JP2014118389A - グリセリンモノアクリレートの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アクリル酸とグリシドールとを反応させてグリセリンモノアクリレートを製造するに際して、対アニオンが水酸化物イオンであるアニオン交換樹脂をアクリル酸処理して得られた触媒の存在下で反応を行ない、且つ、反応開始時の反応液の水分を3%以下とすることを特徴とするグリセリンモノアクリレートの製造方法。
【選択図】なし
Description
そのような水酸基含有モノマーの中で、分子内に2つの水酸基を有するグリセリンモノ(メタ)アクリレートは、繊維改質剤、樹脂防曇剤、保湿剤、UV/EB硬化剤、塗料、顔料分散剤、電子写真用バインダー、コンタクトレンズ、歯科材料などとして有用であることが知られている。
特にグリセリンモノアクリレートは、アクリロイル基を有することから、同構造のメタクリル酸エステルと比較し、反応速度が速く、また、UV硬化させ易い。したがって、重合工程の省エネルギー化が図れるだけでなく、熱硬化系重合が主体のメタクリル酸エステルでは使用が困難であった電子機器などの熱に弱い精密部材への展開が期待できる。
また(3)グリシジルアクリレートの水和反応では、エポキシ基の水和時に、エステル結合の加水分解を抑制する必要があることに加え、適切な触媒等の反応条件を選択しないと、設備の腐食や触媒残渣による製品の色相悪化が起こる。
一方、(4)グリシドールへのアクリル酸の付加反応では、例えば、特許文献1に記載のように、グリシドールの重付加反応が容易に起こるため、目的のグリセリンモノアクリレートを高純度で簡便に得ることが難しい。また、触媒としてピリジン、トリエチルアミン、第4級アンモニウム塩類といった有機塩基、あるいは炭酸ナトリウムや水酸化ナトリウムといった無機塩基などを使用するため、生成したグリセリンモノアクリレートを含む反応混合物からこれら触媒を除去する必要があるが、グリセリンモノアクリレートが水溶性の高い有機化合物であるため、油水の分液操作による抽出や洗浄による平易な精製が困難である。
本発明のグリセリンモノアクリレートの製造方法では、アクリル酸とグリシドールとの付加反応において、アクリル酸処理されたアニオン交換樹脂を触媒として用い、且つ、反応開始時の反応液の水分を3%以下に調整する。以下に各化合物、触媒、水分の調整、付加反応について説明する。
アクリル酸としては、工業原料として入手可能なものを使用することができ、好ましくは純度が98質量%(以下、%は質量基準を表わす。)以上のものが使用される。
グリシドールとしては、工業原料として入手可能なものを使用することができ、好ましくは純度が95%以上のものが使用される。
アクリル酸処理されるアニオン交換樹脂は、対アニオンが水酸化物イオンであるアニオン交換樹脂であり、例えば、強塩基性アニオン交換樹脂や中・弱塩基性アニオン交換樹脂が挙げられる。グリシドールの重付加反応を抑制する点では、求核性のあるアミノ基を有する中・弱塩基性アニオン交換樹脂よりも、アンモニウム塩型の強塩基性アニオン交換樹脂の方が好ましい。
アニオン交換樹脂のアクリル酸処理は、一般的にイオン交換樹脂を使用、再生する際に行う処理方法と同様の方法であり、例えば、(i)カラム充填した樹脂へアクリル酸を通液する、(ii)樹脂をアクリル酸へ浸漬した後、ろ別する、といった操作により行うことができる。また、上記(i)、(ii)の処理を行う場合は、事前に脱水したアニオン交換樹脂を用いてもよく、また含水し、膨潤した状態であるアニオン交換樹脂をそのまま使用することもできる。
アニオン交換樹脂の処理状況に関して、水分は処理した樹脂の水分を測ることで確認でき、またアクリル酸処理率は樹脂中のハロゲン化物イオン量あるいは樹脂を処理したアクリル酸の酸価低下量または樹脂の酸価から求めることができる。本発明においては、アクリル酸とグリシドールとの付加反応を行う際、反応開始時の反応液の水分を3%以下とするために、処理後の樹脂中の水分としては5%以下であることが好ましい。また、アクリル酸処理率は99%以上であることが好ましい。
