KR101848794B1 - 당의 이성화 방법 - Google Patents

Abstract

본원에는 당류를 이성화시키는 방법이 개시된다. 본원에는 또한 당류를 푸란 유도체로 전환시키는 방법이 개시된다. 본원에는 또한 전분을 푸란 유도체로 전환시키는 방법이 개시된다.

Description

당의 이성화 방법{ISOMERIZATION OF SUGARS}

관련 출원의 전후참조

본 출원은 35 U.S.C. § 119(e) 하에서 당의 이성화용 촉매(Catalysts for the Isomerization of Sugars)의 제목을 갖는 2010년 1월 15일에 출원된 미국 가출원 번호 61/295,637호, 당의 이성화용 촉매(Catalysts for the Isomerization of Sugar)의 제목을 갖는 2010년 2월 17일에 출원된 계류 중인 미국 가출원 번호 61/305,480호, 당의 이성화용의 신규한 촉매(New Catalysts for the Isomerization of Sugars)의 제목을 갖는 2010년 6월 29일에 출원된 계류 중인 미국 가출원 번호 61/359,782호, 당의 이성화용의 신규한 촉매(New Catalysts for the Isomerization of Sugars)의 제목을 갖는 2010년 12월 10일에 출원된 계류 중인 미국 가출원 번호 61/421,840호를 우선권으로 주장하며, 상기 출원 각각은 전체내용이 참조로서 본원에 포함된다.

35 U.S.C. § 202(c)에 따르면, 미국 정부는 승인 번호 DE-SC00010004로 미국 에너지부, 과학국, 기초에너지 과학국에 의해 일부 후원된 본원에 기재된 본 발명에 대해 일정 권리를 가질 수 있는 것이 인지된다.

발명의 분야

본원에 개시된 발명은 당의 이성화 분야에 속한다.

배경

탄수화물-기반 화학 공정은 바이오매스(biomass)와 같은 재생가능한 원료를 사용하는 것이 요망되는 관점에서 점점 더 중요해지고 있다. 당의 이성화는 다양한 산업적 탄수화물-기반 공정에서 사용되는 중요한 부류의 반응이다. 글루코오스의 프룩토오스로의 전환은 특히 유의한 상기 공정 중 하나이다. 이러한 반응은 고-프룩토오스 콘 시럽(HFCS)의 생성 뿐만 아니라 가치있는 화학 중간체, 예를 들어, 5-히드록시메틸푸르푸랄(HMF) 및 레불린산의 생성에서 이용되어 왔다.

글루코오스의 프룩토오스로의 이성화는 생물학적 또는 화학적 촉매를 이용하여 온건한 조건하에서 수행될 수 있다. 이러한 반응은 약간 흡열반응(ΔH = 3 kJ/mol)이고, 가역적(298 K에서 약 1의 Keq)이며, 이는 글루코오스의 프룩토오스로의 최대 도달할 수 있는 정도의 전환이 반응 온도에서 둘 모두의 당 사이의 열역학적 평형에 의해 결정되는 것을 의미한다.

산업적 글루코오스 이성화는 일반적으로 높은 전환 및 선택성의 이점을 제공하나, 또한 다수의 난제가 존재하는, 고정된 효소를 이용하여 달성된다. 효소적 촉매는 다수의 주기에 걸쳐 높은 활성을 유지하지 않고, 용이하게 재생될 수 없으며, 매우 다양한 온도, pH, 염 농도, 및 다른 공정 조건 상에서 수행될 수 없다. 또한, 효소적 이성화 촉매는 바이오매스로부터 글루코오스를 형성시키기 위한 업스트림 공정, 또는 프룩토오스를 다른 화학적 중간체로 전환시키기 위한 다운스트림 공정에 용이하게 통합될 수 없다.

예를 들어, 한 바람직한 산업적 이성화 방법은 42%(wt/wt) 프룩토오스, 50%(wt/wt) 글루코오스, 및 8%(wt/wt) 다른 당류의 평형 혼합물을 생성시키는 333 K에서의 고정된 효소(크실로오스 이소머라제)의 사용을 포함한다. 프룩토오스 수율은 높지만, 상기 효소 공정은, (i) <1 ppm의 수준으로 제거되어야 하는 이전의 전분 액화/사카린화 단계로부터 발생한 효소 활성을 강하게 억제하는 불순물, 예를 들어, 칼슘 이온을 공급물로부터 제거하기 위한 다양한 선행반응 정제 공정의 필요, (ii) 7.0 내지 8.0의 최적 pH(Na₂CO₃)를 유지하고, 반응후 이온-교환 절차를 필요로 하는 효소(MgS0₄)를 활성화시키기 위한 완충된 용액의 사용, (iii) 보다 상승된 온도에서 달성될 수 있는 보다 빠른 반응 속도를 방해하는, 생성 수율 및 효소 수명 둘 모두를 최대화시키기 위한 333 K의 최적 작업 온도, 및 (iv) 시간 경과에 따른 효소에 의해 발생되는 활성에서의 비가역적 감소로 인한 촉매 베드(bed)의 주기적 교체로부터 발생하는 보다 높은 작업 비용을 포함하는 다양한 결점을 갖는다.

따라서, 효소적 촉매와 관련된 결점이 없이 높은 전환 및 선택성으로 당을 이성화시키는 방법을 제공하는 것이 요망된다.

개요

상기 기재된 난제를 충족시키는데 있어서, 수성 매질 중의 단당류를 고-실리카 제올라이트의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 상기 고-실리카 제올라이트와 접촉시키는 단계를 포함하는 단당류를 이성화시키는 방법을 포함하는 방법이 본원에 개시되며, 상기 제올라이트는 단당류를 수용할 수 있는 포어(pore)를 갖는다. 수성 매질 중의 단당류를 정연한 메조다공성(mesoporous) 실리카 물질의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 상기 정연한 메조다공성 실리카 물질과 접촉시키는 단계를 포함하는 단당류를 이성화시키는 방법이 또한 개시된다.

수성 매질 중의 글루코오스를 고-실리카 제올라이트의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 상기 고-실리카 제올라이트와 접촉시켜 프룩토오스를 제공하는 단계로서, 상기 제올라이트가 글루코오스를 수용할 수 있는 포어를 갖는 단계; 및 프룩토오스를 탈수시키는 단계를 포함하는, 글루코오스를 5-히드록시메틸푸르푸랄로 전환시키는 추가 방법이 또한 개시된다. 산 중의 전분을 가수분해시켜 산성 수성 매질 중의 글루코오스를 제공하는 단계; 수성 매질 중의 글루코오스를 고-실리카 제올라이트의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 상기 고-실리카 제올라이트와 접촉시켜 프룩토오스를 제공하는 단계로서, 상기 제올라이트가 글루코오스를 수용할 수 있는 포어를 갖는 단계; 및 프룩토오스를 탈수시키는 단계를 포함하는, 전분을 5-히드록시메틸푸르푸랄로 전환시키는 또 다른 추가 방법이 개시된다.

전반적 기재 및 하기 상세한 설명은 단지 예시 및 설명을 위한 것으로, 첨부된 청구항에 의해 정의되는 본 발명을 제한하지는 않는다. 본 발명의 다른 양태가 본원에 제공되는 본 발명의 상세한 설명에 비추어 당업자에게 명백할 것이다.

도면의 간단한 설명

본 발명의 개요 뿐만 아니라 하기 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽는 경우에 더욱 이해된다. 본 발명을 예시하기 위해, 도면에서 본 발명의 예시적 구체예가 제시되나, 본 발명은 개시된 특정 방법, 조성물, 및 장치로 제한되지는 않는다. 또한, 도면은 반드시 일정한 비율로 그려진 것이 아니다. 본 발명의 도면은 다음과 같다:

도 1은 합성되고 당 이성화 활성에 대해 시험된 여러 상이한 물질의 구조 및 포어 크기를 도시한다.

도 2는 프레임워크 내에 티탄을 함유하는 제올라이트 구조를 도시한다.

도 3은 주석 제올라이트 베타의 주사 전자 현미경 이미지를 도시한다.

도 4는 주석 제올라이트 베타의 주사 전자 현미경 이미지를 도시한다.

도 5는 티탄 제올라이트 베타(상부 2 프레임) 및 주석 제올라이트 베타(하부 2 프레임)의 주사 전자 현미경 이미지를 도시한다.

도 6은 Sn-베타 및 Ti-베타의 자외선/가시광선 확산 반사 스펙트럼을 도시한다.

도 7은 Ti-베타 및 Sn-베타의 X-선 분말 회절 패턴을 도시한다.

도 8은 2상 시스템에서 글루코오스의 HMF로의 전환 후의 주사 전자 현미경검사를 이용한 Sn-베타의 유의한 형태적 변화의 부재를 도시한다. 좌측 패널은 반응 전의 Sn-베타를 도시하고, 우측 패널은 200의 몰비, 1:3의 물:THF 부피비, HCl 중 1의 pH, 100g의 물 중 35g의 NaCl에서의 글루코오스에 대한 Sn-베타의 노출 후의 Sn-베타를 도시한다.

도 9는 생물학적 또는 화학적 촉매에 의해 촉매된 글루코오스 이성화 반응 경로의 개략적 대표도를 도시한다.

도 10은 (A) 염기-촉매 및 (B) 금속-촉매된 반응 경로에 의한 글루코오스 이성화 메커니즘의 개략적 대표도를 도시한다.

도 11은 (A) 양성자 전달 및 (B) 분자내 히드라이드 옮김(intramolecular hydride shift)에 의한 글루코오스 이성화 메커니즘의 개략적 대표도를 도시한다.

도 12는 미어웨인-폰도르프-벌리(Meerwein-Ponndorf-Verley, MPV) 반응 경로를 도시한다. 여기서, R은 알킬 또는 아릴이고; R1 및 R3은 알킬 또는 수소이고; Me는 금속이다.

도 13은 바이오매스 -> 글루코오스 -> HMF -> 프룩토오스 -> 다운스트림 생성물의 경로의 개략적 대표도를 도시한다.

도 14는 전분 -> 글루코오스 -> 프룩토오스 -> HMF의 경로의 개략적 대표도를 도시한다.

도 15는 HMF를 형성하는 프룩토오스를 형성시키기 위한 글루코오스의 반응에 대한 2상 시스템의 사용의 개략적 대표도를 도시한다.

도 16은 글루코오스 이성화 반응을 위한 메탈로실리케이트의 스크리닝의 결과를 도시한다. 반응 조건은 물 중 10 wt% 글루코오스, 140℃, 90분, 및 1:50의 금속:글루코오스 몰비였다.

도 17은 다양한 금속 함유 고체에 의해 촉매된 글루코오스 이성화 반응의 결과를 도시한다(흑색의 글루코오스 전환, 백색의 프룩토오스 선택성). 반응 조건은 물 중 10 wt% 글루코오스, 413 K, 90분, 및 1:50 금속:글루코오스 몰비였다.

도 18은 촉매로서 Sn-베타를 이용한 글루코오스(회색), 프룩토오스(백색), 및 만노오스(흑색)에 대한 363 K, 383 K, 및 413 K에서의 시간의 함수에 따른 글루코오스 이성화 반응 프로파일 및 생성물 분포를 도시한다. 반응 조건은 물 중 10 wt% 글루코오스 및 1:50의 Sn:글루코오스 몰비였다. 좌측 패널 상의 반응 프로파일 플롯에 대한 오차 막대는 보이지 않는데, 이는 이들이 데이터-포인트 아이콘보다 작기 때문이다.

