JP4504201B2 - 1,6−ヘキサンジオールの製造法 - Google Patents

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Description

本発明は、アクリル酸エステルをロジウム触媒の存在下で二量体化し、場合によっては未反応のアクリル酸エステルを分離し、こうして得られた二量体化搬出物を主に銅含有の触媒の存在下で水素化し、得られた1,6−ヘキサンジオールを少なくとも99.5%の純度に蒸留により精製することによって、高い純度の1,6−ヘキサンジオールを製造する方法に関する。
−化合物、例えばアジピン酸またはアジピン酸ジエステルを接触水素化することによって、1,6−ヘキサンジオールを製造することは、公知である。アクリル酸エステルの直鎖状二量体化は、C3原料源を基礎とするヘキサンジオールの選択的な取得の可能性を開くものである。即ち、アクリル酸へのプロパンまたはプロペンの酸化および引続くメタノールでのエステル化によって、二量体化に必要とされる出発化合物メチルアクリレートは、製造されることができる。
メチルアクリレートから出発するヘキサン二酸ジメチルエステルの製造法は、自体公知である。数多くの触媒が刊行物中に記載されている。これまで、遷移金属Ru、Rh、NiおよびPdは、触媒活性であることが判明した。
ロジウム含有触媒については、RhClから出発して、配位子の変更によって、若干数の活性で選択的な触媒系を開発することができた。
欧州特許出願公開第475368号明細書には、アクリル酸エステル、例えばメチルアクリレートを触媒としての特殊な陽イオンロジウム化合物の存在下で二量体化することが記載されている。E−2−ヘキセン二酸ジエステルおよびZ−2−ヘキセン二酸ジエステルならびにE−3−ヘキセン二酸ジエステルおよびZ−3−ヘキセン二酸ジエステルを含有する異性体混合物を得ることができる。
更に、特開平06−329567号公報、実施例1の記載から、メチルアクリレートを65℃で塩化パラジウム、塩化鉄および硝酸鉄の存在下でヘキセン二酸ジメチルエステルに反応させることは、公知である(アクリル酸エステルの変換率60%)。蒸留による後処理後のデヒドロアジピン酸ジメチルエステルの変換率は、95%であった。こうして得られたジエステルは、メタノール中で溶解され、250℃で亜クロム酸銅触媒の存在下で4時間水素化された。1,6−ヘキサンジオールの収率は、97%であり(ヘキセン二酸ジメチルエステルに対して)、したがって1,6−ヘキサンジオールの選択率は、92%であった(アクリル酸メチルエステルに対して)。
非直鎖状の二量体の含量は、特開平6−100496号公報、実施例1の記載によれば、1%である。
アクリル酸エステルから出発して少なくとも99.5%の純度を有する1,6−ヘキサンジオールを製造するための方法を開発するという課題が課された。この場合、二量体化生成物は、費用のかかる精製なしに水素化に使用されることができ、水素化の場合には、高い1,6−ヘキサンジオールの収率が達成可能であるはずである。水素化搬出物は、蒸留により、多大な費用なしに少なくとも99.5%の純度を有する1,6−ヘキサンジオールに後処理することができるはずである。
この課題は、アクリル酸エステルを接触二量体化し、こうして得られたヘキセン二酸ジエステルを1,6−ヘキサンジオールに接触水素化することによって、99.5質量%以上の純度を有する1,6−ヘキサンジオールを製造する方法において、
a)C〜C−アクリル酸エステルを少なくとも1つのロジウム化合物の存在下で主に2−ヘキセン二酸ジエステルと3−ヘキセン二酸ジエステルとからなる混合物に二量体化し、
b)得られた二量体化搬出物をクロム不含の水素化成分として酸化物担体上に塗布された銅含有触媒の存在下で水素化し、および
c)こうして得られた粗製1,6−ヘキサンジオールを分別蒸留によって精製することにより解決される。
ロジウム(Rh)触媒での二量体化は、パラジウム(Pd)触媒での二量体化(特開平06−329567号公報)とは異なり、よりいっそう高いアクリル酸エステルの変換率および直鎖状C6ジエステルのよりいっそう高い収率が達成されるという利点を有する。2−メチレノ−グルタル酸ジエステルおよびこの化合物の二重結合を有する異性体のよりいっそう高い含量は、Pd触媒による二量体化の場合に水素化後によりいっそう高い含量の2−メチル−1,5−ペンタンジオールを生じる。それには、よりいっそう高い蒸留費用が結び付いている。
