JP2007517106A - 臭素化反応からのアンチモン触媒残渣の回収 - Google Patents

Abstract

有機溶媒中に臭素化されたスチレン重合体を含む反応混合物が生成するように三ハロゲン化アンチモンの存在下において有機溶媒中でスチレン重合体を臭素化する方法は、塩酸または臭化水素酸或いはその両方を反応混合物と少なくとも１回混合し、該反応混合物から酸性の水性相としてアンチモン触媒の残渣を抽出することにより改良される。好ましくは酸性の水性相から触媒残渣を回収し、さらに好ましくは回収した三ハロゲン化触媒の残渣を循環させて臭素化されたスチレン重合体を製造するのに使用する三ハロゲン化アンチモン触媒の少なくとも一部にする。

Description

臭素または塩化臭素および三ハロゲン化アンチモンを用い適当な溶媒の中でスチレン重合体を臭素化することにより臭素化されたスチレン重合体を製造することは公知である。この点に関しては特許文献１および２を参照のこと。これらの特許は引用により本明細書に包含される。この方法で製造された製品の一つはＰｙｒｏ−Ｃｈｅｋ ６８ＰＢ燃焼遅延剤の登録商標名で市販されている。

臭素化されたスチレン重合体が過剰量のアンチモン触媒残渣で汚染されることを最低限度に抑制するためには、臭素化された反応生成物を水で処理して先ずアンチモン触媒残渣をオキシ塩化物として、次いで硫化物として沈澱させる方法が実施されてきた。この方法をもっと効率的且つ廉価に操作するためには、経済的にできるだけ多量のアンチモン触媒を回収し、できればこれを臭素化の段階で使用できるように循環させ得ることが望ましい。回収された生成物が臭素化反応に対して或いはそれから生じる臭素化された燃焼遅延性製品の性質に悪影響を与えずに触媒を再利用できれば特に有利であろう。

本発明はこれらの望ましい目的を全部とは言えないにしても大部分達成できるものと思われる。
Ｂａｒｄａらに対する米国特許第４，３５２，９０９号明細書。 Ｄｅｖｅｒらに対する米国特許第５，７２３，５４９号明細書。

本発明の概要
本発明の一具体化例においては、有機相の中に臭素化されたスチレン重合体を含む反応混合物を塩酸または臭化水素酸或いはその両方で少なくとも１回処理し、酸性の水性相として反応混合物からアンチモン触媒の残渣を抽出する、三ハロゲン化アンチモンの存在下において有機相中でスチレン重合体を臭素化する方法の改良法が提供される。さらに他の具体化例においては、これによって酸性の水性相から三ハロゲン化触媒の残渣の回収を容易に行うことができ、好適な具体化例においてはこれらの触媒残渣を臭素化の触媒として再利用することができる。スチレン重合体を臭素化する工程においては、重合体の交叉結合にあまり著しくは寄与しない有機溶媒を使用することが望ましい。

本発明を実施することによって得られる利点には次のものがある：
（ａ）本発明を容易に実用的に実施できる。

（ｂ）工程で固体の取扱いを避けることができる。

（ｃ）廃棄物の処理／廃棄を排除できる。

（ｄ）硫化物の処理を排除できる。

（ｅ）三ハロゲン化アンチモン触媒の残渣、および１，２−ジクロロエタンのような反応溶媒の両方を再利用することができる。

（ｆ）循環させたハロゲン化アンチモン触媒を臭素化の段階で使用した場合でも、従来法におけるＰｙｒｏ−Ｃｈｅｋ ６８ＰＢ燃焼遅延性の製品およびその性能以上ではないとしても、それに見合うだけの臭素化されたスチレン重合体の燃焼遅延剤を製造することができる。また上記の利点は、工程全体の経済性を著しく改善しながら達成することがで
きる。

上記および他の利点は以下の説明および添付特許請求の範囲からさらに明らかになるであろう。

本発明のさらに詳細な説明
本発明によれば、臭化物および塩化物の混合物としてアンチモン（ＩＩＩ）触媒を除去し、回収し、循環させるいっそう効率的で便利な方法を提供することができる。ここで特記しない限り本明細書に記載された三ハロゲン化アンチモンはＳｂＣｌ_３、ＳｂＢｒ_３、ＳｂＣｌ_２ＢｒおよびＳｂＢｒ_２Ｃｌのいずれか一つ、またはその２種またはそれ以上の混合物を意味するものとする。

