JP5198457B2 - ハロゲン化４−アミノピコリン酸の改善された電気化学的還元 - Google Patents

Description

本発明は、ハロゲン化４−アミノピコリン酸の選択的電気化学的還元のための改善された方法に関する。

米国特許第６，３５２，６３５Ｂ２号には、ある種の３，５−ジハロ−４−アミノピコリン酸誘導体の電気化学的還元による、ある種の除草性３−ハロ−４−アミノピコリン酸誘導体の調製が記載されている。この方法では、銀カソードは、２％の水酸化ナトリウム及び１％の塩化ナトリウムの存在下での陽極酸化によって活性化させるか、或いは、還元すべき出発物質と１から３重量％の過剰のＮａＯＨとの存在下で陽極酸化されるかのいずれかである。しかし不動態化のため、通常は、バッチを終了させるために電解質の存在下での陽極酸化によってカソードを再活性化する必要がある。不動態化に対してより抵抗性であるカソードの改善された活性化方法が望まれている。

米国特許第６，３５２，６３５Ｂ２号

還元すべき出発物質と、過剰のアルカリ金属水酸化物と、０．５から４重量％のアルカリ金属の塩化物、臭化物、又は硫酸塩との存在下でカソードを活性化することによって、反応速度が速くなり、電流効率が高くなり、バッチを終了するためにカソードを再活性化する必要はなくなることを発見した。特に、本発明は、式Ｉ

（式中、
ＸはＣｌ又はＢｒを表し、
ＹはＨ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、又はＣ_１−Ｃ_４アルキルを表し、但しＸがＣｌの場合、ＹはＢｒではなく、
Ｒは独立にＨ又はＣ_１−Ｃ_４アルキルを表す）
の４−アミノ−３−ハロピコリン酸の改善された調製方法であって、
式ＩＩ

（式中、
Ｘ、Ｙ、及びＲは前出の定義の通りであり、
両方のＸがＣｌ又はＢｒのいずれかである）
の４−アミノ−３，５−ジハロピコリン酸の溶液を介して、Ａｇ／ＡｇＣｌ（３．０Ｍ Ｃｌ⁻）参照電極に対して−０．４から−１．７ボルトのカソード電位で、アノードからカソードに直流又は交流の電流が流され、式ＩＩの４−アミノ−３，５−ジハロピコリン酸と、過剰のアルカリ金属水酸化物と、０．５から４重量％のアルカリ金属の塩化物、臭化物、又は硫酸塩との存在下でカソードが活性化されることを特徴とする方法に関する。

本発明は、４−アミノ−３，５−ジハロピコリン酸の５−ハロ置換基の選択的電気化学的還元のための改善された方法に関する。本発明において使用される場合、用語「ハロゲン」又は「ハロ」はＣｌ又はＢｒを意味する。アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及びセシウムを意味し、ナトリウム及びカリウムが好ましい。

４−アミノ−３，５−ジハロピコリン酸の還元に関与する反応は以下のように示すことができる：
Ａ）中和：

Ｂ）カソード反応：

Ｃ）アノード反応：
２（ＯＨ⁻）→１／２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
Ｄ）全体の反応：

カルボン酸は、反応混合物を酸性化することによって回収され、従来の技術によって生成物が回収される。

所望の電解還元は、当該分野において周知の技術によって行われる。一般に、出発４−アミノ−３，５−ジハロピコリン酸を溶媒中に溶解させて電解質を形成し、これを電解セルに加え、同時に、所望の程度の還元が得られるまで電解質に十分な電流が流される。

当業者が認識すべきことは、アリールブロマイドの還元電位は、類似のアリールクロライドの電位よりも０．５ボルト高い（負の程度が小さい）ことである。臭素は、常に最初に還元される。従って、ＸがＣｌである場合、ＹがＢｒであることはできない。

電解セルの設計は自由である。電気分解は、バッチ式、或いは連続又は半連続方法で行うことができる。セルは、電極を有する撹拌槽、又は任意の従来設計のフローセルであってよい。場合により、セルをアノード区画とカソード区画に分割するセパレーターの使用が望ましい場合がある。有用なセパレーター材料の例は、種々の陰イオン及び陽イオン交換膜、多孔質テフロン（登録商標）（Teflon）、石綿、並びにガラスである。カソードの電位が参照電極に対して制御される３電極の使用が好ましいが、電気分解は、その代わりに、２つの電極のアノード及びカソードのみを使用し、セル電流、セル電圧、又はその両方のいずれかを制御して行うこともできる。便宜上、電解質がカソード液及びアノード液の両方両方として機能する３電極無隔膜セルが好ましい。

