JP5211395B2 - 環状フェノール硫化物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属イオンの補足能を利用した金属補足剤や固定化剤、イオンや分子の認識能を利用した光センサー、イオンセンサー、基質特異性センサー、分離膜材料およびそれらの中間体、電荷制御剤、触媒などとして有用な環状フェノール硫化物の製造方法に関する。

環状フェノール硫化物の製造方法にはフェノール化合物と単体硫黄およびアルカリ金属試薬を原料に用い加熱反応によって合成する方法（例えば、特許文献１〜２および非特許文献１参照）がある。これらの方法は一つの反応操作で目的物が得られる簡便かつ安価な原料を用いる実用的な製造方法であるが、生成物の分布が環状４量体［一般式（２）においてｍ＝４］に偏る傾向がある。しかも、より大環状の生成物［一般式（２）においてｍ＝５〜９］を得る場合は、環状４量体の回収は度外視されており、全体的な収率まで考慮されていない。精製においてもカラムクロマトグラフを必須としている。また、鎖状のフェノール硫化物と単体硫黄およびアルカリ金属試薬を原料に用い加熱反応により合成する方法（例えば、特許文献３〜６参照）がある。これらの方法は、より大環状の生成物［一般式（２）においてｍ＝５〜９］を多く製造することはできるが、環状４量体の収量が少なくなる。また、フェノール化合物から鎖状のフェノール硫化物を製造する工程と、鎖状のフェノール硫化物を環化させて環状フェノール硫化物を製造する工程の２工程に分かれており工業的には不向きである。

特開平９−２２７５５３号公報 特開２００２−１９３９６３号公報 特開平１０−０８１６８０号公報 特開平１１−０４９７７０号公報 特開２０００−２７３０９６号公報 特開２００２−２５５９６１号公報 H.Kumagai et al.,Tetrahedron Lett.(1997)、38、3971-3972

本発明の目的は、環状フェノール硫化物の製造方法において、安価な原材料から１工程で、環状４量体の収量低下を起こすことなく、生成する環状フェノール硫化物の混合物から単一成分を簡便に分離・精製し、より大環状の生成物を多く製造する方法を提供することである。

本発明者らはこれらの課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、一般式（１）で表されるフェノール化合物を原料として、１工程の反応で、一般式（２）で表される環状フェノール硫化物を高収率かつ簡便に製造する方法を見出した。さらに、反応で得られた一般式（２）で表される環状フェノール硫化物の混合物から複雑な精製を行うことなく、単一成分を分離・精製する方法を見出し、本発明を完成させた。

（１）

（式中、Ｒ１は炭素原子数１ないし６の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を表す。）

（２）

（式中、Ｒ１は炭素原子数１ないし６の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を表し、ｍは４ないし９の整数である。）

すなわち、本発明は一般式（１）で表されるフェノール化合物と所定量の単体硫黄および所定量のアルカリ金属試薬を原料として溶媒中で加熱し、反応することを特徴とする一般式（２）で表される環状フェノール硫化物の製造方法である。

また、前記製造方法で得られた環状フェノール硫化物の混合物から、低級アルコールを晶析溶媒として用いて環状４量体を分離した後、種々の有機溶媒を晶析溶媒として用いて、より大環状の環状フェノール硫化物［一般式（２）においてｍ＝５〜９］を個々に分離・精製する環状フェノール硫化物の製造方法である。

本発明の環状フェノール硫化物の製造方法によれば、より大環状の環状フェノール硫化物［一般式（２）においてｍ＝５〜９］の収量を多く製造するために、環状４量体の収量を低下させることなく、かつ１工程で２種以上の生成物を製造するという簡便さを維持しながら、一般式（２）で表される環状フェノール硫化物を高収率かつ簡便に製造することができる。

