説明

単核系金属錯体を有効成分とする酸化触媒およびその利用

【課題】少なくともベンゼンからフェノールが生成する酸化反応における触媒機能を有し、ベンゾキノンの生成量をフェノールの生成量よりも少なくできる単核系金属錯体を有効成分とする新規酸化触媒を提供する。
【解決手段】一般式(1)で表される単核系金属錯体を有効成分とする。なお、一般式(I)中のR,R,Rは、それぞれ独立に、水素原子及び炭素数1〜3の炭化水素基から選択されるいずれかであり、R4は炭素数0〜3で末端にスルホ基を持つ置換基であり得る。また、Mは、平面四配位型の配位構造を形成する金属原子であり、3つのXのうち1つのXはハロゲン原子もしくはカウンターイオンであり、残り2つのXが溶媒分子である。
【化1】

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、単核系金属錯体を有効成分とする酸化触媒に関するものである。
【背景技術】
【0002】
本出願人は、新規の単核系金属錯体を有効成分とする酸化触媒について出願している(特願2010−141175号)。この酸化触媒は、ベンゼンのような難度の高い酸化反応を触媒的に水酸化する触媒である。
【0003】
この特許出願に記載の新規単核銅錯体[Cu(Pr3bbim)Cl2]および[Cu(Pr3bbim)Br2]を用いたベンゼンの酸化反応による生成物(フェノール、1,4−ベンゾキノン)のTON(Turn Over Number)は、次の通りであった。なお、次のTONは、単核銅錯体一分子当たりの値として算出したものである。
【0004】
Cu(Pr3bbim)Cl2を用いた場合であって、溶媒としてアセトニトリル溶媒(MeCN)を用いた場合、フェノールは2.4、ベンゾキノンは19であり、溶媒としてアセトニトリル:水=1 : 1の混合溶媒(MeCN/H2O)を用いた場合、フェノールは17、ベンゾキノンは45であった。
【0005】
Cu(Pr3bbim)Br2を用いた場合であって、溶媒としてMeCNを用いた場合、フェノールは4.0、ベンゾキノンは15であり、溶媒としてMeCN/H2Oを用いた場合、フェノールは13、ベンゾキノンは32であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、上述の特願2010−141175号に記載の酸化触媒を、ベンゼンからフェノールが生成する酸化反応に用いた場合、生成したフェノールがさらに酸化されてベンゾキノンへと反応が進むことにより、ベンゾキノンのTONがフェノールのものより大きかった。すなわち、ベンゾキノンの生成量がフェノールの生成量よりも多く、フェノールの生成量が少なかった。
【0007】
本発明は上記点に鑑みて、少なくともベンゼンからフェノールが生成する酸化反応における触媒機能を有し、ベンゾキノンの生成量をフェノールの生成量よりも少なくできる単核系金属錯体を有効成分とする新規酸化触媒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】
親水性を有する新規単核系金属錯体を合成し、この新規単核系金属錯体を用いて、ベンゼンからフェノールが生成する酸化反応を試みたところ、ベンゾキノンの生成量をフェノールの生成量よりも少なくできることがわかり、本発明を創出するに至った。
【0009】
すなわち、請求項1に記載の発明は、一般式(I)で表される新規単核金属錯体である。
[1]
【化1】


なお、式中のR,R,Rは、それぞれ独立に、水素原子及び炭素数1〜3の炭化水素基から選択されるいずれかであり、Rは炭素数0〜3で末端にスルホ基を持つ置換基である。またMは、平面四配位型の配位構造を形成する金属原子であり、3つのXのうち1つのXはハロゲン原子もしくはカウンターイオンであり、残り2つのXが溶媒分子である。
【0010】
この新規単核金属錯体は、少なくともベンゼンからフェノールが生成する酸化反応における触媒機能を有し、ベンゼンからフェノールが生成する酸化反応における触媒として用いた場合に、ベンゾキノンの生成量をフェノールの生成量よりも少なくできる。
【0011】
[2] 請求項2に記載の発明は、一般式(I)におけるR,Rがエチル基、Rが水素原子、Rがプロピルスルホ基、Mが銅である請求項1に記載の新規単核系金属錯体である。
【0012】
[3] 請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の単核系金属錯体を有効成分とする新規酸化触媒である。
【0013】
[4] 請求項4に記載の発明は、請求項1または2に記載の単核系金属錯体を有効成分とする酸化触媒と、反応溶媒としてのプロトン性溶媒とを用い、ベンゼンの一段階酸化によりフェノールを合成するフェノールの合成方法である。プロトン性溶媒としては、例えば、メタノール、水等が挙げられる。
これによれば、後述する実施例からわかるように、ベンゾキノンの生成を抑制しつつ、フェノールを合成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】実施例にて合成した単核銅錯体の結晶構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明の酸化触媒は、一般式(I)で表される新規単核金属錯体(単核のベンズイミダゾリル錯体)を有効成分として含むものである。なお、新規単核金属錯体のみによって酸化触媒が構成されていても良い。
【化2】

