JP2961128B2 - フェノール及びその誘導体の製造法 - Google Patents

フェノール及びその誘導体の製造法

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Description

【発明の詳細な説明】 本明細書には、ベンゼン又はベンゼン誘導体を亜酸化
窒素で部分酸化することによりフェノール又はその誘導
体を製造する方法を開示する。
高温、例えば300〜450℃で、シリカ上の五酸化バナジ
ウムからゼオライト例えばZSM−5及びZSM−11ゼオライ
ト触媒にわたる多様な触媒を用いて、亜酸化窒素でベン
ゼンを部分酸化することによるフェノールの製造法が既
に開示されている。この反応では、ベンゼンを過剰量の
亜酸化窒素で部分酸化し、フェノール及び副産物窒素を
生成する。例えば、Suzukiら,日本化学会の1988 Chemi
stry Letters 953−956ページを参照されたい。米国特
許第5,001,280号において、Gubelmannらは、アルミナに
対するシリカの比率が90より大きいゼオライト触媒を用
い、400℃で亜酸化窒素でベンゼンを酸化することの利
点を開示している。
米国特許第5,110,995号において、Kharitonovらは、
亜酸化窒素に対するベンゼンのモル比を変えても、フェ
ノールの収率に実質的な変更を与えないと開示している
が、化学量論的組成を有する反応混合物が好ましいと述
べている。ベンゼン誘導体も亜酸化窒素で酸化すること
により対応フェノール誘導体を生成し得るが、フェノー
ルは、フェノール樹脂の製造及びカプロラクタム及びア
ジピン酸のような化学物質の合成に用いる同種物質中で
最も重要な汎用化学物質である。
亜酸化窒素によるベンゼン又はベンゼン誘導体のフェ
ノール又はフェノール誘導体への部分酸化は極めて発熱
性である。大量の熱、即ち、生成するフェノール1モル
当たり約62キロカロリーが放出されると、触媒が過熱さ
れ、副反応が増加するために反応選択性が低下する。過
熱により触媒寿命も短縮され得る。
過熱を回避する種々の方法もその過程をさらに複雑に
するに過ぎない。例えば、管型反応器で反応を実施し、
管内スペース中で循環する熱伝達流により熱を抽出し得
る。あるいは、内部熱交換器を具備した流動反応器で反
応を実施し得る。例えば、転化率が高くなるために、反
応がより発熱性になるにつれ、生成した反応熱の除去に
より複雑な装置が必要となる。例えば、高熱容量成分を
導入して断熱温度上昇レベルを低減させて反応混合物の
熱容量を増大させる場合がある。
高熱容量成分を使用することは簡便であるが、該添加
成分に対する要件が極めて厳しいために高熱容量成分は
滅多に用いられない。例えば、該成分は、高熱容量を有
することに加えて、反応条件下に不活性でなければなら
ず、触媒を無力化してはならず且つ反応生成物から容易
に分離し得るものでなければならない。露国特許第8046
28号においてBoreskovは、メタノールをホルムアルデヒ
ドに酸化する際に反応混合物にエタン及びプロパンのよ
うな飽和炭化水素を添加して熱を吸収することを示唆し
た。
実験室で実施する際に過熱を回避するために、通常、
触媒を直径の小さい管型反応器に導入するか又は石英チ
ップで希釈する。また、低濃度の出発物質を用いて反応
を実施することもしばしば報告されている。例えば、Ap
plied Catalysis A:General,86(1992)139−146におい
てBurchらは、最適な反応混合物は、約4モル%のベン
ゼンと大過剰の亜酸化窒素を含むと述べている。また、
Gubelmannらは、米国特許第5,055,623号において、過剰
の亜酸化窒素を用いる反応法を開示しており、該方法に
おいて、反応混合物は1〜10の範囲のベンゼンに対する
亜酸化窒素のモル比を有している。これらの従来技術反
応系の欠点には、触媒の過熱、低反応器容量、亜酸化窒
素の低転化率及び望ましくない量の酸化副産物例えばヒ
ドロキノンの生成が含まれ、それによって、所望のフェ
ノール生成物に対して最適な選択性が得られない。
発明の要旨 本発明は、ベンゼン又は置換ベンゼンを対応フェノー
ルに接触的部分酸化する簡便な方法を提供し、該方法
は、大過剰のベンゼン反応体、即ち、1モル未満の(mo
lar deficiency)亜酸化窒素を有するベンゼン及び亜酸
化窒素供給流を用いることにより多くの利点を有する。
例えば、本発明の方法は、断熱操作による反応混合物の
低温度上昇、所望の酸化生成物例えばフェノールの高選
択性、高濃度のフェノールを有する反応ガス流の生成、
亜酸化窒素の高転化率、実質的に高度の触媒生産効率、
及び、非爆発性気体混合物を用いた操作を可能にし得
る。
好ましい実施態様の詳細な説明 本発明の接触酸化法において、芳香族化合物、例え
ば、ベンゼン又は置換ベンゼンを、触媒を用いて、亜酸
化窒素と反応させて、対応フェノール又は置換フェノー
ルに部分酸化する。該方法は、酸化すべき芳香族化合物
をモル過剰量用いて、昇温、例えば、250〜500℃以上、
例えば、少なくとも600℃までの温度で実施し得る。例
えば、従来技術の方法とは対照的に、本発明の反応体供
給混合物は、1モル未満の亜酸化窒素を有する、即ち、
芳香族化合物に対する亜酸化窒素のモル比が1未満、例
えば、0.95〜0.01以下の範囲である。本発明の好ましい
態様において、芳香族化合物に対する亜酸化窒素のモル
比は、0.5未満である。ベンゼンをフェノールに酸化す
る場合、ベンゼンに対する亜酸化窒素の好ましいモル比
は、0.9〜0.01の範囲、より好ましくは、0.1〜0.01の範
囲である。
従来技術から、ベンゼンの部分酸化に有用な種々の触
媒、例えば、シリカ上の五酸化バナジウム及び酸性化ゼ
オライトが公知である。多くの用途に対して、触媒的に
有効量の鉄を含むZSM−5及びZSM−11ゼオライト触媒は
他の触媒よりはるかに有利である。好ましい触媒は、鉄
を含む酸性化ZSM−5及びZSM−11ゼオライトである。該
方法の生産性は、熱水処理された、例えば、空気中最大
100%の水蒸気に約500〜900℃で約2時間暴露されたゼ
オライトを用いることにより増強し得る。
