特許 7556032 Ｎ－置換ラクタム及びＮ－置換アミドの合成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-13

(45)【発行日】2024-09-25

(54)【発明の名称】Ｎ－置換ラクタム及びＮ－置換アミドの合成方法

(51)【国際特許分類】

   C07D 223/10 20060101AFI20240917BHJP

   C07B 61/00 20060101ALN20240917BHJP

【ＦＩ】

C07D223/10

C07B61/00 300

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022535472

(86)(22)【出願日】2020-12-08

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-02-15

(86)【国際出願番号】 US2020063790

(87)【国際公開番号】W WO2021119004

(87)【国際公開日】2021-06-17

【審査請求日】2022-07-28

(31)【優先権主張番号】62/946,591

(32)【優先日】2019-12-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】517213094

【氏名又は名称】アドバンシックス・レジンズ・アンド・ケミカルズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】ＡＤＶＡＮＳＩＸ ＲＥＳＩＮＳ ＆ ＣＨＥＭＩＣＡＬＳ ＬＬＣ

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100133765

【弁理士】

【氏名又は名称】中田 尚志

(72)【発明者】

【氏名】チャン，シャーウェイ

(72)【発明者】

【氏名】シュッター，ロバート，ジュニア

(72)【発明者】

【氏名】タン，リハオ

(72)【発明者】

【氏名】キーナン，スコット

(72)【発明者】

【氏名】リ，シン

【審査官】早乙女 智美

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５６－１５６２６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】仏国特許出願公開第０２０４８３８３（ＦＲ，Ａ１）

【文献】特開２００１－１５１７４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００３－５２８０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０３０７３８４３（ＵＳ，Ａ）

【文献】特表２００９－５３２４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１９０９９７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】Fache, F. et al.，Reductive O- and N-alkylations. Alternative catalytic methods to nucleophilic substitution，Heterogeneous Catalysis and Fine Chemicals IV，1997年，pp. 115-122

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０７Ｄ ２２３／１０

Ｃ０７Ｄ ２０５／０８

Ｃ０７Ｄ ２０７／２６７

Ｃ０７Ｄ ２１１／７６

ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）

ＣＡＳＲＥＡＣＴ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

カプロラクタムを、パラホルムアルデヒド、ホルムアルデヒド、及びアセトアルデヒドから選択されるアルキル化剤と、
パラジウム、白金、ニッケル、ロジウム、及びイリジウムから選択される触媒、
水素、及び
合計含有量が１５００ｐｐｍ未満であるプロセス溶媒、
の存在下で反応させて、水、並びにＮ－メチルカプロラクタム及びＮ－エチルカプロラクタムから成る群より選択されるＮ－置換ラクタムを形成すること、を含む、置換ラクタムの製造方法。

【請求項2】

前記プロセス溶媒の合計含有量が、１０００ｐｐｍ未満である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記触媒が、パラジウム触媒である、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記反応工程が、５０℃乃至２００℃の温度で行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記反応工程が、１００ｐｓｉ乃至２００ｐｓｉの圧力の水素雰囲気の存在下で行われる、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記Ｎ－置換ラクタムが、Ｎ－メチルカプロラクタムである、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記Ｎ－置換ラクタムが、Ｎ－エチルカプロラクタムである、請求項１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、その全開示内容が参照により本明細書に援用される２０１９年１２月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／９４６，５９１号の優先権を主張するものである。

【0002】

１．開示の分野
本開示は、還元的Ｎ－アルキル化を介する、Ｎ－置換ラクタム及びＮ－置換アミドの合成方法に関する。

【背景技術】

【0003】

２．関連技術の記述
Ｎ－置換アミド、特にＮ－アルキル化ラクタムは、広範な用途での使用において望ましい分子である。Ｎ－置換アミド及びＮ－置換ラクタムを製造するための反応は、製薬業界による薬物の合成、肥料、農薬、及び他の製品の合成、さらには化学中間体の合成において広く用いられている。

