JP6133324B2 - 強酸性触媒調製プロセス - Google Patents

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Description

本発明は、アルキルスチレンのコポリマーから調製される強酸性触媒調製プロセスに関する。詳細には、本発明は、ブチルスチレンおよび/またはビニルトルエン(メチルスチレンとしても公知)のコポリマーから調製される触媒に関する。
強酸性カチオン交換樹脂は、様々な化学反応において触媒として使用されることが多い。これらの樹脂の多くは、スチレン/ジビニルベンゼン(DVB)コポリマーに基づき、この場合、該コポリマーは、該樹脂に硫酸基を付加させるために硫酸でスルホン化される。
例えば、英国特許第988,623号、欧州特許第466954号、米国特許第4,571,439号および米国特許第4,215,011号は、ビニルトルエン(VT)/DVBのスルホン化コポリマーの触媒としての使用を開示している。しかし、これらの参考文献はいずれも、疎水性/親水性バランスを制御することができる強酸性触媒を開示していない。
本発明は、0〜98重量%ブチルスチレンと、0〜80重量%ビニルトルエンと、1〜98重量%のエチルビニルベンゼンを有する1.5〜25重量%ジビニルベンゼンと、0〜80重量%スチレンとを重合させる工程;コポリマービーズを製造する工程;およびコポリマービーズをスルホン化する工程を含む触媒調製プロセスを提供することを目的とする。
前記触媒を、マクロポーラス、ゲル状(gellular)、または両方の組み合わせである樹脂ビーズとして提供する。用語「ゲル」または「ゲル状」樹脂は、非常に低い多孔度(0から0.1cm/g)、小さい平均孔径(0から17オングストローム)および低いB.E.T.表面積(0から10m/g)(B.E.T(Brunauer、EmmettおよびTeller)法により測定)のコポリマーから合成された樹脂に適用される。
好ましくは、前記樹脂ビーズは、架橋されたビニル芳香族ポリマービーズである。架橋されたビニル芳香族ポリマービーズの懸濁重合による形成は、当業者に周知である。マクロ多孔性を有するかかるビーズの形成は同じく周知であり、それらを調製するための幾つかのアプローチが開示されている。
これらのビーズを強酸性官能基で表面官能化して0.1から2.5meq/gのカチオン交換容量にすることができる。ゲルビーズの場合、表面官能化は、ビーズの外面の官能化と容易に理解される。マクロポーラスビーズの場合、本明細書で言うところのビーズの表面、ビーズ自体に内在するマクロ細孔の表面を含むことを意図したものである。前記ビーズに内在する表面についてのこの概念は、当業者には容易に理解される。なぜなら、マクロポーラスビーズは、該ビーズの外面が占める表面積よりはるかに大きい表面積を保有し、その追加の表面積がマクロ細孔の内部表面による寄与を受けると解されるからである。マクロポーラスビーズを生成するために、該ビーズの実際の外面のポリマーはもちろん、その内部表面を形成するポリマーも官能化される。
用語「表面官能化」および「表面官能化された」は、ポリマーの表面にまたは表面付近に存在するおよび芳香族核の表面層のみに必ずしも限定されない限られた官能基を有する官能化ポリマー材料を指すことを意図したものである。しかし、表面官能化触媒ビーズの官能化の深さは、その官能価を2.5meq/g以下に限定することにより、および表面から内方へ官能価を促進することになるように該ビーズを官能化すること、したがって、芳香族核の最初の数層しか官能化されないようにすることにより、厳格に制限される。かかる官能化は、当業者には公知である。
