JP4308430B2 - 触媒ならびにポリテトラヒドロフランの製造法 - Google Patents

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Description

【0001】
本発明は、酸活性化されたカルシウム−モンモリロナイト上で、少なくとも1つのテロゲンおよび/またはコモノマーの存在下に、テトラフドロフランを重合させることにより、ポリテトラヒドロフラン、ポリテトラヒドロフラン−コポリマー、これらのポリマーのジエステルもしくはモノエステルを製造する改善された方法に関する。
【0002】
ポリオキシブチレングリコールとも呼ばれるポリテトラヒドロフラン(“PTHF”)は、プラスチック工業および合成繊維工業において、多方面にわたる中間生成物であり、とりわけポリウレタンエラストマー、ポリエステルエラストマーおよびポリアミドエラストマーの製造に利用され、これらのエラストマーの製造にはジオール成分として使用される。その上、ポリテトラヒドロフランは―またその多数の誘導体のように―、多様な使用の場合に、例えば分散剤として、または古紙の脱色(“インク抜き”)の際の重要な助剤である。
【0003】
PTHFは、添加によりポリマー鎖の鎖長の制御、ひいては所望の値の平均分子量の調節を可能にする試薬の存在下に、適した触媒上でテトラヒドロフランを重合させることにより工業的に有利に製造される(連鎖停止試薬または“テロゲン”)。その際、制御は、テロゲンの種類および量を選択することにより行われる。適したテロゲンを選択することにより、付加的に官能基を、ポリマー鎖の一端または両端に導入することも可能である。従って、例えば、テロゲンとしてカルボン酸またはカルボン酸無水物を使用することにより、PTHFのモノエステルまたはジエステルを製造することができる。
【0004】
他のテロゲンは、連鎖停止試薬として作用するだけではなく、PTHFの成長するポリマー鎖中に組み込まれ、テロゲンだけではなくコモノマーの機能を有し、従って同じ意味でテロゲンまたはコモノマーと呼ぶ。このようなコモノマーの例は、水または2つのヒドロキシル基を有するテロゲン、例えばジアルコールである。このようなジアルコールの例は、エチレングリコール、ブチレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,6−ヘキサンジオールまたは低分子量PTHFである。更に、コモノマーとして、1,2−アルキレンオキシド、例えばエチレンオキシドまたはプロピレンオキシド、2−メチルテトラヒドロフランまたは3−メチルテトラヒドロフランが適している。このようなコモノマーの使用は、水、1,4−ブタンジオールおよび低分子量PTHFを除いて、テトラヒドロフラン−コポリマーの製造に結びつく。こうしてPTHFは、化学的に変性されていてよい。この一例は、テロゲンである2−ブチン−1,4−ジオールの使用であり、その添加により、PTHFのポリマー鎖中のC≡C三重結合の含分の存在をもたらす。このように変性されたPTHFは、この三重結合の反応性により、これらの位置で、化学的に更に改良され、例えば、三重結合から二重結合への水素化により、ポリマーの性質を調節するための引き続く他のモノマーの重合(“グラフト”)により、比較的剛性の構造を有するポリマーを形成するための架橋、またはポリマー化学の他の常用の措置により改良される。存在する三重結合の完全な水素化は、同様に可能であり、かつ一般に特に低い色数を有するPTHFをもたらす。
【0005】
ドイツ連邦共和国特許出願公告第1226560号明細書には、ポリテトラヒドロフランジアセテートの製造法が記載されている。これは、触媒として漂白土の存在下に、テトラヒドロフラン(THF)を重合させることにより得られる。殊に、酸で活性化されていてよいモンモリロナイト型のアルミニウムヒドロシリケートまたはアルミニウム−マグネシウムシリケートが使用される。例えば、商品名“Tonsil(登録商標)”を有する酸性のモンモリロナイト−土およびテロゲンとして無水酢酸が使用される。
【0006】
