JP4834217B2

JP4834217B2 - 複素環式ニトリルの製造法

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Publication number: JP4834217B2
Application number: JP2000376909A
Authority: JP
Inventors: 孝幸小路; 光秀松原; 学木村; 康博塩見
Original assignee: Koei Chemical Co Ltd
Current assignee: Koei Chemical Co Ltd
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2020-12-12
Also published as: JP2001233857A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複素環式カルボン酸又はそのエステルをアンモニアと反応させて複素環式ニトリルを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複素環式カルボン酸又はそのエステルをアンモニアと反応させて複素環式ニトリルを製造する方法としては、６−メチルニコチン酸エステルをオキシ塩化リンの存在下にアンモニアと反応させて２−メチル−５−シアノピリジンを製造する方法が知られている［Ｉｚｖ．Ａｋａｄ．Ｎａｕｋｋａｚ．ＳＳＲ，Ｓｅｒ．Ｋｈｉｍ．（１９７７），２７（５），８９−９０］。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来法によれば、２−メチル−５−シアノピリジンの収率が３５％であり、収率が低いという問題があった。
本発明は複素環式カルボン酸をアンモニアと反応させて複素環式ニトリルを製造する方法において、目的物を好収率及び好選択率で製造できる方法を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った。その結果、銅及び亜鉛から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物を含有する触媒を使用し、当該触媒の存在下に、複素環式カルボン酸又はそのエステルをアンモニアと気相接触反応させると、従来に比べて格段に高い収率で目的とする複素環式ニトリルを製造できることを見出した。
さらに本発明者らは、上記方法で製造した複素環式ニトリルを、水素化触媒及び酸の存在下、水性溶媒中で水素化すると、複素環式アルデヒドを効率よく製造できることも見出した。
本発明は、上記知見に基づき完成されたものである。
【０００５】
即ち本発明は、銅及び亜鉛から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物を含有する触媒の存在下、複素環式カルボン酸又はそのエステルをアンモニアと気相接触反応せしめることを特徴とする複素環式ニトリルの製造法に関する。
また本発明は、銅及び亜鉛から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物を含有する触媒の存在下、複素環式カルボン酸又はそのエステルをアンモニアと気相接触反応せしめて製造された複素環式ニトリルを、水素化触媒及び酸の存在下に水性溶媒中で水素化して複素環式アルデヒドを製造することを特徴とする複素環式アルデヒドの製造法に関する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の複素環式カルボン酸の製造法には、出発原料として複素環式カルボン酸又はそのエステル（以下、これらを総称して複素環式カルボン酸類という。）を使用する。本発明における複素環式カルボン酸とは、窒素原子、硫黄原子及び酸素原子からなる群より選ばれる少なくとも１種の原子を複素環の異項原子とし、該複素環の炭素原子に結合する少なくとも１個のカルボキシル基を有する化合物である。好ましい複素環式カルボン酸は、窒素原子を複素環の異項原子とする化合物であり、当該化合物における複素環としては、ピロール環、イミダゾール環、イミダゾリン環、ピラゾール環、ピリジン環、ピリミジン環、キノリン環、オキサジン環、ピラジン環、トリアジン環、アゼピン環等が挙げられる。特に好ましい複素環式カルボン酸は、ピリジンカルボン酸、ピラジンカルボン酸、ピリミジンカルボン酸等の１個又は２個の窒素原子のみを複素環の異項原子として有し、複素環の炭素原子に結合するカルボキシル基を１個有する含窒素複素環式カルボン酸である。なお、本発明において複素環式カルボン酸には、その酸無水物が包含される。
