JP2015083544A - 脱水素用触媒、該触媒を用いたカルボニル化合物および水素の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】式(1)、
(式中、Arは、置換基を有していてもよいベンゼン、または置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、Mは、ルテニウム、ロジウムまたはイリジウムを表す。)例えば、化合物1,2に示される有機金属化合物を含む触媒。
【選択図】なし
Description
以上のことから、低触媒量で比較的低温で実施可能なアルコールの触媒的な脱水素反応の開発が望まれていた。
以上のことから、共酸化剤を用いずに、低触媒量で進行する第一級アルコールからのアルデヒドを経たカルボン酸への酸化的脱水素反応の開発が望まれていた。
以上のことから、穏和な条件下、低触媒量で高い反応性を有する、ギ酸またはギ酸塩の分解反応用触媒の開発が望まれていた。
反応式(I)
Xは、水素含有化合物または酸素含有化合物であり、
Yは、Xに対応する化合物であって、カルボニル化合物または不飽和結合含有化合物、
(i)は脱水素であり、
(ii)は水素化である。
[1] 式(1)
Arは、置換基を有していてもよいベンゼン、または置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、
Mは、ルテニウム、ロジウムまたはイリジウムであり、
R1〜R6は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基であり、
R3とR4は互いに連結して、 −CH=CH− を形成してもよく、前記 −CH=CH− におけるHは、互いに独立してハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基で置換されていてもよく、
Lは、スルホキシド配位子、含窒素芳香環配位子、アミン配位子、ホスフィン配位子、エーテル配位子およびアコ配位子からなる群から選択される、
で表される有機金属化合物を含む触媒を用いる、酸素含有化合物の脱水素方法。
[3] 酸素含有化合物が、ギ酸またはギ酸塩である、[1]に記載の方法。
[4] Lが、アコ配位子である、[1]〜[3]のいずれかに記載の方法。
[5] Arが、置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、Mがイリジウムであることを特徴とする、[1]〜[4]のいずれかに記載の方法。
[7] [1]〜[5]のいずれかに記載の脱水素方法を用いて、アルコールの脱水素により対応するカルボニル化合物を生成させることを特徴とする、カルボニル化合物の製造方法。
[8] カルボニル化合物が、ケトンまたはアルデヒドである[7]に記載の方法。
[9] アルコールが第一級アルコールであり、カルボニル化合物がカルボン酸であり、水を含む溶媒を用いる、[7]に記載の方法。
[10] [1]〜[5]のいずれかに記載の脱水素方法を用いて、アルコール、アルコールと水とを含む混合物、ギ酸またはギ酸塩の脱水素により水素を生成させることを特徴とする、水素の製造方法。
式(1)
Arは、置換基を有していてもよいベンゼン、または置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、
Mは、ルテニウム、ロジウムまたはイリジウムであり、
R1〜R6は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基であり、
R3とR4は互いに連結して、 −CH=CH− を形成してもよく、前記 −CH=CH− におけるHは、互いに独立してハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基で置換されていてもよく、
Lは、アコ配位子である、
で表される有機金属化合物。
[13]
式(2)
Arは、置換基を有していてもよいベンゼン、または置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、
Mは、ルテニウム、ロジウムまたはイリジウムであり、
R1〜R6は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基であり、
R3とR4は互いに連結して、 −CH=CH− を形成してもよく、前記 −CH=CH− におけるHは、互いに独立してハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基で置換されていてもよく、
Zは、Na、Li、KまたはCsである、
で表される有機金属化合物。
[14] Arが、置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、Mがイリジウムであることを特徴とする、[13]に記載の有機金属化合物。
