JP6905705B2 - カルバミン酸エステルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を触媒として用い、アミン及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも１種とアルコールと二酸化炭素（ＣＯ_２）とからカルバミン酸エステルを合成するカルバミン酸エステルの製造方法に関する。

メチルフェニルカーバメート（以下、ＭＰＣと言う）はポリウレタンの原料や、医薬品、農薬の前駆体となる有用化成品である。従来、ＭＰＣは、有毒なホスゲンや一酸化炭素、又は、別途合成が必要なジメチルカーボネート（以下、ＤＭＣと言う）を用いて合成されていたが、近年においては、安価で豊富な二酸化炭素をカルボニル源として用いることが検討されている。二酸化炭素をカルボニル源として用いることができれば低環境負荷なＭＰＣ合成が可能となる。しかし、この反応は厳しい平衡制約のために高収率でＭＰＣを得ることが難しかった。例えば、酸化セリウムを触媒とし、ブチルリチウム（ＢｕＬｉ）を脱水剤として用いた反応では、７．３％の収率しか得られなかった（非特許文献１参照）。平衡上反応を有利に進行させるためには副生成物の水を反応系から除去する必要がある。

そこで、高収率が得られる合成法として、アニリンとメタノールと二酸化炭素とを原料とし、酸化セリウムを触媒、２−シアノピリジン（以下、２−ＣＮＰｙと言う）を脱水剤として用いるものが報告されている（非特許文献２参照）。この合成法の反応式は、化１から化３で表される。化１は、アニリンとメタノールと二酸化炭素とからＭＰＣを合成する反応式であり、化２は、メタノールと二酸化炭素とが反応して副生物としてＤＭＣが生成される反応式であり、化３は、２−ＣＮＰｙと化１及び化２において生成された水とが反応して副生物として２−ピコリンアミド（以下、２−ＰＡと言う）が生成される反応式である。

この合成法によれば、９５％の高い収率でＭＰＣを得ることができる。しかしながら、この合成法では、化２及び化３に示したように、副生物としてＤＭＣと２−ＰＡが生成され、その量が非常に多いという問題があった。また、２−ＰＡ生成量の多くが、ＤＭＣ合成により生成された水に由来するものであり、そのため、本来、ＭＰＣを合成するために必要な２−ＣＮＰｙの量よりも多くの２−ＣＮＰｙが必要となるという問題もあった。

Ｇ．Ｆａｎ，ｅｔ ａｌ．， Ｊ．Ｍｏｌ Ｃａｔａｌ． Ａ，４０４，９２（２０１５） Ａ．Ｍｉｕｒａ ｅｔ ａｌ．， 第１１６回触媒討論会Ａ講演，２Ｇ０９（２０１５）

本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、高い収率を得ることができ、かつ、副生物の生成量を減少させることができるカルバミン酸エステルの製造方法を提供することを目的とする。

本発明のカルバミン酸エステルの製造方法は、アミン及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも１種と、アルコールと、二酸化炭素とを原料とし、酸化セリウムを触媒、２−シアノピリジンを脱水剤として用いてカルバミン酸エステルを合成するものであって、アルコールは、炭素数が３以上のものである。

本発明のカルバミン酸エステルの製造方法によれば、炭素数が３以上のアルコールを用いるようにしたので、高い収率を得ることができると共に、副生物の生成量を減少させることができる。また、二酸化炭素の圧力を低くすることができ、容易に製造することができる。

特に、分岐を有するアルコールを用いるようにすれば、又は、第二級アルコール用いるようにすれば、より高い効果を得ることができる。

また、芳香族アミン及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも１種、又は、第二級アミン及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも１種を用いるようにすれば、より高い効果を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係るカルバミン酸エステルの製造方法において用いる反応装置の一例を表す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施の形態に係るカルバミン酸エステルの製造方法は、アミン及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも１種と、アルコールと、二酸化炭素とを原料とし、酸化セリウムを触媒、２−ＣＮＰｙを脱水剤として用いて、カルバミン酸エステルを合成するものである。

原料のアルコールは、炭素数が３以上のものを用いる。炭素数が３以上のアルコールを用いることにより、高い収率を得ることができると共に、副生物の生成量を減少させることができるからである。なお、アルコールの炭素数について特に制限はないが、１２以下であることが好ましく、６以下であればより好ましい。炭素数が１２よりも多くなると反応性が低くなるからであり、また、炭素数が６以下の方が反応後の蒸留除去の負荷が低いからである。

