JP2003190795A - 水溶性ルイス酸触媒及びこれを用いる有機合成反応方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】水溶液又は水を含有する有機溶媒中で再生可能
なルイス酸触媒を開発する、更に、該触媒を用いて酸、
アルカリ廃液の生成しない弱酸性〜中性条件でより効率
的なルイス酸触媒による有機合成反応方法を行う。 【解決手段】 水溶液、または水を含有する有機溶媒中
において、周期表の第３及び第４族から選ばれる少なく
とも１種の金属（元素）によって置換されたヘテロポリ
酸アニオンからなる水溶性ルイス酸触媒を用いてルイス
酸触媒反応を行い有機合成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水溶液、または水
の存在する有機溶媒中でルイス酸触媒反応を効率的に促
進する方法を提供するものであり、有機合成反応によ
り、医農薬中間体原料などを製造する際、環境への影響
が少なく、かつ工業的に有利な条件を可能とする。

【０００２】

【従来の技術】ルイス酸を用いる反応は、フリーデルク
ラフツ反応、エン反応、ディールアルダー反応、向山ア
ルドール合成反応などであり、工業的に重要な有機合成
反応である。ルイス酸として用いられる代表的な金属と
しては、例えば、アルミニウム、アンチモン、ホウ素、
カドミウム、セリウム、コバルト、銅、ユーロピウム、
ゲルマニウム、ハフニウム、鉄、ランタン、リチウム、
マグネシウム、モリブデン、ニッケル、パラジウム、リ
ン、シリコン、銀、硫黄、タリウム、鉛、チタン、バナ
ジウム、イットリビウム、亜鉛、ジルコニウム、スカン
ジウムである。更に代表的なものとしては、塩化アルミ
ニウム（AlCl₃）、TiCl₄（塩化チタン）、エトキシフッ
化ホウ素（BF₃・OEt₂）、及び塩化スズなどが挙げられ
る（Lewis Acids in Organic Synthesis, Edited by Hi
sashi Yamamoto, volume 1, Wiley-VCH）。より反応性
の高いルイス酸としては、HF-BF₃やHCl-AlCl₃などのよ
うにブレーンステッド酸とルイス酸を組み合わせる方法
がある。更に、強い酸強度を示す物質としては、SbF₅-F
SO₃Hとの組み合わせが知られている。

【０００３】しかしながら、これらの古典的なルイス酸
は、一般に水媒体中では不活性であることが知られてい
る。その原因としては、水の非共有電子対とルイス酸が
容易に反応し、不活性な付加体を生成するためである。
そのため、工業的なルイス酸を用いる反応の実施におい
ては、取り扱いが難しい場合が多く、有機溶媒の脱水処
理が必要となり、製造コストの上昇をもたらしている。

【０００４】更に、これらの反応は、反応終了後に生成
物とルイス酸を分離するために、通常、反応混合物を水
で処理している。すなわち、ルイス酸は水溶性物質とし
て分離される。しかし、この水溶性物質からルイス酸を
再生することは困難であり、また、排水が多量に生成す
るため廃棄する場合にも処理コストが嵩み、工業的に大
量に製造するための方法としては問題があった。

【０００５】このような問題点を克服する方法の一つと
して、水、又は水を含有する有機溶媒中でルイス酸触媒
として、鉄、銅、亜鉛、希土類金属等の金属のハロゲン
化物、過ハロゲン酸化合物、トリフルオロアルカンスル
フォネートが有効に機能することが開示されている（特
開２０００−４２４０４号）。しかしながら、これらの
触媒においても、ある程度の有機溶媒を混合して反応を
行わないと、生成物の収率が低下する場合があることが
知られており、また、例えば代表的に記載されているト
リフルオロアルカンスルフォネートにおいては、その原
料として用いられるトルフルオロメタンスルホン酸が劇
物であるため、触媒合成時の取り扱いが容易ではなく、
原料のフッ素が触媒としては比較的高価なことも問題点
として挙げられる。

