JP4409238B2 - 脂肪族ニトリルの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）とアンモニアを反応させ高収率に脂肪族ニトリルを製造する触媒、当該触媒により脂肪族ニトリルを製造する方法及び当該方法で製造された脂肪族ニトリルから脂肪族アミンを製造する方法に関する。
脂肪族ニトリルの製造法としては、一般に肪脂族カルボン酸又はその誘導体とアンモニアとを反応させる方法が工業的に知られており、その反応形態としては大別して気相法と液相法がある。特許文献１には、気相法の反応として触媒にＺｒ，Ｔａ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｃ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｓｎの酸化物を使用して、予め気化させた脂肪族カルボン酸又はその誘導体をアンモニアと共に２５０〜６００℃の温度で接触させる方法が開示されている。特許文献２には、金属多価カチオンで被毒した酸化ジルコニウムを使用して予め気化させた脂肪族カルボン酸又はそのアルキルエステルをアンモニアと共に２００〜４００℃の温度で接触させる方法が開示されている。これらの反応では、原料物質である脂肪酸や脂肪酸誘導体を気化させる必要があり、液相法に比べてエネルギーコストがかかるという欠点を有する。
一方、液相法で反応させる場合には、触媒の存在下で脂肪族カルボン酸又はその誘導体を加熱溶解させ、この中にアンモニアガスを吹き込むことにより回分式もしくは連続式で広く行われている。例えば、特許文献３には、鉄又は鉄化合物を使用して１５０〜２９０℃で反応させる方法が開示されている。この反応では、触媒が脂肪族カルボン酸に溶出してしまい、この溶出物は、例えばこの脂肪族ニトリルから水素化反応により脂肪族アミンを製造する方法においては、反応の阻害因子として作用する。その為、溶出物を分離、回収操作する為の新たな設備が必要になり、また脂肪族ニトリルの収率低下も起こり、脂肪族ニトリルの製造法として好ましくない。特許文献４には、反応温度が３００℃以下で酸化チタンに珪素、ニオブ、ジルコニウム、タンタル、ガリウム及びゲルマニウムからなる群から選ばれる１種以上の元素の酸化物を複合した、反応液に難溶な複合酸化物を使用する製造が開示されている。この触媒は確かに脂肪族カルボン酸への溶出は抑制されるが、触媒調製用の原料であるこれら金属のアルコキシドが高価であり、反応性も充分でなく、工業的に改善の余地がある。
特開平４−２０８２６０号公報
特開平１０−１９５０３５号公報
特開昭５８−３９６５３号公報
特開２０００−８００６９号公報
本発明は、脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）とアンモニアを液相系で反応させる上で安価に製造出来る点で工業的に有利であり、且つ充分な反応性を有する脂肪族ニトリル製造用の触媒、当該触媒を用いて脂肪族ニトリルを製造する方法及び当該方法で製造された脂肪族ニトリルを水素化触媒を用いて水素化を行い、脂肪族アミンを製造する方法を提供するものである。
本発明は、コスト的に安価に製造でき、且つ優れた反応性を有する触媒である、固体のシリカに酸化チタンを担持させた触媒を用いて脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）とアンモニアから液相系で脂肪族ニトリルを製造する方法に関する。更に、当該製造方法で脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）とアンモニアから液相で脂肪族ニトリル得て、引き続いて水素化触媒を用いて水素化反応することで脂肪族アミンを製造する方法に関する。
