JP6218140B2 - 磁性鉄粒子担持ヨウ素触媒 - Google Patents
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Description
本発明は、アルコール類またはフェノール類の酸化反応に用いるヨウ素触媒およびそれを使用するアルコール類またはフェノール類から対応するオキソ体の製造方法に関するものである。
アルデヒド類、ケトン類、カルボン酸類およびその誘導体は多くの有機天然物や医薬品の化学構造の主要構成置換基であり、第１級アルコールあるいは第２級アルコールの酸化反応により構築されている。そのため、これらの酸化反応は有機化合物製造において最も重要な反応である。また有機合成化学的にもこれらの酸化反応は基本的な反応の１つであり、従来より多数の優れた酸化剤や酸化方法が開発されてきた。
古典的にはクロム(VI)化合物などの重金属酸化剤が用いられてきたが、ルテニウムやマンガン、バナジウムなどの遷移金属等、さらに活性化されたジメチルスルホキシドなどが開発されてきた。
しかし、金属化合物の使用は環境への悪影響や製品への微量金属の混入、ジメチルスルホキシドの使用は反応終了後の悪臭、などの問題点があり、環境調和性や安全性の向上が求められている。特に、医薬品や化粧品、農薬、食品等の工業的観点から、これらは最重要の課題となる。
古典的にはクロム(VI)化合物などの重金属酸化剤が用いられてきたが、ルテニウムやマンガン、バナジウムなどの遷移金属等、さらに活性化されたジメチルスルホキシドなどが開発されてきた。
しかし、金属化合物の使用は環境への悪影響や製品への微量金属の混入、ジメチルスルホキシドの使用は反応終了後の悪臭、などの問題点があり、環境調和性や安全性の向上が求められている。特に、医薬品や化粧品、農薬、食品等の工業的観点から、これらは最重要の課題となる。
近年、従来の重金属酸化剤に代えて、通常の原子価を超える５価をもつ超原子価有機ヨウ素化合物を、アルコール類の酸化剤として広く利用するようになっている。
例えば、ヨウ素触媒として２−ヨード安息香酸やその誘導体、４−アルコキシヨードベンゼンやその誘導体が用いられている。これらの触媒をオキソン（過硫酸水素イオン、硫酸イオンと硫酸水素イオンからなる複塩）や過酸の存在下でアルコール類やフェノール類と反応させると高収率で対応する酸化生成物が得られる（非特許文献１）。
例えば、ヨウ素触媒として２−ヨード安息香酸やその誘導体、４−アルコキシヨードベンゼンやその誘導体が用いられている。これらの触媒をオキソン（過硫酸水素イオン、硫酸イオンと硫酸水素イオンからなる複塩）や過酸の存在下でアルコール類やフェノール類と反応させると高収率で対応する酸化生成物が得られる（非特許文献１）。
Tetrahedron、 66、 5833-5840(2010)
上記の非特許文献１に記載のヨウ素触媒では、反応終了後の生成物と使用した触媒との分離には、分液操作やカラム操作が必要となり、煩雑である。そこで、本発明は、生成物との分離、回収が容易であるヨウ素触媒を開発することが課題である。
マグネタイトなどの磁性鉄のナノ粒子はほとんどの有機溶媒に不溶である。そのため、磁鉄ナノ粒子の表面にヨウ素触媒を結合させると不均一触媒が生成する。
一般に不均一触媒は均一触媒に比べ、反応終了後の触媒回収が容易である。すなわち反応終了後にろ過等で簡単に触媒を分離できる。その反面、不均一触媒は均一触媒に比べ反応性が低下することが知られている。しかし、磁鉄ナノ粒子は単位重量当たりの表面積がきわめて大きいため、均一触媒に匹敵する反応性を有する。さらに、磁鉄ナノ粒子は磁石にくっつく性質を持っているため、反応終了後の触媒の回収が、外部からの磁石に吸着させることで達成可能で、ろ過操作すら必要ない。このような性質を持つ磁鉄ナノ粒子表面にヨウ素触媒を組み込んだ、高い反応性を持ち、反応液からの分離回収の容易な触媒を創製した。
以下、本発明を詳細に説明する。
一般に不均一触媒は均一触媒に比べ、反応終了後の触媒回収が容易である。すなわち反応終了後にろ過等で簡単に触媒を分離できる。その反面、不均一触媒は均一触媒に比べ反応性が低下することが知られている。しかし、磁鉄ナノ粒子は単位重量当たりの表面積がきわめて大きいため、均一触媒に匹敵する反応性を有する。さらに、磁鉄ナノ粒子は磁石にくっつく性質を持っているため、反応終了後の触媒の回収が、外部からの磁石に吸着させることで達成可能で、ろ過操作すら必要ない。このような性質を持つ磁鉄ナノ粒子表面にヨウ素触媒を組み込んだ、高い反応性を持ち、反応液からの分離回収の容易な触媒を創製した。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において、特に断らない限り、アルキル基とは、メチル、エチル、n-プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、s-ブチル、t-ブチルなど直鎖状または分岐状のＣ1-6アルキル基を、アルキレンとは、メチレン、エチレン、プロピレンなど直鎖状または分岐状のＣ1-6アルキレン基を、アルキレンオキシ基とは、メチレンオキシ、エチレンオキシ、イソプロピレンオキシなど直鎖状または分岐状のＣ1-6アルキレン−Ｏ−基を、アルキレンアミノカルボニル基とは、メチレンアミノカルボニル、エチレンアミノカルボニル、イソプロピレンアミノカルボニルなど直鎖状または分岐状のＣ1-6アルキレン−ＮＨＣＯ−基を、アルコキシシリル基とは、メトキシシリル、エトキシシリルなどの基を、それぞれ意味する
