JP2022533041A - ラニーコバルト触媒によるアルデヒドからジオールを連続的に製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、Ｃ３－Ｃ９アルデヒドからＣ４－Ｃ１０ジオールを連続的に製造する方法に関し、以下の工程を含む：ａ．Ｃ３－Ｃ９アルデヒドへのホルムアルデヒドの塩基触媒付加によって、対応するヒドロキシアルデヒドを生成する工程、およびｂ．続いて、ヒドロキシアルデヒドの対応するジオールへの水素化の工程、ここで、工程ａ）からの反応混合物を再処理することなく、水素存在下においてＲａｎｅｙ（商標）コバルト触媒上で液相においてヒドロキシアルデヒドの水素化を連続的に行うことを特徴とする。

Description

本発明は、Ｃ３－Ｃ９アルデヒドからＣ４－Ｃ１０ジオールを連続的に製造する方法に関し、以下の工程を含む：ａ）Ｃ３－Ｃ９アルデヒドへのホルムアルデヒドの塩基触媒付加により対応するヒドロキシアルデヒドを得る工程、およびｂ）ヒドロキシアルデヒドのその後の水素化により対応するジオールを得る工程、ここで、工程ａからの反応混合物を作用させずに水素の存在下でＲａｎｅｙ（登録商標）コバルト触媒上で液相において、ヒドロキシアルデヒドの水素化が連続的に行われる。

産業規模での有機分子の標的機能化は、今日の化学産業にとって依然として大きな課題である。これは、大規模な技術環境で原則的に知られている反応機構の使用に加えて、他のプロセスパラメータにも複雑な依存性があり、それが最終的に使用する本方法の経済効率と競争力を決定するという事実による。産業現場では、変換率や選択性などの基本的なパラメータに加えて、エネルギー、安全性、環境、工程の時間などの側面も重要な役割を果たしている。これらの相互依存関係は、実験室における有望な合成経路であっても、大規模な連続条件下においては非経済的であり、先験的にはあまり好ましくない境界条件にもかかわらず、代替の解決法がより良い選択を表すことを意味し得る。

ポリエステルまたはポリウレタン、合成樹脂塗料、潤滑剤および可塑剤の合成のための縮合成分として、多価アルコールまたはポリオールは経済的にかなり重要である。このクラスの重要な代表はネオペンチルグリコール（ＮＰＧ，２，２－ジメチルプロパンジオール－（１，３））であり、ホルムアルデヒドとイソブタナールとの混合アルドール付加を経て工業規模で得ることができる。アルドール付加の場合には、最初にヒドロキシアルデヒドが生成し、これは通常、別々の過程段階で単離され、多価アルコールに還元される必要がある。

アルデヒドのアルコールへの変換については、水素の存在下で金属触媒による変換を示唆する多数の工程が科学文献および特許文献に引用されている。特定の官能基の実施の共通性を除いて、手順はかなり異なる。バッチ式と連続式、気相反応と液相反応、単離したアルデヒドの水素化、あるいは他の物質の存在下でのより複雑な反応環境での変換があげられる。これらの方法の違いは、特定のプロセスパスの関数として、他の大規模技術における境界条件が各々のケースで有利であることが証明されている。

したがって、例えば、ＷＯ２０１４／０６７６０２Ａ１には、触媒として第三級アルキルアミンの存在下でイソブタナールおよびホルムアルデヒドを加えて、ヒドロキシピバルアルデヒドを得て、その後、バリウムおよびマンガンをドープした亜クロム酸銅触媒上で、１２５～１８０℃までの温度および３０～１２０ｋＰａの正圧の気相水素化することにより、ネオペンチルグリコールを製造する連続工程が記載されている。

液相における別の可能性は、例えばＷＯ２０１４／０６７６００Ａ１に開示されている。本特許文書には、触媒として第三級アルキルアミンの存在下でイソブタナールおよびホルムアルデヒドを加えてヒドロキシピバルアルデヒドを得て、その後、バリウムおよびマンガンをドープした亜クロム酸銅触媒上において、８０～２２０℃の温度および２～１８ＭＰａの圧力で液相水素化添加することにより、ネオペンチルグリコール製造する連続工程が記載されている。

液相における別の方法が開示されており、例えば、ＷＯ２０１０／０００３３２Ａ１において、の触媒としての第三アルキルアミンの存在下でのイソブタナールおよびホルムアルデヒドの添加しヒドロキシピバルアルデヒドを得て、その後、８０～１８０℃、６～１８ＭＰａの圧力においてニッケル触媒上で液相水素化することによってネオペンチルグリコール製造する工程に関する。

アルコールを得る方法のもう一つの変形は、ＷＯ９５／３２１７１に示されている。本文書は、マグネシウム、バリウム、亜鉛またはクロムを含む元素の１つまたはそれ以上の存在下または非存在下で、ＳｉＯ２含有支持材料上に銅を含む触媒を用いて、対応するカルボニル化合物を、高温高圧の液相中において触媒的に水素化することにより、アルコールを製造する工程を開示する。

