KR20150006800A - Method for preparing 2,5-diformylfuran from oxidation of 5-hydroxymethylfurfural using metal free catalyst and co-catalyst - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a method for preparing 2,5-diformylfuran through the oxidation of 5-hydroxymethylfurfural using a metal-free catalyst and a co-catalyst. The method for preparing 2,5-diformylfuran according to the present invention comprises the steps of preparing 5-hydroxymethylfurfural; preparing a metal-free catalyst and a co-catalyst; and oxidizing 5-hydroxymethylfurfural in step 1) in a low-boiling point solvent using the metal-free catalyst and the co-catalyst in step 2). The metal-free catalyst and the co-catalyst is used to allow the use of the low-boiling point solvent, shorten the reaction time, and lower the reaction time, thereby improving oxidation reaction conditions, thus enabling an economical and eco-friendly oxidation reaction and producing 2,5-diformylfuran at high yield.

Description

무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 이용한 5-히드록시메틸푸르푸랄의 산화 반응을 통해 2,5-디포르밀푸란을 제조하는 방법{METHOD FOR PREPARING 2,5-DIFORMYLFURAN FROM OXIDATION OF 5-HYDROXYMETHYLFURFURAL USING METAL FREE CATALYST AND CO-CATALYST}METHOD FOR PREPARING 2,5-DIFORMYLFURAN FROM OXIDATION OF 5-HYDROXYMETHYLFURFURAL USING METAL FREE USING METHOD FOR PREPARING 5-HYDROXYMETHYLFURFURAL USING A METHOD FOR PREPARING 5- CATALYST AND CO-CATALYST}

본 발명은 무금속 촉매제, 보조 촉매제 및 저비점 용매를 이용하여 5-히드록시메틸푸르푸랄(5-hydroxymethyl furfural)의 산화 반응을 통해 2,5-디포르밀푸란(2,5-diformylfuran)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a process for preparing 2,5-diformylfuran by oxidation of 5-hydroxymethyl furfural using a metal-free catalyst, a co-catalyst and a low boiling solvent .

5-히드록시메틸푸르푸랄은 과당, 포도당, 설탕 및 전분을 포함하는 천연 탄수화물 등의 바이오 매스로부터 고수율로 수득될 수 있는 다용도 중간체이며, 상세하게는 6개의 탄소원자를 갖는 6탄당의 전환 생성물이다. 또한 2,5-디포르밀푸란, 5-히드록시메틸푸란-2-카르복실산, 5-포르밀-2-카르복실산, 2,5-푸란디카르복실산, 2-디메틸푸란 등 다양한 푸라닌 화합물을 합성하는데 이용 된다.5-hydroxymethyl furfural is a versatile intermediate which can be obtained in high yield from biomass such as natural carbohydrates including fructose, glucose, sugar and starch, and in particular is a conversion product of hexoses having 6 carbon atoms . Further, it is also possible to use a variety of compounds such as 2,5-diformylfuran, 5-hydroxymethylfuran-2-carboxylic acid, 5-formyl- Lt; / RTI > compounds.

2,5-디포르밀푸란은 그 자체로서 다수의 화합물을 제조하는데 유용한 중간체 이다. 2,5-디포르밀푸란은 중합 반응을 통해 폴리피나콜 및 폴리비닐을 형성하고, 항진균제, 약물 및 리간드의 합성에서 출발 물질로 사용된다. 2,5-디포르밀푸란 또한 비치환된 푸란의 제조에 사용될 수 있어 다양한 방면에서 유용한 물질로 인식되고 있다.2,5-Difformylfuran is an intermediate useful for preparing a large number of compounds per se. 2,5-Difformylfuran forms polypinacol and polyvinyl through polymerization and is used as a starting material in the synthesis of antifungal agents, drugs and ligands. 2,5-diformylfuran can also be used in the production of unsubstituted furan and is recognized as a useful substance in various aspects.

2,5-디포르밀푸란은 기존에 Cr03 및 K2CR2O7을 사용하여 5-히드록시메틸푸르푸랄로부터 제조되어 왔지만(문헌[L. Cottier etal., Org. Prep. Proced. Int.(1995),27(5),564];JP 54009260) 이러한 방법은 고가이고 다량의 무기 염 폐기물을 배출한다. 바나듐 화합물을 사용하는 불균일계 촉매반응이 또한 사용되어 왔지만, 이 촉매는 전화수가 낮았다.(DE 19615878, 문헌[Moreau, C. et al., Stud. Surf. Sci. Catal . (1997), 108, 399-406]).2,5-Difformylfuran has been previously prepared from 5-hydroxymethylfurfural using CrO 3 and K 2 CR 2 O 7 (L. Cottier et al., Org. Prep. Proced. Int (1995), 27 (5), 564]; JP 54009260). This process is expensive and produces large quantities of inorganic salt waste. Although heterogeneous catalysis using vanadium compounds has also been used, this catalyst has a low number of electrons (DE 19615878, Moreau, C. et al., Stud. Surf. Sci. Catal. 399-406).

고가의 과산화수소 (문헌[M.P. J. Van Deurzen, Carbohydrate Chem . (1997), 16(3), 299]) 및 사산화질소 (JP 55049368)를 사용한 촉매적 산화가 입증된 바 있다. 2,5-디포르밀푸란 및 푸란-2,5-디카르복실산 (FDA) 둘 다를 형성시키기 위해 상대적으로 저렴한 산소 분자(02)가 Pt/C 촉매와 함께 사용된 바 있지만 (미국 특허 제4,977,283호), 소량의 2,5-디포르밀푸란을 수득하였다. Catalytic oxidation using expensive hydrogen peroxide (MPJ Van Deurzen, Carbohydrate Chem. (1997), 16 (3), 299) and nitrogen tetraoxide (JP 55049368) has been proven. While relatively inexpensive oxygen molecules (O 2 ) have been used with Pt / C catalysts to form both 2,5-diformylfuran and furan-2,5-dicarboxylic acids (FDA) 4,977, 283), a small amount of 2,5-diformylfuran was obtained.

이 후 다양한 금속 촉매가 2,5-디포르밀푸란의 제조에 사용되어져 오고 있지만, 금속 촉매의 사용에 따라 고비점 용매, 긴 반응 시간동안 높은 온도를 유지가 필요하여 반응 조건에 있어서 비경제적인 문제를 나타내었다.Various metal catalysts have been used to prepare 2,5-diformylfuran. However, depending on the use of a metal catalyst, it is necessary to maintain a high boiling point solvent and a high temperature for a long reaction time, Respectively.

또한 5-히드록시메틸푸르푸랄의 선택적 산화 방법에 의해 2,5-디포르밀푸란을 제조하는 방법이 소개되어져 왔지만, 이는 2,5-디포르밀푸란이 아닌 다른 화합물로 산화되는 부반응(side reaction)이 일어나는 문제점이 있었다.Further, a method of producing 2,5-diformylfuran by a selective oxidation method of 5-hydroxymethylfurfural has been introduced, but it has been reported that a side reaction which is oxidized to a compound other than 2,5- reaction occurred.

최근에는 2,2,6,6,-테트라메틸피페리딘-1-옥실 자유 라디칼(free radical)과 같은 무금속 촉매제를 사용하여 5-히드록시메틸푸르푸랄로부터 2,5-디포르밀푸란이 제조되는 방법이 소개되어지고 있지만 무금속 촉매제 단독으로 사용하는 경우에는 고비점 용매를 필요로 하여 높은 에너지 비용을 초래하여 비경제적이며, 반응 후 2,5-디포르밀푸란의 정제 및 용매의 분리가 어렵다는 문제점이 있다.
Recently, it has been proposed to use 2,5-diformylfuran from 5-hydroxymethylfurfural using a metal-free catalyst such as 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl free radical However, when a metal-free catalyst is used alone, a high boiling point solvent is required, resulting in a high energy cost, which is uneconomical. After the reaction, the purification of 2,5-diformylfuran and the purification of the solvent There is a problem that separation is difficult.

본 발명의 목적은 5-히드록시메틸푸르푸랄을 무금속 촉매제(metal free catalyst) 및 보조 촉매제(co-catalyst)를 이용하여 저비점 용매에서 산화 반응을 시켜 2,5-디포르밀푸란을 낮은 반응 온도 및 짧은 반응 시간 조건에서 높은 수율로 제조하는 방법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a process for producing 5-hydroxymethylfurfural by oxidation of 2,5-diformylfuran in a low-boiling solvent using a metal free catalyst and a co-catalyst, Temperature and short reaction time at high yields.

또한 무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 사용하게 됨으로써 저비점 용매의 사용이 가능하여 5-히드록시메틸푸르푸랄의 산화 반응 후 2,5-디포르밀푸란의 정제 및 저비점 용매의 분리가 용이하여 순수한 2,5-디포르밀푸란의 제조가 가능하다. In addition, since a non-metal catalyst and a cocatalyst are used, it is possible to use a low boiling point solvent, so that it is easy to purify 2,5-diformyl furan and to separate a low boiling point solvent after 5-hydroxymethyl furfural oxidation, It is possible to prepare 5-diformylfuran.

또한, 본 발명은 5-히드록시메틸푸르푸랄을 무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 이용하여 저비점 용매에서 산화 반응시켜 2,5-디포르밀푸란을 제공하는 것이다.
The present invention also provides 2,5-diformylfuran by oxidizing 5-hydroxymethylfurfural in a low-boiling solvent using a metal-free catalyst and a cocatalyst.

본 발명은, 5-히드록시메틸푸르푸랄을 무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 이용하여 저비점 용매에서 산화 반응시키는 단계를 포함하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a process for producing 2,5-diformylfuran comprising the step of oxidizing 5-hydroxymethylfurfural in a low-boiling solvent using a metal-free catalyst and a co-catalyst.

상기 방법은 저비점 용매를 이용하여 5-히드록시메틸푸르푸랄과 무금속 촉매제를 혼합하여 제1 반응 혼합물을 제조하는 단계(단계 1); 및 상기 제1 반응 혼합물에 보조 촉매제를 투입하고 반응시켜 제2 반응 혼합물을 제조하는 단계(단계 2)를 포함하여 구성될 수 있다. The method comprises the steps of (1) preparing a first reaction mixture by mixing 5-hydroxymethyl furfural with a metal-free catalyst using a low boiling solvent; And a step (step 2) of adding a co-catalyst to the first reaction mixture and reacting to prepare a second reaction mixture.

상기 방법은 상기 단계 2에 따른 반응 혼합물로부터 2,5-디포르밀푸란을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 분리는 헥산 및 에틸 아세테이트를 이용하는 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피로 수행할 수 있다.The process may further comprise separating the 2,5-diformylfuran from the reaction mixture according to step 2 above. The separation can be carried out by silica gel column chromatography using hexane and ethyl acetate.

상기 방법은 2,5-디포르밀푸란을 분리하는 단계 이후 (재결정화re-crystallization)함으로써 2,5-디포르밀푸란를 정제하는 단계를 더 포함할 수 있다.The process may further comprise the step of purifying the 2,5-difformylfuran by separating the 2,5-diformylfuran (re-crystallization).

상기 무금속 촉매제는 나이트록실 라디칼일 수 있다.The metal-free catalyst may be a nitroxyl radical.

상기 무금속 촉매제는 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실일 수있다.The metal-free catalyst may be 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl.

상기 보조 촉매제는 비스(아세톡시)아이오도벤젠 또는 아세트산이거나 이들의 혼합물일 수 있다.The co-catalyst may be bis (acetoxy) iodobenzene, acetic acid, or a mixture thereof.

상기 5-히드록시메틸푸르푸랄, 무금속 촉매제 및 보조 촉매제는,The 5-hydroxymethyl furfural, non-metal catalyst,

5-히드록시메틸푸르푸랄 : 무금속 촉매제 : 보조 촉매제의 몰비가 1 : 0.05 ~ 1 : 0.2 ~ 2일 수 있다.The molar ratio of 5-hydroxymethyl furfural: metal-free catalyst: co-catalyst may be 1: 0.05-1: 0.2-2.

상기 저비점 용매는 에틸 아세테이트, 디클로로메탄, 아세토나이트릴, 디에틸에테르, 물 및 톨루엔으로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는 에틸 아세테이트일 수 있다.The low boiling point solvent may include at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, dichloromethane, acetonitrile, diethyl ether, water, and toluene. More preferably ethyl acetate.

상기 저비점 용매는 100℃ 이하의 비점을 가질 수 있다.The low boiling point solvent may have a boiling point of 100 ° C or lower.

상기 산화 반응 단계는 5분 내지 120분 동안 이루어질 수 있다. 더욱 바람직하게는 40분 내지 60분 동안 이루어질 수 있다.The oxidation reaction may be performed for 5 minutes to 120 minutes. More preferably 40 minutes to 60 minutes.

상기 산화 반응 단계는 30℃ 내지 75℃에서 이루어질 수 있다. 더욱 바람직하게는 30℃ 내지 40℃에서 수행될 수 있다.The oxidation reaction may be carried out at 30 to 75 ° C. More preferably at 30 < 0 > C to 40 < 0 > C.

상기 반응은 산소 분위기 하에서 수행시킬 수 있고 더욱 바람직하게는 대략 1기압의 산소 분위기 하에서 수행시킬 수 있다.
The reaction can be carried out in an oxygen atmosphere, more preferably under an oxygen atmosphere of about 1 atmosphere.

또한, 본 발명은, 5-히드록시메틸푸르푸랄을 다공성 무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 이용하여 저비점 용매에서 산화 반응시키는 단계를 포함하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a process for producing 2,5-diformylfuran comprising the step of subjecting 5-hydroxymethyl furfural to an oxidation reaction in a low-boiling solvent using a porous non-metal catalyst and a co-catalyst.

상기 다공성 무금속 촉매제는 다공성 고체 지지체에 실리카 나이트록실 라디칼이 지지되는 것일 수 있다.The porous metal-free catalyst may be supported on a porous solid support with a silica nitroxyl radical.

상기 다공성 고체 지지체는 다공성 실리카일 수 있다.The porous solid support may be porous silica.

상기 다공성 무금속 촉매제는 다공성 실리카에 지지된 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실일 수 있다.The porous metal-free catalyst may be 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl supported on porous silica.

상기 다공성 무금속 촉매제는 다공성 실리카에 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실이 고정화된 구조일 수 있다. 상기 고정화는 유기실란 링커를 통하여 이루어질 수 있다.The porous metal-free catalyst may be a structure in which 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl is immobilized on porous silica. The immobilization may be performed through an organosilane linker.

상기 유기실란으로는 3-(클로로)프로필트리에톡시실란이 가장 바람직할 수 있다.The organosilane may most preferably be 3- (chloro) propyltriethoxysilane.

상기 다공성 무금속 촉매제는, 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실과 3-(클로로)프로필트리에톡시실란을 반응시켜 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란을 제조하는 단계; 및 상기 단계에서 제조된 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란을 이용하여 다공성 실리카를 실란화는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.The porous metal-free catalyst may be prepared by reacting 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl with 3- (chloro) propyltriethoxysilane to give 3- (4- 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-propoxysilane; And silanizing the porous silica using the 3- (4-oxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-propoxysilane prepared in the above step .

상기 보조 촉매제는 비스(아세톡시)아이오도벤젠 또는 아세트산이거나 이들의 혼합물일 수 있다.The co-catalyst may be bis (acetoxy) iodobenzene, acetic acid, or a mixture thereof.

상기 5-히드록시메틸푸르푸랄, 다공성 무금속 촉매제 및 보조 촉매제는,The 5-hydroxymethyl furfural, porous, metal-free catalyst and co-

5-히드록시메틸푸르푸랄 : 다공성 무금속 촉매제 : 보조 촉매제의 몰비가 0.5 : 0.018 ~ 1 : 0.75 ~ 0.8일 수 있다.The molar ratio of 5-hydroxymethyl furfural: porous non-metal catalyst: co-catalyst may be 0.5: 0.018 to 1: 0.75 to 0.8.

상기 저비점 용매는 에틸 아세테이트, 디클로로메탄, 아세토나이트릴, 디에틸에테르, 물 및 톨루엔으로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 있다.The low boiling point solvent may include at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, dichloromethane, acetonitrile, diethyl ether, water and toluene.

상기 산화 반응 단계는 5분 내지 120분 동안 이루어질 수 있고, 더욱 바람직하게는 50 ~ 60분 동안 이루어질 수 있다.The oxidation reaction step may be performed for 5 minutes to 120 minutes, and more preferably for 50 to 60 minutes.

상기 산화 반응 단계는 30℃ 내지 75℃에서 이루어질 수 있고 더욱 바람직하게는 30℃ ~ 50℃에서 이루어질 수 있다.The oxidation reaction may be carried out at 30 to 75 ° C, and more preferably 30 to 50 ° C.

상기 반응은 산소 분위기 하에서 수행시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 산소 분위기는 1기압으로 유지될 수 있다.The reaction may be carried out in an oxygen atmosphere. The oxygen atmosphere can be maintained at 1 atmosphere.

상기 다공성 실리카는 SBA-15일 수 있다.
The porous silica may be SBA-15.

또한 본 발명은, 5-히드록시메틸푸르푸랄을 무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 이용하여 저비점 용매에서 산화 반응시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란을 제공한다.Also, the present invention provides 2,5-diformylfuran which is prepared by oxidizing 5-hydroxymethylfurfural in a low-boiling solvent using a metal-free catalyst and a co-catalyst.

상기 무금속 촉매제는 4-히드록시-2,2,6,6,-테트라메틸피페리딘-1-옥실일 수 있다. The metal-free catalyst may be 4-hydroxy-2,2,6,6, -tetramethylpiperidine-1-oxyl.

상기 보조 촉매제는 비스(아세톡시)아이오도벤젠 또는 아세트산이거나 이들의 혼합물일 수 있다.The co-catalyst may be bis (acetoxy) iodobenzene, acetic acid, or a mixture thereof.

