(57)【要約】【課題】ニトリル化合物のアミド化合物への水和反応を効率的に、さらには１００℃未満の低温にて行うため、金属錯体からなる触媒を提供する。【解決手段】化学式（１）で表わされる金属錯体を有効成分とする。なお、化学式（１）中の、金属イオンＭは六配位八面体構造をとりうるイオンでFe(III)、Co(III)、Mn(III)、Zn(II)、Ru(II)、Ru(III)から選ばれる。化学式（１）中のｌ、ｍ、ｎはそれぞれ、ｌ＝０〜３、ｍ＝１〜３、ｎ＝０〜２からなる炭素骨格を有する。化学式（１）中のＲ１〜Ｒ3は直鎖型メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、枝状のイソプロピル基あるいはイソブチル基からなる炭素鎖である。【化１】2013053111.tif 000004  【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニトリル化合物を水和しアミド化合物を生成する反応に際し、下記化学式（１）の金属錯体触媒を用いてニトリル化合物をアミド化合物へと水和反応する方法。
【化１】
2013053111.tif 000003
（化学式（１）中の金属イオンＭは六配位八面体構造をとりうるイオンでFe(III)、Co(III)、Mn(III)、Zn(II)、Ru(II)、Ru(III)から選ばれる。化学式中のｌ、ｍ、ｎはそれぞれ、ｌ＝０〜３、ｍ＝１〜３、ｎ＝０〜２からなる炭素骨格を有する。化学式中のＲ１〜Ｒ3は直鎖型メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、枝状のイソプロピル基あるいはイソブチル基からなる炭素鎖である。）
【請求項２】
前記錯体が溶解した状態で、前記ニトリル化合物と水の存在比にかかわらず水和反応する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記錯体を溶解した状態で、反応温度が１０℃以上１００℃未満である請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記反応温度が２０〜５０℃である請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ニトリル化合物が脂肪族もしくは芳香族ニトリルから選ばれる、請求項１〜４のいずれか一に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属錯体触媒を用いたニトリル化合物の水和反応によるアミド化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境浄化という観点から毒性を有するニトリル化合物から比較的低毒性であるアミド化合物への水和反応が注目され、また工業的に有用なアクリルアミドモノマーの生産に天然酵素であるニトリルヒドラターゼが利用されるようになった。例えば特公昭５９-３７９５１ではシュードモナス属、特報昭６２-９１１８９ではロドコッカス属微生物を用いた方法があげられるが、高い触媒反応速度が期待できる高温度（室温以上）や高濃度の基質ニトリルや生成物アミドの存在下では触媒の失活が著しかった。
【０００３】
さらに、特開平１１−８９５７５では、比較的高濃度のアクリロニトリル（３０重量％）の処理１時間でも活性が維持される酵素の調製が報告されている。また特開２００７−６１０３５では比較的高温（４０〜４５℃）で触媒活性が高いロドコッカス属あるいはゴルドニア属最近から調製できることが報告されている。しかし前者ではアクリロニトリル処理が１０℃に限られており温度に対する変化に言及されていないこと、また後者については５０℃処理において３０％以上の失活が見られるなど、安定性については十分とは言えない。
【０００４】
一方、金属錯体触媒を利用したニトリル化合物のアミド化合物への水和反応については、その熱的安定性や高い触媒活性を示すものが報告されている。たとえば特開２００５−１７０８２１ではルテニウム（Ｒｕ）をアルミナに担持した触媒を用いたニトリル化合物の水和反応に関して開示されている（特許文献１）。ここでは実施例１〜１８のすべてにおいて１００℃以上の反応条件が必要であり、オートクレーブ等の特殊容器を必要とする。また特開２００８−８８１５３ではルテニウムを含む金属錯体を触媒として用いることが開示されている（特許文献２）。開示された錯体は高効率で高選択性を示すものであったが、非特許文献１によれば当該錯体は含水率の上昇に伴い失活する傾向にある。
【０００５】
このように金属錯体を触媒として用いた先行技術では１００℃以上の高温が必要であり、また水と基質濃度比の変化に十分対応できないものが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１７０８２１公報
