JP2017512773A - ホルメートを分解する方法 - Google Patents

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Abstract

ホルメート含有物質混合物中でホルメートを分解する方法に関し、ここでホルメート含有物質混合物を、少なくとも1種のランタン含有不均一系触媒の存在下で、80〜180℃の温度、及び0.1〜60barの圧力で反応させ、かつホルメート含有物質混合物が6.5〜10のpH値を有する。ホルメート含有物質混合物とは、殊に、例えばアルカノン又はアルカナールをホルムアルデヒドとアルドール反応させることで形成されたカルボニル化合物(例えば、メチロールアルカナール)、並びにそれに対応する水素化生成物を含有する物質混合物と理解される。これらの生成物は、先に挙げたカルボニル化合物の他に、ホルメートも含有する。

Description

本発明は、ホルメート含有物質混合物中で、ランタン含有触媒を用いてホルメートを分解する方法、及び前記目的のための触媒の使用に関する。
本発明の意味において、ホルメート含有物質混合物とは、殊に、例えばアルカノン又はアルカナールをホルムアルデヒドとアルドール反応させることで形成されたカルボニル化合物(例えば、メチロールアルカナール)、並びにそれに対応する水素化生成物を含有する物質混合物と理解される。これらの生成物は、先に挙げたカルボニル化合物の他に、ホルメートも含有する。
メチロールアルカナールの製造、及びCuO/Al触媒を用いたその水素化方法は、WO2004/092097A1に記載されている。
WO2011/141470A1には、トリメチルアミンの存在下で、イソブチルアルデヒドを水性ホルムアルデヒドと反応させてヒドロキシピバリンアルデヒド(HPA)にする反応が記載されている。HPAを含有する反応排出物を水素化触媒で水素化して、ネオペンチルグリコール(NPG)にする。ランタン含有触媒は開示されていない。
WO2007/006719には、カルボニル化合物(とりわけ、アルデヒド及びヒドロキシアルデヒド、例えばヒドロキシピバリンアルデヒド)、殊にカルボン酸、及びその誘導体を水素化するためのさらなる方法が記載されており、ここで触媒として、CuO/Al/La−金属酸化物−Cu触媒が使用される。水素化は、一般に、50〜350℃の温度、及び3〜350barの圧力で実施され、その実施例では、210℃及び/又は190℃の温度で、200barの圧力が選択された。その際、高い転化率及び選択性が獲得される。副生成物の形成については言及されていない。
WO2011/061185には、銅を水素化金属として、かつAl及び酸化ランタンを担体原料として含有し、カルボニル化合物を水素化するために使用される担持水素化触媒の使用が開示されている。水素化における使用前に、触媒をpH>10の塩基性で(例えば、水酸化ナトリウム溶液で)前処理する。水素化は、一般に、50〜350℃の範囲にある温度、及び3〜350barの圧力で行われる。200℃及び/又は100℃、200及び/又は90barの圧力での水素化による例が示されている。
この方法では、触媒を塩基性で前処理することが条件付けられているため、ジメチロールブチルアルデヒドを水素化してトリメチロールプロパンにする際に、選択性が1〜2%低下するという欠点がある。その際、副生成物の形成について、より詳細に検討されてはいない。
アルドール化の際に、反応相手としてのホルムアルデヒドが原因となり、形成される生成物は(所望のカルボニル化合物の他に)ホルメートを含有する。そのホルメートは、使用したホルムアルデヒド中に既に含有されているギ酸、及び/又はホルムアルデヒドとの反応の間のカニッツァーロ反応に基づき存在している。
このホルメートは、一連の段階において、例えば、水素化の間のCO形成、及び/又は生成物のエステル化により障害となる可能性があり、目的生成物において収率損失及び/又は純度問題をもたらし得る。さらに、ホルメートによって、例えば蒸留による後処理の際に、ギ酸が遊離する可能性があり、不所望な腐食がもたらされ得る、かつ高価な材料を使用する必要がある。