상기 무금속 촉매제 및 보조 촉매제는 산화 반응에 사용된 상기 5-히드록시메틸푸르푸랄의 몰에 대하여 0.05 ~ 1: 0.2 ~ 2몰 비율로 구성될 수 있다.The metal-free catalyst and the co-catalyst may be used in a molar ratio of 0.05 to 1: 0.2 to 2 based on the mole of the 5-hydroxymethyl furfural used in the oxidation reaction.

상기 용매는 에틸 아세테이트, 디클로로메탄, 아세토나이트릴, 디에틸에테르, 물 및 톨루엔으로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
The solvent may include one or more selected from the group consisting of ethyl acetate, dichloromethane, acetonitrile, diethyl ether, water, and toluene.

또한 본 발명은, 5-히드록시메틸푸르푸랄을 다공성 무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 이용하여 저비점 용매에서 산화 반응시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란을 제공한다.Also, the present invention provides 2,5-diformylfuran which is prepared by oxidizing 5-hydroxymethylfurfural in a low-boiling solvent using a porous nonmetal catalyst and a cocatalyst.

상기 다공성 무금속 촉매제는 다공성 실리카에 지지된 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실일 수 있다.The porous metal-free catalyst may be 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl supported on porous silica.

상기 보조 촉매제는 비스(아세톡시)아이오도벤젠 또는 아세트산이거나 이들의 혼합물일 수 있다.The co-catalyst may be bis (acetoxy) iodobenzene, acetic acid, or a mixture thereof.

상기 5-히드록시메틸푸르푸랄, 다공성 무금속 촉매제 및 보조 촉매제는,The 5-hydroxymethyl furfural, porous, metal-free catalyst and co-

5-히드록시메틸푸르푸랄 : 다공성 무금속 촉매제 : 보조 촉매제의 몰비가 0.5 : 0.018 ~ 1 : 0.75 ~ 0.8로 구성될 수 있다.The molar ratio of 5-hydroxymethyl furfural: porous non-metal catalyst: co-catalyst may be comprised between 0.5: 0.018 and 1: 0.75 to 0.8.

상기 저비점 용매는 에틸 아세테이트, 디클로로메탄, 아세토나이트릴, 디에틸에테르, 물 및 톨루엔으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.The low boiling point solvent may include at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, dichloromethane, acetonitrile, diethyl ether, water, and toluene.

상기 다공성 무금속 촉매제는, 다공성 실리카에 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실이 고정화된 구조일 수 있다. 상기 고정화는 유기실란 링커를 통하여 이루어질 수 있다.The porous metal-free catalyst may be a structure in which 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl is immobilized on the porous silica. The immobilization may be performed through an organosilane linker.

상기 다공성 무금속 촉매제는, 유기실란 링커를 이용하여 다공성 실리카에 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실을 고정화하는 방법으로 제조될 수 있다. 상기 유기실란으로는 3-(클로로)프로필트리에톡시실란이 가장 바람직할 수 있다.The porous metal-free catalyst may be prepared by a method of immobilizing 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl in a porous silica using an organosilane linker. The organosilane may most preferably be 3- (chloro) propyltriethoxysilane.

상기 다공성 무금속 촉매제는, 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실과 3-(클로로)프로필트리에톡시실란을 반응시켜 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란을 제조하는 단계; 및 제조된 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란을 이용하여 다공성 실리카를 실란화는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. 상기 다공성 실리카는 SBA-15일 수 있다.
The porous metal-free catalyst may be prepared by reacting 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl with 3- (chloro) propyltriethoxysilane to give 3- (4- 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-propoxysilane; And silanization of the porous silica using the prepared 3- (4-oxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-propoxysilane can be prepared . The porous silica may be SBA-15.

또한 본 발명은, 유기실란 링커를 이용하여 다공성 실리카에 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실을 고정화하는 방법으로 다공성 무금속 촉매제를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for preparing a porous metal-free catalyst by a method of immobilizing 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl on porous silica using an organosilane linker to provide.

상기 방법은 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실과 유기실란을 반응시킨 생성물을 다공성 실리카와 반응시켜 다공성 실리카를 실란화하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 유기실란으로는 3-(클로로)프로필트리에톡시실란이 가장 바람직할 수 있다.The method comprises reacting a product obtained by reacting 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl with an organosilane with porous silica to silanise the porous silica . The organosilane may most preferably be 3- (chloro) propyltriethoxysilane.

또한 상기 다공성 무금속 촉매제 제조 방법은, 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실과 3-(클로로)프로필트리에톡시실란을 반응시켜 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란을 제조하는 단계; 및 상기 단계에서 제조된 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란을 이용하여 다공성 실리카를 실란화는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 방법은 2,5-디포르밀푸란 제조에 사용되는 다공성 무금속 촉매제 제조 방법일 수 있다. 상기 다공성 실리카는 SBA-15일 수 있다.
Also, the method for producing the porous metal-free catalyst comprises reacting 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl with 3- (chloro) propyltriethoxysilane to obtain 3- (4 -Oxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-propoxy silane; And silanizing the porous silica using the 3- (4-oxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-propoxysilane prepared in the above step . The process may be a process for producing a porous, metal-free catalyst used in the production of 2,5-diformylfuran. The porous silica may be SBA-15.

또한 본 발명은, 상기 방법에 따라 제조되고, 2,5-디포르밀푸란 제조에 사용되는 다공성 무금속 촉매제로서, 다공성 실리카에 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실이 고정화된 구조를 포함하여 이루어지고, 상기 고정화는 유기실란 링커를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 무금속 촉매제를 제공한다.The present invention also relates to a porous metal-free catalyst prepared according to the above process and used for the production of 2,5-diformylfuran, which comprises reacting 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl is immobilized on the surface of the support, and the immobilization is carried out through an organosilane linker.

상기 유기실란으로는 3-(클로로)프로필트리에톡시실란이 가장 바람직할 수 있다. The organosilane may most preferably be 3- (chloro) propyltriethoxysilane.

상기 다공성 실리카는 SBA-15일 수 있다.
The porous silica may be SBA-15.

5-히드록시메틸푸르푸랄의 산화 반응에 의해 2,5-디포르밀푸란의 제조하는 방법에 있어 무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 사용함으로써 저비점 용매의 사용이 가능해지며 반응 시간이 단축되고 반응 온도를 낮아져 산화 반응 조건이 개선되고 이를 통해 경제적이고 친환경적인 산화 반응뿐만 아니라 높은 수율로 2,5-디포르밀푸란의 제조가 가능한 효과가 있다. 또한 본 발명에서 제공하는 다공성 무금속 촉매제를 이용하면 2,5-디포르밀푸란의 수율을 더욱 획기적으로 개선할 수 있다. 상기 다공성 무금속 촉매제는 수회 재사용하여도 활성이 감소되지 않고 반응과정에서 부생성물을 생성하지 않는 장점이 있다. 결과적으로 본 발명에 따르면 마일드한 조건에서 용이하게 산업적 스케일로 2,5-디포르밀푸란을 제조할 수 있는 효과가 있다.
By using a metal-free catalyst and a co-catalyst in the production of 2,5-diformylfuran by the oxidation reaction of 5-hydroxymethyl furfural, it becomes possible to use a low-boiling solvent, shortening the reaction time, And the oxidation reaction conditions are improved. Thus, it is possible to produce 2,5-diformylfuran at a high yield as well as an economical and environmentally friendly oxidation reaction. Also, the yield of 2,5-diformylfuran can be improved remarkably by using the porous metal-free catalyst provided in the present invention. The porous metal-free catalyst is advantageous in that it does not decrease its activity even when it is reused several times and does not produce by-products in the course of the reaction. As a result, according to the present invention, it is possible to easily produce 2,5-diformylfuran on an industrial scale under mild conditions.

도 1은 5-히드록시메틸푸르푸랄, 4-하이드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실 및 톨루엔을 유기용매로 사용하면서 반응 온도의 변화에 따른 2,5-디포르밀푸란 수율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 5-HMF의 산화 반응에서 무금속 촉매 또는/및 보조 촉매를 사용하였을 때의 반응 생성물을 HPLC로 분석한 결과를 나타내는 것이다.
도 3은 4-히드록시-TEMPO 및 BAIB를 촉매로 한 5-HMF의 산화 반응에 의해서 2,5-DFF가 생성되는 메카니즘을 나타내는 것이다.
도 4는 4-히드록시-2,2,6,6,-테트라메틸피페리딘-1-옥실의 사용 몰량의 변화에 따른 2,5-디포르밀푸란 수율율 분석한 그래프이다(반응조건: 5-히드록시메틸푸르푸랄 및 비스(아세톡시)아이오도벤젠을 동일 몰비로 사용, 유기용매로 디클로로메탄 사용, 반응온도 25-27℃).
도 5는 비스(아세톡시)아이오도벤젠의 사용 몰량의 변화에 따른 2,5-디포르밀푸란 수율을 분석한 그래프이다(5-히드록시메틸푸르푸랄 및 4-히드록시-2,2,6,6,-테트라메틸피페리딘-1-옥실을 1 대 0.2 몰비로 하고 디클로로메탄 유기용매를 사용함. 25-27℃에서 45분간 반응시킴).
도 6은 저비점 용매의 종류에 따른 2,5-디포르밀푸란 수율을 분석한 그래프이다(5-히드록시메틸푸르푸랄, 4-히드록시-2,2,6,6,-테트라메틸피페리딘-1-옥실 및 비스(아세톡시)아이오도벤젠을 1 : 0.2 : 1.5 몰비로 사용. 25-27℃에서 45분간 반응시킴).
도 7은 반응 온도의 변화에 따른 2,5-디포르밀푸란 수율을 분석한 그래프이다 (5-히드록시메틸푸르푸랄, 4-히드록시-2,2,6,6,-테트라메틸피페리딘-1-옥실 및 비스(아세톡시)아이오도벤젠을 1 대 0.2 대 1.5 몰비로 사용. 유기용매로 에틸 아세테이트 사용).
도 8은 CH3COOH 투입량에 따른 2,5-디포르밀푸란 수율을 분석한 그래프이다 (5-히드록시메틸푸르푸랄, 4-히드록시-2,2,6,6,-테트라메틸피페리딘-1-옥실 및 비스(아세톡시)아이오도벤젠을 1 대 0.2 대 1.5 몰비로 사용. 유기용매로 에틸 아세테이트 사용).
도 9는 분리 빛 정제된 2,5-DFF를 NMR 분석한 결과이다(1H-NMR (CDCl3,400MHz) d: 9.87 (s, 2H, CHO), 7.35 (s, 2H, furan H), ppm.)
도 10은 TEMPO-SBA-15 촉매의 합성과정을 나타내는 것이다.
도 11은 고체 지지체인 SBA-15와 고체 지지체에 지지된 촉매 TEMPO-SBA-15를 XRD로 분석한 결과이다.
도 12는 고체 지지체인 SBA-15와 고체 지지체에 지지된 촉매 TEMPO-SBA-15의 N2 흡착-탈착 등온선과 기공 사이즈 분배 커브(pore size distribution curves (inset))를 나타내는 그래프이다.
도 13은 SBA-15와 TEMPO-SBA-15를 열중량 분석기로 분석한 열중량 커브(thermogravimetric curves)를 나타내는 그래프이다.
도 14는 (a) PTES-TEMPO , (b) SBA-15 및 (c) TEMPO-SBA-15의 FT-IR 스펙트라 분석결과이다.
도 15는 SBA-15 및 TEMPO-SBA-15의 모폴러지를 SEM으로 분석한 결과이다 (SEM 이미지: (a)SBA-15, (b)TEMPO-SBA-15; FE-SEM 이미지-(c): SBA-15, (d) TEMPO-SBA-15)
도 16은 산소 유무에 따른 2,5-DFF 수율을 분석한 그래프이다(반응 조건: 5-HMF (0.5 mmol), BAIB (0.75 mmol), ethyl acetate (용매), RT, 반응시간 1 h).
도 17은 (a) TEMPO 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 동질(homogeneous) TEMPO 시스템(산소 분위기)에서의 HMF의 산화물에 대한 GC-MS 크로마토그램과 (b) 4.95분에서의 매스 스펙트럼 피크를 나타내는 그래프이다.
도 18은 TEMPO-SBA-15 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 이질(heterogeneous) TEMPO 시스템(산소 분위기)에서의 HMF의 산화물에 대한 GC-MS 크로마토그램을 나타내는 것이다.
도 19는 TEMPO-SBA-15 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 이질(heterogeneous) TEMPO 시스템 하에서, 보조 촉매제 종류에 따른 2,5-DFF 수율에 대하여 분석한 그래프이다. (반응조건은 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol), 보조 촉매제(Co-oxidants, 0.75 mmol), 에틸 아세테이트 (용매), RT, 반응시간 1 h, O2 분위기로 구성)
도 20은 TEMPO-SBA-15 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 이질(heterogeneous) TEMPO 시스템 하에서, 반응 온도에 따른 2,5-DFF 수율에 대하여 분석한 결과를 나타낸 그래프이다. (반응조건은 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol TEMPO), BAIB (0.75 mmol), 에틸 아세테이트(용매), O2 분위기로 구성)
도 21은 TEMPO-SBA-15 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 이질(heterogeneous) TEMPO 시스템 및 TEMPO 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 동질(homogeneous) TEMPO 시스템 하에서 아세트산 첨가에 따른 2,5-DFF 수율에 대하여 분석한 결과를 나타낸 그래프이다. (반응 조건은 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO (0.075 mmol), BAIB (0.75 mmol), AcOH (0.05 mmol, if used), 에틸 아세테이트 (용매), O2 분위기, 반응시간 1h로 구성함)
도 22는 TEMPO-SBA-15를 동일 반응 조건 하에서 반복적으로 사용함으로써 TEMPO-SBA-15의 안정성을 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다. (반응 조건은 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol TEMPO), BAIB (0.75 mmol),AcOH (0.05 mmol), 에틸 아세테이트(용매), O2 분위기, 반응온도 40℃, 반응시간 1h로 구성함)
도 23은 도 22에 따른 테스트 전의 TEMPO-SBA-15의 (a) SEM 이미지와 (b) FT-IR 스펙트라를 나타내는 것이다.
도 24는 도 22에 따른 테스트 후의 TEMPO-SBA-15의 (a) SEM 이미지와 (b) FT-IR 스펙트라를 나타내는 것이다.
도 25는 과당(fructose)으로부터 2,5-DFF로의 원-포트 반응에 있어서, 과당의 가수분해에 의해 생성된 5-HMF의 수율을 분석한 그래프이다. (반응조건은 과당(0.5mmol), NbCl5(0.1mmol), 용매(DMSO, DMA, DMF), 반응온도 80℃, 반응시간은 30분으로 구성함)
도 26은 도 25에 따른 5-HMF의 산화 반응에서의 2,5-DFF의 수율을 분석한 그래프이다. (반응조건은 TEMPO-SBA-15(0.075mmol TEMPO), BAIB 0.75mmol, 용매(DMSO, DMA, DMF), 산소 분위기, 반응온도 25℃, 반응시간은 1시간으로 구성함)
1 is a graph showing the effect of the reaction temperature of 5, 5-hydroxymethyl furfural, 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl and toluene - < / RTI > diformyl furan yield.
FIG. 2 shows the results of HPLC analysis of reaction products when a metal-free catalyst and / or an auxiliary catalyst were used in the oxidation reaction of 5-HMF.
FIG. 3 shows the mechanism by which 2,5-DFF is produced by oxidation of 5-HMF with 4-hydroxy-TEMPO and BAIB as catalysts.
4 is a graph showing the yield rate of 2,5-diformylfuran according to the change in the molar amount of 4-hydroxy-2,2,6,6, -tetramethylpiperidin-1-oxyl used (reaction conditions : Using 5-hydroxymethyl furfural and bis (acetoxy) iodobenzene in the same molar ratio, using dichloromethane as an organic solvent, reaction temperature 25-27 ° C).
5 is a graph showing the yield of 2,5-diformylfuran according to the change in the molar amount of bis (acetoxy) iodobenzene used (5-hydroxymethyl furfural and 4-hydroxy- 6,6, -tetramethylpiperidine-1-oxyl in a ratio of 0.2: 1, dichloromethane organic solvent, reaction at 25-27 DEG C for 45 minutes).
FIG. 6 is a graph showing the yield of 2,5-diformylfuran according to the kind of the low boiling point solvent (5-hydroxymethyl furfural, 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl piperidine 1-oxyl and bis (acetoxy) iodobenzene in a molar ratio of 1: 0.2: 1.5, reacting at 25-27 ° C for 45 minutes.
FIG. 7 is a graph showing the yield of 2,5-diformylfuran according to the change of the reaction temperature (5-hydroxymethylfurfural, 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl and bis (acetoxy) iodobenzene at a ratio of 1: 0.2 to 1.5: 1, using ethyl acetate as the organic solvent.
FIG. 8 is a graph showing the yield of 2,5-diformyl furan according to the amount of CH 3 COOH input (5-hydroxymethyl furfural, 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl piperidine 1-oxyl and bis (acetoxy) iodobenzene at a ratio of 1: 0.2 to 1.5: 1, using ethyl acetate as the organic solvent.
FIG. 9 shows the result of NMR analysis of the separated light-purified 2,5-DFF ( 1 H-NMR (CDCl 3, 400 MHz) d: 9.87 (s, 2H, CHO) ppm.)
Fig. 10 shows the synthesis process of TEMPO-SBA-15 catalyst.
11 shows the results of XRD analysis of SBA-15 as a solid support and TEMPO-SBA-15 catalyst supported on a solid support.
12 is a graph showing the N 2 adsorption-desorption isotherm and pore size distribution curves (inset) of the solid support, SBA-15, and the catalyst TEMPO-SBA-15 supported on a solid support.
13 is a graph showing thermogravimetric curves obtained by analyzing SBA-15 and TEMPO-SBA-15 with a thermogravimetric analyzer.
14 shows FT-IR spectral analysis results of (a) PTES-TEMPO, (b) SBA-15 and (c) TEMPO-SBA-15.
15 is a SEM image of the morphologies of SBA-15 and TEMPO-SBA-15 (SEM image: (a) SBA-15, (b) TEMPO- : SBA-15, (d) TEMPO-SBA-15)
FIG. 16 is a graph showing the yield of 2,5-DFF depending on the presence or absence of oxygen (reaction conditions: 5-HMF (0.5 mmol), BAIB (0.75 mmol), ethyl acetate (solvent), RT, reaction time 1 h).
17 shows (a) GC-MS chromatogram of the oxides of HMF in a homogeneous TEMPO system (oxygen atmosphere) in which a 5-HMF oxidation reaction is performed using a TEMPO catalyst and (b) Spectrum peak.
Figure 18 shows GC-MS chromatograms of the oxides of HMF in a heterogeneous TEMPO system (oxygen atmosphere) in which a 5-HMF oxidation reaction is performed using a TEMPO-SBA-15 catalyst.
19 is a graph showing the yield of 2,5-DFF according to the type of co-catalyst under a heterogeneous TEMPO system in which a 5-HMF oxidation reaction is performed using a TEMPO-SBA-15 catalyst. (Reaction conditions as 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol), the secondary catalyst (Co-oxidants, 0.75 mmol) , ethyl acetate (solvent), RT, and the reaction time 1 h, O 2 atmosphere Configuration)
FIG. 20 is a graph showing the results of 2,5-DFF yield analysis according to the reaction temperature under a heterogeneous TEMPO system in which a 5-HMF oxidation reaction is performed using a TEMPO-SBA-15 catalyst. (Reaction condition is 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol TEMPO), BAIB (0.75 mmol), ethyl acetate (solvent), composed of O 2 atmosphere)
Figure 21 illustrates the effect of 5-HMF oxidation on the heterogeneous TEMPO system and the TEMPO catalyst to perform the 5-HMF oxidation reaction using the TEMPO-SBA-15 catalyst in a homogeneous TEMPO system. FIG. 5 is a graph showing the results of analysis on the yield of 2,5-DFF. (The reaction conditions are also composed of 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO (0.075 mmol), BAIB (0.75 mmol), AcOH (0.05 mmol, if used), ethyl acetate (solvent), O 2 atmosphere, and the reaction time 1h)
22 is a graph showing the results of testing the stability of TEMPO-SBA-15 by repeatedly using TEMPO-SBA-15 under the same reaction conditions. (Reaction condition is 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol TEMPO), BAIB (0.75 mmol), AcOH (0.05 mmol), ethyl acetate (solvent), O 2 atmosphere, reaction temperature 40 ℃, Reaction time 1h)
FIG. 23 shows (a) an SEM image of TEMPO-SBA-15 before test according to FIG. 22 and (b) FT-IR spectrum.
FIG. 24 shows (a) an SEM image of TEMPO-SBA-15 after the test according to FIG. 22 and (b) FT-IR spectrum.
25 is a graph showing the yield of 5-HMF produced by hydrolysis of fructose in a one-port reaction from fructose to 2,5-DFF. (Reaction conditions: fructose (0.5 mmol), NbCl 5 (0.1 mmol), solvent (DMSO, DMA, DMF), reaction temperature 80 ° C, reaction time 30 min)
26 is a graph showing the yield of 2,5-DFF in the oxidation reaction of 5-HMF according to FIG. (Reaction conditions are TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol TEMPO), BAIB 0.75 mmol, solvent (DMSO, DMA, DMF), oxygen atmosphere, reaction temperature 25 ° C, reaction time 1 hour)

