説明

5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法

【課題】高い収率で安価に5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールを得る製造方法を提供する。
【解決手段】下記式(A)で表されるendo−ビシクロ[3.3.1]−6−ノネン−3−カルボン酸にギ酸と過酸化水素水を反応させる下記式(I)で表される5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体素子の微細化が進むに伴い、その製造におけるフォトリソグラフィー工程において、さらなる微細化が要求されている。KrF、ArF又はFエキシマレーザー光等の短波長の照射光に対応したフォトレジスト材料を用いて、微細パターンを形成させる方法が種々検討され、エキシマレーザー光等の短波長の照射光に対応できる新しいフォトレジスト材料が望まれている。
【0003】
一般にフォトレジスト材料としては、酸分解性モノマー、極性モノマー、密着性モノマーの共重合体が基本となっている。この密着性モノマーは各種ラクトン化合物から選ばれており、特にブチロラクトン、バレロラクトン、ノルボルナラクトンからなる化合物が汎用モノマーとして開発されている。このような状況において、ホモアダマンタン骨格を有する5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタノールが提案されている。
【0004】
このラクトン化合物には複数の異性体があり、中でも橋頭位に水酸基を有する異性体の製造方法が、これまで数多く検討されている。一方で架橋部位に水酸基を有する異性体、5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オール(HL−2−OH)はその合成が難しく、従ってそこから誘導されたモノマーの報告はこれまで例がない。
【0005】
特許文献1及び2は、実施例において1−ヒドロキシ−4−アダマンタノンをメタクロロ過安息香酸(m−CPBA)により酸化して、対応するラクトン化合物(HL−2−OHの橋頭位異性体)を合成する製造方法を開示している。
【0006】
非特許文献1〜3は、2−アダマンタノンからビシクロノネンカルボン酸(BNC)を合成する方法を開示している。BNCはHL−2−OH合成の中間体である。
非特許文献4は、BNCをm−CPBAで酸化してHL−2−OHを合成する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2000−122294号公報
【特許文献2】特開2001−188351号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】J. Org. Chem., 35, 12, 4109(1970)
【非特許文献2】J. Am. Chem. Soc., 91, 12, 3390(1996)
【非特許文献3】J. Am. Chem. Soc., 108, 15, 4484(1986)
【非特許文献4】J. Org. Chem., 46, 26, 5332(1981)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、従来の方法で用いるm−CPBAは工業的に非常に高価である。また、従来の方法ではBNCの転化率が低く、収率が低かった。
本発明の目的は、高い収率で安価に5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールを得る製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明によれば、以下の製造方法が提供される。
1.下記式(A)で表されるendo−ビシクロ[3.3.1]−6−ノネン−3−カルボン酸にギ酸を添加し、過酸化水素水を反応させる下記式(I)で表わされる5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法。
【化1】

2.アダマンタノンにスルホン酸を添加し、前記アダマンタノンに対して1当量〜5当量の過酸化水素水を反応させる下記式(I)で表わされる5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法。
【化2】

3.下記式(A)で表されるendo−ビシクロ[3.3.1]−6−ノネン−3−カルボン酸にギ酸と過酸化水素水を反応させる下記式(I)で表される5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法。
【化3】

4.前記式(A)で表されるendo−ビシクロ[3.3.1]−6−ノネン−3−カルボン酸とギ酸の混合液に、過酸化水素水を滴下させて、反応させる3に記載の製造方法。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、高い収率で安価に5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールを得る製造方法が提供できる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
[第1の5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法]
本発明の第1の5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オール(HL−2−OH)(式(I))の製造方法は、下記式(A)で表されるendo−ビシクロ[3.3.1]−6−ノネン−3−カルボン酸(BNC)にギ酸と過酸化水素水を反応させる。
【化4】

