JP5208471B2 - ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法に関し、さらに詳しくは、工業的に優れたビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法に関する。

ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸は、有機化学・高分子化学分野で広く用いられる化合物であり、ファインケミカル、医農薬原料、樹脂・プラスチック原料、電子情報材料、光学材料など、工業用途として多岐にわたる分野で有用な化合物である。また、これから得られるビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸二無水物は、高機能ポリイミド樹脂の原料として、有用である。

従来、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法としては、フタル酸類化合物を二量化する方法と、３−ニトロ−ｏ−キシレンを出発原料とし、得られたビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルを酸化する方法とがある。

前者の製造方法においては、目的の二量化物の収率が低いこと、異性体が副生し分離工程が煩雑であること、および高価なパラジウム触媒を使用すること等の問題点があった。

後者の製造方法として、特許文献１は、３−ニトロ−ｏ−キシレンを出発原料として、還元反応と、ベンジジン転移反応と、脱アミノ反応と、酸化反応とを順次に実施する方法を提案している。しかし、この製造方法では、反応ステップが多数あり、しかも総合収率が低い問題があった。
特開２０００−２８１６１６号公報

本発明の目的は、安価な原料を使用し、工業的に高い収率で生産性に優れたビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法を提供することである。

上記目的を達成する本発明のビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法は、下記一般式（１）で示されるビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法において、１，２−ジメチル−３−クロロベンゼンの塩素原子をマグネシウム金属と反応させ、グリニャール試薬に転化し、該グリニャール試薬同士を触媒および酸化剤の存在下でカップリング反応させて、下記一般式（２）で示されるビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルを生成し、晶析により単離する第一工程、前記ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルを酸化して、晶析によりビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸を単離する第二工程、からなることを特徴とする。

前記第一工程において、前記酸化剤としては、ハロゲン化脂肪族炭化水素が好ましく、１，２−ジクロロエタンまたは１，２−ジクロロプロパンであるとよい。前記触媒としては、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１つの金属またはその化合物であるとよい。また、晶析溶媒としては、炭素数１〜４の脂肪族アルコールおよび／または炭素数６〜８の芳香族炭化水素を含有する溶媒を使用することが好ましい。

前記第二工程において、過マンガン酸塩、次亜塩素酸ソーダ、硝酸から選ばれる少なくとも一つの酸化剤を用いることが好ましく、また、酸化反応後、生成したビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸をｐＨ ４以下の含水溶液から晶析させて、単離するとよい。

上記のいずれかの製造方法で得られたビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸は、無水物化することによりビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸二無水物を製造することができる。

本発明のビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法は、安価な原料、触媒を使用し、高収率でビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルを生成し、これを酸化し、高収率でビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸を生成させるものであり、反応ステップ数が少なく煩雑な分離工程を伴うことなく、工業的に高い収率で生産性に優れた製造方法である。

以下に本発明の詳細を記載する。

本発明のビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法は、１，２−ジメチル−３−クロロベンゼンを出発基質とする。第一工程において、１，２−ジメチル−３−クロロベンゼンの塩素原子をマグネシウム金属と反応させ、グリニャール試薬に転化し、得られたグリニャール試薬同士を触媒および酸化剤の存在下でカップリング反応させて、下記一般式（２）で示されるビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルを生成する。

カップリング反応は、１，２−ジメチル−３−クロロベンゼンの塩素原子をマグネシウム金属と反応させて、グリニャール試薬に転化して行なう。グリニャール試薬への転化反応は、特に制限されることなく、公知の転化反応を利用することができる。

マグネシウム金属は、粉末状のものを用いることが好ましい。グリニャール試薬に転化する反応は、脱水された系で行われる。脱水した溶媒を用いることあるいは安価なグリニャール試薬を添加し、水を除去することが好ましい。また、マグネシウム金属の表面酸化皮膜をとり、反応性を高めるため、ヨウ素、臭素あるいは、これらを含む安価な化合物を添加するとよい。このような化合物の例としては、ヨウ化メチル、臭化メチル、ヨウ化エチル、臭化エチル等が好ましく挙げられる。

グリニャール試薬同士のカップリング反応は、触媒及び酸化剤の存在下で行なう。カップリング反応で還元された触媒が容易に酸化され再生されるため、触媒のターンオーバー数が向上し、反応収率が向上するからである。

