WO2024043158A1 - Device for producing cyclic amine and method for producing cyclic amine - Google Patents

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真人 跡部
尚毅 信田
勇吾 清水
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Abstract

Provided are a device for producing a cyclic amine and a method for producing a cyclic amine with which it is possible to produce a cyclic amine by hydrogenation of a nitrogen-containing heteroaromatic compound under normal temperature and normal pressure without using hydrogen gas. The device for producing a cyclic amine is provided with a substrate supply unit that supplies a nitrogen-containing heteroaromatic compound, which is the substrate, and an anion exchange membrane electrolysis unit that electrolytically hydrogenates the substrate supplied from the substrate supply unit to produce the cyclic amine.

Description

環状アミンの製造装置及び環状アミンの製造方法Cyclic amine manufacturing device and cyclic amine manufacturing method
 本発明は、環状アミンの製造装置及び環状アミンの製造方法に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for producing a cyclic amine and a method for producing a cyclic amine.
 環状アミンは、FDA(Food and Drug Administration:アメリカ食品医薬品局)が承認する低分子医薬品の大半に含まれる重要骨格であり、従来、種々の環状アミンが製造されている。 Cyclic amines are important skeletons included in most of the small molecule drugs approved by the Food and Drug Administration (FDA), and various cyclic amines have been produced in the past.
 最も代表的な環状アミンであるピペリジンは、工業的に高エネルギー条件(高温や高圧条件)を必要とし、水素ガスを水素源とするピリジンの化学的水素化によって合成されている(非特許文献1)。 Piperidine, which is the most typical cyclic amine, requires high energy conditions (high temperature and high pressure conditions) industrially and is synthesized by chemical hydrogenation of pyridine using hydrogen gas as a hydrogen source (Non-patent Document 1). ).
 従来、ピペリジンなどの環状アミンの製造には、高温や高圧などのエネルギー多消費な含窒素複素芳香族化合物の化学的水素化プロセスが用いられている。また、その水素化に際しては、水素ガスが原料に用いられている。 Conventionally, in the production of cyclic amines such as piperidine, an energy-intensive chemical hydrogenation process of nitrogen-containing heteroaromatic compounds, such as at high temperatures and high pressures, has been used. Further, in the hydrogenation, hydrogen gas is used as a raw material.
 このように、従来、環状アミンを製造するためには、高温や高圧などの高エネルギー条件、及び、原料としての水素ガスが必要であった。 As described above, conventionally, in order to produce a cyclic amine, high energy conditions such as high temperature and high pressure, and hydrogen gas as a raw material were required.
 本発明は、このような問題を解決すべく、含窒素複素芳香族化合物の水素化による環状アミンの製造を常温常圧下で且つ水素ガスを用いないで実施することが可能な環状アミンの製造装置及び環状アミンの製造方法を提供することを課題とする。 In order to solve these problems, the present invention provides a cyclic amine production apparatus that can produce a cyclic amine by hydrogenating a nitrogen-containing heteroaromatic compound at room temperature and pressure without using hydrogen gas. An object of the present invention is to provide a method for producing a cyclic amine.
 上記課題は、以下のように特定される本発明によって解決される。
 (1)基質である含窒素複素芳香族化合物を供給する基質供給部と、前記基質供給部から供給された基質を電解水素化して環状アミンを製造するアニオン交換膜形電解ユニットと、を備えた、環状アミンの製造装置。
 (2)前記アニオン交換膜形電解ユニットは、カソード触媒層を含むカソードと、金属酸化物を含むアノードと、前記カソード及び前記アノードの間に設けられるアニオン交換膜と、を有し、前記基質供給部は、前記カソードに前記基質を供給する、(1)に記載の環状アミンの製造装置。
 (3)前記カソード触媒層は、Co、Ni、Fe、Cu、Ag、Ru、Pd、Ir、Pt、Au及びRhからなる群から選択される少なくとも一種の触媒金属を含む、(2)に記載の環状アミンの製造装置。
 (4)基質である含窒素複素芳香族化合物をアニオン交換膜形電解ユニットに供給し、前記アニオン交換膜形電解ユニットが、供給された前記基質を電解水素化して環状アミンを製造する、環状アミンの製造方法。
 (5)前記アニオン交換膜形電解ユニットは、カソード触媒層を含むカソードと、金属酸化物を含むアノードと、前記カソード及び前記アノードの間に設けられるアニオン交換膜と、を有し、前記基質は前記カソードに供給される、(4)に記載の環状アミンの製造方法。
 (6)前記カソード触媒層は、Co、Ni、Fe、Cu、Ag、Ru、Pd、Ir、Pt、Au及びRhからなる群から選択される少なくとも一種の触媒金属を含む、(5)に記載の環状アミンの製造方法。
The above problem is solved by the present invention specified as follows.
(1) A substrate supply unit that supplies a nitrogen-containing heteroaromatic compound as a substrate, and an anion exchange membrane electrolysis unit that electrolytically hydrogenates the substrate supplied from the substrate supply unit to produce a cyclic amine. , cyclic amine production equipment.
(2) The anion exchange membrane type electrolysis unit includes a cathode including a cathode catalyst layer, an anode including a metal oxide, and an anion exchange membrane provided between the cathode and the anode, and the substrate is supplied. The apparatus for producing a cyclic amine according to (1), wherein the part supplies the substrate to the cathode.
(3) The cathode catalyst layer includes at least one catalyst metal selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Cu, Ag, Ru, Pd, Ir, Pt, Au, and Rh. Cyclic amine manufacturing equipment.
(4) A cyclic amine in which a nitrogen-containing heteroaromatic compound as a substrate is supplied to an anion exchange membrane electrolysis unit, and the anion exchange membrane electrolysis unit electrolytically hydrogenates the supplied substrate to produce a cyclic amine. manufacturing method.
(5) The anion exchange membrane type electrolysis unit has a cathode including a cathode catalyst layer, an anode including a metal oxide, and an anion exchange membrane provided between the cathode and the anode, and the substrate is The method for producing a cyclic amine according to (4), which is supplied to the cathode.
(6) The cathode catalyst layer includes at least one catalyst metal selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Cu, Ag, Ru, Pd, Ir, Pt, Au, and Rh. A method for producing a cyclic amine.
 本発明によれば、含窒素複素芳香族化合物の水素化による環状アミンの製造を常温常圧下で且つ水素ガスを用いないで実施することが可能な環状アミンの製造装置及び環状アミンの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a cyclic amine production apparatus and a cyclic amine production method capable of producing a cyclic amine by hydrogenating a nitrogen-containing heteroaromatic compound at normal temperature and pressure without using hydrogen gas. can be provided.
本発明の実施形態1に係る環状アミンの製造装置10の模式図である。1 is a schematic diagram of a cyclic amine manufacturing apparatus 10 according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施形態1、2に係るアニオン交換膜形電解ユニット12の展開模式図である。1 is a schematic developed view of an anion exchange membrane electrolysis unit 12 according to Embodiments 1 and 2 of the present invention. FIG. 本発明の実施形態2に係る環状アミンの製造装置20の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a cyclic amine manufacturing apparatus 20 according to Embodiment 2 of the present invention.
 次に本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。 Next, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It is understood that the present invention is not limited to the following embodiments, and that design changes, improvements, etc. may be made as appropriate based on the common knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Should.
・実施形態1
 <環状アミンの製造装置の構成>
 図1に、本発明の実施形態1に係る環状アミンの製造装置10の模式図を示す。環状アミンの製造装置10は、アニオン交換膜形電解ユニット12、基質供給部11、電解液供給部21及び配管22、23、24、25を備える。
Embodiment 1
<Configuration of cyclic amine production equipment>
FIG. 1 shows a schematic diagram of a cyclic amine manufacturing apparatus 10 according to Embodiment 1 of the present invention. The cyclic amine production apparatus 10 includes an anion exchange membrane electrolysis unit 12, a substrate supply section 11, an electrolyte supply section 21, and piping 22, 23, 24, and 25.
 図2に、本発明の実施形態1に係るアニオン交換膜形電解ユニット12の展開模式図を示す。アニオン交換膜形電解ユニット12は、アニオン交換膜(AEM:Anion Exchange Membrane)13を有し、アニオン交換膜13の一方の側面から、カソード14a及びガスケット14b、セパレーター15及びエンドプレート16がこの順で積層されている。また、アニオン交換膜13の他方の側面から、アノード17a及びガスケット17b、セパレーター18及びエンドプレート19がこの順で積層されている。アニオン交換膜形電解ユニット12は、このようにして得られる複数の部材からなる積層体であり、当該複数の部材が互いに複数箇所で均等にボルトなどで締め付けられて固定されている。 FIG. 2 shows a developed schematic diagram of the anion exchange membrane electrolysis unit 12 according to Embodiment 1 of the present invention. The anion exchange membrane type electrolysis unit 12 has an anion exchange membrane (AEM) 13, and from one side of the anion exchange membrane 13, a cathode 14a, a gasket 14b, a separator 15, and an end plate 16 are arranged in this order. Laminated. Further, an anode 17a, a gasket 17b, a separator 18, and an end plate 19 are stacked in this order from the other side of the anion exchange membrane 13. The anion exchange membrane type electrolysis unit 12 is a laminate made of a plurality of members obtained in this way, and the plurality of members are fixed to each other by uniformly tightening bolts or the like at a plurality of locations.
 アニオン交換膜形電解ユニット12を構成する上述の各部材について、大きさは特に限定されず、必要に応じて所望の大きさに形成することができる。一例として、アニオン交換膜形電解ユニット12を構成する上述の各部材について、カソード14a及びアノード17aは、縦×横×厚み=1~5cm×3~10cm×50~1000μmの大きさを有する板状部材とすることができ、これら以外は縦×横×厚み=5~20cm×5~20cm×0.01~2cmの大きさを有する板状部材とすることができる。 The size of each of the above-mentioned members constituting the anion exchange membrane electrolysis unit 12 is not particularly limited, and can be formed to a desired size as necessary. As an example, for each of the above-mentioned members constituting the anion exchange membrane type electrolysis unit 12, the cathode 14a and the anode 17a are plate-shaped with dimensions of length x width x thickness = 1 to 5 cm x 3 to 10 cm x 50 to 1000 μm. Other than these, it may be a plate-like member having dimensions of length x width x thickness = 5 to 20 cm x 5 to 20 cm x 0.01 to 2 cm.
 アニオン交換膜13としては、特に限定されず、公知のアニオン交換膜を用いることができる。アニオン交換膜13は膜に固定された正の電荷交換基によってプラスに帯電しており、陽イオンの通過を妨げ陰イオンのみを透過させる。 The anion exchange membrane 13 is not particularly limited, and any known anion exchange membrane can be used. The anion exchange membrane 13 is positively charged by a positive charge exchange group fixed to the membrane, and prevents the passage of cations and allows only anions to pass through.
