JP2011074000A - 高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】晶析槽壁面等や攪拌翼への結晶付着（スケーリング）等の課題を解決し、高純度のＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶を工業的に有利に製造する方法を提供する。
【解決手段】ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶からなる結晶の存在下、ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶全体の濃度が５〜２３重量％となるよう希釈して晶析し、次いで固液分離する。
【選択図】なし

Description

本発明はヒドロキシピバルアルデヒド（３−ヒドロキシ−２，２−ジメチルプロパナール、以下、ＨＰＡと称する）とその二量体の結晶を含む水溶液を晶析し、分離、水洗を行い、高純度ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶を製造する方法に関する。

一般にＨＰＡはイソブチルアルデヒドとホルムアルデヒドを塩基性触媒存在下でアルドール縮合反応させて合成される。アルドール縮合反応は、酸性条件下、塩基性条件下のいずれでも進行するが、ＨＰＡは一分子内にカルボニル基および水酸基を有するため、酸性条件下では、二量体の結晶から四量体へと縮合を起こすことから、上記のように塩基性条件下で反応が行われる（特許文献１〜２参照）。反応終了後、未反応のイソブチルアルデヒドやホルムアルデヒド等の低沸点成分を留去し、ＨＰＡ含む水溶液を得る。ＨＰＡは、ネオペンチルグリコール、スピログリコールなどの有機化合物の合成中間体として利用されることが多く、この反応生成液は精製せず、次工程に用いられることが多い（特許文献３〜４参照）。

また、このＨＰＡを含む水溶液に、水を加え希釈して、晶析精製し、高純度のＨＰＡを得る方法が開示されている（特許文献５〜７参照）。ところで、ＨＰＡは式（１）で示されるような単量体と二量体の結晶の平衡関係があり（非特許文献１参照）、晶析精製した際、結晶として得られるＨＰＡは二量体の結晶である。この二量体の結晶が単量体と同等の反応性を示すことも先の特許文献３など多くの文献で開示されている。

しかしながら、上記の特許文献５では、アルドール縮合反応液に水を添加し、イソブチルアルデヒドを留去した後のＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の合計濃度が２３〜３０重量％の範囲となるよう調整し晶析を行っており、このように高い濃度で１５〜２０℃まで冷却し晶析した場合、非常に高粘度のスラリーとなる、もしくは溶液が固まるため、工業的に取り扱いが非常に困難となるという欠点を有している。さらに、得られた濾液中にはＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶が多く残存するため、イソブチルアルデヒドで抽出し、有機層を低沸蒸留工程へ循環させることによって、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶を回収し、また水層中へ溶解したイソブチルアルデヒドも蒸留により回収しているが、多量のイソブチルアルデヒドを蒸留塔で留去させるため、エネルギー的に不利である。

また、特許文献７では、ｐＨ調製剤として塩基性化合物を追加することが必要であり、ｐＨの調整が煩雑となるだけでなく、晶析槽壁面等や攪拌翼への結晶付着（スケーリング）が避けられないなどの欠点を有している。晶析槽壁面等にスケーリングが発生すると、晶析時の冷却が十分に行われなくなり、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の取得量が大幅に低下するだけでなく、結晶性状が悪化してケーキの含液率が増大する等、工業操作上の問題が多くなる。

特開平７−２１５９０４号公報 特開２０００−２６３５６号公報 特開平１−２９９２３９号公報 特開２００５−２９５６３号公報 特公平６−２９２０６号公報 特開昭５１−６８５１４号公報 特開２００７−７０３３９号公報

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， Ｐｅｒｋｉｎ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ II，３巻，１８９−１９２ページ（１９７８年）

本発明の目的は、晶析槽壁面等や攪拌翼への結晶付着（スケーリング）等の上記したような課題を解決し、高純度のＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶を工業的に有利に製造する方法を提供することにある。

本発明者らは、上記問題点を解決する為に高純度ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の製造法について鋭意検討を行った結果、本発明に到達した。

即ち本発明は、下記（１）〜（６）記載の高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法に関するものである。
（１）
塩基性触媒存在下でイソブチルアルデヒドとホルムアルデヒドを反応させ、ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶を含む水溶液を得た後、未反応のイソブチルアルデヒドを含む低沸点成分を留去し、ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の存在下、ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の全体の濃度が５〜２３重量％となるよう希釈して２０〜４５℃で晶析し、次いで固液分離することを特徴とする高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。
（２）
晶析終了後のヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶含むスラリーの一部を残し、そこへヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶を含む水溶液、希釈剤を加えて晶析する（１）記載の高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。
（３）
晶析開始前に存在するヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶が０．０１〜１０重量％の範囲である（１）又は（２）のいずれかに記載の高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。
（４）
晶析したスラリーの固液分離で得たろ液を晶析の希釈剤に用いる（１）〜（３）いずれかに記載の高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。
（５）
希釈剤が水である（１）〜（４）のいずれかに記載の高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。
（６）
晶析終了時のスラリーの粘度が２０００ｍＰａ・ｓ以下である（１）〜（５）のいずれかに記載の高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。

