JP4409774B2 - アクチニドを抽出するためのカリックスアレーン誘導体 - Google Patents

アクチニドを抽出するためのカリックスアレーン誘導体 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規カリックスアレーン誘導体、及び該誘導体の調製方法、並びにアクチニドとランタニドを抽出するためのその誘導体の使用に関する。
【0002】
より具体的には、ホスフィノキシド−アセトアミド置換物を含むカリックスアレーンに関し、アクチニドとランタニドの、特に三価のアクチニドとランタニドの抽出のために有利な特性を提供する。
【0003】
したがって、この新規カリックスアレーンは、使用済み核燃料再生施設からの水性排出液又は使用済み核燃料溶解溶液などの水溶液に存在するアクチニドとランタニドを抽出するために用いることができる。
【0004】
【従来の技術】
水溶液からのアクチニドとランタニドなどの金属を抽出するための、ホスフィノキシド−アセトアミド置換物を含むカリックスアレーンなどの大環状リガンドの使用は、WO−A−96/23800[1]に開示されているように、すでに意図されたものである。
【0005】
前記誘導体において、ホスフィノキシド−アセトアミド置換物は、カリックスアレーンのフェニル環に直接配され、そのフェニル環は、例えば5乃至18の炭素原子のアルコキシ基により置換されている。
【0006】
2つの対向するベンゼンコア1と3、2と4の間のエーテル環リンクを含むカリックス[4]アレーン−ビス−環は、文献FR−A−2698362[2]から知られている。前記置換基は特に、セシウムの選択的抽出のために有用である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
アクチニドとランタニド又はセシウムの抽出における前記カリックスアレーンの効率は満足できるものであるが、三価のアクチニドとランタニドの抽出におけるカリックスアレーンのパフォーマンスを改善するための研究は継続していた。
【0008】
本発明は、文献[1]と[2]に記載されたカリックスアレーンに比べて、パフォーマンスが改善された、ホスフィノキシド−アセトアミド置換物を含む新規カリックスアレーン誘導体に関する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、カリックスアレーンは、式:
【0010】
【化13】
Figure 0004409774
【0011】
(式中、R1とR2は、同一又は異なっていてもよく、アルキル、アルコキシ又はアリール基であり、nは2、3又は4に等しい整数である)
のカリックスアレーンである。
【0012】
【発明の実施の形態】
このカリックスアレーンでは、隣接するベンゼンコアの間のエーテルオキシド結合の存在がカリックスアレーンの構造の剛性を高くし、三価のアクチニドとランタニドの抽出をより効率的にすることができる。
【0013】
上記式(I)において、 R1とR2は、アルキル、アルコキシ又はアリール基とすることができる。アルキルとアルコキシ基は直鎖状、または分枝状とすることができ、好ましくは1乃至18の炭素原子を含む。 R1とR2に用いることができるアリール基は、環の炭素原子の1つから水素原子を除去することによる芳香族又はヘテロ環コア由来の一価基である。そのような基の例としては、フェニル、ナフチル、ピリジル、チオフェニル、及び置換されたフェニル基が含まれる。
【0014】
好ましくは、 R1とR2は各々、フェニル基又はアルコキシ、例えばエトキシ基を表し、 R1はフェニル基を表し、R2はアルコキシ、例えばエトキシ基を表す。
【0015】
本発明のカリックスアレーンは、4乃至8のフェニル環を含むことができる。好ましくは、カリックスアレーンは4のフェニル環(n=2)を含む。
【0016】
本発明の式(I)のカリックスアレーンは、
a)式:
【0017】
【化14】
Figure 0004409774
【0018】
(式中R3はアルキル基を表し、nは上記で定義されたものである)
のカリックスアレーンをニトロ化して、式:
【0019】
【化15】
