JPH0222057B2 - - Google Patents

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JPH0222057B2
JPH0222057B2 JP54127256A JP12725679A JPH0222057B2 JP H0222057 B2 JPH0222057 B2 JP H0222057B2 JP 54127256 A JP54127256 A JP 54127256A JP 12725679 A JP12725679 A JP 12725679A JP H0222057 B2 JPH0222057 B2 JP H0222057B2
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JP
Japan
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amount
water
reaction
catalyst
oxidation
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JP54127256A
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Dee Bui Haiteieeru Jatsuku
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Labofina SA
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Labofina SA
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Publication date
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Publication of JPH0222057B2 publication Critical patent/JPH0222057B2/ja
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/16Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation
    • C07C51/21Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen
    • C07C51/255Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of compounds containing six-membered aromatic rings without ring-splitting
    • C07C51/265Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of compounds containing six-membered aromatic rings without ring-splitting having alkyl side chains which are oxidised to carboxyl groups
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

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  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Low-Molecular Organic Synthesis Reactions Using Catalysts (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は酸化プロセスに係り、特にp―トルイ
ル酸、またはp―トルイル酸とp―キシレンおよ
び/またはp―トルアルデヒドのような部分的に
酸化されたp―キシレンの誘導体との混合物の酸
化によるテレフタル酸の製造方法に関する。 テレフタル酸は、繊維およびフイルムを形成す
るポリエステルのような高分子樹脂の製造の出発
物質としての使用がますます増大しており、産業
上極めて重要な物質である。 公知文献は、アルキル基が置換された芳香族化
合物の液相酸化により芳香族カルボン酸を得るた
めの多くの方法を教えている。この分野における
初期の特許の1つは、米国特許第2245528号であ
り、そこには、金属触媒、酢酸のような溶媒およ
び任意ではあるが酸化開始剤の存在下で分子状酸
素によりアルキル芳香族化合物を酸化する1段階
プロセスが記載されている。しかし、そのような
厳しい条件下でさえ、ジカルボン酸の収率は低
い。例えば、触媒としての酢酸コバルトおよび酢
酸マグネシウムを含む酢酸内で、185ないし200℃
の温度および50気圧の圧力下で、開始剤としての
ジエチルケトンの存在下で、キシレンの混合物を
空気で酸化すると、フタル酸の収率はわずか2%
であり、主反応生成物はトルイル酸および他の中
間酸化生成物であつた。 他の多くの特許は、改善された収率でテレフタ
ル酸を得るための、1段階でのp―キシレンの酸
化方法を記載している。これらの特許は主とし
て、臭素含有化合物(米国特許第2833816号)、ケ
トン(米国特許第2853514号)、またはアルデヒド
(米国特許第3036122号)のような特別の活性剤の
使用に関するものである。これらの方法の幾つか
は工業的に用いられているが、重大な欠点を有し
ている。例えば、臭素含有活性剤が用いられる時
には重大な腐食問題が発生する。ケトンまたはア
ルデヒドが用いられるときには、その1部は不可
避的に失われ、残りは主として酢酸に移行する。
酢酸は回収され、精製され、経済的に成立ち得る
よう製品化されねばならないものである。しか
し、このような欠点にもかかわらず、活性剤の使
用は、キシレンから効果的にフタル酸を製造する
上で基本的に必要なものであると考えられてい
る。 多くの場合、溶媒の使用もまた必要であると主
張されている。低分子量脂肪酸、特に酢酸は、こ
の目的に対し広く用いられている。添加される溶
媒の量は、反応体と反応生成物とを溶液状態に、
または少なくとも容易に懸濁状態に維持するに充
分な量でなければならない。このようにして反応
混合物は容易に撹拌され、酸素の分散が改善さ
れ、副生成物の形成が最小とされ、溶媒の蒸発に
よつて反応熱が容易に除去される。しかし、一般
に採用される反応条件の下では、実質量の溶媒
は、共酸化(co−oxidation)により失われる。
更に溶媒は、反応混合物の他成分から分離され、
次いで精製され、リサイクルされねばならない。
明らかに、このような一部溶媒の消費および残留
溶媒の回収操作は、追加の操業コストの上昇をも
たらしてしまう。 上述の重大な問題を避けるために、溶媒の存在
なしにp―キシレンの酸化を実施することが提案
された。この場合、液状反応混合物を得るために
は、明らかにp―トルイル酸の融点範囲以上の温
度、即ち約180℃で実施することが必要である。
従つて温度の選択が制限される。更に、溶媒の不
在下では、反応混合物の取扱いとともにテレフタ
ル酸の分離および精製が困難である。一般に、反
応は、混合物中のテレフタル酸の含有量が60重量
%以下、好ましくは45重量%以下の点まで実施さ
れる。この点を越えると、酸化反応混合物をスラ
リーとして取扱うことが困難であり、従つて反応
操作が悪影響を受ける。このことは米国特許第
3883584号に示されている。 溶媒が存在しない場合、テレフタル酸が大量に
存在しない時ですら反応器内の広範囲の付着が生
ずるので、反応熱の除去は、工業的規模の生産に
おいて他の困難をもたらしてしまう。このよう
に、溶媒の存在なしにトルイル酸をキシレンに酸
化することに関する米国特許第2696499号では、
キシレン酸化混合物の冷却に固有の基本的な設計
問題によつて固形物の析出が防止されることを示
している。 米国特許第3406196号は、2段階プロセスを示
しており、このプロセスではテレフタル酸のため
の懸濁化剤として水が用いられている。このプロ
セスの第1の段階において、アルキル芳香族化合
物特にp―キシレンは、何ら追加の溶媒の存在な
しに空気により酸化され、それによつて生じた部
分的に酸化された化合物は、第2の段階におい
て、懸濁媒体としての実質量の水の存在下で高温
下で更に酸化される。酸化を促進させるために、
臭素または臭素含有化合物を存在させる必要があ
る。しかし、部分的に酸化された化合物をテレフ
タル酸に変換するためには、200ないし275℃、特
に225ないし250℃の非常に高い温度が必要であ
る。従つて、溶媒として酢酸が用いられる方法に
おける場合と同様かまたはそれよりも悪い腐食問
題が必然的に生じる。更に、前記特許で述べてい
るように、劣化や他の副反応による未反応ポアル
キル芳香族化合物の顕著な損失は、そのような化
合物が、第1の酸化段階において生成された部分
的な酸化生成物の芳香族ポリカルボン酸への効率
良い転化に必要な高温にさらされる時に生ずる傾
向がある。明らかに、この特許の説明は、臭素促
進剤の存在下ですら大量の水の使用が、1段階で
p―キシリンのテレフタル酸への酸化のための満
足すべき結果を与えていないというである。 実際に、水が酸化反応における触媒毒であるこ
とが以前より知られている。このことは米国特許
第2696499号に示されている。最も一般的な意見
によると、水は反応開始を妨げることにより反応
速度に悪影響を与える。通常、溶媒および/また
は活性剤が存在すると否とにかかわらず、水の存
在は出来るだけ避けられている。このように米国
特許第3064044号は、ほぼ無水条件の下で最終の
(臭素で促進された)酸化を維持するための改良
された手段を示している。過酢酸が促進剤として
使用されている酸化プロセスに関する米国特許第
3519684号には、約10%までの水含有量が許容で
き、5%未満の最小の水含有量が好ましいが、更
に好ましくはほぼ無水条件が採用されることであ
ると記載されている。部分的に酸化された中間体
が連続的に除去されるような、何ら促進剤の存在
なしにキシレンの酸化を行なう連続プロセスにお
いては、反応混合物中の水の含有量を全反応混合
物の15%未満、好ましくは5%未満とするため
に、中間体のリサイクル前に水が液状流出物から
除去される。このことは米国特許第3700731号に
示されている。 より最近では、以前基本的に必要であるとみな
されていた臭素活性剤の存在なしではあるとはい
え、予想外にも、p―キシレンのテレフタル酸へ
の酸化が溶媒としての実質量の水の存在下で実施
され得ることがわかつた。このプロセスは米国特
許出願第764981号および第785827号に記載されて
いる。このプロセスは、p―トルイル酸、水およ
び触媒としての重金属塩の存在下で、約140℃な
いし約220℃の温度および水の少なくとも1部を
液状に維持するに充分な圧力下で、酸素含有ガス
により液相中のp―キシレンを酸化する工程を具
備している。しかし、p―キシレンと水との相互
溶解度が操作温度において低いので、水、p―キ
シレンおよびp―トルイル酸のそのような混合物
は、水相と炭化水素分に富み反応混合物中に存在
するp―トルイル酸の重要な部分をも含む有機相
との2相に分離し得る。この場合、酸化反応は、
水の濃度が比較的低い有機相中に主として生ず
る。そのため、水の所望の溶媒効果が部分的に失
なわれる。更に、この相分離は均質化、酸素分散
および物質移動効果に関し、重大な技術的困難を
生ずる。 本発明の目的は、高収率で高純度のテレフタル
酸が得られ、公知技術の上記欠点が避けられる、
p―キシレンのテレフタル酸への酸化方法を提供
することにある。 本発明の他の目的は、高度に耐食性の装置を必
要とせず、通常のステンレス製装置で実施可能な
方法を提供することにある。 本発明の他の目的は、何ら追加の溶媒を必要と
せずに実質量の水の存在下で実施可能な方法を提
供することにある。 本発明の他の目的は、酸化されるべきテレフタ
ル酸前駆物質、水、および水に溶解した酸化触媒
から基本的に構成される反応混合物を酸化するこ
とによつてテレフタル酸が製造される方法を提供
することにある。 本発明の他の目的は、酸化触媒に加えて臭素化
合物のような促進剤の使用を必要としない方法を
提供することにある。 本発明の他の目的は、比較的中程度の温度でテ
レフタル酸が酸化された反応混合物から容易に回
収可能な方法を提供することにある。 本発明の他の目的は、触媒および酸化中間体が
回収され、酸化のために再使用され得る方法を提
供することにある。 本発明の他の目的は、比較的低コストでテレフ
タル酸が工業的プロセスで製造され得る方法を提
供することにある。 本発明の他の目的は、バツチ式または連続式で
実施し得る方法を提供することにある。 本発明の他の目的は、出発物質の有効な酸化を
確実に行なう上で必要な触媒、水およびp―トル
イル酸の量が容易に計算し得る方法を提供するこ
とにある。 本発明に従つて上述の目的を達成するために、
以下の工程からなるテレフタル酸の製造方法が提
供される。 (a) p―トルイル酸およびp―トルイル酸と酸化
し得る化合物との混合物からなる群から選択さ
れた少なくとも1種の酸化し得るテレフタル酸
前駆物質と、操作可能なスラリーを得るに充分
な少なくとも5重量%の水と、液状反応混合物
1Kgあたりの触媒的に活性な金属化合物の少な
くとも最小量を提供するに充分な量の酸化触媒
とからなる実質的に均一な反応混合物を、分子
状酸素含有ガスにより、約140℃ないし約220℃
の反応温度で、この反応温度で少なくとも水の
1部を液相に維持するに充分な圧力下で酸化す
る工程。 なお、前記酸化し得る化合物はp―キシレン、
部分的に酸化されたp―キシレン誘導体およびそ
れらの混合物からなる群から選択されたものであ
り、前記酸化触媒はマンガン化合物、コバルト化
合物およびそれらの混合物から選択されたもので
あり、前記金属化合物の最小量Mは以下の式によ
り定義される。 M=Y(X+A)+BX/CX+D 式中、Yは反応混合物における水とp―トルイ
ル酸のモル比であり、Xは触媒組成物中における
マンガンとマンガン+コバルトの全量とのモル比
であり、Aは約0.200、Bは約10.9、Cは約4.35、
Dは約0.0724である。 (b) テレフタル酸を含む酸化された混合物を回収
する工程。 触媒濃度を前記定義された最小値以上に維持す
ることにより、均一な液相反応混合物中での前記
出発物質混合物のテレフタル酸への有効な酸化が
達成される。 本発明の重要な特徴は、公知技術において広く
認識されている水の有害な効果は、酸化が上述の
特定の条件下で実施されるときに除去し得ること
である。本発明の他の特徴は、p―トルイル酸の
みまたはp―キシレンおよび/または部分的に酸
化されたp―トルアルデヒドとの混合物からなる
さまざまの基質の酸化に適用し得ることである。
本発明の更に他の特徴は、触媒の量が系中に存在
する水とp―トルイル酸との比との関係において
選択されるときに、そのような基質が均質水溶液
内で酸化され得ることである。 本発明の方法は、バツチ式または連続式で実施
することが出来る。反応体が水に溶解され、次い
で触媒が生成した溶液に加えられる。次にこの混
合物中に酸素が導入され、加圧下約140ないし約
220℃の温度下で酸化が実施される。操作温度に
おいて、ほぼ液状に反応混合物を維持するように
圧力が調整される。テレフタル酸は白色結晶析出
物として反応混合物から分離される。連続プロセ
スでは、この析出物は、過、遠心分離、または
静置および沈降分離等の通常の固液分離手段によ
り連続的に除去され、未転化反応体および中間酸
化生成物は酸化ゾーンにリサイクルされる。この
ように取除かれたテレフタル酸および副生成物の
生成を埋め合せるために、新しい反応体が連続的
に加えられる。このようにテレフタル酸の生成に
関係のない化学物質の添加は不必要である。しか
し、本発明の方法を実施する上で反応を妨害せず
操作条件の下で比較的不活性の1種以上の有機溶
媒を反応混合物に加えることが出来る。水との混
合物の形で溶媒として使用し得るそのような化合
物の例として安息香酸および酢酸がある。これら
の化合物は実際には反応中に少量生成され、その
ため或る程度反応混合物中に蓄積される。しか
し、本発明の利点は、そのような化合物の存在と
は独立に得られる。もつとも、そのような化合物
は、系中の水の量を越える量存在すべきではな
い。 本発明の方法に適切に用いられる水の量は、
様々のフアクターに応じて、広範囲に例えば反応
混合物重量の約5ないし約80重量%を変化し得
る。既に述べたように、本発明の基本的内容は、
均一水性系内で酸化が実施されることである。従
つて、水の量は、温度および酸化されるさまざま
の化合物の相対量のような他のプロセス変数を考
慮に入れて、反応体のほぼ均一な水溶性が得られ