アクリル酸処理をしたアニオン交換樹脂は、別途事前に調製して用いても良いし、反応前に反応容器内で調製してそのまま使用しても良い。
アクリル酸とグリシドールとの付加反応は、加熱と撹拌を備えた一般的な反応装置で行うことができる。
反応に供するアクリル酸は、グリシドールに対して等モル量以上あれば良いが、反応後の除去効率や工業的なコスト面を考慮すると、グリシドールに対して3〜8倍モル量を用いることが好ましい。
アクリル酸処理をしたアニオン交換樹脂は、グリシドールに対してアクリル酸当量で通常0.1〜0.4倍モル量、好ましくは0.2〜0.3倍モル量を用いることができる。アニオン交換樹脂の使用量が上記範囲内の場合、反応が充分に進行し易く、反応時間が短くて済み、製造コストの面で有利である上に、グリシドール重付加物の発生が抑制される。
付加反応は、20〜100℃の範囲で行うことができるが、反応時間や副反応の生起を考慮し、35〜50℃で行うことがより好ましい。
本発明では、アクリル酸とグリシドールとの付加反応において、反応開始時の反応液の水分を3%以下、好ましくは1%以下に調整する。反応液の水分の調整は、例えば、アクリル酸処理されたアニオン交換樹脂に含まれる水分を調整することにより行なうことができる。
反応開始時の反応液の水分は、カールフィッシャー水分計による水分分析で求めることができる。例えば、アクリル酸、グリシドールおよびアクリル酸処理したアニオン交換樹脂を含む反応開始時の反応液をカールフィッシャー水分計の測定容器内に直接投入して、水分を測定することができる。また、アクリル酸、グリシドール、およびアニオン交換樹脂の各水分と混合比から水分を算出してもよい。
なお、本発明において反応開始時とは、厳密には、アクリル酸、グリシドール、およびアニオン交換樹脂を混合した直後のことであるが、反応液を充分に混合する時間も考慮し、通常は、混合直後から30分以内までの間である。
アクリル酸とグリシドールとの付加反応が終了した後は、通常、アニオン交換樹脂をろ別し、さらにアクリル酸の除去操作を行うことができる。アクリル酸の除去操作は、アクリル酸の重合を防ぐため、酸素や空気を導入しながら減圧下で加温してアクリル酸を留出させることが好ましく、具体的には1〜100mmHgの減圧下で20〜100℃に加温して行うことが好ましい。また、アクリル酸の除去操作は、重合禁止剤を添加して行うことが好ましく、重合禁止剤の添加量は、グリセリンモノアクリレート量に対して、50〜3, 000ppm、好ましくは100〜1, 000ppmである。
本発明の製造方法によれば、グリシドールの重付加反応が抑制されるので、グリセリンモノアクリレートを高純度で得ることができる。したがって、このグリセリンモノアクリレートを用いて得られるポリマーは架橋によるゲル化が少なく安定性等の点で有用である。
各実施例および比較例にて示した生成物中のグリセリンモノアクリレートの含有量は、1H−NMR(日本電子社製、FT−NMR、400MHz、重溶媒:D2O)およびGC(島津製作所社製、GC−2014)にて求めた。
具体的には、1H−NMRでは、ケミカルシフト5.0−4.0ppmに検出されるグリセリンモノアクリレートのエステル部位の面積を基準とし、グリシドール重付加物由来の面積を求め、それぞれのプロトン比から百分率に換算した。
GCは総面積に対するグリセリンモノアクリレートのピーク面積の百分率を求めた。GCによる分析は以下の条件で行った。
装置:島津製作所社製、GC−2014、カラム:DB−5(長さ:30m、内径:0.25mmID、膜厚:0. 25μm)
温度:初期60℃、昇温速度10℃/分、240℃で12分間保持
検出:FID、インジェクションと検出器温度:250℃
