JP4429664B2

JP4429664B2 - 不飽和第４級アンモニウム塩の製造法

Info

Publication number: JP4429664B2
Application number: JP2003311817A
Authority: JP
Inventors: 友基福井; 正徳徳田
Original assignee: Dia Nitrix Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: JP2005075816A

Description

本発明は、不飽和第４級アンモニウム塩の製造方法に関する。不飽和第４級アンモニウ
ム塩は、陽イオン性、導電性、水溶性、接着性等の機能を有する重合体の原料として有用
である。不飽和第４級アンモニウム塩を単独重合、その他のビニル型単量体と共重合、あ
るいは他の単量体とグラフト重合して得られた重合体は、例えば、凝集剤、帯電防止剤、
土壌改良剤、導電加工剤、染色改良剤、紙力増強剤、紙の濾水性向上剤、化粧品、樹脂改
質剤等に利用される。

水を溶媒として第３級アミノ基を有するビニルモノマーをハロゲン化アルキルで４級化
する４級化反応（以下、単に４級化反応という）では、第３級アミノ基を有するビニルモ
ノマーが加水分解しやすく、副生物として遊離酸が生成するという問題点がある。

例えば、特許文献１には、ハロゲン化アルキルの５〜２０％を導入した後に、ハロゲン
化アルキルの供給量に比例して定速で水を供給する方法が記載されている。しかし、この
方法では、水の供給を始める前に結晶の析出やスラリーが生じるという問題がある。また
、反応熱の制御が困難で除熱が十分できずハロゲン化アルキルの導入量を抑える必要があ
るため反応に長時間要するという問題がある。
特開昭６３−５０６４号公報

本発明の目的は、第３級アミノ基を有するビニルモノマーをハロゲン化アルキルまたはハロゲン化ベンジルで４級化する際の反応中に結晶の析出やスラリーを生じさせることなく不飽和第４級アンモニウム塩を製造する方法を提供することにある。また本発明の目的は短時間で不飽和第４級アンモニウム塩を製造する方法を提供することにある。

本発明は、水を溶媒として、式（１）で表される第３級アミノ基を有するビニルモノマーを式（２）で表される化合物で４級化する式（３）で表される不飽和第４級アンモニウム塩の製造方法において、次の工程を順次行い、反応器内容液の不飽和第４級アンモニウム塩の濃度を反応前期工程において８３〜８８質量％とし、反応後期工程において７５〜８５質量％とすることを特徴とする不飽和第４級アンモニウム塩の製造方法である。
（ａ）前記第３級アミノ基を有するビニルモノマーと、全工程を通じて供給する水の全供給量に対して０〜２０％の水とを反応器に仕込む工程。
（ｂ）前記式（２）で表される化合物に対する水の質量比Ｘで水と前記式（２）で表される化合物を連続的または断続的に反応器に供給する工程（反応前期工程）。ただし、Ｘ＞０とする。
（ｃ）前記Ｘより大なる前記式（２）で表される化合物に対する水の質量比で水と前記式（２）で表される化合物を連続的または断続的に反応器に供給する工程（反応後期工程）。

（式中、Ｒ^１は水素またはメチル基、Ａは酸素またはイミノ基、Ｒ^２は炭素数１〜４のア
ルキレン基またはヒドロキシアルキレン基、Ｒ^３およびＲ^４は炭素数１〜４のアルキル基
または炭素数２〜４のヒドロキシアルキル基を示す。）

（式中、Ｒ^５はアルキル基またはベンジル基を示し、ＸはＣｌ、ＢｒまたはＩを示す。）

（式中、Ｒ^１〜Ｒ^５、Ａ、Ｘは、式（１）および式（２）に同じ。）

本発明では、全工程を通じて供給する式（２）で表される化合物の供給量の比率は、全工程を通じて供給する式（１）で表される第３級アミノ基を有するビニルモノマーに対し１モル以上、１０モル以下であって、ハロゲン化アルキルまたはハロゲン化ベンジルの供給率が、全工程を通じて供給するハロゲン化アルキルまたはハロゲン化ベンジルの全供給量に対して４０〜９０％である時期に反応前期工程を終了し、反応後期工程を開始することが好ましい。

