JP2015517977A - アジピン酸からのカプロラクタムの生成 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はまた、Ru、Rh、Pt、Pd、Ir、およびOs、ならびにこれらの混合物の群から選択される少なくとも1つの金属を含む不均一性触媒並びに溶媒の存在下で、支持体上で、すなわち、アジピン酸基質およびアンモニアの反応を触媒してアミドを生成することができる、少なくとも1つの金属の非存在下で、アジピン酸基質、水素、およびアンモニアを反応させて、アジピン酸基質の少なくとも一部をカプロラクタム生成物に変換することによりカプロラクタム生成物を調製するプロセスも対象とし、アジピン酸基質は、式Iの化合物であり、カプロラクタム生成物は、式IIの化合物であり、
式中、各々のR1およびR2は独立して、ヒドロキシル、ORa、およびNH2であり、各Raは独立して、水素、アルキル、および塩を形成するイオンからなる群から選択される。
いくつかの実施形態において、不均一系触媒および溶媒の存在下で、アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、a)アジピン酸基質、アンモニア、不均一系触媒、および溶媒を組み合わせることと、b)組み合わせたアジピン酸基質、アンモニア、不均一系触媒、および溶媒を水素と接触させることと、を含む。
いくつかの実施形態において、不均一系触媒および溶媒の存在下で、アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、a)アジピン酸基質、アンモニア、および溶媒を組み合わせることと、b)組み合わせたアジピン酸基質、アンモニア、および溶媒を、不均一系触媒および水素と接触させることと、を含む。
いくつかの実施形態において、不均一系触媒および溶媒の存在下で、アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、a)室温〜約200℃の温度で、アジピン酸基質、アンモニア、溶媒、および不均一系触媒を組み合わせることと、b)組み合わせたアジピン酸基質、アンモニア、溶媒、および不均一系触媒を水素と接触させることと、を含む。
いくつかの実施形態において、不均一系触媒および溶媒の存在下で、アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、a)不均一系触媒を水素と接触させることと、b)アジピン酸基質、アンモニア、および溶媒を、水素と接触させた不均一系触媒に添加することと、を含む。
いくつかの実施形態において、不均一系触媒および溶媒の存在下で、アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、a)ほぼ室温〜約200℃の範囲内の温度で、不均一系触媒を溶媒と接触させることと、b)不均一系触媒および溶媒を、アジピン酸基質、アンモニア、および水素と接触させることと、を含む。
いくつかの実施形態において、不均一系触媒および溶媒の存在下で、アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、a)アジピン酸基質を水と接触させることと、b)アジピン酸基質および水を、溶媒、アンモニア、水素、および触媒と接触させることと、を含む。
いくつかの実施形態において、不均一系触媒および溶媒の存在下で、アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、a)アジピン酸基質を、水およびアンモニアと組み合わせることと、b)この組み合わせを、水素、溶媒、および触媒と接触させることと、を含む。
いくつかの実施形態において、アジピン酸基質は、炭水化物源に由来する。いくつかの実施形態において、アジピン酸基質は、アジピン酸、アジピン酸のモノエステル、アジピン酸のジエステル、アジピン酸のモノアミド、およびアジピン酸のジアミド、またはこれらの塩からなる群から選択される。
いくつかの実施形態において、不均一系触媒は、ルテニウムを含む。いくつかの実施形態において、不均一系触媒は、第1の金属および第2の金属を含み、第1の金属がRuであり、第2の金属が、Fe、Co、Ni、Cu、W、およびReからなる群から選択される。
いくつかの実施形態において、不均一系触媒の支持体は、チタニア、ジルコニア、およびこれらの混合物からなる群から選択される材料を含む。
いくつかの実施形態において、支持体は、チタニアを含む。
