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本発明は、水や水溶性有機溶媒中で使用することができ、かつスカンジウムの漏出のない高分子担持スカンジウム触媒及びこの触媒を用いた有機合成方法に関する。
様々な金属を種々の担体に固定して金属とポリマーの複合体として、様々な反応に触媒として使用する試みは古くから行われている。
本発明者らは、スカンジウムなどのルイス酸金属化合物を高分子中に内包させ、ルイス酸金属触媒としての機能を保ったまま、これを担体に固定し、又は網状に結合させた形態を持たせた、回収及び再使用が可能である高分子内包ルイス酸金属触媒を開発している（特許文献１、非特許文献１）。 J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13096-13097
本発明者らが開発した高分子内包ルイス酸金属触媒（特許文献１、非特許文献１）は、アルドール反応、シアノ化反応、アリル化反応、マイケル反応、マンニッヒ反応など多くの有機合成反応において有効に機能するが、非水溶性有機溶媒中の使用に限られ、水や水溶性有機溶媒中で使用することはできなかった。 またこの触媒以外にも、従来水や水溶性有機溶媒中でスカンジウムの漏出のないスカンジウム触媒は存在しなかった。
そのため、本発明は、水や水溶性有機溶媒中で使用することができ、かつスカンジウムの漏出のないスカンジウム触媒を提供することを目的とする。
本願発明者は、粒径が1〜50nm程度の金クラスターを利用して、これにスルホン酸塩基やビニル基を有するジスルフィドを反応させて、金クラスターをこれらに内包させた金−高分子ナノ構造体を形成し、そのスルホン酸塩基にスカンジウムのルイス酸金属化合物を担持させ、更にビニル基を重合させて高分子化することにより、金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒を構成した。
この触媒は、水や水溶性有機溶媒中で使用することができ、スカンジウム触媒として機能し、かつスカンジウムの漏出のない高分子担持スカンジウム触媒であることが明らかになった。 即ち、本発明は、液相で、粒径が１〜５０ｎｍの金クラスター、ジスルフィドモノマー、ジスルフィドのスルホン酸塩、及びＳｃＹ ３ （式中、Ｙはハロゲン原子、ＯＡｃ、ＯＣＯＣＦ ３ 、ＣｌＯ ４ 、ＳｂＦ ６ 、ＰF ６又はＯＳＯ ２ ＣＦ ３を表す。）で表されるルイス酸金属化合物を混合し、ラジカル重合開始剤の存在下で重合することにより形成された金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒であって、
該ジスルフィドモノマーが下式 ＣＨ ２ ＝ＣＨ−Ｒ １ −Ｓ−Ｓ−Ｒ １ −ＣＨ＝ＣＨ ２
（式中、Ｒ １はエーテル結合を含んでもよい２価の炭化水素鎖を表す。）で表わされ、
該ジスルフィドのスルホン酸塩が下式 ＭＯ ３ Ｓ−Ｒ ２ −Ｓ−Ｓ−Ｒ ２ −ＳＯ ３ Ｍ
（式中、Ｒ ２はエーテル結合を含んでもよい２価の炭化水素鎖を表し、Ｍはアルカリ金属を表す。）で表わされる、金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒である。
重合する際に更にスチレンモノマーを混合してもよい。
更に、本発明は、この触媒の、アルドール反応、シアノ化反応、アリル化反応、マイケル反応、マンニッヒ反応、ディールスアルダー反応又はフリーデルクラフツ反応のための使用である。 この反応は水、水溶性有機溶媒又はこれらの混合溶媒中で行われてもよい。
実施例１の金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒の合成の概略図である。 実施例１で合成した金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒の構造を示す図である。
本発明の金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒は、液相で、粒径が１〜５０ｎｍ、好ましくは１〜１０ｎｍの金クラスター、ジスルフィドモノマー、ジスルフィドのスルホン酸塩、及びＳｃＹ ３ （式中、Ｙは後述する。）で表されるルイス酸金属化合物を混合し、ラジカル重合開始剤の存在下で重合することにより形成される。 本発明で用いる金クラスターは、通常溶媒又は有機物質中に粒径が１〜５０ｎｍ、好ましくは１〜１０ｎｍの金クラスターとして分散しているものであれば特に限定されない。 このような金クラスターの製法は公知であり、例えば、Tsukuda et al. JACS, 2005, 127, 13464.、Hutchison et al. J. Phys. Chem.B 2002, 106, 9979.、Murray et al. JACS, 2005, 127, 8126.等の文献に記載されている。 本発明で用いるジスルフィドモノマーは、下式 ＣＨ ２ ＝ＣＨ−Ｒ １ −Ｓ−Ｓ−Ｒ １ −ＣＨ＝ＣＨ ２
で表わされる。
式中、Ｒ １は、エーテル結合（−Ｏ−）を含んでもよい２価の炭化水素鎖を表す。 この炭化水素鎖は、好ましくは、アルキレン基、アリーレン基若しくはアルキレンオキシド、又はこれらのうち少なくとも２つがブロック状に結合した鎖であり、直鎖であっても分岐であってもよく、全体の炭素数は好ましくは５〜１００程度である。 アルキレン基としては、例えば、−（ＣＨ ２ ） ｎ −（式中、ｎは全体の中のアルキレン基の炭素数に相当する数字を表す。）が挙げられ、アリーレン基としては、例えば、フェニレン基、ナフタレン基などが挙げられる。 アルキレンオキシドとしては、例えば、−（ＣＨ ２ ＣＨ ２ Ｏ） ｍ −や−（ＣＨ ２ Ｏ） ｍ −（式中、ｎは全体の中のアルキレンオキシドの炭素数に相当する数字を表す。）又はこれらが混在するアルキレンオキシド鎖などが挙げられる。 本発明で用いるジスルフィドのスルホン酸塩は、下式 ＭＯ ３ Ｓ−Ｒ ２ −Ｓ−Ｓ−Ｒ ２ −ＳＯ ３ Ｍ
で表わされる。
式中、Ｒ ２はエーテル結合を含んでもよい２価の炭化水素鎖を表し、Ｒ １と同様に定義される。
Ｍはアルカリ金属、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等を表す。 本発明で用いるスカンジウムのルイス酸金属化合物はＳｃＹ ３で表される。
