JP6370307B2 - ２，５−フランジカルボン酸のエステル化 - Google Patents

Description

本出願は、その内容が本明細書に組み込まれた２０１２年１２月２０日付けで出願された米国仮特許出願第６１／７３９，７６１号による優先権を主張するものである。

本願発明はエステル化プロセスに関する。具体的には、本発明はアルコールおよびＣＯ₂によってフランジカルボン酸をエステルへ変換することに関連する。

バイオマスは、付加価値のある製品に変換することが可能な炭水化物または糖（すなわちヘキソースおよびペントース）を含有する。非食用のバイオマス由来製品の製造は成長産業である。バイオ燃料は関心の高まっている１つの適用例である。関心を引いている別の適用は、再生可能な炭化水素源から様々な工業用化学品を合成するための原材料としてバイオマスを使用することである。

近年、その豊富さ、再生可能性および世界的な分布から、有機化学品製造の原材料としてバイオマスを利用するための手段を見出すべくますますの努力が傾けられている。実行可能な下流の化学処理技術を考慮すれば、糖を付加価値化学品に変換することは非常に重要である。最近、糖からのフラン誘導体の製造が持続性のあるエネルギー供給と化学品製造とを実現するための主要ルートの１つを支援するゆえに、化学界および触媒研究で刺激的になってきた。図１はバイオマスを有用な最終製品に変換するためのプロセスの概略図を示しているが、そこに図説するように、フラン系中間体、すなわち５−ヒドロキシメチルフルフラール（5-HMF）、２，５−フランジカルボン酸（2,5-FDCA）および２，５−ジメチルフラン（2,5-DMF）は、再生可能な中間化学品の「眠れる巨人」と呼ばれている。これらの中間体は、様々な原料、化学品および燃料とするための環境に優しいビルディングブロックである。非常によく研究されており、かつ環境に優しいプラスチックおよび化学品の製造に使用するための甚大な将来性を有するビルディングブロックとして、米国エネルギー省は、環境に優しく高い将来性を持った最上位のビルディングブロックの１つにフラン系中間体を認識している。５−ＨＭＦはヘキソースの脱水生成物であり、様々なポリマーの石油由来ビルディングブロックの将来的な代替物である。２，５−ＦＤＣＡはヘキソースの酸化脱水から生じ、糖を付加価値のある化学品とすることで作られる最上位の１２化合物の１つであると考えられている。２，５−ＤＭＦはＨＭＦの脱水素を介して生成し、エタノールよりも揮発性が低く４０％高いエネルギー密度を持つ[T. Werpy、G. Petersen、TOP VALUE ADDED CHEMICALS FROM BIOMASS：第1巻、Results of Screening for Potential Candidates from Sugars and Synthesis Gas、2004年8月（http://www.osti.gov/bridgeで電子的に入手可能）を概ね参照のこと]。

環境に優しい原料および再生可能なエネルギーの勃興しつつある市場のために、ビルディングブロックを作るさらに良い手段を開発すべく多くの関心が生じているものの、現在まで、フラン系中間体の大規模生産は費用対効果が高くないことからフラン体は商業化されていない。糖をフラン系化学品へ触媒的に変換するために種々様々なプロセスが進歩している[X. Tongら、「Biomass into Chemicals: Conversion of Sugars to Furan Derivatives by Catalytic Processes」 APPLIED CATALYSIS A：GENERAL 385 （2010）1-13を概ね参照のこと]。

フラン系中間体の中でもフランジカルボン酸（FDCA）は、様々な可塑剤の前駆体、精製テレフタル酸（PTA）の代替物、または他の付加価値製品として使用することのできる商業的に価値のある原料である。何年にも渡って、化学品製造業者は、一般的な有機溶媒への溶解性が乏しい点やＤＭＳＯのような高沸点溶媒に可溶である点など、ＦＤＣＡを用いた作業と関連して知られている問題を考慮して、ＦＤＣＡを製造し、取り扱うさらに単純な手段を探し求めている。溶融重合においてＦＤＣＡを使用する際に生じる他の問題は、ＦＤＣＡ分子が約１８０℃より高い温度でフロン酸に分解する傾向があることであり、このことは低品質につながる。これらのあらゆる難題はＦＤＣＡをエステルへ誘導体化することによって解決することができる。しかし、現行の酸触媒エステル化は、ジエステル分子を製造するのに一般的に約２０時間以上を要する。そのようなプロセスは時間がかかり過ぎるものであり、エステルの高容量での大量生産には費用対効果が高くない。さらに、結果として生じたエステルの精製では、下流の処理でのＦＤＣＡエステルの質に影響を与えかねない残余の酸触媒を除くために塩基で洗浄する必要がある。ＦＤＣＡのエステル化の他の代替では、塩化ジアシルとしてＦＤＣＡを活性化する必要があるが、この活性化によりプロセスは持続性がないか経済的ではないものとなる。

