JP5973574B2 - アルコキシル化ピペラジン化合物の改良した製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、モノ−及びジ−アルコキシル化ピペラジン化合物、特にジヒドロキシエチルピペラジンの改良された製造方法に関する。前記改良は、アルコキシル化ピペラジン化合物の発色及び発泡の一因となる、望ましくないグリコールエーテル副生成物の濃度を減じる。

本発明は、アルキレンオキシド及びピペラジン化合物からのモノ−及び／又はジ−アルコキシル化ピペラジン化合物の製造に関する。それらアルコキシル化ピペラジン化合物の一般的な副生成物はグリコールエーテル副生成物を含む。既知の望ましくないグリコールエーテル副生成物については、例えば、二酸化炭素の添加によるモノ−、ジ−、及びトリエタノールアミンの製造でエトキシル化又はグリコールエーテルアミン副生成物の低減を開示する米国特許第５，３３４，７６３号明細書及び米国特許第５，３９５，９７３号明細書を参照されたい。

それらの副生成物は、例えば硬い表面の洗浄、腐食抑制などのような用途に使用する間における、不要な色及び／又は発泡の一因となる。そのような副生成物はまた、モノ−及び／又はジ−アルコキシル化ピペラジン化合物の一定の商業的使用において望ましくないため、良好な（例えば薄い）色及び弱い発泡傾向を有するモノ−及び／又はジ−アルコキシル化ピペラジン化合物の製造方法を有することが望ましい。

本発明は、望ましくないグリコールエーテル副生成物が形成されるアルキレンオキシドとピペラジン化合物との反応より、アルコキシル化ピペラジン化合物を製造する方法及び条件の改良であって、その改良は、ピペラジン化合物、好ましくは１〜７０％のピペラジン化合物を含む水溶液を含む反応混合物へ酸を添加し、その後に反応器にアルキレンオキシドを添加することを含み、前記アルコキシル化ピペラジン化合物が調製される。

本明細書で上記定義するように改良された方法において好ましくは、前記酸が前記水溶液の総質量に基づいて０．００１〜５質量％の量で存在する。

本明細書で上記定義するように改良された方法において好ましくは、前記酸が１３以下のｐＫａを有する鉱酸又は有機酸である。

本明細書で上記定義するように改良された方法において好ましくは、前記酸がリン酸、硫酸、塩酸、ホウ酸、硝酸、カルボン酸、フェノール、フェノール誘導体、又はアルコールである。

本明細書で上記定義するように改良された方法において好ましくは、前記アルキレンオキシドがエチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド、又はエピクロロヒドリンである。

本明細書で上記定義するように改良された方法において好ましくは、前記アルキレンオキシドが、ピペラジン化合物の量に基づく各ＮＨに対するアルキレンオキシドが０．５〜２．５モル当量となる量で、存在する。

本明細書で上記定義するように改良された方法において好ましくは、前記方法が２５０℃未満の反応温度で行われる。

本明細書で上記定義するように改良された方法において好ましくは、前記酸をジヒドロキシエチルピペラジン化合物の製造方法において前記反応器に添加する。

本発明は、モノ−及び／又はジ−アルコキシル化ピペラジン化合物の製造方法及び製造条件において、グリコールエーテルが望ましくない副生成物として形成され、少なくともそれら望ましくない副生成物の濃度が、微小量であっても酸を反応器に添加することにより減少し又はそのような副生成物が実質的になくなり、そのようなモノ−及び／又はジ−アルコキシル化ピペラジン化合物が調製されるという発見に基づいている。

本発明において、ピペラジン化合物は、式：

［式中、
Ｒ、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５、Ｒ^６、Ｒ^７、Ｒ^８、及びＲ^９は、各々独立して水素、アルキル基、アリール基、ｎが０〜８の整数である−（ＣＨ_２−ＣＨ_２−Ｏ）_ｎ−Ｈ、ヒドロキシアルキル基、窒素が５又は６員環の一部であり得るアミノアルキル基、第四級アンモニウム含有アルキレン基、カルボン酸及び／若しくはその塩、又はスルホン酸及び／若しくはその塩であり、好ましくはＲ ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、及びＲ^４が全て水素であり、Ｒ及びＲ^１の少なくとも一つが水素であることを条件とする。］で表すことができる。

好適なアルキレンオキシドは置換オキシランであり、式：

［式中、
Ｒ_１０、Ｒ_１１、Ｒ_１２、及びＲ_１３は、独立に水素、ハロゲン、アルキル、ハロゲン化アルキル、フェニル、ハロゲン化フェニル、アリール、アルカリール、アルキレンで架橋された芳香族エーテル部分、又は複素環式多価基である。］で表される。好ましいアルキレンオキシドは、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド、エピクロロヒドリン、スチレンオキシド、又はフェニルグリシジルエーテルである。

