JP2005506958A - (メタ)アクリル酸エステルの製造法 - Google Patents

(メタ)アクリル酸エステルの製造法 Download PDF

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Abstract

触媒の存在で(メタ)アクリル酸アルキルエステルIをエステル交換反応させ、反応混合物を蒸留により後処理することにより塩基性(メタ)アクリル酸エステルIVを製造する方法において、反応条件下で不活性なガス又はガス混合物を、反応領域及び/又は熱交換器に導通させることを特徴とする、塩基性(メタ)アクリル酸エステルIVの製造法。

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、工業的低級アルキル(メタ)アクリレートIと塩基性アルコール(ROH)とのエステル交換反応による、高純度かつ高収率での塩基性(メタ)アクリル酸エステル(IV)の製造法に関する。
【0002】
“高純度”とは少なくとも99.8%の純度であると理解され、その際、飽和不純物(水を除く)の全含量は1000ppm以下であり、N,N’−ジメチルピペラジン、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート及びビニルオキシエチル(メタ)アクリレートの含量はその都度100ppm以下である。
【0003】
(メタ)アクリル酸エステルは、例えば塗料、分散液又は接着剤として使用されるポリマー及びコポリマーを製造するための価値ある出発化合物である。
【0004】
飽和不純物、従って炭素−炭素−多重結合を有しないもの、例えばアルコール、エーテル、酢酸誘導体及びプロピオン酸誘導体は、該誘導体が変わることなく重合を乗り越え、従って重合体中に導入されず、かつ製品における強烈な臭気をもたらし得るために不利である。いわゆる“残留揮発性成分”を例えば分散液から分離するために、付加的に、費用のかかる処理(脱臭)が必要である。
【0005】
通常、物理的脱臭と呼称されている処理が行われ、この処理では、分散液を水蒸気、空気又は窒素を用いて、撹拌容器(DE−AS1248943)又は向流塔中でストリッピングさせる。分離すべき成分の量及び沸点に応じて、該処理を1段又は多段で行う。従って、該混和物の除去は費用のかかる工程であり、その上該工程は、温度に敏感な分散液の場合、熱負荷のために実施不可能である。
【0006】
例えば安定化のために、酸素含有ガス、例えば空気の存在で作業する場合、エーテル(ジブチルエーテルは例えば低級(メタ)アクリレートIとしてブチルアクリレートを伴ってもたらされる、下記参照)の含量は付加的にマイナスに作用する。公知の通り、エーテルは酸素の存在で非常にわずかに過酸化物を形成し、かつ、公知の通り、該過酸化物は(メタ)アクリル化合物の重合を引き起こすことがあり、その上更に該重合は爆発的に起こり得る。
【0007】
従って、エーテル含量は品質の問題のみならず、安全性の問題でもある。
【0008】
アルキルアミノエチル(メタ)アクリレートの製造の際に副成分として生じるエチレングリコールジ(メタ)アクリレート及びビニルオキシエチル(メタ)アクリレートは2個の不飽和基を含有し、従って重合の際に架橋剤として作用する。このことは極めて不利であり、それというのも、重合及び重合体の品質は、例えばゲル形成により損ねられるからである。更に、これらは貯蔵安定性に影響を及ぼす。
【0009】
低級(メタ)アクリル酸エステルIと塩基性アルコールROHとのエステル交換反応による塩基性(メタ)アクリレートIVの製造は、一般に公知である。
【0010】
更に、エステル交換反応が平衡反応であることは一般に公知である。従って、経済的な転化率を達成するために、通常、形成された低級アルカノールROHは、最低沸点を有する成分として連続的に蒸留により平衡から除去され、その際、アルカノール留分を例えばエステル化による低級(メタ)アクリル酸エステルIの製造の際に再度使用することを可能にする目的で、経済的な理由から可能な限り純粋なアルカノール留分を得る努力がなされる。しかしながら、沸点の位置及び共沸混合物の形成に基づき、該留出物は通常、純粋な低級アルカノールROHから成るのではなく、低級(メタ)アクリル酸エステルI及び場合により塩基性アルコールROHで汚染されている。
【0011】
経済的な理由から留出物の使用は有意義であるため、不純物は、殊に該不純物が塩基性不純物、即ちアミノ基を有する化合物である場合にはマイナスに作用する。
【0012】
とりわけ、低級エステルの合成への特に経済的な返送はそれにより影響を受ける。例えばEP−A2 906902、第3頁、第4〜16行参照。
【0013】
EP−A2 906902には、触媒、例えばジブチルスズオキシドの存在でのアルキル(メタ)アクリレートとアルキルアミノアルコールとのエステル交換反応による、アルキルアミノ(メタ)アクリレートの製造法が記載されており、その際、アルコール含有留出物(共沸混合物)は、直接、又はもう1つの蒸留の後に、酸性イオン交換体樹脂に導通される。留出物からの塩基性窒素含有不純物は酸性基により結合され、それにより、その後再度低級(メタ)アクリルエステルの合成の際に使用されることができるアルカノール/(メタ)アクリルエステル−混合物から分離される。エステル交換反応混合物の後処理は多段蒸留で行われ、その際、マイケル付加生成物の付加的な形成は、触媒分離の間、可能な限り低減される。
【0014】
(メタ)アクリルエステルの二重結合へのアルコールの付加により生じた化合物は、マイケル付加生成物と呼称される。
【0015】
該付加(等式I参照)が殊にアルカリ性触媒の存在で行われることは一般に公知である(Organikum, 第17版、第506頁、VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1988)。
【0016】
等式I
【0017】
【化1】
Figure 2005506958
【0018】
“2段触媒分離”(EP−A2 906902、第4頁、第51〜57行)により、マイケル付加物の付加的な形成(“増加率”)は2%未満に維持される。実施例III−1、III−2及びIII−3に相応して、蒸留温度及び滞留時間は決定的な役割を担う。即ち、段2において温度が上昇する場合、又は双方の段において滞留時間が増加する場合には、マイケル付加物の“増加率”は(0.48から0.96ないし2.2%へと)明らかに上昇する。
