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JP7312399B2 - Method and apparatus for producing hydroxy acid - Google Patents
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Description

本発明は、ヒドロキシ酸の製造方法および製造装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for producing hydroxy acid.

3-ヒドロキシプロピオン酸(以後、「3HP」とも称する)に代表されるヒドロキシ酸は、同一分子内にヒドロキシ基(水酸基)とカルボン酸基とを有する化合物であり、種々の用途に用いられている。例えば、3HPは、アクリル酸エステルなど様々な化学製品の原料として非常に有用な化合物である。 Hydroxy acids represented by 3-hydroxypropionic acid (hereinafter also referred to as “3HP”) are compounds having a hydroxy group (hydroxyl group) and a carboxylic acid group in the same molecule, and are used in various applications. For example, 3HP is a very useful compound as a raw material for various chemical products such as acrylates.

3HPに代表されるヒドロキシ酸の合成方法に関しては、種々の検討がなされており、例えば、3HPを合成する方法として、出発原料に1,3-プロパンジオール(以後、「PDO」とも称する)を用いる酸化反応を実施する方法が検討されている。一般的に、PDOは炭素数3のアルキル基の両末端に化学的に等価なヒドロキシ基を有する化合物であり、その一方のヒドロキシ基のみを酸化させることは合成上かなり困難である。なかでも、非特許文献1においては、ハイドロタルサイト担持金パラジウムナノ粒子を触媒に用いて、PDOから3HPを酸化反応により合成する方法が開示されている。 Various studies have been conducted on methods for synthesizing hydroxy acids represented by 3HP. For example, as a method for synthesizing 3HP, a method of carrying out an oxidation reaction using 1,3-propanediol (hereinafter also referred to as "PDO") as a starting material is being studied. Generally, PDO is a compound having chemically equivalent hydroxy groups at both ends of an alkyl group having 3 carbon atoms, and it is quite difficult to oxidize only one of the hydroxy groups in terms of synthesis. Among them, Non-Patent Document 1 discloses a method of synthesizing 3HP from PDO by an oxidation reaction using hydrotalcite-supported gold-palladium nanoparticles as a catalyst.

M. Mohammad, S. Nishimura, K. Ebitani, AIP Conf. Proc. 2015, 1649, 58.M. Mohammad, S. Nishimura, K. Ebitani, AIP Conf. Proc. 2015, 1649, 58.

一方、非特許文献1の合成方法では、O2ガスを常に供給する必要があり、かつ3HPの収率が42%と低く、より簡便な3HPの製造方法および収率のより一層の向上が求められていた。 On the other hand, in the synthesis method of Non-Patent Document 1, it is necessary to constantly supply O 2 gas, and the yield of 3HP is as low as 42%.

本発明は、上記実情を鑑みて、ジオールを酸化してヒドロキシ酸を製造する反応に好適に用いられ、該反応においてヒドロキシ酸の収率が高く、スケールアップも容易なヒドロキシ酸の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for producing a hydroxy acid that are suitably used in the reaction of oxidizing a diol to produce a hydroxy acid, have a high yield of the hydroxy acid in the reaction, and can be easily scaled up.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、金属粒子担持触媒を作用極として、参照電極を基準に定電圧を印可することにより、上記課題を解決できることを見出して本発明を完成させた。 As a result of intensive studies on the above problems, the present inventors found that the above problems can be solved by applying a constant voltage based on a reference electrode to a metal particle-supported catalyst as a working electrode, and completed the present invention.

前記目的を達成するための本発明の第1の態様のヒドロキシ酸の製造方法は、有機化合物の両端の炭素にヒドロキシ基をそれぞれ有する原料素材の水溶液あるいは水と有機溶媒の混合液からなる反応溶液を用意し、前記反応溶液中に浸漬している作用極、対極および参照電極により、前記作用極および対極に所定時間にわたって通電するとともに、前記参照電極に対する前記作用極の電圧を前記原料素材の一方のヒドロキシ基のみを酸化させる境界電圧以下として通電することにより、前記原料素材の一方のヒドロキシ基のみを酸化させてカルボン酸とすることにより、ヒドロキシ酸を製造することを特徴とする。 The method for producing a hydroxy acid according to the first aspect of the present invention for achieving the above object is to prepare an aqueous solution of a raw material having hydroxy groups at both ends of an organic compound or a reaction solution composed of a mixed solution of water and an organic solvent, and to immerse a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode in the reaction solution, and energize the working electrode and the counter electrode for a predetermined period of time. A hydroxy acid is produced by oxidizing only a hydroxy group to form a carboxylic acid.

本発明の第2の態様のヒドロキシ酸の製造方法は、前記第1の態様において、前記有機化合物は、炭素数2~8のアルキル基またはアルキル基の中間に酸素を備えた化合物であることを特徴とする。 The method for producing a hydroxy acid according to the second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the organic compound is an alkyl group having 2 to 8 carbon atoms or a compound having oxygen in the middle of the alkyl group.

本発明の第3の態様のヒドロキシ酸の製造方法は、前記第1または第2の態様において、 前記作用極の表面には前記酸化反応を補助する触媒層が形成されていることを特徴とする。 A third aspect of the method for producing a hydroxy acid of the present invention is characterized in that, in the first or second aspect, a catalyst layer that assists the oxidation reaction is formed on the surface of the working electrode.

本発明の第4の態様のヒドロキシ酸の製造方法は、前記第1から第3の態様のいずれかにおいて、前記作用極および対極に通電する所定時間は、前記反応溶液中の前記原料素材の酸化反応可能時間以内であることを特徴とする。 The method for producing a hydroxy acid according to the fourth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to third aspects, the predetermined time during which the working electrode and the counter electrode are energized is within the oxidation reaction possible time of the raw material in the reaction solution.

本発明の第1の態様のヒドロキシ酸の製造装置は、有機化合物の両端の炭素にヒドロキシ基をそれぞれ有する原料素材の反応溶液を貯留する反応容器と、前記反応溶液中に浸漬して通電する作用極、対極および参照電極と、前記作用極および対極に所定時間にわたって通電する通電時間制御部と、前記参照電極に対する前記作用極の電圧を前記原料素材の一方のヒドロキシ基のみを酸化させてカルボン酸とする境界電圧以下として通電させる通電電圧制御部とを有する通電制御部とを備えていることを特徴とする。 The apparatus for producing a hydroxy acid according to the first aspect of the present invention comprises: a reaction vessel for storing a reaction solution of raw materials having hydroxyl groups at both ends of an organic compound; a working electrode, a counter electrode and a reference electrode immersed in the reaction solution and energized; an energization time control unit for energizing the working electrode and the counter electrode for a predetermined time; It is characterized by

本発明の第2の態様のヒドロキシ酸の製造装置は、前記第1の態様において、前記作用極の表面には前記酸化反応を補助する触媒層が形成されていることを特徴とする。 A hydroxy acid production apparatus according to a second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, a catalyst layer is formed on the surface of the working electrode to assist the oxidation reaction.

本発明の第3の態様のヒドロキシ酸の製造装置は、前記第1または第2の態様において、前記通電時間制御部は、前記作用極および対極に通電する所定時間を前記反応溶液中の前記原料素材の酸化反応可能時間以内とすることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an apparatus for producing a hydroxy acid according to the first or second aspect, wherein the energization time control unit sets the predetermined time for energizing the working electrode and the counter electrode to be within the oxidation reaction possible time of the raw material in the reaction solution.

本発明によれば、ジオールを酸化してヒドロキシ酸を製造する反応に好適に用いられ、該反応においてヒドロキシ酸の収率が高く、スケールアップも容易なヒドロキシ酸の製造方法および製造装置を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a method and an apparatus for producing a hydroxy acid that are suitably used in a reaction for producing a hydroxy acid by oxidizing a diol, have a high yield of the hydroxy acid in the reaction, and can be easily scaled up.

本発明のヒドロキシ酸の製造装置の1実施形態を示す概要図Schematic diagram showing one embodiment of the hydroxy acid production apparatus of the present invention 1,3-プロパンジオールのCV測定結果を示す特性図Characteristic diagram showing CV measurement results of 1,3-propanediol 反応溶液のpHを変化させた場合の1,3-プロパンジオールのCV測定結果を示す特性図Characteristic diagram showing CV measurement results of 1,3-propanediol when the pH of the reaction solution is changed 実施例1で得られた質量分析のスペクトル図Spectral diagram of mass spectrometry obtained in Example 1 実施例2で得られた質量分析のスペクトル図Spectral diagram of mass spectrometry obtained in Example 2 実施例3で得られた質量分析のスペクトル図Spectral diagram of mass spectrometry obtained in Example 3 実施例4で得られた質量分析のスペクトル図Spectral diagram of mass spectrometry obtained in Example 4 実施例5で得られた質量分析のスペクトル図Spectral diagram of mass spectrometry obtained in Example 5 実施例6で得られた質量分析のスペクトル図Spectral diagram of mass spectrometry obtained in Example 6 実施例7で得られた質量分析のスペクトル図Spectral diagram of mass spectrometry obtained in Example 7

以下に、図1から図10に基づいて、本発明のヒドロキシ酸の製造方法および製造装置について説明する。 The method and apparatus for producing a hydroxy acid according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 10. FIG.

