JP5907005B2 - ビフェニル化合物の合成方法 - Google Patents

Description

本発明は、不均一系パラジウム担持炭素触媒及びフッ化テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム（ＴＢＡＦ）を使用した、トリフェニルビスマス化合物と芳香族ヨード化合物との反応によるビフェニル化合物の合成方法に関する。

パラジウム触媒（以下、Ｐｄ触媒という。）および塩基の存在下における有機ビスマス化合物とアリールハライドあるいはアリールハライド等価体とのクロスカップリング反応は、有機ビスマス化合物の空気中での安定性、また廃棄物である無機ビスマスの安全性（無機ビスマスは化粧品などにも使用可能）の点で、安全で環境負荷の低い反応として注目されている。

このような有機ビスマス化合物を用いたクロスカップリングは、これまでにも多数報告されている。有機ビスマス化合物を用いたクロスカップリングでは、パラジウム触媒、リガンド及び塩基を使用する方法が知られているが、この方法で使用されるパラジウム触媒は全て塩化パラジウムなどの均一系パラジウム触媒であった。このような従来型の均一系パラジウム触媒を使用したクロスカップリング反応の例をあげると、以下のとおりである（非特許文献１）。

上記式中、ＰｄＣｌ_２は均一系パラジウム触媒である塩化パラジウム水溶液を表し、ＰＰｈ_３はリガンドとして使用されるトリフェニルホスフィンを表し、ＤＭＡは溶剤として使用されるＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドを表し、ＯＴｆはトリフラートアニオンを表し、Ｒ_３はＨ、Ｍｅ又はＭｅＯを表し、Ｒ_４はＡｃ、Ｎ_２Ｏ、ＣＮ、ＣＦ_３、ＣＯＰｈ、ＣＯＯＥｔ、Ｍｅ、Ｃｌ又はＦを表す。ここでＭｅはメチル、Ｅｔはエチル、Ｐｈはフェニル、Ａｃはアセチルを表す。

上記の反応例では、塩基としてのＣｓ_２ＣＯ_３がトリフェニルビスマス１当量に対して４当量使用されているが、パラジウム触媒を使用したクロスカップリング反応においては金属交換反応を促進する目的で塩基を加えることが一般的である。

従来の均一系Ｐｄ触媒を使用したビフェニル化合物の合成では、Ｐｄ触媒を生成物中から分離、回収することが困難であった。そのために生成物中への残留Ｐｄが懸念されていた。また、均一系Ｐｄ触媒を使用した反応では、Ｐｄ触媒を繰り返し使用することが難しく、ビフェニル化合物の合成コストを低減することも困難であった。一方、従来の均一系Ｐｄ触媒を使用したビフェニル化合物の合成において、均一系Ｐｄ触媒に換えて不均一系触媒としてＰｄ／Ｃを使用した反応は検討されてこなかった。

また、クロスカップリング反応では、非特許文献１に記載のように、リガンドを使用することが知られている。リガンドは選択性の向上を目的として使用されるが、触媒としてのパラジウムに錯体として配位する。このようにリガンドと配位結合したパラジウムは、溶媒中に溶出してしまうことがあり、生成物中への残留も懸念される。

更にまた、リガンドを使用することによる触媒中に含まれるパラジウムの溶出は、触媒として不均一系触媒であるＰｄ／Ｃを使用した場合にも好ましくない。不均一系触媒（Ｐｄ／Ｃ）は、反応に使用したＰｄ触媒を生成物から分離、回収することで、高価な触媒を再利用することを目的に使用されるが、パラジウムが溶出すると、再利用した触媒中のパラジウムの濃度が低下してしまい、再利用しても所望の反応効率が得られないことが懸念される。

Ｒａｏ，Ｍ．Ｌ．Ｎ．Ｊａｄｈａｖ，Ｄ．Ｎ．Ｂａｎｅｒｊｅｅ，Ｄ．Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ２００８，６４，５７６２−５７７２頁

本発明は、上述したような従来技術の欠点を解消すべく、リガンドを使用しなくても高い収率でビフェニル化合物を得ることができ、さらに、単純なろ過のみで生成物との分離、回収が可能であって且つ触媒の再利用も容易な不均一系のＰｄ／Ｃ触媒を使用し、有機ビスマス化合物と芳香族ヨード化合物とのクロスカップリング反応によって高収率でビフェニル化合物を合成する方法を提供することを目的とする。

