JP4184714B2 - Process for producing deuterated methyl methacrylate - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高い重水素含有率を持つ重水素化メタクリル酸メチルの製造方法に関するものである。重水素化メタクリル酸メチルは低伝送損失のプラスチック光ファイバーや光導波路材料の原料として期待されている化合物である。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチック光ファイバーは大容量通信網が各家庭、オフィスに敷設される際に欠くことのできない材料であり、石英系光ファイバーの有する低損失、広帯域と、銅線の有する取り扱いの容易さを兼ね備えた機能的な媒体である。また、光導波路などの光通信部品を構成する材料においても従来のガラスや無機結晶材料に代わり、熱光学効果が大きく、加工性に優れるポリマー光導波路デバイスは期待されている材料である。
【０００３】
これまで、ポリマー光通信材料として、安価かつ加工の容易なポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）が多く用いられてきた。しかしながら、 ＰＭＭＡは光信号として用いられる近赤外域の波長において、炭素ー水素結合に起因する光信号の吸収損失が大きいため主として可視光域で使用されるが、近赤外吸収の倍音が可視光域に現れるため、可視光域においても伝送損失が大きい。この問題を解決するため、ＰＭＭＡの水素を重水素で置換した重水素化ＰＭＭＡが開発されている。重水素化ＰＭＭＡでは近赤外の吸収が長波長側にシフトするため、低伝送損失の光通信材料を形成することが可能となる。
【０００４】
重水素化ＰＭＭＡを用いた光ファイバーについてはＵＳＰ４１３８１９４号に提案されており、特開昭５８−１４９００３号には同ファイバーを防湿しながら製造する方法が、また、特開昭５８−１５４８０３号にはメチルメタクリレート−ｄ５を用いたプラスチック光ファイバーが提案されている。さらに、特開昭６３−１１５１０６号には重水素化メタクリル酸のベンジルエステルを用いたプラスチック光ファイバーが、 特開２０００−９５８１６号には重水素化メチルアミンによりイミド化された重水素化ＰＭＭＡを用いた光導波路材料が開示されるなど、重水素化ＰＭＭＡは光通信媒体材料として有用な物質である。
【０００５】
光の減衰量を最小にするためには重合体中の炭素ー水素結合の量が最小になるように重合されたものが良く、そのためには高い重水素含有率をもつメタクリレートモノマーが必要となる。
【０００６】
重水素化メタクリル酸メチルの合成法として、ナガイらによるＪ．Ｐｏｌｙ．Ｓｃｉ．，ｖｏｌ．６２，Ｓ９５（１９６２）に、重水素化アセトン−ｄ６とシアン化水素を反応させシアンヒドリンをつくり、これを硫酸処理した後、重水素化メタノール−ｄ３と反応させて製造する方法が報告されている。
【０００７】
同方法による重水素化メタクリル酸メチルの合成は、ＵＳＰ４１３８１９４号にも示されている。この場合、原料にシアン化重水素（ＤＣＮ）、重水素化硫酸（Ｄ2ＳＯ4）、メタノール−ｄ４を用いても重水素化純度に改善はみられないことが記載されている。一方、Ｍａｋｒｏｍｏｌ．ｃｈｅｍ．，ｖｏｌ．１８２，Ｐ２５０５（１９８１）には、通常のシアン化水素を用いて合成すると重水素化率が９２．５％にまで低下し、ＤＣＮを使用すると重水素化率が９９％以上に達することが記載されている。また、特開昭６１−１７５９２号にはシアンヒドリン合成をシアン化水素を用いて行った場合、同位体交換が１０％程度起こるため、これを避ける手法として、トリメチルシアニドを用いて行い、同位体交換を抑制する方法が記載されている。Ｂｅｒｉｃｈｔｅ Ｂｕｎｓｅｎ−Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｔｔ Ｂｄ７７，Ｎｒ２（１９７３）にはアセトン−ｄ６，ＤＣＮ，Ｄ2ＳＯ4、重水（Ｄ2Ｏ），メタノール−ｄ４を用いて重水素化率が９８％以上の重水素化メタクリル酸メチルを収率３０％で合成したことが記載されている。また、Ｊ．Ｐｈｙ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．，ｖｏｌ．８，Ｐ２４９（１９９５）にはシアン化ナトリウムのＤ2Ｏ溶液にアセトン−ｄ６を滴下してアセトンシアンヒドリン−ｄ７を合成した後、硫酸及びメタノール−ｄ４から重水素化メタクリル酸メチルを合成する方法が記載されている。
【０００８】
以上に示したこれらの方法は通常アセトンシアンヒドリン（ＡＣＨ）法と称される方法の応用であるが、該方法を用いた場合、大量の廃硫酸及び硫酸アンモニウムの副生を伴う、また濃硫酸の存在下、高温度でアセトンシアンヒドリン−ｄ６が処理される工程が含まれるため同位体交換が引き起こされる可能性がある、また、高価なアセトン−ｄ６あたりの収率が十分とはいえないなどの欠点を有する。
【０００９】
これに対して特開昭６１−１４８１４１号にはメタクリル酸メチル中の水素を白金属触媒を用いて重水または重水素ガスにより直接重水素交換する方法が記載されているが、重水素化率が５０％程度と不十分である。また、他のメタクリル酸メチルの製法としては、イソブチレンやｔ−ブタノールを原料としたＣ４酸化法や、メタクロレインの酸化エステル化による方法、イソ酪酸の酸化脱水素法、プロピオン酸やプロピオンアルデヒドとホルムアルデヒドとの縮合脱水法などがあるが、これらは重水素化された原料のコストが高く、また、副反応によるロスが大きいため重水素化メタクリル酸メチルの製法としては不適当である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、アセトン−ｄ６及びメタノール−ｄ４を原料に用い、高価なシアン化重水素や重水を循環使用しながら、大量の廃硫酸や硫酸アンモニウムの副生を伴なうことなく、高い重水素化率を有するメタクリル酸メチル−ｄ８を効率的に製造する方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、重水素化されたシアン化水素とアセトン−ｄ６との反