塩化アシル（すなわちＣＯＣｌ部分）の調製では、化学量論的な量の塩化チオニルにより酸を処理し、次いでエステルに変換する必要がある。副生成物はアシル化反応ではＳＯ₂およびＨＣｌであり、エステル化ではＨＣｌであることから、大規模系に塩化チオニルを使用する場合には安全性の懸念が生じる。ＳＯ₂およびＨＣｌは弱塩基に捕捉され、次いで不要物として処分される。また、ＦＤＣＡを対応のフラン−２，５−二塩化ジカルボニルに変換することで、不安定な中間体のために、アルコールとエステル化するや否や副生物の混合物が生成することになる。さらに、塩化アシルは水に感度が高いため、特別な保管条件を要することになる。

ＧｒａｓｓらによるＷＯ２０１１／０２３５９０ Ａ１には、２，５−フランジカルボン酸（FDCA）のエステル誘導体の混合物の製造方法およびその誘導体原料（イソノニルフランジカルボキシレート）の可塑剤としての使用が部分的に記載されている。具体的には、その開示は、異性型Ｃ−９アルコールとのＦＤＣＡのエステルを調製するために酸触媒または金属触媒を使用する方法に関するものであり、特に直鎖および分岐鎖のノナノール（例えばイソノニルフラン−２，５−ジカルボキシレート）の混合物に関するものである。その方法は従来のエステル化プロセスに概ね倣うものである。Ｇｒａｓｓらによれば、ＦＤＣＡとその対応の二塩化物などの反応性のある誘導体とのどちらかを強鉱酸と共に使用してエステルを調製することができる。さらに、その方法には残念なことにある種の不利な点がある。例えば、ＦＤＣＡは１９０℃を超える温度でＣＯ₂を脱離する傾向があり、所望の生成物へ変換不能なモノカルボン酸（例えばフロン酸）を形成する点や、反応温度での着色とＦＤＣＡの分解とを避けるために、ジメチルフランジカルボキシレートを前駆体として使用する必要があり得る点である。

現行の技術によるＦＤＣＡのエステルの変換または合成に関するそのような問題に鑑みて、商業用の材料および燃料に用いるビルディングブロックへ炭水化物を変換するための単純でクリーンかつ経済的なプロセスが求められている。

本願発明は１つまたは複数のフランジカルボキシレートを製造する方法に関する。本法は、第１の実施形態において、下式に従って、他の外来触媒が実質的に存在しない状態で、ＣＯ₂雰囲気中で、２，５−フランジカルボン酸（FDCA）を少なくとも１つのアルコールまたは異なるアルコールの混合物に反応させて

エステルの混合物を産生することを含み、式中、Ｒ基は少なくとも飽和基、不飽和基、環状基または芳香族基である。ＣＯ₂はその場で自己生成型酸触媒として機能し、エステル合成の間は元の試薬へと再生される。ＣＯ₂中でのＦＤＣＡのアルコールとのエステル化反応は、少なくともそのアルコール種またはＣＯ₂の超臨界、臨界点または臨界点近傍のいずれかの反応温度または反応圧力に対応する操作条件下で行われる。ある種の実施形態では、合成は、約１５０℃と２５０℃との間の反応温度でありかつ約４００ｐｓｉから最大で約３０００ｐｓｉまでの反応圧力で行われる。本法ではさらに、第２のエステル化反応にてエステル生成物の反応を伴って、アルコール試薬が再生され、そのアルコールが元へリサイクルされて、追加のＦＤＣＡと反応し得る。

別の態様では、本開示はフランジカルボン酸（FDCA）を処理する方法に関する。本法は、他の触媒が実質的に存在しない状態で、ＣＯ₂雰囲気中でＦＤＣＡを第１のアルコールと反応させて第１のエステル混合物を製造する工程と、エステル交換反応においてその第１のエステル混合物を第２のアルコールと反応させて第２のエステル混合物を製造する工程とを含む。第１のアルコールを再生して、その第１のアルコールを元へリサイクルして、追加のＦＤＣＡと反応させてもよい。本法はバッチ処理作業と連続的処理作業のどちらかに適合させることができる。

本願方法の付加的な特徴および利点を以下の詳細な記載にて開示する。上述の概要と以下の詳細な記載および実施例は共に本発明の代表形にすぎず、特許請求の範囲の通りに本発明を理解するための全体像を提供することを意図するものであることが理解される。

バイオマスのフラン系中間体への精製に関与する一般的な工程の概略図であり、そのフラン系中間体は、材料に使用するポリマー分子と燃料とのどちらかのための価値連鎖に沿ってさらに処理することができる。 本願発明の一実施形態によるＦＤＣＡのエステル化反応およびそれに続くエステル生成物のエステル交換反応の全般的な説明図である。 本願発明の一実施形態によるエステル化および回収の連続プロセスの概略図である。 本願方法の一例によるＦＤＣＡのメタノールとのエステル化反応を示した図である。

本願発明はフランジカルボン酸（FDCA）からエステルを製造する単純で効果的な手段の発見を含む。本願方法の一態様では、他の酸触媒の非存在下で、エステル化反応の酸触媒として二酸化炭素（ＣＯ₂）を使用する。本願の方法は、モノアルキルフランジカルボキシレートおよび／またはジアルキルフランジカルボキシレートを製造するための環境に優しい手段である。本法は液体反応系を含む。

