JP7204751B2 - グリセリンカーボネートメタクリレートの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、グリセリンカーボネートメタクリレート(GCMA)の製造方法に関する。本発明による方法では、グリシジルメタクリレート(GMA)を、触媒としてのヨウ化カリウムの存在下に二酸化炭素と反応させる。
グリセリンカーボネートメタクリレートは、例えばコポリマーの製造に使用される。そのコポリマーは、グリセリンカーボネートメタクリレートの他に、好ましくはアクリレート、メタクリレート、および/またはビニルモノマーも、重合して取り込まれた形で含有する。
重合して取り込まれたグリセリンカーボネートメタクリレートの炭酸基の反応性により、グリセリンカーボネートメタクリレートを含有するコポリマーの修飾、それゆえその特性の意図的な変更が可能である。
つまり、重合して取り込まれた形のコモノマーとしてグリセリンカーボネートメタクリレートを含有するコポリマーは、例えば架橋剤として使用される。重合して取り込まれたグリセリンカーボネートメタクリレートの炭酸基は、例えば、遊離アミノ基、ヒドラジド基、ヒドラゾン基、カルボン酸基、無水物基、および/またはヒドロキシ基を有するポリマーとの架橋反応を可能にする。
触媒の存在下にグリシジルメタクリレートを二酸化炭素と反応させることによるグリセリンカーボネートメタクリレートの製造方法は、当業者には従来技術から公知である。その際、触媒としては、たいていの場合、ヨウ化物および/またはアミン化合物を使用する。使用する触媒に応じて、大気圧または高圧において反応を行うことができる。
グリセリンカーボネートメタクリレートの改善された製造方法を提供するという課題が存在していた。その改善された方法により、グリセリンカーボネートメタクリレートを、ヨウ化カリウムのような容易に入手可能な触媒の使用下に、低圧で高い選択率で製造することが可能になる。その上、使用するGMAの、GCMAへのより迅速な転化が可能になる。低圧とは、これに関連して、0.5~5、好ましくは0.8~1.5、特に好ましくは0.8~1.2barの圧力である。高い選択率とは、95%超、好ましくは97%超、とりわけ好ましくは97.5%超の選択率である。
この課題は、触媒および溶媒の存在下にグリシジルメタクリレートを二酸化炭素と反応させる、グリセリンカーボネートメタクリレートの製造方法において、前記触媒がヨウ化カリウムであり、前記溶媒がアセトニトリル、1つもしくは複数のモノアルコール、またはアセトニトリルと1つもしくは複数のモノアルコールとの任意の混合物であり、かつグリシジルメタクリレートを0.5~5barの圧力で二酸化炭素と反応させることを特徴とする方法によって解決される。
定義:
略記GMAは、グリシジルメタクリレート(2,3-エポキシプロピルメタクリレート)を表す。
略記GCMAは、グリセリンカーボネートメタクリレート(2-オキソ-1,3-ジオキソラン-4-イル)メチルメタクリレートを表す。
選択率は、次の式:
Figure 0007204751000001
から算出される。
本発明による方法は、触媒としてのヨウ化カリウムおよび溶媒の存在下にGMAを二酸化炭素と反応させることによるGCMAの製造に利用される。触媒、溶媒、未反応のGMA、および場合によりすでに形成されたGCMAを含有する反応混合物に二酸化炭素を供給することが好ましい。
本発明による方法は、連続式に実施してもバッチ式に実施してもよいが、バッチ式操作が好ましい。バッチ式操作の場合、GMA、触媒および溶媒を充填することが有利である。充填した反応混合物に、次いで二酸化炭素を供給する。
本発明による方法用の反応器としては、連続式またはバッチ式の方法用に当業者には公知であるすべての型の反応器が適切である。本発明による方法をバッチ式に実施する場合、特に撹拌槽反応器が適切である。複数の反応器、バッチ式に方法を行う場合好ましくは撹拌槽反応器を直列接続および/または並列接続してもよい。
GMAの、二酸化炭素との反応は、0.5~5barの圧力で行う。反応を、0.8~1.5barの圧力で行うことが好ましい。反応を、0.8~1.2barの圧力で行うことがさらに好ましい。
GMAの、二酸化炭素との反応を、好ましくは50~100℃の温度で、特に好ましくは75~100℃の温度で行う。
それによれば、GMAの、二酸化炭素との反応を、0.8~1.5barの圧力および50~100℃の温度で、特に0.8~1.5barの圧力および75~100℃の温度で行うことが好ましい。
本発明による方法では、好ましくはできるだけ純粋なグリシジルメタクリレートを使用する。できるだけ純粋なGMAは、95~100重量パーセントの純度を有する。本発明による方法において使用するGMAが、97~100重量パーセントの純度、特に好ましくは99~100重量パーセントの純度を有することがさらに好ましい。重量百分率データは、使用するGMAの総量に対するものである。
本発明による方法において使用するGMAは、すでに1つまたは複数の重合安定剤を含有してもよい。使用するGMAがすでに1つまたは複数の重合安定剤を含有する場合、その重合安定剤は有効濃度で含有されている。つまり、使用するGMAは、例えば、20~1000ppm、好ましくは50~300ppm、特に80~120ppmの重合安定剤を含有してもよい。ppmでのデータは、使用するGMA中に含有されている重合安定剤総重量に対するものである。
適切な重合安定剤は、当業者に公知であるか、またはその一般的な専門知識から明らかになる。適切な重合安定剤は、例えば、(メタ)アクリル酸銅、ジチオカルバミン酸銅、フェノチアジン、フェノール化合物、N-オキシル、フェニレンジアミン、ニトロソ化合物、尿素、またはチオ尿素である。これらの重合安定剤は、単独でまたは任意の混合物として使用できる。好ましい安定剤は、フェノチアジン、フェノール化合物、N-オキシル、またはそれらの任意の混合物である。
フェノチアジンは、例えば、フェノチアジン、ビス-(α-メチルベンジル)フェノチアジン、3,7-ジオクチルフェノチアジン、ビス-(α-ジメチルベンジル)フェノチアジン、またはそれらの任意の混合物であり得る。
フェノール化合物は、例えば、ヒドロキノン、p-メトキシフェノール(MEHQ)のようなヒドロキノンモノメチルエーテル、ピロガロール、カテコール、レゾルシノール、フェノール、クレゾール、2,4-ジメチル-6-tert-ブチルフェノール、2,6-ジ-tert-ブチル-p-クレゾール、またはそれらの任意の混合物であり得る。好ましいフェノール化合物は、p-メトキシフェノール(MEHQ)、2,4-ジメチル-6-tert-ブチルフェノール、2,6-ジ-tert-ブチル-p-クレゾール、またはそれらの任意の混合物である。
