KR20150065630A - Method for preparing 5-hydroxymethyl-2-furfural using metal triflate catalysts under biomass-derived ethylene glycol based solvent condition - Google Patents

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조진구
김용진
김백진
문다솜
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한국생산기술연구원
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Abstract

Provided is a method for preparing 5-hydroxymethyl-2-furfural usingmetal triflate catalysts under biomass-derived ethylene glycol based solvent, the method which uses straight or ring ethylene glycol-based compounds as solvent, and comprises the step of preparing 5-hydroxymethyl-2-furfural, from fructose, using metal trifalte catalysts. According to this invention, dependency on oil can be reduced and suitable measures can thus be taken for greenhouse gas regulations. Also, 5-hydroxymethyl-2-furfural can be prepared from fructose at a high yield; and after the reaction, solvent and catalysts can be efficiently managed and reused.

Description

바이오매스 유래 에틸렌 글리콜계 용매 하의 금속 트리플레이트 촉매를 이용한 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법{METHOD FOR PREPARING 5-HYDROXYMETHYL-2-FURFURAL USING METAL TRIFLATE CATALYSTS UNDER BIOMASS-DERIVED ETHYLENE GLYCOL BASED SOLVENT CONDITION}METHOD FOR PREPARING 5-HYDROXYMETHYL-2-FURFURAL USING METAL TRIFLATE CATALYSTS UNDER BIOMASS-DERIVED ETHYLENE GLYCOL BASED SOLVENT USING METALLIC TRIFLATE CATALYST IN AN ETHYLENE GLYCOL SOLVENT FROM BIOMASS CONDITION}

본 발명은 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오매스 유래의 에틸렌 글리콜계 용매와 금속 트리플레이트 촉매를 이용하여 프룩토오스로부터 고부가가치의 바이오연료 또는 바이오케미칼의 플랫폼 화합물인 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing 5-hydroxymethyl-2-furfural, and more particularly to a process for producing 5-hydroxymethyl-2-furfural from a fructose by using an ethylene glycol solvent derived from biomass and a metal triflate catalyst, Hydroxymethyl-2-furfural, a platform compound of biochemicals.

한정된 매장량의 석유자원은 언젠가는 필연적으로 고갈될 수 밖에 없으며, 신흥 개발도상국의 성장에 따른 석유수요의 급증은 시장 수급의 불균형을 유발하며 고유가시대를 초래하고 있다. 더욱이 석유의 무분별한 사용으로 인해 발생하는 비가역적 온실가스는 지구온난화와 같은 심각한 환경문제를 일으키고 있다.Limited oil reserves will inevitably be depleted at some point, and the surge in oil demand due to the growth of emerging economies is creating an imbalance in market supply and demand, leading to an era of high oil prices. Moreover, irreversible greenhouse gases arising from the indiscriminate use of oil are causing serious environmental problems such as global warming.

이미 세계 각국은 재생 및 지속사용이 가능한 바이오매스를 통해 석유자원을 대체하기 위한 많은 노력을 기울이고 있으며, 바이오에탄올, 바이오디젤과 같은 바이오연료와 락틱산, 프로판다이올과 같은 바이오플라스틱 단량체 등을 산업적으로 생산하여 수송용 연료 또는 석유화학물질을 대체하고 있다.Already, countries around the world are making efforts to replace petroleum resources through renewable and sustainable biomass. Biofuels such as bioethanol and biodiesel, and bioplastic monomers such as lactic acid and propanediol, To replace transportation fuels or petrochemicals.

이와 같은 노력의 일환으로, 최근 각광받고 있는 물질이 바이오매스 유래 탄수화물로부터 전환된 퓨란계 화합물인 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄(5-hydroxymethyl-2-furfural, HMF)이다. As a part of this effort, recently, a substance that has been attracting attention is 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF), which is a furan compound converted from biomass-derived carbohydrates.

HMF는 산화과정을 통해 2,5-퓨란 디카르복실산 (2,5-furan dicarboxylic acid, FDCA)으로 전환될 수 있는데, FDCA는 음료, 식품용기 등에 널리 사용되고 있는 PET (Poly(ethylene terephthalate))의 단량체인 테레프탈산 (terephthalic acid, TPA)의 대체물질로 알려져 있다. PET는 에틸렌 글리콜 (ethylene glycol, EG)과 테레프탈산(TPA)을 단량체로 사용하여 축합중합을 통해 얻게 되는데, 현재 바이오매스 기반의 PET를 제조하기 위하여 에틸렌 글리콜(EG) 단량체는 바이오에탄올 기반의 바이오에틸렌으로부터 산업적 생산이 이루어지고 있으나, 테레프탈산(TPA)은 아직 바이오매스 기반으로 얻지 못하고 있는 상황이다. HMF can be converted to 2,5-furan dicarboxylic acid (FDCA) through an oxidation process. FDCA is widely used in PET (poly (ethylene terephthalate)), Is known as a substitute for terephthalic acid (TPA). PET is obtained through condensation polymerization using ethylene glycol (EG) and terephthalic acid (TPA) as monomers. To produce biomass-based PET, ethylene glycol (EG) , But terephthalic acid (TPA) is not yet available on the basis of biomass.

최근 들어 HMF는 바이오플라스틱과 바이오연료의 핵심 중간물질로서 많은 각광을 받고 있으며, 이를 대량으로 생산하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으나, 아직 산업적인 대량생산을 위한 공정개발은 이루어지지 못하고 있는 실정이다.In recent years, HMF has attracted much attention as a key intermediate of bioplastics and biofuels, and many studies have been conducted to mass produce them, but the process for industrial mass production has yet to be developed.