即ち、本発明は固体のシリカに酸化チタンを担持させた触媒を用いて脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）とアンモニアから脂肪族ニトリルを製造する方法、当該製造方法で脂肪族ニトリルを得、引き続いて脂肪族ニトリルを精製せずに水素を反応させる、脂肪族アミンの製造方法、及びシリカゾル等をオキシ硫酸チタンで処理する等の方法で固体のシリカに酸化チタンが担持された脂肪族ニトリル製造用の触媒を提供するものである。
本発明によれば、脂肪族カルボン酸またはその低級アルキルエステルとアンモニアを液相系で反応させる触媒として、安価に製造出来る点で工業的に有利であり、且つ充分な反応性を有する触媒を用いて脂肪族ニトリルを安価に製造できる。更に、得られた脂肪族ニトリルは水素化触媒を用いて水素化を行い、脂肪族アミンを高収率で製造できる。
本発明の脂肪族ニトリルの製造方法は、固体のシリカに酸化チタンを担持させた触媒を用いて脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）とアンモニアを反応させる方法である。固体のシリカに酸化チタンを担持させる方法は、例えば酸化チタンの原料になる化合物の溶液に不溶のシリカを加え、酸化チタンの原料となる化合物の熱加水分解が起こる温度まで加熱したり、或いはアンモニアなどの添加剤を添加して中和加水分解を起こしたりして、酸化チタンを析出させる方法が挙げられる。酸化チタンの原料となる化合物としては当該触媒の酸量を向上させる目的から、チタンの硫酸塩、硝酸塩、ハロゲン化物、アルコキシドが好ましく、チタンの硫酸塩がより好ましく、オキシ硫酸チタンが更に好ましい。シリカとしては、シリカゾル、シリカゲルが挙げられるが、これらの中でシリカ上に酸化チタンが析出して触媒の比表面積が大きくなるように平均粒子径が５〜３０μｍであるものが好ましく、１０〜３０μｍであるものが更に好ましい。溶媒としてはイオン交換水や蒸留水でも良いが、触媒の酸量を向上させる目的から硫酸或いは硫酸アンモニウムの水溶液が好ましい。
本発明の触媒の酸量は反応性の点から、好ましくは０．６〜４．０mmol/ｇであり、より好ましくは１．０〜３．５mmol/ｇ、特に好ましくは１．５〜３．０mmol/ｇである。酸量は触媒を調製するときの溶液中に硫酸イオン等を適量存在させることでコントロールすることが出来る。触媒に存在する硫酸イオンの量は硫黄として、触媒活性の点から硫黄とチタンが質量比で、好ましくは硫黄／チタン＝０．００１／１〜０．０６／１、より好ましくは０．００１／１〜０．０２／１、特に好ましくは０．００２／１〜０．０１５／１である。硫黄の定量は試料０．１ｇに助燃剤（タングステン０．７ｇ＋スズ０．３ｇ）を加え、Ｌｅｃｏ社製ＣＳ−４４４を使用して燃焼−赤外線吸収法により測定する方法で行う。
触媒の酸量測定は、日本ベル製のアンモニア昇温脱離装置により測定する。測定方法は以下の通りである。始めに酸量が既知の試料０．１ｇ程度をヘリウム流通（５０ml/min）下で１１０℃、１時間処理後、５０℃まで冷却してアンモニアを吸着（２．６７kPa、１０min）させ、４時間真空引きする。真空処理後にヘリウム流通（５０ml/min）下で５ml/minの速度で６００℃まで昇温する。アンモニアの脱離ピークの始点と終点を結んだ直線をベースラインとし、その時に得られた試料１ｇ当たりのアンモニア脱離ピーク面積と触媒酸量から補正係数を算出する。次に本発明の触媒を同様の方法で測定して、得られたアンモニア脱離ピーク面積に補正係数を乗じ、試料量で割って、触媒の酸量を算出する。
本発明に使用される触媒の比表面積は、反応性の点から好ましくは１００〜５００ｍ2/ｇであり、より好ましくは２００〜５００ｍ2/ｇ、特に好ましくは２５０〜５００ｍ2/ｇである。触媒の比表面積はフローソープ２３００形（島津製作所製）を使用して、低温での窒素ガス吸着からＢＥＴの式を用いて測定する。測定方法は以下の通りである。
