JP2004285001A - 含酸素化合物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安全面、設備面の負担が少なく、工業的にも実施が容易な、オゾン酸化による含酸素化合物の製造方法を提供すること。
【解決手段】マイクロリアクター中で、少なくとも一つの不飽和結合を有する有機化合物を含む溶液とオゾンを接触させることを特徴とする含酸素化合物の製造方法。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、含酸素化合物の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オゾンは、極めて反応性の高い酸化剤であり、例えば炭素−炭素二重結合等の不飽和結合を有する有機化合物と反応させて、該不飽和結合部位を酸化し、含酸素化合物を製造する方法が知られている（例えば非特許文献１参照。）。しかしながら、オゾンを用いる酸化反応は、爆発の危険性が大きいオゾニドが生成する反応であるため、極低温で反応を実施しなければならず、大がかりな冷却設備が必要である等工業的なプロセスとしては、安全面、設備面の負担が極めて大きいものであった。
【０００３】
【非特許文献１】
日本化学会編，実験化学講座，第四版，第２３巻，４５７頁，丸善株式会社
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況のもと、本発明者は、安全面、設備面の負担が少なく、工業的にも実施が容易な、オゾン酸化による含酸素化合物の製造方法について鋭意検討したところ、マイクロリアクター中で、少なくとも一つの不飽和結合を有する有機化合物を含む溶液とオゾンを接触させることにより、含酸素化合物を、より安全に、しかも温和な条件下で製造することができることを見出し、本発明に至った。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、マイクロリアクター中で、少なくとも一つの不飽和結合を有する有機化合物を含む溶液とオゾンを接触させることを特徴とする含酸素化合物の製造方法を提供するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
マイクロリアクターとしては、微細加工技術により作成された１つ以上の流路を有し、該流路中に原料化合物とオゾン等の気体を供給し、反応させるよう設計された装置が挙げられ、市販のものを用いてもよいし、別途製作したものを用いてもよい。流路幅は、特に限定されないが、通常１０〜２０００μｍであり、また流路数も特に制限されず、それぞれ生産量等を考慮して決定すればよい。また、該流路を構成する部材の材質としては、オゾンに対して不活性なものであれば特に限定されないが、ステンレス鋼、ガラス、フッ素樹脂が好適である。
【０００７】
かかるマイクロリアクターとしては、例えばマイクロバルブカラム、フラットプレート（ｆｌａｔ ｐｌａｔｅ）マイクロリアクター、フォーリング−フィルム（ｆａｌｌｉｎｇ−ｆｉｌｍ）マイクロリアクター（Ｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒｓ−Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｍｏｄｅｒｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ−，ＷＩＬＥＹ−ＶＣＨ社，２０００年発行，２２９−２５６頁）、円筒流式（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｆｌｏｗ）マイクロリアクター（Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．，１９９９，８８３頁）等が挙げられ、フォーリング−フィルム（ｆａｌｌｉｎｇ−ｆｉｌｍ）マイクロリアクターが好ましい。
【０００８】
図１に、フォーリング−フィルム（ｆａｌｌｉｎｇ−ｆｉｌｍ）マイクロリアクターの流路部分の断面図を示したが、フォーリング−フィルム（ｆａｌｌｉｎｇ−ｆｉｌｍ）マイクロリアクターは、１つ以上の流路３が形成された反応プレート２と該反応プレート２上にオゾン等の気体が供給可能な気相部４を有しており、本発明のオゾンを用いる酸化反応等の気液反応に好適なマイクロリアクターである。