Figure 0004409774
【0020】
のニトロ誘導体を得る工程、
b)式(III)のニトロ誘導体を、式:
【0021】
【化16】
Figure 0004409774
【0022】
のアミノ誘導体へ還元する工程、
c)式(IV)のアミノ誘導体を式:
【0023】
【化17】
Figure 0004409774
【0024】
(式中R1とR2は前記と同義であり、R4はp−ニトロフェニル又は2,4−ジニトロフェニル基を表す)
のホスフィノキシドアセテートと反応させる工程
を含む方法により調製することができる。
最終工程で用いられる式(V)のホスフィノキシドアセテートは、式:
【0025】
【化18】
Figure 0004409774
【0026】
(式中R1とR2は前記と同義であり、R5は1乃至4の炭素を含むアルキルである)
アルキルホスフィニトを用いて、前記基をエチルブロモアセテートと反応させ、ついで加水分解し、得られた酸をニトロフェノール又はジニトロフェノールでエステル化することにより調製することができる。
【0027】
別の実施態様によれば、 R1及び/又はR2がアルコキシ基である式(I)のカリックスアレーンは、
a)式:
【0028】
【化19】
Figure 0004409774
【0029】
(式中R3はアルキル基を表し、nは上記で定義されたものである)
のカリックスアレーンをニトロ化して、式
【0030】
【化20】
Figure 0004409774
【0031】
のニトロ誘導体を得る工程、
b)式(III)のニトロ誘導体を、式:
【0032】
【化21】
Figure 0004409774
【0033】
のアミノ誘導体へ還元する工程、
c)式IVのアミノ誘導体を式:
BrCH2COCl (VI)
の塩化ブロモアセチルと反応させて、式:
【0034】
【化22】
Figure 0004409774
【0035】
のカリックスアレーン誘導体を得る工程、
d)式(VII)の誘導体を式:
1−P−(R22 (VIII)
(式中、R1は、アルキル、アルコキシ又はアリール基であり、R2は、アルコキシ基である)
のホスホネート又はホスフィネートと反応させる工程、
を含む方法により調製することができる。
【0036】
式(I)のカリックスアレーンは、例えば溶解溶液及び使用済み核燃料再生施設からの水性排出液などの水溶液に存在するアクチニドとランタニドから選択される少なくとも一の金属を分離するために用いることができる。
【0037】
水溶液は、1乃至4モル/lのHNO3を含む硝酸溶液である。
【0038】
この分離を行うために、分離される金属(類)を含む水溶液は、上記式(I)の少なくとも一のカリックスアレーンを含む非混和相に接触させておき、非混和相に金属(類)を抽出させる。
【0039】
この非混和相は、一般的に、適当な有機溶媒中の、本発明のカリックスアレーン(類)の溶液からなる。
【0040】
用いることができる溶媒の例には、アルキルベンゼンとニトロフェニルアルキルエーテルが含まれる。
【0041】
好ましくは、オルト−ニトロフェニルヘキシルエーテルなどのエーテルを溶媒として用いる。
【0042】
非混和液相のカリックスアレーン濃度は、特に用いられる溶媒に依存する。5×10-5乃至10-3mol/lの範囲の濃度、例えば10-3mol/lの濃度を用いることができる。
【0043】
本発明の分離方法を行うために、混合器−浄化器、遠心抽出器、パルスカラムなどの従来の液体−液体抽出装置中で、非混和液相と水溶液を接触させることができるし、また支持液膜の手段でも行なうことができる。
【0044】
支持膜技術は、非混和液相の、ポリプロピレンなどの固体基体上への固定化からなる。この技術を用いて、含まれている水溶液から分離される金属を、再抽出水溶液へ移すことが可能である。この場合、膜の一方の面を、分離される金属を含む第1の水溶液に接触させ、他方の面を再抽出水溶液に接触させる。
【0045】
支持液膜の基体は、孔に、適当な有機溶媒中のカリックスアレーン溶液が充填された多孔膜でもよい。その多孔膜はポリプロピレン、フッ化ポリビニリデン、又はポリテトラフルオロエチレンからなるものとすることができる。その膜は、分離される金属類を含む水溶液を含む第1区画と、再抽出水溶液を含む第2区画の間の分離として用いることができる。