なお、本明細書において「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。 In this specification, the numerical range represented by "-" means a range including the numerical values before and after "-" as lower and upper limits.

本発明のヒドロキシ酸の製造装置の1実施形態は、図1に示す通り、通電制御部1と通電時間制御部2、および反応容器3によって構成される。反応容器3においては、通電制御部1と接続された3種類の電極が反応溶液3a中に浸漬されており、通電制御部1より所定の電圧を印加することにより酸化反応が開始される。また、3種類の電極としては、金属粒子(図示せず)を担持した作用極4、参照電極5、および対極6を用いる。作用極4は、金属粒子担持触媒、および、電極材(いずれも図示せず)を有する。また、金属粒子担持触媒は、金および白金を含む貴金属と触媒安定化剤とを含む金属粒子、および、金属粒子を担持するカーボンブラックを含む担体(いずれも図示せず)を有する。 As shown in FIG. 1, one embodiment of the hydroxy acid production apparatus of the present invention comprises an energization control section 1, an energization time control section 2, and a reaction vessel 3. As shown in FIG. In the reaction container 3, three types of electrodes connected to the energization control unit 1 are immersed in the reaction solution 3a, and the oxidation reaction is started by applying a predetermined voltage from the energization control unit 1. As the three types of electrodes, a working electrode 4 carrying metal particles (not shown), a reference electrode 5 and a counter electrode 6 are used. The working electrode 4 has a metal particle-supported catalyst and an electrode material (both not shown). The metal particle-supported catalyst has metal particles containing noble metals including gold and platinum and a catalyst stabilizer, and a carrier containing carbon black that supports the metal particles (none of which is shown).

以下では、まず、ヒドロキシ酸の製造装置の各構成要素、および、その調製法について詳述し、その後、その製造方法について詳述する。 In the following, first, each component of the hydroxy acid production apparatus and its preparation method will be described in detail, and then the production method will be described in detail.

<<通電制御部1>>
ヒドロキシ酸の製造装置には、通電制御部1が含まれる。通電制御部1は、参照電極5の電位を基準として、作用極4へ印加する電圧を制御できる機構を有する。オペアンプを実装した回路を持つ通電制御部1であれば特に限定されないが、参照電極5に対し-10 ~ +10 V、好ましくは-5 ~ +5 V、より好ましくは-2 ~ +2 Vまで制御できるものが好ましい。
<<Energization control unit 1>>
The apparatus for producing hydroxy acid includes an electrification control unit 1 . The energization control unit 1 has a mechanism capable of controlling the voltage applied to the working electrode 4 based on the potential of the reference electrode 5 . Although it is not particularly limited as long as it is an energization control unit 1 having a circuit equipped with an operational amplifier, it is preferable that the reference electrode 5 can be controlled to -10 to +10 V, preferably -5 to +5 V, more preferably -2 to +2 V.

<<通電時間制御部2>>
ヒドロキシ酸の製造装置には、通電時間制御部2が含まれる。通電時間制御部2は、作用極4上で生じている酸化反応をリアルタイムに把握するため、および反応終了のタイミングを計るモニタとして作用する。通電時間制御部2は、通常、作用極4と対極6をつなぐ回路の途中に直列で接続される。通電時間制御部2は、電流が計測できれば特に限定されないが、10 mAから50 Aまで計測できるものが好ましい。
<<Energization time control unit 2>>
The hydroxy acid manufacturing apparatus includes an energization time control section 2 . The energization time control unit 2 functions as a monitor for grasping the oxidation reaction occurring on the working electrode 4 in real time and measuring the timing of reaction completion. The energization time control section 2 is normally connected in series in the middle of the circuit connecting the working electrode 4 and the counter electrode 6 . The energization time control unit 2 is not particularly limited as long as it can measure the current, but it is preferably one that can measure from 10 mA to 50 A.

<<反応容器3>>
ヒドロキシ酸の製造装置には、反応容器3が含まれる。反応容器3は、実質的にヒドロキシ酸を産生する反応場として作用する。反応容器3には反応溶液3aが満たされており、そこに作用極4、参照電極5、対極6が浸漬されている。反応の効率を高めるため、反応容器3には反応溶液3aを撹拌する撹拌装置が付随していてもよい。反応容器3の素材や形状は、ヒドロキシ酸の生産を阻害しないものであれば特に制限はないが、例えば樹脂またはセラミックの容器やビーカー等が好ましい。
<<reaction vessel 3>>
The hydroxy acid manufacturing apparatus includes a reaction vessel 3 . The reaction vessel 3 substantially acts as a reaction field for producing hydroxy acid. A reaction vessel 3 is filled with a reaction solution 3a, in which a working electrode 4, a reference electrode 5 and a counter electrode 6 are immersed. In order to increase the efficiency of the reaction, the reaction vessel 3 may be accompanied by a stirring device for stirring the reaction solution 3a. The material and shape of the reaction vessel 3 are not particularly limited as long as they do not hinder the production of hydroxy acid. For example, a resin or ceramic vessel or beaker is preferable.

<接続方法>
まず、作用極4、参照電極5、および、対極6を反応容器3の反応溶液3a中へ浸漬する。その後、各電極を通電制御部1の所定の端子に接続する。通電時間制御部2は、作用極4と対極6をつなぐ回路内に直列で接続される。反応溶液3aを撹拌装置で撹拌させ、通電制御部1により作用極4に電圧が印加されることによって、ヒドロキシ酸の生産が開始される。
<Connection method>
First, the working electrode 4 , the reference electrode 5 and the counter electrode 6 are immersed in the reaction solution 3 a in the reaction vessel 3 . After that, each electrode is connected to a predetermined terminal of the energization control section 1 . The energization time control section 2 is connected in series in a circuit connecting the working electrode 4 and the counter electrode 6 . The reaction solution 3a is stirred by the stirrer, and voltage is applied to the working electrode 4 by the energization controller 1, thereby starting the production of hydroxy acid.

<<作用極4>>
本発明の作用極4は、金属粒子担持触媒、および、電極材を有する。また、金属粒子担持触媒は、金および白金を含む貴金属と触媒安定化剤とを含む金属粒子、および、金属粒子を担持するカーボンブラックを含む担体を有する。
<<Working electrode 4>>
The working electrode 4 of the present invention has a metal particle-supported catalyst and an electrode material. The metal particle-supported catalyst has metal particles containing noble metals including gold and platinum and a catalyst stabilizer, and a carrier containing carbon black that supports the metal particles.

以下では、まず、作用極4を構成する各要素について詳述し、その後、その製造方法について詳述する。 Below, first, each element constituting the working electrode 4 will be described in detail, and then the manufacturing method thereof will be described in detail.

<金属粒子担持触媒>
(金および白金)
金属粒子には、金および白金が貴金属として含まれる。
金と白金とのモル比(金:白金)は特に制限されないが、ヒドロキシ酸の収率および/または選択率がより高い点(以後、単に「本発明の効果がより優れる点」とも称する)で、99:1~1:99の範囲であることが好ましく、90:10~10:90の範囲であることがより好ましく、90:10~20:80の範囲であることがさらに好ましく、90:10~30:70の範囲であることが特に好ましく、80:20~75:35の範囲であることが最も好ましい。
<Metal particle-supported catalyst>
(gold and platinum)
Metal particles include gold and platinum as noble metals.
The molar ratio of gold to platinum (gold:platinum) is not particularly limited, but it is preferably in the range of 99:1 to 1:99, more preferably in the range of 90:10 to 10:90, further preferably in the range of 90:10 to 20:80, even more preferably in the range of 90:10 to 30:70, in terms of higher yield and/or selectivity of the hydroxy acid (hereinafter simply referred to as "the point where the effects of the present invention are more excellent"). is particularly preferred, most preferably in the range of 80:20 to 75:35.

金と白金とのモル比の測定方法としては、例えば、金属粒子担持触媒を酸で処理して金および白金を溶出させ、該溶出液中の金イオンおよび白金イオンを高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分析により定量することにより、決定することができる。 As a method for measuring the molar ratio of gold and platinum, for example, the metal particle-supported catalyst is treated with acid to elute gold and platinum, and gold ions and platinum ions in the eluate are quantified by high-frequency inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry.

(金属粒子)
本発明の金属粒子担持触媒に含有される金属粒子の平均粒径は特に制限されないが、本発明の効果がより優れる点で、1~10nmが好ましく、1~5nmがより好ましく、1~2nmがさらに好ましい。
(metal particles)
Although the average particle diameter of the metal particles contained in the metal particle-supported catalyst of the present invention is not particularly limited, it is preferably 1 to 10 nm, more preferably 1 to 5 nm, even more preferably 1 to 2 nm, from the viewpoint of better effects of the present invention.

