JP4550064B2 - アミンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、対応のニトロ化合物の接触水素化によりアミンを製造する方法、及び該製造方法で用いられる新規な触媒に関する。

アミン、特に芳香族モノ−、ジ−及び／又はポリアミンを、対応のモノ−、ジ−及び／又はポリニトロ化合物の接触水素化（触媒的水素化）によって製造する方法は、以前から知られており、文献に何度も記載されている。工業的に屡々用いられる芳香族アミンは、ジニトロトルエン（ＤＮＴ）の水素化によって調製されるトリレンジアミン（ＴＤＡ）であり、トリレンジアミンを更に処理してトリレンジイソシアネートを得る。ＤＮＴを水素化する際の課題は、副生成物の形成が強まることである；すなわち、低沸点物、通常は脱アミノ化され且つ環形成水素化された物質に加え、高分子量又はタール状の物質が屡々生じる。これにより、処理における収率が低下するだけでなく、触媒の失活時期が早まる。

有用な水素化触媒は、例えば特許文献１に記載されているように、屡々、周期表第ＶＩＩＩ族の遷移金属であり、特にラネー鉄、ラネーコバルト及びラネーニッケルである。

触媒を芳香族ニトロ化合物の水素化に用いることもあり、この触媒は、貴金属、特にパラジウム又は白金を含んでいる。この場合、触媒が白金とニッケルを含んでいることも知られている。

例えば、特許文献２は、ＤＮＴをＴＤＡに水素化するための水素化触媒の製造方法を記載している。触媒は、担体、すなわち親油性の炭化水素成分、例えばカーボンブラックを含み、その担体に金属が施される。この場合、ニッケルが、酸化物又は水酸化物として触媒に存在している。

特許文献３は、芳香族アミンを環形成水素化（ring-hydrogenating）する方法について記載している。触媒として貴金属触媒を使用し、この貴金属触媒を、ニッケルを含む他の金属で更にドープ処理することができる。貴金属として、他の貴金属との混合物の白金を用いることができる。貴金属は、金属及びドープ金属として塩の形で触媒中に存在する。

特許文献４は、塩素置換芳香族アミンを対応のニトロ化合物から製造する方法を記載している。この方法で用いられる触媒は、担体としての活性炭からなり、活性炭に白金と他の金属、特にニッケルが施される。

特許文献５は、塩素置換芳香族アミンを対応のニトロ化合物から製造する方法を記載している。使用される触媒は、活性炭に施した白金及びニッケルを含んでいる。この方法では、まず、白金を活性炭に施し、そして還元し、その後、ニッケルを塩の形で担体に施す。この触媒において、ニッケルは水酸化物として存在する。

特許文献６は、カルボン酸塩を製造するための触媒を記載している。この触媒は、アンカー金属、例えば白金から構成されており、その一部は、耐アルカリ担体に固定され、そして少なくとも一部には、無電解メッキによって触媒活性非貴金属、例えばニッケルが被覆されている。この触媒において、２種類の金属が、担体に別個の層として存在する。

特許文献７は、芳香族ニトロ化合物の混合物を水素化する方法について記載している。使用される触媒は、白金と、適宜他の金属、例えばニッケルとを活性炭に施して含んでいる。他の金属は、酸化物又は水酸化物の形で担体に存在している。

特許文献８及び特許文献９は、ジニトロトルエンの水素化方法を記載している。使用される触媒は、イリジウムと、少なくとも１種のドープ元素、例えばニッケル又は白金とを含んでいる。

特許文献１０は、白金、他の貴金属及び非貴金属からなる水素化触媒を用いるＴＤＡの製造方法を記載している。

ＥＰ−Ａ０１２４０１０ ＵＳ３１２７３５６ ＵＳ５２１４２１２ ＤＥ３９２８３２９ ＥＰ５９５１２４ ＥＰ７６８９１７ ＵＳ４１８５０３６ ＤＥ１９９１１８６５ ＤＥ１９６３６２１４ ＷＯ０３／３９７４３

ＤＮＴをＴＤＡに水素化する場合に常に在る目的は、収率を更に向上させ、特に処理における選択率を改善して、これにより、高分子量の副生成物の形成又は低沸点物の形成をもたらす副反応を抑制することである。

従って、本発明の目的は、芳香族ニトロ化合物を対応のアミンに水素化、特にＤＮＴをＴＤＡに水素化するための触媒を提供することにあり、これにより、収率が高くなり且つ処理における選択率が改善され、比較的高い反応温度下でもプロセス制御においていかなる劣化も生じなくなる。

