JP5549077B2 - アルカンの重水素化方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルカンの重水素化方法に係り、特に、標識化合物として使用可能な重水素化アルカンを製造する際に好適に用いられ得るものに関するものである。

従来より、重水素化された化合物は、様々な分野において注目され、利用されている。ここで、本明細書及び特許請求の範囲における重水素化とは、化合物分子中の少なくとも一部の水素原子（プロチウム）をジューテリウム（Ｄ）又はトリチウム（Ｔ）にて置換せしめることを意味する。

例えば、分子中の少なくとも一部の水素原子（プロチウム）がジューテリウム（Ｄ）にて置換された化合物（ジューテリウム化された化合物）は、１）反応機構や物質代謝等の解明に非常に有用であることから、所謂、標識化合物として広く利用されており、また、２）その同位体効果によって化合物自体の安定性や性質が変化することから、医薬品、農薬品、有機ＥＬ材料等として、有用であるとされている。更に、分子中の少なくとも一部の水素原子（プロチウム）がトリチウム（Ｔ）にて置換された化合物（トリチウム化された化合物）は、動物実験等における医薬品等の吸収、分布、血中濃度、排泄、代謝等を調査する際の標識化合物として、有用であるとされている。

ところで、昨今、軽油の不正製造が社会問題となっているところ、不正に製造された軽油の検出・摘発を容易にすべく、現在では、重油や灯油に対して、クマリンが識別剤（標識化合物）として添加されている。しかしながら、クマリンは、重油等に濃硫酸処理を施すことによって簡単に除去され得るものであるため、クマリンに代わる識別剤が望まれている。このような状況の下、近年では、軽油の主成分であるアルカンを重水素化したものを識別剤（標識化合物）として用いることが、提案されている。

ここで、アルカンの重水素化については、特許文献１や非特許文献１及び非特許文献２等において、種々の方法が提案されている。

しかしながら、それら従来のアルカンの重水素化方法にあっては、亜臨界状態のＤ₂Ｏ を用いるものであったり、Ｄ₂ ガスを重水素源として高温で長時間、反応せしめるもの等、何れも厳しい反応条件（高温・高圧）を必要とするものであった。これは、官能基を有さないアルカンは化学的に安定な化合物であるため、分子中のプロチウムをジューテリウム（Ｄ）やトリチウム（Ｔ）にて置換する際には大きな化学的エネルギーが必要とされる（非特許文献３参照）ことに起因するものである。従って、従来のアルカンの重水素化方法にあっては、その実施に際して高温・高圧のための特別な設備、装置等が必要とされていたのであり、工業的観点より、そのような特別な設備が必要とされないような比較的穏和な条件（低温・低圧）にて実施可能なアルカンの重水素化方法の開発が、望まれているのである。

一方、本発明者等の一部は、先に、芳香環や複素環を有する化合物を重水素化する方法を幾つか提案している（特許文献２乃至５参照）。なお、それら芳香環化合物等を重水素化する方法は、何れも、分子中の芳香環又は複素環に存在するπ電子が触媒金属と配位して、芳香環等に存在する水素（プロチウム）がジューテリウムやトリチウムに置換されることにより、また、芳香環等に炭化水素基を有する化合物においては、先の反応機構に加えて、ベンジル位の炭素原子と触媒金属との間でπベンジル錯体を形成し、先ず、かかるベンジル位の炭素原子に結合している水素（プロチウム）原子が、化合物分子の周囲に存在する重水素源のジューテリウムやトリチウムに置換され、その後、順次、炭化水素基の他の炭素原子に結合している水素（プロチウム）もジューテリウム等に置換されることにより、重水素化が進行するというものである。更に本発明者等の一部は、第２級アルコールやケトン類等を、活性化された触媒の存在下において重水素源と反応させることにより、第２級アルコール等を重水素化する方法についても提案している（特許文献６参照）。

