【課題を解決するための手段】
【0019】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)
25℃以上500℃以下の温度範囲、0.1MPa以上50MPa以下の圧力範囲の高温高圧条件で、有機化合物の炭素−炭素クロスカップリングを行う方法であって、25℃1気圧で固体の反応基質を、水に
前記反応基質を溶解又は混和させる有機溶媒を加えた媒体
の準溶媒で溶解又は混和させた状態で、又は基質を加熱して溶融させた状態で、該基質を高温高圧水条件下のマイクロリアクターで反応させることにより
有機ハロゲン化物と有機ホウ素化合物とのクロスカップリングにより有機化合物の炭素−炭素結合を形成することを特徴とする有機化合物の反応方法。
(2)固体の反応基質を、マイクロ空間デバイスであるマイクロミキシング手段及びマイクロリアクター手段を用いて、反応基質を混合するミキシング工程と、該基質を反応させる高温高圧反応工程により、有機化合物の炭素−炭素結合を形成する、前記(1)に記載の方法。
(3)25℃1気圧で固体の反応基質を、準溶媒として基質が溶解する有機溶媒で溶解又は混和させた状態で、該基質を高温高圧水条件下のマイクロリアクターで反応させることにより有機化合物の炭素−炭素結合を形成する、前記(1)に記載の方法。
(4)25℃1気圧で固体の反応基質を、25℃以上500℃以下の温度で加熱して溶融させた状態で、該基質を高温高圧水条件下のマイクロリアクターで反応させることにより有機化合物の炭素−炭素結合を形成する、前記(1)に記載の方法。
(5)25℃1気圧で固体の反応基質を、準溶媒として基質が溶解する有機溶媒の混合溶媒に分散、溶解させた状態で、該基質を50℃以上420℃以下、常圧以上50MPa以下の高温高圧水条件下のマイクロリアクターで反応させる、前記(1)から(3)のいずれか一項に記載の方法。
(6)高温高圧水条件が、100℃以上300℃以下、5MPa以上22MPa以下である、前記(5)に記載の方法。
(7)反応時間が、1マイクロ秒以上24時間以内である、前記(1)から(6)のいずれか一項に記載の方法。
(
8)窒素、硫黄、酸素のヘテロ原子を1個又は2個有する芳香族系ヘテロ環を置換基に持つ有機ホウ素化合物と、置換基を有することのあるハロゲン化アルキルあるいはハロゲン化アリールとのクロスカップリングにより、炭素−炭素結合を形成する、前記(1)から(
7)のいずれか一項に記載の方法。
【0020】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、マイクロリアクターによる反応場において、25℃1気圧で固体の反応基質を、準溶媒で溶解又は混和させた状態で、又は加熱して溶融させた状態で、該基質を高温高圧水−マイクロリアクターシステムで反応させることにより、有機化合物の炭素−炭素カップリング反応を行うことを特徴とするものである。ここで、25℃1気圧で固体とは、当該温度、圧力条件下で固体であることをいう。
【0021】
本発明は、上記反応プロセスを、マイクロ混合・反応システムを有するマイクロ空間デバイスで実施することを基本とするものであり、有機化合物の炭素−炭素結合を形成する反応に適用することが可能であり、有機化合物の炭素−炭素結合を形成する反応であれば、有機化合物の種類については、特に制限されるものではない。
【0022】
本発明の有効性を実証するために、本発明者らは、有機化合物のカップリング反応における反応機構、反応選択性について、種々研究を重ねた結果、高温高圧水−マイクロリアクターシステムによる本発明の方法を用いることで、従来法に比較して、反応時間を大幅に短縮でき、高収率、高選択率で目的物を合成でき、しかも、媒体が、水と、準溶媒である基質が溶解又は混和する有機溶媒を少量用いるのみであるため、生成物の分離が容易にできることを確認した。
【0023】
本発明では、マイクロ空間デバイスであるマイクロ混合機及びマイクロ反応器を用いて、水溶媒と反応基質を混合するミキシング工程と、基質を高温高圧水−マイクロリアクターシステムで反応させる高温高圧反応工程により、有機化合物の炭素−炭素結合の形成を実行する。上記ミキシング工程では、例えば、水に準溶媒として基質が溶解又は混和する有機溶媒を少量加えた系で基質A及び基質Bを含む溶液系と、触媒を含む水溶液又は無触媒水溶液系がミキシングされ、これらの反応系が形成される。
【0024】
ここで、少量とは、例えば、固体の基質A及び基質Bに対して、これらの固体が溶液になる量であれば良く、特に量を限定することは無いが、基質に対して1モル%以上加えることで、溶液にすることができる量をいう。このミキシング工程は、任意の常温ないし高温条件、低圧ないし高圧の圧力条件で行うことができる。好適には、25℃以上500℃以下の温度範囲、0.1MPa以上50MPa以下の圧力範囲が例示される。次いで、この反応系は、高温高圧水条件下の反応場である高温高圧反応工程に供給され、所定の反応条件で反応が行われる。
