(57)【要約】【課題】酸化剤として過酸化水素を用いた３，５，５−トリメチルシクロヘキサ−３−エン−１−オン（β−イソホロン）の接触酸化による、２，６，６−トリメチル−２−シクロヘキセン−１，４−ジオン（ケト−イソホロン）を提供する。【解決手段】意外にも、低コストの酸化剤としての過酸化水素の使用下で、活性触媒としてのタングステン−ポリオキソメタラート、いわゆる（ＰＯＭ）触媒を用いて、高い転化率および高い収率で、β−イソホロンからケト−イソホロンへの直接変換を達成できることが見出された。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１種の触媒および過酸化水素の存在で、ワンポット合成での、β−イソホロンの接触酸化によるケト−イソホロンの製造方法において、前記酸化を少なくとも１種の相間移動試薬の存在で、
Ａ）少なくとも１つの有機相
および
Ｂ）少なくとも１つの水相
からなる二相系中で行い、
ここで、前記二相系は
１）触媒としての少なくとも１種のタングステン−ポリオキソメタラートおよび過酸化水素
および／または
２）
ａ）少なくとも１種の鉱酸、
ｂ）過酸化水素、
ｃ）少なくとも１種の金属タングステン酸塩
からなる混合物を含む、
ケト−イソホロンの製造方法。
【請求項２】
前記酸化を３０〜１２０℃、好ましくは５０〜８０℃の範囲の温度で実施することを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
β−イソホロン対Ｈ2Ｏ2の比率は、１：０．７〜１：３質量％、好ましくは１：１〜１：２．２質量％であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
有機相対水相の比率は１：１０〜５：１質量％、好ましくは１：４〜２：１質量％で変化することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記水相中のＨ2Ｏ2濃度は、１〜５０質量％、好ましくは２〜３０質量％であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
触媒対Ｈ2Ｏ2のモル比は、１：１０〜１：４００、好ましくは１：５０〜１：２００であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
相間移動試薬として、第四級アンモニウム塩、第三級アミンまたは第四級ホスホニウム塩を、単独でまたは混合した形で使用することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
相間移動試薬として、ドデシルトリメチルアンモニウム塩、ヘキサデシルトリメチルアンモニウム塩、オクタデシルトリメチルアンモニウム塩、メチルトリブチルアンモニウム塩、メチルトリオクチルアンモニウム塩、ドデシルジメチルアミン、ヘキサデシルジメチルアミン、オクタデシルジメチルアミン、トリブチルアミン、トリオクチルアミン、アルキルホスホニウム塩、ベンジルホスホニウム塩およびフェニルホスホニウム塩、好ましくはジ−ｔｅｒｔ−ブチルメチルホスホニウムテトラフルオロボラート、ベンジルトリフェニルホスホニウムクロリドおよびトリフェニルブチルホスホニウムクロリドを、単独でまたは混合した形で使用することを特徴とする、請求項７記載の方法。
【請求項９】
鉱酸として、リン酸、亜リン酸、ポリリン酸、ピロリン酸を、単独でまたは混合した形で使用することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
タングステン酸ナトリウム、タングステン酸カリウムおよび／またはタングステン酸アンモニウムを、単独でまたは混合した形で使用することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
