(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非相溶性の油相と水相とにより形成される異相溶媒系において、油相中に被置換有機化合物を存在させると共に、さらに水相中に、該水相中において置換アニオンを生成する化合物およびアンモニアから選ばれる求核置換反応剤を存在させ、光照射下に求核置換反応剤によって被置換有機化合物の置換反応を行い、生成した置換有機化合物を油相中より分離回収することを特徴とする有機化合物の光置換反応方法。
【請求項２】
イオン性界面活性剤の存在下に置換反応を行うことを特徴とする請求項１の有機化合物の光置換反応方法。
【請求項３】
異相溶媒系を、油滴が存在する油／水エマルションとして形成していることを特徴とする請求項１または２の有機化合物の光置換反応方法。
【請求項４】
油滴の大きさにより反応収率を制御することを特徴とする請求項３の有機化合物の光置換反応方法。
【請求項５】
異相溶媒系を、マイクロチャンネル中の油／水界面として形成していることを特徴とする請求項１または２の有機化合物の置換反応方法。
【請求項６】
極性溶媒により油相を形成していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの有機化合物の光置換反応方法。
【請求項７】
被置換有機化合物は、反応系において光吸収性化合物であって、油相中には、電子受容性化合物を存在させていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの有機化合物の光置換反応方法。
【請求項８】
被置換有機化合物は、反応系において電子供与性化合物であって、油相中には光吸収性の電子受容性化合物を存在させていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの有機化合物の光置換反応方法。
【請求項９】
被置換有機化合物は、芳香族炭化水素化合物または複素環芳香族炭化水素化合物であって置換可能な水素原子を環構成炭素原子に結合していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかの有機化合物の光置換反応方法。
【請求項１０】
被置換有機化合物は、多環状化合物であることを特徴とする請求項９の有機化合物の光置換反応方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかの方法であって、求核置換反応剤としてシアノ化反応剤を用いて、シアノ化有機化合物を合成することを特徴とする有機化合物の光置換反応方法。
【請求項１２】
請求項１ないし１０のいずれかの方法であって、求核置換反応剤としてアンモニアを用いて、アミノ化有機化合物を合成することを特徴とする有機化合物の光置換反応方法。
【請求項１３】
請求項１ないし１０のいずれかの方法であって、求核置換反応剤としてスルホン化反応剤を用いて、スルホン化有機化合物を合成することを特徴とする有機化合物の光置換反応方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、有機化合物の光置換反応方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、各種有機合成の基礎化合物やポリマーの原料物質、あるいは医薬品や農薬等の化学品として有用な、シアノ化合物、アミノ化合物等を、一段階の反応によって、簡便に、短時間で、高い収率で合成することを可能とする、新しい光置換反応方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
従来より、各種の有機化合物の基礎化合物として、あるいはポリマーの出発原料物質として、さらには、医薬品や農薬等としても有用な、シアノ化合物、アミノ化合物等の特徴のある官能基を有する化合物を、これら官能基の置換反応によって合成する方法が知られている。
【０００３】
しかしながら、従来の方法の多くの場合には、置換反応が多段階の反応として行われることから、目的とする置換有機化合物を、短時間で、しかも高い収率で効率的に合成することは容易ではない。もちろん、一段階での反応についても様々に検討されているが、反応基質の種類が比較的単純な炭素骨格構造のものに限定されていたり、反応操作条件が特殊であって、その制御が難しい等の問題が解決されないでいた。
【０００４】
たとえば、シアノ化反応について説明すると、従来、ナフタレン、フェナントレン、アントラセン等の芳香族炭化水素のシアノ化は、次式のように、対応するハロゲン化物やジアゾニウム塩から無機シアン化物を用いて合成するのが通例であり、一段階で芳香族炭化水素をシアノ化することは極めて難しいのが実情であった。
【０００５】
【化１】
0003960806.tif 000002
【０００６】
一方、１９７５年に水野らは、光反応を用いた芳香族炭化水素の一段階直接シアノ化を報告している（K. Mizuno, C. Pac, and H. Sakurai, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 553(1975); M. Yasuda. C. Pac,and  H. Sakurai, J. Chem.Soc., Perkim I,746(1981)) 。この方法は、次式のように、芳香族炭化水素（ＡｒＨと略）と１，４−ジシアノベンゼンのような電子受容体（Ａと略）を水／アセトニトリル（体積比；１／９）均一混合溶媒のような極性溶媒中においてＮａＣＮ（青酸ソーダ）存在下で光照射することにより、ＡｒＨを効率良く光シアノ化するものである。
【０００７】
【化２】
0003960806.tif 000003
【０００８】
