JP7633651B2 - Method for producing esters - Google Patents
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Description
本発明は、アルカン、特にガス状のアルカンを有効に利用可能な、エステルの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing esters that can effectively utilize alkanes, particularly gaseous alkanes.
現在、多様な天然炭素資源をバランスよく活用できる将来の産業基盤の確立に向けて、メタンをはじめとするアルカンガス資源を従来にない形で有用な化成品・エネルギーに変換するための技術が求められていた。 Currently, in order to establish a future industrial base that can utilize a variety of natural carbon resources in a balanced way, there is a demand for technology to convert methane and other alkane gas resources into useful chemical products and energy in unprecedented ways.
特に、天然ガスやシェールガスの主成分は常温ではガス状のアルカンであるとされている。なかでも、農業や畜産業で放出されるメタンは地球温暖化係数が二酸化炭素の25倍もあり、それを利用することが、脱炭素社会を目指すために重要な役割を果たす。 In particular, the main components of natural gas and shale gas are said to be alkanes that are gaseous at room temperature. In particular, methane released in agriculture and livestock farming has a global warming potential 25 times that of carbon dioxide, and utilizing it plays an important role in aiming for a decarbonized society.
このため、埋蔵量が豊富な天然ガス等に含まれるメタンをはじめとするアルカンガス資源からこれまでにない技術で化成品やエネルギーへの変換が容易にできるようになれば、現代社会が直面する石油依存という問題からの脱却や二酸化炭素排出低減も可能となり、地球温暖化への大きく貢献する技術となる基体されている。 For this reason, if it becomes possible to easily convert alkane gas resources, such as methane contained in abundant reserves of natural gas, into chemical products and energy using unprecedented technology, it will be possible to break away from the problem of oil dependency facing modern society and reduce carbon dioxide emissions, making this technology a major contribution to mitigating global warming.
しかしながら、メタンなどのアルカンガス資源を直接化成品などに変換するプロセスは難度が高く、メタンの改質によって生成する合成ガス(CO+H2)を経由するなどの間接的なプロセスを利用しているのが現状である。 However, the process of directly converting alkane gas resources such as methane into chemical products is highly difficult, and currently indirect processes such as via synthesis gas (CO+H 2 ) produced by reforming methane are used.
また、アルカンガス資源の利用の一環として、アルカンを酸化してエステルなどに変換する方法が求められている。エステルの合成法においては、酢酸とエタノールから硫酸を触媒としても引いて脱水縮合してエステル化するフィッシャーのエステル化、アセトアルデヒドを塩基触媒によって酢酸エチルに変換する方法、エチレンと酢酸からの直接合成法などが知られていた。上記天然ガスの主成分であるアルカンなどを用いる方法は知られていなかった。 As part of the utilization of alkane gas resources, there is a demand for methods to oxidize alkanes and convert them into esters. Known methods for synthesizing esters include Fischer's esterification, which uses sulfuric acid as a catalyst to esterify acetic acid and ethanol through dehydration and condensation, a method of converting acetaldehyde into ethyl acetate using a base catalyst, and a direct synthesis method from ethylene and acetic acid. However, no methods were known that use alkanes, which are the main components of natural gas.
アルカンに官能基を導入するにあたっては、酸化などにより官能基を導入する方法が考えられているが、温度条件が高いと原料や生成物が燃焼するなどの問題が指摘され、緩和な条件での反応が求められている。たとえば、触媒を用いて緩和な温度条件でアルカンのC-H基を活性化させ酸化する方法が知られているが、この方法では2級、3級のC-H基やベンジル位のC-H基を活性化して酸化することができるが、天然ガスなどの資源を用いる場合に有用な1級アルカンのアルキル基のC-H基を活性化して酸化することができないことが知られている。(非特許文献1)。 When introducing functional groups into alkanes, methods of introducing functional groups by oxidation or the like have been considered, but problems such as combustion of raw materials and products at high temperature conditions have been pointed out, and reactions under milder conditions are being sought. For example, a method is known in which the C-H groups of alkanes are activated and oxidized under milder temperature conditions using a catalyst, and although this method can activate and oxidize secondary and tertiary C-H groups and C-H groups at benzyl positions, it is known that it cannot activate and oxidize the C-H groups of alkyl groups in primary alkanes, which are useful when using resources such as natural gas. (Non-Patent Document 1).