【0004】

そのような反応の１つはＮ－アルキルカプロラクタムの合成である。Ｎ－アルキルカプロラクタムは、通常、脱プロトン化剤としての金属ナトリウム又は水素化ナトリウムのいずれか、及びアルキル化剤としてのハロゲン化アルキルを用いたアルキル化を介して合成される。これらの試薬は、有害で、取り扱いが困難である場合があり、及び大量の固形廃棄物を発生させる可能性があり、取り扱い及び廃棄物の廃棄が困難であることが、合成コストを増加させ得る。

【0005】

さらに、公知のアルキル化反応では、プロセス溶媒（通常は酢酸エチル）が必要とされる。無水硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）などの大量の脱水剤及び高圧水素ガス（Ｈ_２）（５５０ｐｓｉ超）も必要とされる。これらの反応条件のために、Ｎ－アルキルカプロラクタム及び他のＮ－アルキルアミドの大スケールでの合成は、工業的な使用において非実用的なものとなっている。

【発明の概要】

【0006】

上記の内容を改善したＮ－置換ラクタムの合成方法が求められている。
本開示は、還元的アルキル化を介するＮ－アルキル化ラクタムの合成方法を提供する。本開示の方法は、還元性雰囲気中、触媒の存在下でラクタムにアルデヒドを添加することによって行われ得る。

【0007】

本開示は、置換ラクタムの製造方法を提供し、方法は、以下の式のラクタムであって：

【0008】

【化1】

【0009】

式中、ｎは、０、１、２、又は３である、ラクタムを、パラホルムアルデヒド及び以下の式のアルデヒドであって：

【0010】

【化2】

【0011】

式中、Ｒは、Ｈ又はＣ_１～Ｃ_６アルキルである、アルデヒド、から選択されるアルキル化剤と、触媒、水素、及び合計含有量が１５００ｐｐｍ未満であるプロセス溶媒の存在下で反応させて、水、及び以下の式のＮ－置換ラクタムであって：

【0012】

【化3】

【0013】

式中、ｎは、０、１、２、又は３であり、Ｒ^１は、Ｃ_１～Ｃ_６アルキルである、Ｎ－置換ラクタム、を形成すること、を含む。
本開示はさらに、置換ラクタムの製造方法を提供し、方法は、カプロラクタムを、パラホルムアルデヒド、ホルムアルデヒド、及びアセトアルデヒドから選択されるアルキル化剤と、触媒、水素、及び合計含有量が１５００ｐｐｍ未満であるプロセス溶媒の存在下で反応させて、水、並びにＮ－メチルカプロラクタム及びＮ－エチルカプロラクタムから成る群より選択されるＮ－置換ラクタムを形成すること、を含む。

【0014】

本開示はまた、Ｎ－メチルカプロラクタム及びＮ－エチルカプロラクタムから成る群より選択される、液体形態で、ラクタムの合計重量に基づいて１５００ｐｐｍ未満の合計プロセス溶媒含有量であるＮ－置換ラクタムも提供する。

【0015】

本開示の上述の及び他の特徴、並びにそれらを達成する方法は、以下の実施形態の記述を添付の図面と合わせて参照することによって、より明らかとなり、より良く理解されるであろう。

【発明を実施するための形態】

【0016】

Ｎ－アルキルカプロラクタムは、中でも、塗料及びコーティング、農業産業、及び電子工学において多くの潜在的用途を有する化合物の一群である。アルキル化カプロラクタムを含むアルキル化アミドは、パラジウム炭素触媒及びアルキル化剤としてのカルボニル化合物を用いた還元的Ｎ－アルキル化を介して合成することができる。しかし、アセトアルデヒド及びホルムアルデヒドなどの小分子アルデヒドをアルキル化剤として使用することは、これまで報告されていない。