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술 사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당해 기술이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to be exemplary and explanatory only and not to be restrictive of the scope of the invention as defined by the appended claims. It will be obvious to those skilled in the art that these changes and modifications are within the scope of the appended claims.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 들어 설명하도록 한다.
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described.

실시예 1: 2,5-디포르밀푸란의 제조Example 1: Preparation of 2,5-diformylfuran

본 발명의 일실시예에 따른 2,5-디포르밀푸란(2,5 diformylfuran, 2,5-DFF)을 제조하는 방법은, 5-히드록시메틸푸르푸랄(5-hydroxymethyl furfural, 5-HMF)을 산화 반응시켜 2,5-디포르밀푸란(2,5 diformylfuran, 2,5-DFF)을 제조하는 방법으로서, 5-HMF의 산화 반응에 무금속 촉매제, 보조 촉매제 및 저비점 용매를 이용한다. A method for preparing 2,5-diformylfuran (2,5-DFF) according to an embodiment of the present invention includes 5-hydroxymethyl furfural (5-HMF (2,5-diformylfuran, 2,5-DFF) is prepared by oxidation of a 5-HMF, and a metal-free catalyst, a co-catalyst and a low-boiling solvent are used for the oxidation reaction of 5-HMF.

5-HMF 및 2,5-DFF의 화학식을 하기 화학식 1 및 화학식 2에 나타내었다.The formulas of 5-HMF and 2,5-DFF are shown in the following formulas (1) and (2).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00001

Figure pat00001

[화학식 2](2)

Figure pat00002

Figure pat00002

상기 무금속 촉매제는 4-히드록시-2,2,6,6,-테트라메틸피페리딘-1-옥실(4-hydroxy-2,2,6,6,-tetramethyl-piperdine-1-oxyl, 4-히드록시-TEMPO)일 수 있다. 다만, 무금속 촉매제로써 5-HMF의 산화 반응을 가능하게 하는 것으로 선택할 수 있으며 이에 한정되지 아니한다. 4-히드록시-TEMPO의 화학식을 하기 화학식 3에 나타내었다.
The metal-free catalyst may be 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperdine-1-oxyl, 4-hydroxy-2,2,6,6- 4-hydroxy-TEMPO). However, it is possible to select 5-HMF as a non-metal catalyst to enable oxidation reaction, but the present invention is not limited thereto. The formula of 4-hydroxy-TEMPO is shown in the following formula (3).

[화학식 3](3)

Figure pat00003

Figure pat00003

시약reagent

4-히드록시 TEMPO(97%), BAIB(98%), 유기 실란 링커(4(3-chloropropyl)-triethoxysilane, CPTES, 95%), 폴리(에틸렌글라이콜)-블록-폴리(프로필렌글라이콜)-블록-폴리(에틸렌글라이콜) (Poly(ethyleneglycol)-block-poly(propyleneglycol)-block-poly(ethyleneglycol), Pluronic®P123) 및 드라이 톨루엔 (99.8%) Sigma-Aldrich (South Korea)로부터 구입하였다. 5-HMF (5-hydroxymethylfufural) (98%), TEOS(tetraethylorthosilicate) (98%), NaH (sodium hydride) (60% dispersion in oil), 아세트산 및 드라이 테트라하이드로푸란 (THF) (99.8%)는 Acros Organics에서 구입하였다. 2,5-DFF (2,5-diformylfuran) (>98%)은 도쿄 케미칼(Tokyo Chemicals, Japan)에서 구매하였다. 염산(HCl) (35-37%)은 쇼와 케미칼(Showa Chemicals)에서 구매하였다. DCM (dichloromethane), 다이에틸에테르(diethyl ether), 아세토니트릴(acetonitrile), 헥산(hexane), 에틸 아세테이트(ethyl acetate)는 대정 케미칼(Dae Jung Chemicals, South Korea)에서 구매하였다. 소듐 설페이트(Sodium sulfate, 99%)는 Junsei 케미칼에서 구매하였다. 모든 시약은 시약 등급 또는 그 보다 높은 등급을 사용하였고 추가 정제 없이 직접 사용하였다. 반응은 온도가 제어되는 오일 배스(bath) 내에서 열처리된 둥근 바닥 플라스크에서 수행하였다. TLC (Thin-layer chromatography)는 실리카 겔 60 F254 플레이트(silica gel 60 F254 plates, Merck)상에서 수행하였다. 컬럼 크로마토그래피를 위하여 Acros 실라카 겔(0.075-0.250 mm, 150 A)을 사용하였다.
(97%), BAIB (98%), 4 (3-chloropropyl) -triethoxysilane, CPTES, 95%), poly (ethylene glycol) Poly (ethyleneglycol) -block-poly (propyleneglycol) -block-poly (ethyleneglycol), Pluronic® P123) and dry toluene (99.8%) were obtained from Sigma-Aldrich (South Korea) Lt; / RTI > 5-hydroxymethylfufural (98%), tetraethylorthosilicate (98%), sodium hydride (60% dispersion in oil), acetic acid and dry tetrahydrofuran (99.8% Organics. 2,5-diformylfuran (> 98%) was purchased from Tokyo Chemicals, Japan. HCl (35-37%) was purchased from Showa Chemicals. Dichloromethane, diethyl ether, acetonitrile, hexane, and ethyl acetate were purchased from Dae Jung Chemicals (South Korea). Sodium sulfate (99%) was purchased from Junsei Chemicals. All reagents were of reagent grade or higher and used directly without further purification. The reaction was carried out in a round bottom flask heat-treated in a temperature controlled oil bath. TLC (Thin-layer chromatography) was performed on silica gel 60 F 254 plates (silica gel 60 F 254 plates, Merck). Acros silica gel (0.075-0.250 mm, 150 A) was used for column chromatography.

5-HMF 산화반응5-HMF oxidation reaction

모든 실험은 2-넥(2-necked) 둥근 바닥 플라스크 내에서 수행하였다. 초기에 산소로 퍼징하고(산소 분위기 하에서 실험하는 경우), O2로 채워진 벌룬(O2-filled balloon)으로 고정시켰다(산소 분위기 하에서 실험하는 경우). 자석 교반과 함께 온도가 제어되는 오일 배스 내에 플라스크를 위치시켰다. 5-HMF, TEMPO 촉매 (homogeneous for or TEMPO-SBA-15/heterogeneous form), BAIB, 및 아세트산(if used)을 적절한 용매(10-15 mL) 내에서 혼합하였다. 반응 혼합물은 일정 시간, 제어된 온도에서 자석 교반하였다. 이후, 이질 촉매(heterogeneous catalyst)를 사용하는 경우에서, 고체 촉매를 분리하기 위하여 반응 혼합물을 필터링하였다. 여과물 또는 반응 혼합물(in homogeneous reaction)을 감압 하에서 건조하고, 탈이온수에 용해시켰다. 그 다음 HPLC(high pressure liquid chromatography)로 분석하였다.
All experiments were carried out in a 2-necked round bottom flask. Initially purged with oxygen, and (if the test under oxygen atmosphere), and fixed to the balloon (O 2 -filled balloon) filled with O 2 (if the test under oxygen atmosphere). The flask was placed in a temperature controlled oil bath with magnetic stirring. 5-HMF, TEMPO catalyst (homogeneous for or TEMPO-SBA-15 / heterogeneous form), BAIB, and acetic acid (if used) were mixed in an appropriate solvent (10-15 mL). The reaction mixture was magnetically stirred at a controlled temperature for a period of time. Subsequently, in the case of using a heterogeneous catalyst, the reaction mixture was filtered to separate the solid catalyst. The filtrate or in homogeneous reaction was dried under reduced pressure and dissolved in deionized water. And then analyzed by HPLC (high pressure liquid chromatography).

과당(Fructose)으로부터 2,5-DFF로의 원-포트 컨버전(One-pot Conversion) One-pot conversion from fructose to 2,5-DFF.

과당 및 NbCl5 (niobium pentachloride)를 용매 내에서 80℃ 30분간 반응(페관 내(closed vessel))시켰다. 30분 후, HMF 분석을 위하여 샘플을 수득하고, 실온으로 냉각하였다. 분리 단계 없이 TEMPO-SBA-15 촉매 및 BAIB를 상기 용기에 첨가하였다. 반응 용기를 산소로 퍼징하고(산소 분위기 하에서 반응시키는 경우), O2로 채워진 벌룬(O2-filled balloon)으로 고정시켰다. 상기 조건으로 실온에서 1시간동안 반응을 수행하였다. 1시간 후, 고체 촉매를 분리하기 위하여 반응 혼합물을 필터링하였다. 여과물을 감압 하에서 건조하고, 탈이온수에 용해시킨 다음 HPLC(high pressure liquid chromatography)로 분석하였다.
Fructose and NbCl 5 (niobium pentachloride) were reacted in a solvent (closed vessel) at 80 ° C for 30 minutes. After 30 minutes, a sample was obtained for HMF analysis and cooled to room temperature. The TEMPO-SBA-15 catalyst and BAIB were added to the vessel without a separation step. The reaction vessel was purged with oxygen, and (when they are reacted under an oxygen atmosphere), and fixed to the balloon (O 2 -filled balloon) filled with O 2. The reaction was carried out at room temperature for 1 hour under the above conditions. After 1 hour, the reaction mixture was filtered to separate the solid catalyst. The filtrate was dried under reduced pressure, dissolved in deionized water and analyzed by HPLC (high pressure liquid chromatography).

촉매의 리사이클링Recycling of catalyst

산화 반응 후, 반응 혼합물로부터 여과를 통해 TEMPO-SBA-15를 회수하였다. 사용된 촉매를 반응 용매로 워싱하여 반응 잔해 흔적을 제거하였다. 그 다음 촉매를 재사용하기 전에 실온에서 에어-드라이하였다.
After the oxidation reaction, TEMPO-SBA-15 was recovered from the reaction mixture through filtration. The used catalyst was washed with the reaction solvent to remove the traces of the reaction debris. The catalyst was then air-dried at room temperature prior to reuse.

생산물 분석 및 정량Product analysis and quantification

HPLC 분석 전에, 샘플을 시린지 필터(0.2 ㎛ Nylon)로 필터링하였다. 40℃에서 유지되는 워터스 2414 RI 디텍터 (Waters 2414 refractive index detector)가 장착된 Waters HPLC와 60℃에서 유지되는 Biorad Aminex HPX-87H 이온-배제 컬럼(300 x 7.8 mm)이 사용되었다. 5 mM H2SO4 이동상은 흐름 속도 0.6 mLmin-1에서 딜리버(deliver)되었다. 2,5-DFF의 농도(i.e. [DFF])는 스탠다드 샘플의 캘리브레이션 커브(calibration curves)에 대한 값이다. 생산된 2,5-DFF의 양(WDFF) 및 상응하는 반응 수율은 하기 방정식 (1) 및 (2)에 따라 계산되었다. V는 샘플 볼륨, MW는 5-HMF의 분자량(126.11 g/mole) 또는 2,5-DFF의 분자량(124.09 g/mole)이다. WRM, WAL, 및 WHMF는 각각 총 반응 혼합물의 질량(mass), 분석을 위한 부분 표본 및 공급된 HMF이다. 모든 데이터는 3회 반응의 평균 값이다. Prior to HPLC analysis, the sample was filtered with a syringe filter (0.2 [mu] m Nylon). Waters HPLC equipped with a Waters 2414 refractive index detector maintained at 40 ° C and Biorad Aminex HPX-87H ion-exclusion column (300 x 7.8 mm) maintained at 60 ° C were used. A 5 mM H 2 SO 4 mobile phase was delivered at a flow rate of 0.6 mL min -1 . The concentration of 2,5-DFF (ie [DFF]) is the value for the calibration curves of the standard sample. The amount of produced 2,5-DFF (W DFF ) and the corresponding reaction yield were calculated according to the following equations (1) and (2). V is the sample volume, MW is the molecular weight of 5-HMF (126.11 g / mole) or 2,5-DFF (124.09 g / mole). W RM , W AL , and W HMF are the mass of the total reaction mixture, a partial sample for analysis, and the supplied HMF, respectively. All data are mean values of three reactions.

[방정식 1][Equation 1]

Figure pat00004

Figure pat00004

[방정식 2] [Equation 2]

Figure pat00005
Figure pat00005

2,5-DFF의 분리 및 정제Isolation and purification of 2,5-DFF

정제된 2,5-DFF 생성물의 회수를 위하여, 건조된 반응 샘플(감압 하)을 실라카 겔을 이용하는 컬럼 크로마토그래피로 분석하였다. EtOAc 및 헥산의 혼합물을 이용하여 용리하였다. 2,5-DFF는 TLC 결과에 근거하여 헥산에 4 % ~ 10 % EtOAc가 혼합된 혼합물을 이용하여 분리하였다. 용리액을 포함하는 생성물을 수집하고, 솔벤트를 감압 하에서 증발시켜 연한 노란색의 결정성 물질을 수득하였다. 결정성 고체를 헥산으로 워싱하고, EtOAc 내에서 재결정화하여 백색 결정의 순도 >99% 2,5-DFF 생성물을 수득하였다(0.9884 g, isolated yield = 50.2%, yield from HPLC = 55.7% 멜팅 포인트 (mp) 108 ℃, lit. mp 108-110 ℃). 생성물인 2,5-DFF의 아이텐티피케이션은 원소 분석 및 1H NMR 분석으로 확인하였다.(1H NMR on a Varian 400 MHz NMR 분광기 in deuterated chloroform (CDCl3); 도 9 및 표 2 참조).
For recovery of the purified 2,5-DFF product, the dried reaction sample (under reduced pressure) was analyzed by column chromatography using silica gel. Eluting with a mixture of EtOAc and hexane. 2,5-DFF was isolated using a mixture of 4% to 10% EtOAc in hexane based on the TLC results. The product containing the eluent was collected and the solvent was evaporated under reduced pressure to give a pale yellow crystalline material. The crystalline solid was washed with hexane and recrystallized in EtOAc to yield a white crystalline purity > 99% 2,5-DFF product (0.9884 g, isolated yield = 50.2%, yield from HPLC = 55.7% mp) 108 [deg.] C, lit. mp 108-110 [deg.] C). The pentenation of the product, 2,5-DFF, was confirmed by elemental analysis and 1 H NMR analysis ( 1 H NMR on a Varian 400 MHz NMR spectrometer in deuterated chloroform (CDCl 3 ); see FIG. 9 and Table 2) .

