JP3738032B2 - ブチンジオールからブテンジオールへの選択的水素添加のための方法 - Google Patents

Description

ブテン−２−ジオール（１，４）（以下、“ブテンジオール”）は、久しい以前から、レッペ合成によって大規模工業的に入手されているブチン−２−ジオール（１，４）（以下、“ブチンジオール”）から、工業的規模で製造されている。これは、若干の重要な植物保護剤、医薬品および中間生成物のために必要とされている。この場合、生成物損失を回避しなければならないし、かつ水素添加されていないブチンジオールおよび過剰水素添加によって発生したブタンジオールの留去は大規模工業的な費用をかけてのみ可能であるので、できるだけ純粋な水素添加生成物を得ることが極めて重要である。
ブチンジオールからブテンジオールへの接触水素添加は、通常、懸濁液触媒を用いて非連続的に実施される。この場合、３０〜１５０℃の温度および１〜２０バールの圧力で、水素は、ブチンジオール溶液および触媒を有する撹拌容器の中に供給される。化学量論的水素量の収容後に、反応は終了する。触媒、殊にパラジウム触媒には、多数の提案がなされており、かつ一部は、工業的に実現化されてもいる。
十分な選択性の達成のためには、キノリン添加されたＰｄ／ＢａＳＯ₄触媒（ドイツ連邦共和国特許第１１１５２３８号明細書）または一酸化炭素添加されたＰｄ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒（ドイツ連邦共和国特許第２６１９６６０号明細書）または酢酸銅添加されたＰｄ／Ｃｕ触媒もしくはＰｄ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒（英国特許第８３２１４１号明細書）が提案された。
しかしながら、可溶性の添加剤は、取り扱いが煩雑であり、かつ後加工の際に支障となる。ドイツ連邦共和国特許第２６１９６６０号明細書中に記載されているようにＣＯ供給は、付加的な技術的費用を必要とし、従って同様に回避されなければならない。
良好な結果は、各特許明細書によれば、以下の触媒を用いても達成された：
５％Ｐｄ／ＢａＳＯ₄ドイツ連邦共和国特許第２６０５２４１号明細書
酢酸鉛でドーピングした５％Ｐｄ／Ａｌ₂Ｏ₃ドイツ連邦共和国特許第２８１８２６０号明細書
硝酸銅添加を伴う５％Ｐｄ／ＢａＳＯ₄旧東ドイツ特許第２４６９８６号明細書
高百分率の触媒（５％Ｐｄ）の使用にもかかわらず、前記の水素添加には、長い水素添加時間が必要であった。
ドイツ連邦共和国特許第２４３１９２９号明細書には、亜鉛、カドミウム、ビスマスおよびテルルによってドーピングされたＡｌ₂Ｏ₃上の０．５％Ｐｄを有する触媒が記載されている。この触媒は、良好な選択性によって顕著であるが、しかし、発癌性成分もしくは毒性成分を含有しているという欠点がある。
予備精製なしに選択的水素添加で使用しなければならない粗製ブチンジオールの使用は、特に困難である。約５のｐＨ値を有する前記材料は、メタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸およびプロパルギルアルコールを含有している。更に、例えばブチン合成からのＣｕおよびＢｉのような触媒成分ももたらしている。また、銅の添加（旧東ドイツ特許第２４６９８６号明細書を参照のこと）並びにビスマスの添加（ドイツ連邦共和国特許第２４３１９２９号明細書を参照のこと）が水素添加に影響を及ぼすことは知られているにもかかわらず、触媒については前記の原料成分に対する十分な耐性も必要とされている。
多くの公知技術水準にもかかわらず、ブチンジオールの選択的水素添加の方法およびこのために使用可能な触媒を更に改善しようという要請がある。この場合には、殊に個々にかまたは組み合わせて本発明が解決しようと意図する以下の課題もしくは部分的な課題がある：