アクリル酸エステルの二量体化は、好ましくは本明細書中で参考のために引用された欧州特許出願公開第475386号明細書の記載により、陽イオンロジウム化合物の存在下で実施される。陽イオンロジウム化合物としては、殊に欧州特許出願公開第475386号明細書中に開示された、型[LRhLR]で示される化合物がこれに該当し、この場合
は、陰イオン五座配位子であり;
およびLは、中性の2個の電子のドナー配位子を表わし;
Rは、H配位子、C〜C10−アルキル配位子、C〜C10−アリール配位子およびC〜C10−アラキル配位子からなる群から選択され;
X−は、配位結合されていない陰イオンを表わし;および
、LおよびRの2個または3個は、場合によっては結合されている。また、ロジウムの代わりに、ルテニウム錯体化合物が使用されてもよい。アクリル酸エステルとしては、脂肪族C〜C−エステルおよび脂環式C〜C−エステル、例えばアクリル酸メチルエステルC〜C−アリールエステルおよびヘテロアリールエステル、例えばアクリル酸フェニルエステルがこれに該当する。この場合、これらの2つのエステル基は、同一でも異なっていてもよい。好ましくは、アクリル酸エステルとしては、アクリル酸アルキルエステル、殊に有利にメチルアクリレートが使用される。反応は、非連続的または連続的に−100〜150℃の温度および0.1〜1atmの圧力で実施される。
反応混合物は、有機含量を個々の成分の蒸留による分離なしに触媒の混合物として分離することにより、後処理される。アクリル酸エステルの変換率が定量的でない場合には、場合によっては単に未変換のアクリル酸エステルが分離されてよく、二量体化工程に返送されるかまたは他の方法に利用され、この場合二量体化工程の分離および返送は、好ましい。
未反応のアクリル酸エステルを十分に分離した後に得られる二量体化搬出物は、2−メチレン−グルタル酸ジエステル、2−メチル−2−ペンテン−二酸ジエステル、アジピン酸ジエステル、アクリル酸エステルおよびプロピオン酸エステルと共に、主にE−2−ヘキセン二酸ジエステルおよびZ−2−ヘキセン二酸ジエステル、E−3−ヘキセン二酸ジエステルおよびZ−3−ヘキセン二酸ジエステルからなる。
二量体化搬出物は、場合によっては未反応のアクリル酸エステルの分離後に他の精製なしに水素化b)に掛けられる。
水素化は、接触的に気相中または液相中で行なわれる。触媒としては、原理的にカルボニル基の水素化に適した均質な全ての触媒および不均質な全ての触媒、例えば金属、金属酸化物、金属化合物またはこれらの混合物がこれに該当する。均質な触媒の例は、H. Kropf, Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, 第IV/1c巻, Georg-Thieme Verlag Stuttgart, 1980, 第45〜67頁に記載されており、不均一な触媒の例は、Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, 第IV/1c巻, 第16〜26頁に記載されている。
好ましくは、元素の周期律表の第I副族および第VI〜VIII副族からの1つまたはそれ以上の元素、有利に銅、クロム、モリブデン、マンガン、レニウム、ルテニウム、コバルト、ニッケルおよびパラジウム、特に有利に銅、コバルト、ニッケルまたはレニウムを含有する触媒が使用される。
触媒は、単独で活性成分からなることができるかまたは活性成分は、担体上に塗布されていてもよい。担持材料としては、例えばCr、Al、SiO、ZrO、ZnO、BaOおよびMgOまたはこれらの混合物が適している。
殊に、触媒は、触媒活性の主要成分として酸化銅を有する。この酸化銅は、酸化物担体上に塗布されている。適当な担持材料は、酸化アルミニウムであり、この酸化アルミニウムの使用は、本発明の実施態様によれば、好ましい。本発明の別の実施態様によれば、担持材料として、20:1〜1:20、有利に5:1〜1:5の質量比での酸化アルミニウムと酸化亜鉛との組合せ物を使用することは、好ましい。酸化銅の量は、80質量%未満の値である。好ましい触媒組成物は、酸化銅70質量%未満および担体30質量%未満を有し、特に好ましい触媒は、酸化銅10〜65質量%および担体35〜90質量%を有する。