この反応の機構は上記のキームに示したとおりであって、芳香族単価水素：ＡｒＨが光吸収して生成したＡｒＨの励起一重項状態と基底状態のＡとの間で光電子移動（酸化還元）反応が起こり、ＡｒＨの一電子酸化体（カチオンラジカル；ＡｒＨ+）と電子受容体：Ａの還元体（アニオンラジカル；Ａ-）が生成する。ここにシアン化物イオン（ＣＮ-）が存在すると、ＣＮ-が選択的にＡｒＨ+を求核攻撃することによりＡｒＨのシアノ化体（Ａｒ−ＣＮ）が生成する。そして、酸素存在下において、ベンゼン誘導体、ナフタレン誘導体、フェナントレンを収率１４〜７８％で合成することができることが報告されている（光照射時間：７〜３６時間）。
【０００９】
この光反応は芳香族炭化水素の直接シアノ化方法として有用であるが、１）電子受容体：Ａについては回収率が２３〜７９％と報告されており、この出願の発明者の追試によれば実際はこれよりもかなり低いことが確認されているように、電子受容体：Ａが消費されてしまうことや、２）副反応が多く必ずしもきれいな反応ではないという欠点がある。さらに、３）フェナントレンより炭素数の多い芳香族炭化水素の光シアノ化は報告されていない。
【００１０】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来技術の問題点を解消し、一段階の反応で、広範囲な種類の反応基質に対して適用することができ、簡便に、短時間で、しかも高い反応収率で目的とするシアノ置換化合物等の置換反応有機化合物を合成することのできる、新しい置換反応方法を提供することを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、非相溶性の油相と水相とにより形成される異相溶媒系において、油相中に被置換有機化合物を存在させると共に、さらに水相中に、該水相中において置換アニオンを生成する化合物およびアンモニアから選ばれる求核置換反応剤を存在させ、光照射下に求核置換反応剤によって被置換有機化合物の置換反応を行い、生成した置換有機化合物を油相中より分離回収することを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を提供する。
【００１２】
また、この出願の発明は、上記方法について、第２には、イオン性界面活性剤の存在下に置換反応を行うことを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を提供し、第３には、異相溶媒系を、油滴が存在する油／水エマルションとして形成していることを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を、第４には、この油滴の大きさにより反応収率を制御することを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を提供する。
【００１３】
第５には、異相溶媒系を、マイクロチャンネル中の油／水界面として形成していることを特徴とする有機化合物の置換反応方法を、第６には、極性溶媒により油相を形成していることを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を提供する。
【００１４】
そして、この出願の発明は、第７には、被置換有機化合物は、反応系において光吸収性化合物であって、油相中には、電子受容性化合物を存在させていることを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を提供し、第８には、被置換有機化合物は、反応系において電子供与性化合物であって、油相中には光吸収性の電子受容性化合物を存在させていることを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を、第９には、被置換有機化合物は、芳香族炭化水素化合物または複素環芳香族炭化水素化合物であって、置換可能な水素原子を環構成炭素原子に結合していることを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を、第１０には、被置換有機化合物は、多環状化合物であることを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を提供する。
【００１５】
さらに、この出願の発明は、第１１には前記第１ないし第９のいずれかの発明の方法であって、求核置換反応剤としてシアノ化反応剤を用いて、シアノ化有機化合物を合成することを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を提供し、第１２には、求核置換反応剤としてアンモニアを用いて、アミノ化有機化合物を合成することを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を、第１３には、求核置換反応剤としてスルホン化反応剤を用いて、スルホン化有機化合物を合成することを特徴とする有機化合物の光置換反応方法を提供する。
【００１６】
すなわち、上記のとおりのこの出願の発明は、水野らにより報告されている光照射による直接シアノ化反応方法の欠点を解消して、各種広範囲な基質化合物に対しての一段階での光シアノ化反応によって、短時間で、しかも副反応の生成を抑えて高い反応収率でシアノ置換化合物を合成することを可能とし、さらには、シアノ化反応に限定されることなく、各種の求核光置換反応を可能としたものである。
【００１７】
このような新しい光置換反応は、発明者らが鋭意検討してきた油相／水相の異相間での物質移動のともなう反応の知見を踏まえることによってはじめて実現されたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態について説明する。
【００１９】
まず、この出願の第１の発明において特徴的なことは、非相溶性の油相と水相とにより形成される異相溶媒系において、油相中には反応基質としての被置換有機化合物を存在させ、また、水相中には求核置換反応剤を存在させ、光照射によって置換反応を行わせることである。また、この光置換反応によって生成した置換有機化合物を油相中より分離回収することである。
【００２０】
