JPWO2017170808A1 - Method for producing four-membered ring lactone and heterogeneous catalyst - Google Patents

Method for producing four-membered ring lactone and heterogeneous catalyst Download PDF

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Abstract

生成物からの分離が容易で、空気中での取扱いが可能な不均一系触媒を用いたエポキシドのカルボニル化反応において、より高い収率で効率的に四員環ラクトンを製造する手法を提供すること。
エポキシドのカルボニル化反応により四員環ラクトンを製造する方法であって、エポキシドと一酸化炭素とを、
(A)第5族〜第10族の遷移金属から選ばれる1種以上の金属の酸化物を担体とし、当該担体に、第10族の遷移金属、第11族の遷移金属及びこれらの酸化物から選ばれる1種又は2種以上を担持させた不均一系触媒(ただし、被担持物は、担体とした金属酸化物とは金属の種類が異なる)と、
(B)金属ルイス酸と、
(C)酸素原子及び窒素原子から選ばれる原子を分子内に含むルイス塩基
の存在下で反応させる工程を含む、四員環ラクトンの製造方法。
To provide a method for efficiently producing a 4-membered ring lactone in a higher yield in a carbonylation reaction of an epoxide using a heterogeneous catalyst that can be easily separated from a product and can be handled in air. about.
A method for producing a four-membered lactone by carbonylation of an epoxide, comprising epoxide and carbon monoxide,
(A) An oxide of one or more metals selected from Group 5 to Group 10 transition metals is used as a carrier, and Group 10 transition metal, Group 11 transition metal, and oxides thereof are used as the carrier. A heterogeneous catalyst in which one or more selected from the above are supported (however, the supported material is different from the metal oxide used as the carrier),
(B) a metal Lewis acid;
(C) A method for producing a four-membered ring lactone, comprising a step of reacting in the presence of a Lewis base containing an atom selected from an oxygen atom and a nitrogen atom in the molecule.

Description

本発明は四員環ラクトンの製造方法及び不均一系触媒に関する。より詳細には、エポキシドのカルボニル化反応により四員環ラクトンを製造する方法、及びエポキシドのカルボニル化反応に用いるための不均一系触媒に関する。   The present invention relates to a method for producing a four-membered ring lactone and a heterogeneous catalyst. More specifically, the present invention relates to a method for producing a four-membered lactone by an epoxide carbonylation reaction, and a heterogeneous catalyst for use in the epoxide carbonylation reaction.

ラクトンは医薬品や香料の原料、中間体として工業的に重要な化合物である。特に四員環ラクトンは歪んだ構造に起因する高い反応性を持ち、医薬品の原料や中間体だけでなく、生分解性樹脂やアクリル酸、コハク酸無水物等の原料として非常に有用な化合物である。しかしながら、五員環及び六員環ラクトンは主にヒドロキシカルボン酸等の脱水縮合で容易に得られるが、四員環ラクトンは脱水縮合での合成は難しく別種の手法が求められていた。   Lactones are industrially important compounds as raw materials and intermediates for pharmaceuticals and fragrances. In particular, four-membered ring lactones have high reactivity due to the distorted structure, and are very useful compounds as raw materials for biodegradable resins, acrylic acid, succinic anhydride, etc. as well as raw materials and intermediates for pharmaceuticals. is there. However, five-membered and six-membered lactones can be easily obtained mainly by dehydration condensation of hydroxycarboxylic acid or the like, but four-membered lactones are difficult to synthesize by dehydration condensation, and other methods have been required.

その様な別種の手法として、エポキシドのカルボニル化によって四員環ラクトンを得る手法が知られている。
例えば、非特許文献1には、均一系コバルトカルボニル触媒Co2(CO)8を用い、高圧一酸化炭素下でエポキシドをカルボニル化させる方法が報告されている。
また、非特許文献2では、コバルトカルボニル/ポルフィリンアルミニウム錯体などの均一系二種金属触媒を用い、高圧一酸化炭素下でエポキシドを効率よくカルボニル化させる方法が報告されている。さらに、特許文献1には、コバルトカルボニル/ポルフィリンアルミニウム錯体などの均一系二種金属触媒の存在下、スルホランなどの高沸点溶媒中でカルボニル化させる方法が報告されており、反応液を減圧蒸留することにより、目的とする四員環ラクトンを含む留分と、触媒及び高沸点溶媒を含む留分とに分離し、触媒を含む留分を反応系にリサイクルする方法が開示されている。
As such another kind of technique, a technique for obtaining a four-membered lactone by carbonylation of an epoxide is known.
For example, Non-Patent Document 1 reports a method of carbonylating an epoxide under high-pressure carbon monoxide using a homogeneous cobalt carbonyl catalyst Co 2 (CO) 8 .
Non-Patent Document 2 reports a method of efficiently carbonylating an epoxide under high-pressure carbon monoxide using a homogeneous bimetallic catalyst such as a cobalt carbonyl / porphyrin aluminum complex. Further, Patent Document 1 reports a method of carbonylation in a high boiling point solvent such as sulfolane in the presence of a homogeneous bimetallic catalyst such as cobalt carbonyl / porphyrin aluminum complex, and the reaction solution is distilled under reduced pressure. Thus, a method is disclosed in which a fraction containing a target four-membered ring lactone and a fraction containing a catalyst and a high-boiling solvent are separated, and the fraction containing the catalyst is recycled to the reaction system.

また、特許文献2では、酸化コバルトに金を担持した不均一系触媒を用いたエポキシドのカルボニル化が報告されている。なお、酸化コバルトに金を担持した触媒は、オレフィンのヒドロホルミル化反応における触媒としても知られており、当該反応においては、触媒を水素ガスで前処理することにより触媒活性が向上することが報告されている(特許文献3)。   Patent Document 2 reports carbonylation of epoxides using a heterogeneous catalyst in which gold is supported on cobalt oxide. A catalyst in which gold is supported on cobalt oxide is also known as a catalyst in an olefin hydroformylation reaction, and it is reported that the catalytic activity is improved by pretreating the catalyst with hydrogen gas. (Patent Document 3).

特表2012−523421号公報Special table 2012-523421 gazette 特開2013−173089号公報JP 2013-173089 A 特開2009−241060号公報JP 2009-244102 A

J. Org. Chem. 2001, 66, 5424−5426.J. et al. Org. Chem. 2001, 66, 5424-5426. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 4948−4960.J. et al. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 4948-4960.

しかしながら、前述の均一系触媒によるエポキシドのカルボニル化反応は高い反応性を示すものの、触媒と生成物の分離や触媒自体の再利用が困難である。また、特許文献1に記載のスルホランなどの高沸点溶媒を用いる方法では、THFなどを溶媒として用いた場合と比較すると触媒活性が低下し効率的に反応を行うことができない。また、コバルトカルボニル/ポルフィリンアルミニウム錯体は100℃以上に加熱されると容易に分解してしまうため、減圧蒸留温度を上げることができず、十分な分離ができないという問題がある。さらに、コバルトカルボニル触媒やコバルトカルボニル/ポルフィリンアルミニウム錯体は、空気や水分に対して非常に不安定であり、取扱いに特別な注意を必要とするという問題がある。   However, although the epoxide carbonylation reaction using the homogeneous catalyst described above exhibits high reactivity, it is difficult to separate the catalyst and the product and to reuse the catalyst itself. Further, in the method using a high-boiling solvent such as sulfolane described in Patent Document 1, the catalytic activity is reduced compared to the case where THF or the like is used as a solvent, and the reaction cannot be performed efficiently. Moreover, since a cobalt carbonyl / porphyrin aluminum complex will decompose | disassemble easily when heated to 100 degreeC or more, there exists a problem that vacuum distillation temperature cannot be raised and sufficient isolation | separation cannot be performed. Furthermore, the cobalt carbonyl catalyst and the cobalt carbonyl / porphyrin aluminum complex have a problem that they are very unstable with respect to air and moisture and require special care in handling.

一方、酸化コバルト担持金触媒は、空気や水に対して安定であり取扱い性に優れ、固液分離などにより容易に触媒と生成物を分離することができる。しかしながら、不均一系反応は四員環ラクトンの収率が低く、工業的な生産に適用することは困難であった。本発明者らの検討によれば、特許文献2に記載の触媒を用いるのみでは、目的とする四員環ラクトンが全く得られなかった。   On the other hand, the cobalt oxide-supported gold catalyst is stable against air and water, has excellent handleability, and can easily separate the catalyst and the product by solid-liquid separation or the like. However, the heterogeneous reaction has a low yield of the four-membered ring lactone and is difficult to apply to industrial production. According to the study by the present inventors, the target four-membered ring lactone was not obtained at all by using only the catalyst described in Patent Document 2.

したがって、本発明が解決しようとする課題は、生成物からの分離が容易で、空気中での取扱いが可能な不均一系触媒を用いたエポキシドのカルボニル化反応において、より高い収率で効率的に四員環ラクトンを製造する手法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとするもう一つの課題は、生成物からの分離が容易で、空気中での取扱いが可能であり、エポキシドのカルボニル化反応に高い活性を示す不均一系触媒を提供することにある。
Therefore, the problem to be solved by the present invention is that the epoxide carbonylation reaction using a heterogeneous catalyst that can be easily separated from the product and can be handled in the air is more efficient at a higher yield. Another object is to provide a method for producing a four-membered lactone.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a heterogeneous catalyst that can be easily separated from the product, can be handled in the air, and exhibits high activity in the carbonylation reaction of epoxides. There is to do.

そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、遷移金属及び/又はその酸化物を担持した金属酸化物触媒を用いるエポキシドのカルボニル化反応において、特定のルイス酸及び特定のルイス塩基の存在下で反応を行うことにより、従来の不均一系触媒によるエポキシドのカルボニル化反応に比して飛躍的に反応性が向上することを見出し、本発明を完成させるに至った。
また、本発明者らは、特定の遷移金属及び/又はその酸化物を担持した不均一系触媒が、エポキシドのカルボニル化反応に非常に高い活性を示すことを見出し、本発明を完成させるに至った。
Therefore, as a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a specific Lewis acid and epoxide in a epoxide carbonylation reaction using a transition metal and / or a metal oxide catalyst supporting the oxide thereof. By carrying out the reaction in the presence of a specific Lewis base, the inventors have found that the reactivity is dramatically improved as compared with the epoxide carbonylation reaction using a conventional heterogeneous catalyst, and the present invention has been completed. .
In addition, the present inventors have found that a heterogeneous catalyst supporting a specific transition metal and / or its oxide exhibits very high activity in the carbonylation reaction of epoxide, leading to the completion of the present invention. It was.

