Novozym 435 33 실시예 1-16Examples 1-16 1,4-Dioxane1,4-Dioxane Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 실시예 1-17Examples 1-17 1,4-Dioxane1,4-Dioxane Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 실시예 1-18Examples 1-18 1,4-Dioxane1,4-Dioxane Novozym 435Novozym 435 33 실시예 1-19Examples 1-19 DMSODMSO Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 실시예 1-20Examples 1-20 DMSODMSO Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 실시예 1-21Example 1-21 DMSODMSO Novozym 435Novozym 435 33 실시예 1-22Examples 1-22 Ethyl acetateEthyl acetate Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 실시예 1-23Examples 1-23 Ethyl acetateEthyl acetate Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 실시예 1-24Examples 1-24 Ethyl acetateEthyl acetate Novozym 435Novozym 435 33 실시예 1-25Examples 1-25 MIBKMIBK Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 실시예 1-26Examples 1-26 MIBKMIBK Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 실시예 1-27Examples 1-27 MIBKMIBK Novozym 435Novozym 435 33 실시예 1-28Examples 1-28 HexaneHexane Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 실시예 1-29Examples 1-29 HexaneHexane Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 실시예 1-30Examples 1-30 HexaneHexane Novozym 435Novozym 435 33 실시예 1-31Examples 1-31 DichloromethaneDichloromethane Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 실시예 1-32Example 1-32 DichloromethaneDichloromethane Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 실시예 1-33Example 1-33 DichloromethaneDichloromethane Novozym 435Novozym 435 33 실시예 1-34Example 1-34 THFTHF Novozym 435Novozym 435 55 실시예 1-35Examples 1-35 DioxaneDioxane Novozym 435Novozym 435 55

실시예Example 2: 2: DAFDAF 제조에 대한 for manufacturing 스케일업scale up (×10배 내지 ×600배)(×10 times to ×600 times)

실시예 2-1: THF 용매(×10배)Example 2-1: THF solvent (×10 times)

D-프룩토스 0.5g, 비닐 아세테이트(3 당량) 800μL, 고정화 리파아제 Novozym 435는 D-프룩토스와 동일한 중량(0.5 g) 및 용매로서 THF 50mL를 45℃에서 5시간 동안 300rpm으로 자기 교반하여 반응시켰다. 반응 후 리파아제를 여과하고, 여액을 회전 증발 및 진공 증발시켜 약간의 황색 시럽 형태로 최종 생성물인 DAF를 제조하였다.0.5 g of D-fructose, 800 μL of vinyl acetate (3 equivalents), and immobilized lipase Novozym 435 were reacted with the same weight (0.5 g) as D-fructose and 50 mL of THF as a solvent by magnetic stirring at 45° C. for 5 hours at 300 rpm. After the reaction, the lipase was filtered, and the filtrate was rotary evaporated and vacuum evaporated to obtain DAF as a final product in the form of a slight yellow syrup.

실시예 2-2 내지 2-5: THF 용매Examples 2-2 to 2-5: THF solvent

D-프룩토스 0.5g을 사용하는 대신에 D-프룩토스 1.0g, 1.5g, 2.0g, 2.5g을 각각 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 실시예 2-2 내지 2-5를 각각 수행하여 DAF를 제조하였다.DAF was prepared by performing Examples 2-2 to 2-5 in the same manner as Example 2-1, except that 1.0 g, 1.5 g, 2.0 g, and 2.5 g of D-fructose were used instead of 0.5 g of D-fructose.

실시예 2-6: THF 용매(×600배)Example 2-6: THF solvent (×600 times)

D-프룩토스 0.5g을 사용하는 대신에 D-프룩토스 30.0g을 사용하고, 비닐 아세테이트(3 당량) 800μL를 사용하는 대신에 비닐 아세테이트(3 당량) 46mL를 사용하고, 용매로서 THF 50mL를 사용한 대신에 THF 3L를 사용하고, 5시간 동안 300rpm으로 자기 교반하는 대신에 6시간 동안 500rpm으로 자기 교반하는 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 실시예 2-6을 수행하여 DAF를 제조하였다.30.0 g of D-fructose was used instead of 0.5 g of D-fructose, 46 mL of vinyl acetate (3 equivalents) was used instead of 800 μL of vinyl acetate (3 equivalents), 3 L of THF was used instead of 50 mL of THF as solvent, and magnetic stirring was at 500 rpm for 6 hours instead of magnetic stirring at 300 rpm for 5 hours. DAF was prepared by performing Example 2-6 in the same manner as Example 2-1.

실시예 2-7 내지 2-11: 1,4-Dioxane 용매Examples 2-7 to 2-11: 1,4-Dioxane solvent

용매로서 THF 50mL를 사용하는 대신에 1,4-디옥산 50mL를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2-1 내지 2-5와 동일한 방법으로 실시예 2-7 내지 2-11을 각각 수행하여 DAF를 제조하였다.DAF was prepared by performing Examples 2-7 to 2-11 in the same manner as in Examples 2-1 to 2-5, except that 50 mL of 1,4-dioxane was used instead of 50 mL of THF as a solvent.

실시예 3: 고정화 리파아제(Novozym 435) 재사용Example 3: Reuse of immobilized lipase (Novozym 435)

D-프룩토스 500mg, 고정화 리파아제 Novozym 435 500mg, 비닐 아세테이트 800μL, 용매로서 THF 50mL를, 45℃에서 5시간 동안 300rpm으로 자기 교반하여 반응시켰다. 반응 후 리파아제를 여과하고, 여액을 회전 증발 및 진공 증발시켜 약간의 황색 시럽 형태로 최종 생성물인 DAF를 제조하였다.500 mg of D-fructose, 500 mg of immobilized lipase Novozym 435, 800 μL of vinyl acetate, and 50 mL of THF as a solvent were reacted at 45° C. for 5 hours with magnetic stirring at 300 rpm. After the reaction, the lipase was filtered, and the filtrate was rotary evaporated and vacuum evaporated to obtain DAF as a final product in the form of a slight yellow syrup.

상기 과정을 7 사이클 반복 수행하였다. 각 사이클 후에, 작은 비드 형태의 리파아제를 여과하고, THF로 세척하고, 재사용하기 전에 12시간 동안 실온에서 건조시켰다.This process was repeated 7 cycles. After each cycle, the lipase in the form of small beads was filtered off, washed with THF and dried at room temperature for 12 hours before reuse.