Ｙはハロゲン原子、ＯＡｃ、ＯＣＯＣＦ ３ 、ＣｌＯ ４ 、ＳｂＦ ６ 、ＰF ６又はＯＳＯ ２ ＣＦ ３ （ＯＴｆ）、好ましくはＯＴｆを表す。
ジスルフィドのスルホン酸塩のアルカリ金属Ｍ ＋は溶液中で、このルイス酸金属化合物のＳｃＹ ２ ＋と置換され、下式のようにジスルフィドのスルホン酸塩はＳｃの塩となる。
後述するように金クラスターに結合したジスルフィドは高分子化されるので、Ｓｃ金属はこの高分子に固定化されるので、漏出することがなくなる。 これらを液相で混合すると、ジスルフィドモノマー及びジスルフィドのスルホン酸塩のジスルフィドがＡｕ−Ｓ結合となって、優先的に金クラスターに結合し、金クラスターをジスルフィドモノマー及びジスルフィドのスルホン酸塩が内包する形態となる。
この混合物にスチレンモノマーを加えておいてもよい。
溶媒としては、特に限定されないが、極性溶媒であるＴＨＦ、ジオキサン、アセトン、ＤＭＦ、ＮＭＰ、メタノール、エタノール、ブタノール、アミルアルコールなど、非極性溶媒でるトルエン、シクロヘキサン、ジクロロメタン、クロロホルム、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどが使用できる。
溶液中の、ジスルフィドモノマー濃度は０．５〜４Ｍ、好ましくは１〜２Ｍである。 ジスルフィドのスルホン酸塩の配合量は、ジスルフィドモノマー１モルに対して０．１〜１０モル、好ましくは０．５〜２モルであり、スカンジウムのルイス酸金属化合物の配合量はジスルフィドモノマー１モルに対して１〜１０モル、好ましくは１．５〜３モルである。 スチレンモノマーはジスルフィドモノマー１モルに対して０〜５０モル、好ましくは１〜９モル加えてもよい。 このように、金クラスターをジスルフィドモノマー及びジスルフィドのスルホン酸塩が内包し、更に３価のスカンジウムが担持されて、任意に更にスチレンモノマーを含有するミセル状混合物が形成される。
ジスルフィドモノマーに含有させたビニル基及び任意に混合したスチレンモノマーを架橋させて、このミセル状混合物を高分子化する。
重合反応は、過酸化物やアゾ化合物等のラジカル重合開始剤を用いて、慣用の方法で行うことができる。
重合させる際の温度は、通常50〜160℃、好ましくは60〜120℃程度である。
加熱重合反応させる際の反応時間は、通常0.1〜100時間、好ましくは1〜10時間程度である。 このようにして得られた金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒は、アルドール反応、シアノ化反応、アリル化反応、マイケル反応、マンニッヒ反応、ディールスアルダー反応及びフリーデルクラフツ反応などに用いることができ、非常に高い活性を示す。
本発明の触媒は、如何なる溶媒においても使用することができるが、特に水、水溶性有機溶媒又はこれらの混合溶媒中において使用することができ、かつスカンジウム金属の漏出がないことが特徴である。
この水溶性有機溶媒としては、メタノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類、アセトニトリル、ＴＨＦなどが挙げられる。
以下、実施例にて本発明を例証するが本発明を限定することを意図するものではない。
1 H NMRと13 C NMRは JEOL JNM-ECX-400, JNM-ECX-500又は、JNM-ECX-600を使用し CDCl 3を溶媒とし、テトラメチルシラン (δ=0、 1 H NMR)又はCDCl 3 (δ=77.0、 13 C NMR)を内部標準物質として測定した。 高分解能質量分析 (HR-ESIMS) はBRUKER DALTONICS BioTOF II mass spectrometer 及び JEOL JMS-T100TD AccuTOF TLCにて測定した。 ICP分析はShimadzu ICPS-7510にて測定した。 カラムクロマトグラフィーには Silica gel 60 (Merck) を調整用薄層クロマトグラフィーにはWakogel B-5F(和光純薬株式会社)を使用した。 溶媒は定法に従い蒸留したものを使用した。 製造例１
この製造例では、4-4'ジスルファンジイルジフェノール（4,4'-disulfanediyldiphenol）を合成した。
パラヒドロキシチオフェノール(25.0g, 和光純薬工業（株）製)をジメチルスルホキシド（100 mL、関東化学（株）製）に０℃で溶解させた。 この反応溶液を６５℃で２４時間攪拌し、反応終了後０℃に冷却し、ジエチルエーテル（100 mL、和光純薬工業（株）製）で希釈した。 これに水を加え、水相をジエチルエーテル50 mL×３で抽出した。 この有機相を硫酸ナトリウム（和光純薬工業（株）製）で乾燥させ、クロロホルム（和光純薬工業（株）製）から再結晶して、4,4'-disulfanediyldiphenol (23.8g, 収率 96%)を得た。 以下生成物の分析結果を示す。
1 H NMR (DMSO-d 6 ) δ 6.75-6.77 (d, J=8.6 Hz, 4H), 7.26-7.28 (d, J=8.6 Hz, 4H) 9.86 (br s, 2H); 13 C NMR (DMSO-d 6 ) δ 116.4, 125.1, 133.1, 158.3; HIMS (m/z) calcd. for C 12 H 10 O 2 S 2 (MH+): 250.01135, found: 250.01218. 製造例２
この製造例では、1,2-bis(4-(4-vinylbenzyloxy)phenyl)disulfaneを合成した。
製造例１で得た4-4'ジスルファンジイルジフェノール（30.2 g）と炭酸カリウム（和光純薬工業（株）製、50 g）をDMF(TCI特級200 mL)に室温で溶かし、１−クロロメチル４−ビニルベンゼン（アルドリッチ社製、40.5 g）を加え８５℃に加熱した。 反応溶液は２４時間攪拌した。 反応溶液を０℃に冷却しジクロロメタン（関東化学（株）製、100 mL）で希釈し、水でクエンチした。 水相をジクロロメタン（100 mL）で抽出し、あわせた有機相を硫酸ナトリウムで乾燥させた。 有機溶媒を留去し、ヘキサンで洗浄して1,2-bis(4-(4-vinylbenzyloxy)phenyl) disulfane (50.2g, 収率86%)を得た。 以下生成物の分析結果を示す。
