JP3964935B2 - 有機フッ素化合物の合成方法 - Google Patents

Description

本発明は有機フッ素化合物の製造に関し、より詳細には、有機サルファペンタフルオライドに関する。
アリールサルファペンタフルオライドのような有機サルファペンタフルオライドは、農薬、医薬品及びポリマー製品等の製造において非常に重要かつ有用な化合物である。これら化合物は、その合成が困難なことから、安定な同化合物を得るための優れた合成経路は従来技術においては不可能あった。高価な試薬であるフッ化銀（ＩＩ）を用いたフッ素化の例がこれまでに数件報告されている。多くの場合において、その収率は非常に低いものであった（レフ ダブリュー エー シェパード（Ref W A Sheppard），ジャックス（J.A.C.S） ８４刊，３０５８頁（１９６２年）、同誌 ８４刊，３０６４頁（１９６２年））。
本発明は、以下に示す式（１）を有するペンタフルオライドを合成する方法を提供する。
Ｒ¹ＳＦ₅ （１）
（Ｒ¹は以下に定義される）
同方法は、以下に示す式（２）のジスルフィドを、式（１）の化合物に変換する工程を含み、
Ｒ¹−Ｓ−Ｓ−Ｒ² （２）
（Ｒ²は以下に定義される）
この変換は、不活性な溶媒中の式（２）の化合物とフッ素元素との反応にて得られる。
Ｒ¹及びＲ²は、アリール、ヘテロアリール、脂肪族及び脂環式置換基からなるグループより別々に選択されている。Ｒ¹及びＲ²は同一であることが好ましいが、異なる置換基からなる場合もあり、この場合、生成物Ｒ¹ＳＦ₅は対応する生成物Ｒ²ＳＦ₅との混合物として存在する。
Ｒ¹及び／あるいはＲ²がアリール基の場合、選択的に置換されたフェニル、ビフェニルあるいはナフチル基を含み得る。
Ｒ¹及び／あるいはＲ²がヘテロアリール基の場合、窒素原子及び酸素原子から選択された一つ以上のヘテロ原子を含む選択的に置換されたモノあるいはビシクロ基を含み得る。
例えば、Ｒ¹及び／あるいはＲ²は、ピリジル、ピリミジルあるいはビピリジル、キノリン及びイソキノリンであり得る。
Ｒ¹及び／あるいはＲ²が脂肪族あるいは脂環式置換基の場合、例えば１〜１０個の炭素原子、好ましくは１〜６個の炭素原子を有する選択的に置換されたアルキルあるいはシクロアルキル基から選択され得る。
Ｒ¹及びＲ²が置換されたアリール基の場合、１〜５の置換基、特に１あるいは２つの置換基を含み得、これらはジスルフィドに比べフッ素分子に対する反応性が低く、かつ式（２）の化合物から式（１）の化合物への変換時に生成する有機サルファトリフルオライドとも反応しない。そのような置換基は、シアノ、ニトロ、ハロゲン、アルキル、フルオロアルキル、アリール、アルコキシ及びシクロアルキル基からなるグループより選択され得る。
本発明の方法に使用される式（２）の化合物の好ましい形は、Ａｒ¹−Ｓ−Ｓ−Ａｒ¹であり、この場合、Ａｒ¹基は同一である。各Ａｒ¹基は、選択的に一つ以上の置換基あるいはヘテロ原子を含むモノあるいはビシクロ芳香環であり得る。Ａｒ¹及びＡｒ²基は共に、例えば、フェニル、４−ニトルフェニル、４−シアノフェニル及び４−ハロフェニル基より選択され得る。
式（２）の化合物は、例えば以下に示す式（３）のチオールの酸化によっても得られる。
Ｒ¹−ＳＨ （３）
式（３）のチオールは、フッ素化工程において、フッ素分子を使用することにより式（２）のジスルフィドに変換され得る。従って、式（３）のチオールは、フッ素元素との反応時に式（２）の化合物が合成される反応における出発原料として使用され得る。
本発明による工程では、式（２）の化合物は、本質的に無水で非プロトン性の不活性溶媒中に含まれ得る。適する溶媒としては、ヒドロキシ又はカルボニル基を有する化合物を含まない有機溶媒が挙げられ、例えばアセトニトリル、塩化又はフッ化炭化水素、ペルフルオロカーボンあるいはそれらの混合物から選択される。
