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JP7696155B2 - Method for producing alkane oxide - Google Patents
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Description

本発明は、アルカン酸化物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing alkane oxides.

石油成分の中でもアルカンは、エネルギー源として有効に利用されている。しかし、アルカンは化学変化し難く、化学反応の原料(反応基質)として利用し難い。また、アルカンの中でも常温常圧で気体のアルカンは、保管や運搬の費用負担が大きい。このような気体のアルカンの中でもメタンは、温室効果ガスとしての側面も有している。 Among the petroleum components, alkanes are effectively used as an energy source. However, alkanes are difficult to chemically change and are difficult to use as raw materials (reaction substrates) for chemical reactions. Furthermore, among alkanes, those that are gaseous at room temperature and pressure are expensive to store and transport. Among these gaseous alkanes, methane also acts as a greenhouse gas.

そこで従来、アルカンを酸化し、得られる酸化生成物を化学反応の原料に利用する検討がなされている。 Therefore, studies have been conducted to oxidize alkanes and use the resulting oxidation products as raw materials for chemical reactions.

以下の説明では、アルカンを酸化して得られる酸化生成物を「アルカン酸化物」と称する。アルカン酸化物としては、アルコール、アルデヒド、ケトン、過酸化物が挙げられる。上述の反応により、アルカンの利用用途を広げることができる。
また、常温常圧で気体のアルカンのことを、「ガス状アルカン」と称する。ガス状アルカンとしては、メタン、エタン、プロパン、ブタンが挙げられる。
In the following description, the oxidation products obtained by oxidizing alkanes are referred to as "alkane oxides." Alkane oxides include alcohols, aldehydes, ketones, and peroxides. The above reactions can expand the uses of alkanes.
Alkanes that are gaseous at normal temperature and pressure are called "gaseous alkanes." Examples of gaseous alkanes include methane, ethane, propane, and butane.

上述の酸化反応によりガス状アルカンを酸化しアルカン酸化物が得られると、利用用途が広がる。また、得られるアルカン酸化物は、常温常圧で液体である化合物が多く、取り扱いが容易となる。 By oxidizing gaseous alkanes to obtain alkane oxides through the above-mentioned oxidation reaction, the range of uses will expand. Furthermore, many of the alkane oxides obtained are compounds that are liquid at room temperature and pressure, making them easy to handle.

一方、アルカン、特にガス状アルカンは、C-H結合解離エネルギーが高く、酸化反応において高温条件又は反応しやすい酸化剤を使用した条件を要するものが多い。そこで近年では、室温付近でアルカンを酸化する技術が報告されている(例えば、特許文献1参照)。また、酸素を酸化剤としてアルカンを酸化する技術が報告されている(例えば、非特許文献1参照)。 On the other hand, alkanes, especially gaseous alkanes, have high C-H bond dissociation energy, and oxidation reactions often require high temperature conditions or conditions using a highly reactive oxidizing agent. In recent years, therefore, techniques have been reported for oxidizing alkanes at around room temperature (see, for example, Patent Document 1). In addition, techniques have been reported for oxidizing alkanes using oxygen as an oxidizing agent (see, for example, Non-Patent Document 1).

特開2020-138929号公報JP 2020-138929 A

L.D.Pfefferle, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 17119-17130L.D.Pfefferle, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 17119-17130

しかし、特許文献1に記載の方法では、酸化剤として反応性が高い過酸化水素を用いている。非特許文献1に記載の方法では、反応温度として100℃を超える高温の条件を要する。例えば室温のような低温の温度環境下で、酸素を酸化剤として用い、アルカンを酸化する技術は実用化されておらず、改善が求められていた。 However, the method described in Patent Document 1 uses highly reactive hydrogen peroxide as an oxidizing agent. The method described in Non-Patent Document 1 requires high reaction temperatures of more than 100°C. For example, technology for oxidizing alkanes using oxygen as an oxidizing agent in a low-temperature environment, such as room temperature, has not been put to practical use, and improvements have been required.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、従来よりも低温の温度環境下、酸素を酸化剤として用いたアルカン酸化物の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a method for producing alkane oxides using oxygen as an oxidizing agent in a temperature environment lower than conventional methods.

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、以下の態様を包含する。 To solve the above problems, one aspect of the present invention includes the following aspects:

[1]含酸素雰囲気下、アルカン、電子吸引基を有するパラベンゾキノン、金属塩及び水を含む反応溶液に光を照射する工程を有し、前記工程の反応温度は、0℃以上且つ前記反応溶液の溶媒の沸点未満であり、前記金属塩が有する金属元素は、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cuからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記光の波長帯域には、前記パラベンゾキノンの極大吸収波長を含むアルカン酸化物の製造方法。 [1] A method for producing an alkane oxide, comprising the step of irradiating light to a reaction solution containing an alkane, parabenzoquinone having an electron-withdrawing group, a metal salt, and water in an oxygen-containing atmosphere, the reaction temperature of the step being equal to or higher than 0°C and lower than the boiling point of the solvent of the reaction solution, the metal element of the metal salt being at least one selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, and the wavelength band of the light including the maximum absorption wavelength of the parabenzoquinone.

[2]前記反応溶液は、亜硝酸イオンをさらに含む[1]に記載のアルカン酸化物の製造方法。 [2] The method for producing an alkane oxide according to [1], wherein the reaction solution further contains nitrite ions.

[3]前記パラベンゾキノンは、2,3-ジクロロ-5,6-ジシアノ-p-ベンゾキノン又はテトラクロロ-1,4-ベンゾキノンである[1]又は[2]に記載のアルカン酸化物の製造方法。 [3] The method for producing an alkane oxide according to [1] or [2], wherein the parabenzoquinone is 2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone or tetrachloro-1,4-benzoquinone.

[4]前記金属元素は、Cuである[1]から[3]のいずれか1項に記載のアルカン酸化物の製造方法。 [4] The method for producing an alkane oxide according to any one of [1] to [3], wherein the metal element is Cu.

[5]前記金属塩は、酢酸銅である[4]に記載のアルカン酸化物の製造方法。 [5] The method for producing an alkane oxide according to [4], wherein the metal salt is copper acetate.

[6]前記反応溶液の溶媒はアセトニトリルである[1]から[5]のいずれか1項に記載のアルカン酸化物の製造方法。 [6] The method for producing an alkane oxide according to any one of [1] to [5], wherein the solvent of the reaction solution is acetonitrile.

[7]前記反応温度は、10℃以上40℃以下である[1]から[6]のいずれか1項に記載のアルカン酸化物の製造方法。 [7] The method for producing an alkane oxide according to any one of [1] to [6], wherein the reaction temperature is 10°C or higher and 40°C or lower.

[8]前記アルカンは、メタン、エタン、プロパン及びブタンからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む[1]から[7]のいずれか1項に記載のアルカン酸化物の製造方法。 [8] The method for producing an alkane oxide according to any one of [1] to [7], wherein the alkane includes at least one selected from the group consisting of methane, ethane, propane, and butane.

本願発明によれば、従来よりも低温の温度環境下、酸素を酸化剤として用いたアルカン酸化物の製造方法を提供することができる。 The present invention provides a method for producing alkane oxides using oxygen as an oxidizing agent in a lower temperature environment than conventional methods.