【0016】
この新規単核金属錯体は、一般式(II)で表される配位子を用いて合成されるものである。
【化3】

【0017】
一般式(I)、(II)におけるR,R,Rは、それぞれ独立に、水素原子及び炭素数1〜3の炭化水素基から選択されるいずれかである。
【0018】
また、一般式(I)、(II)におけるRは炭素数0〜3で末端にスルホ基を持つ置換基であり得る。このように、本発明の新規単核金属錯体は、スルホ基を有するため、親水性を帯びている。
【0019】
なお、置換基として、スルホ基を持つものを用いたのは、一般式(I)中のM(金属)との配位による構造への影響を考慮したためである。また、Rがスルホ基であるのは、スルホ基の位置が他の位置である場合よりも、単核金属錯体の合成が容易だからである。
また、一般式(I)におけるMは、平面四配位型の配位構造を形成する金属原子(例えばCu)である。今回はスルホ基の影響により、配位子が負の電荷を帯びており、分子サイズの大きなカウンターアニオンを1つだけ必要とし安定化する。金属イオン(例えば銅イオン)周りの平面性を高めるために五配位の平面四角錐型構造を取ったと考えられる。
また、一般式(I)における3つのXのうち1つのXは塩素 (Cl)や臭素 (Br)などのハロゲン原子もしくは過塩素酸 (ClO4-) などのカウンターイオンであり、残り2つのXが水、エタノール(EtOH)などの溶媒分子である。カウンターイオンとしては、さらに、SbF、CFSO、PF等が挙げられる。
【0020】
新規単核金属錯体の例としては、R,Rがエチル基、Rが水素原子、Rがプロピルスルホ基であり、金属原子Mが銅 (Cu)、Xが水、エタノール、過塩素酸である単核銅錯体[Cu(E2pbbim)(EtOH)(H2O)(ClO4)]が挙げられる。
【0021】
この新規単核金属錯体は、後述する実施例の記載からわかるように、少なくともベンゼンからフェノールが生成する酸化反応における触媒機能を有し、ベンゼンからフェノールが生成する酸化反応における酸化触媒として用いた場合に、ベンゾキノンの生成量をフェノールの生成量よりも少なくできる。
【0022】
本発明の酸化触媒は、種々の形態をとることができる。例えば、上述したいずれかの金属錯体またはその塩(錯体塩)を粉末状、塊状等の状態で含む形態とすることができる。
【0023】
また、本発明の酸化触媒は、上記錯体が液状媒体中に存在している形態をとることができる。この液状媒体としては、水、アセトニトリル、低級アルコール(例えば、炭素数1〜4程度のアルコール)、アセトンその他の低級ケトン(例えば、炭素数3〜5程度のケトン)等から選択される一種または二種以上を用いることができる。かかる酸化触媒は、典型的には、上述したいずれかの錯体の塩を液状媒体に溶解させる工程を含む処理によって調製(製造)することができる。また、液状媒体中に上記錯体またはその塩が分散した形態の酸化触媒であってもよい。
【0024】
また、本発明の酸化触媒のとり得る他の形態として、上記錯体が固体状の担体に保持されている形態が挙げられる。錯体を担持する担体としては、微粒子状物質、多孔質体等を好ましく用いることができる。例えば、活性炭等の微粒子を好ましく用いることができる。また、ゼオライト、シリカ等の材質からなる多孔質体を好ましく用いることができる。そのような多孔質体が粒子状、繊維状、ハニカム状等に成形されたものであってもよい。質量当たりの表面積が広いものが好ましい。例えば、表面積が1000m/g以上(典型的には、1200〜1500m/g)である担体を好ましく用いることができる。なお、微粒子状の担体に錯体を担持したもの(錯体担持微粒子)が液状媒体に分散している形態は、「錯体が液状媒体中に存在している形態」の一例である。
【0025】
本発明の酸化触媒は、ベンゼンからフェノールが生成する酸化反応の他に、以下の酸化反応に利用することもできる。
・芳香環を有する基質化合物を酸化してフェノール類を生成する反応。
・メチルフェニルチオエーテル等のチオエーテル(SR,ここでRは同一のまたは異なる一価の有機基である。)を酸化してS(=O)Rを生成する反応。
シクロヘキセン等の不飽和炭化水素(典型的にはアルケン、シクロアルケン等)を酸化して、ケトン、アルコール(典型的にはエノール型化合物)、エポキシ化合物等の一種または二種以上を生成する反応。
・イソプロピルベンゼン等の、芳香環(典型的にはベンゼン環)に結合した一または二以上の第二級炭素上に水素原子を有する基質化合物を酸化して、該第二級炭素に結合した水素原子を水酸基に置換する反応。
・トルエン等の、芳香環に結合した一または二以上のCH基を有する(典型的には他の官能基を有しない)基質化合物を酸化して、上記CH基がCHOHに変換された化合物および該CH基がCHOに変換された化合物の一種または二種以上を生成する反応。
・シクロヘキサン、メタン等の飽和炭化水素(典型的にはアルカン、シクロアルカン等)を酸化して、アルコール、ケトン、アルデヒド等の一種または二種以上を生成する反応。
