JP2015214504A - Ｎ−オキシル化合物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特殊な反応装置を用い無い安全で簡便なＮ−オキシル化合物の製造方法の提供。
【解決手段】三級アミンの存在下、４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシルと芳香族酸塩化物との反応により下式で表される化合物を得る。

（Ｒ^１及びＲ^２の少なくとも一方は下式で表される基。）

【選択図】なし

Description

本発明は、Ｎ−オキシル化合物の製造方法に関する。

α，β−不飽和カルボン酸エステルを初めとするビニル化合物は、各種重合体や共重合体のモノマーとして多様な用途に利用される化合物である。このようなビニル化合物は、重合しやすい性質を有しており、その製造、貯蔵、輸送等の工程において、熱、光等の要因により、しばしば重合トラブルが発生する。

特に、α，β−不飽和カルボン酸及びそのエステルの製造工程中においては、１００℃以上の高温となるために、液相部及び気相部でポップコーン重合体を生成するトラブルが発生しやすい。

このようなビニル化合物の重合トラブルを防止するために、種々の重合防止剤が使用される。Ｎ−オキシル化合物はこのような重合防止剤の一つであり、その中でも、４−ベンゾイルオキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシル及びジ−４−（２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシル）フタレートは、高沸点の重合防止剤として、特に液相部の重合防止剤として幅広く利用されている。

これらのＮ−オキシル化合物の製造方法としては、エステル交換反応を利用した製造方法（特許文献１）及び過酸化水素原子を用いた酸化反応を利用した製造方法（特許文献２）が知られている。

特開平８−７３４３０号公報 特開平６−１００５３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている方法では、エステル交換反応を利用するために、加熱条件下で生成するアルコール化合物を反応系内から除去する必要があり、そのような操作が可能な特殊な反応装置が必要である。また、特許文献２に記載されている方法では、過酸化水素原子を使用するため、工業的に製造する際には安全性に問題があった。

従って、本発明の主な目的は、特殊な反応装置を用いることなく、安全且つ簡便にＮ−オキシル化合物を製造することにある。

本発明者は、従来技術の問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の化合物を組み合わせて反応させることにより、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、三級アミンの存在下、４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシルと芳香族酸塩化物とを反応させる、式（１）で表されるＮ−オキシル化合物を製造する方法に関する。

（１）
（式（１）中、Ｒ^１、Ｒ^２は、それぞれ独立して、水素原子又は式（２）で表される基であり、Ｒ^１及びＲ^２の少なくとも一方は式（２）で表される基である。）

（２）

本発明の触媒によれば、特殊な反応装置を用いることなく、安全且つ簡便にＮ−オキシル化合物を製造することができる。

（イ）Ｎ−オキシル化合物
本発明で製造するＮ−オキシル化合物は、式（１）で表される化合物である。

（１）
式（１）中、Ｒ^１、Ｒ^２はそれぞれ独立して、水素原子又は式（２）で表される基であり、Ｒ^１及びＲ^２の少なくとも一方は式（２）で表される基である。

（２）
式（１）で表される化合物としては、例えば、４−ベンゾイルオキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシル（略称：４−ベンゾイルオキシＴＥＭＰＯ）、ジ−４−（２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシル）フタレート、ジ−４−（２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシル）イソフタレート、ジ−４−（２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシル）テレフタレート等を挙げることができる。

（ロ）Ｎ−オキシル化合物の製造
式（１）で表されるＮ−オキシル化合物は、４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシル（略称：４−ヒドロキシＴＥＭＰＯ）と、芳香族カルボン酸塩化物と、三級アミンを混合して反応させることによって製造する。

（ロ−１）芳香族カルボン酸塩化物
本発明で使用する芳香族カルボン酸塩化物の種類は特には限定されず、所望のＮ−オキシル化合物の種類に応じて適宜選択することができる。このようなＮ−オキシル化合物の中でも、式（３）で表される化合物が好ましい。

（３）
式（３）中、Ｒ^３、Ｒ^４は、それぞれ独立して、水素原子又は塩化カルボニル基であり、Ｒ^３及びＲ^４の少なくとも一方は塩化カルボニル基である。

式（３）で表される化合物としては、塩化ベンゾイル、二塩化フタロイル、二塩化イソフタロイル、二塩化テレフタロイル等を挙げることができる。

（ロ−２）４−ヒドロキシＴＥＭＰＯ
４−ヒドロキシＴＥＭＰＯの使用量は、芳香族カルボン酸塩化物が有する塩化カルボニル基に対して、０．７倍モル以上１．３倍モル以下が好ましく、０．８倍モル以上１．２倍モル以下がより好ましく、０．９倍モル以上１．１倍モル以下がさらに好ましい。

