JP3943336B2 - シクロアルカンの酸化法 - Google Patents
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Description
本発明は、酸素又は酸素含有ガスによってシクロアルカンをその対応するカルボン酸に酸化する方法に関する。
【0002】
触媒の存在下に酸素を使用するシクロアルカンの直接酸化は、長い間研究の課題であった方法である。実際に、そこには現在の工業的方法の工程のうちの1つにおいて使用されている硝酸の如き酸化剤の使用を回避する利益があり、発生される窒素酸化物を処理する必要性が排除されることは明白である。
【0003】
酸素を使用するこの種の接触酸化法の多くの変形例においては、最も多く推奨されている触媒がコバルトである。
【0004】
例えば、1940年12月に発行された米国特許US−A−2223493は、一般的には酢酸を含む液相において少なくとも60℃の温度で酸素含有ガスの助けを借りてコバルト化合物の如き酸化触媒の存在下に環状炭化水素をその対応する二酸に酸化する方法について記載している。
【0005】
1990年2月に発行された米国特許US−A−902827は、酢酸を含む液相において80〜160℃の温度でコバルトの可溶性化合物とジルコニウム及び/又はハフニウムの可溶性化合物とを含む酸化触媒の存在下にシクロヘキサンをアジピン酸に空気酸化する方法の改良法について記載している。
【0006】
ごく最近になって、ヨーロッパ特許EP−A−0694333は、酸素を使用する炭化水素の酸化に対して第二コバルト塩及び第二鉄塩を含む触媒の使用を推奨している。
【0007】
この酸化反応の他の慣用触媒としては、マンガンを挙げることができる。
【0008】
経済的な背景では、また、得られる生成物の精製を容易にするためには、可能な最低の触媒濃度で操作することが好ましい。それ故に、マンガンがシクロヘキサンの酸化法における有益な触媒である。
【0009】
しかしながら、先に記載した従来技術の方法で使用される触媒系で得られる選択性はなお改良を必要とすることが分かっている。
【0010】
本発明は、かかる改良を提供しようとするものである。より具体的に言えば、本発明は、反応媒体中に溶解させた触媒の存在下に酸素又は酸素含有ガスを使用してシクロアルカンを液相でカルボン酸に酸化する方法において、触媒が少なくとも1種の可溶性マンガン化合物及び少なくとも1種の可溶性クロム化合物を含み、コバルトを含まないことを特徴とするシクロアルカンの酸化法よりなる。
【0011】
本発明の方法において出発基体として使用されるシクロアルカンは、好ましくは、3〜20個の炭素原子を含有するシクロアルカンである。
【0012】
これらのシクロアルカンとしては、5〜12個の炭素原子を含有する環を有するものが疑いもなく最も重要なものである。というのは、それらの酸化はジカルボン酸をもたらすからである。
【0013】
最も興味のあるシクロアルカンはシクロヘキサンであり、そしてその酸化はナイロン6,6の出発化合物の一方であるアジピン酸をもたらす。
【0014】
以下の記載では、本法は、シクロアルカンの酸化について、そして特に優先的にはシクロヘキサンの酸化についてより具体的に説明されている。
【0015】
マンガン及びクロムの化合物を含む触媒系は、シクロヘキサンの酸化からアジピン酸を良好な選択性で直接製造するのを可能にする。この特徴は、極めて有益であることが明らかである。
【0016】
触媒系は、例えば、限定するものではないが、塩化マンガン、臭化マンガン、硝酸マンガン、並びに酢酸マンガン四水和物、プロピオン酸マンガン、アジピン酸マンガン、グルタル酸マンガン及びコハク酸マンガンの如きカルボン酸マンガンから選択される反応媒体中に可溶性の少なくとも1種のマンガン化合物を含む。
【0017】
更に、触媒は、例えば、限定するものではないが、塩化クロム、臭化クロム、硝酸クロム、並びに酢酸クロム、プロピオン酸クロム、アジピン酸クロム、グルタル酸クロム及びコハク酸クロムの如きカルボン酸クロムから選択される反応媒体中に可溶性の少なくとも1種のクロム化合物を含む。
【0018】
