WO2013012048A1 - １，４－ブタンジオールの製造方法 - Google Patents

１，４－ブタンジオールの製造方法 Download PDF

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WO2013012048A1
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butanediol
solid catalyst
butyrolactone
gamma
crude
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Inventor
雄輔 井澤
宇都宮　賢
範和 小西
幸太 田中
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三菱化学株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C29/00—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
    • C07C29/74—Separation; Purification; Use of additives, e.g. for stabilisation
    • C07C29/88—Separation; Purification; Use of additives, e.g. for stabilisation by treatment giving rise to a chemical modification of at least one compound
    • C07C29/90—Separation; Purification; Use of additives, e.g. for stabilisation by treatment giving rise to a chemical modification of at least one compound using hydrogen only

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing 1,4-butanediol which obtains high-purity 1,4-butanediol by hydrogenating gamma-butyrolactone in crude 1,4-butanediol and converting it to 1,4-butanediol. .
  • 1,4-butanediol (hereinafter sometimes abbreviated as “1,4BG”) is an extremely useful substance used as a raw material for various solvents and derivatives.
  • 1,4BG-containing composition by catalytic hydrogenation of 1,4-butynediol obtained by reacting acetylene with formaldehyde
  • Patent Document 1 a method of using maleic acid, succinic acid, maleic anhydride and / or fumaric acid as raw materials and hydrogenating them to obtain a 1,4BG-containing composition
  • Patent Document 2 a method of using maleic acid, succinic acid, maleic anhydride and / or fumaric acid as raw materials and hydrogenating them to obtain a 1,4BG-containing composition
  • the 1,4BG-containing composition obtained by the method contains by-products such as gamma-butyrolactone in addition to 1,4BG.
  • Patent Document 3 as a distillation method for obtaining high-purity 1,4BG from such a 1,4BG-containing composition, a crude 1,4-butanediol product is distilled using three distillation columns. Thus, a method is described in which gamma-butyrolactone is separated to obtain high purity 1,4BG. Although some separation of gamma butyrolactone is possible by this method, complete separation is not easy, and a small amount of gamma butyrolactone may be mixed into the product 1,4-butanediol.
  • a method for producing 1,4BG and tetrahydrofuran (hereinafter sometimes abbreviated as “THF”) by catalytic hydrogenation of gammabutyrolactone in the gas phase (Patent Document 4), or containing ruthenium as an essential component, and nickel, cobalt From a C4 hydrocarbon containing oxygen atoms consisting of maleic anhydride, maleic acid, succinic anhydride, gamma butyrolactone, and mixtures of two or more thereof, using a mixed metal oxygenation catalyst comprising -A method for producing butanediol and tetrahydrofuran (Patent Document 5) There is.
  • THF 1,4BG and tetrahydrofuran
  • Patent Document 4 is a hydrogenation reaction under gas-phase conditions, and requires a large amount of heat for vaporizing the hydrogenation raw material.
  • Patent Document 5 uses ruthenium, a noble metal, as an essential catalyst component, the catalyst cost may increase.
  • An object of the present invention is to provide a method for producing high-purity 1,4BG by purifying gamma-butyrolactone in crude 1,4-butanediol by hydrogenation and conversion to 1,4BG.
  • the present inventors have determined that if the content of gamma-butyrolactone is crude 1,4-butanediol having a content of 0.01 to 10% by weight, this is expressed as magnesium and a periodic table.
  • a metal element belonging to Group 10 of the present invention By contacting a metal element belonging to Group 10 of the present invention with a solid catalyst supported on a carrier, the formation of high-boiling by-products is suppressed, and hydrogenation of gamma-butyrolactone in crude 1,4-butanediol is efficiently performed. Found that it is possible to do.
  • the present invention has been achieved on the basis of such knowledge, and the gist thereof is as follows.
  • crude 1,4-butanediol can be purified by efficiently converting gammabutyrolactone in crude 1,4-butanediol containing gammabutyrolactone to 1,4-butanediol.
  • the present invention for example, by bringing crude 1,4-butanediol into contact with a solid catalyst by a method such as passing through a packed bed filled with the solid catalyst, the formation of high-boiling by-products is suppressed.
  • gamma-butyrolactone in the crude 1,4-butanediol can be converted to 1,4-butanediol with high conversion and high selectivity by industrially advantageous hydrogenation.
  • the method for producing 1,4-butanediol of the present invention obtains high-purity 1,4-butanediol by hydrogenating gammabutyrolactone in crude 1,4-butanediol and converting it to 1,4-butanediol.
  • This method is characterized in that the following conditions (1) and (2) are satisfied.
  • the content of gamma-butyrolactone in the crude 1,4-butanediol is 0.01 to 10% by weight
  • a hydrogenation solid catalyst it is generally known to use a catalyst containing a Lewis acid or Bronsted acid as a catalyst component, and when such a solid catalyst is used, In some cases, 4-butanediol or 1,4-butanediol present in the reaction system was converted to a high-boiling by-product and disappeared.
  • a solid catalyst in which magnesium and a Group 10 metal element are supported on a carrier is used, and for example, gamma-butyrolactone in crude 1,4-butanediol is distributed through a packed bed filled with the solid catalyst.
  • gamma-butyrolactone in crude 1,4-butanediol is distributed through a packed bed filled with the solid catalyst.
  • the group 10 metal element in the solid catalyst is excellent in catalytic activity and that the magnesium component neutralizes the acidic content on the catalyst and suppresses side reactions.
