JP6400869B1 - 4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールの製造方法 - Google Patents

4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールの製造方法 Download PDF

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    • C07D233/90Carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals

Abstract

【課題】ジアミノマレオニトリル(DAMN)を出発物質とする4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールの合成法において、煩雑な操作を必要としないで、収率よく合成することのできる方法の提供。
【解決手段】溶媒中、塩基の存在又は非存在下で、式(ii):R−COOH(式中、RはC1〜C10フルオロアルキル基、又はC3〜C10フルオロシクロアルキル基である。)で表される化合物又はその塩と、式(iii):X−R(式中、Xは、Cl、Br又はIであり、Rは、無置換の又は置換基を有するC1〜C6アルキルスルホニル基又は無置換の又は置換基を有するフェニルスルホニル基である。)で表される化合物と、ジアミノマレニオニトリルとを反応させる方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールの製造方法に関する。
リチウムイオン電池の電解質としてリチウム塩が使用される。塩の中でも最も一般に使用されるのは、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)であるが、フッ化水素ガスの形態で分解するという欠点を有するため、安全性の問題があった。そのため、リチウム2−トリフルオロメチル−4,5−ジシアノ−イミダゾレート(LiTDI)及びリチウム2−ペンタフルオロエチル−4,5−ジシアノ−イミダゾレート(LiPDI)などの2−フルオロアルキル−4,5−ジシアノ−イミダゾールのリチウム塩が開発されてきた。
このリチウム塩の中間体である2−フルオロアルキル−4,5−ジシアノ−イミダゾールの合成法としては、ジアミノマレオニトリル(DAMN)からの合成が知られている。
特許文献1には、(a)ジアミノマレオニトリルとフルオロ化合物RfCOY[式中、Yは、塩素原子またはOCORf基を表す]とから温度Τでのアミド化合物の製造(工程1)と、(b)アミド化合物からTより高い温度Tでの脱水環化によるイミダゾール化合物[式中、Rfは、C1か〜5フルオロアルキル基を表す]の形成(工程2)を有する方法が記載されている。
しかしながら、特許文献1の方法は、フルオロ化合物RfCOYが酸無水物の場合(YがOCORf基の場合)は、パーフロロアルカンカルボン酸が副生する。この酸は強酸性で強い腐食性物質のため、これを反応系から除去しその酸を処理するための、煩雑な副工程が必要である。
また、フルオロ化合物RfCOYが塩化物の場合(Yが塩素原子の場合)は、RfCOClは常温・常圧で気体の場合が多く、強い毒性・腐食性を持つため、原料として使用しにくいという問題がある。
特許文献1には、背景技術としてWO2010/023413号パンフレット(対応する再公表公報:特許文献2)が挙げられており、特許文献2に記載されたジアミノマレオニトリルとフルオロ化合物RfCOYとから一工程でイミダゾール化合物を合成する方法では、最終的に得られるリチウム塩の最終収率が約70%であり、不純物は激しい精製ステップを必要とするから、リチウム塩の産業化に適していないことが記載されている。
[Yは、OCORf、Cl、F、CFSO、OCH、OC、OCHCF、OCNO、イミダゾリル基又はスクシンイミジルオキシ基を表す]
また、上記と同様の方法として、特許文献3には、ジアミノマレオニトリルとトリフルオロアセテートとを反応させる方法も記載されている。
ここで、Rとしては、メチル、エチル、ブチル、シクロヘキシルが例示されている。
当該方法でも、収率をよくするためには、特許文献1と同様、アミド化と脱水環化の2工程を要し、反応温度を2段階で行う等の操作を必要とする。