 カソード14aは、薄板状に形成されたガスケット14bの略中央に埋め込まれている。カソード14aは、基材と基材の表面に設けられたカソード触媒層とを有している。基材は、ニッケル多孔質体、チタン多孔質体、カーボンの織布(カーボンクロス)、カーボンの不織布、カーボンペーパー等を用いることができる。カーボンクロスは、数μm径の細いカーボン繊維を数百本の束とし、この束を織布としたものである。カーボンペーパーは、カーボン原料繊維を製紙法にて薄膜の前駆体とし、これを焼結したものである。カソード14aの基材は、表面が撥水加工されているものを用いてもよいが、表面が撥水加工されていないものを用いることがより好ましい。カソード触媒層の形態は特に限定されないが、多孔質の炭素材料に触媒金属を担持させたものを用いることができる。カソード触媒層の多孔質の炭素材料としては、例えば、多孔性カーボン、多孔性金属及び多孔性金属酸化物のいずれかを主成分として含有する電子伝導性材料を挙げることができる。多孔性カーボンとしては、例えば、ケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、ファーネスブラック、バルカン(登録商標)などのカーボンブラックが挙げられる。多孔性金属としては、例えばPt黒、Pd黒、フラクタル状に析出させたPt金属などが挙げられる。多孔性金属酸化物としては、例えば、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wの酸化物が挙げられる。また、触媒担体には、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wなどの金属の窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、部分酸化した炭窒化物といった、多孔性の金属化合物も用いることができる。カソード触媒層の触媒金属としては、Co、Ni、Fe、Cu、Ag、Ru、Pd、Ir、Pt、Au及びRhからなる群から選択される少なくとも一種の触媒金属が挙げられる。多孔質の炭素材料に対する触媒金属の担持量は、基質である含窒素複素芳香族化合物をどの程度効率良く水素化するか、及び、コストの観点などから適宜設計することができるが、例えば、10~50質量%程度担持させてもよい。 The cathode 14a is embedded approximately in the center of a thin plate-shaped gasket 14b. The cathode 14a has a base material and a cathode catalyst layer provided on the surface of the base material. As the base material, a porous nickel material, a porous titanium material, a carbon woven cloth (carbon cloth), a carbon nonwoven cloth, carbon paper, etc. can be used. Carbon cloth is a bundle of several hundred thin carbon fibers with a diameter of several μm, and this bundle is made into a woven fabric. Carbon paper is made by using carbon raw material fibers as a thin film precursor using a paper manufacturing method, and then sintering this. Although the base material of the cathode 14a may have a water-repellent surface, it is more preferable to use a material whose surface is not water-repellent. The form of the cathode catalyst layer is not particularly limited, but a porous carbon material supporting a catalyst metal can be used. Examples of the porous carbon material of the cathode catalyst layer include an electron conductive material containing any one of porous carbon, porous metal, and porous metal oxide as a main component. Examples of porous carbon include carbon blacks such as Ketjenblack (registered trademark), acetylene black, furnace black, and Vulcan (registered trademark). Examples of the porous metal include Pt black, Pd black, and fractal-precipitated Pt metal. Examples of porous metal oxides include oxides of Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. In addition, the catalyst carrier may contain porous metal compounds such as nitrides, carbides, oxynitrides, carbonitrides, and partially oxidized carbonitrides of metals such as Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. can also be used. Examples of the catalytic metal of the cathode catalyst layer include at least one catalytic metal selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Cu, Ag, Ru, Pd, Ir, Pt, Au, and Rh. The amount of catalyst metal supported on the porous carbon material can be appropriately designed from the viewpoint of how efficiently the nitrogen-containing heteroaromatic compound as a substrate is hydrogenated and from the viewpoint of cost. It may be supported in an amount of about 50% by mass.
 カソード14aの作製方法は特に限定されない。例えば、まず、触媒金属が担持した多孔質の炭素材料を、水やアルコール等の溶媒及びアイオノマーを分散させて作製した溶液に混合して触媒スラリーを得る。当該アイオノマーは、触媒金属を担持した状態の触媒担体を被覆する。これにより、カソード14aのイオン伝導性を向上させることができる。アニオン伝導性のアイオノマーとしては、例えば強塩基性基(第4級アンモニウム基、イミダゾリウム基など)を有するポリマー等を挙げることができる。 The method for producing the cathode 14a is not particularly limited. For example, first, a porous carbon material carrying a catalyst metal is mixed with a solution prepared by dispersing a solvent such as water or alcohol and an ionomer to obtain a catalyst slurry. The ionomer coats the catalyst carrier supporting the catalyst metal. Thereby, the ion conductivity of the cathode 14a can be improved. Examples of anion-conductive ionomers include polymers having strong basic groups (such as quaternary ammonium groups and imidazolium groups).
 次に、カーボンペーパーなどの基材の表面に当該触媒スラリーを塗布して乾燥し、さらに当該触媒スラリーを塗布して乾燥を繰り返すことで、基材の表面にカソード触媒層を形成する。このようにしてカソード14aを作製することができる。 Next, the catalyst slurry is applied to the surface of a base material such as carbon paper and dried, and the catalyst slurry is further applied and dried repeatedly to form a cathode catalyst layer on the surface of the base material. In this way, the cathode 14a can be manufactured.
 ガスケット14bは後述の基質供給部11からカソード14aへ供給される基質を含む溶液が外に漏れ出ないようにするために設けられている。ガスケット14bはカソード14a及び基質と反応しない材質のものであれば特に限定されず、例えばテフロン(登録商標)、及び、バイトン(登録商標)などのフッ素系エラストマー製のものを用いることができる。 The gasket 14b is provided to prevent a solution containing a substrate supplied from the substrate supply section 11 to the cathode 14a, which will be described later, from leaking outside. The gasket 14b is not particularly limited as long as it is made of a material that does not react with the cathode 14a and the substrate. For example, a material made of Teflon (registered trademark) or a fluorine-based elastomer such as Viton (registered trademark) can be used.
 アノード17aは、薄板状に形成されたガスケット17bの略中央に埋め込まれている。アノード17aの形態は特に限定されないが、金属基材の表面に金属酸化物が付着したものを用いることができる。金属基材は例えばメッシュ状の基材、金属繊維、金属多孔体の焼結体、発泡成型体、または、エキスパンドメタルであってもよく、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Ta、Wなどの耐食性に優れる金属製のものを用いることができる。アノード17aの金属酸化物としては、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタルからなる群から選択される少なくとも一種の触媒が挙げられる。 The anode 17a is embedded approximately in the center of a thin plate-shaped gasket 17b. Although the form of the anode 17a is not particularly limited, a metal base material with a metal oxide attached to the surface can be used. The metal base material may be, for example, a mesh base material, a metal fiber, a sintered body of a porous metal body, a foam molded body, or an expanded metal, and may include Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Metals having excellent corrosion resistance such as Zn, Nb, Mo, Ta, and W can be used. Examples of the metal oxide of the anode 17a include at least one catalyst selected from the group consisting of iridium oxide, ruthenium oxide, and tantalum oxide.
 ガスケット17bは後述の電解液供給部21からアノード17aへ供給される水または水溶液が外に漏れ出ないようにするために設けられている。ガスケット17bはアノード17aと反応しない材質のものであれば特に限定されず、例えばテフロン(登録商標)、及び、バイトン(登録商標)などのフッ素系エラストマーのものを用いることができる。 The gasket 17b is provided to prevent water or aqueous solution supplied to the anode 17a from an electrolyte supply section 21 (described later) from leaking outside. The gasket 17b is not particularly limited as long as it is made of a material that does not react with the anode 17a, and for example, Teflon (registered trademark) and fluorine-based elastomer such as Viton (registered trademark) can be used.
 セパレーター15、18はいずれも集電体を構成する。セパレーター15、18はいずれも、カーボン樹脂や、Cr-Ni-Fe系、Cr-Ni-Mo-Fe系、Cr-Mo-Nb-Ni系、Cr-Mo-Fe-W-Ni系あるいはTi系などの耐食性合金製のものを用いることができる。 Both separators 15 and 18 constitute a current collector. Both of the separators 15 and 18 are made of carbon resin, Cr-Ni-Fe system, Cr-Ni-Mo-Fe system, Cr-Mo-Nb-Ni system, Cr-Mo-Fe-W-Ni system, or Ti system. It is possible to use a material made of a corrosion-resistant alloy such as
 エンドプレート16、19はそれぞれ導電性を有する材料で構成する。エンドプレート16、19はそれぞれアニオン交換膜形電解ユニット12を保護する強度を有する部材であるのが好ましく、ステンレススチール、金メッキしたステンレススチール製のものを用いることができる。エンドプレート16は外部電源のマイナス端子に電気的に接続されており、エンドプレート19は外部電源のプラス端子に電気的に接続されている。 The end plates 16 and 19 are each made of a conductive material. It is preferable that the end plates 16 and 19 are members strong enough to protect the anion exchange membrane electrolysis unit 12, and may be made of stainless steel or gold-plated stainless steel. The end plate 16 is electrically connected to the negative terminal of an external power source, and the end plate 19 is electrically connected to the positive terminal of the external power source.
 基質供給部11は、基質である含窒素複素芳香族化合物を収容し、アニオン交換膜形電解ユニット12へ供給する。含窒素複素芳香族化合物は有機溶媒に溶解させた状態で基質供給部11に収容されていてもよく、含窒素複素芳香族化合物が常温で液体である場合は基質供給部11にそのまま収容されていてもよい。当該有機溶媒としては特に限定されないが、アニオン交換膜を侵さないものが好ましく、メチルターシャリーブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフランなどが挙げられる。含窒素複素芳香族化合物を有機溶媒に溶解させる場合、含窒素複素芳香族化合物の濃度は特に限定されないが、1~1000mMとすることができる。 The substrate supply unit 11 stores a nitrogen-containing heteroaromatic compound as a substrate and supplies it to the anion exchange membrane electrolysis unit 12. The nitrogen-containing heteroaromatic compound may be accommodated in the substrate supply section 11 in a state dissolved in an organic solvent, or if the nitrogen-containing heteroaromatic compound is liquid at room temperature, it may be accommodated in the substrate supply section 11 as it is. It's okay. The organic solvent is not particularly limited, but it is preferable to use one that does not attack the anion exchange membrane, such as methyl tert-butyl ether, diisopropyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and the like. When the nitrogen-containing heteroaromatic compound is dissolved in an organic solvent, the concentration of the nitrogen-containing heteroaromatic compound is not particularly limited, but can be 1 to 1000 mM.
 基質供給部11にはアニオン交換膜形電解ユニット12への含窒素複素芳香族化合物の供給経路となる配管22が接続されている。配管22は、エンドプレート16及びセパレーター15を貫通するように設けられており、配管22を通った含窒素複素芳香族化合物はカソード14aへ供給される。含窒素複素芳香族化合物の供給は公知のポンプなどにより行うことができる。 A pipe 22 is connected to the substrate supply section 11, which serves as a supply route for the nitrogen-containing heteroaromatic compound to the anion exchange membrane electrolysis unit 12. Piping 22 is provided to penetrate end plate 16 and separator 15, and the nitrogen-containing heteroaromatic compound that has passed through piping 22 is supplied to cathode 14a. The nitrogen-containing heteroaromatic compound can be supplied using a known pump or the like.