【実施例】
【0026】
〈新規配位子の合成〉
より親水性の高い構造を有した新規配位子4,4−ビス(N−エチルベンズイミダゾリル)−ブタンスルホン酸(以下E2pbbimと示す)を以下に示す合成法にて合成した。
嫌気下でテトラヒドロフラン(THF)50 mlに1,1−ビス(N−エチルベンズイミダゾリル)メタン(Et2bbim)1.0 g (3.28 mmol) を溶解させ、-78℃にて1.66 mol/lのn−ブチルリチウム2.2 ml (3.60 mmol) を5分かけて滴下した。ゆっくり室温まで昇温し、1時間撹拌後、再び-78℃に戻し、プロパンスルトン0.30 ml (3.28 mmol) を加えた。1時間撹拌後、再びゆっくり室温まで昇温し、さらに12時間撹拌させた。1N塩酸10 mlを加えてpH試験紙で弱酸性になったことを確認した後、炭酸ナトリウムを加えた。再びpH試験紙で弱塩基性になったことを確認し、減圧濃縮を行った。クロロホルムと水を用いて抽出を行い、水相の減圧濃縮を行い、黄白色粉末を得た。これをアセトニトリルを加えて洗浄、吸引濾過を行い、濾液を減圧濃縮した。このようにしてE2pbbimを黄色粉末として得た。収量は0.41 g、収率は29.3 %であった。
【0027】
得られたE2pbbimのスペクトルデータを以下のとおりである。
1H-NMR (D2O, 300 MHz, d / ppm from TSP); 7.7, 7.5 (t, 2H), 7.3 (m, 4H), 4.9 (t, 1H), 4.2 (d, 4H), 3.0 (t, 2H), 2.5 (m, 2H), 1.8 (m, 2H), 0.8 (t, 6H).
ESI-TOF-Mass (in MeOH, ion mode negative) m/z425.2 [M - H]-.
FT-IR (KBr, cm-1): n 3057 (aromatic C-H), 2979, 2935 (aliphatic C-H), 1186 (SO3-).
【0028】
〈新規単核銅錯体[Cu(E2pbbim)(EtOH)(H2O)(ClO4)] の合成〉
新規錯体[Cu(E2pbbim)(EtOH)(H2O)(ClO4)] の合成法とキャラクタリゼーションの結果を以下に示す。
【0029】
Cu(ClO4)2 ・6H2O 43.5 mg (0.117 mmol) をエタノール 1 ml に溶解させた緑色の溶液に、エタノール 1 ml に溶かした4,4- bis(N-ethylbenzimidazolyl)-butane sulfone acid (E2pbbim) 50.0 mg (0.117 mmol) をゆっくり滴下し、沸騰直前まで温め2日間静置したところ、青色の結晶が生じた。吸引濾過を行い、真空ラインを用いて減圧乾燥し、青色結晶を得た。収量は64.4 mg、収率は63.4 %であった。
【0030】
得られた結晶を、元素分析、UV-visスペクトル、ESI-TOF-Massスペクトル、ESRスペクトル、IRスペクトルを測定した。測定結果は以下の通りである。
FT-IR (KBr, cm-1):n 3068 (aromatic C-H), 2982, 2938 (aliphatic C-H), 1498 (aromatic C=C), 1200 (SO3-).
Anal. Calcd for C25H37ClCuN4O10S : C, 43.86; H, 5.45; N, 8.18. Found: C, 43.80; H, 5.71; N, 7.86.
UV-vis.[MeOH, lmax / nm (e / M-1cm-1)]:340 (240), 680 (70). [MeOH/H2O (1:1, v/v),
lmax /nm(e / M-1cm-1)]: 341 (242), 691 (63).
ESR:MeOH, g// = 2.30, g = 2.07, |A//| = 161 G; MeOH/H2O (1:1, v/v), g// = 2.30, g = 2.07, |A//| = 161 G.
【0031】
また、X線結晶構造解析により得られた結晶構造を図1に示す。図1に示すように、得られた化合物は、一般式(I)の単核銅錯体において、R,Rがエチル基、Rが水素原子、Rがプロピルスルホ基であり、金属原子Mが銅 (Cu)、3つのXがそれぞれ水、エタノール、過塩素酸である単核銅錯体[Cu(E2pbbim)(EtOH)(H2O)(ClO4)]である。なお、一般式(I)中の3つのXを左から順にX、X、Xとすると、Xが過塩素酸(ClO4)である。
【0032】
〈新規単核銅錯体を用いてのベンゼンの酸化反応〉
上記合成法によって得られた新規単核銅錯体[Cu(E2pbbim)(EtOH)(H2O)(ClO4)]を用いて、次の酸化反応スキームに示されるベンゼンの酸化反応を試みた。
【化4】

