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有機化学において、ヒドロホルミル化（オキソ合成またはオキソプロセスとも呼ばれる）は、アルケン（R 2 C=CR 2 ）からアルデヒド（R−CH=O ）を製造する工業プロセスである。[ 1 ] [ 2 ]この化学反応では、炭素-炭素二重結合にホルミル基（−CHO）と水素原子が付加される。このプロセスは発明以来継続的に成長しており、生産能力は6.6 × 10⁶に達した。1995年には6トンでした。アルデヒドは多くの二次生成物に容易に変換できるため、重要です。たとえば、得られたアルデヒドは水素化されてアルコールになり、それが洗剤に変換されます。ヒドロホルミル化は、香料や医薬品の有機合成に関連する特殊化学品にも使用されています。ヒドロホルミル化の開発は、20世紀の工業化学における最も優れた成果の1つです。
このプロセスでは、通常、アルケンを40～200 ℃の温度で高圧（10～100気圧）の一酸化炭素と水素で処理します。 [ 3 ]あるバリエーションでは、合成ガスの代わりにホルムアルデヒドが使用されます。[ 4 ]遷移金属触媒が必要です。触媒は必ず反応媒体に溶解します。つまり、ヒドロホルミル化は均一触媒の例です。
このプロセスは、1938年にドイツの化学者オットー・ローレンがフィッシャー・トロプシュ法の研究中に発見した。FT反応器にエチレンを加えると、アルデヒドとジエチルケトンが得られた。これらの研究を通して、ローレンはコバルト触媒の有用性を発見した。ローレンの研究のわずか数年前に単離されたHCo(CO) 4は、優れた触媒であることが示された。 [ 5 ] [ 6 ]オキソ合成という用語は、このプロセスがアルデヒドとケトンの両方の調製に適用できると予想したルール化学特許部門によって造語された。その後の研究により、配位子トリブチルホスフィン（PBu3 ）がコバルト触媒プロセスの選択性を向上させることが実証された。Co触媒によるヒドロホルミル化のメカニズムは、1960年代にリチャード・F・ヘックとデビッド・ブレスローによって解明された。 [ 7 ]
1968年に、高活性のロジウム系触媒が報告された。[ 8 ] 1970年代以降、ヒドロホルミル化のほとんどはロジウム系触媒に依存している。[ 9 ]水溶性触媒が開発されている。これらは生成物と触媒の分離を容易にする。[ 10 ]
ヒドロホルミル化における重要な考慮事項の一つは、「通常」選択性と「イソ」選択性である。例えば、プロピレンのヒドロホルミル化では、ブチルアルデヒドとイソブチルアルデヒドという2つの異性体生成物が得られる可能性がある。
これらの異性体は、アルケンがM-H結合に挿入される際の立体選択性を反映している。両方の生成物が同等に望ましいわけではないため（通常異性体の方が通常異性体よりも安定である）、通常異性体を優先的に生成する触媒の探索に多くの研究が費やされた。
マルコフニコフ則によるコバルトヒドリドの第一級アルケンへの付加は、コバルト中心と第二級アルキル配位子の間の立体障害によって不利になります。かさ高い配位子はこの立体障害を悪化させます。したがって、混合カルボニル/ホスフィン錯体は、アンチマルコフニコフ付加に対してより高い選択性を示し、直鎖生成物（n-）アルデヒドを優先します。現代の触媒は、特にジホスフィットなどのキレート配位子にますます依存しています。[ 12 ]
さらに、電子豊富なヒドリド錯体はプロトン性が低い。そのため、通常アルケンへのマルコフニコフ付加を促進する電子的効果は適用されにくくなる。したがって、電子豊富なヒドリド錯体はより選択的である。
アルケンの競合異性化を抑制するためには、カルボニル基がアルキル基の炭素-金属結合に移動する挿入速度が比較的速くなければならない。カルボニル炭素がCM結合に挿入される速度は、β-水素脱離の速度よりも大きいと考えられる。[ 13 ]
プロキラルアルケンのヒドロホルミル化により、新しい立体中心が生成されます。キラルホスフィン配位子を使用すると、ヒドロホルミル化を一方のエナンチオマーを優先するように調整できます。[ 14 ] [ 15 ]例えば、イブプロフェンの(+)−( S )-エナンチオマーであるデキシブプロフェンは、エナンチオ選択的ヒドロホルミル化とその後の酸化によって生成できます。
