JP3845904B2

JP3845904B2 - 水素化反応用触媒、その製造法、及び該触媒を用いたカルボン酸類の水素化反応方法

Info

Publication number: JP3845904B2
Application number: JP19358396A
Authority: JP
Inventors: 晴彦日下; 裕子高橋; 一郎横竹
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-07-23
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: JPH1071332A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種々の水素化反応、脱水素化反応、特にエステル類、カルボン酸類の水素化反応、並びにそれに用いる触媒及びその製造方法に関するものである。さらに具体的には、無水マレイン酸、マレイン酸、無水コハク酸、コハク酸、γ−ブチロラクトン、又はこれらの混合物を原料とし、接触水素化反応により１，４−ブタンジオール及び／又はテトラヒドロフランを製造する方法に関する。１，４−ブタンジオールは、主にポリブチレンテレフタレートやポリウレタン等のプラスチック原料として使用されるほか、ピロリジン、アジピン酸等の製造中間体等としても使用されている。また、テトラヒドロフランは、沸点が低く優れた溶解力をもつため溶媒として使用されるほか、ポリテトラメチレンエーテルグリコール、テトラヒドロチオフェン等の原料として使用されており、非常に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
炭素質担体に金属を担持して得られる触媒が、水素化能を有することは公知である。しかしながら、通常、炭素質担体は担持する金属の原料となる多くの金属化合物に対して強い吸着特性を有するので、通常用いられる担持方法を採用すると担体の表層部を中心に金属が吸着担持される傾向がある。このような触媒は、担体内部が十分に利用されないため、反応活性が低くなることがある。
【０００３】
例えば、米国特許第５，１４９，６８０号明細書、及び米国特許第４，６５９，６８６号明細書に、活性炭に担持したパラジウム−レニウム触媒を用いてマレイン酸水溶液からテトラヒドロフラン又はγ−ブチロラクトンを製造する方法が記載されているが、これらの明細書には、活性炭における各金属の担持位置に関する記載はなく、触媒の反応効率も低い。また米国特許第４，６５９，６８６号明細書に記載の方法では、反応を行う際に１５０気圧以上の水素圧力が必要であるという欠点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、担持成分である金属の担持状態を最適化し、より高い反応活性を示す炭素質担体を用いた水素化反応用触媒及びその製造方法を提供することにある。
また本発明は、従来、触媒の反応性が低く、比較的高い水素圧の条件下、又は低基質濃度の条件下で反応を行う必要があったマレイン酸等のカルボン酸類の水素化反応を、より温和な条件で効率よく行い、１，４−ブタンジオール及び／又はテトラヒドロフラン等を効果的に製造する等の水素化方法を提供することをも目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、炭素質担体にＲｕ、Ｓｎ及びＰｔを担持した水素化反応用触媒であって、該触媒の粒子の最大断面積を与える断面の最長径の線を、計測間隔が３μｍ、電子ビ−ム直径が２μｍの条件でＸ線マイクロアナライザ−の線分析を行った場合の各測定点のＲｕ強度を全測定点のＲｕ強度の平均値で割った値の度数分布をとった場合に、その平均値の５０％未満の度数の占める割合が全体の３５％未満であり、同じく各測定点のＳｎ強度を全測定点のＳｎ強度の平均値で割った値の度数分布をとった場合に、その平均値の３０％未満の度数の占める割合が全体の２０％未満であり、同じく各測定点のＰｔ強度を全測定点のＰｔ強度の平均値で割った値の度数分布をとった場合に、その平均値の５０％未満の度数の占める割合が全体の４０％未満であることを特徴とする水素化反応用触媒に関するものである。