ドイツ連邦共和国特許出願公告第1226560号明細書によるモンモリロナイトを使用する場合には、APHAによる相対的に高い色数を有するPTHF−ジアセテートが得られる。低い色数を有する生成物が望ましい場合には、ドイツ連邦共和国出願公開第1226560号明細書により得られる混合物を、付加的な精製工程にかけなければならない。
【0007】
国際特許第94/05719号明細書は、アルミニウムシリケート型の触媒の使用下に、ポリテトラメチレンエーテルグリコールジエステルを製造する方法に関する。公知の天然モンモリロナイトの代わりに、無定形アルミニウムシリケートまたはゼオライトに加えて、酸活性化され、か焼されたカオリンが使用されている。
【0008】
ドイツ連邦共和国特許(DE−C)第19513493号明細書によれば、ポリテトラメチレンエーテルグリコールジエステルを製造するためには、触媒として、アタパルジャイト型の酸活性化されたマグネシウム−アルミニウム−ヒドロシリケートが使用されている。公知のモンモリロナイト触媒、ゼオライト触媒またはカオリン触媒の代わりにこの触媒を使用することは、高すぎる重合速度およびより均質な性質および得られたポリマーの狭い分子量分布をもたらす。
【0009】
米国特許第5210283号明細書には、その使用前に600℃を上回る温度でか焼した酸活性化された漂白土上で、酸無水物の存在下にpTHFを製造する方法が記載されている。この方法の利点として、生じた生成物の狭い分子量分布が強調されるが、しかし色数はこれにより低下しない。
【0010】
米国特許第4127513号明細書には、酸性度0.1〜0.9mEq.H+/gを有する酸活性化されたモンモリロナイト上で、THF/アルキレンオキシド−コポリマー中で環状オリゴマーを最低限にする方法が記載されており;また、ここでは色数の改善について述べられていない。
【0011】
米国特許第4228272号明細書には、0.4〜0.8cm3/gの細孔容積、220〜260cm2/gの表面積および0.1〜0.3μmの平均細孔容積を有する酸活性化されたモンモリロナイトが使用されている米国特許第4127513号明細書に対する改善法が記載されている。しかしながら、使用された触媒であるSuedchemie社のKO(登録商標)は、重合の開始期における色数の改善のみをもたらす。
【0012】
しかしながら、公知の触媒系は、方法の工業的実施のための十分な活性を、殊に工業的なTHFの使用下に有していない。
【0013】
不均一系触媒によるPTHF法の経済性は、触媒の生産率および得られた生成物の純度に決定的に依存するので、本発明の課題は、高いポリマー収率で、得られたPTHFのより低い色数で達成可能である、PTHF法のための触媒を提供することにあった。
【0014】
本発明によれば、この課題は、触媒として酸活性化されたカルシウム−モンモリロナイト上で、少なくとも1つのテロゲンおよび/またはコモノマーの存在下に、テトラヒドロフランを重合させることにより、ポリテトラヒドロフラン、ポリテトラヒドロフラン−コポリマーまたはそのジエステルもしくはモノエステルを製造する方法を提供することにより解決され、その際、カルシウム−モンモリロナイトは、少なくとも300m/gのBET表面積、pK −3未満で少なくとも0.02ミリモル/gの酸性度、および孔径30〜200Åの範囲内で少なくとも0.40cm/gの細孔容積を有する。
【0015】
本発明により使用されるモンモリロナイトは、粘土、特にスメクタイトの部類に属する。本発明による方法のためには、モンモリロナイトは、天然起源または合成起源であってよい。好ましくは、天然のカルシウム−モンモリロナイトが使用される。
【0016】
本発明による方法において使用する前に、モンモリロナイト触媒は、有利に酸中で活性化される。活性化は、例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公告第1069583号または欧州特許出願公開第0398636号明細書に記載されているような方法で行われていてよい。酸活性化は、多様な酸で行われてよく、好ましくは通常の鉱酸または有機カルボン酸である。好ましくは、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、ギ酸、酢酸またはクエン酸の群から選択される酸である。特に好ましくは硫酸および/または塩酸である。
