JP2005254115A - 疎水性高分子固定化ルイス酸触媒 - Google Patents

Abstract

【課題】 アルドール反応、マイケル反応等の有機合成反応における基質一般性が高く、水中での反応によって優れた反応性を実現することのできる、新しい高分子固定化ルイス酸触媒を提供する。
【解決手段】 芳香族重合体を主とする疎水性高分子の芳香族環にＳＯ₃基を介して金属ルイス酸基が制御された担持率で結合担持されていることを特徴とする疎水性高分子固定化ルイス酸触媒とする。
【選択図】 なし

Description

この出願の発明は、各種の有機合成反応に有用な、新しい疎水性高分子固定化ルイス酸触媒に関するものである。

触媒反応は、環境調和型の有機合成反応を実現する上で最も直接的かつ重要な因子である。これは、これまで化学量論量の反応剤を用いていた反応を触媒化することで、より優れた原子効率のプロセスを達成できるからである。Ｌｅｗｉｓ酸は、様々な触媒の中でも中核に位置づけられる。実際、有機合成においても最も重要な炭素−炭素結合形成反応を考えてみると、アルドール反応、Michael反応、Friede-Crafts反応、Diels-Alder反応など、多くはLewis酸によって促進される。もちろん、これらの反応は前章まで検討してきたBrensed酸によっても触媒することはできるが、Lewis酸触媒には以下のような利点がある。まず第一に、Lewis酸を用いることで、より穏やかな条件下での反応が実現できる。また、不斉配位子と組み合わせることで、現代の有機合成において鍵となる不斉Lewis酸触媒の開発が可能である。また、触媒の中心金属を変えることで、ユニークな反応あるいは選択性を具現できる。さらに、対イオンを代えることでもLewis酸性の尺度などを変化させることができる。いずれにしても、様々な方法で触媒の設計が可能であり、ある意味ではLewis 酸は不可能を可能にする触媒といっても過言ではない。

しかしながら、これまで一般に用いられてきた塩化アルミニウムや四塩化チタンなどの古典的なLewis酸は、反応基質に対して化学量論量以上必要であったり、水に対して極端に不安定で失活するなどの問題点があった。特に後者は深刻な問題であり、Lewis酸を用いる反応では、反応溶媒、反応基質や反応装置に至るまで徹底して水分を取り除き、系内に水が入らないように十分注意する必要があった。これらは、ある意味で有機合成化学上有用なLewis酸触媒の欠点であった。

そのような背景のもと、この出願の発明者らは、様々な検討を重ねることで、これまでに、水中で有効に機能する界面活性剤型Lewis 酸触媒を開発した。例えば、界面活性剤型スカンジウム触媒である硫酸ドデシルスカンジウム（Ｓｃ（Ｄｓ）₃）は向山アルドール反応をはじめ、水中での種々の炭素−炭素結合形成反応に有効であることが明らかにされた。特に水中での向山アルドール反応は、有機溶媒中での反応より効果的である。

だが、上記のように界面活性剤型触媒を用いた場合、反応の後処理や触媒の回収・再使用が困難であるといった改善すべき点があった。そこで発明者は、水中で有効に機能する高分子固定化ルイス酸触媒を開発した（特許文献１）。

この触媒は、具体的には、たとえば次式

のようにして調製されたものであって、触媒活性点の自由度を増やすためにスペーサーを有しているのが特徴である。この触媒は水中でのアリル化反応や向山アルドール反応などに有効であることが明らかにされていたが、向山アルドール反応では基質一般性が低いばかりか、高収率で目的物を得るには過剰のケイ素エノラートを用いる必要がある等の点でさらに改善が望まれていた。
特許第３３８９１７６号公報

そこで、この出願の発明は、上記のような背景から、発明者が開発した高分子固定化ルイス酸触媒をさらに改善発展させ、アルドール反応、マイケル反応等の有機合成反応における基質一般性が高く、水中での反応によって優れた反応性を実現することのできる、新しい高分子固定化ルイス酸触媒を提供することを課題としている。

この出願は、上記の課題を解決するものとして、以下の発明を提供する。
〔１〕芳香族重合体を主とする疎水性高分子の芳香族環にＳＯ₃基を介して金属ルイス酸基が制御された担持率で結合担持されていることを特徴とする疎水性高分子固定化ルイス酸触媒。
〔２〕ルイス酸基は、希土類金属塩であることを特徴とする請求項１の疎水性高分子固定化ルイス酸触媒。
〔３〕ルイス酸基は希土類金属トリフラートであることを特徴とする請求項２の疎水性高分子固定化ルイス酸触媒。
〔４〕希土類金属はスカンジウム（Ｓｃ）であり、その担持率は０．０１ｍｍｏｌ／ｇ〜０．６ｍｍｏｌ／ｇの範囲であることを特徴とする請求項３の疎水性高分子固定化ルイス酸触媒。
〔５〕次式

