JP2003531919A - 3−ヒドロキシプロパナール水性溶液からコバルトまたはロジウムカルボニル化合物を除去する方法 - Google Patents
3−ヒドロキシプロパナール水性溶液からコバルトまたはロジウムカルボニル化合物を除去する方法Info
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Abstract
Description
去に関する。本発明は、態様の1つとして、1,3−プロパンジオールの製造に
関する。この態様の一実施形態において、本発明は、中間体の水性流体からコバ
ルトを効率的に除去する1,3−プロパンジオールを製造するためのコバルト触
媒法に関する。
ルボニルなどの金属触媒の存在下、有機溶媒中、第1にヒドロホルミル化される
2段階の方法で調製できる3−ヒドロキシプロパナールを形成するための重要な
工業的試剤である。3−ヒドロキシプロパナールの中間体は、加圧下で水抽出さ
れ、コバルト触媒は、有機相中のヒドロホルミル化反応へとリサイクルされる。
水性3−ヒドロキシプロパナールは、次に1,3−プロパンジオールに水素化さ
れる。水性3−ヒドロキシプロパナールを水素化反応器に直送できるのが理想で
ある。しかし、水に溶解した一酸化炭素は、3−ヒドロキシプロパナールの抽出
中、一般に水相に浸出する少量の金属触媒と同様に、大抵の不均一系水素化触媒
にとって触媒毒である。許容し得る生成物収量のために、3−ヒドロキシプロパ
ナールを分解しない条件下で、この触媒を3−ヒドロキシプロパナールの水性溶
液から除去する必要がある。
プロパナールの水性溶液からコバルトまたはロジウム化合物を効率的に除去する
ことが本発明の目的である。一実施形態において、一酸化炭素および残存金属化
合物が本質的に存在しない水素化のために3−ヒドロキシプロパナールの水性流
体を提供することが本発明のさらなる目的である。
5℃の温度範囲で酸性条件下、酸素と接触させて、3−ヒドロキシプロパナール
、1種以上の水溶性コバルト種またはロジウム種および副産物の一酸化炭素の水
性溶液を含む酸化生成混合物を生成するステップ、 (b)生成された酸化生成混合物から副産物の一酸化炭素を除去するステップ
、および (c)約45℃未満の温度に保持された酸性イオン交換樹脂に接触させて酸化
生成混合物を通し、この酸化生成混合物から溶解性金属化合物の少なくとも1部
を除去するステップを含む方法により、コバルトまたはロジウムカルボニル化合
物が、3−ヒドロキシプロパナールの水性溶液から除去される。
はロジウム触媒化合物を含有する中間体の3−ヒドロキシプロパナール溶液を経
由するエチレンオキシドからの1,3−プロパンジオールの製造に有用である。
ドの3−ヒドロキシプロパナールへのヒドロホルミル化、引き続く3−ヒドロキ
シプロパナールの1,3−プロパンジオールへの水素化により1,3−プロパン
ジオールを調製する方法における、3−ヒドロキシプロパナールの水性溶液から
コバルト化合物および一酸化炭素の除去を図示している。
の、または組み合わせた流体を、バッチ様式でまたは連続様式で操作される、発
泡カラムまたは撹拌槽などの加圧反応槽であり得るヒドロホルミル化槽3に充填
する。仕込み流体を、一般にロジウムカルボニルおよびコバルトカルボニルから
選択される金属カルボニルであるヒドロホルミル化触媒の存在下接触させる。ヒ
ドロホルミル化触媒は、ヒドロホルミル化反応混合物の重量に基づいて、典型的
には約0.01重量%から約1重量%、好ましくは約0.05重量%から約0.
3重量%の範囲の量で反応混合物中に存在する。水素および一酸化炭素は、約1
:2から約8:1、好ましくは約1:1から約6:1の範囲内のモル比で一般に
反応槽に導入される。
好ましくは約5重量%から約10重量%の範囲に維持しながら(異なる密度を有
する溶媒を供するために、反応混合物中の3−ヒドロキシプロパナールの所望濃
度をモル濃度で表すことができ、すなわち、1.5M未満、好ましくは約0.5
Mから約1Mの範囲である)、主要部の3−ヒドロキシプロパナールおよび少量
部のアセトアルデヒドおよび1,3−プロパンジオールを含むヒドロホルミル化
反応生成混合物を生産するのに効果的な条件下で、このヒドロホルミル化反応が
実施される。一般に、コバルト触媒のヒドロホルミル化反応は、100℃未満、
好ましくは約60℃から約90℃、最も好ましくは約75℃から約85℃の高温
で、ロジウム触媒のヒドロホルミル化反応では約10℃高い温度状態で実施され
る。ヒドロホルミル化反応は、約100psigから約5000psig、好ま
しくは(方法の経済性のために)約1000psigから約3500psigの
範囲の圧で一般に実施され、より高い選択性のためには、より高い圧が好ましい
。
性」とは、溶媒が反応過程中に消費されないことを意味する。一般に、ヒドロホ
ルミル化工程の理想的な溶媒は、一酸化炭素を溶解し、本質的に非水混和性であ
り、およびヒドロホルミル化の条件下で中間体の3−ヒドロキシプロパナールが
少なくとも約5重量%の所望濃度に溶解するような低極性から中程度の極性を示
し、一方で、水抽出の際、分離相として留まることが重要である。「本質的に非
水混和性」とは、この溶媒がヒドロホルミル化反応混合物から3−ヒドロキシプ
ロパナールの水抽出時に炭化水素の豊富な分離相を形成するように、25℃で2
5重量%未満の水への溶解度を有することを意味する。
たはC1〜20の線状、分枝状、環式または芳香族ヒドロカルビルまたはモノま
たはポリアルキレンオキシドであり、R2は、C1〜20の線状、分枝状、環式
または芳香族ヒドロカルビル、アルコキシまたはモノまたはポリアルキレンオキ