すなわち、本発明は、以下の<1>〜<11>を提供するものである。
<1> エポキシドのカルボニル化反応により四員環ラクトンを製造する方法であって、エポキシドと一酸化炭素とを、
(A)第5族〜第10族の遷移金属から選ばれる1種以上の金属の酸化物を担体とし、当該担体に、第10族の遷移金属、第11族の遷移金属及びこれらの酸化物から選ばれる1種又は2種以上を担持させた不均一系触媒(ただし、被担持物は、担体とした金属酸化物とは金属の種類が異なる)と、
(B)金属ルイス酸と、
(C)酸素原子及び窒素原子から選ばれる原子を分子内に含むルイス塩基
の存在下で反応させる工程を含む、四員環ラクトンの製造方法。以下、この製造方法を「本発明の製造方法」とも称する。
<2> 前記金属ルイス酸(B)が、有機金属化合物、金属ハロゲン化物及び金属トリフラートから選ばれる1種又は2種以上である<1>に記載の製造方法。
<3> 前記金属ルイス酸(B)が、有機アルミニウム化合物である<1>に記載の製造方法。
<4> 前記ルイス塩基(C)が、鎖状エーテル、環状エーテル、鎖状アミン、環状アミン及びニトリルから選ばれる1種又は2種以上である<1>〜<3>のいずれかに記載の製造方法。
<5> 前記ルイス塩基(C)が、グリコールジアルキルエーテルである<1>〜<3>のいずれかに記載の製造方法。
<6> 前記カルボニル化反応を行う前に、水素又は水素及び一酸化炭素を含む混合ガスと、前記不均一系触媒(A)とを接触させる前処理を行う<1>〜<5>のいずれかに記載の製造方法。
<7> 前記不均一系触媒(A)の被担持物が、パラジウム、白金、金及びこれらの酸化物から選ばれる1種又は2種以上である<1>〜<6>のいずれかに記載の製造方法。
<8> 前記不均一系触媒(A)の担体が、酸化コバルトである<1>〜<7>のいずれかに記載の製造方法。
<9> 第5族〜第10族の遷移金属から選ばれる1種以上の金属の酸化物を担体とし、当該担体に、第10族の遷移金属及びその酸化物から選ばれる少なくとも1種を担持させてなる、エポキシドのカルボニル化反応に用いられる不均一系触媒(ただし、被担持物は、担体とした金属酸化物とは金属の種類が異なる)。以下、この触媒を「本発明の触媒X」とも称する。
<10> 被担持物が、パラジウム及びその酸化物から選ばれる少なくとも1種である<9>に記載の不均一系触媒。
<11> 担体が、酸化コバルトである<9>又は<10>に記載の不均一系触媒。
That is, the present invention provides the following <1> to <11>.
<1> A method for producing a four-membered lactone by a carbonylation reaction of an epoxide, wherein the epoxide and carbon monoxide are
(A) An oxide of one or more metals selected from Group 5 to Group 10 transition metals is used as a carrier, and Group 10 transition metal, Group 11 transition metal, and oxides thereof are used as the carrier. A heterogeneous catalyst in which one or more selected from the above are supported (however, the supported material is different from the metal oxide used as the carrier),
(B) a metal Lewis acid;
(C) A method for producing a four-membered ring lactone, comprising a step of reacting in the presence of a Lewis base containing an atom selected from an oxygen atom and a nitrogen atom in the molecule. Hereinafter, this manufacturing method is also referred to as “the manufacturing method of the present invention”.
<2> The production method according to <1>, wherein the metal Lewis acid (B) is one or more selected from an organometallic compound, a metal halide, and a metal triflate.
<3> The production method according to <1>, wherein the metal Lewis acid (B) is an organoaluminum compound.
<4> The Lewis base (C) according to any one of <1> to <3>, wherein the Lewis base (C) is one or more selected from a chain ether, a cyclic ether, a chain amine, a cyclic amine, and a nitrile. Production method.
<5> The production method according to any one of <1> to <3>, wherein the Lewis base (C) is glycol dialkyl ether.
<6> Before performing the carbonylation reaction, any one of <1> to <5>, in which a pretreatment is performed in which hydrogen or a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide is brought into contact with the heterogeneous catalyst (A). The manufacturing method of crab.
<7> The material to be supported by the heterogeneous catalyst (A) is one or more selected from palladium, platinum, gold, and oxides thereof, and any one of <1> to <6>. Manufacturing method.
<8> The method according to any one of <1> to <7>, wherein the carrier of the heterogeneous catalyst (A) is cobalt oxide.
<9> An oxide of one or more metals selected from Group 5 to Group 10 transition metals is used as a carrier, and the carrier carries at least one selected from Group 10 transition metals and oxides thereof. The heterogeneous catalyst used in the epoxide carbonylation reaction (however, the supported material is different from the metal oxide used as the carrier). Hereinafter, this catalyst is also referred to as “catalyst X of the present invention”.
<10> The heterogeneous catalyst according to <9>, wherein the supported material is at least one selected from palladium and an oxide thereof.
<11> The heterogeneous catalyst according to <9> or <10>, wherein the support is cobalt oxide.

本発明の製造方法によれば、従来の不均一系触媒によるエポキシドのカルボニル化反応に比してより高収率で効率的に四員環ラクトンを得ることができる。
また、本発明の触媒Xは、生成物からの分離が容易で、空気中での取扱いが可能であり、エポキシドのカルボニル化反応に非常に高い触媒活性を示す。
According to the production method of the present invention, a four-membered lactone can be efficiently obtained in a higher yield than the epoxide carbonylation reaction using a conventional heterogeneous catalyst.
Further, the catalyst X of the present invention can be easily separated from the product, can be handled in air, and exhibits a very high catalytic activity for the epoxide carbonylation reaction.

<四員環ラクトンの製造方法>
本発明の製造方法で原料として用いられるエポキシドは、その化学構造中に三員環エーテル構造を少なくとも1個含有する化合物であれば、特に限定されない。エポキシドとしては、下記式(1)で表される化合物が挙げられる。
<Method for producing four-membered ring lactone>
The epoxide used as a raw material in the production method of the present invention is not particularly limited as long as it is a compound containing at least one three-membered ether structure in its chemical structure. Examples of the epoxide include compounds represented by the following formula (1).

Figure 2017170808
Figure 2017170808

〔式(1)中、
1〜R4は、それぞれ独立して、水素原子、又は置換若しくは非置換の炭化水素基を示す。
但し、R3及びR4のうちいずれか一方は、R1及びR2のうちいずれか一方とともに環を形成していてもよい。〕
[In Formula (1),
R 1 to R 4 each independently represent a hydrogen atom or a substituted or unsubstituted hydrocarbon group.
However, any one of R 3 and R 4 may form a ring together with any one of R 1 and R 2 . ]

1〜R4で示される炭化水素基は、脂肪族炭化水素基、脂環式炭化水素基及び芳香族炭化水素基を包含する概念であり、直鎖状、分岐状及び環状のいずれであってもよく、また飽和炭化水素基でも不飽和炭化水素基でもよい。
脂肪族炭化水素基の炭素数は、好ましくは1〜12であり、より好ましくは1〜6であり、特に好ましくは1〜4である。脂肪族炭化水素基としては、アルキル基が好ましい。具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が挙げられる。
脂環式炭化水素基の炭素数は、好ましくは3〜12であり、より好ましくは3〜7である。脂環式炭化水素としては、シクロアルキル基が好ましい。具体的には、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等が挙げられる。
芳香族炭化水素基の炭素数は、好ましくは6〜20であり、より好ましくは6〜12である。芳香族炭化水素基としては、アリール基、アラルキル基が好ましい。アリール基としては、例えば、フェニル基等が挙げられる。アラルキル基としては、例えば、ベンジル基、フェネチル基等が挙げられる。
1〜R4における置換基としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子等のハロゲン原子;メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基;(メタ)アクリロイルオキシ基等が挙げられる。
The hydrocarbon group represented by R 1 to R 4 is a concept that includes an aliphatic hydrocarbon group, an alicyclic hydrocarbon group, and an aromatic hydrocarbon group, and is any of linear, branched, and cyclic. It may be a saturated hydrocarbon group or an unsaturated hydrocarbon group.
Carbon number of an aliphatic hydrocarbon group becomes like this. Preferably it is 1-12, More preferably, it is 1-6, Most preferably, it is 1-4. As the aliphatic hydrocarbon group, an alkyl group is preferable. Specific examples include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, a tert-butyl group, a pentyl group, and a hexyl group.
Carbon number of an alicyclic hydrocarbon group becomes like this. Preferably it is 3-12, More preferably, it is 3-7. As the alicyclic hydrocarbon, a cycloalkyl group is preferable. Specific examples include a cyclobutyl group, a cyclopentyl group, and a cyclohexyl group.
The number of carbon atoms of the aromatic hydrocarbon group is preferably 6-20, more preferably 6-12. As the aromatic hydrocarbon group, an aryl group and an aralkyl group are preferable. Examples of the aryl group include a phenyl group. Examples of the aralkyl group include a benzyl group and a phenethyl group.
Examples of the substituent in R 1 to R 4 include halogen atoms such as fluorine atom, chlorine atom and bromine atom; alkoxy groups such as methoxy group and ethoxy group; (meth) acryloyloxy group and the like.

3及びR4のうちいずれか一方がR1及びR2のうちいずれか一方とともに形成する環としては、シクロヘキサン環、メチルシクロヘキサン環、シクロヘプタン環、シクロオクタン環等のシクロアルカン環が挙げられる。環の炭素数は、好ましくは3〜10であり、より好ましくは5〜7である。Examples of the ring formed by any one of R 3 and R 4 together with any one of R 1 and R 2 include cycloalkane rings such as cyclohexane ring, methylcyclohexane ring, cycloheptane ring, and cyclooctane ring. . The number of carbon atoms in the ring is preferably 3 to 10, and more preferably 5 to 7.

1〜R4の組み合わせとしては、R1及びR2が、水素原子、又は置換若しくは非置換の炭化水素基であり、R3及びR4が水素原子である組み合わせ、R1及びR3が水素原子であり、R2及びR4が環を形成している組み合わせが好ましい。As a combination of R 1 to R 4 , R 1 and R 2 are a hydrogen atom or a substituted or unsubstituted hydrocarbon group, and R 3 and R 4 are a hydrogen atom, and R 1 and R 3 are A combination that is a hydrogen atom and R 2 and R 4 form a ring is preferable.

エポキシドの好適な具体例としては、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、イソブテンオキシド、1−ブテンオキシド、2−ブテンオキシド、スチレンオキシド、1−ヘキセンオキシド、1−オクテンオキシド、シクロヘキセンオキシド、グリシジルメチルエーテル、グリシジル(メタ)アクリレート、エピクロロヒドリン等が挙げられる。これらの中でも、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、1−オクテンオキシドがより好ましく、エチレンオキシド、プロピレンオキシドが特に好ましい。
また、本発明の製造方法で得られる四員環ラクトンは、上記エポキシドをカルボニル化して得られるラクトンである。当該ラクトンとしては、例えば、β−プロピオラクトン、β−ブチロラクトン、4−ヘキシルオキセタン−2−オン等が挙げられる。
Preferred examples of the epoxide include ethylene oxide, propylene oxide, isobutene oxide, 1-butene oxide, 2-butene oxide, styrene oxide, 1-hexene oxide, 1-octene oxide, cyclohexene oxide, glycidyl methyl ether, glycidyl (meta ) Acrylate, epichlorohydrin and the like. Among these, ethylene oxide, propylene oxide, and 1-octene oxide are more preferable, and ethylene oxide and propylene oxide are particularly preferable.
Moreover, the four-membered ring lactone obtained by the production method of the present invention is a lactone obtained by carbonylation of the epoxide. Examples of the lactone include β-propiolactone, β-butyrolactone, 4-hexyloxetane-2-one, and the like.

もう一方の原料である一酸化炭素として、一酸化炭素ガスが通常使用される。当該ガスは必ずしも純粋である必要はなく、少量の不活性ガス、例えば二酸化炭素や窒素、メタンなどが含まれていてもよい。また、一酸化炭素と水素を主成分として含む合成ガスであってもよい。   Carbon monoxide gas is usually used as the other raw material, carbon monoxide. The gas is not necessarily pure, and may contain a small amount of an inert gas such as carbon dioxide, nitrogen, or methane. Further, it may be a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen as main components.

