JP5855106B2 - ε−カプロラクトン及び1,6−ヘキサンジオールの製造法 - Google Patents
ε−カプロラクトン及び1,6−ヘキサンジオールの製造法 Download PDFInfo
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Description
(a)DCLをアルコールでエステル化する工程、
(b)エステルを接触部分水素化する工程、
(c)1,6−ヘキサンジオールを塔頂生成物として蒸留分離する工程、並びに
(d)塔底留分中に含まれた6−ヒドロキシカプロン酸エステルをε−カプロラクトンへと、該ε−カプロラクトンの沸点より高い沸点を有するアルコールの存在下で環化する工程を包含する、1,6−ヘキサンジオール及び非常に純粋なε−カプロラクトンをジカルボン酸溶液(DCL)から製造する方法に関する。
(a)DCLをアルコールでエステル化する工程、
(b)エステルを接触部分水素化する工程、
(c)1,6−ヘキサンジオールを塔頂生成物として蒸留分離する工程、並びに
(d)塔底留分中に含まれた6−ヒドロキシカプロン酸エステルをε−カプロラクトンへと、該ε−カプロラクトンの沸点より高い沸点を有するアルコールの存在下で環化する工程を包含し、その際、工程(a)におけるエステル化のためにすでに該ε−カプロラクトンの沸点より高い沸点を有するアルコールを使用する、1,6−ヘキサンジオール及び非常に純粋なε−カプロラクトンをジカルボン酸溶液(DCL)から製造する方法に関する。
(a)DCLをアルコールでエステル化する工程、
(b)エステルを接触部分水素化する工程、
(c)1,6−ヘキサンジオールを塔頂生成物として蒸留分離する工程、並びに
(d)塔底留分中に含まれた6−ヒドロキシカプロン酸エステルをε−カプロラクトンへと、該ε−カプロラクトンの沸点より高い沸点を有するアルコールの存在下で環化する工程を包含し、その際、工程(b)での水素化及び/又は工程(c)での蒸留において、工程(a)からの場合により低沸点のエステル化アルコールを、水素化の際に生じる1,6−ヘキサンジオールによりエステル交換反応に従って置換することを可能にする条件下で実施する、1,6−ヘキサンジオール及び非常に純粋なε−カプロラクトンをジカルボン酸溶液(DCL)から製造する方法に関する。かかる条件は、例えば、工程(b)での水素化のための酸点又は塩基点を有する水素化触媒の使用、工程(c)の蒸留に際しての少量の酸又は塩基(蒸留段階(c)への供給部における少なくとも0.01の酸価若しくは塩基価)の存在、並びに/又は工程(b)の水素化及び/又は(c)の蒸留に際しての(少なくとも1ppmの量における)エステル交換触媒−例えばナトリウムメトキシド−の存在である。
H%=100*(EZR,V−EZR,N)/EZR,V
EZR,V:水素化前の反応混合物のエステル価
EZR,N:水素化後の反応混合物のエステル価
H%:水素化変換率
EZR=VZR−SZR
EZR:そのつどの反応混合物のエステル価
VZR:そのつどの反応混合物の鹸化価
SZR:そのつどの反応混合物の酸価
(i)酸化銅、酸化アルミニウム、及びランタン、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム又は鉄の酸化物の少なくとも1種を包含する酸化物材料を準備し、
(ii)酸化物材料に粉末状の金属銅、銅フレーク、粉末状のセメント、グラファイト又はそれらの混合物を添加し、かつ
(iii)工程(ii)から生じる混合物を成形体へと形作る
ことによって製造可能である触媒成形体を用いて実施される。
a)DCLをアルコールでエステル化する工程、
b)工程a)から得られたエステル混合物を接触部分水素化する工程、
c)工程b)から得られた水素化排出物を蒸留し、かつ該蒸留に際して1,6−ヘキサンジオールを含んだ塔頂生成物を分離する工程、並びに
