JP2010501000A - 第四級アルキルアンモニウム＝ハライドの製法 - Google Patents

Abstract

アルキルアミンヒドロハライド塩とその対応する遊離のアミンを少なくとも２当量のエピハロヒドリンと反応させることによって調製される次式のアルキルアンモニウム＝ハライド。
［（Ｒ）_ｙ−Ｎ−［ＣＨ_２−ＣＨ（ＯＨ）−ＣＨ_２−Ｚ］_４−ｙ］^＋Ｘ⁻
式中、ｙは１または２であり、Ｚはハロゲンであり、Ｘ⁻はハライドであり、そして、各Ｒは独立にＨまたはＣ_１−Ｃ_１８アルキルであり、ただし少なくとも１個のＲはＣ_１−Ｃ_１８である。

Description

本発明は高純度第四級アルキルアンモニウム＝ハライドおよびその製法に関する。

第四級アルキルアンモニウム化合物は、繊維工業およびパーソナルケア産業における用途などの、様々な商業上の用途を有する。これらの用途の多くにおいて、高純度状態で第四級アルキルアンモニウム化合物を提供することが望ましい。従来の組成物は、望ましくない量の不純物を有するか、または製造費を増加させる濃縮もしくは精製工程を必要とする。したがって、第四級アルキルアンモニウム＝ハライドの濃度がより高くそして不純物の量が低減された組成物を調製する方法は、大いに必要とされており、非常に役に立つであろう。

本発明は、式（Ｉ）のアルキルアンモニウム＝ハライドを提供する。
［（Ｒ）_ｙ−Ｎ−［ＣＨ_２−ＣＨ（ＯＨ）−ＣＨ_２−Ｚ］_４−ｙ］^＋Ｘ⁻ （Ｉ）
ここで、ｙは１または２であり、Ｚはハロゲンであり、Ｘ⁻はハライドであり、そして各Ｒは独立にＨまたはＣ_１−Ｃ_１８アルキルであり、ただし少なくとも１つのＲはＣ_１−Ｃ_１８アルキルであり、そしてアルキルアンモニウム＝ハライドは、アルキルアミンヒドロハライド塩およびその対応する遊離のアミンを少なくとも２当量のエピハロヒドリンと反応させることによって調製される。

本発明は、式（Ｉ）のアルキルアンモニウム＝ハライドを製造する方法に関する。
［（Ｒ）_ｙ−Ｎ−［ＣＨ_２−ＣＨ（ＯＨ）−ＣＨ_２−Ｚ］_４−ｙ］^＋Ｘ⁻ （Ｉ）
ここで、ｙは１または２であり、Ｚはハロゲンであり、Ｘ⁻はハライドであり、そして各Ｒは独立にＨまたはＣ_１−Ｃ_１８アルキルであり、ただし少なくとも１つのＲはＣ_１−Ｃ_１８アルキルである。

用語「アルキル」は、ここで使用するときは、１〜１８個の炭素原子を有する炭化水素含有基を意味し、直鎖アルキル基、置換されたアルキル基、分岐アルキル基および環状アルキル基を含む。好ましいアルキル基は直鎖または分岐である。

好ましい式（Ｉ）のアルキルアンモニウム＝ハライドは、ｙが２のものである。

式（Ｉ）の好ましいアルキルアンモニウム＝ハライドは、Ｚがクロロのものである。

好ましい式（Ｉ）のアルキルアンモニウム＝ハライドは、ＲがＣ_１−Ｃ_１２アルキルのものである。より好ましくは、ＲはＣ_１−Ｃ_６アルキルであり、さらに好ましくはＣ_１−Ｃ_３アルキルである。特に好ましいＲ基はメチルである。各Ｒ基は同一であってもよいし異なっていてもよいが、２個以上のＲ基が存在するときはすべてのＲ基が同一であることが好ましい。いくつかの実施態様はＲ基としてアルキル基の任意の組合わせを含むが、特定の実施態様においては、各Ｒ基（２個以上が存在するとき）は同一のアルキル基であり、たとえばジメチルアンモニウム化合物、ジエチルアンモニウム化合物、またはジ−ｎ−プロピルアンモニウム化合物である。好ましい第四級アルキルアンモニウム化合物は、ビス（３−クロロ−２−ヒドロキシプロピル）ジアルキルアンモニウム＝クロリドである。

