JP6372771B2 - トランス‐シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2‐ヒドロキシアルキル)の製造方法 - Google Patents

トランス‐シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2‐ヒドロキシアルキル)の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、トランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法に関する。
ポリエチレンテレフタレート(以下、「PET」と記載する。)製品の消費量は、年々増加しており、廃PET製品のリサイクル率を向上させることは地球規模で必要不可欠な命題となっている。廃PET製品のリサイクル方法としては、例えば、廃PET製品からテレフタル酸ビス(2-ヒドロキシエチル)(以下、「BHET」と記載する。)を得て、PETの原材料としてリサイクルする方法が知られている。
このBHETは、PETの原材料としてリサイクルする以外にも、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)(以下、「BHEC」と記載する。)の原料としても用いられている。BHECは、例えば、BHETを水素(水素ガス)と反応させて、BHETのベンゼン環を水素化(核水素化)することにより生成することができる。BHETからBHECを得る方法としては、例えば、特許文献1に開示された方法がある。特許文献1に開示された方法では、パラジウム担持触媒存在下で、BHETと水素ガスとを反応させて、BHETの核水素化を行うことによりBHECを生成する。
なお、BHECには、シス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)(以下、「シス-BHEC」と記載する。)、およびトランス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)(以下、「トランス-BHEC」と記載する。)の2つの立体異性体が存在する。しかしながら、本発明者らの分析によれば、特許文献1の方法で生成されたBHECからは、シス-BHECのみが検出され、トランス-BHECは検出されなかった。また、シス-BHECを異性化して、トランス-BHECを得る方法も知られていない。
シス-BHECは、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂およびエポキシ樹脂等の原料として知られている。一方、トランス-BHECは、高い線形性を有しているため、例えば、ポリウレタン樹脂の鎖延長剤(ジオール成分)として、優れた原料となることが期待される。そのため、トランス-BHECを得る方法の開発が望まれている。
中国特許出願公開第104003840号明細書
本発明は、上記従来の問題点を鑑みたものであり、その目的は、簡便に、かつ、高い収率でトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)を製造する方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、かかるトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)を含むシクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)を提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
(1) シス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)を塩基性酸化物であるアルカリ土類金属の酸化物と160〜180℃の温度で接触させることにより異性化して、トランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)を得ることを特徴とするトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
(2) 前記シス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)と前記塩基性酸化物との重量比率は、100:0.1〜100:10である上記(1)に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
(3) 前記異性化は、前記シス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)と、前記塩基性酸化物とを、液状媒体に混合した状態で行われる上記(1)または(2)に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
(4) 前記液状媒体は、ジオールおよび非プロトン性極性溶媒のうちの少なくとも1種を含む上記(3)に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
(5) 前記液状媒体は、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドおよび1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノンのうちの少なくとも1種を含む上記(4)に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
) 前記塩基性酸化物は、酸化バリウムおよび酸化カルシウムのうちの少なくとも1種を含む上記(1)ないし(5)のいずれかに記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
) 前記シス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)は、シス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)である上記(1)ないし()のいずれかに記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