１．触媒の製造の際には、毒性物質または発癌性物質、例えばテルル化合物またはカドミウム化合物を使用してはならない。
２．殊に過剰水素添加およびアセタール形成による生成物損失を最少にするために、できるだけ高い選択性が達成されなければならない。
３．変換すべきブチンジオール量に対して、触媒使用量を少なくするために、高い触媒活性が達成されなければならない。
４．触媒の問題のない取り扱い、殊に良好な濾過可能性が達成されなければならない。
５．選択的水素添加は、粗製ブチンジオール（殊にｐＨ５であるもの）を使用していても実施可能でなければならない。
６．選択的水素添加は、１つまたはそれ以上の以下の汚染物質：メタノール、ホルムアルデヒド、ギ酸、プロパルギルアルコールもしくは例えばブチンジオール合成に由来することがあるＣｕおよび／またはＢｉが存在している場合でも実施可能でなければならない。
７．原料成分に対する触媒の耐性。
本発明の前記課題もしくは部分的課題は、請求項中で定義されているような方法および触媒を用いて解決される。本発明の有利な実施態様は、従属請求項並びに以下の記載および実施例により明らかである。本発明による触媒は、パラジウムおよび亜鉛とともに銅または銀も含有するが、しかし、好ましい場合にはカドミウムを含有していない。有利にこの触媒は、その活性成分の点に関しては、前記の元素（Ｐｄ＋Ｚｎ＋［Ｃｕおよび／またはＡｇ］）からなり、かつ他の活性成分を含有していない。有利な触媒は、前記の活性成分を有するパラジウム担持触媒である。
本明細書中での金属酸化物に対する全ての量の記載は、この場合に、当該の酸化物として計算された金属に対する量の記載のことである。実際の構造は、前記のものと異なっていてもよい。
本発明によれば、触媒がパラジウムとともに元素の亜鉛および銅または亜鉛および銀または亜鉛および銅および銀を含有することによって特徴付けられるパラジウム触媒の存在下でのブチンジオールの選択性水素添加によるブテン−２−ジオール（１，４）の製造のための方法が見出された。
ブチン−１，４−ジオールからブテン−１，４−ジオールへの水素添加のための方法で本発明により使用可能な担体触媒は、その触媒活性物質中に、一般に、それぞれＰｄとして計算されかつ触媒の全重量に対してパラジウム０．１〜７重量％、有利にパラジウム０．１〜４重量％含有している。他の触媒活性元素としては、本発明により使用すべき触媒は、付加的にパラジウムに対して更に元素の亜鉛および銅または亜鉛および銀または亜鉛および銅および銀を含有している。
触媒の触媒活性物質中で、触媒活性成分、パラジウム、亜鉛および銅からなり本発明により使用可能な触媒は、前記の量でのパラジウムの他に、双方の別の元素を、一般に１０：１〜１：４のパラジウム：亜鉛原子比および一般に５：１〜１：２の亜鉛：銅原子比に相応する量で含有している。
触媒の触媒活性物質中で、触媒活性成分、パラジウム、亜鉛および銀からなり本発明により使用可能な触媒は、前記の量でのパラジウムの他に、元素の亜鉛および銀を、一般に１０：１〜１：４のパラジウム：亜鉛原子比一般に５：１〜１：２の亜鉛：銀原子比に相応する量で含有している。
触媒の活性物質中で、触媒活性成分、パラジウム、亜鉛、銅および銀からなり本発明により使用可能な触媒は、前記の量でのパラジウムの他に、元素の亜鉛、銅および銀を、一般に１０：１〜１：４のパラジウム：亜鉛原子比、一般に５：１〜１：２の亜鉛：銅原子比および一般に５：１〜１：２の亜鉛：銀原子比に相応する量で含有している。
本発明により使用可能な触媒は、担体触媒である。担体としては、有利に僅かな酸性度の担体材料または塩基性担体が使用される。有利な使用可能な担体材料の例は、酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化マグネシウム、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、硫酸バリウム、二酸化チタンまたは二酸化ジルコニウムである。また、前記担体材料の混合物を本発明により使用可能な触媒の製造に使用することもできる。担体材料として特に有利には、酸化アルミニウム、殊にδ−酸化アルミニウムであり、これは、