本発明の不飽和第４級アンモニウム塩の製造方法は、前記の第３級アミノ基を有するビニルモノマーがアクリル酸ジメチルアミノエチルエステルまたはメタクリル酸ジメチルアミノエチルエステルであり、前記のハロゲン化アルキルまたはハロゲン化ベンジルが塩化メチルの場合に好適である。

本発明によれば、第３級アミノ基を有するビニルモノマーをハロゲン化アルキルまたはハロゲン化ベンジルで４級化する際の反応中に結晶の析出やスラリーを生じさせることなく不飽和第４級アンモニウム塩を製造することができる。また本発明によれば、短時間で不飽和第４級アンモニウム塩を製造することができる。

以下に本発明について詳細に説明する。本発明の不飽和第４級アンモニウム塩の製造方
法で原料として使用する前記式（１）で表される第３級アミノ基を有するビニルモノマー
（以下、単にビニルモノマーと言う。）は、例えば、ジメチルアミノエチル（メタ）アク
リレート、ジエチルアミノエチル（メタ）アクリレート、ジメチルアミノプロピル（メタ
）アクリレート、ジメチルアミノブチル（メタ）アクリレート、ジメチルアミノ−２−ヒ
ドロキシプロピル（メタ）アクリレート、ジエチルアミノ−２−ヒドロキシプロピル（メ
タ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸アミノアルキルエステル類、ジメチルアミノエ
チル（メタ）アクリルアミド、ジエチルアミノエチル（メタ）アクリルアミド、ジメチル
アミノプロピル（メタ）アクリルアミド、ジメチルアミノブチル（メタ）アクリルアミド
、ジメチルアミノ−２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリルアミド、ジエチルアミノ−
２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリルアミド等の（メタ）アクリル酸アミノアルキル
アミド類が挙げられる。本発明は、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレートを原料と
する前記式（３）で表される不飽和第４級アンモニウム塩の製造に好適である。

原料のビニルモノマーとして、２種類以上のビニルモノマーを使用してもよい。ビニル
モノマーの品質は特に限定されず、工業用に市販されている低純度のものでも利用可能で
あるが、製品品質の観点からその純度は高い方が好ましく、純度９８．５質量％以上がよ
り好ましく、９９．０質量％以上が特に好ましい。

なお本願明細書において、（メタ）アクリレートとはアクリレートおよび／またはメタ
クリレート、（メタ）アクリルアミドとはアクリルアミドおよび／またはメタクリルアミ
ド、（メタ）アクリル酸とはアクリル酸および／またはメタクリル酸を意味する。

原料として使用するハロゲン化アルキルまたはハロゲン化ベンジルは、前記式（２）で表されるハロゲン化アルキルまたはハロゲン化ベンジル（以下、単にハロゲン化アルキルと言う。）である。ハロゲン化アルキルとしては、例えば、塩化メチル、塩化エチル、塩化プロピル、塩化ベンジル、臭化メチル、臭化エチル、ヨウ化メチル、およびヨウ化エチル等である。本発明は、塩化メチルを原料とする前記式（３）で表される不飽和第４級アンモニウム塩の製造に好適である。

原料のハロゲン化アルキルとして、２種類以上のハロゲン化アルキルを使用してもよい
。ハロゲン化アルキルの品質は特に限定されず、工業用に市販されている低純度のもので
も利用可能であるが、製品品質の観点からその純度は高い方が好ましく、純度９９．０質
量％以上がより好ましく、９９．５質量％以上が特に好ましい。

ビニルモノマーの全供給量とハロゲン化アルキルの全供給量の比率は特に限定されず適
宜決めることができる。通常、ハロゲン化アルキルの全供給量は、ビニルモノマー１モル
に対して１モル以上が好ましく、１．０１モル以上がより好ましい。また、ハロゲン化ア
ルキルの使用量は、ビニルモノマー１モルに対して１０モル以下が好ましく、１．３モル
以下がより好ましい。

