JP7184682B2 - ベンゼンポリカルボン酸エステルを水素化して脂環族ポリカルボン酸エステルを形成する水素化方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ベンゼンポリカルボン酸エステルに対して水素化反応を行うことにより、対応する脂環族ポリカルボン酸エステルを形成する水素化方法に関する。
水素化反応は、水素雰囲気で触媒の存在下、炭素の二重結合を還元してアルカン類の生成物を得る反応であり、石油精製、食品、製薬及び通常な化学製品の加工に係るプロセスにおいてよく見られている。例えば、水素の添加によって石油における硫黄、窒素、ニッケル、バナジウムなどの元素を除去することと、水素の添加によって植物性油脂における不飽和脂肪を低減することと、不飽和の分子鎖を有するコポリマーに対して水素を添加することによって分子構造と特性を変化させることがある。また、例えば、芳香族エポキシ樹脂は、ベンゼン環の水素化により、ＵＶ光の照射による劣化の現象が改善される。水素化された芳香族ポリカルボン酸は、機能性ポリイミド及び官能性エポキシ樹脂の硬化剤などの分野に使用され、また、水素化されたシクロヘキサンジカルボン酸は、フタレートの代わりに可塑剤としてポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）の加工に使用され、或いは塗装材、充填補強材、加工助剤などの用途に使用されてもよい。ＰＶＣの加工において、フタレート（フタル酸エステルとも称する）関連製品、例えばジブチルフタレート（ＤＢＰ）、ジオクチルフタルレート（ＤＯＰ）或いはジイソノニルフタレート（ＤＩＮＰ）などの誘導体が可塑剤として適用されることがもっとも多い。しかし、近年、このような物質は人体の健康に有害であると言われ、一部の使用、例えば赤ちゃん用品などの用途において、だんだん禁止されている。したがって、脂肪族ジカルボキシレートが環境にやさしい物質と見なされてフタレートの代わりに可塑剤として使用されている。例えば、シクロヘキサン－１，２－イソノニルジカルボキシレートに関する技術は既に開示されており、例えば、ベンゼンポリカルボン酸又はその誘導体を水素化してベンゼン環を飽和させて毒性を除去する方法によって製造することはよく見られている。
水素化反応のポイントは、反応に使用される触媒であり、先行技術である米国特許ＵＳ６２８４９１７Ｂ１において、大きいボイドを有する二峰性（ｂｉｍｏｄｅｌ）のアルミナを担体として製造される担持型ルテニウム触媒を使用し、８０℃で１００～２００バール（Ｂａｒ）の圧力範囲において、高圧バッチ攪拌式オートクレーブによって、対応する脂環族カルボキシレートを製造することが開示されている。
中国特許ＣＮ１０２６５８１８２Ｂにおいて、リンでアルミナを修飾して（Ｐ－Ａｌ２Ｏ３）担体になった後、ニッケルを担持して得られる触媒を使用し、１５０～２００℃で、３０～１５０バールの圧力範囲において、連続式固定床反応器によって、対応する脂環族カルボキシレートを製造することが開示されている。
米国特許ＵＳ７５９５４２０Ｂ２において、規則性ボイドを有するシリカ材料であるＭＣＭ－４１を触媒の担体として製造される担持型ルテニウム系触媒を使用し、１２０℃で５８～２００バールの圧力範囲において高圧バッチ攪拌式オートクレーブによって、対応する脂環族カルボキシレートを製造することが開示されている。
米国特許ＵＳ８７２２９２２Ｂ２において、第８～１０族元素の遷移金属であるパラジウム、ルテニウムなどを、第２族元素であるアルカリ土類金属を有するアルミナ担体（２Ａ－Ａｌ２Ｏ３）に担持させて製造される担持型触媒を使用し、１００～２５０℃で１～５０バールの圧力範囲において固定床反応器によって、対応する脂環族カルボキシレートを製造することが開示されている。
