JP4026521B2 - 亜硝酸アルキルの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硝酸から亜硝酸アルキルを効率よく製造する方法に関する。亜硝酸アルキルは、各種酸化プロセス（シュウ酸ジアルキル、炭酸ジアルキル等の製造）において有用な化合物である。
【０００２】
【従来の技術】
亜硝酸アルキルを製造する方法として、一酸化窒素と酸素とアルカノールを反応させる方法が知られている（特許文献１、特許文献２）。しかしながら、この方法は、相当量の硝酸が副生して窒素成分のロスを来たすという点で満足できるものではなく、この副生硝酸を有効に再利用できる方法が要望されていた。
【０００３】
一酸化炭素と亜硝酸メチルから炭酸ジメチルを連続的に製造する方法においても、生成した一酸化窒素を酸素及びメタノールと反応させて亜硝酸メチルに再生する方法が知られていて、その際、硝酸を窒素源としてガスに同伴させて補給することが開示されているが（特許文献３）、この方法は硝酸の熱分解によって二酸化窒素などを発生させることを目的とするもので、分解反応が効率的ではなく適用温度範囲も限られるものであった。この場合、硝酸と一酸化窒素とメタノールの接触も起り得るが、一酸化窒素と酸素とメタノールから亜硝酸メチルを生成させる系では、酸素の供給によりガス中の酸素及び二酸化窒素の濃度が高くなるため、硝酸と一酸化窒素とメタノールから亜硝酸メチルを効率よく生成させるのは非常に困難であることが、本発明者の研究の過程で判明した。
【０００４】
また、特許文献１では、亜硝酸アルキル再生用反応塔の塔底液（硝酸を含有する）を抜き出して該反応塔に冷却・循環しながら亜硝酸アルキルを製造する方法が開示されていて、その際、硝酸と一酸化窒素とアルカノールの接触も起っているが、前記と同様に、酸素の供給によりガス中の酸素及び二酸化窒素の濃度が高くなっているため、硝酸と一酸化窒素とメタノールから亜硝酸メチルを効率よく生成させることは非常に困難であることが、同様に本発明者の研究の過程で判明した。
【０００５】
一方、二酸化窒素を生成させる方法として、下記反応式（１）のように硝酸と一酸化窒素を反応させる方法が知られているが（非特許文献１）、この方法では最初に下記反応（２）が起る。
【０００６】
ＮＯ ＋ ２ＨＮＯ_３ → ３ＮＯ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ （１）
ＮＯ ＋ ＨＮＯ_３ → ＮＯ_２ ＋ ＨＮＯ_２ （２）
【０００７】
しかし、反応（２）は平衡反応でその平衡が原系に大きく偏っているため、二酸化窒素及び亜硝酸を高濃度で生成させることが困難である。更に、平衡を生成系にずらそうとしても、二酸化窒素の水への溶解度が比較的大きく、しかも水溶液中では二酸化窒素と硝酸が平衡関係にあることから、二酸化窒素が高濃度になるほど或いは圧力が高くなるほど硝酸が生成し、結果として二酸化窒素及び亜硝酸を高濃度で生成させることが困難になるという問題がある。このように、この方法は、硝酸から二酸化窒素及び亜硝酸を生成させる方法として工業的に好適なものではないことが、本発明者の研究の過程でわかった。
【０００８】
また、一酸化窒素の製法として、濃硝酸を、ビスマス、銅、鉛、水銀などの金属、又は、酸化鉄（II）、三酸化二砒素で還元する方法も知られているが（非特許文献２）、この方法は量論反応を利用するもので、上記金属や酸化物を大量に必要とすることから、工業的な方法としては好ましくなかった。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−１８９５７０号公報
【特許文献２】
特開平６−２９８７０６号公報
【特許文献３】
特開平６−２５１０４号公報
【非特許文献１】
ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，１０２９（１９７６）
【非特許文献２】
化学大辞典１縮刷版第３２刷，６６５頁
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、硝酸（例えば、一酸化窒素と酸素とアルカノールを出発物質とする亜硝酸アルキルの製造方法における副生硝酸など）から亜硝酸アルキルを効率よく製造できる、工業的に好適な亜硝酸アルキルの製造方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、非特許文献１の方法において、アルコールを共存させることにより（２）式で生成する亜硝酸を速やかに亜硝酸アルキルに変換し、全体として硝酸と一酸化窒素の反応を極めて円滑に進められることを見出して、本発明を完成するに至った。即ち、本発明は、硝酸及びアルカノールを含有する水溶液を一酸化窒素ガスと接触させて亜硝酸アルキルを生成させることを特徴とする亜硝酸アルキルの製造方法にある。更に、本発明は、前記一酸化窒素ガスが、一酸化窒素ガス中に分子状酸素が存在することにより生成する窒素酸化物を含有しない、前記の亜硝酸アルキルの製造方法にもある。