また、アルカン類の酸化により得られるアルコールおよびケトンについては、特許文献1には、アルカンを酸素酸化する方法において、アルデヒド類、銅系触媒、および含窒素化合物の存在下に反応させるアルカンの酸化方法が開示されている。この特許文献1には、アルカンとして多種のものが開示されており、窒素含有化合物がニトリル類や芳香族アミン、第3級アミンが開示されている。しかしながらエステルを製造することについて示唆がなく、メタンやエタンなどの低級アルカンを使用して、エステルを合成することを全く示唆されていない。 As for alcohols and ketones obtained by oxidation of alkanes, Patent Document 1 discloses a method for oxidizing alkanes with oxygen, in which an alkane is reacted in the presence of an aldehyde, a copper-based catalyst, and a nitrogen-containing compound. Patent Document 1 discloses a wide variety of alkanes, and the nitrogen-containing compounds disclosed are nitriles, aromatic amines, and tertiary amines. However, there is no suggestion about producing esters, and there is no suggestion at all about synthesizing esters using lower alkanes such as methane or ethane.
本発明は、アルカン、特にガス状のアルカンを有効に利用可能な、エステルを製造することを課題とする。特に1級のアルキル基を持つアルカン類を酸化してエステルを構築する方法を提供することを課題としている。 The objective of the present invention is to produce esters that can effectively utilize alkanes, particularly gaseous alkanes. In particular, the objective of the present invention is to provide a method for constructing esters by oxidizing alkanes having primary alkyl groups.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、触媒として特定のものを使用し、かつ特定の反応条件を組み合わせることで、エステルが効率的に生成することを見出して本発明を完成させた。
[1]一般式R1Hで表されるアルカンと、
一般式R2CHOで表されるアルデヒドとから、
酸素源を供給して、金属塩(M(L)m/n)の存在下に一般式R2COOR1で表されるエステルを製造する、
エステルの製造方法。
(R1はC1~C20の鎖状、環状の炭化水素基であり、R2はC1~C30の鎖状、環状の炭化水素基である。Mは第8~12族の金属元素を表し、Lは金属元素イオンに対する対イオンを構成し、炭素数C1~C20のカルボン酸イオン、ハロゲンイオン、硝酸イオン、硫酸イオン、ClO4
-、BPh4
-、PF6
-から選ばれる少なくとも1種であり、mは金属元素イオンの価数、nは対イオンの価数を示す)
[2]アルカンが、メタン、エタン、プロパン、またはブタンである、[1]のエステルの製造方法。
[3]溶媒として、水、および/または、含窒素化合物およびハロゲン化炭化水素から選ばれる1種以上の有機化合物の存在下に前記エステルを製造する、[1]または[2]のエステルの製造方法。
[4]金属塩(M(L)m/n)において、Mは鉄、ニッケル、ルテニウムから選ばれる少なくとも1種である、[1]~[3]の酸化方法。
[5]金属塩(M(L)m/n)において、LはC1~C20のカルボン酸イオン、ハロゲンイオン、硝酸イオン、硫酸イオン、過塩素酸イオン、BP4
-、PF6
-から選ばれる金属塩である、[1]~[4]のエステルの製造方法。
[6]前記有機化合物が、ニトリル類およびクロロアルカン類である、[1]~[5]のエステルの製造方法。
[7]溶媒として水と前記有機化合物とをともに使用する場合に、水:有機化合物の質量比で、0.01:100~100:0.01の比率である、[1]~[6]のエステルの製造方法。
[8]前記アルカンが、メタンまたはエタンであることを特徴とする前記[1]~[7]のエステルの製造方法。
[9]前記R2CHOのR2がC1~C30の鎖状、環状の炭化水素基が、鎖状または環状であることを特徴とする前記[1]~[8]のエステルの製造方法。
[10]前記アルカンがR3CH3として表され、R3はC0~C19の炭素数の直鎖状、鎖状、又は環状の脂肪族炭化水素であることを特徴とする前記[1]~[9]のエステルの製造方法。
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted intensive research to solve the above problems, and as a result have found that esters can be efficiently produced by using a specific catalyst in combination with specific reaction conditions, thereby completing the present invention.
[1] An alkane represented by the general formula R 1 H,
and an aldehyde represented by the general formula R 2 CHO,
Providing an oxygen source to produce an ester represented by the general formula R2COOR1 in the presence of a metal salt (M(L) m/n ) ;
Method for producing esters.
( R1 is a C1-C20 linear or cyclic hydrocarbon group, and R2 is a C1-C30 linear or cyclic hydrocarbon group. M represents a metal element of Groups 8-12. L constitutes a counter ion for the metal element ion and is at least one selected from a carboxylate ion having a carbon number of C1-C20, a halogen ion, a nitrate ion, a sulfate ion, ClO4- , BPh4- , and PF6- . m represents the valence of the metal element ion, and n represents the valence of the counter ion.)
[2] The method for producing an ester according to [1], wherein the alkane is methane, ethane, propane, or butane.
