JP2012180338A

JP2012180338A - シクロプロピルアルキルケトンの製造方法

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Publication number: JP2012180338A
Application number: JP2011277694A
Authority: JP
Inventors: Jun Nakanishi; 潤中西
Original assignee: Daicel Corp
Current assignee: Daicel Corp
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2012-09-20

Abstract

【課題】α−アセチル−γ−ブチロラクトンの原料でもあるシクロプロピルアルキルケトンの製造方法を提供する。
【解決手段】カルボン酸エステルと、γ−ラクトンとを、塩基性を有する固体触媒を含有する触媒の存在下に気相接触触反応させて、下記式（３）で表されるシクロプロピルアルキルケトンを得ることを特徴とするシクロプロピルアルキルケトンの製造方法。

［式（３）中、Ｒ²は炭素数１〜４のアルキル基を示し、Ｒ³は水素原子、又は炭素数１〜４のアルキル基を示す。］
【選択図】なし

Description

本発明は、医薬品及び農業化学製品を製造するために重要な中間体である、シクロプロピルアルキルケトンを製造するための新規方法に関するものである。

従来、触媒を使用し、気相反応を行うことでシクロプロピルメチルケトン等のシクロプロピルアルキルケトンを合成する方法が報告されている。特許文献１において、アルミナやシリカにＬｉＩを担持した触媒の存在下かつ反応温度３３０℃で、原料にα−アセチル−γ−ブチロラクトンを使用することによる、シクロプロピルメチルケトンの製造方法が開示されている。しかしながら、この方法では、例えばアセト酢酸エチルとエチレンオキシドとの反応やγ−ブチロラクトンと酢酸エチルとの反応等により、α−アセチル−γ−ブチロラクトンを別工程で合成する必要があり、工程が煩雑である。

また、特許文献２において、アルミナにＣｅＯ₂を担持した触媒の存在下かつ４５０℃の反応温度で、原料に酢酸とシクロプロパンカルボン酸を使用することによる、シクロプロピルメチルケトンの製造方法が開示されている。しかしながら、この方法は反応に高温が必要となっている。

ＥＰ０６１０８１９Ｂ１特表２００３−５０８１９６号公報

本発明の目的は、α−アセチル−γ−ブチロラクトン等の原料でもある、カルボン酸エステルとγ−ラクトンから、直接シクロプロピルアルキルケトンを容易に合成することのできる、シクロプロピルアルキルケトンの製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、α−アセチル−γ−ブチロラクトン等の原料でもある、カルボン酸エステルとγ−ラクトンから、直接シクロプロピルアルキルケトンを容易に合成することのできるシクロプロピルアルキルケトンの製造方法において用いられる、シクロプロピルアルキルケトン製造用触媒を提供することにある。

上述のように、これまでのシクロプロピルアルキルケトンの製造方法では合成工程が多い、反応温度が高いといった問題点を有していた。本発明者らは、α−アセチル−γ−ブチロラクトン等の原料でもある、カルボン酸エステルとγ−ラクトンとを気相接触反応させることにより、直接シクロプロピルアルキルケトンを容易に合成可能であることを見いだした。

すなわち、本発明は、下記式（１）

［式（１）中、Ｒ¹及びＲ²は同一又は異なって、炭素数１〜４のアルキル基を示す］
で表されるカルボン酸エステルと、下記式（２）

［式（２）中、Ｒ³は、水素原子、又は炭素数１〜４のアルキル基を示す］
で表されるγ−ラクトンとを、気相接触反応させて、下記式（３）

［式（３）中、Ｒ²及びＲ³は上記と同じ］
で表されるシクロプロピルアルキルケトンを得ることを特徴とするシクロプロピルアルキルケトンの製造方法を提供する。

上記反応は、塩基性を有する固体触媒を含有する触媒の存在下に行うことが好ましい。さらに、塩基性を有する固体触媒は、塩基性金属化合物を担体に担持した形態であることが好ましい。

また、本発明は、上記シクロプロピルアルキルケトンの製造方法に用いるシクロプロピルアルキルケトン製造用触媒であって、塩基性を有する固体触媒を含有することを特徴とするシクロプロピルアルキルケトン製造用触媒を提供する。

本発明では、カルボン酸エステルとγ−ラクトンとを気相接触反応させることにより、少ない工程数で、且つより温和な条件で、直接γ−ラクトンからシクロプロピルアルキルケトンを合成することができる。

