JP3142651B2 - 飽和脂環式ジカルボン酸無水物の製造法 - Google Patents

飽和脂環式ジカルボン酸無水物の製造法

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JP3142651B2 JP04208579A JP20857992A JP3142651B2 JP 3142651 B2 JP3142651 B2 JP 3142651B2 JP 04208579 A JP04208579 A JP 04208579A JP 20857992 A JP20857992 A JP 20857992A JP 3142651 B2 JP3142651 B2 JP 3142651B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、メチルノルボルナン-
2,3- ジカルボン酸無水物を主成分とし、複数の飽和脂
環式ジカルボン酸無水物から成る混合物の製造法に関
し、さらに詳しくは、メチルノルボルネン-2,3- ジカル
ボン酸無水物を含有する複数の不飽和脂環式ジカルボン
酸無水物の混合物を原料とし、主成分の酸触媒存在下に
おける異性化及び不飽和酸無水物の水素化を含む、上記
混合物の製造法に関する。
【0002】
【従来の技術とその課題】飽和脂環式ジカルボン酸無水
物をエポキシ樹脂硬化剤として使用することは、従来知
られている。それらの例として、ヘキサヒドロフタル酸
無水物、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物(特公昭39
-14521号公報)、ノルボルナンジカルボン酸無水物また
はメチルノルボルナンジカルボン酸無水物(特公昭62-4
7891号公報)等が知られている。
【0003】これら酸無水物の内、メチルノルボルナン
-2,3- ジカルボン酸無水物(以下、HMeNAと略すこ
とがある)による硬化物は耐熱性及び耐候性に優れるこ
とが知られている。
【0004】HMeNAは、1-メチルノルボルネン-2,3
- ジカルボン酸無水物及び/または5-メチルノルボルネ
ン-2,3- ジカルボン酸無水物(以下、夫々1-MeNA、
5-MeNAと略すことがある)の水素化によって合成す
ることができる。
【0005】エポキシ樹脂硬化剤は、作業上の見地から
室温で液状であることが好ましいが、上記方法により製
造されるHMeNAは室温で固体である。
【0006】HMeNAは exo体の比率が増加すると室
温で液状化することが知られており(米国特許第3,598,
749 号明細書)、室温で液状のHMeNAを製造する方
法として、メチルノルボルネン-2,3- ジカルボン酸無水
物(以下、MeNAと略すことがある)のendo体を exo
体に異性化する工程を加えることによって、生成するH
MeNA中の exo体の比率を増すことが考えられる。し
かし、通常の熱異性化法を用いて得られる程度の exo体
比率では、HMeNAは室温で液状とはならない。
【0007】そこで、本発明者らは先に、HMeNA及
びビシクロオクタンジカルボン酸無水物から成る室温で
液状のエポキシ樹脂硬化剤(特開平2-38415 号公報)、
それらに加えて3-及び4-エチルヘキサヒドロ無水フタル
酸を含有する室温で液状のエポキシ樹脂硬化剤(特開平
3-277622号公報)を提供した。
【0008】しかしながら、これら液状エポキシ樹脂硬
化剤は、凝固点及び粘度が高すぎる等の欠点がある。ま
た、これらの混合物においては、使用する成分の組成比
が限定される。
【0009】本発明は、上記問題点が改善された、HM
eNAを主成分とする液状飽和脂環式ジカルボン酸無水
物混合物の製造法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、A)メチルノ
ルボルナン-2,3- ジカルボン酸無水物60〜95重量%、及
びB)他の一以上の飽和脂環式ジカルボン酸無水物5〜
40重量%から成る混合物を、 a)メチルノルボルネン-2,3- ジカルボン酸無水物60〜
95重量%、及びb)他の一以上の不飽和脂環式ジカルボ
ン酸無水物5〜40重量%から成る混合物から製造する方
法において、原料中のメチルノルボルネン-2,3- ジカル
ボン酸無水物の一部または全部を酸触媒の存在下にてメ
チレンノルボルナン-2,3- ジカルボン酸無水物へ異性化
