JP6333728B2 - 芳香族カーボネートを製造する方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、全体が参照により本明細書に組み込まれている、２０１１年１２月７日出願の米国仮特許出願第６１／５６７８６６号の利益を主張するものである。

本発明は、芳香族カーボネートの製造に関する。

芳香族カーボネートは、典型的にはジアルキルカーボネートと芳香族ヒドロキシ化合物との間のエステル交換反応により製造される。この反応は、典型的にはエステル交換反応を加速するための触媒の存在下で行われる。芳香族カーボネートは、エンジニアリングプラスチックとして使用される芳香族ポリカーボネートを製造するための原材料として有用である。

米国特許第５３３４７４２号明細書は、特定の質量結合およびエネルギー結合塔の組み合わせ（ｍａｓｓ−ｃｏｕｐｌｅｄ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｌｕｍｎｓ）で、従来のエステル交換触媒を使用して、ジアルキルカーボネートとフェノールを反応させることによりジアリールカーボネートを調製する方法を記載している。公開ＷＯ０１／００５６０は、チタン−シリカ触媒の存在下でのジメチルカーボネートとフェノールの気相反応または液相反応、引き続いてチタン−シリカ触媒の存在下での調製したメチルフェニルカーボネートの液相反応により芳香族カーボネートを製造することにより芳香族カーボネートを調製する方法を記載している。

米国特許第５３３４７４２号明細書 国際公開第２００１／００５６０号

本発明は、不均一系エステル交換触媒床を含有する反応蒸留塔中で、芳香族ヒドロキシ化合物を含む流れとジアルキルカーボネートを含む流れを接触させるステップであって、前記床は頂部および底部を有するステップと；アルキルアリールカーボネートを含む留出物流を前記反応蒸留塔から回収するステップとを含む、芳香族カーボネートを製造する方法であって、前記芳香族ヒドロキシ化合物は前記触媒床の頂部より上に位置する第１の供給点で前記塔に供給される方法を提供する。

本発明はさらに、頂部出口および底部出口および少なくとも２個の入口を有する反応蒸留塔と；前記入口の１つと流体連通している、フェノールを輸送するためのフェノール供給系路と；前記入口の１つの流体連通している、ジエチルカーボネートを輸送するためのジエチルカーボネート供給系路と；前記頂部出口と流体連通している、塔頂留出物を輸送するための頂部留出物系路と；前記底部出口と流体連通している、底部留出物を輸送するための底部留出物系路と；前記反応蒸留塔に位置している頂部および底部を有する不均一系触媒床とを含む、芳香族カーボネートを製造するための装置であって、前記フェノール供給系路は前記触媒床の頂部より上に位置している装置を提供する。

芳香族カーボネートを製造するための装置を示す図である。

芳香族カーボネートを製造する方法は、ジアルキルカーボネートと芳香族ヒドロキシ化合物のエステル交換を含む。その後の不均化反応によりジアリールカーボネートが形成され得るが、製造される芳香族カーボネートは、典型的にはアルキルアリールカーボネートの形態である。反応蒸留塔で製造される芳香族カーボネートは、アルキルアリールカーボネート、ジアリールカーボネートまたはこれらの混合物であり得る。

ジアルキルカーボネートは、式Ｒ^１ＯＣＯＯＲ^１で表される。Ｒ^１は１から１０個の炭素原子を有するアルキル基、３から１０個の炭素原子を有する脂環式基または６から１０個の炭素原子を有するアラルキル基を表す。Ｒ^１の例としては、アルキル基、例えば、メチル、エチル、プロピル、アリル、ブチル、ブテニル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシルおよびシクロヘキシルメチルならびにこれらの異性体が挙げられる。Ｒ^１のさらなる例としては、脂環式基、例えば、シクロプロピル、シクロブチル、シクロペンチル、シクロヘキシルおよびシクロヘプチル；ならびにアラルキル基、例えばベンジル、フェネチル、フェニルプロピル、フェニルブチル、メチルベンジルおよびこれらの異性体が挙げられる。

アルキル、脂環式またはアラルキル基は、置換基、例えば、低級アルキル基、低級アルコキシ基、シアノ基およびハロゲン原子で置換されていてもよい。

ジアルキルカーボネートの例には、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジアリルカーボネート、ジブテニルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジペンチルカーボネート、ジヘキシルカーボネート、ジヘプチルカーボネート、ジオクチルカーボネート、ジノニルカーボネート、ジデシルカーボネート、ジシクロペンチルカーボネート、ジシクロヘキシルカーボネート、ジシクロヘプチルカーボネート、ジベンジルカーボネート、ジフェニルカーボネート、ジ（フェニルプロピル）カーボネート、ジ（フェニルブチル）カーボネート、ジ（クロロベンジル）カーボネート、ジ（メトキシベンジル）カーボネート、ジ（メトキシメチル）カーボネート、ジ（メトキシエチル）カーボネート、ジ（クロロエチル）カーボネート、ジ（シアノエチル）カーボネートおよびこれらの異性体がある。