도 19는 a) 표지되지 않은 글루코오스, b) 표지된 글루코오스-D2, c) 글루코오스-D2와 Sn-베타를 반응시킨 후에 수득된 글루코오스 분획, d) 표지된 글루코오스-D2와 NaOH를 반응시킨 후에 수득된 글루코오스 분획, e) 표지되지 않은 프룩토오스, f) 표지된 글루코오스-D2와 Sn-베타를 반응시킨 후에 수득된 프룩토오스 분획, 및 g) 표지된 글루코오스-D2와 NaOH를 반응시킨 후에 수득된 프룩토오스 분획의 ¹³C NMR 스펙트럼을 도시한다.

도 20은 a) 표지되지 않은 글루코오스, b) 표지된 글루코오스-D2, c) 글루코오스-D2와 Sn-베타를 반응시킨 후에 수득된 글루코오스 분획, d) 표지된 글루코오스-D2와 NaOH를 반응시킨 후에 수득된 글루코오스 분획, e) 표지되지 않은 프룩토오스, f) 표지된 글루코오스-D2와 Sn-베타를 반응시킨 후에 수득된 프룩토오스 분획, 및 g) 표지된 글루코오스-D2와 NaOH를 반응시킨 후에 수득된 프룩토오스 분획의 ¹H NMR 스펙트럼을 도시한다.

도 21은 Sn-베타 또는 SnO₂-베타를 이용한 383 K에서 45분 후의 글루코오스 이성화 반응 및 생성물 분포(글루코오스-회색, 프룩토오스-백색, 및 만노오스-흑색); 및 (B) Sn-베타 및 Sn0₂-베타에 대한 확산 반사 UV-Vis 스펙트럼을 도시한다. 상기 (A)의 반응을 1:100의 금속:글루코오스 몰비를 유지하기 위해 상응하는 양의 촉매를 이용하여 10 wt% 글루코오스 용액으로 수행하였다.

도 22는 촉매로서 Sn-베타를 이용한 383 K에서의 글루코오스 이성화 전환 프로파일을 도시한다. 반응 조건은 물 중 10 wt% 글루코오스(표지되지 않거나 표지됨) 및 1:50의 Sn:글루코오스 몰비였다.

도 23은 α-피라노오스 형태의 글루코오스(i)을 35% 함유하고, β-피라노오스 형태의 글루코오스(ii)를 65% 함유하는 표지되지 않은 글루코오스 용액에 대한 분자 구조를 도시한다. 35%가 α-피라노오스 형태(iii)이고, 65%가 β-피라노오스 형태(iv)인 표지된 글루코오스(글루코오스-D2)에 대해 동일 비가 수득된다.

도 24는 표지되지 않은 글루코오스, 가열 전의 글루코오스-D2, 및 촉매 없이 383 K에서의 가열 후의 글루코오스-D2의 ¹³C NMR 스펙트럼을 도시한다.

도 25는 2상 시스템을 이용한 글루코오스의 HMF로의 전환에 대한 반응 시험의 결과를 도시한다. 상부의 일련의 실험의 반응 조건은 1:2의 물 대 1-부탄올 부피비, HCl 중 1의 pH, 및 100g의 물 중 35g의 NaCl이었다. 하부의 일련의 실험의 반응 조건은 1:3의 물 대 유기상 부피비, HCl 중 1의 pH, T=180℃, 100g의 물 중 35g의 NaCl이었다.

도 26은 2상 시스템을 이용한 글루코오스의 HMF로의 전환에 대한 반응 시험의 결과를 도시한다. 반응 조건은 200의 Sn-베타 대 글루코오스 몰비, 1:3의 물 대 1-부탄올 부피비, HCl 중 pH = 1, T=160℃, 100g의 물 중 35g의 염이었다.

도 27은 2상 시스템을 이용한 글루코오스의 HMF로의 전환에 대한 반응 시험의 결과를 도시한다. 반응 조건은 200의 Sn-베타 대 글루코오스 몰비, 1:3의 물 대 1-부탄올 상 부피비, 산 중 pH = 1, T=160℃, 100g의 물 중 35g의 NaCl이었다.

도 28은 2상 시스템을 이용한 글루코오스의 HMF로의 전환에 대한 반응 시험의 결과를 도시한다. 반응 조건은 200의 Sn-베타 대 글루코오스 몰비, 1:3의 물 대 유기상 부피비, HCl 중 1의 pH, 100g의 물 중 35g의 NaCl이었다.

도 29는 2상 시스템을 이용한 글루코오스의 HMF로의 전환에 대한 반응 시험의 결과를 도시한다. 반응 조건은 온도 160℃, 1:200의 Sn/베타 제올라이트 대 글루코오스 몰비, HCl 중 1의 pH, 1:2의 물 대 1-부탄올 부피비였다. 상부의 2개의 패널은 반응성 데이터를 제공하고, 하부 패널은 1의 pH에서의 HCl에 대한 노출 전 및 후의 X-선 회절(XRD) 데이터를 제공한다.

도 30은 문헌[Tewari, Y., Applied Biochemistry and Biotechnology 1990, 23, 187]으로부터의 데이터를 기초로 한 글루코오스 대 프룩토오스 이성화의 열역학 데이터를 도시한다.

도 31은 문헌[Andy & Davis, Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 2922]에 기재된 절차에 따라 합성된 Zn-CIT-6의 x-선 회절 패턴을 도시한다.

도 32는 0.5-0.6 마이크론의 결정 크기를 나타내는 합성된 Zn-CIT-6의 주사 전자 현미경사진을 도시한다.

도 33은 제조된 형태(좌측) 및 하소된 형태(우측)로서의 CIT-6(SnCH₃Cl₃) 촉매를 이용한 110℃에서의 글루코오스 이성화 반응에 대한 생성물 분포를 도시한다.

예시적 구체예의 상세한 설명

본 발명은 본 발명의 개시의 일부를 이루는 하기 수반된 도면 및 실시예와 관련하여 하기 상세한 설명을 참조로 하여 더욱 용이하게 이해될 것이다. 본 발명은 본원에 기재되고/되거나 제시된 특정 장치, 방법, 적용, 조건 또는 파라미터에 제한되지 않으며, 본원에서 사용되는 용어는 단지 예시로서 특정 구체예를 기재하기 위한 것으로, 청구된 본 발명을 제한하려고 하는 것이 아님이 이해되어야 한다. 또한, 첨부된 청구항을 포함하는 명세서에서 사용되는 경우, 단수 형태는 복수를 포함하고, 특정 숫자 값에 대한 언급은 문맥이 명백히 달리 나타내지 않는 한 최소한 상기 특정 값을 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "다수"는 하나 이상을 의미한다. 일정 범위의 값이 표현되는 경우, 또 다른 구체예는 하나의 특정 값으로부터 다른 특정 값을 포함한다. 유사하게, 값이 "약"의 선행사를 이용하여 근사치로 표현되는 경우, 상기 특정 값이 또 다른 구체예를 이루는 것이 이해될 것이다. 모든 범위는 총괄적이며, 조합가능한 것이다.

명료함을 위해 별개의 구체예의 상황에서 본원에 기재되는 본 발명의 특정한 특징은 또한 하나의 구체예에서 조합하여 제공될 수 있음이 인지되어야 한다. 역으로, 간결함을 위해 하나의 구체예의 상황에서 기재되는 본 발명의 다양한 특징이 또한 별개로 또는 임의의 하위조합(subcombination)으로 제공될 수 있다. 또한, 범위에서 지정된 값에 대한 언급은 상기 범위 내의 각각의 값 및 모든 값을 포함한다.

생성물 y를 형성하는 반응물 x의 화학적 반응을 특성규명하는 경우에 본원에서 사용되는 바와 같은 전환은 반응되는 x의 몰(mole)을 x의 최초 몰로 나눈 것으로 정의된다. 선택성은 생성되는 y의 몰을 반응되는 x의 몰로 나눈 것으로 정의된다. 수율은 생성되는 y의 몰을 x의 최초 몰로 나눈 것으로 정의된다. 이러한 양은 분수 또는 백분율로 기재될 것이다. 예를 들어, 전환을 백분율로 기재하기 위해, 반응되는 x의 몰이 x의 최초 몰로 나누어지고, 결과에 100이 곱해진다. 달리 기재하지 않는 한, 1 내지 100의 상기량의 값은 분수가 아니라 백분율을 반영하는 것이 이해되어야 한다.

본원에 개시된 여러 방법에서, 당은 화학적 촉매작용을 이용하여 이성화된다. 생물학적 촉매작용과 비교시, 당을 이성화시키기 위해 저렴한 무기 물질을 이용하는 화학적 촉매작용은 광범위한 온도에서의 작업 및 보다 긴 수명, 보다 짧은 반응기 체류 시간을 제공할 수 있는 보다 빠른 반응 속도, 및 불순물에 대한 높은 저항성을 포함하는 매력적인 장점을 제공할 수 있다.

예를 들어, 글루코오스는 298 내지 423 K 범위의 온도에서 염기 촉매의 존재하에서 이성화를 겪으나; 불행히도, 단당류는 알칼리성 매질에서 불안정하고, 313 K를 초과하는 온도에서 다수의 부산물로 용이하게 분해된다. 따라서, 염기 촉매는 통상적으로 10% 미만의 프룩토오스 수율을 발생(높은-프룩토오스 선택성[>90%]이 단지 낮은 글루코오스 전환[<10%]에서 발생됨)시킴에 따라, 이들은 대규모 글루코오스 처리에서 사용하기 위한 후보로서 좋지 않다.

본원에 개시된 여러 방법은 규산 물질의 프레임워크에 통합되는 경우에 수성 매질 중에서 고체 산으로 작용할 수 있는 주석(Sn) 또는 티탄(Ti) 금속 중심을 사용한다. 예를 들어, 상기 유형의 산 중심을 함유하는 거대-포어의 제올라이트는, 염기-촉매되는 반응에서 보통 조우되는 당 분해 반응을 방지하면서 글루코오스와 같은 알도오스의 이성화에서 활성을 갖는다.

금속 산 중심의 사용은 상기 유형의 금속 중심과 알도오스에 존재하는 히드록실-카르보닐 모이어티 사이의 강한 상호작용의 장점을 가질 수 있다. 또한, 최근의 보고에서 Sn-베타 제올라이트가 카르보닐 화합물의 미어웨인-폰도르프-벌리(MPV) 환원에서 고도의 활성을 가짐으로써, 알콜의 히드록실기로부터 케톤의 카르보닐기로의 히드라이드 전달이 발생하는 것으로 밝혀졌다. 문헌[Corma A., et al. (2002) Al-free Sn-Beta zeolite as a catalyst for the selective reduction of carbonyl compounds (Meerwein-Ponndorf-Verley reaction), J. Am. Chem. Soc. 124(13):3194-95] 참조. 유사하게, 다른 보고에서 Sn-함유 물질이 알콜의 존재하에서 루이스-산 매개 이성화/에스테르화 반응 순서에 의해 트리오스, 예를 들어, 글리세르알데히드 및 디히드록시아세톤의 알킬 락테이트로의 전환을 촉매하는 것으로 밝혀졌다. 문헌[Hayashi Y. & Sasaki Y. (2005) Tin-catalyzed conversion of trioses to alkyl lactates in alcohol solution, Chem. Commun. 21 :2716-18; Taarning E, et al. (2009) Zeolite-catalyzed isomerization of triose sugars, ChemSusChem 2(7):625-27] 참조.