本発明は、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶を種晶として予め存在させ、かつ、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の濃度を適正範囲に保って晶析を実施することにより、晶析槽壁面や攪拌翼への結晶付着を抑えることが可能となるなど工業的に取り扱いやすい効果がある。

本発明ではＨＰＡとその二量体の結晶を含む水溶液を晶析した後、固液分離することにより高純度ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶を得る。本発明において、晶析の原料となるＨＰＡは、塩基性触媒存在下でイソブチルアルデヒドとホルムアルデヒドをアルドール縮合した後、該アルドール縮合反応生成液から、未反応のイソブチルアルデヒドやホルムアルデヒドなどの低沸点成分を蒸留により留去することにより得られる。前述のように、該水溶液は、通常、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶を含んでいる。

こうして得られたＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶を含む水溶液（以下では、粗ＨＰＡ水溶液と呼ぶこともある）は必要に応じて希釈する。ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶は、水と混合する有機溶媒には極めて高い溶解度を示すため、水と混合する有機溶媒は希釈剤として好ましくない。希釈剤としては水、あるいは本発明における固液分離の際に生じた濾液や洗浄液が使用可能である。水と混合しない溶媒の添加は、後処理が煩雑となるため好ましくない。

希釈の際ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶からなる結晶を種晶として存在させる。種晶の存在下に晶析を行うことで、晶析槽の壁面や攪拌翼等への晶析時のスケーリングを防ぐことが出来る。種晶の存在量は晶析開始前の全液量に対し０．０１重量％〜１０重量％、好ましくは０．１重量％〜８重量％、更に好ましくは０．５重量％〜７重量％である。種晶をどのように存在させるかについては特に制限はなく、固液分離で得られたもの、もしくは更に精製したものを追加してもよいが、晶析終了後に得られたスラリーに含まれる結晶を一部残し、その結晶をそのまま次回の晶析の種晶として使用することが簡便であり、好ましい方法である。この晶析を行う際、粗ＨＰＡ水溶液の温度は晶析温度より高いまま混合することが通常の操作であるが、その際に種晶添加量が上記範囲を下回ると、晶析開始前に種晶が完全に溶解してしまい、種晶存在下での晶析が出来なくなる恐れがある。また種晶添加量が上記範囲を上回ると、種晶が多すぎてスラリーの粘度が上昇してしまい、取り扱いが困難となる。

希釈後の水溶液中のＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の合計濃度は５〜２３重量％、好ましくは１０〜２２重量％、より好ましくは１５〜２１重量％となるように調整する。なおこのＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の合計濃度には、種晶分も含まれる。この範囲とすることにより、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶を、高い生産効率で、かつ工業的に安定に得ることができる。希釈後の溶液中のＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の合計濃度が５重量％を下回ると、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶が全く析出しないか、析出しても晶析槽容量に対する生産量が著しく低下するため、工業操作上好ましくない。なお、濾液や洗浄液中にはＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶が多く含まれており、排水量低減および回収率向上のためにも、希釈水の代わりに使用することが好ましい。ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の濃度が２３重量％を上回ると、非常に高粘度のスラリーとなる、もしくは溶液が固まるため、工業的に取り扱いが非常に困難となり好ましくない。

晶析温度は２０〜４５℃の範囲が好ましく、より好ましくは２８〜４３℃の範囲である。この温度範囲にすることにより、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶を安定的に、かつ高回収率で析出させることができる。晶析温度を２０℃よりも低くした場合、スラリーの流動性が低下もしくは皆無となることがあるばかりでなく、冷却に必要とされるユーティリティーとして過大なものが必要となるため、工業操作上著しく不利である。晶析温度を４５℃よりも高くした場合、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶が全く析出しないか、析出してもごく少量に留まるため、これも工業操作上著しく不利となる。

スラリーの流動性を保ったまま晶析するには当該スラリー温度におけるスラリー粘度が２０００ｍＰａ・ｓ以下で晶析を終了することが好ましく、より好ましくは１０００ｍＰａ・ｓ以下で晶析を終了する。スラリー粘度が２０００ｍＰａ・ｓを超えると、スラリーの流動性が低下もしくは皆無となり、工業操作上著しく不利となる。

