JP2022500230A - 気／液二相高圧反応を行う方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、連続気/液二相高圧反応を行う方法であって、気体及び液体が反応器の逆混合ゾーンに導入され、逆混合ゾーンにおいて気体が液体中に分散される、方法に関する。反応混合物は、逆混合ゾーン及び逆混合が制限されたゾーンを通って次々に流れ、液体反応生成物が、逆混合が制限されたゾーンの反応生成物排出口において引き出される。【選択図】図１
Description
本発明は、気/液二相高圧反応を行う方法に関する。本発明はさらに、気/液二相高圧反応を行うのに好適な反応器の反応体積を適合させる方法に関する。
圧力反応器内で、高圧下、多数の変換が行われる。例えば、有機化合物の水素化は、水素化可能な化合物と気体状水素との反応を使用する。第1の逆混合ゾーン及び逆混合が制限された第2のゾーンにおいて水素化を行うことは、公知である。第1のゾーンにおける逆混合によって、反応熱の有利な除去が可能になる一方、第2のゾーンは、反応変換を完了させるために用いられる。
WO 2009/153123は、均一系又は不均一系触媒の存在下、多相系において有機化合物を水素化する連続的方法であって、2段階において行われ、第1段階が外部熱交換器を有するループ型反応器において行われ、第2段階が、逆混合が制限された気泡塔型反応器において行われる、方法を記載している。
EP 1 338 333 A1は、密閉型主反応器及び密閉型後反応器から構成され、後反応器が主反応容器内に位置する反応器カスケードを記載している。
EP 1 231 198 A1は、連続的に横断可能な2つの反応空間を含む反応器を使用し、第2の反応空間が穿孔プレートを含み得る、オレフィンのヒドロホルミル化の連続的方法を記載している。
反応器を連続的に運転する場合、いかなる時点においても、一定の体積流量が反応器に導入され、また一方、反応器排出口において引き出される。導入される体積流量が経時的に一定である場合、反応器内の反応混合物の平均滞留時間も一定である。平均滞留時間は、反応混合物が反応器を横断するのに要する時間の平均量の尺度である。体積流量が経時的に一定でない場合、例えば、出発材料の発生が変動する場合、及び/又は反応生成物の必要性が変動する場合、平均滞留時間も変化する。多くの場合、反応混合物が反応器内に過剰に長く滞留することは、例えば、望ましくない後続の反応及び/又は分解が起こり得るため、望ましくない。これらの場合、特に、気相の存在下で反応が起こるが、実際の変換は液相中で起こる場合には、単純な様式で反応器の反応体積を可逆的に低減させられることが望ましい。
反応器の反応体積の可逆的な低減は、固体である、又はすべての面が密閉された排除体を、反応器に導入することによって達成することができる。これらの排除体が内部空洞を有する場合、排除体は、反応圧力に対して耐圧性であるように構成されなければならない。より単純には、コスト効率の高い解決策が望ましい。
この目的は、気/液二相高圧反応を行う方法であって、気体及び液体が反応器の逆混合ゾーンに導入され、逆混合ゾーンにおいて、撹拌、及び/又は気体の噴射、及び/又は液体ジェットによって、気体が液体中に分散され、反応混合物が逆混合ゾーン及び制限された逆混合のゾーンを連続的に横断し、液体反応生成物が、制限された逆混合のゾーンの反応生成物排出口において引き出され、反応器が、
・円筒状の鉛直に配向された細長いシェル、底部、及びキャップによって形成されている内部であり、内部構造物によって、逆混合ゾーン、制限された逆混合のゾーン、及び空洞に分割されている、内部、
・内部において、反応器の長手方向に伸びており、逆混合ゾーンから制限された逆混合のゾーンを区切る、第1の円筒状内部要素、
・制限された逆混合のゾーンに配置されている、不規則充填物、構造化充填物、又は液体透過性トレイの形態である、逆混合を阻止する第2の内部要素、並びに
・内部において、反応器の長手方向に伸びており、底部が開いており、好ましくは頂部において第1の円筒状内部要素によって区切られている、第3の内部要素であり、中に気泡が集まり且つ上に出ていかない空洞を形成し、したがって、空洞の体積が液体によって占有されることを阻止し、反応体積を低減させる、第3の内部要素
を含む、方法によって達成される。
・円筒状の鉛直に配向された細長いシェル、底部、及びキャップによって形成されている内部であり、内部構造物によって、逆混合ゾーン、制限された逆混合のゾーン、及び空洞に分割されている、内部、
・内部において、反応器の長手方向に伸びており、逆混合ゾーンから制限された逆混合のゾーンを区切る、第1の円筒状内部要素、
・制限された逆混合のゾーンに配置されている、不規則充填物、構造化充填物、又は液体透過性トレイの形態である、逆混合を阻止する第2の内部要素、並びに
・内部において、反応器の長手方向に伸びており、底部が開いており、好ましくは頂部において第1の円筒状内部要素によって区切られている、第3の内部要素であり、中に気泡が集まり且つ上に出ていかない空洞を形成し、したがって、空洞の体積が液体によって占有されることを阻止し、反応体積を低減させる、第3の内部要素
を含む、方法によって達成される。
高圧反応は、周囲圧力に対して上昇した圧力において、例えば、少なくとも5bar(絶対)、少なくとも20bar(絶対)、又は少なくとも50bar(絶対)において行われる反応を意味するものとして理解されたい。
反応器は、円筒状の鉛直に配向された細長いシェル、底部、及びキャップによって形成された内部を含む。シェルの長さと直径との比は、典型的には2:1〜100:1、好ましくは5:1〜100:1、特に好ましくは5:1〜50:1、非常に特に好ましくは5:1〜30:1である。