본원에 개시된 여러 방법에서, 단당류는 특히 수성 매질 중의 단당류를 촉매와 접촉시킴으로써 이성화된다. 촉매는, 예를 들어, 금속 중심을 함유하는 무기 물질일 수 있다.

본원에 개시된 추가 방법에서, 무기 물질은 규산 물질일 수 있다. 무기 물질은 또한 다공성 물질, 또는 특히 분자체, 또는 특히 미공성 물질, 예를 들어, 제올라이트일 수 있다. 예를 들어, 무기 물질은 고-실리카 제올라이트일 수 있다.

많은 제올라이트가 알루미노실리케이트이나, 다른 성분, 예를 들어, 아연을 포함하는 제올라이트가 이를 합성하는 방법과 마찬가지로 당 분야에 공지되어 있다. 일부 제올라이트는 고-실리카로 언급되며, 이는 프레임워크 내의 실리콘 대 알루미늄의 비가, 예를 들어, 적어도 10:1 만큼 높거나, 100:1 또는 심지어 이를 초과할 만큼 높은 것을 의미한다. 고-실리카 제올라이트는 알루미늄을 완전히 포함하지 않을 수도 있다. 실리콘 대 알루미늄의 비가 높을수록, 제올라이트의 프레임워크는 더욱 중성 및 소수성이 된다.

무기 물질이 다공성 물질인 구체예에서, 물질의 포어는, 이러한 포어가 다공성 물질의 내부로 단당류 또는 다른 반응물 또는 생성물을 수용하기에 충분히 크도록 디자인될 수 있다. 예를 들어, 무기 물질이 제올라이트인 경우, 요망되는 코어 크기를 갖는 특정 제올라이트가 선택될 수 있다. 포어 크기는 제올라이트를 분류하는 한 방법이며, 다양한 포어 크기의 제올라이트가 당 분야에 공지되어 있다. 제올라이트의 포어 크기는 또한 요망되지 않거나 방해하는 분자를 배제하도록 선택될 수 있다.

무기 물질이 다공성 물질인 구체예에서, 물질은, 촉매 반응성이 물질 내에서 발생됨으로써, 반응물이 포어를 통해 물질로 진입하고, 반응하여 생성물을 형성한 후, 생성물이 포어를 통해 물질을 떠나도록 디자인될 수 있다. 또 다른 추가 구체예에서, 표면 반응성이 존재할 수 있으나, 이는 약하거나, 사소하거나, 완전히 존재하지 않을 수도 있다. 일부 예에서, 무기 물질은 촉매 활성에 기여할 수 있으나, 다른 예에서는, 금속 중심이 촉매 활성을 제공한다.

본원에 개시된 추가 방법에서, 금속 중심이 무기 물질의 프레임워크에 통합된다. 예를 들어, 제올라이트는 제올라이트의 프레임워크 내에 금속을 함유할 수 있다. 이러한 제올라이트의 예는 당 분야에 공지되어 있다. 문헌[E.g., Corma A. et al. (2001) Sn-zeolite beta as a heterogeneous chemoselective catalyst for Baeyer-Villiger oxidations, Nature 412(6845):423-25] 참조. 이러한 지식에도 불구하고, 제올라이트의 프레임워크로의 금속의 성공적인 통합은 일반적으로 제올라이트의 특성규명에 의해 입증되어야 한다.

본원에 개시된 또 다른 추가 방법에서, 금속 중심은 루이스 산으로 작용한다. 이러한 방법에서, 금속은 무기 물질에 루이스 산 활성을 제공할 수 있다. 금속이 양이온, 복합체, 또는 공유 화합물, 예를 들어, 알루미늄, 붕소, 크롬, 코발트, 철, 티탄, 주석 및 기타 금속으로 존재하는지의 여부에 따라 루이스 산으로 작용하는 다수의 금속이 일반적으로 종래에 공지되어 있다. 본원에 개시된 일부 방법에서, 예를 들어, 금속 중심은 주석 또는 티탄이다. 루이스 산 활성을 갖는 것으로 당 분야에 공지된 다른 금속이 또한 촉매로의 통합에 대해 고려된다.

본원에 개시된 추가 방법에서, 촉매는 제올라이트의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 제올라이트일 수 있다. 예를 들어, 촉매는 고-실리카 제올라이트의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 상기 고-실리카 제올라이트일 수 있다.

본원에 개시된 여러 방법에서, 촉매는 제올라이트 베타를 포함한다. 일반적으로, 제올라이트 베타는 토폴로지(topology) *BEA에 의해 규정되는 제올라이트이며, 이의 특징은, 예를 들어, 문헌[Atlas of Zeolite Framework Types, Sixth Edition (Baerlocher et al., 2007)]에 기재되어 있다. 당 분야에 공지된 다른 제올라이트가 고려된다. 제올라이트의 선택은 촉매되는 반응, 반응물, 및 생성물에 따라 적절한 프레임워크 크기, 형태, 및 성분에 좌우된다. 예를 들어, 촉매되는 반응이 프룩토오스를 형성하는 글루코오스의 이성화인 경우, 제올라이트 베타와 같은 글루코오스 및 프룩토오스를 수용할 수 있는 포어 크기를 갖는 제올라이트가 바람직하다. 보다 큰 반응물 및 생성물은 비례적으로 보다 큰 포어를 갖는 물질을 필요로 한다.

본원에 개시된 다른 방법에서, 촉매는 TS-1과 같은 제올라이트를 포함하며, 이는 MFI 토폴로지를 갖는 티타노실리케이트 물질이다. 다양한 다른 거대한 포어 및 특대(extra-large)의 포어 제올라이트, 예를 들어, CIT-1, ZSM-12, SSZ-33, SSZ-26, CIT-5, 또는 고 실리카 FAU가 또한 고려된다.

본원에 개시된 또 다른 추가 방법에서, 다공성 물질은 정연한 메조다공성 실리카 물질이다. 예를 들어, 단당류는 특히 수성 매질 중의 단당류를 정연한 메조다공성 실리카 물질의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 정연한 메조다공성 실리카 물질과 접촉시킴으로써 이성화된다. 메조다공성 실리카 물질은, 예를 들어, MCM-41, SBA-15, TUD-1, HMM-33 또는 FSM-16일 수 있다.

본원에 개시된 또 다른 추가 방법에서, 촉매는 용매가 물인 용액을 의미하는 수용액 중의 단당류와 접촉된다. 본원에 개시된 촉매는 다른 용매, 예를 들어, 알콜 중의 단당류와 접촉될 수 있으나, 본원의 다른 곳에 개시된 바와 같이, 용매의 선택은 화학 반응의 결과에 유의하게 영향을 준다.

본원에 개시된 추가 방법에서, 촉매는 탄수화물과 접촉된다. 예를 들어, 촉매는 단당류, 이당류, 삼당류, 올리고당류 또는 다당류와 접촉될 수 있다. 또한, 탄수화물의 임의의 조합물이 적절히 촉매와 접촉될 수 있다. 또한, 임의의 키랄성의 탄수화물이 촉매와 접촉될 수 있다.

탄수화물이 단당류인 경우, 단당류는 알도오스, 예를 들어, 알도트리오스, 알도테트로오스, 알도펜토오스 또는 알도헥소오스일 수 있다. 특히, 알도오스는 글리세르알데히드, 에르트로오스, 트레오스, 리보오스, 아라비노오스, 크실로오스, 릭소오스, 알로오스, 알트로오스, 글루코오스, 만노오스, 굴로오스(gulose), 이도오스(idose), 갈락토오스 또는 탈로오스를 포함할 수 있다.

또한, 탄수화물이 단당류인 경우, 단당류는 케토오스, 예를 들어, 케토트리오스, 케토테트로오스, 케토펜토오스, 또는 케토헥소오스일 수 있다. 특히, 케토오스는 디히드록시아세톤, 에리트룰로오스(erythrulose), 리불로오스, 크실룰로오스, 사이코오스(psicose), 프룩토오스, 소르보오스, 또는 타가토오스(tagatose)를 포함할 수 있다.

다른 단당류 및 이의 유도체가 또한 피라노오스, 푸라노오스, 아미노 당 등을 포함하는 본원에 개시된 촉매와 접촉될 수 있다.

탄수화물이 이당류인 경우, 이당류는 단당류의 임의의 조합물, 예를 들어, 수크로오스, 락툴로오스, 락토오스, 말토오스, 트레할로오스, 셀로비오스, 코지비오스(kojibiose), 니게로오스(nigerose), 이소말토오스, 소포로오스(sophorose), 라미나르비오스(laminarbiose), 겐티오비오스(gentiobiose), 투라노오스(turanose), 말툴로오스(maltulose), 팔라티노오스(palatinose), 겐티오비울로오스(gentiobiulose), 만노비오스(mannobiose), 멜리비오스(melibiose), 멜리불로오스(melibulose), 루티노오스(rutinose), 루티눌로오스(rutinulose) 또는 크실로비오스(xylobiose)일 수 있다.

말토오스 및 셀로비오스와 같은 전분 및 셀룰로오스와 같은 바이오매스 물질의 가수분해 반응의 부산물인 탄수화물의 혼합물을 포함하는 탄수화물의 혼합물이 또한 본원에 개시된 촉매와 접촉될 수 있다. 또한, 프룩토-올리고당류 및 갈락토-올리고당류 뿐만 아니라 전분, 셀룰로오스, 및 키틴과 같은 올리고당류 및 다당류가 본원에 개시된 촉매와 접촉될 수 있다.

본원에 개시된 추가 방법에서, 수성 매질은 선택된 온도에서 상기 매질 중에 약 0.001 중량%의 단당류 내지 최대 용해도의 단당류를 포함한다. 예를 들어, 수성 매질은 약 0.001 중량%의 단당류 내지 약 50 중량%의 단당류, 또는 약 10 중량%의 단당류 내지 약 50 중량%의 단당류를 포함할 수 있다. 수성 매질은 또한 약 25 중량%의 단당류 내지 약 50 중량%의 단당류를 포함할 수 있다. 보다 높은 농도가 산업적으로 바람직한데, 이는 다른 이유 중에서도 가공 장비의 이용 증가 때문이다. 선택되는 특정 단당류 농도는 선택되는 단당류 용해도에 부분적으로 좌우된다.

본원에 개시된 추가 방법에서, 이성화 반응은 실질적으로 열역학적 평형에 도달한다. 예를 들어, 글루코오스의 프룩토오스로의 전환에서, 평형 전환은 도 30에 도시된다. 본원에 개시된 또 다른 추가 방법에서, 이성화 반응은 종래 효소 시스템과 실질적으로 동일한 전환 및 선택성을 제공하는 화학 촉매에 의해 수행된다.

본원에 개시된 또 다른 방법에서, 수성 매질의 pH는 7.0 미만을 의미하는 산성이다. 단당류는, 예를 들어, 본원에 개시된 바와 같이 비-산성 조건에서 이성화될 수 있으나, 본원에 또한 개시된 산성 조건에서의 이성화가 현저한 유용성을 갖는다. 또한, 산성 용액에서 당을 이성화시키는 능력은 염기 촉매작용 동안 조우되는 주요 장애의 일부를 극복하는데 필수적이며, 상기 주요 장애의 일부는 산성 부산물에 의한 활성 부위의 중화 및 알칼리성 환경에서의 당의 낮은 안정성을 포함한다. 또한, 낮은 pH 값에서의 작업은 추가 단위 작업을 이용할 필요 없이 업스트림 및 다운스트림 산-촉매된 반응, 예를 들어, 가수분해 또는 탈수와 글루코오스 이성화 반응을 커플링시킬 기회를 제공한다. 예를 들어, 고-프룩토오스 콘 시럽(HFCS)의 생성에서, 이성화 단계 전에 요구되는 전분 가수분해 단계(통상적으로, 산 촉매 또는 효소의 조합물을 이용하여 별개 세트의 반응기에서 수행됨)가 글루코오스 이성화 단계와 조합될 수 있다. 유사하게, HMF의 생성에서, 산-촉매된 탈수 단계를 수행하기 전에 글루코오스를 프룩토오스로 전환시키는데 필요한 염기-촉매된 이성화 단계가 보다 높은 생성물 수율을 더욱 효과적으로 획득하기 위해 단일 반응기에서 조합될 수 있다.