アノードは任意の化学的に不活性な材料であってよく、例えば白金、黒鉛、炭素、金属酸化物、例えば銀上の酸化銀、又は合金、例えばハステロイ（Hastelloy）Ｃであってよく、黒鉛、炭素、及びハステロイＣが好ましい。カソードは主として銀で構成される。電極は、板、棒、ワイヤ、スクリーン、網、ウール、シート、又はプールの形態であってよく、拡張メッシュスクリーンが好ましい。アノード又はカソードは、別の材料に適用されたコーティングからなってもよく、その一例は、チタン上にコーティングされた貴金属酸化物、例えば酸化ルテニウムである。

最も好ましいカソードは、米国特許第４，２１７，１８５号及び第４，２４２，１８３号に記載されるようにして作製された活性化銀カソードである。このような活性化カソードは、伝導性基材上に銀微結晶の層を堆積して複合電極を形成することによって、又は銀電極自体の陽極酸化によって作製することができる。例えば、後述するように、活性化されていない銀電極を、苛性カソード水溶液中に浸漬又は沈め、陽極酸化することによって、電極表面の銀の一部を酸化銀に変換し、同時に表面を粗面化することができる。次に電極の極性を反転させると、酸化物は電気分解によって、電極表面に付着した微結晶銀粒子に変換される。この活性化手順は、電位を０ボルトの初期値から少なくとも＋０．３ボルト及び好ましくは＋０．７ボルトの最終値まで増加させることを含む。酸化析出物の還元には、カソードの負の極性が必要となる。カソード電位を、酸化ステップ中に達成された＋０．３から＋０．７ボルトの値から、−０．５ボルトまたはそれ以下の値まで段階的に減少させる。この方法では、銀をカソード液又は塩基水溶液に加える必要は全くない。

典型的には、カソードは、０．５から４重量％のアルカリ金属の塩化物、臭化物、又は硫酸塩、好ましくはＮａＣｌと、過剰のアルカリ金属水酸化物、好ましくは１．０から４．０重量％のＮａＯＨと、さらには還元すべき出発物質との存在下で活性化される。好都合には、出発物質は、反応供給材料中の濃度と同じ濃度、すなわち１から２０重量％、好ましくは８から１２重量％で存在する。この改善は、４−アミノ−３，６−ジクロロピリジン−２−カルボン酸（アミノピラリド）を４−アミノ−３，５，６−トリクロロピリジン−２−カルボン酸（ピクロラム）から生成する場合に特に好都合である。

水は電気分解に最も好ましい溶媒であるが、場合によっては有機溶媒を単独又は共溶媒としてのいずれかで使用することも可能である。溶媒又は共溶媒系は、出発物質及び電解質のすべて又は大部分を溶解するか、或いは少なくとも還元が適度な速度で進行するのに十分であるべきである。さらに、溶媒又は共溶媒系は、電気分解条件に対して不活性であるべきであり、すなわち、カソード又はカソード液材料の有害な変化又は反応が許容できない程度で起こることがない。水以外の好ましい溶媒／共溶媒は水と混和性であり、そのようなものとしては低分子量アルコール、エーテル、例えばテトラヒドロフラン、ジオキサン、及びポリグリコールエーテル、並びに低級アミド、例えばジメチルホルムアミド又はジメチルアセトアミドが挙げられる。

アルカリ金属水酸化物は、支持電解質として必要であり、ＮａＯＨ及びＫＯＨが最も好ましい支持電解質である。ＮａＣｌは好ましい塩であるが、使用可能な他の塩としてはアルカリ塩化物、臭化物、及び硫酸塩が挙げられる。

反応においては、出発物質を中和するために１当量の塩基が必要であり、電気分解中に消費されるヒドロキシルイオンを発生させるためにさらに１当量が必要となる。典型的には反応は、過剰の塩基、好ましくは１から４重量％過剰の塩基を反応で使用して行われる。