((A)不均一系触媒(固体触媒))
本発明の製造方法に用いられる不均一系触媒は、第5族〜第10族の遷移金属から選ばれる1種以上の金属の酸化物を担体とし、当該担体に、第10族の遷移金属、第11族の遷移金属及びこれらの酸化物から選ばれる1種又は2種以上を担持させた不均一系触媒(ただし、被担持物は、担体とした金属酸化物とは金属の種類が異なる)である。
((A) heterogeneous catalyst (solid catalyst))
The heterogeneous catalyst used in the production method of the present invention uses, as a carrier, an oxide of one or more metals selected from Group 5 to Group 10 transition metals, and the carrier includes a Group 10 transition metal, Heterogeneous catalyst in which one or more selected from Group 11 transition metals and oxides thereof are supported (however, the supported material is different from the metal oxide used as the carrier) It is.

(担体)
担体における第5族〜第10族の遷移金属としては、バナジウム(V)等の第5族の遷移金属;クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等の第6族の遷移金属;マンガン(Mn)、レニウム(Re)等の第7族の遷移金属;鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)等の第8族の遷移金属;コバルト(Co)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)等の第9族の遷移金属;ニッケル(Ni)等の第10族の遷移金属が挙げられる。これらの中でも、第8族〜第9族の遷移金属が好ましく、安価な点で、鉄(Fe)、コバルト(Co)がより好ましく、触媒活性の点で、コバルト(Co)が特に好ましい。
また、担体としては、具体的には、酸化鉄(例えば、FeO、Fe23、Fe34など)、酸化コバルト(例えば、CoO、Co23、Co34など)等が挙げられるが、触媒活性の点で、酸化コバルトが特に好ましい。
また、上記遷移金属の酸化物は、1種の金属の酸化物であってもよいし、2種以上の金属の複合酸化物であってもよい。また、同一金属の価数の異なる酸化物の混合物であってもよい。
(Carrier)
Group 5 to Group 10 transition metals in the carrier include Group 5 transition metals such as vanadium (V); Group 6 transition metals such as chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), etc. Group 7 transition metals such as manganese (Mn) and rhenium (Re); Group 8 transition metals such as iron (Fe), ruthenium (Ru) and osmium (Os); cobalt (Co) and rhodium (Rh) ), Group 9 transition metals such as iridium (Ir); Group 10 transition metals such as nickel (Ni). Among these, transition metals of Group 8 to Group 9 are preferable, iron (Fe) and cobalt (Co) are more preferable in terms of inexpensiveness, and cobalt (Co) is particularly preferable in terms of catalytic activity.
Specific examples of the support include iron oxide (eg, FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4, etc.), cobalt oxide (eg, CoO, Co 2 O 3 , Co 3 O 4, etc.). Among them, cobalt oxide is particularly preferable from the viewpoint of catalytic activity.
The transition metal oxide may be a single metal oxide or a composite oxide of two or more metals. Moreover, the mixture of the oxide from which the valences of the same metal differ may be sufficient.

(被担持物)
また、被担持物における第10族、第11族の遷移金属としては、パラジウム(Pd)、白金(Pt)等の第10族の遷移金属;金(Au)、銀(Ag)等の第11族の遷移金属が挙げられ、これらのうち1種を用いても2種以上を用いてもよい。
この中でも、触媒活性の点で、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)が好ましく、第10族の遷移金属がより好ましく、白金(Pt)、パラジウム(Pd)が更に好ましく、パラジウム(Pd)が特に好ましい。
なお、被担持物における遷移金属には、担体とした金属酸化物とは異なる金属種が用いられる。すなわち、担体における金属種がパラジウムの場合は、被担持物における金属種はパラジウムでなく、担体における金属種がニッケルの場合は、被担持物における金属種はニッケルでなく、担体における金属種が白金の場合は、被担持物における金属種は白金でない。
また、被担持物における遷移金属の酸化物の中では、酸化パラジウムが好ましい。なお、当該遷移金属の酸化物は、同一金属の価数の異なる酸化物の混合物であってもよい。当該遷移金属の酸化物においては、後述するように、水素又は水素及び一酸化炭素を含む混合ガスと接触させる前処理により、遷移金属の一部または全部を還元することで、触媒活性を付与することができる。
(Supported material)
Further, the transition metals of Group 10 and Group 11 in the supported material include Group 10 transition metals such as palladium (Pd) and platinum (Pt); 11th metals such as gold (Au) and silver (Ag). The transition metal of a group is mentioned, Among these, 1 type may be used or 2 or more types may be used.
Among these, platinum (Pt), palladium (Pd), and gold (Au) are preferable in terms of catalytic activity, Group 10 transition metals are more preferable, platinum (Pt), and palladium (Pd) are more preferable. (Pd) is particularly preferred.
Note that a metal species different from the metal oxide used as the carrier is used for the transition metal in the supported object. That is, when the metal species in the carrier is palladium, the metal species in the supported material is not palladium, and when the metal species in the carrier is nickel, the metal species in the supported material is not nickel and the metal species in the carrier is platinum. In this case, the metal species in the supported object is not platinum.
Of the transition metal oxides in the supported article, palladium oxide is preferred. The transition metal oxide may be a mixture of oxides of different valences of the same metal. In the transition metal oxide, as described later, catalytic activity is imparted by reducing part or all of the transition metal by pretreatment with hydrogen or a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide. be able to.

被担持物の担持量は特に限定されないが、不均一系触媒における全金属量に対して、好ましくは0.1原子%以上、より好ましくは1原子%以上であって、また、好ましくは50原子%以下、より好ましくは30原子%以下、さらに好ましくは20原子%以下、特に好ましくは14原子%以下である。被担持物の担持量をこのような範囲とすることにより、触媒活性が更に向上する。
なお、本発明における「原子%」は、触媒調製の段階で使用する担体の前駆体及び被担持物の前駆体の総モルに占める被担持物の前駆体のモル%から把握できる。
The amount of the supported material is not particularly limited, but is preferably 0.1 atomic% or more, more preferably 1 atomic% or more, and preferably 50 atoms, based on the total amount of metal in the heterogeneous catalyst. % Or less, more preferably 30 atomic% or less, still more preferably 20 atomic% or less, and particularly preferably 14 atomic% or less. By setting the amount of the supported material in such a range, the catalytic activity is further improved.
The “atomic%” in the present invention can be determined from the mol% of the precursor of the supported substance in the total moles of the precursor of the support and the precursor of the supported substance used in the catalyst preparation stage.

また、不均一系触媒の形状は特に限定されるものではなく、粉末状、破砕状、粒子状、柱状等の任意の形状のものを用いることができる。また、本発明においては、不均一系触媒は1種を単独で用いてもよく、被担持物の種類や担持量;触媒の比表面積や形状などが異なる触媒を2種以上組み合わせて用いてもよい。
また、不均一系触媒は、上記担体の表面に被担持物のナノ粒子層が形成されたものが好ましい。
Further, the shape of the heterogeneous catalyst is not particularly limited, and any shape such as powder, crushed, particulate, and columnar can be used. In the present invention, one type of heterogeneous catalyst may be used alone, or two or more types of catalysts having different types and supported amounts; specific surface areas or shapes of the catalysts may be used in combination. Good.
Further, the heterogeneous catalyst is preferably one in which a nanoparticle layer of a supported material is formed on the surface of the carrier.

これらの遷移金属等(被担持物)を担体に担持する方法は特に限定されないが、例えば、担体となる金属酸化物を形成可能な第5族〜第10族の遷移金属を分子内に含む化合物(以下、化合物αとも称する)と、第10族又は第11族の遷移金属(担体となる遷移金属とは異なる)を分子内に含む化合物(以下、化合物βとも称する)とを含む溶液を、沈殿剤と反応させて沈殿物を析出させる方法(共沈法)が挙げられる。共沈法により析出した沈殿物を分離し、焼成することにより、上記担体の表面に、上記被担持物のナノ粒子を形成させることができる。   The method for supporting these transition metals and the like (supported materials) on the carrier is not particularly limited, but, for example, a compound containing in the molecule a Group 5 to Group 10 transition metal capable of forming a metal oxide serving as a carrier. (Hereinafter also referred to as compound α) and a compound containing a group 10 or group 11 transition metal (different from a transition metal serving as a carrier) in the molecule (hereinafter also referred to as compound β), The method (coprecipitation method) which makes it react with a precipitant and precipitates is mentioned. By separating the precipitate deposited by the coprecipitation method and baking it, nanoparticles of the supported material can be formed on the surface of the carrier.

化合物αの種類及びその形態は特に限定されないが、水溶性の金属塩を用いて、水溶液として用いることが好ましい。金属塩としては、塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物;硝酸塩、硫酸塩などの無機酸の塩;酢酸塩などの有機酸の塩などが挙げられる。また、これらの金属塩は、1種類で用いても、2種類以上で用いてもよい。
また、化合物βの種類及びその形態は特に限定されないが、水溶性の金属塩又は錯塩を用いて、水溶液として用いることが好ましい。金属塩としては、塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物;硝酸塩、硫酸塩などの無機酸の塩;酢酸塩などの有機酸の塩などが挙げられる。錯塩としては、塩化金酸、塩化白金酸、塩化パラジウム酸及びこれらの塩などが挙げられる。また、これらの金属塩及び金属錯塩は、1種類で用いても、2種類以上で用いてもよい。
The type and form of compound α are not particularly limited, but it is preferably used as an aqueous solution using a water-soluble metal salt. Examples of the metal salt include halides such as chloride, bromide and iodide; salts of inorganic acids such as nitrates and sulfates; salts of organic acids such as acetates and the like. These metal salts may be used alone or in combination of two or more.
The type and form of compound β are not particularly limited, but it is preferably used as an aqueous solution using a water-soluble metal salt or complex salt. Examples of the metal salt include halides such as chloride, bromide and iodide; salts of inorganic acids such as nitrates and sulfates; salts of organic acids such as acetates and the like. Examples of complex salts include chloroauric acid, chloroplatinic acid, chloropalladic acid, and salts thereof. Moreover, these metal salts and metal complex salts may be used by 1 type, or may be used by 2 or more types.

また、沈殿剤としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリが挙げられる。
共沈時に用いる水溶液の濃度、温度、沈殿剤の添加速度などは適宜設定することができ、これらを制御することにより、担持される金属の量や、比表面積などの物性を所望の範囲に調整することができる。
Examples of the precipitating agent include alkalis such as sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydroxide, and potassium hydroxide.
Concentration of aqueous solution used at the time of coprecipitation, temperature, addition rate of precipitating agent, etc. can be set as appropriate. By controlling these, physical properties such as the amount of supported metal and specific surface area can be adjusted to the desired range. can do.

このようにして得られた不均一系触媒は、水素又は水素及び一酸化炭素を含む混合ガスと接触させて前処理を行うことにより、触媒を活性化することができる。この前処理は加熱下で行うことが好ましく、60〜200℃の温度範囲で行うことがより好ましく、80〜180℃の温度範囲で行うことがさらに好ましい。水素又は水素及び一酸化炭素を含む混合ガスの圧力は0.1〜30MPaの範囲が好ましく、1〜10MPaの範囲がより好ましい。また、上記混合ガスを用いる場合、水素と一酸化炭素の分圧比は、90/10〜10/90の範囲が好ましく、80/20〜20/80の範囲がより好ましい。また、接触時間は、通常30分〜48時間の範囲であり、好ましくは1〜24時間である。   The heterogeneous catalyst thus obtained can be activated by bringing it into contact with hydrogen or a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide and performing a pretreatment. This pretreatment is preferably performed under heating, more preferably in a temperature range of 60 to 200 ° C, and further preferably in a temperature range of 80 to 180 ° C. The pressure of hydrogen or a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide is preferably in the range of 0.1 to 30 MPa, and more preferably in the range of 1 to 10 MPa. Moreover, when using the said mixed gas, the range of 90/10-10/90 is preferable and, as for the partial pressure ratio of hydrogen and carbon monoxide, the range of 80/20-20/80 is more preferable. The contact time is usually in the range of 30 minutes to 48 hours, preferably 1 to 24 hours.

