(57)【要約】改良された酸化方法を提供する。該方法では、酸化する基質（たとえばフェノール類、アルケン類）と、酸化触媒（通常、有機溶媒系中に分散）とを含む反応混合物に、該反応混合物を膨張させることにより酸化反応を促進する圧縮ガスが補給される。好ましい実施態様において、前記膨張ガスとして未臨界値または超臨界の二酸化炭素が使用され、酸化剤とともに反応混合物中に導入される。本発明の方法は、酸化剤の反応混合物への溶解度を向上させることにより、基質の転化率および生成物の選択性を向上させる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記工程を含む、基質を酸化するための方法：
酸化可能な基質と酸化触媒とを含む反応混合物を調製する工程；
前記最初の反応混合物中に、該反応混合物を体積膨張させるために圧縮ガスを導入する工程；および
前記体積膨張した反応混合物に酸化剤を加え、前記基質の酸化を生じさせる工程。
【請求項２】
前記反応混合物がさらに有機溶媒系を含み、前記基質および触媒が該溶媒系中に分散されている請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基質が液状の酸化可能な基質である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記体積膨張した反応混合物が、前記導入工程前の前記反応混合物よりも低密度である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ガスが、二酸化炭素、Ｎ２ Ｏ、キセノン、およびＳＦ６ からなる群より選ばれる請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ガスが二酸化炭素である請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記二酸化炭素が、該二酸化炭素の超臨界条件で導入される請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ガスが、前記反応混合物中に懸濁状態の前記触媒を維持しうる量で導入される請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記基質が、フェノール類、アルケン類、シクロアルケン類、アルカン類およびアルコール類、およびこれらの混合物からなる群より選ばれる請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記基質がシクロヘキセンである請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記反応混合物が、アセトニトリル、塩化メチレン、ジメチルスルホキシド、アセトン、ヘキサン、クロロホルム、トルエン、ジクロロエタンおよびこれらの混合物からなる群より選ばれる溶媒からなる有機溶媒系を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記触媒が、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ｒｕ、およびＲｈの遷移金属錯体およびそれらの混合物からなる群より選ばれる請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記触媒が、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） 、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ） 、およびＰＦＴＰＰＦｅＣｌからなる群より選ばれる請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記酸化剤が、空気、酸素、オゾン、Ｎ２ Ｏおよびこれらの混合物からなる群より選ばれる請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記導入工程が、大気圧を超える圧力における閉鎖系中で実施される請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記導入および酸化工程の間、前記反応混合物を約２０−２５０バールの圧力下に保つ工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記反応混合物を約−７０ないし２５０℃の温度に保つ工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
酸化する基質、酸化触媒、および反応混合物の体積をガスを含まない時のその体積より膨張させるために充分な量の圧縮ガスを含む反応混合物。
【請求項１９】
前記反応混合物がさらに有機溶媒系を含み、前記基質および触媒が該溶媒系中に分散されている請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項２０】
前記基質が液状の酸化可能な基質である請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項２１】
前記体積膨張した反応混合物が、前記ガスを含まないときの該反応混合物よりも低密度である請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項２２】
前記ガスが、二酸化炭素、Ｎ２ Ｏ、キセノン、およびＳＦ６ からなる群より選ばれる請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項２３】
前記ガスが二酸化炭素である請求項２２に記載の反応混合物。
【請求項２４】
前記二酸化炭素が、該二酸化炭素の超臨界条件で導入される請求項２３に記載の反応混合物。
【請求項２５】
前記ガスが、前記反応混合物中に懸濁状態の前記触媒を維持しうる量で存在する請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項２６】