グリニャール試薬同士のカップリング反応に用いる触媒としては、例えば、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１種の金属、またはその化合物が好ましく挙げられる。化合物としては、これら金属の塩化物、臭化物、ヨウ化物、フッ化物、酢酸塩、アセチルアセトナート塩、炭酸塩、水酸化物、硝酸塩が好ましく用いられる。中でも塩化第一鉄（ＩＩ）、塩化第二鉄（ＩＩＩ）、臭化第一鉄、臭化第二鉄が好ましい。

また、触媒の使用量は、出発基質１モルに対し、０．０１モル％〜２０モル％を用いるのが好ましく、０．０５％〜１０モル％がさらに好ましい。触媒使用量を上記の範囲とすることにより、カップリング反応を効率良くかつ経済的に行うことができる。

カップリング反応に用いる酸化剤としては、上述した金属を酸化できるものであれば、特に限定されるものではないが、取り扱いおよび生成物との分離の観点から、ハロゲン化脂肪族炭化水素が好ましく、炭素数１〜３のハロゲン化脂肪族炭化水素がより好ましい。例えば、クロロメタン、ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、ブロモメタン、ジブロモメタン、トリブロモメタン、テトラブロモメタン、クロロエタン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン、ペンタクロロエタン、ヘキサクロロエタン、ブロモエタン、ジブロモエタン、トリブロモエタン、テトラブロモエタン、クロロプロパン、ジクロロプロパン、ブロモプロパン、ジブロモプロパン、ブロモクロロメタン、ブロモクロロエタンなどが好ましく挙げられる。中でも好ましいのは、クロロメタン、ジクロロメタン、クロロエタン、ジクロロエタン、ジクロロプロパン、ブロモメタン、ジブロモメタン、ブロモエタン、ジブロモエタンが挙げられる。さらに好ましくは、１，２−ジクロロエタンあるいは１，２−ジクロロプロパンである。とりわけ１，２−ジクロロプロパンは、国際がん研究機関（ＩＡＲＣ）による発がん性評価で、グループ３（ヒトに対する発がん性については分類できない物質）とされており、従来提案されている酸化剤よりも毒性が低いことから、特に好ましく用いられる。

また、酸化剤の使用量は、出発基質１モルに対し、好ましくは０．１モル倍量〜５モル倍量であり、より好ましくは０．２モル倍量〜３モル倍量にするとよい。０．１モル倍量より少ないと酸化剤による触媒再生の効果が少なく、５モル倍量よりも多いと、未反応の酸化剤が残存し、目的物の単離精製で負荷がかかり、非効率的である。

本発明の第一工程に用いる反応溶媒は、反応を効率よく進行させることができるものであれば、いずれの溶媒でも任意に選択できるが、好ましくは、グリニャール試薬が生成しやすいエーテル系溶媒が好ましい。溶媒の具体例としては、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、１，３−ジオキサン、１，４−ジオキサン、シクロプロピルメチルエーテル、メチル−ターシャリーブチルエーテル、ベンゼン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。中でも好ましいのは、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキサン、１，４−ジオキサン、シクロプロピルメチルエーテル、メチル−ターシャリーブチルエーテルである。

また、溶媒の使用量については、１，２−ジメチル−３−クロロベンゼン、グリニャール試薬および生成物の溶解性やスラリー濃度または反応液の性状に応じ、任意の量で構わないが、好ましくは、１，２−ジメチル−３−クロロベンゼンに対し、０．５〜１００モル倍量である。０．５モル倍量以下だと、グリニャール試薬の収率が低くなり、１００モル倍量以上だと生産性が悪く、非経済的なプロセスとなる。

本発明の第一工程において、カップリング反応の反応温度は、３０〜１００℃が好ましく、４０〜７０℃がさらに好ましい。反応温度が３０℃より低いと、反応がほとんど進行せず、例え反応が進行したとしても、途中で停止することがある。また、反応温度が１００℃を超えると、グリニャール試薬が反応する前に分解することがあり好ましくない。

第一工程で生成したビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルは、カップリング反応液のスラリーから固液分離により、単離される。なお、反応液中に、活性なマグネシウム等が残存している可能性があることから、反応液に水あるいは、酸性水を加え、不活性化した後、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルを晶析させて単離する。晶析溶媒としては、炭素数１〜４の脂肪族アルコールおよび／または炭素数６〜８の芳香族炭化水素を含有する溶媒などの貧溶媒が好ましい。