【０００７】
また複素環式カルボン酸のエステルとしては、上記複素環式カルボン酸のアルキルエステルを挙げることができる。当該エステルにおけるアルキル基は特に限定されないが、炭素数１〜４の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基が挙げられ、好ましくはメチル基及びエチル基である。
【０００８】
そして本発明においては、複素環式カルボン酸類をアンモニアと反応させて複素環式ニトリルを製造する際に、銅及び亜鉛から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物を含有する触媒を用いる。銅及び亜鉛から選ばれる少なくとも１種の酸化物とは、酸化銅、酸化亜鉛、銅及び亜鉛の複合酸化物又はこれらの混合物を意味する。好ましくは、銅及び亜鉛の酸化物を含有する触媒、即ち、酸化銅と酸化亜鉛の混合物、銅及び亜鉛の複合酸化物又はこれらの混合物を含有する触媒である。この銅及び亜鉛の酸化物を含有する触媒における銅と亜鉛の含有割合は、酸化銅と酸化亜鉛の割合に換算して、前者の重量に対する後者の重量比が０．０５〜９９．５、好ましくは０．２〜８．０である。なお本発明の触媒は、本発明の気相接触反応を阻害しない成分又は助触媒成分として、さらに銅、亜鉛以外の金属元素の酸化物を含有してもよい。銅、亜鉛以外の金属元素としては、具体的には、バリウム、クロム及びモリブデンが挙げられるが、これらに限定されない。
【０００９】
本発明の触媒を製造するには、従来公知の金属酸化物触媒の製造法を適用することができる。また市販の銅及び亜鉛から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物をそのまま触媒として使用することもできる。なお触媒は、粉末状、円柱状、円筒状、球状、粒状等、所望の形状に成形して本発明の気相接触反応に使用する。
【００１０】
本発明の触媒の製造原料として使用する銅及び亜鉛の化合物は特に制限されず、例えば、銅又は亜鉛のそれぞれの錯体、酢酸塩、炭酸塩、ハロゲン化物、水酸化物、硝酸塩、アンモニウム塩、リン酸塩、硫酸塩、蓚酸塩、乳酸塩、蟻酸塩及び酸化物等が挙げられる。
本発明においては、銅及び亜鉛から選ばれる少なくとも１種の元素の酸化物をそのまま触媒に使用することができるが、該酸化物を一般に触媒の担体として使用されている不活性な担体に担持した担持型触媒として使用することもできる。担体としては、ケイ素、チタン、ジルコニウム、アルミニウムの酸化物が挙げられるが、特に好ましくはケイ素の酸化物等が挙げられる。
【００１１】
本発明の気相接触反応は、本発明の触媒を存在せしめた反応器に、複素環式カルボン酸類及びアンモニアを供給して行われる。アンモニアの使用量は、複素環式カルボン酸類１モルに対して、通常１〜１００モル、好ましくは２〜２０モルである。
【００１２】
複素環式カルボン酸類が、例えば、ピリジンカルボン酸等のように高融点の化合物である場合には、これを適当な溶媒に溶解して使用するのが簡便な装置及び操作によって複素環式カルボン酸類を反応器へ安定して供給できるので好ましい。使用できる溶媒は複素環式カルボン酸類及びそのエステルの良溶媒であり、本発明の気相接触反応に安定な化合物であり、複素環式カルボン酸類、複素環式ニトリル及びアンモニアと反応しないものであれば特に制限はない。例えば、複素環式カルボン酸類がピリジンカルボン酸又はそのエステル等の含窒素複素環式カルボン酸又はそのエステルの場合には、水や、ピリジン、２−ピコリン、３−ピコリン及び４−ピコリン等のピリジン塩基類、トルエン及びキシレン等の芳香族炭化水素等を使用することができる。溶媒を使用するとき、その使用量は溶液中の複素環式カルボン酸類の濃度が、通常５〜７０重量％、好ましくは１０〜３０重量％となるようにする。
