JP4060713B2 - アゾカップリングにおける連続的な酸化還元調整のための方法および装置 - Google Patents

アゾカップリングにおける連続的な酸化還元調整のための方法および装置 Download PDF

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Description

本発明は、連続的なアゾカップリング反応をオンライン制御する方法、ならびに前記方法を実施するのに適した測定セルおよび装置に関する。
連続操作式リアクタ内でアゾ着色剤を調製するにあたっては、最高の収率と同時に非常に一定した高い製品品質を達成するような形法で、流動する反応混合物中での反応の化学量論に従ってカップリング成分およびジアゾ成分を計量することが必要である。
アゾ染料調製用のバッチ操作式リアクタに用いられるような、酸化還元電位測定用のトラバース容器(ドイツ特許出願第2 352 735号)を用いることはできない。その理由として、測定する体積が大きいこと、構造の型の影響、および酸化還元電位の変化を検出する際に長いむだ時間を伴うことがあげられる。
アゾカップリング反応を実施するための連続操作式リアクタ内で反応物の流れをオンライン調整することは、現在のところ開示されていない。
したがって、本発明の目的は、一貫して優れた製品品質を有するアゾ着色剤を高収率で提供する、好ましくはマイクロリアクタ内での連続的なアゾカップリングのための感度のよい調整方法を提供することである。本発明の他の目的は、前記方法を実行するのに適した装置および測定セルを提供することである。
上記の目的は、連続リアクタの下流の革新的なフロートラバース(flow−traversed)測定セル、およびフロートラバース測定セル内での酸化還元電位の測定による反応物の流れのオンライン調整によって達成された。
したがって、本発明は、反応混合物の酸化還元電位を、それが連続操作式リアクタから流出した後に、フロートラバース測定セル内で反応混合物の流れの方向に対して横向きに配置された回転酸化還元電極を用いて、主流中でオンラインで測定することを含む、連続的なアゾカップリング反応において計量添加を調整する方法を提供する。
本発明の方法では、カップリング成分、ジアゾ成分、または両方の成分、例えば、カップリング成分の溶液または懸濁液を含む反応物の流れA、ジアゾ成分の溶液または懸濁液を含む反応物の流れB、および該当する場合には決められたpHを保つための緩衝液、酸またはアルカリを含む体積流Cの計量添加をオンラインで調整することができる。
反応成分の計量は、一定のpHで酸化還元電極の測定信号を予め設定した酸化還元電位の設定値と比較することによって行うことが適切である。したがって、一定のpHを保つためには、測定セルを反応物の流れAおよびBに接続する酸化還元調整回路に加えて、フロートラバース測定セル内のpH電極を体積流Cに接続する第2の調整回路を設けることが適切である。
実際に、標準的な方法では、必要とされる酸化還元電位をカップリング成分とジアゾ成分の性質および濃度の関数として、言い換えれば、調製すべきアゾ着色剤の関数として定める。この目的のために、生成物の流れの中でまたは収集容器の中で、調製すべきアゾ着色剤のタイプに依存するある一定の反応時間が経過した後に、適切な分析技術(例えば、斑点試験、HPLC)を用いて一方の成分が少しでも過剰になっていないかどうか試験を行う。この結果に基づいて、反応物の流れAおよび/またはBを補正する。反応物の一方が過剰かどうかをもはや測定することができなくなったら、酸化還元電位を固定する。アゾカップリング反応のさらに先の過程では、固定したこの酸化還元電位からのどんなずれも、反応物の流れAおよび/またはBを適切に変更することによって補正する。pHを一定に保つために、アルカリ、酸または緩衝液を注入するための体積流Cを独立した調整回路の中で制御する。
アゾカップリング反応は、アゾ顔料およびアゾ染料を調製するために本発明に従って実施することができる。
