糖の異性化
糖類の異性化方法について開示する。糖類をフラン誘導体に転換する方法についても開示する。でん粉をフラン誘導体に転換する方法についても開示する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下、２０１０年１月１５日に出願され、係属中の米国仮出願第６１／２９５，６３７号、「Catalysts for the Isomerization of Sugars」、２０１０年２月１７日に出願され、係属中の米国仮出願第６１／３０５，４８０号、「Catalysts for the Isomerization of Sugars」、２０１０年６月２９日に出願され、係属中の米国仮出願第６１／３５９，７８２号、「New Catalysts for the Isomerization of Sugars」、及び２０１０年１２月１０日に出願され、係属中の米国仮出願第６１／４２１，８４０号、「New Catalysts for the Isomerization of Sugars」に基づく優先権を主張する。これらの出願は全体として、本明細書に援用する。
【０００２】
特許法第２０２条（ｃ）の下、米国政府は、本願明細書に記載の本発明に対する特定の権利を有する。本発明は、米国エネルギー省科学局基礎エネルギー科学、アワード番号ＤＥ−ＳＣ０００１００４の資金により一部完成した。
【０００３】
本発明は、糖の異性化の分野に属するものである。
【背景技術】
【０００４】
バイオマスのような再生可能原料を使用することが望ましいという観点から、炭水化物ベースの化学的工程の重要性が増してきている。糖の異性化は、さまざまな工業的な炭水化物ベースの工程において使用される反応の中でも重要な部類である。そのような反応のうち特に重要なものに、グルコースのフルクトースへの転換がある。この反応は、高フルクトースコーンシロップ（ＨＦＣＳ）及び、有益な化学中間体（例えば、５-ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）及びレブリン酸）の生成に用いられてきた。
【０００５】
グルコースのフルクトースへの異性化は、生物学的触媒又は化学触媒を用いる穏やかな条件で実施することができる。この反応はわずかに吸熱性（Ｈ＝３ ｋＪ／ｍｏｌ）で可逆性である（２９８ＫでのＫｅｑは、〜１）。このことは、グルコースからフルクトースへの転換の最大達成率が、反応温度における両方の糖の間の熱力学平衡によって支配されることを意味する。
【０００６】
工業的なグルコース異性化は、通常、固定化酵素を使用して実施されるので、転換率及び選択性が高いという利点があるが、多数のデメリットもある。酵素触媒は、複数のサイクルにわたって高い活性を持続せず、容易に再生することができず、さらに、多種多様な温度、ｐＨ、塩濃度、及びその他の処理条件を通じて機能しない。さらに、酵素の異性化触媒は、バイオマスからグルコースを生成する上流工程に組み込むことが容易ではなく、或いは、フルクトースを他の化学中間体に変換する下流工程に組み込むことが容易ではない。
【０００７】
例えば、一つの好適な工業異性化方法は、３３３Ｋで、フルクトース４２%（ｗｔ／ｗｔ）、グルコース５０%（ｗｔ／ｗｔ）、及び他の糖類８%（ｗｔ／ｗｔ）の平衡混合物を生成する、固定化酵素（キシロースイソメラーゼ）の使用する方法である。このような、酵素による工程は、フルクトース収率が高いが、以下を含む種々の欠点を有する：（ｉ）原料から酵素活性を強く阻害する不純物を除去するための、様々な反応前精製工程が必要である（例えば、事前のでんぷんの液状化／糖化ステップに由来するカルシウムイオンを１ｐｐｍ未満のレベルに除去する必要がある）、（ｉｉ）７．０〜８．０の最適ｐＨを維持するための緩衝溶液（Ｎａ２ＣＯ３）、酵素を活性化させる緩衝溶液（ＭｇＳＯ４）を使用すると、反応後にイオン交換が必要となる、（ｉｉｉ）生成物の収率及び酵素寿命の両方を最大化させる最適作用温度は３３３Ｋであるため、更に高温として反応速度をより速めることが難しい、（ｉｖ）酵素活性が徐々に不可逆的に劣化するため触媒床を定期的に交換するので、操業コストが比較的高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、転換効率及び選択性が高く、酵素触媒に関連した欠点を有さない、糖の異性化方法を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解消するために、本明細書において開示する方法は、水性溶媒中で、単糖類とゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させることを含み、前記ゼオライトは前記単糖類を通過させることができる孔を有することを特徴とする、単糖類の異性化方法である。さらに、本明細書において開示する方法は、水性溶媒中で、単糖類と材料の骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む規則配列メソ多孔性シリカ材料とを接触させることを含む、単糖類の異性化方法である。
【００１０】
本明細書において開示する更なる方法は、グルコースを５−ヒドロキシメチルフルフラールに転換する方法であって、水性溶媒中で、グルコースとゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させてフルクトースを生成するステップとあって、前記ゼオライトは前記グルコースを通過させることができる孔を有することを特徴とする、ステップと、前記フルクトースを脱水するステップと、を含むことを特徴とする、方法である。また、本明細書において更に、でん粉を５−ヒドロキシメチルフルフラールに転換する方法であって、酸性水性溶媒中ででん粉を加水分解してグルコースを生成するステップと、水性溶媒中で、グルコースとゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させてフルクトースを生成するステップであって、前記ゼオライトは前記グルコースを通過させることができる孔を有することを特徴とする、ステップと、前記フルクトースを脱水するステップと、を含むことを特徴とする、方法を開示する。
【００１１】
本明細書における一般的な記載及び以下の詳細な説明は、例示及び説明のためのものであり、添付の特許請求の範囲において定義される本発明の範囲を制限するものではない。本発明の他の側面は、本明細書に記載の発明の詳細な説明の観点から、当業者には明らかである。
【００１２】
発明の概要及び以下の発明の詳細な説明は、添付の図面を参照することにより理解が深まる。本発明を例示するために、本発明の例示的実施形態を図示する。しかし、本発明は、本明細書において開示される特定の方法、組成物及び装置に限定されるものではない。また、図面は常に縮尺通りではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】糖異性化活性に関連して合成及び試験した、様々な異なる材料の構造及び孔径を示す図である。
【図２】骨格にチタンを含むゼオライトの構造を示す図である。
【図３】スズゼオライトベータの走査型電子顕微鏡像である。
【図４】スズゼオライトベータの走査型電子顕微鏡像である。
【図５】チタンゼオライトベータ（上）及びスズゼオライトベータ（下）の走査型電子顕微鏡像である。
【図６】Ｓｎ−ベータ及びＴｉ−ベータの紫外／可視拡散反射スペクトルを示す図である。
【図７】Ｔｉ−ベータ及びＳｎ−ベータの粉末Ｘ線回折パターンを示す図である。
【図８】二相系中でグルコースをＨＭＦに転換した後にＳｎ−ベータの構造に有意な変化が生じないことを説明する走査型電子顕微鏡像である。左は、反応前のＳｎ−ベータ像であり、右は、モル比２００、水：ＴＨＦの体積比１：３、ＨＣｌ中ｐＨを１、１００ｇ水中ＮａＣｌ３５ｇで、Ｓｎ−ベータをグルコースに曝した後のＳｎ−ベータ像である。
【図９】生物学的触媒又は化学触媒によって触媒されるグルコース異性化反応経路の概略図である。
【図１０】（Ａ）塩基触媒又は（Ｂ）金属触媒経路を経たグルコース異性化機構の概略図である。
【図１１】（Ａ）プロトン転位又は（Ｂ）分子内ヒドリドシフトを経たグルコース異性化機構の概略図である。
【図１２】メールワイン−ポンドルフ−バーレー（ＭＰＶ）反応経路を示す図である（Ｒ＝アルキル又はアリル、Ｒ１及びＲ３＝アルキル又は水素、Ｍｅ＝金属）。
【図１３】バイオマスから、グルコース、ＨＭＦ、そしてフルクトースを経て、下流製品に至る経路の概略図を示す図である。
【図１４】でん粉から、グルコース、フルクトース、ＨＭＦへと至る経路の概略図を示す図である。
【図１５】グルコースからフルクトースを生成し、フルクトースからＨＭＦを生成するための反応における、二相系の使用例の概略図を示す図である。
【図１６】グルコース異性化反応のための金属性ケイ酸塩のスクリーニング結果を示す図である。反応条件は、１０重量％グルコース水溶液、１４０℃、９０分、金属：グルコースのモル比＝１:５０であった。
【図１７】様々な金属含有固体により触媒したグルコース異性化反応の結果を示す図である（グルコース転換率のバーに斜線を付し、フルクトース選択性のバーは白で示す）。反応条件は、１０重量％グルコース水溶液、４１３Ｋ、９０分、金属：グルコースのモル比＝１:５０であった。
【図１８】グルコース異性化反応のプロファイルと、グルコース異性化反応の生成物の分布（グルコース（灰色）、フルクトース（白）、及びマンノース（黒））とを、時間を横軸として示す。温度は、３６３Ｋ、３８３Ｋ、４１３Ｋであり、触媒としてＳｎ−ベータを用いた。反応条件は、１０重量％グルコース水溶液、Ｓｎ：グルコースのモル比＝１:５０であった。エラーバーは、データ点よりも小さいため、図示しない。
【図１９】ａ）未標識グルコース、ｂ）標識グルコース−Ｄ２、ｃ）Ｓｎ−ベータとグルコース−Ｄ２とを反応させた後に採取したグルコース画分、ｄ）標識グルコース−Ｄ２をＮａＯＨと反応させた後に採取したグルコース画分、ｅ）未標識フルクトース、ｆ）Ｓｎ−ベータとグルコース−Ｄ２とを反応させた後に採取したフルクトース画分、ｇ）標識グルコース−Ｄ２をＮａＯＨと反応させた後に採取したフルクトース画分の、１３ＣＮＭＲスペクトルを示す図である。
【図２０】ａ）未標識グルコース、ｂ）標識グルコース−Ｄ２、ｃ）Ｓｎ−ベータとグルコース−Ｄ２とを反応させた後に採取したグルコース画分、ｄ）標識グルコース−Ｄ２をＮａＯＨと反応させた後に採取したグルコース画分、ｅ）未標識フルクトース、ｆ）Ｓｎ−ベータとグルコース−Ｄ２とを反応させた後に採取したフルクトース画分、ｇ）標識グルコース−Ｄ２をＮａＯＨと反応させた後に採取したフルクトース画分の、１ＨＮＭＲスペクトルを示す図である。
【図２１】（Ａ）Ｓｎ−ベータ又はＳｎＯ２−ベータを用いて３８３Ｋ４５分で反応させた後の、グルコース異性化反応及び生成物分布（グルコース（灰色）、フルクトース（白）、及びマンノース（黒））を示す図である。１０重量％グルコース溶液、金属：グルコースのモル比＝１:１００を維持するために相当量の触媒を使用して反応させた。（Ｂ）Ｓｎ−ベータ及びＳｎＯ２−ベータの紫外／可視拡散反射スペクトルを示す図である。
【図２２】Ｓｎ−ベータを触媒として用いた、３８３Ｋにおけるグルコース異性化転換率プロファイルを示す図である。反応条件は、１０重量％グルコース水溶液（未標識及び標識）、Ｓｎ：グルコースのモル比＝１:５０であった。
【図２３】未標識グルコース溶液に３５％含まれる、ａ−ピラノース構造グルコースの分子構造（ｉ）、及び、６５％含まれる、ｂ−ピラノース構造グルコースの分子構造（ｉｉ）を示す図である。標識グルコース（グルコース−Ｄ２）溶液についても、同様の比率であり、３５％がａ−ピラノース構造（ｉｉｉ）、及び、６５％がｂ−ピラノース構造（ｉｖ）である。
【図２４】未標識グルコース、加熱前のグルコース−Ｄ２、及び触媒無しで３８３Ｋに加熱した後のグルコース−Ｄ２の１３ＣＮＭＲスペクトルを示す図である。
【図２５】二相系を使用してグルコースをＨＭＦに転換する反応実験結果を示す図である。反応条件は、水：１−ブタノールの体積比＝１：２、ＨＣｌ中ｐＨ＝１、１００ｇ水中ＮａＣｌ３５ｇであり（上）、水：有機相の堆積比＝１：３、ＨＣｌ中ｐＨ＝１、Ｔ＝１８０℃、１００ｇ水中ＮａＣｌ３５ｇ（下）であった。
【図２６】二相系を使用してグルコースをＨＭＦに転換する反応実験結果を示す図である。反応条件は、Ｓｎ−ベータ：グルコースのモル比が２００、水：１−ブタノールの体積比＝１：３、ＨＣｌのｐＨ＝１、Ｔ＝１６０℃、１００ｇ水中塩３５ｇであった。
【図２７】二相系を使用してグルコースをＨＭＦに転換する反応実験結果を示す図である。反応条件は、Ｓｎ−ベータ：グルコースのモル比が２００、水：１−ブタノールの体積比＝１：３、酸のｐＨ＝１、Ｔ＝１６０℃、１００ｇ水中ＮａＣｌ３５ｇであった。
【図２８】二相系を使用してグルコースをＨＭＦに転換する反応実験結果を示す図である。反応条件は、Ｓｎ−ベータ：グルコースのモル比が２００、水：有機相の体積比＝１：３、ＨＣｌのｐＨ＝１、１００ｇ水中ＮａＣｌ３５ｇであった。
【図２９】二相系を使用してグルコースをＨＭＦに転換する反応実験結果（上：反応性、下：ｐＨ＝１のＨＣｌへの暴露の前後におけるＸ線回折（ＸＲＤ）データ）を示す図である。反応条件は、温度１６０℃、Ｓｎ／ベータゼオライト：グルコースのモル比は１：２００、ＨＣｌのｐＨ＝１、水：１−ブタノールの体積比＝１：２であった。
【図３０】グルコースからフルクトースも異性化する差異の熱力学データを示す図である（Tewari, Y., Applied Biochemistry and Biotechnology 1990, 23, 187に基づく）。
【図３１】Andy 及び Davis, Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 2922の記載に従って合成したＺｎ−ＣＩＴ−６のＸ線回折パターンを示す図である。
【図３２】合成したＺｎ−ＣＩＴ−６の走査電子顕微鏡写真であり、結晶サイズが０.５〜０.６ミクロンであることを示す図である。
【図３３】ＣＩＴ−６（ＳｎＣＨ３Ｃｌ３）触媒を用いて、１１０℃で実施したグルコース異性化反応の生成物分布であり、調製そのままの触媒を使用した場合（左）及び焼成した触媒を使用した場合（右）をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、本開示の一部を構成する添付の図面及び実施例と関連させて、以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解することができる。本発明は、本明細書に記載及び／又は示した特定の装置、方法、用途、条件、又はパラメータに制限されるものではなく、さらに、本明細書において使用した用語は、特定の実施形態を説明するという目的のための者であり、特許請求の範囲に記載の発明を制限することを意図したものではない。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される時、単数形「a」、「an」、及び「the」は、その内容について別段のはっきりした指示がない限り、複数値を含む。本願明細書において使用する用語「複数の」は、１以上を意味する。値の範囲が記載された場合、他の実施形態は、１つの特定の値及び／又は他の特定の値までの範囲を含む。同様に、「約」を伴って近似値として値を表現する場合、特定の値は他の実施形態を形成する。全ての範囲は、包含及び結合することができる。
【００１５】
明確のため、本明細書中の別々の実施形態の内容で触れられている本発明の特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせることができる。また、簡潔のため、本発明の単一の実施形態で記載した、本発明の種々の特徴は、別々で、又はあらゆるサブコンビネーションで用いることができる。さらに、範囲内の値についての参照は、かかる範囲内のあらゆる値を含む。
【００１６】
本明細書で使用したように、生成物ｙを形成するための反応物質ｘの化学反応性を特徴づけるにあたって、転換率は、反応したｘのモル量を、初期のｘのモル量で割ることにより求める。選択性は、生成されたｙのモル量を、反応したｘのモル量で割ることにより求める。収率は、生成されたｙのモル量を、初期のｘのモル量で割ることにより求める。これらの値は、分数又はパーセンテージで記載することができる。例えば、転換率をパーセンテージで記述するために、反応したｘのモル量を初期のｘのモル量で割った値に１００を掛ける。特に明記しない限り、これらの値が１〜１００である場合、分数ではなくパーセンテージである。
【００１７】
本願明細書において開示されるいくつかの方法において、糖は、化学触媒作用を使用して異性化される。生物学的触媒作用と比較すると、糖を異性化するために安価な無機材料を使用している化学触媒作用は、より広い温度域で作用可能である、長持ちする、反応速度が早い（反応器内残留時間が短い）、不純物に対する耐性が高いといった、魅力的な効果を提供することができる。
【００１８】
例えば、グルコースは、２９８から４２３Ｋの温度域で塩基触媒の存在下で異性化するが、残念なことに、単糖類はアルカリ性溶媒中で不安定であり、３１３Ｋを上回る温度では多数の副産物に直ちに分解されてしまう。したがって、基質触媒のフルクトース収率は概して＜１０％となってしまうので（高いフルクトース選択性［＞９０％］は、グルコース転換率が低い［＜１０％］場合にのみ得られる）、基質触媒を大規模なグルコース処理に使用する候補とはしにくい。
【００１９】
本願明細書において開示されるいくつかの方法は、シリカ材料の骨格に組み込まれた場合に水性溶媒中で固体酸として作用することができるスズ（Sn）又はチタン（Ti）金属中心を利用する。例えば、この種の酸性中心を含む大孔ゼオライトはアルドース（例えば、グルコース）の異性化において活性であり、塩基触媒工程において通常生じる糖分解反応を予防する。
【００２０】
金属酸性中心を使用することで、これらの種類の金属中心とアルドース中に存在するヒドロキシル基／カルボニル基部分との間の強い相互作用を活用することができる。実際に、最近の報告において、Sn-Beta ゼオライトは、カルボニル化合物のメールワイン−ポンドルフ−バーレー還元（ＭＰＶ）において非常に活性であり、アルコールのヒドロキシル基からケトンのカルボニル基へのヒドリド転位を生じさせる（Corma A.ら（２００２年）による、「カルボニル合成物の選択的還元触媒としてのＡｌフリーＳｎ−ベータゼオライト（メールワイン−ポンドルフ−バーレー反応）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）。同様に、他の報告においては、Snを含有する材料が、アルコール類の存在下において、トリオース（例えばグリセルアルデヒド及びジヒドロキシアセトン）がルイス酸媒介異性化／エステル化反応シーケンスを介して乳酸アルキルに転換することを触媒する作用を有することが示されていた（Hayashi Y. 及び Sasaki Y. （２００５年）、「アルコール溶液中におけるＴｉｎ触媒作用によるトリオースからアルキルへの転換（ Tin-catalyzed conversion of trioses to alkyl lactates in alcohol solution）」、 Chem. Commun. 21:2716-18； Taarning Eら、（２００９年）、「トリオース糖類のゼオライト触媒異性化 （Zeolite-catalyzed isomerization of triose sugars）」、 ChemSusChem 2(7): 625-27）
【００２１】
本願明細書で開示するいくつかの方法において、特に、水性溶媒中で単糖類を触媒と接触させることによって、単糖類を異性化する。触媒は、例えば、金属中心を含んでいる無機材料であってもよい。
【００２２】
本願明細書で開示する更なる方法において、無機材料は、シリカを含む材料であってもよい。無機材料は、多孔性材料、又は、特に分子篩、又は、特に微小孔構造材料（例えばゼオライト）であってもよい。例えば、無機材料は、高シリカゼオライトであってもよい。
【００２３】
多くのゼオライトがアルミノケイ酸塩であるにもかかわらず、例えば、亜鉛のような他の成分を組み込んでいるゼオライトが従来技術において既知であり、その合成方法も既知である。高シリカと称される一部のゼオライトは、骨格内のシリコンのアルミニウムに対する比率が高く、例えば少なくとも１０：１、又は１００：１程度、或いは、それよりも高い。高シリカゼオライトは、完全にアルミニウムフリーであってもよい。アルミニウムに対するシリコンの比率が高いほど、ゼオライトの骨格がより中性かつ疎水性となる。
