JPH03122296A - 芳香族化合物の部分酸化物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は触媒電極を設けたイオン伝導体を用いた燃料電
池システムにより芳香族化合物と酸素からフェノール類
およびキノン類等の部分酸化物を製造すると同時に必要
に応じて電力エネルギーを取り出す方法に関する。

（従来の技術） 芳香族化合物から一価または多価のフェノール類やベン
ゾキノンなどのキノン類を製造する方法は種々知られて
いる０例えは、フェノール類は、従来、主としてクメン
法、安息香酸法、クロルベンゼン法、スルホン酸法等の
方法により製造されている（例えば、有機合成協会誌第
３５巻２号１３８頁参照）。これらの方法は、いずれも
数段階にわたる複雑な反応操作を必要とし、さらに、高
価な副原料を消費するなどの欠点を持つ。芳香族化合物
を直接酸素酸化し、−段の反応操作によってフェノール
類を製造し、その際に高価な副原料を消費せず、また、
併産物も伴わない製造プロセスを開発することは工業的
見地から望ましく、種々の提案がなされているが、いず
れの方法も低収率であり、かつ、反応条件が過酷である
か、または、反応方法が煩雑である等の理由により、工
業的に実施するには至っていない。たとえば、特開昭６
２−５４２９１号明細書には金属リン酸塩を触媒として
ベンゼンを気相で酸素酸化してフェノールを得る方法が
記載されているが、５００〜６００℃という高温で収率
も１０〜１４％と低い。また、特開昭６２−２９３７３
８号明細書にはパラジウム系触媒および１．１０−フェ
ナントロリンを添加剤とし、酢酸を溶媒として液相で一
酸化炭素存在下でベンゼンを酸素酸化してフェノールを
得る方法が記されているが、収率が６％と低い。また、
日本化学会５６春季年会２ＩＩＤ１２でシリカゲルに担
持したパラジウムと硫酸銅を触媒としてベンゼンと酸素
を反応させてフェノールを得ているが、その収率はベン
ゼンに対して０．０２％と極めて低く、さらに、この方
法では酸素による酸化反応と触媒の再生のための水素に
よる還元処理を交互に行わねばならない煩雑さ、または
、水素と酸素の混合による爆発危険性等の安全上の問題
を有し、工業的製造法としては難点がある。

一方、燃料電池システムを用いて、種々の有益な化合物
を製造すると同時に電流を取り出す試みはなされている
が、フェノール類やキノン類等の芳香族化合物の部分酸
化物を製造する方法は今までには知られていない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は燃料電池システムを用いて芳香族化合物と酸素
から一段の反応操作で対応するフェノール類やキノン類
等の部分酸化物を選択的に製造することにより、従来の
製造法における製造工程の煩雑さ、多量の副生物の生成
、爆発危険性等の問題点を解決しようとするものである
。

（課題を解決するための手段） すなわち本発明は、触媒電極を設けたイオン伝導体の、
一方の電極に水素供与体を、他方の電極に芳香族化合物
および酸素を接触させて燃料電池システムにより前記芳
香族化合物の対応部分酸化物を得ることを特徴とする芳
香族化合物の部分酸化物の製造方法を提供するものであ
る。

本発明方法で用いられる芳香族化合物は、置換または未
置換の芳香族炭化水素である。例えば、ベンゼン、トル
エン、キシレン、ナフタレン、アントラセン、およびそ
れらの誘導体であり、それらが有していてもよい置換基
は芳香環上に置換しつるものであればどのようなもので
もよく、例えばアルキル基、アリール基、アルコキシ基
、アリーロキシ基、スルホン基、ハロゲン原子等が挙げ
られる。

本発明において用いられる酸素は必ずしも純粋なもので
ある必要はなく、空気または他の不活性なガスとの混合
ガスでもよい。

本発明の目的物である部分酸化物とは出発化合物に対応
のフェノール類又はケトン類等をいう。

本発明方法では、必要に応じて反応系から反応の自由エ
ネルギーに相当する電気エネルギーを取り出すことが可
能である。

本発明方法を実施するために用いられる燃料電池型反応
器の概念図を第１図に示す。

触媒電極からなる正極１または負極２を有するアノード
室３とカソード室４はイオン伝導体５で隔てられており
、正極と負極はリード線６で短絡されている。触媒電極
は好ましくは多孔質、もしくはシート状であるが必ずし
もこれに制限されることはない。７はスターラーである
。必要によっては正極と負極の間に電圧をかけることも
可能である。

