JP2009046437A - アルデヒド及び/又はケトンの存在下でのクロロヒドリン類の製造方法 - Google Patents

アルデヒド及び/又はケトンの存在下でのクロロヒドリン類の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、グリセリン等の多水酸基置換脂肪族炭化水素と塩素化剤を反応させることによりクロロヒドリンを得る製造方法において、カルボン酸、カルボン酸誘導体及びカルボン酸構造を有する化合物、即ちカルボン酸系触媒以外の新しい触媒を用いるクロロヒドリンの製造方法を提供することである。
【解決手段】本発明者らは、上記課題を解決すべく種々検討を重ねたところ、上述のクロロヒドリン製造方法に、触媒としてアルデヒド及び/又はケトンを用いることができることを見出した。より具体的には、例えば多水酸基置換脂肪族炭化水素として、グリセリンを使用してクロロヒドリンを製造することができる。本発明の方法で製造されるクロロヒドリンを用いて、エピクロロヒドリン及びグルシドールを好適に製造することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、エピクロロヒドリン及びグリシドール等の有機化合物の製造のために用いられるクロロヒドリン類の製造方法に関する。
エピクロロヒドリンの製造に用いられるジクロロプロパノールは、アリルクロライドをクロロヒドリン化することにより一般的に製造される。しかし、この一般的な製造方法は、以前より副生成物であるトリクロロプロパン等の塩素化物が生成するという問題及び排水が多量に生じるという問題があり、新しい製造方法が望まれている。
ジクロロプロパノールの他の製造方法として、ギ酸や酢酸等の触媒存在下、グリセリンと塩化水素ガスを反応させてジクロロプロパノールを製造する方法(例えば、特許文献1〜3参照)が知られている。この方法はトリクロロプロパン等の塩素化物を副生することなく、ジクロロプロパノールが製造できる点で好ましい。
更に、この製造方法で使用される原料のグリセリンは、植物油や動物油を原料とする反応又はバイオディーゼルの製造により生成する低コストの再生可能資源であり、経済的又は環境的観点からも望ましい原料と考えられる(例えば、特許文献4参照)。
上記理由によりグリセリンを原料とするクロロヒドリンの製造方法に関し、反応に有効な触媒の探索、反応条件及び製造工程等について、近年活発に研究されている(例えば、特許文献5〜8参照)。しかしいずれの研究においても、触媒として、カルボン酸及びカルボン酸誘導体(例えば、無水カルボン酸、カルボン酸塩化物、カルボン酸エステル及びカルボン酸構造を有する化合物等)、即ち、カルボン酸系触媒しか検討されていないのが現状である。
ところで、上述のグリセリンと塩化水素ガスを反応させるクロロヒドリンの製造方法は、一般に前記カルボン酸系触媒存在下、例えば、下記式(1)で示される。
Figure 2009046437
式(1)の反応が進むとともに、即ち、グリセリンが塩化水素ガスと反応し、モノクロロプロパンジオールと水が生成し、更に、そのモノクロロプロパンジオールが塩化水素ガスと反応し、ジクロロプロパノールと水が生成すると、反応は平衡に近づき反応速度が低下する。従って反応を効率的に進めるには、反応により生成した水と目的とするクロロヒドリン(即ち、モノクロロプロパンジオール及び/又はジクロロプロパノール)を反応混合物から除去することが好ましい。
DE197308 DE238341 US2144612 GB14767 WO2005/021476 WO2005/054167 WO2006/020234 WO2006/110810
本発明の課題は、カルボン酸系触媒以外の新たな触媒の存在下で、グリセリン等の多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルと塩素化剤を反応させるクロロヒドリンの製造方法を提供することである。
本発明者らは、上記課題を解決すべく種々検討を重ねたところ、クロロヒドリン類の製造において、酸性化合物の存在下で、多水酸基置換脂肪族炭化水素の水酸基及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルから生じるアルコール性の水酸基と容易に反応する官能基を有する化合物が本発明の反応を触媒的に促進することを見出した。このような化合物としては、以下に限られるものではないが、例えば、ジヒドロキシホウ酸のように酸性化合物の存在下でアルコール性の水酸基と脱水反応を行うことができる官能基を有する化合物、及び/又は、スルフィン酸のように酸性化合物の存在下でアルコール性の水酸基が付加反応できる官能基を有する化合物等を例示できる。更に種々の検討を進めた結果、本発明者らは、アルデヒド及び/又はケトンが特に有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
