JP4741823B2 - マイクロリアクターを用いたカルボニル化合物の製造法 - Google Patents
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Description
カルボニル化合物を得る従来技術としては、非特許文献1に、バッチ方式での反応が開示されている。
第一に、生成物を連続生産することが困難であるという問題がある。気体である一酸化炭素を用いる反応は、通常高圧条件が必要であり、ステンレス製圧力容器を用いて実施される。常圧反応容器と異なり気体の漏れを起こさないように蓋等を締め付ける必要があり、連続的に原料仕込み、反応液取り出しに多くの時間を要するという問題がある。
また、高圧条件化で行われることから、工業的に行う場合に爆発の危険がある。
第二に、安全性が低いという問題がある。一酸化炭素には強い毒性があり、少量でも吸入すると命の危険にさらされる。バッチ方式では一酸化炭素を反応容器に充填、抜き出しの際吸引する危険性が非常に高いという問題がある。すなわち、バッチ方式で一酸化炭素を用いるカルボニル化反応を工業的に行うことは、安全性の問題及び危険を伴う。
第三に、生産性が低いという問題がある。安全性の点から、反応試薬溶液の仕込量は圧力容器の全容積の1/3程度に制限される。これ以上反応試薬溶液を仕込むと、一酸化炭素を抜き出しの際反応試薬溶液の噴出の危険性がある。このため生産性が非常に低いという問題がある。
J.Am.Chem.Soc.,1990,112,p.1295−1297
すなわち、上記の問題を解消した一酸化炭素を用いる有機化合物のカルボニル化反応を提供することである。
即ち、本発明は、マイクロフロー方式で、ラジカル開始剤およびラジカルメディエーターの存在下、式:
マイクロフローの流路の直径が1.8mm以下である製造方法を提供する。
本発明においては、ラジカル開始剤の80℃における半減期が100分以下であることが好ましい。
本発明においては、有機化合物R1−Xおよび一酸化炭素に加えて、第三の成分として、シアノアルケニル(例えば、アクリロニトリル)を用いてもよく、この場合、末端にニトリル基を有する化合物が得られる。
本発明の製造方法は、特に簡便で再現可能な様式で実行可能であり、人及び環境に対する高い安全性を有し、短時間に良好な収率で目的物を得ることができ、反応条件も極めて容易に制御可能である。
さらにバッチ式では達成できない、液体状態の有機化合物と気体状態の一酸化炭素をマイクロリアクター中で効率的に混合することにより、より効率的に反応を行うことができる。
R1基の具体例は、メチル基、エチル基、プロピル基(例えば、イソプロピル基)、ブチル基(例えば、t−ブチル基)、ヘキシル基、オクチル基、ノニル基、ドデシル基(例えば、n−ドデシル基)などの鎖状アルキル基;
シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロヘキシル基などの環状アルキル基;
フェニル基などのアリール基;
エチレン基、プロピレン基などのアルキレン基;
チオフェン基、ピロール基、フラン基、ピリジン基、チアゾール基などのヘテロ環基(特に、不飽和環のヘテロ環基)である。
脱離基含有有機化合物の具体例は、塩化メチル、塩化イソブロピル、塩化t−ブチル、塩化n−ヘキシル、塩化n−ドデシル、塩化フェニル、塩化ビニル、塩化チオフェン、臭化n−ドデシル、ヨウ化n−ドデシル、C6H13−SePh、C6H13−TePh、C6H13−OC(=S)−SMe(Meはメチル基を意味する。)、C6H13−OC(=S)OPh(Phはフェニル基を意味する)などである。
Mは金属原子である。]
Mの具体例は、錫原子(Sn)、珪素原子(Si)、ゲルマニウム原子(Ge)などである
ラジカルメディエーターの具体例は、トリブチル錫[(C4H9)3Sn-H]、トリフェニル錫、トリストリメチルシリルシラン[((CH3)3Si)3Si-H]、トリブチルゲルマン[(C4H9)3Ge-H]、トリフェニルゲルマンなどである。
ラジカルメディエーターの量は、脱離基含有有機化合物1モルに対して、1.0〜3.0モル、例えば1.1〜1.5モル、特に1.2〜1.3モルであってよい。
マイクロリアクターにおいて、脱離基含有有機化合物、ラジカル開始剤およびラジカルメディエーターを含んでなる反応溶液と一酸化炭素ガスとを反応させる。
一酸化炭素はマスフローコントローラーを用いて流量を制御しマイクロミキサーに供給する。
反応溶液は高圧送液が可能なポンプ、例えばプランジャーポンプを用いて供給する。
マイクロ流路を有するマイクロリアクター出口に背圧弁を設け、マイクロ流路内を所定の圧力に制御する。
本発明の方法においては、液体状態または溶融状態の有機化合物と気体状態の一酸化炭素とをマイクロリアクター内で滞留時間にわたり反応させ、カルボニル化された有機化合物を、所望に応じて反応混合物から単離する。
背圧弁を所望の圧力以上の設定値に調整し、一酸化炭素ボンベから、レギュレーター、マスフローコントローラーを用いて、反応を行なう時の一酸化炭素圧力まで圧力計で確認しながらマイクロリアクター内の加圧を行った。
次に、背圧弁を調節するネジを徐々に緩めていき一酸化炭素を徐々に流出させ、圧力が一定になるように調節した。(この時、一酸化炭素が背圧弁から流出している事を確認する為に流出口を酢酸エチル溶媒につけて、一酸化炭素が流出することを目視にて確認した。)