【００１３】
また本発明の気相接触反応には、さらに、窒素、ヘリウム、水蒸気などの不活性ガスを希釈剤として使用してもよく、好ましい希釈剤は窒素である。希釈剤を使用するとき、その使用量は複素環式カルボン酸類１モルに対して、通常０．１〜１００モル、好ましくは１〜４０モルである。
【００１４】
本発明の気相接触反応は、固定床反応器又は流動床反応器で実施することができる。固定床反応器を用いて実施する場合には、例えば、反応管に本発明の触媒を充填し、反応管の触媒充填部を、通常２５０〜５５０℃、好ましくは３００〜５００℃に昇温する。そして当該反応管の触媒充填部に複素環式カルボン酸類又は複素環式カルボン酸類を溶媒に溶解した溶液、アンモニア及び所望により希釈剤を供給して気相接触反応を行う。複素環式カルボン酸類の液空間速度（以下、ＬＨＳＶという。）は通常０．００１〜５．０ｇ／（ｍｌ触媒・ｈｒ）、好ましくは０．０１〜２．０ｇ／（ｍｌ触媒・ｈｒ）である。また、複素環式カルボン酸類、アンモニア並びに所望により使用する溶媒及び希釈剤からなる混合ガスの空間速度（以下、ＳＶという。）は、通常３０〜１００００ｈｒ^-1、好ましくは５０〜１０００ｈｒ^-1である。なお、反応は、常圧下、減圧下又は加圧下で実施することができる。
【００１５】
反応により生成する複素環式ニトリルの単離は例えば次のようにして行うことができる。先ず反応器から流出する反応生成ガスを、そのまま冷却及び／又は適当な溶媒に通じて、複素環式ニトリルを含有する凝縮物及び／又は溶液を得る。そして得られた凝縮物又は溶液から、濃縮、蒸留等の単位操作を組み合わせて複素環式カルボン酸類が単離できる。
【００１６】
本発明による複素環式アルデヒドの製造は、上記のようにして製造される複素環式ニトリルを、水素化触媒及び酸の存在下、水性溶媒中で水素化することにより行われる。
【００１７】
本発明における複素環式ニトリルの水素化を実施するには、複素環式ニトリル、酸、水性溶媒、水素化触媒及び所望ならば銅塩を反応器に仕込み、撹拝下、水素を導入しながら水素圧を１．０×１０⁵〜２．０×１０⁶Ｐａ、好ましくは５．０×１０⁵〜１．０×１０⁶Ｐａに保持して反応を行う。反応温度は、通常１０〜５０℃、好ましくは２０〜４０℃である。このようにして反応を行えば、水素の総吸収量が通常、理論量の約１．１倍を越えると水素の吸収速度が低下し始める。この時点で水素の導入を停止して反応を終了させる。
【００１８】
本発明における好ましい水素化触媒としては、ラネー触媒（例えば、ラネーニッケル触媒、ラネーコバルト触媒）、貴金属触媒（例えば、ルテニウム／カーボン、ロジウム／カーボン、白金／カーボン）が挙げられる。さらに、銅塩で処理した水素化触媒も使用することができ、これを用いれば、銅塩で処理されていない水素化触媒に比べて副生物の生成を抑制でき複素環式アルデヒドの収率を改善することができる。これらの中で、特に好ましい触媒は、ラネーニッケル触媒及びこれを銅塩で処理したものである。
【００１９】
水素化触媒を銅塩で処理する際、銅塩は通常溶液として用いられ、好ましい銅塩溶液は銅塩の水溶液である。銅塩としては、硫酸銅、水酸化銅、酢酸銅及びこれらの水和物が挙げられる。銅塩の使用量は、水素化触媒に対して１０〜８０ｗｔ％、好ましくは２０〜７０ｗｔ％である。銅塩で処理した水素化触媒は、種々の方法により容易に得ることができる。市販の水素化触媒を銅塩溶液中に分散、懸濁する方法の他、常法に従って触媒を調製する際に銅塩を添加する方法、水素化触媒を複素環式ニトリルの水素化を行なう前に反応の溶媒中で銅塩と作用させる方法等によって、本発明の銅塩で処理した水素化触媒を得ることができる。具体的には、例えば、水素化触媒を銅塩溶液中に分散、懸濁した後、懸濁液を静置して触媒を沈殿させ、上澄みをデカンテーションにより除去する。次いで残査に水を加えて撹拝し、静置してデカンテーションを行い触媒を洗浄する。この洗浄を数回繰り返せば、銅塩で処理した水素化触媒を容易に得ることができる。
【００２０】
なお、銅塩で処理していない水素化触媒を用い、銅塩を反応系にそのまま添加して水素化を行っても、銅塩で処理した水素化触媒を用いた場合と同様に副生物の生成を抑制でき複素環式アルデヒドの収率を改善することができる。
