KR20210144053A - 포도당으로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법 - Google Patents

포도당으로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20210144053A
KR20210144053A KR1020200060798A KR20200060798A KR20210144053A KR 20210144053 A KR20210144053 A KR 20210144053A KR 1020200060798 A KR1020200060798 A KR 1020200060798A KR 20200060798 A KR20200060798 A KR 20200060798A KR 20210144053 A KR20210144053 A KR 20210144053A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
furfural
acyloxymethyl
mixture
producing
reaction
Prior art date
Application number
KR1020200060798A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102464958B1 (ko
Inventor
김백진
이경원
김용진
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020200060798A priority Critical patent/KR102464958B1/ko
Publication of KR20210144053A publication Critical patent/KR20210144053A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102464958B1 publication Critical patent/KR102464958B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P17/00—Preparation of heterocyclic carbon compounds with only O, N, S, Se or Te as ring hetero atoms
    • C12P17/02—Oxygen as only ring hetero atoms
    • C12P17/04—Oxygen as only ring hetero atoms containing a five-membered hetero ring, e.g. griseofulvin, vitamin C
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Y—ENZYMES
    • C12Y301/00—Hydrolases acting on ester bonds (3.1)
    • C12Y301/01—Carboxylic ester hydrolases (3.1.1)
    • C12Y301/01003—Triacylglycerol lipase (3.1.1.3)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Y—ENZYMES
    • C12Y503/00—Intramolecular oxidoreductases (5.3)
    • C12Y503/01—Intramolecular oxidoreductases (5.3) interconverting aldoses and ketoses (5.3.1)
    • C12Y503/01009—Glucose-6-phosphate isomerase (5.3.1.9)
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/584—Recycling of catalysts

Landscapes

  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

포도당으로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법을 개시한다. 상기 제조방법은 (1) 포도당(D-Glucose)을 이성질화 효소 존재 하에서 이성질화 반응(isomerization reaction)시켜 포도당(D-Glucose) 및 D-프룩토스(D-Fructose)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; (2) 상기 단계(1)의 혼합물의 포도당 및 D-프룩토스가 각각 싸이클화된 D-글루코피라노스(D-glucopyranose) 및 D-프룩토푸라노스(D-fructofuranose)를 고정화 효소(immobilized enzyme) 존재 하에서 아실 공여체(acyl donor)와 트랜스-에스터 반응(trans-esterification reaction)시켜 6-모노아실-글루코피라노스(6-monoacyl-glucopyranose, MAG) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(1,6-Diacyl-fructofuranose, DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; (3) 상기 단계(2)의 혼합물을 이성질화 효소 존재 하에서 이성질화 반응시켜 6-모노아실-글루코피라노스(MAG), 6-모노아실-프룩토푸라노스(6-monoacyl-fructofuranose, MAF) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; (4) 상기 단계(3)의 혼합물을 고정화 효소 존재 하에서 아실 공여체와 트랜스-에스터 반응시켜 6-모노아실-글루코피라노스(MAG) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 및 (5) 상기 단계(4)의 혼합물의 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)를 산촉매 존재 하에서 탈수반응(dehydration reaction) 시켜 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural, AMF)을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural)의 제조방법은 간단한 반응 경로를 가지며, 고정화 효소와 양이온 교환수지를 이용한 불균일 촉매 반응으로 효소와 화학촉매를 이용한 하이브리드 반응을 이용하고, 분리 정제가 용이하며, 촉매의 재활용이 가능하여 경제성이 높은 효과가 있다. 또한 본 발명의 제조방법은 고온/고압을 사용하지 않는 온화한 반응 조건을 가지며, 상업적으로 이용 가능한 촉매와 독성이 적은 범용용매를 함께 사용하여 효율적으로 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural), 특히 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF)을 제조할 수 있다.

Description

포도당으로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법{METHOD OF PREPARING 5-ACYLOXYMETHYL-2-FURFURAL FROM GLUCOSE}
본 발명은 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 포도당으로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural), 특히 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근, 천연 자원의 고갈을 극복하기 위해 많은 노력을 하고 있다. 특히 석유 자원이 제한되어 있으며, 지구상의 유한한 석유량은 수요를 따라갈 수 없다. 제한된 자원을 대신하여 바이오 기반 화학 물질은 재생 가능하고 지속 가능한 잠재적 공급원으로 간주된다. 녹색 화학(Green chemistry)에서 당으로부터 퓨란 유도체의 생산은 유망한 에너지 공급원이다.
그 중에서도 2,5-디메틸퓨란(DMF) 및 5-에톡시메틸푸르푸랄(EMF)은 바이오 연료로 사용될 수 있다. 특히 DMF는 가솔린과 비슷한 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 2,5-퓨란-디카르복실산(FDCA)은 다양하게 적용할 수 있는 잠재력을 갖는다. FDCA는 PET에 대한 폴리에스테르의 전구체로 가장 잘 알려진 테레프탈산(TPA)과 같은 중합체 물질의 단량체를 대체할 수 있다.
5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄(HMF)은 잠재력을 가지고 수많은 퓨란 유도체의 네트워크를 만들 수 있다. 바이오 플라스틱 및 바이오 연료의 출발 물질로 간주되는 FDCA 및 DMF와 같은 퓨란 화합물은 HMF로부터 수소화 및 탈수를 수행함으로써 제조될 수 있다. 그러나 HMF 상의 친수성 분자로 인해 액체-액체 추출 방법(liquid-liquid extraction method)을 통해 용매로부터 최종 생성물을 분리하는 것이 어려운 문제점이 있으며, 분리정제가 어려워 고순도 상태로 얻기 힘든 문제점이 있다.