N-オキシルは、例えば、ジ-tert-ブチルニトロキシド、2,2,6,6-テトラメチル-4-ヒドロキシピぺリジル-1-オキシル、2,2,6,6-テトラメチルピぺリジル-1-オキシル、2,2,6,6-テトラメチルピぺリジンオキシル、4-ヒドロキシ-2,2,6,6-テトラメチルピぺリジンオキシル、4,4’,4’’-トリス-1-(2,2,6,6-テトラメチルピぺリジンオキシル)ホスファイト、またはそれらの任意の混合物であり得る。
本発明による方法では、ヨウ化カリウムを触媒として使用する。使用する触媒の総量と使用するGMAの総量とのモル比が、0.005:1~0.5:1であることが好ましい。モル比が、0.01:1~0.3:1であることがさらに好ましい。
溶媒は、アセトニトリル、1つもしくは複数のモノアルコール、またはアセトニトリルと1つもしくは複数のモノアルコールとの任意の混合物である。
使用する溶媒の総量が、使用するGMAの総量に対して0.1~50重量パーセントであることが好ましい。使用する溶媒の総量が、使用するGMAの総量に対して0.5~40重量パーセントであることがさらに好ましい。
モノアルコールは、一価アルキルアルコールである。モノアルコールが、エタノール、n-プロパノール、イソプロパノール、n-ブタノール、sec-ブタノール、イソブタノール、またはtert-ブタノールであることが好ましい。モノアルコールが、tert-ブタノールであることが特に好ましい。
アセトニトリルを、使用するGMAの総量に対して0.5~40重量パーセントの量で、溶媒として使用することが特に好ましい。特に、アセトニトリルを、使用するGMAの総量に対して2~40重量パーセントの量で、溶媒として使用することが好ましい。
二酸化炭素は、本発明による方法に連続式またはバッチ式に供給される。本発明による方法に二酸化炭素を連続的に供給することが好ましい。二酸化炭素の連続供給は、本発明による方法をバッチ式に実施する場合に特に好ましい。
使用する二酸化炭素の総量と、使用するGMAの総量とのモル比は、好ましくは1:1~100:1である。モル比が1:1~10:1であることがさらに好ましい。
二酸化炭素の供給速度は、幅広い範囲にわたって変化し得る。一般的には、二酸化炭素の供給速度を、反応から搬出されるガス流中の二酸化炭素の分率ができるだけ低くなるように調整することが有利である。二酸化炭素の供給速度は、反応過程で変化してもよい。
二酸化炭素の供給速度は、好ましくは1~100L(CO)/(kg(GMA使用総量)h)、さらに好ましくは10~60L(CO)/(kg(GMA使用総量)h)、特に好ましくは10~30L(CO)/(kg(GMA使用総量)h)である。
二酸化炭素は、好ましくは二酸化炭素含有ガスの形で、本発明による方法に供給する。その際、二酸化炭素含有ガスは、触媒、溶媒、未反応のGMA、および場合によりすでに形成されたGCMAを含有する反応混合物中に、ならびに/または反応混合物の上側のガス空間中に導入する。二酸化炭素含有ガスを連続的に導入することが好ましい。
二酸化炭素含有ガスの供給速度は、幅広い範囲にわたって変化し得る。一般的には、二酸化炭素含有ガスの供給速度を、反応から搬出されるガス流中の二酸化炭素の分率ができるだけ低くなるように調整することが有利である。二酸化炭素含有ガスの供給速度は、反応過程で変化してもよい。
二酸化炭素含有ガスの供給速度は、好ましくは1~100L(CO)/(kg(GMA使用総量)h)、さらに好ましくは10~60L(CO)/(kg(GMA使用総量)h)、特に好ましくは10~30L(CO)/(kg(GMA使用総量)h)である。
反応混合物中への二酸化炭素含有ガスの導入は、例えば、1つもしくは複数の浸漬管または1つもしくは複数のノズルにより行ってもよい。その際、浸漬管またはノズルの開口部は、反応混合物の表面の下側にある。二酸化炭素含有ガスを、反応混合物の上側のガス空間中に導入する場合、例えば、1つもしくは複数の供給管または1つもしくは複数のノズルにより行う。その際、供給管またはノズルの開口部は、反応混合物の表面の上側にある。
バッチ式操作の場合、二酸化炭素含有ガスの導入は、充填した反応混合物を50~100℃の温度に加熱する前、加熱中、および/または目標温度への到達後に行ってもよい。二酸化炭素含有ガスの導入を、方法の過程全体にわたって行うことが好ましい。つまり、二酸化炭素含有ガスはすでに反応混合物の加熱前または加熱中に導入され、かつ二酸化炭素含有ガスの導入は、使用したGMAの大部分がGCMAへと転化されてはじめて終了する。「大部分」とは、これに関連して、使用したGMAの90~100重量パーセント、好ましくは95~100重量パーセント、特に好ましくは98~100重量パーセントが、GCMAへと転化されていることを意味する。
二酸化炭素含有ガスは、二酸化炭素の他に、さらに二酸化炭素とは異なる1つまたは複数のガスも含有し得る。二酸化炭素とは異なるガスは、例えば、窒素、アルゴンもしくはヘリウムといった不活性ガス、または酸素である。
二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素分率は、使用する二酸化炭素含有ガスの総量に対して、好ましくは1~100体積パーセントである。二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素分率が、50~100体積パーセント、特に好ましくは90~100体積パーセントであることがさらに好ましい。二酸化炭素含有ガス中に含有されており、かつ二酸化炭素とは異なる1つまたは複数のガスの総分率は、使用する二酸化炭素含有ガスの総量に対して、好ましくは0~99体積パーセントである。1つまたは複数のガスの総分率が、0~50体積パーセント、特に好ましくは0~10体積パーセントであることがさらに好ましい。
好ましくない場合であっても、一般的には、二酸化炭素含有ガスが、1つまたは複数の不活性ガスおよび/または酸素の他に、微量の別のガス状物質、例えば、水素、水、メタン、および/または一酸化炭素をも含有することが可能である。二酸化炭素含有ガス中に含有されているすべてのガスの合計は、ガス状物質も含めて、合計で100パーセントになる。
本発明による方法に酸素含有ガスを供給することが好ましい。酸素含有ガスが、酸素の他に酸素とは異なる1つまたは複数のガスを含有することが好ましい。酸素含有ガスの供給は、使用するGMAまたは製造されるGCMAの望ましくない重合を最小限に抑えるために役立つ。