[15] [13]または[14]に記載の有機金属化合物を含む触媒を用いる、酸素含有化合物の脱水素方法。
[16] 酸素含有化合物が、アルコール、ギ酸またはギ酸塩である、[15]に記載の方法。
[17] [13]または[14]に記載の有機金属化合物を含む脱水素用触媒。
[19] カルボニル化合物が、ケトンまたはアルデヒドである[18]に記載の方法。
[20] アルコールが第一級アルコールであり、カルボニル化合物がカルボン酸であり、水を含む溶媒を用いる、[18]に記載の方法。
[21] [16]に記載の脱水素方法を用いて、アルコール、アルコールと水とを含む混合物、ギ酸またはギ酸塩の脱水素により水素を生成させることを特徴とする、水素の製造方法。
[22] 連続的に水素を製造する方法であって、[1]に記載の一般式(1)および/または[13]に記載の一般式(2)で表される有機金属化合物の存在下、アルコールと水とを含む混合物にアルカリ化合物を加え、脱水素反応させ、脱水素の進行過程において該混合物と該アルカリ化合物とを、1または2回以上追加することにより、連続的に水素ガスを製造する、前記方法。
[23] [22]に記載の方法を用いる連続的に水素を製造するシステムであって、脱水素反応を行う反応槽、混合物とアルカリ化合物とを供給する供給部および製造した水素を回収する回収部を含む、前記システム。
1または2以上の水素原子が置換されていてもよい芳香族化合物の具体例としては、これに限定するものではないが、例えばベンゼン、トルエン、o−、m−およびp−キシレン、o−、m−およびp−シメン、1,2,3−、1,2,4−および1,3,5−トリメチルベンゼン、1,2,4,5−テトラメチルベンゼン、1,2,3,4−テトラメチルベンゼン、1,3,4,5−テトラメチルベンゼン、ペンタメチルベンゼン、ならびにヘキサメチルベンゼン等のアルキル基を有するベンゼン、ベンジル、ビニル、アリルなどの不飽和炭化水素基を有するベンゼン、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、アルコキシ基、エステル基、アミノ基等の異原子を有するベンゼンなどが挙げられる。ベンゼン環の置換基の数は1〜6の任意の数であり、置換位置は任意の位置を選ぶことができる。錯体合成の容易さという点で、p−シメン、1,3,5−トリメチルベンゼン、ヘキサメチルベンゼンが好ましい。
この場合の置換基としては、たとえば水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C5〜15のアリール基、C1〜15のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基等の適宜なものとすることができる。
この場合の置換基としては、たとえば水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C5〜15のアリール基、C1〜15のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基等の適宜なものとすることができる。
R8とR9が結合して環を形成する場合、たとえばシクロペンタノール、シクロヘキサノール、シクロヘプタノール、シクロペンテノール、シクロヘキセノール、シクロヘプテノール等のごとき環状アルコールを与える飽和および不飽和脂環式基、およびそれぞれの各炭素にアルキル基、アリール基、不飽和アルキル基、ヘテロ元素を含む鎖状または環状炭化水素基を有する置換基をもつ飽和および不飽和脂環式基を例示することができる。
具体的な溶媒としては、これに限定されるものではないが、例えばペンタン、ヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、テトラヒドロフラン、ジイソプロピルエーテル、ジクロロメタン、ジメチルホルムアミド、t−ブタノール、水などが挙げられる。
反応時間は、基質濃度や反応温度等の反応条件によって異なるが、数分から100時間で反応が完結する。
脱水素反応により生成したカルボニル化合物の精製は、酸−塩基抽出、カラムクロマトグラフィー、蒸留、再結晶等の公知の方法により、または適時それらの組み合わせにより行うことができる。
カルボン酸の製造においては、カルボン酸の生成とともに、pHは酸性側へと変化し得るが、pH1〜14の領域において反応が進行する。中性領域であるpH6〜8で開始するのが合成化学的観点からみて好ましく、カルボン酸の生成効率の観点から、全体を通して反応系のpHが1〜10の範囲内にあるのが好ましく、特にpH1〜8の範囲内にあるのが好ましい。
式(1)
Arは、置換基を有していてもよいベンゼン、または置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、
Mは、ルテニウム、ロジウムまたはイリジウムであり、
R1〜R6は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基であり、
