JP3572289B2 - 不飽和カルボン酸エステルの改良された製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、不飽和カルボン酸エステルの改良された製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
不飽和カルボン酸エステルの合成方法は多くの文献に記載されている。
一般に用いられる触媒は硫酸、パラ−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸等の酸である。反応水はエステル化剤のアルコールと一緒または溶媒、例えばシクロヘキサン、トルエン等と一緒に共沸混合物の形で除去される。
これらの触媒を使用すると副生物が生じる、また、耐腐食性のある材料、特に硫酸に対して耐腐食性のある材料を使用する必要がある。残った酸は中和するが、この中和/水洗作業は面倒で、汚染の原因にもなる。
【0003】
上記の欠点がないスルフォン酸型の強カチオン樹脂をエステル化で使用する方法は多くの文献に記載されている。
米国特許第4 833 267号には、0.05〜2KW/m3の動力を有する機械的撹拌器を用いた撹拌反応器中でC1−C12(メタ)アクリル酸エステルを連続的に合成する方法が記載されている。カチオン樹脂は反応媒体中に懸濁状態に維持されている。この方法の欠点は樹脂に加わる機械的応力によって樹脂が劣化し、結果的に触媒活性が低下することにある。
【0004】
特開昭58−192 851には樹脂を充填した管式触媒反応器を使用する方法が記載されている。この反応器はジャケットで被われ、頂部には反応水を除去するための蒸留塔が乗っている。この方法の欠点は反応物および製品が水と長時間接触するため、重質副生物が生じ、選択性が低下することにある。
米国特許第5 645 696号では多段触媒床が使用され、原料を最上部から供給して不飽和カルボン酸エステルを合成する。反応器は1〜10の樹脂のステージを有し、頂部に反応水を除去するための蒸留塔が乗っている。水の蒸発は外部熱交換器によって行う。この原理の主たる欠点はシステムが大型化し、ポリマーによって各段が閉塞する危険があることである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の米国特許第4 833 267号の欠点(機械的攪拌作用による樹脂の破損)や、米国特許第5 645 696号の欠点(多段ベッドから成る反応域の複雑さと、ポリマーによる汚染の危険)や、特開昭58−192 851の欠点のない、樹脂を用いた脂肪族アルコールから不飽和カルボン酸エステルの連続的合成方法を提供することにある。
【0006】
本発明では、再循環系を備えた攪拌槽からなる反応器に最初の樹脂の固定床をを組み合わせ、樹脂の固定床には底部から供給することによって変換率および選択率を高くでき、それによって下流での精製作業を簡単にすることができる。さらに、樹脂の充填/取出し作業が極めて単純になる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、カチオン樹脂触媒の存在下で不飽和カルボン酸をアルコールでエステル化して不飽和カルボン酸エステルを作り、反応水はエステル化用アルコールと一緒または溶媒と一緒に共沸混合物の形で除去する方法において、反応物混合物を撹拌槽を有する再循環ループを通って流し、エステル化反応は再循環ループに設けたカチオン樹脂のベッド中を上向きに流して行い、撹拌槽では反応物を混合し且つ反応水を共沸除去することを特徴とする方法を提供する。
【0008】
【実施態様】
樹脂ベッドでの液の通過を上方向にして樹脂を懸濁状態に保ち、熱交換を容易にする。本発明の有利な実施例では、反応混合物をカチオン樹脂触媒の第二ベッドを通して上向流で流すことによって撹拌槽の上流で反応の一部を行わせる。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明で使う不飽和カルボン酸はアクリル酸またはメタアクリル酸であるのが好ましい。アルコールは脂肪族の第一または第二アルコール、特にC1−C12アルコール、例えばn−ブタノール、2−エチルヘキサノールおよびn−オクタノールが好ましい。