応によりアセトンシアンヒドリン−ｄ７を製造する第▲１▼工程、前記第▲１▼工程で得られるアセトンシアンヒドリン−ｄ７を重水により水和して２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ９を製造する第▲２▼工程、メタノール−ｄ４と一酸化炭素との反応により生成するギ酸メチル−ｄ４、及び／又は、メタノール−ｄ４の脱水素反応により生成するギ酸メチル−ｄ４を、前記第▲２▼工程で得られる２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ９を反応させることにより、２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０とホルムアミド−ｄ３を製造する第▲３▼工程、前記第▲３▼工程の生成物から分離される２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０を脱水してメタクリル酸メチル−ｄ８を製造する第▲４▼工程、そして、前記第▲４▼工程より副生する重水を、アセトンもしくはメタノールと反応させることによりアセトン−ｄ６もしくはメタノール−ｄ４を製造し、前記第▲１▼工程もしくは第▲３▼工程の原料の一部として使用する第▲５▼工程、さらに、前記の▲３▼工程の生成物から分離されるホルムアミド−ｄ３の脱水反応によってシアン化重水素を製造し第▲１▼工程にて循環使用する第▲６▼工程、また、同ホルムアミド−ｄ３の脱水反応により副生する重水を第▲２▼工程の原料として再使用する第▲７▼工程をとることにより、高価なシアン化重水素や重水を循環使用しながら、効率よく、高い重水素化率を有するメタクリル酸メチル−ｄ８を製造する方法を見出した。本発明はかかる知見に基づいて完成するに至った。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の方法を詳しく説明する。
本発明の方法は最終的にアセトン−ｄ６及びメタノール−ｄ４のみを原料とするものであり、アセトンシアンヒドリンを経由はするが、従来のＡＣＨ法のように大量の廃硫酸や硫酸アンモニウムの副生を伴わず、また高価なシアン化重水素や重水を循環使用しながら、高い重水素化率のメタクリル酸メチル−ｄ８を高収率で製造するプロセスである。
【００１３】
本発明におけるアセトンシアンヒドリン−ｄ７合成において、反応原料はアセトン−ｄ６およびシアン化重水素である。アセトン−ｄ６については通常９９．８％以上の重水素化率を有するものが市販されており、これを用いることができる。シアン化重水素については公知の方法により得ることができるが、例えば、Ｔｒａｎｓ．Ｆａｒａｄａｙ．Ｓｏｃ．，５２，Ｐ４５５（１９５６）に記載されているようにシアン化カリウムと、重水で希釈された重水素化硫酸を反応させることにより得ることができる。
【００１４】
本シアンヒドリン合成反応はＫｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ，Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，ｖｏｌ．７，Ｐ３８５〜Ｐ３９６に記載されているごとく、カルボニル基にシアン化重水素が付加する平衡反応である。反応は低温側でシアンヒドリンに偏っており、−２０〜３０℃の反応温度で行われることが好ましい。反応温度が−２０℃より低い場合には十分な反応速度が得られず、またシアン化重水素が凝固するおそれがあり好ましくなく、３０℃以上では平衡上不利となり、またシアン化重水素の重合が引き起こされ、着色し易くなるため好ましくない。
【００１５】
一方、得られた反応液をそのまま次のアミド化工程に供する場合、シアン化重水素の余剰量に応じて副反応も大きくなるため、アセトン−ｄ６に対するシアン化重水素の使用モル比は１．５倍未満とすることが好ましい。なお、余剰のアセトン−ｄ６は次のアミド化工程後に定量的に回収できる。反応圧力は減圧、常圧、加圧のいずれでもよい。
【００１６】
反応にはアンモニア、トリメチルアミン、トリエチルアミン、ジエチルアミンなどのアミン化合物、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、シアン化ナトリウム、シアン化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどのアルカリ金属化合物、水酸化カルシウムなどのアルカリ土類金属化合物、塩基性イオン交換樹脂、ゼオライトなどの塩基性化合物を一般に触媒に用いるが、取り扱いの容易さ、および反応速度の点から、アミン化合物が好ましい。触媒添加量は反応が進行する最低量が好適であり、０．００００１〜０．０１重量％が好ましい。
【００１７】
得られたアセトンシアンヒドリン−ｄ７と重水を触媒の存在下反応させることにより、２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ９を得ることができる。触媒としてはニトリル類の水和反応に有効な触媒が使用可能であり、塩酸、硫酸のような強酸を用いることもできるが、精製工程を考慮すると金属酸化物触媒あるいは金属触媒などの固体触媒が望ましい。具体的には、マンガン、亜鉛、マグネシウム、銅、ニッケルあるいはその酸化物が有効であるが、特に特開平３−６８４４７、特開平３−９３７６１で記載されているごとくマンガン酸化物が好ましい。
【００１８】
水に対するアセトンシアンヒドリン−ｄ７の仕込み量の重量比は１：９〜９：１が適切な範囲である。この系には、アセトン−ｄ６が溶媒成分として共存してもよい。マンガン酸化物を触媒として用いる場合は、反応温度は０〜１２０℃が好ましい範囲であり、１０〜６０℃がより好適であり、分子状酸素共存下で行うことが反応収率や触媒寿命の面で好ましい。反応は、減圧、常圧、加圧のいずれでもよく、反応方式は流通式、回分式、いずれの方法も適用できる。得られた反応液より水、及び場合によっては反応に用いた溶媒を除去することにより、２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ９の白色結晶を得ることができる。
【００１９】
