JP5083725B2

JP5083725B2 - カルボニル化合物の製造方法

Info

Publication number: JP5083725B2
Application number: JP2007041365A
Authority: JP
Inventors: 彰近伊藤
Original assignee: Nagoya Industrial Science Research Institute
Current assignee: Nagoya Industrial Science Research Institute
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-02-21
Also published as: JP2008201747A

Description

本発明は、光酸素化反応を利用したカルボニル化合物の製造方法に関する。

従来、アルコールや芳香族アルカンからカルボニル化合物を製造する手段として、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が必要となる。

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、ヘキサメチルリン酸トリアミド／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、本件出願の発明者は、既に非特許文献１において、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）を促進剤として用いることにより、酸素の存在下でトルエンの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。
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、本件出願の発明者は、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ている（非特許文献２参照）。

さらに本件出願の発明者は、脂肪族アルコールを基質とし、臭化アルカリを用いて光酸素酸化を行えば、対応する脂肪族カルボニル化合物を収率よく得ることができることを見出している（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）。
しかし、メソポーラスシリカやゼオライトやイオン交換樹脂は高価であり、製造コストが高騰化することとなる。

また、光増感剤として９、１０−ジシアノアントラセンを用い、紫外線照射下において各種の芳香族アルカンを分子状の酸素で酸化すれば、芳香族アルカンが酸化されることが知られている（非特許文献５）。しかし、その記載によれば、主生成物はアルデヒドであり、カルボン酸の合成方法として適していることは知られていなかった。また、基質はアルキルベンゼンに限られており、他の基質に適用可能であることまでは記載されていない。

さらに発明者らは、公知発明ではないが、１級アルカノールやアルキルベンゼンの光酸素酸化において、臭素及び臭素化合物並びにヨウ素及びヨウ素化合物が優れた触媒機能を有していることを見出し、既に特許出願を行っている（特願２００６−２２３５７１）。

Synthesis、2289(2003) 平成１４年度日本薬学会東海支部例会講演要旨集 6頁(2002) 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) Tetrahedron Letters 2889-2892 (1979)

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環境問題を引き起こすおそれも少なく、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、臭素や臭素化合物を触媒とした光酸素酸化において、さらに反応性を高めるべく、共役二重結合を有する化合物を光増感剤として添加することを試みた。そして、ブランクテストとして、臭素や臭素化合物を添加することなく光増感剤のみを添加した系についても反応を試みた。ところが、ある種の光増感剤については、予測に反し、臭素や臭素化合物が存在していなくても光酸素酸化反応が進行するという、驚くべき事実を発見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のカルボニル化合物の製造方法は、１級アルカノール、２級アルカノール、置換基を有してもよいアルキル基又は置換基を有してもよいアルケニル基が芳香環に結合した芳香族化合物、及びベンジル位に水酸基を有するアルコール、のいずれかを反応基質とし、三環以上の多環式芳香族化合物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。

本発明のカルボニル化合物の製造方法では、原料となるのは、１級アルカノール、２級アルカノール、置換基を有してもよいアルキル基又は置換基を有してもよいアルケニル基が芳香環に結合した芳香族化合物、及びベンジル位に水酸基を有するアルコールのいずれであってもよい。これらの化合物を三環以上の多環式芳香族化合物の存在下で酸素の存在する雰囲気下で光を照射することにより、酸化されてカルボン酸（ただし、基質が２級アルカノールの場合にはケトン化合物）となる。