図1は、本実施形態の酸化反応を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the oxidation reaction of this embodiment. 図2は、実験例2の結果について、金属塩濃度を横軸(単位:mmol/L)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。FIG. 2 is a scatter plot of the results of Experimental Example 2, with the horizontal axis representing the metal salt concentration (unit: mmol/L) and the vertical axis representing the concentration of total alkane oxides (unit: mmol/L). 図3は、実験例3の結果について、DDQ濃度を横軸(単位:mmol/L)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。FIG. 3 is a scatter plot of the results of Experimental Example 3, with the DDQ concentration (unit: mmol/L) on the horizontal axis and the concentration of total alkane oxides (unit: mmol/L) on the vertical axis. 図4は、実験例4の結果について、亜硝酸ナトリウム濃度を横軸(単位:mmol/L)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。FIG. 4 is a scatter plot of the results of Experimental Example 4, with the sodium nitrite concentration on the horizontal axis (unit: mmol/L) and the concentration of total alkane oxides on the vertical axis (unit: mmol/L). 図5は、実験例5の結果について、水の濃度を横軸(単位:mmol/L)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。FIG. 5 is a scatter plot of the results of Experimental Example 5, with the horizontal axis representing the water concentration (unit: mmol/L) and the vertical axis representing the concentration of total alkane oxides (unit: mmol/L). 図6は、実験例6の結果について、照射光の強度を横軸(単位:%)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。FIG. 6 is a scatter plot of the results of Experimental Example 6, with the intensity of irradiated light on the horizontal axis (unit: %) and the concentration of total alkane oxides on the vertical axis (unit: mmol/L). 図7は、実験例7の結果について、プロパンの圧力を横軸(単位:MPa)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。FIG. 7 is a scatter plot of the results of Experimental Example 7, with the propane pressure (unit: MPa) on the horizontal axis and the concentration of total alkane oxides (unit: mmol/L) on the vertical axis. 図8は、実験例8の結果について、反応時間を横軸(単位:時間)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。FIG. 8 is a scatter plot of the results of Experimental Example 8, with the horizontal axis representing reaction time (unit: hours) and the vertical axis representing the concentration of total alkane oxides (unit: mmol/L).

本実施形態に係るアルカン酸化物の製造方法は、含酸素雰囲気下、アルカン、電子吸引基を有するパラベンゾキノン、金属塩及び水を含む反応溶液に光を照射する工程を有する。本実施形態のアルカン酸化物の製造方法においては、雰囲気中に含まれる酸素分子が酸化剤として機能する。 The method for producing an alkane oxide according to this embodiment includes a step of irradiating a reaction solution containing an alkane, parabenzoquinone having an electron-withdrawing group, a metal salt, and water with light in an oxygen-containing atmosphere. In the method for producing an alkane oxide according to this embodiment, the oxygen molecules contained in the atmosphere function as an oxidizing agent.

ここで、本実施形態における「酸化剤」とは、酸化反応により反応基質から奪われた電子を受け取ることで還元され、反応系外に移動させる機能を有する化合物を指す。その意味において、酸素分子は、酸化反応により反応基質から奪われた電子を受け取ることで還元され、水分子の形で電子を反応系外に移動させる。詳しくは後述する。
以下、順に説明する。
Here, the "oxidizing agent" in this embodiment refers to a compound that has the function of being reduced by receiving electrons taken from a reaction substrate in an oxidation reaction and transferring them to the outside of the reaction system. In this sense, oxygen molecules are reduced by receiving electrons taken from a reaction substrate in an oxidation reaction and transfer the electrons to the outside of the reaction system in the form of water molecules. Details will be described later.
The following explains each in order.

「含酸素雰囲気」とは、雰囲気中に酸素を含む環境を指す。典型的には大気下である。 "Oxygen-containing atmosphere" refers to an environment that contains oxygen. Typically, this is air.

工程の反応温度は、0℃以上且つ前記反応溶液の溶媒の沸点未満である。反応温度は、室温近傍である方が反応条件を管理しやすく好ましい。ここで「室温」とは25℃を指す。反応温度は、5℃以上であることが好ましく、10℃以上であることがより好ましい。また、反応温度は、50℃以下であることが好ましく、40℃以下であることがより好ましい。
反応温度の上限値と下限値とは、任意に組み合わせることができる。
The reaction temperature of the step is 0° C. or higher and lower than the boiling point of the solvent of the reaction solution. The reaction temperature is preferably around room temperature, since it is easier to control the reaction conditions. Here, "room temperature" refers to 25° C. The reaction temperature is preferably 5° C. or higher, and more preferably 10° C. or higher. The reaction temperature is preferably 50° C. or lower, and more preferably 40° C. or lower.
The upper limit and the lower limit of the reaction temperature can be combined in any desired manner.

本発明において、反応基質であるアルカンは、大気圧下、室温環境において液体であってもよく、気体であってもよい。本発明のアルカン酸化物の製造方法では、ガス状アルカンも好適に酸化反応させることができる。 In the present invention, the alkane, which is the reaction substrate, may be liquid or gaseous under atmospheric pressure and room temperature. In the method for producing an alkane oxide of the present invention, gaseous alkanes can also be suitably oxidized.

反応基質であるアルカンは、ガス状アルカンを含んでもよい。すなわち、アルカンはメタン、エタン、プロパン及びブタンからなる群から選ばれる少なくとも1種を含んでもよい。 The alkane that is the reaction substrate may include a gaseous alkane. That is, the alkane may include at least one selected from the group consisting of methane, ethane, propane, and butane.

電子吸引基を有するパラベンゾキノンは、酸化反応において酸化触媒として機能する。電子吸引基としては、ハロゲン原子や、シアノ基を挙げることができる。このようなパラベンゾキノンとしては、2,3-ジクロロ-5,6-ジシアノ-p-ベンゾキノン(DDQ)又はテトラクロロ-1,4-ベンゾキノン(クロラニル)が好ましい。 Parabenzoquinones that have an electron-withdrawing group function as oxidation catalysts in oxidation reactions. Examples of electron-withdrawing groups include halogen atoms and cyano groups. As such parabenzoquinones, 2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone (DDQ) or tetrachloro-1,4-benzoquinone (chloranil) are preferred.

なお、電子吸引基を有さないパラベンゾキノン(又はヒドロキノン)を用いると、反応中にヒドロキノンが分解してしまうことを確認している。 However, it has been confirmed that if parabenzoquinone (or hydroquinone), which does not have an electron-withdrawing group, is used, the hydroquinone decomposes during the reaction.

金属塩が有する金属元素は、第一遷移元素であり、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cuからなる群から選ばれる少なくとも1種である。金属元素は、Cuが好ましい。これらの金属元素は、レドックス活性を有するため、後述する目的の酸化反応が進行すると考えられる。 The metal element contained in the metal salt is a first transition element, and is at least one selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu. The metal element is preferably Cu. These metal elements have redox activity, and are therefore believed to promote the desired oxidation reaction described below.

一方、例えば、金属塩が有する金属元素がレドックス不活性である亜鉛(Zn)の場合、目的の酸化反応が進行すると考えられる。 On the other hand, if the metal element contained in the metal salt is, for example, zinc (Zn), which is redox inactive, the desired oxidation reaction is thought to proceed.

金属塩が有する陰イオンは、後述の溶媒に可溶な金属塩を構成するのであれば特に制限はない。陰イオンの種類としては、構成される金属塩を容易に入手可能であることから、硝酸イオン(NO )、酢酸イオン、過塩素酸イオン(ClO )、硫酸イオン(SO 2-)が好ましく、酢酸イオンがより好ましい。陰イオンとして、塩化物イオンも使用可能である。 The anion of the metal salt is not particularly limited as long as it constitutes a metal salt soluble in a solvent described below. As the type of anion, nitrate ion (NO 3 ), acetate ion, perchlorate ion (ClO 4 ), sulfate ion (SO 4 2− ) are preferred, and acetate ion is more preferred, because the metal salts that constitute the anion are easily available. Chloride ion can also be used as the anion.

金属塩としては、例えば酢酸銅(Cu(OAc))が好ましい。 A preferred metal salt is, for example, copper acetate (Cu(OAc) 2 ).