  • the contact efficiency with the catalyst is increased for gamma-butyrolactone and the hydrogenation is activated, while multimerization is performed for 1,4-butanediol. It is considered that this reaction is suppressed and hydrogenation can be performed more efficiently.
  • the concentration of gamma butyrolactone in the crude 1,4-butanediol subjected to hydrogenation in the present invention is 0.01% by weight or more, preferably 0.1% by weight or more, and particularly preferably 1.0% by weight. That's it.
  • concentration of gamma-butyrolactone in the crude 1,4-butanediol increases, the effect of the present invention increases and the separation load of gamma-butyrolactone in the 1,4-butanediol production process tends to be reduced.
  • the concentration of gamma-butyrolactone in crude 1,4-butanediol is 10% by weight or less, preferably 7% by weight or less, and particularly preferably 5% by weight or less.
  • loads such as pressure, amount of catalyst and reaction temperature in the hydrogenation reaction of the present invention tend to be reduced.
  • the crude 1,4-butanediol having a gamma-butyrolactone concentration in the above range may be prepared by mixing gamma-butyrolactone with commercially available 1,4-butanediol, but obtained by reacting acetylene with formaldehyde.
  • the 1,4BG-containing composition obtained by catalytic hydrogenation of 1,4-butynediol usually, gamma-butyrolactone in the above concentration range is present. Therefore, this 1,4BG-containing composition is crude 1,4 -It may be used as it is as butanediol.
  • this 1,4BG-containing composition may be purified by a method such as distillation to separate components other than gamma butyrolactone and 1,4BG, and may be used after adjusting to a gamma butyrolactone concentration.
  • gamma-butyrolactone within the above-mentioned concentration range usually also exists in 1,4BG-containing compositions obtained by hydrogenating maleic acid, succinic acid, maleic anhydride and / or fumaric acid as raw materials.
  • the 1,4BG-containing composition may be used as crude 1,4-butanediol as it is. Further, this 1,4BG-containing composition may be purified by a method such as distillation to separate components other than gammabutyrolactone and 1,4BG, and may be used after adjusting to a gammabutyrolactone concentration.
  • gamma-butyrolactone may be distilled off from the 1,4BG-containing composition in these production methods, and the amount of gamma-butyrolactone in the crude 1,4-butanediol is determined by the degree of distillation separation.
  • gamma-butyrolactone obtained by hydrogenation of maleic anhydride, hydrogenation of maleic acid, hydrogenation of succinic anhydride, hydrogenation of succinic acid, dehydrogenation of 1,4-butanediol, etc. may be used. .
  • the amount of these other components other than 1,4-butanediol is preferably 5% by weight or less, more preferably 2% by weight or less, and particularly preferably 1% by weight as the concentration in the crude 1,4-butanediol. % Or less.
  • the solid catalyst in the present invention is one in which one or more of magnesium and a group 10 metal element, that is, nickel (Ni), palladium (Pd), and platinum (Pt) are supported on a carrier.
  • a group 10 metal element that is, nickel (Ni), palladium (Pd), and platinum (Pt) are supported on a carrier.
  • nickel is most preferable in terms of catalyst cost and catalyst activity.
  • the form of the group 10 metal element such as nickel in the solid catalyst may be a single metal, an oxide such as nickel oxide, a hydroxide, or other various salts.
  • the ratio of oxide or the like to the metal simple substance is high, it is possible to perform the conversion to the metal simple substance by performing reduction activation treatment in advance with hydrogen gas before starting the reaction. However, the reaction can be started as it is. That is, since hydrogen gas is introduced into the hydrogenation reaction system, these oxides and the like are reduced into active metal elements during the reaction.
  • Magnesium may be contained in the form of a metal element itself, or may be contained in the form of an oxide, hydroxide, or other various salts.
  • silica or diatomaceous earth can be preferably used, and silica is particularly preferable.
  • the content of group 10 metal element component in solid catalyst is the metal oxide when the group 10 metal element is in the form of a metal oxide or the like. Is preferably 5% by weight or more and 80% by weight or less, more preferably 15% by weight or more and 80% by weight or less, and particularly preferably 50% by weight or more and 80% by weight or less. It is.
  • the content of magnesium in the solid catalyst (here, the content of magnesium in the solid catalyst is the content as an oxide or the like when magnesium is in the form of an oxide or the like), It is preferably 0.1% by weight or more and 20% by weight or less, more preferably 0.5% by weight or more and 15% by weight or less, and particularly preferably 1% by weight or more and 10% by weight or less.
  • the content of the support in the solid catalyst is preferably 5% by weight or more and 95% by weight or less, more preferably 7% by weight or more and 80% by weight or less, and particularly preferably 10% by weight or more and 60% by weight. % Or less.
  • the solid catalyst in the present invention may contain other metal elements as long as it contains magnesium and a group 10 metal element. However, the solid catalyst used in the present invention does not contain ruthenium.
  • metal elements examples include chromium, manganese, zinc, sodium, rhenium, calcium, and the like, and it is particularly preferable to contain sodium. These metal elements may also be contained in the form of metal elements themselves, oxides, hydroxides, and other various salts.
  • the solid catalyst in the present invention contains a group 10 metal element such as sodium and a metal element component other than magnesium (excluding ruthenium), the content thereof (here, the group 10 metal element and magnesium)
  • the content of the metal element component other than is the content as the metal oxide or the like when the other metal element is in the form of a metal oxide or the like. % By weight or less is preferable, more preferably 0.5% by weight or more and 15% by weight or less, and particularly preferably 1% by weight or more and 10% by weight or less.
