JP2015513562A - ヒドラジン誘導体と二酸化炭素の反応生成物 - Google Patents

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Abstract

本発明は、液体ヒドラジン及びその誘導体を過量の二酸化炭素と反応させることで、二酸化炭素がヒドラジン及びその誘導体と化学的に結合された新しい化合物を合成することに関するものである。このために、高圧の二酸化炭素を使用することで、水がなく、副産物のない純粋な形態の二酸化炭素が結合されたヒドラジン及びその誘導体を合成した。なお、これらの化合物をカルボニル化合物との反応を通じて、この物質の活用方案を提供する。

Description

本発明は、ヒドラジン及びその誘導体を二酸化炭素との反応を通じて二酸化炭素がヒドラジン誘導体と化学的に結合された新しい化合物を作り、これらの化合物を応用する技術に関する。
ヒドラジン(hydrazine)、モノメチルヒドラジン(mono−methyl−hydrazine、MMH)、ジメチルヒドラジン(di−methyl−hydrazine、DMH)などのヒドラジン誘導体は、常温常圧で液体に存在し、発泡剤、農薬、及び医薬の前具体、ロケットの燃料などで色々な分野において非常に多様に使われている。このようなヒドラジン誘導体は、有毒であり、反応性が優れており、運搬や保管が困難であるため取り扱いに多くの困難が伴う。
前記したような、液体ヒドラジン誘導体が有しているこのような問題点を減らすための一つの方便として、固体ヒドラジン塩(hydrazinium salt)を作り、ヒドラジンの代用として使用することが提案された。一方、米国特許第3,551,226号及び第2,878,103号では、ヒドラジン誘導体と難燃性気体である二酸化炭素を部分的に反応させて、ゲル(gel)形態またはアゼオトロピック(azeotropic)混合物に製造して使用する方法を提示した。すなわち、米国特許第2,878,103号では、多量の水(>46wt%)の存在下でヒドラジン溶液に二酸化炭素を吹き入れながら反応すれば、主に、カルバジン酸(carbazic acid、HCO)とヒドラジニウムカルバゼート(hydrazinium carbazate、NCO)で構成され、ヒドラジンと二酸化炭素との比率が一定ではない混合物の形態に存在するということが知られている。また、米国特許第3,551,226号では、置換されたヒドラジン誘導体を二酸化炭素と反応して非常に粘いゲルを生成し、このゲル状態をpropellantとして使用することが提示されている。
一方、ヒドラジン及びヒドラジン誘導体の大部は、生産工程で必須的に水の生成を伴い、水とアゼオトロープ(azeotrope)を形成するため、水が完全に除去された純粋なヒドラジン及びその誘導体を作ることが非常に難しい。このようなヒドラジン及びその誘導体は、多くの場合に水を含んで使用することもあるが、水が含まれていない無水ヒドラジンが必ず必要な場合である、例えば、ロケットの燃料として使用するか、または水のない環境で反応を進行しなければならない場合には不適である。このような理由で、ヒドラジン及びその誘導体に含まれた水を取り除いた無水ヒドラジン及びその誘導体を製造するために、米国登録特許6,849,161号、4,804,442号、及び3,598,546号などに報告されたように、非常に多くの研究が進行されてきた。しかし、前記の特許の発明内容は、大気圧より非常に低い圧力(真空条件)で蒸溜する方法である。これは真空蒸溜装置の設置及び維持などの多くの費用が所要される複雑な精製工程である。
一方、無水ヒドラジン及びその誘導体は、漏出や気化による発火または爆発、及び周辺の金属物質との急激な反応により環境汚染を引き起こす可能性があり、また、完全に密閉されていなければ水分を吸収して特性が低下される。無水ヒドラジン及びその誘導体の製造自体も難しいが、無水化合物の場合には運搬及び貯蔵の困難によりロケット燃料の他に、他分野の応用に多くの制限が伴う。よって、このような問題点を克服することができる安定的でかつ反応性の優れた、水を含まない新しいヒドラジン誘導体の開発が重要である。
前記のような液体ヒドラジン誘導体の問題点を解決して、保管及び運送にも問題がなく、使用がより安全かつ便利であり、水分が完全に除去された新しいヒドラジン誘導体化合物を合成することで、既存の液体ヒドラジン誘導体の短所を補完して、ヒドラジン誘導体の応用分野を拡大しようとする。すなわち、本発明は、主要温室ガスである二酸化炭素を液体ヒドラジン誘導体との反応を通じて二酸化炭素が化学的に結合された新しいヒドラジン誘導体化合物を合成し、これらを活用する方案を提供することにその目的がある。
本発明は、液体ヒドラジン及びその誘導体を過量の二酸化炭素と反応させることで、ヒドラジン及びその誘導体が二酸化炭素と部分的に反応した混合物ではなく、二酸化炭素がヒドラジン及びその誘導体と化学的に結合された、今まで提示されたことのない、新しい化合物を合成した。このために、二酸化炭素を高圧に使用することで、水がなく、副産物のない純粋な形態の二酸化炭素が結合されたヒドラジン及びその誘導体を合成して分析し、分析が完了した化合物に対してより温和な合成条件でも合成可能であるということが確認できた。
ここで、本発明の目的は下記の構造式Iに表現される化合物及び二酸化炭素を反応させて合成される下記の構造式IIに表示されるヒドラジニウムカルボキシレート誘導体を提供することにある。
[構造式I]
[構造式II]
前記構造式I及びIIにおいて、R及びRは、それぞれ独立的に水素であるか、または炭素数1−30の、脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭素環化合物、または置換された脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、または置換された芳香族(aromatic)環、または置換されたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つであるか、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)炭化水素、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)炭素環、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つである。