本発明方法で用いられる触媒電極としては、種々の材質
を使用出来るが、本発明方法においてはとりわけ種々の
金属またはその化合物の少なくとも１種以上を用いるこ
とが推奨される。好ましくは、金属または金属化合物の
少なくとも１種以上を電気伝導物質に混合する、ないし
は担持して使用する。

また本発明をさらに実施し易くするために、電極は金属
または金属化合物の少なくとも１種以上を導電性高分子
材料に混合ないしは担持したものをバインダーを用いて
成形したものを用いることが好ましい。しかしながら本
発明に関してはこれらの方法のみに限定されるものでは
ない。

本発明において電極を金属と導電性高分子材料と混合も
しくは担持して使用する際に、用いる導電性高分子材料
としては一般的にはその安価なこと、入手し易さ、およ
び良好な電気伝導性等からグラファイト等の炭素質物質
を使用することが好ましい。また電極を成形する際に用
いるバインダーとしては種々のバインダーを用いること
が可能であるが、その成形し易さ等からテフロン樹脂粉
末を用いホットプレス成形することが好ましい。しかし
ながら本発明がこれらの材料のみに限定されないのは無
論のことである。

本発明方法の意味する周期律表とは国際純正および応用
化学連合による周期律表のことであり、また本発明方法
で用いられる触媒電極は金属もしくは金属化合物の少な
くとも１種以上を用いることによっても実施されるが、
これら金属又は金属化合物を構成する金属はこの周期律
表において、ＬＡ（アルカリ金属）、２Ａ（アルカリ土
類金属）、３Ａ（希土類金属）、４Ａ、５Ａ、６Ａ。

７Ａ、８Ａ％　１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ。

６Ｂ族の金属である。

具体的には、アルカリ金属としては元素記号、ＬＬ、Ｎ
ａ、に、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒで表わされる金属であり、ア
ルカリ土類金属としては元素記号Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓ
ｒ、Ｂａ、Ｒａで表わされる金属であり、希土類金属と
しては元素記号Ｓｃ％Ｙ、Ｌａ、Ａｃ等で表わされる金
属であり、４Ａ族金属としては元素記号Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈ
ｆで表わされる金属であり、５Ａ族金属としては元素記
号Ｂ、Ｎｂ、Ｔａで表わされる金属であり、６Ａ族金属
としては元素記号Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗで表わされる金属であ
り、７Ａ族金属としては元素記号Ｍｎ、Ｔｃ、Ｒｅで表
わされる金属であり、８Ａ族金属としては元素記号Ｆｅ
、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｃｏ％Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ％Ｐｄ％Ｐｔで
表わされる金属であり、ＩＢ族金属としては元素記号Ｃ
ｕ、Ａｇ、Ａｕで表わされる金属であり、２Ｂ族金属と
しては元素記号Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇで表わされる金属であ
り、３Ｂ族金属としては元素記号Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔ
ｌで表わされる金属であり、４Ｂ族金属としては元素記
号Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂで表わされる金属であり、５
Ｂ族金属としては元素記号Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで表わされ
る金属であり、さらに６Ｂ族金属としては元素記号Ｐｏ
で表わされる金属である。また、本発明方法においてこ
れらの金属を化合物として使用する際には、これらの金
属のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、酸化物、水酸化物
、リン酸塩および／またはアンモニウム塩として使用す
る。本発明方法ではこれらの金属または金属化合物の少
なくとも１種以上を用いて電極を調製する。

本発明方法で用いられるイオン伝導体としてはリン酸、
硫酸、塩酸、などのプロトン酸、ヘテロポリ酸、Ｈ−モ
ンモリロナイト、リン酸ジルコニウム等のプロトン伝導
体として知られている固体電解質、５ｒＣｅ０３を母体
としてペロブスカイト型固溶体等が使用できる。また、
パーフルオロカーボンのような含フツ素高分子をベース
とし、これにスルホン基あるいはカルボン酸基などのカ
チオン交換基の少なくとも１種以上を導入したもの、例
えば、ＮａＦｉｏｎ　（デュポン社の登録商標）も使用
できる。リン酸等の液体はシリカウールに含浸させて使
用したり、イオン透過性のフィルターまたは膜ではさん
で使用することもできる。