前記基質が、フェノール類、アルケン類、シクロアルケン類、アルカン類およびアルコール類、およびこれらの混合物からなる群より選ばれる請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項２７】
前記基質がシクロヘキセンである請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項２８】
前記反応混合物が、アセトニトリル、塩化メチレン、ジメチルスルホキシド、アセトン、ヘキサン、クロロホルム、トルエン、ジクロロエタンおよびこれらの混合物からなる群より選ばれる溶媒からなる有機溶媒系を含む請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項２９】
前記触媒が、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ｒｕ、およびＲｈの遷移金属錯体およびこれらの混合物からなる群より選ばれる請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項３０】
前記触媒が、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） 、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ） 、およびＰＦＴＰＰＦｅＣｌからなる群より選ばれる請求項２９に記載の反応混合物。
【請求項３１】
前記酸化剤が、空気、酸素、オゾン、Ｎ２ Ｏおよびこれらの混合物からなる群より選ばれる請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項３２】
前記反応混合物が、大気圧を超える圧力において閉鎖系に保たれる請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項３３】
前記反応混合物が、前記導入および酸化工程の間、約２０−２５０バールの圧力下にある請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項３４】
前記反応混合物の温度が約−７０ないし２５０℃である請求項１８に記載の反応混合物。
【請求項３５】
基質と酸化触媒とを含む反応混合物を調製する工程を含む該基質の酸化方法における、該反応混合物を体積膨張させる工程および該体積膨張した反応混合物中で前記基質を酸化する工程を含む改善された方法。
【請求項３６】
体積膨張した反応混合物を形成するために、前記反応混合物中に圧縮された不活性ガスを導入する工程を含む請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記圧縮された不活性ガスが前記基質を酸化するための酸化剤である請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
酸化剤を、前記不活性ガスとは別々に前記反応混合物に供する工程を含む請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記反応混合物がさらに有機溶媒系を含み、前記基質および触媒が該溶媒系中に分散されている請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記基質が液状の酸化可能な基質である請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記ガスが、二酸化炭素、Ｎ２ Ｏ、キセノン、およびＳＦ６ からなる群より選ばれる請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記ガスが二酸化炭素である請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記二酸化炭素を、該二酸化炭素の超臨界条件で導入する工程を含む請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記基質が、フェノール類、アルケン類、シクロアルケン類、アルカン類およびアルコール類、およびこれらの混合物からなる群より選ばれる請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
前記基質がシクロヘキセンである請求項３５に記載の方法。
【請求項４６】
前記反応混合物が、アセトニトリル、塩化メチレン、ジメチルスルホキシド、アセトン、ヘキサン、クロロホルム、トルエン、ジクロロエタンおよびこれらの混合物からなる群より選ばれる溶媒からなる有機溶媒系を含む請求項３５に記載の方法。
【請求項４７】
前記触媒が、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ｒｕ、およびＲｈの遷移金属錯体およびこれらの混合物からなる群より選ばれる請求項３５に記載の方法。
【請求項４８】
前記触媒が、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） 、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ） 、およびＰＦＴＰＰＦｅＣｌからなる群より選ばれる請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記酸化剤が、空気、酸素、オゾン、Ｎ２ Ｏおよびこれらの混合物からなる群より選ばれる請求項３５に記載の方法。
【請求項５０】
前記反応混合物を約２０−２５０バールの圧力下に保つ工程を含む請求項３５に記載の方法。
【請求項５１】
前記反応混合物を約−７０ないし２５０℃の温度に保つ工程を含む請求項３５に記載の方法。
【請求項５２】
酸化する基質、該基質のための酸化触媒、および反応混合物に、ガスを含まない時の該反応混合物の体積よりも体積膨張を生じさせる圧縮ガスを含む反応混合物。
【請求項５３】
前記ガスが前記基質のための酸化剤である請求項５２に記載の反応混合物。
【請求項５４】
酸化剤を前記ガスとは別に前記反応混合物中に含む請求項５２に記載の反応混合物。