【0025】
一般の有機合成では、反応媒体に反応基質を溶解させる必要がある。そのため、水を反応媒体にする有機合成では、反応基質は、水に溶ける必要があり、基質は、水溶性の基質に制限されるが、本発明では、基質は、水に溶ける必要は一切なく、非水溶性の基質であっても使用することが可能である。本発明において、準溶媒が示す役割について説明すると、準溶媒は、水にも溶解又は混和し、かつ基質を溶解するものであれば良く、したがって、基質の性質により適宜選択することができる。より詳しくいえば、基質の親水性が高い場合は、親水性溶媒の中でもアルコール等が好適に選択され、基質の疎水率が上がるほど、より疎水性の高い溶媒又は親水性溶媒の中でもエーテル系溶媒や非プロトン性極性溶媒等が好適に選択される。
【0026】
該準溶媒としては、基質を溶解するものであれば、特に限定されないが、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノール、デカノール、シクロペンタノール、シクロヘキサノール、エチレングリコール、プロパンジオール、グリセリン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、フェニルエーテル、ジフェニルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、ホルムアルデヒド、アセトン、メチルエチルケトン、ジクロロメタンクロロホルム、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、酢酸エチル、N,N’−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、シクロペンチルメチルエーテル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、ジイソブチルケトン、ジアセトンアルコール、シクロヘキサノン、メチルターシャリーブチルエーテル等の有機溶媒から1種類以上、又は複数種を組み合わせて選択することができる。その中でも、ヘキサン、エタノール、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、アセトン、シクロヘキサノン、シクロペンチルメチルエーテル、酢酸エチル、ジメチルアセトアミド、N,N’−ジメチルホルムアミド、ジメトキシエタンが好適である。
【0027】
本発明では、水に準溶媒を少量加えた系で溶解又は混和させた状態の基質、又は加熱して溶融させた状態の基質であれば、基質として使用可能であり、例えば、微粒子あるいはナノ粒子のような基質も使用することが可能である。
【0028】
本発明において、基質を加熱して溶融するとは、高温条件で基質を溶融状態にすることであり、好適には25℃以上500℃以下の温度条件が例示される。
【0029】
本発明において、高温高圧水とは、50℃以上420℃以下、常圧以上50MPa以下であり、より好ましくは100℃以上374℃以下、5MPa以上40MPa以下、最も好ましくは100℃以上300℃以下、5MPa以上22MPa以下である高温高圧水を意味する。この高温高圧水としては、好適には、例えば、温水(水)、水蒸気、亜臨界水、超臨界水、超高温高圧水が例示されるが、具体的な高温高圧条件は、反応基質、反応の種類、触媒、目的化合物の種類、収率、選択率等に応じて、任意に設定することができる。
【0030】
また、触媒としては、ハロゲン化パラジウム、酢酸パラジウム(II)、パラジウム、ジクロロビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(II)、ビス(トリフェニルホスフィン)パラジウム等のパラジウム錯体や金属触媒、その他、触媒として、白金、ニッケル、銅、銀、金、亜鉛、コバルト、ルテニウム、ロジウム、鉄、クロム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、ガリウム、リン、スカンジウム、イットリウム等からなる錯体あるいは金属触媒が例示される。中でも、パラジウム錯体や金属触媒が好適である。
【0031】
更に、反応系に添加する酸、アルカリ種としては、弗酸、塩酸、臭酸、硫酸、硝酸、過塩素酸、燐酸、燐酸塩、炭酸、トリフルオロ酢酸、酢酸等を含む各種カルボン酸等、そして、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属及びアルカリ土類金属の水酸化物、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム等のアルカリ金属、アルカリ土類金属の炭酸塩、ナトリウムメトキシド、カリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、カリウムエトキシド等のアルカリ金属及びアルカリ土類金属のアルコキシド、そして、アンモニア、メチルアミン、ジエチルアミン、ピリジン、ピラジン等のアミン化合物等が例示される。
