JP4359487B2

JP4359487B2 - アクリル酸エステル化合物の製造方法

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Publication number: JP4359487B2
Application number: JP2003396476A
Authority: JP
Inventors: 覚宮澤; 裕介倉本; 悟小林; 一彦前田
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2005154355A; US7173147B2; US20050171375A1

Description

本発明は、真空紫外領域のフォトレジストの製造に有用な重合性単量体であるアクリル酸エステル化合物の製造方法に関する。

エステル化反応の代表的な例としてアルコールとカルボン酸との脱水縮合反応（非特許文献１）、アルコールとカルボン酸エステルとのエステル交換反応（非特許文献２）、塩基性条件下アルコールとカルボン酸ハライドとの縮合反応（非特許文献３）が古くから知られている。一般に脱水反応、エステル交換反応は平衡反応であるため、アルコールをカルボン酸またはカルボン酸エステルよりも過剰に用いることで、高収率が達成できる。これらの方法では、一般式（１）のようにアルコールの構造が複雑であり高価な場合は、大量スケールの製造には適さない。

一方、カルボン酸ハライドとアルコールとの反応は、理論上１対１のモル比で出発物質を反応させても縮合反応は進行するため、高価なアルコールの場合であっても大量スケールの製造に適用しやすい。しかしながらこの方法では、酸（ＨＸ）が生成するため、系内にアミン類を添加して酸（ＨＸ）をトラップすることが一般的に広く知られている。このアミンを用いる反応は、反応後にアミンハライド塩を形成し、反応後の処理ではその除去のための濾過、酸洗浄を充分に行う必要があり、操作が煩雑であった。

特に、一般式（１）に示す化合物で、式中のＲ^１が水素原子の場合、生成したアクリル酸系エステル化合物は末端にアルコールを有することから親水性であり、後処理工程において形成したアミンハライド塩に取り込まれ、抽出操作は煩雑となり、その結果として粗体回収量が大幅に減少する。

また、アミンハライド塩を形成させないようにアミンを添加せずに反応を行った場合、目的とするアクリル酸系エステル化合物の反応は進行するが、生成したアクリル酸系エステル化合物の炭素-炭素二重結合に酸（ＨＸ）が付加した化合物が副生してくるという欠点を有していた。そのため目的とするアクリル酸エステル化合物の反応率は低下するという問題があった。
実験化学講座19有機化合物の合成Ｉ, 日本化学会編, 丸善株式会社, 471(1957) 実験化学講座19有機化合物の合成Ｉ, 日本化学会編, 丸善株式会社, 478(1957) 実験化学講座19有機化合物の合成Ｉ, 日本化学会編, 丸善株式会社, 476(1957)

本発明の目的は、原料として複雑で高価なアルコール体を過剰に用いることなく、また高い反応率で目的とするアクリル酸エステル化合物を誘導し、なおかつ、反応後の処理工程において目的とするアクリル酸エステルが損失なく、高収率で回収できる製造方法を提供することにある。

本発明者らは、かかる従来技術の問題点に鑑み、工業的規模での製造に適したアクリル酸エステル類の製造方法を確立するべく鋭意検討を重ねた結果、アクリル酸ハライドとアルコールの脱酸（ＨＸ）縮合反応において、その酸（ＨＸ）トラップ剤としてアルケンを用いることで、高反応率と反応後の処理工程を経た後の高回収率を達成し、目的とするアクリル酸エステルを効率的に得る方法を見出し、本発明を到達したものである。
即ち、本発明は、一般式（１）

（式中、Ｒ¹は、水素原子、フッ素原子、直鎖状または分岐状の炭化水素基、含フッ素アルキル基、芳香族または脂肪族を有する環状体であり、酸素、硫黄、カルボニル結合を含んでもよい。）で表されるアルコール体と、一般式（２）