본원에 개시된 일부 방법에서, 수성 매질의 pH는 약 0 내지 약 4이다. 본원에 개시된 추가 방법에서, 수성 매질의 pH는 약 0 내지 약 2이다. 2를 포함하는 약 0 내지 약 2의 pH가 HMF를 형성하기 위한 이성화와 전분의 가수분해 및/또는 프룩토오스의 탈수의 커플링에 특히 유용하다.

본원에 개시된 또 다른 방법에서, 수성 매질은 염을 포함한다. 염은 다수의 이유로 존재할 수 있고, 예를 들어, 염은 이전 공정으로부터 넘겨질 수 있고, 내염성은 경제적 및 효율성 이유로 인해 유리할 수 있다. 또 다른 예로서, 염은 또한 다수의 액체상에 걸친 분획화(partitioning)를 촉진하기 위해 고의로 첨가될 수 있다. 본원에 개시된 일부 방법에서, 염은 임의의 금속, 예를 들어, 소듐, 포타슘, 마그네슘, 칼슘, 리튬 또는 기타 금속일 수 있는 양이온을 포함할 수 있다. 염은 또한 음이온, 예를 들어, 아세테이트, 알킬포스페이트, 알킬설페이트, 카르보네이트, 크로메이트, 시트레이트, 시아니드, 포르메이트, 글리콜레이트, 할라이드, 헥사플루오로포스페이트, 니트레이트, 니트라이트, 옥시드, 포스페이트, 설페이트, 테트라플루오로보레이트, 토실레이트, 트리플레이트 또는 비스-트리플루오르설폰이미드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 염은 소듐 클로라이드, 포타슘 클로라이드, 마그네슘 클로라이드, 또는 포타슘 브로마이드일 수 있다.

본원에 개시된 또 다른 방법에서, 이성화는 약 50℃ 내지 약 250℃의 온도에서 수행된다. 온도의 선택은 반응 동역학 뿐만 아니라 전환 및 선택성에 영향을 미친다. 수용액의 조성에 따라, 반응에 대한 최대 온도는 반응기가 가압되는지의 여부, 및 만약 그렇다면 얼마나 가압되는지의 여부에 좌우될 것이다. 예를 들어, 이성화는 약 90℃ 내지 약 180℃의 온도에서 수행될 수 있다. 한 추가 예로서, 이성화는 약 90℃ 내지 약 140℃의 온도에서 수행될 수 있다. 실행가능한 경우, 에너지를 보존하기 위해 낮은 온도가 바람직할 수 있다.

본원에 개시된 추가 방법에서, 이성화는 약 90분 미만 동안 수행될 수 있다. 일반적으로, 반응은 요망되는 전환에 도달하기에 충분히 길게 진행되도록 해야 한다. 효율 이유에 대한 산업적 관점으로 인해 보다 짧은 반응 시간이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 이성화는 약 60분 미만, 또는 약 30분 미만 동안 수행될 수 있다. 보다 짧은 반응 시간을 이용하는 또 다른 이유는 요망되지 않는 분해 생성물의 형성에 대한 잠재성이다.

본원에 개시된 또 다른 추가 방법에서, 단당류 이성화 반응의 조건은, 제올라이트 촉매가 성능에서의 유의한 감소 및 하소(calcination) 필요 없이 적어도 3회의 반응 주기 동안 회분방식(batchwise)으로 사용될 수 있도록 선택된다. 안정적인 촉매는 증가된 효능, 감소된 비용, 및 신뢰성을 포함하는 산업적으로 중요한 여러 장점을 제공한다. 본원에 개시된 일부 방법에서, Sn-베타 촉매는 안정적이고, 재사용 후 및 하소 후 둘 모두에서 이의 활성을 유지한다. 예를 들어, 연속적인 주기의 글루코오스 이성화가 촉매의 중간 처리 없이 수행되었고, 전환 및 선택성이 유지되었다. 본원에 개시된 다른 예에서, 촉매가 성능 감소를 겪는 경우에서도, 주기 사이의 공기 중에서의 하소 단계가 성능을 회복시킨다. 촉매가 성능 감소를 겪는지의 여부는 촉매의 선택 및 반응 조건의 선택에 부분적으로 좌우될 수 있다. 예를 들어, 반응 시간 및 온도가 중간 수준, 예를 들어, 383K 및 30분으로 유지되는 경우, 하소의 중간 단계가 필요하지 않다.

본원에 개시된 추가 방법에서, 단당류 이성화의 생성물은 이후에 탈수된다. 예를 들어, 화학 중간체로서 유용한 푸란 유도체를 형성시키기 위해 탈수가 수행될 수 있다. 한 추가 예로서, 글루코오스는 특히 수성 매질 중의 글루코오스를 고-실리카 제올라이트의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 상기 고-실리카 제올라이트와 접촉시켜 프룩토오스를 제공한 후, 프룩토오스를 탈수시킴으로써 5-히드록시메틸푸르푸랄(HMF)로 전환되고, 상기 제올라이트는 글루코오스를 수용할 수 있는 포어를 갖는다.

본원에 개시된 이성화 및 탈수를 조합한 다른 양태에서, 촉매는 제올라이트, 예를 들어, 베타를 포함한다. 다양한 다른 거대한 포어 및 특대 포어 제올라이트, 예를 들어, CIT-1, ZSM-12, SSZ-33, SSZ-26, CIT-5, 또는 고-실리카 FAU가 또한 고려된다. 본원에 개시된 이성화 및 탈수를 조합한 또 다른 추가 방법에서, 다공성 물질은 정연한 메조다공성 실리카 물질이다. 예를 들어, 단당류는 특히 수성 매질 중의 단당류를 정연한 메조다공성 실리카 물질의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 상기 정연한 메조다공성 실리카 물질과 접촉시킴으로써 이성화된다. 메조다공성 실리카 물질은, 예를 들어, MCM-41, SBA-15, TUD-1, HMM-33 또는 FSM-16일 수 있다.

본원에 개시된 추가 양태에서, 단당류 이성화의 생성물은 탈수되면서 수성 매질에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 프룩토오스는 탈수되면서 수성 매질 중에 유지될 수 있다. 이러한 절차는 분리 단계의 필요성을 회피하면서, 그 대신 동일 수성 매질 중에서 이성화 및 탈수 반응 둘 모두를 수행하는 이점을 제공한다. 본원에 개시된 방법은 상기 절차에 특히 적합한데, 이는 본원에 개시된 특정한 이성화 촉매가 탈수에 필요한 조건에서 안정적이기 때문이다.

일반적으로, 푸란 유도체를 형성시키기 위한 당류의 탈수는 널리 연구되어 있고, 특히 HMF를 형성하기 위한 프룩토오스의 탈수는 당 분야에 공지되어 있다. 본원에 개시된 특정 방법에서, 이성화 반응의 생성물의 탈수는 산 촉매의 존재하에서 수행된다. 예를 들어, 촉매는 수성 매질에 용해된 무기산, 예를 들어, HCl일 수 있다. 촉매는 또한, 예를 들어, 고체 산 촉매, 예를 들어, *BEA 토폴로지를 갖는 양성자화된 고-실리카 제올라이트일 수 있다. 다른 산 공급원, 예를 들어, 양이온 교환 수지, 루이스 산, 실리카-알루미나 물질, 티타니아-알루미나 물질, 광산, 이종다중산(heteropolyacid), 질산, 황산, 인산, 붕산, 옥살산, 레불린산, 시트르산, 니오브 산화물, 바나듐 포스페이트 또는 니오브 포스페이트가 또한 유용할 수 있다.

이성화 및 탈수 반응은 연속적 또는 동시, 또는 이의 일부 조합으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 단당류는 수용액 중의 이성화 촉매 및 탈수 촉매와 접촉되고, 둘 모두의 반응이 함께 진행될 수 있다. 한 특정 예에서, 글루코오스가 산성 수용액 중의 이성화 촉매와 접촉되는 경우, 글루코오스가 먼저 반응되어 프룩토오스가 형성된 후에 HMF가 형성된다. 특정 반응 조건은 특히 이성화와 관련하여 개시된 조건 중 임의의 조건일 수 있다.

본원에 개시된 이성화 및 탈수를 조합한 일부 방법에서, 수성 매질의 pH는 약 0 내지 약 4이다. 본원에 개시된 추가 방법에서, 수성 매질의 pH는 약 0 내지 약 2이다. 본원에 개시된 이성화 및 탈수를 조합한 또 다른 방법에서, 수성 매질은, 예를 들어, 임의의 금속, 예를 들어, 소듐, 포타슘, 마그네슘, 칼슘, 리튬 또는 기타 금속일 수 있는 양이온을 포함하는 염을 포함한다. 염은 또한 음이온, 예를 들어, 아세테이트, 알킬포스페이트, 알킬설페이트, 카르보네이트, 크로메이트, 시트레이트, 시아니드, 포르메이트, 글리콜레이트, 할라이드, 헥사플루오로포스페이트, 니트레이트, 니트라이트, 옥시드, 포스페이트, 설페이트, 테트라플루오로보레이트, 토실레이트, 트리플레이트 또는 비스-트리플루오르설폰이미드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 염은 소듐 클로라이드, 포타슘 클로라이드, 마그네슘 클로라이드, 또는 포타슘 브로마이드일 수 있다.

본원에 개시된 또 다른 방법에서, 이성화는 약 50℃ 내지 약 250℃의 온도에서 수행된다. 온도의 선택은 반응 동역학 뿐만 아니라 전환 및 선택성에 영향을 미친다. 수용액의 조성에 따라, 반응에 대한 최대 온도는 반응기가 가압되는지의 여부, 및 만약 그렇다면 얼마나 가압되는지의 여부에 좌우될 것이다. 예를 들어, 이성화는 약 90℃ 내지 약 180℃의 온도에서 수행될 수 있다. 한 추가 예로서, 이성화는 약 90℃ 내지 약 140℃의 온도에서 수행될 수 있다. 실행가능한 경우, 에너지를 보존하기 위해 낮은 온도가 바람직할 수 있다.

본원에 개시된 추가 방법에서, 이성화는 약 90분 미만 동안 수행될 수 있다. 일반적으로, 반응은 요망되는 전환에 도달하기에 충분히 길게 진행되도록 해야 한다. 효율 이유에 대한 산업적 관점으로 인해 보다 짧은 반응 시간이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 이성화는 약 60분 미만, 또는 약 30분 미만 동안 수행될 수 있다. 보다 짧은 반응 시간을 이용하는 또 다른 이유는 요망되지 않는 분해 생성물의 형성에 대한 잠재성이다.

