JP2018197218A - 不均一系パラジウム触媒を用いたシクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物の脱水素反応による芳香族化合物の製造方法 - Google Patents

不均一系パラジウム触媒を用いたシクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物の脱水素反応による芳香族化合物の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】シクロアルカジエン構造を有する化合物を脱水素し、芳香族化合物を選択性良く製造する方法を提供する。【解決手段】シクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物を、水系溶媒中で不均一系パラジウム触媒を用いて脱水素することを特徴とする芳香族化合物の製造方法。【選択図】なし

Description

本発明は、不均一系パラジウム触媒を用いたシクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物の脱水素反応による芳香族化合物の製造方法に関するものである。
ビアリール等の芳香族化合物は、生物活性物質や医薬品等の機能性材料を構成する基本骨格であり、系統的かつ簡便な合成法の開発は重要である。ジエンとアルキンのDiels‐Alder 反応から調製されたシクロアルカジエン構造を有する化合物は、一般に、有機溶媒中、DDQ(2,3-ジクロロ-5,6-ジシアノ-p-ベンゾキノン)等の化学量論量の酸化剤により芳香環へと変換される。
一方、遷移金属が触媒する脱水素反応は、水素(H)のみが副生するアトムエコノミーに優れたクリーンな酸化法として注目されているが、シクロアルカジエン構造を有する化合物の芳香化反応に適用された例は少ない。有機溶媒中で行われた反応(非特許文献1)は報告されているが、工業的にも取り扱いやすく安価な水系溶媒中での報告はない。
D. Thrion et al Chem. Eur. J. 2010, 16, 13646.
従って、本発明の課題は、シクロアルカジエン構造を有する化合物を脱水素し、芳香族化合物を選択性良く製造する方法を提供することである。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、回収・再利用可能な不均一系パラジウムを触媒として、水系溶媒中でシクロアルカジエン構造を有する化合物の脱水素反応が進行し、それにより芳香族化合物が製造できることを見出した。また、本発明者らは、シクロアルカジエン構造を有する化合物だけでなく、シクロアルケン構造を有する化合物についても同様の脱水素反応が進行することを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、シクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物を、水系溶媒中で不均一系パラジウム触媒を用いて脱水素することを特徴とする芳香族化合物の製造方法である。
また、本発明は、下記化学式で表される化合物である。
Figure 2018197218
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本発明の芳香族化合物の製造方法は、温和な条件でも反応が進行し、かつ、選択性や収率が良く、芳香族化合物を得ることができる。
本発明の芳香族化合物の製造方法(以下、「本発明方法」という)は、シクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物を、水系溶媒中で不均一系パラジウム触媒を用いて脱水素する方法である。以下、本発明方法の構成について説明する。
(基質)
本発明方法で用いる基質は、シクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物であって、脱水素により芳香族化合物となるものであれば特に限定されない。シクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物としては、例えば、シクロヘキサジエンまたはシクロヘキセン構造を有する化合物が好ましく、シクロヘキセンやシクロヘキサジエンの水素がアリール基、フェニル基、アルキル基、エステル、複素環で置換されている化合物がより好ましい。また、シクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物において、環構造における炭素は、窒素、酸素、硫黄等で置換されていて、複素環を形成していても良い。
(水系溶媒)
本発明方法で用いる水系溶媒は、特に限定されないが、例えば、水、エタノール、メタノール、酢酸、ギ酸等のプロトン性極性溶媒が好ましく、特に水が好ましい。また、これらの水系溶媒は複数の溶媒を混合しても良い。
(水素補足剤)
本発明方法においては、水系溶媒に更に水素補足剤を添加することが、選択性や収率の点から好ましい。水素補足剤は、脱水素後に発生する水素を補足できるものであれば特に限定されないが、例えば、アクリル酸、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸メチル、酢酸ビニル、1−ヘキセン等の炭素―炭素二重結合をもつ化合物または炭素―炭素三重結合をもつ化合物が好ましく、特にアクリル酸が好ましい。この水素補足剤は、本発明方法を行っている間、発生する水素を補足するのに十分な量が系内に存在していれば良いが、例えば、理論的に基質から発生する水素量に対して、1当量以上、好ましくは1〜50当量、より好ましくは3〜10当量である。
