JP2009537476A - Ｎ−エチル−２−ピロリドン（ｎｅｐ）の連続製造法 - Google Patents

Abstract

γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）とモノエチルアミン（ＭＥＡ）とを液相中で反応させることによりＮ−エチル−２−ピロリドン（ＮＥＰ）を連続的に製造するあたり、ＧＢＬ及びＭＥＡを１：１．０８〜１：２の範囲内のモル比で使用し、かつ前記反応を、３２０〜４２０℃の範囲内の温度及び７０〜１２０barの範囲内の絶対圧で実施する、Ｎ−エチル−２−ピロリドン（ＮＥＰ）の連続製造法。

Description

本発明は、γ−ブチロラクトンとモノエチルアミンとを液相中で反応させることによるＮ−エチル−２−ピロリドン（ＮＥＰ）の連続製造法に関する。

ＮＥＰは特定の有利な性質のために、化学工業にとって重要で多面的な溶剤及び反応媒体である。
ＮＥＰのとりわけ好都合な毒性学的性質に基づいて、これは有利に他の溶剤を置換することができる；国際公開(WO-A)第05/090447号（BASF AG）参照。

特許(JP-B)第74 020 585号公報（Mitsubishi Chem. Ind. Ltd.）には、水の存在で２００〜３００℃でのＧＢＬ及び第一級アルキルアミンからのピロリドン類の製造が記載されている。

特許(JP-B)第47 021 420号公報（Mitsubishi Chemical Inds）は同様に、水の存在でのＧＢＬ及び第一級アルキルアミンからのピロリドン類の製造に関する。

特開(JP-A)2001 002638号公報（Tonen Kagaku KK）には、蒸留塔の下部で液体の滞留時間及び温度を適合させることによる純ピロリドン類の製造が開示されている。

特開(JP-A)2001 354646号公報（Mitsubishi Chem. Corp.）には、ＧＢＬ及びＮＨ₃、第一級アミン、第二級アミン及び／又は第三級アミンから製造されるピロリドン組成物が記載されている。

米国特許(US)第4,885,371号明細書（GAF Chemicals Corp.）は、触媒量の水素化ホウ素の存在でのＮ−アルキルラクタムの、相応するラクトン及びアルキルアミンからの製造に関する。

欧州特許出願公開(EP-A)第1 004 577号明細書（Mitsubishi Chem. Corp.）には、ＧＢＬ又は４−ヒドロキシ酪酸とアルキルアミン混合物との反応によるＮ−アルキル−２−ピロリドンの製造が教示されており、その際にアルキルアミン混合物中で第一級アミンの含量は≦８５質量％である。

欧州特許出願公開(EP-A)第1 201 652号明細書（Dairen Chem. Corp.）には、結晶質アルミノケイ酸塩ゼオライト触媒及び水の存在でのラクトンからのラクタムの製造方法が記載されている。

本発明によれば、技術水準からはとりわけ次の欠点が生じることがわかった：
ａ）ＮＥＰの低い空時収率、
ｂ）合成におけるより大量の水の使用、これはとりわけＮＥＰの低い空時収率と、出発物質の予熱及び反応排出物の後処理のための高いエネルギーコストとをまねく、及び
ｃ）ＧＢＬを基準として大モル過剰量のモノエチルアミン、これは反応排出物の後処理及び未反応モノエチルアミンの回収の際の高い技術的費用、ひいては高い投資コスト及びエネルギーコストを必要とする。

本発明の基礎となる課題は、技術水準の１つ又はそれ以上の欠点を克服しつつ、高い収率及び空時収率（ＲＺＡ）及び高い品質（例えば純度＞９９．５質量％、ＡＰＨＡ色数≦２０、ＧＢＬ残存含量＜０．０５質量％）でＮＥＰの改良された選択的製造法を見出すことであった。