【0013】
ギ酸と過酸化水素水が反応して過ギ酸を生じる。過ギ酸によりBNCを酸化することによって、転化率及び収率を向上することができる。また、これら試薬を用いることにより、安価にHL−2−OHを製造することができる。
【0014】
酸化剤として過酢酸や過安息香酸等の過酸を用いれば、BNCは閉環して式(I)の化合物を生じるが、これら炭素数が多い有機過酸では生成物の溶解性が低いため転化率が低くなる。
【0015】
溶媒は使用してもしなくてもよいが、BNCを溶解させるという点では耐酸性のあるハロゲン化炭化水素等が好ましい。
また、生成物の溶解性問題がなければ複数の有機過酸を併用してもよく、例えばギ酸と酢酸、ギ酸とクロロホルム、ギ酸とジクロロメタンの混合物を用いてもよい。
【0016】
好ましくは、BNCとギ酸の混合液に、過酸化水素水を滴下して反応させる。過酸化水素水の濃度は好ましくは30〜40wt%である。反応に用いるBNC、ギ酸、過酸化水素のモル比は、好ましくは1:1〜10:1〜10である。
溶媒は用いても用いなくてもよいが、用いる場合、例えばクロロホルム,ジクロロメタン等のハロゲン化炭化水素等が挙げられる。
【0017】
反応時間は、BNC、ギ酸及び過酸化水素水を加えた後好ましくは1〜24時間である。また、必要に応じて水浴等で除熱しながら50℃以下で反応を行うと好ましい。
【0018】
反応後は亜硫酸水素ナトリウム等の還元剤により過剰の過酸化水素をクエンチすると好ましい。生成したHL−2−OHは、通常の方法により単離、精製することができる。
【0019】
BNCは、以下の(i)〜(iii)のいずれかの方法により製造することができる。
(i)2−アダマンタノン(ADO)とアジ化物を反応させて4−メタンスルホニルオキシ−2−アダマンタノン(4MsOX)を合成し、エタノール及び水酸化ナトリウムを反応させる方法(非特許文献2)。
【化5】

式中、Msはメタンスルホニルである。
【0020】
(ii)下記式(C)で表される4−スルホニルオキシ−2−アダマンタノンの脱離反応による方法(非特許文献1)。
【化6】

式中、RはMe,p−Me−C,o−NO−C,CF,n−Cのいずれかである。RがMeである場合(4MsOX)のBNCの合成過程を以下に示す。
【化7】

式中、Msはメタンスルホニルである。
【0021】
(iii)4−ヒドロキシ−2−アダマンタノン(4HOX)に、トリエチルアミン及びメタンスルホン酸クロライドを反応させて4MsOXを合成し、エタノール及び水酸化ナトリウムを反応させる方法。
【化8】

式中、Msはメタンスルホニルである。
【0022】
[第2の5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法]
本発明の第2の5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オール(HL−2−OH)(式(I))の製造方法は、アダマンタノンにスルホン酸を添加し、アダマンタノンに対して1当量〜5当量の過酸化水素水を反応させる。
【化9】

【0023】
第2の5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法では、容易に入手できるアダマンタノン(ADO)から、ワンステップでHL−2−OHを製造することができる。この際、中間生成物である5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン(HL)を経由する。
【化10】

