JP2004511454A - 芳香族化合物の硝化方法 - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は芳香族化合物の硝化工程に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
芳香族化合物の硝化は多くの方法によって達成することができる。伝統的にはこの硝化は、芳香族化合物の濃硝酸・濃硫酸の混和物との反応[1]、[NO2][BF4]等のニトロニウム塩との反応[2]、および、NO2 [3]、N2O4 [4]、N2O5 [5]、NNO3等の窒素酸化物のランサナイド(III)三硫酸触媒[6]との反応、およびその他の方法[7]を伴う。(ここで、各[1]〜[4]は明細書の最後部の参照例を示す。以下、同じ。)
【0003】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの観点では、イオン性液体の存在下において芳香族化合物とニトロ化剤とが混和されている芳香族化合物の硝化方法を提供する。
【0004】
ニトロ化剤は酸および硝酸塩等の適切な化合物であれば何であってもよい。
【0005】
(中性等の)イオン性液体中における芳香族化合物の硝化方法は従来の硝化反応に比べて利点を有している。それらは、副生成物が水のみであること、イオン性液体が消費されないこと、およびニトロ化剤が比較的廉価であることである。
【0006】
例えば、フリーデル・クラフツ反応[9]、脂肪酸誘導体の異性化[10]、アルケンの二量化反応[11]、ディールス・アルダー反応[12]、および水素化反応[13]等の多くの反応において[8]、溶媒としての効果を高めるため常温のイオン性液体がこれまで使用されてきた。
【0007】
イオン性液体は正電荷を有するカチオンと負電荷を有するアニオンの二つの化合物から成る。一般に、塩であることの基準(アニオンおよびカチオンから成る)を満たし、反応温度またはその近傍で液体であるか、または反応のいずれの段階でも液体である化合物は、すべてイオン性液体であると定義することができる。
【0008】
本発明方法に用いられるカチオンは、1−ヘキシルピリジニウム等の1−アルキルピリジニウムカチオンであることが好適である。この工程に使われるその他のカチオンは、他のアンモニウム、アルキルもしくはポリアルキルアンモニウム、イミダゾリウム、アルキルもしくはポリアルキルイミダゾリウム、ホスホニウム、アルキルもしくはポリアルキルホスホニウム、アルキルオキソニウム、アルキルスルホニウム、アルキルもしくはポリアルキルピラゾリウムのカチオンである。
【0009】
本工程に用いられるアニオンは、窒素、リン、硼素、珪素、セレン、テルル等をベースとする硫黄含有アニオン、過塩素酸塩等のハロゲン、金属のオキソアニオン、およびトリフルオロ酢酸塩、酢酸塩等の有機アニオン、および砒素、アンチモン、ビスマスをベースとするアニオンが好適である。他の適切なアニオンには、トリフレート、トリフリミド(triflimide)、メチドがある。
【0010】
二つ以上のイオン性液体を使用してもよい。
適切な工程条件
温度:理想的には20〜80℃、しかし−40〜250℃でも可。
圧力:理想的には大気圧、しかし1mbar〜100barでも可。
時間:理想的には24〜48時間、1分〜1ヶ月でも可。
【0011】
[emim]Cl−AlCl3(X=0.67)(〔emim〕+=1−メチル−3−イミダゾリウムカチオン)等の常温のイオン性液体も硝酸塩[15]およびニトロニウム塩[16]との硝化反応等の、多くの反応[14]に用いられていることがわかっている。(ただし、[NO2][BF4]等のニトロニウム塩は高価で取り扱いが難しく、またクロロアルミネート(III)は湿度感受性が高く、最終的には硝化反応において破壊される。)
本発明は好適には、反応のための溶媒として、一つまたは二つ以上の(以下の化学式(化1:イオン性液体[C4mim][HSO4]および[C10mim][OTf]の構造)の式群に示すような)水溶性イオン性液体を使用している。
【0012】
【化1】
【0013】
またニトロ化剤としての硝酸の単独使用も、反応の副生成物が水のみであることから好適である(化学式(化2:芳香族化合物のHNO3による硝化)参照)。
【0014】
【化2】
【0015】
濃硝酸を使用した芳香族化合物の硝化反応は、2種類のイオン性液体中で成功したことが確認されている。そのイオン性液体は、イミダゾリウムカチオンと併用した、硫酸水素アニオン、およびトリフルオロメタンスルホン酸アニオンのイオン性液体である。ベンゼン、クロロベンゼン、トルエン、ビフェニルおよびアニソールの硝化の結果を表1に示す。
【0016】
【表1】
【0017】