【０００６】
更に本発明は、該水素化反応用触媒を製造するにあたり、炭素質担体としてあらかじめ硝酸と接触した炭素質担体を使用することを特徴とする水素化反応用触媒の製造法に関するものである。
また本発明は、カルボン酸類を水素及び該水素化反応用触媒と接触させることを特徴とするカルボン酸類の水素化反応方法に関する。
【０００７】
以下に本発明について詳細に説明する。
本発明の水素化反応用触媒は、炭素質担体にＲｕとＳｎ、またはこれらに必要に応じて他の周期律表のVIII族金属から選ばれる元素を組み合わせて担持した触媒である。そして本発明の触媒は、担持した触媒成分が担体内部に均一に担持されているという特徴を有する。このことは、ＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザ−）の線分析により特徴づけられる。測定は、触媒の粒子の最大断面積を与える面の最長径を与える線での線分析を以下のようなＥＰＭＡの測定条件で行うなお、この最大断面積を与える面、及び最長径を与える線とは、電子顕微鏡で目視によりその位置を決定したものである。
【０００８】
【表１】
ＥＰＭＡ：ＪＸＡ−８６００Ｍ（商品名、日本電子（株）製品）
電子銃加速電圧：２０ｋＶ
照射電流：２×１０^-8Ａ
電子ビ−ム径：２μｍ
計測ステップ：３μｍ
計測時間：１ｓｅｃ．／ｐｏｉｎｔ
【０００９】
上記の測定により、触媒の最長径を与える断面における金属種毎に特性Ｘ線チャートを得る。得られたチャ−トのピークの高さ（特性Ｘ線強度）は、その測定点におけるその金属の担持量を表すものである。上記条件で測定した線分析結果は、更にその担持状態を数値化するために統計的な数値処理を行う。すなわち、各金属別の線分析において、各測定点の強度を全測定点の強度の平均値で割った値を求め、その数値を０．１間隔で度数分布に作成する。これにより、平均強度に対して何％の強度を持つ測定点が全測定点の何％存在するかが判る。
【００１０】
本発明の触媒は、担持金属成分のうちＲｕに関して、上記条件での線分析において、Ｒｕ平均強度に対して５０％未満の強度を持つ測定点が全測定点の３５％未満である。さらには２５％未満であることがより好ましい。
更に上記の条件に加え、Ｓｎに関して上記条件での線分析において、Ｓｎ平均強度に対して３０％未満の強度を持つ測定点が全測定点の２０％未満であることが好ましく、１５％未満であることがより好ましい。
【００１１】
Ｒｕ、Ｓｎに加えて、第３の金属成分として周期律表で他のVIII族金属から選ばれる金属元素を組み合わせて担持したものが好ましい。この他のVIII族金属としては、Ｐｔ又はＲｈが好ましく、これらを併用しても良い。更にＰｔが特に好ましい。このＰｔを添加した場合、Ｐｔに関して上記条件での線分析において、Ｐｔ平均強度に対して５０％未満の強度を持つ測定点が全測定点の４０％未満であることが好ましい。さらには３０％未満であることがより好ましい。
【００１２】
このような均一に担持された触媒粒子は、用いる全触媒粒子の中で少なくとも一部存在すれば、その効果が得られる限りにおいて有効であり、通常１０％以上、中でも３０％以上が該均一に担持された触媒粒子であることが望ましい。
本発明の触媒は、例えば以下の方法で製造される。担体として使用される炭素質担体は、活性炭、グラファイト、黒鉛等である。これら炭素質担体の形状は、粉末状、顆粒状、成形品のいずれからも選択でき、また操作性やろ過性の観点からその大きさが、平均粒径１００μｍ以上を有するものが好ましい。なお、この担体の形状とは、上記のような炭素質の物質の一次粒子が凝集して形成された粒子のことを示す。