) 前記シス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)は、ポリエチレンテレフタレートを含む原料を解重合してテレフタル酸ビス(2-ヒドロキシエチル)を得て、前記テレフタル酸ビス(2-ヒドロキシエチル)を核水素化することにより得られる上記()に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
) 前記核水素化は、ルテニウム触媒存在下に、前記テレフタル酸ビス(2-ヒドロキシエチル)と水素ガスとを反応させることにより行われる上記()に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
10) 前記核水素化は、前記テレフタル酸ビス(2-ヒドロキシエチル)と前記ルテニウム触媒とを、液状媒体に混合した状態で行われる上記()に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
本発明によれば、シス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)から簡便に、かつ高い収率でトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)を得ることができる。また、トランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)を高い比率で含むシクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)を提供することができる。
実施例1で得られた反応混合液のガスクロマトグラムである。 実施例3で得られた反応混合液のガスクロマトグラムである。 実施例4で得られた反応混合液のガスクロマトグラムである。
以下、本発明のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法の好適な実施形態について、詳細に説明する。
本発明のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)(以下、「トランス-BHAC」と記載する。)の製造方法は、シス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)(以下、「シス-BHAC」と記載する。)を塩基性酸化物と接触させて、シス-BHACを異性化することにより、トランス-BHACを得る方法である。
より具体的には、本実施形態のトランス-BHACの製造方法は、シス-BHACを含む原料を準備する工程(原料準備工程)と、オートクレーブ内に上記原料と塩基性酸化物とを投入し、塩基性酸化物とシス-BHACとを接触させて、シス-BHACを異性化することにより、トランス-BHACを得る工程(異性化工程)とを有する。以下、各工程について順次説明する。
<原料準備工程>
まず、シス-BHACを含む原料を準備する。
シス-BHACの具体例としては、下記一般式(1)で示される化合物が挙げられる。
Figure 0006372771
(ただし、上記一般式(1)において、nは2以上の整数を示す。)
なお、上記一般式(1)では、シクロヘキサン環の1位および4位にエステル基が結合しているが、本発明はこれに限定されない。本発明で用いるシス-BHACとしては、例えば、上記一般式(1)で示されるシス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)、シス-1,3-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)、シス-1,2-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)等が挙げられる。これらの中でも、シス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)は、高い線形性を有するため、例えば、ポリウレタン樹脂の鎖延長剤(ジオール成分)として優れた原料となる。
上記一般式(1)において、nの値は、2以上の整数であれば特に限定されない。ただし、nの値は、2〜12であることが好ましく、2〜6であることがより好ましい。nの値が上記範囲内のシス-BHACは取扱い易く、生産性に優れている。また、かかるシス-BHACを原料として用いることにより、異性化反応以外の副反応をより確実に抑えることができるため、純度の高いトランス-BHACをより収率良く得ることができる。
かかるシス-BHACを含む原料としては、市販品および合成品を用いることができる。特に、シス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)(BHEC)を含む原料は、廃PET製品を解重合してテレフタル酸ビス(2-ヒドロキシエチル)(BHET)を得て、BHETを核水素化することにより得られる。かかる原料を用いることにより、廃PET製品のリサイクル率を向上させることができる。なお、廃PET製品としては、例えば、廃PETボトル、廃PETフィルム、廃PET繊維、廃PET産業用資材等が挙げられる。
以下に、具体例として、廃PET製品からシス-BHECを含む原料を得る方法を説明する。
廃PET製品からシス-BHECを含む原料を得る方法(シス-BHECの製造方法)は、廃PET製品を解重合することにより、BHETを含む反応物を得る工程(解重合工程)と、オートクレーブ内に上記反応物と触媒とを投入し、触媒存在下に、BHETと水素ガスとを反応させて、BHETの核水素化を行うことにより、シス-BHECを得る工程(核水素化工程)とを有する。
<<解重合工程>>
まず、廃PET製品からBHETを得る。廃PET製品からBHETを得る方法としては、例えば、PETをエチレングリコール(以下、「EG」と記載する。)中で解重合する方法が知られている(例えば、特開2000−53802号公報、特開2008−88096号公報)。かかる方法によれば、安価な廃PET製品から高純度のBHETを高い収率で得ることができる。また、かかる方法は、資源を有効利用するケミカルリサイクルであるため、地球環境保護に大きく貢献する技術でもある。