실시예 4: 단일 용매를 사용하여 AMF 제조Example 4: Preparation of AMF using a single solvent

[Scheme 2][Scheme 2]

실시예 4-1: 단일 용매로 THF 사용Example 4-1: Using THF as a single solvent

Scheme 2를 참고하면, DAF 50㎎, 고체 산촉매로서 Amberlyst 15 50㎎ 및 용매로서 THF 5mL를, 120℃에서 8시간 동안 300rpm으로 교반하여 반응시켰다. 반응 후 Amberlyst 15를 여과하고, 진공 증류를 통해 AMF를 분리하여 최종 생성물인 AMF를 제조하였다.Referring to Scheme 2, 50 mg of DAF, 50 mg of Amberlyst 15 as a solid acid catalyst, and 5 mL of THF as a solvent were stirred at 120° C. for 8 hours at 300 rpm to react. After the reaction, Amberlyst 15 was filtered, and AMF was separated through vacuum distillation to prepare AMF as a final product.

1H NMR (300 MHz, THF-d8): 9.62 (s, 1H on -CHO), 7.31-7.30 (d, 1H of C4 on furan ring), 6.68-6.67 (d, 1H of C3 on furan ring), 5.13 (s, 2H of -CH2), 2.06 (s, 3H of -CH3). 1 H NMR (300 MHz, THF-d 8 ): 9.62 (s, 1H on -CHO), 7.31-7.30 (d, 1H of C4 on furan ring), 6.68-6.67 (d, 1H of C3 on furan ring), 5.13 (s, 2H of -CH 2 ), 2.06 (s, 3H of -CH 3 ).

13C NMR of AMF (300 MHz, THF-d8): 176.91 (s, C in -CHO group), 169.23 (s, C in -COO- group), 155.57 (s, C2 in the furan ring), 155.37 (s, C5 in the furan ring), 120.62 (s, C4 in the furan ring), 112.06 (s, C3 in the furan ring), 57.27 (s, C in -CH2 group), 19.32 (s, C in -CH3 group). 13 C NMR of AMF (300 MHz, THF-d 8 ): 176.91 (s, C in -CHO group), 169.23 (s, C in -COO- group), 155.57 (s, C2 in the furan ring), 155.37 (s, C5 in the furan ring), 120.62 (s, C4 in the furan ring), 11 2.06 (s, C3 in the furan ring), 57.27 (s, C in -CH 2 group), 19.32 (s, C in -CH 3 group).

GC-MS analysis with EI scan mode from -2.0 to +2.0 kV shows m/z: 282.2 (M - COCH3 + H+, 100%).GC-MS analysis with EI scan mode from -2.0 to +2.0 kV shows m/z: 282.2 (M - COCH 3 + H+, 100%).

실시예 4-2: 단일 용매로 1,4-Dioxane 사용Example 4-2: Use of 1,4-Dioxane as a single solvent

용매로서 THF를 사용하는 대신에 1,4-Dioxane을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 4-1과 동일한 방법으로 실시예 4-2를 수행하여 AMF를 제조하였다.AMF was prepared by performing Example 4-2 in the same manner as Example 4-1, except that 1,4-Dioxane was used instead of THF as a solvent.

실시예 4-3: 단일 용매로 DMSO 사용Example 4-3: Using DMSO as a single solvent

용매로서 THF를 사용하는 대신에 DMSO를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 4-1과 동일한 방법으로 실시예 4-3을 수행하여 AMF를 제조하였다.AMF was prepared by performing Example 4-3 in the same manner as Example 4-1, except that DMSO was used instead of THF as a solvent.

실시예 4-4: 단일 용매로 1,4-Dioxane 사용Example 4-4: Using 1,4-Dioxane as a single solvent

Amberlyst 15 50㎎을 사용하는 대신에 Amberlyst 15 10mg을 사용하고, 용매로서 THF를 사용하는 대신에 1,4-Dioxane을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 4-1과 동일한 방법으로 실시예 4-4를 수행하여 AMF를 제조하였다.AMF was prepared in Example 4-4 in the same manner as in Example 4-1, except that 10 mg of Amberlyst 15 was used instead of 50 mg of Amberlyst 15, and 1,4-Dioxane was used instead of THF as a solvent.

실시예 5: 1,4-디옥산과 DMSO의 혼합 용매를 사용하여 AMF 제조Example 5: Preparation of AMF using a mixed solvent of 1,4-dioxane and DMSO

실시예 5-1Example 5-1

DAF 50㎎, 고체 산촉매로서 Amberlyst 15 50㎎ 및 용매로서 1,4-디옥산과 DMSO의 중량비가 90:10인 혼합 용매 5mL를, 120℃에서 8시간 동안 300rpm으로 교반하여 반응시켰다. 반응 후 Amberlyst 15를 여과하고, 진공 증류를 통해 AMF를 분리하여 최종 생성물인 AMF를 제조하였다.50 mg of DAF, 50 mg of Amberlyst 15 as a solid acid catalyst, and 5 mL of a mixed solvent having a weight ratio of 1,4-dioxane and DMSO of 90:10 as a solvent were stirred and reacted at 120 ° C. for 8 hours at 300 rpm. After the reaction, Amberlyst 15 was filtered, and AMF was separated through vacuum distillation to prepare AMF as a final product.

실시예 5-2 내지 5-11Examples 5-2 to 5-11

실시예 5-1의 1,4-디옥산과 DMSO의 중량비가 90:10인 혼합 용매, 및 Amberlyst 15 50mg 대신에 아래 표 2에 기재된 중량비로 혼합된 1,4-디옥산과 DMSO의 혼합 용매, 및 Amberlyst 15의 양을 각각 사용한 것을 제외하고는 실시예 5-1과 동일한 방법으로 실시예 5-2 내지 5-11을 각각 수행하여 AMF를 제조하였다.AMF was prepared by performing Examples 5-2 to 5-11 in the same manner as in Example 5-1, except that the mixed solvent of 1,4-dioxane and DMSO in Example 5-1 in a weight ratio of 90:10, and the mixed solvent of 1,4-dioxane and DMSO mixed in the weight ratio shown in Table 2 below instead of 50 mg of Amberlyst 15, and the amount of Amberlyst 15, respectively.

아래 표 2는 실시예 5-1 내지 5-11의 AMF 제조에 사용된 1,4-디옥산과 DMSO의 혼합 용매의 중량비, Amberlyst 15의 양 및 Amberlyst 15/DA를 정리하여 나타낸 것이다.Table 2 below summarizes the weight ratio of the mixed solvent of 1,4-dioxane and DMSO, the amount of Amberlyst 15, and Amberlyst 15/DA used in the preparation of AMFs in Examples 5-1 to 5-11.

