KR20210072855A - Method For Manufacturing 2,5-Furan dicarboxylic acid using 5-Acetoxymethyl-2-furaldehyde - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)를 이용한 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는, 프럭토스(fructose)로부터 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)를 제조 후, 상기 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)의 산화 반응을 통해 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) using 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF). Specifically, 5-acetoxy from fructose After preparing methyl-2-furaldehyde (AMF), it relates to a method for preparing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) through the oxidation reaction of the 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF) will be.
최근 재생 및 반복 사용이 가능한 바이오매스(biomass) 유래 분자를 이용하여 석유자원을 대체하기 위한 많은 노력이 있다. 예를 들어 바이오에탄올, 바이오디젤 등과 같은 바이오 연료, 락틱산, 프로판디올 등과 같은 바이오 플라스틱 단량체 등을 산업적으로 생산하여 석유화학물질을 대체하고 있다.Recently, many efforts have been made to replace petroleum resources using biomass-derived molecules that can be recycled and used repeatedly. For example, biofuels such as bioethanol and biodiesel, and bioplastic monomers such as lactic acid and propanediol are being industrially produced to replace petrochemicals.
이와 관련하여 폴리에스테르의 원료가 되는 테레프탈산(terephthalic acid)과의 구조적 유사성으로 인하여 테레프탈산의 대안으로 제시되고 있는 2, 5-퓨란디카복실산(2,5-Furan dicarboxylic acid, 이하 FDCA라 칭한다)에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다. FDCA는 프럭토스(fructose), 글루코오스(glucose), 갈락토오스(galactose)와 같은 단당류 물질로부터 제조할 수 있는 것을 알려진 바, 프럭토스로부터 중간 생성물인 5-하이드록시메틸-2-푸랄데하이드 (5-hyroxymethyl-2-furfural, 이하 HMF라 칭한다)를 거쳐 합성하려는 시도가 있었다.In this regard, 2,5-furan dicarboxylic acid (hereinafter referred to as FDCA), which has been proposed as an alternative to terephthalic acid due to its structural similarity to terephthalic acid, which is a raw material of polyester, Various studies are in progress. As it is known that FDCA can be prepared from monosaccharide materials such as fructose, glucose, and galactose, an intermediate product from fructose is 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde (5- There was an attempt to synthesize it through hyroxymethyl-2-furfural (hereinafter referred to as HMF).
그러나, 상기 반응은 DMF, DMSO 등 고비점 극성 용매에서 진행되어 중간체인 HMF는 상기 고비점 극성 용매로부터 순수하게 분리 정제하기 힘들고, 분리하더라도 HMF가 불안정하여 냉동 보관해야 하는 문제가 있다. However, since the reaction proceeds in a high boiling point polar solvent such as DMF and DMSO, it is difficult to purely separate and purify the intermediate HMF from the high boiling point polar solvent, and even if separated, HMF is unstable and needs to be stored frozen.
이에, 이를 해결하기 위해 다양한 시도가 이루어졌다. Accordingly, various attempts have been made to solve this problem.
Kroger 그룹(2000년)은 HMF를 선택적으로 산화하기 위하여 two-phase 전략을 사용하였는데 물과 methyl isobutyl ketone (MIBK)층으로 나누고 그 사이에 polytetrafluorethylene 막을 설치하여 fructose가 산화되는 것을 방지하였다. Fructos는 물층에서 Lewatit SPC (Solid acid catalyst)를 통해 탈수화되어 HMF가 되며, HMF는 막을 통과하여 MIBK 층으로 이동하고 PtBi/C (oxidation catalyst)를 통해 산화되어 FDCA로 전환된다. 이러한 전략을 사용하여 FDCA를 25%의 수율로 합성하였지만, 이 방법은 수율도 낮고 부생성물로 생성되는 levulinic acid 때문에 FDCA를 정제하기 어려운 단점이 있다(Topics in Catalysis, 13, (2000), 237-242).Kroger group (2000) used a two-phase strategy to selectively oxidize HMF, dividing it into water and methyl isobutyl ketone (MIBK) layers and installing a polytetrafluorethylene membrane between them to prevent oxidation of fructose. Fructos are dehydrated to HMF through Lewatit SPC (solid acid catalyst) in the water layer, which passes through the membrane to the MIBK layer and is oxidized through PtBi/C (oxidation catalyst) to FDCA. Although FDCA was synthesized with a yield of 25% using this strategy, this method has a disadvantage in that the yield is also low and it is difficult to purify FDCA due to levulinic acid produced as a by-product (Topics in Catalysis, 13, (2000), 237- 242).
Ribeiro and Schuchardt 그룹(2003년)은 산화/환원의 두 가지 성질을 가지는 Co(acac)3를 sol-gel silica로 encapsulation 시키고, 이 촉매로 fructose(과당)를 FDCA로 전환시켰다. Fructose의 전환율이 72%, 선택성이 99%로 매우 우수한 결과를 보여주었지만 반응이 165℃의 고온에서 진행되고, 20 bar의 고압이 요구되어 대량생산 공정에 적용하기에는 실용성이 떨어진다는 단점이 있다(Catalysis Communications, 4, (2003) 83-86).Ribeiro and Schuchardt group (2003) encapsulated Co(acac)3, which has two properties of oxidation/reduction, with sol-gel silica, and converted fructose (fructose) into FDCA with this catalyst. Although the conversion rate of fructose was 72% and the selectivity was 99%, it showed very good results, but the reaction proceeds at a high temperature of 165°C and a high pressure of 20 bar is required, so it is not practical for mass production process ( Catalysis Communications, 4, (2003) 83-86).
Zhang 그룹(2014년)은 Fructose을 탈수반응을 isopropanol/HCl 조건에서 진행시키고, isopropanol을 농축 후 물로 추출하여 HMF를 정제하고 Au/HT 촉매로 산화시키는 두 단계 공정을 진행하였다. 이 방법을 사용하여 Fructose 원료로부터 52% 수율로 FDCA를 합성하였지만, 반응 중 사용되는 Au/HT 촉매를 합성하는데 비용이 많이 들며, 원료 반응 중 생성되는 부생성물인 Humins이 촉매를 비활성화 시키는 문제점이 있다(ChemSusChem, 7, (2014), 2131-2137).Zhang group (2014) carried out a two-step process of dehydrating fructose under isopropanol/HCl conditions, extracting isopropanol with water, purifying HMF, and oxidizing it with Au/HT catalyst. Although FDCA was synthesized from fructose raw material in 52% yield using this method, it is expensive to synthesize the Au/HT catalyst used during the reaction, and there is a problem in that humins, a by-product generated during the raw material reaction, deactivate the catalyst. (Chem Sus Chem, 7, (2014), 2131-2137).
이를 개선하기 위하여 첫 단계 탈수 반응에서 HCl 대신 polybenzylic ammonium chloride resin을 사용하는 합성법이 보고되었다. 이 방법을 사용하면 FDCA 합성수율을 74% 까지 높일 수 있지만, polybenzylic ammonium chloride resin과 Au/HT 촉매를 합성하면서 생기는 생산비용 증가와 첫 단계 탈수 반응을 140℃ 고온에서 반응시킨다는 단점이 있다(ChemSusChem, 7, (2014), 2120-2124).To improve this, a synthesis method using polybenzylic ammonium chloride resin instead of HCl in the first step dehydration reaction was reported. Using this method, the FDCA synthesis yield can be increased up to 74%, but there are disadvantages in that the production cost increases while synthesizing polybenzylic ammonium chloride resin and Au/HT catalyst and the first step dehydration reaction is reacted at a high temperature of 140°C (ChemSusChem, 7, (2014), 2120-2124).
