JP6457522B2 - グリコールのアシル化における向上した位置選択性 - Google Patents

Description

優先権の利益
本出願は、２０１３年１２月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／９１８，１４４号の優先権の利益を主張するものであり、その内容を参照によって本明細書に組み込む。

発明の分野
本開示は、ポリマー合成においてモノマーとして有用な特定の環式二官能性材料ならびに中間体化学的化合物に関する。特に、本発明は、１，４：３，６−ジアンヒドロヘキシトールのエステルおよびその調製のための方法に関する。

従来、ポリマーおよびコモディティケミカルは、石油由来の原材料から調製されてきた。石油供給には、ますます費用がかかり、入手が難しくなってきているため、生物学的に誘導された原料由来の再生可能な、または「環境に優しい」代替材料を開発するために関心および研究が増加してきている。この代替材料は、従来の石油ベースもしくは石油由来の同等物に対して商業的に許容される代替物としての役目を果たすことになる化学物質のため、または再生不能な化石原料から生成されるのと同じ材料を生成するためのものである。

そのような材料に対する生物学的に誘導されたまたは再生可能な代替原材料の最も豊富な種類の１つが炭水化物である。しかしながら、炭水化物は、一般に現在の高温工業的プロセスには適さない。官能基化の程度が低い石油ベースの疎水性脂肪族または芳香族原材料と比較して、ポリサッカライドなどの炭水化物は、複雑な過官能化親水性材料である。その結果、研究者らは、炭水化物から誘導することができるが、２，５−フランジカルボン酸（ＦＤＣＡ）、レブリン酸および１，４：３，６−ジアンヒドロヘキシトールなどのさらに安定な二官能性化合物を含む、そこまで高度に官能化されていない生物学に基づく化学物質を生成しようと努めてきた。

１，４：３，６−ジアンヒドロヘキシトール（本明細書においてイソヘキシドとも呼ぶ）は、穀類ベースのポリサッカライド由来の再生可能資源から誘導される。イソヘキシドは、対応する還元糖アルコールに由来する二環式フラノジオールのクラスを包含する（それぞれＤ−ソルビトール、Ｄ−マンニトールおよびＤ−イジトール）。キラリティーに応じて、イソヘキシドの３つの異性体、すなわち、それぞれＡ）イソソルビド、Ｂ）イソマンニドおよびＣ）イソイジドが存在する。それらの構造をスキームＡに示す。

これらの分子実体は、さまざまな理由で相当関心を得ており、有益な有機化学の足場として認識されている。いくつかの有益な特質としては、これらの調製および精製の比較的容易さ、使用される親原材料の固有の経済性が挙げられ、これは、それらが再生可能なバイオマス起源であり、再生不能な石油化学製品の代用品として大きな可能性をもたらすことによるだけでなく、おそらく最も重大には設計および合成される誘導体を実質的に無制限に拡大することを可能にする固有のキラル二官能基にもよる。

イソヘキシドは、シス縮合した２つのテトラヒドロフラン環からなり、ほぼ平面で、環間が１２０°の角度のＶ字形をしている。ヒドロキシル基は炭素２および５に位置しており、Ｖ字形の分子の内側または外側のいずれかの位置にある。それらのヒドロキシル基は、それぞれ、エンドまたはエキソと呼ばれる。イソイジドは２つのエキソヒドロキシル基を有する一方、イソマンニドではヒドロキシル基は共にエンドであり、イソソルビドでは１つがエキソで１つがエンドヒドロキシル基である。エキソ置換基の存在は、エキソ置換基が結合している環の安定性を高める。また、エキソおよびエンド基は異なる反応性を呈する、それは誘導体化反応の立体的要件により多かれ少なかれ接触可能であるためである。

天然資源から誘導される化学物質への関心が増しているため、可能性のある工業的用途により、イソヘキシドの生成および使用に対して関心が生まれてきている。例えば、高分子材料の分野において、工業的用途には、重縮合物を合成または修飾するためのこうしたジオールの使用が含まれてきた。モノマーとしてのジオールの魅力的な特徴は、剛性、キラリティー、非毒性および石油から誘導されたのではないという事実に関連する。このような理由で、良好な熱機械的耐久性および／または特別な光学的性質があるガラス転移温度が高いポリマーの合成が可能である。分子の無害な特性も、包装材料または医療機器への利用の可能性を開く。例えば、工業規模でポリマー合成の要件を満たす純度のイソソルビドを生成することは、イソソルビドが工業的ポリマー用途においてすぐに台頭することができることを示唆する。（例えば、F. Fenouillotら、「Polymers From Renewable 1,4:3,6-Dianhydrohexitols（Isosorbide, Isommanide and Isoidide): A Review」、Progress in Polymer Science、35巻、578〜622ページ（2010年）；またはX. Fengら、「Sugar-based Chemicals for Environmentally sustainable Applications」、Contemporary Science of Polymeric Materials、Am. Chem. Society、2010年12月；あるいはイソソルビドベースの可塑剤、例えば、米国特許第６，３９５，８１０号を参照。それぞれの内容は参照によって本明細書に組み込まれる。）

