JP5776195B2 - α−アミノ−ε−カプロラクタムの製造法 - Google Patents

Description

本発明はリジンを原料に用いて直接にα−アミノ−ε−カプロラクタムを製造する新規な方法に関する。

リジンを出発原料とするα−アミノ−ε−カプロラクタムの製造法としては、リジンをエステルとし、これを有機溶媒中又は無溶媒で加熱することにより脱アルコール環化する方法（非特許文献１）、およびリジンエステルを濃アンモニア水中で環化する方法（特許文献１）が知られている。しかし、これらの公知方法はいずれもリジンのエステルを経由するため、リジンをアルコール中で酸の存在下にエステル化する工程、エステル化に用いた酸を塩基で中和する工程及びエステルの単離工程を必要とする上に、ジケトピペラジンの副生を生じ環化収率の低下をもたらす等の欠点を有する事が知られている（特許文献２）。更にリジンエステルを濃アンモニア水中で環化する方法では刺激性の高い濃アンモニア水を必要とし、経済的に不利であるばかりかアンモニアの揮発漏洩に伴う危険や環境汚染を防止するための対策が必要となる。

特公昭４６−３７３５２号公報 特開昭５９−７６０６３号公報

Ｊ、 Ｃｈｅｍ、 Ｓｏｃ、 １９４３． ｐ３９

上記、従来法の有する如き欠点を有せず、リジンから直接にα−アミノ−ε−カプロラクタムを効率よく製造し得る簡便な方法を提供することを課題とする。

上記課題は、本発明であるアルコール／水(体積比)が１〜９９のアルコール水混合液中でリジンを加熱して脱水環化させるα−アミノ−ε−カプロラクタムの製造法によって解決される。

本発明のα−アミノ−ε−カプロラクタムの製造法によって、目的とするα−アミノ−ε−カプロラクタムを迅速に収率良く、製造取得することができる。

実施例２記載の連続高温高圧反応装置

本発明に於いて用いられるアルコール水混合液のアルコール／水(体積比)は１〜９９、好ましくは２〜１９、より好ましくは３〜９である。このアルコール／水(体積比)の範囲は、アルコールあるいは水のみの場合に比べ高い反応速度を示す。また、水のみの場合に比べ、反応収率も向上する。
本発明の原料であるリジンは、廃糖蜜などのバイオマスから酵素反応によって得られるものがカーボンニュートラルな製造方法という見地から好ましく用いられるが、市販のリジンでも良い。また、L-体、D-体、ラセミ体の何れのリジンであっても使用することができる。なお、１９６０年代初期、日本のバイオテクノロジー社により、糖からリジンを製造する細菌発酵技術が発見されており、Ｌ‐リジンは味の素、協和発酵、Sewon、Arthur Daniels Midland、Cheil Jedang、ＢＡＳＦおよびCargillなどの多くの企業において製造されており、入手できる。

また、二塩酸Ｌ‐リジン、塩酸Ｌ‐リジン、リン酸Ｌ‐リジン、二リン酸Ｌ‐リジン、酢酸Ｌ‐リジンなどの市販のリジン塩も水酸化ナトリウム水溶液などで中和して用いる事ができる。リジンの調製においては、Ｌ‐リジンをＤ‐リジンから分離するステップ、例えばキラル分離ステップも加えてよく、定法の分離および精製を行う事も含む。

本発明におけるアルコールとしては、炭素数１〜３の脂肪族アルコール、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ノルマルプロパノールなどが挙げられる。

反応温度は１００〜４００℃、好ましくは２００〜３５０℃である。１００℃より低い温度は反応速度が低下するため好ましくない。一方、４００℃より高い温度では、分解反応が促進されるため好ましくない。
反応圧力は滞留時間（反応時間）が維持できる圧力であれば特に限定するものではないが、好ましくは１〜４０ＭＰａ（ゲージ圧）、より好ましくは２〜２０ＭＰａ（ゲージ圧）さらに好ましくは３〜１０ＭＰａ（ゲージ圧）である。

反応時間は、１分から３時間であることが好ましく、２．５分から１５分であることがより好ましい。

メタノールと水との混合液の総体積に対するリジン(リジン塩の場合は、リジン換算。)の使用量は、０を越え５００ｇ／Ｌ以下であることが好ましく、１０〜２００ｇ／Ｌであることが特に好ましい。５００ｇ／Ｌを超えて高い濃度になると反応収率が低下する。一方、１ｇ／Ｌより低い濃度は工業的に好ましくない。
連続反応においては、メタノールと水との混合であることにより、アルコールのみの系よりも基質であるリジンの濃度を上げる事が可能となっている。