シドである。最も好ましいヒドロホルミル化溶媒は、メチル−t−ブチルエーテ
ル、エチル−t−ブチルエーテル、ジエチルエーテル、フェニルイソブチルエー
テル、エトキシエチルエーテル、ジフェニルエーテルおよびジイソプロピルエー
テルなどのエーテル類である。テトラヒドロフラン/トルエン、テトラヒドロフ
ラン/ヘプタンおよびt−ブチルアルコール/ヘキサンなどの溶媒類のブレンド
もまた、所望の溶媒特性を達成するために利用できる。現在のところ好ましい溶
媒としては、緩和な反応条件下で3−ヒドロキシプロパナールの高収率が達成で
きるので、メチル−t−ブチルエーテルである。
には、反応速度を高める触媒促進剤を含むことが好ましい。好ましい促進剤とし
ては、活性触媒に対して親水性(水への溶解性)を付加することなくヒドロホル
ミル化の速度を高める脂溶性ホスホニウム塩類および脂溶性アミン類が挙げられ
る。ここで用いられる「脂溶性」とは、3−ヒドロキシプロパナールの水による
抽出後、促進剤が有機相に留まる傾向にあることを意味する。一般に促進剤は、
コバルト1モルにつき約0.01モルから約1.0モルの範囲の量で存在する。
現在のところ好ましい脂溶性促進剤は、テトラブチルホスホニウムアセテートお
よびジメチルドデシルアミンである。
ル−t−ブチルエーテル溶媒においてヒドロホルミル化のための最適な水のレベ
ルは、約1重量%から約2.5重量%の範囲内である。しかし、過剰量の水は、
選択性(3−ヒドロキシプロパナール+1,3−プロパンジオール)を許容でき
るレベル以下に低下させ、第2の液相形成を誘導する可能性がある。
プロパンジオール、触媒、残存合成ガスおよび少量の反応副産物を含むヒドロホ
ルミル化反応生成混合物4を冷却し、抽出槽5に送り、そこでは、水性液体(一
般に水および任意の混和性溶媒)を、次の水素化ステップのための3−ヒドロキ
シプロパナールの抽出および濃縮のために、6を介して添加する。
ック式またはトレイ式抽出カラム類、または回転ディスクコンタクター類などの
任意の好適な手段により達成できる。ヒドロホルミル化反応生成混合物に添加さ
れる水の量は、一般に約1:1から約1:20、好ましくは約1:5から約1:
15の範囲の水−混合物比となるようにする。水抽出は、好ましい低温で約25
℃から約55℃の温度範囲で実施することが好ましい。25℃から55℃で50
psigから200psigの一酸化炭素での水抽出が、有機相中触媒の回収を
最大にする。
流して、抽出槽から7を経てヒドロホルミル化反応へとリサイクルできる。水性
抽出8は、残存するコバルトまたはロジウム触媒を除去するために、フラッシュ
蒸留カラム9を経て水素化ゾーン13およびイオン交換樹脂10に通す。主要部
の残存する合成ガスをフラッシュ蒸留により水性溶液から除去する。しかし、溶
液中に残存する一酸化炭素が少量であっても、水素化触媒の性能を妨害する可能
性があることが判明し、本発明の方法の好ましい実施形態は、3−ヒドロキシプ
ロパナール水性溶液を水素化に通す前に、下記のように、この残存する一酸化炭
素の除去に備える。
して約4重量%から約60重量%の3−ヒドロキシプロパナール、概して約20
重量%から約40重量%の3−ヒドロキシプロパナール、および約10ppmか
ら約400ppmのCo[Co(CO)4]2、Co2(CO)8およびRh6 (CO)16などの水溶性および水不溶性のコバルトまたはロジウム種を含む。
ールの水性溶液は、不溶性コバルト種の水溶性コバルト種への酸化に効果的な条
件下で酸素と接触させる。3−ヒドロキシプロパナールの水性溶液は、約3から
6、好ましくは約3から約4の範囲のpHを有する溶液を生成するのに効果的な
量での有機酸または無機酸の添加により、十分に酸性にすることができる。好適
な酸は、C1〜4の有機酸を含む。他に水性の酸は、3−ヒドロキシプロピオン
酸の形成に好ましい条件下でのエチレンオキシドのヒドロホルミル化の副生成物
として生産し得る。
を導入することにより簡便に実施できる。好ましい酸化法は、処理される3−ヒ
ドロキシプロパナール溶液がトレイカラムを通って下方へ流れる際に、トレイカ
ラムを通して上方へ空気散布することを含む。この方法は、約5℃から約45℃
の温度範囲、および大気圧下で実施される。滞留時間は、他の変数に依るが、一
般に1分から約15分の範囲にある。
の不活性ガスが可燃性混合物の形成を防ぐために酸化ガスと共に導入される場合
、水性溶液から一酸化炭素を運び去る追加の効果を有する。
れには、強酸樹脂のアルカリ金属塩(例えば、スルホン化ポリスチレン類のナト
リウム塩);弱酸樹脂のアルカリ金属塩;および強酸および弱酸樹脂双方の酸の
形態が含まれる。コバルトまたはロジウムの除去に選択される樹脂は、3−ヒド
ロキシプロパナールを分解する可能性が低く、1ステップの方法で再生でき、標
的金属種を強く吸収する場合には、工業的方法において最適な結果が達成できる
。これらの目的は、酸化コバルト種を強く吸収し、硫酸による単段階で容易に再
生される強酸樹脂の酸形により最もよく達成できる。短時間接触ベッドにおける
このような樹脂の使用は、現在のところ金属除去のために好ましい。金属除去の
ための好適な樹脂は、ロームアンドハースからIR120、Al200またはA
−15樹脂の商品として、ダウケミカルからM−31樹脂の商品として入手でき
る。
度は、約45℃以下に維持し、滞留時間は、例えば、イオン交換樹脂ベッドを短
くして使用することにより、最少限に維持する必要がある。このようなベッドは
、吸収/イオン交換ゾーンの形を、チャネリングがベッドの性能を限定しない点
まで鋭くするように、デザインされる。