（式中、Ｒ²は水素原子、フッ素原子、メチル基、トリフルオロメチル基、炭素数１〜４の直鎖状または分岐状の炭化水素基、炭素数１〜４の直鎖状または分岐状の含フッ素アルキル基である。Ｘは、塩素、臭素、ヨウ素をはじめとするハロゲン原子である。）で表される酸ハライドをアルケン存在下で反応させることを特徴とするアクリル酸エステル化合物の製造方法である。

本発明により、高反応率かつ高収率で回収できるアクリル酸エステル類の製造方法が提供される。

まず、本発明にかかる一般式（１）で表される原料アルコール体について説明する。

本発明の一般式（１）に使用できるＲ^１は、水素原子、フッ素原子、直鎖状または分岐状の炭化水素基、含フッ素アルキル基、芳香族または脂肪族を有する環状体であり、酸素、硫黄、カルボニル結合を含んでもよい。Ｒ^１の構造には特に制限はないが、好ましい炭化水素基としては、メチル基、エチル基、イソプロピル基、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロへキシル基、ノルボルネル基、アダマンチル基、ベンジル基などの環状を有してもよい炭素数１〜２０の炭化水素基が挙げられ、また酸素原子を含むものとして好ましい構造は、メトキシメチルエーテル、メトキシエトキシメチルエーテル等の鎖状エーテル基、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等の環状エーテル基が挙げられ、また好ましい芳香族としては、４−メトキシベンジル基が挙げられ、また好ましいカルボニル基を含むものとして、アセチル基、ピバロイル基、ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル基、ベンゾイル基等が挙げられる。なお、Ｒ^１が水素原子である場合、水酸基を有するため、より好ましい。

また、例えば、水酸基の位置がノルボルネン環のＣ５位またはＣ６位において、ノルボルネン環のＣ２位のアルキル基と水酸基の立体配置の関係はいずれでもよい。これらの位置の違いによる立体異性体は、単体を用いてもよく、また２種以上の異性体混合物を用いてもよい。
次に一般式（２）について説明する。

一般式（２）に使用できるＲ^２は水素原子、ハロゲン原子、炭化水素基、含フッ素アルキル基であれば特に制限なく使用することができる。好ましい置換基を例示するならば、ハロゲン原子としてフッ素、塩素、臭素など、また炭化水素基としてメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、フェニル基、ベンジル基、フェネチル基など、更には含フッ素アルキル基として前記アルキル基の水素原子の一部または全部がハロゲン原子で置換されたものを例示できる。ただし、炭化水素基と含フッ素アルキル基の場合の炭素数は１〜２０が好ましく、更に重合性の観点からは炭素数１〜４が好適に採用される。特に好ましい例として、水素原子、フッ素原子、メチル基が例示できる。特に含フッ素アルキル基を例示するならば、−ＣＦ₃のトリフルオロメチル基、−ＣＨ₂ＣＦ₃のトリフルオロエチル基、１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロイソプロピル基等、その構造は制限なく使用することができる。また、Ｘは塩素、臭素、ヨウ素等のハロゲン原子が挙げられる。経済的には塩素がより好ましい。

以下、一般式（１）と一般式（２）の脱ＨＸ縮合反応について説明する。反応に用いる一般式（２）の使用量は、一般式（１）に対して１〜５当量が好ましく、１〜２当量がより好ましい。１当量未満では、反応の選択性が低下し、また５当量以上では経済的観点から好ましくない。