また、触媒の使用量は、エポキシドの種類、触媒に用いられた金属の種類や諸物性、反応方式、反応条件などにより適宜選定すればよいが、エポキシドに対して、担持金属換算で通常0.01〜10モル%であり、好ましくは0.05〜5モル%である。   The amount of the catalyst used may be appropriately selected depending on the type of epoxide, the type and physical properties of the metal used in the catalyst, the reaction system, the reaction conditions, and the like. It is 01-10 mol%, Preferably it is 0.05-5 mol%.

((B)金属ルイス酸)
本発明において、金属ルイス酸とは、金属原子を分子内に含むルイス酸を意味する。
金属ルイス酸としては、有機金属化合物、金属ハロゲン化物、金属トリフラートなどが挙げられる。
((B) metal Lewis acid)
In the present invention, the metal Lewis acid means a Lewis acid containing a metal atom in the molecule.
Examples of metal Lewis acids include organometallic compounds, metal halides, metal triflates, and the like.

有機金属化合物としては、具体的には、トリアルキルアルミニウム(トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、トリ−n−ヘキシルアルミニウム、トリ−n−オクチルアルミニウムなど)、水素化アルキルアルミニウム(ジイソブチルアルミニウムハイドライドなど)、ハロゲン化アルキルアルミニウム(エチルアルミニウムセスキクロライド、ジエチルアルミニウムクロライド、エチルアルミニウムジクロライド、イソブチルアルミニウムジクロライドなど)、アルキルアルミニウムアルコキシド(ジエチルアルミニウムエトキシドなど)などの有機アルミニウム化合物;ジエチル亜鉛、ジイソブチル亜鉛、ジ−n−ヘキシル亜鉛、エチル亜鉛(t−ブトキシド)などの有機亜鉛化合物などが挙げられる。なお、上記各有機アルミニウム化合物におけるアルキル基、アルコキシ基は直鎖状でも分岐状でもよく、その炭素数は、好ましくは1〜9であり、より好ましくは1〜6である。   Specifically, as the organometallic compound, trialkylaluminum (trimethylaluminum, triethylaluminum, triisobutylaluminum, tri-n-hexylaluminum, tri-n-octylaluminum, etc.), alkylaluminum hydride (diisobutylaluminum hydride, etc.) ), Organoaluminum compounds such as alkylaluminum halides (such as ethylaluminum sesquichloride, diethylaluminum chloride, ethylaluminum dichloride, isobutylaluminum dichloride), alkylaluminum alkoxides (such as diethylaluminum ethoxide); diethylzinc, diisobutylzinc, di- Organic zinc compounds such as n-hexyl zinc and ethyl zinc (t-butoxide) It is. In addition, the alkyl group and alkoxy group in each said organoaluminum compound may be linear or branched, The carbon number becomes like this. Preferably it is 1-9, More preferably, it is 1-6.

金属ハロゲン化物としては、例えば、塩化マグネシウム、臭化マグネシウム等のハロゲン化マグネシウム;塩化カルシウム、臭化カルシウム等のハロゲン化カルシウム;塩化チタン(IV)、臭化チタン(IV)等のハロゲン化チタン;塩化鉄(II)、塩化鉄(III)等のハロゲン化鉄;塩化コバルト(II)、塩化コバルト(III)等のハロゲン化コバルト;塩化ニッケル(II)等のハロゲン化ニッケル;塩化銅(II)、臭化銅(II)等のハロゲン化銅;塩化亜鉛、臭化亜鉛等のハロゲン化亜鉛;塩化アルミニウム、臭化アルミニウム等のハロゲン化アルミニウム;塩化スズ(II)、塩化スズ(IV)、臭化スズ(II)、臭化スズ(IV)等のハロゲン化スズなどが挙げられる。   Examples of the metal halide include magnesium halides such as magnesium chloride and magnesium bromide; calcium halides such as calcium chloride and calcium bromide; titanium halides such as titanium chloride (IV) and titanium bromide (IV); Iron halides such as iron (II) chloride and iron (III) chloride; Cobalt halides such as cobalt (II) chloride and cobalt (III); Nickel halides such as nickel (II) chloride; Copper (II) chloride Copper halides such as copper (II) bromide; Zinc halides such as zinc chloride and zinc bromide; Aluminum halides such as aluminum chloride and aluminum bromide; Tin (II) chloride, tin (IV) chloride, odor And tin halides such as tin (II) halide and tin (IV) bromide.

金属トリフラートとしては、例えば、スカンジウムトリフラート、イットリウムトリフラート、ランタントリフラート、セリウムトリフラートなどの第3族金属のトリフラートが挙げられる。なお、トリフラートとは、トリフルオロメタンスルホン酸塩を意味する。   Examples of the metal triflate include group 3 metal triflates such as scandium triflate, yttrium triflate, lanthanum triflate, and cerium triflate. The triflate means trifluoromethane sulfonate.

これらの金属ルイス酸は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
これらの金属ルイス酸の中でも、触媒活性向上効果の点で、有機金属化合物が好ましく、有機アルミニウム化合物がより好ましく、トリアルキルアルミニウム、ハロゲン化アルキルアルミニウムが特に好ましい。
These metal Lewis acids may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
Among these metal Lewis acids, organometallic compounds are preferred, organoaluminum compounds are more preferred, and trialkylaluminums and alkylaluminum halides are particularly preferred from the viewpoint of improving catalytic activity.

金属ルイス酸の使用量は特に限定されないが、エポキシドに対して、通常0.01〜10モル%の範囲であり、好ましくは0.5〜5モル%の範囲である。   The amount of metal Lewis acid used is not particularly limited, but is usually in the range of 0.01 to 10 mol%, preferably in the range of 0.5 to 5 mol%, based on the epoxide.

((C)ルイス塩基)
本発明の製造方法に用いられるルイス塩基は、酸素原子及び窒素原子から選ばれる原子を分子内に含むものである。ルイス塩基は、酸素原子及び窒素原子のうち一方のみを分子内に含むものでも両方を分子内に含むものでもよい。このようなルイス塩基としては、具体的には、鎖状エーテル、環状エーテル、鎖状アミン、環状アミン、ニトリルなどが挙げられる。
((C) Lewis base)
The Lewis base used in the production method of the present invention contains an atom selected from an oxygen atom and a nitrogen atom in the molecule. The Lewis base may contain only one of oxygen atom and nitrogen atom in the molecule or may contain both in the molecule. Specific examples of such a Lewis base include a chain ether, a cyclic ether, a chain amine, a cyclic amine, and a nitrile.

鎖状エーテルとしては、例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチルメチルエーテル、メチルプロピルエーテル、メチルイソプロピルエーテル、メチルブチルエーテル、メチルイソブチルエーテル、メチルter−ブチルエーテル、アミルメチルエーテルなどのジアルキルエーテル;グリコールジアルキルエーテルなどが挙げられる。グリコールジアルキルエーテルの中では、下記式(2)で表される化合物が好ましい。   Examples of the chain ether include dialkyl ethers such as dimethyl ether, diethyl ether, ethyl methyl ether, methyl propyl ether, methyl isopropyl ether, methyl butyl ether, methyl isobutyl ether, methyl ter-butyl ether, and amyl methyl ether; glycol dialkyl ether and the like. Can be mentioned. Among glycol dialkyl ethers, a compound represented by the following formula (2) is preferable.

Figure 2017170808
Figure 2017170808

〔式(2)中、
5及びR6は、それぞれ独立して、炭素数1〜10のアルキル基を示し、
7は、炭素数1〜6のアルカンジイル基を示し、
nは、1以上の整数を示す。〕
[In Formula (2),
R 5 and R 6 each independently represents an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
R 7 represents an alkanediyl group having 1 to 6 carbon atoms,
n represents an integer of 1 or more. ]

5及びR6で示されるアルキル基の炭素数は1〜10であるが、好ましくは1〜7であり、より好ましくは1〜4である。またアルキル基は、好ましくは直鎖状又は分岐状のアルキル基である。アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基などが挙げられる。
7で示されるアルカンジイル基の炭素数は1〜6であるが、好ましくは2〜4であり、より好ましくは2又は3であり、特に好ましくは2である。またアルカンジイル基は、好ましくは直鎖状又は分岐状のアルカンジイル基である。アルカンジイル基としては、例えば、エタン−1,2−ジイル基、プロパン−1,1−ジイル基、プロパン−1,2−ジイル基、プロパン−1,3−ジイル基などが挙げられる。
また、R5〜R7の組み合わせとしては、触媒活性やコストの点で、R5及びR6が同一のアルキル基であり、R7がエタン−1,2−ジイル基である組み合わせが好適な例として挙げられる。
nとしては、金属ルイス酸の安定化及び触媒活性の向上において著しい効果を示す点で、1〜100の整数が好ましく、1〜50の整数がより好ましく、2〜30の整数がさらに好ましく、2〜10の整数が特に好ましい。
The alkyl group represented by R 5 and R 6 has 1 to 10 carbon atoms, preferably 1 to 7 carbon atoms, and more preferably 1 to 4 carbon atoms. The alkyl group is preferably a linear or branched alkyl group. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, and a tert-butyl group.
The alkanediyl group represented by R 7 has 1 to 6 carbon atoms, preferably 2 to 4 carbon atoms, more preferably 2 or 3, and particularly preferably 2. The alkanediyl group is preferably a linear or branched alkanediyl group. Examples of the alkanediyl group include an ethane-1,2-diyl group, a propane-1,1-diyl group, a propane-1,2-diyl group, and a propane-1,3-diyl group.
Further, as a combination of R 5 to R 7, a combination in which R 5 and R 6 are the same alkyl group and R 7 is an ethane-1,2-diyl group is preferable in terms of catalytic activity and cost. Take as an example.
n is preferably an integer of 1 to 100, more preferably an integer of 1 to 50, still more preferably an integer of 2 to 30 in that it has a remarkable effect in stabilizing metal Lewis acid and improving catalytic activity. An integer of from 10 to 10 is particularly preferred.

グリコールジアルキルエーテルとしては、例えば、エチレングリコールジメチルエーテル(モノグライム)、ジエチレングリコールジメチルエーテル(ジグライム、沸点:約162℃)、トリエチレングリコールジメチルエーテル(トリグライム)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(テトラグライム)、ペンタエチレングリコールジメチルエーテル(ペンタグライム)、エチレングリコールジエチルエーテル(エチルモノグライム)、ジエチレングリコールジエチルエーテル(エチルジグライム)、ジエチレングリコールジブチルエーテル(ブチルジグライム)、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテルなどが挙げられる。   Examples of the glycol dialkyl ether include ethylene glycol dimethyl ether (monoglyme), diethylene glycol dimethyl ether (diglyme, boiling point: about 162 ° C.), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme), tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), pentaethylene glycol dimethyl ether (penta). Grime), ethylene glycol diethyl ether (ethyl monoglyme), diethylene glycol diethyl ether (ethyl diglyme), diethylene glycol dibutyl ether (butyl diglyme), diethylene glycol ethyl methyl ether, diethylene glycol isopropyl methyl ether, diethylene glycol butyl methyl ether, triethylene glycol Such Lumpur butyl methyl ether.

