JP2002516614A - 3−ヒドロキシプロピオンアルデヒドの水素化による1,3−プロパンジオールの製造方法 - Google Patents

3−ヒドロキシプロピオンアルデヒドの水素化による1,3−プロパンジオールの製造方法

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Abstract

(57)【要約】 30から180℃、水素圧力5から300バール、pH値2.5から7.0の水溶液中において、不均一触媒で3−ヒドロキシプロピオンアルデヒドを水素化し、1,3−プロパンジオールを製造する方法であって、酸化物担体上のルテニウムを触媒として用いる方法。

Description

【発明の詳細な説明】 3−ヒドロキシプロピオンアルデヒドの水素化による 1,3−プロパンジオールの製造方法発明の分野 本発明は、3−ヒドロキシプロピオンアルデヒドを水素化することによって1 ,3−プロパンジオールを製造する方法に関する。発明の背景 1,3−プロパンジオールは、ポリエステルおよびポリウレタンに対してのモ ノマー単位として、また環状化合物を合成するための出発原料として用いられる 。 C2およびC1構造単位、あるいは例えばアクロレインなどのC3構造単位のい ずれかから出発する、1,3−プロパンジオールを製造するための様々な製造方 法が知られている。アクロレインを用いる場合、先ずこの化合物を酸性触媒の存 在下で水和し、そこで3−ヒドロキシプロピオンアルデヒド(3−ヒドロキシプ ロパナール)を形成する。一度、未反応のアクロレインを分離してもなお、水和 の間に形成された水性の反応混合物には、まだ3−ヒドロキシプロピオンアルデ ヒド85重量%に加えて、オキサヘプタンジオール約8重量%、およびさらなる 有機成分が低比率で含まれている。この反応混合物は水素化触媒の存在下で水素 化され、1,3−プロパンジオールを製造する。 Hatch他の米国特許第2,434,110号によれば、3−ヒドロキシプ ロピオンアルデヒドを水素化するのに適切な触媒は、例えばFe、Co、Cu、 Ag、Mo、V、Zr、Ti、Th、およびTaなどの水素化作用を有する1種 以上の金属を含むものである。ラネーニッケルおよびアドキンス銅/クロム酸化 物もまた触媒として用いることができる。 Arntz他のドイツ特許明細書第3926136号によれば、触媒は、懸濁 または担持された形で、あるいは固定床触媒の成分としてのいずれかで用いるこ とができ、また均一触媒を用いることもできる。この記載の懸濁触媒は、ラネー ニッケル(様々な他の触媒的に活性な金属でドープしてもよい)、および活性炭 上の白金である。 従来技術の接触水素化は、少量の触媒的に活性な元素が可溶性の化合物の形で 生成物の流れの中に排出されることになり、その結果として生ずる混入物を分離 するために更なる工程が必要になる恐れがある。これは特に、例えばラネーニッ ケルなどの懸濁触媒で見られる。 水素化法は、転化率、選択率、およびそれにより得られる空時収量によって特 徴付けることができる。転化率は、水素化により他の物質に転化する遊離体(こ の場合は3−ヒドロキシプロピオンアルデヒド)のモル数を示す。転化率は通常 、導入された遊離体のモルの百分率として示される。 これに対し、水素化法における選択率は、所望する生成物に転化される転化遊 離体のモル数の尺度である。すなわち、 空時収量は、単位時間および反応体積当たり得られる生成物の量を示す、連続水 素化法に関するもう1つの重要な特性である。 工業的に大規模に3−ヒドロキシプロピオンアルデヒドを水素化して1,3− プロパンジオールにする場合、水素化法の経済的実現性および製品の品質に関し て、転化率および選択率ができる限り100%に近いことは、きわめて重要であ る。1,3−プロパンジオールは水素化の後、生成物の流れの中に含まれる水と 、残留3−ヒドロキシプロピオンアルデヒドおよび二次生成物とから蒸留によっ て分離することができる。しかしながら、この蒸留による分離は、残留3−ヒド ロキシプロピオンアルデヒドおよび二次生成物によってきわめて困難になり、ま た 残留3−ヒドロキシプロピオンアルデヒドと1,3−プロパンジオールとの間の 反応によって、1,3−プロパンジオールの沸点に近い沸点を有するアセタール が生成されるため不可能にさえなる可能性がある。したがって、転化率および選 択率が低いほど、得られる製品の品質は劣る。 経済的に1,3−プロパンジオールを製造するためには、触媒が3−ヒドロキ シプロピオンアルデヒドの水素化に対して高い活性を示すことも重要である。