JP2005505561A - 2−ピロリドンの製造法 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、γ−ブチロラクトンとアンモニアとを液相中で水の存在で反応させることによる2−ピロリドンの連続的な製造法に関する。
【0002】
2−ピロリドン(γ−ブチロラクタム)はN−ビニルピロリドン及び医薬品の製造のための重要な溶剤、抽出剤及び中間生成物である(Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 第5版, A22巻, 第457-463頁)。
【0003】
Chemische Berichte 69, 第2727-31頁, 1936には、200℃で自己圧下でのGBLと水不含のアンモニアとのバッチ式の反応が記載されている。この反応により2−ピロリドンが収率64%で得られる。
【0004】
US−A−4,824,967(GAF Corp.)には、気相でマグネシウムシリケート触媒上で、230〜300℃で、有利に250〜290℃で、50〜300psig(3.5〜20.7バール)の圧力下でγ−ブチロラクトンとアンモニアとを反応させることによる2−ピロリドンの合成が記載されている。
【0005】
Chem. Abstracts 93(19): 186154b (RO−A−75−82714、Combanitul Petro-chimic)には、270〜330℃及び70〜150atm(70.9〜152.0バール)での、1:1.1〜1:1.2のモル比でのGBLとアンモニアとのバッチ式の反応が記載されている。
【0006】
DE−A−1795007(BASF AG)には、液相中でのGBLとアンモニアとからの2−ピロリドンの連続的な製造法が記載されており、その際、反応は180〜340℃の温度で、反応温度での反応混合物の自己圧を少なくとも10%、有利に少なくとも20%上回る圧力で行われる。反応圧力は一般に25〜280気圧、有利に45〜130気圧である(1気圧=1.01325バール)。反応温度は有利に190〜290℃である。DE−A−1795007の実施例は270℃で、圧力70〜200気圧で、GBL:アンモニア:水のモル比1:5.6:2.4(実施例1)、1:5.3:2.4(実施例2)及び1:5.4:4.8(実施例3)で実施された。
【0007】
Derwent Abstract No.95−176475/23(RO−B1−108561、SC Chimcomplex SA)は、GBLとアンモニア水とを液相中で2工程で反応させ、その際、第一の工程を40〜45℃及び1atmで実施し、第二の工程を270〜280℃及び80〜90バールで実施することによる2−ピロリドンの連続的な製造に関する。
【0008】
US−A5,393,888(ISP Investments Inc.)には、GBL:アンモニアを1:0.5〜0.85のモル比で、200〜375℃の温度で、700〜1800psi(48.3〜124.1バール)の圧力でGBLとアンモニアとを反応させて、2−ピロリドンに変換することが記載されている。
【0009】
WO99/52866(Pantochim)には、GBLとアンモニアとを液相中で3つの逐次反応工程で反応させ、その際、第一の工程を130〜200℃の温度で運転し、第二の工程を200〜250℃の温度で運転し、第三の工程を250〜320℃の温度で運転する、2−ピロリドンの連続的な製造法が開示されている。3つの全工程における圧力は40〜120ATE(40.53〜121.59バール)、有利に60〜100ATE(60.80〜101.33バール)である。
【0010】
US−A−4,014,900(S.F. Pusztaszeri)は、金属水酸化物を用いた処理、及び所定の温度及び圧力での加熱された表面のフラッシュ蒸発による、市販の2−ピロリドンの精製法に関する。
【0011】
本発明によれば、公知技術水準からとりわけ以下の欠点がもたらされることが判明した:
a)空時収率が低いこと、及び気相中で反応を実施する際に触媒が必要であること。