次に本発明を更に具体的に説明する。但し本発明はこれに限定されるものではない。尚、組成分析はガスクロマトグラフィーにより行い、ＨＰＡとその二量体の結晶は合算評価した。
［ガスクロマトグラフィー分析条件］
測定試料：約１重量％のアセトン溶液に調製
装置 ：ＧＣ−６８９０Ｎ（アジレント・テクノロジー株式会社製）
使用カラム：ＤＢ−１（アジレント・テクノロジー株式会社製）
分析条件 ：ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐ．２００℃、
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐ．２５０℃
カラム温度：６０℃で７分保持→２５０℃迄６℃／分で昇温→２５０℃で２０分保持
検出器 ：水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）
またスラリー粘度の測定は、東機産業製ＴＶＢ−１０型粘度計にて行った。

＜参考例１＞（ＨＰＡ水溶液の調製）
イソブチルアルデヒド(和光純薬１級)１９９．５部と４０重量％ホルマリン２２５部を(三菱瓦斯化学品)攪拌しながら、触媒としてトリエチルアミン(和光純薬特級)９．９部を加え、アルドール縮合反応を行った。この反応液を７０〜８０℃、圧力４０ｋＰａで、未反応のイソブチルアルデヒドやトリエチルアミンなどの低沸点成分を留去し、粗ＨＰＡ水溶液を４２５部得た。粗ＨＰＡ水溶液の組成を分析した結果、次のような組成であった。ＨＰＡ ６２．１重量％、ネオペンチルグリコール １．５３重量％、ホルムアルデヒド １．６０重量％、トリエチルアミン １．３０重量％、ギ酸０．４１重量％、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールモノエステル ０．９５重量％、水 ２８．５重量％、その他 ３．６５重量％であった。

＜参考例２＞（種晶なしで１回目の晶析）
参考例１で得られた粗ＨＰＡ水溶液２６０部及び水５９０部を晶析槽に仕込み、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の濃度１９．０重量％とした。この溶液を攪拌しながら、４０℃まで冷却し、３９〜４０℃で晶析した。９０分後、晶析を終了した。このときのスラリー粘度は８５ｍＰａ・ｓであった。この後、スラリーの２０重量％はそのまま晶析槽に残し、残りの８０重量％は遠心分離機を用いて固液分離を行った。このとき、ケーキ洗浄に水を８０部使用した。この結果、６８６部の濾液を回収し、ケーキを７３．５部得た。このケーキを窒素気流下、３０℃で乾燥し、ＨＰＡおよび／またその二量体の結晶５７．０部を得た。ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶に対する回収率は４４．１％であり、このＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶をガスクロマトグラフィーで分析したところ、純度９９．０％であった。晶析槽の壁面及び攪拌翼には、うっすらとＨＰＡおよび／またその二量体の結晶が付着していたが、スラリーの流動性及び回収率を妨げることはなかった。

＜実施例１＞（種晶ありでの２回目の晶析）
参考例２でスラリーの２０重量％を晶析終了後に残した晶析層へ、参考例１で得た粗ＨＰＡ水溶液１１２部と、参考例２で回収したろ液のうち５６８部を仕込み、ＨＰＡ濃度を１９．０重量％とした。参考例２と同様に４０℃まで冷却し、３９〜４０℃で晶析した。８０分後、晶析を終了した。このときのスラリー粘度は、１２５ｍＰ・ｓであった。参考２と同様にスラリーの２０重量％はそのまま晶析槽に残し、残りの８０重量％は遠心分離機を用いて固液分離を行った。このとき、ケーキ洗浄に水を８０部使用した。この結果、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶５７．０部と濾液６８６部を得た。ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶に対する回収率は８２．０％（新たに追加した粗ＨＰＡ水溶液中のＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶を基準とする、以下同様）であり、これをガスクロマトグラフィーで分析したところ、純度９９．１％であった。晶析槽の壁面及び攪拌翼には、ＨＰＡおよび／またその二量体の結晶は全く付着していなかった。

＜実施例２＞（種晶ありでの１〜１０回繰り返し晶析）
実施例１と同様の晶析操作を１０回繰り返した。いずれの操作でも、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶濃度は１９．０〜２０．０重量％となるよう調製した。また、いずれの場合も４０℃まで冷却し、３９〜４０℃で晶析を行うことが出来た。晶析は９０分で終了し、スラリー粘度は８０〜１８０ｍＰａ・ｓであった。１０回目で得られたＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の回収率は８０．５％〜８１．０％であり、ガスクロマトグラフィーで分析した結果、純度は９８．８％〜９９．０％であった。１０回晶析を繰り返した後においても、晶析槽の壁面及び攪拌翼には、ＨＰＡおよび／またその二量体の結晶は全く付着していなかった。