アルデヒドからアルコールを生産するための既知の工程にもかかわらず、高いスループットで非常に効率的に複雑な反応混合物を実行することができる工業工程への関心は依然として高まっている。

ＷＯ２０１４／０６７６０２Ａ１ ＷＯ２０１４／０６７６００Ａ１ ＷＯ２０１０／０００３３２Ａ１ ＷＯ９５／３２１７１

したがって、本発明の目的は、既知の方法の欠点を少なくとも部分的に克服し、アルデヒドのヒドロキシアルデヒドへの連続的変換を可能にし、この反応溶液を再処理することなく、その後のヒドロキシアルデヒドを対応するジオールへ水素化することができる一体型の方法を提供することである。

従って、本発明によれば、請求項１に記載のジオールの２段階合成法が提案される。この方法の有利な更なる進展は、従属請求項に記載されている。それらは、文脈が明らかにその逆を示していない限り、所望に応じて組み合わせることができる。

本発明によれば、Ｃ３－Ｃ９アルデヒドからＣ４－Ｃ１０ジオールを連続的に製造する方法は、以下の工程を含む：
ａ．Ｃ３－Ｃ９アルデヒドへのホルムアルデヒドの塩基触媒付加によって、対応するヒドロキシアルデヒドを生成する工程、および
ｂ．続いて、ヒドロキシアルデヒドの対応するジオールへの水素化の工程、ここで工程ａ）から反応混合物を再処理することなく、水素存在下においてラニーコバルト触媒上で液相においてヒドロキシアルデヒドの水素化を連続的に行う。

ラニー（Ｒａｎｅｙ（商標））コバルト触媒下の複雑な反応環境における水素化段階に基づく上記工程管理は、反応混合物、ひいては全合成経路に対していくつかの予期せぬ利点を有することが分かっている。その利点の一部は以下の通りである：

－ヒドロキシアルデヒドはアルドール化の複雑な反応混合物中で変換できるので、水素化を行う前に反応混合物を複雑でエネルギーを要する集約的な再処理を省略することができる。
－両反応段階の広い工程パラメータ範囲において、高い変換率と選択性を有する安定な工程条件を達成できる。
－高い触媒充填量においても高い変換と選択性が達成される。
－触媒は反応環境において優れた安定性を示し、特に機械的あるいは化学的分解を受けにくい。これにより、長期の耐用期間が保証され、コストのかかる製品からの金属の分離を回避／改善する。
－工程ｂ）の反応混合物中のアルドール化からの望ましくない副生成物、例えばギ酸またはその付加物の含量を低下させることができる。
－工程ａ）の塩基（たとえば、トリ－ｎ－プロピルアミン（ＴＰＡ））は水素化においてわずかな分解しか生じないので、生成物中の厄介な副産物が少なくなり、工程ａ）のアミンの再利用が全体的に改善される。
－水素化は非常に効率的であり、低温域で実行さえ可能であり、それは、全体的に望ましくない副産物の生成を減少させる。

特定された工程条件下で上記の工程を組み合わせることは、高い変換、高い選択性および高いエネルギー効率を導くだけでなく、メンテナンスのコストを上げることなく長期間にわたって安定的に操作できることを保証する。いずれにせよ、これらの利点は、非常に経済的で環境に優しい工程をもたらす。

本発明による工程は、Ｃ３－Ｃ９アルデヒドからＣ４－Ｃ１０ジオールを連続的に生産するための工程である。連続生産とは、時間の関数として、単に１回だけでなく、短時間間隔で連続的に、または頻繁に、反応部位に出発物質を添加する工程管理を意味すると理解される。所定の時間が経過した後に反応部位から完全に取り出されるのではなく、一定の時間間隔または連続して反応部位から取り出される生成物にも該当する。

Ｃ３－Ｃ９アルデヒドは、本方法の反応物質として働く。３～９個の炭素原子と１個のアルデヒド基をもつ脂肪族および芳香族炭化水素（Ｒ－ＣＨＯ）を適切な供給アルデヒドとして用いることができる。可能なアルデヒドは、例えば、プロパナール、ブタナール、ペンタナール、ヘキサナール、ヘプタナール、オクタナールおよびノナナールなどの脂肪族アルデヒドのグループから選択することができる。特にこのかなり低分子量のアルデヒドのこのグループが本発明による反応において一貫して良好な特性を示す。

本発明により使用できるアルデヒドは、対応するＣ４－Ｃ１０ジオールに変換される。このことは、本発明による反応によって、使用されるアルデヒドの炭素構造が少なくとも１つの炭素原子によって長くなり、さらにヒドロキシル基が出発物質に導入され、既存のアルデヒド基がヒドロキシル基に変換されることを意味する。この工程を経て得られるジオールは、例えば、ネオペンチルグリコール、トリメチロールプロパンおよびより高い同族体であることが好ましい。

第１の工程ａ）において、この工程は対応するヒドロキシアルデヒドを得るためのＣ３－Ｃ９アルデヒドへのホルムアルデヒドの塩基触媒付加を含む。次の反応スキームは、イソブタナールの変換を用いる工程ａ）における基本的な変換を示している：