よって、本発明の課題は、物質混合物に含有されるホルメートを、完全に又は少なくとも部分的に分解することができる方法を提供することである。本発明のさらなる課題は、ホルメートを分解する際に、可能な限り一酸化炭素(CO)を形成させないことである。
よって、本発明の対象は、ホルメート含有物質混合物中でホルメートを分解する方法であり、ホルメート含有物質混合物を、少なくとも1種のランタン含有不均一系触媒の存在下で、80〜180℃の温度、及び0.1〜60barの圧力で反応させること、及びホルメート含有物質混合物が6.5〜10のpH値を有することを特徴とする。
本発明の意味において、ホルメート含有物質混合物とは、殊に、ホルムアルデヒドの存在下での反応によって得られたカルボニル化合物、及び/又はそれに対応する水素化生成物を含有する物質混合物と理解される。
アルカノン又はアルカナールをホルムアルデヒドとアルドール反応させることで形成されたカルボニル化合物がその例であり、例えばメチロールアルカナールである。さらに、本発明による方法で、それに対応する水素化生成物も使用することができる。水素化生成物とは、殊に、カルボニル化合物のアルデヒド基若しくはケトン基を還元してアルコールにしたものであると理解される。
本発明による方法は、一般に、ホルメートを含有する先に挙げた物質混合物を水素化する前、する間、又はした後での適用に適する。本発明による方法を、好ましくは水素化する間、又はした後、特に好ましくは水素化する間に適用する。
本発明の意味において、ホルメートとは、ギ酸、及び/又はその塩、又はギ酸とアルコールとのエステルと理解される。これらは、ギ酸及びアミンから誘導される塩であるのが好ましく、このアミンは、好ましくは第三級アミン、好ましくは例えばトリメチルアミン、メチルジエチルアミン、ジメチルエチルアミン、トリエチルアミンである。アミンのアルキル成分は、長鎖及び/又は環式でもあり得る。
本発明により使用する物質混合物中のホルメート含分(ギ酸として測定及び/又は算出)は、最大20000質量ppm、好ましくは10〜8000ppm、特に好ましくは100〜3000ppmであり得る。
本発明による条件下では、本発明により使用する物質混合物に含有されるホルメートが、少なくとも50%、好ましくは少なくとも70%、特に好ましくは少なくとも80%分解される。
ホルメート含有物質混合物のpH値は、少なくとも水50質量%を含有する水溶液中で特定する。これは、水50質量%未満を含有するホルメート含有物質混合物を適切に水で希釈して、水含分を50質量%にすることを意味する。万が一、混合物が完全に混和されない場合は、pHを水相から特定する。水含分を50%超有するホルメート含有物質混合物の場合、pHは同様にこの混合物から特定される。
本発明によると、ホルメート含有物質混合物の水溶液、いわゆる供給液は、6.5〜10、好ましくは7〜9.5、特に好ましくは7.5〜9の範囲にあるpH値を有する。その際、pHの特定は、供給液中で、触媒が到達する前、及び/又は供給液が触媒と接触する前に行われる。pHが6.5未満に減少する場合、触媒の持続時間が制限され、pH値が10超の場合、不所望な副反応が起こる。
pH値の調整は、好ましくは塩基を添加することで行われる。ここでも第三級アミンが好ましい。本発明により使用するホルメート含有物質混合物、いわゆる供給流の提供を、第三級アミンの存在下で、アルドール反応によって行った場合は、pH値を調整するために、特に好ましくは同一のアミンを使用する。
本発明によると、ランタンが好ましくは少なくとも部分的に酸化状態(例えば、La)又はスピネル型の状態で存在する、少なくとも1種のランタン含有触媒を使用する。極めて特に好ましくは、触媒中に含有されるランタンの合計量を基準として、少なくとも30質量%が、酸化状態(例えば、La)又はスピネル型で存在する。
触媒の合計質量を基準として、ランタン(Laとして計算)の質量割合が、0.5〜85%の範囲、好ましくは2〜60%の範囲、特に好ましくは3〜40%の範囲、極めて特に好ましくは4〜20%、殊に4〜15%にある。
