JP3168340B2 - 合成多孔質結晶物質mcm−35、その合成および使用 - Google Patents

合成多孔質結晶物質mcm−35、その合成および使用

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は合成多孔質結晶物質MCM−35、その合成法お
よび有機化合物の接触転化におけるその使用法に関す
る。
合成および天然の双方のゼオライト物質は種々の炭化
水素転化の触媒性質をもつことが過去において実証され
た。いくつかのゼオライト物質はX線回折によって測定
して明確な結晶構造をもつ規則的な多孔質結晶アルミノ
シリケートであり、その結晶構造内には溝もしくは孔に
よって相互連絡されうる多数の空所が存在する。これら
の空所および孔は合成ゼオライト物質内で均一な寸法を
もつ。これらの孔の寸法はある種の寸法の分子を吸着し
て受入れ、これにより大きな寸法の分子を排斥するよう
な寸法である。これらの物質は「分子ふるい」として知
られるようになり、これらの性質の利点を利用して種々
の方法に利用されている。
天然および合成の双方のこのような分子ふるいは広範
囲の種類の正のイオン含有結晶アルミノシリケートを包
含する。これらのアルミノシリケートはSiO4およびAlO4
の剛性3次元枠組をもつものとして記述することがで
き、これらの枠組において4面体が酸素原子の分配によ
って交差結合され、それによって合計のアルミニウムと
ケイ素の原子と酸素原子との非は1:2となっている。ア
ルミニウムを含む4面体の電子原子価は結晶中のカチオ
ン、たとえばアルカリ金属カチオンまたはアルカリ土類
金属カチオンの含有によって均衡化される。これはアル
ミニウムと種々のカチオンの数との比、たとえばアルミ
ニウムとCa/2,Sr/2,Na,K,またはLiとの比が1に等しい
ように表現されうる。1つの種類のカチオンは別の種類
のカチオンと完全に又は部分的に、通常の方法でイオン
交換技術を使用して、交換することができる。このよう
なカチオン交換によって、カチオンの適当な選択によっ
て与えられたアルミノシリケートの種類を変えることが
可能であった。4面体(複数)の間の空間は脱水前の水
の分子によって占められる。
従来の技術は非常に多数の種類の合成ゼオライトの生
成をもたらした。これらのゼオライトは文字または他の
便利な符号によって命名されてきた。たとえばゼオライ
トA(米国特許第2,882,243号)、ゼオライトX(米国
特許第2,882,244号)、ゼオライトY(米国特許第3,13
0,007号)、ゼオライトZK−5(米国特許第3,247,195
号)、ゼオライトZK−4(米国特許第3,314,752号)、
ゼオライトZSM−5(米国特許第3,702,886号)、ゼオラ
イトZSM−11(米国特許第3,709,979号)、ゼオライトZS
M−12(米国特許第3,832,449号)、ゼオライトZSM−20
(米国特許第3,972,983号)、ZSM−35(米国特許第4,01
6,245号)、およびゼオライトZSM−23(米国特許第4,07
6,842号)である。
ある与えられたゼオライトのSiO2/Al2O3の比は多くの
場合可変である。たとえば、ゼオライトXは2〜3のSi
O2/Al2O3の比で合成することができ、ゼオライトYは3
〜6のSiO2/Al2O3の比で合成することができる。いくつ
かのゼオライトにおいて、SiO2/Al2O3の比の上限は拘束
されない。ZSM−5はこのような例の1つであり、SiO2/
Al2O3の比は5より大きく、無限大までである。米国特
許第3,941,871号(Re.29,948)には非分配的に加えられ
たアルミナを出発混合物中に含む反応混合物から製造し
た且つZSM−5のX線回折パターン特性を示す多孔質結
晶シリケートが記載されている。米国特許第4,061,724
号、同第4,073,865号、および同第4,104,294号にはアル
ミナと金属の含量を変えた結晶性シリケートまたは有機
シリケートが記載されている。
一面において、本発明はこの明細書の表1に示す価を
含むX線回折パターンをもつ「MCM−35」と呼ぶ合成多