特開２００５−９７２３９号公報 国際公開第０３／１０４１６６号パンフレット 国際公開第２００４／１１４００号パンフレット 国際公開第２００４／４６０６６号パンフレット 国際公開第２００５／７０８５３号パンフレット 国際公開第２００４／６０８３１号パンフレット Matsubara S. et al.、Chemistry Letters、２００４年、第３３号、第２９４頁 Atkinson J.G. et al.、Canadian Journal of Chemistry、１９６７年、第４５号、第１５１１頁 Gerald Dyker 編、「Handbook of C-H Transformations Applications in Organic Synthesis Volume 1」、独国、２００５年、第１１−１７頁

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決すべき課題とするところは、比較的穏和な条件（低温・低圧）においても効果的に進行するアルカンの重水素化方法を提供することにある。

そして、本発明者等が鋭意検討を重ねたところ、重水又は重水素化された溶媒にアルカン及び不均一系白金族触媒を添加して得られた懸濁液を、水素ガス及び／又は水素同位体ガス雰囲気の密閉系において加熱すると、従来と比較して低温で、且つ、反応系を特に加圧しなくてもアルカンの重水素化が効果的に進行することを見出し、本発明を完成するに至ったのである。

すなわち、本発明は、アルカン及び不均一系白金族触媒を重水及び／又は重水素化された溶媒に添加してなる懸濁液を、水素ガス及び／又は水素同位体ガス雰囲気の密閉系において、加熱することを特徴とするアルカンの重水素化方法を、その要旨とするものである。

なお、そのような本発明に従うアルカンの重水素化方法にあっては、好ましくは、前記加熱が１００〜２００℃の温度範囲内において実施される。

また、本発明に係るアルカンの重水素化方法においては、有利には、前記不均一系白金族触媒が坦体にて坦持されたものであり、より有利には、かかる坦体は炭素材料よりなるものである。

さらに、本発明に従うアルカンの重水素化方法においては、前記不均一系白金族触媒が、望ましくはＰｔ／Ｃ触媒、Ｒｈ／Ｃ触媒、Ｒｕ／Ｃ触媒、Ｐｄ／Ｃ触媒及びＩｒ／Ｃ触媒からなる群より選ばれた少なくとも一種以上であり、より望ましくはＲｈ／Ｃ触媒、Ｐｄ／Ｃ触媒及びＩｒ／Ｃ触媒からなる群より選ばれた少なくとも一種以上であり、更に望ましくはＲｈ／Ｃ触媒である。

このように、本発明に従うアルカンの重水素化方法にあっては、アルカン及び不均一系白金族触媒を重水等に添加し、得られた懸濁液を、水素ガス及び／又は水素同位体ガス雰囲気の密閉系において加熱するものであり、反応系を特に加圧する必要はなく、また、加熱温度も、従来の方法と比較して低い温度を採用することが出来る。従って、本発明に係るアルカンの重水素化方法を実施するに際しては、従来の方法においては必要であった特別な加熱・加圧装置等は必要とされないのであり、実施設備の小規模化を図ることが可能である。

また、本発明に係るアルカンの重水素化方法においては、不均一系白金族触媒として、Ｐｔ／Ｃ触媒、Ｒｈ／Ｃ触媒、Ｒｕ／Ｃ触媒、Ｐｄ／Ｃ触媒及びＩｒ／Ｃ触媒からなる群より選ばれた少なくとも一種以上、特に、Ｒｈ／Ｃ触媒、Ｐｄ／Ｃ触媒及びＩｒ／Ｃ触媒からなる群より選ばれた少なくとも一種以上を用いることにより、アルカンの重水素化がより効果的に進行することから、上述の如き効果をより有利に享受することが出来る。そのような触媒の中でも、特にＲｈ／Ｃ触媒が有利に用いられ得る。