更に、好ましいのは、欧州特許出願公開第552463号明細書に記載されているような水素化触媒である。これは、酸化物の形で組成式
CuAlZrMn
〔式中、aは0より大きく、bは0より大きく、cは0以上であり、dは0より大きく、aはb/2より大きく、bは、a/4より大きく、aはcより大きく、aはdより大きく、xは式単位1個当たりの電気的中性の確保に必要とされる数の酸素イオンを示す〕を有する触媒である。この触媒は、例えば欧州特許出願公開第552463号明細書の記載によれば、相応する金属イオンを塩の形で含有する溶液から難溶性の化合物を沈殿させることによって製造されることができる。
詳細には、例えばCuO70質量%、Al20質量%およびMn10質量%の組成の触媒がこれに該当する。
場合によっては、本発明により使用される、Crを含有しない水素化触媒は、元素の周期律表の第1〜14族(古典的なIUPAC命名法の第IA〜VIIIA族および第IB〜IVB族)からの1つまたはそれ以上の他の金属またはその化合物、有利に酸化物を含有することができる。このような他の酸化物を使用する場合には、有利にTiO、ZrO、SiOおよび/またはMgOが使用される。
その上、使用される触媒は、助剤を0〜10質量%の量で含有することができる。助剤は、触媒製造の間の改善された加工および/または触媒成形体の機械的強さの上昇のために貢献する有機物質および無機物質である。この種の助剤は、当業者に公知であり;例は、黒鉛、ステアリン酸、シリカゲルおよび銅粉末を含む。
触媒は、当業者に公知の方法により製造することができる。好ましいのは、酸化銅を微細に分布させ、別の成分と均一に混合するような方法であり、特に好ましいのは、沈殿反応である。この場合、溶剤中に溶解された前駆体化合物は、他の溶解性金属化合物または溶剤中に懸濁された金属化合物の存在下で沈殿剤で沈殿され、濾別され、洗浄され、乾燥され、場合によってはか焼される。この辺りの事情は、再度、欧州特許出願公開第552463号明細書の開示に指摘されている。
この出発物質は、公知方法、例えば押出法、タブレット化または凝集法によって場合によっては助剤を添加しながら成形体に加工されることができる。
選択的に、本発明による触媒は、例えば担体上への活性成分の施与、例えば含浸または蒸着によって製造されることができる。更に、本発明による触媒は、活性成分またはその前駆体化合物と担体成分またはその前駆体化合物との不均質な混合物を変形することによって得ることができる。
本発明による水素化の場合、触媒は、還元され活性化された形で使用される。活性化は、還元性ガス、有利に水素または水素/不活性ガス混合物を用いて、本発明による方法が実施される反応器中への取付け前または取付け後に行なわれる。触媒を酸化物の形で反応中に取り付けた場合には、活性化は、本発明による水素化での装置の始動前ならびに始動中、即ちその場で実施されることができる。装置の始動前の別々の活性化は、一般に還元性ガス、有利に水素または水素/不活性ガス混合物を用いて高められた温度、有利に100〜300℃で行なわれる。所謂その場での活性化の場合には、活性化は、装置の加速の際に水素との接触によって高められた温度で行なわれる。
触媒は、成形体として使用される。例は、ストランド、波形ストランド、別の押出品の形、ペレット、リング、ボールおよび砕石状物を含む。
銅触媒のBET表面積は、酸化状態で10〜400m/g、特に15〜200m/g、殊に20〜150m/gである。還元された触媒の銅表面積(NOの分解)は、取付け状態で0.2m/g、特に1m/g超、殊に2m/gである。
本発明により使用される触媒は、一般に十分な可使時間である。それにも拘わらず、触媒の活性および/または選択性が運転時間の経過中に減少する場合には、この触媒は、当業者に公知の方法によって再生されることができる。このためには、有利に高められた温度で水素流中での触媒の還元処理が含まれる。場合によっては、還元処理は、酸化的に先行させることができる。この場合、触媒堆積物には、分子状酸素を含有するガス混合物、例えば空気が高められた温度で貫流される。更に、触媒を適当な溶剤、例えばメタノール、THFまたはγ−ブチロラクトンで洗浄し、引続きガス流中で乾燥させる方法が存在する。
