JP5250808B2 - イソソルビドまたはイソソルビド異性体核を有する新規官能性化合物、これらの化合物の生成方法および使用 - Google Patents

Description

本発明は、核単位としてイソソルビド単位、またはイソソルビドの２つの光学異性体、即ちイソマンニドまたはイソイジドの１つの単位を含む、新規官能性化合物に関する。本発明はまた、これらの新規官能性化合物を調製する方法、およびこれらの応用例に関する。

は、トウモロコシデンプン由来の糖から主として得られる天然物質である。トウモロコシデンプンから酵素反応によってグルコースが得られ、これがソルビトールに還元され、２重（ｄｏｕｂｌｅ）脱水後にイソソルビドとなる。

光学異性体イソマンニドおよびイソイジドは、それぞれマンニトールおよびイジトールから同じ様式で得られる。この化学についてより詳細には、特にＫＩＲＫ ＯＴＨＭＥＲ ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ、第４版、２３巻、９３から１１９頁を参照することができる。

現在、「グリーンケミストリー」という状況において油誘導体を回避するために、機能化学業界は、それゆえ再生可能であり、生分解性であり、あまり毒性でなく、環境に優しい、植物などの天然起源の新規化合物またはモノマーを求めている。さらにこのような原材料から得られたこれらの新規化合物は、好ましくはクリーンエネルギーおよびエネルギー効率のよい方法を用いて得られるはずである。

これらの要件を考慮して、本出願会社は、具体的にはイソソルビド、イソマンニドおよびイソイジドであり、産業上アクセス可能な天然シントンからの、それゆえバイオリファイナリーの発展につれて今後数年間、入手可能性が増大する、アミン基を有する２官能性化合物の合成を想定した。

その後本出願会社の研究によって、簡単であり、産業レベルに容易に拡大できる方法によってニトリルおよびアミン官能基を有する新規化合物を得るためにアルコール官能基を有する上記シントンの転換を可能にする方法が発見された。

この方法は、第１のステップにおいて、アクリロニトリルとのマイケル反応によってアルコール官能基をプロピオニトリルエーテルに転換し、次いで第２のステップにおいて、水素添加によってニトリル官能基を第１級アミン官能基に転換するという原理に依存する。

このように、本発明は、それゆえ再生可能である植物起源の、産業上低コストで入手可能なヘテロシクロ脂肪族２環式糖からの、具体的にはこれらの２環式核および熱安定性のために独創的である、独創的な分子への簡易化されたアクセス経路（２ステップのみの簡単な合成であり、従来の工業装置に適合する。）を提供する。

これらの２環式核は、一方では、比較的大きな親水性の極性頭部の役割を果たすことができ、他方では、モノマーとして用いられることがあり得る場合には、材料に一定の剛性を提供することができる。

驚いたことに、本発明の新規化合物の熱抵抗が優れており（２９６℃を超える。）、植物ベースの製品の場合でははるかに優れていることが観察された。

本出願会社の知るかぎり、本発明による化合物は新規であり、文献に一度も言及されていないが、ただし実際にＣＡＳ番号６３３８−３５−８に挙げられているが、これを得る方法と同じくどの文献にも記載されていない２，５−ビス−Ｏ−（３−アミノプロピル）−１，４：３，６−ジアンヒドロ−Ｄ−グルシトールは除く。

このアミン官能基がイソソルビド単位に直接保持されているジアミン、即ち２，５−ジアミノ−１，４：３，６−ジアンヒドロ−２，５−ジデオキシソルビトールまたは２，５−ジアミノ−１，４：３，６−ジアンヒドロ−２，５−ジデオキシ−Ｄ−グルシトール（ＣＡＳ１４３３９６−５６−９）が存在する。しかしながら、関連する文献からわかるように、収率は２８から５６％であるので、合成はあまり直接的でなく、即ち３ステップであり、はるかに複雑である。

Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（１９９４）、３１７−３２１
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＰＣＴ ＷＯ９２１２９７８
ＪＡＣＳ（１９５６）、７８、３１７７−３１８２
ＪＣＳ（１９５０）、３７１−３７４
Ｎａｔｕｒｅ（１９４９）、１６４、５７３−５７４
リポ多糖体の脂質Ａ部位を有する新規ビスカチオンリガンドの分子モデリングに関する、Ｂｉｏｏｒｇａｎｉｃ ＆ Ｍｅｄｉｃｉｎａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ（２００６）、１６（３）、７１４−７１７の記事も挙げることができる。これらは、レセプタ部位に沿って長さ１４オングストロームを有する分子を得ることを目的とする理論的研究である。この分子についても、この合成方法についても、この記事には説明されていない。