1 H NMR (CDCl 3 ) δ 5.03 (s, 4H), 5.25-5.27 (d, J=10.9 Hz, 2H) 5.75-5.78 (d, J=17.8 Hz, 2H), 6.69-6.75 (dd, J=6.3 Hz, 11.5 Hz, 11.5 Hz, 2H), 6.88-6.90 (d, J=9.2 Hz, 4H), 7.36-7.44 (m, 12H); 13 C NMR (CDCl 3 ) δ 69.8, 114.2, 115.5, 126.4, 127.7, 128.7, 132.4, 136.0, 136.3; DART-MS (m/z) calcd. for C 30 H 26 O 2 S 2 (MH + ): 482.13742, found: 482.13608. 製造例３
この製造例では、lithium 3,3'-(4,4'-disulfanediylbis(4,1-phenylene)bis(oxy))dipropane-1-sulfonateを合成した。
製造例１で得た4-4'ジスルファンフェノール（6.47 g）をエタノール（和光純薬工業（株）製100 mL）に溶かし、０℃に冷却した。 リチウムヒドロキシド（TCI特級2.58 g）をゆっくり加えた。 混合溶液を室温まで昇温し１時間攪拌した。 反応溶液を０℃に冷却し、スルトン（和光純薬工業（株）製7.89 g）を加えた。 反応溶液を室温に昇温し２４時間攪拌した。 反応終了後生じた固体をエタノール（和光純薬工業（株）製100 mL）で洗浄して lithium 3,3'-(4,4'-disulfanediylbis(4,1-phenylene)bis(oxy))dipropanme-1-sulfonate(11.6g, 収率85%)を得た。 以下生成物の分析結果を示す。
1 H NMR (D 2 O) δ 2.01-2.04 (m, 4H), 2.89-2.91 (t, J=7.6 Hz, 8.2 Hz, 4H), 3.94-3.96 (t, J=6.2 Hz, 6.9 Hz, 4H), 6.75-6.77 (d, J=8.3, 4H), 7.26-7.27 (d, J=8.9 Hz, 4H); 13 C NMR (D 2 O) δ 24.9, 48.5, 67.2, 116,0, 128.6, 132.5, 158.9. 製造例４
この製造例では、文献（JACS, 2005, 127, 13464-13465）記載の方法で金クラスターを用意した。
水素化ホウ素ナトリウム（NaBH 3 、和光純薬工業（株）製、76 mg）をクロロトリフェルホスフィン金（AuClPPh 3 、1.0g）のエタノール（和光純薬工業（株）製、55 mL）溶液に１５分かけて添加した。 室温で２時間攪拌した後、ヘキサン（1 L）に注ぎ、２０時間攪拌した。 メンブレンフィルターにて濾過し茶色の固体を得た。 メンブレンフィルターの上で得られた固体はヘキサン（100 mＬ）、ジクロロメタン／ヘキサン（1:1, 4X15 mL）、ジクロロメタン／ヘキサン（3:1、10mL）で洗浄した。 メンブレンフィルターの上に残った固体をジクロロメタン（50 mL）に溶解し、ジクロロメタンを留去することで金クラスター(382 mg) を得た。 実施例１
この実施例では、製造例２〜４で得た原料を用いて、金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒を合成した。 合成の手順を図１に示し、合成した触媒の構造を図２に示す。
ＤＭＦ(和光純薬工業（株）製、3 mL)に、製造例４で得た金クラスター(0.4 mmoL as Au)を溶解させ７０℃に加熱した。 そこに、スチレン（東京化成工業（株）製、3.42 mmol）、製造例２で得た1,2-bis(4-(4-vinylbenzyloxy)phenyl) disulfane、42 mmol）、製造例３で得たlithium 3,3'-(4,4'-disulfanediylbis(4,1-phenylene) bis(oxy))dipropane-1-sulfonate（3.42 mmol）、スカンジウムトリフラート（Sc(TOf) 3 、和光純薬工業（株）製、2.4 mmol）、12-クラウン4-エーテル(東京化成工業（株）製、1.92 mmol)、AIBN(和光純薬工業（株）製0.034 mmol)を加え、７０℃で８時間加熱した。 生じた固体をジクロロメタン（50 mL）、メタノール（和光純薬工業（株）製、50 mL）水で洗浄し、スカンジウム触媒を得た（以下この触媒を「GS Y触媒」という。）。 このスカンジウム触媒中の各金属の含有量は、Sc 0.0804 mmol/g、Au 0.132 mmol/g、Li 0.0303 mmol/gであった。 実施例２
溶媒をＤＭＦからクロロホルムと水を容積比２：１で混合した混合溶媒に代えて、実施例１と同様にしてスカンジウム触媒を得た（以下この触媒を「GS X触媒」という。）。 このスカンジウム触媒中の各金属の含有量は、Sc 0.0500 mmol/g、Au 0.100 mmol/g、Li 0.0180 mmol/gであった。 実施例３
この実施例では、実施例１で合成したGS Y触媒を用いて、下式に従ってホルムアルデヒドとケイ素エノラートからヒドロキシメチル化化合物を合成した。
GS Y触媒（Scで0.02 mmol）をアセトニトリル（和光純薬工業（株）製、2 mL）に入れ、これに37%ホルムアルデヒド水溶液（和光純薬工業（株）製、150μL）とシリルエノールエーテル（和光純薬工業（株）製、0.4 mmol）を加えて、室温でアルゴン雰囲気下５時間攪拌した。 CS Y触媒を濾過によって取り除き、溶媒を留去し、薄層クロマトグラフィー（pTLC）で精製し、ヒドロキシメチル化体（3-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one）を得た。 また、溶媒をＴＨＦ(和光純薬工業（株）製、脱水）に代えて同様の合成反応を行った、また触媒を回収して再使用した。 以下生成物の分析結果を示す。
1 H NMR (CDCl 3 ) δ 1.23-1.25 (d, J = 7.4 Hz, 3H), 2.28 (br s, 1H), 3.67 (m, 1H), 3.83 (m, 1H), 3.93 (m, 1H), 7.46-7.61 (m, 3H), 7.95-7.98 (m, 2H); 13 C NMR (CDCl 3 ) δ 14.5, 42.9, 64.5, 128.4, 128.7, 133.3, 136.1, 204.4.
