JP6460521B2 - 再活性化触媒系の製造方法、及び再活性化触媒系を用いたエステル化合物の製造方法 - Google Patents
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Description
(a)ルテニウム化合物と、コバルト化合物と、ハロゲン化物塩とを含む触媒系の存在下で、分子内に少なくとも1つの不飽和炭素結合を有する有機化合物と、ギ酸エステルとを反応させ、エステル化合物を製造する工程と、
(b)上記工程(a)によって得られた反応液から上記エステル化合物を分離し、上記触媒系を回収し、回収触媒系を得る工程と、
(c)上記回収触媒系を、上記第1の態様に記載の製造方法によって再活性化し、再活性化触媒系を得る工程と、
(d)上記工程(c)によって得られた再活性化触媒系の存在下で、分子内に少なくとも1つの不飽和炭素結合を有する有機化合物と、ギ酸エステルとを反応させ、エステル化合物を製造する工程と、
(e)上記工程(d)によって得られた反応液から上記エステル化合物を分離し、上記再活性化触媒系を回収し、回収触媒系を得る工程、を含むことを特徴とする。
<再活性化触媒系の製造方法>
本発明による再活性化触媒系の製造方法は、ルテニウム化合物と、コバルト化合物と、ハロゲン化物塩とを含む触媒系の存在下、分子内に少なくとも1つの不飽和炭素結合を有する有機化合物と、ギ酸エステルとを反応させ、エステル化合物を製造し、反応液からエステル化合物を分離した後に回収される、回収触媒系を再活性化して再活性化触媒系を得る工程を有し、上記工程が上記回収触媒系を無機過酸化剤又は空気といった安価な酸化剤で処理することを含むことを特徴とする。
本発明によるエステル化合物の製造方法は、ルテニウム化合物と、コバルト化合物と、ハロゲン化物塩とを含む触媒系の存在下で、分子内に少なくとも1つの不飽和炭素結合を有する有機化合物と、ギ酸エステルとを反応させ、エステル化合物を製造する方法において、上記触媒系として、先に記載した本発明による再活性化触媒系の製造方法によって得られた再活性化触媒系を使用することを特徴とする。
(a)ルテニウム化合物と、コバルト化合物と、ハロゲン化物塩とを含む触媒系の存在下で、分子内に少なくとも1つの不飽和炭素結合を有する有機化合物と、ギ酸エステルとを反応させ、エステル化合物を製造する工程と、
(b)上記工程(a)によって得られた反応液から上記エステル化合物を分離し、上記触媒系を回収することによって、回収触媒系を得る工程と、
(c)上記回収触媒系を、先に記載した再活性化触媒系の製造方法に従い再活性化することによって、再活性化触媒系を得る工程と、
(d)上記工程(c)によって得られた再活性化触媒系の存在下で、分子内に少なくとも1つの不飽和炭素結合を有する有機化合物と、ギ酸エステルとを反応させ、エステル化合物を製造する工程と、
(e)上記工程(d)によって得られた反応液から上記エステル化合物を分離し、上記再活性化触媒系を回収することによって、回収触媒系を得る工程と、を含む製造方法に関する。
<工程(a)及び(d)>
工程(a)及び工程(d)は、エステル化合物を合成する反応工程に関する。反応は、反応装置内で、触媒系の存在下、原料となる化合物を混合することによって達成される。これらの工程では、上記反応後に、目的とするエステル化合物と、触媒系とを含む反応液が得られる。反応時に使用する原料及び触媒系等の詳細は以下のとおりである。
原料:
(不飽和有機化合物)
本発明において原料として使用可能な不飽和有機化合物は、分子内に1以上の不飽和炭素結合を有する化合物であればよく、特に制限されない。すなわち、不飽和有機化合物は、脂肪族鎖状不飽和化合物、脂肪族環状不飽和化合物、及び芳香族化合物等を含む各種化合物であってよい。ここで、不飽和炭素結合は、分子鎖末端に存在しても、又は分子鎖内部に存在してもよい。また、分子内に複数の不飽和炭素結合を有する化合物であってもよい。分子内に複数の不飽和炭素結合を有する化合物を原料として使用することによって、分子内に複数のエステル基を持つ化合物を製造することが可能である。
