JP4246447B2

JP4246447B2 - Process for producing deuterated methyl methacrylate

Info

Publication number: JP4246447B2
Application number: JP2002170026A
Authority: JP
Inventors: 裕一菅野; 祟文阿部; 俊文阿部
Original assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc; Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc; Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: JP2004010594A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は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、また加工が容易な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は光通信媒体用材料として有用な物質である。
【０００５】
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。
【０００６】
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率に改善はみられないことが記載されている。また、特開昭６１−２０９０６号にはアセトン−ｄ６とシアン化水素をシアン化カリウム触媒により１５〜２０℃で反応させシアンヒドリンを合成した後、硫酸及び水の存在下、加水分解してメタクリル酸−ｄ５を製造する方法が記載されている。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。ＢｅｒｉｃｈｔｅＢｕｎｓｅｎ−ＧｅｓｅｌｌｓｃｈａｔｔＢｄ７７，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。
【０００７】
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こと、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こと、また、高価なアセトン−ｄｎ（ｎ＝１〜６）あたりの収率が十分とはいえないことなどの欠点を有する。
【０００８】
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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、アセトン−ｄｎ（ｎ＝１〜６）、およびメタノール−ｄｎ（ｎ＝０〜４）を原料に用い、シアン化水素及び／又は高価なシアン化重水素を循環使用しながら、重水素化率の低下が少なく、大量の廃硫酸や硫酸アンモニウムを副生しない効率的なメタクリル酸メチル−ｄｎ（ｎ＝１〜８）の製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
シアン化水素及び／又はシアン化重水素とアセトン−ｄｎ（ｎ＝１〜６）との反応によりアセトンシアンヒドリン−ｄｎ（ｎ＝１〜７）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−ｄｎ（ｎ＝１〜７）を通常の重水素化されていない水で水和して２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄｎ（ｎ＝１〜７）を製造する第▲２▼工程、メタノール−ｄｎ（ｎ＝０〜４）と一酸化炭素との反応により生成するギ酸メチル−ｄｎ（ｎ＝０〜４）、及び／又は、メタノール−ｄｎ（ｎ＝０〜４）の脱水素反応により生成するギ酸メチル−ｄｎ（ｎ＝０〜４）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−ｄｎ（ｎ＝１〜７）と反応させることにより、２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄｎ（ｎ＝１〜１０）とホルムアミド−ｄｎ（ｎ＝０〜１）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−ｄｎ（ｎ＝１〜１０）を脱水してメタクリル酸メチル−ｄｎ（ｎ＝１〜８）を製造する第▲４▼工程により、重水素化率の低下を抑えつつ重水素化メタクリル酸メチルを効率よく製造する方法を見出した。さらに、前記第▲３▼工程の生成物から分離したホルムアミド−ｄｎ（ｎ＝０〜１）の脱水反応によりシアン化水素及び／又はシアン化重水素を製造し、循環再使用することも可能である。本発明はかかる知見に基づいて完成するに至った。
【００１１】
【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−ｄｎ（ｎ＝１〜６）及びメタノール−ｄｎ（ｎ＝０〜４）のみを原料とするものであり、重水素化率の低下を抑えつつ、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うことなく、重水素化メタクリル酸メチル−ｄｎ（ｎ＝１〜８）を高い収率で製造するプロセスである。
【００１２】
本発明における重水素化アセトンシアンヒドリン−ｄｎ（ｎ＝１〜７）の合成において、反応原料は重水素化アセトン−ｄｎ（ｎ＝１〜６）とシアン化水素及び／又はシアン化重水素である。例えば、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。シアン化水素及び／又はシアン化重水素については、なるべく不純物を持たず、純度が高いものが反応を円滑に進行させるために好ましい。
【００１３】
またこの反応は、Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ，ＥｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＴｈｉｒｄＥｄｉｔｉｏｎ，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水素及び／又は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、また同位体交換を抑制するためにも低温の方が好ましく、−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、またシアン化水素及び／又は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、またシアン化水素及び／又は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。
【００１４】
反応の平衡上の制約から、高価な重水素化アセトン−ｄｎ（ｎ＝１〜６）を有効に利用するためには、シアン化水素及び／又はシアン化重水素過剰下で反応を行うことが適切であるが、その場合、シアン化水素及び／又はシアン化重水素により、同位体交換が促進されるため、アセトン−ｄｎ（ｎ＝１〜６）に対するシアン化水素及び／又はシアン化重水素の使用モル比が１．５倍未満に抑制されることが好ましい。
【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、シアン化水素及び／又は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、この面からもアセトン−ｄｎ（ｎ＝１〜６）に対するシアン化水素及び／又は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−ｄｎ（ｎ＝１〜６）は、次のアミド化工程後に定量的に回収することができる。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として用いるが、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、０．００００１〜１重量％が好ましい。このようにして得られたアセトンシアンヒドリン−ｄｎ（ｎ＝１〜７）は原料のアセトン−ｄｎ（ｎ＝１〜６）に対して、０．５％以下の同位体交換しかみられなかった。
