JP2014172874A

JP2014172874A - ケトール化合物の製造方法

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Publication number: JP2014172874A
Application number: JP2013047687A
Authority: JP
Inventors: Kiyoomi Kaneda; 清臣金田; Hirokazu Matsuda; 洋和松田
Original assignee: Daicel Corp; Osaka University NUC
Current assignee: Daicel Corp; Osaka University NUC
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: JP6099133B2

Abstract

【課題】反応生成物から容易に分離して回収することができ、再利用することができる不均一系触媒を使用して、１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコールから、対応するケトール化合物を選択的且つ高収率に製造する方法を提供する。
【解決手段】本発明のケトール化合物の製造方法は、担体に担持した銅触媒の存在下で、１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコールを酸化して、対応するケトール化合物を製造することを特徴とする。前記１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコールとしてはグリセロールが好ましく、前記対応するケトール化合物としてはジヒドロキシアセトンが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、温和な条件下で１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコールを酸化して、対応するケトール化合物を選択的に製造するケトール化合物の製造方法に関する。

ジヒドロキシアセトンは化粧品や食品添加物として有用な化合物である。ジヒドロキシアセトンの製造方法としては、Gluconobacter属の細菌を使用して発酵法によりグリセロールから製造する方法が知られている。その他、高価なパラジウムを含む均一系触媒を使用してグリセロールを酸化する方法が知られている。これらの方法ではジヒドロキシアセトンを高収率で製造することはできるが、反応生成物と細菌や触媒を分離することが困難であり、細菌や触媒を回収して再利用することが困難であるため、製造コストが嵩むことが問題であった（非特許文献１、２）。

反応生成物と触媒との分離性を改善する方法としては、不均一系触媒を使用することが考えられる。非特許文献３〜５には、白金とビスマスを活性炭に担持して得られる触媒や、金若しくは金とパラジウムを活性炭に担持して得られる触媒等の不均一系触媒を使用してグリセロールを酸化することによりジヒドロキシアセトンを製造する方法が記載されている。しかし、ジヒドロキシアセトンの収率は４０％程度であった。すなわち、容易に回収することができ、再利用することができる不均一系触媒を使用して、選択的且つ高収率にジヒドロキシアセトンを製造する方法は未だ見いだされていないのが現状である。

J.Ferment. Bioeng. 1994, 78(5), p351-355 Angew. Chem. Int. Ed. 2010. 49, p9456-9459 Ind. Eng. Chem. Res. 2010, 49, p10876-10882 Appl. Catal., A 1993, 96(2), p217-228 Appl. Catal., B 2007, 70(1-4), p637-643

従って、本発明の目的は、反応生成物から容易に分離して回収することができ、再利用することができる不均一系触媒を使用して、１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコールから、対応するケトール化合物を選択的且つ高収率に製造する方法を提供することにある。

本発明者等は上記課題を解決するため鋭意検討した結果、担体に担持した銅触媒を使用すると、温和な条件下で１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコールを酸化して、対応するケトール化合物を選択的且つ高収率に製造することができること、反応後は濾過等の簡便な方法で触媒を回収し、再利用することができるため、コストの削減が可能であることを見いだした。本発明はこれらの知見に基づいて完成させたものである。

すなわち、本発明は、担体に担持した銅触媒の存在下で、１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコールを酸化して、対応するケトール化合物を製造するケトール化合物の製造方法を提供する。

本発明は、また、１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコールがグリセロールであり、対応するケトール化合物がジヒドロキシアセトンである前記のケトール化合物の製造方法を提供する。

本発明は、また、担体がベーマイト又はハイドロタルサイトである前記のケトール化合物の製造方法を提供する。

本発明は、銅触媒と共に、２，２，６，６−テトラメチルピペリジン−Ｎ−オキシル及び／又はベンゾキノンを使用する前記のケトール化合物の製造方法を提供する。

本発明は、また、水及び／又はニトリルの存在下で反応を行う前記のケトール化合物の製造方法を提供する。

尚、本明細書において、１級水酸基とは水酸基が結合している炭素原子に１個の炭素原子が結合しているものいう。また、２級水酸基とは水酸基が結合している炭素原子に２個の炭素原子が結合しているものをいう。