アゾ顔料では、以下のアミン成分のジアゾニウム塩が特に重要である。すなわち、4−メチル−2−ニトロフェニルアミン、4−クロロ−2−ニトロフェニルアミン、3,3’−ジクロロビフェニル−4,4’−ジアミン、3,3’−ジメチルビフェニル−4,4’−ジアミン、4−メトキシ−2−ニトロフェニルアミン、2−メトキシ−4−ニトロフェニルアミン、4−アミノ−2,5−ジメトキシ−N−フェニルベンゼンスルホンアミド、5−アミノイソフタル酸ジメチル、アントラニル酸、2−トリフルオロメチルフェニルアミン、2−アミノテレフタル酸ジメチル、1,2−ビス(2−アミノフェノキシ)エタン、2−アミノテレフタル酸ジイソプロピル、2−アミノ−4−クロロ−5−メチルベンゼンスルホン酸、2−メトキシフェニルアミン、4−(4−アミノベンゾイルアミノ)ベンズアミド、2,4−ジニトロフェニルアミン、3−アミノ−4−メチルベンズアミド、3−アミノ−4−クロロベンズアミド、3−アミノ−4−クロロ安息香酸、4−ニトロフェニルアミン、2,5−ジクロロフェニルアミン、4−メチル−2−ニトロフェニルアミン、2−クロロ−4−ニトロフェニルアミン、2−メチル−5−ニトロフェニルアミン、2−メチル−4−ニトロフェニルアミン、2−メチル−5−ニトロフェニルアミン、2−アミノ−4−クロロ−5−メチルベンゼンスルホン酸、2−アミノナフタレン−1−スルホン酸、2−アミノ−5−クロロ−4−メチルベンゼンスルホン酸、2−アミノ−5−クロロ−4−メチルベンゼンスルホン酸、2−アミノ−5−メチルベンゼンスルホン酸、2,4,5−トリクロロフェニルアミン、3−アミノ−4−メトキシ−N−フェニルベンズアミド、4−アミノベンズアミド、2−アミノ安息香酸メチル、4−アミノ−5−メトキシ−2,N−ジメチルベンゼンスルホンアミド、2−アミノ−N−(2,5−ジクロロフェニル)テレフタル酸モノメチル、2−アミノ安息香酸ブチル、2−クロロ−5−トリフルオロメチルフェニルアミン、4−(3−アミノ−4−メチルベンゾイルアミノ)ベンゼンスルホン酸、4−アミノ−2,5−ジクロロ−N−メチルベンゼンスルホンアミド、4−アミノ−2,5−ジクロロ−N,N−ジメチルベンゼンスルホンアミド、6−アミノ−1H−キナゾリン−2,4−ジオン、4−(3−アミノ−4−メトキシベンゾイルアミノ)ベンズアミド、4−アミノ−2,5−ジメトキシ−N−メチルベンゼンスルホンアミド、5−アミノベンズイミダゾロン、6−アミノ−7−メトキシ−1,4−ジヒドロキノキサリン−2,3−ジオン、3−アミノ−4−メチル安息香酸2−クロロエチル、3−アミノ−4−クロロ安息香酸イソプロピル、3−アミノ−4−クロロベンゾトリフルオリド、3−アミノ−4−メチル安息香酸n−プロピル、2−アミノナフタレン−3,6,8−トリスルホン酸、2−アミノナフタレン−4,6,8−トリスルホン酸、2−アミノナフタレン−4,8−ジスルホン酸、2−アミノナフタレン−6,8−ジスルホン酸、2−アミノ−8−ヒドロキシナフタレン−6−スルホン酸、1−アミノ−8−ヒドロキシナフタレン−3,6−ジスルホン酸、1−アミノ−2−ヒドロキシベンゼン−5−スルホン酸、1−アミノ−4−アセチルアミノベンゼン−2−スルホン酸、2−アミノアニソール、2−アミノメトキシベンゼン−ω−メタンスルホン酸、2−アミノフェノール−4−スルホン酸、o−アニシジン−5−スルホン酸、硫酸2−(3−アミノ−1,4−ジメトキ シベンゼンスルホニル)エチル、硫酸2−(1−メチル−3−アミノ−4−メトキシベンゼンスルホニル)エチルである。
アゾ染料では、以下のアミン成分のジアゾニウム塩が特に重要である。すなわち、硫酸2−(4−アミノベンゼンスルホニル)エチル、硫酸2−(4−アミノ−5−メトキシ−2−メチルベンゼンスルホニル)エチル、硫酸2−(4−アミノ−2,5−ジメトキシベンゼンスルホニル)エチル、硫酸2−[4−(5−ヒドロキシ−3−メチルピラゾール−1−イル)ベンゼンスルホニル]エチル、硫酸2−(3−アミノ−4−メトキシベンゼンスルホニル)エチル、硫酸2−(3−アミノベンゼンスルホニル)エチルである。