【0046】
支持液膜での満足すべき抽出を行うために、薄い、小さな孔径を有する多孔性の高い膜を用いることが有利である。その膜は、高流速で行うために用いられる、平膜又は中空繊維限外ろ過又は精密ろ過モジュールなどのモジュールの形態で用いることができる。
【0047】
非混和性液相中の分離される金属(類)の抽出の後、それらは再抽出水溶液中の再抽出で回収することができる。その溶液は錯化水溶液とすることができる。錯化剤は、二リン酸メチレン、シュウ酸、クエン酸、シュウ酸塩、クエン酸塩などの有機酸又は有機酸塩とすることができる。そのような溶液の使用は、分離された金属類の再抽出を高収率で得ることを可能にする。
【0048】
本発明の他の特徴と利点は、図面を参照しながら、以下の実施例でさらに詳細に説明するが、当然例示のために示すものであって、これによって制限するものではない。
【0049】
【実施例】
実施例1乃至3は、上記式(I)に示すカリックスアレーンの調製を示すものであって、R1とR2がフェニル基Ph(実施例1)、 R1がエトキシ基でR2がフェニル基(実施例2)、 R1とR2がエトキシ基(実施例3)である。
【0050】
実施例1:テトラキス(3−ジフェニル−ホスフィノキシド−アセトアミド−)−ビス−環−3−カリックス[4]アレーン(化合物1)の調製
この合成のために、J. Org. Chem., 1995, 60, p.1454-1457[3]でA.Arduiniらにより記載されたように調製した化合物1a、テトラキス−tert−ブチル−ビス−環−3−カリックス[4]−アレーンから、図1に示した反応図に従って行う。
【0051】
a)ビス−環−3−カリックス[4]アレーン(化合物1b)の硝酸化誘導体の調製
0.2gのカリックスアレーン1aを、約100℃まで加熱することにより、7mlの氷酢酸に溶解する。5から7mlの100%HNO3を、この溶液に一度に添加する。反応はすぐに起こり、無色の沈澱が3から5分で形成される。
【0052】
10乃至20分の攪拌後、化合物1bの沈澱をろ過により分離し、氷酢酸で洗浄し(2×5ml)、メタノール(5ml)で洗浄し、真空乾燥させる。
【0053】
微量の酢酸を除くため、化合物1bをエタノールとトルエンの混合物に溶解し、溶液を真空蒸発させる。
【0054】
この操作を3回繰り返し、ついで、無色の固体産物を高真空で、60℃、2時間、乾燥させる。こうして化合物1bは40%の収率で得られる。
【0055】
この化合物の核磁気共鳴スペクトルは、Arduiniら、Tetrahedron, 1996, 52, p.6011-6018[4]で与えられたものに従っている。
【0056】
b)テトラキス−アミノ−ビス−環−3−カリックス[4]アレーン(化合物1c)の調製
5mlのヒドラジンN24、H2Oを、一度に、30mlのエタノール中の0.3gの化合物1bと0.3gのラネーニッケルの懸濁液に添加する。使用前に、ラネーニッケルはエタノールで洗浄した。
【0057】
混合物は、定期的にN24、H2Oを添加して(2時間毎に5ml)、8時間還流沸騰させる。約3時間後に、懸濁液は完全に溶解する。反応混合物は、真空蒸発させ、残りを10mlのエタノール:トルエン混合物(1:1)に溶解し、得られた溶液は、真空で蒸発させ水を除去する。この操作を3回繰り返し、残りをエタノールに溶解し、ヘキサンで沈澱させる。化合物1cは95%の収率で得られる。
【0058】
この化合物の核磁気共鳴スペクトルは、前記文献[3]で与えられたものに従っている。
【0059】
c)化合物1の調製