前記架橋されたビニル芳香族ポリマービーズを製造する際に重合させるモノマーとしては、ビニル芳香族モノマー、例えば、スチレンならびに置換スチレン、例えばブチルスチレン、エチルスチレンおよびビニルトルエン、ビニルナフタレンおよび置換ビニルナフタレン、ならびにそれらの混合物が好ましい。前記モノマーまたはモノマーの混合物の重合の結果として得られるポリマービーズを架橋させる。この架橋は、前記モノマー混合物への架橋性モノマー、すなわち、1つより多くのの重合性ビニル基を含有するものの導入を含む。ポリビニル芳香族モノマー、例えば、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、ジビニルナフタレンおよびこれらに類するものが好ましいが、例えばエチレングリコールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレートおよびこれらに類するもののような、1つ以上のポリビニル脂肪族モノマーが架橋性モノマーとして存在してもよい。架橋性モノマーを全モノマーの1から35重量パーセントのレベルで導入することができる。2から25重量パーセントポリビニル芳香族ポリマーを含有する、モノマー混合物から製造されるポリマーが好ましい。
官能化または他の重合後反応中に形成するスルホン架橋または他の架橋によって、架橋を増加させることができる。触媒ビーズを製造するためのビニル芳香族ポリマービーズの官能化に有用な強酸性官能基としては、スルホン酸およびホスホン酸基ならびにそれらのそれぞれの塩、好ましくは、スルホン酸基およびそれらの塩が挙げられる。
官能化をポリマーの表面に限定するための方法は、当業者に公知である。これらの大部分は、例えば硫酸、発煙硫酸、またはクロロスルホン酸のような官能化剤が、ポリマービーズにその表面から一定の速度で浸透し、浸透するにつれて芳香族核を官能化して、該芳香族核が大部分または全部官能化されている比較的均一な厚みのシェルを生じさせるという事実に依存する。官能化試薬、膨潤用溶剤の使用の有無、および使用する膨潤用溶剤の種類をはじめとする条件を正しく選択することにより、官能化剤がビーズに浸透してビーズを官能化する速度を、その浸透深度をモニターすることができるほどの遅さに保つ。官能化が0.1から2.5meq/gのカチオン交換容量を生じさせるために十分である所望の深さまで進行した後、水での失活によって、または当業者には明らかであろう他の方法によって官能化を停止させる。
熱安定性であり、向上した性能特性を提供する樹脂が好ましく、この向上した機能特性は、高い選択性;高温で使用したときに全くまたは殆ど分解しないこと;および反応器腐食が殆どまたは全くないことを含む。熱安定性樹脂を、好ましくは、40から200℃の温度範囲で塩素化および試験する。
前記樹脂は、1重合単位につき1つより多くのSOH部分を有する芳香族基を有することがある。前記樹脂は、ポリスルホン化されていることもあり、またはスルホン化不足である(undersulfonated)こともある。前記樹脂は、相互浸透性高分子網目状樹脂であることがあり、逐次的モノマー付加によってこれを調製することができる。1つの実施形態において、前記樹脂は、100から2000マイクロメートルの粒径とガウス性または単峰性である粒径分布とを有するゲル状樹脂を含む。粒径分布がガウス性である場合、粒子のおおよそ90パーセントは、粒子直径サイズ中央値の+/−100マイクロメートル以内の直径を有する。単峰性粒径分布は、セルが概して均一なサイズのものである分布である。
好ましくは、前記樹脂を、92から100パーセントの初期酸濃度を有する硫酸でスルホン化する。スルホン化は、スルホン酸基を樹脂に付加する。硫酸をビーズと直接混合し、溶剤の使用は不要であるが、ゲルコポリマーを用いるほうが好ましい。酸濃度が低下するにつれて、スルホン化速度も低下する。スルホン化は、温度がポリマーまたはポリマー/溶剤混合物のガラス転移温度に達すると発生する。
前記触媒はまた、一段階多反応システムにおいて回分または連続反応に用いることができる、二官能性酸/酸化還元能をもたらす金属含浸技術と併用することができる。使用することができる金属としては、乾燥ポリマー基づきに0.1〜25重量%の範囲のパラジウム(Pd)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)および金(Au)が挙げられる。例示的反応としては、アセトンからのMIBKの合成に用いることができるアルドール縮合/脱水/還元が挙げられるが、これに限定されない。