d)工程c)の塔底留分からの6−ヒドロキシカプロン酸エステルを、使用される圧力範囲内でε−カプロラクトンの沸点より高い沸点を有する少なくとも1種のアルコールの存在下で環化する工程を包含し、その際、このアルコールは遊離しているか又は有利には塔底留分のエステルの構成成分としても結合して存在している、ジカルボン酸溶液(DCL)から1,6−ヘキサンジオール及びε−カプロラクトンを製造する方法に関する。
a)DCLをアルコールでエステル化する工程、
b)工程a)から得られたエステル混合物を接触部分水素化する工程、
c)工程b)から得られた水素化排出物を蒸留し、かつ該蒸留に際して1,6−ヘキサンジオールを含んだ塔頂生成物を分離する工程、並びに
d)工程c)の塔底留分からの6−ヒドロキシカプロン酸エステルを、使用される圧力範囲内でε−カプロラクトンの沸点より高い沸点を有する少なくとも1種のアルコールの存在下で環化する工程を包含し、その際、このアルコールは遊離しているか又は有利には塔底留分のエステルの構成成分としても存在しており、かつε−カプロラクトンの沸点より高い沸点を有するアルコールをすでにエステル化工程でエステル化アルコールとしてプロセスに導入する、ジカルボン酸溶液(DCL)から1,6−ヘキサンジオール及び非常に純粋なε−カプロラクトンを製造する方法に関する。
a)DCLを低沸点アルコールでエステル化する工程、
b)工程a)から得られたエステル混合物を接触部分水素化する工程、
c)工程b)から得られた水素化排出物を蒸留し、かつ該蒸留に際して1,6−ヘキサンジオールを含んだ塔頂生成物を分離する工程、並びに
d)工程c)の塔底留分からの6−ヒドロキシカプロン酸エステルを、使用される圧力範囲内でε−カプロラクトンの沸点より高い沸点を有する少なくとも1種のアルコールの存在下で環化する工程を包含し、その際、このアルコールは遊離しているか又は有利には塔底留分のエステルの構成成分としても結合して存在しており、かつ工程(b)での水素化及び/又は工程(c)での蒸留を、水素化の際に生じる1,6−ヘキサンジオールによりエステル交換反応に従って工程(a)からの比較的低沸点のエステル化アルコールの置換を可能にする条件下で実施する、ジカルボン酸溶液(DCL)から1,6−ヘキサンジオール及び非常に純粋なε−カプロラクトンを製造する方法に関する。かかる条件は、例えば、工程(b)での水素化のために酸点若しくは塩基点を有する水素化触媒の使用、少量の酸若しくは塩基の存在(蒸留段階(c)への供給部において少なくとも0.01、有利には0.01〜5の酸価若しくは塩基価)、並びに/又は工程(b)の水素化及び/若しくは工程(c)の蒸留に際してのエステル交換触媒の存在である。
I)シクロヘキサンを酸素又は酸素含有ガスで酸化して、シクロヘキサノール、シクロヘキサノン及び6個までの炭素原子を有するカルボン酸から成る混合物を得て、並びに
II)工程(I)に従って得られた反応混合物を水と反応させ、DCLを液状の二相反応混合物から分離する
ことによって得られる。
(i)酸化銅、酸化アルミニウム、及びランタン、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム又は鉄の酸化物の少なくとも1種を含有する酸化物材料を準備する工程、
(ii)工程(i)からの酸化物材料に粉末状の金属銅、銅フレーク、粉末状のセメント、グラファイト又は混合物を添加する工程、及び
(iii)工程(ii)から生じる混合物を成形体へと形作る工程
を包含する製造法によって得られる。
図は、本発明による方法を具体的に示す。用いたジカルボン酸溶液(DCL)を、有利には高沸点アルコール(ROH)、例えば1,6−ヘキサンジオール(HDO)と一緒に、かつ低沸点物(LS)及び水の分離下でエステル化し(工程(a))、引き続き水素(H2)の添加下で接触部分水素化する(工程(b))。次いで水素化排出物から、1,6−ヘキサンジオール(HDO)、低沸点物及び後のε−カプロラクトンの精製に際して妨げとなる1,2−シクロヘキサンジオールを分離する(工程(c))。そのようにして分離した1,6−シクロヘキサンジオールはさらに精製することができる。