1,4-Dioxane:DMSO의 중량비 Weight ratio of 1,4-Dioxane:DMSO Amberlyst 15
(mg)
Amberlyst 15
(mg)
Amberlyst 15/DAF
(Cat/Sub, w/w, R)
Amberlyst 15/DAF
(Cat/Sub, w/w, R)
실시예 5-1Example 5-1 90:1090:10 5050 1One 실시예 5-2Example 5-2 85:1585:15 5050 1One 실시예 5-3Example 5-3 80:2080:20 5050 1One 실시예 5-4Example 5-4 75:2575:25 5050 1One 실시예 5-5Example 5-5 70:3070:30 5050 1One 실시예 5-6Example 5-6 60:4060:40 5050 1One 실시예 5-7Example 5-7 50:5050:50 5050 1One 실시예 5-8Example 5-8 85:1585:15 1010 0.20.2 실시예 5-9Example 5-9 85:1585:15 2020 0.40.4 실시예 5-10Examples 5-10 85:1585:15 3030 0.60.6 실시예 5-11Example 5-11 85:1585:15 4040 0.80.8

실시예Example 6: 6: AMFAMF 제조에 대한 for manufacturing 스케일업scale up (×10배 내지 ×100배)(×10 times to ×100 times)

실시예 6-1: (×10배)Example 6-1: (×10 times)

DAF 0.5g, 고체 산촉매로서 Amberlyst 15는 Amberlyst 15/DAF(RCat/Sub)가 0.6이 되는 중량(0.3g) 및 용매로서 1,4-디옥산과 DMSO의 중량비가 85:15인 혼합 용매 50mL를, 120℃에서 8시간 동안 300-500rpm으로 교반하여 반응시켰다. 반응 후 Amberlyst 15를 여과하고, 진공 증류를 통해 AMF를 분리하여 최종 생성물인 AMF를 제조하였다.0.5 g of DAF, Amberlyst 15 as a solid acid catalyst, Amberlyst 15/DAF (R Cat / Sub ) is a weight (0.3 g) of 0.6, and 50 mL of a mixed solvent having a weight ratio of 1,4-dioxane and DMSO of 85:15 as a solvent. Stirred at 300-500 rpm for 8 hours at 120 ° C. and reacted. After the reaction, Amberlyst 15 was filtered, and AMF was separated through vacuum distillation to prepare AMF as a final product.

실시예 6-2 내지 6-5Examples 6-2 to 6-5

DAF 0.5g을 사용하는 대신에 DAF 1.0g, 2.0g, 4.0g, 5.0g을 각각 사용하는 것을 제외하고는 실시예 6-1과 동일한 방법으로 실시예 6-2 내지 6-5를 각각 수행하여 DAF를 제조하였다.DAF was prepared by performing Examples 6-2 to 6-5 in the same manner as in Example 6-1, except that 1.0 g, 2.0 g, 4.0 g, and 5.0 g of DAF were respectively used instead of 0.5 g of DAF.

실시예 7: Amberlyst 15 재사용Example 7: Reuse of Amberlyst 15

DAF 50mg, Amberlyst 15 30mg 및 용매로서 1,4-디옥산과 DMSO의 중량비가 85:15인 혼합 용매 5mL를, 120℃에서 8시간 동안 300rpm으로 교반하여 반응시켰다. 반응 후 Amberlyst 15를 여과하고, 진공 증류를 통해 AMF를 분리하여 최종 생성물인 AMF를 제조하였다.50 mg of DAF, 30 mg of Amberlyst 15, and 5 mL of a mixed solvent having a weight ratio of 1,4-dioxane and DMSO as solvents of 85:15 were stirred at 120° C. for 8 hours at 300 rpm to react. After the reaction, Amberlyst 15 was filtered, and AMF was separated through vacuum distillation to prepare AMF as a final product.

상기 과정을 5 사이클 반복 수행하였다. 각 사이클 후에, Amberlyst 15를 여과하고, 아세톤으로 세척하고, 재사용하기 전에 진공 오븐(25℃)에서 건조시켰다.This process was repeated 5 cycles. After each cycle, the Amberlyst 15 was filtered, washed with acetone and dried in a vacuum oven (25° C.) before reuse.

[시험예][Test Example]

시험예 1: 용매 및 리파아제 종류에 따른 DAF 수율 분석Test Example 1: DAF yield analysis according to solvent and lipase type

실시예 1-1 내지 1-35에 따라 제조된 DAF의 수율을 아래 표 3에 나타내었다. DAF의 수율은 하기 식 1을 이용하여 계산하였다.The yields of DAF prepared according to Examples 1-1 to 1-35 are shown in Table 3 below. The yield of DAF was calculated using Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

