(57)【要約】  【解決手段】芳香族化合物と過酸化水素を固体触媒の存在下で不均一相系にて反応させて芳香族化合物の直接ヒドロキシル化によりフェノール類を製造する方法において，芳香族化合物と過酸化水素の反応をマイクロ充填層触媒反応器を用いて行うことを特徴とする，フェノール類の製造方法。  【効果】有機溶媒や激しい物理的撹拌などを用いずに，芳香族化合物と過酸化水素との接触を改善させることが可能となり，高い収率でフェノール類を製造できる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
芳香族化合物と過酸化水素を固体触媒の存在下で不均一相系にて反応させて芳香族化合物の直接ヒドロキシル化によりフェノール類を製造する方法において，
芳香族化合物と過酸化水素の反応をマイクロ充填層触媒反応器を用いて行うことを特徴とする，フェノール類の製造方法。
【請求項２】
マイクロ充填層触媒反応器が，２以上の流入路及び１以上の流出路，並びに，該２以上の流入路が合流する空間を有し，該空間が最短径１〜１００００μｍの寸法の微小空間である反応装置である，請求項１に記載の方法。
【請求項３】
マイクロ充填層触媒反応器が，最短径１０〜２０００μｍの寸法の微小空間を有することを特徴とする，請求項２に記載の方法。
【請求項４】
マイクロ充填層触媒反応器が，その構成の一つとしてマイクロ静止型混合器を有する，請求項１に記載の方法。
【請求項５】
マイクロ充填層触媒反応器が，温度制御可能である，請求項１に記載の方法。
【請求項６】
固体触媒が，チタノシリケート触媒である請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，芳香族化合物と過酸化水素を固体触媒の存在下で不均一相系にて反応させて芳香族化合物の直接ヒドロキシル化によりフェノール類を製造する方法に関するものである。フェノール類は，医薬品中間体や各種機能材料の合成原料として有用な化合物である。
【背景技術】
【０００２】
フェノール類の代表例として，フェノール，クレゾールなどが挙げられる。これらは，工業的には，ベンゼンまたはトルエンを原料とし，クメンまたはシメンに変換したのち，酸化により生成したクメンヒドロパーオキシドまたはシメンヒドロパーオキシドを，分解することによって生産されている。しかしながら，このような多工程プロセスは，エネルギー的に不利であるのみならず，アセトンのような非目的生成物が等量生じる，などといった問題点がある。
【０００３】
そこで，一段の工程で，芳香族化合物を直接ヒドロキシル化する方法が，古くから数多く検討されてきた。なかでも酸化剤として過酸化水素を用いる方法は，取扱いが容易である，酸化反応後は水になるため環境への負荷を少なくできる，などの理由から注目されている。
【０００４】
特許文献１〜３には，チタノシリケート触媒存在下，芳香族化合物と過酸化水素を反応させて芳香族化合物を直接ヒドロキシル化する方法が記載されている。一般に，過酸化水素は液体または水溶液の状態では芳香族化合物と実質的に混じり合わない。そこで，これらの方法では，適当な有機溶媒を介在させることで，芳香族化合物と過酸化水素との接触を向上させ，フェノール類の収率を高めている。しかしながら，有機溶媒を使用すると，有機溶媒自身が酸化剤と反応する恐れがある，有機溶媒の分離工程にエネルギーコストがかかる，などの欠点がある。
【０００５】
また，非特許文献１，２には，チタノシリケート触媒存在下，有機溶媒を使用しない液液固三相系にて，芳香族化合物と過酸化水素を反応させて芳香族化合物を直接ヒドロキシル化する方法が記載されている。しかしながら，これらの方法では，芳香族化合物と過酸化水素との接触を向上させるために，激しい物理的撹拌が必要である。激しい物理的撹拌を行うと，使用する固体触媒が粉砕されてしまい反応後の触媒回収が困難になる，などの欠点がある。
【０００６】
一方，マイクロ反応器を用いて，芳香族化合物と過酸化水素を反応させる方法も，検討されている。マイクロ反応器とは，マイクロメートルスケール（数μｍ〜数千μｍ）の微小空間を有する反応装置を意味する。
【０００７】