酸素含有ガスは、本方法に連続式に供給することもバッチ式に供給することも可能である。本発明による方法に、酸素含有ガスを連続的に供給することが好ましい。酸素含有ガスの連続供給は、本発明による方法をバッチ式に実施する場合に特に好ましい。
酸素含有ガス中の酸素分率は、使用する酸素含有ガスの総量に対して、好ましくは1~25体積パーセントである。酸素含有ガス中の酸素分率が5~25体積パーセント、特に好ましくは10~22体積パーセントであることがさらに好ましい。
酸素含有ガス中に含有されており、かつ酸素とは異なる1つまたは複数のガスの総分率は、使用する酸素含有ガスの総量に対して、好ましくは75~99体積パーセントである。1つまたは複数のガスの総分率が、75~95体積パーセント、特に好ましくは78~90体積パーセントであることがさらに好ましい。酸素とは異なるガスは、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、または二酸化炭素である。酸素含有ガス中の二酸化炭素分率は、1体積パーセント未満である。
好ましい酸素含有ガスは、例えば、空気、乾燥空気、または希薄空気である。
酸素含有ガスの供給速度は、幅広い範囲にわたって変化し得る。供給速度が0.1~1、さらに好ましくは0.3~0.8、特に好ましくは0.2~0.4m/(m反応混合物)h)であることが好ましい。
本発明による方法に酸素含有ガスを供給する場合、反応混合物中に、および/または反応混合物の上側のガス空間中に酸素含有ガスを導入することが好ましい。反応混合物中への導入は、例えば、1つもしくは複数の浸漬管または1つもしくは複数のノズルにより行ってもよい。その際、浸漬管またはノズルの開口部は、反応混合物の表面の下側にある。酸素含有ガスを、反応混合物の上側のガス空間中に導入する場合、例えば、1つもしくは複数の供給管または1つもしくは複数のノズルにより行う。その際、供給管またはノズルの開口部は、反応混合物の表面の上側にある。
それによれば、酸素含有ガスを、反応混合物中に、および/または反応混合物の上側のガス空間中に連続的に導入することが特に好ましい。
二酸化炭素含有ガスおよび酸素含有ガスは、互いに独立して反応混合物中に、および/または反応混合物の上側のガス空間中に導入できる。
バッチ式操作の場合、酸素含有ガスの導入は、充填した反応混合物を50~100℃の温度に加熱する前、加熱中、および/または目標温度への到達後に行ってもよい。酸素含有ガスの導入を、方法の過程全体にわたって行うことが好ましい。つまり、酸素含有ガスはすでに反応混合物の加熱前または加熱中に導入され、かつ酸素含有ガスの導入は、使用したGMAの大部分がGCMAへと転化されてはじめて終了する。「大部分」とは、これに関連して、使用したGMAの90~100重量パーセント、好ましくは95~100重量パーセント、特に好ましくは98~100重量パーセントが、GCMAへと転化されていることを意味する。
使用するGMAおよび/または製造されるGCMAの望ましくない重合を、本発明による方法において回避するためには、使用するGMAが1つまたは複数の重合安定剤を含有しているかどうかにかかわらず、二酸化炭素によるGMAからGCMAへの転化を、1つまたは複数の(付加的な)重合安定剤の存在下に行うことが好ましい。
重合安定剤としては、前述の重合安定剤が適切であり、MeHQおよび/またはフェノチアジンが好ましい。
本発明による方法において使用する重合安定剤総量は、使用するGMAの総量に対して、好ましくは0.005~0.15、さらに好ましくは0.05~0.15重量パーセントであり、ただし、GMA中に含有されている安定剤の量は考慮されていない。
使用したGMAの大部分がGCMAに転化されたら、反応混合物からGCMAを単離するために、得られた反応混合物を処理する。「大部分」とは、これに関連して、使用したGMAの90~100重量パーセント、好ましくは95~100重量パーセント、特に好ましくは98~100重量パーセントが、GCMAへと転化されていることを意味する。
反応混合物の処理は、1つもしくは複数の抽出ステップおよび/または1つもしくは複数の蒸留ステップを含む。触媒の少なくとも大部分を反応混合物から分離するためには、処理が、さらに1つまたは複数のろ過ステップ、遠心分離ステップ、吸収ステップ、および/または沈降ステップを含むことが有利であり得る。反応混合物中になおも含有されているGMAを少なくとも部分的に分解するためには、処理が、さらに1つまたは複数の酸、例えば、ギ酸、酢酸、リン酸、および/またはホスフィン酸の添加を含むことが有利であり得て、ただし、リン酸および/またはホスフィン酸が好ましい。1つまたは複数の酸の添加は、反応混合物中に含有されているGCMAが分解されないか、またはわずかにしか分解されないという利点を有する。1つまたは複数の蒸留ステップは、GCMAよりも揮発性の化合物の分離に役立つ。
反応混合物を処理するための前記ステップの順序について、当業者は、実践上の考慮に導かれる。
つまり、反応混合物を例えばろ過し、ろ液に1つまたは複数の酸を添加し、得られた混合物を1つまたは複数のステップにおいて抽出し、かつ得られた有機相を1つまたは複数のステップにおいて蒸留してもよい。
しかしながら、1つまたは複数の酸を反応混合物に、ろ過前または抽出後にも添加できる。さらに、蒸留後に塔底液中に含有されているGCMAに1つまたは複数の酸を添加することも可能である。それは、例えば、塔底液中に含有されているGCMAの色に有利な影響を及ぼし得る。
反応混合物を処理する際に、酸は、濃縮した形で使用してもその水溶液の形で使用してもよい。ギ酸、酢酸、リン酸、またはホスフィン酸を濃縮した形またはその水溶液の形で、例えば1~99パーセントの水溶液として、反応混合物を処理する際に使用してもよい。百分率データは、添加した酸水溶液の総重量に対するものである。リン酸および/またはホスフィン酸を、その水溶液の形で反応混合物に添加することが好ましい。
処理の際に使用する酸総量は、反応混合物中になおも含有されているGMAの残量しだいである。反応混合物中になおも含有されているGMAの残量は、例えば、GC技術を利用して検出および定量できる。<0.2%の微量GMAの確かな定量には、HPLC技術ないしはUPLC技術も使用可能である。使用する酸の総量は、反応混合物中に含有されているGMAの残量に対して5~1000パーセントの化学量論的な過剰で反応混合物に添加するように算出することが好ましい。