本発明の態様の1つによれば、樹脂と10%硫酸などの酸との接触は、樹脂を清
浄化し、安定なイオン交換性能を回復する。この酸は、約70℃から約110℃
の範囲での高温が好ましい。一般に十分な処理時間は、約0.5時間から約2時
間である。触媒をカルボニル体へ変換するために、樹脂からの濃縮コバルトまた
はロジウムの回収は、経済的な方法として望ましい。
通し、水素化触媒の存在下、水素12と反応させ、1,3−プロパンジオールを
含有する水素化生成混合物を生産する。水素化触媒は、W.R.グレースからカ
ルシキャットE−475SRおよびR−3142の商品として入手できるような
固定ベッド支持ニッケル触媒が好ましい。
る。好ましい実施形態では、上記のように、水素化は、約50℃から約130℃
の温度範囲で実施され、引き続く第2段階は、第1段階の温度よりも高い温度の
約70℃から約155℃の範囲内で実施され、次いで任意に第3段階は、重末端
の1,3−プロパンジオールへの復帰のために約120℃よりも高い温度で実施
される。このような方法において、図示された水素化ゾーン11は、一連の2つ
以上の分離した反応槽を含む。
び軽末端除去のためのさらなる蒸留(示していない)を経由し、15を経て水抽
出工程へとリサイクルされる。1,3−プロパンジオール含有生成物流体16は
、重末端19から1,3−プロパンジオール18を回収するために蒸留カラム1
7に通すことができる。
パナール)水性溶液およびコバルトを添加していない水性溶液を、支持ニッケル
触媒(シリカ−アルミナ上の50%ニッケル、8×14メッシュ)により1,3
−プロパンジオールに水素化した。各操作には、水素をヘッドスペースから液体
に再分散させるために、ドラフトチューブインペラーに接続された500mLの
撹拌反応器内に収納された環状触媒バスケットに保持する28gの新鮮触媒を用
いた。320gから340gの3−ヒドロキシプロパナールの豊富な水性中間体
を反応器に充填し、次にこれを水素ガスで1000psiの圧をかけた。反応器
を所望の反応温度に加熱後、ガスクロマトグラフィーによる成分分析のために、
1〜2mlのサンプルを周期的に取り出した。
漬チューブを通して散布による空気酸化により処理し、続いて強酸樹脂(スルホ
ン化ポリスチレン)を用いるイオン交換により処理した。ガスクロマトグラフィ
ーは、3−ヒドロキシプロパナールが、1,3−プロパンジオールに迅速に水素
化されることを示した。
たはイオン交換樹脂に接触させなかった。その結果、92ppmのコバルトおよ
び残存一酸化炭素が溶液に残った。3−ヒドロキシプロパナールの1,3−プロ
パンジオールへの水素化速度は、作業1および2の速度と比較して、有意に低下
した。
酸化し、次いで残存コバルトを除去するためにイオン交換処理を行った。次にコ
バルトを酢酸コバルトとして再添加し、533ppmのコバルトを含有する3−
ヒドロキシプロパナール溶液を得た。この溶液の水素化速度はまた、コバルト除
去のために処理された3−ヒドロキシプロパナール溶液の水素化速度よりも有意
に低かった。
、3−ヒドロキシプロパナール溶液の酸化的ストリッピング(一酸化炭素の除去
のため)は、残存コバルトによる水素化触媒毒の作用を防ぐのに十分ではないこ
とが示される。
を1.8〜3.0ml/分で最初の反応段階に供給することにより、3−ヒドロ
キシプロパナールの水性溶液を、80℃および4:1のH2/CO(合成ガス)
の1500psiで操作される連結する2つの2Lのヒドロホルミル化反応器か
ら構成される小スケール連続パイロットプラント中に生成した。可溶性のジコバ
ルトオクタカルボニルヒドロホルミル化触媒は1200〜2000ppmで供給
した。未反応のEO,3−ヒドロキシプロパナール中間体および触媒を第2の反
応器段階から通して、2インチ(約5.08cm)空間の7シーブプレートを含
む2インチ(約5.08cm)直径の抽出カラムの底に分散した。水(45℃)
を、連続相抽出溶媒として4.5〜7ml/分で供給した。抽出カラムは、12
00〜1400psiの合成ガス圧で操作した。このカラムの底から排出する3
−ヒドロキシプロパナールの水性流体は、一般に25〜35重量%の3−ヒドロ
キシプロパナール、0.2〜0.4重量%のEOおよび30〜200ppmのコ
バルトを含んでいた。
0mL)で操作される直径2インチ(約5.08cm)、高さ8インチ(約20
.32cm)のサイトガラスに輸送し、ほぼ大気圧に減圧して液体を発散させた
。3−ヒドロキシプロパナール溶液に溶けた合成ガスの大部分は、このようにし
て溶液から放出された。水平制御された容器の底から引き出された水性溶液には
、少量の残存合成ガスを含んでいた。
ロキシプロパナール中間体である水性流体の2つのサンプルを、窒素下バイアル
中に取り入れた。各バイアルには、1容量部のスルホン化ポリスチレン強酸(カ
チオン)交換樹脂および3容量部の液体サンプルを含んだ。操作6では、バイア
ルに5分間空気散布し、他のバイアルは空気を締め出すために、ふたをしておい
た。両方のバイアルを混合するために3時間回転させ、次いでコバルトを確認す
るために比色法(チオシアネート誘導化)により分析した。未酸化サンプルには
、5ppmのコバルトが残ったが、酸化サンプル中のコバルト含有量は、1pp
mに減少したことが判明した。
(約5.08cm)のガラス性のオルダーショウ(Oldershaw)蒸留カ
ラムを、上記実施例2の脱ガス段階後に加えた。水性生成物は、最大3/16イ
ンチ(約0.48cm)および一般的には3/32インチ(約0.24cm)の
トレイ負荷で、6〜12mL/分でカラムトレイを経て下方に流れた。酸化ガス
