473473 A 7 B7 五、發明説明（1 ) 本案係爲現仍在審理當中之美國申請案第08/798,999號之 部份接續申請案。 本發明係關於由2 -甲基戊二腈製備1 -烷基-3 -甲基哌啶酮 -2與1 -烷基-5 -曱基哌啶酮-2的改良法。 發明背景 2 -甲基戊二腈是在丁二缔轉化成己二腈的腈化反應之副 產物。己二腈有許多用途，包括氫化成己二胺（其爲尼龍 6，6的組份之一）。2 -甲基戊二腈的工業用途很少，但是已 經知道2 -甲基戊二腈可以利用分批法，在氫化反應觸媒存 在的情況下，藉由2 -曱基戊二腈、具1至1 8個碳原子的一 級燒'基胺、水和氫之反應而轉化成1 -燒基_ 3 ·甲基喊啶酮_ 2和1-規基-5 -甲基喊咬酮-2。1-燒基-3 -甲基t»底咬酮-2和 1 -燒基-5 -曱基喊淀酮-2可作爲溶劑之用；每一者的溶劑 性質類似於其他的N -烷基内醯胺類。 2 -甲基戊一猜轉化成1，3 -和1，5 -二坑基旅咬嗣_ 2的分批法 述於Kosak的U.S. Pasent No_ 5,449,780。此方法始自兩相反 應混合物，但在所有的氫反應之後成爲單一相。也已經知 道此Kosak法對於雙-1，5-(烷基醯亞胺基）-3 -甲基戊烷的選 擇率（12-40%) ’也已經知道其含括大量其他所不欲高沸點 物。在純化烷基哌啶酮-2產物時，雙-1,5-(烷基醯亞胺 基）-3 -甲基戊垸是問題之一 ’因爲雙_1，5_(垸基醯亞胺 基）-3 -甲基戊烷在蒸餾期間内會熱循環而形成i，3_二甲基 戊醯亞胺，所以在烷基甲基哌啶酮_ 2的純化程序中，其存 在特別會造成問題。1,3-二甲基戊二酸亞胺之形成不僅會因 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央標準局貞工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（2 ) 爲有曱胺生成而影響眞2蒸館的操作，同時也會與纟充基甲 基哌啶酮-2 —起蒸出，使得吾等幾乎無法容易地裝得院基〒 基略咬酮-2純產物流。與二甲基哌啶酮_2的例子比較，在 局碳fe基曱基哌啶酮-2的例子中，在蒸餾期間内，來自合 成反應之相關的雙-1，5-(烷基醯亞胺基）_3_曱基戊烷會形 成相關的1 -烷基-3 -曱基戊二醯亞胺，而引發相關揮發性 烷基胺之形成。 發明概述 本發明之連續法是一種在氫化反應觸媒存在的情況下， 由氫和相（2-甲基戊二腈、具1至18個碳原子的一級胺的水溶 液、均質化溶劑之液態反應混合物）產製1-烷基_3_甲基哌啶酮_2 和1-烷基-5-甲基哌啶酮-2的連續法，其步驟包含： (a) 使氫化反應觸媒在反應容器中與單相液態反應混合物 接觸，其中’以單相液態反應混合物之總重計，均質化溶 劑、一級胺的水溶液和2 -曱基戊二腈的重量％示於圖1中以 線AB、BC和AC園起的範圍内； (b) 將含有2-曱基戊二腈、烷基胺水溶液和氫的一或多種 反應物流引至反應容器中； (c) 於氫氣壓高於約27巴（400 psi)的情況下，將反應混合 物加熱至高於150°C的溫度；及 (d) 自含有1，3-和1，5-坑基曱基旅咬嗣-2的反應混合物中 引出產物流，同時持續將步驟（b)的反應物流引至反應容器 内，其引入方式使得均質化溶劑、烷基胺水溶液和2 -甲基 戊二腈以單相液態反應混合物總重計之重量％維持在圖1中 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） —：—：—u* 裝— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 473473 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（3 以線AB、BC和AC圍起的範匍内。本方法對於雙-^(甲基 醯亞胺基）-3 -甲基戊烷的選擇率低於8%。 此均貧化落劑可以是在反應環境中不具反應性的任何溶 劑，甚爲可與水互溶，且烷基胺和2_曱基戊二腈的溶解度 付合圖1的限制者。 本發明之方法亦可以分批實施。 至於在爹力高於約27巴（400 psi)、溫度高於約uot的條 、件下進杆的分批反應，本發明之方法改善了對於產物丨_烷 ，基-3 -甲基哌哫酮_2和1-烷基-5 -甲基哌啶酮_2之選擇率。 