好ましくは、渦動床として固定配置されて使用されるかまたは懸濁液として使用される不均質触媒が使用される。水素化を気相中で固定配置された触媒上で実施する場合には、一般に1〜80バールの圧力で150〜300℃の温度が使用される。この場合には、少なくともエダクト、中間生成物および生成物が反応中に決して液状にならない程度に多量の水素が水素化剤およびキャリヤーガスとして使用される。
水素化を液相中で固定配置されたかまたは懸濁された触媒を用いて行なう場合には、水素化は、一般に100〜350℃、有利に120〜300℃の温度および30〜350バール、有利に40〜300バールの圧力で実施される。
水素化は、1個の反応器中または多数の順次に接続された反応器中で実施されることができる。液相中で固定床上での水素化は、噴霧塔運転形式ならびに塔底運転形式で実施することができる。好ましい実施形式によれば、多数の反応器が使用されており、この場合には、第1の反応器中でエステルの主要な部分が水素化され、第1の反応器は、有利に液体循環路を用いて熱導出のために運転され、次の1個または複数の反応器は、有利に循環路なしに変換率を完全なものにするために運転される。
水素化は、溶剤の添加なしにかまたは溶剤を添加して行なうことができる。溶剤としては、アルコール、エーテル、炭化水素、例えばメタノール、イソプロパノール、エタノール、ジオキサン、テトラヒドロフラン、n−ペンタンがこれに該当する。この場合には、ホルミル吉草酸エステル−異性体混合物の5〜70%、有利に10〜60%、特に有利に15〜50%の溶液がこれに該当する。特に好ましくは、エステル基を水素化する場合にも遊離される溶剤としてアルコールが使用される。
水素化は、非連続的に行なうことができ、好ましくは、連続的に行なうことができる。
触媒の負荷量は、毎時触媒1 l当たり水素化することができるC−ジエステル0.01〜1kg、有利に0.05〜0.8kg、特に有利に0.1〜0.5kgである。
水素/エダクトのモル比は、同様に本発明による方法の経済性に対して重要な影響を有するパラメーターである。経済的な視点から、低い水素/エダクト−モル比が望ましい。下限は、5の値の場合であるが、しかし、この場合には、一般に20〜400のよりいっそう高い水素/エダクト−モル比が使用される。
本発明により使用される水素/エダクト−モル比を使用するために、水素の一部分は、循環路中で走行される。このために、一般には、当業者に公知の循環ガス圧縮機が使用される。化学的に水素化によって使用される水素量は、補充される。1つの好ましい実施態様において、循環ガスの一部分は、排出され、不活性化合物が除去される。また、循環路中に導かれる水素は、場合によっては前加熱の後にエダクト流の蒸発に利用されることができる。
水素循環ガスと一緒に、全ての生成物は、循環路中に導かれ、この全ての生成物は、水素化反応器から退出するガス流の冷却の際に凝縮しないかまたは完全には、凝縮しない。冷却温度は、0〜60℃、有利に20〜45℃である。
1,6−ヘキサンジオールを形成するC−ジエステルの総和に対する変換率は、95%超、殊に98%超である。
水素化搬出物は、本質的に1,6−ヘキサンジオールとエステル基に相応するアルコールとからなる。更に、重要な成分は、2−メチル−1,5−ペンタンジオールである。
水素化搬出物は、分別蒸留によって1個またはそれ以上の塔中で精製される。
アクリル酸エステルの二量体化による精製されていない搬出物の水素化により、蒸留によって99.5%超の純度にもたらすことができる粗製ヘキサンジオールが生じるであろうことは、予測することができなかった。殊に、是認できる費用で1,6−ヘキサンジオールの異性体としての2−メチル−1,5−ペンタンジオールを分離することができるであろう事は、予測することができなかった。
本発明を次の実施例につき詳説する。
実施例1
1.1 Rh触媒の存在下でのメチルアクリレートの二量体化
