JP4046722B2

JP4046722B2 - ヒドラジン化合物の製造方法

Info

Publication number: JP4046722B2
Application number: JP2004335788A
Authority: JP
Inventors: 正俊谷口; 浩司森
Original assignee: Otsuka Chemical Co Ltd
Current assignee: Otsuka Chemical Co Ltd
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2024-11-19
Also published as: JP2006144077A

Description

本発明は電解反応を用いたヒドラジン化合物の製造方法に関する。

ヒドラジン及びその誘導体は医農薬や機能性化学物質の原料等に幅広く使用されている。例えばヒドラゾジカルボンアミド（ＨＤＣＡ）は、工業用及び食品用発泡剤として有用なアゾジカルボンアミド（ＡＤＣＡ）の合成中間体として有用である。
従来、ＨＤＣＡの製造方法としては、例えば、水加ヒドラジンと尿素を加熱反応させて製造する方法（特許文献１及び２参照）、尿素を酸化的にクロロ尿素とし、Ｈｏｆｆｍａｎｎ転移、水付加を伴う脱炭酸によりヒドラジンに変換した後、単離することなく尿素と反応させて製造する方法が知られている。

また、尿素を酸化的にクロロ尿素とし、Ｈｏｆｆｍａｎｎ転移、アンモニア付加により、セミカルバジドに変換し（特許文献３参照）、単離することなく尿素と反応させてＨＤＣＡに変換することもできる。

しかしながら、前者のヒドラジンと尿素とを反応させる場合、１モルのＨＤＣＡの生成に対して２モルのアンモニアの発生を伴う。世界的に環境への窒素の放出量が規制されている状況下において、生じたアンモニアは当量以上の塩酸や硫酸等の酸で中和して、アンモニウム塩として排出しなければならない。また、後者のセミカルバジドからＨＤＣＡを得る方法においても、変換時にアンモニアを副生するため、同様に処理するか、セミカルバジドの製造工程のための回収再使用する方式を採用しなければならず、他の方法に比べて特別な設備が必要となる。

一方、尿素を原料としてヒドラジンを得るには、尿素をクロロ尿素とし、転移反応、脱炭酸反応させることで製造できるが、尿素をクロロ尿素とする工程において次亜塩素酸ナトリウムを使用するため塩化ナトリウムが大量に副生する。廃水の塩濃度が高いと廃水処理で使用する活性汚泥が使用できなくなるため、廃水処理する前に予め塩化ナトリウムを回収、除去しなければならない。

以上のように、いずれの方法においても多量の無機塩を副生するため、それを除去する工程が必要となる。更に除去した無機塩の処分における環境問題を考慮した場合には、工業的に優れた方法とはいえない。
特開昭５１−１１７１９号米国特許第２６９２２８１号特許第２９５２７１２号

本発明の課題は有用な工業原料となりうるヒドラジン化合物を、何ら無機塩を副生することなく、環境への負荷を低減した、工業的に優れた製造方法を提供することにある。

本発明は、以下の発明に係る。
１．水又は炭素数１〜４の低級アルコール中でウレアーゼの非存在下に、尿素に電解反応を適用することを特徴とする水加ヒドラジン（水中で反応の場合）又はカルバジン酸エステル（低級アルコール中で反応の場合）の製造方法。
２．炭素数１〜４の低級アルコール中で尿素に電解反応を適用することを特徴とするカルバジン酸エステルの製造方法。
３．炭素数１〜４の低級アルコール中でウレアーゼの非存在下に、尿素に電解反応を適用して得られたカルバジン酸エステルを、尿素及び酸の存在下に加熱することを特徴とするヒドラゾジカルボンアミドの製造方法。
４．炭素数１〜４の低級アルコール中でウレアーゼの非存在下に、尿素に電解反応を適用し、カルバジン酸エステルへの変換率を４０〜６０％とし、次いで酸を加えて加熱することを特徴とするヒドラゾジカルボンアミドの製造方法。
５．式（４）で表されるカルバジン酸エステルを、尿素及び酸の存在下に加熱することを特徴とする式（５）で表されるヒドラゾジカルボンアミドの製造方法。

（Ｒは炭素数１〜４のアルキル基を示す。）

６．水中でウレアーゼの非存在下に、尿素に電解反応を適用することを特徴とする水加ヒドラジンの製造方法。

本発明者等は種々研究を重ねた結果、水加ヒドラジン、カルバジン酸エステル及びＨＤＣＡの簡便で効率の良い、更には環境への負荷が極めて小さい製造方法を見出した。

本発明の製造方法によれば、水加ヒドラジン、カルバジン酸エステル、ＨＤＣＡの製造において塩化ナトリウム等の無機塩及びアンモニアが副生することなく、極めて効率的に目的物を得ることができ、工業的に極めて優位である。

