JP2017132797A - フォトニトロゼーション段階とそれに続くベックマン転移とを含むラクタムの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】塩化ニトロシル（ＮＯＣＬ）を用いたシクロアルカンのフォトニトロゼーションによるラクタムの製造方法。【解決手段】単色を発するＬＥＤを用いてフォトニトロゼーションを行う。このフォトニトロゼーション時に生じる塩酸オキシムのベックマン転移／脱塩素化はガラス製のマイクロリアクターで行うのが好ましい。【選択図】なし

Description

本発明は、ラクタムの製造方法、特に発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記載）の存在下でシクロアルカンをフォトニトロゼーション（photonitrosation）する段階と、それに続く、マイクロリアクター（microreactor）、好ましくはガラス製マイクロリアクターでのベックマン転移段階を含むラクタムの製造方法に関するものである。

ラクタムが工業的に有用であることは知られている。例えばカプロラクタム及びラウリルラクタムはそれぞれポリアミド６及び１２の前駆物質である。

工業レベルでシクロアルカンからラクタムを合成する方法は以下の２つの反応を連続して行う：
（１）第一の反応段階ではシクロアルカンを塩化ニトロシル（ＮＯＣＬ）を用いてフォトニトロゼーションする。一般に、このフォトニトロゼーションは水銀燈またはナトリウム灯を用いて有機溶媒／硫酸二相媒体中で行われる。得られたオキシムは続いて硫酸相で塩酸オキシムの形で抽出される。
（２）第二の反応段階では抽出された塩酸オキシムを濃硫酸溶媒中でベックマン転移してラクタムを得る。その後、このベックマン転移で得られたラクタムを分離し、精製して高純度の製品にする。

このタイプの方法は例えば特許文献１〜４に開示されている。
このタイプのプロセスはラクタム製造において最も一般的な方法ではない。一般に、ベックマン転移はシクロアルカンのフォトニトロゼーションではなく、シクロアルカノンから得られるオキシムを出発物質として行われる。その結果、オキシムは塩酸塩ではなく、遊離塩基（塩でない）あるいは硫酸化物の形をしており、さらに、そのオキシムはフォトニトロゼーションで生じる塩素化不純物を含んではいない。

フォトニトロゼーション段階を有する上記のプロセスは迅速に行われるが、欠点もある。たとえば、フォトニトロゼーション段階が特に高価な点である。

これは、用いる水銀燈やナトリウムランプが破損し易く、ライフタイムが短いからである。加えて、ハイパワーであるため多量の(従ってコストのかかる)冷却と電力を必要とする。

さらに、このフォトニトロゼーション段階は選択性が高くなく、５〜１０％の塩素化誘導体、特に塩化オキシム塩酸(所望の塩酸オキシムと一緒に硫酸で抽出される)と、５〜１０％の他の不純物とが生じる。

この塩素化誘導体はベックマン転移に関連する第二反応時に変化する（以下、脱塩素化反応という）。そのためベックマン転移の収率が低下する。

「脱塩素化」という用語は炭素骨格に結合した塩素原子を減少させる全ての化学反応を意味する。

脱塩素に必要な温度および滞留時間条件は、ベックマン転移を行うのに必要な条件よりも厳しいため、フォトニトロゼーション段階で生じた最終ラクタム及び塩酸オキシムが加水分解する副反応が起こる。

そのため、第二反応段階において、高転移収率と高脱塩素率の両方を得ることは難しい。すなわち、従来の容積型の反応器では、温度および滞留時間条件が何であれ、塩酸オキシムからラクタムを得る最高収率は約９０％であり、脱塩素率は約７０％である。脱塩素率を増加させる条件は転移率を低下させ、これは経済的観点から認容できない。

さらに、脱塩素反応中に変化しなかった残余塩素化不純物は、続く精製段階で除去しなければならないが、塩化不純物の量が多いため、この精製段階はさらに高額になる。
また、ベックマン転移は一般に１００℃以上の温度で、濃硫酸中で行われるが、これはかなりの発熱を伴う。

媒体中には塩酸オキシムに由来する塩酸及び／又は塩素化誘導体の除去時に発生する塩酸が存在するため、上記の環境はより難しくなり、媒体が極端に腐食されやすくなる。従って、この第二段階では特に高価な安全材料及び安全機器を用いる必要がある。

光化学反応を行うのに用いられるＬＥＤの利用は非特許文献１、２に記載されている。

その他、Teijiro Ichimura教授のチームによる各種化学反応（すなわち、還元、Ｎ≡アルキル化、酸化）を紫外線領域で行うためのＬＥＤの使用に焦点を当てた研究が非特許文献３に開示されている。