［シクロプロピルアルキルケトンの製造方法］
本発明のシクロプロピルアルキルケトンの製造方法は、下記式（１）

［式（３）中、Ｒ²及びＲ³は上記と同じ］
で表されるシクロプロピルアルキルケトンを得ることを特徴とする。

＜カルボン酸エステル＞
本発明のシクロプロピルアルキルケトンの製造方法で用いられるカルボン酸エステルは、下記式（１）

［式（１）中、Ｒ¹及びＲ²は同一又は異なって、炭素数１〜４のアルキル基を示す］
で表される。炭素数１〜４のアルキル基としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、ｉｓｏ−プロピル、ｎ−ブチル、ｔ−ブチル基などが挙げられる。Ｒ¹としてはエチル基が好ましく、Ｒ²としてはメチル基が好ましい。上記カルボン酸エステルとしては、具体的には、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ブタン酸メチル、ブタン酸エチルなどが挙げられる。

＜γ−ラクトン＞
本発明のシクロプロピルアルキルケトンの製造方法で用いられるγ−ラクトンは、下記式（２）

［式（２）中、Ｒ³は、水素原子、又は炭素数１〜４のアルキル基を示す］
で表される。炭素数１〜４のアルキル基としては、上記例示の基が挙げられる。Ｒ³がアルキル基の場合、Ｒ³で表される置換基の数は１個でも複数個であってもよく、結合位置はα、β、γの何れの位置であってもよい。

上記γ−ラクトンとしては、具体的には、γ−ブチロラクトン、α−メチル−γ−ブチロラクトン、β，β−ジメチル−γ−ブチロラクトン、α，β，β−トリメチル−γ−ブチロラクトン、γ，γ−ジメチル−γ−ブチロラクトン、α，γ，γ−トリメチル−γ−ブチロラクトン、β，β，γ，γ−テトラメチル−γ−ブチロラクトン、α，β，β，γ，γ−ペンタメチル−γ−ブチロラクトン、α−プロピル−γ−ブチロラクトン、β−メチル−γ−ブチロラクトンなどが挙げられる。なかでも、Ｒ³が水素原子であるγ−ブチロラクトンが好ましい。

本発明のシクロプロピルアルキルケトンの製造方法において、反応を、塩基性を有する固体触媒を含有する触媒の存在下に行うことが好ましい。

＜塩基性を有する固体触媒＞
塩基性を有する固体触媒としては、特に限定されるものではないが、例えば、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムなどの塩基性金属酸化物；または、塩基性金属化合物を担体に担持した形態であってもよい。塩基性金属化合物における金属としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタン等が挙げられる。アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムなどが例示できる。アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどが例示できる。

塩基性金属化合物を担持する担体としては、シリカ、アルミナ（特にγ−アルミナ）、アルカリ土類金属の酸化物などが利用できる。アルカリ土類金属の酸化物としては、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウムなどが例示できる。

塩基性金属化合物を担体に担持した形態における、担持する塩基性金属化合物（金属単体としての重量）と担体との割合（重量比）は、例えば、０．１／１００〜４００／１００、好ましくは１／１００〜２５０／１００、さらに好ましくは３／１００〜１５０／１００程度である。

塩基性金属を含む化合物の担体への担持は、慣用の方法により行うことができる。例えば、塩基性金属を含む化合物を水などの溶媒に溶解又は分散させた混合物を、担体とともに混合（混練）し、必要により溶媒を除去することにより担持してもよく、適宜、加熱処理により、塩基性金属化合物を担体に固定化させてもよい。単体への担持に使用する塩基性金属を含む化合物としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタン等の金属の硝酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩などが使用できる。

具体的には、ナトリウム化合物を担体に担持させる場合には、例えば、炭酸ナトリウムなどの塩を溶媒に溶解させた溶液と、担体（シリカ、アルミナなどの他、酸化マグネシウム、酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属酸化物を含む）とを混合し、加熱処理することで、ナトリウム化合物を担持することができる。

また、塩基性を有する固体触媒としては、所謂「共沈法」で製造した触媒を用いる事もできる。ＭｇおよびＳｉを主成分とする触媒を例に取れば、珪酸ナトリウム水溶液と硝酸マグネシウム水溶液とを混合し、必要に応じてアンモニアないしは硝酸等を加えて混合液のｐＨを調整することで、ＭｇおよびＳｉの両者を水酸化物として沈殿させた後、濾過・水洗・乾燥の後、５００℃程度の温度で焼成することでＭｇおよびＳｉを成分とする混合酸化物触媒を得る事が出来る。

塩基性を有する固体触媒としては、具体的には、例えば、リチウム担持酸化マグネシウム触媒、リチウム担持酸化カルシウム触媒、リチウム担持γ−アルミナ触媒、リチウム担持シリカ触媒、ナトリウム担持酸化マグネシウム触媒、ナトリウム担持酸化カルシウム触媒、ナトリウム担持酸化バリウム触媒、ナトリウム担持酸化ストロンチウム触媒、ナトリウム担持γ−アルミナ触媒、ナトリウム担持シリカ触媒、カリウム担持酸化マグネシウム触媒、カリウム担持酸化カルシウム触媒、カリウム担持酸化バリウム触媒、カリウム担持酸化ストロンチウム触媒、カリウム担持γ−アルミナ触媒、カリウム担持シリカ触媒、カルシウム担持γ−アルミナ触媒、カルシウム担持シリカ触媒、マグネシウム担持γ−アルミナ触媒、ストロンチウム担持γ−アルミナ触媒、ストロンチウム担持シリカ触媒、バリウム担持γ−アルミナ触媒、バリウム担持シリカ触媒などが挙げられる。

