JP5863527B2 - ３−ブテン−１−オールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、３−ブテン−１−オールの製造方法に関する。本発明の方法により得られる３−ブテン−１−オールは、医薬品、農薬、香料、各種化学品、樹脂などの原料として有用である。

３−ブテン−１−オールの製造方法としては、例えばホルムアルデヒドとホルムアルデヒドに対して約６倍モルのプロピレンを、３１０℃で反応させる方法（特許文献１参照）、１，４−ブタンジオールとパルミチン酸を、常圧下、３３０〜３４５℃で反応させる方法（特許文献２参照）、テトラヒドロフラン中、パラジウム化合物、第三級ホスフィンおよびトリアルキルアミンの存在下に、３，４−エポキシ−１−ブテンとギ酸を５５℃で反応させる方法（特許文献３参照）、パラジウム化合物、第三級有機リン化合物、ギ酸の第三級アミン塩および溶媒の混合物に、２−ブテン−１，４−ジオール、ギ酸を断続的または連続的に添加し、生成物を連続的に留出させながら反応させる方法（特許文献４参照）などが挙げられる。

米国特許第３，５７４，７７３号明細書 特開昭５５−１００３２６号公報 特表２００２−５０９１２５号公報 特開２００５−１５４２８８号公報

特許文献１に記載の方法は、大過剰のプロピレンを使用することに加え、反応温度が非常に高く、工業的に不利という問題がある。特許文献２に記載の方法は、特許文献１と同様、反応温度が非常に高く、また収率も低い問題点がある。特許文献３に記載の方法は、良好な収率で目的とする３−ブテン−１−オールが得られているものの、バッチ式であるため、必ずしも生産性に優れているとは言い難い。また、反応終了後、反応混合液を蒸留する際に３−ブテン−１−オールから２−ブテン−１−オールへの異性化が起こることを抑制するため、３０％過酸化水素及び／又は塩化第二銅を添加することによりパラジウム化合物由来の触媒を失活させており、触媒を再使用することができないため、製造コストが高くなる問題がある。特許文献４に記載の方法では、３−ブテン−１−オールの選択性の観点から、第三級有機リン化合物としてトリイソプロピルホスフィン、トリｎ−ブチルホスフィン、トリｔ−ブチルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィンが好ましいとされている。これらのトリアルキルホスフィンを用いて実際に反応を行うと、目的とする３−ブテン−１−オールは７０％程度の収率で得られるが、クロトンアルデヒドが１５〜２０％副生してしまう。クロトンアルデヒドは３−ブテン−１−オールと沸点が近く、単なる蒸留では分離除去するのが困難であるため、特許文献４の方法では、３−ブテン−１−オールおよびクロトンアルデヒドを含む生成物にアミンを加えてクロトンアルデヒドとアミンを反応させることにより高沸点のイミンを生成させ、次いで蒸留することで除去している。かかる方法は除去操作が煩雑であるため、工業的にはなお改良の余地があった。

しかして、本発明の目的は、３−ブテン−１−オールを好収率かつ安価で、工業的に有利に製造し得る方法を提供することにある。

本発明者らは、鋭意検討した結果、特許文献４に記載の方法において、第三級有機リン化合物として第三級芳香族リン化合物を用いると、驚くべきことに目的生成物である３−ブテン−１−オールの収率が８０％近く、場合によっては８５％と大幅に向上し（後述の実施例参照）、またクロトンアルデヒドの副生を４％以下と大幅に低減できることをつきとめ、特許文献４における、生成物にアミンを混合してクロトンアルデヒドと高沸点イミンを生成させてから蒸留分離する工程を省略可能なことを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、
〔１〕パラジウム化合物、第三級芳香族リン化合物、ギ酸の第三級アミン塩および溶媒の混合物に、２−ブテン−１，４−ジオール、ギ酸、および必要に応じて第三級芳香族リン化合物を断続的または連続的に添加し、水および３−ブテン−１−オールを含む生成物を連続的に留出させながら反応させることを特徴とする３−ブテン−１−オールの製造方法；
〔２〕ギ酸の第三級アミン塩を形成する第三級アミンおよび溶媒が、３−ブテン−１−オールよりも３０℃以上高い沸点を有する、〔１〕の３−ブテン−１−オールの製造方法；
〔３〕反応系内のギ酸およびその第三級アミン塩の存在量が、反応系内に添加した第三級アミンが有する窒素原子に対して０．０５〜１倍モルの範囲である、〔１〕または〔２〕の３−ブテン−１−オールの製造方法；
〔４〕第三級芳香族リン化合物を、パラジウム化合物中のパラジウム原子に対して、２〜１００倍モルの範囲になるよう反応系内に断続的または連続的に添加しながら反応させる、〔１〕〜〔３〕のいずれかの３−ブテン−１−オールの製造方法；および、
〔５〕パラジウム化合物および第三級芳香族リン化合物を予め混合して調製した触媒組成物を反応系に添加する、〔１〕〜〔４〕のいずれかの３−ブテン−１−オールの製造方法；
を提供することにより達成される。