【００２１】
複素環式ニトリルの水素化における水素化触媒の使用量は、複素環式ニトリル１００重量部に対して、通常１〜５０重量部、好ましくは５〜３０重量部である。
【００２２】
本発明において酸は反応により生成するアンモニアを中和するために用いる。酸としては無機酸、有機酸のいずれも使用でき、無機酸としては、硫酸、リン酸等が、有機酸としては酢酸等が挙げられる。酸の使用量は本発明の方法により複素環式ニトリル１モルからアンモニア１モルが生成するため、このアンモニアを中和するに十分な量、即ち複素環式ニトリル１モルに対して１当量以上、好ましくは１〜３当量である。酸の使用量が、上記範囲よりも少ないとアンモニアの中和が不十分となり、アンモニアと複素環式アルデヒドが反応して収率が低下するため好ましくない。
【００２３】
本発明の方法において、反応には複素環式ニトリル１モルに対して水１モルが必要であることより、この量以上の水の存在下で反応を行なう。通常水を溶媒として使用して反応を行うが、その他水に可溶な溶剤中に上記反応に必要な量の水を添加したものを使用してもよい。水と可溶な溶剤としては、メタノール、エタノール等のアルコール類等を挙げることができる。水性溶媒、即ち、水又は水に可溶な溶剤に反応に必要な量の水を添加したものの使用量は、複素環式ニトリル１重量部に対して通常１〜１５重量部、好ましくは３〜１３重量部である。
【００２４】
複素環式アルデヒドの単離、精製は、上記反応によって得られた反応液を濾過して触媒を除去し、次いでろ液にアルカリを加えてほば中和にした後、抽出、蒸留することにより容易に行うことができる。
【００２５】
【実施例】
以下に実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明を実施例のみに限定するものではない。
なお、以下の実施例における転化率、収率及び選択率は、以下の定義に従って計算した。
【００２６】
【数１】

【００２７】
【数２】

【００２８】
【数３】

【００２９】
実施例１
触媒として銅及び亜鉛の酸化物［酸化銅／酸化亜鉛（重量比）＝３３／６５］のタブレット（６．４ｍｍ×３．２ｍｍ）を用いた。触媒１４．０ｍｌを内径１８ｍｍのパイレックス製反応管に充填し、反応管の触媒充填部を３２０℃に昇温した。この触媒充填部に６−メチルニコチン酸メチル１モルに対してトルエン４モルの割合の混合液を０．０７ｇ／分で、及びアンモニアを６．３ｍｌ／分（６−メチルニコチン酸メチル１モルに対して２モル）で供給した。反応管から流出する反応生成ガスを２５分間、エタノール１００ｍｌ中に通じ、反応生成ガス中の可溶性成分をエタノールに溶解した。得られた溶液をガスクロマトグラフィーで分析した。その結果、６−メチルニコチン酸メチルの転化率は８２．１％、２−メチル−５−シアノピリジンの収率は６７．９％、選択率は８２．７％及び２−ピコリンの収率は３．３％、選択率は４．１％であった。なお、トルエンの回収率は９３．７％であった。
【００３０】
実施例２
アンモニアの供給速度を１２．６ｍｌ／分（６−メチルニコチン酸メチル１モルに対して４モル）に代えた以外は実施例１と同様に行った。その結果、６−メチルニコチン酸メチルの転化率は９０．２％、２−メチル−５−シアノピリジンの収率は７８．１％、選択率は８６．６％及び２−ピコリンの収率は２．１％、選択率は２．４％であった。なお、トルエンの回収率は９３．３％であった。
【００３１】
実施例３
アンモニアの供給速度を２５．２ｍｌ／分（６−メチルニコチン酸メチル１モルに対して８モル）に代えた以外は実施例１と同様に行った。その結果、６−メチルニコチン酸メチルの転化率は９６．５％、２−メチル−５−シアノピリジンの収率は８３．９％、選択率は８６．９％及び２−ピコリンの収率は０％、選択率は０％であった。なお、トルエンの回収率は９１．６％であった。
実施例４
