JP2008162919A - フラン環化合物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高価な触媒を使用せずに、エネルギー消費量の低減を図り、穏やかな条件で簡単に効率よく高収率でフラン環化合物を製造することができるフラン環化合物の製造方法を提供すること。
【解決手段】２−ホルミル−５−ヒドロキシメチルフランと、硝酸水溶液と、水と共沸混合物をつくる、エーテル結合を有する脂肪族系有機溶媒とを混合し、加熱し共沸により水を反応系外へ除去する。フラン環化合物が、２，５−ジホルミルフラン、５−ホルミルフラン−２−カルボン酸及びフラン−２，５−ジカルボン酸を含み、エーテル結合を有する脂肪族系有機溶媒が、ジエチレングリコールジメチルエーテルであることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、穏やかな条件で、２−ホルミル−５−ヒドロキシメチルフランから効率よく、高収率で２，５−ジホルミルフラン、５−ホルミルフラン−２−カルボン酸、フラン−２，５−ジカルボン酸等のフラン環化合物を得ることができるフラン環化合物の製造方法に関する。

２，５−ジホルミルフラン（ＤＦＦ）、５−ホルミルフラン−２−カルボン酸(ＣＦＦ)、フラン−２，５−ジカルボン酸（ＦＤＣＡ）等のフラン環化合物は医薬、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。２−ホルミル−５−ヒドロキシメチルフラン（５−ヒドロキシメチルフルフラール：５−ＨＭＦ）から、ジメチルスルホキサイド（ＤＭＳＯ）中で硝酸や四酸化二窒素等により、ヒドロキシメチル基を選択的に酸化してアルデヒドとする方法が報告されている（非特許文献１）。また、ＤＭＳＯ中、バナジウム化合物触媒等を用い、１５０℃等で空気／酸素バブリングを行いながら５−ＨＭＦを酸化する方法が報告されている（特許文献１）。また、コバルトやマンガンの臭化物触媒を用い、脂肪族モノカルボン酸化合物、好ましくは酢酸を含む溶媒混合物中で５−ＨＭＦを高圧酸素に接触させて酸化する方法が報告されている（特許文献２）。

しかしながら、上記非特許文献１に記載される方法は、四酸化二窒素の取り扱いが難しく、ＤＭＳＯが高沸点であり貯留のためのエネルギー消費量が高く、その上、生成率物の収率が低い。また、特許文献１、２に記載される方法においては、反応時間が長く、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。特に、特許文献２に記載される方法においては、ＤＦＦの生成率が６３％と低い。
野口研究所時報、第２２巻、２４頁から２６頁 米国特許６，７０６，９００ 特表２００３−５２８８６８

本発明の課題は、高価な触媒を使用せずに、エネルギー消費量の低減を図り、穏やかな条件で、簡単に効率よく高収率でフラン環化合物を製造することができるフラン環化合物の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、エネルギー消費量の低減を図り、穏やかな条件により、フラン環化合物を製造する方法について鋭意研究した。その結果、水と共沸混合物をつくる、エーテル結合を有する脂肪族系有機溶媒と、水との混合溶媒を共沸させ反応系外へ水を除去することにより、硝酸の脱水により、５−ＨＭＦ等に対する酸化力を活性化させることができることを見出した。これにより、取り扱いが困難な四酸化二窒素を直接取り扱うことなく、穏やかな条件で簡単に反応を行い、５−ＨＭＦから効率よく高収率でフラン環化合物を製造することができることを見い出した。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、２−ホルミル−５−ヒドロキシメチルフランと、硝酸水溶液と、水と共沸混合物をつくる、エーテル結合を有する脂肪族系有機溶媒とを混合し、加熱し共沸により水を反応系外へ除去することを特徴とするフラン環化合物の製造方法に関する。