Sivaguru 그룹 (2014년)에서는 그룹에서는 D-Fructose(과당)의 탈수반응을 DMA 용매에서 LiBr와 H2SO4 산촉매를 사용하여 반응시켰으며, HMF를 정제하여 63% 수율로 FDCA를 합성하였다. 하지만 이 반응은 HMF의 수율이 45%로 낮다는 단점과 HMF 정제과정에서 칼럼 크로마토그래피를 이용해야 하는 점이 대량생산 공정에 적용하기에는 실용성이 떨어진다(Angew. Chem. Int. Ed. 53, (2014), 1-6).In the Sivaguru group (2014), the dehydration reaction of D-Fructose (fructose) was reacted in a DMA solvent using LiBr and H 2 SO 4 acid catalyst, and HMF was purified to synthesize FDCA in 63% yield. However, this reaction has the disadvantage that the yield of HMF is low as 45% and the need to use column chromatography in the HMF purification process makes it impractical to apply to mass production processes (Angew. Chem. Int. Ed. 53, (2014)). , 1-6).
Kroger, Topics in Catalysis, 13, (2000), 237-242Kroger, Topics in Catalysis, 13, (2000), 237-242
Ribeiro and Schuchardt, Catalysis Communications, 4, (2003) 83-86Ribeiro and Schuchardt, Catalysis Communications, 4, (2003) 83-86
ChemSusChem, 7, (2014), 2131-2137; 2120-2124ChemSus Chem, 7, (2014), 2131-2137; 2120-2124
Sivaguru, Angew, Chem. Int. Ed. 53, (2014), 1-6Sivaguru, Angew, Chem. Int. Ed. 53, (2014), 1-6
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
본 발명의 목적은 프럭토스의 탈수반응을 통해 생성된 중간체를 이용하여 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(5-Acetoxymethyl-2-furaldehyde, 이하 AMF라 칭한다)를 높은 수율로 수득하는 것이다.An object of the present invention is to obtain 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (5-Acetoxymethyl-2-furaldehyde, hereinafter referred to as AMF) in high yield using an intermediate produced through the dehydration reaction of fructose. .
본 발명의 또 다른 목적은 상기 AMF로부터 경제적이고 효율적인 방법으로 고순도의 FDCA를 제조하는 방법에 관한 것이다. Another object of the present invention relates to a method for producing high-purity FDCA from the AMF in an economical and efficient manner.
본 발명은,The present invention is
가) 프럭토스(fructose)의 탈수 반응을 통해 생성된 중간체를 이용하여 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(5-acetoxymethyl-2-furaldehyde, AMF)를 제조하는 단계; 및A) preparing 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF) using the intermediate generated through the dehydration reaction of fructose; and
나) 상기 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)의 산화 반응을 통해 2, 5-퓨란디카복실산(2,5-Furan dicarboxylic acid, FDCA)를 제조하는 단계;를 포함하는 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)를 이용한 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법을 제공한다. B) preparing 2,5-furan dicarboxylic acid (2,5-Furan dicarboxylic acid, FDCA) through the oxidation reaction of 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF); 5- Containing Provided is a method for preparing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) using acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF).
상기 단계(가)는, The step (a) is,
가-1) 산촉매 및 고비점 극성 용매 상에서 프럭토스를 탈수시켜 중간체로 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄(5-hyroxymethyl-2-furfural, HMF)를 제조하는 단계; 및A-1) dehydrating fructose on an acid catalyst and a high-boiling polar solvent to prepare 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF) as an intermediate; and
가-2) 상기 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄(HMF)를 아세틸화시켜 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)를 제조하는 단계;A-2) acetylating the 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF) to prepare 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF);
를 포함할 수 있다.may include.
상기 단계(가-1)에서, 상기 산 촉매는, 엠버리스트(Amberlyst) 15, 나피온(Nafion), 다우엑스(Dowex), 나피온-실리카 복합물(Nafion-Silica Composite), Keggin형 헤테로폴리 산(Keggin-type heteropoly acid, H(8-x)XM12O40 (X는 P5+, Si4+ 또는 B3+, M은 W6+또는 Mo6+), Nb2O5, 황산, 질산, 염산, 및 제올라이트(Zeolite)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.In the step (a-1), the acid catalyst is, Amberlyst 15, Nafion, Dowex, Nafion-silica composite (Nafion-Silica Composite), Keggin type heteropoly acid ( Keggin-type heteropoly acid, H (8-x) XM 12 O 40 (X is P 5+ , Si 4+ or B 3+ , M may be at least one selected from the group consisting of W 6+ or Mo 6+ ), Nb 2 O 5 , sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, and zeolite.
상기 단계(가-1)에서, 상기 산 촉매의 함량은 프럭토스 총 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%일 수 있다.In step (A-1), the content of the acid catalyst may be 1 to 20% by weight based on the total weight of fructose.
상기 단계(가-1)에서, 상기 고비점 극성 용매는 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸포름아마이드(DMF), 1, 4-다이옥산(1, 4-Dioxane), 1-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸아닐린(DMA) 및 설포란(Sulforane)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.In the step (A-1), the high boiling point polar solvent is dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), 1, 4-dioxane (1, 4-Dioxane), 1-methyl-2-pyrroly Don (NMP), dimethylaniline (DMA), and may be any one or more selected from the group consisting of sulfolane (Sulforane).
상기 단계(가-1)에서, 상기 고비점 극성 용매의 사용량은 프럭토스에 대해 무게비로 3 내지 20배일 수 있다.In step (A-1), the amount of the high boiling point polar solvent may be 3 to 20 times by weight relative to fructose.
상기 단계(가-1)은, 50 내지 200℃에서 수행될 수 있다. The step (A-1) may be performed at 50 to 200 °C.
상기 단계(가-2)에서, 상기 아세틸화 반응을 위한 아세틸화제는 아세트산 무수물 또는 아세틸 클로라이드이며, 프럭토스 함량 대비 1 내지 5 당량을 사용할 수 있다. In step (A-2), the acetylating agent for the acetylation reaction is acetic anhydride or acetyl chloride, and 1 to 5 equivalents may be used relative to the content of fructose.
상기 단계(가-2)에서, 상기 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄(HMF)의 아세틸화 반응으로 얻어진 반응 혼합물에서 유기층을 분리한 후, 분리된 유기층을 건조 및 여과하여 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)를 수득할 수 있다. In step (A-2), after separating the organic layer from the reaction mixture obtained by the acetylation reaction of 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF), the separated organic layer was dried and filtered to obtain 5-acetoxy Methyl-2-furaldehyde (AMF) can be obtained.
상기 단계(나)는, The step (b) is,
나-1) 산화제 및 염기 수용액상에서 상기 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)를 산화시킨 후 여과하는 단계; 및b-1) oxidizing the 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF) in an aqueous solution of an oxidizing agent and a base, followed by filtering; and
나-2) 상기 여과액에 산을 투입 후 여과, 수세 및 건조하여 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다. b-2) after adding acid to the filtrate, filtration, washing with water and drying to prepare 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA); may include.
상기 단계(나-1)에서, 상기 산화제는 과망간산칼륨(KMnO4), 과산화수소(Hydrogen peroxide), 과산화벤조일(Benzoyl peroxide), 과초산(Peracetic acid), 과포름산(Performic acid), 과벤조산(Perbenzoic acid), 차염소산나트륨(NaOCl), 산화망간(MnO2), 과황산칼륨(K2S2O8), 질산암모늄세륨(Ammonium cerium (IV) nitrate), 과산화이황산암모늄(Ammonium peroxydisulfate), t-부틸 하이드로퍼옥사이드(tert-Butylhydroperoxide), t-부틸 차아염소산염(tert-Butyl hypochlorite), 3산화크롬(CrO3), 큐멘하이드로퍼옥사이드(Cumenehydroperoxide), 4산화오스뮴(OsO4), 칼륨 모노퍼설페이트(KHSO5), 및 과탄산나트륨(Sodium percarbonate)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. In the step (b-1), the oxidizing agent is potassium permanganate (KMnO 4 ), hydrogen peroxide (Hydrogen peroxide), benzoyl peroxide (Benzoyl peroxide), peracetic acid (Peracetic acid), performic acid (Performic acid), perbenzoic acid (Perbenzoic) acid), sodium hypochlorite (NaOCl), manganese oxide (MnO 2 ), potassium persulfate (K 2 S 2 O 8 ), ammonium cerium (IV) nitrate), ammonium peroxydisulfate, t -Butyl hydroperoxide (tert-Butylhydroperoxide), t-butyl hypochlorite (tert-Butyl hypochlorite), chromium trioxide (CrO 3 ), cumenehydroperoxide (Cumenehydroperoxide), osmium tetraoxide (OsO 4 ), potassium monoper Sulfate (KHSO 5 ), and sodium percarbonate (Sodium percarbonate) may be at least one selected from the group consisting of.