また、グリセリン等の多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルと塩素化剤との反応において、本発明の触媒を使用する場合、反応系から生成する水及び/又はクロロヒドリン類を除去することにより更に反応効率を上げることが出来る。従って、水及び/又はクロロヒドリンを、任意の時間間隔で又は連続的に、反応系から除去することが好ましい。
本発明では、アルデヒド及び/又はケトンの存在下で、多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルと塩素化剤を反応させて、クロロヒドリンを製造方法することができる。
本発明では触媒としてアルデヒド類及び/又はケトン類の存在下で、場合により、従来よりも低い反応温度で高選択的にクロロヒドリン類を製造することができる。また、本発明の触媒を使用した場合、特に、グリセリンから、ジクロロプロパノールを製造する場合、2,3−ジクロロ−1−プロパノールと比較して1,3−ジクロロ−2−プロパノールがより高選択的に生成し得る。この1,3−ジクロロ−2−プロパノールは、塩基との反応によるエピクロロヒドリン生成速度が、2,3−ジクロロ−1−プロパノールと比較して大きいので、エピクロロヒドリンのより効率的な製造が可能となる。
尚、本発明の触媒を使用して、特に、グリセリンから、モノクロロプロパンジオールを製造する場合、2−クロロ−1,3−プロパンジオールと3−クロロ−1,2−プロパンジオールが生成し得るが、好ましくは、2−クロロ−1,3−プロパンジオールに対して3−クロロ−1,2−プロパンジオールが、モル比12以上の高収率で生成し得る、又は3−クロロ−1,2−プロパンジオールのみが生成し得る。また、本発明の触媒を使用して、特に、グリセリンから、ジクロロプロパノールを製造する場合、2,3−ジクロロ−1−プロパノールと1,3−ジクロロ−2−プロパノールが生成し得るが、好ましくは、2,3−ジクロロ−1−プロパノールに対して1,3−ジクロロ−2−プロパノールが、モル比30以上の高収率で生成し得る、又は1,3−ジクロロ−2−プロパノールのみが生成し得る。
発明を実施するための形態
以下本発明を詳細に説明する。
本発明では、アルデヒド及び/又はケトンの存在下でグリセリン等の多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルと塩素化剤を反応させることによって、短時間に高い選択率でクロロヒドリン類を製造することができる。本発明の製造方法は、バッチ式で反応させることも出来るが、工業的には連続的に反応を進めることが好ましい。
出発原料である「多水酸基置換脂肪族炭化水素」とは、少なくとも二つ以上の水酸基が別々の炭素原子に結合した脂肪族炭化水素をいう。そのような「脂肪族炭化水素」の炭素数は、2〜60であることが好ましく、2〜40であることがより好ましく、2〜20であることが更に好ましく、2〜6であることが特に好ましく、2〜3であることが最も好ましい。そのような多水酸基置換脂肪族炭化水素として、例えば、1,2−エタンジオール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、3−クロロ−1,2−プロパンジオール、2−クロロ−1,3−プロパンジオール、グリセリン、1,2−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,2,4−ブタントリオール等を例示できる。
「多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステル」とは、上述の「多水酸基置換脂肪族炭化水素」をエステル化した化合物をいい、例えば、エチレングリコールモノアセテートやグリセリンモノアセテート、グリセリンジアセテート等を例示できる。
本発明の「塩素化剤」として、塩化水素ガス及び塩化水素ガスと不活性ガス(例えば窒素ガス、アルゴン及びヘリウム等)の混合物等の気体状の塩化水素、及び塩酸等の溶液状の塩化水素であってもよい。
本発明では、触媒としてアルデヒド及び/又はケトンを使用する。
本発明において「アルデヒド」とは、アルデヒド基(又はホルミル基:−CHO)を有する化合物であって、多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルと塩素化剤との反応によるクロロヒドリンの製造に関し、目的とする触媒作用を有するものをいう。
そのようなアルデヒドとして、下記一般式(2):
式(2):R−CHO
[Rは、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アリールアルキル基である]
で示される化合物を例示できる。
は、アルキル基及びアリール基であることが好ましい。Rがアルキル基である場合、Rの炭素数は、1〜20であることが好ましく、1〜10であることがより好ましく、1〜5であることが特に好ましい。そのような、脂肪族アルデヒドとして、例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ブチルアルデヒド、ペンチルアルデヒド等を例示できる。
