JP2007261990A - フラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単離、精製工程を省略することができ、工程数の減少を図り、プロセス中における廃棄除去の分量の減少を図り、短時間で高収率でＦＤＣＡを製造することができるＦＤＣＡの製造方法を提供する。時間的にも経済的にも効率よくＦＤＣＡを製造することができ、工業的にも適用できるＦＤＣＡの製造方法を提供する。
【解決手段】糖類の脱水反応を行い、５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成させた反応混合物を、分離・精製工程を経ずに用い、該反応混合物をアルカリ性環境で、５−ヒドロキシメチルフルフラールの２．０モル当量以上１０．０モル当量以下の過マンガン酸塩により酸化し、５−ヒドロキシメチルフルフラールからフラン−２，５−ジカルボン酸を製造する。
【選択図】なし

Description

本発明は、穏やかな条件で、製造工程数の減少を図り効率よく、高収率でフラン−２，５−ジカルボン酸を得ることができるフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法に関する。

フラン−２，５−ジカルボン酸（ＦＤＣＡ）は医薬、農薬、殺虫剤、抗菌剤、香料、その他各種の分野の中間体として利用価値が高い。フラン−２，５−ジカルボン酸の合成方法としては、糖類の脱水反応により高収率で得られる５−ヒドロキシメチルフルフラ−ル（５−ＨＭＦ）から合成する方法が知られている。

糖類の脱水反応により５−ＨＭＦを合成する方法としては、高温高圧水や溶媒を用いて糖類を脱水する方法が使用されている。例えば、糖類を、アルカリ土類金属化合物を触媒として極性溶媒中で加熱することによって５−ＨＭＦを製造する方法が報告されている（特許文献１）。また、高温高圧水と糖類を接触させることにより糖類の脱水を行い、得られた反応混合物から、濾過およびクロマトグラフにより５−ＨＭＦを単離・精製する方法が報告されている（特許文献２）。

このようにして得られた５−ＨＭＦからＦＤＣＡを製造する方法としては、触媒や酸化剤で酸化する方法が知られている。例えば、５０℃から９０℃の温度範囲で、５−ＨＭＦを白金族の触媒と共存させ、酸素バブリングにより酸化させることにより、ＦＤＣＡを合成する方法が報告されている（特許文献３）。また、５−ＨＭＦを高温下で硝酸と共存させる方法や、５−ＨＭＦ水溶液に対して過マンガン酸カリウムのピリジン溶液を滴下して５−ＨＭＦを酸化してＦＤＣＡを合成する方法が報告されている（非特許文献１）。

しかしながら、上記５−ＨＭＦを触媒や酸化剤を用いて酸化してＦＤＣＡを合成する方法では、糖類の脱水反応により得られた５−ＨＭＦを適用するためには、脱水反応による５−ＨＭＦを含む反応混合物から、５−ＨＭＦを単離・精製する工程を必要とする。単離操作には、蒸留法、抽出法、クロマトグラフ法などを用いることができるが、蒸留法には加熱や減圧に伴うエネルギーや時間を必要とし、抽出法では大量の抽出溶媒を必要とし、５−ＨＭＦを完全に抽出することは困難であり、抽出ロスが発生する。また、クロマトグラフ法は、大量の廃棄物が発生する。このように、５−ＨＭＦの単離・精製操作が必要な合成方法においては、プロセスが複雑化する、操作に伴う時間やエネルギーを必要とする上、単離・精製工程中で５−ＨＭＦのロスが生じる。