상기 단계(나-1)에서 상기 산화제의 함량은 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF) 함량 대비 1 내지 5 당량 이하일 수 있다.In step (b-1), the content of the oxidizing agent may be 1 to 5 equivalents or less compared to the content of 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF).
상기 단계(나-1)에서 상기 염기는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 암모니아 및 산화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In step (b-1), the base may be at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia and magnesium oxide.
상기 단계(나-1)에서 상기 염기의 함량은 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF) 함량 대비 1 내지 10 당량일 수 있다.In step (b-1), the content of the base may be 1 to 10 equivalents compared to the content of 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF).
상기 단계(나-1)에서 상기 염기 수용액에서 물의 사용량은 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)에 대해 무게비로 5 내지 50배일 수 있다.In the step (b-1), the amount of water used in the aqueous base solution may be 5 to 50 times by weight relative to 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF).
상기 단계(나-2)에서 상기 여과액에 산을 투입하여 pH를 0.1 내지 2으로 조절할 수 있다.In the step (b-2), an acid may be added to the filtrate to adjust the pH to 0.1 to 2.
본 발명의 제조방법에 따르면, 프럭토스의 탈수 반응을 통해 생성된 중간체를 이용하여 AMF를 높은 수율로 얻을 수 있어 경제적이고 효율적이다. 상기 AMF는 분리정제가 용이하며 화학적으로 안정하므로 FDCA의 제조에 손쉽게 이용될 수 있다.According to the production method of the present invention, AMF can be obtained in high yield by using the intermediate produced through the dehydration reaction of fructose, which is economical and efficient. Since the AMF is easy to separate and purify and is chemically stable, it can be easily used for the preparation of FDCA.
본 발명의 제조방법에 따르면, AMF의 산화반응을 통해 복잡한 공정을 거치지 않고 상온 및 상압 조건에서 고순도의 FDCA를 얻을 수 있어 경제적이고 효율적이다. 이러한 높은 생산성으로 인하여 별도의 공정 조건 변화 없이도 대용량의 양산 라인에 쉽게 적용 가능하다.According to the manufacturing method of the present invention, it is economical and efficient to obtain FDCA of high purity at room temperature and atmospheric pressure without going through a complicated process through the oxidation reaction of AMF. Due to such high productivity, it can be easily applied to a large-capacity mass production line without a separate process condition change.
도 1은 실험예 1-1에 따른 AMF의 1 H-NMR 분석 결과이다; 및
도 2는 실험예 2-1에 따른 FDCA의 1 H-NMR 분석 결과이다. 1 is a 1 H-NMR analysis result of AMF according to Experimental Example 1-1; and
2 is a 1 H-NMR analysis result of FDCA according to Experimental Example 2-1.
앞서 설명한 바와 같이, 종래 FDCA 합성을 위한 HMF는 프럭토스(fructose) 또는 글루코오스(glucose)의 탈수 반응을 통해 제조되었다. 그러나, HMF는 하기와 같은 이유로 반응시스템에서 분리하기 쉽지 않아 경제적인 관점에서 상업적인 대량 생산이 어려웠다.As described above, conventional HMF for FDCA synthesis was prepared through dehydration of fructose or glucose. However, HMF is not easy to separate from the reaction system for the following reasons, making it difficult to mass-produce commercially from an economic point of view.
첫째, DMSO 등의 고비점 극성 용매에서 주로 수행되어, 분리의 어려움이 있었다. First, it was mainly performed in a high boiling point polar solvent such as DMSO, so there was a difficulty in separation.
둘째, 고비점 용매를 증발시키기 위해서는 많은 에너지를 필요하기 때문에 공정 비용이 높아질 수 있었다.Second, since a lot of energy is required to evaporate the high boiling point solvent, the process cost could be increased.
셋째, 고비점 용매를 제거하기 위한 조건 하에서 HMF가 심각하게 분해될 수 있었다. Third, HMF could be seriously decomposed under the conditions for removing the high boiling point solvent.
넷째, 중간체인 HMF는 불안정하여 냉동 보관해야 하는 문제가 있었다. Fourth, HMF, an intermediate, was unstable and had to be stored frozen.
다섯째, 과당의 탈수화 반응 조건에서 생성된 후 레불린산(levulinic acid)이나 휴민(humin) 등의 저부가가치 화합물로 쉽게 전환될 수 있어 수율 저하의 원인이 되었다.Fifth, after being produced under the conditions of dehydration of fructose, it can be easily converted into low value-added compounds such as levulinic acid or humin, which caused a decrease in yield.
여섯째, HMF 정제과정에서 칼럼 크로마토그래피를 이용해야 하는 바 대량생산 공정에 적용하는데 어려움이 있었다.Sixth, since column chromatography must be used in the HMF purification process, it was difficult to apply it to the mass production process.
이에, 본 발명의 발명자들은 수많은 연구와 실험 끝에 프럭토스의 탈수 반응을 통해 얻어지는 HMF를 AMF로 전환하면 상기 문제점들을 해결하는 한편, 이를 이용하여 대량생산 공정에 적용 가능한 FDCA를 제조할 수 있는 것을 확인하고 본 발명에 이르렀다. Accordingly, the inventors of the present invention confirmed that, after numerous studies and experiments, converting HMF obtained through the dehydration reaction of fructose to AMF solves the above problems and can be used to prepare FDCA applicable to mass production processes. and came to the present invention.
구체적으로, 본 발명은, Specifically, the present invention
가) 프럭토스(fructose)의 탈수 반응을 통해 생성된 중간체를 이용하여 AMF를 제조하는 단계; 및A) preparing AMF using the intermediate produced through the dehydration reaction of fructose; and
나) 상기 AMF의 산화 반응을 통해 FDCA를 제조하는 단계;를 포함하는 AMF를 이용한 FDCA의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing FDCA using AMF comprising; b) preparing FDCA through the oxidation reaction of the AMF.
본 발명에 따르면, 프럭토스의 탈수 반응을 통해 생성된 중간체를 별도의 정제 과정없이 고순도의 AMF로 전환할 수 있어 경제적이고 효율적이다. 더욱이 상기 AMF는 친유성이 커서 분리정제가 용이하며 화학적으로 안정하므로 FDCA의 제조에 손쉽게 이용될 수 있다.According to the present invention, the intermediate produced through the dehydration reaction of fructose can be converted into high-purity AMF without a separate purification process, which is economical and efficient. In addition, the AMF can be easily used for the preparation of FDCA because it is chemically stable and has high lipophilicity.
즉, AMF의 산화반응을 통해 복잡한 공정을 거치지 않고 상온 및 상압 조건에서 고순도의 FDCA를 얻을 수 있어 경제적이고 효율적이다. 이러한 높은 생산성으로 인하여 별도의 공정 조건 변화 없이도 대용량의 양산 라인에 쉽게 적용 가능하다.In other words, it is economical and efficient to obtain high-purity FDCA at room temperature and pressure without going through a complicated process through the oxidation reaction of AMF. Due to such high productivity, it can be easily applied to a large-capacity mass production line without a separate process condition change.
AMF 합성AMF synthesis
구체적으로, 상기 단계(가)는,Specifically, the step (a) is,
가-1) 산촉매 및 고비점 극성 용매 상에서 프럭토스를 탈수시켜 중간체로 HMF를 제조하는 단계; 및A-1) dehydrating fructose on an acid catalyst and a high-boiling polar solvent to prepare HMF as an intermediate; and
가-2) 상기 HMF를 추가적인 분리/정제 없이 반응물에 아세틸화 시약을 투입하여 아세틸화시켜 AMF를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다. A-2) preparing AMF by acetylating the HMF by introducing an acetylation reagent to the reactant without additional separation/purification.
