JP2017222598A - カルボン酸エステルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 常温・常圧（２５℃、１ａｔｍ）下、触媒の使用量が少ない条件であっても、カルボン酸エステルを効率よく製造することができる方法を提供する。【解決手段】 下記式（Ｉ）で表される化合物とカルボン酸無水物とアルコールとを、１種以上の第１族金属化合物および１種以上の第２族金属化合物の存在下で反応させる、カルボン酸エステルの製造方法。【化１】［式（Ｉ）中、Ｒ１とＲ２は炭素数１〜２０の炭化水素基を表す。］【選択図】 なし

Description

本発明は、カルボン酸エステルの製造方法に関する。

カルボン酸エステルは、溶媒として、並びに、香料、樹脂、塗料、および接着剤などの原料として幅広く利用されている。カルボン酸エステルの製造方法としては、カルボン酸無水物とアルコールとを反応させる方法が知られている。

特許文献１には、酸素原子を含有するイオン性配位子を有する第２族金属化合物の存在下、二炭酸ジ−ｔ−ブチルとカルボン酸からカルボン酸無水物を製造しながらアルコールとを反応させて、カルボン酸エステルを製造する方法が記載されている。

ＷＯ２０１５１８６７８７

しかしながら、本発明者らの検討により、常温・常圧（２５℃、１ａｔｍ）下、触媒の使用量を下げ、二炭酸ジ−ｔ−ブチルとカルボン酸からカルボン酸無水物を製造しながらアルコールとを反応させた場合に、反応が進行しても生成するカルボン酸エステルの収率が低いことが分かった。また、常温・常圧下、触媒の使用量を下げ、二炭酸ジ−ｔ−ブチルとカルボン酸無水物とアルコールとを反応させた場合に、反応が進行しても生成するカルボン酸エステルの収率が低いことが分かった。従って、特許文献１に記載のカルボン酸エステルの製造方法は、カルボン酸エステルを高収率で得るためには、触媒量を多くするまたは反応温度を上げる必要があり、非効率であるといった問題を抱えていた。

本発明の目的は、常温・常圧下、触媒の使用量が少ない条件であっても、カルボン酸エステルを効率よく製造することができる方法を提供することにある。

本発明者らは、従来技術の問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の原料および触媒を用いて反応させることにより上記目的を達成できることを見出し、本研究を完成させるに至った。すなわち、本発明の要旨は、以下の［１］〜［４］である。
［１］下記式（Ｉ）で表される化合物とカルボン酸無水物とアルコールとを、１種以上の第１族金属化合物および１種以上の第２族金属化合物の存在下で反応させる、カルボン酸エステルの製造方法。なお、式（Ｉ）中、Ｒ^１とＲ^２は炭素数１〜２０の炭化水素基を表す。

［２］前記式（Ｉ）で表される化合物が、二炭酸ジ−ｔ−ブチルである、［１］に記載のカルボン酸エステルの製造方法。

［３］前記カルボン酸無水物が、（メタ）アクリル酸無水物である、［１］または［２］に記載のカルボン酸エステルの製造方法。

［４］前記アルコールが、芳香族アルコールである、［１］〜［３］のいずれかに記載のカルボン酸エステルの製造方法。

本発明のカルボン酸エステルの製造方法では、常温・常圧（２５℃、１ａｔｍ）下、触媒の使用量が少ない条件であっても、カルボン酸エステルを高収率で得ることができる。

本明細書中では、アクリル酸無水物およびメタクリル酸無水物を合わせて（メタ）アクリル酸無水物と記載する。アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルを合わせて（メタ）アクリル酸エステルと記載する。

〔式（Ｉ）で表される化合物〕
本発明のカルボン酸エステルの製造方法において、原料として、式（Ｉ）で表される化合物が使用される。なお、式（Ｉ）で表される化合物は、反応によってその化合物由来の成分を含む中間体を生成するが、最終的に得られるカルボン酸エステルには、その化合物由来の成分は含まれない。

