(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機カルボン酸を、触媒の存在下に分子状水素で還元して対応する有機アルデヒドを製造する方法において、当該反応を脱水剤の存在下におこなうことを特徴するアルデヒドの製造方法。
【請求項２】
脱水剤がカルボン酸無水物である請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項３】
カルボン酸無水物が、脂肪族カルボン酸の無水物である請求の範囲第２項に記載の方法。
【請求項４】
溶媒の存在下に反応を行う請求の範囲第１〜３項のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
触媒が、パラジウム触媒である請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
パラジウム触媒が、０価のパラジウム錯体である請求の範囲第５項に記載の方法。
【請求項７】
触媒が固体触媒である請求の範囲第１〜６項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
反応温度が２５〜１００℃である請求の範囲第１〜７項のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
反応圧力が０．１〜６．０ＭＰａである請求の範囲第１〜８項のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、有機カルボン酸を、触媒の存在下に分子状水素で還元して対応する有機アルデヒドを製造する方法において、当該反応を脱水剤の存在下におこなうことを特徴するアルデヒドの製造方法に関し、簡便でかつ高効率のアルデヒドの製造方法を提供する。
背景技術
アルデヒドはそれ自身香料、医薬、農薬品となるばかりでなく精密化学品合成のための原料として用いられている。しかし、アルデヒド合成法として従来用いられている手法としては、炭化水素を酸化する方法や酸ハロゲン化物を還元する方法などが知られているが、酸化条件が難しいとかハロゲン化物等の副生物を化学量論量生成するなど、反応効率が悪く、環境への負荷が大きいことなどの問題がある。
カルボン酸を還元してアルデヒドを製造する方法としては、通常はカルボン酸を酸塩化物などへ誘導した後部分還元するか、一旦、アルコールとしてから部分酸化するなどの多段階を要する方法が用いられている。
パラジウム固体触媒を用い、分子状水素を水素源とする酸塩化物の接触水素化によるアルデヒド合成反応は、Ｒｏｓｅｎｍｕｎｄ還元と呼ばれ、反応系にアミンを添加することにより、様々な基質においてほぼ定量的に進行することが知られている。本反応は水素圧が１気圧で良いなどの利点があるが、酸塩化物を調製する必要があり、また副生物として酸性の塩化水素が発生するなどの欠点がある。この反応を、パラジウム錯体を用いて均一系水素化を行った報告もあるが、この場合、基質が芳香族カルボン酸塩化物に限られている（Ａ．Ｓｃｈｏｅｎｂｅｒｇ，ａｎｄ  Ｒ．Ｆ．Ｈｅｃｋ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，９６，７７６１（１９７４））。
カルボン酸を、分子状水素を用いて効率よく水素化した例に、三菱化成（現三菱化学）法がある。これは、ジルコニア系あるいはクロム酸系固体触媒を用いて高温下（３３０〜４００℃）気相水素化することにより、アルデヒドを選択的かつ高収率で得るプロセスである。（Ｎ．Ｄｉｎｇ，Ｊ．Ｋｏｎｄｏ，Ｋ．Ｍａｒｕｙａ，Ｋ．Ｄｏｍｅｎ，Ｔ．Ｙｏｋｏｙａｍａ，Ｎ．Ｆｕｊｉｔａ，Ｔ．Ｍａｋｉ，Ｃａｔａｌ．，１７，３０９（１９９３）；特開平４−２１０９３６号（横山寿治ら）；特開昭６２−１０８８３２号（真木隆生ら）；総説：横山寿治、日化協月報、１９９７年４月号、ｐ．１４．）。しかし、本プロセスは高温を要するため、熱的安定性の低い基質には適用できず、また、装置全体が大きくなり小規模での合成における単位反応として利用することは困難である。
また、本発明者らは、０価パラジウム錯体触媒の存在下に、温和な反応条件でカルボン酸無水物を分子状水素で還元してアルデヒドを製造する方法を報告してきた（Ｃｈｅｍ．Ｌｅｔｔ．１９９５，３６５）。しかしこの方法は、原料となる酸無水物を予め調製する必要があることや、アルデヒドと等量のカルボン酸を副生するなど、反応効率の点で問題があった。
発明の開示
本発明は、温和な反応条件下に高効率でカルボン酸を分子状水素を用い還元してアルデヒドを製造する方法を提供する。
