JP2010150220A - アダマンタンカルボン酸エステル類の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アダマンタン骨格を有し、光学特性や耐熱性、酸解離性などに優れたアダマンタンカルボン酸エステル類を効率的に製造できるアダマンタンカルボン酸エステル類の製造方法を提供すること。
【解決手段】アダマンタンジオール類をプロトン酸と混合させた後に一酸化炭素もしくは一酸化炭素源を加え、その後、アルコール化合物を添加して反応させ、有機溶媒で抽出して分離精製することを特徴とするアダマンタンカルボン酸エステル類の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、アダマンタン骨格を有し、光学特性や耐熱性、酸解離性などに優れた、架橋型樹脂、光ファイバーや光導波路、光ディスク基板、フォトレジストなどの光学材料およびその原料、医薬・農薬中間体、その他各種工業製品などとして有用な新規なアダマンタンカルボン酸エステル類の製造方法に関する。

アダマンタンは剛直な構造を有し、また対称性が高く、その誘導体は特異な機能を示すことから、高機能樹脂材料や医薬中間体、光学材料（特許文献１及び２）、フォトレジスト（特許文献３）などに有用であることが知られている。特にアダマンタンカルボン酸エステル類はポリエステル原料として有用である。また、アダマンタン誘導体は、特許文献４に記載フォトレジスト材料の原料として使用される。

通常、式（３）で表されるアダマンタンカルボン酸エステル類は、式（１）で表されるアダマンタンジオール類をプロトン酸中で一酸化炭素もしくは一酸化炭素源と反応させた後、いったん反応溶液を水などの貧溶媒で晶析して、式（３）の前駆体となる式（５）で表されるアダマンタンカルボン酸類を単離した後に、その後で式（２）で表されるアルコール化合物と酸触媒下で反応させて取得する方法が一般的である。

特開平６−０３０５０４４号公報 特公平１−５３６３３号公報 特開平４−３９６６５号公報 特開２００６−０１６３７９号公報

しかし、この製造方法では、式（３）の前駆体である式（５）で表されるアダマンタンカルボン酸類の結晶が微粉のため、ろ過は容易ではなくまた時間がかかる。また、得られた結晶は水分を多く含むが、水は次のアルキルエステル化反応を阻害するので十分に乾燥させる必要があるにも関わらず、水分を乾燥させるのに減圧乾燥などの通常の乾燥方法を利用しても２日以上かかる。そのため、式（５）で表されるアダマンタンカルボン酸類の製造には、少なくとも４日以上を要するなど製造上の困難が伴っていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、アダマンタン骨格を有し、光学特性や耐熱性、酸解離性などに優れたアダマンタンカルボン酸エステル類を効率的に製造できるアダマンタンカルボン酸エステル類の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、式（１）で表されるアダマンタンジオール類から、前駆体である式（５）で表されるアダマンタンカルボン酸類を取出すことなく、式（３）で表されるアダマンタンカルボン酸エステル類を効率よく製造することが可能であることを見出した。

すなわち、本発明は、式（１）で示されるアダマンタンジオール類をプロトン酸と混合した後に、一酸化炭素もしくは一酸化炭素源を加え、式（２）で示されるアルコール化合物を反応させることを特徴とする式（３）で示されるアダマンタンカルボン酸エステル類の製造方法を提供する。

本発明によれば、アダマンタン骨格を有し、光学特性や耐熱性、酸解離性などに優れた、架橋型樹脂、光ファイバーや光道波路、光ディスク基板、フォトレジストなどの光学材料およびその原料、医薬・農薬中間体、その他各種工業製品などとして有用なアダマンタンカルボン酸エステル類を効率的に製造できるアダマンタンカルボン酸エステル類の製造方法が提供される。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

式（１）で表されるアダマンタンジオール類としては、１，３−アダマンタンジオール、５−メチル−１，３−アダマンタンジオール、５，７−ジメチル−１，３−アダマンタンジオール、５，７−ジエチル−１，３−アダマンタンジオール、５−メトキシ−１，３−アダマンタンジオール、５−エトキシ−１，３−アダマンタンジオール、５−プロポキシ−１，３−アダマンタンジオール、５−ブトキシ−１，３−アダマンタンジオールなどが挙げられる。

式（２）で表されるアルコール化合物としては、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉｓｏ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｔ−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、シクロヘキサノールなどが挙げられる。