塩基性を有する固体触媒としては、塩基性金属化合物を担体に添加（担持）した形態であることが好ましく、シリカ、アルミナ、アルカリ土類金属の酸化物などの担体にアルカリ金属、アルカリ土類金属、ランタン等の塩基性金属化合物を担持した形態であることがより好ましく、アルカリ金属化合物を担持した形態であることがさらに好ましい。アルカリ金属としてはナトリウム、カリウムが好ましい。また、上記担体としては、アルミナ、又は酸化マグネシウムを用いるのが好ましく、塩基性を有する固体触媒としては、アルカリ金属担持アルミナ触媒、及びアルカリ金属担持アルカリ土類金属酸化物（特にアルカリ金属担持酸化マグネシウム触媒）が好ましい。

［シクロプロピルアルキルケトン製造用触媒］
本発明のシクロプロピルアルキルケトン製造用触媒は、上記シクロプロピルアルキルケトンの製造方法に用いるシクロプロピルアルキルケトン製造用触媒であって、塩基性を有する固体触媒を含有することを特徴とする。塩基性を有する固体触媒は上記の通りである。本発明のシクロプロピルアルキルケトン製造用触媒において、塩基性を有する固体触媒の含有量は、５０〜１００重量％とすることができ、好ましくは８０〜１００重量％である。

＜反応＞
カルボン酸エステルとγ−ラクトンは気化させて原料ガスとする。原料ガス中のカルボン酸エステルとγ−ラクトンのモル比は、例えば、３０／１〜１／３０、好ましくは２０／１〜１／２０、さらに好ましくは１０／１〜１／１０程度である。さらに、原料ガスは、窒素、ヘリウム等の不活性ガスで希釈されていてもよい。

気相反応の反応温度は、例えば、１７０〜６００℃、好ましくは２００〜５００℃、さらに好ましくは２５０〜４００℃程度である。反応は、常圧（例えば０．９〜１．１×１０⁵Ｐａ）、加圧、減圧のいずれの状態で行ってもよい。

原料の液空間速度（ＬＨＳＶ）は、例えば、０．０５〜２０／ｈｒ、好ましくは０．１〜１５／ｈｒ、さらに好ましくは０．１５〜８／ｈｒ程度であってもよい。

本発明のシクロプロピルアルキルケトンの製造方法では、上記式（１）で表されるカルボン酸エステルと、上記式（２）で表されるγ−ラクトンとを気相接触反応させることにより、下記式（３）

［式（３）中、Ｒ²及びＲ³は上記と同じ］
で表されるシクロプロピルアルキルケトンが得られる。Ｒ³がアルキル基の場合、上記式（３）におけるＲ³で表される置換基の数は、対応する上記式（２）で表されるγ−ラクトンにおけるＲ³で表される置換基の数以下である。

本発明のシクロプロピルアルキルケトンの製造方法では、原料のカルボン酸エステルとγ−ラクトンに対応するシクロプロピルアルキルケトンが得られ、具体的には、例えば、酢酸エチルとγ−ブチロラクトンからシクロプロピルメチルケトン、プロピオン酸エチルとγ−ブチロラクトンからシクロプロピルエチルケトンが得られる。

本発明において、例えば、酢酸エチル（ＡＥ）とγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）からシクロプロピルメチルケトン（ＣＰＭＫ）を製造する反応は、あくまで推定であるが、下記式で表される反応機構に従って進行すると考えられる。酢酸エチル（ＡＥ）とγ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）を気相接触反応させることにより、１段階でα−アセチル−γ−ブチロラクトン（ＡＢＬ）を経由してシクロプロピルメチルケトン（ＣＰＭＫ）が生成する反応機構、又は、３−アセチル−１−プロパノールを経由してシクロプロピルメチルケトン（ＣＰＭＫ）が生成する反応機構などが考えられる。これらの反応機構は推定であり、他の反応機構に従っていてもよい。

反応終了後、反応生成物は、例えば、濾過、濃縮、蒸留、抽出、晶析、再結晶、カラムクロマトグラフィーなどの分離手段や、これらを組み合わせた分離手段により分離精製できる。

本発明のシクロプロピルアルキルケトンの製造方法によれば、カルボン酸エステルとγ−カルボラクトンとを、気相接触反応させることにより、より少ない工程、かつより温和な条件で、直接γ−ラクトンから容易にシクロプロピルアルキルケトンが得られる。

