JPWO2019208705A1 - N,n−二置換アミドの製造方法およびn,n−二置換アミド製造用触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2018年4月27日に、日本に出願された特願2018−087771号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
N,N−二置換アミドを製造する方法としては、一般に、ジアルキルアミンを原料として使用する方法が用いられている。具体的には、N,N−ジアルキルアミンであるN,N−ジメチルアミンと、酢酸または酢酸エステルとを反応させて、N,N−ジメチルアセトアミドを製造する方法が用いられている。
N,N−ジアルキルアミンを原料として使用せずに、N,N−二置換アミドを製造する方法としては、ニトリルとアルコールとを触媒の存在下で反応させる方法がある。ニトリルとアルコールとの反応を促進させる触媒および/または促進剤としては、SbCl5、ZnCl2、SnCl4、CoCl2などの塩化物、酢酸カドミウム、ゼオライト、BPO4などのリン酸塩、硫酸マグネシウムや硫酸アルミニウムなどの硫酸塩、ピリジン、水等が用いられている。
すなわち、本発明は以下の事項に関する。
前記ニトリルが
R1CN
(式中のR1は炭素原子数10以下のアルキル基または炭素原子数10以下のアリール基である。)
で示される化合物であり、
前記アルコールが
R2OH
(式中のR2は炭素原子数10以下のアルキル基である。)で示される化合物であり、
前記触媒が、
MXn
(式中のMは酸化数nの金属カチオンであり、Xは−S(=O)2−R3(式中のR3は炭素原子数10以下の炭化水素基、または前記炭化水素基中の水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された基である。)で表される置換スルホニル基を少なくとも1つ含む1価のアニオンであり、nは1〜4の整数である。)
で示される金属塩を含み、
前記N,N−二置換アミドのカルボニル基中の炭素原子に結合する置換基が前記R1であり、アミド基中の窒素原子に結合する2つの置換基が同じであって前記R2である。
[3]前記[1]または[2]のいずれかに記載のN,N−二置換アミドの製造方法において、前記触媒が、金属メタンスルホン酸塩であってもよい。
[4]前記[1]または[2]のいずれかに記載のN,N−二置換アミドの製造方法において、前記触媒が、金属トリフルオロメタンスルホン酸塩であってもよい。
[5]前記[1]または[2]のいずれかに記載のN,N−二置換アミドの製造方法において、前記Xが、下記式(2)〜(9)で示されるアニオンから選ばれるいずれか一種であってもよい。
[8]前記[1]〜[7]のいずれか一つに記載のN,N−二置換アミドの製造方法において、前記ニトリルがアセトニトリルであってもよい。
[9]前記[1]〜[8]のいずれか一つに記載のN,N−二置換アミドの製造方法において、前記アルコールがメタノールであってもよい。
[10]前記[1]〜[9]のいずれか一つに記載のN,N−二置換アミドの製造方法において、前記反応を、オートクレーブ反応容器内で密閉した状態で行うことが好ましい。
[11]前記[1]〜[10]のいずれか一つに記載のN,N−二置換アミドの製造方法において、反応温度を300℃未満とすることが好ましい。
[15]前記[12]〜[14]のいずれか一つに記載のN,N−二置換アミド製造用触媒において、前記Mが、Zn、Cu、Sn、Al、Sc、およびランタノイドに分類される元素からなる群から選択されるいずれか一種であってもよい。
[16]前記[15]に記載のN,N−二置換アミド製造用触媒において、前記Mが、Zn、Nd、Ceから選ばれるいずれか一種であってもよい。
ニトリルとアルコールとの反応温度を300℃超の高温とした場合、N,N−二置換アミドの収率を高くできる可能性がある。しかし、原料として使用するニトリルおよびアルコールは、いずれも沸点が低い化合物であるため、反応温度を300℃超にすると、一時的に反応容器内の圧力が10MPa以上の高圧になったり、超臨界状態となったりすることが予想される。反応の進行により低沸成分が高沸成分に転化するため、反応容器内の圧力は漸減するが、反応温度が300℃超である場合、N,N−二置換アミドの合成反応の危険性が高く、反応容器として十分な耐久性を要するものを用いる必要がある。
そこで、本発明者は、反応温度を300℃未満の低温とし、触媒量を、原料として使用するニトリルのmol量の3.0mol%以下の少量とした条件であっても、十分な反応速度が得られ、かつ塩化物ではない触媒について検討した。