또한 HMF의 특성 및 합성 공정의 비효율이라는 단점 때문에 산업용 HMF의 생산이 제한적이다. 이온성 액체, 마이크로 웨이브 가열 또는 초임계 용매와 같은 특수한 반응 조건을 사용하는 HMF 합성 공정은 현재 상용화에 적합하지 않은 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 HMF의 대체 플랫폼 화합물로서 간단한 반응 경로를 가지며, 고정화 효소와 양이온 교환수지를 이용한 불균일 촉매 반응으로 분리 정제가 용이하고 촉매의 재활용이 가능하여 경제성이 높은 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural), 특히 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF)의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 목적은 고온/고압을 사용하지 않는 온화한 반응 조건을 가지며, 상업적으로 이용 가능한 촉매와 독성이 적은 범용용매를 함께 사용하여 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural), 특히 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF)을 효율적으로 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (1) 포도당(D-Glucose)을 이성질화 효소 존재 하에서 이성질화 반응(isomerization reaction)시켜 포도당(D-Glucose) 및 D-프룩토스(D-Fructose)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; (2) 상기 단계(1)의 혼합물의 포도당 및 D-프룩토스가 각각 싸이클화된 D-글루코피라노스(D-glucopyranose) 및 D-프룩토푸라노스(D-fructofuranose)를 고정화 효소(immobilized enzyme) 존재 하에서 아실 공여체(acyl donor)와 트랜스-에스터 반응(trans-esterification reaction)시켜 6-모노아실-글루코피라노스(6-monoacyl-glucopyranose, MAG) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(1,6-Diacyl-fructofuranose, DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; (3) 상기 단계(2)의 혼합물을 이성질화 효소 존재 하에서 이성질화 반응시켜 6-모노아실-글루코피라노스(MAG), 6-모노아실-프룩토푸라노스(6-monoacyl-fructofuranose, MAF) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; (4) 상기 단계(3)의 혼합물을 고정화 효소 존재 하에서 아실 공여체와 트랜스-에스터 반응시켜 6-모노아실-글루코피라노스(MAG) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 및 (5) 상기 단계(4)의 혼합물의 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)를 산촉매 존재 하에서 탈수반응(dehydration reaction) 시켜 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural, AMF)을 제조하는 단계;를 포함하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법이 제공된다.
또한 상기 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법이 단계(4) 후에, (3') 상기 단계(4)의 혼합물을 이성질화 효소 존재 하에서 이성질화 반응시켜 6-모노아실-글루코피라노스(MAG), 6-모노아실-프룩토푸라노스(MAF) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 및 (4') 상기 단계(3') 혼합물을 고정화 효소 존재 하에서 아실 공여체와 트랜스-에스터 반응시켜 6-모노아세틸-글루코피라노스(MAG) 및 1,6-디아세틸-프룩토푸라노스(DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 단계(5)의 상기 단계(4)가 상기 단계(4')일 수 있다.
또한 상기 5-아실옥시메틸-2-푸루푸랄의 제조방법이 상기 단계 (3') 및 (4')가 연속적으로 반복하여 추가로 수행되고, 상기 단계 (3') 및 (4')가 연속적으로 반복하여 추가로 수행되는 경우, 상기 단계(3')의 상기 단계(4)의 혼합물이 상기 단계(4')의 혼합물일 수 있다.
또한 상기 단계 (3') 및 (4')가 연속적으로 1회 내지 15회 반복 수행될 수 있다.
또한 상기 단계 (1) 및 (3)의 상기 이성질화 효소가 포도당 이성질화 효소일 수 있다.
또한 상기 단계 (2) 및 (4)의 상기 아실 공여체가 각각 독립적으로 아래 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[구조식 1]
Figure pat00001
상기 구조식 1에서,
R1은 C1 내지 C3 알킬기이고,
R2는 C1 내지 C3 알킬기, 또는
Figure pat00002
이고,
R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1 내지 C3 알킬기이다.
또한 상기 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄이 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄일 수 있다.
또한 상기 단계 (2) 및 (4)의 상기 고정화 효소가 각각 독립적으로 리파아제(lipase)를 포함할 수 있다.
또한 상기 단계 (1) 내지 (4)가 각각 용액 반응으로 수행되고, 상기 용액 반응의 용매가 아세톤, 1,4-디옥산, 에탄올, 에틸 아세테이트, 에틸 에테르, 물, 테트라하이드로퓨란 및 비닐 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 산촉매가 고체 산촉매를 포함할 수 있다.
또한 상기 고체 산촉매가 유기 지지체 또는 무기 지지체 상에 브뢴스테드산 또는 루이스산 기능기가 연결된 것일 수 있다.
또한 상기 고체 산촉매가 양이온 교환 수지를 포함할 수 있다.
또한 상기 단계 (5)가 용액 반응으로 수행되고, 상기 용액 반응의 용매가 아세토니트릴, 1,4-디옥산, 디메틸포름아미드 및 디메틸술폭시드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 단계 (5)가 용액 반응으로 수행되고, 상기 용액 반응의 용매가 상기 1,4-디옥산 100중량부와, 비양성자성 극성용매 5 내지 20중량부를 포함할 수 있다.
또한 상기 비양성자성 극성용매가 디메틸술폭시드 및 디메틸포름아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 비양성자성 극성용매가 디메틸포름아미드를 포함할 수 있다.
또한 상기 단계 (5)의 상기 탈수반응이 8 내지 24시간 동안 수행될 수 있다.
또한 상기 이성질화 효소, 고정화 효소 및 산촉매가 각각 독립적으로 담체에 고정화된 것일 수 있다.
또한 상기 산촉매가 재사용될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 제조방법으로 제조된 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄이 제공된다.
본 발명의 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural)의 제조방법은 간단한 반응 경로를 가지며, 고정화 효소와 양이온 교환수지를 이용한 불균일 촉매 반응으로 효소와 화학촉매를 이용한 하이브리드 반응을 이용하고, 분리 정제가 용이하며, 촉매의 재활용이 가능하여 경제성이 높은 효과가 있다.
또한 본 발명의 제조방법은 고온/고압을 사용하지 않는 온화한 반응 조건을 가지며, 상업적으로 이용 가능한 촉매와 독성이 적은 범용용매를 함께 사용하여 효율적으로 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural), 특히 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF)을 제조할 수 있다.
도 1은 리파아제 종류에 따른 DAF 및 과당의 수율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 이성질화 및 에스터화 반응의 반복 횟수에 따른 MAG 및 DAF의 수율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 단일 용매 종류에 따른 AMF 및 HMF의 수율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 이중 용매 종류에 따른 AMF 및 HMF의 수율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 이중 용매 종류 및 탈수 시간에 따른 AMF 및 HMF의 수율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 "다른 구성요소 상에," "다른 구성요소 상에 형성되어," "다른 구성요소 상에 위치하여," 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어, 위치하여 있거나 또는 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 "수소"란 별도의 정의가 없는 한, 일중수소, 이중수소, 또는 삼중수소를 의미한다.
