JP3824321B2 - カプロラクタムの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、触媒の存在下に、アミノカルボン酸ニトリルと水を反応させることにより環式ラクタムを製造する新規の方法に関する。
米国特許４６２８０８５号明細書から、６−アミノカプロン酸ニトリルを、酸性シリカゲル上において、３００℃の気相下に水と反応させることは公知である。カプロラクタムは、定量的に進行する反応の生成物として、当初選択率９５％で得られるが、生産性および選択性は急速に低下することが判明している。類似する方法が米国特許４６２５０２３号明細書に記載されており、これによれば、６−アミノカプロン酸ニトリル、アジピン酸ジニトリル、アンモニア、水および担体ガスから成る高度に希釈された気体流が、シリカゲル触媒床および銅／クロム／バリウム／チタン酸化物触媒床上を流過せしめられる。カプロラクタムは８５％の転化率、９１％の選択率で得られる。この場合にも触媒の急速な不活性化が認められる。
また米国特許２３０１９６４号明細書には、２８５℃の温度で、６−アミノカプロン酸ニトリルを、水溶液中において、カプロラクタムに転化する方法が記載されている。この場合の収率は８０％以下である。
さらに仏国特許２０２９５４０号明細書には、触媒として金属ＺｎもしくはＣｎの粉末、あるいはルビジウム、鉛、水銀または原子番号２１から３０または３９から４８の元素の酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、シアナイドを使用して、６−アミノカプロン酸ニトリルを環化してカプロラクタムを得る方法が記載されている。この触媒は撹拌オートクレーブ中において浮懸触媒として非連続的に使用される。この場合、カプロラクタムは８３％までの収率で得られる。しかしながら、触媒を目的生成物であるカプロラクタムから完全に分離することは困難である。カプロラクタムが、使用された金属化合物の溶解成分と化合するか、あるいは機械的撹拌により極めて微細な粉末をもたらすからである。
そこで本発明により解決されるべき課題は、従来技術の諸欠点をもたらすことのない触媒の存在下に、アミノカルボン酸ニトリルと水を反応させて、高い収率および選択性を以て、しかも連続的処理を可能ならしめる態様で環式ラクタムを製造する方法を提供することである。
この製造方法は、さらにまた使用される触媒の量をできるだけ少量に止め、かつまた触媒可溶成分が反応化合物の組成分と反応して錯化合物を形成することにより、あるいは高い機械的応力により撹拌中に極めて微細な粉末がもたらされることにより生起する、分散処理における触媒分離の問題を回避し得るものでなければならない。
しかるに、この課題は、反応条件下に溶解する組成分を含有しない不均一系触媒の存在下に、固定床反応器中において、液相で反応を行なう本発明方法により解決されることが、本発明者らにより見出された。この不均一系触媒は、固定床に配置され、反応混合物は、この固定床中を塔頂にまたは塔底に向って連続的に流過する。
本発明の好ましい実施態様は、特許請求範囲の第２項以降に記載されている。
本発明方法における出発物質としては、ことに以下の一般式Ｉ

で表わされるアミノカルボン酸ニトリルが使用される。式中のｎおよびｍは、０、１、２、３、４、５、６、７、８、９のいずれかを意味するが、ｎ＋ｍの合計は少くとも３、好ましくは少くとも４である。
Ｒ¹、Ｒ²は原則としてどのような置換基でもよいが、必要とされる環化反応がこれら置換基により阻害されないようにすることが要求される。Ｒ¹、Ｒ²は、相互に無関係に、それぞれＣ₁−Ｃ₆アルキル、Ｃ₅−Ｃ₇シクロアルキル、Ｃ₆−Ｃ₁₂アリールを意味するのが好ましい。
ことに好ましい出発化合物は、式
Ｈ₂Ｎ−（ＣＨ₂）_m−Ｃ≡Ｎ
で表わされ、ｍが３、４、５または６を意味する場合のアミノカルボン酸ニトリルである。ｍが５である６−アミノカプロン酸ニトリルが特に好ましい。
本発明方法によれば、上述したアミノカルボン酸ニトリルと水を、不均一系触媒の存在下に反応させて、環式ラクタムを得る。式Ｉのアミノカルボン酸ニトリルを使用して、以下の式ＩＩ