なお、式（３）で表されるアダマンタンカルボン酸エステル類としては、上記式（１）および式（２）に対応した化合物となる。例えば、式（１）で表されるアダマンタン類が１，３−アダマンタンジオール、式（２）で表されるアルコールがメタノールの場合、式（３）で表されるアダマンタン類は、１，３−アダマンタンジカルボン酸ジメチルとなる。

カルボキシル化反応で使用される一酸化炭素は、純粋な一酸化炭素であってもよく、不活性ガスで希釈して使用してもよい。一酸化炭素は常圧もしくはオートクレーブを使用した加圧下で使用してもよい。

また、一酸化炭素の代わりに、ギ酸もしくは式（４）で表されるギ酸アルキルなどを一酸化炭素源として用いる方法が挙げられる。例えば、濃硫酸中ではギ酸は分解して一酸化炭素を発生することが知られている。

ギ酸アルキルとしては、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、ギ酸ブチル、ギ酸ペンチル、ギ酸ヘキシル、ギ酸ヘプチル、ギ酸オクチル、ギ酸ノニル、ギ酸デカニル、ギ酸シクロヘキシルなどが挙げられる。このときに使用したギ酸アルキルから対応するアルコールが副生するため、一部、対応したアダマンタンカルボン酸エステル類を副生する。そのため、ギ酸アルキルを使用する際には所望のアルキル基、すなわち式（２）で表されるアルコール化合物と同じアルキル基を有したギ酸アルキルを使用することが望ましい。

一酸化炭素の使用量は、基質に対して１当量（この場合、２個のカルボキシル基を導入する場合は、基質１モルに対して一酸化炭素２モルとなる）〜１０００当量の範囲から選択でき、好ましくは１〜１０当量、さらに好ましくは１〜３当量程度である。それより少ないと当然ながら収率が低下するし、それより多くても収率は変らない。一酸化炭素源として、一酸化炭素の代わりにギ酸もしくはギ酸アルキルを用いる場合も同様である。それより少ないと当然ながら収率が低下するし、それより多いと、ギ酸から副生した水が次のアルキルエステル化反応を阻害して収率が低下するためである。

反応をプロトン酸の存在下で行うと、反応を円滑に行うことができ、高い選択率および収率で目的化合物を得ることができる。このプロトン酸は、溶媒として用いてもよい。プロトン酸としては、有機酸（ギ酸、酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、クエン酸、酒石酸などの有機カルボン酸、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、ｐ−トルエンスルホン酸などの有機スルホン酸など）、無機酸（例えば、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸など）が含まれる。その中で、濃硫酸が安価で取り扱いが容易なので使用に望ましい。

使用する濃硫酸の濃度は、好ましくは９０％以上の水溶液、さらに好ましくは９６％以上である。それより濃度が低いと、水酸基が十分にカルボキシル基に変換しない、また濃硫酸中に含まれている水分が次のアルキルエステル化反応の進行を阻害して収率が低下してしまう。

濃硫酸の使用量は、式（１）で表されるアダマンタンジオール類に対して２〜２０重量倍、好ましくは４〜１６重量倍、さらに好ましくは８〜１２重量倍にすることが望ましい。それより多いと、水酸基が十分にカルボキシル基に変換しないし、またそれより多いと、次のアルキルエステル化反応を実施した後の分離工程で、抽出有機溶媒を分離するために多量の有機溶媒や水を入れないといけなくなり釜効率が低下する。

カルボキシル基導入反応は、不活性な有機溶媒を用いても良い。有機溶媒としては、例えば、酢酸などの有機カルボン酸、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどのアミド類、ヘキサン、オクタンなどの脂肪族炭化水素、ハロゲン化炭化水素、ニトロ化合物、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジオキサンなどのエーテル類、これらの混合溶媒など挙げられる。

上記のカルボキシル化反応は、比較的温和な条件であっても反応が円滑に進行する。反応温度は、例えば、−７８〜２００℃、好ましくは−２０〜１００℃程度であり、通常、０〜８０℃程度で反応する場合が多い。これより低い温度では反応が十分に進行せず、また高い温度では副反応が進行して収率が低下する。反応は、常圧または加圧下で行なうことができる。