し たがって、その目標は、1,3−プロパンジオールの製造に対して必要とされる 触媒の量をできるだけ少なくすることを可能にする方法を見出すことにあるべき である。すなわち、少ない体積の触媒で、3−ヒドロキシプロピオンアルデヒド から1,3−プロパンジオールへの転化率をできるだけ高くすることを可能にす ることにあるべきである。 転化率、選択率、および空時収量は、触媒の特性により、また反応温度、水素 の圧力、および水素化の持続時間(あるいは連続水素化の場合は毎時空間速度( LHSV))などの水素化条件により影響される。 3−ヒドロキシプロピオンアルデヒドを水素化して1,3−プロパンジオール にする場合、主反応は、水素の圧力と時間(連続プロセスにおける空間速度)に 直線的に依存し、一方、反応温度はほとんど影響しないということに注目すべき である。これに対して二次生成物の形成は、温度に指数関数的に依存する。他の 点で同一の条件下では、二次生成物の形成は10℃当たり2倍になり、これに対 応して選択率の低下が見られる可能性がある。これに対し、温度上昇は二次反応 速度を指数関数的に増加させるが、水素圧力は主反応速度を単に直線的に増加さ せるので、選択率に及ぼす圧力のプラス効果は温度上昇のマイナス効果ほど顕著 ではないが、水素圧力の増加は選択率にとってプラス効果を有する。 水素化法に用いる触媒品質の1つの重要な評価基準は、その運転中の有効寿命 である。すぐれた触媒は、1,3−プロパンジオールへの3−ヒドロキシプロピ オンアルデヒドの水素化において、その有効寿命の間、一定の転化率と選択率と を保証しなければならない。周知の水素化法の従来技術、特にニッケル触媒をベ ースとするものは、この点で不十分な長期安定性を示す。これは、触媒パッキン グ全体のより頻繁な交換を強いて、そのことはニッケルを含む化合物の廃棄およ び後処理という周知の問題を伴う。 酸化アルミニウム上のルテニウム(Escalit)の存在下で脂肪酸カルボ ニル化合物を水素化して対応するアルコールにすることは、1991年Enge lhard社のパンフレット「Exceptional Technologi es」で知られる。 担持されたルテニウム触媒の存在下で脂肪族アルデヒドを水素化してアルコー ルにすることは、Degussa社のパンフレット「Powder Preci ous Metal Catalysts」(6/95発行)で知られる。この 場合、酸化アルミニウムが担体として示されている。 Arntz他の欧州特許第B 535 565号には、水溶液中で3−ヒドロ キシプロピオンアルデヒドを不均一触媒により水素化し、1,3−プロパンジオ ールを製造する方法が開示されており、その担持された触媒は、その上に細かく 分割された白金が担体に対して0.1から5重量%の量で存在する二酸化チタン からなる。この方法は、実質的に一定でかつ高い転化率を提供するために触媒の 有効寿命にわたって比較的高い水素化圧を必要とするという欠点を有する。その 上、その低活性により十分高いレベルの転化率を達成するためには比較的大量の 白金触媒が必要である。白金が高価格であるために、それに対応して水素化工程 のコストを相当に上昇させる。発明の概要 したがって、本発明の目的は、従来技術の方法の前述の欠点を示さない水素化 法を提供することである。 本発明は、水溶液中において温度30℃から180℃、水素圧力5から300 バール、およびpH値2.5から7.0で、不均一触媒を用いて3−ヒドロキシ プロピオンアルデヒドを水素化することによって1,3−プロパンジオールを製 造する方法を提供するものである。この方法は用いられる触媒が、酸化物相、好 ましくは酸性媒体に耐える酸化物相と、その酸化物相の上に、好ましくは酸化物 相に対して0.1から20重量%の量で存在するルテニウムとからなる担持され た触媒であることを特徴とする。担体材料として適当である好ましい酸化物相は TiO2およびSiO2を含む。 本発明の方法は、触媒の有効寿命の間、1,3−プロパンジオールへの3−ヒ ドロキシプロピオンアルデヒドの高く一定の転化率を提供する。得られる高く一 定の転化率は、低い水素圧力、例えば90バール未満でさえ維持される。これに 反してPt/TiO2などの従来技術の触媒は低い水素圧力では満足されない。発明の詳細な説明 本発明の方法は、担持されたルテニウム触媒の存在下で3−ヒドロキシプロピ オンアルデヒドを水素化し、1,3−プロパンジオールを形成することを含み、 担体は酸化物相を含む。好ましくはルテニウムは、酸化物相に対して0.1から 20重量%の量の細かく分割された状態で担体上に存在する。 