【００２４】
無機材料が多孔性材料である実施形態において、材料の孔は、単糖類、他の反応物質、又は生成物を多孔性材料内部に導くために十分な大きさとして設計されうる。例えば、無機材料がゼオライトの場合、所望の孔径を有する特定のゼオライトを選択することができる。孔径はゼオライトを分類する１つの方法であり、様々な孔径のゼオライトが従来技術で知られている。また、ゼオライトの孔径は、不要な分子や干渉分子を除去するために選択することができる。
【００２５】
無機材料が多孔性材料である実施形態において、材料内部で触媒反応性が発揮されるように、材料を設計することができる。この場合、孔を経て反応物質が材料内部に入り、反応して生成物を生じ、孔を経て生成物が材料から出て行く。更なる実施形態において、表層反応性を有してもよいが、そのような反応性は、実質的でなくても、ごくわずかでも、或いは、完全に無くてもよい。一部の実施形態において、無機材料が触媒活性に関与しても良いが、他の実施形態では、金属中心が触媒活性を提供する。
【００２６】
本願明細書で開示する更なる方法において、金属中心は、無機材料の骨格に組み込まれる。例えば、ゼオライトは、ゼオライトの骨格内に金属を含んでも良い。このようなゼオライトの例は、従来技術で知られている（例えば、Corma A.ら（２００１）、「バイヤー・ビリガー酸化に用いる化学的選択性不均一性触媒としてのSn−ゼオライトベータ（Sn-zeolite beta as a heterogeneous chemoselective catalyst for Baeyer-Villiger oxidations, Nature 412(6845): 423-25）」）。このようなことが知られていたにも関わらず、一般的に、ゼオライトの骨格内へ金属を組み込むことが成功したか否かは、ゼオライトの特徴によって示す必要がある。
【００２７】
本願明細書で開示する更なる方法において、金属中心はルイス酸として作用する。このような方法において、金属は、無機材料にルイス酸活性を付与することができる。一般的に、従来技術において、陽イオン、複合体、共有結合化合物として存在するか否かに応じて、多くのルイス酸として作用する金属（例えばアルミニウム、ホウ素、クロミウム、コバルト、鉄、チタン、スズ、その他）が知られている。本願明細書で開示する幾つかの方法において、例えば、金属中心は、スズ又はチタンである。ルイス酸活性を有することが知られている当業界で知られている他の金属についても、触媒に組み込むものとして考慮する。
【００２８】
本願明細書で開示する更なる方法において、触媒は、ゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含むゼオライトであってもよい。例えば、触媒は、ゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトであってもよい。
【００２９】
本願明細書で開示する幾つかの方法において、触媒はゼオライトベータを含む。通常、ゼオライトベータは構造＊ＢＥＡによって定義されるゼオライトである。その特徴は、例えば、ゼオライト骨格タイプのアトラス（Atlas of Zeolite Framework Types）第６版（Baerlocherら、２００７年）に記載されている。当業界で既知の他のゼオライトについても考慮する。触媒すべき反応、反応物質、及び生成物に応じて、適切な骨格サイズ、形状、及び構成要素を決定して、それ基づいてゼオライトを選択する。例えば、触媒すべき反応が、グルコースのフルクトースへの異性化である場合、グルコース及びフルクトースを通過させることができる孔径を有するゼオライトが望ましい。そのようなゼオライトは、ゼオライトベータである。より大きな反応物質及び生成物は、それに比例して、より大きな孔を有する材料を必要とする。
【００３０】
本願明細書で開示する他の方法において、触媒はＴＳ−１のようなゼオライトを含む。ＴＳ−１は、ＭＦＩ構造を有するチタノシリケート材料である。その他の様々な大孔及び特大孔を有するゼオライトも考慮する。それらは、例えば、ＣＩＴ−１、ＺＳＭ−１２、ＳＳＺ−３３、ＳＳＺ−２６、ＣＩＴ−５、又は高シリカＦＡＵである。
【００３１】
本願明細書で開示する更なる方法において、多孔性材料は、規則配列（ordered ）メソ多孔性シリカ材料である。例えば、単糖類は、水性溶媒中で、特に、単糖類と骨格中にスズ又はチタンを規則配列メソ多孔性シリカ材料とを接触させることによって異性化される。メソ多孔性シリカ材料は、例えば、ＭＣＭ−４１、ＳＢＡ−１５、ＴＵＤ−１、ＨＭＭ−３３、又はＦＳＭ−１６であってもよい。
【００３２】
本願明細書で開示するさらに他の方法では、触媒は水溶液中で単糖類と接触する。ここで、水溶液とは、溶媒が水であることを意味する。例えば、本願明細書で開示する触媒は、例えば、アルコール類のような他の溶媒中で、単糖類と接触する。本願明細書の他の箇所で開示するが、溶媒の選択は化学反応の結果にかなり影響する。
【００３３】
本願明細書で開示する更なる方法において、触媒は炭水化物と接触する。例えば、触媒は、単糖類、二糖類、三糖類、オリゴ糖類又は多糖類と接触することができる。さらにまた、必要に応じて、いかなる組合せの炭水化物のであっても触媒と接触させることができる。さらに、あらゆるキラリティーの炭水化物を、触媒と接触させることもできる。
【００３４】
炭水化物が単糖類である場合、単糖類は、例えば 、アルドトリオース、アルドテトロース、アルドペントース、又はアルドヘキソースのようなアルドースであってもよい。特に、アルドースは、グリセルアルデヒド、エリスロース、トレオース、リボース、アラビノース、キシロース、リキソース、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース又はタロースを含むことができる。
【００３５】
また、炭水化物が単糖類である場合、単糖類は、例えば、ケトトリオース、ケトテトロース、ケトペントース、又はケトヘキソースのようなケトースであってもよい。特に、ケトースは、ジヒドロキシアセトン、エリトルロース、リブロース、キシルロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、又はタガトースを含むことができる。
【００３６】
ピラノース、フラノース、アミノ糖、などを含む、他の単糖類及びそれらの誘導体も、本願明細書で開示する触媒と接触させることができる。
【００３７】
炭水化物が二糖類である場合、二糖類は、例えば、蔗糖、ラクツロース、ラクトース、マルトース、トレハロース、セロビオース、コジビオース、ニゲロース、イソマルトース、ソホロース、ラミナリビオース、ゲンチオビオース、ツラノース、マルツロース、パラチノース、ゲンチオビウロース（gentiobiulose）、マンノビオース、メリビオース、メリブロース（melibulose）、ルチノース、ルチヌロース（rutinulose）又はキシロビオースのような単糖類のいかなる組合せでもあってもよい。
【００３８】
でん粉及びセルロースのようなバイオマス材料の加水分解反応の副産物（例えば、マルトース及びセロビオース）の混合物を含む、炭水化物の混合物を、本願明細書で開示する触媒と接触させることができる。さらにまた、でん粉、セルロース及びキチン質と同様に、例えば、フラクトオリゴ糖及びガラクトオリゴ糖のような、オリゴ糖類及び多糖類を、本願明細書で開示する触媒と接触させることができる。
【００３９】
本願明細書で開示する更なる方法において、水性溶媒は、約０.００１重量パーセント〜選択された温度における溶媒の最大溶解量の間で、単糖類を含む。例えば、水性溶媒は、約０.００１重量パーセント〜約５０重量パーセントの間で単糖類を含むか、又は約１０重量パーセント〜約５０重量パーセントの間で単糖類を含むことができる。また、水性溶媒は、約２５重量パーセント〜約５０重量パーセントの単糖類を含むこともできる。特に、処理装置の利便性が向上することを理由に、より濃度が高いことが産業的に望ましい。特定の単糖類濃度は、選択した単糖類の可溶性にある程度依存して選択する。
【００４０】
本願明細書で開示する更なる方法において、異性化反応は、ほぼ熱力学的平衡に達する。例えば、図３０には、グルコースからフルクトースへの転換における平衡転換率を示す。本願明細書で開示する更なる方法において、従来技術における酵素系と同様の転換率及び選択性をもたらす化学触媒によって異性化反応を実施する。
【００４１】
本願明細書で開示する他の方法において、水性溶媒のｐＨは酸性（７.０未満）である。例えば、本願明細書で開示するように、単糖類は、非酸性条件下で異性化できるが、酸性条件下での異性化は顕著に有用である。実際、塩基触媒作用中に直面する、いくつかの主要なボトルネックを解消するにあたり、酸性溶液中の糖を異性化する能力が重要である。これらのボトルネックには、酸性の副産物によって活性部位が中和されてしまうことや、アルカリ環境中において糖の安定性が低いことが含まれる。さらにまた、低ｐＨ値で作用することで、追加のユニット動作を用いる必要なく、上流及び下流における酸触媒反応（例えば、加水分解又は脱水）を、グルコース異性化反応と組み合わせる機会をもたらすことができる。例えば、高フルクトースコーンシロップ（ＨＦＣＳ）の製造において、異性化ステップの前に必要なでん粉加水分解ステップ（一般的に、酸触媒、又は酵素の組合せを使用する別個の反応器内で実施される）をグルコース異性化ステップと組み合わせることができた。同様に、ＨＭＦの生産において、酸接触媒脱水ステップを実施する前の、グルコースのフルクトースへの転換に必要な塩基触媒作用による異性化ステップは、単一の反応器に組み込んで、生成物の収率を高効率とすることができた。
【００４２】
本願明細書で開示する幾つかの方法において、水性溶媒のｐＨは約０〜約４の間である。本願明細書で開示する更なる方法において、水性溶媒のｐＨは約０〜約２の間である。ｐＨ値が約０〜約２の間（２を含む）であることは、異性化と、でん粉の加水分解及び／又はＨＭＦを生成するためのフルクトースの脱水とを組み合わせるために特に有利である。
【００４３】
本願明細書で開示するさらに他の方法において、水性溶媒は塩を含む。塩は、例えば、事前のステップから持ち越される等の多くの理由により存在しうるが、塩耐性は、経済面及び効率面において有利である。もう一つの例として、複数の液相間のパーティショニングを容易にするために、意図的に塩を加えることもある。本願明細書で開示する幾つかの方法において、塩は、あらゆる金属（例えば、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、リチウムその他）でありうる陽イオンを含むことができる。同様に、塩は、陰イオン（例えば、酢酸塩、アルキルリン酸塩、アルキル硫酸塩、炭酸塩、クロム酸塩、クエン酸塩、シアン化物、ギ酸塩、グリコール酸塩、ハロゲン化物、ヘキサフルオロリン酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、酸化物、リン酸塩、硫酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、トシラート、トリフラート又はビストリフオロスルホンイミド）を含むことができる。例えば、塩は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム又は臭化カリウムであってもよい。
【００４４】
さらに、本願明細書で開示する他の方法において、約５０℃~約２５０℃の温度域で異性化を実施する。温度域の選択は、転換率及び選択性と同様に、反応速度に影響する。水溶液の組成に応じて、反応の最大温度は、反応器における加圧の有無、及び加圧されている場合はその圧力に依存する。例えば、異性化は約９０℃〜約１８０℃の温度域で実施することができる。さらに、例えば、異性化は約９０℃〜約１４０℃の温度域で実施することができる。そして、実現可能であれば、エネルギーの節約の観点から、比較的低温であることが望ましい。
【００４５】
本願明細書で開示する更なる方法において、約９０分未満にわたり、異性化を実施することができる。一般に、所望の転換率に達するのに十分な程度の時間にわたり、反応が持続する必要がある。産業的観点から、効率の点で、反応時間が比較的短いことが望ましい。例えば、約６０分未満、又は約３０分未満の間、異性化を実施することができる。望ましくない劣化生成物が蓄積する可能性があるため、反応時間を比較的短くすることもある。
【００４６】
また、本願明細書で開示する更なる方法において、性能を大幅に低下させること無く、焼成の必要無く、ゼオライト触媒を少なくとも３回の反応サイクルでバッチ式（回分式）に使用しうるように、単糖類異性化反応の条件を選択する。安定触媒は産業的に重要な幾つかの利点をもたらすが、それらは、効率向上、コスト削減、及び信頼性を含む。本願明細書で開示する幾つかの方法において、Ｓｎ−ベータ（Ｓｎ−Ｂｅｔａ）触媒は、安定であり、再利用後及び焼成後にも、その活性を維持する。例えば、触媒の中間処理無しでグルコース異性化の連続サイクルを実施したところ、転換率及び選択性は維持された。本願明細書で開示する他の実施形態において、触媒の性能が劣化する場合であっても、サイクルの合間に空気中で触媒を焼成するステップを実施することで性能を回復することができる。触媒の性能の劣化の有無は、ある程度触媒及び反応条件の選択に依存する。例えば、反応時間及び反応温度が適正レベル（３８３Ｋ、３０分）に維持された場合には、焼成のための中間ステップは不要である。
【００４７】
本願明細書で開示する更なる方法では、単糖類異性化による生成物を脱水する。例えば、脱水して化学中間体として有用なフラン誘導体を生成する。さらなる例として、特に、水性溶媒中でグルコースを骨格中にスズ又はチタンが組み込まれた高シリカゼオライトと接触させて、フルクトースを生成してフルクトースを脱水することによって、グルコースを５−ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）に転換する。高シリカゼオライトは、グルコースを通過させる孔を有している。
【００４８】
本明細書に開示した、異性化及び脱水の組み合わせの他の態様において、触媒は、ベータのようなゼオライトを含む。その他の様々な大孔及び特大孔を有するゼオライトも考慮する。それらは、例えば、ＣＩＴ−１、ＺＳＭ−１２、ＳＳＺ−３３、ＳＳＺ−２６、ＣＩＴ−５、又は高シリカＦＡＵである。本明細書に開示した、異性化及び脱水を組み合わせる更なる方法において、多孔性材料は、規則配列メソ多孔性シリカ材料である。例えば、単糖類は、水性溶媒中で、特に、単糖類と骨格中にスズ又はチタンを含む規則配列メソ多孔性シリカ材料とを接触させることによって異性化される。メソ多孔性シリカ材料は、例えば、ＭＣＭ−４１、ＳＢＡ−１５、ＴＵＤ−１、ＨＭＭ−３３、又はＦＳＭ−１６であってもよい。
【００４９】
本願明細書で開示する更なる態様において、単糖類異性化生成物の脱水処理は、水性溶媒中で実施する。例えば、フルクトースの脱水処理は水性溶媒中で実施する。このような手順は、分離ステップを必要とすることなく、同じ水性溶媒中で異性化処理及び脱水処理の両方を実施することを実現する。本願明細書で開示する特定の異性化触媒は脱水のために必要な条件下で安定しているため、本願明細書で開示する方法は、このような手順に特に適している。
【００５０】
概して、フラン誘導体を生成するための糖類の脱水はよく研究されており、特に、フルクトースを脱水してＨＭＦを生成することは従来技術において既知である。本願明細書で開示する特定の方法において、酸触媒の存在下で、異性化反応生成物の脱水処理を実施する。例えば、触媒は、例えば、ＨＣｌのような水性溶媒中に溶解した無機酸であってもよい。例えば、触媒は、例えば、＊ＢＥＡ構造を有するプロトン化高シリカゼオライトのような固体酸触媒であってもよい。他の酸供給源としては、陽イオン交換樹脂、ルイス酸、シリカ−アルミナ材料、チタニア−アルミナ材料、鉱酸、ヘテロポリ酸、硝酸、硫酸、リン酸、ホウ酸、シュウ酸、レブリン酸、クエン酸、ニオブ酸化物、バナジウムリン酸又はニオブリン酸も有用である。
【００５１】
異性化及び脱水反応は、順番に又は同時に実施するか、或いはこれらの幾つか組合せて実施してもよい。例えば、水溶液中で単糖類を異性化触媒及び脱水触媒と接触させて、両方の反応を一緒に実施しても良い。特定の例では、酸性水溶液中でグルコースを異性化触媒と接触させた場合、グルコースはまずフルクトースを生成して、その後ＨＭＦを生成するために最初に反応する。特定の反応条件は、特に、異性化と関連して開示した条件のいずれであってもよい。
【００５２】
本願明細書で開示した異性化及び脱水を組み合わせる幾つかの方法において、水性溶媒のｐＨは約０〜約４の間である。本願明細書で開示する更なる方法において、水性溶媒のｐＨは約０〜約２の間である。本願明細書で開示する異性化及び脱水を組み合わせる他の方法において、水性溶媒は塩を含み、塩は、あらゆる金属（例えば、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、リチウムその他）でありうる陽イオンを含むことができる。同様に、塩は、陰イオン（例えば、酢酸塩、アルキルリン酸塩、アルキル硫酸塩、炭酸塩、クロム酸塩、クエン酸塩、シアン化物、ギ酸塩、グリコール酸塩、ハロゲン化物、ヘキサフルオロリン酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、酸化物、リン酸塩、硫酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、トシラート、トリフラート又はビストリフオロスルホンイミド）を含むことができる。例えば、塩は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム又は臭化カリウムであってもよい。
【００５３】
本願明細書で開示する他の方法において、約５０℃〜約２５０℃の温度域で異性化を実施する。温度域の選択は、転換率及び選択性と同様に、反応速度に影響する。水溶液の組成に応じて、反応の最大温度は、反応器における加圧の有無、及び加圧されている場合はその圧力に依存する。例えば、異性化は約９０℃〜約１８０℃の温度域で実施することができる。さらに、例えば、異性化は約９０℃〜約１４０℃の温度域で実施することができる。そして、実現可能であれば、エネルギーの節約の観点から、比較的低温であることが望ましい。
【００５４】
本願明細書で開示する更なる方法において、約９０分未満にわたり、異性化を実施することができる。一般に、所望の転換率に達するのに十分な程度の時間にわたり、反応が持続する必要がある。産業的観点から、効率の点で、反応時間が比較的短いことが望ましい。例えば、約６０分未満又は約３０分未満の間、異性化を実施することができる。望ましくない劣化生成物が蓄積する可能性があるため、反応時間を比較的短くすることもある。
【００５５】
本願明細書で開示するさらに他の方法において、異性化反応及び脱水反応の組み合わせは、米国特許第７，５７２，９２５号明細書に記載されたように、二相系で実施することができる。二相系は、２つの実質的に混ざらない液相（１つの水性相及び１つの有機相）を含んでいる。二相系は、原則的に、転換率、選択性、及び生成効率に関して有利である。本発明の用途では、水性相において、糖類の異性化が行われ、異性化生成物の脱水反応が行われる。例えば、グルコースのフルクトースへの異性化及びフルクトースのＨＭＦへの脱水は、水性相で行われる。さらに、これらの反応のそれぞれに関する触媒を、水性相中に提供する。そして、例えば、ＨＭＦのような脱水生成物を有機相に抽出する。このように、例えば、水性溶媒を、ＨＭＦを水性溶媒から抽出することができる有機媒体と接触させることができる。この場合、有機性溶媒は水性溶媒と実質的に混ざらない。これにより、水性層中にＨＭＦを存在させずに、脱水反応の効率を向上させて、有機層中におけるＨＭＦ生成物を比較的純粋な状態として、精製を簡略化することができる。このように、例えば、本願明細書で開示する幾つかの方法では、水性溶媒中でＨＭＦを精製し、そのままの状態で水性溶媒から有機性溶媒に抽出する。
【００５６】
例えば、あらゆる水非混和性、線形、分岐、環式アルコール、エーテル若しくはケトン、又は、未置換脂肪族若しくは芳香族炭化水素、又は、ハロ置換脂肪族若しくは芳香族炭化水素、又は、これらの混合物のような様々な溶媒を有機溶媒として使用することができる。例えば、本願明細書で開示する幾つか態様で、有機溶媒は、１−ブタノール又はＴＨＦを含む。有機層の幾つかの成分は、水とある程度混合可能である化合物を含みうる。本明細書に開示の他の有機性溶媒成分は、例えば、ＤＭＳＯ、ＤＭＦ、Ｎ−メチルピロリジノン、アセトニトリル、アセトン、ブタノン、ペンタノン、ヘキサノン、ヘプタノン等を含む。