がアリール基である場合、Rの炭素数は、6〜30であることが好ましく、6〜20であることがより好ましく、6〜10であることが特に好ましい。そのような芳香族アルデヒドとして、例えば、ベンズアルデヒド、トルアルデヒド等を例示することができるが、これらに限るものではない。
本発明において「ケトン」とは、下記一般式(3):
式(3):R−CO−R
[R及びRは、各々独立して、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、アリールアルキル基であり、複素環を含んでよく、RとRが結合して環を形成してよい]
で示される化合物であって、多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルと塩素化剤との反応によるクロロヒドリンの製造に関し、目的とする触媒作用を有するものをいう。
及びRの両方ともアルキル基である、脂肪族ケトンであることが好ましい。脂肪族ケトンである場合、RとRの炭素数の合計は、2〜40であることが好ましく、2〜20であることがより好ましく、2〜10であることが特に好ましい。そのような、脂肪族ケトンとして、例えば、アセトン、ブタノン、ペンタノン(例えば、2−ペンタノン、3−ペンタノン及び3−メチル−2−ブタノン)、ヘキサノン(例えば、2−ヘキサノン、3−ヘキサノン、4−メチル−2−ペンタノン及びt−ブチルメチルケトン)、シクロへキサノン等を例示できる。
及びRの少なくともいずれか一方がアリール基である芳香族ケトンであることが好ましい。芳香族ケトンである場合、RとRの炭素数の合計は、7〜50であることが好ましく、7〜40であることがより好ましく、7〜30であることが特に好ましい。芳香環を、1〜5つ含むことが好ましく、1〜3つ含むことがより好ましく、1〜2つ含むことが特に好ましい。そのような、芳香族ケトンとして、例えば、アセトフェノン、ジフェニルケトン、ナフトキノン等を例示できる。
触媒の濃度は、出発原料である、多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステル100重量部に対して、0.01〜90重量部であることが好ましく、0.1〜40重量部であることがより好ましく、0.2〜20重量部であることが特に好ましい。
本発明の製造方法で目的とする「クロロヒドリン」とは、少なくとも一つの水酸基と少なくとも一つの塩素原子が別々の炭素原子と結合した化合物を意味する。更に、本出願においては、塩素原子を一つ有するものを「モノクロロヒドリン」といい、塩素原子を2つ有するものを「ジクロロヒドリン」という。
例えば、グリセリンを出発原料として、塩化水素ガスと反応させると、まずモノクロロヒドリンである2−クロロ−1,3−プロパンジオールが生成するが、これは、2つの水酸基を有するので、出発原料である上述した「多水酸基置換脂肪族炭化水素」にも含まれる。このモノクロロヒドリンを原料として塩化水素ガスと反応させると、ジクロロヒドリンが生成するので、クロロヒドリン全体としての塩素化度が高くなる。
クロロヒドリン類の例としては、3−クロロ−1,2−プロパンジオール、2−クロロ−1,3−プロパンジオール、1,3−ジクロロ−2−プロパノール、2,3−ジクロロ−1−プロパノール等を例示できる。尚、本出願においては、より具体的には、3−クロロ−1,2−プロパンジオール、2−クロロ−1,3−プロパンジオール及びこれらの混合物を総称して、単に「モノクロロプロパンジール(MCP)」ともいい、1,3−ジクロロ−2−プロパノール、2,3−ジクロロ−1−プロパノール及びこれらの混合物を総称して、単に「ジクロロプロパノール(DCP)」ともいう。
反応温度は、20℃〜200℃であることが好ましく、50℃〜150℃であることがより好ましく、90℃〜130℃であることが特に好ましい。
反応時の圧力は反応を効率的に進める点で加圧条件が望ましいが、常圧又は減圧条件であっても問題は無い。反応は0.01MPaG〜10MPaGの圧力で行うことが好ましく、0.01MPa〜2MPaの圧力で行うことがより好ましく、0.01MPaG〜0.9MPaGの圧力で行うことが更に好ましく、0.01MPaG〜0.6MPaGで行うことが極めて好ましい。
本発明の出発原料は多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルの他に水、有機溶媒、塩、エステル、有機化合物を含んだものであっても良い。そのような出発原料として、例えば、水やナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩、マグネシウム塩やカルシウム塩等のアルカリ土類金属塩及び油脂等を不純物として含んだ粗製グリセリン等が挙げられる。また粗製の多水酸基置換脂肪族炭化水素を精製し、出発原料として精製後の多水酸基置換脂肪族炭化水素を用いても良い。多水酸基置換脂肪族炭化水素の含有量については、50〜99.9重量%であることが好ましく、80〜99重量%であることがより好ましい。
