(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-11-18
(54)【発明の名称】高収率および低不純物であるアクロレインまたはアクリル酸のアリルアルコールからの産生
(51)【国際特許分類】
C07C 45/38 20060101AFI20221111BHJP
C07C 47/22 20060101ALI20221111BHJP
C07B 61/00 20060101ALN20221111BHJP
【FI】
C07C45/38
C07C47/22 H
C07B61/00 300
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022514687
(86)(22)【出願日】2020-09-10
(85)【翻訳文提出日】2022-03-04
(86)【国際出願番号】 US2020050092
(87)【国際公開番号】W WO2021055220
(87)【国際公開日】2021-03-25
(32)【優先日】2019-09-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】590002035
【氏名又は名称】ローム アンド ハース カンパニー
【氏名又は名称原語表記】ROHM AND HAAS COMPANY
(74)【代理人】
【識別番号】110000589
【氏名又は名称】特許業務法人センダ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】シュイ、チンスオ
【テーマコード(参考)】
4H006
4H039
【Fターム(参考)】
4H006AA02
4H006AC45
4H006BA12
4H006BA13
4H006BA14
4H006BA30
4H006BE30
4H039CA62
4H039CC20
(57)【要約】
アクロレインは、気相中の酸素の存在下で、第1の混合金属酸化物触媒上でアリルアルコールを選択的に酸化することによって産生される。第1の混合金属酸化物触媒は、モリブデンおよびビスマスの酸化物を含む。アクリル酸は、気相中の酸素の存在下で、第2の混合金属酸化物触媒上でアクロレインを選択的に酸化することによって産生される。第2の混合金属酸化物触媒は、第1の混合金属酸化物触媒とは異なる組成を有する。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アクロレインを産生するために気相中の酸素の存在下で、第1の混合金属酸化物触媒上でアリルアルコールを選択的に酸化することを含み、
前記第1の混合金属酸化物触媒が、モリブデンおよびビスマスの酸化物を含む、方法。
【請求項2】
アクロレインに対するプロピオンアルデヒドの質量比が、0.001未満である、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
気相中の酸素の存在下で、第2の混合金属酸化物触媒上で前記アクロレインを選択的に酸化することをさらに含み、前記第2の混合金属酸化物触媒が、前記第1の混合金属酸化物触媒とは異なる組成を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記第2の混合金属酸化物触媒が、モリブデンおよびバナジウムの酸化物を含む、請求項3に記載の方法。
【請求項5】
前記第2の混合金属酸化物触媒が、タングステン、銅、鉄、アンチモン、およびリンからなる群から選択される少なくとも1つの追加の元素をさらに含む、請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記第1の混合金属酸化物触媒が、鉄、コバルト、およびニッケルからなる群から選択される少なくとも1つの追加の元素をさらに含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記酸素が、精製された酸素、空気、または前記混合金属酸化物の格子酸素の形態で存在する、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
前記アリルアルコールが、グリセロール、1,2-プロパンジオール、および1,3-プロパンジオールから選択されるバイオマス由来原料から産生される、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記アクロレインが、少なくとも0.5×10
-13の
14C:
12Cの比を有する、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
アクリル酸に対するプロピオン酸の質量比が、0.001未満である、請求項3~9のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アクロレインを産生するためにアリルアルコールを選択的に酸化するプロセス、さらに、アクリル酸を産生するために産生されたアクロレインを選択的に酸化するプロセスに関する。