【００１３】
前記の炭素質担体は、金属化合物を担持する前にあらかじめ硝酸処理を行う。硝酸処理は通常硝酸水溶液中で行う。その際の硝酸水溶液の濃度は、１ｗｔ％以上７５ｗｔ％以下、好ましくは５ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下で行う。硝酸処理温度は、室温以上の任意の温度で実施可能であるが、処理温度が高いほど処理時間を短縮できるので、通常は５０℃〜１００℃の範囲で実施される。
【００１４】
硝酸水溶液で処理する時間は、その温度にもよるが、９０℃前後の温度を掛けた場合には、１分間から１０時間、好ましくは１０分間から５時間の範囲で行うことができる。
本発明の触媒の製造方法においては、炭素質担体を硝酸で処理することにより前記のようなＸ線マイクロアナライザーによる線分析の結果に示される如く、担持成分が担体内部にまで均一に担持されるというものである。このように均一に担持できる理由についての詳細は不明であるが、この硝酸処理により、炭素質担体上に酸素官能基が付与されて酸素含有量が増加すること、又は炭素質担体自体の表面構造が変化することにより、担体表面での金属化合物の吸着力が低下し、金属化合物が内部まで浸透して担持されるようになるものと推測される。
【００１５】
次に、この硝酸処理した炭素質担体に、ＲｕとＳｎ、又はこれらにさらに必要に応じて周期律表の他のVIII族金属から選ばれる元素を担持する。この際、これら各金属は、金属あるいは金属化合物でも良い。該金属化合物の例としては、ＲｕとＳｎ、及び周期律表の他のVIII族金属の硝酸、硫酸、塩酸等の鉱酸塩が一般的に使用されるが、酢酸等の有機酸塩、水酸化物、酸化物又は錯塩、さらにはカルボニル錯体やアセチルアセトナ−ト塩に代表されるような有機金属化合物も使用することができる。
【００１６】
また、その担持方法にも特に制限はなく、浸漬法、含浸法などの周知の方法が用いられる。浸漬法や含浸法によるときは、原料となる金属化合物を溶媒に溶解し、溶液として使用する。この時使用される溶媒は、基本的に金属化合物に対して十分な溶解性が有れば良く、特に制限は無い。また溶媒として水を用いた場合には、金属化合物の溶解度を高めるために、塩酸や、硝酸等の酸溶液とすることも可能である。具体的には、価格的な視点から水もしくはメタノ−ルやエタノ−ル等のアルコ−ル類が好適であり、必要に応じてこれらを混合した混合溶媒でも良い。
【００１７】
担体に各担持成分を担持する順序については特に制限はなく、全ての担持成分を一度に同時に担持しても、各成分を金属種毎に個別に担持しても、または該複数成分のいくつかの金属種を組み合わせて複数回にわたって担持しても良い。
Ｒｕ及びＳｎの担持量（金属として）はそれぞれ、担体に対して通常０．５〜５０重量％、好ましくは１〜２０重量％である。また、必要に応じて添加される周期律表の他のVIII族金属、特に水素化活性の向上の点から好適なＰｔ又はＲｈは、それぞれ単独または合計で、Ｒｕに対して０．０１〜１０重量倍共存させるのが活性向上の観点から好ましい。
【００１８】
また、上記のように金属成分の溶液を浸漬担持した後には乾燥を行う。尚、複数の担持成分を複数回にわたって浸漬担持する場合にはその都度乾燥を行う。その後、必要に応じて焼成、還元処理を行う。焼成処理を行う場合には、通常１００〜６００℃の温度範囲で行われる。また、還元処理を行う場合には、公知の液相還元法、気相還元法が採用され、気相還元法の場合、通常１００〜５００℃の温度範囲、好ましくは２００〜４５０℃の範囲で行われる。還元処理を行った後の触媒の構造に関しては、その詳細は不明であるが、上のような還元条件では、貴金属成分は実質的に全てが金属に還元されると推定され、Ｓｎは、一部分が２価又は４価で残存すると推定される。
【００１９】