孔質結晶物質にある。
更なる面において、本発明はアルカリ金属カチオン
(M)源(ソース)、3価元素(X)酸化物、4価元素
(Y)酸化物、ヘキサメチレンイミン(R)および水を
含む混合物であって、該3価元素がアルミニウム、ホウ
素、鉄およびガリウムからえらばれ、該4価元素がケイ
素およびゲルマニウムからえらばれ、そして該混合物が
モル比で表わして次の範囲 YO2/X2O3= 30to200 H2O/YO2 = 10to100 OH-/YO2 =0.01to0.2 M/YO2 =0.01to1.0 R/YO2 =0.1 to1.0 組成をもつ反応混合物を製造し、そしてこの反応混合物
を結晶が生成するまで十分な結晶条件下に保持すること
を特徴とする上記の一面の物質の合成法にある。
合成結晶物質MCM−35は下記のラインの存在によって
他の結晶物質のX線回折パターンから区別されるX線回
折パターンをもつ。
これらのX線回折データおよび下記の特定の実施例の
X線回折データは銅K−α放射線を使用して、グラファ
イト回折ビーム・モノクロメータおよびシンチレーショ
ン・カウンターを備えるフィリップス回折装置を用いて
収集したものである。これらの回折データは0.04゜の2
−シータにおいてステップ走査によって記録された。こ
こにシータはブラック角度であり、それぞれのステップ
のカウント時間は4秒である。面間間隔dはオングスト
ローム単位(A)で計算し、ラインの相対強度I/Io(Io
はバックグラウンドより上の強度のラインの1/100であ
る)は輪郭適合ルーチン(または第2誘導アルゴリズ
ム)の使用により誘導した。強度はローレンツおよび分
光効果について未補正である。相対強度は次の符号の意
味で与えた。vw=非常に弱い(0〜5)、w=弱い(5
〜10)、mw=中程度に弱い(10〜20)、m=中程度(20
〜40)、ms=中程度に強い(40〜60)、s=強い(60〜
80)、およびvs=非常に強い(80〜100)。単一線とし
て示す回折データは、ある種の条件下、例えば結晶寸法
の相違または非常に高い実験的解像もしくは結晶グラフ
変化の条件下に解像された又は部分解像された多重子と
して表われうる多重オーバーラップ線から成りうるとい
うことが理解されるべきである。代表的に、結晶グラフ
変化はユニット・セルパラメータの小さな変化、および
/または結晶の対称性の変化を、構造のトポロジーの変
化なしに、含むことができる。これらの小さな効果は、
相対強度の変化を含めて、カチオン含量、枠組構造、孔
充てんの性質と程度、および熱および/または水熱の履
歴の結晶としても起りうる。
MCM−35は板状形態をもつことができるので、好まし
い配位による実験的または測定された強度の歪みは可能
である。これは上記の分析において考慮に入れてあり、
表1に反映されている。
本発明の結晶物質は次のモル関係を含む組成をもつ。
X2O3:(n)YO2 Xは3価の元素、たとえばアルミニウム、ホウ素、鉄
および/またはガリウム、好ましくはアルミニウムであ
り、Yは4価の元素たとえばケイ素および/またはゲル
マニウム好ましくはケイ素であり、nは少なくとも30、
通常は40〜200、よりふつうには60〜150である。合成し
たままの形体において、この物質は無水基準で、且つYO
2のnモル当りの酸化物のモルの点で次のとおりであ
る。
(0.1〜0.8)M2O(0.5〜4)R2O:X2O3:nYO2 Rは有機の基であり、Mはアルカリ金属である。
M成分およびR成分は結晶化中のそれらの存在の結果
として結晶物質に付随しており、そして通常の後結晶化
法によって容易に除くことができる。すなわち、有機成
分はか焼によって除くことができ、アルカリ金属カチオ
ンMは他のカチオンとのイオン交換によって少なくとも
部分的に置換することができる。好ましい置換用カチオ
ンとして金属イオン、水素イオン、水素前駆体イオンた
とえばアンモニウムイオン、およびそれらの混合物があ
げられる。とくに好ましいカチオンは、該結晶物質を触
媒的に活性にする、とくにある種の炭化水素転化反応を
触媒的に活性にするカチオンである。これらのカチオン
として、水素、希土類金属、および元素の周期律表の第
