JP5867819B2

JP5867819B2 - アセトニトリルの二量化

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Publication number: JP5867819B2
Application number: JP2012049578A
Authority: JP
Inventors: 政弘田島
Original assignee: Shimane Prefecture
Current assignee: Shimane Prefecture
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: JP2013184907A

Description

本発明はアセトニトリルの二量化に関するものである。

シアノ基は、還元反応により一級アミンを生成し、加水分解により一級アミドさらにはカルボン酸となる。しかし、シアノ基を化合物に導入するには、毒性の高い青酸化合物を反応させる方法が主に使用されており、危険である。さらには、未反応の青酸化合物を廃棄処理する場合も、無害化するには多大なエネルギーを必要とするため、シアン化合物を使用しないシアノ基の導入が望まれている。

一方、シアノ基を有するアセトニトリルは、反応性の乏しさから、反応用有機溶媒として広く使用されている。アセトニトリルは、シアン化合物に較べて極めて毒性が低く、アセトニトリルをシアノ基の導入に利用できると、医薬品等の中間体を製造する上で、危険度がはるかに低くなる。

しかし、アセトニトリルの反応性の乏しさから、アセトニトリルと他の化合物を反応させることはほとんど不可能であると思われていた。

最近、光触媒を利用して、アセトニトリルとベンゼンを反応させることによりフェニルアセトニトリルを生成することが確認された。例えば、非特許文献１では、Ｐｄ担持酸化チタンをアセトニトリルとベンゼンの混合液に懸濁させ、紫外線を照射することにより、ベンゼンアセトニトリル、スクシノニトリル等が生成することが示されている。しかし、この反応は、紫外線照射下で３時間反応させており、製造効率が悪く、実用化に供しえるものではない。

第１０８回触媒討論会討論会A予稿集１Ｈ２３

そこで、本発明は、アセトニトリルの反応性を高めることにより、容易にアセトニトリルの二量化反応を可能とする新たなプロセスを提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、アセトニトリルをマイクロリアクター流路に流通させながら放射線を照射することにより、スクシノニトリルを製造する方法を見出した。また、アセトニトリル中に貴金属触媒、または銅、コバルト、ニッケル、鉄等の触媒を共存させることにより、さらに、反応効率が向上することを見出し、本発明を完成するに至った。

上記触媒には、金、銀、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、銅、コバルト、鉄、ニッケル等の金属単体、酸化物、金属錯体、ナノ粒子およびそれらの混合物を使用できる。また担体としては、酸化チタン、ゼオライト、シリカ、アルミナ等、一般的な担体が使用可能である。

本発明の方法により、アセトニトリルの反応性を高め、容易にアセトニトリルの二量化が可能となる。

本発明において好適に使用されるマイクロリアクター反応装置の概略図である。本発明において好適に使用されるマイクロリアクター反応装置の概略図である。

本発明の方法は、アセトニトリルをマイクロリアクター流路に流通させながら、放射線照射によりアセトニトリルを活性化し、スクシノニトリルを製造する方法に関する。以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の単なる一例であって、当業者であれば、適宜設計変更可能である。

（アセトニトリル）
本発明では、反応溶媒を兼ねたアセトニトリルを含む。本発明の方法により、アセトニトリルから、主としてアセトニトリルの二量体であるスクシノニトリルが生成される。

（反応触媒）
本発明では、反応溶液に触媒を添加し、放射線照射時に共存させてもよい。また、マイクロリアクター流路内の放射線透過領域に触媒を固定化して、反応を行ってもよい。本発明に用いることができる触媒は、これらに限定されないが、均一触媒、ナノ粒子触媒、および担体固定化触媒（以下、単に「担持触媒」とする）などがある。本発明に用いられる触媒の詳細を以下に示す。