米国特許ＵＳ８５８６７８４Ｂ２において、二酸化チタン（ＴｉＯ２）を担体として製造される担持型触媒を使用し、温度１００℃で、１００バールの圧力で、連続式固定床反応器によって、対応する脂環族カルボキシレートを製造することが開示されている。
上記の先行技術から、多くの発明において、ベンゼン環の水素化率を９０％以上にするために、１００バール以上の高圧或いは１００℃以上の高温、又は高圧且つ高温の雰囲気において芳香族ポリカルボン酸エステルを水素化する方法を行わなければならないので、全体のコストの上昇につながっている。
本発明は、ベンゼンポリカルボン酸エステルを水素化して脂環族ポリカルボン酸エステルを形成する水素化方法を提供し、この水素化反応は、低圧（３０バール以下）及び低温（８０℃以下）の雰囲気で行われ、且つ転化率を９９．９％以上にし、選択率を９９．４％以上にすることができる。
本発明に係る芳香族ポリカルボン酸は、芳香族の構造にカルボン酸、ジカルボン酸、ポリカルボン酸、ヒドロキシカルボン酸などが含有されてなる化合物を指す。芳香族の分子鎖には、ベンゼン、ビフェニル、アントラセン、ナフタレン、多環芳香族炭化水素などがあり、例えば、ベンゼンポリカルボン酸、ビフェニルポリカルボン酸、ナフタレンポリカルボン酸などが挙げられる。したがって、異なる芳香族ポリカルボン酸又はその誘導体のベンゼン環の部分に対して水素化反応を行うことによって、対応する飽和脂環族ポリカルボン酸又はその誘導体を発生することができる。特にベンゼンポリカルボン酸又はその誘導体のベンゼン環の部分に対して水素化反応を行うことによって、シクロヘキサンポリカルボン酸又はその誘導体を発生することができる。ベンゼンポリカルボン酸は、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、１，２，４－トリメリト酸、１，３，５－トリメリト酸、１，２，３－トリメリト酸、１，２，４，５－ピロメリト酸及び上記いずれか二つ或いはそれ以上の組み合わせが挙げられる。そして、芳香族ポリカルボン酸の誘導体とは、芳香族ポリカルボン酸のモノエステル、ジエステルとポリエステルなどを指し，また、エステル類には、炭素数１～３０のアルキルエステル、炭素数3～３０のシクロアルキルエステル、炭素数１～３０のアルコキシエステルなどが含まれる。好ましくは炭素数２～２０のアルキルエステル、炭素３～２０のシクロアルキルエステル、炭素数２～２０のアルコキシエステルである。より好ましくは炭素３～１８のアルキルエステル、炭素４～１８のシクロアルキルエステル、炭素３～１８のアルコキシエステルであり，このうち、炭素鎖は直鎖でも分岐鎖であってもよい。例えば、ジメチルフタレート、ジメチルテレフタレート、ジメチルイソフタレート、ジエチルフタレート、ジブチルフタレート、ジイソオクチルフタレート、ジイソノニルフタレート、ベンジルブチルフタレート、ジイソデシルフタレート、ジオクチルテレフタレート及び上記いずれか二つ或いはそれ以上の組み合わせが挙げられる。
本発明は、ベンゼンポリカルボン酸エステルを低温且つ低圧で水素化して、対応する脂環族ポリカルボン酸エステルを製造しうる水素化方法を提供する。本発明の水素化方法は触媒の存在下で行われ、前記触媒は触媒担体及び活性金属を有し、このうち、触媒担体は周期表における第２族と第１４族元素を含み、活性金属は周期表における第８～１０族遷移元素を含み、さらに酸素或いは酸素を有する化合物を含む。公知の方法と比べると、通常の水素化反応において、触媒の機能を発揮させるために高圧の水素雰囲気及び適宜な温度で行わなければならず、反応の温度を上げるのは反応の速度と転化率を向上できるが、副反応も発生するので、生成物の純度を低下することになる。また、水素化製品である脂環族ポリカルボン酸エステルと原反応物であるベンゼンポリカルボン酸エステルとの構造が似ているから、分離しにくい。一方、本発明は、特定の触媒を使用することによって、触媒活性の向上と製品の純度を両立させることを実現できる。したがって、本発明に係る方法は、先行技術より、５０～１００℃の範囲にある反応温度と１～３０バールの範囲にある圧力によって転化率を９９．９％以上にすることができるという優れたメリットを有することが明るいである。また、もう一つのメリットは製品の選択率（９９％以上に達する）を向上し、続きの分離コストを低減することができる。