프룩토오스로부터 HMF를 효율적으로 얻을 수 있는 전환방법에서 가장 우수한 성능을 나타내는 용매는 DMSO(dimethyl sulfoxide)로 알려져 있다. 이는 DMSO를 용매로 사용하여 산 조건 하에서 1~2시간 동안 80~150℃로 열을 가하였을 때, 프룩토오스로부터 우수한 수율로 HMF를 얻을 수 있기 때문이다. 그러나, DMSO는 비등점이 189℃로 매우 높아 증류법으로 제거하기가 어렵고, 대부분의 용매와 혼합되는 특징으로 인해 DMSO로부터 직접 추출법을 사용하여 HMF를 수득하기 어려운 문제점이 있다.The most excellent solvent in the conversion method that can efficiently obtain HMF from fructose is known as dimethyl sulfoxide (DMSO). This is because HMF can be obtained in an excellent yield from fructose when heated at 80 to 150 ° C. for 1 to 2 hours under acidic conditions using DMSO as a solvent. However, since DMSO has a boiling point of 189 캜 which is very high, it is difficult to remove by distillation, and it is difficult to obtain HMF using a direct extraction method from DMSO because of its characteristic of being mixed with most of the solvents.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 DMSO와 다른 용매들을 함께 사용하여 이성분계상에서 전환반응을 수행함으로써 실시간으로 생성물인 HMF를 추출하고자 하는 시도가 이루어 졌으나 (G. W. Huber, J. N. Chheda, C. J. Barrett, J. A. Dumesic, Science 2005, 308, 1446), DMSO로부터 HMF를 완전히 추출하기에는 한계가 있었고, 용매를 재사용할 수도 없는 문제가 있었다.In order to solve such problems, an attempt has been made to extract HMF as a product in real time by carrying out a conversion reaction on a two-component system using DMSO and other solvents (GW Huber, JN Chheda, CJ Barrett, JA Dumesic, 2005, 308, 1446), there was a limitation in completely extracting HMF from DMSO, and there was a problem that the solvent could not be reused.

따라서, DMSO를 대체하기 위하여, 비등점이 낮은 DMF를 사용하거나 (G. A. Halliday, R. J. Young, V. V. Grushin, Org. Lett. 2003, 5, 2003), 생성물의 추출이 용이한 이온성액체를 사용하기도 (H. B. Zhao, J. E. Holladay, H. Brown, Z. C. Zhang, Science, 2007, 316, 1597) 하였다. 그러나, DMF는 여전히 비등점이 높은 (153℃) 한계가 있고, 이온성액체는 높은 가격으로 인해 산업적인 대량 생산공정에 적용하기에는 경제상의 문제점이 있다.In order to replace DMSO, DMF with low boiling point (GA Halliday, RJ Young, VV Grushin, Org. Lett. 2003, 5, 2003) Zhao, JE Holladay, H. Brown, ZC Zhang, Science, 2007, 316, 1597). However, DMF still has a high boiling point (153 캜), and ionic liquids have economic problems in industrial mass production processes due to their high price.

또한, 탈수화 반응에 사용 가능한 황산, 염산 등의 무기산 촉매는 반응 후 용액 내에 잔존하는 촉매를 정제하기가 어려우며, 다량의 고농도 폐수가 발생하는 등의 공정상에 문제점이 있어, 이를 개선하기 위한 새로운 친환경 촉매 공정기술이 요구된다.In addition, inorganic acid catalysts such as sulfuric acid and hydrochloric acid which can be used in the dehydration reaction are difficult to purify the catalyst remaining in the solution after the reaction, and there are problems in the process such as generation of a large amount of high concentration wastewater. Environmentally friendly catalytic process technology is required.

본 발명의 목적은 전술한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 바이오매스 유래 비석유계 용매를 사용함으로써 화학산업에서 석유의 의존도를 줄일 수 있고, 온실가스 규제에 대응할 수 있는 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to solve the above-described problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a process for producing a biomass-derived non-petroleum solvent which can reduce dependency of petroleum in the chemical industry, - < / RTI > furfural.

또한, 프룩토오스로부터 높은 수율로 생성물을 얻을 수 있고, 반응이 종결된 후, 용매와 금속 트리플레이트 촉매를 효율적으로 분리하고 재사용하고, 프룩토오스의 건조공정을 생략하여 공정비용을 절감할 수 있는 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법을 제공하는데 있다.In addition, the product can be obtained in high yield from fructose, and after the reaction is completed, the solvent and metal triflate catalyst can be efficiently separated and reused, and the drying process of fructose can be omitted, Hydroxymethyl-2-furfural. ≪ / RTI >

본 발명의 상기 목적을 달성하기 위하여, 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물(ethylene glycol-based compound)을 용매로 사용하고 금속 트리플레이트 촉매(metal triflate catalyst) 하에서 프룩토오스로부터 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계를 포함하는 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법이 제공된다.In order to accomplish the above object of the present invention, there is provided a process for producing 5-hydroxymethyl-5-hydroxymethyl- -2-furfural, comprising the step of preparing 5-hydroxymethyl-2-furfural.

상기 선형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 아래 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The linear ethylene glycol compound may be a compound represented by the following structural formula (1).

[구조식 1][Structural formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 구조식 1에서,In the above formula 1,

R1 및 R2가 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2가 각각 독립적으로 C1 내지 C6 알킬기이고,R 1 and R 2 may be the same or different from each other, R 1 and R 2 are each independently a C 1 to C 6 alkyl group,

m이 1 내지 6의 정수이다.m is an integer of 1 to 6;

본 발명의 일 실시예에 따르면, 바람직하게는,According to an embodiment of the present invention, preferably,

R1 및 R2가 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2가 각각 독립적으로 메틸기 또는 에틸기이고, m이 1 내지 4의 정수일 수 있다.R 1 and R 2 may be the same or different from each other, R 1 and R 2 are each independently a methyl group or an ethyl group, and m may be an integer of 1 to 4.

상기 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 아래 구조식 2로 표시되는 화합물일 수 있다.The cyclic ethylene glycol compound may be a compound represented by the following structural formula (2).

[구조식 2][Structural formula 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 구조식 2에서,In the above formula 2,

n은 1 내지 6의 정수이다.n is an integer of 1 to 6;

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 바람직하게는,According to another embodiment of the present invention, preferably,

n이 1 내지 3의 정수일 수 있다.and n may be an integer of 1 to 3.

상기 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 바이오매스를 발효(fermentation)시켜 수득된 에탄올로부터 제조된 것일 수 있다.The linear or cyclic ethylene glycol compound may be prepared from ethanol obtained by fermentation of biomass.