本発明者等は、上記目的が、白金及びニッケルを合金の形で担体に施した水素化触媒の使用によって達成されることを見出した。

従って、本発明は、水素化触媒の存在下で芳香族ニトロ化合物を対応のアミンに水素化する方法であり、特にジニトロトルエンを接触水素化によってトリレンジアミンに水素化する方法であって、水素化触媒として、ニッケル及び白金が担体に合金の形で施された触媒を使用し、合金中の白金に対するニッケルの原子比が３０：７０〜７０：３０の範囲であり、芳香族ニトロ化合物としてジニトロトルエンを用いることを特徴とする方法を提供する。

原則として、白金及びニッケルを他の原子比で有する合金を本発明の方法で用いることも可能であるが、特に水素化を比較的高温で行う場合、ＴＤＡの収率が低くなる。

白金に対するニッケルの原子比は、特に４５：５５〜５５：４５の範囲である。原子比をＥＤＸＳ（エネルギー分散エックス線分光分析）によって測定した。

触媒は、通常、微結晶金属粒子のＰｔ−Ｎｉ合金を含んでおり、微結晶金属粒子は、約１〜１５ｎｍの寸法を有し、炭素粒子に分散されている。所々に、１〜２ｎｍの大きさのＮｉ−Ｐｔ粒子の凝集体又は集合体が担体に存在しているだけでなく、個々の純粋なＮｉ又はＰｔ粒子が存在していても良い。金属粒子の電子回折線は、Ｐｔの電子回折線とＮｉの電子回折線との間であり、これにより合金の形成が更に確認される。金属粒子は、通常、多結晶であり、高分解能ＴＥＭ（ＦＥＧ−ＴＥＭ：電解放射ガン型透過電子顕微鏡法（Field Emission Gun-Transmission Electron Microscopy））を用いて特性を明らかにすることができる。

触媒に用いられる担体は、そのために用いられる一般的で且つ公知の物質である。活性炭、カーボンブラック、グラファイト又は金属酸化物、好ましくは熱水の作用に対して安定な金属酸化物、例えばＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂を使用するのが好ましい。グラファイトの場合、５０〜３００ｍ²／ｇの表面積を有するＨＳＡＧ（high surface area graphite）が特に好ましい。物理的又は化学的に活性化された活性炭又はカーボンブラック、例えばアセチレンブラックが特に好ましい。

本発明により用いられる触媒は、反応混合物に対して０．０１〜１０質量％、好ましくは０．１〜５質量％、更に好ましくは０．２〜２質量％の量で用いられる。

触媒を、通常、還元状態又は不動態化状態で反応器に導入する。触媒の還元状態又は不動態化状態とは、触媒が調製後に活性化されつつも、安全上の理由から、活性中心を、例えば酸素又は二酸化炭素に通過させることによって不動態化したことを意味する。或いは、触媒を適当な状態に調節し、そして不活性雰囲気下で、又は不燃性溶剤、例えば水、ＴＤＡ／水又は高級アルコール、例えばブタノール又はエチレングリコール中で安定させても良い。

本発明の方法は、通常の処理パラメータ、例えば圧力及び温度に基づき慣用の反応器を用いて連続的に又はバッチ式で行われても良い。

本発明の水素化を、５〜１００バールの範囲、好ましくは１０〜４０バールの範囲、特に２０〜２５バールの範囲の圧力で行うことが好ましい。

本発明の水素化を、８０〜２５０℃の範囲、好ましくは１００〜２２０℃の範囲、特に１６０〜２００℃の範囲の温度で行うことが好ましい。

通常、水素化は、慣用で且つ好適な反応器中、連続懸濁水素化の形で行われる。有用な反応器は、例えば、撹拌器付きタンク又はループ式反応器、例えばジェットループ式反応器、ループ式ベンチュリー反応器、又はＷＯ００／３５８５２に記載されているような内部流動循環が行われるループ式反応器である。排出された反応混合物から触媒を取り除くために、例えば、交差流ろ過器を用いることができる。かかる処理は、例えばＷＯ０３／６６５７１に記載されている。

水素化ガスとして、遊離水素を含み且つ有害量の触媒毒、例えば一酸化炭素を含んでいない所望の気体を用いることができる。例えば、改質装置からのオフガスを用いることができる。例えば、ＤＥ１０１０５２７７に記載されているように、水素と窒素及び／又は二酸化炭素との混合物を用いても良い。しかしながら、純粋な水素を水素化ガスとして使用することが好ましい。