본 발명에 따르면, 프럭토스의 탈수 반응을 통해 중간체로 HMF를 합성 후 별도의 정제과정 없이 HMF의 아세틸화를 통해 AMF를 전환할 수 있다. 이 후 칼럼 크로마토그래피에 의한 정제과정 없이 EA/H2O 추출 시스템에서 AMF를 쉽게 분리할 수 있으므로 불순물 형성이 최소화된 고순도의 AMF를 수득할 수 있다. 이러한 공정으로 AMF 합성을 수 킬로그램 수준까지 쉽게 확장 가능하도록 하므로 궁극적으로 FDCA의 대량생산으로 이어질 수 있다. According to the present invention, after synthesizing HMF as an intermediate through dehydration of fructose, AMF can be converted through acetylation of HMF without a separate purification process. Thereafter, since AMF can be easily separated in the EA/H2O extraction system without a purification process by column chromatography, high-purity AMF with minimized impurity formation can be obtained. This process allows the AMF synthesis to be easily scalable to the kilogram level, which can ultimately lead to the mass production of FDCA.
상기 단계(가-1)에서, 상기 산 촉매는, 예를 들어, 엠버리스트(Amberlyst) 15, 나피온(Nafion), 다우엑스(Dowex), 나피온-실리카 복합물(Nafion-Silica Composite), Keggin형 헤테로폴리 산(Keggin-type heteropoly acid, H(8-x)XM12O40 (X는 P5+, Si4+ 또는 B3+, M은 W6+또는 Mo6+), Nb2O5, 황산, 질산, 염산, 및 제올라이트(Zeolite)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 상세하게는 엠버리스트(Amberlyst) 15는 프럭토스의 탈수반응에서 생성되는 물을 흡수하여 HMF의 가수분해를 억제하면서 HMF의 선택성을 증가시키므로 바람직하게 사용할 수 있다.In the step (a-1), the acid catalyst is, for example,
상기 단계(가-1)에서, 상기 산 촉매의 함량은 프럭토스 총 중량을 기준으로 1 내지 20 중량 %일 수 있다. 상기 산 촉매의 함량이 프럭토스 총 중량을 기준으로 1 중량% 미만일 경우 AMF 수율이 감소하여 본 발명이 의도하는 효과를 얻지 못하며, 20 중량%를 초과할 경우 엠버리스트(Amberlyst) 15의 높은 단가에 따른 비용 증가를 유발하면서도 수율 증가에 따른 큰 차이가 없으므로 바람직하지 않다. 상세하게는, 상기 산 촉매의 함량은 프럭토스 총 중량을 기준으로 2.5 내지 15 중량%일 수 있다.In step (A-1), the content of the acid catalyst may be 1 to 20 wt % based on the total weight of fructose. When the content of the acid catalyst is less than 1% by weight based on the total weight of fructose, the AMF yield is reduced and thus the intended effect of the present invention is not obtained, and when it exceeds 20% by weight, the high unit price of
상기 단계(가-1)에서, 상기 고비점 극성 용매는, 예를 들어, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸포름아마이드(DMF), 1, 4-다이옥산(1, 4-Dioxane), 1-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸아닐린(DMA), 및 설포란(Sulforane)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 상세하게는 디메틸설폭사이드(DMSO) 및/또는 디메틸포름아마이드(DMF)일 수 있다. In step (A-1), the high boiling point polar solvent is, for example, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), 1, 4-dioxane (1, 4-Dioxane), 1-methyl It may be any one or more selected from the group consisting of -2-pyrrolidone (NMP), dimethylaniline (DMA), and sulfolane. Specifically, it may be dimethyl sulfoxide (DMSO) and/or dimethylformamide (DMF).
상기 단계(가-1)에서, 상기 고비점 극성 용매의 사용량은 프럭토스에 대해 무게비로 3 내지 20배일 수 있다. 상기 고비점 극성 용매의 사용량이 프럭토스에 대해 무게비로 3배 미만일 경우 AMF 수율이 감소하여 본 발명이 의도하는 효과를 얻지 못할 수 있다. 또한, 20배를 초과할 경우 AMF 수율이 감소할 수 있는데 이는, AMF 정제과정에서의 EA/H2O 추출 시스템은 DMSO를 수층으로 제거하는 과정이 필요한 바, 이 과정에서 DMSO의 용량이 많을수록 DMSO와 함께 수층으로 손실되는 AMF의 양도 늘어날 수 있기 때문이다. 상세하게는, 상기 고비점 극성 용매의 사용량은 프럭토스에 대해 무게비로 5 내지 10배일 수 있다.In step (A-1), the amount of the high boiling point polar solvent may be 3 to 20 times by weight relative to fructose. When the amount of the high-boiling polar solvent is less than three times that of fructose by weight, the AMF yield may decrease and thus the intended effect of the present invention may not be obtained. In addition, if it exceeds 20 times, the AMF yield may decrease, which is that the EA / H 2 O extraction system in the AMF purification process requires a process to remove DMSO into an aqueous layer. In this process, the higher the volume of DMSO, the more DMSO This is because the amount of AMF lost to the water layer may also increase. Specifically, the amount of the high boiling point polar solvent may be 5 to 10 times by weight relative to fructose.
상기 단계(가-1)은, 예를 들어, 50 내지 200의 반응온도에서 수행될 수 있다. 상기 반응온도가 50미만일 경우 반응속도가 느리고 반응전환율이 저하될 우려가 있고 200를 초과할 경우 반응전환율은 높으나 AMF 분해가 과하게 이루어질 수 있어 바람직하지 않다. 상세하게는, 80 내지 120의 반응온도에서 수행될 수 있다. The step (A-1) is, for example, 50 to 200 It can be carried out at a reaction temperature of the reaction temperature is 50 If it is less than 200, the reaction rate is slow and the reaction conversion rate may be lowered. If it exceeds, the reaction conversion rate is high, but AMF decomposition may be excessively performed, which is not preferable. Specifically, 80 to 120 It can be carried out at a reaction temperature of
상기 단계(가-2)에서, 상기 아세틸화 반응을 위해 사용할 수 있는 아세틸화제는 제한이 없으나 예를 들어, 아세트산 무수물 또는 아세틸 클로라이드일 수 있다. In the step (A-2), the acetylating agent that can be used for the acetylation reaction is not limited, but may be, for example, acetic anhydride or acetyl chloride.
상기 아세틸화제는 프럭토스 함량 대비 1 내지 5 당량을 사용할 수 있다. 상기 아세틸화제의 함량이 1 당량 미만일 경우, HMF의 충분한 아세틸화가 이루어질 수 없고, 5 당량을 초과할 경우 부반응을 일으킬 우려가 있어 오히려 AMF의 수율이 떨어질 수 있어 바람직하지 않다. The acetylating agent may be used in an amount of 1 to 5 equivalents based on the content of fructose. When the content of the acetylating agent is less than 1 equivalent, sufficient acetylation of HMF cannot be achieved, and when it exceeds 5 equivalents, there is a risk of side reactions, which is not preferable because the yield of AMF may be lowered.
상기 단계(가-2)에서, 상기 아세틸화제는 아세트산 무수물, 아세틸 클로라이드, 아세틸 브로마이드, 케텐(Ketene) 및 아세트산로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 상세하게는 아세트산 무수물 존재 하에 사용할 수 있다. In step (A-2), the acetylating agent may be at least one selected from the group consisting of acetic anhydride, acetyl chloride, acetyl bromide, ketene, and acetic acid, and specifically, it may be used in the presence of acetic anhydride.
상기 HMF의 아세틸화 반응으로 얻어진 반응 혼합물에서 유기층을 분리한 후, 분리된 유기층을 건조 및 여과하여 AMF를 수득할 수 있다. 구체적으로, 합성한 AMF를 칼럼 크로마토그래피에 의한 정제과정 없이 EA/H2O 추출 시스템에서 쉽게 분리하여 수득할 수 있으므로 불순물 형성이 최소화된 고순도의 AMF를 수득할 수 있다. After separating the organic layer from the reaction mixture obtained by the acetylation reaction of HMF, the separated organic layer may be dried and filtered to obtain AMF. Specifically, since the synthesized AMF can be easily separated in an EA/H 2 O extraction system without a purification process by column chromatography, high-purity AMF with minimized impurity formation can be obtained.