金属粒子中の金および白金の結晶構造は、例えば、金および白金が不規則に配置された合金構造、または、白金をコア層に、金をシェル層に有するコアシェル構造、または、金をコア層に、白金をシェル層に有するコアシェル構造等であり得る。いずれの結晶構造も本発明の金属粒子に包含されるものとする。 The crystal structure of gold and platinum in the metal particles may be, for example, an alloy structure in which gold and platinum are arranged irregularly, a core-shell structure having platinum in the core layer and gold in the shell layer, or a core-shell structure having gold in the core layer and platinum in the shell layer. Any crystal structure shall be included in the metal particles of the present invention.

(触媒安定化剤)
金属粒子には、触媒安定化剤が含まれる。触媒安定化剤は、金属粒子に含有される貴金属を保護する保護剤として作用する。つまり、触媒安定化剤は、金および白金を含む貴金属の表面を覆うように配置される場合が多い。
(catalyst stabilizer)
Metal particles include a catalyst stabilizer. The catalyst stabilizer acts as a protective agent that protects the precious metals contained in the metal particles. That is, catalyst stabilizers are often placed over the surface of noble metals, including gold and platinum.

触媒安定化剤とは、分子構造内に親水基を主鎖あるいは側鎖に持っている親水性高分子を意味する。 A catalyst stabilizer means a hydrophilic polymer having a hydrophilic group in its main chain or side chain in its molecular structure.

親水性高分子化合物としては、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミン、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド、ポリアクリル酸、ポリスルホン酸などから選択して用いることができる。 The hydrophilic polymer compound can be selected from polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol, polyethyleneimine, polydiallyldimethylammonium chloride, polyacrylic acid, polysulfonic acid, and the like.

特に、触媒安定化剤として、ポリビニルピロリドン(PVP)を用いることが好ましく、触媒担持体中において金属触媒の合計モル数の1倍以下のモノマー数の含有量とされていることで担体への吸着量を高めることができる。これは、触媒安定化剤の濃度が高くなると、金属触媒粒子の表面を触媒安定化剤が密に覆い、当該金属触媒粒子の疎水性が低下することにより、同じく疎水性表面を有するカーボン粒子への金属触媒粒子の吸着の原動力が失われるためであると考えられる。 In particular, it is preferable to use polyvinylpyrrolidone (PVP) as the catalyst stabilizer, and the amount of adsorption to the carrier can be increased by making the content of the monomer number equal to or less than the total number of moles of the metal catalyst in the catalyst carrier. This is presumably because when the concentration of the catalyst stabilizer increases, the surface of the metal catalyst particles is densely covered with the catalyst stabilizer, and the hydrophobicity of the metal catalyst particles is reduced, so that the driving force for adsorption of the metal catalyst particles to the carbon particles, which also have hydrophobic surfaces, is lost.

(担体)
金属粒子を担持する担体としては、カーボンブラックが挙げられる。担体として使用するカーボンブラックは、電気的特性として導電性を有していれば特に限定されない。アセチレンブラックやバルカンXC-72(VALCANはギャボット社の登録商標)も使用できるが、比表面積や多孔度が高いケッチェンブラックがより好ましい。
(Carrier)
Carbon black is an example of the carrier that supports the metal particles. Carbon black used as a carrier is not particularly limited as long as it has electrical conductivity. Acetylene black and Vulcan XC-72 (VALCAN is a registered trademark of Gabot Corporation) can also be used, but Ketjenblack, which has a high specific surface area and high porosity, is more preferable.

<金属粒子担持触媒調製法>
上記金属粒子担持触媒の製造方法は特に制限されないが、効率的に金属粒子担持触媒を製造できる点で、金属粒子を得る工程と、金属粒子とカーボンブラックとを接触させて、金属粒子担持触媒を得る工程とを有する態様が挙げられる。
<Metal particle-supported catalyst preparation method>
The method for producing the metal particle-supported catalyst is not particularly limited, but from the point of view of being able to efficiently produce the metal particle-supported catalyst, an embodiment including a step of obtaining a metal particle and a step of contacting the metal particle and carbon black to obtain a metal particle-supported catalyst.

以下、各工程の手順について詳述する。 The procedure of each step will be described in detail below.

(金属粒子形成工程)
本工程では、金イオンと白金イオンとを触媒安定化剤であるPVPの存在下で還元して、金および白金を含む貴金属と、PVPとを含む金属粒子を製造する工程である。
(Metal particle forming step)
In this step, gold ions and platinum ions are reduced in the presence of PVP, which is a catalyst stabilizer, to produce noble metals including gold and platinum and metal particles including PVP.

触媒安定化剤は、上述の通りである。 Catalyst stabilizers are as described above.

本工程において使用される金のイオンの供給源としては、塩化金酸が好ましい。また、白金のイオンの供給源としては、塩化白金酸が好ましい。 Chloroauric acid is preferred as the source of gold ions used in this step. Moreover, chloroplatinic acid is preferable as a supply source of platinum ions.

本工程において、金のイオンと白金のイオンとを触媒安定化剤の存在下で還元する手段は、NaBH4還元法による還元反応であることが好ましい。なお、還元剤としては、NaBH4の他にも、ヒドラジン、クエン酸、アスコルビン酸、エタノールなどを用いることもできる。上記の条件で金イオンおよび白金イオンを還元することにより、金および白金を含む貴金属を触媒安定化剤に保護させることが可能となる。 In this step, the means for reducing gold ions and platinum ions in the presence of a catalyst stabilizer is preferably a reduction reaction by a NaBH 4 reduction method. Besides NaBH 4 , hydrazine, citric acid, ascorbic acid, ethanol and the like can also be used as the reducing agent. By reducing gold ions and platinum ions under the above conditions, precious metals including gold and platinum can be protected by the catalyst stabilizer.

本工程において、金イオンと白金イオンとを還元する順序は特に限定されない。例えば、金イオンおよび白金イオンを同時に還元してもよく、金イオンおよび白金イオンを別々に、すなわち金イオンおよび白金イオンのいずれかを還元し、次いで他方のイオンを連続的に還元してもよい。通常、前者の場合は金および白金が不規則に配置された合金構造を、後者の場合は金と白金とから成るコアシェル構造の貴金属粒子を形成し得る。いずれの場合も本工程に包含されるものとする。 In this step, the order of reducing gold ions and platinum ions is not particularly limited. For example, gold ions and platinum ions may be reduced simultaneously, or gold ions and platinum ions may be reduced separately, ie either gold ions or platinum ions are reduced and then the other ion is reduced sequentially. Generally, in the former case, an alloy structure in which gold and platinum are arranged irregularly can be formed, and in the latter case, core-shell noble metal particles composed of gold and platinum can be formed. Either case shall be included in this step.

上記の条件で本工程を実施することにより、金および白金を含む貴金属を微細且つ均質な粒径で両性界面活性剤に保護させることが可能となる。 By carrying out this step under the above conditions, it becomes possible to protect noble metals including gold and platinum with fine and uniform particle sizes by the amphoteric surfactant.

(接触工程)
本工程は、上記金属粒子とカーボンブラックを含む担体とを接触させて、金属粒子を該担体に担持させて、金属粒子担持触媒を得る工程である。
(Contact process)
This step is a step of bringing the metal particles into contact with a carrier containing carbon black to support the metal particles on the carrier to obtain a metal particle-supported catalyst.

本工程において使用されるカーボンブラックは、上述の通りである。 The carbon black used in this step is as described above.

本明細書において、「接触させる」とは、例えば、ある成分に別の成分を加えることを意味するが、これに限定されない。例えば、金属粒子を含有する溶液中にカーボンブラックを含む担体を加えてもよく、カーボンブラックを含む担体を含有する溶液中に金属粒子を加えてもよい。この場合、各成分を接触させる順序および速度は、使用される成分の化学的性質等に基づき適宜設定することができる。 As used herein, "contacting" means, for example, but is not limited to, adding a component to another component. For example, a support containing carbon black may be added to a solution containing metal particles, or metal particles may be added to a solution containing a support containing carbon black. In this case, the order and speed of contacting each component can be appropriately set based on the chemical properties of the components used.

本工程は、金属粒子とカーボンブラックを含む担体とを実質的に分散させる溶媒存在下で実施することが好ましい。本工程で使用される溶媒は、水であることが好ましい。 This step is preferably carried out in the presence of a solvent that substantially disperses the metal particles and the support containing carbon black. The solvent used in this step is preferably water.

本工程は、金属粒子とカーボンブラックを含む担体とを室温条件下で接触させて混合物を得ることにより、金属粒子を担体に担持させるが、加温条件下で接触させて混合物を得ることにより、金属粒子を担体に担持させてもよい。また、混合物を接触させる時間は、0.5~48時間であることが好ましく、0.5~36時間であることがより好ましく、0.5~24時間であることが特に好ましい。上記の処理により得られた金属粒子担持触媒は、吸引濾過等の慣用の手段によって分離することができる。 In this step, the metal particles and the support containing carbon black are brought into contact with each other under room temperature conditions to obtain a mixture, thereby allowing the metal particles to be supported on the support. The contact time of the mixture is preferably 0.5 to 48 hours, more preferably 0.5 to 36 hours, and particularly preferably 0.5 to 24 hours. The metal particle-supported catalyst obtained by the above treatment can be separated by conventional means such as suction filtration.

