JP5419314B2 - ビスフェノールの製造方法 - Google Patents

Description

（技術分野）
本発明は、ビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶、その結晶の製造方法、およびビスフェノールの製造方法を提供する。

（背景技術）
ビス(４-ヒドロキシアリール)アルカン（以下、ビスフェノールという。）は、多くの市販製品を製造するための出発物質として、または中間体として重要である。ビスフェノールを、フェノールおよびカルボニル化合物の縮合により製造することができる。置換フェノールまたは未置換フェノールを使用することができる。

フェノールおよびアセトンの間の反応からの縮合生成物、２,２-ビス(４-ヒドロキシフェニル)プロパン（ビスフェノールＡ、ＢＰＡ）は、特に工業的に重要である。ＢＰＡは、様々な種類のポリマー物質、例えばポリアリール化物、ポリエーテルイミド、ポリスルホンおよび変性フェノール／ホルムアルデヒド樹脂を製造するための出発物質として使用される。好ましい適用領域は、エポキシ樹脂およびポリカーボネートの製造である。

フェノールとカルボニル化合物との酸触媒反応によるビスフェノールの製造方法は、例えば US-A 2 775 620 および EP-A-0 342 758 から知られている。
一般的な構造のビスフェノールを、ＢＰＡの製造に類似する方法により製造することができる。
ビスフェノールを、中間段階としてビスフェノールおよびフェノールの付加物を介して製造することができる。

（発明の開示）
（発明が解決しようとする技術的課題）
本発明は、先行技術と比較して改良したビスフェノールの製造方法を提供するという目的に基づく。本発明の方法は、特に高純度のビスフェノールを提供することに関する。

（その解決方法）
この目的は、
ａ）ビスフェノールおよびフェノールを含有する溶液の調製、および
ｂ）結晶化タンク、循環ポンプおよび冷却器を有する１つまたはそれ以上の結晶化装置内での連続結晶化
を含むビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法であって、
結晶化タンク内で結晶化される液体の滞留時間が、各段階で２〜１２時間であり、
結晶化を、それぞれ上記結晶化装置からなる２段階で行い、
最終結晶化段階における結晶化タンク内の温度が、４０〜７０℃であり、
第１の結晶化段階への流入物中のビスフェノール濃度が、１５〜４０質量％であり、最終結晶化段階からの流出物中において、母液中に溶解した形態のビスフェノール濃度が１０〜２０質量％であり、ビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の割合が２０〜３０質量％であり、
反応混合物とその中に含まれる付加物結晶との懸濁液を、最大１５０ワット／ｍ³のポンプエネルギーで循環させ、懸濁液を、循環冷却器の中を頂部から底部へ、１〜５ｍ／秒の速度で通過させる方法により達成される。
従って本発明は、この方法を提供する。

さらに本発明の目的は、本発明の方法によりビスフェノールおよびフェノールの付加物を製造し、そのビスフェノールおよびフェノールの付加物からビスフェノールを得ることを含むビスフェノールの製造方法により達成される。
従って本発明は、この方法も提供する。
さらに本発明は、本発明の方法により得ることができるビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶を提供する。

（発明を実施するための形態）
本発明の方法を、最終結晶化段階における結晶化タンク内の温度が、４０〜７０℃、好ましくは４０〜５０℃、特に４０〜４３℃であるように行う。
本発明の方法を、第１の結晶化段階への流入物中のビスフェノール濃度が、１５〜４０質量％、好ましくは１５〜３５質量％、特に２５〜３５質量％であるように行う。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法の結果として、この結晶は、先行技術において開示されていない形態および純度で得られる。
本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法は、多くの利点を有する。非常に高品質のビスフェノールを生ずる結晶が得られ、これを、フェノールの濾過および除去後にさらなる精製無しで、高品質の二次製品、例えばポリカーボネート、エポキシ樹脂、ホルムアルデヒド樹脂などを製造するために使用することができる。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法、従って本発明のビスフェノールの製造方法は、以下の利点も有する。該製造方法は、ビスフェノールおよびフェノールの付加物並びにビスフェノールを、高品質ポリカーボネートのために適するビスフェノールを製造するために通常必要なさらなる精製工程を回避することができるような高純度で提供する。かかる通常必要なさらなる精製工程とは、例えば追加の結晶化工程または追加の蒸留工程である。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶は、多くの利点を有する。該結晶は、容易に濾過することができ、高純度を有する。該結晶は、含まれる不純物の濃度が低い。それゆえビスフェノールおよびフェノールの付加物は、濾過による結晶の分離後に高純度で得られる。