その結果、MXnで示される金属塩を含む触媒を用いることが有効であることを見出した。Mは酸化数nの金属カチオンであり、Xは、−S(=O)2−R3で表される置換スルホニル基を少なくとも1つ含む、1価のアニオンであり、nは1〜4の整数である。R3は炭素原子数10以下(好ましくは1〜8、より好ましくは1〜4)の炭化水素基、または炭化水素基中の水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された基である。
本発明者は、このような知見に基づいて本発明を想到した。
「N,N−二置換アミドの製造方法」
本実施形態の製造方法では、ニトリルとアルコールとを触媒の存在下で反応させて、下記式(1)で示されるN,N−二置換アミドを製造する。
また、アルコールとして、R2OHで示される化合物を用いる。式中のR2は、含有する炭素原子数が10以下のアルキル基である。
式(1)で示されるN,N−二置換アミドにおいて、カルボニル基中の炭素原子に結合している置換基は上記R1である。式(1)で示されるN,N−二置換アミドにおいて、アミド基中の窒素原子に結合している2つの置換基は、いずれも上記R2である。
式(1)で示されるN,N−二置換アミドは、R1がメチル基、エチル基、フェニル基から選ばれるいずれか一種であって、R2がメチル基、エチル基、n−プロピル基から選ばれるいずれか一種であることが好ましい。特に、R1およびR2がメチル基であるN,N−ジメチルアセトアミドであることが好ましい。式(1)で示されるN,N−二置換アミドが、N,N−ジメチルアセトアミドである場合、より高いい反応速度で、効率よく合成できる。
密閉したオートクレーブ反応容器内でニトリルとアルコールとを反応させる場合、反応容器内の雰囲気中に酸素ガスが含まれていると、アルコールが酸化されてアルデヒドが生じたり、アルデヒドがさらにアルコールと反応してアセタールが副生したりすることがある。そのため、反応容器内の雰囲気を、窒素ガス、アルゴンなどの不活性雰囲気とすることが好ましい。なお、常圧の空気雰囲気下で密閉容器に出発物質を封入する場合、密閉容器中に封入される空気の体積を少なくし、密閉容器内の酸素ガスの物質量をアルコールの物質量と比べて僅少(アルコールの物質量の約1%以下)とすることで、アセタールの副生による収率の低下を抑制できる。
反応中の反応容器の内圧は、反応開始から終了までの全工程において10MPa未満であることが好ましく、8MPa以下であることがより好ましい。また、反応中の反応容器の内圧は、常圧(0.1MPa)以上であることが好ましい。
本実施形態のN,N−二置換アミドの製造方法では、以下に示す本実施形態のN,N−二置換アミド製造用触媒(以下、「触媒」と略記する場合がある。)を用いる。
本実施形態の触媒は、ニトリルとアルコールとを触媒の存在下で反応させて、N,N−二置換アミドを製造する際に用いられるものである。
本実施形態の触媒は、MXnで示される金属塩を含む。式中のMは酸化数nの金属カチオンであり、Xは−S(=O)2−R3で表される置換スルホニル基を少なくとも1つ含む1価のアニオンであり、nは1〜4の整数である。式中のR3は、炭素原子数10以下の炭化水素基、または前記炭化水素基中の水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された基である。
−S(=O)2−R3
で表される置換スルホニル基を少なくとも1つ含む1価のアニオンである。
式中のR3は、炭素原子数10以下の炭化水素基、または炭化水素基を構成する水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された基である。
Xに含まれる置換スルホニル基の数は、1つまたは2つであることが好ましく、1つであることがより好ましい。
置換スルホニル基に含まれるR3はアルキル基またはパーフルオロアルキル基であることが好ましく、金属カチオンのルイス酸性が強く、高い触媒活性が得られるため、パーフルオロアルキル基であることがより好ましい。
これらの中でも、MXnで示される金属塩を構成するXが、式(2)で示されるメシラートアニオンである(言い換えると、触媒が金属メタンスルホン酸塩である)場合、式(3)で示されるトリフラートアニオンである(言い換えると、触媒が金属トリフルオロメタンスルホン酸塩である)場合、または式(7)で示されるトリフルイミドアニオンである(言い換えると、触媒が金属ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩である)場合、から選ばれるいずれかのアニオンである場合がより好ましく、特に、式(3)または(7)で示されるアニオンである場合がさらに好ましい。MXnで示される金属塩を構成するXが、式(3)または(7)で示されるアニオンであると、より反応速度が大きい触媒となる。