反応に用いるアルケンとしては、炭化水素基であれば、直鎖状、分岐状、環状を問わず特に制限なく使用することができるが、イソプレン、シクロペンタジエン等の共役ジエンを含むものは、反応物質であるアクリル酸系ハライドまたは反応生成物であるアクリル酸系エステルとのディールス・アルダー付加体の生成が競合反応となるため好ましくない。好ましい化合物を例示するならば、エチレン、プロピレン、１−ブテン、２−ブテン、イソブテン、１−ペンテン、２−ペンテン、２−メチル−１−ブテン、２−メチル−２−ブテン、３−メチル−１−ブテン、メチレンシクロブタン、１，４−ペンタジエン、シクロペンテン、１−ヘキセン、２−ヘキセン、３−ヘキセン、２，３−ジメチル−１−ブテン、２，３−ジメチル−２−ブテン、３，３−ジメチル−１−ブテン、２−エチル−１−ブテン、２−メチル−１−ペンテン、２−メチル−２−ペンテン、３−メチル−１−ペンテン、３−メチル−２−ペンテン、４−メチル−１−ペンテン、４−メチル−２−ペンテン、１，４−ヘキサジエン、１，５−ヘキサジエン、１−メチル−１−シクロペンテン、２−メチル−１，４−ペンタジエン、シクロヘキセン、１−ヘプテン、２−ヘプテン、３−ヘプテン、４，４−ジメチル−１−ペンテン、３−エチル−２−ペンテン、２−メチル−１−ヘキセン、２，３，３−トリメチル−１−ブテン、シクロヘプテン、ビニルシクロヘキサン、１−メチル−１−シクロヘキセン、メチレンシクロヘキサン、ノルボルネン、２−メチル−１−ヘプテン、２−メチル−２−ヘプテン、１−オクテン、２−オクテン、３−オクテン、４−オクテン、２，３，４−トリメチル−２−ペンテン、２，４，４−トリメチル−１−ペンテン、２，４，４−トリメチル−２−ペンテン、シクロオクテン、１−ノネン、２−ノネン、３−ノネン、４−ノネン等が挙げられる。より好ましい例として、イソブテン、２−メチル−２−ブテン、２−メチル−２−ペンテン、１−メチル−１−シクロペンテン、シクロヘキセン、１−メチル−１−シクロヘキセン、メチレンシクロヘキサン、ノルボルネン等が挙げられる。また、以上に例示したアルケンを２種以上混合して用いてもよい。

用いるアルケンの量は、一般式（１）のアルコールに対して０．１〜５０モル当量であり、０．５〜２０モル当量が好ましく、１〜１０モル当量がより好ましい。０．１モル当量未満では、発生する酸（ＨＸ）が反応物質であるアクリル酸系ハライド、または反応生成物であるアクリル酸系エステルの不飽和結合に付加反応し反応率の低下を招き好ましくない。また、５０モル当量を超えると経済的に好ましくない。

溶媒は反応に不活性であれば特に制限なく使用できるが、好ましい溶媒を例示するならば、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、トリフルオロメチルベンゼン等の芳香族化合物、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、トリフルオロメチルシクロヘキサン等の脂肪族化合物、メチル−ｔｅｒｔ−ブチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、１，４−ジオキサン等のエーテル系溶媒、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素等のハロゲン系溶媒が挙げられる。
反応は溶媒が存在しない状態でも進行するが、反応物質であるアクリル酸系ハライド、または反応生成物であるアクリル酸系エステルの重合反応を抑え円滑に反応を進行させるためには上述した溶媒を１種、または複数混合して用いてもよい。溶媒量は、一般式（１）のアルコールに対して０〜１０，０００ｗｔ％であり、０〜１，０００ｗｔ％が好ましく、１００〜５００ｗｔ％がより好ましい。溶媒量が１０，０００ｗｔ％を超えると回収等に手間がかかり、経済的に好ましくない。

重合禁止剤を添加しなくても反応は進行するが、反応物質であるアクリル酸系ハライド、目的とするアクリル酸系エステル化合物の重合反応を抑え円滑に反応を進行させるためには、重合禁止剤を添加することが好ましい。重合禁止剤としては、ラジカルを補足するものであれば特に制限なく使用することができるが、好ましい化合物を例示するならば、ヒドロキノン、メトキノン、２，５−ジ−ｔ−ブチルヒドロキノン、２，６−ジ−ｔ−ブチルヒドロキノン、２，２‘−メチレン−ビス（４−メチル−６−ｔ−ブチルフェノール）、フェノチアジン等が挙げられる。これら重合禁止剤は１種、または２種以上を混合して用いてもよい。