1つまたは複数の酸を、10℃~100℃の温度で反応混合物に添加することが好ましい。1つまたは複数の酸を、10℃~60℃の温度で、特に30℃~50℃の温度で、反応混合物に添加することが特に好ましい。
リン酸および/またはホスフィン酸を、10℃~100℃の温度で、特に30℃~50℃の温度で、反応混合物に添加することが特に好ましい。
プロセス工学的に、本発明による方法では、それ自体公知のあらゆるろ過法およびろ過装置、例えば、Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 第7版, 2013年 electronic release, 章: Filtration, 1. Fundamentals and Filtration 2. Equipmentに記載されているような方法および装置を使用できる。それらは、例えば、キャンドルフィルタ、フィルタプレス、プレッシャープレートフィルタ、バグフィルタ、ドラムフィルタであり得る。好ましくはキャンドルフィルタまたはプレッシャープレートフィルタを使用する。ろ過は、ろ過助剤を用いて行っても用いずに行ってもよい。適切なろ過助剤は、珪藻土、パーライト、およびセルロースをベースとするろ過助剤である。
プロセス工学的に、本発明による方法では、それ自体公知のあらゆる遠心分離法および遠心分離装置ないしは沈降法および沈降装置、例えば、Ullmanns’ Encyclopedia of Industrial Chemistry, 第7版, 2013年 electronic release, 章: Centrifuges, Filtering and Centrifuges, Sedimentingに記載されているような方法および装置を使用できる。
抽出ステップでは反応混合物に水を混合し、続いて相を分離する。抽出目的で使用する、水の反応混合物に対する量比は、幅広い範囲にわたって変化し得る。有利な量比は、当業者によって少数のルーチン実験により特定できるか、または当業者にはその一般的な専門知識もしくは実践上の考慮から明らかになる。
水は、さらに、溶解された塩を含有してもよい。その塩は、例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、またはそれらの任意の混合物である。塩が塩化ナトリウムであることが好ましい。塩の量は、抽出目的で使用される通常の量に相当する。有利な量は、当業者によって少数のルーチン実験により特定できるか、または当業者にはその一般的な専門知識もしくは実践上の考慮から明らかになる。
水または塩の水溶液の添加は、10~70℃の温度、好ましくは40~60℃の温度で行う。
さらに、水に難溶性の有機溶媒を反応混合物に添加してもよい。それは、例えば、相分離を容易にするために役立つことがある。水に難溶性の有機溶媒は、20℃において10g/l水未満、好ましくは20℃において1g/l水未満の、水への溶解度を有する。
反応混合物:塩の水溶液の量比は、幅広い範囲にわたって変化し得る。有利な量比は、当業者によって少数のルーチン実験により特定できるか、または当業者にはその一般的な専門知識もしくは実践上の考慮から明らかになる。
プロセス工学的に、本発明による方法での抽出には、それ自体公知のあらゆる抽出・洗浄法および抽出・洗浄装置、例えば、Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 第6版, 1999年 electronic release, 章「Liquid - Liquid Extraction ‐ Apparatus」に記載されているような方法および装置を使用できる。例えば、それは、一段階抽出または多段階抽出、好ましくは一段階抽出、ならびに並流モードまたは向流モードの抽出であり得る。抽出に適切な容器は、例えば、撹拌槽、塔、またはミキサセトラ装置である。
蒸留ステップでは、GCMAよりも揮発性の高い化合物の少なくとも大部分が、反応混合物から蒸留により分離される。GCMAは、塔底留分として残る。
易揮発性の化合物の蒸留による分離には、通常、液状成分を含有する反応混合物を蒸留によりフラクション化するためのあらゆる装置が適切である。適切な装置は、蒸留塔、例えば、泡鐘段、シーブプレート、シーブトレイ、規則充填物もしくは不規則充填物を装備可能な棚段塔、または回転バンド蒸留塔・蒸発器、例えば、薄膜蒸発器、流下液膜式蒸発器、強制循環蒸発器、Sambay蒸発器等、およびそれらの組み合わせを含む。1つまたは複数の蒸留ステップを相前後して行ってもよい。蒸留ステップは、同一装置内または異なる装置内で行ってもよい。
より低沸点の化合物の蒸留による分離に適切な温度範囲および圧力範囲を選択する際、当業者は、分離タスクの物理条件(例えば蒸気圧曲線)、ならびにその一般的な専門知識、および実践上の考慮に導かれる。
有利なことに、本発明の方法により製造されたGCMAそれ自体は、GCMAを高純度で単離するために、蒸留または精留に供する必要がない。したがって、GCMAの単離は、比較的単純な装置で行える。同じく、単離に際するGCMAの熱負荷も軽減されるため、副生成物の形成が最小限に抑えられ得る。高純度とは、これに関連して、GCMA中の副生成物の分率が、単離されたGCMAの総量に対して、0~5重量パーセント、好ましくは0~3重量パーセント、特に好ましくは0~2重量パーセントであることを意味する。
本発明の方法により製造されたGCMAの色数をさらに下げるためには、GCMAを蒸留または精留することが有利であり得る。そのためには、GCMAを、例えば、蒸留または精留により、反応混合物から直接に単離してもよい。抽出および/またはより低沸点の化合物の蒸留による分離により、GCMAを単離した場合、そのようにして得られたGCMAも同じく、蒸留または精留に供してもよい。しかしながら、一般的には、本発明の方法により、色数が十分に低いGCMAが得られるため、GCMAそれ自体の蒸留または精留は必要ではない。
本発明による方法は、低圧において高い選択率で、かつ簡単に入手できる触媒の使用下にGCMAを製造できるという利点を提供する。それゆえ、本発明による方法は、経済的に関心の高い、GCMAの製造方法である。
本発明による方法のもう1つの利点は、例えば、GCMAを高い品質で製造できるということにある。本発明の方法により製造されたGCMAの高い品質は、例えば、高い純度および/または低い色数に現れる。
本発明の方法により製造されたGCMAは、例えば、コポリマーの製造に適切である。そのコポリマーは、グリセリンカーボネートメタクリレートの他に、好ましくはアクリレート、メタクリレート、および/またはビニルモノマーも、重合して取り込まれた形で含有する。