本発明において原料として使用可能なギ酸エステルは、特に制限はされない。例えば、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、ギ酸イソプロピル、ギ酸ブチル、ギ酸イソブチル、ギ酸アミル、ギ酸イソアミル、ギ酸アリル、ギ酸ビニル、ギ酸ベンジル等から適宜選択して使用することができる。コスト及び反応性の観点から、ギ酸メチルが好適である。
反応に用いる不飽和有機化合物とギ酸エステルとの割合は、仕込み量で、不飽和有機化合物に対して、ギ酸エステルの量を2〜100モル当量とすることが好ましく、2〜50モル当量とすることがより好ましい。ギ酸エステルの上記仕込み量を2モル当量以上とすることで、副反応によって収率が低下することを抑制することが容易となる。また、上記仕込み量が100モル当量を超えると特に効果は変化しないため、100モル当量以下にすることによって生産性の低下を抑制することが容易となる。
本発明では、ルテニウム化合物と、コバルト化合物と、ハロゲン化物塩とを含む触媒系を使用する。後述する実施例によって明らかにされるように、本発明では、ルテニウム化合物と、コバルト化合物と、ハロゲン化物塩との特定の組み合わせによって、所期の目的が達成可能となる。以下、触媒系を構成する各種化合物について説明する。
本発明で使用可能なルテニウム化合物は、ルテニウムを含む化合物であればよく、特に制限はない。例えば、ルテニウム原子を中心として、周囲に配位子が結合した構造を有するルテニウム錯体化合物が挙げられる。本発明の一実施形態では、分子内にカルボニル配位子とハロゲン配位子とを合わせ持つ、ルテニウム錯体化合物が好ましい。そのようなルテニウム錯体化合物の具体例として、[RuCl2(CO)3]2、[RuCl2(CO)2]n、等のルテニウムカルボニルハロゲン錯体、並びに[Ru(CO)3Cl3]−、[Ru3(CO)11Cl]−及び[Ru4(CO)13Cl]−等をカウンタアニオンとして有するルテニウムカルボニルハロゲン錯塩等の各種化合物が挙げられる。上記カウンタアニオンを有する錯塩は、カウンタカチオンとして、例えば、アルカリ金属やアルカリ土類金属等の金属イオンを有するものであってよい。例示した化合物の中でも、反応率向上の観点から、[Ru(CO)3Cl2]2、[Ru(CO)2Cl2]n等のルテニウムカルボニルハロゲン錯体がより好ましい。
本発明で使用可能なコバルト化合物は、コバルトを含む化合物であればよく、特に制限はない。好適な化合物の具体例として、Co2(CO)8、HCo(CO)4、Co4(CO)12等のカルボニル配位子を持つコバルト化合物、酢酸コバルト、プロピオン酸コバルト、安息香酸コバルト、クエン酸コバルト等のカルボン酸化合物を配位子に持つコバルト化合物、及びリン酸コバルトが挙げられる。中でも、反応率向上の観点から、カルボニル配位子を持つコバルト化合物が好ましい。
本発明で使用可能なハロゲン化物塩は、塩化物イオン、臭化物イオン及びヨウ化物イオン等のハロゲンイオンと、カチオンとから構成される化合物であればよく、特に限定されない。但し、本発明におけるハロゲン化物塩には、ルテニウム及び/又はコバルトを含む塩は含まれないものとする。上記カチオンは、無機物イオン及び有機物イオンのいずれであってもよい。また、上記ハロゲン化物塩は、分子内に1以上のハロゲンイオンを含んでもよい。