本発明では、まず、ビニルモノマーと水とを反応器に仕込む。この際のビニルモノマー
の仕込み量は全供給量の５０〜１００％が好ましい。ビニルモノマーの仕込み量が１００
％未満の場合の残余は反応過程で適宜追加することができるが、操作を簡略にするために
全供給量（１００％）をこの時点で仕込んでおくことが好ましい。また、水の仕込み量は
全供給量の０〜２０％であるが、ハロゲン化アルキル供給開始時の結晶析出を抑制するた
めに下限値は１％以上が好ましい。また、反応初期の加水分解を低減するために上限値は
１０％以下が好ましい。

４級化反応は重合防止剤の存在下に行うことが好ましい。通常、重合防止剤は反応器の
仕込み液に加えられる。重合防止剤としては、例えば、ハイドロキノンモノメチルエーテ
ル、ハイドロキノン、フェノチアジン、クペロン、ｔ−ブチルカテコール、硫酸銅等が挙
げられる。重合防止剤は、１種を用いても、２種以上を併用してもよい。重合防止剤の使
用量は適宜決めることができる。反応に使用された重合防止剤を反応後もそのまま製品で
ある不飽和第４級アンモニウム塩の重合防止剤として使用する場合、重合防止剤の使用量
は製品中の重合防止剤の許容濃度等により決めればよい。一般に、重合防止剤の使用量は
仕込みの（メタ）アクリル酸アミノアルキルエステルと溶媒の合計質量に対して、１００
質量ｐｐｍ以上が好ましく、また２００００質量ｐｐｍ以下が好ましい。ただし、不飽和
第４級アンモニウム塩中の重合防止剤の許容濃度はその用途により異なる。例えば、凝集
剤用ポリマーの原料として使用する不飽和第４級アンモニウム塩水溶液の場合は、１００
質量ｐｐｍ以上が好ましく、また２００００質量ｐｐｍ以下が好ましい。

反応器にビニルモノマーと全供給量の０〜２０％の水とを仕込んだ後、水とハロゲン化
アルキルを連続的または断続的に反応器に供給して、反応前期工程を開始する。水とハロ
ゲン化アルキルを供給する際のハロゲン化アルキルに対する水の質量比Ｘは、ビニルモノ
マーがアクリル酸ジメチルアミノエチルエステルでハロゲン化アルキルが塩化メチルであ
る場合、通常０．２〜０．８である。Ｘの下限値は結晶析出回避の点で０．２以上が好ま
しく、０．４以上が特に好ましい。また上限値はビニルモノマーの加水分解抑制の点で０
．８以下が好ましく、０．７５以下が特に好ましい。なお、反応前期工程で水は必ず供給
するものとする。すなわち、Ｘは０を超える値とする。

反応前期工程に引き続き、反応前期工程のＸより大なるハロゲン化アルキルに対する水
の質量比Ｘ’で水とハロゲン化アルキルを連続的または断続的に反応器に供給する反応後
期工程を行う。反応後期工程では途中でハロゲン化アルキルに対する水の質量比を変化さ
せてもよいが、その場合、Ｘ’は反応後期工程を通じて供給したハロゲン化アルキルの質
量で同期間に供給した水の質量を除して算出する。Ｘ’は通常０．８〜２．５である。Ｘ
’の下限値は除熱効率向上の点で０．８以上が好ましく、０．９以上が特に好ましい。ま
た上限値はビニルモノマーの加水分解抑制の点で２．５以下が好ましく、２．０以下が特
に好ましい。

反応前期工程および後期工程で供給する水として、氷または氷水を供給することもでき
る。反応後期工程では、反応液の粘度が上昇して除熱効率が低下するが、多くの氷または
氷水を導入し、氷の融解熱を利用することでより効果的に除熱することができる。

氷または氷水の導入手段は、特に限定されないが、例えば、ポンプを用いて供給する方
法、二重コックで反応釜の圧力を保ちながら断続的に供給する方法等が挙げられる。氷の
形態は特に限定されず、例えば、塊状、細かく破砕したもの、シャーベット状等が挙げら
れる。