広い意味において、本発明の改良法は一つまたは二つの処理操作、即ち（１）触媒の抽出および（２）触媒の循環を含んでいることができる。触媒の抽出には塩酸水溶液または臭化水素酸水溶液（または両方）を用いて反応混合物を抽出することにより反応混合物からアンチモン触媒残渣を回収することが含まれる。塩酸および臭化水素酸の両方を使用する場合には、これらを両方の混合物として使用するか、またはそれらで順次抽出を行うことにより使用することができる。希薄なＨＣｌ、好ましくは１０〜２０％のＨＣｌ水溶液を使用すると反応混合物からアンチモン触媒残渣を完全に或いは実質的に抽出することができる。しかし、もっと低いまたは高い濃度のＨＣｌおよび／またはＨＢｒを使用することができる。例えば５〜３８％の濃度範囲のＨＣｌ水溶液および／または５〜４８％の濃度範囲のＨＢｒ水溶液を使用することができる。

上記の触媒の抽出工程は異なった種類の装置を使い種々の方法で行うことができる。抽出は必要に応じ単一の抽出操作により、または二つまたはそれ以上の抽出操作を順次行うことによって行うことができる。酸の水溶液対有機性の反応混合物の容積比は典型的には２：１以上である。工業的規模の設備において二つの相を緊密に混合するためには、ジェット混合機または液−液遠心分離器、例えばＲｏｂａｔｅｌ遠心分離器を用いて相を分離することができる。

臭素化反応への触媒の再利用は、三ハロゲン化アンチモンが無水の形で存在する任意の適当な有機溶媒、好ましくは１，２−ジクロロエタン（ＥＤＣ）を用いて三ハロゲン化アンチモンを酸性の水性抽出物から抽出する工程を含んでいる。この工程は種々の方法で行うことができる。

即ち一つの方法では、適切な有機溶媒、好ましくはＥＤＣを用いて溶媒交換操作（通常「溶媒の取換え」と呼ばれる）を行う。この方法は酸性の水溶液を予め濃縮してまたは濃縮せずに行うことができる。使用できる他の方法は三ハロゲン化アンチモンの濃度が少なくとも６５重量％（ＳｂＣｌ_３として計算して）に達するまで酸性の水溶液を濃縮する工程を含んでいる。濃縮して得られた酸性の水溶液を有機溶媒、好ましくは二塩化エチレンを用いて部分的に抽出する。次に得られた有機溶媒の溶液を、必要に応じ若干の有機溶媒を抜取って存在する可能性がある残留した水をそれと共に除去することにより乾燥する。

溶媒取換え工程を用いる場合、種々の有機溶媒を使用することができる。好適な種類の溶媒はハロゲン化された溶媒、特にクロロ炭化水素溶媒、例えば四塩化炭素、クロロフォルム、塩化メチレン、１，２−ジクロロエタン、１，２−ジブロモエタン、１，１，２−トリクロロエタン、１，１，２，２−テトラクロロエタン、ブロモクロロメタン等である。このような溶媒の２種またはそれ以上の混合物も使用できる。これらの溶媒の中で１，２−ジクロロエタンが特に好適である。不飽和の脂肪族溶媒を用いてその場でブロモ炭化水素をつくることもできるが、このような溶媒の中の不飽和結合に臭素が付加することと関連して臭素源がいくぶん消費されるから、このような溶媒の使用は好ましくない。使用する有機溶媒は臭素化反応に対する溶媒媒質として適しているものであることが好ましいことを記しておく。溶媒として使用するのに好適なものは、臭素化反応の際、交叉結合反応に著しくは寄与しない有機溶媒または有機溶媒の混合物である。

溶媒の取換えは典型的には該水溶液を還流している有機溶媒に供給することによって行われる。有機溶媒との共沸混合物として水が除去される。溶媒の取換えを行う前に酸の水溶液の容積を減少させることが望ましい場合には、所望の濃度が得られるまで水を蒸溜し去ることによってこれを達成することができる。