反応時間は通常、１〜１００時間、好ましくは１〜１０時間で実施する。それより短時間だとカルボキシル化反応が十分に進行しないし、それより長くても収率は変らない。

上記の方法の中で、好ましくは、アダマンタンジオール類として１，３−アダマンタンジオール、プロトン酸として濃硫酸、一酸化炭素源としてギ酸を使用する方法が、簡便かつ温和な液相反応で取り扱うことができ、また高選択率かつ高収率で目的の１，３−アダマンタンカルボン酸エステルが得られる。

式（２）で表されるアルコール化合物の添加量は、式（１）で表されるアダマンタンジオール類に対して２〜６重量倍、好ましくは３〜５重量倍を使用する。それより少ないとアルキルエステル化が十分に進行しない。それより多いと、その後の分離工程で有機溶媒と濃硫酸層との分離が悪くなり、また抽出効率も低下する。

反応温度は０〜１２０℃、好ましくは２０〜８０℃で実施する。反応温度は式（２）で表されるアルコール化合物にも依存するが、それより低いとアルキルエステル化反応が十分に進行しないし、それより高いと副反応が進行して収率が低下する。

反応時間は通常、１〜１００時間、好ましくは１〜１０時間で実施する。反応時間はアルコール化合物にも依存するが、それより単時間だとアルキルエステル化反応が十分に進行しないし、それより長くても収率は変らない。

アルキルエステル化反応終了後は、反応溶液に有機溶媒を添加して式（３）で表されるアダマンタンジカルボン酸エステル類を抽出して取出す。

反応溶液は、使用した濃硫酸や一酸化炭素源、式（１）で表されるアダマンタンジオール類、特に式（２）で表されるアルコール化合物の量にも依存するが、有機溶媒を添加しても分離が悪いことがある。そのため分離を良くするために、有機溶媒を添加する前に、反応溶液を濃縮して未反応のアルコール化合物や水分を除去しても良い。また、分離を良くするために水を添加しても良い。水を添加する場合、使用した濃硫酸に対して０．１〜３重量倍、好ましくは０．２〜１．５重量倍を添加する。それより少ないと分離が良くないし、それより多くても釜効率が低下するだけである。

添加する有機溶媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、クメン、エチルベンゼン、プソイドクメンなどの芳香族化合物、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸ペンチル、酢酸ヘキシル、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、ギ酸ブチル、ギ酸ペンチル、ギ酸ヘキシル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、プロピオン酸ブチル、プロピオン酸ペンチル、プロピオン酸ヘキシルなどのエステル類、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノールなどのアルコール化合物が挙げられる。

上記有機溶媒は単独でも２種類以上混合して使用しても構わない。特に、有機溶媒の中には、式（３）で表されるアダマンタンカルボン酸エステル類の抽出効率は良いが、濃硫酸（硫酸水溶液、アルコールを含んだ硫酸水溶液）との分離が悪いものもある。一方、濃硫酸（硫酸水溶液、アルコールを含んだ硫酸水溶液）との分離は良いが、式（３）で表されるアダマンタンカルボン酸エステル類の抽出効率が悪いものもある。そのような場合は、２種類以上の有機溶媒を使用することが望ましい。

使用する抽出有機溶媒量は、原料に対して通常、１〜１００重量倍、好ましくは１〜２０重量倍、より好ましくは２〜２０重量倍を使用する。使用した濃硫酸や一酸化炭素源、式（１）で表されるアダマンタンジオール類、特に式（２）で表されるアルコール化合物の量にも依存するので、特に限定はしない。また、抽出回数に特に制限はない。

抽出有機溶媒を添加する際には、抽出有機溶媒と濃硫酸との副反応を抑制するため、反応溶液の温度を４０℃以下にまで冷却することが望ましい。

抽出終了後においては、抽出溶液を水洗処理することが望ましい。それにより、未反応のアダマンタンカルボン酸類などの不純物が除去される。このとき、洗浄水中に塩化ナトリウムや炭酸水素ナトリウム等、適当な無機塩が含まれていてもよい。また、アルカリ洗浄してもよい。アルカリ洗浄には、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム溶液、アンモニア水などが挙げられるが、用いるアルカリ成分に特に制限はない。また、金属不純物を除去するために、酸洗浄しても良い。酸洗浄には、塩酸水溶液、硫酸水溶液、リン酸水溶液などの無機酸およびシュウ酸水溶液などの有機酸が挙げられる。

また、洗浄に際し、式（３）で表されるアダマンタンカルボン酸エステル類の物性に応じて、反応液に有機溶媒を添加してもよい。添加する有機溶媒は、反応や抽出と同一のものを使用することもできるし、異なったものを使用することもできるが、通常、水との分離がよい極性の小さい有機溶媒を用いることが望ましい。