ポンプを用いる場合には、破砕した氷やシャーベット状の氷と水とを混合した氷水を導
入することが好ましい。氷水中の氷の割合は１０質量％以上が好ましく、５０質量％以上
が特に好ましい。氷の割合は高い方が反応液の温度上昇を抑え易い。塊状の氷を供給する
場合は、二重コックを用いることが好ましい。氷のみを導入する場合、低温の氷を使用す
ると反応液の温度上昇をより抑えやすくなる。氷の温度は０℃以下であり、−３０℃以下
が好ましく、−５０℃以下が特に好ましい。

本発明に用いる水または氷または氷水は、工業的に得られるものであれば、品質は特に
限定されないが、製品品質の観点からその純度は高い方が好ましく、イオン交換処理を行
った脱イオン水や、蒸留処理した蒸留水を用いることが好ましい。

反応前期工程を終了し、反応後期工程を開始する時期（工程変更時期）は特に限定され
ないが、ハロゲン化アルキルの全供給量に対するこれまでに供給されたハロゲン化アルキ
ルの供給量の比（ハロゲン化アルキルの供給率）が４０〜９０％である時期が好ましく、
５０〜７０％である時期が特に好ましい。工程変更時期のハロゲン化アルキルの供給率は
、高いほど加水分解が少なくなり、低いほど反応液の粘度が低く、除熱効率が向上する。

反応前期工程において、反応液の不飽和第４級アンモニウム塩濃度の下限値は高いほど加水分解が起き難いため、８３質量％以上とし、８４質量％以上が特に好ましい。また、上限値は低いほど結晶の析出が起き難いため、８８質量％以下とし、８７質量％以下が特に好ましい。

反応後期工程において、反応液の不飽和第４級アンモニウム塩濃度の下限値は高いほど加水分解が起き難いため、７５質量％以上とし、８０質量％以上が特に好ましい。また、製品の濃度は通常８０質量％であることから、反応後期工程の濃度を８０質量％以上とすることで反応終了液を濃縮することなく製品を取得できる。不飽和第４級アンモニウム塩濃度の上限値は低いほど反応液の粘度が低く除熱効率が良いため、８５質量％以下とし、８３質量％以下が特に好ましい。

反応過程において、反応容器内気相部の酸素濃度は、酸素含有ガスを適宜使用して、通
常０．１〜１６容量％、好ましくは１〜１０容量％、特に好ましくは４〜８容量％とする
。気相部の酸素濃度を１６容量％以下とすることにより、ハロゲン化アルキルの爆発を抑
制することができる。酸素濃度の調整に使用する酸素含有ガスとしては、例えば、空気、
純酸素、空気を酸素以外のガスで希釈したもの、純酸素を酸素以外のガスで希釈したもの
等が挙げられる。酸素以外のガスとしては、例えば、窒素、アルゴン等の不活性ガス等が
挙げられる。

反応容器内の気相部に酸素を存在させないことも可能であるが、気相部に酸素を存在さ
せると液相部に酸素が溶解するので液相部、特に不飽和第４級アンモニウム塩の重合抑制
に効果がある。一方、気相部の酸素濃度は低いほどビニルモノマーと酸素から生成する着
色原因物質が少なくなるので高品質の不飽和第４級アンモニウム塩を製造することができ
る。

本発明の方法で用いるハロゲン化アルキルはガス状または液状の何れの状態で反応容器
に導入してもよい。常温で液状のものはそのまま液面から滴下すればよい。常温でガス状
のものは、反応容器内の気相部または液相中のいずれか、またはその両方に導入する。ハ
ロゲン化アルキルの導入効率の点から、ハロゲン化アルキルは液相中にバブリングして導
入し、液相中に溶解させることが好ましい。またハロゲン化アルキルの溶解効率の点から
、加圧状態でハロゲン化アルキルを導入することが好ましい。反応圧力（反応容器内気相
部の圧力）は適宜決めることができるが、高圧の反応器は設備費や維持費が高くなるため
、次の範囲で反応を行うことが好適である。反応圧力（ゲージ圧）の下限は、通常−１０
１．３ｋＰａ以上、好ましくは−１００ｋＰａ以上、特に好ましくは−５０ｋＰａ以上で
ある。また上限は、通常２００ｋＰａ以下、好ましくは１５０ｋＰａ以下である。ハロゲ
ン化アルキルの導入圧力（ゲージ圧）は０〜１５００ｋＰａが好ましく、１０〜３００ｋ
Ｐａがより好ましく、５０〜２００ｋＰａが特に好ましい。