용매menstruum 고정화 효소immobilized enzyme 비닐 아세테이트의 당량(equiv)Equivalents of vinyl acetate (equiv) DAF 수율 (%)DAF yield (%) 실시예 1-1Example 1-1 물(H2O)water (H 2 O) Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 0.00.0 실시예 1-2Example 1-2 물(H2O)water (H 2 O) Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 0.00.0 실시예 1-3Example 1-3 물(H2O)water (H 2 O) Novozym 435Novozym 435 33 0.00.0 실시예 1-4Example 1-4 MeOHMeOH Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 0.00.0 실시예 1-5Example 1-5 MeOHMeOH Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 0.00.0 실시예 1-6Example 1-6 MeOHMeOH Novozym 435Novozym 435 33 0.00.0 실시예 1-7Examples 1-7 EtOHEtOH Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 0.00.0 실시예 1-8Examples 1-8 EtOHEtOH Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 0.00.0 실시예 1-9Examples 1-9 EtOHEtOH Novozym 435Novozym 435 33 0.00.0 실시예 1-10Examples 1-10 AcetoneAcetone Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 7.4±1.27.4±1.2 실시예 1-11Example 1-11 AcetoneAcetone Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 0.00.0 실시예 1-12Examples 1-12 AcetoneAcetone Novozym 435Novozym 435 33 12.7±2.412.7±2.4 실시예 1-13Examples 1-13 THFTHF Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 44.3±2.744.3±2.7 실시예 1-14Examples 1-14 THFTHF Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 30.1±2.330.1±2.3 실시예 1-15Examples 1-15 THFTHF Novozym 435Novozym 435 33 96.2±2.896.2±2.8 실시예 1-16Examples 1-16 1,4-Dioxane1,4-Dioxane Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 37.4±3.237.4±3.2 실시예 1-17Examples 1-17 1,4-Dioxane1,4-Dioxane Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 22.5±1.822.5±1.8 실시예 1-18Examples 1-18 1,4-Dioxane1,4-Dioxane Novozym 435Novozym 435 33 90.4±2.590.4±2.5 실시예 1-19Examples 1-19 DMSODMSO Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 0.00.0 실시예 1-20Examples 1-20 DMSODMSO Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 0.00.0 실시예 1-21Example 1-21 DMSODMSO Novozym 435Novozym 435 33 0.00.0 실시예 1-22Example 1-22 Ethyl acetateEthyl acetate Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 9.1±2.19.1±2.1 실시예 1-23Examples 1-23 Ethyl acetateEthyl acetate Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 0.00.0 실시예 1-24Examples 1-24 Ethyl acetateEthyl acetate Novozym 435Novozym 435 33 14.4±2.214.4±2.2 실시예 1-25Example 1-25 MIBKMIBK Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 5.7±1.95.7±1.9 실시예 1-26Examples 1-26 MIBKMIBK Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 0.00.0 실시예 1-27Examples 1-27 MIBKMIBK Novozym 435Novozym 435 33 9.7±1.89.7±1.8 실시예 1-28Example 1-28 HexaneHexane Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 0.00.0 실시예 1-29Examples 1-29 HexaneHexane Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 0.00.0 실시예 1-30Examples 1-30 HexaneHexane Novozym 435Novozym 435 33 0.00.0 실시예 1-31Example 1-31 DichloromethaneDichloromethane Lipozyme TL IMLipozyme TL IM 33 0.00.0 실시예 1-32Example 1-32 DichloromethaneDichloromethane Lipozyme RM IMLipozyme RM IM 33 0.00.0 실시예 1-33Example 1-33 DichloromethaneDichloromethane Novozym 435Novozym 435 33 0.00.0 실시예 1-34Example 1-34 THFTHF Novozym 435Novozym 435 55 95.5±2.995.5±2.9 실시예 1-35Examples 1-35 1,4-Dioxane1,4-Dioxane Novozym 435Novozym 435 55 92.2±2.392.2±2.3

상기 표 3을 참조하면, 에테르-유형 용매(THF 또는 1,4-디옥산)가 반응 매질로 사용될 때 3가지 유형의 리파아제 모두 트랜스-에스터 반응을 촉진할 수 있음을 알 수 있었다. THF 또는 1,4-디옥산과 함께 Novozym 435를 사용할 때, THF(실시예 1-15) 및 1,4-디옥산(실시예 1-18)에서 DAF의 수율이 각각 96.2% 및 90.4%로 DAF의 형성이 가장 유리하였다.Referring to Table 3 above, it can be seen that all three types of lipases can catalyze the trans-esterification reaction when an ether-type solvent (THF or 1,4-dioxane) is used as the reaction medium. When using Novozym 435 with THF or 1,4-dioxane, the formation of DAF was most favorable with yields of DAF of 96.2% and 90.4% in THF (Examples 1-15) and 1,4-dioxane (Examples 1-18), respectively.

한편, -OH 작용기를 포함하는 물(실시예 1-1 내지 1-3)과 용매(실시예 1-4 내지 1-9)는 -OH 기가 아실 공여체로부터의 아세틸기와 D-프룩토스의 1차 -OH 기의 교환을 방해하기 때문에 당연히 트랜스-에스터 반응이 일어나지 않았다.On the other hand, water containing a -OH functional group (Examples 1-1 to 1-3) and solvent (Examples 1-4 to 1-9) prevented the exchange of the primary -OH group of D-fructose with an acetyl group from an acyl donor, so the trans-esterification reaction naturally did not occur.

중간 및 낮은 극성 지수를 갖는 용매는 D-프룩토스를 거의 용해시킬 수 없기 때문에 DAF 수율을 거의 또는 전혀 얻지 못했으며(실시예 1-10 내지 1-12, 1-22 내지 1-33), 따라서 D-프룩토스가 용해되지 않고 고정화 리파아제와 접촉했을 때 반응은 정체 상태를 유지한다.Solvents with medium and low polarity indices yielded little or no DAF yield because they could hardly dissolve D-fructose (Examples 1-10 to 1-12, 1-22 to 1-33), so that D-fructose did not dissolve and the reaction remained stationary when contacted with immobilized lipase.

또한 과량의 아실 공여체(5 당량의 비닐 아세테이트)를 사용해도 DAF의 수율이 개선되지 않는 것으로 관찰되었다(실시예 1-34 및 1-35).It was also observed that the yield of DAF was not improved even when an excess of the acyl donor (5 equivalents of vinyl acetate) was used (Examples 1-34 and 1-35).

따라서, THF와 1,4-디옥산이 스케일업 절차를 위한 용매로 사용되고, Novozym 435가 촉매로 선택되었다.Therefore, THF and 1,4-dioxane were used as solvents for the scale-up procedure, and Novozym 435 was chosen as the catalyst.

시험예 2: DAF 제조에 대한 스케일업 결과 분석Test Example 2: Analysis of scale-up results for DAF production

실시예 2-1 내지 2-11의 용매의 종류, 사용된 D-프룩토스 양, D-프룩토스 전환율, DAF 수율 및 DAF 선택율(selectivity)을 아래 표 4에 나타내었다. D-프룩토스 전환율은 하기 식 2를 이용하여 계산하였고, DAF 수율은 상기 식 1을 이용하여 계산하였으며, DAF 선택율은 하기 식 3을 이용하여 계산하였다.The type of solvent, the amount of D-fructose used, the D-fructose conversion rate, the DAF yield, and the DAF selectivity of Examples 2-1 to 2-11 are shown in Table 4 below. The D-fructose conversion rate was calculated using Equation 2 below, the DAF yield was calculated using Equation 1 above, and the DAF selectivity was calculated using Equation 3 below.