ステンレス(SUS316)製の100mLオートクレーブ反応容器(日東高圧株式会社製、耐熱内温300℃、10MPa安全弁付)に、アセトニトリル(11g、0.26mol)と、メタノール(16g、0.52mol)と、触媒としてのトリフルオロメタンスルホン酸亜鉛(II)(0.8g、2mmol)とを加えて溶液とし、常圧の空気雰囲気下で、このオートクレーブ反応容器を密閉した。
リークの有無をチェックするため、密閉後のオートクレーブ反応容器内に、窒素ボンベより約8MPaの窒素ガスを供給し、漏れがないことを確認した。その後、オートクレーブ反応容器付属のバルブを開放して、オートクレーブ反応容器内を常圧の窒素ガス雰囲気とした後、バルブを閉じて再度密閉状態にした。
まず、以下に示す方法により、目的物である化合物の検量線を求めた。アセトニトリルとメタノールとをモル比で1:2(MeCN:MeOH)の割合で混合した混合溶液を用いて、目的物である化合物の市販品(N,N−ジメチルアセトアミド:富士フイルム和光純薬工業製、超脱水、有機合成用)を希釈し、濃度が異なる3つ以上の目的物のサンプルを調製した。各サンプルを、ガスクロマトグラフィー(GC)を用いて分析し、得られたピーク面積より検量線を求めた。
以下に示す方法により検量線を求め、ガスクロマトグラフィー(GC)を用いて分析した結果から、反応混合物中のアセトニトリルとメタノールの含有量をそれぞれ求め、出発物質として使用した量から差し引くことで転化率を算出した。
アセトニトリルとメタノールとの混合液であって、アセトニトリル濃度を5〜20質量%の範囲内で異ならせた3種類以上のサンプルを調製した。各サンプルを、ガスクロマトグラフィー(GC)を用いて分析し、得られたピーク面積よりアセトニトリルの検量線を求めた。
一方、アセトニトリルとメタノールとの混合液であって、メタノール濃度を5〜20質量%の範囲内で異ならせた3種類以上のサンプルを調製した。各サンプルを、ガスクロマトグラフィー(GC)を用いて分析し、得られたピーク面積よりメタノールの検量線を求めた。
表1に示す触媒を、表1に示す触媒量で用いたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜9、11、比較例1〜8の反応混合物を得た。
また、Aldrich社製の銀メタンスルホン酸塩(AgOMs)と、0.5当量のZnCl2(和光純薬工業社製)とを、ニトリルとアルコールとを物質量(モル)比で1:2(MeCN:MeOH)の割合で使用した混合溶液に加えて混合し、析出した難溶性沈殿のAgClを除去した溶液を出発物質として反応容器内に入れ、密閉したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例10の反応混合物を得た。実施例10では、銀メタンスルホン酸塩とZnCl2との反応により生成された出発物質中に含まれる化合物であって、触媒として機能する亜鉛メタンスルホン酸塩((Zn(OMs)2)を触媒とした。
また、比較例3では、比較例2と同じ触媒を8mol%使用しているが、N,N−ジメチルアセトアミドの収率は、触媒量が10分の1である実施例7と同程度であり、触媒活性が低かった。
アセトニトリルに代えてR1CN(式中のR1は表2に示されるものである)で示されるニトリルを用い、メタノールに代えてR2OH(式中のR2は表2に示されるものである)で示されるアルコールを用い、ニトリルとアルコールとを物質量(モル)比で1:2(ニトリル:アルコール)の割合で使用し、表2に示す反応時間としたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例13〜16の反応混合物を得た。
反応温度を250℃とし、表2に示す反応時間としたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例12の反応混合物を得た。
また、反応温度を250℃とし、表2に示す反応時間としたこと以外は、実施例16と同様にして、実施例17の反応混合物を得た。
また、実施例13〜17の反応混合物中の目的物であるN,N−二置換アミドの収率を、以下に示す方法により求めた。
反応混合物を、ガスクロマトグラフィー(GC)を用いて分析した。全てのピーク面積に対する目的物のピーク面積の比を算出し、N,N−二置換アミドの収率とした。