およびストリッピングガスは、空気と窒素を2つのトータメータに混合すること
により、カラムを介して上方流により加えられ、2〜10モル%の酸素濃度で0
.2から1のSCFH全フローを行った。空気中濃度以下の酸素希釈が、可燃領
域外の操作を維持するために望ましかった。操作歴および操作条件に依存して、
トレイの変動数は、液体により一覧表が作成されるであろう。
穴をあけたステンレススチールパックングの24インチ(約60.96cm)断
面でパックされた直径2インチ(約5.08cm)の第2のカラムを、幾つかの
操作においてトレイされたオルダーショウ(Oldershaw)カラムの代わ
りに操作して、酸化およびストリッピング性能に及ぼす、トレイホールドアップ
および滞留時間の効果の調査を可能にした。
に配置した。このベッドへの仕込みの際、コバルトの不完全酸化は、イオン交換
ベッドの出口におけるコバルトの出現により検出できた。ストリッパーに仕込み
する水性中間体のサンプル、およびイオン交換ベッドからの出口サンプルを、コ
バルトに関して上記比色法により分析した。ベッドからのコバルト漏出が、エチ
レンオキシドによる樹脂の汚染にならないように、実験前に、このイオン交換ベ
ッドに新鮮な樹脂を詰めた。
ト中液体で負荷されたガラスカラムのトレイ数、またはパックカラムのインチに
よる高さを記載している。パックゾーンの高さを増すと、または液体により濡れ
たトレイ数が増すと、液相とガス相間の接触に利用できる領域が増し、ガス相と
液相間の接触時間が増した。
ル化の副生成物である。この酸は、存在するコバルトに対し少なくとも10倍モ
ル過剰、またはコバルトをCo(OAc)2に酸化するのに必要な酸の量に対し
5倍過剰に相当する。ヒドロホルミル化溶媒混合物において、EO添加が無く反
応温度で再循環する場合、酸は形成されない。酸の無い状態では、コバルトのよ
り大きなフラクションが、水性流体に抽出される。この場合は、D欄の酸「無し
」の表示に相当する。E欄は、ストリッピング性能を供するための、および可燃
性ウィンドウ外の操作を維持するための空気と混合した希釈ガスを示す。大抵の
場合、窒素が用いられたが、操作19では、二酸化炭素を用いて行われた。F欄
は、1時間につき標準体積仕込みでの混合ストリッピングガスの全流速を示すが
、G欄では、混合ストリッピングガス中のモル%酸素を示している。H欄は、酸
素自身のSCFHフローを記載するために、これらを掛けあわせている。I欄は
、イオン交換ベッドから放出するコバルト(ppm)を示す。これは、イオン交
換により除去されなかった未酸化コバルトである。J欄は、酸化およびイオン交
換による処理前の水性中間体におけるコバルトの出発量を示す。K欄は、酸化ス
トリッパー中のコバルトに対する酸素のモル比を示す。全ての場合、過剰の酸素
が供給された。
換によりコバルトがほとんど除去されないことを示す。操作20では、記載条件
下、同一カラムにおいて水性中間体をストリッピングおよび酸化後、全てのコバ
ルトが本質的に除去された。操作9から11では、ガラストレイカラムに関して
、固定酸素モルパーセントにおけるストリッピングガス流速の効果を示す。スト
リッピング強度が増すにつれて、コバルト除去は増加した。同様の結果は、操作
15〜17に関して酸の無い状態で観察された。操作12と13は、酸化効率に
及ぼす酸素モル%の効果を示す:ストリッピングガス中の酸素濃度(部分圧)が
増すにつれて、コバルトを酸化する能力を増す。操作11と14の比較により、
トレイ(「段階」)数が減ると、コバルト酸化が、より不完全になることが示さ
れる。同様の結論が、24インチ(約60.96cm)パックカラムにおける操
作20および21を、操作22〜24における6インチ(約15.24cm)カ
ラムの性能と比較することにより得られる。より小さなカラムでは、より高い2
4インチ(約60.96cm)パックカラムにおける同様の操作に比べて酸素濃
度を増したにもかかわらず、コバルトは不完全な酸化を受けた。
酸が無い状態で不完全となる条件下で、(操作15)のコバルト酸化は酸の存在
下で、完全な酸化が得られた。
。操作18では、CO2は希釈ガスとして用い、水性中間相への吸収の際に炭酸
を精製した。これは、酸化の程度を増すようには思えなかったが、固体形成は避
けられた。CO2のガラスカラムへの添加は、希釈剤としてN2を用い、酸の無
い状態での操作中において形成されるコバルト沈殿を溶解させることが観察され
た。
酸化の双方が、コバルトをイオン交換ベッド上で除去できる形体に変換するのに
必要であることを示唆する。
酢酸ナトリウム存在下抽出する一連の実験を実施した結果、コバルトが主にNa
Co(CO)4として抽出された。これにより、コバルトが水性中間体により高
濃度で抽出でき、その結果、その濃度が、EOのヒドロホルミル化副生成物とし
て形成される酸濃度より非常に高くなり、また、その結果、コバルトテトラカル
ボニルアニオンの酸化は赤外分光法(1890cm−1)によりモニターできた
。次に、カルボン酸種の全体的当量をCo++およびNa+の当量に調整するた
めに酢酸を再添加し、その後、最終液体のサンプルに空気散布して酸化を行った
。
的に完了するまで酸化を続けた。表3は、最初の酸濃度が過剰でなかった場合の
同様の検討結果を示す。この場合の酸化は、完了前に中止し、過剰の酸の添加後
にのみ酸化を続けた。これらの結果は、有機酸がコバルト酸化を促進することを
示唆する。
(45°)の赤外線結晶を備えた50mLの撹拌反応器において、追加の酸化試
験を実施した。この試験のための不均化コバルト触媒の水性溶液は、Co2(C
O)8のMTBE溶液を低い一酸化炭素分圧、高温において水で抽出により調製