【請求項５５】
前記反応混合物が有機溶媒系を含み、前記基質および触媒が該溶媒系中に分散されている請求項５２に記載の反応混合物。
【請求項５６】
前記ガスが、二酸化炭素、Ｎ２ Ｏ、キセノン、およびＳＦ６ からなる群より選ばれる請求項５２に記載の反応混合物。
【請求項５７】
前記ガスが二酸化炭素である請求項５６に記載の反応混合物。
【請求項５８】
前記ガスが、前記反応混合物中に懸濁状態の前記触媒を維持しうる量で存在する請求項５２に記載の反応混合物。
【請求項５９】
前記基質が、フェノール類、アルケン類、シクロアルケン類、アルカン類およびアルコール類、およびこれらの混合物からなる群より選ばれる請求項５２に記載の反応混合物。
【請求項６０】
前記基質がシクロヘキセンである請求項５２に記載の反応混合物。
【請求項６１】
前記反応混合物が、アセトニトリル、塩化メチレン、ジメチルスルホキシド、アセトン、ヘキサン、クロロホルム、トルエン、ジクロロエタンおよびこれらの混合物からなる群より選ばれる溶媒からなる有機溶媒系を含む請求項５２に記載の反応混合物。
【請求項６２】
前記触媒が、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ｒｕ、およびＲｈの遷移金属錯体およびこれらの混合物からなる群より選ばれる請求項５２に記載の反応混合物。
【請求項６３】
前記触媒が、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） 、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ） 、およびＰＦＴＰＰＦｅＣｌからなる群より選ばれる請求項６２に記載の反応混合物。
【請求項６４】
前記反応混合物が、大気圧を超える圧力において閉鎖系に保たれる請求項５２に記載の反応混合物。
【請求項６５】
前記反応混合物が約２０−２５０バールの圧力下にある請求項５２に記載の反応混合物。
【請求項６６】
前記反応混合物の温度が約−７０ないし２５０℃である請求項５２に記載の反応混合物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
［技術分野］
本発明は、有機基質の酸化方法（および酸化反応混合物）に広く関する。ここでは、酸化可能な基質／酸化触媒の反応混合物を、圧縮ガスの使用により、体積膨張させ、基質の酸化を促進し加速する。より詳しくは、好ましい態様の本発明は、前記基質および酸化触媒とともに有機溶媒系を含む酸化反応混合物に関し、そこでは、該反応混合物中に、体積膨張のための二酸化炭素などの不活性ガスが導入され、次いで酸化剤の導入；体積膨張が前記基質の酸化の加速を促進する。
【０００２】
［従来技術の記述］
従来の有機溶媒中での有機基質の均一系接触酸化では、触媒および基質を、塩化メチレンまたはアセトニトリルなどの適当な有機溶媒中に溶解し、初期反応混合物を調製する。次いで反応混合物中にＯ２ を通気させる。反応は、所望の転化率に到達するまで“開放”系で進行する。しかしながら、この従来の方法はいくつかの欠点を有している。まず、高温では発生する蒸気が爆発性混合物を形成することがあるため、上限温度は基質および／または溶媒の沸点によて制限されてしまうことである。このため反応は、蒸気圧が小さい、低めの温度で行われる。
【０００３】
従来技術の方法における他の問題は、そのような低い温度での反応速度は遅いため、バッチ時間を長くさせるか、連続プロセスでの必要反応器容積を増大させる。このように有害性の物質が反応環境中に多量に滞留することは、安全とはいえない。
【０００４】
さらに従来技術の方法では、反応混合物中へのＯ２ 溶解度は、ほとんどの場合それが反応の律速段階となる程低いという欠点がある。また酸素溶解度が不充分であると、反応生成物の選択的形成における触媒作用を低下させるという悪影響を及ぼす。すなわち、触媒自体は分子状酸素を活性化する能力に優れていても、反応混合物中の酸素溶解度が制限されることによって、触媒がその能力を充分に発揮することができなくなる。
【０００５】
近年、均一系接触酸化反応系における有機溶媒に代えて、超臨界ＣＯ２ が使用されてきている。超臨界ＣＯ２ は、Ｏ２ 溶解度の限界を解消するためにも利用されている。しかしながら、超臨界ＣＯ２ ベースの反応混合物中に、遷移金属錯体などの触媒を溶解するためには、極度の高圧が必要とされる。さらに、超臨界ＣＯ２ ベースの系で達成される転化率は、従来の溶媒を使用したときに得られる転化率よりも一般的に低い。このため、従来技術における超臨界ＣＯ２ ベース系を使用することによる利点は、唯一、従来の有機溶媒が環境上問題のない溶媒に置き換わることのみに過ぎない。
【０００６】
発明の開示
本発明は、上記従来技術の問題を解消し、新規な酸化方法および反応混合物を提供する。ここでの酸化可能な基質および酸化触媒を広く含む酸化反応混合物は、反応混合物を体積膨張させ、それによって酸化を促進し、加速するように、二酸化炭素などの圧縮ガスが追加供給される。膨張ガスは酸化剤として働いてもよいが、典型的には酸化剤は、不活性ガスとは別に使用される。また反応混合物は、通常、有機溶媒系を含む。
【０００７】
より詳しくは、本発明の方法は、酸化可能な基質および酸化触媒を含む反応混合物を調製し、該反応混合物を体積膨張させ、その後酸化反応を生じさせることを含む。体積膨張は、通常、反応混合物中に圧縮ガスを導入することにより行われる。不活性ガスが基質の酸化剤（たとえばＮ２ Ｏが使用される時）でもあれば、酸化反応は進行する。しかしながら、ＣＯ２ などの不活性ガスを使用する場合には、別個の酸化剤を膨張した反応混合物中に導入し、酸化反応を開始する。
【０００８】
好ましい態様において、原系反応混合物は有機溶媒系を含有し、該溶媒系中に基質および触媒が分散（なお好ましくは溶解）されている。このような有機系は、通常、アセトニトリル、塩化メチレン、ジメチルスルホキシド、アセトン、ヘキサン、クロロホルム、トルエン、ジクロロエタンおよびこれらの混合物からなる群より選ばれる溶媒によって形成される。溶媒系は、アセトニトリルと塩化メチレンとの混合溶媒で形成されることが特に好ましい。