金属粒子担持触媒の形状および寸法は、特に限定されない。金属粒子担持触媒の形状としては、限定するものではないが、例えば、細粒状および粉末状等の形状を挙げることができ、いずれの形状の金属粒子担持触媒も使用することができる。粉末状の形状であることが特に好ましい。 The shape and dimensions of the metal particle-supported catalyst are not particularly limited. The shape of the metal particle-supported catalyst is not limited, but may be, for example, a fine particle shape or a powder shape, and any shape of the metal particle-supported catalyst can be used. A powdery form is particularly preferred.

<電極材>
作用極4には、電極材が含まれる。電極材は、金属粒子担持触媒上で酸化反応によって生じる電子を受け取り、対極6へバイパスする配線として作用する。そのため、金属粒子担持触媒は反応溶液中の原料素材と接触できるように電極材の表面に配置される場合が多い。電極材としては、導電性を示す素材であれば特に制限されないが、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いることが好ましい。
<Electrode material>
The working electrode 4 contains an electrode material. The electrode material receives electrons generated by an oxidation reaction on the metal particle-supported catalyst and acts as a wiring that bypasses the electrons to the counter electrode 6 . Therefore, the metal particle-supported catalyst is often arranged on the surface of the electrode material so as to be in contact with the raw material in the reaction solution. The electrode material is not particularly limited as long as it is a material exhibiting conductivity, but it is preferable to use carbon paper or carbon cloth.

<結着剤>
作用極には、結着剤が含まれる。結着剤は、金属粒子担持触媒同士、ならびに、金属粒子担持触媒と電極材とを接着させる作用を持つ。結着剤としては、プロトン伝導性を有した高分子電解質であり、フルオロアルキルエーテル側鎖とパーフルオロアルキル主鎖を有するフルオロアルキル共重合体のパーフルオロ系プロトン交換樹脂が好ましく用いられる。例えば、デュポン社製のナフィオン(登録商標)、旭化成製のアシプレックス(商標名)、旭硝子製のフレミオン(登録商標)、ジャパンゴアテックス社製のゴア-セレクト(登録商標)等が例示され、部分フッ素樹脂では、トリフルオロスチレンスルホン酸の重合体やポリフッ化ビニリデンにスルホン酸基を導入したものなどがある。また、炭化水素系プロトン交換樹脂である、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体、ポリイミド系樹脂などにスルホン酸基を導入したものなどがある。
<Binder>
The working electrode contains a binder. The binder has the effect of bonding the metal particle-supported catalysts together and the metal particle-supported catalyst and the electrode material. As the binder, a polymer electrolyte having proton conductivity and a perfluoro-based proton exchange resin of a fluoroalkyl copolymer having a fluoroalkyl ether side chain and a perfluoroalkyl main chain is preferably used. Examples include Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei, Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass, Gore-Select (registered trademark) manufactured by Japan Gore-Tex, etc. Partially fluorinated resins include polymers of trifluorostyrene sulfonic acid and those obtained by introducing sulfonic acid groups into polyvinylidene fluoride. There are also hydrocarbon-based proton-exchange resins such as styrene-divinylbenzene copolymers and polyimide-based resins into which sulfonic acid groups are introduced.

上記工程で得られた金属粒子担持触媒は、所定の濃度の結着剤溶液中に分散され、この分散液を上記電極材に塗布し乾燥させることにより、作用極4として機能する。 The metal particle-supported catalyst obtained in the above process functions as the working electrode 4 by dispersing it in a binder solution having a predetermined concentration, applying this dispersion to the electrode material, and drying it.

<<参照電極5>>
ヒドロキシ酸の製造装置には、参照電極5が含まれる。ヒドロキシ酸製造時には、作用極4に印加する電圧を制御しながら反応を行うため、作用極4の電圧を正確に知る必要がある。このために電位基準として参照電極5が用いられる。参照電極5に必要な要件は長時間に亘って一定の安定な電位を示すことである。そのためには参照電極5には電流を流さないことが望ましい。参照電極5としては、例えば、標準水素電極、可逆水素電極、銀-塩化銀電極、カロメル電極、パラジウム・水素電極などがある。ヒドロキシ酸の生産では、その使いやすさからAg/AgCl参照電極を用いている。
<<reference electrode 5>>
The hydroxyacid production apparatus includes a reference electrode 5 . Since the reaction is performed while controlling the voltage applied to the working electrode 4 during the production of hydroxy acid, it is necessary to know the voltage of the working electrode 4 accurately. A reference electrode 5 is used as a potential reference for this purpose. A necessary requirement for the reference electrode 5 is to exhibit a constant and stable potential over a long period of time. For that purpose, it is desirable not to pass the current through the reference electrode 5 . Examples of the reference electrode 5 include a standard hydrogen electrode, a reversible hydrogen electrode, a silver-silver chloride electrode, a calomel electrode, and a palladium/hydrogen electrode. For the production of hydroxyacids, Ag/AgCl reference electrodes are used because of their ease of use.

<<対極6>>
対極6は、作用極4で生じた電子をもちいて還元反応が起こる。おそらく反応溶液3a中に存在する水素イオンが還元されて水素になる還元反応が生じている。対極6の素材としては、基本的に導電性を示す物質であれば特に制限はないが、例えば白金やステンレス、チタン等が用いられる。また、還元反応を促進する触媒が塗布された電極を用いてもよい。
<<counter electrode 6>>
A reduction reaction occurs at the counter electrode 6 using the electrons generated at the working electrode 4 . A reduction reaction is probably occurring in which the hydrogen ions present in the reaction solution 3a are reduced to hydrogen. The material of the counter electrode 6 is basically not particularly limited as long as it is a substance exhibiting conductivity, and for example, platinum, stainless steel, titanium, and the like are used. Alternatively, an electrode coated with a catalyst that promotes the reduction reaction may be used.

<境界電圧の決定方法>
境界電圧は、作製したいヒドロキシ酸の原料となるジオールのサイクリックボルタンメトリー(CV)測定によって決定する。触媒を塗布したグラッシーカーボン電極等の作用極4、Ag/AgCl等を用いた参照電極5、Ptワイヤー等の対極6を用意し、ジオールを添加した溶液に各電極を挿入した後、CV測定を行う。尚、参照電極5は、ヒドロキシ酸製造装置で使用するものと同じ種類の電極を使用する。得られたCV波形の結果から、まずジオールが触媒によって酸化されたことを示す酸化ピークがあるかを確認する。酸化ピークが見られる場合は、その酸化ピークが減少しきる電圧値を確認する。この電圧値が、ヒドロキシ酸製造時における境界電圧となる。もし酸化ピークが見られない場合は、ジオールを含む溶液のpHや温度、電圧のスキャン範囲、使用する触媒の種類等を変え、対象とするジオールが酸化される条件検討を行う。
<How to determine the boundary voltage>
The boundary voltage is determined by cyclic voltammetry (CV) measurement of the diol that is the raw material of the hydroxy acid to be produced. Prepare a working electrode 4 such as a glassy carbon electrode coated with a catalyst, a reference electrode 5 using Ag/AgCl or the like, and a counter electrode 6 such as a Pt wire, insert each electrode into a solution containing a diol, and then perform CV measurement. The reference electrode 5 is of the same type as that used in the hydroxyacid manufacturing apparatus. From the CV waveform obtained, it is first confirmed whether there is an oxidation peak indicating that the diol has been oxidized by the catalyst. If an oxidation peak is observed, confirm the voltage value at which the oxidation peak is reduced. This voltage value is the boundary voltage during the production of hydroxy acid. If no oxidation peak is observed, examine the conditions under which the target diol is oxidized by changing the pH and temperature of the solution containing the diol, the voltage scanning range, the type of catalyst used, and the like.

ここでは、3ヒドロキシ酸の原料となる1,3-プロパンジオールを例にとり、ヒドロキシ酸製造装置にて設定する境界電圧を決定するために行うCV測定について説明する(図2参照)。作用極4はグラッシーカーボン電極を用い、表面にAuPt(モル比4:1)金属粒子をKB600に担持させた触媒を塗布した。参照電極5はAg/AgCl(飽和KCl)電極、対極6には白金ワイヤーを用いた。各電極は、反応溶液(0.1M 1,3-プロパンジオール、0.1M NaOH)に浸し、ポテンショスタットにて、100mV/sの速度で-0.8~0.6V間の電圧を掃引した。その結果、図2の実線に示すように、1,3-プロパンジオールが酸化されたことを示す酸化ピークが-0.1V付近に検出された。一方、図2の破線に示すように、1,3-プロパンジオールを添加していない反応溶液では、この酸化ピークは見られなかった。このCV測定結果より、1,3-プロパンジオールの酸化ピークが減少しきる0.3Vを境界電圧に設定した。他のジオールについても、上記方法にしたがってCV測定により境界電圧値を確認することで、ヒドロキシ酸製造装置の境界電圧を決定しうる。 Here, taking 1,3-propanediol, which is a raw material of 3-hydroxy acid, as an example, CV measurement to determine the boundary voltage to be set in the hydroxy-acid production apparatus will be described (see FIG. 2). A glassy carbon electrode was used as the working electrode 4, and a catalyst in which AuPt (molar ratio 4:1) metal particles were supported on KB600 was applied to the surface. A Ag/AgCl (saturated KCl) electrode was used as the reference electrode 5 and a platinum wire was used as the counter electrode 6 . Each electrode was immersed in a reaction solution (0.1 M 1,3-propanediol, 0.1 M NaOH), and a potentiostat was used to sweep the voltage between −0.8 and 0.6 V at a rate of 100 mV/s. As a result, as indicated by the solid line in FIG. 2, an oxidation peak was detected near −0.1 V indicating that 1,3-propanediol was oxidized. On the other hand, as indicated by the dashed line in FIG. 2, this oxidation peak was not observed in the reaction solution to which 1,3-propanediol was not added. Based on this CV measurement result, the boundary voltage was set to 0.3 V at which the oxidation peak of 1,3-propanediol was completely reduced. For other diols, the boundary voltage of the hydroxy acid production apparatus can be determined by confirming the boundary voltage value by CV measurement according to the above method.