した。これを蒸留水で希釈し、カルボン酸を含まず、重量で212ppmのコバ
ルト濃度を有する保存溶液を得た。操作27において、この保存溶液25mlを
反応器に入れて、反応器の底に備えた1/32インチ(約0.08cm)のスチ
ール管を経由して、ガスが導入されるように配管された。この混合物を撹拌し、
周囲圧で窒素を100ml/分で散布しながら40℃に加熱した。この混合物の
初期スペクトラムにより、1908cm−1におけるコバルトテトラカルボニル
および1979cm−1におけるクラスターアニオンが明らかとなった。
反応の程度は、酸化の際に生じる赤外スペクトラムの変化により測定できる。こ
のスペクトラムは、クラスターアニオンの消費によるコバルトテトラカルボニル
アニオンの初期増加を示した。次いでこのアニオンは消費され、コバルト(0)
カルボニル類(Co2(CO)8およびCo(CO)12の双方が検出された)
を形成した。次にこれらのカルボニル類は酸化され、「塩基性」コバルトカーボ
ネートを形成した。これらの条件下で、完全なコバルト酸化が45分以内で達成
された。
布の供給なし)。この溶液を、激しく撹拌しながら窒素雰囲気下40°に加熱し
た。酸化は、窒素中2%酸素により75psiに容器を加圧することにより開始
した。酸素がこの混合物から枯渇しないことを保証するために、反応開始から3
5分より50分において、圧を解除し、新鮮な窒素中2%酸素により容器を再加
圧することにより、このガス雰囲気を取り替えた。この酸化の際に生じた変化は
、反応速度が有意に遅かったこと以外、遊離した一酸化炭素を反応混合物から一
掃される操作27と同じであった。約1時間後、2%酸素混合物を75psiの
空気で置換することにより、酸化を強化した。完全な酸化には、さらに25分を
要した。上記の結果により、リガンドとしてコバルトに結合する一酸化炭素を含
めて、水性中間体の流体から除去されない遊離の一酸化炭素は、コバルトカルボ
ニルの酸化を抑制することが示される。
処理するのに、A−1200強酸ゲル体樹脂(ロームアンドハース)83gのベ
ッドを1カ月以上用いた。水性中間体には、22〜30重量%の3−ヒドロキシ
プロパナール、0.1〜0.5重量%の残存エチレンオキシド、および残存一酸
化炭素を除去し、全てのコバルトをカチオン体に酸化するのに効果的な条件下で
、O2/N2混合物によるストリッピングを含む酸化段階において以前に暴露さ
れた40〜120ppmのコバルトを含んだ。ベッド出口でのコバルト脱出後、
このベッドは、周囲温度で500mlの10%硫酸水の再循環、次いで脱イオン
水での1時間の濯ぎにより再生した。この方法における吸着プラス再生を、操作
の1サイクルと考えた。
去する有効性を失ったことが観察された。最終的な酸の再生を、ベッドに対して
試みたが、再生酸でのベッドからコバルトの出現は検出されなかった。この樹脂
は、新鮮な樹脂の褐色よりもむしろ赤味を帯びた色調を呈した。
コバルトのいくらかピンク色の特性が上澄液に観察され、樹脂の再生が好結果で
あることを示唆した。さらに、新鮮な樹脂の褐色特性が、樹脂サンプルに回復し
た。処理された樹脂サンプルを脱イオン水で完全に洗浄し、均一な乾燥状態に風
乾した。1部分を75部の0.1NのNaOHで一晩浸漬し、次いで樹脂により
交換されたNa+の量を決定するために、0.1NのHClで上澄液の逆滴定を
行った。第2の部分を90℃で一晩、真空オーブン内で乾燥し(約1psiの全
圧)、一晩浸漬実験に使用された樹脂の含水量を判定した。これらの判定から、
新鮮な樹脂では、理論的最大能力が4.9〜5.1meq/gであるのに対して
、この樹脂の平衡交換能力は、4.7meq/gと判定された。
、風乾して、能力を決定するために0.1NのNaOHで平衡化した。観察され
た樹脂能力は、乾燥樹脂1グラムにつき1meq交換部位よりも小さかった。2
0%硫酸により周囲温度でこの樹脂を再生する試みもまた成されたが、本質的に
コバルトは遊離せず、この樹脂は、汚染樹脂の赤色特性を維持していた。0.1
NのNaOHによる樹脂の逆滴定により、本質的に樹脂能力の増加はないことが
明らかとなった(1meq/g未満)。
カチオン交換樹脂が、周囲温度で通常実施される強酸による再生にもかかわらず
、コバルトなどのカチオンを分離する能力の喪失を示している。樹脂をその本来
の能力近くに回復させるために、高温(95℃)は、酸再生工程において必要で
あった。熱酸再生を欠くと、樹脂は、コバルトを除去する能力を、結局は喪失し
た。
ルミル化からの水性中間体の流体に約1カ月間曝露し、その後、10%硫酸によ
る周囲温度の再生後のコバルト除去能力は、本質的にゼロに減少した。
った。汚染樹脂は、エーテル結合の−O−CH2−CH2−および末端−CH2 OHをそれぞれ表す70ppmおよび60ppmに新たな化学シフトを示した。
10%硫酸による高温(80℃)再生により、NMRスペクトラムからこれらの
ピークが本質的に除かれた。この結果は、3−ヒドロキシプロパナールとは対照
的に、樹脂汚染が水性中間体の流体中の残留エチレンオキシドに対する曝露から
生じることを示唆し、樹脂上でのオリゴマー化の際、中心炭素に関して対応する
ユニークな化学シフトを有する−O−CH2CH2CH2−を与えると思われる
。
ロキシプロパナールの水性溶液に、一連の樹脂を浸漬した。曝露後、樹脂を脱イ
オン水で完全に洗浄し、風乾して、イオン交換能力判定、および上記樹脂の固体
含量評価のために、0.1NのNaOHに浸漬した。結果を表4に示す。
ール濃度(25重量%)で、少なくとも4:1モル過剰に3−ヒドロキシプロパ
ナールが存在している状態で、汚染の程度は、存在するEO濃度に関連すること