【0033】
銅(II)錯体2.0 mmol、基質2.0 mmol (1000 eq)をメタノール溶媒(MeOH)またはメタノール:水=1 : 1の混合溶媒(MeOH/H2O)2 mlに溶解させ反応溶液に封入し、Ar置換を行った。これを恒温水槽25 oCにおいて、過酸化水素 4 mmol (2000 eq)をシリンジにて添加して攪拌することにより24時間反応を行った。反応終了後、反応溶液を約20 ml取り出し、2 mlのジエチルエーテルを添加し脱金属を行った後、内部標準物質として15 mMのo-ジクロロベンゼン/ジエチルエーテル溶媒20 ml 1を加えた溶液を用いてGC-Massクロマトグラフ測定を行った。
【0034】
その結果、反応生成物としてフェノールのみが存在することを確認した。すなわち、所定量のフェノールを含む溶液(検量線用試料)のGC測定においてフェノールのピークが12.2分に検出されたのに対し、測定試料のGC測定においても上記検量線とほぼ一致する時間(12.2分)にピークが検出された。同様に、所定量の1,4−ベンゾキノンを含む溶液(検量線用試料)のGC測定において1,4−ベンゾキノンのピークが8.7分に検出されたのに対し、測定試料のGC測定においては検出されなかった。さらにマススペクトルにおいて分子量94に有機物のピークが観測され、フェノールのスペクトルパターンと良い一致を示した。これらの測定結果から、ベンゼンの一段階酸化(直接酸化)にフェノールのみが生成したことを確認した。
【0035】
同様の操作を、メタノールの代わりにアセトニトリル(MeCN)やアセトニトリル:水=1:1の混合溶媒(MeCN/H2O)を用いて行った。このとき反応生成物としてフェノール、ベンゾキノンが共に生成したことをGC-MSにより確認した。
【0036】
生成したフェノール、ベンゾキノンの生成量をGC測定により求め、この反応における錯体のTON(Turn Over Number)を算出した結果を表1に示す。なお、本例におけるTONは、単核銅錯体一分子当たりの値として算出した。
【表1】

【0037】
酸化反応の結果、今回合成した親水性(極性)の単核銅錯体はベンゼンの触媒的酸化能を有することが分かった。
【0038】
さらに、表1に示されるように、反応溶媒に極性非プロトン性溶媒であるアセトニトリル(MeCN)およびそれと水との混合溶媒(MeCN/H2O)を用いた場合では、フェノールの方がベンゾキノンよりもTONが大きくなった。
【0039】
また、反応溶媒に極性プロトン性溶媒であるメタノール(MeOH)やそれと水との混合溶媒(MeOH/H2O)を用いた場合では、フェノールのみの生成を確認し、高選択的な水酸化反応が生じた。この理由の一つとして、親水性(極性)の単核銅錯体と極性プロトン性溶媒を用いたことでフェノールの過酸化が進まなかったのではないかと考えられる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記一般式(I):
【化1】


(式中のR,R,Rは、それぞれ独立に、水素原子及び炭素数1〜3の炭化水素基から選択されるいずれかであり、Rは炭素数0〜3で末端にスルホ基を持つ置換基であり得る。また、Mは、平面四配位型の配位構造を形成する金属原子であり、3つのXのうち1つのXはハロゲン原子もしくはカウンターイオンであり、残り2つのXが溶媒分子である。)
で表される単核系金属錯体。
【請求項2】
前記一般式(I)におけるR,Rがエチル基、Rが水素原子、Rがプロピルスルホ基、Mが銅である請求項1に記載の単核系金属錯体。
【請求項3】
請求項1または2に記載の単核系金属錯体を有効成分とする酸化触媒。
【請求項4】
請求項1または2に記載の単核系金属錯体を有効成分とする酸化触媒と、反応溶媒としてのプロトン性溶媒とを用い、ベンゼンの一段階酸化によりフェノールを合成するフェノールの合成方法。


【図1】
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【公開番号】特開2013−43132(P2013−43132A)
【公開日】平成25年3月4日(2013.3.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−183184(P2011−183184)
【出願日】平成23年8月25日(2011.8.25)
【出願人】(304021277)国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Fターム(参考)】