本発明は、有機カルボン酸を、触媒の存在下に分子状水素で還元して対応する有機アルデヒドを製造する方法において、当該反応を脱水剤の存在下におこなうことを特徴するアルデヒドの製造方法に関する。
発明を実施するための最良の形態
本発明者らは、前記したカルボン酸無水物を原料とするアルデヒドの製造方法（Ｃｈｅｍ．Ｌｅｔｔ．１９９５，３６５）の収率の改善を計るため、この反応系の改善を鋭意検討してきた結果、驚くべきことに反応系に脱水剤を存在させて、反応系内で原料カルボン酸をカルボン酸無水物にすることにより、高収率で対応するアルデヒドを製造することができることがわかった。
即ち、本発明は、カルボン酸に無水トリメチル酢酸などの脱水剤を共存させ、反応系中で酸無水物を発生させながら水素化することにより、アルデヒドを収率よく生成することを特徴とする。
本発明における脱水剤としては、反応条件下で原料のカルボン酸を対応するカルボン酸無水物、又はその混合酸無水物に変換することができるものであれば、特に制限はなく、より具体的には、例えば、カルボン酸無水物、ジカルボナート、カルボジイミドなどを用いることができるが、これらのなかではカルボン酸無水物が好ましい。
脱水剤として使用するカルボン酸無水物としては、炭素数１〜２０、好ましくは１〜１０の直鎖状又は分枝状の脂肪族カルボン酸無水物、炭素数６〜２０、好ましくは６〜１２の芳香族カルボン酸無水物などが挙げられる。好ましいカルボン酸無水物としては、炭素数１〜２０、好ましくは１〜１０の分枝状の脂肪族カルボン酸無水物が挙げられる。より具体的には無水トリメチル酢酸などのような立体的に大きな基を有するカルボン酸の無水物がさらに好ましい。
本発明の原料となる有機カルボン酸としては、カルボキシル基を有するものであればよく、分子内に他の官能基として本発明の反応に悪影響を与えない官能基を有するものであってもよい。また、本発明の反応に悪影響与える官能基を有する場合には、当該官能基をペプチド合成などに汎用されている適当な保護基で保護して反応に供することもできる。
本発明の原料となる有機カルボン酸としては、次の一般式（Ｉ）
Ｒ−ＣＯＯＨ        （Ｉ）
（式中、Ｒは有機基を示す。）
で表すことができ、基Ｒの有機基としては、置換基を有してもよいアルキル基、置換基を有してもよいアルケニル基、置換基を有してもよいアルキニル基、置換基を有してもよいシクロアルキル基、置換基を有してもよいシクロアルケニル基、置換基を有してもよいアリール基、置換基を有してもよいヘテロアリール基などが挙げられる。
また、これらの有機カルボン酸は、モノカルボン酸でも、ジカルボン酸、トリカルボン酸等複数のカルボキシル基を有する多塩基酸でもよい。
前記一般式（Ｉ）におけるアルキル基としては、炭素数１〜３０、好ましくは１〜２０、より好ましくは５〜１５の直鎖状又は分枝状のアルキル基が好ましく、アルケニル基としては、炭素数２〜３０、好ましくは２〜２０、より好ましくは５〜１５の直鎖状又は分枝状のアルケニル基が好ましく、シクロアルキル基としては、炭素数５〜３０、好ましくは５〜２０、より好ましくは６〜１０の単環、多環又は縮合環式のシクロアルキル基が好ましく、シクロアルケニル基としては前記したシクロアルキル基であって少なくとも１個以上の不飽和結合を有するものが好ましく、アリール基としては、炭素数６〜３０、好ましくは６〜２０、より好ましくは６〜１０の単環、多環又は縮合環式のアリール基が好ましく、ヘテロアリール基としては、環中に少なくとも１個以上の窒素原子、酸素原子又は硫黄原子を有し、１個の環の大きさが５〜２０員、好ましく５〜１０員、より好ましくは５〜７員であって、前記したシクロアルキル基、シクロアルケニル基又はアリール基を縮合していてもよい飽和又は不飽和の単環、多環又は縮合環式のヘテロアリール基が好ましい。また、基Ｒは、いわゆるアラルキル基であってもよく、これらの基は前記したアルキル基又はアルケニル基に前記のアリール基又はヘテロアリール基が置換しているものが挙げられる。
一般式（Ｉ）中の前記したアルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、シクロアルケニル基、アリール基、ヘテロアリール基、又は、アラルキル基は、反応を阻害しない置換基で置換されていてもよい。また、置換基が反応を阻害する可能性がある場合には、必要に応じてこれらの置換基を保護基で保護することもできる。したがって、本発明の置換基としては、反応中に保護基で保護することができる反応性の置換基も包含している。