いくつかの実施形態において、溶媒は、水、アジピン酸基質と反応しないアルコール、エーテル、およびこれらの混合物の群から選択される。いくつかの実施形態において、溶媒は、tert−ブタノール、tert−ブタノール−水の混合物、およびtert−ブタノール−アンモニアの混合物からなる群から選択される。
いくつかの実施形態において、溶媒は、最大約30体積%の水を含む。
いくつかの実施形態において、溶媒は、最大約30体積%の水を含み、溶媒の体積は、反応物の液体の全体積の約80%以下である。
いくつかの実施形態において、第1の金属の第2の金属に対するモル比は、約100:1〜約1:10の範囲内である。
いくつかの実施形態において、溶媒は、アンモニアおよび水の溶液の最大約30体積%を構成する。
いくつかの実施形態において、アンモニアは、溶液または気体である。いくつかの実施形態において、反応は、約200psi〜約2000psiの範囲内の水素の分圧下で行われる。
いくつかの実施形態において、カプロラクタムは、アジピン酸基質から少なくとも約50%の収率で生成される。
いくつかの実施形態において、反応は、連続プロセスとして行われる。
いくつかの実施形態において、反応は、少なくとも1つの固定床反応器において行われる。
本発明はまた、上記のプロセスおよび/または実施形態のいずれかによって、少なくとも部分的に生成されたカプロラクタムを変換することによって、ナイロン6を生成するためのプロセスも対象とする。本発明はまた、上記のプロセスおよび/または実施形態のいずれかによって生成されたカプロラクタムも対象とする。
いくつかの実施形態において、少なくとも1つの金属は、Ruである。
いくつかの実施形態において、b)およびc)のうちの少なくとも1つを行うときに、Reもまた存在する。
いくつかの実施形態において、tert−ブタノールを含む溶媒は、a)、b)、およびc)のうちの少なくとも1つにおいて存在する。
いくつかの実施形態において、c)は、チタニアもしくはジルコニア、またはこれらの混合物のうちの少なくとも1つの存在下で行われる。
いくつかの実施形態において、支持体は、チタニアを含む。他の実施形態において、チタニアの少なくとも一部が、アナターゼ相にある。
アジピン酸は、様々な炭水化物含有源から得ることができ、これには、トウモロコシ穀粒(トウモロコシ)、サトウキビ、サトウダイコン、小麦、ジャガイモ、キャッサバ、および米等の従来の生物学的に再生可能な源、ならびにエネルギー作物、植物バイオマス、農業廃棄物、森林残渣、砂糖の加工残渣、および植物由来の家庭廃棄物等の代替源が含まれる。さらに一般的には、本発明に従って使用され得る生物学的に再生可能な源には、例えば、スイッチグラス、ススキ、木(広葉樹および針葉樹)、草木、および作物残渣(例えば、バガスおよびトウモロコシ茎葉)等の炭水化物の源を含む任意の再生可能な有機物が含まれる。他の源は、例えば、廃棄物(例えば、使用済みの紙、植物性廃棄物、都市廃棄物等)を含み得る。
出願者は、式Iのアジピン酸基質が、以下の全反応スキームに従って、カプロラクタム(式II)に変換され得ることを発見した。
式中、各々のR1およびR2が独立して、ヒドロキシル、ORa、およびNH2であり、各Raが独立して、水素、アルキル、および塩を形成するイオンからなる群から選択される。様々な好ましい実施形態において、R1およびR2はともに、ヒドロキシルである。
本明細書に記載されるプロセスによって形成されるカプロラクタムは、当技術分野において一般的に既知の手段によってポリアミドの調製のためにさらに使用され得る。具体的には、カプロラクタムは、ナイロン6の調製のためにさらに使用され得る。例えば、Kohan,Mestemacher,Pagilagan,Redmond,“Polyamides”in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry,Wiley−VCH,Weinheim,2005を参照のこと。
20mgの2.02% Ru/ST31119(TiO2)触媒(表面積=75m2/g)を、2.92mgのアジピン酸が入っている1.2mLのバイアルに分配した。このバイアルに、1,2−ジメトキシエタン中に10体積%のNH4OH水溶液(H2O中約15M NH3)を含有する0.2mLの溶媒混合物を添加した。バイアルを、圧力反応器に移し、次いで、密封し、窒素でパージし、室温で、900psigまで水素で加圧した。反応器を撹拌し、160℃まで180分間加熱した。180分後、反応器を室温まで冷却し、通気し、窒素でパージした後に、開封した。カプロラクタムの収率は、218nmにて紫外線検出を用いて、較正HPLC法を使用して測定された。。カプロラクタムの収率は、57.5%であった。