また、本発明の環状フェノール硫化物の製造方法は、一般式（２）で表される環状フェノール硫化物から、複数の溶媒を組み合わせて行う複雑な再結晶や多量の溶媒を使用するなどの製造コストが増加するカラムクロマトグラフを用いることなく、種々の有機溶媒を晶析溶媒として用いることによる簡便な晶析操作によって、一般式（２）においてｍが４〜９の単一成分を個々に分離・精製することができる。

本発明の原料である一般式（１）で表されるフェノール化合物における炭素原子数１ないし６の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基（Ｒ１）としては、具体的に次のような基をあげることができる。メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、２−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、２−メチルプロピル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ｎ−ペンチル基、１−メチルブチル基、１−エチルプロピル基、１，１−ジメチルプロピル基、１，２−ジメチルプロピル基、ｎ−ヘキシル基、１−メチルペンチル基、２−メチルペンチル基、３−メチルペンチル基、４−メチルペンチル基、１−エチルブチル基、２−エチルブチル基、１，１−ジメチルブチル基、１，２−ジメチルブチル基、１，３−ジメチルブチル基、１，４−ジメチルブチル基、２，２−ジメチルブチル基、２，３−ジメチルブチル基、３，３−ジメチルブチル基、１−エチル−２−メチルプロピル基、１，１，２−トリメチルプロピル基。

次に、本発明の環状フェノール硫化物の製造方法について説明する。本発明の環状フェノール硫化物の製造方法において、環化反応は溶媒の存在下実施することが好ましく、溶媒の好適な使用量は、原料である一般式（１）で表されるフェノール化合物１モル当たり０．１〜１Ｌ、より好ましくは０．３〜０．６Ｌである。溶媒の種類には、飽和脂肪族エーテル、芳香族エーテル、飽和脂肪族チオエーテル、芳香族チオエーテル、飽和脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素が挙げられ、芳香族エーテル、芳香族チオエーテルおよび芳香族炭化水素が好ましく、特にジフェニルエーテルが好ましい。

本発明において、一般式（１）で表されるフェノール化合物と単体硫黄の仕込みモル比は、フェノール化合物１モルに対し、単体硫黄が１．７〜２．５モル当量が好ましく、特に１．９〜２．１モル当量が好ましい。

本発明において、環化反応に用いられるアルカリ金属試薬としては、アルカリ金属単体、水素化アルカリ金属、炭酸アルカリ金属、アルカリ金属アルコキシドなど種々のものが用いられるが、水酸化アルカリ金属が好ましい。水酸化アルカリ金属の具体例としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどがあげられる。特に、水酸化ナトリウムが好ましい。

アルカリ金属試薬の使用量は、一般式（１）で表されるフェノール化合物１モルに対し、０．２５〜０．７５モル当量が好ましく、特に０．４〜０．６モル当量が好ましい。

本発明において、環化反応は不活性ガス雰囲気下、さらには不活性ガスを反応系に通気しながら行うことが好ましい。不活性ガスの例としては窒素、ヘリウム、アルゴンがあげられるが、本発明を実施するにあたり特に種類は限定されない。

本発明においては、環化反応時に生成する水および硫化水素を除去しつつ製造を行う。生成する水および硫化水素は、不活性ガスを系内に通気するか、溶媒が沸騰しない範囲内での微減圧吸引で系外へ除去し、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性水溶液やエタノールアミンなどのアミン溶液への吸収、または、活性炭、モレキュラーシーブ、酸化鉄、酸化亜鉛などへの吸着で連続的に捕捉する。