酸化物相として用いるのに適した酸化物材料の例には、二酸化チタン、SiO2 、Al23、および/またはそれらの混合酸化物(例えばケイ酸アルミニウム )がある。他の適切な酸化物相には、MgO、ゼオライト、および/または二酸 化ジルコニウムがある。このような物質は、例えばAlvin,B.著「Cat alyst Supports and Supported Catalys ts」(Stiles Verlag,Butterworths 1987) の第2および3章に記載されている。酸化物相の混合物を担体材料として用いる こともまた可能である。 好ましくは酸性媒体に耐える酸化物相が用いられる。このような酸化物相は、 二酸化チタン、SiO2、および/またはこれらの混合酸化物(例えばケイ酸ア ルミニウム)を含む群から選択された物質を含む。ゼオライトおよび/または二 酸化ジルコニウムもまた酸性媒体に耐え得る。酸化アルミニウムおよび酸化マグ ネシウムは、より低い耐酸性を有する。 本発明の好ましい実施形態においては、チタンおよび/またはケイ素の酸化物 、ならびにチタン、ケイ素、およびアルミニウムの混合酸化物が、酸化物相とし て用いられる。 用いられる二酸化チタンは、火成(pyrogenically)方式で製造された二酸化 チタン、特に火炎加水分解により製造された二酸化チタンであってもよい。用い られる火成の二酸化チタンは、例えば四塩化チタンから火炎加水分解によって得 ることができ、BET表面積40から60m2/gおよび全細孔体積0.25か ら0.75ml/g、平均一次粒径20nm、密度3.7g/cm3、およびル チル20から40%とアナターゼ80から60%とであるX線構造を有する。ま た、0.5重量%未満の二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、および酸化鉄が混入 されている。Degussa社製の材料P25などの火成の二酸化チタンは触媒 活性成分に対する担体として特に適しており、平均で50m2/g(DIN 6 6131に従って測定)の高いBET比表面積を有する。 酸化物を、例えばArntz他の米国特許第5,364,984号に記載され たような当業界で既知の方法を用いて、ペレット、顆粒、あるいは押出物などの 成形物の形にしてもよい。 酸化物相を、Delmon,B.、Jacobs,P.A.、およびPonc ald,G.編「Preparation of Catalyst」(Ams terdam Elsevier,1976,p.13)に刊行されたInci pient Wetness法によりコーティングすることができる。この目的 に対して担体の吸水容量を決める。次に、ルテニウムコーティングに相当する濃 度を有する塩化ルテニウム水溶液を調製する。全溶液量が吸収されるように、そ の吸水容量に従って塩化ルテニウム水溶液を担体に充填する。充填された担体を 、好ましくはネオン、ヘリウム、アルゴン、窒素、あるいは空気などの不活性気 体の雰囲気中において常圧、20℃から100℃で乾燥する。また、乾燥工程は 加圧下または真空下で行ってもよい。次に乾燥され、含浸された担体を、好まし くは温度100℃から500℃で、20分から24時間にわたって、一般には常 圧、および窒素との混合物としての水素濃度1から100%において、水素で還 元して金属ルテニウムを形成する。還元された触媒を、次いで任意選択で塩化物 がなくなるまで、好ましくはCl-が<100ppmになるまで洗浄する。この 調製は触媒担体上の細かく分割されたルテニウムを提供し、結晶サイズは透過型 電子顕微鏡による測定で一般に1と5nmの間にある。ルテニウムは、酸化物相 の重量に対して0.1から20重量%、好ましくは約0.1から10重量%、最 も好ましくは約0.5から5重量%の量で担体上に配置される。 3−ヒドロキシプロピオンアルデヒドは、当業界で既知の方法を用いて担持さ れたルテニウム触媒の存在下で水素と反応させる。例えば、撹拌反応装置あるい は流通反応装置を用いることができる。固定床水素化反応装置は工業的規模で水 素化を行うには特に適している。このような反応装置においては、液状反応混合 物を導入される水素とともに固定床触媒の上に流すか、あるいは滴らせる。反応 混合物中に水素をよく分配し、また固定床の全断面にわたって気体/液体混合物 を一様に分配することを保証するために、触媒床の前に液状反応混合物と水素と を一緒に固定式ミキサを通過させてもよい。細流床反応装置が特に好ましく、こ れは「Kirk−Othmer Encyclopedia of Chemi cal Technology」(Third Edition,Vol.19 ,pp.880〜914、特にp.884)に記載されている。