JP4106494B2 - Method for producing carboxylic acid ester using HF catalyst - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、HF触媒を用いてオレフィンと一酸化炭素、アルコールからカルボン酸エステルを製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
強酸触媒を用いてオレフィン類よりカルボン酸エステルを製造する方法としては、いわゆるコッホ反応によりオレフィン類を一酸化炭素によりカルボニル化しアシルカチオンを生成させ、その後水と反応させてカルボン酸を得た後、アルコールと反応させてカルボン酸エステルを得る方法が知られている。
【0003】
コッホ反応の例としては、イソブテンからピバリン酸、C5 〜C10オレフィンからC6 〜C11カルボン酸の製造例があげられ、この反応により二級や三級のカルボン酸が得られている。
コッホ反応によるカルボン酸合成時の触媒としては、硫酸、HF、リン酸等の無機酸単独か、またはBF3 かSbF5 と組み合わせて、例えばHF・SbF5 やH3 PO4 ・BF3 のようなものが用いられるが、反応後半に水を添加して生成物と触媒相の分離が行われるために、水等で希釈された触媒を再生しなければならないという問題がある。
【0004】
またカルボン酸とアルコールからエステルを製造するには、例えば、硫酸、HF、燐酸、塩酸等の無機酸やメタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸等のアルキルスルフォン酸、P−トルエンスルホン酸等のアリールスルホン酸、更にテトラブトキシチタン等のアルコキシ金属、フッ化ホウ素エチラート等のルイス酸などの触媒下に水を除去しながら反応させるが、二級や三級の分岐カルボン酸の場合はエステル化反応が遅く、工業的に実施するには困難な問題を抱えている。
【0005】
これに対して米国特許第5463093号には、酸触媒としてHFを用いてオレフィンのカルボニル化でアシルフロライドを合成し、該アシルフロライドとアルコールをHF存在化に反応させてエステルを得る方法が記載されている。この方法は触媒回収も容易で、しかもカルボニル化反応もエステル化反応も極めて容易に進行し、分岐酸構造を有するエステルも容易に得ることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記引用特許のHF触媒を用いる方法は、カルボン酸を分離することなく、直接エステルを得ることができ、触媒回収も容易なことから優れた方法であるが、カルボニル化とエステル化をHF存在下に行うことから、カルボニル化で得られるアシルフロライドとアルコールとの化学量論的な制御が極めて重要である。
すなわちアシルフロライドに対してアルコールを過剰に添加した場合には、未反応のアルコールが脱水反応を起こして系内に水を生成する。特に低級の一価アルコールを用いた際には、この脱水反応が容易に進行するので注意を要する。水とHFは共沸組成物をつくるため分離が困難であることから、回収HF中に水が短時間の内に蓄積して反応に悪影響を及ぼすのみでなく、装置材料の著しい腐食を招き、安定操業が困難となる。
【0007】
またアシルフロライドに対してアルコールの添加量が不足した場合には、未反応アシルフロライドが反応生成物中に残存する。このアシルフロライドは簡単な中和等の操作では除去が困難なために、製品エステルと共に後の工程に残留し、蒸留操作のような加熱条件下で製品のエステルと分離が困難な含フッ素化合物を生成し、これが不純物として製品に混入するため製品純度を悪化する。
【0008】
以上のようにHF触媒を用いる方法では、反応開始当初から化学量論量を正確に制御して、系内に水も副生させず、かつアシルフロライドも残さないような条件を安定的に得ることが工業的に実施する上では極めて重要であるが、そのように誤差を許さない操業は実際上は困難であり、そのため往々にして装置腐食トラブルを起こしたり、製品中に含フッ素不純物が混入したりする問題がある。
【0009】
本発明の目的はHF触媒を用いてオレフィンと一酸化炭素およびアルコールからカルボン酸エステルを製造する方法において、未反応アルコールの脱水反応による水の生成や、残留するアシルフロライドによるトラブルを回避し、高品質カルボン酸エステルを安定して製造する方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