上述の発見に関連して、（アルキレンオキシド及びピペラジン化合物からの）アルコキシル化ピペラジン化合物の製造に関して、アルコキシル化ピペラジン副生成物が、我々が考えるところでは、下記に記載のピペラジンとエチレンオキシドとの反応機構に従い、第四級ピペラジンアルコキシドイオン対中間体を通じて形成されることが見出された。対応する第四級ピペラジンアルコキシドイオン対は、エチレンオキシド以外のアルキレンオキシド、例えばプロピレンオキシド、ブチレンオキシドなどを使用する他のアルコキシル化ピペラジン化合物の製造においても、形成すると考えられている（又は特定の反応温度及び反応条件下で形成する能力がある）。

最も好ましい用途はジヒドロキシエチルピペラジンの製造であり、この最も好ましい用途と関連して本発明を以下記述し、例示するが、それでも当業者は他のアルコキシル化ピペラジン化合物の方法に本発明を採用することが良好にできるであろう。ジヒドロキシエチルピペラジンの製造において、エトキシル化ピペラジン副生成物となる第四級ピペラジン前駆体は、約１５０℃以下の反応温度で安定であり、そのような温度で行われる方法において本発明は最も有用である。第四級アンモニウム前駆体は、約１５０℃〜最大約２５０℃の反応温度を伴う方法において不安定であり、それ故にエトキシル化ピペラジンの形成という点においてそれほど問題が無い。

しかし、本発明の主な利点は、エチレンオキシドとピペラジン化合物との反応を、副生成物としてのグリコールエーテル濃度を著しく減少させて又はそれらを実質的になくして進行させることである。

第四級ピペラジン前駆体は実質、次のように形成されると考えられている：

第四級ピペラジンイオン対とエチレンオキシドとの反応は種々のグリコールエーテルアルコキシドの形成へと導く。酸が存在しない場合、第四級ピペラジン前駆体は、次のようにエチレングリコールを含む一又は複数のグリコールエーテル副生成物（集合的に重量物と称す）を形成する場合がある。機構２の反応は、いずれの又は全ての可能性あるグリコールエーテル副生成物生成反応を包含することを意図してはいない。

ピペラジン化合物の過アルコキシル化が発泡に繋がることが示されている。我々の研究から、アルコキシル化物より生じた重量物もまた、発泡に顕著に寄与し、アルコキシル化物の濃度が高まるほど、発泡も多くなることが見出されている。発泡は、様々な工程及び最終用途での問題を生じ、例えばポンプ効率の低下（すなわち空洞現象）、ポンプ及び貯蔵槽の容量の減少、細菌の増殖、汚れの浮遊、汚れの堆積物の形成、流体溶液の効果減少、タンク洗浄のための稼働停止時間、排液の篩過及び濾過における問題、不完全さに起因する材料の廃棄コスト、などが挙げられる。本発明の方法の改良は、アルコキシル化物の形成を原因とするアルコキシル化ピペラジン化合物の発泡を減少させる及び／又はなくす。

本発明の方法において、ピペラジン化合物のアルコキシル化は、例えば反応混合物が未希釈のピペラジン化合物であるなど、ピペラジン化合物の融解による無水条件下で達成されてもよい。好ましくは、ピペラジン化合物のアルコキシル化は、水中のピペラジン化合物が１〜７０質量％である水溶液と、反応混合物の総質量に基づいて０．００１〜５質量％の酸と、ピペラジン化合物の量に基づくＮＨに対して０．５〜２．５モル当量であるアルキレンオキシドとを含む反応混合物を調合することにより達成される。好ましくは酸をピペラジン化合物に添加した後にアルキレンオキシドを添加する。

反応温度は使用するアルキレンオキシドに依存する。好ましくは、反応温度は２５０℃以下、好ましくは２００℃以下、より好ましくは１７０℃以下、より好ましくは１５０℃以下である。好ましくは、反応温度は４０℃以上、好ましくは８０℃以下、より好ましくは１００℃以下、より好ましくは１２０℃以下である。

アルコキシル化反応は、所望量のピペラジン化合物がジヒドロキシアルキルピペラジン化合物に転化されるまで、ピペラジン化合物がジヒドロキシアルキルピペラジン化合物へ好ましくは５０％以上で転化、より好ましくは６０％以上で転化、より好ましくは７０％以上で転化、より好ましくは８０％以上で転化、より好ましくは９０％以上で転化、及び最も好ましくは９５％以上で転化されるまで進行可能である。

