JP4201846B2 - ジホスフィン - Google Patents

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Description

本発明は、新規なジホスフィン、新規なカルボニル化触媒、およびこの新規カルボニル化触媒の存在下において不飽和化合物と一酸化炭素および共反応物との反応によって不飽和化合物をカルボニル化するための方法に関する。
カルボニル化反応は、当分野では公知である。例えば、EP−A−0,495,547には、いくつかの例が開示されており、この場合、オレフィンは、共反応物の性質に依存して、(チオ)エステル、酸、無水物、およびアミドなどに転換される。アルデヒド;ケトン;カルボン酸;エステル;アミドおよび他のカルボン酸誘導体;ラクトン;ラクタムおよび関連N−複素環類の合成に関する他の例ならびに背景となる参考を、MessersH M Colquhoun、D J ThompsonおよびM V Twiggによる「Carbonylation」(Plenum press 1991)に見出すことができる。その反応速度は、典型的には、数百モル生成物/mol触媒(金属に基づく)/時間までの程度である。内部不飽和の場合、反応速度は数桁低い。すなわち、比較的多量の触媒を必要とするか、あるいはより長い反応時間を必要とする。
本発明は、より活性であるカルボニル化触媒を提供するものである。驚くべきことに、下記のものを組み合わせることによって得られる高活性のカルボニル化触媒が見出された:
(i)元素周期表の8族、9族または10族から選択される金属カチオン、および
(ii)下記式のジホスフィン
1>P−R2−PR34
[式中、R2は共有結合連結基を表し、R1は、結合しているリン原子と一緒になって、任意に置換された2−ホスファ−トリシクロ[3.3.1.1{3,7}]デシル基またはその誘導体であってその1個または複数の炭素原子はヘテロ原子によって置換されている2価の基を表し、R3およびR4は、独立して20原子までの1価の基を表すか、またはR3およびR4は一緒になって20原子までの2価の基を表す]。このようなカルボニル化触媒の調製において使用することができるジホスフィンもまた、新規であると考えられる。
トリシクロ[3.3.1.1{3,7}]デカンは、より一般にはアダマンタンとして知られている化合物の系統名である。従って、任意に置換された2−ホスファ−トリシクロ[3.3.1.1{3,7}]デシル基は、本明細書を通じて、「2−PA」基(2−ホスファアダマンチル基)として示される。
2−PA基は、好ましくは、1位、3位、5位または7位の1以上が20原子までの1価の基R5によって置換されている。R5の典型的な例には、メチル、トリフルオロメチル、エトキシ、フェニル、および4−ドデシルフェニルが含まれる。より好ましくは、2−PA基は、1位、3位、5位および7位のそれぞれが、適切には同一の基R5で置換されている。
2−PAは、その骨格において、2−リン原子以外のヘテロ原子をさらに有することが好ましい。適切なヘテロ原子は、酸素原子およびイオウ原子である。このようなヘテロ原子は、適切には、6位、9位および10位に見出される。
最も好ましい2価の基は、2−ホスファ−1,3,5,7−テトラメチル−6,9,10−トリオキサアダマンチル基である。
3およびR4の1価の基は、それぞれ、(置換された)ヒドロカルビル基(例えば、メチル、フェニル、ピリジル、またはo,o−ジ(t−ブトキシ)フェニルなど)、および(置換された)ヘテロヒドロカルビル基(例えば、トリメチルシリル、またはアルコキシ基など)から独立して選択することができる。あるいは、R3およびR4は一緒になって、2価の基(例えば、1,6−ヘキシレン、1,3−シクロオクチレンまたは1,4−シクロオクチレンなど)を形成することができる。R3およびR4は一緒になって、2−PAを形成することが好ましく、R1と同一の2価の基を形成することが最も好ましい。