発明者等はHF触媒を用いてエステルを製造する方法における上記の如き課題を解決するため鋭意検討を行った結果、カルボニル化後のエステル化工程で生成エステルに対してアシルフロライドが0.1〜5.0モル%に残存するようにアルコールの添加量を制御してエステルを調製し、次いでHF触媒を分離した後、新たな触媒の存在下で残存アシルフロライドをアルコールでエステル化すれば、水の生成リスクを避けながら高性能なHF触媒の使用が可能となり、また製品中に含フッ素不純物を含まないエステルを安定して製造できることを見い出し、本発明に到達した。
【0011】
すなわち本発明は、HFの存在下、オレフィンと一酸化炭素を反応させてアシルフロライドを製造し、得られたアシルフロライドとアルコールを反応させてエステルを製造する方法において、残存アシルフロライドがエステルに対して0.1モル%以上5.0モル%以下の範囲になるようにエステル化を行い、HF触媒を分離した後、アルコールを添加して残存アシルフロライドをエステル化することを特徴とするカルボン酸エステルの製造方法である。
【0012】
【発明実施の形態】
本発明で用いられる原料オレフィンは特に制限はなく、目的とする製品によって脂肪族鎖状オレフィン、脂環式オレフィン等より選ばれる。これらオレフィンとしては、プロピレン、ブチレン、イソブチレン、ペンテン、ヘキセン、オクテンやシクロヘキセン、シクロドデセン等が例示される。
【0013】
オレフィンと一酸化炭素を反応させてアシルフロライドを製造するオレフィンのカルボニル化反応は、HF触媒の存在下で一酸化炭素の加圧下に実施する。この際、窒素やメタン等の不活性ガスが含まれていても良いが、一酸化炭素分圧として0.5〜5MPa、好ましくは1〜3MPaの範囲とする。一酸化炭素分圧が低すぎる場合にはカルボニル化反応が十分に進行せず、重合反応が併発し収率低下を招く。また一酸化炭素分圧をこの範囲より高くしても、反応上のメリットは得られず、高圧装置が必要になるなどの不具合をきたす。
【0014】
カルボニル化反応におけるHF触媒は実質的に無水のものを用いる。HFの使用量は、原料オレフィンに対して3〜25倍モル、好ましくは5〜20倍モルである。HFのモル比が低すぎる場合には、一酸化炭素分圧が低すぎる場合と同様にカルボニル化反応が十分に進行せず重合反応が併発し収率低下を招き、25倍モル以上のHFを用いてももはや収率等の改善効果は小さく、HFを分離する費用が嵩み、装置容積効率も低下する。
【0015】
カルボニル化の反応温度は特に制限なく、オレフィンンの種類により最も高
収率の条件を適宜選択すれば良いが、HF触媒を用いたオレフィン類のカルボニル化は−40℃〜100℃の温度範囲で実施されるのが一般的である。
カルボニル化反応の形式は特に制限なく、半連続式、連続式等の何れの方法でも良い。
【0016】
カルボニル化の反応において、原料オレフィンと溶解性で不活性な溶媒、たとえばヘキサン、ヘプタン、デカン等の飽和脂肪族炭化水素等を反応溶媒として使用できる。溶媒を用いた場合には重合反応が更に抑制され収率が向上することが多いが、大量に使用した場合には装置の容積効率の低下、分離のためのエネルギー原単位の悪化を招くので、使用の有無や使用量は適宜選択される。
【0017】
カルボニル化反応で調製したアシルフロライドは引続きアルコールと反応させてエステルとする。この際アシルフロライドを一旦分離した後、再度HF触媒下にアルコールとエステル化しても良いが、通常はHF触媒が入ったカルボニル化反応液をそのままアルコールと反応させエステル化する方法が採られる。
エステル化の際の反応温度や反応圧力には特に制限なく、目的とするエステルの種類により最適化されるが、一般的には−40〜70℃の温度範囲で常圧付近の条件が選択される。
【0018】
エステル化に用いられるアルコールは特に制限はなく、目的とするエステルにより鎖式または脂環式の一価または多価アルコールから決定される。これらアルコールとしてはメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノールやエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセロール、ソルビトール、ネオペンチルグルコール、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール等が例示される。
【0019】
本発明では、エステル化工程でのアルコール添加量を調節してアシルフロライドがエステルに対して0.1モル%以上5.0モル%以下、好ましくは0.5モル%以上3.0モル%の範囲で残存するようにさせることが重要である。この範囲内に未反応アシルフロライドを残すことで、水の副生を実質的にゼロとすることができる。
残存アシルフロライドを上記範囲より減らそうとすると水を副生し易く、また水分が経時的に系内に蓄積し、装置腐食の危険性が増大し、更に多価アルコールを用いた場合には分子内にエステル化されないヒドロキシ基が残り易くなるので、製品収率や純度を低下させる。