【０００６】Tetrahedron Vol.47, No.47, p9861-9866,
1991には、セリウム（IV）アンモニウムナイトライト
が水系媒体中で、エポキシドの開環水和反応において高
い活性を示すことが報告されている。しかしながら、こ
の反応系では、触媒量（濃度10mM）の水溶液において、
既にpHは約1.8を示し、このことからセリウムは容易に
加水分解を受けて酸性を示し、この生成したプロトン
（H⁺）が高い活性を示す原因であることが容易に推察で
きる。よって、触媒の加水分解による変質及び、酸性排
水の問題はなおも存在している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、水溶
液又は、水を含有する有機溶媒中で再生可能なルイス酸
触媒を開発すること、および、該触媒を用いて酸、アル
カリ廃液の生成しない弱酸性〜中性条件でより効率的な
ルイス酸触媒による有機合成反応方法を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、鋭意検討を行ったところ、ルイス酸活性を示す金属
に対して、欠損型ヘテロポリアニオンを無機配位子とし
て用いることで、水の存在下においても安定にルイス酸
活性を保持することができることを見出した。すなわ
ち、本発明は、周期表の第３族及び第４族から選ばれる
少なくとも１種の金属（元素）によって置換されたヘテ
ロポリ酸アニオンからなる水溶性ルイス酸触媒を提供す
る。

【０００９】本発明の金属が置換されたヘテロポリ酸
は、分子自体が金属酸化物の縮合酸であるため、水また
は、水を含有する有機溶媒に対して極めて高い溶解性を
示す。また、ヘテロポリ酸アニオンの対カチオン部分を
様々な有機または無機カチオンに容易に変換できるた
め、溶媒に対する溶解性を意図的にコントロールするこ
とが可能である。更に、工業的に有利な触媒の特徴とし
ては、酸化条件、高温条件でも安定に使用できることが
挙げられる。

【００１０】触媒の回収についても、反応終了後抽出に
よって簡単に触媒と有機物を分離でき、水相に含まれる
触媒は再使用可能である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を更に詳述する。本
発明の水溶性ルイス酸触媒は、欠損部位を有する欠損型
のヘテロポリ酸アニオンと周期表第３族及び第４族の金
属化合物の少なくとも１種とを反応させて調製すること
ができる。この欠損部位を持つヘテロポリ酸骨格として
は、例えば、下記の一般式（１）で表される欠損型ヘキ
サメタレート型イオン、一般式（２）で表される欠損型
ケギン型ポリ酸イオン、一般式（３）で表される欠損型
ドーソン型ポリ酸イオン等が挙げられる。

【００１２】 欠損型ヘキサメタレート型イオン［Ｍ₅Ｏ₁₈］^n- （１） 欠損型ケギン型ポリ酸イオン［ＹＭ₁₁Ｏ₃₉］^n- （２） 欠損型ドーソン型ポリ酸イオン［Ｙ₂Ｍ₁₇Ｏ₆₁］^n- （３） ｛一般式（１）〜（３）において、Ｍはモリブデン又は
タングステンを表し、Ｙは珪素、リン、ゲルマニウム、
ヒ素、ホウ素、ガリウム又は亜鉛を表し、ｎは整数を表
す。｝ なお、上記式におけるｎは通常１〜２０の範囲である。

【００１３】本発明の水溶性ルイス酸触媒に用いられる
周期表第３族及び第４族の金属としては、ジルコニウ
ム、ハフニウム、希土類金属（例えば、スカンジウム、
イットリウムの他、ランタノイド金属として、ランタ
ン、セリウム、プラセオジム、ネオジウム、サマリウ
ム、ユロビウム、ガドリニウム、テルビウム、ジズプロ
シウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテル
ビウム、ルテチウム等）が好適に使用できる。中でも収
率の点で、希土類金属が好ましく、ウレタノイド系列の
金属がより好ましい。