この方法の反応でヒドロキシピバルアルデヒドが中間体として得られる。塩基としては、無機塩基も有機塩基も一般に適している。好ましい無機塩基は、例えば、アルカリおよびアルカリ土類金属の水酸化物である。いくつかのトリアルキルアミン官能基をもつ第三アルキルアミンを有機塩基として用いることができる。例えば、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ－ｎ－プロピルアミン、トリ－イソ－プロピルアミン、メチルジエチルアミン、または、メチル－ジイソプロピルアミン、トリ－ｎ－ブチルアミン、ジメチル－ｔｅｒｔ－ブチルアミンまたはＮ、Ｎ’－テトラメチルエチレンジアミンの存在下でこの工程は行われる。

アルデヒドは工程ａ）においてモル比でホルムアルデヒドと反応させることができるが、２つの反応物のうちの１つを過剰に用いることも可能である。ホルムアルデヒドは水溶液として用いることができる。ホルムアルデヒド量は通常２０～５０質量％である。本発明による工程で使用される触媒は、ホルムアルデヒドに対して驚くほど高い耐性を有することが分かっている。したがって、アルドール添加段階においてはは、ホルムアルデヒドのアルデヒドに対するモル比を１：１、一般に１．２：１まで、好ましくは１．１：１まで設定することができる。

アルデヒドとホルムアルデヒドの反応は２０～１１０℃で実施されることができる。８０～９５℃で実施するが有利である。一般に、反応は通常の圧力で行われるが、圧力を上げることもできる。触媒として用いられる塩基は、アルデヒドに基づき、１～２０、好ましくは２～１２ｍｏｌ％の量を反応混合物中に含むことができる。

ホルムアルデヒド水溶液からの水と、ホルムアルデヒド水溶液にも含まれることのできる少量のメタノールに加えて、イソブタノールを希釈液として反応混合物に加えることもできる。イソブタノールの添加は必須ではないが、イソブタノールを加えた場合、反応混合物中のその含量は、全有機含量反応混合物に基づき、１５～３０質量％、好ましくは１５～２５質量％の範囲にある。他の溶剤や希釈剤は不要である。-

付加反応は、実際には、例えば、撹拌槽内、撹拌槽カスケード内、または反応物のより良い混合のためにパッキング要素または他の内部を装填することができる反応管内で行われる。この反応は発熱性で、加熱することで促進させることができる。-

アルドール付加後に得られた粗混合物は、その構成成分への事前の分離または個々の成分の分離なしに、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒の存在下で触媒的に水素化される。

工程ｂ）では、ヒドロキシアルデヒドが水素化され、対応するジオールが得られる。工程ａ）の下に示された例示的な実施を継続すると、例えば、工程ｂ）における以下のように実施される：

この変換では、ネオペンチルグリコールが反応生成物として得られ、これは通常の精製段階および工程によって複雑な反応混合物から単離することができる。製造可能な他の好ましいジオールは、例えば、ネオペンチルグリコール、トリメチロールプロパンまたはより近い類似体である。

工程ｂ）におけるヒドロキシアルデヒドの水素化は、工程ａ）から反応混合物を再処理することなしに行われる。これは、反応工程ａ）から得られたものと本質的に同じ反応混合物上で水素化が行われることを意味する。１つまたは複数の成分がさらなる処理操作によって、完全にまたは部分的に取り除かれる場合には、このような変換は同一の反応混合物では実質的に行われず、したがって、再処理なしには行われない。これは、例えば、蒸留のような従来の化学的分離操作によって行うことができる。反応溶液は、例えば、工程ａ）の終了時と工程ｂ）の開始時との間に含まれる成分の濃度が５モル％未満、好ましくは２．５モル％未満、さらに好ましくは成分当たり１．５モル％未満である場合には、後処理なしで使用される。反応液は、たとえば圧力や温度の変化など、意識的な外部からの介入なしに溶液中の濃度の変化があれば、実質的に再処理を行わずに使用される。---

工程ｂ）、すなわち、水素化は、液相で連続的に起こり、例えば、下降流モードまたは上昇流モードに従って、または、懸濁液の水素化によって、行われる。これは、特に純粋な気相反応中において水素化が起こらないことを意味する。アルデヒド基のアルコール基への変換は、例えば、気体状水素を用いて行うことができ、これは反応条件下で液体であるさらなる出発物質の反応混合物を通過する。水素化は、少なくとも１つの反応物を連続的に供給し、反応空間から少なくとも１つの生成物を連続的に除去することで行われる。