II A,III A,IV A,I B,II B,III B,IV BおよびVIII族の
金属があげられる。代表的なイオン交換技術は合成物質
を所望の置換用カチオン(単数または複数)の塩と接触
させることである。このような塩の例としてハライド
(たとえばクロライド)、サイトレートおよびサルフェ
ートがあげられる。
MCM−35は、吸着剤として又は有機化合物転化法の触
媒として使用するとき、少なくとも部分的に脱水される
べきである。これは空気または窒素のような不活性雰囲
気中、大気圧または亜大気圧または過大気圧において、
200〜595℃の温度に30分〜48時間加熱することによって
行なうことができる。脱水はまた、該物質を単に真空中
におくことによって室温で行なうこともできるが、十分
な量の脱水を得るためには長い時間が必要である。
本発明の結晶物質はアルカリ金属カチオン源と3価元
素X(たとえばアルミニウム)の酸化物と4価元素Y
(たとえばケイ素)の酸化物とヘキサメチレンイミンの
形体の有機(R)指向剤と水とを含む反応混合物から製
造することができ、該反応混合物は酸化物のモル比の点
で次の範囲内の組成をもつ。
上記の混合物において、YO2/X2O3が低いときには低い
OH-/YO2値で操作することが重要である。そうでないとM
CM−35以外の結晶相のかなりな量が生成するからであ
る。
MCM−35の結晶化は好適な反応器たとえばポリプロピ
レン・ジャーまたはテフロン内張りもしくはステンレス
鋼のオートクレーブ中で静的または攪拌条件下で行なう
ことができる。結晶化は一般に80〜250℃の温度で24時
間〜20日間行なわれる。その後に結晶は液体から分離さ
れ回収される。
YO2がシリカである場合、シリカ源は好ましくは少な
くとも30wt%の固体シリカを含み、たとえばUltrasil
(90wt%のシリカを含む沈殿噴霧乾燥シリカ)またはHi
Sil(87wt%シリカ、6wt%の遊離H2Oおよび4.5wt%の結
合H2Oを含み、粒径が0.02ミクロンである沈殿水物Si
O2)である。好ましくはシリカ源は少なくとも85wt%の
固体シリカを含む。
MCM−35の合成は結晶生成物の(合計重量を基準にし
て)少なくとも0.01%、好ましくは0.10%、更に好まし
くは1%の種結晶の存在によって促進される。
MCM−35は水素化用の成分たとえばタングステン、バ
ナジウム、モリブデン、レニウム、ニッケル、コバル
ト、クロム、マンガン、または貴金属(たとえばプラチ
ナまたはパラジウム)との均密な組合せにおいて、水素
化−脱水素化を行なおうとする場合の触媒として使用す
ることができる。このような成分は組成物中に、たとえ
ばアルミニウムが構造中にある程度にまで、内部に含浸
された状態でまたはこれと物理的に緊密に混合されて、
交換されうる。このような成分はたとえばプラチナの場
合、結晶物質をプラチナ金属含有イオンを含む溶液で処
理することによって結晶物質に含有させることができ
る。従って好適なプラチナ化合物としてクロロプラチン
酸、プラチナスクロライド、およびプラチナアミン錯体
を含む種々の化合物があげられる。
一般に、有機化合物たとえば炭化水素は、100〜800℃
の温度、10〜10000kPa(0.1〜100気圧)の圧力、0.08〜
20hr-1の重量毎時空間速度、および0(添加水素なし)
〜100の水素/供給原料有機物質(たとえば炭化水素)
を包含する有機化合物転化条件下での接触によって、本
発明の結晶物質を含む触媒上で、転化生成物たとえば低
分子量炭化水素に転化させることができる。
このような転化法としてたとえば300〜800℃の温度、
10〜3500kPa(0.1〜35気圧)の圧力、および0.1〜20の
重量毎時空間速度を包含する反応条件による低分子量炭
化水素への炭化水素の分解;および300〜700℃の温度、
10〜1000kPa(0.1〜10気圧)および0.1〜20の重量毎時
空間速度を包含する反応条件による炭化水素化合物の脱
水素化反応があげられるが、これらに限定されない。
更に好ましくは、この転化法は1種以上の芳香族化合
物たとえばベンゼン、トルエン、キシレン、および/ま