本発明によると、さらに少なくとも銅を含有するランタン含有触媒が好ましい。銅は、触媒の合計質量を基準として、10〜90質量%、好ましくは20〜75質量%、特に好ましくは30〜70質量%、極めて特に好ましくは40〜65質量%の量で酸化銅として(CuOとして計算)含有されていてよい。記載されたCuO量は、触媒を水素で活性させる前の含分である。その際、酸化銅は、少なくとも99質量%を可溶性前駆体(例えば、Cu(NO)の沈殿により導入可能であり、かつCuOは、触媒の合計質量を基準として、少なくとも1質量%、好ましくは少なくとも2質量%、特に好ましくは少なくとも3質量%、極めて特に好ましくは少なくとも5質量%が、粉末状の銅又は銅小片として存在することができる。その際、単体で導入される銅は、触媒を使用する前に空気中でか焼することで酸化銅に転換させる。
本発明により使用するランタン含有触媒は、銅の他に、さらなる原料も含有することができ、例えば、粉末状のセメント、活性炭、又はSi、Al、Zr、Tiから誘導された酸化物原料、又はそれらからの混合物である。これらの原料は、それぞれ触媒の合計質量を基準として、0.5〜80質量%の量で本発明による触媒に含有されていてよい。炭素、SiO、及び/又はAlが好ましく、Alが特に好ましい。
セメントとして、好適にはアルミナセメントを使用する。特に好ましくは、アルミナセメントが、実質的に酸化アルミニウム及び酸化カルシウムから成る。さらに、酸化マグネシウム/酸化アルミニウム、酸化カルシウム/酸化ケイ素、及び酸化カルシウム/酸化アルミニウム/酸化鉄を基礎とするセメントを使用できる。
本発明による方法に適した特に好ましいランタン含有触媒、及びその製造方法のための例は、WO2007/006719(5〜8ページ、13〜14ページ)に見られる。
本発明によると、カルボニル含有化合物を水素化して、対応するアルコールにすることもできるランタン含有触媒が極めて特に好ましい。これに適する触媒についての例は、同様に、WO2007/006719(5〜8ページ、13〜14ページ)に記載されている。
酸化ランタン/銅触媒、殊に酸化ランタン/銅/酸化銅触媒、及び酸化ランタン/銅/酸化銅/酸化アルミニウム触媒が、極めて特に好ましい。
以下の物質を含有する、又は以下の物質から成る触媒が特に好ましい:
酸化ランタン4〜20質量%、
酸化銅30〜70質量%、
酸化アルミニウム10〜30質量%、及び
銅3〜20質量%、
ここで、列挙した原料の合計が、好適には100質量%である。
以下の物質を含有する、又は以下の物質から成る触媒が極めて特に好ましい:
酸化ランタン4〜15質量%、
酸化銅40〜65質量%、
酸化アルミニウム15〜30質量%、及び
銅5〜20質量%、
ここで、列挙した原料の合計が、好適には100質量%である。
ここで、触媒の先に挙げた組成は、空気でか焼する前の組成である。
先に挙げた触媒において、以下の物質を含有する、又は以下の物質から成る触媒が殊に好ましい(空気でか焼する前):
CuO58質量%、
Al22質量%、
La5質量%、
Cu15質量%。
触媒は、一般に、50〜150℃の温度、好適には120℃で乾燥させ、引き続き任意で、好適には2時間、一般に200〜600℃、殊に300〜500℃で、好ましくは空気でか焼する。
乾燥させ、かつか焼した前記触媒は、使用前に、本発明による方法において、沸騰水及び/又は蒸気で処理することができ、それによって、触媒として使用される成形体の高い安定性が達成され、かつ同時に、触媒の水素化活性及び選択性が上昇する。触媒の水処理及び/又は蒸気処理は、WO2007/006719(5、6ページ)に記載されているように行うことができる。好ましくは沸騰水及び/又は蒸気、特に好ましくは沸騰水で処理を行う。
水処理及び/又は蒸気処理後に、触媒を、通常は一般に50〜300℃の温度で再び乾燥させ、任意でか焼する。
触媒の前記水処理又は蒸気処理は、下記の触媒活性の前、その間、又はその後に行うことができる。
WO2011/061185に記載されているようにpH値>10を有する塩基溶液で触媒を後処理することは、本発明による方法にとって不適切であり、よって権利範囲からは明確に除外される。
本発明により使用する触媒は、使用前に、還元ガス、例えば水素又は水素含有混合物、好ましくは水素によって、常圧で、20〜250℃、好ましくは100〜230℃の範囲で活性させる。