【背景技術】
【0002】
アクリル酸を調製するための様々なプロセスが当技術分野で即知である。大部分の市販のアクリル酸は、例えばプロピレンなどの化石燃料系原料を使用して産生される。
【0003】
アクリル酸は、アリルアルコールなどの他の出発物質から作製することもできる。しかしながら、大部分の市販のアリルアルコールもまた、化石燃料系原料から作製される例えば、アリルアルコールは、プロピレンの塩素化によって得られる塩化アリルの鹸化から産生され得る。あるいは、アリルアルコールは、酸素の存在下での酢酸によるプロピレンのアセトキシル化からの酢酸アリルの加水分解によって産生され得る。特に、これらのプロセスは両方とも、アリルアルコールを形成するためにプロピレンを使用する必要がある。したがって、アリルアルコールを使用するよりも、プロピレンから直接的にアクリル酸を産生する方が経済的に好適である。
【0004】
アリルアルコールは、グリセロール、1,2-プロパンジオール、または1,3-プロパンジオールなどのバイオマス由来原料からも産生できる。
【0005】
MannanおよびSekarは、CuCl触媒の存在下で、無水tert-ブチルヒドロキシドを使用してアリルアルコールを室温で、液相でアクリル酸に高効率で容易に酸化できることを開示する(Mannan and Sekar,Tetra.Lett.,49,2457(2008))。75%のアクリル酸の収率が報告された。
【0006】
二酸化マンガンを使用してアクリル酸を産生するためのアリルアルコールの酸化が、約80%の収率で報告された。Fatiadi,Syntheses 1976,65。
【0007】
アリルアルコールはまた、担持された金属触媒上で気相において酸化されている。例えば、米国特許第4,051,181号、同第4,107,204号、および同第4,144,398号は、パラジウム、および銅または銀から選択される第2の金属を含む二金属触媒の使用を報告した。アクリル酸およびアクロレインを組み合わせた選択性は80代よりも低い一定の割合に達したが、副産物のプロピオンアルデヒドおよびプロピオン酸は5%を超えた。
【0008】
EP 3015448およびKim and Lee,Sustainable Chem.Eng.5,11371(2017)は、液相でセリアに担持された金を使用したアリルアルコールのアクリル酸への酸化を開示している。大量の3-ヒドロキシプロピオン酸副産物は、収率低下を低減するために追加の脱水ステップを必要とした。
【0009】
日本特許出願公開第JP 2008-162907および米国特許出願公開第2018/0215696号は、モリブデン/バナジウム混合酸化物触媒上でのアリルアルコールのアクリル酸への気相酸化を開示している。アクリル酸がアリルアルコールから直接的に産生され、大量のプロピオン酸が産生された。アクリル酸に対するプロピオン酸の質量比は、0.014~0.85の範囲であった。
【0010】
プロピオン酸およびアクリル酸の沸点の差が小さいため、アクリル酸からのプロピオン酸の除去は蒸留によって非常に困難である。したがって、プロピオン酸などの副産物の形成を最小限に抑えることが所望される。
【0011】
バイオマス由来原料からアクロレインおよびアクリル酸を産生することがさらに所望される。
【0012】
これらの課題のうちの1つ以上に対処する、より効率的なプロセスに対するニーズが存在する。
【発明の概要】
【0013】
本発明は、アリルアルコールからアクロレインを調製する方法、さらに、アクロレインからアクリル酸を製造する方法に関する。
【0014】
本発明の一態様によれば、方法は、アクロレインを産生するために気相中の酸素の存在下で、第1の混合金属酸化物触媒上でアリルアルコールを選択的に酸化することを含み、第1の混合金属酸化物触媒が、モリブデンおよびビスマスの酸化物を含む。
【0015】
本発明の別の態様は、気相中の酸素の存在下で、第2の混合金属酸化物触媒上でアクロレインを選択的に酸化することをさらに含み、第2の混合金属酸化物触媒が、第1の混合金属酸化物触媒とは異なる組成を有する。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本発明で使用する場合、「1つ(a)」、「1つ(an)」、「その(the)」、「at least one(少なくとも1つ)」、および「one or more(1つ以上)」という用語は、互換的に使用される。用語「含む(comprise)」、「含む(include)」、「含む(contain)」およびそれらの変形は、これらの用語が本明細書および特許請求の範囲に現れる場合、限定的な意味を有しない。すなわち、例えば重合阻害剤を含む混合物は、該混合物が少なくとも1つの重合阻害剤を含むことを意味すると解釈することができる。
【0017】
