説明

精製3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸の製造方法

【課題】精製3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸を高品質で取得できる製造方法を提供する。
【解決手段】粗3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸を有機溶媒の存在下にアンモニアおよび水と反応させ、生成したアンモニウム塩を分離し、その塩の水溶液または水分散液に鉱酸を添加して3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸を析出させ、析出物を分離する。有機溶媒が、アンモニア水と相溶性を有し、かつ3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸アンモニウム塩を水よりも溶解し難い有機溶媒であることが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、精製3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸の製造方法に関する。下記式(1)に示される3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸(以下、「DPETCA」と略記する場合もある。)は、下記式(2)に示される3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物に変換でき、これは耐熱性、透明性、熱可逆性などに優れるポリイミド樹脂の原料モノマーとなる。
【0002】
【化1】

【背景技術】
【0003】
3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸から変換した3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物は、耐熱性や高強度といった優れた物理的性質を示すポリイミド樹脂などの原料として有用な物質である。
【0004】
従来、3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸の製造方法としては、3,3’,4,4’−テトラメチルジフェニルエーテルまたはその酸化中間体を分子状酸素により酸化する方法などが知られている。
【0005】
ところが、これらの方法で得た3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸を含む生成物(以下、「粗3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸」または「粗DPETCA」ともいう。)は、副生成物として得られる4−(3−カルボキシ−4−(ヒドロキシメチル)フェノキシ)フタル酸(下記式(3)参照)などの不純物を含有する。
【0006】
【化2】

【0007】
この粗3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸中の4−(3−カルボキシ−4−(ヒドロキシメチル)フェノキシ)フタル酸は再結晶法や再沈殿法による精製が困難であった。
【0008】
このため、粗3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸に含まれる3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸を3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物に変換させても、この変換により得られた生成物(以下、「変換物」という。)には、4−(3−カルボキシ−4−(ヒドロキシメチル)フェノキシ)フタル酸に基づく5−((3−オキソ−1,3−ジヒドロイソベンゾフラン)オキシ)イソベンゾフラン−1,3−ジオン(上記式(4)参照)などの不純物が含まれてしまう。
【0009】
この5−((3−オキソ−1,3−ジヒドロイソベンゾフラン)オキシ)イソベンゾフラン−1,3−ジオンは、3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物と構造上の共通点が多いため、上記の得られた変換物から精製して除去することが困難であった。このため、この得られた変換物はポリイミド原料として使用するには品質が不十分であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明の目的は、3,3’,4,4’−テトラメチルジフェニルエーテルまたはその酸化中間体を分子状酸素により酸化して得られる粗3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸に不純物として含有される4−(3−カルボキシ−4−(ヒドロキシメチル)フェノキシ)フタル酸を、安価で容易に入手できる材料を用いて、しかも簡単な工程で低減し、精製3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸(以下、「精製DPETCA」ともいう。)