反応機構については、必ずしも明確とはなっていないが、可能性として次のような２通りの経路が考えられる。
（１）三環以上の多環式芳香族化合物が光によって励起三重項状態となり、さらに励起三重項状態の多環式芳香族化合物から、分子状の酸素に、衝突、共鳴或いは発光・再吸収といった過程を経て励起エネルギーが移動し、励起状態の酸素（一重項酸素）となる。そして、励起された一重項酸素によって基質が酸化されてカルボン酸やケトンとなるという経路。
（２）三環以上の多環式芳香族化合物が光によって励起三重項状態となり、さらに励起三重項状態の多環式芳香族化合物が、基質から水素を引き抜くことによりラジカルが生成し、そのラジカルを分子状酸素がトラップしてパーオキシラジカルが生成する。その後ハイドロパーオキシドを経て最終生成物に変換される。この場合、水素を引き抜いた多環式芳香族化合物は、分子状酸素により再酸化されて元の化合物に戻ると考えられる。

多環式芳香族化合物は少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ル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、多環式芳香族化合物及び反応溶媒を再度利用することも可能であり、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。

本発明のカルボニル化合物の製造方法において、基質となるのは、１級アルカノール、２級アルカノール、置換基を有してもよいアルキル基又は置換基を有してもよいアルケニル基が芳香環に結合した芳香族化合物、及びベンジル位に水酸基を有するアルコール、のいずれかであり、幅広い化合物が基質となる。
１級アルカノールを基質とする場合には、水酸基がカルボキシル基となり、2級アルカノールを基質とする場合にはケトンとなる。これらのアルカノールは、直鎖構造であってもよいし、分枝構造であっても良い。また、本発明のカルボニル化合物の製造方法を行った場合において、反応を阻害することのない置換基が結合していても良い。
アルキル基やアルケニル基が結合した芳香族化合物を基質とする場合には、アルキル基やアルケニル基が切断されて安息香酸及びその誘導体が生成する。これらのアルキル基やアルケニル基には、直鎖構造であってもよいし、分枝構造であっても良い。本発明のカルボニル化合物の製造方法を行った場合において、反応を阻害することのない置換基が結合していても良い。また、芳香族環に置換基（例えばＣｌ、ＣＮ、アルキル基、メトキシ基等）が結合していても良い。

照射する光の種類については、紫外光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、水銀ランプ等の人工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。

また、触媒となる三環以上の多環式芳香族化合物としては、アントラセン、アントラセン誘導体、アントラキノン、アントラキノン誘導体、フェナンスレン等の三環式芳香族化合物、ナフタセン、ピレン等の四環式芳香族化合物等を用いることができる。特に好ましいのは、アントラセン及び／又はアントラセン誘導体、並びにアントラキノン及び／又はアントラキノン誘導体である。発明者らは、これらの多環式芳香族化合物を触媒として、高い収率でカルボン酸やケトンが得られることを確認している。

本発明において用いる反応溶媒としては、アセトニトリル等のニトリル類や、酢酸エチル等のカルボン酸エステル類が好適である。発明者らの試験結果によれば、ニトリル類やカルボン酸エステルを反応溶媒とした場合、特にカルボニル化合物の収率が高くなる。

以下本発明を具体化した実施例について詳述する。
（実施例1）
Pyrex（登録商標）試験管中で1-ドデカノール（0.3 mmol）をアセトニトリル（5 ml）に溶解し、アントラセン(0.1equiv.)を加える。そして、図１に示すように酸素風船１を取付け、高圧水銀ランプからの紫外光(400W) を10時間照射した。その後、反応溶媒を留去し、残査をエーテルに溶解し分液ロートに移した後、水酸化ナトリウム水溶液を加えて生成物を水層に移す。さらに、水層を塩酸酸性とした後エーテルで抽出し、目的のドデカノイック酸（収率38%）を得た。

（実施例２）
実施例２では、多環式芳香族化合物としてアントラキノン(0.1equiv.)を用いた。その他については実施例１と同様であり、説明を省略する。こうして、目的のドデカノイック酸（収率54%）を得た。

（実施例３）
実施例３では、Pyrex（登録商標）試験管中で1-ドデカノール（0.3 mmol）を酢酸エチル（5 ml）に溶解し、アントラキノン(0.1equiv.)を加える。酸素雰囲気下（酸素風船）、蛍光灯からの可視光(22Wx4) を10時間照射した。その後、反応溶媒を留去し、残査をエーテルに溶解し分液ロートに移した後、水酸化ナトリウム水溶液を加えて生成物を水層に移す。水層を塩酸酸性とした後エーテルで抽出し、目的のドデカノイック酸（収率50%）を得た。

