JP2002506853A - ラクタムの製造法 - Google Patents

ラクタムの製造法

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Abstract

(57)【要約】 アミノニトリルを気相中で金属燐酸塩触媒の存在下に加水分解環化することによってラクタムを製造する方法は、一般式(I)M(POab (I)〔式中、Mはランタニドを含む周期律表の第3族または第4族の金属であり、aは2.5を上廻り、4.0未満であり、bは電気的中性を保証する程度にある〕で示されるオリゴ燐酸塩1つ以上、または一般式(I)のオリゴ燐酸塩1つ以上とランタニドを含む周期律表の第3族または第4族の金属の他の塩1つ以上との混合物を含有する触媒を無機酸と一緒に使用することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 ラクタムは、多角的な化合物である。例えば、N−メチルブチロラクタム(N
−メチルピロリドン)は、広範に使用される溶剤であり、ε−カプロラクタムは
、ポリアミド繊維を製造するための重要なモノマーである。
【0002】 ラクタムは、アミノニトリルを気相中で加水分解環化することによって製造さ
れうる。脱水性の性質を有する触媒、例えば酸化アルミニウム、シリカゲルまた
は硼燐酸が使用される。
【0003】 欧州特許出願公開第0659741号公報には、触媒としての金属オルト燐酸
塩、殊にアルミニウムオルト燐酸塩、ジルコニウムオルト燐酸塩、ニオビウムオ
ルト燐酸塩およびランタンオルト燐酸塩を用いての気相中での加水分解環化によ
るアミノニトリルおよび水からのラクタムの製造が記載されている。この触媒は
、付加的に好ましくはセシウム、ルビジウムおよびカリウムの塩基性アルカリ金
属化合物またはアルカリ土類金属化合物で含浸されていてよい。
【0004】 しかし、公知技術水準の触媒の選択性には、なお幾つかの要求すべき点が残さ
れている。副生成物の形成は、ラクタムの単離を困難にし、使用された触媒の毒
化をまねきうる。
【0005】 本発明の目的は、高い変換率で高い選択性を有するアミノニトリルを加水分解
環化することによってラクタムを製造するための触媒を提供することである。
【0006】 この目的は、一般式(I) M(POab (I) 〔式中、Mはランタニドを含む周期律表の第3族または第4族の金属であり、a
は2.5を上廻り、4.0未満であり、bは電気的中性が保証される程度である
〕で示されるオリゴ燐酸塩1種以上または一般式(I)のオリゴ燐酸塩1種以上
とランタニドを含む周期律表の第3族または第4族の金属の他の塩1種以上との
混合物を含有する触媒を無機酸と一緒に使用することを特徴とする、アミノニト
リルを気相中で金属燐酸塩触媒の存在下に加水分解環化することによってラクタ
ムを製造する方法により達成されることが見い出された。
【0007】 使用された触媒は、一般式(I)のオリゴ燐酸塩1種以上を含有することがで
きる。この式(I)は、全体の化学量論的式として理解されなければならず、実
際に存在する化合物の分子式として理解されてはならない。本発明の目的のため
のオリゴ燐酸塩は、水を除去しながらオルト燐酸を縮合させることによって得る
ことができる酸から形式的に誘導される燐酸塩である。水を分子間除去しながら
オルト燐酸H3PO4を縮合させることにより、鎖状のオリゴ燐酸Hn+2PnO3n+ 1 (トリ燐酸、テトラ燐酸、ペンタ燐酸等;n=3、4、5、等)または(大き なnに関連して)高分子量ポリ燐酸が生じる。トリ燐酸およびそれ以上高級のポ
リ燐酸は、環状メタ燐酸Hnn3n(トリメタ燐酸、テトラメタ燐酸等;n=3
、4、等)の形成のために分子間縮合を行なうこともでき、鎖長延長だけでなく
、分枝鎖状超燐酸(例えば、イソテトラ燐酸H6413)の形成を伴なう分枝鎖
縮合を行なうこともできる。縮合の形式的な最終生成物は、高分子量五酸化燐P 25である。前記酸から誘導される一般式(I)のオリゴ燐酸塩に関連して、a
は、高分子量五酸化燐の相応する値(2.5)とオルト燐酸塩の相応する値(4
.0)との間にある。即ち、2.5<a<4.0。aは、好ましくは、2.6〜
3.5、特に好ましくは3〜3.5である。殊に、aは3である。
【0008】 bの選択は、電気的中性を保証する程度にある。オリゴ燐酸塩中の燐が専ら五
価燐である場合には、bは、殊に(2a−5)/zであり、その際zは、M陽イ