前記触媒は、0〜98重量%ブチルスチレン;0〜80重量%ビニルトルエン;1.5〜25重量%ジビニルベンゼン、1〜98重量%のエチレンビニルベンゼン;および0〜50重量%スチレンのコポリマーを含む。より好ましい範囲は、ジビニルベンゼンに入るエチルビニルベンゼンに加えて、5〜75重量%のブチル−もしくはメチル−スチレンのいずれか、またはそれら2つのアルキルスチレンモノマーの組み合わせである。最も好ましい範囲は、ジビニルベンゼンに入るエチルビニルベンゼンに加えて、10〜50重量%のいずれかのモノマーまたはアルキルスチレンモノマーの組み合わせである。
前記コポリマーは、少なくとも25重量%ブチルスチレン、0重量%ビニルトルエン、および1.8〜25重量%ジビニルベンゼンを含む。前記コポリマーはまた、0重量%t−ブチルスチレン、少なくとも25重量%ビニルトルエン、および1.8〜25重量%ジビニルベンゼンを含むことがある。好ましくは、前記ブチルスチレンは、t−ブチルスチレンであり、および前記ビニルトルエンは、パラ−ビニルトルエンである。
前記触媒は、0〜98重量%ブチルスチレンと、0〜80重量%ビニルトルエンと、1〜98重量%のエチルビニルベンゼンを有する1.5〜4重量%ジビニルベンゼンと、0〜80重量%スチレンとを重合させる工程;コポリマービーズを製造する工程;および前記コポリマービーズをスルホン化する工程によって調製する。前記コポリマービーズを96%〜104%硫酸でスルホン化することができる。
本発明の触媒は、遊離脂肪酸およびトリグリセリドのエステル化、異なる双極子運動および溶解度パラメータを用いる反応、ならびに異なるアルコールでのフェノールアルキル化をはじめとする、多くの異なるプロセスに使用することができる。例えば、スルホン化tBS/DVB触媒は、エタノールまたはブタノールでの遊離脂肪酸のエーテル化に有用である。スチレン/tBS/DVB触媒は、オクタンでのフェノールのアルキル化の活性を増加させる。
本発明を例証するために以下の実施例を提供する。本実施例においておよび本明細書を通して、以下の略語を使用している。
%−wは、重量パーセントである;
Cは、摂氏度である;
DIは、脱イオン化である;
DVBは、ジビニルベンゼンである;
DWCは、meq/gでの乾燥重量容量である;
eqは、当量である;
ETBEは、エチルtertブチルエーテルである;
gは、グラムである;
kgは、キログラムである;
Lは、リットルである;
LHSVは、液空間速度である;
meqは、ミリ当量である;
MHCは、水分保有能力である;
MIBCは、メチル−イソブチルカルビノールである;
MIBKは、メチルイソブチルケトンである;
mlは、ミリリットルである;
MPaは、メガパスカルである;
psiは、ポンド毎平方インチである;
rpmは、回転毎分である;
sccmは、標準気体状態での平方センチメートルである;
t−は、tert−である;
TMPは、トリメチルペンタンである;
VCは、meq/mLでの体積容量である;
WCは、重量容量である;
WRCは、%での保水力である;および
WVCは、meq/mLでの湿潤体積容量である。
試験法
ガスクロマトグラフィー(GC)を使用して、混合物の揮発成分を分離した。分析すべき少量の試料をシリンジに抜き取った。シリンジ針をガスクロマトグラフの高温のインジェクタ入口に入れ、試料を注入した。
インジェクタを成分の沸点より高い温度に設定し、そのためその混合物の成分は、そのインジェクタの内部でガスへと気化した。ヘリウムなどのキャリアガスがインジェクタの中を流れ、試料の気体成分をGCカラム上に押しやった。成分の分離が起こったのは、このカラム内である。そのGCカラム内で分子がキャリアガス(移動相)と高沸点液(固定相)間で分配される。