ビスフェノールを、本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶から回収する場合、これは、新規で有利なビスフェノールの製造方法を提供する。
本発明は、多くの利点を有する。本発明の方法は、単純であり、原価効率が良い。追加の精製工程は必要ではない。本発明の生成物は、低い色指数、高い貯蔵安定性および高い熱安定性で示される高品質により特徴づけられる。

あらゆるビスフェノールを、本発明により使用することができる。
本発明にとって好ましいビスフェノールは、ビスフェノールＡである。
あらゆるフェノールを、本発明により使用することができる。
本発明にとって好ましいフェノールは、未置換フェノールである。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法を、好ましくは１〜５段階、特に好ましくは１〜３段階、まさに好ましくは２段階で行う。第１の段階において、好ましくは１００℃未満、より好ましくは７０℃未満の温度を使用し、最後の段階において、好ましくは７０℃未満、特に好ましくは５０℃未満、まさに好ましくは４３℃未満の温度を使用する。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、好ましくは、循環結晶化法を行う。各結晶器段階を、処理量に対して好ましくは２０〜４０倍、特に好ましくは２５〜３５倍、特に３０倍の循環速度で運転する。本発明にとって結晶器段階とは、結晶化タンク、循環ポンプおよび冷却器を有する結晶化装置であることを意味する。循環速度は、時間単位あたりの循環ポンプを通じて運ばれる量を、時間単位あたりの結晶化のために供給される全量により割った値として定められる。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において好ましくは、結晶器内の循環流を、結晶器の底部で接線方向に供給し、結晶器の頭部で中央から取り出すように実施する。
本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、反応混合物が、結晶化前に好ましくは８０℃未満の温度、特に好ましくは７５℃、特に７０℃未満の温度に冷却されるように実施する。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、それから付加物が結晶化される反応混合物を、好ましくは結晶器の直接上流の循環流に混合する。
本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、結晶器タンクでの上昇流速が、０.５〜４ｍ／分、特に好ましくは２〜３ｍ／分、まさに好ましくは約３ｍ／分であるように進行させる。上昇流速は、底部から頂部へ移動する結晶化タンク内の液体の平均速度である。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、結晶化タンクを、好ましくはそれが液体で充満しているように運転する。
本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、循環ポンプを、好ましくは結晶化タンクの上に配置する。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、反応混合物とその中に含まれる付加物との懸濁液を、好ましくは最大１５０ワット／ｍ^３、特に好ましくは最大１００ワット／ｍ^３の特定ポンプエネルギーで循環させる。
本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、懸濁液は、好ましくは循環冷却器を通って頂部から底部へ、好ましくは１〜５ｍ／秒、特に好ましくは２〜４ｍ／秒、まさに好ましくは２.８〜３.２ｍ／秒の速度で通過する。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、循環冷却器は、好ましくは電解研磨された管を有し、その管の中を懸濁液が循環する。懸濁液と接触するこの電解研磨管の表面は、好ましくは１.５μｍ未満、特に好ましくは１μｍ未満の粗さしか有さない。これは、少量の付着物しかその表面上に形成されないので、長い運転時間が循環冷却器のために達成されるという利点を有する。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、循環冷却器を、好ましくは冷却媒体として定温の温水を使用して運転する。この場合、定温の温水および冷却される懸濁液の間の温度差は、特に好ましくは２〜６Ｋ、まさに好ましくは３〜４Ｋである。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、被膜を、好ましくは循環冷却器内の懸濁液移送管の内面から、好ましくは４０日の定期的間隔で約８０℃に急速加熱することにより除去する。この被膜は、例えばビスフェノール並びにビスフェノールおよびフェノールの付加物からなる。