表2において「Me」はメチル基、「Et」はエチル基、「Ph」はフェニル基、「n−Pr」はn−プロピル基である。
また、表2には、比較しやすくするため、表1に示す実施例1についても示す。また実施例1のGC収率は表1と同じである。
特に、R1およびR2がメチル基であるジメチルアセトアミドを合成する反応(実施例1、12)では、触媒による反応促進効果が顕著であり、効率よく合成できることが確認できた。
Claims (16)
- ニトリルとアルコールとを触媒の存在下で反応させて、N,N−二置換アミドを製造するN,N−二置換アミドの製造方法であり、
前記ニトリルが
R1CN
(式中のR1は炭素原子数10以下のアルキル基または炭素原子数10以下のアリール基である。)
で示される化合物であり、
前記アルコールが
R2OH
(式中のR2は炭素原子数10以下のアルキル基である。)で示される化合物であり、
前記触媒が
MXn
(式中のMは酸化数nの金属カチオンであり、Xは−S(=O)2−R3(式中のR3は炭素原子数10以下の炭化水素基、または前記炭化水素基中の水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された基である。)で表される置換スルホニル基を少なくとも1つ含む1価のアニオンであり、nは1〜4の整数である。)
で示される金属塩を含み、
前記N,N−二置換アミドのカルボニル基中の炭素原子に結合する置換基が前記R1であり、アミド基中の窒素原子に結合する2つの置換基が同じであって前記R2であるN,N−二置換アミドの製造方法。 - 前記R3が、アルキル基またはパーフルオロアルキル基である請求項1に記載のN,N−二置換アミドの製造方法。
- 前記触媒が、金属メタンスルホン酸塩である請求項1または請求項2に記載のN,N−二置換アミドの製造方法。
- 前記触媒が、金属トリフルオロメタンスルホン酸塩である請求項1または請求項2に記載のN,N−二置換アミドの製造方法。
- 前記Mが、Zn、Cu、Sn、Al、Sc、およびランタノイドに分類される元素からなる群から選択されるいずれか一種である請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のN,N−二置換アミドの製造方法。
- 前記触媒を前記ニトリルのmol量の0.1〜3.0mol%用いる請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載のN,N−二置換アミドの製造方法。
- 前記ニトリルがアセトニトリルである請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載のN,N−二置換アミドの製造方法。
- 前記アルコールがメタノールである請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載のN,N−二置換アミドの製造方法。
- 前記反応を、オートクレーブ反応容器内で密閉した状態で行う請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載のN,N−二置換アミドの製造方法。
- 反応温度を300℃未満とする請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載のN,N−二置換アミドの製造方法。
- ニトリルとアルコールとを触媒の存在下で反応させて、N,N−二置換アミドを製造する際に用いられ、MXn(式中のMは酸化数nの金属カチオンであり、Xは−S(=O)2−R3(式中のR3は炭素原子数10以下の炭化水素基、または前記炭化水素基中の水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された基である。)で表される置換スルホニル基を少なくとも1つ含む1価のアニオンであり、nは1〜4の整数である。)で示される金属塩を含むN,N−二置換アミド製造用触媒。
- 前記Xが、式(3)で示されるアニオンである請求項13に記載のN,N−二置換アミド製造用触媒。
- 前記Mが、Zn、Cu、Sn、Al、Sc、およびランタノイドに分類される元素からなる群から選択されるいずれか一種である請求項12〜請求項14のいずれか一項に記載のN,N−二置換アミド製造用触媒。
- 前記Mが、Zn、Nd、Ceから選ばれるいずれか一種である請求項15に記載のN,N−二置換アミド製造用触媒。
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