重合禁止剤の添加量は、一般式（１）のアルコールに対して０〜２０ｗｔ％であり、好ましくは０．０１〜１０ｗｔ％であり、更に好ましくは０．１〜５ｗｔ％である。

本発明を実施する反応温度は−５０〜３００℃であり、−１０〜２００℃が好ましく、５０〜１５０℃がより好ましい。

反応容器としては、四フッ化エチレン樹脂、クロロトリフルオロエチレン樹脂、フッ化ビニリデン樹脂、ＰＦＡ樹脂により製作した容器、ガラスなどを内部にライニングした容器、グラス容器、または、ステンレスにより製作した容器が好ましい。

本発明を実施する方法について説明する。反応条件に耐えうる反応容器に、一般式（１）で表されるアルコール体と溶媒、アルケンを混合し、一般式（２）で表されるアクリル酸系ハライドを反応系内へ添加する方法が挙げられる。なお、反応終点は、サンプリング等により確認する。

本発明の方法で製造されたアクリル酸系エステルは、公知の方法を適用して精製することができる。例えば、水、アルカリ水、食塩水等で反応液を処理し、過剰のアクリル酸系ハライドを除去する。得られた粗有機物は、カラムクロマトグラフィーまたは蒸留により精製することができる。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。また、本発明の有効性を証明するために比較例も示した。結果を表１に示した。表１のように、アルケンを添加することで、反応率と回収率の向上が達成された。

［実施例１］
式（３）アクリル酸エステルの合成

還流冷却器をつけた１０Ｌの４口フラスコにトルエン７Ｌ、一般式（１）(式中、Ｒ^１は水素原子)１４００ｇ、２-メチル-２-ブテン６７３ｇを入れ攪拌した。アクリル酸クロリド５２１ｇを滴下し、オイルバスを反応液が９０℃になるまで加熱した。７時間後、反応の組成をＧＣで確認すると、目的とする式（３）の異性体混合物が合計９５％の反応率で得られた。不純物としては原料が１．４％、（３）の不飽和結合部位への塩酸付加体が０．９％であった。反応液を室温下で放冷し冷却した後に、飽和食塩水溶液を滴下した。有機層と水層を分離し、水層をトルエンで３回抽出した。抽出液と有機層を合わせて飽和食塩水による洗浄を行った。無水硫酸マグネシウムによる乾燥の後、溶媒留去を行ったところ、１７２８ｇの粗有機物が得られ、この粗反応液を減圧下での蒸留により精製したところ、１２０５ｇの（３）が得られた。ＧＣにより組成を調べたところ、目的物であるノルボルナエステルの異性体混合物の合計選択率が９５．８％、原料が１．８％、塩酸付加体が０・４％であった。目的とする式（３）の異性体混合物は、反応後から溶媒留去までの精製過程において損失することなく回収された。
^１Ｈ-ＮＭＲ（ＣＤＣｌ_３、ＴＭＳ基準、４００ＭＨｚ）
δ ０．７７−２．３２（ｍ、１１Ｈ）、３．７４−３．９４（ｍ、１Ｈ）、４．６２（ｄ、Ｊ＝５．６Ｈｚ、１Ｈ）、５．８２（ｄ、Ｊ＝１０．４、１Ｈ）、６．８０（ｄｄ、Ｊ＝１７．４、１０．４、１Ｈ）、６．３７（ｄ、Ｊ＝１７．４、１Ｈ）
^１９Ｆ-ＮＭＲ（ＣＤＣｌ_３、ＣＦＣｌ_３基準、３７６ＭＨｚ）
δ −７７．０（ｑ、Ｊ＝９．２Ｈｚ、３Ｆ）、−７７．７（ｑ、Ｊ＝９．２Ｈｚ、３Ｆ）

