(57)【要約】【課題】  単純なろ過のみで生成物との分離、回収が可能であり、触媒の再利用も容易な不均一系のＰｄ／Ｃ触媒を使用し、有機ビスマス化合物と芳香族ヨード化合物を使用したクロスカップリング反応によって高収率でビフェニル化合物を得る方法を提供することを目的とする。【解決手段】  トリフェニルビスマスと芳香族ヨード化合物とを、溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、触媒として不均一系パラジウム担持炭素触媒（エヌ・イー  ケムキャット株式会社製の５％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ、１０％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ、２０％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ等）、２，２’−ビキノリン、及びフッ化セシウムを使用して、不活性ガス雰囲気中で反応させることを特徴とする、ビフェニル化合物の合成方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記式（１）で表されるトリフェニルビスマス：
【化１】
2014047203.tif 000010
（式中、Ｒ１は水素原子、低級アルキル基、又は低級アルコキシ基を示す）と、
下記式（２）で表される芳香族ヨード化合物：
【化２】
2014047203.tif 000011
（式中、Ｒ２は低級アルキル基、ニトロ基、低級アルコキシ基、アセチル基、又は水素原子を示す。）
とを、溶媒としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、触媒としての不均一系パラジウム担持炭素触媒、２，２’−ビキノリン及びフッ化セシウムを使用して、不活性ガス雰囲気中で反応させることを特徴とする、下記式（３）で表されるビフェニル化合物：
【化３】
2014047203.tif 000012
（式中、Ｒ１及びＲ２は前記の通りである。）
の合成方法。
【請求項２】
式（１）中のＲ１が水素原子、メチル基、又はメトキシ基を示す、請求項１に記載の合成方法。
【請求項３】
式（２）中のＲ２がメチル基、ニトロ基、メトキシ基、又はアセチル基を示す、請求項１又は２に記載の合成方法。
【請求項４】
前記芳香族ヨード化合物の使用量が、前記トリフェニルビスマス化合物１モルに対し、３〜９モルである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の合成方法。
【請求項５】
２，２’−ビキノリンの使用量が、前記トリフェニルビスマス化合物の５〜５０モル％である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の合成方法。
【請求項６】
フッ化セシウムの使用量が、前記トリフェニルビスマス化合物に対し、３〜９モル当量である、請求項１〜５いずれか１項に記載の合成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不均一系パラジウム担持炭素触媒及びビキノリンを使用した、トリフェニルビスマス化合物と芳香族ヨード化合物との反応によるビフェニル化合物の合成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パラジウム触媒（以下、Ｐｄ触媒という。）および塩基の存在下における有機ビスマス化合物とアリールハライドあるいはアリールハライド等価体とのクロスカップリング反応は、有機ビスマス化合物の空気中での安定性、また廃棄物である無機ビスマスの安全性（無機ビスマスは化粧品などにも使用可能）から、安全で環境負荷の低い反応として注目されている。
【０００３】
このような有機ビスマス化合物を用いたクロスカップリングは、これまでにも多数報告されている。有機ビスマス化合物を用いたクロスカップリングでは、パラジウム触媒、リガンド、塩基を使用する方法が知られているが、この方法で使用されるパラジウム触媒は全て塩化パラジウムなどの均一系パラジウム触媒であった。このような従来型の均一系パラジウム触媒を使用したクロスカップリング反応の例をあげると以下のとおりである（非特許文献１）。
【０００４】
【化１】
2014047203.tif 000002