他方、本発明に関連する合成方法として、下記反応式に示すように、カルボン酸に活性化剤としてスルホン酸ハロゲン化物を作用させて、活性エステルを合成し、その活性エステルにアミン又はその誘導体を反応させることでアミド化合物を合成する方法が知られている(特許文献4)。
特許文献4では、アミンとして、芳香族アミン、アルキルアミン、1級アミン、2級アミンが適用できることが記載されているが、具体的にはアニリンについて実施例が示されているのみであり、ジアミノマレオニトリルのようなシアノ基を有し、かつ2個以上のアミノ基を有する化合物の環状化反応にも適用できるかどうかは、文献中に示唆がなく、また、副反応が多いことが予想されるため、実用上適用できるかどうかは不明である。
特表2014−533255号公報 特表2012−500833号公報 中国特許公開公報106008262号 特開2016−37476号公報
本発明は、ジアミノマレオニトリル(DAMN)を出発物質とする4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールの合成法において、煩雑な操作を必要としないで、収率よく合成することのできる方法を提供することを課題とする。
本発明者は、鋭意検討の結果、ジアミノマレオニトリルにフルオロカルボン酸又はその塩とスルホン酸ハロゲン化物とを反応させることにより、一工程で4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールを収率よく合成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、以下の発明に関する。
(1)溶媒中、塩基の存在又は非存在下で、式(ii):
−COOH (ii)
(式中、RはC1〜10フルオロアルキル基、またはC3〜10フルオロシクロアルキル基である)で表される化合物又はその塩と、式(iii):
X−R(iii)
(式中、Xは、Cl,Br又はIであり、Rは、無置換の又は置換基を有するC1〜6アルキルスルホニル基又は無置換の又は置換基を有するフェニルスルホニル基である)で表される化合物と、ジアミノマレオニトリルとを反応させることを含む、式(i):
(式中、Rは式(ii)におけるものと同じものである。)
で表される4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールの製造方法。
(2)式(ii)で表される化合物とジアミノマレオニトリルとを添加してから、式(iii)で表される化合物を添加する、(1)に記載の4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールの製造方法。
(3)式(ii)で表される化合物がトリフルオロ酢酸である、(1)又は(2)に記載の4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールの製造方法。
(4)式(iii)で表される化合物がメタンスルホン酸クロライドである、(1)〜(3)のいずれかに記載の4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールの製造方法。
ジアミノマレオニトリルにフルオロカルボン酸又はその塩とスルホン酸ハロゲン化物とを反応させることにより、一工程で4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールを収率よく(収率>90%)合成できる(実施例1及び2参照)。
同じ原料を使用しても、フルオロカルボン酸又はその塩とスルホン酸ハロゲン化物とをまず反応させて活性エステル化合物を合成してから、活性エステル化合物とジアミノマレオニトリルとを反応させる方法では、収率が低下する(比較例1及び2参照、収率:約60%)。
スルホン酸ハロゲン化物の代わりに、クロロギ酸エステル(注)を使用して本発明の合成法と同じように反応させても目的化合物はほとんど得られない(比較例3参照、収率:6%)。
注)クロロギ酸エステルはフルオロカルボン酸と反応して、前記と同様の活性エステル化合物を生成すると考えられている(Chem.Pham.Bull,40,396参照)
(反応原料)
本発明の4,5−ジシアノ−2−(フルオロアルキル)イミダゾールの製造方法は、
式(ii):
−COOH (ii)
で表される化合物又はその塩と、式(iii):
X−R(iii)
で表される化合物と、ジアミノマレオニトリルとを反応させることを特徴とする。
上記反応式において、式(i)及び(ii)のRは、C1〜10フルオロアルキル基またはC3〜C10フルオロシクロアルキル基を表す。