本発明のカルボニル化触媒において使用され得る好ましい配位子は、1,2−P,P’−ジ(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラメチル−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}デシル)エタン(DPA2);1,3−P,P’−ジ(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラメチル−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}]デシル)プロパン(DPA3);1,2−P,P’−ジ−ペルフルオロ(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラメチル−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}]デシル)エタン、1,3−P,P’−ジ−ペルフルオロ(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラメチル−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}]デシル)プロパン、1,2−P,P’−ジ−(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラ(トリフルオロメチル)−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}]デシル)エタンおよび1,3−P,P’−ジ−(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラ(トリフルオロメチル)−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}]デシル)プロパンであって、DPA3が最も好ましい。
このように規定される配位子は、二級ホスフィン1,3,5,7−テトラメチル−2,4,8−トリオキサ−6−ホスファアダマンタンの調製法と類似する方法で調製することができる。この調製法は、Ms.Joanne H Downingによる「PRECIOUS METAL COMPLEXES OF SOME NOVEL FUNCTIONALISEDSECONDARY AND TERTIARY PHOSPHINES」(これらは1992年11月にブリストル大学に提出された)の第3章に開示されている。例えば、DPA3は、2,4−ペンタンジオンを1,3−ジホスフィノプロパンに添加することによって調製される。非対称配位子は、例えば、三級ホスフィノ基および一級ホスフィノ基を有するジホスフィンを使用して調製することができる。あるいは、二級の2−ホスファ−トリシクロ[3.3.1.1{3,7}デカンを別の二級のモノホスフィンとカップリングすることによって、または当分野で知られている他の方法によって調製することができる。置換された配位子は、例えば、ホスフィンとの反応において、ペルフルオロ−2,4−ペンタンジオンまたは1,1,1,5,5,5−ヘキサフルオロ−2,4−ペンタンジオンなどの置換2,4−ペンタンジオンを使用して調製することができる。
現在のIUPAC表記法に従って、8族、9族および10族の金属カチオンは、それぞれ、Fe、Ru、Os;Co、Rh、Ir並びにNi、PdおよびPtである。これらのカチオンは、それぞれ、「Carbonylation」において示されているように、様々なカルボニル化反応において使用することができる。
9族の金属カチオンおよび10族の金属カチオン(以前の文献では、白金属金属カチオンと呼ばれる)は、本発明の新規な触媒において使用したときに特に良好な結果をもたらすことが見出されている。
金属カチオンの適切な供給源は、「Carbonylation」において見出すことができ、当業者にとっては何ら問題とならない。同様に、触媒系(実際には前駆体であり、反応時に形成される活性種は、本明細書中に開示される前駆体の活性種とはわずかに異なることがある)の調製は、Ms J H Downingによる学位論文に開示されている一般的な処方に従う。
触媒系は、EA−P−0,495,547および「Carbonylation」に記載される様々なカルボニル化反応において使用することができる。それらは、不飽和化合物、特にエチレン性不飽和化合物の付加的カルボニル化において適用される場合、反応速度に関して特に優れている。α−オレフィンに関して本明細書中に示される後者の反応は、下記の反応に従って進行する:
RCH=CH2+CO+HY −> RCH2CH2COY
[ここで、Y=H、OH、OR、NR2などである]。