特許文献４には，マイクロ反応器を用いて，芳香族化合物と反応剤を反応させる方法が記載されている。また，特許文献５，６には，マイクロ反応器を用いて，有機化合物と過酸化物を反応させる方法が記載されている。マイクロ反応器を用いると，酸化反応の際に生じる反応熱を効率的に除去できることは公知である。しかしながら，これらの方法で，芳香族化合物と過酸化水素とを反応させた場合，過酸化水素は液体または水溶液の状態では芳香族化合物と実質的に混じり合わないため，芳香族化合物と過酸化水素の接触が不足し，充分なフェノール類の収率が得られない。
【０００８】
また，非特許文献３には，マイクロ反応器を用いて，チタノシリケート触媒存在下で，有機化合物と過酸化水素を反応させる方法が記載されている。これらの方法では，チタノシリケート触媒をマイクロ反応器の壁面に固着してあるため，反応後に劣化した触媒を交換・回収することは困難である。マイクロ反応器自身を交換せざるを得ないため，コスト的に不利となる。
【特許文献１】米国特許第４３９６７８３号明細書
【特許文献２】英国特許第２１１６９７４号明細書
【特許文献３】特開平１１―２４０８４７号公報
【特許文献４】特表２００１―５２１９１３号公報
【特許文献５】欧州特許第９０３１７４号明細書
【特許文献６】特開平１１―１７１８５７号公報
【非特許文献１】Journal of Catalysis, 178 (1998) 101-107
【非特許文献２】Catalysis Today, 49 (1999) 185-191
【非特許文献３】Chemical Communications, (2002) 878-879
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は，従来技術における上記したような課題を解決し，芳香族化合物の直接ヒドロキシル化によるフェノール類の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは，鋭意研究を重ねた結果，マイクロ充填層触媒反応器を用いることによって，有機溶媒や激しい物理的撹拌などを用いずに，芳香族化合物と過酸化水素との接触を改善させることが可能となり，フェノール類の収率を向上できることを見出し，本発明を達成した。
【００１１】
すなわち，本発明は，芳香族化合物と過酸化水素を固体触媒の存在下で不均一相系にて反応させて芳香族化合物の直接ヒドロキシル化によりフェノール類を製造する方法において，芳香族化合物と過酸化水素の反応をマイクロ充填層触媒反応器を用いて行うことを特徴とする，フェノール類の製造方法である。マイクロ充填層触媒反応器とは，触媒が充填された微小空間を有する反応器を意味する。触媒が充填された微小空間の形状は、管状が好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば，有機溶媒や激しい物理的撹拌などを用いずに，芳香族化合物と過酸化水素との接触を改善させることが可能となり，高い収率でフェノール類を製造できる。また，有機溶媒の分離工程に必要なエネルギーコストが省略できる。さらに，激しい物理的撹拌による固体触媒の粉砕も生じないため，反応後の触媒回収も容易に実施できる。
【００１３】
また，本発明によれば，酸化反応の際に生じる反応熱を効率的に除去できる。したがって，精密な温度制御が可能となり，フェノール類の収率を向上できる。また，生産時の安全性を向上できる。また，過熱による触媒の劣化を抑えることができる。
【００１４】
また，本発明によれば，固体触媒をマイクロ反応器の壁面に固着していないため，反応後に劣化した触媒の交換・回収が容易に実施できる。また，回収後の触媒を再生し，再び反応に使用することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明において，マイクロ充填層触媒反応器として，好ましくは，２以上の流入路及び１以上の流出路，並びに，該２以上の流入路が合流する空間を有し，該空間が最短径１〜１００００μｍ、好適には最短径１０〜２０００μｍの寸法の微小空間である反応器を用いる。また，特に好ましくは，最短径１〜１００００μｍ、好適には最短径１０〜２０００μｍの寸法の微小空間を有する管状反応器を用いる。
【００１６】