【００１２】
本発明の好ましい態様としては、（１）前記一酸化窒素ガスが一酸化窒素ガス中に分子状酸素が存在することにより生成する窒素酸化物を含有していない、前記の亜硝酸アルキルの製造方法、（２）前記一酸化窒素が、二酸化窒素、三酸化二窒素、四酸化二窒素、及び、分子状酸素を含有していない、前記の亜硝酸アルキルの製造方法、（３）前記水溶液が６０重量％以下の濃度で硝酸を含有する前記の亜硝酸アルキルの製造方法、（４）前記水溶液が５〜７０重量％の濃度でアルカノールを含有する前記の亜硝酸アルキルの製造方法などがある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明で用いる硝酸及びアルカノールを含有する水溶液において、硝酸濃度は特に制限されるものではなく、高濃度でも低濃度でもよいが、工業的な効率を考慮すれば、該水溶液は６０重量％以下（特に１〜６０重量％）、更には２０重量％以下（特に１〜２０重量％）の濃度で硝酸を含有していることが好ましい。
【００１４】
本発明で用いるアルカノールとしては、炭素数１〜３のアルカノール（メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉ−プロパノール）が好ましく挙げられるが、中でもメタノールが特に好ましい。アルカノールは前記水溶液に含有（均一に溶解又は混合）されており、前記水溶液は５〜７０重量％の濃度でアルカノールを含有していることが好ましい。
【００１５】
このような硝酸及びアルカノールを含有する水溶液としては、例えば、前記の一酸化窒素と酸素とアルカノールを反応させる亜硝酸アルキルの製造方法（特許文献１、特許文献２など）において生じる硝酸及びアルカノールを含有する水溶液が挙げられる。この水溶液においては、硝酸の濃度は２０重量％以下、更には１〜２０重量％、特に２〜１５重量％程度であることが好ましく、アルカノールの濃度は１５〜６０重量％、更には２０〜５５重量％であることが好ましい。
【００１６】
本発明で用いる一酸化窒素ガスは純ガスであってもよいが、通常は窒素等の不活性ガスで希釈された混合ガスとして反応系に供給される。この場合、混合ガスは、一酸化窒素を４容量％以上含有していることが好ましく、反応の進行を妨げないガス成分（一酸化炭素、二酸化炭素、アルコール蒸気等）を更に含んでいても差し支えない。また、一酸化窒素ガスは、亜硝酸アルキルを効率よく生成させるために、一酸化窒素ガス中に分子状酸素が存在することにより生成する窒素酸化物を含有していないことが好ましい。例えば、二酸化窒素、三酸化二窒素、四酸化二窒素、及び、分子状酸素を含有していないことが好ましい。なお、一酸化窒素は、硝酸１モルに対して１〜５０モル、更には１．５〜２０モル、特に２〜１０モルの割合で用いることが好ましい。
【００１７】
硝酸及びアルカノールを含有する水溶液と一酸化窒素ガスを接触させる（硝酸を一酸化窒素及びアルカノールと反応させて亜硝酸アルキルを生成させる）際の温度は、０〜２００℃、更には２０〜１００℃の範囲であることが好ましい。また、圧力は、常圧から２０ＭＰａＧ、更には常圧から３ＭＰａＧ、特に０．２〜１ＭＰａＧの範囲であることが好ましい。本発明では、このように加圧下でも反応を行うことができる。なお、反応に用いる硝酸及びアルカノールを含有する水溶液も、一酸化窒素ガス中に分子状酸素が存在することにより生成する窒素酸化物を含有していないことが更に好ましい。
【００１８】
また、前記反応の際には、８族金属（白金族金属を除く）又は１Ｂ金属の硝酸塩を触媒として存在させてもよい。８族金属（白金族金属を除く）の硝酸塩としては、硝酸第二鉄、硝酸ニッケル、硝酸コバルトが好ましく挙げられ、１Ｂ金属の硝酸塩としては、硝酸第二銅が好ましく挙げられる。触媒は、硝酸含有水溶液に対して、金属換算で２０重量％以下、更には１０重量％以下、特に０．１〜１０重量％で存在させればよい。
【００１９】
前記反応は、液相でバッチ式でも連続式でも可能である。この反応は、例えば、攪拌槽等の反応器に硝酸及びアルカノールを含有する水溶液を供給し、液中に一酸化窒素ガスを流通させながら常圧又は加圧下でその溶液を攪拌するか、或いは一酸化窒素ガスを圧入して加圧下でその溶液を攪拌することにより行われる。このとき、一酸化窒素ガス中に分子状酸素が存在することにより生成する窒素酸化物は一酸化窒素ガスに含まれず、反応系に供給されないことが好ましい。また、該窒素酸化物は、反応器に供給する硝酸及びアルカノールを含有する水溶液にも含まれていないことが更に好ましい。