反応器の内部は、内部構造物によって、逆混合ゾーン、制限された逆混合のゾーン、及び空洞に分割される。逆混合ゾーンと制限された逆混合のゾーンとは、反応混合物による連続的な横断が可能である。第1の円筒状内部要素は、内部において、反応器の長手方向に伸びており、逆混合ゾーンから制限された逆混合のゾーンを区切る。
内部において、反応器の長手方向に伸びている第3の内部要素は、底部が開いた空洞を形成する。気泡が空洞に集まり、上に出ていくことはできない。空洞が完全に気体によって充填された場合、液体が空洞の体積を占有することは、もはやできない。反応体積が低減し、反応混合物の平均滞留時間が短縮される。一実施形態では、第3の内部要素は、流体排出口、特に気体排出口を含み、空洞内の気体体積が流体排出口によって調節され得る。
すべての面が密閉された中空排除体とは対照的に、第3の内部要素は、耐圧性であるように構成されることを必要としない。例えば、金属シートから製造され得る。第3の内部要素は、好ましくは、空洞が円形の水平断面を有するように円筒状内部要素である。一実施形態では、円筒状内部要素はシェルに対して同心円状に配置される。
第3の内部要素の下端が、シェルの高さの10%〜30%、特に好ましくは10%〜20%、非常に特に好ましくは10%〜15%の範囲内で、底部からの距離を有するように、第3の内部要素が配置されることが好ましい。
逆混合ゾーンと制限された逆混合のゾーンとの体積比は、0.25:1〜4:1の範囲内、特に好ましくは0.3:1〜3:1の範囲内であることが好ましい。
逆混合ゾーンと空洞との体積比は、0.5:1〜10:1の範囲内、特に好ましくは1:1〜5:1の範囲内であることが好ましい。
逆混合ゾーンと気体空間との体積比は、1:1〜30:1の範囲内、特に好ましくは3:1〜10:1の範囲内であることが好ましい。
この範囲内の体積比を有する反応器は、反応器空間の最適な利用を可能にする。
反応器内で気/液二相高圧反応を行う場合、逆混合ゾーンの上部に気体が集まって気相を形成する一方、逆混合ゾーンの下部は液相を含有する。
逆混合ゾーンにおいて、撹拌、気体の噴射、及び/若しくは液体ジェットによって、気体が液体中に分散される。
撹拌に好適な手段は、当業者に知られているすべての撹拌機、例えばプロペラ撹拌機を含む。
液体中への気体の噴射は、液体の水位よりも下に配置された気体ノズルを介して行われる。
ジェットノズルは液体ジェットを発生させ、気相を分散させて逆混合ゾーン内に混ざることを可能にする。
気体及び液体は、好ましくはジェットノズルを介して導入される。ジェットノズルは、とりわけ、二流体ノズルの形態である。二流体ノズルの場合、気体は液体とともに、逆混合ゾーンに供給され、分散される。
気体及び液体用のジェットノズルを介して気体及び液体を供給することは、逆混合ゾーン内の任意の所望の地点において、特に、液体の水位よりも下に配置された噴射ノズルにおいて行われ得る。好ましい実施形態では、気体及び液体は、反応器の底部に位置する二流体ジェットノズルを介して、逆混合ゾーンに上向きに計量供給される。
逆混合ゾーンは、好適には、点状又は線状の流体噴射を介して、逆混合ゾーンの内容物を大規模に再循環させる、上昇ジェット反応器として構成される。乱されていない大規模な循環を達成するために、逆混合ゾーンは好ましくは、内部構造物、例えばバッフル及び撹拌機等を実質的に含まない。
逆混合ゾーンは好ましくは、ループ型反応器として構成される。ループ型反応器の例は、内部及び外部ループを有する管型反応器である。このような反応器は、例えば、Ullmanns Encyclopedia (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry、Verlag Chemie、2008年電子公開、第7版、章「Stirred Tank and Loop Reactors」及び「Bubble Columns」)により詳細に記載されている。
ループ型反応器は一般に、外部回路(外部ループ)を有する。外部回路を有するループ型反応器は一般に、逆混合ゾーン内の任意の所望の地点に、好ましくは逆混合ゾーンの下部領域に取出口を有し、これを通じて、搬送機器を用いて、外部回路内の反応混合物が、気体及び液体を導入するための手段に返送される。搬送機器は好ましくはポンプであり、そのため、外部回路は典型的には、ポンプ循環回路と呼ばれる。
ポンプの例は、遠心ポンプ又はロータリーピストンポンプ、例えばロータリーローブポンプ、ロータリーベーンポンプ、円周ピストンポンプ、又は歯車ポンプである。搬送機器として、遠心ポンプを使用することが特に好ましい。
ループ型反応器の外部回路は、熱交換器を含むことが好ましい。本発明の文脈において、このように構成されたループ型反応器は、外部熱交換器を有するループ型反応器と呼ばれる。
熱交換器は、例えば、管束式熱交換器、二重管式熱交換器、プレート熱交換器、又はスパイラル熱交換器である。100bar未満の反応器設計圧力においては、管束式熱交換器を用いることが好ましく、一方、より高圧においては、直列に接続された1つ以上の二重管式熱交換器を用いることが好ましい。
この場合、外部熱交換器を有するループ型反応器は典型的には、逆混合ゾーンから反応混合物の一部が、外部熱交換器を含む外部ポンプ循環回路を通って搬送されるように運転され、したがって、熱交換器を通って搬送される反応混合物を冷却する。反応混合物は最終的に、気体及び液体を導入するための手段を用いて、逆混合ゾーンに返送される。外部ポンプ循環は一般に、第1の反応段階において、反応混合物を激しく混ぜて再循環させ、第1の段階における滞留時間は、典型的には、十分に逆混合された撹拌槽(CSTR)の滞留時間と一致する。典型的には、新しい気体及び新しい液体がポンプ循環回路に導入され、ポンプ循環回路に既に存在する流れとともに反応混合物として逆混合ゾーンに供給される。