測定すべき元素を高温(6,000〜8,000摂氏度)アルゴンプラズマに導入し、それによって原子蒸気に変換する、化学分析のための発光分光分析法である、誘導結合プラズマ分光分析(Inductive Coupling Plasma:ICP)を用いて、樹脂中のPdのレベルを測定した。PerkinElmer Inc.からのOptima(商標)ICP−OES 4300 DV分光計を使用して、110℃で24時間オーブン乾燥させた樹脂0.2gをHNOで消化した。その液体を脱イオン水で希釈し、濾過した。パラジウムICP標準溶液を使用し、種々の濃度に希釈して較正曲線を作成した。その消化された樹脂の希釈用液についての測定結果を用いて、樹脂中の%−w Pdを計算した。
実施例1:ビニルトルエンを有するポリマー
437.5グラムのDI水と、1.2グラムの50%NaOHと、1.7グラムのホウ酸と、8.0グラムの20%CATFLOC C溶液(Calgon Corp.)溶液と、0.9グラムのゼラチン(CAS番号9000−70−8)との水性懸濁混合物を、40℃の前記DI水に前記ゼラチンを溶解し、前記CATFLOC C溶液、NaOHおよび前記ホウ酸を添加し、そのホウ酸が溶解するまで撹拌することによって製造した。その水溶液のpHを、20重量パーセントNaOHで9.7と10.0の間に調整した。その懸濁混合物をステンレス鋼圧力反応器に投入した。154.5グラムのメチル−スチレンと、64.2グラムの63%DVB(DVB−63)と、219グラムのポロゲン(2,2,4−トリメチルペンタンまたはメチル−イソブチルカルビノールのいずれか)と、3.0グラムの75%過酸化ベンゾイルとの混合物の有機相をその圧力反応器に添加し、その後、それを窒素で7psiに加圧し、密封した。600マイクロメートルの平均粒径を生じさせるように攪拌機速度を調整した。25℃で30分の撹拌後、その反応器を70分にわたって79℃に加熱し、その後、79℃で135分間保持した。79℃で30分後、攪拌速度を25rpmまで増加させ、残りの時間そこで保持した。反応時間が完了し、反応器が室温に冷却した後、それを開封し、内容物をDI水で数回洗浄して懸濁混合物を除去した。オーバーヘッドスターラと蒸留ヘッドを装備した三つ口フラスコの中にそれらのビーズとそれらのビーズの2倍の体積の水とを入れ、その撹拌混合物を97℃に急速に加熱し、その後、その温度をゆっくりと沸点に上昇させ、さらなるポロゲンが留出しなくなるまでその沸点に温度を保つことにより、それらのビーズからポロゲンをストリップした。冷却後、ビーズをパンに注入し、フィルタースティックを使用して過剰な水を除去した。それらのビーズを一晩、50℃の乾燥オーブンに入れて、残存するポロゲンおよび水を除去した。乾いたビーズを篩にかけ、20メッシュと50メッシュの間の画分を保持した。
実施例2:スチレンを有するポリマー
スチレンがメチル−スチレンの一部またはすべてと置き換わった、実施例1と同様の手法で、ポリマーを製造した。実施例は、a)58.5グラムメチル−スチレンおよび58.5グラムスチレン;b)29.3グラムのメチル−スチレンおよび87.8グラムのスチレン;ならびにc)117グラムのスチレンである。
実施例3:t−ブチルスチレンを有するポリマー
tert−ブチルスチレンがメチル−スチレンと置き換わった、実施例1と同様の手法で、ポリマーを製造した。実施例は、a)117グラムt−ブチルスチレン、48.8グラムのDVB−63、および166グラムのいずれかのポロゲン;b)89.3グラムのt−ブチルスチレン、27.4グラムのスチレン、48.6グラムのDVB−63、および166グラムのポロゲン;ならびにc)44.8グラムのt−ブチルスチレン、72.2グラムのスチレン、48.6グラムのDVB−63、および166グラムのポロゲンである。
実施例4:t−ブチルスチレンおよびスチレンを有するポリマー