【００５７】
本願明細書で開示するさらに他の方法において、でん粉をＨＭＦに転換するために幾つかの反応を組み合わせる。当業界において既知であるが、でん粉を酸によって加水分解してグルコースを生成することができる。本明細書に開示したように、本明細書に開示の触媒を用いたグルコースの異性化は、酸性条件で良好に進行する。このように、本明細書に開示の方法は、特に酸性水性溶媒中ででんぷんを加水分解してグルコースを生成し、水性溶媒中でグルコースを骨格中にスズ又はチタンが組み込まれた高シリカゼオライトと接触させて、フルクトースを生成してフルクトースを脱水することによって、でんぷんを５−ヒドロキシメチルフルフラールに転換する。高シリカゼオライトは、グルコースを通過させる孔を有している。本明細書に開示の方法において、これらの３つの反応を組み合わせる事が可能であり、例えば、グルコースを酸性水性溶媒中に保持し、高シリカゼオライトと接触させ、フルクトースを生成する。同様に、本明細書に開示の方法において、フルクトースを酸性水性溶媒中に保持して、脱水して５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成する。さらに、本明細書に開示の方法において、例えば、３つの反応全てを１つの容器内で、水溶液中で実施することもできる。この場合、最初の反応物質はでん粉であり、最終生成物はＨＭＦである。
【００５８】
本願明細書で開示する他の方法において、例えば、米国特許第７，５７２，９２５号明細書に従う二相系中で、でん粉からＨＭＦへの転換を実施することができる。異性化反応、並びに異性化及び脱水反応の組み合わせに適用可能な本明細書に開示の方法及びその変形例は、全て、水溶液又は二相系のいずれにおいても、でんぷんからＨＭＦへの反応系に適用することができる。したがって、例えば、酸性の水性溶媒を、５−ヒドロキシメチルフルフラールを酸性の水性溶媒から抽出することができる有機溶媒と接触させる。この場合、有機溶媒は水性溶媒と実質的に混ざらない。そして、更なる実施形態で、酸性の水性溶媒中で５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成して、そのままの状態で水性溶媒から有機溶媒に抽出する。
【実施例１】
【００５９】
Ｔｉ−ベータゼオライトは、以下の通りに調製した。水酸化テトラエチルアンモニウム溶液（シグマアルドリッチ社、３５重量％、水二溶解）７.５０３ｇを、１５ｇの水で希釈した。それから、オルトけい酸テトラエチル（シグマアルドリッチ社、９８重量％）７.０１６ｇ及びチタニウム（ＩＶ）イソプロポキシド（シグマアルドリッチ社、９７重量％）０.２０１ｇを、溶液に加えた。オルトけい酸テトラエチル及びチタニウム（ＩＶ）イソプロポキシドが完全に加水分解するまで混合物を撹拌し、エタノール、イソプロパノール及び必要量の水を蒸発させて所望の水比率とした。最終的に、ＨＦ溶液（Mallinckrodt社、５２重量％、水に溶解）０.６７０ｇを加え、粘性の高いゲル状とした。
【００６０】
ゲル組成は、ＳｉＯ２／０.０２１ＴｉＯ２／０.５４ＴＥＡＯＨ／０.５３ＨＦ／６.６Ｈ２Ｏであった。このゲルをテフロンで被覆したステンレススチールオートクレーブに移して、１４０℃で１４日間加熱した。固体を濾過して回収して、水で十分に洗浄して１００℃でオーバーナイトして乾燥した。固体材料は、ベータゼオライト構造を呈した（図７のＴｉ−ベータＸＲＤパターンを参照）。固体を、５８０℃で６時間焼成して、結晶材料中の有機成分を除去した。焼成した試料のＵＶ−可視拡散反射スペクトルにおいて、〜２００−２５０ｎｍで特徴的なバンドが存在するが、これは、ゼオライト骨格中のＴｉ四配位構造に該当するものである（図６のＴｉ−ベータ参照）。
【実施例２】
【００６１】
Ｓｎ−ベータゼオライトは以下の通りに調製した。水酸化テトラエチルアンモニウム溶液（シグマアルドリッチ社、３５重量％、水に溶解）７.５７ｇを、１５ｇの水で希釈した。オルトけい酸テトラエチル（シグマアルドリッチ社、９８重量％）７.０１１ｇ及び塩化すず(IV)五水和物 （シグマアルドリッチ社、９８重量部）０.１２１ｇを溶液に加えた。オルトけい酸テトラエチルが完全に加水分解するまで混合物を撹拌し、全エタノール及び若干の水を蒸発させて所望の水比率とした。最終的に、ＨＦ溶液（Mallinckrodt社、５２重量％、水に溶解）０.６９０ｇを加え、粘性の高いゲル状とした。
【００６２】
ゲル組成は、ＳｉＯ２／０．０１ＳｎＣｌ４／０.５５ ＴＥＡＯＨ／０．５４ ＨＦ／７.５２Ｈ２Ｏであった。このゲルをテフロンで被覆したステンレススチールオートクレーブに移して、１４０℃で５０日間加熱した。固体を濾過して回収して、水で十分に洗浄して１００℃でオーバーナイトして乾燥した。固体を、５８０℃で６時間焼成して、結晶材料中の有機成分を除去した。Ｘ線回折により、固体材料がベータゼオライト構造を有することを確認した（図７のＳｎ−ベータＸＲＤパターン参照）。焼成した試料のＵＶ−可視拡散反射スペクトルにおいて、〜２００−２５０ｎｍで特徴的なバンドが存在するが、これは、ゼオライト骨格中のＳｎ四配位構造に該当するものである（図１２のＳｎ−ベータ参照）。走査電子顕微鏡検査（ＳＥＭ）によって、Ｓｎ−ベータ結晶は図３〜４に示すように、数ミクロンサイズであり、Ｓｎ−ベータ試料に関するエネルギー分散X線スペクトル（ＥＤＳ）測定結果により、Ｓｉ：Ｓｎの原子比率が９６：１であることが明らかになった。
【実施例３】
【００６３】
ＴＳ−１は、特許文献（米国特許第４，４１０，５０１明細書）に記載の方法に従って合成した。ＴＳ−１は、チタニウムブトキシド（ＴＮＢＴ、シグマアルドリッチ社）、オルトけい酸テトラエチル（ＴＥＯＳ、シグマアルドリッチ社）、水酸化テトラプロピルアンモニウム（ＴＰＡＯＨ、１Ｍ、シグマアルドリッチ社）、及び蒸留水を混合して調製した透明溶液から結晶化した。混合物を攪拌して、オルトけい酸テトラエチル及びチタニウムブトキシドを完全に加水分解した。そして、全エタノール及びブタノール、並びに若干の水を蒸発させて、所望の水比率とした。ゲル組成は、ＳｉＯ２／０.０３ＴｉＯ２／０.４４ ＴＰＡＯＨ／３０Ｈ２Ｏであった。ＴＳ−１反応混合物を、テフロン被覆されたオートクレーブに移し、１７５℃で５日間結晶化した。オートクレーブを、５０ｒｐｍで回転した。冷却後、濾過した固体を回収して、水で十分に洗浄して、１００℃でオーバーナイトして乾燥した。材料を５８０℃で６時間焼成して、結晶材料中の有機成分を除去した。
【実施例４】
【００６４】
Ｔｉ−ＭＣＭ−４１試料は以下の通りに合成した。ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド（Ｃ１６ＴＡＢｒ）溶液を調製した（水１５.１ｇに対してＣ１６ＴＡＢｒ１.９３ｇ）。そして、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液（２５%、アルドリッチ社）６.４２ｇを加えた。ホモジナイズの後、オルトけい酸テトラエチル（シグマアルドリッチ社、９８重量％）７.０１５ｇ及びチタニウム（ＩＶ）イソプロポキシド（シグマアルドリッチ社、９７重量％）０.１９ｇを溶液に加えた。混合物を撹拌して、オルトけい酸テトラエチル及びチタニウム（ＩＶ）イソプロポキシドを完全に加水分解した。次いで、全エタノール及び全イソプロパノール、並びに若干の水を蒸発させて、所望の水比率とした。最終的な化合物は、以下の通りであった：１.０ＳｉＯ２／０.０２ＴｉＯ２／０.１６ Ｃ１６ＴＡＢｒ／０.２６ ＴＭＡＯＨ／２４.８Ｈ２Ｏ。均一ゲルを、テフロン被覆ステンレススチールオートクレーブに封入して、１３５℃で４８時間、静的条件下で加熱した。濾過して固体を回収して、水で十分に洗浄して、１００℃でオーバーナイトして乾燥した。固体を、５８０℃で６時間焼成して、結晶材料中の有機成分を除去した。
【実施例５】
【００６５】
Ｓｎ−ＭＣＭ−４１試料を以下の通りに合成した。ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド（Ｃ１６ＴＡＢｒ）溶液を調製した（水４.３ｇに対して、Ｃ１６ＴＡＢｒ１.４６ｇ）。そして、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液（２５%、アルドリッチ社）６.３４ｇを加えた。ホモジナイズの後、ＳｎＣｌ４・５Ｈ２Ｏ（９８%、アルドリッチ社）０.０８８ｇ及びコロイド状シリカ溶液（Ｌｕｄｏｘ ＡＳ−４０、シグマアルドリッチ社）３.７６ｇを、連続的に攪拌しつつ加えた。最終的な化合物は、以下の通りであった：１.０ＳｉＯ２／０.０１ＳｎＣｌ４／０.１６ Ｃ１６ＴＡＢｒ／０.３５ ＴＭＡＯＨ／２５Ｈ２Ｏ。均一ゲルを、テフロン被覆ステンレススチールオートクレーブに封入して、１３５℃で４８時間、静的条件下で加熱した。濾過して固体を回収して、水で十分に洗浄して、１００℃でオーバーナイトして乾燥した。固体を、５８０℃で６時間焼成して、規則配列材料中の有機成分を除去した。
【実施例６】
【００６６】
様々な材料を既知の方法で合成した。下表に、合成した材料と、そのＳｉ／金属比を示す。Ｓｉ／金属比はエネルギー分散X線スペクトル（ＥＤＳ）で測定した。
【００６７】
【表１】
【００６８】
これらの材料の合成は、実施例１〜５に記載したように、以下文献に従った。（［１］Corma, A. ら, J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (26), pp. 11306.11315；［２］ C.B. Khouw, H.X. Li 及び M.E. Davis, Micropor. Mater. 2. (1994), p. 425；［３］Blasco ら, J. Catal., 1995, 156, p. 65；［４］Ｔｉ−ＭＣＭ−４１試料をヘキサメチルジシラザンで処理して表面上のシラノールをキャッピングした；［５］Corma, A. ら, ARKIVOC, 2005, ix, p. 124）
【００６９】
粉末Ｘ線回折（ＸＲＦ）パターンは、Ｃｕ，Ｋａ放射を用いたＳｃｉｎｔａｇ ＸＤＳ ２０００回折計により測定した。エネルギー分散X線スペクトル（ＥＤＳ）を有する走査電子顕微鏡検査（ＳＥＭ）によって、ＥＨＴ（electron high tension）＝１０ｋＶでの測定値をＬＥＯ１５５０ＶＰ ＦＥ ＳＥＭに記録した。拡散反射率セルを備えるＣａｒｙ３Ｇ分光光度計を用いてＵＶ可視測定値を記録した。
【実施例７】
【００７０】
デジタル攪拌ホットプレート（フィッシャーサイエンティフィック社）上に配置した温度制御油浴中で加熱される１０ｍＬ厚壁ガラス反応器（ＶＷＲ）中でグルコース異性化実験を実施した。典型的な実験では、１０重量％グルコース及び金属：グルコースのモル比が１：５０となる相当量の触媒（通常〜７０ｍｇ）を含む水溶液１．５ｇを反応器に加え、密閉した。反応器を油浴中に配置して、特定の時間に取り出した。氷浴中で反応器を冷却して反応を停止させ、少量の分割量（aliquot）を採取して分析した。試料分析は、ＰＤＡ ＵＶ（３２０ｎｍ）及び蒸発光散乱検出（ＥＬＳ）検出器を備えるＡｇｉｌｅｎｔ１２００システム（アジレント・テクノロジーズ社）を使用した高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）を用いて実施した。グルコース及びフルクトース濃度 流速０.５５ｍＬ／分、カラム温度３５３Ｋの、超高純度水（pＨ＝ ７）を移動位相として使用して、Ｐｈｅｎｏｍｅｎｅｘ ＲＨＭカラム（フェノメネックス社）によってモニタリングした。
【実施例８】
【００７１】
下表に、グルコース異性化実験の結果を要約する。
【００７２】
【表２−１】
【表２−２】
【００７３】
グルコース異性化反応における活性が種々異なるルイス酸性中心を含む一連の材料について試験した。試験は、大きな孔を有するベータゼオライトの骨格に組み込まれたタンタル（Ｔａ）、スズ（Ｓｎ）及びチタン（Ｔｉ）金属中心、中程度の孔を有するゼオライト（ＴＳ−１）の骨格に組み込まれたＴｉ、並びに、規則配列メソ多孔質シリカ支持体（ＳＢＡ−１５）に組み込まれたＳｎ及びＴｉを含んだ。図１６に示すように、これらの条件下において、 Ｓｎ−ベータ及びＴｉ−ベータが、最も高い異性化活性を示し、９０分１４０℃において５０％超のグルコース転換率を呈した。対照的に、同じ反応条件下で、Ｓｎ−ＳＢＡ及びＴｉ−ＳＢＡは、中程度の異性化活性を呈し、ＴＳ−１及びＴａ−ベータ材料は、ほとんど異性化活性を示さないことが明らかとなった。ＴＳ−１及びＴｉ−ベータの反応性違いは、ＴＳ−１孔の直径がグルコース分子を通過させてゼオライト内に導くためには小さすぎることを示唆している。
【００７４】
２つの最も活性の高い材料の反応速度をより詳細に検討すると、Ｓｎ−ベータ触媒は、Ｔｉ−ベータよりも優れた性能でグルコースを異性化するということが明らかになった。具体的には、１１０℃４５分及び１４０℃１５分で、反応平衡（すなわち、グルコース転換率５０%）で、フルクトース選択性が９０%を上回った。フルクトース選択性の値は、反応を比較的長時間進行させた場合に、フルクトース分解反応が開始することに起因して、低下した（エントリー５ｄ及び１０ｅ参照）。Ｔｉ−ベータ触媒は、活性ではあったが、上述の条件下において、Ｓｎ−ベータ触媒ほど有効ではなく、１１０℃４５分の反応後には、グルコース転換率は１８％でフルクトース選択性は８０％であり、１４０℃４５分の反応後には、グルコース転換率は４４％でフルクトース選択性は６８%であった。
【００７５】
発明者らは、異性化反応におけるＳｎ−ベータの活性に関連する、興味深い溶媒の影響を観察した。塩基性触媒とは異なり、Ｓｎ−ベータ触媒は、酸性環境下で異性化反応を実施できた。ここで、本明細書に記載の反応に使用される塩基性触媒の主な欠点は、糖分解反応の間に形成されるカルボン酸によって活性部位が中和されてしまうことに起因して触媒が非活性化してしまうことである。しかし、Ｓｎ−ベータを酸性のグルコース溶液（ｐＨ＝２、ＨＣｌ）に用いた場合、非酸性溶液中で実施した場合と比較して、活性又はフルクトース選択性の違いが見られなかった（エントリー５ｃ及び６ｃ参照）。対照的に、非プロトン性溶媒（ジメチルスルホキシド［ＤＭＳＯ］）を水に代えて用いた場合に、Ｓｎ−ベータは異性化反応に関して活性を有さなかった（エントリー１１ｃ及び１２ｃ参照）。
【実施例９】
【００７６】
下表に、水中で様々な触媒を使用して行ったグルコース異性化実験を要約する。反応は、１０重量％グルコースと、金属：グルコースのモル比が１：５０となる相当量の触媒とを用いて実施した。なお、エントリー１０（＊を付して示す）については、４５重量％グルコース溶液に対して、グルコース：Ｓｎのモル比が２２５：１となるようにして、反応を実施した。＊＊は、マンノース以外の未確認の糖がＴｉ−ベータによって得られたことを示す。記載した収率５重量％は、ヘキソースに関する応答計数を用いて算出した。
【００７７】
【表３】
【００７８】
Ｓｎ又はＴｉ金属中心を含む一連のシリカ材料を、グルコース異性化反応におけるそれらの活性に基づいてスクリーニングした。具体的には、Ｓｎ及びＴｉ金属中心は大孔ゼオライト（ベータ）の骨格に組み込まれており、Ｔｉは中程度の孔を有するゼオライト（ＴＳ−１）に組み込まれており、Ｓｎ及びＴｉは規則配列メソ多孔性シリカ（ＭＣＭ−４１）に組み込まれている。これらの条件下では、Ｓｎ−ベータ及びＴｉ−ベータは最も高いグルコース異性化活性を示し、４１３Ｋ９０分の反応の後のグルコース転換率は５０%超であった（図１７参照）。対照的に、同じ反応条件下で、Ｓｎ−ＭＣＭ４１及びＴｉ−ＭＣＭ４１は中程度の活性を示し、ＴＳ−１は実質的に不活性であった（図１７参照）。ＴＳ−１及びＴｉ−ベータの間の反応性の違いは、グルコース分子はベータゼオライトの孔（孔直径：およそ０.８ｎｍ）は拡散することができるが、ＴＳ−１の孔（孔直径：０.５〜０.６ｎｍ）は拡散することができないことを示唆している。
【００７９】
２つの最も活性の高い材料を用いた更なる反応実験において、Ｓｎ−ベータ触媒は、Ｔｉ−ベータと比較して優れた性能でグルコースを異性化することが明らかとなった。具体的には、Ｓｎ−ベータを触媒作用量（Ｓｎ：グルコースのモル比＝１：５０）含有する１０重量％グルコース溶液について、３８３Ｋ及び４１３Ｋでそれぞれ３０分及び１２分反応させた後の収率は、グルコース約４６%（ｗ／ｗ）、フルクトース約３１%（ｗ／ｗ）、及びマンノース約９%（ｗ／ｗ）であった。３８３Ｋで、より長い時間反応を進行させた場合であっても、Ｔｉ−ベータ触媒はグルコース転換率が非常に低かった（エントリー４及び７参照）。反応時間が長くなると、自己触媒分解反応によって、全糖類の収率が低下した（図１８参照）。反応温度を変化させても、所与のグルコース転換率値において失われる糖の総量に影響が無かったため、分解反応の経路は、異性化反応の経路と同様に、明らかな活性化バリアを有することが示唆された。特に、Ｓｎ−ベータ触媒は、大規模な転換において使用されるものと同様に、更に高濃度のグルコース溶液に対して使用することもできる。例えば、グルコース４６%（ｗ／ｗ）、フルクトース２９%（ｗ／ｗ）、及びマンノース８%（ｗ／ｗ）の配合からなる生成物は、３８３Ｋ、６０分間でＳｎ−ベータを触媒作用量（Ｓｎ：グルコースモル比＝１:２２５）含有する４５重量％グルコース溶液を反応させて得られた（エントリー４及び１０参照）。このような結果は、工業的な酵素処理法で得られる結果に近く、無機触媒を用いて高濃縮グルコース溶液から得られる高いフルクトース収率である。
【００８０】
このデータは、Ｓｎ−ベータの異性化反応の活性部位がゼオライトの骨格に組み込まれるＳｎ原子であることを示唆する。ＳｎＣｌ４・５Ｈ２Ｏも、ＳｎＯ２も、異性化活性を示さず（エントリー８及び９参照）、Ｓｎ−ベータに関するＵＶデータは、更なる骨格Ｓｎに相当する吸収バンドを呈さなかった（図６参照）。
【実施例１０】
【００８１】
下表に触媒安定性の実験結果を要約する。反応は、Ｓｎ：グルコースのモル比が１:５０である１０重量％グルコース溶液を使用して３８３Ｋで実施した（エントリー５ｂを除く）。実験１（エントリー１〜４）について、各サイクル後に、触媒を水で洗浄して、新たなグルコース溶液を加えて新たなサイクルを開始させた。サイクル４において、サイクル３から回収した触媒を空気中で、８１３Ｋで３時間、温度ランプ速度２Ｋ／分で焼成した。実験２（エントリー５ａ〜５ｂ）について、Ｓｎ−ベータを用いた反応を、１２分間継続させた（エントリー５ａ）。その後、熱いうちに溶液をろ過して触媒を回収し、濾過溶液をさらに３０分間反応させた（エントリー５ｂ）。
【００８２】
【表４】
【００８３】
Ｓｎ−ベータ触媒の安定性を試験するために、２種類の実験を行った。第１の実験では、それぞれ、３８３Ｋで３０分間にわたり、４つの連続的な異性化サイクルを実行することによって、触媒の再利用性を評価した。各サイクルの後、触媒を濾過により回収して、新たなグルコース溶液を加える前に水で洗浄した。データから明らかなように、３つの反応サイクルの後に、触媒はその初期の活性及び生成物分布を維持していた。第３のサイクルの後、最後の１サイクルを実行する前に、触媒を８１３Ｋで、空気中で焼成した。サイクル４の結果により、触媒が再びその初期の活性及び生成物分布を維持したことが明らかとなった。したがって、本発明による触媒はテ印系的なゼオライト再生プロセスに耐えうることが確認された。第２の試験は、溶液に浸出する金属種に起因する均一系触媒作用の存在を確認するために設計した。具体的には、３８３Ｋ、１５分間でＳｎ−ベータ触媒によって異性化サイクルを初期化した。そして、溶液がまだ熱いうちに、触媒をろ過により除去した。
【００８４】
冷却中に浸出した金属種が再び吸着する可能性を回避するため、濾過溶液を３８３Ｋ、３０分間で反応させた。この反応結果は、触媒の存在下で、グルコース異性化が予想通りに進行したことを示した（生成物収率は、グルコース５７%（ｗ／ｗ）、フルクトース２７%（ｗ／ｗ）、及びマンノース６%（ｗ／ｗ）であった）。しかし、一旦触媒を除去すると、反応は持続しないということは、浸出金属イオンによって均一系触媒作用が生じていないということを示唆している（エントリー５ａ及び５ｂ）。これらの２つの試験結果は、Ｓｎ−ベータが異性化反応に対して非均一触媒作用を有しており、複数の反応サイクルについて使用可能であることを示唆している。
【実施例１１】
【００８５】