本発明の反応は、反応装置に空隙がある場合、窒素、アルゴンなどの不活性ガスの雰囲気下で行うのが好ましい。

反応装置としては、オートクレーブ（ＳＵＳ製）、封じ込め配管（例えば、ＳＵＳ製の配管の両端をＳＵＳ製のスクリューキャップ等で密栓、或いは、一端において密栓が固定されるか閉塞されており、開放部をスクリューキャップ等で密栓するもの。）などが使用される。

反応形式は、連続方式、バッチ方式のいずれかを問わない。リジンとメタノールは、別々に反応装置に供給することができるが、予め混合しているものを反応装置に供給しても良い。
得られたα−アミノ−ε−カプロラクタムの精製は、脱メタノール工程と分離工程によって行なわれても良く、脱メタノール工程のみによって行なっても良い。

脱メタノール工程は、単蒸留装置、フラッシュドラム等からなるフラッシュ分離装置、蒸留塔等の（減圧）蒸留装置、吸着塔等の吸着装置、乾燥装置等によって行なわれ、分離回収工程としては、単蒸留装置、蒸留塔等の（減圧）蒸留装置、薄膜蒸発装置や、脱ガス、抽出、遠心分離、遠心沈降機、液体サイクロン、静置分離、濾過、圧搾、分別等が行える各装置等によって行なわれる。これら脱メタノール工程や分離工程は、減圧または加圧状態で行ってもよい。

脱アルコール工程において、フラッシュ分離装置等を利用して分離された蒸気状態のメタノールは、熱交換器によって凝縮される。凝縮されたメタノールは、ポンプにより、再び反応用にリサイクルすることができる。これにより、メタノールの使用量を減少させることが可能となる。
以下、実施例によって具体的に説明する。しかし、本発明は実施例のみに限定されない。

［実施例１−１］
反応容器（内容積１０ｍｌのＳＵＳ３１６製配管）にリジン０．１０２１gと、メタノール１．９２８０g、脱気水を０．６１７０ｇ仕込み窒素置換し、密栓した。これを、温度２５０℃に保った電気炉にいれることで反応容器を速やかに加熱し反応を開始させた。該反応容器の温度上昇に伴い、容器内の圧力は９．３MPaＧ（ゲージ圧）に上昇した。反応を開始してから１５分後に該反応器を恒温槽から取り出し、冷水浴に浸し室温まで冷却して反応を停止させた。次いで、該反応容器から内容物である反応液を取り出し、液体クロマトグラフ-質量分析法（カラム：ＹＭＣ−Ｐａｃｋ Ｄｉｏｌ−１２０−ＮＰ ２５０×４．６ｍｍＩ．Ｄ． Ｓ−５μｍ，１２ｎｍ、カラムオーブン温度：４０℃、移動層組成：アセトニトリル／５０ｍＭギ酸アンモニウム水溶液＝８５／１５、移動層流速：１ｍＬ／ｍｉｎ、検出器：ＵＶ−ＶＩＳ検出器，波長２１０ｎｍ）にて該反応液の分析を行った。
α-アミノ-ε-カプロラクタムの生成量を計算すると、生成量は０．０６９６ｇであり、収率は７７％であった。

［実施例１−２、比較例１−１及び１−２］
溶媒を表１に示すとおり変更した以外は、実施例１と同様の条件で反応させた。その結果を表１に示す。
溶媒をメタノールのみにして行った結果は比較例として示す。

［実施例２］
図１に示す連続高温高圧反応装置を用いて、以下、実施例２−１〜２−５に記載の温度、圧力、滞留時間で反応を行った。なお、反応時間（滞留時間）は送液量と反応器容積から算出した。反応液の分析は、採取された反応液を、液体クロマトグラフ-質量分析法（カラム：ＹＭＣ−Ｐａｃｋ Ｄｉｏｌ−１２０−ＮＰ ２５０×４．６ｍｍＩ．Ｄ． Ｓ−５μｍ，１２ｎｍ、カラムオーブン温度：４０℃、移動層組成：アセトニトリル／５０ｍＭギ酸アンモニウム水溶液＝８５／１５、移動層流速：１ｍＬ／ｍｉｎ、検出器：ＵＶ−ＶＩＳ検出器，波長２１０ｎｍ）を用いて行った。