触媒の活性化は、本発明による方法も実行される反応器中で実施することができる。触媒を反応器に組み込む前に他の場所で活性させることも同様に可能である。その際、この触媒を、活性化させた後に、不活性液体物質、例えば水、又は水とアルコール(例えば、ネオペンチルグリコール又はイソブタノール)からの混合物で被覆すること、又は表面的に例えば空気でパッシベーションすることが好ましい。どちらの場合でも、この触媒を、反応器に組み込んだ後に、活性化のためのさらなる処理をすることなく使用することができる。
本発明による方法は、好ましくは90〜150℃の範囲、特に好ましくは90〜130℃の範囲にある温度で行われる。圧力は、好ましくは0.5〜50barの範囲、特に好ましくは0.8〜45barの範囲にある。
場合によっては、ホルメートを分解するための本発明による方法は水素の存在下でも行われ得る。ホルメート含有物質混合物の触媒反応の間にさらに水素化することが所望される場合、本発明による方法は、一般に、実質的に水素によって特定される圧力で、3〜60barの範囲、好ましくは5〜50barの範囲、特に好ましくは8〜45barの範囲で実施される。前記の圧力は絶対圧である。
本発明による方法において、ホルメートの分解の際に、COは発生せず、CO及び水素が発生する。この水素はカルボニル基を水素化するために使用することができる。
それゆえに、本発明による方法の利点は、触媒不活性化及び/又はCOによる被毒が起こらないことである。
ランタン含有触媒が、ホルメートを分解するためだけでなくカルボニルの水素化のためにも本発明により使用される場合、ランタンを含有しない触媒に対してより高い活性及び寿命が得られることは驚くべきことである。つまり、本発明により使用されるランタン含有触媒は、ホルメートを分解できることだけでなく、ランタンなしの対応する触媒よりも活性で、かつ耐久力があり、より長い寿命がもたらされるという点で優れる。
本発明により使用するホルメート含有物質混合物とは、殊に、2〜24個のC原子を有するアルデヒドとホルムアルデヒドとのアルドール反応からの反応排出物であり、例えば、WO98/28253A1、及びさらにWO2004/092097A1、及びとりわけイソブチルアルデヒドについてはWO2011/141470A1に記載されている。その際、アルドール反応で使用されるアルデヒドは、一般に、1〜8倍の量のホルムアルデヒドを用いて第三級アミンの存在下で反応させられ、メチロールアルカナールになる。反応排出物に含有されるアルドール反応の生成物は、少なくとも1つのメチロール基を含有する。本発明によると、メチロールアルカナールが、ヒドロキシピバリンアルデヒド又は2,2−ビス−ヒドロキシメチルブタナールであるのが好ましい。メチロールアルカナールを含有する反応排出物は、副生成物としてホルメートを含有する。
形成されたホルメートを分解するために、ホルメート含有物質混合物、殊に上記のメチロールアルカナールを含有する反応排出物を本発明による方法に供給する。
本発明による方法の好ましい一実施形態によると、同時にメチロールアルカナールを水素化することができる。
水素化されたメチロールアルカナールは、好ましくは少なくとも2つのメチロール基を有する。本発明によると、工業的に使用される水素化されたメチロールアルカナールが特に重要であり、例えば、ネオペンチルグリコール(NPG)又はトリメチロールプロパン(TMP)である。
本発明による方法において、一般に、触媒空間速度(kg(供給物)/L(触媒)、1時間あたり)を、0.01〜100、好ましくは0.05〜50、特に好ましくは0.1〜30に調整する。その際、供給物とは、一般に、アルカナール、ホルメート、任意で水、及び任意でアルカノールからの混合物と理解され、この混合物は6.5〜10のpHを有する。
本発明による方法を連続的に実施する際の空塔速度(m(供給物)/m(断面積)、1時間あたり)は、0.1〜300にある。