  • the shape and size of the solid catalyst are not particularly limited, and may be a molded product such as powder, granule, granule, or pellet.
  • the size of the solid catalyst is also arbitrary. For example, in the case of a solid catalyst formed into a pellet, it is preferable that the diameter is 1 to 20 mm and the thickness is 1 to 20 mm.
  • Such a solid catalyst can be produced by a method in which a carrier is immersed in an aqueous solution of a Group 10 metal salt and a magnesium salt to carry the metal salt, and then calcined and molded as necessary.
  • reaction method contact method with a solid catalyst
  • crude 1,4-butanediol is brought into contact with a solid catalyst to convert gamma butyrolactone into 1,4-butanediol
  • the catalyst From the viewpoint of contact efficiency with the catalyst, it is preferable to adopt a catalyst packed bed circulation system in which crude 1,4-butanediol is passed through a packed bed filled with a solid catalyst.
  • all of the general packed bed type hydrogenation reactors with various solid catalysts such as fixed bed, trickle bed or multi-tube type can be used, but preferably fixed bed reaction. Or trickle bed reactor.
  • One reactor or a plurality of reactors can be used.
  • the reaction temperature for carrying out the hydrogenation in the present invention is preferably in the range of 0 to 200 ° C, more preferably 30 to 150 ° C, still more preferably 40 to 120 ° C.
  • the reaction temperature is too high, catalyst deterioration is promoted. Furthermore, the amount of high boiling by-products increases. If the reaction temperature is too low, the reaction hardly proceeds.
  • the hydrogen gas pressure in hydrogenation is preferably in the range of 0.1 to 100 MPa, more preferably 0.5 to 10 MPa, and still more preferably 1 to 6 MPa in terms of gauge pressure. If the hydrogen gas pressure is too low, the reaction rate is slow and productivity is lowered. If the hydrogen gas pressure is too high, the pressure resistance load of the reactor and the compressor load increase, resulting in a significant increase in construction costs.
  • the residence time of the reaction liquid on an empty column basis is preferably 5 minutes or more, more preferably 10 minutes or more, and particularly preferably 30 minutes or more. Moreover, 100 hours or less are preferable, More preferably, it is 50 hours or less, Especially preferably, it is 10 hours or less. If the residence time is too short, the hydrogenation reaction hardly proceeds. On the other hand, when the residence time is too long, the catalyst packed bed becomes long, and the economic efficiency is greatly deteriorated due to the increase in the equipment cost of the reactor and the increase in the amount of catalyst.
  • the catalyst filling amount is preferably 5 times or more, more preferably 10 times or more, particularly preferably 30 times the flow rate of the introduced liquid per minute.
  • the capacity is doubled. Further, it is preferably 6000 volume times or less, more preferably 3000 volume times or less, and particularly preferably 600 volume times or less. If the catalyst loading is too small, the reaction hardly proceeds. Moreover, when there is too much catalyst filling amount, catalyst cost will increase and economical efficiency will deteriorate significantly.
  • reaction products were analyzed by gas chromatography using an internal standard method. At that time, n-dodecane was used as an internal standard.
  • GC-14A column: DB-WAX
  • Shimadzu Corporation was used for the gas chromatography.
  • the solid catalysts I to VI used in the following examples and comparative examples, the solid catalysts I to V all have a metal element component supported on a carrier and are pelletized (diameter 1 to 5 mm, Table 1 shows the type of the carrier, the type of the carrier, and the content in the solid catalyst.
  • the solid catalyst VI is Raney nickel as shown in Table 1.
  • the solid catalyst is provided with a SUS filter, a glass bead layer, a solid catalyst layer, a glass bead layer, and a SUS filter in this order in the reactor of the flow reactor. Filled with.
  • Example 1 Using a flow reactor with a reactor capacity of 120 cc, this reactor was charged with 50 cc of solid catalyst I, and crude 1,4-butanediol containing 1.7% by weight of gamma butyrolactone was hydrogenated.
  • the hydrogenation reaction conditions were a temperature of 100 ° C. and a hydrogen gas pressure of 2.0 MPaG.
  • the flow rate of crude 1,4-butanediol was 50 cc / h.
  • the conversion rate of gamma butyrolactone to 1,4-butanediol was 20.0 mol%, and the concentration of high boiling by-products in the reaction product solution was 0.04 wt%.
  • Example 2 The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the solid catalyst II was used as the solid catalyst. As a result, the conversion rate of gamma butyrolactone to 1,4-butanediol was 7.0 mol%, and the concentration of high boiling by-products in the reaction product solution was 0.23% by weight.
  • Example 3 The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the solid catalyst V was used as the solid catalyst. As a result, the conversion rate of gamma butyrolactone to 1,4-butanediol was 5.3 mol%, and the concentration of high boiling by-products in the reaction product solution was 0.19 wt%.
  • Example 4 The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the solid catalyst V was used as the solid catalyst and the reaction temperature was 130 ° C. As a result, the conversion rate of gamma butyrolactone to 1,4-butanediol was 11.3 mol%, and the concentration of high boiling by-products in the reaction product solution was 0.30 wt%.