<<ヒドロキシ酸の製造方法>>
上述したヒドロキシ酸の製造装置は、ヒドロキシ酸の製造方法に好適に適用できる。より具体的には、作用極4として調製した金属粒子担持触媒または触媒組成物は、有機化合物の両端の炭素にヒドロキシ基をそれぞれ有するジオールを酸化してヒドロキシ酸を製造するために好適に用いられる。この製造方法では、ジオール中の1つのヒドロキシ基のみが酸化されてカルボン酸基となり、分子内にヒドロキシ基とカルボン酸基とを有するヒドロキシ酸が製造される。
<<Method for producing hydroxy acid>>
The apparatus for producing hydroxy acid described above can be suitably applied to a method for producing hydroxy acid. More specifically, the metal particle-supported catalyst or catalyst composition prepared as the working electrode 4 is suitably used for producing a hydroxy acid by oxidizing a diol having hydroxy groups at both ends of an organic compound. In this production method, only one hydroxy group in the diol is oxidized to a carboxylic acid group, producing a hydroxy acid having both a hydroxy group and a carboxylic acid group in the molecule.

まず、作用極4、参照電極5、および、対極6を反応容器3の反応溶液3a中へ浸漬し、各電極を通電制御部1の所定の端子に所定の要領で接続を行った後、通電制御部1により作用極4に電圧が印加されることによって、ヒドロキシ酸の生産が開始される。この設定電圧は、上記境界電圧の決定方法で決定された電圧値を使用する。図2の例の場合には、0.3Vとする。また、反応時は常に反応溶液3aを撹拌装置で撹拌させておく。 First, the working electrode 4, the reference electrode 5, and the counter electrode 6 are immersed in the reaction solution 3a of the reaction vessel 3, and after each electrode is connected to a predetermined terminal of the energization control unit 1 in a predetermined manner, the energization control unit 1 applies a voltage to the working electrode 4, thereby starting the production of hydroxy acid. This set voltage uses the voltage value determined by the method of determining the boundary voltage. In the case of the example of FIG. 2, it is set to 0.3V. Further, the reaction solution 3a is always stirred by a stirring device during the reaction.

以下では、まず、本製造方法で使用される成分について詳述する。 Below, first, the components used in this production method will be described in detail.

金属粒子担持触媒および触媒組成物に関しては、上述の通りである。 The metal particle-supported catalyst and catalyst composition are as described above.

ジオールとは、2個のヒドロキシ基(水酸基)を有する有機化合物であれば特に制限はされないが、炭素数の下限値が2以上であり、上限値が通常10以下、好ましくは8以下のジオールが挙げられる。また、炭素数2~8のアルキル基またはアルキル基の中間に酸素を備えた有機化合物でもよい。 The diol is not particularly limited as long as it is an organic compound having two hydroxy groups (hydroxyl groups), and includes diols having a lower limit of 2 or more carbon atoms and an upper limit of usually 10 or less, preferably 8 or less. It may also be an alkyl group having 2 to 8 carbon atoms or an organic compound having an oxygen in the middle of the alkyl group.

本発明のヒドロキシ酸の製造方法は、上述した金属粒子担持触媒または触媒組成物の存在下において、ジオールの一方のヒドロキシ基を酸化してヒドロキシ酸を製造する工程を含む。 The method for producing a hydroxy acid of the present invention includes a step of producing a hydroxy acid by oxidizing one hydroxy group of a diol in the presence of the metal particle-supported catalyst or catalyst composition described above.

ジオールと金属粒子担持触媒との量関係は特に制限されず、使用されるジオールの種類によって適宜最適な条件(濃度、反応温度、反応時間、反応雰囲気等)が選択される。 The amount relationship between the diol and the metal particle-supported catalyst is not particularly limited, and optimal conditions (concentration, reaction temperature, reaction time, reaction atmosphere, etc.) are appropriately selected depending on the type of diol used.

本工程は、ジオールを実質的に分散または溶解させる溶媒存在下で実施することが好ましい。本工程において使用される溶媒は、ジオールの酸化反応を阻害するものでなければ特に制限されず、当該技術分野で慣用される溶媒を使用することができる。当該溶媒は、限定するものではないが、例えば、水、アセトン、アセトニトリル、THFを挙げることができ、水が好ましい。 This step is preferably carried out in the presence of a solvent that substantially disperses or dissolves the diol. The solvent used in this step is not particularly limited as long as it does not inhibit the oxidation reaction of the diol, and any solvent commonly used in the art can be used. Examples of the solvent include, but are not limited to, water, acetone, acetonitrile, and THF, with water being preferred.

本工程は、ジオールを実質的に分散または溶解させる溶媒のpHを塩基性下で実施することが好ましい。本工程において使用される溶媒のpHは、ジオールの酸化反応を阻害するものでなければ特に制限されず、pH範囲としては、7以上が好ましく、11以上がより好ましい。 This step is preferably carried out under a basic pH of the solvent in which the diol is substantially dispersed or dissolved. The pH of the solvent used in this step is not particularly limited as long as it does not inhibit the oxidation reaction of the diol, and the pH range is preferably 7 or higher, more preferably 11 or higher.

例として、図3はpH6~12における1,3-プロパンジオールのCV測定結果を示す。この図3より、pH10~12にかけて1,3-プロパンジオールの酸化ピークが徐々に増加していることがわかる。一方、pH9以下(6を含む)では、-0.4~0.1Vのスキャン範囲においてほとんど電流値が変化せず、プロパンジオールの酸化反応が生じていない。 As an example, FIG. 3 shows the CV measurement results for 1,3-propanediol at pH 6-12. From FIG. 3, it can be seen that the oxidation peak of 1,3-propanediol gradually increases from pH 10 to 12. On the other hand, at pH 9 or less (including pH 6), the current value hardly changed in the scanning range of -0.4 to 0.1 V, and propanediol oxidation reaction did not occur.

塩基としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの無機塩基類、ピリジン、ジエチルアミン、トリエチルアミンなどの有機塩基類、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシドなどのアルカリ金属アルコキシド類などを用いることができる。 Examples of bases that can be used include inorganic bases such as sodium hydroxide and potassium hydroxide, organic bases such as pyridine, diethylamine and triethylamine, and alkali metal alkoxides such as sodium methoxide and sodium ethoxide.

反応溶液3a中における塩基の含有量は特に制限されないが、0.1~5.0Mが好ましく、0.2~2.4Mがより好ましい。 The content of the base in the reaction solution 3a is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 5.0M, more preferably 0.2 to 2.4M.

上記手順によって、ヒドロキシ酸が製造される。上述したように、ヒドロキシ酸は分子内にヒドロキシ基とカルボン酸基とを有する化合物である。 The procedure above produces a hydroxy acid. As mentioned above, a hydroxy acid is a compound having a hydroxy group and a carboxylic acid group in its molecule.

本発明の触媒組成物には、必要に応じて、溶媒(例えば、水や有機溶媒)が含まれていてもよい。 The catalyst composition of the present invention may optionally contain a solvent (eg, water or organic solvent).

以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Examples are shown below, but the present invention is not limited to these.

(実施例1)
反応溶液(1.11M水酸化ナトリウム、0.37M 1,3-プロパンジオール)3aに、AuPt(モル比4:1)金属粒子をKB600に担持させたカーボンクロス電極を作用極4として浸し、さらに、参照電極5であるAg/AgCl電極と、対極6であるチタン製のメッシュ電極も浸した。また、作用極4、参照電極5、および、対極6は、電圧制御装置の所定の端子に接続した。反応溶液3aは室温で撹拌を行いながら、作用極4に参照電極5に対して境界電圧として0.3Vの電圧を印加した。電圧印加後は瞬時に電流が発生するので、その電流値の推移を経時的にモニタし、酸化反応の状況を確認した。8時間反応後、反応溶液3aを1mLほどサンプリングし、陽イオン交換樹脂Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich)を添加してサンプルの脱塩を行った。その後、シリンジフィルターでろ過し、質量分析装置(ESI-negativeモード)に付した。
(Example 1)
A carbon cloth electrode in which AuPt (molar ratio 4:1) metal particles were supported on KB600 was immersed as a working electrode 4 in a reaction solution (1.11 M sodium hydroxide, 0.37 M 1,3-propanediol) 3a, and an Ag/AgCl electrode as a reference electrode 5 and a titanium mesh electrode as a counter electrode 6 were also immersed. The working electrode 4, reference electrode 5, and counter electrode 6 were connected to predetermined terminals of the voltage controller. A voltage of 0.3 V was applied to the working electrode 4 as a boundary voltage with respect to the reference electrode 5 while stirring the reaction solution 3a at room temperature. Since a current was generated instantaneously after voltage application, the change in the current value was monitored over time to confirm the state of the oxidation reaction. After reacting for 8 hours, about 1 mL of the reaction solution 3a was sampled, and a cation exchange resin Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich) was added to desalt the sample. Then, it was filtered with a syringe filter and subjected to a mass spectrometer (ESI-negative mode).