＜均一触媒＞
本発明では、反応溶液と一緒に、溶媒に溶解した均一触媒をマイクロリアクターに流通させながら放射線照射して反応をおこなってもよい。均一触媒としては、周期表第５類〜第１１類の金属塩、金属錯体およびそれらの混合物を用いることができる。例えば、金化合物、銀化合物、白金化合物、パラジウム化合物、ロジウム化合物、ルテニウム化合物、イリジウム化合物、コバルト化合物、銅化合物、ニッケル化合物、鉄化合物およびこれらの混合物を用いることができる。詳細には、酢酸コバルト、硝酸コバルト、酢酸銅、硝酸銅、酢酸パラジウム、硝酸パラジウム、塩化銀、塩化ルテニウム、塩化ロジウムの金属塩、テトラアンミンパラジウム硝酸塩、ヘキサアンミン白金（ＩＩ）塩、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸塩、テトラクロロ金（ＩＩＩ）酸塩等の金属錯体を用いることができる。

ここで、反応溶液中の均一触媒の濃度は、反応溶液の重さを基準に金属または貴金属として１重量％未満、好ましくは０．１重量％未満である。

＜ナノ粒子触媒＞
本発明では、反応溶液と一緒に、溶媒に貴金属または金属ナノ粒子を混合してマイクロリアクターに流通させながら放射線照射して反応をおこなってもよい。ナノ粒子としては、周期表第５類〜第１１類の金属または金属酸化物、およびそれらの混合物を用いることができる。例えば、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、コバルト、銅、ニッケル、鉄およびこれらの酸化物を、単独または混合して使用できる。ナノ粒子の粒径は、特に制限はしないが、５０ｎｍ以下、詳細には３０ｎｍ以下、より詳細には、粒径１０ｎｍ以下のものが活性が高く好ましい。なお、ナノ粒子の粒径は、電子顕微鏡または動的光散乱法により測定することができる。

ここで、反応溶液中のナノ粒子の濃度は、反応溶液の重さを基準に金属または貴金属として１重量％未満、好ましくは０．１重量％未満である。

金属ナノ粒子触媒の製造方法は、特に制限はされないが、通常の還元方法等で製造することができる。例えば、金属塩水溶液に還元剤を添加して還元する方法、金属水溶液にアルコール等の弱い還元剤を添加して還流しながら還元する方法等がある。この時、金属水溶液にポリビニルピロリドン等の分散剤を添加してもよい。

また、金属酸化物ナノ粒子の製造方法は、特に制限されないが、通常の酸化方法等で製造することができる。例えば、金属水溶液にオゾン等の酸化剤を添加して、金属酸化物を形成する方法、金属塩水溶液にアルカリ水溶液を添加して水酸化物を形成し、乾燥後に、空気中で焼成して酸化物を形成し、さらに、ビーズミル等のナノ粒子粉砕機によりナノ粒子サイズに粉砕する方法がある。溶液中で酸化する場合は、金属塩水溶液にポリビニルピロリドン等の分散剤を添加してもよい。

＜担持触媒＞
さらに本発明では、金属または金属およびこれらの酸化物を含む触媒を担体に担持してもよい。担体に担持することにより、操作性が向上し、より広範囲の用途に利用することができる。

担持される触媒は、周期表第５類〜第１１類の金属の金属単体、酸化物、およびそれらの混合物を用いることができる。好ましくは、金、銀、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、コバルト、銅、ニッケル、鉄等の金属単体、酸化物、およびそれらの混合物を用いることができる。

さらに、担体に担持される金属または金属酸化物触媒は粒子であってもよい。金属または金属酸化物粒子の粒径は、特に制限はしないが、５０ｎｍ以下、詳細には３０ｎｍ以下、より詳細には、粒径１０ｎｍ以下のものが活性が高く好ましい。金属または金属酸化物粒子として、上記ナノ粒子触媒を用いてもよい。なお、金属粒子または金属酸化物粒子の粒径は、電子顕微鏡または一酸化炭素および水素吸着法により測定することができる。

