JP4471082B2 - 核ハロゲン置換芳香族アルデヒドの製造方法 - Google Patents

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本発明は、染料、香料、医薬、農薬、および樹脂添加剤の原料として有用な核ハロゲン置換芳香族アルデヒド、特に芳香環に直結したハロゲン原子と炭化水素置換基を同時に持つ核ハロゲン置換芳香族アルデヒドの製造に関するものである。
塩化水素−塩化アルミニウム等を触媒として使用する、芳香族炭化水素の一酸化炭素によるホルミル化による芳香族アルデヒドの製造は、ガッターマン・コッホ反応としてよく知られている。しかしながらこの反応は、アルキル基等の電子供与性の置換基が結合した芳香族炭化水素の場合にはスムーズに進行するが、電子吸引性の置換基が結合している場合には、反応の進行が遅く、工業的に実施することは困難とされていた。
例えば、塩化アルミニウムに対して極少量の塩化水素を添加する触媒系において、2−フルオロトルエンや3−フルオロトルエン等と一酸化炭素とを反応させることにより、対応するアルデヒドが得られることが開示されている(特許文献1参照)。しかし同文献の実施例によれば、例えば2−フルオロトルエンと一酸化炭素との反応の場合、60℃の反応温度で20時間反応させることにより、使用した塩化アルミニウムベースで約67.4%の収率で4−フルオロ−3−メチルベンズアルデヒドが得られることが示されている。しかし使用した原料の2−フルオロトルエンベースでの収率ではわずか11%程度と計算することができる。
このように長時間の反応で、低い収率でしかアルデヒドが得られないことは、生産効率が悪く、コストアップにつながるという問題がある。
また、塩化水素−塩化アルミニウム系を触媒として用いる場合、ホルミル化反応終了後に生成物と触媒を分離するために、通常、反応混合物を水で処理するので、触媒の再生が非常に困難である。また廃棄する場合にも加水分解により大量の廃棄物が発生し、処理費用が嵩むという課題もある。
米国特許第6300525号明細書
このように特許文献1に記載の方法では、長時間反応を行っても収率が低いという問題や、触媒との分離が困難であるために触媒の再使用ができず、コストアップにつながるという問題があった。
本発明の目的は、工業的に有利な方法で核ハロゲン置換芳香族アルデヒドを製造する方法を提案することにある。
本発明者らは、核ハロゲン置換芳香族アルデヒドを工業的に有利な方法で製造する方法について鋭意検討を行ったところ、触媒としてフッ化水素・三フッ化ホウ素を用いて式(1)の核ハロゲン置換芳香族化合物(式中Xはフッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子のいずれかであり、R1、R2、R3、R4は水素原子、炭素数1〜6の脂肪族炭化水素基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子のいずれかであり、かつ少なくとも一つが炭素数1〜6の脂肪族炭化水素基である)と一酸化炭素を反応させることにより、短時間の反応で収率良く対応する核ハロゲン置換芳香族アルデヒドが得られ、しかも触媒のフッ化水素・三フッ化ホウ素は容易に回収・再使用することが可能であることから、工業的に非常に有利であることを見出し、本発明に到達した。
即ち本発明は、フッ化水素および三フッ化ホウ素の存在下、式(1)に示す核ハロゲン置換芳香族化合物(式中Xはフッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子のいずれかである。また、R1、R2、R3およびR4は水素原子、炭素数1〜6の脂肪族炭化水素基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子およびヨウ素原子のいずれかであり、かつ少なくとも一つが炭素数1〜6の脂肪族炭化水素基である)と一酸化炭素を反応させ、式(2)に示す核ハロゲン置換芳香族アルデヒド(式中のXおよびR1〜R4は式(1)と同じ)を得ることを特徴とする、核ハロゲン置換芳香族アルデヒドの製造方法である。
Figure 0004471082
