JP4670078B2 - カルボニル化合物の製造方法及び芳香族カルボン酸の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ケトンやカルボン酸等のカルボニル化合物の製造方法に関する。

従来、ケトンやカルボン酸等のカルボニル化合物を製造する手段として、アルコールや芳香族アルカンを過マンガン酸カリウムやクロム酸や硝酸等の強力な無機酸化剤を用いて酸化する方法が知られている。しかし、この方法は反応収率が低く、原料の多くが無駄になるという問題がある。また、副生成物が大量に発生するため、酸化反応後にカルボニル化合物を分離する必要があり、さらには、大量の重金属廃棄物や廃酸が発生するため、これらによる環境汚染の防止対策も必要となる。

また、臭素や塩素を酸化剤として用い、これによりアルコールを酸化させてカルボニル化合物とする方法も知られている。しかし、この方法では、有害なガスである臭素や塩素をアルコールに対して当量以上に用いるため、危険性が高く、作業環境の保全に十分な注意が必要となる。また、ニッケル化合物やスズ化合物等の高価な原料が必要となり、ヘキサメチルホスホルアミド／塩基といった、複雑な反応系を用意しなければならいため、製造コストが高くなるという問題もある。

一方、光照射下において、酸素自体を酸化剤とするカルボニル化合物の製造方法も知られている。酸素自体を酸化剤とした場合、酸化剤の酸素が生成物に取り込まれるため、酸化剤から余分な生成物が生ずることがなくて、いわゆる原子効率が良く、原料の無駄が少ないという効果が期待できる。

例えば、非特許文献１において、発明者らは、光照射下においてＮ−ブロモコハク酸イミド（以下「ＮＢＳ」と略す）を触媒として用いることにより、酸素の存在下でトルエンメチル基をカルボン酸基へ変換する反応を発表している。
Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，２２８９（２００３）

この方法では、ＮＢＳから発生した臭素ラジカルが触媒的に作用し、分子状酸素によるトルエンメチル基のカルボン酸への酸化を促進すると推定される。しかし、収率や反応速度を上げるためにはＮＢＳを比較的多量に使用しなければならず、製造コストが高くなり、反応生成物として生成するＮ−サクシンイミドの後処理も問題となる。

また、発明者らは、４−ｔｅｒｔブチルトルエンを基質とし、酢酸エチル中、触媒量のＬｉＢｒ存在下、紫外線照射することにより、ベンジル位が酸化されて４−ｔｅｒｔブチル安息香酸を与えることを見出した（非特許文献２参照）。
平成１４年度日本薬学会東海支部例会講演要旨集 ６頁（２００２）

さらに発明者らは、脂肪族アルコールを基質とし、臭化アルカリ触媒を用いて光酸素酸化を行えば、対応する脂肪族カルボン酸を収率よく得ることができることを見出した（非特許文献３参照）。また、その反応を促進するための触媒として、メソポーラスシリカやゼオライトやイオン交換樹脂等を担体として用いることにより、収率が良くなることも見出している（非特許文献４参照）。
第２９回反応と合成の進歩シンポジウム発表要旨集 １６２頁（２００３） 第３０回反応と合成の進歩シンポジウム講演要旨集 １８２頁（２００４）

しかし、臭化アルカリを担体に担持させる場合には、メソポーラスシリカやゼオライトやイオン交換樹脂が必要となり、ひいては製造コストが高騰化することとなる。

また、芳香族アルカン類を臭化水素及び酸素の存在下で、光を照射することにより、ベンズアルデヒドやアセトフェノンが得られることも知られている（非特許文献５）。
Ｂｕｌｌ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．，６３，９４４〜９４６（１９９０）

この方法によれば、担体は必要とされず、無駄となる原料もほとんどないという利点はあるが、収率が低いという問題がある。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、酸化剤として分子状の酸素を用い、原料の無駄が少なくて廃棄物がほとんど発生せず、環境問題を引き起こすおそれが少なく、適用可能な基質が広範囲なカルボニル化合物の製造方法を提供することを解決すべき課題としている。