【０００９】
本発明では、種々の酸化触媒を使用することができる。たとえばＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｅ、Ｒｕ、およびＲｈの遷移金属錯体およびこれらの混合物を用いれば良好な効果が得られる。特に好ましい触媒は、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ（サレン）＊ ） 、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ） 、およびＰＦＴＰＰＦｅＣｌからなる群より選ばれる触媒である。同様に、使用できる基質の種類も極めて多く、フェノール類、アルケン類、シクロアルケン類、アルカン類およびアルコール類、およびこれらの混合物からなる群より選択することができる。基質は、ガス状、液体状、または固体状で存在することができる。
【００１０】
膨張ガスは、通常、二酸化炭素、Ｎ２ Ｏ、キセノン、およびＳＦ６ からなる群より選ばれるが、コストおよび使い易さの理由により、圧縮した超臨界または未臨界の二酸化炭素が通常選択されるガスである。膨張ガスは、反応混合物中、触媒の沈殿を生じる量よりも少ない量で存在する；すなわち、触媒は、通常、反応混合物の最も溶けにくい成分であるが、良好な結果を得るためには、分散状態を維持する必要がある。このため膨張ガスは、触媒の懸濁状態を維持する量で導入される。勿論、この量は反応混合物の成分、特に触媒によって変化する。したがって、通常、各反応混合物ごとに含ませることができる膨張ガスの供給量を予め決定する必要がある。
【００１１】
ほとんどの場合、膨張した反応混合物は、膨張ガスを導入する前の反応混合物よりも低密度である。そのような場合には、密度の低下度合は、触媒が沈殿し始めるまでの使用しうる膨張ガスの量の目安となる。
【００１２】
本発明の方法における必須成分として、多くの酸化剤を使用することができる。最も一般的な酸化剤は、空気、酸素、オゾン、Ｎ２ Ｏおよびこれらの混合物からなる群より選ばれる。好ましい酸化剤は、通常、分子状酸素である。
【００１３】
本発明の方法は、大気圧を超える圧力における閉鎖系で実施される。この圧力は、約２０−２５０バール、より好ましくは約５０−２００バールの範囲である。酸化反応は、広範な温度で実施することができ、通常、約−７０ないし２５０℃、より好ましくは約１５−１００℃である。
【００１４】
本発明の方法は、酸化触媒として遷移金属錯体を用いるフェノール類およびアルケン類の酸化に特に有用である。このような触媒としては、［Ｎ，Ｎ’− ビス（３，５−ジ‐ｔｅｒｔ− ブチルサリチリデン）１，２−シクロヘキサンジアミナト（２−）］コバルト（ＩＩ）（以降“Ｃｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） ”と称す）および［Ｎ，Ｎ’− エチレンビス（サリチリデン− アミナト（２−）］コバルト（ＩＩ）（以降“Ｃｏ（ｓａｌｅｎ） ”と称す）および［５，１０，１５，２０− テトラビス（ペンタフルオロフェノール）ポルフィリン］鉄（ＩＩＩ ）塩化物（ＰＦＴＰＰＦｅＣｌ）などが挙げられる。
【００１５】
本発明の方法は、従来技術に比して次に挙げるような多くの意義深い利点を有する。広範な触媒および基質への適用；有機溶媒の必要量が少ない；反応混合物中への酸素溶解度が増加することにより基質の転化率および選択性が改善される；従来の超臨界ＣＯ２ ベースの反応系よりも低い運転圧力で実施することができる；および従来技術の方法よりも安全に実施することができる。
【００１６】
発明の好ましい実施態様
実施例
以下の実施例は本発明に係る好ましい方法を説明するものである。しかしながら、これら実施例は説明のためのものであって、これにより本発明の全体の範囲がなんら限定されるべきものではないと理解されるべきである。
【００１７】
実施例１
溶解された触媒を含む有機溶媒の均一膨張
この研究では、ＣＯ２ で膨張した有機溶媒（たとえばアセトニトリルおよび塩化メチレンなど）中での種々の触媒の溶解度を測定した。図１は、有機溶媒中に種々濃度で溶解した遷移金属触媒を含む該有機溶媒のＣＯ２ による体積膨張を測定するために使用した実験装置を模式的に示す。まず、透明セル（ｖｉｅｗ ｃｅｌｌ ）中で観察される液相または膨張相の高さを、該相の対応する体積に対する目盛をつけた。次いで、異なるセル高さにおける容量（ｍＬ）表記した目盛紙を、セル本体に直接貼り付けた。膨張を調べるため、既知量の触媒（ｍｇ／ｍＬ）を含む有機溶液の測定体積を、マグネチックスターラーで連動撹拌される１００ｍＬの透明セル中に装入した。セル中の全圧および温度を連続的に観察し、セルを定温浴中に置いた。
【００１８】
まず、上記触媒溶液の蒸気空間を、ＣＯ２ ガスでフラッシュ洗浄した。次いで排出ラインを閉じ、液相の初期体積を記録した。ＣＯ２ を、所定圧に達するまで制御された速度でセル中に導入した。系を撹拌し、一定の読取り圧、温度および相高さとして示される平衡に到達させた。ＣＯ２ の導入および平衡到達工程は、溶解した触媒がある一定の膨張度の膨張相から沈殿が析出するまで、種々の体積膨張度（目盛り紙に表記されるように２倍、３倍など）ごとに繰り返した。沈殿析出点近辺まで膨張縮小し放圧するとにより、まさに触媒が沈殿析出する膨張度を決定した。沈殿を生じるところの全体積および圧を、その濃度（ｍｇ／ｍＬ）の触媒を含む有機溶液における最大膨張度として記録した。ＣＯ２ による最大膨張限界を確立するために、このようなデータを、種々の反応温度における各溶媒／触媒系について求めた。
【００１９】
図２および３は、種々濃度の触媒を含む別々の溶媒（塩化メチレンおよびアセトニトリル）の体積膨張比のプロットである。これら図の作成に使用した測定データの例を表１に示す。体積膨張比は、初期溶液の体積に対する増加量の分数で定義した。図２および図４に示すように、ＣＯ２ の添加により、全圧が増加し、均一相の体積も指数的に増加（すなわち膨張）した。膨張溶媒中の触媒溶解度は連続的に減少し、触媒はある一定の膨張比のところで析出沈殿した。
【００２０】
【表１】
2004500418.tif 000002