このような特徴的な異相溶媒系での反応については、油相中に存在させた被置換有機化合物が光照射にともなって光電子移動により対応するカチオンラジカルに変換されて水相中に移行し、水相中で、求核置換反応剤による攻撃で置換されると同時に、生成した置換有機化合物のみが油相中に移行し、油相中から分離回収されるものと考えられる。
【００２１】
光反応においては異相間の物質移動をともない、水相には、被置換有機化合物のカチオンラジカルのみが移動し、油相には、生成した置換有機化合物のみで移動するため、置換反応の効率は良好となり、また反応生成物の分離回収も極めて容易となる。
【００２２】
しかも重要なことは、このような異相間の物質移動を特徴としていることから、油相と水相の界面の接触状態や接触面積を変更することによって反応効率のコントロールが可能とされることである。そして、水の体積に比べて油相の体積を少なくすることができるため、経済的にも、また環境への負荷が小さいという点でも有利である。有機溶媒の使用を少なくすることができるからである。
【００２３】
また、この出願の発明においては、イオン性界面活性剤を添加し、油水界面を化学的に修飾することが有効でもある。たとえば、カチオン性界面活性剤を添加することで、界面近傍におけるイオン濃度が増加することに起因して、反応が促進されるといった優れた効果が実現されることになる。
【００２４】
異相間の物質移動を可能とする異相溶媒系については、油相と水相が実質的に、つまり上記の反応系としての機能、作用を阻害しない範囲での微小量の相互溶解を除いては、相互に非相溶性であれば、油相と水相との接触の形態は各種であってよい。回分式、あるいは流通式の反応として、それら形態は様々に考慮される。
【００２５】
たとえば、好適な形態の一つとして、第３の発明のように、油滴が存在する油／水エマルションがある。この形態では、油滴サイズを、たとえば攪拌装置の回転数によって調整することで、反応効率等をコントロールすることができる。たとえば、油滴サイズを小さくすることで、反応効率の向上が図られる。
【００２６】
あるいはまた、第５の発明のように、たとえば半導体等の製造技術として周知のエッチング等の微細加工技術を応用することにより基板に形成したマイクロチャンネル中の油／水界面として上記の油相と水相との接触形態を形成することもできる。微小領域での光反応を実現することが可能となる。マイクロチャンネル内での油／水界面は、２液導入型だけでなく、水／油／水の３液導入型等の複数の界面が形成されるのであってもよい。より効率的な反応の進行が可能となる。
【００２７】
マイクロチャンネルを利用することで、たとえば複数のチャンネルでパラレルに反応を行うことや、シリーズに流し、収率の向上を図ること等も可能となる。
【００２８】
異相溶媒系を形成することになる油相については、有機溶媒の各種のものが用いられるが、反応基質としての被置換有機化合物自身が溶媒を兼ねる場合も考慮される。通常、有機溶媒としては、実質的に水との相溶性、水への溶解性のない極性溶媒が、なかでも極性の比較的高いものが好ましく用いられる。たとえば、好適な有機溶媒としては、ベンゾニトリル（ＢＮ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ニトロベンゼン（ＮＢ）等が例示される。
【００２９】
油相を形成する有機溶媒と水との使用比率については特に限定されることなく、できるだけ少ない有機溶媒の使用とすることが一般的に好ましい。たとえば、水：有機溶媒の体積比としては、５００：１〜５：１、より好ましくは２００：１〜５０：１程度とすることが考慮される。
【００３０】
以上の光置換反応を効果的に実施するためには、光誘起電子移動反応が生起するように反応系を構成することが好ましい。このような反応系は、この出願の第５の発明のように、反応基質としての被置換有機化合物が光吸収性化合物であって、同様に油相中には、電子受容性化合物を存在させることによって構成することができる。
【００３１】
たとえば被置換有機化合物を芳香族炭化水素化合物：ＡｒＨとすると、油相中のＡｒＨと電子受容性化合物：Ａの光誘起電子移動反応で生成したＡｒＨ+とＡ-は速やかに水中に分配される。従って、
１）Ａ-は水に電子を受け渡しやすいためＡ−  は速やかにＡへ戻り（Ａ-の酸化）、Ａの回収率を向上させることができる。
【００３２】
２）一方、Ａ-が水により捕捉されるために、ＡｒＨ+とＡ-の間の逆反応が抑えられＡｒＨ+のみが反応系に残る。従って、たとえば水中のＣＮ-等と反応することにより効率良くＡｒＨの光シアノ化等の光置換反応を起こすことが可能になる。
【００３３】
３）シアノ化生成物等の置換有機化合物は水中への溶解度が低いため、再び油相に分配される。最終的に油相を取り出せば、望みのシアノ化生成物等の置換有機化合物だけを分離することができる。
【００３４】
４）水中で再酸化されたＡは水には溶解しないため、再び油相に分配され、更に電子受容体として光反応に利用することができる。
【００３５】
この出願の発明においては、前記の水野らの報告した光シアノ化反応とは本質的に相違して、電子受容性化合物：Ａの消費は極めて少なく、その回収率は高くなることから、その利用効率は極めて優れたものとなる。
【００３６】
この場合の電子受容体としては、たとえば前記のＡｒＨと光電子移動可能な化合物であれば何でもよく、ＡｒＨ等の酸化電位および励起一重項状態のエネルギーを各々、Ｅ（ＡｒＨ／ＡｒＨ+）（Ｖｏｌｔ）、Ｅ００（Ｖｏｌｔ）とすると、以下の式で与えられるΔＧ（反応自由エネルギー変化）が負になるような還元電位（Ｅ（Ａ-／Ａ）（Ｖｏｌｔ））を持つ電子受容体であればいずれでもよい。
【００３７】
ΔＧ（Ｖｏｌｔ）＝Ｅ（ＡｒＨ／ＡｒＨ+）−Ｅ（Ａ-／Ａ）−Ｅ００
たとえば１，４−ジシアノベンゼン（ＤＣＢと略）、ジメチルテレフタレート、ジニトロベンゼンなどが例示される。
【００３８】