細流床反応装置 は、短い液体停滞時間をもたらすために好ましい。すなわち、3−ヒドロキシプ ロピオンアルデヒドからのアクロレインの形成などの副反応の量を低減して、よ り高い選択率をもたらす。 3−ヒドロキシプロピオンアルデヒドは、一般に3−ヒドロキシプロピオンア ルデヒド濃度が2と20重量%の間、pHが2.5と7.0の間の水溶液として 反応装置に供給される。連続工程においては液空間速度は毎時0.1と10の間 にあることが好ましい。水素化反応は、温度30℃から180℃において、水素 の圧力5から300バール、好ましくは水素の圧力90バール未満、最も好まし くは10から60バールで行う。本発明の利点は、他の触媒に比べて低い水素の 圧力で、高く一定の転化率が得られることにある。例えば、Arntz他の米国 特許第5,364,984号の二酸化チタン担持白金触媒は、触媒の有効寿命に わたって高く一定の転化率を得るために、通常約90バールを超える水素圧力を 必要とする。実施例 長期の性能を確かめるために、触媒を定常状態の条件下で試験した。水素化は 、反応装置容積140mlを有する細流床装置(「Kirk−Othmer E ncyclopedia of Chemical Technology」(T hird Edition,Vol.19,pp.880〜914、特にp.8 84))中で連続的に行った。装置は、液体容器、固定床反応装置、および液体 分離装置からなる。反応温度は伝熱媒体/オイル管路によって調節した。圧力お よび水素の流れは電子的に制御した。3−ヒドロキシプロピオンアルデヒド水溶 液はポンプで水素の流れに配分し、混合物を反応装置の上部に導入した(細流床 操作)。一度、混合物が反応装置を通過したならば、その得られる生成物は定期 的に分離装置から取り出された。各事例において、触媒50mlが用いられ、遊 離体溶液中の3−ヒドロキシプロピオンアルデヒド濃度は10重量%であり、遊 離体のpHは約4.0であった。水素化温度は40℃、水素圧力は40バール、 また液体の負荷、すなわちLHSVは毎時1.0であった。表1に様々な実施例 による試験の結果を要約する。反応生成物中の残留3−ヒドロキシプロピオンア ルデヒド濃度をGCにより測定し、報告される転化率の計算に用いた。全ての実 施例において、選択率は98%を超えた(1,3−プロパンジオール濃度はガス クロマトグラフィで測定される)。 触媒は下記の方法に従って調製した。すなわち、 1.担体の吸水率は担体100g当たりのH2Oのgで決定された。 2.担体250mlに充填するためにRuCl3を蒸留水に溶かした(表1を参照 されたい)。 3.担体250mlをコーティング皿に導入し、皿を回転しながらRuCl3溶 液を担体の上に注いだ。 4.コーティングした担体を室温の空気中で16時間乾燥し、次に管状炉(tube furnace)の中の空気中で200℃まで加熱した。 5.次に触媒を水素を用いて200℃、8時間還元し、次いで触媒が室温に達す るまで水素中で冷却した。 6.還元した触媒を、塩化物がなくなるまで蒸留水40ml分で3回洗浄した。 用いた担体は下記の特性を有した。担体1 : Grace社製のシリカゲル(0.8〜1.2mm) 呼称: V432担体2 : Norit社製の活性炭(直径2.3mm) 呼称: Norit CNR 115(olive stones)担体3 : Norit社製の活性炭(直径0.8mm) 呼称: Norit ROX(peat carbon)担体4 : 火炎加水分解により火成方式で製造されたDegussa AG製の 二酸化チタンP25。この担体は焼戻し(950℃、12時間)され 、欧州特許第535565号の記載に従って押出成形した。担体5 : Rhone−Poulenc社製のAl23(直径1.1〜1.3m m) 呼称: Spheralite 521 担体のコーティング中は下記の条件を維持した。すなわち、 *TiO2 P25は、焼戻し(950℃、12時間)、押出成形した。 比較例VB1およびVB2の結果と、本発明による実施例B1からB6の結果 を比較すると、本発明によるルテニウム触媒は、従来技術のPt/TiO2触媒 と比べてより高い活性、すなわち、より高い転化率により特徴付けられることが 分かる。比較例VB1からVB6は、二酸化チタン担体上の白金および活性炭担 体上のルテニウム触媒がともに長時間の挙動において劣ることを示している。両 群の触媒は僅か数百時間後に不活性になった。比較例VB5およびVB6に用い られるRu/活性炭担体は高い初期活性(24時間の作用時間の後の転化率99 . 