触媒として銅及び亜鉛の酸化物［酸化銅／酸化亜鉛（重量比）＝４２／４７］のタブレット（６．４ｍｍ×３．２ｍｍ）を用いた。触媒１４．０ｍｌを内径１８ｍｍのパイレックス製反応管に充填し、反応管の触媒充填部を３２０℃に昇温した。この触媒充填部に６−メチルニコチン酸メチル１モルに対してトルエン４モルの割合の混合液を０．０７ｇ／分で、及びアンモニアを１２．６ｍｌ／分（６−メチルニコチン酸メチル１モルに対して４モル）で供給した。反応管から流出する反応生成ガスを２５分間、エタノール１００ｍｌ中に通じ、反応生成ガス中の可溶性成分をエタノールに溶解した。得られた溶液をガスクロマトグラフィーで分析した。その結果、６−メチルニコチン酸メチルの転化率は９６．５％、２−メチル−５−シアノピリジンの収率は７９．３％、選択率は８２．２％及び２−ピコリンの収率は６．９％、選択率は７．２％であった。なお、トルエンの回収率は９５．０％であった。
【００３２】
実施例５
２−メチル−５−シアノピリジン５９．１ｇ（０．５０モル）、３０％硫酸水溶液２４５．０ｇ（硫酸として０．７５モル）、ラネーニッケル〔日興リカ（株）製触媒、商品名Ｒ−１０１〕５．９ｇ、及び、硫酸銅五水和物１．８ｇをオートクレーブに仕込み、導入管よりオートクレーブ内に水素を供給して水素圧０．７ＭＰａに保持しながら３５℃で反応を行った。水素の吸収量が理論量の１１０％に達したところで水素の供給を止めて反応を終了させた。反応時間は、４．５時間であった。得られた反応液から触媒を濾過し、濾液を高速液体クロマトグラフィーで分析した。その結果、２−メチル−５ピリジンカルバルデヒドの収率は８６．８％であり、２−メチル−５ピリジンメタノール、及び、２−メチル−５ピリジンメタンアミンの収率は、それぞれ１．８％、９．８％であった。２−メチル−５−シアノピリジンは確認されなかった。
【００３３】
実施例６
実施例５において硫酸銅五水和物の使用量を３．６ｇに代えた以外は、実施例５と同様に行った。反応時間は１５時間であった。その結果、２−メチル−５ピリジンカルバルデヒドの収率は８３．９％であり、２−メチル−５ピリジンメタノール及び２−メチル−５ピリジンメタンアミンの収率は、それぞれ３．２％、９．８％であった。２−メチル−５−シアノピリジンは確認されなかった。
【００３４】
実施例７
窒素雰囲気下、１重量％硫酸銅五水和物水溶液２５０ｇにラネーニッケル［日興リカ（株）製触媒、商品名Ｒ−１０１）８．３６ｇを加え室温で３０分撹拌した。その後この懸濁液を静置し、触媒を沈降させて上澄みを除去した。残渣に水１００ｍｌを加え、撹拌し、静置後上澄みを除去する方法で洗浄を行った。この洗浄操作を合計５回繰り返して銅塩溶液で処理したラネーニッケル触媒を得た。
２−メチル−５−シアノピリジン８３．６ｇ（０．７０モル）、２０％硫酸水溶液５１４．６ｇ（１．０５モル）及び前記銅塩溶液で処理したラネーニッケル触媒８．３６ｇをオートクレーブに仕込み、導入管を通じて水素を導入して水素圧を０．７ＭＰａに保ちながら、２５℃で反応を行った。水素の吸収量が理論量の１１２％に達したところで水素の供給を止めて反応を終了させた。反応時間は、９．５時間であった。得られた反応液から触媒を濾過し、濾液を高速液体クロマトグラフィーで分析した。その結果、２−メチル−５ピリジンカルバルデヒドの収率は８４．１％であり、２−メチル−５ピリジンメタノール及び２−メチル−５ピリジンメタンアミンの収率は、それぞれ０．５％、５．０％であった。２−メチル−５−シアノピリジンは確認されなかった。

Claims

銅及び亜鉛の酸化物を含有する触媒の存在下、複素環式カルボン酸又はそのエステルをアンモニアと気相接触反応せしめることを特徴とする複素環式ニトリルの製造法。
銅及び亜鉛の酸化物を含有する触媒における酸化銅に対する酸化亜鉛の重量比が０．０５〜９９．５である請求項１記載の方法。
銅及び亜鉛の酸化物を含有する触媒における酸化銅に対する酸化亜鉛の重量比が０．２〜８．０である請求項１記載の方法。
銅及び亜鉛の酸化物を含有する触媒の存在下、複素環式カルボン酸又はそのエステルをアンモニアと気相接触反応せしめて複素環式ニトリルを製造する工程と該複素環式ニトリルを水素化触媒及び酸の存在下に水性溶媒中で水素化して複素環式アルデヒドを製造する工程からなることを特徴とする複素環式アルデヒドの製造法。
水素化を銅塩の存在下で行う請求項４記載の方法。
水素化触媒がラネーニッケルである請求項４記載の方法。
ラネーニッケルが銅塩で処理したラネーニッケルである請求項６記載の方法。