本法は、結果として生じたモノアルキルフランジカルボキシレートおよび／またはジアルキルフランジカルボキシレートを、例えば図１で説明されているような下流の経路に沿って、ポリマー原料、可塑剤または燃料に用いる有用な化合物のための前駆体として使用することを可能にする。例えば、ジメチルフランジカルボキシレートは、テレフタル酸やイソノニルフランジカルボキシレートなどの可塑剤のための、または高いガラス転移温度（T_g）ポリマーに用いるポリエチレンフランジカルボキシレートやイソソルビドＦＤＣＡエステルなどの様々なポリマーのための前駆体とすることができる。モノメチルフランジカルボキシレートは、カチオン性界面活性剤、キレート剤および腐食防止剤として使用することが可能なさらに高級のアルコールアルキルエステルのための前駆体とすることができる。あるいは、本願発明により作られるいくつかのモノアルキルエステルは、森林保護において抗菌剤として直接使用することができる。

本発明の方法の有利な特徴は、いくつかの他の手法とは違って、遊離カルボン酸をハロゲン化アシル（例えばフッ化物、塩化物、臭化物）として活性化するか、または強鉱酸を使用することによって遊離カルボン酸を活性化するという必要がないことである。塩化アシルは使用するには不便であり、その理由は、これらの種は本質的に反応性があり、安定性に問題があり、処理を無駄に費やし、作るのに厄介で費用がかかる可能性があることにある。塩化アシルはＦＤＣＡよりもさらに反応性の良い種である。

慣例的には、酸およびアルコールからのエステルの形成の機構はエステルの酸触媒加水分解のための工程の逆であり、反応は使用した条件に応じてどちらかの方向に進むことができる。典型的なエステル化プロセスでは、強酸を触媒として使用しない限り、カルボン酸はアルコールと反応しない。触媒は通常は濃硫酸または塩化水素である。プロトン化によりカルボニル基はさらに求電子性の高いものとなり、弱い求核性試薬であるアルコールと反応することが可能になる。

概して言えば、本願のエステル化プロセスは、他の触媒が実質的に存在しない状態で、ＣＯ２雰囲気中でＦＤＣＡをアルコールと反応させて、エステルを製造することを含む。本明細書で使用するように、「実質的に存在しない」という用語は、酸触媒が概ね存在しないか全く存在しないかのどちらか、または触媒効果に届かない僅少量もしくは痕跡量で存在する状態を指す。言い換えれば、他の酸触媒は存在しないか、反応におけるカルボン酸に対して１０重量／重量％、５重量／重量％、３重量／重量％または１重量／重量％よりも低いレベルで存在する。エステル化反応は、アルコールおよび／またはＣＯ₂の超臨界、臨界点または臨界点近傍のいずれかの温度および／または圧力の条件下で、溶液中で行われる。そのような条件下では、ＣＯ₂はその場で酸触媒として自己生成するか機能し、その場で実質的に元の試薬へと再生されると考えられる。カルボン酸は通常の強酸よりもはるかに弱い。それにも関わらず、反応中間体（モノアルキルカルボン酸）はその場で十分に大量に作り出されて、エステル化を推進し、エステル生成をもたらす。温度を上げるとエステル変換率が大きくなる傾向が認められることは、このプロセスの比較的大きい活性化エネルギーを示している。

図２Ａは、本願のエステル化方法のある種の実施形態を表した反応式である。１８０℃と２４０℃との間などに高めた温度でありかつ９５０ｐｓｉ〜３０００ｐｓｉ（ゲージ）などに高めた圧力で、ＦＤＣＡをＣＯ₂雰囲気中でアルコール（ＲＯＨ）と反応させる。一般に、結果として生じたエステル生成物は、モノエステルとジエステルのどちらかまたは両者の混合物であり得る。反応は、モノエステルとジエステルのどちらか、またはモノエステルおよびジエステルのある種の混合物となる方へエステル化を推進するように制御することができる。例えば、ジエステル分子を形成する方へ優先的にエステル化反応を推進する反応温度および反応圧力を選択してもよい。結晶化、蒸留、イオン交換樹脂、または酸塩基抽出手法によって、モノアルキルエステルをジアルキルエステルから分離することができる。

図２Ｂおよび図２Ｃは、塩基触媒反応とリパーゼ酵素反応などによる酵素反応とのどちらかによるモノアルキルエステルおよびジアルキルエステルの以降のエステル交換をそれぞれ示す。リパーゼは、Ｃａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｔｉｃａなどの様々な微生物から取り出すことができ、ＮＯＶＯＺＹＭ（商標）４３５の商標名で商業的に入手可能である。

図３は、ＦＤＣＡを処理する方法に関連する本願発明の別の態様を示している。本法は、他の触媒が実質的に存在しない状態で、ＣＯ２雰囲気２中でＦＤＣＡ１を第１のアルコール（Ｒ−ＯＨ¹）と反応させて第１のエステル混合物３を製造する工程と、エステル交換反応４においてその第１のエステル混合物を第２のアルコール（Ｒ−ＯＨ²）と反応させて第２のエステル混合物５を製造する工程とを含む。第１のアルコール種（例えばメタノール）による反応で生成したモノアルキルエステルおよびジアルキルエステルは、第２のアルコール種（例えばエタノール）によりエステル交換される。第１のエステル混合物は、ある実施形態による以下の種、すなわちメチルフランジカルボキシレート、エチルフランジカルボキシレートまたはプロピルフランジカルボキシレートなどのうちのいずれか１つなどのモノエステルとジエステルのどちらかを含み得る。