水素化で形成されるアミンは、水素化処理から連続的に又はバッチ式で取り除かれ、その後、後処理、例えば蒸留による後処理に付される。

本発明の方法において、１個以上のニトロ基を有し、炭素原子数６〜１８の芳香族ニトロ化合物を使用するのが好ましく、例えば、ニトロベンゼン、例えばｏ−、ｍ−、ｐ−ニトロベンゼン、１，３−ジニトロベンゼン、ニトロトルエン、例えば２，４−、２，６−ジニトロトルエン、２，４，６−トリニトロトルエン、ニトロキシレン、例えば１，２−ジメチル−３−、１，２−ジメチル−４−、１，４−ジメチル−２−、１，３−ジメチル−２−、２，４−ジメチル−１−及び１，３−ジメチル−５−ニトロベンゼン、ニトロナフタレン、例えば１−、２−ニトロナフタレン、１，５−及び１，８−ジニトロナフタレン、クロロニトロベンゼン、例えば２−クロロ−１，３−、１−クロロ−２，４−ジニトロベンゼン、ｏ−、ｍ−、ｐ−クロロニトロベンゼン、１，２−ジクロロ−４−、１，４−ジクロロ−２−、２，４−ジクロロ−１−及び１，２−ジクロロ−３−ニトロベンゼン、クロロニトロトルエン、例えば４−クロロ−２−、４−クロロ−３−、２−クロロ−４−及び２−クロロ−６−ニトロトルエン、ニトロアニリン、例えばｏ−、ｍ−、ｐ−ニトロアニリン、ニトロアルコール、例えばトリス（ヒドロキシメチル）ニトロメタン、２−ニトロ−２−メチル−、２−ニトロ−２−エチル−１，３−プロパンジオール、２−ニトロ−１−ブタノール及び２−ニトロ−２−メチル−１−プロパノール、そして上述のニトロ化合物の２種以上の混合物である。

本発明の方法を用いて、芳香族ニトロ化合物、好ましくはモノニトロベンゼン、メチルニトロベンゼン又はメチルニトロトルエン、特に２，４−ジニトロトルエン又はその、２，６−ジニトロトルエンとの工業的な混合物を水素化することが望ましく、混合物は、該混合物の合計質量に対して３５質量％以下の２，６−ジニトロトルエンを、対応のアミンに対して１〜５％の割合のビシナルＤＮＴと０．５〜１．５％の割合の２，５−及び３，５−ジニトロトルエンと共に有していることが好ましい。

本発明の方法において、芳香族ニトロ化合物を、純粋な形で、対応のジ−及び／又はポリアミンとの混合物として、対応のジ−及び／又はポリアミンと水との混合物として、対応のジ−及び／又はポリアミンと、水と、アルコール性溶剤との混合物として、又は対応のジ−及び／又はポリアミンと、水と、アルコール性溶剤と、触媒再活性化添加剤（catalyst-reactivating additive）との混合物として用いることができ、２種以上の上述のニトロ化合物、対応のアミン化合物、アルコール性溶剤及び触媒再活性化添加剤の混合物を用いることも可能である。

上述の混合物を使用する場合、水に対するアミン化合物の割合は、１０：１〜１：１０の範囲が好ましく、４：１〜１：１の範囲が更に好ましく、そして少なくとも１種のアルコール性溶剤に対するアミン／水の混合物の割合は、１０００：１〜１：１の範囲が好ましく、５０：１〜５：１の範囲が更に好ましい。

上述の内容から明らかなように、本発明の方法における水素化を、アルコール性溶剤と触媒再活性化添加剤の存在下で、又はアルコール性溶剤と触媒再活性化添加剤の不存在下で行うことができる。

アルコール性溶剤と触媒再活性化添加剤を使用する場合、これらの２種以上の混合物を使用することが適当であろう。

有用なアルコール性溶剤は、炭素原子数１〜６の低級の脂肪族アルコールであり、好ましくはメタノール、エタノール若しくはプロパノール又はこれらの２種以上の混合物である。