【００２１】
図２は、初期体積が同一で、溶解した触媒［Ｎ，Ｎ’− ビス（３，５−ジ‐ｔｅｒｔ− ブチルサリチリデン）１，２−シクロヘキサンジアミナト（２−）］コバルト（ＩＩ）（以降“Ｃｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） ）”と表す）の濃度が異なる３種のＣＨ２ Ｃｌ２ （１０ｍＬ）の２５℃での等温体積膨張プロファイルを示す。図２に示すように、触媒が沈殿析出する前の均一膨張の最大体積（“最大均一膨張限界”と称する）は、高濃度側の溶液よりも希釈溶液の方が高い。たとえば、“Ｃｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） 触媒の２．５ｍｇ／１０ｍＬ溶液の最大膨張限界が５であるのに対し、１０．０ｍｇ／１０ｍＬ溶液のそれは３である。最大均一膨張限界と、溶液濃度との関係は、図３に示す。
【００２２】
また最大均一膨張限界は、触媒／溶液の組合わせにも依存する。図２および４の比較でも明らかなように、コバルトシッフ塩基錯体Ｃｏ（ｓａｌｅｎ＊ ）の２．５ｍｇ／１０ｍＬＣＨ２ Ｃｌ２ 溶液の最大膨張比は３であるのに対し、同濃度のジクロロ（４，１１− ジメチル−１，４，８，１１−テトラアザビシクロ［６，６，２ ］− ヘキサデカンマンガン（ＩＩ）錯体のアセトニトリル溶液に対応する膨張は８である。触媒の沈殿析出前のＣＯ２ による溶液膨張の最大限界を決定するためには、どの反応系であっても、反応温度ごとにこのような体積膨張を調査することが必要であることは明らかである。
【００２３】
実施例２
遷移金属錯体による置換フェノールの均一系接触酸化
コバルトおよび他の遷移金属錯体の可逆的配位によるＯ２ の活性化およびその有機基質への移動は、有機合成を実施する上で、および生物系での酸化を理解する上で極めて重要な意味をもつ。たとえばコバルト（ＩＩ）シッフ塩基錯体は、種々の有機溶媒中、フェノール類および他の有機基質の酸化を触媒作用することが知られている。有機溶媒中の酸素溶解度が低く、かつ移動の制限により、これら触媒の効果が妨げられる。超臨界ＣＯ２ および膨張相の有機溶媒系は、これら制限を緩和する能力を有し、したがって酸化のための興味深い溶媒系である。Ｏ２ との完全な混和性により、超臨界ＣＯ２ は、高濃度の酸化剤を供し、これにより多量に移動できないという制限を解く。超臨界ＣＯ２ 中に遷移金属触媒を溶解させるためには高温および高圧を必要とするが、無溶媒で工業的に実施できる利点がある。一方、ＣＯ２ で膨張した媒体は、より低圧でかつより広範な温度で操作することができる。
【００２４】
超臨界ＣＯ２ 中、ＣＯ２ 膨張したかまたは原系の有機溶媒中でのＣｏ（ｓａｌｅｎ） およびＣｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） （スキーム１参照）によるＤＴＢＰの接触酸化を、系統的に精査した。
【００２５】
【化１】
2004500418.tif 000003
【００２６】
図５は、ＣＯ２ 膨張溶媒中での有機基質の均一系接触酸化を行った実験装置１０の図である。１０ｍＬのステンレス鋼製円筒セル１２（１８ｍｍ内径×１８ｍｍ長さ）を、サファイアガラス窓を有する蓋をピッタリ閉めて反応器とした。セル１２の本体は、４つのポートをもつ。ポートの１つは、別々のラインからそれぞれ送られ、ポートの直前の共通ラインで混合されたＯ２ および溶媒、ＣＯ２ の導入に使用した。酸素は、流速を０−１２０ｓｃｃｍの範囲に調整しうる質量流量制御器１４（５８６０Ｅ，ブルックスインスツルメント（Ｂｒｏｏｋｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ））を介して導入した。液状ＣＯ２ は、シリンダーから貯留タンク１６にポンプで送り、セル１２中に導入する前に、無水硫酸カルシウム（ドライエライト（Ｄｒｉｅｒｉｔｅ））床１８を通過させ、ＣＯ２ から全湿分を除去した。
【００２７】
第２のポートは、セル１２への液体の注入に使用され、放出弁を含む安全先端に接続された。圧力変換器２０および熱電対２２は、残る２つのポートに接続され；サンプリングのための反応混合物の放出には第５のポートを使用した。セル１２は、３４０バールおよび３５０℃までの耐圧かつ耐熱設計であった。マグネチック撹拌子２４で反応器の内容物を撹拌した。ＰＣ２０００ＵＶ−可視光分光計（Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ）に連結した光ファイバを適用すれば、触媒活性および反応濃度のｉｎ ｓｉｔｕ での経過測定ができた。
【００２８】
反応を精査するために、最初に、既知量の基質および触媒をセル１２中に仕込んだ。セル１２に蓋をし、液溶媒を頂上のポートからシリンジで計量して供給した。セルに加熱テープを巻きつけて熱源とした。次いで、液体ＣＯ２ を、極限の運転圧より低い圧で、シリンダーからセル１２中にポンプで送込した。次いで所望の反応温度になるまで、セル１２を加熱しながらセル１２の内容物を撹拌した。質量流量制御器１４で制御しながら、予め決めた量の超高純度酸素をセル中に装入し、セルの圧を高め、運転圧に近付けた。最後に、所望の膨張に到達するのに必要な量のＣＯ２ を導入した。反応時間は、運転セルの膨張に達した瞬間から計測し始めた。セル温度、セル圧およびＯ２ 流速の連続的制御および／または測定は、コンピュータに接続したデータ獲得システム（ＣａｍｉｌｅＲ ＴＧ、セイジアン（Ｓａｇｉａｎ））を用いた。
【００２９】
予め決められた反応時間が経過した後、セル中の内容物を有機溶媒、たとえば塩化メチレンを含む冷却トラップ中に移送する間、セルの圧力を徐々に放圧した（２時間以上かけて）。脱圧後、塩化メチレンを数回注入して、セルをくまなく洗浄した。トラップしたセル内容物および洗浄したセル内容物を混合し、トルエンなどの外部標準を添加した。さらに、混合物を塩化メチレンで１００ｍＬに希釈した。希釈サンプルのアリコートを、バイアル瓶中に移入し、ＧＣ／ＦＩＤおよび／またはＧＣ／ＭＳで分析した。カーボンバランス分析値より、上記プロセスの間、材料の損失は約５％以下と少なかった。