ギ酸メチル−ｄ４は、メタノール−ｄ４を原料とし、カルボニル化法または脱水素法により製造することができる。反応は公知の方法で行うことができるが、一例としてあげると、メタノール−ｄ４に対して、一酸化炭素を０．２〜５０ＭＰａに加圧し、０〜２００℃でアルカリ金属メチラート−ｄ３を触媒として反応させることにより、ギ酸メチル−ｄ４を得ることができる。反応は平衡反応であるため、反応液中に原料のメタノール−ｄ４が残存するが、次の工程にそのまま供することができる。また、脱水素法で製造する場合、副生した重水素は再び原料のメタノール−ｄ４の製造原料として使用することもできる。
【００２０】
このようにして得られた２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ９およびギ酸メチル−ｄ４を反応させることにより２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０及びホルムアミド−ｄ３を製造することができる。反応は特開平２−２５５６４０、特開平２−２６８１３７、特開平３−４８６３７、特開平５−１７８７９２のごとく、強い塩基性化合物を触媒として行うことにより、速やかかつ選択的に反応を進行させることができる。具体的にはアルカリ金属や、金属アルコラート、強塩基性イオン交換樹脂のごとく強塩基触媒の存在下行うと、反応速度が速く好ましい。特にアルカリ金属を重水素化アルコールと反応させたアルカリ金属重水素化アルコラートを用いた場合、重水素化率の低下がなく非常に好ましい。反応温度は０〜１５０℃、特に２０〜１００℃が適切である。これ以下の温度では実用的な反応速度が得られず、これ以上の温度ではホルムアミド−ｄ３の分解や触媒の失活を招きやすくなる。本反応に於ける圧力はその反応温度に於ける蒸気圧下で遂行することができるが、ギ酸メチルの分解反応を抑制するため、一酸化炭素の加圧下で行うこともできる。また、２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ９およびギ酸メチル−ｄ４の溶解をたすけるため、メタノール−ｄ４を溶媒として用いることもできる。
【００２１】
また本反応系はメタノール−ｄ４と一酸化炭素、２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ９をワンポットで反応させることもできる。反応は平衡反応であるため、反応生成物は蒸留操作などで回収し、目的物２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０及びホルムアミド−ｄ３は分離回収し、未反応物は原料系に廻される。
【００２２】
得られた２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０の脱水によるメタクリル酸メチル−ｄ８の製造に関しては、一般に酸触媒を用いて容易に実施でき、液相でも気相でも行うことができる。しかしながら２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０は分解しやすいため、液相反応の場合は１００℃以下の低温で速やかに行うことが好ましい。例えば、特開昭６０−１８４０４７のごとく硫酸で脱水反応を行う場合、発煙硫酸を用いるとより低温で反応を進行させることができる。反応中生成した水によりメタクリル酸メチル−ｄ８が加水分解してメタクリル酸−ｄ６を生成する場合には、メタノール−ｄ４を添加しメタクリル酸メチル−ｄ８の収率を向上させることも可能である。
【００２３】
また、特開平２−１９６７５３のごとく気相接触反応により２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０の脱水反応を行うと、短い接触時間で反応が終了するため、２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０の分解を抑制することができる。これらの反応で得られた反応液から、蒸留、抽出などの通常の単位操作を用い、９９．９％以上の化学純度で目的のメタクリル酸メチル−ｄ８を得ることが可能である。得られたメタクリル酸メチル−ｄ８は各Ｃ−Ｄ結合について９９％以上の重水素化率を有することが可能である。
【００２４】
一方、目的物２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０と同時に副生するホルムアミド−ｄ３については脱水反応を利用してシアン化重水素を製造する。ホルムアミド−ｄ３からシアン化重水素の製造は、アルミナ、シリカーアルミナ、鉄ーシリカ、マンガン酸化物、マグネシウム酸化物などの固体触媒の存在下、気相接触反応にて実施され、反応温度は２００〜６００℃が適当であり、反応は定量的に進行し、シアン化重水素と重水が生成する。生成したシアン化重水素は分離回収し、アセトンシアンヒドリン−ｄ７製造工程に送り、循環使用する事も可能である。また、同時に副生した重水は再び２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ９を製造する原料として再利用することができる。
【００２５】
２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０の脱水反応で生成した重水は、アセトンもしくはメタノールと反応せしめることによりアセトン−ｄ６もしくはメタノール−ｄ４を製造することができる。反応は公知の方法で行うことができるが、例えばアセトン−ｄ６を製造する場合、炭酸カリウムの存在下アセトンと重水を反応させる方法、硫酸の存在下アセトンと重水を反応させる方法により遂行することができる。得られたアセトン−ｄ６はシアンヒドリン合成工程に廻すことが可能である。
【００２６】
本発明によれば、アセトン−ｄ６、およびメタノール−ｄ４を原料に用い、高い重水素化率を有するメタクリル酸メチル−ｄ８を、高価なシアン化重水素や重水を循環使用しながら、廃棄物の生成を伴わずに効率的に製造することが可能であり、その工業的な意義は極めて大きい。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明の方法を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によりその範囲を限定されるものではない。以下の記載においては重水素化率は１Ｈ−ＮＭＲ 内部標準法にて測定したものであり、次の定義に従うものとする。