本発明において，用いられるマイクロ充填層触媒反応器の流入路，合流空間，および，流出路の形状に制限はなく，流れ方向に垂直な断面の形状が円形であってもよいし，四角形であってもよい。また，本発明において，用いられるマイクロ充填層触媒反応器の流入路を合流空間の上流で２以上に分岐し，２以上の合流空間を有する反応装置を用いてもよい。
【００１７】
本発明では，種々の金属触媒，金属酸化物触媒などの固体触媒をマイクロ反応器に充填する。好ましくはゼオライト触媒を用い，さらに好ましくは，チタノシリケート触媒を用いる。また，固体触媒は，単一で用いてもよいし，複数の固体触媒を複合させて用いてもよい。また，固体触媒を担体に担持したものを用いてもよいし，固体触媒をバインダーで希釈したものを用いてもよい。
【００１８】
また，本発明は，その構成の一つとしてマイクロ静止型混合器を有するマイクロ反応器を用いてもよい。マイクロ静止型混合器とは，マイクロメートルスケール（数μｍ〜数千μｍ）の微小空間を有する静止型混合器を意味する。
【００１９】
また，本発明は，好ましくは，温度制御可能なマイクロ反応器を用いる。温度の制御方法としては，マイクロ反応器をオイルバス等の恒温槽中に浸けてもよいし，マイクロ反応器に電気ヒーターや熱媒流路を取り付けてもよい。
【００２０】
本発明では，酸化剤として，過酸化水素を，液体もしくは水溶液の状態で用いる。
【００２１】
本発明において，用いられる芳香族化合物に制限はなく，例えば，ベンゼンの他，トルエン，エチルベンゼン，キシレン類，トリメチルベンゼン類などのアルキル置換芳香族炭化水素類，ベンズアルデヒドなどの芳香族アルデヒド類，フェノール，クレゾールなどのフェノール類，ベンジルアルコール，フェネチルアルコールなどの芳香族アルコール類，クロロベンゼン，ブロモベンゼンなどのハロゲン化ベンゼン類，アニソール，ジフェニルエーテルなど芳香族エーテル類，などを挙げることができる。
【００２２】
本発明において，製造されるフェノール類とは，芳香族化合物の芳香環を形成する炭素における炭素―水素結合が少なくとも１個以上，炭素―ヒドロキシ結合に変換された化合物であり，例えば，ベンゼンからは，フェノール，カテコール，ヒドロキノン，レゾルシンなどが生成し，トルエンからは，クレゾール類，ポリヒドロキシトルエン類などが生成し，フェノールからは，カテコール，ヒドロキノン，レゾルシンなどが生成し，アニソールからは，メトキシフェノール，メトキシレゾルシンなどが生成する。また，反応条件によっては，上記のフェノール類とともに，ベンゾキノンなどのキノン類も同時に生成する場合がある。
【００２３】
図１は，本発明に用いられるマイクロ充填層触媒反応器の一例を示し，図１(a)は斜視図であり，図１(b)は流れ方向に平行な断面の形状の概略図である。図中１は流入路，２は流出路，３は流入路が合流する空間である。例えば，１および２の内径が５００μｍであり，流出路の合流空間よりも下流側に固体触媒４を充填する。
【００２４】
図２は，本発明に用いられるマイクロ充填層触媒反応器の別の一例を示し，図２(a)は斜視図であり，図２(b)は流れ方向に平行な断面の形状の概略図である。図中１は流入路，２は流出路，３は流入路が合流する空間である。例えば，１および２の幅および高さが５００μｍであり，流出路の合流空間よりも下流側に固体触媒４を充填する。
図３は，本発明に用いられるマイクロ充填層触媒反応器の別の一例を示し，図３(a)は斜視図であり，図３(b)は流れ方向に平行な断面の形状の概略図である。図中１は流入路，２は流出路，３は流入路が合流する空間である。例えば，１および２の幅が５０００μｍであり，１および２の高さが５０μｍであり，流出路の合流空間よりも下流側に固体触媒４を充填する。
【００２５】
図４は，本発明に用いられるマイクロ充填層触媒反応器の別の一例を示し，流れ方向に平行な断面の形状の概略図である。図中１は流入路，２は流出路，３は流入路が合流する空間である。例えば，２つの流入路１が合流空間の上流で２つに分岐し，２つの合流空間３を形成しており，１および２の幅および高さが５０μｍであり，２つの流出路の合流空間よりも下流側に固体触媒４を充填する。
【実施例】
【００２６】
次に，実施例により更に具体的に説明する。ただし，本発明は，これらの実施例により制限されるものではない。
