トップ :: C 化学 冶金 :: C07 有機化学

【発明の名称】 パラジウム触媒及びそれを用いたビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法
【発明者】 【氏名】萩原 久大

【要約】 【課題】活性が高く、温和な反応条件で、かつ、少量の使用であっても収率よく鈴木−宮浦カップリングを進行させることができる、新規のパラジウム触媒とこれを用いたビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法を提供する。

【解決手段】パラジウム触媒及び塩基の存在下において、芳香族ハロゲン化物と芳香族ボロン酸とを反応させてビアリール系化合物を製造するに際し、パラジウム触媒として、[1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム]PFに溶解した酢酸パラジウムをジエチルアミノプロピル残基で表面修飾した無定形アルミナの空孔内に固定化させてなるパラジウム触媒を用いた。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
パラジウム触媒及び塩基の存在下において、芳香族ハロゲン化物又はヘテロ芳香族ハロゲン化物と芳香族ボロン酸又はヘテロ芳香族ボロン酸とを反応させてビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物を製造するに際し、前記パラジウム触媒として、イオン液体に溶解したパラジウム化合物を多孔質担体に固定化させてなるパラジウム触媒を用いることを特徴とするビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法。
【請求項2】
前記パラジウム触媒として、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェートに溶解した酢酸パラジウムをジエチルアミノプロピル残基で表面修飾した多孔質の無定形アルミナの空孔内に固定化させてなるパラジウム触媒を用いることを特徴とする請求項1記載のビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法。
【請求項3】
前記塩基は炭酸カリウムであることを特徴とする請求項1又は2記載のビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法。
【請求項4】
前記芳香族ハロゲン化物と芳香族ボロン酸との反応が、水とエタノールの混合溶媒中において行われることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載のビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法。
【請求項5】
1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェートに溶解した酢酸パラジウムをジエチルアミノプロピル残基で表面修飾した多孔質の無定形アルミナの空孔内に固定化させてなることを特徴とするパラジウム触媒。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、鈴木−宮浦カップリングに用いられるパラジウム触媒と、このパラジウム触媒を用いたビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
鈴木−宮浦カップリングは、高機能性有機素材合成に多用される極めて重要な反応である。この反応は主として、芳香族ハロゲン化物又はヘテロ芳香族ハロゲン化物と芳香族ボロン酸とをカップリングさせてビアリール系化合物を合成するために利用されている。なお、この反応は、テトラヒドロフランなどの有機溶剤中で行われ、パラジウム触媒、この触媒を活性化、安定化させるための配位子、反応中に生成する酸を中和する塩基が必要とされる。
【0003】
しかし、パラジウム触媒は反応中に失活しやすく、反応にある程度の触媒量が必要とされる。また、パラジウム触媒は高価である。したがって、製造コストを削減させるために、触媒量の低減化が望まれていた。また、パラジウム触媒はクラスター化してしまうため、反応後にリサイクル使用することもできないという問題があった。
【0004】
また、使用する配位子は有機リン系のものがほとんどで、高価かつ毒性もある。さらに、有機溶剤の使用も環境対応度の観点から好ましいものではなかった。
【0005】
なお、反応後のパラジウム触媒のリサイクル使用に関し、非特許文献1には、ヒドロキシアパタイト固定化パラジウム触媒が、ブロモベンゼンとフェニルホウ酸を用いた鈴木−宮浦カップリングに活性を示し、触媒回転効率(TON)も高いことが示されているが、触媒の活性がやや低く、反応温度120℃という厳しい反応条件が必要であるという欠点があった。
【0006】
また、非特許文献2には、配位子としてアリールホスフィンを有する非架橋性両親媒性高分子を用いた固相パラジウム触媒が鈴木−宮浦カップリングに活性を示し、TONも高いことが示されているが、非特許文献1と同様、反応温度100℃という厳しい反応条件が必要である。さらに、非架橋性両親媒性高分子を作成するためのコストが高いという欠点があった。