一般に、全不飽和カルボン酸/アルコールのモル比は0.6〜1、好ましくは0.7〜0.9であるのが好ましい。
【0010】
一般に、反応は少なくとも一種の重合禁止剤、特にフェノチアジン、ハイドロキノン、ハイドロキノンモノメチルエーテルおよび立体障害型フェノール、例えば2,6−ジ−tert−ブチル−パラ−クレゾールの中から選択される重合禁止剤の存在下で行う。重合禁止剤は媒体中に500〜5000 ppmの量で入れる。一般に、重合禁止剤の働きを補強するためにタンク内を空気でバブリングする。重合禁止剤は一般に反応物と一緒に撹拌槽の上方に設けた蒸留塔の頂部から導入する。
【0011】
本発明方法の一実施例では、アルコールの一部を撹拌槽の上方に配置した蒸留塔の頂部から導入する。好ましくはカラムの頂部で導入されるアルコールと一緒に一種以上の重合禁止剤を導入する。撹拌槽に導入されるアルコールに対するカラム頂部で導入されるアルコールの重量比は20〜60%、好ましくは30〜50%にする。
【0012】
樹脂ベッドの最上部の温度は一般に70 ℃〜 100 ℃、好ましくは80 ℃〜 95 ℃にする(樹脂が100℃を超えると熱劣化が観測される)。攪拌槽の温度は一般に100℃〜110℃であり、攪拌槽の温度を出た反応混合物は80℃〜90℃に冷却された後に樹脂ベッドを通って再循環される。
カチオン樹脂はイオン容量が0.5〜2.2当量/リットルであるスルホン酸基を含む強カチオンのスチレン/ジビニールベンゼン樹脂であるのが好ましい。樹脂の例としてはDIAION(登録商標)PK208の名称でMITSUBISHI CHEMから市販のもの、XE 586、XE 386およびAMBERLIST 39の名称でROEM & HAAS社から市販のものを挙げることができる。
【0013】
一般に、反応混合物は(最初の)樹脂ベッドを介して循環される。一般に、(最初の)樹脂ベッドでの全滞在時間は0.5〜2時間である。
エステル化によって生じる水は共沸混合物の形で蒸留除去する。既に説明したように、水と共沸混合物を作る脂肪族または芳香族の溶剤、例えばシクロヘキサン、ヘプタン、トルエン、その他を使用することができる。しかし、大抵の場合、アルコール自体がその役目をする。
カラムから蒸留される蒸気中には水の他にエステル化されたアルコール、カルボン酸エステルおよびカルボン酸が含まれる。アルコールの還流液中には500〜1000ppmの上記重合禁止剤が含まれ、頂部での酸の上昇と水相のデカンテーションによる減量を制限することができる。
カラム頂部で凝縮した蒸気は外気温度で重力分離され、
1) 有機相はオクテン濃度を規則的に下げて蒸留塔へ戻され、
2) 水溶相は除去される。
撹拌槽上に配置した蒸留塔の頂部作動圧は一般に9.33×l03〜5.3×104Pa(70〜400mmHg)である。
最初の樹脂ベッドを上流側に配置する上記の好しい実施例では、一般に第二ベッドの頂部温度を80〜95℃にし、第二ベッドを含む反応器を大気圧で熱力学的平衡状態で運転し、第二ベッドの樹脂上での滞在時間を一般に20〜60分にする。さらに、触媒の第二ベッドの入口での酸/アルコールのモル比を一般に酸過剰にする。
【0014】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明が下記実施例に限定されるものではない。
以下の実施例出は特に指示がない限り、百分比は重量比であり、記号は下記のものを表す:
AA: アクリル酸
HQ: ハイドロキノン
HQMB: ハイドロキノンモノメチルエーテル
BuOH: ブタノール
E2HOH: 2−エチルヘキサノール
ABu: アクリル酸ブチル
A2EH: 2−エチルヘキシルアクリレート
【0015】
添付図面に示した装置は攪拌槽1を有し、この攪拌槽1に外部循環ループ2が結合されている。
攪拌槽1は熱媒体流が供給されるジャケット3によって加熱され、機械的撹拌手段4によって撹拌される。攪拌槽1内の反応媒体を安定化するのに必要なバブリング用空気は導入管5を介して行う。攪拌槽1の上方には蒸留塔6が乗っている。この蒸留塔6には頂部コンデンサ7、重力分離器8、回収容器が備えられている。重力分離器内の液面レベルは抵抗検出プローブで調整される。