笨發明方法的改善化處包含：氫化反應觸媒與2 _甲基戊二 腈、一級烷基胺的水溶液和均質化溶劑的單相液態混合物 混合，使得這些组份的每一者之相對於液相總重的重量％ 居於圖1中以線AB、BC和AC園起的範圍内。 此方法中，較佳的一級烷基胺是甲胺，較佳的產物是13· 二曱基咬酮-2和1，5-二甲基淀酮-2。 圖示簡單説明 圖1顯示单相液態反應混合物的範圍，即，線Ab、b C和 AC圍起的範圍，2-甲基戊二腈、一級烷基胺的水溶液和均 質化溶劑之濃度係以反應混合物之單一液相總重計之百分 比。 圖2顯示在連續攪拌槽（CSTR)和連續滴流床以操作2〇0小時 以上，對於雙-1,5-(烷基醯亞胺基）_3-甲基戊烷的選擇率， 其中，MGN轉化率是90%。 詳細描述 -6- 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) -裝·
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經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 此處所謂的選擇率是指特定的產物重量除以產物流中所 有產物總重。
Kosak的United States Patent No. 5,449,780提及用以將2- 曱基戊二腈化成1，3和i，5_二烷基哌啶酮_2的方批法。此專利案 的方法中，將反應物（2-甲基戊二腈、水、烷基胺)和氫化反應觸 媒之混合物引至反應器中。然後在反應器中通以氫氣並加壓，並 加熱至適合於反應的條件。 已經知道在Kosak的反應條件下，液態反應物和已溶解 的氨水副產物在主要的反應過程中實質上是兩相。2 _曱基 戊二腈在胺的水溶液中的溶解度有限，胺的濃度主要分佈 於水相中。因此，在Kosak反應系統中，有固態觸媒相 '氣相 和兩種液相存在。此Kosak方法對於形成高沸點副產物亦具 有高選擇性，特別是形成雙烷基醯亞胺基）_3_甲基戊 燒高沸點副產物。在甲胺與2 ·甲基戊二腈的反應中，K〇sak 法對於雙-1，5-(燒> 基醯亞胺基）·3·甲基戊燒的選擇率爲12 至40%。純化期間内，此副產物（及當此合成係與碳原子數 比甲胺多的高破胺進行時，會有此類結構之破原子數較多 的烷基副產物）在製備純化產物中會引發嚴重的問題。在蒸 餾條件下，副產物雙-1，5-(烷基醯亞胺基）-3-甲基戊烷（及 在根據Kosak之合成1-烷基-3-甲基哌啶酮-2和1-烷基- 5-甲基哌啶酮-2時所形成之相關之碳原子數較多的烷基化合 物）依照下面所示的反應而環化： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 473473
CH3nh2 雙_l，5-(fe基酿亞胺基)·3_甲基戊境 I3二甲基戊二醯亞胺 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 在本發明的連續單-液相中，連.續移出產物且連續將根 據圖1的反應物引至尾應器中，使得反應於單—液相中發 t ’結果是對高沸點副產物(特別是雙]，5_(烷基醯亞胺 基）-3-甲基戊幻的選擇性低。就平衡及動力考量，此單相 反應似乎優於以前技藝的技巧。 本發明的單相液態反應藉由在反應物和觸媒的混合物中 添加均質化溶劑而達成。整個反應中方法持續使燒基 胺水溶液、均質化溶劑和2.甲基戊二腈的濃度（相對於液相 反應混合物總重之重量％)維持單相範圍，即，由圖1的八、 B和C點園起範圍。 —此均質化溶劑可以是在反應環境中不具反應性的任何溶 劑，其可與水互溶，且烷基胺和2_甲基戊二腈的溶解度符 合圖1的限制。較佳的溶劑是二嗔统、N_甲基p此略貌酉同、 1’3或1，5-烷基甲基哌啶酮_2或1;3和丨，5-烷基甲基哌啶酮_2 之混合物或具有所欲與水互溶性質及對於烷基胺和2 _甲基 戊一如之落解度之其他的N•甲基或高碳N_烷基内醯胺。 