【0019】
収率及び方法の経済性にとって決定的である、反応混合物中のマイケル付加物の実際の絶対含量は、EP−A 906902にはどこにも記載されていない。
【0020】
該方法は以下の欠点を有する:
1.イオン交換体を用いた清浄化が必要性であるという欠点。
2.塩基性不純物が負荷された交換体樹脂の清浄化及び廃棄物処理には費用がかかり、かつ環境に負荷をかけるという欠点。
3.該方法には5〜7個の蒸留段が必要であり、従って技術的に費用がかかるという欠点。
4.収率が低いという欠点(約33%、実施例III−1)。
5.マイケル生成物の形成を低減させるために、アミノアルコールを長期間に亘り連続的に供給しなければならないという欠点(4時間、実施例III−1参照)。
6.長い反応時間が必要であり(7〜8時間)、これにより経済性が低下するという欠点。
【0021】
固有の実験により、とりわけ反応時間(即ち反応器中の滞留時間)がマイケル付加物の形成に決定的な影響力を有することが示された(実施例3参照)。それに対して、驚異的にも、温度、及び触媒分離の際の滞留時間は、本発明による方法において、マイケル付加物の形成にとって重要でない(比較例1及び2参照)。
【0022】
通常、エステル交換反応の際には、(メタ)アクリル酸メチルエステル及び(メタ)アクリル酸エチルエステルは出発生成物として使用される(EP−A 960877、FR2617840)。ブチル(メタ)アクリレートはその高い沸点のために不利であると見なされている(US2832800、第2欄、第60〜70行)。
【0023】
アルキル(メタ)アクリレートのエステル交換反応に関する刊行物には、使用された出発エステル中の混和物及び不純物に関するより詳細な記載はないため、使用された(メタ)アクリレートの純度は非常に高く、障害となる成分は含有されていないと仮定しなければならない。
【0024】
しかしながら、高純度のエステルの使用は不利であり、それというのも、該エステルはその製造後に、技術的に費用をかけて蒸留により精製されねばならないからである。熱負荷における(メタ)アクリル化合物の一般に公知である高い重合傾向に鑑み、このことは特に不利である。
【0025】
触媒として、とりわけ、そのアルキル基がC〜C−アルキル基、例えばテトラメチル−、テトラエチル−、テトライソプロピル−、テトラプロピル、テトライソブチル−及びテトラブチルチタネートであるチタンアルコラートが提案される(例えばEP−B1298867、EP−A2 960877参照)。更に、触媒として、とりわけチタンフェノレート(DE−OS2008618)、例えばハフニウム、チタン、ジルコン又はカルシウムの金属キレート化合物、アルカリ−及びマグネシウムアルコラート、有機錫化合物又はカルシウム−及びリチウム化合物、例えば−酸化物、−水酸化物、−炭酸塩又は−ハロゲン化物が提案される。
【0026】
アルキルチタネートは例えばすでに水の痕跡量に対して敏感であり、かつ多くのチタンアルコラートはより高温で不安定であるにもかかわらず、経済的及び環境的な理由からとりわけアルキルチタネートが使用される。結果的に、装置壁部に付着物(ファウリング、以下参照)が生じる。
【0027】
更に、アルキルチタネートは(メタ)アクリルエステルの重合を促進させるため、エステル交換反応及びエステル交換反応混合物の後処理の際に、重合体を形成するきっかけを与え得ることは、一般に公知である(DE−OS2008618、第3頁、DE−PS1067806、第1欄、第39〜41頁)。
【0028】
経済的な転化率又は反応時間を達成するために、チタンアルコラートには、その部分的に比較的低い活性のため、高められたエステル交換反応温度が必要であることも不利である(EP−A160427、第2頁、第23〜32行)。これはまたもや重合体及び付着物の増加された形成を招き得る。
【0029】
チタンアルコラートを次第に損失させる活性化損失もまた問題の1つである(DE−OS2805702、第5頁、第12〜21行)。経済的な転化率を達成するために、触媒量は高められ及び/又は反応時間は延長されねばならない。公知の通り、チタネートの不安定性、並びに副生成物及び重合体の形成に鑑み、これは不利である。
【0030】
更に、(メタ)アクリル酸化合物が大きな重合傾向を有し、該(メタ)アクリル酸化合物に熱が作用する場合には極めて殊に大きな重合傾向を有することはなおも事実である。とりわけ、製造及び蒸留による精製の際に、該(メタ)アクリル酸化合物は、不所望の重合を容易に引き起こし得る温度にさらされている。例えば一般に推奨されている重合阻害剤を使用した場合にも、重合体の形成を完全に回避することは不可能である。
【0031】
通常、重合体形成の結果として、装置の汚染、導管及びポンプの閉塞、及び塔の棚段及び熱交換器表面の被覆(“ファウリング”)が生じる。
【0032】
設備の清浄化は、費用がかかり、高価であり、かつ環境に負荷をかける工程であり、収率及び設備の利用可能性(運転時間)はそれにより更に強度に低下される。
【0033】
JP−A 3−112949には、テトラ−n−ブチルチタネートの使用下におけるn−ブチルアクリレートとジメチルアミノエタノールとのエステル交換反応によるジメチルアミノエチルアクリレートの製造法が記載されており、その際、反応混合物の清浄化は酸素の不在で行われる。
【0034】
しかしながらこの方法の場合、90%を下回る収率は不利である。
【0035】
反応条件下で不活性なガス又は不活性なガス混合物を反応領域及び/又は熱交換器に導通させた場合、触媒の存在で(メタ)アクリル酸アルキルエステルIをエステル交換反応させ、反応混合物を蒸留により後処理することにより塩基性(メタ)アクリル酸エステルIVを製造する方法において、上記欠点が軽減されることが見出された。
【0036】
該反応は反応等式IIにより示すことができる:
【0037】
【化2】
Figure 2005506958
[式中、
Rは水素又はメチルであり、
は2〜12個の炭素原子を含む、直鎖又は分枝鎖、飽和又は不飽和アルキル基であり、該基は少なくとも1個のNR −基で置換されており、