環状エーテルとしては、例えば、テトラヒドロフラン(THF)などの環状モノエーテル;12−クラウン−4、15−クラウン−5、18−クラウン−6などのクラウンエーテルなどが挙げられる。環状エーテルの中では、環状モノエーテルが好ましい。   Examples of the cyclic ether include cyclic monoethers such as tetrahydrofuran (THF); crown ethers such as 12-crown-4, 15-crown-5, and 18-crown-6. Of the cyclic ethers, cyclic monoethers are preferred.

鎖状アミンとしては、例えば、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミンなどのトリアルキルアミン;N,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N',N'−テトラエチルエチレンジアミンなどのテトラアルキル化エチレンジアミン;N,N,N',N'',N''−ペンタメチルジエチレントリアミン、1,1,4,7,10,10−ヘキサメチルトリエチレンテトラアミンなどのアルキル化ポリエチレンアミンなどが挙げられる。   Examples of chain amines include trialkylamines such as triethylamine, tripropylamine, and tributylamine; N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine, N, N, N ′, N′-tetraethylethylenediamine, and the like. Tetraalkylated ethylenediamine; alkylated polyethyleneamines such as N, N, N ′, N ″, N ″ -pentamethyldiethylenetriamine, 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetraamine, etc. Can be mentioned.

環状アミンとしては、例えば、キヌクリジン、1,4−ジアザビシクロ−[2.2.2]オクタン(DABCO)などの橋かけ環状アミン;1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデカ−7−エン(DBU)、1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]ノナ−5−エン(DBN)などのアミジン骨格を有する環状ジアミン;1,5,7−トリアザビシクロ[4.4.0]デカ−5−エン(TBD)などグアニジン骨格を有する環状トリアミン;ピリジン、α−ピコリン、β−ピコリン、γ−ピコリン、4−(N,N−ジメチルアミノ)ピリジン、ピラジン、ピリミジン、イミダゾール、N−メチルイミダゾール、プリン、2,2'−ビピリジン、2,2':6',2''−ターピリジン、3,2':6',3''−ターピリジンなどの窒素原子を含有する複素環式芳香族化合物などが挙げられる。環状アミンの中では、窒素原子を含有する複素環式芳香族化合物が好ましい。   Examples of the cyclic amine include bridged cyclic amines such as quinuclidine and 1,4-diazabicyclo- [2.2.2] octane (DABCO); 1,8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene. (DBU), 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene (DBN) and other cyclic diamines having an amidine skeleton; 1,5,7-triazabicyclo [4.4.0] deca Cyclic triamines having a guanidine skeleton such as -5-ene (TBD); pyridine, α-picoline, β-picoline, γ-picoline, 4- (N, N-dimethylamino) pyridine, pyrazine, pyrimidine, imidazole, N-methyl Contains nitrogen atoms such as imidazole, purine, 2,2′-bipyridine, 2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine, 3,2 ′: 6 ′, 3 ″ -terpyridine Such heterocyclic aromatic compounds. Of the cyclic amines, heterocyclic aromatic compounds containing nitrogen atoms are preferred.

ニトリルとしては、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、ベンゾニトリルなどが挙げられる。   Examples of nitriles include acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, and benzonitrile.

また、ルイス塩基として、ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドンなど、2種以上のヘテロ原子を含むルイス塩基を使用することもできる。   As the Lewis base, a Lewis base containing two or more heteroatoms such as dimethyl sulfoxide, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone can also be used.

これらのルイス塩基は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
これらのルイス塩基の中でも、金属ルイス酸の安定化及び触媒活性の向上において著しい効果を示す点で、グリコールジアルキルエーテルが好ましく、グライム類がより好ましく、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、ペンタグライム、エチルジグライム、ブチルジグライムなど、ドナー原子数(酸素原子数)が3以上のグライム類が特に好ましい。
These Lewis bases may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
Among these Lewis bases, glycol dialkyl ethers are preferable, glymes are more preferable, diglyme, triglyme, tetraglyme, pentag lime, ethyl digiger in view of remarkable effects in stabilizing metal Lewis acid and improving catalytic activity. Glymes having 3 or more donor atoms (number of oxygen atoms) such as lime and butyl diglyme are particularly preferable.

ルイス塩基の使用量は金属ルイス酸に対し当量以上であればよく、金属ルイス酸の総量1モルに対して通常1モル以上が使用される。また、ルイス塩基の使用量の上限は特に限定されるものではなく、ルイス塩基を溶媒として使用することもできる。   The amount of the Lewis base used may be equal to or more than the equivalent of the metal Lewis acid, and usually 1 mol or more is used per 1 mol of the total amount of the metal Lewis acid. Moreover, the upper limit of the usage-amount of a Lewis base is not specifically limited, A Lewis base can also be used as a solvent.

ルイス塩基を溶媒として使用する場合、エポキシド、一酸化炭素および金属ルイス酸の溶解性に優れる点においても、グリコールジアルキルエーテルが好ましい。さらに、構造が単純でコストも安い点で、グライム類がより好ましく、四員環ラクトンとの沸点差が大きく蒸留による分離が容易である点、熱安定性の点及び触媒活性の点で、沸点が200℃以上のグライム類が特に好ましい。沸点が200℃以上のグライム類としては、例えば、トリグライム、テトラグライム、ペンタグライム、ブチルジグライムなどが挙げられる。   When a Lewis base is used as a solvent, glycol dialkyl ether is also preferred from the viewpoint of excellent solubility of epoxide, carbon monoxide and metal Lewis acid. In addition, glymes are more preferred because of their simple structure and low cost, their boiling points are large in terms of boiling point difference from four-membered lactones and are easy to separate by distillation, in terms of thermal stability and catalytic activity. Is particularly preferable when it is 200 ° C. or higher. Examples of glymes having a boiling point of 200 ° C. or higher include triglyme, tetraglyme, pentag lime, and butyl diglyme.

ルイス塩基を溶媒として使用する場合、その使用量は特に限定されないが、エポキシドの総量1質量部に対して、通常0.1〜100質量部の範囲であり、好ましくは0.5〜30質量部の範囲であり、さらに好ましくは1〜10質量部の範囲である。   When the Lewis base is used as a solvent, the amount used is not particularly limited, but is usually in the range of 0.1 to 100 parts by weight, preferably 0.5 to 30 parts by weight with respect to 1 part by weight of the total epoxide. More preferably, it is the range of 1-10 mass parts.

((D)不活性溶媒)
また、カルボニル化反応は、上記(A)〜(C)に加えて、その反応に不活性な溶媒の存在下で行ってもよい。
不活性溶媒としては、取り扱い時の安全性及び回収・精製の容易性などの点から、トルエン、キシレン、ヘキサン、へプタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の炭化水素系溶媒;クロロホルム、塩化メチレン、四塩化炭素等のハロゲン化炭化水素系溶媒などが使用される。また、目的とする四員環ラクトンを溶媒として用いてもよい。
これらの不活性溶媒は1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
((D) inert solvent)
The carbonylation reaction may be carried out in the presence of a solvent inert to the reaction in addition to the above (A) to (C).
Inert solvents include hydrocarbon solvents such as toluene, xylene, hexane, heptane, cyclohexane, and methylcyclohexane; chloroform, methylene chloride, tetrachloride from the standpoint of safety during handling and ease of recovery and purification. A halogenated hydrocarbon solvent such as carbon is used. Moreover, you may use the target four-membered ring lactone as a solvent.
These inert solvents may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

これらの不活性溶媒の使用量は特に限定されないが、エポキシドの総量1質量部に対して、溶媒の総量(ルイス塩基を溶媒として併用する場合は、ルイス塩基と不活性溶媒の合計量)として、通常0.1〜100質量部の範囲であり、好ましくは0.5〜30質量部の範囲であり、より好ましくは1〜10質量部の範囲である。   The amount of these inert solvents used is not particularly limited, but the total amount of the solvent (the total amount of Lewis base and inert solvent when Lewis base is used as a solvent) relative to 1 part by mass of the epoxide, Usually, it is the range of 0.1-100 mass parts, Preferably it is the range of 0.5-30 mass parts, More preferably, it is the range of 1-10 mass parts.

カルボニル化反応は、バッチ、半バッチ又は連続条件下で実施することができる。
例えば、バッチ反応の場合、不均一系触媒(A)を撹拌タンク反応器に充填し、水素又は水素・一酸化炭素混合ガス下で前処理を行い、室温まで冷却後に脱圧し、そこへエポキシド、金属ルイス酸(B)、ルイス塩基(C)、一酸化炭素及び必要に応じて不活性溶媒(D)を充填し、所定の反応温度に加温し、必要時間反応させることで、四員環ラクトンを得ることができる。バッチ反応の場合、反応時間は、通常30分間〜48時間であり、好ましくは1〜24時間である。
また、連続反応の場合、不均一系触媒(A)を含む固定床又は流動床反応器に、予め水素又は水素・一酸化炭素混合ガスを流通させて前処理を行った後、所定の反応温度に加温し、そこへエポキシド、金属ルイス酸(B)、ルイス塩基(C)、一酸化炭素及び必要に応じて不活性溶媒(D)を所定の流速で供給し、不均一系触媒(A)と接触させて反応させることにより、四員環ラクトンを得ることができる。
The carbonylation reaction can be carried out under batch, semi-batch or continuous conditions.
For example, in the case of a batch reaction, a heterogeneous catalyst (A) is charged into a stirred tank reactor, pretreated under hydrogen or a hydrogen / carbon monoxide mixed gas, cooled to room temperature, depressurized, and epoxide is added thereto. Filling with metal Lewis acid (B), Lewis base (C), carbon monoxide and inert solvent (D) if necessary, heating to a predetermined reaction temperature and reacting for a required time, a four-membered ring Lactone can be obtained. In the case of a batch reaction, the reaction time is usually 30 minutes to 48 hours, preferably 1 to 24 hours.
In the case of a continuous reaction, after pre-treating hydrogen or a hydrogen / carbon monoxide mixed gas in advance in a fixed bed or fluidized bed reactor containing the heterogeneous catalyst (A), a predetermined reaction temperature is obtained. Then, an epoxide, a metal Lewis acid (B), a Lewis base (C), carbon monoxide and, if necessary, an inert solvent (D) are supplied at a predetermined flow rate, and a heterogeneous catalyst (A ) To obtain a 4-membered ring lactone.

反応温度は特に限定されないが、0〜250℃が好ましく、25〜200℃がより好ましく、50〜150℃がさらに好ましく、75〜120℃が特に好ましい。反応温度をこのような範囲とすることにより反応速度を速めることができる。また、副生物の生成や生成した四員環ラクトンの分解を抑えることもできる。   Although reaction temperature is not specifically limited, 0-250 degreeC is preferable, 25-200 degreeC is more preferable, 50-150 degreeC is further more preferable, 75-120 degreeC is especially preferable. By setting the reaction temperature in such a range, the reaction rate can be increased. In addition, the formation of by-products and the decomposition of the generated four-membered ring lactone can be suppressed.

反応圧は、一酸化炭素圧として0.1〜70MPaが好ましく、0.5〜30MPaがより好ましく、1〜10MPaが更に好ましく、4〜6MPaが特に好ましい。反応圧をこのような範囲とすることにより反応速度を速めることができる。また、反応器などの機器の設計圧力を高くする必要がなくなり設備負担を抑えることができる。   The reaction pressure is preferably 0.1 to 70 MPa, more preferably 0.5 to 30 MPa, still more preferably 1 to 10 MPa, and particularly preferably 4 to 6 MPa as the carbon monoxide pressure. By setting the reaction pressure within such a range, the reaction rate can be increased. Moreover, it is not necessary to increase the design pressure of equipment such as a reactor, and the equipment burden can be reduced.