工業プロセスは、ヒドロホルミル化されるオレフィンの鎖長、触媒金属と配位子、および触媒の回収方法によって異なります。オリジナルのルールケミープロセスでは、触媒としてテトラカルボニル水素化コバルトを使用してエチレンと合成ガスからプロパナールを製造していました。今日では、コバルト触媒に基づく工業プロセスは主に中鎖から長鎖オレフィンの製造に使用されていますが、ロジウム系触媒は通常、プロペンのヒドロホルミル化に使用されます。ロジウム触媒はコバルト触媒よりもかなり高価です。高分子量オレフィンのヒドロホルミル化では、生成されたアルデヒドから触媒を分離することが困難です。
BASF-オキソプロセスは主に高級オレフィンから始まり、コバルトカルボニル系触媒に依存しています。[ 16 ]低温で反応を行うことで、直鎖状生成物を優先する選択性の向上が見られます。このプロセスは約30 MPaの圧力と150～170 ℃ の温度範囲で行われます。コバルトは、水溶性のCo2 +に酸化した後、ギ酸または酢酸水溶液を添加することによって、液体生成物から回収されます。このプロセスにより、コバルトの水溶液相が得られ、これをリサイクルすることができます。損失はコバルト塩の添加によって補償されます。[ 17 ]
エクソン法（クールマン法またはPCUKオキソ法とも呼ばれる）は、C6～C12オレフィンのヒドロホルミル化に用いられる。このプロセスはコバルト触媒に依存する。触媒を回収するために、水酸化ナトリウム水溶液または炭酸ナトリウム水溶液を有機相に加える。オレフィンによる抽出と、一酸化炭素圧下での硫酸溶液の添加による中和により、金属カルボニルヒドリドを回収できる。これは合成ガスでストリッピングされ、オレフィンに吸収され、反応器に戻される。BASF法と同様に、エクソン法は約30 MPaの圧力と約160～180 ℃ の温度で行われる。 [ 17 ]
シェルプロセスでは、ホスフィン配位子で修飾されたコバルト錯体を用いてC7～C14オレフィンのヒドロホルミル化を行います。得られたアルデヒドは直接脂肪族アルコールに水素化され、蒸留によって分離されるため、触媒をリサイクルできます。このプロセスは、洗剤の原料として使用される直鎖状生成物に対する選択性が高いです。このプロセスは、約4～8 MPaの圧力と約150～190 °Cの温度範囲で行われます 。[ 17 ]
ユニオンカーバイド（UCC）プロセス（低圧オキソプロセス（LPO）とも呼ばれる）は、プロペンのヒドロホルミル化に、高沸点の粘稠油（第一級アルデヒドの高分子量縮合生成物）に溶解したロジウム触媒を利用する。反応混合物は、落下膜蒸発器で揮発性成分から分離される。液相は蒸留され、ブチルアルデヒドがヘッド生成物として除去される一方、ボトム生成物を含む触媒はプロセスにリサイクルされる。このプロセスは約1.8 MPa、95～100 °Cで行われる。[ 17 ]
ルールケミー/ローヌ・プーランプロセス（RCRPP）は、プロペンのヒドロホルミル化に、配位子として水溶性TPPTSを持つロジウム触媒（クンツ・コーニルス触媒）を利用しています。 [ 20 ]トリフェニルホスファン配位子のトリスルホン化により、有機金属錯体に親水性特性が付与されます。触媒錯体は9つのスルホン酸基を持ち、水に非常に溶けやすい（約1 kg L −1）ですが、生成する生成物相には溶けません。[ 21 ]水溶性TPPTSは約50倍過剰に使用され、触媒の溶出が効果的に抑制されます。反応物はプロペンと、水素と一酸化炭素が1.1:1の比率で含まれる合成ガスです。ブチルアルデヒドとイソブチルアルデヒドが96:4の比率で生成され、アルコール、エステル、高沸点留分などの副生成物はほとんど生成しません。[ 21 ]ルールケミー/ローヌ・プーランプロセスは、触媒が水相中に存在する最初の商業的に利用可能な二相システムです。反応の進行に伴い、有機生成物相が形成され、これは相分離によって連続的に分離されますが、水性触媒相は反応器内に残ります。[ 21 ]
このプロセスは撹拌槽型反応器で行われ、オレフィンと合成ガスは反応器底部から触媒相を通して激しい撹拌下で取り込まれる。得られた粗アルデヒド相は上部で水相から分離される。触媒を含む水溶液は熱交換器で再加熱され、反応器に送り返される。[ 21 ]過剰なオレフィンと合成ガスはストリッパーでアルデヒド相から分離され、反応器に送り返される。発生した熱はプロセス蒸気の生成に使用され、この蒸気は有機相を蒸留してブチルアルデヒドとイソブチルアルデヒドに分離するために使用される。[ 21 ]合成ガス由来の潜在的な触媒毒は有機相に移行し、アルデヒドとの反応から除去される。したがって、毒は蓄積せず、合成ガスの複雑な精密精製は省略できる。[ 21 ]