t−ブチルスチレンとスチレンの両方を含有するポリマーのもう1つの実施形態では、838.5グラムのDI水の水性相、160グラムの0.75重量パーセントカルボキシ−メチルメチル−セルロース溶液、および1.6グラムの65重量%重クロム酸ナトリウム溶液をステンレス鋼圧力容器に投入した。264.9グラムのスチレン、88.3グラムのt−ブチルスチレン、146.8グラムのDVB−63、1.25グラムの50重量%tert−ブチルペルオクトエート溶液、0.4グラムのtert−ブチルペルベンゾエート、および500グラムの2,2,4−トリメチルペンタンまたはメチルイソブチルカルビノールのいずれかをその反応器に添加した。3回、反応器を窒素で30psiに加圧して圧力を解放することによりその反応器から空気をパージし、反応器を密封した。600マイクロメートルの平均粒径を生じさせるように攪拌速度を調整した。25℃で30分の撹拌後、その反応器を120分にわたって80℃に加熱し、その後、80℃で720分間保持し、その後、60分にわたって110℃に加熱し、110℃で180分間保持した後、室温に冷却した。得られたビーズをDI水で数回洗浄して懸濁混合物を除去した。洗浄後、それらのビーズをパンに入れ、フィルタースティックを使用して過剰な水を除去し、その後、水およびポロゲンが蒸発してしまうまで数日間、それらのビーズを換気フード内に置いた。乾いたビーズを篩にかけ、20メッシュと50メッシュの間の画分を保持した。
実施例5:ポリマービーズのスルホン化
オーバーヘッドスターラと添加漏斗を装備した三つ口フラスコに、50グラムの篩にかけたコポリマーおよび250mLの20%発煙硫酸(104%HSO)を室温で入れた。その温度を60分にわたって120℃に上昇させ、その温度で180分間維持した。反応物を放置して冷却し、その後、水の滴下によって水和した。それらのスルホン化樹脂についての典型的な特性は、表1で見つけられる。
実施例6:エタノールとイソブテン間の触媒反応
小型ステンレス鋼カラムに乾燥触媒ビーズと小直径の石英の混合物を充填した。触媒の石英に対する比を変化させて、イソブチレンの転化量を10%未満に保持した。そのカラムを60℃で維持した。カラムへのエタノールフローを開始し、温度および圧力が安定したら、イソブチレンをそのエタノールと混合し、ETBEの形成をGCによって追跡した。イソブチレンの相対転化レベルは、表1で見つけられる。
Figure 0006133324
実施例7:遊離脂肪酸(FFA)のエステル化
小さい密封ボトルの中で触媒lab転化を行い、その後、それを二次格納容器としてのより大きい二次ボトルの中に密封した。反応物を混合し、一次および二次格納ボトルを密封したら、換気フード内にある熱水浴を伴うオービタルシェーカに試料を入れた。試料を40℃で6時間振盪し、その後、一晩冷却した後、処理した。ボトルをシェーカから取り出し、まだ二次格納ボトル内にある間に漏れまたは破損について点検した。それらが安全な状態にあることが判明したら、二次ボトルを換気フード内で開き、主反応物を点検した。その反応混合物の試料をピペットで試料ボトルに移し、反応混合物のGC分析のためにラベルを貼った。反応後に判明した残留脂肪酸の百分率と比較する積分値、およびエステル化生成物についての転化率が報告された。
表3は、様々なFFA/アルコールペアによって挑戦したときの種々の樹脂タイプについての比較FFA→エステル転化率を要約するものである。ベースラインケースとして、ミリスチン酸(C−14)およびメタノールは、どの強酸性カチオン樹脂を利用しても、適用した条件下でエステル化転化率の変動を本質的に示した。しかし、FFAの連鎖長をステアリン酸(C−18)またはパルミチン酸(C−14)いずれかに増加させること、およびアルコールの連鎖長をエタノールまたはブタノールに増加させること両方により、様々な樹脂についての転化率の変動を測定した。表2は、比較マクロポーラスカチオン交換樹脂を示すものである。
Figure 0006133324
Figure 0006133324
FFA(ステアリン酸、パルミチン酸)をエタノールまたはブタノールと反応させたとき、2重量%DVB/tBS(実施例4)は、他の樹脂よりはるかに高いFFA→エステル転化率を有した。均一な硫酸のみが、より高いFFA→エステル転化率を有した。ミリスチン酸とメタノールを互いに反応させたとき、触媒間で、すなわちエステルのFFA転化率、の有意差を見ることはできなかった。
実施例8:向上した熱安定性
水中の樹脂の試料をステンレス鋼ボンベ内に密封し、24時間、205℃に加熱した。室温に冷却した後、樹脂を取り出し、イオン交換容量および含水量について分析した。その試験からの結果は、表4で見つけられる。Amberlyst(商標)35 WetおよびAmberlyst(商標)XE781は、The Dow Chemical Company、ミシガン州ミッドランドから得た。