エステル化工程において上記範囲を越えてアシルフロライドを大量に残した場合には、HF触媒の蒸留等による回収工程で製品エステルと分離困難な含フッ素化合物の副生量が増加するので、高品質な製品が得られなくなるのみでなく、次の残存アシルフロライドをエステルとして回収または除去する工程に負荷がかかるので得策でない。残存アシルフロライドをエステルに変換する際には、反応によりHFを遊離するので排水処理負荷の増大にもつながる。
【0020】
こうして得られたエステル化反応液からHF触媒を蒸留等により分離し、分離されたHFは再度カルボニル化およびエステル化の触媒として再使用される。
HF触媒が分離された後のエステル化反応液は、新たなエステル化触媒の共存下でアルコールを添加して反応させることにより、製品エステルに対して0.1モル%以上5モル%以下に残存していたアシルフロライドがアルコールと反応しエステルに変換される。この反応を以下「後エステル化」と称する。
【0021】
後エステル化工程では、前のエステル化工程と同じアルコールを用いればアシルフロライドが製品エステルとして回収することができるので、前のエステル化工程と同じアルコールを用いことが好ましい。しかしながらアシルフロライドとアルコールの組合せによっては反応が進みにくい場合が多く、この場合にはエステル化工程と同じアルコールを用いずに、エステル化反応が容易でかつ製品エステルと分離しやすいエステルが選択される。
一般に低級の一価アルコールの方が活性が高く、また第一>第二>第三アルコールの順にエステル化反応に対して活性が高い。
アルコールの添加量は、アシルフロライドが実質的にゼロとなるように加えればよく、通常アシルフロライドに対して1.0〜20.0倍等量の範囲が選ばれる。
【0022】
後エステル化工程の触媒に制限はなく、通常のエステル化反応に用いられる触媒を用いることができる。例えば、硫酸、HF、燐酸、塩酸等の無機酸やメタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸等のアルキルスルフォン酸、P−トルエンスルホン酸等のアリーリスルホン酸、更にテトラブトキシチタン等のアルコキシ金属触媒、フッ化ホウ素エチラート等のルイス酸触媒が挙げられる。
後エステル化工程ではアルコール過剰で反応が行われるのでアルコールの脱水反応により水が生成するため通常エステル化触媒の回収は行われない。従って残留したエステル化触媒は反応後に中和等により廃棄されるので安価な触媒を用いる方が好ましい。使用する触媒の量は反応が十分進行する範囲内で出来るだけ少量の方が好ましく、触媒の種類や残存させたアシルフロライドの量やアシルフロライドとアルコールの組合せにもよるが、一般に反応液に対して0.001%〜2%の範囲で用いられる。
【0023】
後エステル化の反応温度は特に制限が無いが、60℃以下では反応速度が遅く実用的でないため、少なくとも60℃以上とすることが望ましい。圧力は特に制限されない。
こうして得られた反応液は中和等の常法により触媒を除去され、必要により精製されて製品エステルとなる。
【0024】
【実施例】
次に実施例により本発明を具体的に説明する。但し本発明は以下の実施例により制限されるものではない。
【0025】
実施例1
ナックドライブ式撹拌機と上部に3個の入口ノズル、底部に1個の抜き出しノズルを備え、ジャケットにより内部温度を制御できる内容積4.5リットルのステンレス製オートクレーブを用いて実験を行った。
(カルボニル化工程)
まずオートクレーブ内部を一酸化炭素で置換した後、無水HF2Kg(100モル)を導入し−20℃に冷却し、一酸化炭素で20Kg/cm2 まで加圧した。
この温度および圧力を保ちながら、1−ヘキセン561g(6.7モル)をオートクレーブ上部より約60分かけて供給しアシルフロライドを合成した。1−ヘキセンを供給した後、一酸化炭素の吸収が認められなくなるまで約20分間撹拌を継続した。この時の一酸化炭素の吸収量は5.2モルであった。
【0026】
(エステル化工程)
次に常圧まで落圧して未反応の一酸化炭素をパージした後、反応温度を0℃として、メタノール163g(5.1モル)をオートクレーブ上部より約15分かけて供給して、1時間撹拌下にエステル化を行った。
HF触媒を蒸留により除去し回収されたHF中の水分量を測定したところ、220ppmであった。また得られたエステルは異性化により4種類生成していたが、これらの合計に対して2.1モル%のアシルフロライドが残存していた。
【0027】
(後エステル化工程)
得られたエステル100g(アシルフロライドを0.015モル含有)を還流冷却器を装備した200mlの蓋付ステンレス製容器に入れ、98%硫酸をエステルに対して0.2wt%になるように撹拌下に加えた後、70℃に昇温した。これにメタノール2g(0.064モル)を添加して30分間撹拌下に反応させたところ、アシルフロライドは全てエステル化された。