なお、用いる金属塩は、水和水を有していてもよい。例えば、上記酢酸銅は、水和水を含むCu(OAc)・HOであってもよい。 The metal salt used may have water of hydration. For example, the copper acetate may be Cu(OAc) 2 .H 2 O containing water of hydration.

溶媒は、アルカン、パラベンゾキノン、金属塩及び水を溶解可能であり、且つ酸化反応において相対的に反応基質であるアルカンよりも酸化されにくい極性溶媒である。このような溶媒としては、アセトニトリルを好適に用いることができる。 The solvent is a polar solvent that can dissolve alkanes, parabenzoquinone, metal salts, and water, and is relatively less susceptible to oxidation than the alkane, which is the reaction substrate in the oxidation reaction. Acetonitrile is a suitable example of such a solvent.

アルカンとしてガス状アルカンを用いる場合、ガス状アルカンは、酸素と共に反応環境の気相中に存在する。溶媒としてアセトニトリルを用いると、気相中のアルカンを好適に溶解し、酸化反応に用いることができる。 When a gaseous alkane is used as the alkane, the gaseous alkane exists in the gas phase of the reaction environment together with oxygen. When acetonitrile is used as the solvent, the alkane in the gas phase can be suitably dissolved and used in the oxidation reaction.

また、本実施形態の酸化反応を、高圧環境下で行う場合には、溶媒として水を用いることもできる。水は、アルカンと比べて酸化反応を受けにくいため、反応中に溶媒が酸化分解する不具合を抑制できる。 In addition, when the oxidation reaction of this embodiment is carried out under a high pressure environment, water can be used as the solvent. Water is less susceptible to oxidation reactions than alkanes, so the problem of the solvent being oxidized and decomposed during the reaction can be suppressed.

また、水に対するアルカンの溶解度が低いため、常圧では反応溶液中に十分なアルカンが溶解し難く、酸化反応が進行しにくい。そのため、溶媒として水を用いる場合には、高圧環境で反応させることにより、気相から溶媒中へのアルカンの溶解を促進し、酸化反応を進行させるとよい。 Also, since the solubility of alkanes in water is low, it is difficult to dissolve sufficient alkanes in the reaction solution at normal pressure, making it difficult for the oxidation reaction to proceed. Therefore, when using water as a solvent, it is advisable to carry out the reaction in a high-pressure environment to promote the dissolution of alkanes from the gas phase into the solvent and to proceed with the oxidation reaction.

反応溶液に照射する光の波長帯域には、用いるパラベンゾキノンの極大吸収波長を含む。このような波長の光を照射することにより、パラベンゾキノンが照射した光を吸収して励起し、後述するアルカンの酸化反応を進行させることができる。 The wavelength band of the light irradiated to the reaction solution includes the maximum absorption wavelength of the parabenzoquinone used. By irradiating the reaction solution with light of such wavelength, the parabenzoquinone absorbs the irradiated light and becomes excited, which causes the oxidation reaction of the alkane described below to proceed.

照射する光は、例えば紫外線領域の光をカットした可視光線を採用することができる。このような光は、可視光線を含む光を射出する光源から光を射出し、射出された光を例えば390nm以下の紫外線をカットするUVフィルタを透過させることで調整可能である。 The light to be irradiated can be, for example, visible light with the ultraviolet region filtered out. Such light can be adjusted by emitting light from a light source that emits light including visible light, and passing the emitted light through a UV filter that filters out ultraviolet light of, for example, 390 nm or less.

反応溶液は、さらに亜硝酸イオン(NO )を含むことが好ましい。亜硝酸イオンは、酸化反応における触媒サイクルに寄与していると考えられる。そのため、反応溶液中に亜硝酸イオンが存在することにより、アルカンの酸化反応を促進することができる。 The reaction solution preferably further contains nitrite ions (NO 2 ). Nitrite ions are believed to contribute to the catalytic cycle in the oxidation reaction. Therefore, the presence of nitrite ions in the reaction solution can promote the oxidation reaction of alkanes.

亜硝酸イオンの濃度は、反応溶液にNaNO等の亜硝酸塩を添加することで制御可能である。 The concentration of nitrite ions can be controlled by adding a nitrite salt such as NaNO2 to the reaction solution.

図1は、本実施形態の酸化反応を示す図である。図1では、パラベンゾキノンとしてDDQを用いることとしている。また、図1においてLで示す配位子(Ligand)は、反応系中に存在する酢酸イオン、亜硝酸イオン等の陰イオン、または金属イオンを水和する水分子を例示することができる。
発明者は、本実施形態におけるアルカンの酸化反応について、以下のように考えている。
Fig. 1 is a diagram showing the oxidation reaction of this embodiment. In Fig. 1, DDQ is used as parabenzoquinone. In Fig. 1, the ligand represented by L can be, for example, an anion such as acetate ion or nitrite ion present in the reaction system, or a water molecule that hydrates a metal ion.
The inventors consider the alkane oxidation reaction in this embodiment as follows.

まず、反応溶液に光を照射すると、DDQが三重項励起状態(DDQ)の化学種(酸化活性種)となる(図中、符号(I))。生じた化学種は、高い還元電位(Ered=3.18V vs SCE)を有する。そのため、生じた化学種は、水分子を構成する酸素原子を用いて金属塩を酸化すると考えられる(図中、符号(II))。詳細には、反応系中において、金属塩は水分子の配位を受けアクア錯体(LMn+-OH)を形成する。生じたアクア錯体はDDQから電子移動酸化される。 First, when the reaction solution is irradiated with light, DDQ becomes a chemical species (oxidizing active species) in a triplet excited state ( 3 DDQ * ) (symbol (I) in the figure). The resulting chemical species has a high reduction potential (E red = 3.18 V vs SCE). Therefore, it is considered that the resulting chemical species oxidizes the metal salt using the oxygen atoms that constitute the water molecules (symbol (II) in the figure). More specifically, in the reaction system, the metal salt is coordinated with water molecules to form an aqua complex (LM n+ -OH 2 ). The resulting aqua complex is oxidized by electron transfer from 3 DDQ * .

金属塩-アクア錯体(LMn+-OH)が酸化されて生じる化学種(酸化活性種:LM(n+2)+=O、又はLM(n+1)+-O)は、系中のアルカンと反応し、アルカンを酸化する(図中、符号(III))。一方で、化学種が酸素原子をアルカンに供与し、系中の水分子と反応することで、金属塩-アクア錯体が再生する。 The chemical species (oxidizing active species: LM( n +2)+ =O, or LM (n+1)+ -O . ) generated by the oxidation of the metal salt-aqua complex (LMn+ -OH2 ) reacts with the alkane in the system and oxidizes it (indicated as (III) in the diagram). At the same time, the chemical species donates an oxygen atom to the alkane and reacts with the water molecules in the system to regenerate the metal salt-aqua complex.

一方、三重項励起状態のDDQは、金属塩-アクア錯体を酸化することで還元体(DDQH)となる(図中、符号(IV))。還元体は、系中の酸素分子(O)で酸化され、DDQが再生する。酸素分子は、還元されて水分子となり、反応系外に移動する。酸素分子は、図1に示す酸化反応において酸化剤として機能する。 On the other hand, DDQ in the triplet excited state oxidizes the metal salt-aqua complex to become a reduced form (DDQH 2 ) (indicated as (IV) in the diagram). The reduced form is oxidized by oxygen molecules (O 2 ) in the system, and DDQ is regenerated. The oxygen molecules are reduced to water molecules, which are then transported outside the reaction system. The oxygen molecules function as an oxidizing agent in the oxidation reaction shown in FIG. 1.