好ましい式（Ｉ）のアルキルアンモニウム＝ハライドは、Ｘがクロリドのものである。

特に好ましい式（Ｉ）のアルキルアンモニウム＝ハライドは、ビス（３−クロロ−２−ヒドロキシプロピル）ジメチルアンモニウム＝クロリドである。

１つの実施態様においては、本発明は、式（Ｉ）のアルキルアンモニウム＝ハライドを製造する方法を提供し、式（Ｉ）のアルキルアンモニウム＝ハライドは、アルキルアミンヒドロハライド塩およびその対応する遊離のアミンを少なくとも２当量のエピハロヒドリンと反応させることによって調製される。

当然のことながら、アルキルアミンはモノアルキルアミンまたはジアルキルアミンである。その方法は、いかなるモノアルキルアミンまたはジアルキルアミンおよび対応するヒドロハライドにも適しており、たとえば、メチルアミン、ジメチルアミン、ｎ−プロピルアミン、ジ−ｎ−プロピルアミン、ｎ−ブチルアミン、ジ−ｎ−ブチルアミン、ｎ−ヘキシルアミン、ジ−ｎ−ヘキシルアミン、および各々独立に１〜１８個の炭素原子を含む直鎖、分岐または環状炭化水素基を有するその他の第一級および第二級アミンに適する。より好ましくは、その方法は、ジメチルアミンおよびそのヒドロハライド、特にそのヒドロクロリドに適している。

モノアルキルアミンおよびジアルキルアミンならびにそれらの塩は、商業的に入手することもできるし、または対応する遊離のモノまたはジアルキルアミンを酸（好ましくはハロゲン化水素酸）と反応させてアミンヒドロハライド塩を形成する反応のような公知の反応において形成される。その代わりに、塩を出発原料とし、遊離のアミン（または塩から遊離のアミンを形成するために強塩基）を加えてもよい。好ましいｐＨ範囲の遊離のアミンとその塩の混合物を形成するための公知のいかなる手段も適切である。

混合したアルキルアミンヒドロハライド塩とその対応する遊離のアミンのｐＨは、約１０未満、好ましくは約９未満、より好ましくは約８未満である。１つの実施態様においては、約７〜約１０、好ましくは７〜９、より好ましくは７〜８の初期ｐＨ（エピハロヒドリン添加前）に達するために、十分なアミンがアミン塩（好ましくはヒドロハライド）と混合されるか、またはその他の方法で十分なアミンがアミン塩と一緒に存在する。

好ましい実施態様においては、対応する遊離のモノアルキルアミンまたはジアルキルアミンは、ｐＨを下げてそして塩を形成するために、酸で、より好ましくは塩酸で、処理される。ヒドロハライドが好ましいが、いかなる酸も、本発明の実施において役立つのに十分に塩基を中和するであろう。

１つの実施態様においては、アルキルアミンヒドロハライド塩とその対応する遊離のアミンは、予備混合物を形成するためにエピハロヒドリンの添加の前に混合される。１つの実施態様においては、予備混合物はエピハロヒドリンとの反応の直前に混合される。あるいは、予備混合物は、あらかじめ調製され、または商業的に入手される。予備混合物を貯蔵する場合、アミンが揮発性のときは、遊離のアミンが逃げるのを防ぐために密閉容器の中に予備混合物を貯蔵するのが有利である。

好ましい実施態様においては、予備混合物（モノまたはジアルキルアミンおよび対応するモノまたはジアルキルアンモニウム塩、好ましくはヒドロハライド導入によって形成されたもの）は、好ましくは水溶液であり、最も好ましくはアミンとヒドロハライドは両方とも水溶液である。１つの実施態様においては、予備混合物は、実質的にアルコール溶媒を含まない。「実質的に遊離の」とは、０．１％未満、好ましくは０．０１％未満で、より好ましくは０．００１％未満の濃度を意味する。

いかなるエピハロヒドリンも適切に使用されるが、エピクロロヒドリンは容易に入手可能であり、塩化物イオンは他のハロゲン化物より環境上受け入れやすいと考えられるので、エピクロロヒドリンは好ましいエピハロヒドリンである。アミンがモノアルキルアミンである場合は、少なくとも約２当量のエピハロヒドリンが予備混合物と反応させられる。特に、２当量のエピハロヒドリンは、ｙが２でありかつ１つのＲが水素である式（Ｉ）のアンモニウム＝ハライドを提供するであろう。３当量以上のエピハロヒドリンは、ｙが１でありかつＲがアルキルである式（Ｉ）のアンモニウム＝ハライドを提供するであろう。アミンがジアルキルアミンである場合は、アミンがエピハロヒドリンと完全に反応して所望の生成物を形成するように、少なくとも約２当量のエピハロヒドリンが予備混合物と反応させられる。好ましくは、エピハロヒドリン／（アミン＋ヒドロハライド）モル比は、少なくとも２．０５／１、より好ましくは約３／１である。