【0017】

脱プロトン化剤としての金属ナトリウム又は水素化ナトリウム（ＮａＨ）をハロゲン化アルキルと合わせて用いることに依存する公知の合成方法とは異なり、本開示の方法は、カプロラクタムなどのアミドの還元的Ｎ－アルキル化を介して、高収率でＮ－アルキル化アミドを合成するために用いることができる。これらの反応は、例えばカプロラクタム及びアセトアルデヒドなどの安価で安全な出発物質を用いる。本開示の方法は、実施が容易であり、廃棄物をほとんど発生させず、主たる副生物として水を、少ない副生物として少量のエタノール及びアセタールを発生させる。さらに、本開示の方法は、プロセス溶媒又は脱水剤をまったく用いることなく実施することができ、それによって、プロセス溶媒の除去又は脱水剤の分離を行う必要性が排除される。

【0018】

本開示は、カプロラクタム又は他のアミドから、以下のスキーム１で示される還元的Ｎ－アルキル化を介してＮ－エチルカプロラクタム（ＮＥＣ）、Ｎ－メチルカプロラクタム（ＮＭＣ）、及び他のＮ－アルキルアミドを製造することができる方法を提供し：

【0019】

【化4】

【0020】

式中、ｎは、０、１、２、又は３であり；
Ｒは、Ｈ又はＣ_１～Ｃ_６アルキルであり；
Ｒ^１は、Ｃ_１～Ｃ_６アルキルである。

【0021】

したがって、反応体のラクタムとしては、β－プロピオラクタム、γ－ブチロラクタム、δ－バレロラクタム、及びε－カプロラクタムが挙げられ得る。
驚くべきことに、これらの反応は、脱水剤をまったく用いることなく実施可能であり、それによって、脱水剤を生成物から分離する必要性が排除されることが見出された。本開示の方法はまた、高圧に依存することなく実施することもでき、したがって、高圧に耐えることができる反応容器の必要性も低減される。有利なことには、さらに、これらの反応は、以下で述べるように、プロセス溶媒を含まない条件下で実施することができ、したがって、発生する廃棄物の量が大きく低減されることも見出された。

【0022】

反応は、触媒の存在下、水素雰囲気中でアミドを過剰のアルデヒドと組み合わせることによって行うことができる。
アミドのアルデヒドに対するモル比は、１．０：１．５以上、１．０対２．０以上、１．０：３．０以上、１．０：４．０以上、１．０：５．０以上、又は１．０：６．０以下、１．０：７．０以下、１．０：８．０以下、１．０：９．０以下、１．０：１０．０以下、又は上記値のいずれか２つの間でそれらを含んで定められるいずれかの範囲内であってよい。

【0023】

触媒は、パラジウム、白金、ニッケル、ロジウム、及びイリジウムから選択されてよい。触媒は、活性炭などの担持体を含んでもよい。
アミドのモルパーセントとしての存在する触媒の量は、０．１％以上、０．２％以上、０．４％以上、０．６％以上、又は１．０％以下、２．０％以下、３．０％以下、４．０％以下、５．０％以下、又は上記値のいずれか２つの間でそれらを含んで定められるいずれかの範囲内であってよい。

【0024】

水素ガスの圧力は、１００ｐｓｉ以下、１２０ｐｓｉ以下、１５０ｐｓｉ以下、１６０ｐｓｉ以下、１７０ｐｓｉ以下、１９０ｐｓｉ以下、２００ｐｓｉ以下、２５０ｐｓｉ以下、又は上記値のいずれか２つの間でそれらを含んで定められるいずれかの範囲内であってよい。

【0025】

反応は、４０℃以上、５０℃以上、６０℃以上、８０℃以上、１００℃以上、又は１１０℃以下、１２０℃以下、１３０℃以下、１５０℃以下、１７０℃以下、２００℃以下、又は上記値のいずれか２つの間でそれらを含んで定められるいずれかの範囲内の温度で行われてよい。

【0026】

反応時間は、２時間以上、４時間以上、６時間以上、１０時間以上、１２時間以上、１５時間以上、又は１６時間以下、１８時間以下、２０時間以下、２２時間以下、２４時間以下、３０時間以下、又は上記値のいずれか２つの間でそれらを含んで定められるいずれかの範囲内であってよい。