使用される触媒系は、タングステン酸ナトリウム、リン酸、および相間移動試薬からなることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
相間移動試薬としてトリオクチルアミンを使用することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の対象は、酸化剤として過酸化水素を用いた３，５，５−トリメチルシクロヘキサ−３−エン−１−オン（β−イソホロン）の接触酸化による、２，６，６−トリメチル−２−シクロヘキセン−１，４−ジオン（ケト−イソホロン）の新規製造方法である。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、タングステン塩（タングステン酸ナトリウム）、リン酸および相間移動試薬からなる触媒系を用いたワンポット合成での３，５，５−トリメチルシクロヘキサ−３−エン−１−オン（β−イソホロン、β−ＩＰ）のエポキシ化およびこの化合物の２，６，６−トリメチル−２−シクロヘキセン−１，４−ジオン（ケト−イソホロン）への直接的後続反応に関する。
【０００３】
イソホロン（ＩＰ）は、アセトンの縮合によって得られ、これはトリマーの縮合生成物である。この反応の後に、３，５，５−トリメチルシクロヘキサ−２−エン−１−オン（α−イソホロン）と３，５，５−トリメチルシクロヘキサ−３−エン−１−オン（β−イソホロン）の異性体混合物が生じる（米国特許第８８８９９１４号明細書(US 8889914 B2)）。
【０００４】
液相中で均一系触媒または不均一系触媒の存在での３，５，５−トリメチルシクロヘキサ−２−エン−１−オン（α−イソホロン）の異性化により、３，５，５−トリメチルシクロヘキサ−３−エン−１−オン（β−イソホロン）は極めて良好な収率で製造することができる（独国特許出願公開第１９６３９５６９号明細書(DE 19639569 A1)）。
【０００５】
β−ＩＰに基づいて、ビタミンＥの製造のための前駆体として使用することができるトリメチルヒドロキノンジアセタート（ＴＭＨＱ−ＤＡ）を製造することができる。したがって、ＩＰは、ビタミンＥへのアクセスを可能にし、かつこの関連で、同様にビタミンＥの前駆体であるトリメチルフェノールの代替物として考慮することができる。
【０００６】
イソホロン（ＩＰ）に基づいてビタミンＥを製造するための、今までの方法にとって経済性を決定する重要な工程は、中間成分のケト−イソホロンへの変換である。
【０００７】
文献からは、ペルオキシカルボン酸を用いたβ−イソホロンのエポキシ−イソホロンへの酸化が公知である（DE 110024265/米国特許第６４６９２１５号明細書(US 6469215 B1))。これらの特許の例において、β−イソホロンの酸化の他に、プロピオン酸と過酸化水素とからのペルプロピオン酸の製造およびエポキシ−イソホロンのジヒドロケト−イソホロンへの変換も記載されている。
【０００８】
しかしながら、ケト−イソホロンまでの数多くの反応工程および方法工程、ならびに安全性が問題視されるペルオキシカルボン酸および高価な触媒系の使用は、経済的理由からも、安全性の理由からも、この方法の大きな欠点である。
【０００９】
その他に、β−イソホロンのケト−イソホロンへの直接酸化が公知である（独国特許出願公開第１９６１９５７０号明細書(DE 19619570 A1)）。この場合、β−イソホロンは、酸素および高価なマンガン−サレン触媒を用いて、高めた圧力（１０ｂａｒまで）で酸化される。高めた圧力および純酸素の使用の必要性は、この場合、生産装置の構築にとって安全工学的挑戦を意味する。
【００１０】