内部オレフィンの付加的カルボニル化も同様である。しかし、その高異性化活性のために、生成物は典型的に、対応するα−オレフィンとの反応生成物と類似していることがよくある。
すなわち、触媒系は、「ヒドロホルミル化反応」、「ヒドロカルボキシル化反応」、「ヒドロエステル化反応」、「ヒドロアミド化反応」などにおいて使用することができる。
そのようなカルボニル化反応において、共反応物、溶媒などを使用できることが理解される。さらに、様々なアニオンを、金属カチオンの対イオンとして使用できる。その例には、(18℃の水で測定される)pKaが6未満であり、好ましくは4未満である酸の共役塩基であるアニオンが含まれる。このような酸から誘導されるアニオンは、金属カチオンと配位しないか、または弱く配位するだけである。これは、そのようなアニオンとカチオンとの間での共有結合的な相互作用がほとんど生じてないことを意味する。このようなアニオンに基づく触媒は、良好な活性を呈する。
適切なアニオンには、ブレンステッド酸から誘導されるアニオンが含まれる。例えば、リン酸および硫酸などから誘導され、特にスルホン酸および(ハロゲン化)カルボン酸(例えば、トリフルオロ酢酸、2,6−ジクロロ安息香酸および2,6−ビス(トリフルオロメチル)安息香酸またはトリフルオロ酢酸など)から誘導されるアニオンが含まれる。スルホン酸、例えば、メタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、tert−ブタンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、および2,4,6−トリメチルベンゼンスルホン酸から誘導されるアニオンは、特に好ましい。
錯アニオンもまた適当であり、例えば、ルイス酸(例えば、BF3、B(C653、AlCl3、SnF2、Sn(CF3SO32、SnCl2またはGeCl2など)と、好ましくはpKaが5未満のプロトン酸(例えば、スルホン酸(例えば、CF3SO3HまたはCH3SO3H)またはハロゲン化水素酸(例えば、HFまたはHClなど)など)との組合せによって、またはルイス酸とアルコールとの組合せによって生成するアニオンが挙げられる。そのような錯アニオンの例には、BF4 -、SnCl3 -、[SnCl2・CF3SO3-およびPF6 -が挙げられる。
カルボニル化反応は、好都合には、適度な温度のもとで行われる。従って、操作は、適切には、30℃〜200℃の範囲の温度で行われる。好ましい温度は、50℃〜180℃の範囲内である。反応圧もまた広範囲に変化させることができる。例えば、反応は、1bar〜200barの範囲の圧力で行うことができ、5bar〜60barの範囲内の圧力が好ましい。
一酸化炭素は、不飽和化合物および共反応物「YH」に対してモル過剰で供給されることが好ましい。さらに、不飽和化合物および共反応物は、適切には、10:1〜1:10の範囲内のモル比で、好ましくは5:1〜1:5の範囲内のモル比で、より好ましくは2:1〜1:2の範囲内のモル比で供給される。
触媒系が使用される量は重要ではなく、広範囲の限界内で変化させることができる。通常、不飽和化合物の1molに対して、10-8〜10-1mol原子の範囲内の金属量、好ましくは10-7〜10-2mol原子の範囲内の金属量が使用される。
本発明の触媒系の調製に関して、配位子量は、カチオンの1モル原子に対する配位子のモル数として表して、一般には、いくらか過剰な量の金属カチオンで適用される。配位子量は、典型的には、カチオンの1モル原子あたり、0.5モル〜10モルの配位子が存在するように選択される。しかし、好ましい触媒系に関して、活性種は、1モルのカチオンに対して等モル量の2座配位子に基づくと考えられる。従って、1モルのカチオンあたり2座配位子のモル量は、好ましくは1〜3の範囲内であり、より好ましくは1〜2の範囲内である。酸素が存在する場合、わずかに多い量が有益であり得る。アニオン源の量は、1モルのカチオンに対して、0.5モル〜15モルで変化し、好ましくは1モル〜8モルで変化し得る。
本発明の方法において、出発物質および生成したカルボニル化生成物は、反応希釈剤として作用し得る。従って、別の溶媒は必ずしも必要でない。しかし、好都合には、カルボニル化反応は、溶媒のさらなる存在のもとで行うことができる。そのようなものとして、例えば、パラフィンおよびイソアルカンなどの飽和炭化水素が推奨される。さらに、2,5,8−トリオキサノナン(ジグリム)、ジエチルエーテルおよびアニソールなどのエーテル;スルホランなどのスルホン、およびトルエンなどの芳香族炭化水素も推奨される。