たはナフタレンのアルキル化剤たとえばオレフィンによ
るアルキル化である。好ましくはアルキル化剤は1〜5
個の炭素原子をもち、最も好ましくはエチレンである。
アルキル化法の好適な条件として0〜500℃、好ましく
は50〜250℃の温度、20〜25000kPa、好ましくは100〜25
00kPaの圧力、0.1〜500、好ましくは0.5〜100のWHSV、
および0.1〜50、好ましくは0.5〜15の芳香族/アルキル
化剤があげられる。
多くの触媒の場合と同様に、MCM−35を有機転化法に
使用する温度およびその他の条件に耐性のある別の物質
に配合するのが望ましいことがある。このような物質と
して、活性および不活性の材料、および合成または天然
のゼオライト、ならびに無機材料たとえば粘土、シリカ
および/または金属酸化物たとえばアルミナがあげられ
る。後者は天然産の物質、またはシリカと金属酸化物と
の混合物を包含するゼラチン質沈殿もしくはゲルの形
体、のいづれかでありうる。活性の物質をMCM−35と組
合せて、すなわち混合して使用することは、いくつかの
有機転化法において触媒の転化率および/または選択率
を変化させる傾向がある。不活性物質はある与えられた
方法において転化量を調節する希釈剤として好適に役立
ち、それによって反応速度を調節するための他の手段を
使用することなしに生成物を経済的に得ることができ
る。これらの物質は天然産の粘土たとえばベントナイト
およびカオリンに配合して商業的操作条件下の触媒の破
砕強度を改良することができる。これらの物質すなわち
粘土、酸化物などは触媒のバインダーとして働く。良好
な破砕強度をもつ触媒を提供することが望ましい。商業
的使用においては、触媒が粉末状物質に破砕されるのを
防ぐことが望ましいからである。これらの粘土バインダ
ーは触媒の破砕強度を改良する目的のためにのみ通常は
使用された。
本発明の新規な結晶に混合することのできる天然粘土
として、モントモリロナイト科およびカオリン科があげ
られ、これらの科にはサブベントナイト類、およびデイ
キシー、マクナミー、ジョージアおよびフロリダの粘土
としてふつうに知られているカオリン類、およびその他
(主要鉱物成分がハロイサイト、カオリナイト、デイッ
カイト、ナクライトまたはアンオーキサイトであるも
の)が含まれる。このような粘土は始めに掘った粗原料
の状態で使用することができ、または始めにか焼、酸処
理または化学変性にかけてから使用することもできる。
本発明の結晶に混合するのに有用なバインダーとして無
機酸化物、とくにアルミナがあげられる。
上記の材料の他に、本発明の新規結晶は多孔質マトリ
ックス材料たとえばシリカ−アルミナ、シリカ−マグネ
シア、シリカ−ジルコニア、シリカ−トリア、シリカ−
ベリリア、シリカ−チタニア、ならびに3元組成物たと
えばシリカ−アルミナ−トリア、シリカ−アルミナ−ジ
ルコニア、シリカ−アルミナ−マグネシア、およびシリ
カ−マグネシア−ジルコニアと混合することもできる。
MCM−35と無機酸化物との相対割合は広く変化する
が、MCM−35は複合体の1〜90重量%であり、よりふつ
うには、とくに複合体がビーズの形体で製造されるとき
は複合体の2〜80重量%である。
本発明の性質およびこれを実施する方法を更に十分に
説明するために、次の実施例を示す。これらの実施例に
おいて、すべての%は重量基準であり、吸着データをシ
クロヘキサン、水および/またはヘキサンの吸着性能の
比較のために示すときはいつも、それらを次のようにし
て測定した。
か焼吸着剤の秤量試料を吸着室中の所望の純粋吸着蒸
気と接触させ、1mm未満に真空にし、そして40mmHgのn
−ヘキサンまたはシクロヘキサン蒸気と接触させた。こ
の圧力はそれぞれの吸着剤の90℃における気−液平衡圧
力より小さい圧力である。8時間を越えることのない吸
着期間中、マノスタットにより制限された吸着性物質の
蒸気の添加によって、圧力を一定(±0.5mm以内)に保
った。吸着性物質は吸着剤によって吸着され、圧力の低
下はマノスタットによりバルブを開放させ、より多くの
吸着蒸気を室に入れて蒸気の制御圧力を回復した。圧力