また、上記のような本発明の触媒は、水素化反応用触媒として好適に用いられ、例えば、オレフィン、アルキン、カルボニル基、カルボキシル基、ニトリル基等の官能基の水素化反応、還元アミノ化反応、水素化分解反応に適している。中でも特に、カルボン酸類を接触水素化する反応に好適に使用される。本発明において、特に該カルボン酸類として、無水マレイン酸、マレイン酸、フマル酸、無水コハク酸、コハク酸のような、炭素数４のジカルボン酸及びその無水物の他、γ−ブチロラクトンのような炭素数４のカルボン酸の環状エステル、又はこの混合物を原料として、接触水素化反応により１，４−ブタンジオール及び／又はテトラヒドロフランを製造する方法に好適である。
【００２０】
本発明によるこの炭素数４のカルボン酸類の水素化反応においては、反応生成物の分析結果等からみて、（無水）マレイン酸が水素添加されて、（無水）コハク酸となり、次いで、γ−ブチロラクトンとなり、更に最終生成物として、１，４−ブタンジオール及び／又はテトラヒドロフランを生成する反応機構と推測される。従って、上記の化合物のいずれをも反応原料として用いても１，４−ブタンジオール及び／又はテトラヒドロフランを製造することができるし、これらの２種以上の混合物であっても同様である。
【００２１】
本発明方法によって、１，４−ブタンジオール及び／又はテトラヒドロフランを製造するには、通常、温度１００〜３５０℃、好ましくは１６０〜３００℃、水素圧１０〜３００ｋｇ／ｃｍ²、好ましくは５０〜２００ｋｇ／ｃｍ²の条件が採用される。回分反応の場合には、使用される本発明の触媒の量は、無水マレイン酸等の反応原料１００重量部に対し、０．１〜１００重量部であることが望ましいが、反応温度又は反応圧力等の諸条件に応じ、実用的な反応速度が得られる範囲内で任意に選ぶことができる。
【００２２】
反応方式は、液相懸濁反応又は固定床反応のいずれであってもよい。また反応は、無溶媒で行ってもよいし、必要に応じて、反応に悪影響を与えない種類の溶媒を使用してもよい。この際使用できる溶媒としては、特に制限されないが、具体的には、水；メタノール、エタノール、オクタノール、ドデカノール等のアルコール類；テトラヒドロフラン、ジオキサン、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類；その他、ヘキサン、シクロヘキサン、デカリン等の炭化水素類が挙げられる。
【００２３】
なお、反応で生成した１，４−ブタンジオール及び／又はテトラヒドロフランは、蒸留等の公知の方法により分離精製される。また、この分離精製後に残る未反応原料又は反応中間体としてのγ−ブチロラクトン等は、反応原料として再使用することができる。
【００２４】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例の記載に限定されるものではない、
なお、以下において「％」は「重量％」を示す。
実施例１
＜炭素質担体の硝酸処理＞
２００ｍｌのなす型フラスコに活性炭（三菱化学（株）、商品名：ＣＸ−２）２０ｇと３０％硝酸水溶液５０ｇを入れ、ときどき攪拌しながら９５℃のオイルバスで３時間加熱処理した。冷却後、蒸留水で洗浄し、８０℃で５時間減圧乾燥した。
【００２５】
＜触媒の調製＞
１００ｍｌのなす型フラスコに、Ｈ₂ＰｔＣｌ₆・６Ｈ₂Ｏ（キシダ化学（株）製品）を０．９６ｇ、５Ｎ−ＨＣｌ水溶液を６．７１ｍｌ入れて溶解した。この液にＳｎＣｌ₂・２Ｈ₂Ｏ（キシダ化学（株）製品）を１．０１ｇ入れて溶解し、溶解を確認後、ＲｕＣｌ₃・３Ｈ₂Ｏ（ＮＥケムキャット社製品）を１．６７ｇ入れて完全に溶解させた。この金属化合物の溶液に、上記のようにして硝酸処理した活性炭を９．０６ｇ加え、よく振とうした。その後、回転減圧乾燥器で６０℃、２５mmHg下で溶媒の水を除去した後、アルゴン雰囲気下１５０℃で２時間焼成処理し、ついで水素雰囲気下、４５０℃で２時間還元処理して、６．１重量％Ｒｕ−３．４重量％Ｐｔ−５重量％Ｓｎ／活性炭の触媒を調製した。