オン上の電荷の数である。
【0009】 Mは、ランタニドを含む周期律表の第3族または第4族(=それぞれ遷移元素
の第III族または第IV族)の金属、即ちSc、Y、Ti、Zr、Hf、La、C e、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Ybおよ
びLu、好ましくはランタニド、特に好ましくはLaまたはCe、殊に好ましく
はLaである。本発明により使用されるオリゴ燐酸塩は、金属Mの1つ以上の種
を含有することができ、好ましくはまさに金属Mの単独の種を含有する。
【0010】 使用される触媒は、特殊なオリゴ燐酸塩、好ましくはトリメタ燐酸塩または一
般式(I)の異なるオリゴ燐酸塩の複数のものからなる混合物であってよい。
【0011】 特に好ましい触媒は、トリメタ燐酸塩、殊にランタントリメタ燐酸塩(LaP 39)である。
【0012】 更に、使用される触媒は、無機酸を有する、一般式(I)の前記のオリゴ燐酸
塩1つ以上とランタニドを含む周期律表の第3族または第4族の前記金属の他の
塩1つ以上との混合物であってよい。オリゴ燐酸塩中および他の塩中に存在する
金属は、同一でも異なっていてもよく;この金属は、好ましくは同一である。好
ましい他の塩は、オルト燐酸塩、硫酸塩、炭酸塩、珪酸塩、亜砒酸塩、砒酸塩、
亜アンチモン酸塩、アンチモン酸塩および硝酸塩であり、特に好ましくは金属の
オルト燐酸塩が挙げられる。
【0013】 一般式(I)のオリゴ燐酸塩は、単独で使用されても、他の塩と混合して使用
されてもよい。一般に、他の塩とオリゴ燐酸塩との比は、50:1、好ましくは
10:1まで、特に好ましくは5:1まで、殊に好ましくは0.1:1〜5:1
、殊に1:1〜5:1である。
【0014】 更に、触媒は、特に好ましくはトリメタ燐酸塩およびオルト燐酸塩と殊に金属
Mとしてのランタンとの混合物である。
【0015】 一般式(I)のオリゴ燐酸塩および他の塩は、それぞれ単位式につき水5分子
までを含有することができる。
【0016】 触媒は、一般に硝酸塩、亜硝酸塩、炭酸塩、蟻酸塩、酢酸塩、蓚酸塩または有
機酸の幾つかの他の塩から製造されるが、しかし、好ましくは、金属Mの亜硝酸
塩および好ましい前駆物質としての燐酸アンモニウムから製造される。これらの
成分は、微細な粉末として望ましいモル比で互いに緊密に混合される。燐:金属
の選択されるモル比(=b)は、反応が起きた後の生成物(オリゴ燐酸塩または
異なるオリゴ燐酸塩の混合物)において存在するであろう。混合後、前駆物質は
、例えば開いた坩堝中で一般に140〜200℃、好ましくは150〜180℃
の温度で2〜48時間、好ましくは8〜36時間徐々に加熱され、前駆物質は分
解される。引続き、250〜900℃、好ましくは400〜650℃に1〜8日
間、好ましくは2〜5日間徐々に加熱され、オリゴ燐酸塩への変換が完結される
。この方法は、燐:金属の比3を有する任意のオリゴ燐酸塩を混合物として得る
ことを可能にするが、しかし、或る場合には、純粋な形で得ることも可能にする
。こうして、例えばトリメタ燐酸塩は、純粋な形で得ることができる。
【0017】 更に、本発明は、次の工程: a)燐酸二水素アンモニウムと金属Mの硝酸塩との混合物を望ましいモル比で調
製する工程; b)この混合物を、前駆物質を分解させる段階及び金属オリゴ燐酸塩を固相反応
で形成させる段階で加熱する工程 から成ることを特徴とする、触媒を製造する方法を提供する。
【0018】 更に、メタ燐酸塩は、金属Mをジヒドロピロ燐酸塩としてMとピロ燐酸H427との塩の溶液から沈殿させ、生じる沈殿物を焼成し、メタ燐酸塩を形成させ ることによって得ることができる。
【0019】 更に、本発明は、次の工程: a)金属Mの塩を含む溶液を調製する工程; b)この溶液から金属Mをジヒドロピロ燐酸塩として沈殿させ、金属ジヒドロピ
ロ燐酸塩を含む沈殿物を除去する工程; c)必要によりこの沈殿物を洗浄し、乾燥させる工程; d)この沈殿物をか焼する工程 から成ることを特徴とする、触媒を製造する方法を提供する。
【0020】 ジヒドロピロ燐酸塩としてのMの沈殿は、好ましくは一般に0.5〜4、好ま
しくは0.8〜2のpHで実施される。沈殿を行なうために、塩基は、金属Mと
ピロ燐酸との塩を含有する溶液に添加されてよく、一定のpHを確立させる。好
ましい塩基は、アンモニア、アルカリ金属水酸化物、第一アミン、第二アミンお
