JP5163921B2

JP5163921B2 - エポキシ化合物の製造方法

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Publication number: JP5163921B2
Application number: JP2006054479A
Authority: JP
Inventors: 理規小林; 勝彦田原
Original assignee: Arakawa Chemical Industries Ltd
Current assignee: Arakawa Chemical Industries Ltd
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2026-03-01
Also published as: JP2007230908A

Description

本発明は、エポキシ化合物の製造法に関する。

オレフィンを酸化してエポキシ化合物を得る方法としては、例えば酸化剤として重金属化合物や、硝酸、ｍ−クロロ過安息香酸等を用いて行う方法の他、工業的には過酢酸や過蟻酸等の酸化剤を用いる方法が一般的に行われている。

しかし、硝酸や過酢酸などを用いた反応は危険を伴う為、実際の製造を行う際には特殊な設備が必要となる。また、これらの酸化剤は酸化力が強く、例えば、同一分子内に不飽和二重結合と水酸基が存在する不飽和アルコールの不飽和二重結合部分のみを酸化してエポキシアルコールを得ようとしても、水酸基が酸化されてケトンやカルボン酸が生じてしまうため、反応の選択性が低いという問題があった。

そこで、酸化剤として有効酸素濃度が高く、取り扱い性に優れた過酸化水素を用いて酸化を行う方法が提案されている。例えば、石井らは、触媒としてペルオキソモリブデン錯体を用い、クロロホルムを溶媒に用いた均一系にてエポキシアルコールを製造する方法を提案している（非特許文献１参照）。しかし、当該反応は、液相均一反応系であるため、反応終了後に触媒と生成物を分離しなければならなかった。

また、触媒と生成物の分離を容易にする方法として、結晶性ゼオライト触媒の一つであるチタノシリケートを触媒に用い、過酸化水素を酸化剤として炭素数４〜６の不飽和アルコールを酸化し、対応するエポキシアルコールを合成する方法が提案されている（特許文献１参照）。しかし、単純に不飽和アルコールと、過酸化水素と、結晶性チタノシリケート触媒を加熱、混合するだけでは反応そのものの進行が遅く、対応するエポキシアルコールの収率が極めて低いという欠点がある。

石井ら、「トリス（セチルピリジニウム）１２−モリブドホスフェートおよび過酸化水素から誘導されるペルオキソ−モリブデナムコンプレックスによるオレフィンおよびアルコールの酸化」、ジャーナルオブオーガニックケミストリー（Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．）、１９８７年、５２巻、１８６８−７０頁特開平５−１１２５５０号公報

本発明は、高収率、高選択的かつ安全にエポキシ化合物を連続的に製造する方法を提供することを目的とする。

発明者は、鋭意研究を重ねた結果、酸化触媒を充填したマイクロリアクターを用いることにより、前記課題を解決することができることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、一般式（１）：Ｈ _２Ｃ＝ＣＨ−Ｘ−ＯＨ（式中、Ｘは炭化水素基をあらわす。）で表されるオレフィン化合物と過酸化水素を混合した後、酸化触媒が充填されたマイクロリアクターを通過させて、エポキシ化することを特徴とするエポキシ化合物の製造方法に関する。

本発明のエポキシ化合物の製造法を用いることにより、高収率、高選択的かつ安全に目的のエポキシ化合物を得ることができる。また、本発明によれば、酸化剤として過酸化水素を用いるため、副反応が生じにくく、例えば、不飽和アルコールからエポキシアルコールを容易に製造することができる。