学術的刊行物からは、α−イソホロンから直接ケトイソホロンへの直接酸化も記載されている（1.) Catalysis Commun 11_2010_758-762/ 2.) Applied Catalysis A General 345_2008_104-111）。しかしながら、ケト−イソホロンを大規模工業的に製造するためには、ケト−イソホロンへの転化率および選択率は低すぎ、使用される触媒および／または酸化剤（例えば：有機ペルオキソ化合物またはＮ−ヒドロキシフタルイミド（ＮＨＰＩ））は高価すぎる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第８８８９９１４号明細書(US 8889914 B2)
【特許文献２】独国特許出願公開第１９６３９５６９号明細書(DE 19639569 A1)
【特許文献３】DE 110024265
【特許文献４】米国特許第６４６９２１５号明細書(US 6469215 B1)
【特許文献５】独国特許出願公開第１９６１９５７０号明細書(DE 19619570 A1)
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Catalysis Commun 11_2010_758-762
【非特許文献２】Applied Catalysis A General 345_2008_104-111
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、上述のような欠点を有しない方法を見出し、かつそれによりケト−イソホロンのより簡単な製造方法を見出すことであった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
意外にも、低コストの酸化剤としての過酸化水素の使用下で、活性触媒としてのタングステン−ポリオキソメタラート、いわゆる（ＰＯＭ）触媒を用いて、高い転化率および高い収率で、β−イソホロンからケト−イソホロンへの直接変換を達成できることが見出された。
【００１５】
また、ケト−イソホロンは、タングステン−ＰＯＭを用いる触媒作用による「ワンポット」酸化反応で直接β−イソホロンから生成することができることが見出された。
【００１６】
本発明の対象は、少なくとも１種の触媒および過酸化水素の存在で、ワンポット合成での、β−イソホロンの接触酸化によるケト−イソホロンの製造方法において、この酸化を少なくとも１種の相間移動試薬の存在で、
Ａ）少なくとも１つの有機相
および
Ｂ）少なくとも１つの水相
からなる二相系中で行い、
ここで、二相系は
１）触媒としての少なくとも１種のタングステン−ポリオキソメタラートおよび過酸化水素
および／または
２）
ａ）少なくとも１種の鉱酸、
ｂ）過酸化水素、
ｃ）少なくとも１種の金属タングステン酸塩
からなる混合物を含む、
ケト−イソホロンの製造方法である。
【００１７】
水相は、酸化剤として過酸化水素を含む。タングステン−ＰＯＭ−触媒系は、反応の間にin situで生成されるか（２に従う）、あるいは予め生成されて（１に従う）使用することができる。この場合、金属タングステン酸塩は、水相中で、鉱酸、好ましくはリン酸、および過酸化水素と反応して、タングステン−ポリオキソメタラート（ＰＯＭ）となる。
【００１８】
この触媒であるタングステン−ＰＯＭは、少なくとも１種の鉱酸、好ましくはリン酸、少なくとも１種の金属タングステン酸塩、好ましくは金属がナトリウムである金属タングステン酸塩から製造され、この場合、次いで過酸化水素の存在で、タングステン−ポリオキソメタラート（タングステン−ＰＯＭ）の生成が行われる。
【００１９】
タングステン−ポリオキソメタラート（タングステン−ＰＯＭ）触媒は、国際公開第２０１５／１７７０１１号（WO2015177011 A1）にも記載されているように製造することができる：