【０００９】
反応温度の制御のため、マイクロリアクターには、熱交換器が備えてあることが好ましい。フォーリング−フィルム（ｆａｌｌｉｎｇ−ｆｉｌｍ）マイクロリアクターを用いる場合、より効率よく反応温度の制御ができるよう、図１に示すように、流路が形成された反応プレート２を該熱交換器５上に設けることが好ましい。
【００１０】
マイクロリアクターは、流路が外部から目視可能なようにその一部または全部が透明部材で覆われていることが好ましい。また、反応の進行等を確認するため、反応液の採取のための試料採取管を設けておいてもよく、オゾンを用いる酸化反応等の反応生成物が不安定な化合物である場合には、反応液を手早く採取するため、流路の末端近傍に試料採取管を設けることが好ましい。
【００１１】
フォーリング−フィルム（ｆａｌｌｉｎｇ−ｆｉｌｍ）マイクロリアクターを用いる場合、反応プレートが水平になるよう用いてもよいし、反応プレートが鉛直方向になるよう用いてもよい。また、反応プレートが斜めになるよう用いてもよい。
【００１２】
少なくとも一つの不飽和結合を有する有機化合物（以下、有機化合物と略記する。）としては、その分子内に、炭素−炭素二重結合等の不飽和結合を一つ以上有するものであればよく、前記不飽和結合の他に、オゾンに対して不活性な官能基を有していてもよい。かかる有機化合物としては、例えば１−ヘキセン、１−ヘプテン、２−ヘプテン、１−オクテン、２−オクテン、イソオクテン、シクロヘキセン、シクロオクテン、１，５−シクロオクタジエン、カレン、リモネン、ピネン等の炭素数５〜２０の不飽和脂肪族炭化水素、例えばテルピネオール、ゲラニオール等の炭素数５〜２０の不飽和アルコール、例えば菊酸、シトロネル酸、リノール酸、リノレン酸、マレイン酸等の不飽和脂肪族カルボン酸およびそれらのエステル誘導体等が挙げられる。
【００１３】
かかる有機化合物は、溶媒に溶解させて溶液として、マイクロリアクター中に供給される。かかる溶媒としては、有機化合物を溶解可能で、反応に不活性なものであれば特に限定されず、例えばメタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒、例えばトルエン、キシレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の芳香族炭化水素系溶媒、例えばｎ−ヘキサン、シクロヘキサン、ｎ−ヘプタン、石油エーテル等の飽和脂肪族炭化水素系溶媒、例えばジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン、クロロホルム、四塩化炭素、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素系溶媒、水等の単独または混合溶媒が挙げられる。
【００１４】
本反応は反応熱がかなり発生する反応であるが、マイクロリアクターを用いることにより、例えば−２０℃以上のより温和な温度条件で、安全、且つ、効率的に反応を実施することができる。
【００１５】
本反応は、通常マイクロリアクター中に、有機化合物を含む溶液とオゾンを供給し、その両者を接触させることにより実施される。有機化合物を含む溶液は、通常送液ポンプ等の送液手段で連続的にマイクロリアクター中に供給され、オゾンは、通常オゾン発生装置により発生させたオゾン含有ガスを、流量、オゾン濃度等を調節しながら、マイクロリアクターに供給される。例えば窒素等の反応に不活性な気体を前記オゾン含有ガスと混合して供給してもよい。
【００１６】
送液手段としては、例えばチューブポンプ、ダイアフラムポンプ、マグネットポンプ、プランジャーポンプ、シリンジポンプ等が挙げられる。
【００１７】
有機化合物を含む溶液の流れ方向とオゾンの流れ方向は、同一であってもよいし、逆方向であってもよいが、同一方向であることが好ましい。
【００１８】
マイクロリアクター中の有機化合物の滞留時間は、通常０．０１〜１０００秒の範囲である。
【００１９】
有機化合物を含む溶液は、そのままマイクロリアクター中に供給してもよいが、反応温度の制御をより容易にするという点から、マイクロリアクターに供給する前に、加熱または冷却し、反応温度近傍に調整することが好ましい。
【００２０】
オゾンの使用量は、有機化合物中の不飽和結合に対して、通常０．５〜５モル倍であり、好ましくは１〜５モル倍である。
【００２１】