式（Ｉ）で表される化合物において、Ｒ^１とＲ^２は、それぞれ独立に炭素数１〜２０の炭化水素基を表す。Ｒ^１とＲ^２は炭化水素基であれば、その種類および構造は限定されない。この炭化水素基は直鎖状でも、分岐状でも、あるいは環構造を有してもよく、その基中に不飽和結合あるいはエーテル結合を含んでいてもよい。また、Ｒ^１とＲ^２とが結合して、環状構造を形成していてもよい。

炭化水素基としては、例えば、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、およびアリール基が挙げられる。式（Ｉ）で表される化合物の入手容易性の観点から、これらの炭化水素基の炭素数は１〜２０であり、２〜１０であることが好ましく、３〜７であることがより好ましい。

炭化水素基としては、より詳細には、アリル基、ｔ−ブチル基、ｔ−アミル基、およびベンジル基などを挙げることができる。また、式（Ｉ）で表される化合物としては、具体的には、例えば、二炭酸ジアリル、二炭酸ジ−ｔ−ブチル、二炭酸ジ−ｔ−アミル、および二炭酸ジベンジルなどが挙げられる。そのなかでも、カルボン酸エステルを効率よく合成できることから、Ｒ^１とＲ^２がｔ−ブチル基である二炭酸ジ−ｔ−ブチルが好ましい。

式（Ｉ）で表される化合物としては、市販されているものを使用することもでき、公知の方法などで製造して得られたものを使用することもできる。また、式（Ｉ）で表される化合物は、１種を用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明のカルボン酸エステルの製造方法における式（Ｉ）で表される化合物の使用量は、アルコール１モル当たり、０．０５〜５モルが好ましく、０．１〜２モルがより好ましく、０．３〜１モルがさらに好ましい。式（Ｉ）で表される化合物の使用量をアルコール１モル当たり、０．０５モル以上とすることにより、カルボン酸エステルの収率を高くすることができる。式（Ｉ）で表される化合物の使用量をアルコール１モル当たり、５モル以下とすることにより、反応後の後処理工程への負荷を軽減することができ、経済性を良くすることができる。

〔カルボン酸無水物〕
本発明のカルボン酸エステルの製造方法において、カルボン酸エステルの原料となるカルボン酸無水物の種類および構造は限定されない。例えば、カルボン酸無水物は、式（ＩＩ）のように表すことができ、Ｒ^３とＲ^４は、それぞれ独立に置換基を有していてもよい炭素数１〜３０の炭化水素基を表す。

この炭化水素基は直鎖状でも、分岐状でも、あるいは環構造を有してもよく、その基中に不飽和結合あるいはエーテル結合を含んでいてもよい。また、Ｒ^３とＲ^４とが結合して、環状構造を形成していてもよい。

置換基を有していてもよいとは、任意の置換基を１つ以上有してもよいという意味であり、例えば、以下の結合、基および原子などを１つ以上有してもよいという意味である。エステル結合、アミド結合、エーテル結合、スルフィド結合、ジスルフィド結合、ウレタン結合、ニトロ基、シアノ基、ケトン基、ホルミル基、アセタール基、チオアセタール基、スルホニル基、ハロゲン、ケイ素、リンなど。

炭化水素基としては、例えば、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、およびアリール基が挙げられる。カルボン酸無水物の入手容易性の観点から、これらの炭化水素基の炭素数は１〜３０であり、２〜２０であることが好ましく、２〜１０であることがより好ましい。

炭化水素基としては、より詳細には、ビニル基、イソプロペニル基、ｔ−ブチル基、ヘキシル基、シクロへキシル基、およびフェニル基などを挙げることができる。またカルボン酸無水物としては、具体的には、例えば、（メタ）アクリル酸無水物、ピバル酸無水物、ヘプタン酸無水物、シクロヘキサンカルボン酸無水物、および安息香酸無水物などが挙げられる。従来は、高い収率での合成が難しかった芳香族アルコール由来の（メタ）アクリル酸エステルが容易に合成できることから、カルボン酸無水物としては、（メタ）アクリル酸無水物が好ましい。