第４版、第７巻、第２９８〜２９９頁、Verlag Chemie、Weinheim １９７４年により製造することができる。特に適当なδ−酸化アルミニウム担体材料としては、１００〜１３０ｍ²／ｇのＢＥＴ−表面積（C. N. Satterfield：HeterogeneousCatalysis in Practice、第１０２〜１０５頁、New York １９０８年により測定した）および１００〜２００μｍの粒度を有するδ−酸化アルミニウムが見出されており、これは、極めて良好な沈降性質および濾過性質によって卓越しており、かつ担体材料としてのその使用の際には、僅かなアセタール形成およびポリマー形成が観察されるだけである。しかしながら一般に、使用された担体材料は、５〜２００ｍ²／ｇのＢＥＴ−表面積、吸水度によって測定された０．１〜１ｍｌ／ｇの多孔性および２０〜１５０μｍの平均粒度および３００μｍまでの最大粒度を有している。
触媒活性の触媒成分の溶液を用いる担体材料の含浸によって製造されるような触媒は特に有利であることが判明した。この場合、担体の含浸は、同時に、触媒活性成分の水溶性の塩の混合溶液、有利にその硝酸塩または酢酸塩の溶液を用いる含浸によって行うことができるかまたは前記の塩のそれぞれ１つの溶液を用いて含浸させることによって行うことができ、この場合、好ましい場合には、個々の含浸工程後に含浸された担体は、乾燥させられる。含浸は、前記の塩の上澄み溶液を用いる担体材料の処理によって行うことができ、特に有利に回転ドラム中で担体に混合溶液を添加することによって行われ、この場合、有利に、担体の細孔容量に相応する量の溶液が使用される。乾燥および場合によっては通常３００〜６００℃、有利に４００〜５５０℃でのか焼後に、触媒を、本発明による方法で使用することができる。この触媒は、本発明による方法でのその使用の前に、水または別の還元剤、例えばヒドラジンを用いる処理によって活性化されるが、しかし、前記触媒は、有利にその場で反応混合物中で還元されかつ活性化させることができるので前記の処理は必要ではない。
驚異的なことに、酸化アルミニウム触媒上の銅および亜鉛でドーピングされたパラジウムには、本発明による方法の場合に、パラジウムおよび銅だけを含有する触媒よりも明らかに高い選択性があることが見出された。このことによって、ブテンジオール収率は、明らかに増大させることができた。殊に、前記のＰｄ／Ｚｎ／Ｃｕ触媒を用いた場合、本発明による方法では、副生成物のブチンジオール、ブタンジオールおよびアセタールの総和は、公知技術水準のＰｄ／Ｚｎ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒もしくはＰｄ／Ｚｎ／Ｃｄ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒の場合の総和を下回っているような水準に減少させることができた。
本発明による方法では、酸化アルミニウム触媒上の銅および亜鉛でドーピングされたパラジウムは、更に極めて選択的な触媒であることが判明した。塩基性の担体、例えば炭酸カルシウムまたは酸化マグネシウムの使用によって、本発明による方法での収率をなお一層の増大を達成させることができ、この場合、形成されたアセタール副生成物の量は、更に減少させられている。
前記の触媒を用いた場合、本発明による方法に課されている課題が解決された。殊に、前記触媒の使用は、特に高い空時収量の達成が可能であり、かつ副生成物の形成を最少に抑えることが可能である。その上更に、環境保護および作業場の安全性の点に関連して取り扱い可能である。