国際公開第９２１２９７８号パンフレット

ＫＩＲＫ ＯＴＨＭＥＲ ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ、第４版、２３巻、９３から１１９頁 Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（１９９４）、３１７−３２１ ＪＡＣＳ（１９５６）、７８、３１７７−３１８２ ＪＣＳ（１９５０）、３７１−３７４ Ｎａｔｕｒｅ（１９４９）、１６４、５７３−５７４ Ｂｉｏｏｒｇａｎｉｃ ＆ Ｍｅｄｉｃｉｎａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ（２００６）、１６（３）、７１４−７１７

本発明の新規ジアミンは界面活性剤に応用される。

これは、界面活性剤の分野において、原材料として植物起源の、それゆえ再生可能である化合物を有する、生分解性であり、あまり毒性でない製品の応用例が求められているからである。この問題に対処する手段の１つは、一方で、これらの基準に該当する脂肪酸に由来する親油性脂肪鎖と、アミド官能基などの切断可能な化学官能基によって結合された親水性アミノシントンとの縮合化学を用いることである。一般に、用いられるポリアミン、ジエチレントリアミン（ＤＥＴＡ）、トリエチレンテトラミン（ＴＥＴＡ）などは油起源であり、環境に影響を及ぼす。従って、本発明は生分解性および低毒性の基準に対応する植物原材料をベースとするジアミンを容易に得ることを可能にする。

本発明の新規ジアミンはまた、例えばポリアミドを製造するための縮合重合反応のモノマーとして、さらに架橋剤として、材料分野においても応用例を有する。これらの非常に良好な熱安定性および植物起源であることが、このような応用例での選択基準を構成する。

従って、本発明の一主題は、第１に式（Ｉ）の化合物であり、
Ｒ−（ＣＨ_２）_２−Ｏ−Ａ−Ｏ−（ＣＨ_２）_２−Ｒ（Ｉ）
式中、
Ａは、以下から選択された２価の基を表し、

および
上記の３式それぞれの２つの自由な結合は、基Ａが式（Ｉ）の酸素原子に結合する位置を構成し、
Ｒは、−ＣＮまたは−ＣＨ_２ＮＨ_２を表す。

以下の式で表わされる本発明の化合物を特に挙げることができる。

本発明の他の主題は、式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＮを表す。）を得るために、アクリロニトリルをマイケル反応によって式（ＩＩ）の化合物と反応させ、
ＨＯ−Ａ−ＯＨ（ＩＩ）
（式中、Ａは請求項１に定義されるとおりである。）
対応する式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＨ_２ＮＨ_２を表す。）を得るために、式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＮを表す。）の水素添加を行うという事実を特徴とする、上に定義した式（Ｉ）の化合物を製造する方法である。

第１ステップ：マイケル反応
特にアクリロニトリル／（化合物（ＩＩ）×２）のモル比１：２、好ましくは１：１．５で、アクリロニトリルを式（ＩＩ）の化合物と反応させる。

このステップは一般に、温度２０℃から１００℃、好ましくは４０℃から８０℃で行われる。

同様にこのステップは有利には、具体的には式（ＩＩ）の化合物に対して０．０５重量％から５重量％、好ましくは０．１から３重量％の量で用いられる、少なくとも１種の塩基性または非塩基性触媒の存在下で行われる。

塩基性触媒は、以下から選択することができる。

アルカリ金属水酸化物、例えばＬｉ、Ｎａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓ水酸化物など、
アルカリ土類金属水酸化物、例えばＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａ水酸化物など、
Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓ炭酸塩、
アルカリまたはアルカリ土類金属アルコラート、例えばナトリウムメチラート、ナトリウムエチラートおよびカリウムｔ−ブチラートなど、ならびに
塩基性不均一触媒、例えば塩基性樹脂、ゼオライト、ハイドロタルサイトおよび酸化マグネシウムなど。

他の非塩基性触媒のなかで（顕著でない塩基性を有するものを含む。）、フッ化Ｋおよびフッ化Ｃｓを挙げることができ、これらは純粋である、または例えばアルミナに担持されている。

第１の実施形態によれば、式（ＩＩ）の化合物は溶融状態で単独で用いることができる。

第２の実施形態によれば、低温マイケル反応の場合にはｔ−ブタノール、トルエンなどの芳香族炭化水素、およびアセトニトリルなどの極性非プロトン性溶媒などの溶媒の溶液である式（ＩＩ）の化合物を用いることができる。