を高品質で取得できる製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者らは、上記課題の解決手段について検討した。その結果、粗DPETCAをアンモニアおよび水、例えばアンモニア水と反応させることにより得られるDPETCAのアンモニウム塩は有機溶媒に対する溶解度が特に低下するのに対し、不純物のアンモニウム塩は相対的に有機溶媒に対する溶解度が高くなるため、DPETCAのアンモニウム塩と不純物のアンモニウム塩とを異なる相へと分離できるとの知見を得た。
【0012】
上記の知見に基づき完成された本発明は、「粗3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸を有機溶媒の存在下にアンモニアおよび水と反応させ、生成したアンモニウム塩を分離し、その塩の水溶液または水分散液に鉱酸を添加して3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸を析出させ、析出物を分離することを特徴とする、精製3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸の製造方法」を要旨とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、アンモニアおよび水という安価な材料を用い、しかも室温程度の温度で攪拌するだけで、粗3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸に含まれる4−(3−カルボキシ−4−(ヒドロキシメチル)フェノキシ)フタル酸を効率的に除去することが可能となる。したがって、本発明により、精製3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸を、生産性高くしかも経済性に有利に製造することが実現される。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明の原料に供する粗3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸(粗DPETCA)は、3,3’,4,4’−テトラメチルジフェニルエーテルまたはその酸化中間体を分子状酸素により酸化して得られる生成物を用いることができる。
【0015】
本発明においては、先ず、粗DPETCAを有機溶媒の存在下にアンモニアおよび水と、溶液状態で撹拌混合することによって反応させる。これによりDPETCAのアンモニウム塩が容易に生成する。
【0016】
上述したように、アンモニアはDPETCAと選択的に反応してアンモニウム塩を形成し、この塩は有機溶媒中での溶解度が比較的小さく、大部分が析出する。一方、不純物、例えば4−(3−カルボキシ−4−(ヒドロキシメチル)フェノキシ)フタル酸は、アンモニアとの反応性が低く、しかも生成したアンモニウム塩の有機溶媒に対する溶解性が比較的高い。このため、不純物を含む物質は、析出することなく有機溶媒中に溶解したままとなる。それゆえ、DPETCAと不純物とを固相と液相とに分離することが実現される。
【0017】
本発明に係る有機溶媒は、DPETCAを溶解する一方、水よりもDPETCAのアンモニウム塩を溶解し難い特性を有していれば、特に限定されない。有機溶媒がアンモニア水と相溶性を有している場合には、DPETCAとアンモニアとの反応性が高まるため、好ましい。有機溶媒の例としては、炭素数1〜4のアルコール類とTHF、DMF、ジオキサン等が挙げられる。アルコール類として具体的には、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール、等が例示される。特に望ましい有機溶媒はメタノールである。
【0018】
これらの有機溶剤はアンモニウム塩の形成反応には特に影響を及ぼさないので、その使用量は特に制限されない。作業性を考慮して適宜設定すればよい。なお、有機溶剤の使用量が過度に多い場合には経済的に不利であるから、DPETCAに対して重量比で0.5〜20倍量の範囲が好ましい。
【0019】
反応物質としてのアンモニアの使用量は、粗DPETCAに含まれるDPETCAを中和するに必要な量、即ち、化学量論的には粗DPETCAに含まれるDPETCAに対して4倍モル以上であればよい。反応時の接触効率や不純物の分離効果を考慮すると、粗DPETCAに含まれるDPETCAの5倍モル以上が好ましい。
【0020】