【0017】
酸活性化のためには、モンモリロナイトを粉末形で、酸中に懸濁させ、その際、懸濁液の固体含有量は、懸濁液の全質量に対して、有利に1〜70質量%、特に好ましくは20〜60質量%である。酸濃度は、使用される酸および使用される粘土の種類に応じて向けられる。これは大きく変化させてよく、有利に2〜100%の範囲内にある。硫酸および塩酸の場合には、有利に20〜50%の濃度が使用される。撹拌しながら、懸濁液を、有利に30〜120℃、特に好ましくは50〜110℃の温度で、有利に0.5〜24時間、特に好ましくは1〜15時間反応させる。ついで、酸活性化されたモンモリロナイトは、例えば濾過により分離される。付着している微量の酸を除去するために、引き続き、蒸留水または脱イオン水で洗浄し、ついで乾燥させるか、またはか焼する。モンモリロナイト触媒の乾燥は、有利に、常圧および80〜200℃、好ましくは100〜150℃の温度で、1〜20時間行われる。また、これは減圧および低温で乾燥させてもよい。乾燥した触媒のか焼は、有利に150〜600℃、特に好ましくは200〜500℃、殊に300〜500℃の温度で、0.5〜12時間、有利に1〜5時間の期間で行われる。しかしながら、酸活性化は、他の公知方法で行われてよい。例えば、酸は、噴霧または混練により、同時に成形しながらモンモリロナイトと接触させてもよい。
【0018】
酸処理により、触媒は、有利に、アルカリ金属イオンから遊離洗浄される。完成した触媒は、高い活性を保証するために、触媒の全質量に対して、有利に、アルカリ金属イオン3質量%未満、好ましくは2質量%未満を含有する(900℃での強熱減量後に測定)。
【0019】
テロゲンとしての水はTHFと重合しうるので、水として他のテロゲン/コモノマーを使用する場合には、使用前に所定の条件下のモンモリロナイト触媒の乾燥および/またはか焼は有利である。
【0020】
本発明により使用可能な触媒は、THFの重合には、例えば、懸濁運転方式での方法の実施の場合に粉末の形で、または、殊に、例えば環状反応器を使用する場合または方法の連続的運転の場合に好ましい触媒の固定床配置の際に、有利に成形体として、例えば円柱形、球形または環形または粒形で、本発明による方法で使用されてよい。
【0021】
テロゲンとして、即ち、重合反応の連鎖停止をもたらす物質として、PTHF−ジエステルを製造する場合には、C2〜C20−モノカルボン酸から誘導されるカルボン酸無水物、例えば無水酢酸、無水プロピオン酸および無水酪酸が適している。このテロゲンを使用する際に生じるPTHF−ジエステルは、多様な方法でPTHFに変換されることができる(例えば米国特許第4460796号明細書による)。
【0022】
モノカルボン酸のPTHF−モノエステルを製造するためのテロゲンとして、一般に、C1〜C20−モノカルボン酸、特に好ましくはギ酸、酢酸、プロピオン酸、2−エチルヘキサン酸、アクリル酸およびメタクリル酸を使用する。
【0023】
THFのコポリマーを製造するためのテロゲンとして、例えば1,4−ブチンジオールが適している。生じるコポリマーは、引き続き、PTHF中の三重結合を水素化することにより変換されうるが、しかしながら、また、そのようなものとして興味深い性質を示す。
【0024】
THFの他のコポリマーは、1,2−アルキレンオキシド、好ましくはエチレンオキシドまたはプロピレンオキシド、2−メチルテトラヒドロフラン、3−メチルテトラヒドロフランまたはジオール類、例えばエチレングリコールまたは1,6−ヘキサンジオールを使用することにより得られうる。
【0025】
テロゲンである水および/または1,4−ブタンジオールを使用する場合には、本発明による方法によれば、PTHFは1段階で得られる。また、所望の場合には、テロゲンとして分子量200〜700ダルトンの低分子量で開鎖のPTHFを、重合反応中に供給してよく、そこで高分子量のPTHFに変換される。1,4−ブタンジオールおよび低分子量のPTHFは、2つのヒドロキシル基を有するので、テロゲンとしてPTHF鎖の鎖末端にだけではなく、モノマーとしてPTHF鎖中に組み込まれる。