7%)を有するが、さらに72時間追加した作用時間の後では転化率はほぼ40 %低下した。Pt/TiO2触媒を用いた場合、20時間の作用時間の後の転化 率に比べて、作用時間300時間後の転化率は約25%低下した。これに対して 、本発明による酸化物担体上のルテニウム触媒は、驚くべきことに不活性化の傾 向を少しも示さなかった。酸化物で担持されたルテニウム触媒を用いる本発明の 実施例に関して、転化率は、約200〜400時間の作用時間にわたって実質的 に一定のままである。本発明の実施例に関して見られた最も大きい転化率の低下 は、Ru/Al23触媒の場合であり、約240時間の作用時間の後の転化率は 72時間と比べて、わずか約2.5%だけ低下した。特にSiO2およびTiO2 上のルテニウム(実施例B1からB4)はきわめて高い活性を示し、その活性は 200時間を超える作用時間にわたって実質的に一定のままである。 本発明を若干の実施形態について上述したが、本発明の精神および範囲を離れ ることなしに種々の変形および改変を行うことができることを理解されたい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 19737190.6 (32)優先日 平成9年8月27日(1997.8.27) (33)優先権主張国 ドイツ(DE) (31)優先権主張番号 60/058,509 (32)優先日 平成9年9月11日(1997.9.11) (33)優先権主張国 米国(US) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),AU,BR,C A,CN,JP,KR,US (72)発明者 サウワー,ジョルグ. ドイツ ディー―63517 ロデンバッハ サドリング 64 (72)発明者 アルンツ,ダイエットリッチ. アメリカ合衆国 36695 アラバマ州 モ ービル レノックス ゲイツ ナンバー 322 ヒルクレスト ロード 1500 (72)発明者 フロイント,アンドレアス. ドイツ ディー―63801 クレイノスシー ム ロバート―コッホ ストラッセ 3 (72)発明者 タック,トーマス. ドイツ ディー―61381 フリードリッヒ ドルフ ハードトゥワルダリー 12

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.1,3−プロパンジオールの製造方法であって、 不均一触媒の存在下で3−ヒドロキシプロピオンアルデヒド水溶液を水素化す る工程であって、温度30℃から180℃、水素圧力5から300バール、およ びpH2.5から7.0で実施される前記水素化工程を含み、 前記触媒は酸化物相を含む担持された触媒であり、該酸化物相には該酸化物相 に対して0.1から20重量%の量でルテニウムが配置されていることを特徴と する方法。 2.前記酸化物相が、TiO2、SiO2、Al23、MgO、ゼオライト、二酸 化ジルコニウム、および混合酸化物からなる群から選択された少なくとも1つの 要素を含み、前記混合酸化物がTiO2、SiO2、およびAl23からなる群か ら選択された少なくとも2つの要素を含むことを特徴とする請求項1に記載の方 法。 3.前記酸化物相が、TiO2、SiO2、ケイ酸アルミニウム、ゼオライト、お よび二酸化ジルコニウムからなる群から選択された少なくとも1つの要素を含む ことを特徴とする請求項2に記載の方法。 4.前記酸化物相の上に、細かく分割されたルテニウムが0.1から10重量% の量で配置されることを特徴とする請求項2または3に記載の方法。 5.前記酸化物相の上に、細かく分割されたルテニウムが0.5から5重量%の 量で配置されることを特徴とする請求項2または3に記載の方法。 6.前記酸化物相に、ルテニウム化合物の水溶液を用いてルテニウムを含浸し、 次いで水素の流れの中で、20分から24時間にわたって温度100℃から50 0℃で還元することを特徴とする請求項5に記載の方法。 7.前記水素化の工程を、水素圧力90バール未満で実施することを特徴とする 請求項1に記載の方法。 8.前記水素化の工程を、水素圧力10バールから60バールで実施することを 特徴とする請求項7に記載の方法。 9.前記酸化物相が、SiO2およびTiO2からなる群から選択された少なくと も1つの要素を含むことを特徴とする請求項7または8に記載の方法。 10.前記水素化の工程を、細流床反応装置中で実施することを特徴とする請求 項9に記載の方法。
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