【0024】
上記スルホン酸としては、例えば、メタンスルホン酸,トリフルオロメタンスルホン酸,硫酸,クロロスルホン酸(クロロ硫酸),フルオロスルホン酸、等が挙げられる。スルホン酸は、単体又は混合して使用してもよく、溶媒として用いるので、常温で液体であることが好ましい。
スルホン酸のうち、好ましくは硫酸を用いる。
スルホン酸のアダマンタノンに対する使用量は、任意の割合を選ぶことができるが、少なすぎると溶媒としてアダマンタノンおよび反応生成物を溶解できないし、多すぎると合成が経済的ではない。一般には、アダマンタン:溶媒の重量比で、10:1〜1:10が適当である。
【0025】
過酸化水素水の使用量は、アダマンタノンに対して1当量〜5当量であり、好ましくは2当量〜3当量である。
また、過酸化水素水は、1回で全量を加えてもよく、2回以上の複数回に分けて添加してもよい。2回以上に分けた方が、反応中の急激な発熱を少しでも抑えやすく、大規模な製造をする場合、温度制御がやりやすい利点がある。
【0026】
反応を2段で行う場合は、1段階目の反応を40〜80℃で1〜5時間行い、2段階目の反応を100〜120℃で3〜10時間行うのが好ましい。反応温度が低すぎると反応が進みにくく、高すぎると反応中の急激な発熱で操作が難しくなる上、目的物の収率が低下するおそれがある。反応時間は、短すぎると中間体から目的物の精製が完結しないし、長すぎると目的物から副生物が生成するおそれがある。
【0027】
反応後の処理は第1の方法と同様の処理ができる。即ち、反応後は亜硫酸水素ナトリウム等の還元剤により過剰の過酸化水素をクエンチすると好ましい。生成したHL−2−OHは、通常の方法により単離、精製することができる。
【実施例】
【0028】
以下、本発明について実施例及び比較例を示してより具体的に説明するが、本発明はこれらに何ら制限されるものではない。
【0029】
尚、物性の測定方法は以下の通りである。
(1)核磁気共鳴分光法(NMR):溶媒としてクロロホルム−dを使用し、JNM−ECA500(日本電子株式会社製)で測定した。
(2)ガスクロマトグラフ−質量分析(GC−MS):EI(株式会社島津製作所製GCMS−QP2010)を用いて測定した。
【0030】
製造例1
4−メタンスルホニルオキシ−2−アダマンタノン(4MsOX)の合成
4−ヒドロキシ−2−アダマンタノン(4HOX)599.62g(3.6mol),トリエチルアミン655mL(4.7mol)を、テトラヒドロフラン(THF)2.5Lで溶解させた。ここにメタンスルホン酸クロライド310mL(4.0mol)の滴下をゆっくりと開始した。
【0031】
適宜除熱し、約1.5時間かけて滴下を完了させ、さらに2時間の反応を行った。反応液に水1Lを加え、定法により処理すると下記式で表わされる4MsOX785.74g(3.2mol,収率:89.2%,GC純度:99.9%)が得られた。
【0032】
GC−MS:244(M+,11.3%),165(15.3%),148(27.4%),120(43.7%),91(29.2%),79(100%)
【化11】

式中、Msはメタンスルホニルである。
【0033】
製造例2
endo−ビシクロ[3.3.1]−6−ノネン−3−カルボン酸(BNC)の合成1
製造例1で合成した4MsOX250.52g(1.0mol),エタノール460mL,50%水酸化ナトリウム水溶液500mL(9.5mol),水1.2Lの混合液を、還流温度で2時間反応させた後、室温まで冷却した。
【0034】
反応溶液に含まれる有機不純物を抽出除去し、引き続き、濃塩酸で酸性にすると白色固体が析出した。生成した白色固体をろ過し、得られた白色ケークをTHF1.5Lで溶解させた。油水分離の後、定法により処理すると、下記式で表わされるBNC501.52g(3.0mol,収率:76.4%,GC純度:99.2%)が得られた。
【0035】
GC−MS:166(M+,4.7%),148(25.4%),120(15.5%),91(18.9%),79(100%)
【化12】