【００３０】
原系ＣＨ２ Ｃｌ２ 中、ｓｃＣＯ２ 中、およびＣＯ２ 膨張ＣＨ２ Ｃｌ２ 中でのＣｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） によるＤＴＢＰの酸化についての実験条件、転化率、および選択性を表２に示す。反応媒体中、触媒および基質のモル濃度は一定に保った。酸素溶解度の低い原系ＣＨ２ Ｃｌ２ 中では、酸素：基質の最大モル比が２に制限されたのに対し、他の２つの媒体ではこの比が１０であった。ＣＨ２ Ｃｌ２ は低沸点（４０℃）であるため、原系ＣＨ２ Ｃｌ２ 中で実施される反応は、低めの温度（ほぼ環境温度、２５℃）でのみ行うことができる。得られた反応組成物の濃度では、２５℃での転化率を、原系ＣＨ２ Ｃｌ２ 中で達成しうる最高のＤＴＢＰ転化率およびＤＴＢＱ選択性のためのベースラインとした。ｓｃＣＯ２ 中での反応時間は、転化率がちょうど２時間での転化率よりも小さくなる２１時間を保った。
【００３１】
【表２】
2004500418.tif 000004
【００３２】
表２に示されるように、ＣＯ２ で膨張した溶媒（ＣＯ２ により初期５ｍＬから１０ｍＬに）中の生成物の全ＤＴＢＰ転化率およびＤＴＢＱ選択性は、ｓｃＣＯ２ 媒体および原系のＣＨ２ Ｃｌ２ 媒体中の対応する値よりも極めて優れていた。ＣＯ２ で膨張したＣＨ２ Ｃｌ２ 中でのＤＴＢＰ転化はほぼ完全であったのに対し、原系ＣＨ２ Ｃｌ２ およびｓｃＣＯ２ 中では、それぞれせいぜい２０％および８０％の達成率であった。しかもｓｃＣＯ２ 媒体の場合には、反応時間も、他の２つの媒体のそれより１０倍以上であった。すなわち、ＣＯ２ で膨張したＣＨ２ Ｃｌ２ 溶媒は、酸化方法における反応溶媒として優れていることが明らかになった。上記特徴に加え、ＣＯ２ 膨張ＣＨ２ Ｃｌ２ が可能にするより高い運転温度により、極めて短いバッチ時間で、高転化率および優れた選択性を獲得することが可能になる。
【００３３】
ＣＯ２ 膨張ＣＨ３ ＣＮ中およびｓｃＣＯ２ 反応媒体中でのＤＴＢＰ酸化における選択性および全転化率に対する酸素濃度の影響を比較して図６に示す。６０℃において、ＣＯ２ 膨張ＣＨ３ ＣＮ溶媒中での転化率および選択性は、常にｓｃＣＯ２ 反応媒体中より高かった。図６中に示すように、２つの溶媒系間の転化率の差異は、低めの酸素濃度で、なお一層明らかであった。これは、図７を見れば一層明らかである。ＣＯ２ 膨張相中の酸化速度としての転換率（バッチ時間の時間当たり触媒モル当たり転化した基質のモル数として定義されるＴＯＦ）は、ｓｃＣＯ２ 媒体中の酸化速度よりも少なくとも４０倍高かった。ＴＯＦ向上は、低めのＯ２ 濃度では、２オーダー以上のレベルで高かった。
【００３４】
図８および９に示されるように、温度依存性についても同様に、顕著な向上（ＣＯ２ 膨張溶媒相使用による、より高いＤＴＢＰ転化率、ＤＴＰＱ選択性、およびＴＯＦ）が観察された。
【００３５】
図１０は、ＣＯ２ 膨張溶媒中、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ） およびＣｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） 触媒を用いて得られるＤＴＢＰ転化率、ＤＴＢＱ選択性を比較して示す。表３に結果が示されるように、酸素：基質の種々モル比における転化率および選択性のどの項目においても、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） はＣｏ（ｓａｌｅｎ） よりも著しく活性である。これは、分子状酸素を用いる接触酸化では、Ｃｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） はＣｏ（ｓａｌｅｎ） よりも本質的に活性であることが予想される。反応溶媒中のＯ２ 溶解度が制限されないＣＯ２ 膨張溶媒中での酸化では、この効果が明確になる。表４は、図６−１０中に示されるデータを得るための補足的な実験条件を示す。
【００３６】
【表３】
2004500418.tif 000005
【００３７】
【表４】
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【００３８】
実施例３
アルケンの酸化
原系ＣＨ３ ＣＮ、ｓｃＣＯ２ およびＣＯ２ 膨張ＣＨ３ ＣＮ反応媒体中でのＰＦＴＰＰＦｅＣｌによるシクロヘキセンの酸化における典型的な実験条件、転化率、および選択性を表５に示す（スキーム２も参照のこと）。最初の２つの媒体中での反応は、ツーマス（Ｔｕｍａｓ ）らによって報告された（ビルンバウム（Ｂｉｒｎｂａｕｍ）ら：超臨界二酸化炭素中でのメタロポルフィリン触媒による均一系酸化、Ｊ．Ｍｏｌ． Ｃａｔａｌ．，１３９：１１−２４（１９９９） 参照。表５の横列１、４および５は、ビルンバウムらにより報告されたデータである。表５の横列２および３は、本発明により、ＣＯ２ 膨張ＣＨ３ ＣＮ中で得られた転化率および選択性の結果を示す。
【００３９】
ＣＯ２ 膨張溶媒中の反応は、原系溶媒および超臨界ＣＯ２ 反応媒体の場合での８０℃に比べ、より低温（２５℃）で実施された。ＧＣ／ＭＳ分析により、ＣＯ２ 膨張溶媒中での酸化では５種の生成物を生成したことがわかった：シクロヘキセンオキサイド、１，２−シクリ（ｃｙｃｌｉ）ヘキサンジオール、２−シクロヘキセン−１− オール、２−シクロヘキセン−１− オン、および４−ヒドロキシ−２− シクロヘキセン−１− オン。最初の２つの生成物はＯ原子移動により生成され、残りの生成物はアリル基のＨ脱離を含む機構により生成する。上記１，２−シクリヘキサンジオールは、シクロヘキセンオキサイドの続く水和の結果として生成する。したがって完全に乾燥した分析環境では、水和を避けることができ、高収率の非水和化エポキサイドが得られるであろう。
【００４０】