本発明による二酸化炭素が結合されたヒドラジンまたはその誘導体の製造は、0.5〜100MPaの高圧の二酸化炭素を使用することで、二酸化炭素とヒドラジン誘導体が速く反応して、ヒドラジンカルボキシル酸、またはその誘導体に容易に転換され、時間とエネルギーを大きく節減することができ、また、液体ヒドラジン誘導体に含有されている水の残留を最小化することができ、水と副産物の生成が殆どない二酸化炭素が結合されたヒドラジンまたはその誘導体を固体またはゲルの形態で得るようになる。このような二酸化炭素が結合されたヒドラジンまたはその誘導体は、今までは純粋な固体やゲルの形態で分離合成することができず、その物質の形態や構造が明確に糾明されていない化合物である。すなわち、本発明を通じて、二酸化炭素が結合されたヒドラジンまたはその誘導体化合物を分離合成することが可能になり、その存在を明確に確認することができ、その応用範囲を拡大することができる効果がある。
本発明を通じて開発した二酸化炭素が結合されたヒドラジン及びその誘導体粉末及びゲルは、液体ヒドラジン及びその誘導体に比べて、1)常温で安定した固体(またはゲル)状態であるため、保管及び使用が簡便で危険ではなく、2)反応時に容易に二酸化炭素が分離され無水ヒドラジン及びその誘導体のような優れた反応性を有し、3)溶媒がない環境でも反応が可能であり、4)水を含んでいないため、無水環境で使用することができ、5)固体間の固相反応が可能であり、6)反応時に副生成物がないという利点を提供する。
また、本発明により合成された二酸化炭素が結合されたヒドラジン及びその誘導体化合物は、現場での使用が容易かつ安全であるため、それを通じて経済的な利益が得られるだけではなく、安全な使用条件を確保することができる。液状のヒドラジン及びその誘導体に比べて正確な量を計って使用することができるため、燃料として使用するか、化学反応に使用する際に、使用量が正確に調節された状態で使用することができるため、副産物の生成を最小化することができる。
化合物1、HNHCO のX−ray結晶構造(ORTEP)である。 化合物1、HNHCO の固体状態H−NMRピーク(パネル(a))と13C NMRピーク(パネル(b))である。 化合物1、HNHCO の固体状態TGA/DSCである。 化合物1、HNHCO の固体状態IR spectrumである。 結晶形に生成された化合物1、HNHCO の写真である。 (CH)HNHCO 化合物の固体状態13C−NMR spectrumである。 (CH)HNHCO 化合物のIR spectrumである。 (CH)HNHCO 化合物のXRD dataである。 化合物H(C)NNHCO に対するIR spectrumである。 化合物H(C)NNHCO に対するXRD dataである。 化合物H(2−CN)NNHCO に対するIR spectrumである。 化合物H(2−CN)NNHCO −−に対するXRD dataである。 化合物(HOCHCH)HNHCO に対するIR spectrumである。 化合物H(CH)(C)NNHCO に対するIR spectrumである。 化合物H(CH)(C)NNHCO に対するXRD dataである。 化合物(CHHNNHCO に対するIR spectrumである。 化合物(CHHNNHCO に対するXRD dataである。 (CHHNNHCO が構造式IIIを経てdimethylammonium 2,2−dimethyl−hydrazinecarboxylateに変化中である固体状態13C−NMR spectrum(パネルa)及び構造式IIに変化された固体(CHHNNHCO の13C−NMR値(パネルb)である。 dimethylammonium 2,2−dimethylhydrazinecarboxylateのX−ray結晶構造(ORTEP)である。 化合物(E)−1−((E)−3−(2−methoxyphenyl)allylidene)−2−phenyl−hydrazineのX−ray結晶構造(ORTEP)である。
本発明において、ヒドラジン及びその誘導体を二酸化炭素と定量的に(1:1)反応するために、下記の構造式Iに表現される化合物を高圧の二酸化炭素と反応して、下記の構造式IIに表現される二酸化炭素が化学的に結合されたヒドラジンまたはその誘導体化合物を合成した。合成された構造式IIの化合物は、置換基によって適正な温度で構造式IIIに変換される。これを反応式1に示した。
[構造式I]
[構造式II]
[構造式III]
[反応式1]
前記の構造式I、II及びIIIにおいて、R、Rは、それぞれ独立的に水素であるか、または炭素数1−30の、脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭素環、または置換された脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、置換された芳香族(aromatic)環、または置換されたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つであるか、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)炭化水素、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)炭素環、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つである。
前記脂肪族(aliphatic)炭化水素は、アルキル、アルケニル基などを含む。
「アルキル」は、直鎖または側鎖の非置換または置換された飽和炭化水素基を意味し、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、イソブチル、secブチル、tertブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、トリデシル、ペンタデシル、及びヘプタデシルなどを含む。C1−C10アルキルは炭素数1〜10のアルキルユニットを有するアルキル基を意味し、C1−C10アルキルが置換された場合、置換体の炭素数は含まれていないものである。