本発明による方法がさらなる水素化をせずに実施される限り、空塔速度は、好ましくは最小範囲、つまり0.1〜50、好ましくは0.5〜30にある。本発明による方法がさらなる水素化で実施される場合、空塔速度は、好ましくは10〜300、特に好ましくは10〜100にある。というのも、強い発熱反応の場合、少なくとも第一反応器中で、技術的にしばしば、排熱のための生成物返送をしながら作業が行われるからである。
一般に、供給物の一部は水であり、例えば、0.5〜80%、好ましくは1〜60%、特に好ましくは5〜50%の質量%範囲にある。
反応器として、固体触媒の使用に基本的に適する全ての反応器を使用することができる。触媒が懸濁状態で存在し、非連続的又は連続的に稼動する反応器がその例である。しかしながら、とりわけ年間50トンを上回る量を製造することが所望される場合、触媒が固定配置されていて、連続的に貫流する反応器が好ましい。その際、技術的に使用可能なあらゆる触媒形状を使用することができ、例えば、タブレット型、ストランド型、三葉型、中空タブレット型などである。この成形体の好ましい最小直径は、0.5mm、特に好ましくは1mmである。
反応器1つを使用することもできるが、複数でも可能であり、平行に又は好ましくは直列式に配置する。
本発明によるホルメート分解に加えて、水素化することも所望される場合、外部熱交換器を伴った外部液循環を有する第一反応器を使用することが好ましく、それに直線状の経路で稼動する第二反応器が続く。その際、反応器がアップフロー又はダウンフロー稼動法で稼動させられるかは、ホルメートの分解にとって基本的に重要ではないが、しかしより良好な水素転化率を獲得するためにはダウンフロー稼動法が好ましい。
反応時に発生する気体は排ガスによって排出される。反応を圧力下で行う場合、大部分のガス(80%超)が、例えば、いわゆる圧力式セパレータに流入し、ここで液体及び気体が互いに分離させられ、圧力調節器によってガスが放圧される。溶解した残留ガスは、たいてい周囲圧力及び/又は後の蒸留でも除去される。
本発明のさらなる対象は、80〜180℃の温度、及び0.1〜60barの圧力において、6.5〜10のpH値を有するホルメート含有物質混合物中で、ホルメートを分解するために、少なくとも1種の不均一系ランタン含有触媒を使用することである。その際、触媒、ホルメート、ホルメート含有物質混合物、圧力、及び温度は、先に記載の通りである。
下記の実施例において、本発明による方法をより詳細に説明するが、それによってこの方法が制限されるべきではない。
実施例
ホルメート含分をそれぞれイオン交換クロマトグラフィー(IC)で特定した。Cu/Al触媒を、WO95/32171A1の実施例Eと同様に製造し、ランタン含有触媒を、WO2007/006719A1の実施例2に従って製造した。
これらの触媒を使用前に活性化させた。その際、窒素下、常圧で、180℃に加熱し、引き続き窒素流に水素10体積%を混入した。2時間後、水素含分を、段階的に1時間あたり20%上昇させて100%にした。
実施例1及び比較例の実施は以下のようであった:
管式反応器(1)(長さ10m)中で、触媒(87g、タブレット型3×3mm)を上記のように活性化させ、引き続き、ダウンフロー稼動法によって、40bar、及び98〜105℃の下部になるほど高い温度で稼動させた。水素流は、10ノルマルリットル(NL)/hであった。排出物を集め、分析後に、さらなる反応器(2)中で、それぞれ同一の活性化された触媒(87g)によって、第一反応器のように103℃、40barで後水素化した。
供給物中のホルメート含分は約1500質量ppmであった。
供給物組成(質量%):NPG約65%、ヒドロキシピバリンアルデヒド約5%、水約25%、pH8.1。その他成分(例えば、イソブチルアルデヒド、トリメチルアミン、メタノール、ホルムアルデヒド、イソブタノール)は合計で5%未満。
結果は表1にまとめてある。
Figure 2017512773
ランタンを含有しない触媒(比較例1)が、3ヶ月の稼動時間後に著しく不活性化したこと、及びほぼホルメートを分解しなかったことが認識される。それに対して、本発明による方法で使用されるランタン含有触媒は3ヶ月後でも優れた活性を有する。