最後に、このマイケル反応は一般に大気圧で行われるが、アクリロニトリルの沸点（７７℃である。）のため、わずかな圧力下で行っても不利益はない。

この第１ステップは以下のとおり、より詳細に説明できる。

イソソルビドまたはイソマンニドもしくはイソイジド異性体は、イソソルビドの場合は溶融状態（融点：６０から６３℃）で単独で、または低温、即ち原材料の融点より低い温度ではｔ−ブタノール、ならびに芳香族炭化水素（例えばトルエン）、極性非プロトン性溶媒（例えばアセトニトリル）などの溶媒の溶液で用いることができる。塩基性触媒を導入し、これは一般に上に示したものなどのアルカリまたはアルカリ土類金属水酸化物であるが、アルカリまたはアルカリ土類金属アルコラート、ならびに塩基性不均一触媒、アルカリ金属炭酸塩またはフッ化カリウムおよびフッ化セシウムも用いることができ、これらの例は上記のものである。混合物を４０℃から８０℃に加熱し、その後、アクリロニトリルを導入する。アルコール官能基がエーテルに転換するまで反応を続ける。反応生成物は粗製で用いることができるが、高真空蒸留によって精製することもできる。酸で触媒を中和することもできる。

第２ステップ：水素添加
有利には、水素添加は、一般にＮＨ_３／ＣＮのモル比０．２：２．５、好ましくは０．５：１．５で、アンモニアの存在下で行われる。

この水素添加は、以下の有利な条件下で行われる。

一般に温度４０℃から１８０℃、好ましくは５０℃から１３０℃、
全圧５×１０^５Ｐａから１．５０×１０^７Ｐａ（５バールから１５０バール）、好ましくは２×１０^６Ｐａから８×１０^６Ｐａ（２０バールから８０バール）で、加圧反応器中、
式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＮを表す。）に対して、特に０．１から２０重量％、好ましくは０．５重量％から１０重量％の量の、少なくとも１種の水素添加触媒の存在下であり、水素添加触媒は、ラネーニッケル、ラネーコバルト、パラジウムおよびロジウムから有利には選択され、パラジウムおよびロジウムの２種の触媒は炭またはアルミナに場合により担持されている。

第１の実施形態によれば、水素添加は溶媒を用いずに行われる。

第２の実施形態によれば、水素添加は溶媒媒体中で行われ、溶媒は水素添加反応に適合性であり、具体的には水、および直鎖または分岐鎖Ｃ_１−Ｃ_５軽質アルコールから選択される。

第２ステップは、以下のとおり、より具体的および詳細に説明できる。

加圧反応器が用いられる。溶媒を用いずに、または溶媒媒体中で操作することができ、用いることのできる溶媒の例は上記のものである。反応器にエーテルジニトリルおよび触媒を充填する。触媒は、上記のものなど、ニトリルの水素添加用の従来の触媒から選択される。コスト上の理由から、ラネーニッケルおよびラネーコバルトが好ましい。反応器を密閉し、その後、アンモニアを導入する。反応媒体を攪拌し、温度を５０℃から１５０℃にする。次いで、水素を導入する。反応を開始し、ニトリル官能基のアミン官能基への転換が完了するまで継続する。アンモニアの量は、第２級アミンの形成を最小限に抑えるように思慮深く選択される。反応の終わりに、触媒を濾過し、再生利用することができる。必要であれば、溶媒を蒸発させる。ジアミンは高真空蒸留またはこの塩酸塩形態の再結晶によって場合によっては精製する。

反応器に溶媒、触媒、アンモニア、水素を充填し、反応器の圧力を維持するためにエーテルジニトリルおよび水素を連続して導入することからなる、この方法の変形に従って進めることもできる。ここでも、目的は第２級アミンを犠牲にして、第１級アミンの形成を促進することである。

本発明はまた、界面活性剤の極性頭部として、縮合重合、具体的にはポリアミドの製造におけるモノマー（コモノマー）として、または架橋剤としての、式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＨ_２ＮＨ_２を表す。）の使用に関し、さらに式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＨ_２ＮＨ_２を表す。）の調製における合成中間体としての、式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＮを表す。）の使用に関する。