蒸留(工程(c))の塔底留分を、続く環化(工程(d))において、場合により環化触媒の添加後にさらに処理する。塔頂留分からε−カプロラクトン(CLO)を取得し、これは蒸留(工程(e))により低沸点物(LS)及び高沸点物の分離下でさらに非常に純粋なε−カプロラクトン(CLO)へと精製することができる。工程(d)の高沸点留分(HS)は、場合により水素化工程(b)に返送することができる。工程(b)及び/又は(c)からのアルコール含有留分の一部を、場合により更なる精製後に、工程(a)でのDCLのエステル化のために使用することができる。
例1:
1.ジカルボン酸−ヘキサンジオール混合物のブレンド
使用したジカルボン酸溶液(DCL)は、空気によるシクロヘキサンの酸化により発生した反応排出物の水抽出によって得ていた。エステル化のために使用した1,6−ヘキサンジオールを含有するジオール混合物は、オリゴエステル及びポリエステル水素化の水素化排出物から(ジオールと比べて)高沸点物及び低沸点物の蒸留分離によって製造した(ステップ4a及び4bを参照されたい)。なかでもアジピン酸(ADS、21.6質量%)、6−ヒドロキシカプロン酸(HCS、14.5質量%)及び水(48質量%)を含有し、部分的にオリゴマーの形の(オリゴヒドロキシカプロン酸、アジピン酸単位とヒドロキシカプロン酸単位とから成るオリゴマー)DCL(酸価:268mg KOH/g)209kgに、1,6−ヘキサンジオールを含有するジオール混合物94kgを添加した。このヘキサンジオールを含有するジオール混合物は、なかでも1,6−ヘキサンジオール(約83質量%)、1,5−ペンタンジオール(約8質量%)、並びに1,4−ブタンジオール、1,4−シクロヘキサンジオール及び1,2−シクロヘキサンジオール(それぞれ<2質量%)を含有していた。
ステップ1のDCL−ヘキサンジオール混合物を、連続的に蒸発器(脱水ステップ、150℃、周囲圧力)に275g/hの流量にて配量した。その際、水と低沸点成分を留去した(127g/h)。塔底排出物を、引き続き5段の撹拌槽カスケードに移し(180g/h、220℃、1〜1.4bar(絶対))、そこでほぼ完全な変換に達するまでエステル化を行った(酸価:6mg KOH/g、98%の変換率に相当)。エステルカスケードにおいて同様に低沸点成分を留去し(14g/h)、これを脱水プロセスに返送した。塔底排出物として、初めに供給していたカルボン酸誘導体とジオールのエステルを主として含有するオリゴマー混合物を得た(156g/h、供給流全体を基準とした質量収率57%、エステル価:348mg KOH/g)。
ステップ2のオリゴマーエステルに60ppmのナトリウムメトキシドを混ぜ、引き続き連続的にCu触媒上で水素化した。触媒はWO2007/6719の例3に従って製造かつ活性化した。
反応器系は、主反応器(管型反応器、400mL、触媒600g)と後反応器(管型反応器、100mL、触媒150g)から成っていた。水素化供給物は、ダウンフローモードで固定床触媒に通した。水素化の際に発生する熱を除去するために、主反応器は液体を循環させて操作し、後反応器はシングルパスで操作した。
水素化反応器は240℃及び255bar(H2)で600時間操作した。250g/hの供給量の場合(触媒負荷量:0.63kgL-1h-1、主反応器)、93%の変換率が達成された(エステル価:24mg KOH/g)。水素化排出物を引き続き容器中で周囲圧力に減圧し、かつ周囲温度に冷却した。1,6−ヘキサンジオールの含有率が71質量%である排出物が得られた。水素化は92%の収率で1,6−ヘキサンジオールを生じる形で行われた(該収率は、DCL中に存在し、水素化によって1,6−HDOを生ずることができるC6成分を基準とする:6−ヒドロキシカプロン酸、6−オキソカプロン酸(5−ホルミル吉草酸)、アジピン酸及びジヒドロムコン酸)。