該反応液を2%カ性ソーダ水溶液で中和水洗後、理論段数5段の蒸留塔を用いて精製して4種のエステルの混合物を得た。このエステル中の全フッ素分を測定したところ、5ppm以下であった。
【0028】
実施例2
実施例1で回収したHF触媒に損失分の無水HFを加えた触媒(水分200ppm)を用いて、実施例1と同様の操作を行なった。
エステル化工程でのアシルフロライド残存量は1.6%、回収HF中の水分は180ppmでり、製品中の全フッ素分は5ppm以下であった。この結果から本発明によれば触媒回収系内での水分の蓄積を防止され、かつ全フッ素分の低いエステルが安定して製造できることが分かる。
【0029】
比較例1
実施例1において後エステル化を行わずに、エステル化反応液を2%カ性ソーダ水溶液で中和水洗後、蒸留により精製して4種のエステルの混合物を得た。
このエステル中にアシルフロライドは検出されなかったが、全フッ素分は860ppmと高かった。全フッ素分が高かったのはエステル化時に残存していたアシルフロライドから、蒸留では分離不能な含フッ素化合物が蒸留中に副生したためである。
【0030】
比較例2
実施例1においてエステル化工程のメタノールを173g(5.4モル)とし、後エステル化を実施しなかった。
この結果、実施例1と同じ全フッ素分5ppm以下のエステルが得られたが、エステル化時に残存するアシルフロライド量が無くなった(0.02%以下)ので、未反応アルコールが脱水反応を起こし、回収HF触媒中には950ppmの水が含まれていた。
【0031】
比較例3
比較例2で回収したHF触媒に損失分の無水HFを加えた触媒(水分780ppm)を用いて、比較例2と同様の操作を行なった。
この結果、製品中の全フッ素分は5ppmと低かったが回収HF中の水分は1330ppmまで上昇した。アルコールを増やし、後エステル化を実施しない場合には、触媒回収系内に水分が蓄積することが分かる。
【0032】
比較例4
実施例1においてエステル化工程のメタノールを140g(4.4モル)とし、後エステル化工程のメタノール添加量を12g(0.375モル)とした。
この結果、回収HF中の水分は200ppmと低かったが、エステル化工程の残存するアシルフロライド量が多くなった(12%)。後エステル化処理では残存アシルフロライドは検出されなかったが、製品エステルの全フッ素分は100ppmまでしか下がらなかった。
これはエステル化時の残存アシルフロライド量が多かったために、HF触媒の回収蒸留中に後エステル化や蒸留で除去できない含フッ素化合物が副生したためである。
【0033】
実施例3
ヘプタン600gで希釈したシクロドデセン1000g(6.0モル)を、水分500ppmを含んだHF触媒2kgを用いて、反応温度−20℃、一酸化炭素圧力20Kg/cm2 でカルボニル化したところ、一酸化炭素の吸収量は3.2モルであった。
得られたアシルフロライドを含んだ反応液にエタノール141.6g(3.08モル)を加えてエステル化を行ったところ、エステルに対して3.9モル%のアシルフロライドが残存していた。蒸留により回収されたHF触媒中の水分は230ppmに減少していた。
ヘプタンを蒸留により留去して得た粗エステル100g(アシルフロライド0.01モル含有)にパラトルエンスルホン酸0.7wt%を攪拌下に加え、85℃に昇温し、ここにエタノール4.6g(0.1モル)を添加して攪拌下に30分間後エステル化させたところ、アシルフロライドは全てエステル化された。
該反応液を2%カ性ソーダ水溶液で中和水洗後、蒸留により低沸分と高沸分を分離し、シクロドデカカルボン酸エチル留分を取得した。このエステル中の全フッ素分を測定したところ、25ppmであった。
【0034】
比較例5
実施例1において後エステル化を行わずに、粗エステルを2%カ性ソーダ水溶液で中和水洗後、蒸留により低沸分と高沸分を分離し、シクロドデカカルボン酸エチル留分を取得した。このエステル中の全フッ素分を測定したところ、420ppmであった。
【0035】
【発明の効果】
以上の実施例からも明らかなように、本発明のカルボン酸エステルの製造法では水分の低いHFが回収され、またフッ素分の極めて少ない製品が得られる。
従って本発明の方法では水の生成リスクを避けながら高性能なHF触媒を循環使用することができ、また製品中の含フッ素不純物を含まないエステルを容易に安定して製造することができる。
本発明によりオレフィンと一酸化炭素、アルコールからカルボン酸エステルを工業的に極めて有利に製造することができ、本発明の工業的意義は大きい。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a carboxylic acid ester from an olefin, carbon monoxide and alcohol using an HF catalyst.