が示される。この結果は、3−ヒドロキシプロパナールではなく、酸性樹脂上の
EO吸着と反応による汚染およびイオン交換能力の損失で、13CNMRから得
られた結論を支持している。
示される。13CNMR分析により、Na形強酸樹脂に関してまた、強酸樹脂で
見られたよりも程度は低いが、弱酸樹脂に関しても−O−CH2CH2−または
EOに由来する汚染を示した。表4の「新鮮能力比」もまた、酸形の強酸樹脂が
、弱酸に比べて、また特にNa形の強酸に比べて残存能力比が低下していること
(汚染程度がより大)を示している。
で浸漬することにより、汚染強酸樹脂に関する温度の関数として調べられた。こ
の方法で処理された樹脂サンプルを加熱槽から取り除き、脱イオン水で完全に洗
浄して残存上澄液を除去して、ろ過漏斗中の酸上澄液から分離した。次にサンプ
ルを風乾し、上記のようにイオン交換能力を決定する逆滴定のために、0.1N
NaOHに浸漬した。
樹脂の復帰が、温度依存的の動的な過程であることを示した。
の連続的試験を行った。連続的フロー条件は、実施例1に記載した。初期の試験
では、乾燥重量約87グラムの樹脂の200mlベッドを検討した。後期の試験
では、0.5インチ(約1.27cm)I.D.のHastelloyCチュー
ブから構築された30mlカラムへ詰めた乾燥重量12〜13グラムの樹脂を使
用した。制御された周囲温度より高い温度で操作ができるように、チューブを環
状ジャケットで覆い、次のイオン交換サイクルにおいて除去し得るコバルト量に
よって証明され、再生の程度に及ぼす温度の影響を検討した。
す。H欄は、与えられたサイクルに関して、単位樹脂量につき処理された仕込み
量を示し、ここで「I」は、与えられた樹脂の種類に関して、全サイクルを通じ
て処理された累積仕込みを示す。吸着サイクルは、ベッドから流れてベッドの排
液中にコバルトが4ppmwで脱出を生じるまでの時間とする。J欄は、コバル
ト脱出時のベッド上で交換されたコバルト重量%を示し、K欄は、仕込み中のコ
バルト量と平衡状態にある場合に、新鮮樹脂が除去すると期待されるコバルト量
(約70ppmw)に対する除去されたコバルト量の比を示す。
ルで樹脂は、コバルト除去にもはや有効でない樹脂の汚染を示した。Bシリーズ
の試験(より小さいベッドで行われた)では、酸形の樹脂の高温(95℃)酸再
生により、コバルト除去の継続が達成できることが示された。コバルト除去能力
は、樹脂汚染が無い状態で予想される凡そ30%の量で安定化する定常状態の形
態が得られた。(新鮮樹脂上でのコバルト除去に関する吸着等温式を決定するた
めの独立バッチ試験を用いて、水性中間物フィードでの所与のコバルト濃度に対
する新鮮な(汚染されていない)樹脂の平衡能を判定した。) 第3の試験(Cシリーズ)では、ナトリウム形の強酸樹脂を検討した。この樹
脂は、2つの再生剤を必要とした。すなわち、全てのコバルトと樹脂上で交換さ
れたほとんどのナトリウムを除去する10%硫酸、および酸の再生後に樹脂を酸
形から、またナトリウム形に変換する4%NaOHである。このように再生の要
件は、酸形樹脂の再生要件よりもはるかに大きく、また再生は2つの別々の工程
で達成する必要がある。しかし、樹脂は、11サイクルの経過を通じて、実験誤
差の範囲内で、その非汚染平衡能力を本質的に保持した。
した。この樹脂は、その吸着性がより弱いために(より直線的な吸着度等温線)
、より大きなベッドを必要とした。0〜2ppmでのコバルト脱出が早期に生じ
、その後、徐々に増加して、ベッドからのコバルト溶離と考えられる4ppm以
上の大きな「脱出」を生じた。このベッドに10%硫酸により周囲温度の再生を
行った。J欄とK欄から明らかなように、このベッドは、9サイクル以上のコバ
ルト除去能力を主として維持した。
ホルミル化、引き続く3−ヒドロキシプロパナールの1,3−プロパンジオール
への水素化により1,3−プロパンジオールを調製する方法における、3−ヒド
ロキシプロパナールの水性溶液からコバルト化合物および一酸化炭素の除去する
ための方法を提供する。
み合わせた流体を、バッチ様式でまたは連続様式で操作される、発泡カラムまた
は撹拌槽などの加圧反応槽であり得るヒドロホルミル化槽に充填する。仕込み流
体を、一般にロジウムカルボニルおよびコバルトカルボニルから選択される金属
カルボニルであるヒドロホルミル化触媒の存在下接触させる。ヒドロホルミル化
触媒は、ヒドロホルミル化反応混合物の重量に基づいて、典型的には0.01重
量%から1重量%、好ましくは0.05重量%から0.3重量%の範囲の量で反
応混合物中に存在する。水素および一酸化炭素は、1:2から8:1、好ましく
は1:1から6:1の範囲内のモル比で一般に反応槽に導入される。
好ましくは5重量%から10重量%の範囲に維持しながら(異なる密度を有する
溶媒を供するために、反応混合物中の3−ヒドロキシプロパナールの所望濃度を
モル濃度で表すことができ、すなわち、1.5M未満、好ましくは0.5Mから
1Mの範囲である)、主要部の3−ヒドロキシプロパナールおよび少量部のアセ
トアルデヒドおよび1,3−プロパンジオールを含むヒドロホルミル化反応生成
混合物を生産するのに効果的な条件下で、このヒドロホルミル化反応が実施され
る。一般に、コバルト触媒のヒドロホルミル化反応は、100℃未満、好ましく
は60℃から90℃、最も好ましくは75℃から85℃の高温で、ロジウム触媒
のヒドロホルミル化反応では約10℃高い温度状態で実施される。ヒドロホルミ
ル化反応は、0.69MPaから34.47MPa(100psigから500
0psig)、好ましくは(方法の経済性のために)6.89MPaから24.