[3] The method for producing an ester according to [1] or [2], wherein the ester is produced in the presence of water and/or one or more organic compounds selected from a nitrogen-containing compound and a halogenated hydrocarbon as a solvent.
[4] The oxidation method according to any one of [1] to [3], wherein in the metal salt (M(L) m/n ), M is at least one selected from iron, nickel and ruthenium.
[5] A method for producing an ester according to any one of [1 ] to [4], wherein in the metal salt (M(L) m/n ), L is a metal salt selected from a C1 to C20 carboxylate ion, a halogen ion, a nitrate ion, a sulfate ion, a perchlorate ion, BP 4 - , and PF 6 - .
[6] The method for producing an ester according to any one of [1] to [5], wherein the organic compound is a nitrile or a chloroalkane.
[7] The method for producing an ester according to any one of [1] to [6], wherein when water and the organic compound are used together as a solvent, the mass ratio of water:organic compound is 0.01:100 to 100:0.01.
[8] The method for producing an ester according to any one of [1] to [7] above, wherein the alkane is methane or ethane.
[9] The method for producing an ester according to any one of [1] to [8] above, wherein R 2 of R 2 CHO is a linear or cyclic C1-C30 hydrocarbon group.
[10] The method for producing an ester according to any one of [1] to [9] above, wherein the alkane is represented by R 3 CH 3 , and R 3 is a linear, chain, or cyclic aliphatic hydrocarbon having a carbon number of C0 to C19.
本発明によれば、天然ガスやシェールガスの主要成分であるガス状アルカンをエステルに変換することができる。また反応条件も、従来のエステルの合成法に比べて温和な条件で反応させることが可能である。また、ガス状アルカンは農業や畜産業において発生する温室効果ガスであるが、本発明によれば各種化成品として有効利用が可能であるため、地球温暖化防止策としてその効果を発揮できる。また、温和な反応条件であるため、中小規模施設にプラントとして設置することも可能である。 According to the present invention, gaseous alkanes, which are the main components of natural gas and shale gas, can be converted into esters. The reaction conditions can also be milder than those of conventional ester synthesis methods. Gaseous alkanes are greenhouse gases generated in agriculture and the livestock industry, but according to the present invention, they can be effectively utilized as various chemical products, which can be effective in preventing global warming. In addition, because the reaction conditions are mild, it is possible to install the plant in a small to medium-sized facility.
以下、発明の実施の形態について具体的に説明する。
まず、本発明で使用される原料について説明する。
反応原料
(1)アルカン
本発明では、アルカンとして、一般式R1H(R1は、C1~C20の鎖状、環状の炭化水素基)で表されるものが使用される。 本発明のアルカンは、R3CH3と表すことができる。R3としてはC0~C19の炭素数の脂肪族炭化水素であり、直鎖、枝分かれ、環状でもよく、また、1個以上のメチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基と認められる官能基を持っていることが特徴である。
Hereinafter, the embodiment of the invention will be specifically described.
First, the raw materials used in the present invention will be described.
Reactant
(1) Alkane In the present invention, an alkane represented by the general formula R 1 H (R 1 is a C1-C20 linear or cyclic hydrocarbon group) is used. The alkane of the present invention can be represented as R 3 CH 3. R 3 is an aliphatic hydrocarbon having a carbon number of C0-C19, which may be linear, branched, or cyclic, and is characterized by having one or more functional groups that are recognized as methyl groups, ethyl groups, n-propyl groups, or n-butyl groups.
鎖状アルカンとしては、メタン、エタン、プロパン、n-ペンタン、n-ヘキサン、n-ヘプタン、n-オクタン、n-ノナン、n-デカン、n-ウンデカン、n-ドデカン等が挙げられる。分岐状アルカンとしては、2-メチルプロパン、2-メチルヘプタン、2,3-ジメチルヘキサン、2,3,4-トリメチルペンタンなどが挙げられる。 Examples of chain alkanes include methane, ethane, propane, n-pentane, n-hexane, n-heptane, n-octane, n-nonane, n-decane, n-undecane, and n-dodecane. Examples of branched alkanes include 2-methylpropane, 2-methylheptane, 2,3-dimethylhexane, and 2,3,4-trimethylpentane.
環状アルカンとしては、シクロヘキサン、シクロペンタン、シクロオクタン、シクロヘプタン、シクロドデカン等が挙げられる。
本発明においては、メタン、エタン、プロパン、ブタンなど室温においてガス状のアルカン類に用いることが好ましい。
Examples of cyclic alkanes include cyclohexane, cyclopentane, cyclooctane, cycloheptane, and cyclododecane.
In the present invention, it is preferable to use alkanes that are gaseous at room temperature, such as methane, ethane, propane, and butane.