エステル交換反応４は、第１のエステル化反応よりも低い温度、例えば約８０℃〜約９０℃で、かつ第１のアルコール種の沸点よりも低減させた圧力で行うことができる。すなわち、反応器内の圧力を下げるために陰圧すなわち減圧をかけることができる。第２のアルコールの沸点は、第１のアルコールの沸点よりも高い、少なくとも１０℃〜２０℃（例えば１２℃、１５℃）であるべきである。このことは第１のアルコール種と第２のアルコール種６とを遊離させて分離するのに役立つであろう。モノアルキルエステルまたはジアルキルエステルの縮合反応の間に放出されたメタノールなどのアルコールは、例えば図３に描写するようなさらに多くのモノアルキルフランジカルボキシレートおよび／またはジアルキルフランジカルボキシレートの合成のためにリサイクルする７ことができる。この特徴から、連続とバッチのどちらかで本願のプロセスを操作することができる。第２のエステル混合物５中のモノエステルおよびジエステルは、その後互いに分離する８ことができる。

本願のエステル化プロセスでは、触媒（ＣＯ₂）とエステル化試薬（アルコール）はどちらも有機酸の量に比べて大過剰に存在する。反応は高温で行われるため、ＣＯ₂はその由来（例えばガスタンクまたはドライアイス）に関わらず、反応段階の間は気相中に存在すべきである。密封した圧力反応器を使用する場合には、反応装置を組み立てている際に気体のＣＯ₂を形成する昇華を遅延させることを可能にする点で、固体のＣＯ₂の添加が有利である。このことはＣＯ₂の損失を最小にする。ＣＯ₂（すなわちＣＯ₂を含有する）雰囲気においては、反応雰囲気中のＣＯ₂濃度を容積で少なくとも１０％または１５％に、好都合には約２５％または３０％に、好ましくは５０％よりも高くすることができる。さらに良い反応結果のためにはＣＯ₂濃度を最大にするべきである。望ましいＣＯ₂濃度は容積で約７５％または８０％〜約９９．９％であり、一般には約８５％と約９８％との間である。窒素（Ｎ₂）ガスまたは空気は反応器中で許容され得るが、ＣＯ₂以外のガスの濃度は少数パーセント（＜５０％）量と僅少量のどちらかで保つことが好ましい。

Ｃ₁〜Ｃ₂₀のＲ基を有した任意の液体アルコールは、溶媒試薬または第１のアルコール種として働くことができる。Ｒ基は少なくとも飽和、不飽和、環状または芳香族の種であり得る。異なる種類のアルコール（例えばＣ₁〜Ｃ₁₂）の混合物も反応に使用することができるが、特定のＲ基に応じて、対応する異なるエステルの混合物を生じるであろう。Ｃ₁〜Ｃ₆のアルキル基を有したさらに低級のある種のアルコール種は、その汎用性、廉価性およびエステル化反応における機構上の単純性に鑑みて、ＣＯ₂との第１エステル化の試薬として好ましい。さらに、メタノール、エタノール、プロパノールやブタノールなどのアルコールは、それらが比較的単純な構造などのパラメータを持つこと、およびこれらのアルコール種の超臨界、臨界点または臨界点近傍の温度および圧力について反応をさらに制御し易いことから好ましい。あるいは、いくつかの実施形態ではアルコールはＣ₂〜Ｃ₆−ジオールでもあり得る。ジオールのエステル化は、重合し易いモノマーまたは低分子量のオリゴマーを生成することができる。

ＣＯ₂によるエステル化から得たエステル生成物をさらに後のまたは第２のエステル交換反応で処理する際に、少なくともＣ₂−Ｒ基の式を有した任意の種類の液体アルコール種を第２のアルコール試薬として使用してもよい。Ｒ基は少なくとも飽和、不飽和、環状または芳香族種であり得る。所望のエステル化合物に応じて、Ｃ₃〜Ｃ₁₀やＣ₁₂〜Ｃ₁₈アルキル基などのさらに長い炭素鎖を有した高級アルコール種が好ましいことがある。しかし、一般には、Ｃ₂〜Ｃ₆またはＣ₈のＲ基を有したアルコールはさらに便利であり、試薬として使用し易い。アルコールはＣ₂〜Ｃ₆−ジオールでもあり得る。