本発明のビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法において、結晶器および連結した周囲装置を、好ましくは４０〜３００日の定期的間隔で、循環サイクルを運転し続けて好ましくは８０℃に加熱することにより、洗浄する。
本発明の好ましいビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法は、ビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶が、反応混合物を冷却することにより得られる懸濁液結晶化である。

本発明のＢＰＡの製造方法は、好ましくはフェノールとアセトンとの酸触媒反応に基づく。その反応において、５：１を超えるフェノール：アセトンの量比を、好ましくは使用する。均一または不均一ブレンステッド酸またはルイス酸、即ち例えば、塩酸または硫酸のような強鉱酸を、酸性触媒として使用する。ゲル状またはマクロポーラススルホン化架橋ポリスチレン樹脂（酸性イオン交換体）を、好ましくは使用する。以下に記載する詳細は、酸性イオン交換体を触媒として使用する製造方法に関する。

高い選択率を得るために、フェノールとアセトンとの反応を、助触媒として適当なメルカプト化合物の存在下で行うことができる。これらを、反応溶液に均一に溶解させるか、またはスルホン化ポリスチレンマトリックスにイオン結合または共有結合を介して固定することができる。反応装置は、好ましくは、上方または下方に横切る固定層または流動層、あるいは反応蒸留カラム型のカラムである。

酸性触媒および助触媒としてのメルカプト化合物の存在下におけるフェノールとアセトンとの反応中に、未反応フェノールおよび場合によりアセトンに加えて、主としてＢＰＡおよび水を含有する生成物混合物が生ずる。さらに、縮合反応の典型的な二次生成物、例えば２-(４-ヒドロキシフェニル)-２-(２-ヒドロキシフェニル)プロパン（ｏ,ｐ-ＢＰＡ）、置換インデン、ヒドロキシフェニルインダノール、ヒドロキシフェニルクロマン、置換キサンテンおよび３つまたはそれ以上のフェニル環を分子構造中に有する高級縮合化合物も、少量で存在する。

記載した二次生成物（例えばまた水）、フェノールおよびアセトンは、ポリマーを製造するためのＢＰＡの適性を損なう場合があり、それらを、好ましくは適当な方法により分離する。純度に関して高度な仕様が、通常、原料ＢＰＡのために要求され、特にポリカーボネートを製造するときに要求される。

ＢＰＡの処理および精製は、適当な精製法、例えば懸濁液結晶化、溶融物結晶化、蒸留および脱着の多段階カスケードにより通常行われる。好ましい実施態様においてＢＰＡ／フェノール付加物が晶出する場合に、ＢＰＡを、フェノールとのほぼ等モルの結晶質付加物の形態の反応混合物から、その反応混合物を冷却することにより分離する。結晶化法を、好ましくは懸濁液結晶化として行う。懸濁液結晶化とは、冷却による液体からの結晶化を意味し、結晶は、液体と懸濁液を形成する。次いでＢＰＡ／フェノール付加物結晶を、固／液分離のために適当な装置、例えばロータリーフィルターまたは遠心機を使用して液相から分離し、必要な場合さらなる精製にかける。こうして、二次成分に対して典型的に９９質量％を超えるＢＰＡ純度を有する付加物結晶（これは、約４０質量％のフェノール含有量を有する。）が得られる。付加物結晶の表面に付着する不純物を、アセトン、水、フェノール、ＢＰＡおよび二次成分の群からの１つまたはそれ以上の成分を典型的に含有する適当な溶液で洗浄することにより除去することができる。