カソード液中又は供給材料中のハロゲン化４−アミノピコリン酸の濃度は１から２０重量％、好ましくは８から１２重量％とすることができる。より低い濃度では生産性が低下し、より高い濃度では通常、収率の低下、生成物純度の低下、及び電気効率の低下が起こる。

電気分解に好適な温度は一般に５から９０℃の範囲である。好ましい温度範囲は２０から６０℃である。３０から５０℃が最も好ましい。

当業者であれば理解しているであろうが、ハロゲンが選択的に還元される見かけのカソード電位は、種々の要因、例えば、個別の基材の構造、セルの構成、及び電極を分離する距離に依存する。一般に、標準Ａｇ／ＡｇＣｌ（３．０Ｍ Ｃｌ⁻）電極に対するカソード電位は、Ｂｒの場合は−０．４から−１．１ボルトの範囲内、Ｃｌの場合は−０．８から−１．７ボルトの範囲内となるべきである。Ｂｒの場合、カソード電位は好ましくは−０．６から−０．９ボルトである。Ｃｌの場合、カソード電位は好ましくは−１．０から−１．４ボルトである。アンペア／平方センチメートル（ａｍｐ／ｃｍ^２）の単位での電流密度は少なくとも０．００５ａｍｐ／ｃｍ^２、好ましくは０．０５ａｍｐ／ｃｍ^２またはそれ以上となるべきである。

分子酸素が発生することが好ましいが、多くの他のアノード反応を使用することもできる。例としては分子塩素又は臭素の発生、二酸化炭素が得られる犠牲化学種、例えばホルメート又はオキサレートの酸化、又は有用な副生成物を形成する有機基質の酸化が挙げられる。

現在好ましい操作方法では、ハロゲン化４−アミノピコリン酸を水性苛性ブライン中に溶解させて、塩基性水溶液（約１０重量％のハロゲン化４−アミノピコリン酸、約２．５重量％過剰のＮａＯＨ、及び約１重量％のＮａＣｌ）を形成し、これを、供給溶液の存在下＋０．７ボルトにおける陽極酸化によって活性化させた拡張銀メッシュカソードを有する無隔膜電気化学セルに連続的に再循環させる。反応混合物をアルカリ性に維持しながら、Ａｇ／ＡｇＣｌ（３．０Ｍ Ｃｌ⁻）参照電極に対して−０．６から−１．５ボルトのカソード電位における電気分解を、所望の程度の還元が起こるまで続ける。所望の生成物は従来技術によって回収される。例えば、酸は、酸性化によって反応混合物から沈殿させた後、濾過又は水非混和性有機溶媒を使用した抽出のいずれかを行うことができる。

以下の実施例は本発明の説明的なものである。

（実施例１）（比較例）４−アミノ−３，６−ジクロロピリジン−２−カルボン酸の調製（活性化中に出発物質及びＮａＯＨが存在するバッチセル）
４リットル（Ｌ）フラスコに２４００グラム（ｇ）の熱水、２５０ｇの５０重量％のＮａＯＨ、及び３５０ｇの未乾燥４−アミノ−３，５，６−トリクロロピリジン−２−カルボン酸（８０％）を加えた。この溶液を３０分（ｍｉｎ）撹拌し、１ミクロンのポリプロピレンフィルムで濾過し、５Ｌの供給材料循環槽に移した。この溶液の重量は３０００ｇであり９．３％の４−アミノ−３，５，６−トリクロロピリジン−２−カルボン酸及び２．０から２．５％の過剰のＮａＯＨを含有した。

この供給溶液を１８Ｌ／分の速度及び３５から３８℃の温度で直列の２つの無隔膜電気化学セルに循環させた。各セルはハステロイＣアノード（１７．５ｃｍ×５．６ｃｍ）及び拡張銀メッシュカソード（１７．５ｃｍ×５．６ｃｍ）を有した。２つのセルの一方のみを電気的に制御し監視した。＋０．７ボルト（Ｖ）における通常の陽極酸化の後、セルの極性を反転させ、電気分解を開始した。カソード作動電位は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（３．０Ｍ Ｃｌ⁻）参照電極に対して−１．１から−１．４Ｖに制御した。この参照電極は、物理的に銀カソードのすぐ後ろに配置し、塩橋水溶液で電気的に接続した。供給材料を再循環させながら、１６０ｇの５０重量％のＮａＯＨを６時間かけて再循環槽中にゆっくり圧送して、ＮａＯＨ濃度が１．５から３．０％過剰になるよう維持した。電流は０．５から７．０ａｍｐの範囲であった。