は2〜6個の炭素原子を含む、直鎖又は分枝鎖、飽和又は不飽和アルキル基であり、その際、Nは置換基Rと5〜7員環を形成してもよく、置換基Rは同じか又は異なっていてよく、
この場合RはRより少なくとも1個少ない炭素原子を含有すべきである]。
【0038】
この場合、低級アルキル(メタ)アクリレートIとは、例えば1〜6個の炭素原子を有するアルコール、例えばメタノール、エタノール、イソ−プロパノール、n−プロパノール、n−ブタノール、イソ−ブタノール、s−ブタノール、t−ブタノール、n−ペンタノール又はn−ヘキサノールの(メタ)アクリル酸エステルであり、有利にメタノール、エタノール及びn−ブタノールの(メタ)アクリル酸エステルであり、殊に有利に、n−ブタノールの(メタ)アクリル酸エステルである。n−ブチルアクリレートは殊に有利である。
【0039】
有利な塩基性アルコールROHは、2−ジメチルアミノエタンー1−オール、3−ジメチルアミノプロパン−1−オール、1−ジメチルアミノプロパン−2−オール、2−ジメチルアミノプロパン−1−オール、6−ジメチルアミノヘキサン−1−オール、2−ジメチルアミノエタン−1−オール、3−ジエチルアミノプロパン−1−オール、6−ジエチルアミノヘキサン−1−オール、2−ジブチルアミノエタン−1−オール、3−ジブチルアミノプロパン−1−オール及び6−ジブチルアミノヘキサン−1−オールであり、上記ジアルキルアミノエタノールは殊に有利であり、2−ジメチルアミノエタン−1−オールは殊に有利である。
【0040】
ここでは、“高純度”とは少なくとも99.8%の純度であると理解され、その際、飽和不純物(水を除く)の全含量は1000ppm以下、有利に500ppmまでであり、N,N’−ジメチルピペラジン、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート及びビニルオキシエチル(メタ)アクリレートの含量はその都度100ppm以下、有利に50ppm以下、殊に有利に20ppm以下、殊に10ppm以下である。
【0041】
工業的アルキルアクリレート及び工業的アルキルメタクリレートとは、工業規模で製造された低級(メタ)アクリル酸エステルIであると理解され、これらは通常99.0〜99.8%の純度を有する。不純物として、該(メタ)アクリレートは、本質的にジアルキルエーテル(0.01〜0.2%)、アルキルアセテート(0.01〜0.1%)、アルキルプロピオネート(0.02〜0.1%)、アルカノールROH(0.01〜0.05%)、水(0.01〜0.05%)、(メタ)アクリル酸(0.001〜0.1%)及び別の、例えば異性体アルキルアクリレート(0.01〜0.3%)を含有する。
【0042】
本発明による方法は、これに制限されることなく、以下で例示的にIとしてのアクリル酸−n−ブチルエステルのために記載されるが、しかしながら同様に、n−ブタノールとは別の低級アルコールROH、例えばC〜C−アルコール、例えばメタノール、エタノール、イソ−プロパノール、n−プロパノール、イソ−ブタノール又はn−ペンタノールに転用されてもよい。このために、n−ブタノールに代わり当該アルコール又は当該低級(メタ)アクリル酸エステルIが使用され、その際、運転パラメータは、出発材料及び生成物の変化された沸点及びその他の物理的特性に合わせられ、これは当業者にとって慣用の試みの範囲内で可能である。
【0043】
本発明による方法は、同様に、原則的にメタクリル酸エステルにも適用可能である。
【0044】
冒頭に記載されたように、低級(メタ)アクリル酸エステルIは、本発明による方法において工業的純度で使用される。
【0045】
エステル交換反応に使用された低級(メタ)アクリル酸エステルIは、工業的純度で、通常上記のような組成を有する。
【0046】
当然のことながら、より高い、例えば99.95質量%までの純度を有する低級(メタ)アクリル酸エステルIが使用されてもよく、その場合、別の不純物は相応するよりわずかな含量で含有されている。
【0047】
高級アルコールROHは、通常、少なくとも99.0質量%の純度及び0.01〜0.2質量%の含水量を有する。
【0048】
高級アルコールROHとしてジアルキルアミンエタノールを使用する場合、エチレングリコールの含量は100ppm以下、有利に50ppm以下、殊に有利に20ppm以下、殊に10ppm以下であるのが有利である。高級アルコールROH中のビニルオキシエタノールの含量は100ppm以下、有利に50ppm以下、殊に有利に20ppm以下、殊に10ppm以下であるのが有利である。
【0049】
ジアルキルアミノエタノールの場合、痕跡量、例えば200ppmまで、有利に100ppm未満の高級同族体が含有されていてもよい。
【0050】
N,N’−ジメチルピペラジンの含量は通常100ppm以下、有利に50ppm以下、殊に有利に20ppm以下、殊に10ppm以下である。
【0051】
エステル交換反応のために高級アルコールの混合物が使用されてもよい。
【0052】
エステル交換反応は自体公知の方法で、例えば以下のように実施されてよい:
低級(メタ)アクリル酸エステルI、有利にメチル−、エチル−又はn−ブチルエステル、殊に有利にn−ブチルエステルを、高級アルコールROHと、エステル:アルコールのモル比1:1〜4:1で、少なくとも1種の触媒の存在で反応させる。
【0053】
エステル交換反応は、バッチ式、半連続式又は連続式で、有利に連続式で実施されることができる。
【0054】
本発明による方法のために、公知技術水準において記載された全てのエステル交換反応触媒が使用されてよく、これは有利にチタン−、マグネシウム−、又はアルミニウムアルコラート、殊に有利にチタンアルコラート、及び殊にエステル交換反応において存在するアルコール、即ちROH及びROHのチタンアルコラートである。
【0055】
チタン触媒として、アルコール成分ROHを含有しない低級アルコラートが使用される場合、有利な実施態様において、触媒は予め以下のように製造される:
低級チタンアルコラートTi(OR、有利にイソプロピレート、イソブチレート又はn−ブチレートを、高められた温度で(50〜130℃)、高級アルコールROH(等式III参照)と反応させる。この場合、高級アルコールROHをモル過剰で(通常1:5〜1:20)使用する。
【0056】
等式III
【0057】
【化3】
Figure 2005506958