(不均一系パラジウム触媒)
本発明方法で用いる不均一系パラジウム触媒は、水系溶媒中でシクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物からの脱水素が進行するものであれば特に限定されないが、例えば、活性炭、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン等のカーボン、アルミナ、シリカ等の担体にパラジウムを担持させたものが挙げられる。この不均一系パラジウム触媒は、本発明方法を行っている間、系内に存在していれば良いが、例えば、基質であるシクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物に対して、1〜50mol%、好ましくは3〜20mol%である。なお、このような不均一系触媒は、反応後の触媒の分離、分離した触媒の再使用が容易である。
上記した不均一系パラジウム触媒の中でもカーボンにパラジウムを担持させたものが好ましく、特に活性炭にパラジウムを担持させたものが好ましい。なお、活性炭は比表面積値が大きく、担持するパラジウムの分散性を向上することができ、安価で高活性の不均一系触媒を得ることができる。
また、上記した活性炭にパラジウムを担持させた不均一系パラジウム触媒の中でも下記(a)および(b)の性質を有するものが好ましい。
(a)パラジウムを活性炭に対しパラジウム金属換算で1〜20wt%、好ましくは5〜15wt%含有する
なお、パラジウム量が少なすぎると反応性が低下することがあり、多すぎても使用量にみあった活性が得られないことがある。また、パラジウム量が多すぎると触媒上のパラジウム同士が凝集してしまうことがあり、その場合パラジウム粒子全体の表面積が低下して活性も低下してしまうことがある。
(b)活性炭の比表面積値(BET値)が500〜2,000m/g、好ましくは800〜1,500m/gである
なお、活性炭の比表面積値が小さすぎるとパラジウムの分散性が低下してしまい反応性が低下してしまうことがある。また、理由は定かではないが、比表面積値が大きすぎても、本発明方法では反応性が低下することがある。
上記した性質を有する活性炭にパラジウムを担持させた不均一系触媒としては、公知の方法に従って調製しても良いし、例えば、[P9−Type](パラジウム含量;10wt%、比表面積値;1,000m/g)、[K−タイプ触媒](パラジウム含量;10wt%、比表面積値;1,100m/g)、[UL−Type](パラジウム含量;10wt%、比表面積値1,150m/g)、[P60−Type](パラジウム含量;10wt%、比表面積値1,550m/g)(いずれもエヌ・イー ケムキャット(株)製)等の市販品を利用することもできる。
また、これら触媒は、反応の前に水素等の還元雰囲気下で活性化しても良い。
(脱水素反応)
本発明方法において、脱水素反応は、シクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物を、水系溶媒中で不均一系パラジウム触媒存在下で行われる。反応条件は特に限定されず、例えば、反応温度、反応時間、雰囲気等の条件を適宜制御して行えば良い。
また、本発明方法を行う前に、Diels−Alder反応を行い、本発明方法の基質となるシクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物を調製し、そのまま同じ系で、本発明方法を行うことも可能である。
(反応温度)
本発明方法の反応温度は、脱水素反応が進行するのであれば特に限定されないが、60〜200℃が好ましく、特に70〜150℃が好ましい。
(反応時間)
本発明方法の反応時間は、特に限定されないが、例えば、1〜48時間、好ましくは6〜26時間である。また、反応の際には撹拌をすることが好ましい。
(雰囲気)
本発明方法での反応雰囲気は、パラジウム触媒存在下で脱水素反応が進行するものであれば特に限定されないが、例えば、アルゴンや窒素等の不活性雰囲気で行われることが好ましく、特にアルゴンが好ましい。
(反応容器)
本発明方法で用いる容器は、特に限定されず、試験管、フラスコ等、反応のスケールにあわせたものを用いれば良い。また、本発明方法においては、同一容器内で、基質であるシクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物の合成を行い、更に、脱水素反応を行うこともできる。
以上説明した本発明方法により、シクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物が脱水素され、芳香族化合物が得られる。脱水素した後は、冷却、ろ過等をし、更に、常法に従って精製等を行っても良い。なお、芳香族化合物が得られたかどうかはNMR等公知の方法で確認することができる
また、本発明方法を終了した後は、ろ過、遠心分離等で不均一系パラジウム触媒を回収し、再利用することができる。
以下、本発明を実施例を挙げて詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定さえるものではない。
実 施 例 1