【特許文献２】特開２００８−０８８１５３公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】T. Oshiki, H. Yamashita, K. Sawada, M. Utsunomiya, K. Takahashi, and K. Takai, Organometallics, 24(26), 2005, 6287-6290.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、金属錯体を触媒として用いて、ニトリル化合物のアミド化合物への水和反応を効率的に行うことであり、さらには１００℃未満の低温にて行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、酵素ニトリルヒドラターゼが有する室温付近での反応性と金属錯体触媒が有する安定性とを融合した新たな化合物を用いることにより、上記課題が解決しうることを見出した。すなわち、アミド窒素原子を２つ、硫黄原子を３つ配位したニトリルヒドラターゼ活性中心に類似した構造を有する金属錯体およびその類縁体を用いたニトリル化合物の水和反応である。本発明によれば、以下の方法が提供される。
【００１０】
[１]   ニトリル化合物を水和しアミド化合物を生成する反応に際し、下記化学式（１）の金属錯体触媒を用いてニトリル化合物をアミド化合物へと水和反応する方法。
【化１】
2013053111.tif 000002
なお、化学式（１）中の金属イオンＭは六配位八面体構造をとりうるイオンでFe(III)、Co(III)、Mn(III)、Zn(II)、Ru(II)、Ru(III)から選ばれる。化学式（１）中のｌ、ｍ、ｎはそれぞれ、ｌ＝０〜３、ｍ＝１〜３、ｎ＝０〜２からなる炭素骨格を有する。化学式（１）中のＲ１〜Ｒ3は直鎖型のメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、枝状のイソプロピル基あるいはイソブチル基からなる炭素鎖である。
【００１１】
[２]   前記錯体が溶解した状態で、前記ニトリル化合物と水の存在比にかかわらず水和反応する前記[１]に記載の方法。
【００１２】
[３]   前記錯体を溶解した状態で、反応温度が１０℃以上１００℃未満である前記[１]または[２]に記載の方法。
【００１３】
[４]   反応温度が２０〜５０℃である前記[３]に記載の方法。
【００１４】
[５]   前記ニトリル化合物が脂肪族もしくは芳香族ニトリルから選ばれる、前記[１]〜[４]に記載の方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の、金属錯体はニトリルヒドラターゼの活性中心に類似した配位環境を与えるため、他の金属錯体に比べて置換反応が比較的早く生じ、１００℃未満の低温において反応性を示すため、簡便な設備でニトリルの水和反応を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に用いる触媒のＩＲスペクトルである。
【図２】本発明の触媒を用いて、各種アミドへ変換する際の触媒回転数を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１８】
化学式（１）に示された触媒は脱プロトンしたアミド窒素原子とチオールあるいはチオエーテル型の硫黄原子を有する金属錯体であり、金属イオンＭには六配位八面体構造をとりうるイオンであればどのようなものでもよい。好ましくはFe(III)、Co(III)、Mn(III)、Zn(II)など高原子価の金属イオンであり、より好ましくはRu(II)、Ru(III)である。ここで挙げる金属錯体触媒の調製は、赤外分光法によるアミドカルボニル骨格由来の吸収バンドの1638 cm-1（配位子のアミドカルボニル伸縮振動）から1570cm-1への低振動数シフト、ならびにNH伸縮振動および変角振動由来の吸収バンドの消失により判断できる。
【００１９】
化学式（１）の触媒はｌ＝０〜３、ｍ＝１〜３、ｎ＝０〜２からなる炭素骨格を有し、好ましくはｌ＝１，２、ｍ＝1，2、n=１，２、より好ましくはｌ＝１、ｍ＝１、n=１である。Ｒ１〜Ｒ3は直鎖型メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、あるいは枝状のイソプロピル基あるいはイソブチル基などからなる炭素鎖であり、好ましくはメチル基、エチル基、より好ましくはメチル基である。またＲ１’〜Ｒ４’は水素原子あるいはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基からなる直鎖型炭化水素であり、好ましくは水素原子、メチル基、エチル基、より好ましくはメチル基である。
【００２０】
化学式（１）に示された金属錯体触媒が正電荷を有する場合、塩化物イオン、臭化イオン、よう化物イオン等のハロゲン化物イオン、過塩素酸イオン、過臭素酸イオン、塩素酸イオン等のハロゲン化オキソ酸イオン、テトラフルオロホウ酸イオン、テトラフェニルホウ酸イオン等のホウ酸系アニオン、ヘキサフルオロリン酸等のリン酸系アニオン、硝酸イオン、硫酸イオン、リン酸イオン、ホウ酸イオン、炭酸イオンの少なくとも1つの負電荷を有するイオンをその対イオンとして有する。
【００２１】
触媒は直接溶媒に溶解して基質および水を添加する、もしくは溶媒を用いずに基質あるいは水を直接溶媒として用いて反応を行う。反応溶媒はメタノール、エタノール等のアルコール類、クロロホルム、塩化メチレン等のハロゲン化炭素、テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル等のエーテル類、アセトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシドのうち少なくとも１つあるいはこれらを混合して用いることができる。