これらのアルカン類は、天然ガスなどの天然資源や、農畜産業において生成するガス中に含まれているものが知られているが、本発明によれば、これらのガスを気体のまま使用することができる。
このうち、メタンまたはエタンが、本発明の効果を発揮するためにさらに好ましい。
These alkanes are known to be contained in natural resources such as natural gas, and in gases produced in the agricultural and livestock industries, but according to the present invention, these gases can be used in their gaseous state.
Of these, methane or ethane is more preferable for exerting the effects of the present invention.
(2)アルデヒド
アルデヒドとしては、一般式R2CHO(R2はC1~C30の鎖状、環状の脂肪族炭化水素基または芳香族炭化水素基であり、さらに環構造を有していてもよい)で表されるものが使用される。
(2) Aldehyde As the aldehyde, one represented by the general formula R2CHO ( R2 is a C1-C30 linear or cyclic aliphatic hydrocarbon group or aromatic hydrocarbon group, which may further have a ring structure) is used.
本発明に用いられるアルデヒド類としては、脂肪族アルデヒドおよび芳香族アルデヒドが可能であり、具体的には、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、n-ブチルアルデヒド、イソブチルアルデヒド、n-バレルアルデヒド、イソバレルアルデヒド、ピバルアルデヒド、n-へキシルアルデヒド、n-ヘプチルアルデヒド、n-オクチルアルデヒド、n-ノニルアルデヒド、n-デシルアルデヒド等の脂肪族アルデヒドや、ベンズアルデヒド、p-クロロベンズアルデヒド、m-クロロベンズアルデヒド、m-シアノベンズアルデヒド、p-トルアルデヒド、p-メトキシベンズアルデヒド等の置換もしくは非置換の芳香族アルデヒドおよびこれらの混合物が挙げられる。 The aldehydes used in the present invention may be aliphatic aldehydes and aromatic aldehydes, and specific examples include aliphatic aldehydes such as acetaldehyde, propionaldehyde, n-butyraldehyde, isobutyraldehyde, n-valeraldehyde, isovaleraldehyde, pivalaldehyde, n-hexylaldehyde, n-heptylaldehyde, n-octylaldehyde, n-nonylaldehyde, and n-decylaldehyde, as well as substituted or unsubstituted aromatic aldehydes such as benzaldehyde, p-chlorobenzaldehyde, m-chlorobenzaldehyde, m-cyanobenzaldehyde, p-tolualdehyde, and p-methoxybenzaldehyde, and mixtures thereof.
このうち、好ましくはC2~C30のアルデヒドが好ましくは、このうち、プロピオンアルデヒドが最も好ましい。
アルデヒドの使用量はエステル製造量に応じて適宜選択されるが、当量であれば、当量のエステルが製造できる。通常アルカンに対して、0.1~1000モル%、好ましくは1~400モル%の範囲であればよいが特に制限されない。
Of these, C2 to C30 aldehydes are preferred, and of these, propionaldehyde is most preferred.
The amount of aldehyde used is appropriately selected depending on the amount of ester to be produced, but if the amount is an equivalent amount, an equivalent amount of ester can be produced. Usually, the amount is in the range of 0.1 to 1000 mol %, preferably 1 to 400 mol %, based on the alkane, but is not particularly limited.
(3)金属塩
本発明に用いられる金属塩は、アルカンとアルデヒドからエステルを合成する反応において触媒として用いられる。
(3) Metal Salt The metal salt used in the present invention is used as a catalyst in the reaction for synthesizing an ester from an alkane and an aldehyde.
金属塩としては、M(L)m/nで表されるものが使用され、Mは第8~12族の金属元素を表し、Lは金属元素イオンに対する対イオンを構成し、炭素数C1~C20のカルボン酸イオン、ハロゲンイオン、硝酸イオン、硫酸イオン、ClO4 -、BPh4-、PF6 -から選ばれる少なくとも1種であり、mは金属元素イオンの価数、nは対イオンの価数を示す。 The metal salt used is expressed as M(L) m/n , where M represents a metal element of Groups 8 to 12, L constitutes a counter ion for the metal element ion and is at least one selected from a carboxylate ion having carbon numbers of C1 to C20, a halogen ion, a nitrate ion, a sulfate ion, ClO4- , BPh4- , and PF6- , m represents the valence of the metal element ion, and n represents the valence of the counter ion.
Mは第8~12属の金属元素を表わす。具体的には、Fe,Co,Ni,Cu、Zn,Ru,Rh,Pd,Ag,Cd,Os,Ir,Pt,Auなどを挙げることができ、なかでも、Fe,Ni,Cu,Ruなどが好ましい。 M represents a metal element of groups 8 to 12. Specific examples include Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Os, Ir, Pt, and Au, with Fe, Ni, Cu, and Ru being preferred.