サンプル濃度(0.1g/2mLアセトン溶液)、サンプル挿入量:1.0μL、スプリット:100/1
各実施例および比較例における反応開始時の反応液の水分は、カールフィッシャー水分計による水分分析で求めた。
また、アニオン交換樹脂、アクリル酸、およびグリシドールの各水分も同様に求めた。各実施例および比較例で使用した、対アニオンが水酸化物イオン型のアニオン交換樹脂(オルガノ社製、アンバーライトIRA900 OH AG)の水分は63. 8%であり、アクリル酸およびグリシドールの各水分はそれぞれ1. 0%であった。
50gのアニオン交換樹脂(オルガノ社製、アンバーライトIRA900 OH AG)にアクリル酸4. 34gを加えて10分間撹拌した溶液の酸価は、137mgKOH/gであった。アクリル酸の酸価(778mgKOH/g)から求めたアクリル酸の消費率は82.3%であり、アニオン交換樹脂50gに対するアクリル酸の当量は3. 57gであった。
アニオン交換樹脂の塩素分は、硝酸銀溶液を使用した電位差滴定にて求めた。具体的には、下記の処理例4で使用した、対アニオンが塩化物イオン型のアニオン交換樹脂(オルガノ社製、アンバーライトIRA904 Cl )50gを10%NaOH水溶液50gに12時間浸漬させ、溶出した塩素分を電位差滴定にて定量した。当該アニオン交換樹脂に含まれる塩素分は0. 72%であった。
300mLのビーカーに、対アニオンが水酸化物イオン型のアニオン交換樹脂50g(オルガノ社製、アンバーライトIRA900 OH AG)を入れ、50gのアクリル酸を加えて、30分間浸漬させた後、アニオン交換樹脂をろ別した。ろ別したアニオン交換樹脂に対し、同様の操作を5回行い、アクリル酸処理をしたアニオン交換樹脂を得た。この樹脂の水分は0. 7%であった。また上記の6回目の処理において使用したアクリル酸と回収したアクリル酸の酸価(それぞれ778mgKOH/gと777mgKOH/g)から求めた樹脂のアクリル酸処理率は99. 8%であった。
アクリル酸の浸漬処理回数を3回にした以外はアニオン交換樹脂の処理例1と同様の操作で処理を行った。この樹脂の水分は8%であった。また上記の3回目の処理において使用したアクリル酸と回収したアクリル酸(水分含量:9. 4%)の酸価(それぞれ778mgKOH/gと705mgKOH/g)から求めた樹脂のアクリル酸処理率は99. 8%であった。
対アニオンが水酸化物イオン型のアニオン交換樹脂50g(オルガノ社製、アンバーライトIRA900 OH AG)をアルミ製バットに入れ、60℃に設定した温風乾燥機内で3時間乾燥させた。このとき、樹脂の重量は63. 8%減少しており、水分が充分に除去できていることを確認した。
撹拌装置を備えた50mLのナス型フラスコに、上記の乾燥樹脂18. 1g(乾燥前で50g相当)とアクリル酸3. 57g(アニオン交換樹脂の官能基当量分)を加えて30分間撹拌することにより、アクリル酸処理をしたアニオン交換樹脂を得た。この樹脂の水分は4. 1%であり、アクリル酸処理率はアニオン交換樹脂の官能基当量分のアクリル酸を添加しているので、99. 9%以上である。
300mLのビーカーに、対アニオンが塩化物イオン型のアニオン交換樹脂50g(オルガノ社製、アンバーライトIRA904 Cl )を入れ、50gのアクリル酸を加えて、30分間浸漬させた後、アニオン交換樹脂をろ別した。ろ別したアニオン交換樹脂に対し、同様の操作を19回行い、アクリル酸処理をしたアニオン交換樹脂を得た。この樹脂の水分は0. 7%であった。また、塩素含有量は0. 44%であり、アクリル酸処理率は38. 9%であった。
撹拌装置を備えた50mLの3つ口フラスコに、アニオン交換樹脂の処理例1で処理したアニオン交換樹脂4. 20g(アニオン交換樹脂1. 45g、アクリル酸2. 75g)とアクリル酸3. 24gを入れ、撹拌してから、グリシドール1. 17gを入れ混合した。このときのモル比率はアニオン交換樹脂/アクリル酸/グリシドール=0. 25/5/1であり、反応液の水分は0. 9%であった。