[식 2][Equation 2]

[식 3][Equation 3]

용매menstruum D-프룩토스 (g)D-fructose (g) 스케일업scale up D-프룩토스 전환율
(%)
D-fructose conversion rate
(%)
DAF 수율
(%)
DAF yield
(%)
DAF 선택율
(%)
DAF selectivity
(%)
실시예 2-1Example 2-1 THFTHF 0.50.5 ×10×10 100100 94.694.6 94.694.6 실시예 2-2Example 2-2 THFTHF 1.01.0 ×20×20 98.398.3 90.190.1 91.691.6 실시예 2-3Example 2-3 THFTHF 1.51.5 ×30×30 90.190.1 82.882.8 91.991.9 실시예 2-4Example 2-4 THFTHF 2.02.0 ×40×40 83.583.5 77.377.3 92.692.6 실시예 2-5Example 2-5 THFTHF 2.52.5 ×50×50 76.776.7 71.771.7 93.593.5 실시예 2-6Example 2-6 THFTHF 30.030.0 ×600×600 92.092.0 88.088.0 95.695.6 실시예 2-7Examples 2-7 1,4-Dioxane1,4-Dioxane 0.50.5 ×10×10 100100 91.391.3 91.391.3 실시예 2-8Example 2-8 1,4-Dioxane1,4-Dioxane 1.01.0 ×20×20 95.795.7 86.786.7 90.690.6 실시예 2-9Examples 2-9 1,4-Dioxane1,4-Dioxane 1.51.5 ×30×30 88.888.8 80.280.2 90.390.3 실시예 2-10Examples 2-10 1,4-Dioxane1,4-Dioxane 2.02.0 ×40×40 79.979.9 75.475.4 94.494.4 실시예 2-11Examples 2-11 1,4-Dioxane1,4-Dioxane 2.52.5 ×50×50 73.473.4 69.469.4 94.694.6

상기 표 4의 결과는 스케일업이 DAF의 형성뿐만 아니라 D-프룩토스의 전환에 거의 영향을 미치지 않음을 보여준다. 상기 표 4를 참조하면, 반응 시간과 교반 속도를 약간 조정하여 600배 스케일업 반응(실시예 2-6)에서 92%의 D-프룩토스 전환율로 88.0%의 DAF 수율을 달성했다. 이 결과는 고정화 효소 촉매를 사용한 D-프룩토스의 트랜스-에스터 반응이 상당히 안정적인 절차이며 DAF의 지속 가능한 생산에 이용될 수 있음을 나타낸다. 이 절차의 하나의 주요 차질(setback)은 출발 물질의 농도가 1% w/v에서 5% w/v로 증가할 때 DAF의 수율이 그에 따라 감소하기 시작한다는 것이다. THF에서는 22.9% 수율 감소, 1,4-디옥산에서는 21.9% 수율 감소가 기록되었다. 즉, 반응의 초기 상태에서 다량의 용매를 사용하여 D-프룩토스를 완전히 용해시키지 않고서는 DAF의 높은 수율을 달성하기가 어려웠다.The results in Table 4 above show that the scale-up has little effect on the conversion of D-fructose as well as the formation of DAF. Referring to Table 4, a DAF yield of 88.0% was achieved with a D-fructose conversion of 92% in a 600-fold scale-up reaction (Examples 2-6) by slightly adjusting the reaction time and stirring speed. These results indicate that the trans-esterification of D-fructose using an immobilized enzyme catalyst is a fairly stable procedure and can be used for sustainable production of DAF. One major setback of this procedure is that when the concentration of the starting material increases from 1% w/v to 5% w/v, the yield of DAF begins to decrease accordingly. A 22.9% yield reduction in THF and a 21.9% yield reduction in 1,4-dioxane were recorded. That is, it was difficult to achieve a high yield of DAF without completely dissolving D-fructose using a large amount of solvent in the initial state of the reaction.

시험예test example 3: 고정화 리파아제( 3: immobilized lipase ( NovozymNovozym 435)의435) 재사용 횟수에 따른 according to the number of reuses DAFDAF 수율 분석 yield analysis

도 1은 실시예 3의 고정화 리파아제의 재사용 횟수에 따른 DAF 수율 및 촉매 손실(loss)을 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하면, Novozym 435는 9% 미만의 무게 감소로 최대 5 사이클까지 재사용될 수 있으며, 이때 DAF 수율이 5% 미만으로 감소함으로써 DAF의 안정적인 수율을 제공하는 것을 확인할 수 있었다. 그 이상의 재사용은 10% 이상의 촉매 손실뿐만 아니라 6회 및 7회 재사용 시 DAF 수율이 각각 10.4% 및 13.7% 감소함으로써 DAF 수율의 더 높은 감소를 초래하였다. 촉매의 손실은 긴 반응 동안 촉매 비드의 부분적 단편화(fragmentation)에 의해 설명될 수 있고 이들 단편은 사이클 사이의 회수 및 전달 과정에서 손실되었다. 도 1에서 관찰된 바와 같이, 촉매 손실의 증가는 DAF 수율의 감소와 관련이 있었다.1 is a graph showing the DAF yield and catalyst loss according to the number of reuses of the immobilized lipase of Example 3. Referring to FIG. 1, Novozym 435 can be reused up to 5 cycles with a weight reduction of less than 9%, and at this time, the DAF yield is reduced to less than 5%, confirming that it provides a stable yield of DAF. Further reuse resulted in more than 10% catalyst loss as well as a higher reduction in DAF yield with 10.4% and 13.7% reduction in DAF yield for 6 and 7 reuses, respectively. Loss of catalyst can be explained by partial fragmentation of the catalyst beads during the long reaction and these fragments were lost during recovery and transfer between cycles. As observed in Figure 1, an increase in catalyst loss was associated with a decrease in DAF yield.

시험예 4: DAF의 탈수 반응에서 시간에 따른 AMF와 HMF의 수율 분석Test Example 4: Yield analysis of AMF and HMF over time in the dehydration reaction of DAF

도 2는 실시예 4-4의 DAF 탈수 반응에서 시간에 따른 AMF와 HMF의 수율 및 DAF 전환율을 나타낸 그래프이다. 1,4-디옥산에 희석된 DAF를 120℃에서 가열하고 HPLC 분석을 위해 특정 시간 간격으로 샘플을 채취하였다. 도 2를 참조하면, AMF와 HMF가 모두 형성되었으며 AMF가 주 생성물인 것으로 관찰되었다. 8시간 후에, 23.6%의 가장 높은 AMF 수율 및 8.2%의 HMF 수율을 달성하였다. 반응의 추가 연장은 AMF 양의 증가를 나타내지 않았다. 용매 매질 또는 촉매량과 같은 반응 조건이 조정될 때 비교적 낮은 수율의 AMF가 개선될 수 있을 것으로 생각되었다. 또한, 반응 매질에서 AMF 및 HMF의 동시 형성은 탈수 및 가수 분해 모두 Amberlyst 15의 존재 하에서 촉매됨을 시사하였다.Figure 2 is a graph showing the yield of AMF and HMF and DAF conversion over time in the DAF dehydration reaction of Example 4-4. DAF diluted in 1,4-dioxane was heated at 120° C. and samples were taken at specific time intervals for HPLC analysis. Referring to Figure 2, it was observed that both AMF and HMF were formed and AMF was the main product. After 8 hours, the highest AMF yield of 23.6% and HMF yield of 8.2% were achieved. Further prolongation of the response did not show an increase in AMF amount. It was believed that relatively low yields of AMF could be improved when reaction conditions such as solvent medium or catalyst amount were adjusted. In addition, the simultaneous formation of AMF and HMF in the reaction medium suggested that both dehydration and hydrolysis were catalyzed in the presence of Amberlyst 15.