本発明において、環化反応は反応温度を３段階に分けて昇温することが好ましい。１段階で最終的な反応温度まで昇温しても目的物を得ることはできるが、収率の低下を招くので３段階に分けて昇温することが望ましい。すなわち、まず１２０〜１４０℃の反応温度まで昇温を行い（１段階目）、この反応温度で０．５時間以上保持する。ここで反応時間の上限に制限はないが、製造コストの増大につながるため０．５〜８時間が望ましい。続いて１６０〜１８０℃の反応温度まで昇温を行い（２段階目）、この反応温度で０．５時間以上保持する。ここでも反応時間の上限に制限はないが、製造コストの増大につながるため０．５〜８時間が望ましい。最後に２１０℃以上の反応温度まで昇温を行う（３段階目）。ここでの反応温度は２００℃以上であれば環状４量体は生成するが、より大環状の環状フェノール硫化物［一般式（２）においてｍ＝５〜９］の生成量を増やすためには２１０℃以上の反応温度まで昇温することが望ましい。ここでの反応温度の上限は設定しないが、製造コストの増大につながるため２４０℃以下が望ましい。また反応時間は、設定した反応温度と原料であるフェノール化合物の種類によって変化するが、１〜３０時間に設定するのが望ましい。

前記環化反応の反応混合物に鉱酸の水溶液を加えて本発明の反応生成物が得られる。用いられる鉱酸には硫酸、塩酸、硝酸、燐酸、硼酸などがあげられるが、本発明を実施するにあたり特に種類は限定しない。鉱酸の量は、一般式（１）で表されるフェノール化合物１モルに対し、０．５〜３．０モル当量用いるのが好ましい。

前記反応生成物から通常の分離手段によって、例えばカラムクロマトグラフ、再結晶法など、またはこれらの組み合わせなどによって分離・精製できるが、次に示す方法を用いることで、より効率的、簡便に環状４量体とより大環状の環状フェノール硫化物［一般式（２）においてｍ＝５〜９］とを分離・精製することができる。

すなわち、低級アルコールを晶析溶媒として用いて環状４量体を分離した後、種々の有機溶媒を晶析溶媒として用いて、より大環状の環状フェノール硫化物［一般式（２）においてｍ＝５〜９］を個々に分離・精製する方法である。本発明に用いる低級アルコールとは、炭素原子数１〜４の直鎖もしくは分岐したアルコールであり、具体例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、２−プロパノール、ブタノールがあげられる。メタノール、エタノール、２−プロパノールが好ましいが、特にメタノールが好ましい。晶析溶媒として用いられる低級アルコールの仕込み量は、前記反応に使用した溶媒量の０．２〜５倍重量用いるのが好ましく、特に０．５〜１．５倍重量用いるのが好ましい。特に、反応混合物１００重量部当り低級アルコールを１００〜３００重量部用いるのが好ましい。また、晶析温度は２０〜８０℃が好ましく、特に４０〜６０℃が好ましい。

本発明において、前記環化反応終了後の反応生成物に鉱酸の水溶液を加えた後に低級アルコールを添加して環状４量体を晶析させてもよいが、低級アルコールを添加した後に鉱酸の水溶液を加えて、環状４量体を晶析させてもよい。

本発明において、低級アルコールを用いて晶析させた環状４量体を分離するときの温度は任意の温度でよいが、３０℃以上で行うのが好ましく、特に４０〜６０℃で行うのが好ましい。環状４量体の分離は、通常の分離手段によって、例えば減圧ろ過、加圧ろ過、遠心分離、フィルタープレスなどによって行うことができる。また分離した環状４量体をより高純度にするため、前記低級アルコールもしくは水を用いた洗浄操作を行ってもよい。

本発明において、環状４量体を分離した分離液を冷却すると有機溶媒層が固化する。冷却温度は、用いた一般式（１）で表されるフェノール化合物または用いた低級アルコールの種類により異なるが、０〜２５℃が好ましい。分離液固化後の固化物を分離する温度は、任意に設定した温度で構わないが、本発明の効果を最大に発揮するためには、３０℃未満で行うのが好ましく、−１０〜２０℃で行うのがさらに好ましい。固化物の分離は、通常の分離手段によって、例えば減圧ろ過、加圧ろ過、遠心分離、フィルタープレスなどによって行うことができる。

