JP7076283B2

JP7076283B2 - 六員複素環骨格を有する化合物の製造方法

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Publication number: JP7076283B2
Application number: JP2018096948A
Authority: JP
Inventors: 健啓飯塚; 雅一佐藤
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2038-05-21
Also published as: JP2019202940A

Description

本発明は、六員複素環骨格を有する化合物の製造方法に関する。

六員複素環骨格を有する化合物は、飼料添加剤、食品添加剤、医薬品等の分野において有用な合成中間原料であり、３位に置換基を有するピリジン誘導体を合成する方法としては、従来から２－メチル－５－エチルピリジン又は３－ピコリン（β－ピコリン、３－メチルピリジン）のアンモ酸化反応により製造する方法が知られている。

例えば、特許文献１～３には、２－メチル－５－エチルピリジンのアンモ酸化反応による３－シアノピリジンの製造方法が開示されている。特許文献４には、３－ピコリンのアンモ酸化反応による３－シアノピリジンの製造方法が開示されている。

特開昭５０－１３３７８号公報特開昭５０－１２３６７７号公報特開昭５１－８０８６４号公報特開平９－１６３９９５号公報（特許第３９１１７３４号）

特許文献１～４に記載の３－シアノピリジンの製造方法は、非常に選択性の高い製造方法であるが、原料として用いる２－メチル－５－エチルピリジンや３－ピコリンが高価であるため、工業的な規模での３－シアノピリジンの製造において、原料コストが非常に大きい問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、安価な原料を用いることにより、経済的に有利な、３－シアノピリジンを含む六員複素環骨格を有する化合物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、２－メチル－５－エチルピリジンや３－ピコリンに比べて安価な原料である、六員炭素環骨格を有する化合物を、気相接触アンモ酸化反応させることにより、六員複素環骨格を有する化合物が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は以下のとおりである。
［１］
六員炭素環骨格を有する化合物を、触媒の存在下で気相接触アンモ酸化反応させて、六員複素環骨格を有する化合物を得る反応工程を含む、六員複素環骨格を有する化合物の製造方法。
［２］
前記六員炭素環骨格を有する化合物が、シクロヘキサン、シクロヘキセン、１，３－シクロヘキサジエン、１，４－シクロヘキサジエン、ベンゼン、シクロヘキサノン、２－シクロヘキセン－１－オン、シクロヘキサノール、及び２－シクロヘキセン－１－オールからなる群から選ばれる少なくとも１種である、［１］に記載の製造方法。
［３］
前記六員複素環骨格を有する化合物が、ピリジン環骨格を有する化合物である、［１］又は［２］に記載の製造方法。
［４］
前記六員複素環骨格を有する化合物が、２－メチルピリジン、３－メチルピリジン、４－メチルピリジン、２－シアノピリジン、３－シアノピリジン、及び４－シアノピリジンからなる群から選ばれる少なくとも１種である、［１］又は［２］に記載の製造方法。
［５］
前記六員複素環骨格を有する化合物が、３－シアノピリジンである、［１］又は［２］に記載の製造方法。
［６］
前記触媒が、ルイス酸、ゼオライト、アルミナ、金属化合物、及び金属錯体化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種である、［１］～［５］のいずれかに記載の製造方法。

本発明によれば、従来の方法に比べて経済的に有利な方法で、六員複素環骨格を有する化合物を製造することができる。

以下、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」という。）について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の本実施形態に制限されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。なお、数値範囲における「Ａ～Ｂ」の表現は、特に記載がない限り「Ａ以上Ｂ以下」の数値範囲を示すものとする。

〔六員複素環骨格を有する化合物の製造方法〕
本実施形態の六員複素環骨格を有する化合物の製造方法は、六員炭素環骨格を有する化合物を、触媒の存在下で気相接触アンモ酸化反応させて、六員複素環骨格を有する化合物を得る反応工程を含む。以下、六員炭素環骨格を有する化合物を「六員炭素環化合物」を称し、六員複素環骨格を有する化合物を「六員複素環化合物」と称する。