このとき、系中に亜硝酸イオンが存在すると、亜硝酸イオンが還元されて生じる二酸化窒素がDDQHを酸化し、DDQに再生する反応を促進する。DDQHを酸化して生じる一酸化窒素は、系中の酸素で酸化され、二酸化窒素が再生する(図中、符号(V))。酸素分子は、還元されて水分子となり、反応系外に移動する。 At this time, if nitrite ions are present in the system, the nitrogen dioxide produced by the reduction of the nitrite ions oxidizes DDQH2 , promoting the reaction of regenerating DDQ. Nitric oxide produced by the oxidation of DDQH2 is oxidized by oxygen in the system, regenerating nitrogen dioxide (indicated by symbol (V) in the diagram). The oxygen molecules are reduced to water molecules and move out of the reaction system.

すなわち、本実施形態におけるアルカンの酸化反応は、金属塩-アクア錯体が酸化されて生じる化学種によるアルカンの酸化サイクルAと、金属塩-アクア錯体を酸化するDDQの再生サイクルBとが寄与していると考えられる。 In other words, the oxidation reaction of alkanes in this embodiment is believed to be contributed by cycle A of oxidation of alkanes by chemical species produced by oxidation of metal salt-aqua complexes, and cycle B of regeneration of DDQ, which oxidizes the metal salt-aqua complexes.

なお、上記反応サイクルの他の化学種も、反応に寄与していると考えられる。アルカン(R-H)から生じるラジカル(R・)と、酸素とが結合することでペルオキシラジカル(ROO・)が生じる。生じたペルオキシラジカルが、DDQの還元体を酸化し、DDQの再生サイクルBを促進しているとも考えられる。反応生成物を分析すると、アルカン酸化物としてアルカンの過酸化物(ROOH)が検出されることから、上記反応も生じていると考えられる。 It is believed that other chemical species in the above reaction cycle also contribute to the reaction. A peroxy radical (ROO.) is generated when a radical (R.) generated from an alkane (R-H) combines with oxygen. It is believed that the generated peroxy radical oxidizes the reduced form of DDQ, promoting DDQ regeneration cycle B. When the reaction products are analyzed, alkane peroxides (ROOH) are detected as alkane oxides, which suggests that the above reaction is also occurring.

上記触媒反応の制御因子については、以下のように説明できる。 The controlling factors of the above catalytic reaction can be explained as follows:

(光強度)
上述したように、本願発明において生じる触媒反応は、DDQの光励起がトリガーとなっている。そのため、光照射量が増加するほど、三重項励起状態のDDQが増加し、酸化反応が促進される。
(Light Intensity)
As described above, the catalytic reaction occurring in the present invention is triggered by photoexcitation of DDQ, and therefore, as the amount of DDQ in the triplet excited state increases with an increase in the amount of light irradiated, the oxidation reaction is accelerated.

(酸素濃度)
上記触媒反応では、酸素分子がDDQの還元体DDQHの酸化反応に寄与し、DDQを再生していると考えられる。そのため、系中の酸素量が増えると、DDQの再生サイクルBが回りやすくなり、酸化反応が促進されると考えられる。
(Oxygen Concentration)
In the above catalytic reaction, it is believed that oxygen molecules contribute to the oxidation reaction of the reduced form of DDQ, DDQH2 , and regenerate DDQ. Therefore, it is believed that an increase in the amount of oxygen in the system makes it easier for the DDQ regeneration cycle B to run, promoting the oxidation reaction.

系中の酸素濃度は、気相の酸素の分圧を制御することで制御可能である。 The oxygen concentration in the system can be controlled by controlling the partial pressure of oxygen in the gas phase.

(水濃度)
上記触媒反応では、系中の水分子を構成する酸素原子で、アルカンを酸化している。そのため、水分子量が増えると、アルカンの酸化サイクルAが回りやすくなると考えられる。一方で、系中の水が増えすぎると、各化学種と水とが反応し反応を失活させることが考えられる。そのため、系中の水濃度には最適値があると考えられる。
(water concentration)
In the above catalytic reaction, alkanes are oxidized by oxygen atoms that compose the water molecules in the system. Therefore, it is believed that as the molecular weight of water increases, the alkane oxidation cycle A becomes easier to operate. On the other hand, if the amount of water in the system increases too much, each chemical species may react with water, deactivating the reaction. Therefore, it is believed that there is an optimal value for the water concentration in the system.

系中の水濃度の最適値については、反応条件により異なると考えられる。反応条件に影響を与える因子としては、アルカンの種類、金属塩の種類、金属塩の濃度、パラベンゾキノンの種類、パラベンゾキノンの濃度、光照射量、酸素濃度、亜硝酸イオンの濃度等が挙げられる。そのため、系中の水濃度の最適値については、予め予備実験により決定しておくとよい。 The optimum water concentration in the system is thought to vary depending on the reaction conditions. Factors that affect the reaction conditions include the type of alkane, the type of metal salt, the concentration of the metal salt, the type of parabenzoquinone, the concentration of parabenzoquinone, the amount of light irradiation, the oxygen concentration, and the concentration of nitrite ions. Therefore, it is advisable to determine the optimum water concentration in the system in advance through preliminary experiments.

(亜硝酸イオン濃度)
上記触媒反応では、系中の亜硝酸イオンがDDQの還元体DDQHの酸化反応に寄与し、DDQを再生していると考えられる。そのため、系中の亜硝酸イオン量が増えると、DDQの再生サイクルBが回りやすくなる。一方で、系中の亜硝酸イオンが増えすぎると、亜硝酸イオンは光励起する前のDDQを還元する副反応を生じやすく(図中、符号(VI))、アルカンの酸化サイクルAに寄与するDDQが減少するおそれがある。そのため、系中の亜硝酸イオン濃度には最適値があると考えられる。
(Nitrite ion concentration)
In the above catalytic reaction, it is believed that the nitrite ions in the system contribute to the oxidation reaction of the reduced form of DDQ, DDQH2 , and regenerate DDQ. Therefore, when the amount of nitrite ions in the system increases, the DDQ regeneration cycle B becomes easier to operate. On the other hand, when the amount of nitrite ions in the system increases too much, the nitrite ions tend to cause a side reaction of reducing DDQ before it is photoexcited (symbol (VI) in the figure), and there is a risk that the DDQ contributing to the oxidation cycle A of the alkane will decrease. Therefore, it is believed that there is an optimum value for the concentration of nitrite ions in the system.

系中の亜硝酸イオン濃度の最適値については、反応条件により異なると考えられる。反応条件に影響を与える因子としては、アルカンの種類、金属塩の種類、金属塩の濃度、パラベンゾキノンの種類、パラベンゾキノンの濃度、光照射量、酸素濃度、水の濃度等が挙げられる。そのため、系中の亜硝酸イオンの濃度の最適値については、予め予備実験により決定しておくとよい。 The optimum concentration of nitrite ions in the system is thought to vary depending on the reaction conditions. Factors that affect the reaction conditions include the type of alkane, the type of metal salt, the concentration of the metal salt, the type of parabenzoquinone, the concentration of parabenzoquinone, the amount of light irradiation, the oxygen concentration, and the water concentration. Therefore, it is advisable to determine the optimum concentration of nitrite ions in the system in advance through preliminary experiments.