るに充分なように主として選択されるであろう。
例えば、プロセスがトルイル酸のみまたはp―ト
ルアルデヒドのような比較的水溶性の他の酸素化
された化合物との混合物の形で適用されるとき、
水の量は、操作温度でp―トルイル酸を完全に溶
解するに充分な量選択されるであろう。水へのp
―トルイル酸の溶解度が昇温下で急激に増加する
ので、使用される水の量は温度が増加するに従つ
て減少させることが出来る。しかし、一般的に言
つて、水の量は反応混合物重量の5%を下回ら
ず、好ましくは10%以上であろう。 p―キシレンが反応混合物の成分でもある場合
には、2相への混合物の分離が生ずるような量以
上であるべきではない。この量は明らかに混合物
中のp―キシレンの量に依存する。第1図は185
℃におけるp―キシレン、p―トルイル酸および
水の混合物の3相ダイヤグラム(重量%)であ
る。このダイヤグラムにおいては、ゾーンAでは
系は均一溶液、ゾーンBでは2相である。当業者
が容易に決定し得るように、これらのゾーンの間
のボーダーラインは温度により大きくは変化しな
い。実質的な有機相の存在を避けるためにp―キ
シレンの量を制限しなければならないことがわか
る。それ故、本発明の方法によるp―キシレンの
酸化がバツチ式で実施されるとき、p―キシレン
は累進的、断続的または連続的に、ゾーンAにお
ける系を維持するような速度で反応混合物に添加
されるべきである。本発明の好ましい実施態様に
よると、反応は連続式で実施され、それによつて
中間酸化生成物即ち主としてp―トルイル酸とと
もに未反応p―キシレンが反応ゾーン内に連続的
にリサイクルされる。この場合、定常状態にある
反応混合物におけるp―トルイル酸とp―キシレ
ンとのモル比は、主として温度に応じて約3ない
し約15であろう。言い換えれば、反応混合物は第
1図のダイヤグラムの灰色の領域にあろう。この
領域は殆んどゾーンAにあり、即ち大部分均一溶
液に相当する。以上の記載から、温度および/ま
たは本発明により溶媒として用いられる水の量を
均一な系が得られるように常に調整し得ることが
わかる。もし本発明の方法の連続式で実施される
ならば、本明細書中にその記載が含められている
米国特許出願第785827号(出願日1977年8月8
日)に記載されている連続工程を採用するのが好
ましい。しかし他の因子も考慮に入れなければな
らない。即ち、所望の生成物であるテレフタル酸
は反応混合物中に殆んど不溶であるので、操作可
能なスラリーを得るに充分な量の水を加えなけれ
ばならない。しかし、例えば10%以上のテレフタ
ル酸が操作温度で溶解するほどの多量の水を用い
る利点はない。更に考慮に入れなければならない
因子は反応速度である。即ち、80重量%またはそ
れ以上の水を含む媒体中で酸化反応を実施するこ
とは本発明の範囲内で可能であるが、過剰の水の
存在は反応速度に悪影響を与えてしまう。更に、
或る場合には、溶媒の1部は、酸化媒体から析出
する黒色化合物を形成することによりその触媒機
能が転換することがある。更に経済的な理由か
ら、過剰の不必要な量の水を用いることにより反
応器の容量の1部を失なうことは不利である。一
般にこれらさまざまの理由から、系に存在する水
の量は反応混合物量の75重量%未満であり、好ま
しくは60重量%未満であろう。 酸化反応は140℃以上の温度で実施されるのが
適切である。この温度以下では反応混合物を均一
温度とするのが困難である。一方、220℃を越え
る操作温度は過酸化の増加、不所望な副反応およ
び腐食問題を生ぜしめるであろう。多くの場合、
反応温度は約150℃ないし約190℃であろう。 圧力は温度の関数として調整される。反応混合
物を操作温度において液状に維持するために、常
圧を越える充分高い圧力を採用しなければならな
い。一般に圧力は約5ないし約40Kg/cm2であろ
う。 本発明の方法に用いられる酸化触媒は、それが
反応混合物中に少なくとも1部は可溶であるか、
またはこの混合物中の反応体の1種と可溶かまた
は少なくとも1部可溶な化合物を形成し得るなら
ば、マンガン化合物、コバルト化合物およびそれ
らの化合物からなる群から選択された1種以上の
金属化合物からなる重金属化合物組成物とするこ
とができる。触媒組成物に使用し得る金属化合物
は塩が適切である。特にカルボン酸の塩、例えば
酢酸塩、ナフテン酸塩、トルイル酸塩等が好まし
い。コバルトおよび/またはマンガン化合物以外
の触媒組成物としては、特に通常酸化触媒として
用いられている他の金属のカルボン酸塩がある。 本発明の基本的な特徴は、均一水性系中での酸
化を実施するに必要な触媒の最小量が前記系中の
水およびp―トルイル酸のそれぞれの量に依存す
るということである。事実として、p―トルイル
酸および任意のp―キシレンおよび/または部分
的に酸化されたその誘導体の均一な水性溶液にお
いて、活性触媒の量が、以下の式で与えられる、
反応混合物1Kgあたりの金属化合物のミリモルで
ある臨界濃度M未満のときには、酸化は生じ得な
い。 M=Y(X+A)+BX/CX+D (1) 式中、Yはp―トルイル酸に対する水のモル
比、Xはその中のマンガンおよびコバルトの全量
に対する金属触媒のモル数で表わされる金属触媒
中のマンガン量即ちMn/Mn+Coである。 A=約 0.200 B=約 10.9 C=約 4.35 D=約 0.0724 上記量A,B,CおよびDは実験で求められた
ものであり、従つて測定誤差がある。誤差範囲を
持つ量は計算によると、それぞれA=0.200±
0.031、B=10.9±1.3、C=4.35±0.17およびD=
0.0724±0.0117であつた。従つて、与えられたY
およびXの値について式(1)により計算されたMの
値は、統計的手法を用いてMを中心として誤差範
囲内にある実際の臨界濃度の推定値として見なす
べきである。当業者が理解するであろうように、
この誤差範囲は、Mの計算で用いたYおよびXの
値の値に依存するが、特別の場合、テイラーの式
を適用して上記データから計算できる。このよう
に、例えば触媒の臨界濃度は次の誤差範囲内にあ
るであろう。即ち、Y=70、X=0.5のとき2.74
±0.45である。 上述のように定義された触媒の臨界濃度は、与
えられた条件下で使用され得る最小の濃度であ
る。より低い濃度では、プロセスは作動しないで
あろう。明らかにこの最小値よりも高い触媒量を
用いることが実施の上で好ましい。事実、触媒濃
度が増加するにつれて酸化速度は増加する。しか
し、反応混合物1Kgあたり金属化合物約40ミリモ
ルより高い触媒濃度は経済性の点で不利である。
適切な触媒量は、式(1)から計算した最小値Mより
少し高い値と反応混合物1Kgあたり約30ミリモル
の間であろう。 式(1)からわかるように、水の濃度が増加し、p
―トルイル酸の濃度が減少するならば、触媒の臨
界濃度は増加する。言い換れば、p―トルイル酸
の濃度が、触媒濃度が減少するにつれて増加する
臨界値より高くなければ、そのような水溶液中で
酸化は生じ得ない。このように、触媒だけでなく
p―トルイル酸も、実質量の水の存在下で酸化を
生ぜしめる上で基本的な物質である。実際、本発
明によつて適当量用いられた触媒とp―トルイル
酸の結合作用により、臭素化合物のような高価な
および/または腐食性活性剤の使用に頼ることな
く、p―キシレンを酸化してテレフタル酸とする
ことが可能である。p―トルイル酸のこの効果
は、他のカルボン酸が例えば安息香酸のような類
似の構造のものですら同一の特性を示さないの
で、全く予想外の特徴である。 更に、均一な水性系内で酸化を実施する上で必
要な触媒の最小濃度は、採用された触媒内のマン
ガン化合物とコバルト化合物の相対比にも依存す
る。マンガンはコバルトよりもより効果的である
ことがわかる。例えば、p―トルイル酸の50重量
%水溶液(水とp―トルイル酸とモル比は7.56)
内で酸化を生ぜしめるためには、必要な触媒の最
小量は、マンガンが単独の触媒として用いられる
かどうかによつて4.5または20.9ミリモル/Kgで
ある。しかし、実施上の理由から、コバルトは一
般に反応速度に有利な効果を発揮するので、両方
の金属混合物を採用するのが有利である。更に、
マンガン化合物とコバルト化合物との混合物が触
媒として採用されるとき、少ない過酸化が生じ、
それぞれの金属が単独で用いられるときよりも一
般に高収率でテレフタル酸が得られることがわか
つた。例えば、燃焼比(吸収される酸素に対する
発生する2酸化炭素のモル比)は一般に最初の場
合に0.06ないし0.09であり、一方第2の場合に約
0.15である。実際に、触媒としてマンガンとコバ
ルトを一緒に用いることの有利な効果は本発明の
典型的な特徴であり更なる利点である。その時本
プロセスにおけるような均一な溶液の替りに2相
系において反応が実施され、マンガンまたはコバ
ルトまたはその混合物が用いられるかどうかにか
かわらず0.12またはそれ以上ですらある燃焼比が
規則的に見出される。たいていの場合、約0.1な
いし約0.9の式(1)のXの値が、均一な水性媒体中
で活発な酸化をもたらし、高収率のテレフタル酸
を得る利点を伴なつて用いられるであろう。 上述と同じ理由から、コバルトおよび/または
マンガンに加えて、更にニツケル、鉛またはセリ
ウムのような金属成分を含む触媒を用いることが
有利であろう。そのような他の金属は均一な水性
媒体中で酸化を生ぜしめるが、例えば純度および
反応速度について実施上の改良を行なう。 本発明の驚くべき特徴は、水性媒体中での酸化
を実施するために採用される触媒の最小濃度が、
どの組成の反応混合物についても式(1)から計算す
ることが出来、この式は温度のような重要な操作
変数から独立であるということである。このこと
は、表1で示す結果により表わされ、表1では広
範囲の条件において実験的に得られるMの値が式
(1)から計算された値と比較されている。これらの
結果の多くは次の実験的方法により得られたもの
である。 機械的撹拌装置、加熱ジヤケツト、ガス導入
管、ベントおよび液を注入するための計量ポンプ
を備えた1リツトルの耐食性オートクレーブ中
に、酸化反応混合物中に存在するべきさまざまな
成分、即ちp―トルイル酸、水および触媒が導入
される。次いでこの混合物は、撹拌され空気を通
されつつ加熱される。1度酸化がスタートする
と、最初の反応混合物と同じ触媒濃度を有する触
媒の水溶液が混合物に漸進的に注入される。その
結果、触媒濃度の変化なしに反応混合物が漸進的
に水で希釈される。 酸化の程度は、排出ガスの酸素含有量を酸素ア
ナライザーにより連続的に測定することにより観
察される。選択された触媒濃度において効果的な
酸化を実施するために系内のp―トルイル酸の濃
度が充分高い限りにおいて、反応は希釈の結果と
して漸進的に減少する速度で規則的に進行する。
しかし、p―トルイル酸の臨界濃度に達するやい
なや、反応速度は殆んどゼロにまで急速に下降す
る。次いで注入は停止され、反応混合物は分析さ
れる。このように決定された水とp―トルイル酸
のモル比は明らかに与えられた触媒濃度Mに対応
する臨界値Yであるか、または逆に、Mは水とp
―トルイル酸との比がYとして与えられている反
応混合物における酸化を実施するために用いられ
る触媒の最小濃度である。実際には、Mは、用い
られる触媒組成中のマンガンとコバルトの全量に
対するマンガンのモル比(式1におけるX)とし
て表現される触媒の組成に依存する。 明らかに、そのような数値の決定は、与えられ
た反応混合物(与えられたYおよびX)について
実験誤差を被る。そのため、標準偏差を伴なつた
実際の値付近に都合よく分布するようなさまざま
値Miが得られることが予想される。さまざまの
YiおよびXiについてこのように決定されたMi
値は以下の表に示されている。これらのデータか
ら、式(1)で計算される値MからのMiの標準偏差
が0.70であることが推定できる。従つて、どんな
実験値Miも2以上即ち1.4以上の標準偏差により
計算されたものと異ならず、式(1)と一致するもの
とみなすことができる。 表1で与えられた結果から、次のことが明らで
ある。 1 式(1)はどんなYおよびXの値についても有効
である(例えばYについては実験No.1および
7、Xについては実験No.7および19を比較せ
よ。)。 2 式(1)はp―キシレンの有無に独立である(例
えば実験No.8および13を比較せよ。)。 3 式(1)は温度に独立である(例えば実験No.3お
よび9を比較せよ。)。 4 式(1)はマンガンおよびコバルト以外の金属の
存在に独立である(例えば実験No.2および5を
比較せよ。)。
The present invention relates to an oxidation process, in particular by the oxidation of p-toluic acid or a mixture of p-toluic acid and partially oxidized derivatives of p-xylene, such as p-xylene and/or p-tolualdehyde. The present invention relates to a method for producing terephthalic acid. Terephthalic acid is a substance of great industrial importance, increasingly used as a starting material for the production of polymeric resins such as polyesters from which fibers and films are formed. The known literature teaches many methods for obtaining aromatic carboxylic acids by liquid phase oxidation of aromatic compounds substituted with alkyl groups. One of the early patents in this field is U.S. Patent No. 2,245,528, which describes the production of alkyl aromatic compounds by molecular oxygen in the presence of a metal catalyst, a solvent such as acetic acid, and optionally an oxidation initiator. A one-step process for oxidizing compounds is described. However, even under such harsh conditions, the yield of dicarboxylic acids is low. For example, in acetic acid containing cobalt acetate and magnesium acetate as catalysts at 185 to 200°C.
When a mixture of xylenes is oxidized with air in the presence of diethyl ketone as an initiator at a temperature of
The main reaction products were toluic acid and other intermediate oxidation products. A number of other patents describe processes for the oxidation of p-xylene in one step to obtain terephthalic acid with improved yields. These patents primarily concern the use of special activators, such as bromine-containing compounds (US Pat. No. 2,833,816), ketones (US Pat. No. 2,853,514), or aldehydes (US Pat. No. 3,036,122). Although some of these methods are used industrially, they have significant drawbacks. For example, serious corrosion problems occur when bromine-containing activators are used. When a ketone or an aldehyde is used, a part of it is inevitably lost and the remainder is mainly transferred to acetic acid.