し、次いで水素化を行うことを特徴とする飽和脂環式ジ
カルボン酸無水物の製造法を提供する。
【0011】ここで、メチレンノルボルナン-2,3- ジカ
ルボン酸無水物(以下、MDNAと略すことがある)自
体は新規物質であり、本発明者らによって特許出願され
ている(特願平3-317308)。この化合物は、次式
【0012】
【化1】 で表され、MeNAを酸の存在下で加熱して異性化する
ことによって調製することができる。
【0013】MDNAの原料となり、かつ本発明の方法
における原料の一部でもあるMeNA自体は公知であ
り、市販もされている。MeNAには、5-MeNA、1-
MeNA等の異性体が存在し、その夫々にエンド(endo)
体、エキソ(exo) 体の立体異性体が存在するがMDNA
の合成及び本発明方法においてはそのいずれをも使用す
ることができる。それらの混合物を用いても良い。
【0014】5-MeNA及び1-MeNAは、例えば次の
ようにして製造することができる。すなわち、1-メチル
シクロペンタジエン(1-MeCPDと略す)及び2-メチ
ルシクロペンタジエン(2-MeCPDと略す)を、無水
マレイン酸と反応させる(ディールス‐アルダー反応)
と、1-MeCPDからは1-MeNAのendo体が、2-Me
CPDからは5-MeNAのendo体が生成する。ここで、
1-MeCPDと2-MeCPDは、メチルシクロペンタジ
エンダイマーの熱分解によって、通常30:70〜60:40前
後の比率で得られ、この両者を分離することは困難であ
る。従ってMeCPDを用いる上記反応より、通常は e
ndo-1-MeNAと endo-5-MeNAとの30:70〜60:40
前後の比率の混合物が生成する。
【0015】MeNAのMDNAへの異性化の際に、1-
MeNAのendo体は、5-MeNAのexo 体を経由してM
DNAのexo 体を生成し、一方、5-MeNAのendo体
は、直接MDNAのendo体を生成する。また、一部の5-
MeNAのendo体は、MDNAの exo体を生成する。そ
の結果、生じるMDNAは、 exo体の比率が高くなる。
上記のようなMeCPDと無水マレイン酸とから得られ
たMeNAを用い、酸触媒の存在下にて異性化を行っ
て、 exo体の比率が高い、例えば約70%以上であるMD
NAを合成することができる。
【0016】MDNAへの異性化反応は、例えば約 120
〜250 ℃の温度で、MeNAに対して約0.01〜5重量
%、特に約0.02〜3重量%の酸触媒を用いて行うことが
できる。しかしながら、低凝固点かつ低粘度の液状HM
eNAを製造するために、 exo体の比率が高い、例えば
約70%以上であるMDNAを合成することが好ましく、
そのためには 170℃以上、特に 170〜200 ℃の温度で、
MeNAに対して約3重量%以下、特に約0.02〜2重量
%の酸触媒を用いて反応を行うのが好ましい。異性化の
際の温度が 170℃以上であれば、exo-MDNA:endo-
MDNAの比は70:30〜90:10程度と、 exo体の比率が
かなり大きくなる。また、酸の量をMeNAに対して約
3重量%以下とすると、生成する exo体の比率をより高
くすることができる。
【0017】異性化反応のために使用する酸に特に制限
はなく、種々の公知の酸を使用することができる。例え
ばベンゼンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、パラ
キシレン-2- スルホン酸等の芳香族スルホン酸、硫酸、
塩酸等の鉱酸、タングストケイ酸、モリブデン酸等のヘ
テロポリ酸、マレイン酸等のカルボン酸、及び塩化アル
ミニウム、フッ化ホウ素等、並びに、シリカ・アルミ
ナ、活性白土、シリカ・マグネシア、アルミナ・ボリ
ア、X型ゼオライト、Y型ゼオライト、L型ゼオライ
ト、モルデナイト、ZSM-5等のH+ 型ゼオライト、及
び固体リン酸、陽イオン交換樹脂等の固体酸触媒が挙げ
られる。また、無水マレイン酸等の酸無水物は、水分と
反応して酸を生じ得るので、酸の代わりに酸無水物を使
用しても異性化反応が進行することがある。 exo体の比
率が高い、例えば約70%以上であるMDNAを合成する
ためには、芳香族スルホン酸または固体酸触媒を使用す
るのが好ましい。
【0018】酸触媒存在下における異性化反応は、回分
式及び連続式のいずれで行うこともできる。反応時間
は、好ましくは約30分間〜10時間、特に約1〜5時間で