光誘起電子移動反応が生起する反応系としては、上記のように、光吸収性の被置換有機化合物を用いる場合だけに限られることはない。電子受容性化合物と電子供与性化合物との間で光電子移動反応が生起し、被置換有機化合物がカチオンラジカルになり得る系であればよい。そこで、この出願の第８の発明は、非光吸収性で反応系において電子供与性化合物としての性格を有する被置換有機化合物とともに、油相中に、光吸収性の電子受容性化合物を存在させるようにする。
【００３９】
以上のような反応系における被置換有機化合物としては、各種のものであってよいが、いずれの場合も、置換可能な水素原子を炭素原子に結合していることが要件となる。より好適には、被置換有機化合物としては、この出願の第９の発明のように、芳香族炭化水素化合物または複素環芳香族炭化水素化合物である。これらの化合物は、反応を阻害しない限り、適宜な官能基を有していてもよいことは言うまでもない。
【００４０】
たとえば、これらの炭化水素化合物としては、この出願の第１０の発明のように、これまで一段反応による直接シアノ化が困難とされていたものも含め、多環状の、ナフタレン、フェナントレン、ピレン、ペリシン、カルバゾール、フェナントロリン等が例示される。複素芳香環化合物としては、たとえば、上記のカルバゾールのように、含窒素化合物が代表的なものとして例示される。
【００４１】
置換反応のための求核置換反応剤については、この出願の第１１の発明のように、水相中において置換アニオン、たとえばＣＮ- を生成する化合物を好適に用いることができる。ＣＮ-については、たとえばアルカリ金属シアン化物等の使用が挙げられる。また、ＣＮ-に限られることはなく、光置換反応のための求核置換反応剤は各種のものでよく、たとえば、アミノ化反応のためのアンモニアや、スルホン化のための硫酸金属塩化合物等がその例として挙げられる。
【００４２】
光置換反応のための被置換有機化合物や求核置換反応剤の使用割合については、広範囲な選択が可能であって、異相溶媒系の種類や、目的とする置換有機化合物、光照射の条件等に応じて適宜に設定できる。一般的には、被置換有機化合物／求核置換反応剤（モル比）＝０．０１〜１０程度を考慮することができる。また、前記のとおりの電子受容性化合物を用いる場合には、一般的には、被置換有機化合物／電子受容性化合物（モル比）＝０．１〜１０程度の割合が考慮される。
【００４３】
反応は、光反応の特徴として、特段に加熱、加圧あるいは減圧することは必須ではない。常温、常圧の条件を基準として適宜に温度、圧力を設定すればよい。光反応の照射光源としては、水銀ランプ、キセノンランプ、各種レーザー等、反応に使用する化合物の吸収波長に応じて種々の光を用いることができる。たとえば、水銀ランプの場合、３１３、３４３、あるいは３６５ｎｍの輝線を用いることができる。あるいは、アルゴンイオンレーザーの４８８ｎｍの発振線も利用可能である。
【００４４】
なお、これら光源による光照射においては、照射時間の変更によって、置換有機化合物の選択性をコントロールすることもできる。
【００４５】
また、反応系に電子受容性化合物を存在させる場合、光照射により生成した水相中のアニオンラジカルを酸化して、油相中に移行させることをより効果的にするために、異相溶媒系に酸素ガスを通気させることが有効でもある。特にこのことは、エマルション系として反応を行う場合に有効な手段となる。
【００４６】
たとえば以上のとおりのこの出願の発明においては、各種求核性光置換反応が一段反応として可能になる。たとえば、この出願の第１２の発明として、光シアノ化反応によるニトリル類の合成法が提供される。
【００４７】
シアノ化は基本分子骨格に炭素と窒素原子を一挙に導入できるとともに、これを適当な条件下において様々な誘導体（アミノメチル、アミド、およびこれらの誘導体に基づく反応で合成できる化合物）へと導くことができるため、合成されたニトリル類としてのシアノ化物は、有機合成のキー化合物となる。たとえば、シアノ化芳香族炭化水素に基づいて様々な蛍光試薬へ導くことが可能であるし、芳香族系縮合ポリマーなどの原料ともなり得る。これまで簡便かつ高収率な直接光シアノ化反応が無かったことから、この出願の発明は、新規な有機合成法として極めて有用である。
【００４８】
また、この出願においては、第１３の発明のように光アミノ化反応によるアミノ置換化合物の合成方法や、第１４の発明のように、光スルホン化反応によるスルホン化有機化合物の合成方法も提供させる。
【００４９】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく発明の実施の形態について説明する。もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。
【００５０】
【実施例】
（実施例１）
ＮａＣＮ（１モル）を溶解させた水中に、フェナントレン（３０ミリモル）及びＤＣＢ（８０ミリモル）を溶解したＢＮ溶液を水：ＢＮ体積比＝１０：１で混合し、３００ミリリットルの油水エマルションとした。このエマルションに酸素ガスを通気しながら攪拌下に、３００ワット高圧水銀灯を用いて３時間光反応を行った。なお、高圧水銀灯と反応容器の間に硫酸銅水溶液のフィルターを挿入し、水銀灯の３４３ｎｍより長波長の光だけを照射するようにした。反応後、油相を取りだし、ガスクロマトグラフィー／質量分析計により生成物分析を行った。
【００５１】
結果：油相中には９−シアノフェナントレンとＤＣＢのみが存在しており、フェナントレン由来の副反応生成物は確認されなかった。また、未反応のフェナントレンやＤＣＢの消費も確認されなかった。水野らの方法に比べ、ＤＣＢの回収率が大きいことから、本光反応が極めて効率のよい反応であることが確認できた。
（実施例２）
ＮａＣＮ（１モル）を溶解させた水中（２５０ｍｌ）に、ピレンあるいはペリレン（８０ミリモル）と電子受容体としてのＤＣＢ（８０ミリモル）を溶解したＢＮ溶液（２５ｍｌ）を混合し、油水エマルションとした。このエマルションに酸素ガスを通気しながら攪拌下に、３００ワット高圧水銀灯を用いて５時間光反応を行った。なお、高圧水銀灯と反応容器の間に硫酸銅水溶液のフィルターを挿入し、水銀灯の３４３ｎｍより長波長の光だけを照射するようにした。反応後、油相をクロロフォルム抽出し、この溶媒を除去して粗生成物を得た。この後、粗生成物をシリカゲルカラム（ヘキサン／クロロフォルム＝１／２）で精製・単離した。生成物は元素分析、核磁気共鳴スペクトル、融点などに基づいて同定した。