상기 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 1,4-다이옥산(1,4-dioxane), 모노에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(monoethylene glycol dimethyl ether), 다이에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(diethylene glycol dimethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(triethylene glycol dimethyl ether), 및 테트라에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.Wherein the linear or cyclic ethylene glycol compound is selected from the group consisting of 1,4-dioxane, monoethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, Triethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene glycol dimethyl ether. These solvents may be used alone or in combination of two or more.

상기 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계에서, 상기 프룩토오스가 상기 플룩토오스와 물을 포함하는 시럽(syrup)의 형태로 제공되고, 상기 물의 함량이 상기 플룩토오스 100중량부를 기준으로 10 내지 50중량부일 수 있다.In the step of preparing 5-hydroxymethyl-2-furfural, the fructose is provided in the form of a syrup containing the fructose and water, and the content of the fructose 100 May be 10 to 50 parts by weight based on the weight parts.

상기 금속 트리플레이트 촉매의 금속이 전이원소, 란탄족 원소, 2족 원소, 13족 원소 및 15족 원소로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.The metal of the metal triflate catalyst may be one selected from the group consisting of transition elements, lanthanide elements, Group 2 elements, Group 13 elements and Group 15 elements.

상기 금속 트리플레이트 촉매의 금속이 전이원소, 란탄족 원소 및 15족 원소로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.The metal of the metal triflate catalyst may be one selected from the group consisting of a transition element, a lanthanide element and a group 15 element.

상기 전이원소가 Sc, Y, La, Zn, Cu, Pd, Pt, Ag, Ti, Mn, Fe, Co 및 Ni로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.The transition element may be one selected from the group consisting of Sc, Y, La, Zn, Cu, Pd, Pt, Ag, Ti, Mn, Fe, Co and Ni.

상기 15족 원소가 Bi일 수 있다.The Group 15 element may be Bi.

상기 란탄족 원소가 Yb, Nd, Dy, Lu, Gd 및 Tb로 이루어진 군에서 선택된 1종 일 수 있다.The lanthanide element may be one selected from the group consisting of Yb, Nd, Dy, Lu, Gd and Tb.

상기 금속 트리플레이트 촉매가 스칸듐 트리플레이트(Sc(OTf)3), 이테르븀 트리플레이트(Yb(OTf)3), 비스무트 트리플레이트(Bi(OTf)3), 나이오븀 트리플레이트(Nd(OTf)3), 디스프로슘 트리플레이트(Dy(OTf)3), 이트륨 트리플레이트(Y(OTf)3), 란타넘 트리플레이트(La(OTf)3), 아연 트리플레이트(Zn(OTf)2), 칼슘 트리플레이트(Ca(OTf)3), 마그네슘 트리플레이트(Mg(OTf)2), 구리 트리플레이트(Cu(OTf)2), 및 알루미늄 트리플레이트(Al(OTf)3)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The metal triflate catalyst is scandium triflate (Sc (OTf) 3), ytterbium triflate (Yb (OTf) 3), bismuth triflate (Bi (OTf) 3), niobium triflate (Nd (OTf) 3) , dysprosium triflate (Dy (OTf) 3), yttrium triflate (Y (OTf) 3), lanthanum triflate (La (OTf) 3), zinc triflate (Zn (OTf) 2), calcium triflate ( Ca (OTf) 3), magnesium triflate (Mg (OTf) 2), copper triflate (Cu (OTf) may be at least one member selected from the group consisting of 2), and aluminum triflate (Al (OTf) 3) .

상기 프룩토오스로부터 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계가 80 내지 150℃의 온도에서 수행될 수 있다.The step of preparing 5-hydroxymethyl-2-furfural from the fructose may be carried out at a temperature of 80 to 150 ° C.

상기 프룩토오스로부터 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계 후에 상기 용매와 상기 금속 트리플레이트 촉매를 분리하여 금속 트리플레이트 촉매를 재사용할 수 있다.After the step of preparing 5-hydroxymethyl-2-furfural from the fructose, the solvent and the metal triflate catalyst may be separated to reuse the metal triflate catalyst.

본 발명의 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법은 바이오매스 유래 비석유계 용매를 사용함으로써 화학산업에서 석유의 의존도를 줄일 수 있고, 온실가스 규제에 대응할 수 있다. 또한, 프룩토오스로부터 생성물인 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄을 높은 수율로 얻을 수 있고, 반응이 종결된 후, 용매와 금속 트리플레이트 촉매를 효율적으로 분리하고 재사용할 수 있는 효과가 있다.The process for producing 5-hydroxymethyl-2-furfural of the present invention can reduce the dependence of petroleum in the chemical industry and cope with greenhouse gas regulations by using biomass-derived nonstoichiometric solvent. Further, the product, 5-hydroxymethyl-2-furfural, can be obtained in high yield from fructose, and after the reaction is completed, the solvent and the metal triflate catalyst can be efficiently separated and reused .

도 1은 실시예 1에 따른 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄 제조 후의 HPLC를 나타낸 것이다.Fig. 1 shows the HPLC after preparation of 5-hydroxymethyl-2-furfural according to Example 1. Fig.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.It is to be understood, however, that the following description is not intended to limit the invention to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises ", or" having ", and the like, specify that the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

본 명세서에서 "알킬(alkyl)기"란 별도의 정의가 없는 한, 직쇄형, 분쇄형 또는 환형의 지방족 탄화수소기를 의미한다. 알킬기는 어떠한 이중결합이나 삼중결합을 포함하고 있지 않은 "포화알킬(saturated alkyl)기"일 수 있다.As used herein, unless otherwise defined, the term "alkyl group" means a straight, branched or cyclic aliphatic hydrocarbon group. The alkyl group may be a "saturated alkyl group" which does not contain any double or triple bonds.

본 명세서에서 "알킬(alkyl)기"란 별도의 정의가 없는 한, 직쇄형, 분쇄형 또는 환형의 지방족 탄화수소기를 의미한다. 알킬기는 어떠한 이중결합이나 삼중결합을 포함하고 있지 않은 "포화알킬(saturated alkyl)기"일 수 있다.As used herein, unless otherwise defined, the term "alkyl group" means a straight, branched or cyclic aliphatic hydrocarbon group. The alkyl group may be a "saturated alkyl group" which does not contain any double or triple bonds.