【0026】
テロゲンは、有利に、THF中に溶解して、重合に供給される。テロゲンは、重合の停止をもたらすので、使用されるテロゲンの量によりPTHFまたはPTHF−ジエステルの分子量が制御されうる。反応混合物中にテロゲンが多く含有されていればいるほど、PTHFまたは当該のPTHF−誘導体の平均分子量は低くなる。重合混合物のテロゲン含有量に応じて、平均分子量250〜10000ダルトンを有するPTHFまたは当該のPTHF誘導体を的確に製造することができる。有利に、本発明による方法で、平均分子量500〜10000ダルトン、特に好ましくは650〜5000ダルトンを有するPTHFまたは当該のPTHF誘導体が製造される。
【0027】
重合は、一般に、0〜80℃、有利に25℃ないしTHFの沸騰温度で実施される。使用される圧力は、通常、重合の結果に決定的ではなく、従って、一般に大気圧で、または重合系の固有圧下に運転される。これを除いて、有利に圧力下に実施されるTHFと易揮発性の1,2−アルキレンオキシドとの共重合を生じさせる。
【0028】
通常、圧力は、0.1〜20バール、好ましくは0.5〜2バールである。
【0029】
エーテル過酸化物の形成を防止するためには、重合を、有利に不活性ガス雰囲気下に実施する。不活性ガスとして、例えば窒素、二酸化炭素または希ガスを使用し、好ましくは窒素が使用される。
【0030】
水素雰囲気下に重合を実施するのは、特に有利である。これらの実施態様は、生じるポリマーの特に低い色数をもたらす。その際、水素分圧は、0.1〜50バールの間で選択されてよい。周期表の第7〜10族の遷移金属、例えばルテニウム、レニウム、ニッケル、鉄、コバルト、パラジウムおよび/または白金を有するカルシウム−モンモリロナイトをドープすることにより、重合の実施の際に、水素の存在下に、色数をなお更に改善することができる。
【0031】
本発明による方法は、非連続的または連続的に運転されることができ、その際、経済的な理由から、たいてい連続的な運転方法が好ましい。
【0032】
非連続的な運転方法の場合に、反応物であるTHF、当該のテロゲンおよび触媒を、一般に撹拌釜または管状反応器中で、THFの所望の変換率が達成されるまで、上記の温度で反応させる。反応時間は、添加される触媒量に応じて、0.5〜40時間、有利に1〜30時間であってよい。触媒は、重合のために、一般に、使用されるTHFの質量に対して、1〜90質量%、有利に4〜70質量%、特に好ましくは8〜60質量%の量で添加される。
【0033】
後処理のためには、反応流出物を、非連続的運転方法の場合には、その中にある触媒から、有利に濾過、デカンテーションまたは遠心分離により分離する。触媒から取り出したした重合流出物を、一般に蒸留により後処理し、その際、有利に未反応のTHFを留去し、ついで所望の場合には、低分子量のPTHF−オリゴマーをポリマーから、減圧での蒸留により分離する。
【0034】
本発明の方法により特に活性な触媒は、カルシウム−モンモリロナイトを酸活性化させることにより製造され、その点で、この触媒が少なくとも300m/gのBET表面積、pK −3未満で少なくとも0.02ミリモル/gの酸性度、および30〜200Åの範囲内の孔径の少なくとも0.40cm/gの細孔容積を有することにより特徴付けられる。
【0035】
その際、BET表面積(5点法)および細孔容積は、窒素吸着/脱着等温線から得られる。30〜200Åの間の細孔容積を測定するためには、BJH脱着分布を評価する。平均孔径200Åの場合の累積細孔容積は、このためには、30Åの場合の相応する値から差し引かれる。酸性度は、ハメット指示薬(Hammett-Indikator)であるジシンナミリデンアセトン(Dicinnamylidenaceton)(pK =−3.0)に対する滴定により測定し、たとえばTanabe他, New Solid Acids and Bases, Stud. Surf. Sci. Catal. 