 一方、配管23はカソード14aからセパレーター15及びエンドプレート16を貫通するように設けられており、カソード14aで基質を電解水素化させて生成した環状アミンを含む溶液がアニオン交換膜形電解ユニット12から排出される。配管23は基質供給部11にも接続されて環状アミンを含む溶液を基質供給部11に戻すように構成されていてもよい。このような構成によれば、カソード14aで生成した環状アミンを含む溶液を基質供給部11とアニオン交換膜形電解ユニット12との間に循環させることができる。従って、カソード14aで生成した環状アミンを含む溶液に未反応の含窒素複素芳香族化合物が含まれていても、繰り返しカソード14aへ送り込むことができるため、効率良く完全に反応させて環状アミンにすることができる。 On the other hand, the piping 23 is provided so as to pass through the separator 15 and the end plate 16 from the cathode 14a, and a solution containing a cyclic amine produced by electrolytic hydrogenation of the substrate at the cathode 14a is passed from the anion exchange membrane electrolysis unit 12. be discharged. The piping 23 may also be connected to the substrate supply section 11 and configured to return the solution containing the cyclic amine to the substrate supply section 11. According to such a configuration, the solution containing the cyclic amine produced at the cathode 14a can be circulated between the substrate supply section 11 and the anion exchange membrane electrolysis unit 12. Therefore, even if the solution containing the cyclic amine generated at the cathode 14a contains an unreacted nitrogen-containing heteroaromatic compound, it can be repeatedly fed to the cathode 14a, so that it can be efficiently and completely reacted to form a cyclic amine. be able to.
 電解液供給部21は、水、好ましくは純水、または塩基性水溶液を収容し、アニオン交換膜形電解ユニット12へ供給する。当該塩基性水溶液としては、電解によって水酸化物イオンを供給するものであれば特に限定されず、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水溶液などが挙げられる。また、当該塩基性水溶液の濃度についても特に限定されないが、10~1000mMとすることができる。 The electrolytic solution supply section 21 stores water, preferably pure water, or a basic aqueous solution, and supplies it to the anion exchange membrane type electrolysis unit 12. The basic aqueous solution is not particularly limited as long as it supplies hydroxide ions by electrolysis, and examples thereof include a sodium hydroxide aqueous solution, a potassium hydroxide aqueous solution, an ammonia aqueous solution, and the like. Furthermore, the concentration of the basic aqueous solution is not particularly limited, but it can be 10 to 1000 mM.
 電解液供給部21にはアニオン交換膜形電解ユニット12への水または塩基性水溶液の供給経路となる配管25が接続されている。配管25は、エンドプレート19及びセパレーター18を貫通するように設けられており、配管25を通った水または塩基性水溶液はアノード17aへ供給される。水または塩基性水溶液の供給は公知のポンプなどにより行うことができる。 A pipe 25 is connected to the electrolyte supply section 21, which serves as a supply path for water or a basic aqueous solution to the anion exchange membrane electrolysis unit 12. Piping 25 is provided to penetrate end plate 19 and separator 18, and water or basic aqueous solution passing through piping 25 is supplied to anode 17a. Water or basic aqueous solution can be supplied using a known pump or the like.
 一方、配管24はアノード17aからセパレーター18及びエンドプレート19を貫通するように設けられており、アノード17aで生成した酸素の溶解液がアニオン交換膜形電解ユニット12から排出される。配管24は電解液供給部21にも接続されて酸素の溶解液を電解液供給部21に戻すように構成されていてもよい。このような構成によれば、反応系をコンパクトに設計することができる。 On the other hand, the pipe 24 is provided so as to pass through the separator 18 and the end plate 19 from the anode 17a, and the oxygen solution generated at the anode 17a is discharged from the anion exchange membrane electrolysis unit 12. The pipe 24 may also be connected to the electrolyte supply section 21 and configured to return the oxygen solution to the electrolyte supply section 21 . According to such a configuration, the reaction system can be designed compactly.
 <環状アミンの製造方法>
 次に、本発明の実施形態1に係る環状アミンの製造方法について説明する。まず、図1及び図2に示す構成の環状アミンの製造装置10を準備する。基質供給部11には基質である含窒素複素芳香族化合物を入れ、電解液供給部21には水または塩基性水溶液を入れておく。
<Method for producing cyclic amine>
Next, a method for producing a cyclic amine according to Embodiment 1 of the present invention will be described. First, a cyclic amine manufacturing apparatus 10 having the configuration shown in FIGS. 1 and 2 is prepared. A nitrogen-containing heteroaromatic compound as a substrate is placed in the substrate supply section 11, and water or a basic aqueous solution is placed in the electrolyte supply section 21.
 次に、基質供給部11から基質である含窒素複素芳香族化合物を常温常圧で配管22を通してアニオン交換膜形電解ユニット12のカソード14aへ供給する。一方、電解液供給部21からは、水または塩基性水溶液を常温常圧で配管25を通してアニオン交換膜形電解ユニット12のアノード17aへ供給する。アニオン交換膜形電解ユニット12はエンドプレート16、19にそれぞれ外部電源が電気的に接続されており、外部電源からの電流により、カソード14a及びアノード17aにおいて電気分解反応が起こる。 Next, a nitrogen-containing heteroaromatic compound as a substrate is supplied from the substrate supply section 11 to the cathode 14a of the anion exchange membrane electrolysis unit 12 through the pipe 22 at room temperature and pressure. On the other hand, from the electrolyte supply section 21, water or a basic aqueous solution is supplied to the anode 17a of the anion exchange membrane type electrolysis unit 12 through the pipe 25 at room temperature and pressure. In the anion exchange membrane type electrolysis unit 12, an external power source is electrically connected to the end plates 16 and 19, respectively, and an electrolysis reaction occurs at the cathode 14a and the anode 17a due to the current from the external power source.
 カソード14aの電気分解反応では、含窒素複素芳香族化合物の芳香環の不飽和結合の一部または全部が電解水素化されることで、環状アミンが生成される。当該電解水素化の水素源には水電解によってカソード14aの触媒金属上に生じる水素活性種が用いられる一方、アノード17aの電気分解反応では、電解液の水酸化物イオンから電子が放出され、酸素及び水が生成される。カソード14a及びアノード17aでの電気分解反応について、それぞれ式(1)及び(2)に示す。式(1)及び(2)において、nは自然数を示す。また、このときアニオン交換膜13は、カソード14a側からアノード17a側へ水酸化物イオンを通過させ、アノード17a側からカソード14a側へ水を通過させる。 In the electrolysis reaction of the cathode 14a, a cyclic amine is produced by electrolytically hydrogenating some or all of the unsaturated bonds of the aromatic ring of the nitrogen-containing heteroaromatic compound. Hydrogen active species generated on the catalytic metal of the cathode 14a by water electrolysis are used as the hydrogen source for the electrolytic hydrogenation, while in the electrolysis reaction of the anode 17a, electrons are released from hydroxide ions in the electrolytic solution, and oxygen and water are produced. The electrolysis reactions at the cathode 14a and anode 17a are shown in equations (1) and (2), respectively. In formulas (1) and (2), n represents a natural number. Further, at this time, the anion exchange membrane 13 allows hydroxide ions to pass from the cathode 14a side to the anode 17a side, and allows water to pass from the anode 17a side to the cathode 14a side.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
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 本発明の実施形態1に係る環状アミンの製造装置10によって含窒素複素芳香族化合物が電解水素化により環状アミンとなるが、含窒素複素芳香族化合物及び生成物である環状アミンの種類は特に限定されない。本発明の実施形態1に係る環状アミンの製造装置10によって製造される環状アミンとしては、5員環または6員環中に窒素原子を1個または複数個有し、脂肪族または部分的に不飽和結合を有する単環または多環式環状アミン化合物が挙げられる。また、当該含窒素複素芳香族化合物及び環状アミンの具体例を式(3)~(17)に示す。式(3)~(17)の左辺はいずれも当該含窒素複素芳香族化合物の例を示す((3)ピリジン類、(4)キノリン類、(5)イソキノリン類、(6)ピラジン類、(7)ピロール類、(8)インドール類、(9)イミダゾール類、(10)インドリジン類、(11)、2-メチルピリジン、(12)3-メチルピリジン、(13)4-メチルピリジン、(14)2-エチルピリジン、(15)2,6-ジメチルピリジン、(16)3-ピリジンカルボキサミド、(17)4-フェニルピリジン)。式(3)~(17)の右辺はいずれもその含窒素複素芳香族化合物の電解水素化によって得られる環状アミンの例を示す((3)ピペリジン類、(4)1,2,3,4-テトラヒドロキノリン類、(5)1,2,3,4-テトラヒドロイソキノリン類、(6)ピペラジン類、(7)ピロリジン類、(8)インドリン類、(9)イミダゾリジン類、(10)5,6,7,8-テトラヒドロインドリジン類、(11)2-メチルピペリジン、(12)3-メチルピペリジン、(13)4-メチルピペリジン、(14)2-エチルピペリジン、(15)2,6-ジメチルピペリジン、(16)3-ピペリジンカルボキサミド、(17)4-フェニルピペリジン)。 A nitrogen-containing heteroaromatic compound is converted into a cyclic amine by electrolytic hydrogenation using the cyclic amine production apparatus 10 according to Embodiment 1 of the present invention, but the types of the nitrogen-containing heteroaromatic compound and the cyclic amine that is the product are particularly limited. Not done. The cyclic amine produced by the cyclic amine production apparatus 10 according to Embodiment 1 of the present invention has one or more nitrogen atoms in a 5-membered ring or a 6-membered ring, and is aliphatic or partially unsaturated. Examples include monocyclic or polycyclic cyclic amine compounds having saturated bonds. Further, specific examples of the nitrogen-containing heteroaromatic compound and cyclic amine are shown in formulas (3) to (17). The left sides of formulas (3) to (17) all indicate examples of the nitrogen-containing heteroaromatic compounds ((3) pyridines, (4) quinolines, (5) isoquinolines, (6) pyrazines, ( 7) Pyrroles, (8) indoles, (9) imidazoles, (10) indolizines, (11), 2-methylpyridine, (12) 3-methylpyridine, (13) 4-methylpyridine, ( 14) 2-ethylpyridine, (15) 2,6-dimethylpyridine, (16) 3-pyridinecarboxamide, (17) 4-phenylpyridine). The right sides of formulas (3) to (17) all indicate examples of cyclic amines obtained by electrolytic hydrogenation of nitrogen-containing heteroaromatic compounds ((3) piperidines, (4) 1,2,3,4 -tetrahydroquinolines, (5) 1,2,3,4-tetrahydroisoquinolines, (6) piperazines, (7) pyrrolidines, (8) indolines, (9) imidazolidines, (10) 5, 6,7,8-tetrahydroindolizines, (11) 2-methylpiperidine, (12) 3-methylpiperidine, (13) 4-methylpiperidine, (14) 2-ethylpiperidine, (15) 2,6- dimethylpiperidine, (16) 3-piperidinecarboxamide, (17) 4-phenylpiperidine).
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
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 本発明の実施形態1に係る環状アミンの製造装置10によって製造される環状アミンは、含窒素複素芳香族化合物の芳香環の不飽和結合の一部または全部が電解水素化されて生成するものであれば上述の化合物以外にも挙げることができる。例えば、1,4-ジヒドロピリジン、アクリダン、5,6-ジヒドロフェナントリジン等の環状アミンも製造することができる。 The cyclic amine produced by the cyclic amine production apparatus 10 according to Embodiment 1 of the present invention is produced by electrolytically hydrogenating some or all of the unsaturated bonds of the aromatic ring of the nitrogen-containing heteroaromatic compound. If any, compounds other than those mentioned above can also be mentioned. For example, cyclic amines such as 1,4-dihydropyridine, acridan, 5,6-dihydrophenanthridine, etc. can also be produced.