【００１７】
得られたアセトンシアンヒドリン−ｄｎ（ｎ＝１〜７）と通常の重水素化されていない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−ｄｎ（ｎ＝１〜７）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−ｄｎ（ｎ＝１〜７）の仕込み重量比は１：９〜９：１が適切な範囲である。この系には、アセトン−ｄｎ（ｎ＝１〜６）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−ｄｎ（ｎ＝１〜７）の白色結晶を得ることができる。このようにして得られた２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄｎ（ｎ＝１〜７）は多量の水中で反応を行ったにも拘わらず、０．３％以下の同位体交換しかみられなかった。
【００１９】
ギ酸メチル−ｄｎ（ｎ＝０〜４）は、メタノール−ｄｎ（ｎ＝０〜４）を原料として、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。反応は公知の技術で製造することができるが、一例としてあげると、メタノール−ｄｎ（ｎ＝０〜４）に対して、一酸化炭素で０．２〜５０ＭＰａに加圧し、０〜２００℃でアルカリ金属メチラート−ｄｎ（ｎ＝０〜３）を触媒として反応させることにより、ギ酸メチル−ｄｎ（ｎ＝０〜４）を得ることができる。この際、原則として原料メタノール−ｄｎの重水素化数に対して、触媒として使用するアルカリ金属メチラート−ｄｎの重水素化数が同等以上のものを用いることが、重水素化率の低下を抑える上で好ましい。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−ｄｎ（ｎ＝０〜４）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、脱水素反応で製造する場合、副生したＤ₂、もしくはＤＨ、もしくはＨ₂は、再び原料のメタノールｄｎ（ｎ＝０〜４）の製造原料として使用することも可能である。
【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−ｄｎ（ｎ＝１〜７）とギ酸メチル−ｄｎ（ｎ＝０〜４）を反応させることにより２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄｎ（ｎ＝１〜１０）とホルムアミド−ｄｎ（ｎ＝０〜１）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で行うと、反応速度が速く好ましい。この際も、原則として原料メタノール−ｄｎの重水素化数に対して、触媒として使用するアルカリ金属メチラート−ｄｎの重水素化数が同等以上のものを用いることが、重水素化率の低下を抑える上で好ましい。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−ｄｎ（ｎ＝１〜７）およびギ酸メチル−ｄｎ（ｎ＝０〜４）の溶解をたすけるため、メタノール−ｄｎ（ｎ＝０〜４）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−ｄｎ（ｎ＝０〜４）と一酸化炭素、２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄｎ（ｎ＝１〜７）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−ｄｎ（ｎ＝１〜１０）とホルムアミド−ｄｎ（ｎ＝０〜１）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−ｄｎ（ｎ＝１〜１０）の脱水によるメタクリル酸メチル−ｄｎ（ｎ＝１〜８）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−ｄｎ（ｎ＝１〜１０）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−ｄｎ（ｎ＝１〜８）が加水分解してメタクリル酸を生成する場合には、メタノール−ｄｎ（ｎ＝０〜４）を添加しメタクリル酸メチル−ｄｎ（ｎ＝１〜８）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−ｄｎ（ｎ＝１〜１０）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−ｄｎ（ｎ＝１〜１０）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−ｄｎ（ｎ＝１〜８）を得ることが可能である。得られた重水素化メタクリル酸メチル−ｄｎ（ｎ＝１〜８）は各Ｃ−Ｄ結合について原料の標識化率に比べ１％以下の同位体交換率しかみられず、高い重水素化率を維持することが可能である。また、同方法によれば、ふつう副生した水に重水素が含まれるが、これを再利用して重水を製造することも可能である。例えば、ＤＯＨが得られた場合、これを再濃縮して重水を得ることができる。
【００２４】
一方、目的物２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄｎ（ｎ＝１〜１０）と同時に副生するホルムアミド−ｄｎ（ｎ＝０〜１）については脱水反応を利用してシアン化水素及び／又はシアン化重水素を製造する。ホルムアミド−ｄｎ（ｎ＝０〜１）からシアン化水素及び／又はシアン化重水素を製造する場合、反応はアルミナ、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る。反応温度は２００〜６００℃が適当であり、反応はほぼ定量的に進行し、シアン化水素またはシアン化重水素と水が生成する。生成したシアン化水素及び／又はシアン化重水素は分離回収し、アセトンシアンヒドリン−ｄｎ（ｎ＝１〜７）製造工程に送り、循環使用することも可能である。
【００２５】
本発明によれば、アセトン−ｄｎ（ｎ＝１〜６）、およびメタノール−ｄｎ（ｎ＝０〜４）を原料に用い、シアン化水素及び／又は高価なシアン化重水素を循環使用しながら、重水素化率の低下と廃棄物の生成を抑えつつ重水素化メタクリル酸メチル−ｄｎ（ｎ＝１〜８）を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。
【００２６】
【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
各結合の重水素化率（％）＝［１−｛（各Ｃ−Ｄ結合中の水素原子数）／（各Ｃ−Ｄ結合中の水素原子数＋重水素原子数）｝］×１００
【００２７】
実施例１
アセトンシアンヒドリン−ｄ６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０．００５ｍｏｌを混合した液に、０℃でシアン化水素１．０５ｍｏｌを徐々に供給した。供給終了後、1℃で４時間攪拌した後、無色透明のアセトンシアンヒドリン−ｄ６を得た。収率は９７．５％、Ｃ−ＣＤ₃部分の重水素化率は９９．８％であった。
触媒調製：過マンガン酸カリウム０．３９８ｍｏｌを水２００ｍＬに溶解した液に、硫酸マンガン一水和物０．３１６ｍｏｌを水２００ｍＬに溶かしたうえ濃硫酸０．９６８ｍｏｌと混合した液を、７０℃撹拌下、速やかに注下した。さらに撹拌を継続し９０℃で２時間熟成の後、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−ｄ６の合成：上記のアセトンシアンヒドリン−ｄ６の調製で得た反応液に水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。触媒を濾別した後、反応液から過剰の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−ｄ６、０．９３ｍｏｌが得られた。Ｃ−ＣＤ₃部分の重水素化率は９９．８％であった。