（実施例４）
実施例４では、Pyrex（登録商標）試験管中で2-ドデカノール（0.3 mmol）を酢酸エチル（5 ml）に溶解し、アントラセン(0.1equiv.)を加える。酸素雰囲気下（酸素風船）、高圧水銀ランプからの紫外光(400W)を10時間照射した。その後、反応溶媒を留去し、残査を薄層クロマトグラフによる分離・精製を行い、目的の2-ドデカノン（収率21%）を得た。

（実施例５）
実施例５では、多環式芳香族化合物としてアントラキノン(0.1equiv.)を用いた。その他については実施例４と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の2-ドデカノン（収率14%）を得た。

（実施例６）
実施例６では、基質として4-tert-フ゛チルトルエン（0.3mmol）を用いた。その他については実施例１と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の4-tert-フ゛チル安息香酸（48.0mg、収率90.0 %）を得た。

（実施例７）
実施例７では、基質として4-メトキシトルエン（0.3 mmol）を用いた。その他については実施例１と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の4-メトキシ安息香酸（収率41%）を得た。

（実施例８）
実施例８では、基質として4-クロロトルエン（0.3 mmol）を用いた。その他については実施例１と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の4-クロロ安息香酸（収率65%）を得た。

（実施例９）
実施例９では、基質として4-シアノトルエン（0.3 mmol）を用いた。その他については実施例１と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の4-シアノ安息香酸（収率33%）を得た。

（実施例１０）
実施例１０では、基質としてトルエン（0.3 mmol）を用いた。その他については実施例１と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の安息香酸（収率48%）を得た。

（実施例１１）
実施例１１では、基質として4-tert-フ゛チルトルエン（0.3 mmol）を用いた。その他については実施例２と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の4-tert-フ゛チル安息香酸（収率75%）を得た。

（実施例１２）
実施例１２では、基質として4-tert-フ゛チルトルエン（0.3 mmol）を用いた。その他については実施例３と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の4-tert-フ゛チル安息香酸（収率68%）を得た。

（実施例１３）
実施例１３では、Pyrex試験管中で4-tert-フ゛チルヘ゛ンシ゛ルアルコール（0.3 mmol）をヘキサン（5 ml）に溶解し、アントラセン(0.1equiv.)を加える。そして、酸素雰囲気下（酸素風船）、高圧水銀ランプからの紫外光
(400W) を10時間照射した。その後、反応溶媒を留去し、残査をエーテルに溶解し分液ロートに移した後，水酸化ナトリウム水溶液を加えて生成物を水層に移す。さらに、水層を塩酸酸性とした後エーテルで抽出し，目的の4-tert-フ゛チル安息香酸（収率89%）を得た。

（実施例１４）
実施例１４では、基質として4-メトキシヘ゛ンシ゛ルアルコール（0.3 mmol）を用いた。その他については実施例１３と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の4-メトキシ安息香酸（収率73%）を得た。

（実施例１５）
実施例１５では、基質として4-クロロヘ゛ンシ゛ルアルコール（0.3 mmol）を用いた。その他については実施例１３と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の4-クロロ安息香酸（収率71%）を得た。

（実施例１６）
実施例１６では、基質として4-tert-フ゛チルスチレン（0.3 mmol）を用いた。その他については実施例１と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の4-tert-フ゛チル安息香酸（収率59%）を得た。

（実施例１７）
実施例１７では、基質として4-tert-フ゛チルスチレン（0.3 mmol）を用いた。その他については実施例２と同様であり、説明を省略する。こうして、目的の4-tert-フ゛チル安息香酸（収率49%）を得た。