また本発明のカルバジン酸エステルに尿素を酸の存在下で反応させることにより、ＨＤＣＡを製造する方法においては、カルバジン酸エステルと尿素とがモル比１：１で反応し、生じるアンモニアがＨＤＣＡの生成に消費されるため、見かけ上アンモニアが副生しないという工業的に有利な特徴を有している。

本発明のヒドラジン化合物の製造方法は、下記反応式で表される。

［式中、Ｒは炭素数１〜４の低級アルキル基を示す。］

反応式によれば、式（１）で表される尿素に水又は低級アルコール中で電解反応を行なうことで、式（２）で表されるイソシアネート誘導体を経由して、式（３）で表される水加ヒドラジン又は式（４）で表されるカルバジン酸エステルが製造される。更に式（４）で表されるカルバジン酸エステルから式（５）で表されるＨＤＣＡが製造される。

本発明の製造方法は尿素に電解反応を適用する。電解反応に使用される電極材料としては、一般の電解反応に使用される電極材料であれば特に限定されないが、例えば陽極としてはチタン、白金、炭素、酸化鉛、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、鉛、及びそれらの複合材又は積層体等また陰極としてはチタン、白金、炭素、酸化鉛、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、鉛、及びそれらの複合材又は積層体等、経済性と反応効率を考慮して適宜選択されることが好ましい。

本反応で使用される低級アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、イソブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール等の炭素数１〜４の低級アルコールを挙げらることができ、これら低級アルコールは１種単独で又は２種以上混合して使用することができる。
本発明の製造方法においては、水又は低級アルコールのいずれかを選択することによって製造するヒドラジン化合物を選択することができる。

目的とするヒドラジン化合物が水加ヒドラジンの場合は水を使用ることで製造することができる。
目的とするヒドラジン化合物がカルバジン酸エステルの場合には、エステル部のアルコキシ基に相当する低級アルコールを使用することで製造することができ、カルバジン酸メチルの場合はメタノール、カルバジン酸エチルの場合はエタールを使用することで達成できる。カルバジン酸エステルの製造においては、尿素の溶解度及び反応効率を考慮してメタノール又はエタノールが好ましく、特にメタノールが好ましい。

これら水又は低級アルコールの使用量は、経済性、反応効率、反応基質の溶解度を考慮して適宜選択されることが好ましく、例えば尿素１モルに対して０.１〜１５.０Ｌ、好ましくは１.０〜１０.０Ｌの範囲で使用すればよい。これら水又は低級アルコールは反応に関与するが、溶媒としても機能する。
また、必要に応じて他の有機溶媒を使用してもよく、本電解反応に悪影響を与えないものであれば何れの有機溶媒も使用できる。

本電解反応においては支持電解質を用いるのが好ましい。支持電解質としては一般電解反応にて用いられる支持電解質であれば特に限定されず使用でき、例えば塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化リチウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム、ヨウ化リチウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化ナトリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウムなどが挙げられるが、経済性、環境面を考慮すると塩化ナトリウムが好ましい。
支持電解質の使用量は、例えば尿素１モルに対して０.００１〜１当量程度、好ましくは０.０１〜０.５当量程度とすればよいが、本使用量は、電圧に影響を及ぼすため、反応効率、経済性を考慮して適宜選択するのが好ましい。

電解反応で使用した支持電解質は、ろ過等の処理によって回収することができ、再利用することが可能である。
電解反応は、基本的には無隔膜装置を用いて行うことが好ましいが、条件に応じて隔膜、イオン交換膜を使用することも可能である。

電流密度としては、１〜２００ｍＡ／ｃｍ^２、好ましくは１０〜１００ｍＡ／ｃｍ^２、更に好ましくは２０〜８０ｍＡ／ｃｍ^２の範囲で適宜選択すればよい。電流密度が１ｍＡ／ｃｍ^２未満では反応効率が低下し、また２００ｍＡ／ｃｍ^２を越えると反応の選択性が大きく低下する。
通電量は、尿素の１ｍｏｌ当り、０１Ｆ／ｍｏｌ以上、好ましくは０.１〜５０Ｆ／ｍｏｌ、より好ましくは０.５〜４０Ｆ／ｍｏｌ、更に好ましくは０.８〜３０Ｆ／ｍｏｌの範囲で適宜選択すればよい。本電解反応は２電子酸化反応であり、理論上尿素１モルに対して２Ｆ／ｍｏｌで尿素の全量が変換され、１Ｆ／ｍｏｌで尿素の半量が変換される。よって、エネルギー効率を考慮して、条件を適宜設定することで通電量を理論量へ近づけることが好ましい。