R3とR4は互いに連結して、 −CH=CH− を形成してもよく、前記 −CH=CH− におけるHは、互いに独立してハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基で置換されていてもよく、
Lは、アコ配位子である、
で表される有機金属化合物に関する。
Arは、置換基を有していてもよいベンゼン、または置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、
Mは、ルテニウム、ロジウムまたはイリジウムであり、
R1〜R6は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基であり、
R3とR4は互いに連結して、 −CH=CH− を形成してもよく、前記 −CH=CH− におけるHは、互いに独立してハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基で置換されていてもよく、
Zは、Na、Li、KまたはCsである、
で表される有機金属化合物に関する。
連続的に水素を製造する方法としては、例えば逐次添加方式および連続添加方式が挙げられる。逐次添加方式は、アルコールと水との混合物に、式(1)および/または式(2)で表される化合物とアルカリ化合物を加え、加熱して還流下で反応させることにより水素を発生させた後、消費分に相当するアルコールおよび水を加え、さらにアルカリ化合物を加える。それぞれ追加した後のpHは反応開始時のpHと同等であることが好ましい。このように消費分を逐次添加することにより、連続的に水素を製造することができる。
本発明による連続的に水素を製造する水素の製造方法によれば、触媒回転数は2回以上であって、100回以上、好ましくは1000回以上、さらに好ましくは3500回以上とすることも可能であり、極めて効率がよく、実用性の高い新しいシステムを構築することができる。
反応式(II)
R8およびR9は、前述のとおりであり、
(i)は脱水素反応であり、(ii)は水素化である、
で表される触媒反応において、本発明の触媒は、(i)および(ii)の双方向の触媒反応を、水素の放出と吸収をともなって、定量的に相互変換を繰り返し行うことができる。
同じ触媒を用いて、脱水素反応と水素化を可逆的かつ連続的に行うことにより、水素貯蔵システムとして発展させることが可能と考えられる。
[製造例1]
中性イリジウム錯体1は、製造例1−aまたは1−bに示すいずれかの方法で製造した。
[製造例1−a]
合成スキーム1−aに示すように、ジカチオン性Cp*イリジウム―アコ錯体(407.8mg,0.60mmol)に6,6’−ジヒドロキシ−2,2’−ビピリジン配位子(113.8mg,0.60mmol)を水溶媒(12mL)中で作用させることにより、錯体Aを得た(収率93%)。続いて、錯体A(915.0mg,1.1mmol)に対してナトリウムt−ブトキシド(211.4mg,2.2mmol)を水溶媒(30mL)中で作用させることにより、中性イリジウム錯体1を得た(収率84%)。
スキーム1−bに示すように、[Cp*IrCl2]2(458.4mg,0.570mmol)に6,6’−ジヒドロキシ−2,2’−ビピリジン配位子(250.0mg,1.33mmol)をメタノール溶媒(8mL)中で作用させ、60℃で3時間反応させたのち、ガラスフィルターでろ過することによりカチオン性錯体A’を得た(収率74%)。続いて、カチオン性錯体A’(100.0mg,0.170mmol)とカリウムt−ブトキシド(38.3mg,0.340mmol)を水(5mL)中、室温で30分撹拌して反応させ、析出した固体をろ過することにより錯体1を得た(収率64%)。
スキーム2に示すように、[Cp*IrCl2]2(240.0mg,0.301mmol)に2,9−ジヒドロキシ−1,10−フェナントロリン配位子(150.1mg,0.707mmol)をメタノール溶媒(5.4mL)中で作用させ、60℃で4時間反応させたのち、ガラスフィルターでろ過することによりカチオン性錯体Tを得た(収率60%)。続いて、カチオン性錯体T(150mg,0.229mmol)とカリウムt−ブトキシド(51.4mg,0.421mmol)を水(6.8mL)中、室温で30分撹拌して反応させ、真空下で溶媒を留去した。残渣にトルエン(15mL)を加えて抽出し、溶媒留去後にエタノール(2mL)と水(18mL)を用いて再結晶することによって錯体2を得た(収率73%)。
カチオン性錯体A’(150.6mg,0.240mmol)、カリウムt−ブトキシド(80.5mg,0.718mmol)とピリジン(101.1mg,1.278mmol)をジクロロメタン(10mL)中、室温で一晩撹拌して反応させ、真空下で溶媒を留去した。残渣にトルエン(15mL)を加えて抽出したのち、溶媒留去することによって錯体Bを得た(収率75%)。