PETの解重合により得られた反応物中のBHETの含有率(BHETの純度)は、90wt%以上が好ましく、92wt%以上がより好ましく、95wt%以上がさらに好ましい。BHETの純度が上記範囲内の反応物を用いることにより、より高純度のシス-BHECを収率良く得ることができる。
<<核水素化工程>>
次に、上記反応物と触媒とを、容器(反応器)に投入(供給)する。その後、反応器内に水素ガスを含む反応ガスを充填して、触媒存在下に、BHETと水素ガスとを反応させる。これにより、BHETのベンゼン環が水素化(核水素化、または核水添とも言う。)されて、シス-BHECを含む原料が得られる。
なお、反応器としては、例えば、攪拌機付きオートクレーブ等を用いることができる。
触媒は、BHETのベンゼン環を効率良く水素化するように作用する。かかる触媒は、特に限定されないが、貴金属および貴金属合金のうちの少なくとも1種を含むことが好ましい。
かかる触媒としては、具体的には、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等の貴金属単体、2種以上の貴金属の合金、貴金属とNi、Co、Fe、Zn、Cu、Mn、Pd、Cd、Cr、Ag、Au、Hg、Ga、In、Ge、Sn、Ti、Al、Si等の金属元素、Ca、Mg、Gr、Baのアルカリ土類金属元素、およびLi、Na、K、Rb、Csのアルカリ金属のうちの少なくとも1種の金属元素との合金等が挙げられる。その中でも、触媒は、Ru(ルテニウム)を含むことが好ましい。
ルテニウム触媒は、BHETのベンゼン環を選択的に水素化することができる。また、ルテニウム触媒は、BHETのエステル基(−COOCHCHOH)の水素化を抑えることができるため、BHETから、ベンゼン環およびエステル基のいずれもが水素化された1,4-シクロヘキサンジメタノール(以下、「CHDM」と記載する。)が生成することを抑えることができる。したがって、ルテニウム触媒を用いることにより、副生成物(例えば、CHDM)の生成を抑え、純度の高いシス-BHECを収率良く得ることができる。さらに、予期しなかったことに、ルテニウム触媒存在下でBHETを核水素化することにより生成されるBHECは、シス-BHECに加え、トランス-BHECを含んでいることを見出した。すなわち、ルテニウム触媒の存在下では、BHETと水素ガスとの反応により、純度の高いBHECを収率良く得ることができるとともに、得られたBHECは、シス-BHECとトランス-BHECとを含むことを見出した。
なお、本工程では、貴金属または貴金属合金(以下、単に「貴金属」という。)をそのままで用いることができるが、貴金属を担体に担持させた貴金属担持担体触媒として用いることが好ましい。担体は、貴金属を吸着して、触媒として作用する点(触媒活性点)を担体の表面上に分散させる。これにより、触媒活性点とBHETとの接触面積を大きくすることができるため、BHETの核水素化の効率をより高めることができる。また、貴金属を担体に担持させることにより、触媒としての耐久性を高めることもできる。
また、貴金属を担持させる担体としては、カーボン(活性炭)、アルミナ、シリカ、チタニア、マグネシア、ジルコニア、シリカアルミナ、ゼオライト、粘土、カオリン、タルクおよびベントナイトのうちの少なくとも1種を含む担体が好ましい。この中でも、カーボン、アルミナ、シリカ、チタニア、マグネシアおよびジルコニアのうちの少なくとも1種を含む担体がより好ましく、カーボンを含む担体が特に好ましい。
貴金属担持担体の貴金属の担持量(含有量)は、特に限定されないが、0.1〜10wt%程度であることが好ましく、0.5〜10wt%程度であることがより好ましい。貴金属担持担体の貴金属の担持量が上記範囲内であれば、高価な貴金属の使用量を抑えながら、触媒活性点が担体表面に均一に分散した貴金属担持担体触媒とすることができる。かかる貴金属担持担体触媒を用いることにより、低コストで効率良くBHETを核水素化することができ、純度の高いBHECを収率良く得ることができる。また、このようなルテニウム担持担体触媒は、前述したように高い耐久性を有するため、分別して回収することにより、触媒として再利用することもできる。
また、貴金属の触媒作用を向上させる観点から、貴金属を、予め、水素、窒素、アルゴン、二酸化炭素等の各種ガス気流中で加熱する活性化処理を行ってもよい。その際の処理温度は、50〜700℃程度が好ましく、80〜600℃程度がより好ましい。例えば、貴金属担持担体触媒を用いる場合には、上記温度範囲内で加熱することにより、貴金属の触媒活性点が担体表面により均一に分散し、貴金属担持担体触媒の触媒特性をより高めることができる。また、活性化処理の時間は、担体に担持した貴金属の量や処理温度により適宜調製することができるが、例えば、0.1〜100時間程度とすることができる。
オートクレーブ(反応器)に投入するBHETおよび触媒の仕込み比率は、特に限定されないが、BHETと触媒との重量比率で、100:0.1〜100:10であることが好ましく、100:1〜100:5であることがより好ましい。これにより、より短時間で、効率良くBHETを核水素化することができ、BHETの核水素化反応以外の副反応(例えば、BHETのエステル基の水素化反応等)をより確実に抑えることができる。その結果、より純度の高いBHECを収率良く得ることができる。
なお、BHETの核水素化反応では、BHETと水素および/または触媒との接触の機会をできるだけ高めることが望ましい。ただし、BHETの融点は比較的高い(110℃程度)ため、加熱によりBHETの流動性を高めるためには大きな熱量を必要とする。そのため、BHETの流動性を向上させるために、BHETを液状媒体に溶解または分散することは有効である。また、液状媒体を用いることにより、反応熱が低減し、副反応をより確実に抑制することもできる。なお、本工程で液状媒体を用いる場合は、オートクレーブ内に、上記反応物、触媒および液状媒体を投入し、オートクレーブの攪拌機により撹拌して、反応物および触媒を液状媒体中に溶解または分散させた状態で、BHETの核水素化を行うのが好ましい。