発明者らは、上記課題を解決するために、様々な臭素化合物について、その光酸素酸化における触媒機能を調べた結果、臭素や臭化水素が優れた触媒機能を有していることを発見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、第１発明のカルボニル化合物の製造方法は、基質としての第１アルコール、第２アルコール、アルデヒド又は芳香族アルカンに対し、金属元素を含有する触媒を使用することなく臭素の存在下で光を照射しながら酸素と接触させることを特徴とする。

第１発明のカルボニル化合物の製造方法では、臭素は触媒量であっても反応は収率よく進行し、酸素自身が酸化剤となって基質に取り込まれる。このため、副生成物はほとんど発生せず、目的とするカルボニウム化合物をアルカリ抽出や蒸留等の手段によって容易に分離することができる。また、余分な廃棄物もほとんど生じず、無駄となる原料もない。さらには、担体に担持させたりする必要もないため、触媒調製も極めて容易である。酸素を基質と接触させる方法については特に限定はないが、反応液を空気雰囲気下あるいは酸素雰囲気下で撹拌したり、空気や酸素を反応液中に吹き込ませたりすることが挙げられる。

第１発明のカルボニル化合物の製造方法において、基質として第１アルコール又はアルデヒドを用いた場合、相当するカルボン酸が得られる。また、第２アルコールを基質とすれば、相当するケトンが得られる。さらに、基質としてトルエンやキシレン等の芳香族アルカンを用いる場合には、芳香族カルボン酸が得られる。これらの反応の機構については、必ずしも明確ではないが、次のように考えられる（図１参照）。すなわち、光照射によって臭素から臭素ラジカルが発生し、その臭素ラジカルが基質における１位の水素を引抜いて臭化水素となり、新たなラジカルを発生させる。さらに、その新たなラジカルに酸素が付加してパーオキシラジカルとなり、さらには臭化水素から水素を引抜き、最終的にカルボン酸やケトンとなる。この製造方法において使用される反応溶媒としては、特に制限はないが、例えば酢酸エチル、アセトニトリル、酢酸等を用いることができる。

第１発明において、臭素は基質１ｍｏｌに対して０．００００１〜０．５ｍｏｌの範囲が好ましく、さらに好ましくは０．００１〜０．１ｍｏｌである。発明者らの試験結果によれば、基質に対する臭素の濃度がこの範囲において、特に反応収率が高く、好適である。

また、照射する光の種類については、紫外線や可視光を用いることができ、自然の太陽光や、キセノンランプ、水銀ランプ等の人口照明灯を用いることができる。光源として人工照明灯を用いれば、光の強さや照射時間等を容易に制御することができ、天候にも作用されないため好適である。

第２発明のカルボニル化合物の製造方法は、基質としての第１アルコール、第２アルコール又はアルデヒドに対し、金属元素を含有する触媒を使用することなく臭化水素の存在下で光を照射しながら酸素と接触させることを特徴とする。

発明者らの試験結果によれば、第１発明における臭素の替わりに、臭化水素を用いた第２発明であっても、触媒量の臭化水素で反応は収率よく進行し、酸素自身が酸化剤となって基質に取り込まれる。このため、副生成物はほとんど発生せず、目的とするカルボニウム化合物を蒸留等の手段によって容易に分離することができ、余分な廃棄物もほとんど生じず、無駄となる原料もない。また、担体に担持させたりする必要もないため、触媒調製も極めて容易である。さらに、臭化水素は水溶液として市販されており、臭素よりも取り扱いが容易であるという利点もある。この製造方法において、臭化水素は臭素ラジカルの源としての役割を果たし、上記第１発明の場合と同様に反応が進行するものと考えられる。

なお、臭化水素を触媒として用い、光照射下においてアルキルベンゼンの酸素酸化を行う反応は公知であるが、収率が極めて低い結果となっている（上記非特許文献５参照）。発明者らはこの反応を第１アルコール、第２アルコール又はアルデヒドの酸素酸化に適用し、収率が極めて良いことを発見したのである。