本発明に用いられる金属塩が触媒活性を示すためには、金属の価数、配位数、配位構造、対アニオンなどの違いが触媒活性に大きく影響する。また、このときの金属とその対イオンの組合わせや対イオンの構造によっても大きく活性が変化する。 In order for the metal salts used in the present invention to exhibit catalytic activity, differences in the metal valence, coordination number, coordination structure, counter anion, etc. have a significant effect on catalytic activity. In addition, activity can change significantly depending on the combination of the metal and its counter ion and the structure of the counter ion.
本発明は、アルカンにアルデヒドを加えて酸化剤に酸素を用いてエステルを合成していることから、基質、原料と金属塩の金属との間で酸化還元反応が起こるため、反応系において容易に価数が変化する金属であることが好ましい。たとえば、銅元素の場合は、銅金属塩としては公知の銅金属塩や銅粉などを用いることができるが、価数がII価、I価、0価と3種類あり、反応に用いるアルカンやアルデヒドの種類、溶媒系により適宜選択される。溶媒系によっては溶媒和の有無などにより、その安定性や存在状態が変化するために、それらを斟酌して選択される。Lは、反応中、ラジカルとなって移動する場合がある。Lとしては、たとえば、炭素数C1~C20の脂肪族、または芳香族の炭化水素を有するカルボン酸を挙げることができるが、このうち入手/取扱いともに容易で、且つ、反応性の高いCu(OAc)2・nH2Oが好ましく用いられる。銅金属塩としては以下の公知の化合物を用いることができる。具体的には、Cu(OAc)2・nH2O、Cu(OAc)、CuCl、CuCl2・nH2O、CuBr、CuBr2、CuSO4・nH2O、Cu(NO3)2・nH2O、Cu(ClO4)2、等が挙げられる。
金属塩の使用量は特に制限されないが、通常アルカンに対して、0.000001~200モル%、好ましくは0.00001~5モル%の範囲である。
In the present invention, since an ester is synthesized by adding an aldehyde to an alkane and using oxygen as an oxidizing agent, a redox reaction occurs between the substrate or raw material and the metal of the metal salt, so a metal whose valence changes easily in the reaction system is preferable. For example, in the case of copper element, known copper metal salts or copper powder can be used as copper metal salts, but there are three types of valence, II-valent, I-valent, and 0-valent, and they are appropriately selected depending on the type of alkane or aldehyde used in the reaction and the solvent system. Depending on the solvent system, the stability and existence state change depending on the presence or absence of solvation, so they are selected taking these into consideration. L may become a radical and move during the reaction. As L, for example, carboxylic acids having aliphatic or aromatic hydrocarbons with carbon numbers C1 to C20 can be mentioned, but among them, Cu(OAc) 2.nH 2 O, which is easy to obtain and handle and has high reactivity, is preferably used. As the copper metal salt, the following known compounds can be used. Specific examples include Cu(OAc) 2 ·nH 2 O, Cu(OAc), CuCl, CuCl 2 ·nH 2 O, CuBr, CuBr 2 , CuSO 4 ·nH 2 O, Cu(NO 3 ) 2 ·nH 2 O, Cu(ClO 4 ) 2 and the like.
The amount of the metal salt used is not particularly limited, but is usually in the range of 0.000001 to 200 mol %, preferably 0.00001 to 5 mol %, based on the alkane.
(4)酸素源
本反応に用いられる酸素は、(a)酸素ガス、(b)空気(酸素20%,窒素78%,二酸化炭素1%等から成る)、(c)酸素ガスと窒素等の不活性ガスとの混合物のいずれを用いてもよい。気体圧は減圧または加圧条件であってもよいが、酸素圧1気圧でも可能である。
(4) Oxygen source The oxygen used in this reaction may be any of (a) oxygen gas, (b) air (composed of 20% oxygen, 78% nitrogen, 1% carbon dioxide, etc.), and (c) a mixture of oxygen gas and an inert gas such as nitrogen. The gas pressure may be reduced or increased, but an oxygen pressure of 1 atmosphere is also possible.
(5)溶媒
本発明に用いる反応においては、、溶媒として、水および/または有機化合物が用いることことが好ましい。有機化合物としては、含窒素化合物およびハロゲン化アルカンを使用することが、エステルを合成する上で好ましい。
(5) Solvent In the reaction used in the present invention, it is preferable to use water and/or an organic compound as a solvent. As the organic compound, it is preferable to use a nitrogen-containing compound and a halogenated alkane in order to synthesize an ester.