本発明において、塩基性化合物による反応促進の効果は、原料として使用する不飽和有機化合物の種類によって異なる。本発明において使用可能な塩基性化合物は、無機化合物であっても、有機化合物であってもよい。塩基性の無機化合物の具体例として、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の各種金属の炭酸塩、炭酸水素塩、水酸化物塩、アルコキシドが挙げられる。塩基性の有機化合物の具体例として、一級アミン化合物、二級アミン化合物、三級アミン化合物、ピリジン化合物、イミダゾール化合物、キノリン化合物が挙げられる。上述の塩基性化合物のなかでも、反応促進効果の観点から、三級アミン化合物が好適である。本発明において好適な三級アミン化合物の具体例として、トリアルキルアミン、N−アルキルピロリジン、N−アルキルピペリジン、キヌクリジン、及びトリエチレンジアミンが挙げられる。
本発明において、フェノール化合物を添加することによる反応促進の効果は、原料として使用する不飽和有機化合物の種類によって異なる。本発明において好適なフェノール化合物の具体例として、フェノール、クレゾール、アルキルフェノール、メトキシフェノール、フェノキシフェノール、クロルフェノール、トリフルオロメチルフェノール、ヒドロキノン及びカテコールが挙げられる。
本発明において、有機ハロゲン化合物を添加することによる反応促進の効果は、原料として使用する不飽和有機化合物の種類によって異なる。本発明において好適な有機ハロゲン化合物としては、ハロゲン化メチル、ジハロゲンメタン、ジハロゲンエタン、トリハロゲンメタン、テトラハロゲン炭素、ハロゲン化ベンゼン等が挙げられる。
本発明の製造方法において、不飽和有機化合物とギ酸エステルとの反応は、特に溶媒を用いることなく進行させることができる。しかし、必要に応じて、溶媒を使用してもよい。
本発明において使用可能な溶媒は、原料として使用する化合物を溶解できればよく、特に限定はされない。本発明において好適に使用できる溶媒の具体例として、n−ペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、p−キシレン、m−キシレン、エチルベンゼン、クメン、テトラヒドロフラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、アセトニトリル、γ-バレロラクトン、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミドが挙げられる。
本発明の製造方法において、不飽和有機化合物とギ酸エステルとの反応は、80℃〜200℃の温度範囲で実施することが好ましい。上記反応は、100℃〜160℃の温度範囲で実施することがより好ましい。80℃以上の温度で反応を実施することによって、反応速度が速まり、効率良く反応を進めることができる。その一方で、反応温度を200℃以下に制御することによって、原料として使用するギ酸エステルの分解を抑制することができる。ギ酸エステルが分解すると、不飽和有機化合物に対するエステル基の付加が達成されなくなる。さらに、反応温度が高すぎると、原料として使用する化合物の分解、又は開環による重合が生じ、収率が低下する可能性があるため望ましくない。反応温度が、原料として使用する不飽和有機化合物又はギ酸エステルのいずれかの沸点を超える場合には、耐圧容器内で反応を行う必要がある。反応の終結は、ガスクロマトグラフ、NMR等の周知の分析技術を用いて確認することができる。
工程(b)及び工程(e)は、先の工程で得た反応液からエステル化合物を分離し、使用後の触媒系を回収し、回収触媒系を得る工程に関する。反応液からエステル化合物を分離する方法は、特に限定されず、蒸留精製、抽出、膜分離といった当技術分野で公知の方法を使用して実施することができる。特に限定するものではないが、効率面から、上記分離は、蒸留によって実施することが好ましい。反応液を蒸留精製した場合、純度の高いエステル化合物が容易に得られる。その一方で、未反応の原料及び溶媒等を含まない蒸留残渣として、回収触媒系を容易に得ることができる。