逆混合ゾーンは、気体排出口を有する。未変換気体は、前記排出口を介して引き出され得る。気体排出口は、好ましくは円筒状シェルの上端に位置する。反応器は有利には、引き出された未変換気体が、気体及び液体を導入するための手段を介して、少なくとも部分的に、逆混合ゾーン内の反応混合物に再導入され得るように構成される。この目的のため、気体排出口からの未変換気体は、外部気体導管を経由して、気体及び液体を導入するための手段に送られ得る。
一実施形態では、液体が発泡する傾向を有する場合、反応器は少なくとも1つの第4の内部要素を含み、第4の内部要素は、逆混合ゾーンの上半分に配置され、発泡媒体の合体を促進する表面を有する。発泡媒体の合体を促進する好適な内部要素は、化学的、熱的、又は機械的に泡を破壊するための要素を含む。概要はPahlらによって、Chem.-Ing.-Tech、67巻、1995年、300〜312頁において提供されている。一実施形態では、反応器は、機械的に泡を破壊する手段、例えば、自生液体を撒くための回転要素又は内部構造物を含む。
発生する泡はいずれも、典型的には、逆混合ゾーンにおける液相と気相との間の境界が、明確には画定可能ではないという結果を有する。そのため、反応器は好ましくはライザー管(riser tube)を含み、ライザー管の下端が逆混合ゾーン内に配置され、ライザー管の上端が制限された逆混合のゾーン内に開かれており、逆混合ゾーンからの液体が、ライザー管を経由して、制限された逆混合のゾーン内に上昇することができる。ライザー管は、気/液二相高圧反応中、下端が液相中に浸漬するように配置される。ライザー管は好適には、泡がライザー管内に進入することが実質的にできない深さまで、液体中に浸漬する。これは、下流の後処理ステップ又は後続の反応の泡による汚染を、実質的に回避する。
ライザー管の下端は、底部から離れて配置される。運転中、ライザー管の下端は、液体の水位の高さの10%〜95%、特に好ましくは30%〜90%、非常に特に好ましくは70%〜80%の範囲内で、底部からの距離を有する。
ライザー管は典型的には、制限された逆混合のゾーンの直径の1%〜90%、好ましくは2%〜50%、非常に特に好ましくは5%〜20%の範囲内の直径を有する。
反応器は好ましくは、ライザー管の下端に配置された第5の内部要素を含み、気体がライザー管に入ることを実質的に阻止する。特に、第5の内部要素の形状及び配置は、反応混合物中を上昇する気泡が、ライザー管に入ることを実質的に阻止する。第5の内部要素は好ましくは、偏向堰及びU字管、特に好ましくは偏向堰から選択される。
逆混合ゾーンは好ましくは、制限された逆混合のゾーンにおける静水圧、及び逆混合を阻止する第2の内部要素を横断する際に生じる圧力低下に打ち勝つために、反応生成物排出口よりも高圧である。逆混合ゾーンがより高圧であることによって、逆混合ゾーンから制限された逆混合のゾーンに、液体が上昇する。第1の円筒状内部要素、及び逆混合を阻止する第2の内部要素は、この差圧に従って構成されなければならない。
制限された逆混合のゾーンにおける逆混合は、逆混合を阻止する第2の内部要素によって制限される。このような機器の設置は一般に循環を制限し、したがって、気体及び液体の逆混合を制限する。制限された逆混合のゾーンにおける滞留時間分布は、管型反応器の滞留時間分布に近づく。この規定された液体滞留時間によって、高圧反応において、高変換が達成されることが確保される。
制限された逆混合のゾーン内の反応混合物中の気相の割合は、好ましくは、逆混合ゾーンと比較して低減される。この効果は、例えばライザー管、及び任意選択で、気体がライザー管に入ることを実質的に阻止する第5の内部要素の使用を通じて、達成され得る。制限された逆混合のゾーン内の離散的な気相を低減することによって、制限された逆混合のゾーン内の液体の滞留量を増加させ、制限された逆混合のゾーン内の液相の滞留時間を増加させることが可能となる。高圧反応は実質的に液相中で起こるため、したがって、反応空間が最適に利用される。
制限された逆混合のゾーンにおける逆混合の制限は、種々の内部構造物の設置を通じて実現され得る。好ましい一実施形態では、逆混合の制限は、複数の固定的に配置されるトレイを、制限された逆混合のゾーンに設置することを通じて行われる。これは、個別のトレイ同士の間に規定された反応体積を有する、個別のセグメント(「区画」)を形成する。個別のセグメントのそれぞれは一般に、個別の逆混合撹拌槽型反応器として機能する。連続する個別のセグメントがより多いことによって、一般に、このようなカスケードの滞留時間分布が、管型反応器の滞留時間に近づく。このように形成される個別のセグメントの数は、好ましくは2〜20、特に好ましくは2〜10、とりわけ好ましくは3〜6である。形成される個別のセグメント同士の体積は、典型的には、実質的に同一である。トレイは、好ましくは液体透過性トレイである。トレイが穿孔プレートであると特に好ましい。
さらなる実施形態では、逆混合の制限は、不規則充填物の設置を通じて行われる。不規則充填物同士は異なる形状を有し得るが、通常は約2〜15mmのサイズである。公知例としては、球状及び円筒状固形体、Raschigリング(中空円筒)、Pallリング、Hiflowリング、並びにIntaloxサドル等が挙げられる。不規則充填物は、好ましくは固形体である。不規則充填物は、秩序化された、又は無秩序な形態において(バルクとして)、制限された逆混合のゾーンに導入され得る。使用され得る材料としては、ガラス、セラミック、金属、及びプラスチックが挙げられる。