アルドール化生成物と混和可能な脂肪族アルコールの存在下で水素化が行われることが好ましい。脂肪族アルコールとして、１～５個の炭素原子を有する直鎖状または分枝状のアルコール、例えばメタノール、エタノール、ｎ－プロパノール、イソプロパノール、ｎ－ブタノール、イソブタノール、ネオペンチルグリコールまたはそれらの混合物が、適切なであることがすでに示されている。イソブタノールは、イソブタナールの残留量がイソブタノールに水素化されるため、特に有利に使用される。アルドール添加段階で既にイソブタノールが希釈剤として使用されている場合は、水素化段階ですでに溶媒が存在している。ホルムアルデヒド水溶液を介して導入される少量のメタノールも存在する。本発明のこの実施形態において、有機溶媒または希釈剤としての脂肪族アルコールの割合は、供給混合物中の有機比率に基づき、１５～２７質量％、好ましくは１５～２３質量％とすることができる。希釈剤または溶媒の添加により、ヒドロキシピバルアルデヒドの水素化段階中の液相における好ましい溶解性が保証され、ヒドロキシピバルアルデヒドの沈殿が防止され、液相の均一性が保証される。アルコール含有量が多すぎると、反応器の容積が不必要に占有される。

工程ｂ）は、本発明に従い、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒上で行う。Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒は、通常、金属合金粉末をアルカリで処理することによって製造され、金属合金の組成は、質量に基づいて、約２０％～約６０％のコバルトと、任意に、鉄、ニッケル、クロム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、白金、パラジウムなどのさらなる金属およびこのグループの金属の混合物を含む。合金組成の残りは金属であり、アルカリに可溶である。アルカリ可溶性金属として、アルミニウム、亜鉛、マグネシウムおよびケイ素が含まれる。好ましいアルカリ可溶性金属としてはアルミニウムである。触媒の製造の元となる合金は、合金インゴットを製造するための従来の治金工程によって製造することができる。所望の粉末形態の合金を得るために、インゴット部分を粉砕して研磨される。合金粉末をアルカリ水溶液、望ましくは水酸化ナトリウムで処理することにより、活性触媒に変換する。この水溶液により、アルミニウムまたは他のアルカリ可溶性金属の大部分を洗い流し、活性Ｒａｎｅｙ（商標）金属触媒が得られる。乾燥ベースでの活性触媒のコバルト含量は、約２５％～約８０％であり得る。触媒組成の残りは、プロモーターとしての他の金属の存在と洗い出し過程の完全性の関数である。一般に、少量のアルカリ可溶性金属、例えばアルミニウムも触媒中に残る。アルカリ可溶性金属残基は酸化物として存在することがある。

コバルト水素化触媒は、一般的に、触媒活性のある主金属に加えて、元素の周期表の第Ｉｂ、第ＩＩｂ、第ＩＶｂ、第ＶＩｂ、第ＶＩＩｂおよび第ＶＩＩＩ族の元素から選択されるドーパント金属、ならびに特にＲａｎｅｙ（商標）金属に存在するアルミニウムを含むことができる。

粗ヒドロキシピバルデヒドの水素化は、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒の存在下において液相中で６０～２２０℃、好ましくは６０～１８０℃、特に７０～１６０℃の温度で行うことができる。工程ａ）からの反応混合物の温度も同様に好ましい範囲にあり得るので、６０～１４０℃の温度が好ましい。後者は、本方法におけるコストのかかる複雑なさらなる温度制御を回避することができる。反応圧力は２～１５０ＭＰａ、好ましくは６０～１２０ＭＰａである。７０～１６０℃の反応温度と６０～１２０ＭＰａの反応圧力が特に有用であることが証明されている。反応圧力が低いと、ヒドロキシピバルアルデヒドの適切な水素化が観察されない。

連続固定床モードでは、触媒容量および時間あたりの処理量で表される触媒充填量Ｖ／Ｖｈが０．２～４．０ｈ^－１（時間^－１）、望ましくは０．３～１．５ｈ^－１（時間^－１）であることが有利であることが分かっている。

水素化は、固定された触媒上で管状反応器内の液相で連続的に行われることが好ましい。管状反応器はまた、平行に密接に連結された複数のチューブの束として理解されるべきである。使用される管状反応器は、同様にランダムなパッキング要素または内部構造、例えば、ラッシグリング、サドル、バフルリング、フィルタープレートまたはカラムトレイ、および任意に撹拌装置または反応熱を除去するための装置を含むこともできる。特に好ましい実施形態では、ヒドロキシピバルアルデヒドの水素化は、固定床上の管状反応器中で起こるが、内部構造がなく、撹拌装置がない。-

本方法の好ましい実施形態において、Ｒａｎｅｙコバルト触媒は固定床の形態であり得る。固定床反応器は、１つまたは複数の流体および／または気体が固体ダンプド床または充填物を流れる反応器の形状であると理解される。特に、固定床としての触媒の使用は、本発明による工程において特に有利であることが証明されている。固定ダンプド床は個々の触媒粒子に対する過剰な機械的ストレスを防止し、より大きな水素交換表面に寄与し得る。これにより、高い変換率、不要な金属トレースによる最終製品の汚染が少なくなることに寄与することができる。

工程ｂ）の水素化は水素の存在下で行われる。水素化は純水素を用いて行うことが望ましい。しかし、遊離水素を含む混合物や、水素化条件下で不活性な成分を用いることも可能である。水素化は反応容器に水素圧を封入にして行うのが有利であり、ここで水素圧は一般に０．１～２００ＭＰａである。水素ガスは、当業者に知られている技術的手段によって、適用または導入することができ、液体反応混合物中に水素を通すことが有利である。