本明細書で使用する場合、エンドポイントによる数値範囲の列挙には、その範囲に含まれるすべての数値が含まれる(例えば1~5には、1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5などが含まれる)。本発明の目的のために、当業者が理解することと一致して、数値範囲は、その範囲に含まれる可能性のあるすべての部分範囲を含み、かつサポートすることを意図することを理解されたい。例えば、1~100の範囲は、1.1~100、1~99.99、1.01~99.99、40~6、1~55などを伝えることを意図している。
【0018】
本明細書で使用される場合、特許請求の範囲におけるそのような列挙を含む、数値範囲および/または数値の列挙は、用語「約」を含むと読むことができる。そのような場合、用語「約」は、本明細書に列挙されたものと実質的に同じである数値範囲および/または数値を指す。
【0019】
相対する記述がない限り、または文脈から黙示的でない限り、すべての部およびパーセンテージは、重量に基づくものであり、すべての試験方法は、本出願の出願日現在のものである。米国特許実務の目的のために、あらゆる参照される特許、特許出願または公開明細書の内容は、参照によりそれらの全体が組み込まれるか、またはそれと同等の米国版が、特に、(本開示に具体的に提供されるいかなる定義とも矛盾しない程度まで)定義の開示、および当該技術分野の一般的知識に関して、参照によりそのように組み込まれる。
【0020】
本発明の一態様は、アリルアルコールからアクロレインを産生する方法に関する。
【0021】
本発明のプロセスにおいて、アリルアルコールは、気相中の酸素の存在下で、第1の混合金属酸化物触媒上で選択的に酸化される。
【0022】
第1の混合金属酸化物触媒は、モリブデン(Mo)およびビスマス(Bi)の酸化物を含む固体触媒である。第1の混合金属酸化物触媒はまた、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、またはそれらの組み合わせから選択される少なくとも1つの追加の元素も含み得る。第1の混合金属酸化物触媒が少なくとも1つの追加の元素を含む場合、モリブデンおよびビスマスが存在する主要な金属元素である。好ましくは、第1の混合金属酸化物触媒は、第1の混合金属酸化物触媒中の金属の総重量に基づいて、少なくとも40重量%、例えば、少なくとも50重量%、少なくとも60重量%、または少なくとも70重量%のモリブデンおよびビスマスを含む。
【0023】
第1の混合金属酸化物触媒は、プロピレンのアクロレインへの酸化に使用される任意の市販の触媒であり得る。
【0024】
アリルアルコール供給に基づくアクロレインの収率が、好ましくは80を%超え、反応の副産物であるプロピオンアルデヒドのアクロレインに対する質量比が、好ましくは0.001未満である。
【0025】
本発明の別の態様は、アリルアルコールからのアクリル酸の産生に関する。アリルアルコールからアクリル酸を産生するための本発明のプロセスは、2段階のプロセスである。第1のステップにおいて、アリルアルコールは、上記のように、アクロレインを形成するために第1の混合金属酸化物触媒上で選択的に酸化される。
【0026】
次に、第2のステップにおいて、アクロレインは、気相中の酸素の存在下で、第2の混合金属酸化物触媒上で選択的に酸化され、第2の混合金属酸化物触媒が、第1の混合金属酸化物触媒とは異なる組成を有する。
【0027】
第2の混合金属酸化物触媒は、モリブデン(Mo)およびバナジウム(V)の酸化物を含む固体触媒である。第2の混合金属酸化物触媒はまた、タングステン(W)、銅(Cu)、鉄(Fe)、アンチモン(Sb)、およびリン(P)から選択される少なくとも1つの追加の元素を含み得る。第2の混合金属酸化物触媒が少なくとも1つの追加の元素を含む場合、モリブデンおよびバナジウムが存在する主要な金属元素である。好ましくは、第2の混合金属酸化物触媒は、第2の混合金属酸化物触媒中の金属の総重量に基づいて、少なくとも40重量%、例えば、少なくとも50重量%、少なくとも60重量%、または少なくとも70重量%のモリブデンおよびバナジウムを含む。
【0028】
第2の混合金属酸化物触媒は、アクロレインのアクリル酸への酸化に使用される任意の市販の混合金属酸化物触媒であり得る。
【0029】
アリルアルコール供給に基づくアクリル酸の収率が、好ましくは80%を超え、反応の副産物であるプロピオン酸のアクリル酸に対する質量比が、好ましくは0.001未満である。
【0030】
アクロレインおよび/またはアクリル酸を形成するための選択的な酸化反応において、酸素は、精製された酸素、空気中の酸素、または混合金属酸化物触媒の格子酸素の形態で存在することができる。好ましくは、酸素は、空気または混合金属酸化物触媒の格子酸素からである。
【0031】
アクロレインを産生するためのアリルアルコールの選択的な酸化、またはアクリル酸を産生するためのアクロレインの選択的な酸化のいずれにおいても、蒸気が反応を補助するために追加され得る。