本発明にかかる担持触媒の担体は、特に制限されるものではないが、比表面積が大きい物質を使用することが好ましい。比表面積が大きいと、金属ナノ粒子の担持量を多くしても、粒子間の距離が大きいために、粒子同士が結合して粒子径が増大することを防ぐことができる。当該担体は比表面積が５０ｍ²／ｇ以上であることが好ましく、１００ｍ²／ｇ以上であることがより好ましい。担体の形状は特に制限されないが、以下に詳述する利用形態に応じて異なってもよい。

本発明の担持触媒の担体としては、シリカ、アルミナ、シリカアルミナ、シリカチタニア、ゼオライト、酸化チタン、酸化鉄、酸化銅、メソポーラスシリカ、メソポーラスチタニア、酸化タングステン、酸化ニオブ、窒化炭素、多孔質シリカ、多孔質チタニア、ジルコニア、セリア、活性炭、カーボンブラック、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバー等の無機化合物が利用できる。さらに、これらの担体を構成する主成分に他の元素を付加した化合物も利用できる。

担体に担持される金属粒子または金属酸化物粒子の量は、特に制限されないが、例えば、酸化チタンに担持された金粒子の量は、酸化チタンを基準として、０．０１〜１０．０重量％であることが好ましく、０．１〜２．０重量％であることがより好ましい。また、ゼオライトに担持された白金の量は、ゼオライトを基準として０．０１〜１０．０重量％であることが好ましく、０．１〜２．０重量％であることがより好ましい。

本発明で使用する金属粒子担持触媒は、特に制限されないが、通常の方法で製造することができる。例えば、担体上に金属イオンを含浸させた後、水素化ホウ素ナトリウム等の還元剤を含む溶液中に懸濁して還元する方法、または、担体上に金属イオンを含浸させた後、乾燥し、水素中で還元処理する方法等がある。また、別に製造した金属ナノ粒子または金属酸化物ナノ粒子を担体に担持させて金属粒子担持触媒または金属酸化物担持触媒として使用することもできる。

（その他の成分）
なお、本発明の方法には、本発明の目的を妨げない範囲で他の成分を含ませることができる。例えば、無機酸や無機アルカリなど、副生成物の生成あるいは増加に関与しない範囲で含ませることもできる。また、反応溶液中での触媒粒子の分散性を向上させるために、分散剤を添加してもよい。

（マイクロリアクター流路による反応工程）
次に、本発明のプロセスについて説明する。本発明では、アセトニトリルを反応溶液として、マイクロリアクター流路に流通させながら、放射線照射によりアセトニトリルを活性化して、スクシノニトリルを生成することができる。

本発明において、「放射線」とは電離性を有する高いエネルギーを持った粒子線または電磁波を指す。詳細には、透過性が高く、化合物との反応性が高いためガンマ線および電子線が好ましい。低エネルギー電子線（２００ｋｅＶ未満）を利用する場合は、電子線の透過力が非常に弱いため、深さ１００μｍ未満のマイクロリアクター流路で反応させることが好ましい。

本発明の一実施態様において、触媒を反応溶液に添加してもよく、あるいはマイクロリアクター流路内の放射線透過領域に触媒を固定化して行ってもよい。

触媒を反応溶液に添加して、マイクロリアクター流路を流通させる場合、当該触媒として、金属塩、金属錯体を反応溶液に溶解して使用することができる。また、金属粒子もしくは金属酸化物粒子は、金属粒子もしくは金属酸化物粒子触媒を粒径２０μｍ以下の担体に担持させた触媒を反応溶液に添加してもよい。反応後の触媒は、蒸留、ろ過または遠心分離等により、反応溶液から分離して、再利用することもできる。

また、金属粒子もしくは金属酸化物粒子、または、金属粒子もしくは金属酸化物粒子触媒を担体に担持させた触媒をマイクロリアクター流路の壁面に固定し、反応溶液を流通させてもよい。この場合の担体は、粒径１０μｍ以下の粒子状が好ましいが、特に制限されるものではない。マイクロリアクター流路への触媒の固定化は、特に制限されないが、無機バインダーを使用して固定化することができる。無機バインダーとして、アルミナゾル、シリカゾル等のセラミックスゾルが好ましい。セラミックスゾルと触媒を混合し、流路表面に塗布後、２００℃以上の温度で加熱して、固定化することができる。加熱処理温度は、無機バインダーが固着する温度を選択する必要が有る。また、触媒によっては、無機バインダーでマイクロリアクター流路に固定化後、さらに、還元雰囲気で貴金属粒子を還元処理してもよい。