본원에 개시된 또 다른 방법에서, 조합 이성화-탈수 반응은, 예를 들어, 미국 특허 번호 7,572,925호에 기재된 바와 같이 2상 시스템으로 수행될 수 있다. 2상 시스템은 2개의 실질적으로 비혼화성 액체 상인 하나의 액체 상 및 하나의 유기상을 포함한다. 2상 시스템은 원칙적으로 전환, 선택성, 및 정제 효율에 대해 장점을 제공한다. 이러한 적용에서, 당류의 이성화는 수성상에서 발생하고, 이성화 생성물의 탈수도 마찬가지이다. 예를 들어, 글루코오스의 프룩토오스로의 이성화 및 프룩토오스의 HMF로의 탈수 둘 모두는 수성상에서 발생한다. 또한, 상기 반응 각각에 대한 촉매가 수성상에 제공된다. 탈수 생성물, 예를 들어, HMF는 이후 유기상으로 추출된다. 따라서, 예를 들어, 수성 매질은 이러한 수성 매질로부터 HMF를 추출할 수 있는 유기 매질과 접촉될 수 있고, 여기서 유기 매질은 수성 매질과 실질적으로 비혼화성이다. 이는 수성상이 비교적 HMF를 함유하지 않도록 유지시키고, 이에 따라 탈수 반응의 성능을 개선시키며, 유기층 내에 HMF 생성물을 비교적 순수한 상태로 제공하고, 이에 따라 정제를 간소화시킨다. 따라서, 예를 들어, 본원에 개시된 일부 방법에서, HMF는 수성 매질에서 생성되고, HMF가 생성됨에 따라 수성 매질로부터 유기 매질로 추출된다.

유기 매질에 대해 매우 다양한 용매, 예를 들어, 임의의 물-비혼화성, 선형, 분지형, 또는 고리형 알콜, 에테르, 또는 케톤, 또는 비치환된 지방족 또는 방향족 탄화수소, 또는 할로-치환된 지방족 또는 방향족 탄화수소, 또는 이 중 임의의 혼합물이 이용될 수 있다. 예를 들어, 본원에 개시된 일부 양태에서, 유기 매질은 1-부탄올 또는 THF를 포함한다. 유기층의 일부 성분은 물과 다소 혼화성인 화합물을 포함할 수 있다. 개시된 다른 유기 매질 성분은, 예를 들어, DMSO, DMF, N-메틸피롤리디논, 아세토니트릴, 아세톤, 부타논, 펜타논, 헥사논, 헵타논 등을 포함한다.

본원에 개시된 또 다른 추가 방법에서, 전분을 HMF로 전환시키기 위해 여러 반응이 조합된다. 당 분야에 널리 공지된 바와 같이, 전분은 산에 의해 가수분해되어 글루코오스가 형성된다. 이러한 개시에 따르면, 본원에 개시된 촉매를 이용한 글루코오스의 이성화는 산성 조건에서 잘 수행된다. 따라서, 특히 산에서 전분을 가수분해시켜 산성 수성 매질 중의 글루코오스를 제공하고, 수성 매질 중의 글루코오스를 고-실리카 제올라이트의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 상기 고-실리카 제올라이트와 접촉시켜 프룩토오스를 제공하고, 프룩토오스를 탈수시킴으로써 전분을 5-히드록시메틸푸르푸랄로 전환시키는 방법이 본원에 개시되며, 상기 제올라이트는 글루코오스를 수용할 수 있는 포어를 갖는다. 이러한 3 반응은 조합될 수 있고, 예를 들어, 글루코오스를 고-실리카 제올라이트와 접촉시키면서 산성 수성 매질 중에 유지시켜 프룩토오스를 제공하는 것을 포함하는 방법이 개시된다. 또한, 프룩토오스를 탈수시키면서 산성 수성 매질 중에 유지시켜 5-히드록시메틸푸르푸랄을 제공하는 것을 포함하는 방법이 개시된다. 한 추가 예로서, 3개 모두의 반응은 수용액 중에서 하나의 포트(pot)에서 수행되고, 여기서 최초 반응물은 전분이고, 최종 생성물은 HMF이다.

본원에 개시된 다른 방법에서, 전분의 HMF로의 전환은, 예를 들어, 미국 특허 번호 7,572,925호에 따른 2상 시스템으로 달성될 수 있다. 수용액이거나 2상 시스템이건 간에 이성화 반응 및 이성화 및 탈수 반응의 조합에 적용가능한 모든 변형 및 개시가 HMF 시스템에 대한 전분에 적용가능하다. 따라서, 예를 들어, 산성 수성 매질이 이러한 산성 수성 매질로부터 5-히드록시메틸푸르푸랄을 추출할 수 있는 유기 매질과 접촉되고, 여기서 유기 매질은 실질적으로 수성 매질과 비혼화성이다. 한 추가 예에서, 5-히드록시메틸푸르푸랄이 산성 수성 매질에서 생성되고, 5-히드록시메틸푸르푸랄이 생성됨에 따라 수성 매질로부터 유기 매질로 추출된다.

실시예 및 추가 구체예

실시예 1

Ti-베타 제올라이트를 다음과 같이 제조하였다: 7.503 g의 테트라에틸암모늄 히드록시드 용액(Sigma-Aldrich, 물 중 35%wt)을 15 g의 물로 희석시켰다. 이후, 7.016 g의 테트라에틸오르토실리케이트(Sigma-Aldrich, 98%wt) 및 0.201 g의 티탄(IV) 이소프로폭시드(Sigma-Aldrich, 97% wt)를 용액에 첨가하였다. 테트라에틸오르토실리케이트 및 티탄(IV) 이소프로폭시드의 완전한 가수분해까지 혼합물을 교반시켜, 요망되는 물 비까지 에탄올, 이소프로판올 및 요구되는 물을 증발시켰다. 최종적으로, 0.670 g의 HF 용액(Mallinckrodt, 물 중 52% wt)을 첨가하여 진한 겔을 생성시켰다.

겔 조성물은 SiO₂/0.021 TiO₂/0.54 TEAOH/0.53 HF/6.6 H₂O였다. 이러한 겔을 Teflon-라이닝(lining)된 스테인레스 강철 오토클레이브로 옮기고, 14일 동안 140℃에서 가열하였다. 고체를 여과에 의해 회수하고, 물로 광범위하게 세척하고, 밤새 100℃에서 건조시켰다. 고체 물질은 베타 제올라이트 토폴로지(도 7에서 Ti-베타 XRD 패턴 참조)를 나타낸다. 고체를 6시간 동안 580℃에서 하소시켜 결정성 물질에 위치된 유기 함유물을 제거하였다. 하소된 샘플의 UV-vis 확산 반사 스펙트럼은 약 200-250 nm에서의 독특한 밴드의 존재를 나타내고, 이는 제올라이트 프레임워크에 4면체로 배위결합된 Ti로 지정될 수 있다(도 6에서 Ti-베타 참조).

실시예 2

Sn-베타 제올라이트를 다음과 같이 제조하였다: 7.57 g의 테트라에틸암모늄 히드록시드 용액(Sigma-Aldrich, 물 중 35 wt%)을 15 g의 물로 희석시켰다. 다음으로, 7.011 g의 테트라에틸오르토실리케이트(Sigma-Aldrich, 98 wt%) 및 0.121 g의 주석(IV) 클로라이드 펜타히드레이트(Sigma-Aldrich, 98 wt%)를 용액에 첨가하였다. 테트라에틸오르토실리케이트의 완전한 가수분해가 달성될 때까지 혼합물을 교반한 후, 에탄올 및 일부 물의 완전한 증발에 의해 요망되는 물 비에 도달시켰다. 최종적으로, 0.690 g의 HF 용액(Mallinckrodt, 물 중 52 wt%)을 첨가하여 진한 겔을 생성시켰다.

겔 조성은 SiO₂/0.01 SnCl₄/0.55 TEAOH/0.54 HF/7.52 H₂O였다. 이러한 겔을 Teflon-라이닝된 스테인레스 강철 오토클레이브로 옮기고, 50일 동안 140℃에서 가열하였다. 고체를 여과에 의해 회수하고, 물로 광범위하게 세척하고, 밤새 100℃에서 건조시켰다. 고체를 6시간 동안 580℃에서 하소시켜 결정성 물질에 위치된 유기 함유물을 제거하였다. X-선 회절로 고체 물질이 베타 제올라이트 토폴로지를 갖는 것을 확인하였다(도 7의 Sn-베타 XRD 패턴 확인). 하소된 샘플의 UV-vis 확산 반사 스펙트럼은 약 200-250 nm에서의 독특한 밴드의 존재를 나타내고, 이는 제올라이트 프레임워크에 4면체로 배위결합된 Sn으로 지정될 수 있다(도 6에서 Sn-베타 참조). 주사 전자 현미경검사(SEM)는 Sn-베타 결정이 수 마이크론 크기(도 3-4)임을 나타내고, Sn-베타 샘플에 대한 에너지 분산형 X-선 분광법(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS) 측정은 96:1의 Si:Sn 원자비를 나타낸다.

실시예 3

TS-1을 특허 문헌(미국 특허 4,410,501호)에 보고된 방법에 따라 합성하였다. TS-1을 티탄 부톡시드(TNBT, Sigma-Aldrich), 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS, Sigma-Aldrich), 테트라프로필암모늄 히드록시드(TPAOH, 1M, Sigma-Aldrich) 및 증류수를 혼합하여 제조된 투명한 용액으로부터 결정화시켰다. 테트라에틸오르토실리케이트 및 티탄 부톡시드의 완전한 가수분해가 달성될 때까지 혼합물을 교반시킨 후, 요망되는 물 비에 도달할 때까지 에탄올, 부탄올 및 일부 물을 완전히 증발시켰다. 겔 조성은 SiO₂/0.03 TiO₂/0.44 TPAOH/30 H₂O였다. TS-1 반응 혼합물을 Teflon-라이닝된 오토클레이브에 충전시키고, 5일 동안 175℃에서 결정화시켰다. 오토클레이브를 50 RPM에서 회전시켰다. 냉각 후, 고체를 여과에 의해 수거하고, 물로 광범위하게 세척하고, 밤새 100℃에서 건조시켰다. 물질을 6시간 동안 580℃에서 하소시켜 결정성 물질 내에 위치된 유기 함유물을 제거하였다.

실시예 4

Ti-MCM-41 샘플을 다음과 같이 합성하였다: 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(C16TABr)의 용액을 제조하였다(물 15.1 g 중 C16TABr 1.93 g). 이후, 6.42 g의 테트라메틸암모늄 히드록시드 용액(25%, Aldrich)을 첨가하였다. 균질화 후, 7.015 g의 테트라에틸오르토실리케이트(Sigma-Aldrich, 98%wt) 및 0.19 g의 티탄(IV) 이소프로폭시드(Sigma-Aldrich, 97%wt)를 용액에 첨가하였다. 테트라에틸오르토실리케이트 및 티탄(IV) 이소프로폭시드의 완전한 가수분해가 달성될 때까지 혼합물을 교반시켰다. 다음으로, 요망되는 물 비가 달성될 때까지 에탄올, 이소프로판올 및 일부 물을 완전히 증발시켰다. 최종 조성은 1.0 SiO₂/0.02 TiO₂/0.16 C₁₆TABr/0.26 TMAOH/24.8 H₂O였다. 균질한 겔을 Teflon-라이닝된 스테인레스 강철 오토클레이브에서 밀봉시키고, 48시간 동안 안정적 조건하에서 135℃에서 가열하였다. 고체를 여과에 의해 회수하고, 물로 광범위하게 세척하고, 밤새 100℃에서 건조시켰다. 고체를 6시간 동안 580℃에서 하소시켜 정연한 물질 내에 위치된 유기 함유물을 제거하였다.