驚いたことに、その方法は、追加の工程なしで、抽出後の不純物が約２０質量パーセント以下の化合物を与えることが分かった。用語「不純物」とは、ここで使用するときは、反応副生成物、および／または、水または溶媒以外の出発原料を意味する。より好ましくは、約１５質量パーセント以下の不純物が存在する。さらに好ましくは、約１０質量パーセント以下の不純物が存在する。他の好ましい実施態様は、より低い濃度の不純物を有する。たとえば、７．５質量パーセント、５質量パーセント、４質量パーセント、３質量パーセント、２質量パーセント、または１質量パーセントの不純物を有する。１つの実施態様においては、本発明は、少なくとも９０質量パーセントの量で存在するビス（３−クロロ−２−ヒドロキシプロピル）ジメチルアンモニウム＝クロリドを提供する。他の実施態様においては、ビス（３−クロロ−２−ヒドロキシプロピル）ジメチルアンモニウム＝クロリドは、少なくとも９５質量パーセントの量で存在する。さらに他の実施態様においては、ビス（３−クロロ−２−ヒドロキシプロピル）ジメチルアンモニウム＝クロリドは少なくとも９７．５質量パーセントの量で存在する。

第四級化合物の濃度の測定は、公知であり、たとえばアルキルアンモニウム＝ハライド生成物の水溶液の液体クロマトグラフィーによって行う。そのような液体、好ましくは対イオンクロマトグラフィーは、ミリポア・ウォーターズ・クロマトグラフィー・ディビジョン（Millipore, Waters, Chromatography Division）から商業的に入手可能なウォーターズ液体クロマトグラフ装置のような装置で適切に行われる。そのような装置は、ポンプ、試料注入システム、放射状カラム圧縮システムおよび屈折率検出器を有する。適切なカラムとしては、たとえば、Ｃ−１８逆相カラムが挙げられる。３．９８ｇ（グラム）の１−オクタンスルホン酸、１４３ｇの過塩素酸ナトリウム、１３２ｇのメタノールおよび１７５０ｇの高純度水から調製され、たとえば０．４５μｍの紙でろ過され、そして減圧下で１５分間脱気されたもののような対イオンクロマトグラフィー試薬が、クロマトグラフィーの溶媒として適切に使用され、そして５％メタノール水溶液（同様にろ過され、脱気されたもの）のような溶液が、非活動期間に先立ってカラムを洗い流すために適切に使用される。これらの溶液の濃度は、所望により、いくつかの液体クロマトグラフィーカラムのために最適化される。クロマトグラフ・パラメーターの決定は公知であるが、提案された装置については、適切な組合わせは、０．８ｍＬ／分のポンプ流量および４０℃の内部温度を有する検出器を使用することを含む。クロマトグラフ・システムは、好ましくは、積分器とともに使用され、積分器は、たとえば、ヒューレット・パッカード（Hewlett-Packard）から型式３３９３の名称で商業的に入手可能である。その装置は、好ましくは、少なくとも平らなベースラインが得られるまで、対イオンクロマトグラフィー試薬でパージされる。その後、秤量された試料が、たとえば注射器と試料注入弁を使用して、装置に導入される。ピーク面積がその装置と積分器を使用して得られる。この手順は公知である。

好都合には、エピハロヒドリンは予備混合物に加えられる。その代わりに、エピハロヒドリン、遊離のアミン水溶液、およびアミンヒドロハライドが所望の生成物を形成するために同時に加えられる。エピハロヒドリンが加えられる場合は、温度は、有利には、所望の反応速度、好都合には、反応物の最小の蓄積（build-up）および緩慢な発熱で反応を進行させるが、感知できるほどのジ第四級化合物およびジハロアルコール副生成物の形成を回避するために十分に緩慢な速度をもたらすのに十分な温度である。「感知できるほどの」とは、所望の生成物とジ第四級化合物の和の質量を基準として１質量パーセント未満のジ第四級化合物および所望の生成物とジハロアルコールの和の質量を基準として１０質量パーセント未満のジハロアルコール副生成物を意味する。添加の温度は、好ましくは約０℃〜約２５℃、より好ましくは約５℃〜約２０℃、最も好ましくは約１０℃〜約１５℃である。

制御するのが難しくそして高濃度の水性および有機の副生成物の生成に結びつく発熱を回避するために、エピハロヒドリンは、好ましくは、すべて一度にではなく、時間をかけて予備混合物に加えられる。好都合には、それは約１〜約４時間の時間をかけて加えられる。