ところで、本発明の重水素化方法が適用されるアルカンとしては、常温で液状又は固体状のものであり、通常、炭素数が、５以上、好ましくは５〜３０、より好ましくは８〜３０、更に好ましくは１０〜３０であって、直鎖状、分枝状或いは環状を呈するものが挙げられる。具体的には、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、オクタデカン、ノナデカン、エイコサン、ヘンエイコサン、ドコサン、トリコサン、テトラコサン、ペンタコサン、ヘキサコサン、ヘプタコサン、オクタコサン、ノナコサン、トリアコンタン、ヘントリアコンタン、ドトリアコンタン、トリトリアコンタン、ヘキサトリアコンタン、ペンタトリアコンタン、ヘキサコンタン、ヘプタコンタン等の直鎖状アルカンや、枝分れ構造を呈する(分枝鎖を有する)２−メチルヘプタン、３−メチルヘプタン、２，２−ジメチルヘキサン、２，３−ジメチルヘキサン、２，５−ジメチルヘキサン、３，４−ジメチルヘキサン、２，２，３−トリメチルペンタン、２，２，４−トリメチルペンタン、２，３，３−トリメチルペンタン、２，３，４−トリメチルペンタン、２−メチルオクタン、２−メチルノナン、２−メチルウンデカン等、更には、シクロドデカンやシクロペンタデカン等の環状アルカンを、例示することが出来る。なお、本明細書及び特許請求の範囲におけるアルカンとは、直鎖状アルカン、枝分れ構造を呈するアルカン（分枝鎖アルカン）及び環状アルカンを意味する。

また、そのようなアルカンを本発明に従って重水素化するに際しては、不均一系白金族触媒が用いられるが、本発明においては、従来より公知の不均一系白金族触媒の何れをも用いることが可能である。具体的には、活性炭等の炭素材料、アルミナ、シリカ、珪藻土、モレキュラーシーブ、絹、高分子等の坦体にて坦持されたものを挙げることが出来、炭素材料にて坦持された不均一系白金族触媒が有利に用いられ得る。かかる炭素材料にて坦持された不均一系白金族触媒のうち、特に、Ｐｔ／Ｃ触媒、Ｒｈ／Ｃ触媒、Ｒｕ／Ｃ触媒、Ｐｄ／Ｃ触媒及びＩｒ／Ｃ触媒からなる群より選ばれた少なくとも一種以上、中でも、Ｒｈ／Ｃ触媒、Ｐｄ／Ｃ触媒及びＩｒ／Ｃ触媒からなる群より選ばれた少なくとも一種以上が、より有利に用いられる。本発明に従うアルカンの重水素化方法においては、Ｒｈ／Ｃ触媒を用いることが、最も効果的である。なお、そのようなＲｈ／Ｃ触媒（Ｐｔ／Ｃ触媒、Ｒｕ／Ｃ触媒、Ｐｄ／Ｃ触媒、Ｉｒ／Ｃ触媒）としては、Ｒｈ（Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｉｒ）の坦持量(含有量)が、触媒の全重量中の１〜３０重量％を占めるもの、好ましくは、３〜２０重量％を占めるものが、有利に用いられる。Ｒｈ等の金属含有量が多い触媒ほど、その添加効果は認められるものの、上記したカーボン坦持の不均一系白金族触媒は一般的に高価であることから、費用対効果の観点より、白金族金属の含有量が３０重量％を超えないものが、一般的に用いられることとなる。

なお、本発明において、触媒の使用量が少な過ぎると、充分な添加効果（触媒効果）を得ることが出来ず、その一方、使用量が多過ぎても、使用量に応じた添加効果（触媒効果）の向上が認められず、また、上述したように不均一系白金族触媒は高価なものであるところから、本発明において、不均一系白金族触媒の使用量は、基質たるアルカンの１００重量部に対して、１〜１００重量部程度の割合となるような量において、使用される。

一方、本発明に係るアルカンの重水素化方法においては、上記したアルカンと反応させる重水素源として、重水又は重水素化された溶媒が用いられる。

ここで、本発明においては、構造式：Ｄ₂Ｏ で表わされる一般的な重水は勿論のこと、トリチウム水（構造式：ＨＴＯ又はＴ₂Ｏ ）であっても使用することが可能である。

また、本発明において用いられる重水素化された溶媒とは、従来より種々の反応に際して溶媒として用いられているものであって、重水素化されたものを意味し、例えば、重メタノール、重エタノール、重イソプロピルアルコール、重ｎ−ブチルアルコール、重ｔ−ブチルアルコール、重ペンタノール、重ヘキサノール、重ヘプタノール、重オクタノール、重ノナノール、重デカノール、重ウンデカノール、重ドデカノール等の重アルコール類や、重ギ酸、重酢酸、重プロピオン酸、重酪酸、重イソ酪酸、重吉草酸、重イソ吉草酸、重ピバル酸等の重カルボン酸類、更には、重アセトン、重メチルエチルケトン、重メチルイソブチルケトン、重ジエチルケトン、重ジプロピルケトン、重ジイソプロピルケトン、重ジブチルケトン等の重ケトン類や、重ジメチルスルホキシド等の有機溶媒を挙げることが出来る。