［実施例２］
式（４）メタクリル酸エステルの合成

還流冷却器をつけた５０ｍＬの3口フラスコにトルエン６ｍＬ、一般式（１）(式中、Ｒ^１は水素原子)１１５１ｍｇ、２-メチル-２-ブテン５７７ｍｇを入れ攪拌した。メタクリル酸クロリド５１６ｍｇを滴下し、オイルバスを反応液が９０℃になるまで加熱した。７時間後、反応の組成をＧＣで確認すると、目的とする式（４）の異性体混合物が合計９３％の反応率で得られた。不純物としては原料が３％、（４）の不飽和結合部位への塩酸付加体が１％であった。反応液を室温下で放冷し冷却した後に、飽和食塩水溶液を滴下した。有機層と水層を分離し、水層をトルエンで３回抽出した。抽出液と有機層を合わせて飽和食塩水溶液による洗浄を行った。得られた溶液を無水硫酸マグネシウムで乾燥し、濾液の溶媒留去を行ったところ１５８２ｍｇの粗有機物が得られた。得られた粗反応液を薄層クロマトグラフィー(ヘキサン／酢酸エチル＝５／１)により精製したところ、１０８７ｍｇの（４）が得られた。ＧＣにより組成を調べたところ、目的物である（４）の異性体混合物の合計選択率が９６％、原料が１％であった。目的とする式（４）の異性体混合物は、反応後から溶媒留去までの精製過程において損失することなく回収された。
^１Ｈ-ＮＭＲ（ＣＤＣｌ_３、ＴＭＳ基準、４００ＭＨｚ）
δ ０．６３−２．３７（ｍ、１４Ｈ）、３．０８−３．４７（ｍ、１Ｈ）、４．６１−４．６６（ｍ、１Ｈ）、５．５４（ｓ、１Ｈ）、６．０６（ｓ、１Ｈ）、６．３７（ｓ、１Ｈ）
^１９Ｆ-ＮＭＲ（ＣＤＣｌ_３、ＣＦＣｌ_３基準、３７６ＭＨｚ）
δ −７７．１-−７７．８（ｍ、６Ｆ）

［実施例３］
式（５）２−トリフルオロメチルアクリル酸エステルの合成

還流冷却器をつけた５０ｍＬの３口フラスコにトルエン５ｍＬ、一般式（１）(式中、Ｒ^１は水素原子)１０１０ｍｇ、２-メチル-２−ブテン５０４ｍｇを入れ攪拌した。メタクリル酸クロリド６８３ｍｇを滴下し、オイルバスを反応液が９０℃になるまで加熱した。６時間後、反応の組成をＧＣで確認すると、目的とする式（５）の異性体混合物が合計７７％の反応率で得られた。不純物としては原料が１４％、（５）の不飽和結合部位への塩酸付加体が５％であった。反応液を室温下で放冷し冷却した後に、飽和食塩水溶液を滴下した。有機層と水層を分離し、水層をトルエンで３回抽出した。抽出液と有機層を合わせて飽和食塩水溶液による洗浄を行った。得られた溶液を無水硫酸マグネシウムにより乾燥し、溶媒留去を行ったところ１７２５ｍｇの粗有機物が得られた。得られた粗反応液を薄層クロマトグラフィー(ヘキサン／酢酸エチル＝３／１)により精製した後に、ヘキサン溶媒からの再結晶により、３８７ｍｇの（５）が得られた。ＧＣにより組成を調べたところ、目的物である（５）の異性体混合物の合計選択率９８％であった。目的とする式（５）の異性体混合物は、反応後から溶媒留去までの精製過程において損失することなく回収された。
^１Ｈ-ＮＭＲ（ＣＤＣｌ_３、ＴＭＳ基準、４００ＭＨｚ）
δ ０．６８−２．４１（ｍ、１１Ｈ）、２．９２−３．１０（ｍ、１Ｈ）、４．７２−４．７８（ｍ、１Ｈ）、６．４０（ｓ、１Ｈ）、６．６９（ｓ、１Ｈ）
^１９Ｆ-ＮＭＲ（ＣＤＣｌ_３、ＣＦＣｌ_３基準、）
δ −６６．１（ｓ、３Ｆ）、−７７．１-−７８．０（ｍ、６Ｆ）