よび第三アミン、特に好ましくはアンモニアである。更に、金属Mの塩を含有す
る溶液をピロ燐酸のアルカリ水溶液に添加することは可能である。適当な塩は、
金属Mの水溶性塩、好ましくは硝酸塩である。
【0021】 金属塩溶液の濃度は、一般に0.1〜1.5モル/l、好ましくは0.8〜1
.1モル/lであり、ピロ燐酸の濃度は、一般に0.1〜5モル/l、好ましく
は2〜4モル/lである。
【0022】 ピロ燐酸塩としてのMの沈殿は、冷時または熱時に実施されてよい。本質的に
一般式(I)のオリゴ燐酸塩から成りかつ重大な割合のオルト燐酸塩を含有しな
い触媒を製造するために、冷時に、特に好ましくは氷冷却によって沈殿を実施す
ることは好ましい。オルト燐酸塩を他の塩として含有する触媒を製造するために
、沈殿は、好ましくは熱時に実施され、この場合には、温度は、一般に30〜1
00℃、好ましくは60〜90℃である。
【0023】 ピロ燐酸塩含有沈殿物は、分離除去され、場合によっては洗浄され、乾燥され
、その後にか焼される。乾燥は、一般に60〜180℃、好ましくは100〜1
50℃で行なわれ、か焼は、一般に300〜900℃、好ましくは500〜70
0℃で一般に0.5〜10時間、好ましくは2〜4時間行なわれる。
【0024】 一般式(I)のオリゴ燐酸塩と1種以上の他の塩との混合物は、次の方法: − 金属Mの硝酸塩と燐酸二水素アンモニウムと無機酸のアンモニウム塩との固
相反応、この場合には、他の塩が誘導された; − 金属Mのジヒドロピロ燐酸塩および他の塩の共沈殿、その後のか焼; − 望ましいモル比での相応する酸化物に由来する、燐酸またはオリゴ燐酸、場
合によっては他の無機酸ならびに金属Mを含有する溶液の蒸発、場合によるその
後のか焼の中の1つによって得ることができる。
【0025】 触媒材料は、任意の望ましい形、例えば粉末、破砕片または成形品として使用
されてよい。触媒材料のための成形品の例は、押出品または球体である。結合剤
は、添加されてよく、成形品、例えばアエロジル(Aerosil)、ジャガイモ澱粉 またはセルロースエーテル(例えば、Walocel(登録商標))を生じる。更に、 触媒材料は、支持体、例えば珪質粘土岩、シリカゲル、炭素、炭化珪素または窒
化珪素に塗布されてよい。
【0026】 触媒は、好ましくは破砕片または成形品の形で使用される。触媒層は、選択性
を増大させる付加的な成分中に70体積%までの量で混合されていてよい。例は
、二酸化珪素、亜硝酸珪素および炭化珪素、好ましくは二酸化珪素、特に好まし
くは石英である。
【0027】 本発明の方法に有用なアミノニトリルは、アミノ基とニトリル基との間の鎖中
に少なくとも2個、好ましくは3〜20個の原子を有する脂肪族アミノニトリル
である。一般に、この原子は、炭素原子であるが、しかし、鎖は、1個以上、好
ましくは3個以下の硼素原子、窒素原子、燐原子、酸素原子および/または硫黄
原子を隣接してない位置、むしろ離散した位置に含有することも可能である。ア
ミノ基は、20個までの炭素原子を有する直鎖状アルキル基または分枝鎖状アル
キル基、例えばメチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、第
二ブチルまたは第三ブチルによってモノ置換されていてよい。本発明の方法にお
いて使用されるアミノニトリルは、好ましくはヘテロ原子なしにアミノ基とニト
リル基との間の鎖中に3、4、5または6個の炭素原子を有する、特に好ましく
は第一アミノ基を有するアミノニトリル、例えば4−アミノブチロニトリル、5
−アミノバレロニトリル、6−アミノカプロニトリルおよび7−アミノエナント
ニトリル、殊に好ましくは6−アミノカプロニトリルである。
【0028】 還元環化は、可動触媒層上または固定触媒層上で実施されてよい。反応は、好
ましくは固定触媒層(固定層)上で実施される。固定層は、例えば単独の堆積層
の形を取ることができるか、或いは複数の棚中に分配されていてよい。また、固
定層は、1つ以上の反応空間内、例えば管束反応器内に配置されていてよい。水
とアミノニトリルとのモル比は、一般に1〜50の範囲内、好ましくは1〜15
の範囲内内にある。反応温度は、一般に200℃〜550℃の範囲内、好ましく
は300℃〜400℃の範囲内にある。200℃未満の温度は、アミノニトリル
の蒸発を遅延させ、高い変換率の達成を困難にする。550℃を上廻る温度は、