ここでいう炭素数１〜４の脂肪族アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコールが好ましく、炭素数６〜８の芳香族炭化水素としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレンが好ましい。

本発明の第二工程において、上記第一工程で得られたビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルを酸化剤と反応させて、全てのメチル基をカルボキシル基に転化させることにより、下記一般式（１）で示されるビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸を得る。

酸化剤としては、過マンガン酸塩、次亜塩素酸ソーダ、硝酸から選ばれる少なくとも一つを用いるとよい。より好ましくは、過マンガン酸塩であり、具体的には、過マンガン酸カリウムがよい。

酸化剤の使用量は、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルのメチル基１当量に対し、１〜５０当量である。酸化剤の使用量が１当量未満の場合は、芳香環の全てのメチル基のカルボキシル基への転化が不十分となり、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の収率が低下する。また、５０当量を超えると、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸がさらに酸化を受け、収率が低下する。また、反応後の廃液や廃物処理に大きな負荷がかかるので、好ましくない。

本発明の第二工程における反応温度は、５０〜２００℃である。反応温度が、５０℃より低いと反応速度が遅くなり、生産性が低下する。一方、２００℃を越えると、酸化剤の分解等が起こり、反応効率が低下してしまう。

第二工程において、酸化剤の添加方法としては、反応温度を制御する点で、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルを含む溶液に酸化剤を添加する方法が好ましい。酸化剤の添加方法としては、そのまま添加しても良いが、水に溶解あるいは希釈して用いてもよい。いずれの場合も、反応温度を制御するために、少量ずつ連続的あるいは断続的に反応系に添加することが好ましい。

ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルを効率的に反応させるため、溶媒として、水、ｔ−ブタノール、ピリジン、アセトンなどの有機溶媒およびそれらの混合物溶媒を使用することが好ましい。溶媒の使用量は、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルに対し、１〜１００重量倍であり、好ましくは、５〜５０重量倍である。

本発明の第二工程において、酸化反応終了後、反応液から、目的のビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸を晶析により、単離する。酸化剤として過マンガン酸カリウムを使用した場合、生成した二酸化マンガンをろ過により反応液と分離した後、その濾液のpＨを４以下にすることにより、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸を晶析させることができる。濾液のｐＨを４以下にするために、酸性の溶液を濾液に加えてもよく、あるいは、酸性の溶液に濾液を加えてもよい。酸としては、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、酢酸が挙げられる。

本発明において製造されたビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸は、公知の方法により、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸二無水物に転化することができる。無水物化の方法としては、無水酢酸または酢酸と無水酢酸の混合物に溶解またはスラリー化し、５０〜２００℃、好ましくは８０〜１５０℃で加熱する方法、窒素などの不活性ガス雰囲気下、１８０℃以上で加熱する方法、あるいはトルエン、キシレンなどの有機溶媒中で、１８０℃以上の温度で、共沸脱水する方法が挙げられる。

本発明の製造方法により得られたビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸およびビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸二無水物は、多岐にわたる分野で種々の化合物へ変化することが可能であり、安価な原料を使用し、かつ効率よく工業的に得られることの意義は大きい。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、ここで用いている試薬類のメーカーグレードは、いずれも１級レベル以上に相当するものである。

実施例１
テトラヒドロフラン１２３．１ｇ（１．７１ｍｏｌ；nacalai tesque社製）、マグネシウム粉末１０．４ｇ（０．４３ｍｏｌ；中央工産社製）、１，２−ジメチル−３−クロロベンゼン５ｇ（０．０３６ｍｏｌ；和光純薬社製）を温度計付き反応器に投入し、系内を窒素置換しながら、撹拌した。ターシャリーブチルマグネシウムクロライド１ｇ（０．００８ｍｏｌ；東京化成製）を添加し、系内の水分を除去した。続いて、臭化エチル３．９ｇ（０．０３６ｍｏｌ；和光純薬社製）を加えた。暫く撹拌し、発熱が起こることを確認した。次に反応液の温度を４０〜５５℃に保ちながら、１，２−ジメチル−３−クロロベンゼン４５ｇ（０．３２ｍｏｌ）を滴下した。滴下終了後、６０℃で３時間撹拌しながら、熟成し、グリニャール試薬を得た。（収率９２．０％）。