【0016】
攪拌槽1には循環ループ2を介して反応器9が連結されている。この反応器9は熱流体が供給されるジャケットを有し、樹脂が充填されている(最初の樹脂カートリッジ9)。反応器9に入る前の循環ループ2には熱交換器10が配置されていて、樹脂カートリッジ9を通る前に反応流の温度を下げるようになっている。樹脂カートリッジ9内での反応物の循環流れ方向は上方向で、樹脂を液体中で懸濁状態に保たれ、熱交換が促進できるようになっている。
攪拌槽1には反応混合物:アクリル酸とアルコールが供給される。混合は静的混合機11で行なわれる。この静的混合機11の出口には反応物を所望温度にするための予備的ヒータ12が設けられている。
【0017】
好ましい構造を示す図示した態様では、樹脂を充填した反応器13(第二樹脂カートリッジ13)が攪拌槽1の上流側に設けてある。この反応器13も熱流体が供給されるジャケットを有する。この場合も反応混合物は上昇方向に流れて、樹脂は液体中に懸濁状態に保たれる。この管式触媒反応器13は熱力学的平衡状態で運転される。この反応器13は平衡移動で運転される第二の仕上げ段階に届く前の最初の反応段で、反応物の変換の一部を行う。
ヒータ12で予熱された反応混合物14は反応器13で部分的に変換され、攪拌槽1に供給される。反応水は蒸留で共沸混合物15の形で攪拌槽1から除去される。反応粗生成物16は攪拌槽1の出口から抜き出されて樹脂カートリッジ9へ送られる。樹脂カートリッジ9の出口では反応生成物17が攪拌槽1へ戻される。
反応物を18の所で循環ループ2に直接導入することもできる。アルコールは重合禁止剤と一緒にカラム6の頂部の供給管19からカラムに供給することができる。カラム6の頂部の重力分離器8で有機相20と水相21とを分離し、有機相20はカラム6に戻し、水相21は除去する。
【0018】
【実施例】
実施例では下記樹脂を用いた:
樹脂 1:
ROEM & HAAS社からからXE586の名称で市販の樹脂で、下記特性を有する:
1) イオン容量:0.5当量/l、
2) 平均径:0.53mm
樹脂 2
MITSUBISHI CHEMからDIAION PK 208の名称で市販の樹脂。
【0019】
実施例 1
アクリル酸ブチルの製造
この実施例では添付図面に記載の装置を使用したが、攪拌槽1の前にジャケット付き樹脂カートリッジ13は配置しなかった。温度調節したジャケット付き攪拌槽1はステンレス鋼製で、700mlの有効容積を有する。ジャケット3には130℃のオイルを送る。撹拌器4はアンカー型である。蒸留カラム6は内部直径が22.5mmであり、重力分離器の容積は50mlである。
触媒反応器9はステンレスの管から成り、130℃のオイルが供給されるジャケットを有し、その内部直径は30mm、高さは600mmで、予め換気乾燥器内で乾燥した134gの樹脂1が充填されている。
装置全体は大気中より低い圧力下で運転できる。
反応物質(AA(+重合禁止剤)とBuOH)はAA/BuOHモル比を0.77/1にして270 ml/時の流速で攪拌槽1に送られる。重合禁止剤はAAに対して500ppmの1,1,3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−tert−ブチルフェニル)ブタン(SEAL SANDS CHEMICALS会社のTOPANOL CA (登録商標))と、500ppmのHQとから成る。攪拌槽1の温度は100℃であり、樹脂9のベッド中心の温度は92℃である。反応粗生成物16は攪拌槽1の底を通って遠心ポンプで樹脂ベッド9へ4リットル/時の流速で再循環される。反応器1のリフレッシュレートは約10回/時である。
運転作動圧力は3.95x 1O4 Pa(300mmHg)であり、カラム6の頂部温度は75〜76℃である。反応水はBuOHと一緒に共沸混合物の形で蒸留される。
【0020】
水相21の量は23ml/時で、水相の重量組成は以下の通りである:
水 9.3 %
BuOH 6.9%
AA 200ppm
反応粗生成物の出口での流速は246ml/時で、その重量組成は下記の通りである:
BuOH 19.3%
AA 5.8%
水 0.25%