印加電圧は、１〜３０Ｖ、好ましくは１〜２０Ｖ、更に好ましくは１.５〜１５Ｖの範囲で支持電解質の使用量、装置及びその他条件に応じて適宜選択するのが好ましい。
電解反応の反応温度は、使用する水又は低級アルコールの沸点以下であれば特に限定されず、室温程度で反応が進行することを特徴としており、例えば０〜４０℃、好ましくは２０〜３０℃の範囲で、尿素の溶解度に応じて適宜選択するのが好ましい。

本電解反応においては、支持電解質の種類、電極の種類、電流密度、通電量、温度及びその他条件を適宜設定することで、目的物への変換割合を制御することが可能である。例えば、支持電解質に塩化ナトリウム、電極に白金電極、電流密度約５０ｍＡ、室温程度とする条件下において、通電量を約１０Ｆ／ｍｏｌ以上とすることで反応が略一定して完結させることができ、通電量を５〜７Ｆ／ｍｏｌ程度とすることで、変換率４０〜６０％とすることができる。

次に電解反応により得られたカルバジン酸エステルに尿素を酸の存在下で反応させることにより、容易にＨＤＣＡを製造することができる。
本反応において、使用する尿素の量は、カルバジン酸エステル１モルに対して０.５〜２モル程度、好ましくは０.８〜１.５モル程度、更に好ましくは１.０〜１.２モル程度とすればよい。

本反応は適当な溶媒中で行なわれる。溶媒としては、通常水が最も好ましいが、基質の水への溶解度を考慮して含水メタノール、含水エタノール、含水テトラヒドロフラン、含水ジオキサン等を適宜選択しても良い。
溶媒の使用量としては、尿素の濃度が０.１〜１０ｍｏｌ／Ｌ、より好ましくは１〜５ｍｏｌ／Ｌとなる量とすればよい。

本反応に使用する酸としては、例えば硫酸、塩酸、リン酸等の無機酸、リンタングステン酸、リンモリブデン酸、リンモリブドタングステン酸、リンモリブドバナジン酸、ケイタングステン酸、ケイモリブデン酸等のヘテロポリ酸、強酸性のイオン交換樹脂、シュウ酸等の有機酸、アルミノシリケート等の固体酸が挙げられ、１種単独で使用するか、もしくは目的に応じて２種類以上混合して使用することができる。

酸の使用量は、通常カルバジン酸エステル１モルに対して０.０１〜１モル、より好ましくは０.０５〜０.５モル程度とすればよい。
使用量がカルバジン酸誘導体１モルに対して０.０１モル未満の場合は、反応速度が急激に低下し、また１モルを越えると反応選択性が低下し、目的物の収率が低下する。

反応温度は、通常１０℃から使用する溶媒の沸点までの温度とすればよいが、反応速度を増大する目的で溶媒を沸点以上の温度で還流することが好ましい。
反応時間はカルバジン酸エステルの種類、反応温度によって異なるが、通常３〜３０時間程度で完結する。

本方法で製造されたＨＤＣＡは、例えばろ過、溶媒抽出、再結晶等の慣用されている単離手段によって単離できる。
なお、本反応において使用するカルバジン酸エステルは、前記電解反応によって得られたものを単離して使用してもよいが、前記電解反応において支持電解質の種類、電極の種類、電流密度、通電量、温度及びその他条件を適宜設定してカルバジン酸エステルへの変換率を制御し、変換率４０〜６０％、好ましくは約半分の変換率として反応系内に尿素とカルバジン酸エステルとが略等量存在するよう調製して使用することができる。この場合、反応系に存在する尿素とカルバジン酸エステルが反応してＨＤＣＡが生成するので改めて尿素を加える必要がなく、電解反応液をそのままか、又は濾過して得られたろ液に酸を加えて、本反応液としてもよく、電解反応液中の溶媒を除去して得られた残渣に改めて溶媒及び酸を加えて、本反応液としても良い。

本反応においては、カルバジン酸エステルと尿素とがモル比１：１で反応し、生じるアンモニアがＨＤＣＡの生成に消費されるため、見かけ上アンモニアが副生しないという工業的に有利な特徴を有している。