下表に、４１３Ｋの酸性条件下における、水中でのＳｎ触媒グルコース反応の結果を要約する、
【００８６】
【表５】
【００８７】
驚くべきことに、Ｓｎ−ベータは、高酸性環境下での異性化反応を実施することが可能である。ＨＣｌ（実施例９、エントリー４及び６参照）無しで反応させた場合と比較して、酸性の１０重量％グルコース溶液（ｐＨ＝２、ＨＣｌ）中にてＳｎ−ベータを用いて反応させた場合の活性及び生成物の分布に差異が見られなかった。酸性環境においてＳｎ−ベータを使用した実験では、加水分解／異性化及び異性化／脱水反応シーケンスの結果が良好であった。具体的には、１０重量％でん粉溶液を、４１３Ｋ、９０分間でＨＣｌ（ｐＨ＝１）を用いて加水分解すると、グルコース８７%（ｗ／ｗ）及びでん粉１３%（ｗ／ｗ）の溶液を生成し、得られた酸性溶液に対して触媒作用量のＳｎ−ベータ（Ｓｎ：グルコースのモル比＝１:５０ ）を加えて、４１３Ｋで更に１２分間加熱して異性化すると、生成物の分布がでん粉１３%（ｗ／ｗ）、グルコース３９%（ｗ／ｗ）、フルクトース２３%（ｗ／ｗ）、及びマンノース７%（ｗ／ｗ）となった（表３、エントリー１ａ及び１ｂ）。また、１０重量％グルコース溶液を、ＨＣｌ（ｐＨ＝１）及びＳｎ−ベータが共に存在する条件下で、４１３Ｋで１２０分間反応させると、ＨＭＦの収率は１１%（ｗ／ｗ）であり、その他に、フルクトース１８%（ｗ／ｗ）及びマンノースは２%（ｗ／ｗ）であった（エントリー４）。これらのデータは、水性ＨＣｌ中でフルクトースを反応させた場合の脱水結果（ＨＭＦ収率２４%（ｗ／ｗ）、転換率８５%；エントリー３）、及び同様の水性ＨＣｌ反応条件下でグルコースを脱水させた場合の結果（ＨＭＦ収率１%（ｗ／ｗ）未満、転換率９%；エントリー２）に匹敵しうる。このように、Ｓｎ−ベータは、異性化その他の酸性触媒反応の組み合わせを必要とするワンポット反応シーケンスの候補として魅力的である。
【実施例１２】
【００８８】
Ｃ−２位置重水素化グルコース（グルコースＤ２、図２３）を用いて、異性化反応をＮＭＲ解析した。図１１に示すように、反応機構がいずれの経路をたどるかに関わらず、Ｃ−２位置のプロトンは基本的な役割を果たす。実際、Ｃ−２位置の同位体置換は初期反応速度を１／２に減速させる結果となった（ｋＨ／ｋＤ＝１.９８、図２２）。このことから、反応速度に同位体がかなり影響したことが明らかである。重要なことに、触媒がない場合の反応温度（３８３Ｋ）における水中でのグルコースＤ２の１３ＣＮＭＲスペクトルにより、同位体のスクランブリングが発生しないことが明らかとなった（図２４）。このような結果は、反応条件下で、水中でＣ−Ｄ結合が不活性化することを示唆し、さらに、触媒作用のみに起因して反応中に分子内で同位体の転位が発生しないことを示唆するため、重要である。
【００８９】
１３Ｃ ＮＭＲ及び１ＨＮＭＲ分光により、触媒としてＳｎ−ベータを用いたグルコースＤ２の異性化を分析した。未標識グルコース及びグルコースＤ２原料溶液の１３ＣＮＭＲスペクトルを比較したところ、未標識グルコース溶液においてδ＝７４.１、７１.３ｐｐｍで観察された共鳴は、グルコースＤ２溶液における低強度の１：１：１の三重線として現れることが明らかとなった（図１９ａ、ｂ）。この効果は、溶液中のグルコースＤ２の２つの構造（ｂ−ピラノース及びａ−ピラノース、存在比６４:３６）におけるＣ−２位置の重水素化原子による核オーバーハウザーエンハンスメント（ＮＯＥ）の崩壊に関連する。ＮＯＥの間、１Ｈブロードバンドでカップリングを用いてＣ、Ｈカップリングを抑制した場合、１３Ｃ共鳴強度は、１３Ｃ−１Ｈペアの直接結合による２００%まで強調されるが、この共鳴増幅は１３Ｃ−１Ｈペアについては見られず、よって、グルコースＤ２のＣ−２に関連する共鳴は実質的に減衰する。３８３Ｋ１５分間で、水中で、Ｓｎ−ベータの存在下で１０重量％グルコースＤ２溶液を反応させた後に、高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）によりグルコース及びフルクトース画分を分離した。各画分について、１３ＣＮＭＲスペクトルを分析したところ、反応後に、グルコースＤ２は不変であったが（図１９ｂ、ｃ）、フルクトース生成物は未標識フルクトース標準（図１９ｅ、ｆ）と比較して有意差があったことが明らかとなった。特に、未標識フルクトース標準におけるｂ−ピラノース及びｂ−フラノース構造のＣ−１位置に該当するδ＝６３.８、６２.６ｐｐｍの共鳴は、反応後に回収したフルクトース生成物の低強度三重線として表れた。両方の糖に関する、１Ｈ ＮＭＲスペクトルによりこれらの結果を確認した。反応の前後のグルコースＤ２の１Ｈ ＮＭＲスペクトルは一定のままであったが（図２０ｂ、ｃ）、フルクトースのスペクトルはＣ−１位置の重水素原子の消滅により、δ＝３.４５ｐｐｍの共鳴が消失したことを示した（図２０ｆ）。これらのスペクトルの領域を統合することにより、上述のグルコース及びフルクトース画分については６つのＣ−Ｈペアが存在し、未標識グルコース又はフルクトースについては７つのＣ−Ｈペアが存在することを確認できた。このような結果は、グルコースＤ２のＣ−２位置にある重水素原子がフルクトースのＣ−１位置へ移動したことを明示し、したがって、純水中における固体ルイス酸触媒とのグルコース異性化反応は、分子内ヒドリドシフトによって進行するということが確実に証明された。
【００９０】
塩基性触媒として水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を用いて、同様の分光学的分析を実施した。グルコースＤ２の１０重量％水溶液を、ＮａＯＨ（０.１Ｍ）の存在下で、３８３Ｋで２分間にわたり反応させた。そして、グルコース及びフルクトース画分の１３ＣＮＭＲ及び１Ｈ ＮＭＲスペクトルを取得すると、Ｓｎ−ベータを使用した場合の結果と比較して有意な違いを示した。第１に、未標識のフルクトースと、反応後に分離したフルクトース画分と、に関する１３ＣＮＭＲ及び１Ｈ ＮＭＲスペクトルには差異がなかった。このことは、フルクトース画分に重水素原子が含まれなかったことを示す（図１９ｅ、ｇ及び図２０ｅ、ｇ）。第２に、グルコース断片の１３ＣＮＭＲスペクトルにおいて、δ＝７４．１ｐｐｍでの小さな共鳴の存在により、グルコースＤ２に少量の標準のグルコースが混ざっていたことが示唆された（図１９ｄの拡大図参照）。未標識グルコースの存在は、１ＨＮＭＲスペクトルにおける、Ｃ−２位置のプロトンに該当するδ＝３.１ｐｐｍでの共鳴の出現によっても裏付けられる（図２０ｄ）。これらの結果は、塩基性触媒が、グルコースＤ２のａ−カルボニル炭素から重水素が除去されて、対応するエノラートを生成し、溶液からのプロトンをグルコース分子に再度組み込んで、未標識フルクトースに伴って、幾らかの未標識グルコースを生成するプロトン移動機構を作動させることを示した（図１１Ａ）。
【００９１】
この実験は、Ｓｎ−ベータが純粋な水性溶媒中のグルコースの異性化に触媒作用を及ぼすことができるルイス酸として作用することができることを示した。異性化反応の間、Ｓｎ−ベータの活性部位と、糖及び溶媒との間の相互作用の性質を理解するために更なる実験を行った。Cormaらによる報告（１１９Ｓｎ−ＮＭＲを使用）において、分離したゼオライト中の骨格スズ中心は、特定の反応の反応速度を促進する役割を果たすことが示された（A. Corma, Nature 2001, 412, 423）。水中でのグルコース異性化について、発明者らは、Ｓｎ−ベータが反応を触媒するために骨格スズ中心が必須であることを見出した。完全にスズを骨格に組み込むとされている手順（スズ供給源として、ＳｎＣｌを使用）により合成したＳｎ−ベータは、異性化反応について高活性であったが、スズ供給源としてＳｎＯを用いて合成したＳｎ−ベータは、完全に不活性であった（図２１Ａ）。活性物質のＵＶ−可視拡散反射スペクトルでは、２２０ｎｍを中心とする単バンド（金属の四配位構造に該当する）が見られたが、非活性材料のスペクトルは、３００ｎｍを中心とするバンド（骨格外位置の金属の八配位構造に該当する）を呈した（図２１Ｂ）。
【実施例１３】
【００９２】
更なるグルコース異性化実験の結果を下表に要約する。
【００９３】
【表６】
【実施例１４】
【００９４】
グルコースからＨＭＦへの転換実験の結果を下表に要約する。
【００９５】
【表７】
【実施例１５】
【００９６】
ゼオライトＳｎ−ＣＩＴ−６を合成して、グルコース異性化反応を行った。文献（Andy及びDavis著, Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 2922）に記載の手順に従い、けい酸亜鉛ＣＩＴ−６を合成した。合成された材料のＸ線回折パターンを図３１に示す。合成された材料の電子顕微鏡写真を図３２に示す。骨格からZnを除去するために、ゼオライト１.０ｇを氷酢酸６０ｍＬ及び水１００ｍＬに加え、混合物を８０度で３日間維持した。ろ過によりＣＩＴ−６を回収して、水で洗浄し、１００℃でオーバーナイトして乾燥させた。そして、試料を１３０℃まで熱し、真空で２時間加熱して、吸着された水を除去した。室温、無水クロロホルム中で、相当量のグラフト化剤（Ｓｉ／Ｓｎ：１００〜１２５）の溶液中で、ＣＩＴ−６のＳｎ（ＳｎＣｌ３ＣＨ３）をグラフト化した。１時間後、トリエチルアミンを混合物に加えて、グラフト化プロセスで生成された塩酸をトラップした。懸濁液を２日間撹拌して維持した。試料をクロロホルムで洗浄して、１００℃でオーバーナイトして乾燥させた。ＣＩＴ−６（ＳｎＣｌ３ＣＨ３）の最終的なＳｉ／Ｓｎ比は１１０であった（ＥＤＳにより算出した）。試料の一部を５８０℃で６時間焼成した。
【００９７】
グルコース異性化のための反応条件は、糖：Ｓｎ比が１００の１０重量％グルコース水溶液について、温度は１１０度、反応時間は９０分であった。図３３に示すように、ＣＩＴ−６（ＳｎＣＨ３Ｃｌ３）は焼成した場合に、グルコース異性化反応について活性になる。これは、効率的なグラフト化のためには、アルキル基を焼成によって酸化により除去する必要があることを示唆する。この傾向は、Corma らによる、 J. Catal, 2003, 219, 242にも記載されている。図３３に、調製されたままのＣＩＴ−６（ＳｎＣＨ３Ｃｌ３）触媒（左）と、焼成したＣＩＴ−６（ＳｎＣＨ３Ｃｌ３）触媒（右）とを用いた１１０℃でのグルコース異性化反応による生成物の分布を示す。
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下、２０１０年１月１５日に出願され、係属中の米国仮出願第６１／２９５，６３７号、「Catalysts for the Isomerization of Sugars」、２０１０年２月１７日に出願され、係属中の米国仮出願第６１／３０５，４８０号、「Catalysts for the Isomerization of Sugars」、２０１０年６月２９日に出願され、係属中の米国仮出願第６１／３５９，７８２号、「New Catalysts for the Isomerization of Sugars」、及び２０１０年１２月１０日に出願され、係属中の米国仮出願第６１／４２１，８４０号、「New Catalysts for the Isomerization of Sugars」に基づく優先権を主張する。これらの出願は全体として、本明細書に援用する。
【０００２】
特許法第２０２条（ｃ）の下、米国政府は、本願明細書に記載の本発明に対する特定の権利を有する。本発明は、米国エネルギー省科学局基礎エネルギー科学、アワード番号ＤＥ−ＳＣ０００１００４の資金により一部完成した。
【０００３】
本発明は、糖の異性化の分野に属するものである。
【背景技術】
【０００４】
バイオマスのような再生可能原料を使用することが望ましいという観点から、炭水化物ベースの化学的工程の重要性が増してきている。糖の異性化は、さまざまな工業的な炭水化物ベースの工程において使用される反応の中でも重要な部類である。そのような反応のうち特に重要なものに、グルコースのフルクトースへの転換がある。この反応は、高フルクトースコーンシロップ（ＨＦＣＳ）及び、有益な化学中間体（例えば、５-ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）及びレブリン酸）の生成に用いられてきた。
【０００５】
グルコースのフルクトースへの異性化は、生物学的触媒又は化学触媒を用いる穏やかな条件で実施することができる。この反応はわずかに吸熱性（Ｈ＝３ ｋＪ／ｍｏｌ）で可逆性である（２９８ＫでのＫｅｑは、〜１）。このことは、グルコースからフルクトースへの転換の最大達成率が、反応温度における両方の糖の間の熱力学平衡によって支配されることを意味する。
【０００６】
工業的なグルコース異性化は、通常、固定化酵素を使用して実施されるので、転換率及び選択性が高いという利点があるが、多数のデメリットもある。酵素触媒は、複数のサイクルにわたって高い活性を持続せず、容易に再生することができず、さらに、多種多様な温度、ｐＨ、塩濃度、及びその他の処理条件を通じて機能しない。さらに、酵素の異性化触媒は、バイオマスからグルコースを生成する上流工程に組み込むことが容易ではなく、或いは、フルクトースを他の化学中間体に変換する下流工程に組み込むことが容易ではない。
【０００７】
例えば、一つの好適な工業異性化方法は、３３３Ｋで、フルクトース４２%（ｗｔ／ｗｔ）、グルコース５０%（ｗｔ／ｗｔ）、及び他の糖類８%（ｗｔ／ｗｔ）の平衡混合物を生成する、固定化酵素（キシロースイソメラーゼ）の使用する方法である。このような、酵素による工程は、フルクトース収率が高いが、以下を含む種々の欠点を有する：（ｉ）原料から酵素活性を強く阻害する不純物を除去するための、様々な反応前精製工程が必要である（例えば、事前のでんぷんの液状化／糖化ステップに由来するカルシウムイオンを１ｐｐｍ未満のレベルに除去する必要がある）、（ｉｉ）７．０〜８．０の最適ｐＨを維持するための緩衝溶液（Ｎａ２ＣＯ３）、酵素を活性化させる緩衝溶液（ＭｇＳＯ４）を使用すると、反応後にイオン交換が必要となる、（ｉｉｉ）生成物の収率及び酵素寿命の両方を最大化させる最適作用温度は３３３Ｋであるため、更に高温として反応速度をより速めることが難しい、（ｉｖ）酵素活性が徐々に不可逆的に劣化するため触媒床を定期的に交換するので、操業コストが比較的高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、転換効率及び選択性が高く、酵素触媒に関連した欠点を有さない、糖の異性化方法を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解消するために、本明細書において開示する方法は、水性溶媒中で、単糖類とゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させることを含み、前記ゼオライトは前記単糖類を通過させることができる孔を有することを特徴とする、単糖類の異性化方法である。さらに、本明細書において開示する方法は、水性溶媒中で、単糖類と材料の骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む規則配列メソ多孔性シリカ材料とを接触させることを含む、単糖類の異性化方法である。
【００１０】
本明細書において開示する更なる方法は、グルコースを５−ヒドロキシメチルフルフラールに転換する方法であって、水性溶媒中で、グルコースとゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させてフルクトースを生成するステップとあって、前記ゼオライトは前記グルコースを通過させることができる孔を有することを特徴とする、ステップと、前記フルクトースを脱水するステップと、を含むことを特徴とする、方法である。また、本明細書において更に、でん粉を５−ヒドロキシメチルフルフラールに転換する方法であって、酸性水性溶媒中ででん粉を加水分解してグルコースを生成するステップと、水性溶媒中で、グルコースとゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させてフルクトースを生成するステップであって、前記ゼオライトは前記グルコースを通過させることができる孔を有することを特徴とする、ステップと、前記フルクトースを脱水するステップと、を含むことを特徴とする、方法を開示する。
【００１１】
本明細書における一般的な記載及び以下の詳細な説明は、例示及び説明のためのものであり、添付の特許請求の範囲において定義される本発明の範囲を制限するものではない。本発明の他の側面は、本明細書に記載の発明の詳細な説明の観点から、当業者には明らかである。
【００１２】
発明の概要及び以下の発明の詳細な説明は、添付の図面を参照することにより理解が深まる。本発明を例示するために、本発明の例示的実施形態を図示する。しかし、本発明は、本明細書において開示される特定の方法、組成物及び装置に限定されるものではない。また、図面は常に縮尺通りではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】糖異性化活性に関連して合成及び試験した、様々な異なる材料の構造及び孔径を示す図である。
【図２】骨格にチタンを含むゼオライトの構造を示す図である。
【図３】スズゼオライトベータの走査型電子顕微鏡像である。
【図４】スズゼオライトベータの走査型電子顕微鏡像である。
【図５】チタンゼオライトベータ（上）及びスズゼオライトベータ（下）の走査型電子顕微鏡像である。
【図６】Ｓｎ−ベータ及びＴｉ−ベータの紫外／可視拡散反射スペクトルを示す図である。
【図７】Ｔｉ−ベータ及びＳｎ−ベータの粉末Ｘ線回折パターンを示す図である。
【図８】二相系中でグルコースをＨＭＦに転換した後にＳｎ−ベータの構造に有意な変化が生じないことを説明する走査型電子顕微鏡像である。左は、反応前のＳｎ−ベータ像であり、右は、モル比２００、水：ＴＨＦの体積比１：３、ＨＣｌ中ｐＨを１、１００ｇ水中ＮａＣｌ３５ｇで、Ｓｎ−ベータをグルコースに曝した後のＳｎ−ベータ像である。
【図９】生物学的触媒又は化学触媒によって触媒されるグルコース異性化反応経路の概略図である。
【図１０】（Ａ）塩基触媒又は（Ｂ）金属触媒経路を経たグルコース異性化機構の概略図である。
【図１１】（Ａ）プロトン転位又は（Ｂ）分子内ヒドリドシフトを経たグルコース異性化機構の概略図である。
【図１２】メールワイン−ポンドルフ−バーレー（ＭＰＶ）反応経路を示す図である（Ｒ＝アルキル又はアリル、Ｒ１及びＲ３＝アルキル又は水素、Ｍｅ＝金属）。
【図１３】バイオマスから、グルコース、ＨＭＦ、そしてフルクトースを経て、下流製品に至る経路の概略図を示す図である。
【図１４】でん粉から、グルコース、フルクトース、ＨＭＦへと至る経路の概略図を示す図である。
【図１５】グルコースからフルクトースを生成し、フルクトースからＨＭＦを生成するための反応における、二相系の使用例の概略図を示す図である。
【図１６】グルコース異性化反応のための金属性ケイ酸塩のスクリーニング結果を示す図である。反応条件は、１０重量％グルコース水溶液、１４０℃、９０分、金属：グルコースのモル比＝１:５０であった。
【図１７】様々な金属含有固体により触媒したグルコース異性化反応の結果を示す図である（グルコース転換率のバーに斜線を付し、フルクトース選択性のバーは白で示す）。反応条件は、１０重量％グルコース水溶液、４１３Ｋ、９０分、金属：グルコースのモル比＝１:５０であった。
【図１８】グルコース異性化反応のプロファイルと、グルコース異性化反応の生成物の分布（グルコース（灰色）、フルクトース（白）、及びマンノース（黒））とを、時間を横軸として示す。温度は、３６３Ｋ、３８３Ｋ、４１３Ｋであり、触媒としてＳｎ−ベータを用いた。反応条件は、１０重量％グルコース水溶液、Ｓｎ：グルコースのモル比＝１:５０であった。エラーバーは、データ点よりも小さいため、図示しない。
【図１９】ａ）未標識グルコース、ｂ）標識グルコース−Ｄ２、ｃ）Ｓｎ−ベータとグルコース−Ｄ２とを反応させた後に採取したグルコース画分、ｄ）標識グルコース−Ｄ２をＮａＯＨと反応させた後に採取したグルコース画分、ｅ）未標識フルクトース、ｆ）Ｓｎ−ベータとグルコース−Ｄ２とを反応させた後に採取したフルクトース画分、ｇ）標識グルコース−Ｄ２をＮａＯＨと反応させた後に採取したフルクトース画分の、１３ＣＮＭＲスペクトルを示す図である。
【図２０】ａ）未標識グルコース、ｂ）標識グルコース−Ｄ２、ｃ）Ｓｎ−ベータとグルコース−Ｄ２とを反応させた後に採取したグルコース画分、ｄ）標識グルコース−Ｄ２をＮａＯＨと反応させた後に採取したグルコース画分、ｅ）未標識フルクトース、ｆ）Ｓｎ−ベータとグルコース−Ｄ２とを反応させた後に採取したフルクトース画分、ｇ）標識グルコース−Ｄ２をＮａＯＨと反応させた後に採取したフルクトース画分の、１ＨＮＭＲスペクトルを示す図である。