20mlの乾燥トルエン中の0.2g(0.32mmol)の化合物1cの懸濁液へ、3mlのトリエチルアミンを一度で添加し、0.7g(1.8mmol)の活性エステルp−ニトロフェニル(ジ−フェニル−ホスホリル)アセテート)を添加した。反応混合物を、周囲温度で5時間激しく攪拌する。この操作の間、反応混合物は黄色になり、3時間後、黄色のオイルに類似した沈澱が形成される。攪拌8時間後、80mlのCH2Cl2の反応混合物を添加して、沈澱を溶解する。この溶液を、1M NaOH(3×50ml)で洗浄し、水層を無色とし、ついで脱イオン水で洗浄する(2×50ml)。溶液を真空で蒸発させる。得られる産物は、エタノール−トルエン混合物中に溶解し、真空蒸発させ、水を除去する。得られる結晶産物は、CH2Cl2中に溶解し、ヘキサンで2回沈澱させる。最後に得られる無色の産物を、60℃、4時間、高真空で乾燥させ、溶媒の残りを除去する。
【0060】
化合物1は収率62%で得られ、この化合物の特性は以下の通りである:
融点:211−213℃;
【0061】
Figure 0004409774
【0062】
実施例2:テトラキス(3−フェニル−エチル−ホスフィネート−アセトアミド−)−ビス−環−3−カリックス[4]アレーン(化合物2)の調製
この合成のために、実施例1で得られたテトラ−アミノ化合物1cから、図2に示した反応図に従って行う。
【0063】
a)テトラキス−ブロモアセトアミド−ビス−環−3−カリックス[4]アレーン(化合物1d)の調製
5mlのテトラヒドロフラン THFと10mlの酢酸エチルの混合物中の、0.4gのテトラ−アミノ化合物1cの溶液に、20mlの1MのK2CO3の水溶液を添加する。6mlの塩化ブロモアセチルを3回、激しく攪拌しながら添加する。反応混合物の攪拌は、2時間周囲温度で継続し、50mlの酢酸エチルをついで添加し、形成された2つの層を分離する。有機層は水で洗浄し(3×50ml)、ついでNa2SO4で乾燥させ、真空で蒸発させる。化合物1dを、無色の固体の形態で、86%の収率で得る。
【0064】
化合物1dの特性は以下の通りである:
融点:249−251℃;
【0065】
Figure 0004409774
【0066】
b)テトラキス(3−エチル−フェニル−ホスフィネート−アセトアミド)−ビス−環−3−カリックス[4]アレーン(化合物2)の調製
10mlのTHF中の0.2gのテトラ−ブロモアセトアミド1dの溶液に、10mlのエチルフェニルホスフィネートPhP(OEt)2を添加し、反応混合物を攪拌下70℃64時間窒素雰囲気下に置く。反応媒体を100mlのヘキサンに注ぐ。形成される沈澱を、ろ過により分離し、ヘキサンで洗浄する。THF−ヘキサン混合物中で2回再沈澱させ、分析的に純粋な化合物2を無色の固体として58%の収率で得る。
【0067】
化合物2の特性は以下の通りである:
融点:157−162℃;
【0068】
Figure 0004409774
【0069】
実施例3:テトラキス(ジエチレンホスホネート−アセトアミド)−ビス−環−3−カリックス[4]アレーン(化合物3)の調製
この化合物を調製するために、実施例2で得られたテトラブロモアセトアミド誘導体を用いる。
【0070】
10mlのP(OEt)3中の0.2gのテトラ−ブロモアセトアミド1dの溶液を攪拌下、70℃、64時間、窒素雰囲気下に置く。反応媒体を、攪拌しながら50mlのヘキサンに注ぐ。形成される無色の沈澱を、ろ過により分離し、ヘキサンで洗浄する。 P(OEt)3を含む非進行産物を、ヘキサンを用いてCH2Cl2溶液を用いて再沈澱により、さらに精製する。化合物3を無色の固体として67%の収率で得る。
【0071】
化合物3の特性は以下の通りである:
融点:140−142℃;
【0072】
Figure 0004409774
【0073】
実施例4
この実施例では、実施例1のカリックスアレーン(化合物1)の三価ランタニドPm、Eu、Gd及びTbの分離における効率を評価する。
【0074】
この目的のために、約10-6mol/lの分離される元素(Eu、Gd、Tb)とPmを約2×10-9mol/l含む、3mlの4M NaNO3、0.01M HNO3の水溶液を、10-4mol/lの化合物を含むクロロホルムからなる有機溶媒の3mlと接触させる。
【0075】
接触は、攪拌下20mlのポリプロピレンチューブで行う。接触1時間後、二相に分け、各相の希土類濃度を、γスペクトル又は液体シンチレーション(Pm)により測定する。
【0076】
ついで分配係数Dを測定する。これは、水相中の同じ元素の濃度に対する、有機相中の元素(希土類)の濃度の比に相当するものである。得られた結果を表1に示す。