Figure 0004471082
本発明の方法により、核ハロゲン置換芳香族アルデヒドを収率良く、安価に製造することが可能である。
本発明で原料として用いられる核ハロゲン置換芳香族化合物は、一般式(1)で示され、ベンゼン環にはハロゲン原子の他に炭化水素置換基が結合し、かつハロゲン原子のパラ位には水素原子が結合しているものである。具体的には2−フルオロトルエン、3−フルオロトルエン、2−フルオロエチルベンゼン、3−フルオロオルソキシレン、2−フルオロメタキシレン、5−フルオロメタキシレン、2−フルオロパラキシレン等の核フッ素置換芳香族化合物;2−クロロトルエン、3−クロロトルエン、3−クロロオルソキシレン、2−クロロパラキシレン等の核塩素置換芳香族化合物;2−ブロモトルエン、2−ブロモパラキシレン等の核臭素置換芳香族化合物;2−ヨードトルエン等の核ヨウ素置換芳香族化合物が挙げられる。
フッ化水素、三フッ化ホウ素触媒にて、これら核ハロゲン置換芳香族化合物をホルミル化する場合、特に、炭化水素置換基のパラ位ではなく、ハロゲン原子のパラ位に一酸化炭素が挿入されてアルデヒドが生成するため、ハロゲン原子のパラ位には水素原子が結合していることが必要である。なお、ハロゲン原子が複数ある場合には、少なくとも一つのパラ位に水素原子が結合していれば良い。
本発明において、核ハロゲン置換芳香族化合物と一酸化炭素を反応(ホルミル化反応)させる際、触媒としてフッ化水素と三フッ化ホウ素を使用することが特に重要である。この触媒を用いて反応を行うことにより、短時間の反応において非常に高収率で対応する核ハロゲン置換芳香族アルデヒドを得ることができ、生産効率が非常に高い。また触媒として使用したフッ化水素および三フッ化ホウ素は揮発性が高いため、回収し再使用することができる。このことから使用した触媒を廃棄する必要はなく、経済的に非常に優れると同時に環境に対する負荷も低減される。
本発明において使用するフッ化水素の量は、原料の核ハロゲン置換芳香族化合物1モルに対して、5.0モル以上が好ましく、7.0モル以上がより好ましい。フッ化水素の使用量が多い方が原料転化率が高くなるが、あまり多量に使用すると装置の容積効率が低下し、かつ回収するべきフッ化水素の量が増加するため、その上限は適宜選択され、通常30.0モル以下を使用する。
一方、三フッ化ホウ素の使用量は、原料の核ハロゲン置換芳香族化合物1モルに対して1.1モル以上5.0モル以下が好ましく、より好ましくは1.2モル以上3.5モル以下である。使用する三フッ化ホウ素の量が1.1モルより少ない場合には、ホルミル化反応速度が極端に遅くなり、工業的に不利となる。また、三フッ化ホウ素の量を、5.0モルを超えて使用することも可能ではあるが、その場合、一酸化炭素を供給する前でかなり圧力が上昇してしまい、さらに一酸化炭素で加圧するため、かなり高圧の反応器が必要になるため好ましくない。
フッ化水素と三フッ化ホウ素を触媒として用いることにより、核ハロゲン置換芳香族化合物の場合においても、常温以下の反応温度で速やかにホルミル化反応が起こるようになる。生成したアルデヒドは、未反応原料の核ハロゲン置換芳香族化合物と反応して高沸点生成物を与える可能性があるため、常温以下の反応温度で反応可能であることは、副生物の抑制の観点からも好ましい。本発明においては好ましくは10℃以下、より好ましくは0℃以下で実施される。なお、極端な低温は必要ではなく、通常−40℃以上が選択される。
ホルミル化反応における一酸化炭素分圧としては好ましくは0.5MPa以上、より好ましくは0.7MPa以上の圧力が収率の面で好ましいが、3MPaを超える圧力は経済的にも得策ではなく、不必要である。
ホルミル化反応後には、原料に対応する核ハロゲン置換芳香族アルデヒド・フッ化水素・三フッ化ホウ素錯体溶液が得られる。得られた核ハロゲン置換芳香族アルデヒド・フッ化水素・三フッ化ホウ素錯体溶液は、例えば適当な分解助剤の存在下で加熱分解することにより、生成物の核ハロゲン置換芳香族アルデヒドの分解助剤溶液(未反応原料の核ハロゲン置換芳香族化合物を含む)と触媒のフッ化水素、三フッ化ホウ素に分離することができる。分離されたフッ化水素、三フッ化ホウ素は廃棄する必要がなく、触媒として反応に再使用することができる。また、核ハロゲン置換芳香族アルデヒドの分解助剤溶液は未反応の原料である核ハロゲン置換芳香族化合物以外の副生物が非常に少ないため、簡単な蒸留等により精製することができる。また未反応原料の核ハロゲン置換芳香族化合物も回収し、反応に再使用することができる。