Abu 72.4%
酢酸ブチル 84ppm
ブチルオキサイド 2000ppm
プロピオン酸ブチル 257ppm
ブチルヒドロキシプロピオナート 352ppm
ブチルブトキシプロピオナート 900ppm
AAの転化率は87%であり、AAに対する選択率は99.2%である。
【0021】
実施例 2
2−エチルヘキシルアクリレートの製造
実施例1と同じ装置を使用した。
AA(81グラム/時)と、AA+E2HOHの全供給量に対して500ppmの1,1,3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−tert−ブチルフェニル)ブタン(TOPANOL(登録商標) CA)および500ppmのHQを含むE2HOH(64グラム/時)との混合物を攪拌槽1に連続的に導入する。攪拌槽1の温度は99℃である。
AAの上昇を防ぐためにカラム6の頂部から500ppmのHQを含むE2HOEを追加供給する(96グラム/時)。全AA/E2EOHモル比は0.91/1である。
反応粗混合物を36リットル/時の流速で樹脂カートリッジ9を循環する。樹脂9のベッドの中心温度は95℃である。反応水は水/ E2HOE共沸混合物の形で除去する(この他にAAとA2EHを含む)。
蒸気は頂部で復水され、外気温度で重力分離される。頂部での圧力は1.86×104Pa(140mmHg)である。水相の重力分離は12.4グラム/時の流速で行う。水相のは96%の水と3.7%のE2HOHとを含む。
【0022】
有機相は下記組成を有する:
AA 3%
E2HOH 95.7%
A2EH 0.4%
オクテン 830 ppm
反応粗生成物は226グラム/時の流速で連続的に抜き取る。その重量組成は下記の通り:
E2HOH 26%
AA 10.8%
水 0.9%
A2EH 60.5%
オクテン 450ppm
ジオクチルエーテル 900 ppm
2−エチルヘキシルヒドロキシプロピオネート 770ppm
2−エチルヘキシルアクリロイルオキシプロピオネート 500ppm
2−エチルヘキシル2−エチルヘキシルオキシ−プロピオネート 650ppm
AAの転化率は69.4%であり、消費されたAAに対する選択率は94.5%であり、消費されたE2HOHに対する選択率は97%である。
【0023】
実施例 3
2−エチルヘキシルアクリレートの製造
実施例1の装置の前に添付図面に記載の管式反応装置13を用いた。
反応器13は130℃のオイルが供給されるジャケットを有するステンレス鋼製の管式反応器で、予め換気乾燥器で乾燥された樹脂1を134g充填してある。
反応物[重合禁止剤(500ppmのl,l,3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−tert−ブチルフェニル)ブタン(TOPANOL(登録商標) CA)および500ppmのHQ)を含むAAと、E2HOH]を混合し、90℃に予熱し、ポンプを用いて触媒反応器13の底へ615ml/時の流速で導入した。初期AA/E2HOHモル比は1.26である。
樹脂カートリッジ13の入口温度は90℃で、樹脂カートリッジ13の出口の温度は95℃である。反応は平衡移動なしで実行される。樹脂での反応物の通過方向は上向きである。樹脂での滞在時間は36分である。
【0024】
樹脂カートリッジ13の出口での粗製品の重量組成は以下の通り:
E2HOH 29.6%
AA 24.7%
水 4.4%
A2EH 41.2%
オクテン 320ppm
マレイン酸不純物(マイレン酸+モノ−+ジマレアート) 1300ppm
2−エチルヘキシルヒドロキシプロピオネート 0.25%
2−エチルヘキシル 0.3%
アクリロイルオキシプロピオネート 0.3%
2−エチルヘキシル2−エチルヘキシルオキシ−プロピオネート 0.2%
AAの転化率は51.2%である(熱力学的平衡の約98.5%)。
樹脂カートリッジ13を出た粗製品は中間容器に収容され、それから反応器1へポンプ輸送される。
反応混合物は188.1グラム/時の流速で攪拌槽1へ導入される。500ppmのHQを含むE2HOH(63グラム/時)をカラム頂部で追加的に加える。(最初ステージ+第二ステージ)の全AA/E2HOHモル比は0.8/1にする。