触媒活性の遷移金属化合物の生成についての出発材料として、特にタングステンの誘導体が適している。誘導体として、とりわけ酸化物、混合酸化物、酸素含有の酸、酸素含有の酸の塩、カルボニル誘導体、硫化物、塩化物、オキシ塩化物または元素のタングステンのステアリン酸塩が挙げられる。
【００２０】
適切な誘導体は、例えば金属カルボニルのＷ（ＣＯ）6、酸化物のＷＯ2、Ｗ2Ｏ5、ＷＯ3、硫化物のＷＳ2またはＷＳ3である。他の例は、酸素酸のＨ2ＷＯ4およびＨ2ＭｏＯ4もしくはこれらのアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩である。特に、タングステン酸塩、特にタングステン酸ナトリウム、タングステン酸カリウムおよびタングステン酸アンモニウムが適している。in situで触媒活性の遷移金属化合物を生成するための特に適した化合物は、タングステン酸ナトリウムのＮａ2ＷＯ4であることが判明した。
【００２１】
in situで触媒活性の遷移金属化合物の生成は、好ましくはリンの鉱酸を用いた反応により行われる。しかしながら、触媒活性の遷移金属化合物の生成は、別個の反応で行うこともでき、この場合、まず上述の遷移金属化合物をリンおよび／またはヒ素の鉱酸ならびに過酸化水素と反応させ、こうして得られた触媒活性の遷移金属化合物をエポキシ化反応の二相系に添加する。
【００２２】
リンの鉱酸は、二相系に添加される。この場合、遷移金属もリンも含む触媒活性の遷移金属化合物が生じる。
【００２３】
特に有効なリンの鉱酸は、リン酸、亜リン酸、ポリリン酸、ピロリン酸である。
【００２４】
特に好ましい実施形態の場合に、触媒活性の遷移金属化合物は、タングステン酸塩、ことにタングステン酸ナトリウム、タングステン酸カリウムまたはタングステン酸アンモニウムと、リン酸および過酸化水素との反応によりin situで触媒を生成する。
【００２５】
好ましくは、遷移金属に対するリン酸の材料量の比率は、０．１〜１０．０、特に好ましくは０．２５〜５．０、最も好ましくは１〜２である。
【００２６】
製造された触媒系は、１℃〜２００℃の広い温度範囲で使用することができる。
【００２７】
水中でのβ−イソホロンの溶解度が悪いため、相間移動試薬が必要とされる。相間移動試薬は、過酸化水素による酸化により生成された酸化活性の触媒種のタングステン−ＰＯＭの有機層中への移行を可能にする。ここで、β−ＩＰのケト−イソホロンへの酸化が行われる。引き続き、還元された触媒は、水相中で過酸化水素によりタングステン−ＰＯＭに再度酸化される。
【００２８】
相間移動試薬は、カチオンまたは水相中でカチオンを生成する化合物を含み、ここで、カチオンはペルオキソタングステン酸塩またはヘテロポリペルオキソタングステン酸塩と一緒に、有機相中で溶解する塩を生成することができる。好ましくは、相間移動試薬は、一価のカチオン、または水相中で一価のカチオンを生成する化合物を含む。
【００２９】
相間移動試薬として、第四級アンモニウム塩、第三級アミンまたは第四級ホスホニウム塩が適している。
【００３０】
適切な第四級アンモニウム塩は、アルキル基中に全体として少なくとも１２の炭素原子を有するテトラアルキルアンモニウム塩、例えばドデシルトリメチルアンモニウム塩、ヘキサデシルトリメチルアンモニウム塩、オクタデシルトリメチルアンモニウム塩、メチルトリブチルアンモニウム塩およびメチルトリオクチルアンモニウム塩である。一価または二価のアニオン、例えば塩化物イオン、臭化物イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、リン酸水素イオン、リン酸二水素イオン、メチルスルホン酸イオン、メチル硫酸イオンおよびエチル硫酸イオンとの第四級アンモニウム塩も適している。
【００３１】
適切な第三級アミンは、ドデシルジメチルアミン、ヘキサデシルジメチルアミン、オクタデシルジメチルアミン、トリブチルアミンおよびトリオクチルアミンである。