本発明に従う工程は、溶媒中に式（２）の化合物の存在するスラリーあるいは溶液中にフッ素ガスを流すことによって実施される。反応は、スラリーあるいは溶液の存在する容器中へフッ素ガスを流すことにより進行し、あるいはこれに代えて、スラリーあるいは溶液を流し、それらの流れと同方向あるいは逆方向にフッ素ガスを接触するように流すことにより進行する。
本発明に従う工程は、−４０℃〜４０℃の範囲の温度、特に−２０℃〜２５℃の範囲の温度にて実施される。−２０℃〜１０℃の範囲の温度が好ましい。
本発明の工程にて使用されるフッ素ガスは、その使用前に窒素あるいはヘリウムのような不活性ガスと混合希釈されることが好ましい。この場合のフッ素の濃度は、好ましくは１〜５０容量％、より好ましくは２〜２５容量％、最適には５〜１５容量％である。
フッ素と式（２）の反応化合物の割合は広い範囲内にて変更可能であるが、特に関与する反応のフッ素効率に依存して、フッ素に対する式（２）の化合物のモル比にして、４：１〜１５：１の範囲であることが好ましい。
本発明に従う方法は、式（１）の有機サルファペンタフルオライドを合成する簡便かつ新規な合成経路を有効的に提供する。低い反応温度が有効に使用され得る。二フッ化銀（ＩＩ）のような高価なフッ素化剤を使用することが回避される。例えば二フッ化銀（ＩＩ）は、フッ素元素を用いてフッ化銀（Ｉ）から再合成される必要がある。
式（２）の原料から式（１）の化合物への変換に必要とされるフッ素の全て（５当量）が反応に使用され得る。
例えば、アリールサルファペンタフルオライドは、アセトニトリルのような適切な不活性無水溶媒中、低温から環境温度までの温度にて、フッ素元素を用いてアリールジスルフィドを直接フッ素化させることにより、良好な収率にて合成され得る。この反応は以下に示すように進行する。
Ａｒ−Ｓ−Ｓ−Ａｒ → ［ＡｒＳＦ₃］ → ＡｒＳＦ₅
ここで各Ａｒ基は、アリール基を表す。この反応では、フッ化銀（Ｉ）からフッ素元素を用いて再合成される必要のあるフッ化銀（ＩＩ）の使用を省略できる。この反応は、窒素のような不活性雰囲気中、かつ無水条件下における不活性溶媒中においては極めて安定である非常に反応性の高いアリールサルファトリフルオライドの中間体を経て進行する。窒素にて希釈されたフッ素ガスは、−５℃〜−１５℃の温度にて、無水の、好ましくは窒素ガスにてパージされたアセトニトリル中のアリールジスルフィドのスラリー中へ通される。出発原料の全てが中間体であるアリールサルファトリフルオライドに変換されると、無色透明の溶液が得られる。この中間体に、引き続いてフッ素ガスを通すことにより、アリールサルファペンタフルオライドに変換される。
本発明に従う方法の反応生成物は蒸留による溶媒除去によって容易に処理され、式（２）の化合物が得られる。未反応の有機サルファトリフルオライドの中間体は、加水分解にてスルフィニルフルオライドを生成することにより除去可能であり、更に不純物を含む反応生成物を塩基により洗浄することにより除去される。
反応の完了は、例えばＮＭＲあるいはＨＰＬＣ分析にて容易に監視されることにより確認され得る。
本発明の実施例を以下に示す例を参照にして、例示のみの目的にて記載する。
例１
４−ニトロフェニルサルファペンタフルオライド
ａ）アセトニトリル中のビス（４−ニトロフェニル）ジスルフィドからの合成
ビス（４−ニトロフェニル）ジスルフィド（１２．３３ｇ，４０ｍｍｏｌ）（８５％グレード）は、アセトニトリル（２００ｍｌ）中に懸濁され、窒素ガスをパージさせながら約−７℃に冷却された。次いで、窒素にて１０％に希釈されたフッ素（１９．８２ｇ，５２．１８ｍｍｏｌ，１３．１モル当量）が、−７．６〜−４．５℃にて、２４時間、得られた懸濁液中に通された。得られた淡黄色溶液から溶媒が除去されると、暗赤色油状の液体（２１．９ｇ）が残り、この液体をジクロロメタン（２００ｍｌ）に溶解した。１０％水酸化ナトリウム溶液（２×３０ｍｌ）、次いで水（２×３０ｍｌ）にて洗浄した。無水硫酸マグネシウムを加えて乾燥後、溶媒を除去すると暗赤色液体（１５．２ｇ）が得られ、これを真空蒸留にて精製すると、淡黄色液体あるいは僅かに融解した固体である４−ニトロフェニルサルファペンタフルオライド（８．１ｇｍ ４１％）が得られた。ＧＣ／ＭＳ分析［Ｍ⁺２４９］及びＮＭＲ分析［重クロロホルム（ＣＤＣｌ₃）溶媒中，Ｆ−１９ＮＭＲ：＋７６．５ｐｐｍ（５重項），＋５７．９ｐｐｍ（２重項），Ｊ_FF値 １５５Ｈｚ）、Ｈ−１ＮＭＲ：８．３７，８．００ｐｐｍ）］による純度は９５％以上を示した。