Ｒ^１が４個以下の炭素原子を有するアルキル基であるジアルキルカーボネートが好ましい。ジアルキルカーボネートは最も好ましくはジエチルカーボネートである。

芳香族ヒドロキシ化合物は、式Ａｒ^１ＯＨで表され、Ａｒ^１は５から３０個の炭素原子を有する芳香族基を表し、ヒドロキシ基が芳香族基に直接結合している限り化合物の種類は限定されない。Ａｒ^１の例としては、フェニル基および種々のアルキルフェニル基、例えば、トリル、キシリル、トリメチルフェニル、テトラメチルフェニル、エチルフェニル、プロピルフェニル、ブチルフェニル、ジエチルフェニル、メチルエチルフェニル、ペンチルフェニル、ヘキシルフェニル、シクロヘキシルフェニルおよびこれらの異性体；種々のアルコキシフェニル基、例えば、メトキシフェニル、エトキシフェニル、ブトキシフェニルおよびこれらの異性体；種々のハロゲン化フェニル基、例えば、フルオロフェニル、クロロフェニル、ブロモフェニル、クロロメチルフェニル、ジクロロフェニルおよびこれらの異性体が挙げられる。

これらのＡｒ^１を有する芳香族ヒドロキシ化合物の例としては、フェノール；種々のアルキルフェノール、例えば、クレゾール、キシレノール、トリメチルフェノール、テトラメチルフェノール、エチルフェノール、プロピルフェノール、ブチルフェノール、ジエチルフェノール、メチルエチルフェノール、メチルプロピルフェノール、ジプロピルフェノール、メチルブチルフェノール、ペンチルフェノール、ヘキシルフェノールおよびシクロヘキシルフェノール；種々のアルコキシフェノール、例えば、メトキシフェノールおよびエトキシフェノール；ならびにこれらの異性体が挙げられる。Ａｒ^１が６から１０個の炭素原子を有する芳香族基である芳香族モノヒドロキシ化合物が好ましく、フェノールが最も好ましい。

エステル交換反応により、反応蒸留塔に供給される反応物に相当するアルキルアリールカーボネートおよびアルキルヒドロキシ化合物が製造される。一実施形態では、エステル交換反応は、フェノールおよびジエチルカーボネートを用いて行われ、得られる生成物はエチルフェニルカーボネートおよびエタノールである。反応がフェノールおよびジメチルカーボネートを用いて行われる別の実施形態では、得られるエステル交換生成物はメチルフェニルカーボネートおよびメタノールである。

エステル交換反応は平衡反応であり、平衡は反応物に偏っている。さらに、反応速度は遅い。平衡をシフトさせて多くの芳香族カーボネートを製造するのを促進するために、反応を反応蒸留塔で行う。エステル交換生成物が塔頂留出物の流れで除去されるように反応蒸留塔を運転する。

反応蒸留塔で起こる第２の平衡反応は不均化反応である。この反応は、２個のアルキルアリールカーボネート分子が不均化し、ジアリールカーボネートおよびジアルキルカーボネートを形成すると起こる。エチルフェニルカーボネートおよびエタノールがエステル交換で形成する実施形態では、不均化反応の生成物はジフェニルカーボネートおよびジエチルカーボネートとなるだろう。メチルフェニルカーボネートおよびメタノールが形成する実施形態では、不均化反応の生成物はジフェニルカーボネートおよびジメチルカーボネートとなるだろう。

エステル交換反応および／または不均化反応の生成物を、１つ以上の出口で反応蒸留塔から除去し、分離するおよび／または反応蒸留塔もしくは他の工程装置に再利用する。

反応蒸留塔は、反応蒸留塔に有用であることが当業者に知られている任意の内部構造物を含有してもよい。適した塔の例としては、トレイ、例えば、バブルキャップトレイ、シーブトレイ、バルブトレイおよび向流トレイを使用する段塔；ならびに種々の充填物、例えば、ラシヒリング、レッシングリング、ポールリング、バールサドル、インテロックスサドル、ディクソンパッキング、マクマホンパッキング、ヘリパック、スルザーパッキングおよびメラパックで充填された充填塔が挙げられる。

この反応蒸留塔で使用する不均一系触媒は、エステル交換反応を加速するのに有用であることが当業者に知られている任意の触媒であってよい。不均一系触媒は、チタン、クロム、タングステン、モリブデン、バナジウム、スズ、鉛、銅、アルカリ金属、亜鉛、カドミウム、鉄、ジルコニウム、ルイス酸、ルイス酸形成化合物またはこれらの混合物を含むことができる。触媒は、好ましくはチタンを含む。

