JP4479871B2

JP4479871B2 - カプロラクタムの製造法

Info

Publication number: JP4479871B2
Application number: JP2000508654A
Authority: JP
Inventors: フクス，エーバーハルト; フリック，クレーメンス
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2018-08-21
Also published as: US6218535B1; EP1015425B1; ES2181276T3; CN1177820C; DE19738463C2; DE59804919D1; MY120160A; CN1269789A; BR9811432A; DE19738463A1; AU9436398A; WO1999011614A1; ID23663A; KR100545610B1; CA2302440A1; EP1015425A1; TW434226B; AR017040A1; KR20010023545A; JP2001514250A

Description

【０００１】
本発明は、アミノカルボニトリルを水と触媒の存在下で反応させることにより環式ラクタムを製造する新規な方法に関する。
【０００２】
Ｏ．Ｚ．００５０／４４４５８（ＷＯ９５／１４６６５）には、反応条件下で溶解する成分を含まない触媒の存在下、固定床反応器において、液相中、アミノカルボニトリルを水と反応させることにより環式ラクタムを製造する方法が記載されている。上記触媒は、多数の酸化物、セレン化合物、テルル化合物及び燐酸塩を含むことができ、例えば対応する化合物の粉末を押出すことにより得られる。
【０００３】
この方法により環式ラクタムが得られることは事実であるが、特に、短い滞留時間での選択率及び収率は完全に満足できるものではない。このような短い滞留時間は、時空収量を高くでき、その結果反応器の小型化を可能にする。
【０００４】
従って、本発明の目的は、上述した欠点の無い反応条件下で、溶解する成分を含まない触媒の存在下、固定床反応器において、液相中、アミノカルボニトリルを水と反応させることにより環式ラクタムを製造する方法を提供することにある。
【０００５】
本発明者等は、上記触媒が、酸化物を成形体に付形し、そしてこの付形の前又は後に、この酸化物が僅かに溶解する酸を酸化物に対して０．１〜３０質量％用いて酸化物を処理することにより得られる成形体から成る場合、前記目的が本発明により達成されることを見出した。
【０００６】
本発明の方法に対する好ましい態様は、サブクレームに示されている。
【０００７】
本発明の方法で使用される出発材料は、アミノカルボニトリルであり、以下の一般式Ｉ
【０００８】
【化２】

［但し、ｎ及びｍが、それぞれ０、１、２、３、４、５、６、７、８又は９を表し、ｎとｍの合計が少なくとも３、好ましくは少なくとも４である］
で表されるアミノカルボニトリルが好ましい。
【０００９】
Ｒ¹及びＲ²は、概して、どんな種類の置換基であっても良い。これは、置換基が、所望の環化反応に影響を与えないことを単に必要としているだけである。Ｒ¹及びＲ²は、それぞれ独立してＣ₁〜Ｃ₆アルキル、Ｃ₅〜Ｃ₇シクロアルキル又はＣ₆〜Ｃ₁₂アリールを表すことが好ましい。
【００１０】
出発化合物は、以下の一般式
【００１１】
【化３】

［但し、ｍが３、４、５又は６、特に５を表す］
で表されるアミノカルボニトリルが特に好ましい。ｍが５である場合、出発化合物は６−アミノカプロニトリルである。
【００１２】
本発明の方法において、上述のアミノカルボニトリルを、水と均一触媒を用いて液相中で反応させて環式ラクタムを形成する。式Ｉで表されるアミノカルボニトリルを用いることにより、式ＩＩ
【００１３】
【化４】