실시예 5

Sn-MCM-41 샘플을 다음과 같이 합성하였다: 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드(C16TABr)의 용액을 제조하였다(물 4.3 g 중 C16TABr 1.46 g). 이후, 6.34 g의 테트라메틸암모늄 히드록시드 용액(25%, Aldrich)을 첨가하였다. 균질화 후, 0.088 g의 SnCl₄·5H₂O(98%, Aldrich) 및 3.76 g의 콜로이드 실리카 용액(Ludox AS-40, Sigma-Aldrich)을 지속적인 교반과 함께 첨가하였다. 최종 조성은 1.0 SiO₂/0.01 SnCl₄/0.16 C₁₆TABr/0.35 TMAOH/25 H₂O였다. 균질한 겔을 Teflon-라이닝된 스테인레스 강철 오토클레이브에서 밀봉시키고, 48시간 동안 안정적 조건하에서 135℃에서 가열하였다. 고체를 여과에 의해 회수하고, 물로 광범위하게 세척하고, 밤새 100℃에서 건조시켰다. 고체를 6시간 동안 580℃에서 하소시켜 정연한 물질 내에 위치된 유기 함유물을 제거하였다.

실시예 6

다양한 물질을 공지된 방법을 이용하여 합성하였다. 하기 표에는 실리콘/금속 비에 따라 합성된 여러 물질이 나열되며, 이는 에너지 분산형 X-선 분광법(EDS)으로 측정하였다.

상기 물질의 합성은 하기 문헌에 따라 실시예 1-5에 개시된 바와 같이 기재된다: [1] Corma, A. et al., J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (26), pp. 11306-11315; [2] C.B. Khouw, H.X. Li and M.E. Davis, Micropor. Mater. 2. (1994), p. 425; [3] Blasco et al., J. Catal., 1995, 156, p. 65; [4] Ti-MCM-41 샘플을 표면 상의 실라놀을 캡핑(capping)시키기 위해 헥사메틸디실라잔으로 처리하였다; [5] Corma, A. et al., ARKIVOC, 2005, ix, p. 124.

분말 X-선 회절(XRD) 패턴을 Cu Ka 방사선을 이용하는 Scintag XDS 2000 회절계를 이용하여 수집하였다. 에너지 분산형 X-선 분광법(EDS) 측정과 함께 주사 전자 현미경검사(SEM)를 10 kV의 전자 고전압(electron high tension, EHT)에서 LEO 1550 VP FE SEM 상에서 기록하였다. UVVis 측정을 확산 반사 셀(cell)이 장비된 Cary 3G 분광광도계를 이용하여 기록하였다.

실시예 7

글루코오스 이성화 실험을 디지털 교반 전열기(Fisher Scientific)의 상부에 배치된 온도-제어 오일 배쓰에서 가열된 10 ml 두께의 벽을 갖는 유리 반응기(VWR)에서 수행하였다. 통상적인 실험에서, 10 wt%의 글루코오스 및 1:50의 금속:글루코오스 몰비를 달성하는 상응하는 촉매량(통상적으로, 약 70mg)으로 구성된 1.5 g의 수용액을 반응기에 첨가하고, 밀봉시켰다. 반응기를 오일 배쓰에 두고, 특정 횟수로 분리시켰다. 반응기를 얼음 배쓰에서 냉각시킴으로써 반응을 중지시키고, 분석을 위해 적은 분취량을 취하였다. PDA UV(320 nm) 및 증기화 광산란(ELS) 검출기가 장비된 Agilent 1200 시스템(Agilent Technologies Corp.)을 이용한 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)로 샘플 분석을 수행하였다. 글루코오스 및 프룩토오스 농도를 0.55 ml/분 유속의 이동상으로서 초고순도 물(pH = 7) 및 353 K의 컬럼 온도를 이용하여 Phenomenex RHM 컬럼(Phenomenex)을 이용하여 모니터하였다.

실시예 8

하기 표에는 글루코오스 이성화 실험의 결과가 요약되어 있다:

글루코오스 이성화 반응에 대한 활성에 대해 다양한 루이스 산 중심을 함유하는 일련의 물질을 시험하였다. 상기 시험은 거대-포어 베타 제올라이트의 프레임워크에 통합된 탄탈(Ta), 주석(Sn), 및 티탄(Ti) 금속 중심, 중간-포어 제올라이트에 통합된 Ti(TS-1) 및 정연한 메조다공성 규산 지지체에 통합된 Sn 및 Ti(SBA-15)를 포함하였다. 도 16에서 관찰되는 바와 같이, Sn-베타 및 Ti-베타는 상기 조건하에서 가장 높은 이성화 활성을 나타내었고, 140℃에서 90분 동안 50%를 초과하는 글루코오스 전환에 도달하였다. 대조적으로, Sn-SBA 및 Ti-SBA는 상기 조건하에서 단지 중간의 이성화 활성을 나타내었고, TS-1 및 Ta-베타 물질은 동일 반응 조건하에서 이성화 활성을 거의 나타내지 않았다. TS-1과 Ti-베타 사이의 반응성 차이는 TS-1 포어의 직경이 제올라이트로의 글루코오스 분자의 진입을 가능케 하기에 너무 작은 것을 암시한다.

2개의 가장 활성 물질의 반응 동역학의 보다 상세한 연구는 Sn-베타 촉매가 Ti-베타와 비교하는 경우 우수한 성능으로 글루코오스를 이성화시키는 것을 나타내었다. 특히, 110℃에서 45분 및 140℃에서 15분에서의 반응 평형(즉, 50% 글루코오스 전환)에서 90%를 초과하는 프룩토오스 선택성이 달성되었다. 반응이 보다 긴 시간 동안 진행되도록 둔 경우에 프룩토오스 선택성 값이 감소되었는데, 이는 프룩토오스 분해 반응의 발생 때문이다(엔트리 5d 및 10e 참조). 활성인 동안의 Ti-베타 촉매는 상기 조건하에서 Sn-베타 촉매만큼 효과적이지 않았고, 110℃에서 45분 후에 18% 글루코오스 전환에서 80%의 프룩토오스 선택성, 및 140℃에서 45분 후에 44% 글루코오스 전환에서 68%의 프룩토오스 선택성을 발생시켰다.

본 발명자는 이성화 반응에 대한 Sn-베타의 활성과 관련된 흥미로운 용매 효과를 관찰하였다. 염기성 촉매와 달리, Sn-베타 촉매는 산성 환경에서 이성화 반응을 수행할 수 있었다. 또한, 상기 반응에 사용되는 염기성 촉매의 주요 결점은 당 분해 반응 동안 형성되는 카르복실산에 의한 활성 부위의 중화로 인한 촉매 불활성화이다. 그러나, Sn-베타가 산성 글루코오스 용액(pH = 2, HCl)에서 사용된 경우, 비-산성 용액에서 수행된 반응과 비교하는 경우 활성 또는 프룩토오스 선택성에서 차이가 관찰되지 않았다(엔트리 5c 및 6c 참조). 대조적으로, 비양자성 용매(디메틸설폭시드 [DMSO])가 물 대신 사용된 경우, Sn-베타는 이성화 반응에 대해 활성이 없었다(엔트리 11c 및 12c 참조).

실시예 9

하기 표에는 물 중 다양한 촉매를 이용한 글루코오스 이성화 실험이 요약되어 있다. 반응을, 225:1의 글루코오스:Sn 몰비를 이용한 45 wt%의 글루코오스 용액의 반응 결과를 보고하는 *로 표시된 엔트리 10을 제외하고는, 1:50의 금속:글루코오스 몰비를 유지하는 상응하는 양의 촉매를 이용하여 10 wt% 글루코오스 용액으로 수행하였다. **는 Ti-베타를 이용하여 만노오스가 아닌 확인되지 않은 당이 수득된 것을 나타낸다. 보고된 5 wt% 수율을 헥소오스와 관련된 반응 인자를 이용하여 계산하였다.

Sn 또는 Ti 금속 중심을 함유하는 일련의 실리카 물질을 글루코오스 이성화 반응에서의 활성에 대해 스크리닝하였다. 특히, Sn 및 Ti 금속 중심이 거대-포어 제올라이트(베타)의 프레임워크에 통합되었고, Ti가 중간-포어 제올라이트(TS-1)에 통합되었고, Sn 및 Ti가 정연한 메조다공성 실리카(MCM-41)에 통합되었다. 상기 조건하에서, Sn-베타 및 Ti-베타는 가장 높은 글루코오스 이성화 활성을 나타내었고, 413 K에서 90분에서 50%를 초과하는 글루코오스 전환에 도달하였다(도 17). 대조적으로, Sn-MCM41 및 Ti-MCM41은 단지 중간 활성을 나타내었고, TS-1은 동일 반응 조건하에서 실질적으로 비활성이었다(도 17). TS-1과 Ti-베타 사이의 반응성 차이는 글루코오스 분자가 베타 제올라이트의 포어(약 0.8 nm 포어 직경)에 확산될 수 있으나, TS-1의 포어(0.5-0.6 nm 포어 직경)에는 확산될 수 없는 것을 나타낸다.

2개의 가장 활성인 물질을 이용한 추가 반응 연구는 Sn-베타 촉매가 Ti-베타와 비교하는 경우 우수한 성능으로 글루코오스를 이성화시키는 것을 나타내었다. 특히, 촉매량의 Sn-베타(1:50의 Sn:글루코오스 몰비)를 함유하는 10 wt% 글루코오스 용액은 383 K 및 413 K에서 30분 및 12분 후에 약 46%(w/w) 글루코오스, 31%(w/w) 프룩토오스, 및 9%(w/w) 만노오스의 생성물 수율을 각각 발생시켰다. 383 K에서, Ti-베타 촉매는 반응이 보다 긴 기간 동안 진행되도록 한 후에도 훨씬 낮은 글루코오스 전환을 달성하였다(엔트리 4 및 7). 자가-촉매 분해 반응의 발생이 증가된 반응 시간과 함께 전체 당류 수율을 감소시켰다(도 18). 반응 온도를 다양화시키는 것은 제공된 글루코오스 전환 값에서의 당 손실의 전체량에 대해 영향을 미치지 않는 것으로 보이며, 따라서 이는 분해 반응 경로가 이성화 반응의 것과 유사한 명백한 활성화 장벽을 갖는 것을 암시한다. 특히, Sn-베타 촉매는 대규모 전환에서 사용되는 것과 같이 더욱 농축된 글루코오스 용액과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 383 K에서 60분 동안 촉매량의 Sn-베타(1:225의 Sn:글루코오스 몰비)를 함유하는 45 wt% 글루코오스 용액을 반응시킨 후에 46%(w/w) 글루코오스, 29%(w/w) 프룩토오스, 및 8%(w/w) 만노오스의 생성물 분포를 수득하였다(엔트리 4 및 10). 이러한 결과는 산업적 효소 방법에서 수득된 결과와 비슷하며, 이는 무기 촉매를 이용한 고도로 농축된 글루코오스 용액으로부터 수득된 높은 프룩토오스 수율이다.

데이터는 Sn-베타에서의 이성화 반응에 대한 활성 부위가 제올라이트의 프레임워크에 통합된 Sn 원자임을 암시한다. SnCl₄·5H₂O 또는 SnO₂ 둘 모두는 이성화 활성을 나타내지 않았고(엔트리 8 및 9), Sn-베타에 대한 UV 데이터는 프레임워크 Sn 외에 해당하는 흡수 밴드를 나타내지 않았다(도 6).