最後に、触媒は、例えば、限定するものではないが、塩化ジルコニウム、臭化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、酢酸ジルコニウム、プロピオン酸ジルコニウム、アジピン酸ジルコニウム、グルタル酸ジルコニウム及びコハク酸ジルコニウムの如きカルボン酸ジルコニウム等のジルコニウム化合物、並びに、塩化ハフニウム、臭化ハフニウム、硝酸ハフニウム、酢酸ハフニウム、プロピオン酸ハフニウム、アジピン酸ハフニウム、グルタル酸ハフニウム及びコハク酸ハフニウムの如きカルボン酸ハフニウム等のハフニウム化合物から選択される少なくとも1種の反応媒体中に可溶性の化合物を更に含むことができる。
【0019】
触媒系におけるクロムとマンガンとのモル比は広い範囲内で変動することができる。かくして、有益には0.00001〜100そして好ましくは0.001〜10のCr/Mnモル比を使用することが可能である。
【0020】
ジルコニウムが存在するときには、その量は、クロムについて先に記載したと同様の、マンガンに対するモル比内で変動することができる。
【0021】
触媒は、マンガン、クロムそして随意成分としてのジルコニウムの化合物を反応媒体に投入することによって現場で得ることができる。また、それは、所望のCr/Mnそして随意としてZr/Mnモル比を得るのに必要な割合で該化合物を混合することによって使用時点で調製することもできる。この混合は、溶剤、有益には、酸化反応に使用されると同じ種類の溶剤を使用して、又はこの溶剤中において直接実施されるのが好ましい。
【0022】
反応混合物に対するマンガン、クロムそして随意成分としてのジルコニウムの元素の重量百分率として表わした触媒の量は、一般には0.0001〜5%そして好ましくは0.001〜1%であるが、これらの値は厳密なものではない。しかしながら、重要なことは、過剰量を使用することなく十分な活性を持たせることである。この理由は、最終の反応媒体から触媒を分離して再循環させなければならないからである。
【0023】
酸化反応に対して更に開始剤化合物を使用することが有益である。多くの場合に、開始剤は、例えば、シクロヘキシルヒドロペルオキシド又はt−ブチルヒドロペルオキシドのような炭化水素である。更なる開始剤は、例えば、シクロヘキサンの酸化中に形成される化合物のうちの1種であるシクロヘキサノンのようなケトン又はアルデヒドである。一般には、開始剤は使用する反応混合物の重量の0.01〜20重量%に相当するが、これらの割合は厳密なものではない。開始剤は、とりわけ、酸化を開始する時点で、そしてシクロヘキサンの酸化を120℃よりも低い温度で実施するときに使用される。それは、反応の開始から導入することができる。
【0024】
液状反応媒体は、本発明の方法を使用することによって製造しようとするカルボン酸に対する少なくとも部分的溶剤を含有するのが好ましい。この溶剤は、性状が広範囲にわたって変動することができるが、但し、それは反応条件下で実質上酸化性でないものとする。これは、特に、極性プロトン溶剤及び極性非プロトン溶剤から選択されることができる。極性プロトン溶剤としては、例えば、第一又は第二水素原子のみを有するカルボン酸、特に2〜9個の炭素原子を有する脂肪酸、トリフルオル酢酸のようなペルフルオルアルキルカルボン酸、及びt−ブタノールのようなアルコールを挙げることができる。極性非プロトン溶剤としては、例えば、カルボン酸、特に2〜9個の炭素原子を有する脂肪族カルボン酸、又はペルフルオルアルキルカルボン酸の低級アルキル(=1〜4個の炭素原子を有するアルキル基)エステル、テトラメチレンスルホン(又はスルホラン)、アセトニトリル、ジクロルメタンのようなハロゲン化炭化水素、及びアセトンのようなケトンを挙げることができる。
【0025】
酢酸が、シクロヘキサンの酸化反応に対する溶剤として使用されるのが好ましい。マンガン及びクロム成分が溶剤として使用されるカルボン酸から誘導される化合物の形態にあるような触媒を使用するのが好ましいが、但し、該化合物は反応媒体中に可溶性であるものとする。それ故に、特にこの理由のために、触媒として好ましくはマンガン及びクロムのアセタールが使用される。
【0026】
溶剤の量は、先に規定したように、一般には反応媒体の1〜99重量%、好ましくは10〜90重量%そしてより好ましくは20〜80重量%に相当する。