カチオン性錯体A’(150.6mg,0.240mmol)、カリウムt−ブトキシド(80.5mg,0.718mmol)とアニリン(35.7mg,0.360mmol)をジクロロメタン(10mL)中、室温で一晩撹拌して反応させ、真空下で溶媒を留去した。残渣にトルエン(15mL)を加えて抽出したのち、溶媒留去することによって錯体Cを得た(収率70%)。
カチオン性錯体A’(150.6mg,0.240mmol)、カリウムt−ブトキシド(80.5mg,0.718mmol)とジメチルスルホキシド(18.3mg,0.234mmol)をジクロロメタン(10mL)中、室温で一晩撹拌して反応させ、真空下で溶媒を留去した。残渣にトルエン(15mL)を加えて抽出したのち、溶媒留去することによって錯体Dを得た(収率61%)。
カチオン性錯体T(150.6mg,0.230mmol)、カリウムt−ブトキシド(79.2mg,0.706mmol)とピリジン(90.5mg,1.144mmol)をジクロロメタン(10mL)中、室温で一晩撹拌して反応させ、真空下で溶媒を留去した。残渣にトルエン(15mL)を加えて抽出したのち、溶媒留去することによって錯体Eを得た(収率82%)。
<ラセミ体1−フェニルエタノールの脱水素反応によるアセトフェノンの合成>
不活性ガス雰囲気下、50mLの2つ口ナスフラスコに脱水ペンタン3mL、ラセミ体1−フェニルエタノール122.2mg(1.0mmol)、および錯体1を2.7mg(0.005mmol、0.5mol%)加え、還流条件下で5時間撹拌した。トルエン10mLを加えて均一にした後、反応液をGCにて分析したところ、表1に示すように転化率100%、収率100%で対応するアセトフェノンが生成することを確認した。
<ラセミ体1−フェニルエタノールの脱水素反応によるアセトフェノンの合成>
触媒として錯体2を2.8mg(0.005mmol、0.5mol%)用いた以外は、実施例1と同条件で反応を実施した。GCによる分析の結果、表1に示すように転化率37%、収率36%でアセトフェノンが生成することを確認した。
<ラセミ体1−フェニルエタノールの脱水素反応によるアセトフェノンの合成>
触媒として表1に示した各種錯体触媒B〜E(0.005mmol)を用いた以外は、実施例1と同条件で反応を実施した。GCによる分析結果を表1にまとめて示した。アセトフェノンが生成することを確認した。
<ラセミ体1−フェニルエタノールの脱水素的酸化反応によるアセトフェノンの合成>
不活性ガス雰囲気下、50mLの2つ口ナスフラスコに脱水ペンタン3mL、ラセミ体1−フェニルエタノール122.2mg(1.0mmol)、および錯体1を2.7mg(0.005mmol、0.5mol%)加え、還流条件下で5時間撹拌した。トルエン10mLを加えて均一にした後、反応液をGCにて分析したところ、表2に示すように転化率100%、収率100%で対応するアセトフェノンが生成することを確認した。
<ラセミ体1−フェニルエタノールの脱水素的酸化反応によるアセトフェノンの合成>
触媒として錯体A(0.005mmol)を用いた以外は、実施例7と同条件で反応を実施した。GCによる分析の結果、表2に示すように変換率19%、収率18%でアセトフェノンが生成した。実施例7と比較すると、収率が明らかに低値を示していることから、本発明の有用性が示された。
<ラセミ体1−フェニルエタノールの脱水素的酸化反応によるアセトフェノンの合成>
触媒として錯体A(0.005mmol)を用い、反応溶媒として水を用いた以外は、実施例7と同条件で反応を実施した。GCによる分析の結果、表2に示すように転化率6%、収率4%でアセトフェノンが生成した。実施例7と比較すると、収率が明らかに低値を示していることから、本発明の有用性が示された。
<ラセミ体1−フェニルエタノールの脱水素的酸化反応によるアセトフェノンの合成>
触媒として錯体A(0.005mmol)、反応溶媒として水を用い、80℃で反応を実施した以外は、実施例7と同条件で反応を実施した。GCによる分析の結果、表2に示すように転化率12%、収率11%でアセトフェノンが生成した。実施例7と比較すると、収率が明らかに低値を示していることから、本発明の有用性が示された。
<第二級アルコールの脱水素的酸化反応によるケトンの合成>
錯体1を触媒に用い、表3に示すような反応条件で種々の第二級アルコールの脱水素的酸化反応を行なった。反応終了後、反応液をGCにて分析したところ、いずれも高転化率、高収率で対応するケトンが生成することを確認した。
<ラセミ体1−フェニルエタノールの脱水素的酸化反応によるアセトフェノンの合成>
1000mLのナスフラスコに脱水p−キシレン500mL、ラセミ体1−フェニルエタノール61.06g(500mmol)、および錯体1を0.53mg(0.001mmol、0.0002mol%)加え、還流条件下で48時間撹拌した。ジクロロメタンを加えて均一にした後、反応液をGCにて分析したところ、収率55%で対応するアセトフェノンが生成することを確認した。この反応では高い触媒回転数(TON=275,000)を示したことから、本発明の有用性が示された。