次に、塩化鉄（ＩＩＩ）１．７ｇ（０．０１１ｍｏｌ；和光純薬社製）にテトラヒドロフラン６．４ｇ（０．０９ｍｏｌ）を加えた液に、１，２−ジクロロプロパン４８．２ｇ（０．４３ｍｏｌ；和光純薬社製）およびトルエン５０ｇ（和光純薬社製）を加え、触媒含有溶液を調製した。これに上記グリニャール試薬溶液を、反応液温度５０〜６０℃に保ちながら滴下し、カップリング反応を行った。滴下終了後、６０℃で３時間熟成を行った。反応終了後、冷却し、反応液に５％塩酸水溶液１００ｇを滴下した。しばらく攪拌した後、静置して、分液を行い、油層を取得した。この油層を濃縮し、メタノール７５ｇを添加して、５℃で冷却晶析を行った。固液分離後、得られたケークを６０℃で真空乾燥し、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチル（化学純度９８．７％）２６．９ｇを取得した（収率 ７１．１％）。

次に、上記ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチル２６．９ｇをターシャリーブタノール１６０．７ｇ（和光純薬社製）と水１６３．７ｇの混合液に投入し、７０℃に昇温した。これに過マンガン酸カリウム１９５．２ｇを３時間かけて、少量ずつ投入した。その後、７８℃で熟成３時間行い。反応スラリー液を得た。これにチオ硫酸ナトリウム０．３ｇを加え、未反応の過マンガン酸カリウムを失活させた。これを６０℃まで冷却し、ろ過により生成した二酸化マンガンを濾別し、反応液を取得した。さらに、６０℃の温水５０ｍｌで２回、濾別した二酸化マンガンをリンスし、これを反応液と混合した。この液を濃縮し、室温冷却後、３５％塩酸水溶液を加えて、ｐＨ値を１．０に調整し、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸を晶析させ、１晩攪拌した。その後、３５％塩酸水溶液を追加し、ｐＨ値を１．０に再調整した後、５℃に冷却し、スラリー液中のビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸をろ過により、取得した。冷水５０ｍｌを用いて２回リンスを実施後、６０℃で真空乾燥し、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸３１．３ｇ（収率 ７５．１％）を取得した。

実施例２
実施例１で得られたビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸３１．３ｇに無水酢酸７６．４ｇ（０．７５ｍｏｌ）を加え、８５℃で３時間処理した後、５℃に冷却し、固液分離を行った。取得したケークを１００℃で真空乾燥３時間を実施し、ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸二無水物２４．８ｇ（収率 ８８．９％）を得た。

Claims (8)

1. 下記一般式（１）で示されるビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法において、
   １，２−ジメチル−３−クロロベンゼンの塩素原子をマグネシウム金属と反応させ、グリニャール試薬に転化し、該グリニャール試薬同士を触媒および酸化剤の存在下でカップリング反応させて、下記一般式（２）で示されるビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルを生成し、晶析により単離する第一工程、前記ビフェニル−２，３，２′，３′−テトラメチルを酸化して、晶析によりビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸を単離する第二工程、からなるビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法。
   

   

   
2. 前記第一工程において、前記酸化剤が、ハロゲン化脂肪族炭化水素である請求項１に記載のビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法。
3. 前記ハロゲン化脂肪族炭化水素が、１，２−ジクロロエタンまたは１，２−ジクロロプロパンである請求項２に記載のビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法。
4. 前記第一工程において、前記触媒が、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１つの金属またはその化合物である請求項１〜３のいずれか記載のビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法。
5. 前記第一工程において、晶析溶媒が炭素数１〜４の脂肪族アルコールおよび／または炭素数６〜８の芳香族炭化水素を含有する溶媒である請求項１〜４のいずれか記載のビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法。
6. 前記第二工程において、過マンガン酸塩、次亜塩素酸ソーダ、硝酸から選ばれる少なくとも一つの酸化剤を用いる請求項１〜５のいずれか記載のビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法。
7. 前記第二工程において、酸化反応後、生成したビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸をｐＨ ４以下の含水溶液から晶析させて、単離する請求項１〜６のいずれか記載のビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸の製造方法。
8. 請求項１〜６のいずれか記載の製造方法で得られたビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸を無水物化するビフェニル−２，３，２′，３′−テトラカルボン酸二無水物の製造方法。