固／液分離の間に生ずる液体（母液）の流れは、フェノール、ＢＰＡ、反応中に生ずる水および未反応アセトンを含有し、ＢＰＡ製造中に典型的に生ずる二次成分で富んでいる。好ましい実施態様においてこの母液を、反応装置に再循環させる。酸性イオン交換体の触媒活性を維持するために、生ずる水を、好ましくは蒸留により最初に除去し、なお存在するアセトンも、任意に母液から除去する。このようにして得られる脱水反応流を、好ましくはフェノールおよびアセトンでつぎ足し、反応装置に戻す。代わりに水およびアセトンを、ＢＰＡ／フェノール付加物の懸濁液結晶化を行う前に、蒸留により部分的または完全に除去することもできる。上記の蒸留工程中に、反応溶液中に存在するフェノールのいくらかも、蒸留により除去され得る。

この種の循環手順の場合における問題は、ＢＰＡの製造からの二次生成物が、循環流中に蓄積し、触媒系の失活につながり得ることである。循環流中における二次成分の過剰の蓄積を回避するために、いくらかの循環流を、場合によりフェノールの蒸留による部分または完全回収の後に、好ましくはプロセス連鎖からＢＰＡ樹脂として排除する。

さらに、循環流のいくらかまたは全量を、固／液分離の後並びに水および残留アセトンの除去前または除去後に、酸性イオン交換体で充填した再配列装置に通すことが有利である。この装置は、反応装置より高い温度で一般に運転する。この再配列装置内において、その中に存在する条件下で、循環流中に存在するＢＰＡ製造からの二次成分のいくらかは、異性化してＢＰＡを生ずる。そうして、ＢＰＡの全体収率が向上し得る。

上記のような反応溶液の懸濁液結晶化および固／液分離の完了後に得られるＢＰＡ／フェノール付加物結晶を、必要な場合、次いでさらなる精製工程に付し、その中で、ほとんどのフェノールが除去される。
付加物結晶を、例えばフェノール、有機溶媒、水または懸濁液結晶化手順で記載した化合物混合物から、懸濁液結晶化手順に従い再結晶することができる。付加物結晶中に存在するフェノールも、適当な溶媒を選択することにより完全または部分的に除去することができる。場合により再結晶後にＢＰＡ中に残るフェノールを、次いで適当な蒸留、脱着または抽出手順により完全に除去することができる。

別法では、フェノールを、付加物結晶から最初に除去することもできる。このために好ましい方法は、熱不活性ガスを使用する溶融物の脱着、減圧蒸留または記載した方法の組合せである。このようにして、１００ｐｐｍ未満の残留フェノール濃度しか有さないＢＰＡを付加物結晶から得ることができる。適当な反応管理および任意に安定剤を添加することにより、蒸留または脱着によるフェノールの除去中に受ける熱応力下で、ＢＰＡが著しい程度で分解しないように確保することができる。

反応溶液からの懸濁液結晶化のためのプロセス条件に依存して、および固／液分離および結晶洗浄を行う場合、付加物結晶からフェノールを除去した後に得られるＢＰＡは、ポリマー物質を製造するために適している。特にポリカーボネートのような高品質物質を製造するために、フェノールの除去後に得られるＢＰＡを、さらなる精製操作にかけることが必要な場合がある。最終精製を、水または適当な有機溶媒からの懸濁液結晶化、静的または動的層結晶化の形態の溶融物結晶化、水、中性、酸性若しくは塩基性塩水溶液または適当な有機溶媒を用いる抽出、あるいは単一段階または多段階形態の蒸留により行うことができる。記載した精製操作またはそれらの組合せを行うことにより、９９．５質量％を超える純度を有するＢＰＡを得ることができる。このＢＰＡは、高品質ポリマー物質を製造するために特に適している。