<β−エストラジオールの脱水素的酸化反応によるエストロンの合成>
50mLの一口ナスフラスコにtert−ブチルアルコール3mL、β−エストラジオール272.4mg(1.0mmol)および錯体1を2.7mg(0.005mmol,0.5mol%)を加え、還流条件下で20時間撹拌した。反応液の溶媒を留去し、NMRにて分析したところ、収率100%で対応するエストロンが生成することを確認した。
<ベンジルアルコールの脱水素的酸化反応によるベンズアルデヒドの合成>
50mLのナスフラスコにtert−ブチルアルコール10mL、ベンジルアルコール54.0mg(0.5mmol)、および錯体1を4.0mg(0.0075mmol、1.5mol%)加え、還流条件下で20時間撹拌した。ジクロロメタン10mLを加えて均一にした後、反応液をGCにて分析したところ、表4に示すように転化率92%、収率92%で対応するベンズアルデヒドが生成することを確認した。
<第一級アルコールの脱水素的酸化反応によるアルデヒドの合成>
基質として表4に示した各種第一級アルコール(0.5mmol)を用いた以外は、実施例17と同条件で反応を実施した。GCによる分析結果を表4にまとめて示した。
<4−(トリフルオロメチル)ベンジルアルコールの脱水素的酸化反応による4−(トリ フルオロメチル)ベンズアルデヒドの合成>
50mLのナスフラスコに脱水ヘプタン10mL、4−(トリフルオロメチル)ベンジルアルコール88.5mg(0.5mmol)、および錯体1を7.9mg(0.015mmol、3.0mol%)加え、還流条件下で20時間撹拌した。ジクロロメタン10mLを加えて均一にした後、反応液をGCにて分析したところ、表4に示すように転化率89%、収率88%で対応する4−(トリフルオロメチル)ベンズアルデヒドが生成することを確認した。
<シクロヘキサンメタノールの脱水素的酸化反応によるシクロヘキサンカルボキシアルデヒドの合成>
50mLのナスフラスコに脱水トルエン10mL、シクロヘキサンメタノール56.2mg(0.5mmol)、および錯体1を6.5mg(0.012mmol、2.5mol%)加え、還流条件下で20時間撹拌した。トルエン10mLを加えて均一にした後、反応液をGCにて分析したところ、表4に示すように転化率82%、収率81%で対応するシクロヘキサンカルボキシアルデヒドが生成することを確認した。
<1−オクタノールの脱水素的酸化反応によるn−オクタナールの合成>
50mLのナスフラスコに脱水トルエン10mL、1−オクタノール65.2mg(0.5mmol)、および錯体1を13.2mg(0.025mmol、5.0mol%)加え、還流条件下で20時間撹拌した。トルエン10mLを加えて均一にした後、反応液をGCにて分析したところ、表4に示すように転化率89%、収率87%で対応するn−オクタナールが生成することを確認した。
<ベンジルアルコールの脱水素的酸化反応によるベンズアルデヒドの合成>
500mLのナスフラスコに脱水トルエン270mL、ベンジルアルコール8.648g(80mmol)、および錯体1を0.85mg(0.0016mmol、0.002mol%)加え、還流条件下で48時間撹拌した。トルエンを加えて均一とした後、反応液をGCにて分析したところ、収率95%で対応するベンズアルデヒドが生成することを確認した。この反応では高い触媒回転数(TON=47,500)を示したことから、本発明の有用性が示された。
<ラセミ体1−フェニルエタノールの脱水素的酸化反応によるアセトフェノンの合成(無溶媒条件下)>
50mLの2つ口ナスフラスコにラセミ体1−フェニルエタノール610.4mg(5.0mmol)、および錯体1を79.7mg(0.15mmol、3.0mol%)加え、60℃で20時間撹拌した。ジクロロメタン100mLを加えて均一にした後、反応液をGCにて分析したところ、表5に示すように転化率95%、収率93%で対応するアセトフェノンが生成することを確認した。
<アルコールの脱水素的酸化反応によるアルデヒドの合成(無溶媒条件下)>
基質として表5に示した各種アルコール(5.0mmol)を用い、反応温度を90℃とした以外は、実施例25と同条件で反応を実施した。GCによる分析結果を表5にまとめて示した。
<ラセミ体1−フェニルエタノールの脱水素的酸化反応によるアセトフェノンの合成(無溶媒条件下)>
触媒として錯体A(0.15mmol)を用いた以外は、実施例25と同条件で反応を実施した。GCによる分析の結果、表5に示すように転化率は93%であったが、アセトフェノンの収率は5%であった。実施例25と比較すると、収率が明らかに低値を示していることから、本発明の有用性が示された。
<エタノールの脱水素的酸化反応を経由する酢酸の合成>