４級化反応はハロゲン化アルキルの導入と同時に開始する。反応前期工程および後期工
程の反応温度は適宜決めることができる。反応温度の下限は、通常０℃以上、好ましくは
２０℃以上である。また上限は、通常１００℃以下、好ましくは７０℃以下である。反応
温度の制御は、ハロゲン化アルキルの導入前から開始しても、導入後から開始してもよい
が、反応温度より低温のビニルモノマーにハロゲン化アルキルを導入し、反応熱で反応液
の温度を上昇させてから制御し始める方法が好ましい。

反応前期工程および後期工程を通じた反応時間は適宜決めることができる。反応時間の
下限は、通常１時間以上、好ましくは２時間以上である。また上限は、通常１２時間以下
、好ましくは８時間以下、特に好ましくは６時間以下である。反応時間は長いほど反応熱
の除熱が容易になり、短いほど（メタ）アクリル酸エステルの加水分解が起こり難い。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。実施例において不飽和第４級アンモニ
ウム塩（水溶液）中のアクリル酸濃度は水酸化ナトリウム水溶液による中和滴定で定量し
た。また、未反応のビニルモノマー濃度は、高速液体クロマトグラフィーで分析した。な
お、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

［実施例１］
原料供給管と攪拌機を備えた二重ジャケットを備える容量３Ｌの加圧反応容器（以下、
反応器と言う。）に、ハイドロキノンモノメチルエーテル２０００ｐｐｍを含有するアク
リル酸ジメチルアミノエチルエステル１４３１．９ｇ（１０．００モル）を仕込み、次に
、水２５．０ｇ、ハイドロキノンモノメチルエーテル１．９８ｇを仕込み、反応器を密閉
した。反応器の内容物を撹拌しながら、液相部へ塩化メチルの供給を開始して、４級化反
応を開始させた。反応開始後、反応液の温度を１時間かけて５５℃に上昇させ、その後５
５℃で一定になるように調節した。反応圧力は−５０〜１２０ｋＰａであった。反応が安
定して以降は、塩化メチルの供給量を制御して、反応液の温度とジャケットの温度の温度
差ΔＴを２．０℃±０．２℃とした。また、塩化メチルと並行して、水を断続的に供給し
た。水の供給方法としては、塩化メチルの供給率６５％の時点まで（反応前期工程）は、
塩化メチルに対して質量比Ｘが０．６８となるように水を導入し、供給率６５％〜７５％
の間（反応後期工程前半）は、塩化メチルに対して質量比２．７８となるように水を導入
し、供給率７５％の時点以降（反応後期工程後半）は、塩化メチルに対して質量比０．９
６の水を導入した。なお、この際の反応後期工程における塩化メチルに対する水の質量比
Ｘ’は１．４８であった。反応液の粘度が増大し、除熱効率の低下する箇所（反応前期工
程）で水を大量に導入したため、反応温度が上昇しにくく、塩化メチルの供給速度を高く
維持できた。塩化メチルガスの吹き込み量が５１３ｇ（１０．１５モル）となった時点で
塩化メチルガスの吹き込みを止めた。反応開始から塩化メチルガスの吹き込みを止めるま
で４．５時間かかった。この間に供給した水は４８４．２ｇであった。塩化メチルガスの
吹き込みを止めた後、反応液の温度を５５℃で１時間保持した。その結果、得られたアク
リロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロライド８０％水溶液（製品）は２４１
９．４ｇであった。製品中には未反応アクリル酸ジメチルアミノエチルエステルが０．２
２質量％、副生アクリル酸が０．０９質量％含まれていた。

なお、塩化メチルに対して質量比０．６８で水を導入すると、供給した塩化メチルが全
て反応したと仮定して、アクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロライドは
８５％水溶液となり、塩化メチルに対して質量比０．９６で水を導入すると、供給した塩
化メチルが全て反応したと仮定して、アクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウム
クロライドは８０％水溶液となる。