で表わされ、ｎ、ｍ、Ｒ¹、Ｒ²が上述した意味を有する、対応する環式ラクタムが得られる。ことに好ましいラクタムは、ｎ＝０であって、ｍが４、５または６、ことに５（この場合、カプロラクタムが得られる）を意味する場合である。
反応は液相で１４０から３２０℃、ことに１６０から２８０℃の温度において行なわれる。圧力は一般的に１から２５０バール、ことに５から１５０バールであるが、反応混合物が、採択される反応条件下において、ほぼ液状であることが重要である。滞留時間は、一般的に１から１２０分、好ましくは１から９０分、ことに１から６０分である。若干の場合、１から１０分で全く充分であることが実証されている。
アミノカルボン酸ニトリルの１モルに対して、一般的に少くとも０．０１モル、好ましくは０．１から２０モル、ことに１から５モルの水が使用される。
アミノカルボン酸ニトリルは、１から５０重量％、好ましくは５から５０、ことに５から３０重量％濃度の水溶液（この場合、溶媒が同時に反応関与体となる）、または水／溶媒混合液中の溶液の形態で使用されるのが好ましい。溶媒としては、例えばメタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｉ−ブタノール、ｔ−ブタノールのようなアルカノール、ジエチレングリコール、テトラエチレングリコールのようなポリオール、石油エーテル、ベンゼン、トルエン、キシレンのような炭化水素、ピロリドン、カプロラクタムのようなラクタム、Ｎ−メチルピロリドン、Ｎ−メチルカプロラクタム、Ｎ−エチルカプロラクタムのようなアルキル置換ラクタムならびにカルボン酸エステル、ことに炭素原子数１から８のカルボン酸のエステルが挙げられる。反応に際してアンモニアが存在してもよい。当然のことながら、有機混合溶媒も使用され得る。若干の場合、水／アルカノールの重量割合が１−７５／２５−９９、ことに１−５０／５０−９９である水とアルカノールの混合溶媒がことに有利に使用される。
アミノカルボン酸ニトリルを反応関与体として、また同時に溶媒として使用することも、原則的に可能である。
不均一系触媒として、例えば以下のものが使用可能である。すなわち、周期表の第２、第３または第４主族元素の酸性、塩基性または両性酸化物、例えば酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化硼素、酸化アルミニウム、酸化錫、発熱性二酸化珪素、シリカゲル、珪藻土、石英としての二酸化珪素、またはこれらの混合物、さらには周期表第２から第７亜族の金属の酸化物、例えば、鋭錐石もしくは金紅石としてのまたは無定形の酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化マンガンまたはこれらの混合物が挙げられる。同様に、ランタニドおよびアクチニドの酸化物、例えば酸化セリウム、酸化トリウム、酸化プラセオジム、酸化サマリウム、希土類元素混合酸化物またはこれと上述した酸化物との混合物も使用可能である。さらに他の触媒として、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化鉄、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化タングステンまたはこれらの混合物が挙げられる。また若干のスルフィド、セレニド、テルリド、例えばテルル化亜鉛、セレン化亜鉛、タングステンスルフィド、ニッケル、亜鉛およびクロムのスルフィドも使用可能である。
上述した化合物は、周期表第１および第７主族化合物でドーピングされ、あるいはこれを含有し得る。
さらに他の適当な触媒は、ゼオライト、ホスファート、ヘテロ多重酸ならびにナフィオンのような酸性、アルカリ性イオン交換体も適当な触媒として使用される。
これらの触媒は、場合によりそれぞれ５０重量％までの銅、錫、亜鉛、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、パラジウム、白金、銀あるいはロジウムを含有し得る。
触媒は、その組成に応じて、非担持触媒または担持触媒として使用され得る。従って、例えば二酸化チタンは、二酸化チタンのペレットとして、または担体上に薄層として施こされた二酸化チタンの形態で使用され得る。二酸化珪素、酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウムのような担体上にＴｉＯ₂を施こす方法は、各種文献に記載されているどの方法であってもよい。ＴｉＯ₂薄層は、Ｔｉ−イソプロラートもしくはＴｉ−ブチラートのようなＴｉ−オルガニルあるいはＴｉＣｌ₄またはその他のＴｉ含有無機化合物の加水分解によりもたらされる。酸化チタン含有ゾルも使用可能である。
本発明による固定床法の利点は、一方において、環化を簡単な態様で連続的に行ない得る点である。他方において、固定床で達成され得る収率および選択率が著しく高く、従って極めて高い流動速度を以て、短かい滞留時間で反応が行なわれ得る利点がある。使用された触媒は、これまでの観察では、極めて良好な耐用寿命を示し、従って触媒使用量は極めて僅少で足りる。触媒の溶解性組成分と反応混合物組成分との錯化合物形成にせよ、撹拌処理の際の高い機械的応力のためにもたらされる極微細粉によるにせよ、分散液法における触媒分離の困難性は、本発明による固定床連続処理方法においては完全に解消され得る。
（実施例）
下表に示される割合の水とエタノールから成る混合溶媒中の６−アミノカプロン酸ニトリル（ＡＣＮ）の溶液を、同じく下表に示される給送速度で、２５ミリリットルの内容積（内径６ｍｍ、長さ８００ｍｍ）を有し、１．５ｍｍの二酸化チタン（鋭錐石）ペレットを充填した加熱管状反応器に１００バールの圧力下に給送した。反応器から排出された生成物をガスクロマトグラフィーおよび高圧液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）で分析した結果を同じく下表に示す。