51, 1989, Chapter 2, ならびにBenesi, J. Phys. Chem. 61, 1957, 970〜973頁により詳細に記載されている。酸性度を測定するためには、乾燥した触媒を、不活性の非プロトン性溶剤、例えばトルエン中に懸濁させ、−3の定義したpK 値を有する指示薬ならびにn−ブチルアミンまたは類似の塩基を添加する。固体酸と塩基との反応はゆっくりと行われるので、常用の方法でビュレットを用いて滴定するのではなく、むしろ、複数のバッチ中で増大する塩基量で添加し、一晩に亘り振とうし、翌朝平衡を調節することにより測定し、その際の塩基量で、変換が行われる。固体酸1gあたりの塩基のミリモルの酸性度中心の量により定量的な表現は、指示薬のpK 値、すなわち−3未満で得られる。
【0036】
有利に、カルシウム−モンモリロナイトのBET表面積は、300〜400m/gの間にある。有利に、酸性度は、pK −3未満で0.02〜0.1ミリモル/gにある。30〜200Åの範囲内の孔径の細孔容積は、有利に0.40〜1.0cm/gである。
【0037】
これまでTHFポリマーに公知の触媒であるTonsil(登録商標)、K10(登録商標)、KO(登録商標)、KSF(登録商標)、KP10(登録商標)等(ドイツ連邦共和国特許出願公告第1226560号、ドイツ連邦共和国特許出願公開第2801792号、米国特許第4228272号明細書参照)は、ナトリウム−モンモリロナイトから酸活性化により製造され、BET表面積、細孔容積および酸性度に関連して、本発明による条件を満たさない。
【0038】
本発明は、以下の例に基づきより詳細に説明する。
【0039】

触媒製造
触媒V1(比較例)
触媒V1は、239m- のBET表面積、30〜200Åの範囲内の細孔容積0.31cm- を有し、かつpK −3未満の酸性度を有しない酸活性化されたナトリウム−モンモリロナイト(Suedchemie社のTonsil Optimum 210FF(登録商標))であった。
【0040】
触媒V2(比較例)
触媒V2は、270m- のBET表面積、30〜200Åの範囲内の細孔容積0.35cm- およびpK 値−3未満での0.037ミリモルg- の酸性度を有する酸活性化されたナトリウム−モンモリロナイト(Suedchemie社のKO10(登録商標))であった。
【0041】
触媒A
触媒Aは、327m- のBET表面積、30〜200Åの範囲内の細孔容積0.56cm- およびpK −3未満での0.042ミリモルg- の酸性度を有する酸活性化されたカルシウム−モンモリロナイト(Laporte社のXMP−4(登録商標))であった。
【0042】
触媒V3(比較例)
触媒V3は、触媒V2の押出し品からなっていた。このためには、K10粉末を水とニーダー中で混ぜ合わせ、押出機中で押出し品に成形した。引き続き、これを350℃でか焼した。
【0043】
触媒V4(比較例)
触媒V4は、264m2-1のBET表面積を有する酸活性化されたナトリウム−モンモリロナイト(SuedchemieからのKO(登録商標))であった。
【0044】
触媒B
触媒Bは、触媒Aの押出し品からなっていた。このためには、XMP−4粉末を水とニーダー中で混ぜ合わせ、押出機中で押出し品に成形した。引き続き、これを350℃でか焼した。
【0045】
重合
例1
内容量500mlの撹拌フラスコ中で、テトラヒドロフラン182gおよび無水酢酸18gを装入し、50℃に温める。撹拌しながら(180回転/分)、触媒10gを供給し、50℃で45分間撹拌する。引き続き、触媒を圧力濾過器により濾別する。濾液から色数を測定し、ついでこれをロータリーエバポレーターで蒸発させる(150℃/1013ミリバールで30分間および150℃/0.2〜0.3ミリバールで30分間)。こうして得られたpTHF−ジアセテートを、変換率測定のために重量測定する。
【0046】
得られた結果は、第1表にまとめられている。
【0047】
【表1】
Figure 0004308430
【0048】
例は、明らかに、技術水準により公知の比較触媒V1、V2およびV4に対して、本発明による触媒が有利であることを示し;高い変換率の場合に、それにもかかわらず低い色数が達成される。