これらの反応の結果を表１に示す。
本願発明のGS Y触媒はシリルエノールエーテルのホルムアルデヒド水溶液を用いたヒドロキシメチル化反応に有効に機能した。 含水溶媒中にもかかわらず、スカンジウムの漏出はICP分析において全く観測されなかった。 回収再使用も可能であった。 実施例４
この実施例では、GS Y触媒に代えて実施例２で合成したGS X触媒を用い、溶媒にＴＨＦを用い、反応時間を２日として、実施例３と同様の反応を行なった。 その結果実施例３と同じヒドロキシメチル化体（3-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one）を得た。 結果を下表に示す。
GS X触媒は収率はGS Y触媒とほぼ同様の性能を示した。 スカンジウムの漏出はICP分析において全く観測されず、回収再使用も可能であった。 比較例１
この比較例では、GS Y触媒に代えてスカンジウムオキサイド（Sc 2 O 3 、和光純薬工業（株）製、特級）とスカンジウムクロライド（ScCl 3 、和光純薬工業（株）製、特級）を用いて、Sc量を0.02 mmolに合わせて、実施例３と同様の反応を行なった。
その結果、ヒドロキシメチル化体（3-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one）の収率は、スカンジウムオキサイドを用いた場合には０％、スカンジウムクロライドを用いた場合には２１％であった。 実施例５
この実施例では、実施例１で合成したGS Y触媒を用いて、下式に従ってジュロリジン誘導体を合成した。
GS Y触媒（Scで0.02 mmol）をアセトニトリル（2 mL）に入れ、37%ホルムアルデヒド水溶液（150μL）とパラクロロアニリン（和光純薬工業（株）製、51.0 mg）、２，３ジヒドロフラン（東京化成工業（株）製、90.4μL）を加えて、室温でアルゴン雰囲気下48時間攪拌した。 GS Y触媒を濾過によって取り除き、溶媒を留去し、薄層クロマトグラフィー（pTLC）で精製し、ジュロリジン誘導体を得た（全収率98%、Trans体54%、Cis体44%）。 なおスカンジウムの漏出はICP分析において観測されなかった。 以下生成物の分析結果を示す。 Julolidine Trans体：
1 H NMR (CDCl 3 ) δ 1.89-1.92 (m, 2H), 2.15-2.18 (m, 2H), 2.60 (m, 2H), 2.80-2.83(m, 2H), 2.97-3.00 (m, 2H), 3.77-3.82 (m, 2H), 3.86-3.90 (m, 2H), 4.68-4.70 (d, J=6.3 Hz, 2H), 7.22 (s, 2H); 13 C NMR (CDCl 3 ) δ 24.8, 29.3, 36.1, 51.1, 65.9, 74.5, 123.0, 123.9, 130.1, 142.3; DART-MS (m/z) calcd. for C 16 H 18 NO 2 Cl(MH + ): 291.10261, found: 291.10343. CCDC 762699.