本工程で使用可能な液状媒体としては、BHETの核水素化反応に悪影響を与えない限り、特に限定されないが、ジオールおよび非プロトン性極性溶媒のうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。これらの液状媒体は、BHETに対して高い溶解性を有しているため、BHETの流動性を向上させることができる。また、BHETの核水素化反応の際に、重合などの副反応の発生を抑えることができる。そのため、かかる液状媒体を用いることにより、より純度の高いBHECを収率良く得ることができる。
ジオールは、特に限定されないが、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびブタンジオール等のうちの少なくとも1種を含むことが好ましい。また、非プロトン性極性溶媒は、特に限定されないが、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドおよび1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノンのうちの少なくとも1種を含むことが好ましい。これらの液状媒体の中でも、BHETを構成するジオールであって、BHETの溶解性が高く、重合等の副反応の発生を抑制する効果が高いという観点から、エチレングリコールが特に好ましい。
オートクレーブに投入する液状媒体の量(使用量)は、特に限定されないが、BHETと液状媒体との重量比率で、5:95〜90:10であることが好ましく、10:90〜70:30であることがより好ましい。液状媒体の使用量が上記範囲内であれば、BHETの核水素化反応が効率良く進行するとともに、副反応をより抑制することができる。その結果、BHECの生産性が向上するとともに、BHECの収率をより高めることができる。
原料と触媒とを、攪拌機付きオートクレーブに投入した後、オートクレーブ内を真空脱気(減圧脱気)してから水素ガスを含む反応ガスを充填する、あるいは、オートクレーブ内の空気を、水素ガスを含む反応ガスに置換する。これにより、触媒の存在下に、BHETと水素ガスとを反応させる。
なお、これらのガス置換の操作および真空脱気の操作は、組み合わせて行ってもよく、これらの操作を交互に繰り返して複数回行うようにしてもよい。また、オートクレーブ内に充填する反応ガスは、水素ガス単体でもよく、窒素、アルゴン、二酸化炭素のガスと水素ガスとの混合ガスであってもよい。
混合ガスを用いる場合、水素ガスの分圧(水素ガス単体を用いる場合、全圧)は、特に限定されないが、1〜10MPa程度であることが好ましく、2〜8MPa程度であることがより好ましく、3〜6MPa程度であることがさらに好ましい。水素ガスの分圧が上記範囲内であれば、水素ガスがより選択的にBHETのベンゼン環と反応して、BHETの核水素化がより速やかに進行する。その結果、効率良くBHECを得ることができる。さらに、かかる分圧では、オートクレーブへの負担が抑えられるため、長期間にわたって、同一設備で繰り返しBHECの製造を行うことができ、ランニングコストを抑えることができる。なお、BHETの核水素化の際に、オートクレーブ内の水素ガスの分圧が一定となるように、オートクレーブ内に水素ガスを連続的または断続的に供給することが好ましい。
BHETと水素ガスとを反応させる際の反応温度(オートクレーブ内の温度)は、80〜200℃程度であることが好ましく、85〜180℃程度であることがより好ましく、80〜170℃程度であることがさらに好ましい。反応温度が上記範囲内であれば、水素ガスがより選択的にBHETのベンゼン環と反応して、BHETの核水素化が速やかに進行する。また、反応温度が上記範囲内であれば、BHETの核水素化反応以外の副反応(BHETのエステル基の水素化反応等)をより確実に抑制することができる。その結果、純度の高いBHECをより高い収率で得ることができる。また、かかる反応温度では、オートクレーブへの負担が抑えられるため、ランニングコストを抑えることができる。
また、BHETと水素ガスとの反応時間は、使用する触媒の種類、原料と触媒との仕込み比率、反応ガスの圧力(水素ガスの分圧)、反応温度等により適宜調整され、特に限定されないが、例えば、2〜20時間程度とすることができる。
また、BHECを得る反応形式は、回分式(バッチ式)、連続式、または回分式と連続式とを組み合わせて行うことができる。なお、回分式の水素化装置としては、攪拌機と全還流冷却器等の冷却器とを備えた反応器(オートクレーブ)を用いることができる。また。連続式の水素化装置としては、公知の連続固定床反応器を用いることができる。
上記のようにして、水素化反応を行った後、必要に応じて室温(20℃程度)まで冷却する。その後、オートクレーブ内の反応系から触媒を分別することにより、粗BHECを得ることができる。かかる粗BHEC中のBHECの含有量は、好ましくは、80wt%以上である。上記方法によれば、副生成物の生成が抑えられ、高い純度のBHECを得ることができる。
また、得られた粗BHECは、シス-BHECとトランス-BHECとを含む。粗BHEC中のシス-BHECとトランス-BHECとの重量比率は、99:1〜35:65であることが好ましい。かかる重量比率でシス-BHECとトランス-BHECとを含む原料を用いることにより、異性化工程後に最終的に得られるトランス-BHECの収率をより高めることができる。
なお、得られた粗BHECは、蒸留や再結晶等の公知の分離精製方法を用いて、精製することができる。
以上の工程を経て、シス-BHECを含む原料を得ることができる。なお、シス-BHACは、シス-BHECと同様に、テレフタル酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)(BHAT)を核水素化することにより得ることができる。
<異性化工程>
次に、シス-BHACを含む原料と塩基性酸化物とを、容器(反応器)に投入(供給)することにより、これらを接触させる。これにより、シス-BHACの異性化により、トランス-BHACが得られる(下記一般式(2)を参照)。なお、一般式(2)において、シクロヘキサン環の1位および4位にエステル基が結合しているが、前記一般式(1)と同様に、本発明はこれに限定されない。
Figure 0006372771
