KR20220008528A - Method of preparing 5-acyloxymethyl-2-furfural from d-fructose using immobilized enzyme and solid acid catalyst - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a method for preparing 5-acyloxymethyl-2-furfural from d-fructose using an immobilized enzyme and a solid acid catalyst, in which a catalyst can be reused to increase economic efficiency. According to the present invention, the method comprises the following steps: (a) preparing a compound 2 of a reaction formula 1 by trans-esterification reaction between D-fructose, which is a compound 1, and an acyl donor in the presence of an immobilized enzyme; and (b) performing a dehydration reaction for the compound 2 in the presence of a solid acid catalyst to prepare a compound 3, which is 5-acyloxymethyl-2-furfural, wherein R1 is a C1 to C3 alkyl group.

Description

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

본 발명은 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고정화 효소 및 고체 산촉매를 이용하여 D-프룩토스로부터 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acyloxymethyl-2-furfural), 특히 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF)을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing 5-acyloxymethyl-2-furfural, and more particularly, to 5-acyloxymethyl-2-furfural (5-acyloxymethyl-2-furfural (5- acyloxymethyl-2-furfural), in particular to a method for preparing 5-acetoxymethyl-2-furfural (AMF).

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

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

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

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

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.It is also an object of the present invention to have a mild reaction condition that does not use high temperature/high pressure, and to use a commercially available catalyst and a general-purpose solvent with low toxicity together with 5-acyloxymethyl-2-furfural (5-acyloxymethyl-2 -furfural), in particular, to provide a method for efficiently producing 5-acetoxymethyl-2-furfural (5-acetoxymethyl-2-furfural, AMF).

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

[반응식 1] [Scheme 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 반응식 1에서,In Scheme 1,

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

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

[화학식 4][Formula 4]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 화학식 4에서,In Formula 4,

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

R2는 C1 내지 C3 알킬기, 또는

Figure pat00003
이고,R 2 is a C1 to C3 alkyl group, or
Figure pat00003
ego,

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

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

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

또한 상기 고정화 효소가 사용하지 않은 것 또는 상기 트랜스-에스터 반응에 촉매로 사용된 후 여과하여 리사이클된 것일 수 있다.In addition, the immobilized enzyme may not be used or may be recycled by filtration after being used as a catalyst in the trans-ester reaction.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.Also, when it is stated that a certain component is “on another component,” “formed on another component,” “located on another component,” or “stacked on another component,” the It may be formed, positioned, or laminated by being directly attached to the front surface or one surface on the surface of other components, but it will be understood that other components may be further present in the middle.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 명세서에서 "수소"란 별도의 정의가 없는 한, 일중수소, 이중수소, 또는 삼중수소를 의미한다. As used herein, "hydrogen" means singlet, deuterium, or tritium, unless otherwise defined.

본 명세서에서 "알킬(alkyl)기" 란 별도의 정의가 없는 한, 지방족 탄화수소기를 의미한다. As used herein, the term "alkyl group" refers to an aliphatic hydrocarbon group unless otherwise defined.

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

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

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

[반응식 1] [Scheme 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 반응식 1에서,In Scheme 1,

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

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

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

[화학식 4][Formula 4]

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 화학식 4에서,In Formula 4,

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

R2는 C1 내지 C3 알킬기, 또는

Figure pat00006
이고,R 2 is a C1 to C3 alkyl group, or
Figure pat00006
ego,

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

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

상기 고정화 효소는 사용하지 않은 것 또는 상기 트랜스-에스터 반응에 촉매로 사용된 후 여과하여 리사이클된 것일 수 있다.The immobilized enzyme may be unused or recycled by filtration after being used as a catalyst in the trans-ester reaction.