工程(c)は、反応液から回収した回収触媒系を再活性化する工程に関する。回収触媒系の再活性化は、先に記載した本発明の活性化触媒系の製造方法に従って実施される。一実施形態において、回収触媒系の再活性化は、先の工程において反応液から蒸留によってエステル化合物を回収した後に容器内に残った蒸留残渣に、直接、酸化剤又は空気と、必要に応じて溶媒とを加え、加熱及び攪拌することによって実施することができる。加熱温度及び攪拌時間を調整することによって、再活性化を効率よく進めることができる。例えば、再活性化は、30〜250℃の温度条件下で実施することができ、好ましくは、30〜150℃の温度条件化で実施することができ、より好ましくは30〜100℃の温度条件下で行うことができる。また溶媒を使用する場合は、その沸点以下の温度条件下で実施することが好ましい。特に限定するものではないが、一実施形態として、60℃の温度条件下で、4時間にわたって攪拌を続けることによって、十分な再活性化が達成できる。
<エステル化合物の合成及び回収>
室温下、内容積50mLのステンレス製加圧反応装置内に、ルテニウム化合物として[Ru(CO)2Cl2]nを0.05mmol、コバルト化合物として酢酸コバルトを0.05mmol、ハロゲン化物塩としてテトラエチルアンモニウムクロリドを0.5mmol加え、混合して触媒系を得た。この触媒系に、ノルボルネンモノカルボン酸メチルを10mmol、ギ酸メチルを2.5mL加え、さらに、塩基性化合物としてトリエチルアミンを2mmol、フェノール化合物として4−メトキシフェノールを0.5mmol、溶媒としてDMFを0.5mL添加した。次いで窒素ガス0.5MPaで反応装置内をパージし、120℃で8時間保持した。その後、反応装置を室温まで冷却し、放圧し、残存有機相の一部を抜き取り、ガスクロマトグラフを用いて反応混合物の成分を分析した。分析結果によれば、反応によって生成したノルボルナンジカルボン酸メチルは9.9mmol(ノルボルネンモノカルボン酸メチル基準で収率99%)であった。
なお、ガスクロマトグラフの分析は、ジーエルサイエンス(株)製GC−353B型GCを使用して下記条件で実施した。
検出器:水素炎イオン検出器
カラム:ジーエルサイエンス(株)製 TC−1(60m)
キャリアガス:ヘリウム(300kP)
温度
注入口:200℃
検出器:200℃
カラム:40℃〜240℃(昇温速度:5℃/min)
次いで、上記反応液の低沸成分(ギ酸メチル、トリエチルアミン)をエバポレータで減圧下留去し、得られた濃縮液を蒸留精製することにより、所望とするエステル化合物を回収した。
<回収触媒系の触媒量の定量分析>
上記エステル化合物の回収後に残った蒸留残渣を回収し(回収触媒系)、ICP発光分光分析による定量分析を行った。その結果、蒸留残渣におけるルテニウム金属のモル数は0.05mmolであった。
参考例1と同様にしてエステル化合物を製造し、回収触媒系を得た。この回収触媒系におけるルテニウムのモル数は0.05mmolであった。上記回収触媒系に対して、DMF0.5mLに溶解させた過炭酸ナトリウム0.15mmol、テトラエチルアンモニウムクロリドを0.50mmol加え、80℃で4時間撹拌することによって再活性化触媒系を製造した。次いで、この再活性化触媒系を使用して2回目のエステル化反応を行った。具体的には、反応装置内で、処理後の回収触媒系(上記再活性化触媒系)に対して、ノルボルネンモノカルボン酸メチル10mmol、ギ酸メチル2.5mL、トリエチルアミン2mmol、及び4−メトキシフェノール0.5mmolを加え、参考例1と同様にしてエステル化反応及び分析を行った。分析結果によれば、反応によって生成したノルボルナンジカルボン酸メチルは8.80mmol(ノルボルネンモノカルボン酸メチル基準で収率88.0%)であった。