b)DE−A−1795007による運転方式の場合、GBLに対してアンモニアが大モル過剰であること、反応搬出分を後処理する際及び未反応のアンモニアを回収する際に高い技術的費用がかかるため、高い投資コスト及びエネルギーコストが必要であること、及び
c)例えばWO99/52866の場合、複数の反応工程で反応を実施する際に、高い投資コスト及び運転コストに関連する高い技術的費用が必要であること。
【0012】
本発明は、公知技術水準の欠点を克服しながら、2−ピロリドンを高収率及び高空時収率及び高品質で(例えば純度>99.5 GC−Fl.%、APHA−色数≦30)製造するための、改善された選択的な方法を見出すという課題に基づいていた。
【0013】
それに応じて、反応を275〜300℃の温度及び140〜180バールの絶対圧力で実施することを特徴とする、γ−ブチロラクトンとアンモニアとを液相中で水の存在で反応させることにより2−ピロリドンを連続的に製造する方法が見出された。
【0014】
有利に、本発明による反応は280〜295℃の温度で、殊に280〜290℃の温度で、極めて殊に282〜288℃の温度で、例えば285℃で実施される。
【0015】
本発明による反応は、有利に150〜170バール、殊に155〜165バール、例えば160バールの絶対圧力で実施される。
【0016】
使用物質であるGBL:アンモニア:水のモル比は、本発明による方法において一般に1:(1.5〜5):(0.5〜4)、有利に1:(2〜4):(1〜3)、殊に1:(2.1〜3.5):(1.5〜2.8)、極めて殊に1:(2.2〜3):(1.6〜2.3)、例えば1:2.6:1.9である。
【0017】
本発明による方法は、例えば以下のように実施されてよい:
反応器として、有利に、圧力調節器により制御された放圧バルブを上端部に備えた直立型の細い高圧管を利用する。供給流を有利に反応器排出分により予熱し、それにより、反応器中で発熱により本発明による反応温度を調節できるようにする。逆混合を回避し、かつプラグ流れを良好に形成するために、反応器中には有利に複数の多孔板が取付けられている(準撹拌容器カスケード)。多孔板の数は10〜30、有利に12〜24であってよい。
【0018】
場合により後処理(以下参照)から回収されたアンモニアと混合された液体アンモニアを、ポンプ、例えば膜ポンプを用いて蒸気運転式加熱器W1へと搬送する。
【0019】
場合により後処理(以下参照)から回収された水と混合された水を、ポンプ、例えばピストンポンプを用いて同様に加熱器W1へと搬送する。
【0020】
液体アンモニア/水−混合物を、W1から熱交換器W3を介して管状反応器の下端部へ搬送する(有利な液相運転方式)。
【0021】
GBLをポンプ、例えば膜ポンプを用いて、蒸気運転式加熱器W2を介して、同様に管状反応器の下端部へと搬送し、その際、使用物質の完全混合が生じ、使用物質であるGBL、アンモニア及び水は、上記の本発明によるモル比で存在する。
【0022】
殊に有利な実施態様において、GBL及びアンモニア/水−混合物を管状反応器に、反応器底部の中心に、2物質流注入器により別個に供給する。ここではGBLは高い流動速度で(有利に4〜12m/s)、中心ノズルを介して導かれるのに対して、アンモニア/水−混合物はこのノズルの外側を、環状間隙を介して反応器中に達する。この場合、出発生成物を推進噴射として循環型管に導き、この場合この循環型管は反応器の入口領域内に存在し、空の反応器横断面の約3分の1を含み、有利に1.5〜2.0mの長さを有する。循環型管の外側で行われ、かつ推進噴射により進行される液体の再循環により、上記の本発明によるモル比での反応パートナーの強力な第一の接触がもたらされる。
【0023】
反応器中で、上記の温度及び圧力下で、GBLとアンモニアとを、液相中で、水の存在で、発熱反応で反応させて2−ピロリドンへと変換させる。
【0024】
反応は有利に触媒の不在で実施される。
【0025】
標準温度(20℃)でのGBL、アンモニア(液体)及び水の密度を用いて測定された、反応器中での反応混合物の平均滞留時間は、負荷に応じて一般に20〜60分、有利に30〜45分である。
【0026】