マイクロリアクターの使用に関しては、アセトフェノンオキシム（遊離塩基）のベックマン転移用のマイクロリアクターの使用が特許文献５に開示されている。しかし、この場合にはベックマン転移と同時に起こる脱塩素反応は存在しないため、反応収率を容易に最適化できる。

非特許文献４にはベックマン転移の動的研究が開示されている。この場合も、ベックマン転移と同時に起こる脱塩素反応は存在しない。

金属製マイクロリアクター中でのシクロヘキサンオキシム（遊離塩基）の転移は非特許文献５、６に開示されている。ここでも、ベックマン転移と同時に起こる脱塩素反応は存在しないため、反応率を最適化できる。また、塩酸オキシムと塩化オキシムの混合物の転移は多量の腐食性塩酸を生じるため、金属製マイクロリアクター中で行うことはできない。

産業技術総合研究所（National Institute of Advanced Industrial Science）による非特許文献７〜１１には、超臨界Ｈ_２Ｏ媒体中でのシクロヘキサノンオキシム（遊離塩基）の転移におけるマイクロリアクターの使用、従って、極端な温度や圧力条件下での使用が開示されている。しかし、フォトニトロゼーション段階で生じた塩酸オキシムは濃硫酸中の溶液であるため、その転移には上記の技術を適用できない。

最後に、固定床Ｂ_２Ｏ_３／ＴｉＯ_２−ＺｒＯ_２触媒を備える金属製マイクロリアクター中でのシクロヘキサノンオキシム（遊離塩基）の転移が非特許文献１３に記載されている。この方法は、生じた塩酸が用いられる触媒やマイクロリアクターの材料と共に使用できないため、塩酸オキシムと塩化オキシムの混合物の転移に適用できない。

国際特許公開第ＷＯ２００６／１３６９９号公報 国際特許公開第ＷＯ９９／０１４２４号公報 欧州特許第０９８９１１８号号公報 米国特許第３５５３０９１号明細書 国際特許公開第ＷＯ０１４７７５８号公報 欧州特許出願第０９９３４３８号

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本発明は、塩化ニトロシル（ＮＯＣＬ）を用いてシクロアルカンをフォトニトロゼーションしてラクタムを製造する方法に関するものであり、上記フォトニトロゼーションを単色光発光のＬＥＤを用いて行う点に特徴がある。
種々の波長の複数のＬＥＤを組み合わせても、各ＬＥＤが単色光発光スペクトルを有している限り、本発明の範囲を逸脱するものではない。

ＬＥＤを用いることには様々な利点がある。特に、水銀灯やナトリウムランプを用いるよりも安価である。これは、ＬＥＤが上記ランプよりも寿命が長く、冷却及びエネルギー消費が少ないからである。

加えて、ＬＥＤは水銀を一切含まない。水銀は猛毒物質であり、その使用や再利用は複雑であり、コストがかさむ。

ＬＥＤは発光スペクトルが比較的狭い単光源であり、驚くことに、フォトニトロゼーション反応の選択性を高めるという利点もある。

たとえば、５９０ｎｍの波長を有するＬＥＤを用いることで、フォトニトロゼーション反応の選択性を１〜２％高めることができる。

本発明方法は以下の複数の特徴を単独または技術的に可能なすべての組み合わせて有することができる：
（ａ）本発明の一つの実施例では、ＬＥＤから発せられる単色光の平均波長は５５０〜６５０ｎｍの範囲にある。
（ｂ）本発明の一つの実施例では、ＬＥＤから発せられる単色光の平均波長は５８５〜５９５ｎｍの範囲にある。
（ｃ）本発明の他の実施例では、シクロアルカンのフォトニトロゼーションを本体が好ましくはガラスから成るマイクロリアクター中で行う。
（ｄ）本発明の他の実施例では、本発明方法がフォトニトロゼーション時に生じる塩酸オキシムのベックマン転移段階を有する。
（ｅ）本発明の一つの実施例では、ベックマン転移をマイクロリアクターを用いて行い、このマイクロリアクターの本体はタンタル、フッ素ポリマー、ガラス鋼（glass steel）またはガラス、好ましくはガラスから成る。