【0027】

「プロセス溶媒」は、本明細書で用いられる場合、水、水性混合物、及び有機液体を含むものと理解される。プロセス溶媒には、反応体又は反応生成物は含まれないことは理解されたい。「プロセス溶媒を含まない」又は「プロセス溶媒を含まない条件」とは、本明細書で用いられる場合、反応中に存在するプロセス溶媒の量が、１５００ｐｐｍ以下、１０００ｐｐｍ以下、８００ｐｐｍ以下、５００ｐｐｍ以下、１００ｐｐｍ以下、５０ｐｐｍ以下、又は上記値のいずれか２つの間でそれらを含んで定められるいずれかの範囲内であることを示すものと理解される。

【0028】

例えば、この方法は、以下のスキーム２に示されるように、Ｎ－エチルカプロラクタム（ＮＥＣ）の合成に用いることができる。スキーム２に示されるように、反応は、プロセス溶媒を含まない条件下で、脱水剤の必要性なく実施することができる。

【0029】

【化5】

【0030】

別の選択肢として、アルキル化剤は、パラホルムアルデヒドであってもよい。スキーム３に示されるように、パラホルムアルデヒドの使用により、Ｎ－メチルカプロラクタム（ＮＭＣ）の合成が可能となる。ここでも、反応は、プロセス溶媒を含まない条件下で、脱水剤の必要性なく実施することができる。

【0031】

【化6】

【0032】

公知の方法と比較して、本開示の方法は、プロセス溶媒及び／又は脱水剤の必要性を排除することによって、コスト及び廃棄物の両方を削減するものである。さらに、本開示の方法は、より低い圧力の水素雰囲気を用いており、それによって、反応容器に対する要件が緩くなることでコストが削減される。

【0033】

本開示の方法は、安全な出発物質を用い、廃棄物の発生が少量である、高収率で能率的なＮ－アルキルカプロラクタムの合成を可能とするものである。
本明細書で用いられる場合、「上記値のいずれか２つの間でそれらを含んで定められるいずれかの範囲内」の句は、文字通り、値が列挙の低い値の方にあるか、又は列挙の高い値の方にあるかに関わらず、その句の前に列挙された値のいずれか２つからのいずれの範囲が選択されてもよいことを意味する。例えば、値の対は、低い方の値２つ、高い方の値２つ、又は低い方の値及び高い方の値、から選択されてよい。

【0034】

以下の限定されない例は、本開示を例証する役割を有する。
実施例
例１：Ｎ－エチルカプロラクタムの製造
１当量のカプロラクタム、０．５モル％のパラジウム炭素触媒、及び４当量のアセトアルデヒドを、水素雰囲気下（１５０ｐｓｉ）、反応容器中で組み合わせた。この混合物を、２１時間にわたって１００℃に加熱した。Ｎ－エチルカプロラクタム（ＮＥＣ）を、ＧＣ分析によって特定された９９．６％の収率で得た。ろ過の後、ろ液を蒸留して、９９．５重量％超の純度でＮ－エチルカプロラクタムが得られ、残留カプロラクタムは０．１重量％未満であった。

【0035】

例２：Ｎ－メチルカプロラクタムの製造
カプロラクタム（４０．０ｇ、０．３５３ｍｏｌ）を、続いてパラホルムアルデヒド（４２．５ｇ、１．４１ｍｏｌ）を反応容器に投入した。１０％のパラジウム炭素触媒（４．０５ｇ、０．００４ｍｏｌ）を添加した。反応容器を密封し、続いてＨ_２でパージし、Ｈ_２を充填した（１５０ｐｓｉ）。この混合物を、１８時間にわたって１００℃に加熱し、撹拌した。ＧＣ分析から、Ｎ－メチルカプロラクタムが７１％の収率で形成したことが示された。ろ過後、ろ液を蒸留して、純粋なＮ－メチルカプロラクタム生成物を得た。

【0036】

態様
態様１は、置換ラクタムの製造方法であり、方法は、以下の式のラクタムであって：

【0037】

【化7】

【0038】

式中、ｎは、０、１、２、又は３である、ラクタムを、
パラホルムアルデヒド及び以下の式のアルデヒドであって：

【0039】

【化8】

【0040】

式中、Ｒは、Ｈ又はＣ_１～Ｃ_６アルキルである、アルデヒド、から選択されるアルキル化剤と、触媒、水素、及び合計含有量が１５００ｐｐｍ未満であるプロセス溶媒の存在下で反応させて、水、及び以下の式のＮ－置換ラクタムであって：