重合して取り込まれたGCMAの炭酸基の反応性により、GCMAを含有するコポリマーの修飾、それゆえその特性における意図的な変更が可能である。
つまり、重合して取り込まれた形のコモノマーとしてGCMAを含有するコポリマーは、例えば架橋剤として使用される。重合して取り込まれたGCMAの炭酸基は、例えば、遊離アミノ基、ヒドラジド基、ヒドラゾン基、カルボン酸基、無水物基、および/またはヒドロキシ基を有するポリマーとの架橋反応を可能にする。
実験部分:
純度は、ガスクロマトグラフィーを利用して測定した。試料用の溶媒としては、Aldrich社のジクロロメタン(純度99.8%)を使用した。
機器としては、FID検出器&カラムRTX-5-アミン15mx0.25mmx0.25μm(Restek社)を装備したAgilent社のガスクロマトグラフ(6890N)を使用した。
温度プログラムとしての設定:開始60℃、次いで15℃/分で300℃とし、300℃において10分間、トータルランタイムは26分間。反応溶液の純度および組成に関する百分率データは、ガスクロマトグラフィーを利用して面積百分率として算出し、さらには定量しなかった。その百分率データは、以下では面積%として表示する。
転化に関する百分率データは、次の式により算出した:
Figure 0007204751000002
ppm範囲のGMA含有量は、UPLCおよび外部標準を利用して定量した。ppmデータは、mg/kgに対するものである。試料用の溶媒としては、体積比1:1のアセトニトリル/水を使用した。機器としては、UV検出器&カラムACQUITY UPLC BEH C18 1.7μmx2.1x150mm(Waters社)を装備したWaters社のUPLCを使用した。溶離液としては、アセトニトリルおよび水(0.5mL/分のグラジエントモード)を利用した。トータルランタイムは14分間、平衡時間は4分間、カラム温度は45℃、ならびに初期圧力はおよそ11000psi。
選択率は、次の式により算出した:
Figure 0007204751000003
ハーゼン色数ならびにヨウ素色数は、Hach Lange社の色数測定器(LICO620)で測定し、DIN 5033に準拠する標準光Cおよび2°標準観測者に対して算出した。
Figure 0007204751000004
本発明による例:
例1
PTZ7mgおよびアセトニトリル4.15gを、リービッヒ・ジムロート冷却器(Intensivkuehler)、マグネチックスターラ、温度計、CO導入口、ならびに周囲に対する圧力補償(Druckausgleich)を装備した丸底フラスコに入れる。GMA41.5gならびにKI4.75gを添加する。CO(およそ2L/h)ならびに0.5L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を80~85℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。6h後、GMAからGCMAへの転化率は80.25%である。混合物は、(溶媒アセトニトリルは計算に入れず、GCでは検出されない成分は考慮せずに)79.38面積%のGCMAおよび19.53面積%のGMAを含有する。副生成物の合計は1.09面積%である。選択率は98.6%である。反応溶液は無色である。
例2
PTZ7mgおよびn-ブタノール0.42gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、マグネチックスターラ、温度計、CO導入口、ならびに周囲に対する圧力補償を装備した丸底フラスコに入れる。GMA41.5gならびにKI4.75gを添加する。CO(およそ2L/h)ならびに0.5L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を80~85℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。6h後、GMAからGCMAへの転化率は82.7%である。混合物は、(GCでは検出されない成分は考慮せずに)81.63面積%のGCMAおよび17.04面積%のGMAを含有する。副生成物の合計は0.9面積%である。n-ブタノールの量は0.43面積%である。選択率は98.9%である。反応溶液は無色である。
例3
PTZ7mgおよびsec-ブタノール2.08gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、マグネチックスターラ、温度計、CO導入口、ならびに周囲に対する圧力補償を装備した丸底フラスコに入れる。GMA41.5gならびにKI4.75gを添加する。CO(およそ2L/h)ならびに0.5L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を80~85℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。6h後、GMAからGCMAへの転化率は84.3%である。混合物は、(GCでは検出されない成分は考慮せずに)80.59面積%のGCMAおよび15.04面積%のGMAを含有する。副生成物の合計は1.72面積%である。sec-ブタノールの量は2.65面積%である。選択率は97.9%である。反応溶液は無色である。
例4
PTZ7mgおよびアセトニトリル2.08gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、マグネチックスターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した丸底フラスコに入れる。GMA41.5gならびにKI4.75gを添加する。CO(およそ2L/h)ならびに0.5L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を80~85℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。6h後、GMAからGCMAへの転化率は80.9%である。混合物は、(溶媒アセトニトリルは計算に入れず、GCでは検出されない成分は考慮せずに)80.03面積%のGCMAおよび18.85面積%のGMAを含有する。副生成物の合計は1.12面積%である。選択率は98.6%である。反応溶液は無色である。
例5