【００５２】
結果：次式に示したように、
１）ピレンの光反応：生成物は１−シアノピレン（収率＝７８％）
２）ペリレンの光反応：生成物は１−シアノ、および３−シアノペリレン
（合計収率＝１５％）
なお、油相成分をガスクロマトグラフィー／質量分析を行ったところ、両系ともにシアノ化物以外の生成物は認められなかった。
【００５３】
【化３】
0003960806.tif 000004
【００５４】
１−シアノピレンの合成は過去に報告されているが、ピレンを臭素化した後に、これをシアン化銅でシアノ化する２段階合成（収率８６％）である。ピレンの直接１段階シアノ化反応は、この出願の発明が最初である。また、シアノペリレンの報告は、これまでに２例があるのみである。一つは、ぺリレンをフォルミル化してアルデヒド体とし、これをオキシムに誘導した後にシアノ基へ変換する３段階合成（２８時間）である。もう一つはぺリレンを過塩素中で電解してぺリレンの酸化体を導き、これと青酸カリと反応させてシアノペリレンを得るものである（１−シアノペリレンおよび３−シアノペリレンの収率は各々１３％）。従って、ぺリレンについても１段階シアノ化はこの出願の発明が最初である。この出願の発明は１段階合成法であるとともに、従来法に比べ反応時間を短縮できる、合成方法も簡便であるという優れた利点がある。
（実施例３）
ＮａＣＮ（１モル）を溶解させた水中（１０ｍｌ）に、ピレンあるいはペリレン（２０ミリモル）とＤＣＢ（８０ミリモル）を溶解したＢＮ溶液（１００μｌ）を混合し、油水エマルションとした。このエマルションに酸素ガスを通気しながら攪拌下に、３００ワット高圧水銀灯を用いて３時間光反応を行った。なお、高圧水銀灯と反応容器の間に硫酸銅水溶液のフィルターを挿入し、水銀灯の３４３ｎｍより長波長の光だけを照射するようにした。またホモジナイザーを用いて攪拌回転数を２００００ｒｐｍに調節し、油滴サイズを１０マイクロメートル以下となるようにした。反応後、油相を取りだしガスクロマトフラフィー／質量分析計により生成物分析を行った。
【００５５】
結果：
１）ピレンの光反応：図１には、生成物のガスクロマトグラムを、図２には、主生成物のマススペクトルを示した。
【００５６】
光反応前後のガスクロマトグラムより、３時間の光照射でピレンは完全に消費され、生成物に由来するピークが保持時間１３．１分に現れた。このピークのマススペクトルの親ピークは２２７であることから、生成物は１−シアノピレンであると同定した。また、クロマトグラムのピーク面積から反応収率は約８５％であることがわかった。また、クロマトグラムから、１−シアノピレン以外の生成物は無いこともわかり、極めてクリーンかつ選択的な光反応であることが確認できた。
【００５７】
２）ペリレンの光反応：図３には、生成物のガスクロマトグラムを、図４には、主生成物のマススペクトルを示した。
【００５８】
光反応前後のガスクロマトグラムにより、３時間の光照射でぺリレンは完全に消費され、生成物に由来するピークが保持時間１６．１および１６．７分に現れた。この二つのピークのマススペクトルの親ピークはともに２５２であることから、生成物は１−シアノぺリレンおよび３−シアノペリレンであると同定した。また、クロマトグラムのピーク面積から反応収率は約１５％であることがわかった。
【００５９】
３）参照例：上記のエマルション光反応の優位性を示すために、上記の反応をアセトニトリル／水混合均一溶媒（１／９）で行い、その生成物分析を上記と同じ方法で行った。その結果、アセトニトリル／水中の光反応では、１−シアノピレンの収率は６１％、またぺリレンのシアノ化物の収率は約４％であった。この出願の発明の光反応方法は極めて有用性が高いことが確認された。
（実施例４）
ＮａＣＮ（１モル）を溶解させた水中に、ピレン（Ｐｙ；２０ミリモル）及び１，４−ジシアノベンゼンＤＣＢ；８０ミリモル）を溶解したベンゾニトリル（ＢＮ；１００μＬ）溶液を水：ＢＮ体積比＝１００：１で混合し、１０ミリリットルの油水エマルションとした。バンドパスフィルターを挿入することにより３６６ｎｍの光だけを取り出した高圧水銀灯（３００ワット）の光を、攪拌下でエマルションに照射することで０〜６０分間光反応を行った。反応後、油相を取りだしガスクロマトグラフィー−質量分析計により生成物分析を行った。様々な反応条件における反応収率、および反応の量子収量（系が吸収した光の光子数に対する生成物のモル数；光反応における反応速度）について比較検討を行った。
【００６０】
結果：種々の反応条件における１−シアノピレン生成の反応収率および量子収量を下表に示す。なお、アインシュタインの光等量則から量子収量の最大値は１．０である。
【００６１】
【表１】
0003960806.tif 000005
【００６２】
Entry １−４において、光反応におけるＤＣＢの有無と通気条件による比較を行った。結果として、空気、すなわち酸素とＤＣＢの存在下では、量子収量が０．１７と他の一般的な光反応（０．０１〜０．５）と大差なく、反応収率は８３％という非常に良好な値を示した（Entry１）。なお、酸素とＤＣＢがないときに最も反応が進行せず（Entry４）、ＤＣＢもしくは酸素のどちらかが存在すれば、量子収量は低くなるものの反応が進行する（Entry２,４）こともわかった。また、Entry ５,６において、水相中に界面活性剤（０．５ミリモル）を添加した効果について検討を行った。選択した界面活性剤は、カチオン性界面活性剤であるドデシルトリメチルアンモニウムクロライド（ＤＴＡＣ；Ｃ12Ｈ25（ＣＨ3）3ＮＨ4+Ｃｌ-）、およびアニオン性界面活性剤であるドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ；Ｃ12Ｈ25ＳＯ3-Ｎａ+）である。その結果、ＤＴＡＣを添加することにより、光シアノ化反応の量子収量は大幅に増加することがわかった。ＳＤＳを添加すると量子収量が減少していることから、この添加効果は界面活性剤の電荷によるものであり、以下のように考えられる。カチオン性界面活性剤が油滴／水界面に吸着することにより電荷二重層を形成し、界面近傍のシアン化物イオンの濃度が著しく増加することにより反応速度が増加するのに対し、アニオン性界面活性剤の添加ではナトリウムイオンをひきつけて、界面近傍のシアン化物イオン濃度が減少してしまうために量子収量が減少しているものと考えられる。なお、アセトニトリル／水混合溶媒系では以上のような効果は認められなかったことから、この界面活性剤添加効果は、油滴／水界面での光反応に特異的な効果であると考えられる。