［実施例２−１］
反応器容積を５ｍｌ、圧力調整弁の圧力を１０ＭＰａＧ、反応器内部温度が２５０℃になるように電気炉の温度を設定した連続高温高圧反応装置にポンプ１（ＪＡＳＣＯ ＰＵ−２０８６Ｐｌｕｓ）より原料水溶液（リジン１塩酸塩１１７．７ｇ、水酸化ナトリウム２５．８ｇ、純水４５０．８ｇ）を流量２ｍｌ／ｍｉｎで送液、ポンプ２（ＪＡＳＣＯ ＰＵ−２０８６Ｐｌｕｓ）よりメタノールを流量２ｍｌ／ｍｉｎで送液した。採取された反応液を、液体クロマトグラフ-質量分析法にて該反応液の分析を行った結果、α-アミノ-ε-カプロラクタムの収率は４５％であった。

［実施例２−２〜２−５］
表２に示すとおり滞留時間(反応時間)を変更した以外は、実施例２−１と同様の条件に反応を行った。その結果を以下の表２に示す。

［実施例３−１］
反応器容積を１０ｍｌ、圧力調整弁の圧力を１０ＭＰａＧ、反応器内部温度が２５０℃になるように電気炉の温度を設定した連続高温高圧反応装置にポンプ１（ＪＡＳＣＯ ＰＵ−２０８６Ｐｌｕｓ）より原料水溶液（リジン１塩酸塩７．６ｇ、水酸化ナトリウム１．７ｇ、純水３００．４ｇ）を流量１ｍｌ／ｍｉｎで送液、ポンプ２（ＪＡＳＣＯ ＰＵ−２０８６Ｐｌｕｓ）よりメタノールを流量１ｍｌ／ｍｉｎで送液した。採取された反応液を、液体クロマトグラフ-質量分析法にて該反応液の分析を行った結果、α-アミノ-ε-カプロラクタムの収率は７８％であった。

［実施例３−２及び３−３］
表３に示す圧力（ゲージ圧）に変更した以外は、実施例３−１と同様の条件で反応を行った。その結果を表３に示す。

［実施例３−４〜３−８］
表４に示す基質濃度（リジン１塩酸塩の濃度）、温度、滞留時間（反応時間）に変更した以外は実施例３−３と同様の条件で反応を行った。その結果を表４に示す。

［実施例３−９〜３−１３］
表５に示す溶媒混合比、温度、滞留時間に変更した以外は実施例３−３と同様の条件で行った。その結果を表５に示す。

［実施例４−１］
反応器容積を５ｍｌ、圧力調整弁の圧力を１０ＭＰａＧ、反応器内部温度が２５０℃になるように電気炉の温度を設定した連続高温高圧反応装置にポンプ１（ＪＡＳＣＯ ＰＵ−２０８６Ｐｌｕｓ）より原料水溶液（リジン１塩酸塩４５．１ｇ、水酸化ナトリウム９．９ｇ、純水３９９．９ｇ）を流量０．５ｍｌ／ｍｉｎで送液、ポンプ２（ＪＡＳＣＯ ＰＵ−２０８６Ｐｌｕｓ）よりメタノールを流量０．５ｍｌ／ｍｉｎで送液した。採取された反応液を、液体クロマトグラフ-質量分析法にて該反応液の分析を行った結果、α-アミノ-ε-カプロラクタムの収率は６５％であった。

［実施例４−２〜４−４］
表６に示すアルコールに変更した以外は実施例４−１と同様の条件で反応を行った。その結果を表６に示す。

１ 原料層（リジン塩酸塩水溶液）
２ 送液ポンプ１（ＪＡＳＣＯ ＰＵ−２０８６Ｐｌｕｓ）
３ 開閉用バルブ１
４ 非極性溶媒層
５ 送液ポンプ２（ＪＡＳＣＯ ＰＵ−２０８６Ｐｌｕｓ）
６ 開閉用バルブ２
７ 電気炉内反応器（ＳＵＳ３１６、３ｍｍ配管）
８ 電気炉（ＥＳＰＥＣ ＳＴＰＨ−１０１Ｍ）
９ 反応器内部温度測定機
１０ 冷却ライン（ＳＵＳ３１６、１／１６配管）
１１ 圧力調整機（ＪＡＳＣＯ ＳＣＦＢｐｇ）
１２ 反応液採取層排ガス

Claims (1)

1. 触媒の非存在下、メタノールと水の体積比（メタノール／水）が３〜９であるメタノール水混合液中、リジンを反応圧力１０〜３０ＭＰａＧ、反応温度２５０〜３００℃で脱水環化させるα−アミノ−ε−カプロラクタムの製造方法。
   

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