(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機カルボン酸および／またはその無水物と炭素数４〜１８のアルコールからエステルを製造する方法において、反応開始からエステル化率が５〜９５％になるまでの期間は０．０２〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇの圧力で反応させ、反応末期には減圧にすることを特徴とするエステルの製造方法。
【請求項２】
炭素数４〜１８のアルコールと副生する水との混合物が呈する常圧における共沸点よりも高い温度で反応を行う請求項１に記載のエステルの製造方法。
【請求項３】
反応温度が１２０〜２５０℃である請求項１または２に記載のエステルの製造方法。
【請求項４】
触媒が有機金属触媒である請求項１〜３いずれか１項に記載のエステルの製造方法。
【請求項５】
有機カルボン酸および／またはその無水物が芳香族ジカルボン酸および／またはその無水物である請求項１〜４いずれか１項に記載のエステルの製造方法。
【請求項６】
炭素数４〜１８のアルコールが脂肪族一級アルコールである請求項１〜５いずれか１項に記載のエステルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塩化ビニル樹脂に使用される可塑剤等のエステルの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、酸とアルコールをエステル化反応させ、可塑剤等に使用するエステルを製造する方法は広く工業的に行われている。このエステルの製造法においては、触媒として硫酸やパラトルエンスルホン酸等の酸触媒やＴｉ、Ｓｎ等の有機金属触媒が一般に用いられている。そして、パラトルエンスルホン酸等の酸触媒を使用する場合は、比較的低温で反応させることが可能であるが副生成物を多く生成する等の問題があり、有機金属触媒を使用すると副生成物の生成は少ないが反応温度を高くする必要があり、エネルギーコストが高くなるという問題がある。
【０００３】
このエステル化反応は典型的な平衡反応であり、目的とするエステルの収率を上げるために一般には原料アルコールを理論量（化学量論量）に比べて過剰に使用し、エステル化反応に伴い副生する水を連続的に系外に抜き出すことにより製造する方法が一般的に行われている。この系外に水を除去する方法としては、原料アルコールと水を共沸により留去し、留出液を冷却した後、相分離により水のみを分離し、アルコールを反応器に還流させる方法が採られている。アルコールと副生する水の共沸点はアルコールの沸点以下であり、反応初期に常圧もしくは減圧下で反応を行えば目的の反応温度より低い温度で沸騰状態が続き、水が共沸により除去されて減少するまでの間は反応液の温度が上がらず、即ち反応速度が上がらず、反応に長時間を要するという問題がある。また、共沸により蒸発潜熱を奪われるため、反応温度を上げるためのエネルギーが無駄に使われるという問題もある。
【０００４】
特開昭５５−３８３３４号公報、特開平６−１５７４０５号公報には、反応末期の反応速度を速くするため、還流アルコール中の水分除去のため脱水カラムを設置する等の方法が開示されている。しかしこの方法では反応初期の反応速度の向上は見られず、また脱水カラムのような特別な設備を必要とする問題がある。また、国際公開ＷＯ９５２９８８８号公報にはアルコールと酸の仕込み比を変更することにより反応時間を短縮する方法が開示されている。即ち、アルコールを理論量より少な目に加え、その後アルコールの量をモニターしながら段階的に加えることにより、反応液の沸点、即ち反応温度を上げることにより反応速度を速くする方法が開示されている。しかし、この方法でも過剰のアルコールを加える場合に比べて反応速度が遅くなる等の問題点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、有機カルボン酸および／またはその無水物と炭素数４〜１８のアルコールからエステルを製造する方法において、反応初期の反応速度を上げて反応時間を短縮し、かつエネルギーコストが低く経済的に有利な方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、有機カルボン酸および／またはその無水物と炭素数４〜１８のアルコールからエステルを製造する方法において、反応開始からエステル化率が５〜９５％になるまでの期間は０．