실시예2: 이질 촉매 (Heterogeneous Catalyst)의 제조Example 2: Preparation of heterogeneous catalyst

다공성 실리카 SBA-15 제조Manufacture of porous silica SBA-15

SBA-15는 SDA(structure directing agent)로서 트리-블록 코폴리머(tri-block copolymer Pluronic®P123, Average Mol. Weight = 5800)를 이용하여 공지된 방법에 따라(일부 수정) 제조하였다. P123의 10 g 샘플은 처음에 탈이온수(deionized (DI) water) 및 60 mL HCl (35.0-37.0 %)의 혼합물 325 mL에 용해시키고 TEOS (20.6 g)를 첨가한 다음 40℃에서 2시간동안 800 rpm으로 교반하였다. 분산물을 40℃에서 24시간 동안 방치하고 다시 80℃에서 24시간 동안 더 방치시켰다. 고체 생성물을 여과시키고, 잔여 반응물을 제거하기 위하여 따뜻한 탈이온수(80℃)로 반복적으로 워싱하였다. 실온에서 4일간 에어-드라잉한 후, 건조된 파우더를 500℃(in air, 5 h)에서 하소하였다(실온으로부터 히팅 레이트 2.5 ℃/min).
SBA-15 was prepared according to known methods (some modifications) using a tri-block copolymer (Pluronic®P123, Average MoI. Weight = 5800) as a structure directing agent (SDA). A 10 g sample of P123 was first dissolved in 325 mL of a mixture of deionized (DI) water and 60 mL HCl (35.0-37.0%), TEOS (20.6 g) was added, and then 800 lt; / RTI > The dispersion was allowed to stand at 40 DEG C for 24 hours and then left at 80 DEG C for another 24 hours. The solid product was filtered and washed repeatedly with warm deionized water (80 < 0 > C) to remove residual reactants. After air-drying at room temperature for 4 days, the dried powder was calcined at 500 ° C (in air, 5 h) (from room temperature to 2.5 ° C / min of heating rate).

3-(4-옥시-TEMPO)프로필-트리에톡시실란의 제조Preparation of 3- (4-oxy-TEMPO) propyl-triethoxysilane

반응은 질소 분위기에서 수행하였다. 소듐 하이드라이드(Sodium hydride 0.2758 g, 6.9 mmol)는 아이스-배스(ice-bath)에서 냉각된 드라이 THF (20 mL)로 서스펜션화하였다. 5mL 드라이(dry) THF로 4-히드록시-TEMPO (1.0 g, 5.8 mmol) 용액을 준비하고, 콜드(cold) NaH 슬러리 내에 적하하였다. 혼합물을 실온에서 교반하여 반응을 촉진시켰다. 가스 에볼루션(gas evolution)을 완성한 후, 혼합물을 0℃에서 재냉각하고 CPTES(3-(chloro)propyl-triethoxysilane, 1.6615 g, 6.9 mmol)를 적하하였다. 실온에서 48시간 더 반응을 진행시켰다. 감압 하에서 용매를 증발시킴으로써 크루드 프로덕트(crude product)을 회수하였다. 불순물을 침전시키기 유성 생성물을 디에틸 에테르(diethyl ether)에 용해시켰다. 여과된 디에틸에테르를 소듐 설페이트로 건조시키고 재필터링하였다. 회전증발기에서 용매를 제거하여 순수 3-(4-옥시-TEMPO)프로필-트리에톡시실란(이하, PTES-TEMPO)를 수득하였다(유성, 다크 오렌지색).
The reaction was carried out in a nitrogen atmosphere. Sodium hydride (0.2758 g, 6.9 mmol) was suspended in dry THF (20 mL) cooled in an ice-bath. A solution of 4-hydroxy-TEMPO (1.0 g, 5.8 mmol) in 5 mL dry THF was prepared and added dropwise to a cold NaH slurry. The mixture was stirred at room temperature to promote the reaction. After completing the gas evolution, the mixture was re-cooled at 0 ° C and CPTES (3- (chloro) propyl-triethoxysilane, 1.6615 g, 6.9 mmol) was added dropwise. The reaction was further allowed to proceed at room temperature for 48 hours. The crude product was recovered by evaporating the solvent under reduced pressure. The oily product precipitating the impurities was dissolved in diethyl ether. The filtered diethyl ether was dried over sodium sulfate and re-filtered. The solvent was removed from the rotary evaporator to obtain pure 3- (4-oxy-TEMPO) propyl-triethoxysilane (hereinafter PTES-TEMPO) (oily, dark orange).

TEMPO-SBA-15 촉매의 제조Preparation of TEMPO-SBA-15 catalyst

하소된 SBA-15 (2.0 g)를 90℃에서 1시간 진공-건조시키고 질소 분위기 하, 90 mL 드라이 톨루엔에서 격렬하게 교반하여 현탁액을 제조하였다. 톨루엔에 용해된 PTES-TEMPO (1.53 mmol) 용액을 SBA-15 서스펜션에 적하하였다. 혼합물을 110℃에서 20시간 동안 계속 교반하면서 리플럭스하였다. 그 후 반응을 종결하고 실온으로 냉각하였다. 이를 여과하고 톨루엔으로 3회 세척한 다음, 실온에서 에어- 드라이하여 TEMPO-SBA-15를 제조하였다.The calcined SBA-15 (2.0 g) was vacuum-dried at 90 < 0 > C for 1 hour and vigorously stirred in 90 mL dry toluene under a nitrogen atmosphere to prepare a suspension. A solution of PTES-TEMPO (1.53 mmol) dissolved in toluene was added dropwise to the SBA-15 suspension. The mixture was refluxed with continuous stirring at 110 < 0 > C for 20 hours. The reaction was then terminated and cooled to room temperature. This was filtered, washed three times with toluene, and then air-dried at room temperature to prepare TEMPO-SBA-15.

TEMPO-SBA-15 촉매 특성 분석Analysis of TEMPO-SBA-15 Catalyst Characteristics

PANalytical EMPYREAN SWAX 회절분석기(PANalytical EMPYREAN SWAX diffractometer (40 kV, 25 mA) with Ni-filtered Cu-Ka radiation (λ = 0.15406 nm) source scanned at 2θ 앵글 0.3도 ~ 10도)를 이용하여 SBA-15 및 TEMPO-SBA-15의 파우더 로우 앵글 XRD 패턴(Powder low angle X-ray diffraction patterns)을 분석하였다. 샘플의 FT-IR 스펙트라는 실온, 웨이브넘버 400 및 4000 cm-1사이에서 Shimadzu IRPrestige-21 분광광도계를 이용하여 분석하였다. 열중량 분석(TGA)은 SCINCO TGA (N-1000)로 수행하였다.(35℃ ~1000℃, 램핑 레이트(ramping rate) 5℃/min, 질소 50 mL/min 공급). N2 흡착-탈착 등온선(adsorption-desorption isotherms)은 77 K에서 Micromeritics ASAP-2020 표면적 분석기로 분석하였다. 흡착 실험 이전에 100℃에서 24시간 동안 샘플에서 가스를 제거(in vacuum)하였다. 샘플의 질소 함량은 Vario EL 큐브 CHNS 애널라이저 (Elementar Corporation, Germany)를 이용하여 원소 분석으로 분석하였다. 샘플의 모폴러지(morphology)는 SEM(Hitachi S-3500N Scanning Electron Microscope) 및 FE-SEM(JEOL JSM-7600F Field Emission Scanning Electron Microscope)으로 분석하였다.
SBA-15 and TEMPO were measured using a PANalytical EMPYREAN SWAX diffractometer (40 kV, 25 mA) with Ni-filtered Cu-Ka radiation (λ = 0.15406 nm) Powder low angle X-ray diffraction patterns of SBA-15 were analyzed. FT-IR spectra of the sample is between room temperature and 400, and the wave number 4000 cm -1 And analyzed using a Shimadzu IRPrestige-21 spectrophotometer. Thermogravimetric analysis (TGA) was performed with SCINCO TGA (N-1000) (35 ° C. to 1000 ° C., ramping rate 5 ° C./min, nitrogen 50 mL / min). N 2 adsorption-desorption isotherms were analyzed with a Micromeritics ASAP-2020 surface area analyzer at 77K. Prior to the adsorption experiment, samples were in vacuo at 100 ° C for 24 hours. The nitrogen content of the sample was analyzed by elemental analysis using a Vario EL cube CHNS analyzer (Elementar Corporation, Germany). The morphology of the sample was analyzed by SEM (Hitachi S-3500N Scanning Electron Microscope) and FE-SEM (JEOL JSM-7600F Field Emission Scanning Electron Microscope).

실험예 1:무금속 촉매제를 이용한 5-HMF의 산화 반응에 따른 2,5-DFF의 수율을 분석Experimental Example 1: Analysis of yield of 2,5-DFF according to oxidation reaction of 5-HMF using a metal-free catalyst

무금속 촉매제(4-히드록시-TEMPO)를 이용한 5-HMF의 산화 반응에 따른 2,5-DFF의 수율을 분석하여 도 1에 나타내었다. 5-HMF 및 4-히드록시-TEMPO를 동일 몰량을 사용하고 톨루엔(toluene)을 용매로 하여 온도를 변화시키면서 4-히드록시-TEMPO을 촉매로 한 5-HMF의 산화 반응에 따른 2,5-DFF의 수율을 측정하였다. 반응 시간이 0시간에서 48시간으로 지속됨에 따라 2,5-DFF의 수율은 점진적으로 증가하고, 반응 온도가 30℃에서 120℃로 높아지면 2,5-DFF의 수율도 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이는 반응 시간이 짧고 반응 온도가 낮은 조건에서는 TEMPO 라디칼이 후술하는 옥소암모늄염을 형성하기 어려워 2,5-DFF의 수율이 낮지만, 반응 온도가 30℃에서 120℃로 증가하면 형성된 옥소암모늄에 의해 5-HMF가 산화가 이루어지기 때문이다. 80℃ 이상에서 반응시간이 길어질수록 수율이 증가하는 경향을 나타내었으며 120℃에서 48시간 반응시킨 경우에서 가장 높은 수율이 확인되었다(44%). 저비점의 용매를 사용하는 것이 생성물 회수 단계에서 효율적인 점을 고려할 때, 휘발성 용매를 이용한 저온 반응이 더 적합할 수 있으므로, 본 분석에서는 120℃를 초과하는 온도에서는 실험을 수행하지 않았다.
The yield of 2,5-DFF according to the oxidation reaction of 5-HMF using a metal-free catalyst (4-hydroxy-TEMPO) was analyzed and is shown in FIG. 5-HMF and 4-hydroxy-TEMPO were used in the same molar ratio and toluene was used as a solvent. The yield of DFF was measured. As the reaction time continued from 0 hours to 48 hours, the yield of 2,5-DFF gradually increased, and when the reaction temperature increased from 30 to 120 ° C, the yield of 2,5-DFF was also increased . This is because the yield of 2,5-DFF is low due to the difficulty of forming the oxoammonium salt described later under the condition that the reaction time is short and the reaction temperature is low. However, when the reaction temperature is increased from 30 ° C. to 120 ° C., -HMF is oxidized. The yield increased with increasing reaction time at 80 ℃ or higher. The highest yield was obtained when reacted at 120 ℃ for 48 hours (44%). Considering that the use of a solvent having a low boiling point is efficient in the product recovery step, the low temperature reaction using a volatile solvent may be more suitable, and thus the experiment was not performed at a temperature exceeding 120 캜 in this analysis.

5-HMF의 산화 반응은 TEMPO 라디칼(radical)이 옥소암모늄염(oxoammonuium salt)으로 산화되고 상기 옥소암모늄염으로 인해 5-HMF가 2,5-DFF로 산화되는 단계를 거친다. TEMPO 라디칼이 옥소암모늄염으로 산화되는 과정을 하기 반응 메카니즘 1에 나타내었다.
The oxidation reaction of 5-HMF is a step in which the TEMPO radical is oxidized to an oxoammonium salt and the 5-HMF is oxidized to 2,5-DFF due to the oxoammonium salt. The process by which the TEMPO radical is oxidized to the oxoammonium salt is shown in Scheme 1 below.

[반응 메카니즘 1][Reaction Mechanism 1]

Figure pat00006

Figure pat00006

실험예 2: 무금속 촉매제 및 보조 촉매제가, 5-HMF의 산화 반응에 따른 2,5-DFF의 수율 분석Experimental Example 2: Analysis of yield of 2,5-DFF by the oxidation reaction of 5-HMF with a metal-free catalyst and a cocatalyst

무금속 촉매제 및 보조 촉매제가, 5-HMF의 산화 반응에 따른 2,5-DFF의 수율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 생성물을 HPLC로 분석하여 그 결과를 도 2에 나타내었다((A) 1.0 mmol TEMPO : 1.0 mmol 5-HMF, 용매: 톨루엔(120 ℃), 36시간 반응, (B) 0.2 mmol TEMPO : 1.0 mmol 5-HMF : 1.5 mmol BAIB, in EtOAc (30 ℃) after 45min reaction). 도 2에서 나타내는 바와 같이, 5-HMF의 산화 반응에 4-히드록시-TEMPO가 촉매로 이용이 가능하지만, 반응 조건에 있어 반응 시간 및 반응 온도가 비경제적이며 2,5-DFF의 수율도 낮아 보조 촉매제가 필요하다는 것을 확인할 수 있다.
The product was analyzed by HPLC to confirm the effect of the metal-free catalyst and the cocatalyst on the yield of 2,5-DFF according to the oxidation reaction of 5-HMF. The results are shown in FIG. 2 ( A ) TEMPO: 1.0 mmol 5-HMF, solvent: toluene (120 ℃), 36 hours reaction, (B) 0.2 mmol TEMPO: 1.0 mmol 5-HMF: 1.5 mmol BAIB, in EtOAc (30 ℃) after 45min reaction). As shown in FIG. 2, although 4-hydroxy-TEMPO can be used as a catalyst in the oxidation reaction of 5-HMF, the reaction time and reaction temperature are not economical and the yield of 2,5-DFF is low It can be confirmed that a co-catalyst is required.

상기 보조 촉매제는 비스(아세톡시)아이오도벤젠(bis(acetoxy)-iodobenzene, BAIB)일 수 있다. 다만, 보조 촉매제로서 무금속 촉매제와 함께 5-HMF의 산화 반응을 가능하게 하는 것이라면 선택하여 사용할 수 있으며, BAIB에 한정되지 아니한다. 상기 BAIB의 화학식을 하기 화학식 4에 나타내었다.
The co-catalyst may be bis (acetoxy) -iodobenzene (BAIB). However, it may be selected and used as a co-catalyst capable of oxidizing 5-HMF together with a metal-free catalyst, and is not limited to BAIB. The formula of BAIB is shown in the following formula (4).

[화학식 4][Chemical Formula 4]

Figure pat00007

Figure pat00007

무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 이용한 5-HMF의 산화 반응Oxidation of 5-HMF using metal-free and co-catalyst

도 3은 4-히드록시-TEMPO 및 BAIB를 촉매로 한 5-HMF의 산화 반응에 의해서 2,5-DFF가 생성되는 메카니즘을 나타낸 것이다. 상기 메카니즘에서 BAIB는 두 가지의 기능을 가진다. 첫째는, BAIB의 아세테이트 그룹과 5-HMF의 1차 알코올 그룹 상이의 리간드 교환과 관련된다(도 3의 (B) 참조). 이에 의해 BAIB로부터 유래된 CH3COOH의 방출이 야기되고, 이는 TEMPO 라디칼(1)이 옥소암모늄 염(2)과 하이드록시아민(3)으로 전환되는 이니셜 디스뮤테이션(initial dismutation)을 촉진한다(도 3의 (A) 참조). 생산된 옥소암모늄 염(2)은 5-HMF를 2,5-DFF로 산화시키고 자신은 하이드록시아민(3)으로 환원된다. BAIB의 두 번째 기능은, 하이드록시아민(3)의 산화를 통하여 TEMPO 라디칼(1)을 재생함으로써 산화 사이클을 완성하는 것이다. 부수적으로, 하이드록시아민 산화의 부생성물(by-product)로서, BAIB로부터 방출된 CH3COOH는 재생산된 TEMPO 라디칼(1)은, (2)와 (3)으로 전환되는 디스뮤테이션 사이클에 참여할 수 있다.
FIG. 3 shows the mechanism by which 2,5-DFF is produced by oxidation of 5-HMF with 4-hydroxy-TEMPO and BAIB as catalysts. In this mechanism, BAIB has two functions. First, it relates to the ligand exchange of the acetate group of BAIB and the primary alcohol group of 5-HMF (see FIG. 3 (B)). This results in the release of CH 3 COOH derived from BAIB, which promotes initial dismutation in which the TEMPO radical (1) is converted to the oxoammonium salt (2) and the hydroxyamine (3) 3 (A)). The resulting oxoammonium salt (2) oxidizes 5-HMF to 2,5-DFF and is itself reduced to hydroxyamine (3). The second function of BAIB is to complete the oxidation cycle by regenerating the TEMPO radical (1) through oxidation of the hydroxyamine (3). Incidentally, as a by-product of hydroxyamine oxidation, CH 3 COOH released from BAIB participates in a desmutation cycle in which the reproduced TEMPO radical (1) is converted into (2) and (3) .