Julolidine Cis体：
1 H NMR (CDCl 3 ) δ 1.70-1.74 (m, 2H), 2.24-2.29 (m, 2H), 2.50 (m, 2H), 2.59 (m, 2H), 2.93-2.96 (m, 2H), 3.79-3.84 (m, 2H), 3.93-3.98 (m, 2H), 4.47-4.48 (d, J=4.6, 2H), 7.28 (s, 2H); 13 C NMR (CDCl 3 ) δ 30.0, 30.9, 35.4, 51.0, 66.0, 123.6, 127.9, 132.3, 142.8; DART-MS (m/z) calcd. for C 16 H 18 NO 2 Cl(MH + ): 291.10261, found: 291.10343. CCDC 762698. 比較例２
この比較例では、GS Y触媒に代えてスカンジウムトリフラート（Sc(OTf) 3 、和光純薬工業（株）製）を用いて、Sc量を0.02 mmolに合わせて、実施例６と同様の反応を行なった。
その結果、実施例６と同じジュロリジン誘導体を得たが、収率は低かった（全収率71%、Trans体35%、Cis体35%）。
本発明は、水や水溶性有機溶媒中で使用することができ、かつスカンジウムの漏出のない高分子担持スカンジウム触媒及びこの触媒を用いた有機合成方法に関する。
様々な金属を種々の担体に固定して金属とポリマーの複合体として、様々な反応に触媒として使用する試みは古くから行われている。
本発明者らは、スカンジウムなどのルイス酸金属化合物を高分子中に内包させ、ルイス酸金属触媒としての機能を保ったまま、これを担体に固定し、又は網状に結合させた形態を持たせた、回収及び再使用が可能である高分子内包ルイス酸金属触媒を開発している（特許文献１、非特許文献１）。 J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13096-13097
本発明者らが開発した高分子内包ルイス酸金属触媒（特許文献１、非特許文献１）は、アルドール反応、シアノ化反応、アリル化反応、マイケル反応、マンニッヒ反応など多くの有機合成反応において有効に機能するが、非水溶性有機溶媒中の使用に限られ、水や水溶性有機溶媒中で使用することはできなかった。 またこの触媒以外にも、従来水や水溶性有機溶媒中でスカンジウムの漏出のないスカンジウム触媒は存在しなかった。
そのため、本発明は、水や水溶性有機溶媒中で使用することができ、かつスカンジウムの漏出のないスカンジウム触媒を提供することを目的とする。
本願発明者は、粒径が1〜50nm程度の金クラスターを利用して、これにスルホン酸塩基やビニル基を有するジスルフィドを反応させて、金クラスターをこれらに内包させた金−高分子ナノ構造体を形成し、そのスルホン酸塩基にスカンジウムのルイス酸金属化合物を担持させ、更にビニル基を重合させて高分子化することにより、金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒を構成した。
この触媒は、水や水溶性有機溶媒中で使用することができ、スカンジウム触媒として機能し、かつスカンジウムの漏出のない高分子担持スカンジウム触媒であることが明らかになった。 即ち、本発明は、液相で、粒径が１〜５０ｎｍの金クラスター、ジスルフィドモノマー、ジスルフィドのスルホン酸塩、及びＳｃＹ ３ （式中、Ｙはハロゲン原子、ＯＡｃ、ＯＣＯＣＦ ３ 、ＣｌＯ ４ 、ＳｂＦ ６ 、ＰF ６又はＯＳＯ ２ ＣＦ ３を表す。）で表されるルイス酸金属化合物を混合し、ラジカル重合開始剤の存在下で重合することにより形成された金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒であって、
該ジスルフィドモノマーが下式 ＣＨ ２ ＝ＣＨ−Ｒ １ −Ｓ−Ｓ−Ｒ １ −ＣＨ＝ＣＨ ２
（式中、Ｒ １はエーテル結合を含んでもよい２価の炭化水素鎖を表す。）で表わされ、
該ジスルフィドのスルホン酸塩が下式 ＭＯ ３ Ｓ−Ｒ ２ −Ｓ−Ｓ−Ｒ ２ −ＳＯ ３ Ｍ
（式中、Ｒ ２はエーテル結合を含んでもよい２価の炭化水素鎖を表し、Ｍはアルカリ金属を表す。）で表わされる、金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒である。
重合する際に更にスチレンモノマーを混合してもよい。
更に、本発明は、この触媒の、アルドール反応、シアノ化反応、アリル化反応、マイケル反応、マンニッヒ反応、ディールスアルダー反応又はフリーデルクラフツ反応のための使用である。 この反応は水、水溶性有機溶媒又はこれらの混合溶媒中で行われてもよい。
実施例１の金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒の合成の概略図である。 実施例１で合成した金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒の構造を示す図である。
本発明の金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒は、液相で、粒径が１〜５０ｎｍ、好ましくは１〜１０ｎｍの金クラスター、ジスルフィドモノマー、ジスルフィドのスルホン酸塩、及びＳｃＹ ３ （式中、Ｙは後述する。）で表されるルイス酸金属化合物を混合し、ラジカル重合開始剤の存在下で重合することにより形成される。 本発明で用いる金クラスターは、通常溶媒又は有機物質中に粒径が１〜５０ｎｍ、好ましくは１〜１０ｎｍの金クラスターとして分散しているものであれば特に限定されない。 このような金クラスターの製法は公知であり、例えば、Tsukuda et al. JACS, 2005, 127, 13464.、Hutchison et al. J. Phys. Chem.B 2002, 106, 9979.、Murray et al. JACS, 2005, 127, 8126.等の文献に記載されている。 本発明で用いるジスルフィドモノマーは、下式 ＣＨ ２ ＝ＣＨ−Ｒ １ −Ｓ−Ｓ−Ｒ １ −ＣＨ＝ＣＨ ２
で表わされる。
式中、Ｒ １は、エーテル結合（−Ｏ−）を含んでもよい２価の炭化水素鎖を表す。 この炭化水素鎖は、好ましくは、アルキレン基、アリーレン基若しくはアルキレンオキシド、又はこれらのうち少なくとも２つがブロック状に結合した鎖であり、直鎖であっても分岐であってもよく、全体の炭素数は好ましくは５〜１００程度である。 アルキレン基としては、例えば、−（ＣＨ ２ ） ｎ −（式中、ｎは全体の中のアルキレン基の炭素数に相当する数字を表す。）が挙げられ、アリーレン基としては、例えば、フェニレン基、ナフタレン基などが挙げられる。 アルキレンオキシドとしては、例えば、−（ＣＨ ２ ＣＨ ２ Ｏ） ｍ −や−（ＣＨ ２ Ｏ） ｍ −（式中、ｎは全体の中のアルキレンオキシドの炭素数に相当する数字を表す。）又はこれらが混在するアルキレンオキシド鎖などが挙げられる。 本発明で用いるジスルフィドのスルホン酸塩は、下式 ＭＯ ３ Ｓ−Ｒ ２ −Ｓ−Ｓ−Ｒ ２ −ＳＯ ３ Ｍ