溶媒取換え工程の結果、例えばＥＤＣのような適当な有機溶媒に含まれた再利用し得る三ハロゲン化アンチモンの溶液が生じる。この溶液を臭素化の反応器または臭素化の反応区域に適当な触媒的な量で装入することができる。この量は典型的には臭素化すべきスチレン重合体の重量に関して２〜１０重量％の範囲である。

酸性の水溶液を少なくとも６５重量％の三ハロゲン化アンチモンの濃度に達するまで濃縮した後、濃縮した溶液をＥＤＣのような有機溶媒で抽出する方法を使用する場合には、濃縮段階は上記記載の方法で行うことができるが、６５重量％付近の特定のレベルに達するのに十分な長い時間濃縮操作を行う点が異なっている。溶液が物質的に（ｍａｔｅｒｉａｌｌｙ）６５重量％未満の量しか含んでいない場合には、ＥＤＣまたは他の１種またはそれ以上のクロロ炭化水素、および／または１種またはそれ以上のブロモ炭化水素、および／または１種またはそれ以上のブロモクロロ炭化水素溶媒は実質的な量の三ハロゲン化アンチモン触媒の残渣を抽出することはできない。従ってＥＤＣ以外の有機溶媒を使用する場合には、いくつかの試験を行い有機溶媒と種々の濃度の酸の水溶液との間における種々の濃度の触媒残渣の分配係数を決定しなければならない。このようにして或る与えられた抽出用の有機溶媒に対し酸の水溶液中の最小で最適な触媒残渣の濃度を確かめることができる。

次いで選ばれた有機溶媒を用いる次の抽出の段階を行う。工業的規模におけるこの操作に対しては、典型的にはジェット混合機または液−液遠心分離機を使用する。実験的規模における操作においては典型的には分液濾斗を使用する。

この場合も、酸の水溶液を濃縮する工程を使用し、次いで有機溶媒、好ましくはＥＤＣを用いて抽出を行うと、その結果ＥＤＣのような適当な有機溶媒の中に再利用可能な三ハロゲン化アンチモン触媒を含む溶液が生じる。この溶液は適切な触媒の量で臭素化の反応器または臭素化の反応区域に装入される。この量は典型的には臭素化されるスチレン重合体の重量に関し２〜１０重量％である。抽出溶媒として使用するための好適な有機溶媒は後で行われる臭素化反応において交叉結合に寄与しない有機溶媒または有機溶媒の混合物である。

再利用触媒を用いてつくられたＰｙｒｏ−Ｃｈｅｋ ６８ＰＢの質は、新しいアンチモン触媒が使用される操作でつくられた製品に見合っていれるかまたはそれ以上であることができる。このことは表１に示されたデータによって例証される。この表で「６８ＰＢ」は臭素化されたポリスチレン燃焼遅延剤の市販品Ｐｙｒｏ−Ｃｈｅｋ ６８ＰＢを意味する。これに対してＢｒＰＳは実験室でつくられた臭素化されたポリスチレンを意味する。表１の熱安定性データは米国特許第５，６３７，６５０号明細書に一般的に記載された方法を使用して得られたデータを含んでいる。特に各試料について二回実験を行った。２．００±０．０１ｇの試料を新しい２０×１５０ｍｍの試験管の中に入れる。ネオプレンの栓とＶｉｔｏｎフルオロエラストマーの管を用いて窒素吹き込みラインに連結し、それぞれ０．１規定のＮａＯＨを２００ｍＬ、フェノールフタレインを５滴含む３個の２５０ｍＬの枝付きフラスコの中の液面下にあるガス分散用フリッツ（ｆｒｉｔｓ）に試験管から出るガスを順次通す。０．５ＳＣＦＨの一定速度で窒素を通し、溶融塩浴（５１．３％ ＫＮＯ_３／４８．７％ ＮａＮＯ_３）の中で１５分間３００℃に加熱した後、周囲温度で５分間保つ。次に試料を含む試験管をきれいな乾燥した試験管と取り替え、空の試験管を３００℃に保ちながらさらに１０分間装置に窒素を通す。試験管、管、およびガス分散用の管をすべて脱イオン水で洗滌し、洗液を３個の捕集用のフラスコの中の溶液と定量的に一緒にする。一緒にした溶液を１：１のＨＮＯ_３で酸性にし、自動電位滴定装置（Ｍｅｔｒｏｈｍ ６７０、７１６、７３６または同等品）を用い０．０１ＮのＡｇＮＯ_３で滴定する。結果はｐｐｍ単位のＨＢｒ、ｐｐｍ単位のＨＣｌ、およびｐｐｍ単位のＨＢｒ等価値として次のように計算される。