反応式は、例えば、化４から化６で表される。化４は、アミン及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも１種と、アルコールと、二酸化炭素とから、カルバミン酸エステルを合成する反応式である。化５は、アルコールと二酸化炭素とが反応して、副生物であるカーボネートが生成される反応式である。化６は、２−ＣＮＰｙと化４及び化７において生成した水とが反応して、副生物である２−ＰＡが生成される反応式である。

（化４において、Ｒ^１、Ｒ^２、及び、Ｒ^３は、それぞれ、水素原子、炭化水素基、又は、炭化水素基の水素原子を置換基で置換した基よりなり、Ｒ^１、Ｒ^２、及び、Ｒ^３のうちの１又は２は水素原子であり、Ｒ^１、Ｒ^２、及び、Ｒ^３のうちの１又は２は炭化水素基、又は、炭化水素基の水素原子を置換基で置換した基である。
Ｒ^４は、炭素数が３以上の炭化水素基、又は、炭化水素基の水素原子を置換基で置換した基である。
Ｒ^５及びＲ^６は、それぞれ、水素原子、炭化水素基、又は、炭化水素基の水素原子を置換基で置換した基よりなり、Ｒ^５及びＲ^６のうちの少なくとも一方は炭化水素基、又は、炭化水素基の水素原子を置換基で置換した基である。）

（化５において、Ｒ^４は化４と同一である。）

このように、このカルバミン酸エステルの製造方法では、化４に示したように、アミン及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも１種と、アルコールと、二酸化炭素とから、カルバミン酸エステルと水が生成し、化６に示したように、この水と２−ＣＮＰｙとが反応してアミド化することにより、化４の平衡を生成物側にシフトさせるものである。また、化５に示したように、原料のアルコールは二酸化炭素と反応して、副生物であるカーボネートを生成する。

原料のアミン及びその誘導体は、どのようなものでもよいが、芳香族アミン及びその誘導体、又は、第二級アミン及びその誘導体が好ましい。より好ましいのは、芳香族アミン及びその誘導体である。嵩高い方が副生物の生成量を減少させることができるからである。具体的には、芳香族アミン及びその誘導体としては、例えば、化７に示したアニリン、化８に示した４−メチルアニリン、化９に示した２−メチルアニリン、化１０に示した３−メチルアニリン、化１１に示した４−メトキシアニリン、化１２に示した４−フルオロアニリン、化１３に示した４−クロロアニリンが好ましく挙げられる。

また、第二級アミン及びその誘導体としては、例えば、化１４に示したＮ−メチル−１−ペンチルアミンが好ましく挙げられる。

原料のアルコールは、分岐を有しているか、又は、第二級アルコールであることが好ましい。嵩高い方が副生物の生成量をより減少させることができるからである。分岐を有するものとしては、例えば、２−メチル−１−プロパノール（ＣＨ_３ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２−ＯＨ）、２−メチル−１−ブタノール（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２−ＯＨ）、２−メチル−１−ペンタノール（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２−ＯＨ）、２−メチル−１−ヘキサノール（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２−ＯＨ）、３メチル−１−ブタノール（ＣＨ_３ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２ＣＨ_２−ＯＨ）、３−メチル−１−ペンタノール（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２ＣＨ_２−ＯＨ）、３−メチル−１−ヘキサノール（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２ＣＨ_２−ＯＨ）、４−メチル−１−ペンタノール（ＣＨ_３ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２−ＯＨ）、４−メチル−１−ヘキサノール（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２−ＯＨ）、５−メチル−１−ヘキサノール（ＣＨ_３ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２−ＯＨ）、２−メチル−１−ドデカノール、２−メチル−１−ウンデカノール、２−メチル−１−デカノール、２−メチル−１−ノナノール、２−メチル−１−オクタノール、２−メチル−１−ヘプタノールが好ましく挙げられる。

第二級アルコールとしては、例えば、２−プロパノール（ＣＨ_３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ_３）、２−ブタノール（ＣＨ_３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ_２ＣＨ_３）、２−ペンタノール（ＣＨ_３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_３）、２−ヘキサノール、３−ペンタノール（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ_２ＣＨ_３）、３−ヘキサノール（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_３）、化１５に示したシクロヘキサノール、化１６に示したシクロペンタノール、化１７に示した２−メチルシクロペンタノール、化１８に示した３−メチルシクロペンタノールが好ましく挙げられる。