の変化がマノスタットを活性化するのに十分でないと
き、吸着は完了した。重量の増加をか焼吸着剤のg/100g
の試料の吸着能力として計算した。
アルファ値を試験するとき、アルファ値は標準触媒と
比べた触媒の接触分解活性の近似指標であり、それは相
対速度常数(単位時間当りの触媒容量当りのノルマルヘ
キサン転化速度)を与えることが注目される。それはア
ルファを1(速度常数=0.016sec-1)としてとった非常
に活性なシリカ−アルミナ分解触媒の活性を基準にして
いる。アルファ試験は米国特許第3,354,078号およびThe
Journal of Catalysis,Vol.IV,pp.522〜529(1965
年8月)に記載されている。
実施例1 30gの量のAl2(SO4・xH2Oを、56.8gの45%KOHお
よび1235gの水を含む溶液にとかした。236gの量の沈殿
した噴霧乾燥シリカ(90%シリカ含有)(すなわちUltr
asil)をこの溶液に加え、全体を十分に混合した。最後
に、105gのヘキサメチレンイミンをこの混合物に十分に
攪拌しながら加えた。生成反応混合物はモル比で次の組
成をもっていた。
Si2/Al2O3= 70.0 H2O/SiO2 = 19.9 OH-/SiO2 =0.043 K/SiO2 = 0.13 R/SiO2 = 0.30 Rはヘキサメチレンイミンである。
この混合物を次いで攪拌反応器中で175℃において3
日間結晶化させた。生成した結晶を濾過によって回収
し、水で洗浄し、次いで120℃において乾燥した。乾燥
生成物の一部をX線分析および化学分析に供した。X線
分析は、生成結晶を表2に示すラインを含むX線粉末回
折パターンをもつ本発明の新規結晶物質であると同定し
た。
表2において、*はピークの低い2シータ側に肩が見
えることを示し、**はピークの高い2シータ側に肩が
見えることを示す。この試料には非常に少量の不純物の
徴候があった。
実施例1の生成物の化学組成は重量%で表示して次の
とおりであった。
N 0.93 K 0.49 Al2O3 2.4 SiO2 86.0 灰分 94.9 SiO2/Al2O3、モル 60.9 この実施例の結晶生成物の一部を538℃で6時間空気
中でか焼し、吸着およびX線分析に供した。このか焼物
質のX線粉末回折パターンは表3に示すラインを含んで
いた。
表3において、*はピークの低い2シータ側に肩が見
えることを示し、**はピークの高い2シータ側に肩が
見えることを示す。2.442オングストロームのd間隔と
2.411オングストロームのd間隔との間に1つの非解像
ピークが残存し、少量の不純物が残っていた。
この実施例のか焼生成物についてえられた吸着データ
は重量%で表示して次のとおりであった。
シクロヘキサン 2.0 n−ヘキサン 2.2 水 4.8 か焼生成物の一部をアンモニウム交換し、538℃で3
時間か焼して水素型を製造した。次いでこれをアルファ
試験による触媒活性の試験に供し、25のアルファ値をも
つことを見出した。
実施例2〜6 表4は、反応混合物の組成、結晶化条件、生成物の組
成、およびか焼(538℃で6時間)生成物の組成を包含
する追加実施例の詳細を示す。それぞれの実施例におい
てアルミナはAl2(SO4 xH2Oによって提供された。
シリカはUltrasilによって提供された。アルカリ金属は
実施例2,4および6ではカリウムであり、実施例3およ
び5においてはナトリウムであった。実施例3,4および
5において、生成物はX線分析によって実質的に100%
の本発明の結晶シリケートであった。実施例2の生成物
は本発明の結晶物質の他に痕跡量のクリストバライトを
含んでいることがわかった、これに対して実施例6は痕
跡量のZSM−5を含んでいることがわかった。
実施例2の合成したままの及びか焼した生成物のX線
回折パターンはそれぞれ表5および6に示す値を含んで
いた。
表5において、*はピークの低いシータ側に肩が見え
ることを示す。合成したままの実施例2の生成物のX線
パターンにおいて、2.572オングストロームのd間隔と
2.500オングストロームのd間隔との間に、及び2.449オ
ングストロームのd間隔と2.413オングストロームのd