０２〜５ｋｇ／ｃｍ2Ｇの圧力で反応させ、反応末期には減圧にすることを特徴とするエステルの製造方法、に存する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において用いられる有機カルボン酸および／またはその無水物としては、酢酸、プロピオン酸、酪酸等の脂肪族一塩基酸類および／またはその無水物、アジピン酸、セバシン酸、オレイン酸、フマル酸等の脂肪族二塩基酸類および／またはその無水物、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸等の芳香族二塩基酸類および／またはその無水物、トリメリット酸、ピロメリット酸、ビフェニルテトラカルボン酸等の芳香族多塩基酸類および／またはその無水物等が挙げられる。これらの中でフタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、トリメリット酸、ビフェニルテトラカルボン酸および／またはその無水物が好ましく、フタル酸および／またはその無水物が最も好ましい。
【０００８】
本発明において用いられる炭素数４〜１８のアルコールとしては、ブタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、ｎ−オクタノール、２−エチルヘキサノール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ラウリルアルコール等の脂肪族１価アルコール類およびそれらの混合物、ブチルベンジルアルコール、クレジルアルコール等の芳香族１価アルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール等のグリコール類、ペンタエリスリトール等の多価アルコール類等およびそれらの混合物が挙げられる。これらの中で炭素数７〜１３の脂肪族１級アルコール類が好ましく、２−エチルヘキシルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコールが特に好ましい。アルコールの使用量は、有機カルボン酸および／またはその無水物に対して化学量論量からその２倍使用するのが好ましく、化学量論量からその１．５倍がより好ましい。
【０００９】
本発明の製造方法においては０．０２〜５ｋｇ／ｃｍ2の圧力で反応させることが必要である。圧力の好ましい範囲は０．０３〜２ｋｇ／ｃｍ2である。圧力が０．０２ｋｇ／ｃｍ2未満では、炭素数４〜１８のアルコールと副生する水との混合物が共沸し易く、反応に長時間を要する。また、本発明においては、所定の反応温度における圧力を炭素数４〜１８のアルコールと副生する水との混合物が呈する蒸気圧以上にすればその目的は達成されるので、圧力を５ｋｇ／ｃｍ2を超えてまであげても意味がない。
【００１０】
圧力のかけ方は、窒素等の不活性ガスにより外部からかけることも可能であるが、反応器を密閉系にさえしておけば、反応液の蒸気圧によってもある程度は達成できる。経済性の面からは、後者の方法が好ましい。加圧下で反応を行う期間は、反応開始からエステル化率が５〜９５％になるまでの期間、より好ましくは反応開始からエステル化率が１０〜９０％になるまでの期間が好ましい。エステル化反応は平衡反応であるため、反応の後半には副生する水分を除去することにより、エステルの収率を上げる必要がある。従って、反応末期には、減圧して系中の水分を除去することが望ましい。
【００１１】
本発明の製造方法において、反応温度は１２０〜２５０℃が好ましい。１２０℃未満では反応速度が遅くなる傾向があり、２５０℃を超えると反応液が着色したり、副生成物ができて可塑剤性能等を阻害する虞がある。なお本発明の製造方法において、反応温度の好ましい範囲は用いる触媒によって左右され、硫酸、パラトルエンスルホン酸等の酸触媒を用いる場合の反応温度の好ましい範囲は１２０〜１６０℃であり、無触媒または有機金属触媒を用いる場合の好ましい範囲は１６０〜２５０℃、より好ましい範囲は１８０〜２３０℃である。
【００１２】
上述したように本発明の製造方法は無触媒でも行うことができるが、硫酸、脂肪族スルホン酸類、パラトルエンスルホン酸等の芳香族スルホン酸類等の酸触媒、テトラブチルチタネート、テトライソプロピルチタネート等のアルキルチタネート類、錫テトラマレエート、ブチル錫マレエート等のＴｉ、Ｓｎ等の有機金属触媒を用いることができる。これらの中でＴｉ、Ｓｎ等の有機金属触媒が好ましく、アルキルチタネートが最も好ましい。