２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ９及びホルムアミド−ｄ１の合成：ステンレス製オートクレーブにメタノール−ｄ４（重水素化率９９．９％）を５ｍｏｌ、金属Ｎａを０．０２ｍｏｌ仕込んだ後、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−ｄ６を０．９３ｍｏｌ加え、さらにメタノール−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−ｄ９及びホルムアミド−ｄ１が得られた。ついで反応液が中性を示すまで、硫酸を加えた後、蒸留を行い、２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ９及びホルムアミド−ｄ１を単離した。２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ９の重水素化率を測定したところ、Ｃ−ＣＤ₃部分については９９．８％、Ｏ−ＣＤ₃部分については９９．９％であり、トータルの重水素化率は９９．８％であった。
メタクリル酸メチル−ｄ８の合成：発煙硫酸７ｍｏｌに対し、２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ９を０．７ｍｏｌ室温で滴下し５分間撹拌した後、メタノール−ｄ４を１．５ｍｏｌ加え、８０℃で２時間加熱撹拌した。その後、抽出、蒸留操作を行い、０．５ｍｏｌ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、Ｃ−ＣＤ₃部分については９９．６％、ＣＤ₂＝Ｃ部分については９９．７％、Ｏ−ＣＤ₃部分については９９．９％であり、トータルの重水素化率は９９．７％であった。
【００２８】
実施例２
アセトンシアンヒドリン−ｄ６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０．００５ｍｏｌを混合した液に対し、０℃でアセトン−ｄ６の３倍量のシアン化水素３．１５ｍｏｌを徐々に供給した。供給終了後、１℃で４時間攪拌した後、無色透明のアセトンシアンヒドリン−ｄ６を得た。収率は９７．５％、Ｃ−ＣＤ₃部分の重水素化率は９８．８％であった。
【００２９】
実施例３
シアン化水素の回収：炭酸マンガン５１．５ｇに、水３０ｇに炭酸ナトリウム０．８８ｇを溶解した液を加え１時間混練した。その後１１０℃で１５時間乾燥し、さらに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℃に制御した。０．０１ＭＰａに圧力を保ちながら、実施例１で得られたホルムアミド−ｄ１を毎時５ｇずつ連続的に供給し、６時間反応を継続した。非凝縮性ガスは水を入れた洗気びんを通し、同伴するシアン化水素を吸収させた。その際の収率は９２％であった。この生成物を常法に従って蒸留することにより、高純度のシアン化水素及び／又はシアン化重水素を得、実施例１のアセトンシアンヒドリン−ｄ６の調製（第▲１▼工程）の原料として循環使用した。
【００３０】
実施例４
２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ９の合成：ステンレス製オートクレーブにメタノール−ｄ３（メチル基の重水素化率９９．９％）を５ｍｏｌ、金属Ｎａを０．０２ｍｏｌ仕込んだ後、一酸化炭素により７ＭＰａに加圧しながら、７５℃で３時間反応させたところ、転化率８５％でギ酸メチル−ｄ３が得られた。得られたギ酸メチル−ｄ３とメタノール−ｄ３の混合液中に、実施例１と同様にして得られた２−ヒドロキシイソ酪酸アミド−ｄ６を０．９３ｍｏｌ加え、更にメタノール−ｄ３を４ｍｏｌ、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−ｄ９及びホルムアミド−ｄｎ（ｎ＝０〜１）が得られた。反応液が中性を示すまで硫酸を加えた後、蒸留を行い、２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ９及びホルムアミド−ｄｎ（ｎ＝０〜１）を単離した。２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ９の重水素化率を測定したところ、Ｃ−ＣＤ₃部分については９９．７％、Ｏ−ＣＤ₃部分については９９．９％であり、トータルの重水素化率は９９．８％であった。
メタクリル酸メチル−ｄ８の合成：発煙硫酸７ｍｏｌに対し、上記２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ９を０．７ｍｏｌ室温で滴下し５分間撹拌した後、メタノール−ｄ３を１．５ｍｏｌ加え、８０℃で２時間加熱撹拌した。その後、抽出、蒸留操作を行い、０．５ｍｏｌ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、Ｃ−ＣＤ₃部分については９９．５％、ＣＤ₂＝Ｃ部分については９９．６％、Ｏ−ＣＤ₃部分については９９．９％であり、トータルの重水素化率は９９．７％であった。
【００３１】
実施例５
シアン化水素の回収：炭酸マンガン５１．５ｇに、水３０ｇに炭酸ナトリウム０．８８ｇを溶解した液を加え１時間混練した。その後１１０℃で１５時間乾燥し、さらに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４００℃に制御した。０．０１Ｍｐａに圧力を保ちながら、実施例４の２−ヒドロキシイソ酪酸メチル−ｄ９の調製で得られたホルムアミドを毎時５ｇずつ連続的に供給し、６時間反応を継続した。非凝縮性ガスは水を入れた洗気びんを通し、同伴するシアン化水素を吸収させた。その際の収率は９２％であった。この生成物を常法により蒸留することにより高純度のシアン化水素を得、実施例４の第▲１▼工程の原料として循環使用した。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、実質的にアセトン−ｄｎ（ｎ＝１〜６）とメタノール−ｄｎ（ｎ＝０〜４）のみを原料に用い、シアン化水素及び／又は高価なシアン化重水素を循環使用しながら、重水素化率の低下を抑えつつ、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重水素化メタクリル酸メチルを効率的に製造することができ、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. 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, a material constituting an optical communication component such as an optical waveguide is expected to be a polymer optical waveguide device that has a large thermo-optic effect and can be easily processed, instead of conventional glass and inorganic crystal materials.
[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 a material for optical communication media.
[0005]
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.
[0006]