不飽和化合物は1つまたは複数の不飽和結合を有し、分子あたり2個〜30個の炭素原子を有するオレフィンであることが好ましい。不飽和結合は、内部または末端に存在し得る。触媒は、内部オレフィンの転換に特に好都合である。特に好ましいものは、分子あたり2個〜22個の炭素原子を有するオレフィンであり、エテン、プロペン、1−ブテンまたは2−ブテン、1−ヘキセンまたは内部ヘキセン、1−オクテンまたは内部オクテン、ジイソブチレン、トリイソブチレン、トリプロピレン、内部デセン、内部C14オレフィン、および内部C15〜C18オレフィンなどが挙げられる。
不飽和化合物において、1個または複数の水素原子は、ハロゲン原子などの他の原子によって、あるいはヒドロキシル基、シアノ基、メトキシ基もしくはエトキシ基など、またはジメチルアミノ基およびジエチルアミノ基などのアミノ基などの原子によって置換することができる。
不飽和化合物の他の好ましい種類は、カルボン酸の不飽和エステルおよび不飽和カルボン酸のエステルからなる。例えば、出発物質は、酢酸またはプロピオン酸などのカルボン酸のビニルエステルであってもよく、あるいはアクリル酸またはメタクリル酸のメチルエステルまたはエチルエステルなどの不飽和酸のアルキルエステルであってもよい。
不飽和化合物のさらに好ましい種類はシクロアルカジエンからなり、これは、通常、カルボニル化されない。例えば、出発物質は、ジシクロペンタジエンまたはノルボルナジエンであり、ジエステル、ジアミドまたは二酸などを生成することができ、これらは重合反応におけるモノマーとして使用することができる。
本発明の付加的カルボニル化方法における適切な共反応物には、求核性部分および移動可能な水素原子を含む化合物が含まれる。
好ましい求核性化合物には下記の物質が含まれる:分子状水素、水およびアルコール、例えば、1価アルコール(メタノール、エタノール、イソプロパノールおよび1−ブタノールなど)および多価アルコール(エチレングリコール、1,4−ブタンジオールおよびグリセロールなど);チオール;一級または二級の(ポリ)アミンまたはアミド(ジエチルアミン、N,N−ジメチルエチレンジアミンなど);芳香族アルコールおよびカルボン酸、例えば、酢酸、ピバル酸およびプロパン酸など。分子状水素、分子あたり1個〜6個の炭素原子を有する1価アルコール、および分子あたり2個〜6個の炭素原子を有する2価アルコールが好ましい。
1−ブタノール、メタノールおよび1,4−ブタンジオールは特に好ましい。これらの化合物を共反応物として使用することによって、プロパン酸メチル、プロパン酸ブチルおよび1,4−ジアシルオキシブタンなどの価値のあるカルボニル化生成物の製造が可能になる。これらの化合物は、商業的に重要であり、溶媒として使用され、そして風味組成物および香料において使用することができる。
共反応物の別の好ましい種類は、アルキルフェノールであり、この場合、30個までの炭素原子、典型的には6個〜22個の炭素原子のアルキル基の1つまたは複数がフェノール分子に結合している。これらの共反応物との付加的カルボニル化によって、工業的適用、特に自動車エンジンにおける合成潤滑剤として使用できるアルキルフェニルエステルが得られる。
次に、本発明を下記の実施例においてさらに説明する。しかし、下記の実施例は本発明の範囲を限定しない。すべての実験は、別途記載されない限り、磁気的に攪拌される250mlオートクレーブで行った。表において使用する略号は下記の意味を有する:
DPA2=1,2−P,P’−ジ(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラメチル−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}デシル)エタン
DPA3=1,3−P,P’−ジ(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラメチル−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}デシル)プロパン
MSA=メタンスルホン酸
実施例1 (配位子の合成)