概してエステル化プロセスは、約１６０℃と約２５０℃との間の反応温度であり、かつ４００ｐｓｉまたは５００ｐｓｉと２５００または２８００ｐｓｉ（ゲージ）との間の反応圧力で、少なくとも４時間、最大で１２時間まで延長して行う。具体的な反応時間は様々であってよいが、通常はさらに少なく、約５時間または６時間と約８時間または１０時間との間などである。一般に、反応温度は約１７０℃または１９０℃から約２３０℃または２４５℃まで（例えば１７５℃、１８７℃、１９５℃または２１５℃）の範囲である可能性があり、反応圧力は約９００ｐｓｉまたは９５０ｐｓｉと約２２００ｐｓｉまたは２４００ｐｓｉとの間（例えば９６０ｐｓｉ、９８０ｐｓｉ、１０２０ｐｓｉまたは１０５０ｐｓｉ）である。あるいは、反応温度は約１８０℃〜約２４０℃（例えば約１８５℃または２００℃から約２２０℃または２３５℃まで）の範囲である可能性があり、反応温度は約１０００ｐｓｉと２３５０ｐｓｉとの間（例えば１１００ｐｓｉ、１２５０ｐｓｉ、１５００ｐｓｉ、１７００ｐｓｉ、１８２０ｐｓｉまたは１９００ｐｓｉ）である。他の反応温度は、例えば約１６０℃または１７５℃から約２１０℃または２２５℃までの範囲であってもよく、他の反応圧力は、例えば約１２００ｐｓｉまたは１６３０ｐｓｉから約１８００ｐｓｉまたは２１００ｐｓｉまでの範囲であってもよい。

これらの反応温度および反応圧力は、アルコール（単数もしくは複数）またはＣＯ₂のための超臨界、臨界点または臨界点近傍の状態に対応する。表１は、説明の目的でいくつかの一般的な溶媒（すなわちメタノール、エタノール、１−プロパノール、１−ブタノール、水およびＣＯ₂）のための臨界パラメータを列挙したものである。

上記の臨界点（すなわち臨界温度および／または臨界圧）を超えた条件では、流体は、液体の特性と気体の特性との間の特性を示す超臨界相で存在する。さらに具体的には、超臨界流体は液体様の密度と気体様の輸送特性（すなわち拡散率および粘度）を有する。このことを表２に見ることができるが、表中、これらの特性の一般的な値を３つの流体の型、すなわち従来の液体、超臨界流体および気体の間で比較している。

同様に「臨界点近傍の」とは、少なくともアルコール種またはＣＯ₂ガスの気温と圧力のどちらかが、それぞれの臨界点の、１５０Ｋ以内（例えば５０〜１００Ｋ以内）か、２２０ｐｓｉ以内（例えば３０〜１５０ｐｓｉ）低い状態を指す。温度および圧力が臨界点近傍、臨界点または超臨界の状態に達した際に、試薬の溶解性が高められてエステル化反応を促進すると考えられる。言い換えれば、ＣＯ₂ガス、アルコールおよび酸の種は、臨界点近傍、臨界点または超臨界の状態下では、より酷烈でない状態よりもさらに良好に相互作用することができる。アルコール種とＣＯ₂ガスが共に臨界点近傍、臨界点または超臨界の状態にあることを反応が必要とするのではなく、むしろそれらの種のいずれか１つがそのような状態を満たす限りは反応が作動するのである。

本願のエステル化反応をさらに高温でありかつさらに高圧で、それぞれ最大で約２５０℃までまたは３０００ｐｓｉまでとして、少なくとも４時間の反応時間で操作させるならば、比較的高い選択性と精製度でかなりの量のエステル生成物を製造することができる。さらに低い反応温度（＜１９０℃）では、モノエステル分子の形成がさらに優勢であり、一方で１９０℃以上または１９５℃以上の温度での反応は、優先的にカルボン酸をジエステルに変換するであろう。約１９０℃または１９５℃または２００℃から約２４５℃または２５０℃までというさらに高い範囲で温度を選択することにより、さらに大きな割合のジエステル変換となるように反応を優先的に推進することができる。エステル化は最小で約５０％、望ましくは少なくとも６５％または７０％の有機酸のジエステルを産出することができる。超臨界かまたはそれに近い操作条件で行う反応は、さらに良い結果を生むようである。メタノールには約２５０℃の、ＣＯ₂には約３１℃／１０００ｐｓｉの超臨界かまたはそれに近い操作条件で操作させる場合には、少なくとも９０％かそれより高率な、一般的には約９３％または９５％の転換率、例えば最大で約９８％または９９％の転換率を実現することができる。

過剰量のカルボン酸ガス中である量のアルコール溶媒を使用して、非常にクリーンなエステル化を生むことができる。本願の合成プロセスは、高温での標準的な酸触媒エステル化で通常見受けられ得る低分子量の酸、つまり酢酸または蟻酸、分子内転位物や環状生成物などの相当量の副生物を生成することなく、非常にきれいなエステル生成物（約７０％〜７２％の初期純度）を製造することができる。エステルは精製して約９０％〜９９％の純度を達成することができる。精製は、例えば結晶化、クロマトグラフィまたは蒸留によって実現することができる。

先に言及したように、従来の酸触媒エステル化では、ジエステル分子を生成するために一般に約２０時間を要する。さらに、結果として生じたエステルの精製では、下流の処理でのＦＤＣＡエステルの質に影響を与えかねない残余の酸触媒を除くために塩基で洗浄する必要がある。ＦＤＣＡのエステル化の他の代替法では、塩化ジアシルとしてＦＤＣＡを活性化する必要があるが、この活性化によりプロセスは持続性がないものとなる。対照的に、本願のアプローチの利点により、製造業者は比較的短い反応期間（例えば６時間以上または７時間以上）で、かつ強鉱酸を使用することなく高収量（例えば約５５〜９０％）で、ジエステルを作り出すことが可能であり、この高収量によって関連の精製プロセスを除外することができる。