C1〜C10フルオロアルキル基は、直鎖又は分岐のC1〜C10アルキル基の水素原子の全部又は一部がF原子により置換された基であり、例えば、CF、CHF、CHF、CHF、C、C、C、C、C、C、C、C、C、C11、C13、C15,C17,C1021を挙げることができる。
C3〜C10フルオロシクロアルキル基は、環状のC3〜C10アルキル基の水素原子の全部又は一部がF原子により置換された基であり、例えば、C、CF、CHF、C、C、CHF、C、C11、C13、C15、C1019を挙げることができる。
式(iii)のXは、Cl、Br又はIである。
式(iii)のRは、無置換の又は置換基を有するC1〜C6アルキルスルホニル基又は無置換の又は置換基を有するフェニルスルホニル基を表す。
C1〜C6アルキルスルホニル基としては、メタンスルホニル基、エタンスルホニル基、プロパンスルホニル基、ブタンスルホニル基、ペンタンスルホニル基、ヘキサンスルホニル基を挙げることができる。
C1〜C6アルキルスルホニル及びフェニルスルホニル基は、アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン原子、置換アミノ基、アリール基、ヘテロアリール基、アラルキル基等で置換されていてもよい。
アルキル基は、直鎖、分岐鎖または環状のアルキル基が挙げられ、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、s−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等が挙げられる。
置換基としてのアルコキシ基としては、炭素数1〜6の直鎖もしくは分岐鎖または環状のアルキル基からなるアルコキシ基が挙げられ、例えば、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、イソプロポキシ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、s−ブトキシ基、t−ブトキシ基、n−ペンチルオキシ基、n−ヘキシルオキシ基、シクロペンチルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基等が挙げられる。
ハロゲン原子は、F、Cl、Br、Iが挙げられる。
置換アミノ基としては、N−メチルアミノ基、N,N−ジメチルアミノ基、N,N−ジエチルアミノ基、N,N−ジイソプロピルアミノ基、N−シクロヘキシルアミノ基等のモノまたはジアルキルアミノ基;N−フェニルアミノ基、N,N−ジフェニルアミノ基、N−ナフチルアミノ基、N−ナフチル−N−フェニルアミノ基等のモノまたはジアリールアミノ基;N−ベンジルアミノ基、N,N−ジベンジルアミノ基等のモノまたはジアラルキルアミノ基等が挙げられる。
アリール基としては、フェニル基、ナフチル基、ビフェニル基等が挙げられ、これらアリール基は、前記したようなアルキル基、アルコキシ基、ハロゲン原子、アミノ基等で置換されていてもよい。
ヘテロアリール基としては、異種原子として少なくとも1〜4個の窒素原子、酸素原子、硫黄原子等の異種原子を含んでいる、5〜8員の単環式ヘテロアリール基、多環式または縮合環式のヘテロアリール基が挙げられる。具体的には、例えば、フリル基、チエニル基、ピリジル基、ピリミジニル基、ピラジニル基、ピリダジニル基、ピラゾリル基、イミダゾリル基、オキサゾリル基、チアゾリル基、ベンゾフリル基、ベンゾチエニル基、キノリル基、イソキノリル基、キノキサリニル基、フタラジニル基、キナゾリニル基、ナフチリジニル基、シンノリニル基、ベンゾイミダゾリル基、ベンゾオキサゾリル基、ベンゾチアゾリル基等が挙げられる。
アラルキル基としては、ベンジル基、1−フェネチル基等が挙げられる。
式(ii)で表される化合物としては、ジフルオロ酢酸、トリフルオロ酢酸、3,3,3−トリフルオロプロピオン酸、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピオン酸、ヘプタフルオロ酪酸、ウンデカフルオロヘキサン酸、ペンタデカフルオロオクタン酸などが挙げられる。
式(iii)で表される化合物としては、メタンスルホニルクロライド、クロロメタンスルホニルクロライド、トリフルオロメタンスルホニルクロライド、パラトルエンスルホニルクロライド等が挙げられる。
式(ii)で表される化合物の塩としては、Li、Na、K、Cs等アルカリ金属の塩、Mg、Ca等アルカリ土類金属の塩が挙げられる。