[0002]
[Prior art]
As a method for producing a carboxylic acid ester from an olefin using a strong acid catalyst, an olefin is carbonylated with carbon monoxide by a so-called Koch reaction to generate an acyl cation, and then reacted with water to obtain a carboxylic acid. A method of reacting with an alcohol to obtain a carboxylic acid ester is known.
[0003]
Examples of the Koch reaction include production examples of pivalic acid from isobutene and C 6 to C 11 carboxylic acid from C 5 to C 10 olefins, and secondary and tertiary carboxylic acids are obtained by this reaction.
As a catalyst for carboxylic acid synthesis by the Koch reaction, an inorganic acid such as sulfuric acid, HF, phosphoric acid or the like, or in combination with BF 3 or SbF 5 , for example, HF · SbF 5 or H 3 PO 4 · BF 3 However, since the product and the catalyst phase are separated by adding water in the latter half of the reaction, there is a problem that the catalyst diluted with water or the like must be regenerated.
[0004]
In order to produce an ester from a carboxylic acid and an alcohol, for example, inorganic acids such as sulfuric acid, HF, phosphoric acid and hydrochloric acid, alkylsulfonic acids such as methanesulfonic acid and trifluoromethanesulfonic acid, and arylsulfones such as P-toluenesulfonic acid. The reaction is carried out while removing water under a catalyst such as an acid, an alkoxy metal such as tetrabutoxytitanium, or a Lewis acid such as boron fluoride ethylate. However, in the case of a secondary or tertiary branched carboxylic acid, the esterification reaction is slow. It has a difficult problem to implement industrially.
[0005]
In contrast, US Pat. No. 5,463,093 discloses a method of synthesizing an acyl fluoride by carbonylation of an olefin using HF as an acid catalyst and reacting the acyl fluoride with an alcohol in the presence of HF to obtain an ester. Are listed. In this method, the catalyst can be easily recovered, the carbonylation reaction and the esterification reaction proceed very easily, and an ester having a branched acid structure can be easily obtained.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The method using the HF catalyst of the above cited patent is an excellent method because an ester can be obtained directly without separating the carboxylic acid and the catalyst can be easily recovered. However, carbonylation and esterification are carried out in the presence of HF. Therefore, the stoichiometric control of the acyl fluoride obtained by carbonylation and the alcohol is extremely important.
That is, when an excessive amount of alcohol is added to the acyl fluoride, unreacted alcohol causes a dehydration reaction to generate water in the system. In particular, when a lower monohydric alcohol is used, care must be taken because this dehydration reaction proceeds easily. Since water and HF form an azeotropic composition and are difficult to separate, water accumulates in the recovered HF within a short period of time and adversely affects the reaction, leading to significant corrosion of equipment materials, Stable operation becomes difficult.
[0007]
When the amount of alcohol added is insufficient with respect to the acyl fluoride, unreacted acyl fluoride remains in the reaction product. This acyl fluoride is difficult to remove by an operation such as simple neutralization, so it remains in a later step together with the product ester, and is a fluorine-containing compound that is difficult to separate from the product ester under heating conditions such as distillation operation. This is mixed with the product as an impurity and deteriorates the product purity.
[0008]
As described above, in the method using an HF catalyst, the stoichiometric amount is accurately controlled from the beginning of the reaction, and the conditions under which water and by-products are not generated in the system and no acyl fluoride is left stably are stably obtained. Obtaining it is extremely important for industrial implementation, but such an operation that does not allow errors is practically difficult, and therefore it often causes equipment corrosion problems and fluorine-containing impurities in the product. There is a problem of mixing.
[0009]
An object of the present invention is to avoid generation of water due to dehydration of unreacted alcohol and trouble due to residual acyl fluoride in a method for producing a carboxylic acid ester from olefin, carbon monoxide and alcohol using an HF catalyst, The object is to provide a method for stably producing a high-quality carboxylic acid ester.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above problems in the method for producing an ester using an HF catalyst, the inventors have found that the acyl fluoride is 0.1% relative to the produced ester in the esterification step after carbonylation. An ester is prepared by controlling the amount of alcohol added so as to remain at ˜5.0 mol%, and after separating the HF catalyst, the remaining acyl fluoride is esterified with alcohol in the presence of a new catalyst. The inventors have found that it is possible to use a high-performance HF catalyst while avoiding the risk of water generation, and that it is possible to stably produce an ester containing no fluorine-containing impurities in the product, and the present invention has been achieved.