試験を乾燥されかつ後精製されたアルゴンからなる雰囲気下で標準のシュレンクによる技術(Standard-Schlenk Technik)により実施した。塩化メチレンをP上で乾燥させ、メチルアクリレート(Aldrich社、メトキシフェノールで安定化された)をモレキュラーシーブ4′(Molsieb 4′)上に堆積させ、後処理なしに使用した。錯体CpRh(C)(Cp=ペンタメチルシクロペンタジエニル)を[CpRh(Cl)]から出発してK. Moseley, J.W. Kang, P.M. Maitlis J. Chem. Soc. (A) 1970, 2875-2883の方法により製造した。出発物質[CpRh(Cl)]をB.L. Booth, R.N. Haszeldine, M.Hill J. Chem. Soc. (A) 1969, 1299-1303の方法により合成した。触媒の活性化に必要とされる酸HBAr をM. Brookhart, B. Grant, A.F. Volpe Organometallics 1992, 11, 3920-3922の方法により製造した。この場合、HBAr は、テトラキス[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]−硼酸のビス−エーテーラートを表わす。
反応搬出物の分析は、GC(装置:Hewlett Packard 5820; 塔:HP-5;長さ:30m;直径:0.25mm;膜厚:1.0μ)により行なわれ、この場合生成物の構造の解明は、先にGC/MS結合により行なわれた。全ての記載は、面積百分率である。
欧州特許出願公開第475386号明細書中の実施例14の記載と同様に、CpRh(C)20mg(0.06mmol)に適当な反応容器中で最初にメチルアクリレート80mlを添加し、引続き0℃でCHCl10ml中の化学量論的量(Rhに対して)の酸HBAr の溶液を添加した。この混合物を55℃に加熱し、1バールの水素の下で4時間攪拌した。
更に、反応搬出物を分別蒸留し、均一に溶解されたロジウム触媒を分離した。この場合には、常圧下で最初に低沸点物(メチルアクリレート、メチルプロピオネートおよび塩化メチレン)の前留出物を分離した。
次の水素化に使用される主要留分として、次の組成の混合物を得ることができた。この場合には、それぞれ異なる異性体2−メチレン−グルタル酸ジメチルエステルおよびヘキセン二酸ジメチルエステルから構成されていた:
メチルアクリレート: 0.15%
メチルプロピオネート: 0.10%
2−メチレン−グルタル酸ジメチルエステルおよび異性体: 0.52%
ヘキセン二酸ジメチルエステル: 98.72%
ジメチルアジペート: 0.35%。
蒸留の塔底物中には、専ら微少量のトリエステルおよびポリマーが残留していた。
1.2 1.1により得られた二量体化搬出物の水素化
非連続的なオートクレーブ試験において、1.1で特性決定されたエステル混合物30gとメタノール70gとの混合物を銅触媒20g(CuO60%、Al30%、Mn10%)の存在下で210℃/240バールで6時間攪拌した。酸化物触媒の活性化は、水素化前に水素で200℃/300バールで行なわれた。
ガスクロマトグラフィー分析(内部標準:ジエチレングリコールジメチルエーテル)により、1,6−ヘキサンジオールの収率は、99%であった(1.1後に含まれる直鎖状C−ジエステルに対して)。粗製水素化搬出物は、2−メチル−1,5−ペンタンジオール0.4%を含有していた。
1.3 水素化搬出物の蒸留
回転バンド塔(Drehbandkolonne)(最大160℃/1ミリバール)を用いるメタノールが十分に除去されている水素化搬出物の蒸留により、99.6%の1,6−ヘキサンジオール純度を有する2つの主要留分が生じた。2−メチル−1,5−ペンタンジオールだけは、1000ppmまたは300ppmで含有されていた。
比較例1
a)特開平06−329567号公報、実施例1に記載の二量体化