ブチンジオールからブテンジオールへの選択的水素添加は、本発明により使用すべき触媒を用いて、従来の水素添加法の技術により行うことができる。この場合、有利に触媒は、懸濁された形で、反応混合物中で使用される。水素添加は、大気圧または高められた圧力下で実施することができる。一般に、１〜２０バール、有利に１〜１０バールの圧力および一般に２０〜１５０℃、有利に５０〜１２０℃の温度が使用される。
出発材料としては、純粋なブチンジオールまたは適当な溶剤中、例えば水中のその溶液を使用することができ、有利に、本発明による方法の場合に、例えばレッペによるブチンジオール製造の際に生じるような粗製ブチンジオール溶液が使用される。前記の粗製ブチンジオールは、一般に水約５０重量％およびレッペ合成からの汚染物質１．５〜２．５重量％を含有している。前記汚染物質は、水素添加が進行するにつれて副生成物およびタール場の残分を形成し易いとしても、本発明により使用すべき触媒を用いた場合に、前記の副生成物形成および残分形成を最少に抑えることができる。
水素は、水素添加反応器、有利に通気型撹拌機を有する撹拌容器に、ブチンジオールに関連して化学量論的量または過剰量で供給することができ、有利に、水素は、化学量論的量で使用される。
反応混合物の後処理のために、この反応混合物は、一般に好ましい場合には、例えば濾過または遠心分離によって予め触媒を除去した後に蒸留される。
この場合、好ましい場合には、先ず水および就中アルコールを含有している前溜分が除去される。引き続き、好ましい場合には、ブテンジオールが副生成物のブタンジオール、ブチンジオールおよびアセタールと一緒に、高沸点残分から留去され、この後、ブテンジオールを、精留により単離することができる。
本発明による方法は、非連続的に、例えば撹拌オートクレーブ中で実施することができるかまたは連続的に、例えば撹拌釜カスケード中で実施することができる。有利に、この方法は、非連続的に（バッチ法により）実施される。
実施例
実施例中の重量％の記載は、１００重量％としての全触媒に対するものである。
触媒Ａ（比較例）
回転ドラム中に、１００〜２００μｍの粒度を有するδ−Ａｌ₂Ｏ₃５ｋｇを装入し、かつ硝酸パラジウムおよび硝酸銅の混合溶液と一緒に噴霧する。溶液量を、担体の細孔充填を達成するように計算したところ、記載された担体５ｋｇには約２５００ｍｌの溶液を必要とした。溶液を完全に収容させた後に、触媒を１２０℃で乾燥させ、かつ５００℃でか焼した。該触媒の組成は、
Ｐｄ ０．５重量％
ＣｕＯ ０．２５重量％
Ａｌ₂Ｏ₃ 残量
であった。
触媒Ｂ（比較例）
触媒Ａの製造の際にと同様に処理し、かつ硝酸パラジウムおよび硝酸亜鉛からなる混合溶液を含浸に使用した。触媒組成は、
Ｐｄ ０．５重量％
ＺｎＯ ０．２５重量％
Ａｌ₂Ｏ₃ 残量。
触媒Ｃ（比較例）
触媒Ａの製造の際と同様に処理し、かつ硝酸パラジウム、硝酸カドミウムおよび硝酸亜鉛からなる混合溶液を含浸に使用した。触媒組成は、
Ｐｄ ０．５重量％
ＣｄＯ ０．１１重量％
ＺｎＯ ０．１２重量％
Ａｌ₂Ｏ₃ 残量。
触媒Ｄ
触媒Ａの製造の際と同様に処理し、かつ硝酸パラジウム、硝酸銅および硝酸亜鉛からなる混合溶液を含浸に使用した。触媒組成は、
Ｐｄ ０．５重量％
ＣｕＯ ０．１２重量％
ＺｎＯ ０．１２重量％
Ａｌ₂Ｏ₃ 残量。
触媒Ｅ
触媒Ａの製造の際と同様に処理し、かつ硝酸パラジウム、硝酸銀および硝酸亜鉛からなる混合溶液を含浸に使用した。触媒組成は、
Ｐｄ ０．５重量％
Ａｇ₂Ｏ ０．１１重量％
ＺｎＯ ０．１２重量％
Ａｌ₂Ｏ₃ 残量。
触媒Ｆ
触媒Ｄの製造の際と同様に処理したが、しかし、含浸には、粉末状の沈殿炭酸カルシウムを装入した。必要とされた溶剤量は、担体５ｋｇに対して約２５００ｍｌであった。触媒組成は、
Ｐｄ ０．５重量％
ＣｕＯ ０．１１重量％
ＺｎＯ ０．１１重量％
ＣａＣＯ₃ 残量。
触媒Ｇ
触媒Ｄの製造の際と同様に処理したが、しかし、含浸には、突き固めおよび篩別によって１００〜３００μｍの粒度を保持していた沈殿酸化マグネシウムを装入した。触媒組成は、
