(57)【要約】【課題】大量の強酸を使用せず、耐酸設備や発熱反応の制御が不要な、芳香族ニトロ化合物の工業的合成方法を提供する。【解決手段】遷移金属触媒の存在下で、ハロゲン化芳香族化合物に亜硝酸塩を反応させてニトロ化することにより、大量の強酸を使用せず、耐酸設備や発熱反応の制御が不要な、芳香族ニトロ化合物の工業的合成方法を提供することができる。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
遷移金属触媒の存在下で、ハロゲン化芳香族化合物に亜硝酸塩を反応させて前記ハロゲン化芳香族化合物をニトロ化することにより、対応する芳香族ニトロ化合物を得る芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【請求項２】
前記遷移金属触媒に加えてジアミン配位子の存在下で、前記ニトロ化を行う請求項１記載の芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【請求項３】
前記ハロゲン化芳香族化合物を、ヨウ化芳香族化合物及び／又は臭化芳香族化合物とする請求項１又は２記載の芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【請求項４】
前記遷移金属触媒を、銅粉末及び／又は銅塩とする請求項１から３いずれか記載の芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【請求項５】
前記亜硝酸塩を亜硝酸カリウムとし、前記遷移金属触媒に加えて相間移動触媒の存在下で、前記ニトロ化を行う請求項１から４いずれか記載の芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【請求項６】
前記亜硝酸塩を、亜硝酸テトラアルキルアンモニウム塩とする請求項１から４いずれか記載の芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強酸を使用しない芳香族ニトロ化合物の合成方法に関し、特に、遷移金属触媒の存在下で、ハロゲン化芳香族化合物に亜硝酸イオンを作用させることを特徴とする芳香族ニトロ化合物の合成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニトロベンゼンに代表される芳香族ニトロ化合物は、医薬、農薬、染料、爆薬その他の有機工業製品の出発原料として利用されている。最も簡単な化合物であるニトロベンゼンを例に挙げると、その消費量は、北米で５６１、２４０トン、日本では２４１、４７０トン（１９９５年、国連統計）であり、世界的にみたニトロベンゼンの消費量は膨大である。
【０００３】
ニトロベンゼンの工業的合成には、１９世紀前半にドイツのMitscherichによって発見された、硝酸を単独若しくは硫酸と併用してニトロ化する方法が、１６０年後の現在でも実用的な唯一の方法として全世界で採用されている（化学反応式１）。この古典的な方法は、高濃度の硝酸や濃硫酸を大量に使用するため、一般操作上の危険を伴うものであり、耐酸設備や発熱反応の制御などが不可避である。
【０００４】
【化１】
2006028140.tif 000002
【０００５】
ところで、近年、遷移金属触媒の存在下において、ハロゲン化芳香族化合物のアミド化（化学反応式２）、アミノ化（化学反応式３）、及び、アルコキシ化（化学反応式４）が相次いで報告されている（非特許文献１〜３参照）。
【０００６】
【化２】
2006028140.tif 000003
【０００７】
上記の各反応を応用して、遷移金属触媒の存在下でハロゲン化芳香族化合物に亜硝酸イオンを作用させることにより、ほぼ中性条件下で位置選択的にニトロベンゼン類を合成することができれば、大量の強酸の使用による危険を回避できるうえ、耐酸設備や発熱反応の制御も不要であるため、産業界にとっては非常に有益である。
【非特許文献１】Artis  Klapars  et  al.,  J.  Am.  Chem.  Soc.,  2002,  124,  7421-7428.
【非特許文献２】Artis  Klapars  et  al.,  J.  Am.  Chem.  Soc.,  2001,  123,  7727-7729.