실험예 3: 보조 촉매제로서 BAIB의 효과 분석Experimental Example 3: Effect of BAIB as a cocatalyst

상기에서 설명한 바와 같이, BAIB는 TEMPO 라디칼을 재생할 수 있기 때문에, TEMPO의 사용량은 화학양론적(stoichiometric) 수준에서 촉매적 수준으로 상당히 감소될 수 있다. 표 1에서 나타내는 바와 같이, 5-HMF를, 소량의 TEMPO와 화학양론적 양의 BAIB를 이용하여 실온에서 4시간 반응시킨 경우 34%의 2,5-DFF를 얻었다(Entry 2). 이 결과는 BAIB와 첨가가 마일드한 조건 하에서, 심지어 TEMPO가 제한된 상황에서도 5-HMF 산화를 촉진한다는 것을 나타낸다. 즉 이는 TEMPO 라디칼이 BAIB에 의해 재생된다는 것을 나타낸다. 도 2의 (B) HPLC 크로마토그램을 참조하면, 생성물로 2,5-DFF와 함께 CH3COOH가 관찰된다. 이러한 결과는 상기에서 설명한 반응 메카니즘(도 3 참조)과 일치한다. 상기 CH3COOH는 TEMPO 라디칼 재생시 방출되는 부생성물이거나(상기 반응 메카니즘 2(B) 참조), BAIB의 리간드 교환반응에 의한 것일 수 있다(상기 반응 메카니즘 2(A) 참조). 상기에서 설명한 결과는 BAIB의 존재 하에서 TEMPO의 사용량은 상당히 감소될 수 있다는 것을 의미한다.
As described above, since BAIB can regenerate TEMPO radicals, the amount of TEMPO usage can be significantly reduced to a catalytic level at the stoichiometric level. As shown in Table 1, when 5-HMF was reacted with a small amount of TEMPO and a stoichiometric amount of BAIB at room temperature for 4 hours, 34% 2,5-DFF was obtained (Entry 2). These results indicate that the addition of BAIB promotes 5-HMF oxidation even under mild conditions, even with TEMPO limited. That is, it indicates that the TEMPO radical is regenerated by BAIB. Referring to Figure 2 (B) HPLC chromatogram, CH 3 COOH with 2,5-DFF is observed as the product. These results are consistent with the reaction mechanism described above (see FIG. 3). The CH 3 COOH may be a by-product released upon TEMPO radical regeneration (see reaction mechanism 2 (B) above) or by a ligand exchange reaction of BAIB (see reaction mechanism 2 (A) above). The results described above mean that the amount of TEMPO used can be significantly reduced in the presence of BAIB.

다양한 반응 조건 하에서 2,5-DFF의 수율 분석Yield analysis of 2,5-DFF under various reaction conditions EntryEntry 5-HMF (mmol)5-HMF (mmol) TEMPO
(mmol)
TEMPO
(mmol)
BAIB
(mmol)
BAIB
(mmol)
CH3COOH
(AcOH)
(mmol)
CH 3 COOH
(AcOH)
(mmol)
SolventSolvent Temp (℃)Temp (캜) Time
Time
2,5-DFF yield (%)2,5-DFF yield (%)
1One 1.0 1.0 1.01.0 -- -- TolueneToluene 120120 48 h48 h 4444 22 1.01.0 0.10.1 1.01.0 -- DCMDCM *RT * RT 4 h4 h 3434 33 1.01.0 0.20.2 1.01.0 -- DCMDCM RT RT 45 min45 min 4545 44 1.01.0 0.20.2 1.51.5 -- DCMDCM RT RT 45 min45 min 5454 55 1.01.0 0.20.2 1.51.5 -- EtOAcEtOAc 30 30 45 min45 min 5656 66 1.01.0 1.01.0 -- 1.01.0 EtOAcEtOAc 30 30 45 min45 min 4040 77 1.01.0 0.20.2 -- 1.01.0 EtOAcEtOAc 30 30 45 min45 min 22 88 1.01.0 0.20.2 1.51.5 0.10.1 EtOAcEtOAc 30 30 45 min45 min 6666

* room temperature (25-27 ℃)
* room temperature (25-27 ℃)

실험예 4: 무금속 촉매제의 투입량에 따른 생성물의 수율 분석Experimental Example 4: Analysis of Product Yield According to Amount of Metal-Free Catalyst

생성물의 수율을 개선시키기 위하여 무금속 촉매제의 적합한 양은 어느 정도인지에 대하여 분석하고 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4는 5-HMF 1mmol 및 BAIB 1mmol을 1 대 1 몰비로 디클로로메탄을 용매로 하여 실온(25℃ 내지 27℃)에서 4-하이드록시-TEMPO 양의 변화에 따른 2,5-DFF의 수율을 측정한 그래프이다.To improve the yield of the product, the suitable amount of the metal-free catalyst was analyzed to what extent, and the results are shown in Fig. 4 shows the yield of 2,5-DFF with 1 mmol of 5-HMF and 1 mmol of BAIB at a 1: 1 molar ratio with varying amounts of 4-hydroxy-TEMPO at room temperature (25 ° C to 27 ° C) FIG.

4-히드록시-TEMPO 0.05mmol의 경우, 반응시간 증가에 따라 수율이 증가하는 경향을 나타내었으나 반응 초기 2,5-DFF의 생성율은 상대적으로 낮았다. 반응시간 5시간에서 최대 수율 42%를 나타내었다. 4-히드록시-TEMPO의 함량 ≥ 0.1인 경우에서는, 최대치를 달성한 이후에는 수율이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 2,5-DFF가 소비되었거나 분해되었다는 것을 나타낼 수 있다. 그러나. 상기 반응 샘플에서는 부생성물이나 분해 생성물은 관찰되지 않았다. 따라서 생성된 2,5-DFF가 분석적으로 검출되지 않는 다른 관련 화합물로 전환되었다고 볼 수 있을 것이다. TEMPO의 양이 증가될수록 2,5-DFF의 최대 수율을 달성하는 시간은 짧아지는 경향을 나타내었다. 이는 2,5-DFF 관련 반응의 속도(kinetics)에 있어서, 4-히드록시-TEMPO의 함량이 직접적 영향이 있음을 나타내는 것이다. 따라서 2,5-DFF 회수를 최대화하기 위해서는, 최대 수율을 수득한 후 즉시 반응을 종결하는 것이 바람직하다. 상기 테스트에 4-히드록시-TEMPO 0.2mmol, 반응시간 45분에서 최대 수율인 45%를 나타내었다.
In the case of 0.05 mmol of 4-hydroxy-TEMPO, the yield tended to increase with increasing reaction time, but the production rate of 2,5-DFF at the initial stage of reaction was relatively low. The maximum yield was 42% at the reaction time of 5 hours. In the case of the content of 4-hydroxy-TEMPO ≥ 0.1, the yield tends to decrease after achieving the maximum value. This may indicate that 2,5-DFF has been consumed or decomposed. But. No by-products or decomposition products were observed in the reaction sample. Thus, it can be seen that the 2,5-DFF produced is converted to other related compounds that are not analytically detected. As the amount of TEMPO increased, the time to achieve the maximum yield of 2,5-DFF tended to be shortened. This indicates that the content of 4-hydroxy-TEMPO has a direct influence on the kinetics of 2,5-DFF related reactions. Therefore, in order to maximize the 2,5-DFF recovery, it is desirable to terminate the reaction immediately after obtaining the maximum yield. In the above test, 0.2 mmol of 4-hydroxy-TEMPO and a maximum yield of 45% at a reaction time of 45 minutes were obtained.

4-히드록시-TEMPO와 함께 BAIB와 같은 보조 촉매제를 사용하면 마일드한 조건에서 2,5-DFF를 생성할 수 있다. 표 1에서 나타내는 결과와 같이, 4-히드록시-TEMPO만을 사용하여 5-HMF를 산화 반응 시켰을 때 보다 반응 시간 및 반응 온도가 현격히 줄어드는 것을 보이는데, 이는 BAIB가 TEMPO 라디칼을 산화시켜 옥소암모늄이 되는 것을 촉진하여 옥소암모늄이 5-HMF의 산화를 촉진하기 때문이다. 또한 BAIB의 존재에 따라 저비점 용매의 사용이 가능하다. 저비점 용매의 사용이 가능함에 따라 비용이 저감되고 5-HMF 산화 반응 후 2,5-DFF의 정제 및 저비점 용매의 분리가 용이해져 순수한 2,5-DFF를 얻을 수 있는 장점이 있다.
Using co-catalysts such as BAIB with 4-hydroxy-TEMPO can produce 2,5-DFF under mild conditions. As shown in Table 1, the reaction time and the reaction temperature are remarkably reduced as compared with the case where 5-HMF is oxidized using only 4-hydroxy-TEMPO, which indicates that BAIB oxidizes the TEMPO radical to form oxoammonium And promotes the oxidation of 5-HMF by oxoammonium. It is also possible to use low-boiling solvents depending on the presence of BAIB. As the use of a low boiling point solvent is possible, the cost is reduced, and after the 5-HMF oxidation reaction, purification of 2,5-DFF and separation of a low boiling point solvent are facilitated, and pure 2,5-DFF can be obtained.

실험예 5: 보조 촉매제 투입량에 따른 2,5-DFF의 수율 분석Experimental Example 5: Analysis of yield of 2,5-DFF according to the amount of cocatalyst

5-HMF 1mmol 및 4-히드록시-TEMPO 0.2 mmol을 디클로로메탄을 용매로 하여 실온(25℃ 내지 27℃)에서 BAIB 양의 변화에 따른 2,5-DFF의 수율 분석하고 그 결과를 도 5에 나타내었다. 5-HMF and 0.2 mmol of 4-hydroxy-TEMPO were subjected to a yield analysis of 2,5-DFF according to the change of BAIB amount at room temperature (25 ° C to 27 ° C) using dichloromethane as a solvent, Respectively.

BAIB가 0.05mmol 에서 2mmol로 사용량이 증가함에 따라 2,5-DFF의 수율은 증가하였으며, BAIB가 1.5mmol에서 최대 수율인 54%를 나타내었다. 이는 BAIB의 사용량이 증가함에 따라 반응에서 형성된 아세트산(acetic acid)에 의해 TEMPO 라디칼을 옥소암모늄의 형성이 증가되고, BAIB가 옥소암모늄이 5-HMF의 산화 반응에 의해 생성된 히드록실아민(hydroxyamine)과 반응하여 TEMPO 라디칼을 재생하는 데 도움을 주기 때문이다. 다만, BAIB의 사용량이 일정량 이상으로 증가 되면 많은 양의 아세트산이 5-HMF와 반응하여 에스테르화 물질이 되어 산화 반응의 시작물질을 감소시키는 결과가 나타날 수 있다.As the amount of BAIB increased from 0.05 mmol to 2 mmol, the yield of 2,5-DFF increased and the maximum yield was 54% at 1.5 mmol of BAIB. As the amount of BAIB used increases, the formation of oxoammonium by the TEMPO radical is increased by the acetic acid formed in the reaction, and BAIB increases the hydroxylamine (hydroxyamine) formed by the oxidation reaction of 5-HMF with oxoammonium, To help regenerate TEMPO radicals. However, if the amount of BAIB is increased over a certain amount, a large amount of acetic acid reacts with 5-HMF to become an esterified substance, thereby reducing the starting material of the oxidation reaction.

따라서 5-HMF의 산화 반응에 의해서 2,5-DFF를 제조하기 위해서는, 5-HMF, 무금속 촉매제인 4-히드록시-TEMPO 및 보조 촉매제인 BAIB는 몰비가 1: 0.05 ~ 0.2: 0.2 ~ 2일 수 있으나, 2,5-DFF의 수율만을 고려할 때 몰비가 1 대 0.2 대 1.5인 것이 바람직할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고 경제성 기타 사정을 고려하여 통상의 기술자가 변형하게 실시하는 것이 가능하다.
In order to produce 2,5-DFF by the oxidation reaction of 5-HMF, 5-HMF, 4-hydroxy-TEMPO as a metal-free catalyst and BAIB as a cocatalyst are mixed at a molar ratio of 1: 0.05-0.2: 0.2-2 , It may be preferable that the molar ratio is 1: 0.2 to 1.5, considering only the yield of 2,5-DFF. However, the present invention is not limited thereto, and it is possible for the ordinary technician to carry out the modification in consideration of economical efficiency and the like.

실험예 6: 반응용매에 따른 2,5-DFF의 수율 분석Experimental Example 6: Analysis of yield of 2,5-DFF by reaction solvent

5-HMF, 4-히드록시-TEMPO 및 BAIB을 1 대 0.2 대 1.5 몰비로 사용하면서 용매의 변화에 따른 2,5-디포르밀푸란의 수율을 분석하고 그 결과를 도 6에 나타내었다. 반응은 실온에서 45분 동안 수행하였다.5-HMF, 4-hydroxy-TEMPO and BAIB were used at a molar ratio of 1: 0.2: 1.5, and the yield of 2,5-diformylfuran was analyzed according to the change of solvent. The reaction was carried out at room temperature for 45 minutes.

본 발명에서는 대략 100℃ 이하의 끓는점을 가지는 저비점 용매인 에틸아세테이트(ethyl acetate, EtOAc), 디클로로메탄(dichloromethane, DCM), 아세토나이트릴(acetonitrile, ACN), 디에틸에테르(diethyl ether, Et2O) 및 물(water, H2O)을 각각 사용하여 2,5-DFF의 수율을 측정하였으며, 다만, 저비점 용매로 무금속 촉매제 및 보조 촉매제와 함께 5-HMF의 산화 반응을 가능하게 하는 것으로 선택할 수 있으며 이에 반드시 한정되지 아니한다. DCM 및 EtOAc에서 우수한 수율을 나타내었다. 2,5-DFF의 최대 수율은 EtOAc에서 56%로 나타났다. ACN 및 Et2O는 각각 44%, 32%의 수율을 나타내었다. 이러한 결과는 반응물에 대해 우수한 용해도를 갖는 비극성 및 극성 비양자성 용매를 사용하는 것이 상기 반응에 적절하다는 것을 나타내는 것이다. 물과 같은 양자성 용매는 18%의 낮은 수율을 나타내었다. 수성 시스템(aqueous system)에서, BAIB는 아이오도실벤젠(iodosylbenzene, PhI=O)으로 가수분해될 수 있고, 이에 따라 TEMPO 라디칼 재생에 이용될 수 있는 보조 산화제(secondary oxidant)가 결핍될 수 있다. EtOAc는 끓는 점이 낮고, 2,5-DFF의 최대수율을 나타내므로(표 1, Entry 5), 상기에서 나열한 용매 중에서 EtOAc가 4-히드록시-TEMPO/BAIB-매개 5-HMF 산화 반응에 가장 적절하다고 판단된다. In the present invention, ethyl acetate (EtOAc), dichloromethane (DCM), acetonitrile (ACN), diethyl ether (Et 2 O), which is a low boiling point solvent having a boiling point of about 100 ° C or less, ) And water (water, H 2 O), respectively, were used to determine the yield of 2,5-DFF, but the choice was made to allow oxidation of 5-HMF with a metal-free catalyst and co-catalyst as a low boiling solvent And is not necessarily limited to these. DCM and EtOAc. The maximum yield of 2,5-DFF was 56% in EtOAc. The yields of ACN and Et 2 O were 44% and 32%, respectively. These results indicate that the use of non-polar and polar aprotic solvents with good solubility for the reactants is suitable for this reaction. Quantum solvents such as water showed a low yield of 18%. In an aqueous system, BAIB can be hydrolyzed to iodosylbenzene (PhI = O) and thus a secondary oxidant that can be used for TEMPO radical regeneration may be deficient. Since EtOAc has a low boiling point and exhibits a maximum yield of 2,5-DFF (Table 1, Entry 5), EtOAc in the solvents listed above is most suitable for 4-hydroxy-TEMPO / BAIB-mediated 5-HMF oxidation .

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 저비점의 용매를 적용하고 있는 바, 이는 용매 휘발의 위험성을 최소화할 수 있고, 생성물 회수 단계에서 효율적일 수 있다. 즉 저비점의 용매의 경우 용매 제거가 용이하므로 생성물 정제에 필요한 에너지를 최소화할 수 있다.
As described above, in the present invention, a solvent having a low boiling point is used, which minimizes the risk of solvent volatilization and can be efficient in the product recovery step. That is, in the case of a solvent having a low boiling point, the solvent can be easily removed, so that the energy required for purification of the product can be minimized.

실험예 7: 반응온도의 효과에 따른 수율 분석Experimental Example 7: Yield Analysis According to Effect of Reaction Temperature

5-HMF, 4-히드록시-TEMPO 및 BAIB을 1 대 0.2 대 1.5 몰비로 에틸 아세테이트 용매를 사용하여 반응 온도의 변화에 따른 2,5-DFF의 수율을 분석하고 그 결과를 도 7에 나타내었다. 5-HMF, 4-hydroxy-TEMPO, and BAIB at a molar ratio of 1: 0.2: 1.5 were analyzed by using an ethyl acetate solvent. The results are shown in FIG. 7 .

반응 온도가 상승함에 따라 초기 수율은 높지만 반응이 진행됨에 따라 수율은 낮아지는 경향을 나타내었다. 60℃ 이상에서는 낮은 수율을 나타내었는 바, 이는 반응 혼합물 내에서 형성된 아세트산이 높은 반응 온도에서는 5-HMF와 에스테르화 반응이 일어날 수 있기 때문이다. As the reaction temperature increased, the initial yield was high, but the yield tended to decrease as the reaction proceeded. At 60 ° C or higher, the yield was low because acetic acid formed in the reaction mixture could undergo esterification with 5-HMF at high reaction temperatures.