【0027】
また、酸化は、プロセスの初期段階から導入される水の存在下に実施することもできる。
【0028】
酸化反応を実施する際の温度は、特に、使用される基体に従って変動することができる。それは、一般には50〜200℃そして好ましくは80〜140℃である。
【0029】
圧力は、本法の臨界的なパラメーターではない。それは、大気圧よりも低くても、同等でも又は高くてもよい。一般には、それは、0.1MPa(1バール)〜20MPa(200バール)であるが、これらの値は制限的なものではない。
【0030】
純酸素、空気、酸素富化又は酸素減少空気、さもなければ、不活性ガスで希釈した酸素を使用することが可能である。
【0031】
次の実施例は、本発明を例示するものである。
【0032】
例1(比較例)
つば形加熱手段、タービン、ガス導入手段及び圧力調整手段を備えた125mlのチタン製オートクレーブに、
・21.25g(253ミリモル)のシクロヘキサン
・27.35gの酢酸
・0.26gの(2.65ミリモル)のシクロヘキサノン
・0.0143g(0.057ミリモル)の酢酸コバルト四水和物を仕込む。
【0033】
反応器を閉じた後、混合物を1000回転/分で撹拌し、空気圧を発生させ(20℃で100バール)、そして混合物を加熱する。混合物の温度は10分で105℃に達するが、この温度を更に170分間維持する。
【0034】
冷却しそして減圧した後、反応混合物は2つの液相よりなるが、これを酢酸の添加によって均質にする。
【0035】
かくして得られた均質な混合物をガスクロマトグラフィーによって分析する。得られた結果は次の通りである。
・シクロヘキサノンの転化度(DC):<1%
【0036】
この結果は、コバルトが試験した濃度において良好な触媒ではないことを実証する。
【0037】
例2(比較例)
同じ装置において同じ操作条件下に例1を反復するが、しかし酢酸コバルト水和物を酢酸マンガン四水和物(0.015g)の形態にある0.061ミリモルのMnで置き換える。反応時間は170分である。
【0038】
得られた結果は次の通りである。
・シクロヘキサンの転化度(DC):15.3%
・転化されたシクロヘキサンに対するシクロヘキサノールのDS:24.5%
・転化されたシクロヘキサンに対するシクロヘキサノンのDS:0.0%
・転化されたシクロヘキサンに対するアジピン酸のDS:48.4%
・転化されたシクロヘキサンに対するアジピン酸+シクロヘキサノン+シクロヘキサノールのDS:72.9%
・形成されたアジピン酸/全二酸モル比:77.6%
・他の化合物(ブチロラクトン、バレロラクトン、ヒドロキシアジピン酸、ヒドロキシカプロン酸)のDS:13.2%
【0039】
例3
同じ装置において同じ操作条件下に例2を反復するが、しかし触媒に0.011gの酢酸クロム(0.04ミリモル)の形態にあるCrを添加する。
【0040】
得られた結果は次の通りである。
・シクロヘキサンの転化度(DC):11.3%
・転化されたシクロヘキサンに対するシクロヘキサノールのDS:10.2%
・転化されたシクロヘキサンに対するシクロヘキサノンのDS:0.0%
・転化されたシクロヘキサンに対するアジピン酸のDS:65.5%
・転化されたシクロヘキサンに対するアジピン酸+シクロヘキサノン+シクロヘキサノールのDS:75.7%
・形成されたアジピン酸/全二酸モル比:78.9%
・他の化合物のDS:6.7%
【0041】
例4
同じ装置において同じ操作条件下に例2を反復するが、しかし0.011gの代わりに0.0031gの酢酸Crを添加する。
【0042】
得られた結果は次の通りである。
・シクロヘキサンの転化度(DC):13.4%
・転化されたシクロヘキサンに対するシクロヘキサノールのDS:16.2%
・転化されたシクロヘキサンに対するシクロヘキサノンのDS:0%
・転化されたシクロヘキサンに対するアジピン酸のDS:58.5%
・転化されたシクロヘキサンに対するアジピン酸+シクロヘキサノン+シクロヘキサノールのDS:74.7%
・形成されたアジピン酸/全二酸モル比:79.0%
・他の化合物のDS:9.8%
【0043】
例5
同じ装置において同じ操作条件下に例3を反復するが、しかし酢酸ジルコニウムの形態にある15ppmのZrを添加する。反応時間は60分である。