ｂ）クロロホルム中のビス（４−ニトロフェニル）ジスルフィドからの合成
ビス（４−ニトロフェニル）ジスルフィド（４０．０ｇ，１３０ｍｍｏｌｅｓ）は、冷却された管状のガラス製反応容器内のクロロホルム（２００ｍｌ）中に、激しく撹拌されながら懸濁された。撹拌時、混合物の温度は−１２℃に維持された。窒素にて希釈されたフッ素ガス（１２．２モル等量，フッ素濃度９％）は、６３３分間、混合物中に通された。反応容器の内容物は水中に加えられ、ジクロロメタン溶液にて抽出された後、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ₄）を用いて乾燥された。溶媒は減圧除去され、その後得られた油状物質を水蒸気蒸留した。得られた留出物を分析すると、４−ニトロフェニルサルファペンタフルオライド（Ｇ．Ｃ．による分析７８％、総収率２３％）を含むことが示された。蒸留残渣からタール（３５．７ｇ）が回収された。
ｃ）４−ニトロチオフェノールからの合成
４−ニトロチオフェノール（１．０４ｇ，６．７ｍｍｏｌｅｓ）は、２５０ｍｌの丸底フラスコ中にて無水アセトニトリル（５０ｍｌ）と混合された。混合物の温度は約−５℃に維持された。フッ素ガス（８．６モル等量）は、フッ素を１０％含むように窒素にて希釈され、この混合物中に９５分間通された。反応が完了して、４−ニトロフェニルサルファペンタフルオライドが得られた（収率２８％）。
ｄ）メチル４−ニトロフェニルスルフィドからの合成
メチル４−ニトロフェニルスルフィド（０．３５ｇ，２．１ｍｍｏｌｅｓ）は、１００ｍｌの丸底フラスコ中にて無水アセトニトリル（５０ｍｌ）と混合された。混合物の温度は約−５℃に維持された。フッ素ガス（７．０モル等量）はフッ素を１０％含むように窒素にて希釈され、この混合物中に２６分間通された。フッ素ＮＭＲ分析結果は、４−ニトロフェニルサルファトリフルオライド及び４−ニトロフェニルサルファペンタフルオライドを含む主化合物を示した。
例２
３−ニトロフェニルサルファペンタフルオライド
ビス（３−ニトロフェニル）ジスルフィド（２５．０ｇ，８１．２ｍｍｏｌｅｓ）は、管状のガラス製反応容器中にて、冷却（−１０℃）かつ撹拌しながら、無水アセトニトリル（２７０ｍｌ）と混合された。窒素にて希釈されたフッ素ガス（１４．５モル等量，フッ素濃度１０％）は、この混合物中に３４５分間通された。得られた溶液は水中へ加えられ、液性がアルカリ性になるまで水酸化ナトリウム溶液にて処理された。その後、得られた混合物はジクロロメタンにて３回抽出され、抽出物が合わせられ、乾燥された。溶媒を除去後、得られた褐色油状物質が水蒸気蒸留され、１８．３ｇの黄色油状物質が得られた。混合物の主成分は、３−ニトロフェニルサルファペンタフルオライド（収率３８．５％（計算値），２トルにおける沸点，１０６℃）と同定された。Ｇ．Ｃ．／Ｍ．Ｓ．分析結果［Ｍ⁺２４９］；ＮＭＲ分析結果［重クロロホルム（ＣＤＣｌ₃）溶媒中、Ｆ−１９ＮＭＲ：＋８０．５ｐｐｍ（１Ｆ，５重項），＋６２．２ｐｐｍ（４Ｆ，２重項），Ｊ_FF１５１Ｈｚ；Ｈ−１ＮＭＲ：７．７４ｐｐｍ（１Ｈ，１重項），７．５６ｐｐｍ（１Ｈ，２重項，Ｊ値８．１Ｈｚ），７．２６ｐｐｍ（１Ｈ，２重項，Ｊ値８．１Ｈｚ），６．９１ｐｐｍ（１Ｈ，３重項，Ｊ値８．１Ｈｚ）］。
例３
２−ニトロフェニルサルファトリフルオライド