第２発明において、臭化水素は基質１ｍｏｌに対して０．００００１〜０．５ｍｏｌとされていることが好ましい。基質に対する臭化水素の濃度が低すぎても高すぎても、反応の進行が遅くなる。

第３発明のカルボニル化合物の製造方法は、基質としての芳香族アルカンをニトリル溶媒、エステル溶媒、カルボン酸溶媒又はそれらの混合溶媒に溶解し、金属元素を含有する触媒を使用することなく臭化水素の存在下で光を照射しながら酸素と接触させることを特徴とする。

前述したように、非特許文献５には、芳香族アルカン類を臭化水素及び酸素の存在下で光を照射することにより、ベンズアルデヒドやアセトフェノンが得られることが記載しされている。しかし、芳香族カルボン酸はほとんど得られていない（非特許文献５ ９４４ページ 下から１０行目）。発明者らは、同様の反応を様々な溶媒の存在下で行った結果、溶媒としてニトリル溶媒やエステル溶媒やカルボン酸溶媒、又はそれらの混合溶媒を用いれば、芳香族アルカンが芳香族カルボン酸にまで酸化され、高収率で芳香族カルボン酸が得られることを見出し、第３発明を完成するに至った。ここで、ニトリル溶媒とは特に限定はないが、アセトニトリルやプロピオニトリル等が挙げられる。また、エステル溶媒についても特に限定はないが、酢酸エチル等が挙げられる。また、カルボン酸溶媒についても特に限定はないが、酢酸等が挙げられる。

以下本発明を具体化した実施例について詳述する。

＜１−ドデカノールからドデカン酸の合成＞
−触媒として臭素を使用した場合−
（実施例１）
パイレックス（登録商標）ガラス製の試験管に酢酸エチル（５ｍｌ）と１−ドデカノール（５０ｍｇ，０．２６９ｍｍｏｌ）を入れて溶解し、さらにＢｒ２（１μＬ、１−ドデカノール１ｍｏｌに対して０．０７ｍｏｌ相当）を入れる。図２に示すように、試験管１に酸素風船２を取り付け、マグネチックスターラー３で撹拌しながら太陽光を１０時間照射する。その後、反応液をエバポレータにかけ、溶媒の酢酸エチルを留去する。残留物をエーテルに溶かして分液ロートに移し、チオ硫酸ナトリウムで洗浄後、水酸化ナトリウム水溶液によって抽出し、水層を分取する。水層を再び分液ロートに移し、塩酸酸性にした後、エーテルで抽出し、エバポレータによってエーテルを留去して、ドデカン酸（４１．５ｍｇ 収率７７％）を得た。

（実施例２）
実施例２では、酢酸エチル（３０ｍｌ）＋１−ドデカノール（１０００ｍｇ、５．３８ｍｍｏｌ）の溶液に、Ｂｒ２（１０μＬ、１−ドデカノール１ｍｏｌに対して０．０４ｍｏｌ相当）を加えた。他の条件は、実施例１と同様であり、説明を省略する。こうして、ドデカン酸（５３０ｍｇ、収率４９％）を得た。

（実施例３）
実施例３では、光照射のための光源として４００Ｗの高圧水銀ランプを使用した。他の条件は、実施例１と同様であり、説明を省略する。こうして、ドデカン酸（３１．１ｍｇ、収率７４％）を得た。

（実施例４）
実施例４では、アセトニトリル（５ｍｌ）＋１−ドデカノール（５０ｍｇ，０．２６９ｍｍｏｌ）の溶液に、Ｂｒ２（１μＬ、１−ドデカノール１ｍｏｌに対して０．０７ｍｏｌ相当）を加えた。他の条件は、実施例３と同様であり説明を省略する。こうして、ドデカン酸を収率７４％で得た。

（実施例５）
実施例５では、１−ドデカノール１ｍｏｌに対してＢｒ₂を０．００７ｍｏｌ使用した。他の条件は実施例４と同様であり、説明を省略する。こうして、ドデカン酸を収率４５％で得た。