本発明において、分離した前記固化物に種々の有機溶媒を晶析溶媒として添加して、より大環状の環状フェノール硫化物［一般式（２）においてｍ＝５〜９］を個々に分離・精製することができる。用いる晶析溶媒の種類、仕込み量、晶析温度などは、目的とする環状フェノール硫化物の種類によって種々選択する。
また分離した環状フェノール硫化物をより高純度にするため、前記低級アルコールもしくは水を用いた洗浄操作を行ってもよい。

本発明において、分離した前記固化物に晶析溶媒として添加する有機溶媒の具体例としては、メタノール、エタノール、アセトン、メチルエチルケトン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、シクロヘキサン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、酢酸ブチル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、シクロペンチルメチルエーテルなどがあげられるが、目的とする環状フェノール硫化物の溶解度が乏しい溶媒であれば特に限定されない。

以下、実施例をもって本発明を説明するが、これらは本発明をなんら制限するものではない。本発明の環状フェノール硫化物の純度、組成比などは高速液体クロマトグラフ（以後、ＨＰＬＣと略称する）によって分析を行った。ＨＰＬＣの測定条件は以下のとおりである。装置：株式会社島津製作所製ＬＣ−６Ａ、カラム：野村化学株式会社製Ｄｅｖｅｌｏｓｉｌ ＯＤＳ−ＨＧ−５（内径４．６、カラム長２５０ｍｍ）、カラム温度：４０℃、移動相：テトラヒドロフラン／アセトニトリル／水／トリフルオロ酢酸＝４５０／４００／１５０／２（ｖ／ｖ／ｖ／ｖ）、流速：１．０ｍｌ／分、注入量：１μＬ、サンプル濃度：１０００ｐｐｍ

実施例１
攪拌機、冷却管、温度計およびガス導入管を備えた５００ｍｌの４つ口フラスコに、４−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール４５．１ｇ、単体硫黄１９．２ｇ（対４−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールモル比：２倍モル）および水酸化ナトリウム６．０ｇ（対４−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールモル比：０．５倍モル）を入れ、ここにジフェニルエーテル１０２ｇを加えて窒素気流中攪拌しながら、１３０℃まで昇温し、１３０℃で１時間反応させた。さらに１７０℃まで昇温し、１７０℃で１時間反応させた。最後に２３０℃まで昇温し、２３０℃で１２時間反応させた。この間、生成する水および硫化水素を反応器に窒素を通じて系外へ押し出し、水酸化ナトリウム水溶液に接触させ吸収させることで除去しながら反応を行った。反応混合物を室温まで冷却し、３モル／Ｌの硫酸水溶液４０ｍｌを加えて中和した後、トルエン２５ｍｌおよびｎ−ヘキサン７０ｍｌを加えて結晶を析出させた。粗晶をろ過し、アセトン８０ｍｌ、水８０ｍｌで２回、アセトン８０ｍｌで洗浄した。得られた粗晶（収量４１．９ｇ）をＨＰＬＣで分析した結果、一般式（２）においてＲ１がｔｅｒｔ−ブチルであり、ｍが４である環状４量体がピーク面積比９３．８％、一般式（２）においてＲ１がｔｅｒｔ−ブチルであり、ｍが８である環状８量体がピーク面積比５．２％を示す混合物であることが分かった。

実施例２
実施例１の条件で同様に環化反応および硫酸水溶液による中和を行い、得られた中和後の反応混合物にメタノール７９．１ｇを添加した後に５５℃に加温し、１時間撹拌して一般式（２）においてＲ１がｔｅｒｔ−ブチルであり、ｍが４である環状４量体の粗晶を晶析させた。粗晶を減圧ろ過して得られた粗晶をメタノール８０ｇで洗浄し、さらに水８０ｇで洗浄した。得られた環状４量体は４０．２ｇであり、４−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール基準の収率は７４．４％と高収率であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、純度はピーク面積比９８．２％であった。