Acetic acid must be recovered, purified, and made into an economically viable product. However, despite these drawbacks, the use of activators is believed to be a fundamental necessity for the effective production of phthalic acid from xylene. In many cases, the use of solvents is also claimed to be necessary. Low molecular weight fatty acids, especially acetic acid, are widely used for this purpose. The amount of solvent added is such that the reactants and reaction products are in solution;
or at least in sufficient quantity to readily maintain it in suspension. In this way, the reaction mixture is easily stirred, oxygen dispersion is improved, by-product formation is minimized, and the heat of reaction is easily removed by evaporation of the solvent. However, under commonly employed reaction conditions, substantial amounts of solvent are lost through co-oxidation.
Furthermore, the solvent is separated from other components of the reaction mixture,
It must then be purified and recycled.
Obviously, such partial solvent consumption and residual solvent recovery operations result in additional operating costs. In order to avoid the serious problems mentioned above, it has been proposed to carry out the oxidation of p-xylene without the presence of a solvent. In this case, in order to obtain a liquid reaction mixture, it is necessary to carry out the reaction at a temperature clearly above the melting point range of p-toluic acid, ie at about 180.degree.
The choice of temperature is therefore limited. Furthermore, in the absence of a solvent, handling of the reaction mixture as well as separation and purification of terephthalic acid are difficult. Generally, the reaction is carried out to the point where the content of terephthalic acid in the mixture is no more than 60% by weight, preferably no more than 45% by weight. Beyond this point, it is difficult to handle the oxidation reaction mixture as a slurry and reaction operation is therefore adversely affected. This is explained in US Patent No.
No. 3883584. In the absence of solvent, the removal of the heat of reaction poses other difficulties in industrial scale production, since extensive fouling within the reactor occurs even when terephthalic acid is not present in large quantities. Thus, in U.S. Pat. No. 2,696,499 for the oxidation of toluic acid to xylene without the presence of a solvent,
It is shown that fundamental design issues inherent in the cooling of xylene oxide mixtures prevent precipitation of solids. US Pat. No. 3,406,196 shows a two-step process in which water is used as a suspending agent for terephthalic acid. In the first stage of this process, the alkylaromatic compounds, especially p-xylene, are oxidized by air without the presence of any additional solvent, and the partially oxidized compounds thereby formed are transferred to the second stage. Further oxidation is carried out at elevated temperatures in the presence of substantial amounts of water as suspending medium. To promote oxidation,
Bromine or a bromine-containing compound must be present. However, very high temperatures of 200 to 275°C, especially 225 to 250°C, are required to convert the partially oxidized compound to terephthalic acid. Corrosion problems that are similar or worse than in processes where acetic acid is used as the solvent therefore necessarily arise. Furthermore, as noted in the patent, significant loss of unreacted polyalkyl aromatic compounds due to degradation and other side reactions may result in such compounds being partially oxidized by the oxidation products produced in the first oxidation step. It tends to occur when products are exposed to the high temperatures necessary for efficient conversion to aromatic polycarboxylic acids. Apparently, the explanation in this patent is that the use of large amounts of water even in the presence of a bromine promoter does not give satisfactory results for the oxidation of p-xylin to terephthalic acid in one step. . In fact, it has long been known that water is a catalyst poison in oxidation reactions. This is shown in US Pat. No. 2,696,499. According to the most common opinion, water negatively affects the reaction rate by interfering with the initiation of the reaction. Usually, the presence of water is avoided as much as possible, whether or not solvents and/or activators are present. Thus, US Pat. No. 3,064,044 shows an improved means for maintaining the final (bromine-promoted) oxidation under nearly anhydrous conditions. U.S. Patent No. 1 on an oxidation process in which peracetic acid is used as an accelerator.
No. 3,519,684 states that water contents up to about 10% are acceptable, a minimum water content of less than 5% is preferred, but it is more preferred that nearly anhydrous conditions be employed. In a continuous process for the oxidation of xylene without the presence of any promoter, in which the partially oxidized intermediate is continuously removed, the water content in the reaction mixture is reduced to 15% of the total reaction mixture. Water is removed from the liquid effluent before recycling of the intermediate to achieve less than 5%, preferably less than 5%. This is shown in US Pat. No. 3,700,731. More recently, the oxidation of p-xylene to terephthalic acid has been unexpectedly performed without the presence of a bromine activator, which was previously considered to be fundamentally necessary. It was found that the method can be carried out in the presence of This process is described in US Patent Application Nos. 764,981 and 785,827. The process comprises p-toluic acid, water, and a heavy metal salt as a catalyst in the presence of an oxygen-containing This method includes a step of oxidizing p-xylene in the liquid phase using gas. However, since the mutual solubility of p-xylene and water is low at the operating temperature, such a mixture of water, p-xylene and p-toluic acid is difficult to maintain between the aqueous phase and the hydrocarbon-rich p-toluic acid present in the reaction mixture. - can be separated into two phases with an organic phase that also contains a significant portion of toluic acid. In this case, the oxidation reaction is
It occurs primarily in the organic phase where the concentration of water is relatively low. Therefore, the desired solvent effect of water is partially lost. Furthermore, this phase separation creates significant technical difficulties with respect to homogenization, oxygen dispersion and mass transfer effects. The object of the present invention is to obtain terephthalic acid with high yield and high purity, avoiding the above-mentioned drawbacks of the known technology.
An object of the present invention is to provide a method for oxidizing p-xylene to terephthalic acid. Another object of the invention is to provide a method that does not require highly corrosion-resistant equipment and can be carried out in conventional stainless steel equipment. Another object of the invention is to provide a process which can be carried out in the presence of substantial amounts of water without the need for any additional solvent. Another object of the invention is to provide a method by which terephthalic acid is produced by oxidizing a reaction mixture consisting essentially of a terephthalic acid precursor to be oxidized, water and an oxidation catalyst dissolved in water. It is about providing. Another object of the invention is to provide a process that does not require the use of promoters such as bromine compounds in addition to oxidation catalysts. Another object of the invention is to provide a process in which terephthalic acid can be easily recovered from an oxidized reaction mixture at relatively moderate temperatures. Another object of the invention is to provide a method in which the catalyst and oxidation intermediates can be recovered and reused for oxidation. Another object of the invention is to provide a method by which terephthalic acid can be produced in an industrial process at relatively low cost. Another object of the invention is to provide a process which can be carried out batchwise or continuously. Another object of the present invention is to provide a method by which the amounts of catalyst, water and p-toluic acid required to ensure efficient oxidation of the starting materials can be easily calculated. To achieve the above objectives according to the present invention,
A method for producing terephthalic acid is provided which includes the following steps. (a) at least one oxidizable terephthalic acid precursor selected from the group consisting of p-toluic acid and mixtures of p-toluic acid and oxidizable compounds; A substantially homogeneous reaction mixture consisting of 5 wt. Depending on the gas, about 140℃ to about 220℃
oxidizing at a reaction temperature under sufficient pressure to maintain at least a portion of the water in the liquid phase at this reaction temperature. Note that the oxidizable compound is p-xylene,
partially oxidized p-xylene derivatives and mixtures thereof; said oxidation catalyst is selected from manganese compounds, cobalt compounds and mixtures thereof; and said oxidation catalyst is selected from manganese compounds, cobalt compounds and mixtures thereof; The minimum amount M is defined by the following formula. M=Y(X+A)+BX/CX+D where Y is the molar ratio of water to p-toluic acid in the reaction mixture, and X is the molar ratio of manganese to the total amount of manganese+cobalt in the catalyst composition; A is about 0.200, B is about 10.9, C is about 4.35,
D is approximately 0.0724. (b) recovering the oxidized mixture containing terephthalic acid; By maintaining the catalyst concentration above the defined minimum value, effective oxidation of the starting material mixture to terephthalic acid in a homogeneous liquid phase reaction mixture is achieved. An important feature of the present invention is that the deleterious effects of water, which are widely recognized in the prior art, can be eliminated when the oxidation is carried out under the specific conditions mentioned above. Another feature of the invention is that it can be applied to the oxidation of various substrates consisting of p-toluic acid alone or in mixtures with p-xylene and/or partially oxidized p-tolualdehyde.
Yet another feature of the invention is that such substrates can be oxidized in a homogeneous aqueous solution when the amount of catalyst is selected in relation to the ratio of water to p-toluic acid present in the system. It is. The process of the invention can be carried out batchwise or continuously. The reactants are dissolved in water and then the catalyst is added to the resulting solution. Oxygen is then introduced into this mixture and under pressure
Oxidation is carried out at a temperature of 220°C. The pressure is adjusted to maintain the reaction mixture in substantially liquid form at the operating temperature. Terephthalic acid is separated from the reaction mixture as a white crystalline precipitate. In a continuous process, this precipitate is continuously removed by conventional solid-liquid separation means such as filtration, centrifugation, or settling and settling, and unconverted reactants and intermediate oxidation products are recycled to the oxidation zone. Ru. New reactants are continuously added to compensate for the terephthalic acid and by-product formation thus removed. Thus, the addition of chemicals unrelated to the production of terephthalic acid is unnecessary. However, in carrying out the process of the invention, one or more organic solvents that are relatively inert under the operating conditions can be added to the reaction mixture without interfering with the reaction. Examples of such compounds which can be used as solvents in mixture with water are benzoic acid and acetic acid. These compounds are actually produced in small amounts during the reaction and therefore accumulate to some extent in the reaction mixture. However, the advantages of the invention are obtained independently of the presence of such compounds. However, such compounds should not be present in an amount that exceeds the amount of water in the system. The amount of water suitably used in the method of the invention is:
Depending on various factors, it may vary over a wide range, for example from about 5 to about 80% by weight of the reaction mixture. As already mentioned, the basic contents of the present invention are:
The oxidation is carried out in a homogeneous aqueous system. Therefore, the amount of water is selected primarily to be sufficient to provide approximately uniform water solubility of the reactants, taking into account other process variables such as temperature and relative amounts of the various compounds to be oxidized. will be done.
For example, when the process is applied in the form of toluic acid alone or in a mixture with other relatively water-soluble oxygenated compounds such as p-tolualdehyde,
The amount of water will be selected to be sufficient to completely dissolve the p-toluic acid at the operating temperature. p to water
-The amount of water used can be decreased as the temperature increases, since the solubility of toluic acid increases rapidly at elevated temperatures. However, generally speaking the amount of water will not be less than 5% and preferably more than 10% of the weight of the reaction mixture. If p-xylene is also a component of the reaction mixture, it should not be in such an amount that separation of the mixture into two phases occurs. This amount obviously depends on the amount of p-xylene in the mixture. Figure 1 is 185
Figure 3 is a three-phase diagram (% by weight) of a mixture of p-xylene, p-toluic acid and water at °C. In this diagram, in zone A the system is a homogeneous solution and in zone B a two-phase system. As one skilled in the art can readily determine, the borders between these zones do not vary significantly with temperature. It can be seen that the amount of p-xylene must be limited to avoid the presence of a substantial organic phase. Therefore, when the oxidation of p-xylene according to the process of the invention is carried out in batches, p-xylene enters the reaction mixture progressively, intermittently or continuously at a rate such as to maintain the system in zone A. should be added. According to a preferred embodiment of the invention, the reaction is carried out in a continuous manner, whereby the unreacted p-xylene together with the intermediate oxidation products, ie mainly p-toluic acid, is continuously recycled into the reaction zone. In this case, the molar ratio of p-toluic acid to p-xylene in the reaction mixture at steady state will be from about 3 to about 15, depending primarily on temperature. In other words, the reaction mixture will be in the gray area of the diagram of FIG. This region lies mostly in zone A, ie corresponds to a largely homogeneous solution. From the above description it can be seen that the temperature and/or the amount of water used as solvent according to the invention can always be adjusted so as to obtain a homogeneous system. If the process of the present invention is carried out in continuous mode, US Pat.
It is preferable to employ the continuous process described in But other factors must also be taken into account. That is, since the desired product, terephthalic acid, is nearly insoluble in the reaction mixture, sufficient water must be added to obtain a workable slurry. However, there is no advantage to using large quantities of water such that, for example, more than 10% of the terephthalic acid dissolves at operating temperatures. A further factor that must be taken into account is the rate of reaction. That is, although it is possible within the scope of the present invention to carry out the oxidation reaction in a medium containing 80% by weight or more of water, the presence of excess water will adversely affect the reaction rate. Furthermore,
In some cases, a portion of the solvent may convert its catalytic function by forming a black compound that precipitates from the oxidizing medium. Furthermore, for economic reasons, it is disadvantageous to lose part of the reactor capacity by using excess and unnecessary amounts of water. Generally, for these various reasons, the amount of water present in the system will be less than 75%, and preferably less than 60%, by weight of the amount of reaction mixture. Suitably, the oxidation reaction is carried out at a temperature of 140°C or higher. Below this temperature, it is difficult to maintain a uniform temperature of the reaction mixture. On the other hand, operating temperatures above 220°C will result in increased peroxidation, undesirable side reactions and corrosion problems. In many cases,
The reaction temperature will be about 150°C to about 190°C. Pressure is adjusted as a function of temperature. Sufficiently high pressures above normal pressure must be employed to maintain the reaction mixture in liquid form at the operating temperature. Generally the pressure will be about 5 to about 40 kg/cm 2 . The oxidation catalyst used in the process of the invention is characterized in that it is at least partially soluble in the reaction mixture;
or one or more metals selected from the group consisting of manganese compounds, cobalt compounds and compounds thereof, provided that they are soluble or can form at least partially soluble compounds with one of the reactants in this mixture. It can be a heavy metal compound composition consisting of a compound. Suitable metal compounds that can be used in the catalyst composition are salts. Particularly preferred are salts of carboxylic acids, such as acetates, naphthenates, toluates, and the like. Catalyst compositions other than cobalt and/or manganese compounds include, in particular, carboxylates of other metals commonly used as oxidation catalysts. A basic feature of the invention is that the minimum amount of catalyst required to carry out the oxidation in a homogeneous aqueous system depends on the respective amounts of water and p-toluic acid in said system. In fact, in a homogeneous aqueous solution of p-toluic acid and any p-xylene and/or partially oxidized derivative thereof, the amount of active catalyst is given by the following formula:
Below the critical concentration M, millimoles of metal compound per kg of reaction mixture, no oxidation can occur. M=Y(X+A)+BX/CX+D (1) where Y is the molar ratio of water to p-toluic acid, and X is the number of moles of metal catalyst relative to the total amount of manganese and cobalt in the metal catalyst. The amount of manganese is Mn/Mn+Co. A=approximately 0.200 B=approximately 10.9 C=approximately 4.35 D=approximately 0.0724 The above quantities A, B, C and D were determined experimentally and are therefore subject to measurement errors. According to calculations, the quantities with error ranges are each A=0.200±
0.031, B=10.9±1.3, C=4.35±0.17 and D=
It was 0.0724±0.0117. Therefore, given Y
The value of M calculated by equation (1) for the value of As one of ordinary skill in the art would understand,
This error range depends on the values of Y and X used in the calculation of M, but in special cases it can be calculated from the above data by applying Taylor's equation. Thus, for example, the critical concentration of a catalyst will be within the following error range: That is, 2.74 when Y=70 and X=0.5
±0.45. The critical concentration of a catalyst, as defined above, is the lowest concentration that can be used under given conditions. At lower concentrations the process will not work. It is clearly preferred in practice to use catalyst amounts higher than this minimum value. In fact, the oxidation rate increases as the catalyst concentration increases. However, catalyst concentrations higher than about 40 mmol of metal compound per kg of reaction mixture are economically disadvantageous.