反応混合物が水溶液である場合、好ましくはピペラジン化合物は、反応混合物の総質量に基づいて７０質量％以下の量、反応混合物の総質量に基づいて好ましくは６０質量％以下の量、より好ましくは５０質量％以下の量で存在する。反応混合物が水溶液である場合、好ましくはピペラジン化合物は、反応混合物の総質量に基づいて１質量％以上の量、反応混合物の総質量に基づいて好ましくは１０質量％以上の量、より好ましくは２０質量％以上の量で存在する。

アルコキシドは１３〜１５のｐＫａ値を有する。ピペラジン及びヒドロキシエチルピペラジンは各々が９．７及び９．１のｐＫａ値を有する。本明細書で後に酸として称されるプロトン供与体化合物、例えば有機酸又は鉱酸の添加が、ピペラジン及びヒドロキシエチルピペラジンよりも数桁塩基性であるアルコキシドをプロトン化することにより、グリコールエーテル副生成物の形成を緩和することを我々は見出した。好ましい酸は、１３以下のｐＫａ値、より好ましくは１１以下のｐＫａ値、より好ましくは９以下のｐＫａ値、及びより好ましくは５以下のｐＫａ値を有するプロトン供与体化合物である。好適な鉱酸の例として、リン酸、硫酸、塩酸、ホウ酸、硝酸、などが挙げられる。好適な有機酸の例として、カルボン酸、フェノール、フェノール誘導体、アルコール類、などが挙げられる。

好ましくは、反応混合物の総質量に基づいて５質量％以下の量、反応混合物の総質量に基づいて好ましくは２．５質量％以下の量、より好ましくは２質量％以下の量、さらにより好ましくは１．５質量％以下の量、及びさらにより好ましくは１質量％以下の量で酸は反応混合物に添加される。好ましくは、反応混合物の総質量に基づいて０．００１質量％以上の量、反応混合物の総質量に基づいて好ましくは０．０１質量％以上の量、及びより好ましくは０．１質量％以上の量で、酸は反応混合物に添加される。

好ましくは、ピペラジン化合物の量に基づく各ＮＨに対して３モル当量以下となる量、ピペラジン化合物の量に基づく各ＮＨに対して好ましくは２．５モル当量以下となる量、より好ましくは２モル当量以下となる量で、アルキレンオキシドを反応混合物に添加する。好ましくは、各ＮＨに対して０．５モル当量以上の量、ピペラジン化合物の量に基づく各ＮＨに対して好ましくは１モル当量以上の量、好ましくは１．５モル当量以上の量で、アルキレンオキシドを反応混合物に添加する。

例及び比較例は加熱されたステンレス鋼製９リッター（Ｌ）撹拌反応器において１２０℃で実施する。例１及び２並びに比較例Ａにおいて、３３質量％の、水に入れたピペラジンの溶液３キログラム（ｋｇ）を反応器に装填する。エチレンオキシド（ＥＯ）を計量し、１．９：１．０（ＥＯ：ピペラジン）のモル比を用いて１２０℃で数時間かけて反応器へ入れる。例１において、０．５質量％の硫酸（９８％ Ｈ_２ＳＯ_４）を添加した後にエチレンオキシドを添加する。例２において、５質量％のリン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ_２ＰＯ_４）を添加した後にエチレンオキシドを添加する。エチレンオキシド添加の完了に続いて、数時間、反応温度で撹拌して残りのエチレンオキシドを消費することにより、反応させる。得られた反応混合物を製造後の状態で試験する。

泡は次のように決定される。
１００ミリリットル（ｍＬ）サンプル（例えば例ＸからＹ及び比較例ＺからＷの反応混合物）を、乾燥空気供給器に接続されたバブルディフューザーを含有する５００ｍＬメスシリンダーに添加する。反応混合物及びディフューザーは、空気を通さずに２分間平衡状態に置く。組み合わせた高さ（すなわち、１００ｍＬにディフューザーによって置き換えられた体積を加えたもの）をミリメートルで計測、記録する。２分間の平衡時間の後、空気を１分間、１０００ｍＬ／分の速度で溶液を通過させ、次いで停止させる。得られた最終泡体積をすぐにミリメートルで計測する。最終泡体積から初期体積を引いて、泡高さ（ｍＬ）として報告する。破壊時間（秒（ｓ））として液体の最初の外観まで泡が崩壊する時間を計測し、報告する。結果は表１に列挙する。

（三量体及び四量体のエトキシル化ピペラジン化合物を組み合わせた）グリコールエーテル副生成物の量をＪ＆Ｗ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製ＤＢ−ＷＡＸカラムを装着したＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製Ｍｏｄｅｌ ７８９０ ＧＣを使用したガスクロマトグラフィーにより分析する。化合物の同定は正化学イオン化モードで質量分析法を用いて行い、質量百分率による量で表１に示す。本明細書で使用されるように、三量体ピペラジン化合物はピペラジンと三つのエチレンオキシドとの（一又は複数の）反応生成物として定義し、四量体ピペラジン化合物はピペラジンと四つのエチレンオキシドとの（一又は複数の）反応生成物として定義する。