【図２１】（Ａ）Ｓｎ−ベータ又はＳｎＯ２−ベータを用いて３８３Ｋ４５分で反応させた後の、グルコース異性化反応及び生成物分布（グルコース（灰色）、フルクトース（白）、及びマンノース（黒））を示す図である。１０重量％グルコース溶液、金属：グルコースのモル比＝１:１００を維持するために相当量の触媒を使用して反応させた。（Ｂ）Ｓｎ−ベータ及びＳｎＯ２−ベータの紫外／可視拡散反射スペクトルを示す図である。
【図２２】Ｓｎ−ベータを触媒として用いた、３８３Ｋにおけるグルコース異性化転換率プロファイルを示す図である。反応条件は、１０重量％グルコース水溶液（未標識及び標識）、Ｓｎ：グルコースのモル比＝１:５０であった。
【図２３】未標識グルコース溶液に３５％含まれる、ａ−ピラノース構造グルコースの分子構造（ｉ）、及び、６５％含まれる、ｂ−ピラノース構造グルコースの分子構造（ｉｉ）を示す図である。標識グルコース（グルコース−Ｄ２）溶液についても、同様の比率であり、３５％がａ−ピラノース構造（ｉｉｉ）、及び、６５％がｂ−ピラノース構造（ｉｖ）である。
【図２４】未標識グルコース、加熱前のグルコース−Ｄ２、及び触媒無しで３８３Ｋに加熱した後のグルコース−Ｄ２の１３ＣＮＭＲスペクトルを示す図である。
【図２５】二相系を使用してグルコースをＨＭＦに転換する反応実験結果を示す図である。反応条件は、水：１−ブタノールの体積比＝１：２、ＨＣｌ中ｐＨ＝１、１００ｇ水中ＮａＣｌ３５ｇであり（上）、水：有機相の堆積比＝１：３、ＨＣｌ中ｐＨ＝１、Ｔ＝１８０℃、１００ｇ水中ＮａＣｌ３５ｇ（下）であった。
【図２６】二相系を使用してグルコースをＨＭＦに転換する反応実験結果を示す図である。反応条件は、Ｓｎ−ベータ：グルコースのモル比が２００、水：１−ブタノールの体積比＝１：３、ＨＣｌのｐＨ＝１、Ｔ＝１６０℃、１００ｇ水中塩３５ｇであった。
【図２７】二相系を使用してグルコースをＨＭＦに転換する反応実験結果を示す図である。反応条件は、Ｓｎ−ベータ：グルコースのモル比が２００、水：１−ブタノールの体積比＝１：３、酸のｐＨ＝１、Ｔ＝１６０℃、１００ｇ水中ＮａＣｌ３５ｇであった。
【図２８】二相系を使用してグルコースをＨＭＦに転換する反応実験結果を示す図である。反応条件は、Ｓｎ−ベータ：グルコースのモル比が２００、水：有機相の体積比＝１：３、ＨＣｌのｐＨ＝１、１００ｇ水中ＮａＣｌ３５ｇであった。
【図２９】二相系を使用してグルコースをＨＭＦに転換する反応実験結果（上：反応性、下：ｐＨ＝１のＨＣｌへの暴露の前後におけるＸ線回折（ＸＲＤ）データ）を示す図である。反応条件は、温度１６０℃、Ｓｎ／ベータゼオライト：グルコースのモル比は１：２００、ＨＣｌのｐＨ＝１、水：１−ブタノールの体積比＝１：２であった。
【図３０】グルコースからフルクトースも異性化する差異の熱力学データを示す図である（Tewari, Y., Applied Biochemistry and Biotechnology 1990, 23, 187に基づく）。
【図３１】Andy 及び Davis, Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 2922の記載に従って合成したＺｎ−ＣＩＴ−６のＸ線回折パターンを示す図である。
【図３２】合成したＺｎ−ＣＩＴ−６の走査電子顕微鏡写真であり、結晶サイズが０.５〜０.６ミクロンであることを示す図である。
【図３３】ＣＩＴ−６（ＳｎＣＨ３Ｃｌ３）触媒を用いて、１１０℃で実施したグルコース異性化反応の生成物分布であり、調製そのままの触媒を使用した場合（左）及び焼成した触媒を使用した場合（右）をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、本開示の一部を構成する添付の図面及び実施例と関連させて、以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解することができる。本発明は、本明細書に記載及び／又は示した特定の装置、方法、用途、条件、又はパラメータに制限されるものではなく、さらに、本明細書において使用した用語は、特定の実施形態を説明するという目的のための者であり、特許請求の範囲に記載の発明を制限することを意図したものではない。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される時、単数形「a」、「an」、及び「the」は、その内容について別段のはっきりした指示がない限り、複数値を含む。本願明細書において使用する用語「複数の」は、１以上を意味する。値の範囲が記載された場合、他の実施形態は、１つの特定の値及び／又は他の特定の値までの範囲を含む。同様に、「約」を伴って近似値として値を表現する場合、特定の値は他の実施形態を形成する。全ての範囲は、包含及び結合することができる。
【００１５】
明確のため、本明細書中の別々の実施形態の内容で触れられている本発明の特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせることができる。また、簡潔のため、本発明の単一の実施形態で記載した、本発明の種々の特徴は、別々で、又はあらゆるサブコンビネーションで用いることができる。さらに、範囲内の値についての参照は、かかる範囲内のあらゆる値を含む。
【００１６】
本明細書で使用したように、生成物ｙを形成するための反応物質ｘの化学反応性を特徴づけるにあたって、転換率は、反応したｘのモル量を、初期のｘのモル量で割ることにより求める。選択性は、生成されたｙのモル量を、反応したｘのモル量で割ることにより求める。収率は、生成されたｙのモル量を、初期のｘのモル量で割ることにより求める。これらの値は、分数又はパーセンテージで記載することができる。例えば、転換率をパーセンテージで記述するために、反応したｘのモル量を初期のｘのモル量で割った値に１００を掛ける。特に明記しない限り、これらの値が１〜１００である場合、分数ではなくパーセンテージである。
【００１７】
本願明細書において開示されるいくつかの方法において、糖は、化学触媒作用を使用して異性化される。生物学的触媒作用と比較すると、糖を異性化するために安価な無機材料を使用している化学触媒作用は、より広い温度域で作用可能である、長持ちする、反応速度が早い（反応器内残留時間が短い）、不純物に対する耐性が高いといった、魅力的な効果を提供することができる。
【００１８】
例えば、グルコースは、２９８から４２３Ｋの温度域で塩基触媒の存在下で異性化するが、残念なことに、単糖類はアルカリ性溶媒中で不安定であり、３１３Ｋを上回る温度では多数の副産物に直ちに分解されてしまう。したがって、基質触媒のフルクトース収率は概して＜１０％となってしまうので（高いフルクトース選択性［＞９０％］は、グルコース転換率が低い［＜１０％］場合にのみ得られる）、基質触媒を大規模なグルコース処理に使用する候補とはしにくい。
【００１９】
本願明細書において開示されるいくつかの方法は、シリカ材料の骨格に組み込まれた場合に水性溶媒中で固体酸として作用することができるスズ（Sn）又はチタン（Ti）金属中心を利用する。例えば、この種の酸性中心を含む大孔ゼオライトはアルドース（例えば、グルコース）の異性化において活性であり、塩基触媒工程において通常生じる糖分解反応を予防する。
【００２０】
金属酸性中心を使用することで、これらの種類の金属中心とアルドース中に存在するヒドロキシル基／カルボニル基部分との間の強い相互作用を活用することができる。実際に、最近の報告において、Sn-Beta ゼオライトは、カルボニル化合物のメールワイン−ポンドルフ−バーレー還元（ＭＰＶ）において非常に活性であり、アルコールのヒドロキシル基からケトンのカルボニル基へのヒドリド転位を生じさせる（Corma A.ら（２００２年）による、「カルボニル合成物の選択的還元触媒としてのＡｌフリーＳｎ−ベータゼオライト（メールワイン−ポンドルフ−バーレー反応）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）。同様に、他の報告においては、Snを含有する材料が、アルコール類の存在下において、トリオース（例えばグリセルアルデヒド及びジヒドロキシアセトン）がルイス酸媒介異性化／エステル化反応シーケンスを介して乳酸アルキルに転換することを触媒する作用を有することが示されていた（Hayashi Y. 及び Sasaki Y. （２００５年）、「アルコール溶液中におけるＴｉｎ触媒作用によるトリオースからアルキルへの転換（ Tin-catalyzed conversion of trioses to alkyl lactates in alcohol solution）」、 Chem. Commun. 21:2716-18； Taarning Eら、（２００９年）、「トリオース糖類のゼオライト触媒異性化 （Zeolite-catalyzed isomerization of triose sugars）」、 ChemSusChem 2(7): 625-27）
【００２１】
本願明細書で開示するいくつかの方法において、特に、水性溶媒中で単糖類を触媒と接触させることによって、単糖類を異性化する。触媒は、例えば、金属中心を含んでいる無機材料であってもよい。
【００２２】
本願明細書で開示する更なる方法において、無機材料は、シリカを含む材料であってもよい。無機材料は、多孔性材料、又は、特に分子篩、又は、特に微小孔構造材料（例えばゼオライト）であってもよい。例えば、無機材料は、高シリカゼオライトであってもよい。
【００２３】
多くのゼオライトがアルミノケイ酸塩であるにもかかわらず、例えば、亜鉛のような他の成分を組み込んでいるゼオライトが従来技術において既知であり、その合成方法も既知である。高シリカと称される一部のゼオライトは、骨格内のシリコンのアルミニウムに対する比率が高く、例えば少なくとも１０：１、又は１００：１程度、或いは、それよりも高い。高シリカゼオライトは、完全にアルミニウムフリーであってもよい。アルミニウムに対するシリコンの比率が高いほど、ゼオライトの骨格がより中性かつ疎水性となる。
【００２４】
無機材料が多孔性材料である実施形態において、材料の孔は、単糖類、他の反応物質、又は生成物を多孔性材料内部に導くために十分な大きさとして設計されうる。例えば、無機材料がゼオライトの場合、所望の孔径を有する特定のゼオライトを選択することができる。孔径はゼオライトを分類する１つの方法であり、様々な孔径のゼオライトが従来技術で知られている。また、ゼオライトの孔径は、不要な分子や干渉分子を除去するために選択することができる。
【００２５】
無機材料が多孔性材料である実施形態において、材料内部で触媒反応性が発揮されるように、材料を設計することができる。この場合、孔を経て反応物質が材料内部に入り、反応して生成物を生じ、孔を経て生成物が材料から出て行く。更なる実施形態において、表層反応性を有してもよいが、そのような反応性は、実質的でなくても、ごくわずかでも、或いは、完全に無くてもよい。一部の実施形態において、無機材料が触媒活性に関与しても良いが、他の実施形態では、金属中心が触媒活性を提供する。
【００２６】
本願明細書で開示する更なる方法において、金属中心は、無機材料の骨格に組み込まれる。例えば、ゼオライトは、ゼオライトの骨格内に金属を含んでも良い。このようなゼオライトの例は、従来技術で知られている（例えば、Corma A.ら（２００１）、「バイヤー・ビリガー酸化に用いる化学的選択性不均一性触媒としてのSn−ゼオライトベータ（Sn-zeolite beta as a heterogeneous chemoselective catalyst for Baeyer-Villiger oxidations, Nature 412(6845): 423-25）」）。このようなことが知られていたにも関わらず、一般的に、ゼオライトの骨格内へ金属を組み込むことが成功したか否かは、ゼオライトの特徴によって示す必要がある。
【００２７】
本願明細書で開示する更なる方法において、金属中心はルイス酸として作用する。このような方法において、金属は、無機材料にルイス酸活性を付与することができる。一般的に、従来技術において、陽イオン、複合体、共有結合化合物として存在するか否かに応じて、多くのルイス酸として作用する金属（例えばアルミニウム、ホウ素、クロミウム、コバルト、鉄、チタン、スズ、その他）が知られている。本願明細書で開示する幾つかの方法において、例えば、金属中心は、スズ又はチタンである。ルイス酸活性を有することが知られている当業界で知られている他の金属についても、触媒に組み込むものとして考慮する。
【００２８】
本願明細書で開示する更なる方法において、触媒は、ゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含むゼオライトであってもよい。例えば、触媒は、ゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトであってもよい。
【００２９】
本願明細書で開示する幾つかの方法において、触媒はゼオライトベータを含む。通常、ゼオライトベータは構造＊ＢＥＡによって定義されるゼオライトである。その特徴は、例えば、ゼオライト骨格タイプのアトラス（Atlas of Zeolite Framework Types）第６版（Baerlocherら、２００７年）に記載されている。当業界で既知の他のゼオライトについても考慮する。触媒すべき反応、反応物質、及び生成物に応じて、適切な骨格サイズ、形状、及び構成要素を決定して、それ基づいてゼオライトを選択する。例えば、触媒すべき反応が、グルコースのフルクトースへの異性化である場合、グルコース及びフルクトースを通過させることができる孔径を有するゼオライトが望ましい。そのようなゼオライトは、ゼオライトベータである。より大きな反応物質及び生成物は、それに比例して、より大きな孔を有する材料を必要とする。
【００３０】
本願明細書で開示する他の方法において、触媒はＴＳ−１のようなゼオライトを含む。ＴＳ−１は、ＭＦＩ構造を有するチタノシリケート材料である。その他の様々な大孔及び特大孔を有するゼオライトも考慮する。それらは、例えば、ＣＩＴ−１、ＺＳＭ−１２、ＳＳＺ−３３、ＳＳＺ−２６、ＣＩＴ−５、又は高シリカＦＡＵである。
【００３１】
本願明細書で開示する更なる方法において、多孔性材料は、規則配列（ordered ）メソ多孔性シリカ材料である。例えば、単糖類は、水性溶媒中で、特に、単糖類と骨格中にスズ又はチタンを規則配列メソ多孔性シリカ材料とを接触させることによって異性化される。メソ多孔性シリカ材料は、例えば、ＭＣＭ−４１、ＳＢＡ−１５、ＴＵＤ−１、ＨＭＭ−３３、又はＦＳＭ−１６であってもよい。
【００３２】
本願明細書で開示するさらに他の方法では、触媒は水溶液中で単糖類と接触する。ここで、水溶液とは、溶媒が水であることを意味する。例えば、本願明細書で開示する触媒は、例えば、アルコール類のような他の溶媒中で、単糖類と接触する。本願明細書の他の箇所で開示するが、溶媒の選択は化学反応の結果にかなり影響する。
【００３３】
本願明細書で開示する更なる方法において、触媒は炭水化物と接触する。例えば、触媒は、単糖類、二糖類、三糖類、オリゴ糖類又は多糖類と接触することができる。さらにまた、必要に応じて、いかなる組合せの炭水化物のであっても触媒と接触させることができる。さらに、あらゆるキラリティーの炭水化物を、触媒と接触させることもできる。
【００３４】
炭水化物が単糖類である場合、単糖類は、例えば 、アルドトリオース、アルドテトロース、アルドペントース、又はアルドヘキソースのようなアルドースであってもよい。特に、アルドースは、グリセルアルデヒド、エリスロース、トレオース、リボース、アラビノース、キシロース、リキソース、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、ガラクトース又はタロースを含むことができる。
【００３５】
また、炭水化物が単糖類である場合、単糖類は、例えば、ケトトリオース、ケトテトロース、ケトペントース、又はケトヘキソースのようなケトースであってもよい。特に、ケトースは、ジヒドロキシアセトン、エリトルロース、リブロース、キシルロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、又はタガトースを含むことができる。
【００３６】
ピラノース、フラノース、アミノ糖、などを含む、他の単糖類及びそれらの誘導体も、本願明細書で開示する触媒と接触させることができる。
【００３７】
炭水化物が二糖類である場合、二糖類は、例えば、蔗糖、ラクツロース、ラクトース、マルトース、トレハロース、セロビオース、コジビオース、ニゲロース、イソマルトース、ソホロース、ラミナリビオース、ゲンチオビオース、ツラノース、マルツロース、パラチノース、ゲンチオビウロース（gentiobiulose）、マンノビオース、メリビオース、メリブロース（melibulose）、ルチノース、ルチヌロース（rutinulose）又はキシロビオースのような単糖類のいかなる組合せでもあってもよい。
【００３８】
でん粉及びセルロースのようなバイオマス材料の加水分解反応の副産物（例えば、マルトース及びセロビオース）の混合物を含む、炭水化物の混合物を、本願明細書で開示する触媒と接触させることができる。さらにまた、でん粉、セルロース及びキチン質と同様に、例えば、フラクトオリゴ糖及びガラクトオリゴ糖のような、オリゴ糖類及び多糖類を、本願明細書で開示する触媒と接触させることができる。
【００３９】
本願明細書で開示する更なる方法において、水性溶媒は、約０.００１重量パーセント〜選択された温度における溶媒の最大溶解量の間で、単糖類を含む。例えば、水性溶媒は、約０.００１重量パーセント〜約５０重量パーセントの間で単糖類を含むか、又は約１０重量パーセント〜約５０重量パーセントの間で単糖類を含むことができる。また、水性溶媒は、約２５重量パーセント〜約５０重量パーセントの単糖類を含むこともできる。特に、処理装置の利便性が向上することを理由に、より濃度が高いことが産業的に望ましい。特定の単糖類濃度は、選択した単糖類の可溶性にある程度依存して選択する。
【００４０】
本願明細書で開示する更なる方法において、異性化反応は、ほぼ熱力学的平衡に達する。例えば、図３０には、グルコースからフルクトースへの転換における平衡転換率を示す。本願明細書で開示する更なる方法において、従来技術における酵素系と同様の転換率及び選択性をもたらす化学触媒によって異性化反応を実施する。
【００４１】
本願明細書で開示する他の方法において、水性溶媒のｐＨは酸性（７.０未満）である。例えば、本願明細書で開示するように、単糖類は、非酸性条件下で異性化できるが、酸性条件下での異性化は顕著に有用である。実際、塩基触媒作用中に直面する、いくつかの主要なボトルネックを解消するにあたり、酸性溶液中の糖を異性化する能力が重要である。これらのボトルネックには、酸性の副産物によって活性部位が中和されてしまうことや、アルカリ環境中において糖の安定性が低いことが含まれる。さらにまた、低ｐＨ値で作用することで、追加のユニット動作を用いる必要なく、上流及び下流における酸触媒反応（例えば、加水分解又は脱水）を、グルコース異性化反応と組み合わせる機会をもたらすことができる。例えば、高フルクトースコーンシロップ（ＨＦＣＳ）の製造において、異性化ステップの前に必要なでん粉加水分解ステップ（一般的に、酸触媒、又は酵素の組合せを使用する別個の反応器内で実施される）をグルコース異性化ステップと組み合わせることができた。同様に、ＨＭＦの生産において、酸接触媒脱水ステップを実施する前の、グルコースのフルクトースへの転換に必要な塩基触媒作用による異性化ステップは、単一の反応器に組み込んで、生成物の収率を高効率とすることができた。
【００４２】
本願明細書で開示する幾つかの方法において、水性溶媒のｐＨは約０〜約４の間である。本願明細書で開示する更なる方法において、水性溶媒のｐＨは約０〜約２の間である。ｐＨ値が約０〜約２の間（２を含む）であることは、異性化と、でん粉の加水分解及び／又はＨＭＦを生成するためのフルクトースの脱水とを組み合わせるために特に有利である。
【００４３】