本方法のさらなる実施態様において、工程ａ）において、イソブタナールを水性ホルムアルデヒド溶液と反応させてヒドロキシピバルデヒドを得て、工程ｂ）においてヒドロキシピバルデヒドを水素化してネオペンチルグリコールに得ることができる。驚くべきことに、特に上述の反応は、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒を用いる本発明による方法で特に効率的に実施できることが見いだされた。非常に高い処理能力であっても、高い変換と高い選択性を達成することができ、それによって理論に束縛されることなく、これは部分的にはＲａｎｅｙ（商標）コバルト触媒上の出発物質の好ましい配向と工程ａ）の化学反応環境への好ましい配向に起因する。

好ましい本方法の変形においては、工程ａ）における塩基は、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ－ｎ－プロピルアミンまたはトリ－ｎ－ブチルアミン、またはその少なくとも２つの成分の混合物からなる群から選択することができる。特に、有機塩基を触媒として用いることは、可能な限り有効な第一工程ａ）を得ることに寄与できるだけではない。また、上記の第三級アミンの存在下でこれをＲａｎｅｙ（商標）コバルト触媒上で行うならば、工程ｂ）に有利であることが見いだされている。これらの塩基は水素化に悪影響を及ぼさず、選択した触媒系によって、適切な収率で変換されないので、それらは再処理の後に工程ａ）にリサイクルすることができる。

さらなる利点しては、塩基を熱的に分離する場合、エネルギーの投入により、より高沸点物質（特に、ヒドロキシピバル酸ネオペンチルグリコールエステル、ＨＰＮ）の形成が増加し、穏和な水素化条件下では、ごく一部の割合でしか価値のある生成物に開裂できない。

本方法のさらなる実施態様の中で、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒は、クロム、モリブデン、鉄、ニッケル、銅、ルテニウム、パラジウム、白金、マンガン、ロジウムまたはその少なくとも２つの成分の混合物からなる群より選択される金属をさらに含むことができる。純粋なＲａｎｅｙ（商標）コバルト触媒上での変換に加えて、コバルトを成分とするＲａｎｅｙ（商標）合金に加えて、他の金属も触媒中に存在することが変換および工程安定性の点で有益であることが証明されている。これにより触媒の耐用期間を延ばし、幅広い工程パラメータにわたって安定した工程制御を可能にすることができる。

本方法の好ましい実施形態内では、ラニーコバルト触媒は、コバルトに加えて、０．０５％以上１０％以下の質量パーセントで金属クロムおよびニッケルも含むことができる。連続工程では、特にクロムとニッケルの添加は、触媒充填量が高くても効率的な進行に寄与することができる。より大量の反応物を単位時間当たりに変換することができるので、本方法の経済的効果を高めることができる。

追加の工程変形例においては、工程ｂ）における水素化は、７０℃以上、１６０℃以下の温度で行うことができる。選ばれた手順と選ばれた触媒系は、広い温度範囲において、望ましくない副産物の割合がわずかである安定した変換の達成に寄与できる。これは、かなり中程度かそれより低い温度域でも、高い変換で可能だからであり驚くべきことである。この結果、非常に経済的な変換が可能となり、最終産物の精製い必要なコストや複雑性が低く抑えられることも特徴である。工程ｂ）における温度は、９５℃以上１４５℃以下が好ましい。

本方法のさらなる好ましい実施形態では、工程ｂ）における触媒充填量ＬＨＳＶ（液体時空間速度）は、０．３ｈ^－１以上、１．５ｈ^－１以下とすることができる。工程ａ）の構成要素から成る非常に複雑な反応混合物の存在にもかかわらず、ここで用いた触媒系は、高変換率および高選択率の領域を残したまま、触媒床の容積当たりの出発物質の容積流量として定義される空間速度の形で与えられる高い触媒充填量を達成することができる。これは、連続工程に特に有利であり、本方法の経済性およびエネルギー効率の改善に寄与することができる。

本方法の好ましい実施態様において、工程ｂ）における塩基の濃度は、３質量％以上１５質量％以下とすることができる。使用したＲａｎｅｙ（商標）コバルト触媒系は工程ａ）で使用する塩基に対する耐性が高いため、事前分離を行わず、塩基濃度が高い場合であっても、工程ｂ）では非常に効率的な水素化が行えることが示されている。高い充填量の下でも触媒は漏出しないので、最終産物中の望ましくない金属負荷を避けられる。全体として、工程ａ）で使用される塩基触媒充填量は工程ｂ）の条件から効果的に切り離すことができるため、全体的なプロセスがより効率的になる。

本方法の好ましい実施態様において、工程ｂ）における水素対ヒドロキシアルデヒドのモル比は、１：１以上、１００：１以下とすることができる。上記のモル水素：出発物質比は、可能な限り高い空間速度を得るために特に有利であることが証明されている。Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒システムによって提供される動力学は、比較的大量の水素を供給することを可能にし、一方、望ましくない副産物の割合は非常に低く抑えることができる。このようにして、非常に短期間で全体的に大量の製品を得ることができるようになる。