カプロラクタムは、使用した触媒が2.02% Ru/ST61120(TiO2)触媒であったことを除いて、上の実施例1に記載されるプロトコルを使用して、アジピン酸から生成された。カプロラクタムの収率は、53.6%であった。
カプロラクタムは、1,4−ジオキサンが1,2−ジメトキシエタンの代わりに使用されたことを除いて、上の実施例1に記載されるプロトコルを使用して、アジピン酸から生成された。カプロラクタムの収率は、49.7%であった。
支持されたRuおよび支持されたRu/M2触媒の調製
約20mgの粉末支持体を、1mLのガラスバイアルに分配し、続いて、適切に濃縮されたRu(NO)(NO3)3(Alfa Aesar)の水溶液を添加した。ルテニウム溶液の体積は、バイアルに計量された支持体の細孔容積と同等になるように対応させた。次いで、触媒混合物を、multi−tube vortexerを介して撹拌し、支持体を浸透させた。支持体は、ST31119およびST61120のTiO2であり、両方とも、MEL ChemicalsからのSaint Gobain(それぞれ、SA=103.2および130m2/g);表1および2を参照のこと)、およびジルコニアXZO1247であった。支持触媒を、乾燥空気パージ下で、60℃で一晩乾燥させた。
上述のように調製された触媒を、96ウェル反応器挿入部内の1mLのガラスバイアルに移した。各バイアルは、2.92mg(0.02mmol)のアジピン酸を含有した。アレイ内の選択バイアルに、tert−ブチルアルコール中10% v/vのNH4OH水溶液(H2O中約15M NH3)から構成される0.1または0.2mLの溶媒混合物を添加した。いくつかのバイアルはまた、添加剤(表3を参照)としてTiO2(ST31119、SA=103m2/g、Saint−Gobain)を受容した。これらのバイアルを、Teflonピンホールシート、シリコーンピンホールマット、および鋼鉄製ガス拡散プレートで覆った。この反応器挿入部を圧力容器に入れ、N2で3回パージした。次いで、それぞれの加圧ステップ後、通気させながら、圧力容器を、アンモニアガスで10psigになるまで2回装填した。最終的には、この反応器を、アンモニアガスで10psigになるまで装填し、振とう器上に500rpmで、周囲温度で15分間置いた。次いで、この反応器を、水素で825psigになるまで昇圧し、振とう器上に800rpmで置き、160℃まで加熱した。
選択性=[(CL+ACA)/(CL+ACA+HMI)]*100、
式中、
CL=カプロラクタムの収率、
ACA=アミノカプロン酸の収率、
HMI=ヘキサメチレンイミンの収率
特に、カプロラクタムがアジピン酸から生成されると考えられる経路に関して、本発明のプロセスにおけるTiO2およびZrO2の予想外の有益な効果を示すために、20mgの支持体および2.92mgのアジピン酸を、96ウェル反応器挿入部に入れた1mLのガラスバイアルに分配した。次に、0.2mLの、tert−BuOH中10% v/v NH4OH水溶液(H2O中約15M NH3)を含む溶媒混合物、またはtert−BuOH中10% v/v H2Oを含む溶媒混合物を添加した。このバイアルを、Teflonピンホールシート、シリコーンピンホールマット、および鋼鉄製ガス拡散プレートで覆った。この反応器挿入部を圧力容器内に設置し、N2で3回パージした。次いで、それぞれの加圧ステップ後、通気させながら、圧力容器を、10psigになるまでアンモニアガスで2回装填した。最終的には、この反応器を、アンモニアガスで10psigになるまで装填し、振とう器上に500rpmで、周囲温度で15分間置いた。次いで、この反応器を、水素で825psigになるまで昇圧し、振とう器上に800rpmで置き、規定の時間(30または120分間)160℃まで加熱した。
Claims (36)
- カプロラクタム生成物を調製するためのプロセスであって、アジピン酸基質をカプロラクタム生成物に化学触媒的に変換することを含み、前記アジピン酸基質を前記カプロラクタム生成物に化学触媒的に変換する前記ステップが、不均一系触媒およびtert−ブタノールを含む溶媒の存在下で、前記アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることを含む、プロセス。