色は１０．０ｍｍのパスでＬｏｖｉｂｏｎｄ ＰＦＸ１９５色調計を用いてＡＳＴＭ １５４４に従って決定する。

本開示は以下も包含する。
［１］ 望ましくないグリコールエーテル副生成物が形成されるアルキレンオキシドとピペラジン化合物との反応より、アルコキシル化ピペラジン化合物を製造する方法及び条件において、ピペラジン化合物を含む反応混合物へ酸を添加し、その後に反応器にアルキレンオキシドを添加することを含み、前記アルコキシル化ピペラジン化合物が調製される、アルコキシル化ピペラジン化合物の改良した製造方法。
［２］ 前記反応混合物が１〜７０質量％の前記ピペラジン化合物の水溶液である、上記態様１に記載の改良した製造方法。
［３］ 前記酸が前記反応混合物の総質量に基づいて０．００１〜５質量％の量で存在する、上記態様１に記載の改良した製造方法。
［４］ 前記酸が１３以下のｐＫａを有する鉱酸又は有機酸である、上記態様１に記載の改良した製造方法。
［５］ 前記酸がリン酸、硫酸、塩酸、ホウ酸、硝酸、カルボン酸、フェノール、フェノール誘導体、又はアルコールである、上記態様１に記載の改良した製造方法。
［６］ 前記アルキレンオキシドがエチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド、又はエピクロロヒドリンである、上記態様１に記載の改良した製造方法。
［７］ 前記アルキレンオキシドが、ピペラジン化合物の量に基づく各ＮＨに対するアルキレンオキシドが０．５〜２．５モル当量となる量で存在する、上記態様１に記載の改良した製造方法。
［８］ 前記方法が２５０℃未満の反応温度で行われる、上記態様１に記載の改良した製造方法。
［９］ ジヒドロキシエチルピペラジンの製造方法において酸を前記反応器に添加する、上記態様１に記載の改良した製造方法。

Claims (8)

1. 望ましくないグリコールエーテル副生成物が形成されるアルキレンオキシドとピペラジン化合物との反応より、ヒドロキシアルコキシル化ピペラジン化合物を製造する方法及び条件において、ピペラジン化合物を含む反応混合物へ酸を添加し、その後に反応器にアルキレンオキシドを添加することを含み、前記ヒドロキシアルコキシル化ピペラジン化合物が調製される、ヒドロキシアルコキシル化ピペラジン化合物の改良した製造方法であって、
   前記酸が、１３以下のｐＫａを有する鉱酸又は有機酸であり、
   前記ピペラジン化合物が、式：
   

   

   ［式中、
   Ｒ、Ｒ ¹ 、Ｒ ² 、Ｒ ³ 、Ｒ ⁴ 、Ｒ ⁵ 、Ｒ ⁶ 、Ｒ ⁷ 、Ｒ ⁸ 、及びＲ ⁹ は、各々独立して水素、アルキル基、アリール基、ｎが０〜８の整数である−（ＣＨ ₂ −ＣＨ ₂ −Ｏ） _n −Ｈ、ヒドロキシアルキル基、窒素が５又は６員環の一部であり得るアミノアルキル基、第四級アンモニウム含有アルキレン基、カルボン酸及び／若しくはその塩、又はスルホン酸及び／若しくはその塩であり、Ｒ及びＲ ¹ の少なくとも一つが水素であることを条件とする。］
   で表される、方法。
2. 前記反応混合物が１〜７０質量％の前記ピペラジン化合物の水溶液である、請求項１に記載の改良した製造方法。
3. 前記酸が前記反応混合物の総質量に基づいて０．００１〜５質量％の量で存在する、請求項１に記載の改良した製造方法。
4. 前記酸がリン酸、硫酸、塩酸、ホウ酸、硝酸、カルボン酸、フェノール、フェノール誘導体、又はアルコールである、請求項１に記載の改良した製造方法。
5. 前記アルキレンオキシドがエチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキシド、又はエピクロロヒドリンである、請求項１に記載の改良した製造方法。
6. 前記アルキレンオキシドが、ピペラジン化合物の量に基づく各ＮＨに対するアルキレンオキシドが０．５〜２．５モル当量となる量で存在する、請求項１に記載の改良した製造方法。
7. 前記方法が２５０℃未満の反応温度で行われる、請求項１に記載の改良した製造方法。
8. ジヒドロキシエチルピペラジンの製造方法において酸を前記反応器に添加する、請求項１に記載の改良した製造方法。