13MPa(1000psigから3500psig)の範囲の圧で一般に実施
され、より高い選択性のためには、より高い圧が好ましい。
には、反応速度を高める触媒促進剤を含むことが好ましい。好ましい促進剤とし
ては、活性触媒に対して親水性(水への溶解性)を付加することなくヒドロホル
ミル化の速度を高める脂溶性ホスホニウム塩類および脂溶性アミン類が挙げられ
る。ここで用いられる「脂溶性」とは、3−ヒドロキシプロパナールの水による
抽出後、促進剤が有機相に留まる傾向にあることを意味する。一般に促進剤は、
コバルト1モルにつき0.01モルから1.0モルの範囲の量で存在する。現在
のところ好ましい脂溶性促進剤は、テトラブチルホスホニウムアセテートおよび
ジメチルドデシルアミンである。
ル−t−ブチルエーテル溶媒においてヒドロホルミル化のための最適な水のレベ
ルは、1重量%から2.5重量%の範囲内である。しかし、過剰量の水は、選択
性(3−ヒドロキシプロパナール+1,3−プロパンジオール)を許容できるレ
ベル以下に低下させ、第2の液相形成を誘導する可能性がある。
プロパンジオール、触媒、残存合成ガスおよび少量の反応副産物を含むヒドロホ
ルミル化反応生成混合物を冷却し、抽出槽に送り、そこでは水性液体(一般に水
および任意の混和性溶媒)を、次の水素化ステップのための3−ヒドロキシプロ
パナールの抽出および濃縮のために添加する。
ック式またはトレイ式抽出カラム類、または回転ディスクコンタクター類などの
任意の好適な手段により達成できる。ヒドロホルミル化反応生成混合物に添加さ
れる水の量は、一般に1:1から1:20、好ましくは1:5から1:15の範
囲の水−混合物比となるようにする。水抽出は、好ましい低温で25℃から55
℃の温度範囲で実施することが好ましい。25℃から55℃で0.34MPaか
ら1.38MPa(50psigから200psig)の一酸化炭素での水抽出
が、有機相中での触媒の回収を最大にする。
流して、抽出槽からヒドロホルミル化反応へとリサイクルできる。水性抽出は、
残存するコバルトまたはロジウム触媒を除去するために、フラッシュ蒸留カラム
を経て水素化ゾーンおよびイオン交換樹脂に通す。主要部の残存する合成ガスを
フラッシュ蒸留により水溶液から除去する。しかし、溶液中に残存する一酸化炭
素が少量であっても、水素化触媒の性能を妨害する可能性があることが判明し、
本発明の方法の好ましい実施形態は、3−ヒドロキシプロパナール水溶液を水素
化に通す前に、下記のように、この残存する一酸化炭素の除去に備える。
量%から60重量%の3−ヒドロキシプロパナール、20重量%から40重量%
の3−ヒドロキシプロパナール、および10ppmから400ppmのCo[C
o(CO)4]2、Co2(CO)8およびRh6(CO)16などの水溶性お
よび水不溶性のコバルトまたはロジウム種を含む。
ールの水溶液は、不溶性コバルト種の水溶性コバルト種への酸化に効果的な条件
下で酸素と接触させる。3−ヒドロキシプロパナールの水溶液は、3から6、好
ましくは3から4の範囲のpHを有する溶液を生成するのに効果的な量での有機
酸または無機酸の添加により、十分に酸性にすることができる。好適な酸は、C1〜4 の有機酸を含む。他に水性の酸は、3−ヒドロキシプロピオン酸の形成に
好ましい条件下でのエチレンオキシドのヒドロホルミル化の副生成物として生産
し得る。
導入することにより簡便に実施できる。好ましい酸化法は、処理される3−ヒド
ロキシプロパナール溶液がトレイカラムを通って下方へ流れる際に、トレイカラ
ムを通して上方へ空気散布することを含む。この方法は、5℃から45℃の温度
範囲、および大気圧下で実施される。滞留時間は、他の変数に依るが、一般に1
分から15分の範囲にある。
本発明の態様の1つによれば、樹脂と10%硫酸などの酸との接触は、樹脂を清
浄化し、安定なイオン交換性能を回復する。この酸は、70℃から110℃の範
囲での高温が好ましい。一般に十分な処理時間は、0.5時間から2時間である
。触媒をカルボニル体へ変換するために、樹脂からの濃縮コバルトまたはロジウ
ムの回収は、経済的な方法として望ましい。
素化触媒の存在下、水素と反応させ、1,3−プロパンジオールを含有する水素
化生成混合物を生産する。水素化触媒は、W.R.グレースからカルシキャット
E−475SRおよびR−3142の商品として入手できるような固定ベッド支
持ニッケル触媒が好ましい。
る。好ましい実施形態では、上記のように、水素化は、50℃から130℃の温
度範囲で実施され、引き続く第2段階は、第1段階の温度よりも高い温度の70
℃から155℃の範囲内で実施され、次いで任意に第3段階は、重末端の1,3
−プロパンジオールへの復帰のために120℃よりも高い温度で実施される。こ
のような方法において、水素化ゾーンは、一連の2つ以上の分離した反応槽を含
む。
末端除去のためのさらなる蒸留を経由し、水抽出工程へとリサイクルされる。1
,3−プロパンジオール含有生成物流体は、重末端から1,3−プロパンジオー
ルを回収するために蒸留カラムに通すことができる。
パナール)水性溶液およびコバルトを添加していない水性溶液を、支持ニッケル
触媒(シリカ−アルミナ上の50%ニッケル、8×14メッシュ)により1,3
−プロパンジオールに水素化した。各操作には、水素をヘッドスペースから液体
に再分散させるために、ドラフトチューブインペラーに接続された500mLの
撹拌反応器内に収納された環状触媒バスケットに保持する28gの新鮮触媒を用
いた。320gから340gの3−ヒドロキシプロパナールの豊富な水性中間体
を反応器に充填し、次にこれを水素ガスで6.89MPa(1000psi)の
圧をかけた。反応器を所望の反応温度に加熱後、ガスクロマトグラフィーによる
成分分析のために、1〜2mlのサンプルを周期的に取り出した。
を1.8〜3.0ml/分で最初の反応段階に供給することにより、3−ヒドロ
キシプロパナールの水性溶液を、80℃および4:1のH2/CO(合成ガス)
の10.34MPa(1500psi)で操作される連結する2つの2Lのヒド
ロホルミル化反応器から構成される小スケール連続パイロットプラント中に生成
した。可溶性のジコバルトオクタカルボニルヒドロホルミル化触媒は1200〜
2000ppmで供給した。未反応のEO,3−ヒドロキシプロパナール中間体
および触媒を第2の反応器段階から通して、5.08cm(2インチ)空間の7
シーブプレートを含む5.08cm(2インチ)直径の抽出カラムの底に分散し
た。水(45℃)を、連続相抽出溶媒として4.5〜7ml/分で供給した。抽
出カラムは、8.27〜9.65MPa(1200〜1400psi)の合成ガ
ス圧で操作した。このカラムの底から排出する3−ヒドロキシプロパナールの水
性流体は、一般に25〜35重量%の3−ヒドロキシプロパナール、0.2〜0
.4重量%のEOおよび30〜200ppmのコバルトを含んでいた。
0mL)で操作される直径5.08cm(2インチ)、高さ20.32cm(8
インチ)のサイトガラスに輸送し、ほぼ大気圧に減圧して液体を発散させた。3
−ヒドロキシプロパナール溶液に溶けた合成ガスの大部分は、このようにして溶
液から放出された。水平制御された容器の底から引き出された水性溶液には、少
量の残存合成ガスを含んでいた。
cm(2インチ)のガラス性のオルダーショウ(Oldershaw)蒸留カラ
ムを、上記実施例2の脱ガス段階後に加えた。水性生成物は、最大0.48cm
(3/16インチ)および一般的には0.24cm(3/32インチ)のトレイ
負荷で、6〜12mL/分でカラムトレイを経て下方に流れた。酸化ガスおよび
ストリッピングガスは、空気と窒素を2つのトータメータに混合することにより
、カラムを介して上方流により加えられ、2〜10モル%の酸素濃度で0.2か
ら1のSCFH全フローを行った。空気中濃度以下の酸素希釈が、可燃領域外の
操作を維持するために望ましかった。操作歴および操作条件に依存して、トレイ
の変動数は、液体により一覧表が作成されるであろう。
あけたステンレススチールパックングの60.96cm(24インチ)断面でパ
ックされた直径5.08cm(2インチ)の第2のカラムを、幾つかの操作にお
いてトレイされたオルダーショウ(Oldershaw)カラムの代わりに操作
して、酸化およびストリッピング性能に及ぼす、トレイホールドアップおよび滞
留時間の効果の調査を可能にした。
換によりコバルトがほとんど除去されないことを示す。操作20では、記載条件
下、同一カラムにおいて水性中間体をストリッピングおよび酸化後、全てのコバ
ルトが本質的に除去された。操作9から11では、ガラストレイカラムに関して
、固定酸素モルパーセントにおけるストリッピングガス流速の効果を示す。スト
リッピング強度が増すにつれて、コバルト除去は増加した。同様の結果は、操作
15〜17に関して酸の無い状態で観察された。操作12と13は、酸化効率に
及ぼす酸素モル%の効果を示す:ストリッピングガス中の酸素濃度(部分圧)が
増すにつれて、コバルトを酸化する能力を増す。操作11と14の比較により、
トレイ(「段階」)数が減ると、コバルト酸化が、より不完全になることが示さ
れる。同様の結論が、60.96cm(24インチ)パックカラムにおける操作
20および21を、操作22〜24における15.24cm(6インチ)カラム
の性能と比較することにより得られる。より小さなカラムでは、より高い60.