アンモニアの使用量が5倍モル未満では、最終的に取得される精製DPETCAの収率が低下する可能性が生じる。
これに対し、アンモニアの使用量が過度に多すぎると、塩形成に消費されない未反応のアンモニア量が増え、経済的に不利となる。したがって、アンモニアの使用量は、粗DPETCAに対して20倍モル以下が適当である。
【0021】
アンモニアは、ガスで液中に装入してもよいが、アンモニア水溶液を使用することが設備上および作業性の観点から好ましい。但し、水溶液の場合、アンモニア濃度が過度に低いアンモニア水溶液を使用すると、系内に持ち込まれる水の量が増加するため、有機溶媒と水とからなる混合溶媒(以下、「混合溶媒」と略記する。)に対するDPETCAのアンモニウム塩の溶解度が高まり、収率が低下してしまう。したがって、アンモニア濃度が10.0%以上、好ましくは25%以上のアンモニア水溶液を用いることが好ましい。
【0022】
水の使用量は特に制限されない。水はアンモニアとDPETCAとの中和反応を開始するために必要であるが、ごく少量でもその機能を果たすことができる。一方、水の使用量が増加すると、混合溶媒に対する不純物のアンモニウム塩の溶解度が高まる。このため、DPETCAのアンモニウム塩と不純物のアンモニウム塩との分離は促進される。したがって、精製DPETCAに求められるDPETCAの純度が高い場合には、水の使用量を多くすることが好ましい。しかしながら、水の使用量が過度に多い場合にはDPETCAのアンモニウム塩の混合溶媒に対する溶解度も高まってしまうため、収率が低下する問題を生ずる。したがって、水の使用量は有機溶媒に対して重量比で0.01〜1倍量の範囲内が好ましい。また、上記のように、アンモニア水溶液として供給されることが好ましい。
【0023】
アンモニアとDPETCAとの中和反応における反応温度は特に制限されない。この中和反応は室温程度で十分に進行する。なお、反応温度は混合溶媒の沸点以下が望ましい。溶媒の自生圧が発生しないため、反応容器として加圧容器を使用する必要がない。このため、設備費が安価で、また反応操作も容易となる。反応温度の具体例を挙げれば、アンモニア使用量が上記の適正範囲内であれば、5〜50℃の範囲である。反応時間は、反応温度に応じて適宜設定される。通常は数分〜数時間程度である。
【0024】
こうして、アンモニアとDPETCAとの中和反応が完了すると、DPETCAのアンモニウム塩を含有するスラリー溶液が得られる。これを冷却してアンモニウム塩を析出させた後、公知の固液分離法、例えば、濾過、遠心分離、遠心沈降などの方法でアンモニウム塩を分離する。
【0025】
粗DPETCAに含有されるDPETCA以外の不純物は、アンモニウム塩を形成しても混合溶媒中で溶解する。これに対して、DPETCAアンモニウム塩は混合溶媒中での溶解度が小さく、優先的に析出物となる。こうして、不純物は混合溶媒に溶解したまま、DPETCAアンモニウム塩を固相に分離することができる。
【0026】
固相に分離したDPETCAアンモニウム塩は、有機不純物を殆ど含有しない高品質のDPETCAとアンモニアとから形成される塩である。塩に付着する溶媒は十分に除去しておくことが望ましい。そのために得られたDPETCAアンモニウム塩を溶媒で洗浄することもできる。この洗浄用の溶媒は、上記の有機溶媒を使用することが好ましい。洗浄用の溶媒の使用量は、DPETCAアンモニウム塩量に対して0.5重量倍以上あればよく、好ましくは1〜6重量倍である。このような洗浄操作により特に高い純度の精製DPETCAを得ることが実現される。
【0027】
分離後またはその後の洗浄後のDPETCAアンモニウム塩を水に溶解または分散させ、得られた水溶液または水分散液に鉱酸を添加してDPETCAを析出させる。
DPETCAアンモニウム塩を溶解または分散させるための水の使用量は特に制限されない。ただし、過度に水の使用量が少ないと、DPETCAが遊離して生ずる水スラリーにおける固形分(DPETCA)の含有量が高くなり、析出した結晶の分散性や濾過性が悪くなる。これを防ぐには、DPETCAアンモニウム塩に対して水を1重量倍以上使用することが適当である。
【0028】
使用する鉱酸は限定されず、硫酸、塩酸などが例示される。鉱酸の添加量はDPETCAが適切に析出するように適宜設定される。典型的には、添加後の液体におけるpHが1以下になる量を使用すればよい。
【0029】
ここで、鉱酸を添加する操作を行う前に、DPETCAアンモニウム塩の水溶液または水分散液が着色していたり、DPETCAアンモニウム塩とは明らかに異なる不溶物質が混在していたりする場合には、必要に応じ水をさらに添加して、DPETCAアンモニウム塩の水溶液を濾過することなどにより除去すればよい。また、この水溶液または水分散液の着色が著しい場合には、活性炭を添加、加熱して脱色処理すればよい。
【0030】