1，3和1,5-二甲基旅啶酮_2之混合物或Ν·甲基毗咯烷酮是特 -8 - 本紙用悄"( CNS ) Α4規格（2HJX297公釐 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部中央標準局員Η消費合作社印製 A7 ~~~---------£7 五、發明説明（6 ~ '' 別佳的均質化溶劑。 -本方法中，均質化劑（以能夠溶解1,3或1,5-烷基甲基味这 酮-2產物者爲佳）只要能夠以連續、均勻產物流的方式將產 物1,3或1，5 -燒基曱基喊淀酮_2引出即可。 、連續法中，可藉由將反應物進料（烷基胺水溶液和2 -甲基 戊二腈）與產物的移出比例調整至圖1所定義的單相混合物 範圍内而使其符合圖1的濃度限制。舉例言之，根據圖1所 不的本方法，2 -曱基戊二腈濃度是2 5重量％時，烷基胺水 '合液的濃度必須是4 〇重量％，均質化溶劑的濃度必須是3 5 重里/〇。圖1亦指：2 _甲基戊二腈濃度相當低或者水的濃度 相當高時，均質化溶劑濃度可爲零。 一級烷基胺在水溶液中之濃度可以是烷基胺在反應條件 下能夠完全溶於水中的任何濃度。此値將隨著作爲反應物 之用之特別的垸基胺而改變。一般就甲基胺而言，此濃度 以4 0重量％爲佳，此約爲室溫、一般大氣壓下甲胺在水中 的;春解度，但此濃度可能視溫度條件和壓力限制而略低或 略高。 相車又於只有將目前已經知道的分批法改成連續法，使反 應混合物中有均質化溶劑存在能夠提供更多的優點。本發 明者亦發現含括均質化溶劑，可以使氫化反應的速率稍快 些，對於1,3或1,5-烷基曱基哌啶酮_2的選擇率大幅提高， 且高沸點副產物（特別是雙5_(烷基醯亞胺基）_3_曱基戊 k )的形成量降低。本發明使得產物的混合方式比以前的技 藝所述者爲佳。本發明之較佳的選擇性與此方法以分批或 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Α4規格（210 ><297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •装·
、1T 473473 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作衽印製 五、發明説明（7 連續方式進行無關。此選擇性亦與用以實施本方法之連續 反應器的類型無關。 傳統的市售氫化反應觸媒可用於本發明之方法中。這樣 的觸媒是載於底質（如：石墨、碳、礬土、碳酸锶或碳酸 药、砍石、矽藻土、二氧化鈦或二氧化锆）上的第VIII族金 屬。細是較佳的第VIII族金屬觸媒。所用的觸媒量視所用 之特別的催化性金屬於底質上的濃度、反應器類型和反應 條件而定。 促進劑（如：鉑、銖、錫和铑或其混合物）可以與觸媒一 起使用。促進劑的濃度可以是約〇 5重量％至約5重量％載 於觸媒上的金屬。 此方法以於溫度高於約i5〇。。、壓力高於約2 7巴（4〇〇pSi) 條件下實施爲佳。 存在於反應器中的氫量至少爲化學計量。所謂的化學計 量是指所存在的氫量至少足以將腈轉化成烷基胺和氨。 根據本發明之連續法可以於連續固定床反應器、連續攪 拌槽反應器、氣泡柱或外迴圈式反應器中實施。 實例 實例1 此實例顯示根據本發明，2_甲基戊二腈轉化成^和込弘 二甲基略咬酮-2的連續固定床氫化反應。. 將18.3克（60立方公分）4x6mash顆粒氫化反應觸媒（載於 碳上之2重量％鈀）引至設計用於連續操作之36英吋（91 4公 分）x〇.75英吋（I.9公分）直徑HasteU〇y c具油護套的滴流 10- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 本紙張國家標準( 47 3 7 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 A7 B7 五、發明説明（8 床反應器中。以氫化產物循環流（產物1,3或15_二甲基哌啶 酮-2、其他有機物、一級烷基胺和胺的水溶液）作爲此方法 的溶劑稀釋物。於180°C、氫氣壓34巴的條件下，甲基胺 水溶液（40重量。/。的胺）以100毫升/小時的速率循環至氫化 反應觸媒上方。 兩種物流一起引至反應器内。一個物流是2 _甲基戊二腈 (99.5 重里 ％ ’自得 e.I.DuPont de Nemours Company Inc. Wilmington，DE);另一者是40重量％甲胺水溶液。