重水素化率（％）＝［１−｛（生成した重水素化メタクリル酸メチル中の水素原子数）／（生成した重水素化メタクリル酸メチル中の水素原子数＋重水素原子数）｝］×１００
【００２８】
実施例１
アセトンシアンヒドリン−ｄ７の合成：アセトン−ｄ６（重水素化率９９．９％）１．０５ｍｏｌに触媒としてトリエチルアミン０．０００２ｍｏｌを混合した液に、シアン化カリウムとＤ2ＳＯ4の重水溶液より生成させたシアン化重水素１．０５ｍｏｌを０℃で徐々に供給した。供給終了後、さらに１℃で４時間攪拌し、無色透明のアセトンシアンヒドリン−ｄ７を得た。収率は９７．５％であり、重水素化率は９９．９％であった。
アミド化触媒の調製：過マンガン酸カリウム０．３９８ｍｏｌを水２００ｍＬに溶解した液に対して、硫酸マンガン一水和物０．３１６ｍｏｌを水２００ｍＬに溶かしさらに濃硫酸０．９６８ｍｏｌと混合した液を、７０℃撹拌下で速やかに注下した。９０℃で２時間撹拌を継続し熟成させた後、得られた沈澱を濾過し水２０００ｍＬで５回洗浄した。得られたケーキを１１０℃で一晩乾燥し、変性二酸化マンガン触媒６４ｇを得、下記反応の触媒とした。
２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ９の合成：上記の反応で得られたアセトンシアンヒドリン−ｄ７の溶液に重水１４ｍｏｌを加えた混合液に対して、上記変性二酸化マンガン触媒２５ｇを仕込み、空気存在下６０℃で２時間反応させた。触媒を濾別したのち、反応液から過剰の重水等を減圧下にて留去したところ、２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ９が０．９ｍｏｌ得られた。Ｃ−ＣＤ3部の重水素化率は９９．９％であった。
２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０の合成：ステンレス製オートクレーブにメタノール−ｄ４を５ｍｏｌ、金属Ｎａを０．０２ｍｏｌ仕込んだのち、一酸化炭素により７ＭＰａに加圧しながら、７５℃、３時間反応させたところ、転化率８５％でギ酸メチル−ｄ４が得られた。得られたギ酸メチル−ｄ４とメタノール−ｄ４の混合液中に、前記２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ９を０．９ｍｏｌ加え、更にメタノール−ｄ４を４ｍｏｌと金属Ｎａを０．０２ｍｏｌ加え、５０℃で５時間反応させたところ、転化率８０％で２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０及びホルムアミド−ｄ３が得られた。反応液が中性を示すまで、Ｄ2ＳＯ4を加えた後、蒸留を行い、２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０及びホルムアミド−ｄ３を単離した。
メタクリル酸メチル−ｄ８の合成：発煙硫酸２ｍｏｌに対し、２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ１０を０．７ｍｏｌ滴下し１５分間撹拌した後１００℃に昇温した。ついでメタノール−ｄ４を２．５ｍｏｌ加え、さらに２時間加熱撹拌した。その後、蒸留、抽出操作を行い、０．４ｍｏｌのメタクリル酸メチル−ｄ８を得た。得られたメタクリル酸メチル−ｄ８の重水素化率は、９９．９％であった。また、別に重水０．３ｍｏｌを得た。
回収重水を用いたアセトン−ｄ６の合成：アセトン０．１ｍｏｌを前記第▲４▼工程で得られた重水１．０ｍｏｌに混合し、無水炭酸カリウム０．０００２ｍｏｌを加えた後、アセトンを蒸留により単離した。この混合−蒸留操作を４回繰り返し、アセトン−ｄ６を０．０９ｍｏｌを得た。なお、この際使用した重水および炭酸カリウムは次回の混合−蒸留操作に再使用することができる。また、重水は、混合の前に同位体濃縮することも可能である。
【００２９】
実施例２
シアン化重水素のホルムアミド−ｄ３からの回収：水３０ｇに炭酸ナトリウム０．８８ｇを溶解し、これを炭酸マンガン５１．５ｇに加え１時間混練した。次いで１１０℃で１５時間乾燥した後、１０％の水素を含む窒素気流中にて、４５０℃で５時間焼成し触媒を調製した。当該触媒２．５ｇをステンレス製管型反応管に充填し、触媒層の最高温度を４００℃に制御し、０．０１ＭＰａに圧力を保ちながら実施例１の第▲３▼工程で得られたホルムアミド−ｄ３を毎時５ｇずつ連続的に供給し、６時間反応を継続した。水を入れた洗気びんに非凝縮性ガスを通し、同伴するシアン化重水素を吸収させた。その際の収率は９２％であった。次にこの生成物を常法に従って蒸留することにより高純度のシアン化重水素を得、実施例１の第▲１▼工程用の原料として循環使用した。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、実質的にアセトン−ｄ６とメタノール−ｄ４のみを原料に用い、高価なシアン化重水素や重水を循環使用しながら、大量の廃硫酸や硫酸アンモニウムの副生を伴なうことなく、低伝送損失のプラスチック光ファイバーや光導波路材料の原料として期待される高い重水素化率を有するメタクリル酸メチル−ｄ８を効率的に製造できることができ、工業的に極めて大きな意義を持つものである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a process for producing deuterated methyl methacrylate having a high deuterium content. Deuterated methyl methacrylate is a compound that is expected as a raw material for plastic optical fibers and optical waveguide materials with low transmission loss.