本明細書において「気相接触アンモ酸化反応」とは、原料の六員炭素環化合物とアンモニアと酸素とを、気体状態で接触（気相接触）させて六員複素環化合物を形成する反応を意味する。具体的には、気相接触アンモ酸化反応は、触媒を充填した反応器内で、所定の温度にて、原料の六員炭素環化合物とアンモニアと酸素とを気相接触させることにより、実施することができるが、特に限定されない。

〔反応工程〕
（原料）
原料は、六員炭素環化合物である。本明細書において「六員炭素環」とは、環員原子として６個の炭素原子を有する六員環を意味する。六員炭素環化合物として、例えば、シクロヘキサン、シクロヘキセン、１，３－シクロヘキサジエン、１，４－シクロヘキサジエン、ベンゼン、シクロヘキサノン、２－シクロヘキセン－１－オン（シクロヘキセノン）、シクロヘキサノール、２－シクロヘキセン－１－オール（シクロヘキセノール）を用いることができるが、特に限定されない。

原料となる六員炭素環化合物及びアンモニアは、必ずしも高純度である必要はなく、工業グレードのものでよい。原料となる酸素は、純酸素でもよいし、酸素含有ガスでもよい。酸素含有ガスとしては、特に限定されないが、例えば、空気、酸素を富化した空気、又はこれら若しくは純酸素をヘリウム、アルゴン、二酸化炭素、窒素等の不活性ガス若しくは水蒸気で希釈したガスが挙げられる。このなかでも、工業スケールで用いる場合には、簡便さから空気を用いることが好ましい。

（生成物）
生成物は、六員複素環化合物である。本明細書において「六員複素環」とは、環員原子として、少なくとも１つ以上の炭素原子と少なくとも１つ以上の窒素原子からなる六員環を意味する。六員複素環として、例えば、ピリジンが挙げられる。六員複素環化合物として、例えば、２－メチルピリジン、３－メチルピリジン、４－メチルピリジン、２－シアノピリジン、３－シアノピリジン、４－シアノピリジンが挙げられるが、特に限定されない。

（触媒）
本実施形態における触媒としては、特に限定されないが、ルイス酸、ゼオライト、アルミナ、金属化合物、金属錯体化合物等が挙げられる。ルイス酸の具体例としては、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ₃）や塩化鉄（ＦｅＣｌ₃）等が挙げられる。金属化合物の具体例としては、４～１６族等の金属化合物が挙げられる。また金属錯体化合物としては、４～１６族等の金属錯体が挙げられる。触媒は、好ましくは４～１６族の金属の酸化物、リン酸塩又はピロリン酸塩であり、より好ましくはチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、セリウム（Ｃｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）又はアンチモン（Ｓｂ）の酸化物、リン酸塩又はピロリン酸塩であり、更に好ましくはバナジウム（Ｖ）の酸化物、リン酸塩又はピロリン酸塩である。触媒は、一種を単独で用いても、二種以上を併用してもよい。

触媒の形状は、粉状でも粒状でもよく、反応方式に応じて適した形状に成型加工した成形体とすることができる。触媒の成形方法としては特に限定されず、公知の方法を用いることが可能である。例えば、触媒の前駆体を噴霧乾燥する方法、触媒成分を圧縮成型する方法、触媒成分を押出し成型する方法が挙げられる。これら成形方法においては、バインダーや成形用希釈剤を用いてもよい。バインダー及び成形用希釈剤としては、特に限定されないが、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、カオリン、ケイソウ土、粘土等の多孔性耐火性無機酸化物が挙げられる。これらは、一種を単独で用いても、二種以上を併用してもよい。これらのバインダー及び成形用希釈剤は、市販のものを用いてもよく、常法により合成してもよい。