PTZ7mgおよびイソプロパノール2.08gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、マグネチックスターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した丸底フラスコに入れる。GMA41.5gならびにKI2.37gを添加する。CO(およそ2L/h)ならびに0.5L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を80~85℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。8h後、GMAからGCMAへの転化率は98.1%である。混合物は、(溶媒イソプロパノールは計算に入れず、GCでは検出されない成分は考慮せずに)96.68面積%のGCMAおよび1.91面積%のGMAを含有する。副生成物の合計は1.41面積%である。選択率は98.1%である。反応溶液は少し黄色がかっている。
例6
PTZ7mgおよびアセトニトリル2.08gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、マグネチックスターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した丸底フラスコに入れる。GMA41.5gならびに微粉砕したKI4.75gを添加する。CO(およそ2L/h)ならびに0.5L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を80~85℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。6h後、GMAからGCMAへの転化率は80.3%である。混合物は、(溶媒アセトニトリルは計算に入れず、GCを通過しない成分は考慮せずに)79.5面積%のGCMAおよび19.56面積%のGMAを含有する。副生成物の合計は0.94面積%である。選択率は98.8%である。反応溶液は無色である。
例7
PTZ7mgおよびn-ブタノール0.42gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、マグネチックスターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した丸底フラスコに入れる。GMA41.5gならびにKI4.75gを添加する。CO(およそ2L/h)ならびに0.5L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を80~85℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。6h後、GMAからGCMAへの転化率は81.5%である。混合物は、(GCでは検出されない成分は考慮せずに)80.45面積%のGCMAおよび18.24面積%のGMAを含有する。副生成物の合計は0.99面積%である。n-ブタノールの量は0.32面積%である。選択率は98.8%である。反応溶液は無色である。
例8
MeHQ540mg、PTZ11mg、KI72.9g、およびアセトニトリル238gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、スターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した丸底フラスコに入れる。GMA425gを添加する。CO(およそ5L/h)ならびに1L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を80~85℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。27h後、GMAからGCMAへの転化率は99.4%である。反応混合物は、なおも0.56面積%のGMAを含有する。冷却後に反応混合物を真空中で濃縮し、水50mlで2度抽出し、相を分離する。硫酸ナトリウムによる有機相の乾燥後、ろ過し、ろ液をもう一度真空中で濃縮する。明色の液体530g(収率98.2%)が、97.2面積%の純度で得られる。GMAの残存量は、1.6面積%である。選択率は98.8%である。ハーゼン色数は88である。
例9
MeHQ1.14g、PTZ23mg、KI103g、およびアセトニトリル504gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、スターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した丸底フラスコに入れる。GMA900gを添加する。CO(およそ30L/h)ならびに1L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を80~85℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。7h後、導入をおよそ10L/hに下げる。15h後、GMAからGCMAへの転化率は99.11%である。反応混合物は、なおも0.64面積%のGMAを含有する。
例10
例9と同様に製造した、GMAからGCMAへの99.41%の転化率を有し、かつなおも0.42面積%のGMAを含有する(溶媒アセトニトリルを含めないと0.5面積%)反応混合物2gに、ホスフィン酸(50重量%)0.2gを混合し、室温において1.5h撹拌する。試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより分析する。なおも0.07面積%のGMAが存在する(溶媒を含めず)。
例11
例9と同様に製造した、GMAからGCMAへの99.41%の転化率を有し、かつなおも0.42面積%のGMAを含有する(溶媒アセトニトリルを含めないと0.5面積%)反応混合物2gに、リン酸(85重量%)0.2gを混合し、室温において1.5h撹拌する。なおも0.11面積%のGMAが存在する(溶媒を含めず)。
例12
例9と同様に製造した、GMAからGCMAへの99.41%の転化率を有し、かつなおも0.42面積%のGMAを含有する(溶媒アセトニトリルを含めないと0.5面積%)反応混合物2gに、酢酸(99%)0.2gを混合し、室温において1.5h撹拌する。なおも0.2面積%のGMAが存在する(溶媒および酢酸を含めず)。
例13