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

알킬기는 C1 내지 C6 알킬기, 바람직하게는 C1 내지 C3 알킬기 일 수도 있다.The alkyl group may be a C1 to C6 alkyl group, preferably a C1 to C3 alkyl group.

예를 들어, C1 내지 C4 알킬기는 알킬쇄에 1 내지 4개의 탄소원자, 즉, 알킬쇄는 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, sec-부틸 및 t-부틸로 이루어진 군에서 선택됨을 나타낸다.For example, the C1 to C4 alkyl groups may have 1 to 4 carbon atoms in the alkyl chain, i.e., the alkyl chain may be optionally substituted with one or more substituents selected from the group consisting of methyl, ethyl, propyl, iso-propyl, n-butyl, Indicating that they are selected from the group.

구체적인 예를 들어 상기 알킬기는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 에테닐기, 프로페닐기, 부테닐기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등을 의미한다.Specific examples of the alkyl group include a methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group, butyl group, isobutyl group, t-butyl group, pentyl group, hexyl group, ethenyl group, Butyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, and the like.

본 발명의 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄(HMF, 5-hydroxymethyl-2-furfural)의 제조방법은 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매하에서 금속 트리플레이트 촉매(metal triflate catalyst)를 사용하여 프룩토오스를 탈수화 반응시켜 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조할 수 있다.The process for preparing 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF) of the present invention uses a metal triflate catalyst in a linear or cyclic ethylene glycol-based solvent To conduct dehydration reaction of fructose to prepare 5-hydroxymethyl-2-furfural.

상기 선형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 하기 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.The linear ethylene glycol-based compound solvent may be a compound represented by the following structural formula (1).

[구조식 1][Structural formula 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 구조식 1에서,In the above formula 1,

R1 및 R2가 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2가 각각 독립적으로 C1 내지 C6 알킬기이고,R 1 and R 2 may be the same or different from each other, R 1 and R 2 are each independently a C 1 to C 6 alkyl group,

m이 1 내지 6의 정수이다.m is an integer of 1 to 6;

상기 구조식 1과 같이 선형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 단위분자로 반복되고, 말단의 히드록시기는 알킬 에테르 형태로 보호된 분자구조를 가질 수 있다.As shown in the structural formula 1, the linear ethylene glycol compound solvent may be repeated as a unit molecule, and the terminal hydroxyl group may have a molecular structure protected in an alkyl ether form.

에틸렌 글리콜의 반복수(m)는 1 내지 6일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 4일 수 있다. m이 6보다 크면 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄의 수율이 저하될 수 있고, 반응이 종료된 후 용매의 분리가 어려워 재사용이 불가능할 수 있다.The number of repeating units (m) of ethylene glycol may be 1 to 6, preferably 1 to 4. If m is larger than 6, the yield of 5-hydroxymethyl-2-furfural may be lowered, and after the reaction is completed, separation of the solvent is difficult and reuse may not be possible.

또한, 알킬기(R1 및 R2)의 탄소수가 많아지면 소수성이 증가하여 프룩토오스와의 상용성이 떨어져 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄의 수율이 낮아질 수 있다.In addition, when the number of carbon atoms of the alkyl group (R 1 and R 2 ) is increased, the hydrophobicity is increased and the compatibility with fructose is lowered, so that the yield of 5-hydroxymethyl-2-furfural can be lowered.

R1 및 R2는 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1 내지 C6 알킬기인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는, R1 및 R2는 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 메틸기 또는 에틸기일 수 있다.R 1 and R 2 may be the same or different from each other, and R 1 and R 2 are each independently a C 1 to C 6 alkyl group, more preferably, R 1 and R 2 may be the same or different from each other, and R 1 and R 2 each independently may be a methyl group or an ethyl group.

또한, 상기 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 하기 구조식 2로 표시되는 화합물일 수 있다.The cyclic ethylene glycol compound solvent may be a compound represented by the following structural formula (2).

[구조식 2][Structural formula 2]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 구조식 2에서,In the above formula 2,

n은 1 내지 6의 정수이다.n is an integer of 1 to 6;

상기 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 상기 구조식 2와 같이 에틸렌 글리콜이 단위분자로 반복되는 고리형 분자구조일 수 있다.The cyclic ethylene glycol compound solvent may be a cyclic molecular structure in which ethylene glycol is repeated as a unit molecule, as shown in the structural formula (2).

에틸렌 글리콜의 반복수(n)는 1 내지 6인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 내지 3일 수 있다. n이 6이상이면 용매로 사용하기에 화학적으로 불안정할 수 있다.The repeating number (n) of ethylene glycol is preferably 1 to 6, more preferably 1 to 3. If n is 6 or more, it may be chemically unstable for use as a solvent.

상기 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 바이오매스를 발효(fermentation)시켜 수득된 에탄올로부터 제조할 수 있으며, 에틸렌 글리콜계 화합물 용매 제조의 개략적인 메커니즘은 아래의 반응식 1에 나타낸 바와 같다.The linear or cyclic ethylene glycol-based compound solvent can be prepared from ethanol obtained by fermentation of biomass. The schematic mechanism of the production of the ethylene glycol-based compound solvent is shown in the following reaction formula (1).

[반응식 1] [Reaction Scheme 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

이와 같이, 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 산업적으로 생산되고 있는 바이오-에탄올로부터 제조 가능하므로 제조비용을 절감하고 석유 의존도를 감소시킬 수 있다.Thus, since the ethylene glycol-based compound solvent can be produced from industrially produced bio-ethanol, the manufacturing cost can be reduced and the dependence on the oil can be reduced.

상기 선형 또는 고리형의 바이오매스 유래 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 1,4-다이옥산(1,4-dioxane), 모노에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(monoethylene glycol dimethyl ether), 다이에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(diethylene glycol dimethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(triethylene glycol dimethyl ether), 테트라에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether) 등일 수 있다.The linear or cyclic biomass-derived ethylene glycol-based compound solvent may be 1,4-dioxane, monoethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, and the like.