本発明によれば、医薬品、農薬、香料、各種化学品、樹脂などの原料として有用な３−ブテン−１−オールを好収率かつ安価で、工業的に有利に製造することができる。

本発明の方法は、パラジウム化合物、第三級芳香族リン化合物、ギ酸の第三級アミン塩および溶媒の混合物に、２−ブテン−１，４−ジオール、ギ酸、および必要に応じて第三級芳香族リン化合物を断続的または連続的に添加し、水および３−ブテン−１−オールを含む生成物を連続的に留出させながら反応させることを特徴とする３−ブテン−１−オールの製造方法である。

本発明の方法で使用するパラジウム化合物としては、例えば酢酸パラジウム、炭酸パラジウム、パラジウムアセチルアセトナート、塩化パラジウム、ジクロロビス（ベンゾニトリル）パラジウム、ジクロロビス（トリフェニルホスフィン）パラジウム、ビス（トリフェニルホスフィン）パラジウムアセテート、π−アリルパラジウムクロリド、π−アリルパラジウムアセテート、ビス（シクロオクタ−１，５−ジエン）パラジウム、トリス（ジベンジリデンアセトン）二パラジウム、テトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウムなどが挙げられる。パラジウム化合物の使用量に特に制限はないが、反応混合液１リットルに対して、パラジウム原子換算で０．０１〜１００ミリモルの範囲であるのが好ましく、０．０１〜５０ミリモルの範囲であるのがより好ましい。

本発明の方法で使用する第三級芳香族リン化合物としては、例えばトリフェニルホスフィン、トリ（ｐ−トリル）ホスフィン、トリ（ｏ−トリル）ホスフィン、トリ（ｍ−トリル）ホスフィン、トリス（ｐ−クロロフェニル）ホスフィン、トリス（ｐ−フルオロフェニル）ホスフィン、トリ（１−ナフチル）ホスフィン、トリス（ｏ−メトキシフェニル）ホスフィン、トリス（ｐ−メトキシフェニル）ホスフィンなどが挙げられる。第三級芳香族リン化合物の使用量は、パラジウム化合物中のパラジウム原子に対して、通常、２〜１００倍モルの範囲であるのが好ましく、２〜５０倍モルの範囲であるのがより好ましい。

本発明の方法を連続的に長時間行う場合、上記した第三級芳香族リン化合物は、その少なくとも一部が反応系内で酸化されて、それによりパラジウム化合物および第三級芳香族リン化合物から形成される触媒組成物の触媒活性が低下する傾向にある。そのため、本発明の方法を実施するにあたり、第三級芳香族リン化合物の減少量に相当する量の第三級芳香族リン化合物を、適宜、反応系内に断続的または連続的に添加するのが好ましい。なお、反応系内における第三級芳香族リン化合物の減少量は、反応系内から反応液を一部抜き取り、ガスクロマトグラフィーにより測定することで把握できる。

上記した第三級芳香族リン化合物の添加方法に特に制限はなく、反応系内に断続的に添加してもよいし、連続的に添加してもよい。かかる第三級芳香族リン化合物の添加量は、反応系内における第三級芳香族リン化合物の量が、パラジウム化合物中のパラジウム原子に対して２〜１００倍モルの範囲となるよう調整するのが好ましく、２〜５０倍モルの範囲となるよう調整するのがより好ましい。

本発明の方法で使用するギ酸の第三級アミン塩は、ギ酸と第三級アミンを混合することにより得られる。第三級アミンは、生成物である３−ブテン−１−オールとの分離容易性の観点から、３−ブテン−１−オールよりも３０℃以上沸点が高いことが好ましく、５０℃以上沸点が高いことがより好ましい。かかる第三級アミンとしては、例えばＮ−メチルジブチルアミン、トリブチルアミン、トリイソブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルオクチルアミン、Ｎ−メチルジオクチルアミン、トリオクチルアミン、トリイソオクチルアミン、トリイソデシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルドデシルアミン、トリデシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルミリスチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルパルミチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルステアリルアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアニリンなどのモノアミン；ジピペリジノメタン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル−１，６−ヘキサンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラエチル−１，３−プロパンジアミンなどのジアミン；Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’’，Ｎ’’−ペンタメチルジエチレントリアミンなどのトリアミン；１，１，４，７，１０，１０−ヘキサメチルトリエチレンテトラミンなどのテトラアミンなど挙げられる。これらの中でも、第三級アミンとしては、ジアミン、トリアミン、テトラアミンを使用するのが好ましい。