本発明に使用する水素供与体とは、一般的にアノード電
極によって酸化されプロトン（水素陽イオン）を発生さ
せることを可能とする物質をいう。具体的には水素分子
、アルコール類、ハイドロキノン類、さらには飽和炭化
水素等が挙げられる。

アノード室に原料として供給する水素供与体は、通常気
体もしくは液体として供給するが、必要に応じて不活性
な溶媒または水に溶解させた液相状態で電極に接触させ
てもよい。また窒素、ヘリウム等の不活性ガスとの混合
物として使用してもよい。

カソード室に供給する芳香族化合物についてもまた気体
または液体状態で供給してもよい。さらに酸素または酸
素含有物は気体でも適当な溶媒に溶解させて用いてもよ
い。

さらに、本発明方法においては、通常の電極反応のよう
に、双方の電極室に電解質及び極性媒体等（一般的には
水もしくはイオン性媒体が用いられる。）を使用して実
施することは無論可能であるが、この方法のみならず、
これら電解質、極性媒体等を使用することな〈実施する
ことも可能である。したがって、アノード室には水素供
与体のみまたカソード室には芳香族化合物および酸素の
みを供給するだけにより実施することもできる。

この結果、通常の電解もしくは電極反応のように溶媒も
しくは電解質の使用による反応系の煩雑さを回避し、さ
らには水相−油相というような２相分離をすることな（
効率的に芳香族化合物の部分酸化物を製造することが可
能である。

カソード室は反応を円滑に進行させるために、言い換え
れば触媒電極と反応基質との触媒を効果的に行わせるた
めに激しく撹拌することが望ましい。

本発明において芳香族化合物と酸素のモル比は好ましく
は０．０１〜１００、より好ましくは０．１〜１０であ
る。また水素供与体と芳香族化合物のモル比は好ましく
は０．０１〜１ＯＯ１より好ましくは０．１〜１０であ
る。

本発明方法では両極間に正または負の電圧を加えること
により、それぞれの反応を加速あるいは減速させること
ができる。印加する場合は通常両極間にＯ〜±１０■、
好ましくはＯ〜±１ｖの電圧がかけられるが、使用する
装置、反応条件、原料等により異なるので、これらの数
値は制限的なものではない。

反応温度は通常−２０℃から２００℃で行わ、れるが好
ましくは一５℃から１５０℃で行うことが推奨される。

また、本発明方法に従えば反応は一般に常圧で行われる
が、必要に応じては、加圧もしくは減圧下でも実施する
ことができる。

反応生成物であるフェノール類等の部分酸化物は、通常
反応生成液から蒸留等の方法で分離、精製して高度の目
的物を得ることができる。

（発明の効果） 本発明方法は、クメン法や安息香酸法などの従来の煩雑
な方法に比較し、芳香族化合物と酸素から直接−段の方
法により、出発原料の芳香族化合物に対応したフェノー
ル類等の部分酸化物を製造できる。さらにその他の副原
料も必要とせず、また、多量の副反応生成物も生成しな
い。さらに、従来行われてきた芳香族化合物と酸素によ
る直接酸化法の試みに比べ、極めて温和な条件で反応を
遂行でき、加えて、酸素と水素が直接混合することによ
る爆発の危険性もない。また、必要により生成物ととも
に電力エネルギーを取り出すこともできる。また水等の
イオン性媒体を使用することもなく、さらには電解質等
を使用することな〈実施することも可能であり、単純か
つより小さな反応器で効率的な接触反応を遂行できる、
等多くの利点を有している。