  • Example 5 The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the hydrogen gas pressure was 3.5 MPaG and the flow rate of crude 1,4-butanediol was 17 cc / h. As a result, the conversion rate of gamma butyrolactone to 1,4-butanediol was 24.8 mol%, and the concentration of high boiling by-products in the reaction product solution was 0.39 wt%.
  • Comparative Examples 4 and 5 When comparing Comparative Examples 4 and 5 in which hydrogenation was carried out batchwise using the same solid catalyst as in Examples 1 and 2, Comparative Examples 4 and 5 were both in crude 1,4-butanediol. It was found that the concentration of gamma butyrolactone was high, and the conversion rate of gamma butyrolactone and the amount of high boiling by-products produced were inferior to those of Examples 1 and 2.

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Abstract

　本発明は、ガンマブチロラクトンを０．０１～１０重量％含む粗１，４－ブタンジオールを、マグネシウムと周期表の第１０族に属する金属元素が担体に担持された固体触媒と接触させて、該ガンマブチロラクトンを１，４－ブタンジオールに変換することにより高純度の１，４－ブタンジオールを得る１，４－ブタンジオールの製造方法に関する。

Description

１，４－ブタンジオールの製造方法
　本発明は、粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンを水素化して１，４－ブタンジオールに変換することにより高純度１，４－ブタンジオールを得る１，４－ブタンジオールの製造方法に関する。
　１，４－ブタンジオール（以下、「１，４ＢＧ」と略記することがある）は様々な溶剤や誘導体の原料として使用される極めて有用な物質である。
　従来、１，４ＢＧを工業的に製造する方法は種々開発されており、例えば、アセチレンをホルムアルデヒドと反応させて得られる１，４－ブチンジオールを接触水素化して１，４ＢＧ含有組成物を得る方法（特許文献１）、マレイン酸、コハク酸、無水マレイン酸及び／又はフマル酸を原料とし、これらを水素化して１，４ＢＧ含有組成物を得る方法（特許文献２）などがあるが、これらの方法で得られる１，４ＢＧ含有組成物には、１，４ＢＧ以外にもガンマブチロラクトンなどの副生物が含まれる。
　特許文献３には、このような１，４ＢＧ含有組成物から、高純度の１，４ＢＧを得るための蒸留方法として、粗１，４－ブタンジオール生成物を、３つの蒸留塔を用いて蒸留することによりガンマブチロラクトンを分離して、高純度の１，４ＢＧを得る方法が記載されている。この方法によってある程度のガンマブチロラクトンの分離は可能であるが、完全な分離は容易ではなく、少量のガンマブチロラクトンが製品１，４－ブタンジオールに混入することがある。
　１，４－ブタンジオール中の微量のガンマブチロラクトンを除去する又はその濃度を低減するには、ガンマブチロラクトンを水素化して１，４－ブタンジオールに変換する方法が考えられる。
　従来、ガンマブチロラクトンを水素化して１，４－ブタンジオールに変換する方法としては、例えば、銅及び珪素若しくは銅、クロム及びマンガン若しくは銅、又はクロム、マンガン及びバリウムを含む固体触媒の存在下に、ガンマブチロラクトンを気相で接触水素化して１，４ＢＧ及びテトラヒドロフラン（以下、「ＴＨＦ」と略記することがある）を製造する方法（特許文献４）、あるいはルテニウムを必須成分として含み、且つニッケル、コバルト及び亜鉛などからなる混合物金属酸素化触媒を用いて、無水マレイン酸、マレイン酸、無水コハク酸、ガンマブチロラクトン、及びこれらの２種以上の混合物からなる酸素原子含有のＣ４炭化水素から、１，４－ブタンジオール及びテトラヒドロフランを製造する方法（特許文献５）などがある。
日本国特公昭６２－４１７４号公報 日本国特許第２９３０１４１号公報 日本国特表２０１０－５１８１７４号公報 日本国特開平３－１７８９４３号公報 日本国特公平４－５９３０３号公報
　従来のガンマブチロラクトンの水素化方法のうち、特許文献４に記載の方法は、気相条件下での水素化反応であり、水素化原料を気化するための熱量を多く必要とする。一方で、特許文献５に記載の方法は、貴金属のルテニウムを触媒必須成分とするため、触媒コストが高くなる恐れがある。
　更に、特許文献４～５には記載されていないが、特許文献１～２に記載の方法等で得られる１，４ＢＧ含有組成物中のガンマブチロラクトンの水素化を想定した場合、ガンマブチロラクトンに対して１，４ＢＧが過剰に存在する条件下では、ガンマブチロラクトンの水素化で１，４ＢＧ以外の１，４ＢＧ多量体などの高沸点副生物も多く生成するため、高純度の１，４ＢＧを得るには、工業的に有利な方法とは言えなかった。