不均一系触媒は、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化シリコン、活性炭素またはこれらの混合物に担持され得る。触媒は、好ましくはシリカに担持される。触媒は、好ましくはシリカに担持されたチタンである。

さらに、均一系触媒を反応に添加してもよい。一実施形態では、均一系触媒を添加して不均一系触媒から浸出した金属を交換することができる。均一系触媒は、好ましくはチタン−エタノレート、チタン−フェノレートまたはチタンカーボネートを含む。均一系触媒をフェノールの溶液で供給することができる。

均一系触媒を添加して反応蒸留塔中の金属の特定の濃度を維持することができる。塔中の金属の濃度は、底部留出物流中の金属のレベルを測定することにより監視することができる。金属の濃度は、１０から２０００ｍｇの金属／留出物流のｋｇ、好ましくは５０から２５０ｍｇ／ｋｇ、より好ましくは８０から２００ｍｇ／ｋｇの範囲にあり得る。

この反応で遭遇する困難の１つは、不均一系触媒が水と接触することにより失活することである。この工程に反応物として使用する芳香族ヒドロキシ化合物は、典型的には水を含有する。精製して水を除去した場合でさえ、通常は残量の水が芳香族ヒドロキシ流中に存在する。水は、最大０．５重量％までの量で芳香族ヒドロキシ化合物を含む供給流中に存在し得るが、好ましくは１０００ｐｐｍｗ未満、より好ましくは３００ｐｐｍｗ未満、最も好ましくは１５０ｐｐｍｗ未満の量で存在するにすぎない。フェノールの産業上の仕様は１５０ｐｐｍｗの水であるが、この仕様を満たすフェノールでさえ触媒の失活をもたらし得る。

この水を除去するための幾つかの可能な方法としては、別々の蒸留塔で水を分離すること、および吸着剤または吸収剤を使用することが挙げられる。専用塔を使用することにより、費用およびエネルギー使用が増加し得る。さらに、所望の水レベルを達成することができるが、触媒もしくは工程に有害な効果をもたらす物質を浸出しない吸着剤または吸収剤を見出すことは困難である。

本発明は、高価または困難となる、芳香族ヒドロキシ供給から水をさらに分離することを必要としない、不均一系触媒と接触する水の量を減少させるための反応蒸留塔を運転する方法を提供する。

この方法を実施するために使用する方法および装置を、図１に関連してさらに説明する。当業者であれば、図１に示す装置および方法を修正しながら、なお以下に説明および主張する本発明を実施することができることが理解される。図は、リボイラー、コンデンサ、熱交換器、バルブおよびポンプを含む、工程に使用する全ての装置を示していないが、当業者であれば、工程においてこれらの物品をどこに配置するかを決定することができるだろう。

図１は、ジアルキルカーボネートと芳香族ヒドロキシ化合物のエステル交換反応を行うための反応蒸留塔１０を示している。不均一系触媒床２２は、反応蒸留塔の内側に位置している。触媒床は頂部３０および底部３２を有する。触媒を定位置に固定するための触媒スクリーンまたは他の装置が頂部３０および／または底部３２に位置してもよい。

反応蒸留塔は、不均一系触媒床の頂部３０の上に位置している、芳香族ヒドロキシ化合物含有流用の入口１２を有する。入口１４は、ジアルキルカーボネート流を塔に供給するために使用される。入口１６は、均一系触媒用の任意の入口である。別の実施形態では、均一系触媒を、入口１２または入口１４を通して反応蒸留塔に供給することができる。

反応蒸留塔は、典型的にはジアルキルカーボネート、アルキルヒドロキシ化合物および芳香族ヒドロキシ化合物を含む塔頂留出物の流用の出口１８を有する。塔はまた、典型的には芳香族ヒドロキシ化合物、ジアルキルカーボネート、アルキルアリールカーボネート、ジアリールカーボネートを含む底部留出物の流用の出口２０も有する。出口のいずれも反応中に形成する副産物を含有し得る。

エステル交換反応を招く反応条件下で反応蒸留塔を運転する。これらの条件により、芳香族ヒドロキシ化合物を含む流れからの水の分離がもたらされる。流れが不均一系触媒と接触する前に水を流れから除去して、触媒の失活を防ぐ。

典型的には１ｂａｒから５ｂａｒの範囲、好ましくは２から４ｂａｒの範囲の圧力で塔を運転する。典型的には、不均一系触媒床の温度が１００℃から２５０℃の範囲、好ましくは１５０℃から２３０℃の範囲、より好ましくは１７０℃から２１０℃の範囲にあるように塔を運転する。