Ｐｄ ０．５重量％
ＣｕＯ ０．１１重量％
ＺｎＯ ０．１１重量％
ＭｇＯ 残量。

触媒試験
水素添加法を、電磁型工程撹拌機

を有する小型のオートクレーブ中で、１００℃および１８バールで実施した。エダクトとして、触媒１５０ｍｇを添加しておいた粗製ブチンジオール溶液１２５ｍｌを使用した。水素消費量を、オートクレーブ中の減圧によって制御し；消費された水素を周期的に補充した。ブテンジオールへの選択的水素添加の際の終了点を識別するのが困難なので、通常、より良好に終了点を識別できるような製造装置の場合よりも若干高い副生成物値が見出された。
水素添加生成物を、ガスクロマトグラフィーにより分析し；結果を面積百分率（Ｆｌ．％）で記載した。前溜分量は、触媒と無関係に、かつ粗製ブチンジオールの品質によって生じたいた。
水素添加生成物についてのデータは、第Ｉ表中にまとめられている。残分量を、触媒Ｂ、ＣおよびＤについてのみ測定した。該残分量は、それぞれ水素添加生成物１００ｇに対して、
触媒Ｂについては１７．５ｇ
触媒Ｃについては１０．８ｇ
触媒Ｄについては１２．９ｇ
である。
結果は、５つの試験からの平均値である。
製造装置からの水素添加の結果
工業的な規模で、触媒Ｂ、ＣおよびＤを、長時間試験で試験した。ブチンジオール水素添加を、非連続的に懸濁法で行った。粗製ブチンジオール１ｍ³当たり、触媒１ｋｇを使用した。
ガスクロマトグラフィー評価の面積百分率で記載された副生成物含量を以下のように測定した：

前記のデータは、本発明による触媒Ｄの使用によって生じる利点を証明している。

Claims (10)

1. パラジウム触媒の存在下でのブチンジオールの水素添加によってブテン−２−ジオール（１，４）を製造するための方法において、パラジウムとともに、元素の亜鉛および銅または亜鉛および銀または亜鉛および銅および銀を含有する触媒を使用することを特徴とする、ブテン−２−ジオール（１，４）の製造法。
2. Ｐｄとして計算されかつ触媒の全重量に対して０．１〜７重量％のパラジウム含量を有するパラジウム担持触媒を使用する、請求項１に記載の方法。
3. 触媒活性元素の原子比がパラジウム：亜鉛１０：１〜１：４および亜鉛：銅５：１〜１：２であるパラジウム担持触媒を使用する、請求項１または２に記載の方法。
4. 触媒活性元素の原子比がパラジウム：亜鉛１０：１〜１：４および亜鉛：銀５：１〜１：２であるパラジウム担持触媒を使用する、請求項１または２に記載の方法。
5. 触媒活性元素の原子比がパラジウム：亜鉛１０：１〜１：４、亜鉛：銅５：１〜１：２および亜鉛：銀５：１〜１：２であるパラジウム担持触媒を使用する、請求項１または２に記載の方法。
6. 触媒活性元素が塩基性担体材料または僅かな酸性度を有する担体材料の上に塗布されているパラジウム担持触媒を使用する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化マグネシウム、スピネル、硫酸バリウム、二酸化チタン、二酸化ジルコニウムまたは前記担体材料の混合物からなる担体上のパラジウム担持触媒を使用する、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. δ−酸化アルミニウムからなる担体上のパラジウム担持触媒を使用する、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. ２０〜１５０℃の温度および１〜２０バールの圧力で反応を実施する、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 出発材料として、レッペ合成からの粗製ブチンジオールの溶液を使用する、請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。