- カプロラクタム生成物を調製するためのプロセスであって、
Ru、Rh、Pt、Pd、Ir、およびOs、ならびにこれらの混合物の群から選択される少なくとも1つの金属を含む不均一性触媒並びに溶媒の存在下で、支持体上で、すなわち、前記アジピン酸基質およびアンモニアの前記反応を触媒してアミドを生成することができる、前記少なくとも1つの金属の非存在下で、アジピン酸基質、水素、およびアンモニアを反応させて、前記アジピン酸基質の少なくとも一部を前記カプロラクタム生成物に変換する、前記アジピン酸基質が式Iの化合物であり、前記カプロラクタム生成物が式IIの化合物であり、
式中、各々のR1およびR2が独立して、ヒドロキシル、ORa、およびNH2であり、
各Raが独立して、水素、アルキル、および塩を形成するイオンからなる群から選択される、プロセス。 - 前記不均一系触媒および溶媒の存在下で、前記アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、
a)前記アジピン酸基質、前記アンモニア、前記不均一系触媒、および溶媒を組み合わせることと、
b)前記組み合わせたアジピン酸基質、アンモニア、不均一系触媒、および溶媒を水素と接触させることと、を含む、請求項1または2に記載のプロセス。 - 前記不均一系触媒および溶媒の存在下で、前記アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、
a)前記アジピン酸基質、アンモニア、および溶媒を組み合わせることと、
b)前記組み合わせたアジピン酸基質、アンモニア、および溶媒を、不均一系触媒および水素と接触させることと、を含む、請求項1または2に記載のプロセス。 - 前記不均一系触媒および溶媒の存在下で、前記アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、
a)室温〜約200℃の温度で、前記アジピン酸基質、アンモニア、溶媒、および不均一系触媒を合わせることと、
b)前記組み合わせたアジピン酸基質、アンモニア、溶媒、および不均一系触媒を水素と接触させることと、を含む、請求項1または2に記載のプロセス。 - 前記不均一系触媒および溶媒の存在下で、前記アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、
a)前記不均一系触媒を水素と接触させることと、
b)前記アジピン酸基質、前記アンモニア、および前記溶媒を、水素と接触させた前記不均一系触媒に添加することと、を含む、請求項1または2に記載のプロセス。 - 前記不均一系触媒および溶媒の存在下で、前記アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、
a)ほぼ室温〜約200℃の範囲の温度で、前記不均一系触媒を溶媒と接触させることと、
b)前記不均一系触媒および溶媒を、前記アジピン酸基質、アンモニア、および水素と接触させることと、を含む、請求項1または2に記載のプロセス。 - 前記不均一系触媒および溶媒の存在下で、前記アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、
a)前記アジピン酸基質を水と接触させることと、
b)前記アジピン酸基質および水を、溶媒、アンモニア、水素、および触媒と接触させることと、を含む、請求項1または2に記載のプロセス。 - 前記不均一系触媒および溶媒の存在下で、前記アジピン酸基質を水素およびアンモニアと反応させることが、
a)前記アジピン酸基質を、水およびアンモニアと組み合わせることと、
b)前記組み合わせを、水素、溶媒、および前記触媒と接触させることと、を含む、請求項1または2に記載のプロセス。 - 前記アジピン酸基質が、炭水化物源に由来する、請求項1〜9のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記アジピン酸基質が、アジピン酸、アジピン酸のモノエステル、アジピン酸のジエステル、アジピン酸のモノアミド、およびアジピン酸のジアミド、またはこれらの塩からなる群から選択される、請求項1および3〜10のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記不均一系触媒が、ルテニウムを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記不均一系触媒が、第1の金属および第2の金属を含み、前記第1の金属がRuであり、前記第2の金属が、Fe、Co、Ni、Cu、W、およびReからなる群から選択される、請求項1〜12のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記不均一系触媒の前記支持体が、チタニア、ジルコニア、およびこれらの混合物からなる群から選択される材料を含む、請求項1〜13のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記支持体が、チタニアを含む、請求項14に記載のプロセス。
