JP2013518083A - 水素化方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、Pdナノ粒子を有するZnO層で被覆された焼結金属繊維(SMF)をベースにした構造化触媒の存在下で、以下に定義した特定化合物を水素と反応させる方法、前記触媒および有機塩基の存在下でのそうした特定化合物と水素との反応、ならびに、この反応によって製造されたビタミン、カロチノイド、香料成分、及び/または食品または飼料成分に関する。

Description

発明の詳細な説明
本発明は、Pdナノ粒子を有するZnO層で被覆された焼結金属繊維(SMF)をベースにした構造化触媒の存在下で、以下に定義した特定化合物を水素と反応させる方法、前記触媒および有機塩基の存在下でのそうした特定化合物と水素との反応、ならびに、この反応によって製造されたビタミン、カロチノイド、香料成分、及び/または食品または飼料成分に関する。
アルキノールからアルケノールへの選択的接触水素化は、ファインケミカルズ工業において重要な方法である。Pd系触媒は最高の選択率および収率を示すことが知られている。オレフィンアルコール類が優先的に形成されるのは、半水素化(half−hydrogenation)生成物と比較して、アセチレンアルコール類の吸着がより強いことに起因する。パラジウムの触媒性能は、その分散系、担体の性質および助触媒や添加剤の使用に強く影響されることが知られている。こうした因子を考慮に入れた触媒設計により、目的生成物の収率増加および触媒の再利用を可能にすることができる。
一般に、1〜2nmの小粒子内に存在する配位数の小さいPd原子は、アルキノールの吸着が強すぎて、ターンオーバー頻度および選択率を減少させる。この現象は、幾何学的効果または「アンサンブル」効果として知られる。7〜10nmのサイズの粒子は、2−ブチン−1,4−ジオールおよび2−メチル−3−ブチン−2−オール(MBY)の水素化における触媒性能が、高度に分散したPdと比べて優れていることを示す。
工業では、上述の水素化は普通、リンドラー触媒(酢酸鉛で改質された5%のPd/CaCO)と一緒に、また多くの場合キノリンを加えて、撹拌槽型反応器中で実施する。リンドラー触媒が微粉であると、取り扱いが難しく、反応後に濾過が必要になる。この点で、構造化触媒は、方法の強化および安全性にとって有利である。モノリス、膜、金属グリッド、二次元ガラスおよび炭素が、液相水素化における触媒担体として使用された。3−メチル−1−ペンチン−3−オールおよび2−ブチン−1,4−ジオールの水素化におけるスラリー触媒と比べて、モノリスは似たような選択率を示したが、Pdの担持量(loading)当たりの活性がずいぶん低かった。2−メチル−3−ブチン−2−オールの水素化における選択率の高いバイメタルPd−Ru(9:1)のH透過性膜の使用は、貴金属の含有量が大きいことおよび1グラムのPd当たりの生産性が低いため、制限される。金属グリッドには、幾何学的表面積が小さい(約100cm/g)という不利な点がある。2−ブチン−1,4−ジオールの水素化に使用される活性炭繊維の織物は、機械的強度が低い。それゆえに、上述した不利な点を克服しうる水素化方法が必要とされている。
驚くべきことに、構造化触媒と有機塩基(好ましくは少なくとも1個の窒素原子、硫黄原子及び/またはリン原子を含み、より好ましくは少なくとも1個の硫黄原子を含む)と組み合わせると、以下に定義した式(I)の化合物の、良好かつ非常に選択性のある水素化が可能であることが見いだされた。
したがって、本発明は、式(I)
Figure 2013518083

[式中、
は、直鎖または分岐状C〜C35アルキル部分あるいは直鎖または分岐状C〜C35アルケニル部分(ここで、C鎖は置換されていてよい)であり、
は、直鎖または分岐状C〜Cアルキル(ここで、C鎖は置換されていてよい)である]の化合物を、
(i)Pdナノ粒子を有するZnO層で被覆された焼結金属繊維(SMF)をベースにした構造化触媒および
(ii)少なくとも1種の有機塩基
の存在下で、水素と反応させる方法に関する。