鉱酸を添加して析出する操作は、一般的には、室温でごく短時間に完了する。こうして析出した沈澱として遊離させた高純度のDPETCAは、上述したような適当な手段で固液分離後、少量の水などで洗浄し、乾燥して、精製DPETCAとして回収する。
【実施例】
【0031】
以下に、実施例を用いて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。なお、以下の実施例および比較例において純度は重量%を示し、収率はモル%を示す。また、分析は、下記の純度分析方法を用いて実施した。
【0032】
(純度分析方法)
測定方法:高速液体クロマトグラフィー(HPLC)
カラム:東ソー製 TSK−GEL ODS−80TS QA (内径4.6mm、長さ150mm)
移動相:(A)=アセトニトリル
(B)=0.1W%ギ酸水(プログラム)
これらの移動相の混合比率は、表1に示されるように、測定時間の経過に応じて変化させた。
【0033】
【表1】

【0034】
検出器:UV(254nm)
カラム温度:40℃
サンプル調整:0.05gのサンプルを15mlのメタノールで15分間超音波を印加しつつ溶解した。
注入量:2μl
【0035】
(参考例1)
撹拌機、ガス吹き込み管、還流冷却器付きガス抜き出し管および温度計を取り付けた内容積500mlのチタン製オートクレーブに、3,3’,4,4’−テトラメチルジフェニルエーテル純度95.1%品65.0g(273.14mmol)、氷酢酸260g、酢酸コバルト四水和物3.881g(15.58mmol)、酢酸マンガン四水和物3.821g(15.59mmol)、臭化カリウム1.854g(15.58mmol)を仕込んだ。オートクレーブ内を130℃まで昇温した。続いて、内圧を3MPaに制御しつつ、排ガス流量0.68リットル/分となるようにガス吹き込み管を通じて空気を供給するとともに、排ガス中の酸素濃度が5%以下を維持されるようにしながら170℃まで段階的に昇温させた。
【0036】
排ガス中の酸素濃度が5%以上となった時点より、供給ガスを空気から8%酸素ガス(残部窒素)に変更して供給して反応を行い、酸素の吸収が認められなくなるまで反応させた。この反応時間は、空気を供給している時間および8%酸素ガスを供給している時間を合わせて7時間であった。酸素の吸収が認められなくなってから、さらに8%酸素ガスの供給を3時間行った後、ガスの供給およびオートクレーブ内の加熱を停止した。
【0037】
オートクレーブを室温まで冷却させた後、反応液を取り出し、これを濾過することによりウェットケーキを取り出した。得られたウェットケーキ136gにイオン交換水165gを添加して分散液を得て、この分散液を約95℃から100℃で1時間加熱撹拌した。攪拌後の分散液を冷却して濾過し、瀘取物を乾燥して粗DPETCAを67.6g(193.93mmol)を得た。収率は71.0mol%、HPLC純度は99.3%、4−(3−カルボキシ−4−(ヒドロキシメチル)フェノキシ)フタル酸の含有量は0.60%であった。
【0038】
(実施例1)
参考例1により得られた粗DPETCA15.1g(43.30mol)およびメチルアルコール120gを仕込み、室温で撹拌溶解後、25%アンモニア水13g(190.8mmol)を滴下した。滴下終了後の反応液を30分間撹拌することによって中和反応を行った。反応物を含む反応液を濾過し、瀘取物をメタノール30gで洗浄し、さらに減圧乾燥を行って、DPETCAアンモニウム塩14.5g(34.61mol)を得た。この段階での収率は79.9mol%、HPLC純度99.86%、4−(3−カルボキシ−4−(ヒドロキシメチル)フェノキシ)フタル酸のアンモニウム塩の含有量は0.14%であった。
【0039】
続いて、このDPETCAアンモニウム塩12.0g(28.64mmol)を水30gで分散後、濃塩酸を滴下してpH1以下として、析出したスラリーを濾過分離した。得られたケーキ側を水30gで洗浄することにより得られたウェットケーキを室温減圧乾燥し、精製DPETCA9.8g(28.25mmol)を得た。収率は98.6mol%、HPLC純度は99.84%、4−(3−カルボキシ−4−(ヒドロキシメチル)フェノキシ)フタル酸の含有量は0.14%であった。
【0040】
(参考例2)
実施例1により得られた精製DPETCA5.0g(14.41mol)、無水酢酸10.0g(97.95mmol)、および酢酸10.0g(166.53mmol)を仕込み、115℃まで昇温して同温度で3時間攪拌保持した。反応液を室温まで冷却し濾過を行い、得られた瀘取物に対してさらに酢酸3.0gで洗浄してウェットケーキを得た。得られたウェットケーキを乾燥することにより3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物4.37g(13.95mmol)を得た。収率は96.8mol%、HPLC純度は99.0%、5−((3−オキソ−1,3−ジヒドロイソベンゾフラン)オキシ)イソベンゾフラン−1,3−ジオンの含有量は0.10%であった。