そのような重水及び重水素化された溶媒のうち、本発明においては、重水や重アルコール類が有利に用いられ、特に、環境面や作業性等の観点より、構造式：Ｄ₂Ｏ で表わされる重水が、より有利に用いられる。

かかる重水及び重水素化された溶媒の使用量は、用いられる重水又は重水素化された溶媒の重水素化率に応じて、適宜に調整されることとなるが、例えば、重水（Ｄ₂Ｏ ）を用いる場合には、基質(アルカン)の１ｍｍｏｌに対して１〜５０ｍＬの重水が使用される。使用量が１ｍＬ未満では、基質(アルカン)及び不均一系白金族触媒が十分に混合しない恐れがあり、一方、使用量が５０ｍＬを超えると、かえって攪拌効率が悪化し、生成物中の重水素化率が低下する恐れがあるからである。なお、重水及び重水素化された溶媒は、それぞれ単独で使用され得ることは勿論のこと、２種以上を併用することも可能である。

そして、本発明に従うアルカンの重水素化方法にあっては、上述したアルカン、不均一系白金族触媒及び重水（及び／又は重水素化された溶媒）からなる懸濁液を、水素ガス及び／又は水素同位体ガス雰囲気の密閉系において加熱するところに、大きな特徴を有するのである。

すなわち、アルカン等からなる懸濁液を、水素ガス（及び／又は水素同位体ガス）雰囲気の密閉系において加熱すると、水素ガス（水素同位体ガス）の水素分子（Ｈ₂ 、Ｄ₂ 、Ｔ₂ 、ＤＨ等）が不均一系白金族触媒の白金族金属（触媒金属）上に配位し、触媒金属を活性化させる。この活性化された不均一系白金族触媒は、アルカン中の炭素−水素（プロチウム）結合を攻撃し、そこに酸化的付加する。すると、その近傍に存在する重水（重水素化された溶媒）分子との間で、炭素−触媒金属−水素（プロチウム）結合中の水素（プロチウム）と重水（重水素化された溶媒）中のジューテリウム（Ｄ）とが交換され、その後、不均一系白金族触媒が還元的脱離することにより、アルカン中の炭素−水素（プロチウム）結合における水素（プロチウム）のジューテリウム（Ｄ）への置換、即ち、アルカンの重水素化が実現されるのである。

なお、本発明に係るアルカンの重水素化方法は、上述の如き反応機構に基づくものであって、本発明者等が先に提案した芳香環又は複素環化合物の重水素化方法（本願明細書［０００６］参照）とは、その反応機構を異にすることは明らかなところである。

ここで、本発明において、アルカン等からなる懸濁液を、水素ガス等の所定雰囲気の密閉系において加熱するに際しては、一般に、１００〜２００℃、好ましくは１４０〜１８０℃、より好ましくは１５０〜１７０℃の温度範囲内において実施される。１００℃未満では、アルカンの重水素化が十分に達成することが出来ない恐れがある一方、本発明者等の知得したところによれば、２００℃以上の加熱温度を採用しなくても、アルカンの重水素化は十分に達成され得る。

また、本発明に従ってアルカンを重水素化せしめる際の加熱時間は、基質（アルカン）、不均一系白金族触媒及び重水等の量や、目的とする生成物の重水素化率に応じて、適宜に設定されることとなるが、一般には、０．５〜４８時間の範囲内において設定される。

さらに、本発明に従うアルカンの重水素化方法にあっては、反応系は、水素（Ｈ₂ ）ガス及び／又は水素同位体（Ｄ₂ 等）ガス雰囲気の密閉系とされるところ、水素同位体ガスは、不均一系白金族触媒をより効果的に活性せしめ得ることから、有利には、水素同位体ガスが単独で、若しくは水素ガスと混合して、用いられることとなる。