図4に、質量分析の結果を示す。m/z=89.0にメインピークとして脱プロトン化した3-ヒドロキシプロパン酸[90.08g/mol]が検出された。これにより反応溶液3a中の1,3-プロパンジオール[76.09g/mol]から3-ヒドロキシプロパン酸[90.08g/mol]が得られたことがわかった。 FIG. 4 shows the results of mass spectrometry. Deprotonated 3-hydroxypropanoic acid [90.08 g/mol] was detected as the main peak at m/z=89.0. As a result, it was found that 3-hydroxypropanoic acid [90.08 g/mol] was obtained from 1,3-propanediol [76.09 g/mol] in reaction solution 3a.

(実施例2)
反応溶液(1M水酸化カリウム、2 vol% 1,5-ペンタンジオール)3aに、AuPt(モル比4:1)金属粒子をKB600に担持させたカーボンクロス電極を作用極4として浸し、さらに、参照電極5であるAg/AgCl電極と、対極6であるチタン製のメッシュ電極も浸した。また、作用極4、参照電極5、および、対極6は、電圧制御装置の所定の端子に接続した。反応溶液3aは室温で撹拌を行いながら、作用極4に参照電極5に対して境界電圧として0.5Vの電圧を印加した。電圧印加後は瞬時に電流が発生するので、その電流値の推移を経時的にモニタし、酸化反応の状況を確認した。1時間反応後、反応溶液を1mLほどサンプリングし、陽イオン交換樹脂Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich)を添加してサンプルの脱塩を行った。その後、シリンジフィルターでろ過し、質量分析装置(ESI-negativeモード)に付した。
(Example 2)
A carbon cloth electrode in which AuPt (molar ratio 4:1) metal particles were supported on KB600 was immersed as a working electrode 4 in a reaction solution (1M potassium hydroxide, 2 vol% 1,5-pentanediol) 3a, and an Ag/AgCl electrode as a reference electrode 5 and a titanium mesh electrode as a counter electrode 6 were also immersed. The working electrode 4, reference electrode 5, and counter electrode 6 were connected to predetermined terminals of the voltage controller. A voltage of 0.5 V was applied to the working electrode 4 as a boundary voltage with respect to the reference electrode 5 while stirring the reaction solution 3a at room temperature. Since a current was generated instantaneously after voltage application, the change in the current value was monitored over time to confirm the state of the oxidation reaction. After reacting for 1 hour, about 1 mL of the reaction solution was sampled, and a cation exchange resin Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich) was added to desalt the sample. Then, it was filtered with a syringe filter and subjected to a mass spectrometer (ESI-negative mode).

図5に、質量分析の結果を示す。m/z=117.1にメインピークとして脱プロトン化した5-ヒドロキシペンタン酸[118.13g/mol]が検出された。これにより反応溶液3a中の1,5-ペンタンジオール[104.15g/mol]から5-ヒドロキシペンタン酸[118.13g/mol]が得られたことがわかった。 FIG. 5 shows the results of mass spectrometry. Deprotonated 5-hydroxypentanoic acid [118.13 g/mol] was detected as the main peak at m/z=117.1. As a result, it was found that 5-hydroxypentanoic acid [118.13 g/mol] was obtained from 1,5-pentanediol [104.15 g/mol] in reaction solution 3a.

(実施例3)
反応溶液(1M水酸化カリウム、2 vol% 1,6-ヘキサンジオール)3aに、AuPt(モル比4:1)金属粒子をKB600に担持させたカーボンクロス電極を作用極4として浸し、さらに、参照電極5であるAg/AgCl電極と、対極6であるチタン製のメッシュ電極も浸した。また、作用極4、参照電極5、および、対極6は、電圧制御装置の所定の端子に接続した。反応溶液3aは室温で撹拌を行いながら、作用極4に参照電極5に対して境界電圧として0.5Vの電圧を印加した。電圧印加後は瞬時に電流が発生するので、その電流値の推移を経時的にモニタし、酸化反応の状況を確認した。1時間反応後、反応溶液を1mLほどサンプリングし、陽イオン交換樹脂Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich)を添加してサンプルの脱塩を行った。その後、シリンジフィルターでろ過し、質量分析装置(ESI-negativeモード)に付した。
(Example 3)
A carbon cloth electrode in which AuPt (molar ratio 4:1) metal particles were supported on KB600 was immersed as a working electrode 4 in a reaction solution (1M potassium hydroxide, 2 vol% 1,6-hexanediol) 3a, and an Ag/AgCl electrode as a reference electrode 5 and a titanium mesh electrode as a counter electrode 6 were also immersed. The working electrode 4, reference electrode 5, and counter electrode 6 were connected to predetermined terminals of the voltage controller. A voltage of 0.5 V was applied to the working electrode 4 as a boundary voltage with respect to the reference electrode 5 while stirring the reaction solution 3a at room temperature. Since a current was generated instantaneously after voltage application, the change in the current value was monitored over time to confirm the state of the oxidation reaction. After reacting for 1 hour, about 1 mL of the reaction solution was sampled, and a cation exchange resin Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich) was added to desalt the sample. Then, it was filtered with a syringe filter and subjected to a mass spectrometer (ESI-negative mode).

図6に、質量分析の結果を示す。m/z=131.1にメインピークとして脱プロトン化した6-ヒドロキシヘキサン酸[132.16g/mol]が検出された。これにより反応溶液3a中の1,6-ヘキサンジオール[118.17g/mol]から6-ヒドロキシヘキサン酸[132.16g/mol]が得られたことがわかった。 FIG. 6 shows the results of mass spectrometry. Deprotonated 6-hydroxyhexanoic acid [132.16 g/mol] was detected as the main peak at m/z=131.1. As a result, it was found that 6-hydroxyhexanoic acid [132.16 g/mol] was obtained from 1,6-hexanediol [118.17 g/mol] in reaction solution 3a.

(実施例4)
反応溶液(1M水酸化ナトリウム、2 vol% 1,4-シクロヘキサンジメタノール)3aに、AuPt(モル比4:1)金属粒子をKB600に担持させたカーボンクロス電極を作用極4として浸し、さらに、参照電極5であるAg/AgCl電極と、対極6であるチタン製のメッシュ電極も浸した。また、作用極4、参照電極5、および、対極6は、電圧制御装置の所定の端子に接続した。反応溶液3aは室温で撹拌を行いながら、作用極4に参照電極5に対して境界電圧として0.3Vの電圧を印加した。電圧印加後は瞬時に電流が発生するので、その電流値の推移を経時的にモニタし、酸化反応の状況を確認した。2時間反応後、反応溶液を1mLほどサンプリングし、陽イオン交換樹脂Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich)を添加してサンプルの脱塩を行った。その後、シリンジフィルターでろ過し、質量分析装置(ESI-negativeモード)に付した。
(Example 4)
A carbon cloth electrode in which AuPt (molar ratio 4:1) metal particles were supported on KB600 was immersed as a working electrode 4 in a reaction solution (1M sodium hydroxide, 2 vol% 1,4-cyclohexanedimethanol) 3a, and an Ag/AgCl electrode as a reference electrode 5 and a titanium mesh electrode as a counter electrode 6 were also immersed. The working electrode 4, reference electrode 5, and counter electrode 6 were connected to predetermined terminals of the voltage controller. A voltage of 0.3 V was applied to the working electrode 4 as a boundary voltage with respect to the reference electrode 5 while stirring the reaction solution 3a at room temperature. Since a current was generated instantaneously after voltage application, the change in the current value was monitored over time to confirm the state of the oxidation reaction. After reacting for 2 hours, about 1 mL of the reaction solution was sampled, and a cation exchange resin Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich) was added to desalt the sample. Then, it was filtered with a syringe filter and subjected to a mass spectrometer (ESI-negative mode).

図7に、質量分析の結果を示す。m/z=157.1にメインピークとして脱プロトン化した4-(ヒドロキシメチル)シクロヘキサンカルボン酸[158.19g/mol]が検出された。これにより反応溶液3a中の1,4-シクロヘキサンジメタノール[144.21g/mol]から4-(ヒドロキシメチル)シクロヘキサンカルボン酸[158.19g/mol]が得られたことがわかった。 FIG. 7 shows the results of mass spectrometry. Deprotonated 4-(hydroxymethyl)cyclohexanecarboxylic acid [158.19 g/mol] was detected as the main peak at m/z=157.1. As a result, it was found that 4-(hydroxymethyl)cyclohexanecarboxylic acid [158.19 g/mol] was obtained from 1,4-cyclohexanedimethanol [144.21 g/mol] in reaction solution 3a.