本発明のケトール化合物の製造方法は、担体に担持した銅触媒を使用するため、温和な条件下で１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコールを酸化して、対応するケトール化合物を選択的且つ高収率に製造することができる。例えば、バイオディーゼル燃料の製造過程ではグリセロールが大量に副生するが、そのグリセロールを原料として使用すると、化粧品や食品添加物として有用なジヒドロキシアセトンを選択的且つ高収率に製造することができる。また、反応後は、濾過等の簡便な操作により触媒と反応生成物を分離することができるため、反応生成物の精製が容易であり、且つ触媒の回収・再利用が容易である。そのため、大幅にコストを削減することが可能であり、ケトール化合物を安価に提供することが可能である。

［１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコール］
本発明の１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコール（以後「原料アルコール」と称する場合がある）は、例えば下記式（１）で表される。式（１）中、Ｒとしては、例えば炭素数３〜１０のｎ価の直鎖状又は分岐差状の飽和脂肪族炭化水素基を挙げることができる。また、ｎは、例えば２以上（好ましくは２〜３）の整数である。
Ｒ（ＯＨ）_n （１）

原料アルコールとしては、１，２−プロパンジオール、１，３−ブタンジオール等のジオール；グリセロール、１，２，４−ブタントリオール等のトリオールが好ましく、特に好ましくはグリセロールである。これらは１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて使用することができる。

［触媒］
本発明のケトール化合物の製造方法では、担体に担持した銅触媒を使用することを特徴とする。

担体としては、例えば、ベーマイト、ハイドロタルサイト、フルオロアパタイト、アルミナ、シリカ等を挙げることができる。本発明においては、なかでも、原料アルコールから、対応するケトール化合物を選択的且つ高収率に製造することができる点で、ベーマイト又はハイドロタルサイトが好ましく、特に好ましくはベーマイトである。

ベーマイトはアルミナ１水和物であり、ＡｌＯ（ＯＨ）又はＡｌ₂Ｏ₃・Ｈ₂Ｏで示される。ベーマイトは、例えば、アルミナ３水和物を空気中で加熱処理又は水熱処理することにより製造することができる。

ハイドロタルサイトは、例えば、下記式（２）で表される。
［Ｍ^II _1-XＭ^III _X（ＯＨ）₂］［Ａ^2- _x/2］・ｎ'Ｈ₂Ｏ（２）
（式中、Ｍ^IIは、Ｍｇ²⁺、Ｆｅ²⁺、Ｚｎ²⁺、Ｃａ²⁺、Ｌｉ²⁺、Ｎｉ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｃｕ²⁺、Ｍｎ²⁺から選択される少なくとも１種の二価の金属である。Ｍ^IIIはＡｌ³⁺、Ｆｅ³⁺、Ｍｎ³⁺、Ｒｕ³⁺から選択される少なくとも１種の三価の金属である。ｘは０以上、１未満を示す。Ａ^2-は二価のアニオンを示し、ｎ'は０〜３０の整数を示す）

本発明におけるハイドロタルサイトとしては、なかでも、Ｃｕ₄Ａｌ₂（ＯＨ）₁₂ＣＯ₃・ｎ’Ｈ₂Ｏで示される化合物が好ましい。ハイドロタルサイトは、例えば、Ｃｕ（ＮＯ₃）₂、Ｃｕ（ＯＡｃ）₂、ＣｕＣｌ₂、ＣｕＳＯ₄等の銅化合物の水溶液と、硝酸アルミニウム、硝酸マグネシウム、塩化アルミニウム、塩化マグネシウム、硫酸アルミニウム、硫酸マグネシウム等から選択される１種以上の水溶液、及びアルカリ（例えば、ＮａＯＨ、Ｎａ₂ＣＯ₃等の塩基性水溶液）を同時に滴下し、続いて、熟成処理（例えば、６０〜８０℃の温度で１〜５時間程度静置）を施す方法（同時滴下法）により製造することができる。

担体の形状としては、例えば、粉末状、粒状、繊維状、成型体状等を挙げることができる。担体の平均細孔径は、例えば３０〜１２０ｎｍ程度、好ましくは５０〜１００ｎｍである。担体の比表面積は、例えば１００〜４００ｍ²／ｇ程度、好ましくは１５０〜３００ｍ²／ｇである。

ベーマイトとしては、例えば、商品名「ベーマイト」（和光純薬工業（株）製）、商品名「ベーマイト」（大明化学工業（株）製）、商品名「boehmite」（Aldrich社製）等の市販品を使用してもよい。

ハイドロタルサイトとしては、例えば、商品名「ＡＤ５００ＮＳ」（富田製薬（株）製）等の市販品を使用してもよい。

担体に担持される銅触媒の態様としては、特に限定されることがなく、例えば、銅単体、銅塩、銅酸化物、銅水酸化物、又は銅錯体等を挙げることができる。本発明においては、なかでも、硝酸銅、塩化銅、酢酸銅、トリフルオロメタンスルホン酸銅等の銅（II）塩が好ましい。