また本発明の製造方法において、粗製多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は粗製多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルの塩素化反応を行う前に、粗製多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は粗製多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルを精製する工程を含んでも良い。粗製多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は粗製多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルの精製は、不活性ガスによる低沸点成分の放散除去、塩基性不純物の酸洗浄による除去、酸又は塩基による中和、蒸留、蒸発、抽出、濾過、遠心分離等の一般的手法が用いられ、特に制限はない。
本発明では反応系より水の除去を行うことにより、より反応を有効に進めることが出来る。水の除去方法は特に限定されず、例えば、蒸留、蒸発、共沸、吸着、気相同伴等の水の除去において一般的に知られているものであれば特に制限は無い。反応を連続的に行う場合には水の除去を連続的に行うことが望ましい。
反応終了後には、未反応の多水酸基置換脂肪族炭化水素、反応生成物である多水酸基置換脂肪族炭化水素のモノクロロヒドリン及びそのエステル、部分的に塩素化又はエステル化された多水酸基置換脂肪族炭化水素のオリゴマー及びその混合物を、出発原料として再度利用してもよい。
生成したクロロヒドリン類は、一般的に知られている方法を用いることで、他の有機化合物を製造する原料として使用することが出来る。例えば、3−クロロ−1,2−プロパンジオール、2−クロロ−1,3−プロパンジオールと塩基を反応させることによりグリシドールの製造、1,3−ジクロロ−2−プロパノール、2,3−ジクロロ−1−プロパノールと塩基を反応させることによりエピクロロヒドリンの製造等が挙げられる。製造されたエピクロロヒドリンはエポキシ樹脂及びエピクロルヒドリンゴム等の製造並びに医農薬等の中間原料として用いられる。
以下、本発明を実施例、比較例により具体的に説明する。但し、本発明はその要旨を逸脱しない限り以下の実施例に限定されるものではない。
下記の実施例及び比較例では、ジクロロプロパノールの収率、及び、モノクロロプロパンジオールの収率は、それぞれ次式によって計算した。
1,3−ジクロロ−2−プロパノール(1,3−DCP)の収率(%)=生成した1,3−ジクロロ−2−プロパノールのモル数/反応に使用したグリセリンのモル数×100
2,3−ジクロロ−1−プロパノール(2,3−DCP)の収率(%)=生成した2,3−ジクロロ−1−プロパノールのモル数/反応に使用したグリセリンのモル数×100
モノクロロプロパンジオール(MCP)の収率(%)=生成したモノクロロプロパンジオールのモル数/反応に使用したグリセリンのモル数×100
2−クロロ−1,3−プロパンジオール(2−MCP)の収率(%)=生成した2−クロロ−1,3−プロパンジオールのモル数/反応に使用したグリセリンのモル数×100
3−クロロ−1,2−プロパンジオール(3−MCP)の収率(%)=生成した3−クロロ−1,2−プロパンジオールのモル数/反応に使用したグリセリンのモル数×100
尚、MCPの収率=(2−MCPの収率)+(3−MCPの収率)
実施例1
実施例1では、アセトンを触媒として使用した。反応は、塩化水素ガスの逆止弁つき注入管、撹拌機、圧力計及び安全弁を備えたオートクレーブを使用して行った。このオートクレーブに市販の試薬アセトン16.1g(0.28モル、0.17当量)を入れ、これにグリセリン150g(1.63モル)を加えて密閉した後、110℃の油浴に入れ加熱撹拌した。油浴温度が110℃で一定になった後、塩化水素ガスの注入管から塩化水素ガスを0.3MPaGの圧力で注入し4時間反応させた。反応後、反応液を室温まで冷却した後、オートクレーブから反応混合物を取り出し、ガスクロマトグラフィーにより生成物の定量を行った。
1,3−ジクロロ−2−プロパノールの収率は、63.2%、2,3−ジクロロ−1−プロパノールの収率は、1.1%、モノクロロプロパンジオールの収率は、31.9%であった。尚、2−クロロ−1,3−プロパンジオールの収率は、2.1%であり、3−クロロ−1,2−プロパンジオールの収率は、29.8%であった。
実施例2
実施例2では、市販のメチルエチルケトン(MEK)19.6g(0.27モル、0.17当量)を触媒として使用したこと、及び、反応時間を6時間としたこと以外は実施例1と同様に反応を行った。1,3−ジクロロ−2−プロパノール収率は、78.2%、2,3−ジクロロ−1−プロパノール収率は、0.4%、モノクロロプロパンジオール収率は、12.7%であった。尚、2−クロロ−1,3−プロパンジオールの収率は、0.0%であり、3−クロロ−1,2−プロパンジオールの収率は、12.7%であった。
実施例3