【0032】
本発明の方法において、反応温度としては、50℃以上500℃以下、より好ましくは50℃以上420℃以下、最も好ましくは100℃以上374℃以下が例示される。反応圧力としては、常圧以上50MPa以下、より好ましくは常圧以上40MPa以下、最も好ましくは5MPa以上22MPa以下が例示される。反応時間としては、1マイクロ秒以上24時間以下、好ましくは1ミリ秒以上1時間以下、更に好ましくは1ミリ秒以上10分以下、最も好ましくは1ミリ秒以上5分以下が例示される。
【0033】
本発明では、上述のように、反応時間は、最も好ましくは、1ミリ秒以上5分以下であるが、これについても、基質の有機化合物、反応の種類、触媒、目的化合物の種類等に応じて好適ないし最適な反応時間の範囲に設定することができる。本発明の方法では、例えば、高温高圧水を反応媒体として用いて炭素−炭素結合を形成するカップリング反応方法の場合、従来法と比較して、反応時間を100分の1以下あるいはそれ以下に短縮することが実現できる。
【0034】
本発明では、以下の工程、すなわち、(1)準溶媒を少量加えた系を使用して、(2)水、準溶媒、触媒及び反応基質からなる反応系を混合して、(3)上記反応系を、亜臨界水、超臨界水等を用いた高温高圧水−マイクロリアクターシステムの高温高圧反応プロセスで反応させる工程、により、例えば、下記の化1の反応基質(R1は、炭素数1〜20のアルキル基あるいはアリール基で表される置換基、R2及びR3は、水酸基又はアルコキシ基又はアミノ基で表される置換基であり、R2及びR3は、同じ置換基でも異なる置換基でも良く、あるいはR2とR3が連結した置換基でも良い。)と、ハロゲン化アリールとの反応を進行させることができる。
【0035】
また、本発明では、下記の化2のハロゲン化アリール(nは、1〜10で表される整数であり、X1は、硫黄又は窒素原子であり、X2及びX3は、ハロゲン、ホウ素系化合物又は水素で表される元素であり、しかも、X2とX3は、同じでも異なっていても良く、R4及びR5は、炭素数1〜20の脂肪族又は芳香族の置換基又は水素で表され、R4及びR5の置換基は、同じでも異なっていても良い。)を用いて、下記の化3の反応基質(R6は、炭素数1〜10までのアルキル基、アリール基又は水素であり、R7からR14は、炭素数1〜10までのアリール基、アルキル基又は水素であり、それぞれが繋がってもいても良く、更に、R7からR14のうち少なくとも一つは、ハロゲンのフッ素、塩素、臭素、又はヨウ素である。)の反応を進行させることができる。
【0036】
【化1】
【0037】
【化2】
【0038】
【化3】
【0039】
本発明の方法を適応することが可能は反応として、例えば、上述の炭素−炭素結合の形成の他に、炭素−窒素結合形成、炭素−酸素結合形成等の反応が例示されるが、その種類は、特に限定されるものではない。本発明において、炭素−炭素結合の形成とは、これらの反応をも含むものとして定義される。そして、例えば、上述の炭素−炭素結合の形成反応を行なう場合、反応基質としては、少なくとも一つは水素が置換されたビニル基を有する化合物と、任意の置換基を有するハロゲン化アルキル、ハロゲン化アリール等が例示される。
【0040】
反応生成物としては、本発明の方法が多くの反応に適応可能であることから、特に限定範囲はないが、代表的な例としては、例えば、任意の置換基を有する1,2−ジフェニルアセチレン、任意の置換基を有するトランス又はシススチルベン、任意の置換基を有する1,1−ジフェニルエテン、任意の置換基を有するビフェニル、任意の置換基を有する1,1,2−トリフェニルエテン等が例示される。しかし、反応生成物は、これらに制限されるものではない。
【0041】
本発明では、上述のように、25℃1気圧で固体の基質を、基質の物性、特に溶解度や極性に応じた適当な有機媒体、すなわち基質を溶解又は混和させることが可能な準溶媒を用いた反応系を用いて、高温高圧水−マイクロリアクターシステムで、該基質を反応媒体でもある超臨界水等の高温高圧水と相溶させて反応させることにより、炭素−炭素結合の形成を好適に行うことができる。本発明では、例えば、水媒体と反応基質を含む反応系を混合するミキシング工程が必要であるが、反応媒体として乳化剤等の界面活性剤等を一切加えない水に、準溶媒として、基質の物性、特に溶解度や極性に応じた有機溶媒を加えた反応系を使用しているため、水と基質、あるいは水と生成物の分離がきわめて容易であり、多くの場合、生成物の相が、水媒体の表面に形成されるので、多くの有機化合物について、反応後の生成物の特別の分離精製工程を省略することができ、反応生成物の分離工程が簡便になるという利点がある。