含窒素化合物の有機溶媒としては、ニトリル類を用いることができる。ニトリル類は、脂肪族/芳香族ニトリルを問わず従来公知のものを用いることができる。具体例では脂肪族ニトリルとして、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル、バレロニトリル、イソバレロニトリル、トリメチルアセトニトリル、ヘキサンニトリル、4-メチルバレロニトリル、ヘプタンニトリル、オクタンニトリル、ウンデカンニトリル、デカンニトリル、ステアロニトリル、シクロヘキサンカルボニトリル、シクロペンタンカルボニトリル等、また、脂肪族ジニトリル類ではマロノニトリル、スクシノニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、スベロニトリル、アゼラニトリル等が挙げられる。芳香族ニトリルではベンゾニトリル、o-, m-, p-フタロニトリル等があげられる。 As the organic solvent for the nitrogen-containing compound, nitriles can be used. As the nitriles, conventionally known nitriles can be used regardless of whether they are aliphatic or aromatic nitriles. Specific examples of aliphatic nitriles include acetonitrile, propionitrile, butyronitrile, isobutyronitrile, valeronitrile, isovaleronitrile, trimethylacetonitrile, hexanenitrile, 4-methylvaleronitrile, heptanenitrile, octanenitrile, undecanenitrile, decanenitrile, stearonitrile, cyclohexanecarbonitrile, cyclopentanecarbonitrile, etc., and aliphatic dinitriles include malononitrile, succinonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, pimelonitrile, suberonitrile, azelanitrile, etc. Examples of aromatic nitriles include benzonitrile, o-, m-, and p-phthalonitrile, etc.
ハロゲン化アルカンとしては、前記してアルカンの水素がハロゲンで置換したハロゲン化物であればよく、すなわちフッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物が挙げられる。このうち、本発明では、塩化メチレン、クロロホルム、ジクロロエタンなどが好ましく使用される。 The halogenated alkane may be any halide in which the hydrogen of the alkane is replaced with a halogen, such as fluoride, chloride, bromide, or iodide. Of these, methylene chloride, chloroform, dichloroethane, etc. are preferably used in the present invention.
水および有機化合物は、添加するアルデヒドや金属塩の溶媒として添加されることもある。
これらの使用量は特に制限されないが、通常アルカンに対して0.01~100モル%、好ましくは0.1~10モル%の量で使用することが好ましい。
Water and organic compounds may be added as solvents for the aldehydes and metal salts added.
The amount of these to be used is not particularly limited, but it is usually 0.01 to 100 mol %, preferably 0.1 to 10 mol %, based on the alkane.
ニトリル類とハロゲン化アルカンをともに使用する場合水は、含んでいなくともよいが、含んでいない場合、反応収率が低くなることがあり、アルデヒド類を消費して、ニトリル類が分解したり、アルデヒド類の酸化やハロゲン化アルカンの酸化を進めたりすることがある。 When using both nitriles and halogenated alkanes, water is not required, but if water is not present, the reaction yield may be low, and the nitriles may decompose as the aldehydes are consumed, or the oxidation of the aldehydes or the halogenated alkanes may progress.
また水が多くなると、酸化反応がほとんど進行しない状態となる。このため、水は、ニトリル類に対して、モル比(ニトリル/水)で0.01/100~1000/0.01、好ましくは0.1/10~10/0.1の比率で添加することが望ましい。 Furthermore, if there is too much water, the oxidation reaction will hardly proceed. For this reason, it is desirable to add water to the nitriles in a molar ratio (nitrile/water) of 0.01/100 to 1000/0.01, preferably 0.1/10 to 10/0.1.
エステルの製造方法
本発明では、前記アルカンとアルデヒドに、酸素源を供給して、前記金属塩の存在下に反応させて一般式R2COOR1で表されるエステルを製造する。このときに必要に応じて、水や有機化合物を導入してもよい。
In the present invention , an oxygen source is supplied to the alkane and aldehyde, and they are reacted in the presence of the metal salt to produce an ester represented by the general formula R 2 COOR 1. At this time, water or an organic compound may be introduced, if necessary.
その反応機構を明確ではないものの、例えばアルカンとしてメタンを使用し、アルデヒドとして、アセトアルデヒドを使用し、触媒としてCu(OAc)2・nH2Oを使用した場合に考えられるそのメカニズムの一つについて図1を示す。 Although the reaction mechanism is not clear, one possible mechanism is shown in FIG. 1 when, for example, methane is used as the alkane, acetaldehyde is used as the aldehyde, and Cu(OAc) 2 ·nH 2 O is used as the catalyst.