실시예 10

하기 표에는 촉매 안정성 연구에 대한 결과가 요약되어 있다. 반응을 1:50의 Sn:글루코오스 몰비(엔트리 5b 제외)를 갖는 10 wt% 글루코오스 용액을 이용하여 383 K에서 수행하였다. 연구 1(엔트리 1-4)에 대해, 각각의 주기 후, 촉매를 물로 세척하고, 새로운 글루코오스 용액을 이후에 첨가하여 새로운 주기를 개시시켰다. 주기 4에서, 주기 3으로부터 회수된 촉매를 2 K/분의 온도 상승률을 이용하여 3시간 동안 813 K에서 공기 중에서 하소시켰다. 연구 2(엔트리 5a-5b)에 대해, Sn-베타를 이용한 반응을 12분 동안 진행시켰다(엔트리 5a). 이후, 촉매를 용액으로부터 고온 여과시키고, 여과액을 추가 30분 동안 반응시켰다(엔트리 5b).

Sn-베타 촉매의 안정성을 시험하기 위해, 2 유형의 연구를 수행하였다. 첫번째 연구에서, 각 30분 동안 383 K에서 4회의 연속적 이성화 주기를 수행함으로써 촉매의 재사용성(reusability)을 시험하였다. 각각의 주기 후, 촉매를 여과시키고, 물로 세척하고, 새로운 글루코오스 용액을 첨가하였다. 데이터로부터 관찰되는 바와 같이, 3회의 반응 주기 후, 촉매는 이의 최초 활성 및 생성물 분포를 유지하였다. 3회의 주기 후, 촉매를 813 K에서 공기 중에서 하소시키고, 1회의 마지막 주기를 수행하였다. 주기 4의 결과는 촉매가 이의 본래의 활성 및 생성물 분포를 다시 유지한 것을 나타냄으로써, 통상적인 제올라이트 재생 방법에 잘 견딜 수 있는 것을 입증한다. 용액에 용해된 금속 종으로 인한 동종성 촉매작용의 존재를 시험하기 위해 두번째 시험을 고안하였다. 특히, 이성화 주기를 15분 동안 383 K에서 Sn-베타 촉매로 개시시켰다. 이후, 용액이 여전히 고온인 채로 촉매를 여과에 의해 제거하였다.

냉각 동안의 용해된 종의 임의의 가능한 재-흡착을 피하기 위해, 여과액을 30분 동안 383 K에서 반응시켰다. 반응 결과는 촉매의 존재하에서 글루코오스 이성화가 예상된 바와 같이 진행한 것을 나타낸다(57%(w/w) 글루코오스, 27%(w/w) 프룩토오스, 및 6%(w/w) 만노오스의 생성물 수율). 그러나, 촉매가 제거된 후에 반응이 지속되지 않았으며, 이는 용해된 금속 이온에 의해 동종성 촉매작용이 발생한 것이 아닌 것을 나타낸다(엔트리 5a 및 5b). 상기 두 시험으로부터의 결과는 Sn-베타가 이성화 반응을 이종성으로 촉매하고, 다수의 반응 주기에 사용될 수 있음을 나타낸다.

실시예 11

하기 표에는 413 K에서 산성 조건하에서 물 중에서의 Sn-촉매된 글루코오스 반응에 대한 결과가 요약되어 있다. 엔트리 1b 및 4에 대해, 1:50의 Sn:글루코오스 몰비를 이용하였다.

특히, Sn-베타는 고도의 산성 환경에서 이성화 반응을 수행할 수 있다. HCl 없이 수행된 반응과 비교하는 경우 산성 10 wt% 글루코오스 용액(pH = 2, HCl) 중의 Sn-베타를 이용한 반응에 대해 활성 또는 생성물 분포에서의 차이가 관찰되지 않았다(실시예 9, 엔트리 4 및 6). 산성 환경에서 Sn-베타를 이용한 실험은 가수분해/이성화 및 이성화/탈수 반응 순서에 대해 우수한 결과를 나타내었다. 특히, 90분 동안 413 K에서 HCl(pH = 1)을 이용한 10 wt% 전분 용액의 가수분해는 87%(w/w) 글루코오스 및 13%(w/w) 전분 용액을 생성시켰고, 이를 이후에 산성 용액에 촉매량의 Sn-베타(1:50의 Sn:글루코오스 몰비)를 첨가하고 413 K에서 추가 12분 동안 가열함으로써 이성화시켜, 13%(w/w) 전분, 39%(w/w) 글루코오스, 23%(w/w) 프룩토오스, 및 7%(w/w) 만노오스로 구성되는 생성물 분포를 수득하였다(표 3, 엔트리 1a 및 1b). 또한, 413 K에서 120분 동안 HCl(pH = 1) 및 Sn-베타의 존재하에서 함께 반응된 10 wt% 글루코오스 용액은 18%(w/w) 프룩토오스 및 2%(w/w) 만노오스에 더하여 11%(w/w)의 HMF 수율을 발생시켰다(엔트리 4). 이러한 데이터는 수성 HCl 중에서 프룩토오스를 반응시켜 수득된 탈수 결과(24%(w/w) HMF 수율, 85% 전환; 엔트리 3) 및 유사한 수성 HCl 반응 조건하에서 글루코오스를 탈수시켜 수득된 탈수 결과(<1%(w/w) HMF 수율, 9% 전환; 엔트리 2)와 비교될 수 있다. 따라서, Sn-베타는 이성화 및 다른 산 촉매된 반응의 촉매적 커플링을 필요로 하는 1-포트(pot) 반응 순서에 대한 매력적인 후보자이다.

실시예 12

C-2 위치에서 중수소화된 글루코오스(글루코오스-D2, 도 23)를 이성화 반응에 대한 NMR 연구를 수행하는데 이용하였다. 도 11에 제시된 바와 같이, C-2 위치에서의 양성자는 어떠한 경로가 후속되는지 관계 없이 반응 메커니즘에서 기초적 역할을 한다. 또한, C-2 위치에서의 동위원소 치환은 최초 반응 속도에서의 2배의 감소(k_H/k_D = 1.98, 도 22)를 발생시켰으며, 이는 상당한 동역학적 동위원소 효과를 나타낸다. 중요하게는, 촉매의 부재하에서 반응 온도(383K)에서 물에서 가열된 글루코오스-D2의 ¹³C NMR 스펙트럼은 동위원소 스크램블링(scrambling)이 발생하지 않은 것을 나타낸다(도 24). 이러한 결과는 중요한데, 이는 상기 결과가 반응 조건에서 물에서의 C-D 결합의 비활성을 입증하고, 반응 동안 분자 내에서의 임의의 동위원소 재배열이 전적으로 촉매의 작용으로 인한 것임을 나타내기 때문이다.

촉매로서 Sn-베타를 이용하여 글루코오스-D2의 이성화를 연구하기 위해 ¹³C 및 ¹H NMR 분광법을 이용하였다. 표지되지 않은 글루코오스 및 글루코오스-D2 공급 용액의 ¹³C NMR 스펙트럼의 비교는 표지되지 않은 글루코오스 용액에서 δ=74.1 및 71.3ppm에서 관찰된 공명이 글루코오스-D2 용액에서 낮은-강도의 1:1:1 트리플렛(triplet)으로 관찰되는 것을 나타낸다(도 19 a,b). 이러한 효과는 용액 중의 글루코오스-D2의 2개 형태(β-피라노오스 및 α-피라노오스, 64:36의 비로 존재함)의 C-2 위치 내의 중수소 원자에 의한 핵 오버하우저 상승(nuclear Overhauser enhancement, NOE)의 붕괴와 관련된다. NOE 동안, C,H 커플링을 억제하는데 ¹H 브로드(broad)-밴드 디커플링(decoupling)이 사용되는 경우, ¹³C 공명 강도는 직접 결합된 ¹³C-¹H 쌍에 대해 200% 이하로 향상되나; 이러한 공명 증폭은 ¹³C-¹H 쌍에 대해 관찰되지 않고, 따라서 글루코오스-D2 내의 C-2와 관련된 공명은 실질적으로 감소된다. Sn-베타의 존재하에서 15분 동안 383 K에서 물 중 글루코오스-D2의 10 wt% 용액을 반응시킨 후, 글루코오스 및 프룩토오스 분획을 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 이용하여 분리시켰다. 각각의 분획에 대한 ¹³CNMR 스펙트럼의 분석은 반응 후에 글루코오스-D2가 변경되지 않은 채로 유지(도 19 b,c)된 반면, 프룩토오스 생성물은 표지되지 않은 프룩토오스 표준에 비해 유의한 차이를 갖는(도 19 e,f) 것을 나타낸다. 특히, 표지되지 않은 프룩토오스 표준에서 β-피라노오스 및 β-푸라노오스 형태의 C-1 위치로 지정된 δ = 63.8 및 62.6 ppm에서의 공명은 반응 후에 회수된 프룩토오스 생성물에 대한 낮은-강도의 트리플렛으로 관찰된다. 둘 모두의 당에 대한 ¹H NMR 스펙트럼은 상기 결과를 추가로 입증한다. 반응 전 및 반응 후의 글루코오스-D2의 ¹H NMR 스펙트럼은 일정하게 유지(도 20 b,c)되는 반면, 프룩토오스 스펙트럼은 C-1 위치에서의 중수소 원자의 존재로 인한 δ = 3.45 ppm에서의 공명의 소실을 나타낸다(도 20 f). 상기 스펙트럼에서의 영역의 적분으로 표지되지 않은 글루코오스 또는 프룩토오스에서 발견된 7개의 C-H 쌍에 비해 글루코오스 및 프룩토오스 분획에 대해 6개의 C-H 쌍의 존재를 확인하였다. 이러한 결과는 글루코오스-D2의 C-2 위치에 위치된 중수소 원자가 프룩토오스의 C-1 위치로 이동한 것을 명백히 나타내고, 이에 따라 순수한 물 중의 고체 루이스산 촉매를 이용한 글루코오스 이성화 반응이 분자내 히드라이드 옮김(intramolecular hydride shift)에 의해 진행되는 것을 명백히 입증한다.

염기성 촉매로서 소듐 히드록시드(NaOH)를 이용하여 유사한 분광 연구를 수행하였다. 글루코오스-D2의 10 wt% 수용액을 2분 동안 383 K에서 NaOH(0.1M)의 존재하에서 반응시켰다. 글루코오스 및 프룩토오스 분획의 ¹³CNMR 및 ¹HNMR 스펙트럼은 Sn-베타로 수득된 결과와 비교하는 경우 상당한 차이를 나타낸다. 첫째로, 반응 후에 분리된 표지되지 않은 프룩토오스 및 프룩토오스 분획에 대한 ¹³C 및 ¹HNMR 스펙트럼이 차이를 나타내지 않고, 이는 프룩토오스 분획이 중수소 원자를 함유하지 않는 것을 나타낸다(도 19 e,g 및 도 20 e,g). 둘째로, 글루코오스 분획의 ¹³C NMR 스펙트럼은 소량의 정연한 글루코오스와 혼합된 글루코오스-D2를 나타내고, 이는 δ =74.1 ppm에서의 작은 공명의 존재에 의해 표시된다(도 19 d의 삽입물 참조). 표지되지 않은 글루코오스의 존재는 C-2 위치에서의 양성자로 지정된 ¹H NMR 스펙트럼 내의 δ = 3.1 ppm에서의 공명의 출현에 의해 확인된다(도 20 d). 이러한 결과는 양성자-전달 메커니즘에 의해 염기성 촉매가 작용하고 이에 의해 중수소 원자가 글루코오스-D2의 a-카르보닐 탄소로부터 분리되어 상응하는 에놀레이트가 형성되고, 용액으로부터의 양성자가 이후에 분자 내로 재통합되어 표지되지 않은 프룩토오스와 함께 일부 표지되지 않은 글루코오스가 생성된 것을 나타낸다(도 11 A).