そして、上述してきた本発明に係るアルカンの重水素化方法にあっては、例えば、以下のような手法に従って実施されることとなる。

先ず、アルカン及び不均一系白金族触媒を、重水（及び／又は重水素化された溶媒）に添加し、攪拌、混合して、懸濁液を調製する。かかる懸濁液を別途準備した加熱装置付き反応槽内に投入し、反応槽を密封して、その内部を水素ガス（及び／又は水素同位体ガス）にて充填せしめた後、反応槽を所定温度まで加熱する。所定時間経過後、反応槽内より反応液を取り出し、その反応液に各種有機溶媒等を添加し、触媒を濾別する。得られた濾液を分液し、有機相を乾燥後、溶媒を除去することにより、アルカンの重水素化物が得られることとなる。なお、本発明に従うアルカンの重水素化方法にあっては、上記反応槽の内部を加圧するための更なる加圧手段（加圧装置等）は、特に必要ではない。

以下に、本発明の実施例を幾つか示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には、上記の具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。なお、以下の実験例において用いた不均一系白金族触媒たる５％Ｒｈ／Ｃ触媒とは、触媒の全重量中におけるＲｈ坦持量（重量）の占める割合が５％（重量％）であるものを意味する。また、触媒を濾別する際には、Millipore 社製のメンブランフィルター（Millex-LH 、フィルター孔径：０．４５μｍ）を用いた。更に、反応終了後の生成物については、 ²Ｈ−ＮＭＲにて生成物分子内への重水素（ジューテリウム：Ｄ）導入を確認し、また、１，４−ジメトキシベンゼンを標準物質として用いて ¹Ｈ−ＮＭＲより重水素化率を算出した。

−実施例１−
封管中の重水（Ｄ₂Ｏ 。以下、同じ。）：２ｍＬに対して、ｎ−ドデカン：０．５ｍｍｏｌ（８５．１７ｍｇ）と、５％Ｒｈ／Ｃ触媒：１７．０３ｍｇとを添加し、懸濁せしめた。次いで、封管内を水素ガスで充填（水素ガス圧：１ａｔｍ）した後、かかる封管を、密封した状態で、１６０℃で１２時間、内部を攪拌しながら加熱した。加熱終了の後、エーテルを加えて生成物を溶解し、メンブランフィルターにて触媒を濾別した。得られた濾液を、水とエーテルとで抽出し、そのエーテル層を飽和食塩水で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥せしめた後、溶媒を減圧留去することにより、生成物を得た。得られた生成物においては、分子内への重水素の導入が認められ、また、分子内の両端部（メチル基の部分）における重水素化率は９１％、中間部（１０個のメチレン基が直鎖状に結合している部分）における重水素化率は９０％であった。得られた生成物分子内の両端部における重水素化率を「両端部における重水素化率」とし、また、分子内の中間部における重水素化率を「中間部における重水素化率」として、下記表１に示す。

−実施例２−
加熱時間を２４時間とした以外は上記実施例１と同様の条件、及び手法に従い、生成物を得た。得られた生成物においては、分子内への重水素の導入が認められ、また、分子内の両端部（メチル基の部分）における重水素化率は９６％、中間部（１０個のメチレン基が直鎖状に結合している部分）における重水素化率は９２％であった。

実施例１及び実施例２の結果から明らかなように、加熱時間を長くすることによって、生成物における重水素化率の向上が確認された。

−実施例３−
封管中の重水：２ｍＬに対して、ｎ−オクタコサン：０．２５ｍｍｏｌ（９８．６９ｍｇ）と、５％Ｒｈ／Ｃ触媒：１９．７４ｍｇとを添加し、懸濁せしめた。次いで、封管内を水素ガスで充填（水素ガス圧：１ａｔｍ）した後、かかる封管を、密封した状態で、１６０℃で３時間、内部を攪拌しながら加熱した。その後、実施例１と同様の手法に従い、触媒を濾別等することにより、生成物を得た。得られた生成物においては、分子内への重水素の導入が認められ、また、分子内の両端部（メチル基の部分）における重水素化率は９６％、中間部（２６個のメチレン基が直鎖状に結合している部分）における重水素化率は９２％であった。