10mLの試験管にエタノール460.7mg(10mmol)、水360.4mg(20mmol)、および錯体1を159.7mg(0.3mmol、3.0mol%)加え、還流条件下で20時間撹拌した。反応液をNMRにて分析したところ、酢酸が収率75%で生成することを確認した。また、発生したガスを分析したところ、水素が収率84%で生成することを確認した。バイオマス資源から発酵により得られるエタノールを原料に用い、有機工業化学において重要な酢酸と、クリーンエネルギーとして有用な水素を同時に得られることから、本発明の有用性が示された。
<2−プロパノールの脱水素的酸化反応による水素の製造>
10mLの試験管に2−プロパノール901.6mg(15mmol)、および錯体1を159.5mg(0.3mmol、2.0mol%)加え、還流条件下で4時間撹拌した。反応液をGCにて分析したところ、アセトンが収率98%で生成することを確認した。また、発生したガスを分析したところ、水素が収率91%で生成することを確認した。
<アセトンの水素化>
不活性ガス雰囲気下、30mLの2ツ口ナスフラスコに錯体1を79.6mg(0.15mmol,0.5mol%)とり、水素置換をした後、アセトン1.7418g(30.0mmol)を加え、水素で満たした風船をつけ40℃で4時間撹拌した。反応液をGCにて分析したところ、2−プロパノールが収率95%で生成することを確認した。
<メタノールの脱水素的酸化反応による水素の製造>
10mLの試験管にメタノール320.4mg(10mmol)、水180.2mg(10mmol)、および錯体1を159.5mg(0.3mmol、3.0mol%)加え、pHメーターを用いてpH>13となるまで水酸化ナトリウム水溶液を添加した後、還流条件下で20時間撹拌した。発生したガスを分析したところ、水素が収率99%で生成することを確認した。
<ギ酸の脱水素的酸化反応による水素の製造>
10mLの試験管にギ酸460.6mg(10mmol)、および錯体1を2.6mg(0.005mmol、0.05mol%)加え、60℃で21分間撹拌した。発生したガスを分析したところ、水素が収率94%で生成することを確認した。少ない触媒量で短時間にギ酸を分解し、水素を製造できることから、本発明の有用性が示された。
<機能性ビピリドナート配位子を有するアニオン性イリジウム錯体の合成>
中性イリジウム錯体1(1.0630g、2.0mmol)をフラスコに取り、1.0 M水酸化ナトリウム水溶液(3.0mL、3.0mmol)を加えて室温で反応させると、黒緑色均一溶液となった。その後、溶液をマイクロチューブに移し、空気下で開放した状態で静置して結晶化させることにより、対イオンとしてナトリウムイオンを有する新規アニオン性錯体3を収率72%(796.5mg、1.4mmol)で得た。
<メタノールと水の混合物からの水素発生反応>
前述の錯体A、1および3を触媒として用いて、メタノールと水の混合物からの脱水素化反応を行った。反応は、メタノールと水を原料に用い、触媒の存在下で加熱還流を行い、発生した気体をガスビュレットに捕集して定量した。なお、気体の容積のうち75%を水素とみなし、水素の容積とその収率を計算して表に掲載した。最初に、等量のメタノール(20mmol)と水(20mmol)を原料とし、触媒A、1および3(0.5mol%)の存在下で20時間加熱還流することによって各触媒の活性を比較した(entry 1−3)。ジカチオン性の触媒Aや中性の触媒1を用いた場合は、ほとんど反応が進行せず、ごく微量の水素の発生しか観測されなかったが(entry 1と2)、アニオン性の触媒3を用いることによって反応が進行するようになり、120mL(収率8%)の水素を得ることができた(entry 3)。次に、メタノールに対する水の当量を変化させてみると(entry 3−5)、水を4当量用いたときに水素の発生量が最大となった(150mL、収率10%、entry 4)。続いて、本触媒系では反応の進行に伴って二酸化炭素が生じるため、系が徐々に酸性化し、触媒分子がアニオン性錯体3から中性錯体1へ、さらにはジカチオン性錯体Aへと転化している可能性が考えられるため、これを防ぐために添加物として塩基(水酸化ナトリウム)を加えることを検討した(entry 6−9)。これによって水素の収率は大幅に向上し、0.5mol%の水酸化ナトリウムを添加したときに最適条件となり、1223mL(収率84%)の水素を得ることができた(entry 7)。
<メタノールと水からの水素発生法(逐次添加方式)>
最初に、メタノール(20mmol)と水(80mmol)の混合物に対し触媒3(0.1mol%)と水酸化ナトリウム(0.5mol%)を加えた。この時点での系のpHは11.2であった。この混合物を還流条件下で20時間反応させると、607.5mL(収率41%)の水素が発生した。ここで、消費量に相当するメタノール(8.2mmol)と水(8.2mmol)を反応系に加え、さらに水酸化ナトリウム(0.5mol%)を再度加えて系内のpHを11.3に調整した後、還流条件下で20時間反応させると、611.3mL(収率41%)の水素が発生した。同様の操作を再び繰り返すことで、562.5mL(収率38%)の水素を得ることができた。