1,6−ヘキサンジオールの含有率をガスクロマトグラフィーにより調べた:DB−5(Aglient J&W)、30m×0.2mm×1μm;温度プロファイル:60℃(5分)〜220℃(16℃/分、10分)〜260℃(20℃/分、21分)〜290℃(20℃/分、10分)。ジエチレングリコールジメチルエーテル(DEGDME)を内部標準として使用し、tR(DEGDME)=8.8分、40tR(1,6−ヘキサンジオール)=11.8分であった。
塔(DN50、内部構造物1m、織物充填物750m2/m3)が取り付けられた蒸留釜に、ステップ3の水素化排出物(38kg)を蒸留により分離した。50mbar及び178℃の塔底温度で、塔頂生成物32kgが得られ(還流比1:1)、これは81質量%の1,6−ヘキサンジオールを含有していた(それに加えて8質量%のペンタンジオール、2質量%の1,2−シクロヘキサンジオール、1.4質量%の1,4−シクロヘキサンジオール、その他7質量%)。さらに6kgの塔底生成物が生じ、これはガスクロマトグラフィーによれば33質量%の1,6−ヘキサンジオール、並びにアジピン酸エステル及びヒドロキシカプロン酸エステル(定量化しておらず)を含有していた。
塔(DN50、内部構造物1m、織物充填物750m2/m3)が取り付けられた蒸留釜に、ステップ4aの塔底排出物(1.7kg)を蒸留により濃縮した、その際、20mbar及び220℃の塔底温度(還流比17:1)で、95%を超えるヘキサンジオール割合を有する塔頂生成物0.54kgを得た。塔底生成物として、1.16kgの濃縮された高沸点物を得た。ガスクロマトグラフィーによれば、この流はさらに9%のヘキサンジオールを含有していた。
この流のメタノリシスによって組成をより精確に測定した:そのために、塔底排出物15gにメタノール150ml及びテトラ−n−ブチルチタネート0.05gを混ぜ、そして300mlのオートクレーブ中で170℃に6時間加熱した。1,6−ヘキサンジオール(HDO)、6−ヒドロキシカプロン酸メチルエステル(HCSMe)、アジピン酸ジメチルエステル(ADSDMe)、1,2−シクロヘキサンジオール(1,2−CHDO)及び1,4−シクロヘキサンジオール(1,4−CHDO)の含有量をガスクロマトグラフィーにより測定した(DB−5、30m×0.23mm×1μm、60℃(5分)〜220℃(16℃/分、10分)〜260℃(20℃/分、10分);内部標準としてジエチレングリコールジメチルエーテル、保持時間 1,2−CHDO:10.8分;1,4−CHDO:11.1分及び11.2分、HDO:11.5分;HCSMe:12.1分;ADSDMe:12.6分;DiHDO:19.2分)。それに従って、用いた試料は、22.7質量%のHDO、14.2質量%の6−ヒドロキシカプロン酸(HCS)、8.9質量%のアジピン酸(ADS)、0.6質量%の1,4−CHDO及び7.2質量%のDiHDOを含有していた。1.2−CHDOは、この留分中に検出されなかった。
ステップ4bで発生した塔底流(501g)を、蒸留塔の塔底容器中に加え(30cm、5×5mmのガラスラシヒリングで充填)、そして1gのテトラ−n−ブチルチタネートを混ぜた。30mbarで初めに180℃の塔底温度を調整し、該温度は蒸留期間の増大とともに連続的に270℃にまで高めた(還流比50:10)。以下の成分を含有する、198gの塔頂生成物を全体で得た:4質量%のペンタンジオール、1質量%のδ−バレロラクトン、1質量%の1,4−シクロヘキサンジオール、55質量%の1,6−ヘキサンジオール、30質量%のε−カプロラクトン。これは、用いた流中に含まれるヒドロキシカプロン酸単位を基準として97%のε−カプロラクトン収率に相当し、かつ用いたヘキサンジオール単位を基準として96%の1,6−ヘキサンジオール収率に相当する。留出分中で1,2−シクロヘキサンジオールは検出可能ではなかった。
塔底排出物として271gを得た。メタノリシスによれば(ステップ4bと同じ)、この排出物はさらに0.5質量%の1,6−ヘキサンジオール、0.4質量%のヒドロキシカプロン酸、13.9質量%のアジピン酸及び12.5質量%のビス−(6−ヒドロキシヘキシル)エーテルを含有していた。1,2−及び1.4−シクロヘキサンジオールはこの留分中で検出可能ではなかった。