本開示は、イソヘキシド化合物の酸触媒アシル化のための方法を部分的に記載する。一般に、本方法は、イソヘキシドと過剰なカルボン酸を用いて、ルイス酸またはブレンステッド酸触媒の存在下において特定の反応温度で、対応するモノエステル生成物を少なくとも３．４：１のエキソ／エンド位置選択性比で生成するのに十分な時間、フィッシャーエステル化を行う工程を含む。この反応は、約１５０℃〜約２５０℃の温度において、最大約２４時間の間、行われる。一般に、反応時間は、約１０または１２時間以内、好ましくは約１０〜４０分間と約５〜１２時間の間、一般に６〜８時間以内である。一般に、反応温度は、約１７０℃から２２０℃まで、好ましくは約１７５℃から約２０５℃までの範囲である。

本方法において、イソヘキシドは、イソソルビド、イソマンニドおよびイソイジドのうちの少なくとも１つまたは複数である。カルボン酸は、Ｃ_２〜Ｃ_２６に及ぶ炭素鎖長を有する少なくともアルカン酸、アルケン酸、アルキン酸および芳香族酸であってもよい。特定の実施形態において、カボジリカ酸は、２−エチルヘキサン酸、ヘキサン酸またはオクタン酸であってもよい。

カルボン酸は、イソヘキシド含有量に対して約２倍〜約１０倍モル過剰に、一般に約３倍モル過剰で存在する。

ルイス酸は、少なくとも２−エチルヘキサン酸スズ（ＩＩ）、ジブチル−スズ（ＩＩ）クロリド、ハフニウムコリド、ジブチルスズマレアート、塩化スズ（ＩＩ）、塩化チタン（ＩＶ）、塩化ビスマス、ランタン（ＩＩＩ）トリフラート、酸化ジブチルスズ（ＩＶ）、鉄（ＩＩＩ）トリフラート、塩化アルミニウム、ビスマストリフラート、ガリウムトリフラート、スカンジウムトリフラートまたはそれらの組み合わせである。望ましくは、ルイス酸は塩化ジルコニウム（ＩＶ）である。ブレンステッド酸は、硫酸またはｐ−トルエンスルホン酸またはホスホン酸である。エキソ／エンド位置選択性比は、ルイス酸およびブレンステッド酸触媒に対して約３．４：１から約３．９：１までの範囲である。ホスホン酸がブレンステッド酸触媒である場合、エキソ／エンド位置選択性比は約３．８：１〜約４．４：１である。塩化ジルコニウム（ＩＶ）がルイス酸触媒である場合、エキソ／エンド位置選択性比は約４．９：１〜約５．３：１である。

ルイス酸は、約０．０００１重量％から約１０重量％までの範囲の触媒添加量で存在する。ルイス酸およびブレンステッド酸は、それぞれ約３重量％〜約８重量％である触媒添加量で存在する。

別の態様において、本開示はまた、ルイス酸またはブレンステッド酸触媒のいずれかを使用して約１５０℃〜約２５０℃の範囲の温度で、エンドよりも高いエキソ位置選択性の選択を示すイソヘキシドと酸の反応から生成されるモノエステル生成物に関する。

モノエステル、エキソおよびエンド生成物の全体的な合成の概略図である。 本発明の実施形態に従って合成された異性体のガスクロマトグラフィー（ＧＣ）によって行われた定量分析から得られた結果のクロマトグラムである。 エナンチオマーの組および触媒としてＺｒＣｌ_４とともに生成されたモノエステルへの変換におけるエキソ／エンド選択の位置選択性の概要を示す表である。 ３つのイソヘキシド種（イソマンニド、イソソルビドおよびイソイジド）それぞれが、触媒としてホスホン酸とともにそれらの対応するエステルに変換される百分率比に変換したエンド／エキソ−ヒドロキシル基の相対的な位置選択的選択を比較するグラフである。 自触媒作用基準と比較した場合のイソヘキシド化合物の位置選択性の相対的変化を示すグラフである。ＺｒＣｌ_４およびホスホン酸に関する位置選択性の変化は、他の触媒と比較して際立っている。