アゾ顔料では、以下のカップリング成分が特に重要である。すなわち、アセトアセトアリーリド類、
[式中、X=H、COOH、
(式中、R=CH、OCH、OC、NO、Cl、NHCOCH、n=0〜3、およびR=H、CH、C)]、ビスアセトアセチル化ジアミノベンゼン類およびビフェニル類、N,N‘−ビス(3−ヒドロキシ−2−ナフトイル)フェニレンジアミン(いずれの場合も所望であれば置換されている)、あるいはピラゾロン類
(式中、R=CH、COOCH、COOC、R’=CH、SOH、Cl、p=0〜3)である。
アゾ染料では、以下のカップリング成分が特に重要である。すなわち、4−[5−ヒドロキシ−3−メチルピラゾール−1−イル]ベンゼンスルホン酸、2−アミノナフタレン−1,5−ジスルホン酸、5−メトキシ−2−メチル−4−[3−オキソブチリルアミノ]ベンゼンスルホン酸、2−メトキシ−5−メチル−4−[3−オキソブチリルアミノ]ベンゼンスルホン酸、4−アセチルアミノ−2−アミノベンゼンスルホン酸、4−[4−クロロ−6−(3−スルホフェニルアミノ)−[1,3,5]−トリアジン−2−イル−アミノ]−5−ヒドロキシナフタレン−2,7−ジスルホン酸、4−アセチルアミノ−5−ヒドロキシナフタレン−2,7−ジスルホン酸、4−アミノ−5−ヒドロキシナフタレン−2,7−ジスルホン酸、5−ヒドロキシ−1−[4−スルホフェニル]−1H−ピラゾール−3−カルボン酸、2−アミノナフタレン−6,8−ジスルホン酸、2−アミノ−8−ヒドロキシナフタレン−6−スルホン酸、1−アミノ−8−ヒドロキシナフタレン−3,6−ジスルホン酸、2−アミノアニソール、2−アミノメトキシ−ベンゼン−ω−メタンスルホン酸、および1,3,5−トリスヒドロキシベンゼンである。
アゾカップリングは水溶液中で行うことが好ましいが、有機溶媒を、適切な場合には水との混合物の形で用いることも可能であり、その例には、芳香族炭化水素類、塩素化炭化水素類、グリコールエーテル類、ニトリル類、エステル類、ジメチルホルムアミド、テトラメチル尿素、およびN−メチルピロリドンがある。
本発明のアゾカップリング反応の実施形態では、ジアゾニウム塩の溶液または懸濁液(反応物の流れB)、およびカップリング成分の溶液または懸濁液(反応物の流れA)をリアクタに連続的に導入し、そこでそれらを連続的に互いに混合し反応させる。
体積流の出発材料の混合物の調製は、予めマイクロミキサ内または上流の混合区域で行うこともできる。
アゾカップリングでは、緩衝液(体積流C)を反応物の流れに供給することが可能であり、その緩衝液としては、有機酸とその塩の緩衝液、例えば酢酸/酢酸塩緩衝液、クエン酸/クエン酸塩緩衝液、または無機酸とその塩の緩衝液、例えばリン酸/リン酸塩や炭酸/炭酸塩が好ましい。
アゾ顔料は、モノアゾ顔料でもジアゾ顔料でもよい。アゾ顔料の混合物を調製することも可能である。
特に適切なアゾ顔料には、C.I.ピグメントイエロー1、3、12、13、14、16、17、65、73、74、75、81、83、97、111、120、126、127、151、154、155、174、175、176、180、181、183、191、194、198、ピグメントオレンジ5、34、36、38、62、72、74、ピグメントレッド2、3、4、8、12、14、22、48:1−4、49:1、52:1−2、53:1−3、57:1、60:1、112、137、144、146、147、170、171、175、176、184、185、187、188、208、214、242、247、253、256、266、ピグメントバイオレット32、ピグメントブラウン25が含まれる。