【００２２】
また、触媒は吸着材に吸着させて溶媒に懸濁した状態で用いることもできる。吸着材には、シリカゲル、アルミナ、陽イオン交換樹脂があげられる。溶媒は段落００２１に記載の溶媒を単独あるいは2種類以上を混合して用いるかあるいは基質であるニトリルや水あるいはその混合溶媒を直接用いる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２４】
（触媒の調製）
触媒の調製の確認は元素分析、IRスペクトルを用いて行った。特開２００７−１１７７８２号公報記載の実施例１に従ってトリチオール型化合物をあらかじめ合成した。トリチオール型配位子３．６ｇ（１１．１  ｍｍｏｌ）を脱水エタノールに溶解し、脱気条件下で０．７６５ｇ（３３．３  ｍｍｏｌ）の金属ナトリウムと反応させた。次いでヨウ化メチル３．０８  ｍｌ（４９．９  ｍｍｏｌ）を加え、室温で２４時間撹拌した。エタノールと未反応のヨウ化メチルを減圧濃縮により除去し得られた白色粉末を酢酸エチルに溶解した。この溶液を１５％炭酸ナトリウム、飽和食塩水の順で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで脱水した。溶媒を減圧除去したのちにカラムクロマトグラフィーを用いて目的配位子を分離した。アルゴン雰囲気中で配位子０．２３ｇ（０．６３  ｍｍｏｌ）を脱水エタノールに溶解し、さらにナトリウムメトキシド０．０８１ｇ（１．５  ｍｍｏｌ）を加えて３０分間撹拌した。その後３０４  ｍｇ（０．６３  ｍｍｏｌ）の [RuCl2(dmso)4]を加え、４０Ｃで１８時間撹拌した。溶媒を減圧濃縮により除去し、脱水ジクロロメタンに懸濁してろ過したろ液を再び減圧濃縮により溶媒を除去した。得られたオレンジ色の粉末結晶はアセトンとジエチルエーテルで洗浄することにより、目的物を黄色固体として得た（錯体１）。元素分析値が理論値とほぼ一致したこと、IRスペクトルにおいて配位子のC=O振動由来の吸収バンドが低振動数シフトし、NH伸縮振動ならびに変角振動由来の吸収バンドの消失が見られた（図１）ことから、触媒の合成を確認した。なお、Ｍ＝Ｒｕ（ＩＩ）, ｎ＝０, ｌ＝１，ｍ＝１，Ｒ１〜Ｒ３＝ＣＨ３，Ｒ１‘〜Ｒ４’＝ＣＨ３，については非特許文献２に報告がある。
【００２５】
【非特許文献２】和田昂, 猪股智彦, 舩橋靖博, 小澤智宏, 増田秀樹、日本化学会第９１春季年会講演予稿集（2011）
【００２６】
（アセトニトリルおよびプロピオニトリルとの反応性と水和反応）
アルゴン雰囲気において上記錯体１として１．０  ｍｍｏｌをジクロロメタンに溶解し、１０等量（１０．０  ｍｍｏｌ）のアセトニトリルあるいはプロピオニトリルを入れた。室温において紫外可視吸収スペクトル測定を行ったところ、４００〜５００ｎｍ付近に変化が表れたことから、ニトリル分子が錯体１に配位していたジメチルスルホキシド分子と交換したことが分かる。
【００２７】
嫌気条件下、０．００２  ｍｍｏｌの錯体１をｐＨ１０．２（０．１Ｍ  NaHCO3/ NaOHバッファー溶液）１．９  ｍｌに溶解した。ここにニトリル０．９  ｍｌ（アセトニトリル：１．９  ｍｍｏｌ、プロピオニトリル：１．４  ｍｍｏｌ）を混合し、５０℃で撹拌した。本条件下において錯体：基質：水のモル比は、１：１０００：５００００である。２４時間ごとにガスクロマトグラフィーを用いて反応を追跡した。約一週間の間ほぼ直線的に生成物濃度が上昇したことから、錯体が分解せず触媒機能を有している（図２）。一週間後の触媒回転数はアセトニトリル系で４１、プロピオニトリル系では２４であった。
【００２８】
（アクリロニトリルとの反応性と水和反応）
アルゴン雰囲気において上記錯体１として１．０  ｍｍｏｌをジクロロメタンに溶解し、錯体１に対して１，１０，１００等量のアクリロニトリルを添加した。室温において紫外可視吸収スペクトル測定を行ったところ、３５０〜５５０ｎｍ付近に大きく変化が現れたことから、ニトリルが錯体１に配位していたジメチルスルホキシド分子と交換したことが分かる。
【００２９】
嫌気条件下、０．００２  ｍｍｏｌの錯体１をｐＨ１０．２（０．１Ｍ  NaHCO3/ NaOHバッファー溶液）１．９  ｍｌに溶解した。ここにアクリロニトリル０．９  ｍｌ（１．５  ｍｍｏｌ）を混合し、室温で撹拌した。本条件下において錯体：基質：水のモル比は、１：１０００：５００００である。２４時間ごとにガスクロマトグラフィーを用いて反応を追跡した。約一週間の間ほぼ直線的に生成物濃度が上昇したことから、錯体が分解せず触媒機能を有している（図２）。一週間後の触媒回転数は１４４であった。
【００３０】
また、段落００２９に記載された錯体１の濃度条件下で、pH１０．２のバッファー溶液とアクリロニトリルの体積混合比を１０：１０、１：１９（バッファー：アクリロニトリル）として室温で撹拌した。一週間後の触媒回転数は、それぞれ４３６、１０３であった。いずれの場合も段落００２９の場合と同様、約一週間の間ほぼ直線的に触媒回転数が増加したことから、触媒の失活はみられなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の方法は、ニトリル化合物のアミド化合物への水和反応に利用することができる。
【図１】
2013053111.tif 000005
【図２】
2013053111.tif 000006