4.63mmolのジホスフィノプロパンを、27.8mmolの2,4−ペンタンジオンを含む20mlの5M HCl溶液に加えた。1時間攪拌した後、白色固体が沈澱し始めた。反応混合物をさらに24時間攪拌し、次いで揮発性成分を取り除くと、白色の空気に安定な固体生成物が残った。この生成物を水で洗浄し(6×20ml)、20mlのジクロロメタンに溶解し、硫酸マグネシウムで乾燥した。この溶液をろ過し、真空下で1mlに濃縮した。10mlのペンタンを加えて、精製した生成物を沈澱させ、次いで回収した。(0.75g、34%の収率)。
1H NMR(400MHz、CD2Cl2中)、d 1.18(6H、s)、d 1.22(18H、s)、d 1.4〜1.9(m、14H);31P NMR(162MHz):d−30.0、−30.8ppm;質量スペクトルはm/eが472(M+)であった。これらのデータにより、生成物の種類を確認する。
DPA2を同一の方法で調製したが、ジホスフィノプロパンの代わりにジホスフィノエタンを用いた。
実施例2 (カルボニル化)
オートクレーブに、50mlのメタノール、0.1mmolの酢酸パラジウム(II)、0.15mmolのDPA3、および0.2mmolのMSAを仕込んだ。水で流した後、オートクレーブを一酸化炭素およびエテンで加圧して、それぞれの分圧を30barおよび20barにした。次に、反応器を密封した。オートクレーブの内容物を90℃の温度に加熱し、その温度で0.25時間維持した。冷却後、オートクレーブ内容物のサンプルを採取して、気−液クロマトグラフィーによって分析した。
エテンは、100%の選択率でプロパン酸メチルに、1時間あたり1モルのPdあたり8000モル(mol/mol.hr)の平均速度で完全に転換された。
実施例3
実施例2を繰り返したが、10mlの水および40mlのジグリムを反応物/溶媒として使用し、処理温度を110℃とした。オートクレーブを2時間後に冷却した。
エテンは、100%の選択率でプロパン酸に、1500mol/mol.hrの平均速度で完全に転換された。
実施例4
実施例2を繰り返したが、30mlのプロペンをオレフィンとして使用し、処理温度を100℃とした。
プロペンは、78%の選択率でブタン酸メチルに、そして22%の選択率で2−メチルプロパン酸メチルに、5000mol/mol.hrの平均速度で完全に転換された。
実施例5
実施例2を繰り返したが、20mlのα−C14オレフィンを原料として使用した。オートクレーブを3時間後に冷却した。
α−オレフィンは、80%の選択率で線状のメチルエステル類に、250mol/mol.hrの平均速度で95%が転換された。
実施例6
実施例2を繰り返したが、20mlの内部C14オレフィンを原料として使用し、処理温度を115℃とし、一酸化炭素圧を10barとした。オートクレーブを5時間後に冷却した。
内部オレフィン類は、78%の選択率で線状のメチルエステル類に、120mol/mol.hrの平均速度で93%が転換された。
比較実施例A
実施例6を繰り返したが、1,3−ビス(ジ−tert−ブチルホスフィノ)プロパンをリガンドとして使用し、一酸化炭素圧をそれぞれ10barおよび30barとした。オートクレーブを10時間後に冷却した。
内部オレフィンは、75%の選択率で線状のメチルエステル類に、5mol/mol.hrの平均速度でわずかに10%が転換されたにすぎなかった。
実施例7
実施例2を繰り返したが、10mlのペンテン酸メチルを不飽和化合物として使用し、処理温度を115℃とし、一酸化炭素圧を15barとした。オートクレーブを6時間後に冷却した。
3−ペンテン酸メチルは、84%の選択率で線状のジメチルエステル類に、100mol/mol.hrの平均速度で完全に転換された。
実施例8
実施例2を繰り返したが、0.1mmolの白金(II)アセチルアセトネート、0.12mmolのDPA3、および0.25mmolのMSAを使用した。さらに、オートクレーブ内容物を125℃に加熱した。オートクレーブを3時間後に冷却した。
エテンは、100%の選択率でプロピオン酸メチルに、500mol/mol.hrの平均速度で完全に転換された。
比較実施例B
実施例8を繰り返したが、1,3−ビス(ジ−tert−ブチルホスフィノ)プロパンをリガンドとして使用した。
今回は、プロピオン酸メチルが、わずかに10mol/mol.hrの平均速度で生成したにすぎなかった。
実施例9 (ヒドロホルミル化)