その上、他のアプローチとは違って、本明細書に記載のプロセスは、さらに環境面に優しいエステル製造の手段である。アルコール存在下では二酸化炭素はその場でエステル反応の間に酸触媒を自己生成することができると考えられるため、本願のプロセスは別の酸触媒種の使用または添加を必要としない。言い換えれば、ＣＯ₂のみの反応速度論では、任意の他の酸触媒が実質的に存在しないところでエステル化を推進することができる。ゆえに、本プロセスはＦＤＣＡを塩化アシルとして活性化させる必要はなく、このことは費用とプロセス変換の点で別の節約となる。

以下の実施例では、他の酸触媒が存在しないＣＯ₂雰囲気中で、アルコールおよび／またはＣＯ₂の超臨界、臨界点または臨界点近傍の状態でフランジカルボキシレートおよびアルコールからのエステルの製造を明示する。

表１は、表中に列挙した反応条件下で本願方法の実施形態によるいくつかのエステル化反応を提示している。ＦＤＣＡはアルコールおよびＣＯ₂と反応させる。すなわち、メタノールを実施例１〜３で、エタノールを実施例４〜６で、プロパノールを実施例７および８で、１−ブタノールを実施例９および１０で使用する。概して全ての反応で、対応のジエステルを良好な収量で得た。さらに高い温度、さらに高い圧力およびさらに長い反応時間はさらに良好な収量を生じさせる傾向がある。さらに短いか低級のアルコール種は、さらに長いか高級のアルコール溶媒よりも対応のジエステルをさらに良好な収量で生成する傾向がある。

図４は、表１の実施例１などのメタノールを用いたＦＤＣＡのＣＯ₂支援型エステル化の反応式である。ジエステルの収量は約４５％〜９０％と良好であったが、このことはこの新しいプロトコルがエステル化に適しており、さらに大きくかつ実用的なＦＤＣＡの操作につながり得ることを示している。表１は、ジメチルエステルに倣って、エステル反応を最適化して、本願方法によるさらに大きなアルコールの対応のジエステル種（例えばジエチルエステル、ジプロピルエステル、ジブチルエステル）に、フランジカルボン酸を比較的高い収量（例えば約６０〜９０％）で変換することが可能であることを示唆している。

以下の実施例はメタノールおよびエタノールを溶媒として反応させることによって生じるが、プロパノールやブタノールなどの他のアルコールも同様の方法で反応する。

１．モノメチルフランジカルボキシレートおよびジメチルフランジカルボキシレートの混合物の合成
実施例１
２，５フランジカルボン酸（５ｇ）メタノール（３００ｍＬ）を含む１Ｌオートクレーブ反応器をＮ₂ガスで抜気し、次いで初めに４００ｐｓｉｇのＣＯ₂ガスで加圧した。反応混合物を１８０℃に加熱し、この温度で５時間維持した。この時間の間に、反応器内部の反応圧力を４００ｐｓｉｇから１６００ｐｓｉｇへと増加させた。１８０℃にて５時間後、反応容器を周囲の室温まで冷却して減圧した。反応器の内容物を濾過し、真空下で一晩乾燥した。ガスクロマトグラフィ／質量分析計（GC/MS）を使用して、変換について固形物および溶液の試料を定量的に分析した。反応混合物はジメチルエステル（約２３．４重量％）、モノメチルエステル（約５０．６重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約３２．８重量％）を含有していた。

実施例２
１２ｍＬ ＳＳ３１６反応器に、昇華する少量のドライアイス（ＣＯ₂）結晶と共にＦＤＣＡ０．５ｇおよびメタノール５ｍＬを装入した。反応器を閉じて砂浴上で４時間１８０℃に加熱した。内部の反応圧力は約１３００ｐｓｉｇと１７００ｐｓｉｇとの間であった。４時間後に反応器を冷却した。内容物を濾過して一晩乾燥し、ジメチルエステルと他の反応中間体について分析した。反応混合物はジメチルエステル（約４９．８重量％）、モノメチルエステル（約３５．５重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約１４．８重量％）を含んでいた。同じパラメータ下で繰り返した第２の反応では、反応混合物はジメチルエステル（約５１．７重量％）、モノメチルエステル（約３１．９重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約１２．４重量％）を含有していた。

実施例３
実施例２のように、１２ｍＬ ＳＳ３１６反応器にＦＤＣＡ０．５ｇおよびメタノール５ｍＬを装入した。反応器を閉じてＮ₂ガスで抜気し、次いで初めにＣＯ₂で４００ｐｓｉｇに加圧して、砂浴上で４時間１９０℃に加熱した。内部の反応圧力は約１４００ｐｓｉｇと１８００ｐｓｉｇとの間であった。４時間後に反応器を冷却した。内容物を濾過して乾燥し、ジメチルエステルと他の反応中間体について分析した。反応混合物はジメチルエステル（約６２．３重量％）、モノメチルエステル（約３１．６重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約６．７重量％）を含んでいた。