ベンゼンの硝化は円滑に進行し、疎水性イオン性液体[C10mim][OTf]中に、ほぼ定量的収率のニトロベンゼンを生成する。ニトロベンゼンの硝化はベンゼンよりもはるかに遅いが、2−および4−ニトロクロロベンゼンを3.0:1.0のpara:orthoの異性体比率で高い収率で生成する。このイオン性液体がトルエンの硝化に有意な差をもたらすかどうかを決定するため、対照実験を実施した。この実験では、イオン性液体が存在しない状態でトルエンと硝酸とを110℃で一日間加熱した。これによって67%がモノニトロトルエンへと転換した。この68%HNO3による[C4mim][OTf]中のトルエンの硝化によって、モノニトロトルエンの3つの異性体を定量的収率で生成した。100%のHNO3で長時間加熱することによって定量的な脱硝が達成された。
【0018】
このイオン性液体を触媒として使用できるかどうかを決定するため10mol%の[C4mim][OTf]中で反応を実施した。これは科学量論的量の[C4mim][OTf]を用いた場合とほぼ同じ結果であった。このことは[C4mim][OTf]が硝化用の触媒であることを意味している。この硝化方法ではトリニトロトルエンがまったく検出されなかったことは興味深い。
【0019】
反応を[C10mim][OTf]中で行うことによって、疎水性イオン性液体の影響を調査した。[C4mim][OTf]中で行われた反応とほぼ同じ結果がみとめられた。
【0020】
反応を[C2mim][HSO4]で行った場合には、差がみとめられた。この2つの反応はほぼ同じ速度であったが、[C2mim][HSO4]中での反応のほうが[C4mim][OTf]中よりもpara:orthoの異性体比率が高かった。ビフェニルの硝化は18時間後において、94%の最大収率となった。反応時間がより長くなると、ジニトロビフェニル類が形成される。
【0021】
[C4mim][OTf]中のアニソールの68%硝酸との反応は、常温では、急速かつ発熱性であるため、反応槽の冷却が不可欠である。para:ortho比が2.0:1.0のニトロトルエンが99%の収率で得られた。
【0022】
硝化反応が達成できるイオン性液体の範囲は、アニオンの酸性形態が硝酸よりも強いか、少なくとも硝酸と同等である場合に限られている。イオン性液体アニオンのプロトン化よりも、自己イオン化(NHO3によるHNO3のプロトン化)を好む。プロトン化された硝酸[H2NO3]+は水を除去して硝化種[NO2]+を形成することができる。起こりうるメカニズムの説明を下記の化学式(化3:芳香族のイオン性液体中における硝化の提唱メカニズム)に示す。
【0023】
【化3】
【0024】
この反応による生成物は3つの異なる方法で分離することができる。減圧蒸留によって、生成物をイオン性液体から分離することができ、このためイオン性液体は乾燥し再利用が可能な状態となっている。しかしこの減圧蒸留は、高温となるため、硝化度の高い生成物をイオン性液体から分離する際には使用できない。シクロヘキサンまたはジエチルエーテルによる溶媒抽出は、大部分の有機生成物を反応によって分離するために使用することができる。しかし、とりわけ[C10mim][OTf]中では有機抽出相に浸出する傾向にある。3番目の、最も有効な方法は蒸気蒸留である。水を添加した後、120〜140℃、大気圧で蒸留することによって、イオン性液体から有機生成物を完全に分離することができる。生成物はその後、通常は相分離によって残留硝酸から分離することができる。
【0025】
結論として、濃(68%)硝酸によるイオン性液体中の硝化によって効率的にモノニトロ化生成物を生成する。100%硝酸を使うと、脱硝化された生成物が生成される。イオン性液体は、還流下で硝酸イオンと接触したにもかかわらず、すべてその後の硝化反応に再使用することができ破壊されることはなかった。生成物の分離は、減圧蒸留、溶媒抽出、あるいは最も顕著な例としては蒸気分留によって達成された。この反応から生じる唯一の廃生成物は希釈硝酸のみであり、これも濃縮、再利用が可能である。
【0026】
2000年11月21日出願、2001年6月6日公開のヨーロッパ特許出願EP−A−1104751では、イオン性液体中におけるナフタリンの硝化について記載している。したがって、ナフタリンは本明細書中で使用されている硝化に好適な芳香族化合物の定義には入らない。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、実施例について説明する。
実施例:
トルエン(0.91g、10mmol)、68%硝酸(30%mmol、2.8g)および[C4min][OTf](0.57g,2mmol)を(油槽にて110℃で)還流冷却器付の25mlの丸底フラスコ中で24時間加熱した。反応混和物を常温まで冷却し、ニトロトルエン/残留硝酸を140℃、1mbarで蒸留した。蒸留液の相分離によって、純ニトロトルエンを2−および4−異性体の混和物として生成する。イオン性液体は蒸留フラスコ内に残留し、その後の反応で再利用可能である。
【0028】
本発明は、芳香族化合物の硝化においてイオン性液体を使用することにも拡大することができる。また、本発明の工程によって調製される場合であれば、硝化された芳香族化合物にも拡大することができる。
【0029】
参照例:
[1]ジー・エイ・オラー、アール・マルホトラ、エス・シ・ナラング『硝化方法とメカニズム』ブイシーエイチ、ニューヨーク、1989(G. A. Olah, R. Malhotra and S. C. Narang ”Nitration, Methods and Mechanisms” VCH, New Your,)
[2]ジー・エイ・オラー、ケイ・ケイ・ラーリ、キュー・ワング、ジー・ケイ・エス・パラカシュ『Onium Ions』ウィリー、ニューヨーク、1998(G. A. Olar, K. K. Laali, Q. Wang, and G. K. S. Prakash, Onium Ions, Wiley, New York,)
[3]エイチ・サトウ、ケイ・ヒロセ『Applied Catalysis A』1998、174、77−81(H. Sato and K. Hirose, Applied Catalysis A,)
[4]アイランプーア、エヌ・エイチ・フィロウザバディ、アール・エイダリ『Sym.Commun.』1999、29、3295−3302(Iranpoor, N. H. Firouzabadi and R. Heydari, Syn. Commun.)
[5]ジェイ・エム・バッケ、アイ・エグボン、イーオブリーデ、ケイ・アビ『Acta Chem. Scand.,』1994、48、1001−1006(J. M. Bakke, I. Hegbom, E. Ovreeide, and K. Aaby, Acta Chem. Scand.,)
[6]エフ・ジェイ・ワラー、エイ・ジ・エム・バレット、ディ・シー・ブラドック、アール・エム;マッキネル、ディー・ランプラサド『J. chem. Soc.』パーキン・トランス、1、1999、867−871(F. J. Waller, A. G. M. Barrett, D. C. Braddock, R. M. McKinnell and D. Ramprasad, J. Chem, Soc., Perkin Trans.)
[7]ディー・ダブリュ・シェング、ディ・ケイ・ジョシ、エム・エイチ・ゴールド『生活科学と生物理学の公文書』1998、352、121−128(D. W. Sheng, D. K. Joshi and M. H. Gold, Archives of Biochemistry and Biophysics,)
[8]エム・ジェイ・アーレ、ケイ・アール・セドン 『Pure and App. Chem.』 2000, 広報(原文:M. J. Earle and K. R. Seddon, 『Pure and App. Chem.』 2000, in press.)
[9]シー・ジェイ・アダムス、エム・ジェイ・アール、ジー・ロバーツ、ケイ・アール・セドン 『Chem. Commun』 1998, 2097−2098 (原文:C. J. Adams, M. J. Earle, G. Roberts and K. R. Seddon. 『Chem. Commun』1998, 2097−2098.)
[10]シー・ジェイ・アダムス、エム・ジェイ・アール、ジェイ・ハミル、シー・ロック、ジー・ロバーツ、ケイ・アール・セドン 国際特許WO 9807679, 1998. (原文:C. J. Adams, M. J. Earle, J. Hamill, C. Lok, G. Roberts and K. R. Seddon. World Patent WO 98 07679, 1998.)
[11](a)ビー・エリス、ダブリュ・ケイム、ピー・ワッサーシェイド 『Chem. Commun. 』 1999, 337.(B. Ellis, W. Keim and P. Wasserscheid, 『Chem. Commun. 』 1999, 337.
(b) エス・アインロフト、エイチ・オリバー、ワイ・チョウビン 米国特許US5550306, 1996(原文:S. Einloft, H. Olivier and Y. Chauvin, US Patent US 5550306, 1996.)
[12]エム・ジェイ・アール、ピー・ビー・マッコルマック、ケーアール・セドン 『Green Chem.』 1999, 1 23−25.(原文:M. J. Earlre, P. B. McCormac and K. R. Seddon, 『Green Chem.』 1999, 1 23−25.)
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(b)シー・ジェイ・アダムス、エム・ジェイ・アール、ケイ・アー・・セドン 『Chem. Commun.』 1999, 1043−1044. (原文:C. J. Adams, M. J. Earle, K. R. Seddon, 『Chem. Commun.』 1999, 1043−1044.)
[14]ティー・ウェルトン 『Chem. Rev.』1999, 99, 2071−2083.(原文:T. Welton. 『Chem. Rev.』1999, 99, 2071−2083.)