ε−カプロラクトンを含有する、ステップ5で発生した留出物を、蒸留塔の塔底容器中に加えた(1m、5×5の金属ラシヒリングで充填)。混合を、10mbar及び145℃の塔底温度で実施した(還流比20:10)。前留出物(20質量%のε−カプロラクトン割合)30gの抜き出し後、主留分を150〜155℃の塔底温度で取り出した(41g、ε−カプロラクトン割合99.9%、残分バレロラクトン)。続けて蒸留を完了した。必要であれば、塔底中に残留していたヘキサンジオールを留去することが可能であった。
ヘキサンジオールでエステル化したDCL流からの環化
例1のステップ2と同じように取得したエステル混合物(メタノリシスによれば、0.2質量%の1,2−シクロヘキサンジオール、1.6質量%の1,4−シクロヘキサンジオール、45.4質量%のヘキサンジオール、17.7質量%の6−ヒドロキシカプロン酸等価物、20.0質量%のアジピン酸等価物)707gを、1mの蒸留塔(5×5mmのワイヤーメッシュ状リングで充填された)の塔底容器中に注入し、かつチタネートを添加せずに20mbar及び200〜246℃の塔底温度で蒸留した(還流比10:1)。以下の組成を有する留出物65gを得た:1.0質量%の1,2−シクロヘキサンジオール、5.4質量%の1,4−シクロヘキサンジオール、22質量%のヘキサンジオール、44質量%のカプロラクトン。それに加えて、さらに詳しくは同定しなかった一連の副生成物を検出した。
そのため、第一の蒸留ステップにおいては、用いた1,2−シクロヘキサンジオール46%、用いた1,4−シクロヘキサンジオール31%、ヘキサンジオール4%及びカプロラクトン26%を留去した。
残留していた塔底物に0.5gのテトラ−n−ブチルチタネートを加え、再び20mbar及び210〜255℃の塔底温度で蒸留した(還流比10:1)。その際、以下の組成を有する、154gの塔頂生成物を全体で得た:0.4質量%の1.2−シクロヘキサンジオール、2.1質量%の1,4−シクロヘキサンジオール、29質量%のヘキサンジオール、44質量%のカプロラクトン。それに加えて、さらに詳しくは同定しなかった一連の副生成物を検出した。
そのため、第二の蒸留ステップにおいては、1,2−シクロヘキサンジオール量44%、1,4−シクロヘキサンジオール量29%、ヘキサンジオール量14%及びカプロラクトン量63%を留去した。
つまり、この場合、カプロラクトンの高い純度を達成し得るように1,2−シクロヘキサンジオールを実際のカプロラクトン取得前に蒸留により分離することには成功しなかった。
Claims (16)
- 1,6−ヘキサンジオール及びε−カプロラクトンの製造法であって、
以下の工程:
a)DCLをアルコールでエステル化する工程、
b)工程a)から得られたエステル混合物を接触部分水素化する工程、
c)工程b)から得られた水素化排出物を蒸留し、かつ該蒸留に際して1,6−ヘキサンジオールを含んだ塔頂生成物を分離する工程、
d)工程c)の塔底留分からの6−ヒドロキシカプロン酸エステルを、使用される圧力範囲内でε−カプロラクトンの沸点より高い沸点を有する少なくとも1種のアルコール、その混合物又はかかるアルコールを含有する組成物の存在下で環化する工程、ここで、このアルコールは遊離しているか又は該塔底留分のエステルの構成成分としても結合している、並びに
e)ε−カプロラクトンを工程(d)の留出物から蒸留によって精製する工程
を包含し、その際、工程(d)での該環化を、二段以上の理論段数を有する塔を備えた装置において液相中で実施する、前記製造法。 - 工程(d)での前記6−ヒドロキシカプロン酸エステルの環化を、使用される圧力範囲内で前記ε−カプロラクトンの沸点より高い沸点を有する少なくとも1種のアルコールの存在下で
実施し、その際、このアルコールが前記塔底留分のエステルの構成成分として結合している、請求項1記載の方法。 - 工程(a)での前記エステル化を、10〜1500mbarの圧力範囲内でε−カプロラクトンより沸点が高いアルコール、その混合物又はかかるアルコールを含有する組成物を用いて実施する、請求項1又は2記載の方法。