96cm(24インチ)パックカラムにおける同様の操作に比べて酸素濃度を増
したにもかかわらず、コバルトは不完全な酸化を受けた。
(45°)の赤外線結晶を備えた50mLの撹拌反応器において、追加の酸化試
験を実施した。この試験のための不均化コバルト触媒の水溶液は、Co2(CO
)8のMTBE溶液を低い一酸化炭素分圧、高温において水で抽出により調製し
た。これを蒸留水で希釈し、カルボン酸を含まず、重量で212ppmのコバル
ト濃度を有する保存溶液を得た。操作27において、この保存溶液25mlを反
応器に入れて、反応器の底に備えた0.08cm(1/32インチ)のスチール
管を経由して、ガスが導入されるように配管された。この混合物を撹拌し、周囲
圧で窒素を100ml/分で散布しながら40℃に加熱した。この混合物の初期
スペクトラムにより、1908cm−1におけるコバルトテトラカルボニルおよ
び1979cm−1におけるクラスターアニオンが明らかとなった。
布の供給なし)。この溶液を、激しく撹拌しながら窒素雰囲気下40°に加熱し
た。酸化は、窒素中2%酸素により75psiに容器を加圧することにより開始
した。酸素がこの混合物から枯渇しないことを保証するために、反応開始から3
5分より50分において、圧を解除し、新鮮な窒素中2%酸素により容器を再加
圧することにより、このガス雰囲気を取り替えた。この酸化の際に生じた変化は
、反応速度が有意に遅かったこと以外、遊離した一酸化炭素を反応混合物から一
掃される操作27と同じであった。約1時間後、2%酸素混合物を0.52MP
a(75psi)の空気で置換することにより、酸化を強化した。完全な酸化に
は、さらに25分を要した。上記の結果により、リガンドとしてコバルトに結合
する一酸化炭素を含めて、水性中間体の流体から除去されない遊離の一酸化炭素
は、コバルトカルボニルの酸化を抑制することが示される。
コバルトのいくらかピンク色の特性が上澄液に観察され、樹脂の再生が好結果で
あることを示唆した。さらに、新鮮な樹脂の褐色特性が、樹脂サンプルに回復し
た。処理された樹脂サンプルを脱イオン水で完全に洗浄し、均一な乾燥状態に風
乾した。1部分を75部の0.1NのNaOHで一晩浸漬し、次いで樹脂により
交換されたNa+の量を決定するために、0.1NのHClで上澄液の逆滴定を
行った。第2の部分を90℃で一晩、真空オーブン内で乾燥し(約6.89KP
a(1psi)の全圧)、一晩浸漬実験に使用された樹脂の含水量を判定した。
これらの判定から、新鮮な樹脂では、理論的最大能力が4.9〜5.1meq/
gであるのに対して、この樹脂の平衡交換能力は、4.7meq/gと判定され
た。
Claims (7)
- 【請求項1】 3−ヒドロキシプロパナールの水性溶液からコバルトまたは
ロジウムカルボニル化合物を除去する方法であって、 (a)3−ヒドロキシプロパナール水性溶液を、約5℃から約45℃の温度範
囲で酸性条件下、酸素と接触させて、3−ヒドロキシプロパナール、少なくとも
一種の水溶性コバルト種またはロジウム種および副産物の一酸化炭素の水性溶液
を含む酸化生成混合物を生成すること、 (b)生成された酸化生成混合物から副産物の一酸化炭素を除去することと、 (c)約45℃未満の温度に保持された酸性イオン交換樹脂に接触させて酸化
生成混合物を通し、前記イオン交換樹脂上の酸化生成混合物から前記水溶性種の
少なくとも1部を除去することを含む方法。 - 【請求項2】 2−ヒドロキシプロパナール溶液のpHが、約3から約6の
範囲にある請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 3−ヒドロキシプロパナールの水性溶液が、3−ヒドロキシ
プロピオン酸を含む請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 ステップ(a)が、約5℃から約45℃の温度範囲および大
気圧で実施される請求項1に記載の方法。 - 【請求項5】 ステップ(b)が、酸化生成混合物を通して空気を上方に散
布することにより達成される請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】 3−ヒドロキシプロパナールの水性溶液が、約10ppmか
ら約400ppmのコバルト種を含有する請求項1に記載の方法。 - 【請求項7】 水性3−ヒドロキシプロパナールのpHが、約3から約4の
範囲内にある請求項6に記載の方法。
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