본 명세서에서 "알킬(alkyl)기" 란 별도의 정의가 없는 한, 지방족 탄화수소기를 의미한다.
알킬기는 어떠한 이중결합이나 삼중결합을 포함하고 있지 않은 "포화 알킬(saturated alkyl)기" 일 수 있다.
알킬기는 적어도 하나의 이중결합 또는 삼중결합을 포함하고 있는 "불포화 알킬(unsaturated alkyl)기"일 수도 있다.
이하, 본 발명의 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 포도당(D-Glucose)을 이성질화 효소 존재 하에서 이성질화 반응(isomerization reaction)시켜 포도당(D-Glucose) 및 D- 프룩토스(D-Fructose)를 포함하는 혼합물을 제조한다(단계 1).
Figure pat00003
다음으로, 상기 단계(1)의 혼합물의 포도당 및 D- 프룩토스가 각각 싸이클화된 D- 글루코피라노스 (D- glucopyranose ) 및 D- 프룩토푸라노스(D-fructofuranose)를 고정화 효소(immobilized enzyme) 존재 하에서 아실 공여체( acyl donor)와 트랜스-에스터 반응(trans- esterification reaction)시켜 6- 모노아실 - 글루코피라노스 (6-monoacyl-glucopyranose, MAG) 및 1,6- 디아실 - 프룩토푸라노스 (1,6- Diacyl -fructofuranose, DAF)를 포함하는 혼합물을 제조한다(단계 2).
Figure pat00004
다음으로, 상기 단계(2)의 혼합물을 이성질화 효소 존재 하에서 이성질화 반응시켜 6- 모노아실 - 글루코피라노스 (MAG), 6- 모노아실 - 프룩토푸라노스 (6- monoacyl -fructofuranose, MAF ) 및 1,6- 디아실 - 프룩토푸라노스(DAF)를 포함하는 혼합물을 제조한다(단계 3).
Figure pat00005
다음으로, 상기 단계(3)의 혼합물을 고정화 효소 존재 하에서 아실 공여체와 트랜스-에스터 반응시켜 6- 모노아실 - 글루코피라노스 (MAG) 및 1,6- 디아실 - 프룩토푸라노스(DAF)를 포함하는 혼합물을 제조한다(단계 4).
Figure pat00006
마지막으로, 상기 단계(4)의 혼합물의 1,6- 디아실 - 프룩토푸라노스(DAF)를 산촉매 존재 하에서 탈수반응(dehydration reaction) 시켜 5- 아실옥시메틸 -2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural, AMF)을 제조한다(단계 5).
Figure pat00007
단계(4) 후에, (3') 상기 단계(4)의 혼합물을 이성질화 효소 존재 하에서 이성질화 반응시켜 6-모노아실-글루코피라노스(MAG), 6-모노아실-프룩토푸라노스(MAF) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 및 (4') 상기 단계(3') 혼합물을 고정화 효소 존재 하에서 아실 공여체와 트랜스-에스터 반응시켜 6-모노아세틸-글루코피라노스(MAG) 및 1,6-디아세틸-프룩토푸라노스(DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계;를 포함할 수 있고, 상기 단계(5)의 상기 단계(4)가 상기 단계(4')일 수 있다.
상기 단계 (3') 및 (4')가 연속적으로 반복하여 추가로 수행되고, 상기 단계 (3') 및 (4')가 연속적으로 반복하여 추가로 수행되는 경우, 상기 단계(3')의 상기 단계(4)의 혼합물은 상기 단계(4')의 혼합물일 수 있다.
상기 단계 (3') 및 (4')는 연속적으로 1회 내지 15회 반복 수행될 수 있으며, 바람직하게는 2회 내지 10회, 보다 바람직하게는 3회 내지 7회 반복 수행될 수 있다.
상기 단계 (1) 및 (3)의 상기 이성질화 효소는 포도당 이성질화 효소일 수 있다.
상기 단계 (2) 및 (4)의 상기 아실 공여체는 각각 독립적으로 아래 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[구조식 1]
Figure pat00008
상기 구조식 1에서,
R1은 C1 내지 C3 알킬기이고,
R2는 C1 내지 C3 알킬기, 또는
Figure pat00009
이고,
R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1 내지 C3 알킬기이다.
상기 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄은 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄일 수 있다.
상기 단계 (2) 및 (4)의 상기 고정화 효소는 각각 독립적으로 리파아제(lipase)를 포함할 수 있다.
상기 단계 (1) 내지 (4)는 각각 용액 반응으로 수행되고, 상기 용액 반응의 용매는 아세톤, 1,4-디옥산, 에탄올, 에틸 아세테이트, 에틸 에테르, 물, 테트라하이드로퓨란 및 비닐 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 산촉매는 고체 산촉매를 포함할 수 있다.
상기 고체 산촉매는 유기 지지체 또는 무기 지지체 상에 브뢴스테드산 또는 루이스산 기능기가 연결된 것일 수 있다.
상기 고체 산촉매는 양이온 교환 수지를 포함할 수 있다.
상기 단계 (5)는 용액 반응으로 수행되고, 상기 용액 반응의 용매는 아세토니트릴, 1,4-디옥산, 디메틸포름아미드 및 디메틸술폭시드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 단계 (5)는 용액 반응으로 수행되고, 상기 용액 반응의 용매는 상기 1,4-디옥산 100중량부와, 비양성자성 극성용매 5 내지 20중량부를 포함할 수 있다.
상기 비양성자성 극성용매는 디메틸술폭시드 및 디메틸포름아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 디메틸포름아미드를 포함할 수 있다.
상기 단계 (5)의 상기 탈수반응은 8 내지 24시간 동안 수행될 수 있다.
상기 이성질화 효소, 고정화 효소 및 산촉매는 각각 독립적으로 담체에 고정화된 것일 수 있다.
상기 산촉매는 재사용될 수 있다.