この電気分解において陽極酸化及び反転をそれぞれ８時間及び２４時間で繰り返した。３６時間後、２４９，０００クーロンを制御されたセルに通した後、電気分解を終了し、セル流出液を別の５Ｌフラスコに移し、濃ＨＣｌで中和した。中和した溶液の全重量は３２００ｇであった。約１０００グラムのこの溶液を７５０ｇの粗濃縮物まで減圧濃縮した。この濃縮物を撹拌しながら８５℃まで温め、３０分かけて濃ＨＣｌでｐＨを０．８から１．１に調整した。得られたスラリーを周囲温度まで冷却し濾過した。得られた濾過ケーキを４０ｇの水で３回洗浄し、オーブン中７０℃で１０時間乾燥させた。乾燥した生成物の重量は６２ｇであり、分析によると９５％が所望の生成物であった。乾燥生成物の高圧液体クロマトグラフィー分析により、約２％の出発物質が不純物として残留することが示された。

（実施例２）（比較例）４−アミノ−３，６−ジクロロピリジン−２−カルボン酸の調製（活性化中のみＮａＯＨ及びＮａＣｌが存在するバッチセル）
４リットル（Ｌ）フラスコに２４００グラム（ｇ）の熱水、２５０ｇの５０重量％のＮａＯＨ、及び３５０ｇの未乾燥４−アミノ−３，５，６−トリクロロピリジン−２−カルボン酸（８０％）を加えた。この溶液を３０分（ｍｉｎ）撹拌し、１ミクロンのポリプロピレンフィルムで濾過し、５Ｌの供給材料循環槽に移した。この溶液の重量は３０００ｇであり９．３％の４−アミノ−３，５，６−トリクロロピリジン−２−カルボン酸及び２．０から２．５％の過剰のＮａＯＨを含有した。

２％のＮａＯＨ−１％のＮａＣｌの３Ｌの溶液を循環槽に加え、１８Ｌ／分の速度及び３５から３８℃の温度で直列の２つの無隔膜電気化学セルに循環させた。各セルはハステロイＣアノード（１７．５ｃｍ×５．６ｃｍ）及び拡張銀メッシュカソード（１７．５ｃｍ×５．６ｃｍ）を有した。２つのセルの一方のみを電気的に制御し監視した。＋０．７ボルト（Ｖ）における通常の陽極酸化の後、セルの極性を−０．５Ｖに反転させた。電流を０．５ａｍｐ未満に安定させた後、このＮａＯＨ−ＮａＣｌ溶液を先に調製した出発物質溶液に交換し、これを１８Ｌ／分の速度及び３５から３８℃の温度で循環させた。銀カソード電位をＡｇ／ＡｇＣｌ（３．０Ｍ Ｃｌ⁻）参照電極に対して−１．１から−１．４Ｖに設定し、電気分解を開始した。供給物質を再循環させながら、１６０ｇの５０重量％のＮａＯＨを６時間かけて再循環槽中にゆっくり圧送して、ＮａＯＨ濃度が１．５から３．０％過剰になるよう維持した。電流は０．５から１２ａｍｐの範囲であった。

電気分解開始後、陽極酸化は不要であった。約４６時間後、１８５，０００クーロンを制御されたセルに通した後、電気分解を終了し、セル流出液を別の５Ｌフラスコに移し、濃ＨＣｌで中和した。中和した溶液の全重量は３２００ｇであった。約１０００グラムのこの溶液を７５０ｇの粗濃縮物まで減圧濃縮した。この濃縮物を撹拌しながら８５℃まで温め、３０分かけて濃ＨＣｌでｐＨを０．８から１．１に調整した。得られたスラリーを周囲温度まで冷却し濾過した。得られた濾過ケーキを４０ｇの水で３回洗浄し、オーブン中７０℃で１０時間乾燥させた。乾燥した生成物の重量は６２ｇであり、分析によると９５％が所望の生成物であった。乾燥生成物の高圧液体クロマトグラフィー分析により、約２％の出発物質が不純物として残留することが示された。

