【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
本発明はRh4(CO)12又はRh6(CO)16で表わさ
れるロジウムカルボニルクラスター化合物とアリ
ールホスフイン基を有する高分子体とからなる、
オキソ反応用触媒に関する。
本発明の前記触媒の製造方法について説明する
と、前記ロジウムカルボニルクラスター化合物を
化学的に不活性な溶媒、例えばクロロホルム、ジ
クロロメタン、テトラヒドロフラン、ジメチルス
ルホキシド等の極性溶媒又はヘキサン、ペンタン
等の炭化水素からなる無極性溶媒に溶解せしめ、
好ましくは不活性雰囲気下、アリールホスフイン
基を有する高分子体を添加し、充分撹拌の上、カ
ルボニル置換による担持を完了せしめる。次いで
デカンテーシヨン濾過又は溶媒の蒸留によりロジ
ウムカルボニルクラスターを含む高分子体を分離
回収することにより製造できる。製造方法におい
て、不活性雰囲気としては減圧下(10-1〜10-5cm
Hg)及び窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性
ガス中で行うことが好ましい。
本発明で用いるアリールホスフイン基を有する
高分子体としては、従来の方法で製造されるホス
フイン基を官能性置換基として含有する下記一般
式()、()又は()で表わされる高分子体
等が挙げられる。ホスフイン基の含有
(式中、R1〜R6はアリール基であり、Zはシリ
カ、アルミナ又はゼオライト分子篩から水酸基を
除いた残基を表わす。)
率は特に制約されるものではないが、実質上高分
子体の1g当り0.001〜100mmol、特に1〜10m
molの範囲が好ましい。
ロジウムカルボニルクラスター化合物の高分子
体に対する担持率は、高分子体が含有するホスフ
イン基の濃度に依存するが、実質上高分子の1g
当り担持ロジウムカルボニルクラスター化合物の
モル量は0.001〜100mmolの範囲が好ましい。用
いられるロジウムカルボニルクラスター化合物と
しては
Rh4(CO)12 −()
Rh6(CO)16 −()
が挙げられる。
このようにして製造された本発明のロジウムカ
ルボニルクラスターを含む高分子体は担持状態に
ついては完全には明らかでないが、(1)担持過程で
含有ホスフイン基濃度に対して化学量論量(当モ
ル量)の一酸化炭素の発生が観察されること、(2)
赤外分光法による観察によれば、カルボニルクラ
スター化合物に特有なカルボニル配位状態を担持
後もなお担持していること及び(3)担持後、残液中
に出発原料であるロジウムカルボニルクラスター
化合物以外の金属分解生成物やカルボニル錯体化
合物は見出されないことからクラスター構造を保
持しており、1個乃至数個のカルボニル基を置換
し、高分子体に担持固定されているものと推定さ
れる。
従来のオキソ反応(ヒドロホルミル化反応)は
触媒として鉄族金属化合物とりわけコバルトカル
ボニル化合物及び塩基性化合物(例えばアルキル
又はアリールホスフイン及び窒素化合物)により
そのカルボニル基の一部又は全部が置換された鉄
族有機金属化合物を用い、極性又は無極性溶媒中
25〜500気圧、150〜250℃で行う均一オキソ合成
法が知られている〔W.Reppe、Liebigs Ann.
Chem.、582、122(1953)〕。また、最近になつて
ロジウムカルボニル錯体を用い中低圧下で溶媒
中、塩基性化合物の添加により選択性を高めた均
一オキソ合成法も開発された〔C.K.Brown、et
al.、Tetrahedron Letters、22、1725(1969)、
D.Evans、et al.、J.Chem.Soc.、2660
(1968)〕。しかしながら、均一オキソ合成法にお
いては有効金属触媒の分離、回収が複雑で工業化
の際経済的な問題があり、例えばコバルトカルボ
ニルを触媒として用いる場合には、高温、高圧下
で反応を行わなければ充分なオキソ転化率は得ら
れないため反応器や反応操作の点に問題がある等
の欠点を有している。
斯様な欠点を解決すべく、不均一触媒に用いよ
り緩和な条件下でのオキソ合成法が検討され、オ
キソ活性の高いロジウムカルボニル錯体をホスフ
イン基を有する高分子体に固定し触媒の不溶化を
計つた合成法がこれまでに数件報告された〔W.