このような連続的な水素発生法によって、合計1781.3mL(71.5mmol)の水素を得ることができ、触媒回転数としては1191回が達成された。触媒に対し安全で取り扱いやすい原料(メタノールと水の混合物)ならびに水酸化ナトリウムを連続的に加えて加熱する手順によって、水素ガスを連続的に発生できる新しいシステムへと発展させることが可能である。
<メタノールと水からの水素発生法(連続添加方式 その1)>
最初に、メタノール(20mmol)と水(80mmol)の混合物に対し触媒3(0.1mol%)と水酸化ナトリウム(0.5mol%)を加えた。この時点での系のpHは11.2であった。反応系を加熱して還流を開始するとともに、シリンジポンプを用いて[メタノール(0.6mmol/h)、水(0.6mmol/h)、水酸 化ナトリウム(0.001mmol/h)]を予めこれらを混合した溶液として加えた。還流を継続することで、ほぼ一定のペースでガスの発生が観測され、50時間後には2385mLの水素(99.61mmol)を得ることができ、触媒回転数としては1660回が達成された。
このように、消費される原料(メタノールおよび水)ならびに水酸化ナトリウムを消費速度に相当する量補いながら連続的に反応させることにより、ほぼ一定のペースで水素ガスを長時間(50時間)にわたって持続的に発生させることができる。
<メタノールと水からの水素発生法(連続添加方式 その2)>
最初に、メタノール(20mmol)と水(80mmol)の混合物に対し触媒3(0.1mol%)と水酸化ナトリウム(0.5mol%)を加えた。この時点での系のpHは11.2であった。反応系を加熱して還流を開始するとともに、シリンジポンプを用いて[メタノール(0.6mmol/h)、水(0.6mmol/h)、水酸化ナトリウム(0.001mmol/h)]を予めこれらを混合した溶液として加えた。還流を継続することで、ほぼ一定のペースでガスの発生が観測され、150時間後には4946mLの水素(210.2mmol)を得ることができ、触媒回転数としては3502回が達成された。
このように、消費される原料(メタノールおよび水)ならびに水酸化ナトリウムを消費速度に相当する量補いながら連続的に反応させることにより、ほぼ一定のペースで水素ガスを長時間(150時間)にわたって持続的に発生させることができる。
<低級アルコールと水を原料とする脱水素的カルボン酸合成反応>
低級アルコール(エタノール、1−プロパノール、1−ブタノール)と水との混合物を原料に用いて、水素を得ると同時に対応する炭素数のカルボン酸を得る触媒反応について検討した。まず、エタノール(10mmol)と水(20mmol)の混合物に対し、アニオン性触媒3(3.0mol%)と水酸化ナトリウム(3.0mol%)を加え、還流条件下で20時間反応させると、酢酸が収率85%で生成するとともに、水素が445mL(収率92%)得られた(entry 1)。また、1−プロパノールと水の混合物を原料とする同様の反応を40時間かけて行うと、プロピオン酸が収率68%で得られるとともに、水素が411mL(収率85%)発生した。なお、この反応では、少量(18%)のエステル生成物(プロピオン酸プロピル)も観測された(entry 2)。さらに、1−ブタノールと水の混合物を原料とする反応によっても同様のカルボン酸生成反応が進行し、水素の発生を伴って酪酸を得ることができた(entry 3と4)。
Claims (23)
- 式(1)
Arは、置換基を有していてもよいベンゼン、または置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、
Mは、ルテニウム、ロジウムまたはイリジウムであり、
R1〜R6は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基であり、
R3とR4は互いに連結して、 −CH=CH− を形成してもよく、前記 −CH=CH− におけるHは、互いに独立してハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基で置換されていてもよく、
Lは、スルホキシド配位子、含窒素芳香環配位子、アミン配位子、ホスフィン配位子、エーテル配位子およびアコ配位子からなる群から選択される、
で表される有機金属化合物を含む触媒を用いる、酸素含有化合物の脱水素方法。 - 酸素含有化合物が、アルコールである、請求項1に記載の方法。
- 酸素含有化合物が、ギ酸またはギ酸塩である、請求項1に記載の方法。