(実施例5)
反応溶液(1M水酸化カリウム、2 vol% エチレングリコール)3aに、AuPt(モル比4:1)金属粒子をKB600に担持させたカーボンクロス電極を作用極4として浸し、さらに、参照電極5であるAg/AgCl電極と、対極6であるチタン製のメッシュ電極も浸した。また、作用極4、参照電極5、および、対極6は、電圧制御装置の所定の端子に接続した。反応溶液3aは室温で撹拌を行いながら、作用極4に参照電極5に対して境界電圧として0.3Vの電圧を印加した。電圧印加後は瞬時に電流が発生するので、その電流値の推移を経時的にモニタし、酸化反応の状況を確認した。1時間反応後、反応溶液を1mLほどサンプリングし、陽イオン交換樹脂Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich)を添加してサンプルの脱塩を行った。その後、シリンジフィルターでろ過し、質量分析装置(ESI-negativeモード)に付した。
(Example 5)
A carbon cloth electrode in which AuPt (molar ratio 4:1) metal particles were supported on KB600 was immersed in a reaction solution (1 M potassium hydroxide, 2 vol% ethylene glycol) 3a as a working electrode 4, and an Ag/AgCl electrode as a reference electrode 5 and a titanium mesh electrode as a counter electrode 6 were also immersed. The working electrode 4, reference electrode 5, and counter electrode 6 were connected to predetermined terminals of the voltage controller. A voltage of 0.3 V was applied to the working electrode 4 as a boundary voltage with respect to the reference electrode 5 while stirring the reaction solution 3a at room temperature. Since a current was generated instantaneously after voltage application, the change in the current value was monitored over time to confirm the state of the oxidation reaction. After reacting for 1 hour, about 1 mL of the reaction solution was sampled, and a cation exchange resin Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich) was added to desalt the sample. Then, it was filtered with a syringe filter and subjected to a mass spectrometer (ESI-negative mode).

図8に、質量分析の結果を示す。m/z=75.1にメインピークとして脱プロトン化したグリコール酸[76.05g/mol]が検出された。これにより反応溶液3a中のエチレングリコール[62.09g/mol]からグリコール酸[76.05g/mol]が得られたことがわかった。 FIG. 8 shows the results of mass spectrometry. Deprotonated glycolic acid [76.05 g/mol] was detected as the main peak at m/z=75.1. As a result, it was found that glycolic acid [76.05 g/mol] was obtained from ethylene glycol [62.09 g/mol] in reaction solution 3a.

(実施例6)
反応溶液(1M水酸化カリウム、2 vol% トリエチレングリコール)3aに、AuPt(モル比4:1)金属粒子をKB600に担持させたカーボンクロス電極を作用極4として浸し、さらに、参照電極5であるAg/AgCl電極と、対極6であるチタン製のメッシュ電極も浸した。また、作用極4、参照電極5、および、対極6は、電圧制御装置の所定の端子に接続した。反応溶液3aは室温で撹拌を行いながら、作用極4に参照電極5に対して境界電圧として0.5Vの電圧を印加した。電圧印加後は瞬時に電流が発生するので、その電流値の推移を経時的にモニタし、酸化反応の状況を確認した。1時間反応後、反応溶液を1mLほどサンプリングし、陽イオン交換樹脂Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich)を添加してサンプルの脱塩を行った。その後、シリンジフィルターでろ過し、質量分析装置(ESI-negativeモード)に付した。
(Example 6)
A carbon cloth electrode in which AuPt (molar ratio 4:1) metal particles were supported on KB600 was immersed as a working electrode 4 in a reaction solution (1M potassium hydroxide, 2 vol% triethylene glycol) 3a, and an Ag/AgCl electrode as a reference electrode 5 and a titanium mesh electrode as a counter electrode 6 were also immersed. The working electrode 4, reference electrode 5, and counter electrode 6 were connected to predetermined terminals of the voltage controller. A voltage of 0.5 V was applied to the working electrode 4 as a boundary voltage with respect to the reference electrode 5 while stirring the reaction solution 3a at room temperature. Since a current was generated instantaneously after voltage application, the change in the current value was monitored over time to confirm the state of the oxidation reaction. After reacting for 1 hour, about 1 mL of the reaction solution was sampled, and a cation exchange resin Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich) was added to desalt the sample. Then, it was filtered with a syringe filter and subjected to a mass spectrometer (ESI-negative mode).

図9に、質量分析の結果を示す。m/z=163.1にメインピークとして脱プロトン化した[2-(2-ヒドロキシエトキシ)エトキシ]酢酸[164.17g/mol]が検出された。これにより反応溶液3a中のトリエチレングリコール[150.17g/mol]から[2-(2-ヒドロキシエトキシ)エトキシ]酢酸[164.17g/mol]が得られたことがわかった。 FIG. 9 shows the results of mass spectrometry. Deprotonated [2-(2-hydroxyethoxy)ethoxy]acetic acid [164.17 g/mol] was detected as the main peak at m/z=163.1. As a result, it was found that [2-(2-hydroxyethoxy)ethoxy]acetic acid [164.17 g/mol] was obtained from triethylene glycol [150.17 g/mol] in reaction solution 3a.

(実施例7)
反応溶液(1M水酸化カリウム、2 vol% テトラエチレングリコール)3aに、AuPt(モル比4:1)金属粒子をKB600に担持させたカーボンクロス電極を作用極4として浸し、さらに、参照電極5であるAg/AgCl電極と、対極6であるチタン製のメッシュ電極も浸した。また、作用極4、参照電極5、および、対極6は、電圧制御装置の所定の端子に接続した。反応溶液3aは室温で撹拌を行いながら、作用極4に参照電極5に対して境界電圧として0.5Vの電圧を印加した。電圧印加後は瞬時に電流が発生するので、その電流値の推移を経時的にモニタし、酸化反応の状況を確認した。1時間反応後、反応溶液を1mLほどサンプリングし、陽イオン交換樹脂Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich)を添加してサンプルの脱塩を行った。その後、シリンジフィルターでろ過し、質量分析装置(ESI-negativeモード)に付した。
(Example 7)
A carbon cloth electrode in which AuPt (molar ratio 4:1) metal particles were supported on KB600 was immersed as a working electrode 4 in a reaction solution (1M potassium hydroxide, 2 vol% tetraethylene glycol) 3a, and an Ag/AgCl electrode as a reference electrode 5 and a titanium mesh electrode as a counter electrode 6 were also immersed. The working electrode 4, reference electrode 5, and counter electrode 6 were connected to predetermined terminals of the voltage controller. A voltage of 0.5 V was applied to the working electrode 4 as a boundary voltage with respect to the reference electrode 5 while stirring the reaction solution 3a at room temperature. Since a current was generated instantaneously after voltage application, the change in the current value was monitored over time to confirm the state of the oxidation reaction. After reacting for 1 hour, about 1 mL of the reaction solution was sampled, and a cation exchange resin Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich) was added to desalt the sample. Then, it was filtered with a syringe filter and subjected to a mass spectrometer (ESI-negative mode).

図10に、質量分析の結果を示す。m/z=207.23にメインピークとして脱プロトン化した2-[2-(2-ヒドロキシエトキシ)エトキシ]酢酸[208.23g/mol]が検出された。これにより反応溶液3a中のテトラエチレングリコール[194.23g/mol]から2-[2-(2-ヒドロキシエトキシ)エトキシ]酢酸[208.23g/mol]が得られたことがわかった。 FIG. 10 shows the results of mass spectrometry. Deprotonated 2-[2-(2-hydroxyethoxy)ethoxy]acetic acid [208.23 g/mol] was detected as the main peak at m/z=207.23. As a result, 2-[2-(2-hydroxyethoxy)ethoxy]acetic acid [208.23 g/mol] was obtained from tetraethylene glycol [194.23 g/mol] in reaction solution 3a.