（対比例）
実施例１に記載されている実験と同様にして、ただし、１０％のアミノカプロン酸ニトリル、６．４％の水および８３．６％のエタノールから成る溶液を、不均一系触媒を使用することなく、２５０℃において、３０分の滞留時間で、空の（触媒不存在）管状反応器中において反応させた。転化率２８％、カプロラクタムに対する選択率は７４％であった。
実施例７−１６
実施例１−６と同様にして、同じ管状反応器を使用して、ただし１３．３ｇのＴｉＯ₂を使用して実施例７−１６の実験を下表のようにして行なった。

実施例１７−２２
実施例１−６と同様にして、同じ管状反応器を使用して、ただし２０ｇのＴｉＯ₂を使用して実施例７−２２の実験を下表のようにして行なった。

実施例２３−２７
実施例１−６と同様にして、同じ管状反応器を使用して、ただし下表に示されるように異なる触媒を使用して、実施例２３−２７の実験を行なった。

Claims (4)

1. 触媒の存在下にアミノカルボン酸ニトリルと水を反応させることにより環式ラクタムを製造する方法において、
   アミノカルボン酸ニトリルと水との反応を、固定床反応器中で、液相で、１４０から３２０℃の温度範囲で、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化アルミニウム、またはこれらの混合物から選択された不均一系触媒の存在下に行うことを特徴とする方法。
2. 以下の式
   Ｈ₂Ｎ−（ＣＨ₂）_m−Ｃ≡Ｎ
   （式中、ｍが３、４、５または６を意味する）で表わされるアミノカルボン酸ニトリルを使用することを特徴とする、請求項１の方法。
3. アミノカルボン酸ニトリルとして６−アミノカプロン酸ニトリルを使用することを特徴とする、請求項２の方法。
4. アミノカルボン酸ニトリルの水もしくは水／有機溶媒混合物中における１から５０重量％濃度の溶液を使用することを特徴とする、請求項１から３のいずれかの方法。