さらなる実施形態では、逆混合の制限は、構造化充填物の組み込みを通じて行われる。構造化充填物は、秩序化不規則充填物のさらなる発展である。これらは、規則的構造を有する。充填物の種々の設計、例えば、織物又はシート状金属充填物がある。使用され得る材料としては、金属、プラスチック、ガラス、又はセラミックが挙げられる。
第1の内部要素は、好ましくは、制限された逆混合のゾーンが円形の水平断面を有するように、シェルに対して同心円状に配置される。制限された逆混合のゾーンの長さと直径との比は、典型的には2:1〜100:1、好ましくは5:1〜50:1、特に好ましくは7:1〜25:1である。
本発明による連続気/液二相高圧反応を行う方法では、気体及び液体が、本明細書において上に記載したように反応器の逆混合ゾーンに導入され、液体は、好ましくはライザー管を通じて、逆混合ゾーンから制限された逆混合のゾーンに上昇し、未変換気体は、気体排出口を介して、少なくとも部分的に放出され、反応生成物は、反応生成物排出口から引き出される。
未変換気体は、逆混合ゾーン内の反応混合物中に、噴射ノズルを介して、例えば外部気体導管を経由して、少なくとも部分的に再導入されることが好ましい。
一実施形態では、この方法は、少なくとも1つのCO配位子を含む均一系ロジウム水素化触媒を予備形成する方法である。したがって、一酸化炭素及び水素を含む気体混合物によって前処理する方法が関係する。
液体が溶存CO不足ロジウム水素化触媒を含み、気体が水素及び一酸化炭素を含み、CO不足ロジウム水素化触媒と気体との反応が、水素化に活性なロジウム水素化触媒を生成することが好ましい。
次いで、水素化に活性なロジウム水素化触媒を含む予備形成の反応生成物は、水素化される基質とともに不斉水素化反応に供給されて水素化反応混合物を生成し得る。水素化生成物の分離後、CO不足ロジウム水素化触媒を含む残留物は予備形成に返送される。水素化生成物は、それ自体当業者に公知の方法、例えば、蒸留及び/又はフラッシュ蒸発によって、水素化混合物から分離され得るが、ここで、水素化に活性なロジウム水素化触媒はCOを失い、CO不足ロジウム水素化触媒が残る。
一実施形態では、水素化される基質はcis-シトラールである。cis-シトラールの水素化生成物は、R-シトロネラールである。
使用するロジウム触媒は、少なくとも触媒サイクルに現れる形態において、又は実際の触媒サイクルの前の前駆体形態において、少なくとも1つのCO配位子を含み、少なくとも1つのCO配位子を含むこの触媒形態が、実際に触媒的に活性な触媒形態を構成するかは重要ではない。CO配位子を含む触媒形態を安定化するために、水素化中の反応混合物に一酸化炭素を追加で供給することは有利であり得る。
ロジウム触媒は、典型的には、少なくとも1つの光学活性配位子を含む。このような触媒は、例えば、水素化混合物に可溶である好適なロジウム化合物を、少なくとも1個のリン及び/又はヒ素原子を有する光学活性配位子と反応させることによって得られる。
使用可能なロジウム化合物の例は、RhCl3、Rh(OAc)3、[Rh(cod)Cl]2、Rh(CO)2acac、[Rh(cod)OH]2、[Rh(cod)OMe]2、Rh4(CO)12、Rh6(CO)16であり、ここで「acac」はアセチルアセトナート配位子を表し、「cod」はシクロオクタジエン配位子を表す。
列挙したロジウム化合物を、光学活性であり、好ましくは実質的に鏡像異性的に純粋であり(すなわち、少なくとも約99%の鏡像異性体過剰率を有し)、且つ少なくとも1個のリン及び/又はヒ素原子、好ましくは少なくとも1個のリン原子を含む、さらなる化合物と接触させる。キラル配位子と呼ばれるこの化合物は、使用するロジウム化合物とともに、ロジウム触媒を形成する。
2個のリン原子を含み、ロジウムとのキレート錯体を形成するキラル配位子が、とりわけ好ましい。
本発明の文脈において好適なキラル配位子としては、例えば、I. Ojima(編)、Catalytic Asymmetric Synthesis、Wiley-VCh、第2版、2000年、又はE. N. Jacobsen、A. Pfaltz、H. Yamamoto(編)、Comprehensive Asymmetric Catalysis、2000年、Springer、又はW. Tang、X. Zhang、Chem. Rev. 2003年、103巻、3029〜3069頁に記載されているもの等の化合物が挙げられる。
好ましい配位子は、キラル二座ビスホスフィン配位子であり、とりわけ一般式(I)〜(III)
R5、R6はそれぞれ互いに独立して、飽和しているか、又は1つ以上の、一般に1〜約4つの非共役エチレン性二重結合を含んでもよく、且つ非置換であるか、又はOR13、NR14R15、ハロゲン、C6〜C10アリール、及びC3〜C9ヘタリールから選択される1つ以上の、一般に1〜4つの同一の若しくは異なる置換基を有し、1〜20個の炭素原子を有する非分枝状、分枝状、又は環式の炭化水素基を表し、あるいは
R5及びR6が一緒になって、2〜10員アルキレン基又は3〜10員シクロアルキレン基を表してもよく、1、2、3又は4つの非隣接CH基は、O又はN-R13によって置き換えられていてもよく、アルキレン基及びシクロアルキレン基は、飽和しているか、又は1若しくは2つの非共役エチレン性二重結合を含み、且つアルキレン基及びシクロアルキレン基は、非置換であるか、又はC1〜C4アルキルから選択される1つ以上の同一の若しくは異なる置換基を有し、
R7、R8はそれぞれ互いに独立して、水素、又は直鎖若しくは分枝状C1〜C4アルキルを表し、
R9、R10、R11、R12は同一であるか、又は異なり、且つ非置換であるか、又はC1〜C6アルキル、C3〜C6シクロアルキル、C6〜C10アリール、C1〜C6アルコキシ、及びアミノから選択される1つ以上の置換基を有するC6〜C10アリールを表し、