【0077】
表1において、クロロホルム中の10-3mol/lのカリックスアレーンを用いる以外は同様に行なう試験において、カリックスアレーン テトラ−O−ペンチルテトラキス(ジフェニルホスホノキシドアセトアミド)カリックス[4]アレーン(文献WO96/93800[1]における、表1の化合物8)で得られた結果は、指標として示す。
【0078】
表1の結果は、本発明のカリックスアレーンが、10倍高い濃度で用いた従来のカリックスアレーンと同じオーダーの大きさの分配係数を得ることを可能にすることを示す。
【0079】
実施例5
この実施例では、実施例2のカリックスアレーン(化合物1)のランタン、セリウム、ネオジム、サマリウム、ユーロピウム及びアメリシウムの分離における効率を、これらの元素のうちの1つを含む、10-2mol/l乃至4mol/lの範囲の硝酸度を有する水溶液を用いて、評価する。
【0080】
この実施例において、約10-5mol/lの分離される元素を含む、3mlの水溶液を、10-3mol/lのカリックスアレーン2を含むニトロフェニルヘキシルエーテル(NPHE)からなる3mlの有機溶液に接触させて置く。接触は、攪拌下20mlのポリプロピレンチューブで行う。接触1時間後、2相に分け、各相の希土類濃度を、液体シンチレーション又はα若しくはγスペクトルにより測定する。
【0081】
ついで分配係数Dを測定する。これは、水相中の同じ元素の濃度に対する、有機相中の元素(希土類)の濃度の比に相当するものである。得られた結果を表2に示す。
【0082】
比較例1
この例において、実施例5と同じ方法を行って、ユーロピウムとアメリシウムの分離における、従来のカリックスアレーンの効率を調べる。
得られた結果を表3に示す。
【0083】
表2と表3の結果を比較すると、本発明のカリックスアレーンは、ユーロピウムとアメリシウムの抽出において、従来のカリックスアレーンよりもずっと効率的であることがわかる。
【0084】
実施例6
この例において、実施例5と同じ方法を行って、同じ元素の分離における、化合物3の効率を調べる。得られた結果を表4に示す。
【0085】
比較例2
この例において、実施例6と同じ方法を行って、以下の式:
【0086】
【化23】
Figure 0004409774
のカリックスアレーンの効率を調べる。これはエーテル環結合がない以外は化合物3と同じ構造である。
【0087】
これらの条件において、10-2Mから4Mの範囲のHNO3濃度について、常に0.1未満の分配係数Dが得られ、実際に、エーテル環結合の存在による本発明のカリックスアレーンの改善された効率を示す。
【0088】
比較例3
この例において、ニトロフェニルヘキシルエーテル中の0.25mol/lの濃度のCMPOを有機液相として用いる以外は、実施例5と同じ方法を行って、同じ元素の分離を行う。CMPOの式は以下の通りである:
【0089】
【化24】
Figure 0004409774
【0090】
(iBu=イソブチル)
得られた結果を表5に示す。
【0091】
表5の結果を、カリックスアレーン2についての表2の結果を比較すると、同じオーダーの大きさの結果を得るためにCMPOの使用は、より高い濃度(10-3mol/lに対して0.25mol/l)が必要であることがわかる。
したがって、本発明のカリックスアレーンは、さらにより有益である。
【0092】
【参考文献】
Figure 0004409774
【0093】
【表1】
Figure 0004409774
【0094】
【表2】
Figure 0004409774
【0095】
【表3】
Figure 0004409774
【0096】
【表4】
Figure 0004409774
【0097】
【表5】
Figure 0004409774

【図面の簡単な説明】
【図1A】 図1Aは、本発明の第1実施態様の式(I)のカリックスアレーンの合成を示す図である。
【図1B】 図1Bは、本発明の第1実施態様の式(I)のカリックスアレーンの合成を示す図である。