【非特許文献1】金田清臣,有機合成化学協会誌,61, 436(2003)
【非特許文献2】山田陽一,薬学雑誌,125, 749(2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
そこで、本発明は、活性が高く、温和な反応条件で、かつ、少量の使用であっても収率よく鈴木−宮浦カップリングを進行させることができ、さらに、触媒回収効率が高く、安価で毒性が低く、有機溶剤の使用量を削減することのできる、新規のパラジウム触媒を提供することを目的とする。また、このパラジウム触媒を用いて、高収率でビアリール系化合物を製造することのできる、新規のビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために鋭意検討した結果、酢酸パラジウムをイオン液体[bmim]PFに溶解し、ジエチルアミノプロピル残基で表面修飾した無定形アルミナの空孔内に固定化することで、鈴木−宮浦カップリングを収率よく進行させることのできるパラジウム触媒が得られることを見出し、本発明に想到した。
【0009】
すなわち、本発明の請求項1記載のビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法は、パラジウム触媒及び塩基の存在下において、芳香族ハロゲン化物又はヘテロ芳香族ハロゲン化物と芳香族ボロン酸又はヘテロ芳香族ボロン酸とを反応させてビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物を製造するに際し、前記パラジウム触媒として、イオン液体に溶解したパラジウム化合物を多孔質担体に固定化させてなるパラジウム触媒を用いることを特徴とする。
【0010】
本発明の請求項2記載のビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法は、請求項1記載において、前記パラジウム触媒として、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェートに溶解した酢酸パラジウムをジエチルアミノプロピル残基で表面修飾した多孔質の無定形アルミナの空孔内に固定化させてなるパラジウム触媒を用いることを特徴とする。
【0011】
本発明の請求項3記載のビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法は、請求項1又は2において、前記塩基は炭酸カリウムであることを特徴とする。
【0012】
本発明の請求項4記載のビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法は、請求項1〜3のいずれか1項において、前記芳香族ハロゲン化物と芳香族ボロン酸との反応が、水とエタノールの混合溶媒中において行われることを特徴とする。
【0013】
本発明の請求項5記載のパラジウム触媒は、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェートに溶解した酢酸パラジウムをジエチルアミノプロピル残基で表面修飾した多孔質の無定形アルミナの空孔内に固定化させてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、活性が高く、温和な反応条件で、かつ、少量の使用であっても収率よく鈴木−宮浦カップリングを進行させることができ、さらに、触媒回収効率が高く、安価で毒性が低く、有機溶剤の使用量を削減することができる、新規のパラジウム触媒が提供される。また、このパラジウム触媒を用いて、高収率でビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物を製造することができる、新規のビアリール系化合物又はヘテロビアリール系化合物の製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
本発明のパラジウム触媒は、パラジウム化合物を多孔質担体に固定化させたものである。
【0016】
ここで、パラジウム化合物には、酢酸パラジウム(Pd(OAc)、ここで(OAc)は酢酸残基)、塩化パラジウム(PdCl)などのパラジウム塩、パラジウムブラック(Pd)、テトラ(トリフェニルホスフィン)パラジウム(Pd(PPh、ここでPhはフェニル基)などのパラジウム錯体など、一般に知られているパラジウム化合物が含まれる。これらの中では、特に酢酸パラジウムが好適に用いられる。
【0017】
また、多孔質担体としては、特定のものに限定されず、アルミナ、チタニア、シリカ、ゼオライト、アパタイト、ヒドロキシアパタイトなどからなる一般的な多孔質固体を用いることができる。さらに、これらの形状も限定されず、無定形の多孔質担体、ハニカム状に成形したものなどを用いることができるが、好ましくは、無定形のものが用いられる。
【0018】