４−ヒドロキシＴＥＭＰＯの使用量を、芳香族カルボン酸塩化物が有する塩化カルボニル基に対して０．７倍モル以上とすることにより、効率良くＮ−オキシル化合物を得ることができる。４−ヒドロキシＴＥＭＰＯの使用量を、芳香族カルボン酸塩化物が有する塩化カルボニル基に対して１．３倍モル以下とするのは、それ以上の飛躍的な効果の上昇が考えられにくいからである。

（ロ−３）三級アミン
本発明で使用する三級アミンとしては、トリエチルアミン、トリ−ｎ−プロピルアミン、トリ−ｎ−ブチルアミン、ピリジンが挙げられる。これらの中でも、トリエチルアミン、ピリジンが好ましく、トリエチルアミンがより好ましい。上記三級アミンは１種を単独で使用しても良く、２種以上を組み合わせて使用してもよい。

三級アミンの使用量は、芳香族カルボン酸塩化物が有する塩化カルボニル基に対して、０．７倍モル以上１．３倍モル以下が好ましく、０．８倍モル以上１．２倍モル以下がより好ましく、０．９倍モル以上１．１倍モル以下がさらに好ましい。

三級アミンの使用量を、芳香族カルボン酸塩化物が有する塩化カルボニル基に対して０．７倍モル以上とすることにより、効率良くＮ−オキシル化合物を得ることができる。三級アミンの使用量を、芳香族カルボン酸塩化物が有する塩化カルボニル基に対して１．３倍モル以下とするのは、それ以上の飛躍的な効果の上昇が考えられにくいからである。

（ロ−４）溶媒
反応の際には溶媒を用いることが好ましい。溶媒としては、例えば、トルエンやキシレン等の炭化水素原子類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、クロロホルムやジクロロメタン等のハロゲン化炭化水素原子類が挙げられる。これらの中でも、トルエン、キシレン、クロロホルム、ジクロロメタンが好ましく、トルエン、キシレン、ジクロロメタンがより好ましい。これらの溶媒は、１種を単独で使用することもできるし、２種以上を組み合わせて使用することもできる。

使用する溶媒の量は、所望のＮ−オキシル化合物が得られる限り限定されない。例えば、芳香族カルボン酸塩化物に対して、０．２〜５００倍質量とするのが好ましく、０．５〜１００倍質量とするのがより好ましく、１〜２０倍質量以下がさらに好ましい。

溶媒の量を、芳香族カルボン酸塩化物に対して０．２倍質量以上とすることにより、効率良くＮ−オキシル化合物を得ることができる。溶媒の量を、芳香族カルボン酸塩化物に対して５００倍質量以下とするのは、それ以上使用しても効果の飛躍的な向上が考えられにくいからである。

溶媒を含む反応液は、少量の水を含んでいてもよい。水の量は、反応の選択性の観点から、反応を開始する前の反応液の質量に対して、０．１倍質量以下が好ましく、０．０２倍質量以下がより好ましい。

（ロ−５）反応
４−ヒドロキシＴＥＭＰＯ、芳香族カルボン酸塩化物及び三級アミンとを混合する方法としては、例えば、溶媒中に芳香族カルボン酸塩化物及び４−ヒドロキシＴＥＭＰＯを含む溶液に、三級アミンを供給してもよいし、反応液中に三級アミン及び４−ヒドロキシＴＥＭＰＯを含む溶液に、芳香族カルボン酸塩化物を供給してもよい。

混合する方法としては特には限定されず、化合物を添加することによる拡散によって混合されても良いし、撹拌下に化合物を供給しても良いし、化合物を供給した後に撹拌してもよい。