本発明の方法の主要な特徴は、1モル未満の亜酸化窒
素を用いて反応を実施する点にある。触媒に対する反応
対ガス供給材料は、気化芳香族化合物及び亜酸化窒素に
加えて、希釈剤又は汚染物質として種々の他の気体を含
み得る。希釈剤は、典型的には、所望の反応に悪影響を
与えずに酸化芳香族生成物、例えばフェノールを生成
し、典型的には、ヘリウム、アルゴン、窒素、二酸化炭
素若しくは他のガス又はその混合物を含む。汚染物質
は、競合反応に参加するか又は触媒を無力化することに
より、所望の反応に悪影響を与えて酸化芳香族生成物を
生成する成分である。汚染物質の量は極めて低いのが好
ましいが、工業的用途においては純粋なガスを得るのが
実際に困難であるために、ある程度の低レベルの汚染物
質は許容し得る。低レベルで許容し得る工業用ガス流に
典型的に認められる汚染物質には、水蒸気、酸素、一酸
化炭素、酸化窒素、二酸化窒素及び他の有機成分が含ま
れる。
芳香族化合物は、ベンゼンの他に、任意の種々の置換
ベンゼン、例えば、フェノール、フルオロベンゼン、ク
ロロベンゼン、トルエン、エチルベンゼン及び環上に置
換し得る水素原子を有する芳香環を有する類似化合物で
あってよい。本発明の方法は、フェノールの酸化による
ポリオール、例えば、ヒドロキノン、レゾルシノール及
びカテコールの製造に用い得る。従って、ベンゼンを酸
化してフェノールを生成する場合、フェノール生成物を
触媒と接触させてさらに酸化し得る。望ましくないポリ
オールの生成は、芳香族化合物に対する亜酸化窒素の比
率を低く、例えば約0.5以下にし、触媒滞留時間を最小
限することにより回避し得る。同様に、ポリオール混合
物は触媒滞留時間を延長することにより製造し得る。一
般に、触媒接触時間を低レベルに維持して、望ましくな
いポリオールの生成を回避するのが好ましい。そのよう
な滞留時間は、反応条件、触媒活性、供給材料の組成、
触媒床のサイズなどに関して日常的な実験により当業者
が容易に決定し得る。
鉄含有ZSM−5ゼオライト触媒を有する流通反応器中
で種々の条件下でベンゼンをフェノールに酸化する、以
下の実施例を参照して、本発明の方法の効果及び利点を
説明する。
Ioneらにより、Usp.Khimij(Russian Chemical Revie
w),1987,第56巻、第3号,393ページに開示されている
方法を用い、シリカ/アルミナ比(SiO2/Al2O3)が100
であり、0.45重量%のFe2O3を含むことを特徴とする触
媒を合成した。該触媒を偏析して、0.5〜1.0mmの画分を
得た。10ccのゼオライト触媒を内径1.2cmの石英反応管
に充填して流通反応器を用意した。触媒床に配置された
サーモウェル中の熱電対から測定した気相温度を用い
て、発熱反応中に生成した熱による触媒の過熱「ΔT」
を決定した。ガスクロマトグラフィーを用いて、供給材
料及び反応生成物の組成を決定した。供給材料及びガス
生成物の分析結果を平均して、反応パラメーター、すな
わちフェノールを生成させるための反応の選択性
「S」、反応器の出口でのフェノール濃度「C」、亜酸
化窒素の転化率「X」及び触媒の生産性「P」を計算し
た。反応条件及び計算した反応パラメーターを以下の表
に示す。
実施例1〜3 4.1モル%のベンゼン、20.5モル%の亜酸化窒素及び7
5.4モル%の窒素を含み、1℃につき1モル当たり7.9カ
ロリーの熱容量を有するガス混合物を1時間当たり12リ
ットル流通反応器を介して2時間触媒に通した。反応器
の出口でのガス生成物中の酸化生成物を測定すると、フ
ェノール、二酸化炭素、一酸化炭素、水及び微量のジヒ
ドロキシベンゼンが含まれていた。微量のジヒドロキシ
ベンゼンは反応選択性の計算には入れなかった。
実施例4〜6 窒素の一部をエタンと取り換える以外は実質的に実施
例1〜3の手順に従ってベンゼンの酸化を繰り返し、反
応混合物の熱容量を11.0カロリー/モル・℃に増大させ
る供給材料成分として55モル%のエタンを含む反応混合
物を得た。以下の表に示されている反応パラメーター
は、希釈剤としてエタンを用いると、希釈剤として窒素
を用いた場合に比べて、より高い温度でのフェノールに
対する選択性がわずかに有利であることを示している。
実施例7〜9 エタンを過剰ベンゼンと取り換える以外は実質的に実
施例4〜6の手順に従って、ベンゼンの酸化を繰り返し
た。以下の表に示されている反応パラメーターは、過剰
ベンゼン(即ち、モル未満の亜酸化窒素)を用いること
により、予想外に高いフェノール選択性、ガス生成物の
高濃度、亜酸化窒素の高転化率及び高触媒生産性を含む
驚異的な利点が得られることを示している。
実施例10〜12 希釈剤窒素の全量を過剰ベンゼンと取り換え、亜酸化
窒素の量を減少させること以外は実質的に実施例1〜3
の手順に従ってベンゼンの酸化を繰り返し、亜酸化窒素
に対するベンゼンのモル比が9:1であり、且つ熱容量が1
8.9カロリー/モル・℃の反応混合物を得た。以下の表
に示されている反応パラメーターは、高レベルの過剰ベ
ンゼンにより、フェノールの100%選択性、ガス生成物
からの亜酸化窒素の除去/再循環を必要としない亜酸化
窒素の100%転化率を可能にする条件を含む驚異的に大
きな利点が得られることを示している。
実施例13〜15 実質的に実施例10〜12の手順に従い、61/時という低
反応混合物流で酸化を繰り返した。以下の表に示されて
いる反応パラメーターは、過剰ベンゼンにより反応混合
物の流速を調整すると、反応の性能に有利に作用し得る
ことを示している。
本明細書には特定の実施態様を記載したが、本発明の
真の精神及び範囲を逸脱しなければ、その変更が可能で
あることは当業者には明らかであろう。従って、以下の
請求の範囲は、そのような変更の全てを包括的な発明の
概念の範囲内に包含するものとする。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シエブルワ,ガリナ・アナトリーエブナ ロシア連邦、630060、ノボシビリスク、 エクワトルナヤ・ユー・エル、1−57 (56)参考文献 特公 平7−29962(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C07C 37/60