で表わされる。
式中、Ｒ ２はエーテル結合を含んでもよい２価の炭化水素鎖を表し、Ｒ １と同様に定義される。
Ｍはアルカリ金属、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等を表す。 本発明で用いるスカンジウムのルイス酸金属化合物はＳｃＹ ３で表される。
Ｙはハロゲン原子、ＯＡｃ、ＯＣＯＣＦ ３ 、ＣｌＯ ４ 、ＳｂＦ ６ 、ＰF ６又はＯＳＯ ２ ＣＦ ３ （ＯＴｆ）、好ましくはＯＴｆを表す。
ジスルフィドのスルホン酸塩のアルカリ金属Ｍ ＋は溶液中で、このルイス酸金属化合物のＳｃＹ ２ ＋と置換され、下式のようにジスルフィドのスルホン酸塩はＳｃの塩となる。
後述するように金クラスターに結合したジスルフィドは高分子化されるので、Ｓｃ金属はこの高分子に固定化されるので、漏出することがなくなる。 これらを液相で混合すると、ジスルフィドモノマー及びジスルフィドのスルホン酸塩のジスルフィドがＡｕ−Ｓ結合となって、優先的に金クラスターに結合し、金クラスターをジスルフィドモノマー及びジスルフィドのスルホン酸塩が内包する形態となる。
この混合物にスチレンモノマーを加えておいてもよい。
溶媒としては、特に限定されないが、極性溶媒であるＴＨＦ、ジオキサン、アセトン、ＤＭＦ、ＮＭＰ、メタノール、エタノール、ブタノール、アミルアルコールなど、非極性溶媒でるトルエン、シクロヘキサン、ジクロロメタン、クロロホルム、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなどが使用できる。
溶液中の、ジスルフィドモノマー濃度は０．５〜４Ｍ、好ましくは１〜２Ｍである。 ジスルフィドのスルホン酸塩の配合量は、ジスルフィドモノマー１モルに対して０．１〜１０モル、好ましくは０．５〜２モルであり、スカンジウムのルイス酸金属化合物の配合量はジスルフィドモノマー１モルに対して１〜１０モル、好ましくは１．５〜３モルである。 スチレンモノマーはジスルフィドモノマー１モルに対して０〜５０モル、好ましくは１〜９モル加えてもよい。 このように、金クラスターをジスルフィドモノマー及びジスルフィドのスルホン酸塩が内包し、更に３価のスカンジウムが担持されて、任意に更にスチレンモノマーを含有するミセル状混合物が形成される。
ジスルフィドモノマーに含有させたビニル基及び任意に混合したスチレンモノマーを架橋させて、このミセル状混合物を高分子化する。
重合反応は、過酸化物やアゾ化合物等のラジカル重合開始剤を用いて、慣用の方法で行うことができる。
重合させる際の温度は、通常50〜160℃、好ましくは60〜120℃程度である。
加熱重合反応させる際の反応時間は、通常0.1〜100時間、好ましくは1〜10時間程度である。 このようにして得られた金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒は、アルドール反応、シアノ化反応、アリル化反応、マイケル反応、マンニッヒ反応、ディールスアルダー反応及びフリーデルクラフツ反応などに用いることができ、非常に高い活性を示す。
本発明の触媒は、如何なる溶媒においても使用することができるが、特に水、水溶性有機溶媒又はこれらの混合溶媒中において使用することができ、かつスカンジウム金属の漏出がないことが特徴である。
この水溶性有機溶媒としては、メタノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類、アセトニトリル、ＴＨＦなどが挙げられる。
以下、実施例にて本発明を例証するが本発明を限定することを意図するものではない。
1 H NMRと13 C NMRは JEOL JNM-ECX-400, JNM-ECX-500又は、JNM-ECX-600を使用し CDCl 3を溶媒とし、テトラメチルシラン (δ=0、 1 H NMR)又はCDCl 3 (δ=77.0、 13 C NMR)を内部標準物質として測定した。 高分解能質量分析 (HR-ESIMS) はBRUKER DALTONICS BioTOF II mass spectrometer 及び JEOL JMS-T100TD AccuTOF TLCにて測定した。 ICP分析はShimadzu ICPS-7510にて測定した。 カラムクロマトグラフィーには Silica gel 60 (Merck) を調整用薄層クロマトグラフィーにはWakogel B-5F(和光純薬株式会社)を使用した。 溶媒は定法に従い蒸留したものを使用した。 製造例１
この製造例では、4-4'ジスルファンジイルジフェノール（4,4'-disulfanediyldiphenol）を合成した。
パラヒドロキシチオフェノール(25.0g, 和光純薬工業（株）製)をジメチルスルホキシド（100 mL、関東化学（株）製）に０℃で溶解させた。 この反応溶液を６５℃で２４時間攪拌し、反応終了後０℃に冷却し、ジエチルエーテル（100 mL、和光純薬工業（株）製）で希釈した。 これに水を加え、水相をジエチルエーテル50 mL×３で抽出した。 この有機相を硫酸ナトリウム（和光純薬工業（株）製）で乾燥させ、クロロホルム（和光純薬工業（株）製）から再結晶して、4,4'-disulfanediyldiphenol (23.8g, 収率 96%)を得た。 以下生成物の分析結果を示す。
1 H NMR (DMSO-d 6 ) δ 6.75-6.77 (d, J=8.6 Hz, 4H), 7.26-7.28 (d, J=8.6 Hz, 4H) 9.86 (br s, 2H); 13 C NMR (DMSO-d 6 ) δ 116.4, 125.1, 133.1, 158.3; HIMS (m/z) calcd. for C 12 H 10 O 2 S 2 (MH+): 250.01135, found: 250.01218. 製造例２
この製造例では、1,2-bis(4-(4-vinylbenzyloxy)phenyl)disulfaneを合成した。
製造例１で得た4-4'ジスルファンジイルジフェノール（30.2 g）と炭酸カリウム（和光純薬工業（株）製、50 g）をDMF(TCI特級200 mL)に室温で溶かし、１−クロロメチル４−ビニルベンゼン（アルドリッチ社製、40.5 g）を加え８５℃に加熱した。 反応溶液は２４時間攪拌した。 反応溶液を０℃に冷却しジクロロメタン（関東化学（株）製、100 mL）で希釈し、水でクエンチした。 水相をジクロロメタン（100 mL）で抽出し、あわせた有機相を硫酸ナトリウムで乾燥させた。 有機溶媒を留去し、ヘキサンで洗浄して1,2-bis(4-(4-vinylbenzyloxy)phenyl) disulfane (50.2g, 収率86%)を得た。 以下生成物の分析結果を示す。