セクションＩ−説明
再生不能な石油化学製品の代用品として大きな可能性をもたらすバイオマス由来の化合物として、１，４：３，６−ジアンヒドロヘキシトールは再生可能な分子実体として高く評価される二環式フラノジオールのクラスである。（便宜上、１，４：３，６−ジアンヒドロヘキシトールは、本明細書において以下「イソヘキシド」と呼ぶ。）上述のとおり、イソヘキシドは、固有のキラル二官能基のため、最近、関心を得ている優れた化学的プラットフォームであり、合成できる既存および新規の両方の誘導体化合物の大幅な拡大を可能にする可能性がある。

イソヘキシド出発材料は、それぞれイソソルビド、イソマンニドまたはイソイジドを作製する既知の方法によって得られる。イソソルビドおよびイソマンニドは、対応する糖アルコールであるＤ−ソルビトールおよびＤマンニトールの脱水から誘導することができる。イソソルビドはまた、市販の製品として製造業者から容易に入手することができる。第３の異性体であるイソイジドは、Ｌ−イドースから生成することができ、これは、まれに天然に存在するが、植物バイオマスから抽出することはできない。このため、研究者らは、イソイジドに対するさまざまな合成手法を精力的に探求している。例えば、イソイジド出発材料は、イソソルビドからのエピマー化によって調製することができる。Ｌ． Ｗ． Ｗｒｉｇｈｔ、Ｊ． Ｄ． Ｂｒａｎｄｎｅｒ、Ｊ． Ｏｒｇ． Ｃｈｅｍ．、１９６４年、２９（１０）、２９７９〜２９８２ページにおいて、エピマー化は、珪藻土に担持されたニッケルを使用したＮｉ触媒反応によって引き起こされる。この反応は、１５０気圧の圧力で２２０℃〜２４０℃の温度などの比較的過酷な条件下において行われる。この反応は、約２時間後に安定な状態に達し、平衡混合物はイソイジド（５７〜６０％）、イソソルビド（３０〜３６％）およびイソマンニド（５〜７〜８％）を含む。イソイジドまたはイソマンニドから開始した場合、類似の結果が得られた。ｐＨを１０〜１１に上げると、ならびに温度およびニッケル触媒濃度を上げると、促進効果があることがわかった。同様の開示は、イソソルビドまたはイソマンニドを異性化することを提示している米国特許第３，０２３，２２３号において見出すことができる。さらに最近、Ｐ． Ｆｕｅｒｔｅｓが、Ｌ−イジトールおよびＬ−ソルボースの混合物のクロマトグラフ分別によってＬ−イジトール（イソイジドの前駆体）を得るための方法を提示した（米国特許出願公開第２００６／００９６５８８号；米国特許第７，６７４，３８１Ｂ２号）。Ｌ−イジトールは、ソルビトールから開始して調製される。第１の工程において、ソルビトールは、発酵によってＬ−ソルボースに変換され、その後、それが水素化されてＤ−ソルビトールおよびＬ−イジトールの混合物になる。この混合物は、その後、Ｌ−イジトールおよびＬ−ソルボースの混合物に変換される。Ｌ−ソルボースからの分離後、Ｌ−イジトールは、イソイジドに変換することができる。このように、ソルビトールは、４工程反応において約５０％の収率でイソイジドに変換される。（引用文献の内容は参照によって本明細書に組み込まれる。）

本発明者らは、１つまたは複数のルイス酸および／またはブレンステッド酸が、生成物においてイソヘキシドのエキソ−ＯＨに対してエンド−ＯＨよりも際立って高い位置選択性でイソヘキシドのその対応するモノおよびジエステルへの変換を促進することができることを発見した。特定の触媒酸種としては、例えば、ルイス酸である塩化ジルコニウム（ＺｒＣｌ_４）および還元ブレンステッド酸であるホスホン酸（Ｈ_３ＰＯ_３）（亜リン酸としても知られる）が挙げられ、それぞれ約５．０±０．３：１および約４．０±０．３：１のエキソ：エンド位置選択性比を示す。