（実施例） 以下、本発明方法を実施例に基づきさらに詳細に説明す
る。しかしながらこれらは例示的なものであり、本発明
方法は実施例に限定されるものではない。

なお、本実施例において掲げた表中のＰｈＯＨはフェノ
ール、μｍｏｌはマイクロモル（１０−’ｍｏｌ）、ｍ
Ｆはミリファラデ４−（１０−”Ｆ）を表わしている。

実施例１ ディスク状のシリカウール（厚さ１．０ｍｍ、直径２１
ｍｍ）に８５％リン酸水溶液を含ませたものをイオン伝
導体膜として使用し、アノードを白金黒粉末２０ｍｇ、
グラファイト粉末７０ｍｇおよびテフロン粉末５ｍｇを
よく混合したものをホットプレス法によりシート状に成
形したものとし、さらにカソードをパラジウム黒粉末２
０ｍｇ、グラファイト粉末７０ｍｇ、およびテフロン粉
末５ｍｇをアノードと同様に成形したものとして両極を
イオン伝導膜を隔てて両側にそれぞれ設置した第１図に
示す反応器を用い、カソード室にベンゼン４０ｄを仕込
んだ後、アノード室に水蒸気２．６７容量％含む水素ガ
ス２１ｒｒｇ／ｍｉｎ、カソード室に酸素を仕込１０Ｔ
ｎ＆／ｍｉｎの流速でそれぞれ供給した。隔膜を通して
の両極のガスおよびベンゼンの混入は全く無かった。反
応温度を２５℃とし、ベンゼンの部分酸化反応を閉回路
条件（両極間を結線した状態）で行った。

反応時間を２０時間とした。この結果、カソード室には
フェノールが２６．３マイクロモル生成し、この間に電
流が２．７３ミリフアラデイー流れた。

比較例１ 電極間を開回路状態（両電極間を結線しない状態）でそ
の他の条件は実施例１と全く同一としてベンゼンの部分
酸化反応を行った。結果は部分酸化反応は進行せず、フ
ェノールは検出されなかった。

比較例２ 水素ガスおよび酸素ガスをともにカソード室に供給して
、その他は全〈実施例１と同一の条件でベンゼンの部分
酸化反応を行った。結果はフェノールの生成は殆ど認め
られなかった。

実施例２ カソードを塩化第２鉄（ＦｅＣ２ｓ）を活性炭に１０重
量％吸着物５　ｍ　ｇ　ｓパラジウム黒粉末２０ｍｇ、
グラファイト４５ｍｇおよびテフロン粉末５ｍｇを混合
してホットプレス法でシート化した以外は実施例１と全
（同一の反応条件で電極間を閉回路としてベンゼンの部
分酸化によるフェノールの製造を行った。結果は第１表
に示した。

なお、表中のＮｏ、は同一の電極を用いた繰り返し反応
を行い、この繰り返し実験の順序を示している。

第　　１　　表 実施例３ カソードをパラジウム黒粉末２０ｍｇ、塩化第２鉄１０
重量％吸着活性炭２０ｍｇ、グラファイト粉末３０ｍｇ
及びテフロン粉末５ｍｇの混合物により調製した以外は
実施例１および２と全（同一の反応条件でベンゼンの部
分酸化によるフェノールの製造を行った。結果は第２表
に示した。

なお、表中のＮｏ、は同一の電極を繰り返し使用して行
った順を表わしている。

第２表 実施例４〜７ 種々の金属塩化物をグラファイト５０ｍｇに金属基準で
１重量％混ぜ、さらにテフロン５ｍｇを混ぜてシート状
電極をカソードとして用いた以外は全て実施例１．２．
３と同一の反応条件でベンゼンの部分酸化によるフェノ
ールの製造を行った。結果は第３表に示したようにいず
れの電極をカソードとした場合もフェノールの生成が認
められた。

第３表

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施に用いられる燃料電池型反応
器の概念図である。 符号の説明 ｌ・・・正極、２・・・負極、３・・・アノード室、４
・・・カソード室、５・・・イオン伝導体、６・・・リ
ード線、７・・・スターラー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）触媒電極を設けたイオン伝導体の、一方の電極に
   水素供与体を、他方の電極に芳香族化合物および酸素を
   接触させて燃料電池システムにより前記芳香族化合物の
   対応部分酸化物を得ることを特徴とする芳香族化合物の
   部分酸化物の製造方法。
2. （２）触媒電極が金属および／または金属化合物から選
   ばれた少なくとも１種以上の金属成分と導電性材料から
   なることを特徴とする請求項（１）記載の方法。
3. （３）触媒電極を構成する金属または金属化合物の構成
   金属が周期律表において、１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ、５
   Ａ、６Ａ、７Ａ、８Ａ、１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ
   および／または６Ｂ族金属の少なくとも１種以上の金属
   またはその化合物である請求項（２）記載の方法。
4. （４）金属化合物が金属ハロゲン化物、金属硝酸塩、金
   属硫酸塩、金属酸化物、金属水酸化物、金属リン酸塩お
   よび金属アンモニウム塩から選ばれた少なくとも１種以
   上の化合物もしくはその混合物である請求項（２）記載
   の方法。
5. （５）水素供与体が水素分子である請求項（１）記載の
   方法。