このカルバミン酸エステルの製造方法では、例えば、図１に示したような反応装置１０の中に、原料であるアミン及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも１種と、アルコールと、二酸化炭素と、触媒である酸化セリウムと、脱水剤である２−ＣＮＰｙとを入れ、撹拌しながら加熱して反応させる。撹拌は、例えば、撹拌子１１により行い、反応温度は、例えば、温度計１２により測定する。二酸化炭素は、図示しない供給源から反応装置１０に供給し、反応装置１０の中の二酸化炭素圧力が所定の範囲内となるように調整される。

加熱温度は、例えば、４０３Ｋ以上４７３Ｋ以下の範囲内とすることが好ましく、４１３Ｋ以上４４３Ｋ以下の範囲内とすればより好ましい。この範囲内において良好に反応させることができるからである。二酸化炭素の圧力は、０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましく、０．５ＭＰａ以上５ＭＰａ以下の範囲内とすればより好ましい。この範囲内において良好に反応させることができるからである。反応時間は、例えば、１時間から２４時間程度である。

このように本実施の形態によれば、炭素数が３以上のアルコールを用いるようにしたので、高い収率を得ることができると共に、副生物の生成量を減少させることができる。また、二酸化炭素の圧力を低くすることができ、容易に製造することができる。

特に、分岐を有するアルコールを用いるようにすれば、又は、第二級アルコール用いるようにすれば、より高い効果を得ることができる。また、芳香族アミン及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも１種、又は、第二級アミン及びその誘導体からなる群のうちの少なくとも１種を用いるようにすれば、より高い効果を得ることができる。

（実施例１−１〜１−７、比較例１−１，１−２）
反応装置１０として１９０ｍｌのオートクレーブを用意し、その中に、原料であるアニリン（化７）、アルコール、及び、二酸化炭素と、触媒である酸化セリウムと、脱水剤である２−ＣＮＰｙを入れ、撹拌しながら加熱してカルバミン酸エステルを製造した。

原料であるアルコールには、実施例１−１では１−プロパノール（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ_２−ＯＨ）、実施例１−２では１−ペンタノール（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２−ＯＨ）、実施例１−３では１−ヘプタノール（ＣＨ_３ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２−ＯＨ）、実施例１−４では２−メチル−１−プロパノール（ＣＨ_３ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２−ＯＨ）、実施例１−５では３メチル−１−ブタノール（ＣＨ_３ＣＨ（ＣＨ_３）ＣＨ_２ＣＨ_２−ＯＨ）、実施例１−６では２−プロパノール（ＣＨ_３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ_３）、実施例１−７ではシクロヘキサノール（化１５）を用いた。また、比較例１−１ではメタノール（ＣＨ_３−ＯＨ）、比較例１−２ではエタノール（ＣＨ_３ＣＨ_２−ＯＨ）を用いた。表１に、アルコールの種類及び炭素数を示す。また、分岐を有するものには分岐の欄に「有」と記し、第二級アルコールは二級の欄に「○」を印した。

アニリン、アルコール、酸化セリウム、及び、２−ＣＮＰｙの混合量は、いずれも、アニリン５ｍｍｏｌ、アルコール７５ｍｍｏｌ、酸化セリウム２ｍｍｏｌ、２−ＣＮＰｙ７５ｍｍｏｌとし、二酸化炭素の圧力は５ＭＰａとした。反応温度は４２３Ｋとし、反応時間は実施例１−１〜１−５及び比較例１−１，１−２については６時間、実施例１−６，１−７については８時間とした。各実施例及び各比較例について、転化率、選択率、副生物であるカーボネートと２−ＰＡの生成量を測定した。なお、転化率及び選択率は、アニリンベースで算出した値である。得られた結果を表１に示す。

表１に示したように、本実施によれば、いずれも比較例と同等の高い収率を得ることができた。また、本実施例によれば、比較例１−１，１−２に比べて、副生物であるカーボネート及び２−ＰＡの生成量を少なくすることができた。中でも、分岐を有するアルコールを用いた実施例１−４〜１−６によれば、副生物の生成量をより少なくすることができ、第二級アルコールを用いた実施例１−６，１−７によれば、副生物の生成量を更に少なくすることができた。

すなわち、炭素数が３以上のアルコールを用いるようにすれば、副生物の生成量を減少させることができ、分岐を有するアルコール、又は、第２級アルコールを用いるようにすれば、更に副生物の生成量を減少させることができることが分かった。