 環状アミンの製造装置10のカソード14aで基質を電解水素化させて生成した環状アミンを含む溶液は、アニオン交換膜形電解ユニット12から配管23を通って排出される。一方、アノード17aで生じた酸素の溶解液は、アニオン交換膜形電解ユニット12から配管24を通って排出される。配管23が基質供給部11に接続されている場合は、カソード14aで生成した環状アミンを含む溶液が基質供給部11とアニオン交換膜形電解ユニット12との間で循環する。このように循環させることで、カソード14aで生成した環状アミンを含む溶液に未反応の含窒素複素芳香族化合物が含まれていても、繰り返しカソード14aへ送り込むことができるため、効率良く完全に反応させて環状アミンにすることができる。 A solution containing a cyclic amine produced by electrolytically hydrogenating a substrate at the cathode 14a of the cyclic amine production apparatus 10 is discharged from the anion exchange membrane electrolysis unit 12 through a pipe 23. On the other hand, the oxygen solution generated at the anode 17a is discharged from the anion exchange membrane electrolysis unit 12 through the pipe 24. When the piping 23 is connected to the substrate supply section 11 , a solution containing a cyclic amine produced at the cathode 14 a is circulated between the substrate supply section 11 and the anion exchange membrane electrolysis unit 12 . By circulating in this way, even if the solution containing the cyclic amine generated at the cathode 14a contains an unreacted nitrogen-containing heteroaromatic compound, it can be repeatedly fed to the cathode 14a, so that the reaction can be completed efficiently. can be converted into a cyclic amine.
・実施形態2
 <環状アミンの製造装置の構成>
 図3に、本発明の実施形態2に係る環状アミンの製造装置20の模式図を示す。環状アミンの製造装置20は、アニオン交換膜形電解ユニット12、基質及び電解液供給部26、及び、配管22、23、24を備える。環状アミンの製造装置20は、実施形態1に係る環状アミンの製造装置10と異なり、基質と電解液とを同時にカソード14aへ供給している。
・Embodiment 2
<Configuration of cyclic amine production equipment>
FIG. 3 shows a schematic diagram of a cyclic amine manufacturing apparatus 20 according to Embodiment 2 of the present invention. The cyclic amine manufacturing apparatus 20 includes an anion exchange membrane electrolysis unit 12, a substrate and electrolyte supply section 26, and piping 22, 23, and 24. The cyclic amine manufacturing apparatus 20 is different from the cyclic amine manufacturing apparatus 10 according to the first embodiment in that the substrate and the electrolyte are simultaneously supplied to the cathode 14a.
 本発明の実施形態2に係る環状アミンの製造装置20で用いるアニオン交換膜形電解ユニット12は、実施形態1で示した環状アミンの製造装置10のアニオン交換膜形電解ユニット12と同様の構成を有している。 The anion exchange membrane type electrolysis unit 12 used in the cyclic amine production apparatus 20 according to the second embodiment of the present invention has the same configuration as the anion exchange membrane type electrolysis unit 12 of the cyclic amine production apparatus 10 shown in the first embodiment. have.
 基質及び電解液供給部26は、基質である含窒素複素芳香族化合物を収容し、アニオン交換膜形電解ユニット12へ供給する。含窒素複素芳香族化合物は有機溶媒に溶解させた状態で基質及び電解液供給部26に収容されていてもよく、含窒素複素芳香族化合物が常温で液体である場合は基質及び電解液供給部26にそのまま収容されていてもよい。当該有機溶媒としては特に限定されないが、アニオン交換膜を侵さず、水と混和するものが好ましく、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフランなどが挙げられる。含窒素複素芳香族化合物を有機溶媒に溶解させる場合、含窒素複素芳香族化合物の濃度は特に限定されないが、1~1000mMとすることができる。 The substrate and electrolyte supply section 26 stores a nitrogen-containing heteroaromatic compound as a substrate and supplies it to the anion exchange membrane type electrolysis unit 12. The nitrogen-containing heteroaromatic compound may be stored in the substrate and electrolyte supply unit 26 in a state dissolved in an organic solvent, and if the nitrogen-containing heteroaromatic compound is liquid at room temperature, the substrate and electrolyte supply unit 26 may be accommodated as is. The organic solvent is not particularly limited, but it is preferably one that does not attack the anion exchange membrane and is miscible with water, such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and the like. When the nitrogen-containing heteroaromatic compound is dissolved in an organic solvent, the concentration of the nitrogen-containing heteroaromatic compound is not particularly limited, but can be 1 to 1000 mM.
 基質及び電解液供給部26にはアニオン交換膜形電解ユニット12への含窒素複素芳香族化合物及び電解液の供給経路となる配管22が接続されている。配管22は、エンドプレート16及びセパレーター15を貫通するように設けられており、配管22を通った含窒素複素芳香族化合物及び電解液はカソード14aへ供給される。含窒素複素芳香族化合物及び電解液の供給は公知のポンプなどにより行うことができる。 The substrate and electrolyte supply section 26 is connected to a pipe 22 that serves as a supply route for the nitrogen-containing heteroaromatic compound and electrolyte to the anion exchange membrane electrolysis unit 12. Piping 22 is provided to penetrate end plate 16 and separator 15, and the nitrogen-containing heteroaromatic compound and electrolyte that have passed through piping 22 are supplied to cathode 14a. The nitrogen-containing heteroaromatic compound and the electrolytic solution can be supplied using a known pump or the like.
 一方、配管23はカソード14aからセパレーター15及びエンドプレート16を貫通するように設けられており、カソード14aで基質を電解水素化させて生成した環状アミンを含む溶液がアニオン交換膜形電解ユニット12から排出される。配管23は基質及び電解液供給部26にも接続されて環状アミンを含む溶液を基質及び電解液供給部26に戻すように構成されていてもよい。このような構成によれば、カソード14aで生成した環状アミンを含む溶液を基質及び電解液供給部26とアニオン交換膜形電解ユニット12との間に循環させることができる。従って、カソード14aで生成した環状アミンを含む溶液に未反応の含窒素複素芳香族化合物が含まれていても、繰り返しカソード14aへ送り込むことができるため、効率良く完全に反応させて環状アミンにすることができる。 On the other hand, the piping 23 is provided so as to pass through the separator 15 and the end plate 16 from the cathode 14a, and a solution containing a cyclic amine produced by electrolytic hydrogenation of the substrate at the cathode 14a is passed from the anion exchange membrane electrolysis unit 12. be discharged. The piping 23 may also be connected to the substrate and electrolyte supply section 26 and configured to return the solution containing the cyclic amine to the substrate and electrolyte supply section 26 . According to such a configuration, the solution containing the cyclic amine produced at the cathode 14a can be circulated between the substrate and electrolyte supply section 26 and the anion exchange membrane type electrolysis unit 12. Therefore, even if the solution containing the cyclic amine generated at the cathode 14a contains an unreacted nitrogen-containing heteroaromatic compound, it can be repeatedly fed to the cathode 14a, so that it can be efficiently and completely reacted to form a cyclic amine. be able to.
 基質及び電解液供給部26は、上述の含窒素複素芳香族化合物の他に、さらに、水、好ましくは純水、または塩基性水溶液を収容し、アニオン交換膜形電解ユニット12へ供給する。当該塩基性水溶液としては、電解によって水酸化物イオンを供給するものであれば特に限定されず、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水溶液などが挙げられる。また、当該塩基性水溶液の濃度についても特に限定されないが、10~1000mMとすることができる。 In addition to the above-mentioned nitrogen-containing heteroaromatic compound, the substrate and electrolyte supply section 26 further contains water, preferably pure water, or a basic aqueous solution, and supplies it to the anion exchange membrane electrolysis unit 12. The basic aqueous solution is not particularly limited as long as it supplies hydroxide ions by electrolysis, and examples thereof include a sodium hydroxide aqueous solution, a potassium hydroxide aqueous solution, an ammonia aqueous solution, and the like. Furthermore, the concentration of the basic aqueous solution is not particularly limited, but it can be 10 to 1000 mM.
 環状アミンの製造装置20のアノード17a側には、アノード17aからセパレーター18及びエンドプレート19を貫通するように配管24が設けられており、アノード17aで生成した酸素がアニオン交換膜形電解ユニット12から排出される。 A pipe 24 is provided on the anode 17a side of the cyclic amine production apparatus 20 so as to pass through the separator 18 and the end plate 19 from the anode 17a, and oxygen generated at the anode 17a is transferred from the anion exchange membrane electrolysis unit 12. be discharged.
 <環状アミンの製造方法>
 次に、本発明の実施形態2に係る環状アミンの製造方法について説明する。まず、図2及び図3に示す構成の環状アミンの製造装置20を準備する。基質及び電解液供給部26には基質である含窒素複素芳香族化合物、及び、水または塩基性水溶液を入れておく。
<Method for producing cyclic amine>
Next, a method for producing a cyclic amine according to Embodiment 2 of the present invention will be described. First, a cyclic amine manufacturing apparatus 20 having the configuration shown in FIGS. 2 and 3 is prepared. The substrate and electrolyte supply section 26 contains a nitrogen-containing heteroaromatic compound as a substrate, and water or a basic aqueous solution.
 次に、基質及び電解液供給部26から基質である含窒素複素芳香族化合物、及び、水または塩基性水溶液を同時に常温常圧で配管22を通してアニオン交換膜形電解ユニット12のカソード14aへ供給する。アニオン交換膜形電解ユニット12はエンドプレート16、19にそれぞれ外部電源が電気的に接続されており、外部電源からの電流により、カソード14a及びアノード17aにおいて電気分解反応が起こる。 Next, the nitrogen-containing heteroaromatic compound as a substrate and water or a basic aqueous solution are simultaneously supplied from the substrate and electrolyte supply section 26 to the cathode 14a of the anion exchange membrane electrolysis unit 12 through the pipe 22 at room temperature and pressure. . In the anion exchange membrane type electrolysis unit 12, an external power source is electrically connected to the end plates 16 and 19, respectively, and an electrolysis reaction occurs at the cathode 14a and the anode 17a due to the current from the external power source.