あるいは、その方法は、連続的であり、エピハロヒドリンおよび予備混合物を連続方式で加えることを含む。連続法は、有利には、混合器中の滞留時間が短く、反応器中の滞留時間がより長い。回分法では、有利には、エピハロヒドリンが予備混合物にゆっくりと加えられ、その添加中および添加後に連続的に混合される。

エピハロヒドリンの添加に続いて、エピハロヒドリン、アミンおよびアミンヒドロハライド混合物は、好ましくは、生成物が形成するのを可能にするのに十分な時間の間熟成される。ここで使用するときは、「熟成時間（digest time）」とは、エピハロヒドリンの添加が完了した後、さらなる反応が起こっている時間をいう。熟成時間は、好ましくは、約１０〜５０℃で約１〜２０時間である。より好ましくは、反応は、約１０℃で１〜１５時間熟成され、その後約５０℃で約１〜３時間熟成される。さらに好ましくは、反応は、約１０℃で約１時間熟成され、その後約５０℃で約１時間熟成される。熟成時間に続いて、ｐＨは約１〜約３に下げられる。好ましくは、ｐＨを下げそして反応を止めるために、塩酸が使用される。いくつかの副生成物は余儀なく生成され、所望により、本発明の方法の前に、その後に、または可能なときはその途中に適切に反応させられる。たとえば、エポキシ副生成物は、所望により、塩酸で塩化水素処理（hydrochlorinated）することができる。

熟成時間が終わった後、エピハロヒドリンは、有機溶媒抽出または蒸気蒸留のような公知の任意の手段によって除去される。１，３−ジクロロ−２−プロパノールのような他の副生成物も除去される。除去は、公知の任意の方法によって適切に行なわれるが、好ましくは塩化メチレンでの溶媒抽出のような溶媒抽出によって行なわれる。たとえば、好ましい実施態様においては、反応溶液は、質量比２：１のハロゲン化溶媒（たとえば塩化メチレン）で６回抽出される。塩化メチレンは、その後、窒素散布（sparging）のような公知の方法によって除去することができる。

塩化メチレンの除去に続いて、そしてさらなる精製なしに、生成物は好ましくは約２０質量パーセント以下、より好ましくは約１５質量パーセント以下、さらに好ましくは１０質量パーセント以下の不純物を含む。

次の実施例は、本発明を説明するために提示され、本発明を限定するものと解釈してはならない。パーセント、部および比は、別段の言及がない限り、すべて質量基準である。

実施例１
２５３．２４ｍＬの４０質量％ジメチルアミン水溶液（２．００モル）を、凝縮器、添加漏斗およびｐＨプローブを取り付けた１Ｌのジャケット付き丸底フラスコに加えた。１９５．７３ｇ（１．９９モル）の濃塩酸を用いて、ｐＨを９に下げた。４７０．３４ｍＬのエピクロロヒドリン（６．００モル）を、１５〜２０℃の温度で、２時間の時間をかけて、ジメチルアミンヒドロクロリド溶液に加えた。反応溶液を１５℃でさらに１６時間撹拌した。その溶液は、過剰のエピクロロヒドリンから生成した１，３−ジクロロ−２−プロパノールを除去するために、塩化メチレンで質量比２：１を用いて６回抽出した。その溶液は、その後、その溶液から残存塩化メチレンを除去するために、窒素で散布した（sparged）。^１３Ｃ ＮＭＲスペクトルおよびＨＰＬＣ分析は、所望の生成物のエポキシド形（epoxide form）の存在を示した。反応溶液をｐＨ２にし、温度を１時間７０℃に上げ、残存エポキシドを塩化水素処理した。塩化水素処理後の^１３Ｃ ＮＭＲスペクトルおよびＨＰＬＣ分析は、非常に少量のエポキシド形を示した。ＨＰＬＣクロマトグラムは、２個のキラル炭素原子を有する分子のために、生成物のクロロヒドリン形とエポキシド形の両方についての二重項ピークを示す。ＨＰＬＣ分析は、９１．７％の純度、８．３％の不純物を示した。