【0025】
攪拌槽1では空気をバブリングする。攪拌槽1のジャケットには150℃のオイルを供給する。攪拌槽1内の温度はl04〜l05℃にする。樹脂カートリッジの中心温度は95℃にする。カラム頂部の圧力は6.66×l03Pa(50mmHg)である。循環移動速度は30リットル/時にする。
第二ステージの出口での粗製品(233.8グラム/時)の重量組成は下記の通り:
E2HOH 27.5%
AA 6.8%
水 0.14%
A2EH 63.5%
オクテン 110ppm
エーテル 550ppm
マレイン酸不純物(マイレン酸+モノ−+ジマレアート) 1500ppm
【0026】
AA二量体 250ppm
2−エチルヘキシルヒドロキシプロピオネート 0.3%
2−エチルヘキシルアクリロイルオキシプロピオネート 0.8%
2−エチルヘキシル2−エチルヘキシルオキシプロピオネート 0.9%
AAの全転化率は79%である。消費されたAAに対する選択性は96%であり、消費されたE2HOHに対する選択性は98.7%である。
反応水は水/E2HOH共沸混合物(オクテン、AAおよびA2EHを含む)の形で連続的に除去される。重力分離した水は除去し、有機相はカラムへ戻す。
有機相の重量組成は下記の通り:
水 4.1%
AA 16.7%
2−エチルヘキサノール 79%
オクテン 140ppm
【0027】
実施例 4
2−エチルヘキシルアクリレートの製造
樹脂1を樹脂2に代えて実施例3の操作を繰り返した。
反応混合物:AA[500ppmの3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−tert−ブチルフェニル)ブタン(TOPANOL(登録商標) CA)と500ppmのHQとを含む]とE2HOH]を433ml/時の流速で最初の反応段13へ90℃でポンプ輸送する。
初期AA/E2HOHモル比は1.25である。樹脂13上での滞在時間は27分にし、樹脂ベッドの中心温度は95℃にした。換気乾燥器で予め乾燥した170gの樹脂を使用した。
【0028】
樹脂カートリッジ13の出口での重量組成は以下の通り:
E2HOH 30.3%
AA 24.2%
水 4.1%
A2EH 37.5%
オクテン 500ppm
マレイン酸不純物(マイレン酸+モノ−+ジマレート) 1600ppm(この量は使用するAAの品質に依存する)
2−エチルヘキシルヒドロキシプロピオネート 1.2%
2−エチルヘキシルアクリロイルオキシプロピオネート 1.3%
2−エチルヘキシル2−エチルヘキシルオキシプロピオネート 0.2%
【0029】
AAの転化率は48.1%すなわち熱力学的平衡の93.8%である。
最初のステージ13を出た粗製品は第二ステージへポンプ輸送されてポスト−エステル化される。
供給速度は190.5グラム/時である。500ppmのHQを含むE2HOHをカラム6の頂部から追加的に加える。(最初の+第二ステージ)の全AA/E2HOHモル比は0.8/1である。攪拌槽1では空気をバブリングする。攪拌槽1内部の温度は107℃であり、カラム6の頂部温度は38℃で、その圧力は6.66×l03Pa(50mmHg)である。
出口1での粗製品は樹脂カートリッジ9へ20.6リットル/時の流速で循環させられる。樹脂カートリッジ9には134gの乾燥した樹脂2が充填されている。樹脂9のベッドの中心温度は96℃である。反応水は共沸混合物の形でカラム6の頂部から除去される。蒸気はカラム頂部で復水され、外気温度で重力分離される。水相は除去され、有機相はカラムに戻される。
【0030】
第二ステージの出口での粗製品の重量組成は下記の通り:
E2HOH 37.4%
AA 10.7%
水 0.12%
A2EH 47.2%
オクテン 1000ppm
エーテル 500ppm
マレイン酸不純物(マイレン酸+モノ−+ジマレート) 1600ppm
AA二量体 1000ppm
2−エチルヘキシルヒドロキシプロピオネート 1.3%
2−エチルヘキシルアクリロイルオキシプロピオネート 2.3%
2−エチルヘキシル2−エチルヘキシルオキシプロピオネート 0.8%
AAの転化率は67%である。
Claims (17)