＜比較例１＞（種晶なしでの晶析１回目）
晶析終了後のスラリーを晶析槽に全く残さず、全く空の晶析槽に参考例１で得た粗ＨＰＡ水溶液１１２部と、参考例２で回収した濾液の５６８部のみを入れた以外は、参考例２と同様に晶析を実施した。晶析開始後４１℃まで冷却し、４０〜４２℃で晶析した。９０分後、晶析を終了した。スラリー粘度は４００ｍＰａ・ｓであった。固液分離・乾燥し、濾液６８０部と、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶５０．０部を得た。ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶に対する回収率は７１．９％であり、これをガスクロマトグラフィーで分析した結果、純度は９８．６％であった。晶析終了後の晶析槽の壁面及び攪拌翼には、ＨＰＡおよび／またその二量体の結晶が強固に付着しており、スラリーを全量回収することはできなかった。

＜比較例２＞（種晶なしでの晶析２回目）
比較例１と同様の晶析操作をもう１回繰り返した。晶析槽の壁面に強固なスケーリングが生じたため晶析開始後は４３℃までしか冷却することが出来なくなり、４３〜４５℃で晶析した。固液分離・乾燥し、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶４２．０部を得た。ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶に対する回収率は６０．０％であり、これをガスクロマトグラフィーで分析した結果、純度は９８．３％であった。晶析終了後の晶析槽の壁面及び攪拌翼には、ＨＰＡおよび／またその二量体の結晶が付着しており、スラリーを全量回収することはできなかった。

＜比較例３＞（種晶なしでの3回繰返しの晶析）
比較例２と同様の晶析操作を３回繰り返した。晶析槽の壁面に強固なスケーリングが生じたため晶析開始後は４４〜４６℃までしか冷却することが出来なくなり、４４〜４７℃で晶析した。９０分後、晶析を終了した。スラリー粘度は５０〜１００ｍＰａ・ｓであった。固液分離・乾燥を行い、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶３０．０〜３５．０部を得た。ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶に対する回収率は、４２．８％〜５０．０％であり、これをガスクロマトグラフィーで分析した結果、純度は９７．９％〜９８．２％であった。晶析終了後の晶析槽の壁面及び攪拌翼には、ＨＰＡおよび／またその二量体の結晶が付着しており、スラリーを全量回収することはできなかった。

上記の通り、種晶を残して晶析を行った実施例では、晶析を繰り返しても、純度と回収率が高レベルに維持されたのに対し、種晶を添加せずに晶析を実施した比較例では、晶析温度が好ましい温度まで下がらなくなったために回収率が低くなった。

＜比較例４＞（ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の濃度２５．０重量％での晶析）
参考例１で得られた粗ＨＰＡ水溶液２１０部に水３１２部を加えて、ＨＰＡおよび／またはその二量体の結晶の濃度２５．０重量％とした以外は、参考例２と同様に晶析を実施したが、晶析開始７０分後、スラリー粘度が１０００ｍＰａ・ｓ以上に上昇し、攪拌が事実上完全に停止してしまい晶析操作の継続が不可能となった。

＜比較例５＞（晶析温度を５０℃）
晶析温度を５０℃とした以外は、参考1と同様に晶析を実施したが、晶析開始１８０分後でもスラリーは全く得られず、清澄な溶液のままであった。

ＨＰＡはネオペンチルグリコール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオールヒドロキシピバリン酸モノエステル、ヒドロキシピバリン酸、スピログリコール、ジオキサングリコールなどの有機化合物の合成中間体であり、簡易的なプロセスで純度の高いＨＰＡを高収率で得ることができるため、本発明の工業的意義は大きい。

Claims (6)

1. 塩基性触媒存在下でイソブチルアルデヒドとホルムアルデヒドを反応させ、ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶を含む水溶液を得た後、未反応のイソブチルアルデヒドを含む低沸点成分を留去し、ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の存在下、ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の全体の濃度が５〜２３重量％となるよう希釈して２０〜４５℃で晶析し、次いで固液分離することを特徴とする高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。
2. 晶析終了後のヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶含むスラリーの一部を残し、そこへヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶を含む水溶液、希釈剤を加えて晶析する請求項１記載の高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。
3. 晶析開始前に存在するヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶が０．０１〜１０重量％の範囲である請求項１又は２のいずれかに記載の高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。
4. 晶析したスラリーの固液分離で得たろ液を晶析の希釈剤に用いる請求項１〜３のいずれかに記載の高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。
5. 希釈剤が水である請求項１〜４のいずれかに記載の高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。
6. 晶析終了時のスラリーの粘度が２０００ｍＰａ・ｓ以下である請求項１〜５のいずれかに記載の高純度ヒドロキシピバルアルデヒドおよび／またはその二量体の結晶の製造方法。