 カソード14aの電気分解反応では、含窒素複素芳香族化合物の芳香環の不飽和結合の一部または全部が電解水素化されることで、環状アミンが生成される。当該電解水素化の水素源には水電解によってカソード14aの触媒金属上に生じる水素活性種が用いられる一方、アノード17aの電気分解反応では、電解液の水酸化物イオンから電子が放出され、酸素及び水が生成される。カソード14a及びアノード17aでの電気分解反応について、それぞれ式(1’)及び(2’)に示す。式(1’)及び(2’)において、nは自然数を示す。また、このときアニオン交換膜13は、カソード14a側からアノード17a側へ水酸化物イオンを通過させ、アノード17a側からカソード14a側へ水を通過させる。アノード17aでの電気分解反応で生じたHOは、水蒸気または水滴として配管24から排出される。 In the electrolysis reaction of the cathode 14a, a cyclic amine is produced by electrolytically hydrogenating some or all of the unsaturated bonds of the aromatic ring of the nitrogen-containing heteroaromatic compound. Hydrogen active species generated on the catalytic metal of the cathode 14a by water electrolysis are used as the hydrogen source for the electrolytic hydrogenation, while in the electrolysis reaction of the anode 17a, electrons are released from hydroxide ions in the electrolytic solution, and oxygen and water are produced. The electrolysis reactions at the cathode 14a and anode 17a are shown in formulas (1') and (2'), respectively. In formulas (1') and (2'), n represents a natural number. Further, at this time, the anion exchange membrane 13 allows hydroxide ions to pass from the cathode 14a side to the anode 17a side, and water to pass from the anode 17a side to the cathode 14a side. H 2 O generated by the electrolysis reaction at the anode 17a is discharged from the pipe 24 as water vapor or water droplets.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 本発明の実施形態2に係る環状アミンの製造装置20によって含窒素複素芳香族化合物が電解水素化により環状アミンとなるが、含窒素複素芳香族化合物及び生成物である環状アミンの種類は特に限定されず、実施形態1で示した環状アミンが挙げられる。 A nitrogen-containing heteroaromatic compound is converted into a cyclic amine by electrolytic hydrogenation using the cyclic amine production apparatus 20 according to Embodiment 2 of the present invention, but the types of the nitrogen-containing heteroaromatic compound and the cyclic amine that is the product are particularly limited. However, the cyclic amine shown in Embodiment 1 can be mentioned.
 環状アミンの製造装置20のカソード14aで基質を電解水素化させて生成した環状アミンを含む溶液は、アニオン交換膜形電解ユニット12から配管23を通って排出される。一方、アノード17aで生じた酸素は、アニオン交換膜形電解ユニット12から配管24を通って排出される。配管23が基質及び電解液供給部26に接続されている場合は、カソード14aで生成した環状アミンを含む溶液が基質及び電解液供給部26とアニオン交換膜形電解ユニット12との間で循環する。このように循環させることで、カソード14aで生成した環状アミンを含む溶液に未反応の含窒素複素芳香族化合物が含まれていても、繰り返しカソード14aへ送り込むことができるため、効率良く完全に反応させて環状アミンにすることができる。 A solution containing a cyclic amine produced by electrolytically hydrogenating a substrate at the cathode 14a of the cyclic amine production apparatus 20 is discharged from the anion exchange membrane electrolysis unit 12 through a pipe 23. On the other hand, oxygen generated at the anode 17a is discharged from the anion exchange membrane electrolysis unit 12 through the pipe 24. When the piping 23 is connected to the substrate and electrolyte supply section 26 , the solution containing the cyclic amine generated at the cathode 14 a is circulated between the substrate and electrolyte supply section 26 and the anion exchange membrane electrolysis unit 12 . . By circulating in this way, even if the solution containing the cyclic amine generated at the cathode 14a contains an unreacted nitrogen-containing heteroaromatic compound, it can be repeatedly fed to the cathode 14a, so that the reaction is completed efficiently. can be converted into a cyclic amine.
 本発明の実施形態2に係る環状アミンの製造装置20は、基質及び電解液の供給部を「基質及び電解液供給部26」として1つにまとめているため、実施形態1に係る環状アミンの製造装置10に対して、製造装置をコンパクトに構成することができ、また、製造プロセスが簡素化する。さらに、カソード触媒層として高価な貴金属(Pt、Pd、Rh)はもちろんのこと、Co、Ni、Feなどの比較的安価な金属を用いても、環状アミンを低電気量で且つ良好な収率で得ることができる。また、安価な金属であるCoを用いて、常温常圧でピリジン類の水素化ができる前例は非電解系含め報告例が全く無く、本発明の実施形態2に係る環状アミンの製造装置20はこの点でも非常に優れた反応系を提供している。 Since the cyclic amine manufacturing apparatus 20 according to the second embodiment of the present invention has the substrate and electrolyte supply parts integrated into one as the "substrate and electrolyte supply part 26", the cyclic amine production apparatus 20 according to the first embodiment The manufacturing apparatus can be configured more compactly than the manufacturing apparatus 10, and the manufacturing process is simplified. Furthermore, even when using not only expensive noble metals (Pt, Pd, Rh) but also relatively inexpensive metals such as Co, Ni, and Fe as the cathode catalyst layer, cyclic amines can be produced with low electricity consumption and good yield. You can get it at In addition, there are no reports on the hydrogenation of pyridines at room temperature and pressure using Co, which is an inexpensive metal, including non-electrolytic systems. In this respect as well, it provides an extremely excellent reaction system.
 <環状アミンの製造装置及び環状アミンの製造方法の効果>
 従来、ピペリジンなどの環状アミンの製造には、高温や高圧などのエネルギー多消費な含窒素複素芳香族化合物の化学的水素化プロセスが用いられてきた。また、水素化に際しては、水素ガスが原料に用いられてきた。これに対し、本発明の実施形態1、2に係る環状アミンの製造装置10、20及び環状アミンの製造方法では、環状アミンの製造を常温・常圧下において含窒素複素芳香族化合物の電気化学的水素化により達成している。また、本発明の実施形態1、2に係る環状アミンの製造装置10、20及び環状アミンの製造方法では、水素化の水素源には水電解によって触媒金属上に生じる水素活性種が用いられることから、水素ガスの使用が不要である。
<Effects of the cyclic amine production apparatus and cyclic amine production method>
Conventionally, the production of cyclic amines such as piperidine has used an energy-intensive chemical hydrogenation process of nitrogen-containing heteroaromatic compounds, such as at high temperatures and pressures. Furthermore, hydrogen gas has been used as a raw material for hydrogenation. On the other hand, in the cyclic amine manufacturing apparatuses 10 and 20 and the cyclic amine manufacturing method according to Embodiments 1 and 2 of the present invention, the cyclic amine is manufactured by electrochemically using a nitrogen-containing heteroaromatic compound at room temperature and under normal pressure. This is achieved through hydrogenation. Further, in the cyclic amine manufacturing apparatuses 10 and 20 and the cyclic amine manufacturing method according to Embodiments 1 and 2 of the present invention, the hydrogen active species generated on the catalyst metal by water electrolysis is used as the hydrogen source for hydrogenation. Therefore, the use of hydrogen gas is unnecessary.
 また、環状アミンの製造装置10、20に、アニオン交換膜形電解ユニット12を用いることで所望の電解水素化が円滑に進行する。なお、同じ固体高分子形電解ユニットとして汎用的なプロトン交換膜形電解ユニットを用いた場合は、基質と生成物がともに塩基性物質であるため、プロトン交換膜内で中和塩を形成してしまい反応が進行しない。 Further, by using the anion exchange membrane type electrolysis unit 12 in the cyclic amine production apparatuses 10 and 20, the desired electrolytic hydrogenation proceeds smoothly. Note that when a general-purpose proton exchange membrane electrolysis unit is used as the same solid polymer electrolysis unit, since both the substrate and the product are basic substances, neutralized salts are formed within the proton exchange membrane. The reaction does not proceed.
 カーボンニュートラルの実現のために多くの化学品及び医薬品製造業者が有機反応の「電化」を押し進める中、環状アミンの電解合成は未踏技術であり、本発明が初めてその技術開発に成功した。 While many chemical and pharmaceutical manufacturers are pushing forward with the "electrification" of organic reactions in order to achieve carbon neutrality, the electrolytic synthesis of cyclic amines is an unexplored technology, and the present invention is the first to successfully develop this technology.
 以下に本発明を実施例でさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail with reference to Examples below, but the present invention is not limited thereto.
 <実施例1>
 1.アニオン交換膜形電解ユニットの作製
 図2に記載した構成のアニオン交換膜形電解ユニットを以下のようにして作製した。実施例1では、カソードについて、ケッチェンブラック(KB、登録商標)に担持されたRh(Rh/KB)をカソード触媒層として用いた。
 まず、スラリー(スラリー濃度7質量%)を以下のようにして作製した。すなわち、触媒担体としての多孔性カーボンに触媒金属としてのロジウムを担持させた、Rh/KB(田中貴金属工業株式会社製、Rh担持量:28.9質量%)を量り取った。続いて純水、アニオンアイオノマー溶液(AS-4、株式会社トクヤマ製、2~10質量%の1-プロパノール溶液)と、1-プロパノールとを、Rh/KBとともに80mLテフロン(登録商標)製容器に加えて分散液を調製した。アニオンアイオノマーの添加量は、アニオンアイオノマー溶液を5質量%と仮定して、炭素担持金属触媒の担体であるカーボンの重量比(Ionomer/Carbon)が0.8となるように設定した。また、純水と1-プロパノールとは、得られるスラリーに含まれる溶媒の重量比が純水:1-プロパノール=1:99になるように設定した。
 テフロン(登録商標)容器に2.5mm径のジルコニアボールを10個投入し、ポットミルを用いて200rpmで20分間混合して触媒スラリーを得た。スラリーを1cm×4cmのカーボンペーパー(SGL35BC、SGL Carbon社製)に塗布し、40℃のオーブンで10分程度乾燥し、溶媒を揮発させた。乾燥後、カーボンペーパーの重量を測定し、必要に応じてさらにスラリーを塗布した。この工程を繰り返し、金属の担持量が0.5mg/cm2になるようカソードを作製した。作製したカソード、及び、アノードとしてニッケルフォームを用い、それぞれでアニオン交換膜を挟持して膜・電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を作製した。
 最後にカソード側及びアノード側の各ステンレススチール製エンドプレート、カソード側のカーボンセパレーター、アノード側のチタンセパレーター、カソード側及びアノード側の各テフロン(登録商標)製ガスケット、及び、上述のMEAを図2のように組み、ボルトで締め付けることでアニオン交換膜形電解ユニットを作製した。締め付け操作はトルクレンチを使用し、3.0Nmの力で8箇所を均等に締め付けた。
 各部材の大きさ(縦×横×厚み)を以下に示す。
 ・各エンドプレート:10.5cm×12.5cm×1.2cm
 ・各セパレーター:6.5cm×8.5cm×1.3cm
 ・各ガスケット:6.5cm×8.5cm×0.16cm
 ・カソード:1.0cm×4.0cm×240μm
 ・アノード:1.0cm×4.0cm×120μm
 ・アニオン交換膜:2cm×15cm×28μm
<Example 1>
1. Preparation of anion exchange membrane electrolysis unit An anion exchange membrane electrolysis unit having the configuration shown in FIG. 2 was prepared as follows. In Example 1, for the cathode, Rh supported on Ketjen Black (KB, registered trademark) (Rh/KB) was used as the cathode catalyst layer.
First, a slurry (slurry concentration: 7% by mass) was prepared as follows. That is, Rh/KB (manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., Rh supported amount: 28.9% by mass), in which rhodium as a catalyst metal was supported on porous carbon as a catalyst carrier, was weighed. Next, pure water, an anion ionomer solution (AS-4, manufactured by Tokuyama Co., Ltd., 2 to 10% by mass 1-propanol solution), and 1-propanol were added to an 80 mL Teflon (registered trademark) container along with Rh/KB. In addition, a dispersion liquid was prepared. The amount of the anion ionomer added was set so that the weight ratio (Ionomer/Carbon) of carbon, which is a support for the carbon-supported metal catalyst, was 0.8, assuming that the anion ionomer solution was 5% by mass. Further, pure water and 1-propanol were set so that the weight ratio of the solvent contained in the obtained slurry was pure water:1-propanol=1:99.