【0036】
製造例3
BNCの合成2
2−アダマンタノン4.5g(30mmol),メタンスルホン酸15mL(231mmol)のスラリーに、アジ化ナトリウム2.9g(45mmol)を、室温において十数回に分け、約30分かけて添加した。50℃でさらに1時間反応させた。ここにエタノール34mL,50wt%水酸化ナトリウム水溶液36mL(682mmol),水79mLを加え、還流温度で2時間反応させた後、室温まで冷却した。
【0037】
以降の後処理を製造例2と同様に行ったところ、BNC3.6g(21mmol,収率:71.4%,GC純度:96.8%)が得られた。
【0038】
[5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オール(HL−2−OH)の合成]
実施例1
製造例2又は製造例3で合成したBNC45.0g(271mmol),ギ酸38mL(1.0mol)のスラリーに、30wt%過酸化水素水52mL(509mmol)をゆっくり滴下した。この際、水浴で除熱しながら45℃以下を保持した。滴下後、さらに3時間の反応を行ったところ原料転化率は100%であった。
【0039】
反応液は、亜硫酸水素ナトリウムを発泡しなくなるまで加え、過剰の過酸化水素をクエンチし、水酸化ナトリウムと炭酸水素ナトリウムでpH=8程度になるまで中和した。定法により処理すると、下記式で表わされるHL−2−OH43.7g(240mmol,収率:88.5%,GC純度:96.8%)が得られた。
【0040】
実施例1の方法で得られるHL−2−OHは、4HOXを直接酸化して得られるものより純度が高く異性体の混入も少ない。
【0041】
GC−MS:182(M+,7.4%),154(20.7%),136(11.5%),120(15.9%),110(32.4%),95(43.1%),79(100%),66(76.4%),57(43.4%),41(40.5%)
H−NMR:1.46(dd,J=2.9Hz,13.2Hz,1H),1.82〜1.98(m,5H),2.07(d,J=13.2Hz,2H),2.17(d,J=13.2Hz,1H),2.34(ddt,J=1.1Hz,4.6Hz,15.7Hz,1H),3.02〜3.04(m,1H),3.46(br−s,1H),3.94(s,1H),4.27(dd,J=2.0Hz,2.3Hz,1H)
13C−NMR:25.37,27.25,29.30,30.56,30.94,32.32,40.68,70.49,76.09,178.76
【化13】

【0042】
比較例1
HL−2−OHの合成
実施例1において、ギ酸38mL(1.0mol)の代わりに酢酸57mL(1.0mol)を用いた以外は実施例1と同様に反応を行い、HL−2−OHを合成した。結果、原料転化率が17.6%であった。実施例1と比較すると原料転化率が大きく低下した。
【0043】
比較例2
HL−2−OHの合成
以下の通り、非特許文献4と同様の条件で反応を行なった。
BNC997mg(6mmol)をジクロロメタン50mLに溶解し,m−クロロ過安息香酸1795mg(10.4mol)を徐々に加えた。滴下後、さらに1.5時間の還流を行った。反応液は、実施例1と同様に後処理をすると、HL−2−OH808mg(4.4mmol,収率:73.9%,GC純度:99.0%)が得られた。実施例1と比較すると収率が低かった。
【0044】
実施例2
2−アダマンタノン2000g(13.3mol)に、98%硫酸4480gと水1690gを用いて調製した72wt%硫酸水6170gを加え撹拌開始した。2−アダマンタノンと硫酸の混合液に30wt%過酸化水素水1360mL(13.3mol)を1時間かけてゆっくり滴下しながら60℃以下を保持した。滴下後、さらに60℃で3時間撹拌した後、2回目の30wt%過酸化水素水1360mL(13.3mol)を30分かけて滴下した。その後、100℃に昇温し、6時間撹拌を続けた。この反応終了時点で原料転化率は100%,目的物(4−オキサ−5−オキソ−5−ホモ−2−アダマンタノール)のGC選択率は93.4%であった。
反応液は、水3.3Lを加えた後、水酸化ナトリウム水溶液で中和した。中和後、亜硫酸水素ナトリウムを発泡しなくなるまで加え、過剰の過酸化水素をクエンチした。得られた反応混合物を定法により精製することにより、目的物(4−オキサ−5−オキソ−5−ホモ−2−アダマンタノール)965g(5.3mol,単離収率:39.8%,GC純度:96.0%)が得られた。
【化14】