시험예 5: 단일 용매 종류에 따른 AMF와 HMF의 수율 분석Test Example 5: Yield analysis of AMF and HMF according to single solvent type

DAF가 합성되고 THF 또는 1,4-디옥산에 쉽게 용해되기 때문에 이들 용매가 DAF의 탈수 반응에 적합한지 실험하였다. 또한 HMF와 달리 AMF는 액체-액체 추출에 의해 DMSO로부터 쉽게 분리될 수 있기 때문에 DMSO도 조사하였다. 실시예 4-1 내지 4-3에 따른 DAF 전환율 및 AMF와 HMF의 수율을 아래 표 5에 나타내었다. Since DAF is synthesized and readily soluble in THF or 1,4-dioxane, we tested whether these solvents are suitable for the dehydration reaction of DAF. In addition, DMSO was also investigated because, unlike HMF, AMF can be easily separated from DMSO by liquid-liquid extraction. The DAF conversion rates and yields of AMF and HMF according to Examples 4-1 to 4-3 are shown in Table 5 below.

DAF 전환율, AMF 수율 및 HMF 수율은 각각 하기 식 4 내지 6을 이용하여 계산하였다.DAF conversion rate, AMF yield and HMF yield were calculated using Equations 4 to 6, respectively.

[식 4][Equation 4]

[식 5][Equation 5]

[식 6][Equation 6]

용매menstruum DAF 전환율(%)DAF Conversion Rate (%) AMF 수율(%)AMF yield (%) HMF 수율(%)HMF yield (%) 실시예 4-1Example 4-1 THFTHF 12.9±1.012.9±1.0 6.1±1.66.1±1.6 3.8±0.83.8±0.8 실시예 4-2Example 4-2 1,4-Dioxane1,4-Dioxane 51.2±1.251.2±1.2 29.2±2.129.2±2.1 15.6±1.715.6±1.7 실시예 4-3Example 4-3 DMSODMSO 59.2±1.459.2±1.4 38.7±2.438.7±2.4 14.9±1.914.9±1.9

상기 표 5를 참조하면, 탈수 용매로서 THF는 1,4-디옥산 및 DMSO보다 좋지 못한 것을 확인할 수 있었다. 이는 THF가 낮은 비점(66℃)을 가져 DAF의 탈수에 매우 효과적이지 않기 때문인 것으로 이해할 수 있었으며, DAF의 탈수는 훨씬 더 높은 온도 (120℃)에서 수행되었다. 1,4-디옥산에서 AMF 수율이 Amberlyst 15를 10mg 사용했을 때는 23.6%(도 2 참조), Amberlyst 15를 50mg 사용했을 때는 29.2 %로 사용된 Amberlyst 15의 양을 10mg에서 50mg으로 증가시켰지만, AMF 수율은 상당히 개선되지 않았다. Amberlyst 15의 양을 증가시킬 때 1,4-디옥산에서 HMF 수율은 8.2%에서 15.6%로 상당히 두드러졌다. 이는 더 많은 산촉매가 첨가될 때 1,4-디옥산에서의 가수 분해 반응이 조금 더 유리하다는 표시일 수 있다.Referring to Table 5, it was confirmed that THF as a dehydration solvent was inferior to 1,4-dioxane and DMSO. It was understood that this was because THF had a low boiling point (66 °C) and was not very effective in dehydrating DAF, which was carried out at a much higher temperature (120 °C). The AMF yield in 1,4-dioxane was 23.6% when 10 mg of Amberlyst 15 was used (see FIG. 2) and 29.2% when 50 mg of Amberlyst 15 was used. Although the amount of Amberlyst 15 used was increased from 10 mg to 50 mg, the AMF yield was not significantly improved. When increasing the amount of Amberlyst 15, the yield of HMF in 1,4-dioxane was quite remarkable, from 8.2% to 15.6%. This may be an indication that the hydrolysis reaction in 1,4-dioxane is slightly more favorable when more acid catalyst is added.

또한 상기 표 5를 참조하면, DMSO의 경우 AMF 수율이 가장 높았으며, DMSO는 케토스형 당을 퓨란 화합물로 탈수시키기 위한 용매로서 광범위하고 효과적으로 사용되었다. 몇몇 연구에서는 DMSO가 HMF를 안정화시키고 탈수 동안 부반응을 감소시킬 수 있다고 언급했다. 따라서 DMSO가 HMF 및 AMF의 총 수율이 높았다는 것을 이해할 수 있었다.Also, referring to Table 5, DMSO had the highest AMF yield, and DMSO was widely and effectively used as a solvent for dehydration of ketose-type sugars into furan compounds. Several studies have mentioned that DMSO can stabilize HMF and reduce side reactions during dehydration. Therefore, it was understandable that DMSO had a high total yield of HMF and AMF.

시험예 6: 혼합 용매의 중량비에 따른 AMF와 HMF의 수율Test Example 6: Yield of AMF and HMF according to the weight ratio of the mixed solvent

상기 표 5를 참조하면, 1,4-디옥산(101℃)이 DMSO(189℃)에 비해 비점이 훨씬 낮다는 점을 고려할 때 1,4-디옥산에서의 AMF 수율(29.2%)은 DMSO에서의 AMF 수율(38.7%)과 비교했을 때 많이 뒤떨어지지 않았다. 따라서 HMF의 형성을 제한하면서 AMF의 수율을 최대화하는 것을 목표로 하여 추가적인 조사를 위해 혼합 용매로서 DMSO와 1,4-디옥산을 조합하였다.Referring to Table 5 above, considering that 1,4-dioxane (101 ° C.) has a much lower boiling point than DMSO (189 ° C.), the AMF yield (29.2%) in 1,4-dioxane is AMF in DMSO. When compared to the yield (38.7%), it did not fall far behind. Therefore, DMSO and 1,4-dioxane were combined as a mixed solvent for further investigation with the goal of maximizing the yield of AMF while limiting the formation of HMF.