【００３２】
適切な第四級ホスホニウム塩は、アルキルホスホニウム塩、ベンジルホスホニウム塩およびフェニルホスホニウム塩であり、例えばジ−ｔｅｒｔ−ブチルメチルホスホニウムテトラフルオロボラート、ベンジルトリフェニルホスホニウムクロリドおよびトリフェニルブチルホスホニウムクロリドである。
【００３３】
有利に使用される触媒系は、タングステン酸ナトリウム、リン酸、ならびに相間移動試薬、好ましくは反応条件下で相当するアンモニウム塩にプロトン化されるトリオクチルアミンからなる。
【００３４】
β−イソホロンのケト−イソホロンへの酸化は、この場合、複数の工程で進行する：
１．  β−イソホロン（Ａ）のエポキシド（Ｂ）へのエポキシ化、
２．  エポキシド（Ｂ）のヒドロキシ−イソホロン（ＨＩＰ）（Ｃ）への転位、
３．  ＨＩＰのケト−イソホロン（ＫＩＰ）（Ｄ）への酸化。
【化１】
2018090584.tif 000002
【００３５】
式１：酸化剤（ＯＸ）としての過酸化水素を用いた、β−イソホロン（Ａ）のタングステン−ＰＯＭ−接触酸化の反応メカニズム
β−イソホロンのケト−イソホロンへの酸化は次の条件下で行うことができる：
温度は、３０〜１２０℃、好ましくは５０〜８０℃の範囲で可変である。
【００３６】
β−イソホロン対Ｈ2Ｏ2の比率は、１：０．７〜１：３質量％、好ましくは１：１〜１：２．２質量％である。
【００３７】
有機相（特にβ−イソホロン、ＨＩＰ、ＫＩＰ）対水相（特に水およびＨ2Ｏ2）の比率は、１：１０〜５：１質量％、好ましくは１：４〜２：１質量％で可変である。
【００３８】
水相中のＨ2Ｏ2濃度は、１〜５０質量％、好ましくは２〜３０質量％である。
【００３９】
触媒（タングステンＰＯＭ）対Ｈ2Ｏ2のモル比は、１：１０〜１：４００、好ましくは１：５０〜１：２００である。
【実施例】
【００４０】
実施例の一般的な試験の実施（本発明による）
還流冷却器および攪拌機を備えた５０ｍｌの三つ頸丸底フラスコ内に、Ｎａ2ＷＯ4×２Ｈ2Ｏ、Ｈ3ＰＯ4、相間移動試薬（ＰＴＣ）、β−イソホロン、および水からなる混合物を装入し、反応温度（Ｔ）に加熱する。反応温度に達した後に、３０％濃度の過酸化水素の必要量を、５分間で、注入器を用いてフラスコ内に計量供給する。引き続き、この反応混合物を、残りの反応時間撹拌する。試験の終了後に、混合物を絶えず攪拌しながら冷却し、ジオキサンと一緒に均質化する。引き続き、この混合物を、ガスクロマトグラフィー、ＮＭＲ（有機化合物の決定）およびセリウム滴定（Ｈ2Ｏ2分析）により分析する。
【００４１】
この場合、目標は、β−イソホロンのできる限り高い転化率（Ｕ）および同時に酸化生成物（ＨＩＰ＋ＫＩＰ）の高い収率（Ａ）を達成することであった。その他に、Ｈ2Ｏ2利用率（ＫＩＰ＋ＨＩＰの材料量の合計と、Ｈ2Ｏ2の使用した材料量との商）も、効率的なプロセスのために重要な役割を示す。影響要因として、次の変更を加える：
−  相間移動試薬（実施例１〜４）
−  温度（実施例４〜６）
−  Ｈ2Ｏ2量（実施例４および７）
【００４２】
反応条件：
５０ｍｌの丸底フラスコ、２．５ｇのβ−イソホロン（１８ｍｍｏｌ）、２．２５〜４．５ｇの３０％濃度のＨ2Ｏ2溶液（水性、４０ｍｍｏｌ）、タングステン−ＰＯＭ−触媒（１００ｍｇのＮａ2ＷＯ4×２Ｈ2Ｏ（０．３ｍｍｏｌ）、２００ｍｇのＨ3ＰＯ4（８５％濃度、１．７ｍｍｏｌ）、０．２３ｍｍｏｌ）、相間移動試薬（１．なし／２．Rewoquat CR 3099／３．トリオクチルメチルアンモニウム−メチルスルファート（ＴＭＡＭＳ）、４．トリオクチルアミン）、５ｇの水、ｐＨ＝２、時間＝２ｈ、温度７０〜９０℃。過酸化水素を用いたβ−イソホロンのタングステン−ポリオキソメタラートによる接触酸化の実施例１〜９のそれぞれの反応条件は、表１にまとめられている。