(反応条件)
原料であるジアミノマレオニトリル、フルオロカルボン酸及びスルホン酸ハロゲン化物を、溶媒中において、塩基の存在又は不存在下で同時に反応させる。
アミノマレオニトリル、フルオロカルボン酸及びスルホン酸ハロゲン化物を同時に反応させて行うことができるため、工程が一工程で済む。
溶媒中に先にジアミノマレオニトリルとフルオロカルボン酸を添加し、最後にスルホン酸ハロゲン化物を添加するのが好ましい。
フルオロカルボン酸とスルホン酸ハロゲン化物とをあらかじめ反応させてから、その反応生成物とジアミノマレオニトリルと反応させると、収率が低下するため好ましくない。
塩基としては、無機塩基、有機塩基を使用でき、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等の炭酸塩;水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の水酸化物;ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、カリウムtert−ブトキシド等のアルコキシド類;n−ブチルリチウム、tert−ブチルリチウム、リチウムジイソプロピルアミド等のリチウム塩;トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン等のアルキルアミン類;ピリジン、ピコリン等のヘテロアリール類;アニリン、トルイジン等のアリールアミン類等が挙げられる。
溶媒としては、非プロトン性極性溶媒又は非極性溶媒を使用できる。
非プロトン性極性溶媒としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセタミド、N−メチルピロリドン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ヘキサメチルリン酸ホスホロアミド等のアミド類;ジエチルエーテル、テラヒドロフラン、ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン等のエーテル類;アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類;ジメチルスルホキシド、スルホラン等が挙げられる。
また非極性溶媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン、ジクロロベンゼン等の芳香族炭化水素類;n−ペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、n−ノナン、n−デカン、アイソパーG等の脂肪族炭化水素類;シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロオクタン等の脂環式炭化水素類等が挙げられる。
これらの溶媒は単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
また、各原料の使用量は、ジアミノマレオニトリル1モルに対し、フルオロカルボン酸が0.5〜2.0モル、好ましくは0.7〜1.5モル、スルホン酸ハロゲン化物が0.4〜4.0モル、好ましくは0.5〜2.5モルであるが、通常、フルオロカルボン酸及びスルホン酸ハロゲン化物をそれぞれ1モル以上使用する。
また、塩基の量は、ジアミノマレオニトリル1モルに対し、0.3〜5.0モル、好ましくは0.4〜3.0モルである。
反応は、室温から用いる溶媒の沸点の範囲で行われる。反応時間は、通常1〜48時間の範囲である。また、反応は、常圧下で行うことができ、加圧装置等の特殊な反応装置を用いなくてもよい点で、工業的に有利である。反応後、溶媒を留去し、必要に応じて、再結晶等の精製工程を行い、高い収率で目的化合物を製造することができる。
以下に、4,5−ジシアノ−2−(トリフルオロメチル)イミダゾールの合成例について説明するが、本発明の技術的範囲は、これに限定されるものではない。
なお、生成物の測定に使用したHPLCの測定条件は以下のとおりである。

カラム:Phenomenex GeminiNX 4.6 x 250 mm
溶離液: アセトニトリル:0.1M K2HPO4=20:80
流速:1ml/min
測定波長:254nm
温度:40℃
化合物1保持時間:18min
実施例1
(溶媒中にトリフルオロ酢酸及び2,3−ジアミノマレオニトリルを添加してからメタンスルホニルクロリドを添加して反応させる方法、溶媒:N−メチルピロリドン)
