JP2000502390A - ポリエーテルポリオールエステルの反応蒸留によるアルカノリシス - Google Patents

ポリエーテルポリオールエステルの反応蒸留によるアルカノリシス

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Abstract

(57)【要約】 蒸留搭の搭頂部に、ポリエーテルポリオールのジエステルを、効果的な量のアルカリ金属又はアルカリ土類金属酸化物、水酸化物又はアルコキシド触媒(例えばナトリウムメトキシド)及びC1〜C4アルカノール(例えばメタノール)と共に供給し、一方同時に、蒸留搭の搭底部に熱アルカノールの蒸気を添加してポリエーテルポリオールのジエステルのアルカノリシスによって生成したアルカノールエステルを該蒸留搭中で上方へ押し流す反応蒸留を包含する、ポリエーテルポリオールのジエステル(例えばポリテトラメチレンエーテルの二酢酸エステル、PTMEA)を対応するジヒドロキシポリエーテルポリオール(例えばポリテトラメチレンエーテルグリコール、PTMEG)に転化する方法。そのような方法は、PTMEAからPTMEGへの高水準の転化率を商業規模において達成するために有用であり、また蒸留搭からの搭頂留出物を酢酸メチルの共沸分離にかけることができ、メタノールは循環することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 ポリエーテルポリオールエステルの反応蒸留によるアルカノリシス 技術分野 本発明は、反応蒸留を用いるポリエーテルポリオールエステルのポリエーテル ポリオールへのアルカノリシス(alkanolysis)に関する。更に特定的には、しか しそれに限定はしないが、本発明は、ポリテトラメチレンエーテル二酢酸エステ ルの、メタノールとナトリウムメトキシドとの反応蒸留によるポリテトラメチレ ンエーテルグリコールへのメタノリシスに関する。 背景技術 ポリテトラメチレンエーテルグリコール(PTMEG)は、多官能のウレタン やポリエステルとセグメント共重合体(segmented copolymer)を形成するために 広く用いられる化学工業における汎用品である。 よく知られていることであるが、一般的にポリエーテルポリオールの製造にお いて、特に酢酸及び無水酢酸が使用されるTHFの重合及び/又はTHFとコモ ノマーとの共重合において、中間生成物は、最終使用の前段階のヒドロキシル官 能基へ転化されるべき酢酸エステルその他の末端基を含有するであろう。例えば 、米国特許第4,163,115号は、スルホン酸基を含有するフッ素化樹脂触 媒を用いる、ポリテトラメチレンエーテルジエステルへのTHFの重合及び/又 はTHFとコモノマーとの共重合を開示しているが、そこでは、分子量は反応媒 体へのアシリウムイオン前駆物質の添加によって調節されている。その特許は、 無水酢酸と酢酸を固体酸触媒と共に使用することを開示している。重合体生成物 は未朱反応THF及び酢酸/無水酢酸を回収のためストリッピングによって除去 することにより単離される。単離された生成物は、重合したテトラヒドロフラン の二酢酸エステル(PTMEA)であり、大部分のウレタン末端使用分野におい て原材料としての用途を見出すためには、対応するヒドロキシ生成物であるポリ テトラメチレンエーテルグリコール(PTMEG)に転化されなければならない 。従って、エステルで末端を封止されたポリテトラメチレンエーテルを塩基性触 媒及びメタノールのようなアルカノールと反応させて最終生成物であるポリテト ラメチレンエーテルグリコール及び副生成物としての酢酸メチルを生成する。 