本発明のフラン環化合物の製造方法は、高価な触媒を使用せずに、エネルギー消費量の低減を図り、穏やかな条件で効率よく高収率でフラン環化合物を製造することができる。

本発明のフラン環化合物の製造方法では、５−ＨＭＦと、硝酸水溶液と、水と共沸混合物をつくる、エーテル結合を有する脂肪族系有機溶媒とを用いる。

本発明のフラン環化合物の製造方法に用いる５−ＨＭＦは、以下の化学式で表されるものである。

５−ＨＭＦは、グルコースを酸性触媒の存在下で加熱脱水反応させることにより得られるフラン化合物であり、とうもろこし、サトウキビ、キャッサバ等農作物や、木材、ナフサ由来のもの等を使用することができる。

本発明に用いる硝酸水溶液としては、濃硝酸であることが、水の含有量が少ないため好ましく、硝酸水溶液の濃度としては、６０質量％以上であることが好ましい。硝酸の使用量としては、５−ＨＭＦに対し、等モル〜１０モル倍が好ましい。等モル以上であれば５−ＨＭＦの水酸基及びホルミル基の酸化を効率よく行うことができ、１０モル倍以下であれば、基質や生成物の破壊を抑制することができる。硝酸の使用量としては、１．５〜５モル倍がより好ましい。

更に、本発明に用いる有機溶媒は、水と共沸混合物をつくるものであって、且つ、エーテル結合を有する脂肪族系化合物である。有機溶媒は水と共沸して反応系外へ除去されることにより、硝酸の脱水を行い酸化力の活性化を図るために用いられる。水との共沸としては、極小共沸点、極大共沸点いずれを有するものであってもよい。エーテル結合を有する脂肪族系化合物としては、硝酸に対して安定性を有しないケトン基等を含まないものが好ましい。このため、本発明に用いる有機溶媒からは、硝酸に対し耐酸化性が低いトルエンのような芳香族炭化水素や、シクロヘキサノン、メチルイソブチルケトン等のケトン等は除かれる。

かかる有機溶媒としては、具体手的には、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、シネオール、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、１，２−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル等を挙げることができる。これらのうち、ジエチレングリコールジメチルエーテルは硝酸に対し耐酸化性に優れ、水と９９．８℃の共沸混合物を作り好ましい反応温度を保持できることから、特に、好ましい。これらの有機溶媒は２種以上を組み合わせたものであっても、水と共沸点を有するものであれば用いることができる。

このような有機溶媒の使用量は、共沸により水を系外に排出できる必要があり、その量は溶媒により異なるが、硝酸に含まれる水１質量部に対して０．１〜１００質量部が好ましく、１〜５０質量部がより好ましい。

上記５−ＨＭＦ、硝酸水溶液、有機溶媒との混合は、その順番、方法等いずれであってもよいが、５−ＨＭＦを有機溶媒に溶解して５−ＨＭＦ溶液とした後、５−ＨＭＦ溶液と硝酸水溶液とを混合して混合液を調製する方法が、溶解が容易なことから好ましい。混合液中の５−ＨＭＦの含有量は、溶媒１質量部に対し、０．００１〜１質量部の範囲が好ましく、０．０１〜０．５質量部がより好ましい。

上記混合液にはその他、５−ＨＭＦ、硝酸水溶液、有機溶媒の機能を阻害しない範囲において、適宜添加物を含有させることもできる。

その後、上記混合液を加熱し、水と有機溶媒を共沸させ反応系から溶媒を除去して５−ＨＭＦの酸化を行う。加熱温度としては、共沸混合物の共沸点温度によるが、例えば、６０〜２５０℃とすることができ、８０〜１３０℃を好ましい範囲として挙げることができる。反応温度が６０℃以上であれば、酸化反応速度を速めることができ、２５０℃以下であれば原料の分解を抑制することができる。このような範囲の加熱により、共沸する溶媒を反応系外へ除去することにより、硝酸に水和する水や硝酸からの脱水を行い、５−ＨＭＦの酸化活性を向上させることができる。加熱時間としては、５分〜２時間等とすることができ、従来の硝酸と四酸化二窒素を用いた反応に要する時間と比較して、顕著に短縮することができる。