内容量17mLの試験管(Chemistation(登録商標)用)中で、基質である1(0.1mmol)、10%Pd/C(エヌ・イー ケムキャット(株)製のK−タイプ触媒)(5mol%)、表1の水素補足剤(acceptor)、水(1mL)の順に加え、セプタムで密封した。試験管内部の気体をAr balloonで3回置換した。Ar雰囲気下、Chemistation(登録商標)(東京理化器械(株)製)を用いて、120℃で6時間、加熱攪拌した。反応終了後、反応液を室温まで放冷し、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液(1mL)を加え、メンブランフィルター(Millipore社製、製品名:Millex−LH、0.20mm)でろ過した。反応容器内部とフィルター上の触媒を酢酸エチル(10mL)で3回と蒸留水(10mL)で3回洗浄し、ろ液と合わせた。ろ液を二層に分離後、水層を酢酸エチル(10mL)で抽出した。有機層を合わせて、蒸留水(10mL)で2回洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥、ろ過した。ろ液を減圧留去し、脱水素化された芳香族化合物2が表1の収率で得られた。収率は内標物質として1,2−メチレンジオキシベンゼンを用いて、H−NMRにより算出した。
Figure 2018197218
Figure 2018197218
本発明方法は、水素補足剤を添加しなくても進行するが、水素補足剤を添加することで、目的物の収率は高く、副生成物が少なくなった。特に水素補足剤としてアクリル酸を用いた場合、目的物の収率はより高く、副生成物がより少なくなった。
実 施 例 2
実施例1の水素補足剤を全てアクリル酸にして添加量と反応温度を変更したときの結果を表2に示す。収率は、粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した単離収率である。
Figure 2018197218
本発明方法は、種々の水素補足剤量、反応温度で進行することが分かった。水素補足剤は1当量以上加えれば、例1の場合と比較して目的化合物1の収率は良くなることが分かった。
実 施 例 3
実施例1の基質を変更したときの結果を表3に示す。収率は、粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した単離収率である。
Figure 2018197218
Figure 2018197218
本発明方法は、種々の基質で進行することが分かった。
実 施 例 4
実施例1の基質を変更したときの結果を表4に示す。収率は、粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した単離収率である。
Figure 2018197218
Figure 2018197218
本発明方法は、種々の基質で進行することが分かった。
実 施 例 5
実施例1の基質(Substrate)を変更したときの結果を表5に示す。収率は、粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した単離収率である。
Figure 2018197218
Figure 2018197218
本発明方法は、種々の基質で進行することが分かった。
実 施 例 6
Diels‐Alder 反応からの同一容器内での脱水素反応:
Diels‐Alder 反応の生成物であるシクロヘキサジエン誘導体(式1の基質)を単離せずに、同一容器でそのまま脱水素反応を行った(式5)。収率は、粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製した単離収率である。
Figure 2018197218
Diels‐Alder 反応の生成物であるシクロヘキサジエン誘導体を単離せずにそのまま本発明方法を行っても目的物を収率良く得ることができた。
実 施 例 7
触媒の繰り返し使用:
実施例1の例6の反応を繰り返し行った際の収率と反応後に回収できた触媒の回収率を表6に示す。触媒の回収方法は反応後の溶液を室温まで放冷し、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液(1mL)を加え、吸引ろ過(桐山ロート(40mm、1μm))した。反応容器内部、ろ紙上の触媒を酢酸エチル(10mL)と蒸留水(10mL)で洗浄し、ろ液と合わせた。ろ取した触媒をメタノール(10mL)で5回と蒸留水(10mL)で5回洗浄し、デシケータ内で減圧して24時間乾燥した。2の収率は内標物質として1,2−メチレンジオキシベンゼンを用いて、H−NMRにより算出した。
Figure 2018197218
本発明方法では触媒を繰り返し使用しても収率良く目的物を得ることができた。
本発明方法は、種々の医薬、農薬、その他種々の工業分野において有用な芳香族化合物を温和な条件で安全に製造することができる。
以 上

Claims (8)

  1. シクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物を、水系溶媒中で不均一系パラジウム触媒を用いて脱水素することを特徴とする芳香族化合物の製造方法。
  2. 脱水素を70〜150℃で行う請求項1記載の芳香族化合物の製造方法。
  3. 水系溶媒が水である請求項1記載の芳香族化合物の製造方法。
  4. 水系溶媒に、更に、水素補足剤を添加するものである請求項1記載の芳香族化合物の製造方法。
  5. 水素補足剤が、アクリル酸である請求項4記載の芳香族化合物の製造方法。
  6. 脱水素化を不活性ガス雰囲気下で行う請求項1〜5の何れかに記載の芳香族化合物の製造方法。
  7. シクロアルカジエンまたはシクロアルケン構造を有する化合物が、シクロヘキサジエンまたはシクロヘキセン構造を有する化合物である請求項1記載の芳香族化合物の製造方法。
  8. 下記化学式で表される化合物。
    Figure 2018197218
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