（実施例５）
ＮａＣＮ（１モル）を溶解させた水中（１０ｍｌ）に、フェナントレン（３０ミリモル）及びＤＣＢ（８０ミリモル）を溶解したＢＮ溶液（１００μｌ）を混合し、油水エマルションとした。このエマルションに酸素ガスを通気しながら攪拌下、３００ワット高圧水銀灯を用いて１時間光反応を行った。なお、高圧水銀灯と反応容器の間に硫酸銅水溶液のフィルターを挿入し、水銀灯の３４３ｎｍ以上の光だけを照射するようにした。また、ホモジナイザーを用いて攪拌回転数を５００−２００００ｒｐｍに調節してエマルション中の油滴サイズを１００（５００ｒｐｍ）〜１マイクロメートル（２００００ｒｐｍ）の範囲とした。反応後、油相を取りだしガスクロマトフラフィー／質量分析計により生成物分析を行った。シアノ化反応の収率は攪拌回転数、すなわち油滴サイズに大きく依存した。
【００６３】
結果：
１）攪拌の回転数が高いほど、１−シアノフェナントレンの収率は高く、無攪拌時に比べて回転数を２４００ｒｐｍにした場合には、収率は約２倍になった。また、回転数を上げるほど、光反応後のＤＣＢの残存量は多かった。以上の結果は以下のように解釈できる。即ち、回転数が高いほど、エマルション中に生成する油滴のサイズは微小になり、その表面積／体積比の増大を反映して油滴／水界面を経由する反応や物質移動過程（抽出）の効率が向上する。油滴が微小になる（回転数が高い）ほど、光電子移動で生成したカチオンラジカルとアニオンラジカルが水相へ分配し易くなり、芳香族炭化水素のカチオンラジカルはシアン化物イオンと反応し易くなる。そのため、高回転数で反応収率が向上したものである。
（実施例６）
本光反応における油滴サイズ依存性をさらに明らかにするため、レーザー捕捉・顕微蛍光測定により単一ＢＮ油滴／水界面におけるペリレンの光シアノ化反応（収率；１５％）の観測を行った。ＮａＣＮ（２モル）を溶解させた水中に、ペリレン（Ｐｅ；５ミリモル）及び１，４−ジシアノベンゼン（ＤＣＢ；４０ミリモル）を溶解したＢＮ溶液（１００μＬ）を水：ＢＮ体積比＝３００：１で混合し、油水エマルションとした。このエマルション中における単一油滴（油滴直径；３〜１１μｍ）を顕微鏡下においてレーザー捕捉した後、バンドパスフィルターにより４００ｎｍの光だけを取り出したキセノンランプ（１５０ワット）の光を油滴に照射することで光反応を行った。なお、反応は蛍光スペクトル変化によりモニターした。様々なサイズの油滴における反応の量子収量について比較検討を行った。
【００６４】
結果：
１）各油滴サイズにおけるシアノペリレンの濃度の経時変化を図５に示した。直径３μｍの油滴では光照射時間が〜８秒ほどで反応が終了しているのに対し、直径１０．５μｍの油滴では反応が終了するのに〜１５秒ほどかかっていることがわかる。したがって、油滴の直径が小さくなるほど、シアノペリレンの生成速度が速くなることがわかった。なお、反応収率に関しては油滴サイズ依存性は観測されなかった（〜１５％）。
【００６５】
２）観測されたシアノペリレンの増加曲線から、各油滴サイズでの反応量子収量を算出したところ、図６に示したように、油滴の直径が小さくなるほど、シアノペリレン生成の量子収量が大きくなることが確認された(0.005〜0.015)。
【００６６】
３）このような油滴／水界面を経由する反応では、反応速度は油滴の比表面積に依存するため、速度定数は油滴直径の逆数に比例すると考えられる。そこで、観測された各油滴サイズでの量子収量を、油滴直径の逆数にプロットしたところ、図７のような良好な直線関係が得られた。
【００６７】
したがって本光反応では、油滴サイズが小さくなるほど、表面積／体積比の増大を反映して反応の効率が向上することが明らかとなった。
（実施例７）
実施例３と同様な条件においてＮ−エチルカルバゾール及び１，１０−フェナンスロリンの光シアノ化反応を試みた。なお、Ｎ−エチルカルバゾール及び１，１０−フェナンスロリンの光シアノ化反応はこれまで報告されていない。
【００６８】
結果：次式のとおり、
１）Ｎ−エチルカルバゾールの光反応：Ｎ−エチル３，６−ジシアノカルバゾール及びＮ−エチル−３，８−ジシアノカルバゾールが７６％の合計収率として、また、Ｎ−エチル−３−シアノカルバゾールが３％収率で得られた。
【００６９】
２）１，１０−フェナンスロリンの光反応：５，６−ジヒドロ−５−シアノフェナンスロリンが収率５６％で得られた。
【００７０】
３）いずれの場合においても、含窒素芳香族炭化水素の光シアノ化の例としては初めてであり、１段階直接合成としての収率も高く、有機合成上、極めて有用であることが確認された。
【００７１】
【化４】
0003960806.tif 000006
【００７２】
（実施例８）
実施例３と同様なピレンの光シアノ化反応を、油相としてＢＮの代わりにプロピレンカーボネート（ＰＣ）を用いて行った。
【００７３】
結果：
１）ＰＣ中では極めて効率良く光反応が進行した。ＢＮ油滴中で数時間の光照射が必要であったが、ＰＣ油滴中では、下表に示すように数分から３０分で光シアノ化が進行した。また、ＢＮ中ではモノシアノ化物がほぼ選択的に得られたが、ＰＣ中では、モノシアノ体の他、ジシアノ、トリシアノ、テトラシアノ体も得られることがわかった。更に、次表に示したように、光照射時間により各生成物の比を制御できることもわかった。
【００７４】
【表２】
0003960806.tif 000007