例えば、アセトアルデヒドは2価の銅塩(Cu(OAc)2)の存在下アシルラジカルを生成する。まず、反応系に溶媒としても使用されているアセトアルデヒドが銅(II)塩を還元して銅(I)塩となり対イオンだった酢酸は溶媒中に離脱するが、酸化の時に生成したアルデヒドから水素を引き抜き、水素を引き抜かれたアセトアルデヒドはラジカルアルデヒドとなる。銅(I)塩に対しては、反応系に送り込まれている酸素が分子状酸素酸化によりいわゆるオキシラジカル活性種が生成する。このオキシラジカル活性種にはさらにラジカルアルデヒドが反応して過酢酸を生じるが、この反応は即座に行われるこの時、1価の銅は2価に酸化され、銅上に過酢酸の銅活性種が生じるが、この過酢酸銅活性種はアルカン(図ではメタンであるが、エタンも同様)から水素原子を引き抜くが、この段階は、O-Oの切断とC-Hの開裂が協奏的に進行すると考えられる。次いでCu(II)-OR(Rは基質由来のメチル基またはエチル基)が、最初の段階で銅から外れた酢酸と配位子交換を行い、アルコール生成物と酢酸銅が再生する。これに続く配位子の再結合を経てメチルアルコールを生成させ、さらに酸素存在下にアセトアルデヒドとメチルアルコールとが反応してヘミアセタールとなり、これがさらに酸化されてエステルを生成する。このメカニズムは銅金属塩を用いる場合の例であるが、発明者らは金属状のオキシラジカル活性種が本反応を行うために重要な活性種の一つであると考えている。 For example, acetaldehyde generates acyl radicals in the presence of divalent copper salt (Cu(OAc) 2 ). First, acetaldehyde, which is also used as a solvent in the reaction system, reduces copper(II) salt to copper(I) salt, and acetic acid, which was the counter ion, is released into the solvent. However, hydrogen is extracted from the aldehyde generated during oxidation, and the acetaldehyde with the hydrogen extracted becomes a radical aldehyde. For copper(I) salt, the oxygen fed into the reaction system is oxidized by molecular oxygen to generate so-called oxyradical active species. This oxyradical active species further reacts with radical aldehyde to generate peracetic acid, and this reaction occurs instantly. At this time, the monovalent copper is oxidized to divalent, and copper active species of peracetic acid are generated on the copper. This copper peracetic acid active species extracts hydrogen atoms from alkanes (methane in the figure, but ethane is similar), and it is thought that this stage is a concerted process of OO cleavage and CH cleavage. Next, Cu(II)-OR (R is a methyl or ethyl group derived from the substrate) exchanges ligands with the acetic acid that was removed from the copper in the first step, regenerating the alcohol product and copper acetate. This is followed by recombination of the ligands to produce methyl alcohol, which then reacts with acetaldehyde in the presence of oxygen to produce a hemiacetal, which is then oxidized to produce an ester. This mechanism is an example of the case where a copper metal salt is used, but the inventors believe that metallic oxyradical active species are one of the important active species for carrying out this reaction.
反応温度は、通常、0℃から150℃であり、好ましくは25℃~80℃程度の範囲である。反応温度が20℃程度の室温でも反応は進行する。
また本発明では、加圧条件下に反応を行うことが好ましく、オートクレーブなどの加圧式反応装置を使用することが好ましい。加圧条件は、常圧~10気圧(1MPa)であればよく、たとえば、8気圧で窒素置換を行い、反応開始から反応中を通じて常時酸素圧1気圧が供給される装置にオートクレーブを接続し反応を行うなどの方法を採用することができる。
The reaction temperature is usually in the range of 0° C. to 150° C., and preferably in the range of about 25° C. to 80° C. The reaction proceeds even at room temperature, such as about 20° C.
In the present invention, it is preferable to carry out the reaction under pressurized conditions, and it is preferable to use a pressurized reaction apparatus such as an autoclave. The pressurized conditions may be from normal pressure to 10 atmospheres (1 MPa), and for example, a method can be adopted in which the autoclave is connected to an apparatus that performs nitrogen replacement at 8 atmospheres and constantly supplies oxygen at 1 atmosphere from the start of the reaction throughout the reaction.
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明がこれら実施例によって何等限定されるものではない。 The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples in any way.
(高圧反応装置)
反応器は、高圧反応装置TS-31H(太洋システム社製)を使用した。なお、かかる装置には、島津製作所製のLC-20AT送液ユニットを備える。
(ガスクロマトグラフ質量分析:GC-MS)
生成物はサンプリング後、Shimadzu GCMS-QP2010 Plus を用いた。クロマト用絡むについてはRESTEK Rtx-VMS column (30 m × 0.25 mm)を用い オートサンプラーによりサンプリングをしたあと、自動的にインジェクションを行った。検出は質量分析装置により行われた。
(High pressure reaction apparatus)
The reactor used was a high-pressure reactor TS-31H (manufactured by Taiyo Systems Co., Ltd.) equipped with a Shimadzu LC-20AT liquid delivery unit.