適切には、染料には分散染料、および水溶性のアニオン性染料またはカチオン性染料が含まれる。具体的には、当該の染料は、モノアゾ、ジアゾまたはポリアゾ染料、およびホルマザン染料またはアントラキノン染料である。水溶性の染料には、特に反応性染料のアルカリ金属塩またはアンモニウム塩、およびアゾ系の羊毛用の酸性染料または木綿用の直接染料が含まれる。適切なアゾ染料には、好ましくは金属を含まずメタレーション可能な(metalatable)、1種または複数のスルホン酸基またカルボン酸基を含むモノアゾ、ジアゾ、およびトリアゾ染料、重金属のアゾ染料、例えば、銅、クロムまたはコバルトのモノアゾ、ジアゾ、およびトリアゾ染料が含まれる。金属染料の前駆物質は、通常のバッチ工程における標準的な方法によって調製することができる。
適切な反応性アゾ染料には、特にC.I.リアクティブイエロー15、17、37、57、160、リアクティブオレンジ107、リアクティブレッド2、23、35、180、リアクティブバイオレット5、リアクティブブルー19、28、203、220、およびリアクティブブラック5、8、31が含まれる。さらに、この方法によって、特にC.I.アシッドイエロー17、23、ダイレクトイエロー17、86、98、132、157、およびダイレクトブラック62、168、171を調製することが可能である。
この方法の実施にはフロー測定セル(図1a、1b、1c)が適切であることが立証されており、これは、フロー測定セルのフローチューブ(2)のほぼ中央に反応混合物の流れの方向に対して横向きに配置され、信号を受信するために摺動接点(3)内で回転可能に取り付けられた回転酸化還元電極(1)、この回転酸化還元電極に接触し清浄作用をもつ棒状体(4)、参照電極(5)、およびpH電極(6)を特徴とする。
回転酸化還元電極(1)は、導電性材料から、好ましくはW、Au、Pt、Ag、Sb、Mo、Crまたはそれらの合金から、あるいは黒鉛から、あるいは少なくとも80%の列挙した材料のうちの1つから構成される。特に好ましいものは、タングステンからなる酸化還元電極である。
酸化還元電極は、例えば銅製ブッシュ内に回転可能に取り付けられ、外部の駆動装置、例えば電動機によってその縦軸を中心に回転する。信号の受信は、支持位置で摺動接点を介して行われる。対向電極として働くのは対照電極(5)であり、これには商業的に通常のAg/AgCl電極、カロメル電極、またはPt/H標準水素電極が好ましい。
酸化還元電極(1)は、その回転中に、電極表面が連続的に機械的に清浄されるように、不活性材料、例えば二フッ化ポリビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)から構成された、またはこれらでコートされた、より好ましくは、研磨材料、例えばコランダム、アーカンサスストーン、炭化ケイ素などから構成された、またはこれらでコートされた棒状体(4)に接触する。
この棒状体(4)は、トラッキング装置(7)、特にコイルばねまたはおもりによって回転酸化還元電極に押しつけることが適切である。棒状体(4)と酸化還元電極の間の接触点はフローチューブ(2)の中間に位置することが好ましく、この点(測定点)では流れの断面積が減少する。その結果、死容積は小さく保たれる。測定セルはさらに、例えば商業的に通常のガラス電極などのpH電極(6)を含む。
測定セルは、pH電極(6)、対照電極(5)、およびトラッキング装置を含む棒状体(4)が互いに平行に並び、またそれぞれが回転酸化還元電極に対しては90°の角度をなし、流れの方向に対しては垂直に配置されるように構成することが適切である。測定セルのハウジング(8)は、例えばPVDF、PTFE、ポリプロピレンなどの不活性材料から製造することが適切である。
図1bは流れの方向で見た測定セルを示し、図1cは上からの平面図を示す。
本発明はまた、前述のように連続操作式リアクタ(R)およびリザーバ容器(A、B、および適切な場合にはC)に接続されたフロー測定セル(M)を特徴とする、連続的でオンライン調整されるアゾカップリング反応を実施するための装置(図2)を提供する。
適切な連続操作式リアクタには、フローチューブ、撹拌タンクカスケード、マイクロリアクタまたはマイクロジェットリアクタ、特に流れの断面積がマイクロメートルからミリメートルの範囲であるものが含まれる。マイクロリアクタおよびマイクロリアクタが好ましい。