オートクレーブに、50mlのジグリム、0.1mmolのロジウムジカルボニルアセチルアセトネート、および0.12mmolのDPA3を仕込んだ。水で流した後、オートクレーブに15mlのプロペンを仕込み、一酸化炭素および水素で加圧して、それぞれの分圧を25barおよび25barにした。次に、反応器を密封した。オートクレーブの内容物を80℃の温度に加熱し、その温度で0.25時間維持した。冷却後、オートクレーブ内容物のサンプルを採取して、GLCによって分析した。
プロペンは、ブタナールおよび2−メチルプロパナールの混合物(モル比48:52)に、4000mol/mol.hrの平均速度で完全に転換された。
実施例10
実施例9を繰り返したが、0.1mmolのDPA2を使用した。
プロペンは、ブタナールおよび2−メチルプロパナールの混合物(モル比49:51)に、5000mol/mol.hrの平均速度で完全に転換された。
実施例11
実施例9を繰り返したが、プロペンの代わりに10mlの酢酸ビニルを、ジグリムの代わりに50mlのトルエンを、0.2mmolのDPA3を使用した。さらに、オートクレーブを115℃の温度に加熱した。
酢酸ビニルは、酢酸1−ホルミルエチルおよび酢酸2−ホルミルエチルの混合物(モル比10:1)に、5000mol/mol.hrの平均速度で完全に転換された。

Claims (9)

  1. 1,2−P,P’−ジ(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラメチル−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}デシル)エタン(DPA2);1,3−P,P’−ジ(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラメチル−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}デシル)プロパン(DPA3);1,2−P,P’−ジ−ペルフルオロ(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラメチル−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}デシル)エタン;1,3−P,P’−ジ−ペルフルオロ(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラメチル−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}デシル)プロパン;1,2−P,P’−ジ−(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラ(トリフルオロメチル)−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}デシル)エタンおよび1,3−P,P’−ジ−(2−ホスファ−1,3,5,7−テトラ(トリフルオロメチル)−6,9,10−トリオキサトリシクロ[3.3.1.1{3.7}デシル)プロパンから選択されるジホスフィン
  2. DPA3である請求項1に記載のジホスフィン
  3. (i)元素周期表の8族、9族または10族から選択される金属カチオン、および
    (ii)請求項1又は2に記載のジホスフィン
    とを組み合わせることによって得られるカルボニル化触媒。
  4. 前記金属カチオンは、10族の金属カチオンである、請求項3に記載のカルボニル化触媒。
  5. 金属カチオンがPdカチオンである請求項4に記載のカルボニル触媒
  6. 不飽和化合物と一酸化炭素および共反応物との反応によって不飽和化合物をカルボニル化するための方法であって、請求項3から5のいずれか1項に記載のカルボニル化触媒が使用される方法。
  7. 前記不飽和化合物は、分子あたり2個〜30個の炭素原子を有するエチレン性不飽和化合物である、請求項に記載の方法。
  8. 前記エチレン性不飽和化合物は、分子あたり2〜22個の炭素原子を有するα−オレフィンまたは内部オレフィン、あるいはシクロアルカジエンである、請求項に記載の方法。
  9. 前記共反応物は、分子状水素、分子あたり1個〜6個の炭素原子を有する1価アルコール、分子あたり2個〜6個の炭素原子を有する2価アルコール、又はアルキルフェノールである、請求項6から8のいずれか1に記載の方法。
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