例9と同様に製造した、GMAからGCMAへの99.41%の転化率を有し、かつなおも0.42面積%のGMAを含有する(溶媒アセトニトリルを含めないと0.5面積%)反応混合物2gに、ギ酸(98%)0.2gを混合し、室温において1.5h撹拌する。なおも0.14面積%のGMAが存在する(溶媒およびギ酸を含めず)。
例14
例9と類似の反応混合物に、冷却後、ホスフィン酸(50重量%)12gを混合し、30分間撹拌してからろ過する。その溶液を真空中で濃縮し、水150mlで2度抽出し、相を分離する。続いて、NaCO水溶液で中和する。相分離後、有機相をもう一度真空中で濃縮する。明色の液体1153gが、98.3面積%の純度で得られる。GMAの残存量は、<20ppmである(UPLC)。ハーゼン色数は100である。
例15
MeHQ2.8g、PTZ56mg、KI252g、およびアセトニトリル1233gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、ディスクスターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した加熱式ジャケット付き反応器に入れる。GMA2200gを添加する。CO(およそ40L/h)ならびに1L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を85~90℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。13h後、GMAからGCMAへの転化率は99.46%である。反応混合物は、なおも0.36面積%のGMAを含有する。真空中でアセトニトリルを分留してから50℃に冷却する。水500mLを添加し、抽出する。水性相を分離する。反応混合物にホスフィン酸(50重量%)36gを混合し、室温においてさらに2度、水500mLで抽出する。有機相にNaCO水溶液を加えて中和し、水性相を分離して真空中で濃縮する。明色の液体2798gが、98.7面積%の純度で得られる。GMAの残存量は、<20ppmである(UPLC)。ハーゼン色数は32である。
例16
MeHQ3.05g、PTZ348mg、KI275g、およびtert.ブタノール24gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、ディスクスターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した加熱式ジャケット付き反応器に入れる。GMA2400gを添加する。CO(およそ35L/h)ならびに1L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を90~95℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。13h後、GMAからGCMAへの転化率は99.65%である。CO871gを消費した。反応混合物は、なおも0.34面積%のGMAを含有する。40℃に冷却後、水500mLを添加し、抽出する。水性相を分離する。反応混合物にホスフィン酸(50重量%)31gを混合し、さらに2度、水500mLで抽出する。有機相にNaCO水溶液を加えて中和し、水性相を分離して真空中で濃縮する。さらにホスフィン酸(50重量%)15gを添加する。明色の液体3059gが、98面積%の純度で得られる。GMAの残存量は、<20ppmである(UPLC)。ハーゼン色数は34である。
例17
MeHQ4.3g、PTZ86mg、KI387g、およびアセトニトリル169gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、ディスクスターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した加熱式ジャケット付き反応器に入れる。GMA3386gを添加する。CO(およそ40L/h)ならびに1L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を90~95℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。16h後、GMAからGCMAへの転化率は99.44%である。反応混合物は、なおも0.53面積%のGMAを含有する。60℃に冷却後、水500mLを添加し、抽出する。水性相を分離する。反応混合物にホスフィン酸(50重量%)31gを混合し、40~50℃においてさらに2度、水500mLで抽出する。有機相にNaCO水溶液を加えて中和し、水性相を分離して真空中で濃縮する。明色の液体4299gが、98.3面積%の純度で得られる。GMAの残存量は、<20ppmである(UPLC)。ハーゼン色数は193である。
例18
MeHQ2.92g、PTZ58mg、KI263g、およびアセトニトリル115gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、ディスクスターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した加熱式ジャケット付き反応器に入れる。GMA2300gを添加する。CO(およそ50~70L/h)を反応混合物中に導入する。反応混合物を95~98℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。7h後、GMAからGCMAへの転化率は99.04%である。CO815gを消費した。冷却後、反応混合物にホスフィン酸(50重量%)31gを混合し、30分間撹拌してからろ過する。その溶液を、40℃において2度、水500mLで抽出し、相を分離する。続いて、NaCO水溶液を加えて中和し、もう一度水500mlで抽出する。相分離後、ホスフィン酸(50重量%)9gを添加する。20分後、改めてNaCO水溶液を加えて中和し、相を分離して有機相を真空中で濃縮する。明色の液体2864gが得られ、それをもう一度ろ過する。純度は、98.5面積%である。GMAの残存量は、<20ppmである(UPLC)。ハーゼン色数は20である。
比較例:
例V1