ある。この反応は溶媒の使用を必要としないが、任意の
溶媒中で行うこともできる。好ましい溶媒としてはクロ
ルベンゼン、キシレン、メシチレン、トリエチルベンゼ
ン等が挙げられるが、これらに限定されない。
【0019】MDNAの構造は、赤外線吸収スペクトル
(IR)、 1H‐NMR等によって同定することができ
る。例えば当該化合物のIRにおいては、1770〜1780cm
-1及び1850cm-1に無水カルボン酸のC=O伸縮に起因す
るピークが観察される。また、 1H‐NMRにおいて、
δ 4.8〜5.2 にH2 C=C<に起因するピーク(このピ
ークは、出発物質のメチルノルボルネン-2,3- ジカルボ
ン酸無水物では観察されない)が、δ 1.8に−CH2
に起因するピーク4H分(出発物質では2H分)が、δ
2.8〜3.6 にノルボルナン環の三級炭素原子に結合した
プロトンに起因するピークが観察される。ノルボルネン
環の=CH−に起因するピークは観察されない。
【0020】本発明の方法において、異性化後かつ水素
化前の混合物(以下、MDNA含有原料混合物と略すこ
とがある)は、MDNA、MeNAと、他の一以上の不
飽和脂環式ジカルボン酸無水物とから成る。
【0021】本発明において、原料混合物(すなわち成
分a)とb)との混合物)またはMDNA含有原料混合
物を、任意的に精製処理に付しても良い。また、原料混
合物またはMDNA含有原料混合物に、飽和または不飽
和の酸無水物を添加することもできる。
【0022】MDNA含有原料混合物中のMDNA/
(MeNA+MDNA)の比率は60〜95重量%であるこ
とが好ましく、より好ましくは70〜95重量%ある。上記
比率が60重量%未満だと最終生成物が室温で液状になら
ないことがあり、95重量%を超えると重質物が多量に生
成するため、経済的でない。
【0023】原料混合物またはMDNA含有原料混合物
にMDNA及びMeNAと共に含有させることができる
不飽和脂環式ジカルボン酸無水物に特に制限はない。例
として、置換または非置換のテトラヒドロ無水フタル
酸、例えばテトラヒドロ無水フタル酸、3-メチルテトラ
ヒドロ無水フタル酸、4-メチルテトラヒドロ無水フタル
酸、3-エチルテトラヒドロ無水フタル酸、4-エチルテト
ラヒドロ無水フタル酸、3-n-プロピルテトラヒドロ無水
フタル酸、3,6-ジメチルテトラヒドロ無水フタル酸、4,
5-ジメチルテトラヒドロ無水フタル酸、3,4-ジメチルテ
トラヒドロ無水フタル酸、3-エチル-4- メチルテトラヒ
ドロ無水フタル酸、3,4,5-トリメチルテトラヒドロ無水
フタル酸;及び置換または非置換のビシクロアルケンジ
カルボン酸無水物、例えばノルボルネンジカルボン酸無
水物、ビシクロ[2.2.2] オクテンジカルボン酸無水物、
1-エチルノルボルネンジカルボン酸無水物等が挙げられ
るが、これらに限定されない。好ましいMDNA含有原
料混合物の例として、約70%以上が exo体であるMDN
Aを約35〜85重量%、MeNA3〜45重量%、ビシクロ
[2.2.2] オクテンジカルボン酸無水物5〜15重量%、3-
エチルテトラヒドロ無水フタル酸1〜10重量%、及び4-
エチルテトラヒドロ無水フタル酸2〜12重量%から成
り、かつMDNAとMeNAが合計で全混合物の70〜90
重量%である混合物を挙げることができるが、これらに
限定されない。
【0024】原料混合物またはMDNA含有原料混合物
は、成分の酸無水物を夫々別途に合成してから混合して
も良く、また、各酸無水物の原料を混合した上で、同時
に合成しても良い。酸無水物の合成は、ジエンを無水マ
レイン酸と反応させる(ディールス‐アルダー反応)こ
とによって行うことができる。例えば、ナフサ等の炭化
水素混合物をスチームクラッキングして得られる下記の
ような炭素数6〜7の留分を無水マレイン酸と反応させ
ると、先に例示した酸無水物の混合物が、溶液として得
られる。 メチルシクロペンタジエン 3.5〜5.5 重量% 1,3-シクロヘキサジエン 0.5〜1.0 重量% 1,3-ヘキサジエン 0.2〜0.7 重量% 2-エチル-1,3- ブタジエン 0.3〜0.8 重量% C6 〜C7 オレフィンまたはパラフィン 4.5〜8.5 重量% ベンゼン 40〜60重量% トルエン 20〜40重量% MDNA含有原料混合物を水素化する方法に特に制限は
なく、種々の公知の方法を用いることができる。例えば
接触水素添加法、ヨウ化水素と赤リンまたはナトリウム