それに応じて、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）とモノエチルアミン（ＭＥＡ）とを液相中で反応させることによるＮ−エチル−２−ピロリドン（ＮＥＰ）の連続製造法が見出され、前記方法は、ＧＢＬ及びＭＥＡを１：１．０８〜１：２の範囲内のモル比で使用し、かつ前記反応を３２０〜４２０℃の範囲内の温度及び７０〜１２０barの範囲内の絶対圧で実施することにより特徴付けられている。

好ましくは、本発明による反応は、３３０〜４１０℃の範囲内の温度で、特に３４０〜３８０℃の範囲内の温度で、極めて殊に３４５〜３７０℃の範囲内、例えば３５０〜３６６℃の範囲内の温度で、実施される。

本発明による反応は、好ましくは７０〜１１０barの範囲内の絶対圧で、特に８０〜１１０barの範囲内の絶対圧、極めて殊に８０〜１０５barの範囲内、例えば９０〜１００barの範囲内の絶対圧で実施される。

供給原料であるＧＢＬ：モノエチルアミンのモル比は、本発明による方法において好ましくは１：（１．０１〜２．０）、さらに好ましくは１：（１．０２〜１．５）、特に１：（１．０３〜１．３）、極めて殊に１：（１．０４〜１．２）、極めて殊に好ましくは１：（１．０４〜１．１５）、例えば１：１．１４である。

供給原料混合物は反応器入口で、水を好ましくは４０質量％未満、例えば１５質量％未満、特に１０質量％未満、極めて特に５質量％未満、殊に１質量％未満、例えば０〜０．９質量％含有する。特に好ましい一実施態様において、供給原料混合物は水を含有しない。

本発明による方法は、例えば次のように実施されることができる：
反応器として、直立したスリムな高圧管が好ましくは利用され、これには好ましくはバイパス(Umgang)を有する熱交換器の後方に、圧力調節器を介して制御される減圧弁が設けられている。フィード流は、好ましくは反応器排出物により予熱されるので、反応器中で発熱により本発明による反応温度は調節されることができる。反応器中には、好ましくは複数のシーブトレイが、逆混合の防止及び栓流のより良好な確立（いわば撹拌釜カスケード）のために組み込まれている。シーブトレイの数は、例えば１０〜４０、好ましくは２０〜３０であってよい。

ＭＥＡは、好ましくは水溶液中で、例えば６０〜８０質量％溶液として、特に≦４０質量％の、殊に≦３１質量％の、極めて特に≦２８．５質量％の溶液として使用され、その際に好ましくは水は前記反応器への供給前に、好ましくは蒸留により、分離される。

ＭＥＡは、好ましくは≧９０質量％、特に≧９８質量％、極めて殊に≧９９．８質量％の純度（水不含で計算）で、及び使用される。

好ましくは液状のモノエチルアミンは、場合により後処理（下記参照）から回収されたモノエチルアミンと混合されて、ポンプ、例えば膜ポンプを用いて、好ましくは伝熱式熱交換器Ｗを経て及び好ましくは例えば蒸気で操作されるヒーターを経て、反応器、好ましくは管形反応器の下端へポンプ輸送される（好ましい昇流運転方式(Sumpffahrweise)）。

ＧＢＬは、ポンプ、例えば膜ポンプを用いて、好ましくは例えば蒸気で操作されるヒーターを経て、同様に反応器、好ましくは管形反応器の下端へ送られ、その際に供給原料の混合が行われ、かつ供給原料ＧＢＬ及びモノエチルアミンは前記の本発明によるモル比で存在する。

液状のモノエチルアミン及びＧＢＬは、特に好ましい一実施態様において、管形反応器に反応器底部の中央で２流体インゼクターにより別個に供給される。ＧＢＬはこの場合に高い流量（好ましくは４〜１２m/s）で、中央ノズルを経て導通されるのに対し、液状のモノエチルアミンはこのノズルの外側で環状ギャップを経て反応器へ達する。出発物質は、この場合に駆動ジェットとして循環管中へ導通され、この循環管は反応器の入口領域内に存在し、自由管断面積の約３分の１を包囲し、かつ好ましくは１．５〜２．０mの長さを有する。循環管の外側で行われ、かつ駆動ジェットにより維持される液体の再循環は、前記の本発明によるモル比での反応相手の強力な初期の接触をもたらす。