「アルケニル」は、指定された炭素数を有する直鎖または分鎖の非置換または置換された不飽和炭化水素基を示し、例えば、エテニル、ビニル、プロフェニル、アリル、イソプロフェニル、ブテニル、イソブテニル、t−ブテニル、n−ペンテニル及びn−ヘキセニルを含む。
芳香族(aromatic)環、または置換されたヘテロ芳香族(aromatic)環は、アリール化合物、ヘテロアリール、アリールアルキル及び接合アリール基などを含む。
「アリール」は、全体的にまたは部分的に不飽和された置換または非置換されたモノサイクリックまたはポリサイクリック炭素環を意味する。C6−30アリールは、炭素数6〜30の炭素環原子を有するアリール基を意味し、C6−30アリールが置換された場合、置換体の炭素数は含まれないものである。望ましくは、アリールはモノアリールまたは非アリールである。モノアリールは炭素数5−6を有することが望ましく、非アリールは炭素数9−10を有することが望ましい。最も望ましくは、前記アリールは置換または非置換されたフェニルである。モノアリール、例えば、フェニルが置換される場合には、多様な位置で多様な置換体によって置換が行われることができ、例えば、ハロ、ヒドロキシ、ニトロ、シアノ、C1−C4置換または非置換された直鎖または分枝鎖アルキル、またはC1−C4直鎖または分枝鎖アルコキシによって置換されることができる。
「ヘテロアリール」は、ヘテロサイクリック芳香族基であって、ヘテロ原子として、Si、O、S、Se、N、PまたはAsを含むものである。C3−30ヘテロアリールは、炭素数3〜30の炭素環原子を有するヘテロアリール基を意味し、C3−30ヘテロアリールが置換された場合、置換体の炭素数は含まれないものである。ヘテロ原子の個数は、望ましくは1−2である。ヘテロアリールにおいて、アリールは、望ましくはモノアリールまたは非アリールであり、最も望ましくは、モノアリールである。ヘテロアリールは、多様な位置で多様な置換体によって置換されることができ、例えば、ハロ、ヒドロキシ、ニトロ、シアノ、C1−C4置換または非置換された直鎖または分枝鎖アルキル、C1−C4直鎖または分枝鎖アルコキシによって置換されることができる。
「アリールアルキル」は、アリール基に置換されたアルキル基を意味する。C6−30アリールアルキルは、炭素数6〜30のアリールアルキルユニットを有するアリールアルキルを意味し、C6−30アリールアルキルが置換された場合、置換体の炭素数は含まれないものである。アリールアルキルにおいて、アリールは、望ましくはモノアリールまたは非アリールであり、アルキルは、望ましくはC1−3アルキル、より望ましくはC1アルキルである。アリールアルキルにおいて、アリールは多様な位置で多様な置換体によって置換されることができ、例えば、ハロ、ヒドロキシ、ニトロ、シアノ、C1−C4置換または非置換された直鎖または分枝鎖アルキル、C1−C4直鎖または分枝鎖アルコキシ、またはアルキルカルボキシルニトロによって置換されることができる
「接合アリール基」は、接合(fused)された多重アリール環からなる環状を意味し、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ベンゾ[a]ピレン、ベンゾ[b]ピレン、ベンゾ[e]ピレン、アセナフタレン、アセナフテン、ベンゾ[b]フルオランテン、ベンゾ[j]フルオランテン、クリセン、フルオランテン、フルオレン、ピレンなどがあり、これは置換または非置換された接合アリール基である。多様な位置で多様な置換体によって置換が行われることができ、例えば、ハロ、ヒドロキシ、ニトロ、シアノ、C1−C4置換または非置換された直鎖または分枝鎖アルキル、またはC1−C4直鎖または分枝鎖アルコキシによって置換されることができる。
前記高圧条件での反応は、無溶媒の条件下で、または、水、C−C12のアルコール、C−C12のエーテルまたはこれらの混合溶媒下で行われることができる。特に、C−C12のアルコール溶媒下で反応が行われる時より高純度のヒドラジンカルボキシル酸またはその誘導体の収得が可能である。
アルコールを溶媒として使用する場合、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、n−楽オール、イソブタノール、sec−ブタノール、tert−ブタノール、n−ペンタノール、イソペンタノール、sec−ペンタノール、tert−ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、ウンデカノール、ドデカノール、ペンタデカノールなどを含むが、これらに限定されるものではなく、エチレングリコール、グリセロール、エリスリトール、キシリトール、マンニトールのようなポリオールも含むが、これに限定されない。
エーテルを溶媒として使用する場合、ジメチルエーテル、ジエチルエーテルTHF、ダイオキシンなどを含むが、これに限定されるものではない。
前記高圧条件の反応で、温度は−20〜300℃に調節されることができる。−20℃未満の温度では反応が円滑に行われない問題が発生する可能性があり、300℃を超過しても大きい反応速度の向上は達成できないためである。
前記ヒドラジン誘導体水和物の水分含量は1〜99重量%になることができる。より望ましくは、10〜80重量%になることができる。
前記二酸化炭素は、気相、液状の二酸化炭素だけではなく、超臨界状態の二酸化炭素または固相のドライアイスも使用可能である。
前記高圧条件での反応後に圧力を0.01〜0.1MPaの水準に減圧して余剰(excess)二酸化炭素を蒸発させる段階を追加することができる。
段階i)において、反応物(ヒドラジンまたはその誘導体)に存在する一定量の水は、構造式IIの化合物が生成されながら分離される。段階i)の反応で、圧力は0.3〜100MPaであることが望ましいが、圧力を0.1MPa未満に調節する際、二酸化炭素と液状のヒドラジン誘導体との反応が発生するが、ゲルの形態の粘い沈殿物が次第に生成され、粉末には生成されない。この沈殿物は、アルコールで何回も洗浄し、真空で乾燥しても粘い性質がそのまま残っているようになる。この際、反応物がヒドラジン(構造式IでR1=R2=H)の場合、存在する水分によって粘性のある固体生成物は、下の反応式2のような経路を経て、カルバジン酸(carbazic acid)とヒドラジニウムカルバゼート(hydrazinium carbazate)で構成された混合物として存在するようになり、このため、下記の構造式1の形態に純粋に分離されず、今まで報告されたことがなかった。