また、精製した５−ＨＭＦの酸化工程においても、白金族を触媒として使用する場合、高収率でＦＤＣＡを得られるものの、反応時間が長く、貴金属触媒を多量に用い生産単価が高くなる上、生産効率も低く、工業的生産への適用には問題がある。また、酸化剤として硝酸を用いる場合、高温反応となり熱エネルギーが発生すること、過マンガン酸カリウムのピリジン溶液での酸化では、高価な有機溶媒や塩基を用いることや、ＦＤＣＡの収率が低下するという問題点がある。
特開平１０−２６５４６８号公報 米国特許４７４０６０５号 特開平０２−８８５６９号公報 ＴＯＮＩ ＥＬ ＨＡＪＪ，ＡＮＴＯＩＮＥ ＭＡＳＲＯＵＡ，ＪＥＡＮ−ＣＬＡＵＤＥ ＭＡＲＴＩＮ，ＧＥＲＡＲＤ DESCOTES， ＢＵＬＬＥＴＩＮ ＤＥ ＬＡ SOCIETE ＣＨＩＭＩＱＵＥ ＤＥ ＦＲＡＮＣＥ．１９８７，ｐ．８５５−８６０

本発明の課題は、単離、精製工程を省略することができ、工程数の減少を図り、プロセス中における廃棄除去の分量の減少を図り、穏やかな条件で短時間で高収率でＦＤＣＡを製造することができるＦＤＣＡの製造方法を提供することにある。このため、時間的にも経済的にも効率よくＦＤＣＡを製造することができ、工業的にも適用できるＦＤＣＡの製造方法を提供することにある。

本発明者らは、糖類の脱水反応により主生成物として５−ＨＭＦを生成させた後、５-ＨＭＦを単離・精製工程を経ずに、原料や、副生成物等の共存する反応混合物中の５−ＨＭＦから、高収率でＦＤＣＡを得ることができる方法について鋭意研究を行った。その結果、糖類の脱水反応により生成した５−ＨＭＦを反応主生成物として含有する反応混合物をアルカリ性の環境において、特定量の過マンガン酸塩により酸化することにより高収率でＦＤＣＡを得ることができることの知見を得た。かかる知見に基づき、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、糖類の脱水反応を行い、５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成させた反応混合物を分離・精製工程を経ずに用い、該反応混合物をアルカリ性環境で、５−ヒドロキシメチルフルフラールの２．０モル当量以上１０．０モル当量以下の過マンガン酸塩により酸化し、５−ヒドロキシメチルフルフラールからフラン−２，５−ジカルボン酸を製造することを特徴とするフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法に関する。

本発明のＦＤＣＡの製造方法は、単離、精製工程を省略することができ、工程数の減少を図り、プロセス中における廃棄除去の分量の減少を図り、穏やかな条件で短時間で高収率でＦＤＣＡを製造することができるＦＤＣＡの製造方法を提供することにある。このため、時間的にも経済的にも効率よくＦＤＣＡを製造することができ、工業的にも適用できる。

本発明のフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法は、糖類の脱水反応を行い、５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成させた反応混合物を分離・精製工程を経ずに用い、該反応混合物をアルカリ性環境で、５−ヒドロキシメチルフルフラールの２．０モル当量以上１０．０モル当量以下の過マンガン酸塩により酸化し、５−ヒドロキシメチルフルフラールからフラン−２，５−ジカルボン酸を製造することを特徴とする。

本発明のＦＤＣＡの製造方法は、糖類の脱水反応により生成した５−ＨＭＦを、糖類の脱水反応の反応混合物から単離・精製をせずに反応混合物中において、その５−ヒドロキシメチル基、ホルミル基を酸化しＦＤＣＡを生成させる方法である。

本発明のＦＤＣＡの製造方法において用いる、糖類の脱水反応による反応混合物としては、糖類の脱水反応により生成した５−ＨＭＦを含有するものである限り、その他の生成物、未反応原料、これに含まれる不純物成分、溶媒等を含むものであってもよい。

かかる糖類の脱水反応に用いる糖類としては、天然物、合成物いずれのものであってもよいが、例えば、六糖類を構成単位とする多糖類、少糖類および単糖類などを用いることができる。具体的には、六糖類を構成単位とする多糖類としては、セルロース、澱粉等を挙げることができる。少糖類としては、具体的には、ショ糖、マルトース、セロビオース、ラクトース等を挙げることができる。単糖類としては、具体的には、フルクトース、グルコース等を挙げることができる。これらの糖類は、１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