重要なのは、原系ＣＨ３ ＣＮおよびｓｃＣＯ２ （ビルンバウムら）媒体中の反応は、測定可能な１，２−シクリヘキサンジオールを生成しないことである。ビルンバウムらは、本発明のＣＯ２ 膨張ＣＨ３ ＣＮ媒体試験においては測定可能な量で確認できない生成物（オキサビシクロ［４．１．０ ］ヘプタン−２− オン）を報告した。この生成物は、シクロヘキセンオキサイドを含まない他の経路によってわずかに生成されるにすぎず、しかも主生成物としてのエポキシド選択性は、シクロヘキセンオキサイドのそれより低い。
【００４１】
【化２】
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【００４２】
【表５】
2004500418.tif 000008
【００４３】
ａ 反応はＣＨ３ ＣＮ中で行われた；触媒（５ｍｇ）；Ｏ２ ：基質比（１：５）；基質（５００μＬ）；および全反応体積（１８ｍＬ）。
ｂ 反応は２倍にＣＯ２ 膨張したＣＨ３ ＣＮ中で行われた；触媒（２．５ｍｇ）；Ｏ２ ：基質比（２）；基質（３０μＬ）；および全反応体積（１０ｍＬ）。
ｃ 反応はｓｃＣＯ２ 中で行われた；触媒（５ｍｇ）；Ｏ２ ：基質比（１：５）；基質（５００μＬ）；および全反応体積（１８ｍＬ）。
ｄ 反応は２倍にＣＯ２ 膨張したＣＨ３ ＣＮ中で行われた；触媒（３ｍｇ）；Ｏ２ ：基質比（１．５：２）；基質（５００μＬ）およびＣＨ３ ＣＮ（５ｍＬ）；および全反応体積（１０ｍＬ）。
１ ビルンバウムら。
２ 本発明による。
【００４４】
表５に示すように、ＣＯ２ 膨張したＣＨ３ ＣＮ中、シクロヘキセンオキサイドと、１，２−シクリヘキサンジオールとを合わせた選択率は７０％以上であり、これに対し、ｓｃＣＯ２ または原系ＣＨ３ ＣＮ媒体中では２０％であった。意義深いことに、極度の低度、低圧、および短い反応時間で優れた選択性が得られた。さらに、８０℃における膨張相酸化中の全転化率が最も高かった。ＰＦＴＰＰＦｅＣｌ触媒に加え、ＣＯ２ 膨張したＣＨ３ ＣＮ中のシクロヘキセンの酸化は、ポルフィリンとＣｏ（ＩＩ） 、Ｒｕ（ＩＩ） およびＭｎ（ＩＩ） とのシッフ塩基錯体によってもできた。
【００４５】
実施例４
ＣＯ２ 膨張有機溶媒中での有機基質の接触酸化のためのバッチ法
図１１は、最終酸化剤として分子状酸素を用いる、ＣＯ２ 膨張有機溶媒中での有機基質の接触酸化のためのバッチ法の基本スキーム２６を示す。触媒である遷移金属錯体と酸化する有機基質とを計量し、容器２８中の有機溶媒に溶解する。その後、得られた溶液をポンプ３２を介して高圧反応器３０に移送する。液体ＣＯ２ が貯留タンク３４から反応器３０中にポンプで送入される間、酸素を計量して反応器３０に導入する。
【００４６】
その後、反応器３０から容器３６に反応混合物を移送して、反応を停止する。さらなる液体ＣＯ２ を容器３６中にポンプで送入し、触媒を沈殿析出させる。沈殿した固体触媒は、好ましくはろ過器３８を介して液状混合物から分離する。
ろ過液は、減圧により容器４０に移送される。混合物は、２相に分離する。すなわちＣＯ２ はガス化し、反応混合物は液状で有機溶媒中に残留する。その後、ＣＯ２ ガスは圧縮液化され、別サイクルで再び循環利用される。有機溶液は、分離および精製のため蒸留塔４２中に移入する。有機溶媒は、本工程で再利用するため回収して再循環（矢印４４）する。酸化生成物および未反応の有機基質は、蒸留または他の方法により分離される。酸化生成物が熱不安定である時には、運転温度を低下させるために真空蒸留を採用することができる。
【００４７】
容器３０および３６は、最大圧レートがそれぞれ約１２０バールの高圧容器である。反応器３０の最高運転温度は、約２５０℃である。容器２８、３６および４０は環境温度で使用する。蒸留塔４２の運転温度は、有機溶媒、酸化生成物の組成、および運転圧力に依存する。
【００４８】
実施例５
ＣＯ２ 膨張有機溶媒中での有機基質の接触酸化のための連続法
図１２は、酸化剤として分子状酸素を用いる、ＣＯ２ 膨張有機溶媒中での有機基質の接触酸化のための連続プロセスの基本スキーム４６を示す。触媒、遷移金属錯体および酸化する有機基質を計量し、容器４８中の有機溶媒に溶解する。その後、得られた溶液をポンプで高圧にし、ＣＯ２ およびＯ２ と混合して、管状反応器５０に導入する。流動物の最適混合物を得るためには静的撹拌機を使用する。管状反応器５０を通過する流動物の流速液体は、最適な反応時間となるように制御する。
【００４９】
その後、反応混合物を、下流の容器５２内の液体ＣＯ２ 中に直接噴霧して反応を停止し、触媒を沈殿析出させる。沈殿した固体触媒は、好ましくはろ過器５４をによりろ過し、液状混合物から分離する。ろ過液は、減圧により、容器５６に移送される。混合物は、２相に分離する。すなわちＣＯ２ はガス化し、反応混合物は液状で有機溶媒中に残留する。その後、ＣＯ２ ガスは、圧縮液化され、別サイクルで再び循環利用される。有機溶液は、分離および精製のため蒸留塔５８中に移入する。有機溶媒は、本工程中で再利用するため回収して再循環（矢印６０参照）する。酸化生成物および未反応の有機基質は、蒸留または他の方法により分離される。酸化生成物が熱不安定である時には、運転温度を低下させるために真空蒸留を採用することができる。
【００５０】
管５０および容器５２は、最大圧レートが約１２０バールの高圧容器である。反応器の最高使用温度は、約２５０℃である。管５０および容器５２、５６は環境温度で使用する。蒸留塔５８の実施温度は、有機溶媒、酸化生成物の組成、および実施圧に依存する。
【００５１】
考察
発明の効果
上記試験結果にみられるように、本発明は従来技術を超える顕著な利点を有する。まず、本発明の方法は、広範な酸化触媒および基質に適用可能である。すなわち、ＣＯ２ 膨張反応媒体中では、広範な従来の遷移金属錯体（たとえばシッフ塩基、ポルフィリン金属錯体など）が、有機基質（アルケンおよびフェノールなど）の酸化を顕著な転化率で触媒作用する。さらには所望生成物（ｓ）に対する酸化反応の選択性は、従来の有機溶媒中での酸化生成物の選択性に比較して、著しく改善される。
【００５２】
本発明の方法の他の顕著な利点は、環境および安全の両方面で有害な従来の有機溶媒の使用量を低減することである。ＣＯ２ は無害で、非引火性で、安価であり、かつ比較的低い臨界温度（３１．１℃）と適度な臨界圧（７３．８バール）とをもつ。したがって、ＣＯ２ は、環境にやさしい共溶媒として挙動する。体積ベースにおける有機溶媒の大部分（たとえば約８０％程度まで）を超臨界ＣＯ２ または臨界未満のＣＯ２ で置換えることにより、本発明の方法は、従来の有機溶媒の使用量を著しく低減することができ、これにより従来の方法よりも環境にやさしい方法となる。