【００２６】
この触媒の粒子の最大断面積を与える断面の最長径の線におけるＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザ−）による線分析を、上記で得られた触媒の２つの粒子Ｎ１，Ｎ２について行った。測定は、以下の条件で行った。
【００２７】
【表２】
ＥＰＭＡ：ＪＸＡ−８６００Ｍ（商品名、日本電子（株）製品）
電子銃加速電圧：２０ｋＶ
照射電流：２×１０^-8Ａ
電子ビ−ム径：２μｍ
計測ステップ：３μｍ
計測時間：１ｓｅｃ．／ｐｏｉｎｔ
【００２８】
この結果を元に、各元素の測定点の強度をその全測定点の強度の平均値で割った値の度数分布をとった結果を図１（触媒粒子Ｎ１のＲｕに関する度数分布を示したヒストグラム）、図２（触媒粒子Ｎ１のＳｎに関する度数分布を示したヒストグラム）、図３（触媒粒子Ｎ１のＰｔに関する度数分布を示したヒストグラム）、図４（触媒粒子Ｎ２のＲｕに関する度数分布を示したヒストグラム）、図５（触媒粒子Ｎ２のＳｎに関する度数分布を示したヒストグラム）、及び図６（触媒粒子Ｎ２のＰｔに関する度数分布を示したヒストグラム）に示した。その結果、Ｒｕは平均値の５０％未満の度数の占める割合は全体の４．６％（Ｎ１）、及び５．２％（Ｎ２）であり、Ｓｎは平均値の３０％未満の度数の占める割合は全体の３．２％（Ｎ１）、４．７％（Ｎ２）であり、またＰｔは平均値の５０％未満の度数の占める割合は全体の５．３％（Ｎ１）、及び５．４％（Ｎ２）であった。このようにＥＰＭＡ強度の特に低い部分（平均値に比べ、その量が大幅に少ない部分）はごく少なく、各金属成分が担体内部まで均一に担持されていることが判った。
【００２９】
＜コハク酸の水素化反応＞
容量２００mlのオートクレーブに、水２５ｇ、コハク酸２５ｇを仕込み、更に上記方法で調製した触媒４．６ｇを仕込み、室温下攪拌しつつ２０ｋｇ／ｃｍ²の水素を圧入し、２４０℃まで昇温した。オートクレーブ内の温度を２４０℃に維持しつつ、水素を圧入して水素圧を７０Kg／cm²まで高め、この圧力で２時間反応を行った。反応終了後、反応液をデカンテ−ションにより触媒と分離し、残った触媒は脱塩水により洗浄した。この触媒に、水２５ｇ、コハク酸２５ｇを仕込み、２回目の反応を全く同様の手法により行った。
このようにして、計４回の反応を繰り返して行い、反応成績の変化を調べた。反応成績の評価のうち、コハク酸の転化率は酸滴定により求め、反応生成物についてはガスクロマトグラフィーで定量分析を行った。その結果を後記表３に示した。
【００３０】
比較例１
硝酸処理を行わなかった以外は実施例１と同様の方法で触媒を調製した。
この触媒の２つの粒子Ｓ１、Ｓ２について、その粒子の中央部付近の断面の最長径の線におけるＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザ−）による線分析を行った。この結果を元に、各元素の測定点の強度をその全測定点の強度の平均値で割った値の度数分布をとった結果を、図７（触媒粒子Ｓ１のＲｕに関する度数分布を示したヒストグラム）、図８（触媒粒子Ｓ１のＳｎに関する度数分布を示したヒストグラム）、図９（触媒粒子Ｓ１のＰｔに関する度数分布を示したヒストグラム）、図１０（触媒粒子Ｓ２のＲｕに関する度数分布を示したヒストグラム）、図１１（触媒粒子Ｓ２のＳｎに関する度数分布を示したヒストグラム）、及び図１２（触媒粒子Ｓ２のＰｔに関する度数分布を示したヒストグラム）に示した。その結果、Ｒｕは平均値の５０％未満の度数の占める割合は全体の３６．３％（Ｓ１）、及び５５．６％（Ｓ２）であり、Ｓｎは平均値の３０％未満の度数の占める割合は全体の２０．２％（Ｓ１）、３８．５％（Ｓ２）であり、またＰｔは平均値の５０％未満の度数の占める割合は全体の４０．１％（Ｓ１）、及び５７．７％（Ｓ２）であった。このようにＥＰＭＡ強度の特に低い部分（平均値に比べ、その金属量が大幅に少ない部分）が硝酸処理活性炭を用いた場合に比べ明らかに多く、各金属成分が担体内部まで均一に担持されていないことが判った。