상기 분석에서 2-DFF의 최고 수율은 반응 온도가 30℃, 반응시간이 45~60분 일 때 가장 높았다. 이는 실온에서 5-HMF의 산화 반응이 가능하여 경제적인 비용 절약의 효과가 있다는 것을 나타낸다. 5-HMF의 산화 반응은 5분 내지 120분 동안 이루어질 수 있으며, 45~60분간 반응이 이루어지는 것이 바람직하다. 5-HMF의 산화 반응은 30℃ 내지 75℃에서 이루어질 수 있으며, 30℃정도의 실온에서 이루어지는 것이 바람직하다.
The highest yields of 2-DFF were obtained when the reaction temperature was 30 ° C and the reaction time was 45-60 minutes. This indicates that the oxidation reaction of 5-HMF at room temperature is possible, which is an economical cost saving effect. The oxidation reaction of 5-HMF may be performed for 5 minutes to 120 minutes and preferably for 45 to 60 minutes. The oxidation reaction of 5-HMF may be performed at 30 ° C to 75 ° C and preferably at room temperature of 30 ° C or so.

실험예 8: 5-HMF 산화에서의 아세트산의 역할 분석Experimental Example 8: Role of acetic acid in 5-HMF oxidation

상기 표 1(Entry 5)에서 나타내는 바와 같이, 같은 몰의 4-히드록시- TEMPO 및 CH3COOH를 반응시키는 경우 40%의 2,5-DFF가 수득되었다. 이는 5-HMF 산화에 관여하는 옥소암모늄 염을 발생시키는 TEMPO 라디칼 디스뮤테이션에서 CH3COOH의 중요성을 나타낸다. 그러나 충분한 CH3COOH 첨가하는 경우라도, BAIB가 첨가되지 않은 반응에서 4-히드록시-TEMPO의 투입량이 낮으면 옥소암모늄 염의 생산량이 낮아지는 결과를 나타낼 수 있다. 나아가 4-히드록시-TEMPO 투입량이 낮은 경우 2,5-DFF 수율이 낮아지는 결과를 나타내고 있다(표 1 Entry 7). 이는 BAIB가 첨가되지 않고 단지 CH3COOH만을 첨가하는 경우는 수율 확보에 있어 충분하지 못하다는 것을 의미한다. 또한 TEMPO 투입 없이 BAIB와 5-HMF의 반응을 진행시켰으나 주(main) 산화제가 부존재하기 때문에 2,5-DFF는 전혀 수득되지 않았고 CH3COOH 생성도 확인되지 않았다. 이는 도 3의 (B) 과정이 효과적으로 진행되지 않았다는 것을 나타낸다. 이러한 결과는 BAIB가 초기 TEMPO 라디칼 디뮤테이션에 필요한 CH3COOH의 믿을만한 소스가 아닐 수도 있다는 것을 나타낸다. CH3COOH 투입량에 따른 효과를 분석하여 도 8에 나타내었다. 상기에서 설명한 최적의 TEMPO/BAIB 반응 조건 하에서 분석한 결과, 소량의 CH3COOH 첨가에 의해 2,5-DFF 수율이 개선되는 것을 확인하였다. 2,5-DFF의 최고 수율은 CH3COOH를 0.1mmol 첨가하였을 때 66%로 확인되었다(표 1, Entry 8). 이러한 결과는 TEMPO 라디칼 디스뮤테이션을 촉진하기 위하여, TEMPO/BAIB 시스템에 CH3COOH를 첨가하는 것이 필요하고, 이에 따라 2,5-DFF의 수율을 개선할 수 있다는 것을 나타낸다. 5-HMF의 산화반응을 수행하여 2,5-DFF(0.9884g)를 수득하고 이를 실리카-겔 컬럼 크로마토그래피로 정제한 다음, 양성자 NMR로 분석하고, 원소 분석(elemental analysis)에 의해 순도를 확인하여 그 결과를 도 9 및 표 2에 나타내었다. 도 9는 1H-NMR 결과이다 (1H-NMR (CDCl3,400MHz) d: 9.87 (s, 2H, CHO), 7.35 (s, 2H, furan H), ppm.)
As shown in Table 1 above, 40% 2,5-DFF was obtained when the same molar amounts of 4-hydroxy-TEMPO and CH 3 COOH were reacted. This indicates the importance of CH 3 COOH in the TEMPO radical denaturation to generate the oxoammonium salt involved in 5-HMF oxidation. However, even when sufficient CH 3 COOH is added, the yield of the oxoammonium salt may be lowered when the amount of 4-hydroxy-TEMPO added is low in a reaction in which BAIB is not added. Further, when the amount of 4-hydroxy-TEMPO is low, the yield of 2,5-DFF is lowered (Table 7 Entry 7). This means that the addition of only CH 3 COOH without addition of BAIB is not sufficient for yield. In addition, the reaction of BAIB and 5-HMF proceeded without the TEMPO addition, but no 2,5-DFF was obtained and no CH 3 COOH was generated because the main oxidant was not present. This indicates that the process of FIG. 3 (B) has not proceeded effectively. These results indicate that BAIB may not be a reliable source of CH 3 COOH required for initial TEMPO radical demethylation. The effect of CH 3 COOH input was analyzed and shown in FIG. As a result of the analysis under the optimum TEMPO / BAIB reaction condition described above, it was confirmed that the 2,5-DFF yield was improved by adding a small amount of CH 3 COOH. The highest yield of 2,5-DFF was found to be 66% when 0.1 mmol of CH 3 COOH was added (Table 1, Entry 8). These results indicate that it is necessary to add CH 3 COOH to the TEMPO / BAIB system to promote the TEMPO radical dimention and thus to improve the yield of 2,5-DFF. 5-HMF was oxidized to obtain 2,5-DFF (0.9884 g) which was purified by silica-gel column chromatography and then analyzed by proton NMR. The purity was confirmed by elemental analysis The results are shown in FIG. 9 and Table 2. 9 is a 1 H-NMR result ( 1 H-NMR (CDCl 3, 400 MHz) d: 9.87 (s, 2H, CHO), 7.35 (s, 2H, furan H)

분리 및 정제된 2,5-DFF의 원소분석Elemental analysis of isolated and purified 2,5-DFF ElementElement Theoretical (%) Theoretical (%) Found (%) Found (%) C  C 58.158.1 58.458.4 H  H 3.23.2 3.23.2 O  O 38.738.7 38.438.4

실험예 9: 다공성 지지체에 지지된 TEMPO 촉매 특성 분석Experimental Example 9: Characterization of TEMPO catalyst supported on a porous support

SBA-15와 같은 다공성 고체 지지체에 지지되는 TEMPO 촉매를 준비하고 이를 5-HMF 에서 2,5-DFF로의 산화 반응에 적용하는 실험을 진행하였다.
A TEMPO catalyst supported on a porous solid support such as SBA-15 was prepared and applied to the oxidation reaction of 5-HMF to 2,5-DFF.

계면활성제로서 트리블록 코-폴리머 P123(triblock co-polymer P123, EO20PO70EO20) 하에서 TEOS(tetraethylorthosilicate) 가수분해를 통하여 다공성 실리카 지지체 SBA-15를 제조하였다. PTES-TEMPO(3-(4-oxy-TEMPO)propyl-triethoxysilane)을 형성하기 위하여, CPTES(3-(chloro)propyl-triethoxysilane)로 4-히드록시-TEMPO를 에테르화하였다. 지지체 SBA-15를 실란화하기 위하여 PTES-TEMPO를 사용하였다. 이 반응에서, PTES-TEMPO의 에톡시 그룹을 갖는 SBA-15의 실란올 그룹의 반응에 의하여 공유결합 Si-O-Si 본드는 형성되었다(도 10 참조).
Porous silica support SBA-15 was prepared by TEOS (tetraethylorthosilicate) hydrolysis under triblock co-polymer P123, EO20PO70EO20 as a surfactant. To form PTES-TEMPO (3- (4-oxy-TEMPO) propyl-triethoxysilane), 4-hydroxy-TEMPO was etherified with CPTES (3- (chloro) propyl-triethoxysilane). PTES-TEMPO was used to silane support SBA-15. In this reaction, a covalent bond Si-O-Si bond was formed by reaction of silanol groups of SBA-15 having an ethoxy group of PTES-TEMPO (see FIG. 10).

SBA-15의 조직 특성은 X-선 회절 (XRD) 패턴 및 N2 흡착-탈착 등온선(N2 adsorption-desorption isotherms)으로 분석하였다. 도 11에서 나타내는 바와 같이, SBA-15(bare support material)는 2θ = 0.858ㅀ, 1.482ㅀ및 1.703ㅀ에서 3개의 회절 피크(three well-resolved diffraction peaks)를 나타내었다. 이는 반사면(reflection planes) (100), (110) 및 (200)과 일치한다. 이러한 피크는 SBA-15에 장거리 규칙도(long-range order)가 존재하고 SBA-15가 잘 형성된 2-D(two-dimensional) 6각형의 메조-구조(hexagonal meso-structure)를 가진다는 것을 나타내는 것이다. 고정화(immobilization) 이후, 얻어진 TEMPO-SBA-15는 SBA-15와 유사하게 2θ = 0.858ㅀ, 1.508ㅀ 및 1.742ㅀ에서 회절피크를 나타내었다. 이는 SBA-15의 2-D(two-dimensional) 6각형의 메조-구조(hexagonal meso-structure)가 PTES-TEMPO의 고정화 이후에 악화되지 않았다는 것을 나타낸다. 따라서 제조된 TEMPO-SBA-15는 그 지지체와 유사한 반사면을 나타내었는 바 이는 규칙적인 다공성 구조를 보유한다는 것을 의미한다. 반사면 (100)과 일치하는 회절 피크 강도의 감소는 PTES-TEMPO가 SBA-15 표면에 성공적으로 고정화되었다는 것을 나타낸다. Tissue characteristics of SBA-15 are X- ray diffraction (XRD) patterns and N 2 adsorption-desorption isotherms were analyzed (N 2 adsorption-desorption isotherms) . As shown in FIG. 11, SBA-15 (bare support material) exhibited three well-resolved diffraction peaks at 2? = 0.858 ?, 1.482 ?, and 1.703 ?. This is consistent with the reflection planes 100, 110 and 200. These peaks show that the long-range order exists in SBA-15 and that SBA-15 has a well-formed two-dimensional hexagonal meso-structure. will be. After immobilization, the obtained TEMPO-SBA-15 showed diffraction peaks at 2θ = 0.858 ㅀ, 1.508 ㅀ and 1.742 유사, similar to SBA-15. This indicates that the two-dimensional hexagonal meso-structure of SBA-15 did not deteriorate after immobilization of PTES-TEMPO. The TEMPO-SBA-15 thus prepared exhibited a reflective surface similar to that of the support, meaning that it had a regular porous structure. A decrease in diffraction peak intensity consistent with reflective surface 100 indicates that PTES-TEMPO was successfully immobilized on the SBA-15 surface.

도 12에서 나타내는 바와 같이, SBA-15는 더 높은 상대 압력에서 H1 히스테리시스 루프(H1 hysteresis loop)가 있는 급격한 캐필러리 컨덴세이션(sharp capillary condensation)을 갖는 전형적인 타입 IV 등온선 패턴을 나타내었다. 이는 다공성 물질의 2-D 6각형 대칭 구조(hexagonal symmetry)와 관련된다. TEMPO-SBA-15는 SBA-15와 유사한 흡착-탈착 등온선 커브와 히스테리시스 루프를 나타내었다. TEMPO-SBA-15와 SBA-15 양자 모두 좁은 기공 사이즈 분배(pore size distributions, 도 12 inset)를 나타내었다. 이는 고정화 전후 촉매의 구조적 일치를 나타낸다. SBA-15는 매우 높은 표면적(883 m2/g), 및 큰 포어 볼륨(pore volume)을 나타내었다(표 3). PTES-TEMPO 고정화에 따른 표면적 및 포어 볼륨의 점진적 감소는 SBA-15의 포어 채널에 성공적으로 고정화가 되었다는 것을 나타낸다. SBA-15 표면에의 TEMPO의 융합은 평균 포어 사이즈를 감소시키지 않았고 기능화 이후에도 지지체의 다공성 구조는 유지되었다.As shown in FIG. 12, SBA-15 exhibited a typical type IV isotherm pattern with sharp capillary condensation with a H1 hysteresis loop at higher relative pressures. This is related to the 2-D hexagonal symmetry of the porous material. TEMPO-SBA-15 showed an adsorption-desorption isotherm curve similar to SBA-15 and a hysteresis loop. Both TEMPO-SBA-15 and SBA-15 exhibited narrow pore size distributions (12 inches). This shows the structural consistency of the catalyst before and after immobilization. SBA-15 exhibited very high surface area (883 m 2 / g), and large pore volume (Table 3). A gradual decrease in surface area and pore volume following PTES-TEMPO immobilization indicates that the SBA-15 was successfully immobilized on the forerun channel. Fusion of TEMPO to the SBA-15 surface did not reduce the average pore size and the porous structure of the support was retained after functionalization.

TEMPO-SBA-15 촉매와 SBA-15의 물성 분석Property analysis of TEMPO-SBA-15 catalyst and SBA-15 SampleSample Surface area (m2/g)a Surface area (m 2 / g) a Pore volume (cm3/g)b Pore volume (cm 3 / g) b Pore size (nm)c Pore size (nm) c TEMPO content (mmol/g)d TEMPO content (mmol / g) d SBA-15SBA-15 883883 1.241.24 5.65.6 -- TEMPO-SBA-15TEMPO-SBA-15 526526 0.720.72 5.55.5 0.30.3

a BET 방정식에 따라 계산됨 Calculated according to a BET equation

b 상대압력 0.99 P/Po에서 계산된 싱글 포인트 포어 볼륨 b Single point forearm volume calculated at a relative pressure of 0.99 P / P o

c 흡착 평균 포어 직경(Adsorption average pore diameter) c Adsorption average pore diameter < RTI ID = 0.0 >

이질 촉매(heterogeneous catalysts, TEMPO-SBA-15) 열안정성과 SBA-15 표면에 융합된 TEMPO의 성공적 기능화를 TGA 커브로 분석하였다(도 13 참조). SBA-15와 TEMPO-SBA-15 첫 번째 무게 손실(< 2%)은 100℃ 아래에서 관찰되었다. 이는 표면-흡착수의 증발 때문이다. 이후 110℃ ~ 235℃에서, TEMPO-SBA-15에서 8.58%까지 무게 손실이 관찰되었고 156℃ 부근에서 급격한 감소를 나타내었다. 이는 SBA-15 표면에 결합된 3-(4-옥시-TEMPO)프로필 체인의 분해 때문이다. 이러한 결과는 촉매 물질 그람 당 3-(4-옥시-TEMPO)프로필 체인 0.4mmol의 손실을 나타낸다. 이로부터 TEMPO 0.3 mmol/g의 로딩을 추정하였다. 지지체 표면에 기능화 그룹이 없는 경우에는 동일 온도 범위에서 무게 손실을 나타내지 않았다. SBA-15는 총 3.21%의 무게 손실만을 나타내었다. 이는 더 높은 온도(> 600℃)에서 실록산 그룹을 형성하고 물을 방출하는 표면 실란올의 응축(condensation) 때문이다. TEMPO-SBA-15에 있어서, 235 ~ 1000 ℃ 사이에서 16.68%의 무게 손실은 유기실란의 미반응 에톡시 그룹의 소모와 관련되고 부분적으로 실란올 응축과도 관련된다. 원소분석으로 TEMPO-SBA-15에서의 TEMPO의 함량을 0.3 mmol/g으로 확정하였다(표 3 참조). 이는 TGA 결과를 강하게 뒷받침하는 하는 것이다.Heterogeneous catalysts (TEMPO-SBA-15) The thermal stability and the successful functionalization of TEMPO fused to the SBA-15 surface were analyzed by TGA curves (see FIG. 13). The first weight loss (<2%) of SBA-15 and TEMPO-SBA-15 was observed below 100 ℃. This is due to the evaporation of surface-adsorbed water. Thereafter, at 110 ° C to 235 ° C, a weight loss of 8.58% was observed at TEMPO-SBA-15 and a sharp decrease was observed at around 156 ° C. This is due to the decomposition of the 3- (4-oxy-TEMPO) propyl chain bound to the SBA-15 surface. This result represents a loss of 0.4 mmol of 3- (4-oxy-TEMPO) propyl per gram of catalytic material. From this, a loading of 0.3 mmol / g of TEMPO was estimated. In the absence of functionalized groups on the surface of the support, no weight loss was observed over the same temperature range. SBA-15 showed a total weight loss of only 3.21%. This is due to the condensation of the surface silanol which forms siloxane groups at higher temperatures (> 600 ° C) and releases water. For TEMPO-SBA-15, a weight loss of 16.68% between 235 and 1000 ° C is related to the consumption of unreacted ethoxy groups in the organosilane and also to partial silanol condensation. Elemental analysis confirmed the content of TEMPO in TEMPO-SBA-15 to be 0.3 mmol / g (see Table 3). This is what strongly supports the TGA results.