カルボン酸無水物としては、市販されているものを使用することもでき、公知の方法などで製造して得られたものを使用することもできる。また、カルボン酸無水物は、１種を用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明のカルボン酸エステルの製造方法におけるカルボン酸無水物の使用量は、アルコール１モル当たり、０．０５〜５モルが好ましく、０．１〜２モルがより好ましく、０．３〜１モルがさらに好ましい。カルボン酸無水物の使用量をアルコール１モル当たり、０．０５モル以上とすることにより、カルボン酸エステルの収率を高くすることができる。カルボン酸無水物の使用量をアルコール１モル当たり、５モル以下とすることにより、反応後の後処理工程への負荷を軽減することができ、経済性を良くすることができる。

〔アルコール〕
本発明のカルボン酸エステルの製造方法において、カルボン酸エステルの原料となるアルコールの種類および構造は限定されない。例えば、アルコールは、「Ｒ^５−ＯＨ」と表すことができ、Ｒ^５は置換基を有していてもよい炭素数１〜３０の炭化水素基であることが好ましい。この炭化水素基は直鎖状でも、分岐状でも、あるいは環構造を有してもよく、またその基中に不飽和結合を含んでいてもよい。置換基を有していてもよいとは、任意の置換基を１つ以上有してもよいという意味であり、例えば、以下の結合、基および原子などを１つ以上有してもよいという意味である。エステル結合、アミド結合、エーテル結合、スルフィド結合、ジスルフィド結合、ウレタン結合、ニトロ基、シアノ基、ケトン基、ホルミル基、アセタール基、チオアセタール基、スルホニル基、ハロゲン、ケイ素、リンなど。

アルコール中に含まれる炭化水素基としては、例えば、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、およびアリール基が挙げられる。アルコールの入手容易性の観点から、これらの炭化水素基の炭素数は１〜３０であることが好ましく、２〜２０であることがより好ましい。そのなかでも、炭化水素基はアリール基であることがより好ましい。従来は、高い収率での合成が難しかった芳香族アルコール由来のカルボン酸エステルが容易に合成できることから、アルコールとしては、芳香族アルコールが好ましく、具体的には、例えば、フェノール、フェニルフェノール、およびナフトールなどが挙げられる。

アルコールは、市販されているものを使用することもでき、公知の方法などで製造して得られたものを使用することもできる。また、アルコールは、１種を用いてもよく、２種以上を併用してもよく、多価アルコールを用いてもよい。

〔カルボン酸エステルの製造用触媒〕
本発明のカルボン酸エステルの製造方法において使用される触媒は、特には限定されないが、例えば、有機酸、有機塩基、無機酸、無機塩基、およびそれらの塩などが挙げられる。そのなかでも、カルボン酸エステルを効率よく合成できることから、第１族金属化合物と第２族金属化合物を併用することがより好ましい。当該触媒を構成する配位子によって、当該触媒の溶解性が変わるため、当該触媒は、均一系触媒として用いることもでき、不均一系触媒として用いることもできる。

本発明のカルボン酸エステルの製造方法においては、式（Ｉ）で表される化合物とカルボン酸無水物とアルコールとを触媒の存在下で反応させるが、「触媒の存在下」とは、触媒が反応過程の少なくとも一部の段階で存在していればよく、反応過程のすべての段階で常に存在している必要はない。本発明のカルボン酸エステルの製造方法においては、触媒が反応系内に加えられれば、「触媒の存在下」という要件は満たされる。例えば、触媒を反応系内に加えた後、反応過程で触媒に何らかの変化が生じたとしても、「触媒の存在下」という要件は満たされる。

（第１族金属化合物）
第１族金属化合物中に含まれる金属としては、特に限定されないが、第１族金属に属する金属のうち、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、およびセシウムが好ましい。