A suitable amount of catalyst will be between a value slightly higher than the minimum value M calculated from equation (1) and about 30 mmol per kg of reaction mixture. As can be seen from equation (1), the concentration of water increases and p
-If the concentration of toluic acid decreases, the critical concentration of the catalyst increases. In other words, oxidation cannot occur in such aqueous solutions unless the concentration of p-toluic acid is above a critical value that increases as the catalyst concentration decreases. Thus, not only the catalyst but also p-toluic acid is the fundamental substance in producing oxidation in the presence of substantial amounts of water. In fact, the combined action of the catalyst and p-toluic acid used in suitable amounts according to the present invention allows the oxidation of p-xylene without resorting to the use of expensive and/or corrosive activators such as bromine compounds. It is possible to convert it into terephthalic acid. This effect of p-toluic acid is a completely unexpected feature since other carboxylic acids, even those of similar structure, such as benzoic acid, do not exhibit the same properties. Furthermore, the minimum concentration of catalyst required to carry out the oxidation in a homogeneous aqueous system also depends on the relative proportions of manganese and cobalt compounds in the catalyst employed. It turns out that manganese is more effective than cobalt. For example, a 50% by weight aqueous solution of p-toluic acid (molar ratio of water to p-toluic acid is 7.56)
The minimum amount of catalyst required to cause oxidation within is 4.5 or 20.9 mmol/Kg depending on whether manganese is used as the sole catalyst. However, for practical reasons, it is advantageous to employ a mixture of both metals, since cobalt generally has a beneficial effect on the reaction rate. Furthermore,
When a mixture of manganese and cobalt compounds is employed as a catalyst, less peroxidation occurs;
It has been found that generally higher yields of terephthalic acid are obtained than when each metal is used alone. For example, the combustion ratio (molar ratio of carbon dioxide evolved to absorbed oxygen) is generally between 0.06 and 0.09 in the first case, while in the second case it is approximately
It is 0.15. Indeed, the beneficial effects of using manganese and cobalt together as catalysts are a typical feature and a further advantage of the present invention. The reaction is then carried out in a two-phase system instead of a homogeneous solution as in the present process, and combustion ratios of 0.12 or even higher are regularly found, regardless of whether manganese or cobalt or mixtures thereof are used. . In most cases, values of X in formula (1) from about 0.1 to about 0.9 will be used with the advantage of providing active oxidation in a homogeneous aqueous medium and obtaining high yields of terephthalic acid. . For the same reasons mentioned above, it may be advantageous to use catalysts which, in addition to cobalt and/or manganese, also contain metal components such as nickel, lead or cerium. Such other metals undergo oxidation in a homogeneous aqueous medium, but provide practical improvements in, for example, purity and reaction rate. A surprising feature of the present invention is that the minimum concentration of catalyst employed to carry out the oxidation in an aqueous medium is
It can be calculated from equation (1) for reaction mixtures of any composition, and this equation is independent of important operating variables such as temperature. This is expressed by the results shown in Table 1, where the values of M experimentally obtained under a wide range of conditions are expressed by the formula
It is compared with the value calculated from (1). Most of these results were obtained using the following experimental methods. In a 1 liter corrosion-resistant autoclave equipped with a mechanical stirring device, a heating jacket, a gas inlet tube, a vent and a metering pump for injecting the liquid, the various components to be present in the oxidation reaction mixture, namely p-toluic acid , water and catalyst are introduced. The mixture is then heated while stirring and passing air through it. Once the oxidation has started, an aqueous solution of catalyst having the same catalyst concentration as the initial reaction mixture is progressively injected into the mixture. As a result, the reaction mixture is progressively diluted with water without any change in catalyst concentration. The degree of oxidation is observed by continuously measuring the oxygen content of the exhaust gas with an oxygen analyzer. As long as the concentration of p-toluic acid in the system is high enough to effect effective oxidation at the selected catalyst concentration, the reaction proceeds regularly at a rate that progressively decreases as a result of dilution.
However, once the critical concentration of p-toluic acid is reached, the reaction rate drops rapidly to almost zero. The injection is then stopped and the reaction mixture is analyzed. The molar ratio of water and p-toluic acid determined in this way is clearly a critical value Y corresponding to a given catalyst concentration M, or, conversely, M is equal to water and p-toluic acid.
- is the minimum concentration of catalyst used to carry out the oxidation in the reaction mixture given the ratio Y to toluic acid. In practice, M depends on the composition of the catalyst, expressed as the molar ratio of manganese (X in Equation 1) to the total amount of manganese and cobalt in the catalyst composition used. Obviously, the determination of such numbers is subject to experimental error for a given reaction mixture (given Y and X). Therefore, it is expected that various values M i will be obtained that are conveniently distributed around the actual value with standard deviation. various
The values of M i thus determined for Y i and X i are shown in the table below. From these data, it can be estimated that the standard deviation of M i from the value M calculated by equation (1) is 0.70. Therefore, any experimental value M i does not differ from the calculated one by a standard deviation of 2 or more, that is, 1.4 or more, and can be considered to be consistent with equation (1). From the results given in Table 1, it is clear that: 1 Equation (1) is valid for any value of Y and X (for example, compare Experiments Nos. 1 and 7 for Y and Experiments Nos. 7 and 19 for X). 2 Equation (1) is independent of the presence or absence of p-xylene (for example, compare Experiments No. 8 and 13). 3 Equation (1) is independent of temperature (compare, for example, Experiments No. 3 and 9). 4 Equation (1) is independent of the presence of metals other than manganese and cobalt (compare, for example, Experiments No. 2 and 5).

【表】 p―キシレンとその部分的に酸化された誘導体
を酸化してテレフタル酸を得るために用いられる
金属化合物の選択に関する公知技術の教えはかな
り混乱している。しかしその公知技術では一般的
に言つて、特に臭素活性剤の存在なしではコバル
トが最良の触媒であり、マンガンは不活性ではな
いにしても活性が劣るものとされている。p―ト
ルイル酸の酸化については、マンガンは不活性で
ある。(N.Ohta et al.,Chem Abstr.56,8620g
1962)かまたは酸化抑止性を有する(V.N.
Aleksandrovet al.,Kinet.Katal.15,505,
1974)ことが示されている。他の事柄について
は、マンガンは触媒活性を示すが、水の量が溶媒
重量の10%より高いとき、または反応混合物中の
マンガンの量が高いときに、テレフタル酸の脱色
が生ずる。そのため本発明の方法において、マン
ガンが大量の水の存在下において酸化反応を生ぜ
しめるための顕著の活性を有しており、またポリ
エステル繊維の製造に必要とされる純度(フアイ
バーグレード)まで更に精製するに特に適する白
色結晶析出物として高純度でテレフタル酸が得ら
れることは、全く予想し得ないことである。 以下に本発明の実施例を示すが、これらは本発
明を例示するものであつて何ら本発明の範囲を限
定するものではない。 実施例 1 機械的撹拌装置、加熱ジヤケツト、ガス注入管
およびベントを備えた1リツトルの容量の耐食性
オートクレーブ内に以下の物質を導入した。 p―キシレン 45.0g p―トルイル酸 187.5g さまざまの酸化されたp―キシレンの誘導体
4.5g 水 63.0g 酢酸マンガン 1.50ミリモル 酢酸コバルト 1.74ミリモル 反応器を空気で20Kg/cm2まで加圧し、上記混合
物を撹拌し、92リツトル/時の流量の空気を流し
つつ加熱した。 上記導入物において、水とp―トルイル酸との
モル比(Y)は63.0×136.15/18.02×187.5=2.54
であり、触媒中のモル比Mn/Mn+Co(X)
1.50/1.50+1.74=0.46であつた。式(1)を適用す
ることにより、この場合に酸化を実施するに必要
な触媒の最小濃度は以下のように計算された。 M=2.54(0.46+0.200)+10.9(0.46)/4.35(0.46
)+0.0724=3.2 ミリモル/Kg 実際にはこの例において、触媒の濃度は10.0ミ
リモル/Kg、即ち最小量の約3倍であつた。事実
として、加熱により反応は自然に開始し、活発に
行なわれ、その結果温度は急速に増加し、制御さ
れた冷却により170℃に維持された。 180分の反応期間後、酸素の吸収は、(空温およ
び常圧下で測定して)40.9リツトルとなつた。次
いで空気の導入が停止され、水でストリピングす
ることにより未反応p―キシレン酸を回収するた
めに、反応器が停止された。最後に反応器は冷却
され、開けられた。その中に収容されている折出
物が過され、水で洗浄され、約80℃で真空下乾
燥された。次いで酸滴定、ポーラログラフイー、
およびガスクロマトグラフイーからなる方法の組
合せにより析出物が分析された。その結果、89.4
%のp―キシレンおよび23.1%のp―トルイル酸
が次の生成物に転化したことが決定された。 テレフタル酸 90.2g 4―カルボキシベンズアルデヒド 8.8g 他の中間体 3.8g 重質副生成物 2.2g 4―カルボキシベンズアルデヒドおよび他の中
間生成物が事実上連続プロセスにおいてリサイク
ルされ、その大部分が究極的にはテレフタル酸に
転化することを考慮に入れるとすれば、そのよう
な連続プロセスにおけるテレフタル酸の収量は、
消費されたp―キシレンの量に基づき90モル%を
越える量であることを推定し得る。 同じ条件下で実施された他の操作では、熱反応
混合物が過に供され、得られたケーキは熱水に
よりフイルター上で更に洗浄され、真空乾燥され
た。乾燥生成物の分析値は次の通りである。 テレフタル酸 85.6重量% p―トルイル酸 9.6 〃 4―カルボキシベンズアルデヒド 3.6 〃 この試料の色は、4cmのセルの替りに5cmのセ
ルを用いたことを除いて米国特許第3354802号に
記載された方法に従つて、希薄アンモニア中でそ
の溶液の光学濃度を測定することにより決定され
た。このようにして得た光学濃度の値は以下の表
に与えられており、99%以上の純度の市販のテ
レフタル酸の試料について得た光学濃度の値と比
較された。
TABLE The teaching of the prior art regarding the selection of metal compounds used to oxidize p-xylene and its partially oxidized derivatives to obtain terephthalic acid is quite confusing. However, the prior art generally holds that cobalt is the best catalyst, especially in the absence of a bromine activator, and that manganese is less active, if not inert. Manganese is inactive for the oxidation of p-toluic acid. (N.Ohta et al., Chem Abstr. 56 , 8620g
1962) or has oxidative inhibitory properties (VN
Aleksandrovet al., Kinet. Katal. 15 , 505,
1974). In other matters, although manganese exhibits catalytic activity, decolorization of terephthalic acid occurs when the amount of water is higher than 10% of the solvent weight or when the amount of manganese in the reaction mixture is high. Therefore, in the method of the present invention, manganese has a significant activity for causing an oxidation reaction in the presence of a large amount of water, and is further purified to the purity (fiber grade) required for the production of polyester fibers. It was completely unexpected that terephthalic acid could be obtained in high purity as a white crystalline precipitate, which is particularly suitable for the preparation of terephthalic acid. Examples of the present invention are shown below, but these are merely illustrative of the present invention and do not limit the scope of the present invention in any way. Example 1 The following materials were introduced into a 1 liter capacity corrosion-resistant autoclave equipped with a mechanical stirrer, a heating jacket, a gas injection tube and a vent. p-xylene 45.0g p-toluic acid 187.5g Various oxidized derivatives of p-xylene
4.5 g Water 63.0 g Manganese acetate 1.50 mmol Cobalt acetate 1.74 mmol The reactor was pressurized with air to 20 Kg/cm 2 and the mixture was stirred and heated while flowing air at a flow rate of 92 liters/hour. In the above introduced material, the molar ratio (Y) of water and p-toluic acid is 63.0×136.15/18.02×187.5=2.54
and the molar ratio Mn/Mn+Co(X) in the catalyst
It was 1.50/1.50+1.74=0.46. By applying equation (1), the minimum concentration of catalyst required to carry out the oxidation in this case was calculated as follows: M=2.54(0.46+0.200)+10.9(0.46)/4.35(0.46
)+0.0724=3.2 mmol/Kg In fact, in this example the concentration of catalyst was 10.0 mmol/Kg, or about three times the minimum amount. In fact, upon heating the reaction started spontaneously and was vigorous, resulting in a rapid temperature increase and was maintained at 170° C. by controlled cooling. After a reaction period of 180 minutes, the oxygen absorption amounted to 40.9 liters (measured under air temperature and normal pressure). The introduction of air was then stopped and the reactor was shut down in order to recover unreacted p-xylene acid by stripping with water. Finally the reactor was cooled and opened. The precipitate contained therein was filtered, washed with water and dried under vacuum at about 80°C. Then acid titration, polarography,
The precipitate was analyzed by a combination of methods consisting of: and gas chromatography. As a result, 89.4
It was determined that % p-xylene and 23.1% p-toluic acid were converted to the following products. Terephthalic acid 90.2 g 4-Carboxybenzaldehyde 8.8 g Other intermediates 3.8 g Heavy by-products 2.2 g 4-Carboxybenzaldehyde and other intermediate products are recycled in a virtually continuous process, with the majority ultimately Taking into account the conversion to terephthalic acid, the yield of terephthalic acid in such a continuous process is:
Based on the amount of p-xylene consumed, it can be estimated that the amount is over 90 mole percent. In another operation carried out under the same conditions, the hot reaction mixture was subjected to filtration and the resulting cake was further washed on a filter with hot water and dried in vacuo. The analysis values of the dried product are as follows. Terephthalic acid 85.6% by weight p-Toluic acid 9.6 4-Carboxybenzaldehyde 3.6 The color of this sample was obtained by the method described in U.S. Pat. No. 3,354,802, except that a 5 cm cell was used instead of a 4 cm cell. It was therefore determined by measuring the optical density of its solution in dilute ammonia. The optical density values thus obtained are given in the table below and were compared with the optical density values obtained for commercial samples of terephthalic acid of greater than 99% purity.