本発明に係る反応は触媒の存在下で行われ、前記触媒は触媒担体及び活性金属を有し、このうち、触媒担体は周期表における第２族と第１４族元素を含み、第２族元素はマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）の一つ又は二つ以上を含み、第１４族元素はケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）の一つ又はそれ以上を含み、活性金属は周期表における第８～１０族遷移元素である金属を含くんでニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）の一つ又は二つ以上を含む。
このうち、第８～１０族遷移元素である活性金属が触媒全体に占める比率は１０～８０重量％の範囲にあり、第２族元素の触媒担体が触媒全体に占める比率は１～３０重量％の範囲にあり、第１４族元素の触媒担体が触媒全体に占める比率は１～３０重量％の範囲にあり、その他の残部は酸素或いは酸素を有する化合物である。このうち、活性金属がニッケル（Ｎｉ）であることが好ましく、活性金属が触媒全体に占める比率が２０～７０重量％であり、好ましい比率は４５～６５重量％であり、より好ましい比率は５０～６５重量％である。第２族元素の比率は１～２０重量％であり、好ましい比率は２～１５重量％であり、より好ましい比率は３～１０重量％であり、第１４族元素の比率は１～２０重量％であり、好ましい比率は２～１５重量％であり、より好ましい比率は５～１２重量％である。
また、触媒において、第８～１０族遷移元素である活性金属：第２族元素の触媒担体：第１４族元素の触媒担体の比率は（１０～８０）：（１～３０）：（１～３０）である。第８～１０族遷移元素である活性金属がニッケルであって、第２族元素の触媒担体がマグネシウムであって、第１４族元素の触媒担体がケイ素である場合、第８～１０族遷移元素である活性金属：第２族元素の触媒担体：第１４族元素の触媒担体の比率は（２０～７０）：（１～２０）：（１～２０）であり、好ましくは（４５～６５）：（２～１５）：（２～１５）でり、より好ましくは（５０～６５）：（３～１０）：（５～１２）である。本発明は、特定の触媒の存在下で反応する方法を提供し、このうち、前記触媒の比表面積は８０～３００ｍ２／ｇの範囲にあり、好ましくは１００～２５０ｍ２／ｇの範囲にあり、より好ましくは１２０～２００ｍ２／ｇの範囲にある。触媒におけるボイドの体積は０．２～０．９ｃｍ３／ｇの範囲にあり、好ましくは０．２５～０．７ｃｍ３／ｇの範囲にあり、より好ましくは０．３～０．５ｃｍ３／ｇの範囲にある。触媒におけるボイド径の平均値は２～５０ｎｍの範囲にあり、好ましくは５～３０ｎｍの範囲にあり、より好ましくは１０～２５ｎｍの範囲にある。
本発明に係る反応は、溶媒又はその他のシンナーの存在下で行われ、相分離或いは互いに溶解しない場合を避けるように主要な反応物との相性を考えて、且つ水素化の条件で反応しないものとして溶媒或いはシンナーを選択する必要がある。水素化反応の生成物自身を溶媒或いはシンナーとすることもできる。本発明に使用される溶媒は、イソプロパノール、１－ブタノール、イソブタノール、２－エチル－ヘキサノール、イソノニルアルコール、テトラヒドロフラン、ヘキサノールなどを含む。