測定セルにサンプリングする全表面積が０．５〜２５ｍ2程度になるように試料を仕込み、１００℃で１０分ほど脱ガスする。その後、セルを液体窒素で冷却して窒素ガスを吸着させる。吸着完了後、室温の水でセルを浸して室温まで戻し、その時に試料から脱着した窒素量によって測定した試料の表面積が得られる。その測定値を試料重量で割って、触媒の比表面積値を求める。
本発明に使用される触媒の構成元素の好ましい割合は、シリカは反応性の点から珪素として１〜１５質量％であり、より好ましくは２〜１０質量％、特に好ましくは２〜８質量％であり、珪素とチタンの比率（Ｓｉ/Ｔｉ）は質量比で２／１００〜３５／１００が好ましく、３／１００〜３０／１００がより好ましく、４／１００〜２５／１００が特に好ましい。触媒の構成元素の中で、チタン及びシリカを定量する方法は以下の通りである。触媒０．１ｇに四ホウ酸リチウム５ｇ及び剥離剤（ＬｉＣＯ3：ＬｉＢｒ：ＬｉＮＯ3＝５：１：５）を加えて１０５０℃でアルカリ溶融し、ガラスビードを作成する。波長分散型蛍光Ｘ線装置（理学電機製ＺＳＸ１００ｅ）を使用し、チタンの場合は電圧５０kV、電流５０mA、ＬｉＦ分光結晶、ＳＣ（シンチレーションカウンター）検出器、検出角度８６．１１０degの条件で、珪素の場合は電圧５０kV、電流５０mA、ＰＥＴ分光結晶、ＰＣ（ガスフロープロポーショナルカウンター）検出器、検出角度１０８．９９５degの条件で測定する。得られたＸ線強度を酸化チタン（９９．９％）とシリカ（９９．９％）を目的濃度にあわせて混合した物から得た検量線に照合してチタンと珪素の定量値を求める。
この様な方法で調製された触媒は焼成をしてもしなくてもよいが、比表面積及び触媒活性の点から焼成しない方が好ましい。焼成する場合は４００℃以下、好ましくは３００℃以下、より好ましくは２００℃以下で行う。
本発明の脂肪族ニトリルを製造する為に用いる固体のシリカに酸化チタンが担持された触媒は、本発明の反応を阻害しない成分として、例えばニオブ、ジルコニウム、タンタル、ガリウム、ゲルマニウムなどの酸化物を含有してもよい。
本発明に使用する脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）としては、直鎖又は分岐鎖の炭素数６〜２２の飽和又は不飽和脂肪族モノカルボン酸、ジカルボン酸または前記脂肪族カルボン酸のアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）が挙げられる。ここで、炭素数１〜５のアルキル基としては、具体的にはメチル、エチル、プロピル、イソプロピルが挙げられ、特にメチルが好ましい。これらの脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）は、各々単独若しくは２種以上混合して使用することができる。
脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸の具体例としては、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキン酸、ベヘン酸、ジメチルオクタン酸、ブチルヘペチルノナン酸、ヘキセン酸、オクテン酸、デセン酸、ドデセン酸、テトラデセン酸、ヘキサデセン酸、オクタデセン酸、エイコセン酸、ドコセン酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、デカメチレンジカルボン酸、ヘキサデカメチレンジカルボン酸、オクタデカメチレンジカルボン酸などが挙げられる。
脂肪族カルボン酸のアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）の具体例としては、前記脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸のメチル、エチル、プロピル、イソプロピルエステルが挙げられる。