【００５３】
本発明の方法の他の顕著な利点は、従来の超臨界ＣＯ２ ベースの反応系の場合よりも要求される運転圧が低いことである。溶媒がＣＯ２ によって膨張する範囲は、ＣＯ２ 膨張した溶媒混合物中に溶解される触媒および基質の量が、原系溶媒に対する量との比較において多くてもまたは少なくてもよいような度合である。すなわち触媒および基質のいずれも原系溶媒には可溶性であるのに対し、超臨界ＣＯ２ ベースの従来方法の事実として、基質だけでなく触媒のいずれも臨界未満または超臨界ＣＯ２ に可溶性である必要はない。それらの方法では、超臨界ＣＯ２ 中、遷移金属触媒を溶解するための最小圧は非常に高い（数百バールのオーダーで）。これに対し、ＣＯ２ 膨張溶媒中で酸化反応を行うための本発明の方法は、比較的低圧（数十バールのオーダーで）で実施することができる。
【００５４】
本発明は、原系溶媒と比較において、反応混合物中の酸素溶解度が高いという利点を有する。これは、基質中の酸素溶解度または触媒への酸素移動が律速段階となる状況における格別な利点である。
【００５５】
また本発明の方法は、環境圧での膨張させない溶媒中の反応と比較すれば反応媒体の蒸気圧が極めて低いため、従来の原系有機溶媒中での方法よりも各段に安全でもある。このことは、対応する原系溶媒系の上限温度よりも数十倍レベル高い反応温度を可能にする。このような高温での実施は、生成物の選択性を低下させることなく、反応速度を数オーダーのレベルで高める。これは、上限温度が、環境圧での溶媒および基質の沸点に制限される従来の原系溶媒系での反応を大きく上回る、著しい改善である。
【００５６】
この温度近辺では、溶媒の部分蒸発が起き、溶液の過飽和、次いで反応速度および選択性に悪影響を及ぼすような反応成分の沈殿を導くことがある。さらには、高めの運転温度で発生する有機蒸気は、酸化剤を含む爆発性混合物を形成し、危険な運転条件に導くことがある。このため従来技術の反応は、典型的に、有機溶媒の蒸気圧が低い温度で実施する。多くの場合、このことは反応速度を極めて遅くし、より長いバッチ時間あるいは連続法でのより大きい反応容積が必要となるる。
【００５７】
反応混合物中のＣＯ２ の存在は、反応混合物の引火性（ｆｌａｍｍｉｂｉｌｉｔｙ）を著しく改善する。さらに、高温での反応速度が速ければ、反応容積を低減するか、あるいは反応環境中の基質の“滞留量”を低減することができる。最後に、反応混合物の熱容量は、より“液様”となり、反応混合物に効果的に反応熱を吸収させ、安全限界に制限されることなく断熱温度の制限値を高めることができる。
【００５８】
本発明の方法のさらに他の利点は、反応原料、触媒、および生成物を容易に分離および／または精製できるという事実である。たとえば、固体触媒は、反応混合物中に、単にＣＯ２ を追加することにより反応混合物中に沈殿析出させることができる。次いで、信頼性の高い反応混合物の相挙動を利用して、触媒のない反応混合物を徐々に減圧していけば、超臨界液体クロマトグラフィーの理論に基づき、生成物（ｓ）および残留する反応原料を分離することができる。回収した触媒およびＣＯ２ は、工程に再循環させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】触媒含有有機溶媒のＣＯ２ による体積膨張を測定するための実験組立装置の模式的説明図である。
【図２】ＣＨ２ Ｃｌ２ 中に種々濃度のＣｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） を含む各溶液の２５℃におけるＣＯ２ による膨張曲線を示すグラフである。
【図３】ジクロロ（４，１１− ジメチル−１，４，８，１１−テトラアザビシクロ（６，６−ヘキサデカン）マンガン（ＩＩ）（Ｍｎ（Ｍｅ２ Ｂ１４Ｎ４ ）Ｃｌ２ ）を種々濃度で含むＣＨ３ ＣＮ溶液の２５℃におけるＣＯ２ による体積膨張比を示すグラフである。
【図４】ＣＯ２ による最大均一膨張比およびＣＨ２ Ｃｌ２ 溶液からのＣｏ（ｓａｌｅｎ＊ ） の沈殿を示すグラフである。
【図５】ＣＯ２ 膨張溶媒中での接触酸化を分析するための透明セル反応器組立装置の模式的説明図である。
【図６】Ｃｏ（ｓａｌｅｎ） を用いて得られる２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル（ＤＴＢＰ）転化率および２，２−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルキノリン（ＤＴＢＱ）選択性を酸素：基質の種々モル比において比較するグラフである。
【図７】２倍にＣＯ２ 膨張したＣＨ３ ＣＮ相中、および超臨界ＣＯ２ 媒体中、転換率（ＴＯＦ）を酸素：基質の種々モル比において比較するグラフである。
【図８】Ｃｏ（ｓａｌｅｎ） を用いて得られるＤＴＢＰ転化率およびＤＴＢＱ選択性を種々反応温度において比較するグラフである。
【図９】２倍にＣＯ２ 膨張したＣＨ３ ＣＮ相中、および超臨界ＣＯ２ 中、種々反応濃度に対するＴＯＦを示すグラフである。
【図１０】ＤＴＢＰ酸化の転化率および選択性を、種々温度で、かつ種々触媒を用いて比較するグラフである。
【図１１】本発明に係るバッチ法のための模式的なプロセスフロー説明図である。
【図１２】本発明に係る連続法のための模式的なプロセスフロー説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際公開パンフレット】
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2004500418.tif 000022
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【国際調査報告】
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2004500418.tif 000063