反応後は、ろ過や遠心分離などの液体と固体の分離に通常用いられる分離操作により、反応液から不均一系触媒(A)を容易に分離することができる。分離された触媒は、エポキシドのカルボニル化反応に再使用することが可能である。また、蒸留等の操作により反応液から目的とする四員環ラクトンを分離し、触媒と溶媒を含む蒸留残液を回収して、エポキシドのカルボニル化反応に再使用することも可能である。
そして、本発明の製造方法で得られた四員環ラクトンは、溶媒に溶解したまま、あるいは単離・精製した後、生分解性樹脂の重合原料やアクリル酸、コハク酸無水物等の合成原料として用いることができる。四員環ラクトンの単離・精製は、蒸留、再結晶、再沈殿、溶媒抽出、クロマトグラフィーなどの常法に従って行うことができる。
After the reaction, the heterogeneous catalyst (A) can be easily separated from the reaction solution by a separation operation usually used for separation of liquid and solid such as filtration and centrifugation. The separated catalyst can be reused in the epoxide carbonylation reaction. It is also possible to separate the target four-membered lactone from the reaction solution by an operation such as distillation, collect the distillation residue containing the catalyst and the solvent, and reuse it for the epoxide carbonylation reaction.
The four-membered ring lactone obtained by the production method of the present invention is dissolved in a solvent, or after isolation / purification, and then a raw material for polymerization of a biodegradable resin or a synthetic raw material such as acrylic acid or succinic anhydride Can be used as Isolation / purification of the four-membered ring lactone can be carried out according to conventional methods such as distillation, recrystallization, reprecipitation, solvent extraction, chromatography and the like.

<触媒X>
本発明の触媒Xは、第5族〜第10族の遷移金属から選ばれる1種以上の金属の酸化物を担体とし、当該担体に、第10族の遷移金属及びその酸化物から選ばれる少なくとも1種を担持させてなる、エポキシドのカルボニル化反応に用いられる不均一系触媒(ただし、被担持物は、担体とした金属酸化物とは金属の種類が異なる)である。触媒Xは、上記本発明の製造方法に用いる不均一系触媒の中でも、エポキシドのカルボニル化反応に特に高い触媒活性を示し、上記反応に用いる触媒として特に有用である。
(担体)
本発明の触媒Xの担体における遷移金属としては、バナジウム(V)等の第5族の遷移金属;クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等の第6族の遷移金属;マンガン(Mn)、レニウム(Re)等の第7族の遷移金属;鉄(Fe)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)等の第8族の遷移金属;コバルト(Co)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)等の第9族の遷移金属;ニッケル(Ni)等の第10族の遷移金属が挙げられる。これらの中でも、第8族〜第9族の遷移金属が好ましく、安価な点で、鉄(Fe)、コバルト(Co)がより好ましく、触媒活性の点で、コバルト(Co)が特に好ましい。
また、触媒Xの担体としては、具体的には、酸化鉄(例えば、FeO、Fe23、Fe34など)、酸化コバルト(例えば、CoO、Co23、Co34など)等が挙げられるが、触媒活性の点で、酸化コバルトが特に好ましい。
また、上記遷移金属の酸化物は、1種の金属の酸化物であってもよいし、2種以上の金属の複合酸化物であってもよい。また、同一金属の価数の異なる酸化物の混合物であってもよい。
<Catalyst X>
The catalyst X of the present invention uses, as a carrier, an oxide of one or more metals selected from Group 5 to Group 10 transition metals, and the carrier includes at least selected from Group 10 transition metals and oxides thereof. It is a heterogeneous catalyst used for epoxide carbonylation reaction, in which one kind is supported (however, the supported substance is different from the metal oxide used as a carrier). Among the heterogeneous catalysts used in the production method of the present invention, the catalyst X exhibits a particularly high catalytic activity in the epoxide carbonylation reaction and is particularly useful as a catalyst used in the above reaction.
(Carrier)
Examples of the transition metal in the support of the catalyst X of the present invention include a Group 5 transition metal such as vanadium (V); a Group 6 transition metal such as chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W); Group 7 transition metals such as (Mn) and rhenium (Re); Group 8 transition metals such as iron (Fe), ruthenium (Ru) and osmium (Os); cobalt (Co), rhodium (Rh), Group 9 transition metals such as iridium (Ir); Group 10 transition metals such as nickel (Ni). Among these, transition metals of Group 8 to Group 9 are preferable, iron (Fe) and cobalt (Co) are more preferable in terms of inexpensiveness, and cobalt (Co) is particularly preferable in terms of catalytic activity.
Specific examples of the support for the catalyst X include iron oxide (eg, FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ), cobalt oxide (eg, CoO, Co 2 O 3 , Co 3 O 4, etc.). Etc.), but cobalt oxide is particularly preferred from the viewpoint of catalytic activity.
The transition metal oxide may be a single metal oxide or a composite oxide of two or more metals. Moreover, the mixture of the oxide from which the valences of the same metal differ may be sufficient.

(被担持物)
また、触媒Xの被担持物における第10族の遷移金属としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)などが挙げられ、これらのうち1種を用いても2種以上を用いてもよい。この中でも、触媒活性の点で、パラジウム(Pd)が特に好ましい。
なお、被担持物における遷移金属には、担体とした金属酸化物とは異なる金属種が用いられる。すなわち、担体における金属種がパラジウムの場合は、被担持物における金属種はパラジウムでなく、担体における金属種がニッケルの場合は、被担持物における金属種はニッケルでなく、担体における金属種が白金の場合は、被担持物における金属種は白金でない。
また、第10族の遷移金属の酸化物としては、酸化パラジウム等が挙げられる。なお、当該遷移金属の酸化物は、同一金属の価数の異なる酸化物の混合物であってもよい。当該遷移金属の酸化物においては、上記水素又は水素及び一酸化炭素を含む混合ガスと接触させる前処理により、遷移金属の一部または全部を還元することで、触媒活性を付与することができる。
(Supported material)
Further, examples of the Group 10 transition metal in the supported material of the catalyst X include platinum (Pt), palladium (Pd), and the like, and one of these may be used, or two or more thereof may be used. Among these, palladium (Pd) is particularly preferable from the viewpoint of catalytic activity.
Note that a metal species different from the metal oxide used as the carrier is used for the transition metal in the supported object. That is, when the metal species in the carrier is palladium, the metal species in the supported material is not palladium, and when the metal species in the carrier is nickel, the metal species in the supported material is not nickel and the metal species in the carrier is platinum. In this case, the metal species in the supported object is not platinum.
Moreover, palladium oxide etc. are mentioned as an oxide of a group 10 transition metal. The transition metal oxide may be a mixture of oxides of different valences of the same metal. In the oxide of the transition metal, catalytic activity can be imparted by reducing part or all of the transition metal by the pretreatment that is brought into contact with the hydrogen or the mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide.

被担持物の担持量は特に限定されないが、触媒Xにおける全金属量に対して、好ましくは0.1原子%以上、より好ましくは1原子%以上であって、また、好ましくは50原子%以下、より好ましくは30原子%以下、さらに好ましくは20原子%以下、特に好ましくは14原子%以下である。被担持物の担持量をこのような範囲とすることにより、触媒活性が更に向上する。
なお、本発明における「原子%」は、触媒調製の段階で使用する担体の前駆体及び被担持物の前駆体の総モルに占める被担持物の前駆体のモル%から把握できる。
The supported amount of the supported material is not particularly limited, but is preferably 0.1 atomic% or more, more preferably 1 atomic% or more, and preferably 50 atomic% or less with respect to the total amount of metal in the catalyst X. More preferably, it is 30 atomic percent or less, more preferably 20 atomic percent or less, and particularly preferably 14 atomic percent or less. By setting the amount of the supported material in such a range, the catalytic activity is further improved.
The “atomic%” in the present invention can be determined from the mol% of the precursor of the supported substance in the total moles of the precursor of the support and the precursor of the supported substance used in the catalyst preparation stage.

また、触媒Xの形状は特に限定されるものではなく、粉末状、破砕状、粒子状、柱状等の任意の形状のものを用いることができる。また、本発明においては、触媒は1種を単独で用いてもよく、被担持物の種類や担持量;触媒の比表面積や形状などが異なる触媒を2種以上組み合わせて用いてもよい。
また、触媒Xは、上記担体の表面に被担持物のナノ粒子層が形成されたものが好ましい。
Further, the shape of the catalyst X is not particularly limited, and those having an arbitrary shape such as powder, crushed, particulate, and columnar can be used. In the present invention, one type of catalyst may be used alone, or two or more types of catalysts having different types and supported amounts; different specific surface areas or shapes of the catalysts may be used in combination.
Further, the catalyst X is preferably one in which a nanoparticle layer of a supported material is formed on the surface of the carrier.

これらの遷移金属等(被担持物)を担体に担持する方法は特に限定されないが、例えば、担体となる金属酸化物を形成可能な第5族〜第10族の遷移金属を分子内に含む化合物(化合物α)と、第10族の遷移金属(担体となる遷移金属とは異なる)を分子内に含む化合物(以下、化合物γとも称する)とを含む溶液を、沈殿剤と反応させて沈殿物を析出させる方法(共沈法)が挙げられる。共沈法により析出した沈殿物を分離し、焼成することにより、上記担体の表面に、上記被担持物のナノ粒子を形成させることができる。   The method for supporting these transition metals and the like (supported materials) on the carrier is not particularly limited, but, for example, a compound containing in the molecule a Group 5 to Group 10 transition metal capable of forming a metal oxide serving as a carrier. A solution containing (compound α) and a compound containing a Group 10 transition metal (different from a transition metal serving as a carrier) in the molecule (hereinafter also referred to as compound γ) is reacted with a precipitant to produce a precipitate. There is a method of precipitating (coprecipitation method). By separating the precipitate deposited by the coprecipitation method and baking it, nanoparticles of the supported material can be formed on the surface of the carrier.

化合物αの種類及びその形態は特に限定されないが、水溶性の金属塩を用いて、水溶液として用いることが好ましい。金属塩としては、塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物;硝酸塩、硫酸塩などの無機酸の塩;酢酸塩などの有機酸の塩などが挙げられる。また、これらの金属塩は、1種類で用いても、2種類以上で用いてもよい。
また、化合物γの種類及びその形態は特に限定されないが、水溶性の金属塩又は錯塩を用いて、水溶液として用いることが好ましい。金属塩としては、塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物;硝酸塩、硫酸塩などの無機酸の塩;酢酸塩などの有機酸の塩などが挙げられる。錯塩としては、塩化白金酸、塩化パラジウム酸及びこれらの塩などが挙げられる。また、これらの金属塩及び金属錯塩は、1種類で用いても、2種類以上で用いてもよい。
The type and form of compound α are not particularly limited, but it is preferably used as an aqueous solution using a water-soluble metal salt. Examples of the metal salt include halides such as chloride, bromide and iodide; salts of inorganic acids such as nitrates and sulfates; salts of organic acids such as acetates and the like. These metal salts may be used alone or in combination of two or more.
The type and form of compound γ are not particularly limited, but it is preferably used as an aqueous solution using a water-soluble metal salt or complex salt. Examples of the metal salt include halides such as chloride, bromide and iodide; salts of inorganic acids such as nitrates and sulfates; salts of organic acids such as acetates and the like. Examples of complex salts include chloroplatinic acid, chloropalladic acid, and salts thereof. Moreover, these metal salts and metal complex salts may be used by 1 type, or may be used by 2 or more types.