上記反応により得られるフラン環化合物としては、２，５−ジホルミルフラン（ＤＦＦ）

５−ホルミルフラン−２−カルボン酸（ＣＦＦ）

及びフラン−２，５−ジカルボン酸（ＦＤＣＡ）

が選択的に得られる。

以下に、本発明のフラン環化合物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］
丸底フラスコに５−ＨＭＦ（アルドリッチ社製）１２６ｍｇ（１ミリモル）とジエチレングリコールジメチルエーテル（キシダ社製）３ｇとを入れて攪拌し溶解し、６０％硝酸（キシダ化学社製、比重１．３８）０．６３ｇを加え、１２０℃で１５分間加熱し、蒸気を除去しつつ反応を行った。得られた生成物について、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）により、以下の条件にて分析した。ＤＦＦ、ＣＦＦ、ＦＤＣＡの収率はそれぞれ、３９モル％、５２モル％、９モル％であった。

［ＨＰＬＣの測定条件］
ＨＰＬＣ：日本分光株式会社高速液体クロマトグラフ
カラム ：Ｓｈｏｄｅｘ ＳＵＧＡＲ ＳＨ１０１１（１本使用）
カラム温度：８０℃
移動相：３ｍＭ 過塩素酸（キシダ化学製の過塩素酸をイオン交換水で希釈したもの）
流量 ：０．６ｍｌ／ｍｉｎ（０〜２０ｍｉｎ）および１．４ｍｌ／ｍｉｎ（２０〜３５ｍｉｎ）
検出器：ＲＩ
リテンションタイム：５−ＨＭＦは２４．０分、ＤＦＦは２６．０分、ＣＦＦは１８．０分、ＦＤＣＡは１４．３分。

［実施例２］
加熱時間を１２０分間にした他は実施例１と同様に反応を行った。得られたＤＦＦ、ＣＦＦ、ＦＤＣＡの収率はそれぞれ、３５モル％、４４モル％、９モル％であった。

［比較例１］
５−ＨＭＦ（アルドリッチ社製）１２６ｍｇ（１ミリモル）をジエチレングリコールジメチルエーテル３ｇに替えてトルエン３ｇに溶解し、加熱時間を１２０分間にした他は実施例１と同様に反応を行った。異臭とともに反応液が濃黒色となり、所望の生成物は得られなかった。

［比較例２］
５−ＨＭＦ（アルドリッチ社製）１２６ｍｇ（１ミリモル）をジエチレングリコールジメチルエーテル３ｇに替えてメチルイソブチルケトン３ｇに溶解し、加熱時間を１２０分間にした他は実施例１と同様に反応を行った。異臭とともに反応液が濃黒色となり、所望の生成物は得られなかった。

以上の結果から、本発明のフラン環化合物の製造方法によれば、５−ＨＭＦ、ＤＦＦ、ＣＦＦ、ＦＤＣＡを短時間で簡単に、高収率で得られることが明らかである。

Claims (3)

1. ２−ホルミル−５−ヒドロキシメチルフランと、硝酸水溶液と、水と共沸混合物をつくる、エーテル結合を有する脂肪族系有機溶媒とを混合し、加熱し共沸により水を反応系外へ除去することを特徴とするフラン環化合物の製造方法。
2. フラン環化合物が、２，５−ジホルミルフラン、５−ホルミルフラン−２−カルボン酸及びフラン−２，５−ジカルボン酸を含むことを特徴とする請求項１記載のフラン環化合物の製造方法。
3. エーテル結合を有する脂肪族系有機溶媒が、ジエチレングリコールジメチルエーテルであることを特徴とする請求項１又は２記載のフラン環化合物の製造方法。