2_曱基 戊二腈的進料速率是7.4毫升/小時，胺水溶液的進料速率 是8.2毫升/小時。循環比例6 4:1。所用的氫流率是498立 方公分/分鐘。一級烷基胺水溶液、2_甲基戊二腈及〗，3和 1,5-二甲基哌啶酮_ 2均質化溶劑的濃度居於圖1所須的重量 %範圍内。 產物流以1 5立方公分/分鐘的速率自反應器混合物移出並 引至2升不銹鋼分離的器中，維持於〇 34巴（5psi)，以自產 物中分離出氫和氨水。將自產物中分離的氫和氨水抽至氮 氣出口務氣氣流中。產物移出和反應物進料速率使得一級 燒基胺水溶液、2-甲基戊二腈及1，3或1，5-二甲基哌啶酮_2 均質化溶劑的濃度持續下降至圖1所須的重量％範圍内。 於2 4小時内可達到穩定操作狀態。 連續操作45小時之後，產物的氣相層析顯示2_甲基戊二 腈的轉化率爲95%。對於1,3和1,5-二曱基哌啶酮_2的選擇 率是68%。對於ι，3-二甲基哌啶、雙-l，5-(曱基醯亞胺基）_ 3 -甲基戊燒、3 -和5 -甲基旅咬鲷-2及其他高沸點物的選擇 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀北面之注意事項再填寫本頁} -裝. -訂 473473 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印掣 五、發明説明（9 ) 率分別是12%、1%、2 2和11〇/〇。實例2 此實例顯示根據本發明，2 -曱基戊二腈轉化成153或丨，％ 二甲基哌啶酮-2之於的連續攪拌槽反應器中進行的氫化反應。 100毫升40重量％曱胺溶液和3克5〇重量％觸媒（5重量％ 紅載於竣粉上）引至300立方公分不銹鋼壓熱器中，此愿熱 器配備有磁攪拌器、冷卻線圈、熱偶和用以移除產物的浸 泡管。離開壓熱器之後，封住反應器並三度通以氫氣。 將此經封住、滌氣的壓熱器至18〇X：，以氫加壓至34巴。 然後於lOOOrpm攪拌。99.5重量％2-甲基戊二腈（得自 E.I.DuPont de Nemours and Company, Inc. Wilmington, DE) 以10毫升/小時的速率引至壓熱器中，第二種物流(4〇%甲基胺水 溶液）以8.8毫升/小時的速率引至壓熱器中。持續5小時。 氫流速是250立方公分/分鐘。 產物流以17.6毫升/小時的速率引出並引至2〇升如實例1 所述的不銹鋼壓熱器中。如實例i，一級烷基胺水溶液、 2 -甲基戊二腈和1，3和1，5-二甲基哌啶酮_2均質化溶劑在初 反應混合物中之濃度居於圖1所須的範圍内。 4 0小時後可達穩定狀態操作。 操作161小時之後’移除產物，壓熱器内的壓力提高至 54.4 巴（800psi)。 如實例1 ’產物移除速率和反應物進料速率達成平衡，使 得一級烷基胺水溶液、2-甲基戊二腈和二甲基哌 -12- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 、言 -.¾. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 、發明説明（10 咬_-2均質化溶劑在初反應混合物中之濃度一直維持在圖 1所須的重量％範圍内。 操作304小時之後’產物的氣相層析顯示2 _甲基戊二腈的 轉化率爲92%。對於】，3和1,5_二甲基哌啶酮_ 2的選擇率是 68.7%。對於ι，3-二曱基旅啶、雙4,5-(甲基醯亞胺基）_3 _甲 基戊烷、3 -和5 -曱基哌啶酮-2及其他高沸點物的選擇率分別 是 9.5%、3.5%、9.0%、和 13.3%。 _實例3 此實例顯示使用N ·甲基呲咯烷酮作爲均質化溶劑時，2 _ 甲基戊一腈轉化成1，3和ι，5 -二甲基略淀酮_2的分批氫化反 應。 在300毫升不銹鋼壓熱器中引入38克2 -甲基戊二腈、49 毫升40%曱基胺水溶液、2.3克水、6〇克N-甲基呲咯烷酮和 1.5克5重量％鈀載於碳上的觸媒（以2_甲基戊二腈計，觸媒 載量是4.0%)。 此混合物形成均勻的三組份溶液。 封住此反應器，兩度通以氮氣和氫氣，然後於室溫下以 氫氣加壓至lOOpsig。 將這些物質加熱至180°C，以氫加壓至34巴（500psig)並將 攪拌器調整至llOOrpm。 