オイルバスにて樹脂混合液を40℃に加熱し、25時間撹拌した後、アニオン交換樹脂をろ別した。ろ液にハイドロキノンモノメチルエーテル1mg、フェノチアジン1mgを加え、エアーバブリングを行いながら、40℃でアクリル酸を減圧留去することで、目的とするグリセリンモノアクリレートを主成分とする化合物を得た。化合物中のグリセリンモノアクリレートは1H−NMRで83. 9%、GCで86. 5%であった。
撹拌装置を備えた50mLの3つ口フラスコに、アニオン交換樹脂の処理例3で処理したアニオン交換樹脂1. 76gとアクリル酸5. 71gを入れ撹拌してから、グリシドール1. 17gを入れ混合した。このときのモル比率はアニオン交換樹脂/アクリル酸/グリシドール=0. 25/5/1であり、反応液の水分は2. 5%であった。
オイルバスにて樹脂混合液を40℃に加熱し、25時間撹拌した後、実施例1と同様の後処理を行うことで、目的とするグリセリンモノアクリレートを主成分とする化合物を得た。化合物中のグリセリンモノアクリレートは1H−NMRで82. 8%、GCで87.
2%であった。
アニオン交換樹脂の処理例3で処理したアニオン交換樹脂の代わりに、未処理のアニオン交換樹脂(オルガノ社製、アンバーライトIRA900 OH AG)4. 00gを用いた以外は、実施例2と同様の操作を行った。反応開始時の反応液の水分は24. 1%であった。得られた化合物中のグリセリンモノアクリレートは1H−NMRで19.8%、GCで21.6%であった。
アニオン交換樹脂の処理例2で処理したアニオン交換樹脂を用いた以外は、実施例1と同様の操作を行った。反応開始時の反応液の水分は4. 4%であった。得られた化合物中のグリセリンモノアクリレートは1H−NMRで55.1%、GCで60.1%であった。
アニオン交換樹脂の処理例4で処理したアニオン交換樹脂を用いた以外は、実施例1と同様の操作を行った。反応開始時の反応液の水分は0. 9%であった。得られた化合物中のグリセリンモノアクリレートは1H−NMRで32.7%、GCで35.6%であった。
比較例2では、対アニオンが水酸化物イオンであるアニオン交換樹脂をアクリル酸処理して得られたアニオン交換樹脂(処理例2)を用いているものの、反応開始時の反応液の水分が3%を超えているので、グリセリンモノアクリレートの純度はあまり高くなかった。
比較例3では、対アニオンが塩化物イオンであるアニオン交換樹脂をアクリル酸処理して得られたアニオン交換樹脂(処理例4)を用いているので、反応開始時の反応液の水分が3%以下であるにもかかわらず、グリセリンモノアクリレートの純度は低かった。
Claims (1)
- アクリル酸とグリシドールとを反応させてグリセリンモノアクリレートを製造するに際して、対アニオンが水酸化物イオンであるアニオン交換樹脂をアクリル酸処理して得られた触媒の存在下で反応を行ない、且つ、反応開始時の反応液の水分を3%以下とすることを特徴とするグリセリンモノアクリレートの製造方法。
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| US3340295A (en) * | 1963-12-23 | 1967-09-05 | Celanese Corp | Process of producing a monoester of an alkylene glycol moiety and a carboxylic acid |
| JP2002088019A (ja) * | 2000-09-08 | 2002-03-27 | Nippon Shokubai Co Ltd | (メタ)アクリル酸エステルの製造方法 |
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