本発明の方法で使用するギ酸は、通常、工業的に入手容易な７６〜９５質量％ギ酸水溶液をそのまま使用することができる。ギ酸は反応の進行に伴い消費されるので、消費された分のギ酸を２−ブテン−１，４−ジオールと共に反応系内に添加しながら反応を行う。ギ酸の添加方法に特に制限はなく、反応系内に断続的に添加してもよいし、連続的に添加してもよい。ギ酸を反応系内に断続的または連続的に添加する際に、反応系内のギ酸の存在量は、パラジウム化合物および第三級芳香族リン化合物から形成される触媒組成物の安定性の観点から、反応系内に仕込んだ第三級アミンが有する窒素原子に対して０．０５〜１倍モルの範囲であるのが好ましく、０．１〜０．８倍モルの範囲であることがより好ましい。反応系内のギ酸の存在量が反応系内に仕込んだ第三級アミンが有する窒素原子に対して１倍を超えると、パラジウム化合物および第三級芳香族リン化合物から形成される触媒組成物が触媒活性を失う傾向にあり、長期にわたって反応を行うことが困難になる。なお、反応系内で消費されたギ酸の量は、反応系内から反応液の一部を抜き取り、０．１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液を用いた電位差滴定法により定量できる。

本発明の方法は、溶媒の存在下に行う。溶媒を使用しない場合には、パラジウム化合物および第三級芳香族リン化合物から形成される触媒組成物が安定化されず、反応を長期にわたって実施するのが困難である。本発明の方法で使用できる溶媒は、生成物である３−ブテン−１−オールとの分離容易性の観点からは、３−ブテン−１−オールよりも３０℃以上沸点が高いことが好ましく、５０℃以上沸点が高いことがより好ましい。かかる溶媒としては、例えばエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテルなどのエーテル；Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルプロピオンアミド、Ｎ−メチルピロリドンなどのアミド；ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド；メチルスルホンなどのスルホン；スルホランなどが挙げられる。これらの溶媒は１種類を単独で使用してもよいし、２種類以上を併用してもよい。

溶媒の使用量は、反応混合液全量に対して、通常、１０〜９０質量％の範囲であるのが好ましく、２０〜８０質量％の範囲であるのがより好ましく、３０〜７０質量％の範囲であるのがさらに好ましい。

本発明の方法における反応温度は、５０〜１８０℃の範囲であることが好ましく、１００〜１５０℃の範囲であることがより好ましい。また、反応圧力に特に制限はなく、減圧下、常圧下、加圧下のいずれでも実施できる。また、本発明の方法は第三級芳香族リン化合物の酸化を抑制する観点から、窒素、アルゴンなどの反応に不活性な気体の雰囲気下に実施するのが好ましい。

本発明の方法において、パラジウム化合物および第三級芳香族リン化合物から形成される触媒組成物は、反応系内にパラジウム化合物と第三級芳香族リン化合物を添加、攪拌することにより調製することもできるし、パラジウム化合物および第三級芳香族リン化合物を反応に用いる溶媒と同種類の溶媒を用いて予め混合して調製し、反応系に添加してもよい。後者の場合、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下、溶媒にパラジウム化合物および第三級芳香族リン化合物を添加し、攪拌混合して溶解させる。温度は１０〜１５０℃の範囲が好ましく、５０〜１００℃の範囲がより好ましい。攪拌時間は、通常、５分〜１０時間の範囲が好ましく、３０分〜５時間の範囲がより好ましい。なお、触媒組成物調製の際に熟成を行うと、３−ブテン−１−オールの選択性がさらに向上する。

本発明の方法では、パラジウム化合物、第三級芳香族リン化合物、ギ酸の第三級アミン塩及び溶媒の混合物の存在する反応系内に、２−ブテン−１，４−ジオール、ギ酸及び必要に応じて第三級芳香族リン化合物を断続的または連続的に添加して２−ブテン−１，４−ジオールとギ酸の第三級アミン塩を反応させる際、水および生成した３−ブテン−１−オールを含む生成物（他に、２−ブテン−１−オール、クロトンアルデヒドおよびその他の低沸点副生成物を含み、以下これらを「反応留出混合液」と総称することがある）を、好ましくは連続的に留去しながら反応させる。かかる反応形式をとることにより、長期にわたり、安定的に３−ブテン−１−オールを製造できる。上記の方法では、反応留出混合液中にはパラジウムが含まれないため、特許文献３のように、３−ブテン−１−オールから２−ブテン−１−オールへの異性化を抑制するためにパラジウム化合物由来の触媒を失活させる必要はなく、パラジウム化合物および第三級芳香族リン化合物から形成される触媒組成物を安定に長期間使用できるので工業的に有利である。