【非特許文献３】J.  F.  Marcoux  et  al.,  J.  Am.  Chem.  Soc.,  1997,  119,  10539-10540.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、大量の強酸を使用せず、耐酸設備や発熱反応の制御が不要な、芳香族ニトロ化合物の工業的合成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】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、遷移金属触媒の存在下で、ハロゲン化芳香族化合物に亜硝酸イオンを作用させることを特徴とする触媒的ニトロ化反応により、芳香族ニトロ化合物が収率良く合成できることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
【００１０】
（１）  遷移金属触媒の存在下で、ハロゲン化芳香族化合物に亜硝酸塩を反応させて前記ハロゲン化芳香族化合物をニトロ化することにより、対応する芳香族ニトロ化合物を得る芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【００１１】
本発明に係る芳香族ニトロ化合物の合成方法は、遷移金属触媒の存在下で、ハロゲン化芳香族化合物に亜硝酸塩を反応させてニトロ化することを特徴とする。より詳しくは、遷移金属触媒による亜硝酸イオンとハロゲン化イオンとの交換反応を利用した芳香族ニトロ化合物の合成方法である。従って、本発明に係る芳香族ニトロ化合物の合成方法によれば、大量の強酸を使用せず、耐酸設備や発熱反応の制御が不要な、芳香族ニトロ化合物の工業的合成方法を提供することができる。
【００１２】
（２）  前記遷移金属触媒に加えてジアミン配位子の存在下で、前記ニトロ化を行う（１）記載の芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【００１３】
本発明に係る芳香族ニトロ化合物の合成方法は、ジアミン配位子の存在下で反応を行うことにより、高い収率でニトロ化合物を合成することができる。このジアミン配位子は、銅粉末等の遷移金属触媒に配位して安定化し、ニトロ化反応を促進させる役割を担っている。具体的なジアミン配位子としては、２級ジアミン配位子が好ましく、中でもＮ，Ｎ‘−ジメチルエチレンジアミン又はＮ，Ｎ‘−ジエチルエチレンジアミンが好ましく用いられる。
【００１４】
（３）  前記ハロゲン化芳香族化合物を、ヨウ化芳香族化合物及び／又は臭化芳香族化合物とする（１）又は（２）記載の芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【００１５】
本発明において好ましく用いられるハロゲン化芳香族化合物は、ヨウ化芳香族化合物及び／又は臭化芳香族化合物である。これらのうち、ヨウ化芳香族化合物を用いた方がニトロ化合物の収率が高く、より好ましく用いられる。また、電子吸引性の置換基を有するヨウ化芳香族化合物の場合には、ニトロ化合物の収率が低いため、電子供与性の置換基を有するヨウ化芳香族化合物が特に好ましく用いられる。さらには、立体障害の影響から、ｏ位置換体を用いた場合にはニトロ化合物の収率が低いため、ｐ置換又はｍ置換のヨウ化芳香族化合物が最も好ましく用いられる。具体的には、p-iodoanisole等が好ましく用いられる。
【００１６】
（４）  前記遷移金属触媒を、銅粉末及び／又は銅塩とする（１）から（３）いずれか記載の芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【００１７】
本発明で好ましく用いられる遷移金属触媒は、銅粉末や銅塩等の銅触媒である。具体的には、銅粉末、ヨウ化銅、臭化銅、塩化銅等が挙げられる。これらのうち、銅粉末を用いたときが最もニトロ化合物の収率が高く、特に好ましく用いられる。
【００１８】
（５）  前記亜硝酸塩を亜硝酸カリウムとし、前記遷移金属触媒に加えて相間移動触媒の存在下で、前記ニトロ化を行う（１）から（４）いずれか記載の芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【００１９】