実施例3では、市販の3−ペンタノン25.6g(0.30モル。0.18当量)を触媒として使用したこと以外は実施例1と同様に反応を行った。1,3−ジクロロ−2−プロパノール収率は、21.3%、2,3−ジクロロ−1−プロパノール収率は、0.4%、モノクロロプロパンジオール収率は、74.1%であった。尚、2−クロロ−1,3−プロパンジオールの収率は、2.2%であり、3−クロロ−1,2−プロパンジオールの収率は、71.9%であった。
実施例4
実施例4では、市販のアセトフェノン33.1g(0.28モル、0.17当量)を触媒として使用したこと、及び、反応時間を2時間としたこと以外は実施例1と同様に反応を行った。1,3−ジクロロ−2−プロパノール収率は、1.2%、2,3−ジクロロ−1−プロパノール収率は、0.1%、モノクロロプロパンジオール収率は、43.0%であった。尚、2−クロロ−1,3−プロパンジオールの収率は、14.5%であり、3−クロロ−1,2−プロパンジオールの収率は、28.5%であった。
実施例5
実施例5では、市販のプロピオンアルデヒド16.0g(0.28モル、0.17当量)を触媒として使用したこと、及び、反応時間を2時間としたこと以外は実施例1と同様に反応を行った。1,3−ジクロロ−2−プロパノール収率は、6.3%、2,3−ジクロロ−1−プロパノール収率は、0.2%、モノクロロプロパンジオール収率は、67.4%であった。尚、2−クロロ−1,3−プロパンジオールの収率は、0.0%であり、3−クロロ−1,2−プロパンジオールの収率は、67.4%であった。
比較例1
比較例1では、触媒の添加をなしとしたこと、及び、反応時間を2時間としたこと以外は実施例1と同様に反応を行った。1,3−ジクロロ−2−プロパノール収率は、0.5%、2,3−ジクロロ−1−プロパノール収率は、0.0%、モノクロロプロパンジオール収率は、23.2であった。尚、2−クロロ−1,3−プロパンジオールの収率は、0.0%であり、3−クロロ−1,2−プロパンジオールの収率は、23.2%であった。
以上の結果を、表1にまとめた。
Figure 2009046437
実施例及び比較例で得られた結果は次の通りである。
まず、アルデヒド及び/又はケトンの存在下で、多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルと塩素化剤を反応させて、クロロヒドリンを製造することができる。
クロロヒドリンの収率(即ち、「1,3−DCP」+「2,3−DCP」+「MCP」)は、実施例1〜3においては95%を超えており、また、実施例4においては44%、実施例5においては73%であり、何れも比較例1の無触媒による収率23%と比較すると、本発明の触媒がクロロヒドリンの製造において非常に有用であると言える。
また、本発明の触媒を使用した場合、場合により、1,3−ジクロロ−1−プロパノールの選択性が非常に高いことが示される。即ち、2,3−ジクロロ−1−プロパノールに対する1,3−ジクロロ−2−プロパノールの生成モル比(「1,3:2,3」と記載)を見ると、実施例2のメチルエチルケトンは特に大きく約195:1、実施例1のアセトンは約57:1、実施例3の3−ペンタノンでも約53:1となり、何れも高い1,3−ジクロロ−2−プロパノール選択性が得られた。この1,3−ジクロロ−2−プロパノールは、塩基との反応によるエピクロロヒドリン生成速度が2,3−ジクロロ−1−プロパノールに比して大きいため、本発明の触媒を使用すれば、場合により、エピクロロヒドリンの効率的な製造が可能となると言える。
更に、本発明の触媒を使用した場合、2−クロロ−1,3−プロパンジオールに対する3−クロロ−1,2−プロパンジオールの生成モル比(「3:2」と記載)を見ると、場合により、3−クロロ−1,2−プロパンジオール(3−MCP)の選択性が高いことが示される。また、逐次塩素化反応により、ジクロロヒドリンを製造する場合、特にエピクロロヒドリンの製造に有利な、1,3−ジクロロ−2−プロパノールを選択的に生成できる点でも、本発明に係る触媒は優れる。
多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルと塩素化剤を反応させるクロロヒドリン類の製造方法において、本発明の触媒は非常に有用であることは、上述の通りである。
このクロロヒドリン類はエピクロロヒドリンやグリシドール等の有機化合物の製造に用いられる。

Claims (4)

  1. 多水酸基置換脂肪族炭化水素及び/又は多水酸基置換脂肪族炭化水素のエステルと塩素化剤を、アルデヒド及び/又はケトンの存在下で反応させるクロロヒドリンの製造方法。
  2. 多水酸基置換脂肪族炭化水素がグリセリンである請求項1に記載の製造方法。
  3. 請求項1又は2に記載の製造方法によって得られるジクロロヒドリンを用いて製造されるエピクロロヒドリン。
  4. 請求項1又は2に記載の製造方法によって得られるモノクロロヒドリンを用いて製造されるグリシドール。
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