【0049】
例2
それぞれ1.2 lの触媒押出し品を循環装置中に取り付けた。反応器は、供給としてTHF/無水酢酸混合物60ml/h(無水酢酸6.9質量%)で装入し(細流運転方式で溢流し);返送流は8 l/hであった。同じ循環量で、供給を、13日後に90ml/h、33日後に120ml/hに高めた。流出液から毎日色数を測定し、ついでこれをロータリーエバポレーターで蒸発させた(150℃/1013ミリバールで30分間、および150℃/0.2〜0.3ミリバールで30分間)。こうして得られたpTHFジアセテートを、変換率測定のために重量測定した。第2表は、それぞれ、触媒V3およびBの調節の場合の結果を示している。それぞれ40日間の実験期間内に、不活性化は認められず;流出物は、それぞれ一定の変換率および色数を示した。分子量は、それぞれ約900ダルトンであった。
【0050】
第2表
【0051】
【表2】
Figure 0004308430
【0052】
この比較は、本発明による触媒Bが、比較触媒V3と同じ(平衡)反応の場合に、明らかに低下した色数が生じることを示している。また、開始相において、触媒Bは、明らかに迅速に平衡を達成し、このことは、その高い活性を反映している。

Claims (10)

  1. 触媒として、酸活性化されたカルシウム−モンモリロナイト上で、少なくとも1つのテロゲンおよび/またはコモノマーの存在下に、テトラヒドロフランを重合させることにより、ポリテトラヒドロフラン、ポリテトラヒドロフラン−コポリマーまたはそのジエステルもしくはモノエステルを製造する方法において、
    カルシウム−モンモリロナイトが、少なくとも300m/gのBET表面積、pK −3未満で少なくとも0.02ミリモル/gの酸性度、孔径30〜200Åの範囲内で少なくとも0.40cm/gの細孔容積を有することを特徴とする、ポリテトラヒドロフラン、ポリテトラヒドロフラン−コポリマーまたはそのジエステルもしくはモノエステルを製造する方法。
  2. カルシウム−モンモリロナイトのBET表面積が300〜400m/gである、請求項1記載の方法。
  3. カルシウム−モンモリロナイトの酸性度が、pK −3未満で0.02〜0.1ミリモル/gである、請求項1または2記載の方法。
  4. カルシウム−モンモリロナイトの細孔容積は、孔径30〜200Åの範囲内で0.40〜1.0cm/gである、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. モンモリロナイトを、重合に使用する前に、150〜600℃でか焼する、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 触媒を、元素の周期表の第7〜10族の少なくとも1つの遷移金属でドープする、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. 触媒が、触媒の全質量に対して、3質量%未満のアルカリ金属イオンを含有する、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  8. テロゲンおよび/またはコモノマーとして、水、1,4−ブタンジオール、2−ブチン−1,4−ジオール、分子量200〜700ダルトンのポリテトラヒドロフラン、C〜C20−モノカルボン酸、C〜C20−モノカルボン酸からなるカルボン酸無水物、1,2−アルキレンオキシド、2−メチルテトラヒドロフランもしくは3−メチルテトラヒドロフラン、ジオール類、またはこれらのテロゲンおよび/またはコモノマーの混合物を使用する、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
  9. テロゲンとして無水酢酸を使用する、請求項8記載の方法。
  10. 重合を水素の存在下に実施する、請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。
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