また、多孔質担体としてアルミナを用いる場合は、一般的に触媒の担体として使用される逆相アルミナが好適に用いられ、さらに好ましくは、アミノ置換シラン化合物により前処理されたものが用いられる。アミノ置換シラン化合物としては、特定のものに限定されるものではないが、例えば、3−(トリメトキシシリル)−N,N−ジエチルアミン((C)HN(CHSi(OCH)などが好適に用いられる。
【0019】
そして、パラジウム化合物は、イオン液体に溶解した状態で逆相アルミナの空孔内に固定化されている。イオン液体としては、常温、好ましくは35℃以下で液体であって、パラジウム化合物を溶解できるものであればよく、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート([bmim]PF)、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート([hmim]PF)、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメタンスルフォニルアミド([bmim]NTf)などを用いることができるが、[bmim]PFが特に好適に用いられる。
【0020】
本発明のビアリール系化合物の製造方法は、パラジウム触媒及び塩基の存在下において、芳香族ハロゲン化物又はヘテロ芳香族ハロゲン化物と芳香族ボロン酸又はヘテロ芳香族ボロン酸とを反応させてビアリール系化合物を製造するに際し、上記の本発明のパラジウム触媒を用いるものである。なお、芳香族ハロゲン化物、ヘテロ芳香族ハロゲン化物、芳香族ボロン酸、ヘテロ芳香族ボロン酸としては、特定のものに限定されず、あらゆる種類の芳香族ハロゲン化物又はヘテロ芳香族ハロゲン化物と、芳香族ボロン酸又はヘテロ芳香族ボロン酸の組合せにて、鈴木−宮浦カップリングによるビアリール系化合物の製造が可能である。
【0021】
ここで、塩基としては有機及び無機の塩基を用いることができ、特定のものに限定されないが、特に炭酸カリウムが好適に用いられる。また、芳香族ハロゲン化物と芳香族ボロン酸との反応は通常用いられる有機溶媒中でも進行するが、エタノールと水の混合溶媒中において最も効率よく行われる。
【0022】
以上の本発明のパラジウム触媒は、触媒回転効率(TON)が200万に達する極めて高い活性を示し、濾過により容易に回収されリサイクル可能であり、さらに、既知物質から簡便な操作で調製できる、という利点を有する。また、このパラジウム触媒を用いたビアリール系化合物の製造方法は、反応に配位子を必要とせず、反応はエタノールと水の混合溶媒中で進行して環境対応度が高い。また、反応は室温で進行して加熱の必要がなく、さまざまな化合物を反応させることができる。さらに、均一系の触媒で見られるクラスター化による触媒の失活や触媒による生成物への汚染を防ぐことが可能となる。
【0023】
以下、具体的な実施例に基づいて、本発明について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって制限されるものではない。
【実施例1】
【0024】
[パラジウム触媒の調製]
(1)逆相アルミナの調製
窒素雰囲気下、120℃のオーブンで24時間乾燥したアルミナ(Al、日揮化学製、球状、比表面積152m/g、4.749g)に3−(トリメトシキシリル)−プロピル−N,N−ジエチルアミン(1880μl、7.5mmol)、トルエン(38ml)を加え、24時間加熱還流、撹拌した。室温まで冷却した後、デカンテーションにより溶媒と触媒を分離した。残留物を塩化メチレン(CHCl)で洗浄し減圧下乾燥させ、生成物(5.034g)を得た。
【0025】
(2)パラジウム触媒の調製
窒素雰囲気下、上記の方法で調製した逆相アルミナ(NDEAP−Al(4.1410g))に酢酸パラジウム(Pd(OAc)(31.6mg、0.14mmol))と1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート([bmim]PF(419.5mg、逆相アルミナの10質量%))のテトラヒドロフラン(THF(20ml))溶液を加え4時間攪拌した。THFを減圧留去後、逆相アルミナをジエチルエーテル(EtO)でゆすぎ、減圧下で乾燥し、担持触媒(4.4310g)を得た。酢酸パラジウム担持量は0.032mmol/gであった。
【実施例2】
【0026】
[反応条件の検討]
実施例1で得られたパラジウム触媒を用いて、p−ブロモアセトフェノンとフェニルボロン酸の鈴木−宮浦カップリングの反応条件について検討した。
【0027】
(1)塩基の検討
p−ブロモアセトフェノンでは反応が速すぎるため、その代わりにp−ブロモアニソールを用いて、反応に用いる塩基について検討した。
【0028】
p−ブロモアニソールに対して、それぞれ、1.4当量のフェニルボロン酸、0.05当量のパラジウム触媒、塩基(2.0当量の炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、リン酸カリウム、炭酸セシウム、又は1.0当量のジアザビシクロウンデセン(DBU))を用い、これらを水、エタノールの1:1の混合溶媒中で混合し、室温で3時間撹拌して反応を進行させた。
【0029】
【化1】