【００１４】これらの金属で置換されたヘテロポリ酸ア
ニオン触媒の対カチオンとしては、プロトンを除き特に
制限はなく、Ｌｉ⁺、Ｎａ⁺、Ｋ⁺、Ｃｓ⁺、Ｒｂ⁺等のア
ルカリ金属イオン、Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺、Ｂａ²⁺、Ｂｅ²⁺、
Ｓｒ²⁺等のアルカリ土類金属イオン、テトラアルキルア
ンモニウムカチオン（ＮＲ⁴⁺）、t-ブチルアンモニウム
カチオン等の有機カチオン等を例示することができる。
中でも、系中を弱酸性〜中性に維持することができるた
め、アルカリ土類金属カチオン、有機カチオンが好まし
い。

【００１５】これらの触媒（金属が置換されたアニオン
全体）の使用量は反応基質に対して、通常０．００１モ
ル％から２００モル％であり、好ましくは、０．０１モ
ル％〜１００モル％である。０．００１モル％に満たな
い触媒量では反応速度は遅い傾向にある。また、温度、
圧力については特に制限はなく、実質的に液相を維持で
きる温度、圧力が選ばれる。好ましい温度は、２０℃〜
２００℃の範囲から選ばれる。

【００１６】使用触媒（アニオン）は、対カチオンと共
に塩として単離して用いることもできるが、反応系内で
生成させて用いることもできる。その場合は、置換金属
の塩と欠損型ヘテロポリアニオンを共存させて反応に用
いる。また、系内に生成した金属置換型ヘテロポリ酸触
媒とともに、欠損型ヘテロポリ酸化合物を過剰に共存さ
せることもできる。その共存添加量は、金属を置換した
ヘテロポリ酸化合物に対し、通常０．０１〜２倍当量、
好ましくは、０．１〜１．５倍当量である。更に過剰な
ヘテロポリ酸の共存は、金属とヘテロポリ酸が１対２の
錯体を生成してしまい、活性金属周辺を覆ってしまうの
で、触媒活性が低下する傾向がある。

【００１７】本発明の水溶性ルイス触媒は、いわゆるル
イス触媒を用いる公知の反応のいずれにも用いることが
でき、例えば、フリーデルクラフツ反応、エン反応、デ
ィールアルダー反応、向山アルドール合成反応等を挙げ
ることができる。

【００１８】また、反応はポリアニオンが加水分解しな
いｐＨ領域で実施される。通常、弱酸性（ｐＨ４〜ｐＨ
７．５）の領域から選ばれる。好ましくは、ｐＨ４．５
〜ｐＨ６の条件で実施される。アルカリ性（＞ｐＨ９）
の領域での反応では、ポリアニオンの構造が部分的に加
水分解され、活性が低下する。

【００１９】本発明の反応は、水性媒体中の液相で実施
されるが、水性媒体としては、水または、水を含有する
有機溶媒が用いられる。反応基質の溶解性を考慮する
と、水と有機溶媒の混合系が好ましく、水：有機溶媒＝
１：３〜３：１が好ましい。有機溶媒としては特に限定
されるものではないが、例としては、アセトニトリル、
ベンゾニトリル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラ
ン、トルエン、アセトン、ジエチルエーテル、エタノー
ル、メタノールが用いられる。アセトニトリルが好まし
い。また、反応基質を溶媒として反応を実施することも
できる。これらの溶媒を２種類以上混合して用いても差
し支えない。

【００２０】反応終了後、生成物を種々の方法で分離す
ることが可能である。例えば、金属置換ヘテロポリ酸触
媒を水溶液として反応混合物から分離し、回収して再使
用できる。すなわち、反応混合物から、有機溶媒を用い
て反応生成物を分離すると共に、金属置換ヘテロポリ酸
を含む、水溶液を回収し、この水溶液から水を除去して
金属置換ヘテロポリ酸を単離して回収、再利用する方法
である。また、一般的な蒸留操作によって、反応生成物
を未反応物質と分離すると共に、蒸留残留物から触媒を
分離する方法である。反応生成物は、通常、更に、カラ
ムクロマトグラフィー、蒸留、再結晶等で単離精製を行
う。一方、触媒についても、必要に応じて更に精製を行
い、本発明の触媒として再使用できる。