［但し、ｎ、ｍ、Ｒ¹及びＲ²が、それぞれ上記と同義である］
で表される対応する環式ラクタムが得られる。ｎが０、ｍが４、５又は６、特に５であるラクタムが特に好ましい（カプロラクタムは後者の場合（ｍ＝５）に得られる）。
【００１４】
反応は、液相中、一般に１４０〜３２０℃、好ましくは１６０〜２８０℃で行われ；圧力は、一般に１〜２５０バール、好ましくは５〜１５０バールの範囲内であり、且つ反応混合物は、用いられる条件下で通常液体であることが必要とされている。一般に、滞留時間は１〜１２０分、好ましくは１〜９０分、特に１〜６０分の範囲内である。場合により、滞留時間が１〜１０分でも、十分足りることが分かっている。
【００１５】
アミノカルボニトリル１モル当たりに使用される水の量は、一般に少なくとも０．０１モル、好ましくは０．１〜２０モル、特に１〜５モルの範囲内である。
【００１６】
アミノカルボニトリルを、１〜５０質量％濃度、特に５〜５０質量％濃度、特に好ましくは５〜３０質量％濃度の水溶液（この場合、溶剤も反応材料である）、又は水／溶剤混合物の溶液で有利に使用する。用いることができる溶剤の例としては、アルカノール（例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｉ−ブタノール及びｔ−ブタノール）、ポリオール（例えば、ジエチレングリコール及びテトラエチレングリコール）、炭化水素（例えば、石油エーテル、ベンゼン、トルエン、キシレン）、ラクタム（例えば、ピロリドン、カプロラクタム）、アルキル置換ラクタム（例えば、Ｎ−メチルピロリドン、Ｎ−メチルカプロラクタム、Ｎ−エチルカプロラクタム）であり、さらにカルボン酸エステル（好ましくは、炭素原子が１〜８個のカルボン酸）である。アンモニアが反応中に存在していても良い。有機溶剤の混合物も用いることができる。水とアルカノールの混合物（水／アルカノール質量比が、１−７５／２５−９９、好ましくは１−５０／５０−９９である）も、場合により有利であることが見出された。
【００１７】
アミノカルボニトリルを溶剤並びに反応材料として用いることも同様に可能である。
【００１８】
触媒活性酸化物として、例えば酸性、両性又は塩基性酸化物、好ましくは酸化アルミニウム（例えば、α−又はγ−アルミナ）、酸化錫、酸化亜鉛、酸化セリウム、特に二酸化チタン、アナターゼ又はルチルのような無定形、さらにこれらの混合物及び混合相を用いることができる。
【００１９】
前述の化合物は、周期表１〜７主族、特に２、３若しくは４主族の化合物、周期表１〜７遷移族の化合物、鉄族元素の化合物、又はランタノイド若しくはアクチノイドの化合物、及びこれらの混合物でドープ処理されていても良く、或いは含んでいても良い。
【００２０】
必要により、これら触媒は、それぞれ５０質量％までの銅、錫、亜鉛、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、パラジウム、白金、銀又はロジウムを含んでいても良い。
【００２１】
これら触媒活性酸化物は、例えば対応する有機物、アルコキシド、塩を有機酸又は無機酸で加水分解し、次いで加熱又はか焼することにより、慣用法で製造することができ、また特に発熱性の二酸化チタンである場合有利であり、そして一般的には市販されている。
【００２２】
本発明によれば、付形の前又は後に、酸化物を酸で処理する。好適な酸としては、有機酸（例えば、酢酸、蓚酸、プロピオン酸、酪酸、マレイン酸）又は無機酸（例えば、イソポリ酸、ヘテロポリ酸、硫酸、塩酸）を挙げることができる。特に好適な触媒は、酢酸、蟻酸、硝酸、特に燐酸又はポリ燐酸で処理することにより得られる。
【００２３】
酸の混合物を用いることも可能である。
【００２４】
上記処理は、一段階又は多段階で、連続的に又はバッチ式で行うことができる。それぞれの段階で、同一の酸、異なる酸、又は同一若しくは異なる酸の混合物を用いて処理を行うことができる。
【００２５】
同様に、付形の前又は後に、上記酸化物を上述の形態の酸で処理することができる。
【００２６】
付形に前に、上記酸化物を酸で処理することが好ましい。
【００２７】
本発明で用いられる酸の量は純粋な酸としてみなして、発熱性二酸化チタンに対して０．１〜３０質量％、好ましくは０．１〜１０質量％、特に０．１〜５質量％である。この酸は、液体の稀釈剤（例えば、水）と混合することができる。
【００２８】
触媒は、添加剤を用いずに酸化物から製造することができる。例えば二酸化チタンゾル、用いられる酸化剤の塩、可溶性のチタン塩化合物、加水分解可能なチタン化合物（例えば、チタンアルコキシド）又はアルミニウム塩等の結合剤、例えばメチルセルロース、炭素繊維、並びに有機ポリマー、メラミン及びデンプン粉末の各繊維等の細孔形成体等の添加剤を、好ましくは付形の前に添加することも同様に可能である。
【００２９】
成形体としては、例えばボール、タブレット、円筒形、中空円筒形、ペレット、チップ又はストランド等の各種形状を挙げることができる。このような成形体を、適当な付形機（例えば、タブレット成形機、押出機、回転造粒機、ペレット製造機又はこれらを組み合わせたもの）を用いて慣用法により製造することができる。
【００３０】
成形用材料を、必要により酸で処理した後、特に２０〜１２０℃、好ましくは不活性ガス雰囲気下又は空気中で乾燥し、次いで特に４００〜７５０℃、好ましくは不活性ガス雰囲気下又は空気中でか焼することが有利である。
【００３１】
均一触媒を固定床に配置する。反応を、慣用法、例えば反応混合物を触媒層と接触させて順流法又は好ましくは逆流法で、特に連続的に起こすことができる。
【００３２】
本発明の方法の利点は、高い処理能力にて、高収率及び高選択性で、並びに短い滞留時間で、簡易な方法により連続的に環化を行える点にある。これまでの研究から、使用される触媒の寿命が長くなるので、触媒消費量が大幅に低下する。
【００３３】
実施例１：発熱性二酸化チタン押出物の製造（蟻酸）
８３５０ｇの、ルチル／アナターゼ比が８０／２０の発熱性二酸化チタン粉末を、４７ｇの８５％濃度蟻酸及び３７５０ｇの水と３時間混練し、その後７０バールの成形圧力下で、４ｍｍの押出物に成形した。この押出物を１２０℃で１６時間乾燥し、次いで５００℃で３時間か焼した。
【００３４】
押出物の解析：
密度９８９ｇ／Ｌ（リットル）
水分率０．３１ｍｌ／ｇ
切断硬度２５Ｎ
表面積３７ｍ²／ｇ
【００３５】
実施例２：発熱性二酸化チタン押出物の製造（燐酸）
１９５０ｇの沈殿二酸化チタン粉末（アナターゼ）を、６０ｇの濃燐酸及び９００ｇの水と３時間混練し、次いで７０バールの成形圧力下で、１．５ｍｍの押出物に成形した。この押出物を１２０℃で６時間乾燥し、次いで３５０℃で５時間か焼した。
【００３６】
押出物の解析：
密度７２２ｇ／Ｌ
水分率０．４６ｍｌ／ｇ
表面積２０４ｍ²／ｇ
【００３７】
実施例３：沈殿二酸化チタン押出物の製造（硝酸）
１１０００ｇの沈殿二酸化チタン粉末（アナターゼ）を、４２０ｇの濃硝酸及び３６５０ｇの水と２時間混練し、次いで７０バールの成形圧力下で、３ｍｍの押出物に成形した。この押出物を１２０℃で６時間乾燥し、次いで３２０℃で２時間、そして３５０℃でさらに３時間か焼した。
【００３８】
押出物の解析：
密度９１９ｇ／Ｌ
水分率０．３２ｍｌ／ｇ
切断硬度２５Ｎ
表面積１０５ｍ²／ｇ
【００３９】
実施例４〜１６：６−アミノカプロニトリルのカプロラクタムへの転化
６−アミノカプロニトリル（ＡＣＮ）の水溶液及びエタノール溶液（質量比は表に記載）を、容量が２５ｍｌの、表に列挙された顆粒状の触媒１〜４で充填された加熱管状反応器（直径６ｍｍ；長さ８００ｍｍ）に給送した。反応器より排出された生成物流を、ガスクロマトグラフィーにより解析した。結果を実施例として表に列挙した。
【００４０】
カプロラクタムに加えて、上記生成物流は、主としてε−アミノカプロン酸エチル及びε−アミノカプロアミドを含んでいる。これら両方とも同様に環化してカプロラクタムを形成することができる。さらに上記生成物流は、分解してカプロラクタムモノマーを形成することができる、５〜８％のカプロラクタムオリゴマーを含んでいる。
【００４１】
【表１】