前記反応器中で、前記の温度及び圧力下に、ＧＢＬとモノエチルアミンとを液相中で発熱反応で連続的に反応させてＮＥＰが得られる。

前記反応は、好ましくは触媒の不在で実施される。

反応器負荷は、好ましくは、０．５〜２kg ＧＢＬ/(l_反応器・h)、特に１．０〜１．５kg ＧＢＬ/(l_反応器・h)の範囲内である。

反応器中での、もしくは複数の反応器が使用される場合（さらに下記参照）の全ての反応器中での反応混合物の平均滞留時間は、標準温度（２０℃）でのＧＢＬ及びモノエチルアミン（液状）の密度で計算して、負荷に応じて好ましくは１０〜６０分、好ましくは１５〜３０分である。

反応器粗排出物中のＮＥＰの空時収率は、好ましくは≧０．５kg ＮＥＰ/(h・l_反応器)、特に≧１kg ＮＥＰ/(h・l_反応器)、さらに特に１〜３kg ＮＥＰ/(h・l_反応器)、極めて特に１．１〜２．５kg ＮＥＰ/(h・l_反応器)、例えば２kg ＮＥＰ/(h・l_反応器)である。

（l_反応器=反応器容積［単位：リットル］、複数の反応器の場合に全反応器容積［単位：リットル］）。

得られる反応生成物は、前記反応器から好ましくは連続的にフィードとして蒸留塔Ｋ１中へ放圧され、その際に好ましくは反応器排出物は、まず最初にエチルアミンの加熱のために完全にか又は部分的に伝熱式熱交換器Ｗ（上記参照）を経て導通され、かつその際に冷却される。

塔Ｋ１のフィードに、前もって蒸留塔Ｋ２の塔頂留出物（主成分：ＮＥＰ、下記参照）が、Ｋ２の塔頂留出物中に含まれているＮＥＰの回収のために混合されることができる。

蒸留塔Ｋ１中で、例えば４０〜２４０℃及び１〜２barで、依然として存在しているモノエチルアミン及び水が留去される。エネルギー供給は、循環蒸発器を用いて行われることができる。前記留出物は、好ましくは１５〜３０質量％の、特に１５〜２５質量％の、例えば約２０質量％のモノエチルアミン水溶液である。前記溶液から、公知の方法を用いて無水モノエチルアミンが回収されることができる。

好ましくは、依然として存在しているモノエチルアミン及び水の留去は、この蒸留段階において金属Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｂａ又はＣａの水酸化物０．０５〜１質量％、特に０．０５〜０．２質量％、極めて特に０．０８〜０．１５質量％の存在で（この蒸留段階のフィード中のＮＥＰの量をその都度基準として）、行われる。

特に好ましくは、ＭＥＡ／水混合物の留去は、この蒸留段階において、カセイソーダ液としてポンプを用いて塔Ｋ１のフィード中へ計量供給されるＮａＯＨの存在で行われる。例えば、ここでは２５％カセイソーダ水溶液は、ＮａＯＨの濃度が０．０５〜０．２質量％、特に０．０８〜０．１５質量％（この蒸留段階のフィードにおけるＮＥＰの量をその都度基準として）であるように、使用される。

本発明によれば、この特別な方法態様により反応生成物中に含まれている酸性成分（これらは装置中での腐食問題を引き起こしうる）及び場合により残りの痕跡量の未反応ＧＢＬが結合される（ＧＢＬはγ−ヒドロキシ酪酸の相応する金属塩に転化する）ので、最終的に特に純粋なＮＥＰが得られることがわかった。

引き続き、好ましい一操作方式において、缶出液は塔Ｋ１から取り出され、場合により冷却され、かつポンプを用いてＮＥＰを精製蒸留するための塔Ｋ２へ搬送される。塔Ｋ２中で、純ＮＥＰは液状の側部抜出しとして取得される。底部温度は、０．０１〜０．０２barで通例１００〜１４０℃である。（ＮＥＰの沸点：２１２℃／１．０１３bar）。熱供給は、ここでも循環蒸発器を用いて行われることができる。ＮＥＰに加えてＭＥＡ及び水も含有する塔頂留出物は、塔Ｋ１（上記参照）に及び／又は反応器入口に返送されることができる。