【００２１】反応基質の水溶媒系における溶解度を高
め、触媒との接触効率を高めるために、反応時に界面活
性剤を用いることもできる。使用する界面活性剤として
は、イオン性、非イオン性、もしくは、両極性のいずれ
でも使用できる。具体的には、ナトリウムドデシル硫酸
塩（ＳＤＳ）、ＴｒｉｔｏｎＸ−１００等が挙げられ
る。界面活性剤は、通常、反応基質に対して、０．０１
〜１００モル％使用され、０．１〜５０モル％が好まし
い。

【００２２】本発明の触媒を用いた有機合成反応方法に
おいて、本発明の触媒として、上記ヘテロポリ酸アニオ
ンに置換した金属に光学活性アミノ酸が付加した化合物
を用いることができ、これを用いてルイス酸触媒反応を
行うことにより、光学活性化合物を生成物として得るこ
ともできる。上記光学活性アミノ酸としては、特に限定
されず、例えば、Ｌ−プロリン−メチルエステル、Ｎ−
メチル−Ｌ−プロリン、（Ｓ）−（−）−２−ピロリド
ン−５−カルボン酸、Ｌ−プロリン等を挙げることがで
きる。

【００２３】

【実施例】以下に水溶液中でのルイス酸強度を測定する
ためにオキシドの開環水和反応を例示するが、本発明
は、下記の反応に限定させるものではない。

【００２４】（触媒の合成例）欠損型ヘテロポリ酸Ｋ₈
［α−ＳｉＷ₁₁Ｏ₃₉］・ｎＨ₂Ｏ、及びＫ₁₀［α₂−Ｐ₂
Ｗ₁₇Ｏ₆₁］・ｎＨ₂ＯはInorganic Synthesis vol.27、p8
9及びp107に記載の方法で合成される。

【００２５】＜希土類含有ヘテロポリ酸触媒の合成＞Ｃ
ｅ（IV）［（α₂−Ｐ₂Ｗ₁₇Ｏ₆₁）］^6-はＣｅ（IV）ＳＯ
₄と対応する欠損型ヘテロポリ酸Ｋ₁₀［（α₂−Ｐ₂Ｗ₁₇
Ｏ₆₁）］・ｎＨ₂Ｏを３対１の割合で熱水中で反応させ
た。反応後、ＫＣｌを添加して塩析して結晶を得た。得
られた結晶を濾別後、ＫＣｌ溶液中で再結晶化を行っ
た。得られた結晶は、¹⁸³Ｗ−ＮＭＲ、^{3 1}Ｐ−ＮＭＲ、
サイクリックボルタンメトリー、ＩＲで同定した。

【００２６】実施例１ １０ｍｏｌ／Ｌのプロピレンオキサイドの重水中で反応
を行った。触媒として、Ｃｅ（IV）［（α₂−Ｐ₂Ｗ₁₇Ｏ
₆₁）］^6-を基質に対して１０ｍｏｌ％用い、２２℃で８
時間反応を行った。反応水溶液のｐＨは４．５であっ
た。反応生成物は１Ｈ−ＮＭＲにてモニタリング、分析
を行った。その結果、１，２−プロパンジオールの収率
は２６．４％であった。

【００２７】実施例２ Ｃｅ（IV）［（α₂−Ｐ₂Ｗ₁₇Ｏ₆₁）］^6-の代わりに、Ｃ
ｅ（IV）［（α−ＳｉＷ₁₁Ｏ₃₉）］^4-を用いて実施例１
と同様の反応を行った。１，２−プロパンジオールの収
率は１６．０％であった。