또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄을 제공한다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예: 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(AMF)의 제조
실시예 1
포도당의 이성질화(isomerization) 반응
[Scheme 1]
Figure pat00010
상기 Scheme 1을 참조하면, 500ml 둥근 바닥 플라스크 (RB)에서 자기 교반하면서 이성질화를 수행하였다. 용매인 10% H2O in tetrahydrofuran(THF) 100 ml에 포도당 1.0 g을 넣고, 포도당 이성질화 효소(GI) 1.0 g을 첨가하였다. 60℃ 및 300rpm에서 15시간 동안 이성질화 반응을 수행하여 포도당(D-Glucose, D-glucopyranose)과 과당(D-Fructose, D-fructofuranose)을 제조하였다.
반응 후 여과지를 사용하여 포도당 이성질화 효소를 분리하였다. 용매를 제거하기 위해 여과물을 압력 펌프를 사용하여 40℃에서 회전식 증발기에서 증발시켰다. 그러나, 용매 혼합물 중 H2O는 높은 비점 때문에 증발 후에도 여전히 남아있다. H2O는 트랜스-에스터(trans-esterification) 반응을 방해하기 때문에, 이성질화 후에 H2O를 제거해야 한다. 혼합물을 -60℃ 및 5 mbar에서 24시간 동안 동결 건조하여 H2O를 증발시켜 시럽 형태가 아닌 백색 분말 형태의 조 생성물(crude product)을 수득하였다.
포도당의 이성질화 반응 동안 다른 부산물은 관찰할 수 없었다. 또한 아래 Scheme 2를 참조하면, 포도당 이성질화 효소에 의한 포도당의 이성질화가 Lobry-de Bruyn-van Ekenstein 변환을 통해 수행되었다.
[Scheme 2]
Figure pat00011
포도당 및 과당 혼합물의 트랜스-에스터(trans-esterification) 반응
[Scheme 3]
Figure pat00012
상기 Scheme 3을 참조하면, 이성질화 반응 후 포도당 및 과당(D-fructofuranose)의 트랜스-에스터 반응을 동시에 수행하였다. 리파아제 1.0 g, 용매인 THF 100 ml 및 아실 공여체로서 비닐 아세테이트(3 equiv) 1.54 ml를 상기 RB에 첨가하였다. 60℃ 및 300rpm에서 4시간 동안 트랜스-에스터 반응을 수행하였다. 반응 후, 여과지 및 증발기를 사용하여 리파아제 및 용매를 제거하였다.
클로로포름, 아세트산, 물 (3 : 3.5 : 0.5) 혼합물의 용리액 시스템을 사용한 박막 크로마토그래피 (TLC) 테스트 및 HPLC 분석은 포도당 및 과당의 트랜스-에스터 반응으로부터 MAG (Rf = 0.36 및 Rt = 9.42 min) 및 DAF (Rf = 0.59 및 Rt = 10.08 min)의 형성을 보여주었다.
반응 동안, 대부분의 반응물 즉, 포도당 및 과당은 4시간 후에 생성물로 전환되었다. 포도당이 에스터 반응에 의해 피라노스(pyranose) 고리를 형성할 때, C6-탄소의 1차 알코올 뿐만 아니라 다른 2차 알코올 기는 아실 공여체로부터의 아세틸기로 대체될 수 있다. 이 경우, 두 종류의 글루코피라노스(glucopyranose)가 합성되었고, 하나는 이성질화 및 트랜스-에스터 반응에 의해 DAF로 전환될 수 있는 6-모노아세틸-글루코피라노스(MAG)이고, 다른 하나는 이성질화 및 탈수 반응 동안 반응을 하지 않는 디아세틸-글루코피라노스(DAG, Rf = 0.54)이다. DAG는 모든 사이클 및 탈수 반응 동안 부산물로서 9.94 %의 수율로 유지되었다. MAG, DAG 및 DAF가 생성물에 공존할 경우, 유사한 물리적 특성으로 인해 컬럼 크로마토 그래피를 사용하여 분리하기가 어렵다.
이성질화 및 트랜스-에스터 반응 반복
[Scheme 4]
Figure pat00013
상기 Scheme 4를 참조하면, MAG 및 DAF를 포함하는 혼합물을 용매인 10% H2O in tetrahydrofuran(THF) 100 ml, 포도당 이성질화 효소(GI) 1.0 g을 사용하여 60℃ 및 300rpm에서 15시간 동안 이성질화 반응시켜 MAG, MAF 및 DAF를 포함하는 혼합물을 제조하였다.
[Scheme 5]
Figure pat00014
상기 Scheme 5를 참조하면, MAG, MAF 및 DAF를 포함하는 혼합물을 리파아제 1.0 g, 용매인 THF 100 ml 및 아실 공여체로서 비닐 아세테이트(3 equiv) 1.54 ml를 사용하여 60℃ 및 300rpm에서 4시간 동안 트랜스-에스터 반응시켜 MAG 및 DAF를 포함하는 혼합물을 제조하였다.
상기 이성질화 및 트랜스-에스터 반응을 5회 반복 수행하였다.
DAF의 탈수 및 AMF의 제조
이성질화 및 트랜스-에스터 반응을 5회 반복함으로써 수득된 DAF를 탈수 반응의 출발 물질로 사용하였다. DAF의 탈수를 위해 양이온 교환 수지(CER)인 Amberlyst 15가 산성 촉매로 선택되었다. 용매로 DMF/Dioxane(1:9) 혼합물을 사용하고, 16시간 동안 마그네틱 바를 사용하여 120℃ 및 500rpm에서 탈수 반응을 수행하여 AMF를 제조하였다.
실시예 2
실시예 1의 DAF의 탈수 및 AMF의 제조에서 16시간 동안 탈수 반응을 수행하는 대신에 24시간 동안 탈수 반응을 수행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 AMF를 제조하였다.
실시예 3
실시예 1의 DAF의 탈수 및 AMF의 제조에서 용매로 DMF/Dioxane(1:9) 혼합물을 사용하는 대신에 DMSO/Dioxane(1:9) 혼합물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 AMF를 제조하였다.