(ただし、上記一般式(2)において、nは2以上の整数を示す。)
なお、反応器としては、例えば、攪拌機付きオートクレーブ等を用いることができる。
本発明のトランス-BHACの製造方法では、シス-BHACを異性化するための触媒(異性化触媒)として、塩基性酸化物を用いることに特徴を有する。即ち、塩基性酸化物をシス-BHACと接触させることにより、シス-BHACを速やかにトランス-BHACに異性化させることができる。また、塩基性酸化物を使用することにより、シス-BHACの異性化反応以外の副反応(例えば、エステルの加水分解反応や水酸基の脱水縮合反応等)を抑えることができる。その結果、純度の高いトランス-BHACを収率良く得ることができる。さらに、塩基性酸化物は、酸性触媒のように、製造装置(反応器)を腐食させることがない。そのため、本発明のトランス-BHACの製造方法では、反応器への負担が抑えられるため、長期間にわたって、同一設備で繰り返しトランス-BHACの製造を行うことができ、ランニングコストを抑えることができる。
塩基性酸化物は、シス-BHACを効率良く異性化するための触媒として作用する。
塩基性酸化物は、具体的には、金属元素の酸化物である。かかる金属元素は、特に限定されないが、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のうちの少なくとも1種を含むことが好ましい。触媒としてアルカリ土類金属の酸化物またはアルカリ金属の酸化物を用いることにより、シス-BHACを効率良く異性化することができるとともに、副反応(例えば、エステルの加水分解反応等)をより確実に抑えることができる。特に、シス-BHACの異性化反応をより速やかに進行させる観点から、塩基性酸化物としてアルカリ土類金属の酸化物を用いるのがより好ましい。
アルカリ土類金属の酸化物は、酸化バリウム、酸化カルシウムおよび酸化マグネシウムのうちの少なくとも1種を含むことが好ましい。
なお、塩基性酸化物をシス-BHACに接触させる方法としては、例えば、懸濁床方式および固定床方式等を挙げることができる。懸濁床方式の場合は、塩基性酸化物の粉末を用いることが好ましく、固定床方式の場合は、塩基性酸化物を成型した成型品を用いることが好ましい。
塩基性酸化物の粉末は、任意の粒度分布を有する粉末を用いることができる。また、成型品の形状は、特に限定されないが、成型が容易であるという観点から、円柱状をなしていることが好ましい。
オートクレーブ(反応器)に投入するシス-BHACおよび塩基性酸化物の仕込み比率は、特に限定されないが、シス-BHACと塩基性酸化物との重量比率で、100:0.1〜100:10であることが好ましく、100:0.5〜100:5であることがより好ましい。これにより、より短時間で、効率良くシス-BHACを異性化することができ、シス-BHACの異性化反応以外の副反応(例えば、例えば、エステルの加水分解反応等)をより確実に抑えることができる。その結果、より純度の高いトランス-BHACを収率良く得ることができる。
なお、シス-BHACの異性化反応では、シス-BHACと塩基性酸化物との接触の機会をできるだけ高めることが望ましい。ただし、シス-BHACの融点は比較的高いため、加熱によりシス-BHACの流動性を高めるためには大きな熱量を必要とする。そのため、シス-BHACの流動性を向上させるために、シス-BHACを液状媒体に溶解または分散することは有効である。また、液状媒体を用いることにより、反応熱が低減し、副反応をより確実に抑制することもできる。なお、本工程で液状媒体を用いる場合は、オートクレーブ内に、上記原料、塩基性酸化物および液状媒体を投入し、オートクレーブの攪拌機により撹拌して、原料およびシス-BHACを液状媒体中に溶解または分散させた状態で、シス-BHACの異性化を行うのが好ましい。
本工程で使用可能な液状媒体としては、シス-BHACの異性化反応に悪影響を与えない限り、特に限定されないが、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびブタンジオール等のジオール、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドおよび1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン等の非プロトン性極性溶媒のうちの少なくとも1種を含む液状媒体が好ましい。これらの液状媒体の中でも、シス-BHACとの相溶性が高く、副反応の発生を抑制する効果が高いという観点から、エチレングリコールが特に好ましい。
オートクレーブに投入する液状媒体の量(使用量)は、特に限定されないが、シス-BHACと液状媒体との重量比率で、20:80〜99:1であることが好ましく、20:80〜90:10であることが好ましい。液状媒体の使用量が上記範囲内であれば、シス-BHACの異性化反応が効率良く進行するとともに、副反応をより抑制することができる。その結果、トランス-BHACの生産性が向上するとともに、トランス-BHACの収率をより高めることができる。
なお、シス-BHACの異性化反応は、不活性ガスの雰囲気下で行うことが好ましい。これにより、高温下でシス-BHACの異性化を行った場合でも、原料、生成されるトランス-BHACおよび液状媒体の酸化劣化をより確実に防止することができる。かかる不活性ガスとしては、窒素ガスおよびアルゴンガスのうちの少なくとも1種を含むガスが好ましい。具体的には、原料と塩基性酸化物とを、攪拌機付きオートクレーブに投入した後、オートクレーブ内を真空脱気(減圧脱気)してから不活性ガスを充填する、あるいは、オートクレーブ内の空気を、不活性ガスに置換する。これにより、不活性ガスの雰囲気下でシス-BHACの異性化を行うことができる。
なお、本工程は、オートクレーブ内の圧力を常圧(大気圧)にした状態で行うことができるが、使用する液状媒体が低沸点の液体である場合には、加圧して行うこともできる。オートクレーブ内を加圧する場合には、例えば、オートクレーブ内の圧力は1〜10MPa程度であることが好ましい。