[0011]
That is, the present invention relates to a method for producing an acyl fluoride by reacting an olefin and carbon monoxide in the presence of HF, and producing an ester by reacting the obtained acyl fluoride with an alcohol. Esterification is performed in a range of 0.1 mol% to 5.0 mol% with respect to the ester, and after separating the HF catalyst, alcohol is added to esterify the remaining acyl fluoride. This is a method for producing a carboxylic acid ester.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The raw material olefin used in the present invention is not particularly limited, and is selected from an aliphatic chain olefin, an alicyclic olefin, and the like depending on a target product. Examples of these olefins include propylene, butylene, isobutylene, pentene, hexene, octene, cyclohexene, and cyclododecene.
[0013]
The olefin carbonylation reaction in which acyl fluoride is produced by reacting an olefin with carbon monoxide is carried out in the presence of an HF catalyst and under pressure of carbon monoxide. At this time, an inert gas such as nitrogen or methane may be contained, but the carbon monoxide partial pressure is in the range of 0.5 to 5 MPa, preferably 1 to 3 MPa. When the carbon monoxide partial pressure is too low, the carbonylation reaction does not proceed sufficiently, and the polymerization reaction occurs simultaneously, leading to a decrease in yield. Further, even if the carbon monoxide partial pressure is higher than this range, no merit in reaction is obtained, and problems such as the need for a high-pressure apparatus are caused.
[0014]
A substantially anhydrous HF catalyst is used in the carbonylation reaction. The usage-amount of HF is 3-25 times mole with respect to raw material olefin, Preferably it is 5-20 times mole. When the molar ratio of HF is too low, the carbonylation reaction does not proceed sufficiently as in the case where the carbon monoxide partial pressure is too low, causing a polymerization reaction and a decrease in yield. Even if it is used, the improvement effect such as the yield is small, the cost for separating HF is increased, and the volumetric efficiency of the apparatus is also lowered.
[0015]
The reaction temperature for carbonylation is not particularly limited, and the conditions for the highest yield may be appropriately selected according to the type of olefin. However, the carbonylation of olefins using an HF catalyst is performed at a temperature range of -40 ° C to 100 ° C. It is common to implement.
The form of the carbonylation reaction is not particularly limited, and any method such as a semi-continuous method or a continuous method may be used.
[0016]
In the carbonylation reaction, a raw material olefin and a soluble and inert solvent, for example, saturated aliphatic hydrocarbons such as hexane, heptane, decane, and the like can be used as a reaction solvent. When a solvent is used, the polymerization reaction is further suppressed and the yield is often improved, but when used in a large amount, the volumetric efficiency of the apparatus is reduced, and the energy intensity for separation is deteriorated. Presence / absence of use and amount used are appropriately selected.
[0017]
The acyl fluoride prepared by the carbonylation reaction is subsequently reacted with alcohol to give an ester. At this time, the acyl fluoride may be once separated and then esterified with an alcohol again in the presence of an HF catalyst. Usually, a method of esterifying by reacting the carbonylation reaction solution containing the HF catalyst with the alcohol as it is is employed.
There are no particular restrictions on the reaction temperature and reaction pressure during esterification, and it is optimized according to the type of target ester. In general, conditions near atmospheric pressure are selected in the temperature range of -40 to 70 ° C. The
[0018]
The alcohol used for esterification is not particularly limited, and is determined from a chain or alicyclic monohydric or polyhydric alcohol depending on the target ester. These alcohols include methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol, ethylene glycol, propylene glycol, glycerol, sorbitol, neopentyl glycol, trimethylolethane, trimethylolpropane, pentaerythritol, etc. Illustrated.
[0019]
In the present invention, the amount of alcohol added in the esterification step is adjusted so that the acyl fluoride is 0.1 mol% or more and 5.0 mol% or less, preferably 0.5 mol% or more and 3.0 mol% relative to the ester. It is important to make it remain in the range. By leaving unreacted acyl fluoride within this range, water by-product can be made substantially zero.
If the residual acyl fluoride is reduced from the above range, water is easily produced as a by-product, moisture accumulates in the system over time, and the risk of equipment corrosion increases. Since the hydroxy group which is not esterified easily remains in the molecule, the product yield and purity are lowered.
When a large amount of acyl fluoride is left in the esterification process exceeding the above range, the amount of by-product of the fluorine-containing compound that is difficult to separate from the product ester increases in the recovery process such as by distillation of the HF catalyst. This is not a good idea because it results in a burden on the process of recovering or removing the next remaining acyl fluoride as an ester. When converting the remaining acyl fluoride into an ester, HF is liberated by the reaction, leading to an increase in wastewater treatment load.
[0020]
The HF catalyst is separated from the esterification reaction solution thus obtained by distillation or the like, and the separated HF is reused again as a catalyst for carbonylation and esterification.