以下で本発明の好ましい実施態様を、流れ図（図１）を使用して説明する。本発明は、この好ましい実施態様に制限されない。
図１は、ビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶を製造する２段階装置を示す。ビスフェノールおよびフェノールを含有する反応混合物の該装置への供給は、管１を介して行われる。これは管２に通じており、この管２が、熱交換器３から第１の結晶化タンク４に循環流を供給する。こうしてこの懸濁液を、結晶化タンクの底部で接線方向に供給する。反応混合物とビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶との懸濁液を、結晶化タンクの頭部で側方に引き出し、管５を通り、循環ポンプ６を介して熱交換器３に供給する。この懸濁液を、第１の結晶化タンクから管７を介して取り出し、第２の結晶化タンク８、第２の熱交換器９および第２の循環ポンプ１０からなる第２の結晶化段階に供給する。最後にこの懸濁液を、さらなる処理のために、第２の結晶化タンク８から管１１を介して取り出す。

（実施例）
以下で本発明を、実施例により説明する。本発明は、これに制限されない。
実施例１（本発明）
ＢＰＡを処理および精製するために、ＢＰＡの製造からの反応混合物を、図１に従う懸濁液結晶化装置に供給した。この目的のために、２段階結晶化を行った。これを、第１段階において５６℃で、次いで第２段階で４１℃で開始させた。その中で結晶化される反応溶液のビスフェノール含有量は３０％であった。約７０℃の反応混合物を、結晶化タンクの直接上流の循環流中に混合し、約３ｍ／分の上昇流速を、結晶化タンク内で維持した。

循環結晶化を、１結晶器段階につき（処理量に対し）３０倍の循環速度で運転し、循環流を、結晶化タンクの底部で接線方向に供給し、結晶化タンクの頭部で中央から取り出した。
循環冷却器に、頂部から底部へ３ｍ／秒の速度で電解研磨管（利点：冷却用表面上に付着物が少量でのみ存在することによる、結晶器／循環冷却器の長い運転時間）（表面粗さ：１μｍ）を通して供給した。冷却器を、定温の温水で運転した。生成物側との最大温度差は、３〜４Ｋであった。

循環ポンプを、循環冷却器に対し上流の結晶化タンクの上に配置し、懸濁液の最大１００ワット／ｍ³の特定ポンプエネルギーで運転した。
最終混合結晶懸濁液を、４時間の全滞留時間後に結晶化タンクの頭部で側方に引き出した。

ＢＰＡおよびＢＰＡ／フェノール被膜を除去するために、冷却管の内面を、定期的間隔で８０℃に急速に加熱することにより洗浄し、全結晶器系を、定期的間隔で生成内容物を加熱し、循環サイクルを運転し続けることにより洗浄した。
高純度のビスフェノールＡ／フェノール付加物結晶を、この種の結晶化により得ることができる。

フェノールの濾過および分離後、純度９９．５％および色指数２０ヘーズを有するビスフェノールＡが得られた。ヘーズ色指数は、ＡＰＨＡ標準比色溶液と比較することにより視覚的に決定した。その値は、同じ膜厚を有する試料と同じ色を有する、白金のｍｇ数である（塩酸水溶液１０００ｍｌ中に１．２４６：１の比で溶解しているヘキサクロロ白金(IV)酸カリウムと塩化コバルト(II)六水和物として）。

このようにして製造したビスフェノールＡは、通常の方法により反応させて、高純度のポリカーボネートを与えることができる。ナトリウムビスフェノラートの１４％濃度の水溶液を、実施例１で得られたビスフェノールＡ試料（純度＞９９．５％、色指数：２０ヘーズ）から、酸素を排除して水酸化ナトリウム（水中６．５％）を添加することにより製造した。この溶液を、ホスゲンおよびフェノールと相界面法で反応させた。処理後、相対溶液粘度１．２９７を有するポリカーボネートが得られた。該ポリカーボネートのＹＩ（黄色度指数）は２．３であり、光透過率（ASTM D 1003）は８７．８８であった。
黄色度指数ＹＩを ASTM D 1925 に従い、透過率を ASTM D 1003 に従い測定した。相対溶液粘度を、２５℃でジクロロメタン中の１Ｌあたりポリマー５ｇを含有する溶液を使用して測定した。