シス-BHACを異性化する際の反応温度(オートクレーブ内の温度)は、特に限定されないが、160〜300℃程度であることが好ましく、180〜280℃程度であることがより好ましく、180〜240℃程度であることがさらに好ましい。反応温度が上記範囲内であれば、シス-BHACの異性化が速やかに進行する。また、反応温度が上記範囲内であれば、より低温のほうが、シス-BHACの異性化反応以外の副反応(エステルの加水分解反応や脱水縮合反応等)をより確実に抑制し、反応混合液の着色も抑制できる。その結果、純度の高いトランス-BHACをより高い収率で得ることができる。また、かかる反応温度では、オートクレーブへの負担が抑えられるため、ランニングコストを抑えることができる。特に、反応温度が160〜200℃程度であれば、液状媒体として低沸点溶媒を用いることができ、さらには、常圧(大気圧)で反応させることができる。そのため、高圧装置を用いる必要がなく、比較的廉価な反応装置を用いることができ、工業的に有利である。
また、シス-BHACを異性化する際の反応時間は、使用する塩基性酸化物の種類、原料と塩基性酸化物との仕込み比率、オートクレーブ内の圧力、反応温度等により適宜調整され、特に限定されないが、例えば、2〜20時間程度とすることができる。
また、トランス-BHACを得る反応形式は、前述したBHETの核水素化反応と同様に、回分式(バッチ式)、連続式、または回分式と連続式とを組み合わせて行うことができる。また、
上記のようにして、異性化反応を行った後、必要に応じて室温(20℃程度)まで冷却する。その後、オートクレーブ内の反応系から塩基性酸化物を分別することにより、粗トランス-BHACを得ることができる。かかる粗トランス-BHAC中のトランス-BHACの含有量は、好ましくは、60wt%以上である。すなわち、トランス-BHACの含有量が60wt%以上のBHAC(本実施形態のBHAC)を得ることができる。本実施形態のトランス-BHACの製造方法によれば、副生成物の生成が抑えられ、高い純度のトランス-BHACを得ることができる。
また、得られた粗トランス-BHACは、蒸留や再結晶等の公知の分離精製方法を用いて、精製することができる。
なお、上記反応系から分別した塩基性酸化物は、繰り返し再利用することができる。すなわち、新たな原料と上記反応系から分別して回収した塩基性酸化物とをオートクレーブ内に投入し、上記と同様にして、シス-BHACの異性化を行い、トランス-BHACを得ることができる。このように、使用済みの塩基性酸化物を再利用した場合であっても、シス-BHACを異性化して、純度の高いトランス-BHACを高い収率で得ることができる。
以上、本発明のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、任意の目的の1または2以上の工程を追加するようにしてもよい。
以下、本発明の具体的実施例について説明する。
(実施例1)
まず、シス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)(シス-BHEC)を含む原料を、ポリエチレンテレフタレート(PET)ボトルから、以下に示す方法で得た。
1.BHETを含む原料の調製
着色PETボトル10wt%を含む、使用済みPETボトルをカッターナイフ付き湿式粉砕機に投入、粉砕して、平均サイズ8mm角のフレークを得た。次に、フレークを取り出し、このフレーク50kgに対して、4wt%濃度のNaOH水溶液200kgを添加して、80〜85℃に加温して30分間攪拌洗浄した。その後、フレークを固液分離し、水洗してNaOH分を除いた。次いで、このフレークを純水で濯ぎ、遠心脱水した後、真空乾燥した。
次に、攪拌機および精留塔を備えたオートクレーブに、上記乾燥フレーク30kgと、エチレングリコール(以下、「EG」と記載する。)168kgと、触媒としてMg(OH)108gとを供給して混合液を得た。その後、窒素置換および減圧脱気を3回繰り返して行った後、EGよりも沸点の低い留分を精留塔々頂から系外に除去しつつ、常圧下で197〜200℃×1.5時間で、解重合反応を行った。反応終了後、攪拌しつつ混合液の温度を、45分間で97〜98℃まで冷却した。冷却後、平均細孔径60μmのステンレス製の金網フィルターを用いて、熱時粗大物を濾過し、さらに1μmの繊維フェルトバグフィルターで濾過して、混合液中の浮遊物および沈殿物を除去した。
次に、上記混合液を、攪拌機付きジャケット式縦型薄膜蒸発機(UIC社製、「RF−6型」)に供給し、ジャケット温度150℃、蒸発機本体の内部圧力533Paの条件で、混合液から低沸点成分を蒸発させて、1段目の濃縮液を得た。次いで、1段目の濃縮液を、再度、上記の攪拌機付きジャケット式縦型薄膜蒸発機(UIC社製、「RF−6型」)に供給し、ジャケット温度150℃、蒸発機本体の内部圧力133Paの条件で濃縮液中の残存低沸点成分を蒸発させて、2段目の濃縮液(高沸点成分)を得た。
次に、2段目の濃縮液(高沸点成分)を、攪拌機付きジャケット式縦型薄膜蒸発機(UIC社製、「RF−6型」)に供給し、BHET蒸発留分と蒸発残渣(釜残)との重量比が8:2となるように条件設定をした。なお、このときの設定条件は、ジャケット温度202℃、蒸発機本体の内部圧力13Paとした。
次に、得られた粗BHET27kgを、70℃の熱水108kgに溶解させた。その後、この水溶液を晶折槽に供給し、70℃から65℃まで急冷し、65℃から40℃までを5時間かけて徐冷し、40℃から20℃までを2時間かけて徐冷し、BHETの結晶を晶折、析出させた。その後、水溶液を20℃に維持しながら、縦型の遠心分離機で固液分離を行い、遠心分離機内に得られた精製BHETを15℃の純水で洗浄した後、再度固液分離した。
上記のようにして分離された精製BHETは、ガスクロマトグラフィーを用いて分析したところ、純度は96.3wt%であった。また、精製BHETの酸価は、2.3mgKOH/gであり、融点は111℃であった。なお、本工程および以下の各工程におけるガスクロマトグラフィー分析に用いたカラムおよび測定温度条件を以下に示す。
カラム:DB−1(Agient Technologies社製、30m×0.25mm、膜厚0.25μm)
温度条件:150℃から5℃/minで300℃まで昇温し、300℃で15分間保持
キャリアーガス:ヘリウム
2.BHETの核水素化