【0042】
本発明では、上記反応方法を実施するための反応装置として、水媒体と反応基質を含む反応系を混合するミキシング手段と、上記基質を高温高圧水条件下で反応させる高温高圧反応手段を設けたマイクロリアクターシステムが使用され、反応基質及び/又は触媒の種類に応じて、該ミキシング手段を多段に設置することが適宜可能である。
【0043】
本発明の反応システムでは、上記ミキシング手段として、好適には、マイクロ空間デバイス混合機を用い、例えば、1)マイクロ流路を有するミキシングティーで混合する方法、2)メインストリームに別の成分を多数のサブストリームから導入し混合する方法、3)2成分をそれぞれ多数のストリームに分割し、それぞれを混合する方法、4)流れ方向でサブミリオーダー以下に径を絞り、拡散距離を短くし混合する方法、5)分割・混合を繰り返す方法、6)小さな流体セグメントを周期的に導入して混合する方法、7)超音波、マイクロ波、電気エネルギー、熱エネルギー等の外部要因を加え混合する方法、等のミキシング手段が用いられる。上記ミキシング手段で調製された反応系は、そのまま反応プロセスに移送し、上記のミキシング手段と同様の手法で、高温高圧水と混合させ、所定の温度・圧力条件下のマイクロリアクターシステムで反応が行なわれる。
【0044】
本発明で使用される高温高圧マイクロリアクターシステムには、水、準溶媒、反応基質及び触媒等の反応系を構成する各成分を各々収容するタンク、これらの成分を上記ミキシング手段及び/又は高温高圧反応手段に送液するポンプ及び配管系が設置され、更に、上記高温高圧水を製造する加熱ヒーター、反応系を急速冷却するための急速冷却器、反応系の圧力を制御するための圧力制御弁、反応生成物を排出し、分離、回収する手段が配設され、全体の反応装置が構成される。
【0045】
本発明で使用される高温高圧マイクロリアクターシステムの具体的な構成は、これらに制限されるものではなく、これらの構成を基本として、基質の有機化合物、反応の種類等に応じて、任意に設計することができる。また、本発明では、好適には、連続式反応装置が使用されるが、回分式反応装置を使用することも適宜可能である。
【発明の効果】
【0046】
本発明により、以下のような効果が奏される。
(1)水に、準溶媒として基質を溶解又は混和する有機溶媒を少量加えた媒体を使用し、25℃1気圧で固体の基質を、該媒体に溶解又は混和させた状態で、又は加熱して溶融させた状態で、該基質を高温高圧水−マイクロリアクターシステムで反応させることで、秒単位あるいはサブ秒単位の反応時間で、有機化合物の炭素−炭素カップリング反応を行うことが可能な新しい有機反応方法を提供することができる。
(2)準溶媒を加えた水と反応基質を含む反応系を混合するミキシング工程と、上記反応系を高温高圧水条件下で反応させる高温高圧反応工程を設けた反応プロセスにより、高収率、高選択率で有機化合物の炭素−炭素結合を形成することを可能とする新しい反応プロセスを提供することができる。
(3)上記ミキシング工程を実行するためのマイクロミキシング手段、及び上記高温高圧反応工程を実行するためのマイクロ高温高圧反応手段を有するマイクロリアクターシステムを利用した有機化合物の炭素−炭素カップリング反応方法を提供することができる。
【0047】
(4)本発明の方法を使用することにより、例えば、反応基質にビニル基を有する化合物と、ハロゲン化アルキルあるいはハロゲン化アリールとを、パラジウム触媒の存在下で反応させる場合、また、反応基質にエチニル基とハロゲン化アルキルあるいはハロゲン化アリールとを、パラジウム触媒、銅触媒共存下で反応させる場合、有機ハロゲン化物と有機ホウ素化合物とのクロスカップリングをパラジウム触媒の存在下で行う場合、等の様々な反応を、極めて短時間に、高収率・高選択率で行なうことができる。
【0048】
(5)有機化合物の炭素−炭素結合を高収率、高選択率で形成することを可能とする有機化合物の新しい反応方法を提供することができる。
(6)本発明の方法は、水に基質の物性に応じて好適ないし最適化された準溶媒を少量加えた媒体を用いた反応であるため、反応基質及び/又は生成物の分離、回収が容易であり、しかも、不純物の排出が殆ど無く、環境低負荷型の新しい一般化学合成方法を提供することを可能とするものとして有用である。
【0049】
(7)本発明の方法は、マイクロ空間デバイスを用い、極めて短時間で反応を行なうことができるため、反応システム全体を大幅に小型化することが可能であり、それによって、投入エネルギー等を小さくすることができ、省エネルギーに貢献できる。