本方法の好ましい実施形態では、工程ｂ）における圧力は６０ＭＰａ以上、および１２０ＭＰａ以下とすることができる。工程ｂ）に存在する複雑な反応混合物にもかかわらず、比較的高い圧力で水素化を行うことが有利であることが分かっている。これは、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒系に対する水素化の動力学に正の影響を及ぼし、全体としてプラント利用率の改善に寄与し得る。特に高い変換と選択性は、好ましくは、８０ＭＰａ以上、１００ＭＰａ以下の間でも得られる。

本方法のさらなる好ましい実施態様において、工程ｂ）の開始時のヒドロキシアルデヒド含量は、１５質量％以上８５質量％以下とすることができる。本発明による方法により、ヒドロキシアルデヒドの割合が高い複雑な生成物混合物であっても、安全に変換でき、副生成物の過剰な割合を回避しつつ製造することができる。ヒドロキシアルデヒド含量は、例えばＨＰＬＣ法またはガスクロマトグラフィーを用いて測定することができる。さらに、含量は、好ましくは、質量により２５質量％以上、７０質量％以下とすることができる。

本方法のさらなる代替において、工程ｂ）における液相は、５質量％以上７０質量％以下の水分含有量を有することができる。本発明による方法はまた、比較的大量の水に関して特に堅牢であることが証明されている。したがって、これらの量の水はＲａｎｅｙ（商標）コバルト触媒の失活につながらない。さらに、これらの量の水は、望ましくない副生成物をより少ない量とすることができるという事実にさらに寄与し得る。

本方法の別の代替法では、工程ｂ）における反応液はエステルを含むことができるが、工程ｂ）の開始時のエステル含有量は０質量％以上であり、２０質量％以下である。ここで用いたＲａｎｅｙ（商標）コバルト触媒の主な利点は、第１工程からの望ましくない副産物であっても、第２工程で所望する生成物に変換することができることである。このように、本発明による２段階工程は、大量の副産物の存在に対して安定であるだけでなく、これらの副産物を標的化された様式で価値のある産物に変換することにより、収率の有意な増加に寄与することもできる。エステルは一般にエステル基をもつ有機物質である。これらのエステルには、例えば、ヒドロキシアルデヒドとそれ自身または他のアルデヒドとのＴｉｓｈｃｈｅｎｋｏ（ティシェンコ）反応によって形成されるＴｉｓｈｃｈｅｎｋｏエステルが含まれ得る。これらの化合物の例としては、ネオペンチルグリコールモノイソブチレートおよびヒドロキシピバル酸ネオペンチルグリコールエステル（ＨＰＮ）である。

本方法のさらなる好ましい実施態様において、工程ｂ）における反応液は、ギ酸、その塩および／またはギ酸－アミン付加物を含むことができ、工程ｂ）の開始時の含量は０質量％以上３質量％以下である。また、有利なことに、本発明により使用されるＲａｎｅｙ（商標）コバルト触媒による本発明の手順は、高レベルのギ酸負荷に対しても極めて耐性があることが分かっている。触媒性能は高い充填量による悪影響を受けず、また、高触媒充填量下や低温下でも工程ｂ）でギ酸が定量的に変換されることも示されている。特に後者は、望ましくない副産物であるＮＰＧモノギ酸を大量に回避するのに役立つ。

好ましい実施形態では、アルデヒドはＣ３－Ｃ７アルデヒドの群から選択することができ、さらに好ましくはＣ３－Ｃ５アルデヒドの群から選択することができる。正確には、炭素数の低いアルデヒドであり、これは、反応物の高い充填量の下で、本発明に従った方法の文脈において、特に効率的に変換することができる。

例
方法
ＨＰＡ、ＮＰＧ、ＮＰＧモノイソブチレート、酸（ヒドロキシピバリン酸、イソ酪酸）、及びＴｉｓｈｃｈｅｎｋｏエステルなどの有機物質の濃度をＧＣ－ＦＩＤを介して行った。ギ酸濃度はＧＣ－ＦＩＤを介してＮ，Ｏ－ビス（トリメチルシリル）トリフルオロアセトアミド（ＢＳＴＦＡ）で誘導体化した後に測定した。濃度の決定方法はＤＩＮ ５１４０５に基づいた。

アミン化合物、例えばＴＰＡ分解産物、内部標準としてトリブチルアミンを用いて、ジ－ｎ－プロピルアミンおよびメチル－ジ－ｎ－プロピルアミンの濃度をＤＩＮ ５１４０５に基づくＧＣ－ＰＮＤを用いて測定した。

金属成分はＤＩＮ ５１４０５に基づくＩＣＰ－ＯＥＳ／ＩＣＰ－ＭＳを用いて測定した。

触媒
比較試験のため、合計４種類の触媒を試験した。これらは、バルク密度が約０．８～１．０ｇ／ｃｍ^３のＫｉｅｓｅｌｇｕｈ（キエセルグール）担持ニッケル触媒と、バルク密度が１．６～１．９ｇ／ｃｍ^３の３種類のＲａｎｅｙ（商標）触媒である。