　本発明は、粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンを水素化して１，４ＢＧに変換することにより精製して高純度１，４ＢＧを製造する方法を提供することを課題とする。
　本発明者らは上記の課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、ガンマブチロラクトンの含有量が０．０１～１０重量％の粗１，４－ブタンジオールであれば、これをマグネシウムと周期表の第１０族に属する金属元素が担体に担持された固体触媒と接触させることで、高沸点副生物の生成を抑制して、効率よく粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンの水素化を行うことが可能であることを見出した。
　本発明はこのような知見に基いて達成されたものであり、以下を要旨とする。
［１］　ガンマブチロラクトンを０．０１～１０重量％含む粗１，４－ブタンジオールを、マグネシウムと周期表の第１０族に属する金属元素が担体に担持された固体触媒と接触させて、該ガンマブチロラクトンを１，４－ブタンジオールに変換することにより高純度の１，４－ブタンジオールを得ることを特徴とする１，４－ブタンジオールの製造方法。
［２］　前記固体触媒中の周期表の第１０族に属する金属元素成分の含有量が５～８０重量％である［１］に記載の１，４－ブタンジオールの製造方法。
［３］　前記固体触媒の担体がシリカであることを特徴とする［１］又は［２］に記載の１，４－ブタンジオールの製造方法。
［４］　前記固体触媒が充填された充填層に、前記粗１，４－ブタンジオールを流通させることにより、該粗１，４－ブタンジオールを該固体触媒と接触させることを特徴とする［１］ないし［３］のいずれか１に記載の１，４－ブタンジオールの製造方法。
　本発明によれば、ガンマブチロラクトンを含む粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンを効率的に１，４－ブタンジオールに変換して粗１，４－ブタンジオールを精製することができる。
　即ち、本発明によれば、例えば、粗１，４－ブタンジオールを、固体触媒が充填された充填層に流通させるなどの方法で固体触媒と接触させることにより、高沸点副生物の生成を抑制して粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンを工業的有利に水素化して高転化率、高選択率で１，４－ブタンジオールに変換することができる。
　以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。
［１，４－ブタンジオールの製造方法］
　本発明の１，４－ブタンジオールの製造方法は、ガンマブチロラクトンを０．０１～１０重量％含む粗１，４－ブタンジオールを、マグネシウムと周期表の第１０族に属する金属元素（以下「１０族金属元素」と称す場合がある。）が担体に担持された固体触媒と接触させて、該ガンマブチロラクトンを１，４－ブタンジオールに変換することにより高純度の１，４－ブタンジオールを得ることを特徴とする。
＜作用機構＞
　本発明の１，４－ブタンジオールの製造方法は、粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンを水素化して１，４－ブタンジオールに変換することにより高純度１，４－ブタンジオールを得る方法であって、以下の（１），（２）の条件を満たすことを特徴とする。
（１）　粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトン含有量が０．０１～１０重量％であること
（２）　マグネシウムと１０族金属元素を担体に担持した固体触媒を用いること
　前記（１），（２）の条件を採用することにより、高沸副生物の生成を抑制してガンマブチロラクトンを効率的に水素化して高純度１，４－ブタンジオールを製造することができる作用機構の詳細は明らかではないが、以下のように推定される。
　従来、ガンマブチロラクトンの水素化に際しては、溶媒としてジオキサン、ＴＨＦ、ジエチルエーテル、ベンゼン又はトルエンなどが使用されており、粗１，４－ブタンジオールに含まれるガンマブチロラクトンの水素化は行われていなかった。その理由としては、ガンマブチロラクトンを水素化して１，４－ブタンジオールを得る反応は可逆反応であり、反応系に溶媒として１，４－ブタンジオールが存在すると反応が押し切れず、反応速度が遅いという欠点があることが挙げられる。
　また、水素化の固体触媒としては、通常ルイス酸、ブレンステッド酸を触媒成分として含有するものを用いることが知られており、このような固体触媒を用いた場合、水素化で生成した１，４－ブタンジオール又は反応系内に存在する１，４－ブタンジオールが高沸点副生物へと変換され消失することがあった。
　しかし、本発明のように、マグネシウムと１０族金属元素を担体に担持した固体触媒を用い、例えば、該固体触媒を充填した充填層への流通方式で粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンを水素化することで、このような問題がなくなり、しかも、各種の１，４－ブタンジオール製造工程で得られるガンマブチロラクトンを微量含む１，４ＢＧ含有組成物をそのまま水素化することも可能となり、これらの１，４ＢＧ含有組成物中の微量のガンマブチロラクトンを容易に１，４ＢＧに変換することが可能となった。
　これは、固体触媒中の１０族金属元素が触媒活性に優れること、マグネシウム成分が触媒上の酸性分を中和して副反応を抑制すること、によるものと考えられる。特に、水素化反応を触媒充填層流通方式とすることにより、ガンマブチロラクトンについては触媒との接触効率が上がり、その水素化が活性化され、一方で、１，４－ブタンジオールについては多量体化の反応が抑制され、より一層効率的な水素化が行えるものと考えられる。