실시예 4
실시예 1의 DAF의 탈수 및 AMF의 제조에서 용매로 DMF/Dioxane(1:9) 혼합물을 사용하는 대신에 DMSO/Dioxane(1:9) 혼합물을 사용하고, 16시간 동안 탈수 반응을 수행하는 대신에 24시간 동안 탈수 반응을 수행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 AMF를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: 포도당의 이성질화 반응 시 용매 종류에 따른 과당 수율 비교
포도당의 이성질화 반응 시 용매 종류에 따른 과당의 수율을 비교하기 위해 포도당 50mg, 포도당 이성질화 효소 50mg, 다양한 종류의 유기 용매 5ml를 사용하여 60℃ 및 500rpm에서 15시간 동안 이성질화 반응시켜 과당의 수율을 비교하였다. 과당의 수율은 하기 식 1을 이용하여 계산하였으며, 용매 종류에 따른 과당 수율을 아래 표 1에 나타내었다.
[식 1]
Figure pat00015
용매 과당 수율(%)
아세톤(Acetone) 2.6
1,4-디옥산(1,4-Dioxane) 2.5
에탄올(Ethanol) 4.2
에틸 아세테이트(Ethyl acetate) 0
에틸 에테르(Ethyl ether) 0
테트라하이드로퓨란(THF) 4.7
비닐 아세테이트(Vinyl acetate) 0
물(H2O) 49.8
Buffer pH 7 solution 29.4
1% H2O in THF 4.7
5% H2O in THF 63.8
10% H2O in THF 67.2
15% H2O in THF 37.6
20% H2O in THF 19.78
상기 표 1을 참조하면, 대부분의 유기 용매에서 이성질화 후에 소량의 과당이 발견되었다. 에테르 및 아세테이트 용매의 경우에만 과당이 완전히 형성되지 않았다. 그러나, 물을 함유하는 혼합 용매의 경우, 과당 수율이 최대 67.2%에 도달하였다. 이러한 결과는 물의 존재가 효소의 이성질화 반응에 크게 영향을 줄 수 있음을 보여준다. 또한 용매로 5% H2O in THF 및 10% H2O in THF를 사용했을 때의 과당 수율은 용매로 물만 사용했을 때보다 개선되었다. 또한 물을 인산 완충액(pH = 7)으로 대체함으로써 반응 매질을 교체하여 pH의 효율성을 조사했다. 그러나 인산 완충액의 과당 수율은 29.4%로 순수한 물의 수율(49.8%)보다 낮았다.
물과 다른 유기 용매의 관계를 파악하기 위해 2상(biphasic) 용매 조건에서 포도당의 이성질화를 테스트했다. 물과 혼합되지 않는 용매로 잘 알려진 에틸 아세테이트 및 비닐 아세테이트가 이성질화 반응을 위해 선택되었다. 2상 용매 반응의 경우, H2O의 부피가 너무 작기 때문에, 반응이 완료된 후 H2O를 첨가하고 분석을 위해 두 개의 상에서 샘플을 채취하였다. 포도당과 과당은 수상(water phase)에서만 발견되었으며, 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
용매 과당 수율(%)
20% H2O in Ethyl Acetate 43.7
10% H2O in Ethyl Acetate 38.0
5% H2O in Ethyl Acetate 33.2
1% H2O in Ethyl Acetate 0
20% H2O in Vinyl Acetate 36.5
10% H2O in Vinyl Acetate 32.2
5% H2O in Vinyl Acetate 34.2
1% H2O in Vinyl Acetate 0
상기 표 2를 참조하면, 2상 용매 시스템은 물의 용매 시스템보다 더 나은 수율을 보여주지 않았다.
물 및 비닐 아세테이트의 2상 용매 시스템과 인산 완충액(pH = 7) 및 비닐 아세테이트의 2상 용매 시스템의 과당 수율을 비교하고, 결과를 아래 표 3에 나타내었다.
Ratio of Vinyl Acetate(%) 과당 수율(%)
H2O Buffer pH 7
90 32.2 31.1
95 34.1 33.4
96 32.9 33.2
97 32.2 34.7
98 32.8 35.6
99 0 4.4
상기 표 3을 참조하면, pH 7 완충 용액을 가진 2상 용매 시스템에서 포도당은 물을 가진 2상 용매 시스템과 유사한 수율로 과당을 형성할 수 있음을 보여준다. 그러나 2상 용매 시스템은 물과 THF를 혼합한 용매와 비교하여 과당 수율에 크게 영향을 미치지 않는다.
시험예 2: 과당의 에스터 반응 시 리파아제 및 용매의 종류에 따른 DAF 수율 비교
트랜스-에스터 반응에 가장 적합한 리파아제를 찾기 위해, 다양한 종류의 리파아제를 조사하였다. 5가지 종류의 리파아제로 에스터 반응을 진행하였다. 과당 50mg, 리파아제 50mg, 비닐 아세테이트 0.077ml, 용매 5ml를 사용하여 60℃에서 4시간 동안 에스터 반응을 수행하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참조하면, Novozym 435는 DAF 합성에 대한 놀라운 선택성을 보여준 반면, 다른 리파아제는 DAF뿐만 아니라 부산물과 미반응 과당이 많이 남아있었다. 즉, Novozym 435이 에스터 반응에 가장 적합한 리파아제였다. 실제로 Novozym 435는 생화학에서의 에스테르화, 글리세롤 분해(glycerolysis) 및 가수 분해(hydrolysis)를 위한 유망한 리파아제 및 생체 촉매이다. 또한 Novozym 435는 고온에서 안정성과 유기 용매에 대한 내성을 가지고 있다.
트랜스-에스터 반응의 최적화를 위해, 상이한 용매 조건에서 과당 50mg, 리파아제(Novozym 435) 50mg, 비닐 아세테이트 0.077ml(3 eq.), 용매 5ml를 사용하여 60℃ 및 500rpm에서 6시간 동안 트랜스-에스터 반응을 모니터링하였고 결과를 아래 표 4에 나타내었다. 1시간마다 샘플을 채취해 수율을 계산하였다.