The synthesis of deuterated methyl methacrylate by this method is also shown in US Pat. No. 4,138,194. In this case, deuterium cyanide (DCN), deuterated sulfuric acid (D₂SO_Four) And methanol-d4, it is described that the deuteration rate is not improved. In JP-A-61-1906, acetone-d6 and hydrogen cyanide are reacted at 15 to 20 ° C. with potassium cyanide catalyst to synthesize cyanohydrin, followed by hydrolysis in the presence of sulfuric acid and water to produce methacrylic acid-d5. How to do is described. 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. Berichte Bunsen-Gesellschatt Bd77, Nr2 (1973) contains acetone-d6, DCN, D₂SO_Four, Heavy water (D₂O) and methanol-d4 are used to synthesize deuterated methyl methacrylate having a deuteration rate of 98% or more in a yield of 30%. In addition, J.H. Phy. Org. Chem. , Vol. 8, P249 (1995) contains sodium cyanide D₂A method is described in which acetone-d6 is added dropwise to an O solution to synthesize acetone cyanohydrin-d7, and then deuterated methyl methacrylate is synthesized from sulfuric acid and methanol-d4.
[0007]
These methods described above are applications of a method commonly referred to as an acetone cyanohydrin (ACH) method. However, when this method is used, it involves a large amount of waste sulfuric acid and ammonium sulfate as a by-product. It includes a process in which acetone cyanohydrin-d6 is treated at a high temperature in the presence of sulfuric acid, which may cause isotope exchange. Also, per expensive acetone-dn (n = 1-6) However, the yield is not sufficient.
[0008]
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 methods are not suitable as a method for producing deuterated methyl methacrylate because of the high cost of deuterated raw materials and the large loss due to side reactions.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to use acetone-dn (n = 1 to 6) and methanol-dn (n = 0 to 4) as raw materials and circulate and use hydrogen cyanide and / or expensive deuterium cyanide. The present invention provides an efficient method for producing methyl methacrylate-dn (n = 1 to 8), in which the decrease in the hydrogenation rate is small and a large amount of waste sulfuric acid and ammonium sulfate are not by-produced.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Step (1) for producing acetone cyanohydrin-dn (n = 1 to 7) by reaction of hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide with acetone-dn (n = 1 to 6), said step (1) Acetone cyanohydrin-dn (n = 1-7) obtained in the process is hydrated with normal non-deuterated water to produce 2-hydroxyisobutyric acid amide-dn (n = 1-7). Step {circle around (2)}, methyl formate-dn (n = 0-4) produced by reaction of methanol-dn (n = 0-4) and carbon monoxide and / or methanol-dn (n = 0-0) 4) reacting methyl formate-dn (n = 0-4) produced by the dehydrogenation reaction with 2-hydroxyisobutyric acid amide-dn (n = 1-7) obtained in the step (2). Methyl 2-hydroxyisobutyrate-dn (n = 1 to 0) and formamide-dn (n = 0 to 1), step (3), methyl 2-hydroxyisobutyrate-dn (n = 1 to 10) separated from the product of step (3) The method of efficiently producing deuterated methyl methacrylate while suppressing the decrease in deuteration rate was found by the step (4) for producing methyl methacrylate-dn (n = 1 to 8) by dehydrating . Furthermore, hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide can be produced by the dehydration reaction of formamide-dn (n = 0 to 1) separated from the product of the step (3), and can be recycled and reused. The present invention has been completed based on this finding.