この触媒を用い、実施例１と同様の手順でコハク酸の水素化反応を行った。反応生成物についての分析結果を表３に示した。
【００３１】
【表３】

上記表３中に示した略号は以下の意味である。ＳＡ：コハク酸ＴＨＦ：テトラヒドロフランＧＢＬ：γ−ブチロラクトン
ＢＤＯ：１，４−ブタンジオール
K(0-2hr)：一次速度定数。反応終了後の反応生成物に含まれるカルボニル基の減少量から算出した。実施例１、比較例１共に、１回目の反応において生成物の量が少ないのは、触媒上に生成物、もしくは原料の一部が吸着されて検出できなかったためである。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、炭素質担体に主金属としてＲｕとＳｎ、さらに必要に応じて周期律表で他のVIII族金属から選ばれる元素を担体内部まで均一に担持した触媒を提供することができる。そして、この触媒を使用することにより、無水マレイン酸、マレイン酸、無水コハク酸、コハク酸、γ−ブチロラクトン、又はこれらの混合物を原料とした接触水素化反応において、比較的温和な反応条件下で、１，４−ブタンジオール及び／又はテトラヒドロフランを高い効率、かつ高い収率で製造することができ、その工業的利用価値は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の触媒粒子Ｎ１のＲｎに関する度数分布を示したヒストグラム
【図２】実施例１の触媒粒子Ｎ１のＳｎに関する度数分布を示したヒストグラム
【図３】実施例１の触媒粒子Ｎ１のＰｔに関する度数分布を示したヒストグラム
【図４】実施例１の触媒粒子Ｎ２のＲｕに関する度数分布を示したヒストグラム
【図５】実施例１の触媒粒子Ｎ２のＳｎに関する度数分布を示したヒストグラム
【図６】実施例１の触媒粒子Ｎ２のＰｔに関する度数分布を示したヒストグラム
【図７】比較例１の触媒粒子Ｓ１のＳｎに関する度数分布を示したヒストグラム
【図８】比較例１の触媒粒子Ｓ１のＲｕに関する度数分布を示したヒストグラム
【図９】比較例１の触媒粒子Ｓ１のＰｔに関する度数分布を示したヒストグラム
【図１０】比較例１の触媒粒子Ｓ２のＳｎに関する度数分布を示したヒストグラム
【図１１】比較例１の触媒粒子Ｓ２のＲｕに関する度数分布を示したヒストグラム
【図１２】比較例１の触媒粒子Ｓ２のＰｔに関する度数分布を示したヒストグラム

Claims

炭素質担体にＲｕ、Ｓｎ及びＰｔを担持した水素化反応用触媒であって、該触媒の粒子の最大断面積を与える断面の最長径の線を、計測間隔が３μｍ、電子ビ−ム直径が２μｍの条件でＸ線マイクロアナライザ−の線分析を行った場合の各測定点のＲｕ強度を全測定点のＲｕ強度の平均値で割った値の度数分布をとった場合に、その平均値の５０％未満の度数の占める割合が全体の３５％未満であり、同じく各測定点のＳｎ強度を全測定点のＳｎ強度の平均値で割った値の度数分布をとった場合に、その平均値の３０％未満の度数の占める割合が全体の２０％未満であり、同じく各測定点のＰｔ強度を全測定点のＰｔ強度の平均値で割った値の度数分布をとった場合に、その平均値の５０％未満の度数の占める割合が全体の４０％未満であることを特徴とする水素化反応用触媒。
請求項１に記載の水素化反応用触媒を製造するにあたり、炭素質担体としてあらかじめ硝酸と接触した炭素質担体を使用することを特徴とする水素化反応用触媒の製造法。
カルボン酸類を水素及び触媒と接触させることにより水素化する方法において、該触媒として、請求項１に記載の水素化反応用触媒を用いることを特徴とするカルボン酸類の水素化反応方法。
カルボン酸類が、無水マレイン酸、マレイン酸、フマル酸、無水コハク酸、コハク酸、及びγ−ブチロラクトンからなる群から選ばれたものである請求項３に記載の水素化反応方法。