(57)【要約】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。【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
反応を２８０〜２９５℃の温度で実施する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
＞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。
【請求項１４】
＞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。
【請求項１５】
≦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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【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】
2005505561.tif 000002
【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
【国際公開パンフレット】
2005505561.tif 000003
2005505561.tif 000004
2005505561.tif 000005
2005505561.tif 000006
2005505561.tif 000007
2005505561.tif 000008
2005505561.tif 000009
2005505561.tif 000010
2005505561.tif 000011
2005505561.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成15年12月9日(2003.12.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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し、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。
【請求項２】
反応を２８０〜２９５℃の温度で実施する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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：（２．１〜３．５）：（１．５〜２．８）である、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
反応を一工程で実施する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
反応を直立型管状反応器中で実施する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
反応を液相運転方式で実施する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
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７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
反応を触媒の不在で実施する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
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９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
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１０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
＞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１１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
＞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１２までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
≦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１３までのいずれか１項記載の方法。
【国際調査報告】
2005505561.tif 000013
2005505561.tif 000014
2005505561.tif 000015
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