금속 트리플레이트는 금속의 양이온과 트리플레이트(triflate, OTf) 음이온이 염 형태로 존재하는 화합물로서 물에 대한 용해도가 높고, 다량의 수분이 존재하는 조건에서도 우수한 탈수 성능을 보이는 특성이 있다.The metal triplate is a compound in which metal cation and triflate (OTf) anions are present in the form of a salt, and has high solubility in water and excellent dewatering performance even under the presence of a large amount of water.

상기 금속 트리플레이트 촉매에 포함되는 금속은 전이원소, 란탄족 원소, 2족 원소, 13족 원소, 및 15족 원소인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 전이원소, 란탄족 원소, 15족 원소일 수 있다.The metal contained in the metal triflate catalyst is preferably a transition element, a lanthanide element, a group II element, a group 13 element, and a group 15 element. More preferably, it may be a transition element, a lanthanide element, or a Group 15 element.

상세하게는, 상기 전이원소는 Sc, Y, La, Cu, Zn, Pd, Pt, Ag, Ti, Mn, Fe, Co, Ni 등을 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, Sc, Y, La, Cu를 사용할 수 있다.More specifically, it is preferable to use Sc, Y, La, Cu, Zn, Pd, Pt, Ag, Ti, Mn, Fe, Co, Ni or the like as the transition element. La and Cu can be used.

상기 란탄족 원소는 Yb, Nd, Dy, Lu, Gd, Tb 등을 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, Yb, Nd, Dy를 사용할 수 있다. It is preferable to use Yb, Nd, Dy, Lu, Gd, Tb or the like as the lanthanide element, more preferably Yb, Nd or Dy.

상기 15족 원소는 Bi를 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable that Bi is used as the Group 15 element.

상기 금속 트리플레이트 촉매는 스칸듐 트리플레이트(Sc(OTf)3), 이테르븀 트리플레이트(Yb(OTf)3), 비스무트 트리플레이트(Bi(OTf)3), 나이오븀 트리플레이트(Nd(OTf)3), 디스프로슘 트리플레이트(Dy(OTf)3), 이트륨 트리플레이트(Y(OTf)3), 란타넘 트리플레이트(La(OTf)3), 아연 트리플레이트(Zn(OTf)2), 칼슘 트리플레이트(Ca(OTf)3), 마그네슘 트리플레이트(Mg(OTf)2), 구리 트리플레이트(Cu(OTf)2), 알루미늄 트리플레이트(Al(OTf)3) 등 다양한 금속의 트리플레이트를 적용할 수 있으며, 바람직하게는 스칸듐 트리플레이트(Sc(OTf)3), 이테르븀 트리플레이트(Yb(OTf)3), 및 비스무트 트리플레이트(Bi(OTf)3)를 사용할 수 있다.The metal triflate catalyst is scandium triflate (Sc (OTf) 3), ytterbium triflate (Yb (OTf) 3), bismuth triflate (Bi (OTf) 3), niobium triflate (Nd (OTf) 3) , dysprosium triflate (Dy (OTf) 3), yttrium triflate (Y (OTf) 3), lanthanum triflate (La (OTf) 3), zinc triflate (Zn (OTf) 2), calcium triflate ( Ca (OTf) 3), magnesium triflate (Mg (OTf) 2), copper triflate (Cu (OTf) 2), aluminum triflate (Al (OTf) 3), etc. can be applied to the triflate of different metals , Scandium triflate (Sc (OTf) 3 ), ytterbium triflate (Yb (OTf) 3 ), and bismuth triflate (Bi (OTf) 3 ).

상기 프룩토오스는 물과 프룩토오스를 포함하는 시럽(syrup) 형태로 사용되는 것이 바람직하다.The fructose is preferably used in the form of a syrup containing water and fructose.

이때, 상기 물의 함량은 프룩토오스 100중량부를 기준으로 10 내지 50 중량부인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 30중량부일 수 있다.At this time, the water content is preferably 10 to 50 parts by weight, more preferably 20 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of fructose.

본 발명에 사용되는 에틸렌 글리콜계 화합물 용매는 물과 완전히 섞일 수 있기 때문에 프룩토오스를 분말 형태로 사용할 필요가 없고, 물과 혼합된 형태로 사용할 수 있다. 따라서 별도의 프룩토오스 건조 공정을 필요로 하지 않는다.Since the ethylene glycol-based compound solvent used in the present invention can be completely mixed with water, it is not necessary to use fructose in powder form, and it can be used in a form mixed with water. Therefore, no separate fructose drying process is required.

상기 탈수화 반응에서, 반응온도는 80 내지 150℃인 것이 바람직하다. 반응온도가 80℃ 이하인 경우 반응속도가 저하될 수 있고, 반응온도가 150℃ 이상인 경우 부산물 생성이 증가될 수 있다.In the dehydration reaction, the reaction temperature is preferably 80 to 150 ° C. If the reaction temperature is lower than 80 ° C, the reaction rate may be lowered. If the reaction temperature is higher than 150 ° C, the production of by-products may be increased.

반응시간은 반응온도에 따라 달라질 수 있다. 반응온도가 낮을 때는 반응시간이 길고, 반응온도가 높을 때는 상대적으로 반응시간이 짧다. 구체적으로 반응온도가 120℃인 경우, 반응시간은 0.5 내지 9시간, 바람직하게는 1 내지 6시간, 보다 바람직하게는 2 내지 4시간 일 수 있다. 반응온도가 120℃ 보다 낮은 경우에는 반응시간은 상대적으로 길어지고, 반응온도가 120℃ 보다 높은 경우에는 반응시간은 상대적으로 짧아질 수 있다.The reaction time may vary depending on the reaction temperature. The reaction time is long when the reaction temperature is low, and the reaction time is relatively short when the reaction temperature is high. Specifically, when the reaction temperature is 120 ° C, the reaction time may be 0.5 to 9 hours, preferably 1 to 6 hours, and more preferably 2 to 4 hours. When the reaction temperature is lower than 120 ° C, the reaction time is relatively long, and when the reaction temperature is higher than 120 ° C, the reaction time can be relatively short.