実施例４
１２ｍＬ ＳＳ３１６反応器にＦＤＣＡ０．５ｇおよびメタノール５ｍＬを装入した。少量のドライアイス結晶を反応器に加えて、反応器を閉じて砂浴上で４時間２００℃に加熱した。内部の反応圧力は約１６００ｐｓｉｇと１９００ｐｓｉｇとの間であった。２時間後に反応器を冷却した。内容物を濾過して一晩乾燥し、ＧＣ／ＭＳを使用して分析した。反応混合物はジメチルエステル（約７０．３重量％）、モノメチルエステル（約２９．１重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約２．４重量％）を含んでいた。

実施例５
実施例４の繰り返しで、１２ｍＬ ＳＳ３１６反応器にＦＤＣＡ０．５ｇおよびメタノール５ｍＬを装入した。少量のドライアイス結晶を反応器に加えて、反応器を砂浴上で４時間２００℃に加熱した。内部の反応圧力は約１５００ｐｓｉｇと２０００ｐｓｉｇとの間であった。４時間後に反応器を冷却した。内容物を濾過して一晩乾燥し、分析した。反応混合物はジメチルエステル（約８１．３重量％）、モノメチルエステル（約２４．５６重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約０．９２重量％）を含有していた。

実施例６
１２ｍＬ ＳＳ３１６反応器にＦＤＣＡ０．５ｇおよびメタノール５ｍＬを装入した。少量のドライアイス結晶を反応器に加えて、反応器を閉じて砂浴上で６時間２００℃に加熱した。内部の反応圧力は約１２００ｐｓｉｇと１８００ｐｓｉｇとの間であった。６時間後に反応器を冷却した。内容物を濾過して一晩乾燥し、分析した。反応混合物はジメチルエステル（約８９．２重量％）、モノメチルエステル（約１０．３重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約０．６７重量％）を含んでいた。

２．モノエチルフランジカルボキシレートおよびジエチルフランジカルボキシレートの合成
実施例７
１リットル（L）オートクレーブ反応器に２，５−フランジカルボン酸５ｇおよびエタノール３００ｍＬを装入し、反応器を初めにＣＯ₂で４００ｐｓｉｇに加圧した。反応混合物を約１８０℃に加熱し、この温度で４時間維持した。この時間の間に、反応器内部の反応圧力を４００ｐｓｉｇから約１６００ｐｓｉｇへと増加させた。１８０℃にて４時間後、反応器を周囲の室温まで冷却して減圧した。反応器の内容物を濾過し、真空下で一晩乾燥して、ＧＣ／ＭＳを使用して変換について分析した。反応混合物はジエチルエステル（約２２．７重量％）、モノエチルエステル（約５１．６重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約２５．８重量％）を含有していた。

実施例８
１２ｍＬステンレス鋼反応器に、いくつかの中位サイズのドライアイス結晶と共にＦＤＣＡ０．５ｇおよびエタノール５ｍＬを装入した。反応器を閉じて砂浴上で５時間１９０℃に加熱した。内部の反応圧力は約１１００ｐｓｉｇと１７００ｐｓｉｇとの間であった。５時間後に反応器を冷却した。内容物を真空下で乾燥し、ＧＣ／ＭＳを使用してジメチルＦＤＣＡと他の反応中間体について分析した。反応混合物はジエチルエステル（約５４．８重量％）、モノエチルエステル（約２７．５重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約１７．８重量％）を含有していた。同じパラメータ下で繰り返した第２の反応では、反応混合物はジメチルエステル（約５５．６重量％）、モノエチルエステル（約２９．２重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約１５．３重量％）を含有していた。

実施例９
ＦＤＣＡ０．５ｇ、エタノール５ｍＬおよび過剰量のドライアイス結晶を装入した１２ｍＬステンレス鋼反応器を用いて。反応器を閉じて砂浴上で４時間２００℃に加熱した。内部の反応圧力は約１４００ｐｓｉｇと１８００ｐｓｉｇとの間であった。４時間後に反応器を冷却し、反応混合物を抽出して一晩乾燥し、ＧＣ／ＭＳを使用して分析した。反応混合物はジエチルエステル（約６３．９重量％）、モノメチルエステル（約３１．７重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約４．６重量％）を含有していた。同じパラメータ下で繰り返した第２の反応では、反応混合物はジエチルエステル（約６９．３重量％）、モノエチルエステル（約２８．３重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約２．５重量％）を含有していた。

実施例１０
実施例９のように、１２ｍＬステンレス鋼反応器にＦＤＣＡ０．５ｇ、エタノール５ｍＬおよび過剰量のドライアイス結晶を装入した。反応器を閉じて砂浴上で５時間２１０℃に加熱した。内部の反応圧力は約１６００ｐｓｉｇと２２００ｐｓｉｇとの間であった。５時間後に反応器を冷却した。内容物を乾燥し、上記のように分析した。反応混合物はジエチルエステル（約８２．１重量％）、モノエチルエステル（約１５．６重量％）および未反応のＦＤＣＡ（約２．４重量％）を含有していた。

３．ジメチルフランジカルボキシレートの精製
エステルを精製するために、粗精製反応混合物を酢酸エチルに再懸濁して重炭酸ナトリウムで洗浄した。洗浄によって未反応のＦＤＣＡおよびモノエチルエステルを除去した。酢酸エチル層を濃縮してジメチルエステルを得た。同様に、未反応のＦＤＣＡおよびモノエチルエステルを洗浄によって除去し、酢酸エチル層を濃縮してジエチルエステルを得た。費用対効果のある他の分離手法および精製手法に結晶化を含んでもよい。