副生成物および分解生成物の形成を増大させる。
【0029】 反応は、一般に0.01〜10バールの圧力、好ましくは大気圧で実施される
【0030】 反応は、不活性ガス、例えばアルゴンまたは窒素の存在下で実施されてよく、
この場合には、不活性ガスは、アミノニトリルに対して100倍までの過剰量で
存在していてよい。
【0031】 反応流出液ならびにラクタム生成物は、一般に未変換のアミノニトリルおよび
水ならびにアンモニアまたはアミンおよび少量の副生成物、例えばアミノカルボ
キサミドを含有する。ラクタムは、常用の分離法、例えば蒸留、抽出または結晶
化によって反応流出液から回収されることができる。
【0032】 触媒の空間速度は、典型的には毎時触媒1リットル当たりアミノニトリル50
〜2000gの範囲内、好ましくは500〜2000gの範囲内にある。アミノ
ニトリルに対する変換率は、70〜99.9%の範囲内にある。ラクタム形成の
選択率は、一般に使用されるアミノニトリルに対して85%を上廻り、好ましく
は90%を上廻り、特に好ましくは93%を上廻る。95%を上廻る選択率は、
可能である。この選択率の値は、数100時間の触媒上での流動時間の後であっ
ても達成される。
【0033】 以下の実施例につき本発明を詳説する。 触媒の製造 触媒1: (NH4)H2PO4およびLa(NO33・6H2Oの微細に粉砕された粉末を
磁性坩堝中で3:1のモル比で前駆物質として互いに緊密に混合する。前駆物質
を分解させるために、混合物を150℃で24時間維持し、次に180℃で12
時間維持し、その後に600℃に徐々に加熱する。4日後、この材料を冷却し、
LaP39の固溶体(solid melt)を得、この場合これは直ちに粉砕することが
できかつ粒径0.1〜0.5mmの破砕片に加工することができる。
【0034】 触媒2: 水500ml中のLa(NO33・6H2O 0.5モルの溶液および水50 0ml中のピロ燐酸1.5モルの溶液を調製する。第1の溶液を攪拌しながら第
2の溶液に滴加する。その後に、1:1の比で水で希釈された濃厚なMH3水溶 液3モルを氷で冷却しながらさらに滴加し、沈殿物を形成させる。この沈殿物を
分離除去し、冷たいNH3溶液で洗浄し、次いで150℃で18時間乾燥させる 。こうして得られた物質を粉砕し、粒径0.1〜0.5mmの破砕片に加工する
。その後に、この物質を380℃で9.5時間および次に550℃で2時間メタ
燐酸塩に分解する。
【0035】 触媒3: 水736ml中のLa(NO33・6H2O 0.8モルの溶液および水80 0ml中のピロ燐酸0.92モルの溶液を調製する。ピロ燐酸を濃厚なNH3溶
液でpH10に調節し、次に金属塩溶液を徐々に滴加する。生じる沈殿物を80
℃で1.5時間攪拌する。沈殿物を遠心分離し、pH10.0のアンモニア水で
2回スラリー化し、再び遠心分離する。こうして得られた物質を110℃で12
時間乾燥させ、その後に、粒径0.1〜0.5mmの破砕片に加工する。次に、
この物質を700℃で4時間焼成し、メタ燐酸塩とオルト燐酸塩との混合物を生
じさせる。
【0036】 触媒C(比較例): 欧州特許出願公開第0659741号公報の記載に従い、純粋なオルト燐酸ラ
ンタンから成る触媒を調製する。この目的のために、水3000ml中のLa(
NO33・6H2O 1.0モルの溶液および水1500ml中の(NH42H PO4 2.0モルの溶液を調製する。第2の溶液を攪拌しながら室温で第1の 溶液に徐々に滴加し、沈殿物を形成させる。その後に、懸濁液のpHをNH3水 溶液で6.0に調節する。30分間の攪拌の後、沈殿物を吸引漏斗上で水24
lで洗浄し、その後に120℃で12時間乾燥させる。得られた物質は、有効に
粉砕することができ、粒径0.1〜0.5mmの破砕片に加工される。この破砕
片を最終的に500℃で4時間焼成する。XRDスペクトルによれば、焼成生成
物は、純粋なオルト燐酸ランタンから構成されている。
【0037】 環化実験 上記触媒を、(底面から出発して)石英破砕片20ml、次に0.1mm未満
の破砕片としての触媒20ml、さらに蒸発帯域としての石英破砕片50mlで
充填された、内径30mmの電気的に加熱される管状反応器中で試験する。触媒
での充填後、この反応器を欧州特許出願公開第0659741号公報の記載によ
り、空気流中で400℃に加熱し、次に窒素雰囲気下で反応温度に冷却する。
【0038】 反応器を下降流モードで運転する。6−アミノカプロニトリルを毎時触媒1