間隔との間に、非解像ピークが存在した。実施例2のか
焼生成物のX線回折パターンにおいて2.073オングスト
ロームのd間隔と2.004オングストロームのd間隔との
間に非解像ピークが存在した。
実施例2,5および6のか焼生成物のそれぞれ一部分を
アンモニウム交換し、次いで538℃で3時間か焼して水
素型を生成させた。えられた生成物は2(実施例2)、
38(実施例5)および67(実施例6)のアルファー値を
与えた。
実施例7 比較のエチルベンゼン合成反応を上昇流の反応器中で
427℃(800゜F)、大気圧、および11hr-1のWHSVにおい
て行なった。ベンゼン/エチレンのモル比を10に保っ
た。触媒はゼオライトベータ、ZSM−5および2つの別
々のMCM−35物質を含んでいた。それぞれの触媒は35%
のアルミナ・バインダーと65%のゼオライトから成るも
のであった。MCM−35物質は実施例5および6において
製造した。それぞれの触媒を窒素中540℃でか焼するこ
とによって活性化し、次いで水性硝酸アンモニウム交換
を行ない、空気中540℃でか焼した。エチルベンゼン合
成反応の生成物は重量%で下記の諸成分を含んでいた。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C07C 15/073 C07C 15/073 C10G 47/20 C10G 47/20 49/08 49/08 // C07B 61/00 300 C07B 61/00 300 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 39/00 - 39/54 B01J 29/00 - 29/90 C01G 17/00 - 17/04 C01G 49/00 C07C 2/66

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】式X2O3:(n)YO2 (nは少なくとも30であり、Xは3価元素であり、そし
    てYは4価元素である)のモル関係を満足する組成をも
    ち且つ下記に示す値を含むX線回折パターンをもつ合成
    多孔質結晶物質。
  2. 【請求項2】nが40〜200である請求項1の結晶物質。
  3. 【請求項3】Xがアルミニウムであり、Yがケイ素であ
    る請求項1または請求項2の結晶物質。
  4. 【請求項4】アルカリ金属カチオン(M)源、3価元素
    (X)の酸化物、4価元素(Y)の酸化物、ヘキサメチ
    レンイミン(R)および水を含む反応混合物であって、
    該3価元素がアルミニウム、ホウ素、鉄およびガリウム
    からえらばれ、該4価元素がケイ素およびゲルマニウム
    からえらばれ、そして該反応混合物がモル比の点で次の
    範囲内 YO2/X2O3= 30〜200 H2O/YO2 = 10〜100 OH-/YO2 =0.01〜0.2 M/YO2 =0.01〜1.0 R/YO2 = 0.1〜1.0 の組成をもつ反応混合物を製造し、そして該反応混合物
    を結晶物質が生成するまで十分な結晶化条件のもとに保
    つことを特徴とする請求項1の合成多孔質結晶物質の製
    造法。
  5. 【請求項5】該反応混合物がモル比の点で次の範囲内の
    組成をもつ請求項4の方法。 YO2/X2O3= 50〜150 H2O/YO2 = 15〜 40 OH-/YO2 =0.02〜0.1未満 K/YO2 =0.05〜0.3 R/YO2 =0.1〜0.5
  6. 【請求項6】該結晶化条件が80〜250℃の温度および24
    時間〜20日間の時間を含む請求項4または請求項5の方
    法。
  7. 【請求項7】芳香族化合物のアルキル化に際し、請求項
    1の合成多孔質結晶物質を含む触媒を用いることを特徴
    とする芳香族化合物のアルキル化方法。
  8. 【請求項8】芳香族化合物がベンゼンであり、これをエ
    チレンでアルキル化する請求項7の方法。
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