「マイクロリアクターの本体（ｃｏｒｐ）」という用語は、フォトニトロゼーション及び／又はベックマン転移段階で、反応媒体と接触する反応器の部分を意味する。

本発明の第二の独立した観点から、本発明はラクタムの製造方法に関するものである。本発明方法はシクロアルカンのフォトニトロゼーション時に生じた塩酸オキシムのベックマン転移および脱塩素反応を同時に行う段階を有し、このベックマン転移／脱塩素反応段階を本体がタンタル、フッ素ポリマー、ガラス鋼（glass steel）またはガラスであるマイクロリアクターを用いて行う。

本発明のこの第二の態様から、流量、温度、滞留時間を正確に制御してベックマン転移／脱塩素化を行うことが可能になる。それによって安全性と反応収率が増加する。

驚くべきことに、脱塩素化の収率とベックマン転移の収率とが同時に向上し、前のシクロアルカンのフォトニトロゼーション段階で従来のＬＥＤまたは水銀燈またはナトリウムランプを用いた場合でも、その使用条件とは無関係に向上する、ということを確認した。

さらに、マイクロリアクターを使用することで、用いる反応物が少量で済み、反応の発熱性（exothermicity）の制御に優れているので、最適安全条件を確保することができる。

本反応のより好ましい態様では安価なガラス製のマイクロリアクターを用いる。

本発明の他の特徴や利点は、以下に記載する実施例からより明瞭になるであろう。しかし、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されるものではない。

本発明によりラクタムを製造する方法では、シクロアルカンのフォトニトロゼーションを行うためにＬＥＤを用い、その後、マイクロリアクター、好ましくはガラス製のマイクロリアクター中でベックマン転移段階を行う。

「マイクロリアクター」という用語は、直列又は並列に接続された微小構造化された反応装置（reacteurs microstructures）の任意のアッセンブリー（組立体）を意味し、この「微小構造化された反応装置」または単に「微小構造体（microstructure）」とは、少なくとも一つの特徴寸法 (dimension characteristicques) が１ミクロン〜１５ミリミクロンで且つ下記（１）〜（３）の特徴を有する任意の化学反応器を意味する：
（１）従来の反応器容積に比べて、内表面積と内容積の比が極端に大きく、より具体的には、従来の反応容器では通常は１００ｍ^２ｍ^−３以下であるのに対して、約１０００ｍ^２ｍ^−３ 以上であり、
（２）合計内容積が非常に小さく、通常は数マイクロリットル〜数十ミリリットルであり、
（３）特徴時間（滞留時間、混合時間等）が短く、通常は約１０分以下。

既に述べたように、ＬＥＤを用いることで、水銀燈やナトリウムランプに比べて消費が少なく、寿命が長くなるので、ラクタムの製造プロセスのコストを抑えることができる。

さらに、ＬＥＤはマイクロリアクター中で用いることができる寸法であり且つ十分なパワーを有し、反応の選択性を増加させることができる。

本実施例で用いるＬＥＤは約１ワット以上の大きいパワーを有し、１０ルーメン／Ｗ以上の発光効率で特徴付けられる。

このＬＥＤはPhilips Lumileds社（例えば、Luxeon、登録商標）、Cree Inc.社、Nichia Corporation社等の多くのサプライヤーから入手できる。

さらに、マイクロリアクターを用いることで反応媒体を均一に攪拌することができ、特に、塩酸オキシムが有機相から硫酸相に移動し易くなる。

最後に、マイクロリアクターでは反応温度と存在する化学物質の滞留時間の制御が容易になる。これはベックマン転移のような強い発熱反応には利点である。

フォトニトロゼーションとベックマン転移／脱塩素化の二つの段階の少なくともいずれか一つをマイクロリアクター中で行うのが利点である。

本発明の好ましい実施例では、フォトニトロゼーションとベックマン転移／脱塩素化の二つの反応段階の各々を上記マイクロリアクター中で行う。

第一反応段階では塩化ニトロシル（ＮＯＣＬ）を用いてシクロアルカンのフォトニトロゼーションを行う。このフォトニトロゼーションは、当業者に周知の温度及び濃度条件（例えば、特許文献６に記載）で、有機溶媒／硫酸の二相媒体中で行われる。

オキシムは有機層に生じ、その後このオキシムを硫酸相で抽出して塩酸オキシムの形にする。

本発明の好ましい態様の一つでは、シクロアルカンはシクロドデカンであり、下記フォトニトロゼーション反応によってシクロドデカンオキシム塩酸が得られる：

本発明の光子源（ｈν）は単色すなわち水銀燈やナトリウムランプの発色領域よりも大幅に狭い波長範囲あるいはスペクトル、典型的には１５〜３０ｎｍの波長領域の光を主として発するＬＥＤである。