［比較例１］
反応中に供給する水の塩化メチルに対する質量比を終始０．９６とした以外は実施例１
と同様にしてアクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムクロライド８０％水溶液
を製造した。得られた製品は２４１９．４ｇで、製品中には未反応アクリル酸ジメチルア
ミノエチルエステルが０．２５質量％、副生アクリル酸が０．１５質量％含まれていた。
実施例１と比較して製品の品質が悪化した。

［比較例２］
反応中に供給する水の塩化メチルに対する質量比を終始０．６８とし、反応終了後に残
りの水を添加した以外は実施例１と同様にしてアクリロイルオキシエチルトリメチルアン
モニウムクロライド８０％水溶液を製造した。この際、実施例１に比べて反応後半で反応
液の温度が上昇しやすく、塩化メチルの供給速度を抑えたため、反応開始から塩化メチル
ガスの吹き込みを止めるまで５．５時間かかった。得られた製品は２４１９．４ｇで、製
品中には未反応アクリル酸ジメチルアミノエチルエステルが０．２２質量％、副生アクリ
ル酸が０．１０質量％含まれていた。実施例１と比較して反応時間が長く必要であった。

［実施例２］
水の供給方法を、塩化メチルの供給率６５％の時点までは、塩化メチルに対して質量比
０．６８となるように水を導入し、供給率６５％の時点以降は塩化メチルに対して質量比
１．４８の水を導入し、反応開始から塩化メチルガスの吹き込みを止めるまで５．０時間
かけた以外は、実施例１と同様にしてアクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウム
クロライド８０％水溶液を製造した。得られた製品は２４１９．４ｇで、製品中には未反
応アクリル酸ジメチルアミノエチルエステルが０．２３質量％、副生アクリル酸が０．０
９質量％含まれていた。

Claims

水を溶媒として、式（１）で表される第３級アミノ基を有するビニルモノマーを式（２）で表される化合物で４級化する式（３）で表される不飽和第４級アンモニウム塩の製造方法において、次の工程を順次行い、反応器内容液の不飽和第４級アンモニウム塩の濃度を反応前期工程において８３〜８８質量％とし、反応後期工程において７５〜８５質量％とすることを特徴とする不飽和第４級アンモニウム塩の製造方法。
（ａ）前記第３級アミノ基を有するビニルモノマーと、全工程を通じて供給する水の全供給量に対して０〜２０％の水とを反応器に仕込む工程。
（ｂ）前記式（２）で表される化合物に対する水の質量比Ｘで水と前記式（２）で表される化合物を連続的または断続的に反応器に供給する工程（反応前期工程）。ただし、Ｘ＞０とする。
（ｃ）前記Ｘより大なる前記式（２）で表される化合物に対する水の質量比で水と前記式（２）で表される化合物を連続的または断続的に反応器に供給する工程（反応後期工程）。

（式中、Ｒ¹は水素またはメチル基、Ａは酸素またはイミノ基、Ｒ²は炭素数１〜４のアルキレン基またはヒドロキシアルキレン基、Ｒ³およびＲ⁴は炭素数１〜４のアルキル基または炭素数２〜４のヒドロキシアルキル基を示す。）

（式中、Ｒ⁵はアルキル基またはベンジル基を示し、ＸはＣｌ、ＢｒまたはＩを示す。）

（式中、Ｒ¹〜Ｒ⁵、Ａ、Ｘは、式（１）および式（２）に同じ。）
全工程を通じて供給する式（２）で表される化合物の供給量の比率は、全工程を通じて供給する式（１）で表される第３級アミノ基を有するビニルモノマーに対し１モル以上、１０モル以下であって、前記式（２）で表される化合物の供給率が、全工程を通じて供給する前記式（２）で表される化合物の全供給量に対して４０〜９０％である時期に反応前期工程を終了し、反応後期工程を開始することを特徴とする請求項１記載の不飽和第４級アンモニウム塩の製造方法。
前記の第３級アミノ基を有するビニルモノマーがアクリル酸ジメチルアミノエチルエステルまたはメタクリル酸ジメチルアミノエチルエステルであり、前記のハロゲン化アルキルが塩化メチルである請求項１又は２に記載の不飽和第４級アンモニウム塩の製造方法。