【0058】
等式II参照
はC〜C−アルキル、有利にイソプロピル、イソブチル又はn−ブチルを表す。
【0059】
この場合、ROH及びROHは、それらの沸点Kpに関して、有利に以下の条件を満たすべきである:
Kp.(ROH) ≧ Kp.(ROH)+20℃
上記条件下に、ROHの損失を低く維持し、かつROHを可能な限り完全に分離することは、技術的に容易である。
【0060】
反応の際に生じるアルコールROHは、場合により、低下された圧力で、蒸留又は精留により分離される。これは、場合により、適当な非反応性ガスを用いたストリッピングにより促進される。生じる残滓はエステル交換反応のための触媒溶液であり(Ti含量:2〜10質量%)、かつ通常、400ppm未満のROHを含有する。従って、実際には、異種アルコール(ROH)がエステル交換反応混合物中にもたらされることはない(混合物中で<100ppm)。
【0061】
しかしながら当然のことながら、等式IIIによる反応に応じて、触媒溶液中に、混合されたチタンアルコラートが含有されていてもよい。
【0062】
例えば上記方法により製造されたチタネートが使用される場合、反応混合物中のチタン含量は通常0.01〜1質量%である。
【0063】
エステル交換反応は、取り付けられた少なくとも1個の精留塔及び凝縮器を備えた、1個か又は連続して接続された複数の反応器中で行われる。
【0064】
反応温度は通常80〜140℃、有利に100〜130℃であり、圧力は200ミリバール〜大気圧、有利に300〜800ミリバール、殊に有利に400〜600ミリバールである。
【0065】
複数の反応器の場合、異なる反応器中の温度は同じか又は異なっていてよく、例えば反応器の列に沿って上昇するか又は低下するが、有利に上昇する。
【0066】
熱供給は、壁部加熱又は/及び外側又は内側に存在する熱交換器、例えばチューブ式又はプレート式熱交換器を介して、有利に外側に存在する循環型蒸発器を介して行われてよい。精留塔は公知の設計タイプのものであり、分離作用を有する内蔵物(例えば泡鐘トレー、トールマン(Thormann)トレー、バルブトレー、多孔板トレー又はデュアルフロートレー)を有するか、もしくは堆積物又は指向性の充填体を有する。凝縮器は同様に公知の設計タイプのものであり、間接的に、例えばチューブ式又はプレート式熱交換器として、又は直接、例えばクエンチクーラーとして運転されてよい。反応溶液の均一な完全混合は、公知の方法で、例えば撹拌、循環ポンプ輸送、強制又は自然循環により、有利に強制又は自然循環により行われる。
【0067】
反応領域及び/又は例えば蒸留ユニット又は反応器の、設備に内蔵された熱交換器は、本発明によれば、反応条件下で不活性なガス又はガス混合物、例えば窒素、空気、窒素酸素−混合物、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素又は一酸化炭素、有利に空気又は空気−窒素混合物、殊に0.1〜15体積%、有利に0.5〜10体積%の酸素含量を有する該混合物、極めて殊に有利に、1〜5体積%の酸素含量を有する空気−窒素混合物で連続的にフラッシュされる。有利に、洗浄ガスは反応混合物に導通されるか、又は存在する熱交換器表面に沿って導通され、殊に有利に、存在する強制又は自然循環型蒸発器中に導かれる。
【0068】
このため、洗浄ガスは、圧力又は体積を調節しながら、限定されない適当な自体公知の供給装置により、存在する熱交換器表面の近傍で計量供給され、従って有利に連続的な洗浄ガス流が、液体に対して向流又は並流で、熱交換器表面に沿って導かれる。洗浄ガスは予め熱交換器媒体の温度へと温度調節されてよく、従って洗浄ガスの温度と熱媒体の温度との差異は例えば15℃以下、有利に10℃以下である。
【0069】
反応領域中の反応器及び後反応器中の反応混合物の体積(1体積部)に対して、毎時その都度0.1〜100体積部、有利に0.2〜80体積部、殊に有利に0.5〜70体積部、殊に1〜50体積部の洗浄ガスが、熱交換器又は反応領域に導通される。
【0070】
殊に有利に、洗浄ガスは、その中で反応器中又は蒸留塔中の反応媒体が加熱される熱交換器へと移される。
【0071】
本発明によるエステル交換反応の特別な実施態様の1つは、反応を、取り付けられた塔を備えた少なくとも1個の反応器中で実施し、反応混合物を後反応器中へ連続的に導くことであり、この場合該後反応器はガス側で1つの、有利に最後のエステル交換反応器か又は取り付けられた塔と結合されている。
【0072】
後反応器中の温度は、通常、反応器中よりも1〜10℃高い。
【0073】
1個/複数個の反応器及び場合により1個/複数個の後反応器を含む反応領域中の滞留時間は、1〜4、有利に1.5〜3時間である。
【0074】
1個/複数個の反応器に取り付けられた1個/複数個の塔は、通常10〜30個の理論段を有する。還流比は通常5〜20:1、有利に7〜15:1である。該蒸留の条件は一般に、反応器に取り付けられた塔の塔頂におけるブタノール留分が、n−ブチル(メタ)アクリレートを5〜30%、有利に10〜20%含有するように選択される。通常、高級アルコールROHは1質量%以下、有利に0.5質量%以下、殊に有利に0.3質量%以下含有されている。
【0075】
エステル交換反応の際に遊離された低級アルコールROHは、低級(メタ)アクリル酸エステルIの一部と一緒に、反応器に取り付けられた精留塔の塔頂を介して分離される。
【0076】
蒸留条件、例えば理論段及び還流比は、この場合有利に、塔頂で、非共沸混合物が取り出され、その際、低級アルカノールROHと低級(メタ)アクリル酸エステルIとからなる共沸組成物と比較して、相応する条件で、低級(メタ)アクリル酸エステルIの含量が高められるように選択される。
【0077】
留出物を、直接、即ち付加的な精製工程なしに、n−ブチル(メタ)アクリレートの合成へと返送することができ、その際、該合成において、該留出物を(メタ)アクリル酸と反応させて再度出発エステルIとすることができ、これは例えば、本願書類と同じ出願日を有する、書類番号10127941.8のドイツ連邦共和国特許出願、名称“(メタ)アクリル酸エステルの製造法”に記載されている。有利に、該留出物をそこで後処理プロセス、殊に有利に抽出プロセスへ供給することができる。
【0078】