不飽和結合を有する有機化合物とオゾンを、マイクロリアクター中で反応させた後、通常得られる反応液を分解処理することにより、含酸素化合物が取り出される。分解処理としては、公知の還元的もしくは酸化的分解処理が挙げられる（例えば日本化学会編，実験化学講座，第４版，第２３巻，４５７頁，丸善株式会社発行等）。かかる分解処理は、マイクロリアクター中で行ってもよいし、反応液をマイクロリアクターから取り出して行ってもよい。
【００２２】
還元的分解処理としては、例えば反応液と還元剤を接触させることにより実施される。還元剤としては、例えばジメチルスルフィド、ジエチルスルフィド、ジフェニルスルフィド、β−チオジグリコール等のスルフィド化合物、例えばトリフェニルホスフィン、トリｏ−トリルホスフィン、トリｎ−ブチルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン等のホスフィン化合物、例えば亜硫酸アトリウム、亜硫酸カリウム等のアルカリ金属亜硫酸塩、例えばヨウ化ナトリウム、ヨウ化カリウム等のアルカリ金属ヨウ化物、チオ尿素、グリオキシル酸等が挙げられ、含酸素化合物として、アルデヒドまたはケトンが得られる。また、反応液を、例えば亜鉛等の金属で還元処理してもよいし、例えばパラジウム炭素、酸化白金、ラネーニッケル等の金属触媒の存在下、水素と反応させてもよい。この場合も、アルデヒドやケトンが得られる。また、還元剤として、例えば水素化アルミニウムリチウム、水素化ホウ素ナトリウム等の金属水素化物も用いられ、この場合には、含酸素化合物として、アルコールが得られる。
【００２３】
酸化的分解処理は、通常反応液と酸化剤を接触させることにより実施され、酸化剤としては、例えばアルカリ性過酸化水素、ギ酸−過酸化水素、クロム酸−硫酸等が挙げられ、含酸素化合物として、カルボン酸、カルボン酸エステル、ケトンが得られる。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。なお、収率、転化率は、ガスクロマトグラフィー（以下、ＧＣと略記する。）分析の面積百分率値を元に算出した。
【００２５】
実施例１
図１に示した断面図のようなフォーリング−フィルム（ｆａｌｌｉｎｇ−ｆｉｌｍ）マイクロリアクターを、図２に示すように垂直に立て、予め０℃に調整しておいたトランス−３，３−ジメチル−２−（２−メチル−１−プロペニル）シクロプロパンカルボン酸メチルのメタノール溶液（含量：１０重量％）とオゾンガス（コフロック社製オゾン発生装置ＰＺ−１Ｂにより発生させた。オゾン濃度：６５ｇ／ｍ^３、酸素濃度：９０重量％以上、オゾナイザー電圧９０Ｖ）を、上方から下方へ供給しながら、反応温度０℃で反応を行った。反応プレート上には、幅約３００μｍの流路が６４本形成されており、該流路に、トランス−３，３−ジメチル−２−（２−メチル−１−プロペニル）シクロプロパンカルボン酸メチルのメタノール溶液を、該反応プレートの上部の気相部に、オゾンをそれぞれ供給した。トランス−３，３−ジメチル−２−（２−メチル−１−プロペニル）シクロプロパンカルボン酸メチルのメタノール溶液の供給速度は、０．３３ｍＬ／分、オゾンの供給速度は１２０ｍＬ／分とした。
【００２６】
供給開始から６時間経過後、マイクロリアクターの流路の末端近傍に設けた試料採取管から、反応液１ｍＬを採取し、トリフェニルホスフィン３０ｍｇおよびトルエン１０ｍＬと混合した後、ＧＣ分析したところ、３，３−ジメチル−２−ホルミルシクロプロパンカルボン酸メチルと３，３−ジメチル−２−（ジメトキシメチル）シクロプロパンカルボン酸メチルが得られた。結果を表１に示した。トランス−３，３−ジメチル−２−（２−メチル−１−プロペニル）シクロプロパンカルボン酸メチルの転化率：９７．５％
含酸素化合物のトータル収率：９５．６％（３，３−ジメチル−２−ホルミルシクロプロパンカルボン酸メチル：２．６％、３，３−ジメチル−２−（ジメトキシメチル）シクロプロパンカルボン酸メチル：９３．０％）
含酸素化合物の選択率：９８．２％
【００２７】