【００４２】
触媒１〜４を、実施例１〜３の触媒と同様に製造する：
触媒１：沈殿二酸化チタンを、３％の燐酸を用いて３ｍｍの押出物として押出し、次いで大きさが１．０〜１．５ｍｍの顆粒に磨砕したもの
触媒２：沈殿二酸化チタンを、３％の燐酸を用いて３ｍｍの押出物として押出したもの
触媒３：発熱性二酸化チタンを、３％の燐酸を用いて４ｍｍの押出物として押出し、次いで大きさが１．６〜２．０ｍｍの顆粒に磨砕したもの
触媒４：発熱性二酸化チタンを、０．５％の蟻酸を用いて４ｍｍの押出物として押出し、次いで大きさが１．６〜２．０ｍｍの顆粒に磨砕したもの

Claims

触媒の存在下、固定床反応器において、液相中、アミノカルボニトリルを水と反応させることによって環式ラクタムを製造する方法であって、上記触媒が、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化セリウム及びこれらの混合物から選択される触媒活性酸化物を含み、且つ上記酸化物を成形体に付形し、そしてこの付形の前又は後に、燐酸、ポリ燐酸、硝酸、酢酸及び蟻酸から選択される酸を酸化物に対して０．１〜３０質量％用いて酸化物を処理することにより得ることができる成形体から成ることを特徴とする製造方法。
上記反応を、１４０〜３２０℃の範囲内の温度で行う請求項１に記載の方法。
使用されるアミノカルボニトリルは、下式

［但し、ｍが３、４、５又は６を表す］
で表される請求項１又は２に記載の方法。
アミノカルボニトリルとして、６−アミノカプロニトリルを使用する請求項３に記載の方法。
上記アミノカルボニトリルを、１〜５０質量％濃度の水溶液又は水／有機溶剤混合物の溶液で使用する請求項１〜４のいずれかに記載の方法。