[反応式2]
しかし、高圧の二酸化炭素の条件では、ヒドラジンと二酸化炭素が非常に速く反応し、定量的に下記の構造式1の化合物が生成される。生成された化合物1は、反応混合物に存在する水との分離が確実になり、生成物である構造式1の物質が前記反応条件ではもう変化されない。すなわち、前記の反応式2に表現した平衡が生じない。このような両方性イオン化合物1(hydrazinium carboxylate)は、本発明の以前までは報告されたことがなく、カルバジン酸(carbazic acid)という構造としてだけ提示されたことがある。前記の内容は、本願の発明者によって最近文献で発表されたことがある(Lee、B.;Kang、S.H.;Kang、D.Lee、K.H.;Cho、J.;Nam、W.Han O.H.;Hur、N.H.Chem.Commun.、2011、47、1121911221)。この構造式1の化合物の結晶構造を図1に示しており、図2では固体状態のH及び13C NMR spectraを示しており、図3にTGA/DSC data及び図4にIR spectrum、また、図5に固体状態の写真を示した。
[構造式II]
この化合物は、熱を加えれば構造式IIIの形態においてR=R=Hであるゲルの形態の化合物が無水状態に生成される。
また、R=CH、Ph、1−Pyridyl、HOCHCH、R=Hなどの化合物の場合は、構造式IIの形態に生成及び分離される。各化合物の大部は、低い温度(<4℃)以下では白色の固体に存在するが、これより高い温度では二酸化炭素の一部を失い、構造式IIIの形態に変換されたりする。これは、R1に表記される置換基別に互いに異なる特性を示すが、構造式IIまたはIIIの形態を維持する。この化合物はまだ知られていない。
前記の構造式II及びIIIの化合物は、溶媒を使わないため、非常に親環境的な(環境負荷の小さい)条件で、それぞれ1当量及び2当量のカルボニル化合物と反応し、非常に選択的に高収率(〜100%)でイミン(imine)またはアジン(azine)化合物を生成する優れた利点を提供する(下記の反応式3−5を参照)。また、反応の副産物である二酸化炭素と水は公害のない物質として取り扱われ、反応中に大気中で除去されるので、別途の分離過程が不要であるという長所も提供する。しかし、二酸化炭素と反応しない構造式Iの化合物は類似した条件で本発明から得られた構造式II及びIIIの化合物のような優秀性を有しない。
[反応式3]
[反応式4]
[反応式5]
一方、1,1−dimethylhydrazine(R=R=CH)のように、R1とR2がアルキル、すなわち、飽和された脂肪族炭化水素または不飽和された脂肪族炭化水素である場合には、低い温度(<0℃)で二酸化炭素と反応すれば、構造式IIの形態に生成されるが、昇華性が他の誘導体より非常に強い。そして、0℃以上では構造式IIIの形態に直ちに変化し、構造式IIIの関連化合物は直ぐにアンモニア(NH)一分子を失い、最終的には下記の構造式IVの形態に変換される(反応式6を参照)。この構造式IVにおいて、R=R=CHである化合物は非常に安定しており、結晶に成長させることができる(図19を参照)。
[反応式6]
[構造式IV]
構造式IVの形態を有する化合物も前記の反応式3のように、溶媒のない条件下でもカルボニル化合物と1:1に反応してイミン化合物を定量的に生成する。但し、dialkylamine(またはdi(aryl)alkylamine)が副産物を追加的に発生する。しかし、R=R=CHである場合、dimethylamineも低い沸騰点を有するので、別途の分離過程は不要である(下記の反応式7を参照)。すなわち、発生できるアミン(RNH)の沸騰点の低い物質を使えば、別途の分離過程なしに下記の形態でイミンを生成することができる。
[反応式7]
以下、実施の形態を通じて本発明をより詳しく説明する。これらの実施の形態は単に本発明をより具体的に説明するためのものであって、本発明の要旨によって本発明の範囲がこれらの実施の形態によって制限されないということは、本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者にとって自明であるはずである。
構造式Iの化合物は、大韓民国特許出願第10−2010−0135935に明記された内容、及びそれと類似した方法によって合成しており、構造式IIIの化合物は、構造式IIの化合物を非活性気体の存在下で温度を変化させながら合成及び分析した。
実施の形態1:
水分含量が約36重量%であるヒドラジン水和物(hydrazine hydrate)溶液3gを反応機に入れ、二酸化炭素の圧力と反応機の温度を調整して、ヒドラジニウムカルボキシレート(hydrazinium carboxylate、HNHCO 、HC)を製造した。二酸化炭素の圧力が7.4MPa以上であり、温度は50℃である状態で反応した。反応後、減圧して残留二酸化炭素は気体で飛散し、残った固体を20mLのメタノールで5回洗浄し、真空で3時間乾燥させて、ヒドラジニウムカルボキシレート結晶を得た。
この結晶は、X−ray crystallographyを通じて分析した結果、ヒドラジニウムカルボキシレート(hydrazinium carboxylate、HNHCO )に表現される化合物であった。使用したhydrazine h ydrateを基準にして得たHNHCO の収率は98%以上であった。X−ray結晶構造(ORTEPとpacking diagram)を図1に示し、固体状態のH、13C NMRを図2に示した。溶液状態のNMR資料は固体を溶かすことができる適当な溶媒がないため測定しなかった。図3及び4には、TGA/DSC及びIR spectrumをそれぞれ示した。図5は、結晶形生成物の写真を示した。
生成物であるHNHCO に対する元素分析(単位%)結果
元素(計算値、実験値):C(15.79、15.75),H(5.30、5.31)、N(36.84、36.90)
質量分析MS(EI+)m/z=32[M]+、31、29、17、15
実施の形態2:
前記実施の形態1と同じ方法で実施し、固体二酸化炭素であるドライアイスを二酸化炭素の供給源にして反応を完結した。水分含量が約36重量%であるヒドラジン水和物(hydrazine hydrate)溶液3gを反応機に入れ、ドライアイスを約15g満たした後、約100℃の温度で合わせられたoil bathに入れて反応した。この際、圧力は10〜12MPa程度であったし、この条件で約2時間反応した。残りは実施の形態1と同一である。使用したhydrazine hydrateを基準にして得たHNHCO の収率は98%以上であった。分析結果は実施の形態1と同一であった。
実施の形態3:
温度0℃で反応し、残りは何れも実施の形態1と同一であり、分析結果も同一であった。
実施の形態4:
前記実施の形態1と同一に実施し、ヒドラジンハイドレートの代わりに、1−メチルヒドラジンの1.90gを使用した。
この粉末は分析結果、構造式としては2−メチルヒドラジンカルボキシル酸2−メチルヒドラジニウムカルボキシレート(2−methyl hydrazinium carboxylate、(CH)HNHCO )に表現される化合物であった。使用した1−メチルヒドラジンを基準にして得た(CH)HNHCO の収率は94%(3.50g)以上であった。生成物である(CH)HNHCO に対する元素分析(単位%)結果は、元素(計算値、実験値):C(26.66、26.57),H(6.71、6.76)、N(31.10、30.96)H NMR(400MHz、CDOD、27℃):δ4.96(br.s、2H、−NH&−N)、2.68(br.s、3H,CH);13C NMR(100MHz、CDOD、27℃)δ38.0(CH)、160.1(C=O)
この化合物は、固体13C NMRでも分析したし、このspectrumを図6に示した。常温で液化された(CH)HNHCO 化合物のIR spectrum及びXRD dataは図7と図8のそれぞれに示した。
実施の形態5:
前記実施の形態1と同様に実施し、ヒドラジンハイドレートの代わりに1−フェニルヒドラジンの2.16gを使用した。
この粉末は元素分析結果、構造式としては、2−フェニルヒドラジニウムカルボキシレート(2−phenyl hydrazinium carboxylate、H(C)NNHCO )に表現される化合物であった。使用した1−フェニルヒドラジンを基準にして得たH(C)NNHCO の収率は96%(2.92g)以上であった。生成物であるH(C)NNHCO に対する元素分析(単位%)結果は、元素(計算値、実験値):C(55.26、55.05)、H(5.30、5.21)、N(18.41、18.57)
H NMR(400MHz、CDOD、27℃)δ4.87(br.s、3H、N−H&N−H)6.75(t、J=7.2Hz、1H、phenyl)、6.85(t、J=7.6Hz、2H、phenyl)、7.17(m、2H);13C NMR(100MHz、CDOD、27℃)δ112.3、118.9、128.5、151.4(phenyl)、158.2(C=O)、mp=78℃
この化合物のIR spectrum及びXRD dataは、図9と図10のそれぞれに示した。
実施の形態6:
前記実施の形態1と同様に実施し、ヒドラジンハイドレートの代わりに2−hydrazinylpyridineの2.2gを使用した。
この粉末は元素分析結果、構造式としては2−(pyridin−2−yl)hydrazinium carboxylate(H(2−CN)NNHCO )に表現される化合物であった。使用した2−hydrazinylpyridineを基準にして得たH(2−CN)NNHCO の収率は95%(2.91g)以上であった。生成物であるH(2−CN)NNHCO に対する元素分析(単位%)結果は、元素(計算値、実験値):C(47.06、47.21)、H(4.61、4.11)、N(27.44、27.23)
H NMR(400MHz、CDOD、27℃)δ4.89(br.s、3H、N−H&N+−H)6.60(m、1H、pyridyl)、6.78(m、1H、pyridyl)、7.46(m、1H、pyridyl),7.98(m、1H、pyridyl);13C NMR(100MHz、CDOD、27℃)δ107.2、113.4、137.5、137.7、146.5(pyridyl)、161.6(C=O)、mp=56℃
この化合物のIR spectrum及びXRD dataは、図11と図12のそれぞれに示した。
実施の形態7:
前記実施の形態1と同様に実施するが、ヒドラジンハイドレートの代わりに2−hydrazinoethanolの1.53gを使用した。
この粉末は分析結果、構造式としては、2−(2−hydroxyethyl)hydrazinium carboxylate、(HOCHCH)HNHCO )に表現される化合物であった。2−hydrazinoethanolを基準にして得た(HOCHCH)HNHCO の収率は94%(2.26g)以上であった。生成物である(HOCHCH)HNHCO に対する元素分析(単位%)結果は、元素(計算値、実験値):C(30.00、29.57)、H(6.71、6.86)、N(23.32、23.71)
H NMR(400MHz、CDOD、27℃)δ2.90(br.s、H、CH−N)、3.70(brs、2H、CH−OH)、4.98(m、3H、OH、−NH&−N)、13C NMR(100MHz、CDOD、27℃)δ55.1(CH−N)、58.4(CH−O)、164.6(C=O)
この化合物のIR spectrumを図13に示した。
実施の形態8:
前記実施の形態1と同様に実施するが、ヒドラジンハイドレートの代わりに1−メチル1−フェニルヒドラジンの1.23gを使用した。
この粉末は元素分析結果、構造式としては、2−メチル−2−フェニルヒドラジニウムカルボキシレート(2−methyl 2−phenyl hydrazinium carboxylate、H(CH)(C)NNHCO )に表現される化合物であった。使用した1−メチル−1−フェニルヒドラジンを基準にして得たH(CH)(C)NNHCO の収率は93%(1.55g)以上であった。生成物であるH(CH)(C)NNHCO に対する元素分析(単位%)結果は、元素(計算値、実験値):C(57.82、58.01)、H(6.07、6.01)、N(16.86、16.79)