PTZ7mgを、リービッヒ・ジムロート冷却器、マグネチックスターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した丸底フラスコに入れる。GMA41.5gならびにKI4.75gを添加する。CO(およそ2L/h)ならびに0.5L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を80~85℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。6h後、GMAからGCMAへの転化率は68.9%である。混合物は、(GCでは検出されない成分は考慮せずに)68.41面積%のGCMAおよび30.9面積%のGMAを含有する。副生成物の合計は0.69面積%である。選択率は99%である。反応溶液は無色である。GMAからGCMAへの転化が、適切な溶媒の不在下には、周囲圧力において明らかにゆっくりと起こることが分かる。
例V2
PTZ7mgおよびトリエチルアミン2.08gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、マグネチックスターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した丸底フラスコに入れる。GMA41.5gならびにKI4.75gを添加する。CO(およそ2L/h)ならびに0.5L/hの空気を反応混合物中に導入する。反応混合物を70~74℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。7h後、GMAからGCMAへの転化率は84.4%である。混合物は、(GCでは検出されない成分は考慮せずに)79.21面積%のGCMAおよび14.7面積%のGMAを含有する。副生成物の合計は5.97面積%である。選択率は93%である。反応溶液はオレンジ色である。
例V3
PTZ17mgおよびトリエチルアミン4.35gを、リービッヒ・ジムロート冷却器、マグネチックスターラ、温度計、CO導入口、ならびに圧力補償を装備した丸底フラスコに入れる。GMA42gならびにKI7.2gを添加する。CO(およそ2L/h)を反応混合物中に導入する。反応混合物を71~72℃の内部温度へと加熱する。一定の間隔で試料を採取し、ガスクロマトグラフィーにより評価する。28h後、GMAからGCMAへの転化率は99.26%である。混合物は、(GCでは検出されない成分は考慮せずに)91.07面積%のGCMAおよび0.68面積%のGMAを含有する。副生成物の合計は8.14面積%である。選択率は91.8%である。
反応混合物を処理する。フラスコ内容物に酢酸エチル10mLを混合し、分液漏斗に移し、それぞれ30mLの水で30回抽出する。まとめた水性相を、酢酸エチル20mLで抽出する。まとめた有機相をもう一度、飽和NaCl溶液20mLで抽出する。相分離後、硫酸ナトリウムにより有機相を乾燥させ、ろ過し、ジクロロメタンで洗浄する。ろ液を真空中で濃縮する。褐色の溶液50.4gが、93.9%の純度で得られる。収率は94.5%である。ハーゼン色数はもはや測定不可能である。ヨウ素色数は、23である。

Claims (15)

  1. 触媒および溶媒の存在下にグリシジルメタクリレートを二酸化炭素と反応させる、グリセリンカーボネートメタクリレートの製造方法において、前記触媒がヨウ化カリウムであり、前記溶媒がアセトニトリル、1つもしくは複数のモノアルコール、またはアセトニトリルと1つもしくは複数のモノアルコールとの任意の混合物であり、かつグリシジルメタクリレートを0.5~5barの圧力で二酸化炭素と反応させることを特徴とする、方法。
  2. 反応温度が50~100℃である、請求項1記載の方法。
  3. 圧力が0.8~1.5barである、請求項1または2記載の方法。
  4. バッチ式の方法である、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 前記モノアルコールが、エタノール、n-プロパノール、イソプロパノール、n-ブタノール、sec-ブタノール、イソブタノール、またはtert-ブタノールである、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 前記使用する溶媒の総量が、前記使用するグリシジルメタクリレートの総量に対して0.1~50重量パーセントである、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. 前記溶媒がアセトニトリルであり、かつ前記使用する溶媒の総量が、前記使用するグリシジルメタクリレートの総量に対して2~40重量パーセントである、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  8. 前記使用する触媒の総量と前記使用するグリシジルメタクリレートの総量とのモル比が、0.005:1~0.5:1である、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
  9. 二酸化炭素含有ガスとしての二酸化炭素を、前記触媒、前記溶媒、未反応のGMA、および場合によりすでに形成されたGCMAを含有する反応混合物中に、ならびに/または前記反応混合物の上側のガス空間中に導入する、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
  10. 前記二酸化炭素含有ガスを連続的に導入する、請求項9記載の方法。
  11. 酸素含有ガスを、前記触媒、前記溶媒、未反応のGMA、および場合によりすでに形成されたGCMAを含有する反応混合物中に、ならびに/または前記反応混合物の上側のガス空間中に導入する、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。
  12. グリシジルメタクリレートからグリセリンカーボネートメタクリレートへの転化を、安定剤の存在下に行い、かつ前記安定剤が、フェノチアジン、1つもしくは複数のフェノール化合物、1つもしくは複数のN-オキシル、または前記安定剤の任意の混合物である、請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。
  13. 前記使用するグリシジルメタクリレートの大部分がグリセリンカーボネートメタクリレートへと転化された後に得られる反応混合物を処理し、かつ前記処理が、1つもしくは複数の抽出ステップおよび/または1つもしくは複数の蒸留ステップを含む、請求項1から12までのいずれか1項記載の方法。
  14. 前記処理が、1つもしくは複数の抽出ステップおよび/または蒸留ステップに加えて、1つまたは複数の酸の添加を含む、請求項13記載の方法。
  15. 前記酸がホスフィン酸および/またはリン酸である、請求項14記載の方法。
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