1 H NMR (CDCl 3 ) δ 5.03 (s, 4H), 5.25-5.27 (d, J=10.9 Hz, 2H) 5.75-5.78 (d, J=17.8 Hz, 2H), 6.69-6.75 (dd, J=6.3 Hz, 11.5 Hz, 11.5 Hz, 2H), 6.88-6.90 (d, J=9.2 Hz, 4H), 7.36-7.44 (m, 12H); 13 C NMR (CDCl 3 ) δ 69.8, 114.2, 115.5, 126.4, 127.7, 128.7, 132.4, 136.0, 136.3; DART-MS (m/z) calcd. for C 30 H 26 O 2 S 2 (MH + ): 482.13742, found: 482.13608. 製造例３
この製造例では、lithium 3,3'-(4,4'-disulfanediylbis(4,1-phenylene)bis(oxy))dipropane-1-sulfonateを合成した。
製造例１で得た4-4'ジスルファンフェノール（6.47 g）をエタノール（和光純薬工業（株）製100 mL）に溶かし、０℃に冷却した。 リチウムヒドロキシド（TCI特級2.58 g）をゆっくり加えた。 混合溶液を室温まで昇温し１時間攪拌した。 反応溶液を０℃に冷却し、スルトン（和光純薬工業（株）製7.89 g）を加えた。 反応溶液を室温に昇温し２４時間攪拌した。 反応終了後生じた固体をエタノール（和光純薬工業（株）製100 mL）で洗浄して lithium 3,3'-(4,4'-disulfanediylbis(4,1-phenylene)bis(oxy))dipropanme-1-sulfonate(11.6g, 収率85%)を得た。 以下生成物の分析結果を示す。
1 H NMR (D 2 O) δ 2.01-2.04 (m, 4H), 2.89-2.91 (t, J=7.6 Hz, 8.2 Hz, 4H), 3.94-3.96 (t, J=6.2 Hz, 6.9 Hz, 4H), 6.75-6.77 (d, J=8.3, 4H), 7.26-7.27 (d, J=8.9 Hz, 4H); 13 C NMR (D 2 O) δ 24.9, 48.5, 67.2, 116,0, 128.6, 132.5, 158.9. 製造例４
この製造例では、文献（JACS, 2005, 127, 13464-13465）記載の方法で金クラスターを用意した。
水素化ホウ素ナトリウム（NaBH 3 、和光純薬工業（株）製、76 mg）をクロロトリフェニルホスフィン金（AuClPPh 3 、1.0g）のエタノール（和光純薬工業（株）製、55 mL）溶液に１５分かけて添加した。 室温で２時間攪拌した後、ヘキサン（1 L）に注ぎ、２０時間攪拌した。 メンブレンフィルターにて濾過し茶色の固体を得た。 メンブレンフィルターの上で得られた固体はヘキサン（100 mＬ）、ジクロロメタン／ヘキサン（1:1, 4X15 mL）、ジクロロメタン／ヘキサン（3:1、10mL）で洗浄した。 メンブレンフィルターの上に残った固体をジクロロメタン（50 mL）に溶解し、ジクロロメタンを留去することで金クラスター(382 mg) を得た。 実施例１
この実施例では、製造例２〜４で得た原料を用いて、金−高分子ナノ構造体担持スカンジウム触媒を合成した。 合成の手順を図１に示し、合成した触媒の構造を図２に示す。
ＤＭＦ(和光純薬工業（株）製、3 mL)に、製造例４で得た金クラスター(0.4 mmoL as Au)を溶解させ７０℃に加熱した。 そこに、スチレン（東京化成工業（株）製、3.42 mmol）、製造例２で得た1,2-bis(4-(4-vinylbenzyloxy)phenyl) disulfane、42 mmol）、製造例３で得たlithium 3,3'-(4,4'-disulfanediylbis(4,1-phenylene) bis(oxy))dipropane-1-sulfonate（3.42 mmol）、スカンジウムトリフラート（Sc(TOf) 3 、和光純薬工業（株）製、2.4 mmol）、12-クラウン4-エーテル(東京化成工業（株）製、1.92 mmol)、AIBN(和光純薬工業（株）製0.034 mmol)を加え、７０℃で８時間加熱した。 生じた固体をジクロロメタン（50 mL）、メタノール（和光純薬工業（株）製、50 mL）水で洗浄し、スカンジウム触媒を得た（以下この触媒を「GS Y触媒」という。）。 このスカンジウム触媒中の各金属の含有量は、Sc 0.0804 mmol/g、Au 0.132 mmol/g、Li 0.0303 mmol/gであった。 実施例２
溶媒をＤＭＦからクロロホルムと水を容積比２：１で混合した混合溶媒に代えて、実施例１と同様にしてスカンジウム触媒を得た（以下この触媒を「GS X触媒」という。）。 このスカンジウム触媒中の各金属の含有量は、Sc 0.0500 mmol/g、Au 0.100 mmol/g、Li 0.0180 mmol/gであった。 実施例３
この実施例では、実施例１で合成したGS Y触媒を用いて、下式に従ってホルムアルデヒドとケイ素エノラートからヒドロキシメチル化化合物を合成した。
GS Y触媒（Scで0.02 mmol）をアセトニトリル（和光純薬工業（株）製、2 mL）に入れ、これに37%ホルムアルデヒド水溶液（和光純薬工業（株）製、150μL）とシリルエノールエーテル（和光純薬工業（株）製、0.4 mmol）を加えて、室温でアルゴン雰囲気下５時間攪拌した。 CS Y触媒を濾過によって取り除き、溶媒を留去し、薄層クロマトグラフィー（pTLC）で精製し、ヒドロキシメチル化体（3-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one）を得た。 また、溶媒をＴＨＦ(和光純薬工業（株）製、脱水）に代えて同様の合成反応を行った、また触媒を回収して再使用した。 以下生成物の分析結果を示す。
1 H NMR (CDCl 3 ) δ 1.23-1.25 (d, J = 7.4 Hz, 3H), 2.28 (br s, 1H), 3.67 (m, 1H), 3.83 (m, 1H), 3.93 (m, 1H), 7.46-7.61 (m, 3H), 7.95-7.98 (m, 2H); 13 C NMR (CDCl 3 ) δ 14.5, 42.9, 64.5, 128.4, 128.7, 133.3, 136.1, 204.4.