【００４３】
実施例１〜４（相間移動試薬の変更）
種々の相間移動試薬を用いた結果は、表１（実施例１〜４の記載参照）に示されている。イソホロンのケト−イソホロンへの反応は、２段階の酸化であり、したがって、β−イソホロンに対してＨ2Ｏ2の２．２倍の過剰量が使用され、反応温度（Ｔ）は８０℃であった。
【００４４】
相間移動試薬なしでは、標的反応は極めてゆっくりと進行する。β−イソホロンは、主にα−イソホロンに異性化され、かつ不所望な副生成物に変換される（表１の実施例１の記載参照）。
【００４５】
ＰＴＣとして、反応条件下で相当するアンモニウム塩にプロトン化されるトリオクチルアミンを使用することにより、ケト−イソホロンについて最も高い収率を達成することができた（表１の項目４）。β−イソホロンの転化率は、ほぼ完全（Ｕ＝９９％）であり、ケト−ＩＰの収率（Ａ）は、４２％であった。しかしながら、α−イソホロン（収率：１０％）および特にヒドロキシ−イソホロン（収率３５％）も、有用生成物であり、というのもこれらは連続的な製造方法において、残りの反応混合物から分離され、かつ再びこの製造プロセスに返送することができるためである。α−イソホロンは、再度β−イソホロンに異性化することができ、ＨＩＰは、再度ケト−ＩＰに酸化させるためにこの反応に直接返送することができる。したがって、酸化分子（ＨＩＰおよびＫＩＰ）の合計の収率は７７％である。有用生成物（α−イソホロン、ＨＩＰおよびＫＩＰ）の収率は、それどころか８７％である。
【００４６】
実施例４〜６（温度の変更）
異なる温度（７０〜９０℃）での結果は、表１（実施例４〜６の記載参照）に示す。イソホロンのケト−イソホロンへの反応は、さらにβ−イソホロンに対してＨ2Ｏ2の２．２倍の過剰量で実施され、相間移動試薬としてトリオクチルアミンを使用した。
【００４７】
７０℃の反応温度は、僅かなＫＩＰ収率（２４％）を生じさせるが、高められたＨＩＰ収率（６７％）を生じさせた。酸化分子（ＨＩＰおよびＫＩＰ）の合計の収率は９１％であり、かつ８０℃の反応温度の場合よりも１４％高く、かつＨ2Ｏ2利用率も５３％に僅かに高まる。
【００４８】
これに対して９０℃の反応温度は、不所望の副生成物／分解生成物を生成し、ＫＩＰ収率およびＨＩＰ収率の合計は７２％に低下し、かつＨ2Ｏ2利用率も４８％に僅かにではあるが低下する。
【００４９】
実施例４および７（Ｈ2Ｏ2量の変更）
Ｈ2Ｏ2利用率は、使用したＨ2Ｏ2量の低減により明らかに高めることができる。Ｈ2Ｏ2転化率とＨ2Ｏ2利用率との間の差は、副生成物／分解生成物の分解および生成により説明することができ、このことは全ての実施例（実施例１〜７）について当てはまる。
【００５０】
１．１倍のイソホロン材料量について使用したＨ2Ｏ2量を５０％低減する場合、Ｈ2Ｏ2利用率は８５％にまで向上する。しかしながら、酸化された分子（ＨＩＰおよびＫＩＰ）の合計は、さらに極めて良好の７６％である。
【００５１】
結論：
２，６，６−トリメチル−２−シクロヘキセン−１，４−ジオン（ケト−イソホロン）は、酸化剤として過酸化水素を用いる３，５，５−トリメチルシクロヘキサ−３−エン−１−オン（β−イソホロン）の接触酸化により、ワンポット合成で効率的に製造することができる。ケト−イソホロン（ＫＩＰ）の他に、ヒドロキシ−イソホロン（ＨＩＰ）も生成され、これは連続的プロセスにおいて残りの反応混合物から分離され、再度ケト−イソホロンに酸化させることができる。
【００５２】
タングステン酸ナトリウム、リン酸、ならびに相間移動試薬としてトリオクチルアミンからなる使用された触媒系により、酸化分子（ＨＩＰおよびＫＩＰ）の９１％までの収率が達成された。有用生成物（ＨＩＰ＋ＫＩＰ）についての極めて良好な収率の他に、８５％までのＨ2Ｏ2利用率も卓越している。
【表１】
2018090584.tif 000003