O.Haag.et al.、ベルギー特許第721686号、フラ
ンス特許第760556号参照〕。しかし、この方法で
は、液相又は凝縮相においてロジウムの流出はな
かつたが高圧条件にするとロジウムが流出し、ロ
ジウム単位当りのオキソ転化率を均一ロジウム触
媒に比べ低下した。また、従来のコバルト金属担
持触媒及びロジウム金属担持触媒では気相オキソ
合成活性はないかほとんどないことが知られてお
り、更にこれ迄にオキソ合成用の有効な不均一金
属触媒や気相オキソ合成法の開発はなされていな
い。
本発明者は、複数個のロジウム原子集団を含む
ロジウムカルボニルクラスター化合物とアリール
ホスフイン基を有する高分子体とからなる本発明
によるロジウムカルボニルクラスターを含む高分
子体を用いて減圧〜常圧下、オレフイン、一酸化
炭素、水素の混合ガスから室温〜120℃温度域で
アルデヒドを選択的に気相合成することに成功し
た。従来、ロジウムカルボニルクラスター化合物
は溶媒中、アルキル又はアリールホスフイン化合
物と反応しカルボニル基の一部がホスフイン基と
置換された誘導体が生成することは周知であつ
た。しかるに、これらホスフイン誘導体は反応性
に富むが不安定であり、均一相においては一酸化
炭素、水素あるいはオキソガス存在下では分解し
触媒として働かせることは困難であつた。本発明
者はロジウムカルボニルクラスター化合物をカル
ボニル基の置換によりアリールホスフイン基を有
する高分子体にロジウムカルボニルクラスターの
構造を保持しつつ化学的に活性化、固定化(不溶
化)した触媒を気相オキソ反応に応用して、その
有効性を見出したものである。
ロジウムカルボニルクラスターを含む高分子体
からなる触媒は、常温、常圧下での気相オキソ反
応に有効であり、とりわけアルデヒド選択性が極
めて高くアルコールやパラフインの副生は無視さ
れる程度である。その触媒活性は長時間持続し活
性低下は見られなかつた。ロジウムカルボニルク
ラスター化合物自体には気相オキソ活性がないこ
とから、アリールホスフイン基を有する高分子体
にカルボニル置換、担持固定されることにより化
学的に活性化され、気相オキソ触媒として有効に
働くことが明らかとなつた。また従来法によるロ
ジウムカルボニル錯体(Rh(CO)4-x
(PR3)x(x=1-3))を同様なアリールホスフイン基
を有する高分子体で固定した触媒を用いた場合の
オキソ活性と比較するとロジウム重量当り、同一
反応条件下では、ロジウムカルボニルクラスター
を含む高分子体からなる触媒の方が100〜1000倍
程高い触媒活性を有することもわかつた(下記参
考例参照)。これはクラスター担持による触媒調
製の有効性を説明するものである。
オキソ反応の反応操作方法としては、閉鎖循環
式反応器、流通循環式反応器、常圧及び加圧流通
固定床式反応器中に触媒(ペレツト状又は粉末
状)を充填し、オレフイン、一酸化炭素、水素の
混合ガスを所定の混合比で混合し、減圧乃至常圧
あるいは加圧(1〜150気圧)下で導入し、実質
的には室温〜150℃(担体による熱安定性を考慮
して、シリカ表面のホスフイン化による担体を用
いた場合等はこの限りではない。)で反応させ、
オキソ生成物を捕集するものである。触媒の形状
に応じて流動床式流通反応器や極性ないし無極性
溶媒中に触媒を分散して行うバツチ式反応器にも
適用が可能である。
本発明のアルデヒドの製造原料であるオレフイ
ンはエチレン、プロピレン、ブテン、ヘキセン等
の如きモノオレフイン、ブタジエン等の如きジオ
レフイン、シクロヘキセン等の如き環状オレフイ
ンを用いることができる。オレフイン、一酸化炭
素、水素の混合比に関しては特に限定されること
はないが、通常オレフイン:一酸化炭素=1:10
〜10:1及び一酸化炭素:水素=1:10〜10:1
(モル比)においてが好ましい。次に本発明のロ
ジウムカルボニルクラスターを含む高分子体の製
造方法及びその生成物のアルデヒド合成反応に対
する触媒能について実施例をもつて更に詳細に説
明する。
実施例 1
Rh6(CO)16 0.20gをクロロホルム250mlに充
分撹拌しながら溶解し濃い赤茶色溶液を得た。こ
れにジフエニルホスフイン化ポリスチレン樹脂
(50〜80メツシユ粒状粉末、1.34mmol/gのメチ
レンクロル置換したポリスチレン〔ジビニル架橋
率2.5%〕樹脂とテトラヒドロフラン中でジフエ
ニルホスフインリチウム〔(C6H5)2PLi〕と反応
させ、充分洗浄、減圧乾燥したもの。)7.0gをア
ルゴン気流中で加えた。室温で撹拌しながら当量
の一酸化炭素が発生し終わるとポリマー樹脂は茶
褐色化し溶液は脱色した。Rh6(CO)16を置換、
担持固定したポリスチレン粉末をアルゴン気流中
でガラスフイルターを用い濾過し、クロロホル
ム、メタノールとで洗浄を繰返した後、真空乾燥
した。このようにして製造したロジウムカルボニ
ルクラスターを含む高分子体からなる触媒は酸化
されやすいので製造及び充填操作は不活性雰囲気
下で行うことが好ましい。本触媒をガラス製閉鎖
循環式反応器(全容積420ml)に充填し室温で数
10分間排気した後、エチレン及びプロピレンのオ
キソ混合ガスを導入したところ50〜110ですみや
かにアルデヒドが選択的に生成した。オキソ生成
物をドライアイスラツプで回収し、ガスクロマト
グラフイーにより確認した。気相分析は活性アル
ミナのガスクロマトグラフイーによつたが、オレ
フインの水添によるパラフインの生成は測定時間
中無視される程度であつた。表1及び表2にエチ
レン及びプロピレンオキソ活性を例示する。
The present invention consists of a rhodium carbonyl cluster compound represented by Rh 4 (CO) 12 or Rh 6 (CO) 16 and a polymer having an arylphosphine group.
This invention relates to catalysts for oxo reactions. To explain the method for producing the catalyst of the present invention, the rhodium carbonyl cluster compound is mixed with a chemically inert solvent, such as a polar solvent such as chloroform, dichloromethane, tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, or a nonpolar solvent made of a hydrocarbon such as hexane or pentane. Dissolved in a neutral solvent,