[0011]
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-dn (n = 1 to 6) and methanol-dn (n = 0 to 4) only as raw materials, and acetone cyanide while suppressing a decrease in the deuteration rate. Produces deuterated methyl methacrylate-dn (n = 1 to 8) in high yield without passing through hydrin but with a large amount of waste sulfuric acid and ammonium sulfate byproduct as in the conventional ACH method. Is a process.
[0012]
In the synthesis of deuterated acetone cyanohydrin-dn (n = 1-7) in the present invention, the reaction raw materials are deuterated acetone-dn (n = 1-6), hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide. . For example, about acetone-d6, what has a deuteration rate of 99.8% or more normally is marketed, and this can be used. As for hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide, those having as little impurities as possible and having high purity are preferable in order to allow the reaction to proceed smoothly.
[0013]
This reaction was also carried out in Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology Third Edition, vol. 7, P385 to P396, an equilibrium reaction in which hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide is added to a carbonyl group. The reaction is biased toward cyanohydrin on the low temperature side, and in order to suppress isotope exchange, a low temperature is preferable, and a reaction temperature of −20 to 30 ° C. is preferable. When the reaction temperature is lower than −20 ° C., a sufficient reaction rate cannot be obtained, and hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide may be solidified, which is not preferable. Since polymerization of deuterium cyanide is caused and it becomes easy to color, it is not preferable.
[0014]
In order to effectively use expensive deuterated acetone-dn (n = 1 to 6), it is appropriate to carry out the reaction in an excess of hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide due to the equilibrium of the reaction. In that case, since isotope exchange is promoted by hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide, the molar ratio of hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide to acetone-dn (n = 1 to 6) is 1. It is preferably suppressed to less than 5 times.
[0015]
On the other hand, when the obtained reaction solution is directly used in the next amidation step, side reactions also increase depending on the excess amount of hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide, and acetone-dn (n = 1) from this aspect as well. The molar ratio of hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide to ˜6) is preferably less than 1.5 times. Excess acetone-dn (n = 1 to 6) can be quantitatively recovered 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 as catalysts, but 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 1% by weight. The acetone cyanohydrin-dn (n = 1-7) thus obtained showed only 0.5% or less isotope exchange relative to the raw material acetone-dn (n = 1-6). It was.
[0017]
By reacting the obtained acetone cyanohydrin-dn (n = 1-7) with normal non-deuterated water in the presence of a catalyst, 2-hydroxyisobutyric acid amide-dn (n = 1-7) ) 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]
A suitable weight ratio of acetone cyanohydrin-dn (n = 1-7) to water is 1: 9-9: 1. In this system, acetone-dn (n = 1 to 6) 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-dn (n = 1-7) can be obtained by removing water and optionally the solvent used in the reaction from the obtained reaction solution. The thus obtained 2-hydroxyisobutyric acid amide-dn (n = 1 to 7) showed only 0.3% or less isotope exchange despite reaction in a large amount of water. .
[0019]
Methyl formate-dn (n = 0 to 4) can be produced by methanol-dn (n = 0 to 4) as a raw material by a carbonylation method or a dehydrogenation method. The reaction can be produced by a known technique. For example, methanol-dn (n = 0 to 4) is pressurized with carbon monoxide to 0.2 to 50 MPa and reacted at 0 to 200 ° C. By reacting alkali metal methylate-dn (n = 0-3) as a catalyst, methyl formate-dn (n = 0-4) can be obtained. In this case, as a general rule, the deuteration number of the alkali metal methylate-dn used as a catalyst is equal to or higher than the deuteration number of the raw material methanol-dn to suppress a decrease in the deuteration rate. Preferred above. Since the reaction is an equilibrium reaction, the raw material methanol-dn (n = 0 to 4) remains in the reaction solution, but can be directly used in the next step. In addition, when produced by dehydrogenation reaction, D produced as a by-product₂Or DH or H₂Can be used again as a raw material for producing raw material methanol dn (n = 0 to 4).
[0020]
By reacting 2-hydroxyisobutyric acid amide-dn (n = 1-7) thus obtained and methyl formate-dn (n = 0-4), methyl 2-hydroxyisobutyrate-dn (n = 1-10) and formamide-dn (n = 0-1) 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 carry out 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. In this case as well, in principle, the deuteration number of the alkali metal methylate-dn used as the catalyst is equal to or more than the deuteration number of the raw material methanol-dn, which reduces the deuteration rate. It is preferable in terms of suppression. 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 above this temperature, formamide decomposition and catalyst deactivation are likely to 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. In order to dissolve 2-hydroxyisobutyric acid amide-dn (n = 1-7) and methyl formate-dn (n = 0-4), methanol-dn (n = 0-4) is used as a solvent. You can also.