これらの糖類の脱水反応としては、高温高圧水や溶媒を用いる方法などいずれの方法であってもよいが、反応生成物として５−ＨＭＦを主生成物とするものが好ましい。具体的には、ＵＳＰ４７４０６０５ Ｅａｍｐｌｅ１に記載される方法等を挙げることができる。詳述すると、フルクトース１１ｋｇ、水３３L、シュウ酸１１０ｇを混合し、１２０ｒｐｍで攪拌しながら１４０℃において１５分間反応させる。その後、攪拌を止め、１３５−１４２℃で１３０分間静置する。

このような糖類の脱水反応により得られる反応混合物には、反応生成物として、５−ＨＭＦの他、脱水後の多糖類や、フルフラール、レブリン酸、ギ酸等を含み、未反応の原料成分としての糖類、これに含まれる不純物や、脱水反応に用いた溶媒などが含まれる。この反応混合物に含まれる反応生成物成分としては、主成分として５−ＨＭＦ、副生成物としてフルフラール、レブリン酸およびギ酸等であることが好ましい。

このような反応混合物中に含まれる５−ＨＭＦは、単離・精製工程を経ずに、その他の含有物の共存下で反応混合物中に含有された状態で使用する。後述するアルカリ、過マンガン酸塩を加える前の反応混合物中の５−ＨＭＦの含有量としては、５０質量％以下であることが、酸化熱によって反応系が高温になることを抑制することができることから好ましい。反応混合物中の５−ＨＭＦの含有量が５０質量％を超える場合は水等の溶媒を加えて、その含有量が５０質量％以下となるように調整することが好ましい。反応混合物中の５−ＨＭＦの含有量としては、より好ましくは、０．１質量％以上２．５質量％以下であり、更に好ましくは、０．５質量％以上１．５質量％以下である。

このような反応混合物をアルカリ性とする方法として、アルカリを使用する方法を挙げることができる。使用するアルカリとしては、例えば、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物、アンモニウムイオン、その他有機塩基等を挙げることができる。具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化バリウム、水酸化カルシウムなどを挙げることができる。アルカリの使用量としては、５−ＨＭＦの２．０モル当量以上であることが好ましく、より好ましくは、２．５モル当量以上２５．０モル当量以下である。アルカリの使用量が、５−ＨＭＦの２．０モル当量以上であれば、５−ＨＭＦの酸化に必要なアルカリ性環境とすることができ、５−ＨＭＦの酸化が効率よく進行する。反応混合物にアルカリを使用する方法としては、後述する過マンガン酸塩の添加前後を問わず、添加する方法を挙げることができる。

反応混合物の酸化に用いる過マンガン酸塩としては、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩や、バリウム塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩を具体的に挙げることができる。過マンガン酸塩の使用量は、５−ＨＭＦの２．０モル当量以上１０．０モル当量である。好ましくは２．５モル当量以上７．５モル当量以下である。過マンガン酸塩の使用量が５−ＨＭＦの２．０モル当量以上であれば、５−ＨＭＦの酸化を充分に行うことができ、酸化されずに残存する５−ＨＭＦ量を抑制することができる。また、過マンガン酸塩の使用量が５−ＨＭＦの１０．０モル当量以下であれば、過剰の過マンガン酸塩が生成物のＦＤＣＡを分解し収率を低下させることを抑制することができる。

このような過マンガン酸塩による反応混合物の酸化は、糖類の脱水反応を行った反応混合物にアルカリ、過マンガン酸塩を添加、混合、攪拌して行うことができる。反応混合物にアルカリ、過マンガン酸塩を添加する順番としては、いずれが先であってもよい。反応温度は、１０℃以上６０℃以下の温度で行うことが好ましい。例えば、過マンガン酸塩による反応混合物の酸化としては、反応混合物にアルカリ、過マンガン酸塩を室温（例えば、２５℃前後）で順次添加、混合、例えば１時間攪拌し、酸化反応を進行させ生成する反応熱により更に反応の進行速度の上昇を図る方法を挙げることができる。酸化反応の温度範囲が上記範囲であると、効率よくＦＤＣＡを生成することができ、高温によるＦＤＣＡの分解を抑制し、ＦＤＣＡを高収率で得ることができる。