式(I)の化合物の水素化形態は、ビタミンAおよびEならびに香料などの重要な化合物の合成における中間体として使用できる。金属極細繊維からなる三次元焼結金属繊維(SMF)を、構造化触媒担体として選択した。SMFは、熱伝導率が高く(このことは、発熱水素化において大いに有利である)、高多孔性および高透過性である。金属繊維マトリックスは、チャンネリングをなくすミクロンスケールのスタティックミキサーとしても働く。さらに、機械的強度が高く、化学的および熱安定性も高く、成形しやすいので、SMFは接触水素化を促進するための有望材料である。
SMFは、2−メチル−3−ブチン−2−オールを水素化するための効率的な担体として知られるZnOの薄層で被覆した。Pdナノ粒子は、あらかじめ調製されたゾルから付着させ、その材料を水素雰囲気中で加熱してPdZn相を作った。ZnO層は、塩基性担体およびPd助触媒の両方として働く。そのPd/ZnO/SMF材料は機械的安定性について試験し、その触媒挙動をMBY水素化で調査した。
本明細書で使用される「構造化触媒」という用語は、触媒の空間位置が制御される触媒を指す。構造化触媒は当該技術分野において知られている(例えば、Chimia 56(4),2002,159−163を参照)。構造化触媒の例には、セラミック担体の構造体および繊維構造体、特にフィラメント(織られているかまたはそうではない)材料がある。あらゆるタイプのフィラメント材料を本発明に使用できる。繊維は有機物質のものでも無機物質のものでもよい。例としては、活性炭繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、複合酸化物繊維、および金属繊維のフィルターまたはフリースといったものからできた織物がある。好ましいのは、金属繊維材料である。こうした材料の個々の繊維は、好ましくは直径が約2μm〜約100μm、特に直径がせいぜい約20μmである。この材料は、比表面積を変えるために化学処理されていてよく、かつ/または、例えば、Al、Ti、Mg、Znなどの金属の酸化物の被膜を有していてもよい。
本発明の好ましい実施形態では、SMFはFeCrAl合金から構成され、その合金は任意選択で事前酸化されていてよい。
本発明の更なる実施形態では、Pdナノ粒子はPdナノ粒子である。
本発明の更なる実施形態は、Pdナノ粒子の一部がPdZn相(好ましくは水素雰囲気中での熱活性化によって形成される)中にある方法に関する。
普通、Pdナノ粒子のサイズは0.5から20nmの間、好ましくは2から15nmの間、より好ましくは5から12nmの間、もっとも好ましくは7から10nmの間である。
本発明はさらに、触媒が、触媒の全重量に対して0.001から5重量−%(重量%)の間、好ましくは0.01から2重量%の間、より好ましくは0.05から1重量%の間、もっとも好ましくは0.1から0.3および重量%の間のPdナノ粒子を含んでいる、上に記載の方法に関する。触媒は、更なる金属を含むこともできる。
したがって、本発明の更なる実施形態は、触媒が、Pb、Mn、Cu、Bi、Sn、Au、Ag、ZnおよびCdからなる群から選択される更なる共金属(co−metal)を含む、上に記載した方法に関する。
好ましい実施形態では、ZnO層は粒状構造化(grain−structured)ZnO層である。
普通、本発明による方法で使用する触媒は、触媒の重量に対して0.01から20重量%の間、好ましくは0.1から10重量%の間、より好ましくは1.5から10重量%の間、もっとも好ましくは2から8重量%の間のZnOを含む。
式(I)
Figure 2013518083

[式中、置換基は上に開示したとおりの定義である]
の化合物を、本発明による方法で使用する。
本発明の好ましい実施形態では、式(I)[式中、Rは、直鎖または分岐状C〜C30アルキル部分あるいは直鎖または分岐状C〜C30アルケニル部分(ここで、C鎖は置換されていてよい)であり、Rは、直鎖または分岐状C〜Cアルキル部分(ここで、C鎖は置換されていてよい)である]の化合物を使用する。
本発明のより好ましい実施形態では、式(I)[式中、Rは、直鎖または分岐状C〜C16アルキル部分あるいは直鎖または分岐状C〜C16アルケニル部分(ここで、C鎖は置換されていてよい)であり、Rは、直鎖または分岐状C〜Cアルキル部分(ここで、C鎖は置換されていてよい)である]の化合物。
本発明のもっとも好ましい実施形態では、式(I)[式中、Rは、直鎖または分岐状C−、C11−またはC16−アルキル部分あるいは直鎖または分岐状C−、C11−またはC16−アルケニル部分であり、RはC〜Cアルキル部分である]の化合物。