以下に本発明を実施例により説明する。但し本発明は実施例に限定されるものではない。

実施例１（カルバジン酸メチルの製造）
尿素１.２ｇ（２０ｍｍｏｌ）をメタノール５０ｍｌに溶解し、塩化ナトリウム０.３０ｇ（５.２ｍｍｏｌ）を添加したのち、陽極、陰極ともに白金電極（縦２０ｍｍ×横１０ｍｍ）を用いた無隔膜装置（容量１００ｃｃ）にて、１０Ｆ／ｍｏｌの電流を通した（電流密度５０ｍＡ／ｃｍ^２、印加電圧１０〜１５Ｖ、約２５℃）。反応混合物よりメタノールを減圧下で除去し、得られた残渣に塩化メチレン１０ｍｌを加えた。不溶物を濾過して除き、母液の溶媒を減圧下で除去して、粗カルバジン酸メチル１.７１ｇを淡黄色結晶として得た（９５％ｙｉｅｌｄｆｒｏｍＵｒｅａ）。
以下の高速液体クロマトグラフィーを用いて純度を確認したところ９８.５％であったことより、収率９３.６％とした（ｆｒｏｍＵｒｅａ）。
＜高速液体クロマトグラフィー条件＞
カラム：ＯＤＳＡ−３０３（ＹＭＣ社製）
検出波長（ＵＶ）：２２５ｎｍ
移動相：アセトニトリル／水＝５／９５
流速：０.８ｍｌ／ｍｉｎ
カラムオーブン温度：４０℃

実施例２（カルバジン酸メチルの製造）
塩化ナトリウムを臭化カリウムに替える以外は、実施例１と同様に行って、カルバジン酸メチルを収率９０.１％で得た。

実施例３（カルバジン酸メチルの製造）
通電量を２０Ｆ／ｍｏｌとする以外は、実施例１と同様に行って、カルバジン酸メチルを収率９２.２％で得た。

実施例４（カルバジン酸エチルの製造）
メタノールをエタノールに替える以外は、実施例１のカルバジン酸メチルの製造と同様に行い、収率９２.８％でカルバジン酸エチルを得た。

実施例５（ＨＤＣＡの製造）
実施例１で製造したカルバジン酸メチル１.７１ｇ（１８.７ｍｍｏｌ）に尿素１.１２ｇ（１８.９ｍｍｏｌ）、水１０ｍｌ及び濃硫酸（９８％）０.５５２ｇ（５.５ｍｍｏｌ）を添加し、オイルバスを用いて３０時間環流した。反応混合物を室温まで冷却し、析出した白色結晶を濾別した後、結晶を水洗し、１１０℃で２４時間乾燥してＨＤＣＡ１.２１ｇを得た。
得られた結晶は、ＩＲスペクトルにおいて標品と完全一致していることより、ＨＤＣＡであると判断した。また、以下の高速液体クロマトグラフィーを用いて純度を確認したところ９５.２％であったことより、収率９５.２％とした（ｆｒｏｍカルバジン酸メチル）。
融点：２４８〜２５２℃
ＩＲ（ＫＢｒ法）：３３９０ｃｍ^−１（ν−ＣＯＮＨ_２），３２０５ｃｍ^−１（ν−ＣＯＮＨ−），１６７２（ν−ＣＯ−）
＜高速液体クロマトグラフィー条件＞
カラム：ＩｎｅｒｔｓｉｌＯＤＳ−３（ＧＬサイエンス社製）
検出波長（ＵＶ）：２０５ｎｍ
移動相：Ｎａ_２ＨＰＯ_４／ＫＨ_２ＰＯ_４（１８ｍｍｏｌ／９ｍｍｏｌ）水／メタノール＝９６／４
流速：０.５ｍｌ／ｍｉｎ
カラムオーブン温度：３０℃

実施例６（ＨＤＣＡの製造）
尿素１.２ｇ（２０ｍｍｏｌ）をメタノール５０ｍｌに溶解し、塩化ナトリウム０.３０ｇ（５.２ｍｍｏｌ）を添加した後、陽極、陰極ともに白金電極（縦２０ｍｍ×横１０ｍｍ）を用いた無隔膜装置（容量１００ｃｃ）にて、６.７Ｆ／ｍｏｌの電流を通した（電流密度５０ｍＡ／ｃｍ^２、印加電圧１０〜１５Ｖ、約２５℃）。反応混合物に９.４ｍｍｏｌ（変換率約４７％）のカルバジン酸メチルが含有されていることを高速液体クロマトグラフィーにより確認した。
反応混合物より減圧下でメタノールを除去した後、水１０ｍｌと濃硫酸（９８％）０.２７６ｇ（２.８ｍｍｏｌ）を添加し、オイルバスを用いて４時間還流した。反応混合物を室温まで冷却し、析出した白色結晶を濾別した後、結晶を水洗し、１１０℃で２４時間乾燥してＨＤＣＡ１.０９ｇを得た（９２％ｙｉｅｌｄｆｒｏｍＵｒｅａ）。
得られた結晶は、ＩＲスペクトルにおいて標品と完全一致していることより、ヒドラゾジカルボンアミドであると判断した。また、高速液体クロマトグラフィーを用いて純度を確認したところ９９.０％であったことより、収率９１.１％とした（ｆｒｏｍＵｒｅａ）。