FDCA 합성FDCA synthesis
상기 단계(나)는,The step (b) is,
나-1) 산화제 및 염기 수용액상에서 상기 AMF를 산화시킨 후 여과하는 단계; 및b-1) oxidizing the AMF in an aqueous solution of an oxidizing agent and a base, followed by filtering; and
나-2) 상기 여과액에 산을 투입 후 여과, 수세 및 건조하여 FDCA를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다. b-2) after adding acid to the filtrate, filtration, washing with water and drying to prepare FDCA; may include.
본 발명에 따르면 AMF의 산화반응을 통해 손쉽게 고순도의 FDCA를 얻을 수 있다. 이러한 반응은 상온 및 상압 조건에서 진행될 수 있어 경제적이고 효율적이다. 또한, 별도의 공정 조건 변화 없이도 대량생산 공정에서 구현할 수 있어 산업 현장에서 바로 적용할 수 있다.According to the present invention, FDCA of high purity can be easily obtained through the oxidation reaction of AMF. This reaction can be carried out at room temperature and pressure conditions, so it is economical and efficient. In addition, since it can be implemented in a mass production process without a separate process condition change, it can be directly applied in the industrial field.
상기 단계(나-1)에서 상기 산화제는, 예를 들어, 과망간산칼륨(KMnO4), 과산화수소(Hydrogen peroxide), 과산화벤조일(Benzoyl peroxide), 과초산(Peracetic acid), 과포름산(Performic acid), 과벤조산(Perbenzoic acid), 차염소산나트륨(NaOCl), 산화망간(MnO2), 과황산칼륨(K2S2O8), 질산암모늄세륨(Ammonium cerium (IV) nitrate), 과산화이황산암모늄(Ammonium peroxydisulfate), t-부틸 하이드로퍼옥사이드(tert-Butylhydroperoxide), t-부틸 차아염소산염(tert-Butyl hypochlorite), 3산화크롬(CrO3), 큐멘하이드로퍼옥사이드(Cumenehydroperoxide), 4 산화오스뮴(OsO4), 칼륨 모노퍼설페이트(KHSO5), 및 과탄산나트륨(Sodium percarbonate)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나이상일 수 있으며, 상세하게는 과망간산칼륨(KMnO4)일 수 있다. In the step (b-1), the oxidizing agent, for example, potassium permanganate (KMnO 4 ), hydrogen peroxide (Hydrogen peroxide), benzoyl peroxide (Benzoyl peroxide), peracetic acid (Peracetic acid), performic acid (Performic acid), Perbenzoic acid, sodium hypochlorite (NaOCl), manganese oxide (MnO 2 ), potassium persulfate (K 2 S 2 O 8 ), ammonium cerium nitrate (Ammonium cerium (IV) nitrate), ammonium disulfate (Ammonium) peroxydisulfate), t-butyl hydroperoxide (tert-Butylhydroperoxide), t-butyl hypochlorite (tert-Butyl hypochlorite), chromium trioxide (CrO3), cumenehydroperoxide, osmium tetraoxide (OsO 4 ), Potassium monopersulfate (KHSO 5 ), and sodium percarbonate may be at least one selected from the group consisting of, specifically potassium permanganate (KMnO 4 ).
상기 단계(나-1)에서 상기 산화제의 함량은 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF) 함량 대비 1 내지 5 당량 이하일 수 있다. 산화제의 함량이 1 당량 미만이면 본 발명이 의도하는 효과를 얻기 힘들고, 5 당량을 초과하면 반응 후 부산물이 많아지므로 정제과정에서 여과를 어렵게 하므로 바람직하지 않다. 상세하게는, 산화제의 함량은 1.7 당량 초과 내지 3.0 당량 미만일 수 있다. In step (b-1), the content of the oxidizing agent may be 1 to 5 equivalents or less compared to the content of 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF). If the content of the oxidizing agent is less than 1 equivalent, it is difficult to obtain the intended effect of the present invention, and if it exceeds 5 equivalents, the amount of by-products after the reaction increases, making filtration difficult in the purification process, which is not preferable. Specifically, the content of the oxidizing agent may be greater than 1.7 equivalents and less than 3.0 equivalents.
상기 단계(나-1)에서 상기 염기는, 무기 염기일 수 있으며, 예를 들어, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 암모니아 및 산화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. In the step (b-1), the base may be an inorganic base, for example, it may be one or more selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia and magnesium oxide.
상기 단계(나-1)에서 상기 염기의 함량은 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF) 함량 대비 1 내지 10 당량일 수 있다. 상기 염기의 함량이 1 당량 미만이면 본 발명이 의도하는 효과를 얻기 힘들고, 10 당량을 초과하면 반응 후 부반응이 일어날 우려가 있으면서도 반응 효과에 큰 차이가 없으므로 바람직하지 않다. 상세하게는, 산화제의 함량은 3 내지 8 당량일 수 있다.In step (b-1), the content of the base may be 1 to 10 equivalents compared to the content of 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF). If the content of the base is less than 1 equivalent, it is difficult to obtain the intended effect of the present invention, and if it exceeds 10 equivalents, there is a fear that side reactions may occur after the reaction, but it is not preferable because there is no significant difference in the reaction effect. Specifically, the content of the oxidizing agent may be 3 to 8 equivalents.
상기 단계(나-1)에서 상기 염기 수용액에서 물의 사용량은 AMF에 대해 무게비로 5 내지 50배일 수 있다. 상기 물의 사용량이 5배 미만이면 교반이 힘들고 반응 후 여과과정이 수월하지 않아 본 발명이 의도하는 효과를 얻기 힘들고, 50배를 초과하면 FDCA의 용해도가 증가하여 여과로 얻어지는 고체의 수율이 낮아질 우려가 있어 바람직하지 않다. 상세하게는, 물의 사용량은 AMF에 대해 무게비로 10 내지 35배일 수 있다.In the step (b-1), the amount of water used in the aqueous base solution may be 5 to 50 times by weight relative to the AMF. If the amount of water used is less than 5 times, it is difficult to stir and the filtration process after the reaction is not easy, so it is difficult to obtain the intended effect of the present invention. it is not preferable to have Specifically, the amount of water used may be 10 to 35 times by weight relative to the AMF.
상기 단계(나-2)에서 상기 여과액에 산을 투입하여 pH를 0.1 내지 2으로 조절한 후, 생성된 갈색 고체를 여과한 후 수세하고 진공 건조하여 FDCA를 높은 수율로 수득할 수 있다. 상기 범위를 벗어나 pH가 높을 경우 산성화 과정에서 2,5-furandicarboxylate 나트륨염 형태에서 카르복시산 형태인 FDCA로 충분히 전환이 되지 않아 고체로 석출되지 않을 우려가 있고, pH가 지나치게 낮을 경우 반응 공정상 어려움이 있으므로 바람직하지 않다. 상세하게는 pH는 0.1 내지 1일 수 있다.After adjusting the pH to 0.1 to 2 by adding an acid to the filtrate in step (b-2), the resulting brown solid is filtered, washed with water, and dried under vacuum to obtain FDCA in high yield. If the pH is high outside the above range, there is a risk that the 2,5-furandicarboxylate sodium salt form is not sufficiently converted to the carboxylic acid form FDCA in the acidification process and thus may not be precipitated as a solid. If the pH is too low, there is a difficulty in the reaction process. Not desirable. Specifically, the pH may be 0.1 to 1.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 한 형태를 예시한 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples, but the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of one aspect of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the Examples and Experimental Examples below. .