【0032】
アクロレインおよび/またはアクリル酸の精製は、例えば、水または有機溶媒を使用する吸収、抽出、分別蒸留、または溶融結晶化などの当技術分野で即知である1つ以上の技術によって達成することができる。
【0033】
好ましくは、アリルアルコールは、バイオマス由来原料から産生される。例えば、アリルアルコールは、グリセロール、1,2-プロパンジオール、または1,3-プロパンジオールなどのバイオマス由来原料から産生できる。
【0034】
植物も動物も同様に、すべての生物は一定量の炭素14(14C)を含んでおり、これは大気中で産生され、光合成中に植物によって固定される。14C対12Cの比率は、1~1.5x10-12の範囲である。炭素14は、約5700年の半減期を有する放射性物質である。したがって、バイオマス由来原料には、生物と同様の14C対12Cの比率、すなわち、約1~1.5x10-12が含まれる。
【0035】
好ましくは、本発明のプロセスによって産生されるアクロレインおよび/またはアクリル酸は、少なくとも0.5x10-13の14C:12Cの比を含む。より好ましくは、本発明のプロセスによって産生されるアクロレインおよび/またはアクリル酸は、少なくとも0.75x10-13の14C:12Cの比を含む。さらにより好ましくは、本発明のプロセスによって産生されるアクロレインおよび/またはアクリル酸は、少なくとも0.8x10-13の14C:12Cの比を含む。最も好ましくは、本発明のプロセスで使用される原料は、バイオマス由来材料から完全に供給され、14C対12Cの比が、自然界に見られるものと同じ、すなわち、約1~1.5x10-12である。
【実施例】
【0036】
以下の実施例は、本発明を例示するものであるが、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【0037】
実施例1-異なる触媒を含む2段階でのアリルアルコールのアクリル酸への酸化
アリルアルコールのアクリル酸への酸化を2段階で行った。第1のアリルアルコールを、第1段階反応器、この場合は管状反応器で主にアクロレインに酸化させ、これは、アクリル酸を産生するための2段階プロピレン酸化プロセスの第1段階と類似する。第1段階反応器で使用した触媒は、Mo、Bi系混合酸化物触媒であり、R1触媒と略した。本実施例では、Nippon Kayaku Co.(Tokyo,Japan)からの15ml(15.1グラム)のMoおよびBi系R1触媒を、1/8インチのDenstone(商標)57ビーズ(Saint-Gobain Norpro、Stow,OH)15mlと混合した後、外径(OD)2.54cm(1インチ)のステンレス鋼(SS)の第1段階管状反応器(内径0.834インチ)に投入した。
【0038】
R1-排出物と略される第1段階反応器からの産物混合物を、電気加熱テープによって加熱した1/4インチSS管内の第2段階反応器に送った。表面温度を約170±10℃に制御した。
【0039】
第2段階反応器には、Mo、V系混合酸化物触媒が含まれ、R2触媒と略した。本実施例では、Nippon Kayaku Co.(Tokyo,Japan)からの15ml(15.84グラム)のMo、V系の市販のR2触媒を、1/8インチのDenstone(商標)ビーズ15mlと混合した。外径1インチ、外径0.834インチのU字型SS管の供給入口側に混合物を投入した。U字管のもう一方の内部空間にはDenstone(商標)ビーズを充填した。U字管を流動砂浴炉に入れ、触媒床部を砂浴に浸漬した。空気を使用して、3.3~3.5SCFM(標準立方フィート/分)の流量で砂を流動化した。高い空気流量を維持することにより、浴内の温度差を3℃以下に制御した。アクロレインからアクリル酸への所望の変換を達成するために、浴温度を調整した。第2段階反応器からの流出物は、R2-排出物と表した。
【0040】
最初に、反応管をクラムシェル型電気炉で35.4ml/分のN2流量で300℃以上に加熱した。次に、208.3ml/分の空気を加えた。すべてのガス流量の値は、標準温度(0℃)および標準圧力(101.3kPa)条件下であった。アリルアルコールは、99%を上回るアッセイでSigma Aldrichから入手した。アリルアルコールを脱イオン水(アリルアルコールの54.2重量%)と混合し、反応器が所望の温度に達したときに、0.114ml/分の速度でSSミキサー容器に注入した。触媒床上での反応物の滞留時間は約2.7秒であった。SSミキサー容器を160~170℃に加熱し、給気で蒸気を反応器に運んだ。
【0041】