Ten zirconia balls with a diameter of 2.5 mm were placed in a Teflon (registered trademark) container, and mixed using a pot mill at 200 rpm for 20 minutes to obtain a catalyst slurry. The slurry was applied to a 1 cm x 4 cm carbon paper (SGL35BC, manufactured by SGL Carbon) and dried in an oven at 40° C. for about 10 minutes to evaporate the solvent. After drying, the weight of the carbon paper was measured, and further slurry was applied as needed. This process was repeated to produce a cathode so that the amount of metal supported was 0.5 mg/cm 2 . A membrane electrode assembly (MEA) was prepared by using nickel foam as the prepared cathode and anode, and sandwiching an anion exchange membrane therebetween.
Finally, the stainless steel end plates on the cathode and anode sides, the carbon separator on the cathode side, the titanium separator on the anode side, the Teflon (registered trademark) gaskets on the cathode and anode sides, and the above-mentioned MEA are shown in Figure 2. An anion exchange membrane type electrolysis unit was created by assembling as shown and tightening with bolts. A torque wrench was used for the tightening operation, and eight locations were equally tightened with a force of 3.0 Nm.
The size (length x width x thickness) of each member is shown below.
・Each end plate: 10.5cm x 12.5cm x 1.2cm
・Each separator: 6.5cm x 8.5cm x 1.3cm
・Each gasket: 6.5cm x 8.5cm x 0.16cm
・Cathode: 1.0cm x 4.0cm x 240μm
・Anode: 1.0cm x 4.0cm x 120μm
・Anion exchange membrane: 2cm x 15cm x 28μm
 2.電気分解
 上述のようにして作製したアニオン交換膜形電解ユニットを用いて、図1に記載した構成の環状アミンの製造装置を以下のようにして作製し、電気分解を実施した。
 すなわち、アノード側の電解液供給部には10mMの水酸化カリウム水溶液を入れ、流量2.0mL/分でマイクロセラムポンプ(山善株式会社製)またはスムーズフローポンプ(株式会社タクミナ製)を用いてアノードへ供給した。また、当該溶液はアノードと電解液供給部との間を循環させた。
 一方、カソード側の基質供給部にはメチルターシャリーブチルエーテルに溶かした50mMのピリジン(3mL)の溶液を流速2.0mL/分でマイクロセラムポンプまたはスムーズフローポンプを用いてカソードへ供給した。また、当該溶液は、カソードと基質供給部との間を循環させた。
 この状態で、50mA/cm2(電極の幾何面積が4cm2であるため、本実験では200mAを通電)で30F/molまで電解を行った(1F/mol通電は約1分、30F/molの通電は約36分)。
 当該電気分解におけるカソード側及びアノード側の電解液はいずれも常温であり、また、常圧下で当該電気分解を実施した。
 反応後の電解液を、ガスクロマトグラフィー(絶対検量線法)により分析することで、目的物である環状アミン(ピペリジン)の収率を算出した。
2. Electrolysis Using the anion exchange membrane type electrolysis unit produced as described above, a cyclic amine production apparatus having the configuration shown in FIG. 1 was produced as follows, and electrolysis was performed.
That is, 10mM potassium hydroxide aqueous solution is put into the electrolyte supply section on the anode side, and the anode is pumped using a Microceram pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) or a Smoothflow pump (manufactured by Takumina Co., Ltd.) at a flow rate of 2.0mL/min. supplied to. Further, the solution was circulated between the anode and the electrolyte supply section.
On the other hand, a solution of 50 mM pyridine (3 mL) dissolved in methyl tertiary butyl ether was supplied to the cathode substrate supply section on the cathode side at a flow rate of 2.0 mL/min using a microceram pump or a smooth flow pump. Further, the solution was circulated between the cathode and the substrate supply section.
In this state, electrolysis was performed at 50 mA/cm 2 (200 mA was applied in this experiment because the geometric area of the electrode was 4 cm 2 ) up to 30 F/mol (1 F/mol current was applied for about 1 minute, and 30 F/mol current was applied for about 1 minute). (Electrification takes approximately 36 minutes).
The electrolytes on the cathode side and the anode side in the electrolysis were both at room temperature, and the electrolysis was performed under normal pressure.
The yield of the target cyclic amine (piperidine) was calculated by analyzing the electrolyte solution after the reaction by gas chromatography (absolute calibration curve method).
 <実施例2>
 カソード触媒層において、触媒金属としてRhではなくRuを用い、KBのRu担持量を27.0質量%とした以外は実施例1と同様にアニオン交換膜形電解ユニットを作製し、電気分解を行い、目的物である環状アミン(ピペリジン)の収率を算出した。
<Example 2>
An anion exchange membrane electrolytic unit was prepared in the same manner as in Example 1, except that Ru was used instead of Rh as the catalyst metal in the cathode catalyst layer, and the amount of Ru supported on KB was 27.0% by mass, and electrolysis was carried out. , the yield of the target cyclic amine (piperidine) was calculated.
 <実施例3>
 カソード触媒層において、触媒金属としてRhではなくPdを用い、KBのPd担持量を29.3質量%とした以外は実施例1と同様にアニオン交換膜形電解ユニットを作製し、電気分解を行い、目的物である環状アミン(ピペリジン)の収率を算出した。
<Example 3>
An anion exchange membrane type electrolysis unit was prepared in the same manner as in Example 1, except that Pd was used instead of Rh as the catalyst metal in the cathode catalyst layer, and the amount of Pd supported in KB was 29.3% by mass, and electrolysis was carried out. , the yield of the target cyclic amine (piperidine) was calculated.
 <実施例4>
 カソード触媒層において、触媒金属としてRhではなくPtを用い、KBのPt担持量を46.4質量%とした以外は実施例1と同様にアニオン交換膜形電解ユニットを作製し、電気分解を行い、目的物である環状アミン(ピぺリジン)の収率を算出した。
<Example 4>
An anion exchange membrane type electrolysis unit was prepared in the same manner as in Example 1, except that Pt was used instead of Rh as the catalyst metal in the cathode catalyst layer, and the amount of Pt supported in KB was 46.4% by mass, and electrolysis was carried out. , the yield of the target cyclic amine (piperidine) was calculated.
 <実施例5>
 カソード触媒層において、触媒金属としてRhではなくCoを用い、KBのPt担持量を20.3質量%とした以外は実施例1と同様にアニオン交換膜形電解ユニットを作製し、電気分解を行い、目的物である環状アミンの収率を算出した。
 実施例1~5で得られた環状アミン(ピペリジン)の収率を表1に示す。
<Example 5>
An anion exchange membrane type electrolysis unit was prepared in the same manner as in Example 1, except that Co was used instead of Rh as the catalyst metal in the cathode catalyst layer, and the amount of Pt supported in KB was 20.3% by mass, and electrolysis was carried out. , the yield of the target cyclic amine was calculated.
Table 1 shows the yields of the cyclic amines (piperidines) obtained in Examples 1 to 5.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005

 <実施例6>
 アノードとしてニッケルフォームの代わりにDSE(登録商標)酸素発生用電極(デノラ・ペルメレック株式会社製)を用いた以外は実施例1と同様にアニオン交換膜形電解ユニットを作製し、電気分解を行い、目的物である環状アミンの収率を算出した。続いて、カソード側の基質供給部に、再度メチルターシャリーブチルエーテルに溶かした50mMのピリジン(3mL)の溶液を流速2.0mL/分でマイクロセラムポンプ(山善株式会社製)またはスムーズフローポンプ(株式会社タクミナ製)を用いてカソードへ供給し、同様にして電気分解を行った。当該電気分解を合計で6回繰り返し、それぞれ目的物である環状アミンの収率を算出した。
 実施例6で得られた環状アミン(ピペリジン)の収率を表2に示す。表2によれば、アニオン交換膜形電解ユニットの繰り返し利用によっても、環状アミンの収率が低下しないことが分かった。
<Example 6>
An anion exchange membrane type electrolysis unit was prepared in the same manner as in Example 1, except that a DSE (registered trademark) oxygen generation electrode (manufactured by De Nora Permelec Co., Ltd.) was used as an anode instead of nickel foam, and electrolysis was performed. The yield of the target cyclic amine was calculated. Next, a solution of 50 mM pyridine (3 mL) dissolved in methyl tert-butyl ether was added to the substrate supply section on the cathode side again at a flow rate of 2.0 mL/min using a Microceram pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) or a Smooth Flow pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.). (manufactured by Takumina Corporation) to the cathode, and electrolysis was performed in the same manner. The electrolysis was repeated six times in total, and the yield of the target cyclic amine was calculated for each time.
Table 2 shows the yield of the cyclic amine (piperidine) obtained in Example 6. According to Table 2, it was found that the yield of cyclic amine did not decrease even when the anion exchange membrane type electrolysis unit was used repeatedly.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006

 <実施例7>
 上述のようにして作製したアニオン交換膜形電解ユニットを用いて、図1に記載した構成の環状アミンの製造装置を以下のようにして作製し、電気分解を実施した。
 すなわち、アノード側の電解液供給部には10mMの水酸化カリウム水溶液を入れ、流量2.0mL/分でマイクロセラムポンプ(山善株式会社製)またはスムーズフローポンプ(株式会社タクミナ製)を用いてアノードへ供給した。また、当該溶液はアノードと電解液供給部との間を循環させた。
 一方、カソード側の基質供給部にはジイソプロピルエーテルに溶かした50mMのキノリン(3mL)の溶液を流速2.0mL/分でマイクロセラムポンプまたはスムーズフローポンプを用いてカソードへ供給した。また、当該溶液は、カソードと基質供給部との間を循環させた。
 この状態で、25mA/cm2(電極の幾何面積が4cm2であるため、本実験では100mAを通電)で12、16、20F/molまで電解を行った(1F/mol通電は約2分30秒、20F/molの通電は約50分)。
 当該電気分解におけるカソード側及びアノード側の電解液はいずれも常温であり、また、常圧下で当該電気分解を実施した。
 反応後の電解液を、ガスクロマトグラフィー(絶対検量線法)により分析することで、目的物である環状アミンの収率を算出した。
 実施例7で得られた環状アミン(1,2,3,4-テトラヒドロキノリン)の収率は91%であった。
<Example 7>
Using the anion exchange membrane type electrolysis unit produced as described above, a cyclic amine production apparatus having the configuration shown in FIG. 1 was produced as follows, and electrolysis was performed.
That is, 10mM potassium hydroxide aqueous solution is put into the electrolyte supply section on the anode side, and the anode is pumped using a Microceram pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) or a Smoothflow pump (manufactured by Takumina Co., Ltd.) at a flow rate of 2.0mL/min. supplied to. Further, the solution was circulated between the anode and the electrolyte supply section.
On the other hand, a solution of 50 mM quinoline (3 mL) dissolved in diisopropyl ether was supplied to the cathode substrate supply section on the cathode side at a flow rate of 2.0 mL/min using a microceram pump or a smooth flow pump. Further, the solution was circulated between the cathode and the substrate supply section.