- 工程(a)での前記エステル化のために使用されるアルコールが、多価アルコール、殊にジオールであることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
- 工程(b)の前記水素化排出物の一部を、アルコールを含有する組成物として、工程(a)での前記DCLのエステル化のために使用することを特徴とする、請求項3又は4記載の方法。
- 工程(c)での前記蒸留からの塔頂生成物として取得される、前記アルコールを含有する組成物の一部を、工程(a)での前記DCLのエステル化のために使用することを特徴とする、請求項3から5までのいずれか1項記載の方法。
- 1,6−ヘキサンジオールを、工程(a)での前記DCLのエステル化のために使用することを特徴とする、請求項3から6までのいずれか1項記載の方法。
- 工程(a)での前記エステル化を、10〜1500mbarの圧力範囲内でε−カプロラクトンの沸点より低い沸点を有するアルコール、その混合物又はかかるアルコールを含有する組成物を用いて実施し、並びに
工程(b)での前記水素化及び/又は工程(c)での前記蒸留を、前記水素化に際して生じる1,6−ヘキサンジオールによりエステル交換反応に従って工程(a)からの、より低い沸点の前記エステル化アルコールの置換を可能にする条件下で実施する、請求項1又は2記載の方法。 - 前記エステル交換反応を可能にする条件が、
酸点又は塩基点を有する水素化触媒の工程(b)での使用、
蒸留段階への供給部において少なくとも0.01の酸価若しくは塩基価を生じさせる量の工程(c)での酸又は塩基の存在、並びに/又は
少なくとも1ppmの供給量を基準とした量の工程(b)及び/又は(c)でのエステル交換触媒の存在である、請求項8記載の方法。 - 工程(b)での前記部分水素化を、40〜97%の範囲の水素化変換率が達成されるように調節する、請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。
- 前記DCLを、
I)シクロヘキサンを酸素又は酸素含有ガスで酸化して、シクロヘキサノール、シクロヘキサノン及び6個までの炭素原子を有するカルボン酸から成る混合物を得て、並びに
II)工程(I)に従って得られた反応混合物を水と反応させ、そして前記DCLを液状の二相反応混合物から分離する
ことによって取得する、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。 - 工程(c)の前記蒸留の塔頂留分からの前記1,6−ヘキサンジオールを蒸留によりさらに精製する、請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。
- 前記アルコールを含有する組成物が、少なくとも30質量%の割合で、前記相応するアルコールから成る、請求項1又は請求項3から12までのいずれか1項記載の方法。
- 工程(a)からの前記エステル化混合物の工程(b)での前記水素化を、触媒成形体の存在下に液相中で水素化し、その前駆体を、
(i)酸化銅、酸化アルミニウム、及びランタン、タングステン、モリブデン、チタン、ジルコニウム又は鉄の酸化物の少なくとも1種を含有する酸化物材料を準備し、
(ii)工程(i)からの該酸化物材料に粉末状の金属銅、銅フレーク、粉末状のセメント、グラファイト又は混合物を添加し、並びに
(iii)工程(ii)から生じる混合物を成形体へと形作る
ことによって得る、請求項1から13までのいずれか1項記載の方法。 - 工程(a)での前記エステル化を触媒の添加なしに実施する、請求項1から14までのいずれか1項記載の方法。
- 工程(c)で1,2−シクロヘキサンジオールを塔頂より分離する、請求項1から15までのいずれか1項記載の方法。
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