[0021]
Moreover, this reaction system can also react methanol-dn (n = 0-4), carbon monoxide, and 2-hydroxyisobutyric acid amide-dn (n = 1-7) in one pot. Since the reaction is an equilibrium reaction, the reaction product is recovered by distillation or the like, and the target products 2-hydroxyisobutyrate-dn (n = 1 to 10) and formamide-dn (n = 0 to 1) are separated and recovered. The unreacted material is sent to the raw material system.
[0022]
Regarding the production of methyl methacrylate-dn (n = 1-8) by dehydration of the obtained methyl 2-hydroxyisobutyrate-dn (n = 1-10), it can be easily carried out using an acid catalyst. It can be carried out either in the phase or in the gas phase. However, since methyl 2-hydroxyisobutyrate-dn (n = 1 to 10) is easily decomposed, in the case of a liquid phase reaction, it is preferable to perform the reaction 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. During the reaction, when methyl methacrylate-dn (n = 1 to 8) is hydrolyzed by the generated water to produce methacrylic acid, methanol-dn (n = 0 to 4) is added and methyl methacrylate- It is also possible to improve the yield of dn (n = 1-8).
[0023]
In addition, when a dehydration reaction of methyl 2-hydroxyisobutyrate-dn (n = 1 to 10) is performed by a gas phase contact reaction as described in JP-A-2-196653, the reaction is completed in a short contact time. Decomposition of methyl butyrate-dn (n = 1 to 10) can be suppressed. From the reaction liquid obtained by these reactions, the target methyl methacrylate-dn (n = 1 to 8) can be obtained with a chemical purity of 99.9% or more using ordinary unit operations such as distillation and extraction. Is possible. The obtained deuterated methyl methacrylate-dn (n = 1 to 8) has an isotope exchange rate of 1% or less compared to the labeling rate of the raw material for each CD bond, and has a high deuteration rate. Can be maintained. In addition, according to this method, deuterium is usually contained in the by-produced water, but it is also possible to produce heavy water by reusing it. For example, when DOH is obtained, it can be re-concentrated to obtain heavy water.
[0024]
On the other hand, for formamide-dn (n = 0 to 1) by-produced simultaneously with the target product 2-hydroxyisobutyric acid methyl-dn (n = 1 to 10), hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide is utilized by dehydration reaction. Manufacturing. When producing hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide from formamide-dn (n = 0 to 1), the reaction is carried out in the presence of a solid catalyst such as alumina, silica-alumina, iron-silica, manganese oxide, magnesium oxide, It is carried out in a gas phase catalytic reaction. The reaction temperature is suitably 200 to 600 ° C., and the reaction proceeds almost quantitatively to produce hydrogen cyanide or deuterium cyanide and water. The produced hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide can be separated and recovered, sent to an acetone cyanohydrin-dn (n = 1 to 7) production process, and recycled.
[0025]
According to the present invention, acetone-dn (n = 1 to 6) and methanol-dn (n = 0 to 4) are used as raw materials, and hydrogen cyanide and / or expensive deuterium cyanide is recycled and used. It is possible to efficiently produce deuterated methyl methacrylate-dn (n = 1 to 8) while suppressing the decrease in hydrogenation rate and the generation of waste, and its industrial significance is extremely great.
[0026]
【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 the 1H-NMR internal standard method, and it follows 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
Deuteration rate of each bond (%)= [1-{(number of hydrogen atoms in each CD bond) / (number of hydrogen atoms in each CD bond + number of deuterium atoms)}] × 100
[0027]
Example 1
Synthesis of acetone cyanohydrin-d6: 1.05 mol of hydrogen cyanide was gradually fed at 0 ° C. to a mixture of 1.05 mol of acetone-d6 (deuteration rate 99.9%) and 0.005 mol of triethylamine as a catalyst. . After completion of the supply, the mixture was stirred at 1 ° C. for 4 hours, and colorless and transparent acetone cyanohydrin-d6 was obtained. Yield 97.5%, C-CD_ThreeThe partial deuteration rate was 99.8%.
Catalyst preparation: In a solution prepared by dissolving 0.398 mol of potassium permanganate in 200 mL of water, 0.316 mol of manganese sulfate monohydrate was dissolved in 200 mL of water and mixed with 0.968 mol of concentrated sulfuric acid. Swiftly dropped. The stirring was further continued, and after aging at 90 ° C. for 2 hours, 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-d6: To a mixture obtained by adding 14 mol of water to the reaction solution obtained in the preparation of acetone cyanohydrin-d6, 25 g of the modified manganese dioxide catalyst was charged and in the presence of air. The reaction was performed at 60 ° C. for 2 hours. After the catalyst was filtered off, excess water and the like were distilled off from the reaction solution under reduced pressure, whereby 2-hydroxyisobutyric acid amide-d6, 0.93 mol was obtained. C-CD_ThreeThe partial deuteration rate was 99.8%.