（反応条件）
本実施形態における気相接触アンモ酸化反応は、特に限定されないが、具体的には以下の条件で行うことができる。

反応器に供給する酸素の六員炭素環化合物に対するモル比（酸素／六員炭素環化合物のモル比）は、好ましくは０．１～３０であり、より好ましくは０．５～２０である。酸素／六員炭素環化合物のモル比が０．１以上であることにより、反応効率がより上昇する傾向にある。また、酸素／六員炭素環化合物のモル比が３０以下であることにより、工業スケールで用いる場合には、酸素のコストがより低減でき、後述する六員複素環化合物を精製する精製工程においてエネルギー消費量をより低減できる傾向にある。

反応器に供給するアンモニアの六員炭素環化合物に対するモル比（アンモニア／六員炭素環化合物のモル比）は、好ましくは０．１～２０であり、より好ましくは０．５～１５である。アンモニア／六員炭素環化合物のモル比が０．１以上であることにより、反応効率がより上昇する傾向にある。また、アンモニア／六員炭素環化合物のモル比が２０以下であることにより、工業スケールで用いる場合には、アンモニアのコストがより低減でき、後述する六員複素環化合物を精製する精製工程においてエネルギー消費量をより低減できる傾向にある。

反応温度は、好ましくは３００～６００℃であり、より好ましくは３００～５００℃である。反応温度が上記範囲であることにより、六員複素環化合物の収率をより向上できる傾向にある。

反応圧力は、好ましくは５×１０⁴～５×１０⁵Ｐａであり、より好ましくは１×１０⁵～３×１０⁵Ｐａである。反応圧力が上記範囲であることにより、六員複素環化合物の収率をより向上できる傾向にある。

接触時間は、好ましくは０．１～１０［ｓｅｃ・ｇ／ｃｍ³］であり、より好ましくは０．２～５［ｓｅｃ・ｇ／ｃｍ³］である。接触時間が上記範囲であることにより、六員複素環化合物の収率をより向上できる傾向にある。

本実施形態において、接触時間は次式で定義される。
接触時間［ｓｅｃ・ｇ／ｃｍ³］＝（Ｗ／Ｆ）×２７３／（２７３＋Ｔ）
ここで、Ｗ、Ｆ及びＴは次のように定義される。
Ｗ＝反応器への触媒充填重量［ｇ］
Ｆ＝標準状態（０℃、１．０１３×１０⁵Ｐａ）での原料混合ガス流量［ｃｍ³／ｓｅｃ］
Ｔ＝反応温度［℃］
ここで、「原料混合ガス流量」とは、反応器への原料の供給速度であり、「原料」には、本実施形態における原料である、六員炭素環化合物、アンモニア及び酸素含有ガスが含まれる。

（反応方式）
気相接触アンモ酸化反応における反応方式は、特に限定されないが、例えば、固定床、流動床、移動床等の従来の方式を採用できる。このなかでも、反応熱の除熱が容易な流動床反応方式が好ましい。また、気相接触アンモ酸化反応は、単流式であってもリサイクル式であってもよい。

〔精製工程〕
本実施形態の製造方法は、反応工程で得た六員複素環化合物を精製する精製工程を更に含んでいてもよい。精製工程は、未反応の六員炭素環化合物、アンモニア及び酸素（酸素含有ガス）や、六員複素環化合物以外に生成した副生物を除去するように構成されていれば特に限定されない。精製工程としては、例えば、濃縮工程、脱水工程、低沸分分離工程、高沸分分離工程等が挙げられる。

以下実施例により本発明を３－シアノピリジンの製造方法を例に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

〔３－シアノピリジンの収率〕
実施例における３－シアノピリジンの収率は、気相接触アンモ酸化反応によって生成したガスを０～５℃に冷却し、得られた液を回収してガスクロマトグラフィー（以下、「ＧＣ」と記載する。）により分析し、面積百分率にて算出した。ＧＣの分析条件は以下のとおりである。
装置：ＧＣ－２０１０（島津製作所社製）
カラム：ＤＢ－１（アジレント・テクノロジー社製）長さ３０ｍ×内径０．２５ｍｍ×膜厚１．０μｍ
カラム温度：４０℃→［４０℃で２分間保持］→［５℃／分で昇温］→２５０℃
インジェクション温度：２５０℃
キャリヤーガス：ヘリウムガス
検出器：水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）