- カチオン樹脂触媒の存在下で不飽和カルボン酸をアルコールでエステル化して不飽和カルボン酸エステルを作り、反応水はエステル化用アルコールと一緒または溶媒と一緒に共沸混合物の形で除去する方法において、
反応物混合物を撹拌槽(1)を有する再循環ループ(2)を通って流し、エステル化反応は再循環ループ(2)に設けたカチオン樹脂のベッド(9)中を上向きに流して行い、撹拌槽(1)では反応物を混合し且つ反応水を共沸除去することを特徴とする方法。 - 反応物をカチオン樹脂触媒の第二ベッド(13)中を上向きに流すことによって撹拌槽(1)の上流側で反応の一部を行わせる請求項1に記載の方法。
- 不飽和カルボン酸がアクリル酸またはメタアクリル酸である請求項1または2に記載の方法。
- アルコールがC1−C12の第一または第二脂肪族アルコールである請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- アルコールがn−ブタノール、2−エチルヘキシルアルコールおよびn−オクタノールの中から選択する請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 全不飽和カルボン酸/アルコールのモル比を0.6〜1 にする請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 反応を500〜5000ppmの含有量で媒体中に含まれるフェノチアジン、ハイドロキノン、ハイドロキノンのモノメチルエーテルおよび立体障害型フェノールからなる群の中から選択される少なくとも一種の重合禁止剤の存在下で行う請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 重合禁止剤を、撹拌槽(1)の上方に配置した蒸留塔(6)の頂部から、反応物と一緒に導入する請求項7に記載の方法。
- アルコールの一部を撹拌槽(1)の上方に配置した蒸留塔(6)の頂部から導入し、撹拌槽(1)に導入されるアルコールに対するカラム(6)の頂部から導入されるアルコールの比を20〜60%にする請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 樹脂(9)のベッドの頂部の温度を70℃〜100℃にし、撹拌槽(1)の温度を100℃〜110℃にし、撹拌槽(1)を出た反応混合物を80℃〜90℃に冷却した後に樹脂(9)のベッドを通って再循環させる請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
- カチオン樹脂が、イオン容量が0.5〜2.2当量/リットルである、スルホン酸基を有するスチレン/ジビニールベンゼンの強カチオン樹脂である請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 反応混合物を樹脂(9)のベッドを通って循環させる時の樹脂(9)のベッドでの全滞留時間を0.5〜2時間にする請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 撹拌槽(1)の上に配置した蒸留塔(6)の頂部の作動圧を9.33×l03〜5.3×l04Pa(70〜400mmHg)にする請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
- 第二ベッド(13)の頂部温度を80℃〜95℃にする請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 第二ベッド(13)を含む反応器を大気圧下で熱力学的平衡状態下で運転する行う請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法。
- 第二ベッド(13)の樹脂での滞在時間を20〜60分にする請求項1〜15のいずれか一項に記載の方法。
- 触媒の第二ベッド(13)に入る時の酸/アルコールモル比を酸過剰にする請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
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