トルエンに溶けた反応混合物が酢酸エチル中で一酸化炭素(以下、「CO」と記載することがある。)と同時に出てくる事を確認した後、酢酸エチルが入ったフラスコを取り除き、新しいサンプル管を用いて、反応生成物の回収を行った。回収した反応生成物は、ガスクロマトグラフィー(GC−18A,SHIMADZU)をもちいて収率を決定した。
本発明の装置は、高圧シリンジポンプ1、逆止弁2、一酸化炭素ボンべ3、マスフローコントローラー4、圧力計5、逆止弁6、マイクロミキサー11、マイクロ流路を有するマイクロリアクター12、および背圧弁13を有する。
シリンジの全量17mL。
マスフローコントローラー
一酸化炭素の流量を調節することができる。
背圧弁
背圧弁の中にはスプリングが内蔵されており、調整ネジで調整することで、目的の一酸化炭素圧を保つことができる。
圧力計
マスフローコントローラーの直後に接続しておりマイクロリアクター内の圧力をモニターすることができる。
開始剤の検討
ラジカル開始剤としてAIBNを用いてマイクロフロー系で80℃でラジカルホルミル化反応を行った。滞留時間22分。SUSチューブ(内径1mm,長さ8m)を用いて、基質混合物(0.05M)の流速0.14mL/min、一酸化炭素の流速0.14mL/min、一酸化炭素圧力5.6MPaで反応を行なった。
次に基質濃度を0.02Mで同様の反応をおこなったところ、開始剤AIBNでは、原料の残存が確認できた(表1, entry 1)。そこで、より半減期の短いV−65を用いて反応を行なったところ、原料が完全に消失した(表1,entry 2)。
ミキサーおよびチューブの内径変化による生成物の選択性に関する検討
以上の結果より径が小さくなるに従い、再現性が高い結果が得られると考えられる。また、収率に関しても径が小さい方が高い。
マイクロフロー系での反応(実施例3)
これらの結果から、マイクロリアクターでは、ステンレス製オートクレーブを用いたときと比べると反応時間が大幅に短縮された。
SUSチューブ(内径1mm,長さ8m)を用いて、基質濃度0.02M,反応溶液の流速0.14mL/min、一酸化炭素流速0.35mL/min、一酸化炭素圧8.5Mpa、滞留時間13分で、2級であるブロモシクロヘキサンのホルミル化をおこなったところ、良好にホルミル体を得る事ができた。
多成分連結反応の検討
オレフィンを共存させ、三成分連結反応について検討を行なった。
マイクロフロー系の反応とバッチ式の反応を比較したところ、マイクロフロー系での反応がバッチ式の反応に比べ速やかに進行することがわかった。
マイクロフロー系で短い時間で反応を行なう時には、AIBN(半減期(80℃)120分)と比べ、効率的にラジカル種を発生することの出来るV−65(半減期(80℃)12分)が相応しいと考えられる。
マイクロフロー系でアルデヒド、ケトン合成のためのラジカルカルボニル化反応を効率よく実施する事ができた。
ミキサーおよびリアクターの内径を変えて検討した結果、内径が大きな場合、反応の再現性がとれず結果がばらついたのに対し、内径を400μmにしたマイクロフロー系においては、高い再現性で生成物が得られた。
ミキサーおよびリアクターの内径を400μmにした時、滞留時間わずか2.5分で反応が完結し、良好な収率でホルミル体が得られた。バッチ式での反応では30分程度を要することから、ラジカルカルボニル化反応がマイクロフロー系で超高速化されている。
2 逆止弁
3 一酸化炭素ボンべ
4 マスフローコントローラー
5 圧力計
6 逆止弁
11 マイクロミキサー
12 マイクロ流路を有するマイクロリアクター
13 背圧弁
Claims (4)
- マイクロフロー方式で、ラジカル開始剤およびラジカルメディエーターの存在下、式:R1−X
[式中、R1は、炭素数1〜30の飽和または不飽和の直鎖状、分岐鎖状または環状の脂肪族炭化水素、または炭素数6〜30の芳香族炭化水素、
Xは、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、−SePh(Seはセレン原子、Phはフェニル基である。)、−TePh(Teはテルル原子、Phはフェニル基である。)、−OC(=S)−SR11(R11は、炭素数1〜20の炭化水素基である。)、および−OC(=S)OPh(Phはフェニル基である。)からなる群から選択される、R1ラジカルを形成するように脱離できる基である。]
で示される有機化合物と一酸化炭素を反応させて、カルボニル化合物を製造する方法であって、
マイクロフローの流路の直径が1.8mm以下であり、ラジカル開始剤がアゾ系化合物であり、ラジカル開始剤の80℃における半減期が100分以下であり、ラジカルメディエーターが、式:
(R2)3M−H
[式中、それぞれのR2は、同一または異なって、炭素数1〜20のアルキル基またはアリール基、
Mは、錫原子(Sn)、珪素原子(Si)、またはゲルマニウム原子(Ge)である金属である。]
で示される化合物である製造方法。 - 有機化合物R1−Xおよび一酸化炭素に加えて、第三の成分として、式:
CH2=C(CN)((CH2)nH)
[式中、nは0〜10の数である。]
で示されるシアノアルケニルをも用いて、末端にニトリル基を有するカルボニル化合物を得る請求項1に記載の製造方法。 - Xが、塩素原子、臭素原子、またはヨウ素原子である請求項1または2に記載の製造方法。
- ラジカル開始剤の半減期(80℃)が、20分以下である請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
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