実施例２（比較例）
ＢＰＡを処理および精製するために、ＢＰＡの製造からの反応混合物を、図１に従う懸濁液結晶化装置に供給した。この目的のために、２段階結晶化を行った。これを、第１段階において５６℃で、次いで第２段階で４１℃で開始させた。その中で結晶化される反応溶液のビスフェノール含有量は３０％であった。約７０℃の反応混合物を、結晶化タンクの直接上流の循環流中に混合し、約３ｍ／分の上昇流速を、結晶化タンク内で維持した。

循環結晶化を、１結晶器段階につき（処理量に対し）５倍の循環速度で運転し、循環流を、結晶化タンクの底部で接線方向に供給し、結晶化タンクの頭部で中央から取り出した。
循環冷却器に、頂部から底部へ０.５ｍ／秒の速度で非電解研磨管を通して供給した。冷却器を、定温の温水で運転した。生成物側との最大温度差は、３〜４Ｋであった。

循環ポンプを、循環冷却器に対し上流の結晶化タンクの上に配置し、懸濁液の最大５０ワット／ｍ³の特定ポンプエネルギーで運転した。
最終混合結晶懸濁液を、４時間の全滞留時間後に結晶化タンクの頭部で側方に引き出した。
ＢＰＡおよびＢＰＡ／フェノール被膜を除去するために、冷却管の内面を、短い間隔で８０℃に急速に加熱することにより洗浄する必要があった。全結晶器系を、短い間隔（１週間）で生成内容物を加熱し、循環サイクルを運転し続けることにより洗浄する必要があった。

このようにして得られたビスフェノールＡ／フェノール付加物結晶からのフェノールの濾過および分離後、純度９９．３％および色指数５０ヘーズを有するビスフェノールＡが得られた。このようにして得られたビスフェノールＡでは、通常の方法により加工して最高純度のポリカーボネートを得ることはできない。
ナトリウムビスフェノラートの１４％濃度の水溶液を、比較例２で得られたビスフェノールＡ試料（純度：９９．３％、色指数：５０ヘーズ）から、酸素を排除して水酸化ナトリウム（水中６．５％）を添加することにより製造した。この溶液を、ホスゲンおよびフェノールと相界面法で反応させた。処理後、相対溶液粘度１．２９７を有するポリカーボネートが得られた。該ポリカーボネートのＹＩ（黄色度指数）は３．１であり、光透過率（ASTM D 1003）は８７．３６％であった。
ＹＩは、実施例１で記載したのと同じ方法で測定した。

Claims (2)

1. ａ）ビスフェノールおよびフェノールを含有する溶液の調製、および
   ｂ）結晶化タンク、循環ポンプおよび冷却器を有する１つまたはそれ以上の結晶化装置内での連続結晶化
   を含むビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の製造方法であって、
   結晶化タンク内で結晶化される液体の滞留時間が、各段階で２〜１２時間であり、
   結晶化を、それぞれ上記結晶化装置からなる２段階で行い、
   最終結晶化段階における結晶化タンク内の温度が、４０〜７０℃であり、
   第１の結晶化段階への流入物中のビスフェノール濃度が、１５〜４０質量％であり、最終結晶化段階からの流出物中において、母液中に溶解した形態のビスフェノール濃度が１０〜２０質量％であり、ビスフェノールおよびフェノールの付加物結晶の割合が２０〜３０質量％であり、
   反応混合物とその中に含まれる付加物結晶との懸濁液を、最大１５０ワット／ｍ³のポンプエネルギーで循環させ、懸濁液を、循環冷却器の中を頂部から底部へ、１〜５ｍ／秒の速度で通過させる方法。
   
2. ビスフェノールが、ビスフェノールＡであり、フェノールが、未置換フェノールである請求項１に記載の方法。

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