Ｉ．バッチ実験
工程ａ）：「粗」ＨＰＡ混合物の製造
対応するヒドロキシアルデヒドを得るためにアルデヒドへのホルムアルデヒドの塩基触媒付加を行う工程ａ）は、イソブタナールを４９％ホルマリン水溶液およびイソブタノール中に３０質量％のトリ－ｎ－プロピルアミンを含む触媒溶液と反応させることによって行われた。反応は、それぞれ０．５５リットルの容積を持つ２つの撹拌槽からなる連続撹拌槽カスケードで行うのが有利である。供給流はイソブタナール０．４４８ｌ／ｈ、４９％ホルマリン溶液０．２６０ｌ／ｈ、触媒溶液０．１７２ｌ／ｈである。温度は第１の反応器で約９７℃、第２の反応器で１０３℃である。供給流はポンプによって連続的に搬送される。第一の反応器は、主として混合および反応開始に使用される。第２の反応器においては、反応混合物は所望の変換度まで反応し続ける。

反応混合物の典型的な組成は次のとおりである（報告量は、ＧＣ－Ｆｌ％（無水）および水に対する質量％のデータ）：

工程ｂ）：バッチ水素化実験
触媒１０ｇをステンレス鋼のバスケットに入れ、次に工程ａ）から得た粗ＨＰＡ溶液６００ｍｌを加えたオートクレーブに入れ、再処理なしにそのまま使用した。オートクレーブを８０ｋＰａの水素ガスで加圧し、１２５℃に加熱し、１２時間まで反応させた。得られた反応混合物をＧＣにより分析した。

バッチ試験によって、Ｒａｎｅｙ（商標）触媒が同等の定量的活性をもたらし、したがって中間体から所望のＮＰＧ標的産物への変換率も同等であることがわかった。変換は、担持されたニッケル触媒系と比較して有意に高い変換をもたらす。バッチ実験においては、滞留時間が長いために二次成分の生成が非常に多く、そのため、投入されたＨＰＡの含有量に比べて少量のＮＰＧしか得られませんでした。したがって、この値は初期の指標にすぎない。

ＩＩ．連続製造
連続水素化は触媒容量６００ｍｌの固定床反応器を用いて行った。水素化反応器は、内径３２ｍｍのチューブ（管）からなり、そこから出発物質（工程ａからの反応混合物）と水素が流れる。このチューブはオイルサーモスタットによってジャケット加熱され、中央には温度測定用の多点熱電対が設置されている。それぞれのケースで報告された温度は、反応器の高さにわたる温度プロファイルの最大温度に対応する。工程ａ）からの反応混合物は、高圧ポンプを介して連続的に供給される。規定された触媒充填量／処理量（ＬＨＳＶ）は、工程ａ）から使用した反応混合物の質量流量を使用された触媒のバルク量で除した値から算出される。水素の流れは、反応器に入る前には質量計で、反応器の下流に配置された高圧相分離器の後には排気ガス量で測定・制御される。

工程ａ）からの反応混合物の組成は、平均してバッチ実験の「粗」組成に相当した（上記参照）。反応混合物の初期チャージを５０℃に加熱し、沈殿または不均一化を防ぐために撹拌する。システム性能を識別するために、異なる触媒充填量と温度で試験を行った。

ＩＩ．１ 機械的安定性
異なる触媒を用いて、ＬＨＳＶの関数として１３５℃の温度で２０日間にわたって連続水素化を行った。

ＩＩ．２ ＬＨＳＶ依存性
選択性と転換率の依存性は、Ｔ＝１３５℃，異なる処理能力（ＬＨＳＶ ０．３５および１．００ｈ^－１）で、それぞれ５日間にわたってモニターされた。５回の測定値の平均値を示す。以下の結果を得た。

ＩＩ．３ 温度依存性
温度依存性を、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒および担持ニッケル触媒について、さらなる試験で検討した。ここではＬＨＳＶの処理量＝０．６ｈ^－１を選択した。１４５℃では、いずれの触媒も完全な変換を示す。９５℃で明確な差異が明らかになる。Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒は依然として９９．９％のほぼ完全な変換をもたらすが、支持されたニッケル触媒は平均９０．４％の変換をもたらす。

ＩＩ．４ ギ酸変換
ギ酸の変換を１２０℃、ＬＨＳＶ０．４ｈ^－１で調べた。５４回の個々の測定の平均で、担持されたニッケル触媒は、反応物に含まれるギ酸の９１．２％を変換した。一方、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒はギ酸の９９．５％を変換する。ギ酸の変換はより低温と高処理量で減少する。Ｔ＝９５℃およびＬＨＳＶ＝０．６ｈ^－１では、担持ニッケル触媒のギ酸変換は３５．６％であり、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒は５９．４％である。蒸留におけるＮＰＧギ酸の生成を避けるためには、高ギ酸変換が望ましい。担持ニッケル触媒と比較して、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒は、実質的に高い処理能力およびより低い温度で反応を行う可能性を提供する。