PdCl0.34g(2mmol)、FeCl8.1g(50mmol)、メチルアクリレート86g(1mmol)およびFe(NO・9HO2.0g(5mmol)65℃で15時間反応させた。得られた反応搬出物から、冷却後に固体の形で存在する触媒含量を濾別した。有機相を球管蒸留によって後処理した。最初に80℃/150ミリバールで蒸留し、次に50ミリバールで蒸留し、最後に1ミリバールで蒸留した。未反応のアクリル酸メチルエステル35.9gおよび直鎖状の不飽和C−ジカルボン酸ジメチルエステルと分枝鎖状の不飽和C−ジカルボン酸ジメチルエステルとの留出物混合物12.4gを得ることができた。留出物混合物12.5gは、84質量%が直鎖状の2−ヘキセン二酸ジメチルエステルおよび直鎖状の3−ヘキセン二酸ジメチルエステルからなり、2.4質量%が2−メチレングルタル酸ジメチルエステルおよびこの化合物の二重結合−異性体からなる。従って、直鎖状の不飽和エステルと分枝鎖状の不飽和エステルとのガスクロマトグラフィーにより測定された比は、35:1であった。蒸留残留物として固体9gが生じた。
b)直鎖状のC−ジカルボン酸ジメチルエステルと分枝鎖状のC−ジカルボン酸ジメチルエステルとの混合物の水素化
直鎖状のC−ジカルボン酸ジメチルエステルと分枝鎖状のC−ジカルボン酸ジメチルエステルとのa)により得ることができた混合物12gを、メタノール100g中に溶解し、本発明による実施例1.2において前記された銅触媒10gの存在下で本発明による実施例1.2の記載と同様に、水素化した。
水素化後に、銅触媒は、赤に着色され、使用された3×3mmのペレットは、完全に崩壊されることが確認された。水素化搬出物のガスクロマトグラフィー分析により、主にアジピン酸ジメチルエステルが生成されていることが明らかになった。試験の繰返しは、同じ結果を生じた。
比較例の結果は、Pd触媒による二量体化が低いアクリルエステル変換率および直鎖状のC−ジカルボン酸エステルと分枝鎖状のC−ジカルボン酸エステルとの比で進行することを示す。
直鎖状のC−ジカルボン酸ジメチルエステルと分枝鎖
状のC−ジカルボン酸ジメチルエステルとの比
Rh二量体化: 190:1
Pd二量体化: 35:1
不飽和の分枝鎖状のC−ジカルボン酸ジメチルエステルは、水素化の際に、1,6−ヘキサンジオールから分離されなければならない2−メチル−1,5−ペンタンジオールを生じるので、Pd二量体化による粗製C−ジカルボン酸ジメチルエステルから出発する1,6−ヘキサンジオールの精製のためには、よりいっそう多大な蒸留費用が必要とされる。また、比較試験は、銅触媒がアクリル酸エステルのPd触媒による二量体化からのジエステルの使用の際に崩壊し、かつこの銅触媒がエステル基を水素化するための能力を失なうことを示す。

Claims (6)

  1. アクリル酸エステルを接触二量体化し、こうして得られたヘキセン二酸ジエステルを1,6−ヘキサンジオールに接触水素化することによって、99.5質量%以上の純度を有する1,6−ヘキサンジオールを製造する方法において、
    a)C〜C−アクリル酸エステルを少なくとも1つのロジウム化合物の存在下で主に2−ヘキセン二酸ジエステルと3−ヘキセン二酸ジエステルとからなる混合物に二量体化し、
    b)得られた二量体化搬出物をクロム不含の水素化成分として酸化物担体上に塗布された銅含有触媒の存在下で水素化し、および
    c)こうして得られた粗製1,6−ヘキサンジオールを分別蒸留によって精製することを特徴とする、1,6−ヘキサンジオールを製造する方法。
  2. 二量体化混合物から未反応のアクリル酸エステル水素化前に分離する、請求項1記載の方法。
  3. アクリル酸エステルとしてメチルアクリレートを使用する、請求項1または2記載の方法。
  4. 酸化物の形で組成式
    CuAlZrMn
    〔式中、aは0より大きく、bは0より大きく、cは0以上であり、dは0より大きく、aはb/2より大きく、bは、a/4より大きく、aはcより大きく、aはdより大きく、xは式単位1個当たりの電気的中性の確保に必要とされる数の酸素イオンを示す〕を有する触媒での水素化を実施する、請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法。
  5. 二量体化を−100〜150℃および0.1〜1atmの圧力で実施する、請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。
  6. 水素化を100〜350℃および30〜350バールの圧力で実施する、請求項1から5までのいずれか1項に記載の方法。
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