[15]ジェイ・エイ・ブーン、エス・ダブリゥ・ランダージュニア、ジェイ・エイ・レビスキー、ジェイ・エル・プルグ、エル・エム・スクリジネキーコック、ジェイ・エス・ウィルケス『溶解塩における進歩』1986、6、979−990(J. A. Boon, S. W. Lander Jr., J. A. Levisky, J. L. Pflug, L. M. Skrzynecki−Cook, and J. S. Wilkes, Advances in Molten Salts, )
[16]ジー・エイ・オラー、エイ・オルリンコフ、エイ・ビー・オクシゾグロウ、ジー・ケイ・エス・プラカシュ『J. Org. Chem.』1995、60、7348−7350(G. A. Olar, A. Orlinkov, A. B. Oxyzoglou, G. K. S. Prakash, J. Org, Chem., )
[17]これは水中において1−デシル−3−メチルリミアゾリウムクロライド(1.05当量)との反応によって合成される。これは2塩化メタン中に溶解されている濃いイオン化相の組成物中において生じた。2塩化メタン抽出物はイオンが除去された水によって洗浄され、乾燥され(MgSO4)、ろ過され、回転蒸発機で濃縮された。
Claims (16)
- イオン性液体の存在下で芳香族化合物とニトロ化剤が混和されることを特徴とする芳香族化合物の硝化方法。
- 前記ニトロ化剤が、酸または硝酸塩であることを特徴とする請求項1に記載の芳香族化合物の硝化方法。
- 前記イオン性液体の前記カチオンが、1−アルキルピリジニウム、アルキルもしくはポリアルキルアンモニウム、イミダゾリウム、アルキルもしくはポリアルキルイミダゾリウム、ホスホニウム、アルキルもしくはポリアルキルホスホニウム、ルキルオキソニウム、アルキルスルホニウム、およびアルキルまたはポリアルキルピラゾリウムからなる群のうち、一つまたは二つ以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の芳香族化合物の硝化方法。
- 前記カチオンがヘキシルピリジニウムであることを特徴とする請求項3に記載の芳香族化合物の硝化方法。
- 前記イオン性液体の前記アニオンが、窒素、リン、硼素、珪素、セレン、テルル等をベースとする硫黄含有アニオン、過塩素酸塩等のハロゲン、金属のオキソアニオン、トリフルオロ酢酸塩、酢酸塩等の有機アニオン、および砒素、アンチモン、ビスマスをベースとするアニオン、トリフレート、トリフリミド、およびメチドからなる群のうち、一つまたは二つ以上であることを特徴とする前項のいずれか1項に記載の芳香族化合物の硝化方法。
- 二つ以上のイオン性液体またはイオン性液体の組み合わせが使用されていることを特徴とする前項のいずれか1項に記載の芳香族化合物の硝化方法。
- 水溶性イオン性液体が使用されている、前項のいずれかに記載の工程。
- 前記イオン性液体が、[C4mim][HSO4]および[C10mim][OTf]からなる郡のうち、一つまたは二つ以上であることを特徴とする前項のいずれか1項に記載の工程。
- 前記ニトロ化剤が硝酸であり、前記イオン性液体が硫酸水素塩もしくはトリフルオロメタンスルホン酸アニオンと、イミダゾリウムカチオンであることを特徴とする前項のいずれか1項に記載の芳香族化合物の硝化方法。
- モノニトロ化生成物または脱硝化生成物の選択的形成が行われていることを特徴とする前項のいずれか1項に記載の芳香族化合物の硝化方法。
- 前記反応生成物が、減圧蒸留、溶媒抽出、および蒸気蒸留からなる工程のうち、一つまたは二つ以上によって分離することが可能であることを特徴とする前項のいずれか1項に記載の芳香族化合物の硝化方法。
- 前記芳香族化合物が、ベンゼン、クロロベンゼン、トルエン、ビフェニルまたはアニソールであることを特徴とする前項のいずれか1項に記載の芳香族化合物の硝化方法。
- 請求項1〜12のいずれかに記載の芳香族化合物の硝化方法中におけるイオン性液体の使用。
- 請求項1〜12のいずれかに記載の芳香族化合物の硝化方法によって得られる硝化芳香族化合物。
- 芳香族開始化合物が、ベンゼン、クロロベンゼン、トルエン、ビフェニルまたはアニソールである、請求項14に記載の工程。
- 明細書中に記載の芳香族化合物の硝化方法および実施例を参照した芳香族化合物の硝化方法と実質的に同じである芳香族化合物の硝化方法。
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