Synthesis of methyl 2-hydroxyisobutyrate-d9 and formamide-d1: 5 mol of methanol-d4 (deuteration rate 99.9%) and 0.02 mol of metal Na were charged in a stainless steel autoclave, and then 7 MPa with carbon monoxide. The mixture was reacted at 75 ° C. for 3 hours while being pressurized, and methyl formate-d4 was obtained at a conversion rate of 85%. In the obtained mixture of methyl formate-d4 and methanol-d4, 0.93 mol of 2-hydroxyisobutyric acid amide-d6 was added, 4 mol of methanol-d4 and 0.02 mol of metallic Na were added, and the mixture was added at 50 ° C. When reacted for 5 hours, methyl 2-hydroxyisobutyrate-d9 and formamide-d1 were obtained at a conversion rate of 80%. Subsequently, sulfuric acid was added until the reaction solution became neutral, followed by distillation to isolate methyl 2-hydroxyisobutyrate-d9 and formamide-d1. When the deuteration rate of methyl 2-hydroxyisobutyrate-d9 was measured, C-CD_Three99.8% for the part, O-CD_ThreeThe portion was 99.9% and the total deuteration rate was 99.8%.
Synthesis of methyl methacrylate-d8: 0.7 mol of 2-hydroxyisobutyric acid-d9 was added dropwise to 7 mol of fuming sulfuric acid at room temperature and stirred for 5 minutes, then 1.5 mol of methanol-d4 was added, and the mixture was heated at 80 ° C. for 2 hours. Stir with heating. Thereafter, extraction and distillation operations were performed to obtain 0.5 mol of methyl methacrylate-d8. The resulting methyl methacrylate-d8 has a deuteration ratio of C-CD_Three99.6% for the part, CD₂= 99.7% for C part, O-CD_ThreeThe portion was 99.9% and the total deuteration rate was 99.7%.
[0028]
  Example 2
  Synthesis of acetone cyanohydrin-d6: 3 times the amount of acetone-d6 at 0 ° C. with respect to 1.05 mol of acetone-d6 (deuteration rate 99.9%) mixed with 0.005 mol of triethylamine as a catalyst 3.15 mol of hydrogen cyanide was gradually supplied. After completion of the supply, the mixture was stirred at 1 ° C. for 4 hours, and colorless and transparent acetone cyanohydrin-d6 was obtained. Yield 97.5%, C-CD_ThreeThe partial deuteration rate was 98.8%.
[0029]
  Example3
  Recovery of hydrogen cyanide: A solution prepared by dissolving 0.88 g of sodium carbonate in 30 g of water was added to 51.5 g of manganese carbonate and kneaded for 1 hour. Thereafter, the catalyst was dried at 110 ° C. for 15 hours and further calcined at 450 ° C. for 5 hours in a nitrogen stream containing 10% hydrogen to prepare a catalyst. 2.5 g of the catalyst was filled in a stainless steel tubular reaction tube, and the maximum temperature of the catalyst layer was controlled at 400 ° C. While maintaining the pressure at 0.01 MPa, formamide-d1 obtained in Example 1 was continuously supplied at 5 g per hour, and the reaction was continued for 6 hours. The non-condensable gas was passed through a wash bottle containing water to absorb the accompanying hydrogen cyanide. The yield at that time was 92%. This product is distilled according to a conventional method to obtain high-purity hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide, which is recycled as a raw material for the preparation of acetone cyanohydrin-d6 of Example 1 (step (1)). did.
[0030]
  Example4
  Synthesis of methyl 2-hydroxyisobutyrate-d9: After charging 5 mol of methanol-d3 (deuteration rate of methyl group 99.9%) and 0.02 mol of metal Na into a stainless steel autoclave, it was reduced to 7 MPa with carbon monoxide. When the reaction was carried out at 75 ° C. for 3 hours while applying pressure, methyl formate-d3 was obtained at a conversion rate of 85%. 0.93 mol of 2-hydroxyisobutyric acid amide-d6 obtained in the same manner as in Example 1 was added to the obtained mixed solution of methyl formate-d3 and methanol-d3, and further 4 mol of methanol-d3 and metal Na Was added and reacted at 50 ° C. for 5 hours to obtain methyl 2-hydroxyisobutyrate-d9 and formamide-dn (n = 0 to 1) at a conversion rate of 80%. Sulfuric acid was added until the reaction solution showed neutrality, followed by distillation to isolate methyl 2-hydroxyisobutyrate-d9 and formamide-dn (n = 0 to 1). When the deuteration rate of methyl 2-hydroxyisobutyrate-d9 was measured, C-CD_Three99.7% for the part, O-CD_ThreeThe portion was 99.9% and the total deuteration rate was 99.8%.
  Synthesis of methyl methacrylate-d8: To 7 mol of fuming sulfuric acid, 0.7 mol of 2-hydroxyisobutyric acid-d9 was added dropwise at room temperature and stirred for 5 minutes, and then 1.5 mol of methanol-d3 was added, and 2 at 80 ° C. Stir for hours. Thereafter, extraction and distillation operations were performed to obtain 0.5 mol of methyl methacrylate-d8. The resulting methyl methacrylate-d8 has a deuteration ratio of C-CD_Three99.5% for the part, CD₂= 99.6% for C part, O-CD_ThreeThe portion was 99.9% and the total deuteration rate was 99.7%.