反応後、目的生成物であるＦＤＣＡや副生成物等を含む酸化反応混合物を得る。酸化反応混合物には、５−ＨＭＦの酸化に関与し消費された過マンガン酸塩がマンガン酸塩または二酸化マンガンの沈殿となって含有されているため、これらを分離し、ＦＤＣＡ含有無色透明若しくは黄色の溶液を得ることができる。マンガン酸塩または二酸化マンガンの分離には、デカンテーション、濾過など、固液分離手段を使用することができる。

ＦＤＣＡの回収は、抽出法、クロマトグラフ法、酸沈殿法等により行うことができる。例えば、酸沈殿法として、具体的には、上記マンガン酸塩および二酸化マンガンを分離、除去して得られたＦＤＣＡ含有溶液にＦＤＣＡより強酸、例えば、塩酸や硫酸や硝酸、リン酸などのブレンステッド酸等を添加する。溶液が酸性環境になると、水溶液中に溶解していたＦＤＣＡの塩がカルボン酸となって、水への溶解性が著しく低下し析出する。溶液のｐＨが１程度になるまで酸を添加した後、析出したＦＤＣＡを濾別することにより粗製ＦＤＣＡを得る。粗製ＦＤＣＡを純水により数回洗浄し、その後減圧乾燥して粉末状態のＦＤＣＡを得る方法を使用することができる。

以下に、本発明のＦＤＣＡの製造方法を具体的に詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
糖類を脱水反応させることにより、５−ＨＭＦを含む反応混合物溶液を得た。

フルクトース１０質量パーセント、硫酸が０．５質量パーセント含まれる水溶液を用意し、２５０℃、２５ＭＰａで、高温高圧の水と上記溶液とを共存させることにより糖類の脱水を行った。（特開２００５−２００３２１参照）
反応混合物２８ｇについてＨＰＬＣにより定量したところ、５−ＨＭＦを０．５ｇ、フルクトースを０．１９ｇ、フルフラールを０．０４ｇ、レブリン酸を０．０２５ｇ、ギ酸を０．０１ｇ含んでいた。反応混合物２８ｇに１００ｍｌとなるように水を加え、５−ＨＭＦ０．５ｇ／１００ｍｌ、フルクトース０．１９ｇ／１００ｍｌ、フルフラール０．０４ｇ／１００ｍｌ、レブリン酸０．０３ｇ／１００ｍｌ、ギ酸０．０１ｇ／１００ｍｌに調整した。このほぼ無色透明な水溶液に５−ＨＭＦの５．０モル当量の水酸化ナトリウム（０．７９ｇ）を添加してアルカリ性とし、黄色の溶液を得た。この水溶液に５−ＨＭＦの４．０モル当量分の過マンガン酸カリウムを（２．５ｇ）添加し、１．５時間攪拌することにより酸化反応を行った。反応は室温で行い、反応が進行し過マンガン酸カリウムの消費に伴う発熱により溶液の温度は最大で４５℃程度にまで上昇した。

反応後、酸化反応混合物を採取し、ＨＰＬＣにより定量したところ、５−ＨＭＦは０．０００１ｇ／ｍｌであり、ＦＤＣＡは０．００５４ｇ／ｍｌであった。５−ＨＭＦの残存率は１．７％、ＦＤＣＡの生成率は９６．６％であった。