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】芳香族化合物の酸化を触媒し得る固体触媒
    と該芳香族化合物及び1モル未満の亜酸化窒素からなる
    気体混合物とを接触させることからなる亜酸化窒素を用
    いて芳香族化合物を酸化する方法。
  2. 【請求項2】芳香族化合物に対する亜酸化窒素のモル比
    が0.9〜0.01の範囲である、請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】前記芳香族化合物がベンゼン又は置換ベン
    ゼンである、請求項1に記載の方法。
  4. 【請求項4】前記触媒がゼオライトである、請求項1に
    記載の方法。
  5. 【請求項5】前記触媒がZSM−5又はZSM−11ゼオライト
    触媒である、請求項4に記載の方法。
  6. 【請求項6】前記芳香族化合物がベンゼンである、請求
    項5に記載の方法。
  7. 【請求項7】ベンゼンに対する亜酸化窒素のモル比が0.
    1〜0.01の範囲である、請求項6に記載の方法。
  8. 【請求項8】250〜600℃の範囲の温度で気体混合物と前
    記触媒とを接触させる、請求項7に記載の方法。
  9. 【請求項9】前記気体混合物が、ベンゼンと、亜酸化窒
    素と、ヘリウム、窒素、酸化窒素、二酸化窒素、二酸化
    炭素及びアルゴンからなる群から選択された1種以上の
    ガスとを含む、請求項8に記載の方法。
  10. 【請求項10】前記触媒が、鉄を含む酸性化ZSM−5又
    はZSM−11ゼオライトである、請求項9に記載の方法。
JP7526267A 1994-04-12 1995-04-12 フェノール及びその誘導体の製造法 Expired - Lifetime JP2961128B2 (ja)

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