【００２８】比較例１ 無触媒条件で実施例１と同様の反応を行った。ジオール
の収率は０．８％であった。

【００２９】比較例２ 実施例１の反応を触媒の非存在下、酢酸バッファー中
（ｐＨ＝４．５）で実施したところ、得られたジオール
の収率は１．０％であった。すなわち、実施例１で得ら
れた反応結果は、プロトンによって触媒されるのではな
く、ヘテロポリアニオンに含有したセリウム上で進行す
ることを示している。

【００３０】比較例３ 実施例１と同様の反応をランタントリフラート（Ｌａ
（ＯＴｆ）₃）を用いて実施したところ、ジオールの収
率は２．０％であった。

【００３１】実施例１、２及び比較例１〜３について、
反応成績を表１に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】このように、本発明のヘテロポリ酸アニオ
ン（複合金属酸化物アニオン）からなる触媒の触媒活性
は、従来知られている、水媒体中におけるランタントリ
フラートよりも格段に高い触媒活性を示す。

【００３４】

【発明の効果】本発明の水溶性ルイス酸触媒を用いるこ
とにより、水及び水含有有機溶媒を用いた系において、
従来知られている希土類トリフラート触媒よりも効率良
く、ルイス酸触媒反応を実施することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミッシェル・トール・ポップ アメリカ合衆国 ワシントン ディーシー 20057−1227、 ボックス 571227、ジ ョージタウン・ユニヴァーシティー、 デ パートメント・オヴ・ケミストリー (72)発明者 定金 正洋 北海道札幌市北区北11条10丁目 北海道大 学触媒化学研究センター 機能材料設計研 究室内 Ｆターム(参考） 4G069 AA06 AA08 BA26A BA26B BA44A BB07A BB07B BC08A BC17A BC23A BC27A BC35A BC38A BC43B BC49A BC59A BC60A BC60B BD03A BD05A BD05B BD07A BD07B BE41A BE41B CB25 DA02 FA01 FC08 4H006 AA02 AC21 BA04 BA09 BA11 BA14 BA30 BA53 BA67 BB31 BE60 BN10 FE11 FG26 4H039 CA60 CF90 CH60

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期表の第３及び第４族から選ばれる少
   なくとも１種の金属（元素）によって置換されたヘテロ
   ポリ酸アニオンからなる水溶性ルイス酸触媒。
2. 【請求項２】 下記一般式（１）〜（３）のいずれかで
   表される欠損部位を有するヘテロポリ酸アニオンと、周
   期表第３及び第４族から選ばれる少なくとも１種の金属
   化合物とを反応させることにより調製されることを特徴
   とする請求項１記載の水溶性ルイス酸触媒。 欠損型ヘキサメタレート型イオン［Ｍ₅Ｏ₁₈］^n- （１） 欠損型ケギン型ポリ酸イオン［ＹＭ₁₁Ｏ₃₉］^n- （２） 欠損型ドーソン型ポリ酸イオン［Ｙ₂Ｍ₁₇Ｏ₆₁］^n- （３） ｛一般式（１）〜（３）において、Ｍはモリブデン又は
   タングステンを表し、Ｙは珪素、リン、ゲルマニウム、
   ヒ素、ホウ素、ガリウム又は亜鉛を表し、ｎは整数を表
   す。｝
3. 【請求項３】 金属が、希土類金属である請求項１又は
   ２に記載の水溶性ルイス酸触媒。
4. 【請求項４】 ヘテロポリ酸アニオンと金属のモル比が
   １対１の錯体である請求項１〜３のいずれかに記載の水
   溶性ルイス酸触媒。
5. 【請求項５】 水溶液、または水を含有する有機溶媒中
   において、請求項１〜４のいずれかに記載の水溶性ルイ
   ス酸触媒をルイス酸触媒反応に用いる有機合成反応方
   法。
6. 【請求項６】 ヘテロポリ酸アニオンの対カチオンとし
   て有機カチオン又はアルカリ土類金属カチオンを用いる
   請求項５記載有機合成反応方法。
7. 【請求項７】 反応を界面活性剤の存在下で行う請求項
   ５又は６に記載の有機合成反応方法。