＜粗１，４－ブタンジオール＞
　本発明で水素化に供する粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンの濃度は、０．０１重量％以上であり、好ましくは０．１重量％以上であり、特に好ましくは１．０重量％以上である。粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンの濃度が多くなるほど、本発明の効果は大きくなり、１，４－ブタンジオール製造プロセスにおけるガンマブチロラクトンの分離負荷を軽減できる傾向にある。
　一方、粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンの濃度は１０重量％以下であり、好ましくは７重量％以下であり、特に好ましくは５重量％以下である。粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンの濃度が小さくなるほど、本発明の水素化反応における圧力、触媒量、反応温度などの負荷を低減できる傾向にある。
　なお、ガンマブチロラクトンの濃度が前記範囲となる粗１，４－ブタンジオールは、市販の１，４－ブタンジオールにガンマブチロラクトンを混合して調製してもよいが、アセチレンをホルムアルデヒドと反応させて得られる１，４－ブチンジオールを接触水素化して得られる１，４ＢＧ含有組成物中には、通常前記濃度範囲のガンマブチロラクトンが存在しているので、この１，４ＢＧ含有組成物を粗１，４－ブタンジオールとしてそのまま使用してもよい。また、この１，４ＢＧ含有組成物を蒸留等の方法で精製して、ガンマブチロラクトンと１，４ＢＧ以外の成分を分離してガンマブチロラクトン濃度に調整して用いてもよい。
　また、マレイン酸、コハク酸、無水マレイン酸及び／又はフマル酸を原料として、それらを水素化して得られる１，４ＢＧ含有組成物にも、通常前記濃度範囲内のガンマブチロラクトンが存在しているので、この１，４ＢＧ含有組成物をそのまま粗１，４－ブタンジオールとして使用してもよい。また、この１，４ＢＧ含有組成物を蒸留等の方法で精製して、ガンマブチロラクトンと１，４ＢＧ以外の成分を分離してガンマブチロラクトン濃度に調整して用いてもよい。
　更に、これら製法において１，４ＢＧ含有組成物からガンマブチロラクトンを蒸留除去してもよく、この蒸留分離の程度により、粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンの量が決定される。
　なお、水素化に供する粗１，４－ブタンジオールを、市販の１，４－ブタンジオールにガンマブチロラクトンを混合して調製する場合、ガンマブチロラクトンは市販のものを使用することができる。また、無水マレイン酸の水素化、マレイン酸の水素化、無水コハク酸の水素化、コハク酸の水素化、１，４－ブタンジオールの脱水素などにより得られたガンマブチロラクトンを使用してもよい。
　水素化に供する粗１，４－ブタンジオール中には、その他の成分として、ガンマブチロラクトンと１，４－ブタンジオール以外に、水、ブタノールなどのアルコール、２－ブタノンなどのケトン、ブチルアルデヒドなどのアルデヒド、又は酢酸などのカルボン酸を含有していても差し支えない。
　通常これらの１，４－ブタンジオール以外のその他の成分量は、粗１，４－ブタンジオール中の濃度として５重量％以下が好ましく、更に好ましくは２重量％以下であり、特に好ましくは１重量％以下である。
＜固体触媒＞
　本発明における固体触媒は、担体にマグネシウムと１０族金属元素、即ちニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）の１種又は２種以上を担持したものである。これら１０族金属元素のうち、触媒コストと触媒活性の面でニッケルが最も好ましい。
　なお、固体触媒中のニッケル等の１０族金属元素の形態は、金属単体であっても、酸化ニッケル等の酸化物、水酸化物、その他各種の塩などであっても差し支えない。金属単体に対して酸化物等の比率が高い場合には、反応を開始する前に水素ガスで事前に還元活性化処理を行うなどして、金属単体に変換する処理を行うことも可能であるが、そのまま反応を開始しても差し支えない。即ち、水素化反応系には水素ガスが導入されるため、反応中にこれらの酸化物等は還元されて活性金属元素となる。
　マグネシウムについても金属元素そのもので含有されていても、酸化物、水酸化物、その他各種の塩の形態で含有されていても差し支えない。
　一方、担体としては、シリカ又は珪藻土等の１種又は２種以上を好ましく用いることができ、特に好ましくはシリカである。
　固体触媒中の１０族金属元素成分の含有量（ここで、固体触媒中の１０族金属元素成分含有量とは、１０族金属元素が金属酸化物等の形態である場合は、その金属酸化物等としての含有量である。）は５重量％以上、８０重量％以下であることが好ましく、更に好ましくは１５重量％以上、８０重量％以下、特に好ましくは５０重量％以上、８０重量％以下である。
　また、固体触媒中のマグネシウムの含有量（ここで、固体触媒中のマグネシウムの含有量は、マグネシウムが酸化物等の形態である場合は、その酸化物等としての含有量である。）は、０．１重量％以上、２０重量％以下が好ましく、更に好ましくは０．５重量％以上、１５重量％以下、特に好ましくは１重量％以上、１０重量％以下である。
　一方、固体触媒中の担体の含有量は、５重量％以上、９５重量％以下であることが好ましく、更に好ましくは７重量％以上、８０重量％以下、特に好ましくは１０重量％以上、６０重量％以下である。
　前記範囲よりもマグネシウム及び１０族金属元素成分の含有量が少なく、担体含有量が多いと触媒有効成分としての１０族金属元素量及び助触媒成分としてのマグネシウム量が不足することにより高い水素化効率を得ることができず、前記範囲よりもマグネシウム及び１０族金属元素成分の含有量が多く、担体含有量が少なくても、触媒強度低下のために高い水素化効率を得ることができない。