適切なマイクロリアクタは、例えばドイツ特許出願第100 05 550号(PCT/EP 01/01137)に、またマイクロジェットリアクタは、本明細書の優先権主張日には未公開であるドイツ特許出願第10 049 200.2号に記載されている。
マイクロリアクタは、例えば、互いに結合され互いに積み重ねられた複数の小板から構成され、前記小板の表面は、互いに作用して化学反応を行う反応チャンバを形成するマイクロメカニカルに作られた構造を有する。装置全体に通じ入口および出口へとつながる、少なくとも1つのチャネルが存在する。
材料の流れの流速は、装置によって、例えばマイクロリアクタの幾何的形状に従って決まる圧力によって制限される。マイクロリアクタ内での反応は完了まで進行することが望ましいが、必要となる可能性がある滞留時間に対応するために、滞留区域を設けることもできる。
流速は粘性に依存し、適切には0.05〜5l/分の間、好ましくは0.05〜500ml/分の間、より好ましくは0.05〜250ml/分の間、特に0.1〜100ml/分の間である。マイクロジェットリアクタでは、流速は100ml/分〜2000ml/分の範囲である。
酸化還元電極(1)および参照電極(5)は、リザーバ容器A(カップリング成分)およびB(ジアゾ成分)に接続され、pH電極はリザーバ容器C(緩衝液、アルカリ、酸)に接続される。体積流A、BおよびCは、例えばポンプ、バルブなど通常の調整可能な運搬装置を経由して制御される。
C.I.ピグメントレッド2:
ジアゾニウム塩溶液の調製
500mlの三つ口フラスコに、水25.1mlに溶かした固体の2,5−ジクロロアニリン14.6gを装入し、この最初の装入物を31%強度の塩酸30.8mlと混合する。室温で8時間撹拌して、塩酸溶液を作成する。さらに水25.1mlおよび60%強度の酢酸3.75mlを加えた後、この反応混合物を−5℃まで冷却する。この温度で、40%強度の亜硝酸ナトリウム溶液11.5mlを反応混合物に約15分にわたって滴下し、撹拌を0℃で60分以上続ける。反応混合物はスパチュラ6杯分の(登録商標)Celiteを加えると透明になり、これを速やかに吸引濾過して取り除く。黄色がかったジアゾニウム塩溶液は、水を加えて全体積を300ml(〜0.3M)にする。
カップリング成分溶液の調製:
2つめのフラスコに、水50.2mlに溶かしたNaphtol AS23.9gを装入し、この最初の装入物を25%強度の水酸化ナトリウム溶液26.7mlと混合する。次いで、この混合物を60℃で120分間撹拌して溶液の状態にする。これを速やかに吸引濾過して、この場合も水を加えて全体積を300ml(〜0.3M)にする。
マイクロリアクタ内でのアゾカップリング
ジアゾニウム塩溶液(反応物の流れB)およびNaphtol溶液(反応物の流れA)を、いずれも調整済みのピストンポンプを用いて6ml/分の流速で、マイクロリアクタ((登録商標)Selecto type、Cellular Process Chemistry GmbH、フランクフルト/マイン)のそれぞれの反応物の入口に注入する。実際のアゾカップリング反応はリアクタチャンバ内で行われる。緩衝効果を生じさせるために、これらの反応物の溶液をリアクタ入口より少し上流で、酢酸溶液(60%強度の酢酸4mlおよび水600ml)で希釈する。この酢酸溶液も同様に、いずれも調整済みのピストンポンプを用いて6ml/分の流速で、T型の分岐を経由してマイクロリアクタの反応物供給ラインに送り込む。マイクロリアクタの熱交換回路には、反応温度を40℃に保つサーモスタットを接続する。反応物の体積流が正確に設定された場合には、リアクタ出口での生成物の懸濁液のpHは2〜3である。
調整:
一定の反応物の流入量および一定のpHで、リアクタからの流出後にサンプルを採取する。TLCやHPLCなどの分析技術を用いて成分が過剰になっている可能性があるかどうか調べ、かつ/または過剰のジアゾニウム塩を検出するためにH酸溶液(CAS番号90−20−0)を用いて、もしくは過剰なカップリング材料についてはファストブルーソルト溶液(CAS番号20282−70−6)を用いて斑点試験を行う。この結果に応じて、反応物の流れ、すなわちジアゾニウム塩溶液および/またはNaphtol溶液を補正する。反応物の一方が過剰かどうかをもはや測定することができなくなったら、一定のpHで酸化還元電位を固定する。例えば、Ag/AgClに対してタングステン電極を用いる場合は187mVである。アゾカップリング反応のさらに先の過程では、固定したこの酸化還元電位からのどんなずれも、反応物の流れAおよび/またはBを適切に変更することによって補正する。
酸化還元電位:この顔料を合成する場合の電位は、電極の材料に応じて−200〜+250mVの範囲である。
フロー測定セルを示す。 流れの方向で見た測定セルを示す。 フロー測定セル(上からの平面図)を示す。 連続的でオンライン調整されるアゾカップリング反応を実施するための装置を示す。

Claims (13)

  1. 反応混合物の酸化還元電位を、それが連続操作式リアクタから流出した後に、フロー測定セル内で反応混合物の流れの方向に対して横向きに配置された回転酸化還元電極と、該回転酸化還元電極に接触し清浄作用をもつ棒状体(4)とを用いて、主流中でオンラインで測定することを含む、連続的なアゾカップリング反応における反応成分の計量添加を調整する方法。
  2. カップリング成分および/またはジアゾ成分の計量添加を調整する請求項1に記載の方法。
  3. カップリング成分の溶液または懸濁液を含む抽出物の流れA、ジアゾ成分の溶液または懸濁液を含む抽出物の流れB、および該当する場合には、緩衝液、酸またはアルカリを含む体積流Cをオンラインで調整する請求項1または2に記載の方法。
  4. 一定のpHで酸化還元電極の測定信号を酸化還元電位の設定値と比較することによって反応成分の計量添加を行う請求項1から3の少なくとも一項に記載の方法。
  5. フロー測定セルのフローチューブ(2)のほぼ中央に反応混合物の流れの方向に対して横向きに配置され、信号を受信するため摺動接点(3)内に回転可能に取り付けられた回転酸化還元電極(1)と、回転酸化還元電極に接触し清浄作用をもつ棒状体(4)と、参照電極(5)と、pH電極(6)とを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の方法を実施するためのフロー測定セル。
  6. 酸化還元電極(1)が、タングステン、Au、Pt、Ag、Sb、Mo、Cr、黒鉛から、または少なくとも80%の列挙した材料のうちの1つから、またはそれらの合金から構成される請求項5に記載のフロー測定セル。
  7. 摺動接点(3)が銅製である請求項5または6に記載のフロー測定セル。
  8. 棒状体(4)が、トラッキング装置(7)を用いて回転酸化還元電極に押しつけられる請求項5から7のいずれか一項に記載のフロー測定セル。
  9. 棒状体(4)が、不活性材料から構成され、あるいは不活性材料でコートされる請求項5から8のいずれか一項に記載のフロー測定セル。
  10. 棒状体(4)が、二フッ化ポリビニル、ポリテトラフルオロエチレン、コランダム、アーカンサスストーン、または炭化ケイ素から構成され、あるいはそれらでコートされる請求項5から9のいずれか一項に記載のフロー測定セル。
  11. 参照電極(5)が、Ag/AgCl電極、カロメル電極、またはPt/H標準水素電極である請求項5から10のいずれか一項に記載のフロー測定セル。
  12. 連続操作式リアクタ(R)およびリザーバ容器(A、B、および該当する場合はC)に接続された請求項5から11のいずれか一項に記載のフロー測定セル(M)を特徴とする、連続的にオンライン調整されるアゾカップリング反応を実施するための装置。
  13. 連続操作式リアクタが、マイクロリアクタまたはマイクロジェットリアクタである請求項12に記載の装置。
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