A polymer having an arylphosphine group is added preferably under an inert atmosphere, and the support by carbonyl substitution is completed after sufficient stirring. It can then be produced by separating and recovering a polymer containing rhodium carbonyl clusters by decantation filtration or distillation of the solvent. In the manufacturing method, the inert atmosphere is under reduced pressure (10 -1 to 10 -5 cm
Hg) and an inert gas such as nitrogen, helium, or argon. The polymer having an arylphosphine group used in the present invention is a polymer represented by the following general formula (), () or () containing a phosphine group as a functional substituent, which is produced by a conventional method. etc. Contains phosphine group (In the formula, R 1 to R 6 are aryl groups, and Z represents a residue obtained by removing a hydroxyl group from silica, alumina, or zeolite molecular sieve.) Although the ratio is not particularly limited, substantially 0.001 to 100 mmol per 1 g, especially 1 to 10 m
A mol range is preferred. The loading rate of the rhodium carbonyl cluster compound on the polymer depends on the concentration of phosphine groups contained in the polymer, but substantially 1 g of the polymer
The molar amount of the supported rhodium carbonyl cluster compound is preferably in the range of 0.001 to 100 mmol. Examples of the rhodium carbonyl cluster compound used include Rh 4 (CO) 12 −() Rh 6 (CO) 16 −(). Although the supported state of the polymer containing the rhodium carbonyl cluster of the present invention produced in this way is not completely clear, (1) during the supporting process, the stoichiometric amount (equimolar) is (2)
According to observation by infrared spectroscopy, the carbonyl coordination state peculiar to carbonyl cluster compounds is still supported even after being supported, and (3) after being supported, there are no substances other than the rhodium carbonyl cluster compound, which is the starting material, in the residual solution. Since no metal decomposition products or carbonyl complex compounds were found, it is presumed that the cluster structure is maintained, one to several carbonyl groups are substituted, and the polymer is supported and fixed on the polymer. The conventional oxo reaction (hydroformylation reaction) uses as a catalyst an iron group metal compound, especially a cobalt carbonyl compound, and an iron group whose carbonyl groups are partially or fully substituted by basic compounds (e.g. alkyl or arylphosphines and nitrogen compounds). Using organometallic compounds in polar or non-polar solvents
A homogeneous oxo synthesis method performed at 25-500 atm and 150-250°C is known [W.Reppe, Liebigs Ann.