ホルメート200ppm又はホルメート1300ppmを有する実施例1及び比較例から集められた水素化排出物を、蒸留で、主に水素を含有する塔頂部留分及び主にNPGを含有する底部留分に分別した。水留分において、実施例1からの排出物を蒸留する際に、0.1%のホルメートが、ギ酸−アミン塩及び/又はNPGホルメートの形で見られた。比較例1からの排出物を蒸留する際は、1%のホルメートが、ギ酸−アミン塩及び/又はNPGホルメートの形で見られた。
実施例2及び3
管式反応器(1)(長さ10m)中で、触媒(87g、タブレット型3×3mm)を上記のように活性化させ、引き続き、ダウンフロー稼動法によって、表2による所定の圧力及び温度で稼動させた。水素流は10ノルマルリットル/hであった。排出物を集め、分析後に、さらなる反応器(2)中で、それぞれ同一の活性化された触媒(87g)によって第一反応器のように後水素化した。
供給物中のホルメート含分は約1500質量ppmであった。供給物組成(質量%):NPG約65%、ヒドロキシピバリンアルデヒド約5%、水約25%、pH8.1。その他成分(例えば、イソブチルアルデヒド、トリメチルアミン、メタノール、ホルムアルデヒド、イソブタノール)は合計で5%未満。
結果は表2にまとめてある。
Figure 2017512773
実施例4
ホルメート約1500ppmを有する、比較例1から集められた水素化排出物1kgを、バッチ式試験で、活性化させたランタン含有触媒(WO2007/006719A1、実施例2)200mlを用いて90℃で反応させた。30分後、水素化排出物中に、約250ppmのホルメートが、ギ酸−アミン塩及び/又はNPGホルメートの形で見られ、1時間後、70ppmのホルメートが依然として見られた。
先に挙げた実施例によって、本発明による方法で、ホルメートを50%又はそれより多く効率的に分解できることが示される。

Claims (11)

  1. ホルメート含有物質混合物中でホルメートを分解する方法において、ホルメート含有物質混合物を、少なくとも1種のランタン含有不均一系触媒の存在下で、80〜180℃の温度、及び0.1〜60barの圧力で反応させること、及びホルメート含有物質混合物が6.5〜10のpH値を有することを特徴とする前記方法。
  2. 請求項1に記載の方法において、触媒が、触媒の合計質量を基準として、ランタンをLaとして計算して0.5〜85質量%含有することを特徴とする前記方法。
  3. 請求項1又は2に記載の方法において、ランタンが、触媒中に含有されるランタンの合計量を基準として少なくとも30質量%、酸化状態、殊にLaとして又はスピネル型として存在することを特徴とする前記方法。
  4. 請求項1から3までのいずれか一項に記載の方法において、触媒が銅を含有することを特徴とする前記方法。
  5. 請求項1から4までのいずれか一項に記載の方法において、ホルメート含有物質混合物が、アルカナールをホルムアルデヒドとアルドール反応させることで形成されたカルボニル化合物、及び/又はそれに対応する水素化生成物を含有することを特徴とする前記方法。
  6. 請求項1から5までのいずれか一項に記載の方法において、ホルメートの分解を水素の存在下で行うことを特徴とする前記方法。
  7. 請求項1から6までのいずれか一項に記載の方法において、ホルメートの分解を第三級アミンの存在下で行うことを特徴とする前記方法。
  8. 請求項1から7までのいずれか一項に記載の方法において、少なくとも50質量%のホルメートが分解されることを特徴とする前記方法。
  9. 請求項1から8までのいずれか一項に記載の方法において、ホルメート含有物質混合物が、少なくとも2つのメチロール基を有する化合物を含有することを特徴とする前記方法。
  10. 請求項1から9までのいずれか一項に記載の方法において、ホルメート含有物質混合物が、ヒドロキシピバリンアルデヒド及びネオペンチルグリコールを含有することを特徴とする前記方法。
  11. 少なくとも1種の不均一系ランタン含有触媒の使用であって、80〜180℃の温度、及び0.1〜60barの圧力で、6.5〜10のpH値を有するホルメート含有物質混合物からのホルメートを分解するための前記使用。
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