また、沈殿剤としては、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリが挙げられる。
共沈時に用いる水溶液の濃度、温度、沈殿剤の添加速度などは適宜設定することができ、これらを制御することにより、担持される金属の量や、比表面積などの物性を所望の範囲に調整することができる。
なお、触媒Xには、上記水素又は水素及び一酸化炭素を含む混合ガスと接触させる前処理を行ったものも包含される。
Examples of the precipitating agent include alkalis such as sodium carbonate, potassium carbonate, sodium hydroxide, and potassium hydroxide.
Concentration of aqueous solution used at the time of coprecipitation, temperature, addition rate of precipitating agent, etc. can be set as appropriate. By controlling these, physical properties such as the amount of supported metal and specific surface area can be adjusted to the desired range. can do.
In addition, the catalyst X includes a catalyst that has been subjected to a pretreatment that is brought into contact with the hydrogen or a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide.

このようにして得られた触媒Xは、エポキシドのカルボニル化反応用触媒として高い触媒活性を有し、取扱い及び生成物からの分離が容易であり、繰り返し使用が可能であって、前記<四員環ラクトンの製造方法>に記載したとおり、四員環ラクトンの製造に用いるのに非常に適する。   The catalyst X thus obtained has a high catalytic activity as a catalyst for the epoxide carbonylation reaction, is easy to handle and separate from the product, can be used repeatedly, As described in the method for producing a ring lactone, it is very suitable for use in the production of a four-membered ring lactone.

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these Examples.

<不均一系触媒の調製>
(触媒調製例1:PdO担持触媒(触媒A)の調製(本発明の触媒X))
10原子%PdO/Co34触媒(触媒A)を以下の手順(共沈法)で調製した。
1.0M硝酸パラジウム水溶液(Pd(NO32)2.3mL(2mmol)及び硝酸コバルト(II)六水和物(Co(NO32・6H2O)5.24g(18mmol)を蒸留水200mLに溶かし、10分間攪拌した。別のビーカーで、炭酸ナトリウム(Na2CO3)2.66g(26mmol)を蒸留水200mLに溶かし、10分間攪拌した。上記で調製しておいた硝酸パラジウムと硝酸コバルトの溶液を、炭酸ナトリウムの溶液に全て滴下し、その後、8時間室温にて攪拌した。攪拌を止めると褐色の固形物が沈殿したので、ろ過を行い、褐色の固形物を蒸留水100mLで2回洗浄した。洗浄後に残った固形物を80℃で10時間乾燥させたのち、電気炉を用いて焼成した。焼成は、1時間かけて室温から300℃に昇温し、300℃で2時間行った。その後、室温まで放冷したのち電気炉から取り出し、目的とする触媒Aを得た。
<Preparation of heterogeneous catalyst>
(Catalyst Preparation Example 1: Preparation of PdO-supported catalyst (Catalyst A) (Catalyst X of the present invention))
A 10 atomic% PdO / Co 3 O 4 catalyst (Catalyst A) was prepared by the following procedure (coprecipitation method).
Distillation of 1.0M aqueous solution of palladium nitrate (Pd (NO 3) 2) 2.3mL (2mmol) and cobalt (II) nitrate hexahydrate (Co (NO 3) 2 · 6H 2 O) 5.24g (18mmol) Dissolved in 200 mL of water and stirred for 10 minutes. In another beaker, 2.66 g (26 mmol) of sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) was dissolved in 200 mL of distilled water and stirred for 10 minutes. The palladium nitrate and cobalt nitrate solutions prepared above were all added dropwise to the sodium carbonate solution, and then stirred at room temperature for 8 hours. When the stirring was stopped, a brown solid precipitated, and thus filtration was performed. The brown solid was washed twice with 100 mL of distilled water. The solid matter remaining after washing was dried at 80 ° C. for 10 hours, and then baked using an electric furnace. Firing was performed by raising the temperature from room temperature to 300 ° C. over 1 hour and at 300 ° C. for 2 hours. Then, after standing to cool to room temperature, it took out from the electric furnace and obtained the target catalyst A.

(触媒調製例2:PdO担持触媒(触媒B)の調製(本発明の触媒X))
硝酸パラジウム水溶液の使用量を、硝酸パラジウム換算で2.5mmolに変更し、且つ硝酸コバルト(II)六水和物の使用量を、17.5mmolに変更した以外は、触媒調製例1と同様の手順により12.5原子%PdO/Co34触媒(触媒B)を調製した。
(Catalyst Preparation Example 2: Preparation of PdO-supported catalyst (Catalyst B) (Catalyst X of the present invention))
Similar to Catalyst Preparation Example 1 except that the amount of palladium nitrate aqueous solution used was changed to 2.5 mmol in terms of palladium nitrate and the amount of cobalt nitrate (II) hexahydrate was changed to 17.5 mmol. A 12.5 atomic% PdO / Co 3 O 4 catalyst (Catalyst B) was prepared by the procedure.

(触媒調製例3:PdO担持触媒(触媒C)の調製(本発明の触媒X))
硝酸パラジウム水溶液の使用量を、硝酸パラジウム換算で3mmolに変更し、且つ硝酸コバルト(II)六水和物の使用量を、17mmolに変更した以外は、触媒調製例1と同様の手順により15原子%PdO/Co34触媒(触媒C)を調製した。
(Catalyst Preparation Example 3: Preparation of PdO-Supported Catalyst (Catalyst C) (Catalyst X of the Present Invention))
The amount of palladium nitrate aqueous solution was changed to 3 mmol in terms of palladium nitrate, and the amount of cobalt nitrate (II) hexahydrate was changed to 17 mmol by the same procedure as in Catalyst Preparation Example 1, 15 atoms. A% PdO / Co 3 O 4 catalyst (Catalyst C) was prepared.

(触媒調製例4:Pt担持触媒(触媒D)の調製(本発明の触媒X))
硝酸パラジウム水溶液のかわりに、塩化白金(II)酸カリウム(K2PtCl4)0.415g(1mmol)を使用し、且つ硝酸コバルト(II)六水和物の使用量を、19mmolに変更した以外は、触媒調製例1と同様の手順により5原子%Pt/Co34触媒(触媒D)を調製した。
(Catalyst Preparation Example 4: Preparation of Pt-Supported Catalyst (Catalyst D) (Catalyst X of the Present Invention))
Instead of using an aqueous palladium nitrate solution, 0.415 g (1 mmol) of potassium platinum (II) chloride (K 2 PtCl 4 ) was used, and the amount of cobalt nitrate (II) hexahydrate was changed to 19 mmol. Prepared a 5 atomic% Pt / Co 3 O 4 catalyst (Catalyst D) by the same procedure as in Catalyst Preparation Example 1.

(触媒調製例5:Au担持触媒(触媒E)の調製)
硝酸パラジウム水溶液のかわりに、塩化金(III)酸四水和物(HAuCl4・4H2O)0.164g(0.4mmol)を使用し、且つ硝酸コバルト(II)六水和物の使用量を、19.6mmolに変更した以外は、触媒調製例1と同様の手順により2原子%Au/Co34触媒(触媒E)を調製した。
(Catalyst Preparation Example 5: Preparation of Au-supported catalyst (catalyst E))
Instead of palladium nitrate aqueous solution, 0.164 g (0.4 mmol) of gold chloride (III) acid tetrahydrate (HAuCl 4 .4H 2 O) was used, and the amount of cobalt nitrate (II) hexahydrate used Was changed to 19.6 mmol, and a 2 atom% Au / Co 3 O 4 catalyst (catalyst E) was prepared by the same procedure as in Catalyst Preparation Example 1.

なお、得られた触媒A〜Eは、特に断りのない限り、水素/一酸化炭素混合ガス(1/3)(圧力2MPa)により、120℃で3時間前処理を行ってから反応に使用した。前処理後のPdO担持触媒(触媒A、B、C)においては、エックス線吸収端近傍構造 (XANES)分析によりPd(0)の生成が確認された。   The obtained catalysts A to E were used for the reaction after being pretreated at 120 ° C. for 3 hours with a hydrogen / carbon monoxide mixed gas (1/3) (pressure 2 MPa) unless otherwise specified. . In the pretreated PdO-supported catalysts (catalysts A, B, and C), the formation of Pd (0) was confirmed by X-ray absorption near edge structure (XANES) analysis.

<カルボニル化反応>
(実施例1)
前処理済みの触媒A200mgが入った容量50mLのステンレス製バッチ式耐圧・耐熱反応容器に、ルイス塩基兼溶媒としてテトラグライム10mL、ルイス酸として1.0Mのジエチル塩化アルミニウムヘキサン溶液1.0mL、エポキシドとしてエチレンオキシド2.9g(66mmol)を順番に導入した。
次に、反応容器をオイルバスにつけて、混合物を攪拌しながら、温度を100℃まで上昇させ、その温度を保った。次いで、反応容器内に4.0MPaまで一酸化炭素ガスを充填し、その圧力を保持したまま7.5時間反応を実施した。所定の時間が過ぎたところで冷却し、ガスを抜いて蓋を開け、生成物を得た。カルボニル化反応の生成物は、ガスクロマトグラフ質量分析計(GC−MS)によって同定した。ここで、GC−MS分析は、島津製作所製ガスクロマトグラフ質量分析機(型式:GCMS−QP−2010)にジーエルサイエンス製TC−1カラム(長さ60m、直径0.25mm)を装着し、ヘリウムをキャリアガスとして用いて行った。
GC−MS分析の結果、β−プロピオラクトンの生成が確認された。得られたβ−プロピオラクトンの収率を表1に示す。
<Carbonylation reaction>
Example 1
In a 50 mL stainless batch type pressure and heat resistant reaction vessel containing 200 mg of pretreated catalyst A, 10 mL of tetraglyme as Lewis base and solvent, 1.0 mL of 1.0 M diethylaluminum chloride hexane solution as Lewis acid, and as epoxide 2.9 g (66 mmol) of ethylene oxide was introduced in sequence.
Next, the reaction vessel was attached to an oil bath, and while stirring the mixture, the temperature was raised to 100 ° C. and the temperature was maintained. Next, carbon monoxide gas was charged to 4.0 MPa in the reaction vessel, and the reaction was carried out for 7.5 hours while maintaining the pressure. When a predetermined time had passed, the mixture was cooled, degassed, and the lid was opened to obtain a product. The product of the carbonylation reaction was identified by a gas chromatograph mass spectrometer (GC-MS). Here, GC-MS analysis is performed by attaching a TC-1 column (length 60 m, diameter 0.25 mm) made by GL Science to Shimadzu gas chromatograph mass spectrometer (model: GCMS-QP-2010), and using helium. It was performed using as a carrier gas.
As a result of GC-MS analysis, formation of β-propiolactone was confirmed. The yield of the obtained β-propiolactone is shown in Table 1.

(実施例2)
ルイス酸として、トリエチルアルミニウムを用いた以外は実施例1と同様の手順により、エチレンオキシドのカルボニル化反応を行った。結果を表1に示す。
(Example 2)
The carbonylation reaction of ethylene oxide was performed in the same procedure as in Example 1 except that triethylaluminum was used as the Lewis acid. The results are shown in Table 1.

(実施例3)
反応時間を5時間とした以外は実施例1と同様の手順により、エチレンオキシドのカルボニル化反応を行った。結果を表1に示す。
(実施例4〜7)
ルイス酸として、表1に記載のルイス酸を用いた以外は実施例3と同様の手順により、エチレンオキシドのカルボニル化反応を行った。結果を表1に示す。
(実施例8)
エポキシドとしてプロピレンオキシドを用いた以外は実施例3と同様の手順により、カルボニル化反応を行った。結果を表1に示す。
(Example 3)
A carbonylation reaction of ethylene oxide was carried out by the same procedure as in Example 1 except that the reaction time was 5 hours. The results are shown in Table 1.
(Examples 4 to 7)
The carbonylation reaction of ethylene oxide was carried out by the same procedure as in Example 3 except that the Lewis acid shown in Table 1 was used as the Lewis acid. The results are shown in Table 1.
(Example 8)
The carbonylation reaction was performed in the same procedure as in Example 3 except that propylene oxide was used as the epoxide. The results are shown in Table 1.