塔は、好ましくは触媒床の頂部３０と入口１２との間にある種類の内部構造物、例えば、トレイ、充填物、ポールリング、ラシヒリングまたは前記のものを含む当業者に知られている他の内部構造物を含有する。内部構造物は、芳香族ヒドロキシ化合物からの水の分離を補助する。

反応蒸留塔中の垂直距離を所望の程度の分離をもたらすのに必要な幾つかの理論トレイ（ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｔｒａｙ）に分割することができる。入口１２と触媒床の頂部３０との間の距離は、好ましくは少なくとも１つの理論トレイ、好ましくは少なくとも２つの理論トレイである。

不均一系触媒床中に存在する水の量を決定することにより、工程の有効性を評価することができる。これは絶対尺度とすることができ、この場合、触媒床中の水の量は、好ましくは触媒床中に存在する芳香族ヒドロキシ化合物の総量に対して計算される２５０ｐｐｍｗ未満である。触媒床中の水の量は、より好ましくは１５０ｐｐｍｗ未満、最も好ましくは１００ｐｐｍｗ未満である。

工程の有効性の別の尺度は相対的尺度とすることができ、この場合、芳香族ヒドロキシ化合物が触媒床に進む際に芳香族ヒドロキシ化合物中に存在する水の量は、芳香族ヒドロキシ化合物が反応蒸留塔に入る前の芳香族ヒドロキシ化合物中の水の量の８０％未満である。芳香族ヒドロキシ化合物が触媒床に入る際の芳香族ヒドロキシ化合物中に存在する水の量は、好ましくは芳香族ヒドロキシ化合物が反応蒸留塔に入る前の芳香族ヒドロキシ化合物中の水の量の６０％未満、より好ましくは４０％未満である。

塔頂留出物と共に出口１８を通して水を除去することができる。水は、典型的にはアルキルヒドロキシ化合物を含む流れの中に存在する。この流れを、ジアルキルカーボネートを製造する装置に再利用することができる。流れを再利用する前に、水をアルキルヒドロキシ化合物から分離することができる。または、水はジアルキルカーボネート製造装置の運転に負の効果を与えないので、水を流れの中に残してもよい。

別の実施形態では、反応蒸留塔は、第１の触媒床の上に位置する追加の触媒床を含有する。この触媒床は、塔中に存在する水とジアルキルカーボネートの反応を加速して塔中に既に存在し、エステル交換触媒に有害でない二酸化炭素およびアルキルヒドロキシ化合物を製造する触媒を含有する。
他の別の実施形態では、第２の触媒が水とジアルキルカーボネートの反応を加速する。

Claims (11)

1. アルキルアリールカーボネートを製造する方法であって、
   ａ）不均一系エステル交換触媒床を含有する反応蒸留塔中で、芳香族ヒドロキシ化合物および水を含む流れならびにジアルキルカーボネートを含む流れを接触させるステップであって、芳香族ヒドロキシ化合物を含む流れ中に水は最大０．５重量％までの量で存在し、床は頂部および底部を有するステップと；
   ｂ）アルキルアリールカーボネートを含む留出物流を反応蒸留塔から回収するステップと
   を含み、
   芳香族ヒドロキシ化合物は触媒床の頂部より上の少なくとも１つの理論トレイに位置する第１の供給点で塔に供給され、
   反応蒸留塔が触媒床の頂部と第１の供給点との間に内部構造物を備え、
   ジアルキルカーボネートが触媒床の頂部より下の点で反応蒸留塔に供給される、
   方法。
2. 反応蒸留塔が触媒床の頂部と第１の供給点との間にトレイおよび充填物からなる群から選択される物品を含有する、請求項１に記載の方法。
3. 反応蒸留塔が触媒床の頂部と第１の供給点との間に第２の触媒床を含有する、請求項１または２に記載の方法。
4. 均一系エステル交換触媒を反応蒸留塔に供給するステップをさらに含む、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 均一系エステル交換触媒が第１の供給点より下の点で塔に供給される、請求項４に記載の方法。
6. 芳香族ヒドロキシ化合物がフェノールである、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. ジアルキルカーボネートがジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートおよびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. ジアルキルカーボネートが触媒床の底部より下の点で反応蒸留塔に供給される、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 不均一系触媒がチタンを含む、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 芳香族ヒドロキシ化合物が、不均一系エステル交換触媒床の頂部と最初に接触する際に０．５重量％未満の水含量を有する、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 芳香族ヒドロキシ化合物が、不均一系エステル交換触媒床の頂部と最初に接触する際に５００ｐｐｍｗ未満の水含量を有する、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
    

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