R13、R14、R15はそれぞれ互いに独立して、水素、C1〜C4アルキル、C6〜C10アリール、C7〜C12アラルキル、又はC7〜C12アルキルアリールを表し、R14及びR15が一緒になって、N又はOによって割り込まれていてもよい、2〜5個の炭素原子を有するアルキレン鎖を表してもよい]
のものである。
式(I)、(II)及び(III)に関して、可変要素はとりわけ、次のように定義される:
R5、R6はそれぞれ互いに独立してC1〜C4アルキルを表し、あるいは
R5及びR6が一緒になって、C3〜C5アルカンジイル基、C3〜C7アルケンジイル基、C5〜C7シクロアルカンジイル基、又はC5〜C7シクロアルケンジイル基を表し、4種の前述の基は非置換であるか、又はC1〜C4アルキルから選択される1つ以上の同一の若しくは異なる置換基を有し、
R7、R8はそれぞれ互いに独立して、水素又はC1〜C4アルキルを表し、
R9、R10、R11、R12はそれぞれフェニルを表す。
R5、R6はそれぞれ互いに独立してC1〜C4アルキルを表し、あるいは
R5及びR6が一緒になって、C3〜C5アルカンジイル基、C3〜C7アルケンジイル基、C5〜C7シクロアルカンジイル基、又はC5〜C7シクロアルケンジイル基を表し、4種の前述の基は非置換であるか、又はC1〜C4アルキルから選択される1つ以上の同一の若しくは異なる置換基を有し、
R7、R8はそれぞれ互いに独立して、水素又はC1〜C4アルキルを表し、
R9、R10、R11、R12はそれぞれフェニルを表す。
容易に入手可能なために特に好ましいキラル二座ビスホスフィン配位子は、「キラホス」の名称で入手可能であり、式:
キラル配位子は、1molの使用するロジウム化合物当たり約0.9〜約10mol、好ましくは約1〜約4molの量において、有利に使用される。光学活性ロジウム触媒は、好適には、アキラルロジウム化合物とキラル二座ビスホスフィン配位子との反応によって、in situで発生する。この文脈において、「in-situ」という用語は、触媒が水素化の直前に発生することを意味するものと理解されたい。
単座配位子の存在は、触媒の活性を上昇させられることが見出されている。本発明による方法の好ましい実施形態では、式(IV)
R16、R17は同一であるか、又は異なり、且つ非置換であるか、又はメチル及びメトキシから選択される1、2若しくは3つの置換基を有するフェニルを表し、ここでR16及びR17はそれぞれ、とりわけ非置換フェニルを表し、
R18はC1〜C4アルキル、とりわけメチルを表し、
R19は、P(=O)R19aR19b基を有するC1〜C4アルキル、とりわけCH2-P(=O)R19aR19b又はCH(CH3)-P(=O)R19aR19b基を表し、
ここで、
R19a、R19bは同一であるか、又は異なり、且つ非置換であるか、又はメチル及びメトキシから選択される1、2若しくは3つの置換基を有するフェニルを表し、特に好ましくは、R19a及びR19bはそれぞれ、非置換フェニルを表す。
本発明による方法のこの好ましい実施形態では、式(IV)
[式中、
R16、R17は非置換フェニルを表し、
R18はメチルを表し、
R19はCH(CH3)-P(=O)R19aR19b基を表し、ここで、R19a及びR19bはそれぞれ、非置換フェニルを表す]
の化合物を使用することが特に好ましい。
[式中、
R16、R17は非置換フェニルを表し、
R18はメチルを表し、
R19はCH(CH3)-P(=O)R19aR19b基を表し、ここで、R19a及びR19bはそれぞれ、非置換フェニルを表す]
の化合物を使用することが特に好ましい。
これは、化合物(2-(ジフェニルホスホリル)-1-メチルプロピル)ジフェニルホスファン(キラホスモノオキシド)であり、(R,R)鏡像異性体(=(R,R)-キラホスモノオキシド)及び(S,S)鏡像異性体(=(S,S)-キラホスモノオキシド)、並びに(R,R)-キラホスモノオキシドと(S,S)-キラホスモノオキシドとの混合物を含む。
一般式(IV)におけるR18及びR19基が異なる場合、R18及びR19基を有する炭素原子は、(R)配置を有しても、(S)配置を有してもよい。一般式(IV)のこれらの化合物は、純粋な(R)若しくは純粋な(S)立体異性体の形態であっても、これらの混合物としての形態であってもよい。これらの場合に一般に使用されるのは、純粋な(R)及び(S)立体異性体であるが、任意の立体異性体混合物も、本発明の方法で用いるのに好適である。
ここ及び本明細書の以降において、純粋な立体異性体とは、望ましい立体異性体の観点から、キラル物質が、少なくとも80%ee、特に少なくとも90%ee、とりわけ少なくとも95%eeの鏡像異性体過剰率(ee)を有することを意味するものとして理解されたい。
特に、使用するキラル配位子はキラホスであり、使用する単座結合化合物は(2-(ジフェニルホスホリル)-1-メチルプロピル)ジフェニルホスファン(キラホスモノオキシド)である。例として、使用するキラル配位子はR-キラホスであり、使用する単座結合化合物は(R,R)-キラホスモノオキシド及び/又は(S,S)-キラホスモノオキシドである。代替的には、使用するキラル配位子はS-キラホスであり、使用する単座結合化合物は(R,R)-キラホスモノオキシド及び/又は(S,S)-キラホスモノオキシドである。
本発明によれば、式(IV)の化合物は一般に、1molのロジウム当たり0.01〜1mol、好ましくは0.02〜0.8mol、特に好ましくは0.03〜0.7molの量で、とりわけ0.04〜0.6molの量で使用する。
水素化触媒及び単座配位子のさらなる実施形態は、米国特許出願公開第2018/0057437(A1)号、WO 2006/040096 A1及びWO 2008/132057 A1に記載されている。