塔の安定化は慣用の安定剤又はその混合物、例えばN−オキシル、例えば4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル、又は4−オキソ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル、フェノール及びナフトール、例えばp−アミノフェノール、p−ニトロソフェノール、2−t−ブチルフェノール、4−t−ブチルフェノール、2,4−ジ−t−ブチルフェノール、2−メチル−4−t−ブチルフェノール、4−メチル−2,6−t−ブチルフェノール(2,6−t−ブチル−p−クレゾール)又は4−t−ブチル−2,6−ジメチルフェノール、キノン、例えばヒドロキノン又はヒドロキノンモノメチルエーテル、芳香族アミン、例えばN,N−ジフェニルアミン、フェニレンジアミン、例えばN,N’−ジアルキル−パラ−フェニレンジアミン(その際、アルキル基は同じか又は異なっていてよく、その都度互いに無関係に1〜4個の炭素原子から成り、かつ直鎖又は分枝鎖であってよい)、ヒドロキシルアミン、例えばN,N−ジエチルヒドロキシルアミン、リン含有化合物、例えばトリフェニルホスフィン、トリフェニルホスファイト又はトリエチルホスファイト又は硫黄含有化合物、例えばジフェニルスルフィド又はフェノチアジンを用いて行われてよい。
【0079】
更に、これらは安定剤の分解生成物又は誘導体、例えば(メタ)アクリル酸のマイケル付加物もしくは(メタ)アクリル酸エステル及びヒドロキノンであってもよい。
【0080】
安定化は分子酸素の存在又は不在で、有利に分子酸素の存在で行われてよい。
【0081】
有利に、安定化は、その都度10〜5000ppmnの量のフェノチアジン、ヒドロキノン、ヒドロキノンモノメチルエーテル、4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル、4−オキソ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル、2,6−t−ブチル−p−クレゾール又はこれらの混合物を用いて行われ、殊に有利に、フェノチアジン又はフェノチアジン含有混合物、殊にフェノチアジン/4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル−混合物が、安定化のために使用される。添加は、その都度出発物質を介して、直接、又は返送流れ又は還流流れを介して行われてよい。
【0082】
殊に安定化は、フェノチアジン100〜1000ppm及び4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル10〜500ppmと混合された還流を用いて行われる。
【0083】
有利に、安定化は、低級(メタ)アクリル酸エステル中の該安定剤混合物の溶液を用いて行われる。
【0084】
殊に有利に、溶解された安定剤混合物は凝縮器表面上へ噴霧される。
【0085】
形成された反応混合物は有利に連続的に反応器から搬出され、蒸留ユニット(触媒分離部)中で、主に目的エステル及び出発物質を含有する塔頂生成物と、本質的に目的エステル、触媒、高沸点副生成物及び重合阻害剤を含有する塔底生成物とに分離される。塔底生成物は少なくとも部分的に、有利に50〜100%が、第1の反応器へ返送されてよい。場合により存在する残留物は、例えば残滓処理下におかれてよい。
【0086】
蒸留ユニットは、例えば、従来の強制又は自然循環型蒸発器と、例えば慣用の設計タイプの5〜15個の理論段を有する塔とから構成されてよい。本発明による方法の精留塔は公知の設計タイプのものであり、分離作用を有する内蔵物(例えば泡鐘トレー、トールマン(Thormann)トレー、バルブトレー、多孔板トレー又はデュアルフロートレー)を有するか、もしくは堆積物又は指向性の充填体を有する。
【0087】
本発明によれば、触媒分離部の蒸発器表面も、上記の通り洗浄ガスで洗浄されてよい。
【0088】
塔底温度は通常80〜160℃、有利に90〜150℃、殊に有利に90〜120℃であり、相応する圧力は20〜500ミリバール、有利に50〜300ミリバール、殊に有利に80〜150ミリバールである。還流比は通常5:1〜1:5、有利に3:1〜1:3、殊に有利に2:1〜1:2である。
【0089】
例えば、本願書類と同じ出願日を有する、書類番号10127939.6のドイツ連邦共和国特許出願、名称“(メタ)アクリル酸エステルの製造法”に記載されているように、マイケル付加物の再分解を生じさせるため、蒸留はより高温で行われてもよい。
【0090】
場合により、蒸留プロセスは、例えば上記(ストリッピング)のように、反応条件下で本質的に不活性なガス流、例えば窒素の導通により促進されてよいが、しかしながら酸素含有ガス、例えば空気又は空気−窒素混合物、殊に0.1〜15体積%、有利に0.5〜10体積%の酸素含量を有する該混合物、極めて殊に有利に、1〜5体積%の酸素含量を有する空気−窒素混合物の導通により促進されてもよい。有利に、本発明による洗浄ガスの導通は、ストリッピングプロセスと関連している。
【0091】
蒸留ユニット中での重合体の形成を回避するために、有利に出発エステル中の約0.1〜1%フェノチアジン溶液が凝縮器中に噴霧される。有利に、安定化は、フェノチアジン100〜1000ppm及び4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル10〜500ppmと混合された還流を用いて行われる。
【0092】
殊に有利に、溶解された安定剤混合物は凝縮器表面上へ噴霧される。
【0093】
触媒分離部の、目的エステル含有留出物は、もう1つの蒸留ユニット(精留部)中で、主に出発物質から成り、かつエステル交換反応へ返送されることができる易沸騰性留分と、主に目的エステル及び阻害剤を含有し、有利に第1の蒸留ユニットへ返送されるが、しかしながら部分的に残滓処理へと導かれることもできる難沸騰性留分(塔底生成物)と、本質的に目的エステルを含有する中程度沸騰性留分とに分離されることができる。目的エステルは、有利にガス状で、塔領域内の下方、有利に下半分、殊に有利に下3分の1にある側面排出部を介して排出され、凝縮される。目的エステルは、ガス状の側面排出分中で、10〜20ppmのヒドロキノンモノメチルエーテル又は2,6−t−ブチル−p−クレゾールを用いて、有利に凝縮器への噴霧により安定化される。