（実施例１８）
実施例１８では、Pyrex試験管中でp-キシレン（0.3 mmol）をアセトニトリル（5 ml）に溶解し、アントラセン (0.1 equiv.)を加える。そして、酸素雰囲気下（酸素風船）、高圧水銀ランプからの紫外光(400W) を10時間照射する。反応溶媒を留去，残査をPTLCにて精製し、4-メチル安息香酸（収率37%）およびテレフタル酸 (収率3%)を得た。

＜結果＞
その結果、表１に示すように、アントラセンあるいはアントラキノンを触媒として用いた場合には、１級アルカノールである１−ト゛テ゛カノールや、２級アルカノールである2−ト゛テ゛カノールや、トルエン、4-tert-フ゛チルトルエン、4-メトキシトルエン、4-クロロトルエン、4-シアノトルエン、P-キシレン等の様々なアルキルベンゼン及びその誘導体、4-tert-フ゛チルスチレン等のアルケニルベンゼン類、4-tert-フ゛チルヘ゛ンシ゛ルアルコール、4-メトキシヘ゛ンシ゛ルアルコール、4-クロロヘ゛ンシ゛ルアルコール等のベンジル位に水酸基を有するアルコールを、相当するカルボン酸（ただし基質が２級アルカノールの場合にはケトン）に収率よく酸化できることが分かった。

また、実施例３及び実施例１２に示すように、可視光を主な成分とする蛍光灯からの光によっても、酸素酸化反応が進行することが分かった。さらに、これらの反応では、副生成物はほとんど発生せず、目的とするカルボン酸をアルカリ抽出によって容易に分離することができる。また、添加した多環式芳香族化合物及び反応溶媒を再度利用することも可能である。

（実施例１９〜２３及び比較例１〜１９）
実施例１９〜２３では、アセトニトリル溶媒中、基質として４-tert-ブチルトルエンを用い、いろいろな種類の三環以上の多環式芳香族化合物を基質１モルに対して０．１モル添加し、高圧水銀ランプで１０時間照射した。その後、実施例１と同様の方法により、生成したカルボン酸を得た。
また、比較例１〜１９では、三環以上の多環式芳香族化合物以外の光増感剤を触媒として用い、同様の条件で酸素酸化を行った。
実施例１９〜２３及び比較例１〜１９で用いた触媒及び反応によって得られた相当するカルボン酸の収率を表２に示す。

＜結果＞
その結果、表２に示すように、アントラセン誘導体（実施例２０）や、アントラキノン誘導体（実施例２１）や、四環式芳香族化合物であるピレン（実施例２２）においても、カルボン酸が収率良く生成することが分かった。
一方、二環式以下の芳香族化合物を触媒として用いた場合、カルボン酸への酸素酸化の収率は低いことが分かった。

本発明のカルボニル化合物の製造方法は、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。

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

Claims

置換基を有してもよいアルキル基又は置換基を有してもよいアルケニル基が芳香環に結合した芳香族化合物、ベンジル位に水酸基を有するアルコール、１‐ドデカノール、及び、２‐ドデカノールのいずれかを反応基質とし、アントラキノン、アントラセン、フェナンスレン、ナフタセン、及びピレンからなる群から選ばれる少なくとも一種の三環以上の多環式芳香族化合物の存在下で、金属元素を含有する触媒を使用することなく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。
さらに、前記多環式芳香族化合物以外の触媒を使用しない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。
前記反応基質が、置換基を有してもよいアルキル基又は置換基を有してもよいアルケニル基が芳香環に結合した芳香族化合物、及びベンジル位に水酸基を有するアルコール、のいずれかであ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。
三環以上の多環式芳香族化合物はアントラセンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のカルボニル化合物の製造方法。
三環以上の多環式芳香族化合物はアントラキノンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のカルボニル化合物の製造方法。
反応溶媒としてニトリル及び／又はカルボン酸エステルを用いることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のカルボニル化合物の製造方法。