実施例７（ＨＤＣＡの製造）
尿素１.２ｇ（２０ｍｍｏｌ）をメタノール５０ｍｌに溶解し、塩化ナトリウム０.３０ｇ（５.２ｍｍｏｌ）を添加した後、陽極、陰極ともに白金電極（縦２０ｍｍ×横１０ｍｍ）を用いた無隔膜装置（容量１００ｃｃ）にて、３.４Ｆ／ｍｏｌの電流を通した（電流密度７０ｍＡ／ｃｍ^２、印加電圧２.１〜２.３Ｖ、約２２℃）。反応混合物に９.５ｍｍｏｌのカルバジン酸メチルが含有されていることを高速液体クロマトグラフィーにより確認した。
反応混合物より減圧下でメタノールを除去した後、水１０ｍｌと濃硫酸（９８％）０.２７６ｇ（２.８ｍｍｏｌ）を添加し、オイルバスを用いて４時間還流した。反応混合物を室温まで冷却し、析出した白色結晶を濾別した後、結晶を水洗し、１１０℃で２４時間乾燥してＨＤＣＡ１.１０ｇを得た（９３％ｙｉｅｌｄｆｒｏｍＵｒｅａ）。
得られた結晶は、ＩＲスペクトルにおいて標品と完全一致していることより、ヒドラゾジカルボンアミドであると判断した。また、高速液体クロマトグラフィーを用いて純度を確認したところ９８.２％であったことより、収率９１.３％とした（ｆｒｏｍＵｒｅａ）。

実施例８（水加ヒドラジンの製造）
尿素１.２ｇ（２０ｍｍｏｌ）を蒸留水１００ｍｌに溶解し、塩化ナトリウム０.３０ｇ（５.２ｍｍｏｌ）を添加した後、陽極、陰極ともに白金電極（縦２０ｍｍ×横１０ｍｍ）を用いた無隔膜装置（容量１００ｃｃ）にて、１０Ｆ／ｍｏｌの電流を通した（電流密度５０ｍＡ／ｃｍ^２、印加電圧１０〜１５Ｖ、約２５℃）。反応液を０.２ｇ採取し、脱イオン水を用いて３０ｍｌに希釈した。次に６Ｎ塩酸を用いて酸性化した後、約３ｍｌのクロロホルムを加えてヨウ素酸カリウム滴定を行い、得られた水加ヒドラジンの収率６５％を算出した。

Claims

水又は炭素数１〜４の低級アルコール中でウレアーゼの非存在下に、尿素に電解反応を適用することを特徴とする水加ヒドラジン（水中で反応の場合）又はカルバジン酸エステル（低級アルコール中で反応の場合）の製造方法。
炭素数１〜４の低級アルコール中で尿素に電解反応を適用することを特徴とするカルバジン酸エステルの製造方法。
電解反応を電流密度１〜２００ｍＡ／ｃｍ^２で行なう請求項２記載の製造方法。
炭素数１〜４の低級アルコール中でウレアーゼの非存在下に、尿素に電解反応を適用して得られたカルバジン酸エステルを、尿素及び酸の存在下に加熱することを特徴とするヒドラゾジカルボンアミドの製造方法。
炭素数１〜４の低級アルコール中でウレアーゼの非存在下に、尿素に電解反応を適用し、カルバジン酸エステルへの変換率を４０〜６０％とし、次いで酸を加えて加熱することを特徴とするヒドラゾジカルボンアミドの製造方法。
式（４）で表されるカルバジン酸エステルを、尿素及び酸の存在下に加熱することを特徴とする式（５）で表されるヒドラゾジカルボンアミドの製造方法。

（Ｒは炭素数１〜４のアルキル基を示す。）
水中でウレアーゼの非存在下に、尿素に電解反応を適用することを特徴とする水加ヒドラジンの製造方法。
電解反応を電流密度１〜２００ｍＡ／ｃｍ^２で行なう請求項７記載の製造方法。