（実施例６）
実施例６では、１−ドデカノール１ｍｏｌに対してＢｒ₂を０．３５ｍｏｌ使用した。他の条件は実施例４と同様であり、説明を省略する。こうして、ドデカン酸を収率９％で得た。

（実施例７）
実施例６では、１−ドデカノール１ｍｏｌに対してＢｒ₂を０．００１ｍｏｌ使用した。他の条件は実施例４と同様であり、説明を省略する。こうして、ドデカン酸を収率１８％で得た。

−触媒として臭化水素を使用した場合−
（実施例８）
実施例８では、触媒としてＨＢｒを用いた。すなわち、アセトニトリル（５ｍｌ）＋１−ドデカノール（５０ｍｇ，０、２６９ｍｍｏｌ）の溶液に、ＨＢｒ水溶液を１−ドデカノール１ｍｏｌに対して０．０７ｍｏｌ相当加えた。他の条件は、実施例３と同様であり説明を省略する。こうして、ドデカン酸を収率７０％で得た。

（比較例１）
比較例１では、触媒としてＮＢＳを用いた。すなわち、アセトニトリル（５ｍｌ）＋１−ドデカノール（５０ｍｇ，０、２６９ｍｍｏｌ）の溶液に、ＮＢＳを１−ドデカノール１ｍｏｌに対して０．０７ｍｏｌ相当加えた。他の条件は、実施例３と同様であり説明を省略する。こうして、ドデカン酸を収率５２％で得た。

（結果）
上記実施例１〜８及び比較例１についての結果を表１に示す。

表１の実施例１〜７に示すように、触媒として臭素を用い、太陽光や高圧水銀ランプを用いて可視光や紫外線を照射することにより、１−ドデカノールからドデカン酸へ酸素酸化が進行することが分かる。また、１−ドデカノールに対する臭素の量を０．００１ｍｏｌと少なくした実施例７や、０．３５ｍｏｌと多くした実施例６では、収率が悪くなった。また、実施例８のように、触媒としてＨＢｒを用いても、同様に酸素酸化反応が進行することが分かる。

＜４−ｔｅｒｔブチルトルエンから４−ｔｅｒｔブチル安息香酸の合成＞
−触媒として臭素を使用した場合−
（実施例９）
実施例９では、パイレックス（登録商標）ガラス製の試験管に基質としての４−ｔｅｒｔブチルトルエン（３９．９ｍｇ，０．２６９ｍｍｏｌ）と酢酸エチル（５ｍｌ）とを入れて溶解させ、さらにＢｒ₂（１μＬ、４−ｔｅｒｔブチルトルエン１ｍｏｌに対して０．０７ｍｏｌ相当）を入れ、太陽光を照射することによって酸素酸化反応を起こさせた。操作手順及び生成物の分離方法は実施例１と同様であり、説明を省略する。こうして、４−ｔｅｒｔブチル安息香酸を収率６３％で得た。

（実施例１０）
実施例１０では、光照射のための光源として４００Ｗの高圧水銀ランプを使用した。他の条件は実施例９と同様であり、説明を省略する。こうして、４−ｔｅｒｔブチル安息香酸を収率９９％で得た。

（結果）
上記実施例９及び１０についての結果を表２に示す。

表２に示すように、基質として芳香族アルカンを用い、臭素を触媒とした場合には、太陽光や高圧水銀ランプを用いて可視光や紫外線を照射することにより、芳香族カルボン酸が収率よく得られることが分かる。

−触媒として臭化水素を使用した場合−
（実施例１１）
実施例１１では、触媒としてＨＢｒを用いた。すなわち、酢酸エチル（５ｍｌ）＋４−ｔｅｒｔブチルトルエン（３９．９ｍｇ，０．２６９ｍｍｏｌ）の溶液に、ＨＢｒ水溶液を１−ドデカノール１ｍｏｌに対して０．０７ｍｏｌ相当加えた。他の条件は、実施例１０と同様であり説明を省略する。こうして、４−ｔｅｒｔブチル安息香酸を収率６８％で得た。