（実施例２−１〜２−７）
実施例２−１〜２−７として、原料であるアミン及びその誘導体の種類を変化させた。アミン及びその誘導体として、実施例２−１では、化８に示した４−メチルアミンを用い、実施例２−２では、化９に示した２−メチルアミンを用い、実施例２−３では、化１０に示した３−メチルアミンを用い、実施例２−４では化１１に示した４−メトキシアニリンを用い、実施例２−５では、化１２に示した４−フルオロアニリンを用い、実施例２−６では、化１３に示した４−クロロアニリンを用い、実施例２−７では、化１４に示したＮ−メチル−１−ペンチルアミンを用いた。

また、原料であるアルコールには２−プロパノール（ＣＨ３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ３）を用いた。アミン及びその誘導体、２−プロパノール、酸化セリウム、及び、２−ＣＮＰｙの混合量は、いずれも、アミン及びその誘導体５ｍｍｏｌ、２−プロパノール７５ｍｍｏｌ、酸化セリウム(実施例２−１〜２−６は２ｍｍｏｌ：実施例２−７は１ｍｍｏｌ)、２−ＣＮＰｙ１０ｍｍｏｌとし、二酸化炭素の圧力は１ＭＰａとした。反応温度は４２３Ｋとし、反応時間は実施例２−１〜２−６については４８時間、実施例２−７については２４時間とした。他は、実施例１−１〜１−７と同様にしてカルバミン酸エステルを製造した。各実施例について、転化率、選択率、副生物であるカーボネートと２−ＰＡの生成量を測定した。転化率及び選択率は、アミン及びその誘導体をベースとして算出した値である。得られた結果を表２に示す。

また、各実施例において製造されるカルバミン酸エステルの構造は、実施例２−１が化１９、実施例２−２が化２０、実施例２−３が化２１、実施例２−４が化２２、実施例２−５が化２３、実施例２−６が化２４、実施例２−７が化２５に示した通りである。

表２に示したように、各実施例においていずれもカルバミン酸エステルが合成され、また、副生物であるカーボネート及び２−ＰＡの生成量は少なかった。すなわち、他のアミン及びその誘導体を用いても、同様の効果を得ることができることが分かった。特に、芳香族アミン及びその誘導体を用いれば、高い収率を得ることができ好ましいことが分かった。

（実施例３−１〜３−５）
実施例３−１〜３−５として、原料である二酸化炭素の圧力を変化させた。各実施例における二酸化炭素の圧力は、実施例３−１が０．５ＭＰａ、実施例３−２が１ＭＰａ、実施例３−３が２ＭＰａ、実施例３−４が４ＭＰａ、実施例３−５が５ＭＰａとした。また、原料であるアミン及びその誘導体には化７に示したアニリンを用い、アルコールには２−プロパノール（ＣＨ３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ３）を用いた。アニリン、２−プロパノール、酸化セリウム、及び、２−ＣＮＰｙの混合量は、いずれも、アニリン５ｍｍｏｌ、２−プロパノール７５ｍｍｏｌ、酸化セリウム１ｍｍｏｌ、２−ＣＮＰｙ１０ｍｍｏｌとした。反応温度は４２３Ｋとし、反応時間は２４時間とした。他は、実施例１−１〜１−７と同様にしてカルバミン酸エステルを製造した。各実施例について、転化率、選択率、副生物であるカーボネートと２−ＰＡの生成量を測定した。転化率及び選択率は、アニリンベースとして算出した値である。得られた結果を表３に示す。

表３に示したように、二酸化炭素の圧力を低くしても、高い収率を得ることができ、また、副生物であるカーボネート及び２−ＰＡの生成量も少なかった。すなわち、炭素数が３以上のアルコールを用いてカルバミン酸エステルを合成するようにすれば、二酸化炭素の圧力を低くすることができることが分かった。よって、製造装置を簡素化することができ、実施する上で有効であることが分かった。