本発明において好適に使用されるマイクロリアクター反応装置の一例を図１に示す。図１において、マイクロリアクター反応装置は、ポンプ部１ａおよび１ｂ、マイクロリアクター流路部２、放射線照射部３、ペルチェ温度制御部４、流路カバー５、流路カバー押さえ６からなる。ポンプ部１ａおよび１ｂから、アセトニトリル反応溶液をマイクロリアクター流路部２に導入する。また、アセトニトリル反応溶液は、一のポンプ部（図示せず）からマイクロリアクター流路部２に導入されてもよい。

流路カバー５は、低エネルギー電子線が透過できるように１０μｍ以下の金属薄膜が好ましい。金属の種類は、チタン、ベリリウム、アルミニウム、ステンレス等が使用できるが、特に制限されるものではない。耐放射線性が強ければ、カプトン等の樹脂を使用しても良い。ただし、樹脂の場合は、定期的に放射線のダメージを確認する必要がある。

ペルチェ型温度制御部４は、放射線照射によりマイクロリアクター流路部２の温度が上昇するのを抑えるため、または、特定の反応温度に制御するために使用される。放射線照射部３から照射される放射線は、直線状でも良いし、放射状に拡散してもよい。また、Ｘ，Ｙステージ上にペルチェ型温度制御部４およびマイクロリアクター流路部２を設置し、Ｘ，Ｙステージを動かすことにより、マイクロリアクター流路部２全体に放射線が照射できるようにしてもよい。

このような本発明のプロセスを用いた場合に収率及び選択率が向上する理由は定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。

マイクロリアクター中、アセトニトリルが放射線の照射により活性化され、アセトニトリルラジカルが生成し、アセトニトリルラジカルが２分子反応して、スクシノニトリルが生成することとなる。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（スクシノニトリルの合成）
実施例１〜５
１００ｍｌメスフラスコに金属塩粉または金属錯体粉を触媒として５０ｍｇ添加し、金属塩の溶解性が低い場合は希塩酸（１＋１０）１ｍｌを追加で添加した。このメスフラスコに、全体で１００ｍｌになるようにアセトニトリルを添加した。これを反応溶液として、電子線アシスト型マイクロリアクターで反応を行った。

電子線照射装置は、浜松ホトニクス製EB-ENGENE（登録商標）を使用し、照射窓から２０ｍｍの距離にマイクロリアクターの流路をセットした。流路は、幅５００μｍ、深さ１００μｍ、長さ７９ｍｍとした。マイクロリアクター流路は厚さ３μｍのチタン箔でカバーした。また、マイクロリアクター流路は、ペルチェ素子で２０℃に温度制御した。このマイクロリアクター流路に反応溶液を０．０５ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、電子線を照射した。各触媒の種類、希塩酸の添加量、電子線照射条件を表１に示す。

実施例６および７
１００ｍｌメスフラスコに金属塩水溶液または金属錯体水溶液を触媒として１ｍｌ添加し、全体で１００ｍｌになるようにアセトニトリルを添加した。これを反応溶液として、電子線アシスト型マイクロリアクターで反応を行った。

電子線照射装置は、浜松ホトニクス製EB-ENGENE（登録商標）を使用し、照射窓から２０ｍｍの距離にマイクロリアクターの流路をセットした。流路は、幅５００μｍ、深さ１００μｍ、長さ７９ｍｍとした。マイクロリアクター流路は厚さ３μｍのチタン箔でカバーした。また、マイクロリアクター流路は、ペルチェ素子で２０℃に温度制御した。このマイクロリアクター流路に反応溶液を０．０５ｍｌ／ｍｉｎで流しながら、電子線を照射した。各触媒の種類、希塩酸の添加量、電子線照射条件を表２に示す。