本発明の脂肪族ニトリルの製造方法における反応は、懸濁床による回分、半回分、連続式でも、また固定床流通式でも実施できる。回分、半回分を用いた製造法では、脂肪酸を溶解させ、所定量の触媒を仕込み、反応槽を充分に窒素置換した後、反応させる温度まで昇温させた後にアンモニアガスを流入させる方法で製造出来る。連続式、固定床流通式を用いた製造法では、触媒を充填し、反応させる温度まで昇温させた後に溶解した脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステルとアンモニアガスを流入させる方法で製造出来る。
反応時の圧力は、通常やや加圧された状態で行うが、常圧でも良い。本発明の脂肪族ニトリルの製造温度は、好ましくは１８０〜３５０℃、より好ましくは２３０〜３２０℃、更に好ましくは２５０〜３００℃である。又、反応時間は、好ましくは３〜１５時間、より好ましくは４〜１２時間、更に好ましくは６〜１０時間である。本発明に使用するアンモニアの使用量は脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステル１モルに対して１〜１００モル、好ましくは２〜５０モル、より好ましくは２〜２０モルである。触媒は任意の量を仕込むことができるが、脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステルに対して０．０５〜２０質量％、好ましくは０．１〜１５質量％、より好ましくは０．１〜１０質量％の範囲である。
更に、本発明の脂肪族アミンの製造方法は上記方法で製造された脂肪族ニトリルを蒸留等の精製工程を行わず、水素化触媒を用いて水素化を行う方法である。本発明の触媒は原料の脂肪族カルボン酸等への溶解は殆ど無く、その結果として、本発明の方法で製造した脂肪族ニトリルは蒸留工程等の精製を行わなくても、効率的に水素化反応が起こり、脂肪族アミンを製造することが出来る。
本発明の脂肪族アミンの製造法で用いられる触媒としては、公知の水素化触媒、例えばコバルト系触媒、ニッケル系触媒、銅系触媒、貴金属系触媒が使用される。好ましくは、ニッケル、コバルト、及び/又はルテニウムを主成分とする触媒、より好ましくはラナー型触媒が使用され、更に別の金属としてアルミニウム、亜鉛、珪素等を含有していても良い、又、この触媒は促進剤としてクロム、鉄、コバルト、マンガン、タングステン、モリブデンから選ばれる金属を含有できる。一方、完全固体触媒、または担持固体触媒、例えばニッケル、コバルト、ルテニウム等がＡｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＭｇＯ/Ａｌ2Ｏ3に担持されたものも使用できる。水素化触媒の使用量は、脂肪族ニトリル１００質量部に対して０．０５〜５質量部、好ましくは０．１〜３質量部である。
本発明の脂肪族アミンを製造する時の圧力は、好ましくは水素圧０．３〜５MPa、より好ましくは１．０〜４MPa、更に好ましくは１．５〜３MPaである。反応温度は好ましくは５０〜２００℃、より好ましくは８０〜１７０℃、更に好ましくは１００〜１４０℃であり、水素化の反応が起こっている時に連続的又は段階的に反応温度を上昇させるのが好ましい。また、反応時間は、好ましくは１〜１５時間、より好ましくは２〜１２時間、更に好ましくは３〜１０時間である。
以下に本発明を実施例にて詳しく説明する。
（触媒の調製例１）
１Ｌフラスコにオキシ硫酸チタン３４．０ｇ、シリカゾル水溶液２７０ｇ（シリカとして３ｇ）を加えて、撹拌しながら９０℃まで加熱した。オキシ硫酸チタンが溶解したことを確認した後、その溶液（９０℃）にアンモニア水を滴下して中和し、２時間撹拌した。得られた沈殿生成物は濾過、イオン交換水１Ｌで４回水洗してから１１０℃で一晩乾燥した。蛍光Ｘ線分析による組成分析、アンモニア昇温脱離測定及びＢＥＴ法による比表面積測定を行い、表１に示す組成、酸量及び比表面積を持った触媒Ａを得た。