触媒再活性化添加剤として、非プロトン性溶剤、特にＤＭＦ、ジオキサン又はＴＨＦ、又はこれらの２種以上の混合物を使用するのが好ましい。

本発明の方法で用いられるアルコール性溶剤及び触媒再活性化添加剤の量は、特定の手法で限定されるものではなく、必要に応じて任意に選択され得るものである。

しかしながら、驚くべきことに、溶剤を用いることなく本発明の方法によって芳香族ニトロ化合物を水素化することも可能である。この処理により、水素化後の反応混合物の後処理を簡単にする；すなわち、溶剤との副反応が十分に抑制される。

副反応を抑制するために、本発明の方法を、触媒がその充填限界（loading limit）で用いられるように行うことが好ましい。充填限界を、例えば計量導入されるニトロ化合物の量、反応混合物中の触媒の量、温度又は圧力によって制御することができる。

触媒の充填限界とは、所定の圧力及び温度の条件下で上記の触媒を用いて水素化可能であり、窒素原子及び酸素原子を含む水素化可能な基の量を意味する。窒素原子及び酸素原子を含む基は、ニトロ基だけでなく、ニトロソ基及びヒドロキシルアミン基であっても良い。

本発明の触媒は、例えば、最初に担体に充填し、それを白金及びニッケルの塩の水溶液と結合させることによって調製される。塩を溶解するために用いられる水の量は、混練可能なペーストが得られるように選択される。水を、担体の質量に対して１００〜２００質量％の量で使用することが好ましい。有用な金属塩は、特に硝酸塩又は塩化物であり、腐食性が低いことから、硝酸塩を用いることが好ましい。ペーストを混合し、その後、減圧及び５０〜１００℃の範囲の温度の条件下、例えばロータリーエバポレータ又は炉において水を蒸発させる。安全上の理由から、蒸発を窒素流中で行うことができる。金属塩として塩化物を用いる場合、水素で還元することによって、金属を担体に固定することができる。しかしながら、これにより、腐食が生じることがある。従って、アルカリ条件下で金属を固定することが好ましい。これは、特に、アルカリ金属炭酸塩の水溶液を添加し、次に担体を洗浄して、その水溶液をアニオンから除去することによって行われる。或いは、金属を、特にｐＨ８〜９の範囲のアルカリ条件下で、上澄み液から担体に沈殿させることも可能である。その後、担体を、好ましくは上述のように乾燥し、そして水素で還元する。これは、例えばロータリ型の球形の炉において行うことができる。触媒を適当な状態に調節する前に、例えば、窒素等の不活性ガス（微量の空気、好ましくは１０容量％未満の空気を含む）の条件下で不動態化する。

本発明の触媒を用いることにより、ＤＮＴからＴＤＡへの水素化を、１６０〜２５０℃、特に１６０〜２００℃の範囲の温度条件下であっても行うことができ、その温度条件下で、慣用の触媒を用いた場合に反応の選択率が低下する。反応温度を昇温するのが有効である。なぜなら、個々の成分の溶解性が高くなり、そして反応速度が温度と共に高くなるからである。従って、反応エネルギーを安全に取り除くことができる場合に、ＳＴＹ（space-time yield：時空収量）を高めることができる。

反応温度の昇温は有効である。なぜなら、反応エネルギーを、比較的高温で、例えば水蒸気の発生によって利用することができるからである。これは、１６０℃を超過する温度の場合に経済的に確かに実現可能となる。そして、発生した所定量の水蒸気を用いることにより、冷却装置を稼働することができ、又は吸熱反応を操作することができる。

以下の実施例に基づき本発明を説明する。

［実施例１］
ノリツ（Norit）（登録商標）ＳＸ＋活性炭担体を皿に最初に取り込み、そして、触媒の質量に対して３質量％の白金を得るための白金（ＩＩ）硝酸塩と、触媒の質量に対して１質量％のニッケルを得るためのニッケル（ＩＩ）硝酸塩の六水和物（硝酸ニッケル（ＩＩ）六水和物）とを、担体の量に対して１００質量％の量の水に溶解し、そして担体へ添加して混練可能なペーストを得た。ペーストを十分に混合した。溶剤としての水を、６０℃及び０．２〜０．４バールの圧力での穏やかな煮沸が行われるロータリエバポレータ中において蒸発させた。担体の量に対して１６質量％の量の炭酸ナトリウムを担体に対して１００質量％の水に溶解させた水溶液を添加することによって、金属をアルカリ条件下で担体に固定し、そして試料を洗浄して、硝酸塩を除去した。このようにして得られた触媒を８０℃で乾燥し、その後、４００℃の水素流下、ロータリ型の球形の炉において４時間還元した。適当な状態に調節する前に、触媒を室温条件下で希薄な空気（窒素に対して５容量％の空気）中にて不動態化した。このようにして得られた触媒を触媒Ａと称する。