【００７５】
２）なお、１，１０−フェナンスロリンの光反応をＰＣ中で行うと、ピレンの場合と同様に反応効率が上がり、６９％の収率で５，６−ジヒドロ−５−シアノフェナンスロリンが得られた。この場合、モノシアノ体しか得られないことも明らかになった。効率的かつ選択的な光反応である。
（実施例９）
実施例４と同様な条件において、ピレンの光シアノ化反応における油滴の溶媒の適用範囲について検討をおこなった。
【００７６】
結果；様々な油／水エマルション系において、光反応をおこなった際の反応収率および量子収量を下表に示す。
【００７７】
【表３】
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【００７８】
Entry ８のアセトニトリル以外は、すべて油／水エマルションになる溶媒である。本光反応においてはカチオンラジカルを経由する反応であるため、反応の量子収量は溶媒の誘電率に依存し、誘電率が低くなる（＜〜１５）と反応が進行しにくくなると予測される。実験結果はEntry ８を除いてその予測を支持しており、エマルション系における光反応では誘電率が〜１５以上の溶媒であれば、反応が良好に進行することが明らかとなった。誘電率が１５以上の溶媒ではいずれも、アセトニトリル／水混合溶媒系での反応収率（６１％）を上回っており、本光反応は非常に有効な反応法であることが確認された。アセトニトリル／水混合溶媒系での量子収量はおよそ〜０．１であることから、本光反応は量子収量（反応速度）の観点からも充分実用的な反応であることがわかった。
（実施例１０）
ピレンの光シアノ化反応における溶媒依存性を、油相中に溶解する水の溶解度の観点から、実施例４と同様な条件において検討をおこなった。
【００７９】
結果：様々な油／水エマルション系において、光反応をおこなった際の反応収率および量子収量を下表に示す。
【００８０】
【表４】
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【００８１】
Entry １のアセトニトリル以外は、すべて油／水エマルションになる溶媒である。実験結果から、油中の溶解度が減少するにしたがって、反応収率が増加することがわかった。これまでにアセトニトリル／水混合溶媒系でのナフタレンの光シアノ化反応において、水の混合比が増加すると反応収率が減少することが報告されており（N.J. Bunce et al., J.Chem.Soc.,Perkin Trans.II,713-719(1981)) 、油／水エマルションになるような水と混じりにくい溶媒を用いることにより、収率が増加するものと推測される。したがって、これまでの実験結果から、ベンゾニトリルやフェニルアセトニトリルのような誘電率が〜１５以上で、水の溶解性が低い有機溶媒を用いることにより、反応収率が向上することがわかった。（実施例１１）
光シアノ化反応においては芳香族炭化水素のカチオンラジカルとＣＮ-との反応であったが、他の求核試薬を用いることもできる。例えば、ＣＮ-の代りにアンモニアを求核試薬として用いることにより芳香族炭化水素の光アミノ化反応、硫酸ナトリウムを用いると芳香族炭化水素の光スルホン化反応が起こる。一例として、光アミノ化反応は、以下のようにして実施した。
【００８２】
濃アンモニア水（１５モル）中にフェナントレン（３０ミリモル）およびＤＣＢ（８０ミリモル）を溶解したＢＮ溶液を水：ＢＮ＝１００：１で分散してエマルションを調製した。このエマルションを攪拌下、アルゴンガスを通気しながら実施例１と同様に４時間光照射した。反応後、油相を取りだしガスクロマトグラフィー／質量分析計により生成物分析を行った。
【００８３】
結果：次式に示したように、
１）フェナントレンの光アミノ化反応：９−アミノ−９，１０−ジヒドロフェナントレンを３２％収率で得ることができた。
【００８４】
２）フェナントレンの光スルホン化反応：スルホン基が導入されたことを質量分析から確認した。
【００８５】
【化５】
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【００８６】
（実施例１２）
これまでの光シアノ化反応においては芳香族炭化水素と電子受容体であるＤＣＢにより芳香族炭化水素カチオンラジカルを生成する反応であったが、それとは逆に光吸収する芳香族炭化水素を電子受容体とすることで電子供与性の消光剤を光シアノ化することもできる。たとえば、ナフタレンを電子供与性の消光剤として用いることにより芳香族炭化水素のアニオンラジカルとナフタレンのカチオンラジカルが生成し、ＣＮ-と反応することでシアノナフタレンが生成する。消光剤の光シアノ化反応は、以下のようにして実施した。
【００８７】
ＮａＣＮ（１モル）を溶解させた水中（１０ｍｌ）に、１−シアノピレン（４０ミリモル）と電子供与体としてのナフタレン（０．２モル）を溶解したＢＮ溶液（１００μｌ）を混合し、油水エマルションとした。このエマルションを攪拌下、実施例３と同様に２時間光照射した。反応後、油相を取りだガスクロマトグラフィー／質量分析計により生成物分析を行った。
【００８８】
結果：
１）生成物である１−シアノナフタレンが７１％の収率で得られた。この実施例における光照射条件（＞３４３ｎｍ）ではナフタレンの光吸収は起こらない。従って、次式スキームのように１−シアノピレンの光吸収により電子供与体であるナフタレンのシアノ化反応が生起したものと考えられる。
【００８９】
２）反応する化合物が光吸収する必要はないことから、電子供与性が強い化合物であれば光置換反応を誘起することができる。つまり、これまでの例から、カチオンラジカルとなるものであれば任意の化合物が光置換反応することがわかる。
【００９０】
【化６】
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【００９１】
（実施例１３）