一般式（Ｉ）中の前記したアルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、シクロアルケニル基、アリール基、複素環基、又は、アラルキル基の置換基としては、これらの基が相互に置換することができる場合には、これらの基が相互に置換したものであってもよい。例えば、アルキル置換シクロアルキル基、アルキル置換アリール基、アルキル置換ヘテロアリール基、アルキル置換アラルキル基、シクロアルキルアルキル基、シクロアルキルアルケニル基、アルケニル置換アリール基などが挙げられる。
その他の置換基としては、前記したアルキル基からなるアルコキシ基、アルキルチオ基、ジアルキルアミノ基、アルコキシカルボニル基、塩素、臭素、フッ素などのハロゲン原子、メチレンジオキシ、２，２−ジメチルメチレンジオキシ基などのアルキレンジオキシ基、シアノ基などが挙げられる。
好ましい置換基としては、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｔ−ブチル基などの低級アルキル基、フェニル基、ナフチル基などのアリール基、メトキシ基、エトキシ基、ｎ−プロポキシ基などの低級アルコキシ基、ジメチルアミノ基、ジエチルアミノ基、ジプロピルアミノ基なとのジ低級アルキルアミノ基、メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基などのアルコキシカルボニル基、塩素、フッ素などのハロゲン原子、メチレンジオキシ、２，２−ジメチルメチレンジオキシ基などのアルキレンジオキシ基、シアノ基などが挙げられる。
一般式（Ｉ）のＲの具体例としては、例えば、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、ｔ−ブチル基、ヘキシル基などの低級アルキル基、ビニル基、プロペニル基、ブテニル基などの低級アルケニル基、シクロヘキシル基、シクロペンチル基などのシクロアルキル基、シクロヘキセニル基などのシクロアルケニル基、フェニル基、ナフチル基などのアリール基、チエニル基、フラニル基などの複素環基、ベンジル基、フェネチル基などのアラルキル基等が挙げられる。
本発明の原料カルボン酸としては、例えば、カプリル酸、カプロン酸、２−メチル−吉草酸、ラウリン酸、パルミチン酸などの脂肪族飽和カルボン酸、アジピン酸、ピメリン酸、セバシン酸、ドデカンジカルボン酸などの脂肪族ジカルボン酸、アジピン酸モノエチルエステル、ピメリン酸モノエチルエステル、セバシン酸モノエチルエステル、ドデカンジカルボン酸モノエチルエステルなどの脂肪族多価カルボン酸のエステル類、オレイン酸、エルカ酸、１０−ウンデセン酸などの脂肪族不飽和カルボン酸、フェニル酢酸、ジフェニル酢酸、２−フェニルプロピオン酸、３−フェニルプロピオン酸、ケイ皮酸などの芳香族置換基を有する脂肪族カルボン酸、シクロヘキサンカルボン酸などの環式脂肪族カルボン酸、安息香酸、２−ナフトエ酸、４−シアノ−安息香酸、４−ｔ−ブチル−安息香酸、４−メトキシ−安息香酸、３−フェノキシ−安息香酸、２−メチル−安息香酸、３，４−メチレンジオキシ−安息香酸などの芳香族カルボン酸、テレフタル酸、１，３，５−ベンゼントリカルボン酸などの芳香族ジカルボン酸、ピリジンカルボン酸、フランカルボン酸、チオフェンカルボン酸などのヘテロアリールカルボン酸などが挙げられる。
本発明の脱水剤の使用量は、触媒量であってもよいが、多いほうが好ましい。例えば、原料カルボン酸に対して１当量以上、好ましくは１〜１０当量、より好ましくは２〜５当量、さらに好ましくは３〜５当量である。
本発明の触媒としては、従来水素化触媒として使用されるものを適宜使用することもできるが、遷移金属触媒又は貴金属触媒が好ましい。本発明の触媒は、可溶性にして均一触媒として使用することもできるし、固体触媒として不均一系にして使用してもよい。
遷移金属触媒又は貴金属触媒としては、パラジウム、コバルト、白金などが挙げられる。これらの触媒は、ホスフィン、カルボニルなど配位子を有する錯体として使用してもよいし、金属単体として使用することもできる。また、錯体として使用する場合には、錯体を形成させて触媒として使用することもできるが、反応系に別々に添加して反応系中で錯体を形成させてもよい。
好ましい触媒としては、テトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウムなどのパラジウム錯体、パラジウム／カーボンなどのパラジウム単体、ジコバルトオクタカルボニルなどのコバルトカルボニル錯体などが挙げられる。
本発明の触媒は、担体に担持させて使用することもできる。使用させる担体としては、活性炭、アルミナなどが挙げられる。
本発明の方法においては、溶媒の使用が好ましい。使用される溶媒は反応において不活性であって、原料や生成物を溶解させるに充分な溶解力を有するものが好ましい。