これらの反応の結果を表１に示す。
本願発明のGS Y触媒はシリルエノールエーテルのホルムアルデヒド水溶液を用いたヒドロキシメチル化反応に有効に機能した。 含水溶媒中にもかかわらず、スカンジウムの漏出はICP分析において全く観測されなかった。 回収再使用も可能であった。 実施例４
この実施例では、GS Y触媒に代えて実施例２で合成したGS X触媒を用い、溶媒にＴＨＦを用い、反応時間を２日として、実施例３と同様の反応を行なった。 その結果実施例３と同じヒドロキシメチル化体（3-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one）を得た。 結果を下表に示す。
GS X触媒は収率はGS Y触媒とほぼ同様の性能を示した。 スカンジウムの漏出はICP分析において全く観測されず、回収再使用も可能であった。 比較例１
この比較例では、GS Y触媒に代えてスカンジウムオキサイド（Sc 2 O 3 、和光純薬工業（株）製、特級）とスカンジウムクロライド（ScCl 3 、和光純薬工業（株）製、特級）を用いて、Sc量を0.02 mmolに合わせて、実施例３と同様の反応を行なった。
その結果、ヒドロキシメチル化体（3-hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-one）の収率は、スカンジウムオキサイドを用いた場合には０％、スカンジウムクロライドを用いた場合には２１％であった。 実施例５
この実施例では、実施例１で合成したGS Y触媒を用いて、下式に従ってジュロリジン誘導体を合成した。
GS Y触媒（Scで0.02 mmol）をアセトニトリル（2 mL）に入れ、37%ホルムアルデヒド水溶液（150μL）とパラクロロアニリン（和光純薬工業（株）製、51.0 mg）、２，３ジヒドロフラン（東京化成工業（株）製、90.4μL）を加えて、室温でアルゴン雰囲気下48時間攪拌した。 GS Y触媒を濾過によって取り除き、溶媒を留去し、薄層クロマトグラフィー（pTLC）で精製し、ジュロリジン誘導体を得た（全収率98%、Trans体54%、Cis体44%）。 なおスカンジウムの漏出はICP分析において観測されなかった。 以下生成物の分析結果を示す。 Julolidine Trans体：
1 H NMR (CDCl 3 ) δ 1.89-1.92 (m, 2H), 2.15-2.18 (m, 2H), 2.60 (m, 2H), 2.80-2.83(m, 2H), 2.97-3.00 (m, 2H), 3.77-3.82 (m, 2H), 3.86-3.90 (m, 2H), 4.68-4.70 (d, J=6.3 Hz, 2H), 7.22 (s, 2H); 13 C NMR (CDCl 3 ) δ 24.8, 29.3, 36.1, 51.1, 65.9, 74.5, 123.0, 123.9, 130.1, 142.3; DART-MS (m/z) calcd. for C 16 H 18 NO 2 Cl(MH + ): 291.10261, found: 291.10343. CCDC 762699.
Julolidine Cis体：
1 H NMR (CDCl 3 ) δ 1.70-1.74 (m, 2H), 2.24-2.29 (m, 2H), 2.50 (m, 2H), 2.59 (m, 2H), 2.93-2.96 (m, 2H), 3.79-3.84 (m, 2H), 3.93-3.98 (m, 2H), 4.47-4.48 (d, J=4.6, 2H), 7.28 (s, 2H); 13 C NMR (CDCl 3 ) δ 30.0, 30.9, 35.4, 51.0, 66.0, 123.6, 127.9, 132.3, 142.8; DART-MS (m/z) calcd. for C 16 H 18 NO 2 Cl(MH + ): 291.10261, found: 291.10343. CCDC 762698. 比較例２
この比較例では、GS Y触媒に代えてスカンジウムトリフラート（Sc(OTf) 3 、和光純薬工業（株）製）を用いて、Sc量を0.02 mmolに合わせて、実施例５と同様の反応を行なった。
その結果、実施例５と同じジュロリジン誘導体を得たが、収率は低かった（全収率71%、Trans体35%、Cis体35%）。 |