本発明のエポキシ化合物の製造方法は、オレフィン化合物と過酸化水素を混合した後、酸化触媒を含むマイクロリアクターを通過させて、エポキシ化することを特徴とする。

本発明に用いられるオレフィン化合物とは、一般式（１）：Ｈ_２Ｃ＝ＣＨ−Ｘ−ＯＨ（式中、Ｘは炭化水素基を表す。）で示される不飽和アルコール類である。

前記一般式（１）で示される不飽和アルコール類としては、炭素数２以上で、かつ分子内に二重結合を少なくとも１つ有するアルコール類であれば特に限定されず公知のものを用いることができる。なお、一般式（１）のＸは、炭化水素基であるが、当該炭化水素基としては、炭素数１以上のものであれば特に限定なく使用することができる。また、炭素数１以上の炭化水素基は、分岐構造や、さらに不飽和二重結合や環状構造、アシル基、カルボキシル基、アルコキシ基、アミノ基、シアノ基などの官能基を有するものであっても良い。具体的には、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ｎ−ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基、ヘプチレン基、オクチレン基、ノニレン基、１，４−シクロヘキシレン基、１，２−シクロヘキシレン基、１，３−シクロペンチレン基、１，４−シクロオクチレン基、１，４−シクロヘキサンジメチレン基、イソプロピレン基、イソブチレン基、ｓｅｃ−ブチレン基、ｔｅｒｔ−ブチレン基などのアルキレン基、フェニレン基、ビフェニレン基などが挙げられる。一般式（１）で表される不飽和アルコールとしては、具体的には、例えば、アリルアルコール、３−ブテン−１−オール、２−ブテン−１−オール、４−ペンテン−１−オール、３−ペンテン−１−オール、２−ペンテン−１−オール、５−ヘキセン−１−オール、４−ヘキセン−１−オール、３−ヘキセン−１−オール、２−ヘキセン−１−オール、６−ヘプテン−１−オール、５−ヘプテン−１−オール、４−ヘプテン−１−オール、３−ヘプテン−１−オール、３−ヘプテン−１−オール、２−ヘプテン−１−オール、７−オクテン−１−オール、６−オクテン−１−オール、５−オクテン−１−オール、４−オクテン−１−オール、３−オクテン−１−オール、２−オクテン−１−オールなどの一級アルコール、３−ブテン−２−オール、４−ペンテン−２−オール、４−ペンテン−３−オール、３−ペンテン−２−オール、５−ヘキセン−２−オール、５−ヘキセン−３−オール、４−ヘキセン−２−オール、４−ヘキセン−３−オール、３−ヘキセン−２−オール、６−ヘプテン−２−オール、６−ヘプテン−３−オール、６−ヘプテン−４−オール、５−ヘプテン−２−オール、５−ヘプテン−３−オール、５−ヘプテン−４−オール、４−ヘプテン−２−オール、４−ヘプテン−３−オール、７−オクテン−２−オール、７−オクテン−３−オール、７−オクテン−４−オール、６−オクテン−２−オール、６−オクテン−３−オール、６−オクテン−４−オール、５−オクテン−２−オール、５−オクテン−３−オール、４−オクテン−２−オールなどの二級アルコール、３−プロペン−１，１−ジメチル−１−オール、４−ブテン−１，１−ジメチル−１−オール、３−ブテン−１，１−ジメチル−１−オール、４−ヘプテン−１，１−ジメチル−１−オール、４−ヘプテン−１，１−ジメチル−１−オール、３−ヘプテン−１，１−ジメチル−１−オール、２−ヘプテン−１，１−ジメチル−１−オールなどの三級アルコールが挙げられる。

本発明には酸化剤として過酸化水素を用いるが、過酸化水素は原液のまま用いてもよく、過酸化水素水として用いてもよい。過酸化水素水として用いる場合には、濃度は特に限定されないが、低濃度では効率が悪く必要量が増加し、高濃度では取り扱いが難しくなるため、通常は５〜９０％程度、好ましくは５〜８０％の過酸化水素水として用いればよい。

本発明に用いられる、酸化触媒としては、特に限定されず、公知の酸化触媒を用いることができる。具体的には、例えば、ゼオライト触媒、担体担持ポリオキソメタレート、担体担持金属化合物、金属酸化物、担体担持金属酸化物などが挙げられる。