N−メチルピロリドン(24.5ml)にトリフルオロ酢酸(0.45ml、0.67g、5.88mmol)、トリエチルアミン(0.75ml、0.54g、5.38mmol)と2,3−ジアミノマレオニトリル(0.53g、4.90mmol)を添加後、直ちに129℃のオイルバスで加熱した。その温度条件下、N−メチルピロリドン(4.9ml)に溶解したメタンスルホニルクロリド(0.42ml、0.62g、5.42mmol)を滴下(0.5時間)し、18時間攪拌を続けた後室温に冷却し、HPLCで分析した。4,5−ジシアノ−2−(トリフルオロメチル)イミダゾールの生成率は92%であった。
実施例2
(溶媒中にトリフルオロ酢酸及び2,3−ジアミノマレオニトリルを添加してからメタンスルホニルクロリドを添加して反応させる方法、溶媒:プロピオニトリル)
プロピオニトリル(24.5ml)にトリフルオロ酢酸(0.45ml、0.67g、5.88mmol)、トリエチルアミン(0.75ml、0.54g、5.38mmol)と2,3−ジアミノマレオニトリル(0.53g、4.90mmol)を添加後、直ちに96℃のオイルバスで加熱した。その温度条件下、N−メチルピロリドン(4.9ml)に溶解したメタンスルホニルクロリド(0.42ml、0.62g、5.42mmol)を滴下(0.5時間)し、21時間攪拌を続けた後室温に冷却し、HPLCで分析した。4,5−ジシアノ−2−(トリフルオロメチル)イミダゾールの生成率は94%であった。

比較例1
(溶媒中で先にトリフルオロ酢酸とメタンスルホニルクロリドを反応させた後、2,3−ジアミノマレオニトリルを添加して反応させる方法、溶媒:N−メチルピロリドン)
N−メチルピロリドン(29.4ml)にトリフルオロ酢酸(0.45ml、0.67g、5.88mmol)、トリエチルアミン(0.75ml、0.54g、5.38mmol)とメタンスルホニルクロリド(0.42ml、0.62g、5.42mmol)を溶解し室温で2時間攪拌熟成し、同温度で2,3−ジアミノマレオニトリル(0.53g、4.90mmol)を添加後、129℃のオイルバスで加熱下に18時間攪拌を続けた。その後室温に冷却し、HPLCで分析した。4,5−ジシアノ−2−(トリフルオロメチル)イミダゾールの生成率は55%であった
比較例2
(溶媒中で先にトリフルオロ酢酸とメタンスルホニルクロリドを反応させた後、2,3−ジアミノマレオニトリルを添加して反応させる方法、溶媒:アセトニトリル)
アセトニトリル(4.9ml)に溶解したメタンスルホニルクロリド(0.42ml、0.62g、5.42mmol)にトリフルオロ酢酸(0.45ml、0.67g、5.88mmol)、トリエチルアミン(0.75ml、0.54g、5.38mmol)を室温で2時間攪拌熟成し、同温度でアセトニトリル(19.6ml)に溶解した2,3−ジアミノマレオニトリル(0.53g、4.90mmol)を攪拌下に添加し、82℃のオイルバスで加熱下に18時間攪拌を続けた。その後室温に冷却し、HPLCで分析した。4,5−ジシアノ−2−(トリフルオロメチル)イミダゾールの生成率は62%であった。
比較例3
(メタンスルホニルクロリドの代わりにクロロギ酸イソブチル使用し、本発明と同様に反応させる方法、溶媒:N−メチルピロリドン)
N−メチルピロリドン(29.4ml)にトリフルオロ酢酸(0.45ml、0.67g、5.88mmol)とトリエチルアミン(0.75ml、0.54g、5.38mmol)と2,3−ジアミノマレオニトリル(0.53g、4.90mmol)を添加後、直ちに129℃のオイルバスで加熱を開始した。その後、クロロギ酸イソブチル(0.71ml、0.74g、5.38mmol)を添加し、18時間攪拌を続けた後室温に冷却し、HPLCで分析した。4,5−ジシアノ−2−(トリフルオロメチル)イミダゾールの生成率は6%であった。

Claims (2)

  1. 溶媒中、塩基の存在下で、トリフルオロ酢酸メタンスルホニルクロリドとジアミノマレオニトリルとを反応させることを含む、4,5−ジシアノ−2−(トリフルオロメチル)イミダゾールの製造方法。
  2. トリフルオロ酢酸とジアミノマレオニトリルとを添加してから、メタンスルホニルクロリドを添加する、請求項1に記載の4,5−ジシアノ−2−(トリフルオロメチル)イミダゾールの製造方法。
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