（実施例３）４−アミノ−３，６−ジクロロピリジン−２−カルボン酸の調製（活性化中に出発物質、ＮａＯＨ、及びＮａＣｌが存在するバッチセル）
４リットル（Ｌ）フラスコに２３７０グラム（ｇ）の熱水、２５０ｇの５０重量％のＮａＯＨ、３０ｇのＮａＣｌ、及び３５０ｇの未乾燥４−アミノ−３，５，６−トリクロロピリジン−２−カルボン酸（８０％）を加えた。この溶液を３０分（ｍｉｎ）撹拌し、１ミクロンのポリプロピレンフィルムで濾過し、５Ｌの供給材料循環槽に移した。この溶液の重量は３０００ｇであり９．３％の４−アミノ−３，５，６−トリクロロピリジン−２−カルボン酸、２．０から２．５％の過剰のＮａＯＨ、及び１．０％のＮａＣｌを含有した。

実施例１と同様に、この供給溶液を１８Ｌ／分の速度及び３５から３８℃の温度で直列の２つの無隔膜電気化学セルに循環させた。＋０．７ボルト（Ｖ）における通常の陽極酸化の後、セルの極性を反転させ、電気分解を開始した。２つのセルの一方におけるカソード作動電位は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（３．０Ｍ Ｃｌ⁻）参照電極に対して−１．１から−１．４Ｖに制御した。供給材料を再循環させながら、１６０ｇの５０重量％のＮａＯＨを６時間かけて再循環槽中にゆっくり圧送して、ＮａＯＨ濃度が１．５から３．０％過剰になるよう維持した。電流は０．５から１０ａｍｐの範囲であった。

電気分解開始後、陽極酸化は不要であった。約２４時間後、１６９，０００クーロンを制御されたセルに通した後、電気分解を終了し、セル流出液を別の５Ｌフラスコに移し、濃ＨＣｌで中和した。中和した溶液の全重量は３２００ｇであった。約１０００グラムのこの溶液を７５０ｇの粗濃縮物まで減圧濃縮した。この濃縮物を撹拌しながら８５℃まで温め、３０分かけて濃ＨＣｌでｐＨを０．８から１．１に調整した。得られたスラリーを周囲温度まで冷却し濾過した。得られた濾過ケーキを４０ｇの水で３回洗浄し、オーブン中７０℃で１０時間乾燥させた。乾燥した生成物の重量は６５ｇであり、分析によると９５％が所望の生成物であった。乾燥生成物の高圧液体クロマトグラフィー分析により、約２％の出発物質が不純物として残留することが示された。

Claims (3)

1. 式Ｉ
   （式中、
   ＸはＣｌ又はＢｒを表し、
   ＹはＨ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、又はＣ_１−Ｃ_４アルキルを表し、但しＸがＣｌの場合、ＹはＢｒではなく、
   Ｒは独立にＨ又はＣ_１−Ｃ_４アルキルを表す）
   の４−アミノ−３−ハロピコリン酸の改善された調製方法であって、
   式ＩＩ
   （式中、
   Ｘ、Ｙ、及びＲは前出の定義の通りであり、
   両方のＸがＣｌ又はＢｒのいずれかである）
   の４−アミノ−３，５−ジハロピコリン酸の溶液を介して、Ａｇ／ＡｇＣｌ（３．０Ｍ Ｃｌ⁻）参照電極に対して−０．４から−１．７ボルトのカソード電位で、アノードからカソードに直流又は交流の電流が流され、
   前記式ＩＩの４−アミノ−３，５−ジハロピコリン酸と、１から４重量％過剰のアルカリ金属水酸化物と、０．５から４重量％のアルカリ金属の塩化物、臭化物、又は硫酸塩との存在下でカソードが活性化されることを特徴とする方法。
2. ０．５から４重量％のＮａＣｌと、１から４重量％過剰のＮａＯＨと、１から２０重量％の式ＩＩの４−アミノ−３，５−ジハロピコリン酸との存在下で、少なくとも＋０．３から＋０．７ボルトの電位で陽極させた後、極性を反転させることによって銀カソードが活性化される、請求項１に記載の方法。
3. 前記式Ｉの４−アミノ−３−ハロピコリン酸がアミノピラリドであり、前記式ＩＩの４−アミノ−３，５−ジハロピコリン酸がピクロラムである、請求項１に記載の方法。