（式中のベンゼン環と黒丸は架橋ポリスチレンを示している）
で表わされるポリスチレン担持スカンジウムトリフラートであることを特徴とする疎水性高分子固定化ルイス酸触媒。
〔６〕いずれかの疎水性高分子固定化ルイス酸触媒の製造方法であって、芳香族付加重合体を主とする疎水性高分子とハロゲンスルホン酸との反応により主鎖芳香族環にスルホン酸基を制御された反応率で結合させ、結合されたスルホン酸基と金属ルイス酸化合物を反応させることを特徴とする疎水性高分子固定化ルイス酸触媒の製造方法。
〔７〕上記いずれかの高分子固定化ルイス酸触媒の存在下に、水溶媒中で、炭素−炭素結合形成の反応を行うことを特徴とする有機合成反応方法。
〔８〕向山アルドール反応、もしくは向山ミカエル反応を行うことを特徴とする上記の有機合成反応方法。

上記のとおりのこの出願の発明によれば、発明者が開発した高分子固定化ルイス酸出願をさらに改善発展させ、アルドール反応、マイケル反応等の有機合成反応における基質一般性が高く、水中での反応によって優れた反応性を実現することのできる触媒が提供される。この触媒は反応系から回収・再利用も極めて容易とされる。

そして、たとえば、炭素炭素系結合を形成する有機合成反応として
（１）アルドール反応などにおける、収率の大幅な向上が図られ、
（２）マイケル反応における、従来とは異なる位置選択的生成物の合成が可能となり、
（３）アルドール反応などで、従来は進行しなかった基質が使用可能となる。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明の疎水性高分子固定化ルイス酸触媒における疎水性高分子は、付加重合体、縮重合体等の各種のものであってよいが、ＳＯ₃基が結合する芳香族環を高分子の構成に有していることが必須である。この芳香族環は、いわゆるスペーサー分子部として高分子に対して後から導入されたのではないことが好ましい。このような疎水性高分子としては、製造、取扱いの容易性等の観点から、付加重合体が好適なものとして例示される。なかでも、芳香族付加重合体としての、スチレン、α−メチレン、ジビニルベンゼン、あるいはその１種以上のモノマーの混合による重合体、そしてそれらの架橋体が好適なものとして考慮される。いずれの場合でも、疎水性高分子は、水もしくは水性媒体中において溶解することのない固体物質である。

この出願の発明の疎水性高分子固定化ルイス酸触媒では、上記のように好ましくは高分子を構成する芳香族環に結合するＳＯ₃基を介して金属ルイス酸基が制御された担持率で結合担持されている。

ここで金属ルイス酸基とは、ルイス酸を構成する金属とアニオン基とにより構成されているものであって、この場合の金属とは、従来よりルイス酸を構成するものとして知られているものを含め、各種の多価金属であってよい。たとえば、Ａｌ、Ｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ａｇ希土類金属等の各種のものが例示される。なかでもこの出願の発明においては、希土類金属が好適なものとして、特に、スカンジウム（Ｓｃ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ランタン（Ｌａ）等のランタノイド金属が好適なものとして考慮される。

アニオン基についても従来と同様のものをはじめ各種であってよい。たとえばハロゲン原子、有機酸基等であり、有機酸基としては、たとえばトリフルオロメタンスルホンネート（ＯＴｆ）等のスルホン酸基やリン酸基等も含まれる。

なかでも、この出願の発明においては、ルイス酸基は希土類金属塩であって、さらには希土類金属トリフラート、特にスカンジウム（Ｓｃ）トリフラートが考慮される。

そして、この出願の発明の高分子固定化ルイス酸触媒において特徴的なことは、ルイス酸基が制御された担持率で結合担持されていることである。発明者らがすでに開発している従来の高分子固定化ルイス酸触媒の場合には、そのスペーサー分子部の存在等によって担持率を制御することが容易ではなかったが、この出願の発明の場合には、触媒の調製段階において制御可能とされる。このことによって、従来に比べ、はるかに小さな担持量であっても高い反応性を実現することができる。

もちろん、この担持率をどの程度にするかは、ルイス酸基の構成や、反応の種類、目的、条件等によっても相違するが、この相違に基づく割合があらかじめ設定できることが重要である。たとえば、好適な例を示すと、スカンジウムのルイス酸基の場合には、一般的には、その担持立を０．０１ｍｍｏｌ／ｇ〜０．６ｍｍｏｌ／ｇの範囲とすることが好適に考慮される。

このような特徴のあるこの出願の発明の触媒は、芳香族付加重合体を主とする疎水性高分子とハロゲンスルホン酸との反応により主鎖芳香族環にスルホン酸基を制御された反応率で結合させ、結合されたスルホン酸基と金属ルイス酸化合物を反応させることによって調製することができる。

得られた触媒は各種有機合成反応において水中での反応を可能とするルイス酸触媒として有用であるが、なかでも、前記のとおり、アルドール反応やミカエル反応等による炭素−炭素結合の形成において高い反応性を示すことができる。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって限定されることはない。