Figure 0006133324
実施例9:tBS/スチレン/DVBポリマー
攪拌機と加熱および冷却用のジャケットとを装備した1ガロンステンレス鋼反応器の中で重合を行った。712g DI水と、305g 1%カルボキシメチルメチルセルロースと、1.6g 60%重クロム酸ナトリウムとの水性相をその反応器に入れた。800g t−ブチルスチレンと、30.3g 63%ジビニルベンゼンと、2.5g t−ブチルペルオクトエートと、t−ブチルペルベンゾエートとのモノマー/開始剤相をその反応器に入れた。モノマー/開始剤相を攪拌機によって一定のサイズにした。反応器を窒素でバージし、密封した。温度プロファイルは、15時間80℃、続いて5時間110℃であった。そのポリマーをDI水で洗浄し、空気乾燥させた。追加の重合は、t−ブチルスチレンのスチレンに対する比を変えていた。ジビニルベンゼン濃度をおおよそ2.4モルパーセントで一定に保ち、80℃反応時間を7時間に短縮した。スルホン化を次のように行った。攪拌機と赤外線加熱ランプとを装備したガラス三つ口フラスコに50gのポリマーを入れた。400mLの96重量%硫酸をそのフラスコに入れ、攪拌機を開始させてポリマーをスラリー化した。20mLの二塩化エチレンをそのフラスコに添加し、30分間放置してポリマーを膨潤させた。その反応器を徐々に115℃に加熱し、115℃で2時間保持した。反応器を室温に冷却し、樹脂を3時間にわたって水で徐々に水和させた。その樹脂をDI水で逆洗し、分析した。表5に示すように、100%t−ブチルスチレン樹脂は、顕微鏡検査での未反応コアによって証明されるように、完全にはスルホン化されなかった。
Figure 0006133324
実施例10:Pd含浸t−ブチルスチレンスルホン化樹脂触媒
14%の架橋密度を有する巨大網状t−ブチルスチレン・DVB架橋巨大網状スルホン化樹脂(t−Bu−DVB−Pd)にPdを含浸させた。ICPによって測定したところ樹脂中のPdのレベルは、該樹脂の乾燥ベースで2.0%−wであった。
実施例11:Pd含浸巨大網状スチレン系スルホン化樹脂触媒
同じレベルの架橋剤密度での比較強酸性巨大網状スチレン系樹脂に、該樹脂の乾燥ベースで2.0%−w PdまでPdを含浸させた。
実施例12:メチルイソブチルケトン合成比較結果
実施例10および実施例11からの両方の樹脂を反応器に詰めた。この反応器は、30mLの樹脂を伴う連続フロー型反応器であった。樹脂を水素で24時間、1MPaで、100℃で事前調整して、Pdをゼロ価金属に還元した。2MPaの圧力および80℃の温度で、アセトンを1LHSV(時−1)でおよび水素を200sccmで流すことによって、反応を8時間実行した。ガスクロマトグラフィーを使用して、アセトン、メチルイソブチルケトン(MIBK)およびイソプロパノール(IPA)分子を定量した。イソプロパノールは、望ましくない反応副生成物であり、MIBKは、反応の主生成物である。アセトン転化率、MIBK収率および選択性を表6に報告する。
Figure 0006133324

Claims (3)

  1. 5〜75重量%ブチルスチレンと、0〜80重量%ビニルトルエンと、1〜98重量%のエチルビニルベンゼンを有する1.5〜4重量%ジビニルベンゼンと、0〜80重量%スチレンとを重合させる工程;
    コポリマービーズを製造する工程;および
    前記コポリマービーズをスルホン化する工程
    を含む、触媒調製プロセス。
  2. ブチルスチレンが、前記触媒の少なくとも25重量%を構成し、前記ビニルトルエンが、前記触媒の0重量%を構成し、および前記ジビニルベンゼンが、前記触媒の1.8〜25重量%を構成する、請求項1記載のプロセス。
  3. 前記スルホン化する工程が、96〜104%硫酸を添加する段階を含む、請求項1に記載のプロセス。
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