１Ｌフラスコにオキシ硫酸チタン３４．０ｇ、シリカゾル水溶液２７０ｇ（シリカとして３ｇ）を加えて、撹拌しながら９０℃まで加熱した。オキシ硫酸チタンが溶解したことを確認した後、その溶液（９０℃）にアンモニア水を滴下して中和し、２時間撹拌した。得られた沈殿生成物は濾過、イオン交換水１Ｌで４回水洗してから１１０℃で一晩乾燥した。蛍光Ｘ線分析による組成分析、アンモニア昇温脱離測定及びＢＥＴ法による比表面積測定を行い、表１に示す組成、酸量及び比表面積を持った触媒Ａを得た。
（触媒の調製例２）
シリカゾルの量、水洗濾過回数を変化させてＳ含量を変えた以外は調製例１と同様の操作を繰り返して表１に示す触媒ＢとＣを得た。
シリカゾルの量、水洗濾過回数を変化させてＳ含量を変えた以外は調製例１と同様の操作を繰り返して表１に示す触媒ＢとＣを得た。
（触媒の調製例３）
調製例１で得た触媒を２００℃又は３００℃で３時間焼成して表１に示す触媒ＤとＥを得た。
調製例１で得た触媒を２００℃又は３００℃で３時間焼成して表１に示す触媒ＤとＥを得た。
（比較触媒）
比較触媒として、シリカゾルを添加しない以外は調製例１と同様の操作を繰り返して触媒Ｆを得た。触媒Ｆの組成、酸量及び比表面積を表１に示す。また触媒の構成成分として珪素とチタンを含有するが、固体のシリカに酸化チタンが担持されていない触媒を得るために、特開平２０００−８００６９号公報の実施例１に開示の手順で調製し、表１に示す組成、酸量及び比表面積を持った触媒Ｇを得た。
比較触媒として、シリカゾルを添加しない以外は調製例１と同様の操作を繰り返して触媒Ｆを得た。触媒Ｆの組成、酸量及び比表面積を表１に示す。また触媒の構成成分として珪素とチタンを含有するが、固体のシリカに酸化チタンが担持されていない触媒を得るために、特開平２０００−８００６９号公報の実施例１に開示の手順で調製し、表１に示す組成、酸量及び比表面積を持った触媒Ｇを得た。
実施例１
撹拌器、ガス導入管、温度計及び脱水装置を装備した四つ口フラスコに、触媒Ａ１．０ｇとステアリン酸５００ｇを混合し、反応温度３００℃で１０００mｌ/minのアンモニアガスを導入して反応させた。得られた反応生成物をガスクロマトグラフィー［ガスクロ装置：HEWLETT PACKARD Series 5890、カラム：J & W 製ＤＢ−５(内径×長さ：０．５３mm×１５m)］で組成分析してステアロニトリルの生成量を測定した。結果を表２に示す。
撹拌器、ガス導入管、温度計及び脱水装置を装備した四つ口フラスコに、触媒Ａ１．０ｇとステアリン酸５００ｇを混合し、反応温度３００℃で１０００mｌ/minのアンモニアガスを導入して反応させた。得られた反応生成物をガスクロマトグラフィー［ガスクロ装置：HEWLETT PACKARD Series 5890、カラム：J & W 製ＤＢ−５(内径×長さ：０．５３mm×１５m)］で組成分析してステアロニトリルの生成量を測定した。結果を表２に示す。
実施例２〜５、比較例１〜２
実施例１で触媒Ａの代わりに本発明触媒Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、又は比較触媒Ｆ、Ｇ、Ｈを用いて表２に示す反応条件以外は実施例１と同様に反応を行い、反応生成物を実施例１と同様に分析した。結果を表２に示す。尚、反応終了時間は、アンモニアガスを導入してから、上記のガスクロマトグラフィーの測定で脂肪族アミドの生成量が０になるまでの時間である。
実施例１で触媒Ａの代わりに本発明触媒Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、又は比較触媒Ｆ、Ｇ、Ｈを用いて表２に示す反応条件以外は実施例１と同様に反応を行い、反応生成物を実施例１と同様に分析した。結果を表２に示す。尚、反応終了時間は、アンモニアガスを導入してから、上記のガスクロマトグラフィーの測定で脂肪族アミドの生成量が０になるまでの時間である。