【0094】
塔は通常10〜30個の理論段を有する。
【0095】
凝縮器及び蒸発器は上記と同様に公知の設計タイプのもの、例えばチューブ式又はプレート式熱交換器である。
【0096】
加熱は同様に公知の方法で、有利に自然又は強制循環により行われる。
【0097】
本発明によれば、精留部の蒸発器表面も、上記の通り洗浄ガスで洗浄されてよい。
【0098】
塔底温度は通常80〜150℃、有利に80〜140℃、殊に有利に90〜130℃であり、相応する圧力は20〜500ミリバール、有利に30〜300ミリバール、殊に有利に40〜200ミリバールである。還流比は5:1〜1:15、有利に2:1〜1:10である。
【0099】
還流として使用されない易沸騰性留分は、完全又は部分的にエステル交換反応へ返送されてよく、この場合、直接反応器中に返送されるか、又は該反応器上に取り付けられた塔を介して返送されてよい。
【0100】
塔底生成物は、50〜100%、有利に75〜100%、殊に有利に90〜100%が触媒分離部へと返送されてよい。残留物は残滓処理へ導かれてよい。
【0101】
蒸留ユニット中での重合体の形成を回避するために、有利に出発エステル中の約0.5%フェノチアジン及び0.05%4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシルの溶液が凝縮器上に噴霧される。有利に、安定化は、フェノチアジン100〜1000ppm及び4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル10〜500ppmと混合された還流を用いて行われる。
【0102】
本発明の特別な実施態様の1つは、触媒分離部の塔底生成物流出分又は場合によりその一部、並びに場合により精留部の塔底生成物流出分が、連続式又はバッチ式で運転される熱処理(再分解、蒸留)下に置かれることである。なお存在する目的エステルを回収し、かつ同時に、マイケル付加生成物を相応するアルコール及び(メタ)アクリル酸エステルへと再分解して分離する該残滓処理は、制限されない。
【0103】
残滓処理は連続式又はバッチ式で、有利に連続式で、場合により取り付けられた塔を備えた少なくとも1個の反応器中で運転されてよい。
【0104】
残滓処理において、有利にマイケル付加生成物及びポリマーは再分解される。
【0105】
該マイケル付加生成物は一般に、例えば熱処理及び/又は触媒による処理により、例えば適当な触媒の存在で、その出発化合物への再分解が可能である。
【0106】
残滓処理に供給される流れは、場合により他の、例えば塩基性又は酸性の触媒を添加しながら、含有されているマイケル付加生成物の再分解のために、熱処理されてよい。
【0107】
残滓処理における温度は、一般に100〜220℃、有利に120〜200℃、殊に有利に140〜180℃、殊に150〜180℃である。
【0108】
残滓処理からの易沸騰性物の分離は、反応条件下で本質的に不活性なガス流、例えば窒素の導通(ストリッピング)により促進されてよいが、しかしながら酸素含有ガス、例えば空気又は空気−窒素混合物の導通により促進されてもよい。
【0109】
該方法により、一般に、含有された有用生成物(目的エステル及び出発生成物)の50%又はそれ以上が回収され得る。
【0110】
分離された有用生成物は、その後、場合により、取り付けられた塔を介して、エステル交換反応の反応器、有利に触媒分離部又は精留部へと返送されてよい。
【0111】
従って、マイケル付加生成物の形成を合成の間及び/又は後処理の間に低減するためには、技術的に費用のかかる特別な方法は不必要である。
【0112】
残滓処理の残滓は、その後もう一度残滓処理へと供給されるか、又は適当な廃棄物処理、例えば焼却へと供給されてよい。
【0113】
残滓処理に代わり、処理の塔底生成物は、当然のことながら処理なしで廃棄物処理されてもよい。
【0114】
前記方法により取得された塩基性(メタ)アクリレートは、ガスクロマトグラフィー分析に従って、99.9%又はそれ以上の純度を有する。
【0115】
飽和副成分の含量は通常<400ppmであり、N,N’−ジメチルピペラジン、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート及びビニルオキシエチル(メタ)アクリレートの含量は<100ppmである。
【0116】
方法の利点は以下の通りである:
−該方法は、完全に連続的に運転されてよく、3個以下の蒸留塔、残滓処理を伴う場合には4個以下の蒸留塔を必要とすること。従って、投資コスト及び維持管理/修理コストは比較的低いこと。
−工業的n−ブチル(メタ)アクリレートを使用することができ、この場合、設備又は品質問題において障害が生じないこと。
−本発明による方法により、高収率、即ちわずかな残滓量が達成され、それにより環境へのわずかな負荷及び低い製造コストが達成されること。
−高純度であり、即ち副生成物の含量がわずかであり、従って後処理適性が卓越していること。
【0117】
本発明により製造されたジアルキルアミノアルキル(メタ)アクリレート、殊にジアルキルアミノエチル(メタ)アクリレート、及び殊にジメチルアミノエチル(メタ)アクリレートは、共重合体の製造のための有用なモノマーである。モノマーとして、該アクリレートは、存在する形で又は4級化後に重合に使用される。
【0118】
慣用の4級化剤は、例えばハロゲン化ベンジル、例えば塩化ベンジル、ハロゲン化アルキル、例えば、塩化メチル、塩化エチル、臭化メチル、二塩化エチレン又は塩化アリル、酸化アルキレン、例えば酸化エチレン、酸化プロピレン、酸化スチレン、酸化イソ−ブチレン又はビニルオキシラン、有利に酸化エチレン又は酸化プロピレン、殊に有利に酸化エチレン、アルキルホスフィット又は−ホスホネート、例えばトリメチルホスフィット又はトリエチルホスフィット、ジアルキルスルフェート、例えばジメチルスルフェート又はジエチルスルフェート、ジアルキルカーボネート、例えばジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート又はジ−n−ブチルカーボネート、クロロヒドリン又はエピクロロヒドリンである。
【0119】