銅触媒の担持量（金属換算量）としては、例えば、担体１ｇに対して、例えば０．１〜１０ミリモル程度、好ましくは０．５〜８ミリモル、特に好ましくは１〜５ミリモルである。銅触媒の担持量が上記範囲を上回ると、銅触媒が凝集する傾向がある。一方、銅触媒の担持量が上記範囲を下回ると、十分な触媒活性が得られない傾向がある。

銅触媒を担体に担持する方法としては、銅化合物（例えば、硝酸銅、塩化銅、酢酸銅、トリフルオロメタンスルホン酸銅等の銅（II）塩）を溶解する溶液（例えば、水溶液）中に担体を浸漬して前記銅化合物を含浸させた後、乾燥させる方法（いわゆる含浸法）により行うことが好ましい。また、銅化合物を含有する溶液の濃度や、担体への含浸時間、含浸処理回数等を調整することにより、担持量を制御することが好ましい。

銅化合物を溶解する溶液中に担体を浸漬する際の温度としては、例えば１０〜８０℃程度である。

銅化合物を溶解する溶液中に担体を浸漬する時間は、例えば１〜３０時間程度、好ましくは１０〜２４時間である。含浸時間が上記範囲を下回ると、銅触媒の担持量が減少し、酸化反応を促進する効果が得られにくくなる傾向がある。

銅化合物を溶解する溶液中に浸漬した担体を乾燥させる際の温度は、例えば３０〜８０℃程度である。

また、銅化合物を担体に担持した後、更に還元処理を施してもよい。銅化合物の還元処理に使用する還元剤としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ₄）、水素化ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ₄）、水素化ホウ素カリウム（ＫＢＨ₄）等の水素化ホウ素錯化合物、ヒドラジン、水素（Ｈ₂）、ジメチルフェニルシラン等のシラン化合物、ヒドロキシ化合物等を挙げることができる。前記ヒドロキシ化合物としては、例えば、第１級アルコール、第２級アルコール等のアルコール化合物を挙げることができる。また、ヒドロキシ化合物は、１価アルコール、２価アルコール、多価アルコール（例えば、グリセロール）等の何れであってもよい。

還元処理温度及び時間としては、例えば０℃〜６００℃（好ましくは、０℃〜４００℃）の温度で、０．５〜５時間程度（好ましくは、２〜４時間）である。

上記製造方法により得られた触媒（＝担体に担持した銅触媒）は、その後、洗浄処理（水や有機溶媒等により洗浄）、乾燥処理（真空乾燥等により乾燥）等を施してもよい。

［ケトール化合物の製造方法］
本発明のケトール化合物の製造方法は、上記担体に担持した銅触媒の存在下で、原料アルコールを酸化して、対応するケトール化合物を製造することを特徴とする。

本発明では担体に担持した銅触媒を使用するため、原料アルコールの２級水酸基を選択的に酸化することができ、対応するケトール化合物を選択的に生成することが可能となる。例えば、原料アルコールとしてグリセロールを使用すると対応するケトール化合物としてジヒドロキシアセトンを、原料アルコールとして１，２−プロパンジオールを使用すると対応するケトール化合物としてアセトールを、原料アルコールとして１，３−ブタンジオールを使用すると対応するケトール化合物として１−ヒドロキシブタン−２−オンを製造することができる。

担体に担持した銅触媒の使用量（金属換算量）は、原料アルコール１モルに対して、例えば０．１〜５０ｇ程度、好ましくは０．５〜２０ｇ、特に好ましくは１〜１０ｇである。担体に担持した銅触媒の使用量が上記範囲を下回ると、対応するケトール化合物を高収率で得ることが困難となる傾向がある。

原料アルコールを酸化する酸化剤としては、例えば、分子状酸素、過酸化水素、過酢酸等を使用することができる。本発明においては、なかでも、安価で取り扱いが容易な点で分子状酸素（特に、空気）を使用することが好ましい。

分子状酸素の供給方法としては、例えば、酸素雰囲気下で反応を行う方法や、酸素をバブリングする方法等を挙げることができる。また、酸素は窒素ガスなどの不活性ガスで希釈されていてもよい。本発明においては、なかでも空気中で反応を行うことが好ましい。空気中で反応を行う場合、反応時の圧力は、特に制限されず、常圧でも加圧でもよいが、好ましくは１〜５ａｔｍである。