本発明の方法における溶媒としては、アセトン、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）のような極性溶媒及び、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ジオキサンなどのエーテル系溶媒を用いることができる。
本発明の方法における反応圧力としては、常圧、加圧のいずれでもよいが、加圧でおこなうのが好ましい。反応圧力としては、０．１〜６．０ＭＰａ、好ましくは０．５〜５．０ＭＰａである。また、触媒としてカルボニル錯体を使用する場合には一酸化炭素を加えるのが好ましく、この場合の一酸化炭素の分圧としては、０．５〜１０．０ＭＰａ、好ましくは１．０〜６．０ＭＰａ程度である。
本発明の反応温度としては、室温〜溶媒の沸点温度の範囲で選択することができる。好ましい反応温度としては、２５〜１００℃、より好ましくは２５〜８０℃である。
得られた反応混合物中から常法により、目的のアルデヒドを分離、精製することができる。分離、精製の方法としては、蒸留法、クロマトグラフィーなどの通常の方法が挙げられる。
本発明の方法は、高収率かつ高選択率で目的のアルデヒドを製造することができるのみならず、均一系反応又は不均一系反応とすることも可能であり、かつ、反応条件も温和であることから、その適用範囲が極めて広く、原料化合物の選択の幅を広げることも可能であり、工業的にも有利な方法である。
実施例
次に実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１〜９：
１００ｃｍ３のステンレス製オートクレープ内をアルゴンガスで置換したのち、次のテーブル１（Ｔａｂｌｅ  １）に示す触媒（０．０２ｍｍｏｌ）、溶媒（５ｃｍ３）、カルボン酸（２ｍｍｏｌ）および脱水剤をいれ、室温で水素圧を３．０ＭＰａまで加圧し、反応系を８０℃で２４時間撹拌した。その後、反応容器を室温以下に冷却し、水素圧を解放したのち、反応溶液を１Ｈ−ＮＭＲ、ガスクロマトグラフ質量分析にて分析した。
この反応条件を化学反応式で次に示す。
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結果を次のテーブル１（Ｔａｂｌｅ  １）に示す。
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表１の結果から、脱水剤としては種々のものが使用できるが、無水トリメチル酢酸が最もよい収率を与え、カルボン酸に対して３当量加えたときにアルデヒドをほぼ定量的に与えることがわかった。
実施例１０〜２０
次のテーブル２（Ｔａｂｌｅ  ２）に示すカルボン酸を用いて、実施例１に記載の方法に従って対応するアルデヒドを製造した。この反応を次の一般式で示す。結果をテーブル２（Ｔａｂｌｅ  ２）に示す。
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テーブル２（Ｔａｂｌｅ  ２）の結果から、つぎのようなことがわかった。脂肪族カルボン酸については、α位が一級の基質に関しては、アルデヒドをほぼ定量的に生成する。このとき、オレイン酸およびエルカ酸のシス内部オレフィンは水素化されないことを１Ｈ  ＮＭＲで確認した。トランス−ケイ皮酸の場合は、Ｐｄ／Ｐ比が１／２のＰｄ（ＯＡｃ）２／２ＰＰｈ３を触媒として用いることにより収率が向上した。末端オレフィンを有する１０−ウンデセン酸は、カルボキシル基は高収率でホルミル基へと変換されるが、末端オレフィンが内部へ異性化したものが観測され、また水素化されたものも生成したことが１Ｈ  ＮＭＲにより推測される。α位が多く置換された基質については、収率が低い。２−フェニルプロピオン酸およびジフェニル酢酸の場合は、反応中間体として考えられるアシルパラジウム錯体からの脱カルボニル化反応が起こり、副生物としてそれぞれスチレン、ジフェニルメタンが主生成物として得られ、アルデヒドの収率は極端に低かった。なお、脱水剤として加えた無水トリメチル酢酸は本反応条件ではほとんど水素化を受けなかった。
実施例２１〜２７
テーブル３（Ｔａｂｌｅ  ３）に示す各種の芳香族カルボン酸を用いて、実施例１に記載の方法に従って対応するアルデヒドを製造した。この反応を次の一般式で示す。結果をテーブル３（Ｔａｂｌｅ  ３）に示す。
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テーブル３（Ｔａｂｌｅ  ３）に示す表３の結果から、芳香族カルボン酸については、カルボキシル基に対しメタ位あるいはパラ位に置換基のあるものについては良好な水素化成績を示した。ナフトエ酸については、副反応として脱カルボニル反応も起きることがわかった。
実施例２８〜３２