なお、供給開始後、反応が安定したところで、トランス−３，３−ジメチル−２−（２−メチル−１−プロペニル）シクロプロパンカルボン酸メチルのメタノール溶液１００ｇを反応させて得られた反応液を、トリフェニルホスフィン０．７１ｇとトルエン１．３ｇとからなる溶液に採取し、室温で３０分攪拌、保持した。薄層クロマトグラフィにより、トリフェニルホスフィンが残存していること、すなわち前記反応液中の残存オゾンが分解されたことを確認した後、操作圧９０Ｔｏｒｒ（１２ｋＰａ相当）、内温６０℃で濃縮処理した。留出液が出なくなったことを確認した後、濃縮残渣にトルエン３７ｇを加え、前記濃縮条件と同条件で再度濃縮処理した。濃縮残渣に、１重量％硫酸６０ｇおよびトルエン２１ｇを加え、攪拌、静置後、分液処理し、有機層を得た。水層を、トルエン１０ｇで２回抽出処理し、トルエン層を先に得た有機層に混合した。混合後の有機層を１重量％硫酸４５ｇ、次いで５重量％重曹水３０ｇ、次いで水３０ｇで洗浄処理した後、操作圧７０Ｔｏｒｒ（９．３ｋＰａ相当）、内温７０℃で濃縮処理し、３，３−ジメチル−２−ホルミルシクロプロパンカルボン酸メチルを含むトルエン溶液１４．７ｇを得た。３，３−ジメチル−２−ホルミルシクロプロパンカルボン酸メチルの含量は、５３．５重量％であり、単離収率は、９２．８％であった。
【００２８】
実施例２
前記実施例１において、幅約６００μｍの流路が３２本形成された反応プレートを用い、オゾン濃度を７３ｇ／ｍ^３とした以外は実施例１と同様に実施した。結果を表１に示した。
【００２９】
比較例１
前記実施例１において、マイクロリアクターを用いず、回分式で反応を実施した以外は実施例１と同様に実施した。結果を表１に示した。
【００３０】
比較例２
前記実施例２において、マイクロリアクターを用いず、回分式で反応を実施した以外は実施例２と同様に実施した。結果を表１に示した。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、マイクロリアクターを用いることにより、−２０℃以上のより温和な条件において、安全に不飽和結合のオゾン酸化が実施可能となる。さらに、回分式反応と異なり、反応温度の上昇に伴い、収率や選択率の向上が見られており、より温和な条件下で、効率的にオゾンを用いる酸化反応を実施することができる。しかも、マイクロリアクターの数を増やす（ナンバリングアップ）だけで、容易に大量合成が可能であり、工業的に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】フォーリング−フィルム（ｆａｌｌｉｎｇ−ｆｉｌｍ）マイクロリアクターの流路部分の断面図である。
【図２】実施例１および実施例２で垂直に立てて用いたフォーリング−フィルム（ｆａｌｌｉｎｇ−ｆｉｌｍ）マイクロリアクターの概略図である。
【符号の説明】
１・・・マイクロリアクター、２・・・反応プレート、３・・・流路、
４・・・気相部、５・・・熱交換器、６・・・加熱または冷却媒体流路、
７・・・試料採取管、８・・・温度調整管、
９・・・少なくとも一つの不飽和結合を有する有機化合物を含む溶液導入口、
１０・・・オゾンガス導入口、１１・・・オゾンガス出口、１２・・・試料出口

Claims (9)

1. マイクロリアクター中で、少なくとも一つの不飽和結合を有する有機化合物を含む溶液とオゾンを接触させることを特徴とする含酸素化合物の製造方法。
2. 少なくとも一つの不飽和結合を有する有機化合物を含む溶液が流れる１つ以上の流路が形成された反応プレートと、該反応プレート上にオゾンが流れる気相部を有するマイクロリアクターを用いる請求項１に記載の含酸素化合物の製造方法。
3. 少なくとも一つの不飽和結合を有する有機化合物を含む溶液の温度を、マイクロリアクター中へ供給する前に、反応温度近傍に調整する請求項１に記載の含酸素化合物の製造方法。
4. マイクロリアクターの流路幅が、１０〜２０００μｍである請求項１に記載の含酸素化合物の製造方法。
5. 少なくとも一つの不飽和結合を有する有機化合物のマイクロリアクター中の滞留時間が、０．０１〜１０００秒である請求項１に記載の含酸素化合物の製造方法。
6. マイクロリアクターが、さらに熱交換器を有し、該熱交換器上に反応プレートが接触している請求項２に記載の含酸素化合物の製造方法。
7. マイクロリアクターが、反応プレートの少なくとも一部が外部から目視可能となっている請求項２に記載の含酸素化合物の製造方法。
8. マイクロリアクターが、流路の末端近傍の反応液を採取可能な試料採取管を有する請求項１に記載の含酸素化合物の製造方法。
9. 反応液を連続的に還元処理する請求項１に記載の含酸素化合物の製造方法。

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