以下の実施例は、本発明の範囲を限定することなく、本発明を例示するものである。これらの実施例において、パーセントは他に別段の指示のないかぎり重量による。

２，５−ビス−Ｏ−（プロピオニトリル）−１，４：３，６−ジアンヒドロ−Ｄ−ソルビトールの合成
攪拌機、滴下漏斗およびコンデンサを備えた５００ｃｍ^３ジャケット付きガラス反応器に、イソソルビド１００ｇ（０．６８Ｍ）、および水酸化ナトリウムパール０．５ｇ、即ち５０００ｐｐｍを充填した。水酸化ナトリウムが完全に溶解し、イソソルビドが溶融するまで、反応媒体を７０から７５℃にした。次いで、９０．１ｇ（１．７Ｍ）、即ちアルコール官能基に対して２５％過剰のアクリロニトリルをゆっくりと添加した。反応の終わりに、過剰のアクリロニトリルを蒸発させ、粗反応生成物を回収した。予期された生成物の収率は９０％であった。

生成物の分析的特性評価
２，５−ビス−Ｏ−（プロピオニトリル）−１，４：３，６−ジアンヒドロ−Ｄ−ソルビトール

^１３Ｃ ＮＭＲ ＣＤＣｌ_３
δａ＝１８．３１ｐｐｍ
δｂ＝６３．４５ｐｐｍ；６４．５１ｐｐｍ；７０．０２ｐｐｍおよび７２．４８ｐｐｍ
δｃ＝７９．６５ｐｐｍ；７９．９７ｐｐｍ；８３．６９ｐｐｍおよび８５．３５ｐｐｍ
δｄ＝１１７．４８ｐｐｍおよび１１７．５５ｐｐｍ。

２，５−ビス−Ｏ−（３−アミノプロピル）−１，４：３，６−ジアンヒドロ−Ｄ−ソルビトールの合成
５００ｃｍ^３オートクレーブに、前に得られた粗反応生成物２００ｇを湿潤ラネーニッケル１０ｇと共に導入した。オートクレーブを密閉した。その後、アンモニア１５ｇを周囲温度で導入した（即ち、ＮＨ_３／ＣＮのモル比０．５５）。反応媒体を攪拌しながら１３０℃にした。水素を導入して、全圧を２．５×１０^６Ｐａ（２５バール）にした。反応全体を通じて、これらの値で圧力および温度を維持した。反応が終了した時点で、再生利用できる触媒を回収するために、粗反応生成物を濾過によって回収した。収率は８５％であった。このジアミンは高圧蒸留によって純粋な形で得ることができる（沸点：１３３．３２２Ｐａ（１ｍｍＨｇ）で１６５から１７５℃）。

生成物の分析的特性評価
２，５−ビス−Ｏ−（３−アミノプロピル）−１，４：３，６−ジアンヒドロ−Ｄ−ソルビトール

ＧＣ−ＭＳ結合による質量の確認
^１３Ｃ ＮＭＲ ＣＤ_３ＯＤ
δａ＝４０．４２ｐｐｍおよび４０．３８ｐｐｍ
δｂ＝３４．２９ｐｐｍおよび３４．１１ｐｐｍ
δｃ＝６９．１６ｐｐｍ；６９．９７ｐｐｍ；７１．６９ｐｐｍおよび７４．６９ｐｐｍ
δｄ＝８１．９４ｐｐｍ；８２．０９ｐｐｍ；８６．０８ｐｐｍおよび８７．８５ｐｐｍ

２，５−ビス−Ｏ−（プロピオニトリル）−１，４：３，６−ジアンヒドロ−Ｄ−ソルビトールの合成
有効な機械的攪拌、加熱、コンデンサ、滴下漏斗および窒素不活性システムを備えた、予め乾燥した５００ｃｍ^３ガラス反応器に、イソソルビド４６．２ｇ（３１６ｍｍｏｌ）をｔ−ブタノール９８．２ｇおよび水酸化リチウム１ｇと共に充填した。反応媒体を６０℃にし、その後、１時間３０分かけてアクリロニトリル５０．３ｇ（９４９ｍｍｏｌ）を注ぎ入れた。反応を総持続時間８時間、継続した。

触媒を酸溶液で中和し、その後、残留ｔ−ブタノールおよびアクリロニトリルを減圧下で蒸発させた。このようにしてジニトリル９０％を含有する（ＨＰＬＣ分析）粗生成物８０．８ｇを得た。イソソルビドの転換率は９５％、収率は９１％であった。