米国特許第4,230,892号及び第4,584,414号はポリテトラメ チレンエーテルジエステルを1〜4個の炭素原子を有するアルカノール及び触媒 であるアルカリ土類金属の酸化物、水酸化物又はアルコキシド或いはアルカリ金 属水酸化物又はアルコキシドと混合し、その混合物をそれの沸点まで持っていき 、生成するアルカノール/アルキルエステル共沸物を反応域から連続的に取り除 きながら反応が本質的に完結するまでその沸点に保持し、次いで触媒を除去する ことを含んで成るPTMEAからPTMEGへの転化のための方法を開示してい る。4段の連続攪拌反応器でメタノリシスを行った場合、50℃でCaOを用い て、転化は不完全であった。また、高い触媒水準が必要であり、そして4段の反 応器でメタノールを蒸発させるには多くの熱量の投入が必要なのでこの方法はエ ネルギー効率がよくなかった。その上に最終生成物のPTMEGは、ウレタン反 応において望ましい成分でない未反応のPT MEAを少量含有していた。 発明の開示 これまでに示唆されたPTMEAをPTMEGに転化させる方法に関連する問 題点に鑑み、本発明は実際上完全な転化と未反応/未転化のPTMEA及び副生 成物であるアルカノールエステルを含まないPTMEGの回収を達成する改良さ れた方法を提供する。従って、本発明は、次の工程: (a)蒸留搭の上部に、少なくとも1種のポリエーテルポリオールのジエステ ル及び効果的な量の少なくとも1種のアルカリ金属又はアルカリ土類金属酸化物 、水酸化物又はアルコキシド触媒をC1〜C4アルカノールと共に供給して、ポリ エーテルポリオールのジエステルをジヒドロキシポリエーテルポリオールに転化 する工程、 (b)蒸留搭の下部に熱アルカノールの蒸気を添加し、ポリエーテルポリオー ルのジエステルのアルカノリシスによって生成したアルカノールエステルを蒸留 搭中で上方へ押し流す工程、 (c)蒸留搭の搭頂でアルカノール及びアルカノリシスによって生成したアル カノールエステルを回収する工程、並びに (d)蒸留搭の底部からアルカノリシスによって生成したアルカノールエステ ルを含まないジヒドロキシポリエーテルポリオールを回収する工程 を含んで成る、ポリエーテルポリオールのジエステルを対応するジヒドロキシポ リエーテルポリオールに転化する方法を提供する。 本発明の一つの態様においては、蒸留搭からの搭頂留分は更にアルカノールエ ステルからの未反応アルカノールの分離と回収にかけられ、そ して分離で生成したアルカノールは蒸留搭へ循環される。本発明のある好ましい 態様においてはポリエーテルポリオールのジエステルはポリテトラメチレンエー テルの二酢酸エステル、PTMEAであり、触媒はナトリウムメトキシドであり 、そしてアルカノールはメタノールであり、従って酢酸メチルを含まないポリテ トラメチレンエーテルグリコール、PTMEGを回収する。この本発明による好 ましい態様においては、未反応メタノールと副生成物である酢酸メチルエステル を含んでいる反応蒸留搭からの搭頂留分は更に酢酸メチルの共沸分離にかけられ 、そして続いて酢酸メチルの含有量が500ppm以下の、最も好ましくは10 0ppm以下のメタノールが蒸留搭へ循環される。 本発明の一つの目的は、反応を完結させるよう推進する反応蒸留を用いる、ポ リエーテルポリオールを製造するためのポリエーテルポリオールエステルのアル カノリシスの改良された方法を提供することである。更なる目的は、同時に反応 蒸留搭内で、副生成物であるアルカノールエステルの、ポリエーテルポリオール からの実質的に完全な分離を行い、高純度の生成物を製造することである。本発 明のもう一つの目的は、反応蒸留搭からの搭頂留出物の、アルカノールが循環で きるような、続いての分離を用意することである。この目的の達成並びにその他 の目的の提示と達成は本明細書及び付属の「請求の範囲」を完全に読むことによ り明らかになる。 図面の簡単な説明 図は、本発明による反応蒸留のある特定の態様を表す略図であって、ポリテト ラメチレンエーテル酢酸エステルのメタノリシス中の酢酸メチルの除去及び次の 精製されたポリテトラメチレンエーテルグリコールの 回収のための連続プロセスを描いている。 