油水界面はエマルション以外でも作成可能である。その１つの方法として、ダブルＹ型のマイクロチャンネルを有するポリマーチップに油相と水相を別々に導入し、両相の合流点から下流方向に沿って油水界面を作成させ、この平行な界面での光反応を試みた。油相としてＰＣを用い、ピレンの光シアノ化反応を行い、生成物をガスクロマトグラフィー／質量分析計により分析した。光源として３００ワット水銀ランプの３４３ｎｍ以上の光をチップ（１．５×３．０ｃｍ）に均一に照射し、チップ中のマイクロチャンネル（幅２００μｍ、長さ６ｃｍ）中の油水界面反応を誘起した。
【００９２】
結果：油水エマルション系と同様に、１−シアノピレンの生成を確認した。反応収率は数％と低いが、アセトニトリル／水の均一系では反応が進行しないことを考えると、油水界面が本光反応に決定的な役割を果たしていることが確認された。チップに対する光照射方法、チャンネル構造などを最適化することにより、連続的・自動的な光反応システムは可能となる。
（実施例１４）
油水界面はエマルション以外でも作成可能である。その１つの方法として、図面８のようなダブルＹ型のマイクロチャンネルを有するポリマーチップに油相と水相を別々に導入し、両相の合流点から下流方向に沿って油水界面を作成させ、この平行な界面での光反応を試みた。
【００９３】
油相としてプロピレンカーボネート（ＰＣ）を用い、ピレンの光シアノ化反応を行い、生成物をガスクロマトグラフィー／質量分析計により分析した。光源として３００ワット水銀ランプの３４３ｎｍ以上の光をチップ（１．５×３．０ｃｍ）に均一に照射し、チップ中のマイクロチャンネル（幅１００μｍ、長さ３５ｃｍ）中の油水界面反応を誘起した。なお、２液の流速はシリンジポンプにより制御を行った。
【００９４】
結果：油水エマルション系と同様に１−シアノピレンの生成を確認した。なお、油相側の出口からはシアノピレンや未反応のピレンが確認できたのに対し、水相側の出口から有機物は全く検出されなかった。したがって、このような形状のチャンネルチップで光反応を行うことにより、自動的に油水を分離できることを確認できた。反応収率は流速０．２μｌ／ｍｉｎにおいて２９％であった。また、反応収率の流速依存性を検討したところ、流速が速くなるほど収率が減少した。この流速依存性は油水の接触時間に起因するものと考え、設定流速から油水の接触時間を算出し、収率に対してプロットしたものを図９に示す。
【００９５】
油水の接触時間に対して、シアノピレンの収率は直線的に増加していることがわかる。したがって、本光反応においては油水の接触時間が反応速度を決定していることがわかった。
（実施例１５）
図１０のような三液導入型のマイクロチャンネル（幅１００μｍ、長さ３５ｃｍ）を有するポリマーチップの中央の相に油相、両端の相に水相を導入し、実施例１４と同様の反応条件で界面での光反応を試みた。
【００９６】
結果：反応収率は流速０．２μｌ／ｍｉｎにおいて７２％となり、二液導入型に比べ収率が２．５倍に増加した。また、反応収率の流速依存性を検討したところ、実施例１４と同様に流速が速くなるほど収率が減少した。収率の油水の接触時間依存性を二液導入型と比較したものを図１１に示す。
【００９７】
どちらのチップでも油水の接触時間に対して、シアノピレンの収率は直線的に増加しており、二液導入型に比べ、三液導入型では反応効率が２．５倍になっていることがわかった。この結果は、油相の両側に水相が流れることによって、表面積／体積比が３倍になることを反映して反応の効率が向上していると考えられる。
（実施例１６）
実施例１４の結果から油水の接触時間がチップ中での反応の収率を決定していることがわかった。そこで二液導入型のチップを図１２のように積層することで油水の接触時間を増加させ、収率の向上を試みた。反応条件は実施例１４と同様である。
【００９８】
結果：反応収率は流速０．２μｌ／ｍｉｎにおいて４８％となり、一層に比べ収率が１．７倍に増加した。理想的には収率は２倍になるはずであるが、ポリマー基盤の透過率が〜８０％であるため、１．７倍の増加率にとどまったものと考えられる。したがって、チャンネル構造の最適化（三液導入型の使用）やポリマーの光の透過性を利用した積層をすることにより、高効率かつ連続的・自動的な光反応システムが可能となることを示すことができた。
【００９９】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、油相／水相との異相間物質移動と一般光反応とを特徴とするこの出願の発明によって、従来技術の問題点を解消し、一段階の反応で、広範囲な種類の反応基質に対して適用することができ、簡便に、短時間で、しかも高い反応収率で目的とするシアノ置換化合物等の置換反応有機化合物を合成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例３におけるピレンの光シアノ化反応についてのガスクロマトグラムである。
【図２】図１に関連する、主生成物１−シアノピレンのマススペクトルである。
【図３】ぺリレンの共シアノ化反応についてのガスクロマトグラムである。
【図４】図３に関連する、主生成物１−シアノぺリレンのマススペクトルである。
【図５】実施例６において、油滴サイズの異なる場合のシアノペリレンの濃度の経時変化を例示した図である。
【図６】油滴直径とシアノペリレンの量子収量との関係を例示した図である。
【図７】油滴直径の逆数とシアノペリレンの量子収量との関係を例示した図である。
【図８】実施例１４におけるダブルＹ型マイクロチャンネルチップを示した概要平面図である。
【図９】実施例１４における油水の接触時間と収率との関係を例示した図である。
【図１０】実施例１５における三液導入型のマイクロチャンネルチップを示した概要平面図である。
【図１１】実施例１５における油水の接触時間と収率との関係を例示した図である。
【図１２】実施例１６の二液導入型のチップの積層について示した概要斜視図である。
【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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