殊に、4級化モノマーを重合導入により含有するコポリマーが、水の後処理において、例えばイオン交換体樹脂として、又は膜の成分として使用される。
【0120】
本発明による方法は、これに制限されることなく以下の実施例により詳説される。
【0121】
本刊行物において使用されたppm及び百分率の記載は、別に記載がない場合、質量百分率及び質量ppmを指すものである。
【実施例】
【0122】
実施例
実施例1
外側に存在する循環型蒸発器と、凝縮器を備えた取り付けられた蒸留塔(デュアルフロー段20個)とを備えたエステル交換反応器(総容積1.8l)と、外側に存在する循環型蒸発器を備えた後反応器(総容積1.2l)とからなるエステル交換反応装置に、連続的な運転で、一時間毎に、ジメチル−アミノエタノール134g、n−ブチルアクリレート175g(純度99.6%、ジブチルエーテル0.1%、ジブチルアセテート0.05%、ブチルプロピオネート0.03%、水0.04%、イソブチルアクリレート0.1%、アクリル酸0.01%、ペンチルアクリレート0.02%)、チタンテトラブチレート6g、回収された触媒71g、及び、本質的にn−ブチルアクリレート(約75%)とジメチルアミノエタノール(約17%)とからなる、精留部からの回収流833gを供給した。反応器中の温度は120℃であり、後反応器中の温度は123℃であった。
【0123】
塔頂を介して、主にブタノール(83%)とブチルアクリレート(17%)とからなるn−ブタノール留分を分離し、凝縮させた。凝縮物132gを排出させ、残留物(約1400g)を還流として塔の最上段上に施与した。凝縮器の塔頂上に、一時間毎に、n−ブチルアクリレート中の0.5%フェノチアジン溶液15gを噴霧した。循環型蒸発器中に、その都度空気10 l/時を送入した。滞留時間は2.6時間であった。
【0124】
後反応器の搬出分を、循環型蒸発器を備えた蒸留塔(デュアルフロー段8つ)と凝縮器とから成る蒸留ユニット(塔底温度105℃)に供給し、主に目的エステル(約65%)、テトラジメチルアミノエチルチタネート(約30%)及びn−ブチルアクリレート(約3%)から成る難沸騰性物(85g/時)を分離し、その際、約80%をエステル交換反応器中へと返送し、残留物(17g/h)を排出させた。塔頂(69℃/50ミリバール)で生じた生成物混合物(n−ブチルアクリレート約60%、ジメチルアミノエタノール約13%、目的エステル約25%、n−ブタノール約2.5%)を凝縮させ、部分的に(50%)還流として再度塔頂に施与した。安定化のために、n−ブチルアクリレート中の0.5%フェノチアジン溶液(15g/時)を凝縮器中に噴霧した。留出物の残留分(約1030g/時)を、側面排出部を有する22個のデュアルフロー段を備えた塔、凝縮器及び循環型蒸発器から成るもう1個の蒸留ユニットに供給した。塔頂で、ジメチルアミノエタノール約16.7%、n−ブチルアクリレート約75%、目的エステル約5%及びn−ブタノール約3%からなる混合物を分離し、部分的に(約40%)還流として再度塔頂に施与し、かつ部分的に(833g/時)エステル交換反応器中に返送した。0.5%フェノチアジン及び0.05%4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシルの溶液を用いて安定化を行った。塔底生成物(約10g/時)、主に目的エステル(約99%)を触媒分離部に供給した。側面排出部を介して、ガス状で分離されたジメチルアミノエチルアクリレートを凝縮させ(206g/時)、ヒドロキノンモノメチルエーテル約20ppmを用いて安定化させた。
【0125】
2個の蒸留ユニットの循環型蒸発器中に、その都度空気10 l/時を送入した。
【0126】
蒸留された生成物の収率は(ジメチルアミノエタノールに関して)96%であった。ガスクロマトグラフィーで測定された純度は99.9%であり、その際、副成分として、ジメチルアミノエタノール<20ppm、ブチルアクリレート約100ppm、水約250ppm、ジメチルアミノエチルプロピオネート約300ppm及びジブチルエーテル<10ppmが認められた。
【0127】
N,N’−ジメチルピペラジン、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート及びビニルオキシエチル(メタ)アクリレートは検出不可能であった。
【0128】
設備を、重合体による問題なしに30日間運転させた。
【0129】
実施例2(比較として)
実施例1と同様に行ったが、但し循環型蒸発器及び熱交換器中において洗浄ガスなしで行った。
【0130】
5日間以内に、目的エステル中で、ジメチルピペラジンの含量は約100ppmに増加し、ビニルオキシエチルアクリレートの含量は約20ppmに増加した。7日後、熱交換器の導管が重合体で被覆されたため、装置を停止しなければならなかった。
【0131】
実施例3
滞留時間が副生成物(マイケル付加生成物及びN,N’−ジメチルピペラジン)の形成に及ぼす影響を、反応器排出分において試験した。
【0132】
実施例1に記載されたエステル交換反応処理に従って行った。加水分解及び濾過により触媒を分離した後、搬出分をガスクロマトグラフィーにより分析した。
【0133】
【表1】
Figure 2005506958
【0134】
実施例4
実施例1と同様に行ったが、但し滞留時間を5時間に調節した。
【0135】
ジメチルアミノエタノールに関して93%の収率が得られ、目的エステル中のN,N’−ジメチルピペラジンの含量は60ppmであった。
【0136】
比較例1
連続運転で、一時間毎に、ジメチルアミノエタノール680部、エチルアクリレートとエチルアクリレート−分離部の留出物とからなる混合物2016部、実施例1からの触媒溶液70部、及び回収された触媒(触媒分離部の塔底生成物)110部を、2個の反応器から成る反応器カスケードの第1の反応器に供給した。反応器には、その都度、取り付けられた充填塔及び凝縮器が備えられていた。外側に存在する熱交換器を介して熱を供給した。更に、易沸騰性物分離分の凝縮物236部を、一時間毎に、供給管を介して第1の反応器の塔の中央部で添加した。第2の反応器の搬出分を、ガス側で第2の反応器の塔と結合されている、循環型蒸発器を備えた容器に供給した。反応温度は110ないし115℃であり、容器中では119℃であった。エステル交換反応の際に生じるエタノールを、エチルアクリレートとの混合物(エタノール48%)として、反応器の塔頂から排出させ、凝縮させた。まとめられた凝縮物を部分的に還流として塔中に返送し(その都度約2100部)、残留物(806部)を排出し、エチルアクリレートの製造に使用するために収集した。エチルアクリレート中の0.5%フェノチアジン及び0.05%4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシルの溶液120部を各凝縮器に添加することにより、凝縮物を安定化させた。まとめられた凝縮物はエタノール約48質量%及びエチルアクリレート約52質量%を含有しており、ジメチルアミノエタノールの含量は0.1%未満であった。