[0002]
[Prior art]
Plastic optical fiber is an indispensable material when a large-capacity communication network is laid in each home and office. It combines the low loss, wide bandwidth of quartz optical fiber, and the ease of handling of copper wire. Medium. In addition, as a material constituting an optical communication component such as an optical waveguide, a polymer optical waveguide device having a large thermooptic effect and excellent workability is expected instead of the conventional glass or inorganic crystal material.
[0003]
Until now, polymethyl methacrylate (PMMA), which is inexpensive and easy to process, has been frequently used as a polymer optical communication material. However, PMMA is mainly used in the visible light region because of the large absorption loss of the optical signal due to carbon-hydrogen bonds at the near-infrared wavelength used as the optical signal. The transmission loss is large even in the visible light region. In order to solve this problem, deuterated PMMA in which hydrogen in PMMA is replaced with deuterium has been developed. Since deuterated PMMA shifts near-infrared absorption to the longer wavelength side, an optical communication material with low transmission loss can be formed.
[0004]
An optical fiber using deuterated PMMA has been proposed in US Pat. No. 4,138,194. Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-149003 discloses a method for producing the fiber while preventing moisture, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-154803 discloses a methyl compound. A plastic optical fiber using methacrylate-d5 has been proposed. Further, JP 63-115106 uses a plastic optical fiber using deuterated methacrylic acid benzyl ester, and JP 2000-95816 uses deuterated PMMA imidized with deuterated methylamine. Deuterated PMMA is a useful substance as an optical communication medium material.
[0005]
In order to minimize the amount of light attenuation, it is preferable that the polymer is polymerized so that the amount of carbon-hydrogen bonds in the polymer is minimized. For this purpose, a methacrylate monomer having a high deuterium content is required. .
[0006]
As a synthesis method of deuterated methyl methacrylate, J. Nagai et al. Poly. Sci. , Vol. No. 62, S95 (1962) reports a method in which deuterated acetone-d6 and hydrogen cyanide are reacted to form cyanohydrin, which is treated with sulfuric acid and then reacted with deuterated methanol-d3.
[0007]
The synthesis of deuterated methyl methacrylate by this method is also shown in US Pat. No. 4,138,194. In this case, it is described that the deuteration purity is not improved even when deuterium cyanide (DCN), deuterated sulfuric acid (D 2 SO 4 ), or methanol-d4 is used as a raw material. On the other hand, Makromol. chem. , Vol. 182, P2505 (1981) describes that the deuteration rate decreases to 92.5% when synthesized using ordinary hydrogen cyanide, and the deuteration rate reaches 99% or more when DCN is used. Yes. JP-A-61-17592 discloses that when cyanohydrin synthesis is performed using hydrogen cyanide, isotope exchange occurs about 10%. Therefore, as a technique for avoiding this, trimethylcyanide is used to perform isotope exchange. A method of suppression is described. Deuterated methacrylic acid having a deuteration rate of 98% or more using acetone-d6, DCN, D 2 SO 4 , heavy water (D 2 O), and methanol-d4 for Berichte Bunsen-Gesellschatt Bd77 and Nr2 (1973) It is described that methyl was synthesized with a yield of 30%. In addition, J.H. Phy. Org. Chem. , Vol. 8, P249 (1995), acetone-d6 was added dropwise to a D 2 O solution of sodium cyanide to synthesize acetone cyanohydrin-d7, and then deuterated methyl methacrylate was synthesized from sulfuric acid and methanol-d4. A method is described.
[0008]
These methods described above are applications of a method commonly referred to as an acetone cyanohydrin (ACH) method. When this method is used, a large amount of waste sulfuric acid and ammonium sulfate are produced as a by-product, and concentrated sulfuric acid is also used. In the presence of benzene, a process in which acetone cyanohydrin-d6 is treated at a high temperature is included, which may cause isotope exchange, and the yield per expensive acetone-d6 is not sufficient. Have the disadvantages.
