(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の化合物１の式で示される１-エチル-３-メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネートと下記の化合物２の式で示される１-(２，２，２-トリフロオロエチル)-３-メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネート
【化１】
0004039828.tif 000006
を含有することを特徴とするイオン液体組成物であって、
該１-エチル-３-メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネート１００重量部に対して、該１-(２，２，２-トリフロオロエチル)-３-メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネートが２から３０重量部である、融点が−１０℃以下のイオン液体組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ルイス酸性触媒能を有するイオン液体組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に塩は常温で固体であるが、近年、アニオンとカチオンのコンビネーションを研究することにより、常温（２５℃）近傍でも液体であるイオン液体（Ionic liquid）の研究が盛んに行われている。イオン液体はアニオンとカチオンの組み合わせによって、塩基触媒機能を有する。すなわち、強酸由来のアニオンと弱塩基由来のカチオンから合成されるイオン液体はルイス酸性触媒能を有し、逆に強塩基由来のカチオンと弱酸由来のアニオンから合成されるイオン液体はルイス塩基触媒能を有する。また、常温で液体であるので溶媒としても使用可能である。溶媒と触媒を兼ね備えた新規な媒体として、有機合成反応において関心が持たれている。さらに、これらのイオン液体はリサイクル可能であるのでグリーンケミストリーの分野で注目されている。イオン液体は、特定の物質との親和性をもち、ルイス酸性触媒としての機能を有することがあるので反応溶媒として使用される他、物質の分離などのプロセス効率を上げる目的でも使用されている。
【０００３】
イオン液体として知られているものは多種類にわたるが、例えば、Inorganic Chemistry,1996,35,1168には、１−エチル-３-メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネート(以下「化合物１」という)、１-(２，２，２，-トリフロオロエチル)-３-メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネート(以下「化合物２」という)およびその類似物質の合成法、物性等が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般にイオン液体の融点は既存の有機溶媒と比較して高いので、冬季の操業や反応を制御するための低温反応には供しがたい。イミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸型のイオン液体の場合、Inorganic Chemistry, 1996, 35, 1168によると、記載されている中で最も融点が低いイオン液体である化合物１でも−９℃であり、低温が好ましい反応（例えば、有機金属等を用いる低温反応）に用いることは困難である。化合物１は塩化アルミニウムと同程度のルイス酸触媒能を有する代表的なイオン液体として、広く研究されている。化合物２は化合物１に比較して、トリフルオロエチル基の電子吸引効果にて、さらに強いルイス酸性を有する。すなわち、より強いルイス酸性触媒として機能することを意味する。しかし、上記の文献によると、化合物２の融点は４５℃である。よって、室温では固体であるので、溶媒として取り扱いが困難である。
【０００５】
室温以下の反応温度にて化合物２を溶媒と触媒を兼ね備えた有機合成用媒体に使用する場合、低融点の既存の溶媒を添加することも可能であるが、ルイス酸性触媒能が低下することが避けられないだけでなく、反応基質と既存溶媒との分離操作が必要となる。
【０００６】
一般にイオン液体は２００℃でも実質的に蒸気圧を持たないので、減圧下でフラッシュ蒸留することにより、容易に反応基質を分離可能であるが、既存の溶媒を添加することにより、この特徴が消失する。つまり、ルイス酸性触媒能が強く、しかも低融点のイオン液体が強く望まれている。また、常温イオン液体の研究分野では、低融点化が常に研究目標となっている。なぜならば、融点が常温以上ならば、実質的に液体用途に支障を生じるだけでなく、もはや“液体”と呼べないからである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の課題を鋭意検討した結果、化合物１（融点−９℃）と化合物２（融点４５℃）を混合することによって課題を解決して本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明は、
下記の化合物１の式で示される１-エチル-３-メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネートと下記の化合物２の式で示される１-(２，２，２-トリフロオロエチル)-３-メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネート
【化２】
0004039828.tif 000002
を含有することを特徴とするイオン液体組成物であって、
該１-エチル-３-メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネート１００重量部に対して、該１-(２，２，２-トリフロオロエチル)-３-メチルイミダゾリウム トリフルオロメタンスルホネートが２から３０重量部である、融点が−１０℃以下のイオン液体組成物である。
【０００９】
本発明において、イオン液体とは、全体がカチオン種とアニオン種からなる塩であり、室温（２５℃）以下の融点を持ち、室温付近で蒸気圧を事実上持たず、高温（例えば２００℃好ましくは３００℃程度）まで液体状態を保つ物質をいう。但し、一般的には、イオン液体と類似構造を持つ融点が５０℃程度までの化合物もイオン液体と呼んでいる。
【００１０】
イオン液体は、有機化合物、無機化合物の溶媒となり、それ自身アルキル化反応、有機高分子重合反応、オリゴメーション反応などの触媒、金属または有機物の抽出溶媒として使用されることができる。さらに、その他の広範な用途への展開も考えられる。イオン液体を形成する際には、これらの基本複素環に含まれる窒素原子が電荷を帯びるか、若しくは環全体に電荷が非局在化して、対イオンとの間でイオン結合により安定化する。