(金属塩濃度)
上記触媒反応では、系中の金属塩-アクア錯体が酸化され、生じる化学種がアルカンを酸化している。そのため、金属塩-アクア錯体の量が増えると、アルカンの酸化サイクルAが回りやすくなる。一方で、系中の金属塩-アクア錯体が増えすぎると、DDQに対して相対的に金属塩が多すぎるため、アルカンの酸化サイクルAにおいて「LM(n+1)+-OH」で反応が止まってしまう金属イオン種が増えると考えられる。その結果、アルカンの酸化サイクルAが回りにくくなり、反応を失活させることが考えられる。そのため、系中の金属塩-アクア錯体の濃度には最適値があると考えられる。
(Metal Salt Concentration)
In the above catalytic reaction, the metal salt-aqua complex in the system is oxidized, and the resulting chemical species oxidizes the alkane. Therefore, as the amount of metal salt-aqua complex increases, the alkane oxidation cycle A becomes easier to operate. On the other hand, if the amount of metal salt-aqua complex in the system increases too much, the metal salt becomes too much relative to DDQ, and it is thought that the number of metal ion species whose reaction stops at "LM (n+1) + -OH" in the alkane oxidation cycle A increases. As a result, it becomes difficult for the alkane oxidation cycle A to operate, which is thought to deactivate the reaction. Therefore, it is thought that there is an optimal value for the concentration of the metal salt-aqua complex in the system.

系中の金属塩-アクア錯体の濃度の最適値については、反応条件により異なると考えられる。反応条件に影響を与える因子としては、アルカンの種類、パラベンゾキノンの種類、パラベンゾキノンの濃度、光照射量、酸素濃度、水の濃度、亜硝酸イオンの濃度等が挙げられる。そのため、系中の金属塩の濃度の最適値については、予め予備実験により決定しておくとよい。 The optimum concentration of the metal salt-aqua complex in the system is thought to vary depending on the reaction conditions. Factors that affect the reaction conditions include the type of alkane, the type of parabenzoquinone, the concentration of parabenzoquinone, the amount of light irradiation, the oxygen concentration, the water concentration, and the concentration of nitrite ions. Therefore, it is advisable to determine the optimum concentration of the metal salt in the system in advance through preliminary experiments.

(パラベンゾキノン濃度)
上記触媒反応では、系中のパラベンゾキノンが励起して生じる三重項励起状態の化学種が、金属塩-アクア錯体を酸化することでアルカンの酸化サイクルAを回している。そのため、パラベンゾキノンの量が増えると、アルカンの酸化サイクルAが回りやすくなる。一方で、系中のパラベンゾキノンは、アルカンを直接酸化する化合物ではないことから、反応に寄与する量の飽和量がある。そのため、系中のパラベンゾキノンの濃度には最適値があると考えられる。
(Parabenzoquinone concentration)
In the above catalytic reaction, the triplet excited chemical species generated by excitation of parabenzoquinone in the system oxidizes the metal salt-aqua complex, thereby driving the alkane oxidation cycle A. Therefore, as the amount of parabenzoquinone increases, the alkane oxidation cycle A becomes easier to operate. On the other hand, since parabenzoquinone in the system is not a compound that directly oxidizes alkanes, there is a saturation amount that contributes to the reaction. Therefore, it is thought that there is an optimum concentration of parabenzoquinone in the system.

系中のパラベンゾキノンの濃度の最適値については、反応条件により異なると考えられる。反応条件に影響を与える因子としては、アルカンの種類、金属塩の種類、金属塩の濃度、光照射量、酸素濃度、水の濃度、亜硝酸イオンの濃度等が挙げられる。そのため、系中の金属塩の濃度の最適値については、予め予備実験により決定しておくとよい。 The optimum concentration of parabenzoquinone in the system is thought to vary depending on the reaction conditions. Factors that affect the reaction conditions include the type of alkane, the type of metal salt, the concentration of the metal salt, the amount of light irradiation, the oxygen concentration, the water concentration, and the concentration of nitrite ions. Therefore, it is advisable to determine the optimum concentration of the metal salt in the system in advance through preliminary experiments.

パラベンゾキノンの濃度(モル濃度)は、金属塩の濃度(モル濃度)に対して、0.5倍以上が好ましく、1倍以上がより好ましく、1.5倍以上がさらに好ましい。また、パラベンゾキノンの濃度(モル濃度)は、金属塩の濃度(モル濃度)に対して、10倍以下が好ましく、5倍以下がより好ましく、3倍以下がさらに好ましい。濃度比の上限値と下限値とは任意に組み合わせることができる。 The concentration (molar concentration) of parabenzoquinone is preferably 0.5 times or more, more preferably 1 time or more, and even more preferably 1.5 times or more, relative to the concentration (molar concentration) of the metal salt. The concentration (molar concentration) of parabenzoquinone is preferably 10 times or less, more preferably 5 times or less, and even more preferably 3 times or less, relative to the concentration (molar concentration) of the metal salt. The upper and lower limit values of the concentration ratio can be combined in any way.

理想的には、パラベンゾキノンの濃度(モル濃度)は、金属塩の濃度(モル濃度)に対して2倍であるとよい。 Ideally, the molar concentration of parabenzoquinone should be twice that of the metal salt.

以上のようにして設定した反応条件において、反応系中にアルカンを入れ光を照射することで本実施形態のアルカン酸化物の製造方法を実施することができる。 Under the reaction conditions set as described above, the method for producing alkane oxide of this embodiment can be carried out by adding an alkane to the reaction system and irradiating it with light.

反応容器は、照射する光を透過可能であるものを用いるとよい。反応容器は、容器全体が光を透過可能であってもよく、一部に採光窓を有する容器であってもよい。 It is preferable to use a reaction vessel that is transparent to the irradiated light. The reaction vessel may be a vessel in which the entire vessel is transparent to light, or a vessel having a light window in part.

また、反応容器自体は遮光性を有し、反応容器の内部に上述した波長の光を照射する光源が配置され、容器の内部空間に光照射可能である構成であってもよい。 The reaction vessel itself may be light-blocking, and a light source that irradiates light of the above-mentioned wavelengths may be disposed inside the reaction vessel, allowing light to be irradiated into the internal space of the vessel.

反応容器は、高圧反応容器であってもよい。このような反応容器を用いると、気相に大気圧以上の空気やガス状アルカンを仕込むことが可能となり、反応を促進させることが可能となる。 The reaction vessel may be a high-pressure reaction vessel. Using such a reaction vessel, it is possible to charge air or gaseous alkanes at atmospheric pressure or higher into the gas phase, thereby accelerating the reaction.

以上のような構成のアルカン酸化物の製造方法によれば、従来よりも低温の温度環境下、酸素を酸化剤として用いたアルカン酸化物の製造方法を提供することができる。 The method for producing alkane oxides configured as described above can provide a method for producing alkane oxides using oxygen as an oxidizing agent in a temperature environment that is lower than conventional methods.

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計、仕様等に基づき種々変更可能である。 The above describes preferred embodiments of the present invention with reference to the attached drawings, but the present invention is not limited to these examples. The shapes and combinations of the components shown in the above examples are merely examples, and various modifications can be made based on the design, specifications, etc., without departing from the spirit of the present invention.

以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

本実施例において、酸化生成物は核磁気共鳴装置(Bruker社、AVANCEIII、400MHz)を用いてH-NMRを測定し、同定と定量とを行った。 In the present example, the oxidation products were identified and quantified by measuring 1 H-NMR using a nuclear magnetic resonance apparatus (Bruker, AVANCE III, 400 MHz).

(実験例1)金属塩の種類
[実験例1-1]
大気下において、CDCNに金属塩(0.2mmol/L)、DDQ(1.0mmol/L)、亜硝酸ナトリウム(1.0mmol/L)、HO(1mol/L)を溶解し、得られた反応容器を光透過性の耐圧反応容器に仕込んだ。金属塩として、Cu(OAc)・HOを用いた。
(Experimental Example 1) Types of metal salts [Experimental Example 1-1]
A metal salt (0.2 mmol/L), DDQ (1.0 mmol/L), sodium nitrite (1.0 mmol/L), and H 2 O (1 mol/L) were dissolved in CD 3 CN under atmospheric conditions, and the resulting reaction vessel was placed in a light-transmitting pressure-resistant reaction vessel. Cu(OAc) 2 ·H 2 O was used as the metal salt.