[0009]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-148141 describes a method in which hydrogen in methyl methacrylate is directly deuterium exchanged with deuterium or deuterium gas using a white metal catalyst. About 50% is insufficient. Other methods for producing methyl methacrylate include the C4 oxidation method using isobutylene and t-butanol as raw materials, the method using oxidative esterification of methacrolein, the oxidative dehydrogenation method of isobutyric acid, propionic acid, propionaldehyde and formaldehyde. However, these are unsuitable as a method for producing deuterated methyl methacrylate because the cost of the deuterated raw material is high and the loss due to side reactions is large.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to use acetone-d6 and methanol-d4 as raw materials and to circulate and use expensive deuterium cyanide and heavy water, while avoiding a large amount of waste sulfuric acid and ammonium sulfate as a by-product. A method for efficiently producing methyl methacrylate-d8 having a hydrogenation rate is provided.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention have prepared a process (1) for producing acetone cyanohydrin-d7 by reaction of deuterated hydrogen cyanide with acetone-d6, and acetone cyanohydrin-d7 obtained in the process (1). Hydrated with heavy water to produce 2-hydroxyisobutyric acid amide-d9 Step 2, methyl formate-d4 produced by reaction of methanol-d4 and carbon monoxide and / or methanol-d4 Methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10 and formamide-d3 are produced by reacting methyl formate-d4 produced by the dehydrogenation reaction with 2-hydroxyisobutyric acid amide-d9 obtained in the step (2). Step (3), methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10 separated from the product of Step (3) is dehydrated to obtain methyl methacrylate-d (4), and by reacting the heavy water by-produced from the step (4) with acetone or methanol, acetone-d6 or methanol-d4 is produced, and the step (1) or The deuterium cyanide is produced by the dehydration reaction of the formamide-d3 separated from the product of the step (5) used as a part of the raw material of the step (3) and the step (3). By taking step (6), which is recycled in step 1), and step (7), in which heavy water by-produced by the dehydration reaction of formamide-d3 is reused as a raw material in step (2). The present inventors have found a method for efficiently producing methyl methacrylate-d8 having a high deuteration rate while circulating and using expensive deuterium cyanide and heavy water. The present invention has been completed based on this finding.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the method of the present invention will be described in detail.
The method of the present invention uses acetone-d6 and methanol-d4 as raw materials in the end, and passes through acetone cyanohydrin, but a large amount of waste sulfuric acid and ammonium sulfate are by-produced as in the conventional ACH method. This is a process for producing methyl methacrylate-d8 having a high deuteration rate in a high yield while circulating and using expensive deuterium cyanide and heavy water.
[0013]
In the synthesis of acetone cyanohydrin-d7 in the present invention, the reaction raw materials are acetone-d6 and deuterium cyanide. As for acetone-d6, those having a deuteration ratio of 99.8% or more are commercially available and can be used. Although deuterium cyanide can be obtained by a known method, see, for example, Trans. Faraday. Soc. , 52, P455 (1956), by reacting potassium cyanide with deuterated sulfuric acid diluted with heavy water.
[0014]
This cyanohydrin synthesis reaction is described in Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology Third Edition, vol. 7, P385 to P396, an equilibrium reaction in which deuterium cyanide is added to a carbonyl group. The reaction is biased toward cyanohydrin on the low temperature side, and is preferably performed at a reaction temperature of -20 to 30 ° C. When the reaction temperature is lower than −20 ° C., a sufficient reaction rate cannot be obtained, and deuterium cyanide may be solidified, which is not preferable. Above 30 ° C., it is disadvantageous in equilibrium, and polymerization of deuterium cyanide is performed. Is unfavorable because it is likely to cause coloration.
[0015]
On the other hand, when the obtained reaction solution is used as it is in the next amidation step, the side reaction also increases according to the excess amount of deuterium cyanide, so the molar ratio of deuterium cyanide to acetone-d6 is 1. It is preferable to be less than 5 times. Excess acetone-d6 can be recovered quantitatively after the next amidation step. The reaction pressure may be reduced pressure, normal pressure, or increased pressure.
[0016]
For the reaction, amine compounds such as ammonia, trimethylamine, triethylamine and diethylamine, alkali metal compounds such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium cyanide, potassium cyanide, sodium carbonate and potassium carbonate, alkaline earth metal compounds such as calcium hydroxide Basic compounds such as basic ion exchange resins and zeolites are generally used for the catalyst, and amine compounds are preferred from the viewpoint of ease of handling and reaction rate. The catalyst addition amount is preferably the minimum amount at which the reaction proceeds, preferably 0.00001 to 0.01% by weight.
[0017]
By reacting the obtained acetone cyanohydrin-d7 and heavy water in the presence of a catalyst, 2-hydroxyisobutyric acid amide-d9 can be obtained. As the catalyst, a catalyst effective for the hydration reaction of nitriles can be used, and a strong acid such as hydrochloric acid or sulfuric acid can be used. However, considering the purification process, a solid catalyst such as a metal oxide catalyst or a metal catalyst can be used. desirable. Specifically, manganese, zinc, magnesium, copper, nickel or oxides thereof are effective, but manganese oxides are particularly preferable as described in JP-A-3-68447 and JP-A-3-93761.
[0018]
The appropriate weight ratio of acetone cyanohydrin-d7 to water is 1: 9 to 9: 1. In this system, acetone-d6 may coexist as a solvent component. When using manganese oxide as a catalyst, the reaction temperature is preferably in the range of 0 to 120 ° C., more preferably 10 to 60 ° C., and the reaction in terms of reaction yield and catalyst life is performed in the presence of molecular oxygen. Is preferable. The reaction may be any of reduced pressure, normal pressure, and increased pressure, and any reaction method such as a flow method or a batch method can be applied. White crystals of 2-hydroxyisobutyric acid amide-d9 can be obtained by removing water and optionally the solvent used in the reaction from the obtained reaction solution.