【表】 単純過および表面洗浄によりこの方法で得た
粗試料は、より良質な純度のテレフタル酸の市販
試料よりも良好な色特性を有することがわかる。 実施例 2 63.0gの水の替りに溶媒として以下の混合物を
用いたことを除いて、実施例1と同様の実験を繰
り返した。 水 33.0g 酢 酸 30.0g 180分の反応後、酸素吸収は39.7リツトル即ち、
実施例1における量とほぼ同量であつた。次いで
反応混合物を実施例1と同様に処理し分析した。
その結果、88.0%のp―キシレンと23.5%のp―
トルイル酸が次の生成物に転化したことが決定さ
れた。 テレフタル酸 89.4g 4―カルボキシベンズアルデヒド 6.5g 他の中間体 4.8g 重質副生成物 3.2g 実施例1と同じ方法により、同条件下での連続
プロセスにおいてテレフタル酸の収率が消費され
たp―キシレン量の約90モル%であることが推定
できた。 このように、これらの結果は、水が単一成分の
溶媒として用いられた実施例1の結果と実際上等
しい。 実施例 3 酢酸の替りにギ酸が用いられたことを除いて実
施例2の実験が繰返された。そのため、このケー
スで用いられた溶媒は33.0gの水と30.0gのキ酸
の混合物であつた。 180分の反応後、吸収された酸素は36.7リツト
ルであつた。実施例1と同じ分析手順により、
88.0%のp―キシレンと15.6%のp―トルイル酸
が次の生成物に転化されたことが決定された。 テレフタル酸 66.7g 4―カルボキシベンズアルデヒド 6.8g 他の中間体 7.0g 重質副生成物 3.7g 実施例1と同じ方法により、同条件下での連続
プロセスにおいてテレフタル酸の収率が消費され
たp―キシレン量の約85モル%であることが推定
できた。 これらの結果は、実施例1および2の結果ほど
良くはないが、収率および反応速度に重大な悪影
響を及ぼすことなく、大量のギ酸が反応混合物中
での使用に堪え得ることを示している。このこと
はギ酸が常に酸化反応の有力な阻害物として記載
している公知文献からは全く予想外のことであ
る。ギ酸はそのような反応において常に生成され
るので、反応混合物でのその著積を避けるため
に、一般に手のこんだ高価な手順を考えなければ
ならない。本発明のプロセスでは、この実験で発
生した二酸化炭素は、実施例1の実験で測定した
値3.8リツトルの替りに6.0リツトルであつたとい
う事実により証明されるように、ギ酸が燃焼され
る。従つて、本発明の方法では、反応混合物から
ギ酸を除去するために何ら特別の操作は必要では
ない。 実施例 4 単一の触媒としてコバルトが用いられたことを
除いて、実施例1の実験が繰返された。実際の導
入物質は次の通りであつた。 p―キシレン 45.0g p―トルイル酸 190.1g さまざまの酸化された誘導体 1.9g 水 63.0g 酢酸コバルト 3.48ミリモル この導入物質において、Yは2.50であり、明ら
かにXは0である。従つて、この場合、酸化を実
施するためのコバルトの限界量はM=2.50
(0.200)/0.0724=6.9ミリモル/Kgであつた。 最初の混合物中の酢酸コバルトの濃度は11.6ミ
リモル/Kgであり、限界量の約2倍であつた。
180分の反応後、吸収された酸素は41.5リツトル
であつた。次いで反応混合物は既に記したように
処理され、分析された。このように、90.8%のp
―キシレンと19.5%のp―トルイル酸が次の生成
物に転化したことが決定された。 テレフタル酸 74.2g 4―カルボキシアルデヒド 6.8g 他の中間体 1.5g 重質副生成物 3.7g これらの結果と実施例1の結果との比較から、
酸素吸収が少し高いが少ないテレフタル酸が生成
されることがわかる。事実として、実施例1と同
様に連続プロセスで実施されるテレフタル酸の収
率を推定することにより、90%の替りに81%の値
が得られる。この違いは明らかに触媒してコバル
トだけの替りにマンガンとコバルトの混合物を用
いることから生ずる有利な収率を生じている。 実施例 5 単独触媒として用いられるのがマンガンである
ことを除いて、実施例1の実験が繰返された。導
入原料の実際の組成は次の通りであつた。 p―キシレン 45.0g p―トルイル酸 182.8g さまざまの酸化された誘導体 9.2g 水 63.0g 酢酸マンガン 3.00ミリモル この導入原料において、Yは2.60であり、明ら
かにXは1.00であつた。従つて、酸化を実施する
ためのマンガンの限界量は次の通りであつた。 M=2.60(1.00+0.200)+10.9/4.35+0.0724 =3.2ミリモル/Kg この実施例においてマンガンの濃度は10.0ミリ
モル/Kg即ち実施例1におけぬ限界量の約3倍で
あつた。 180分の反応後、吸収された酸素は25.3リツト
ルであり、即ち実施例1ないし4におけるよりも
顕著に低かつた。次いで反応混合物は既に記載し
たように処理され分析された。このようにして、
70.2%のp―キシレンと5.8%のp―トルイル酸
が以下の生成物に転化したのが決定された。 テレフタル酸 31.2g 4―カルボキシベンズアルデヒド 5.9g 他の中間体 6.3g 重質副生成物 5.1g これらの結果を実施例1および2の結果と比較
することにより、この実施例ではより少ない反応
体が消費され、より少ないテレフタル酸が生成さ
れることが明らかであろう。更に、実施例1ない
し4におけるように、これらのデータから推定さ
れた連続プロセスのテレフタル酸の収率は、わず
か69%である。このように、(コバルトのみの場
合に計算された値との比較により、Mについて計
算されたより低い値により保証されるように)水
の存在下で酸化を実施するためには、コバルトよ
りもマンガンの方が顕著により有効であるが、実
施例1と同様にコバルトとともにマンガンを用い
ることには反応速度と収率の両方に関して明白な
利点がある。 実施例 6 ニツケルとともにマンガンが用いられたことを
除いて実施例1の実験が繰返された。導入原料の
実際の組成は次の通りであつた。 p―キシレン 45.0g p―トルイル酸 182.8g さまざまの酸化された誘導体 9.2g 水 63.0g 酢酸マンガン 1.50ミリモル 酢酸ニツケル 1.50ミリモル この導入原料において、前の実施例と同様Yは
2.60であり、Xは1.00であつた。こうして、Mは
3.2ミリモル/Kg(ニツケルはMの計算には考慮
されていない。)であつた。本実施例において、
マンガンの濃度は5.0ミリモル/Kgであり、限界
量より1.8過剰である。事実、酸化は活発に生じ
た。 180分後、酸素の吸収は29.2リツトルであり、
反応混合物は既に述べたようにして分析された。
その結果、79.1%のp―キシレンと3.3%のp―
トルイル酸が以下の生成物に転化したことがわか
つた。 テレフタル酸 35.6g 4―カルボキシベンズアルデヒド 6.6g 他の中間体 2.6g 重質副生成物 3.2g これらの結果を前の実施例の結果と比較するこ
とにより、本実施例の2倍の濃度でマンガンのみ
を用いたときよりも、より多く酸素が吸収され、
テレフタル酸が生成されることがわかる。このこ
とは、コバルト以外の金属がマンガンとともに用
いられて反応速度を改善することを示している。 実施例 7 前の実施例と同じオートクレーブ中に以下の物
質が導入された。 p―キシレン 45.0g p―トルイル酸 218.5g さまざまの酸化された誘導体 6.5g 水 30.0g 酢酸マンガン 0.52ミリモル 酢酸コバルト 0.45ミリモル この導入原料では、水とp―トルイル酸とのモ
ル比(Y)は1.04であり、触媒中のマンガンのモ
ル分率(X)は0.46であつた。従つて、式(1)を適
用することにより、この場合に酸化を実施するた
めに用いられる触媒の最小濃度はM=2.7ミリモ
ル/Kgである。実際にはこの実施例では触媒濃度
は300gの最初の混合物について0.97ミリモルま
たは3.2ミリモル/Kgであり、即ち限界量よりわ
ずか0.5ミリモル過剰である。しかし、酸素の吸
収は自然に開始し、活発に行なわれた。その結
果、温度が急激に上昇し、制御された冷却により
170℃に維持された。 395分の反応後、62.9リツトルの酸素が吸収さ
れていた。そのとき空気の導入が停止され、反応
混合物の組成を決定するために実施例1と同じ手
順が用いられた。その結果、98.8%のp―キシレ
ンと29.2%のp―トルイル酸が以下の生成物に転
化したことがわかつた。 テレフタル酸 102.5g 4―カルボキシベンズアルデヒド 6.6g 他の中間体 4.6g 重質副生成物 3.6 実施例1と同様にこれらのデータから推定する
ことにより、中間体がリサイクルされる連続プロ
セスにおいて達成されたテレフタル酸の収量は、
80%が得られた。この値は実施例1で推定された
収量よりも10%低い。この収量の差は、本発明に
従つて実質量の水の存在下でp―キシレンを酸化
した場合の利点を更に示すものとみなすことがで
きよう。 比較例 0.30ミリモルの酢酸マンガンおよび0.35ミリモ
ルの酢酸を用いられたことを除いて、前の実施例
と同量の化合物が導入された。従つて金属触媒の
全濃度は2.2ミリモル/Kgであり、即ち前の実施
例で計算された限界量より0.5ミリモル低かつた。 前の実施例と同じ条件で空気流の存在下で混合
物を酸化すると、同様に酸素の吸収が開始した
が、約70分後に突然無視し得るレベルまで酸素の
吸収が下がつた。酸素の吸収はわずか6.7リツト
ルであつた。 実施例 8 実施例1と同じオートクレーブ中に以下の原料
を導入した。 p―トルアルデヒド 45.0g p―トルイル酸 187.5g さまざまの酸化された誘導体 4.5g 水 63.0g 酢酸マンガン 1.50ミリモル 酢酸コバルト 1.74ミリモル この混合物は、p―トルアルデヒドがp―キシ
レンと置換されたことを除いて、実施例1ないし
5の原料と非常に近いことがわかる。水とp―ト
ルイル酸とのモル比はここでも2.54であつたた。
式(1)を適用することにより、酸化を実施するため
に用いられる触媒の最小濃度はM=3.2ミリモ
ル/Kgである。実際には、触媒の濃度は10.8ミリ
モル/Kgであり、即ち3倍である。 この混合物は、前の実施例と同様、空気の存在
下で加熱された。酸素の吸収が約30℃で自然に開
始した。温度が上昇し、制御された冷却により
170℃に維持された。180分の反応後、酸素の吸収
は25.6リツトルであつた。そのとき空気の導入が
停止され、次いで未反応p―トルアルデヒを抽出
するために、撹拌および加熱を続行しつつ180ml
のn―ヘプタンが反応器に注入された。次いで得
られた混合物を冷却し、反応器を開けた。そこに
ある析出物が過され、n―ヘプタンで洗浄さ
れ、真空下50℃で乾燥され、再び水で洗浄され、
最後に真空下70℃で乾燥された。次いで前の実施
例と同じ手順で分析された。過と洗浄液が合わ
され、沈降分離によりヘプタン抽出液が分離され
た。この抽出液の分別された部分をガスクロマト
グラフイーにより分析してp―トルアルデヒドを
決定した。残りの部分を乾燥に至るまで真空下蒸
発させ、残渣を最初の析出物と同じ方法で分析し
た。 これらの分析から、99.9%のp―トルアルデヒ
ドと10.7%のp―トルイル酸が以下の生成物に転
化したことがわかつた。 テレフタル酸 58.4g 4―カルボキシベンズアルデヒド 7.1g 他の中間体 6.1g 重質副生成物 5.4g 比較例 1 それぞれ0.3ミリモルのマンガンおよびコバル
トが用いられたことを除いて、前の実施例と同量
の化合物がオートクレーブ中に導入された。従つ
て触媒の全濃度は2.0ミリモル/Kgであり、即ち
式(1)により計算された限界量より1.2ミリモル低
かつた。 前の実施例と同じ条件下で空気の存在下でこの
混合物を加熱した。180分の反応後、酸素の吸収
はわずか9.0リツトルであつた。次いで反応混合
物は前の実施例と同様に処理され、分析された。
その結果、p―トルアルデヒドが完全に以下の生
成物に転化したことがわかつた。 テレフタル酸 2.3g p―トルイル酸 31.7g 4―カルボキシベンズアルデヒド 3.8g 他の中間体 0.9g 重質副生成物 2.0g この例では、p―トルアルデヒドが、実質的な
テレフタル酸の形成なしに主としてp―トルイル
酸に転化したことがわかる。 比較例 2 この例では、酸化される単一原料としてp―ト
ルアルデヒドが用いられた。実際の導入原料は次
の通りである。 p―トルアルデヒド 225.0g 水 75.0g 酢酸マンガン 1.50ミリモル 酢酸コバルト 1.50ミリモル 実施例8と同じ条件で空気の存在下でこの混合
物を加熱すると、同様に酸素の吸収が開始された
が顕著に遅かつた。170℃で約240分の反応後、酸
素吸収は29.6リツトルであつた。得られた反応混
合物を上述のように処理および分析することによ
り、99.7%のp―トルアルデヒドが以下の生成物
に転化されたことがわかつた。 テレフタル酸 4.6g p―トルイル酸 171.4g 4―カルボキシベンズアルデヒド 4.6g 他の中間体 1.3g 重質副生成物 1.3g この例でも、p―トルイル酸はp―トルアルデ
ヒドの酸化による主生成物であり、極くわずかの
テレフタル酸が形成されたことがわかる。この結
果は、本発明によりp―トルアルデヒドを酸化し
てテレフタル酸とするためには、反応の最初から
充分な量のp―トルイル酸が存在しなければなら
ないことを明確に示している。 実施例 9 単独の触媒として3.48ミリモルの酢酸コバルト