Chem., 582 , 122 (1953)]. In addition, a homogeneous oxo synthesis method has recently been developed using a rhodium carbonyl complex in a solvent under medium-low pressure with increased selectivity by adding a basic compound [CKBrown, et al.
al., Tetrahedron Letters, 22 , 1725 (1969),
D. Evans, et al., J. Chem. Soc., 2660
(1968)]. However, in the homogeneous oxo synthesis method, the separation and recovery of the effective metal catalyst is complicated and there are economical problems in industrialization. For example, when using cobalt carbonyl as a catalyst, it is necessary to perform the reaction at high temperature and high pressure. Since a high oxo conversion rate cannot be obtained, there are disadvantages such as problems with the reactor and reaction operation. In order to solve these drawbacks, an oxo synthesis method using a heterogeneous catalyst under milder conditions was investigated, and a rhodium carbonyl complex with high oxo activity was immobilized on a polymer having a phosphine group to make the catalyst insolubilized. Several synthetic methods have been reported so far [W.
See O.Haag.et al., Belgian Patent No. 721686, French Patent No. 760556]. However, in this method, rhodium did not flow out in the liquid phase or condensed phase, but rhodium flowed out under high pressure conditions, and the oxo conversion rate per rhodium unit was lower than that of a homogeneous rhodium catalyst. In addition, it is known that conventional cobalt metal-supported catalysts and rhodium metal-supported catalysts have no or almost no gas-phase oxo synthesis activity. No legislation has been developed. The present inventor used a polymer containing rhodium carbonyl clusters according to the present invention, which is composed of a rhodium carbonyl cluster compound containing a plurality of groups of rhodium atoms and a polymer having an arylphosphine group, to produce olefins under reduced pressure to normal pressure. We succeeded in selective vapor phase synthesis of aldehydes from a mixed gas of carbon monoxide, hydrogen and carbon monoxide in the temperature range of room temperature to 120℃. It has been well known that a rhodium carbonyl cluster compound reacts with an alkyl or arylphosphine compound in a solvent to produce a derivative in which a portion of the carbonyl group is substituted with a phosphine group. However, these phosphine derivatives are highly reactive but unstable, and in the presence of carbon monoxide, hydrogen, or oxo gas in a homogeneous phase, it is difficult to decompose them and make them work as catalysts. The present inventor has developed a catalyst in which a rhodium carbonyl cluster compound is chemically activated and immobilized (insolubilized) in a polymer having an arylphosphine group by substitution of carbonyl groups while maintaining the structure of the rhodium carbonyl cluster. The effectiveness of this method was discovered by applying it to reactions. Catalysts made of polymers containing rhodium carbonyl clusters are effective in gas-phase oxo reactions at room temperature and pressure, and have particularly high aldehyde selectivity, with the by-products of alcohol and paraffin being negligible. The catalytic activity lasted for a long time and no decrease in activity was observed. Since the rhodium carbonyl cluster compound itself does not have gas-phase oxo activity, it is chemically activated by carbonyl substitution and support fixation on a polymer having an arylphosphine group, and works effectively as a gas-phase oxo catalyst. It became clear. In addition, rhodium carbonyl complex (Rh(CO) 4-x
(PR 3 ) It was also found that catalysts made of polymers containing carbonyl clusters have 100 to 1000 times higher catalytic activity (see Reference Examples below). This explains the effectiveness of catalyst preparation by cluster support. The reaction operation method for the oxo reaction is to fill a closed circulation reactor, a flow circulation reactor, a normal pressure or pressurized flow fixed bed reactor with a catalyst (pellet form or powder form), A mixed gas of carbon and hydrogen is mixed at a predetermined mixing ratio and introduced under reduced pressure to normal pressure or increased pressure (1 to 150 atmospheres), and the temperature is substantially room temperature to 150°C (taking into account the thermal stability of the carrier). However, this does not apply when using a carrier with phosphination of the silica surface.)
It collects oxo products. Depending on the shape of the catalyst, it can also be applied to a fluidized bed type flow reactor or a batch type reactor in which the catalyst is dispersed in a polar or nonpolar solvent. As the olefin which is a raw material for producing the aldehyde of the present invention, monoolefins such as ethylene, propylene, butene, hexene, etc., diolefins such as butadiene, etc., and cyclic olefins such as cyclohexene, etc. can be used. The mixing ratio of olefin, carbon monoxide, and hydrogen is not particularly limited, but usually olefin: carbon monoxide = 1:10.
~10:1 and carbon monoxide:hydrogen = 1:10~10:1
(molar ratio) is preferred. Next, the method for producing a polymer containing a rhodium carbonyl cluster according to the present invention and the catalytic ability of the product to catalyze an aldehyde synthesis reaction will be explained in more detail using Examples. Example 1 0.20 g of Rh 6 (CO) 16 was dissolved in 250 ml of chloroform with thorough stirring to obtain a deep reddish brown solution. Diphenylphosphine lithium [(C 6 H 5 ) 2 PLi], thoroughly washed and dried under reduced pressure.) 7.0 g was added in an argon stream. When an equivalent amount of carbon monoxide had been generated while stirring at room temperature, the polymer resin turned brown and the solution was decolored. Replace Rh6 (CO) 16 ,
The supported and fixed polystyrene powder was filtered using a glass filter in an argon stream, washed repeatedly with chloroform and methanol, and then vacuum dried. Since the catalyst made of a polymer containing rhodium carbonyl clusters produced in this way is easily oxidized, the production and filling operations are preferably carried out under an inert atmosphere. This catalyst was packed into a glass closed circulation reactor (total volume 420 ml) and reacted at room temperature.