さらに、反応容器に付属の圧力計において、0.7MPa(ゲージ圧力)となるまでガス状のプロパンを仕込んだ。反応容器の気相は空気である。 Furthermore, gaseous propane was charged until the pressure gauge attached to the reaction vessel indicated 0.7 MPa (gauge pressure). The gas phase in the reaction vessel was air.

反応液を撹拌しながら、390nm以下をカットする紫外線フィルタを介して、白色LED光源(ハヤシレピック株式会社製、ルミナーエース LA-HDF8010)から射出された光(出力70%)を反応液に照射した。フィルタを透過する前の光の出力は、24.43W、フィルタを透過した後の光の出力は、22.42Wであった。室温(25℃)で光照射を1時間続け、アルカン(プロパン)の酸化反応を行った。 While stirring the reaction solution, the reaction solution was irradiated with light (70% output) emitted from a white LED light source (Luminar Ace LA-HDF8010, manufactured by Hayashi Lepic Co., Ltd.) through an ultraviolet filter that cuts off light of 390 nm or less. The output of the light before passing through the filter was 24.43 W, and the output of the light after passing through the filter was 22.42 W. Light irradiation was continued for 1 hour at room temperature (25°C), and the oxidation reaction of the alkane (propane) was carried out.

光照射の後、反応液のH-NMRを測定し、反応に含まれる酸化生成物の同定と定量を行った。定量は、ベンゾニトリルを内部標準とした内部標準法にて求めた。 After the irradiation, the reaction solution was subjected to 1 H-NMR measurement to identify and quantify the oxidation products involved in the reaction. The quantification was carried out by the internal standard method using benzonitrile as the internal standard.

また、下記式により触媒回転数(TON)を求めた。
触媒回転数(TON)=アルカン酸化物(mol)/金属塩(mol)
In addition, the catalyst turnover number (TON) was calculated by the following formula.
Catalytic turnover number (TON) = alkane oxide (mol)/metal salt (mol)

[実験例1-2]~[実験例1-7]
用いる金属塩を、下記表1に記載の通りに変更したこと以外は、実験例1-1と同様にしてアルカンの酸化反応を行った。
[Experimental Examples 1-2] to [Experimental Examples 1-7]
An oxidation reaction of an alkane was carried out in the same manner as in Experimental Example 1-1, except that the metal salt used was changed as shown in Table 1 below.

酸化生成物の種類と、TONの結果とを表1に示す。実験例1-1~1-7は実施例である。 The types of oxidation products and the TON results are shown in Table 1. Experimental Examples 1-1 to 1-7 are working examples.

表1中、(1)~(6)は生成物の種類を示す。酸化生成物は、それぞれ下記のとおりである。
(1)2-プロパノール
(2)アセトン
(3)2-プロピルハイドロパーオキサイド
(4)1-プロパノール
(5)プロパナール(プロピオン酸)
(6)1-プロピルハイドロパーオキサイド
In Table 1, (1) to (6) indicate the types of products. The oxidation products are as follows:
(1) 2-propanol (2) acetone (3) 2-propyl hydroperoxide (4) 1-propanol (5) propanal (propionic acid)
(6) 1-propyl hydroperoxide

Figure 0007696155000001
Figure 0007696155000001

評価の結果、いずれの金属塩においても、室温化で光照射することでアルカンの酸化反応が進行した。中でも、酢酸銅を用いた実験例1-1は、触媒回転数が高く、反応効率が高いことが分かった。 As a result of the evaluation, the oxidation reaction of alkanes proceeded when exposed to light at room temperature for all metal salts. In particular, it was found that Experimental Example 1-1, which used copper acetate, had a high catalyst turnover number and high reaction efficiency.

(実験例2)金属塩の濃度
[実験例2-1]~[実験例2-12]
金属塩として酢酸銅を用い、金属塩の濃度を下記表2に記載の通りに変更したこと以外は、実験例1-1と同様にしてアルカンの酸化反応を行った。
(Experimental Example 2) Metal Salt Concentration [Experimental Example 2-1] to [Experimental Example 2-12]
An oxidation reaction of an alkane was carried out in the same manner as in Experimental Example 1-1, except that copper acetate was used as the metal salt and the concentration of the metal salt was changed as shown in Table 2 below.

酸化生成物の種類と、TONの結果とを表2に示す。また、図2は、実験例2の結果について、金属塩濃度を横軸(単位:mmol/L)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。 The types of oxidation products and the TON results are shown in Table 2. Figure 2 is a scatter plot of the results of Experimental Example 2, with the metal salt concentration on the horizontal axis (unit: mmol/L) and the concentration of total alkane oxides on the vertical axis (unit: mmol/L).

実験例2-2~2-12は実施例である。金属塩を用いていない実験例2-1は、比較例である。 Experimental Examples 2-2 to 2-12 are working examples. Experimental Example 2-1, which does not use metal salts, is a comparative example.

表2中、(1)~(6)で示す生成物の種類は、表1と同様である。表中でカッコ内に示す数値は、各生成物の濃度(単位:mmol/L)を示す。 In Table 2, the types of products indicated by (1) to (6) are the same as those in Table 1. The numbers in parentheses in the table indicate the concentration of each product (unit: mmol/L).

Figure 0007696155000002
Figure 0007696155000002

評価の結果、実験例2-5においてアルカン酸化物の生成量(濃度)が最大となり、酢酸銅の濃度を減らしても増やしてもアルカン酸化物の生成量(濃度)は減少した。金属塩の濃度について、最適値があることが分かった。 As a result of the evaluation, the amount (concentration) of alkane oxides produced was the greatest in Experimental Example 2-5, and the amount (concentration) of alkane oxides produced decreased whether the copper acetate concentration was increased or decreased. It was found that there is an optimal value for the metal salt concentration.

上述のような実験は、金属塩の濃度を決定する予備実験として実施することができる。 Experiments such as those described above can be performed as preliminary experiments to determine the concentration of metal salts.

(実験例3)パラベンゾキノンの濃度
[実験例3-1]~[実験例3-9]
硝酸銅の濃度を0.5mmol/Lとしたこと、及びパラベンゾキノンとしてDDQを用い、DDQの濃度を下記表3に記載の通りに変更したこと以外は、実験例1-1と同様にしてアルカンの酸化反応を行った。
(Experimental Example 3) Concentration of parabenzoquinone [Experimental Example 3-1] to [Experimental Example 3-9]
An oxidation reaction of an alkane was carried out in the same manner as in Experimental Example 1-1, except that the concentration of copper nitrate was 0.5 mmol/L, and DDQ was used as parabenzoquinone and the concentration of DDQ was changed as shown in Table 3 below.

酸化生成物の種類と、TONの結果とを表3に示す。また、図3は、実験例3の結果について、DDQ濃度を横軸(単位:mmol/L)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。 The types of oxidation products and the TON results are shown in Table 3. Figure 3 is a scatter plot of the results of Experimental Example 3, with the DDQ concentration on the horizontal axis (unit: mmol/L) and the concentration of total alkane oxides on the vertical axis (unit: mmol/L).

実験例3-2~3-9は実施例である。DDQを用いていない実験例3-1は、比較例である。 Experimental Examples 3-2 to 3-9 are working examples. Experimental Example 3-1, which does not use DDQ, is a comparative example.