ＨＢｒ（ｐｐｍ）＝（ＥＰ１）（Ｎ）（８０９１２）／（試料の重量）
ＨＣｌ（ｐｐｍ）＝（ＥＰ２−ＥＰ１）（Ｎ）（３６４６１）／（試料の重量）
ＨＢｒ等価値（ｐｐｍ）＝（ＥＰ２）（Ｎ）（８０９１２）／（試料の重量）
ここでＥＰ（ｘ）は終点ｘに到達するために使用されるＡｇＮＯ_３のｍＬの値；ＮはＡｇＮＯ_３の規定度である。次の分析を行う前に管を窒素で完全に乾燥する。系の中に残留したハロゲン化水素が存在しないことを確かめるために、それぞれの日で最初の試料の分析を行う前にブランクとして３個のきれいな試験管を用いて実験を行う。

表１における燃焼遅延剤の試験試料は次のようにしてつくった。

新しいＳｂＢｒ_３を用いてつくられたＢｒＰＳ；試料１〜３。これらの試料は米国特許第５，７２６，２５２号明細書と同様な方法に従い、２．０〜２．５ｇの新しいＳｂＢｒ_３触媒を用い１，２−ジクロロエタン溶媒中で２０ｇのスチレンをＢｒＣｌで臭素化して得た。

７５％溶液から回収されたＳｂＢｒ３を用いてつくられたＢｒＰＳ：溶液１〜３。本発明を表すこれらの試料は２．０〜２．５ｇのＳｂＢｒ_３触媒を用い、１，２−ジクロロエタン溶媒中で２０ｇのポリスチレンをＢｒＣｌで臭素化して得た。触媒溶液はＳｂＢｒ_３の７５重量％溶液を１，２−ジクロロエタンを用いて抽出して得た。溶液３は触媒溶液から１５重量％の１，２−ジクロロエタンを抜取ることによってつくった。

臭素化はバッチ法または連続法で行うことができる。バッチ法で行う場合、臭素原料を反応混合物の中に導入する前またはそれと同時に、再利用触媒に新しい三ハロゲン化アンチモンを加えまたは加えずにこれを反応器に装入する。臭素化を連続法で行う場合には、連続的に生成し反応している反応混合物中に必要な触媒量の再利用三ハロゲン化アンチモン触媒が新しい三ハロゲン化アンチモン触媒を伴って又は伴わずに存在することを保証する任意の方法で、触媒の回収および再利用を行うことができる。

臭素化を行う好適な条件は上記の二つの米国特許明細書に記載されている。

下記実施例は本発明の実施方法を例示するものであるが、本発明をその中に記載された工程および条件に限定するものではない。

実施例１は本発明による触媒抽出操作を例示する。

１．５ｇの三塩化アンチモンを存在させ３８０ｇの二塩化エチレン（ＥＤＣ）中にポリスチレン２０ｇを含む溶液を７５ｇのＥＤＣで処理してポリスチレンを臭素化した。反応混合物の一部を１００ｍＬの１０％ＨＣｌと共に１５分間激しく撹拌した。次いでこの混合物を１５分間放置して層を互いに分離させた。底部の有機相を回収して反応器に戻した。上部の水性相は回収して瓶の中に集めた。この有機相を再び７５ｍＬの１０％ＨＣｌで抽出し、水性相を瓶の中に集めた。全部一緒にした水性相の重量は１９０ｇであった。この水性抽出物はＩＣＰ分析により４３００ｐｐｍのアンチモンを含んでいることがわかった。これは三塩化アンチモンとして導入されたすべてのアンチモンとして説明される。

実施例２は本発明に従って酸性の水溶液から触媒を回収する操作を示す。Ａ部においてはＥＤＣを用いて溶媒の取替えを行った。Ｂ部においてはＥＤＣを用い濃縮した酸性水溶液を抽出することにより触媒の回収を行った。