第１族金属化合物としては、水素化塩、酸化物塩、水酸化物塩、炭酸塩、炭酸水素塩、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、ハロゲン酸塩、過ハロゲン酸塩、ハロゲン化物塩、およびチオシアン酸塩などの無機酸との塩；アルコキシド塩、カルボン酸塩、およびスルホン酸塩などの有機酸との塩；アミド塩、およびスルホンアミド塩などの有機塩基との塩；アセチルアセトン塩、ヘキサフルオロアセチルアセトン塩、ポルフィリン塩、フタロシアニン塩、シクロペンタジエン塩などの錯塩が挙げられる。これらの塩は、水和物および無水物のいずれでもよく、特に限定されない。

これらの第１族金属化合物は、市販されているものを使用することもでき、公知の方法などで製造して得られたものを使用することもできる。これらは、１種を用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

第１族金属化合物の使用量は、カルボン酸エステルを製造できる限り、特には限定されない。第１族金属化合物の使用量は、アルコールに対して、０．００１〜１０００モル％が好ましく、０．０１〜５００モル％がより好ましく、０．０５〜１００モル％がさらに好ましい。第１族金属化合物の使用量をアルコールに対して、０．００１モル％以上とすることにより、カルボン酸エステルの収率を高くすることができる。第１族金属化合物の使用量をアルコールに対して、１０００モル％以下とするのが好ましいのは、１０００モル％超と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。さらには、第１族金属化合物の使用量は、第２族金属化合物１モルに対して、０．０１〜５０モルが好ましく、０．０５〜１０モルがより好ましく、０．１〜５モルがさらに好ましい。第１族金属化合物の使用量を第２族金属化合物１モルに対して、０．０１モル以上とすることにより、カルボン酸エステルの収率を高くすることができる。第１族金属化合物の使用量を第２族金属化合物１モル当たり、５０モル以下とするのが好ましいのは、５０モル超と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。

（第２族金属化合物）
第２族金属化合物中に含まれる金属としては、特に限定されないが、第２族金属に属する金属のうち、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムが好ましい。

第２族金属化合物としては、酸化物塩、水酸化物塩、炭酸塩、炭酸水素塩、ケイ酸塩、硫酸塩、硫酸アンモニウム塩、硝酸塩、リン酸塩、リン酸水素塩、リン酸アンモニウム塩、ホウ酸塩、ハロゲン酸塩、過ハロゲン酸塩、およびハロゲン化物塩などの無機酸との塩；カルボン酸塩、過カルボン酸塩、およびスルホン酸塩などの有機酸との塩；アセチルアセトン塩、ヘキサフルオロアセチルアセトン塩、ポルフィリン塩、フタロシアニン塩、およびシクロペンタジエン塩などの錯塩が挙げられる。これらの塩は、水和物および無水物のいずれでもよく、特に限定されない。

第２族金属化合物は、市販されているものを使用することもでき、公知の方法などで製造して得られたものを使用することもできる。これらは、１種を用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

第２族金属化合物の使用量は、カルボン酸エステルを製造できる限り、特には限定されない。第２族金属化合物の使用量は、アルコールに対して、０．００１〜１０００モル％が好ましく、０．０１〜５００モル％がより好ましく、０．０５〜１００モル％がさらに好ましい。第２族金属化合物の使用量をアルコールに対して、０．００１モル％以上とすることにより、カルボン酸エステルの収率を高くすることができる。第２族金属化合物の使用量をアルコールに対して、１０００モル％以下とするのが好ましいのは、１０００モル％超と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。

〔カルボン酸エステルの製造用反応条件〕
本発明のカルボン酸エステルの製造方法における反応条件は、特には限定されず、反応過程で反応条件を適宜変更することもできる。

反応容器の形態は、特に限定されない。

反応温度も特には限定されないが、−２０〜１８０℃とすることができ、０〜１００℃が好ましい。反応温度を−２０℃以上とすることにより、反応を効率よく進行させることができる。反応温度を１８０℃以下とすることにより、副生成物の量や反応液の着色を抑制することができる。