本発明で使用されるオートクレーブは、連続式（例えば、トリクルベッド反応器、攪拌式タンク、マルチチューブ反応器など）であってもよく、非連続式反応器（例えば、バッチ反応器））であってもよい。
製造例１：触媒Ａの製造
硝酸ニッケル５３．５ｇと硝酸マグネシウム９．５ｇを脱イオン水３００ｍＬに溶解させて混合することによって溶液を得る。そして、アンモニア水溶液、炭酸ナトリウム或いは水酸化ナトリウム（或いはいずれか二つの混合物）を含む脱イオン水溶液に仕込み、ＰＨが９～１１になるまで調整し、６０～９０℃で十分に攪拌し、更にケイ酸ナトリウム溶液６ｍＬを添加し、１～４時間攪拌し続けた後、ろ過してろ過ケークを取り出し、水で洗浄したら１１０℃で乾燥し、７００℃で４時間焼成し、これにより、触媒Ａを製造し得る。
製造例２：触媒Ｂの製造
硝酸ニッケル５３．５ｇと硝酸マグネシウム１９．１ｇを脱イオン水３００ｍＬに溶解させて混合することによって溶液を得る。そして、アンモニア水溶液、炭酸ナトリウム或いは水酸化ナトリウム（或いはいずれか二つの混合物）を含む脱イオン水溶液に仕込み，ＰＨが９～１１になるまで調整し、６０～９０℃で十分に攪拌し、更にケイ酸ナトリウム溶液２４ｍＬを添加し、１～４時間攪拌し続けた後、ろ過してろ過ケークを取り出し、水で洗浄すると１１０℃で乾燥し、７００℃で４時間焼成し、これにより、触媒Ｂを製造し得る。
本発明は、触媒担体及び活性金属を含む触媒をベンゼンポリカルボン酸エステルの水素化反応に使用し、ジエチルへキシルフタレートと（ｄｉ（２－ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）ｐｈｔｈａｌａｔｅ，ＤＥＨＰ）、ジブチルフタレートと（ＤＢＰ）、ジイソノニルフタレート（ＤＩＮＰ）が反応物としてそれぞれ使用され、水素化反応を行い、その反応条件と結果は以下の通りである。
実施例１
７ｍＬの触媒Ａを反応管に充填し、水素雰囲気において４５０℃で還元を行い，温度が下がった後、ポンプによってジ（２－エチルヘキシル）フタルレート（ＤＯＰ、またＤＥＨＰと称することもある）を反応器に送って水素化反応を行い、反応後の生成物を集めて液体クロマトグラフィーで分離させた後、紫外分光光度計（ＬＣ－ＵＶ）とガスクロマトグラフィー（ＧＣ）によって、転化率と選択率をそれぞれ分析する。試験の条件と結果を表１にまとめて示す。
実施例２
７ｍＬの触媒Ｂを反応管に充填し、水素雰囲気において４５０℃で還元を行い，温度が下がった後、ポンプによってジブチルフタレートをオートクレーブに送って水素化反応を行い、反応後の生成物を集めて液体クロマトグラフィーで分離させた後、紫外分光光度計とガスクロマトグラフィーによって転化率と選択率をそれぞれ分析する。試験の条件と結果を表２にまとめて示す。
実施例３
７ｍＬの触媒Ｂを反応管に充填し、水素雰囲気において４５０℃で還元を行い，温度が下がった後、ブタノールを溶媒として、フィードポンプによってジブチルフタレートと１－ブタノール溶液を重量比１：１でオートクレーブに送って水素化反応を行い、反応後の生成物を集めて液体クロマトグラフィーで分離させた後、紫外分光光度計とガスクロマトグラフィーによって転化率と選択率をそれぞれ分析する。試験の条件と結果表３にまとめて示す。
実施例４
７ｍＬの触媒Ｂを反応管に充填し、水素雰囲気において４５０℃で還元を行い，温度が下がった後、ポンプによってジ（２－エチルヘキシル）フタルレート（ＤＯＰ、またＤＥＨＰと称することもある）をオートクレーブに送って水素化反応を行い、反応後の生成物を集めて液体クロマトグラフィーで分離させた後、紫外分光光度計とガスクロマトグラフィーによって転化率と選択率をそれぞれ分析する。試験の条件と結果表４にまとめて示す。
実施例５