−実施例４−
封管中の重水：２ｍＬに対して、２−メチルウンデカン：０．５ｍｍｏｌ（８５．１７ｍｇ）と、５％Ｒｈ／Ｃ触媒：１７．０３ｍｇとを添加し、懸濁せしめた。次いで、封管内を水素ガスで充填（水素ガス圧：１ａｔｍ）した後、かかる封管を、密封した状態で、１６０℃で１２時間、内部を攪拌しながら加熱した。その後、実施例１と同様の手法に従い、触媒を濾別等することにより、生成物を得た。得られた生成物においては、分子内への重水素の導入が認められた。また、得られた生成物の重水素化率は、下記構造式中のａ部、ｄ部及びｅ部において９７％、ｂ部及びｃ部において９８％であった。なお、下記構造式においては、便宜上、水素原子は全てＨで表示している。

かかる実施例４の結果からも明らかなように、２−メチルウンデカンの如き枝分れ構造を呈するアルカン（イソパラフィン）であっても、本発明に従う重水素化法によって効果的に重水素化されることが認められたのである。

−実施例５−
封管中の重水：２ｍＬに対して、シクロペンタデカン：０．２５ｍｍｏｌ（５２．６ｍｇ）と、５％Ｒｈ／Ｃ触媒：１０．５２ｍｇとを添加し、懸濁せしめた。次いで、封管内を水素ガスで充填（水素ガス圧：１ａｔｍ）した後、かかる封管を、密封した状態で、１６０℃で１４時間、内部を攪拌しながら加熱した。その後、実験例１と同様の手法に従い、触媒を濾別等することにより、生成物を得た。得られた生成物においては、分子内への重水素の導入が認められ、また、重水素化率は７９％であった。

−実施例６〜実施例１０−
下記表１に示す各触媒を、下記表１に示す量にて使用した以外は実施例１と同様の条件、及び手法に従い、生成物を得た。得られた生成物についての「両端部における重水素化率」及び「中間部における重水素化率」を、下記表１に併せて示す。

かかる表１の結果からも明らかなように、本発明に従うアルカンの重水素化方法においては、Ｐｔ／Ｃ触媒、Ｒｈ／Ｃ触媒、Ｒｕ／Ｃ触媒、Ｐｄ／Ｃ触媒又はＩｒ／Ｃ触媒の何れの触媒を用いた場合にも、アルカンを効果的に重水素化し得ることが認められ、特に、Ｒｈ／Ｃ触媒、Ｐｄ／Ｃ触媒又はＩｒ／Ｃ触媒を用いることがより効果的であり、中でも、本発明においては、Ｒｈ／Ｃ触媒が最も有利に用いられ得ることが認められた。

上述した各実施例からも明らかなように、本発明に従うアルカンの重水素化方法にあっては、従来の方法においては広く用いられていた亜臨界状態の重水を用いる必要が無く、また、反応系を加圧するための更なる加圧装置が必要とされるものでもなく、穏和な反応条件でアルカンを重水素化せしめることが可能であることが、認められたのである。

Claims (6)

1. 重水及び／又は重水素化された溶媒にアルカン及び不均一系ロジウム触媒を添加してなる懸濁液を、水素ガス及び／又は水素同位体ガス雰囲気の密閉系において、加熱することを特徴とするアルカンの重水素化方法。
2. 前記加熱が１００〜２００℃の温度範囲内において実施される請求項１に記載のアルカンの重水素化方法。
3. 前記不均一系ロジウム触媒が、担体に担持されたものである請求項１又は請求項２に記載のアルカンの重水素化方法。
4. 前記担体が、炭素材料よりなるものである請求項３に記載のアルカンの重水素化方法。
5. 前記不均一系ロジウム触媒がＲｈ／Ｃ触媒である請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のアルカンの重水素化方法。
6. アルカンが炭素数５〜３０のものである、請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のアルカンの重水素化方法。