を用いたことを除いて、実施例8の実験が繰返さ
れた。式(1)を適用することにより、この場合に使
用されるコバルトの最小濃度がM=7.0ミリモ
ル/Kgであることが計算できる。実際には本実施
例におけるコバルト濃度は11.6ミルモル/Kgであ
つた。 ここでも酸素吸収は低温下で開始された。しか
し、170℃の温度を維持するために加熱が施され
た。約210分の反応後、酸素の吸収は20.8リツト
ルであつた。次いで前の実施例と同様に反応混合
物が処理され、分析された。その結果、99.9%の
p―トルアルデヒドと6.0%のp―トルイル酸が
以下の生成物に転化したことがわかつた。 テレフタル酸 49.1g 4―カルボキシベンズアルデヒド 6.9g 他の中間体 6.5g 重質副生成物 6.3g 比較例 前の実施例と同じオートクレーブ中に以下の原
料が導入された。 p―トルアルデヒド 69.6g p―トルイル酸 123.0g さまざまの酸化誘導体 3.0g 水 105.0g 酢酸コバルト 3.48ミリモル このように、上述の例と同量のコバルト触媒
(11.6ミリモル/Kg)が使用されたが、本実施例
では水とp―トルイル酸のモル比は2.54ではなく
6.45であつた。従つて、この場合に用いられるコ
バルト触媒の最小濃度はM=17.8であり、即ち、
導入原料中に存在する量より6.2ミリモル多い。 この混合物は空気の存在下で加熱された。この
実施例でも酸素吸収が直ちに生じた。しかし45分
後、酸素吸収は無視し得るレベルにまで低下し
た。しかし170℃での加熱が続行された。300分の
反応後、酸素吸収は10.0リツトルに過ぎなかつ。
そして実施例8と同様に反応混合物が処理され分
析された。その結果、90.1%のp―トルアルデヒ
ドが以下の生成物に転化したことがわかつた。 テレフタル酸 3.7g p―トルイル酸 53.5g 4―カルボキシベンズアルデヒド 3.3g 他の中間体 0.7g 重質副生成物 6.6g 即ち、p―トルアルデヒドが、実質的なテレフ
レル酸の形成なしにp―トルイル酸に転化したこ
とがわかる。 実施例 10 前の実施例と同じオートクレーブ中に以下の原
料を導入した。 p―トルイル酸 214.3g さまざまな酸化誘導体 10.7g 水 75.0g 酢酸コバルト 1.74ミリモル 酢酸マンガン 1.50ミリモル この実施例では、p―キシレンもp―トルアル
デヒドも使用されなかつた。水とp―トルイル酸
とのモル比(Y)は2.64であり、触媒中のマンガ
ンのモル分率(X)は実施例1と同様0.46であつ
た。式(1)から計算されるように、使用される触媒
の最小濃度はM=3.3ミリモル/Kgである。実際
にはこの実施例では、触媒濃度は反応混合物300
gあたり3.24ミリモルまたは10.8ミリモル/Kgで
あり、即ち限界量の約3倍であつた。 この混合物は、実施例1と同じ条件で空気の存
在下で加熱された。この実施例でも、反応は自然
に開始された。180分の反応後、19.4リツトルの
酸素が吸収され、反応は冷却により停止された。
オートクレーブが開かれ、その中の析出物が実施
例1と同様に処理され、分析された。その結果、
33.2%のp―トルイル酸が以下の生成物に転化し
たことがわかつた。 テレフタル酸 75.5g 4―カルボキシベンズアルデヒド 6.1g 他の中間体 1.8g 重質副生成物 0.1g 転化したp―トルイル酸に基づくテレフタル酸
の正味の収率は87モル%である。しかし、4―カ
ルボキシベンズアルデヒドのような中間酸化生成
物を考慮に入れると、中間生成物がリサイクルさ
れる連続プロセスで得られるようなテレフタル酸
の実際の収率は、97モル%と推定できる。 この実施例は、本発明により、p―キシレンま
たは促進剤としての他の容易に酸化され得る化合
物の存在なしでさえ、p―トルイル酸が有効かつ
高収率でテレフタル酸に酸化され得ることを明ら
かに示している。 実施例 11 前の実施例と同じオートクレーブ中に以下の原
料を導入した。 p―キシレン 3.0g p―トルイル酸 142.6g さまざまな酸化誘導体 4.4g 水 150.0g 酢酸マンガン 1.05ミリモル 酢酸コバルト 1.05ミリモル この実施例では、水は最初の混合物の50重量%
であり、Yは7.95、Xは明らかに0.50であつた。
式(1)を適用することにより、使用される触媒の最
小濃度はM=4.9である。実際には、本実施例で
は、触媒濃度は7.0ミリモル/Kg、即ち限界量よ
り2.1ミリモル/Kgであつた。 20Kg/cm2の圧力下で110リツトル/時の流量の
空気が反応器内に導入された。温度が約170℃で
あつたとき、反応の開始を助けるために少量のt
―ブチルヒドロペルオキシドが添加された。その
結果、酸素の吸収が直ちに生じた。その時温度が
急速に上昇し、冷却を制御することにより185℃
に維持された。300分の反応後、酸素の吸収は
23.5リツトルであつた。その時反応が停止され、
得られた混合物が実施例1と同様に処理され分析
された。その結果、95.0%のp―キシレンと40.3
%のp―トルイル酸が以下の生成物に転化したこ
とがわかつた。 比較例 1 半分の量のそれぞれの金属触媒が用いられたこ
とを除いて、前の実施例と同じ実験が繰返され
た。従つて触媒の全濃度は3.5ミリモル/Kg、即
ち限界量より1.4ミリモルだけ低かつた。前の実
施例と全く同じ条件で空気の存在下、この混合物
が加熱された。反応の開始を助けるためのt―ブ
チルヒドロペルオキシドの2個の連続的添加にも
かかわらず、この混合物を185℃で160分維持する
ことによつて酸素吸収は全く生じなかつた。 大量の水の存在下で活発かく実質的な酸化が生
ずる前の実施例で得られた結果を考慮することに
より、本発明において特定された適切な触媒量を
用いるときに、そのような酸化が実施し得ること
が明らかである。 比較例 2 p―トルイル酸の1部を安息香酸で置換したこ
とを除いて、実施例11と同じ実験が繰返された。
原料の実際の組成は次の通りである。 p―キシレン 3.0g p―トルイル酸 44.5g 安息香酸 93.9g さまざまの酸化化合物 2.0g 酢酸マンガン 156.6g 酢酸コバルト 1.05ミリモル 1.05ミリモル この実施例ではYは26.59であつた。従つて式
(1)を適用することにより、上記混合物の酸化を実
施するために使用される触媒の最小濃度は10.7ミ
リモル/Kg、即ち実際に存在する量より3.7ミリ
モル多かつた。対照により、水性媒体中で酸化を
実施する上で、もし安息香酸がp―トルイル酸と
同じ効果を有するならば、YとMの計算におい
て、それを考慮すべきである。この場合、Y=
(156.6/18.02)/(44.5/136.15+93.9/122.12)
=7.93、即ち活発な酸化が生じた場合の実施例11
において計算したYと同じ値である。 この混合物は実施例11と同じ条件で185℃で加
熱された。ここでも開始を助けるためにt―ブチ
ルヒドロペルオキシドが加えられた。しかし、
180分加熱を続行したときですら、実質的な酸化
は生じなかつた。このことは、本発明の方法で実
施される水の存在下での酸化を促進するために
は、少なくとも安息香酸はp―トルイル酸と同じ
活性を有していないことを示している。 比較例 3 p―トルイル酸の1部を酢酸と置換したことを
除いて、実施例11と同じ実験が繰返された。原料
の実際の組成は次の通りであつた。 p―キシレン 3.0g p―トルイル酸 52.7g 酢 酸 55.2g さまざまな酸化化合物 1.3g 水 187.8g 酢酸マンガン 1.05ミリモル 酢酸コバルト 1.05ミリモル この実施例では、Yは26.92、従つてMは10.8、
即ち前の比較例とほぼ同じであつた。ここでも、
水性媒体中で、酸化を実施する上でもし酢酸がp
―トルイル酸と、同じ促進効果を有するならば、
YとMを計算する際この事を考慮すべきである。
この場合、Y=(187.2/18.02)/(52.7/136.15
+55.2/60.05)=7.95、すなわち、実施例11とま
つたく同じ値である。 上記混合物は、実施例11と同じ条件で185℃で
加熱された。ここでも反応の開始を助けるため
に、t―ブチルヒドロペルオキシドが添加され
た。300分の反応を酸素の吸収は、わずか3.8リツ
トルであつた。この結果は、本発明の方法におい
て表われるp―トルイル酸の促進効果が他のカル
ボン酸によつては示されない、すなわちp―トル
イル酸は特定されたものであることを示してい
る。 実施例 12 前の実施例と同じオートクレーブ中に、以下の
原料を導入した。 p―キシレン 6.0g p―トルイル酸 183.3g さまざまの酸化誘導体 5.7g 水 105.0g 酢酸マンガン 1.80ミリモル この実施例ではY=4.33であり、単独触媒とし
てマンガンを用いたのでX=1.00である。したが
つて式(1)を適用することにより、この実施例で用
いられるマンガンの最小濃度はM=3.6ミリモ
ル/Kgである。実際にはこの実施例では、マンガ
ンの濃度は6.0ミリモル/Kgであり限界量をかな
り越えている。この混合物は、185℃ではなく170
℃に温度が維持されたことを除いて実施例11とま
つたく同じ条件で空気の存在下で加熱された。
305分の反応後、酸素の吸収は21.2リツトルであ
つた。前の実施例と同様に反応混合物を処理及び
分析したところ、約96%のp―キシレンと29.9%
のp―トルイル酸が以下の生成物に転化したこと
がわかつた。 テレフタル酸 44.8g 4―カルボキシベンズアルデヒド 14.2g 他の中間体 0.9g 重質副生成物 1.2g 比較例 わずか0.60ミリモルの酢酸マンガンを触媒とし
て用いたことを除いて、前の実施例と同量の化合
物が反応器に導入された混合物中の触媒の濃度
は、したがつて2.0ミリモル/Kg、すなわち限界
量よりも1.6ミリモル低かつた。その結果、反応
開始を助けるためにt―ブチルヒドロペルオキシ
ドを加えたのちですら、前の実施例と同じ条件で
空気の存在下において60分混合物を加熱しても酸
素の吸収は生じなかつた。 実施例 13 前の実施例と同じオートクレーブ中に以下の原
料を導入した。 p―キシレン 6.3g p―トルイル酸 218.3g さまざまの酸化された誘導体 2.2g 水 73.5g 酢酸コバルト 3.48ミリモル この実施例では、単独コバルトとして用いられ
たのはコバルトであり、即ちX=0である。一
方、Yは2.54である。式(1)を適用することによ
り、この場合に使用されるコバルトの最小濃度は
M=7.0ミリモル/Kgである。実際には、この実
施例では、コバルトの濃度は11.6ミリモル/Kgで
あつた。 20Kg/cm2の圧力で90リツトル/時の流量の空気
の反応器に導入され、混合物は170℃に加熱され
た。加熱中に反応は自然に開始し、240分続行さ
れた。反応の終点において、酸素の吸収は29.8リ
ツトルであつた。実施例1と同様に反応混合物を
処理および分析したところ、89.3%のp―キシレ
ンと37.0%のp―トルイル酸が以下の生成物に転
化したのがわかつた。 テレフタル酸 81.5g 4―カルボキシベンズアルデヒド 6.8g 他の中間体 1.2g 重質副生成物 3.0g 比較例 触媒としてわずか0.90ミリモルの酢酸コバルト
を用いたことを除いて、前の実施例と同量の化合
物を反応器に導入した。従つて、混合物中の触媒
濃度は3.0ミリモル/Kgであり、即ち制限量より
4.0ミリモル低かつた。その結果、t―ブチルヒ
ドロペルオキシドの繰返しの添加を行なつた後で
さえ、前の実施例と同じ条件で空気の存在下で
240分この混合物を加熱したところ、酸素の吸収
は生じなかつた。 本発明の基本的かつ新規な特徴の上述の記載
は、単に好ましい実施態様を例示するに過ぎない
ということは、理解されるべきである。当業者は
多くの変形例に気づくであろう。例えば、本発明
の方法を実施する上で、他のプロセスで活性剤と
して用いられる別の化合物、例えばアルデヒドま
たはケトンまたは臭素含有化合物を反応混合物中
に添加することができる。そのような添加剤は、
例えば反応速度に関して有利であろう。これらの
変形例は、本発明の精神から逸脱することなく、
本発明の範囲内にあるであろう。
It can be seen that the crude sample obtained in this way by simple filtration and surface cleaning has better color properties than the commercial sample of better purity terephthalic acid. Example 2 An experiment similar to Example 1 was repeated, except that 63.0 g of water was replaced with the following mixture as solvent. Water 33.0g Acetic acid 30.0g After 180 minutes of reaction, oxygen absorption was 39.7 liters, i.e.
The amount was approximately the same as that in Example 1. The reaction mixture was then processed and analyzed as in Example 1.