塔Ｋ１の塔頂留出物は、好ましくは塔Ｋ３に供給され、この塔中で留出物中に含まれているモノエチルアミンは、前記合成において新たに使用するために回収される。
塔Ｋ３中で、好ましくはモノエチルアミン溶液の脱水も行われ、その後に、得られたＭＥＡは新鮮な出発物質として前記プロセスへ達する。

本発明による方法によれば、ＮＥＰは蒸留後に＞９６％、特に≧９７．５％、極めて殊に≧９８％の収率で得られる。

ＧＢＬの転化率は、好ましくは＞９９％、特に≧９９．５％、極めて殊に≧９９．９％である。

選択率は（ＧＢＬを基準として）、好ましくは＞９６％、例えば＞９７％、特に≧９８％、極めて殊に≧９９％である。

本発明により得られるＮＥＰは蒸留後に高い品質を有する：
純度は、好ましくは＞９９質量％、特に≧９９．５質量％、極めて殊に≧９９．８質量％である。

ＧＢＬの含量は、好ましくは≦０．０５質量％、特に≦０．０２質量％、例えば０〜０．０１質量％であり、
モノエチルアミンの含量は、好ましくは≦１０００ppm、さらに好ましくは≦８００ppm、特に≦１００ppm、さらに特に≦５０ppm、殊に≦２０ppm、例えば０〜１５ppm；（質量部をその都度基準としたppmの値）である。

本発明により得られるＮＥＰのDIN ISO 6271によるＡＰＨＡ色数は、好ましくは≦２０、特に≦１０であり、かつ例えば特に２〜８の範囲内である。

本発明による方法は、１つの装置（管形反応器）中でも、例えば独国特許出願公開(DE-A)第17 95 007号明細書の刊行物に記載されているように、実施されることができ、前記刊行物はこの参照によりに明らかに本明細書の開示に含まれる。

本発明による方法は、好ましくは一段階で、すなわち１つの反応器中で実施され、この反応器はまた装置技術的な理由から２つ又はそれ以上の装置（反応器）へ分割されていてよく、その際にこれらの各反応器中で、圧力及び温度に関して本発明による条件が支配する。

本発明による方法の選択的な一態様において、複数の反応器、特に管形反応器（例えば２又は３つの反応器、その都度前記のように）が昇流運転方式で直列接続されることもでき、その際にこれらの反応器の１つの反応器中で少なくとも、好ましくはこれらの反応器の最後の反応器中で、圧力及び温度に関して本発明による反応条件が支配する。

複数の反応器のそのような直列接続の一例は、国際公開(WO-A)第99/52867号の刊行物（そこではプロセススキーム、反応器番号５、９及び１３及び詳細な説明参照）に見出され、前記刊行物はこの参照により明らかに本明細書の開示に含まれる。

ＮＥＰ合成を、以下に記載された条件下に連続的な操作方式で、上記の方法コンセプトに大体相当する製造設備中で実施し、すなわち出発物質ＧＢＬ及びＭＥＡを、１つの伝熱式熱交換器並びに蒸気加熱された２つの熱交換器中で予熱し、かつ前記合成に供給した。合成に後接続された塔中で、過剰のエチルアミンだけでなく、プロセスに供給された水も分離し、かつプロセスから排出した。第二番目の塔中で、残留物の分離及び生成物の精製蒸留を行った。一番目の塔中で分離されたエチルアミンの後処理及び再利用を放棄した。

反応器を昇流運転方式で単流(geraden Durchgang)で操作した。供給原料であるモノエチルアミン（ＭＥＡ）及びＧＢＬを予熱し、かつポンプを用いて反応器入口へ搬送し、そこで双方の流れの混合を行った。供給原料の全含水量は１４質量％であった。