分析例１
反応終了後の各反応溶液に内部標準としてナフタレンを加えて、ガスクロマトグラフ法（装置：島津ＧＣ−２００１、カラム：ZB−５、０．２５ｍｍ×３０ｍ）によりスクシノニトリルの定性および定量分析を行った。その結果を表３に示す。

表３のとおり、マイクロリアクター中、電子線の照射によりアセトニトリルが二量化することが確認された。

１ａポンプ部
１ｂポンプ部
２マイクロリアクター流路部
３放射線照射部
４ペルチェ温度制御部
５流路カバー
６流路カバー押さえ

Claims

（１）アセトニトリルを含む反応溶液を提供する工程、
（２）前記反応溶液をマイクロリアクターに導入する工程、
（３）前記マイクロリアクター内の前記反応溶液にガンマ線または電子線を照射して、アセトニトリルを二量化する工程、
を含むことを特徴とするスクシノニトリルの製造方法。
（１）（ａ）アセトニトリルおよび（ｂ）金属触媒を含む反応溶液を提供する工程、
（２）前記反応溶液をマイクロリアクターに導入する工程、
（３）前記マイクロリアクター内の前記反応溶液にガンマ線または電子線を照射して、アセトニトリルを二量化する工程、
を含むことを特徴とするスクシノニトリルの製造方法。
前記マイクロリアクター内に金属触媒または貴金属触媒を固定化していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記触媒が、金属粒子もしくは金属酸化物粒子、または、金属粒子もしくは金属酸化物粒子を担体に担持させた触媒、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
前記触媒が、金属塩、金属錯体、金属粒子もしくは金属酸化物粒子、または、金属粒子もしくは金属酸化物粒子を担体に担持させた触媒、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記触媒が、第５類から第１１類に属する金属の金属単体、酸化物、金属塩、もしくは金属錯体、またはこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の方法。
前記第５類から第１１類に属する金属が、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、レニウム、金、銀、銅、ニッケル、コバルト、鉄、クロム、マンガン、ニオブ、モリブデン、タングステンからなる群から選択される少なくとも一種以上の金属であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記金属粒子または金属酸化物粒子が、シリカ、アルミナ、シリカアルミナ、シリカチタニア、ゼオライト、酸化チタン、酸化鉄、酸化銅、メソポーラスシリカ、メソポーラスチタニア、酸化タングステン、酸化ニオブ、窒化炭素、多孔質シリカ、多孔質チタニア、ジルコニア、セリア、活性炭、カーボンブラック、カーボンナノチューブおよびカーボンナノファイバーからなる群から選ばれる少なくとも一種以上の担体に担持されていることを特徴とする請求項４から７のいずれか一項に記載の方法。
前記触媒が、テトラアンミンパラジウム（ＩＩ）塩、テトラクロロパラジウム（ＩＩ）酸塩、ヘキサクロロパラジウム（ＩＶ）酸塩、硝酸パラジウム（ＩＩ）、酢酸パラジウム（ＩＩ）、テトラアンミン白金（ＩＩ）塩、テトラクロロ白金（ＩＩ）酸塩、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸塩、塩化ロジウム、酢酸ロジウム、ヘキサアンミンルロジウム（ＩＩＩ）塩、塩化ルテニウム、ヘキサクロロルテニウム（ＩＶ）酸塩、酢酸ルテニウム、硝酸ルテニウム、テトラクロロ金（ＩＩＩ）酸塩、ヘキサクロロイリジウム（ＩＶ）酸塩、ヘキサクロロイリジウム（ＩＩＩ）酸塩、硝酸銀、酢酸コバルト、硝酸コバルト、塩化コバルト、酢酸銅、硝酸銅、塩化銅、酢酸ニッケル、硝酸ニッケル、塩化ニッケル、酢酸鉄、硝酸鉄、もしくは塩化鉄、またはこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項４から８のいずれか一項に記載の方法。