반응압력은 반응용매의 끓는점 이하 반응온도에서는 상압에서 반응을 진행할 수 있기 때문에 간편하고, 경제적인 장점이 있다. 반응용매의 끓는점 이상 반응온도에서는 증기압에 의해 반응기 내 압력이 증가하기 때문에 가압조건을 견딜 수 있는 반응장치가 요구되나 전술된 바와 같이 반응시간을 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서, 반응압력과 반응온도는 상황에 맞추어 적절하게 조절할 수 있다. The reaction pressure can be easily and economically advantageous because the reaction can proceed at atmospheric pressure at the reaction temperature below the boiling point of the reaction solvent. Since the pressure in the reactor increases due to the vapor pressure at the reaction temperature higher than the boiling point of the reaction solvent, a reaction device capable of withstanding the pressurized condition is required, but the reaction time can be reduced as described above. Therefore, the reaction pressure and the reaction temperature can be appropriately adjusted according to the situation.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided to further understand the present invention, and the present invention is not limited by the examples.

[실시예][Example]

실시예Example 1 One

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 Sc(OTf)3 (1 mol%)를 넣고, 에틸렌 글리콜계 용매인 1,4-dioxane (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 120℃로 가열하고 3시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 분석 결과 78%의 HMF가 생성된 것을 확인하였고, HPLC 상에서 authentic 샘플과의 비교를 통해 실시예 1에 따라 제조된 생성물이 HMF인 것을 확인할 수 있었다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) and Sc (OTf) 3 (1: 1) were added to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. mol%), and the reaction was carried out using 1,4-dioxane (3 mL) as an ethylene glycol solvent. The reaction mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 3 hours. After completion of the reaction, the reaction solution was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water, and subjected to HPLC analysis. The results are shown in FIG. As a result of analysis, it was confirmed that 78% of HMF was produced, and it was confirmed that the product prepared according to Example 1 was HMF through comparison with an authentic sample on HPLC.

실시예Example 2 2

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 Bi(OTf)3 (1 mol%)를 넣고, 에틸렌 글리콜계 용매인 1,4-dioxane (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 120℃로 가열하고 1시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 65%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) and Bi (OTf) 3 (1: 1) were added to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. mol%), and the reaction was carried out using 1,4-dioxane (3 mL) as an ethylene glycol solvent. The reaction mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 1 hour. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, it was confirmed that 65% of HMF was produced.

실시예Example 3 3

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 Yb(OTf)3 (1 mol%)를 넣고, 에틸렌 글리콜계 용매인 1,4-dioxane (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 120℃로 가열하고 6시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 55%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) and Yb (OTf) 3 (1: 1) were added to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. mol%), and the reaction was carried out using 1,4-dioxane (3 mL) as an ethylene glycol solvent. The reaction mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 6 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, it was confirmed that 55% of HMF was produced.

실시예Example 4 4

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 Sc(OTf)3 (1 mol%)를 넣고, 에틸렌 글리콜계 용매인 monoethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 120℃로 가열하고 6시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 47%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) and Sc (OTf) 3 (1: 1) were added to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. mol%), and the reaction was carried out using an ethylene glycol-based solvent, monoethylene glycol dimethyl ether (3 mL). The reaction mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 6 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water, and analyzed by HPLC. As a result, it was confirmed that 47% of HMF was produced.

실시예Example 5 5

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 Yb(OTf)3 (1 mol%)를 넣고, 에틸렌 글리콜계 용매인 monoethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 120℃로 가열하고 6시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 41%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) and Yb (OTf) 3 (1: 1) were added to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. mol%), and the reaction was carried out using an ethylene glycol-based solvent, monoethylene glycol dimethyl ether (3 mL). The reaction mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 6 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature and diluted 100 times with distilled water, and analyzed by HPLC. As a result, it was confirmed that 41% of HMF was produced.

실시예Example 6 6

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 Sc(OTf)3 (1 mol%)를 넣고, 에틸렌 글리콜계 용매인 diethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 120℃로 가열하고 6시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 49%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) and Sc (OTf) 3 (1: 1) were added to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. mol%), and the reaction was carried out using ethylene glycol solvent diethylene glycol dimethyl ether (3 mL). The reaction mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 6 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, 49% of HMF was produced.

실시예Example 7 7

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 Yb(OTf)3 (1 mol%)를 넣고, 에틸렌 글리콜계 용매인 diethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 120℃로 가열하고 6시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 43%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) and Yb (OTf) 3 (1: 1) were added to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. mol%), and the reaction was carried out using ethylene glycol solvent diethylene glycol dimethyl ether (3 mL). The reaction mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 6 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, it was confirmed that 43% of HMF was produced.

실시예Example 8 8

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 Sc(OTf)3 (1 mol%)를 넣고, 에틸렌 글리콜계 용매인 triethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 120℃로 가열하고 6시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 47%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) and Sc (OTf) 3 (1: 1) were added to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. mol%), and the reaction was carried out using triethylene glycol dimethyl ether (3 mL) as an ethylene glycol solvent. The reaction mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 6 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water, and analyzed by HPLC. As a result, it was confirmed that 47% of HMF was produced.

실시예Example 9 9

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 Yb(OTf)3 (1 mol%)를 넣고, 에틸렌 글리콜계 용매인 triethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 120℃로 가열하고 6시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 47%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) and Yb (OTf) 3 (1: 1) were added to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. mol%), and the reaction was carried out using triethylene glycol dimethyl ether (3 mL) as an ethylene glycol solvent. The reaction mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 6 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water, and analyzed by HPLC. As a result, it was confirmed that 47% of HMF was produced.

실시예Example 10 10

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 Sc(OTf)3 (1 mol%)를 넣고, 에틸렌 글리콜계 용매인 tetraethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 120℃로 가열하고 6시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 57%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) and Sc (OTf) 3 (1: 1) were added to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. mol%), and the reaction was carried out using tetraethylene glycol dimethyl ether (3 mL) as an ethylene glycol solvent. The reaction mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 6 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, it was confirmed that 57% of HMF was produced.