結果として、このＬＥＤ発光スペクトルは、本発明のフォトニトロゼーションを行う場合の平均波長が典型的には５５０〜６５０ｎｍの範囲にあることを特徴とする。

すなわち、平均波長は５８５〜５９５ｎｍである。

さらに、マイクロリアクターを用いることで反応媒体内でＬＥＤから発する光子の空間分布が改善する。これはフォトニトロゼーションのような光化学反応にとって有利である。

第二反応段階では、第一段階のフォトニトロゼーション段階で生じた塩酸オキシムのベックマン転移／脱塩素化を濃硫酸媒体中で行う。

上記の本発明の好ましい実施例に従ってシクロドデカンからラクタムを製造する場合には、下記化学反応に従ってラウリルラクタムまたはドデカラクタムが得られる：

驚くことに、ベックマン転移／脱塩素化段階でマイクロリアクターを用いると、温度及び滞留時間を正確に制御できるため、副反応（塩酸オキシムやラクタムの加水分解）を抑えることができ、脱塩素化収率とベックマン転移収率とを同時に改善することができる。

すなわち、従来の容積の反応器では不可能だった、７０〜８０％の脱塩素化収率、９０％以上のベックマン転移収率を得ることが可能になった。

この結果は例えば以下の条件で全く偶然に得ることができた：
（１）単一反応段階の場合、互いに連結したマイクロリアクターの数に応じて１６０〜２３０℃の温度、２秒〜１０分間の滞留時間にするか、
（２）２つの反応段階の場合には、主としてベックマン転移に対応する第一段階を、互いに連結したマイクロリアクターの数に応じて１００〜１６０℃の温度、２秒〜１０分間の滞留時間とし、主として脱塩素化に対応する第二段階をし、互いに連結したマイクロリアクターの数に応じて１６０〜２４０℃の温度、２秒〜８分間の滞留時間にする。

さらに、マイクロリアクターを用いることで、用いる反応物が少量で済み、特に反応の発熱性の制御が正確にできるため、本発明方法の安全性が改善する。

上記段階（ベックマン転移及び脱塩素化）はガラス製のマイクロリアクターで行うのが有利である。ガラス材料を用いることで金属類などの従来の材料に通常見られる腐食の問題が解決できる。

マイクロリアクターを用いた場合、その設備投資はラクタム合成の上記の各反応（フォトニトロゼーション又は／及びベックマン転移と脱塩素化）の収率の改善で補われるという点に注目する必要がある。

同様に、この設備投資によって腐食、安全性に付随する問題が減り、運転コストが軽減できる。

ガラス製のマイクロリアクターを製造する技術は今日では当業者に周知である。また、Corning社やInvenios社などから販売されているガラス製マイクロリアクターも上記反応に用いることができる。

使用可能なマイクロリアクターは一般に表面積が１００〜２５００ｃｍ^２のパネル状のものであり、このパネルは直径が５０μｍ〜１０ｍｍのチャンネルと、２５０℃に達する熱伝導流体による加熱システムとを有している。

マイクロリアクターの製造に用いることができるガラスは例えば硼珪酸塩ガラス（例えばPyrex（登録商標）、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラス、石英ガラス、ガラスセラミックス等の任意タイプのガラスである。

実施例１
ＬＥＤによるシクロドデカンのフォトニトロゼーション
中心部にＬＥＤ（Philips LumiＬＥＤs社製 Luxeon LXML-PL01-0030）を８０個の束（各ＬＥＤは３０ルーメン（３５０ｍＡの電流時）を出し、５９０ｎｍに中心を有する単色光を発光する）を備えた２リットルの反応器中に、３８０６ｇの四塩化炭素中に３２質量％のドデカンを含む溶液と、２００ｇの９０％硫酸とを攪拌しながら導入し、ＬＥＤを点灯し、無水塩化水素酸ガスを１０リットル／時で、塩化ニトロシルを１０リットル／時で連続的に３時間導入する。その間、反応媒体は２５℃を超えないように冷却した。

高性能液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）を用いて硫酸相中で分析した選択性（シクロドデカノンオキシムおよび反応副生成物のパーセンテージの合計に対するシクロドデカノンオキシムパーセンテージの比で表される）は８９％であった。これは従来技術の水銀真空ランプやナトリウム真空ランプを用いた場合に観察されたものよりも高い値である。

実施例２
ベックマン転移／脱塩素化：
（１）（反応回路）内容積９ｍｌの“ＤＴ”タイプの微小構造体（Corning社製、例えば下記非特許文献１４に記載）中に、Grundfos DME- 2-18供給ポンプを用いて９０％の硫酸を室温で流速１リットル／時で注入した。