得られた反応生成物を反応器から連続的に蒸留塔K1へと放圧して搬出し、その際、反応搬出分をまずアンモニア/水−混合物を加熱するために、完全又は部分的に、熱交換器W3(上記参照)に導通し、この際、冷却する。
【0027】
過剰のアンモニアを蒸留塔K1中で、例えば40〜160℃及び15〜18バールで留去し、その際、循環型蒸発器を用いて熱供給を行い、この熱供給分を合成に返送することができる。
【0028】
有利に、この蒸留工程におけるアンモニアの留去を、金属Na、K、Li、Ba又はCaの水酸化物(それぞれこの蒸留工程の供給管中の2−ピロリドンの量に対して)0.1〜1質量%、殊に0.5〜0.9質量%の存在で行う。
【0029】
殊に有利に、この蒸留工程におけるアンモニアの留去をNaOHの存在で行い、このNaOHを水酸化ナトリウム溶液としてポンプを用いてこの塔の塔底に計量供給し、例えばここでは、NaOHの濃度が(それぞれこの蒸留工程の供給管中の2−ピロリドンの量に対して)0.1〜1質量%、殊に0.5〜0.9質量%となるように、25%水酸化ナトリウム水溶液を使用する。
【0030】
本発明によれば、上記の特別な方法の実施態様により、反応生成物中に含有されるCO2が結合され、塔K1の塔頂においてカルバメート及びカルバミネートの形成が阻止され、かつ残存する未反応のGBLの痕跡がγ−ヒドロキシ酪酸の相応する金属塩へ変換され、最終的に殊に純粋な2−ピロリドンが得られることが判明した。
【0031】
引き続き、アンモニア不含の塔底生成物をもう1つの蒸留塔中へと放圧して搬出し、このもう1つの蒸留塔において、0.1〜0.3バール、殊に0.15〜0.2バールで水を留去し、部分的に合成へと返送することができる。ここでも循環型蒸発器を用いて熱供給を行うことができる。
【0032】
このようにして上記塔の底部で得られた粗製2−ピロリドン(この2−ピロリドンは副生成物として微量のγ−(N−2−ピロリドニル)−酪酸アミド及びγ−(N−2−ピロリドニル)−酪酸を含有してよい)を、その後もう1つの蒸留塔中で、例えば1〜2ミリバールの圧力で精留する(2−ピロリドンの沸点:250℃/1013ミリバール)。
【0033】
本発明による方法により、2−ピロリドンが>93%、殊に>94%の収率で得られる。GBLの転化率は一般に>98%、殊に>99%、極めて殊に>99.9%である。(GBLに対する)選択率は一般に>93%、殊に>94%である。
【0034】
本発明により得られた2−ピロリドンは高品質を有する:
純度は一般に>99.5 GC−Fl.%、殊に≧99.8 GC−Fl.%である(GC条件:25 m CP−WAX 52 CB、温度プログラム:140℃/保持時間8分、加熱速度 5℃/分、最終温度180℃/保持時間15分)。1,4−ブタンジオールの含量は一般に<0.1 GC−Fl.%、殊に<0.07 GC−Fl.%であり、GBLの含量は<0.1 GC−Fl.%、殊に<0.05 GC−Fl.%である(GC条件は上記の通り)。3−及び4−メチル−2−ピロリドンの含量は一般にそれぞれ<0.1 GC−Fl.%、殊にそれぞれ<0.08 GC−Fl.%である(GC条件は上記の通り)。
【0035】
本発明により得られた2−ピロリドンのDIN ISO 6271によるAPHA−色数は一般に≦30、殊に<5である。
【0036】
本発明による方法は、刊行物DE−A−1795007に記載されているような設備において実施されてもよく、ここでこの刊行物は参考のために挙げられたものである。
【0037】
本発明による方法は、有利に一工程で、即ち1つの反応器中で実施される。
【0038】
該方法の特別な実施態様において、複数の管状反応器(例えば、2又は3個の反応器、それぞれ上記の通り)を液相運転方式で直列接続してもよく、その際、少なくともこれらの反応器のうち1つの反応器の中の、有利にこれらの反応器のうち最後の反応器の中の条件は本発明による反応条件である。
【0039】
このような複数の反応器の直列接続の例の1つは刊行物WO99/52866に記載されており(図1、反応器No.5、9及び13及び記載を参照のこと)ここでこの刊行物は参考のために挙げられたものである。
【実施例】
【0040】
実施例
実施例1