本発明による方法では、有機塩基を使用する。有機塩基は、少なくとも1個の窒素原子、硫黄原子及び/またはリン原子を含む。
好ましくは、有機塩基は、少なくとも1個の窒素原子または少なくとも1個の硫黄原子を含み、より好ましくは少なくとも1個の硫黄原子を含む。
より好ましくは、有機塩基は、3,6−ジチア−1,8−オクタンジオール、チオフェン、ジプロピルスルフィド、テトラヒドロチオフェン、キノリン、ピリジンおよびジエチルアミノエタノールからなる群から選択される。
普通、本発明による方法は、「有機塩基とPdとのモル比」が1〜1500である。
本発明による水素化は、水素化に従来から使用されている条件下で実施できる。好適には、水素化は、約0.1〜約6MPaの圧力において約350K〜約500Kの温度で実施される。水素化は、バッチ式かまたは連続方式で実施できる。
以下の実施例は本発明をさらに例示するものであるが、本発明を限定するものではない。特に記載がなければ、示されている百分率および部はすべて重量に基づくものであり、温度はKまたは℃で示されている。
[実施例]
[材料]
FeCrAl合金繊維(Crが20%、Alが4.75%、Yが0.27%、他の元素が約1〜2%、残りがFe)で作られたSMF(Southwest Screens & Filters SA(Belgium)のもの)を、均一孔パネル(厚さ0.29mm、多孔率71%、繊維の太さ20μ、675g/m)の形で構造化担体として使用する。
[Pd/ZnO/SMF触媒(0.2重量%のPd{ZnOに対して3重量%}、6重量%のZnO)の調製]
汚れを除去するために、SMFパネルをアセトンで脱脂し、トルエンで0.5時間煮沸し、風乾した。ZnOの接着をさらに向上させるため、SMFを空気中において1373Kで3時間酸化してα−Al表面層を作る。希土類をほとんど含んでいないFeCrAl合金の処理でのそのような温度(1373〜1473K)では、外面に等軸粒があることを特徴とする構造化アルミナ膜の形成につながることが知られているが、もっと低い温度で処理すると酸化物のひげ結晶が生じる。
ZnO膜は、酢酸亜鉛二水和物(イソプロパノール中0.3M)および溶解促進添加剤(solubility enhancement additives)(モノエタノールアミン(MEA)およびアセトイン(AIN))をMEA:AIN:Zn=1:0.5:1のモル比で用いて、ゾルゲル法で調製する。添加剤は、酢酸亜鉛を加える前に超音波を用いて溶媒中で混合する。ゾルはMEAとAINとの反応のせいで赤褐色になり、イミンであるHO−CH(CH)−C(CH)=N−C−OHを生じる。浸漬被覆法によって被覆を行う。こうして得られたゲル膜を383Kで10分間風乾し、その後、873Kで30分間加熱する。急速加熱を行うが、これにより高配向の結晶が形成されることが知られている(その一方で、ゆっくり加熱すると複雑な構造体が生じる)。被覆−加熱手順を7回繰り返すと、重量増加が起きてZnOが6重量%になる。次いで被覆を1173Kで15分間ポストアニールして、比表面積が増大したZnO粒の島状構造の形成を促進させる。
Pdゾルは、記載されているように、PdClを沸騰したモリブデン酸ナトリウム水溶液に溶かし(Mo:Pdのモル比=1.2)、その後、室温で30分間水素化する。1時間湿らせて含浸させた後、ZnO/SMFのパネルを水で十分に洗い、周囲条件で乾燥させ、水素雰囲気中で高温処理を施す(H:Ar=1:9、総流量450mL/mn、室温で2時間、573Kまで10°/分、2時間保持し、同じ流量で冷却する)。触媒は周囲条件で保存する。そのような方法は、国際公開第2008/101603号パンフレットに記載されている。
[2.3.触媒の特性決定]
熱硝酸(hot nitric acid)中に溶解させた後のPdおよびZnの量は、Shimadzu AA−6650分光計を用いて空気−アセチレンの炎で原子吸光分析により求める。ZnOの担持量も重量測定法で求める。
担体および触媒のBET比表面積および細孔径分布(PSD)は、Sorptomatic 1990(Carlo Erba)計器を用いて77KでのNの吸脱着により求める。PSDの計算は、Dollimore/Heal法で行う。