H NMR(400MHz、CDCl、27℃)δ3.13(s、3H、CH)、3.68(brs、2H、NH&NH)、6.93(m、1H、phenyl)、7.10(m、2H、phenyl)、7.37(m、2H、phenyl)、13C NMR(100MHz、CDCl、27℃)δ41.7(CH−N)、112.6、117.2、129.4、149.8(phenyl)、162.1(C=O)
この化合物のIR spectrum及びXRD dataは、図14と図15のそれぞれに示した。
実施の形態9:
前記実施の形態1と同様に実施するが、ヒドラジンハイドレートの代わりに1、1−ジメチルヒドラジンの1.21gを使用した。
この粉末は元素分析結果、構造式としては2,2−ジメチルヒドラジニウムカルボキシレート(2,2−dimethyl hydrazinium carboxylate,(CHHNNHCO )に表現される化合物であった。使用した1,1−ジメチルヒドラジンを基準にして得た(CHHNNHCO の収率は94%(1.96g)以上であった。生成物である(CHHNNHCO に対する元素分析(単位%)結果は、元素(計算値、実験値):C(34.61、34.56)、H(7.75、7.78)、N(26.91、26.79)
H NMR(400MHz、CDOD、27℃)δ2.47(s、6H、CH)、4.92(br.s、2H、−NH&−NH);13C NMR(100MHz、CDOD、27℃)δ49.0(br,CH)、160.1(C=O)。
この化合物のIR spectrum及びXRD dataは、図16と図17のそれぞれ示した。
一方、この化合物は、4℃以上では約3ヶ月以上、常温では約7日程度ぶりに構造式IIIの形態を経て構造式2、すなわち、dimethylammonium 2,2−dimethylhydrazinecarboxylateに変化し、このような変化を固体状態で13C NMRで確認し、これを図18のパネルa及びパネルbに示した。構造式2で変換化合物、すなわち、dimethylammonium 2,2−dimethylhydrazine−carboxylateは非常に安定して結晶を成長させることができる。化合物2のORTEPを図19に示した。
前記ヒドラジンと二酸化炭素との反応を通じて合成された構造式IIの化合物は、ヒドラジン:二酸化炭素の比率が1:1で存在し、カルボニル化合物と会えば、溶媒のない条件でも二酸化炭素は除去され、ヒドラジンの−NH基がカルボニル基と反応して1分子の水が生成されながら、イミン(imine)化合物を生成する(imineが連結されればazine)。一方、構造式IIIの化合物は、ヒドラジン:二酸化炭素の比率が2:1で存在しながら、2分子のカルボニル化合物と会って、二酸化炭素は除去され、2当量の−NH基がカルボニル基と反応して2分子の水が生成されながらイミン(imine)化合物が合成される。よって、構造式IIとIIIをカルボニル化合物との反応を通じて確認することができる。
下記の実施の形態は、結晶を得ることができない構造式IIの化合物に対して構造をより明確に確認するために、反応を通じて提示された構造を間接的に確認した実験である。
実施の形態10:
2−フェニルヒドラジニウムカルボキシレート(2−phenyl hydrazinium carboxylate、H(C)NNHCO )に表現される化合物1.52g(10.0mmol)を2−methoxycynnamaldehyde1.62g(10.0mmol)と溶媒なしに固体状態の粉末を乳鉢に入れ、粉砕して交ぜた後に反応した。反応後、生成物を分析した結果は下のようであり、CHCl/ether溶媒で結晶を作り、X−ray crystallographyで分析してORTEPを図20に示した。この結果から反応生成物が定量的に生成され、結晶構造確認を通じて、構造式IIの予想構造が正確であることが確認できた。
(E)−1−((E)−3−(2−methoxyphenyl)allylidene)−2−phenylhydrazine
Yield(2.47g、98%)。
<Elemental analysis>
(Found:C、76.06;H、6.44;N、11.27;.Calc.ForC1616O:C、76.16;H、6.39;N、11.10%).δ(400MHz;CDCl;MeSi)3.86(3H、s、OCH)、6.87(m、1H、C=C−H−C)、6.94(t、J=7.2Hz、1H,C−H=C−C)、7.30(m、3H、phenyl)、7.25(m、3H、phenyl)、7.51(m、3H、phenyl&CH=N),δ(100MHz;CDCl;MeSi)55.5(OCH)、111.0(CH−C=N)、112.7、120.0、120.8、125.7、126.7、129.1、129.2、129.3、141.0、144.4(CH、phenyl&C=C)、156.8(C=N)。
実施の形態11:
2,2−ジメチルヒドラジニウムカルボキシレート(2,2−dimethyl hydrazinium carboxylate、(CHHNNHCO )に表現される化合物を1.04g(10.0mmol)を使って反応するカルボニル化合物を4−hydroxybenzaldehydeの1.22g(10.0mmol)を使用し、残りは実施の形態10と同一である。反応後の生成物を分析した結果は下のようである。
(E)−4−((2,2−dimethylhydrazono)methyl)phenol
Yield(1.59g、97%)。
<Elemental analysis>
(Found:C、65.57;H、7.24;N、17.26;.Calc.ForC12O:C、65.83;H、7.37;N、17.06%).δ(400MHz;CDCl;MeSi)2.84(6H,s,CH)、4.95(br.s、1H、OH)、6.72(d、J=8.8Hz、2H、phenyl)、7.20(d、J=11.68Hz、1H、phenyl)、7.38(m、J=8.8Hz、3H、phenyl&CH=N)、δ(100MHz;CDCl;MeSi)43.1(N(CH)、115.5、127.3、129.5、134.4(CH、phenyl)、155.6(C=N)
この結果から反応生成物が定量的に生成され、生成物が構造式IIから合成されるので、予想構造が正確であることが確認できた。
実施の形態12:
2,2−ジメチルヒドラジニウムカルボキシレート(2,2−dimethyl hydrazinium carboxylate、(CHHNNHCO )の代わりに、dimethylammonium 2,2−dimethylhydrazinecarboxylateに表現される化合物を1.50g(10.0mmol)を使い、残りは実施の形態11と同一である。反応生成物は実施の形態11と正確に同一であり、収率はほぼ類似した。反応中に二酸化炭素とジメチルアミンは気体状態で除去された。
この結果から反応生成物が定量的に生成され、構造式2の化合物も固体状態でジメチルヒドラジンとほぼ類似した反応性を見せることが確認できた。
比較実施例1:常圧での二酸化炭素を利用
前記の実施の形態1と同一の方法で実施するが、圧力と温度の条件を調節し、高圧反応機の代りに丸いフラスコを使用した。ヒドラジンの含量比が64重量%程度であるヒドラジン水和物(hydrazine hydrate)溶液3mLを、氷容器に盛られた冷たい丸いフラスコに入れ、常圧(約0.1MPa)の二酸化炭素を溶液中に吹き入れた。約8時間が経ち、透明であった溶液中で少しずつゲルが形成され、溶液に10時間以上さらに二酸化炭素を吹き入れたら、白くて粘いゲルと固体が生成される。ゲルが含まれた固体を前記実施の形態1と同一の方法でメタノールで10回洗浄し、ゲルの形態の固体を真空で乾燥させた。乾燥した後にも、多少粘い状態の物質を得た。
使用したhydrazine hydrateを基準にして得た収率は85%程度である。元素分析結果が実施の形態1の生成物との造成と合わず、元素の比率が一定していない点から、この生成物は固体内に水分が含まれており、carbazic acid(HCO)の他にもNHNH・CO・NHNH等の他の物質が混入されていることと推定される。
生成物であるHCOに対する元素分析(単位%)結果、元素(計算値、実験値):C(15.79、13.83)、H(5.30、6.56)、N(36.84、39.72)。
質量分析MS(EI+)m/z=32[M]+、31、29、17、15
下記の表1では、二酸化炭素と反応させたヒドラジン誘導体反応物及び収率、融点を記載した。

Claims (20)

  1. 下記の構造式Iに表現される化合物及び二酸化炭素を反応させて合成される下記の構造式IIに表示されるヒドラジニウムカルボキシレート誘導体:
    [構造式I]
    [構造式II]
    前記構造式I及びIIにおいて、R及びRは、それぞれ独立的に水素であるか、または炭素数1−30の、脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭素環化合物、または置換された脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、または置換された芳香族(aromatic)環、または置換されたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つであるか、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)炭化水素、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)炭素環、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つである。
  2. 前記構造式Iに表現される化合物及び二酸化炭素を反応させて前記構造式IIの化合物を合成することは、無溶媒条件下で反応させることを特徴とする、請求項1に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  3. 前記構造式Iに表現される化合物及び二酸化炭素を反応させて前記構造式IIの化合物を合成することは、水、C〜C12のアルコール、C〜C12のエーテル、または炭素数1−30の、脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭素環、または置換された脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、置換された芳香族(aromatic)環、または置換されたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つを使用するか、これらの混合溶媒下で得られた構造式IIを含むことを特徴とする、請求項1に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  4. 前記構造式Iに表示されるヒドラジン誘導体化合物は、水分が含まれることを特徴とする、請求項1に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  5. 前記構造式Iに表示されるヒドラジン誘導体化合物に含まれた水分は、その含量がヒドラジン誘導体化合物と水分の総重量対比5−95%であることを特徴とする、請求項4に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  6. 前記構造式Iに表示されるヒドラジン誘導体化合物は、水分が含まれていないことを特徴とする、請求項1に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  7. 前記二酸化炭素は、気体または固体(dry ice)状態であることを特徴とする、請求項1に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  8. 下記の構造式Iに表示される化合物と二酸化炭素とを反応させて合成される、下記の構造式IIIに表示されるヒドラジニウムカルボキシレート誘導体:
    [構造式I]
    [構造式III]