In this state, electrolysis was performed at 25 mA/cm 2 (100 mA was applied in this experiment because the geometric area of the electrode was 4 cm 2 ) up to 12, 16, and 20 F/mol (1 F/mol current was applied for about 2 minutes and 30 minutes). 20F/mol for about 50 minutes).
The electrolytes on the cathode side and the anode side in the electrolysis were both at room temperature, and the electrolysis was performed under normal pressure.
The yield of the target cyclic amine was calculated by analyzing the electrolyte solution after the reaction by gas chromatography (absolute calibration curve method).
The yield of the cyclic amine (1,2,3,4-tetrahydroquinoline) obtained in Example 7 was 91%.
 <実施例8>
 1.アニオン交換膜形電解ユニットの作製
 カソード触媒層:Rh(Rh/KB)のRh担持量を0.5mg/cmとした以外は、実施例1と同様にしてアニオン交換膜形電解ユニットを作製した。
<Example 8>
1. Preparation of anion exchange membrane electrolysis unit An anion exchange membrane electrolysis unit was produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of Rh supported in the cathode catalyst layer: Rh (Rh/KB) was 0.5 mg/ cm2 . .
 2.電気分解
 上述のようにして作製したアニオン交換膜形電解ユニットを用いて、図3に記載した構成の環状アミンの製造装置を以下のようにして作製し、電気分解を実施した。また、基質として、下記式(3’)の左辺の基質であるピリジン、及び、上述の式(11)~(17)の左辺の基質((11)、2-メチルピリジン、(12)3-メチルピリジン、(13)4-メチルピリジン、(14)2-エチルピリジン、(15)2,6-ジメチルピリジン、(16)3-ピリジンカルボキサミド、(17)4-フェニルピリジン)を用いた。
2. Electrolysis Using the anion exchange membrane type electrolysis unit produced as described above, a cyclic amine production apparatus having the configuration shown in FIG. 3 was produced as follows, and electrolysis was performed. In addition, as substrates, pyridine, which is the substrate on the left side of the following formula (3'), and the substrates on the left side of the above formulas (11) to (17) ((11), 2-methylpyridine, (12) 3- Methylpyridine, (13) 4-methylpyridine, (14) 2-ethylpyridine, (15) 2,6-dimethylpyridine, (16) 3-pyridinecarboxamide, (17) 4-phenylpyridine) were used.
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
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 まず、カソード側の基質及び電解液供給部に、溶媒に溶かした100mMの基質(5mL)の溶液を入れ、流量2.0mL/分でマイクロセラムポンプ(山善株式会社製)またはスムーズフローポンプ(株式会社タクミナ製)を用いてカソードへ供給した。また、当該溶液は、カソードと基質及び電解液供給部との間を循環させた。当該溶媒は、上記式(3’)及び(11)~(16)の反応については、水を用い、上記式(17)の反応については、基質及び生成物の溶解性を向上させるため、水:テトラヒドロフラン=1:1(体積比)の混合溶媒を用いた。
 この状態で、50mA/cm2で所定の通電量まで電解を行った。通電時間及び通電量は表3に示す。
 当該電気分解における電解液について、常圧下で、室温(25℃)でそれぞれ試験を実施した。
 反応後の電解液を、ガスクロマトグラフィー(絶対検量線法)により分析することで、目的物である上記式(3’)の右辺の環状アミンであるピぺリジン、及び、(11)~(17)の右辺の環状アミン((11)2-メチルピペリジン、(12)3-メチルピペリジン、(13)4-メチルピペリジン、(14)2-エチルピペリジン、(15)2,6-ジメチルピペリジン、(16)3-ピペリジンカルボキサミド、(17)4-フェニルピペリジン)の収率を算出したところ、以下の表3に示す結果となった。
First, a solution of 100 mM substrate (5 mL) dissolved in a solvent was poured into the substrate and electrolyte supply section on the cathode side, and the flow rate was 2.0 mL/min using a Microceram pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) or a Smooth Flow pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.). (manufactured by Takumina Co., Ltd.) was used to supply the cathode. Further, the solution was circulated between the cathode and the substrate and electrolyte supply section. The solvent used is water for the reactions of the above formulas (3') and (11) to (16), and water is used for the reaction of the above formula (17) to improve the solubility of the substrate and product. :Tetrahydrofuran=1:1 (volume ratio) mixed solvent was used.
In this state, electrolysis was performed at 50 mA/cm 2 up to a predetermined amount of current. The energization time and amount of energization are shown in Table 3.
Tests were conducted on the electrolytic solution in the electrolysis under normal pressure and at room temperature (25° C.).
By analyzing the electrolyte solution after the reaction by gas chromatography (absolute calibration curve method), the target product, piperidine, which is a cyclic amine on the right side of the above formula (3'), and (11) to ( Cyclic amines on the right side of 17) ((11) 2-methylpiperidine, (12) 3-methylpiperidine, (13) 4-methylpiperidine, (14) 2-ethylpiperidine, (15) 2,6-dimethylpiperidine, The yields of (16) 3-piperidinecarboxamide and (17) 4-phenylpiperidine) were calculated, and the results were shown in Table 3 below.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 <実施例9>
 実施例8と同様の構成の図3に示す環状アミンの製造装置を用いて、以下のように電気分解を実施した。
 すなわち、カソード側の基質及び電解液供給部に、水:テトラヒドロフラン=1:1(体積比)の混合溶媒に溶かした100mMの基質(5mL)の溶液を入れ、流量2.0mL/分でマイクロセラムポンプ(山善株式会社製)またはスムーズフローポンプ(株式会社タクミナ製)を用いてカソードへ供給した。また、当該溶液は、カソードと基質及び電解液供給部との間を循環させた。
 当該基質としては、上記式(17)の左辺の基質である4-フェニルピリジンを用いた。
 この状態で、50mA/cm2で14.9F/molまで電解を行った。通電時間は1時間であった。
 当該電気分解における電解液について、常圧下で、室温(25℃)、40℃、50℃でそれぞれ試験を実施した。
 反応後の電解液を、ガスクロマトグラフィー(絶対検量線法)により分析することで、目的物である環状アミン(4-フェニルピペリジン)の収率を算出したところ、以下の表4に示す結果となった。
<Example 9>
Using the cyclic amine manufacturing apparatus shown in FIG. 3 having the same configuration as in Example 8, electrolysis was carried out as follows.
That is, a solution of 100 mM substrate (5 mL) dissolved in a mixed solvent of water:tetrahydrofuran = 1:1 (volume ratio) was placed in the substrate and electrolyte supply section on the cathode side, and Microceram was applied at a flow rate of 2.0 mL/min. It was supplied to the cathode using a pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) or a smooth flow pump (manufactured by Takumina Co., Ltd.). Further, the solution was circulated between the cathode and the substrate and electrolyte supply section.
As the substrate, 4-phenylpyridine, which is the substrate on the left side of the above formula (17), was used.
In this state, electrolysis was performed at 50 mA/cm 2 to 14.9 F/mol. The energization time was 1 hour.
Tests were conducted on the electrolytic solution in the electrolysis at room temperature (25°C), 40°C, and 50°C under normal pressure.
The yield of the target cyclic amine (4-phenylpiperidine) was calculated by analyzing the electrolyte solution after the reaction by gas chromatography (absolute calibration curve method), and the results are shown in Table 4 below. became.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
 表4に示す通り、基質に4-フェニルピリジンを用い、且つ、ケッチェンブラック(KB、登録商標)に担持されたRh(Rh/KB)をカソード触媒層として用いた場合、反応温度が上がると環状アミンの収率が良くなる傾向にあることが分かった。 As shown in Table 4, when 4-phenylpyridine is used as the substrate and Rh supported on Ketjen black (KB, registered trademark) (Rh/KB) is used as the cathode catalyst layer, as the reaction temperature increases, It was found that the yield of cyclic amines tends to be better.
 <実施例10>
 ケッチェンブラック(KB、登録商標)に担持されたCo(Co/KB、Co担持量:0.35mg/cm)をカソード触媒層として用いた以外は、実施例8と同様の構成の図3に示す環状アミンの製造装置を用いて、以下のように電気分解を実施した。
 すなわち、カソード側の基質及び電解液供給部に、水に溶かした100mMのピリジン(5mL)の溶液を入れ、流量2.0mL/分でマイクロセラムポンプ(山善株式会社製)またはスムーズフローポンプ(株式会社タクミナ製)を用いてカソードへ供給した。また、当該溶液は、カソードと基質及び電解液供給部との間を循環させた。
 この状態で、20mA/cm2で18F/molまで電解を行った。通電時間は3時間であった。
 当該電気分解における電解液について、常圧下で、室温(25℃)にて試験を実施した。
 反応後の電解液を、ガスクロマトグラフィー(絶対検量線法)により算出した目的物である環状アミン(ピペリジン)の収率は、90%であった。この収率は、図1に示す構成の環状アミンの製造装置を用い、且つ、カソード触媒層としてCo/KBを用いた実施例5の環状アミン(ピペリジン)の収率61%に対し、飛躍的に向上していることが分かる。
<Example 10>
FIG. 3 shows a structure similar to that of Example 8, except that Co supported on Ketjen black (KB, registered trademark) (Co/KB, Co supported amount: 0.35 mg/cm 2 ) was used as the cathode catalyst layer. Electrolysis was carried out as follows using the cyclic amine production apparatus shown in .
That is, a solution of 100 mM pyridine (5 mL) dissolved in water was placed in the substrate and electrolyte supply section on the cathode side, and a Microceram pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) or a Smooth Flow pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) was added at a flow rate of 2.0 mL/min. (manufactured by Takumina Co., Ltd.) was used to supply the cathode. Further, the solution was circulated between the cathode and the substrate and electrolyte supply section.
In this state, electrolysis was performed at 20 mA/cm 2 up to 18 F/mol. The current application time was 3 hours.
A test was conducted on the electrolytic solution in the electrolysis at room temperature (25° C.) under normal pressure.
The yield of the target cyclic amine (piperidine), which was calculated by gas chromatography (absolute calibration curve method) using the electrolyte solution after the reaction, was 90%. This yield is dramatically higher than the yield of cyclic amine (piperidine) of 61% in Example 5, which used the cyclic amine production apparatus configured as shown in Figure 1 and used Co/KB as the cathode catalyst layer. It can be seen that this has improved.
 <実施例11>
 ケッチェンブラック(KB、登録商標)に担持されたCo(Co/KB、Co担持量:0.5mg/cm)をカソード触媒層として用いた以外は、実施例8と同様の構成の図3に示す環状アミンの製造装置を用いて、以下のように電気分解を実施した。
 すなわち、カソード側の基質及び電解液供給部に、水に溶かした100mMのピリジン(5mL)の溶液を入れ、流量2.0mL/分でマイクロセラムポンプ(山善株式会社製)またはスムーズフローポンプ(株式会社タクミナ製)を用いてカソードへ供給した。また、当該溶液は、カソードと基質及び電解液供給部との間を循環させた。
 この状態で、25mA/cm2で6F/molまで電解を行った。通電時間は1時間であった。
 当該電気分解における電解液について、常圧下で、室温(25℃)、40℃、60℃でそれぞれ試験を実施した。
 反応後の電解液を、ガスクロマトグラフィー(絶対検量線法)により分析することで、目的物である環状アミン(ピペリジン)の収率を算出したところ、以下の表5に示す結果となった。
<Example 11>
FIG. 3 shows a structure similar to that of Example 8, except that Co supported on Ketjen black (KB, registered trademark) (Co/KB, Co supported amount: 0.5 mg/cm 2 ) was used as the cathode catalyst layer. Electrolysis was carried out as follows using the cyclic amine production apparatus shown in .