【図2A】 図2Aは、本発明の第2実施態様の式(I)のカリックスアレーンの合成を示す図である。
【図2B】 図2Bは、本発明の第2実施態様の式(I)のカリックスアレーンの合成を示す図である。

Claims (11)

  1. 式:
    Figure 0004409774
    (式中、R1とR2は、同一又は異なっていてもよく、アルキル、アルコキシ又はアリール基であり、nは2、3又は4に等しい整数である)
    のカリックスアレーン。
  2. nが2に等しいものである、請求項1記載のカリックスアレーン。
  3. 1とR2がフェニル基を表すものである、請求項1又は2記載のカリックスアレーン。
  4. 1とR2がエトキシ基を表すものである、請求項1又は2記載のカリックスアレーン。
  5. 1がエトキシ基を表し、R2がフェニル基を表すものである、請求項1又は2記載のカリックスアレーン。
  6. 式:
    Figure 0004409774
    (式中、R1とR2は、同一又は異なっていてもよく、アルキル、アルコキシ又はアリール基であり、nは2、3又は4に等しい整数である)
    のカリックスアレーンを調製する方法であって、
    a)式:
    Figure 0004409774
    (式中R3はアルキル基を表し、nは上記で定義されたものである)
    のカリックスアレーンをニトロ化して、式:
    Figure 0004409774
    のニトロ誘導体を得る工程、
    b)式(III)のニトロ誘導体を、式:
    Figure 0004409774
    のアミノ誘導体へ還元する工程、
    c)式(IV)のアミノ誘導体を式:
    Figure 0004409774
    (式中R1とR2は前記と同義であり、R4はp−ニトロフェニル又は2,4−ジニトロフェニル基を表す)
    のホスフィノキシドアセテートと反応させる工程
    を含む方法。
  7. 式:
    Figure 0004409774
    (式中、R1は、アルキル、アルコキシ又はアリール基であり、R2は、アルコキシ基であり、nは2、3又は4に等しい整数である)
    のカリックスアレーンを調製する方法であって、
    a)式:
    Figure 0004409774
    (式中R3はアルキル基を表し、nは上記で定義されたものである)
    のカリックスアレーンをニトロ化して、式:
    Figure 0004409774
    のニトロ誘導体を得る工程、
    b)式(III)のニトロ誘導体を、式:
    Figure 0004409774
    のアミノ誘導体へ還元する工程、
    c)式(IV)のアミノ誘導体を式:
    BrCH2COCl (VI)
    の塩化ブロモアセチルと反応させて、式:
    Figure 0004409774
    のカリックスアレーン誘導体を得る工程、
    d)式(VII)の誘導体を式:
    1−P−(R22 (VIII)
    (式中、R1は、アルキル、アルコキシ又はアリール基であり、R2は、アルコキシ基である)
    のホスホネート又はホスフィネートと反応させる工程
    を含む方法。
  8. 水溶液中に存在するアクチニド及びランタニドから選択される少なくとも一の金属を分離する方法であって、
    水溶液を、式
    Figure 0004409774
    (式中、R1とR2は、同一又は異なっていてもよく、アルキル、アルコキシ又はアリール基であり、nは2、3又は4に等しい整数である)
    の少なくとも一のカリックスアレーンを含む非混和相に接触させ、非混和相中の金属(類)を抽出することからなる方法。
  9. 前記水溶液が、1乃至4モル/lのHNO3を含む硝酸溶液である請求項8記載の方法。
  10. 前記非混和相が、有機溶媒中の式(I)のカリックスアレーン(類)の溶液である、請求項8又は9記載の方法。
  11. 前記有機溶媒がニトロフェニルアルキルエーテルである請求項10記載の方法。
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