本発明は、以下の一般式［１］の磁性鉄ナノ粒子担持ヨウ素触媒である。
「式中、Ｍは、磁性鉄ナノ粒子を、ｍは、1〜６の整数を、Ｒａは、アルコキシシリル基またはホスホニル基を、Ｒｂは、以下のいずれかの式を、それぞれ意味する。
（式中、Ｒbbは、アルキレンオキシ基またはアルキレンアミノカルボニル基を意味する。）
一般式［１］におけるＭの磁性鉄粒子として、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、マグヘマイト（γ−Ｆｅ２Ｏ３）またはフェライトが挙げられるが、好ましいものとしてマグネタイトが挙げられる。
磁性鉄粒子の大きさは、ナノサイズであり、そのサイズは、５〜１００ｎｍ、好ましくは、５〜２０ｎｍである。
本発明のより具体的な磁性鉄ナノ粒子ヨウ素触媒として以下のものが挙げられる。
上記の一般式［１ａａ］〜［１ｃｂ］の式中、Ｒaaは、アルキル基、Ｒbbは、アルキレンオキシ基またはアルキレンアミノカルボニル基、ｍは1〜６の整数を、それぞれ意味する。
また、本発明は、上記の一般式［１］で表されるヨウ素触媒の存在下に、アルコール類またはフェノール類を酸化せしめて、対応するオキソ体を製造する方法である。
より具体的には、アルコール類を上記の一般式［１ａ］〜［１ｆ］で表されるヨウ素触媒の存在下に、ペルオキシ一硫酸カリウムなどの無機酸化剤またはｍ−クロロ過安息香酸などの有機酸化剤を反応させ、対応するオキソ体を製造する方法である。
本発明の磁性鉄ナノ粒子担持ヨウ素触媒を用い、アルコール類あるいはフェノール類の酸化反応を行うことで、高収率で対応するオキソ体を製造することができる。触媒の反応活性は、従来の均一触媒とほぼ同等であるものの、反応終了後は反応容器の外部に磁石をおくことで、触媒の分離および回収を容易に行うことができる。
本発明の磁性鉄ナノ粒子担持ヨウ素触媒は、例えば、以下の方法で製造することができる。
＜製造法１＞
「式中、Ｍは、磁性鉄ナノ粒子を、ｍは、1〜６の整数を、Ｒａは、アルコキシシリル基またはホスホニル基を、Ｒbbは、アルキレンオキシ基またはアルキレンアミノカルボニル基を、Ｘは、塩素原子などのハロゲン原子を、それぞれ意味する。）
一般式［２］の化合物と一般式［３］の化合物を、塩基の存在下、溶媒中で反応させることにより一般式［１ａ］の化合物を製造することができる。
この反応に用いる塩基は、通常の反応において塩基として使用されるものであれば特に限定されないが、例えば、Ｎ-メチルモルホリン、トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、トリブチルアミン、１、８-ジアザビシクロ[５．４．０]ウンデカ-７-エン、１、５-ジアザビシクロ[４．３．０]ノナ-５-エン、１、４-ジアザビシクロ[５．４．０]ウンデカ -７-エン、ピリジン、４−（Ｎ、Ｎ−ジメチルアミノ）ピリジン、もしくはピコリン等の有機塩基、または炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、もしくは水素化ナトリウム等の無機塩基等が挙げられる。
この反応に用いる溶媒は、反応に悪影響を及ぼさないものであれば、特に限定されないが、例えば、塩化メチレン、クロロホルムおよびジクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素類、塩基としても利用されるピリジンが挙げられ、これらの溶媒を一種または二種以上混合して使用してもよい。
この反応は、２０℃〜６０℃で、３０分〜１２時間行えばよい。
この反応は、２０℃〜６０℃で、３０分〜１２時間行えばよい。
一般式［２］の化合物は、公知方法に準じて製造すればよいが、例えば、アミノトリアルコキシシランを活性化マグネタイトに反応させることにより製造することができる。
＜製造法２＞
＜製造法２＞
「式中、Ｍは、磁性鉄ナノ粒子を、ｍは、1〜６の整数を、Ｒａは、アルコキシシリル基またはホスホニル基を、Ｒbbは、アルキレンオキシ基またはアルキレンアミノカルボニル基を、それぞれ意味する。）
一般式［４］の化合物と一般式［５ａ］または一般式［５ｂ］の化合物を、クリック反応に付すことにより一般式［１ｂ］または一般式［１ｃ］の化合物を製造することができる。クリック反応は、公知の方法またはそれに準じた方法を用いればよい。