【0041】
(実施例2)
参考例1により得られた粗DPETCA1.00g(2.868mol)およびメチルアルコール8.0gを仕込み、室温で撹拌溶解後、25%アンモニア水1.18g(17.32mmol)を滴下した。滴下終了後の反応液を30分間撹拌することによって中和反応を行った。反応物を含む反応液を濾過し、瀘取物をメタノール2gで洗浄し、さらに減圧乾燥を行って、DPETCAアンモニウム塩1.176g(2.807mmol)を得た。収率は97.9mol%、HPLC純度は99.86%、4−(3−カルボキシ−4−(ヒドロキシメチル)フェノキシ)フタル酸のアンモニウム塩の含有量は0.14%であった。
【0042】
続いて、このDPETCAアンモニウム塩1.176gを水3.5gで分散後、pH1以下として、析出したスラリーを濾過分離した。得られたケーキ側を水1.50gで洗浄することにより得られたウェットケーキを室温減圧乾燥し、精製DPETCA0.927g(2.674mmol)を得た。収率は95.3mol%、HPLC純度は99.88%、4−(3−カルボキシ−4−(ヒドロキシメチル)フェノキシ)フタル酸の含有量は0.12%であった。
【0043】
(実施例3)
実施例2において、メタノール16gとした以外は同様に操作して精製DPETCAを得た。その収率と品質を表1に示す。
【0044】
(実施例4)
実施例2において、メタノール24gとした以外は同様に操作して精製DPETCAを得た。その収率と品質を表1に示す。
【0045】
(実施例5)
実施例2において、滴下するアンモニア水を12.5%アンモニア水2.36g(17.33mol)とした以外は同様に操作して精製DPETCAを得た。その収率と品質を表1に示す。
【0046】
(実施例6)
実施例2において、メタノール8.0gをDMF8.0gへ変更した以外は同様に操作して精製DPETCAを得た。その収率と品質を表1に示す。
【0047】
(実施例7)
実施例2において、メタノール8.0gをTHF8.0gへ変更した以外は同様に操作して精製DPETCAを得た。その収率と品質を表1に示す。
【0048】
(実施例8)
実施例2において、メタノール8.0gをIPA8.0gへ変更した以外は同様に操作して精製DPETCAを得た。その収率と品質を表2に示す。
【0049】
【表2】

【0050】
(比較例1〜5)
実施例2において、25%アンモニア水1.18g(17.33mmol)の滴下に代えて下記のアミン(いずれも17.33mmol)の滴下へ変更した以外は同様に操作した。しかしながら、DPETCAアミン塩は析出せず、精製DPETCAを得ることができなかった。
【0051】
比較例1:ジエチルアミン1.267g
比較例2:トリエチルアミン1.753g
比較例3:ピペリジン1.476g
比較例4:40%メチルアミン水1.058g
比較例5:モノエタノールアミン3.343g
【産業上の利用可能性】
【0052】
本発明によって、安価で容易に入手できる反応材料を用いて精製3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸を高品質で取得できる製造方法が提供される。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
粗3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸を有機溶媒の存在下にアンモニアおよび水と反応させ、生成したアンモニウム塩を分離し、その塩の水溶液または水分散液に鉱酸を添加して3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸を析出させ、析出物を分離することを特徴とする、精製3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸の製造方法。
【請求項2】
前記有機溶媒が、アンモニア水と相溶性を有し、かつ3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸アンモニウム塩を水よりも溶解し難い有機溶媒である請求項1に記載する精製3,3’,4,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸の製造方法。

【公開番号】特開2011−195466(P2011−195466A)
【公開日】平成23年10月6日(2011.10.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−60974(P2010−60974)
【出願日】平成22年3月17日(2010.3.17)
【出願人】(000126115)エア・ウォーター株式会社 (254)
【Fターム(参考)】