［実施例２］
実施例１と同様の方法により糖類の脱水反応を行い５−ＨＭＦを含む反応混合物溶液を得た。反応混合物３０ｇについてＨＰＬＣにより定量したところ、５−ＨＭＦを１．０ｇ、フルクトースを０．３７ｇ、フルフラールを０．０８ｇ、レブリン酸を０．０５ｇ、ギ酸を０．０２ｇ含んでいた。得られた反応混合物３０ｇに１００ｍｌとなるように水を加え、５−ＨＭＦ１．０ｇ／１００ｍｌ、フルクトース０．３７ｇ／１００ｍｌ、フルフラール０．０８ｇ／１００ｍｌ、レブリン酸０．０５ｇ／１００ｍｌ、ギ酸０．０２ｇ／１００ｍｌに調整した。このほぼ無色透明な水溶液に添加する水酸化ナトリウムを５−ＨＭＦの２５．０モル当量（７．９３ｇ）、過マンガン酸カリウムを５−ＨＭＦの４．０モル当量（５．０２ｇ）とした他は、実施例１と同様にして酸化反応を行った。このとき、過マンガン酸カリウムの消費に伴う発熱により溶液の温度は最大で５０℃程度にまで上昇した。

反応後、実施例１と同様にして酸化反応混合物を採取し、ＨＰＬＣにより定量したところ、５−ＨＭＦは０．００１２ｇ／ｍｌであり、ＦＤＣＡは０．００８６ｇ／ｍｌであった。５−ＨＭＦの残存率は１２．０％、ＦＤＣＡの生成率は７７．１％であった。

［実施例３］
水酸化ナトリウムの添加量を５−ＨＭＦの２．５モル当量（０．７９ｇ）とした他は、実施例２と同様にして酸化反応を行い、酸化反応混合物の定量を行った。５−ＨＭＦは０．０００４ｇ／ｍｌであり、ＦＤＣＡは０．００３５ｇ／ｍｌであった。５−ＨＭＦの残存率は３．５％、ＦＤＣＡの生成率は３１．９％であった。

［実施例４］
水酸化ナトリウムの添加量を５−ＨＭＦの２３．５モル当量（７．４６ｇ）、過マンガン酸カリウムの添加量を５−ＨＭＦの２．５モル当量（３．１３ｇ）とした他は、実施例２と同様にして酸化反応を行い、酸化反応混合物の定量を行った。５−ＨＭＦは０．０００１ｇ／ｍｌであり、ＦＤＣＡは０．００４０ｇ／ｍｌであった。５−ＨＭＦの残存率は１．１％、ＦＤＣＡの生成率は３６．４％であった。

［実施例５］
水酸化ナトリウムの添加量を５−ＨＭＦの２３．５モル当量（７．４６ｇ）、過マンガン酸カリウムの添加量を５−ＨＭＦの７．５モル当量（９．３９ｇ）とした他は、実施例２と同様にして酸化反応を行い、酸化反応混合物の定量を行った。５−ＨＭＦは０ｇ／ｍｌであり、ＦＤＣＡは０．００４１ｇ／ｍｌであった。５−ＨＭＦの残存率は０％、ＦＤＣＡの生成率は３６．６％であった。

［実施例６］
実施例２と同様にして糖類の脱水反応を行い得られた反応混合物３０ｇを用い４０ｍｌとなるように水を加えた。５−ＨＭＦ２．５ｇ／１００ｍｌ、フルクトース０．９３ｇ／１００ｍｌ、フルフラール０．２ｇ／１００ｍｌ、レブリン酸０．１３ｇ／１００ｍｌ、ギ酸０．０５ｇ／１００ｍｌに調整した。この水溶液に添加する水酸化ナトリウムを５−ＨＭＦの２５．０モル当量（１９．８３ｇ）、過マンガン酸カリウムを５−ＨＭＦの４．０モル当量（１２．５５ｇ）として、実施例２と同様にして酸化反応を行った。