４−ヒドロキシＴＥＭＰＯ、芳香族カルボン酸塩化物及び三級アミンを混合させると、反応熱によって反応液の温度が上昇する。最後に供給する化合物（上記の例では、三級アミン又は芳香族カルボン酸塩化物）を供給する際、反応液の温度が５℃以上４０℃以下になるように、供給速度を制御するのが好ましい。反応液の温度は７℃以上３５℃以下がより好ましく、１０℃以上３０℃以下がさらに好ましい。最後に供給する化合物を供給する際の反応液の温度を５℃以上とすることにより、目的の反応の反応速度を上げることができ、４０℃以下とすることにより、副生物の生成を抑えることができる。

最後に供給する化合物を供給開始してから供給終了するまでの時間の１／２以上、好ましくは３／４以上、より好ましくは全ての時間において、反応液の温度を７℃以上３５℃以下とすればよい。

この時の副生物は、式（４）

（４）
（式（４）中、Ｒ^５、Ｒ^６は、それぞれ独立して水素原子又は式（５）で表される基であり、Ｒ^５及びＲ^６の少なくとも一方は式（５）で表される基である。）

（５）
で表される化合物、１，４−ジベンゾイルオキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン等が挙げられる。

最後に供給する化合物の供給方法は、上記の温度範囲に制御できれば特に制限されないが、供給速度を制御しながら連続供給する方法、分割添加する方法、噴霧する方法等を用いることができる。また、反応液の温度を上記温度に調整するために、反応液を冷却しながら最後に供給する化合物を供給したり、反応させたりすることができる。

最後に供給する化合物の供給時間は、０．１〜１５時間が好ましく、０．５〜１０時間がより好ましく、１〜８時間がさらに好ましい。最後に供給する化合物の供給時間を０．１時間以上とすることにより、副生物の生成を抑えることができる。最後に供給する化合物の供給時間を８時間以下とすることにより、効率的にＮ−オキシル化合物を製造することができる。

最後に供給した化合物の供給が完了した後は、反応液の温度を、例えば５℃〜７０℃、好ましくは１０℃〜６０℃、より好ましくは１５〜５５℃の温度範囲で保持する。反応液の温度を５℃以上とすることで反応速度を上げることができる。反応液の温度を７０℃以下とすることで生成物の分解を防ぐことができる。

反応時間については特には限定されず、例えば、４−ヒドロキシＴＥＭＰＯ、芳香族カルボン酸塩化物及び三級アミンを混合し始めてから（最後に供給する化合物の供給を開始し始めてから）８〜４８時間程度が好ましい。

反応終了後は、必要に応じて、抽出、濃縮、晶析等の操作によって、生成物を回収することができる。

抽出溶媒は、ベンゼン、トルエン、キシレン、ジエチルエーテル、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等が挙げられる。これらの溶媒は、それぞれ１種を単独で使用することもできるし、２種以上を組み合わせて用いることができる。抽出の際の温度は特に限定されないが、１０℃〜６０℃が好ましく、２０℃〜５０℃がより好ましい。

抽出液から生成物を回収する方法としては、特に限定されないが、晶析によって回収することができる。晶析に使用する溶媒（以下、「晶析溶媒」ということがある）は、ベンゼン、トルエン、キシレン、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、メチルｔｅｒｔ−ブチルエーテル、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール等が挙げられる。これらの溶媒はそれぞれ１種を単独で使用することもできるし、２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノールが好ましく、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノールがより好ましい。

晶析溶媒の種類が、反応溶媒と異なる場合には、予め反応液から反応溶媒を濃縮によって除去した後に晶析溶媒を用いることができる。ただし、晶析溶媒中に、反応溶媒が残存していても良い。

晶析の方法は特に限定されないが、晶析溶媒に生成物を溶解させた後、冷却することによって晶析することができる。晶析溶媒に生成物を溶解させる温度は、例えば、２０〜１００℃であり、３０〜９０℃が好ましく、４０〜８０℃がより好ましい。

晶析溶媒中に溶解させる生成物（Ｎ−オキシル化合物）の濃度は、例えば、１０〜５０質量％とすることができ、１５〜４５質量％が好ましく、２０〜４０質量％がより好ましい。

晶析の条件も特には限定されず、徐々に冷却すればよい。例えば、−５〜２０℃にまで冷却すればよく、好ましくは０〜１５℃に、より好ましくは５℃に冷却すればよい。冷却温度を−５℃以上とすることで、式（４）で表される副生成物及び未反応の４−ヒドロキシＴＥＭＰＯの析出を防ぐことができ、冷却温度を２０℃以下とすることで、目的のＮ−オキシル化合物の回収率を上げることができる。

晶析後は、ろ過によってＮ−オキシル化合物を回収することができ、必要に応じて乾燥させることができる。乾燥方法は特に限定されず、送風乾燥機、減圧乾燥器を使用することができ、室温または加熱条件下で乾燥させることができる。

取得したＮ−オキシル化合物は、ビニル化合物の重合防止剤として使用することができる。特に、α，β−不飽和カルボン酸及びそのエステルに対して適用した場合に優れた効果が発揮される。ビニル化合物としては、エチレン、プロピレン、ブタジエン、スチレン、塩化ビニル等が挙げられ、α，β−カルボン酸及びそのエステルとしては、例えば、アクリル酸、メチルアクリレート、エチルアクリレート、ｎ−ブチルアクリレート、ｉ−ブチルアクリレート、ステアリルアクリレート、２−エチルヘキシルアクリレート、２−ヒドロキシエチルアクリレート、２−ヒドロキシプロピルアクリレート、４−ヒドロキシブチルアクリレート、エチレングリコールジアクリレート、グリシジルアクリレート、２−エトキシエチルアクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、ベンジルアクリレート、ｔ−ブチルアクリレート、１，６−ヘキサンジオールアクリレート、ジメチルアミノエチルアクリレート、メタクリル酸、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ｎ−ブチルメタクリレート、ｉ−ブチルメタクリレート、ステアリルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、２−ヒドロキシプロピルメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、グリシジルメタクリレート、２−エトキシエチルメタクリレート、テトラヒドロフルフリルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、ベンジルメタクリレート、アリルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、フェニルメタクリレート、クロトン酸、メチルクロトネート、エチルクロトネート、イタコン酸、イタコン酸ジメチル、α−ヒドロキシエチルアクリル酸メチル、α−ヒドロキシエチルアクリル酸エチル等が挙げられる。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。

［高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）による成分の定量］
ＨＰＬＣ分析を以下の分析条件により行い、溶液中の４−ベンゾイルオキシＴＥＭＰＯ及び１，４−ジベンゾイルオキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジンを定量した。

４−ベンゾイルオキシＴＥＭＰＯの標品は、４−ヒドロキシＴＥＭＰＯと塩化ベンゾイルとトリエチルアミンを原料として合成し、トルエンで抽出した後、濃縮し、これをメタノールで再結晶することにより取得した。

１，４−ジベンゾイルオキシＴＥＭＰＯの標品は、４−ヒドロキシＴＥＭＰＯと塩化ベンゾイルとトリエチルアミンを原料として合成し、トルエンで抽出した後、濃縮し、これをシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製することにより取得した。

［ＨＰＬＣ分析条件］
・試料調製方法：分析する溶液をメタノールに溶解
・カラム：Ｉｎｅｒｔｓｉｌ ＯＤＳ−３（４．６ｍｍ Ｉ．Ｄ．×２５０ｍｍ、 粒径５μｍ：ＧＬサイエンス製）
・カラムオーブン温度： ４０℃
・移動相：２５容量％ メタノール，７５容量％ 水，１ｍＬ／ｍｉｎ
・検出器：紫外可視検出器（ＳＰＤ−１０Ａｖｐ）
・保持時間：４−ベンゾイルオキシＴＥＭＰＯ １０．５ｍｉｎ
１，４−ジベンゾイルオキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン
３６．０ｍｉｎ。

［ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）による純度分析］
ＧＣ分析を以下の分析条件により行ない、そのピーク面積比から、４−ベンゾイルオキシＴＥＭＰＯの純度を求めた。

［ＧＣ分析条件］
・試料調製方法：分析する結晶をジメチルホルムアミドに溶解
・カラム ：キャピラリーカラムＤＢ−１（ジーエルサイエンス（株）製、カラム長：３０ｍ、カラム内径：０．５３ｍｍ、キャピラリー内フィルム厚：５μｍ）。
・キャリアガス：ヘリウム
・カラム温度 ：４０℃で５分保持、１０℃／分で昇温、２２０℃で１０分間保持
・注入口温度 ：２５０℃
・検出器温度 ：２９０℃
・検出器 ：ＦＩＤ。