【0044】
得られた結果は次の通りである。
・シクロヘキサンの転化度(DC):14.0%
・転化されたシクロヘキサンに対するシクロヘキサノールのDS:9.8%
・転化されたシクロヘキサンに対するシクロヘキサノンのDS:2.5%
・転化されたシクロヘキサンに対するアジピン酸のDS:64.5%
・転化されたシクロヘキサンに対するアジピン酸+シクロヘキサノン+シクロヘキサノールのDS:76.8%
・形成されたアジピン酸/全二酸モル比:78.7%
・他の化合物のDS:5.7%
Claims (14)
- 極性プロトン溶剤及び極性非プロトン溶剤から選択される溶剤中で反応媒体中に溶解させた触媒の存在下に酸素又は酸素含有ガスを使用してシクロアルカンを液相でカルボン酸に酸化する方法において、触媒が可溶性マンガン化合物及び可溶性クロム化合物を含み、コバルトを含まないことを特徴とするシクロアルカンの酸化法。
- 出発基体として使用されるシクロアルカンが、シクロヘキサンであることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 触媒が、塩化マンガン、臭化マンガン、硝酸マンガン、及びカルボン酸マンガンから選択される反応媒体中に可溶性の少なくとも1種のマンガン化合物を含むことを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
- 触媒が、塩化クロム、臭化クロム、硝酸クロム、及びカルボン酸クロムから選択される反応媒体中に可溶性の少なくとも1種のクロム化合物を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の方法。
- 触媒が可溶性ジルコニウム又はハフニウム化合物を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の方法。
- 反応媒体中の可溶性ジルコニウム化合物が、塩化ジルコニウム、臭化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、及びカルボン酸ジルコニウムから選択されることを特徴とする請求項5記載の方法。
- 反応媒体中の可溶性ハフニウム化合物が、塩化ハフニウム、臭化ハフニウム、硝酸ハフニウム、及びカルボン酸ハフニウムから選択されることを特徴とする請求項5記載の方法。
- クロムとマンガンとのモル比が0.00001〜100であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項記載の方法。
- 反応混合物に対するマンガン、クロムそして随意成分としてのジルコニウムの元素の重量百分率として表わした触媒の量が0.0001〜5%であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項記載の方法。
- 液状反応媒体が、2〜9個の炭素原子を有する脂肪族カルボン酸、ペルフルオルアルキルカルボン酸、アルコール、ハロゲン化炭化水素、ケトン、カルボン酸の低級アルキルエステル、テトラメチレンスルホン(又はスルホラン)及びアセトニトリルから選択される溶剤を含有することを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項記載の方法。
- 使用される溶剤が酢酸であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項記載の方法。
- 溶剤が反応媒体の1〜99重量%に相当することを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項記載の方法。
- 酸化反応を実施する際の温度が50〜200℃であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項記載の方法。
- 酸化反応を実施する際の圧力が0.1MPa(1バール)〜20MPa(200バール)であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項記載の方法。
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