参考例1と同様にエステル化合物を合成し、回収触媒系を得た。この回収触媒系におけるルテニウムのモル数は0.05mmolであった。上記回収触媒系に対して、DMF0.5mLに溶解させた過炭酸ナトリウムを0.50mmol、テトラエチルアンモニウムクロリドを0.50mmol加え、80℃で4時間撹拌することによって再活性化触媒系を製造した。次いで、この再活性化触媒系を使用して2回目のエステル化反応を行った。具体的には、反応装置内で、処理後の回収触媒系(上記再活性化触媒系)に、ノルボルネンモノカルボン酸メチル10mmol、ギ酸メチル2.5mL、トリエチルアミン2mmol、及び4−メトキシフェノール0.5mmolを加え、参考例1と同様にして反応及び分析を行った。分析結果によれば、反応によって生成したノルボルナンジカルボン酸メチルは7.70mmol(ノルボルネンモノカルボン酸メチル基準で収率77.0%)であった。
参考例1と同様にエステル化合物を合成し、回収触媒系を得た。この回収触媒系におけるルテニウムのモル数は0.05mmolであった。上記回収触媒系に対して、DMF0.5mLに溶解させた過炭酸ナトリウムを0.60mmol、テトラエチルアンモニウムクロリドを0.50mmol加え、80℃で4時間撹拌することによって再活性化触媒系を製造した。次いで、この再活性化触媒を使用して2回目のエステル化反応を行った。具体的には、反応装置内で、処理後の回収触媒系(上記再活性化触媒系)に対して、ノルボルネンモノカルボン酸メチル10mmol、ギ酸メチル2.5mL、トリエチルアミン2mmol、及び4−メトキシフェノール0.5mmolを加え、参考例1と同様にして反応及び分析を行った。分析結果によれば、反応によって生成したノルボルナンジカルボン酸メチルは6.40mmol(ノルボルネンモノカルボン酸メチル基準で収率64.0%)であった。
参考例1と同様にエステル化合物を合成し、回収触媒系を得た。この回収触媒系におけるルテニウムのモル数は0.05mmolであった。上記回収触媒系に対して、テトラエチルアンモニウムクロリドを0.50mmol加え、0.5mLのDMFに溶解させた。その後、回収触媒系の溶液に空気を50mL/minの流量で導入し、バブリングした状態で、100℃において4時間撹拌することによって再活性化触媒系を製造した。次いで、この再活性化触媒系を使用して2回目のエステル化反応を行った。具体的には、反応装置内で、処理後の回収触媒系(上記再活性化触媒系)に対して、ノルボルネンモノカルボン酸メチル10mmol、ギ酸メチル2.5mL、トリエチルアミン2mmol、及び4−メトキシフェノール0.5mmolを加え、参考例1と同様にして反応及び分析を行った。分析結果によれば、反応によって生成したノルボルナンジカルボン酸メチルは7.60mmol(ノルボルネンモノカルボン酸メチル基準で収率76.0%)であった。
参考例1と同様にエステル化合物を合成し、回収触媒系を得た。この回収触媒系におけるルテニウムのモル数は0.05mmolであった。上記回収触媒系を未処理のまま使用し、2回目のエステル化反応を行った。具体的には、反応装置内で、未処理の回収触媒系に対して、ノルボルネンモノカルボン酸メチル10mmol、ギ酸メチル2.5mL、トリエチルアミン2mmol、及び4−メトキシフェノール0.5mmolを加え、参考例1と同様にして反応及び分析を行った。分析結果によれば、反応によって生成したノルボルナンジカルボン酸メチルは6.00mmol(ノルボルネンモノカルボン酸メチル基準で収率60.0%)であった。
参考例1と同様にエステル化合物を合成し、回収触媒系を得た。この回収触媒系におけるルテニウムのモル数は0.05mmolであった。上記回収触媒系に対して、DMF0.5mLに溶解させた過炭酸ナトリウムを0.05mmol、テトラエチルアンモニウムクロリドを0.50mmol加え、80℃で4時間撹拌することによって再活性化触媒系を製造した。次いで、この再活性化触媒系を使用して2回目のエステル化反応を行った。具体的には、反応装置内で、処理後の回収触媒系(上記再活性化触媒系)に対して、ノルボルネンモノカルボン酸メチル10mmol、ギ酸メチル2.5mL、トリエチルアミン2mmol、及び4−メトキシフェノール0.5mmolを加え、参考例1と同様にして反応及び分析を行なった。分析結果によれば、反応によって生成したノルボルナンジカルボン酸メチルは3.30mmol(ノルボルネンモノジカルボン酸メチル基準で収率33.0%)であった。