ホスホン酸は、結晶性固体で、商業的に入手可能で安価な、強酸性度（ｐＫａが約１）をもつ。この材料は、フィッシャーエステル化の状況における高い触媒活性と、生成混合物の際立った色の希薄化との両方を引き出す。今まで、本発明者らは、ホスホン酸はこの点について、カルボン酸を用いたイソヘキシドのアセチル化の触媒反応におけるブレンステッド酸として、生成物の色の軽減、または高イソヘキシド変換のいずれに関しても、大きな注目を集めてはこなかったと考えている。さらに、今回、ホスホン酸は、高い反応性および付随する色の軽減の両方を示すものである。

図１は、エキソおよびエンド種のエナンチオマーの組を形成するイソソルビドモノエステルを調製するための反応の一般的な概略図を示す。

酸触媒に関して、本反応の実施形態によると、エキソ／エンド位置選択性比は、少なくとも３．４０：１または３．４５：１である。表１は、異なる種類の酸触媒の例を使用したイソヘキシドモノエステルの合成におけるエキソ／エンド−ヒドロキシル基の相対的な位置選択性の概要を示す。表１は、生成物の色、触媒添加および変換率に関してＺｒＣｌ_４に対してさまざまな酸触媒種の効果を列記し、比較する。好ましいルイス酸実施形態である塩化ジルコニウム（ＩＶ）は、他の酸触媒種と比較して約４．９：１〜約５．３：１の著しく高まったエキソ／エンドモノエステル（例えば、５：０：１〜約５：２：１）の位置選択性を示す。その他の酸触媒の大半は、触媒添加に関係なく約３．４：１または３．５：１のエキソ／エンド位置選択性および比較的に低い変換率を示す。いくつかの他の触媒は、約３．６：１〜約３．８：１のエキソ／エンド比を有する。また、塩化ジルコニウム（ＩＶ）（約５：１）のエキソ／エンド比は、強酸触媒の比率よりも約２倍大きい。強酸触媒（すなわち、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸）は、高い変換率を示したが、一様に低いエキソ／エンド比、それぞれ、２．０３：１または２．２６：１を示した。基準として、酸触媒を使用しない自触媒作用は、イソヘキシドのその対応するエステル生成物への最低の変換を伴い約３．４０：１のエキソ／エンド位置選択性比になっている。

ＺｒＣｌ_４サンプルは、１．５〜約１．７１の自触媒作用に対するエキソ／エンド比の変化（Δ）を示している。これらの結果は、約０．２または０．３程度か、または負の値を有するかのいずれかである他の触媒種によって示される変化よりも著しく高く、少なくとも約１．２単位大きいようである。この変化の程度は、ＺｒＣｌ_４触媒がエンド−ヒドロキシル基よりもエキソ−ヒドロキシル基に対して高い位置選択性を示すことを示唆している。これらの結果を図５に示す。これは、グラフにより他の触媒種にまさるＺｒＣｌ_４の効果的な位置選択性を示している。ホスホン酸触媒も、基準と比較して約０．７５の改善されたエキソ／エンド比の変化を示している。

図２は、上記反応により合成された２セットの４つの異性体のガスクロマトグラフィー（ＧＣ）によって行われた定量分析から得られた結果の代表的なクロマトグラムである。

図３は、イソヘキシドモノエステルのエキソ（Ａ）およびエンド（Ｂ）に割り当てられたエナンチオマーの組を示している。付随する表（Ｃ）は、約４２０分の反応期間にわたって採取されたアリコートのＧＣ分析を示している。この反応は、ルイス酸である塩化ジルコニウム（ＩＶ）をイソヘキシド含有量に対して５重量％で使用している。この結果は、エキソ−ＯＨ基のみを有するイソイジドが最も反応性が高く、エンド−ＯＨ基のみを有するイソマンニドは反応性が低いことを示唆している。エキソ−ＯＨおよびエンド−ＯＨの両方を有するイソソルビドに関する結果は、中間にあると予想される。

同様に、図４は、ブレンステッド酸触媒を使用した実施形態の結果の概要を示す。この反応は、約５重量％のホスホン酸（Ｈ_３ＰＯ_３）を使用して１７５℃で７時間、行われる。３つのイソヘキシド化合物種についてのエンド−ＯＨ対エキソ−ＯＨに対するパーセント変換。エンド−ヒドロキシル基のみを有するイソマンニドは、約７５．２７％の低い変換を示した一方で、エキソ−ヒドロキシル基のみを有するイソイジドは約９９．６９％のほぼ完全な変換を示した。エキソおよびエンド−ヒドロキシル基の両方を有するイソソルビドは約８６．９２％の変換で中間である。ホスホン酸は、約３．８：１〜約４．４：１（例えば、４．１：１、４．２：１または４．３：１）でエンドよりもエキソに対して優先的な位置選択性をもたらすようである。