SBA-15 표면에 TEMPO가 성공적으로 고정화되었다는 것은 FT-IR 스펙트라에 의해 확인되었다(도 13 참조). PTES-TEMPO의 IR 스펙트럼은 C-N 및 C-O 스트레치 진동에 대하여 각각 1373 및 1165 cm-1에서 특징적은 흡수밴드를 나타내었다. 또한 스펙트럼은 C-H 스트레치 진동과 관련하여 2995-2870 cm-1 범위에서 피크를 나타내었다. 실리카 프레임워크의 특징적 밴드는 TEMPO-SBA-15 및 SBA-15 양자 모두에서 관찰되었다 (H-결합된 실란올 그룹(H-bonded silanol groups), 3600-3200 cm-1 ; 비대칭 및 대칭 Si-O-Si 스트레칭, 1085 and 806 cm-1 ; Si-O 스트레칭, 964 cm-1). 1629 cm-1 에서의 흡수 피크는 흡착수(adsorbed water)의 벤딩 진동(bending vibration)과 관련된다. 이질 촉매(heterogeneous catalyst, TEMPO-SBA-15)에서, C-N 스트레치 진동은 1377 cm-1에서 확인되었다. 이는 TEMPO 모이어티(moiety)의 존재를 나타내는 것이다. (1)O-H 스트레칭 및 벤딩(각각 3600-3200 cm-1 및 1629cm-1)과 (2)Si-O 스트레칭 (964 cm-1)의 피크 강도의 감소에 부수적으로 따르는 Si-O-Si 스트레칭의 와이드 밴드는(비록 C-O 스트레칭과 오버랩된다고 하더라도) SBA-15 표면에 PTES-TEMPO가 성공적으로 실란화되었다는 것을 나타낸다.
The successful immobilization of TEMPO on the SBA-15 surface was confirmed by FT-IR spectra (see FIG. 13). The IR spectra of PTES-TEMPO showed characteristic absorption bands at 1373 and 1165 cm -1 for CN and CO stretch vibrations, respectively. The spectra also showed peaks in the range of 2995-2870 cm -1 with respect to the CH stretch vibration. The characteristic bands of the silica framework were observed in both TEMPO-SBA-15 and SBA-15 (H-bonded silanol groups, 3600-3200 cm -1 ; asymmetric and symmetric Si-O -Si stretching, 1085 and 806 cm -1 ; Si-O stretching, 964 cm -1 ). The absorption peak at 1629 cm -1 is related to the bending vibration of the adsorbed water. In a heterogeneous catalyst (TEMPO-SBA-15), CN stretch vibration was confirmed at 1377 cm -1 . This indicates the presence of a TEMPO moiety. 1 of the OH stretching and bending (each of 3600-3200 cm -1 and 1629cm -1) and (2) Si-O stretching peak intensity decreases additional Si-O-Si stretching according to the (964 cm -1) The wide band indicates that PTES-TEMPO was successfully silanized on the SBA-15 surface (even though it overlaps with CO stretching).

실험예 10: 모폴러지 분석Experimental Example 10: Morphological Analysis

TEMPO-SBA-15 및 SBA-15의 모폴러지를 SEM 및을 이용하여 분석하고 그 결과를 도 15((a) SBA-15, (b) TEMPO-SBA-15)에 나타내었다. 양자 모두 대략 800-1000nm 길이의 막대기 모양, 콩 모양의 입자로 구성되어 있다. TEMPO-SBA-15 및 SBA-15의 FE-SEM 이미지에서는 TEMPO의 고정화 이후 SBA-15의 다공성 채널과 인텍트 모폴러지가 잘 정렬된 배열을 보여주었다(도 15, (c) SBA-15, (d) TEMPO-SBA-15)
The morphologies of TEMPO-SBA-15 and SBA-15 were analyzed by SEM and SEM. The results are shown in Fig. 15 ((a) SBA-15, (b) TEMPO-SBA-15). Both are composed of stick-shaped and bean-shaped particles of approximately 800-1000 nm in length. The FE-SEM images of TEMPO-SBA-15 and SBA-15 showed a well-aligned arrangement of porous channels of SBA-15 and an intact morphology after TEMPO immobilization (Fig. 15 (c) d) TEMPO-SBA-15)

실험예 11: 산소 유무에 따른 2,5-DFF 수율 분석Experimental Example 11: Analysis of yield of 2,5-DFF according to presence or absence of oxygen

반응 조건을 5-HMF (0.5 mmol), BAIB (0.75 mmol), 에틸 아세테이트 (용매), RT, 1 h으로 구성하여 산소 유무에 따른 2,5-DFF 수율을 분석하고 그 결과를 도 16에 나타내었다. 이 때 TEMPO의 투입량을 조절하면서 수율을 분석하였다.The reaction conditions were 5-HMF (0.5 mmol), BAIB (0.75 mmol), ethyl acetate (solvent), RT and 1 h. The yield of 2,5-DFF was analyzed according to the presence or absence of oxygen. . At this time, the yield was controlled while controlling the amount of TEMPO.

산소가 없는 시스템 하에서 TEMPO 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 동질(homogeneous) TEMPO 시스템의 경우에서는, TEMPO 투입량 0.1mmol에서 최대 수율 57%가 확인되었다. 산소가 풍부한 시스템 하에서 동질(homogeneous) TEMPO를 사용한 경우에서는, 전체적으로 TEMPO 투입량 전범위에서(도 16 참조) 높은 수율을 나타내었다. 이러한 결과를 고려할 때, 산소 분자는 TEMPO 촉매의 하이드록시아민 폼을 라디칼 폼으로 산화시킴으로써 BAIB와 유사한 기능을 수행하는 것으로 판단된다. 산소가 풍부한 동질(homogeneous) TEMPO 시스템에서 높은 2,5-DFF 수율을 나타내었으나 소량의 2,5-FDCA(2,5-furandicarboxylic acid) 및 5-HMF 과산화물도 함께 관찰되었다(도 17 참조). In the case of a homogeneous TEMPO system that performs a 5-HMF oxidation reaction using a TEMPO catalyst under an oxygen-free system, a maximum yield of 57% was observed at a TEMPO loading of 0.1 mmol. In the case of using homogeneous TEMPO under an oxygen-rich system, the overall yield of TEMPO was high (see FIG. 16). Considering these results, it is considered that the oxygen molecule performs a function similar to BAIB by oxidizing the hydroxyamine form of the TEMPO catalyst to the radical form. A homogeneous TEMPO system rich in oxygen showed a high 2,5-DFF yield, but a small amount of 2,5-FDCA (2,5-furandicarboxylic acid) and 5-HMF peroxide was also observed (see FIG.

산소가 풍부한 상태에서, TEMPO-SBA-15 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 이질(heterogeneou) TEMPO 시스템(하기 반응식 참조)을 적용한 경우에서는, TEMPO 0.075mmol에서 2,5-DFF의 최고 수율 52%를 나타내었다. 이때 상기 동질 시스템과 달리, 2,5-FDCA(2,5-furandicarboxylic acid)는 감지되지 않았다(도 18 참조) 상기 결과에서 동질 TEMPO 시스템에 비하여, 5-DFF의 수율은 약간 감소하였지만, 반응 선택성은 개선되었다는 것을 확인할 수 있다. 이는 SBA-15의 다공성 채널 내부에 고정화된 TEMPO 모이어티(moieties)가 중요한 역할을 한다는 것을 나타낸다. 또한 이러한 결과는 TEMPO 지지체로서 SBA-15가 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. SBA-15의 잘 정렬된 균일한 다공성 구조는 TEMPO 촉매의 균일한 활성 자리를 형성하고 공간효과를 제어할 수 있다. 이러한 요인은 활성자리로의 반응물의 확산수송과 활성자리로부터 생성물을 확산 수송하는 데 있어서 매우 중요하므로 생성물 선택도에 영향을 미칠 수 있다.
In the case of applying a heterogeneous TEMPO system (see the reaction scheme below) in which the 5-HMF oxidation reaction is carried out using oxygen-enriched TEMPO-SBA-15 catalyst (see the reaction scheme below), the peak of 2,5-DFF at 0.075 mmol of TEMPO The yield was 52%. 2,5-FDCA (2,5-furandicarboxylic acid) was not detected (see Fig. 18). Unlike the homogeneous system, the 2,5-furandicarboxylic acid was not detected Can be confirmed to be improved. This indicates that TEMPO moieties immobilized within the porous channels of SBA-15 play an important role. These results also indicate that SBA-15 plays an important role as a TEMPO support. A well-ordered uniform porous structure of SBA-15 can form a uniform active site of the TEMPO catalyst and control the spatial effect. These factors can affect the product selectivity because of the very important role of diffusion transport of the reactants to the active sites and diffusion of the products from the active sites.

[반응식][Reaction Scheme]

Figure pat00008

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실험예 12: 보조 촉매제 종류에 따른 2,5-DFF 수율 분석Experimental Example 12: Analysis of yield of 2,5-DFF according to co-catalyst type

TEMPO-SBA-15 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 이질(heterogeneous) TEMPO 시스템 하에서, 보조 촉매제 종류에 따른 2,5-DFF 수율에 대하여 분석하고 그 결과를 도 19에 나타내었다. 반응조건은 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol), 보조 촉매제(Co-oxidants, 0.75 mmol), 에틸 아세테이트 (용매), RT, 반응시간 1 h, O2 분위기로 구성하였다. 보조 촉매제로 BAIB, 금속 기반의 보조 촉매제, 강한 산화제인 과산화수소(35% aqueous H2O2), 질산(HNO3) 등을 사용하였다. 도 19에서 나타내는 바와 같이, BAIB가 가장 높은 2,5-DFF 수율 52%를 나타내었다. 이는 마일드한 반응조건 하에서 촉매의 일부는 불활성화되고, 촉매의 일부는 5-HMF를 분해시키기 때문이다.
The yield of 2,5-DFF according to the type of cocatalyst was analyzed under a heterogeneous TEMPO system in which a 5-HMF oxidation reaction was performed using a TEMPO-SBA-15 catalyst, and the results are shown in FIG. The reaction conditions consist of 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol), the secondary catalyst (Co-oxidants, 0.75 mmol) , ethyl acetate (solvent), RT, and the reaction time 1 h, O 2 atmosphere Respectively. BAIB, a metal-based co-catalyst, hydrogen peroxide (35% aqueous H 2 O 2 ) and nitric acid (HNO 3 ) were used as co-catalysts. As shown in Fig. 19, BAIB exhibited the highest 2,5-DFF yield of 52%. This is because under mild reaction conditions, some of the catalyst is inactivated and some of the catalyst decomposes 5-HMF.

실험예 13: 반응온도에 따른 2,5-DFF 수율 분석Experimental Example 13: Analysis of 2,5-DFF yield according to reaction temperature

TEMPO-SBA-15 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 이질(heterogeneous) TEMPO 시스템 하에서, 반응 온도에 따른 2,5-DFF 수율에 대하여 분석하고 그 결과를 도 20에 나타내었다. 반응조건은 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol TEMPO), BAIB (0.75 mmol), 에틸 아세테이트 (용매), O2 분위기로 구성하였다. The yield of 2,5-DFF according to the reaction temperature was analyzed under a heterogeneous TEMPO system in which a 5-HMF oxidation reaction was performed using a TEMPO-SBA-15 catalyst, and the results are shown in FIG. The reaction conditions consisted of 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol TEMPO), BAIB (0.75 mmol), ethyl acetate (solvent) and O 2 atmosphere.

TEMPO-SBA-15 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 이질(heterogeneous) TEMPO 시스템 하에서 반응 성분들의 확산이송은 감소될 수 있고, 반응계를 가열하는 경우 반응 성분들의 운동성(kinetic mobility)을 증가시킬 수 있고 TEMPO-SBA-15 촉매와의 접촉 빈도를 개선시킬 수 있다. 다음과 같은 실험 결과를 볼 때 이러한 효과는 명백하다. 즉 도 20에서 나타내는 바와 같이, 온도를 40℃로 증가시켰을 때, 2,5-DFF 수율이 54%(실온)에서 63%까지 개선(반응시간 60분 경과)되었는 바, 상기와 같은 효과는 명백하다고 할 것이다. 반응 온도 증가에 따라 2,5-DFF의 생성율은 증가되는 경향을 나타내었으나, 모든 온도에서 반응시간이 일정 시간 경과한 후에는 2,5-DFF의 생성율은 감소되는 것으로 확인되었다. 이는 2,5-DFF가 감지되지 않는 다른 화합물로 분해되었기 때문이다. 50℃에서는 반응시간 30-45분 이내에 2,5-DFF의 최대 수율 57%에 빠르게 도달하였지만 수율은 이후 감소되었다. 이는 온도 증가에 따라 2,5-DFF 분해가 발생되었기 때문이라고 판단된다. Under a heterogeneous TEMPO system that performs 5-HMF oxidation using TEMPO-SBA-15 catalyst, the diffusion transfer of the reaction components can be reduced and the kinetic mobility of the reaction components can be increased by heating the reaction system And can improve the contact frequency with the TEMPO-SBA-15 catalyst. These effects are evident from the following experimental results. 20, the yield of 2,5-DFF was improved from 54% (room temperature) to 63% (reaction time was 60 minutes) when the temperature was increased to 40 ° C, . The production rate of 2,5-DFF tended to increase with increasing reaction temperature, but it was confirmed that the production rate of 2,5-DFF decreased after a certain time of reaction time at all temperatures. This is because 2,5-DFF has been degraded to other compounds that are not detected. At 50 ° C, the maximum yield of 2,5-DFF reached 57% within 30-45 min of reaction time, but the yield then decreased. This is due to the fact that 2,5-DFF decomposition occurred with increasing temperature.

TEMPO-SBA-15 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 이질(heterogeneous) TEMPO 시스템 하에서, TEMPO와 결합되어 있는 SBA-15의 단열효과는 유익할 수 있다. 이는 TEMPO-SBA-15가 넓은 온도 범위에서 더 효율적으로 작용할 수 있도록 하기 때문이다. 상기 분석 결과, 2,5-DFF의 수율을 개선하고, 반응 성분의 분해를 최소화하기 위하여 40℃에서 60분 동안 반응 시키는 것이 가장 적절하다고 판단된다(도 20 참조).
Under a heterogeneous TEMPO system that performs a 5-HMF oxidation reaction using a TEMPO-SBA-15 catalyst, the adiabatic effect of SBA-15 combined with TEMPO can be beneficial. This is because TEMPO-SBA-15 can operate more efficiently over a wide temperature range. As a result of the above analysis, it was judged that it is most appropriate to react at 40 DEG C for 60 minutes in order to improve the yield of 2,5-DFF and to minimize the decomposition of the reaction components (see FIG. 20).

실험예 14: 아세트산 첨가에 따른 2,5-DFF 수율 분석Experimental Example 14: Analysis of 2,5-DFF yield by acetic acid addition

아세트산 첨가에 따른 2,5-DFF 수율을 분석하고 그 결과를 도 21에 나타내었다. TEMPO-SBA-15 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 이질(heterogeneous) TEMPO 시스템 및 TEMPO 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 동질(homogeneous) TEMPO 시스템 하에서 모두 테스트하였다. 반응 조건은 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO (0.075 mmol), BAIB (0.75 mmol), AcOH (0.05 mmol, if used), 에틸 아세테이트 (용매), O2 분위기, 반응시간 1h로 구성하였다. 도 21에서 나타내는 바와 같이, 소량의 아세트산(0.05mol) 첨가가 수율을 현저하게 증가시킨다는 것을 확인할 수 있다(이질(heterogeneous) TEMPO 시스템:73%, 동질(homogeneous) TEMPO 시스템:78%). TEMPO-SBA-15 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 이질(heterogeneous) TEMPO 시스템 및 TEMPO 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 동질(homogeneous) TEMPO 시스템 간 2,5-DFF 수율은 거의 유사한 결과를 나타내었다. 이는 TEMPO를 지지하는 물질로서 SBA-15를 사용하는 이점을 나타낸다. 촉매 지지체 SBA-15은 다공성 구조에 활성 자리가 균일하게 분배되어 있기 때문에 TEMPO에 대하여 최소 영향을 미칠 수 있다. 게다가 적절한 유기실란 링커(CPTES)는 충분한 공간을 제공함으로써 프로필 체인을 갖는 TEMPO 모이어티가 주위에서 입체 장애를 줄이는 반응을 할 수 있도록 도와줄 수 있다. 이러한 결과를 고려할 때, TEMPO-SBA-15 촉매는, TEMPO 촉매를 사용하여 5-HMF 산화 반응을 수행하는 동질(homogeneous) TEMPO 시스템에서의 촉매와 유사하게 행동한다고 할 것이다.
The yield of 2,5-DFF following acetic acid addition was analyzed and the results are shown in FIG. All were tested under a homogeneous TEMPO system to perform a 5-HMF oxidation reaction using a heterogeneous TEMPO system to perform a 5-HMF oxidation reaction using a TEMPO-SBA-15 catalyst and a TEMPO catalyst. The reaction conditions consisted of 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO (0.075 mmol), BAIB (0.75 mmol), AcOH (0.05 mmol, if used), ethyl acetate (solvent), O 2 atmosphere and reaction time 1 h. As shown in FIG. 21, it can be seen that addition of a small amount of acetic acid (0.05 mol) remarkably increases the yield (heterogeneous TEMPO system: 73%, homogeneous TEMPO system: 78%). The heterogeneous TEMPO system that performs the 5-HMF oxidation reaction using the TEMPO-SBA-15 catalyst and the homogeneous TEMPO system that performs the 5-HMF oxidation reaction using the TEMPO catalyst. Showed almost similar results. This demonstrates the advantage of using SBA-15 as a material supporting TEMPO. The catalyst support SBA-15 may have minimal effect on TEMPO since the active sites are uniformly distributed in the porous structure. In addition, suitable organosilane linkers (CPTES) can provide sufficient space to help TEMPO moieties with a profile chain react to reduce steric hindrance in the environment. Taking these results into account, the TEMPO-SBA-15 catalyst will behave similarly to a catalyst in a homogeneous TEMPO system that performs a 5-HMF oxidation reaction using a TEMPO catalyst.

실험예 15: TEMPO-SBA-15의 안정성 및 리사이클링 테스트Experimental Example 15: Stability and Recycling Test of TEMPO-SBA-15

TEMPO-SBA-15를 동일 반응 조건 하에서 반복적으로 사용함으로써 TEMPO-SBA-15의 안정성을 테스트한 결과를 도 22 내지 24에 나타내었다. 반응 조건은 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol TEMPO), BAIB (0.75 mmol),AcOH (0.05 mmol), 에틸 아세테이트(용매), O2 분위기, 반응온도 40℃, 반응시간 1h로 구성하였다. 도 22에서 나타내는 바와 같이 각각의 사이클에서 2,5-DFF의 수율은 71% 이상으로 유지되었다. 연속적으로 5회의 실험을 진행한 후에도, TEMPO-SBA-15는 화학적, 구조적으로 악화된 형태를 나타내지 않았다(도 23, 도 24 참조).The results of testing the stability of TEMPO-SBA-15 by repeatedly using TEMPO-SBA-15 under the same reaction conditions are shown in Figures 22-24. The reaction conditions are 5-HMF (0.5 mmol), TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol TEMPO), BAIB (0.75 mmol), AcOH (0.05 mmol), ethyl acetate (solvent), O 2 atmosphere, reaction temperature 40 ℃, reaction Time 1h. As shown in Fig. 22, the yield of 2,5-DFF was maintained at 71% or more in each cycle. After five consecutive experiments, TEMPO-SBA-15 showed no chemically and structurally deteriorated form (see FIGS. 23 and 24).