（実施例１２）
実施例１２では、溶媒としてアセトニトリルを５ｍｌ用いた。他の条件は実施例１１と同様であり、説明を省略する。こうして、４−ｔｅｒｔブチル安息香酸を収率６２％で得た。

（実施例１３）
実施例１３では、溶媒として酢酸を５ｍｌ用いた。他の条件は実施例１１と同様であり、説明を省略する。こうして、４−ｔｅｒｔブチル安息香酸を収率４５％で得た。

（結果）
上記実施例１１〜１３についての結果を表３に示す。

表３に示すように、基質として芳香族アルカンを用い、臭化水素を触媒とした場合には、光の照射によって、芳香族カルボン酸が収率よく得られることが分かる。

＜２−ドデカノールから２−ドデカノンの合成＞
（実施例１４）
パイレックス（登録商標）ガラス製の試験管にアセトニトリル（５ｍｌ）と２−ドデカノール（５０ｍｇ，０．２６９ｍｍｏｌ）を入れて溶解し、さらにＢｒ２（１μＬ、１−ドデカノール１ｍｏｌに対して０．０７ｍｏｌ相当）を入れる。そして、実施例１と同様の操作を行い、４００Ｗの高圧水銀ランプによる紫外線照射を６時間行う。その後、反応液の溶媒をエバポレータによって減圧下で留去し、粗生成物を分取用薄層クロマトグラフィーで精製し（展開溶媒 ヘキサン：酢酸エチル＝５：１）、ドデカン−２−オンを３１．９ｍｇ（収率６４％）で得た。

＜ｎ−ドデカナールからドデカン酸の合成＞
（実施例１５）
パイレックス（登録商標）ガラス製の試験管にアセトニトリル（５ｍｌ）とｎ−ドデカナール（４９．６ｍｇ，０．２６９ｍｍｏｌ）を入れて溶解し、さらにＢｒ₂（１μＬ、ｎ−ドデカナール１ｍｏｌに対して０．０７ｍｏｌ相当）を入れた後、４００Ｗの高圧水銀ランプによる紫外線照射を１０時間行う。その後、実施例３と同様の抽出操作を行い、ドデカン酸を収率８２％で得た。

本発明のカルボニル化合物の製造方法によってカルボン酸やケトンを製造すれば、原料の無駄が少なくて廃棄物がほとんど発生せず、環境問題を引き起こすおそれが少なく、広範な化合物を基質として利用することができる。

臭素を触媒として光酸素酸化を行った場合の反応機構を示す図である。 実施例及び比較例で用いた反応装置の模式図である。

符号の説明

１…試験管
２…酸素風船
３…マグネチックスターラ

Claims (6)

1. 基質としての第１アルコール、第２アルコール、アルデヒド又は芳香族アルカンに対し、金属元素を含有する触媒を使用することなく臭素の存在下で光を照射しながら酸素と接触させることを特徴とするカルボニル化合物の製造方法。
2. 臭素は基質１ｍｏｌに対して０．００００１〜０．５ｍｏｌとされていることを特徴とする請求項１記載のカルボニル化合物の製造方法。
3. 紫外線や可視光を照射できる人工照明灯によって光を照射することを特徴とする請求項１又は２記載のカルボニル化合物の製造方法。
4. 基質としての第１アルコール、第２アルコール又はアルデヒドに対し、金属元素を含有する触媒を使用することなく臭化水素の存在下で光を照射しながら酸素と接触させることを特徴とするカルボニル化合物の製造方法。
5. 臭化水素は基質１ｍｏｌに対して０．００００１〜０．５ｍｏｌとされていることを特徴とする請求項４記載のカルボニル化合物の製造方法。
6. 基質としての芳香族アルカンをニトリル溶媒、エステル溶媒、カルボン酸溶媒又はそれらの混合溶媒に溶解し、金属元素を含有する触媒を使用することなく臭化水素の存在下で光を照射しながら酸素と接触させることを特徴とする芳香族カルボン酸の製造方法。

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