本発明は、下記式（１）で表されるトリフェニルビスマスと、

（式中、Ｒ_１は水素原子又は低級アルキル基を示す）
下記式（２）で表される芳香族ヨード化合物：

（式中、Ｒ_２は低級アルキル基、ニトロ基、低級アルコキシ基、アセチル基、又は水素原子を示す。）
とを、溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、触媒としてパラジウム担持炭素触媒、塩基としてフッ化テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム（ＴＢＡＦ）を使用して、不活性ガス雰囲気中で反応させることを特徴とする、下記式（３）で表されるビフェニル化合物：

（式中、Ｒ_１及びＲ_２は前記の通りである。）
の合成方法である。

以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
［トリフェニルビスマス］
本発明に使用されるトリフェニルビスマス化合物は、前記式（１）で表される。式（１）中、Ｒ_１は水素原子又は炭素原子数１〜３（Ｃ１−Ｃ３）のアルキル基、好ましくは水素原子又はメチル基、更に好ましくは水素原子を表す。

［芳香族ヨード化合物］
本発明に使用される式（２）で表される芳香族ヨード化合物において、Ｒ_２は炭素原子数１〜３（Ｃ１−Ｃ３）のアルキル基、ニトロ基、炭素原子数１〜３（Ｃ１−Ｃ３）のアルコキシ基、アセチル基、又は水素原子であるが、好ましくはメチル基、ニトロ基又はメトキシ基であり、特にメチル基、メトキシ基である時に高い収率が得られる。また、Ｒ_２がメチル基又はメトキシ基、特に3−若しくは４−メチル基、又は3−若しくは４−メトキシ基である場合、特に高い収率でビフェニル化合物が得られる。
なお、本発明においては芳香族ヨード化合物が使用されるが、公知のカップリング反応同様に、芳香族ヨード化合物の他に、芳香族臭素化合物や芳香族ＯＴｆ化合物も使用できる可能性がある。
また、本願で芳香族ヨード化合物の芳香族環はフェニル基であるが、複素芳香族化合物やナフチル基等、他の多環芳香族炭化水素や、ベンゾピラン他の含酸素複素環式化合物も使用した場合も本発明の方法を適用できる。

本発明における芳香族ヨード化合物の使用量は、トリフェニルビスマス化合物１モルに対し、３〜９モルが好ましく、５〜７モルがより好ましい。下限値については不足なく反応させるための量的な比例関係を満たすための値であるが、多すぎると収率が低下することがある。

［Ｐｄ／Ｃ触媒］
本発明で不均一系触媒として使用されるＰｄ／Ｃ触媒は特に限定されないが、比表面積値（ＢＥＴ値）、粒子径分布、Ｐｄ量は以下の範囲にあることが好ましい。
比表面積値（ＢＥＴ値）；８００〜１，５００ｍ^２／ｇ、より好ましくは１０００〜１，５００ｍ^２／ｇ。ＢＥＴ値が小さすぎると、Ｐｄの分散性が低下し、反応の活性も低下することがあり、ＢＥＴ値が大きすぎると触媒の活性自体は上がるものの、目的とする反応以外の副反応や、基質の分解が生じることがある。
粒子径分布；全粒子の５０％以上の粒子径の分布（５０％粒度分布）が１０〜７５μｍの範囲に含まれ、より好ましくは４５〜７５μｍに含まれる。５０％粒度分布が小さすぎると反応後の触媒の分離が困難になり触媒の再利用が難しくなる。５０％粒度分布の粒子径が大きすぎると、単位体積あたりのＰｄ／Ｃの表面積が小さくなり、触媒の活性が低下することがある。
Ｐｄ担持量；Ｐｄ／Ｃの単位重量あたり、金属パラジウム換算で１〜３０ｗｔ％が好ましく、５〜２０ｗｔ％がより好ましく、７．５〜１２．５ｗｔ％担持が最も好ましい。Ｐｄ担持量が少なすぎると触媒の活性が低下することがあり、多すぎてもコスト面で不利であったり、目的とする反応以外の副反応が生じたり、基質の分解が生じることがあったり、後述する炭素担体へのＰｄ担持工程でＰｄ金属の凝集が生じることがあり、凝集したＰｄ金属は活性面が小さく、触媒としての活性が低下してしまうことがある。