(実施例8) 反応収率:エチレングリコール
反応溶液(1M水酸化カリウム、10mM エチレングリコール)3aに、AuPt(モル比4:1)金属粒子をKB600に担持させたカーボンクロス電極を作用極4として浸し、さらに、参照電極5であるAg/AgCl電極と、対極6であるチタン製のメッシュ電極も浸した。また、作用極4、参照電極5、および、対極6は、電圧制御装置の所定の端子に接続した。反応溶液3aは室温で撹拌を行いながら、作用極4に参照電極5に対して境界電圧として0.3Vの電圧を印加した。電圧印加後は瞬時に電流が発生するので、その電流値の推移を経時的にモニタし、酸化反応の状況を確認した。電流値がほぼ0Aになった時点で電極への電圧印加を停止し、反応溶液を1mLほどサンプリングして、陽イオン交換樹脂Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich)を添加してサンプルの脱塩を行った。その後、シリンジフィルターでろ過し、HPLCによってエチレングリコール、および、その酸化によって生じたグリコール酸を定量した。
(Example 8) Reaction Yield: Ethylene Glycol Reaction solution (1 M potassium hydroxide, 10 mM ethylene glycol) 3a was soaked with a carbon cloth electrode in which AuPt (molar ratio 4:1) metal particles were supported on KB600 as a working electrode 4, and an Ag/AgCl electrode as a reference electrode 5 and a titanium mesh electrode as a counter electrode 6 were also soaked. The working electrode 4, reference electrode 5, and counter electrode 6 were connected to predetermined terminals of the voltage controller. A voltage of 0.3 V was applied to the working electrode 4 as a boundary voltage with respect to the reference electrode 5 while stirring the reaction solution 3a at room temperature. Since a current was generated instantaneously after voltage application, the change in the current value was monitored over time to confirm the state of the oxidation reaction. When the current value reached approximately 0 A, the voltage application to the electrodes was stopped, and about 1 mL of the reaction solution was sampled, and a cation exchange resin Amberlite IR120(H) (Sigma-Aldrich) was added to desalt the sample. Then, it was filtered with a syringe filter, and ethylene glycol and glycolic acid produced by its oxidation were quantified by HPLC.

カラム: Rezex ROA-Organic Acid, 300 x 7.8 mm (Phenomenex)
移動相: 0.005N 硫酸水溶液
流速: 0.5 mL/min
カラム温度: 60℃
検出: RI@40℃
Column: Rezex ROA-Organic Acid, 300 x 7.8 mm (Phenomenex)
Mobile phase: 0.005N sulfuric acid aqueous solution
Flow rate: 0.5 mL/min
Column temperature: 60℃
Detection: RI@40°C

表1に、定量結果を示す。その結果、1つのヒドロキシ基がカルボキシル基に変換されたグリコール酸が収率70.9%(平均値)で合成できた。 Table 1 shows the quantitative results. As a result, glycolic acid in which one hydroxy group was converted to a carboxyl group was synthesized with a yield of 70.9% (average value).

Figure 0007312399000001
Figure 0007312399000001

(実施例10) 反応収率:1,3-プロパンジオール
反応溶液(0.558M水酸化ナトリウム、0.186M 1,3-プロパンジオール(PDO))3aに、AuPt(モル比4:1)金属粒子をKB600に担持させたカーボンペーパー電極を作用極4として浸し、さらに、参照電極5であるAg/AgCl電極と、対極6であるチタン製のメッシュ電極も浸した。また、作用4、参照電極5、および、対極6は、電圧制御装置の所定の端子に接続した。反応溶液3aは室温で撹拌を行いながら、作用極4に参照電極5に対して0.3Vの電圧を印加した。電圧印加後は瞬時に電流が発生するので、その電流値の推移を経時的にモニタし、酸化反応の状況を確認した。電流値がほぼ0Aになった時点で電極への電圧印加を停止した。反応溶液はシリンジフィルターでろ過しながらナスフラスコへ移し、エバポレーターを用いて60℃、15hPaで溶媒(水)を飛ばした後、析出した個体の一部をD2Oに溶解させてH-NMRスペクトル解析を行った。1,3-プロパンジオール、および、その酸化によって生じた3-ヒドロキシ酸(3HP)のHスペクトルの積分値比より、3-ヒドロキシ酸を定量した。
(Example 10) Reaction yield: 1,3-propanediol In a reaction solution (0.558 M sodium hydroxide, 0.186 M 1,3-propanediol (PDO)) 3a, a carbon paper electrode in which AuPt (molar ratio 4:1) metal particles were supported on KB600 was immersed as a working electrode 4, and an Ag/AgCl electrode as a reference electrode 5 and a titanium mesh electrode as a counter electrode 6 were also immersed. The working 4, reference electrode 5, and counter electrode 6 were connected to predetermined terminals of the voltage controller. A voltage of 0.3 V was applied to the working electrode 4 with respect to the reference electrode 5 while stirring the reaction solution 3a at room temperature. Since a current was generated instantaneously after voltage application, the change in the current value was monitored over time to confirm the state of the oxidation reaction. The voltage application to the electrodes was stopped when the current value reached approximately 0A. The reaction solution was transferred to an eggplant flask while being filtered with a syringe filter, and after the solvent (water) was evaporated using an evaporator at 60° C. and 15 hPa, part of the precipitated solid was dissolved in D 2 O and 1 H-NMR spectrum analysis was performed. 3-hydroxy acid was quantified from the integral ratio of 1 H spectra of 1,3-propanediol and 3-hydroxy acid (3HP) produced by its oxidation.

表2に、定量結果を示す。その結果、1つのヒドロキシ基がカルボキシル基に変換された3-ヒドロキシ酸が収率85.4%(平均値)で合成できた。 Table 2 shows the quantitative results. As a result, a 3-hydroxy acid in which one hydroxy group was converted to a carboxyl group was synthesized with a yield of 85.4% (average value).

Figure 0007312399000002
Figure 0007312399000002

なお、本発明は、前記実施形態および実施例のものに限定されるものはなく、必要に応じて種々変更することが可能である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and can be modified in various ways as necessary.

1 通電制御部2 通電時間制御部
3 反応容器
4 作用極
5 参照電極
6 対極
1 energization controller 2 energization time controller 3 reaction vessel 4 working electrode 5 reference electrode 6 counter electrode

Claims (7)

有機化合物の両端の炭素にヒドロキシ基をそれぞれ有する原料素材の水溶液あるいは水と有機溶媒の混合液からなる反応溶液を用意し、前記反応溶液中に浸漬している作用極、対極および参照電極により、前記作用極および対極に所定時間にわたって通電するとともに、前記参照電極に対する前記作用極の電圧を前記原料素材の一方のヒドロキシ基のみを酸化させる境界電圧以下として通電することにより、前記原料素材の一方のヒドロキシ基のみを酸化させてカルボン酸とすることにより、ヒドロキシ酸を製造することを特徴とするヒドロキシ酸の製造方法。 A hydroxy acid is produced by preparing an aqueous solution of raw materials having hydroxy groups on both ends of an organic compound or a reaction solution consisting of a mixed solution of water and an organic solvent, and energizing the working electrode, counter electrode and reference electrode immersed in the reaction solution for a predetermined time, and applying a voltage of the working electrode with respect to the reference electrode at a voltage equal to or lower than a boundary voltage at which only one hydroxy group of the raw material is oxidized, thereby oxidizing only one hydroxy group of the raw material to carboxylic acid. A method for producing a hydroxy acid. 前記有機化合物は、炭素数2~8のアルキル基またはアルキル基の中間に酸素を備えた化合物であることを特徴とする請求項1に記載のヒドロキシ酸の製造方法。 2. The method for producing a hydroxy acid according to claim 1, wherein the organic compound is an alkyl group having 2 to 8 carbon atoms or a compound having an oxygen in the middle of the alkyl group. 前記作用極の表面には前記酸化反応を補助する触媒層が形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のヒドロキシ酸の製造方法。 3. The method for producing a hydroxy acid according to claim 1, wherein a catalyst layer that assists the oxidation reaction is formed on the surface of the working electrode. 前記作用極および対極に通電する所定時間は、前記反応溶液中の前記原料素材の酸化反応可能時間以内であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のヒドロキシ酸の製造方法。 4. The method for producing a hydroxy acid according to any one of claims 1 to 3, wherein the predetermined time during which the working electrode and the counter electrode are energized is within the oxidation reaction time of the raw material in the reaction solution. 有機化合物の両端の炭素にヒドロキシ基をそれぞれ有する原料素材の反応溶液を貯留する反応容器と、
前記反応溶液中に浸漬して通電する作用極、対極および参照電極と、
前記作用極および対極に所定時間にわたって通電する通電時間制御部と、前記参照電極に対する前記作用極の電圧を前記原料素材の一方のヒドロキシ基のみを酸化させてカルボン酸とする境界電圧以下として通電させる通電電圧制御部とを有する通電制御部と
を備えていることを特徴とするヒドロキシ酸の製造装置。
a reaction vessel for storing a reaction solution of raw materials having hydroxyl groups on carbons at both ends of an organic compound;
a working electrode, a counter electrode and a reference electrode that are immersed in the reaction solution and energized;
An energization time control unit that energizes the working electrode and the counter electrode for a predetermined time, and an energization control unit that energizes the working electrode with respect to the reference electrode at a boundary voltage or less that oxidizes only one hydroxy group of the raw material to carboxylic acid.
前記作用極の表面には前記酸化反応を補助する触媒層が形成されていることを特徴とする請求項5に記載のヒドロキシ酸の製造装置。 6. The apparatus for producing hydroxy acid according to claim 5, wherein a catalyst layer for assisting the oxidation reaction is formed on the surface of the working electrode. 前記通電時間制御部は、前記作用極および対極に通電する所定時間を前記反応溶液中の前記原料素材の酸化反応可能時間以内とすることを特徴とする請求項5または請求項6に記載のヒドロキシ酸の製造装置。 7. The apparatus for producing hydroxy acid according to claim 5 or 6, wherein the energization time control unit sets the predetermined time for energizing the working electrode and the counter electrode to be within the oxidation reaction time of the raw material in the reaction solution.
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