反応後、実施例２と同様にして酸化反応混合物を採取し、ＨＰＬＣにより定量したところ、５−ＨＭＦは０．００１３ｇ／ｍｌであり、ＦＤＣＡは０．０１３１ｇ／ｍｌであった。５−ＨＭＦの残存率は５．１％、ＦＤＣＡの生成率は４７．１％であった。

［比較例１］
水酸化ナトリウムを添加しなかった他は実施例２と同様にして酸化反応を行い、酸化反応混合物の定量を行った。５−ＨＭＦは０．００２６ｇ／ｍｌであり、ＦＤＣＡは０．００１０ｇ／ｍｌであった。５−ＨＭＦの残存率は２５．６％、ＦＤＣＡの生成率は９．４％であった。

［比較例２］
水酸化ナトリウムの添加量を５−ＨＭＦの２３．５モル当量（７．４６ｇ）、過マンガン酸カリウムの添加量を５−ＨＭＦの１．５モル当量（１．８８ｇ）とした他は、実施例２と同様にして酸化反応を行い、酸化反応混合物の定量を行った。５−ＨＭＦは０．００４８ｇ／ｍｌであり、ＦＤＣＡは０．０００４ｇ／ｍｌであった。５−ＨＭＦの残存率は４７．６％、ＦＤＣＡの生成率は３．６％であった。

［比較例３］
水酸化ナトリウムの添加量を５−ＨＭＦの２３．５モル当量（７．４６ｇ）、過マンガン酸カリウムの添加量を５−ＨＭＦの１２．０モル当量（１５．０２ｇ）とした他は、実施例２と同様にして酸化反応を行い、酸化反応混合物の定量を行った。５−ＨＭＦは０ｇ／ｍｌであり、ＦＤＣＡは０．０００３ｇ／ｍｌであった。５−ＨＭＦの残存率は０％、ＦＤＣＡの生成率は２．７％であった。

結果から、糖類の脱水反応から得られた反応混合物を、５−ＨＭＦの単離、精製工程を経ることなく、そのまま使用してＦＤＣＡを製造することができることが明らかである。

Claims (10)

1. 糖類の脱水反応を行い、５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成させた反応混合物を分離・精製工程を経ずに用い、該反応混合物をアルカリ性環境で、５−ヒドロキシメチルフルフラールの２．０モル当量以上１０．０モル当量以下の過マンガン酸塩により酸化し、５−ヒドロキシメチルフルフラールからフラン−２，５−ジカルボン酸を製造することを特徴とするフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法。
2. 糖類として、六糖類を構成単位とする多糖類、少糖類および単糖類から選ばれるいずれか１種または２種以上を使用することを特徴とする請求項１記載のフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法。
3. 多糖類として、セルロースおよび澱粉から選ばれる１種または２種以上を使用することを特徴とする請求項２記載のフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法。
4. 少糖類として、ショ糖、マルトース、セロビオースおよびラクトースから選ばれるいずれか１種または２種以上を使用することを特徴とする請求項２記載のフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法。
5. 単糖類として、フルクトースおよびグルコースのいずれか１種または２種を使用することを特徴とする請求項２記載のフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法。
6. 反応混合物に含まれる反応生成物の主生成物が５−ヒドロキシメチルフルフラールであり、副生成物が糖類、フルフラール、レブリン酸およびギ酸から選ばれるいずれか１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか記載のフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法。
7. 反応混合物の酸化反応を行う前に、５−ヒドロキシメチルフルフラールの含有量が５０質量％以下になるように調整することを特徴とする請求項１から６のいずれか記載のフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法。
8. 反応混合物をアルカリ性とする際、アルカリを５−ヒドロキシメチルフルフラールの２．０モル当量以上の範囲で使用することを特徴とする請求項１から７のいずれか記載のフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法。
9. アルカリとして、水酸化ナトリウムを使用することを特徴とする請求項８記載のフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法。
10. 反応混合物の過マンガン酸塩による酸化を、１０℃以上６０℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項１から１０のいずれか記載のフラン−２，５−ジカルボン酸の製造方法。