本願明細書で開示するさらに他の方法において、水性溶媒は塩を含む。塩は、例えば、事前のステップから持ち越される等の多くの理由により存在しうるが、塩耐性は、経済面及び効率面において有利である。もう一つの例として、複数の液相間のパーティショニングを容易にするために、意図的に塩を加えることもある。本願明細書で開示する幾つかの方法において、塩は、あらゆる金属（例えば、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、リチウムその他）でありうる陽イオンを含むことができる。同様に、塩は、陰イオン（例えば、酢酸塩、アルキルリン酸塩、アルキル硫酸塩、炭酸塩、クロム酸塩、クエン酸塩、シアン化物、ギ酸塩、グリコール酸塩、ハロゲン化物、ヘキサフルオロリン酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、酸化物、リン酸塩、硫酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、トシラート、トリフラート又はビストリフオロスルホンイミド）を含むことができる。例えば、塩は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム又は臭化カリウムであってもよい。
【００４４】
さらに、本願明細書で開示する他の方法において、約５０℃~約２５０℃の温度域で異性化を実施する。温度域の選択は、転換率及び選択性と同様に、反応速度に影響する。水溶液の組成に応じて、反応の最大温度は、反応器における加圧の有無、及び加圧されている場合はその圧力に依存する。例えば、異性化は約９０℃〜約１８０℃の温度域で実施することができる。さらに、例えば、異性化は約９０℃〜約１４０℃の温度域で実施することができる。そして、実現可能であれば、エネルギーの節約の観点から、比較的低温であることが望ましい。
【００４５】
本願明細書で開示する更なる方法において、約９０分未満にわたり、異性化を実施することができる。一般に、所望の転換率に達するのに十分な程度の時間にわたり、反応が持続する必要がある。産業的観点から、効率の点で、反応時間が比較的短いことが望ましい。例えば、約６０分未満、又は約３０分未満の間、異性化を実施することができる。望ましくない劣化生成物が蓄積する可能性があるため、反応時間を比較的短くすることもある。
【００４６】
また、本願明細書で開示する更なる方法において、性能を大幅に低下させること無く、焼成の必要無く、ゼオライト触媒を少なくとも３回の反応サイクルでバッチ式（回分式）に使用しうるように、単糖類異性化反応の条件を選択する。安定触媒は産業的に重要な幾つかの利点をもたらすが、それらは、効率向上、コスト削減、及び信頼性を含む。本願明細書で開示する幾つかの方法において、Ｓｎ−ベータ（Ｓｎ−Ｂｅｔａ）触媒は、安定であり、再利用後及び焼成後にも、その活性を維持する。例えば、触媒の中間処理無しでグルコース異性化の連続サイクルを実施したところ、転換率及び選択性は維持された。本願明細書で開示する他の実施形態において、触媒の性能が劣化する場合であっても、サイクルの合間に空気中で触媒を焼成するステップを実施することで性能を回復することができる。触媒の性能の劣化の有無は、ある程度触媒及び反応条件の選択に依存する。例えば、反応時間及び反応温度が適正レベル（３８３Ｋ、３０分）に維持された場合には、焼成のための中間ステップは不要である。
【００４７】
本願明細書で開示する更なる方法では、単糖類異性化による生成物を脱水する。例えば、脱水して化学中間体として有用なフラン誘導体を生成する。さらなる例として、特に、水性溶媒中でグルコースを骨格中にスズ又はチタンが組み込まれた高シリカゼオライトと接触させて、フルクトースを生成してフルクトースを脱水することによって、グルコースを５−ヒドロキシメチルフルフラール（ＨＭＦ）に転換する。高シリカゼオライトは、グルコースを通過させる孔を有している。
【００４８】
本明細書に開示した、異性化及び脱水の組み合わせの他の態様において、触媒は、ベータのようなゼオライトを含む。その他の様々な大孔及び特大孔を有するゼオライトも考慮する。それらは、例えば、ＣＩＴ−１、ＺＳＭ−１２、ＳＳＺ−３３、ＳＳＺ−２６、ＣＩＴ−５、又は高シリカＦＡＵである。本明細書に開示した、異性化及び脱水を組み合わせる更なる方法において、多孔性材料は、規則配列メソ多孔性シリカ材料である。例えば、単糖類は、水性溶媒中で、特に、単糖類と骨格中にスズ又はチタンを含む規則配列メソ多孔性シリカ材料とを接触させることによって異性化される。メソ多孔性シリカ材料は、例えば、ＭＣＭ−４１、ＳＢＡ−１５、ＴＵＤ−１、ＨＭＭ−３３、又はＦＳＭ−１６であってもよい。
【００４９】
本願明細書で開示する更なる態様において、単糖類異性化生成物の脱水処理は、水性溶媒中で実施する。例えば、フルクトースの脱水処理は水性溶媒中で実施する。このような手順は、分離ステップを必要とすることなく、同じ水性溶媒中で異性化処理及び脱水処理の両方を実施することを実現する。本願明細書で開示する特定の異性化触媒は脱水のために必要な条件下で安定しているため、本願明細書で開示する方法は、このような手順に特に適している。
【００５０】
概して、フラン誘導体を生成するための糖類の脱水はよく研究されており、特に、フルクトースを脱水してＨＭＦを生成することは従来技術において既知である。本願明細書で開示する特定の方法において、酸触媒の存在下で、異性化反応生成物の脱水処理を実施する。例えば、触媒は、例えば、ＨＣｌのような水性溶媒中に溶解した無機酸であってもよい。例えば、触媒は、例えば、＊ＢＥＡ構造を有するプロトン化高シリカゼオライトのような固体酸触媒であってもよい。他の酸供給源としては、陽イオン交換樹脂、ルイス酸、シリカ−アルミナ材料、チタニア−アルミナ材料、鉱酸、ヘテロポリ酸、硝酸、硫酸、リン酸、ホウ酸、シュウ酸、レブリン酸、クエン酸、ニオブ酸化物、バナジウムリン酸又はニオブリン酸も有用である。
【００５１】
異性化及び脱水反応は、順番に又は同時に実施するか、或いはこれらの幾つか組合せて実施してもよい。例えば、水溶液中で単糖類を異性化触媒及び脱水触媒と接触させて、両方の反応を一緒に実施しても良い。特定の例では、酸性水溶液中でグルコースを異性化触媒と接触させた場合、グルコースはまずフルクトースを生成して、その後ＨＭＦを生成するために最初に反応する。特定の反応条件は、特に、異性化と関連して開示した条件のいずれであってもよい。
【００５２】
本願明細書で開示した異性化及び脱水を組み合わせる幾つかの方法において、水性溶媒のｐＨは約０〜約４の間である。本願明細書で開示する更なる方法において、水性溶媒のｐＨは約０〜約２の間である。本願明細書で開示する異性化及び脱水を組み合わせる他の方法において、水性溶媒は塩を含み、塩は、あらゆる金属（例えば、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、リチウムその他）でありうる陽イオンを含むことができる。同様に、塩は、陰イオン（例えば、酢酸塩、アルキルリン酸塩、アルキル硫酸塩、炭酸塩、クロム酸塩、クエン酸塩、シアン化物、ギ酸塩、グリコール酸塩、ハロゲン化物、ヘキサフルオロリン酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、酸化物、リン酸塩、硫酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、トシラート、トリフラート又はビストリフオロスルホンイミド）を含むことができる。例えば、塩は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム又は臭化カリウムであってもよい。
【００５３】
本願明細書で開示する他の方法において、約５０℃〜約２５０℃の温度域で異性化を実施する。温度域の選択は、転換率及び選択性と同様に、反応速度に影響する。水溶液の組成に応じて、反応の最大温度は、反応器における加圧の有無、及び加圧されている場合はその圧力に依存する。例えば、異性化は約９０℃〜約１８０℃の温度域で実施することができる。さらに、例えば、異性化は約９０℃〜約１４０℃の温度域で実施することができる。そして、実現可能であれば、エネルギーの節約の観点から、比較的低温であることが望ましい。
【００５４】
本願明細書で開示する更なる方法において、約９０分未満にわたり、異性化を実施することができる。一般に、所望の転換率に達するのに十分な程度の時間にわたり、反応が持続する必要がある。産業的観点から、効率の点で、反応時間が比較的短いことが望ましい。例えば、約６０分未満又は約３０分未満の間、異性化を実施することができる。望ましくない劣化生成物が蓄積する可能性があるため、反応時間を比較的短くすることもある。
【００５５】
本願明細書で開示するさらに他の方法において、異性化反応及び脱水反応の組み合わせは、米国特許第７，５７２，９２５号明細書に記載されたように、二相系で実施することができる。二相系は、２つの実質的に混ざらない液相（１つの水性相及び１つの有機相）を含んでいる。二相系は、原則的に、転換率、選択性、及び生成効率に関して有利である。本発明の用途では、水性相において、糖類の異性化が行われ、異性化生成物の脱水反応が行われる。例えば、グルコースのフルクトースへの異性化及びフルクトースのＨＭＦへの脱水は、水性相で行われる。さらに、これらの反応のそれぞれに関する触媒を、水性相中に提供する。そして、例えば、ＨＭＦのような脱水生成物を有機相に抽出する。このように、例えば、水性溶媒を、ＨＭＦを水性溶媒から抽出することができる有機媒体と接触させることができる。この場合、有機性溶媒は水性溶媒と実質的に混ざらない。これにより、水性層中にＨＭＦを存在させずに、脱水反応の効率を向上させて、有機層中におけるＨＭＦ生成物を比較的純粋な状態として、精製を簡略化することができる。このように、例えば、本願明細書で開示する幾つかの方法では、水性溶媒中でＨＭＦを精製し、そのままの状態で水性溶媒から有機性溶媒に抽出する。
【００５６】
例えば、あらゆる水非混和性、線形、分岐、環式アルコール、エーテル若しくはケトン、又は、未置換脂肪族若しくは芳香族炭化水素、又は、ハロ置換脂肪族若しくは芳香族炭化水素、又は、これらの混合物のような様々な溶媒を有機溶媒として使用することができる。例えば、本願明細書で開示する幾つか態様で、有機溶媒は、１−ブタノール又はＴＨＦを含む。有機層の幾つかの成分は、水とある程度混合可能である化合物を含みうる。本明細書に開示の他の有機性溶媒成分は、例えば、ＤＭＳＯ、ＤＭＦ、Ｎ−メチルピロリジノン、アセトニトリル、アセトン、ブタノン、ペンタノン、ヘキサノン、ヘプタノン等を含む。
【００５７】
本願明細書で開示するさらに他の方法において、でん粉をＨＭＦに転換するために幾つかの反応を組み合わせる。当業界において既知であるが、でん粉を酸によって加水分解してグルコースを生成することができる。本明細書に開示したように、本明細書に開示の触媒を用いたグルコースの異性化は、酸性条件で良好に進行する。このように、本明細書に開示の方法は、特に酸性水性溶媒中ででんぷんを加水分解してグルコースを生成し、水性溶媒中でグルコースを骨格中にスズ又はチタンが組み込まれた高シリカゼオライトと接触させて、フルクトースを生成してフルクトースを脱水することによって、でんぷんを５−ヒドロキシメチルフルフラールに転換する。高シリカゼオライトは、グルコースを通過させる孔を有している。本明細書に開示の方法において、これらの３つの反応を組み合わせる事が可能であり、例えば、グルコースを酸性水性溶媒中に保持し、高シリカゼオライトと接触させ、フルクトースを生成する。同様に、本明細書に開示の方法において、フルクトースを酸性水性溶媒中に保持して、脱水して５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成する。さらに、本明細書に開示の方法において、例えば、３つの反応全てを１つの容器内で、水溶液中で実施することもできる。この場合、最初の反応物質はでん粉であり、最終生成物はＨＭＦである。
【００５８】
本願明細書で開示する他の方法において、例えば、米国特許第７，５７２，９２５号明細書に従う二相系中で、でん粉からＨＭＦへの転換を実施することができる。異性化反応、並びに異性化及び脱水反応の組み合わせに適用可能な本明細書に開示の方法及びその変形例は、全て、水溶液又は二相系のいずれにおいても、でんぷんからＨＭＦへの反応系に適用することができる。したがって、例えば、酸性の水性溶媒を、５−ヒドロキシメチルフルフラールを酸性の水性溶媒から抽出することができる有機溶媒と接触させる。この場合、有機溶媒は水性溶媒と実質的に混ざらない。そして、更なる実施形態で、酸性の水性溶媒中で５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成して、そのままの状態で水性溶媒から有機溶媒に抽出する。
【実施例１】
【００５９】
Ｔｉ−ベータゼオライトは、以下の通りに調製した。水酸化テトラエチルアンモニウム溶液（シグマアルドリッチ社、３５重量％、水二溶解）７.５０３ｇを、１５ｇの水で希釈した。それから、オルトけい酸テトラエチル（シグマアルドリッチ社、９８重量％）７.０１６ｇ及びチタニウム（ＩＶ）イソプロポキシド（シグマアルドリッチ社、９７重量％）０.２０１ｇを、溶液に加えた。オルトけい酸テトラエチル及びチタニウム（ＩＶ）イソプロポキシドが完全に加水分解するまで混合物を撹拌し、エタノール、イソプロパノール及び必要量の水を蒸発させて所望の水比率とした。最終的に、ＨＦ溶液（Mallinckrodt社、５２重量％、水に溶解）０.６７０ｇを加え、粘性の高いゲル状とした。
【００６０】
ゲル組成は、ＳｉＯ２／０.０２１ＴｉＯ２／０.５４ＴＥＡＯＨ／０.５３ＨＦ／６.６Ｈ２Ｏであった。このゲルをテフロンで被覆したステンレススチールオートクレーブに移して、１４０℃で１４日間加熱した。固体を濾過して回収して、水で十分に洗浄して１００℃でオーバーナイトして乾燥した。固体材料は、ベータゼオライト構造を呈した（図７のＴｉ−ベータＸＲＤパターンを参照）。固体を、５８０℃で６時間焼成して、結晶材料中の有機成分を除去した。焼成した試料のＵＶ−可視拡散反射スペクトルにおいて、〜２００−２５０ｎｍで特徴的なバンドが存在するが、これは、ゼオライト骨格中のＴｉ四配位構造に該当するものである（図６のＴｉ−ベータ参照）。
【実施例２】
【００６１】
Ｓｎ−ベータゼオライトは以下の通りに調製した。水酸化テトラエチルアンモニウム溶液（シグマアルドリッチ社、３５重量％、水に溶解）７.５７ｇを、１５ｇの水で希釈した。オルトけい酸テトラエチル（シグマアルドリッチ社、９８重量％）７.０１１ｇ及び塩化すず(IV)五水和物 （シグマアルドリッチ社、９８重量部）０.１２１ｇを溶液に加えた。オルトけい酸テトラエチルが完全に加水分解するまで混合物を撹拌し、全エタノール及び若干の水を蒸発させて所望の水比率とした。最終的に、ＨＦ溶液（Mallinckrodt社、５２重量％、水に溶解）０.６９０ｇを加え、粘性の高いゲル状とした。
【００６２】
ゲル組成は、ＳｉＯ２／０．０１ＳｎＣｌ４／０.５５ ＴＥＡＯＨ／０．５４ ＨＦ／７.５２Ｈ２Ｏであった。このゲルをテフロンで被覆したステンレススチールオートクレーブに移して、１４０℃で５０日間加熱した。固体を濾過して回収して、水で十分に洗浄して１００℃でオーバーナイトして乾燥した。固体を、５８０℃で６時間焼成して、結晶材料中の有機成分を除去した。Ｘ線回折により、固体材料がベータゼオライト構造を有することを確認した（図７のＳｎ−ベータＸＲＤパターン参照）。焼成した試料のＵＶ−可視拡散反射スペクトルにおいて、〜２００−２５０ｎｍで特徴的なバンドが存在するが、これは、ゼオライト骨格中のＳｎ四配位構造に該当するものである（図１２のＳｎ−ベータ参照）。走査電子顕微鏡検査（ＳＥＭ）によって、Ｓｎ−ベータ結晶は図３〜４に示すように、数ミクロンサイズであり、Ｓｎ−ベータ試料に関するエネルギー分散X線スペクトル（ＥＤＳ）測定結果により、Ｓｉ：Ｓｎの原子比率が９６：１であることが明らかになった。
【実施例３】
【００６３】
ＴＳ−１は、特許文献（米国特許第４，４１０，５０１明細書）に記載の方法に従って合成した。ＴＳ−１は、チタニウムブトキシド（ＴＮＢＴ、シグマアルドリッチ社）、オルトけい酸テトラエチル（ＴＥＯＳ、シグマアルドリッチ社）、水酸化テトラプロピルアンモニウム（ＴＰＡＯＨ、１Ｍ、シグマアルドリッチ社）、及び蒸留水を混合して調製した透明溶液から結晶化した。混合物を攪拌して、オルトけい酸テトラエチル及びチタニウムブトキシドを完全に加水分解した。そして、全エタノール及びブタノール、並びに若干の水を蒸発させて、所望の水比率とした。ゲル組成は、ＳｉＯ２／０.０３ＴｉＯ２／０.４４ ＴＰＡＯＨ／３０Ｈ２Ｏであった。ＴＳ−１反応混合物を、テフロン被覆されたオートクレーブに移し、１７５℃で５日間結晶化した。オートクレーブを、５０ｒｐｍで回転した。冷却後、濾過した固体を回収して、水で十分に洗浄して、１００℃でオーバーナイトして乾燥した。材料を５８０℃で６時間焼成して、結晶材料中の有機成分を除去した。
【実施例４】
【００６４】
Ｔｉ−ＭＣＭ−４１試料は以下の通りに合成した。ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド（Ｃ１６ＴＡＢｒ）溶液を調製した（水１５.１ｇに対してＣ１６ＴＡＢｒ１.９３ｇ）。そして、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液（２５%、アルドリッチ社）６.４２ｇを加えた。ホモジナイズの後、オルトけい酸テトラエチル（シグマアルドリッチ社、９８重量％）７.０１５ｇ及びチタニウム（ＩＶ）イソプロポキシド（シグマアルドリッチ社、９７重量％）０.１９ｇを溶液に加えた。混合物を撹拌して、オルトけい酸テトラエチル及びチタニウム（ＩＶ）イソプロポキシドを完全に加水分解した。次いで、全エタノール及び全イソプロパノール、並びに若干の水を蒸発させて、所望の水比率とした。最終的な化合物は、以下の通りであった：１.０ＳｉＯ２／０.０２ＴｉＯ２／０.１６ Ｃ１６ＴＡＢｒ／０.２６ ＴＭＡＯＨ／２４.８Ｈ２Ｏ。均一ゲルを、テフロン被覆ステンレススチールオートクレーブに封入して、１３５℃で４８時間、静的条件下で加熱した。濾過して固体を回収して、水で十分に洗浄して、１００℃でオーバーナイトして乾燥した。固体を、５８０℃で６時間焼成して、結晶材料中の有機成分を除去した。
【実施例５】
【００６５】
Ｓｎ−ＭＣＭ−４１試料を以下の通りに合成した。ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド（Ｃ１６ＴＡＢｒ）溶液を調製した（水４.３ｇに対して、Ｃ１６ＴＡＢｒ１.４６ｇ）。そして、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液（２５%、アルドリッチ社）６.３４ｇを加えた。ホモジナイズの後、ＳｎＣｌ４・５Ｈ２Ｏ（９８%、アルドリッチ社）０.０８８ｇ及びコロイド状シリカ溶液（Ｌｕｄｏｘ ＡＳ−４０、シグマアルドリッチ社）３.７６ｇを、連続的に攪拌しつつ加えた。最終的な化合物は、以下の通りであった：１.０ＳｉＯ２／０.０１ＳｎＣｌ４／０.１６ Ｃ１６ＴＡＢｒ／０.３５ ＴＭＡＯＨ／２５Ｈ２Ｏ。均一ゲルを、テフロン被覆ステンレススチールオートクレーブに封入して、１３５℃で４８時間、静的条件下で加熱した。濾過して固体を回収して、水で十分に洗浄して、１００℃でオーバーナイトして乾燥した。固体を、５８０℃で６時間焼成して、規則配列材料中の有機成分を除去した。
【実施例６】
【００６６】
様々な材料を既知の方法で合成した。下表に、合成した材料と、そのＳｉ／金属比を示す。Ｓｉ／金属比はエネルギー分散X線スペクトル（ＥＤＳ）で測定した。
【００６７】
【表１】
【００６８】
これらの材料の合成は、実施例１〜５に記載したように、以下文献に従った。（［１］Corma, A. ら, J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (26), pp. 11306.11315；［２］ C.B. Khouw, H.X. Li 及び M.E. Davis, Micropor. Mater. 2. (1994), p. 425；［３］Blasco ら, J. Catal., 1995, 156, p. 65；［４］Ｔｉ−ＭＣＭ−４１試料をヘキサメチルジシラザンで処理して表面上のシラノールをキャッピングした；［５］Corma, A. ら, ARKIVOC, 2005, ix, p. 124）
【００６９】
粉末Ｘ線回折（ＸＲＦ）パターンは、Ｃｕ，Ｋａ放射を用いたＳｃｉｎｔａｇ ＸＤＳ ２０００回折計により測定した。エネルギー分散X線スペクトル（ＥＤＳ）を有する走査電子顕微鏡検査（ＳＥＭ）によって、ＥＨＴ（electron high tension）＝１０ｋＶでの測定値をＬＥＯ１５５０ＶＰ ＦＥ ＳＥＭに記録した。拡散反射率セルを備えるＣａｒｙ３Ｇ分光光度計を用いてＵＶ可視測定値を記録した。