実施例６
実施例１でステアリン酸の代わりにラウリン酸を使用した以外は反応温度２６０℃で１３５０mｌ/minのアンモニアガスを８時間に亘って導入して反応させた以外は実施例１と同様に操作を行った。ガス・クロマトグラフィー法により求めたラウリロニトリルの生成量は９４．５％であった。
実施例１でステアリン酸の代わりにラウリン酸を使用した以外は反応温度２６０℃で１３５０mｌ/minのアンモニアガスを８時間に亘って導入して反応させた以外は実施例１と同様に操作を行った。ガス・クロマトグラフィー法により求めたラウリロニトリルの生成量は９４．５％であった。
実施例７
実施例１でステアリン酸の代わりにステアリン酸メチルを使用した以外は実施例１と同様に操作を行った。ガス・クロマトグラフィー法により求めた、反応８時間後のステアロニトリルの生成量は９８．７％であった。
実施例１でステアリン酸の代わりにステアリン酸メチルを使用した以外は実施例１と同様に操作を行った。ガス・クロマトグラフィー法により求めた、反応８時間後のステアロニトリルの生成量は９８．７％であった。
比較例３
実施例７で触媒Ａの代わりに触媒Ｇを使用して同様の操作を行った。ガス・クロマトグラフィー法により求めた、反応８時間後のステアロニトリルの生成量は８６．６％であった。
実施例７で触媒Ａの代わりに触媒Ｇを使用して同様の操作を行った。ガス・クロマトグラフィー法により求めた、反応８時間後のステアロニトリルの生成量は８６．６％であった。
実施例８
実施例１で得られた生成物を４５０ｇ、水素化触媒としてラネーニッケル触媒を１．６ｇ、４８％ＮａＯＨを０．９ｇ、イオン交換水を７．８ｇ、オートクレーブに仕込んだ後、オートクレーブの空間部を水素置換し、水素圧１．９MPaに調整した後、１３５℃まで昇温し、この温度で３時間反応させた。生成物をガスクロマトグラフィー［ガスクロ装置：HEWLETT PACKARD、カラム：JHEWLETT PACKARD製ウルトラ−２(内径×長さ：０．５３mm×１５m)］で組成分析してステアリルアミンの生成量を測定した結果、９８.２％の収率であった。
実施例１で得られた生成物を４５０ｇ、水素化触媒としてラネーニッケル触媒を１．６ｇ、４８％ＮａＯＨを０．９ｇ、イオン交換水を７．８ｇ、オートクレーブに仕込んだ後、オートクレーブの空間部を水素置換し、水素圧１．９MPaに調整した後、１３５℃まで昇温し、この温度で３時間反応させた。生成物をガスクロマトグラフィー［ガスクロ装置：HEWLETT PACKARD、カラム：JHEWLETT PACKARD製ウルトラ−２(内径×長さ：０．５３mm×１５m)］で組成分析してステアリルアミンの生成量を測定した結果、９８.２％の収率であった。
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- 固体のシリカに酸化チタンを担持させた触媒を用いて脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）とアンモニアから脂肪族ニトリルを製造する方法。
- 触媒の酸量が０．６〜４．０mmol/gである請求項１記載の脂肪族ニトリルを製造する方法。
- 触媒の比表面積が１００〜５００m2/gである請求項１又は２に記載の脂肪族ニトリルを製造する方法。
- 固体のシリカに酸化チタンを担持させた触媒を用いて脂肪族カルボン酸、脂肪族ジカルボン酸またはこれらのアルキルエステル（アルキル基の炭素数は１〜５）とアンモニアから脂肪族ニトリルを得、次いで、水素化触媒を用いて水素化を行う脂肪族アミンを製造する方法。
- オキシ硫酸チタンを加水分解し酸化チタンを析出させてシリカゲル又はシリカゾルに担持して得られる、脂肪族ニトリル製造用の触媒。
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