- 前記溶媒が、水、前記アジピン酸基質と反応しないアルコール、エーテル、およびこれらの混合物の群から選択される、請求項2〜15に記載のプロセス。
- 前記溶媒が、tert−ブタノール、tert−ブタノール−水の混合物、およびtert−ブタノール−アンモニアの混合物からなる群から選択される、請求項16に記載のプロセス。
- 前記溶媒が、最大約30体積%の水を含む、請求項1〜17のいずれかに記載のプロセス。
- 前記溶媒が、最大約30体積%の水を含み、前記溶媒の体積が、a)またはb)のいずれかで液体の全体積の約80%以下である、請求項3〜9のいずれかに記載のプロセス。
- 第1の金属の第2の金属に対するモル比が、約100:1〜約1:10の範囲内である、請求項13に記載のプロセス。
- 前記溶媒が、アンモニアおよび水の溶液の最大約30体積%を構成する、請求項1〜17および19のいずれかに記載のプロセス。
- 前記アンモニアが、溶液または気体である、請求項1〜16および18〜20のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記反応が、約200psi〜約2000psiの範囲内の水素の分圧下で行われる、請求項1〜22のいずれか一項に記載のプロセス。
- カプロラクタムが、前記アジピン酸基質から少なくとも約50%の収率で生成される、請求項1〜23のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記反応が、連続プロセスとして行われる、請求項1〜24のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記反応が、少なくとも1つの固定床反応器において行われる、請求項1〜25のいずれか一項に記載のプロセス。
- ナイロン6を生成するためのプロセスであって、
請求項1〜26のいずれか一項に記載のプロセスから少なくとも一部分において生成されたカプロラクタムを、ナイロン6に変換することを含む、プロセス。 - 請求項1〜26のいずれか一項に記載のプロセスによって生成される、カプロラクタム。
- アジピン酸からカプロラクタムを生成するためのプロセスであって、
a)チタニア、ジルコニア、またはこれらの混合物を含む金属酸化物の存在下で、前記アジピン酸の少なくとも一部分を、6−アミノ−6−オキソヘキサン酸およびアジパミドの群から選択される少なくとも1つのアミドに変換するステップと、
b)前記少なくとも1つのアミドを、アミノカプロン酸およびアミノカプロアミドのうちの少なくとも1つに還元するステップと、
c)上のb)から生成された前記アミノカプロン酸および/またはアミノカプロアミドの少なくとも一部を、カプロラクタムに環化するステップと、を含み、上のb)およびc)のうちの少なくとも1つが、Ru、Pt、Pd、Rh、Ir、およびOsの群から選択される少なくとも1つの金属の存在下で行われる、プロセス。 - 前記少なくとも1つの金属が、Ruである、請求項29に記載のプロセス。
- b)およびc)のうちの少なくとも1つを行うときに、Reもまた存在する、請求項30に記載のプロセス。
- tert−ブタノールを含む溶媒が、a)、b)、およびc)のうちの少なくとも1つにおいて存在する、請求項30または31に記載のプロセス。
- c)が、チタニアもしくはジルコニア、またはこれらの混合物のうちの少なくとも1つの存在下で行われる、請求項29〜32のいずれかに記載のプロセス。
- チタニアまたはジルコニアのうちの少なくとも1つを含む支持体上にルテニウムおよびレニウムを含むカプロラクタムの生成物のために有用な触媒。
- 前記支持体が、チタニアを含む、請求項34に記載の触媒。
- 前記チタニアの少なくとも一部が、アナターゼ相にある、請求項35に記載の触媒。
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