本発明を実施するための方法 テトラヒドロフラン(THF)は、米国特許第4,163,115号に記載さ れているように、固体酸樹脂触媒及び分子量調節剤としての酢酸/無水酢酸を用 いて重合できる。典型的にはTHFの重合体への転化率は約40〜50℃の温度 で約20〜40%の範囲である。重合体生成物は、未反応THF及び酢酸/無水 酢酸を循環のためストリッピングで除去することにより単離されるのが好ましい 。そうして単離された生成物は、重合したテトラヒドロフランの二酢酸エステル (PTMEA)でであり、大部分のウレタン末端使用分野において原材料として の用途を見出すためには、ヒドロキシ生成物であるポリテトラメチレンエーテル グリコール(PTMEG)に転化されなければならない。 本発明のポリエーテルポリオールジエステル組成物は、一般的には、カルボン 酸及び無水カルボン酸の存在下での環状エーテル又は混合物の酸触媒開環重合を 介して典型的に製造され、テトラヒドロフランが主要な及び/又は大部分の反応 物である、即ち、実質的にTHFがPTMEA生成物に組み込まれている、ポリ エーテルである。更に詳細には、そのポリエーテルジエステルは、テトラヒドロ フラン(THF)の、アルキル置換テトラヒドロフランコモノマー、好ましくは 、例えば3−メチルテトラヒドロフラン(3−MeTHF)を伴っての又はその コモノマーなしでの重合から、また、THFの(再び、3−MeTHFを伴って の又は3−MeTHFなしでの)、エチレンオキシド又はプロピレンオキシドの ようなアルキレンオキシド又はそれと同等のコモノマーとの共重合から得られる 。そのようなものとして、以下の説明及び実施例にお いては、THFの重合及び/又はTHFと3−MeTHFとの共重合が、他のコ モノマーは任意に存在し得るという了解の許に、主として引用されるであろう。 典型的には、最初の重合工程の生成物は、酢酸エステル(又は類似の末端基) の形態をとっていて、それはエステル交換/アルカノリシス触媒の存在下でメタ ノールと反応させることによってヒドリキシル基末端のグリコールに転化する。 この反応は、適度な速度を達成するためには触媒が必要である。本発明において 有用な一般的な触媒の例としてナトリウムメトキシド(NaOMe)、水酸化ナ トリウム(NaOH)及び酸化カルシウムが挙げられる。原則的に、反応蒸留の 目的に有用な触媒は、米国特許第4,230,892号及び第4,584,41 4号に教示されているように、アルカリ金属又はアルカリ土類金属酸化物、水酸 化物又はアルコキシド触媒及びその混合物として一般的に分類されている高アル カリ性のアルカノリシス触媒である。特に、触媒活性を失わないで水を除去する ある程度の能力を本来持っているアルカノリシス触媒(例えば、微量の水が触媒 的に活性なNaOHに転化するNaOH/NaOMe/Na2O系)が有用であ る。NaOH/NaOMeを用いた反応速度は室温でも速いのでメタノリシスは 大気圧で行われる。このメタノリシスの副生成物はメタノールと低沸点共沸混合 物を形成する酢酸メチルである。アルカノリシス反応は可逆的であり、それ故1 00%近い転化率を得るためには蒸発性の酢酸メチル/メタノール共沸混合物の 連続的な除去が本質的に必要である。本発明では、蒸留反応搭の中で行われ、そ こではメタノール蒸気が搭底に供給され重合体から酢酸メチルをストリッピング で除去する。この方法によって酢酸メチルをストリッ ピングで除去することにより、99.99%を超える転化率が、搭中で達成され る。対照的に、少なくとも5段の一連の連続攪拌反応槽が、完全な反応率を達成 するために必要である。 本発明では、PTMEAのPTMEGへの完全な転化が、向流を用いた反応蒸 留搭(RXDC)1基で達成される。更に詳細には、アルカノリシス反応におけ るアルカノール反応物としてメタノールを用いた場合に、RXDCを65〜70 ℃、0〜5psigで運転することが、PTMEAの品質の良いPTMEGへの 完全な転化を達成する最も効果的で、エネルギー効率のよい方法であることが見 出された。