JP2000042404A - 水系ルイス酸触媒反応方法 - Google Patents
水系ルイス酸触媒反応方法Info
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Abstract
する。 【解決手段】 水中で安定で、かつルイス酸として機能
する金属化合物をルイス酸触媒として用い、水を溶媒の
一部または全部とする有機合成反応方法において、金属
化合物の金属イオンの加水分解定数(pKh)が4.3
≦pKh≦10.1であり、かつ水分子交換定数(WE
RC:Water Exchange Rate Constant)が3.2×10
6 M-1 sec-1以上であること。
Description
ス酸触媒反応方法に関するものである。さらに詳しく
は、この出願の発明は、有機合成化学のみならず、高分
子化学、材料化学等の現代精密有機化学の中核をなして
いるルイス酸を用いる有機合成反応を、水を溶媒の一部
または全部として使用し、水中で安定なルイス酸の存在
下に実施する新しい水系ルイス酸触媒反応方法に関する
ものである。
BF3 等の精密にデザインされたルイス酸を触媒として
使用する有機化学反応は、実験室的方法として、または
工業的方法として数多く知られている(化学と工業 第
50巻 第10号(1997)1481−1501)。
そして、近年は新規な先端機能性化合物、精密化学品、
高分子化合物や医農薬等の高付加価値化学製品に対する
有機合成の役割がますます重要になり、これらの有機合
成反応にはルイス酸触媒が広く用いられ、様々な分野で
その力量を発揮し、欠くことのできない触媒として汎用
されている。
化学反応やプロセスの開発が社会的に要請され、ベンゼ
ンやハロゲン系等の有機溶媒の規制が年々厳しくなって
きていることから、様々な有機反応を水溶媒中で行う合
成技術が脚光を浴び、ルイス酸を触媒とする有機合成反
応においても同様のニーズが高まっている。だが、ルイ
ス酸として使用される金属化合物の金属イオンは、周期
表のIB族、IIB族、 IIIB族、IVA族、IVB族、VIII
族等のイオンが主なものであるが、たとえば代表的なル
イス酸である IIIB族金属のAlCl3 、BF3 は速や
かに加水分解する上、上記各族金属の多くのルイス酸も
水と速やかに反応して加水分解して不活性化してしまう
ため、従来では、ルイス酸を水溶液中で使用することは
不可能であると考えられてきた。
希土類金属トリフルオロメタンスルホナート(希土類ト
リフラート)が水にも安定で水溶液中でルイス酸として
機能することを見いだしている(有機合成化学協会誌、
53,370(1995))。この希土類トリフラート
は有機溶媒よりも水によく溶けるため、反応終了後抽出
によって簡単に回収でき、また複数回再使用しても触媒
活性は損なわれない。ただ、この出願の発明者によるこ
のような新規な知見については、工業的に使用可能な水
系の反応条件下で適切なルイス酸触媒活性を示すかどう
かや、ルイス酸全体について水系で収率よく反応が実施
できるかどうかの点は検討が充分でなかったことから、
適切なルイス酸触媒は試行錯誤により選択されていた。
このため、この選択をすみやかに行うことを可能とする
一般則やインジケーション等を確立することが望まれて
いた。
って、前記の希土類トリフラートを含めて水中でも安定
でルイス酸として機能する金属化合物がどのようなもの
であるかが明確になれば、基本的に触媒を廃棄しなくて
もよい汎用の環境保全型有機合成システムの構築が可能
になり、水溶液の使用とともにいわゆる環境に優しい有
機化学反応の実現が期待されることから、より包括的
で、汎用の水系ルイス酸触媒反応技術の確立は極めて重
要な課題となっていた。
のような事情に鑑みてなされたものであって、基本的に
は触媒を廃棄しなくてよく、水を溶媒の一部または全部
とする、地球環境に優しく人間を含む社会環境に安全
な、包括的で、汎用な、新しい水系ルイス酸触媒反応方
法を提供することにある。
の課題を解決するものとして、まず第1には、水中で安
定で、かつルイス酸として機能する金属化合物をルイス
酸触媒として用い、水を溶媒の一部または全部とする有
機合成反応方法において、金属化合物の金属イオンの加
水分解定数(pKh)が4.3≦pKh≦10.1であ
り、かつ水分子交換定数(WERC:Water Exchange R
ate Constant)が3.2×106 M-1sec-1以上であ
ることを特徴とする水系ルイス酸触媒反応方法を提供す
る。
化合物の金属イオンが鉄(II)イオン、銅(II)イオ
ン、亜鉛(II)イオン、カドミウム(II)イオン、鉛
(II)イオンまたは周期表 IIIA族の希土類金属 (III)
イオンである前記の水系ルイス酸触媒反応方法を、第3
には、金属化合物が金属イオンのトリフルオロメタンス
ルフォン酸塩または過塩素酸塩である前記の水系ルイス
酸触媒反応方法を、第4には、金属化合物の金属イオン
が周期表 IIIA族の希土類金属イオンである前記の水系
ルイス酸触媒反応方法を、第5には、金属化合物の希土
類金属イオンがランタノイド系列のイオンである水系ル
イス酸触媒反応方法を、第6には、ルイス酸として使用
する金属化合物に対し、0.001〜10倍量の界面活
性剤を更に加える水系ルイス酸触媒反応方法を提供す
る。
によって、水中で安定な金属化合物が水溶液中でルイス
酸触媒作用を示す際に、その触媒活性と水中での安定性