本願発明を概要と実施例による詳細とで記載してきた。本発明は具体的に開示された実施形態に必ずしも限定されないが、以下の特許請求の範囲またはその等価物に規定された本発明の範囲を逸脱することなく改変および変形が作られることがあり、その等価物には既知または開発され得る他の等価の構成成分が含まれており、その構成成分は本願発明の範囲に用いられ得ることを当業者は理解する。したがって、本発明の範囲を逸脱する変化がない限り、その変化は本明細書に含まれるものと見做される。

Claims (25)

1. 下式に従って、他の外来触媒が実質的に存在しない状態で、ＣＯ₂雰囲気中で、フランジカルボン酸（FDCA）を少なくとも１つのアルコールまたは異なるアルコールの混合物に反応させて、
   エステルの混合物を産生する工程を含み、式中、Ｒ基が少なくとも飽和基、不飽和基、環状基または芳香族基である、１つまたは複数のフランジカルボン酸のエステルを製造する方法であって、
   ＣＯ₂中でのＦＤＣＡのアルコールとの前記反応が、１５０℃と２５０℃との間の温度で、４００ｐｓｉから最大で３０００ｐｓｉまでの圧力で行われる、方法。
2. 前記Ｒ基がＣ₁〜Ｃ₂₀である、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＣＯ₂が、その場で自己生成型酸触媒として機能し、エステル合成の間に元の試薬へと再生される、請求項１に記載の方法。
4. 前記エステル混合物がモノエステルおよびジエステルを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記エステル混合物を第２のアルコールとエステル化反応で反応させて、前記アルコールを再生する工程と、前記アルコールを元へリサイクルして、追加のＦＤＣＡと反応させる工程とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 結晶化と酸塩基抽出とのどちらかによってモノアルキルエステルをジアルキルエステルから分離する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記アルコールがＣ₂〜Ｃ₆−ジオールである、請求項１に記載の方法。
8. １６０℃と２５０℃との間の反応温度にありかつ４００ｐｓｉと３０００ｐｓｉとの間の反応圧力にある操作条件下で、他の酸触媒が実質的に存在しない状態で、ＣＯ_２雰囲気中でフランジカルボン酸（FDCA）を前記アルコールと反応させる工程を含む、フランジカルボン酸のエステルを合成する方法。
9. 前記操作条件、温度および圧力を選択的に改変して、ジエステル分子の形成の方へ前記合成反応を推進する、請求項８に記載の方法。
10. イオン交換樹脂、酸塩基抽出、蒸留または結晶化によってモノエステルをジエステルから分離する工程をさらに含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記アルコールがＣ₂〜Ｃ₆−ジオールである、請求項８に記載の方法。
12. 他の触媒が実質的に存在しない状態で、ＣＯ₂雰囲気中でＦＤＣＡを第１のアルコールと反応させて、第１のエステル混合物を製造する工程と、エステル交換反応において前記第１のエステル混合物を第２のアルコールと反応させて、第２のエステル混合物を製造する工程とを含む、フランジカルボン酸（FDCA）を処理する方法であって、
    ＦＤＣＡのアルコールとのＣＯ₂中での前記反応が、１５０℃と２５０℃との間の反応温度で４００ｐｓｉから最大で３０００ｐｓｉまでの反応圧力で行われる、方法。
13. 前記第１のアルコールを再生する工程と、前記第１のアルコールを元へリサイクルして、追加のＦＤＣＡと反応させる工程とをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１のアルコールがＣ₁〜Ｃ₂₀アルコールである、請求項１２に記載の方法。
15. 前記第１のアルコールがメタノール、エタノールまたはプロパノールである、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第２のアルコールがＣ₂〜Ｃ₁₂アルコールである、請求項１２に記載の方法。
17. 前記第２のアルコールがＣ₂〜Ｃ₆−ジオールである、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１のエステル混合物が、以下の種、すなわちフランジカルボン酸メチル、フランジカルボン酸エチルまたはフランジカルボン酸プロピルのいずれか１つのモノエステルかジエステルのどちらかを含む、請求項１２に記載の方法。
19. ＦＤＣＡのアルコールとのＣＯ₂中での前記反応が、１７０℃と２３０℃との間の反応温度で９２０ｐｓｉ〜２５００ｐｓｉの反応圧力で行われる、請求項１２に記載の方法。
20. 前記第１のエステル混合物が、塩基触媒反応または酵素反応によってエステル交換される、請求項１２に記載の方法。
21. 前記エステル交換反応が８０℃〜９０℃で行われる、請求項１２に記載の方法。
22. 前記第２のアルコールの沸点は、前記第１のアルコールの沸点よりも少なくとも１０℃〜２０℃高い、請求項１２に記載の方法。
23. 前記エステル交換反応が、前記第１のアルコールの前記沸点にて減圧下で行われる、請求項１２に記載の方法。
24. 前記エステル交換反応が、リパーゼ酵素反応によるものである、請求項１２に記載の方法。
25. リパーゼはＣａｎｄｉｄａ ａｎｔａｒｔｉｃａのものである、請求項２４に記載の方法。