実施例１で得られた触媒の水溶液（主としてＳｂＢｒ_３）を水およびＨＣｌを蒸溜し去ることによって濃縮した。

Ａ部：
重い方の液体をフラスコに戻すために、２５０ｍＬの三つ口フラスコに供給管、温度計および改造したＤｅａｎ−Ｓｔａｒｋトラップを取り付けた、ＥＤＣ（１２５ｇ）をフラスコに入れ、加熱還流させた。５％の三臭化アンチモンを含む酸性の水溶液を毎分０．３ｍＬの速度でフラスコに供給した。供給物から得られる水はＥＤＣと還流させ共沸混合物として連続的にＤｅａｎ−Ｓｔａｒｋトラップの中へと取り除いた。トラップ中の底部のＥＤＣ相をフラスコに戻した。水溶液は４．５時間かけて供給した。添加後共沸混合物の蒸留が１時間続いた。最後に蒸溜を行い、蒸溜された水分を含んだＥＤＣをフラスコに戻さずにＥＤＣ溶液を乾燥した。加熱を止め、三臭化アンチモンのＥＤＣ溶液は臭素化用に貯蔵した。オーバーヘッドの水性相の重量は９５．８ｇであった。オーバーヘッド中のＥＤＣの重量は６９．５ｇであった。フラスコの中の三臭化アンチモン溶液の重量は５７．５ｇであり、従ってこの溶液の三臭化アンチモンの濃度は７．６重量％であった。

Ｂ部：
７５重量％の三臭化アンチモンを含む濃縮した酸性溶液（４０ｇ）を１０ｇのＥＤＣと共に激しく撹拌した後、放置した。相を分離させた後、ＥＤＣ相を取り出した。さらに２回（２×１０ｇ）ＥＤＣで水性相を抽出した後、濃縮するために他の触媒水性抽出物と一緒にした。一緒にしたＥＤＣ相を集め、１５重量％の三臭化アンチモンを含んでいることがわかった。このＥＤＣ溶液の試料をポリスチレンの臭素化のための触媒溶液として使用した。

添付特許請求の範囲においては、物質、成分および／または構成要素は現在形（「含んで成る」、「ある」等）で記述されているが、本発明の記述においてはすべてこれらの物質、成分または構成要素はそれが最初に１種またはそれ以上の物質、成分または構成要素と接触、配合または混合させられる直前に存在したか、または溶液の中で生成した場合にそれが存在したであろう物質、成分または構成要素を参照するものとする。これらの物質、成分または構成要素は、本発明に記載された記述に従った場合、上記のような接触、配合、混合、またはその場における生成の過程において化学反応または化学的な変化を通じその元の同一性を失うことがあり得てもそれは問題にはならない。

本明細書の或る部分において参照された各特許はそれぞれ引用によりその全文が本明細書に包含される。

実施する際本発明はかなりの変形を行うことができる。従って上記の説明は本発明を限定する意図はなく、本発明が上記の特定の例に限定されるものと考えるべきではない。法律の許す範囲において特許請求の範囲に記載された事項並びにそれと同等な事項は本発明に包含されるものとする。

Claims (21)