超音波浴(Bransonic ultrasonic cleaner,Branson Ultrasonic Corp.,USA)により、触媒の機械的安定性に関して超音波密着試験(ultrasonic adherence test)を行う。触媒は、合計20分間、水中で処理し、5分ごとにその材料を393Kで乾燥させ、秤量する。
試料の表面形状を、JSM−6300F(JEOL)を使用して、走査型電子顕微鏡法(SEM)で調査する。XRD分析を、CuKα放射線を用いてSiemens D 500回折計で実施する。スペクトルは、30〜50°の2θ範囲で高速走査モード(4.0s/ステップ、2θステップサイズが0.04°)で記録する。
[デヒドロイソフィトール(DIP)からイソフィトール(lP)への連続水素化]
撹拌器、温度調節器および圧力調節器を備えた500mlのステンレス鋼オートクレーブ中に、約1.8gの触媒(0.2gのPd/ZnO/FeCrAl合金)および233.1gのDIP/IP(1/4)の混合物を加えた。反応器を水素圧下で85℃に加熱して4バール(絶対圧)にし、反応混合物を撹拌(1250rpm)する。DIPを供給して反応を実施し、反応器内で一定レベルに制御する。水素化反応の間に、供給流と一緒に有機塩基(3,6−ジチア−1,8−オクタンジオール)を加える。反応を80%の転化率で実施する。反応の間に試料を採取し、GCで分析すると、進行している反応が分かる。最後に、粗反応生成物を回収し分析する。
Figure 2013518083
本発明による方法の選択率は、先行技術の選択率よりも著しく高い。
[デヒドロイソフィトール(DIP)からイソフィトール(lP)への水素化]
200mlのDIPおよび上に記載したようにして調製した触媒(0.8〜0.9g)を用いて、デヒドロイソフィトール(DIP)からイソフィトール(IP)への溶媒を含まない選択的水素化を、H圧(4バール)下において80℃で250mlの反応器内で実施した。最後に、粗反応生成物を回収し分析する。
Figure 2013518083
[デヒドロイソフィトール(DIP)からイソフィトール(IP)への連続水素化]
[例6]
撹拌器、温度調節器および圧力調節器を備えた500mlのステンレス鋼オートクレーブ中に、約1.7gの触媒(0.2gのPd/ZnO/FeCrAl合金)および233.1gのDIP/IP(1/4)の混合物を入れた。反応器を水素圧下で90℃に加熱して4バール(絶対圧)にし、反応混合物を撹拌(1250rpm)する。DIPを供給して反応を実施し、反応器内で一定レベルに制御する。水素化反応の間に、供給流と一緒に有機塩基(3,6−ジチア−1,8−オクタンジオール)を加える。反応を80%の転化率で実施する。反応の間に試料を採取し、GCで分析すると、進行している反応が分かる。最後に、粗反応生成物を回収し分析する。
Figure 2013518083
[例7]
低い温度(75℃)を使用した以外は、例2に従って実験を行った。
Figure 2013518083

Claims (24)

  1. 式(I)
    Figure 2013518083

    [式中、
    は、直鎖または分岐状C〜C35アルキル部分あるいは直鎖または分岐状C〜C35アルケニル部分(ここで、前記C鎖は置換されていてよい)であり、
    は、直鎖または分岐状C〜Cアルキル部分(ここで、前記C鎖は置換されていてよい)である]
    の化合物を、
    (i)Pdナノ粒子を含浸させたZnO層で被覆された焼結金属繊維(SMF)をベースにした構造化触媒および
    (ii)少なくとも1種の有機塩基
    の存在下で、水素と反応させる方法。
  2. 前記SMFが、好ましくは事前酸化されているFeCrAl合金を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記Pdナノ粒子がPdナノ粒子である、請求項1に記載の方法。
  4. 前記Pdナノ粒子の一部がPdZn相(好ましくは、水素雰囲気中で熱活性化によって形成されたものである)中にある、請求項1に記載の方法。
  5. 前記Pdナノ粒子のサイズが0.5から20nmの間、好ましくは2から15nmの間、より好ましくは5から12nmの間、もっとも好ましくは7から10nmの間である、請求項1に記載の方法。