용매 DAF 수율(%)
2h 3h 4h 5h 6h
아세톤(Acetone) 44.9 45.8 44.4 47.0 47.6
1,4-디옥산(1,4-Dioxane) 90.3 86.9 94.3 89.4 88.4
에탄올(Ethanol) 0 0 0 0 0
에틸 아세테이트(Ethyl acetate) 95.6 93.5 93.4 86.9 88.8
에틸 에테르(Ethyl ether) 31.6 44.4 45.6 47.6 53.1
물(H2O) 0 0 0 0 0
테트라하이드로퓨란(THF) 89.3 92.5 96.4 95.2 80.2
비닐 아세테이트(Vinyl acetate*) 68.2 84.2 85.4 90.4 91.7
* 비닐 아세테이트를 용매로 사용하고, 동일한 비율의 비닐 아세테이트를 첨가 하였다.
상기 표 4를 참조하면, 대부분의 유기 용매는 Novozym 435와 함께 상당한 수의 DAF 수율을 나타낸다. 특히 1,4-디옥산, THF, 에틸 아세테이트, 비닐 아세테이트는 90% 이상의 DMF 수율을 달성하였다. 1,4-디옥산, THF 및 에틸 아세테이트는 DAF의 높은 수율을 나타내지만, DAF의 양은 5시간의 반응 후에 감소하였다. 또한 과당의 전환율이 5시간까지 100% 였음에도 불구하고 부산물 및 과당의 양이 증가하였다. 물 및 에탄올의 경우, 이들 용매의 히드록시기 때문에 DAF 형성이 억제되었다. 이 결과에 따르면, 4시간 동안의 트랜스-에스터 반응에서 THF가 이상적인 용매로 선택되었다.
시험예 3: 이성질화 및 트랜스-에스터 반응의 반복에 따른 MAG 및 DAF의 수율 비교
도 2는 이성질화 및 에스터 반응의 반복 횟수에 따른 MAG 및 DAF의 수율을 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면 1번째 이성질화 및 에스터 반응 후, MAG 및 DAF의 수율은 각각 29.63% 및 70.37%였다. 여전히 많은 MAG가 남아 있었고 이것은 AMF의 최종 수율에 대한 또 다른 장애물이었다. AMF 수율 향상을 위한 방안으로서, 이성질화 및 에스터 반응을 반복적으로 수행하였다. 1번째 이성질화와 동일한 조건으로 2번째 이성질화에 의해, MAG로부터 MAF가 형성될 수 있다. DAF와 혼합된 MAG는 점진적으로 감소했다. 또한, 이어지는 에스터 반응은 1번째 에스터 반응과 동일하게 수행되었다. MAG로부터 직접 이성질화된 MAF는 1차 알코올을 갖기 때문에, MAF는 2번째 트랜스-에스터 반응에 의해 DAF로 전환될 수 있다. 두 프로세스 모두 각각의 1번째 프로세스와 완전히 동일한 조건으로 수행되었다. 반복적인 프로세스는 DAF 수율을 높이고 MAG를 낮출 수 있다. 이성질화 및 에스터 반응을 5회 반복하고 매번 반응 후 용매 및 효소를 새로운 것으로 교체하였다. 최종 생성물에서 DAF의 수율은 85.5%였다. 4번째 주기와 5번째 주기 사이의 MAG에서 DAF로의 변환은 크게 다르지 않았기 때문에, 5번째 사이클에서 이성질화 및 에스터 반응 사이클을 중단시켰다.
시험예 5: DAF의 탈수로 인한 AMF 제조 시 용매에 따른 AMF와 HMF의 수율 비교
AMF의 합성을 위해, 육탄당(hexose)의 탈수에 사용되는 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸술폭시드(DMSO), 아세토니트릴(AN) 및 디옥산과 같이 높은 반응 온도에서 사용할 수 있는 몇 가지 극성 유기 용매로 탈수 조건을 최적화했다.
당으로부터 퓨란 화합물로의 탈수는 크롬계 촉매로 수행되었다. 그러나 크롬계 촉매의 환경 문제를 고려할 때 탈수를 위한 다른 촉매를 연구해야 한다. 당의 탈수 효율이 높은 중금속 또는 귀금속 기반 촉매의 대안으로서, Amberlyst-15가 선택되었다. Amberlyst-15는 현저한 전환율, 수율 및 재사용성을 가지며, 과당으로부터 HMF의 합성을 위한 촉매로서 사용되었다.
스크리닝 테스트를 위해, DAF 50mg, 용매 5ml, Amberylst-15 50mg을 사용하여 120℃에서 6시간 동안 탈수 반응이 수행되었으며 그 결과를 도 3에 나타내었다. 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(AMF)와 5-하이드록시메틸-2-푸르푸랄(HMF)의 수율은 하기 식 2 및 3을 이용하여 계산하였다.
[식 2]
Figure pat00016
[식 3]
Figure pat00017
도 3을 참조하면, 단일 용매 시스템에서 대부분의 용매는 8.4 ~ 23.7%의 좋지 못한 AMF 수율을 보였다. 또한 단일 용매 시스템은 DAF의 탈수에 적합하지 않은 것을 확인할 수 있었다.
특히 아세토니트릴(81.6℃) 및 디옥산(101.3℃)은 DMF(153.0℃) 및 DMSO(189.0℃)와 비교하여 반응 온도(120℃)보다 비점(boiling point)이 낮다. 해결책으로써, 반응 조건을 안정시키기 위해 비점이 높고 AMF 형성에 대해 더 우수한 수율을 나타내는 DMF 및 DMSO를 아세토니트릴 및 디옥산에 첨가하였다.
동일한 양의 DAF 및 Amberlyst-15를 사용하여, 혼합물 용매 시스템에서 16시간 동안 반응을 수행하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. DMF 및 DMSO의 첨가가 반응을 지연시키기 때문에 반응 시간을 16시간까지 연장시켰다.
도 4를 참조하면, 디옥산과 DMF 또는 디옥산과 DMSO의 혼합물에서 AMF 수율의 현저한 변화가 발견되었다. 과당으로부터 HMF의 합성에 널리 사용되는 아세토니트릴, DMF 및 DMSO와 같은 비양성자성 극성용매가 DAF의 탈수에 적합할 것으로 예상했다. 그래서 DMSO와 DMF의 사용에 중점을 두었다. 단일 디옥산에서 AMF 및 HMF의 수율이 각각 8.4% 및 0.6%로 최저였을지라도, 디옥산과 DMF 또는 디옥산과 DMSO와 혼합물의 AMF 수율이 각각 57.7% 및 64.9%로 최고 수율을 나타내었다. 특히, 디옥산/DMSO의 혼합물(9:1)에서 AMF 및 HMF의 최대 수율은 각각 64.9% 및 15.1%였다. 디옥산과 비양성자성 극성용매의 상호 작용이 탈수 반응에 영향을 미치고 AMF의 수율을 50% 이상으로 극적으로 향상시킬 수 있음을 발견했다.