ＩＩ．５ ＮＰＧイソブチレートとＨＰＮの変換
高沸点ＮＰＧモノイソ酪酸とＨＰＮの変換をＴ＝１４５℃、ＬＨＳＶ＝０．３５ｈ^－１で調べた。Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒が最良の変換を与えることが分かった。高沸点生成物の高い変換率は、これらが価値のある生成物に開裂することができるので有利である（ＮＰＧモノイソブチレートは１当量、ＨＰＮは２当量のＮＰＧを提供する）。実験はＴ＝１４５℃、ＬＨＳＶ＝０．３５ｈ^－１で行った。

ＩＩ．６ トリ－ｎ－プロピルアミンの変換
トリ－ｎ－プロピルアミンの種々の変換を調べるために、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒を１４週間の実験プログラムで担持ニッケル触媒と比較した。Ｔ＝１２０℃およびＬＨＳＶ＝０．４ｈ^－１の実験設定において、５４の個々の測定からの平均値は、担持ニッケル触媒に対して６．９９％、およびＲａｎｅｙ（商標）コバルト触媒に対して０．１９％のトリ－ｎ－プロピルアミンの変換率を示した。高温および低処理量（滞留時間が長い）では、トリ－ｎ－プロピルアミンの変換率が増加する。Ｔ＝１４５℃、ＬＨＳＶ＝０．２ｈ^－１では、担持ニッケル触媒（１０個の独立した測定値）の平均変換率は３８．８％、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒では１２．４％であった。したがって、Ｒａｎｅｙ（商標）コバルト触媒は、変換率が低いため、工程ａ）でＴＰＡを再利用するのに非常に有利である。加えて、ＴＰＡは副産物を形成することがあり、これを価値のある生成物から取り除くことは困難である。

Claims (15)

1. 以下の工程を含む、Ｃ３－Ｃ９アルデヒドからＣ４－Ｃ１０ジオールを連続的に製造するための方法であって、
   ａ．Ｃ３－Ｃ９アルデヒドへのホルムアルデヒドの塩基触媒付加によって、対応するヒドロキシアルデヒドを生成する工程、および
   ｂ．続いて、ヒドロキシアルデヒドの対応するジオールへの水素化の工程、
   ここで、工程ａ）からの反応混合物を再処理することなく、水素存在下においてラニーコバルト触媒上で液相においてヒドロキシアルデヒドの水素化を連続的に行うことを特徴とする前記方法。
2. Ｒａｎｅｙコバルト触媒が固定床の形態である、請求項１記載の方法。
3. 工程ａ）において、イソブタナールをホルムアルデヒド水溶液と反応させてヒドロキシピバルアルデヒドを生成し、工程ｂ）において、ヒドロキシピバルアルデヒドを水素化してネオペンチルグリコールとする、請求項１～２のいずれか一つに記載の方法。
4. 工程ａ）における塩基が、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ－ｎ－プロピルアミンまたはトリ－ｎ－ブチルアミン、またはその少なくとも２成分の混合物からなる群より選択される、請求項１～３のいずれか一つに記載の方法。
5. ラニーコバルト触媒が、クロム、モリブデン、鉄、ニッケル、銅、ルテニウム、パラジウム、白金、マンガン、ロジウムまたはその少なくとも２成分の混合物からなる群より選択される金属をさらに含む、請求項１～４のいずれか一つに記載の方法。
6. ラニーコバルト触媒が、コバルトに加えて、金属クロムおよびニッケルを質量比０．０５％以上、１０％以下で含む、請求項１～５のいずれか一つに記載の方法。
7. 工程ｂ）における水素化が７０℃以上、１６０℃以下の温度で行われる、請求項１～６のいずれか一つに記載の方法。
8. 工程ｂ）における触媒充填量ＬＨＳＶ（液体時空間速度）が０．３ｈ^－１以上、１．５ｈ^－１以下である、請求項１～７のいずれか一つに記載の方法。
9. 工程ｂ）における塩基の濃度が、３質量％以上であり、１５質量％以下である、請求項１～８のいずれか一つに記載の方法。
10. 工程ｂ）における水素のヒドロキシアルデヒドに対するモル比が１：１以上であり、１００：１以下である、請求項１～９のいずれか一つに記載の方法。
11. 工程ｂ）における圧力が６０ＭＰａ以上、１２０ＭＰａ以下である、請求項１～１０のいずれか一つに記載の方法。
12. 工程ｂ）の開始時のヒドロキシアルデヒド含量が、１５質量％以上であり、８５質量％以下である、請求項１～１１のいずれか一つに記載の方法。
13. 工程ｂ）における液相が、５質量％以上、７０質量％以下の水分含有量を有する、請求項１～１２のいずれか一つに記載の方法。
14. 工程ｂ）における反応溶液がエステルを含み、工程ｂ）の開始時のエステル含有量が０質量％以上であり、２０質量％以下である、請求項１～１３のいずれか一つに記載の方法。
15. 工程ｂ）における反応溶液が、ギ酸、その塩および／またはギ酸－アミン付加物を含み、工程ｂ）の開始時のそれらの含量が０質量％以上、３質量％以下である、請求項１～１４のいずれか一つに記載の方法。