７ｍＬの触媒Ｂを反応管に充填し、水素雰囲気において４５０℃で還元を行い，温度が下がった後、２－エチル－ヘキサノールを溶媒として、フィードポンプによってジ（２－エチルヘキシル） フタルレートと２－エチル－ヘキサノール溶液を重量比１：１でオートクレーブに送って水素化反応を行い、反応後の生成物を集めて液体クロマトグラフィーで分離させた後、紫外分光光度計（ＬＣ－ＵＶ）とガスクロマトグラフィーによって転化率と選択率をそれぞれ分析する。試験の条件と結果表５にまとめて示す。
実施例６
７ｍＬの触媒Ｂを反応管に充填し、水素雰囲気において４５０℃で還元を行い，温度が下がった後、ポンプによってジイソノニルフタレート（ＤＩＮＰ）をオートクレーブに送って水素化反応を行い、反応後の生成物を集めて液体クロマトグラフィーで分離させた後、紫外分光光度計とガスクロマトグラフィーによって転化率と選択率をそれぞれ分析する。試験の条件と結果を表６にまとめて示す。
実施例７
７ｍＬの触媒Ｂを反応管に仕込んで、水素雰囲気において４５０℃で還元を行い、温度が下がった後、イソノニルアルコールを溶媒として、フィードポンプによってジイソノニルフタレートとイソノニルアルコール溶液を重量比１：１でオートクレーブに送って水素化反応を行い、反応後の生成物を集めて液体クロマトグラフィーで分離させた後、紫外分光光度計とガスクロマトグラフィーによって転化率と選択率をそれぞれ分析する。試験の条件と結果を表７にまとめて示す。
Claims (8)
- ベンゼンポリカルボン酸エステルを水素化して脂環族ポリカルボン酸エステルを形成する水素化方法であって、
触媒の存在下、水素雰囲気においてベンゼンポリカルボン酸エステルに対して５０～１００℃の範囲の温度と１～２０バールの水素化反応の圧力において水素化反応を行い、対応する脂環族カルボン酸を発生し、前記触媒は、ニッケル、マグネシウム及ケイ素からなり、さらに酸素或いは酸素を有する化合物を含み、前記ニッケル：前記マグネシウム：前記ケイ素の比率は（４５～６５）：（２～１５）：（２～１５）である水素化方法。 - 前記触媒の比表面積は８０～３００（ｍ ２ ／ｇ）の範囲にあり、ボイド体積は０．２～０．９（ｃｍ ３ ／ｇ）の範囲にあり、ボイド径の平均値は２～５０（ｎｍ）の範囲にある請求項１に記載の水素化方法。
- 前記触媒の比表面積は１００～２５０（ｍ ２ ／ｇ）の範囲にあり、ボイド体積は０．２５～０．７（ｃｍ ３ ／ｇ）の範囲にあり、ボイド径の平均値は５～３０（ｎｍ）の範囲にある請求項１に記載の水素化方法。
- 前記触媒の比表面積は１２０～２００（ｍ ２ ／ｇ）の範囲にあり、ボイド体積は０．３～０．５（ｃｍ ３ ／ｇ）の範囲にあり、及びボイド径の平均値は１０～２５（ｎｍ）の範囲にある請求項１に記載の水素化方法。
- ベンゼンポリカルボン酸エステルは、炭素数１～３０のアルキルベンゼンポリカルボン酸エステル、炭素数３～３０のシクロアルキルベンゼンポリカルボン酸エステル、炭素数１～３０のアルコキシベンゼンポリカルボン酸エステルの中の一つ或いはいずれか二つ以上の組み合わせを含む請求項１に記載の水素化方法。
- ベンゼンポリカルボン酸エステルは、ジメチルフタレート、ジメチルテレフタレート、ジメチルイソフタレート、ジエチルフタレート、ジブチルフタレート、ジイソオクチルフタレート、ジイソノニルフタレート、ベンジルブチルフタレート、ジイソデシルフタレート、ジオクチルテレフタレートの中の一つ或いはいずれか二つ以上の組み合わせを含む請求項１に記載の水素化方法。
- 水素化反応を行う方法は、バッチ式、半バッチ式と連続式の中の一つ或いはいずれか二つ以上の組み合わせを含む請求項１に記載の水素化方法。
- 水素化反応は、バッチ式反応器、攪拌式タンク、トリクルベッド、気泡塔、マルチチューブ反応器の中の一つ或いはいずれか二つ以上の組み合わせを含む反応器によって行われる請求項１に記載の水素化方法。
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