【実施例７】
【００７０】
デジタル攪拌ホットプレート（フィッシャーサイエンティフィック社）上に配置した温度制御油浴中で加熱される１０ｍＬ厚壁ガラス反応器（ＶＷＲ）中でグルコース異性化実験を実施した。典型的な実験では、１０重量％グルコース及び金属：グルコースのモル比が１：５０となる相当量の触媒（通常〜７０ｍｇ）を含む水溶液１．５ｇを反応器に加え、密閉した。反応器を油浴中に配置して、特定の時間に取り出した。氷浴中で反応器を冷却して反応を停止させ、少量の分割量（aliquot）を採取して分析した。試料分析は、ＰＤＡ ＵＶ（３２０ｎｍ）及び蒸発光散乱検出（ＥＬＳ）検出器を備えるＡｇｉｌｅｎｔ１２００システム（アジレント・テクノロジーズ社）を使用した高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）を用いて実施した。グルコース及びフルクトース濃度 流速０.５５ｍＬ／分、カラム温度３５３Ｋの、超高純度水（pＨ＝ ７）を移動位相として使用して、Ｐｈｅｎｏｍｅｎｅｘ ＲＨＭカラム（フェノメネックス社）によってモニタリングした。
【実施例８】
【００７１】
下表に、グルコース異性化実験の結果を要約する。
【００７２】
【表２−１】
【表２−２】
【００７３】
グルコース異性化反応における活性が種々異なるルイス酸性中心を含む一連の材料について試験した。試験は、大きな孔を有するベータゼオライトの骨格に組み込まれたタンタル（Ｔａ）、スズ（Ｓｎ）及びチタン（Ｔｉ）金属中心、中程度の孔を有するゼオライト（ＴＳ−１）の骨格に組み込まれたＴｉ、並びに、規則配列メソ多孔質シリカ支持体（ＳＢＡ−１５）に組み込まれたＳｎ及びＴｉを含んだ。図１６に示すように、これらの条件下において、 Ｓｎ−ベータ及びＴｉ−ベータが、最も高い異性化活性を示し、９０分１４０℃において５０％超のグルコース転換率を呈した。対照的に、同じ反応条件下で、Ｓｎ−ＳＢＡ及びＴｉ−ＳＢＡは、中程度の異性化活性を呈し、ＴＳ−１及びＴａ−ベータ材料は、ほとんど異性化活性を示さないことが明らかとなった。ＴＳ−１及びＴｉ−ベータの反応性違いは、ＴＳ−１孔の直径がグルコース分子を通過させてゼオライト内に導くためには小さすぎることを示唆している。
【００７４】
２つの最も活性の高い材料の反応速度をより詳細に検討すると、Ｓｎ−ベータ触媒は、Ｔｉ−ベータよりも優れた性能でグルコースを異性化するということが明らかになった。具体的には、１１０℃４５分及び１４０℃１５分で、反応平衡（すなわち、グルコース転換率５０%）で、フルクトース選択性が９０%を上回った。フルクトース選択性の値は、反応を比較的長時間進行させた場合に、フルクトース分解反応が開始することに起因して、低下した（エントリー５ｄ及び１０ｅ参照）。Ｔｉ−ベータ触媒は、活性ではあったが、上述の条件下において、Ｓｎ−ベータ触媒ほど有効ではなく、１１０℃４５分の反応後には、グルコース転換率は１８％でフルクトース選択性は８０％であり、１４０℃４５分の反応後には、グルコース転換率は４４％でフルクトース選択性は６８%であった。
【００７５】
発明者らは、異性化反応におけるＳｎ−ベータの活性に関連する、興味深い溶媒の影響を観察した。塩基性触媒とは異なり、Ｓｎ−ベータ触媒は、酸性環境下で異性化反応を実施できた。ここで、本明細書に記載の反応に使用される塩基性触媒の主な欠点は、糖分解反応の間に形成されるカルボン酸によって活性部位が中和されてしまうことに起因して触媒が非活性化してしまうことである。しかし、Ｓｎ−ベータを酸性のグルコース溶液（ｐＨ＝２、ＨＣｌ）に用いた場合、非酸性溶液中で実施した場合と比較して、活性又はフルクトース選択性の違いが見られなかった（エントリー５ｃ及び６ｃ参照）。対照的に、非プロトン性溶媒（ジメチルスルホキシド［ＤＭＳＯ］）を水に代えて用いた場合に、Ｓｎ−ベータは異性化反応に関して活性を有さなかった（エントリー１１ｃ及び１２ｃ参照）。
【実施例９】
【００７６】
下表に、水中で様々な触媒を使用して行ったグルコース異性化実験を要約する。反応は、１０重量％グルコースと、金属：グルコースのモル比が１：５０となる相当量の触媒とを用いて実施した。なお、エントリー１０（＊を付して示す）については、４５重量％グルコース溶液に対して、グルコース：Ｓｎのモル比が２２５：１となるようにして、反応を実施した。＊＊は、マンノース以外の未確認の糖がＴｉ−ベータによって得られたことを示す。記載した収率５重量％は、ヘキソースに関する応答計数を用いて算出した。
【００７７】
【表３】
【００７８】
Ｓｎ又はＴｉ金属中心を含む一連のシリカ材料を、グルコース異性化反応におけるそれらの活性に基づいてスクリーニングした。具体的には、Ｓｎ及びＴｉ金属中心は大孔ゼオライト（ベータ）の骨格に組み込まれており、Ｔｉは中程度の孔を有するゼオライト（ＴＳ−１）に組み込まれており、Ｓｎ及びＴｉは規則配列メソ多孔性シリカ（ＭＣＭ−４１）に組み込まれている。これらの条件下では、Ｓｎ−ベータ及びＴｉ−ベータは最も高いグルコース異性化活性を示し、４１３Ｋ９０分の反応の後のグルコース転換率は５０%超であった（図１７参照）。対照的に、同じ反応条件下で、Ｓｎ−ＭＣＭ４１及びＴｉ−ＭＣＭ４１は中程度の活性を示し、ＴＳ−１は実質的に不活性であった（図１７参照）。ＴＳ−１及びＴｉ−ベータの間の反応性の違いは、グルコース分子はベータゼオライトの孔（孔直径：およそ０.８ｎｍ）は拡散することができるが、ＴＳ−１の孔（孔直径：０.５〜０.６ｎｍ）は拡散することができないことを示唆している。
【００７９】
２つの最も活性の高い材料を用いた更なる反応実験において、Ｓｎ−ベータ触媒は、Ｔｉ−ベータと比較して優れた性能でグルコースを異性化することが明らかとなった。具体的には、Ｓｎ−ベータを触媒作用量（Ｓｎ：グルコースのモル比＝１：５０）含有する１０重量％グルコース溶液について、３８３Ｋ及び４１３Ｋでそれぞれ３０分及び１２分反応させた後の収率は、グルコース約４６%（ｗ／ｗ）、フルクトース約３１%（ｗ／ｗ）、及びマンノース約９%（ｗ／ｗ）であった。３８３Ｋで、より長い時間反応を進行させた場合であっても、Ｔｉ−ベータ触媒はグルコース転換率が非常に低かった（エントリー４及び７参照）。反応時間が長くなると、自己触媒分解反応によって、全糖類の収率が低下した（図１８参照）。反応温度を変化させても、所与のグルコース転換率値において失われる糖の総量に影響が無かったため、分解反応の経路は、異性化反応の経路と同様に、明らかな活性化バリアを有することが示唆された。特に、Ｓｎ−ベータ触媒は、大規模な転換において使用されるものと同様に、更に高濃度のグルコース溶液に対して使用することもできる。例えば、グルコース４６%（ｗ／ｗ）、フルクトース２９%（ｗ／ｗ）、及びマンノース８%（ｗ／ｗ）の配合からなる生成物は、３８３Ｋ、６０分間でＳｎ−ベータを触媒作用量（Ｓｎ：グルコースモル比＝１:２２５）含有する４５重量％グルコース溶液を反応させて得られた（エントリー４及び１０参照）。このような結果は、工業的な酵素処理法で得られる結果に近く、無機触媒を用いて高濃縮グルコース溶液から得られる高いフルクトース収率である。
【００８０】
このデータは、Ｓｎ−ベータの異性化反応の活性部位がゼオライトの骨格に組み込まれるＳｎ原子であることを示唆する。ＳｎＣｌ４・５Ｈ２Ｏも、ＳｎＯ２も、異性化活性を示さず（エントリー８及び９参照）、Ｓｎ−ベータに関するＵＶデータは、更なる骨格Ｓｎに相当する吸収バンドを呈さなかった（図６参照）。
【実施例１０】
【００８１】
下表に触媒安定性の実験結果を要約する。反応は、Ｓｎ：グルコースのモル比が１:５０である１０重量％グルコース溶液を使用して３８３Ｋで実施した（エントリー５ｂを除く）。実験１（エントリー１〜４）について、各サイクル後に、触媒を水で洗浄して、新たなグルコース溶液を加えて新たなサイクルを開始させた。サイクル４において、サイクル３から回収した触媒を空気中で、８１３Ｋで３時間、温度ランプ速度２Ｋ／分で焼成した。実験２（エントリー５ａ〜５ｂ）について、Ｓｎ−ベータを用いた反応を、１２分間継続させた（エントリー５ａ）。その後、熱いうちに溶液をろ過して触媒を回収し、濾過溶液をさらに３０分間反応させた（エントリー５ｂ）。
【００８２】
【表４】
【００８３】
Ｓｎ−ベータ触媒の安定性を試験するために、２種類の実験を行った。第１の実験では、それぞれ、３８３Ｋで３０分間にわたり、４つの連続的な異性化サイクルを実行することによって、触媒の再利用性を評価した。各サイクルの後、触媒を濾過により回収して、新たなグルコース溶液を加える前に水で洗浄した。データから明らかなように、３つの反応サイクルの後に、触媒はその初期の活性及び生成物分布を維持していた。第３のサイクルの後、最後の１サイクルを実行する前に、触媒を８１３Ｋで、空気中で焼成した。サイクル４の結果により、触媒が再びその初期の活性及び生成物分布を維持したことが明らかとなった。したがって、本発明による触媒はテ印系的なゼオライト再生プロセスに耐えうることが確認された。第２の試験は、溶液に浸出する金属種に起因する均一系触媒作用の存在を確認するために設計した。具体的には、３８３Ｋ、１５分間でＳｎ−ベータ触媒によって異性化サイクルを初期化した。そして、溶液がまだ熱いうちに、触媒をろ過により除去した。
【００８４】
冷却中に浸出した金属種が再び吸着する可能性を回避するため、濾過溶液を３８３Ｋ、３０分間で反応させた。この反応結果は、触媒の存在下で、グルコース異性化が予想通りに進行したことを示した（生成物収率は、グルコース５７%（ｗ／ｗ）、フルクトース２７%（ｗ／ｗ）、及びマンノース６%（ｗ／ｗ）であった）。しかし、一旦触媒を除去すると、反応は持続しないということは、浸出金属イオンによって均一系触媒作用が生じていないということを示唆している（エントリー５ａ及び５ｂ）。これらの２つの試験結果は、Ｓｎ−ベータが異性化反応に対して非均一触媒作用を有しており、複数の反応サイクルについて使用可能であることを示唆している。
【実施例１１】
【００８５】
下表に、４１３Ｋの酸性条件下における、水中でのＳｎ触媒グルコース反応の結果を要約する、
【００８６】
【表５】
【００８７】
驚くべきことに、Ｓｎ−ベータは、高酸性環境下での異性化反応を実施することが可能である。ＨＣｌ（実施例９、エントリー４及び６参照）無しで反応させた場合と比較して、酸性の１０重量％グルコース溶液（ｐＨ＝２、ＨＣｌ）中にてＳｎ−ベータを用いて反応させた場合の活性及び生成物の分布に差異が見られなかった。酸性環境においてＳｎ−ベータを使用した実験では、加水分解／異性化及び異性化／脱水反応シーケンスの結果が良好であった。具体的には、１０重量％でん粉溶液を、４１３Ｋ、９０分間でＨＣｌ（ｐＨ＝１）を用いて加水分解すると、グルコース８７%（ｗ／ｗ）及びでん粉１３%（ｗ／ｗ）の溶液を生成し、得られた酸性溶液に対して触媒作用量のＳｎ−ベータ（Ｓｎ：グルコースのモル比＝１:５０ ）を加えて、４１３Ｋで更に１２分間加熱して異性化すると、生成物の分布がでん粉１３%（ｗ／ｗ）、グルコース３９%（ｗ／ｗ）、フルクトース２３%（ｗ／ｗ）、及びマンノース７%（ｗ／ｗ）となった（表３、エントリー１ａ及び１ｂ）。また、１０重量％グルコース溶液を、ＨＣｌ（ｐＨ＝１）及びＳｎ−ベータが共に存在する条件下で、４１３Ｋで１２０分間反応させると、ＨＭＦの収率は１１%（ｗ／ｗ）であり、その他に、フルクトース１８%（ｗ／ｗ）及びマンノースは２%（ｗ／ｗ）であった（エントリー４）。これらのデータは、水性ＨＣｌ中でフルクトースを反応させた場合の脱水結果（ＨＭＦ収率２４%（ｗ／ｗ）、転換率８５%；エントリー３）、及び同様の水性ＨＣｌ反応条件下でグルコースを脱水させた場合の結果（ＨＭＦ収率１%（ｗ／ｗ）未満、転換率９%；エントリー２）に匹敵しうる。このように、Ｓｎ−ベータは、異性化その他の酸性触媒反応の組み合わせを必要とするワンポット反応シーケンスの候補として魅力的である。
【実施例１２】
【００８８】
Ｃ−２位置重水素化グルコース（グルコースＤ２、図２３）を用いて、異性化反応をＮＭＲ解析した。図１１に示すように、反応機構がいずれの経路をたどるかに関わらず、Ｃ−２位置のプロトンは基本的な役割を果たす。実際、Ｃ−２位置の同位体置換は初期反応速度を１／２に減速させる結果となった（ｋＨ／ｋＤ＝１.９８、図２２）。このことから、反応速度に同位体がかなり影響したことが明らかである。重要なことに、触媒がない場合の反応温度（３８３Ｋ）における水中でのグルコースＤ２の１３ＣＮＭＲスペクトルにより、同位体のスクランブリングが発生しないことが明らかとなった（図２４）。このような結果は、反応条件下で、水中でＣ−Ｄ結合が不活性化することを示唆し、さらに、触媒作用のみに起因して反応中に分子内で同位体の転位が発生しないことを示唆するため、重要である。
【００８９】
１３Ｃ ＮＭＲ及び１ＨＮＭＲ分光により、触媒としてＳｎ−ベータを用いたグルコースＤ２の異性化を分析した。未標識グルコース及びグルコースＤ２原料溶液の１３ＣＮＭＲスペクトルを比較したところ、未標識グルコース溶液においてδ＝７４.１、７１.３ｐｐｍで観察された共鳴は、グルコースＤ２溶液における低強度の１：１：１の三重線として現れることが明らかとなった（図１９ａ、ｂ）。この効果は、溶液中のグルコースＤ２の２つの構造（ｂ−ピラノース及びａ−ピラノース、存在比６４:３６）におけるＣ−２位置の重水素化原子による核オーバーハウザーエンハンスメント（ＮＯＥ）の崩壊に関連する。ＮＯＥの間、１Ｈブロードバンドでカップリングを用いてＣ、Ｈカップリングを抑制した場合、１３Ｃ共鳴強度は、１３Ｃ−１Ｈペアの直接結合による２００%まで強調されるが、この共鳴増幅は１３Ｃ−１Ｈペアについては見られず、よって、グルコースＤ２のＣ−２に関連する共鳴は実質的に減衰する。３８３Ｋ１５分間で、水中で、Ｓｎ−ベータの存在下で１０重量％グルコースＤ２溶液を反応させた後に、高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）によりグルコース及びフルクトース画分を分離した。各画分について、１３ＣＮＭＲスペクトルを分析したところ、反応後に、グルコースＤ２は不変であったが（図１９ｂ、ｃ）、フルクトース生成物は未標識フルクトース標準（図１９ｅ、ｆ）と比較して有意差があったことが明らかとなった。特に、未標識フルクトース標準におけるｂ−ピラノース及びｂ−フラノース構造のＣ−１位置に該当するδ＝６３.８、６２.６ｐｐｍの共鳴は、反応後に回収したフルクトース生成物の低強度三重線として表れた。両方の糖に関する、１Ｈ ＮＭＲスペクトルによりこれらの結果を確認した。反応の前後のグルコースＤ２の１Ｈ ＮＭＲスペクトルは一定のままであったが（図２０ｂ、ｃ）、フルクトースのスペクトルはＣ−１位置の重水素原子の消滅により、δ＝３.４５ｐｐｍの共鳴が消失したことを示した（図２０ｆ）。これらのスペクトルの領域を統合することにより、上述のグルコース及びフルクトース画分については６つのＣ−Ｈペアが存在し、未標識グルコース又はフルクトースについては７つのＣ−Ｈペアが存在することを確認できた。このような結果は、グルコースＤ２のＣ−２位置にある重水素原子がフルクトースのＣ−１位置へ移動したことを明示し、したがって、純水中における固体ルイス酸触媒とのグルコース異性化反応は、分子内ヒドリドシフトによって進行するということが確実に証明された。
【００９０】
塩基性触媒として水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を用いて、同様の分光学的分析を実施した。グルコースＤ２の１０重量％水溶液を、ＮａＯＨ（０.１Ｍ）の存在下で、３８３Ｋで２分間にわたり反応させた。そして、グルコース及びフルクトース画分の１３ＣＮＭＲ及び１Ｈ ＮＭＲスペクトルを取得すると、Ｓｎ−ベータを使用した場合の結果と比較して有意な違いを示した。第１に、未標識のフルクトースと、反応後に分離したフルクトース画分と、に関する１３ＣＮＭＲ及び１Ｈ ＮＭＲスペクトルには差異がなかった。このことは、フルクトース画分に重水素原子が含まれなかったことを示す（図１９ｅ、ｇ及び図２０ｅ、ｇ）。第２に、グルコース断片の１３ＣＮＭＲスペクトルにおいて、δ＝７４．１ｐｐｍでの小さな共鳴の存在により、グルコースＤ２に少量の標準のグルコースが混ざっていたことが示唆された（図１９ｄの拡大図参照）。未標識グルコースの存在は、１ＨＮＭＲスペクトルにおける、Ｃ−２位置のプロトンに該当するδ＝３.１ｐｐｍでの共鳴の出現によっても裏付けられる（図２０ｄ）。これらの結果は、塩基性触媒が、グルコースＤ２のａ−カルボニル炭素から重水素が除去されて、対応するエノラートを生成し、溶液からのプロトンをグルコース分子に再度組み込んで、未標識フルクトースに伴って、幾らかの未標識グルコースを生成するプロトン移動機構を作動させることを示した（図１１Ａ）。
【００９１】
この実験は、Ｓｎ−ベータが純粋な水性溶媒中のグルコースの異性化に触媒作用を及ぼすことができるルイス酸として作用することができることを示した。異性化反応の間、Ｓｎ−ベータの活性部位と、糖及び溶媒との間の相互作用の性質を理解するために更なる実験を行った。Cormaらによる報告（１１９Ｓｎ−ＮＭＲを使用）において、分離したゼオライト中の骨格スズ中心は、特定の反応の反応速度を促進する役割を果たすことが示された（A. Corma, Nature 2001, 412, 423）。水中でのグルコース異性化について、発明者らは、Ｓｎ−ベータが反応を触媒するために骨格スズ中心が必須であることを見出した。完全にスズを骨格に組み込むとされている手順（スズ供給源として、ＳｎＣｌを使用）により合成したＳｎ−ベータは、異性化反応について高活性であったが、スズ供給源としてＳｎＯを用いて合成したＳｎ−ベータは、完全に不活性であった（図２１Ａ）。活性物質のＵＶ−可視拡散反射スペクトルでは、２２０ｎｍを中心とする単バンド（金属の四配位構造に該当する）が見られたが、非活性材料のスペクトルは、３００ｎｍを中心とするバンド（骨格外位置の金属の八配位構造に該当する）を呈した（図２１Ｂ）。
【実施例１３】
【００９２】
更なるグルコース異性化実験の結果を下表に要約する。
【００９３】
【表６】
【実施例１４】
【００９４】
グルコースからＨＭＦへの転換実験の結果を下表に要約する。
【００９５】
【表７】
【実施例１５】
【００９６】
ゼオライトＳｎ−ＣＩＴ−６を合成して、グルコース異性化反応を行った。文献（Andy及びDavis著, Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 2922）に記載の手順に従い、けい酸亜鉛ＣＩＴ−６を合成した。合成された材料のＸ線回折パターンを図３１に示す。合成された材料の電子顕微鏡写真を図３２に示す。骨格からZnを除去するために、ゼオライト１.０ｇを氷酢酸６０ｍＬ及び水１００ｍＬに加え、混合物を８０度で３日間維持した。ろ過によりＣＩＴ−６を回収して、水で洗浄し、１００℃でオーバーナイトして乾燥させた。そして、試料を１３０℃まで熱し、真空で２時間加熱して、吸着された水を除去した。室温、無水クロロホルム中で、相当量のグラフト化剤（Ｓｉ／Ｓｎ：１００〜１２５）の溶液中で、ＣＩＴ−６のＳｎ（ＳｎＣｌ３ＣＨ３）をグラフト化した。１時間後、トリエチルアミンを混合物に加えて、グラフト化プロセスで生成された塩酸をトラップした。懸濁液を２日間撹拌して維持した。試料をクロロホルムで洗浄して、１００℃でオーバーナイトして乾燥させた。ＣＩＴ−６（ＳｎＣｌ３ＣＨ３）の最終的なＳｉ／Ｓｎ比は１１０であった（ＥＤＳにより算出した）。試料の一部を５８０℃で６時間焼成した。
【００９７】
グルコース異性化のための反応条件は、糖：Ｓｎ比が１００の１０重量％グルコース水溶液について、温度は１１０度、反応時間は９０分であった。図３３に示すように、ＣＩＴ−６（ＳｎＣＨ３Ｃｌ３）は焼成した場合に、グルコース異性化反応について活性になる。これは、効率的なグラフト化のためには、アルキル基を焼成によって酸化により除去する必要があることを示唆する。この傾向は、Corma らによる、 J. Catal, 2003, 219, 242にも記載されている。図３３に、調製されたままのＣＩＴ−６（ＳｎＣＨ３Ｃｌ３）触媒（左）と、焼成したＣＩＴ−６（ＳｎＣＨ３Ｃｌ３）触媒（右）とを用いた１１０℃でのグルコース異性化反応による生成物の分布を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水性溶媒中で、単糖類とゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させることを含み、前記ゼオライトは前記単糖類を通過させることができる孔を有することを特徴とする、単糖類の異性化方法。