ゼオライトとしては、特に限定されず、公知のものを使用することができる。具体的には、例えば、アルミノシリケート、Ｆｅ−シリケート、Ｍｎ−シリケート、Ｂ−シリケート、Ｓｎ−シリケート、結晶性チタノシリケートなどが挙げられる。結晶性チタノシリケートとは、ゼオライト構造を有する結晶性シリカの結晶格子を形成するケイ素の一部を、チタンで置換することにより得られるゼオライト類似化合物であり、通常、一般式（２）：ｘＴｉＯ_２・（１−ｘ）ＳｉＯ_２（式中、ｘは０．０００５〜０．０４をあらわす。）で表されるものであり、ｘは０．０１〜０．０２５とすることが好ましい。結晶性チタノシリケートとしては、例えば、ＴＳ−１型チタノシリケートなどが挙げられる。

ＴＳ−１型チタノシリケートは、例えば、代表的な合成ゼオライトであるＺＳＭ−５と同様の構造を有し、酸素１０員環を有するシリカライト−１の骨格のシリカの一部をチタンで置換したものであり、ゼオライト系物質の骨格にＴｉ原子を導入することにより、１個のＴｉ原子が孤立した状態で無機単体と複合化されてなるものである。

当該結晶性チタノシリケートは、公知の方法によって合成することができ、例えば、特開昭５６−９６７２０号公報に開示された方法で合成することができる。具体的には、チタニウムのアルコキシドとシリコンのアルコキシドを混合し、これにテトラプロピルアンモニウム塩を添加し、加水分解を行い、得られた混合物からエタノールを除去し、蒸留水を加えた後、オートクレーブ内にて加熱・熟成して沈殿物を得、当該沈殿物を洗浄、乾燥、焼成すればよい。なお、結晶性チタノシリケート触媒は、市販のものをそのまま使用してもよい。市販品としては、例えば、「Ｔｉ−シリケート」（エヌ・イーケムキャット（株）製）などが挙げられる。

結晶性チタノシリケートに含まれるチタン量は、シリカ／チタニア比（モル比）が５〜２００程度となるようにすることが好ましく、より好ましくは５〜１００である。シリカ／チタニア比が５以上とすることによりエポキシ化反応が進行しやすくなるため好ましい。なお、結晶性チタノシリケートに含まれる成分はチタンのみに限定されるものではなく、チタン以外にも、必要に応じてホウ素、アルミニウム、リン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ガリウム、ジルコニウム等から選択される元素を一種類以上含んでいてもよい。

このようにして調製した結晶性チタノシリケート触媒は、そのまま触媒として使用することができるが、成型して使用することもできる。成型する場合には、必要に応じてバインダーを用いてよい。この場合、バインダーの種類に特に制限は無く、例えばシリカ、アルミナ、およびこれらの混合物等を用いることができる。

担体担持ポリオキソメタレートとしては、特に限定されず公知のものを用いることができる。具体的には、例えば、タングステンポリオキソメタレート等の金属錯体を担体に担持したものなどが挙げられる。金属錯体としては、特に限定されず公知のものを使用することができる。具体的には、一般式［ＳｉＭ_１０Ｏ_３６］^ｑ−や［ＳｉＭ_９Ｏ_３４］^ｑ−（Ｍはタングステン、バナジウム、モリブデン、およびニオブからなる群より選ばれる少なくとも一種であり、ｑは正の整数を示す。）で表される錯体アニオンを有する塩、具体的にはヘテロポリタングステート塩、ヘテロポリバナデート塩などが挙げられる。担体としては、特に限定されず、公知のものを用いることができる。具体的には、例えば、シリカ、チタニア、アルミナ、ハイドロキシアパタイト等の無機固体、ポリイミド微粒子、ポリウレタン微粒子等の有機高分子微粒子などを用いることができる。担体としては天然物、合成物いずれも使用可能であり、反応基質であるオレフィン化合物に合わせて、任意の粒子径に調製したものを適宜用いればよい。なお、金属錯体を担体に担持する方法としては、特に限定されず、公知の担持方法を用いることができる。