As a result, 88.0% p-xylene and 23.5% p-
It was determined that toluic acid was converted to the next product. Terephthalic acid 89.4g 4-carboxybenzaldehyde 6.5g Other intermediates 4.8g Heavy by-products 3.2g By the same method as in Example 1, the yield of terephthalic acid was consumed in a continuous process under the same conditions p- It was estimated that the amount was about 90 mol% of the amount of xylene. Thus, these results are practically equivalent to those of Example 1, where water was used as the single component solvent. Example 3 The experiment of Example 2 was repeated except that formic acid was used instead of acetic acid. Therefore, the solvent used in this case was a mixture of 33.0 g water and 30.0 g phosphoric acid. After 180 minutes of reaction, the absorbed oxygen was 36.7 liters. By the same analytical procedure as in Example 1,
It was determined that 88.0% p-xylene and 15.6% p-toluic acid were converted to the following products. Terephthalic acid 66.7g 4-carboxybenzaldehyde 6.8g Other intermediates 7.0g Heavy by-products 3.7g By the same method as in Example 1, the yield of terephthalic acid was consumed in a continuous process under the same conditions p- It was estimated that the amount was about 85 mol% of the amount of xylene. Although these results are not as good as those of Examples 1 and 2, they show that large amounts of formic acid can be tolerated in the reaction mixture without significant negative effects on yield and reaction rate. . This is completely unexpected from the known literature, which always describes formic acid as a potent inhibitor of oxidation reactions. Since formic acid is always produced in such reactions, elaborate and expensive procedures generally have to be considered in order to avoid its significant accumulation in the reaction mixture. In the process of the invention, formic acid is combusted, as evidenced by the fact that the carbon dioxide produced in this experiment was 6.0 liters instead of the 3.8 liters measured in the experiment of Example 1. Therefore, the method of the present invention does not require any special operation to remove formic acid from the reaction mixture. Example 4 The experiment of Example 1 was repeated, except that cobalt was used as the sole catalyst. The actual substances introduced were as follows. p-xylene 45.0 g p-toluic acid 190.1 g various oxidized derivatives 1.9 g water 63.0 g cobalt acetate 3.48 mmol In this introduced material, Y is 2.50 and X is obviously 0. Therefore, in this case the critical amount of cobalt to carry out the oxidation is M=2.50
(0.200)/0.0724=6.9 mmol/Kg. The concentration of cobalt acetate in the initial mixture was 11.6 mmol/Kg, about twice the limit amount.
After 180 minutes of reaction, the absorbed oxygen was 41.5 liters. The reaction mixture was then processed and analyzed as previously described. In this way, 90.8% p
- It was determined that xylene and 19.5% of p-toluic acid were converted to the following products: Terephthalic acid 74.2g 4-carboxaldehyde 6.8g Other intermediates 1.5g Heavy by-products 3.7g From a comparison of these results with those of Example 1,
It can be seen that although the oxygen absorption is slightly higher, less terephthalic acid is produced. In fact, by estimating the yield of terephthalic acid carried out in a continuous process as in Example 1, a value of 81% is obtained instead of 90%. This difference clearly results in the advantageous yields resulting from using a mixture of manganese and cobalt instead of cobalt alone as a catalyst. Example 5 The experiment of Example 1 was repeated, except that manganese was used as the sole catalyst. The actual composition of the introduced raw materials was as follows. p-xylene 45.0 g p-toluic acid 182.8 g various oxidized derivatives 9.2 g water 63.0 g manganese acetate 3.00 mmol In this introduced material, Y was 2.60 and apparently X was 1.00. Therefore, the critical amount of manganese to carry out the oxidation was as follows. M=2.60 (1.00 + 0.200) + 10.9/4.35 + 0.0724 = 3.2 mmol/Kg In this example, the concentration of manganese was 10.0 mmol/Kg, or about three times the limit amount in Example 1. . After 180 minutes of reaction, the absorbed oxygen was 25.3 liters, ie significantly lower than in Examples 1 to 4. The reaction mixture was then processed and analyzed as previously described. In this way,
It was determined that 70.2% p-xylene and 5.8% p-toluic acid were converted to the following products. Terephthalic acid 31.2g 4-carboxybenzaldehyde 5.9g Other intermediates 6.3g Heavy by-products 5.1g By comparing these results with those of Examples 1 and 2, less reactants were consumed in this example. It will be clear that less terephthalic acid is produced. Furthermore, as in Examples 1-4, the yield of terephthalic acid for a continuous process estimated from these data is only 69%. Thus, in order to carry out the oxidation in the presence of water (as guaranteed by the lower value calculated for M, by comparison with the value calculated in the case of cobalt only), it is necessary to use manganese more than cobalt. is significantly more effective, but as in Example 1, there are clear advantages in using manganese with cobalt both in terms of reaction rate and yield. Example 6 The experiment of Example 1 was repeated except that manganese was used along with nickel. The actual composition of the introduced raw materials was as follows. p-xylene 45.0 g p-toluic acid 182.8 g various oxidized derivatives 9.2 g water 63.0 g manganese acetate 1.50 mmol nickel acetate 1.50 mmol In this introduced raw material, as in the previous example, Y is
2.60, and X was 1.00. In this way, M
It was 3.2 mmol/Kg (nickel was not taken into account in the calculation of M). In this example,
The concentration of manganese is 5.0 mmol/Kg, which is 1.8 excess over the limit amount. In fact, oxidation occurred actively. After 180 minutes, the absorption of oxygen is 29.2 liters,
The reaction mixture was analyzed as previously described.
As a result, 79.1% p-xylene and 3.3% p-
It was found that toluic acid was converted to the following product. Terephthalic acid 35.6g 4-carboxybenzaldehyde 6.6g Other intermediates 2.6g Heavy by-products 3.2g By comparing these results with those of the previous example, it was determined that only manganese was present at twice the concentration of this example. more oxygen is absorbed than when using
It can be seen that terephthalic acid is produced. This indicates that metals other than cobalt can be used with manganese to improve reaction rates. Example 7 The following materials were introduced into the same autoclave as in the previous example. p-xylene 45.0 g p-toluic acid 218.5 g various oxidized derivatives 6.5 g water 30.0 g manganese acetate 0.52 mmol cobalt acetate 0.45 mmol For this feedstock, the molar ratio of water to p-toluic acid (Y) is 1.04 The molar fraction (X) of manganese in the catalyst was 0.46. Therefore, by applying equation (1), the minimum concentration of catalyst used to carry out the oxidation in this case is M=2.7 mmol/Kg. In fact, in this example the catalyst concentration is 0.97 mmol or 3.2 mmol/Kg for 300 g of the initial mixture, ie only 0.5 mmol excess over the limit amount. However, oxygen absorption started spontaneously and was active. As a result, the temperature rises rapidly and with controlled cooling
The temperature was maintained at 170°C. After 395 minutes of reaction, 62.9 liters of oxygen had been absorbed. At that time, the introduction of air was stopped and the same procedure as in Example 1 was used to determine the composition of the reaction mixture. As a result, it was found that 98.8% of p-xylene and 29.2% of p-toluic acid were converted to the following products. Terephthalic acid 102.5 g 4-carboxybenzaldehyde 6.6 g Other intermediates 4.6 g Heavy by-products 3.6 Terephthalic acid achieved in a continuous process in which the intermediates are recycled by extrapolating from these data as in Example 1 The acid yield is
80% was obtained. This value is 10% lower than the yield estimated in Example 1. This difference in yield may be considered as further evidence of the advantages of oxidizing p-xylene in the presence of substantial amounts of water in accordance with the present invention. Comparative Example The same amounts of compounds were introduced as in the previous example, except that 0.30 mmol manganese acetate and 0.35 mmol acetic acid were used. The total concentration of metal catalyst was therefore 2.2 mmol/Kg, ie 0.5 mmol lower than the limit amount calculated in the previous example. When the mixture was oxidized in the presence of air flow under the same conditions as in the previous example, oxygen uptake started as well, but after about 70 minutes the oxygen uptake suddenly dropped to negligible levels. The absorption of oxygen was only 6.7 liters. Example 8 The following raw materials were introduced into the same autoclave as in Example 1. p-Tolualdehyde 45.0 g p-Toluic acid 187.5 g Various oxidized derivatives 4.5 g Water 63.0 g Manganese acetate 1.50 mmol Cobalt acetate 1.74 mmol This mixture is the same except that p-tolualdehyde has been replaced with p-xylene. It can be seen that these materials are very similar to the raw materials of Examples 1 to 5. The molar ratio of water to p-toluic acid was also 2.54 here.
By applying equation (1), the minimum concentration of catalyst used to carry out the oxidation is M=3.2 mmol/Kg. In fact, the concentration of catalyst is 10.8 mmol/Kg, ie 3 times higher. This mixture was heated in the presence of air as in the previous example. Oxygen absorption started spontaneously at about 30°C. With increased temperature and controlled cooling
The temperature was maintained at 170°C. After 180 minutes of reaction, the oxygen uptake was 25.6 liters. At that time, the introduction of air was stopped and then 180 ml was added with continued stirring and heating to extract the unreacted p-tolualdehye.
of n-heptane was injected into the reactor. The resulting mixture was then cooled and the reactor was opened. The precipitate therein is filtered, washed with n-heptane, dried under vacuum at 50°C, washed again with water,
Finally, it was dried at 70°C under vacuum. It was then analyzed using the same procedure as in the previous example. The filtration and washing solutions were combined, and the heptane extract was separated by sedimentation. The fractionated portion of this extract was analyzed by gas chromatography to determine p-tolualdehyde. The remaining portion was evaporated to dryness under vacuum and the residue was analyzed in the same manner as the first precipitate. These analyzes showed that 99.9% of p-tolualdehyde and 10.7% of p-toluic acid were converted to the following products. Terephthalic acid 58.4 g 4-carboxybenzaldehyde 7.1 g Other intermediates 6.1 g Heavy by-products 5.4 g Comparative Example 1 Same amounts as in the previous example, except that 0.3 mmol each of manganese and cobalt were used. Compounds were introduced into the autoclave. The total concentration of catalyst was therefore 2.0 mmol/Kg, ie 1.2 mmol below the limit amount calculated by equation (1). This mixture was heated in the presence of air under the same conditions as in the previous example. After 180 minutes of reaction, only 9.0 liters of oxygen was absorbed. The reaction mixture was then processed and analyzed as in the previous example.
As a result, it was found that p-tolualdehyde was completely converted to the following product. Terephthalic acid 2.3g p-Toluic acid 31.7g 4-Carboxybenzaldehyde 3.8g Other intermediates 0.9g Heavy by-products 2.0g In this example, p-tolualdehyde is primarily converted into p-toluic acid without substantial formation of terephthalic acid. - It can be seen that it was converted to toluic acid. Comparative Example 2 In this example, p-tolualdehyde was used as the single raw material to be oxidized. The actual raw materials introduced are as follows. p-Tolualdehyde 225.0 g Water 75.0 g Manganese acetate 1.50 mmol Cobalt acetate 1.50 mmol When this mixture was heated in the presence of air under the same conditions as in Example 8, oxygen absorption started as well but was significantly slower. . After about 240 minutes of reaction at 170°C, the oxygen uptake was 29.6 liters. By treating and analyzing the resulting reaction mixture as described above, it was found that 99.7% of p-tolualdehyde was converted to the following product. Terephthalic acid 4.6g p-Toluic acid 171.4g 4-Carboxybenzaldehyde 4.6g Other intermediates 1.3g Heavy by-products 1.3g In this example as well, p-Toluic acid is the main product from the oxidation of p-Toluic acid. , it can be seen that very little terephthalic acid was formed. This result clearly shows that in order to oxidize p-tolualdehyde to terephthalic acid according to the present invention, a sufficient amount of p-toluic acid must be present from the beginning of the reaction. Example 9 The experiment of Example 8 was repeated except that 3.48 mmol of cobalt acetate was used as the sole catalyst. By applying equation (1) it can be calculated that the minimum concentration of cobalt used in this case is M=7.0 mmol/Kg. Actually, the cobalt concentration in this example was 11.6 mmol/Kg. Oxygen absorption also started at low temperatures. However, heating was applied to maintain a temperature of 170°C. After approximately 210 minutes of reaction, the oxygen uptake was 20.8 liters. The reaction mixture was then processed and analyzed as in the previous example. As a result, it was found that 99.9% of p-tolualdehyde and 6.0% of p-toluic acid were converted to the following products. Terephthalic acid 49.1 g 4-carboxybenzaldehyde 6.9 g Other intermediates 6.5 g Heavy by-products 6.3 g Comparative Example The following raw materials were introduced into the same autoclave as in the previous example. p-Tolualdehyde 69.6 g p-Toluic acid 123.0 g Various oxidized derivatives 3.0 g Water 105.0 g Cobalt acetate 3.48 mmol Thus, the same amount of cobalt catalyst (11.6 mmol/Kg) as in the example above was used, but In this example, the molar ratio of water and p-toluic acid is not 2.54.
It was 6.45. Therefore, the minimum concentration of cobalt catalyst used in this case is M=17.8, i.e.
6.2 mmol more than the amount present in the introduced feedstock. This mixture was heated in the presence of air. Oxygen absorption occurred immediately in this example as well. However, after 45 minutes, oxygen uptake decreased to negligible levels. However, heating at 170°C continued. After 300 minutes of reaction, the oxygen absorption was only 10.0 liters.
The reaction mixture was then processed and analyzed as in Example 8. As a result, it was found that 90.1% of p-tolualdehyde was converted to the following product. Terephthalic acid 3.7g p-Toluic acid 53.5g 4-Carboxybenzaldehyde 3.3g Other intermediates 0.7g Heavy by-products 6.6g i.e. p-tolualdehyde converts to p-toluic acid without substantial formation of terephthalic acid It can be seen that it has been transformed into Example 10 The following raw materials were introduced into the same autoclave as in the previous example. p-Toluic acid 214.3 g Various oxidized derivatives 10.7 g Water 75.0 g Cobalt acetate 1.74 mmol Manganese acetate 1.50 mmol In this example, neither p-xylene nor p-tolualdehyde was used. The molar ratio (Y) of water to p-toluic acid was 2.64, and the molar fraction (X) of manganese in the catalyst was 0.46 as in Example 1. As calculated from equation (1), the minimum concentration of catalyst used is M=3.3 mmol/Kg. In fact, in this example, the catalyst concentration was 300% in the reaction mixture.
It was 3.24 mmol per g or 10.8 mmol/Kg, ie about three times the limit amount. This mixture was heated under the same conditions as Example 1 in the presence of air. In this example, the reaction also started spontaneously. After 180 minutes of reaction, 19.4 liters of oxygen were absorbed and the reaction was stopped by cooling.
The autoclave was opened and the precipitate therein was treated and analyzed as in Example 1. the result,
It was found that 33.2% of p-toluic acid was converted to the following product. Terephthalic acid 75.5 g 4-carboxybenzaldehyde 6.1 g Other intermediates 1.8 g Heavy by-products 0.1 g The net yield of terephthalic acid based on the converted p-toluic acid is 87 mole %. However, taking into account intermediate oxidation products such as 4-carboxybenzaldehyde, the actual yield of terephthalic acid as obtained in a continuous process in which intermediate products are recycled can be estimated to be 97 mol%. This example demonstrates that p-toluic acid can be effectively and in high yield oxidized to terephthalic acid according to the present invention even without the presence of p-xylene or other easily oxidizable compounds as promoters. clearly shows. Example 11 The following raw materials were introduced into the same autoclave as in the previous example. p-xylene 3.0 g p-toluic acid 142.6 g various oxidized derivatives 4.4 g water 150.0 g manganese acetate 1.05 mmol cobalt acetate 1.05 mmol In this example, water is 50% by weight of the initial mixture.