本発明の方法で生成する反応留出混合物には、３−ブテン−１−オール、２−ブテン−１−オール、クロトンアルデヒドなどの他に水が含まれるため、まず反応留出混合液から、水を除去する。かかる水の除去方法に特に制限はないが、反応留出混合液に水と共沸する溶剤を添加し、共沸蒸留により除去する方法が好ましい。かかる溶剤としては、例えば、ｎ−ヘキサン、シクロヘキサン、ｎ−ヘプタン、トルエンなどが挙げられる。

上記のようにして水を除去した後、精密蒸留、カラムクロマトグラフィーなどの通常の有機化合物の精製方法を適用することにより、目的とする３−ブテン−１−オールの純度を高めることができる。本発明の方法では、３−ブテン−１−オールの選択率が向上するので相対的にクロトンアルデヒドの副生が抑制され、特許文献４における、生成物にアミンを混合してクロトンアルデヒドと高沸点イミンを生成させてから蒸留分離する工程を省略できるため、工業的に有利である。

なお、本発明で原料として使用する２−ブテン−１，４−ジオールは、市販品を使用することができる。また、２−ブテン−１，４−ジオールは、シス体でもトランス体でもよく、それらの混合物でもよい。シス体とトランス体の混合物を使用する場合、その組成（シス体とトランス体の比）に特に制限はない。

以下、実施例および比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。

＜実施例１＞
仕込口、冷却管、蒸留装置、温度計、攪拌装置を備えた内容量１Ｌの四つ口フラスコに、窒素気流下、トリエチレングリコールジメチルエーテル３４４ｇ、２−ブテン−１，４−ジオール２０３ｇ（２．２８ｍｏｌ）、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’’，Ｎ’’−ペンタメチルジエチレントリアミン９０ｇを仕込んだ。窒素雰囲気下、攪拌しながら８８％ギ酸水溶液８１ｇ（ギ酸として、１．５５ｍｏｌに相当）をフラスコ内に２５分かけて添加した。その間、反応液の温度は２６℃から３５℃まで上昇した。次いで、窒素雰囲気下、トリエチレングリコールジメチルエーテル８．０ｇ中、トリフェニルホスフィン１．０８ｇ（４．１２ｍｍｏｌ）と酢酸パラジウム０．０３３ｇ（０．１５ｍｍｏｌ）から調製した触媒溶液を反応液に添加し、攪拌しながら１３０〜１３５℃に昇温した。反応留出混合液の留出が始まった時点で、２−ブテン−１，４−ジオールを４７．２ｇ／ｈ（０．５４ｍｏｌ／ｈ）、８８％ギ酸水溶液を３０．８ｇ／ｈ（０．５９ｍｏｌ／ｈ）、トリフェニルホスフィンのトリエチレングリコールジメチルエーテル溶液を２．０ｍｌ／ｈ（０．４ｍｍｏｌ／ｈ）の速度で、反応液に２３時間連続で添加し、同時に３−ブテン−１−オール（沸点１１２〜１１４℃／７６０ｍｍＨｇ）、２−ブテン−１−オール（沸点１２１〜１２２℃／７６０ｍｍＨｇ）、クロトンアルデヒド（沸点１０４℃／７６０ｍｍＨｇ）、水およびその他の低沸点副生成物を連続的に留去させながら反応を行い、全２７時間で合計１３４１ｇの反応留出液を得た。該反応留出混合液をガスクロマトグラフィーで分析した結果、３−ブテン−１−オール６０．１質量％（３−ブテン−１−オール／２−ブテン−１−オール＝９２／８）、２−ブテン−１−オール５．１質量％、３−ブテン−１−オールのギ酸エステル２．２質量％、水２９．７質量％、クロトンアルデヒド２．７質量％が生成していることがわかった。
また、フラスコ内には反応液５２１ｇが残存しており、ガスクロマトグラフィーで分析した結果、３−ブテン−１−オール１５．２質量％、２−ブテン−１−オール１．５質量％、３−ブテン−１−オールのギ酸エステル０．２質量％、水０．１質量％、クロトンアルデヒド０．５質量％、２−ブテン−１，４−ジオール０．３質量％が存在していた。反応した２−ブテン−１，４−ジオールを基準にした３−ブテン−１−オールの収率は８５．０％、クロトンアルデヒドの収率は３．９％であった。
上記の反応留出混合液を、ディーン・スタークを付した内容積２Ｌの三口フラスコに収集し、ｎ−ヘキサン１３４ｇを加えて内温６３〜９０℃にて１５時間共沸蒸留することにより、反応留出混合液から水の分離除去を行った。該共沸蒸留後、フラスコ内に残存した混合液の含水率をカールフィッシャー水分計で測定したところ、含水率０．３質量％となっていた。
該脱水混合液を精密蒸留することにより、３−ブテン−１−オール６２９ｇ（８．７２ｍｏｌ、純度９９．０％ｕｐ）を得た。