ロジウム触媒の予備形成は、典型的には、選択したロジウム化合物及び選択したキラル配位子を、反応条件下で不活性な好適な溶媒/溶解媒体、例えば、エーテル、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、オクタデカノール、ビフェニルエーテル、Texanol、Marlotherm、Oxool 9N(異性体オクテンのヒドロホルミル化生成物、BASF Aktiengesellschaft)、及びシトロネラール等に溶解させることを含む。使用可能な溶解媒体としては、変換中に発生する水素化生成物、又は任意の高沸点副生成物も挙げられ得る。本発明による反応器において、得られる溶液は、典型的には約5〜約350bar、好ましくは約20〜約200bar、特に好ましくは約50〜約100barの圧力において、典型的には水素及び一酸化炭素を含む気体混合物によって加圧される。予備形成は好ましくは、約
30〜99体積%の水素、
1〜70体積%の一酸化炭素、及び
0〜5体積%のさらなる気体を含む気体混合物を使用し、体積%において報告した量は合計が100体積%となる。
30〜99体積%の水素、
1〜70体積%の一酸化炭素、及び
0〜5体積%のさらなる気体を含む気体混合物を使用し、体積%において報告した量は合計が100体積%となる。
予備形成のためにとりわけ好ましい気体混合物は、いわゆる合成気体であり、典型的には、水素及び痕跡量のさらなる気体に加えて、約35〜55体積%の一酸化炭素を含む。
触媒の予備形成は、典型的には約25℃〜約100℃、好ましくは約40℃〜約80℃の温度において行われる。予備形成は、典型的には約1時間〜約24時間後、しばしば約1〜約12時間後に完了する。予備形成には好ましくは、選択した基質の不斉水素化が後続する。先行する予備形成の後、選択した基質は一般に、追加の一酸化炭素の供給があってもなくても、首尾良く行われ得る。記載したように予備形成を行い、不斉水素化中に追加の一酸化炭素を反応混合物に加える場合が有利である。
この実施形態では、説明した触媒前駆体段階の予備形成を、20〜90体積%の一酸化炭素、10〜80体積%の水素、及び0〜5体積%のさらなる気体を含む気体混合物による5〜100barの圧力において行い、列挙した体積分率は合計が100体積%となる。加えて、過剰な一酸化炭素は、このようにして得た触媒から、不斉水素化における使用の前に分離される。過剰な一酸化炭素という用語は、得られた反応混合物中に気体状又は溶解形態で存在し、ロジウム触媒/その前駆体に結合していない一酸化炭素を意味するものと理解されるべきである。したがって、触媒に結合していない過剰な一酸化炭素は、少なくとも大部分が、すなわち、いずれの残存量の溶存一酸化炭素であれ、後続の水素化における妨害効果を有しない程度に除去される。これは典型的には、予備形成のために使用した一酸化炭素のうちの約90%、好ましくは約95%以上が分離された場合に確実となる。過剰な一酸化炭素は、好ましくは、予備形成によって得られた触媒から完全に除去される。
得られる触媒から/触媒を含む反応混合物からの過剰な一酸化炭素の分離は、種々の方式で行われ得る。予備形成によって得られる触媒/触媒を含む混合物は、好ましくは最大約5bar(絶対)の圧力に、好ましくは、とりわけ予備形成を5〜10barの圧力範囲内で行う場合には、5bar(絶対)未満の圧力に、好ましくは約1〜約5barの範囲内の圧力に、好ましくは1〜5bar未満、特に好ましくは1〜3barの範囲内の圧力に、非常に特に好ましくは約1〜約2barの範囲内の圧力に、とりわけ好ましくは標準圧に減圧され、気体状の結合していない一酸化炭素が、予備形成の生成物から出ていく。前述の予備形成した触媒の減圧は、例えば高圧分離器、例えば、それ自体当業者に公知の高圧分離器を用いて行われ得る。液体が連続相であるこのような分離器は、例えばPerry's Chemical Engineers' Handbook、1997年、第7版、McGraw-Hill、14.95頁及び14.96頁に記載されており、起こり得る落下飛沫同伴の防止は、14.87〜14.90頁に記載されている。予備形成した触媒の減圧は、1bar〜約5barの範囲内の所望の圧力が達成されるまで、1段階で行っても、2段階で行ってもよく、温度は典型的には10℃〜40℃に低下する。過剰な一酸化炭素の分離は、代替的には気体による、有利には反応条件下で不活性な気体による、触媒/触媒を含む反応混合物のいわゆるストリッピングによって行われ得る。ストリッピングという用語は、例えば、W. R. A. Vauck、H. A. Muller、Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik [Basic Operations in Chemical Process Technology]、Deutscher Verlag fur Grundstoffchemie Leipzig、Stuttgart、第10版、1984年、800頁に記載されているもののように、触媒/触媒を含む反応混合物への気体の導入を意味すると、当業者に理解される。これのために好適な不活性気体の例としては、水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、窒素、及び/又はCO2、好ましくは水素、窒素、アルゴンが挙げられる。
一酸化炭素を反応系に供給する場合、供給は種々の方式で行われ得る。したがって、例えば、一酸化炭素を、不斉水素化に用いる水素と混和させてもよく、そうでなければ気体状形態で反応溶液中に直接計量供給してもよい。一酸化炭素は、好ましくは、不斉水素化に用いる水素と混和される。