以下に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
実施例１
＜マグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒（MC-1）の合成＞
＜マグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒（MC-1）の合成＞
（１）３−アミノプロピルトリエトキシシラン（122mg, 0.55mmol）を活性化マグネタイト（1.439g, 6.215mmol）のエタノール（30mL）懸濁液に室温（25℃）で加えた。50℃に加温し、6時間撹拌後、反応液から磁石を用いて、黒色固体のアミノシリルオキシマグネタイト(1.45g）を得た。また、母液および洗浄液を濃縮して３−アミノプロピルトリエトキシシラン（51mg, 42%）を回収した。
（２）アミノシリルオキシマグネタイト（1.45g）の塩化メチレン（7mL）懸濁液にトリエチルアミン（234mg, 2.31mmol）、Ｎ,Ｎ−ジメチル−４−アミノピリジン（DMAP:19mg, 0.154mmol）を0℃で加えた。４−ヨードフェノキシ酢酸（214mg, 0.77mmol）に塩化チオニル（0.96mL）を加え加熱還流して４−ヨードフェノキシアセチルクロリド（228mg, 0.77mmol）を調製し、先ほどのマグネタイトの懸濁液にゆっくり滴下した。室温（25℃）まで昇温し、4時間撹拌後，反応液から磁石を用いてマグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒を分離した。得られた固体をエタノールで洗浄し、風乾して黒色固体のマグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒ＭＣ−１（1.479g）を得た。
実施例２
＜マグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒（MC-2）の合成＞
＜マグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒（MC-2）の合成＞
（１）２−ヨードベンゾイルクロリド（799mg, 3mmol）の塩化メチレン（3mL）溶液を２−アミノ−２−メチルプロパン酸塩酸塩（553mg, 3.6mmol）とトリエチルアミン（911mg, 9mmol）の塩化メチレン（7mL）溶液に0℃で加え、その後室温で1時間撹拌した。反応液を酢酸エチル（50mL）で希釈し、10%塩酸、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液、水および飽和食塩水で洗浄後、乾燥し濃縮した。残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製して2-(2-ヨードベンズアミド)-2-メチルプロパン酸メチルエステル（889mg, 85%）を得た。
無色針状結晶(再結晶溶媒：酢酸エチル−ヘキサン)。
融点：125〜127℃
無色針状結晶(再結晶溶媒：酢酸エチル−ヘキサン)。
融点：125〜127℃
（２）2-(2-ヨードベンズアミド)-2-メチルプロパン酸メチルエステル（889mg, 2.56mmol）と水酸化リチウム１水和物（430mg, 10.24mmol）をテトラヒドロフラン・メタノール・水（25:8:8）の混合溶媒（28mL）に溶かし室温で30分間撹拌した。反応液を水（60mL)で希釈し、10％塩酸で酸性にした。酢酸エチルで抽出後、抽出液を乾燥し濃縮して2-(2-ヨードベンズアミド)-2-メチルプロパン酸（836mg, 98%）を得た。
無色針状結晶(再結晶溶媒：酢酸エチル−ヘキサン)
融点：206〜207℃。
無色針状結晶(再結晶溶媒：酢酸エチル−ヘキサン)
融点：206〜207℃。
（３）アミノシリルオキシマグネタイト（1.796g）の塩化メチレン（8mL）懸濁液にトリエチルアミン（357mg, 3.528mmol）、Ｎ,Ｎ−ジメチル−４−アミノピリジン（DMAP:29mg, 0.235mmol）を0℃で加えた。２−（２−ヨードベンズアミド）−２−メチルプロパン酸（280mg, 0.840mmol）に塩化チオニル（1.1mL）を加え加熱還流して２−(２−ヨードベンズアミド)−２−メチルプロパノイルクロリド（295mg, 0.840mmol）を調製し、先ほどのマグネタイトの懸濁液にゆっくり滴下した。室温（25℃）まで昇温し、4時間撹拌後、反応液から磁石を用いてマグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒を分離した。得られた固体をエタノールで洗浄し、風乾して黒色固体のマグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒ＭＣ−２（1.549g）を得た。