＜実施例２＞
トリフェニルホスフィンの代わりに、トリス（ｐ−フルオロフェニル）ホスフィンを使用した以外は、実施例１と同様に反応を行った。反応した２−ブテン−１，４−ジオールを基準にした３−ブテン−１−オールの収率は８３．８％、クロトンアルデヒドの収率は３．０％であった。

＜実施例３＞
トリフェニルホスフィンの代わりに、トリス（ｐ−メトキシフェニル）ホスフィンを使用した以外は、実施例１と同様に反応を行った。反応した２−ブテン−１，４−ジオールを基準にした３−ブテン−１−オールの収率は７７．８％、クロトンアルデヒドの収率は２．７％であった。

＜実施例４＞
トリフェニルホスフィンの代わりに、トリ（ｐ−トリル）ホスフィンを使用した以外は、実施例１と同様に反応を行った。反応した２−ブテン−１，４−ジオールを基準にした３−ブテン−１−オールの収率は７９．５％、クロトンアルデヒドの収率は２．１％であった。

＜比較例１＞
トリフェニルホスフィンの代わりに、トリ（ｎ−ブチル）ホスフィンを使用した以外は、実施例１と同様に反応を行った。反応した２−ブテン−１，４−ジオールを基準にした３−ブテン−１−オールの収率は７０．１％、クロトンアルデヒドの収率は１４．５％であった。

＜比較例２＞
トリフェニルホスフィンの代わりに、トリ（ｔ−ブチル）ホスフィンを使用した以外は、実施例１と同様に反応を行った。反応した２−ブテン−１，４−ジオールを基準にした３−ブテン−１−オールの収率は５３．６％、クロトンアルデヒドの収率は２０．６％であった。

本発明の製造方法によれば、医薬品、農薬、香料、各種化学品、樹脂などの原料として有用である３−ブテン−１−オールを好収率かつ安価で、工業的に有利に製造することができる。

Claims (5)

1. パラジウム化合物、第三級芳香族リン化合物、ギ酸の第三級アミン塩および溶媒の混合物に、２−ブテン−１，４−ジオール、ギ酸、および必要に応じて第三級芳香族リン化合物を断続的または連続的に添加し、水および３−ブテン−１−オールを含む生成物を連続的に留出させながら反応させることを特徴とする３−ブテン−１−オールの製造方法であって、
   前記第三級芳香族リン化合物が、トリフェニルホスフィン、トリ（ｐ−トリル）ホスフィン、トリ（ｏ−トリル）ホスフィン、トリ（ｍ−トリル）ホスフィン、トリス（ｐ−クロロフェニル）ホスフィン、トリス（ｐ−フルオロフェニル）ホスフィン、トリ（１−ナフチル）ホスフィン、トリス（ｏ−メトキシフェニル）ホスフィン、トリス（ｐ−メトキシフェニル）ホスフィンから選択される、３−ブテン−１−オールの製造方法。
2. ギ酸の第三級アミン塩を形成する第三級アミンおよび溶媒が、３−ブテン−１−オールよりも３０℃以上高い沸点を有することを特徴とする、請求項１に記載の３−ブテン−１−オールの製造方法。
3. 反応系内のギ酸およびその第三級アミン塩の存在量が、反応系内に添加した第三級アミンが有する窒素原子に対して０．０５〜１倍モルの範囲であることを特徴とする、請求項１または２に記載の３−ブテン−１−オールの製造方法。
4. 第三級芳香族リン化合物を、パラジウム化合物中のパラジウム原子に対して、２〜１００倍モルの範囲になるよう反応系内に断続的または連続的に添加しながら反応させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の３−ブテン−１−オールの製造方法。
5. パラジウム化合物および第三級芳香族リン化合物を予め混合して調製した触媒組成物を反応系に添加することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の３−ブテン−１−オールの製造方法。