反応時間も特には限定されないが、例えば、０．５〜７２時間とすることができ、２〜４８時間とすることが好ましい。反応時間を０．５時間以上とすることにより、反応を十分に進行させることができる。反応時間を７２時間以下とすることができるのは、７２時間超と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。

反応雰囲気も特には限定されない。
反応圧力も特には限定されない。

本発明のカルボン酸エステルの製造は、無溶媒（溶媒を用いない）で行うことができる。反応液の粘度が高いなどの場合には、必要に応じて、溶媒を用いることもできる。溶媒の種類も特には限定されないが、例えば、炭素数１〜２５の有機化合物とすることができ、反応条件に応じて適宜選択することができる。溶媒は、１種でもよく、２種以上の混合溶媒でもよい。溶媒の使用量も限定されず、適宜選択することができる。

反応に用いる原料（式（Ｉ）で表される化合物、カルボン酸無水物、アルコール）、触媒、および必要に応じて溶媒などの反応容器内への導入方法については、特には制限されないが、全ての原料や添加剤を一度に導入してもよく、一部または全ての原料や添加剤を段階的に導入してもよく、一部または全ての原料や添加剤を連続的に導入してもよい。また、これらの方法を組み合わせた導入方法でもよい。

〔カルボン酸エステル〕
本発明のカルボン酸エステルの製造方法で得られる生成物は、例えば、「Ｒ^３ＣＯＯＲ^５」または「Ｒ^４ＣＯＯＲ^５」と表すことができ、Ｒ^３、Ｒ^４、およびＲ^５は、カルボン酸無水物の説明の欄とアルコールの説明の欄において記載した通りである。

本発明のカルボン酸エステルの製造方法で使用されるカルボン酸無水物が（メタ）アクリル酸無水物である場合、（メタ）アクリル酸エステルが生成する。（メタ）アクリル酸無水物や（メタ）アクリル酸エステルは重合しやすい化合物なので、重合を防止するために、予め重合禁止剤を添加してもよい。重合禁止剤を添加するタイミングも特には限定されず、反応開始時に添加するのが操作しやすさの観点から好ましい。

使用する重合禁止剤の種類としては、特には限定されず、例えば、２，２，６，６−テトラメチルピペリジン１−オキシルフリーラジカルなどの公知の重合禁止剤を用いることができる。これらは、１種を用いてもよく、２種以上を併用してもよい。重合禁止剤の使用量は、（メタ）アクリル酸無水物または（メタ）アクリル酸エステル１００質量部に対して０．００１〜０．５質量部とすることが好ましく、０．０１〜０．１質量部とすることがより好ましい。また、空気などの酸素を含有するガスの吹き込みを行ってもよい。当該ガスの吹き込み量は、反応条件などに応じて適宜選択することができる。

本発明のカルボン酸エステルの製造方法において、得られたカルボン酸エステルは、そのまま次の反応に使用することもでき、必要に応じて精製することもできる。精製条件は、特に限定はなく、反応過程および反応終了時で精製条件を適宜変更することができる。例えば、反応終了後、得られた反応混合液から、ろ過、減圧蒸留、クロマトグラフィー、および再結晶などの方法によってカルボン酸エステルを精製することができる。これらの精製方法は、単独でまたは組み合わせて行うことができる。

本発明のカルボン酸エステルの製造方法において、得られたカルボン酸エステルの保存容器としては、特には限定されず、例えば、ガラス製容器、樹脂製容器、金属製容器などを用いることができる。

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。

以下の実施例および比較例において用いた二炭酸ジ−ｔ−ブチルは、東京化成工業株式会社製の純度９８質量％の化合物であり、式（Ｉ）におけるＲ^１とＲ^２はＣ（ＣＨ_３）_３である。また、ヘプタン酸無水物は、東京化成工業株式会社製の純度９５質量％の化合物であり、式（ＩＩ）におけるＲ^３とＲ^４はＣＨ_２（ＣＨ_２）_４ＣＨ_３である。生成物の収率の測定方法は、以下の通りである。