が、金属イオンのイオン半径の大きさや、金属化合物と
水との間の平衡状態とに起因することが見出されたこと
に基づいている。すなわち、希土類トリフラート、ハロ
ゲン化物、過ハロゲン酸化合物またはルイス酸触媒機能
を有するその他金属化合物のうち、それら金属イオンの
加水分解定数と水分子交換定数が一定範囲にあるものを
ルイス酸触媒として使用すると、水を溶媒の一部または
全部とする水系ルイス酸触媒反応において有為な触媒活
性を示すことが見いだされたことに基づいてこの発明が
完成されている。
の特徴を有するものであるが以下にその実施の形態につ
いて説明する。まず、この発明の水系ルイス酸触媒は、
水中で安定で、かつルイス酸として機能する金属化合物
について、この金属化合物を構成する金属イオンの加水
分解定数(pKh)が4.3≦pKh≦10.1である
ことを必須としている。ここで、加水分解定数(pK
h)は次の式より求められるものである(Baes, Jr. C.
F.:Mesmer, R. The Hydrolysis of Cations, Willy: Ne
w York, 1976.) 。
物ルイス酸は加水分解されてしまい、オキソニウムイオ
ンが生成してしまう。一方、pKh値は10.1より大
きいとき金属イオンの中和エネルギーが小さくなり、そ
れによってルイス酸性が低くなる。このため、加水分解
定数(pKh)は上記の範囲にあるべきものとする。
の水分子交換定数(WERC:Water Exchange Rate Co
nstant)は、3.2×106 M-1 sec-1以上であ
る。ここで、水分子交換定数(WERC)は、核磁気共
鳴吸収法、音波吸収法、多座配位子法によって測定され
る(Martell, A.B. Ed. Coordination Chemistry, Vol.
2, ACS Monograph 168, ACS: Washingoton, DC, 197
8.)。
-1以下のときは、触媒活性が低下し、目的物がほとんど
得られない。WERC値が小さいと金属イオンの水和エ
ネルギーとの関係でルイス酸性が低くなるためである。
図1には、金属イオンとなった場合について求められた
加水分解定数と水分子交換速度常数を示した。
この発明の水系ルイス酸触媒としての金属化合物の金属
イオン種を示している。図1からも、ルイス酸として使
用される金属化合物の金属イオンは、たとえば以下に例
示される。IB族金属としては銅(II)イオン、IIB族
金属としては亜鉛(II)イオン、カドミウム(II)イオ
ン、 IIIA族の希土類金属イオンとしてはスカンジウム
イオン、イットリウムイオン、ランタノイドイオン、VI
II族金属として鉄(II)イオンが例示され、ランタノイ
ドイオンとしてはランタンイオン、セリウムイオン、プ
ラセウムイオン、ネオジウムイオン、サマリウムイオ
ン、ユウロビウムイオン、ガドリニウムイオン、テルビ
ウムイオン、ジズプロシウムイオン、ホルミウムイオ
ン、エルビウムイオン、ツリウムイオン、イッテルビウ
ムイオン、ルテチウムイオンが例示される。そして、好
ましくは希土類金属イオンが使用される。
れる金属化合物としては、前記金属のハロゲン化物、過
ハロゲン酸化合物、トリフルオロアルカンスルフォネー
ト等が使用でき、好ましくは過塩素酸化合物、トリフル
オロメタンスルフォネートが使用される。たとえば以上
の金属化合物を水系ルイス酸触媒とするこの発明の方法
では、有機合成反応の種類に応じて、反応原料基質に対
するこの金属化合物の使用量が適宜に選択される。一般
的には、原料基質に対するモル比として、0.001〜
1の範囲を目安とすることができる。
い。使用される界面活性剤としては、アニオン系界面活
性剤としてセッケン、アルキルベンゼンスルフォン酸
塩、ドデシル硫酸ナトリウム等が使用でき、ノニオン系
界面活性剤としてポリオキシエチレンアルキルエーテ
ル、ポリオキシエチレンアルキルフェノラート、ソルビ
タン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル等が使用で
きる。好ましくはドデシル硫酸ナトリウム、トリトンX
−100が使用される。
量は、前記の金属化合物に対して0.001〜10倍量
の範囲とすることが考慮される。この界面活性剤は、た
とえば、溶媒の一部として水を用いて有機溶媒との混合
系とする場合や、反応原料基質の親水性、疎水性の程度
等に応じて使用することができる。この発明の反応方法
では、水を溶媒の一部または全部として使用する。溶媒
としての水、あるいは水と他の有機溶媒との使用量、そ
して反応温度や反応圧力、さらには反応時間はこの発明
の方法が適用される有機合成反応の種類によって適宜に
定められる。
用できる反応は、特に限定されないが、たとえば以下の
ものが例示される。マンニッヒ反応を実施することによ
ってβ−アミノケトン、β−アミノエステルが製造で
き、直接アリル化反応を実施することによってホモアリ
ルアルコール、ホモアリルアミンが製造でき、アルドー
ル反応を実施することによってβ−ヒドロキシケトン、
β−ヒドロキシエステルが製造できる。また、ルイス酸
触媒反応としてのアルキル化反応や、重合反応もこの発
明の対象となる。
的に説明する。もちろん、この発明はその要旨を越えな
い限りこれら実施例に限定されるものではない。 (実施例1)次の反応式
び1−フェニル−1−トリメチルシロキシプロペン0.