上記式中、ＰｄＣｌ２は均一系パラジウム触媒である塩化パラジウム水溶液を表し、ＰＰｈ３はリガンドとして使用されるトリフェニルホスフィンを表し、ＤＭＡは溶剤として使用されるＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドを表し、ＯＴｆはトリフラートアニオンを表し、Ｒ３はＨ、Ｍｅ又はＭｅＯを表し、Ｒ４はＡｃ、Ｎ２Ｏ、ＣＮ、ＣＦ３、ＣＯＰｈ、ＣＯＯＥｔ、Ｍｅ、Ｃｌ又はＦを表わす。ここでＭｅはメチル、Ｅｔはエチル、Ｐｈはフェニル、Ａｃはアセチルを表す。
【０００５】
上記の反応例では、塩基としてのＣｓ２ＣＯ３がトリフェニルビスマス１当量に対して４当量使用されているが、パラジウム触媒を使用したクロスカップリング反応においては金属交換反応を促進する目的で塩基を加えることが一般的である。
【０００６】
従来の均一系Ｐｄ触媒を使用したビフェニル化合物の合成では、Ｐｄ触媒を生成物中から分離、回収することが困難であった。そのために生成物中への残留Ｐｄが懸念されていた。また、均一系Ｐｄ触媒を使用した反応では、Ｐｄ触媒を繰り返し使用することが難しく、ビフェニル化合物の合成コストを低減することも困難であった。一方、従来の均一系Ｐｄ触媒を使用したビフェニル化合物の合成において、均一系Ｐｄ触媒に換えて不均一系触媒としてＰｄ／Ｃを使用した反応は検討されてこなかった。
【０００７】
また、クロスカップリング反応では、非特許文献１に記載のように、リガンドを使用することが知られている。リガンドは選択性の向上を目的として使用されるが、触媒としてのパラジウムに錯体として配位する。このようにリガンドと配位結合したパラジウムは、溶媒中に溶出してしまうことがあり、生成物中への残留も懸念される。
【０００８】
更にまた、リガンドを使用することによる触媒中に含まれるパラジウムの溶出は、触媒として不均一系触媒であるＰｄ／Ｃを使用した場合にも好ましくない。不均一系触媒（Ｐｄ／Ｃ）は、反応に使用したＰｄ触媒を生成物から分離、回収することで、高価な触媒を再利用することを目的に使用されるが、パラジウムが溶出すると、再利用した触媒中のパラジウムの濃度が低下してしまい、再利用しても所望の反応効率が得られないことが懸念される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｒａｏ，Ｍ．Ｌ．Ｎ．Ｊａｄｈａｖ，Ｄ．Ｎ．Ｂａｎｅｒｊｅｅ，Ｄ．Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ２００８，６４，５７６２−５７７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述した従来技術の欠点を解消すべく、トリフェニルホスフィンのようなリガンドを使用しなくても高い収率でビフェニル化合物を得ることができ、さらに、単純なろ過のみで生成物との分離、回収が可能であり、触媒の再利用も容易な不均一系のＰｄ／Ｃ触媒を使用し、有機ビスマス化合物と芳香族ヨード化合物を使用したクロスカップリング反応によって高収率でビフェニル化合物を得る方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、下記式（１）で表されるトリフェニルビスマス：
【００１２】
【化２】
2014047203.tif 000003
（式中、Ｒ１は水素原子、低級アルキル基、又は低級アルコキシ基を示す）と、
下記式（２）で表される芳香族ヨード化合物：
【００１３】
【化３】
2014047203.tif 000004
（式中、Ｒ２は低級アルキル基、ニトロ基、低級アルコキシ基、アセチル基、又は水素原子を示す。）
とを、溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、触媒として不均一系パラジウム担持炭素触媒、２，２’−ビキノリン及びフッ化セシウムを使用して、不活性ガス雰囲気中で反応させることを特徴とする、下記式（３）で表されるビフェニル化合物：
【００１４】
【化４】
2014047203.tif 000005
（式中、Ｒ１及びＲ２は前記の通りである。）
の合成方法を提供する。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
［トリフェニルビスマス］
本発明に使用されるトリフェニルビスマス化合物は、前記式（１）で表される。式（１）中、Ｒ１は水素原子、炭素原子数１〜３（Ｃ１−Ｃ３）のアルキル基、又は炭素原子数１〜３（Ｃ１−Ｃ３）のアルコキシ基、好ましくは水素原子、メチル基又はメトキシ基、更に好ましくは水素原子を表す。
【００１６】
［芳香族ヨード化合物］