本発明に係るニトロ化反応では、亜硝酸イオンの発生源である亜硝酸塩として、亜硝酸カリウムが好ましく用いられる。ただし、亜硝酸カリウムを用いた場合には、クラウンエーテル等の相間移動触媒を併用することが好ましく、相間移動触媒と併用することによって、ニトロ化反応を効率良く進行させることができる。
【００２０】
（６）  前記亜硝酸塩を、亜硝酸テトラアルキルアンモニウム塩とする（１）から（４）いずれか記載の芳香族ニトロ化合物の合成方法。
【００２１】
本発明に係るニトロ化反応では、亜硝酸塩として亜硝酸テトラアルキルアンモニウム塩がより好ましく用いられる。この亜硝酸テトラアルキルアンモニウム塩を用いた場合には、クラウンエーテル等の相間移動触媒を用いること無く、ニトロ化反応を効率良く進行させることができる。また、この亜硝酸テトラアルキルアンモニウム塩を用いる場合には、ＤＭＦやＤＭＳＯ等の極性溶媒に限らず、トルエン等の有機溶媒中でもニトロ化反応を進行させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、遷移金属触媒の存在下で、ハロゲン化芳香族化合物に亜硝酸イオンを作用させることにより、大量の強酸を使用せず、耐酸設備や発熱反応の制御が不要な、芳香族ニトロ化合物の工業的合成方法を提供することができる。
【実施例】
【００２３】
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２４】
本発明に係る芳香族ニトロ化反応の最適な反応条件を確立するために、様々な反応条件の検討を行った。検討結果を以下に示す。
【００２５】
＜実施例１＞
［ハロゲン化芳香族化合物の置換基の種類の検討］
本発明に係るニトロ化反応における、ハロゲン化芳香族化合物の置換基の種類による影響について検討を行った。具体的には化学反応式５に示すように、１５ｍｏｌ％のＣｕＩ触媒、３０ｍｏｌ％のＮ，Ｎ‘−ジメチルエチレンジアミン配位子、１００ｍｏｌ％の相間移動触媒（18-crown-6）の存在下で、無水ＤＭＦ溶媒中でヨウ化芳香族化合物に亜硝酸カリウムを作用させて、表１に示す各条件下でニトロ化反応を行った。
【００２６】
【化３】
2006028140.tif 000004
【００２７】
【表１】
2006028140.tif 000005
【００２８】
条件１−１では、基質としてiodobenzeneを用いてニトロ化反応を行った。ニトロ化生成物の収率をＧＣ−ＭＳチャートのピーク積分比から算出したところ、４０％であった。条件１−２は、iodobenzeneのｐ位に電子供与性のＯＭｅ基を導入した基質（4-iodoanisole）を用いて反応を行った場合であり、条件１−１よりも収率は向上し、ニトロ化生成物をカラムクロマトで単離することができた。条件１−３は、iodobenzeneのｍ位にＯＭｅ基を導入した基質（3-iodoanisole）を用いて反応を行った場合であり、条件１−２よりも収率は低下したものの、ニトロ化生成物をカラムクロマトで単離することができた。
【００２９】
以上の結果から、本発明に係るニトロ化反応において、電子豊富なハロゲン化芳香族化合物を基質に用いると、ニトロ化合物の収率が向上することが推察された。これは、ＯＭｅ基等の電子供与性置換基の電子供与効果で芳香環が電子豊富になることによって、Ｃｕ触媒の還元的脱離が促進される一方で、電子欠乏性芳香族化合物は還元的脱離ができずに反応が進行しないためであると考えられた。
【００３０】
＜実施例２＞
［基質としてp-iodoanisoleを用いたニトロ化反応の検討］
本発明に係る芳香族化合物のニトロ化反応においては、ｐ位又はｍ位に電子供与性の置換基を有するハロゲン化芳香族化合物を基質として用いると、ニトロ化合物の収率が向上することが確認されたため、基質としてp-iodoanisoleを用いた反応について検討を行った。具体的には化学反応式６に示すように、１５ｍｏｌ％のＣｕＩ触媒、３０ｍｏｌ％の配位子、相間移動触媒（18-crown-6）の存在下で、無水ＤＭＦ溶媒中でヨウ化芳香族化合物に亜硝酸カリウムを作用させて、表２に示す各条件下でニトロ化反応を行った。
【００３１】
【化４】
2006028140.tif 000006
【００３２】
【表２】
2006028140.tif 000007
【００３３】