実施例３
＜マグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒（MC-3）の合成＞
＜マグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒（MC-3）の合成＞
文献記載の方法1)に従い調製したリンカー担持したマグネタイト（300mg）のtert-ブタノール−水（1:1）の懸濁液(3mL）に、文献記載の方法2)に従い調製した１−ヨード−４−（２−プロピニロキシ）ベンゼン（199mg, 0.77mmol）、硫酸銅(II)五水和物（9mg, 0.035mmol）、アスコルビン酸ナトリウム（21mg, 0.105mmol）、トリエチルアミン（0.2mL, 1.4mmol）を加えた。室温（25℃）で24時間撹拌後、反応液から磁石を用いてマグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒を分離した。得られた固体を塩化メチレン−エーテル（1:1）の混合溶媒で3回洗浄の後、さらにエーテルで3回洗浄し、風乾して黒色固体のマグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒ＭＣ−３（250mg）を得た。
文献
1) Tucker-Schwartz A. K., Garrell R. L. Chem. Eur. J., 16, 12718 (2010).
2) Pal M., Parasuraman K., Yeleswarapu K. R., Org. Lett., 5, 349 (2003).
文献
1) Tucker-Schwartz A. K., Garrell R. L. Chem. Eur. J., 16, 12718 (2010).
2) Pal M., Parasuraman K., Yeleswarapu K. R., Org. Lett., 5, 349 (2003).
実施例４
＜４−メトキシフェノールの酸化（１）＞
＜４−メトキシフェノールの酸化（１）＞
マグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒ＭＣ−１（253mg, 0.02mmol: 計算値で0.079mmol/g）を２−ピバロイロキシメチル−４−メトキシフェノール（48mg, 0.2mmol）とオキソン（123mg, 0.2mmol）の２,２,２−トリフルオロエタノール（1.3mL）・0.1 Mリン酸緩衝液（2.6mL）に室温（25℃）で加えた。2時間撹拌後、磁石を用いてマグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒（253mg, 100%）を回収した。反応液を酢酸エチル（20mL）で希釈し、水、飽和食塩水で順次洗浄後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、溶媒を減圧留去した。残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製して2,2-ジメチルプロパン酸 3,6-ジオキソシクロヘキサ-1,4-ジエニルメチルエステル（38mg, 86%）を得た。
実施例４
実施例４
＜４−メトキシフェノールの酸化（２）＞
マグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒ＭＣ−３（56mg, 0.04mmol: 計算値で0.71mmol/g）を２−ピバロイロキシメチル−４−メトキシフェノール（48mg, 0.2mmol）とオキソン（123mg, 0.2mmol）の２,２,２−トリフルオロエタノール（0.8mL）・水（0.4mL）に室温（25℃）で加えた。4時間撹拌後、磁石を用いてマグネタイトナノ粒子担持ヨウ素触媒（48mg, 86%）を回収した。反応液を酢酸エチル（20mL）で希釈し、水、飽和食塩水で順次洗浄後、無水硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒を減圧留去した。残渣をシリカゲルカラムクロマトグラフィーで精製して2,2-ジメチルプロパン酸 3,6-ジオキソシクロヘキサ-1,4-ジエニルメチルエステル（40mg, 91%）を得た。
本発明の磁性鉄ナノ粒子ヨウ素触媒は、医薬品や農薬などのファインケミカル製造において、アルコール類の酸化工程に利用することができ、廃棄物の少ないグリーンな工業プラントの構築が達成できる。
Claims (2)
- 以下の一般式で表されるヨウ素触媒
- 請求項１に記載のヨウ素触媒を用い、アルコール類またはフェノール類から対応するオキソ体を製造する方法。
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