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

마지막으로, 고체 Finally, solid 산촉매acid catalyst 존재 하에서in existence 상기 화합물 2를 탈수 반응(dehydration reaction)시켜 화합물 3인 5- Compound 3, 5-, by dehydration reaction of compound 2 아실옥시메틸acyloxymethyl -2-푸르푸랄을 제조한다(단계 b).Prepare -2-furfural (step b).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[실시예][Example]

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

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

실시예Example

실시예 1: DAF 제조Example 1: DAF Preparation

[Scheme 1][Scheme 1]

Figure pat00007
Figure pat00007

실시예 1-1Example 1-1

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

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

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

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

실시예 1-2 내지 1-35Examples 1-2 to 1-35

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[Scheme 2][Scheme 2]

Figure pat00008
Figure pat00008

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

실시예 5-1Example 5-1

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

실시예 5-2 내지 5-11Examples 5-2 to 5-11

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

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

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

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

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

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

실시예 6-2 내지 6-5Examples 6-2 to 6-5

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

실시예 7: Amberlyst 15 재사용Example 7: Amberlyst 15 Reuse

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

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

[시험예][Test Example]

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

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

[식 1][Equation 1]

Figure pat00009
Figure pat00009

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

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

한편, -OH 작용기를 포함하는 물(실시예 1-1 내지 1-3)과 용매(실시예 1-4 내지 1-9)는 -OH 기가 아실 공여체로부터의 아세틸기와 D-프룩토스의 1차 -OH 기의 교환을 방해하기 때문에 당연히 트랜스-에스터 반응이 일어나지 않았다.On the other hand, in water (Examples 1-1 to 1-3) and solvents (Examples 1-4 to 1-9) containing -OH functional groups, -OH groups are primary groups of acetyl groups from acyl donors and D-fructose. Naturally, the trans-ester reaction did not occur because it interfered with the exchange of -OH groups.

중간 및 낮은 극성 지수를 갖는 용매는 D-프룩토스를 거의 용해시킬 수 없기 때문에 DAF 수율을 거의 또는 전혀 얻지 못했으며(실시예 1-10 내지 1-12, 1-22 내지 1-33), 따라서 D-프룩토스가 용해되지 않고 고정화 리파아제와 접촉했을 때 반응은 정체 상태를 유지한다.Solvents with medium and low polarity indices obtained little or no DAF yield because they could hardly dissolve D-fructose (Examples 1-10 to 1-12, 1-22 to 1-33), and thus When D-fructose is not dissolved and comes into contact with immobilized lipase, the reaction remains stagnant.

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

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

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

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

[식 2][Equation 2]

Figure pat00010
Figure pat00010

[식 3][Equation 3]

Figure pat00011
Figure pat00011

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[식 4][Equation 4]

Figure pat00012
Figure pat00012

[식 5][Equation 5]

Figure pat00013
Figure pat00013

[식 6][Equation 6]

Figure pat00014
Figure pat00014

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As mentioned above, although preferred embodiments of the present invention have been described, those of ordinary skill in the art can add, change, delete or The present invention may be variously modified and changed by addition, etc., and this will also be included within the scope of the present invention. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (16)

반응식 1과 같이,
(a) 고정화 효소(immobilized enzyme) 존재 하에서 화합물 1인 D-프룩토스(D-Fructose)와 아실 공여체(acyl donor)를 트랜스-에스터(trans-esterification) 반응시켜 화합물 2를 제조하는 단계; 및
(b) 고체 산촉매 존재 하에서 상기 화합물 2를 탈수 반응(dehydration reaction)시켜 화합물 3인 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄을 제조하는 단계;를
포함하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법:
[반응식 1]
Figure pat00015

상기 반응식 1에서,
R1은 C1 내지 C3 알킬기이다.
As in Scheme 1,
(a) preparing compound 2 by trans-esterification of compound 1, D-fructose, and acyl donor in the presence of an immobilized enzyme; and
(b) dehydration reaction of compound 2 in the presence of a solid acid catalyst to prepare compound 3, 5-acyloxymethyl-2-furfural;
Method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural comprising:
[Scheme 1]
Figure pat00015

In Scheme 1,
R 1 is a C1 to C3 alkyl group.
제1항에 있어서,
상기 아실 공여체가 아래 화학식 4로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법:
[화학식 4]
Figure pat00016

상기 화학식 4에서,
R1은 C1 내지 C3 알킬기이고,
R2는 C1 내지 C3 알킬기, 또는
Figure pat00017
이고,
R3은 수소원자 또는 C1 내지 C3 알킬기이다.
According to claim 1,
Method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the acyl donor is a compound represented by the following formula (4):
[Formula 4]
Figure pat00016