[0031]
  Example5
  Recovery of hydrogen cyanide: A solution prepared by dissolving 0.88 g of sodium carbonate in 30 g of water was added to 51.5 g of manganese carbonate and kneaded for 1 hour. Thereafter, the catalyst was dried at 110 ° C. for 15 hours and further calcined at 450 ° C. for 5 hours in a nitrogen stream containing 10% hydrogen to prepare a catalyst. 2.5 g of the catalyst was filled in a stainless steel tubular reaction tube, and the maximum temperature of the catalyst layer was controlled at 400 ° C. While maintaining the pressure at 0.01 MPa, RealExamples4Formamide obtained in the preparation of methyl 2-hydroxyisobutyrate-d9 was continuously fed at 5 g per hour, and the reaction was continued for 6 hours. The non-condensable gas was passed through a wash bottle containing water to absorb the accompanying hydrogen cyanide. The yield at that time was 92%. This product was distilled by a conventional method to obtain high purity hydrogen cyanide.4It was recycled as a raw material for the first step (1).
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention, substantially only acetone-dn (n = 1-6) and methanol-dn (n = 0-4) are used as raw materials, and hydrogen cyanide and / or expensive deuterium cyanide is recycled. However, deuterated methyl methacrylate is expected as a raw material for plastic optical fibers and optical waveguide materials with low transmission loss without suppressing a decrease in the deuteration rate and without accompanying a large amount of waste sulfuric acid or ammonium sulfate. Can be produced efficiently and has extremely great industrial significance.

Claims

Obtained in the steps (1) and (1) for producing acetone cyanohydrin-dn (n = 6 or 7 ) by reaction of hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide with acetone-dn (n = 6 ). Acetone cyanohydrin-dn (n = 6 or 7 ) is hydrated with normal non-deuterated water to produce 2-hydroxyisobutyric acid amide-dn (n = 6 or 7 ). Step, methyl formate-dn (n = 3 or 4 ) produced by reaction of methanol-dn (n = 3 or 4 ) and carbon monoxide, and / or methanol-dn (n = 3 or 4 ) By reacting methyl formate-dn (n = 3 or 4 ) produced by the dehydrogenation reaction with 2-hydroxyisobutyric acid amide-dn (n = 6 or 7 ) obtained in step (2), 2 -Hydroxyisobutyric acid The producing chill -dn (n = 9 or 10) and formamide -dn (n = 0~1) ▲ 3 ▼ step, the ▲ 3 ▼ is separated from the product of step 2-hydroxyisobutyric acid methyl -dn A method for producing deuterated methyl methacrylate comprising the step (4) of dehydrating (n = 9 or 10 ) to produce methyl methacrylate-dn (n = 8 ).

As hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide used in step (1), hydrogen cyanide and / or deuterated cyanide produced by a dehydration reaction of formamide-dn (n = 0 to 1) obtained in step (3) The manufacturing method according to claim 1, wherein hydrogen is used.

In the step (1), when acetone cyanohydrin-dn (n = 6 or 7 ) is produced by reaction of hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide with acetone-dn (n = 6 ), acetone-dn ( The production method according to claim 1, wherein the reaction is performed under a condition that the molar ratio of hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide to n = 6 ) is less than 1.5 times.

In the step (1), when producing acetone cyanohydrin-dn (n = 6 or 7 ) by reaction of hydrogen cyanide and / or deuterium cyanide with acetone-dn (n = 6 ), organic and The method according to claim 1, wherein an inorganic basic compound is used.

In step (2), acetone cyanohydrin-dn (n = 6 or 7 ) is hydrated with normal non-deuterated water to give 2-hydroxyisobutyric acid amide-dn (n = 6 or 7 ). The manufacturing method according to claim 1, wherein manganese oxide is used as a catalyst when manufacturing the catalyst.

6. The production method according to claim 5, wherein the catalytic reaction using manganese oxide is carried out in the presence of molecular oxygen.

In the step ( 3 ), when producing methyl formate-dn (n = 3 or 4 ) by reaction of methanol-dn (n = 3 or 4 ) with carbon monoxide, alkali metal and methanol-dn (n = 3. The production method according to claim 1, wherein an alkali metal methylate-dn (n = 3 ) produced from 3 or 4 ) is used as a catalyst.

In step ( 3 ), methyl formate-dn (n = 3 or 4 ) and 2-hydroxyisobutyric acid amide-dn (n = 6 or 7 ) obtained in step (2) are reacted to give 2-hydroxyiso In producing methyl butyrate-dn (n = 9 or 10 ) and formamide-dn (n = 0 to 1), an alkali metal methylate-dn (n = 3 or 4 ) produced from an alkali metal and methanol-dn (n = 3 or 4 ) 2. The production method according to claim 1, wherein n = 3 ) is used as a catalyst.

In the step (4), when methyl methacrylate-dn (n = 8 ) is produced from methyl 2-hydroxyisobutyrate-dn (n = 9 or 10 ) by dehydration reaction, methanol-dn (n = 3 or 4 ) is produced. The method according to claim 1, which is performed while adding.