（２）熱伝導流体回路中に、Lauda Integral XT 350 HW 溶液槽を介して２０５℃のオイルを流速６リットル／分で注入する。マイクロリアクターの排出口での熱伝導流体回路中の温度が２００℃に達したら硫酸の注入をやめ、９０％硫酸中に３０．１質量％（ＨＰＬＣで測定）のシクロドデカノンオキシムを含む溶液を、並列設置した２つのGrundfos DME-2-18ポンプを用いて約２．５リットル／時の流速で注入する。

（３）１０１７．９ｇのオキシム溶液を２５分間注入した後、９６４．８ｇの褐色のラクタム溶液を、反応回路の排出口から回収する。このラクタム溶液のＨＰＬＣ分析の結果は以下の通りである：
ラクタム：３０．２質量％
従って、転移収率は９５．１％である。

オキシムおよびラクタムの硫酸溶液を沈殿し、洗浄して得られる個体のラクタム及びオキシムの塩素パーセンテージはそれぞれ２．１８％と０．６５％である。従って、脱塩素率は７０％である。

実施例３
ベックマン転移／脱塩素化
（１）直列に接続した“ＤＴ”タイプの４つの微小構造体中に、Grundfos DME- 2-18供給ポンプを用いて９０％硫酸を流速１リットル／時で室温で注入する。この微小構造体はCorning社製で、（反応回路）内容積が９ｍｌであり、例えば非特許文献１４に記載されている。

（２）熱伝導流体回路中にLauda Integral XT 350 HW溶液槽を用いて１９０℃のオイルを流速６リットル／分で注入する。熱伝導流体回路中の微小構造体の排出口の温度が１８５℃に達したら、硫酸の注入をやめ、９０％硫酸中に３０．９質量％（ＨＰＬＣにより測定）のシクロドデカノンオキシムを含む溶液を、Grundfos DME-2-18ポンプを用いて約１リットル／時の流速で注入する。

（３）７６６ｇのオキシム溶液を１時間注入した後、７３８ｇの褐色のラクタム溶液を反応回路の排出口から回収する。このラクタム溶液のＨＰＬＣ分析の結果は、以下の通りである：
ラクタム：２９．３質量％
従って、転移収率は９１．３％である。

オキシムおよびラクタムの硫酸溶液を沈殿し、洗浄して得られる個体のラクタム及びオ
キシムの塩素パーセンテージはそれぞれ２．６２％と０．４８％である。従って、脱塩素率は８１．７％である。

従って、マイクロリアクターを用いることで、従来技術に比べて脱塩素率７０％の場合のベックマン転移収率が向上（従来技術の９０％に対して９５．１％）し、あるいはベックマン転移収率９１．３％の場合の脱塩素率が向上（従来技術の７０％に対して９１．７％）することが分かる。

Claims (11)

1. 塩化ニトロシル（ＮＯＣＬ）を用いてシクロアルカンをフォトニトロゼーションしてラクタムを製造する方法において、単色光を発するＬＥＤを用いて上記フォトニトロゼーションを行うことを特徴とする方法。
2. シクロアルカンがシクロドデカンである請求項１に記載の方法。
3. ＬＥＤが発する単色光の平均波長が５５０〜６５０ｎｍの範囲にある請求項１に記載の方法。
4. ＬＥＤが発する単色光の平均波長が５８５〜５９５ｎｍである請求項３に記載の方法。
5. シクロアルカンのフォトニトロゼーションにマイクロリアクターを用いる請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 上記マイクロリアクターの本体がガラス製である請求項５に記載の方法。
7. ベックマン転移／脱塩素化段階を行うためにマイクロリアクターを用いて、フォトニトロゼーション時に生じた塩酸オキシムのベックマン転移／脱塩素化をする段階をさらに含む請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 上記マイクロリアクターの本体がタンタル、フッ素ポリマー、ガラス鋼（acier verre）またはガラス、好ましくはガラスである請求項７に記載の方法。
9. シクロアルカンのフォトニトロゼーション時に生じた塩酸オキシムのベックマン転移／脱塩素化段階を行い、本体がタンタル、フッ素ポリマー、ガラス鋼またはガラスでできたマイクロリアクターを用いてベックマン転移／脱塩素化を行う、ラクタムの製造方法。
10. 上記シクロアルカンがシクロドデカンである請求項９に記載の方法。
11. 上記マイクロリアクターの本体がガラス製である請求項９に記載の方法。