제조예 1) AMF 합성Preparation Example 1) AMF synthesis
1) D-Fructose의 탈수반응1) Dehydration of D-Fructose
플라스크에 D-Fructose (10g, 55.5mmol)를 넣고 DMSO (50mL)와 Amberlyst-15 (0.5g, 5wt%)를 투입한 후 질소 풍선을 사용하여 4시간 반응을 진행하였다. 반응 온도는 100℃, 반응 진행은 TLC로 확인함. 반응 종료 후 여과를 통해 Amberlyst-15를 회수하고 바로 두 번째 반응을 진행하였다.D-Fructose (10g, 55.5mmol) was added to the flask, DMSO (50mL) and Amberlyst-15 (0.5g, 5wt%) were added thereto, followed by reaction using a nitrogen balloon for 4 hours. The reaction temperature was 100 °C, and the reaction progress was confirmed by TLC. After completion of the reaction, Amberlyst-15 was recovered through filtration, and the second reaction was carried out immediately.
2) HMF의 아세틸화 반응 2) Acetylation of HMF
반응액에 4-(Dimethylamino)pyridine(DMAP, 0.68g, 5.55mmol)과 Acetic anhydride(Ac2O, 6.3mL, 66.6mmol)를 투입하고 상온에서 교반하며, 반응 진행은 TLC로 확인하였다. 반응이 종료되면 반응물을 Ethyl acetate로 용해한 후 water로 여러 번 씻어주고, 유기층을 분리한다. 유기층을 Na2SO4로 건조한 후 여과하고 여과액을 진공 증류하여 목적하는 화합물인 5-Acetoxymethyl-2-furfural (AMF)을 얻는다.4-(Dimethylamino)pyridine (DMAP, 0.68g, 5.55mmol) and acetic anhydride (Ac 2 O, 6.3mL, 66.6mmol) were added to the reaction solution and stirred at room temperature, and the reaction progress was confirmed by TLC. When the reaction is completed, the reactant is dissolved with ethyl acetate, washed several times with water, and the organic layer is separated. The organic layer is dried over Na 2 SO 4 , filtered, and the filtrate is vacuum distilled to obtain the desired compound, 5-Acetoxymethyl-2-furfural (AMF).
TLC 확인: n-Hexane: Ethyl acetate = 1:2 Rf = 0.8, 평균 수율 80%TLC confirmation: n-Hexane: Ethyl acetate = 1:2 Rf = 0.8,
실험예 1-1) AMF Experimental Example 1-1) AMF 1One H-NMRH-NMR
상기에서 합성한 물질의 1 H-NMR 분석을 하여 이를 도 1에 나타내었다(1H-NMR (400MHz, CDCl3) ∂: 9.65(s, 1H), 7.25(d, J=3.6Hz, 1H), 6.62(d, J=3.6Hz, 1H), 5.13(s, 2H), 2.12(s, 3H)). 1 H-NMR analysis of the synthesized material was performed and shown in FIG. 1 ( 1 H-NMR (400 MHz, CDCl 3 ) ∂: 9.65(s, 1H), 7.25(d, J=3.6Hz, 1H) , 6.62 (d, J = 3.6 Hz, 1H), 5.13 (s, 2H), 2.12 (s, 3H)).
도 1을 참고하면, 제조예 1에서 합성한 것은 AMF인 것을 확인하였다.Referring to FIG. 1 , it was confirmed that the synthesized in Preparation Example 1 was AMF.
이 후 D-Fructose의 탈수반응에서 반응조건에 따른 AMF의 수율 변화를 확인하였다. 하기에서 변경한 조건을 제외하고는 상기 AMF 합성 과정과 동일한 조건에서 진행하였다.After that, in the dehydration reaction of D-Fructose, the yield change of AMF according to the reaction conditions was confirmed. Except for the conditions changed below, it was carried out under the same conditions as the AMF synthesis process.
실험예 1-2) 반응 조건에 따른 AMF의 정제수율Experimental Example 1-2) Purification yield of AMF according to reaction conditions
D-Fructose의 탈수반응에서 산 촉매 효과Acid Catalyst Effect in Dehydration of D-Fructose
실시예
Example
사용량 (wt%)Amberlyst-15
Usage (wt%)
(℃)reaction temperature
(℃)
정제수율AMF's
Purification yield
상기 표 1를 참조하면, Amberlyst-15의 함량 일정량이 될 때까지는 AMF의 수율이 높아지나, 그 이후는 오히려 AMF의 수율이 저하되는 것을 관찰할 수 있는 바, 이는 D-Fructose의 탈수반응에서 생성되는 물을 Amberlyst-15가 흡수하여 HMF의 가수분해를 억제하면서 HMF의 선택성을 증가시키는 것으로 추측된다.다만, 실시예 1 내지 5에서 모두 AMF를 높은 수율로 얻을 수 있는 바, 이는 종래 다른 산 촉매와 비교하여 상당히 높은 수준이지만, AMF의 높은 가격을 고려할 때 최적의 사용량은 5wt%이다. Referring to Table 1, it can be observed that the yield of AMF increases until the content of Amberlyst-15 becomes a certain amount, but after that, it can be observed that the yield of AMF is rather decreased, which is produced in the dehydration reaction of D-Fructose. It is presumed that Amberlyst-15 absorbs the used water to increase the selectivity of HMF while suppressing hydrolysis of HMF. However, in Examples 1 to 5, AMF can be obtained in high yield, which is a conventional acid catalyst. It is quite high compared to , but considering the high price of AMF, the optimal usage is 5 wt%.
D-Fructose의 탈수반응에서 용매 효과Solvent Effect on Dehydration of D-Fructose
실시예
Example
사용량 (wt%)Amberlyst-15
Usage (wt%)
정제수율AMF's
Purification yield
(*단위 V는 프럭토스에 대한 무게비를 의미함)(*Unit V means weight ratio to fructose)
** Dioxane에서는 반응전환율이 낮아 Amberlyst-15 50wt%를 사용함)** Dioxane uses 50wt% of Amberlyst-15 due to low reaction conversion rate)
상기 표 2를 참조하면, D-Fructose의 탈수반응에서 DMSO 15V(프럭토스 무게에 대하여 15배를 의미함) 와 DMSO 10V 보다 DMSO 5V에서 상대적으로 AMF가 높은 수율로 얻어지는 것을 확인할 수 있다. DMSO 15V와 DMF 5V에서는 비슷한 수율로 AMF가 합성된다. 다만 1,4-dioxane 10V 용매 조건에서는 반응전환율이 낮아 Amberlyst-15 50wt%를 사용하여 진행하였다.Referring to Table 2, it can be seen that in the dehydration reaction of D-Fructose, AMF is obtained in a relatively high yield in DMSO 5V than DMSO 15V (meaning 15 times the weight of fructose) and DMSO 10V. In DMSO 15V and DMF 5V, AMF is synthesized in a similar yield. However, in the 1,4-dioxane 10V solvent condition, the reaction conversion rate was low, so Amberlyst-15 50wt% was used.
DMSO를 사용한 반응에서 DMSO의 사용량이 증가할수록 수율이 조금씩 떨어짐을 알 수 있다. 이런 수율 감소는 정제 과정에서 AMF의 손실에 따른 결과로 추측된다. 정제과정은 EA/H2O 추출 시스템에서 DMSO를 수층으로 제거하는 과정이 필요하며, 이 과정에서 DMSO의 용량이 많을수록 DMSO와 함께 수층으로 손실되는 AMF의 양도 늘어나므로 AMF의 수율이 떨어지는 원인으로 작용한다. 정제과정에서 AMF가 DMSO와 함께 수층으로 손실되는 정도는 GC로 측정하여 확인하였다. In the reaction using DMSO, it can be seen that the yield decreases little by little as the amount of DMSO increases. This reduction in yield is presumed to be a result of the loss of AMF in the purification process. The purification process requires the process of removing DMSO to the aqueous layer in the EA/H 2 O extraction system. In this process, the higher the volume of DMSO, the more the amount of AMF lost to the aqueous layer along with DMSO increases, which causes the AMF yield to drop. do. The degree of loss of AMF to the aqueous layer along with DMSO during the purification process was confirmed by measuring by GC.