이러한 실험은 Sn-베타가 순수한 수성 매질 중의 글루코오스의 이성화를 촉매할 수 있는 루이스산으로 작용할 수 있음을 나타낸다. 이성화 반응 동안 Sn-베타 내의 활성 부위, 당 및 용매 사이에서의 상호작용의 특성을 이해하기 위해 추가 연구가 필요하다. 코르마(Corma) 및 동료에 의한 이전의 보고(¹¹⁹Sn-NMR을 이용함)는 제올라이트 내의 분리된 프레임워크 주석 중심이 특정 반응의 속도를 극적으로 향상시키는 원인임을 제시하였다(A. Corma, Nature 2001, 412, 423). 물에서의 글루코오스 이성화에 대해, 본 발명자는 프레임워크 주석 중심이 Sn-베타가 반응을 촉매하는데 필요함을 관찰하였다. 프레임워크 내로 주석(SnCl, 주석 공급원)을 충분히 통합시키는 것으로 공지된 절차에 의해 합성된 Sn-베타는 이성화 반응에 대해 고도로 활성인 반면, 주석 공급원으로서 SnO을 이용하여 합성된 Sn-베타는 완전히 비활성이었다(도 S4A). 활성 물질에 대한 확산 반사 UV-Vis 스펙트럼은 4면체로 배위결합된 금속으로 지정된 220 nm에 집중된 단일한 밴드를 나타내는 반면, 비-활성 물질에 대한 스펙트럼은 프레임워크 위치 외에서 8면체로 배위결합된 금속으로 지정된 300nm에 집중된 밴드를 나타낸다(도 21 A).

실시예 13

추가 글루코오스 이성화 실험의 결과가 하기 표에 요약되어 있다:

실시예 14

글루코오스의 HMF로의 전환 실험의 결과가 하기 표에 요약되어 있다:

실시예 15

제올라이트 Sn-CIT-6을 글루코오스 이성화 반응을 위해 합성하였다. 진코실리케이트 CIT-6의 합성을 문헌(Andy & Davis, Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 2922)에 기재된 절차에 따라 수행하였다. 상기와 같이 합성된 물질의 x-선 회절 패턴이 도 31에 도시되어 있다. 상기와 같이 합성된 물질의 전자현미경 사진이 도 32에 도시되어 있다. 프레임워크로부터 Zn을 제거하기 위해, 1.0 g의 제올라이트를 60 mL의 빙초산 및 100 mL의 물에 도입시키고, 혼합물을 3일 동안 80℃에서 유지시켰다. CIT-6을 여과에 의해 회수하고, 고체를 물로 세척하고, 100℃에서 밤새 건조시켰다. 다음으로, 샘플을 진공과 함께 2시간 동안 130℃로 가열하여 흡착된 물을 제거하였다. CIT-6 내의 Sn(SnCl₃CH₃의 형태)의 그라프팅(grafting)을 실온에서 무수 클로로포름 중의 해당량의 그라프팅 작용제(Si/Sn ~ 100-125)의 용액으로 수행하였다. 1시간 후, 트리에틸아민을 혼합물에 첨가하여 그라프팅 공정 중에 형성된 염산을 트랩핑(trapping)시켰다. 현탁액을 2일 동안 교반 상태로 유지시켰다. 샘플을 클로로포름으로 세척하고, 밤새 100℃에서 건조시켰다. Si/Sn의 최종 비는 CIT-6(SnCH₃Cl₃)에 대해 110이었다(EDS에 의해 계산됨). 샘플의 일부량을 6시간 동안 580℃에서 하소시켰다.

글루코오스 이성화에 대한 반응 조건은 다음과 같았다: 90분 후에 110℃에서 100의 당:Sn 비를 갖는 물 중 10%wt의 글루코오스. 도 33에 제시된 바와 같이, CIT-6(SnCH₃Cl₃)가 하소되는 경우, 촉매는 글루코오스 이성화 반응에 대해 활성이었다. 이는 효과적인 그라프팅을 위해 알킬기가 하소에 의해 산화적으로 제거되어야 하는 것을 암시한다. 이러한 경향은 또한 문헌[Corma et al., J. Catal, 2003, 219, 242]에 의해 관찰되었으며, 이에 기재되어 있다. 도 33은 상기와 같이 제조된 형태(좌측) 및 하소된 형태(우측)의 CIT-6(SnCH₃Cl₃) 촉매를 이용함에 의한 110℃에서의 글루코오스 이성화 반응에 대한 생성물 분포를 도시한다.

Claims (70)

1. 단당류 글루코오스를 프룩토오스로 이성화시키는 방법으로서, 수성 매질 중의 글루코오스를 베타 제올라이트 촉매의 프레임워크에 통합된 주석 (Sn) 또는 티탄 (Ti)을 함유하는 베타 제올라이트 촉매와 접촉시키는 단계를 포함하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 프룩토오스를 회수하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 베타 제올라이트 촉매가 고-실리카 제올라이트인 방법.
4. 제 1항에 있어서, 베타 제올라이트 촉매가 Sn-베타 제올라이트인 방법.
5. 제 1항에 있어서, 베타 제올라이트 촉매가 Ti-베타 제올라이트인 방법.
6. 제 1항에 있어서, 수성 매질이 단당류를 10 중량% 내지 50 중량%로 포함하는 방법.
7. 제 1항에 있어서, 이성화가 열역학적 평형에 도달하는 방법.
8. 제 1항에 있어서, 수성 매질이 산성인 방법.
9. 제 1항에 있어서, 수성 매질의 pH가 0 내지 2의 범위인 방법.
10. 제 1항에 있어서, 수성 매질이 염을 포함하는 방법.
11. 제 10항에 있어서, 염이 아세테이트, 알킬포스페이트, 알킬설페이트, 카르보네이트, 크로메이트, 시트레이트, 시아니드, 포르메이트, 글리콜레이트, 할라이드, 헥사플루오로포스페이트, 니트레이트, 니트라이트, 옥시드, 포스페이트, 설페이트, 테트라플루오로보레이트, 토실레이트, 트리플레이트, 또는 비스-트리플루오르설폰이미드를 포함하는 방법.
12. 제 10항에 있어서, 염이 소듐 클로라이드, 포타슘 클로라이드, 마그네슘 클로라이드, 또는 포타슘 브로마이드인 방법.
13. 제 1항에 있어서, 이성화가 90℃ 내지 140℃의 온도에서 수행되는 방법.
14. 글루코오스를 5-히드록시메틸푸르푸랄로 전환시키는 방법으로서,
    (a) 수성 매질 중의 글루코오스를 베타 제올라이트 촉매의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 베타 제올라이트 촉매와 접촉시켜 프룩토오스를 제공하는 단계; 및
    (b) 프룩토오스를 탈수시키는 단계를 포함하는 방법.
15. 제 14항에 있어서, 프룩토오스를 탈수시키면서 수성 매질 중에 유지시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
16. 제 14항에 있어서, 탈수가 산 촉매의 존재하에서 수행되는 방법.
17. 제 16항에 있어서, 촉매가 수성 매질 중에 용해된 무기산인 방법.
18. 제 16항에 있어서, 촉매가 고체 산 촉매인 방법.
19. 제 16항에 있어서, 촉매가 양성자화된 베타 제올라이트 촉매인 방법.
20. 제 14항에 있어서, 수성 매질의 pH가 0 내지 2의 범위인 방법.
21. 제 14항에 있어서, 수성 매질이 염을 포함하는 방법.
22. 제 21항에 있어서, 염이 아세테이트, 알킬포스페이트, 알킬설페이트, 카르보네이트, 크로메이트, 시트레이트, 시아니드, 포르메이트, 글리콜레이트, 할라이드, 헥사플루오로포스페이트, 니트레이트, 니트라이트, 옥시드, 포스페이트, 설페이트, 테트라플루오로보레이트, 토실레이트, 트리플레이트, 또는 비스-트리플루오르설폰이미드를 포함하는 방법.
23. 제 21항에 있어서, 염이 소듐 클로라이드, 포타슘 클로라이드, 마그네슘 클로라이드, 또는 포타슘 브로마이드인 방법.
24. 제 14항에 있어서, 베타 제올라이트 촉매가 Sn-베타 제올라이트인 방법.
25. 제 14항에 있어서, 베타 제올라이트 촉매가 Ti-베타 제올라이트인 방법.
26. 제 14항에 있어서, 수성 매질이 글루코오스를 10 중량% 내지 50 중량%로 포함하는 방법.
27. 제 15항에 있어서, 수성 매질이 상기 수성 매질로부터 5-히드록시메틸푸르푸랄을 추출할 수 있는 유기 매질과 접촉되며, 상기 유기 매질이 수성 매질과 비혼화성인 방법.
28. 제 27항에 있어서, 5-히드록시메틸푸르푸랄이 수성 매질에서 생성되고, 이러한 5-히드록시메틸푸르푸랄이 생성됨에 따라 상기 수성 매질로부터 유기 매질로 추출되는 방법.
29. 제 27항에 있어서, 유기 매질이 용매를 포함하고, 이러한 용매가 물-비혼화성의 선형, 분지형 또는 고리형 알콜, 에테르 또는 케톤인 방법.
30. 제 27항에 있어서, 유기 매질이 용매를 포함하고, 이러한 용매가 비치환된 지방족 또는 방향족 탄화수소, 또는 할로-치환된 지방족 또는 방향족 탄화수소인 방법.
31. 제 27항에 있어서, 유기 매질이 1-부탄올 또는 THF를 포함하는 방법.
32. 전분을 5-히드록시메틸푸르푸랄로 전환시키는 방법으로서,
    (a) 산 중의 전분을 가수분해시켜 산성 수성 매질 중의 글루코오스를 제공하는 단계;
    (b) 산성 수성 매질 중의 글루코오스를 베타 제올라이트 촉매의 프레임워크에 통합된 주석 또는 티탄을 함유하는 베타 제올라이트 촉매와 접촉시켜 프룩토오스를 제공하는 단계; 및
    (c) 프룩토오스를 탈수시키는 단계를 포함하는 방법.
33. 제 32항에 있어서, 글루코오스를 베타 제올라이트 촉매와 접촉시키면서 산성 수성 매질 중에 유지시켜 프룩토오스를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
34. 제 33항에 있어서, 프룩토오스를 탈수시키면서 산성 수성 매질 중에 유지시켜 5-히드록시메틸푸르푸랄을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
35. 제 34항에 있어서, 산성 수성 매질이 상기 산성 수성 매질로부터 5-히드록시메틸푸르푸랄을 추출할 수 있는 유기 매질과 접촉되며, 상기 유기 매질이 수성 매질과 비혼화성인 방법.
36. 제 35항에 있어서, 5-히드록시메틸푸르푸랄이 산성 수성 매질 중에서 생성되고, 상기 5-히드록시메틸푸르푸랄이 생성됨에 따라 상기 수성 매질로부터 유기 매질로 추출되는 방법.
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