실험예 16: 과당(fructose)으로부터 2,5-DFF로의 원-포트 컨버전(One-Pot Conversion) Experimental Example 16: One-Pot Conversion from fructose to 2,5-DFF [

과당과 같은 6탄당으로부터 2,5-DFF를 직접 합성하는 것이 5-HMF으로부터 2,5-DFF를 합성하는 것이 더 바람직하다. 왜냐하면 중간체의 분리 및 정제를 피할 수 있고 에너지, 시간, 용매를 절약할 수 있기 때문이다. 과당(fructose)으로부터 2,5-DFF로의 원-포트 반응에 의한 2,5-DFF 수율을 분석하고 그 결과를 도 25 및 도 26에 나타내었다. 원-포트 반응은 3가지 다른 용매로 실시하였다. 반응 조건은 과당 (0.5 mmol), NbCl5(0.1mmol), 용매, 반응온도 80℃, 반응시간 30min으로 구성하였다. 용매로는 DMSO(Dimethylsulfoxide), DMA(N,N-Dimethylacetamide), DMF(N,N-Dimethylformamide)를 각각 사용하여 반응을 진행시켰다. 도 25에서 나타내는 바와 같이 전체적으로 5-HMF의 높은 수율을 나타내었다. 이후 실온으로 냉각한 다음 수득된 5-HMF에 TEMPO-SBA-15를 첨가하고 산소 분자로 퍼징시켰다. 반응조건은 TEMPO-SBA-15(0.075mmol), BAIB(0.75mmol) 용매, 산소 분위기, 반응온도 25℃, 반응시간 1시간으로 구성하였다. 이에 의해 생성된 2,5-DFF의 수율을 분석한 결과를 도 25에 나타내었다. 2,5-DFF의 수율은 상기 원-포트 반응에서 생성된 5-HMF를 기초로 계산하였다. 테스트된 모든 군에서, 45% 이상의 수율을 나타내었다(도 26 참조). 이는 TEMPO-SBA-15 촉매가 다양한 분야에 적용 가능함을 나타내는 것이다. 이러한 결과는 2,5-DFF 합성 프로세스의 산업적 스케일-업 가능성을 나타내는 것이라고 할 것이다.
It is more desirable to synthesize 2,5-DFF directly from 5-HMF by directly synthesizing 2,5-DFF from a hexose such as fructose. This is because it is possible to avoid the separation and purification of intermediates and save energy, time, and solvent. The yield of 2,5-DFF by one-port reaction from fructose to 2,5-DFF was analyzed and the results are shown in Figures 25 and 26. The one-port reaction was carried out with three different solvents. The reaction conditions were fructose (0.5 mmol), NbCl5 (0.1 mmol), solvent, reaction temperature 80 ° C, reaction time 30 min. The reaction was carried out using DMSO (Dimethylsulfoxide), DMA (N, N-Dimethylacetamide) and DMF (N, N-Dimethylformamide) as solvents. As shown in FIG. 25, the overall yield of 5-HMF was high. After cooling to room temperature, TEMPO-SBA-15 was added to the obtained 5-HMF and purged with oxygen molecules. The reaction conditions were TEMPO-SBA-15 (0.075 mmol), BAIB (0.75 mmol) solvent, oxygen atmosphere, reaction temperature 25 ℃, reaction time 1 hour. The yield of 2,5-DFF thus produced is shown in Fig. The yield of 2,5-DFF was calculated based on the 5-HMF produced in the one-port reaction. In all groups tested, yields were 45% or greater (see FIG. 26). This indicates that the TEMPO-SBA-15 catalyst is applicable to various fields. These results are indicative of the industrial scale-up possibilities of the 2,5-DFF synthesis process.

상기 생성된 2,5-DFF는 임의의 공지된 수단에 의해 반응 혼합물로 부터 임의로 단리될 수 있다. 예를 들어, 액체-액체 추출법, 2,5-DFF의 진공 증류/승화법, 물로 희석하여 디클로로메탄 등의 적합한 유기 용매로 추출하는 방법 등이 있으나 이에 국한되지 아니한다. The resulting 2,5-DFF can be optionally isolated from the reaction mixture by any known means. For example, there may be mentioned a liquid-liquid extraction method, a vacuum distillation / sublimation method of 2,5-DFF, a method of diluting with water, and extraction with a suitable organic solvent such as dichloromethane.

단리된 후에, 2,5-DFF는 임의의 공지된 수단에 의해 정제될 수 있다. 예를 들어, 진공승화법, 디클로로메탄 중에서 실리카를 통한 여과법, 재결정법 및 속슬렛 (soxhlet) 추출법 등이 있으나 이에 국한되지 아니한다.
After isolation, the 2,5-DFF can be purified by any known means. For example, vacuum sublimation, filtration through silica in dichloromethane, recrystallization, and soxhlet extraction.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당해 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, This is possible.

Claims (30)

5-히드록시메틸푸르푸랄을 무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 이용하여 저비점 용매에서 산화 반응시키는 단계를 포함하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
And 5-hydroxymethyl furfural is oxidized in a low-boiling solvent using a metal-free catalyst and a cocatalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 무금속 촉매제는 나이트록실 라디칼인 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal-free catalyst is a nitroxyl radical.
청구항 1에 있어서,
상기 무금속 촉매제는 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실인 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal-free catalyst is 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl.
청구항 1에 있어서,
상기 보조 촉매제는 비스(아세톡시)아이오도벤젠 또는 아세트산이거나 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the co-catalyst is bis (acetoxy) iodobenzene, acetic acid or a mixture thereof.
청구항 1에 있어서,
상기 5-히드록시메틸푸르푸랄, 무금속 촉매제 및 보조 촉매제는,
5-히드록시메틸푸르푸랄 : 무금속 촉매제 : 보조 촉매제의 몰비가 1 : 0.05 ~ 1 : 0.2 ~ 2인 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The 5-hydroxymethyl furfural, non-metal catalyst,
Wherein the molar ratio of 5-hydroxymethyl furfural: metal-free catalyst: cocatalyst is 1: 0.05 to 1: 0.2 to 2.
청구항 1에 있어서,
상기 저비점 용매는 에틸 아세테이트, 디클로로메탄, 아세토나이트릴, 디에틸에테르, 물 및 톨루엔으로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the low boiling point solvent comprises at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, dichloromethane, acetonitrile, diethyl ether, water and toluene.
청구항 1에 있어서,
상기 산화 반응 단계는 5분 내지 120분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidation reaction step is performed for 5 minutes to 120 minutes.
청구항 1에 있어서,
상기 산화 반응 단계는 30℃ 내지 75℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidation reaction step is performed at a temperature of from 30 캜 to 75 캜.
청구항 1에 있어서,
상기 반응은 산소 분위기 하에서 수행시키는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction is carried out in an oxygen atmosphere.
5-히드록시메틸푸르푸랄을 다공성 무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 이용하여 저비점 용매에서 산화 반응시키는 단계를 포함하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
A process for producing 2,5-diformylfuran comprising the step of subjecting 5-hydroxymethyl furfural to an oxidation reaction in a low-boiling solvent using a porous nonmetal catalyst and a co-catalyst.
청구항 10에 있어서,
상기 다공성 무금속 촉매제는 다공성 고체 지지체에 실리카 나이트록실 라디칼이 지지된 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method of claim 10,
Wherein the porous metal-free catalyst is supported on a porous solid support with a silica nitroxyl radical.
청구항 11에 있어서,
상기 다공성 고체 지지체는 다공성 실리카인 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method of claim 11,
Wherein the porous solid support is porous silica.
청구항 10에 있어서,
상기 다공성 무금속 촉매제는, 다공성 실리카에 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실이 고정화된 구조로 구성되고,
상기 고정화는 유기실란 링커를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method of claim 10,
The porous metal-free catalyst is composed of a structure in which 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl is immobilized on porous silica,
Wherein the immobilization is performed through an organosilane linker. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 25. &lt; / RTI &gt;
청구항 10에 있어서,
상기 다공성 무금속 촉매제는,
4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실과 3-(클로로)프로필트리에톡시실란을 반응시켜 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란을 제조하는 단계; 및
상기 단계에서 제조된 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란을 이용하여 다공성 실리카를 실란화는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method of claim 10,
The porous metal-
Reacting 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl with 3- (chloro) propyltriethoxysilane to give 3- (4-oxy- -Tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-propoxysilane; And
Silanization of the porous silica using the 3- (4-oxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-propoxysilane prepared in the above step &Lt; / RTI &gt;
청구항 10에 있어서,
상기 보조 촉매제는 비스(아세톡시)아이오도벤젠 또는 아세트산이거나 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method of claim 10,
Wherein the co-catalyst is bis (acetoxy) iodobenzene, acetic acid or a mixture thereof.
청구항 10에 있어서,
상기 5-히드록시메틸푸르푸랄, 다공성 무금속 촉매제 및 보조 촉매제는,
5-히드록시메틸푸르푸랄 : 다공성 무금속 촉매제 : 보조 촉매제의 몰비가 0.5 : 0.018 ~ 1 : 0.75 ~ 0.8인 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method of claim 10,
The 5-hydroxymethyl furfural, porous, metal-free catalyst and co-
Wherein the molar ratio of 5-hydroxymethyl furfural: porous non-metal catalyst: co-catalyst is 0.5: 0.018 to 1: 0.75 to 0.8.
청구항 10에 있어서,
상기 저비점 용매는 에틸 아세테이트, 디클로로메탄, 아세토나이트릴, 디에틸에테르, 물 및 톨루엔으로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method of claim 10,
Wherein the low boiling point solvent comprises at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, dichloromethane, acetonitrile, diethyl ether, water and toluene.
청구항 10에 있어서,
상기 산화 반응 단계는 5분 내지 120분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method of claim 10,
Wherein the oxidation reaction step is performed for 5 minutes to 120 minutes.
청구항 10에 있어서,
상기 산화 반응 단계는 30℃ 내지 75℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method of claim 10,
Wherein the oxidation reaction step is performed at a temperature of from 30 캜 to 75 캜.
청구항 10에 있어서,
상기 반응은 산소 분위기 하에서 수행시키는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란의 제조 방법.
The method of claim 10,
Wherein the reaction is carried out in an oxygen atmosphere.
5-히드록시메틸푸르푸랄을 무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 이용하여 저비점 용매에서 산화 반응시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란.
5-hydroxymethyl furfural is produced by oxidation reaction in a low-boiling solvent using a metal-free catalyst and a cocatalyst.
청구항 21에 있어서,
상기 무금속 촉매제는 4-히드록시-2,2,6,6,-테트라메틸피페리딘-1-옥실이고,
상기 보조 촉매제는 비스(아세톡시)아이오도벤젠 또는 아세트산이거나 이들의 혼합물이고,
상기 무금속 촉매제 및 보조 촉매제는 산화 반응에 사용된 상기 5-히드록시메틸푸르푸랄의 몰에 대하여 0.05 ~ 1: 0.2 ~ 2몰 비율로 구성되고,
상기 용매는 에틸 아세테이트, 디클로로메탄, 아세토나이트릴, 디에틸에테르, 물 및 톨루엔으로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란.
23. The method of claim 21,
Wherein the metal-free catalyst is 4-hydroxy-2,2,6,6, -tetramethylpiperidine-1-oxyl,
Wherein the co-catalyst is bis (acetoxy) iodobenzene or acetic acid or a mixture thereof,
The metal-free catalyst and the auxiliary catalyst are used in a molar ratio of 0.05 to 1: 0.2 to 2 mol based on the molar amount of the 5-hydroxymethyl furfural used in the oxidation reaction,
Wherein the solvent comprises at least one member selected from the group consisting of ethyl acetate, dichloromethane, acetonitrile, diethyl ether, water and toluene.
5-히드록시메틸푸르푸랄을 다공성 무금속 촉매제 및 보조 촉매제를 이용하여 저비점 용매에서 산화 반응시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란.
5-hydroxymethyl furfural is produced by oxidation reaction in a low-boiling solvent using a porous non-metal catalyst and a co-catalyst.
청구항 23에 있어서,
상기 다공성 무금속 촉매제는, 다공성 실리카에 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실이 고정화된 구조로 구성되고,
상기 고정화는 유기실란 링커를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하며,
상기 보조 촉매제는 비스(아세톡시)아이오도벤젠 또는 아세트산이거나 이들의 혼합물이고,
상기 5-히드록시메틸푸르푸랄, 다공성 무금속 촉매제 및 보조 촉매제는,
5-히드록시메틸푸르푸랄 : 다공성 무금속 촉매제 : 보조 촉매제의 몰비가 0.5 : 0.018 ~ 1 : 0.75 ~ 0.8이며,
상기 저비점 용매는 에틸 아세테이트, 디클로로메탄, 아세토나이트릴, 디에틸에테르, 물 및 톨루엔으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란.
24. The method of claim 23,
The porous metal-free catalyst is composed of a structure in which 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl is immobilized on porous silica,
Wherein the immobilization is performed through an organosilane linker,
Wherein the co-catalyst is bis (acetoxy) iodobenzene or acetic acid or a mixture thereof,
The 5-hydroxymethyl furfural, porous, metal-free catalyst and co-
The molar ratio of 5-hydroxymethyl furfural: porous non-metal catalyst: co-catalyst is 0.5: 0.018 to 1: 0.75 to 0.8,
Wherein the low boiling point solvent comprises at least one selected from the group consisting of ethyl acetate, dichloromethane, acetonitrile, diethyl ether, water and toluene.
청구항 23에 있어서,
상기 다공성 무금속 촉매제는,
4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실과 3-(클로로)프로필트리에톡시실란을 반응시켜 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란을 제조하는 단계; 및
상기 단계에서 제조된 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란을 이용하여 다공성 실리카를 실란화는 단계를 포함하여 제조되는 것를 특징으로 하는 2,5-디포르밀푸란.
24. The method of claim 23,
The porous metal-
Reacting 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl with 3- (chloro) propyltriethoxysilane to give 3- (4-oxy- -Tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-propoxysilane; And
Silanization of the porous silica using the 3- (4-oxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-propoxysilane prepared in the above step Lt; RTI ID = 0.0 &gt; of 2,5-diformylfuran. &Lt; / RTI &gt;
2,5-디포르밀푸란 제조에 사용되는 다공성 무금속 촉매제 제조 방법으로서,
4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실과 유기실란을 반응시킨 생성물을 다공성 실리카와 반응시켜 다공성 실리카를 실란화하는 단계를 포함하여 구성되는 다공성 무금속 촉매제 제조 방법.
A process for producing a porous metal-free catalyst used for producing 2,5-diformylfuran,
Reacting a product obtained by reacting 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl and an organosilane with porous silica to silanate the porous silica, &Lt; / RTI &gt;
청구항 26에 있어서,
상기 유기실란은 3-(클로로)프로필트리에톡시실란인 것을 특징으로 하는 다공성 무금속 촉매제 제조 방법.
27. The method of claim 26,
Wherein the organosilane is 3- (chloro) propyl triethoxysilane.
2,5-디포르밀푸란 제조에 사용되는 다공성 무금속 촉매제 제조 방법으로서,
4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실과 3-(클로로)프로필트리에톡시실란을 반응시켜 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란을 제조하는 단계; 및
상기 단계에서 제조된 3-(4-옥시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실)프로필-프리에톡시실란과 다공성 실리카를 반응시켜 다공성 실리카를 실란화는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 무금속 촉매제 제조 방법.
A process for producing a porous metal-free catalyst used for producing 2,5-diformylfuran,
Reacting 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl with 3- (chloro) propyltriethoxysilane to give 3- (4-oxy- -Tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-propoxysilane; And
Reacting the 3- (4-oxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl) propyl-free-ethoxysilane prepared in the above step with porous silica to silane the porous silica By weight based on the total weight of the catalyst.
청구항 26 내지 청구항 28 중 어느 한 항에 따라 제조되고, 2,5-디포르밀푸란 제조에 사용되는 다공성 무금속 촉매제로서,
다공성 실리카에 4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실이 고정화된 구조를 포함하여 이루어지고,
상기 고정화는 유기실란 링커를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 무금속 촉매제.
A porous, metal-free catalyst prepared according to any one of claims 26 to 28 and used in the preparation of 2,5-diformylfuran,
Comprising a structure in which 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl is immobilized on porous silica,
Wherein the immobilization is carried out through an organosilane linker.
청구항 29에 있어서,
상기 유기실란은 3-(클로로)프로필트리에톡시실란인 것을 특징으로 하는 다공성 무금속 촉매제.
29. The method of claim 29,
Wherein said organosilane is 3- (chloro) propyltriethoxysilane.
KR1020140086008A 2013-07-09 2014-07-09 Method for preparing 2,5-diformylfuran from oxidation of 5-hydroxymethylfurfural using metal free catalyst and co-catalyst KR101617758B1 (en)

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EP3401312A1 (en) * 2017-05-08 2018-11-14 AVALON Industries AG Method for stabilisation of hydroxymethylfurfural (hmf)
CN110452193A (en) * 2019-07-29 2019-11-15 中国科学技术大学 The method that 2,5- furans dicarbaldehyde is prepared by 5 hydroxymethyl furfural

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