以下、実施例により、本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものではない。
<実施例1>
ナックドライブ式攪拌機と上部に3個の入口ノズル、底部に1個の出口ノズルを備え、ジャケットにより内部温度を制御できる500mlのオートクレーブをホルミル化反応器として使用した。
ジャケットに冷媒を流し、−20℃に冷却したオートクレーブにフッ化水素150.0g(7.5モル)および2−フルオロトルエン82.6g(0.75モル)を仕込んだ。その後、撹拌させながら、温度が−20℃を超えないように調整しながら、三フッ化ホウ素75.9g(1.12モル)を加えた。
三フッ化ホウ素を加えた後、オートクレーブ内の温度を−20℃に保ったまま一酸化炭素により2MPaまで昇圧した。温度−20℃、圧力2MPaを保ちながら1時間撹拌した後、オートクレーブ内の反応混合液を氷水中に抜液した。抜液したものにヘキサンを加え、良く振り混ぜた後、油層を分液した。得られた油層部を水洗した後、ガスクロマトグラフィーにより分析したところ、2−フルオロトルエン転化率73.5モル%であり、4−フルオロ−3−メチルベンズアルデヒド選択率99.3モル%、3−フルオロ−4−メチルベンズアルデヒド選択率0.5モル%で、2異性体合計での選択率99.8モル%の結果であった。
<実施例2>
三フッ化ホウ素の仕込量を101.7g(1.5モル)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で反応と反応混合液の処理を行った。得られた油層部のガスクロマトグラフィー分析の結果、2−フルオロトルエン転化率84.2モル%であり、4−フルオロ−3−メチルベンズアルデヒド選択率99.4モル%、3−フルオロ−4−メチルベンズアルデヒド選択率0.5モル%で、2異性体合計での選択率99.9モル%の結果であった。
<実施例3>
三フッ化ホウ素の仕込量を101.7g(1.5モル)に、反応温度を0℃に変更した以外は、実施例1と同様の方法で反応と反応混合液の処理を行った。得られた油層部のガスクロマトグラフィー分析の結果、2−フルオロトルエン転化率80.5モル%であり、4−フルオロ−3−メチルベンズアルデヒド選択率99.1モル%、3−フルオロ−4−メチルベンズアルデヒド選択率0.6モル%で、2異性体合計での選択率99.7モル%の結果であった。
<実施例4>
フッ化水素の仕込量を100.0g(5.0モル)に、2−フルオロトルエンの仕込量を110.1g(1.0モル)に変更した以外は、実施例1と同様の方法で反応と反応混合液の処理を行った。得られた油層部のガスクロマトグラフィー分析の結果、2−フルオロトルエン転化率57.8モル%であり、4−フルオロ−3−メチルベンズアルデヒド選択率99.3モル%、3−フルオロ−4−メチルベンズアルデヒド選択率0.5モル%で、2異性体合計での選択率99.8モル%の結果であった。
<実施例5>
実施例1で使用したものと同じオートクレーブのジャケットに冷媒を流して−20℃に冷却した後、フッ化水素150.0g(7.5モル)および3−フルオロトルエン82.6g(0.75モル)を仕込んだ。その後、撹拌させながら、温度が−20℃を超えないように調整しながら、三フッ化ホウ素101.7g(1.5モル)を加えた。
三フッ化ホウ素を加えた後、オートクレーブ内の温度を−25℃まで冷却し、その温度を保ったまま一酸化炭素により2MPaまで昇圧した。温度−25℃、圧力2MPaを保ちながら1時間撹拌した後、オートクレーブ内の反応混合液を氷水中に抜液した。抜液したものにヘキサンを加え、良く振り混ぜた後、油層を分液した。得られた油層部を水洗した後、ガスクロマトグラフィーにより分析したところ、3−フルオロトルエン転化率90.8モル%であり、4−フルオロ−2−メチルベンズアルデヒド選択率96.7モル%、2−フルオロ−4−メチルベンズアルデヒド選択率3.2モル%の結果であった。なお、2異性体合計での選択率99.9モル%の結果であった。