反応を、操作試験の間に次の条件で実施した：
試験番号１：
温度：３４７〜３５５℃
圧力：９０bar
負荷：０．６kg ＧＢＬ/(l_反応器・h)
ＭＥＡ：ＧＢＬのモル比 １．０４
試験番号２：
温度：３５３〜３６６℃
圧力：９６bar
負荷：１．２kg ＧＢＬ/(l_反応器・h)
ＭＥＡ：ＧＢＬのモル比 １．１４。

反応器負荷［反応器容積１リットル及び１時間あたりのＧＢＬ kg］。

次の表中に、前記製造設備中で取得された生成物流の組成が記載されている。

表：ＧＣ分析

ＧＣ条件：DB-1 ３０m、温度プログラム：入口温度８０℃、加熱速度４℃/分、最終温度２５０℃。Ｈ₂Ｏ残存含量は考慮されていない。
*) Ｍ−ＮＥＰ＝メチル−Ｎ−エチル−２−ピロリドン。

使用されたＧＢＬを基準とした粗排出物中のＮＥＰ収率は、＞９９％であった。

反応器粗排出物中のＮＥＰの空時収率は、０．６４kg ＮＥＰ/(h・l_反応器)（試験１）もしくは１．３５kg ＮＥＰ/(h・l_反応器)（試験２）であった。

Claims (20)

1. γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）とモノエチルアミン（ＭＥＡ）とを液相中で反応させることによりＮ−エチル−２−ピロリドン（ＮＥＰ）を連続的に製造するにあたり、
   ＧＢＬ及びＭＥＡを１：１．０８〜１：２の範囲内のモル比で使用し、かつ前記反応を、３２０〜４２０℃の範囲内の温度及び７０〜１２０barの範囲内の絶対圧で実施する
   ことを特徴とする、Ｎ−エチル−２−ピロリドン（ＮＥＰ）の連続製造法。
2. 反応を３４０〜４１０℃の範囲内の温度で実施する、請求項１記載の方法。
3. 反応を８０〜１１０barの範囲内の絶対圧で実施する、請求項１から２までのいずれか１項記載の方法。
4. ＧＢＬ及びＭＥＡを１：１．０８〜１：１．５の範囲内のモル比で使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 反応を一段階で実施する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 反応を、直立した管形反応器中で実施する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 反応を昇流運転方式(Sumpffahrweise)で実施する、請求項６記載の方法。
8. モノエチルアミン及びＧＢＬを、管形反応器に反応器底部中で２流体インゼクターにより別個に供給する、請求項６又は７記載の方法。
9. 反応を触媒の不在で実施する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 供給原料混合物が水１５質量％未満を含有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. ＭＥＡを水溶液中で使用し、かつ水を反応器への供給前に蒸留により分離する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. ≧９０質量％の純度（水不含で計算）のＭＥＡを使用する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 反応後に、反応生成物からまず最初に水及びモノエチルアミン（ＭＥＡ）及び最後にＮ−エチル−２−ピロリドンを留去する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 留去されたＭＥＡをＧＢＬとの反応へ返送する、請求項１３記載の方法。
15. 反応後に、反応生成物から、水及びモノエチルアミンを金属Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｂａ又はＣａの水酸化物の存在で、特にＮａＯＨの存在で、留去する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. Ｎ−エチル−２−ピロリドンを蒸留塔中で液状の側部抜出しとして取得する、請求項１から１５までのいずれか１項記載の方法。
17. ＞９７％の選択率を有するＮ−エチル−２−ピロリドンを製造する、請求項１から１６までのいずれか１項記載の方法。
18. ≧９９．５質量％の純度を有するＮ−エチル−２−ピロリドンを製造する、請求項１から１７までのいずれか１項記載の方法。
19. ≦２０のＡＰＨＡ色数を有するＮ−エチル−２−ピロリドンを製造する、請求項１から１８までのいずれか１項記載の方法。
20. ≧１kgＮＥＰ/(h・l_反応器)の空時収率を有するＮ−エチル−２−ピロリドンを製造する、請求項１から１９までのいずれか１項記載の方法。