l当たり750gで濃度50質量%の水溶液として充填する。反応は、キャリヤ
ーガスとしての窒素10 l/hを添加しながら大気圧で360℃で行なわれる
。6−アミノカプロニトリル(ACN)の変換率およびカプロラクタム(CPL
)の選択率を、ガスクロマトグラフィーにより内部標準を用いて質量平衡を媒介
として測定する。試料を選択率および変換率の正確な定量的測定のために数時間
に亘って蓄積させる。結果は、第1表に総括されている。
【0039】
【表1】
【0040】 反応が安定な条件下で少なくとも2日間進行した後、測定を実施した。166
時間後の触媒Cの分析は、この触媒Cがなお純粋なオルト燐酸ランタンであるこ
とを示した。
【0041】 実施例は、本発明により使用されるオリゴ燐酸塩含有触媒1〜3が純粋なオル
ト燐酸ランタン(触媒C)よりも高い変換率およびカプロラクタム選択率を生じ
ることを示す。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アミノニトリルを気相中で金属燐酸塩触媒の存在下に加水分
    解環化することによってラクタムを製造する方法において、一般式(I) M(POab (I) 〔式中、Mはランタニドを含む周期律表の第3族または第4族の金属であり、a
    は2.5を上廻り、4.0未満であり、bは電気的中性を保証する程度にある〕
    で示されるオリゴ燐酸塩1種以上または一般式(I)のオリゴ燐酸塩1種以上と
    ランタニドを含む周期律表の第3族または第4族の金属の他の塩1種以上との混
    合物を含有する触媒を無機酸と一緒に使用することを特徴とする、ラクタムの製
    造法。
  2. 【請求項2】 他の塩をオルト燐酸塩、硫酸塩、炭酸塩、珪酸塩、亜砒酸塩
    、砒酸塩、亜アンチモン酸塩、アンチモン酸塩および硝酸塩の群から選択するこ
    とを特徴とする、請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 オリゴ燐酸塩がトリメタ燐酸塩であることを特徴とする、請
    求項1または2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 MがLaまたはCeであることを特徴とする、請求項1また
    は2に記載の方法。
  5. 【請求項5】 他の塩の一般式(I)のオリゴ燐酸塩に対するモル比が1〜
    5の範囲内にあることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  6. 【請求項6】 他の塩がオルト燐酸塩であることを特徴とする、請求項1ま
    たは2に記載の方法。
  7. 【請求項7】 アミノニトリルが4−アミノブチロニトリル、5−アミノバ
    レロニトリル、6−アミノカプロニトリルおよび7−アミノエナントニトリルで
    あることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  8. 【請求項8】 請求項1記載の触媒を製造する方法において、次の工程: a)金属Mの塩を含む溶液を調製する工程; b)この溶液から金属Mをジヒドロピロ燐酸塩として沈殿させ、金属ジヒドロピ
    ロ燐酸塩を含む沈殿物を除去する工程; c)必要によりこの沈殿物を洗浄し、乾燥させる工程; d)この沈殿物をか焼する工程 から成ることを特徴とする、請求項1記載の触媒を製造する方法。
  9. 【請求項9】 請求項1記載の触媒を製造する方法において、次の工程: a)燐酸二水素アンモニウムと金属Mの硝酸塩との混合物を望ましいモル比で調
    製する工程; b)この混合物を、前駆物質を分解させる段階及び金属オリゴ燐酸塩を固相反応
    で形成させる段階で加熱する工程 から成ることを特徴とする、請求項1記載の触媒を製造する方法。
  10. 【請求項10】 アミノニトリルをラクタムに加水分解環化するための触媒
    として、請求項1または2に記載の金属オリゴ燐酸塩、または金属オリゴ燐酸塩
    とランタニドを含む周期律表の第3族または第4族の金属の金属塩との混合物を
    使用する方法。
  11. 【請求項11】 カプロラクタムを製造するための請求項10記載の方法。
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