本発明に使用される式（２）で表される芳香族ヨード化合物において、Ｒ２は炭素原子数１〜３（Ｃ１−Ｃ３）の低級アルキル基、ニトロ基、炭素原子数１〜３（Ｃ１−Ｃ３）の低級アルコキシ基、アセチル基、又は水素原子であるが、好ましくはメチル基、ニトロ基、メトキシ基、アセチル基であり、特に３−若しくは４−メチル基、４−ニトロ基、又は４−アセチル基である時に高い収率でビフェニル化合物が得られる。
なお、本発明においては芳香族ヨード化合物が使用されるが、公知のカップリング反応同様に、芳香族ヨード化合物の他に、芳香族臭素化合物や芳香族ＯＴｆ化合物も使用できる可能性がある。
また、本願で芳香族ヨード化合物の芳香族環はフェニル基であるが、複素芳香族化合物やナフチル基等、他の多環芳香族炭化水素や、ベンゾピラン他の含酸素複素環式化合物も使用した場合も本発明の方法を適用できる。
【００１７】
本発明における芳香族ヨード化合物の使用量は、トリフェニルビスマス化合物１モルに対し、３〜９モルが好ましく、５〜７モルがより好ましい。下限値については不足なく反応させるための量的な比例関係を満たすための値であるが、多すぎると収率が低下することがある。
【００１８】
［Ｐｄ／Ｃ触媒］
本発明で不均一系触媒として使用されるＰｄ／Ｃ触媒は特に限定されないが、比表面積値（ＢＥＴ値）、粒子径分布、Ｐｄ量は以下の範囲にあることが好ましい。
比表面積値（ＢＥＴ値）；８００〜１，５００ｍ２／ｇ、より好ましくは１０００〜１，５００ｍ２／ｇである。ＢＥＴ値が小さすぎると、Ｐｄの分散性が低下し、反応の活性も低下することがあり、ＢＥＴ値が大きすぎると触媒の活性自体は上がるものの、目的とする反応以外の副反応や、基質の分解が生じることがある。
粒子径分布；全粒子の５０％以上の粒子径の分布（５０％粒度分布）が１０〜７５μｍの範囲に含まれることが好ましく、４５〜７５μｍに含まれることがより好ましい。５０％粒度分布が小さすぎると反応後の触媒の分離が困難になり触媒の再利用が難しくなる。５０％粒度分布の粒子径が大きすぎると、単位体積あたりのＰｄ／Ｃの表面積が小さくなり、触媒の活性が低下することがある。
Ｐｄ担持量；Ｐｄ／Ｃの単位重量あたり、金属パラジウム換算で１〜３０ｗｔ％が好ましく、５〜２０ｗｔ％がより好ましく、７．５〜１２．５ｗｔ％担持が最も好ましい。Ｐｄ担持量が少なすぎると触媒の活性が低下することがあり、多すぎてもコスト面で不利であったり、目的とする反応以外の副反応が生じたり、基質の分解が生じることがあったり、後述する炭素担体へのＰｄ担持工程でＰｄ金属の凝集が生じることがあり、凝集したＰｄ金属は活性面が小さく、触媒としての活性が低下してしまうことがある。
【００１９】
本発明のＰｄ／Ｃ触媒の製法は特に限定されず、公知の方法で調整してもよいが、その一例を以下に示す。
必要に応じて塩酸、硝酸などの酸で適宜ｐＨを調整したパラジウム塩の水溶液と、炭素担体とを用意し、これらを混合した後、還元剤でパラジウム塩を還元し、この混合物をろ過・水洗・乾燥して炭素担体上に金属パラジウムを担持したＰｄ／Ｃを得ることができる。
ここで前記炭素担体は、石炭，石油，椰子殻，木材等を破砕した活性炭が使用できるが、このような活性炭以外でも、同様の性質を有する炭素材料であれば使用することができる。
前記パラジウム塩としては塩化パラジウム、硝酸パラジウム等が使用でき、前記還元剤としては、ホルマリン、メタノール、ギ酸、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウム、水素ガス等が使用できる。なお、本発明の趣旨を阻害しない範囲であれば、パラジウム塩以外の金属塩や他の成分が共存していてもよく、パラジウム塩の還元にあたっては必要に応じて加熱する工程を加えても良い。
【００２０】
本発明に使用されるＰｄ／Ｃ触媒は、概ね上記のような方法により製造することができるが、市販のＰｄ／Ｃ触媒を使用してもよい。このようなＰｄ／Ｃ触媒としては、エヌ・イー  ケムキャット株式会社製  ［５％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ］、［１０％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ］、［２０％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ］等がある。これらの触媒の％表示は、それぞれ、触媒の単位重量あたりに担持されているパラジウムの金属換算の重量である。
【００２１】
本発明におけるＰｄ／Ｃ触媒の使用量は、式（１）のトリフェニルビスマス化合物に対し、Ｐｄ金属換算で１〜３０ｍｏｌ％が好ましく、５〜２０ｍｏｌ％がより好ましい。少なすぎると反応が遅くなったり収率が低下することがあるが、多すぎても、コスト面で不利であったり使用量に応じた反応の促進効果が得られないことがある。