2−ピロリドン合成を下記の条件下で連続運転方式で1l反応器(RA4、長さ×内径=2000mm×30mm、環状間隙9mm、容積=1.1l、電気的に加熱されたもの)中で実施した。この場合、反応器を液相運転方式で直立流路中で運転させた。使用物質であるアンモニア及び水(混合物として)、並びにGBLを予熱し、ポンプを用いて反応器入口へと導き、この反応器入口において2つの流れを混合した。
【0041】
反応器出口には高圧分離器が存在し、この高圧分離器から気相(窒素及び不活性ガス)を排ガスとして放出する。分離した液相を容器中で大気圧へと放圧し、その際、過剰で使用しかつ反応後に残存するアンモニアを排気した。
温度: 285℃
圧力: 160バール(N2により圧力を維持)
負荷: 0.74kg GBL/(反応器l*時)
GBL:NH3:H2O−モル比 1:2.6:1.9
排ガス 20 Nl/時
[Nl=標準温圧でのリットル=標準条件に換算した体積;反応器負荷:反応器容積1リットル当たり毎時GBLkg]
以下の表に(アンモニア蒸発後の)反応搬出分の組成を示す。
【0042】
【表1】
【0043】
GC条件:30 m RTX 5 アミン、温度プログラム:入口温度80℃、加熱速度8℃/分、最終温度280℃/保持温度15分。H2O−含量は考慮しない。
【0044】
(*)アミド=γ−(N−2−ピロリドニル)−酪酸アミド
Claims (15)
- γ−ブチロラクトンとアンモニアとを液相中で水の存在で反応させることにより2−ピロリドンを連続的に製造する方法において、反応を275〜300℃の温度及び140〜180バールの絶対圧力で実施することを特徴とする、2−ピロリドンを連続的に製造する方法。
- 反応を280〜295℃の温度で実施する、請求項1記載の方法。
- 反応を150〜170バールの絶対圧力で実施する、請求項1又は2記載の方法。
- 使用物質であるγ−ブチロラクトン、アンモニア及び水のモル比が1:(1.5〜5):(0.5〜4)である、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
- 使用物質であるγ−ブチロラクトン、アンモニア及び水のモル比が1:(2〜4):(1〜3)である、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
- 反応を一工程で実施する、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
- 反応を直立型管状反応器中で実施する、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
- 反応を液相運転方式で実施する、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
- γ−ブチロラクトンとアンモニア/水−混合物とを、管状反応器に、反応器底部において2物質注入器により別個に供給する、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
- 反応を触媒の不在で実施する、請求項1から9までのいずれか1項記載の方法。
- 反応後、反応生成物からまず過剰のアンモニアを留去し、その後水を留去し、最後に2−ピロリドンを留去する、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。
- 反応後、反応生成物から過剰のアンモニアを、金属Na、K、Li、Ba又はCaの水酸化物の存在で、殊にNaOHの存在で留去する、請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。
- >93%の選択率を有する2−ピロリドンを製造する、請求項1から12までのいずれか1項記載の方法。
- >99.5%の純度を有する2−ピロリドンを製造する、請求項1から13までのいずれか1項記載の方法。
- ≦30のAPHA−色数を有する2−ピロリドンを製造する、請求項1から14までのいずれか1項記載の方法。
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