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。

（実施例１）
炭酸ナトリウム４．５gと脱イオン水２０ｍＬとを混合した水溶液を酸化マグネシウム（Ｗａｋｏ社製）１０．０gに添加し、室温で攪拌した。その後、１１０℃で３時間乾燥、６００℃で３時間焼成して、４．０〜６．５ｍｅｓｈに成型し、１６．７重量％ナトリウム添加酸化マグネシウム触媒（以後Ｎａ−ＭｇＯと呼ぶことがある）を調製した。
調製されたＮａ−ＭｇＯ触媒８ｍＬ（６．００ｇ）を、ステンレス製反応管（内径１０．７ｍｍ、長さ９５ｍｍ）に充填して、反応管内の空気を窒素ガスで置換し、次いで反応温度である４００℃まで昇温した。昇温後、γ−ラクトンと酢酸エチルとの混合液（モル比１：４）をＬＨＳＶ＝０．７／ｈｒの供給速度で仕込み、常圧で反応を行った。得られた反応粗液をガスクロマトグラフで分析した結果、原料γ−ラクトンの転化率は８８．２％、消費γ−ラクトン基準のシクロプロピルメチルケトンの選択率は３０．０％であった。

（実施例２）
炭酸カリウム０．９ｇと脱イオン水５．５ｍＬとを混合した水溶液をγ−アルミナ（日揮触媒化成社製；比表面積１４４．７ｍ²／ｇ，粒径３．１ｍｍ円柱状）１０．０ｇに添加し、室温で攪拌した。その後、１１０℃で３時間乾燥、６００℃で３時間焼成して、５重量％カリウム添加γ−アルミナ触媒（以後Ｋ−γ−Ａｌ₂Ｏ₃と呼ぶことがある）を調製した。
調製されたＫ−γ−Ａｌ₂Ｏ₃触媒８ｍＬ（６．３９ｇ）を、ステンレス製反応管（内径１０．７ｍｍ、長さ９７ｍｍ）に充填して、反応管内の空気を窒素ガスで置換し、次いで反応温度である４００℃まで昇温した。昇温後、γ−ラクトンと酢酸エチルとの混合液（モル比１：４）をＬＨＳＶ＝０．７／ｈｒの供給速度で仕込み、常圧で反応を行った。得られた反応粗液をガスクロマトグラフで分析した結果、原料γ−ラクトンの転化率は８３．３％、消費γ−ラクトン基準のシクロプロピルメチルケトンの選択率は２４．２％であった。

（実施例３）
炭酸カリウム１．０ｇと脱イオン水２０ｍＬとを混合した水溶液を酸化マグネシウム（Ｗａｋｏ社製）１０．０ｇに添加し、室温で攪拌した。その後、１１０℃で３時間乾燥、６００℃で３時間焼成して、４．０〜６．５ｍｅｓｈに成型し、５重量％カリウム添加酸化マグネシウム触媒（以後Ｋ−ＭｇＯと呼ぶことがある）を調製した。
調製されたＫ−ＭｇＯ触媒８ｍＬ（４．２３ｇ）を、ステンレス製反応管（内径１０．７ｍｍ、長さ９５ｍｍ）に充填して、反応管内の空気を窒素ガスで置換し、次いで反応温度である３５０℃まで昇温した。昇温後、γ−ラクトンと酢酸エチルとの混合液（モル比１：４）をＬＨＳＶ＝０．７／ｈｒの供給速度で仕込み、常圧で反応を行った。得られた反応粗液をガスクロマトグラフで分析した結果、原料γ−ラクトンの転化率は８６．０％、消費γ−ラクトン基準のシクロプロピルメチルケトンの選択率は３１．５％であった。

Claims

下記式（１）

［式（１）中、Ｒ¹及びＲ²は同一又は異なって、炭素数１〜４のアルキル基を示す］
で表されるカルボン酸エステルと、下記式（２）

［式（２）中、Ｒ³は、水素原子、又は炭素数１〜４のアルキル基を示す］
で表されるγ−ラクトンとを、気相接触反応させて、下記式（３）

［式（３）中、Ｒ²及びＲ³は上記と同じ］
で表されるシクロプロピルアルキルケトンを得ることを特徴とするシクロプロピルアルキルケトンの製造方法。
前記反応を、塩基性を有する固体触媒を含有する触媒の存在下に行う請求項１記載のシクロプロピルアルキルケトンの製造方法。
前記塩基性を有する固体触媒が、塩基性金属化合物を担体に担持した形態である、請求項１又は２記載のシクロプロピルアルキルケトンの製造方法。
請求項１〜３の何れかに記載のシクロプロピルアルキルケトンの製造方法に用いるシクロプロピルアルキルケトン製造用触媒であって、塩基性を有する固体触媒を含有することを特徴とするシクロプロピルアルキルケトン製造用触媒。