得られた環状４量体の構造はＩＲ測定によって同定した。ＩＲ（ヌジョール）ｃｍ^-1：３２４３、１４７５、１４０７、１３９３、１２６７、１２４６、８８６、８２３、７４０。
続いて、前記した環状４量体を減圧ろ過した後のろ液を撹拌しながら５℃に冷却して固化させた。固化物を５℃でろ過し、得られた固化物を１０℃の冷水１００ｍｌを使って２回洗浄した。固化物にｎ−ヘキサン６０ｇ加え、不溶物として残った一般式（２）においてＲ１がｔｅｒｔ−ブチルであり、ｍが８である環状８量体をろ過によって取り出した。得られた環状８量体は１．３ｇであり、４−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール基準の収率は４．７％と高収率であった。ＨＰＬＣによる分析の結果、純度はピーク面積比９３．９％であった。
得られた環状８量体の構造はＩＲ測定によって同定した。ＩＲ（ヌジョール）ｃｍ^-1：３３２８、１４７５、１３９１、１２７７、１２４４、８８７、８１９、７５０。

実施例３
単体硫黄を対４−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールモル比で２.５倍モル使用した以外は、実施例１と同様にして、環状フェノール硫化物を製造した。その結果、環状４量体がピーク面積比９５.１％、環状８量体がピーク面積比４.１％の混合物が得られた。
実施例４
水酸化ナトリウムを対４−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールモル比で０.２５倍モル使用した以外は、実施例１と同様にして、環状フェノール硫化物を製造した。その結果、環状４量体がピーク面積比９６.１％、環状８量体がピーク面積比３.０％の混合物が得られた。
実施例５
水酸化ナトリウムを対４−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールモル比で０.７５倍モル使用した以外は、実施例１と同様にして、環状フェノール硫化物を製造した。その結果、環状４量体がピーク面積比９４.４％、環状８量体がピーク面積比２.７％の混合物が得られた。

比較例１
水酸化ナトリウムのフェノールに対するモル比を１．０とした以外は実施例１と同様にして行った。生成物をＨＰＬＣで分析した結果、一般式（２）においてＲ１がｔｅｒｔ−ブチルであり、ｍが４である環状４量体は全体のピーク面積に対してピーク面積比９３．１％であり、一般式（２）においてＲ１がｔｅｒｔ−ブチルであり、ｍが８である環状８量体は痕跡程度であった。

比較例２
前記環化反応における最終反応温度を２００℃とした以外は実施例１と同様にして行った。生成物をＨＰＬＣで分析した結果、一般式（２）においてＲ１がｔｅｒｔ−ブチルであり、ｍが４である環状４量体がピーク面積比９７．７％であり、一般式（２）においてＲ１がｔｅｒｔ−ブチルであり、ｍが８である環状８量体は痕跡程度であった。

比較例３
実施例２のメタノールをｎ−ヘキサンに変えた以外は実施例２と同様にして行った。前記一般式（２）においてＲ１がｔｅｒｔ−ブチルであり、ｍが４である環状４量体をろ過したろ液を５℃に冷却しても、固化せず一般式（２）においてＲ１がｔｅｒｔ−ブチルであり、ｍが８である環状８量体を取り出すことはできなかった。

比較例４
実施例１と同様にして環化反応および硫酸水溶液による中和を行い、得られた中和後の反応混合物からカラムクロマトグラフ（担体：シリカゲル１．１ｋｇ）によって一般式（２）においてＲ１がｔｅｒｔ−ブチルであり、ｍが８である環状８量体を取り出した。得られた環状８量体は０．７２ｇであり、４−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール基準の収率は２．６％と低収率であった。また、前記カラムクロマトグラフによる精製工程には１５．５Ｌと大量の展開溶媒（トルエン／クロロホルム）を必要とした。
比較例５
単体硫黄を対４−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールモル比で１.５倍モル使用した以外は、実施例１と同様にして、環状フェノール硫化物を製造した。その結果、環状４量体がピーク面積比９６.９％、環状８量体がピーク面積比１.６％の混合物が得られた。