  6. 前記触媒が、前記触媒の全重量に対して0.001から5重量%の間、好ましくは0.01から2重量%の間、より好ましくは0.05から1重量%の間、もっとも好ましくは0.1から0.3重量%の間のPdナノ粒子を含む、請求項1に記載の方法。
  7. 前記触媒が、Pb、Mn、Cu、Bi、Sn、Au、Ag、ZnおよびCdの群から選択される共金属をさらに含んでいることを含む、請求項1に記載の方法。
  8. 前記ZnO層が粒状構造化ZnO層である、請求項1に記載の方法。
  9. 前記触媒が、前記触媒の重量に対して0.01から20重量%の間、好ましくは0.1から10重量%の間、より好ましくは1.5から10重量%の間、もっとも好ましくは2から8重量%の間のZnOを含む、請求項1に記載の方法。
  10. が、直鎖または分岐状C〜C30アルキル部分あるいは直鎖または分岐状C〜C30アルケニル部分(ここで、前記C鎖は置換されていてよい)であり、
    が、直鎖または分岐状C〜Cアルキル部分(ここで、前記C鎖は置換されていてよい)である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
  11. が、直鎖または分岐状C〜C16アルキル部分あるいは直鎖または分岐状C〜C16アルケニル部分(ここで、前記C鎖は置換されていてよい)であり、
    が、C〜Cアルキル部分(ここで、前記C鎖は置換されていてよい)である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
  12. が、直鎖または分岐状C−、C11−またはC16−アルキル部分あるいは直鎖または分岐状C−、C11−またはC16−アルケニル部分であり、
    がC〜Cアルキル部分である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記有機塩基が少なくとも1個の窒素原子、硫黄原子及び/またはリン原子を含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記有機塩基が少なくとも1個の窒素原子及び/または少なくとも1個の硫黄原子を含む、請求項13に記載の方法。
  15. 前記有機塩基が、3,6−ジチア−1,8−オクタンジオール、チオフェン、ジプロピルスルフィド、テトラヒドロチオフェン、キノリン、ピリジンおよびジエチルアミノエタノールからなる群から選択される、請求項13に記載の方法。
  16. 使用する前記有機塩基とPdとのモル比が1〜1500である、請求項1〜15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記圧力が、1.1から30バールの間、好ましくは1.1から15バールの間、より好ましくは1.5から10バールの間、もっとも好ましくは2から5バールの間である、請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記反応温度が250Kから400Kの間、好ましくは273Kから350Kの間、より好ましくは274Kから330Kの間、もっとも好ましくは295から310Kの間である、請求項1〜17のいずれか一項に記載の方法。
  19. キノリンを反応に加えることをさらに含む、請求項1〜18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 前記キノリンと前記Pdの比が1:1から500:1の間、好ましくは2:1から150:1の間、より好ましくは5:1から50:1の間、もっとも好ましくは10:1から30:1の間である、請求項18に記載の方法。
  21. 前記方法を溶媒中で実施する、請求項1〜20のいずれか一項に記載の方法。
  22. 前記溶媒が水である、請求項21に記載の方法。
  23. 前記方法が、前記反応後に前記SMFの分離を行い、好ましくはエタノールまたはイソプロパノールを含む容器内で、前記使用済みSMFを超音波放射にさらすことをさらに含む、請求項1〜22のいずれか一項に記載の方法。
  24. 前記反応生成物が、ビタミン、カロチノイド、香料成分、及び/または食品成分の中間体である、請求項1〜23のいずれか一項に記載の方法。
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