従来の直列に配置した連続攪拌反応器(CSTR’s)の使用では、 PTMEGへの同等な転化率を達成するためには、数倍の資本が必要であり、数 倍量のメタノールを使用する。 本発明による反応蒸留の実施方法及び従来示唆された方法との相違は、付属の 図面を参照することによっておそらく最もよく説明され理解することができるで あろう。図に示されているように、単一の蒸留搭10は、好ましくは、連続法で 用いられる。この反応蒸留は、当技術分野で一般的に知られ実施されている蒸留 方法及び装置で行うことができる。例えば、それに限定する意図ではなく、ディ ープシールシーブトレー(deepseal sieve tray)式蒸留搭を試験した。しかし、 従来のトレー式の蒸留搭は等しく効果的であるであろうと思われる。好ましくは 、そして図に示されているように、又、下記の実施例で用いられているように、 メタノリシスは、重合していないTHF及び酢酸/無水酢酸(ACAN/HOA c)を実質的に含んでいないポリエーテルポリオールエステル(図に示されたこ の特定の態様ではPTMEA)を蒸留搭10の搭頂かその 近くに供給することによって行われる。メタノリシス触媒(図示した態様におい てはNaOMeをMeOHに溶解した溶液)も蒸留搭10へ、蒸留搭に入る前に ポリエーテルポリオールエステル(PTMEA)と混合して、又はポリエーテル ポリオールエステルの供給点の近くに供給される。蒸発したメタノール(熱Me OH)は、蒸留搭10の底部近辺に供給され、NaOMe/NaOH触媒の存在 下に、最小量の遊離の酢酸を含む未反応のPTMEAと接触して平衡を完全な転 化の方向へ推し進める。RXDCからの搭頂留出物はメタノールと酢酸メチルと の混合物である。これらの搭頂留出物は、メタノールを共沸を用いて回収するた め共沸蒸留搭へ導入することができる(図示していない)。PTMEGとMeO Hは、RXDC搭10の底部から抜き出される。過剰のMeOHは、約100〜 450mmHgの減圧で、約125〜145℃の温度で運転しているメタノール ストリッパーで除去される。得られるPTMEG流れは本質的にMeOHを含ま ず、未反応のエステル交換触媒、NaOMeを含有している。好ましくはNaO Meは米国特許第5,410,093号に記載されているようにして除去される 。 図面に示された特定の態様についての上記の説明を考慮して、反応蒸留搭は、 本発明の目的のためには、ストリッピングを鍵の又は必要不可欠の特徴(精留と 対照的に)として包含していると考えることができることは評価されるべきであ る。言葉を換えれば、蒸留搭の底部又はその近くに導入された熱アルカノール蒸 気反応物を上昇させること及びその結果生じるアルカノリシス/エステル交換反 応で生成したアルカノールエステルの反応ストリッピングが、ポリエーテルポリ オールの相当するジヒドロキシポリエーテルポリオールへの所望の全転化を達成 する上で の最重要事項である。全ての実際的な目的のために、精製された留出物の回収そ してそれ故に還流及び/又は精留は別の搭で有利に行うことができる(例えば、 酢酸メチル生成の場合における別の共沸蒸留の使用を参照)。勿論、このことは 、1基の搭において蒸留及び精製された搭頂留分の回収を行うことができないこ とを意味するのではなくて、本発明は、反応ストリッピングを未反応アルコール の回収と循環から分離する機会を与えるものである。実際、このことは登頂留分 の成分の分離と回収を蒸留以外の技術によって達成する機会をも与えている。 数値モデル化によると、RXDCの底部へ供給される熱メタノール流の酢酸メ チル濃度は、RXDCにおける99.999%の転化率を達成するためには、1 00ppm未満であるべきである。共沸混合物搭(再び、図には示していない) の底部メタノール流れ中の酢酸メチル濃度の500ppm未満の水準への、最も 好ましくは100ppm未満の水準への制御が、達成されている。