本発明のＰｄ／Ｃ触媒の製法は特に限定されず、公知の方法で調整してもよいが、その一例を以下に示す。
必要に応じて塩酸、硝酸などの酸で適宜ｐＨを調整したパラジウム塩の水溶液と、炭素担体とを用意し、これらを混合した後、還元剤でパラジウム塩を還元し、この混合物をろ過・水洗・乾燥して炭素担体上に金属パラジウムを担持したＰｄ／Ｃを得ることができる。
ここで前記炭素担体は、石炭，石油，椰子殻，木材等を破砕した活性炭が使用できるが、このような活性炭以外でも、同様の性質を有する炭素材料であれば使用することができる。
前記パラジウム塩としては塩化パラジウム、硝酸パラジウム等が使用でき、前記還元剤としては、ホルマリン、メタノール、ギ酸、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウム、水素ガス等が使用できる。なお、本発明の趣旨を阻害しない範囲であれば、パラジウム塩以外の金属塩や他の成分が共存していてもよく、パラジウム塩の還元にあたっては必要に応じて加熱する工程を加えても良い。

本発明に使用されるＰｄ／Ｃ触媒は、概ね上記のような方法により製造することができるが、市販のＰｄ／Ｃ触媒を使用してもよい。このようなＰｄ／Ｃ触媒としては、エヌ・イー ケムキャット株式会社製 ［５％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ］、［１０％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ］、［２０％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ］等がある。これらの触媒の％表示は、それぞれ、触媒の単位重量あたりに担持されているパラジウムの金属換算の重量である。

本発明におけるＰｄ／Ｃ触媒の使用量は、式（１）のトリフェニルビスマス化合物に対し、Ｐｄ金属換算で１〜３０ｍｏｌ％が好ましく、５〜２０ｍｏｌ％がより好ましい。少なすぎると反応が遅くなったり収率が低下することがあるが、多すぎても、コスト面で不利であったり使用量に応じた反応の促進効果が得られないことがある。

［フッ化テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム］
本発明において、塩基としてフッ化テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム（以下、ＴＢＡＦという）が使用される。ＴＢＡＦは一般に３水和物として入手可能であり、本願実施例においても、ＴＢＡＦ・３Ｈ_２Ｏを使用している。
本発明におけるＴＢＡＦは、Ｐｄ／Ｃ触媒を使用した、有機ビスマス化合物とアリールハライドとのクロスカップリング反応における塩基として使用される。
本発明におけるＴＢＡＦの量は３水和物として、トリフェニルビスマス化合物１モルに対し、３〜９モルが好ましく、３〜７モルがより好ましい。

［溶剤］
本発明では、溶剤としてＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰという）が使用される。ＮＭＰを使用することで、特に高い収率で本発明の目的であるビフェニル化合物を得ることができることが確認されている。ＮＭＰの使用量は、トリフェニルビスマス化合物１ミリモルに対して、通常１〜２０ｍｌ、好ましくは４〜１５ｍｌ、より好ましくは５〜１０ｍｌである。

本発明ではリガンドを使用せずともビフェニル化合物の合成が可能である。

本発明における反応温度は特に限定されるものではないが、室温（２５℃）以上であればよく、反応を促進するためには７０℃以上であることが好ましく、副反応の抑制や、基質や生成物、また塩基であるＴＢＡＦの分解を招かないためには１６０℃以下であることが好ましく、１５０℃以下であることがより好ましく、１４０℃以下が特に好ましい。反応時間は通常、１２〜４８時間である。反応が行われる不活性ガス雰囲気の不活性ガスとしては、チッ素ガス、アルゴンガス等が使用し得るが、アルゴンガスが好ましい。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