1. 有機相の中において臭素化されたスチレン重合体を含む反応混合物が生成するように三ハロゲン化アンチモンの存在下において有機溶媒中でスチレン重合体を臭素化する方法において、塩酸または臭化水素酸、或いはその両方を該反応混合物と少なくとも１回混合し、該反応混合物から酸性の水性相としてアンチモン触媒の残渣を抽出することを含んで成ることを特徴とする改良法。
2. 該反応混合物と混合される酸は塩酸であることを特徴とする請求項１記載の改良法。
3. 該反応混合物と混合される酸は１０〜２０％の範囲の塩酸水溶液であることを特徴とする請求項１記載の改良法。
4. 該酸性水性相から少なくとも若干の触媒残渣を回収することを特徴とする請求項１記載の改良法。
5. 該水性相と該有機相の間で分離を行い、次いで該酸性水性相から少なくとも若干の触媒残渣を回収することを更に含んで成る請求項１記載の改良法。
6. 該反応混合物と混合される酸は１０〜２０％の範囲の塩酸水溶液であることを特徴とする請求項４記載の改良法。
7. 該反応混合物と混合される酸は１０〜２０％の範囲の塩酸水溶液であることを特徴とする請求項５記載の改良法。
8. 有機相の中において臭素化されたスチレン重合体を含む反応混合物が生成するように三ハロゲン化アンチモンの存在下において有機溶媒中でスチレン重合体を臭素化する方法において、希塩酸の水溶液を用い該有機相の少なくとも一部を少なくとも２回抽出して該反応混合物から抽出されたアンチモン触媒の残渣を含む酸性の水性相をつくり、該酸性の水性相の少なくとも一部から少なくとも若干の触媒残渣を回収することを含んで成ることを特徴とする改良法。
9. 臭素化を開始する前に該溶媒の中に最初に存在した三ハロゲン化アンチモンは三塩化アンチモンであることを特徴とする請求項８記載の改良法。
10. 該有機溶媒、スチレン重合体、および三ハロゲン化アンチモン触媒を含んで成る混合物の中に、元素状の臭素または塩化臭素、或いはその混合物を装入することにより臭素化を行うことを特徴とする請求項８記載の改良法。
11. 臭素化を開始する前に該混合物の中に最初に存在した三ハロゲン化アンチモンは三塩化アンチモンであることを特徴とする請求項１０記載の改良法。
12. 該有機溶媒は実質的に１，２−ジクロロエタンから成ることを特徴とする請求項８〜１１記載の改良法。
13. 該有機相から少なくとも若干の臭素化されたスチレン重合体を回収し、回収された臭素化されたスチレン重合体の少なくとも若干を水洗し、乾燥することを更に含んで成る請求項８〜１１記載の改良法。
14. 該有機溶媒は実質的に１，２−ジクロロエタンから成ることを特徴とする請求項１３記
    載の改良法。
15. （ａ）少なくとも１種の有機溶媒、スチレン重合体、および三ハロゲン化アンチモン触媒を含んで成る混合物の中に元素状の臭素または塩化臭素或いはその混合物を装入し、有機溶媒および三ハロゲン化アンチモン触媒の残渣をさらに含んで成る得られた反応混合物の中において臭素化されたスチレン重合体が生成し且つ存在するようにし、
    （ｂ）希薄な塩酸水溶液または臭化水素酸水溶液、またはその両方を該反応混合物と少なくとも１回混合して該反応混合物から酸性の水性相として三ハロゲン化アンチモン触媒の残渣を抽出し；
    （ｃ）該酸性の水性相の少なくとも一部から少なくとも若干の三ハロゲン化アンチモン触媒の残渣を回収し；
    （ｄ）該有機相の少なくとも一部から少なくとも若干の臭素化されたスチレン重合体を回収する段階を含んで成ることを特徴とする臭素化されたスチレン重合体の製造方法。
16. 酸性の水性相を実質的に無水の有機溶媒によって置き換え、これによって該有機溶媒中に三ハロゲン化アンチモン触媒の残渣を含む溶液をつくることにより酸性の水性相の少なくとも一部から該三ハロゲン化アンチモン触媒の残渣を回収することを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 該実質的に無水の有機溶媒は１，２−ジクロロエタンであることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 酸性の水性相を実質的に無水の有機溶媒で置き換える前に該酸性の水性相を濃縮することを特徴とする請求項１６記載の方法。
19. 該酸性の水性相を濃縮して三ハロゲン化アンチモンを少なくとも６５重量％含む水溶液にし、該水溶液を実質的に無水の有機溶媒で抽出して該有機溶媒中に三ハロゲン化アンチモンを含む溶液をつくることにより酸性の水性相の少なくとも一部から該三ハロゲン化アンチモン触媒の残渣を回収することを特徴とする請求項１５記載の方法。
20. 該実質的に無水の有機溶媒は１，２−ジクロロエタンであることを特徴とする請求項１９記載の方法。
21. 回収された三ハロゲン化アンチモン触媒の残渣を（ａ）の混合物に再利用し、該再利用させられた三ハロゲン化アンチモン触媒の残渣が（ａ）の該混合物中において三ハロゲン化アンチモン触媒の少なくとも一部をなすようにすることをさらに含んで成る請求項１６〜２０のいずれか一つに記載された方法。