100ppm 未満の酢酸メチル濃度を確実にするためには、共沸混合物蒸留搭の底部は66℃ を超える温度で運転するべきである。より高い酢酸メチル濃度はPTMEAのP TMEGへの転化に悪影響を及ぼす傾向にある。 本発明によるアルカノリシス法は強固であり、PTMEAのPTMEGへの完 全な転化をもたらす。連続RXDC法に必要な触媒の量はPTMEA基準で約2 00〜1000ppmであり、好ましくは500〜700ppmである。バッチ 法においては、同様な量では匹敵する収率を挙げることができていない。 メタノールを循環(登頂留分の共沸循環及びPTMEG生成物からのストリッ ピングの両方)しながらの連続運転中に必要なメークアップ (make-up)メタノールの量は原則的に、反応蒸留搭への供給材料中のPTMEA の化学量論的な量(即ち、形成されるPTMEG1モル当たりに消費される2モ ルのメタノール)と循環メタノールのうち(85%)酢酸メチル共沸混合物形成 部分の蒸留において消費される相当量(即ち、共生成物である共沸混合物におけ る遊離のメタノールの量)との合計量に等しい。反応蒸留搭へのメークアップと して使用される市販のメタノール供給原料は、典型的には500ppm未満の水 を含んでおり、好ましくは200ppm未満である。この少量の水は本方法にと って有害ではない。実際、少量の水はナトリウムメトキシドを水酸化ナトリウム に変えるが水酸化ナトリウムはナトリウムメトキシドと同程度にに有効な触媒で ある。従って、ナトリウムメトキシドの使用は、プロセス中の微量の水を触媒活 性を損なわないで消費するというこの能力の故に明らかに有利である。しかし、 水はゆっくりとPTMEAを加水分解してPTMEGと遊離の酢酸を生成するの で、系中に存在する大量の水は非常に有害である。このようにして生成した酢酸 は触媒を中和し、そしてこのことは転化率を50%未満にまで引き下げることが あり得る。 典型的には、PTMEA供給原料中の約50〜120ppmの遊離の酢酸はメ タノリシスに悪影響を与えなかった。遊離の酢酸はナトリウムメトキシドと反応 して触媒活性を持たない酢酸ナトリウムを生成するので、供給材料中の酢酸濃度 がより高ければ触媒への要求はより高くなるであろう。 PTMEA中の重合していないTHFの存在はこの方法の運転性にも生成物の 品質にも殆ど影響を与えない。遊離のTHFは反応蒸留搭搭頂留出物で終わりと なる。THFの蓄積は本方法の連続運転中には見られ なかった。 実 施 例 本発明による連続反応蒸留法の運転を実証するために、公称能力がPTMEA と呼ばれるPTMEGの二酢酸エステルについて時間当たり約100ポンドであ る1基のRXDC装置を建設し、図に示したように運転した。装置は、反応蒸留 搭を、メタノールを分離し循環するための共沸搭装置の運転と組み合わせて実証 するように設計した。MeOHを99.8%及びNaOMeを0.2%含有する 混合物を、PTMEAと、75℃で容量比3:1で混合し、ディープシール式反 応蒸留搭の搭頂に供給し、一方メタノール蒸気を搭底に83℃で添加した。搭頂 留出物の凝縮温度は40℃でありそしてMeOHを約79.6%及び酢酸メチル を約20.4%含有していた。このメタノールと一緒にストリッピングで分離さ れた酢酸メチルを共沸搭に送った。搭底留分は生成物PTMEG及び26.2% のMeOHを、そして未反応のNaOMeをメタノールを除外した基準で700 ppm含有していた。PTMEGへの転化率は、99.99%を超えていた。 産業上の利用可能性 本発明による改良方法の利点と利益は数多くそして顕著であると考えられる。 例えば、PTMEAをPTMEGに転化するためのメタノリシスの従来からの使 用法に対して、本方法の反応蒸留は、酢酸メチルを含まず、実質的にPTMEA 残分を含まない生成物の流れを、PTMEGへの本質的に完全な転化で生成する 。