실시예Example 11 11

Teflon screw cap이 장치된 38 mL-thick glass walled 압력 관형 반응기(25.5 mm of O.D. and 20.3 cm of length)에 시럽 형태의 프룩토오스 (150 mmol, 물의 중량비 25%)와 Yb(OTf)3 (1 mol%)를 넣고, 에틸렌 글리콜계 용매인 tetraethylene glycol dimethyl ether (3 mL)을 사용하여 반응을 진행하였다. 반응 혼합물은 120℃로 가열하고 6시간 동안 700 rpm으로 교반하였다. 반응 종결 후에 실온에서 냉각하고 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 62%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.(150 mmol, weight ratio of water: 25%) and Yb (OTf) 3 (1: 1) were added to a 38 mL thick glass walled pressure tubular reactor (25.5 mm of OD and 20.3 cm of length) equipped with a Teflon screw cap. mol%), and the reaction was carried out using tetraethylene glycol dimethyl ether (3 mL) as an ethylene glycol solvent. The reaction mixture was heated to 120 < 0 > C and stirred at 700 rpm for 6 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled at room temperature, diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, it was confirmed that 62% of HMF was produced.

실시예Example 12 12

실시예 1에 따라 HMF를 제조한 후, 1,4-dioxane을 증류하여 분리회수 한 후, 남겨진 반응혼합물에 에틸 아세테이트와 증류수를 넣어 층분리를 한 후, 물층에 남아있는 Sc(OTf)3 를 증류와 건조를 통해 분리회수하였다.After separating the mixture by adding ethyl acetate and distilled water to the remaining reaction mixture, residual Sc (OTf) 3 was added to the water layer, And then separated and recovered by distillation and drying.

분리회수한 Sc(OTf)3 및 1,4-dioxane를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 HMF를 제조하였다. 반응 종결 후 증류수로 100배 희석하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 75%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.HMF was prepared in the same manner as in Example 1 except that Sc (OTf) 3 and 1,4-dioxane were recovered and recovered. After completion of the reaction, the reaction mixture was diluted 100 times with distilled water and subjected to HPLC analysis. As a result, it was confirmed that 75% of HMF was produced.

비교예Comparative Example 1 One

Sc(OTf)3 촉매 대신 Zeolite β를 사용하고, R-value (촉매의 중량/기질인 플룩토오스의 중량)를 1로 하고, 반응시간을 6시간으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 HMF를 제조하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 24%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.Sc (OTf) 3 HMF was produced in the same manner as in Example 1, except that Zeolite beta was used instead of the catalyst and the R-value (weight of catalyst / weight of fructose as a substrate) was 1 and the reaction time was 6 hours , And the analysis showed that 24% of HMF was produced.

비교예Comparative Example 2 2

Sc(OTf)3 촉매 대신 Zeolite Υ(R-value=1)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 HMF를 제조하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 45%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.Sc (OTf) 3 HMF was prepared and analyzed by HPLC in the same manner as in Example 1, except that Zeolite Υ (R-value = 1) was used instead of the catalyst. As a result, it was confirmed that 45% of HMF was produced.

비교예Comparative Example 3 3

Sc(OTf)3 촉매 대신 Nafion(R-value=1)을 사용하고, 반응시간을 2시간으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 HMF를 제조하여 HPLC 분석하였고, 분석 결과 63%의 HMF가 생성된 것을 확인하였다.Sc (OTf) 3 HMF was prepared and analyzed by HPLC in the same manner as in Example 1 except that Nafion (R-value = 1) was used instead of the catalyst and the reaction time was changed to 2 hours. As a result, 63% Respectively.

상기 실시예 1 내지 12, 비교예 1 내지 3의 HMF 제조 조건 및 수율을 비교하여 아래의 표 1에 정리하였다.The HMF production conditions and yields of Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 3 are summarized in Table 1 below.

구분division 용매menstruum 촉매catalyst 반응온도(℃)Reaction temperature (캜) 반응시간(h)Reaction time (h) HMF 수율(%)HMF yield (%) 종류Kinds 사용량
(프룩토오스 대비)
usage
(Compared to Fructose)
실시예 1Example 1 1,4-dioxane1,4-dioxane Sc(OTf)3 Sc (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 33 7878 실시예 2Example 2 1,4-dioxane1,4-dioxane Bi(OTf)3 Bi (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 1One 6565 실시예 3Example 3 1,4-dioxane1,4-dioxane Yb(OTf)3 Yb (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 66 5555 실시예 4Example 4 monoethylene glycol dimethyl ethermonoethylene glycol dimethyl ether Sc(OTf)3 Sc (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 66 4747 실시예 5Example 5 monoethylene glycol dimethyl ethermonoethylene glycol dimethyl ether Yb(OTf)3 Yb (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 66 4141 실시예 6Example 6 diethylene glycol dimethyl etherdiethylene glycol dimethyl ether Sc(OTf)3 Sc (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 66 4949 실시예 7Example 7 diethylene glycol dimethyl etherdiethylene glycol dimethyl ether Yb(OTf)3 Yb (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 66 4343 실시예 8Example 8 triethylene glycol dimethyl ethertriethylene glycol dimethyl ether Sc(OTf)3 Sc (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 66 4747 실시예 9Example 9 triethylene glycol dimethyl ethertriethylene glycol dimethyl ether Yb(OTf)3 Yb (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 66 4747 실시예 10Example 10 tetraethylene glycol dimethyl ethertetraethylene glycol dimethyl ether Sc(OTf)3 Sc (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 66 5757 실시예 11Example 11 tetraethylene glycol dimethyl ethertetraethylene glycol dimethyl ether Yb(OTf)3 Yb (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 66 6262 실시예 12Example 12 1,4-dioxane1,4-dioxane Sc(OTf)3 Sc (OTf) 3 1 mol%1 mol% 120120 33 7575 비교예 1Comparative Example 1 1,4-dioxane1,4-dioxane Zeolite βZeolite beta *R-Value=1* R-Value = 1 120120 66 2424 비교예 2Comparative Example 2 1,4-dioxane1,4-dioxane Zeolite ΥZeolite Υ *R-Value =1* R-Value = 1 120120 33 4545 비교예 3Comparative Example 3 1,4-dioxane1,4-dioxane NafionNafion *R-Value =1* R-Value = 1 120120 22 6363