1984年にオーバーハウゼンに工場が建設され、1988年と1998年にボトルネックが解消され、生産能力は年間50万トンのブタナールに達した。プロペンの転化率は98%で、n-ブタナールへの選択性も高い。このプロセスにおける触媒バッチの寿命中に失われるロジウムは1ppb未満である。[ 22 ]
例えばシクロヘキセンのヒドロホルミル化の実験室規模でのレシピが開発されている。[ 3 ] [ 15 ]
コバルトカルボニル錯体とロジウム錯体は、ホルムアルデヒドとエチレンオキシドのヒドロホルミル化を触媒し、ヒドロキシアセトアルデヒドと3-ヒドロキシプロパナールを生成し、これらはそれぞれエチレングリコールとプロパン-1,3-ジオールに水素化することができる。これらの反応は、溶媒が塩基性（ピリジンなど）の場合に最もよく機能する。[ 23 ] [ 24 ]
ジコバルトオクタカルボニルまたはCo 2 (CO) 8を触媒として用いる場合、水素が存在しない状態でエチレンとCOからペンタン-3-オンが生成する。提案されている中間体はエチレン-プロピオニル種[CH 3 C(O)Co(CO) 3 (エチレン)]であり、これが転位挿入を起こして[CH 3 COCH 2 CH 2 Co(CO) 3 ]を形成する。必要な水素は水シフト反応から生じる。詳細は[ 25 ]を参照。
水シフト反応が起こらない場合、反応により一酸化炭素とエチレン単位が交互に並んだポリマーが生成する。このような脂肪族ポリケトンは、従来はパラジウム触媒を用いて合成される。[ 26 ]
アリルアルコールなどの官能基化オレフィンはヒドロホルミル化することができる。目的生成物である1,4-ブタンジオールとその異性体は、ロジウム-トリフェニルホスフィン錯体などの異性化のない触媒によって得られる。コバルト錯体を使用すると、二重結合が異性化してn-プロパナールになる。[ 27 ]アルケニルエーテルおよびアルケニルエステルのヒドロホルミル化は、通常、エーテルまたはエステル官能基のα位で起こる。
ロジウム触媒プロセスにおけるアクリル酸とメタクリル酸のヒドロホルミル化は、第一段階でマルコフニコフ生成物をもたらします。 [ 28 ]反応条件を変化させることで、反応を異なる生成物へと導くことができます。高い反応温度と低い一酸化炭素圧力は、マルコフニコフ生成物の熱力学的に安定なβ異性体への異性化を促進し、n-アルデヒドへと導きます。低温、高い一酸化炭素圧力、および遊離配位部位をブロックする過剰のホスフィンは、エステル基のα位でのヒドロホルミル化を速め、異性化を抑制することができます。[ 28 ]
アルケンの副反応としては、二重結合の異性化と水素化が挙げられる。二重結合の水素化によって生成するアルカンは反応にそれ以上関与しないが、二重結合の異性化とその後のn-アルキル錯体の形成は望ましい反応である。水素化は通常、重要ではないが、コバルトホスフィン修飾触媒を用いると水素化活性が向上し、アルケンの最大15%が水素化されることがある。
タンデム触媒作用を用いることで、アケンをアルコールにワンポット変換するシステムが開発されている。最初のステップはヒドロホルミル化である。[ 29 ]
ヒドロホルミル化触媒の条件によっては、支持有機リン配位子の分解が誘発されることがある。トリフェニルホスフィンは水素化分解を受け、ベンゼンとジフェニルホスフィンが放出される。中間体の金属-フェニル結合に一酸化炭素が挿入されると、ベンズアルデヒドの生成、あるいはその後の水素化によってベンジルアルコールの生成につながる可能性がある。[ 30 ]配位子のフェニル基の1つがプロペンに置換され、その結果生じるジフェニルプロピルホスフィン配位子は塩基性の増加によりヒドロホルミル化反応を阻害する可能性がある。[ 30 ]
当初のヒドロホルミル化触媒はコバルトをベースとしていたが、現代のプロセスのほとんどは高価なロジウムに依存している。そのため、代替金属触媒を見つけることに関心が寄せられている。代替金属の例としては、鉄やルテニウムなどが挙げられる。[ 31 ] [ 32 ]
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