, Y was 7.95 and X was clearly 0.50.
By applying equation (1), the minimum concentration of catalyst used is M=4.9. In fact, in this example, the catalyst concentration was 7.0 mmol/Kg, or 2.1 mmol/Kg below the limit. Air was introduced into the reactor at a flow rate of 110 liters/hour under a pressure of 20 Kg/cm 2 . When the temperature was about 170°C, a small amount of t was added to help start the reaction.
-Butyl hydroperoxide was added. As a result, absorption of oxygen occurred immediately. At that time the temperature rises rapidly and by controlling the cooling it reaches 185℃
was maintained. After 300 minutes of reaction, the absorption of oxygen is
It was 23.5 liters. The reaction is then stopped,
The resulting mixture was processed and analyzed as in Example 1. As a result, 95.0% p-xylene and 40.3
It was found that % of p-toluic acid was converted to the following products. Comparative Example 1 The same experiment as the previous example was repeated, except that half the amount of each metal catalyst was used. The total concentration of catalyst was therefore 3.5 mmol/Kg, ie 1.4 mmol below the limit amount. This mixture was heated in the presence of air under exactly the same conditions as in the previous example. Despite two successive additions of t-butyl hydroperoxide to help initiate the reaction, no oxygen uptake occurred by holding the mixture at 185° C. for 160 minutes. Considering the results obtained in the previous examples in which active and substantial oxidation occurs in the presence of large amounts of water, it is clear that such oxidation will occur when using the appropriate catalyst amounts specified in this invention. It is clear that it can be implemented. Comparative Example 2 The same experiment as Example 11 was repeated, except that part of the p-toluic acid was replaced with benzoic acid.
The actual composition of the raw materials is as follows. p-xylene 3.0 g p-toluic acid 44.5 g Benzoic acid 93.9 g Various oxidizing compounds 2.0 g Manganese acetate 156.6 g Cobalt acetate 1.05 mmol 1.05 mmol In this example, Y was 26.59. Therefore, the expression
By applying (1), the minimum concentration of catalyst used to carry out the oxidation of the mixture was 10.7 mmol/Kg, ie 3.7 mmol more than the amount actually present. By contrast, if benzoic acid has the same effect as p-toluic acid in carrying out the oxidation in an aqueous medium, it should be taken into account in the calculation of Y and M. In this case, Y=
(156.6/18.02)/(44.5/136.15+93.9/122.12)
=7.93, that is, Example 11 when active oxidation occurs
This is the same value as Y calculated in . This mixture was heated at 185° C. under the same conditions as Example 11. Again, t-butyl hydroperoxide was added to aid initiation. but,
No substantial oxidation occurred even when heating continued for 180 minutes. This shows that at least benzoic acid does not have the same activity as p-toluic acid for promoting oxidation in the presence of water carried out in the process of the invention. Comparative Example 3 The same experiment as Example 11 was repeated, except that part of the p-toluic acid was replaced with acetic acid. The actual composition of the raw materials was as follows. p-xylene 3.0 g p-toluic acid 52.7 g acetic acid 55.2 g various oxidizing compounds 1.3 g water 187.8 g manganese acetate 1.05 mmol cobalt acetate 1.05 mmol In this example, Y is 26.92, so M is 10.8;
That is, it was almost the same as the previous comparative example. even here,
In carrying out the oxidation in an aqueous medium, if acetic acid is
-If it has the same promoting effect as toluic acid,
This should be taken into account when calculating Y and M.
In this case, Y=(187.2/18.02)/(52.7/136.15
+55.2/60.05)=7.95, that is, exactly the same value as Example 11. The above mixture was heated at 185° C. under the same conditions as Example 11. Again, t-butyl hydroperoxide was added to help initiate the reaction. Oxygen absorption for 300 minutes of reaction was only 3.8 liters. This result shows that the promoting effect of p-toluic acid exhibited in the method of the present invention is not exhibited by other carboxylic acids, that is, p-toluic acid is a specific one. Example 12 The following raw materials were introduced into the same autoclave as in the previous example. p-xylene 6.0 g p-toluic acid 183.3 g Various oxidized derivatives 5.7 g Water 105.0 g Manganese acetate 1.80 mmol In this example, Y = 4.33, and since manganese was used as the sole catalyst, X = 1.00. Therefore, by applying equation (1), the minimum concentration of manganese used in this example is M=3.6 mmol/Kg. In fact, in this example, the concentration of manganese is 6.0 mmol/Kg, well above the limit amount. This mixture should be heated at 170°C instead of 185°C.
Heated in the presence of air under exactly the same conditions as Example 11 except that the temperature was maintained at 0.degree.
After 305 minutes of reaction, the oxygen uptake was 21.2 liters. The reaction mixture was treated and analyzed as in the previous example and found to be approximately 96% p-xylene and 29.9%
It was found that p-toluic acid was converted to the following product. Terephthalic acid 44.8g 4-carboxybenzaldehyde 14.2g Other intermediates 0.9g Heavy by-products 1.2g Comparative Example Same amounts of compounds as in the previous example, except that only 0.60 mmol of manganese acetate was used as catalyst The concentration of catalyst in the mixture introduced into the reactor was therefore 2.0 mmol/Kg, or 1.6 mmol below the limit amount. As a result, even after adding t-butyl hydroperoxide to help initiate the reaction, no oxygen uptake occurred when the mixture was heated for 60 minutes in the presence of air under the same conditions as in the previous example. Example 13 The following raw materials were introduced into the same autoclave as in the previous example. p-xylene 6.3 g p-toluic acid 218.3 g various oxidized derivatives 2.2 g water 73.5 g cobalt acetate 3.48 mmol In this example, cobalt was used as the sole cobalt, ie X=0. On the other hand, Y is 2.54. By applying equation (1), the minimum concentration of cobalt used in this case is M=7.0 mmol/Kg. In fact, in this example the cobalt concentration was 11.6 mmol/Kg. Air at a pressure of 20 Kg/cm 2 and a flow rate of 90 l/h was introduced into the reactor and the mixture was heated to 170°C. The reaction started spontaneously during heating and continued for 240 minutes. At the end of the reaction, the oxygen uptake was 29.8 liters. The reaction mixture was treated and analyzed as in Example 1 and found to have converted 89.3% p-xylene and 37.0% p-toluic acid to the following product. Terephthalic acid 81.5 g 4-Carboxybenzaldehyde 6.8 g Other intermediates 1.2 g Heavy by-products 3.0 g Comparative Example Same amounts of compounds as in the previous example, except that only 0.90 mmol of cobalt acetate was used as catalyst. was introduced into the reactor. Therefore, the catalyst concentration in the mixture is 3.0 mmol/Kg, i.e. less than the limit amount.
It was 4.0 mmol lower. As a result, even after repeated additions of t-butyl hydroperoxide, in the presence of air under the same conditions as in the previous example,
Heating the mixture for 240 minutes resulted in no oxygen uptake. It is to be understood that the above description of the basic and novel features of the invention is merely illustrative of preferred embodiments. Those skilled in the art will recognize many variations. For example, in carrying out the process of the invention, other compounds used as activators in other processes, such as aldehydes or ketones or bromine-containing compounds, can be added to the reaction mixture. Such additives are
For example, there may be advantages regarding reaction rates. These variations may be made without departing from the spirit of the invention.
would be within the scope of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

図面は、185℃におけるp―キシレン、p―ト
ルイル酸および水の混合物の相ダイヤグラムを示
す。
The figure shows a phase diagram of a mixture of p-xylene, p-toluic acid and water at 185°C.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 (a) p―トルイル酸またはp―トルイル酸と
p―キシレンとの混合物からなる酸化し得るテ
レフタル酸前駆物質と、反応生成物の操作可能
なスラリーを得るに充分な少なくとも5重量%
の水と、液状反応混合物1Kgあたりの触媒的に
活性な金属化合物の少なくとも最小量を提供す
るに充分な量の酸化触媒とからなる実質的に均
一な反応溶液を、分子状酸素含有ガスにより、
約140℃ないし約220℃の反応温度で、この反応
温度で液相中の水の少なくとも1部を液相に維
持するに充分な圧力下で酸化する工程、および (b) テレフタル酸を含む酸化された混合物を回収
する工程からなる方法であつて、前記酸化触媒
はカルボン酸のマンガン塩、コバルト塩および
それらの混合物からなる群から選択されたもの
であり、前記酸化し得るテレフタル酸前駆物質
に可溶であり、前記金属化合物の最小量M(ミ
リモル)は以下の式により定義されるテレフタ
ル酸の製造方法。 M=Y(X+A)+BX/CX+D 式中、Yは反応混合物における水とp―トルイ
ル酸のモル比であり、Xは触媒組成物中における
マンガン塩とマンガン塩+コバルト塩の全量との
モル比であり、Aは約0.200、Bは約10.9、Cは
約4.35、Dは約0.0724である。 2 前記Aは約0.200±0.031、Bは約10.9±1.3、
Cは約4.35±0.17およびDは約0.0724±0.0117で
ある特許請求の範囲第1項記載の方法。 3 前記反応溶液中の水の量は反応溶液重量の約
5ないし約80重量%である特許請求の範囲第1項
記載の方法。 4 前記水の量は反応溶液重量の約5ないし約75
重量%である特許請求の範囲第3項記載の方法。 5 前記水の量は反応溶液重量の約10ないし約75
重量%である特許請求の範囲第3項記載の方法。 6 前記水の量は反応溶液重量の約10ないし約60
重量%である特許請求の範囲第3項記載の方法。 7 前記反応溶液は、水の量に対し0ないし100
重量%の不活性有機溶媒を更に含む特許請求の範
囲第1項記載の方法。 8 前記有機溶媒は酢酸である特許請求の範囲第
7項記載の方法。 9 前記反応温度は約150ないし約190℃である特
許請求の範囲第1項記載の方法。 10 前記反応圧力は約5ないし約40Kg/cm2であ
る特許請求の範囲第1項記載の方法。 11 前記酸化触媒の量は、特許請求の範囲第1
項で定義された最小量と反応混合物1Kgあたり約
40ミリモルとの間である触媒的に活性な化合物の
量を提供するに充分な量である特許請求の範囲第
1項記載の方法。 12 前記酸化触媒の量は、特許請求の範囲第1
項で定義された最小量と反応混合物1Kgあたり約
30ミリモルとの間である触媒的に活性な化合物の
量を提供するに充分な量である特許請求の範囲第
1項記載の方法。 13 前記触媒はマンガン化合物とコバルト化合
物との混合物である特許請求の範囲第1項記載の
方法。 14 Xは約0.1ないし約0.9である特許請求の範
囲第13項記載の方法。 15 前記触媒は更に、ニツケル、鉛およびセリ
ウムからなる群から選択された金属の化合物を含
む特許請求の範囲第1項記載の方法。 16 前記p―トルイル酸とp―キシレンとのモ
ル比は約3ないし約15である特許請求の範囲第1
項記載の方法。
[Claims] 1. (a) an oxidizable terephthalic acid precursor consisting of p-toluic acid or a mixture of p-toluic acid and p-xylene; at least 5% by weight
of water and an oxidation catalyst in an amount sufficient to provide at least a minimum amount of catalytically active metal compound per kg of liquid reaction mixture, with a molecular oxygen-containing gas.
oxidizing at a reaction temperature of from about 140°C to about 220°C under a pressure sufficient to maintain at least a portion of the water in the liquid phase in the liquid phase at the reaction temperature; and (b) an oxidation comprising terephthalic acid. the oxidation catalyst is selected from the group consisting of manganese salts, cobalt salts of carboxylic acids, and mixtures thereof; A method for producing terephthalic acid, which is soluble and the minimum amount M (millimol) of the metal compound is defined by the following formula. M=Y(X+A)+BX/CX+D where Y is the molar ratio of water to p-toluic acid in the reaction mixture, and X is the molar ratio of manganese salt to the total amount of manganese salt + cobalt salt in the catalyst composition. , A is about 0.200, B is about 10.9, C is about 4.35, and D is about 0.0724. 2 The above A is about 0.200±0.031, B is about 10.9±1.3,
2. The method of claim 1, wherein C is about 4.35±0.17 and D is about 0.0724±0.0117. 3. The method of claim 1, wherein the amount of water in the reaction solution is about 5 to about 80% by weight of the reaction solution. 4 The amount of water is about 5 to about 75 of the weight of the reaction solution.
4. A method according to claim 3, wherein the amount is % by weight. 5. The amount of water is about 10 to about 75 of the weight of the reaction solution.
4. A method according to claim 3, wherein the amount is % by weight. 6 The amount of water is about 10 to about 60 of the weight of the reaction solution.
4. A method according to claim 3, wherein the amount is % by weight. 7. The reaction solution has a ratio of 0 to 100 relative to the amount of water.
The method of claim 1 further comprising % by weight of an inert organic solvent. 8. The method according to claim 7, wherein the organic solvent is acetic acid. 9. The method of claim 1, wherein the reaction temperature is about 150 to about 190°C. 10. The method of claim 1, wherein the reaction pressure is about 5 to about 40 kg/cm 2 . 11 The amount of the oxidation catalyst is defined in claim 1.
Approximately per kg of reaction mixture with the minimum amount defined in Section 1.
2. The method of claim 1, wherein the amount is sufficient to provide an amount of catalytically active compound that is between 40 mmol. 12 The amount of the oxidation catalyst is defined in claim 1.
Approximately per kg of reaction mixture with the minimum amount defined in Section 1.
2. The method of claim 1, wherein the amount is sufficient to provide an amount of catalytically active compound that is between 30 mmol. 13. The method according to claim 1, wherein the catalyst is a mixture of a manganese compound and a cobalt compound. 14. The method of claim 13, wherein 14X is about 0.1 to about 0.9. 15. The method of claim 1, wherein the catalyst further comprises a compound of a metal selected from the group consisting of nickel, lead, and cerium. 16 Claim 1, wherein the molar ratio of p-toluic acid to p-xylene is about 3 to about 15.
The method described in section.
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