【００２０】
反応器は、この反応を効率よく行うことができるものであればよく（複数であってもよい）、攪拌槽以外に、充填塔やシーブトレイなどの多段塔形式のものも使用できるが、反応が気液接触反応になるため、攪拌槽型反応器を用いる場合は、高攪拌、高ガス分散が可能な羽根形状及び回転装置などを有する気液接触効率の高い攪拌装置を用いることが好ましく、多段塔形式の反応器では気液接触効率の高い充填材を用いることが好ましい。生成した亜硝酸アルキルは、前記ガスに同伴させて反応系外に導出して（必要に応じて洗浄等により精製して）、他の反応に利用できる。
【００２１】
【実施例】
次に、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。なお、硝酸はイオンクロマトグラフィー及び滴定により、その他はガスクロマトグラフィーによりそれぞれ分析した。
【００２２】
実施例１
攪拌機（パドル式攪拌羽根４枚付き）、ガス供給ノズル、ガス抜き出しノズル、液抜き出しノズルを備えた１Ｌ（リットル）容オートクレーブ（ＳＵＳ３１６製）に、１６．７重量％硝酸水溶液５４０ｇとメタノール２３０ｇを入れ、窒素でパージした後、窒素で０．４ＭＰａＧまで加圧した。次いで、この圧力を維持するようにガス抜き出しノズルからガスを抜き出しつつ、攪拌下（１１００ｒｐｍ）、一酸化窒素と窒素の混合ガス（一酸化窒素１０容量％）をガス供給ノズルから１６ＮＬ（ノルマルリットル）／ｈで供給しながら５０℃まで昇温した。
【００２３】
５０℃になった時点から１時間後に、ガス抜き出しノズルから導出されるガス１９．２ＮＬ／ｈを分析したところ、亜硝酸メチル１１．２容量％、一酸化窒素２．１容量％、メタノール８．９容量％、水分２．８容量％、窒素７５．０容量％の組成であった。また、５０℃になった時点から３時間後に反応液中の硝酸濃度を測定したところ、９．５重量％であった（硝酸転化速度：約２ｇ／ｈ）。
【００２４】
実施例２〜７
温度、圧力、攪拌などの条件を表１記載のように変えたほかは、実施例１と同様に反応を行った。但し、実施例７では、硝酸水溶液に対して０．２ｍｏｌ／Ｌの濃度で硝酸第二銅を添加した。結果を表１に示す。
【００２５】
比較例１
硝酸水溶液を１１．７重量％硝酸水溶液７７０ｇに代え、メタノールを加えなかったほかは、実施例１と同様に反応を行った。その結果、５０℃になった時点から１時間後に、ガス抜き出しノズルから導出されるガス１６．４ＮＬ／ｈを分析したところ、一酸化窒素９．５容量％、二酸化窒素０．５容量％、水分２．８容量％、窒素８７．２容量％の組成で、硝酸は殆ど転化していなかった。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【発明の効果】
本発明により、硝酸から亜硝酸アルキルを効率よく製造できる工業的に好適な亜硝酸アルキルの製造方法を提供できる。このため、例えば、一酸化窒素と酸素とアルカノールを出発物質とする亜硝酸アルキルの製造方法においては、副生硝酸を再利用して効率よく亜硝酸アルキルに変換することができ、その結果、窒素成分のロスを抑えて（即ち、亜硝酸アルキルの生成割合を高めて）工業的に効率よく亜硝酸アルキルを製造することができるようになる。また、本発明は、低濃度の硝酸含有水溶液（アルカノールを含む）であっても効率よく亜硝酸アルキルを製造できるもので、そのような硝酸含有水溶液から窒素成分を亜硝酸アルキルとして回収する場合に非常に有用である。

Claims (6)

1. 硝酸及びアルカノールを含有する水溶液を一酸化窒素ガスと接触させて亜硝酸アルキルを生成させることを特徴とする亜硝酸アルキルの製造方法。
2. 前記一酸化窒素ガスが、一酸化窒素ガス中に分子状酸素が存在することにより生成する窒素酸化物を含有していない、請求項１記載の亜硝酸アルキルの製造方法。
3. 前記一酸化窒素ガスが、二酸化窒素、三酸化二窒素、四酸化二窒素、及び、分子状酸素を含有していない、請求項１記載の亜硝酸アルキルの製造方法。
4. 前記水溶液が６０重量％以下の濃度で硝酸を含有する、請求項１記載の亜硝酸アルキルの製造方法。
5. 前記水溶液が５〜７０重量％の濃度でアルカノールを含有する、請求項１記載の亜硝酸アルキルの製造方法。
6. ８族金属（白金族金属を除く）又は１Ｂ金属の硝酸塩の存在下で接触させる、請求項１記載の亜硝酸アルキルの製造方法。