R2-排出物を回収して、分析した。R2-排出物は、0~1℃に設定した再循環チラーに接続された1/4インチの銅コイルで包まれた100~500mlのステンレス容器であるトラップ1を最初に通過した。トラップ1を脱出したガスは、水/氷に浸漬された第2のトラップであるトラップ2と、ドライアイス/イソプロパノール混合物に浸漬された第3および第4のトラップ(トラップ3Aおよびトラップ3B)を通過した。ドライアイス/イソプロパノールトラップ内で水/AAが凍結して圧力を上昇させる可能性があるため、トラップ2は主に、大量の水またはアクリル酸がドライアイス/イソプロパノールトラップに入るのを防ぐ保護トラップとして機能した。トラップの回収時間は典型的には2~4時間であった。ポリマーの形成を防ぐために、サンプル回収の前に、6~12グラムの阻害剤溶液をトラップ2、トラップ3Aおよび3Bに注入した。トラップ2は、ほとんどの場合、ごく少量の材料しか回収しなかった。イソプロパノール中の0.2重量%のヒドロキノンを、阻害剤溶液として使用した。
【0042】
ドライアイス/イソプロパノールトラップからのオフガスを、熱伝導度検出器と5Åモレキュラーシーブ/シリカゲルカラムを備えたGCによってオンラインで分析した。オフガスの主なガス成分は、典型的には、窒素、酸素、未反応のプロピレン、一酸化炭素、および二酸化炭素を含んでいた。トラップ1およびトラップ2(存在する場合)から回収された液体を、T-1サンプルとラベル付けされた1つのサンプルにまとめた。トラップ3Aおよびトラップ3Bから回収された液体は、それぞれT-3AおよびT-3Bサンプルとしてラベル付けした。T-1、T-3A、およびT-3Bサンプルは、水素炎イオン化型検出器とキャピラリカラム(DB-FFAP 123-3232E)を備えたGCによるオフライン分析に送られた。プロピレンの転化率および炭素の物質収支は、以下の式を用いて計算した。
プロピレン転化率(%)=(供給されたプロピレンのモル数-R2-排出物中のプロピレンのモル数)/供給されたプロピレンのモル数
炭素物質収支(%)=(CO2、CO、プロピレン、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アクロレイン、酢酸、プロピオン酸、アクリル酸を含むR2-排出物中の分子からの炭素の総量)/(供給されたプロピレンからの炭素の総量)*100
【0043】
第2段階反応器の後のアクリル酸、アクロレイン、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、プロピオン酸、酢酸、COx(COおよびCO2)などの主要な産物または副産物の収率は、以下の式を用いて計算した:
産物の収率(%)=(R2-排出物中の産物のモル数)/供給されたプロピレンのモル*100
空の管をR2反応器として使用する場合、R2-排出物はR1-排出物と等しい。
【0044】
試験は、第1段階で2つの異なる反応器温度(330および340℃)で実施した。第1段階触媒床のピーク温度(PT)は、反応器温度(RT)よりも30~40℃高かった。第2段階反応器の浴温(RT)を310℃に維持した。結果を表1に列挙した。炭素の物質収支を、アクリル酸の収率を調整することにより100%に調整した。アリルアルコールのほぼ完全な変換により、アクリル酸の収率は83%を上回った。プロピオン酸の収率は約0.02~0.03%と非常に低く、0.00036以下のPA/AAの質量比をもたらした。
【0045】
【0046】
アリルアルコールの酸化は、Mo、V系酸化物触媒上で1段階で実施した。実験は、第1段階反応管が空であったことを除いて、実施例1と同様であった。アリルアルコールは、MoおよびVを主成分として含むNKからの市販のR2触媒上で直接的に酸化された。
【0047】
試験は、第2段階反応器の2つの異なる浴温(287および335℃)で実施した。アクロレインは、アクリル酸に加えて、低温でプロピオンアルデヒドと共に形成された。アクリル酸は、より高い反応温度で主産物となった。AAの収率は、335℃の反応器温度でのアリルアルコールの95.7%の転化率でほぼ71%に達した。しかしながら、AA収率(70.9%)は、実施例1(83.6%)と比較してはるかに低かった。さらに、この場合、PA/AAの質量比が0.01であり、実施例1の約30倍であった。
【0048】
結果は、米国特許出願公開第2018/0215696号で報告されたものと同様であり、任意の成分としてFeを伴うMoおよびVを含む混合酸化物である。最大78.8%のAA収率が、アリルアルコールが完全に変換された場合に、0.014でPA/AAの高い質量比で報告された。
【0049】
実施例2-アリルアルコールのアクロレインへの酸化
アリルアルコールは、Mo、Bi系酸化物触媒上でアクロレインに主に酸化することができる。実験は、第1段階反応器後に第2段階反応が生じないことを除いて、実施例1と同様であった。
【0050】
R1-排出物は、実施例1におけるR2-排出物の収集および分析と同様に収集および分析した。
【0051】
試験結果を表1に示した。アクロレイン収率は、炭素物質収支が100%になるように調整した。アクロレインは、R1触媒上でのアリルアルコール酸化から最大86%の高い収率で得ることができた。副産物のプロピオンアルデヒドを制限するために、より高い反応温度が好まれた。
【国際調査報告】