아세토니트릴과 DMF 또는 아세토니트릴과 DMSO를 혼합한 경우, 용매 혼합물은 여전히 120℃의 부적합한 비점을 갖는다. 디옥산 또는 아세토니트릴에서 DMF 및 DMSO의 농도가 10%보다 더 높더라도, AMF 수율의 현저한 차이는 없었다.
DMF 및 DMSO의 첨가는 반응 온도보다 낮은 디옥산의 비점으로 인한 반응의 열 안정성뿐만 아니라 AMF 및 HMF의 형성에 영향을 줄 수 있다. 그 결과 용매 매질에서 유전율이 낮은 혼합 용매는 전체 반응을 가속화할 수 있다. 또한 DMSO와 DMF는 주로 DAF로부터 부산물을 형성하는 디옥산의 부반응을 억제할 수 있다. DMF 및 디옥산의 혼합물에서의 부산물의 수율은 DMSO 및 디옥산의 혼합물보다 약간 더 높았다.
MAG 및 DAF는 HPLC, TLC 플레이트 및 컬럼 크로마토 그래피에서 분리할 수 없었다. 따라서 최종 생성물로부터 AMF와 잔류물을 쉽게 분리하기 위해 동시에 MAG와 DAF 혼합물의 탈수를 제안하였다. MAG는 비양성자성 극성용매와 Amberlyst-15로 탈수한 후 HMF와 같은 다른 푸란 화합물을 형성하지 않는다. 따라서, MAG 및 DAF 혼합물(14.5% 및 85.5%)의 탈수를 동일한 반응 조건으로 수행하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 24시간 후 AMF 및 HMF의 최종 수율은 DMF/디옥산(1:9)의 혼합물에서 각각 56.4% 및 6.4%에 도달하였고, DMSO/디옥산 (1:9)의 혼합물에서 각각 53.4% 및 6.5%에 도달하였다. 16시간 동안 반응시키는 경우, DMSO의 첨가로 인해 탈수가 완료되지 않았다. DMSO/디옥산 혼합물과 비교하여, DMF/디옥산 혼합물은 DMSO/디옥산 혼합물보다 우수한 수율 및 반응 속도를 나타낸다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. (1) 포도당(D-Glucose)을 이성질화 효소 존재 하에서 이성질화 반응(isomerization reaction)시켜 포도당(D-Glucose) 및 D-프룩토스(D-Fructose)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계;
    (2) 상기 단계(1)의 혼합물의 포도당 및 D-프룩토스가 각각 싸이클화된 D-글루코피라노스(D-glucopyranose) 및 D-프룩토푸라노스(D-fructofuranose)를 고정화 효소(immobilized enzyme) 존재 하에서 아실 공여체(acyl donor)와 트랜스-에스터 반응(trans-esterification reaction)시켜 6-모노아실-글루코피라노스(6-monoacyl-glucopyranose, MAG) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(1,6-Diacyl-fructofuranose, DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계;
    (3) 상기 단계(2)의 혼합물을 이성질화 효소 존재 하에서 이성질화 반응시켜 6-모노아실-글루코피라노스(MAG), 6-모노아실-프룩토푸라노스(6-monoacyl-fructofuranose, MAF) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계;
    (4) 상기 단계(3)의 혼합물을 고정화 효소 존재 하에서 아실 공여체와 트랜스-에스터 반응시켜 6-모노아실-글루코피라노스(MAG) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 및
    (5) 상기 단계(4)의 혼합물의 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)를 산촉매 존재 하에서 탈수반응(dehydration reaction) 시켜 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural, AMF)을 제조하는 단계;를
    포함하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법이 단계(4) 후에,
    (3') 상기 단계(4)의 혼합물을 이성질화 효소 존재 하에서 이성질화 반응시켜 6-모노아실-글루코피라노스(MAG), 6-모노아실-프룩토푸라노스(MAF) 및 1,6-디아실-프룩토푸라노스(DAF)을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 및
    (4') 상기 단계(3') 혼합물을 고정화 효소 존재 하에서 아실 공여체와 트랜스-에스터 반응시켜 6-모노아세틸-글루코피라노스(MAG) 및 1,6-디아세틸-프룩토푸라노스(DAF)를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 단계(5)의 상기 단계(4)가 상기 단계(4')인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 5-아실옥시메틸-2-푸루푸랄의 제조방법이
    상기 단계 (3') 및 (4')가 연속적으로 반복하여 추가로 수행되고,
    상기 단계 (3') 및 (4')가 연속적으로 반복하여 추가로 수행되는 경우, 상기 단계(3')의 상기 단계(4)의 혼합물이 상기 단계(4')의 혼합물인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단계 (3') 및 (4')가 연속적으로 1회 내지 15회 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (1) 및 (3)의 상기 이성질화 효소가 포도당 이성질화 효소인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (2) 및 (4)의 상기 아실 공여체가 각각 독립적으로 아래 구조식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법:
    [구조식 1]
    Figure pat00018

    상기 구조식 1에서,
    R1은 C1 내지 C3 알킬기이고,
    R2는 C1 내지 C3 알킬기, 또는
    Figure pat00019
    이고,
    R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1 내지 C3 알킬기이다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄이 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (2) 및 (4)의 상기 고정화 효소가 각각 독립적으로 리파아제(lipase)를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (1) 내지 (4)가 각각 용액 반응으로 수행되고,
    상기 용액 반응의 용매가 아세톤, 1,4-디옥산, 에탄올, 에틸 아세테이트, 에틸 에테르, 물, 테트라하이드로퓨란 및 비닐 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 산촉매가 고체 산촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고체 산촉매가 유기 지지체 또는 무기 지지체 상에 브뢴스테드산 또는 루이스산 기능기가 연결된 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 고체 산촉매가 양이온 교환 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (5)가 용액 반응으로 수행되고,
    상기 용액 반응의 용매가 아세토니트릴, 1,4-디옥산, 디메틸포름아미드 및 디메틸술폭시드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단계 (5)가 용액 반응으로 수행되고,
    상기 용액 반응의 용매가 상기 1,4-디옥산 100중량부와, 비양성자성 극성용매 5 내지 20중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 비양성자성 극성용매가 디메틸술폭시드 및 디메틸포름아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 비양성자성 극성용매가 디메틸포름아미드를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (5)의 상기 탈수반응이 8 내지 24시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 이성질화 효소, 고정화 효소 및 산촉매가 각각 독립적으로 담체에 고정화된 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 산촉매가 재사용되는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
  20. 제1항의 제조방법으로 제조된 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄.