　本発明における固体触媒は、マグネシウムと１０族金属元素を含有していれば、その他の金属元素を含んでいても差し支えない。ただし、本発明で用いる固体触媒は、ルテニウムは含まない。
　含んでいてもよい他の金属元素としては、例えば、クロム、マンガン、亜鉛、ナトリウム、レニウム、カルシウムなどが挙げられ、特にナトリウムを含有することが好ましい。これらの金属元素も金属元素そのもの、酸化物、水酸化物、その他各種の塩の形態で含有されていても差し支えない。
　本発明における固体触媒が、ナトリウム等の１０族金属元素及びマグネシウム以外の金属元素成分（ただし、ルテニウムを除く）を含有する場合、固体触媒中のその含有量（ここで、１０族金属元素及びマグネシウム以外の金属元素成分の含有量とは、その他の金属元素が金属酸化物等の形態である場合は、その金属酸化物等としての含有量である。）は、０．１重量％以上、２０重量％以下が好ましく、更に好ましくは０．５重量％以上、１５重量％以下、特に好ましくは１重量％以上、１０重量％以下である。
　このようなその他の金属元素成分の併用で、触媒活性の向上を図ることができるが、その含有量が少な過ぎると十分な併用効果を得ることができず、多過ぎると相対的に１０族金属元素成分、マグネシウム及び担体の含有量が少なくなって、本発明に係る固体触媒本来の水素化触媒活性、及び選択率が損なわれる恐れがある。特に１，４－ブタンジオールが高沸点副生物へと変換され消失する割合が増加してしまう。
　なお、固体触媒の形状や大きさには特に制限はなく、粉末状、顆粒状、粒状又はペレット状等の成形品であってもよい。また、固体触媒の大きさについても任意であるが、例えばペレット状に成形された固体触媒の場合、直径１～２０ｍｍで、厚さ１～２０ｍｍであることが好ましい。
　このような固体触媒は、担体を１０属金属塩及びマグネシウム塩の水溶液中に浸漬して金属塩を担持させた後、焼成し、必要に応じて成形するなどの方法で製造することができる。
＜反応方法＞
　粗１，４－ブタンジオールを固体触媒に接触させてガンマブチロラクトンを１，４－ブタンジオールに変換する反応方法（固体触媒との接触方法）については特に制限はないが、前述のように、触媒との接触効率の面から、固体触媒が充填された充填層に、粗１，４－ブタンジオールを流通させる触媒充填層流通方式を採用することが好ましい。
　触媒充填層流通方式における反応形式は固定床、トリクルベッド又は多管式など種々の固体触媒による一般的な充填層型の水素化用反応器の全てが使用可能であるが、好ましくは固定床反応器およびトリクルベッド反応器のいずれかである。この反応器は一機、又は複数機を使用することが可能である。
＜反応条件＞
　本発明で水素化を行う際の反応温度は好ましくは０～２００℃、より好ましくは３０～１５０℃、更に好ましくは４０～１２０℃の範囲にある。反応温度が高すぎると、触媒劣化が促進されてしまう。更に高沸副生物の量が増大してしまう。反応温度が低すぎると反応はほとんど進行しない。
　水素化における水素ガス圧力はゲージ圧力で好ましくは０．１～１００ＭＰａ、より好ましくは０．５～１０ＭＰａ、更に好ましくは１～６ＭＰａの範囲にある。水素ガス圧力が低すぎると、反応速度が遅く生産性が低下する。水素ガス圧力が高すぎた場合には反応器の耐圧負荷、コンプレッサー負荷が増大し、建設費が大幅に増加してしまう。
　また、触媒充填層流通方式において、空塔基準での反応液の滞留時間は、５分以上が好ましく、より好ましくは１０分以上であり、特に好ましくは３０分以上である。また、１００時間以下が好ましく、更に好ましくは５０時間以下、特に好ましくは１０時間以下である。該滞留時間が短すぎると水素化反応はほとんど進行しない。また、該滞留時間が長すぎる場合には触媒充填層が長大となり反応器の設備費増加及び触媒量増加により経済性が大幅に悪化してしまう。
　前記の空塔基準の滞留時間から求められるように、触媒充填量は１分あたりの導入液流量に対して、５容量倍以上が好ましく、より好ましくは１０容量倍以上であり、特に好ましくは３０容量倍である。また、６０００容量倍以下が好ましく、更に好ましくは３０００容量倍以下、特に好ましくは６００容量倍以下である。触媒充填量が少なすぎると反応はほとんど進行しない。また、触媒充填量が多すぎた場合には触媒コストが増大して経済性が大幅に悪化してしまう。
　以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。
　なお、以下の実施例及び比較例において、反応生成物の分析は内部標準法によるガスクロマトグラフィーにより行った。その際、内部標準としてｎ－ドデカンを使用した。ガスクロマトグラフィーは島津製作所社製ＧＣ－１４Ａ（カラム：ＤＢ－ＷＡＸ）を用いた。
　また、以下の実施例及び比較例で用いた固体触媒Ｉ～ＶＩのうち、固体触媒Ｉ～Ｖは、いずれも担体に金属元素成分が担持され、打錠成形によりペレット状（直径１～５ｍｍ、厚さ２～５ｍｍ）に成形されたものであり、その担体の種類及び担持物の種類とその固体触媒中含有量は表１に示す通りである。また、固体触媒ＶＩは、表１に示す通りラネーニッケルである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　また、実施例１～５及び比較例１～３において、固体触媒は流通反応装置の反応器にＳＵＳ製フィルター、ガラスビーズ層、固体触媒層、ガラスビーズ層、ＳＵＳ製フィルターをこの順で設けることにより充填した。
［実施例１］