表3中、(1)~(6)で示す生成物の種類は、表1と同様である。表中でカッコ内に示す数値は、各生成物の濃度(単位:mmol/L)を示す。 In Table 3, the types of products indicated by (1) to (6) are the same as those in Table 1. The numbers in parentheses in the table indicate the concentration of each product (unit: mmol/L).

Figure 0007696155000003
Figure 0007696155000003

評価の結果、実験例3-1~3-5までDDQ濃度を増加させるとアルカン酸化物の生成量(濃度)は増加傾向であり、実施例3-6以降はDDQ濃度を増加させてもアルカン酸化物の生成量(濃度)に大きな変化はなかった。DDQの濃度について、最適値があることが分かった。 As a result of the evaluation, the amount (concentration) of alkane oxides produced tended to increase as the DDQ concentration was increased in Experimental Examples 3-1 to 3-5, but from Example 3-6 onwards, there was no significant change in the amount (concentration) of alkane oxides produced even when the DDQ concentration was increased. It was found that there is an optimal value for the DDQ concentration.

上述のような実験は、DDQの濃度を決定する予備実験として実施することができる。 Experiments such as those described above can be performed as preliminary experiments to determine the concentration of DDQ.

(実験例4)亜硝酸塩の濃度
[実験例4-1]~[実験例4-8]
硝酸銅の濃度を0.5mmol/Lとしたこと、及び亜硝酸塩として亜硝酸ナトリウムを用い、亜硝酸ナトリウムの濃度を変更したこと以外は、実験例1-1と同様にしてアルカンの酸化反応を行った。実験例4-1~4-8はいずれも実施例である。
(Experimental Example 4) Nitrite Concentration [Experimental Example 4-1] to [Experimental Example 4-8]
An oxidation reaction of an alkane was carried out in the same manner as in Experimental Example 1-1, except that the concentration of copper nitrate was set to 0.5 mmol/L, sodium nitrite was used as the nitrite, and the concentration of sodium nitrite was changed. Experimental Examples 4-1 to 4-8 are all examples.

図4は、実験例4の結果について、亜硝酸ナトリウム濃度を横軸(単位:mmol/L)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。 Figure 4 is a scatter plot of the results of Experimental Example 4, with the sodium nitrite concentration on the horizontal axis (unit: mmol/L) and the total alkane oxide concentration on the vertical axis (unit: mmol/L).

評価の結果、亜硝酸ナトリウム濃度2.0mmol/Lでアルカン酸化物の生成量(濃度)が最大となり、亜硝酸ナトリウムの濃度を減らしても増やしてもアルカン酸化物の生成量(濃度)は減少した。亜硝酸ナトリウムの濃度について、最適値があることが分かった。 As a result of the evaluation, the amount (concentration) of alkane oxides produced was maximum at a sodium nitrite concentration of 2.0 mmol/L, and the amount (concentration) of alkane oxides produced decreased whether the sodium nitrite concentration was increased or decreased. It was found that there is an optimal value for the sodium nitrite concentration.

上述のような実験は、亜硝酸ナトリウムの濃度を決定する予備実験として実施することができる。 An experiment like the one above can be performed as a preliminary experiment to determine the concentration of sodium nitrite.

(実験例5)水の濃度
硝酸銅の濃度を0.5mmol/Lとしたこと、及び水の濃度を変更したこと以外は、実験例1-1と同様にしてアルカンの酸化反応を行った。実験例5-1~5-7はいずれも実施例である。
(Experimental Example 5) Water Concentration An oxidation reaction of an alkane was carried out in the same manner as in Experimental Example 1-1, except that the copper nitrate concentration was set to 0.5 mmol/L and the water concentration was changed. Experimental Examples 5-1 to 5-7 are all examples.

図5は、実験例5の結果について、水の濃度を横軸(単位:mmol/L)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。 Figure 5 is a scatter plot of the results of Experimental Example 5, with the water concentration on the horizontal axis (unit: mmol/L) and the total alkane oxide concentration on the vertical axis (unit: mmol/L).

評価の結果、水の濃度0.5mol/Lでアルカン酸化物の生成量(濃度)が最大となり、水の濃度を減らしても増やしてもアルカン酸化物の生成量(濃度)は減少した。水の濃度について、最適値があることが分かった。 As a result of the evaluation, the amount (concentration) of alkane oxides produced was maximum at a water concentration of 0.5 mol/L, and the amount (concentration) of alkane oxides produced decreased whether the water concentration was increased or decreased. It was found that there is an optimal value for the water concentration.

上述のような実験は、水の濃度を決定する予備実験として実施することができる。 An experiment like the one above can be performed as a preliminary experiment to determine the water concentration.

(実験例6)光強度
硝酸銅の濃度を0.5mmol/Lとしたこと、及び光強度を変更したこと以外は、実験例1-1と同様にしてアルカンの酸化反応を行った。
(Experimental Example 6) Light Intensity An oxidation reaction of an alkane was carried out in the same manner as in Experimental Example 1-1, except that the concentration of copper nitrate was set to 0.5 mmol/L and the light intensity was changed.

図6は、実験例6の結果について、照射光の強度を横軸(単位:%)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。 Figure 6 is a scatter plot of the results of Experimental Example 6, with the horizontal axis representing the intensity of the irradiated light (unit: %) and the vertical axis representing the concentration of total alkane oxides (unit: mmol/L).

評価の結果、光強度と酸化生成物の総量とは線形で対応し、光強度を増やすと酸化生成物の量が増える関係にあることが分かった。 The evaluation results showed that there was a linear relationship between light intensity and the total amount of oxidation products, with increasing light intensity resulting in an increase in the amount of oxidation products.

(実験例7)アルカン濃度
硝酸銅の濃度を0.5mmol/Lとしたこと、及び反応容器に注入するプロパンのゲージ圧力を変更したこと以外は、実験例1-1と同様にしてアルカンの酸化反応を行った。
(Experimental Example 7) Alkane Concentration An oxidation reaction of an alkane was carried out in the same manner as in Experimental Example 1-1, except that the concentration of copper nitrate was set to 0.5 mmol/L and the gauge pressure of propane injected into the reaction vessel was changed.

図7は、実験例7の結果について、プロパンの圧力を横軸(単位:MPa)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。 Figure 7 is a scatter plot of the results of Experimental Example 7, with the propane pressure on the horizontal axis (unit: MPa) and the concentration of total alkane oxides on the vertical axis (unit: mmol/L).

評価の結果、プロパンの圧力と酸化生成物の総量とは線形で対応し、プロパンの圧力を高めると酸化生成物の量が増える関係にあることが分かった。反応容器内のプロパン圧力を高めると、反応溶液に溶け込むプロパンの量(濃度)も増加することから、反応系中のアルカン濃度が増加すると酸化生成物の量が増える関係にあることが分かった。 As a result of the evaluation, it was found that there is a linear relationship between the propane pressure and the total amount of oxidation products, and that increasing the propane pressure increases the amount of oxidation products. Increasing the propane pressure in the reaction vessel also increases the amount (concentration) of propane dissolved in the reaction solution, and therefore it was found that there is a relationship in which an increase in the alkane concentration in the reaction system increases the amount of oxidation products.

(実験例8)反応時間
硝酸銅の濃度を0.5mmol/Lとしたこと、及び反応時間(光照射時間)を変更したこと以外は、実験例1-1と同様にしてアルカンの酸化反応を行った。
(Experimental Example 8) Reaction Time An oxidation reaction of an alkane was carried out in the same manner as in Experimental Example 1-1, except that the concentration of copper nitrate was set to 0.5 mmol/L and the reaction time (light irradiation time) was changed.

図8は、実験例8の結果について、反応時間を横軸(単位:時間)、総アルカン酸化物の濃度を縦軸(単位:mmol/L)として示した散布図である。 Figure 8 is a scatter plot of the results of Experimental Example 8, with reaction time on the horizontal axis (unit: hours) and total alkane oxide concentration on the vertical axis (unit: mmol/L).