テーブル４（Ｔａｂｌｅ  ４）に示す各種の多塩基酸を用いて、実施例１に記載の方法に従って対応するアルデヒドを製造した。この反応を次の一般式で示す。結果をテーブル４（Ｔａｂｌｅ  ４）に示す。
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テーブル４（Ｔａｂｌｅ  ４）の結果から、多塩基カルボン酸についても同様にカルボキシル基がホルミル基へと効率よく変換されることがわかった。
実施例３３
実施例１と同様にして、次の反応式で示される方法により対応するアルデヒドを製造した。収率は９９％であった。
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実施例３４
実施例１と同様にして、次の反応式で示される方法により対応するアルデヒドを製造した。収率は９９％であった。
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実施例３５
実施例１と同様にして、次の反応式で示される方法により対応するアルデヒドを製造した。収率は８４％であった。
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実施例３６
実施例１と同様にして、次の反応式で示される方法により、β−ピリジンカルボン酸から対応するアルデヒドを製造した。収率は、９９％であった。
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実施例３７〜３８
実施例１と同様にして、次の反応式で示される方法により、フランカルボン酸からそれぞれ対応するアルデヒドを製造した。収率は、３−フランカルボン酸の場合は９０％、２−フランカルボン酸の場合は８７％であった。
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実施例３９〜４０
実施例１と同様にして、次の反応式で示される方法により、チオフェンカルボン酸からそれぞれ対応するアルデヒドを製造した。収率は、２−チオフェンカルボン酸の場合には７２％、３−チオフェンカルボン酸の場合には７３％であった。
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実施例４１
触媒としてコバルトオクタカルボニル（Ｃｏ２（ＣＯ）８）を使用し、水素圧５．０ＭＰａ、ＣＯ圧５．０ＭＰａの条件で、次式で示される反応を実施例１と同様の方法により、収率２０％でカプリルアルデヒドを得た。
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実施例４２〜４５
実施例１と同様の方法により、次式で示されるハロゲン化安息香酸を水素化して対応するハロゲン化ベンズアルデヒドを製造した。収率はそれぞれ７８％、９９％、９３％、９９％であった。
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実施例４６〜４７
実施例１と同様の方法により、次の式で示されるケトカルボン酸を水素化して対応するアルデヒドを製造した。収率はそれぞれ９７％、８５％であった。
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実施例４８
実施例１と同様の方法により、次の式で示されるα−ナフタレンカルボン酸を水素化して対応するアルデヒドを製造した。収率は５０％であった。
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実施例４９
本触媒反応において、パラジウム化合物と第三級ホスフィンの混合物を触媒として、酢酸パラジウムと、パラジウムに対して５当量のトリ（４−メチルフェニル）ホスフィンとの混合物を用いて、アセトン溶媒中で次式で示されるように実施例１と同様に反応させたところ、反応が速やかに進行することがわかった。
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実施例５０
触媒として１０％パラジウム活性炭の個体触媒を用いて、次式に示されるように実施例１と同様に反応させた場合には、１５％の収率で目的のオクタナールを製造した。
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産業上の利用可能性
本発明の方法によれば、芳香族、複素環式あるいは脂肪族カルボン酸などの各種有機カルボン酸を、簡便でかつ高効率で対応するアルデヒドへ水素化することができる。アルデヒドはアルドール反応等により容易に他の誘導体に変換できるから、本法は各種有機化合物の合成に有力な方法を提供する。