【００１１】
化合物１は塩化アルミニウムと同程度のルイス酸触媒能を有し、しかも融点が−９℃であるので、一般的なイオン液体として、ルイス酸触媒を必要とする反応に広く応用されている。しかしながら、より強いルイス酸触媒が必要とする場合、エチル基をトリフルオロエチル基に置換した化合物２の方が好ましい。これは、フッ素原子による電子吸引効果によりヘテロ環の電子密度が低下して、より強いルイス酸性が発現するからである。しかし、この化合物２は融点が４５℃であるので、室温では固体であり、取り扱いが困難である。
【００１２】
非経験的分子軌道法であるHF/3-21G*で１-エチル-３-メチルイミダゾリウムカチオン（以下カチオン１）と1-(２，２，２-トリフロオロエチル)--３-メチルイミダゾリウムカチオン（以下カチオン２）の諸物性を計算し、カチオン１とカチオン２の諸物性を表１に示した。
【００１３】
【表１】
0004039828.tif 000003
【００１４】
原子半径の大きいフッ素原子に置換されたカチオン２は分子容積、分子体積ともカチオン１と比較して大きい。このことにより、立体的にお互いの結晶化が阻害されたと推察されるが、なによりも、カチオン１とカチオン２ではダイポールモーメントが２倍以上違っている。すなわち、極性が非常に高いカチオン２がお互いの結晶化を著しく阻害して、低融点化が起こったと推察される。すなわち、化合物２に化合物1（融点−９℃）を添加することにより、結晶化を妨げて、融点が低下し、常温（２５℃）以下でも液体であり、反応溶媒等のイオン液体の用途に使用可能となる。また、化合物１（融点−９℃）においても、化合物２（融点４５℃）を混合することにより、混合組成物の融点が低下し、化合物１が１００重量部に対して化合物２が４〜３０重量部の組成では、驚くべきことに−１５℃付近まで液体であることを確認した。化合物１単独では、低温反応に供することができなかったが、この混合組成物は低温反応溶媒等のイオン液体の用途に使用可能である。
【００１５】
本発明のイオン液体組成物の混合比率は、化合物１が１００重量部に対して化合物２が２から３０重量部の組成物である。
【００１６】
これらの比率は反応の種類、反応条件、収率、選択率等に密接に関係するが、例えば、より強いルイス酸性が要求される場合は、化合物２が多くなる比率が好ましく、低融点が望まれる場合は化合物１が多くなる比率が適切である。さらに、化合物１単独ではルイス酸性が不足する場合、化合物２を適量添加することによって、ルイス酸性を制御することも可能である。
【００１７】
また、所望により、Inorganic Chemistry, 1996, 35, 1168等で紹介されている他の種類のイオン液体を添加することも可能である。かかるイオン液体化合物としては、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムブロマイド、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムブロマイド、３−ジエチルイミダゾリウムブロマイド、１−イソブチル−３−メチルイミダゾリウムブロマイド、１−ブチル−３−エチルイミダゾリウムブロマイド、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムブロマイド、３−ジエチルイミダゾリウムアイオダイド等の塩化物、１，３−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−（２−メトキシエチル）−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、３−ジエチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−エチル−３，４−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１，３−ジエチル−４−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１，２−ジエチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムノナフルオロブタンスルホネート、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムノナフルオロブタンスルホネート等のスルホン酸塩、１，３−ジメチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−イソブチル−３−メチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−（２−メトキシエチル）−３−メチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−（２，２，２−トリフルオロエチル）−３−メチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、２−ジメチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−ブチル−３−エチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−エチル−３，４−ジメチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−（２，２，２−トリフルオロエチル）−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１，３−ジエチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−エチル−３，４−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１，３−ジエチル−４−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１，２−ジエチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムノナフルオロブタンスルホネート、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムノナフルオロブタンスルホネート、１，３−ジメチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビ��((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−イソブチル−３−メチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−（２−メトキシエチル）−３−メチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−（２，２，２−トリフルオロエチル）−３−メチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１，２−ジエチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−ブチル−３−エチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１−エチル−３，４−ジメチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド、１，３−ジエチル−４−メチルイミダゾリウムビス((トリフルオロメチル)スルホニル)アミド等のアミド化合物、１，３−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロアセテート、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロアセテート、１，３−ジエチルイミダゾリウムトリフルオロアセテート、１−ブチル−３−エチルイミダゾリウムトリフルオロアセテート、１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロアセテート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムヘプタフルオロブタノエート、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムヘプタフルオロブタノエート等のエステル化合物などが挙げられる。
【００１８】
さらに、所望により、反応基質との分離、ルイス酸性の低下を考慮しない場合は、既存の反応溶媒を任意の比率で添加することも可能である。かかる反応溶媒としては、例えば、トルエン、キシレン、メシチレン等の芳香族炭化水素系化合物、ｎ−ペンタン、ｎ−ヘキサン、シクロヘキサン、ｎ−ヘプタン等の脂肪族炭化水素系化合物、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ｔ−ブチルメチルエーテル、ジオキサン等のエーテル系化合物、酢酸エチル、酢酸ｎ−ブチル等のエステル系化合物、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉ−プロパノール等のアルコール系化合物、塩化メチレン、クロロホルム、１，２−ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素系化合物が挙げられる。これを化合物１と化合物２の混合物に添加すると結晶化が妨げられ、さらに低温度での使用が可能になる。添加物の種類数は任意である。さらに、反応基質を過剰に添加することによっても低融点化現象が認められることがある。
【００１９】
混合方法は、化合物２の融点が４５℃であるので、化合物１と化合物２を混合後、５０℃以上に加熱攪拌して、一度均一状態にするのがよい。また、混合の順序は任意であり、化合物１に化合物２を添加しても、化合物２に化合物１を添加してもよい。
【００２０】
これらのイオン液体の製造方法は限定されないが次に例示的に説明する。例えば、1-メチルイミダゾールとトリフルオロメタンスルホン酸エステルを混合することによって合成する方法が知られている。1-メチルイミダゾールとトリフルオロメタンスルホン酸エチルを混合することによって、化合物１が合成可能であり、同様に１-メチルイミダゾールとトリフルオメタンスルホン酸トリフロロエチルを混合することによって化合物２を合成することが出来る。これらは著しい発熱的な反応であり、冷却下で１-メチルイミダゾールにトリフルオロメタンスルホン酸エステルを滴下する方法が推奨される。また、所望により、クロロホルム等の溶媒を用いてもよい。
【００２１】
【実施例】
以下に実施例をもって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よって限定されるものではない。
【００２２】
［調製例１］
4口フラスコ（５００cc）内を窒素置換した後、クロロホルム(１００cc)と１-メチルイミダゾール(０．２mol)を仕込み、食塩を添加した氷浴で冷却しながら攪拌した。内温が５℃以下になる速度でトリフルオロメタンスルホン酸エチル（ＣＦ3ＳＯ3Ｃ2Ｈ5、０．２mol）を滴下した。滴下終了２時間後、氷浴を取り外し、室温で１５時間攪拌を継続した。その後、ロータリーエバポレーターを用いて、溶媒であるクロロホルムを除去し、化合物1を単離した。19Ｆ−ＮＭＲによる分析では不純物は認められなかったが、1Ｈ−ＮＭＲでは微小の不純物ピークが認められた。1Ｈ−ＮＭＲによる純度は９９％であった。
【００２３】
［調製例２］
4口フラスコ（５００cc）内を窒素置換した後、クロロホルム(１００cc)と１-メチルイミダゾール(０．２mol)を仕込み、食塩を添加した氷浴で冷却しながら攪拌した。内温が５℃以下になる速度でトリフルオロメタンスルホン酸トリフルオロエチル（ＣＦ3ＳＯ3ＣＨ2ＣＦ3、０．２mol）を滴下した。滴下終了2時間後、氷浴を取り外し、室温で15時間攪拌を継続した。その後、ロータリーエバポレーターを用いて溶媒であるクロロホルムを除去した。これに１００ccのフレッシュなクロロホルム添加し、還流下で１時間撹拌した。撹拌後、静置し、分液によって、イオン液体相を取り出した。この操作を３回繰り返した。この後、イオン液体相をロータリーエバポレーターでクロロホルムを除去し化合物２を単離した。19Ｆ−ＮＭＲによる分析では不純物は認められなかったが、1Ｈ−ＮＭＲでは微小の不純物ピークが認められた。1Ｈ−ＮＭＲによる純度は９８％であった。
【００２４】
［実施例１〜３、および比較例１〜６］
表２に記載のモル比で化合物１と化合物２を５mmφのNMRチューブに仕込み、キャップを付けた後、５０℃の水を張った超音波洗浄機に入れ、均一な状態にした。その後、液体窒素で完全に固化させた。そして、表２に記載の温度に設定した恒温槽内で３０分間静置した。恒温槽からサンプルを取り出し、状態を目視で確認した。これらの結果を表２に示す。但し、表中の○は液体状態、△は一部固体状態（液体と固体の中間状態）、そして×は固体状態を表す。
【００２５】
また、図１に表２をグラフ化した結果を示した。
【００２６】
【表２】
0004039828.tif 000004
【００２７】
【図１】
0004039828.tif 000005
【００２８】
【発明の効果】
有機化合物もしくは無機化合物の溶媒であるとともに、アルキル化反応、イソメリゼーション反応、オリゴメリゼーション反応等の触媒にもなるイオン液体に関し、ルイス酸性を有し、しかも低温（−１５℃）から室温の範囲で使用が可能なイオン液体組成物を提供できる。