【0030】
反応によって得られた4−メトキシビフェニルの収率は、表1に示すとおりであり、炭酸カリウムを用いたときに最もよい結果が得られた。
【0031】
【表1】


【0032】
つぎに、炭酸ナトリウムの添加量について検討したところ、表2に示すように、p−ブロモアニソールに対して2当量のときが最も収率がよかった。したがって、本実施例において、塩基の添加量は、芳香族ハロゲン化物に対して1.5〜2.5当量とすればよいことがわかった。
【0033】
【表2】


【0034】
(2)溶媒効果の検討
p−ブロモアセトフェノンに対して、それぞれ、1.4当量のフェニルボロン酸、0.05当量のパラジウム触媒、2.0当量の炭酸カリウムを用い、これらを種々の溶媒中で混合し、室温で撹拌して反応を進行させた。
【0035】
【化2】


【0036】
反応によって得られた4−アセチルビフェニルの収率と反応時間は、表3に示すとおりであり、エタノールと水の1:1の混合溶媒を用いたときに、短時間で最もよい収率が得られた。
【0037】
【表3】


【0038】
また、p−ブロモアセトフェノンの代わりにp−ブロモアニソールを用いて、水とエタノールの混合割合を変化させ、同様に反応を行った。結果は表4、図1に示すとおりであり、水とエタノールの1:1の混合溶媒(エタノール量50%)を用いたときに、最もよい収率が得られ、つぎに3:1の混合溶媒(エタノール量75%)を用いたときに高い収率が得られた。そして、混合溶媒中のエタノール量を40〜80%とすることで、収率よく反応が進むことがわかった。
【0039】
【表4】


【0040】
(3)パラジウム化合物の担体の検討
実施例1において調製したパラジウム触媒と、その他の担体にパラジウム化合物を担持した触媒を用いて、反応性を比較した。なお、p−ブロモアセトフェノンでは反応が速すぎるため、その代わりにp−ブロモアニソールを用いた。
【0041】
p−ブロモアニソールに対して、それぞれ、1.4当量のフェニルボロン酸、0.05当量の触媒、2.0当量の炭酸カリウムを用い、これらを水、エタノールの1:1の混合溶媒中で混合し、室温で撹拌して反応を進行させた。結果は表5に示すとおりであり、担体はシリカゲルよりもアルミナ、さらにイオン液体を用いてパラジウム化合物を固定化した場合によい結果が得られた。
【0042】
【表5】


【0043】
(4)基質一般性の検討
p−ブロモアセトフェノンのアセチル基をほかの置換基Rに変えたアリルブロマイド、フェニルボロン酸のパラ位に置換基Rを付加したアリルボロン酸を用いて、基質一般性を検討した。
【0044】
アリルブロマイドに対して、それぞれ、1.4当量のアリルボロン酸、0.05当量のパラジウム触媒、2.0当量の炭酸カリウムを用い、これらを水、エタノールの1:1の混合溶媒中で混合し、室温で撹拌して反応を進行させた。
【0045】
【化3】


【0046】
結果は表6に示すとおりであり、R、Rが電子吸引基、電子供与基のいずれの場合も、収率よく反応が進行した。
【0047】
【表6】


【0048】
(5)パラジウム触媒のリサイクル能の検討
p−ブロモアセトフェノンに対して、それぞれ、1.4当量のフェニルボロン酸、0.05当量のパラジウム触媒、2.0当量の炭酸カリウムを用い、これらを水、エタノールの1:1の混合溶媒中で混合し、室温で撹拌して反応を進行させ、触媒のリサイクル能を検討した。なお、ここで用いたパラジウム触媒の酢酸パラジウム担持量は、0.028mmol/gであった。
【0049】
結果は表7に示すとおりであり、触媒は平均収率95%で5回以上のリサイクル使用が可能であった。
【0050】
【表7】


【0051】
また、p−ブロモアセトフェノンの反応においては瞬間的に反応が進行し、非常に高い反応性を示すことから、触媒回転効率(TON)を調べた。その結果、ターンオーバー数は2,000,000に達し、極めて性能の高い触媒であることが確認された。
【実施例3】
【0052】
[反応例]
実施例2で最適化した条件にて反応を行った。
【0053】
5mlフラスコにKCO(139mg、1.01mmol)、フェニルボロン酸(101.3mg、0.83mmol)、p−ブロモアセトフェノン(98mg、0.49mmol)、エタノール(1.0ml)、水(1.0ml)を加え、攪拌により溶媒に溶解させた後、酢酸パラジウムを担持したNDEAP−Al(896mg、0.025mmol、5mol%相当)を入れ、1分間攪拌し、酢酸エチルにより生成物を抽出した。分離精製はカラム(塩化メチレン/n−ヘキサン=3/10)で行い、目的物を96mg得た。収率は100%であった。
【出願人】 【識別番号】304027279
【氏名又は名称】国立大学法人 新潟大学
【出願日】 平成19年1月30日(2007.1.30)
【代理人】 【識別番号】100080089
【弁理士】
【氏名又は名称】牛木 護

【識別番号】100137800
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 正義

【識別番号】100140394
【弁理士】
【氏名又は名称】松浦 康次

【識別番号】100119312
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 栄松


【公開番号】 特開2008−184418(P2008−184418A)
【公開日】 平成20年8月14日(2008.8.14)
【出願番号】 特願2007−18785(P2007−18785)