JP4249257B2 - カプロラクタムの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、触媒の存在下に、アミノカルボン酸ニトリルと水を反応させることにより環式ラクタムを製造する新規の方法に関する。
米国特許４６２８０８５号明細書から、６−アミノカプロン酸ニトリルを、酸性シリカゲル上において、３００℃の気相下に水と反応させることは公知である。カプロラクタムは、定量的に進行する反応の生成物として、当初選択率９５％で得られるが、生産性および選択性は急速に低下することが判明している。類似する方法が米国特許４６２５０２３号明細書に記載されており、これによれば、６−アミノカプロン酸ニトリル、アジピン酸ジニトリル、アンモニア、水および担体ガスから成る高度に希釈された気体流が、シリカゲル触媒床および銅／クロム／バリウム／チタン酸化物触媒床上を流過せしめられる。カプロラクタムは８５％の転化率、９１％の選択率で得られる。この場合にも触媒の急速な不活性化が認められる。
また米国特許２３０１９６４号明細書には、２８５℃の温度で、６−アミノカプロン酸ニトリルを、水溶液中において、カプロラクタムに転化する方法が記載されている。この場合の収率は８０％以下である。
さらに仏国特許２０２９５４０号明細書には、亜鉛および銅の類から成る均一系金属触媒により、水溶液中において、６−アミノカプロン酸ニトリルを環化してカプロラクタムを得る方法が記載されており、この場合、カプロラクタムは８３％の収率で得られる。しかしながら、触媒を目的生成物であるカプロラクタムから完全に分離することは困難である。カプロラクタムが、使用された金属と錯化合物を形成するからである。
そこで、本発明により解決されるべき課題は、上述した従来技術の諸欠点をもたらすことなく、アミノカルボン酸ニトリルと水を反応させることにより環式カプロラクタムを製造する方法を提供することである。
しかるに、この課題は、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化アルミニウム、またはこれらの混合物を基礎とする不均一系触媒の存在下に、液相において反応させる本発明方法により解決される。
本発明方法の好ましい実施態様は、特許請求範囲の実施態様項に示されている。
本発明方法における出発物質としては、ことに以下の一般式Ｉ

で表わされるアミノカルボン酸ニトリルが使用される。式中のｎおよびｍは、０、１、２、３、４、５、６、７、８、９のいずれかを意味するが、ｎ＋ｍの合計は少くとも３、好ましくは少くとも４である。
Ｒ¹、Ｒ²は原則としてどのような置換基でもよいが、必要とされる環化反応がこれら置換基により阻害されないようにすることが要求される。Ｒ¹、Ｒ²は、相互に無関係に、それぞれＣ₁−Ｃ₆アルキル、Ｃ₅−Ｃ₇シクロアルキル、Ｃ₆−Ｃ₁₂アリールを意味するのが好ましい。
ことに好ましい出発化合物は、式
Ｈ₂Ｎ−（ＣＨ₂）_m−Ｃ≡Ｎ
で表わされ、ｍが３、４、５または６を意味する場合のアミノカルボン酸ニトリルである。ｍが５である６−アミノカプロン酸ニトリルが特に好ましい。
本発明方法によれば、上述したアミノカルボン酸ニトリルと水を、不均一系触媒の存在下に反応させて、環式ラクタムを得る。式Ｉのアミノカルボン酸ニトリルを使用して、以下の式ＩＩ