D-Fructose의 탈수반응에서 용매 효과Solvent Effect on Dehydration of D-Fructose
실시예
Example
(℃)reaction temperature
(℃)
사용량 (wt%)Amberlyst-15
Usage (wt%)
정제수율AMF's
Purification yield
상기 표 3을 참조하면, D-Fructose의 탈수반응은 80℃에서는 반응속도가 느리고 반응전환율이 낮아서 53%의 낮은 수율을 얻었으며, 120℃에서는 반응전환율은 높았으나 반응 중 AMF의 분해가 진행되어 수율이 72%로 낮게 얻은 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 3, the dehydration reaction of D-Fructose was slow at 80 ° C., and the reaction conversion rate was low, resulting in a low yield of 53%. At 120 ° C. It can be seen that the yield was obtained as low as 72%.
제조예 2) FDCA 합성Preparation Example 2) FDCA synthesis
1) AMF의 산화반응1) Oxidation of AMF
250mL 플라스크에 제조예 1에서 합성한 AMF (10g, 59.3mmol)를 넣고 H2O (150mL)을 넣어준다. 반응액에 NaOH (16.6g, 415.4mmol)를 넣어준 후 KMnO4 (22.5g, 142.4mmol)를 조심스럽게 넣어준다. 상온, 일반 대기조건에서 18시간 이상 교반해준 후 반응액을 여과한다. 여과액에 conc HCl를 투입하여 pH를 1 이하로 낮추어 준 후 생성된 갈색 고체를 여과한다. 여과한 고체는 H2O로 씻어준 후 다른 정제과정 없이 진공 건조한다(HPLC 순도: >99%).AMF (10g, 59.3mmol) synthesized in Preparation Example 1 was put into a 250mL flask, and H 2 O (150mL) was added thereto. After adding NaOH (16.6 g, 415.4 mmol) to the reaction solution, KMnO 4 (22.5 g, 142.4 mmol) was carefully added. After stirring for at least 18 hours at room temperature and general atmospheric conditions, the reaction solution is filtered. Conc HCl was added to the filtrate to lower the pH to 1 or less, and the resulting brown solid was filtered. The filtered solid was washed with H 2 O and then vacuum dried without further purification (HPLC purity: >99%).
실험예 2-1) FDCA Experimental Example 2-1) FDCA 1One H-NMRH-NMR
상기에서 합성한 물질의 1 H-NMR 분석을 하여 이를 도 2에 나타내었다(H-NMR (300MHz, DMSO-d6) ∂: 13.63 (2H, s, -COOH), 7.29 (2H, s, furan-H)). 1 H-NMR analysis of the synthesized material was performed and shown in FIG. 2 (H-NMR (300MHz, DMSO-d6) ∂: 13.63 (2H, s, -COOH), 7.29 (2H, s, furan-) H)).
도 2을 참고하면, 제조예 2에서 합성한 것은 FDCA인 것을 확인하였다.Referring to FIG. 2 , it was confirmed that the one synthesized in Preparation Example 2 was FDCA.
이 후 AMF 산화반응에서 반응조건에 따른 FDCA의 수율 변화를 확인하였다. 하기에서 변경한 조건을 제외하고는 상기 FDCA 합성 과정과 동일한 조건에서 진행하였다.After that, the yield change of FDCA according to the reaction conditions in the AMF oxidation reaction was confirmed. Except for the conditions changed below, it was performed under the same conditions as the FDCA synthesis process.
실험예 2-2) 반응 조건에 따른 FDCA의 정제수율Experimental Example 2-2) Purification yield of FDCA according to reaction conditions
AMF 산화반응에서 산화제(KMnOIn the AMF oxidation reaction, the oxidizing agent 44 ) 효과) effect
실시예
Example
당량KMnO 4
equivalent weight
(℃)reaction temperature
(℃)
정제수율FDCA's
Purification yield
상기 표 4를 참조하면, KMnO4의 당량수가 2.4 당량 일 때 FDCA의 수율이 60%로 가장 높았으며, KMnO4의 당량수가 2.6 당량부터 3.0 당량으로 증가할수록 FDCA의 수율이 감소함을 알 수 있다. KMnO4의 당량수가 2.6 당량 이상에서 수율이 조금씩 감소하는 이유는 KMnO4를 많이 사용할수록 반응 후 부산물이 많아지고 생성된 부산물은 정제과정 중 여과를 어렵게 하기 때문이다. 여과 과정이 어려워지면서 반응 부산물 속에 포함된 소량의 FDCA가 충분히 여과되지 않아 수율이 감소한 것으로 보인다.Referring to Table 4 , when the number of equivalents of KMnO 4 is 2.4 equivalents, the yield of FDCA is the highest at 60%, and as the number of equivalents of KMnO 4 increases from 2.6 equivalents to 3.0 equivalents, it can be seen that the yield of FDCA decreases. . The reason that the yield decreases slightly when the number of equivalents of KMnO 4 is 2.6 equivalents or more is that the more KMnO 4 is used, the more by-products after the reaction, and the by-products produced make it difficult to filter during the purification process. As the filtration process became difficult, a small amount of FDCA contained in the reaction by-product was not sufficiently filtered, so the yield decreased.
AMF 산화반응에서 NaOH 염기 효과NaOH base effect in AMF oxidation reaction
실시예
Example
(℃)reaction temperature
(℃)
정제수율FDCA's
Purification yield
상기 표 5를 참조하면, AMF 산화반응에서 NaOH의 당량수가 높을수록 FDCA의 수율이 증가하지만 7 당량과 8 당량을 사용한 반응에서는 정제수율에 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. AMF 산화반응에서 NaOH는 AMF가 HMF로 전환될 때 반응에 참여하며, 전환된 HMF가 중간체로 HMFCA를 거쳐 FDCA로 산화될 때 KMnO4와 함께 반응에 참여한다. NaOH의 사용량은 반응 후 FDCA를 얻기 위한 정제과정에서 HCl를 사용한 산성화(Acidification) 과정이 필요함으로 최소한의 NaOH를 사용하는 것이 중요하다고 판단되므로 NaOH의 최적의 당량수는 7 당량인 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 5, in the AMF oxidation reaction, the higher the number of equivalents of NaOH, the higher the yield of FDCA, but it can be seen that there is no significant difference in the purification yield in the reaction using 7 equivalents and 8 equivalents. In the AMF oxidation reaction, NaOH participates in the reaction when AMF is converted to HMF, and participates in the reaction together with KMnO 4 when the converted HMF is oxidized to FDCA through HMFCA as an intermediate. The amount of NaOH used is determined to be important to use a minimum amount of NaOH because an acidification process using HCl is required in the purification process to obtain FDCA after the reaction, so it can be confirmed that the optimal number of equivalents of NaOH is 7 equivalents.
AMF 산화반응에서 용매양의 변화 효과Effect of Change in Solvent Amount in AMF Oxidation Reaction
실시예
Example
당량KMnO 4
equivalent weight
(℃)reaction temperature
(℃)
정제수율FDCA's
Purification yield
(*단위 V는 AMF에 대한 무게비를 의미함)(*Unit V means weight ratio to AMF)
상기 표 6을 참조하면, AMF 산화반응에서 H2O 10V(AMF 무게에 대하여 10배를 의미함)를 사용하면 교반이 힘들고 반응 후 여과과정이 수월하지 않아 수율이 55%로 얻어졌으며, H2O를 25V 이상 사용할 경우 여과는 문제없이 진행되지만 여과 후 HCl를 사용한 산성화(Acidification) 과정에서 고체로 생성되는 양이 줄어드는 것을 알 수 있다. H2O를 많이 쓸수록 FDCA의 용해도가 증가하여 여과로 얻어지는 고체의 수율은 낮아지는 바, H2O의 최적의 사용량은 15V인 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 6, when H 2 O 10V (meaning 10 times the weight of AMF) was used in the AMF oxidation reaction, stirring was difficult and the filtration process was not easy after the reaction, so the yield was 55%, H 2 When O is used above 25V, filtration proceeds without any problem, but it can be seen that the amount of solid produced in the acidification process using HCl after filtration is reduced. The more H 2 O is used, the more the solubility of FDCA increases and the yield of the solid obtained by filtration is lowered, so it can be seen that the optimal amount of H 2 O used is 15V.