【００２７】
実施例１
以下，開発したマイクロ充填層触媒反応器の一例を挙げる。内径が１０００μｍ，長さが５０ｍｍのポリテトラフルオロエチレン製チューブに，孔径が２μｍのインラインフィルターを付け，粒子径が２〜１０００μｍのチタノシリケート触媒ＴＳ−１を１５ｍｇ充填した．この触媒を充填したチューブを，流路幅が３０μｍの静的マイクロミキサー（ドイツ国 IMM社 Single Mixer）の出口に接続して，マイクロ充填層触媒反応器を作製した。接続部には高速液体クロマトグラフィー用のコネクターを使用したため，簡単に取り付け・取り外しが可能であり，触媒の回収・交換も容易に実施できた。また，マイクロ反応器を所定の温度に設定した恒温槽中に浸けることで，温度制御した。
【００２８】
２台のシリンジポンプ（米国 Harvard社製 Model 11-IW）を用いて，ベンゼンと10wt%過酸化水素水を送液し，上述のマイクロ反応器に導入した。ベンゼンと過酸化水素の物質量比を１：１とし，所定の滞留時間となるようにポンプ流量を設定し，２５℃で反応を実施した。
図５は，本発明の実施例１で使用したマイクロ充填層触媒反応器の模式図である。一方の流入路1aからベンゼンを導入し，他方の流入路1bから10wt%過酸化水素水を導入し，マイクロ静止型混合器5の内部で合流した液を，フィルター6を付けて固体触媒4を充填したチューブ7の内部を通過させることで反応を実施した後，流出路2から取り出して分析試料とする。
【００２９】
反応後の混合溶液を，冷却した容器に一定量はかりとり，アセトニトリルを加えて均一溶液としたのち，ガスクロマトグラフィー（島津製作所(株)製 GC-17A）にて分析したところ，主生成物としてフェノールが得られた。そのほか，逐次的な酸化反応生成物としてベンゾキノンも検出された。１５秒の滞留時間で，フェノール収率は０．４％に達した。また，１５０秒の滞留時間では，フェノール収率は１．０％に達した（フェノール選択率８２．１％）。なお，フェノール収率およびフェノール選択率は，供給したベンゼンの物質量を基準とした。
【００３０】
比較例１
比較のため，撹拌器付き丸底フラスコを用いて同様の反応を実施した。コンデンサー連結した丸底フラスコに，粒子径が２〜１０００μｍのチタノシリケート触媒ＴＳ−１を１ｇとベンゼンとを入れ，激しく撹拌しながら加熱して２５℃に設定したのち，10wt%過酸化水素水を投入し（ベンゼンと過酸化水素の物質量比は１：１），撹拌および温度を保持したまま反応を実施した。
【００３１】
反応後の混合溶液を，実施例１と同様にガスクロマトグラフィーにて分析したところ，フェノール収率が１．０％に達するには３０分を要した（フェノール選択率８１．６％）。このことは，実施例１に示したマイクロ充填層触媒反応器の方が，単位時間あたりのフェノール収率が向上していることを示す。
【００３２】
実施例２〜６
さらに，反応温度を３５℃，４５℃，５５℃，６５℃または７５℃に変えた以外は，実施例１と同様にして反応を実施した。１５秒の滞留時間での，フェノール収率を表１に示す。
【００３３】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に用いられるマイクロ充填層触媒反応器の一例の斜視図と流れ方向に平行な断面の形状を示す概略図。
【図２】本発明に用いられるマイクロ充填層触媒反応器の別の一例の斜視図と流れ方向に平行な断面の形状を示す概略図。
【図３】本発明に用いられるマイクロ充填層触媒反応器の別の一例の斜視図と流れ方向に平行な断面の形状を示す概略図。
【図４】本発明に用いられるマイクロ充填層触媒反応器の別の一例の流れ方向に平行な断面の形状を示す概略図。
【図５】本発明に用いられるマイクロ充填層触媒反応器の一例の模式図。
【符号の説明】
【００３５】
1，1a，1b  流入路
2  流出路
3  合流空間
4  固体触媒
5  マイクロ静止型混合器
6  フィルター
7  チューブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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