条件２−１は、先に述べた条件１−２と全く同一の反応条件である。条件２−２は、脱気した溶媒を用いてニトロ化反応を行った場合であり、若干収率が向上したことから、溶媒中の酸素が反応に悪影響を及ぼしている可能性が考えられた。条件２−３は、これまで反応に用いていた古い銅触媒（純度は９５％）に代えて、純度９９％の新しい銅触媒を用いて反応を行ったものであるが、収率はあまり変わらず、銅触媒の純度の低下は反応活性に影響は無いと考えられた。条件２−４は、シクロヘキサンジアミンをジアミン配位子として用いて反応を行ったものであるが、収率は若干低下した。
【００３４】
＜実施例３＞
［各種の基質、触媒、及び、配位子を用いたニトロ化反応の検討］
基質、触媒、及び、配位子の種類を変更してニトロ化反応条件の検討を行った。具体的には化学反応式７に示すように、１５ｍｏｌ％のＣｕＩ触媒、３０ｍｏｌ％のジアミン配位子、１００ｍｏｌ％の相間移動触媒（18-crown-6）の存在下で、無水ＤＭＦ溶媒中でヨウ化芳香族化合物に亜硝酸カリウムを作用させて、表３に示す各条件下でニトロ化反応を行った。
【００３５】
【化５】
2006028140.tif 000008
【００３６】
【表３】
2006028140.tif 000009
【００３７】
条件３−１〜３−５はいずれも、基質として4-iodoanisoleを用いたものである。条件３−２は、触媒に対して４当量のＤＢＵを配位子として用い、反応系内を塩基性にしてニトロ化反応を行ったものであるが、収率は低下し、ＧＣ−ＭＳ測定により副生成物が確認された。条件３−３は、配位子としてジエチレントリアミンを用いたものであるが、収率の向上は見られなかった。条件３−４は、触媒としてＣｕＩと共にＰｄ錯体（Ｐｄ（ＰＰｈ３）４）を１５ｍｏｌ％用いてニトロ化反応を行ったものである。しかしながら、収率は著しく低下したうえに、Ｐｄ触媒の配位子ＰＰｈ３のＰｈ基がニトロ基の代わりに導入された化合物の他、ビフェニル等が副生成物として得られた。条件３−５では、条件３−４でＰｈ基がニトロ基の代わりに導入されてしまうという結果を考慮して、Ｐｈ基の無い配位子を有するＰｄ触媒を用いてニトロ化反応を行った。収率は、条件３−４より向上した。条件３−６は、基質としてｐ−ヨードアニリンを用いてニトロ化反応を行ったものであり、低収率ではあるものの目的のニトロ化合物を単離することができた。
【００３８】
＜実施例４＞
［触媒及び溶媒の検討］
触媒及び溶媒の種類を変更してニトロ化反応の検討を行った。具体的には化学反応式８に示すように、銅触媒、銅触媒に対して２当量のＮ，Ｎ‘−ジメチルエチレンジアミン配位子、及び、１００ｍｏｌ％の相間移動触媒（18-crown-6）の存在下で、無水溶媒中でp-iodoanisoleに亜硝酸カリウムを作用させて、表４に示す各条件下でニトロ化反応を行った。
【００３９】
【化６】
2006028140.tif 000010
【００４０】
【表４】
2006028140.tif 000011
【００４１】
条件４−１は、これまでの検討でニトロ化合物の収率が最も高かった反応条件である。条件４−２は、ＤＭＦと同様に非プロトン性極性溶媒であるＤＭＳＯを溶媒として用いたものであるが、ＤＭＦを用いた時とニトロ化合物の収率は変わらず、反応性に大きな違いは認められなかった。条件４−３及び４−４は、条件４−１及び４−２のように１０ｍｏｌ％の銅粉末触媒を加えた反応では反応後の溶液に銅粉末触媒が残存していたことを考慮して、銅粉末触媒の量を半分に減らし、ＤＭＦ又はＤＭＳＯ中で反応を行ったものである。その結果、ＤＭＦを用いた場合よりもＤＭＳＯを用いた場合の方が若干活性が高いものの、触媒量を１０ｍｏｌ％としたときの収率には及ばなかった。条件４−５では、収率は銅粉末触媒を用いた場合に比べて低下した。この反応で用いたＣｕＯＴｆは一価であることに加えて、ＯＴｆ基の電子吸引効果によって電子不足になり、銅粉末触媒を用いたときに比べて活性が低下してしまったためと考えられた。
【００４２】
＜実施例５＞
［各種のヨウ化芳香族化合物を基質として用いたニトロ化反応の検討］
これまでの検討により、高収率の得られる反応条件下において、各種のヨウ化芳香族化合物を基質として用いたニトロ化反応について検討を行った。具体的には化学反応式９に示すように、５ｍｏｌ％の銅粉末触媒、及び、１０ｍｏｌ％のＮ，Ｎ‘−ジメチルエチレンジアミン配位子の存在下において、無水ＤＭＦ中でヨウ化芳香族化合物に亜硝酸テトラブチルアンモニウム塩を作用させて、表５に示す各条件下で反応を行った。
【００４３】
【化７】
2006028140.tif 000012
【００４４】
【表５】
2006028140.tif 000013
【００４５】