Claims (15)
- ルテニウム化合物と、コバルト化合物と、ハロゲン化物塩とを含む触媒系の存在下で、分子内に少なくとも1つの不飽和炭素結合を有する有機化合物と、ギ酸エステルとを反応させ、エステル化合物を製造した後に回収した回収触媒系を再活性化する工程を含む、再活性化触媒系の製造方法であって、
前記工程が、前記回収触媒系と無機過酸化物又は空気とを接触させることを含み、前記無機過酸化物の添加量が前記回収触媒系におけるルテニウム金属に対して、3〜12モル当量の範囲である、製造方法。 - 前記無機過酸化物が、過炭酸ナトリウムを含む、請求項1に記載の製造方法。
- 前記工程において、前記回収触媒系にさらにハロゲン化合物を加える、請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記ハロゲン化合物が、ハロゲン化物塩を含む、請求項3に記載の製造方法。
- 前記ハロゲン化物塩が第四級アンモニウム塩を含む、請求項4に記載の製造方法。
- 前記触媒系における前記ルテニウム化合物が、分子内にカルボニル配位子とハロゲン配位子とをあわせ持つルテニウム錯体を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記触媒系における前記コバルト化合物が、分子内にカルボニル配位子を有するコバルト錯体を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記触媒系における前記ハロゲン化物塩が、第四級アンモニウム塩を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の製造方法。
- ルテニウム化合物と、コバルト化合物と、ハロゲン化物塩とを含む触媒系の存在下で、分子内に少なくとも1つの不飽和炭素結合を有する有機化合物と、ギ酸エステルとを反応させ、エステル化合物を製造する方法であって、
前記触媒系として、請求項1〜8のいずれか1項に記載の製造方法で得た再活性化触媒系を使用する、製造方法。 - エステル化合物の製造方法であって、
(a)ルテニウム化合物と、コバルト化合物と、ハロゲン化物塩とを含む触媒系の存在下で、分子内に少なくとも1つの不飽和炭素結合を有する有機化合物と、ギ酸エステルとを反応させ、エステル化合物を製造する工程と、
(b)前記工程(a)によって得られた反応液から前記エステル化合物を分離し、前記触媒系を回収し、回収触媒系を得る工程と、
(c)前記回収触媒系を、請求項1〜8のいずれか1項に記載の製造方法によって再活性化し、再活性化触媒系を得る工程と、
(d)前記工程(c)によって得られた再活性化触媒系の存在下で、分子内に少なくとも1つの不飽和炭素結合を有する有機化合物と、ギ酸エステルとを反応させ、エステル化合物を製造する工程と、
(e)前記工程(d)によって得られた反応液から前記エステル化合物を分離し、前記再活性化触媒系を回収し、回収触媒系を得る工程と
を含む、製造方法。 - 前記工程(c)〜(e)を順次繰り返して実施する、請求項10に記載の製造方法。
- 前記工程(a)及び(d)における前記反応時に、それぞれ、塩基性化合物を加える、請求項10又は11に記載の製造方法。
- 前記塩基性化合物が、三級アミン化合物である、請求項12に記載の製造方法。
- 前記工程(a)及び(d)における前記反応時に、それぞれ、フェノール化合物を加える、請求項10〜13のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記工程(a)及び(d)における前記反応時に、それぞれ、有機ハロゲン化合物を加える、請求項10〜14のいずれか1項に記載の製造方法。
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