また、本発明では銅触媒と共に、２，２，６，６−テトラメチルピペリジン−Ｎ−オキシル（以後、「ＴＥＭＰＯ」と称する場合がある）及び／又はベンゾキノンを使用することが好ましい。前記化合物は共酸化剤として作用し、反応の進行により還元された銅触媒を再酸化することができるため、銅触媒と併用することにより、原料アルコールの酸化反応速度を促進し、対応するケトール化合物をより一層選択的且つ高収率に製造することができる。本発明においては、特に、原料の変換効率に優れる点で、銅触媒と共にＴＥＭＰＯを使用することが好ましい。

前記化合物の使用量は、原料アルコール１モルに対して、例えば０．０５〜１０モル程度、好ましくは０．５〜５モル、特に好ましくは１〜３モルである。

上記反応は溶媒の存在下で行うことが好ましい。無溶媒下で反応させると、原料アルコールが担体に担持した銅触媒に吸着してダマになり反応の進行が阻害される場合があるためである。溶媒としては、例えば、水；アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル、ブチロニトリル等のニトリル類；メタノール、エタノール等のアルコール類；１，２−ジオキサン、１，３−ジオキサン、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジエチルエーテル、ジメチルエーテル等のエーテル類；アセトアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン等のアミド；酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル等のエステル；これらの混合物等を挙げることができる。

ベーマイトに担持した銅触媒の存在下で反応を行う場合、溶媒としては、水とニトリル類との混合物（＝混合溶媒）を使用することが、選択的且つ優れた収率でケトール化合物を生成することができる点で好ましい。水とニトリル類との混合割合［前者：後者（体積比）］としては、例えば１：１〜１：１００程度、好ましく１：１〜１：５０、特に好ましくは１：１〜１：２０である。混合割合が上記範囲を外れると、ケトール化合物の収率が低下する傾向がある。また、ハイドロタルサイトに担持した銅触媒の存在下で反応を行う場合、溶媒としては、水を使用することが、銅触媒の溶出を防止することができ、選択的且つ優れた収率でケトール化合物を生成することができる点で好ましい。

溶媒の使用量は、例えば、回分式で反応させる場合は原料アルコールの初期濃度が１〜１０重量％程度となる範囲が好ましい。

反応温度としては、例えば１０〜２００℃程度、好ましくは３０〜１８０℃、特に好ましくは４０〜１００℃である。反応時間は、例えば１〜２４時間程度、好ましくは５〜１５時間である。

反応はバッチ式、セミバッチ式、連続式などの何れの方法で行うこともできる。

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。

本発明のケトール化合物の製造方法によれば、原料アルコールを優れた転化率で転化して、対応するケトール化合物を選択的且つ高収率に製造することができる。原料アルコールの転化率としては、例えば７０％以上、好ましくは８０％以上、特に好ましくは９５％以上である。また、対応するケトール化合物の収率は、例えば６０％以上、好ましくは７０％以上、特に好ましくは９０％以上である。

更にまた、本発明では銅触媒を担体に担持した状態で使用するため、濾過、遠心分離等の物理的な分離手法により容易に反応生成物と分離することができる。そのため、反応生成物の精製が容易であり、且つ、分離・回収された触媒は、そのままで、又は洗浄、乾燥等を施した後、再利用することができる。洗浄処理は、適宜な溶媒（例えば、水）により数回（２〜３回程度）洗浄する方法により行うことができる。そのため、高価な触媒を繰り返し利用することができ、ケトール化合物の製造コストを大幅に削減することができる。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

調製例１（触媒の調製）
１００ｍＬの水に硝酸銅５ｇ（２０.７ｍｍｏｌ）を溶解した硝酸銅水溶液中に１０ｇのベーマイト（商品名「ベーマイト」、和光純薬工業（株）製、平均細孔径：７７ｎｍ、比表面積：２１４ｍ²／ｇ）を加えて６０℃で２４時間撹拌し、エバポレーターで水を留去した後、６０℃で１２時間乾燥することにより、銅触媒担持ベーマイト（Ｃｕ(II)−ＡｌＯ（ＯＨ））（Ｃｕ²⁺：９重量％、ベーマイト１ｇに対してＣｕ²⁺を１．６ｍｍｏｌ担持）を得た。