本発明は更に、資本投下とエネルギー消費の両方の面から節約しながら全転化 を達成するために1段階の蒸留搭を使用するという経済的観点からの利点を提供 する。本方法は、 酢酸含有量が100ppm未満であるメタノールの再使用を用意するという利点 を示しており、かくして反応蒸留搭の搭底において、実質上全転化を確保してい る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD ,RU,TJ,TM),AL,AM,AU,AZ,BA ,BB,BG,BR,BY,CA,CN,CU,CZ, EE,GE,HU,IL,IS,JP,KG,KP,K R,KZ,LC,LK,LR,LT,LV,MD,MG ,MK,MN,MX,NO,NZ,PL,RO,RU, SG,SI,SK,TJ,TM,TR,TT,UA,U Z,VN

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.次の工程: (a)蒸留搭の上部に、少なくとも1種のポリエーテルポリオールのジエステ ル及び効果的な量の少なくとも1種のアルカリ金属又はアルカリ土類金属酸化物 、水酸化物又はアルコキシド触媒をC1〜C4アルカノールと共に供給して、該ポ リエーテルポリオールのジエステルをジヒドロキシポリエーテルポリオールに転 化する工程、 (b)該蒸留搭の下部に熱アルカノールの蒸気を添加し、該ポリエーテルポリ オールのジエステルのアルカノリシスによって生成したアルカノールエステルを 該蒸留搭中で上方へ押し流す工程、 (c)該蒸留搭の搭頂でアルカノール及びアルカノリシスによって生成したア ルカノールエステルを回収する工程、並びに (d)該蒸留搭の底部からアルカノリシスによって生成したアルカノールエス テルを含まないジヒドロキシポリエーテルポリオールを回収する工程 を含んで成る、ポリエーテルポリオールのジエステルを対応するジヒドロキシポ リエーテルポリオールに転化する方法。 2.次の工程: (a)蒸留搭からの搭頂留出物を、更にアルカノールエステルからの未反応ア ルカノールの分離と回収にかける工程、及び (b)分離において製造されたアルカノールを蒸留搭へ循環する工程を更に含 んで成る請求項1に記載の方法。 3. 該ポリエーテルポリオールのジエステルが、ポリテトラメチレンエーテル の二酢酸エステルであり、該触媒がナトリウムメトキシドであ り、そして該アルカノールはメタノールであり、従って酢酸メチルを含まないポ リテトラメチレンエーテルグリコールを回収する請求項1に記載の方法。 4. 該ポリエーテルポリオールのジエステルが、テトラヒドロフランと3−メ チルテトラヒドロフランの二酢酸エステル共重合体であり、該触媒がナトリウム メトキシドであり、そして該アルカノールはメタノールであり、従って酢酸メチ ルを含まないコポリマーエーテルグリコールを回収する請求項1に記載の方法。 5.次の工程: (a)蒸留搭からの搭頂留出物を、酢酸メチルからの未反応メタノールの共沸 分離と回収にかける工程、及び (b)共沸分離において製造された、500ppm未満の酢酸メチルを含有す るメタノールを蒸留搭へ循環する工程 を更に含んで成る請求項3に記載の方法。 6. 共沸分離において製造されそして蒸留搭へ循環された該メタノールが10 0ppm未満の酢酸メチルを含有する請求項5に記載の方法。 7.次の工程: (a)蒸留搭からの搭頂留出物を、更に酢酸メチルからの未反応メタノールの 共沸分離と回収にかける工程、及び (b)共沸分離において製造された、500ppm未満の酢酸メチルを含有す るメタノールを蒸留搭へ循環する工程 を更に含んで成る請求項4に記載の方法。 8. 共沸分離において製造されそして蒸留搭へ循環された該メタノールが10 0ppm未満の酢酸メチルを含有する請求項7に記載の方法。
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