なお本発明の製造方法においては、エステル化反応終了後、過剰のアルコールの留去、触媒の除去、中和、水洗、活性炭もしくは活性白土による処理、濾過など公知の方法で精製を行い、製品としてのエステルを得ることができる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明を実施例、比較例により、更に詳細に説明するが、本発明は、その要旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
＜実施例１＞
撹拌機、蒸留塔、凝縮器、油水分離器、アルコール還流ラインを備えた２リットルの四つ口フラスコをオイルバスで予熱しておき、窒素ガスで１０００ｍｍＨｇ（０．３１６ｋｇ／ｃｍ2Ｇ）に加圧した。１４０℃以上に加熱溶融させた無水フタル酸４５９ｇ（３．１モル）を３５分かけてポンプを用いて仕込み、同時に１７０℃の２−エチルヘキサノール１００９ｇ（７．７５モル）をポンプを用いてフィードし始め、最初の８０７ｇを４０分かけて、残りの２０２ｇを４０分かけて仕込んだ。またテトライソプロピルチタネート０．６３ｍｌ（対エステル０．０５重量％）を無水フタル酸の仕込み終了後に添加した。
【００１４】
無水フタル酸および２−エチルヘキサノールの仕込みを開始した時点（これを反応開始点とする。）から圧力を１０００ｍｍＨｇに保持したまま、２−エチルヘキサノールの還流を続けた（副生する水と２−エチルヘキサノールは、油水分離器で分離し、水は系外に除去し、２−エチルヘキサノールは還流ラインからフラスコに戻す。）。反応開始より４０分後より徐々に減圧し、反応開始後約６０分（減圧開始後約２０分）での圧力は約９００ｍｍＨｇで、このときの酸価は３７．５ｍｇＫＯＨ／ｇであった。そして反応液の酸価が０．１ｍｇＫＯＨ／ｇになった時点で反応を終了した。このときの圧力は５５０ｍｍＨｇ、反応に要した時間は１５０分であった。
【００１５】
＜実施例２＞
実施例１と同様の装置を用い、同様の方法で無水フタル酸４５９ｇ、２−エチルヘキサノール１００９ｇ、テトライソプロピルチタネート０．６３ｍｌを仕込んだ。実施例１と同様反応開始から圧力を１０００ｍｍＨｇに保持したまま、３５分かけて反応液の温度を１７０℃から２２０℃に昇温した。次いで、反応液の温度を２２０℃に保持したまま、真空ポンプで減圧を開始した。反応開始後７５分（減圧開始後４０分）から減圧を継続したまま８０分かけて１８５℃まで降温し、以後反応終了（反応液の酸価が０．１ｍｇＫＯＨ／ｇになった時点）までこの温度で保持した。反応開始６０分後の圧力は８００ｍｍＨｇ、酸価は４０．１ｍｇＫＯＨ／ｇ、反応終了時の圧力は２００ｍｍＨｇ、反応に要した時間は１８０分であった。
【００１６】
＜比較例１＞
圧力を７００ｍｍＨｇ（−０．０７９ｋｇ／ｃｍ2Ｇ）に保持した以外は実施例１と同様に仕込みを行い、オイルバスの昇温速度も実施例１と同様にして、反応液を１７０℃から昇温した。反応開始後７０分後から７００ｍｍＨｇから更に減圧しながら反応液の昇温を継続し、反応開始後１２０分後に反応液の温度が２１０℃に到達した。以後反応液の温度を２１０℃に保持したまま反応を継続し、反応液の酸価が０．１ｍｇＫＯＨ／ｇになった時点で反応を終了した。このときの圧力は３８０ｍｍＨｇ、反応に要した時間は２４０分であった。
【００１７】
＜結果の評価＞
実施例１、２および比較例１の温度、圧力条件からコンピュータシミュレーションを用いて、加熱に必要なエネルギーの計算を行った。用いたソフトは、「ｇＰＲＯＭＳ」（Ｂａｒｔｏｎ  ａｎｄ  Ｐａｎｔｅｌｉｄｅｓ，１９９４  Ｉｍ−ｐｅｒｉａｌ  Ｃｏｌｌｅｇｅ  ｏｆ  Ｓｉｅｎｃｅ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ）である。加熱に必要なエネルギーは、比較例１を１００％とすると、実施例１は６４．４％、実施例２は５５．６％であった。
従来の方法（比較例１）では、反応に長時間を要する上、加熱に必要なエネルギーも多く要することが明らかである。なお、実施例２は必要なエネルギーを節約するための最適化を行った例である。この場合でも反応時間は、比較例２の３／４であり、必要なエネルギーは約１／２となる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明のエステルの製造方法によれば、従来の方法に比べ反応時間を短縮でき、なおかつエネルギーの削減ができる。