担体担持金属触媒としては、担体に金属化合物を担持した触媒であれば特に限定されず公知のものを使用することができる。担体としては、例えば、シリカ、チタニア、アルミナ、ハイドロキシアパタイト等の無機固体、ポリイミド微粒子、ポリウレタン微粒子などの有機高分子、ケイ藻土などを用いることができる。担体に担持される金属としては、例えば、タングステン、クロム、モリブデン、コバルト、パラジウム、白金、銅、銀、スズ、バナジウム、カルシウム、バリウム、チタン、鉄、オスミウム、ジルコニウム、ルテニウムなどが挙げられ、具体的には、例えば、Ｐｄ−アルミナ、Ｐｄ−活性炭、Ｐｄ−シリカ、例えばＰｔ−アルミナ、Ｐｔ−活性炭、Ｐｔ−シリカ、Ｒｕ−アルミナ、Ｒｕ−活性炭、Ｒｕ−シリカなどが挙げられ、これらの少なくとも１種を含有し、不均一な反応系を構成する化合物が使用される。

また、金属酸化物としては、具体的には、例えば、Ｖ_２Ｏ_５、ＭｏＯ_３、ＣｒＯ_３などを挙げることができる。

また、担体担持金属化合物としては、Ｖ_２Ｏ_５−Ｋ_２ＳＯ_４−ＳｉＯ_２、Ａｇ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃などを挙げることができる。

これらの酸化触媒は、それぞれ単独、あるいは２種以上を併用することができ、マイクロリアクターに充填するために、微粉末状、顆粒状として用いることが好ましい。なお、ここでいう微粉末とは、平均粒子径が１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下の粉末のことを指し、顆粒とは微粉末を圧縮成型等によって粒状にしたものを指す。

本発明においては、オレフィン化合物と過酸化水素を混合した後、当該混合物を、酸化触媒を含むマイクロリアクターに通過させて酸化させるため、あらかじめ、オレフィン化合物と過酸化水素を混合する必要がある。なお、オレフィン化合物を溶液として反応させる場合に用いる溶媒としては、原料のオレフィン化合物を均質に溶解し、かつオレフィン化合物と反応しないものが好ましく、また、エポキシ化反応に影響を及ぼさず、かつ、反応生成物であるエポキシ化合物と反応しない溶媒が選択される。溶媒としては、一種をそのまま使用してもよいし、２種以上を混合して前記条件を満たすような溶媒としてもよい。具体的には、例えば、水や、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール等のアルコール類、アセトニトリル等のシアン化物、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、エチレングリコール等のグリコール類、酢酸、プロピオン酸等のカルボン酸類等およびこれらの混合物を例示することができ、特にアセトニトリルを用いることが、エポキシ化反応に影響を及ぼさず、かつ取り扱いが容易であるという点から好ましい。

オレフィン化合物と過酸化水素の混合は、特に限定されず、公知の方法によれば良いが、マイクロミキサーを用いて混合することにより、混合効率が向上して、反応の進行が速くなるため好ましい。なお、本発明において、マイクロミキサーとは、２以上の流入路および１以上の流出路並びに該２以上の流入路が合流する空間を有するものであって、合流空間につながる流入路の口径が、０．０１〜１００μｍ程度であるものをいう。なお、マイクロミキサーの形状等については特に制限はなく、公知のものを使用でき、Ｔ字型ミキサーやＹ字型ミキサーなどいかなる形状のものを用いてもよい。

なお、オレフィン化合物と過酸化水素の使用量比率は、特に限定されず、所望のエポキシ化合物が得られる量の過酸化水素を用いればよい。具体的には、通常オレフィン化合物に対してモル比で１０〜２，０００％程度、好ましくは５０〜１，０００％である。

本発明において、マイクロリアクターとは、化学反応を行うために使用される小型の３次元構造体であり、微細流路を有する微小反応器を意味し、かかる微小反応器であれば特に限定はないが、通常マイクロリアクターの流路の直径は１０μｍ以上１，０００μｍ以下とすることが好ましい。マイクロリアクターは、通常、管状であり、管の内部に、前記酸化触媒を充填する必要がある。触媒の充填方法としては、特に限定されず、公知の方法によれば良い。具体的には、例えば、フィルターを取り付けたマイクロリアクターの一端から、溶媒とともに触媒を送液し、充填すればよく、また、あらかじめ成型した触媒を用いる場合は、溶媒を用いずに、直接マイクロリアクター内に触媒を充填しても良い。マイクロリアクターに触媒を充填する際に用いる溶媒としては特に制限されることは無く、水、炭化水素溶媒、芳香族炭化水素溶媒、アルコール類、ケトン類など、一般的な有機溶媒を用いることができる。例えば、炭化水素の例としてはヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、アセトニトリル等が挙げられ、芳香族炭化水素溶媒の例としてはベンゼン、トルエン、キシレン、テトラリン等が挙げられる。また、アルコール類の例としてはメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ｔｅｒｔ−ブタノール等、ケトン類としてはアセトン、シクロヘキサノン、メチルエチルケトン等が挙げられ、これらはそれぞれ単独、あるいは２種以上混合して用いることができる。