［比較例１］
塩基性条件での式（３）の合成
還流冷却器をつけた１００ｍＬの３口フラスコにＴＨＦ２０ｍＬ、一般式（１）(式中、Ｒ^１は水素原子)３．１ｇ、２、６−ルチジン１．２ｇを入れ攪拌した。アクリル酸クロリド１．２ｇを滴下し、オイルバスにより加熱還流（７０℃）した。３時間後、反応の組成をＧＣで確認すると目的とする式（３）の異性体混合物が合計９４％の反応率で得られた。不純物としては置換ノルボルネンの環化体が１％、原料が２％であった。反応液を室温下に放冷し冷却した後、トルエン１０ｍＬを加えた。生じた塩を濾過し、得られた濾液を５％塩酸水溶液で洗浄した。溶媒留去を行った後、得られた粗反応液にトルエン１３ｍＬを加え、１０％塩酸溶液１３ｍＬで洗浄した。無水硫酸マグネシウムにより乾燥し、得られた有機層の溶媒を留去して２．０ｇの粗有機物を得た。この時、目的物（３）の回収率は、５５％であった。

［比較例２］
アルケン未添加条件での式（３）の合成
還流冷却器をつけた１００ｍＬの３口フラスコにトルエン１８ｍＬ、一般式（１）(式中、Ｒ^１は水素原子)３．５ｇを入れ攪拌した。アクリル酸クロリド１．６ｇを滴下し、オイルバスを反応液が７０℃になるまで加熱した。３時間後、反応の組成をＧＣで確認すると、目的とする式（３）の異性体混合物が合計７７％の反応率で得られた。不純物としては原料が７％、（３）の不飽和結合部位への塩酸付加体が１１％であった。反応液を室温下で放冷し冷却した後に、飽和食塩水溶液を滴下した。有機層と水層を分離し、水層をトルエンで３回抽出した。抽出液と有機層を合わせて飽和食塩水溶液による洗浄を行った。無水硫酸マグネシウムによる乾燥を行い、溶媒留去を行ったところ４．４ｇの粗有機物が得られた。式（３）の異性体混合物は、反応後から溶媒留去までの精製過程において損失することなく回収された。

続いて表１について以下に説明する。塩基として2,6-ルチジンを用いた場合(比較例１)、目的とするエステル体（３）のＧＣ選択率は高いものの、洗浄工程において（３）が２，６−ルチジン塩酸塩に取り込まれ回収率は５５％と低いものであった。一方、塩基を用いない場合（比較例２）、洗浄工程において（３）を損失することなく回収することができたが、反応中塩酸付加体が１１％生成し、その結果目的物（３）のＧＣ選択率を大きく低下させた。本発明によるアルケンを用いる場合（実施例１）、反応中塩酸付加体の生成を１％に抑えることができ、なおかつ洗浄工程にて目的物（３）を損失することなく回収可能となった。その結果、８０％以上の高収率で目的とするエステル体を得ることが可能となった。

Claims

一般式（１）
（式中、Ｒ¹は、水素原子、フッ素原子、直鎖状または分岐状の炭化水素基、含フッ素アルキル基、芳香族または脂肪族を有する環状体であり、酸素、硫黄、カルボニル結合を含んでもよい。）で表されるアルコール体と、一般式（２）
（式中、Ｒ²は水素原子、フッ素原子、メチル基、トリフルオロメチル基、炭素数１〜４の直鎖状または分岐状の炭化水素基、炭素数１〜４の直鎖状または分岐状の含フッ素アルキル基である。Ｘは、塩素、臭素、ヨウ素をはじめとするハロゲン原子である。）で表される酸ハライドをアルケン存在下で反応させることを特徴とするアクリル酸エステル化合物の製造方法。