The esterification reaction liquid after separation of the HF catalyst remains in a range of 0.1 mol% to 5 mol% with respect to the product ester by reacting with an alcohol in the presence of a new esterification catalyst. The acyl fluoride that has been reacted with alcohol is converted to an ester. This reaction is hereinafter referred to as “post-esterification”.
[0021]
In the post-esterification step, if the same alcohol as that used in the previous esterification step is used, the acyl fluoride can be recovered as a product ester. Therefore, it is preferable to use the same alcohol as that used in the previous esterification step. However, depending on the combination of acyl fluoride and alcohol, the reaction is often difficult to proceed. In this case, an ester that is easily esterified and easily separated from the product ester is selected without using the same alcohol as in the esterification step. The
In general, lower monohydric alcohols are more active and are more active against esterification reactions in the order of first>second> tertiary alcohol.
The addition amount of alcohol should just be added so that an acyl fluoride may become substantially zero, and the range of 1.0-20.0 times equivalent with respect to an acyl fluoride is normally selected.
[0022]
There is no restriction | limiting in the catalyst of a post-esterification process, The catalyst used for normal esterification reaction can be used. For example, inorganic acids such as sulfuric acid, HF, phosphoric acid and hydrochloric acid, alkylsulfonic acids such as methanesulfonic acid and trifluoromethanesulfonic acid, arylisulfonic acids such as P-toluenesulfonic acid, and alkoxy metal catalysts such as tetrabutoxy titanium, Examples include Lewis acid catalysts such as boron fluoride ethylate.
In the post-esterification step, the reaction is carried out with an excess of alcohol, so that water is produced by the dehydration reaction of the alcohol, so that usually the esterification catalyst is not recovered. Therefore, since the remaining esterification catalyst is discarded by neutralization after the reaction, it is preferable to use an inexpensive catalyst. The amount of catalyst to be used is preferably as small as possible within the range in which the reaction proceeds sufficiently, and generally depends on the type of catalyst, the amount of acyl fluoride remaining and the combination of acyl fluoride and alcohol. Is used in the range of 0.001% to 2%.
[0023]
The reaction temperature for the post-esterification is not particularly limited. However, the reaction rate is slow and impractical at 60 ° C. or lower, so it is desirable that the reaction temperature be at least 60 ° C. or higher. The pressure is not particularly limited.
From the reaction solution thus obtained, the catalyst is removed by a conventional method such as neutralization and the product is purified as necessary to obtain a product ester.
[0024]
【Example】
Next, the present invention will be described specifically by way of examples. However, the present invention is not limited by the following examples.
[0025]
Example 1
An experiment was conducted using a stainless steel autoclave having a volume of 4.5 liters, which was equipped with a Nack drive type stirrer, three inlet nozzles at the top, and one extraction nozzle at the bottom, and the internal temperature could be controlled by a jacket.
(Carbonation step)
First, after replacing the inside of the autoclave with carbon monoxide, anhydrous HF 2 kg (100 mol) was introduced, cooled to −20 ° C., and pressurized with carbon monoxide to 20 kg / cm 2 .
While maintaining this temperature and pressure, 561 g (6.7 mol) of 1-hexene was supplied over about 60 minutes from the top of the autoclave to synthesize acyl fluoride. After feeding 1-hexene, stirring was continued for about 20 minutes until no absorption of carbon monoxide was observed. At this time, the amount of carbon monoxide absorbed was 5.2 mol.
[0026]
(Esterification process)
Next, after dropping to normal pressure and purging unreacted carbon monoxide, the reaction temperature was set to 0 ° C., and 163 g (5.1 mol) of methanol was supplied from the upper part of the autoclave over about 15 minutes, followed by stirring for 1 hour. The esterification was performed below.
The amount of water in the HF recovered by removing the HF catalyst by distillation was 220 ppm. In addition, although four types of the obtained esters were produced by isomerization, 2.1 mol% of acyl fluoride remained based on the total of these esters.
[0027]
(Post-esterification process)
100 g of the obtained ester (containing 0.015 mol of acyl fluoride) is put into a 200 ml lidded stainless steel vessel equipped with a reflux condenser, and stirred so that 98% sulfuric acid is 0.2 wt% with respect to the ester. After adding below, the temperature was raised to 70 ° C. When 2 g (0.064 mol) of methanol was added to this and reacted with stirring for 30 minutes, all the acyl fluoride was esterified.
The reaction solution was washed with a 2% aqueous solution of caustic soda in neutralized water and purified using a distillation column having 5 theoretical plates to obtain a mixture of 4 types of esters. When the total fluorine content in this ester was measured, it was 5 ppm or less.