本発明の方法では、反応原料であるオレフィン化合物と、酸化剤である過酸化水素を混合してマイクロリアクターに送液し、マイクロリアクター内でエポキシ化反応を行う。反応温度は、特に限定されないが、通常、室温〜１５０℃程度、好ましくは室温〜１００℃で行えばよい。反応系を加熱する場合には、例えばマイクロリアクター本体に直接リボンヒーターを巻き付ける等の方法を採用すればよく、また、マイクロリアクター本体を所定の温度に設定したウォーターバスやオイルバス中に浸す方法を採用してもよい。

また、オレフィン化合物と、過酸化水素の混合物をマイクロリアクターに供給する際の送液方法についても特に限定されず公知の方法を採用できる。具体的には、例えば、液体クロマトグラフィー用の送液ポンプや、シリンジポンプ等、一定の流量で送液できるものを採用することができる。

オレフィン化合物と過酸化水素の混合物をマイクロリアクターに供給する際の送液速度については、特に限定されないが、送液速度が速すぎると、反応混合物のマイクロリアクター内での滞留時間が短すぎて反応が十分に進行しない恐れがあり、逆に低すぎると反応混合物のマイクロリアクター内での滞留時間が長すぎて副反応を生じ、エポキシ化合物の選択率が低下する恐れがある。具体的には、例えば内径が１，０００μm、長さ２５０mm程度のリアクターの場合には滞留時間１秒〜６０分程度、好ましくは１分〜３０分程度となるように流速を調整すれば良い。

このようにして得られた反応物は、蒸留、再結晶等の公知の精製方法により精製され、目的とするエポキシ化合物が得られる。

以下、実施例によって本発明を更に詳述するが、本発明はこれによって何等制限を受けるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものとする。また、以下の本文中、「％」は特に説明がない場合は「重量％」を示す。
反応混合物をガスクロマトグラフィー（ガラスクロマトグラフィー機種；ＨＥＷＲＥＴＴＰＡＣＨＡＲＤ５８９０ＳＥＲＩＥＳ II、カラム；ＤＢ−５（ジーエルサイエンス（株）製））分析することによって全体の反応率と選択率を求めた。

実施例１
内径が１ｍｍ、長さが２５０ｍｍのステンレスチューブ型のマイクロリアクターにインラインフィルターを取り付け、ＴＳ−１型チタノシリケート触媒（エヌ・イーケムキャット（株）製、Ｓｉ／Ｔｉモル比は５０、粒子径０．２〜０．３μｍ）０．０７４ｇを、アセトニトリルに分散させて充填した。マイクロリアクターは垂直に設置し、下部にステンレス製チューブを接続し、さらに液体クロマトグラフィー用の送液ポンプを接続した。上部にはナフロン（登録商標）製チューブ（ナフロンＰＦＡ−ＨＧチューブ）を取り付け、ここから反応混合物を取り出すようにした。また、マイクロリアクター本体にはリボンヒーターを巻き付けて、加熱できるようにした。
ビーカー中に、反応基質である７−オクテン−１−オールと、反応基質に対してモル比で１００％の過酸化水素を含む量の３１％過酸化水素水を加え、反応基質濃度が１０％となるようにアセトニトリルを添加した。これを、マグネチックスターラーを用いて十分に攪拌混合し、反応溶液を調製した。
上記反応溶液を、液体クロマトグラフィー用送液ポンプを用い、送液速度０．０１ｍｌ／分で送液した。マイクロリアクター内での滞留時間は２０分であった。エポキシ化反応を促進するべく５０℃に加熱し、合計６時間送液を継続した。反応結果を表１に示す。