［実施例１〜５、比較例１］
トリフェニルビスマス化合物を０．２５ｍｍｏｌ、芳香族ハライド化合物をトリフェニルビスマス化合物１当量に対して所定の当量、触媒として１０％−Ｐｄ／Ｃ（エヌ・イー ケムキャット株式会社製 商品名；１０％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ（ＢＥＴ値；１，１００ｍ^２／ｇ、５０％粒度分布；４５〜７５μｍ））をトリフェニルビスマス化合物に対してパラジウム金属換算で５ｍｏｌ％、塩基としてＴＢＡＦをトリフェニルビスマス化合物１当量に対して６当量、溶剤としてＮＭＰを２ｍｌ用いて、トリフェニルビスマス化合物と芳香族ハライド化合物とを１４０℃で、アルゴンガス雰囲気中で２４時間攪拌してクロスカップリング反応させた。
その後、Ｐｄ／Ｃ触媒をろ過分離し、^１Ｈ−ＮＭＲにて得られた生成物を分析し、ＧＣ／ＭＳにて収率を測定した。実施例における反応式を式（４）して記し、結果を表１に示す。

続いて、下記参考例をもってＰｄの溶出量について検証を行った。
［参考例１］
上記実施例１において、基質（芳香族ヨウ素化合物）を変更したほかは同様の操作によって下記のクロスカップリング反応を行った。反応式（５）を以下に記す。

［参考例２］
トリフェニルビスマスを０．２５ｍｍｏｌ、芳香族ヨウ素化合物をトリフェニルビスマス１当量に対して３．３当量、触媒として１０％−Ｐｄ／Ｃ触媒（エヌ・イー ケムキャット株式会社製 商品名；１０％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ（ＢＥＴ値；１，１００ｍ^２／ｇ、５０％粒度分布；４５~７５μｍ））をトリフェニルビスマス化合物に対してパラジウム金属換算で５ｍｏｌ％、リガンドとして２，２−ビキノリン（トリフェニルビスマス化合物に対して２０ｍｏｌ％、塩基としてフッ化セシウムをトリフェニルビスマス化合物１当量に対して６当量、溶剤としてＮＭＰを２ｍｌ用い、得られた混合物を１４０℃で、アルゴンガス雰囲気中で２４時間攪拌してクロスカップリング反応させた。反応式（６）を以下に記す。

［参考例３］
また、本発明のＰｄ溶出抑制効果を比較するために、基質、リガンド、塩基、反応温度を変更した他、上記参考例２と同様の操作によって下記の反応を行った。式中のリガンドであるＤＡＢＣＯは１，４−ジアザビシクロ［２．２．２］オクタンの略である。反応式（７）を以下に記す。

上記の参考例１、参考例２、参考例３について、反応後の触媒をろ過し、溶出によって失われた金属換算のＰｄの量を、誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ；Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ − Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定した。その結果、参考例１では０．１６質量％、参考例２では２．９質量％、参考例３では１７質量％であった。このことから、本発明のように、リガンドを使用せず、塩基としてＴＢＡＦを使用した反応では、Ｐｄ触媒の溶出が著しく低減されていることがわかる。

Claims (6)

1. 下記式（１）で表されるトリフェニルビスマス：
   ［化１］
   

   

   
   （式中、Ｒ_１は水素原子又は低級アルキル基を示す）と、
   下記式（２）で表される芳香族ヨード化合物：
   ［化２］
   

   

   
   （式中、Ｒ_２は低級アルキル基、ニトロ基、低級アルコキシ基、アセチル基、又は水素原
   子を示す。）
   とを、溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、触媒として不均一系パラジウ
   ム担持炭素触媒、塩基としてフッ化テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム（ＴＢＡＦ）を使用
   し、かつリガンドを使用しないで、不活性ガス雰囲気中で反応させることを特徴とする、下記式（３）で表されるビフェニル化合物：
   ［化３］
   

   

   
   （式中、Ｒ_１及びＲ_２は前記の通りである。）
   の合成方法。
2. 式（１）中のＲ_１が水素原子又はメチル基を示す、請求項１記載の合成方法。
3. 式（２）中のＲ_２がＣ１−Ｃ３アルキル基、ニトロ基及びＣ１−Ｃ３アルコキシ基から
   選ばれる、請求項１又は２記載の合成方法。
4. 式（２）中のＲ_２がメチル基又はメトキシ基である、請求項３に記載の合成方法。
5. 前記芳香族ヨード化合物の使用量が、トリフェニルビスマス化合物１モルに対し、３〜
   ９モルである、請求項１〜４のいずれか１項記載の合成方法。
6. 前記ＴＢＡＦの使用量が、トリフェニルビスマス化合物１モルに対し、３〜９モルであ
   る、請求項１〜５のいずれか１項記載の合成方法。