【0045】
実施例3
2−アダマンタノン6020mg(40mmol)に、98%硫酸13.5gと水5.1gを用いて調製した72wt%硫酸水18.6gを加え撹拌開始した。2−アダマンタノンと硫酸の混合液に30wt%過酸化水素水4.1mL(40mmol)を30分かけてゆっくり滴下しながら60℃以下を保持した。滴下後、さらに60℃で1時間撹拌した後、2回目の30wt%過酸化水素水4.1mL(40mmol)を滴下した。その後、100℃に昇温し、4時間撹拌を続けた結果、反応終了時点での原料転化率は100%,目的物のGC選択率は85.5%で、後処理/精製後の単離収率は43.3%であった。
【0046】
実施例4
98%硫酸13.5gと水5.1gを用いて調製した72wt%硫酸水18.6gの代わりに、98%硫酸13.5gと水15.1gを用いて調製したした47wt%硫酸水28.6gを用いたこと他は実施例3と同様にして反応した。その結果、反応終了時点での原料転化率は100%であり、目的物のGC選択率は38.8%で、後処理/精製後の単離収率は17.8%であった。
【0047】
実施例5
98%硫酸13.5gと水5.1gを用いて調製した72wt%硫酸水18.6gの代わりに、98%硫酸13.5gと水25.2gを用いて調製した35wt%硫酸水38.7gを用いた他は実施例3と同様にして反応を実施した。その結果、反応終了時点での原料転化率は100%であり、目的物のGC選択率は14.3%で、後処理/精製後の単離収率は9.3%であった。
【0048】
実施例6
2回目の30wt%過酸化水素水を滴下する代わりに、滴下せずに反応を終了としたこと他は、実施例3と同様にして反応を実施した。その結果、反応終了時点での原料転化率は99.5%であり、目的物のGC選択率は21.2%で、後処理/精製後の単離収率は11.2%であった。
【0049】
実施例7
100℃に昇温する代わりに、80℃に昇温した他は、
実施例3と同様に反応を実施した。反応終了時点での原料転化率は100%であり,目的物のGC選択率は38.5%で、後処理/精製後の単離収率は16.4%であった。
【0050】
実施例8
2−アダマンタノン6020mg(40mmol)に、98%硫酸27.0gと水5.1gを用いて調製した84wt%硫酸水32.1gを加え撹拌開始した。2−アダマンタノンと硫酸の混合液に30wt%過酸化水素水12.3mL(120mmol)を30分かけてゆっくり滴下しながら60℃以下を保持した。滴下後、さらに60℃で30分撹拌した後、100℃に昇温し、3時間撹拌を続けた結果、反応終了時点での原料転化率は100%,目的物のGC選択率は81.3%で、後処理/精製後の単離収率は17.6%であった。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明の製造方法は、回路形成材料(半導体製造用レジスト、プリント配線板等)、画像形成材料(印刷版材、レリーフ像等)等の製造に使用できる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記式(A)で表されるendo−ビシクロ[3.3.1]−6−ノネン−3−カルボン酸にギ酸を添加し、過酸化水素水を反応させる下記式(I)で表わされる5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法。
【化15】

【請求項2】
アダマンタノンにスルホン酸を添加し、前記アダマンタノンに対して1当量〜5当量の過酸化水素水を反応させる下記式(I)で表わされる5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法。
【化16】

【請求項3】
下記式(A)で表されるendo−ビシクロ[3.3.1]−6−ノネン−3−カルボン酸にギ酸と過酸化水素水を反応させる下記式(I)で表される5−オキソ−4−オキサ−5−ホモアダマンタン−2−オールの製造方法。
【化17】

【請求項4】
前記式(A)で表されるendo−ビシクロ[3.3.1]−6−ノネン−3−カルボン酸とギ酸の混合液に、過酸化水素水を滴下させて、反応させる請求項3に記載の製造方法。

【公開番号】特開2012−102084(P2012−102084A)
【公開日】平成24年5月31日(2012.5.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−223326(P2011−223326)
【出願日】平成23年10月7日(2011.10.7)
【出願人】(000183646)出光興産株式会社 (2,069)
【Fターム(参考)】