【００２２】
［２，２’−ビキノリン］
本発明にはリガンドとして２，２’−ビキノリンが使用される。２，２’−ビキノリンの量はトリフェニルビスマス化合物の５〜５０モル％が好ましく、１０〜３０モル％がより好ましい。下限値については不足なく反応させるための量的な比例関係を満たすための値であるが、多すぎてもコスト面で不利であったり、収率が低下することがある。
【００２３】
［フッ化セシウム（ＣｓＦ）］
本発明では塩基としてフッ化セシウム（ＣｓＦ）が使用される。ＣｓＦの量はトリフェニルビスマス化合物に対し、３〜９モル当量が好ましく、５〜７モル当量がより好ましい。少なすぎると反応が遅くなったり、収率が低下することがあるが、多すぎても収率が低下することがある。
【００２４】
［溶剤］
本発明では、溶剤としてＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰという）が使用される。ＮＭＰを使用することで、特に高い収率で本発明の目的であるビフェニル化合物を得ることができることが確認されている。ＮＭＰの使用量は、トリフェニルビスマス化合物１ｍｍｏｌ（１ミリモル）に対して、通常１〜２０ｍｌ、好ましくは４〜１５ｍｌ、より好ましくは５〜１０ｍｌである。
【００２５】
本発明における反応温度は特に限定されるものではないが、室温（２５℃）以上であればよく、反応を促進するためには７０℃以上であることが好ましく、副反応の抑制や、基質や生成物の分解を招かないためには１６０℃以下であることが好ましく、１５０℃以下であることがより好ましく、１４０℃以下が特に好ましい。反応時間は通常、１２〜４８時間である。反応が行われる不活性ガス雰囲気の不活性ガスとしては、チッ素ガス、アルゴンガス等が使用し得るが、アルゴンガスが好ましい。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明の実施例を記し、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
［実施例１〜７、比較例１〜３］
トリフェニルビスマス化合物を０．２５ｍｍｏｌ、芳香族ハライド化合物をトリフェニルビスマス化合物に対して表１に示す所定の等量、触媒として１０％−Ｐｄ／Ｃ（エヌ・イー  ケムキャット株式会社製  商品名；１０％パラジウムカーボン粉末Ｋタイプ、（ＢＥＴ値；１，１００ｍ２／ｇ、５０％粒度分布；４５~７５μｍ））をトリフェニルビスマス化合物に対してパラジウム金属換算で５ｍｏｌ％、リガンドとして２，２’−ビキノリンをトリフェニルビスマス化合物に対して２０ｍｏｌ％、塩基としてフッ化セシウムをトリフェニルビスマス化合物１当量に対して６当量、溶剤としてＮＭＰを２ｍｌ用い、１４０℃でアルゴンガス雰囲気中で２４時間攪拌して反応させた。
その後、触媒をろ過・分離し、１Ｈ−ＮＭＲにて得られた生成物を分析し、ＧＣ／ＭＳにて収率を測定した。実施例における反応式を下記式（４）に記し、結果を表１に示す。
【００２７】
【化５】
2014047203.tif 000006
【００２８】
【表１】
2014047203.tif 000007
【００２９】
続いて、下記参考例をもってＰｄの溶出量について検証を行った。
［参考例１］
上記実施例１において、基質（芳香族ハライドの置換基Ｒ２）を変更したほか同様の操作によって下記の反応を行った。反応式（５）を以下に記す。
【００３０】
2014047203.tif 000008
（５）
【００３１】
［参考例２］
また、本発明のＰｄ溶出抑制効果を比較するために、基質、リガンド、塩基、反応温度を変更した以外は、上記実施例１と同様の操作によって下記の反応を行った。式中のリガンドであるＤＡＢＣＯは１，４−ジアザビシクロ［２．２．２］オクタンの略である。反応式（６）を以下に記す。
2014047203.tif 000009
（６）
【００３２】
上記の参考例１と参考例２について、反応後の触媒をろ過し、溶出によって失われた金属換算のＰｄの量を、誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ；Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  −  Ａｔｏｍｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で測定した。［参考例１］では２．９質量％、［参考例２］では１７質量％であった。このことから、本発明のように、リガンドとして２，２’−ビキノリンを使用した反応では、Ｐｄ触媒の溶出が著しく低減されていることがわかる。