In Formula 4,
R 1 is a C1 to C3 alkyl group,
R 2 is a C1 to C3 alkyl group, or
Figure pat00017
ego,
R 3 is a hydrogen atom or a C1 to C3 alkyl group.
제2항에 있어서,
상기 화학식 4에서,
R1은 메틸기이고,
화합물 2가 1,6-디아세틸프룩토스(DAF)이고,
화합물 3이 5-아세트옥시메틸-2-푸르푸랄(AMF)인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
3. The method of claim 2,
In Formula 4,
R 1 is a methyl group,
compound 2 is 1,6-diacetyl fructose (DAF),
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, wherein compound 3 is 5-acetoxymethyl-2-furfural (AMF).
제1항에 있어서,
상기 고정화 효소가 리파아제(lipase)인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the immobilized enzyme is lipase.
제1항에 있어서,
상기 고정화 효소가 사용하지 않은 것 또는 상기 트랜스-에스터 반응에 촉매로 사용된 후 여과하여 리사이클된 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the immobilized enzyme is not used or is filtered and recycled after being used as a catalyst in the trans-ester reaction.
제1항에 있어서,
단계 (a)가 용매를 사용하는 용액 반응으로 수행되고,
단계 (a)의 상기 용매가 물, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 테트라히드로퓨란, 1,4-디옥산, 디메틸술폭시드, 에틸아세테이트, 메틸이소부틸케톤, 헥산, 및 디클로로메탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
Step (a) is carried out as a solution reaction using a solvent,
1 selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, acetone, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, dimethyl sulfoxide, ethyl acetate, methyl isobutyl ketone, hexane, and dichloromethane in step (a) A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, comprising more than one species.
제6항에 있어서,
단계 (a)의 상기 용매가 테트라히드로퓨란 및 1,4-디옥산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, wherein the solvent of step (a) comprises at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran and 1,4-dioxane.
제1항에 있어서,
상기 고체 산촉매가 양이온 교환 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the solid acid catalyst comprises a cation exchange resin.
제8항에 있어서,
상기 양이온 교환 수지가 Amberlyst 15를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the cation exchange resin comprises Amberlyst 15.
제1항에 있어서,
단계 (b)가 용매를 사용하는 용액 반응으로 수행되고,
단계 (b)의 용매가 테트라히드로퓨란, 1,4-디옥산 및 디메틸술폭시드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
step (b) is carried out as a solution reaction using a solvent,
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, wherein the solvent of step (b) comprises at least one selected from the group consisting of tetrahydrofuran, 1,4-dioxane and dimethyl sulfoxide.
제10항에 있어서,
상기 단계 (b)의 용매가 상기 1,4-디옥산 및 상기 디메틸술폭시드를 포함하고,
상기 1,4-디옥산 100중량부에 대하여 상기 디메틸술폭시드 10 내지 100중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The solvent of step (b) comprises the 1,4-dioxane and the dimethyl sulfoxide,
A method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, comprising 10 to 100 parts by weight of the dimethyl sulfoxide based on 100 parts by weight of the 1,4-dioxane.
제1항에 있어서,
상기 고체 산촉매가 유기 지지체 또는 무기 지지체 상에 브뢴스테드산 또는 루이스산 기능기가 연결된 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
The solid acid catalyst is a method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that a Bronsted acid or Lewis acid functional group is linked on an organic support or an inorganic support.
제1항에 있어서,
상기 고체 산촉매가 사용하지 않은 것 또는 상기 탈수 반응에 촉매로 사용된 후 리사이클된 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the solid acid catalyst is not used or recycled after being used as a catalyst in the dehydration reaction.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 상기 화합물 2에 대한 상기 고체 산촉매의 중량비(고체 산촉매/화합물 2)가 0.5 내지 1인 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the weight ratio of the solid acid catalyst to the compound 2 (solid acid catalyst/compound 2) in step (b) is 0.5 to 1.
제14항에 있어서,
상기 고정화 효소 및 고체 산촉매가 각각 독립적으로 담체에 고정화된 것을 특징으로 하는 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄의 제조방법.
15. The method of claim 14,
The method for producing 5-acyloxymethyl-2-furfural, characterized in that the immobilized enzyme and the solid acid catalyst are each independently immobilized on a carrier.
제1항의 제조방법으로 제조된 5-아실옥시메틸-2-푸르푸랄.5-acyloxymethyl-2-furfural prepared by the method of claim 1.
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Carbohydrate research, 2005, Vol.340, No.2, pp.319-323* *
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