*R-value=촉매의 중량/기질인 프룩토오스의 중량비* R-value = weight of catalyst / weight ratio of fructose, substrate

표 1에 따르면, 본 발명의 실시예 1 내지 12는 비교예 1 내지 3과 비교할 때 상대적으로 매우 적은 양의 촉매 사용으로도 더 높거나 유사한 수율로 5- 하이드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조할 수 있음을 알 수 있다.According to Table 1, Examples 1 to 12 of the present invention show that 5-hydroxymethyl-2-furfural is produced with higher or similar yields even with a relatively small amount of catalyst as compared with Comparative Examples 1 to 3 It can be seen that

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

Claims (9)

하기 구조식 1로 표시되는 선형 에틸렌 글리콜계 화합물(ethylene glycol-based compound)을 용매로 사용하고 금속 트리플레이트 촉매(metal triflate catalyst) 하에서 프룩토오스로부터 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 금속 트리플레이트 촉매는 스칸듐 트리플레이트(Sc(OTf)3), 이테르븀 트리플레이트(Yb(OTf)3), 나이오븀 트리플레이트(Nd(OTf)3), 디스프로슘 트리플레이트(Dy(OTf)3), 이트륨 트리플레이트(Y(OTf)3), 란타넘 트리플레이트(La(OTf)3), 아연 트리플레이트(Zn(OTf)2), 및 구리 트리플레이트(Cu(OTf)2)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
[구조식 1]
Figure pat00006

상기 구조식 1에서,
R1 및 R2가 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2가 각각 독립적으로 C1 내지 C6 알킬기이고,
m이 1 내지 6의 정수이다.
A process for preparing 5-hydroxymethyl-2-furfural from fructose under a metal triflate catalyst using a linear ethylene glycol-based compound represented by the following structural formula 1 as a solvent ≪ / RTI >
The metal triflate catalyst is scandium triflate (Sc (OTf) 3), ytterbium triflate (Yb (OTf) 3), niobium triflate (Nd (OTf) 3), dysprosium triflate (Dy (OTf) 3) , yttrium triflate (Y (OTf) 3), lanthanum triflate (La (OTf) 3), zinc triflate (Zn (OTf) 2), and copper triflate from the group consisting of (Cu (OTf) 2) Gt; 5-hydroxymethyl-2-furfural < / RTI >
[Structural formula 1]
Figure pat00006

In the above formula 1,
R 1 and R 2 may be the same or different from each other, R 1 and R 2 are each independently a C 1 to C 6 alkyl group,
m is an integer of 1 to 6;
하기 구조식 2로 표시되는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물(ethylene glycol-based compound)을 용매로 사용하고 금속 트리플레이트 촉매(metal triflate catalyst) 하에서 프룩토오스로부터 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 금속 트리플레이트 촉매는 비스무트 트리플레이트(Bi(OTf)3)인 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
[구조식 2]
Figure pat00007

상기 구조식 2에서,
n은 1 내지 6의 정수이다.
Hydroxymethyl-2-furfural from fructose under a metal triflate catalyst using an ethylene glycol-based compound represented by the following structural formula 2 as a solvent Comprising the steps of:
Wherein the metal triflate catalyst is bismuth triflate (Bi (OTf) 3 ).
[Structural formula 2]
Figure pat00007

In the above formula 2,
n is an integer of 1 to 6;
제1항에 있어서,
R1 및 R2가 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2가 각각 독립적으로 메틸기 또는 에틸기이고, m이 1 내지 4의 정수인 것을 특징으로 하는 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
The method according to claim 1,
R 1 and R 2 may be the same or different from each other, R 1 and R 2 are each independently a methyl group or an ethyl group, and m is an integer of from 1 to 4, to prepare 5-hydroxymethyl-2-furfural Way.
제2항에 있어서,
n이 1 내지 3의 정수인 것을 특징으로 하는 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
3. The method of claim 2,
and n is an integer of 1 to 3. 5. A process for producing 5-hydroxymethyl-2-furfural according to claim 1,
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 선형 또는 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 바이오매스를 발효(fermentation)시켜 수득된 에탄올로부터 제조된 것을 특징으로 하는 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the linear or cyclic ethylene glycol compound is prepared from ethanol obtained by fermentation of biomass.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 선형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 모노에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(monoethylene glycol dimethyl ether), 다이에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(diethylene glycol dimethyl ether), 트리에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(triethylene glycol dimethyl ether), 및 테트라에틸렌 글리콜 다이메틸 에테르(tetraethylene glycol dimethyl ether) 중에서 선택된 1종 이상이고,
상기 고리형의 에틸렌 글리콜계 화합물이 1,4-다이옥산(1,4-dioxane)인 것을 특징으로 하는 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the linear ethylene glycol compound is selected from the group consisting of monoethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene Tetraethylene glycol dimethyl ether, and the like.
Wherein the cyclic ethylene glycol-based compound is 1,4-dioxane.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계에서, 상기 프룩토오스가 상기 플룩토오스와 물을 포함하는 시럽(syrup)의 형태로 제공되고, 상기 물의 함량이 상기 플룩토오스 100중량부를 기준으로 10 내지 50중량부인 것을 특징으로 하는 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
In the step of preparing 5-hydroxymethyl-2-furfural, the fructose is provided in the form of a syrup containing the fructose and water, and the content of the fructose 100 To 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total amount of the hydroxymethyl-2-furfural.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 프룩토오스로부터 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계가 80 내지 150℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the step of preparing 5-hydroxymethyl-2-furfural from the fructose is carried out at a temperature of 80 to 150 ° C.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 프룩토오스로부터 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계 후에 상기 용매와 상기 금속 트리플레이트 촉매를 분리하여 금속 트리플레이트 촉매를 재사용하는 것을 특징으로 하는 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
Hydroxymethyl-2-furfural from the fructose, followed by separation of the solvent and the metal triflate catalyst to reuse the metal triflate catalyst. ≪ / RTI >
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