抽出溶液の洗浄後、慣用の方法、例えば、濾過、濃縮、蒸留、抽出、晶析、再結晶、カラムクロマトグラフィーなどの分離手段や、これらを組合せた分離手段により、目的の式（３）で表されるアダマンタンカルボン酸エステル類が容易に分離精製できる。

以下、実施例を挙げて、本発明の内容をさらに具体的に説明する。但し、本発明は、下記実施例に何ら制約されるものではない。

（実施例１）
攪拌機、温度計、滴下ロート、ジムロートを備えたフラスコに、１，３−アダマンタンジオール（純度９６％）１００．７ｇを仕込み、濃硫酸８０１．３ｇを入れた。室温で攪拌して原料が溶解したのを確認した後、ギ酸７６．４ｇを２．３時間かけて滴下した。その間の温度は２５〜３８℃であった。滴下終了後、１時間、室温で熟成させ、その後、トルエン５００ｍＬ、メタノール３００．８ｇを加えて５７℃まで加熱して３時間攪拌した。その後、フラスコを氷冷して液温１０〜２０℃の範囲に留まるように時間をかけて、イオン交換水８００ｍＬを加えた。その後、酢酸エチル５００ｍＬを加えて十分に攪拌し、分液した。分液後、硫酸水溶液に再びトルエン５００ｍＬ、酢酸エチル５００ｍＬを加えて十分に攪拌し、分液した。トルエン／酢酸エチル溶液を混合してＧＣ分析したところ、１,３−アダマンタンジカルボン酸ジメチルの反応収率は８２％であった。

トルエン／酢酸エチル溶液をイオン交換水１００ｍＬ、５％水酸化ナトリウム水溶液１００ｍＬ、イオン交換水５０ｍＬ、イオン交換水５０ｍＬで順次洗浄した後、１２２ｇまで濃縮し、ヘキサン２４ｇを加えた。結晶が析出し、ろ別したところ、１,３−アダマンタンジカルボン酸ジメチル８１．４ｇを得た（取出し収率５６％）。取出しまでに要した日数は２日であった。

（比較例１）
攪拌機、温度計、滴下ロート、ジムロート冷却器を備えたフラスコに、１，３−アダマンタンジオール１６８ｇ（純度９６％）、１，２−ジクロロエタン６７０ｍＬ、９６％硫酸２０１２ｇを仕込み、ギ酸５０３ｇを３時間かけて滴下し、その後室温で２５時間反応させた。イオン交換水１０００ｍＬを加えて析出した結晶をろ別し、水洗して１，３−アダマンタンジカルボン酸３２８ｇ（取出し収率９４％、多量の水分を含んでいる）を得た。ろ過には２時間を要した。引き続き、２日かけて真空乾燥させ、１，３−アダマンタンジカルボン酸２００ｇを得た。

次に、攪拌機、温度計、ジムロート冷却器を備えたフラスコに、上記１，３−アダマンタンジカルボン酸２００ｇ、９６％硫酸５９ｇ、メタノール６８２ｇを加え、６５〜７０℃で６時間反応させた。反応後、室温まで冷却してイオン交換水１００ｍＬ、１，２−ジクロロエタン５００ｍＬを加えて分液した。水／メタノール層をさらに１，２−ジクロロエタン５００ｍＬで２回抽出した。有機層を２８８ｇまで濃縮し、ヘキサン１００ｍＬを加えた。結晶が析出し、ろ別したところ、１,３−アダマンタンジカルボン酸ジメチル１４９ｇを得た（トータルでの取出し収率は５９％）。実施例と比較して、取出し収率はおよそ同程度であったが、取出しまでには６日を要した。

Claims (3)

1. 式（１）で示されるアダマンタンジオール類をプロトン酸と混合させた後に一酸化炭素もしくは一酸化炭素源を加え、その後、式（２）で示されるアルコール化合物を添加して反応させ、有機溶媒で抽出して分離精製することを特徴とする式（３）で示されるアダマンタンカルボン酸エステル類の製造方法。
   

   

   

   
2. 一酸化炭素源が、ギ酸もしくは式（４）で表されるギ酸アルキルである請求項１に記載の製造方法。
   

   
3. プロトン酸が硫酸である請求項１に記載の製造方法。