次に、容量0.5Lの電磁撹拌式オートクレーブに、上記で得られた精製BHET(BHETを含む原料)80gと、5wt%ルテニウム担持のカーボン担体触媒(5%Ru/C)2.4gと、溶媒(液状媒体)としてEG120gとを投入した。なお、BHETに対するルテニウム担持カーボン担体の重量比率は3.1wt%であり、BHETに対するEGの重量比率は155.8wt%であった。
次に、オートクレーブ内を減圧脱気した後、オートクレーブ内の水素ガスの分圧が3MPaを維持するように、水素ガスをオートクレーブ内に供給し続けながら、オートクレーブ内の温度を130℃にして、2.1時間、BHETの核水素化を行った。
その後、オートクレーブ内を室温まで冷却し、反応混合物からルテニウム担持のカーボン担体触媒を濾別(分別)して、反応混合液を得た。
さらに、反応混合液からEGを減圧下で蒸発留去して、粗1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)(粗BHEC)を得た。以下に示す各実施例および各比較例では、かかる粗BHECを、シス-BHECを含む原料として用いた。
得られた粗BHEC(原料)は、純度:89.3wt%、トランス体比率:19.6%の1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)(BHEC)を含んでいた。
なお、原料および生成物(後述する粗トランス-BHEC)のガスクロマトグラフィー分析で得られたシス-BHECおよびトランス-BHECの含有率(wt%)に基づいて、トランス体及びシス体比率(%)を次式から算出した。
トランス体比率(%)
=トランス-BHECの含有率
/(シス-BHECの含有率+トランス-BHECの含有率)×100
シス体比率(%)=100−トランス体比率
一方、前式で得られた原料および生成物のシス体比率(%)からシス-BHECの反応率(%)を次式から算出した。
シス-BHECの反応率(%)
=(原料のシス体比率−生成物のシス体比率)/原料のシス体比率×100
3.シス-BHECの異性化
容量0.3Lの温度計および圧力計付きの電磁撹拌式ステンレス製オートクレーブに、上記で得られた粗BHEC(シス-BHECを含む原料)40gと、触媒として酸化バリウム粉末(市販特級品)1gと、溶媒としてエチレングリコール(EG)60gとを投入した。なお、シス-BHECに対する酸化バリウム粉末の重量比率は約3.5wt%であり、シス-BHECに対するEGの重量比率は約209wt%であった。
次に、オートクレーブ内を減圧脱気した後、オートクレーブ内を窒素ガスで置換した。その後、オートクレーブ内の混合物を260℃、7時間撹拌して、シス-BHECの異性化を行った。
その後、オートクレーブ内を室温まで冷却し、反応系から酸化バリウム粉末を濾紙で濾別(分別)して、反応混合液を得た。
さらに、反応混合液からEGを減圧で蒸発留去して、粗トランス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)(粗トランス-BHEC)を37.5g得た。ガスクロマトグラフィー分析の結果、粗トランス-BHECのBHEC純度は83.9wt%、トランス体比率は67.7%、シス-BHECの反応率は59.8%であった。
本実施例、後述する各実施例および各比較例の反応系の組成、異性化条件およびガスクロマログラフィー分析結果を表1に示す。
(実施例2)
触媒として、酸化バリウム粉末の代わりに、酸化カルシウム粉末(市販特級品)1gを使用した以外は、前記実施例1と同様にして、異性化を行い、反応混合液を得た。その後、実施例1と同様の後処理をして粗トランス-BHECを得た。本実施例で得られた粗トランス-BHECは38.2gであった。ガスクロマトグラフィー分析の結果、粗トランス-BHECのBHEC純度は77.7wt%、トランス体比率は68.8%、シス-BHECの反応率は61.2%であった。
(実施例3)
酸化バリウム粉末の量を2g(シス−BHECに対する重量比率:約7wt%)とし、オートクレーブ内における反応温度を200℃、撹拌時間(反応時間)を10時間とした以外は、前記実施例1と同様にして、異性化を行い、反応混合液を得た。その後、実施例1と同様の後処理をして粗トランス-BHECを得た。本実施例で得られた粗トランス-BHECは38.8gであった。ガスクロマトグラフィー分析の結果、粗トランス-BHECのBHEC純度は85.8wt%、トランス体比率は66.9%、シス-BHECの反応率は58.8%であった。
(実施例4)
溶媒としてのEGの量を30g(シス−BHECに対する重量比率:約105wt%)とし、オートクレーブ内における反応温度を180℃とした以外は、前記実施例3と同様にして、異性化を行い、反応混合液を得た。この反応混合液の色相は、実施例1(反応温度260℃)および実施例3(反応温度200℃)で得られた反応混合液と比較すると、着色の度合いが最も低かった。その後、実施例1と同様の後処理をして粗トランス-BHECを得た。本実施例で得られた粗トランス-BHECは39.0gであった。ガスクロマトグラフィー分析の結果、粗トランス-BHECのBHEC純度は88.8wt%、トランス体比率は66.5%、シス-BHECの反応率は58.3%であった。
(比較例1)
触媒として、酸化バリウム粉末の代わりに、酸化アルミニウム粉末(市販特級品)1gを使用した以外は、前記実施例1と同様にして、異性化を行い、反応混合液を得た。その後、実施例1と同様の後処理をして粗トランス-BHECを得た。本比較例で得られた粗トランス-BHECは33.5gであった。ガスクロマトグラフィー分析の結果、粗トランス-BHECのBHEC純度は83.0wt%、トランス体比率は51.7%、シス-BHECの反応率は39.9%であった。
(比較例2)
触媒として、酸化バリウム粉末の代わりに、酸化亜鉛粉末(市販特級品)1gを使用した以外は、前記実施例1と同様にして、異性化を行い、反応混合液を得た。その後、実施例1と同様の後処理をして粗トランス-BHECを得た。本比較例で得られた粗トランス-BHECは34.2gであった。ガスクロマトグラフィー分析の結果、粗トランス-BHECのBHEC純度は82.0wt%、トランス体比率は35.7%、シス-BHECの反応率は20.0%であった。
各実施例および各比較例で得られた粗トランス-BHECの組成を、ガスクロマトグラフィーを用いて分析した結果を表1に示す。