表２は、イソソルビドとの２−エチル−ヘキサン（２ＥＨ）酸エステル化を使用した１７５℃における、７時間のアシル化反応の結果を列記する。また、この結果は、ホスホン酸が、イソヘキシド分子のエキソ−ＯＨに対してエンド−ＯＨよりも約４：１の比率で高い位置選択性を示すことを示唆している。ホスホン酸は、大幅な（例えば、約９０％〜１００％）イソソルビド変換のための、例えば、２０５℃における、５時間の２ＥＨとのエステル化を効果的に触媒する。

さらに、ホスホン酸は抗酸化性を示し、本明細書に記載される他の酸触媒と比較して大幅に着色体発生を低減することができる。５重量％のＨ_３ＰＯ_３、２０５℃、７時間を使用した反応は、ＡＰＨＡ値＝９８の色を有する反応生成混合物を生じる。蒸留２ＥＨに関する基準の色はＡＰＨＡ値＝６である。ハーゼンスケールとも呼ばれるＡＰＨＡカラースケールは、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｕｂｌｉｃ Ｈｅａｌｔｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎに由来する色標準であり、ＡＳＴＭ Ｄ１２０９によって定義されている。ＡＰＨＡ色に関するスケールは、水に対するプラチナコバルトのパーツパーミリオンを単位として０から５００にまで及ぶ。このスケールにおける０は蒸留水またはより一般に白濁水と呼ばれるものを表わす。

本発明を例として概括的および詳細に記載してきた。当業者は、本発明は、必ずしも具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲またはその均等物によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく改変および変形が行われてもよく、本発明の範囲内で使用され得る現在知られている、もしくは開発されることになるその他の等価の構成要素を含むことを理解する。したがって、変更が別段、本発明の範囲から逸脱しない限り、その変更は本発明に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (13)

1. イソソルビドの酸触媒アシル化のための方法であって、ルイス酸触媒の存在下において反応温度で、対応するモノエステル生成物を少なくとも３．４：１のエキソ／エンド位置選択性比で生成するのに十分な時間、イソソルビドを過剰なカルボン酸と接触させる工程を含み、
   前記ルイス酸は、２−エチルヘキサン酸スズ（ＩＩ）、ジブチル−スズ（ＩＩ）クロリド、塩化スズ（ＩＩ）、塩化ハフニウム、ジブチルスズマレアート、塩化チタン（ＩＶ）、塩化ジルコニウム（ＩＶ）、塩化ビスマス、ランタン（ＩＩＩ）トリフラート、酸化ジブチルスズ（ＩＶ）、鉄（ＩＩＩ）トリフラート、塩化アルミニウム、ビスマストリフラート、ガリウムトリフラート、スカンジウムトリフラートまたはそれらの組み合わせからなる群から選択される、
   方法。
2. 前記反応温度は１５０℃〜２５０℃である、請求項１に記載の方法。
3. 前記反応温度は１７０℃〜２２０℃である、請求項２に記載の方法。
4. 前記反応温度は１７５℃〜２０５℃である、請求項３に記載の方法。
5. 前記反応時間は２４時間未満である、請求項１に記載の方法。
6. 前記反応時間は５〜１２時間である、請求項５に記載の方法。
7. 前記カルボン酸は、Ｃ_２〜Ｃ_２６に及ぶ炭素鎖長を有するアルカン酸、アルケン酸、アルキン酸および芳香族酸から選択される、請求項１に記載の方法。
8. 前記カルボン酸は、前記イソソルビドに対して２倍〜１０倍モル過剰で存在する、請求項１に記載の方法。
9. 前記カルボン酸は、前記イソソルビドに対して３倍モル過剰で存在する、請求項８に記載の方法。
10. 前記エキソ／エンド位置選択性比は、前記ルイス酸触媒に対して３．５：１から３．９：１までの範囲である、請求項１に記載の方法。
11. 前記ルイス酸は塩化ジルコニウム（ＩＶ）である、請求項１に記載の方法。
12. 前記ルイス酸は、前記イソソルビド含有量に対して０．０００１重量％から１０重量％までの範囲の触媒添加量で存在する、請求項１に記載の方法。
13. 前記ルイス酸は、前記イソソルビド含有量に対して３〜８重量％の触媒添加量で存在する、請求項１２に記載の方法。

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