KR1020200060798A 2020-05-21 2020-05-21 포도당으로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법 KR102464958B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200060798A KR102464958B1 (ko) 2020-05-21 2020-05-21 포도당으로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200060798A KR102464958B1 (ko) 2020-05-21 2020-05-21 포도당으로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210144053A true KR20210144053A (ko) 2021-11-30
KR102464958B1 KR102464958B1 (ko) 2022-11-15

Family

ID=78722269

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200060798A KR102464958B1 (ko) 2020-05-21 2020-05-21 포도당으로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102464958B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130035167A (ko) * 2011-09-29 2013-04-08 한국생산기술연구원 유기용매 하에서 이온교환수지를 이용한 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄 또는 그의 알킬 에테르 유도체의 제조방법
KR20140056040A (ko) * 2012-10-29 2014-05-09 삼성전자주식회사 푸르푸랄 화합물의 제조 방법
KR20140141212A (ko) * 2013-05-31 2014-12-10 한국생산기술연구원 금속 아세테이트염과 알킬암모늄아세테이트염을 이용한 5-아세트옥시메틸푸르푸랄의 제조방법
KR20160028035A (ko) * 2014-09-02 2016-03-11 한국생산기술연구원 마이크로파를 이용한 5-아세트옥시메틸푸르푸랄의 신규한 제조방법
KR20190020875A (ko) * 2017-08-21 2019-03-05 한국생산기술연구원 고과당 옥수수시럽으로부터 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130035167A (ko) * 2011-09-29 2013-04-08 한국생산기술연구원 유기용매 하에서 이온교환수지를 이용한 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄 또는 그의 알킬 에테르 유도체의 제조방법
KR20140056040A (ko) * 2012-10-29 2014-05-09 삼성전자주식회사 푸르푸랄 화합물의 제조 방법
KR20140141212A (ko) * 2013-05-31 2014-12-10 한국생산기술연구원 금속 아세테이트염과 알킬암모늄아세테이트염을 이용한 5-아세트옥시메틸푸르푸랄의 제조방법
KR20160028035A (ko) * 2014-09-02 2016-03-11 한국생산기술연구원 마이크로파를 이용한 5-아세트옥시메틸푸르푸랄의 신규한 제조방법
KR20190020875A (ko) * 2017-08-21 2019-03-05 한국생산기술연구원 고과당 옥수수시럽으로부터 5-히드록시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
과학기술연합대학원대학교 박사학위논문, HUYNH THANH THIEN NHAN(2020.2.)* *
한국공업화학회 포스터, 조진구 등(2015.11.)* *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102464958B1 (ko) 2022-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mascal 5-(Chloromethyl) furfural (CMF): a platform for transforming cellulose into commercial products
Chernyshev et al. Conversion of plant biomass to furan derivatives and sustainable access to the new generation of polymers, functional materials and fuels
Dutta et al. Promises in direct conversion of cellulose and lignocellulosic biomass to chemicals and fuels: Combined solvent–nanocatalysis approach for biorefinary
KR101576313B1 (ko) 탄수화물의 히드록시메틸퓨르퓨랄(ｈｍｆ) 및 그 유도체로의 전환
Chheda et al. An overview of dehydration, aldol-condensation and hydrogenation processes for production of liquid alkanes from biomass-derived carbohydrates
Tan et al. Efficient production of ethyl levulinate from cassava over Al2 (SO4) 3 catalyst in ethanol–water system
CN101619051B (zh) 羟甲基糠醛的制备方法
Cukalovic et al. Production of biobased HMF derivatives by reductive amination
US8729281B2 (en) Production of hydroxymethylfurfural
US20170226075A1 (en) Synthesis of Non-Ionic Surfactants From 5-Hydroxymethyl-2-Furfural, Furan-2,5-Dimethanol and Bis-2,5-Dihydroxymethyl-Tetrahydrofurans
WO1992010486A1 (fr) Procede de preparation d'hydroxymethyl-5 furfural par catalyse heterogene
Baraldi et al. Enzymatic synthesis of biobased aliphatic–aromatic oligoesters using 5, 5′-bis (hydroxymethyl) furoin as a building block
Yan et al. Efficient water removal in lipase‐catalyzed esterifications using a low‐boiling‐point azeotrope
CN113563289B (zh) 一种从糠醛制备2,5-呋喃二甲酸的方法
CA2863157A1 (en) Method for the production of aliphatic alcohols and/or their ethers, in particular 1-octanol
KR102464958B1 (ko) 포도당으로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법
WO2010131844A2 (ko) 해조류 유래 갈락탄을 이용한 바이오연료의 제조방법
EP2289899B1 (fr) Nouveaux liquides ioniques à base d'anions dithiophosphate et leurs préparations
WO2016028854A1 (en) Sulfonated ester derivatives and non-ionic amphiphilic surfactants from anhydropentitols and methods for making the same
KR102560488B1 (ko) 고정화 효소 및 고체 산촉매를 이용한 d-프룩토스로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법
CN102580609A (zh) 一种表面活性剂及其制备方法
CN105658632A (zh) 在来源于生物质的基于乙二醇的化合物溶剂的存在下使用酸催化剂制备5-羟甲基-2-糠醛的方法
US10787427B2 (en) Synthesis of furan acids from xylonic acid
Uppal et al. Evaluation of potential of sweet sorghum bagasse for production of value-added chemicals: 5-Hydroxymethyl furfural and its derivatives
CN105829322A (zh) 改进的二醇酰化方法

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right