（実施例４−１〜４−５）
実施例４−１〜４−５として、脱水剤である２−ＣＮＰｙの混合量を変化させた。２−ＣＮＰｙの混合量は、実施例４−１が６ｍｍｏｌ、実施例４−２が１０ｍｍｏｌ、実施例４−３が３０ｍｍｏｌ、実施例４−４が５０ｍｍｏｌ、実施例４−５が７５ｍｍｏｌである。また、原料であるアミン及びその誘導体には化７に示したアニリンを用い、アルコールには２−プロパノール（ＣＨ３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ３）を用いた。アニリン、２−プロパノール、及び、酸化セリウムの混合量は、いずれも、アニリン５ｍｍｏｌ、２−プロパノール７５ｍｍｏｌ、酸化セリウム２ｍｍｏｌとし、二酸化炭素の圧力は５ＭＰａとした。反応温度は４２３Ｋとし、反応時間は実施例４−１、４−２は２４時間とし、実施例４−３，４−４は１２時間とし、実施例４−５は８時間とした。他は、実施例１−１〜１−７と同様にしてカルバミン酸エステルを製造した。各実施例について、転化率、選択率、副生物であるカーボネートと２−ＰＡの生成量を測定した。転化率及び選択率は、アニリンベースとして算出した値である。得られた結果を表４に示す。

表４に示したように、２−ＣＮＰｙの混合量を少なくしても、高い収率を得ることができ、また、副生物であるカーボネート及び２−ＰＡの生成量も少なかった。すなわち、炭素数が３以上のアルコールを用いてカルバミン酸エステルを合成するようにすれば、脱水剤である２−ＣＮＰｙの添加量を少なくすることができることが分かった。

（実施例５−１〜５−４）
実施例５−１〜５−４として、反応温度を変化させた。反応温度は、実施例５−１が４１３Ｋ、実施例５−２が４２３Ｋ、実施例５−３が４３３Ｋ、実施例５−４が４４３Ｋである。また、原料であるアミン及びその誘導体には化７に示したアニリンを用い、アルコールには２−プロパノール（ＣＨ３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ３）を用いた。アニリン、２−プロパノール、酸化セリウム、及び、２−ＣＮＰｙの混合量は、いずれも、アニリン５ｍｍｏｌ、２−プロパノール７５ｍｍｏｌ、酸化セリウム０．０１ｍｍｏｌ、２−ＣＮＰｙ１０ｍｍｏｌとし、二酸化炭素の圧力は１ＭＰａ、反応時間は４時間とした。他は、実施例１−１〜１−７と同様にしてカルバミン酸エステルを製造した。各実施例について、転化率、選択率、副生物であるカーボネートと２−ＰＡの生成量を測定した。転化率及び選択率は、アニリンベースとして算出した値である。得られた結果を表５に示す。

表５に示したように、各実施例においていずれもカルバミン酸エステルを合成が確認された。

（実施例６−１〜６−５）
実施例６−１〜６−５として、反応時間を変化させた。反応時間は、実施例６−１が０時間、実施例６−２が１時間、実施例６−３が４時間、実施例６−４が６時間、実施例６−５が８時間である。また、原料であるアミン及びその誘導体には化７に示したアニリンを用い、アルコールには２−プロパノール（ＣＨ３ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ３）を用いた。アニリン、２−プロパノール、酸化セリウム、及び、２−ＣＮＰｙの混合量は、いずれも、アニリン５ｍｍｏｌ、２−プロパノール７５ｍｍｏｌ、酸化セリウム２ｍｍｏｌ、２−ＣＮＰｙ７５ｍｍｏｌとし、二酸化炭素の圧力は５ＭＰａ、反応温度は４２３Ｋとした。他は、実施例１−１〜１−７と同様にしてカルバミン酸エステルを製造した。各実施例について、転化率、選択率、副生物であるカーボネートと２−ＰＡの生成量を測定した。転化率及び選択率は、アニリンベースとして算出した値である。得られた結果を表６に示す。

表６に示したように、各実施例においていずれもカルバミン酸エステルを合成が確認され、反応時間をある程度長くすれば十分に反応を進めることができることが分かった。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

１０…反応装置、１１…撹拌子、１２…温度計

Claims (3)

1. アミンと、アルコールと、二酸化炭素とを原料とし、酸化セリウムを触媒、２−シアノピリジンを脱水剤として用いてカルバミン酸エステルを合成するカルバミン酸エステルの製造方法であって、
   前記アルコールは、分岐を有するか又は第ニ級アルコールであり、かつ、炭素数が３以上であることを特徴とするカルバミン酸エステルの製造方法。
2. 前記アミンは、芳香族アミンであることを特徴とする請求項１記載のカルバミン酸エステルの製造方法。
3. 前記アミンは、第二級アミンであることを特徴とする請求項１記載のカルバミン酸エステルの製造方法。

Images