    前記構造式I及びIIIにおいて、R及びRは、それぞれ独立的に水素であるか、または炭素数1−30の、脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭素環化合物、または置換された脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、または置換された芳香族(aromatic)環、または置換されたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つであるか、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)炭化水素、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)炭素環、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つである。
  9. 前記構造式Iに表現される化合物及び二酸化炭素を反応させて前記構造式IIIの化合物を合成することは、無溶媒条件下で反応させることを特徴とする、請求項8に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  10. 前記構造式Iに表現される化合物及び二酸化炭素を反応させて前記構造式IIIの化合物を合成することは、水、C〜C12のアルコール、C〜C12のエーテル、または炭素数1−30の、脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭素環、または置換された脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、置換された芳香族(aromatic)環、または置換されたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つを使用するか、これらの混合溶媒下で得られた構造式IIIを含むことを特徴とする、請求項8に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  11. 前記構造式Iに表示されるヒドラジン誘導体化合物は、水分が含まれることを特徴とする、請求項8に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  12. 前記構造式Iに表示されるヒドラジン誘導体化合物に含まれた水分は、その含量がヒドラジン誘導体化合物と水分との総重量対比5−95重量%であることを特徴とする、請求項11に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  13. 前記構造式Iに表示されるヒドラジン誘導体化合物は、水分が含まれていないことを特徴とする、請求項8に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  14. 前記二酸化炭素は、気体または固体(dry ice)状態であることを特徴とする、請求項8に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  15. 下記の構造式Iに表示される化合物と二酸化炭素とを反応させて合成される、下記の構造式IVに表示されるヒドラジニウムカルボキシレート誘導体:
    [構造式I]
    [構造式IV]
    前記構造式I及びIVにおいて、R及びRは、それぞれ独立的に水素であるか、または炭素数1−30の、脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭素環化合物、または置換された脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、または置換された芳香族(aromatic)環、または置換されたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つであるか、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)炭化水素、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)炭素環、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれた脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、またはSi、O、S、Se、N、PまたはAsが少なくとも一つ以上含まれたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つである。
  16. 前記構造式Iに表現される化合物及び二酸化炭素を反応させて前記構造式IVの化合物を合成することは、無溶媒条件下で反応させることを特徴とする、請求項15に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  17. 前記構造式Iに表現される化合物及び二酸化炭素を反応させて前記構造式IVの化合物を合成することは、水、C〜C12のアルコール、C〜C12のエーテル、または炭素数1−30の、脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭化水素、または置換された脂肪族(aliphatic)炭素環、または置換された脂肪族(aliphatic)ヘテロ環、置換された芳香族(aromatic)環、または置換されたヘテロ芳香族(aromatic)環の中の一つを使用するか、これらの混合溶媒下で得られた構造式IIIを含むことを特徴とする、請求項15に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  18. 前記構造式Iに表示されるヒドラジン誘導体化合物は、水分が含まれることを特徴とする、請求項15に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  19. 前記構造式Iに表示されるヒドラジン誘導体化合物に含まれた水分は、その含量がヒドラジン誘導体化合物と水分の総重量対比5−95重量%であることを特徴とする、請求項15に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
  20. 前記構造式Iに表示されるヒドラジン誘導体化合物は、水分が含まれていないことを特徴とする、請求項15に記載のヒドラジニウムカルボキシレート誘導体。
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