(Gas Chromatography Mass Spectrometry: GC-MS)
The products were sampled and analyzed using a Shimadzu GCMS-QP2010 Plus. A RESTEK Rtx-VMS column (30 m × 0.25 mm) was used for chromatography. After sampling with an autosampler, the products were automatically injected. Detection was performed using a mass spectrometer.
(実施例1)
酢酸銅(20 μmol, 3.64 mg)を40 mLのアセトニトリルに溶解させ、高圧反応装置内にその溶液を100 μL(Cu(OAc)2 = 0.050 μmol, 9.1μg)、アセトニトリル(5.0 mL)、ジクロロメタン(6.0 mL)を添加し、容器内をエタン/酸素(= 3/1)混合ガスで4.0 MPaまで加圧した。容器内が加圧されたのち、アセトニトリル(4 mL)に溶解させたプロピオンアルデヒド(2.0 mmol, 144 μL)を添加し、25℃で反応を開始した。反応溶液は随時サンプリングし、シリカゲルカラムを用いて処理しGC-MSにより反応生成物を同定した。GC-MSチャートを図2に示す。また各生成物の検量線を作成し、定量した。結果を表1に示す。
実施例1では以下の反応が生じてエステルが得られていることが分かった。
Example 1
Copper acetate (20 μmol, 3.64 mg) was dissolved in 40 mL of acetonitrile, and 100 μL of the solution (Cu(OAc) 2 = 0.050 μmol, 9.1 μg), acetonitrile (5.0 mL), and dichloromethane (6.0 mL) were added to a high-pressure reactor, and the vessel was pressurized to 4.0 MPa with a mixed gas of ethane/oxygen (= 3/1). After the vessel was pressurized, propionaldehyde (2.0 mmol, 144 μL) dissolved in acetonitrile (4 mL) was added, and the reaction was started at 25°C. The reaction solution was sampled at regular intervals, processed using a silica gel column, and the reaction products were identified by GC-MS. The GC-MS chart is shown in Figure 2. In addition, a calibration curve for each product was created and quantified. The results are shown in Table 1.
In Example 1, it was found that the following reaction occurred to obtain the ester.
(実施例2)
実施例1において、エタンの代わりにメタンを用いて、同様の操作でエステルを製造した。結果を表1に示す。
Example 2
An ester was produced in the same manner as in Example 1, except that methane was used instead of ethane. The results are shown in Table 1.
(参考例1)
実施例1で、エタンの代わりにエタノールを用いた以外は、実施例1と同様に操作を行った。結果を表3に示す。
(Reference Example 1)
The same procedure as in Example 1 was carried out except that ethanol was used instead of ethane. The results are shown in Table 3.
(参考例2)
参考例1で、プロピンアルデヒドの代わりに酢酸を用いた以外は比較例1と同様に操作を行った。結果を表3に示す。
(Reference Example 2)
The same procedure as in Comparative Example 1 was carried out except that acetic acid was used instead of propynaldehyde in Reference Example 1. The results are shown in Table 3.
上記の例では基質にエタノールを用いた場合エステルは生成しているもののカルボン酸ではエステルは生成しなかった。これは、エタノールは本発明の反応中間体の一つであるかも知れないが、カルボン酸は反応経路に存在しない、と考えることができる。 In the above example, when ethanol was used as a substrate, an ester was produced, but when a carboxylic acid was used, an ester was not produced. This can be considered to mean that ethanol may be one of the reaction intermediates in the present invention, but that the carboxylic acid is not present in the reaction pathway.
(比較例1)
実施例1でエタンの代わりにシクロヘキサンを用いた以外は同様に操作を行ったところ、エステルは生成しなかった。
(Comparative Example 1)
The same procedure as in Example 1 was carried out except that cyclohexane was used instead of ethane, but no ester was produced.
Claims (5)
一般式R2CHOで表されるアルデヒドとから、
酸素源を供給して、酢酸銅の存在下に一般式R2COOR1で表されるエステルを製造する、
エステルの製造方法。
(R1はC1~C20の鎖状の炭化水素基であり、R2は、C1~C30の鎖状、環状の炭化水素基である。) A chain alkane represented by the general formula R 1 H;
and an aldehyde represented by the general formula R 2 CHO,
Providing an oxygen source to produce an ester represented by the general formula R2COOR1 in the presence of copper acetate ;
Method for producing esters.
( R1 is a C1 to C20 chain hydrocarbon group, and R2 is a C1 to C30 chain, cyclic hydrocarbon group . )
The method for producing an ester according to claim 3 or 4 , wherein when water and the organic compound are used together as a solvent, the mass ratio of water:organic compound is 0.01:100 to 100:0.01.
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Non-Patent Citations (1)
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