以連接於δ己錄器上的傳導器偵測逸出的氫。還原期間須 時120分鐘。之後就不再觀察到有氫量減少的情況。 反應物質之G C分析顯示2 -甲基戊二腈完全轉化。對於 1,3和1，5-二甲基哌啶酮-2的選擇率是56.7%。對於ι，3_二甲 -13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝_ 訂 473473 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（11 ) 基哌啶、雙4,5-(甲基醯亞胺基）_3_甲基戊烷、3_和5_曱基 哌啶酮-2及其他高沸點物的選擇率分別是7%,2 4%、1 7% 和29.9%。 實例4 此實例顯示未使用均質化溶劑時，2_甲基戊二腈轉化成 I，3和I，5·二甲基哌啶酮_2的氫化反應。 在300 ¾升配備有攪拌器的不銹鋼壓熱器中引入6〇克2_ 甲基戊腈、80_3毫升37_8〇/〇甲基胺水溶液和4 8克水、5重量 /〇鈀載於碳上的觸媒（以2 ·曱基戊二腈計，觸媒載量是 4.0%)。 此混合物含有兩個分離的液相。 封住此反應器，兩度通以氮氣和氫氣，然後於室溫下以 氫氣加壓至lOOpsig。將這些物質加熱至18〇τ，以氫加壓 至34巴（500psig)並將攪拌器調整至11〇〇rpm。以連接於記 錄器上的傳導器偵測逸出的氫。 氫化期間須時2 4 0分鐘。之後就不再觀察到有氫量減少 的情況。 反應物質之G C分析顯7JT 2 -甲基戊二腈完全轉化。對於 1，3和1，5-二甲基哌啶酮_2的擇率是43 5%。對於I%二甲基 哌啶、雙-M-(甲基醯亞胺基）·3·甲基戊烷、3_和’5_^基哌 哫酮-2及其他高沸點物的選擇率分別是i 〇%、、2 和 15 %。 表1列出先前技藝與本發明的選擇率之比較。表中也列出 反應條件。本發明之反應條件示於第9至12列中。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 -14 - 473473 A7 B7 五、發明説明（12 ) 表1 觸媒 重量％ 溫度， 壓力 E§ig 溶劑 分子量172選擇 選擇率％率％ 編號 5% Pd/C 4.0 180 500 none 32.1 53.4 1 5% Pd/C 0.5 180 500 none 42.1 43.5 2 4.5%Pd/0.5% R/C 3.2 200 800 none 31.8 43.6 3 5% Pd/C 2.8 180 800 none 17.0 55.5 4 5% Pd/C 2.0 180 1500 none 30.5 52.7 5 5% Pd/C 4.0 180 1000 none 26.9 57.3 6 5% Pd/C 4.0 180 2000 none 20.2 54.6 7 4.5%Pd/0.5% Pt/C 6.4 200 800 none 33.5 49.6 8 5% Pd/C 3.2 180 500 NMP 1.5 54.7 9 4.5%Pd/0.5% Pt/C 4.3 190 500 NMP 7.5 69.6 10 4.5%Pd/0.5% Pt/C 4.7 200 800 NMP 4.8 53.4 11 4.5%Pd/0.5% Pt/ C 3.2 200 800 NMP 6.7 58.5 12 附表中： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 MGN轉化率> 95% ; NMP代表N -甲基呲咯烷酮：D MP D代 表二曱基喊淀酮-2 ; 分子量172代表副產物雙-1,5-(甲基醯亞胺基）-3 -甲基戊 炫，因爲此爲此副產物的分子量。 圖2顯示於MGN轉化率爲9 0 %時，在連續攪拌槽（CSTR) 和連續滴流床操作200小時，對於雙-1，5-(曱基醯亞胺基）-3 -甲基戊烷之選擇率。比較連續法（其爲本發明之方法）和 以前不須使用均質化溶劑的分批操作，前者對於雙-1,5-(甲 基醯亞胺基）-3-甲基戊烷之選擇率較低。 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210'乂297公釐）