で表わされ、ｎ、ｍ、Ｒ¹、Ｒ²が上述した意味を有する、対応する環式ラクタムが得られる。ことに好ましいラクタムは、ｎ＝０であって、ｍが４、５または６、ことに５（この場合、カプロラクタムが得られる）を意味する場合である。
反応は液相で１４０から３２０℃、ことに１６０から２８０℃の温度において行なわれる。圧力は一般的に１から２５０バール、ことに５から１５０バールであるが、反応混合物が、採択される反応条件下において、ほぼ液状であることが重要である。滞留時間は、一般的に１から１２０分、好ましくは１から９０分、ことに１から６０分である。若干の場合、１から１０分で全く充分であることが実証されている。
アミノカルボン酸ニトリルの１モルに対して、一般的に少くとも０．０１モル、好ましくは０．１から２０モル、ことに１から５モルの水が使用される。
アミノカルボン酸ニトリルは、１から５０重量％、好ましくは５から５０、ことに５から３０重量％濃度の水溶液（この場合、溶媒が同時に反応関与体となる）、または水／溶媒混合液中の溶液の形態で使用されるのが好ましい。溶媒としては、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、ｔ−ブタノールのようなアルカノール、ジエチレングリコール、テトラエチレングリコールのようなポリオール、石油エーテル、ベンゼン、トルエン、キシレンのような炭化水素、ピロリドン、カプロラクタムのようなラクタム、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のようなアルキル置換ラクタムならびにカルボン酸エステル、ことに炭素原子数１から８のカルボン酸のエステルが挙げられる。反応に際してアンモニアが存在してもよい。当然のことながら、有機混合溶媒も使用され得る。若干の場合、水／アルカノールの重量割合が１−７５／２５−９９、ことに１−５０／５０−９９である水とアルカノールの混合溶媒がことに有利に使用される。
上述した反応条件下において、極めて高い転化率、収率、選択性、有効寿命を示す触媒としては、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化アルミニウムを基礎とする不均一系触媒を挙げ得る。これらは、粉末、粗粒、チップ、ペレット、タブレットなどの形態で使用され得る。この酸化物の形態は、原則的にそれぞれの反応進行要件に応じて決定され、分散液には粉末ないし粗粒が使用される。固定床を使用する場合、一般に粒径１ｍｍから１０ｍｍのタブレットもしくはペレットが使用される。
酸化アルミニウムの場合には、前駆物質である水酸化アルミニウム（ギブサイト、ベーマイト、偽ベーマイト、バイヤライト、ダイアスポア）を、種々相違する温度で加熱して得られるすべての態様のものが使用され得る。ことにγ−およびα−酸化アルミニウムならびにこれらの混合物が好ましい。
上記酸化物は各純粋形態（各酸化物８０重量％以上）、または各種酸化物の混合物（各酸化物合計量８０重量％以上）の形態で、あるいは担体触媒（上記酸化物が機械的、化学的に安定な、一般的に大きい表面積を有する担体上に担持されている）として使用され得る。
純粋酸化物は、水溶液から析出沈殿により得られ、例えば二酸化チタンは硫酸塩法または例えば市販の酸化アルミニウム、二酸化チタンまたは二酸化ジルコニウムの微細粉末の発熱製法のような他の方法で得られる。
各種酸化物の混合物は、数種類の方法により得られる。複数種類の酸化物またはか焼でこれに転化され得る各前駆化合物は、例えばこれらの溶液から同時に沈殿させることにより得られる。この場合、使用された２種類の酸化物の極めて良好な分散がもたらされる。酸化物の、またはその前駆化合物の混合物は、微細な粒子として分散液中に存在する第２の酸化物または前駆物質の存在下に、第１の酸化物または前駆物質を析出沈殿させることによっても製造され得る。さらに他の方法は、酸化物の、または前駆物質の粉末の機械的混合であって、この混合物はタブレットまたはペレットの製造に使用される。
担体触媒の製造にも種々の方法がある。例えば酸化物は、そのゾル形態で単に含浸により担体上に施こされ得る。触媒からゾルの揮発分を除去するには、通常、乾燥、か焼処理が行なわれる。二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、酸化アルミニウムのこのようなゾルは、市販されている。
活性酸化物層を形成するさらに他の方法としては、有機もしくは無機化合物の加水分解および熱分解がある。すなわち、チタンイソプロピラートまたはＴｉ−アルコキシドの加水分解により、セラミック担体上にチタン酸化物の薄層ができる。他の適当な化合物は、ＴｉＣｌ₄、ジルコニウムクロリド、アルミニウムニトラート、セリウムニトラートである。担体としては、上述した酸化物自体、または二酸化珪素のような他の酸化物の粉末、ペレット、タブレットである。担体は、触媒材料の保持性を改善するため多孔性になされ得る。
本発明方法は、良好な触媒活性を維持しつつ、良好な選択性を以て、環式ラクタム、ことにカプロラクタムを高収率でもたらし得る。
実施例
実施例１−６
内容積が２５ミリリットル（直径６ｍｍ、長さ８００ｍｍ）で、１．５ｍｍのペレット状二酸化チタン（アナターゼ）を充填した加熱管状反応器に、下表に示される重量割合の水およびエタノールに溶解させた６−アミノカプロン酸ニトリル（ＡＣＮ）の溶液を１００バールの圧力下に導入した。反応器から排出される生成物流体をガスクロマトグラフィーおよび高圧液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）で分析した。その結果を下表に示す。

対比例
アミノカプロン酸ニトリル１０％、水６．４％およびエタノール８３．６％から成る溶液を、実施例１と同様にして、ただし不均一系触媒を使用することなく、従って空に管状反応器に、２５０℃、３０分の滞留時間で導入した。カプロラクタムに対する転化率は２８％、選択率は７４％であった。

Claims (5)

1. 触媒の存在下にアミノカルボン酸ニトリルと水を反応させることにより環式ラクタムを製造する方法において、
   二酸化チタン、酸化セリウム、または酸化アルミニウムを基礎とする不均一係触媒の存在下に反応を液相で行なうことを特徴とする方法。
2. 反応を１４０℃から３２０℃の範囲の温度で行なうことを特徴とする、請求項１の方法。
3. 以下の式
   Ｈ₂Ｎ−（ＣＨ₂）_m−Ｃ≡Ｎ
   （式中、ｍが３、４、５または６である。）で表わされるアミノカルボン酸ニトリルを使用することを特徴とする請求項１または２の方法。
4. アミノカルボン酸ニトリルとして６−アミノカプロン酸ニトリルを使用することを特徴とする請求項３の方法。
5. 水または水／有機溶媒混合液に溶解させた１から５０重量％濃度のアミノカルボン酸ニトリル溶液を使用することを特徴とする、請求項１から４のいずれかの方法。