不斉水素化は好ましくは、50〜3000ppmの範囲内、特に100〜2000ppmの範囲内、とりわけ200〜1000ppmの範囲内、及び非常にとりわけ400〜800ppmの範囲内の一酸化炭素含有量を有する水素によって、行われる。
水素化生成物は、それ自体当業者に公知の方法、例えば、蒸留及び/又はフラッシュ蒸発によって、水素化混合物から分離され得るが、残留する触媒はさらなる変換の文脈において利用される。好ましい実施形態の文脈では、溶媒の追加を避けて、変換する基質/生成物中、及び任意選択で、溶解媒体としての高沸点副生成物中で、説明した変換を行うことが有利である。特別好ましいのは、本発明によって安定化された均一系触媒の再使用/再生利用による、連続反応モードである。
好ましい実施形態では、プロキラルα,β-不飽和カルボニル化合物が水素化される。プロキラルα,β-不飽和カルボニル化合物は、オレフィン性二重結合における付加反応によって、キラリティ中心を形成することができる。この目的のため、二重結合は4種の異なる置換基を有する。プロキラルα,β-不飽和カルボニル化合物は、好ましくは一般式(V)
R1、R2は互いに別個であり、それぞれ、飽和しているか、又は1つ以上の非共役エチレン性二重結合を含み、且つ非置換であるか、又はOR4、NR5aR5b、ハロゲン、C6〜C10アリール、及び5〜10個の環原子を有するヘタリールから選択される1つ以上の同一の若しくは異なる置換基を有する、1〜25個の炭素原子を有する非分枝状、分枝状、又は環式の炭化水素基を表し、
R3は、水素を表すか、又は飽和しているか、若しくは1つ以上の非共役エチレン性二重結合を含み、且つ非置換であるか、若しくはOR4、NR5aR5b、ハロゲン、C6〜C10アリール、及び5〜10個の環原子を有するヘタリールから選択される1つ以上の同一の若しくは異なる置換基を有する、1〜25個の炭素原子を有する非分枝状、分枝状、若しくは環式の炭化水素基を表し、
あるいは
R3はR1及びR2基のいずれかと一緒になって、3〜25員アルキレン基を表してもよく、1、2、3又は4つの非隣接CH2基は、O又はN-R5cによって置き換えられていてもよく、アルキレン基は飽和しているか、又は1つ以上の非共役エチレン性二重結合を含み、且つアルキレン基は非置換であるか、又はOR4、NR5aR5b、ハロゲン、C1〜C4アルキル、C6〜C10アリール、及び5〜10個の環原子を有するヘタリールから選択される1つ以上の同一の若しくは異なる置換基を有し、2つの置換基同士が一緒になって、2〜10員アルキレン基を表してもよく、2〜10員アルキレン基は飽和しているか、又は1つ以上の非共役エチレン性二重結合を含み、且つ2〜10員アルキレン基は非置換であるか、又はOR4、NR5aR5b、ハロゲン、C6〜C10アリール、及び5〜10個の環原子を有するヘタリールから選択される1つ以上の同一の若しくは異なる置換基を有し、
ここで、
R4は水素、C1〜C6アルキル、C6〜C10アリール、C6〜C14アリール-C1〜C10アルキル、又はC1〜C10アルキル-C6〜C14アリールを表し、
R5a、R5bはそれぞれ互いに独立して、水素、C1〜C6アルキル、C6〜C10アリール、C6〜C14アリール-C1〜C10アルキル、若しくはC1〜C10アルキル-C6〜C14アリールを表し、又は
R5a及びR5bが一緒になって、N若しくはOに割り込まれていてもよい、2〜5個の炭素原子を有するアルキレン鎖を表してもよく、
R5cは水素、C1〜C6アルキル、C6〜C10アリール、C6〜C14アリール-C1〜C10アルキル、又はC1〜C10アルキル-C6〜C14アリールを表す]
の化合物から選択される。
好ましい実施形態では、プロキラルα,β-不飽和カルボニル化合物は、一般式(Va)及び(Vb)
R1、R2はそれぞれ、飽和しているか、又は1、2、3、4若しくは5つの非共役エチレン性二重結合を含み、2〜25個の炭素原子を有する、非分枝状又は分枝状炭化水素基を表す]
の化合物から選択される。
特に好ましい実施形態は、式(VI)
の光学活性シトロネラールを製造する方法であって、
式(Va-1)のゲラニアール若しくは式(Vb-1)のネラール、
このようにして得られる式(VI)の光学活性シトロネラールは環化に供されて光学活性イソプレゴールを生成し、光学活性イソプレゴールは水素化されて光学活性メントールを生成し得る。
本発明は、気/液二相高圧反応を行うのに好適な反応器の反応体積を適合させる方法であって、内部要素が、底部が開いた空洞が形成されるように配置される、方法をさらに提供する。
好ましい実施形態では、この内部要素は、これに関して記載した実施形態を含めて、上に記載した第3の内部要素に従った内部要素である。
添付の図面によって、本発明をより詳細に説明する。
図1
図1は、本発明による方法を行うのに好適な反応器の概略図である。
図1は、本発明による方法を行うのに好適な反応器の概略図である。
反応器は、逆混合ゾーン101、逆混合が内部トレイによって制限される制限された逆混合のゾーン102、気体空間103、及び空洞104を含む。噴射ノズル(図示せず)は、導管105から逆混合ゾーン101に、気体及び液体を供給するために用いられる。
逆混合ゾーン101は気体排出口106を有し、これを通じて未変換気体が放出される。液体は、逆混合ゾーン101から、液体流路(図示せず)を経由して、制限された逆混合のゾーン102に上昇する。反応生成物は、反応生成物排出口107を介して放出される。
図2
図2は、本発明による方法を行うのに好適な反応器の概略図である。
図2は、本発明による方法を行うのに好適な反応器の概略図である。
反応器は、逆混合ゾーン201、逆混合が内部トレイによって制限される制限された逆混合のゾーン202、気体空間203、及び空洞204を含む。噴射ノズル(図示せず)は、導管205から逆混合ゾーン201に、気体及び液体を供給するために用いられる。