本発明の方法によれば、一般式（１）で表されるフェノール化合物を原料として、１工程の反応で、一般式（２）で表される環状フェノール硫化物を高収率かつ簡便に製造することが可能になる。さらに、反応で得られた一般式（２）で表される環状フェノール硫化物の混合物から複雑な精製を行うことなく、簡便に単一成分を分離・精製することが可能になる。

Claims (8)

1. 下記一般式（１）
   

   

   （１）
   （式中、Ｒ１は炭素原子数１ないし６の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を表す。）で表されるフェノール化合物を原料として、１工程の反応で、該フェノール化合物１モルに対し、１．７〜２．５モル当量の単体硫黄及び０．２５〜０．７５モル当量のアルカリ金属試薬を反応させて、下記一般式（２）
   

   

   （２）
   （式中、Ｒ１は炭素原子数１ないし６の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を表し、ｍは４ないし９の整数である。）で表されるｍ＝４の環状フェノール硫化物とｍ＝５〜９の少なくとも１種類の環状フェノール硫化物との混合物を得ることを含む環状フェノール硫化物の製造方法であって、１２０〜１４０℃の反応温度まで昇温し、この反応温度で０．５時間以上保持し、続いて１６０〜１８０℃の反応温度まで昇温し、この反応温度で０．５時間以上保持し、その後、２１０℃以上の反応温度まで昇温する温度条件下で反応を行うことを特徴とする環状フェノール硫化物の製造方法。
2. 該フェノール化合物１モルに対し、０．４〜０．６モル当量のアルカリ金属試薬を反応させる請求項１記載の方法。
3. 前記したアルカリ金属試薬が水酸化ナトリウムであることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 下記一般式（１）
   

   

   （１）
   （式中、Ｒ１は炭素原子数１ないし６の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を表す。）で表されるフェノール化合物を原料として、１工程の反応で、該フェノール化合物１モルに対し、１．７〜２．５モル当量の単体硫黄及び０．２５〜０．７５モル当量のアルカリ金属試薬を反応させて、下記一般式（２）
   

   

   （２）
   （式中、Ｒ１は炭素原子数１ないし６の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基を表し、ｍは４ないし９の整数である。）で表されるｍ＝４の環状フェノール硫化物とｍ＝５〜９の少なくとも１種類の環状フェノール硫化物との混合物を構成する個々の環状フェノール硫化物を得ることを含む環状フェノール硫化物の製造方法であって、１２０〜１４０℃の反応温度まで昇温し、この反応温度で０．５時間以上保持し、続いて１６０〜１８０℃の反応温度まで昇温し、この反応温度で０．５時間以上保持し、その後、２１０℃以上の反応温度まで昇温する温度条件下で反応を行い、
   前記一般式（１）で表されるフェノール化合物と単体硫黄およびアルカリ金属試薬を反応させて得られる混合物から、低級アルコールを晶析溶媒として用いて環状４量体［前記一般式（２）においてｍ＝４］を分離した後、有機溶媒を晶析溶媒として用いて、より大環状の環状フェノール硫化物［前記一般式（２）においてｍ＝５〜９］を個々に分離する工程を有することを特徴とする環状フェノール硫化物の製造方法。
5. 反応混合物１００重量部当り低級アルコールを１００〜３００重量部用いる請求項４記載の方法。
6. 前記した低級アルコールがメタノールであることを特徴とする請求項４又は５記載の方法。
7. 晶析を２０〜８０℃で行なう請求項４〜６のいずれか１項記載の方法。
8. 該フェノール化合物１モルに対し、０．４〜０．６モル当量のアルカリ金属試薬を反応させる請求項４〜７のいずれか１項記載の方法。