1モルを水とテトラヒドロフラン(THF)の混合溶媒
(1:9)に溶解し、0.2等量のSc(Cl
O4 )3 :トリ過塩素酸スカンジウムを添加した後室温
で12時間攪拌した。溶媒を留去したのち、前記式に示
したアルドール縮合物のケトンを82%の成績で得た。 (実施例2)金属化合物のルイス酸を変えて実施例1の
アルドール縮合反応を行った。以下のとおりの収率でア
ルドール縮合物が得られた。
応を、水:エタノール:トルエン(1:7:3)の混合
溶媒を用いて行った。金属化合物ルイス酸とアルドール
縮合物の反応収率を次に示した。
をさらに他の金属化合物を用いて行った。その結果、L
iCl、NaCl、MgCl2 、PCl3 、KCl、C
aCl2 、GeCl2 、RuCl3 、SbCl3 、Ba
Cl2 、OsCl2 の各々を用いた場合にはアルドール
縮合物は生成されず、反応原料化合物が回収された。ま
た、BCl3 、SiCl4 、PCl5 、TiCl4 、V
Cl3 、ZrCl4 、NbCl5,MoCl5 、SnC
l4 、SbCl5 、HfCl4 、TaCl5 、WC
l6 、ReCl5 、TiCl3 の各々を用いた場合には
アルドール縮合物は生成されず、原料化合物のシリルエ
ノールエーテルが分解された。
認められた場合も、次のとおりの結果にすぎなかった。
よって、水中で安定な新規ルイス酸触媒とこれを用いた
有機合成反応方法が提供される。この発明の方法により
有機溶媒の使用を減らすことができ、また全く用いずに
反応を実施できる。そしてルイス酸の触媒活性は維持さ
れるので触媒を100%回収、再使用できるシステムを
構築することができ、水系ルイス酸触媒反応として、精
密な生体内反応を水素結合の代わりに金属キレーション
を用いてフラスコ内でよりシンプルな形で実現すること
も可能となる。
金属がイオンになった場合の加水分解定数および水分子
交換定数を示した図である。太線で囲んだ部分が、この
発明の水系ルイス酸触媒としての金属化合物の金属イオ
ン種と物性定数を示すものである。
Claims (7)
- 【請求項1】 水中で安定で、かつルイス酸として機能
する金属化合物をルイス酸触媒として用い、水を溶媒の
一部または全部とする有機合成反応方法において、金属
化合物の金属イオンの加水分解定数(pKh)が4.3
≦pKh≦10.1であり、かつ水分子交換定数(WE
RC:Water Exchange Rate Constant)が3.2×10
6 M-1 sec-1以上であることを特徴とする水系ルイ
ス酸触媒反応方法。 - 【請求項2】 金属化合物の金属イオンが鉄(II)イオ
ン、銅(II)イオン、亜鉛(II)イオン、カドミウム
(II)イオン、鉛(II)イオンまたは周期表 IIIA族の
希土類金属 (III)イオンである請求項1の水系ルイス酸
触媒反応方法。 - 【請求項3】 金属化合物が金属イオンのトリフルオロ
メタンスルフォン酸塩または過塩素酸塩である請求項1
または2の水系ルイス酸触媒反応方法。 - 【請求項4】 金属化合物の金属イオンが周期表 IIIA
族の希土類金属イオンである請求項1ないし3のいずれ
かの水系ルイス酸触媒反応方法。 - 【請求項5】 金属化合物の希土類金属イオンがランタ
ノイド系列のイオンである請求項4の水系ルイス酸触媒
反応方法。 - 【請求項6】 ルイス酸として使用する金属化合物に対
し、0.001〜10倍量の界面活性剤を更に加える請
求項1ないし5のいずれかの水系ルイス酸触媒反応方
法。 - 【請求項7】 請求項1ないし5のいずれかの方法にお
ける水素ルイス酸触媒。
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