【0041】

【化9】

【0042】

式中、ｎは、０、１、２、又は３であり、Ｒ^１は、Ｃ_１～Ｃ_６アルキルである、Ｎ－置換ラクタム、を形成すること、を含む。
態様２は、プロセス溶媒の合計含有量が１０００ｐｐｍ未満である、態様１に記載の方法である。

【0043】

態様３は、触媒がパラジウム触媒である、態様１又は態様２に記載の方法である。
態様４は、反応工程が５０℃～２００℃の温度で行われる、態様１～３のいずれか１つに記載の方法である。

【0044】

態様５は、反応工程が１００ｐｓｉ～２００ｐｓｉの圧力の水素雰囲気の存在下で行われる、態様１～４のいずれか１つに記載の方法である。
態様６は、ラクタムがカプロラクタムであり、Ｎ－置換ラクタムがＮ－メチルカプロラクタムである、態様１～５のいずれか１つに記載の方法である。

【0045】

態様７は、ラクタムがカプロラクタムであり、Ｎ－置換ラクタムがＮ－エチルカプロラクタムである、態様１～５のいずれか１つに記載の方法である。
態様８は、Ｎ－置換ラクタムが９０％超の収率で得られる、態様１～７のいずれか１つに記載の方法である。

【0046】

態様９は、置換ラクタムの製造方法であって、方法は、カプロラクタムを、パラホルムアルデヒド、ホルムアルデヒド、及びアセトアルデヒドから選択されるアルキル化剤と、触媒、水素、及び合計含有量が１５００ｐｐｍ未満であるプロセス溶媒の存在下で反応させて、水、並びにＮ－メチルカプロラクタム及びＮ－エチルカプロラクタムから成る群より選択されるＮ－置換ラクタムを形成すること、を含む。

【0047】

態様１０は、プロセス溶媒の合計含有量が１０００ｐｐｍ未満である、態様９に記載の方法である。
態様１１は、触媒がパラジウム触媒である、態様９又は態様１０に記載の方法である。

【0048】

態様１２は、反応工程が５０℃～２００℃の温度で行われる、態様９～１１のいずれか１つに記載の方法である。
態様１３は、反応工程が１００ｐｓｉ～２００ｐｓｉの圧力の水素雰囲気の存在下で行われる、態様９～１２のいずれか１つに記載の方法である。

【0049】

態様１４は、Ｎ－置換ラクタムがＮ－メチルカプロラクタムである、態様９～１３のいずれか１つに記載の方法である。
態様１５は、Ｎ－置換ラクタムがＮ－エチルカプロラクタムである、態様９～１３のいずれか１つに記載の方法である。

【0050】

態様１６は、Ｎ－置換ラクタムが９０％超の収率で得られる、態様９～１５のいずれか１つに記載の方法である。
態様１７は、Ｎ－メチルカプロラクタム及びＮ－エチルカプロラクタムから成る群より選択される、液体形態で、ラクタムの合計重量に基づいて１５００ｐｐｍ未満の合計プロセス溶媒含有量であるＮ－置換ラクタムである。

【0051】

態様１８は、プロセス溶媒の合計含有量が１０００ｐｐｍ未満である、態様１７に記載のラクタムである。
態様１９は、Ｎ－置換ラクタムがＮ－メチルカプロラクタムである、態様１７又は態様１８に記載のラクタムである。

【0052】

態様２０は、Ｎ－置換ラクタムがＮ－エチルカプロラクタムである、態様１７又は態様１８に記載のラクタムである。
本開示を例示的な設計に関して記載してきたが、本開示は、本開示の趣旨及び範囲内で、さらに改変され得る。さらに、本出願は、本開示が属する技術分野における公知の又は慣習的な実践の範囲内に含まれるような本開示からの逸脱も包含することを意図している。