〔実施例１〕
撹拌装置、ジャケット、温度計、冷却管を備えたグラスライニングの１００Ｌ反応槽に、トルエン３５．０ｋｇを入れた後、４−ヒドロキシＴＥＭＰＯ １４．０ｋｇ（８１．３ｍｏｌ）を溶解させた。反応液をウォーターバス中で冷却し、内温を５℃とした後、塩化ベンゾイル１１．４ｋｇ（８１．３ｍｏｌ）を添加して撹拌した。次いで、トリエチルアミン８．４９ｋｇ（８３．９ｍｏｌ）を３．７時間で滴下した。反応はウォーターバス中で行い、滴下中の内温は５〜２３℃であった。

内温を４４℃まで加熱した後、１７時間撹拌した。その後、水１２．３ｋｇを入れ、３５〜４５℃で抽出操作を行った。さらにトルエン層を水２１．０ｋｇで２回抽出操作を行った。

抽出操作を行った後のトルエン層をＨＰＬＣで分析し、成分を定量したところ、目的の４−ベンゾイルオキシ−ＴＥＭＰＯの含量は２０．９ｋｇ（７５．５ｍｏｌ）であった（収率９２．８％）。また、１，４−ジベンゾイルオキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジンの含量は０．１１ｋｇ（０．２９ｍｏｌ）であった（含有率０．４％）。

トルエン層を減圧下で濃縮し、トルエン２５．５ｋｇを留出させた。これに、メタノール４１．０ｋｇを入れた後、常圧で濃縮し、溶媒を４１．７ｋｇ留出させた。さらに、メタノール２３．３ｋｇを入れた後、常圧下で濃縮し、溶媒を２３．６ｋｇ留出させた。

メタノール３５．０ｋｇを入れ、５２℃まで加熱した後、１８時間で９℃まで冷却した。スラリーを遠心ろ過し、取得した湿粉を送風乾燥機で乾燥させることで、赤褐色の結晶として目的の４−ベンゾイルオキシ−ＴＥＭＰＯを１５．９ｋｇ（５７．５ｍｏｌ取得した（収率７４．１％）。

取得した４−ベンゾイルオキシ−ＴＥＭＰＯは、ＧＣによって純度分析を行ったところ、９９．７％の純度であった。

〔実施例２〕
撹拌装置、温度計、冷却管を備えたガラス製３００ｍＬ三口フラスコに、トルエン６０ｇを入れた後、４−ヒドロキシ−ＴＥＭＰＯ２４．０ｇ（０．１３９ｍｏｌ）を溶解させた。ウォーターバスで温度を５℃とした後、塩化ベンゾイル１９．７ｇ（０．１３９ｍｏｌ）を入れ、撹拌した。これ以降は、４５℃の温浴中で反応を行った。ここに、トリエチルアミン１４．６ｇ（０．１４４ｍｏｌ）を２時間かけて滴下した。滴下中の温度は、４５〜５０℃であった。滴下終了後、内温を４５℃とした後、３時間撹拌した。

水３０ｇを入れ、室温で抽出操作を３回行った。抽出操作を行った後のトルエン層をＨＰＬＣで分析し、成分を定量したところ、目的の４−ベンゾイルオキシ−ＴＥＭＰＯの含量は２２．７ｇ（０．０８２１ｍｏｌ）であった（収率５８．９％）。また、１，４−ジベンゾイルオキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジンの含量は９．０１ｇ（０．０２３６ｍｏｌ）であった（含有率１９．６％）。

トルエン層を減圧下で濃縮し、完全に留去した。これに、メタノール９０．１ｇを入れ、５０℃まで加熱し溶解した後、３時間で１０℃まで冷却した。スラリーを吸引ろ過し、取得した湿粉を減圧下で乾燥させることで、橙色の紛体を２４．０ｇ取得した。

取得した紛体をＧＣによって純度分析を行ったところ、７０．８％の純度であった。

Claims (2)

1. 三級アミンの存在下、４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシルと芳香族酸塩化物とを反応させる、式（１）で表されるＮ−オキシル化合物を製造する方法。
   
   （１）
   （式（１）中、Ｒ^１、Ｒ^２は、それぞれ独立して、水素原子又は式（２）で表される基であり、Ｒ^１及びＲ^２の少なくとも一方は式（２）で表される基である。）
   
   （２）
2. ４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシル、芳香族酸塩化物及び三級アミンのうち、最後に反応液に供給する化合物を供給する際の反応液の温度を５℃以上４０℃以下とする、請求項１記載の製造方法。