도 3은 실시예 5-1 내지 5-7에 따른 AMF와 HMF의 수율 및 DAF 전환율을 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 혼합 용매로서 DMSO를 사용하는 것은 HMF를 여전히 낮은 수율로 유지하면서 AMF의 형성을 크게 향상시켰다. 최상의 조건은 1,4-디옥산 중 15% DMSO가 혼합된 용매였으며, 이때 AMF 및 HMF의 수율이 각각 55.8% 및 9.0%였다. 1,4-디옥산에 DMSO 비율을 20% 이상으로 증가시켰을 때 AMF 수율이 감소하기 시작했다.3 is a graph showing the yield of AMF and HMF and the DAF conversion rate according to Examples 5-1 to 5-7. Referring to FIG. 3 , using DMSO as the mixed solvent greatly improved the formation of AMF while still maintaining a low yield of HMF. The best condition was a mixed solvent of 15% DMSO in 1,4-dioxane, where the yields of AMF and HMF were 55.8% and 9.0%, respectively. When the ratio of DMSO to 1,4-dioxane was increased above 20%, the AMF yield started to decrease.

반응 중에 AMF와 HMF가 동시에 형성되었다고 언급했듯이, DMSO가 혼합 용매에 특정 비율로 혼합될 때 혼합 용매는 DAF의 퓨란 화합물로의 탈수에 긍정적인 영향을 미쳤다. 첫째로, 첨가된 DMSO는 반응 매질의 비점을 증가시키는 이점을 가지며, 이는 혼합 용매가 고온(120℃)에서 탈수에 더 적합하게 만들었다. 둘째로, DMSO의 존재는 퓨라노스 고리로부터 H2O 분자를 제거하는 촉매 활성을 가질 뿐만 아니라 부산물의 형성을 감소시키고 반응 혼합물에서 형성된 AMF 및 HMF를 안정화시킬 수 있다.As mentioned that AMF and HMF were simultaneously formed during the reaction, when DMSO was mixed with the mixed solvent at a specific ratio, the mixed solvent had a positive effect on the dehydration of DAF to furan compounds. First, added DMSO has the advantage of increasing the boiling point of the reaction medium, which makes the mixed solvent more suitable for dehydration at high temperatures (120° C.). Second, the presence of DMSO can have a catalytic activity to remove H 2 O molecules from the furanose ring, as well as reduce the formation of byproducts and stabilize AMF and HMF formed in the reaction mixture.

시험예 7: Amberlyst 15와 DAF의 비율에 따른 AMF와 HMF의 수율Test Example 7: Yield of AMF and HMF according to the ratio of Amberlyst 15 and DAF

Amberlyst 15는 거대-망상 공극 구조(macro-reticular pore structure)를 갖는 H+ 형태의 양이온 교환 수지이기 때문에, 이 경우 DAF의 탈수는 수지 비드 전체에 위치한 수소 이온 사이트에서 불균일하게 촉매된다. 더 많은 양의 촉매가 긴 반응 시간 동안 더 나은 AMF 수율로 이어질 것으로 예상된다. 이를 염두에 두고 탈수 반응에 대한 촉매 비율의 영향을 조사했다.Since Amberlyst 15 is a H + type cation exchange resin with a macro-reticular pore structure, dehydration of DAF in this case is catalyzed heterogeneously at hydrogen ion sites located throughout the resin beads. A higher amount of catalyst is expected to lead to a better AMF yield for a longer reaction time. With this in mind, the effect of catalyst ratio on the dehydration reaction was investigated.

도 4는 실시예 5-2, 5-8 내지 5-11에 따른 AMF와 HMF의 수율을 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면 반응 매질의 조성을 1,4-디옥산 중 15% DMSO가 혼합된 상태로 유지하면서 촉매/기질 사이의 질량비를 변화시키면, 촉매/기질 비율(R)이 0.6 내지 1.0(w/w)의 범위일 때 50% 이상의 AMF 수율을 가졌으며, 낮은 촉매/기질 질량비를 사용하는 것에 비해 AMF의 형성이 상당히 개선되고 안정화되었다. 이는 지속 가능한 생산을 위한 절차를 최적화할 때 반응 비용을 낮추기 위해 촉매량을 약간 조정할 수 있음을 의미한다.4 is a graph showing yields of AMF and HMF according to Examples 5-2, 5-8 to 5-11. Referring to Figure 4, while maintaining the composition of the reaction medium as a mixture of 15% DMSO in 1,4-dioxane and varying the mass ratio between the catalyst/substrate, the AMF yield was greater than 50% when the catalyst/substrate ratio (R) ranged from 0.6 to 1.0 (w/w), and the formation of AMF was significantly improved and stabilized compared to using a lower catalyst/substrate mass ratio. This means that when optimizing the procedure for sustainable production, the amount of catalyst can be adjusted slightly to lower the cost of the reaction.

시험예 8: AMF 제조에 대한 스케일업 결과 분석Test Example 8: Analysis of scale-up results for AMF production

실시예 6-1 내지 6-5의 사용된 DAF 양, DAF 전환율, AMF 수율 및 HMF 수율을 아래 표 6에 나타내었다.The amount of DAF used, the DAF conversion rate, the AMF yield and the HMF yield of Examples 6-1 to 6-5 are shown in Table 6 below.

DAF (g)DAF (g) 스케일업scale up DAF 전환율(%)DAF Conversion Rate (%) AMF 수율(%)AMF yield (%) HMF 수율(%)HMF yield (%) 실시예 6-1Example 6-1 0.50.5 ×10×10 69.969.9 54.754.7 9.89.8 실시예 6-2Example 6-2 1.01.0 ×20×20 71.271.2 54.254.2 11.211.2 실시예 6-3Example 6-3 2.02.0 ×40×40 73.873.8 56.156.1 13.713.7 실시예 6-4Example 6-4 4.04.0 ×80×80 74.774.7 55.455.4 15.515.5 실시예 6-5Example 6-5 5.05.0 ×100×100 74.974.9 57.957.9 15.815.8

상기 표 6을 참조하면, 원하는 AMF 생성물의 수율에 영향을 미치지 않으면서 100배까지 효과적으로 스케일업할 수 있음을 확인할 수 있었다. 용매량을 일정한 값으로 유지하면서 DAF와 Amberlyst 15의 양이 증가했기 때문에, 전체 반응 과정 동안 더 나은 열 조절을 위해 교반 속도를 약간 조정해야 했다(300 내지 500rpm 범위).Referring to Table 6, it was confirmed that it can be effectively scaled up to 100 times without affecting the yield of the desired AMF product. Since the amount of DAF and Amberlyst 15 was increased while keeping the amount of solvent at a constant value, the stirring speed had to be slightly adjusted (range 300 to 500 rpm) for better thermal control during the whole reaction process.