実施例２
反応に用いた酸化触媒を、ＭＦＩ型チタノシリケート触媒（エヌ・イーケムキャット（株）製、Ｓｉ／Ｔｉのモル比が５０、平均粒子径は１μｍ）とし、反応溶液中の基質濃度を２６％に、溶媒をエタノールに変更した以外は、実施例１と同様に実施した。反応結果を表１に示す。

比較例１
攪拌機を備えた加圧反応容器に、反応基質である７−オクテン−１−オールと、反応基質に対してモル比で１００％の過酸化水素を含む量の３１％過酸化水素水を加え、基質濃度が１０％となるようにアセトニトリルを仕込んだ。ここに、基質対比１２．９％のＴＳ−１型チタノシリケート触媒（エヌ・イーケムキャット（株）製、Ｓｉ／Ｔｉモル比は５０、粒子径０．２〜０．３μｍ）を加え、５０℃にて２０分間反応させた。反応終了後、触媒をろ過分離した。結果を表１に示す。

比較例２
反応に用いた酸化触媒をＭＦＩ型チタノシリケート触媒（エヌ・イーケムキャット（株）製、Ｓｉ／Ｔｉのモル比が５０、平均粒子径は１μｍ）に、基質濃度を２６％に、溶媒をエタノールに、さらに反応時間を３時間に変更した以外は、比較例１と同様に実施した。

マイクロリアクターを用いたエポキシ化反応では、実施例１のＴＳ−１触媒を用いた場合、滞留時間２０分で反応率が１５％程度を示しているのに対し、マイクロリアクターを用いなかった比較例１の場合、同一反応時間での反応率は５％程度であった。また、結晶性チタノシリケート触媒を用いた場合、加圧反応容器中で反応させた比較例２の場合は３時間反応させても反応率が４％程度であるのに対し、実施例２のマイクロリアクター中でのフロー反応では、わずか２０分でほぼ同程度の反応率を示した。これらのことから、実施例１および２で示したマイクロリアクター中でのエポキシ化反応の方が、単位時間あたりの反応率が向上していることが明らかである。

実施例に用いた反応装置の概略図である。

符号の説明

Ｐ送液ポンプ
Ｒマイクロリアクター
Ｔ原料混合物貯蔵槽

Claims

一般式（１）：Ｈ _２Ｃ＝ＣＨ−Ｘ−ＯＨ（式中、Ｘは炭化水素基をあらわす。）で表されるオレフィン化合物と過酸化水素を混合した後、酸化触媒が充填されたマイクロリアクターを通過させて、エポキシ化することを特徴とするエポキシ化合物の製造方法。
オレフィン化合物と過酸化水素の混合を、マイクロミキサーを用いて行う請求項１に記載の方法。
酸化触媒が、ゼオライト触媒、担体担持タングステンポリオキソメタレート、担体担持金属化合物、金属酸化物および担体担持金属酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種である請求項１または２に記載の方法。
担体担持金属化合物、金属酸化物、担体担持金属酸化物がタングステン、クロム、モリブデン、コバルト、パラジウム、白金、銅、銀、スズ、バナジウム、カルシウム、バリウム、チタン、鉄、オスミウム、ジルコニウムおよびルテニウムからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
ゼオライト触媒が、一般式（２）：ｘＴｉＯ _２・（１−ｘ）ＳｉＯ _２（式中、ｘは０．０００５〜０．０４をあらわす。）で表されるチタノシリケート触媒であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
一般式（２）：ｘＴｉＯ _２・（１−ｘ）ＳｉＯ _２のｘが０．０１〜０．０２５の範囲である請求項５に記載の方法。
一般式（２）：ｘＴｉＯ _２・（１−ｘ）ＳｉＯ _２で表されるチタノシリケート触媒がＴＳ−１型チタノシリケート触媒である請求項５または６に記載の方法。
マイクロリアクターの流路の直径が１０μｍ以上１，０００μｍ以下である請求項１〜７のいずれかに記載の方法。