評価の結果、反応時間が長くなると酸化生成物の量が増える関係にあることが分かった。 The evaluation revealed that the amount of oxidation products increased as the reaction time increased.

(実験例9)メタン、エタンの反応
[実験例9-1]
大気下において、CDCNにCu(OAc)・HO(0.5mmol/L)、DDQ(1.0mmol/L)、亜硝酸ナトリウム(2.0mmol/L)、HO(0.5mol/L)を溶解し、得られた反応容器を光透過性の耐圧反応容器に仕込んだ。
(Experimental Example 9) Reaction of methane and ethane [Experimental Example 9-1]
Under atmospheric conditions, Cu(OAc) 2.H2O ( 0.5 mmol/L), DDQ (1.0 mmol/L), sodium nitrite (2.0 mmol/L), and H2O (0.5 mol/L) were dissolved in CD3CN , and the resulting reaction vessel was placed in a light-transmitting pressure-resistant reaction vessel.

さらに、反応容器に付属の圧力計において、0.95MPa(ゲージ圧力)となるまでガス状のエタンを仕込んだ。反応容器の気相は空気である。 Furthermore, gaseous ethane was charged until the pressure gauge attached to the reaction vessel reached 0.95 MPa (gauge pressure). The gas phase in the reaction vessel was air.

反応液を撹拌しながら、390nm以下をカットする紫外線フィルタを介して、白色LED光源(ハヤシレピック株式会社製、ルミナーエース LA-HDF8010)から射出された光(出力70%)を反応液に照射した。フィルタを透過する前の光の出力は、24.43W、フィルタを透過した後の光の出力は、22.42Wであった。室温(25℃)で光照射を15時間続け、アルカン(エタン)の酸化反応を行った。 While stirring the reaction solution, the reaction solution was irradiated with light (70% output) emitted from a white LED light source (Luminar Ace LA-HDF8010, manufactured by Hayashi Lepic Co., Ltd.) through an ultraviolet filter that cuts off light of 390 nm or less. The light output before passing through the filter was 24.43 W, and the light output after passing through the filter was 22.42 W. Light irradiation was continued for 15 hours at room temperature (25°C) to carry out the oxidation reaction of alkane (ethane).

光照射の後、反応液のH-NMRを測定し、反応に含まれる酸化生成物の同定と定量とを行った。定量は、ベンゾニトリルを内部標準とした内部標準法にて求めた。 After the irradiation, the reaction solution was subjected to 1 H-NMR measurement to identify and quantify the oxidation products involved in the reaction. The quantification was carried out by the internal standard method using benzonitrile as the internal standard.

[実験例9-2]
Cu(OAc)・HOの濃度を0.05mmol/Lとしたこと以外は、実験例9-1と同様にして、アルカンの酸化反応を行った。
[Experimental Example 9-2]
An oxidation reaction of an alkane was carried out in the same manner as in Experimental Example 9-1, except that the concentration of Cu(OAc) 2.H 2 O was 0.05 mmol/L.

[実験例9-3]
アルカンとしてメタンを用いたこと以外は、実験例9-1と同様にして、アルカンの酸化反応を行った。
[Experimental Example 9-3]
An oxidation reaction of an alkane was carried out in the same manner as in Experimental Example 9-1, except that methane was used as the alkane.

[実験例9-4]
アルカンとしてメタンを用いたこと以外は、実験例9-2と同様にして、アルカンの酸化反応を行った。
[Experimental Example 9-4]
An oxidation reaction of an alkane was carried out in the same manner as in Experimental Example 9-2, except that methane was used as the alkane.

酸化生成物の種類と、TONの結果とを表4,5に示す。表中でカッコ内に示す数値は、各生成物の濃度(単位:mmol/L)を示す。 The types of oxidation products and the TON results are shown in Tables 4 and 5. The numbers in parentheses in the tables indicate the concentration of each product (unit: mmol/L).

Figure 0007696155000004
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Figure 0007696155000005
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評価の結果、本発明のアルカン酸化物の製造方法を用いると、メタン、エタンのように高いC-H結合解離エネルギーを有するガス状のアルカンであっても酸化し、酸化生成物が得られることが確認できた。 As a result of the evaluation, it was confirmed that the method for producing alkane oxides of the present invention can oxidize even gaseous alkanes with high C-H bond dissociation energy, such as methane and ethane, to obtain oxidation products.

実験例4の結果を踏まえれば、メタンよりもC-H結合解離エネルギーが小さいアルカン、例えばガス状アルカンであるブタンや、液状アルカンであるヘキサン等を反応基質に用いても、本発明のアルカン酸化物の製造方法によりアルカン酸化物が得られると思われる。 Based on the results of Experimental Example 4, it is believed that alkane oxides can be obtained by the method for producing alkane oxides of the present invention even if an alkane with a lower C-H bond dissociation energy than methane, such as butane, a gaseous alkane, or hexane, a liquid alkane, is used as the reaction substrate.

以上より、本発明が有用であることが分かった。 From the above, it has been found that the present invention is useful.

Claims (7)

含酸素雰囲気下、アルカン、電子吸引基を有するパラベンゾキノン、金属塩及び水を含む反応溶液に光を照射する工程を有し、
前記工程の反応温度は、0℃以上且つ前記反応溶液の溶媒の沸点未満であり、
前記金属塩が有する金属元素は、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cuからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、
前記光の波長帯域には、前記パラベンゾキノンの極大吸収波長を含み、
前記パラベンゾキノンは、2,3-ジクロロ-5,6-ジシアノ-p-ベンゾキノン又はテトラクロロ-1,4-ベンゾキノンであるアルカン酸化物の製造方法。
The method includes a step of irradiating a reaction solution containing an alkane, a parabenzoquinone having an electron-withdrawing group, a metal salt, and water with light in an oxygen-containing atmosphere,
The reaction temperature of the step is equal to or higher than 0° C. and lower than the boiling point of the solvent of the reaction solution;
The metal element contained in the metal salt is at least one selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu,
the wavelength band of the light includes the maximum absorption wavelength of the parabenzoquinone,
The method for producing an alkane oxide , wherein the parabenzoquinone is 2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone or tetrachloro-1,4-benzoquinone .
前記反応溶液は、亜硝酸イオンをさらに含む請求項1に記載のアルカン酸化物の製造方法。 The method for producing alkane oxides according to claim 1, wherein the reaction solution further contains nitrite ions. 前記金属元素は、Cuである請求項1又は2に記載のアルカン酸化物の製造方法。 The method for producing an alkane oxide according to claim 1 or 2 , wherein the metal element is Cu. 前記金属塩は、酢酸銅である請求項に記載のアルカン酸化物の製造方法。 The method for producing an alkane oxide according to claim 3 , wherein the metal salt is copper acetate. 前記反応溶液の溶媒はアセトニトリルである請求項1からのいずれか1項に記載のアルカン酸化物の製造方法。 The method for producing an alkane oxide according to any one of claims 1 to 4 , wherein the solvent of the reaction solution is acetonitrile. 前記反応温度は、10℃以上40℃以下である請求項1からのいずれか1項に記載のアルカン酸化物の製造方法。 The method for producing an alkane oxide according to claim 1 , wherein the reaction temperature is 10° C. or higher and 40° C. or lower. 前記アルカンは、メタン、エタン、プロパン及びブタンからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む請求項1からのいずれか1項に記載のアルカン酸化物の製造方法。
The method for producing an alkane oxide according to any one of claims 1 to 6 , wherein the alkane includes at least one selected from the group consisting of methane, ethane, propane, and butane.
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