〔実施例１〕
（触媒の調製）
金属化合物からなる触媒（Ａ）（以下、単に「触媒（Ａ）」と記載する。）を次のようにして製造した。
ベンジルアルコール８０ｍＬに、酸化バナジウム〔Ｖ₂Ｏ₅〕を８．０ｇ加え、撹拌しながら１１８℃で５時間加熱して原料液（Ａ１）を調製した。
８５％リン酸〔Ｈ₃ＰＯ₄〕１０．１ｇをベンジルアルコール２１ｇと混合したリン酸溶液（Ａ２）を調製した。
得られたリン酸溶液（Ａ２）を、原料液（Ａ１）に加えた後、１１８℃で１０時間加熱して原料調合スラリー（Ａ３）を得た。
得られた原料調合スラリー（Ａ３）を濾別し、濾別された粉体を乾燥器（乾燥熱源は空気、１１０℃）で１９時間乾燥し、乾燥粉体（Ａ４）を得た。
得られた乾燥粉体（Ａ４）に対して、マッフル炉で、空気雰囲気下４８０℃で５時間の焼成と、窒素雰囲気下６７０℃で７時間の焼成を行い、触媒（Ａ）を得た。
上記で得られた触媒（Ａ）の結晶構造を、ＸＲＤ分析（装置：リガク株式会社製・ＲＩＮＴ）により測定した。得られた触媒（Ａ）は、（ＶＯ）₂Ｐ₂Ｏ₇であった。

（気相接触アンモ酸化反応）
上記で得られた触媒（Ａ）を用いて、以下の方法により、シクロヘキサノールを気相接触アンモ酸化反応に供した。内径１７ｍｍの石英ガラス製反応管に、触媒（Ａ）を３ｇ充填し、反応温度４２５℃、反応圧力常圧下にシクロヘキサノール：アンモニア：酸素：窒素＝１：２：３：１２のモル比の混合ガスを接触時間１．０［ｓｅｃ・ｇ／ｃｍ³］で供給した。反応は２時間継続して実施した。このときの３－シアノピリジン収率は９０％であった。

〔実施例２〕
（触媒の調製）
金属化合物からなる触媒（Ｂ）（以下、単に「触媒（Ｂ）」と記載する。）を次のようにして製造した。
実施例１で得た触媒（Ａ）を６．５ｇと、酸化アンチモン〔Ｓｂ₂Ｏ₃〕を１２．３ｇとを混合して混合粉体（Ｂ１）を得た。
得られた混合粉体（Ｂ１）に対して、マッフル炉で、窒素雰囲気下４８０℃で４時間の焼成を行い、触媒（Ｂ）を得た。
上記で得られた触媒（Ｂ）の結晶構造を、実施例１同様にＸＲＤ分析により測定した。得られた触媒（Ｂ）は、ＳｂＯ₂とＳｂＰＯ₄と（ＶＯ）₂Ｐ₂Ｏ₇の混合物であった。

（シクロヘキセンのアンモ酸化反応）
触媒（Ａ）に代えて触媒（Ｂ）を用い、シクロヘキサノールに代えてシクロヘキセンを用いたこと以外は、実施例１と同様に気相接触アンモ酸化反応を行った。このときの３－シアノピリジン収率は７９％であった。

本発明は、飼料添加剤、食品添加剤、医薬品等の分野において有用な合成中間原料である六員複素環化合物の製造に好適に利用できる。

Claims

六員炭素環骨格を有する化合物を、触媒の存在下で気相接触アンモ酸化反応させて、六員複素環骨格を有する化合物を得る反応工程を含む、六員複素環骨格を有する化合物の製造方法であって、
前記六員炭素環骨格を有する化合物が、シクロヘキセン及びシクロヘキサノールからなる群から選ばれる少なくとも１種である、
前記六員複素環骨格を有する化合物が、３－シアノピリジンである、
製造方法。
前記触媒が、ルイス酸、ゼオライト、アルミナ、金属化合物、及び金属錯体化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種である、請求項１に記載の製造方法。