また、各実施例および各比較例の反応混合液の色を目視で確認し、その着色レベルを以下の基準にしたがって評価した。その結果を表1に示す。
A:淡黄色
B:黄色
C:茶色
Figure 0006372771
また、実施例1、実施例3および実施例4で得られた各反応混合液のガスクロマトグラムを、それぞれ、図1、図2および図3に示す。
表1に示すように、実施例1〜4で得られた粗トランス-BHEC中のトランス体比率は、60%以上であり、シス-BHECを含む原料から純度の高いトランス-BHECを得ることができた。また、実施例1〜4の製造方法では、得られた粗トランス-BHEC中のトランス-BHECの純度が高く、後処理工程の物理的なロスが少ないため、トランス-BHECの収率が十分に高かった。
また、表1に示すように、実施例1よりも実施例3の方が着色の程度が小さく、実施例3よりも実施例4の方がさらに着色の程度が小さかった。さらに、図1〜3に示すように、実施例1、実施例3および実施例4で得られた各反応混合液のガスクロマトグラムから、反応混合液中のエステルの加水分解物やその他の副生成物の量が、実施例1、実施例3、実施例4の順に少ないことも判明した。したがって、好ましい反応温度の範囲でも、極力低温で反応を実施することにより、得られる反応混合液の着色が小さく、副反応も少ないという結果が得られた。さらに、反応温度が160〜200℃程度の比較的低温であれば、常圧で反応させることもできる。そのため、高圧装置を用いる必要がなく、比較的廉価な反応装置を用いることができ、工業的に有利である。
一方、触媒として両性酸化物(酸化アルミニウム、酸化亜鉛)を用いた比較例1および2では、原料中のシス-BHECが十分に異性化されなかった結果、得られるトランス-BHECの純度が低く、その収率も十分に高くすることができなかった。
また、シス-BHECを含む原料の代わりに、シス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシプロピル)(シス-BHPC)およびシス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシブチル)(シス-BHBC)の各シス-BHACを含む原料を用いて、上記実施例1と同様にして、異性化を行い、粗トランス-BHACを得た。その結果、いずれのシス-BHACからも、純度の高いトランス-BHACを得ることができた。

Claims (10)

  1. シス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)を塩基性酸化物であるアルカリ土類金属の酸化物と160〜180℃の温度で接触させることにより異性化して、トランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)を得ることを特徴とするトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
  2. 前記シス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)と前記塩基性酸化物との重量比率は、100:0.1〜100:10である請求項1に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
  3. 前記異性化は、前記シス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)と、前記塩基性酸化物とを、液状媒体に混合した状態で行われる請求項1または2に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
  4. 前記液状媒体は、ジオールおよび非プロトン性極性溶媒のうちの少なくとも1種を含む請求項3に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
  5. 前記液状媒体は、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドおよび1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノンのうちの少なくとも1種を含む請求項4に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
  6. 前記塩基性酸化物は、酸化バリウムおよび酸化カルシウムのうちの少なくとも1種を含む請求項1ないし5のいずれかに記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
  7. 前記シス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)は、シス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)である請求項1ないしのいずれかに記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
  8. 前記シス-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシエチル)は、ポリエチレンテレフタレートを含む原料を解重合してテレフタル酸ビス(2-ヒドロキシエチル)を得て、前記テレフタル酸ビス(2-ヒドロキシエチル)を核水素化することにより得られる請求項に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
  9. 前記核水素化は、ルテニウム触媒存在下に、前記テレフタル酸ビス(2-ヒドロキシエチル)と水素ガスとを反応させることにより行われる請求項に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
  10. 前記核水素化は、前記テレフタル酸ビス(2-ヒドロキシエチル)と前記ルテニウム触媒とを、液状媒体に混合した状態で行われる請求項に記載のトランス-シクロヘキサンジカルボン酸ビス(2-ヒドロキシアルキル)の製造方法。
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