(比較例1)
ルイス酸を使用せずに反応を行った以外は実施例3と同様の手順により、エチレンオキシドのカルボニル化反応を行った。結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
A carbonylation reaction of ethylene oxide was carried out by the same procedure as in Example 3 except that the reaction was carried out without using a Lewis acid. The results are shown in Table 1.

Figure 2017170808
Figure 2017170808

なお、表1中の下記式は以下のルイス酸を意味する。
・Y(OTf)3:イットリウムトリフラート
・La(OTf)3:ランタントリフラート
In addition, the following formula in Table 1 means the following Lewis acids.
Y (OTf) 3 : Yttrium triflate La (OTf) 3 : Lanthanum triflate

表1に示されるように、不均一系触媒(A)(触媒A)を用いて、金属ハロゲン化物や金属トリフラート等の金属ルイス酸(B)及びルイス塩基(C)の存在下でエポキシドのカルボニル化反応を行うことにより、金属ルイス酸(B)を用いない場合(比較例1)と比較して飛躍的に触媒活性が向上した。特にその効果は、金属ルイス酸(B)として有機アルミニウム化合物を用いた場合に顕著であることがわかる。   As shown in Table 1, the carbonyl of the epoxide using the heterogeneous catalyst (A) (catalyst A) in the presence of a metal Lewis acid (B) such as a metal halide or metal triflate and a Lewis base (C). By carrying out the conversion reaction, the catalytic activity was dramatically improved as compared with the case where the metal Lewis acid (B) was not used (Comparative Example 1). It can be seen that the effect is particularly remarkable when an organoaluminum compound is used as the metal Lewis acid (B).

(実施例9)
反応温度を75℃とし、且つ圧力4.0MPaまで一酸化炭素を充填し、反応中は一酸化炭素を補充せずに反応を行った以外は実施例3と同様の手順により、エチレンオキシドのカルボニル化反応を行った。結果を表2に示す。
(実施例10〜12)
ルイス塩基として、表2に記載の各種グライム類を用いた以外は実施例9と同様の手順により、エチレンオキシドのカルボニル化反応を行った。結果を表2に示す。
Example 9
Carbonylation of ethylene oxide was carried out in the same manner as in Example 3 except that the reaction temperature was 75 ° C. and carbon monoxide was charged to a pressure of 4.0 MPa, and the reaction was performed without supplementing carbon monoxide during the reaction. Reaction was performed. The results are shown in Table 2.
(Examples 10 to 12)
A carbonylation reaction of ethylene oxide was performed by the same procedure as in Example 9 except that various glymes described in Table 2 were used as the Lewis base. The results are shown in Table 2.

(実施例13〜15)
ルイス塩基として、表2に記載のルイス塩基を用いた以外は実施例4と同様の手順により、エチレンオキシドのカルボニル化反応を行った。結果を表2に示す。
(比較例2)
ルイス塩基を使用せず、そのかわりに溶媒としてヘキサン10mLを加えて反応を行った以外は実施例4と同様の手順により、エチレンオキシドのカルボニル化反応を行った。結果を表2に示す。
(Examples 13 to 15)
A carbonylation reaction of ethylene oxide was carried out by the same procedure as in Example 4 except that the Lewis base shown in Table 2 was used as the Lewis base. The results are shown in Table 2.
(Comparative Example 2)
A carbonylation reaction of ethylene oxide was carried out by the same procedure as in Example 4 except that Lewis base was not used and 10 mL of hexane was added as a solvent instead. The results are shown in Table 2.

Figure 2017170808
Figure 2017170808

表2に示されるように、不均一系触媒(A)(触媒A)を用いて、金属ルイス酸(B)と、グリコールジアルキルエーテルやTHF等の酸素原子を分子内に含むルイス塩基や、ピリジンやアセトニトリル等の窒素原子を分子内に含むルイス塩基(ルイス塩基(C))の存在下でエポキシドのカルボニル化反応を行うことにより、ルイス塩基(C)を用いない場合(比較例2)と比較して飛躍的に触媒活性が向上した。特にその効果は、ルイス塩基(C)としてグリコールジアルキルエーテルを用いた場合に顕著であることがわかる。   As shown in Table 2, using a heterogeneous catalyst (A) (catalyst A), a Lewis base containing a metal Lewis acid (B) and an oxygen atom such as glycol dialkyl ether or THF in the molecule, pyridine Compared with the case where Lewis base (C) is not used (Comparative Example 2) by carrying out carbonylation reaction of epoxide in the presence of Lewis base (Lewis base (C)) containing nitrogen atoms in the molecule such as acetonitrile and acetonitrile. As a result, the catalytic activity improved dramatically. It can be seen that the effect is particularly remarkable when glycol dialkyl ether is used as the Lewis base (C).

(実施例16〜22、比較例3〜5)
触媒B、C、D、Eのいずれかを使用し、内部にガラス製チューブを備えたステンレス製の20mLバッチ式耐圧・耐熱反応容器を用いて、表3に示した条件で、プロピレンオキシドのカルボニル化反応を実施例8の手順に準じて行った。なお、実施例17、18では前処理条件の異なる触媒Bを用いた。また、実施例20ではルイス酸としてトリメチルアルミニウムを、他の実施例ではジエチル塩化アルミニウムを使用した。また、比較例では、ルイス酸を使用せずに反応を行った。結果を表3に示す。
(Examples 16-22, Comparative Examples 3-5)
Propylene oxide carbonyls under the conditions shown in Table 3 using any of catalysts B, C, D, and E, and using a stainless steel 20 mL batch pressure- and heat-resistant reaction vessel with a glass tube inside. The reaction was carried out according to the procedure of Example 8. In Examples 17 and 18, catalyst B having different pretreatment conditions was used. In Example 20, trimethylaluminum was used as the Lewis acid, and diethylaluminum chloride was used in the other examples. Moreover, in the comparative example, it reacted without using a Lewis acid. The results are shown in Table 3.

(実施例23)
触媒Aを使用して、表3に示した条件で、1−オクテンオキシドのカルボニル化反応を実施例16に準じて行った。結果を表3に示す。
(Example 23)
Using catalyst A, the carbonylation reaction of 1-octene oxide was carried out according to Example 16 under the conditions shown in Table 3. The results are shown in Table 3.

Figure 2017170808
Figure 2017170808

表3に示されるように、本発明は、Pd、Pt等の第10族の遷移金属や、Au等の第11族の遷移金属、これらの酸化物を担持させた触媒を用いるエポキシドのカルボニル化反応に適用できる。特にその効果は、被担持物が第10族の遷移金属やその酸化物である場合(実施例16〜21)、その中でもその遷移金属がPdである場合に顕著であることがわかる。   As shown in Table 3, the present invention is directed to carbonylation of epoxides using a group 10 transition metal such as Pd and Pt, a group 11 transition metal such as Au, and a catalyst supporting these oxides. Applicable to reaction. In particular, it can be seen that the effect is significant when the supported material is a Group 10 transition metal or an oxide thereof (Examples 16 to 21), and among them, when the transition metal is Pd.

Claims (11)

エポキシドのカルボニル化反応により四員環ラクトンを製造する方法であって、エポキシドと一酸化炭素とを、
(A)第5族〜第10族の遷移金属から選ばれる1種以上の金属の酸化物を担体とし、当該担体に、第10族の遷移金属、第11族の遷移金属及びこれらの酸化物から選ばれる1種又は2種以上を担持させた不均一系触媒(ただし、被担持物は、担体とした金属酸化物とは金属の種類が異なる)と、
(B)金属ルイス酸と、
(C)酸素原子及び窒素原子から選ばれる原子を分子内に含むルイス塩基
の存在下で反応させる工程を含む、四員環ラクトンの製造方法。
A method for producing a four-membered lactone by carbonylation of an epoxide, comprising epoxide and carbon monoxide,
(A) An oxide of one or more metals selected from Group 5 to Group 10 transition metals is used as a carrier, and Group 10 transition metal, Group 11 transition metal, and oxides thereof are used as the carrier. A heterogeneous catalyst in which one or more selected from the above are supported (however, the supported material is different from the metal oxide used as the carrier),
(B) a metal Lewis acid;
(C) A method for producing a four-membered ring lactone, comprising a step of reacting in the presence of a Lewis base containing an atom selected from an oxygen atom and a nitrogen atom in the molecule.
前記金属ルイス酸(B)が、有機金属化合物、金属ハロゲン化物及び金属トリフラートから選ばれる1種又は2種以上である請求項1に記載の製造方法。   2. The production method according to claim 1, wherein the metal Lewis acid (B) is one or more selected from an organometallic compound, a metal halide, and a metal triflate. 前記金属ルイス酸(B)が、有機アルミニウム化合物である請求項1に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the metal Lewis acid (B) is an organoaluminum compound. 前記ルイス塩基(C)が、鎖状エーテル、環状エーテル、鎖状アミン、環状アミン及びニトリルから選ばれる1種又は2種以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the Lewis base (C) is one or more selected from a chain ether, a cyclic ether, a chain amine, a cyclic amine, and a nitrile. 前記ルイス塩基(C)が、グリコールジアルキルエーテルである請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。   The said Lewis base (C) is glycol dialkyl ether, The manufacturing method of any one of Claims 1-3. 前記カルボニル化反応を行う前に、水素又は水素及び一酸化炭素を含む混合ガスと、前記不均一系触媒(A)とを接触させる前処理を行う請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法。   6. The pretreatment in which hydrogen or a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide is brought into contact with the heterogeneous catalyst (A) before performing the carbonylation reaction. Manufacturing method. 前記不均一系触媒(A)の被担持物が、パラジウム、白金、金及びこれらの酸化物から選ばれる1種又は2種以上である請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法。   The production method according to any one of claims 1 to 6, wherein the supported material of the heterogeneous catalyst (A) is one or more selected from palladium, platinum, gold, and oxides thereof. . 前記不均一系触媒(A)の担体が、酸化コバルトである請求項1〜7のいずれか1項に記載の製造方法。   The production method according to any one of claims 1 to 7, wherein the support for the heterogeneous catalyst (A) is cobalt oxide. 第5族〜第10族の遷移金属から選ばれる1種以上の金属の酸化物を担体とし、当該担体に、第10族の遷移金属及びその酸化物から選ばれる少なくとも1種を担持させてなる、エポキシドのカルボニル化反応に用いられる不均一系触媒(ただし、被担持物は、担体とした金属酸化物とは金属の種類が異なる)。   One or more metal oxides selected from Group 5 to Group 10 transition metals are used as a carrier, and the carrier is supported with at least one member selected from Group 10 transition metals and oxides thereof. , Heterogeneous catalyst used for epoxide carbonylation reaction (however, the supported material is different from the metal oxide used as the carrier). 被担持物が、パラジウム及びその酸化物から選ばれる少なくとも1種である請求項9に記載の不均一系触媒。   The heterogeneous catalyst according to claim 9, wherein the supported material is at least one selected from palladium and an oxide thereof. 担体が、酸化コバルトである請求項9又は10に記載の不均一系触媒。   The heterogeneous catalyst according to claim 9 or 10, wherein the support is cobalt oxide.
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