調製例２（触媒の調製）
ベーマイトに代えて、ハイドロタルサイト（商品名「ＡＤ５００ＮＳ」、富田製薬（株）製）を使用した以外は調製例１と同様に行って、銅触媒担持ハイドロタルサイト（Ｃｕ(II)−ＡｌＨＴ）（Ｃｕ²⁺：９重量％、ハイドロタルサイト１ｇに対してＣｕ²⁺を１．６ｍｍｏｌ担持）を得た。

実施例１
空気雰囲気下（１ａｔｍ）で、グリセロール（１．０ｍｍｏｌ）、ＴＥＭＰＯ（２．０ｍｍｏｌ）をフラスコに入れ、水１ｍＬとアセトニトリル３ｍＬの混合溶媒を加えて溶解した。
ここに、調製例１で得られた「Ｃｕ(II)−ＡｌＯ（ＯＨ）」を５０ｍｇ（Ｃｕ²⁺：４．５ｍｇ含有）加え、６０℃で１２時間反応を行った。反応の進行はＴＬＣ（Ｉ₂発色）によりモニターした。
反応終了後、反応液を遠心分離処理に付すことにより「Ｃｕ(II)−ＡｌＯ（ＯＨ）」を除去し、更に上澄み液をシリカゲルカラム（アセトン溶離液）に通してＴＥＭＰＯを除去し、濃縮して淡黄色オイル状の反応生成物を単離した。反応生成物のＨＰＬＣ、¹Ｈ−ＮＭＲ、及び¹³Ｃ−ＮＭＲ分析を行ったところ、ジヒドロキシアセトンであることが確認され、原料転化率は１００％、ジヒドロキシアセトンの収率は９５％であった。

実施例２
水１ｍＬとアセトニトリル３ｍＬの混合溶媒に代えて、水４ｍＬを使用した以外は実施例１と同様に行った。その結果、ジヒドロキシアセトンが得られた（原料転化率：７３．１％）。

実施例３
空気雰囲気下（１ａｔｍ）で、グリセロール（１．０ｍｍｏｌ）、ベンゾキノン（２．０ｍｍｏｌ）をフラスコに入れ、水４ｍＬの混合溶媒を加えて溶解した。
ここに、調製例２で得られた「Ｃｕ(II)−ＡｌＨＴ」を５０ｍｇ（Ｃｕ²⁺：４．５ｍｇ含有）加え、室温（２５℃）で４８時間反応を行った。反応の進行はＴＬＣ（Ｉ₂発色）によりモニターした。
反応終了後、反応液を遠心分離処理に付すことにより「Ｃｕ(II)−ＡｌＨＴ」を除去し、更に上澄み液をシリカゲルカラム（アセトン溶離液）に通してベンゾキノンを除去し、濃縮して淡黄色オイル状の反応生成物を単離した。反応生成物のＨＰＬＣ、¹Ｈ−ＮＭＲ、及び¹³Ｃ−ＮＭＲ分析を行ったところ、ジヒドロキシアセトンであることが確認され、原料転化率は４０％、ジヒドロキシアセトンの収率は３２％であった。

実施例４
グリセロール（１．０ｍｍｏｌ）に代えて１，２−プロパンジオール（１．０ｍｍｏｌ）を使用した以外は実施例１と同様に行った。その結果、アセトールが得られた（原料転化率：１００％）。

実施例５
グリセロール（１．０ｍｍｏｌ）に代えて１，３−ブタンジオール（１．０ｍｍｏｌ）を使用した以外は実施例１と同様に行った。その結果、１−ヒドロキシブタン−２−オンが得られた（原料転化率：３９．２％）。

比較例１
グリセロール（１．０ｍｍｏｌ）に代えて１，３−プロパンジオール（１．０ｍｍｏｌ）を使用した以外は実施例１と同様に行った。その結果、全く反応が進行しなかった（原料転化率：０％）。

Claims

担体に担持した銅触媒の存在下で、１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコールを酸化して、対応するケトール化合物を製造するケトール化合物の製造方法。
１級水酸基及び２級水酸基を少なくとも有するアルコールがグリセロールであり、対応するケトール化合物がジヒドロキシアセトンである請求項１に記載のケトール化合物の製造方法。
担体がベーマイト又はハイドロタルサイトである請求項１又は２に記載のケトール化合物の製造方法。
銅触媒と共に、２，２，６，６−テトラメチルピペリジン−Ｎ−オキシル及び／又はベンゾキノンを使用する請求項１〜３の何れか１項に記載のケトール化合物の製造方法。
水及び／又はニトリルの存在下で反応を行う請求項１〜４の何れか１項に記載のケトール化合物の製造方法。