条件５−１はｐ−ＯＭｅ置換、条件５−２はｍ−ＯＭｅ置換、条件５−３はｐ−ｔＢｕ置換、条件５−４は無置換のヨウ化芳香族化合物を基質としてニトロ化反応を行ったものである。条件５−５は、ＯＭｅ基と同様に電子供与基であるＮＨ２基を有する基質を用いて反応を行ったものであるが、まずまずの収率に留まった。条件５−６は、ヨウ化芳香族化合物のｐ−ＣＯＭｅ置換体を基質として用いた場合であり、条件５−７は、ｍ−ＮＯ２置換体を基質として用いて反応を行ったものである。これらの条件は、電子吸引基が導入された基質を用いたものであるが、生成物を単離したところ、いずれの条件もニトロ化合物の収率は低かった。条件５−８〜５−１１は、基質としてp-iodotolueneを用いて反応を行ったものである。ｐ位に電子供与性基のＭｅ基を有していることから、条件５−１及び５−３の結果を考慮すれば、高収率が期待されたが、いずれの条件下においても２０％前後の低い収率しか得られなかった。また、ＧＣ−ＭＳチャートで確認したところ、条件５−１及び５−３に比べて、ヨウ素が水素に変換された副生成物が多量に生成していた。条件５−１２〜５−１４は、条件５−８〜５−１１で得られたnitrotolueneは分子量が小さく、後処理の蒸留でロスがあると考えて、原料にＭｅ基ではなくｎＢｕ基が導入された基質を用いたものであるが、収率は若干上昇したものの期待した程ではなかった。また、反応時間を延長すると収率が低下していることから、反応中に生成物が副反応等を起こしている可能性が考えられた。ｐ位ではなく、共鳴安定化しないｍ位にＭｅ基が導入された基質を用いて反応を行ったものが、条件５−１５である。収率は、ｐ位にＭｅ基が導入された基質を用いた条件５−８〜５−１１に比べて著しく上昇した。
【００４６】
＜実施例６＞
［臭化芳香族化合物を基質として用いたニトロ化反応の検討］
これまでの検討では、基質としてヨウ化芳香族化合物を用いたニトロ化反応について検討を行ってきたが、臭化芳香族化合物を基質として用いたニトロ化反応についての検討を試みた。具体的には化学反応式１０に示すように、５ｍｏｌ％の銅粉末触媒、及び、１０ｍｏｌ％のＮ，Ｎ‘−ジメチルエチレンジアミン配位子の存在下で、無水ＤＭＦ中でp-bromoanisoleに亜硝酸テトラブチルアンモニウム塩を作用させて、１００℃×１８．５時間の反応を行った。その結果、ヨウ化芳香族化合物よりも活性は低いものの、まずまずの収率（４２％）でp-nitroanisoleが得られた。
【００４７】
【化８】
2006028140.tif 000014
【００４８】
＜実施例７＞
［ジアミン配位子の検討］
これまでの検討では、高収率の得られるジアミン配位子としてＮ，Ｎ‘−ジメチルエチレンジアミン配位子を用いていたが、本検討では他のジアミン配位子を用いた反応を行った。具体的には化学反応式１１に示すように、１５ｍｏｌ％のＣｕＩ触媒、３０ｍｏｌ％のジアミン配位子、及び、１００ｍｏｌ％の18-crown-6の存在下で、無水ＤＭＦ溶媒中で基質の4-iodoanisoleに亜硝酸カリウムを作用させて、表６に示すような各条件下で検討を行った。
【００４９】
【化９】
2006028140.tif 000015
【００５０】
【表６】
2006028140.tif 000016
【００５１】
条件６−１は、これまでの検討で高収率が得られているＮ，Ｎ‘−ジメチルエチレンジアミン配位子を用いて反応を行ったものである。条件６−２は、配位子を用いずに反応を行ったものであるが、反応は進行するものの収率は低く、配位子は収率の向上に有効であることが確認された。条件６−３及び６−４は、１級及び３級ジアミン配位子を用いて反応を行ったものである。いずれも配位子を加えていない条件６−２とほぼ同程度の収率であり、配位子として機能していない可能性が示唆された。条件６−５は、四座のアミン配位子を用いて反応を行ったものであるが、反応はほとんど進行しなかった。これは、配位したときに立体的に混み合っていることが原因と考えられた。条件６−６は、メチルからエチルに側鎖が伸びたＮ，Ｎ‘−ジエチルエチレンジアミン配位子を用いて反応を行ったものである。側鎖がメチルであるジアミン配位子を用いた条件６−１と比較して、収率は向上した。収率向上の要因は、Ｎ，Ｎ‘−ジエチルエチレンジアミン配位子の方が、Ｎ，Ｎ‘−ジメチルエチレンジアミン配位子よりも沸点が高いため、溶液中により多く残存してＣｕＩ触媒に配位し易いためであると考えられた。