[0019]
Methyl formate-d4 can be produced from methanol-d4 as a raw material by a carbonylation method or a dehydrogenation method. The reaction can be carried out by a known method. For example, with respect to methanol-d4, carbon monoxide is pressurized to 0.2 to 50 MPa, and alkali metal methylate-d3 is used as a catalyst at 0 to 200 ° C. By reacting, methyl formate-d4 can be obtained. Since the reaction is an equilibrium reaction, the raw material methanol-d4 remains in the reaction solution, but can be directly used in the next step. Moreover, when manufacturing by a dehydrogenation method, the deuterium byproduced can also be used again as a raw material for manufacturing raw material methanol-d4.
[0020]
By reacting 2-hydroxyisobutyric acid amide-d9 and methyl formate-d4 thus obtained, methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10 and formamide-d3 can be produced. As described in JP-A-2-255640, JP-A-2-268137, JP-A-3-48637, and JP-A-5-177872, the reaction can be carried out rapidly and selectively by using a strong basic compound as a catalyst. it can. Specifically, it is preferable to perform the reaction in the presence of a strong base catalyst such as an alkali metal, a metal alcoholate, or a strong basic ion exchange resin because of a high reaction rate. In particular, when an alkali metal deuterated alcoholate obtained by reacting an alkali metal with a deuterated alcohol is used, the deuteration rate does not decrease, which is very preferable. The reaction temperature is suitably 0 to 150 ° C., particularly 20 to 100 ° C. Below this temperature, a practical reaction rate cannot be obtained, and at a temperature higher than this, decomposition of formamide-d3 and deactivation of the catalyst easily occur. Although the pressure in this reaction can be carried out under the vapor pressure at the reaction temperature, it can also be carried out under pressure of carbon monoxide in order to suppress the decomposition reaction of methyl formate. Further, in order to dissolve 2-hydroxyisobutyric acid amide-d9 and methyl formate-d4, methanol-d4 can also be used as a solvent.
[0021]
This reaction system can also react methanol-d4 with carbon monoxide and 2-hydroxyisobutyric acid amide-d9 in one pot. Since the reaction is an equilibrium reaction, the reaction product is recovered by distillation, etc., and the target products 2-hydroxyisobutyric acid methyl-d10 and formamide-d3 are separated and recovered, and the unreacted product is sent to the raw material system.
[0022]
The production of methyl methacrylate-d8 by dehydration of the obtained methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10 can be generally easily carried out using an acid catalyst, and can be carried out in the liquid phase or in the gas phase. However, since methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10 is easily decomposed, in the case of a liquid phase reaction, it is preferable to carry out it quickly at a low temperature of 100 ° C. or less. For example, when the dehydration reaction is carried out with sulfuric acid as disclosed in JP-A-60-184047, the reaction can be carried out at a lower temperature by using fuming sulfuric acid. In the case where methyl methacrylate-d8 is hydrolyzed by water produced during the reaction to produce methacrylic acid-d6, methanol-d4 can be added to improve the yield of methyl methacrylate-d8.
[0023]
In addition, when the dehydration reaction of methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10 is performed by a gas phase contact reaction as described in JP-A-2-196533, the reaction is completed in a short contact time, so that the decomposition of methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10 Can be suppressed. From the reaction liquid obtained by these reactions, it is possible to obtain the target methyl methacrylate-d8 with a chemical purity of 99.9% or more using ordinary unit operations such as distillation and extraction. The resulting methyl methacrylate-d8 can have a deuteration rate of 99% or more for each CD bond.
[0024]
On the other hand, deuterium cyanide is produced using a dehydration reaction for formamide-d3, which is by-produced simultaneously with the target product 2-methylisobutyrate-d10. Production of deuterium cyanide from formamide-d3 is carried out in a gas phase catalytic reaction in the presence of a solid catalyst such as alumina, silica-alumina, iron-silica, manganese oxide, magnesium oxide, and the reaction temperature is 200 to 200. 600 ° C. is appropriate, the reaction proceeds quantitatively, and deuterium cyanide and heavy water are produced. The produced deuterium cyanide can be separated and recovered, sent to the acetone cyanohydrin-d7 production process, and recycled. At the same time, by-product heavy water can be reused as a raw material for producing 2-hydroxyisobutyric acid amide-d9 again.
[0025]
Acetone-d6 or methanol-d4 can be produced by reacting heavy water produced by the dehydration reaction of methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10 with acetone or methanol. The reaction can be carried out by a known method. For example, when producing acetone-d6, it can be carried out by a method of reacting acetone and heavy water in the presence of potassium carbonate, or a method of reacting acetone and heavy water in the presence of sulfuric acid. it can. The obtained acetone-d6 can be sent to the cyanohydrin synthesis step.
[0026]
According to the present invention, acetone-d6 and methanol-d4 are used as raw materials, and methyl methacrylate-d8 having a high deuteration rate is recycled using expensive deuterium cyanide and heavy water. It can be efficiently produced without generation, and its industrial significance is extremely large.
[0027]
【Example】
Next, the method of the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited by these examples. In the following description, the deuteration rate is measured by 1H-NMR internal standard method, and shall be in accordance with the following definition.