- Lが、アコ配位子である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- Arが、置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、Mがイリジウムであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法に用いる、式(1)で表される有機金属化合物を含む脱水素用触媒。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の脱水素方法を用いて、アルコールの脱水素により対応するカルボニル化合物を生成させることを特徴とする、カルボニル化合物の製造方法。
- カルボニル化合物が、ケトンまたはアルデヒドである請求項7に記載の方法。
- アルコールが第一級アルコールであり、カルボニル化合物がカルボン酸であり、水を含む溶媒を用いる、請求項7に記載の方法。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の脱水素方法を用いて、アルコール、アルコールと水とを含む混合物、ギ酸またはギ酸塩の脱水素により水素を生成させることを特徴とする、水素の製造方法。
- 式(1)
Arは、置換基を有していてもよいベンゼン、または置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、
Mは、ルテニウム、ロジウムまたはイリジウムであり、
R1〜R6は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基であり、
R3とR4は互いに連結して、 −CH=CH− を形成してもよく、前記 −CH=CH− におけるHは、互いに独立してハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基で置換されていてもよく、
Lは、アコ配位子である、
で表される有機金属化合物。 - Arが、置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、Mがイリジウムであることを特徴とする、請求項11に記載の有機金属化合物。
- 式(2)
Arは、置換基を有していてもよいベンゼン、または置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、
Mは、ルテニウム、ロジウムまたはイリジウムであり、
R1〜R6は、互いに独立して、水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基であり、
R3とR4は互いに連結して、 −CH=CH− を形成してもよく、前記 −CH=CH− におけるHは、互いに独立してハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシ基、スルホ基、メルカプト基、カルボキシル基、1もしくは2以上の水素原子が置換されていてもよい、C1〜10のアルキル基、C3〜15のシクロアルキル基、C6〜15のアリール基、C1〜10のヘテロシクリル基、C2〜10のアルケニル基、C2〜10のアルキニル基、C1〜10のアルコキシ基、C1〜10のエステル基、C1〜10のフルオロアルキル基、C1〜10のアシル基、C1〜10のスルホニル基、C1〜10のアミノ基、C1〜10のアミド基、C1〜10のスルフェニル基またはC1〜10のシリル基で置換されていてもよく、
Zは、Na、Li、KまたはCsである、
で表される有機金属化合物。 - Arが、置換基を有していてもよいシクロペンタジエニル基であり、Mがイリジウムであることを特徴とする、請求項13に記載の有機金属化合物。
- 請求項13または14に記載の有機金属化合物を含む触媒を用いる、酸素含有化合物の脱水素方法。
- 酸素含有化合物が、アルコール、ギ酸またはギ酸塩である、請求項15に記載の方法。
- 請求項13または14に記載の有機金属化合物を含む脱水素用触媒。
- 請求項15または16に記載の脱水素方法を用いて、アルコールの脱水素により対応するカルボニル化合物を生成させることを特徴とする、カルボニル化合物の製造方法。
- カルボニル化合物が、ケトンまたはアルデヒドである請求項18に記載の方法。
- アルコールが第一級アルコールであり、カルボニル化合物がカルボン酸であり、水を含む溶媒を用いる、請求項18に記載の方法。
- 請求項16に記載の脱水素方法を用いて、アルコール、アルコールと水とを含む混合物、ギ酸またはギ酸塩の脱水素により水素を生成させることを特徴とする、水素の製造方法。
- 連続的に水素を製造する方法であって、アルコールと水とを含む混合物にアルカリ化合物を加え、[1]に記載の一般式(1)および/または[13]に記載の一般式(2)で表される有機金属化合物の存在下、脱水素反応させ、脱水素の進行過程において該混合物および該アルカリ化合物を1または2回以上追加する、前記方法。
- 請求項22に記載の方法を用いる連続的に水素を製造するシステムであって、脱水素反応を行う反応槽、混合物とアルカリ化合物とを供給する供給部および製造した水素を回収する回収部を含む、前記システム。
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