시험예 8: Amberlyst 15의 재사용 횟수에 따른 AMF 및 HMF의 수율Test Example 8: Yield of AMF and HMF according to the number of reuses of Amberlyst 15

도 5은 실시예 7의 Amberlyst 15의 재사용 횟수에 따른 AMF 및 HMF 수율을 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, Amberlyst 15는 AMF 및 HMF의 수율에 현저한 변화 없이 5 사이클까지 재사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.5 is a graph showing AMF and HMF yields according to the number of reuses of Amberlyst 15 of Example 7. Referring to FIG. 5, it was confirmed that Amberlyst 15 could be reused up to 5 cycles without significant change in the yield of AMF and HMF.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention by adding, changing, deleting or adding elements within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims, and this will also be said to be included within the scope of the present invention. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form. The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (16)

반응식 1과 같이,
(a) 고정화 효소(immobilized enzyme) 존재 하에서 화합물 1인 D-프룩토스(D-Fructose)와 아실 공여체(acyl donor)를 트랜스-에스터(trans-esterification) 반응시켜 화합물 2를 제조하는 단계; 및
(b) 고체 산촉매 존재 하에서 상기 화합물 2를 탈수 반응(dehydration reaction)시켜 화합물 3인 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계;를
포함하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법:
[반응식 1]

상기 반응식 1에서,
R1은 C1 내지 C3 알킬기이다.
As in Scheme 1,
(a) preparing compound 2 by trans-esterification of compound 1, D-fructose, with an acyl donor in the presence of an immobilized enzyme; and
(b) preparing compound 3, 5-acyloxymethyl-2-furfural, by dehydrating compound 2 in the presence of a solid acid catalyst;
Method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural containing:
[Scheme 1]

In Scheme 1 above,
R 1 is a C1 to C3 alkyl group.
제1항에 있어서,
상기 아실 공여체가 아래 화학식 4로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법:
[화학식 4]

상기 화학식 4에서,
R1은 C1 내지 C3 알킬기이고,
R2는 C1 내지 C3 알킬기, 또는 이고,
R3은 수소원자 또는 C1 내지 C3 알킬기이다.
According to claim 1,
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the acyl donor is a compound represented by Formula 4 below:
[Formula 4]

In Formula 4,
R 1 is a C1 to C3 alkyl group;
R 2 is a C1 to C3 alkyl group, or ego,
R 3 is a hydrogen atom or a C1 to C3 alkyl group.
제2항에 있어서,
상기 화학식 4에서,
R1은 메틸기이고,
화합물 2가 1,6-디아세틸프룩토스(DAF)이고,
화합물 3이 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(AMF)인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 2,
In Formula 4,
R 1 is a methyl group;
compound 2 is 1,6-diacetylfructose (DAF);
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that compound 3 is 5-acetoxymethyl-2-furfural (AMF).
제1항에 있어서,
상기 고정화 효소가 리파아제(lipase)인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the immobilized enzyme is lipase.
제1항에 있어서,
상기 고정화 효소가 사용하지 않은 것 또는 상기 트랜스-에스터 반응에 촉매로 사용된 후 여과하여 리사이클된 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the immobilized enzyme is not used or is filtered and recycled after being used as a catalyst for the trans-esterification reaction.
제1항에 있어서,
단계 (a)가 용매를 사용하는 용액 반응으로 수행되고,
단계 (a)의 상기 용매가 물, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 테트라히드로퓨란, 1,4-디옥산, 디메틸술폭시드, 에틸아세테이트, 메틸이소부틸케톤, 헥산, 및 디클로로메탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
Step (a) is carried out as a solution reaction using a solvent;
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the solvent in step (a) includes at least one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, acetone, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, dimethylsulfoxide, ethyl acetate, methyl isobutyl ketone, hexane, and dichloromethane.
제6항에 있어서,
단계 (a)의 상기 용매가 테트라히드로퓨란 및 1,4-디옥산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 6,
A method for preparing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the solvent in step (a) contains at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran and 1,4-dioxane.
제1항에 있어서,
상기 고체 산촉매가 양이온 교환 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the solid acid catalyst comprises a cation exchange resin.
제8항에 있어서,
상기 양이온 교환 수지가 Amberlyst 15를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 8,
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the cation exchange resin comprises Amberlyst 15.
제1항에 있어서,
단계 (b)가 용매를 사용하는 용액 반응으로 수행되고,
단계 (b)의 용매가 테트라히드로퓨란, 1,4-디옥산 및 디메틸술폭시드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
Step (b) is carried out as a solution reaction using a solvent;
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the solvent in step (b) contains at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran, 1,4-dioxane and dimethylsulfoxide.
제10항에 있어서,
상기 단계 (b)의 용매가 상기 1,4-디옥산 및 상기 디메틸술폭시드를 포함하고,
상기 1,4-디옥산 100중량부에 대하여 상기 디메틸술폭시드 10 내지 100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 10,
The solvent of step (b) includes the 1,4-dioxane and the dimethyl sulfoxide,
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that it comprises 10 to 100 parts by weight of the dimethyl sulfoxide based on 100 parts by weight of the 1,4-dioxane.
제1항에 있어서,
상기 고체 산촉매가 유기 지지체 또는 무기 지지체 상에 브뢴스테드산 또는 루이스산 기능기가 연결된 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the solid acid catalyst has a Bronsted acid or Lewis acid functional group connected to an organic support or an inorganic support.
제1항에 있어서,
상기 고체 산촉매가 사용하지 않은 것 또는 상기 탈수 반응에 촉매로 사용된 후 리사이클된 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the solid acid catalyst is not used or recycled after being used as a catalyst for the dehydration reaction.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 상기 화합물 2에 대한 상기 고체 산촉매의 중량비(고체 산촉매/화합물 2)가 0.5 내지 1인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the weight ratio of the solid acid catalyst to the compound 2 (solid acid catalyst / compound 2) in step (b) is 0.5 to 1.
제14항에 있어서,
상기 고정화 효소 및 고체 산촉매가 각각 독립적으로 담체에 고정화된 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 14,
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the immobilized enzyme and the solid acid catalyst are each independently immobilized on a carrier.
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