　反応器容量１２０ｃｃの流通反応装置を用い、この反応器に５０ｃｃの固体触媒Ｉを充填して、ガンマブチロラクトンを１．７重量％含有する粗１，４－ブタンジオールの水素化を行った。水素化の反応条件は、温度１００℃、水素ガス圧２．０ＭＰａＧとした。また、粗１，４－ブタンジオールの流量は５０ｃｃ／ｈとした。その結果、ガンマブチロラクトンの１，４－ブタンジオールへの転化率は２０．０モル％であり、反応生成液中の高沸副生物の濃度は０．０４重量％であった。
［実施例２］
　固体触媒として固体触媒ＩＩを用いたこと以外は実施例１と全て同様に反応を行った。その結果、ガンマブチロラクトンの１，４－ブタンジオールへの転化率は７．０モル％であり、反応生成液中の高沸副生物の濃度は０．２３重量％であった。
［実施例３］
　固体触媒として固体触媒Ｖを用いた以外は実施例１と全て同様に反応を行った。その結果、ガンマブチロラクトンの１，４－ブタンジオールへの転化率は５．３モル％であり、反応生成液中の高沸副生物の濃度は０．１９重量％であった。
［実施例４］
　固体触媒として固体触媒Ｖを用い、反応温度を１３０℃とした以外は実施例１と全て同様に反応を行った。その結果、ガンマブチロラクトンの１，４－ブタンジオールへの転化率は１１．３モル％であり、反応生成液中の高沸副生物の濃度は０．３０重量％であった。
［実施例５］
　水素ガス圧３．５ＭＰａＧ、粗１，４－ブタンジオールの流量を１７ｃｃ／ｈとした以外は実施例１と全て同様に反応を行った。その結果、ガンマブチロラクトンの１，４－ブタンジオールへの転化率は２４．８モル％であり、反応生成液中の高沸副生物の濃度は０．３９重量％であった。
［比較例１］
　固体触媒として固体触媒ＩＩＩを用いた以外は実施例１と全て同様に反応を行った。その結果、ガンマブチロラクトンの１，４－ブタンジオールへの転化率は２．１モル％であり、反応生成液中の高沸副生物の濃度は０．２５重量％であった。
［比較例２］
　固体触媒として固体触媒ＩＶを用いた以外は実施例１と全て同様に反応を行った。その結果、ガンマブチロラクトンの１，４－ブタンジオールへの転化率は４．１モル％であり、反応生成液中の高沸副生物の濃度は０．３４重量％であった。
［比較例３］
　固体触媒として固体触媒ＶＩを用いた以外は実施例４と全て同様に反応を行った。その結果、ガンマブチロラクトンの１，４－ブタンジオールへの転化率は２０．６モル％であり、反応生成液中の高沸副生物の濃度は１．１１重量％であった。
［比較例４］
　ガンマブチロラクトンを５０重量％含有する粗１，４－ブタンジオールを容量１００ｃｃのオートクレーブに５０ｇ添加し、固体触媒Ｉを１ｇ用いて回分型の水素化反応を行った。水素化の反応条件は、温度１００℃、水素ガス圧力０．９ＭＰａＧ、反応時間１時間とした。その結果、ガンマブチロラクトンの１，４－ブタンジオールへの転化率は２．８モル％であり、反応生成液中の高沸副生物の濃度は０．１８重量％であった。
［比較例５］
　固体触媒として固体触媒ＩＩを用いた以外は全て比較例４と同様に反応を行った。その結果、ガンマブチロラクトンの１，４－ブタンジオールへの転化率は３．４モル％であり、反応生成液中の高沸副生物の濃度は１．１３重量％であった。
　以上の結果を表２にまとめて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示すように、本発明に係るマグネシウムと１０族金属元素を担体に担持した固体触媒を用い、触媒充填層流通方式で水素化を行った実施例１～５では、高沸副生物の生成を抑えて粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトンを効率的に１，４－ブタンジオールに変換できることがわかった。
　特に、担体としてシリカを用い、マグネシウム及びニッケル担持量の多い固体触媒Ｉを用いた実施例１，５では、高沸副生物の生成を高度に抑制した上で高い転化率が得られた。
　これに対して、ルテニウム担持触媒を用いた比較例２では、ガンマブチロラクトンの転化率も低く、また、高沸副生物の生成量も多かった。また、マグネシウムを含有しない固体触媒を用いた場合には、総じてガンマブチロラクトンの転化率に対する高沸副生物の生成量が多い（Ａ／Ｂ（×１００）の値が大きい）ことが分かった。
　実施例１，２とそれぞれ同一の固体触媒を用いて回分式で水素化を行った比較例４，５を対比すると、比較例４，５は、いずれも、粗１，４－ブタンジオール中のガンマブチロラクトン濃度が高く、ガンマブチロラクトンの転化率、高沸副生物生成量ともに、実施例１，２よりも劣ることが分かった。
　本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更および変形が可能であることは、当業者にとって明らかである。なお本出願は、２０１１年７月２０日付で出願された日本特許出願（特願２０１１－１５９１０５）に基づいており、その全体が引用により援用される。

Claims (4)

  1. 　ガンマブチロラクトンを０．０１～１０重量％含む粗１，４－ブタンジオールを、マグネシウムと周期表の第１０族に属する金属元素が担体に担持された固体触媒と接触させて、該ガンマブチロラクトンを１，４－ブタンジオールに変換することにより高純度の１，４－ブタンジオールを得ることを特徴とする１，４－ブタンジオールの製造方法。
  2. 　前記固体触媒中の周期表の第１０族に属する金属元素成分の含有量が５～８０重量％である請求項１に記載の１，４－ブタンジオールの製造方法。
  3. 　前記固体触媒の担体がシリカであることを特徴とする請求項１又は２に記載の１，４－ブタンジオールの製造方法。
  4. 　前記固体触媒が充填された充填層に、前記粗１，４－ブタンジオールを流通させることにより、該粗１，４－ブタンジオールを該固体触媒と接触させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の１，４－ブタンジオールの製造方法。
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