[0028]
Example 2
The same operation as in Example 1 was performed using a catalyst (water content 200 ppm) obtained by adding a loss of anhydrous HF to the HF catalyst recovered in Example 1.
The residual amount of acyl fluoride in the esterification step was 1.6%, the water content in the recovered HF was 180 ppm, and the total fluorine content in the product was 5 ppm or less. From this result, it can be seen that according to the present invention, accumulation of moisture in the catalyst recovery system is prevented, and an ester having a low total fluorine content can be produced stably.
[0029]
Comparative Example 1
Without post-esterification in Example 1, the esterification reaction solution was washed with 2% aqueous sodium hydroxide solution in neutralized water and purified by distillation to obtain a mixture of four esters.
No acyl fluoride was detected in this ester, but the total fluorine content was as high as 860 ppm. The reason why the total fluorine content was high was that a fluorine-containing compound that could not be separated by distillation was by-produced during distillation from the acyl fluoride remaining at the time of esterification.
[0030]
Comparative Example 2
In Example 1, 173 g (5.4 mol) of methanol in the esterification step was used, and post-esterification was not performed.
As a result, the same ester having a total fluorine content of 5 ppm or less as in Example 1 was obtained, but the amount of acyl fluoride remaining at the time of esterification disappeared (0.02% or less), so that the unreacted alcohol caused a dehydration reaction. The recovered HF catalyst contained 950 ppm of water.
[0031]
Comparative Example 3
The same operation as in Comparative Example 2 was performed using a catalyst obtained by adding a loss of anhydrous HF to the HF catalyst recovered in Comparative Example 2 (water content of 780 ppm).
As a result, the total fluorine content in the product was as low as 5 ppm, but the water content in the recovered HF increased to 1330 ppm. It can be seen that when the alcohol is increased and no post-esterification is performed, moisture accumulates in the catalyst recovery system.
[0032]
Comparative Example 4
In Example 1, the amount of methanol in the esterification step was 140 g (4.4 mol), and the amount of methanol added in the post-esterification step was 12 g (0.375 mol).
As a result, the water content in the recovered HF was as low as 200 ppm, but the amount of acyl fluoride remaining in the esterification step increased (12%). Residual acyl fluoride was not detected in the post-esterification treatment, but the total fluorine content of the product ester decreased only to 100 ppm.
This is because the amount of residual acyl fluoride at the time of esterification was large, and a fluorine-containing compound that cannot be removed by post-esterification or distillation was produced as a by-product during the recovery distillation of the HF catalyst.
[0033]
Example 3
Carbonyl monoxide was obtained by carbonizing 1000 g (6.0 mol) of cyclododecene diluted with 600 g of heptane at a reaction temperature of −20 ° C. and a carbon monoxide pressure of 20 kg / cm 2 using 2 kg of HF catalyst containing 500 ppm of water. The absorption amount of was 3.2 mol.
When esterification was performed by adding 141.6 g (3.08 mol) of ethanol to the reaction solution containing the acyl fluoride obtained, 3.9 mol% of acyl fluoride remained with respect to the ester. . The water in the HF catalyst recovered by distillation was reduced to 230 ppm.
To 100 g of crude ester obtained by distilling off heptane (containing 0.01 mol of acyl fluoride), 0.7 wt% of paratoluenesulfonic acid was added with stirring, the temperature was raised to 85 ° C., and ethanol 4. When 6 g (0.1 mol) was added and esterification was performed for 30 minutes with stirring, all the acyl fluoride was esterified.
The reaction solution was washed with a 2% aqueous solution of caustic soda in neutralized water, and then the low and high boiling components were separated by distillation to obtain an ethyl cyclododecacarboxylate fraction. The total fluorine content in this ester was measured and found to be 25 ppm.
[0034]
Comparative Example 5
In Example 1, the post-esterification was not performed, and the crude ester was washed with a 2% aqueous solution of caustic soda in neutralized water, and then the low and high boiling points were separated by distillation to obtain an ethyl cyclododecacarboxylate fraction. . When the total fluorine content in this ester was measured, it was 420 ppm.
[0035]
【The invention's effect】
As is clear from the above examples, the carboxylic acid ester production method of the present invention recovers HF with a low water content and provides a product with a very low fluorine content.
Therefore, in the method of the present invention, it is possible to circulate and use a high-performance HF catalyst while avoiding the risk of water generation, and it is possible to easily and stably produce an ester containing no fluorine-containing impurities in the product.
According to the present invention, a carboxylic acid ester can be produced industrially from olefin, carbon monoxide, and alcohol very advantageously, and the industrial significance of the present invention is great.
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