<実施例6>
実施例1で使用したものと同じオートクレーブのジャケットに冷媒を流して−20℃に冷却した後、フッ化水素120.0g(6.0モル)および2−クロロトルエン76.0g(0.6モル)を仕込んだ。その後、撹拌させながら、温度が−20℃を超えないように調整しながら、三フッ化ホウ素81.4g(1.2モル)を加えた。
三フッ化ホウ素を加えた後、オートクレーブ内の温度を−30℃まで冷却し、その温度を保ったまま一酸化炭素により2MPaまで昇圧した。温度−30℃、圧力2MPaを保ちながら1時間撹拌した後、オートクレーブ内の反応混合液を氷水中に抜液した。抜液したものにヘキサンを加え、良く振り混ぜた後、油層を分液した。得られた油層部を水洗した後、ガスクロマトグラフィーにより分析したところ、2−クロロトルエン転化率18.0モル%であり、4−クロロ−3−メチルベンズアルデヒド選択率90.8モル%、3−クロロ−4−メチルベンズアルデヒド選択率8.8モル%の結果であった。なお、2異性体合計での選択率99.6モル%の結果であった。
<実施例7>
使用する原料を3−クロロトルエンに変えた以外は実施例6と同様の方法で反応と反応混合液の処理を行った。得られた油層部をガスクロマトグラフィーにて分析した結果、3−クロロトルエン転化率57.1モル%、4−クロロ−2−メチルベンズアルデヒド選択率75.8モル%、2−クロロ−4−メチルベンズアルデヒド選択率23.9モル%で、2異性体合計での選択率99.7モル%の結果であった。
<実施例8>
実施例1で使用したものと同じオートクレーブのジャケットに冷媒を流して−5℃に冷却した後、フッ化水素120.0g(6.0モル)および2−クロロパラキシレン84.4g(0.6モル)を仕込んだ。その後、撹拌させながら、温度が−5℃を超えないように調整しながら、三フッ化ホウ素81.4g(1.2モル)を加えた。
三フッ化ホウ素を加えた後、オートクレーブ内の温度−5℃を保ったまま一酸化炭素により2MPaまで昇圧した。温度−5℃、圧力2MPaを保ちながら1時間撹拌した後、オートクレーブ内の反応混合液を氷水中に抜液した。抜液したものにヘキサンを加え、良く振り混ぜた後、油層を分液した。得られた油層部を水洗した後、ガスクロマトグラフィーにより分析したところ、2−クロロパラキシレン転化率78.5モル%、4−クロロ−2,5−ジメチルベンズアルデヒド選択率99.2モル%の結果であった。
本発明により得られる、核ハロゲン置換芳香族アルデヒドは、染料、香料、医薬、農薬、および樹脂添加剤の原料として有用である。

Claims (2)

  1. フッ化水素および三フッ化ホウ素の存在下、式(1)に示す核ハロゲン置換芳香族化合物(式中Xはフッ素原子または塩素原子のいずれかである。また、R1、R2、R3およびR4は水素原子、炭素数1〜6の脂肪族炭化水素基、フッ素原子または塩素原子のいずれかであり、かつ少なくとも一つが炭素数1〜6の脂肪族炭化水素基である)と一酸化炭素を反応させ、式(2)に示す核ハロゲン置換芳香族アルデヒド(式中のXおよびR1〜R4は式(1)と同じ)を得る核ハロゲン置換芳香族アルデヒドの製造方法において、使用するフッ化水素および三フッ化ホウ素の量が、核ハロゲン置換芳香族化合物1モルに対しフッ化水素5.0モル以上30.0モル以下であり、三フッ化ホウ素が1.1モル以上5.0モル以下であり、かつ反応温度が−40℃以上10℃以下であることを特徴とする核ハロゲン置換芳香族アルデヒドの製造方法
    Figure 0004471082
    Figure 0004471082
  2. 式(1)に示す核ハロゲン置換芳香族化合物が、2−フルオロトルエン、3−フルオロトルエン、2−フルオロエチルベンゼン、3−フルオロオルソキシレン、2−フルオロメタキシレン、5−フルオロメタキシレン、2−フルオロパラキシレン、2−クロロトルエン、3−クロロトルエン、3−クロロオルソキシレンまたは2−クロロパラキシレンである請求項1記載の核ハロゲン置換芳香族アルデヒドの製造方法。
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