【0137】
容器の搬出分を充填塔に供給し(塔の中央部で供給)、該充填塔において、該搬出分を、塔頂生成物(塔頂温度88℃、500ミリバール)と触媒含有塔底生成物(塔底温度140℃)とに分離した。
【0138】
上記安定剤溶液110部を凝縮器の塔頂中へ噴霧することにより、塔頂生成物を安定化させた。凝縮物をエチルアクリレート1170部と混合し、部分的に(380部/時)還流として再度塔に供給し、残留物(2016部/時)を第1の反応器に供給した。
【0139】
塔底生成物を、付加的に循環型蒸発器を備えたフラッシュ蒸発器に供給した(135℃、80ミリバール)。留出物を安定剤溶液(上記参照)50部で安定化させ、該留出物はジメチルアミノエチルアクリレート約90%を含有していた。塔底生成物を部分的に(110部)第1の反応器に供給し、残留物(70部/時)を残滓処理に供給した。
【0140】
双方の蒸留段に関して算出されたマイケル付加生成物形成(EP−A906902、第9頁)の割合はマイナス(−1.3)であり、これは、所定の条件下における付加物の部分的な低減(再分解)を意味する。
【0141】
フラッシュ蒸発の留出物の、実施例2と同様に実施された他の後処理により、純度99.9%のジメチルアミノエチルアクリレート1189部がもたらされ、これは、ジメチルアミノエタノールに関して97.9%の収率に相当する。
【0142】
比較例2
比較例1と同様に行ったが、但し、エチルアクリレート分離の際の塔底温度は110℃であり、触媒分離の際(フラッシュ蒸発器)の温度は110℃であった。
【0143】
個々の流れのガスクロマトグラフィーによる分析をベースとして測定された、マイケル付加生成物形成の割合は+0.1%であり、即ち、マイケル付加生成物のわずかな増加が生じた。

Claims (15)

  1. 触媒の存在で(メタ)アクリル酸アルキルエステルIをエステル交換反応させ、反応混合物を蒸留により後処理することにより塩基性(メタ)アクリル酸エステルIVを製造する方法において、反応条件下で不活性なガス又はガス混合物を、反応領域及び/又は熱交換器に導通させることを特徴とする、塩基性(メタ)アクリル酸エステルIVの製造法。
  2. 不活性なガス又はガス混合物が、空気又は空気−窒素混合物である、請求項1記載の方法。
  3. 反応領域が後反応器を1個含む、請求項1又は2記載の方法。
  4. 反応領域中の反応混合物の滞留時間が1.5〜3時間である、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. エステル交換反応を、取り付けられた塔を少なくとも1個備えた反応領域中で実施し、塔頂で非共沸混合物を取り出し、その際、低級アルカノールROHと低級(メタ)アクリル酸エステルIとからなる共沸組成物に対して、相応する条件において、低級(メタ)アクリル酸エステルIの含量が高められている、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 塩基性(メタ)アクリル酸エステルIVを、精留部においてガス状で、側面排出部を介して取り出す、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. エステル交換反応をチタンテトラアルコラートの存在で実施し、その際、アルコラートは低級(メタ)アクリル酸アルキルエステルIのアルコール成分ROHに相当する、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  8. 反応混合物の安定化を、後処理の間に、フェノチアジン、又はフェノチアジンと少なくとももう1種の安定剤とからなる混合物を用いて実施する、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
  9. 応混合物の安定化を、後処理の間に、フェノチアジンと4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシルとからなる混合物を用いて実施する、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
  10. 後処理の際に生じる蒸留塔底生成物の少なくとも一部を触媒分離部に供給する、請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。
  11. エステル交換反応のために使用された低級(メタ)アクリル酸アルキルエステルIが(メタ)アクリル酸−n−ブチルエステルである、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。
  12. 工業的純度の(メタ)アクリル酸−n−ブチルエステルを使用する、請求項11記載の方法。
  13. 塩基性(メタ)アクリル酸エステルIVがジメチルアミノエチルアクリレートである、請求項1から12までのいずれか1項記載の方法。
  14. 触媒の存在で(メタ)アクリル酸アルキルエステルIをエステル交換反応させ、反応混合物を蒸留により後処理することにより塩基性ジアルキルアミノエチル(メタ)アクリレートを製造する方法において、反応領域中の反応混合物の滞留時間が1.5〜3時間であることを特徴とする、塩基性ジアルキルアミノエチル(メタ)アクリレートの製造法。
  15. 請求項1から14までのいずれか1項記載の方法により得ることができるジアルキルアミノアルキル(メタ)アクリレートの、4級化への使用。
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