Deuteration rate (%) = [1-{(number of hydrogen atoms in generated deuterated methyl methacrylate) / (number of hydrogen atoms in generated deuterated methyl methacrylate + number of deuterium atoms)}] × 100
[0028]
Example 1
Synthesis of acetone cyanohydrin-d7: A mixture of 1.05 mol of acetone-d6 (deuteration rate 99.9%) and 0.0002 mol of triethylamine as a catalyst was produced from a deuterated aqueous solution of potassium cyanide and D 2 SO 4. Then, 1.05 mol of deuterium cyanide was gradually supplied at 0 ° C. After completion of the supply, the mixture was further stirred at 1 ° C. for 4 hours to obtain colorless and transparent acetone cyanohydrin-d7. The yield was 97.5%, and the deuteration rate was 99.9%.
Preparation of amidation catalyst: To a solution obtained by dissolving 0.398 mol of potassium permanganate in 200 mL of water, a solution prepared by dissolving 0.316 mol of manganese sulfate monohydrate in 200 mL of water and further mixing with 0.968 mol of concentrated sulfuric acid, The mixture was poured quickly with stirring at 70 ° C. Stirring was continued for 2 hours at 90 ° C. and aging was carried out, and then the resulting precipitate was filtered and washed 5 times with 2000 mL of water. The obtained cake was dried at 110 ° C. overnight to obtain 64 g of a modified manganese dioxide catalyst, which was used as a catalyst for the following reaction.
Synthesis of 2-hydroxyisobutyric acid amide-d9: 25 g of the above modified manganese dioxide catalyst was added to a mixed solution obtained by adding 14 mol of heavy water to the solution of acetone cyanohydrin-d7 obtained by the above reaction, and in the presence of air. The reaction was performed at 60 ° C. for 2 hours. After the catalyst was filtered off, excess heavy water and the like were distilled off from the reaction solution under reduced pressure, whereby 0.9 mol of 2-hydroxyisobutyric acid amide-d9 was obtained. The deuteration rate of 3 parts of C-CD was 99.9%.
Synthesis of methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10: 5 mol of methanol-d4 and 0.02 mol of metal Na were charged in a stainless steel autoclave and then reacted at 75 ° C. for 3 hours while being pressurized to 7 MPa with carbon monoxide. Methyl formate-d4 was obtained with a conversion of 85%. In the obtained mixed solution of methyl formate-d4 and methanol-d4, 0.9 mol of 2-hydroxyisobutyric acid amide-d9 is added, 4 mol of methanol-d4 and 0.02 mol of metal Na are added, and the mixture is heated at 50 ° C. When reacted for 5 hours, methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10 and formamide-d3 were obtained with a conversion of 80%. D 2 SO 4 was added until the reaction solution became neutral, followed by distillation to isolate methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10 and formamide-d3.
Synthesis of methyl methacrylate-d8: 0.7 mol of methyl 2-hydroxyisobutyrate-d10 was added dropwise to 2 mol of fuming sulfuric acid, and the mixture was stirred for 15 minutes and then heated to 100 ° C. Subsequently, 2.5 mol of methanol-d4 was added, and the mixture was further stirred with heating for 2 hours. Thereafter, distillation and extraction operations were performed to obtain 0.4 mol of methyl methacrylate-d8. The resulting methyl methacrylate-d8 had a deuteration rate of 99.9%. Separately, 0.3 mol of heavy water was obtained.
Synthesis of acetone-d6 using recovered heavy water: 0.1 mol of acetone was mixed with 1.0 mol of heavy water obtained in the step (4), 0.0002 mol of anhydrous potassium carbonate was added, and then acetone was simply distilled. Released. This mixing-distillation operation was repeated four times to obtain 0.09 mol of acetone-d6. The heavy water and potassium carbonate used at this time can be reused for the next mixing-distillation operation. Heavy water can also be isotopically enriched before mixing.
[0029]
Example 2
Recovery of deuterated cyanide from formamide-d3: 0.88 g of sodium carbonate was dissolved in 30 g of water, and this was added to 51.5 g of manganese carbonate and kneaded for 1 hour. Next, after drying at 110 ° C. for 15 hours, a catalyst was prepared by calcination at 450 ° C. for 5 hours in a nitrogen stream containing 10% hydrogen. Formamide obtained in the step (3) of Example 1 while filling 2.5 g of the catalyst into a stainless steel tubular reaction tube, controlling the maximum temperature of the catalyst layer to 400 ° C. and maintaining the pressure at 0.01 MPa. -D3 was continuously supplied at a rate of 5 g per hour, and the reaction was continued for 6 hours. Non-condensable gas was passed through the washing bottle containing water to absorb the accompanying deuterium cyanide. The yield at that time was 92%. Next, this product was distilled according to a conventional method to obtain high-purity deuterium cyanide, which was recycled as a raw material for the step (1) in Example 1.
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, substantially only acetone-d6 and methanol-d4 are used as raw materials, and a large amount of waste sulfuric acid and ammonium sulfate are by-produced while circulating expensive deuterium cyanide and heavy water. Therefore, it is possible to efficiently produce methyl methacrylate-d8 having a high deuteration rate expected as a raw material for plastic optical fibers and optical waveguide materials with low transmission loss, which is extremely significant industrially. .
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