逆混合ゾーン201は気体排出口206を有し、これを通じて未変換気体が放出される。液体は、逆混合ゾーン201から制限された逆混合のゾーン202へ、下端が液体の水位よりも下に配置されたライザー管207を経由して上昇する。反応生成物は、反応生成物排出口108を介して放出される。反応器は、気体がライザー管207に入ることを実質的に阻止する、偏向堰209を含む。
Claims (14)
- 連続気/液二相高圧反応を行う方法であって、気体及び液体が反応器の逆混合ゾーンに導入され、逆混合ゾーンにおいて、撹拌、気体の噴射、及び/又は液体ジェットによって、気体が液体中に分散され、反応混合物が逆混合ゾーン及び制限された逆混合のゾーンを連続的に横断し、液体反応生成物が、制限された逆混合のゾーンの反応生成物排出口において引き出され、反応器が、
・円筒状の鉛直に配向された細長いシェル、底部、及びキャップによって形成されている内部であり、内部構造物によって、逆混合ゾーン、制限された逆混合のゾーン、及び空洞に分割されている、内部、
・内部において、反応器の長手方向に伸びており、逆混合ゾーンから制限された逆混合のゾーンを区切る、第1の円筒状内部要素、
・制限された逆混合のゾーンに配置されている、不規則充填物、構造化充填物、又は液体透過性トレイの形態である、逆混合を阻止する第2の内部要素、並びに
・内部において、反応器の長手方向に伸びており、底部が開いている、第3の内部要素であり、中に気泡が集まり且つ上に出ていかない空洞を形成し、したがって、空洞の体積が液体によって占有されることを阻止し、反応体積を低減させる、第3の内部要素
を含む、方法。 - 気体が二流体ノズルを介して噴射される、請求項1に記載の方法。
- 第3の内部要素が流体排出口を有し、空洞内の気体体積が流体排出口によって調節され得る、請求項1又は2に記載の方法。
- 逆混合ゾーンと制限された逆混合のゾーンとの体積比が、0.25:1〜4:1の範囲内である、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 逆混合ゾーンと空洞との体積比が、0.5:1〜10:1の範囲内である、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 制限された逆混合のゾーンが円形の水平断面を有するように、第1の内部要素がシェルに対して同心円状に配置される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 反応器が少なくとも1つの第4の内部要素を含み、第4の内部要素が、気体空間内に配置され、発泡媒体の合体を促進する表面を有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 反応器がライザー管を含み、ライザー管の下端が逆混合ゾーン内に配置され、ライザー管の上端が制限された逆混合のゾーン内に開かれており、逆混合ゾーンからの液体が、ライザー管を経由して、制限された逆混合のゾーン内に上昇することができる、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも1つのCO配位子を含む均一系ロジウム水素化触媒を予備形成するための方法であり、液体が溶存CO不足ロジウム水素化触媒を含み、気体が水素及び一酸化炭素を含み、CO不足ロジウム水素化触媒と気体との反応が、水素化に活性なロジウム水素化触媒を生成する、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- CO不足ロジウム水素化触媒が、少なくとも1つのキラル配位子、特にキラホスを含む、請求項9に記載の方法。
- 液体が、式(IV)
R1、R2は同一であるか、又は異なり、且つ非置換であるか、又はメチル及びメトキシから選択される1、2若しくは3つの置換基を有するフェニルを表し、ここでR1及びR2はそれぞれ、とりわけ非置換フェニルを表し、
R3はC1〜C4アルキル、とりわけメチルを表し、
R4は、P(=O)R4aR4b基を有するC1〜C4アルキル、とりわけCH2-P(=O)R4aR4b又はCH(CH3)-P(=O)R4aR4b基を表し、
ここで、
R4a、R4bは同一であるか、又は異なり、且つ非置換であるか、又はメチル及びメトキシから選択される1、2若しくは3つの置換基を有するフェニルを表し、特に好ましくは、R4a及びR4bはそれぞれ、非置換フェニルを表す]
の化合物を含む、請求項9又は10に記載の方法。 - 予備形成の反応生成物が、水素化される基質とともに不斉水素化反応に供給されて水素化反応混合物を生成し、水素化生成物が水素化反応混合物から分離されて、CO不足ロジウム水素化触媒を含む残留物をもたらし、CO不足ロジウム水素化触媒を含む残留物が予備形成に返送される、請求項9から11のいずれか一項に記載の方法。
- 光学活性メントールを製造する方法であって、請求項14に記載の方法によって、式(VI)
の光学活性シトロネラールが製造され、水素化反応が、式(Va-1)のゲラニアール若しくは式(Vb-1)のネラール、
式(VI)の光学活性シトロネラールが環化に供されて光学活性イソプレゴールを生成し、光学活性イソプレゴールが水素化されて光学活性メントールを生成する、方法。 - 液体反応生成物のための排出口を有する、気/液二相高圧反応を行うのに好適な反応器の反応体積を適合させる方法であって、内部要素が、底部が開いており、中に気泡が集まり、且つ上に出ていかない空洞を形成し、したがって、空洞の体積が液体によって占有されることを阻止し、反応体積を低減させるように配置される、方法。
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