Claims (16)
나) 상기 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)의 산화 반응을 통해 2, 5-퓨란디카복실산(2,5-Furan dicarboxylic acid, FDCA)를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)를 이용한 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.A) preparing 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF) using the intermediate generated through the dehydration reaction of fructose; and
b) preparing 2,5-furan dicarboxylic acid (2,5-Furan dicarboxylic acid, FDCA) through the oxidation reaction of the 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF); A method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) using 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF).
가-1) 산촉매 및 고비점 극성 용매 상에서 프럭토스를 탈수시켜 중간체로 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄(5-hyroxymethyl-2-furfural, HMF)를 제조하는 단계; 및
가-2) 상기 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄(HMF)를 아세틸화시켜 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)를 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.According to claim 1, wherein the step (a),
A-1) dehydrating fructose on an acid catalyst and a high-boiling polar solvent to prepare 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF) as an intermediate; and
A-2) acetylating the 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF) to prepare 5-acetoxymethyl-2-furfuraldehyde (AMF);
2, 5-furandicarboxylic acid (FDCA) production method comprising a.
상기 산 촉매는, 엠버리스트(Amberlyst) 15, 나피온(Nafion), 다우엑스(Dowex), 나피온-실리카 복합물(Nafion-Silica Composite), Keggin형 헤테로폴리 산(Keggin-type heteropoly acid, H(8-x)XM12O40 (X는 P5+, Si4+ 또는 B3+, M은 W6+또는 Mo6+), Nb2O5, 황산, 질산, 염산, 및 제올라이트(Zeolite)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.The method according to claim 2, wherein in step (A-1),
The acid catalyst is, Amberlyst 15, Nafion (Nafion), Dowex (Dowex), Nafion-silica composite (Nafion-Silica Composite), Keggin-type heteropoly acid (Keggin-type heteropoly acid, H (8) -x) XM 12 O 40 (X is P 5+ , Si 4+ or B 3+ , M is W 6+ or Mo 6+ ), Nb 2 O 5 , sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, and 2,5-furandicarboxylic acid, characterized in that at least one selected from the group consisting of zeolite (Zeolite) ( FDCA).
상기 산 촉매의 함량은 프럭토스 총 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.The method according to claim 2, wherein in step (A-1),
The method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), characterized in that the content of the acid catalyst is 1 to 20% by weight based on the total weight of fructose.
상기 고비점 극성 용매는 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸포름아마이드(DMF), 1, 4-다이옥산(1, 4-Dioxane), 1-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸아닐린(DMA) 및 설포란(Sulforane)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.The method according to claim 2, wherein in step (A-1),
The high boiling point polar solvent is dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), 1,4-dioxane (1,4-Dioxane), 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylaniline (DMA) ) and a method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), characterized in that at least one selected from the group consisting of sulfolane.
상기 고비점 극성 용매의 사용량은 프럭토스 대해 무게비로 3 내지 20배인 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.The method according to claim 2, wherein in step (A-1),
The method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), characterized in that the amount of the high-boiling polar solvent used is 3 to 20 times by weight relative to fructose.
50 내지 200℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.According to claim 2, wherein the step (A-1),
Method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), characterized in that it is carried out at 50 to 200 ℃.
상기 아세틸화 반응을 위한 아세틸화제는 아세트산 무수물 또는 아세틸 클로라이드이며, 프럭토스 함량 대비 1 내지 5 당량을 사용하는 것을 특징으로 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.The method according to claim 2, wherein in step (A-2),
The acetylating agent for the acetylation reaction is acetic anhydride or acetyl chloride, and the method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), characterized in that 1 to 5 equivalents are used relative to the content of fructose.
상기 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄(HMF)의 아세틸화 반응으로 얻어진 반응 혼합물에서 유기층을 분리한 후, 분리된 유기층을 건조 및 여과하여 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)를 수득하는 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.The method of claim 2, wherein in step (A-2),
After separating the organic layer from the reaction mixture obtained by the acetylation reaction of 5-hydroxymethyl-2-furfural (HMF), the separated organic layer was dried and filtered to obtain 5-acetoxymethyl-2-furfural (AMF) ) A method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), characterized in that to obtain.
나-1) 산화제 및 염기 수용액상에서 상기 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)를 산화시킨 후 여과하는 단계; 및
나-2) 상기 여과액에 산을 투입 후 여과, 수세 및 건조하여 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)를 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.According to claim 1, wherein the step (b),
b-1) oxidizing the 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF) in an aqueous solution of an oxidizing agent and a base, followed by filtering; and
b-2) preparing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) by adding acid to the filtrate, followed by filtration, washing with water and drying;
2, 5-furandicarboxylic acid (FDCA) production method comprising a.
상기 산화제는 과망간산칼륨(KMnO4), 과산화수소(Hydrogen peroxide), 과산화벤조일(Benzoyl peroxide), 과초산(Peracetic acid), 과포름산(Performic acid), 과벤조산(Perbenzoic acid), 차염소산나트륨(NaOCl), 산화망간(MnO2), 과황산칼륨(K2S2O8), 질산암모늄세륨(Ammonium cerium (IV) nitrate), 과산화이황산암모늄(Ammonium peroxydisulfate), t-부틸 하이드로퍼옥사이드(tert-Butylhydroperoxide), t-부틸 차아염소산염(tert-Butyl hypochlorite), 3산화크롬(CrO3), 큐멘하이드로퍼옥사이드(Cumenehydroperoxide), 4산화오스뮴(OsO4), 칼륨 모노퍼설페이트(KHSO5), 및 과탄산나트륨(Sodium percarbonate)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.11. The method of claim 10, wherein in step (b-1),
The oxidizing agent is potassium permanganate (KMnO 4 ), hydrogen peroxide (Hydrogen peroxide), benzoyl peroxide (Benzoyl peroxide), peracetic acid (Peracetic acid), performic acid (Performic acid), perbenzoic acid (Perbenzoic acid), sodium hypochlorite (NaOCl) , manganese oxide (MnO 2 ), potassium persulfate (K 2 S 2 O 8 ), cerium ammonium nitrate (Ammonium cerium (IV) nitrate), ammonium peroxydisulfate, t-butyl hydroperoxide (tert-Butylhydroperoxide) ), tert-Butyl hypochlorite, chromium trioxide (CrO 3 ), cumenehydroperoxide, osmium tetraoxide (OsO 4 ), potassium monopersulfate (KHSO 5 ), and sodium percarbonate (Sodium percarbonate) A method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), characterized in that at least one selected from the group consisting of.
상기 산화제의 함량은 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF) 함량 대비 1 내지 5 당량 이하인 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.11. The method of claim 10, wherein in the step (B-1)
The method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), characterized in that the content of the oxidizing agent is 1 to 5 equivalents or less compared to the content of 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF).
상기 염기는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 암모니아 및 산화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.11. The method of claim 10, wherein in the step (B-1)
The base is a method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), characterized in that at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia and magnesium oxide.
상기 염기의 함량은 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF) 함량 대비 1 내지 10 당량인 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(2,5-Furan dicarboxylic acid, FDCA)의 제조방법.11. The method of claim 10, wherein in the step (B-1)
Preparation of 2,5-furan dicarboxylic acid (FDCA), characterized in that the content of the base is 1 to 10 equivalents compared to the content of 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF) Way.
상기 염기 수용액에서 물의 사용량은 5-아세톡시메틸-2-푸랄데하이드(AMF)에 대해 무게비로 5 내지 50배인 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.11. The method of claim 10, wherein in the step (B-1)
The method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), characterized in that the amount of water used in the aqueous base solution is 5 to 50 times by weight relative to 5-acetoxymethyl-2-furaldehyde (AMF).
상기 여과액에 산을 투입하여 pH를 0.1 내지 2로 조절하는 것을 특징으로 하는 2, 5-퓨란디카복실산(FDCA)의 제조방법.11. The method of claim 10, wherein in the step (B-2)
A method for producing 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), characterized in that the pH is adjusted to 0.1 to 2 by adding an acid to the filtrate.
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