実施例２
８４ｍＬの４０質量％ジメチルアミン水溶液（０．６７モル）を、凝縮器、添加漏斗およびｐＨプローブを取り付けた１Ｌのジャケット付き丸底フラスコに加えた。６３．５１ｇ（０．６４モル）の濃塩酸を用いて、ｐＨを７．２９に下げた。１５７ｍＬのエピクロロヒドリン（２．００モル）を、１０〜１５℃の温度で、１．２５時間の時間をかけて、ジメチルアミンヒドロクロリド溶液に加えた。反応溶液を１５℃でさらに１時間撹拌した。温度を４０℃に上げ、１．５時間維持した。反応溶液は、濃塩酸を用いて、ｐＨ２にし、温度は１時間７０℃に上げた。その溶液は、過剰のエピクロロヒドリンから生成した１，３−ジクロロ−２−プロパノールを除去するために、塩化メチレンで質量比２：１を用いて７回抽出した。その溶液は、その後、その溶液から残存塩化メチレンを除去するために、窒素で散布した。ＨＰＬＣ分析は、９７．４％の純度を示した。

例３（比較例）
８．２ｇのジメチルアミンヒドロクロリドを７０ｍＬのエタノールに加えた。２０．４ｇのエピクロロヒドリン（エピクロロヒドリン：アミンヒドロクロリドモル比２．２０：１．００）をジメチルアミンヒドロクロリド／エタノール溶液にゆっくり加えた。この比較例については、遊離のアミンは存在しなかった。

反応を室温で３６時間進行させ、その際、溶媒および残存エピクロロヒドリンを反応溶液から蒸発させた。得られた粘稠な液を、１３Ｃ ＮＭＲおよび高性能液体クロマトグラフィー（上述した手順）によって分析した。得られた生成物の純度は以下のとおりであった。

これらの条件下でヒドロクロリド塩を単独で用いると、多量のジクロロプロパノールを生成した。

対照的に、本発明は、モノまたはジアルキルアミンヒドロハライド塩およびその対応する遊離のアミンを少なくとも２当量のエピハロヒドリンと反応させることを含む。実施例１および２に示されるように、モノまたはジアルキルアミンヒドロハライド塩およびその対応する遊離のアミンの組合わせは、より純粋な生成物を産出する。

本発明は、種々の特定のそして好ましい実施態様および技術に関して記載してきた。しかしながら、本発明の精神および範囲内にとどまる限り、多くの変形および修正がされてもよいことが理解されるべきである。

Claims (18)

1. 式（Ｉ）
   ［（Ｒ）_ｙ−Ｎ−［ＣＨ_２−ＣＨ（ＯＨ）−ＣＨ_２−Ｚ］_４−ｙ］^＋Ｘ⁻ （Ｉ）
   （式中、ｙは１または２であり、Ｚはハロゲンであり、Ｘ⁻はハライドであり、そして各Ｒは独立にＨまたはＣ_１−Ｃ_１８アルキルであり、ただし少なくとも１個のＲはＣ_１−Ｃ_１８である。）
   のアルキルアンモニウム＝ハライドを製造する方法であって、該方法は、モノまたはジアルキルアミンヒドロハライド塩およびその対応する遊離のアミンを少なくとも２当量のエピハロヒドリンと反応させることを含む、方法。
2. エピハロヒドリンと混合する前に、アルキルアミンヒドロハライド塩とその対応する遊離のアミンを混合することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 生じる予備混合物のｐＨが約１０未満になるような割合でアルキルアミンヒドロハライド塩とその対応する遊離のアミンを混合することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 生じる予備混合物のｐＨが約９未満になるような割合でアルキルアミンヒドロハライド塩とその対応する遊離のアミンを混合することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
5. 生じる予備混合物のｐＨが約８未満になるような割合でアルキルアミンヒドロハライド塩とその対応する遊離のアミンを混合することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
6. 予備混合物が実質的にアルコール溶媒を含まないことを特徴とする請求項３、４または５に記載の方法。
7. ｙが２であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. Ｒが未置換のＣ１−Ｃ３アルキルであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. アルキルアミンがジアルキルアミンであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 式（Ｉ）のアルキルアンモニウム＝ハライドがビス（３−クロロ−２−ヒドロキシプロピル）ジメチルアンモニウム＝クロリドであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. エピハロヒドリンがエピクロロヒドリンであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. エピハロヒドリン／（アミン＋ヒドロハライド）モル比が少なくとも２．０５／１であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. エピハロヒドリン／（アミン＋ヒドロハライド）モル比が約３／１であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 式（Ｉ）のアルキルアンモニウム＝ハライドをハロゲン化溶媒で抽出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
15. 該方法の生成物が約２０質量パーセント以下の不純物を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 該方法の生成物が約１５質量パーセント以下の不純物を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 該方法の生成物が約１０質量パーセント以下の不純物を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 該方法の生成物が約４質量パーセント以下の不純物を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。