反応終了後、得られた反応混合液に標準物質（アニソールまたは１，１，２，２−テトラクロロエタン）を加え、重クロロホルム（ＣＤＣｌ_３）にこれらを溶解させ、^１Ｈ−ＮＭＲ（２７０ＭＨｚ）を測定した。得られたスペクトルの積分値から換算して、生成したカルボン酸エステルの物質量（モル）を求めた。次いで、式（１）によりカルボン酸エステルの収率を算出した（ただし、算出した収率が１％未満の場合は０と表記する）。

カルボン酸エステルの収率（％）＝（Ｐ_１／Ｓ_１）×１００ （１）
Ｐ_１：生成したカルボン酸エステルの物質量（モル）
Ｓ_１：使用したアルコールの物質量（モル）。

また、触媒として用いた第１族金属化合物と第２族金属化合物の添加量（モル％）は、式（２）によりそれぞれ算出した。

触媒の添加量（モル％）＝（Ｃ_１またはＣ_２／Ｓ_１）×１００ （２）
Ｃ_１：使用した第１族金属化合物の物質量（モル）
Ｃ_２：使用した第２族金属化合物の物質量（モル）
Ｓ_１：使用したアルコールの物質量（モル）。

また、原料として用いた式（Ｉ）で表される化合物およびカルボン酸無水物のモル当量は、式（３）によりそれぞれ算出した。

原料のモル当量＝（Ｓ_３またはＳ_２／Ｓ_１） （３）
Ｓ_３：使用した式（Ｉ）で表される化合物の物質量（モル）
Ｓ_２：使用したカルボン酸無水物の物質量（モル）
Ｓ_１：使用したアルコールの物質量（モル）。

［実施例１］
容量１００ｍＬのフラスコ内にヘプタン酸無水物６．１２０ｇ（２３．９９ミリモル）、二炭酸ジ−ｔ−ブチル５．３４２ｇ（２３．９９ミリモル）、およびフェノール４．３００ｇ（４５．６９ミリモル）、を順次加え、均一溶液とした。この反応混合液に水酸化マグネシウム０．０１３ｇ（０．２３ミリモル、０．５モル％）および塩化リチウム０．０１０ｇ（０．２３ミリモル、０．５モル％）を順次加え、撹拌下、２５℃で反応を行ない、ヘプタン酸フェニルを製造した。反応開始から３時間後または６時間後における反応結果を表１に示す。

［実施例２および３］［比較例１〜４］
表１に記載の金属化合物と原料、およびそれらの使用量を変更すること以外は実施例１と同様にして、カルボン酸エステルを製造した。反応開始から３〜２４時間後における反応結果を表１に示す。

本発明のカルボン酸エステルの製造方法では、従来の方法と比べて、常温・常圧（２５℃、１ａｔｍ）下であっても、カルボン酸エステルを効率よく製造することができる。

Claims (4)

1. 下記式（Ｉ）で表される化合物とカルボン酸無水物とアルコールとを、１種以上の第１族金属化合物および１種以上の第２族金属化合物の存在下で反応させる、カルボン酸エステルの製造方法。
   ［式（Ｉ）中、Ｒ^１とＲ^２は炭素数１〜２０の炭化水素基を表す。］
2. 前記式（Ｉ）で表される化合物が、二炭酸ジ−ｔ−ブチルである、請求項１に記載のカルボン酸エステルの製造方法。
3. 前記カルボン酸無水物が、（メタ）アクリル酸無水物である、請求項１または２に記載のカルボン酸エステルの製造方法。
4. 前記アルコールが、芳香族アルコールである、請求項１〜３のいずれかの一項に記載のカルボン酸エステルの製造方法。