That is, a solution of 100 mM pyridine (5 mL) dissolved in water was put into the substrate and electrolyte supply section on the cathode side, and a Microceram pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) or a Smooth Flow pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) was added at a flow rate of 2.0 mL/min. (manufactured by Takumina Co., Ltd.) was used to supply the cathode. Further, the solution was circulated between the cathode and the substrate and electrolyte supply section.
In this state, electrolysis was performed at 25 mA/cm 2 up to 6 F/mol. The energization time was 1 hour.
Tests were conducted on the electrolytic solution in the electrolysis at room temperature (25°C), 40°C, and 60°C under normal pressure.
The yield of the target cyclic amine (piperidine) was calculated by analyzing the electrolyte solution after the reaction by gas chromatography (absolute calibration curve method), and the results were shown in Table 5 below.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
 表5に示す通り、基質にピリジンを用い、且つ、ケッチェンブラック(KB、登録商標)に担持されたCo(Co/KB)をカソード触媒層として用いた場合、反応温度が下がると環状アミンの収率が良くなる傾向にあることが分かった。 As shown in Table 5, when pyridine is used as the substrate and Co (Co/KB) supported on Ketjenblack (KB, registered trademark) is used as the cathode catalyst layer, when the reaction temperature decreases, the cyclic amine It was found that the yield tends to be better.
 <実施例12>
 カソード触媒層のCoの担持量以外は実施例11と同様の構成(カソード触媒層:Co/KB)の図3に示す環状アミンの製造装置を用いて、以下のように電気分解を実施した。
 すなわち、カソード側の基質及び電解液供給部に、水に溶かした100mMのピリジン(5mL)の溶液を入れ、流量2.0mL/分でマイクロセラムポンプ(山善株式会社製)またはスムーズフローポンプ(株式会社タクミナ製)を用いてカソードへ供給した。また、当該溶液は、カソードと基質及び電解液供給部との間を循環させた。カソード触媒層のCoの担持量は、0.2mg/cm、0.35mg/cm、0.5mg/cm、1mg/cmのものをそれぞれ準備した。
 この状態で、25mA/cm2で6F/molまで電解を行った。通電時間は1時間であった。
 当該電気分解における電解液について、常圧下で、室温(25℃)で試験を実施した。
 反応後の電解液を、ガスクロマトグラフィー(絶対検量線法)により分析することで、目的物である環状アミン(ピペリジン)の収率を算出したところ、以下の表6に示す結果となった。
<Example 12>
Electrolysis was carried out as follows using the cyclic amine manufacturing apparatus shown in FIG. 3, which had the same configuration as Example 11 (cathode catalyst layer: Co/KB) except for the amount of Co supported in the cathode catalyst layer.
That is, a solution of 100 mM pyridine (5 mL) dissolved in water was placed in the substrate and electrolyte supply section on the cathode side, and a Microceram pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) or a Smooth Flow pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) was added at a flow rate of 2.0 mL/min. (manufactured by Takumina Co., Ltd.) was used to supply the cathode. Further, the solution was circulated between the cathode and the substrate and electrolyte supply section. The amount of Co supported on the cathode catalyst layer was 0.2 mg/cm 2 , 0.35 mg/cm 2 , 0.5 mg/cm 2 , and 1 mg/cm 2 , respectively.
In this state, electrolysis was performed at 25 mA/cm 2 up to 6 F/mol. The energization time was 1 hour.
A test was conducted on the electrolytic solution in the electrolysis at room temperature (25° C.) under normal pressure.
The yield of the target cyclic amine (piperidine) was calculated by analyzing the electrolyte solution after the reaction by gas chromatography (absolute calibration curve method), and the results were shown in Table 6 below.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
 表6に示す通り、基質にピリジンを用い、且つ、ケッチェンブラック(KB、登録商標)に担持されたCo(Co/KB)をカソード触媒層として用いた場合、カソード触媒層のCoの担持量が0.35mg/cmであると環状アミンの収率が最も良くなることが分かった。 As shown in Table 6, when pyridine is used as the substrate and Co (Co/KB) supported on Ketjen Black (KB, registered trademark) is used as the cathode catalyst layer, the amount of Co supported in the cathode catalyst layer is It was found that the yield of cyclic amine was the best when the amount was 0.35 mg/cm 2 .
 <実施例13>
 カソードの基材以外は実施例11と同様の構成(カソード触媒層:Co/KB)の図3に示す環状アミンの製造装置を用いて、以下のように電気分解を実施した。
 すなわち、カソード側の基質及び電解液供給部に、水に溶かした100mMのピリジン(5mL)の溶液を入れ、流量2.0mL/分でマイクロセラムポンプ(山善株式会社製)またはスムーズフローポンプ(株式会社タクミナ製)を用いてカソードへ供給した。また、当該溶液は、カソードと基質及び電解液供給部との間を循環させた。
 この状態で、25mA/cm2で6F/molまで電解を行った。通電時間は1時間であった。
 当該電気分解における電解液について、常圧下で、室温(25℃)で試験を実施した。カソードの基材として、SGL Carbon社製ガス拡散層Sigracet(登録商標) GDL39BB(表面に撥水加工あり)を用いたものと、SGL Carbon社製ガス拡散層Sigracet GDL39AA(表面に撥水加工無し)を用いたものとを準備し、それぞれ当該試験を行った。
 反応後の電解液を、ガスクロマトグラフィー(絶対検量線法)により分析することで、目的物である環状アミン(ピペリジン)の収率を算出したところ、以下の表7に示す結果となった。
<Example 13>
Electrolysis was carried out as follows using the cyclic amine production apparatus shown in FIG. 3, which had the same configuration as Example 11 (cathode catalyst layer: Co/KB) except for the cathode base material.
That is, a solution of 100 mM pyridine (5 mL) dissolved in water was placed in the substrate and electrolyte supply section on the cathode side, and a Microceram pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) or a Smooth Flow pump (manufactured by Yamazen Co., Ltd.) was added at a flow rate of 2.0 mL/min. (manufactured by Takumina Co., Ltd.) was used to supply the cathode. Further, the solution was circulated between the cathode and the substrate and electrolyte supply section.
In this state, electrolysis was performed at 25 mA/cm 2 up to 6 F/mol. The energization time was 1 hour.
A test was conducted on the electrolytic solution in the electrolysis at room temperature (25° C.) under normal pressure. As the cathode base material, one uses a gas diffusion layer Sigracet (registered trademark) GDL39BB manufactured by SGL Carbon (with a water-repellent finish on the surface), and the other uses a gas diffusion layer Sigracet GDL39AA (without a water-repellent finish on the surface) manufactured by SGL Carbon. The test was conducted on each test.
The yield of the target cyclic amine (piperidine) was calculated by analyzing the electrolytic solution after the reaction by gas chromatography (absolute calibration curve method), and the results were shown in Table 7 below.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
 表7に示す通り、カソードの基材として、表面に撥水加工がなされていない方が、環状アミンの収率がより良好となったことが分かる。 As shown in Table 7, it can be seen that the yield of cyclic amine was better when the surface of the cathode base material was not water-repellent.
10、20 環状アミンの製造装置
11 基質供給部
12 アニオン交換膜形電解ユニット
13 アニオン交換膜
14a カソード
14b ガスケット
15、18 セパレーター
16、19 エンドプレート
17a アノード
17b ガスケット
21 電解液供給部
22、23、24、25 配管
26 基質及び電解液供給部
10, 20 Cyclic amine manufacturing apparatus 11 Substrate supply section 12 Anion exchange membrane type electrolysis unit 13 Anion exchange membrane 14a Cathode 14b Gasket 15, 18 Separator 16, 19 End plate 17a Anode 17b Gasket 21 Electrolyte supply section 22, 23, 24 , 25 Piping 26 Substrate and electrolyte supply section

Claims (6)

  1.  基質である含窒素複素芳香族化合物を供給する基質供給部と、
     前記基質供給部から供給された基質を電解水素化して環状アミンを製造するアニオン交換膜形電解ユニットと、
    を備えた、環状アミンの製造装置。
    a substrate supply unit that supplies a nitrogen-containing heteroaromatic compound as a substrate;
    an anion exchange membrane electrolysis unit that electrolytically hydrogenates the substrate supplied from the substrate supply unit to produce a cyclic amine;
    Cyclic amine production equipment equipped with
  2.  前記アニオン交換膜形電解ユニットは、カソード触媒層を含むカソードと、金属酸化物を含むアノードと、前記カソード及び前記アノードの間に設けられるアニオン交換膜と、を有し、前記基質供給部は、前記カソードに前記基質を供給する、請求項1に記載の環状アミンの製造装置。 The anion exchange membrane type electrolysis unit includes a cathode including a cathode catalyst layer, an anode including a metal oxide, and an anion exchange membrane provided between the cathode and the anode, and the substrate supply unit includes: The cyclic amine manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the substrate is supplied to the cathode.
  3.  前記カソード触媒層は、Co、Ni、Fe、Cu、Ag、Ru、Pd、Ir、Pt、Au及びRhからなる群から選択される少なくとも一種の触媒金属を含む、請求項2に記載の環状アミンの製造装置。 The cyclic amine according to claim 2, wherein the cathode catalyst layer contains at least one catalyst metal selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Cu, Ag, Ru, Pd, Ir, Pt, Au, and Rh. manufacturing equipment.
  4.  基質である含窒素複素芳香族化合物をアニオン交換膜形電解ユニットに供給し、前記アニオン交換膜形電解ユニットが、供給された前記基質を電解水素化して環状アミンを製造する、環状アミンの製造方法。 A method for producing a cyclic amine, wherein a nitrogen-containing heteroaromatic compound as a substrate is supplied to an anion exchange membrane electrolysis unit, and the anion exchange membrane electrolysis unit electrolytically hydrogenates the supplied substrate to produce a cyclic amine. .
  5.  前記アニオン交換膜形電解ユニットは、カソード触媒層を含むカソードと、金属酸化物を含むアノードと、前記カソード及び前記アノードの間に設けられるアニオン交換膜と、を有し、前記基質は前記カソードに供給される、請求項4に記載の環状アミンの製造方法。 The anion exchange membrane type electrolysis unit has a cathode including a cathode catalyst layer, an anode including a metal oxide, and an anion exchange membrane provided between the cathode and the anode, and the substrate is attached to the cathode. A method for producing a cyclic amine according to claim 4, wherein the cyclic amine is supplied.
  6.  前記カソード触媒層は、Co、Ni、Fe、Cu、Ag、Ru、Pd、Ir、Pt、Au及びRhからなる群から選択される少なくとも一種の触媒金属を含む、請求項5に記載の環状アミンの製造方法。 The cyclic amine according to claim 5, wherein the cathode catalyst layer contains at least one catalyst metal selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Cu, Ag, Ru, Pd, Ir, Pt, Au, and Rh. manufacturing method.
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