生成物の分析的特性評価：実施例１参照

２，５−ビス−Ｏ−（３−アミノプロピル）−１，４：３，６−ジアンヒドロ−Ｄ−ソルビトールの合成
３００ｃｍ^３オートクレーブに、水１００ｇ、湿潤ラネーニッケル（５０％）１２ｇおよびアンモニア２．６ｇを充填した。温度６０℃で全圧６×１０^６Ｐａ（６０バール）まで、反応器を水素で加圧した。粗反応生成物３４．５ｇの水３０ｇ溶液を連続して導入した。この導入は３時間１５分かけて行い、圧力および温度は前述の値で維持した。反応の終わりに、媒体を冷却し、触媒を濾過し、および溶媒を蒸発させた。このようにしてジアミン７９％を含有する粗生成物２８．５ｇを得た。ジアミンの収率は７０％であった。

生成物の分析的特性評価：実施例２参照。

Claims (21)

1. 式（Ｉ）の化合物であって、
   Ｒ−（ＣＨ_２）_２−Ｏ−Ａ−Ｏ−（ＣＨ_２）_２−Ｒ（Ｉ）
   式中、
   Ａは、以下から選択された２価の基を表し、
   

   

   および
   Ｒは、−ＣＮまたは−ＣＨ_２ＮＨ_２を表す化合物。
2. 下式で表わされる、請求項１に記載の化合物。
   

   
3. 下式で表わされる、請求項１に記載の化合物。
   

   
4. 下式で表わされる、請求項１に記載の化合物。
   

   
5. 式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＮを表す。）を得るために、アクリロニトリルをマイケル反応によって式（ＩＩ）の化合物と反応させ、
   ＨＯ−Ａ−ＯＨ（ＩＩ）
   （式中、Ａは請求項１に定義されたとおりである。）
   対応する式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＨ_２ＮＨ_２を表す。）を得るために、式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＮを表す。）の水素添加を行うという事実を特徴とする、請求項１に定義された式（Ｉ）の化合物を製造する方法。
6. アクリロニトリル／（化合物（ＩＩ）×２）のモル比１：２で、アクリロニトリルを式（ＩＩ）の化合物と反応させるという事実を特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 温度２０℃から１００℃で、アクリロニトリルを式（ＩＩ）の化合物と反応させるという事実を特徴とする、請求項５および６のいずれかに記載の方法。
8. 式（ＩＩ）の化合物に対して０．０５から５重量％の量で用いられる、少なくとも１種の塩基性または非塩基性触媒の存在下、アクリロニトリルを式（ＩＩ）の化合物と反応させるという事実を特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 塩基性触媒が、
   アルカリ金属水酸化物、
   アルカリ土類金属水酸化物、
   Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、ＲｂまたはＣｓ炭酸塩、
   アルカリまたはアルカリ土類金属アルコラート、ならびに
   塩基性不均一触媒から選択され、
   非塩基性触媒は、フッ化Ｋおよびフッ化Ｃｓから選択されるという事実を特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 式（ＩＩ）の化合物を溶融状態で単独で用いるという事実を特徴とする、請求項５から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 溶媒の溶液である式（ＩＩ）の化合物を用いるという事実を特徴とする、請求項５から９のいずれか一項に記載の方法。
12. マイケル反応が、大気圧またはわずかな圧力下で行われるという事実を特徴とする、請求項５から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 水素添加が、ＮＨ_３／ＣＮのモル比０．２：２．５で、アンモニアの存在下で行われるという事実を特徴とする、請求項５から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 水素添加が、温度４０℃から１８０℃で行われるという事実を特徴とする、請求項５から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 水素添加が、全圧５×１０^５Ｐａから１．５×１０^７Ｐａ（５バールから１５０バール）で、加圧反応器中で行われるという事実を特徴とする、請求項５から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 反応が、式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＮを表す。）に対して、０．１から２０重量％の量の、少なくとも１種の水素添加触媒の存在下で行われるという事実を特徴とする、請求項５から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 水素添加触媒が、ラネーニッケル、ラネーコバルト、パラジウムおよびロジウムから選択され、パラジウムおよびロジウムの２種の触媒は炭またはアルミナに場合により担持されているという事実を特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 水素添加が溶媒を用いずに行われるという事実を特徴とする、請求項５から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 水素添加が溶媒媒体中で行われ、溶媒は水素添加反応に適合性であり、水、および直鎖または分岐鎖Ｃ_１−Ｃ_５軽質アルコールから選択されるという事実を特徴とする、請求項５から１７のいずれか一項に記載の方法。
20. 界面活性剤の極性頭部として、または縮合重合におけるモノマーとして、または架橋剤としての、式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＨ_２ＮＨ_２を表す。）の使用。
21. 式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＨ_２ＮＨ_２を表す。）の調製における合成中間体としての、式（Ｉ）の化合物（式中、Ｒは−ＣＮを表す。）の使用。