【請求項２】
前記ゼオライトは、＊ＢＥＡ構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記単糖類は、ペントース又はヘキソースであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記単糖類は、グルコース、フルクトース、又はマンノースであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記水性溶媒は、約１０重量パーセント〜約５０重量パーセントの単糖類を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記異性化は、実質的に熱力学的平衡に達することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記水性溶媒のｐＨは、酸性であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記水性溶媒のｐＨは、約０〜約２であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記水性溶媒は、塩を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記塩は、酢酸塩、アルキルリン酸塩、アルキル硫酸塩、炭酸塩、クロム酸塩、クエン酸塩、シアン化物、ギ酸塩、グリコール酸塩、ハロゲン化物塩、ヘキサフルオロリン酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、酸化物、リン酸塩、硫酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、トシラート、トリフラート又はビストリフオロスルホンイミドを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記塩は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム又は臭化カリウムであることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記異性化は、約９０℃〜約１８０℃の温度で実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記異性化は、約９０分未満の間実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
性能を大幅に低下させること無く、焼成の必要無く、ゼオライト触媒を少なくとも３回の反応サイクルでバッチ式に使用しうるように、反応条件が選択される、ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
水性溶媒中で、単糖類と材料の骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む規則配列メソ多孔性シリカ材料とを接触させることを含む、単糖類の異性化方法。
【請求項１６】
前記規則配列メソ多孔性シリカ材料は、ＭＣＭ−４１であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
グルコースを５−ヒドロキシメチルフルフラールに転換する方法であって、
水性溶媒中で、グルコースとゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させてフルクトースを生成するステップとあって、前記ゼオライトは前記グルコースを通過させることができる孔を有することを特徴とする、ステップと、
前記フルクトースを脱水するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１８】
前記フルクトースの脱水中に、前記フルクトースを前記水性溶媒中に保持するステップを更に含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記脱水ステップは、酸触媒の存在下で実施されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記触媒は、前記水性触媒に溶解された無機酸であることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記触媒は、固体酸触媒であることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記触媒は、＊ＢＥＡ構造を有するプロトン化された高シリカゼオライトであることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記水性溶媒のｐＨは、約０〜約２であることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記水性溶媒は、塩を含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記塩は、酢酸塩、アルキルリン酸塩、アルキル硫酸塩、炭酸塩、クロム酸塩、クエン酸塩、シアン化物、ギ酸塩、グリコール酸塩、ハロゲン化物塩、ヘキサフルオロリン酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、酸化物、リン酸塩、硫酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、トシラート、トリフラート又はビストリフオロスルホンイミドを含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記塩は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム又は臭化カリウムであることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記ゼオライトは、＊ＢＥＡ構造を有することを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
前記水性溶媒は、約１０重量パーセント〜約５０重量パーセントのグルコースを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記水性溶媒を、５−ヒドロキシメチルフルフラールを前記水性溶媒から抽出することができる有機溶媒と接触させること、及び、前記有機溶媒は前記水性溶媒と実質的に混ざらないこと、を特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
前記５−ヒドロキシメチルフルフラールは前記水性溶媒中で生成され、生成されたままの状態で、該水性溶媒から前記有機性溶媒に抽出されることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記有機溶媒は、水非混和性、線形、分岐、環式アルコール、エーテル又はケトンである溶媒を含むことを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記有機溶媒は、未置換脂肪族若しくは芳香族炭化水素、又は、ハロ置換脂肪族若しくは芳香族炭化水素である溶媒を含むことを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記有機溶媒は、１−ブタノール又はＴＨＦを含むことを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
でん粉を５−ヒドロキシメチルフルフラールに転換する方法であって、
酸性水性溶媒中ででん粉を加水分解してグルコースを生成するステップと、
水性溶媒中で、グルコースとゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させてフルクトースを生成するステップであって、前記ゼオライトは前記グルコースを通過させることができる孔を有することを特徴とする、ステップと、
前記フルクトースを脱水するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項３５】
前記グルコースを前記高シリカゼオライトと接触させてフルクトースを生成する間、前記グルコースを酸性水性溶媒中に保持することを更に含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記フルクトースを脱水して５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成する間、前記フルクトースを前記酸性水性溶媒中に保持することを更に含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記酸性水性溶媒を５−ヒドロキシメチルフルフラールを前記酸性水性溶媒から抽出することができる有機溶媒と接触させること、及び、前記有機溶媒は前記酸性水性溶媒と実質的に混ざらないこと、を特徴とする、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記５−ヒドロキシメチルフルフラールは前記酸性水性溶媒中で生成され、生成されたままの状態で、該水性溶媒から前記有機性溶媒に抽出されることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項１】
水性溶媒中で、単糖類とゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させることを含み、前記ゼオライトは前記単糖類を通過させることができる孔を有することを特徴とする、単糖類の異性化方法。
【請求項２】
前記ゼオライトは、＊ＢＥＡ構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記単糖類は、ペントース又はヘキソースであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記単糖類は、グルコース、フルクトース、又はマンノースであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記水性溶媒は、約１０重量パーセント〜約５０重量パーセントの単糖類を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記異性化は、実質的に熱力学的平衡に達することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記水性溶媒のｐＨは、酸性であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記水性溶媒のｐＨは、約０〜約２であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記水性溶媒は、塩を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記塩は、酢酸塩、アルキルリン酸塩、アルキル硫酸塩、炭酸塩、クロム酸塩、クエン酸塩、シアン化物、ギ酸塩、グリコール酸塩、ハロゲン化物塩、ヘキサフルオロリン酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、酸化物、リン酸塩、硫酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、トシラート、トリフラート又はビストリフオロスルホンイミドを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記塩は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム又は臭化カリウムであることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記異性化は、約９０℃〜約１８０℃の温度で実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記異性化は、約９０分未満の間実施されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
性能を大幅に低下させること無く、焼成の必要無く、ゼオライト触媒を少なくとも３回の反応サイクルでバッチ式に使用しうるように、反応条件が選択される、ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
水性溶媒中で、単糖類と材料の骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む規則配列メソ多孔性シリカ材料とを接触させることを含む、単糖類の異性化方法。
【請求項１６】
前記規則配列メソ多孔性シリカ材料は、ＭＣＭ−４１であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
グルコースを５−ヒドロキシメチルフルフラールに転換する方法であって、
水性溶媒中で、グルコースとゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させてフルクトースを生成するステップとあって、前記ゼオライトは前記グルコースを通過させることができる孔を有することを特徴とする、ステップと、
前記フルクトースを脱水するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１８】
前記フルクトースの脱水中に、前記フルクトースを前記水性溶媒中に保持するステップを更に含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記脱水ステップは、酸触媒の存在下で実施されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記触媒は、前記水性触媒に溶解された無機酸であることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記触媒は、固体酸触媒であることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記触媒は、＊ＢＥＡ構造を有するプロトン化された高シリカゼオライトであることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記水性溶媒のｐＨは、約０〜約２であることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記水性溶媒は、塩を含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記塩は、酢酸塩、アルキルリン酸塩、アルキル硫酸塩、炭酸塩、クロム酸塩、クエン酸塩、シアン化物、ギ酸塩、グリコール酸塩、ハロゲン化物塩、ヘキサフルオロリン酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、酸化物、リン酸塩、硫酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、トシラート、トリフラート又はビストリフオロスルホンイミドを含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記塩は、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム又は臭化カリウムであることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記ゼオライトは、＊ＢＥＡ構造を有することを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
前記水性溶媒は、約１０重量パーセント〜約５０重量パーセントのグルコースを含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記水性溶媒を、５−ヒドロキシメチルフルフラールを前記水性溶媒から抽出することができる有機溶媒と接触させること、及び、前記有機溶媒は前記水性溶媒と実質的に混ざらないこと、を特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項３０】
前記５−ヒドロキシメチルフルフラールは前記水性溶媒中で生成され、生成されたままの状態で、該水性溶媒から前記有機性溶媒に抽出されることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記有機溶媒は、水非混和性、線形、分岐、環式アルコール、エーテル又はケトンである溶媒を含むことを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記有機溶媒は、未置換脂肪族若しくは芳香族炭化水素、又は、ハロ置換脂肪族若しくは芳香族炭化水素である溶媒を含むことを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記有機溶媒は、１−ブタノール又はＴＨＦを含むことを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
でん粉を５−ヒドロキシメチルフルフラールに転換する方法であって、
酸性水性溶媒中ででん粉を加水分解してグルコースを生成するステップと、
水性溶媒中で、グルコースとゼオライト骨格に組み込まれたスズ又はチタンを含む高シリカゼオライトとを接触させてフルクトースを生成するステップであって、前記ゼオライトは前記グルコースを通過させることができる孔を有することを特徴とする、ステップと、
前記フルクトースを脱水するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項３５】
前記グルコースを前記高シリカゼオライトと接触させてフルクトースを生成する間、前記グルコースを酸性水性溶媒中に保持することを更に含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記フルクトースを脱水して５−ヒドロキシメチルフルフラールを生成する間、前記フルクトースを前記酸性水性溶媒中に保持することを更に含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記酸性水性溶媒を５−ヒドロキシメチルフルフラールを前記酸性水性溶媒から抽出することができる有機溶媒と接触させること、及び、前記有機溶媒は前記酸性水性溶媒と実質的に混ざらないこと、を特徴とする、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記５−ヒドロキシメチルフルフラールは前記酸性水性溶媒中で生成され、生成されたままの状態で、該水性溶媒から前記有機性溶媒に抽出されることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３３】
【図３】
【図４】
【図３２】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３３】
【図３】
【図４】
【図３２】
【公表番号】特表２０１３−５１７２８８（Ｐ２０１３−５１７２８８Ａ）
【公表日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４９１１２（Ｐ２０１２−５４９１１２）
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１３０１
【国際公開番号】ＷＯ２０１２／０５０６２５
【国際公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（５０８０３２２８４）カリフォルニア インスティチュート オブ テクノロジー (17)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２１３０１
【国際公開番号】ＷＯ２０１２／０５０６２５
【国際公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（５０８０３２２８４）カリフォルニア インスティチュート オブ テクノロジー (17)
【Ｆターム（参考）】
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