２−ニトロフェニルジスルフィド（１．９３２ｇ，６．２７ｍｍｏｌｅｓ）を無水アセトニトリル（５０ｍｌ）と混合し、冷却した（−２℃）。窒素にて希釈したフッ素ガス（１２．０モル等量、フッ素濃度１０％）を、１４０分間、この混合物中に通した。ＮＭＲ分析の結果より、主生成物は２−ニトロフェニルサルファトリフルオライドであることが確認された［¹⁹Ｆ−ＮＭＲ分析結果：６６ｐｐｍ（２重項），−４７ｐｐｍ（３重項）］。
例４
４−（トリフルオロメチル）フェニルサルファペンタフルオライド
４−（トリフルオロメチル）チオフェノール（２．０１ｇ，１１．３ｍｍｏｌｅｓ）を１００ｍｌの丸底フラスコ中にて無水アセトニトリル（５０ｍｌ）と混合した。混合物は約−１０℃の温度に維持された。窒素にて希釈されたフッ素ガス（６．２モル等量、フッ素濃度１０％）を、１１２分間、この混合物中に通した。得られた溶液は水中に加えられ、液性がアルカリ性になるまで水酸化ナトリウム溶液にて処理された。その後、この混合物をジクロロメタンにて３回抽出し、抽出物を合わせて乾燥した。溶媒を除去後、得られた油状物質を真空にてトラップ蒸留した。
４−（トリフルオロメチル）フェニルサルファペンタフルオライドが留出物として得られた（総収率５％、Ｇ．Ｃ．／Ｍ．Ｓ．分析結果［Ｍ⁺２７２］、ＮＭＲ分析結果［重クロロホルム（ＣＤＣｌ₃）溶媒中，Ｆ−１９ＮＭＲ：＋８２．４ｐｐｍ（１Ｆ，５重項），＋６２．０ｐｐｍ（４Ｆ，２重項），−６３．２ｐｐｍ（３Ｆ），Ｊ_FF値 １４９Ｈｚ；Ｈ−１ＮＭＲ：７．９，７．８ｐｐｍ］）。

Claims (10)

1. 以下に示す式（１）を有するペンタフルオライドを合成する方法であって、
   Ｒ¹ＳＦ₅ （１）
   （Ｒ¹は以下に定義される）
   前記方法は、以下に示す式（２）のジスルフィドを、不活性な溶媒中にてフッ素元素と反応させることにより、式（１）の化合物に変換する工程を含み、
   Ｒ¹−Ｓ−Ｓ−Ｒ² （２）
   （Ｒ²は以下に定義される）
   Ｒ ¹ 及びＲ ² は、アリール、ヘテロアリール、脂肪族及び脂環式置換基からなるグループよりそれぞれ選択される方法。
2. 前記Ｒ¹及びＲ²が同一である請求項１に記載の方法。
3. 前記Ｒ¹及びＲ²が異なり、生成物Ｒ¹ＳＦ₅は、対応する生成物Ｒ²ＳＦ₅との混合物として存在する請求項１に記載の方法。
4. 前記Ｒ¹あるいはＲ²は１〜５個の置換基を有する置換されたアリール基であり、置換基はフッ素分子に対する反応性がジスルフィドより低く、かつ前記式（２）の化合物から前記式（１）の化合物への変換時に生成する有機サルファトリフルオライドとも反応しない請求項１に記載の方法。
5. 前記式（２）の化合物は、Ａｒ¹−Ｓ−Ｓ−Ａｒ¹の化学式で表わされ、Ａｒ¹基は同一である請求項１に記載の方法。
6. 前記Ａｒ¹の各々は、一つ以上の置換基あるいはヘテロ原子を任意に含むモノあるいはビシクロ芳香環である請求項５に記載の方法。
7. 前記式（２）の化合物は、以下に示す式（３）のチオールの酸化によって得られ、
   Ｒ¹−ＳＨ （３）
   前記式（３）のチオールは、フッ素化工程においてフッ素分子を使用することにより式（２）のジスルフィドに変換される請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記式（２）の化合物は、無水である不活性溶媒中に含まれる請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 溶媒中に混合された前記式（２）の化合物のスラリーあるいは溶液中にフッ素ガスを通過させることにより前記方法が実施される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記方法に使用されるフッ素ガスは、その使用前に不活性ガスと混合希釈される請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。