＜実施例１＞次の反応式

に沿って、疎水性のポリスチレン／ジビニルベンゼン（１％）架橋高分子を、ジクロロメタン中において０℃の温度でクロルスルホン酸と６時間反応させた。これによって得られた疎水性架橋ポリスチレンス担持スルホン酸（ＰＳ−ＳＯ₃Ｈ、０．３５ｍｍｏｌ／ｇ、５００ｍｇ、０．１８ｍｍｏｌ／ｇ）のＴＨＦ／Ｈ₂Ｏ（３／１、２０ｍｌ）の懸濁液に、ゆっくりと１Ｎ−ＮａＯＨ（０．９ｍｌ）を室温で加え、２４時間攪拌した。ジクロロメタンを蒸発させ、真空乾燥してＰＳ−ＳＯ₃ＨのＮａ塩を回収した。

次いでこのＮａ塩（２８３ｍｇ、０．０９９ｍｍｏｌ）のＴＨＦ（１５ｍｌ）の超濁液に室温下にＳｃ（ＯＴｆ）₃（２４８ｍｇ、０．５０ｍｍｏｌ）を添加し、７２時間攪拌した。

これによってＰＳ−ＳＯ₃Ｓｃ（ＯＴｆ）₂：ＰＳ−Ｓｃ触媒を得た。

Ｓｃの担持率は、ＩＣＰ分析の結果から０．１６ｍｍｏｌ／ｇと算出された。
＜実施例２＞
実施例１において調製した触媒をはじめとする各種のルイス酸触媒を用いて、水中で向山アルドール反応を３０℃の温度で行った。その結果を表１に示した。

Ｅｎｔｒｙ７、８に示されているように、極めて高い反応収率が得られることが確認された。

同様にして、別の反応基質を用いて反応を行った。その結果を表２に示した。

＜実施例３＞
実施例１で調製した触媒ＰＳ−Ｓｃを用いて、ケトンを用いた向山アルドール反応を行った。反応温度は３０℃である。その結果を次に示した。

水中でのケトンの向山アルドール反応の報告例はこれまでなく、非常に期待できる結果である。

＜実施例４＞
実施例１の触媒を用いて向山ミカエル反応（反応温度３０℃）を行った。その結果を次に示した。

向山アルドール反応と同様の条件下で中程度の収率で目的物を与えた。収率の改善余地は残しているものの、これまでの結果と比べると大きく期待することができる。

一方で、水中での向山Michael反応の検討から、非常に興味深い結果が得られた。すなわち、ベンザルアセトンを基質として検討したところ、１，２−付加体が選択的に生成し、１，４−付加体の生成は確認できなかった。この結果は、有機溶媒中でのスカンジウムトリフラートを用いる向山Michael 反応の報告を考えると、意外なものであった。そこで、これを確認するために報告に従いベンザルアセトンの向山Michael反応を検討したところ、報告通り１，４−付加体が選択的に生成した。つまり、ＰＳ−Ｓｃを用いる水中での反応では、これまでの有機溶媒中での反応とは全く逆の位置選択的反応が進行したと考えられる。

Claims (8)

1. 芳香族重合体を主とする疎水性高分子の芳香族環にＳＯ₃基を介して金属ルイス酸基が制御された担持率で結合担持されていることを特徴とする疎水性高分子固定化ルイス酸触媒。
2. ルイス酸基は、希土類金属塩であることを特徴とする請求項１の疎水性高分子固定化ルイス酸触媒。
3. ルイス酸基は希土類金属トリフラートであることを特徴とする請求項２の疎水性高分子固定化ルイス酸触媒。
4. 希土類金属はスカンジウム（Ｓｃ）であり、その担持率は０．０１ｍｍｏｌ／ｇ〜０．６ｍｍｏｌ／ｇの範囲であることを特徴とする請求項３の疎水性高分子固定化ルイス酸触媒。
5. 次式
   （式中のベンゼン環と黒丸は架橋ポリスチレンを示している）
   で表わされるポリスチレン担持スカンジウムトリフラートであることを特徴とする疎水性高分子固定化ルイス酸触媒。
6. 請求項１ないし５のいずれかの疎水性高分子固定化ルイス酸触媒の製造方法であって、芳香族付加重合体を主とする疎水性高分子とハロゲンスルホン酸との反応により主鎖芳香族環にスルホン酸基を制御された反応率で結合させ、結合されたスルホン酸基と金属ルイス酸化合物を反応させることを特徴とする疎水性高分子固定化ルイス酸触媒の製造方法。
7. 請求項１ないし５のいずれかの高分子固定化ルイス酸触媒の存在下に、水溶媒中で、炭素−炭素結合形成の反応を行うことを特徴とする有機合成反応方法。
8. 向山アルドール反応、もしくは向山ミカエル反応を行うことを特徴とする請求項７の有機合成反応方法。