このようにして得られた触媒の白金含有量は２．９質量％であり、ニッケル含有量は０．９７質量％であった。これは、４８：５２の原子比に相当する。

［実施例２］（比較実施例）
実施例１の処置を繰り返し行ったが、０．２５質量％のニッケルを得るためのニッケル塩のみを使用した。このようにして得られた触媒を触媒Ｂと称する。ニッケルに対する白金の原子は、７８：２２であった。

［実施例３］（比較実施例）
実施例１で用いられた担体を水に懸濁させて、１０％懸濁液を得た。このために、実施例１の金属塩を実施例１に記載の割合で添加し、そして煮沸して、ギ酸アンモニウムと共に２時間還流した。このようにして得られた触媒を洗浄して、触媒から硝酸塩を取り除いた。この処置において、白金を還元した；ニッケルは、水酸化物又は酸化物の形で担体に存在してた。このようにして得られた触媒を触媒Ｃと称する。

この触媒において、白金及びニッケルは合金として存在しておらず、別個の粒子の形で存在していた。

［実施例４］
実施例３の処置を繰り返し行ったが、ニッケル塩を添加しなかった。このようにして得られた触媒を触媒Ｄと称する。

触媒Ｅ（５％Ｐｄ／Ｃ）：
触媒Ｅとして、５質量％の活性炭に担持させた市販のＰｄ含有参考用触媒（５０％水湿潤）を使用した。

触媒Ｆ：
触媒Ｆとして、ＺｒＯ₂担体に担持させた市販のニッケル触媒を使用した。

［実施例５］
ＤＮＴのＴＤＡへの水素化：
ＤＮＴのＴＤＡへの水素化を３００ｍｌの連続撹拌器付きタンク中で行った；触媒を反応器中に機械的に保持させた。

触媒を水に懸濁させ、反応器に導入した（反応器の液体容量に対して１〜２質量％の量の触媒）；ＤＮＴを溶融物として連続的に計量導入したが、２２バールのＨ₂圧下での温度を、時空収量が４００ｋｇ_TDA／ｍ³，ｈとなる量となるようにした。試料をガスクロマトグラフィで分析した：ＴＤＡの収率、高沸点物の形成及び低沸点物の形成をモニターした。低温（１２５℃）での時空収量は約４００ｋｇ_TDA／ｍ³，ｈであり；より高温での時空収量を、４００から７００ｋｇ_TDA／ｍ³，ｈの範囲に変化させた。より高い時空収量では、反応器の制限された冷却性能の結果、反応温度が更に上昇した。

温度及び結果を表１に示す。

実施例では、市販の触媒Ｆにより低温条件下で極めて良好な収率が得られ、触媒Ｅは、触媒Ｆと比較して明らかに劣っていることが示されている。触媒Ｄにより、低温条件下で極めて良好な収率が得られ；高温条件下では、収率が低下した。例えば、時空収量の上昇によって、触媒充填を上昇させると、ＴＤＡの選択率を少し改善することができた。触媒Ａのみ用いると、高温及び低温の両方で高い選択率が達成された。

Claims (8)

1. 水素化触媒の存在下で芳香族ニトロ化合物を対応のアミンに水素化する方法であって、水素化触媒として、ニッケル及び白金が担体に合金の状態で施された触媒を使用し、合金中の白金に対するニッケルの原子比が３０：７０〜７０：３０の範囲であり、
   芳香族ニトロ化合物としてジニトロトルエンを用いることを特徴とする方法。
2. 合金中の白金に対するニッケルの原子比が４０：６０〜６０：４０の範囲である請求項１に記載の方法。
3. 合金中の白金に対するニッケルの原子比が４５：５５〜５５：４５の範囲である請求項１に記載の方法。
4. 触媒を、反応混合物に対して０．０１〜１０質量％の量で使用する請求項１に記載の方法。
5. 触媒を、反応混合物に対して０．１〜５質量％の量で使用する請求項１に記載の方法。
6. 触媒を、反応混合物に対して０．２〜２質量％の量で使用する請求項１に記載の方法。
7. 水素化を８０〜２５０℃の範囲の温度で行う請求項１に記載の方法。
8. 使用される触媒を、その触媒の充填限界で用いる請求項１に記載の方法。