After evacuation for 10 minutes, an oxo mixed gas of ethylene and propylene was introduced, and aldehyde was rapidly and selectively generated at a temperature of 50 to 110 °C. The oxo product was collected in a dry ice lap and confirmed by gas chromatography. Gas phase analysis was based on activated alumina gas chromatography, but the formation of paraffin due to hydrogenation of olefin was negligible during the measurement period. Tables 1 and 2 illustrate ethylene and propylene oxo activities.
【表】【table】
【表】
参考例
ロジウムカルボニルクラスターのかわりにロジ
ウムカルボニル錯体を用い高分子体に担持、固
定してなる触媒によるオキソ活性の比較
Rh2(CO)4Cl20.10gをベンゼン100mlに溶解
し、実施例1で用いたジフエニルホスフイン化ポ
リスチレン樹脂5gを加え撹拌し、完全にロジウ
ムカルボニルが固定された後、アルゴン気流中で
濾過しベンゼン洗浄後、閉鎖循環式反応器(全容
量420ml)に充填した。
水素還元処理後プロピレンオキソガスを導入し
たが、90〜110℃の温度域でのアルデヒドの生成
はごくわずかであり同じ条件下でのロジウムカル
ボニルクラスターを含む高分子体からなる触媒に
比ベロジウム重量当り1/700以下の活性しか認め
られなかつた。
実施例 2
Rh4(CO)120.10gをテトラヒドロフラン100ml
に溶解し窒素ガス雰囲気下、ジフエニルホスフイ
ン化ポリスチレン(100〜200メツシユ、ホスフイ
ン基含有量1.26mmol/g、2%ジビニルベンゼン
架橋)4.0gを加え、脱気後撹拌するとすみやか
な一酸化炭素の発生に伴い赤色溶液は脱色し高分
子粒子に完全に固定化された。20分後、窒素ガス
雰囲気下で濾過し溶媒を除去しガラス製閉鎖循環
式反応器(全容積420ml)に充填した。気相を脱
気し室温で排気を30分間続けた後エチレンあるい
はプロピレンのオキソガスを減圧下導入すると室
温〜100℃でアルデヒドが選択的に得られた。反
応条件を変えた場合の本触媒によるオキソ活性、
アルデヒド直鎖率及び副生パラフイン化反応及び
アルコール化活性に関し得られた結果を表3に示
す。 [ Table] Reference example: Comparison of oxo activity using a catalyst made by using a rhodium carbonyl complex instead of a rhodium carbonyl cluster and supporting and fixing it on a polymer. 5 g of the diphenylphosphine polystyrene resin used in Example 1 was added and stirred to completely fix rhodium carbonyl. After being filtered in an argon stream and washed with benzene, it was packed into a closed circulation reactor (total volume 420 ml). did. Although propylene oxo gas was introduced after hydrogen reduction treatment, the generation of aldehyde in the temperature range of 90 to 110°C was negligible, and compared to a catalyst made of a polymer containing rhodium carbonyl clusters under the same conditions, it was Only 1/700 or less activity was observed. Example 2 0.10g of Rh 4 (CO) 12 in 100ml of tetrahydrofuran
Add 4.0 g of diphenylphosphineated polystyrene (100-200 mesh, phosphine group content 1.26 mmol/g, 2% divinylbenzene cross-linked) under a nitrogen gas atmosphere, degas the mixture, and stir to remove carbon monoxide. As a result, the red solution was decolorized and completely immobilized on the polymer particles. After 20 minutes, the solvent was removed by filtration under a nitrogen gas atmosphere, and the mixture was filled into a glass closed circulation reactor (total volume: 420 ml). After degassing the gas phase and continuing evacuation at room temperature for 30 minutes, ethylene or propylene oxo gas was introduced under reduced pressure, and aldehydes were selectively obtained at room temperature to 100°C. Oxo activity of this catalyst when changing reaction conditions,
Table 3 shows the results obtained regarding the aldehyde linear chain ratio, by-product paraffinization reaction, and alcoholization activity.
【表】【table】