とアルコールの組み合わせを用いる方法等が挙げられる
が、これらに限定されない。好ましい方法は接触水素添
加による水素化であり、これは回分反応、流通連続反応
のいずれによっても良い。接触水素化は通常、水素添加
触媒の存在下、かつ加熱下で、水素と接触させることに
よって行う。好ましい触媒としては、パラジウム、ルテ
ニウム、白金、コバルト、ニッケル等が挙げられるが、
これらに限定されない。担持触媒で使用しても良く、例
えば5重量%の金属パラジウムをアルミナ粉末に担持し
たものを触媒として使用することができる。触媒の使用
量に特に制限はないが、好ましくは不飽和酸無水物の重
量に基づき 0.2〜5重量%程度とする。水素添加反応時
の水素圧は、10〜150 kg/cm2 G、特に20〜100 kg/cm
2 G程度とするのが好ましい。温度は、好ましくは約40
〜250 ℃、より好ましくは約50〜200 ℃である。反応時
間は好ましくは1〜15時間、より好ましくは2〜10時間
程度とする。水素添加反応の際に溶媒は必要ではない
が、溶媒、例えばテトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン
等を使用しても良い。
【0025】上記のようにして水素化した後、好ましく
は触媒及び使用した溶媒等を分離し、生成した飽和脂環
式ジカルボン酸無水物の混合物を精製する。精製法に特
に制限はなく、濾過、蒸留等の種々の公知の方法を使用
することができる。
【0026】本発明の方法により得られる飽和脂環式ジ
カルボン酸無水物の混合物は室温で液状かつ低粘度であ
るので、エポキシ樹脂硬化剤としての作業性に優れる。
該混合物を使用して硬化し得るエポキシ樹脂は、エポキ
シ基を分子内に2個以上有する化合物であり、例えばビ
スフェノールAなどの多価フェノールまたは1,4-ブタン
ジオールなどの多価アルコールのポリグリシジルエーテ
ル、フタル酸、ヘキサヒドロフタル酸などのポリグリシ
ジルエステル、アミン、アミド及び複素環式窒素塩基を
有する化合物のN‐グリシジル誘導体、脂環式エポキシ
樹脂、フェノールノボラックエポキシ樹脂、オルトクレ
ゾールノボラックエポキシ樹脂などである。硬化剤は、
上記エポキシ樹脂のエポキシ基1当量に対して、酸無水
物基が 0.3〜1.5 モルになるように配合するのが好まし
く、特に 0.7〜1.2 モルになるように配合するのが好ま
しい。上記混合物とエポキシ樹脂とを適宜の手段で混合
し、好ましくは50〜230 ℃で硬化させることができる。
例えば70〜120 ℃で1〜10時間、続いて 120〜200 ℃で
2〜20時間硬化されることが特に好ましい。尚、該混合
物を配合したエポキシ樹脂組成物をそのまま硬化するこ
ともできるが、さらに3級アミン、3級アミン塩、第4
アンモニウム塩、イミダゾール、金属塩などの硬化促進
剤を併用すると、硬化時間を短縮することができるので
好ましい。また、該混合物は、他の一以上の酸無水物と
併用することもできる。さらに、慣用の添加剤、例えば
アスファルト、石英粉、雲母、ガラス繊維、繊維素、タ
ルク、粘土、カオリン、ベントナイト、炭酸カルシウ
ム、水和アルミナもしくはアルミニウムのような金属粉
などの充填剤、染料もしくは顔料、成形潤滑剤、難燃剤
(三酸化アンチモン、赤燐等)、有機溶剤(例えばキシ
レン、トルエン、メチルエチルケトン、メチルイソブチ
ルケトン等)等と混合して使用することも可能である。
【0027】本発明の方法により得られる飽和脂環式ジ
カルボン酸無水物の混合物はまた、それ自体が無色透明
である上、それを用いて硬化したエポキシ樹脂硬化物は
無色透明あるいは淡黄色で透明性が良く、しかも耐熱性
及び耐湿性に優れる。従って、耐熱及び耐湿用のオプト
エレクトロニクス素材として好適である。また、本発明
の方法により得られる飽和脂環式ジカルボン酸無水物の
混合物は、耐熱性の注型もしくは成形用または塗料、積
層もしくは含浸用ワニスなどの材料としても使用するこ
とができる。
【0028】以下、実施例により本発明をさらに詳しく
説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるもので
はない。
【0029】
【実施例】以下の実施例において、%及び部は、夫々重
量%及び重量部を意味する。
【0030】
【実施例1】還流冷却器及び攪拌機を備えた容量3リッ
トルの四つ口フラスコに無水マレイン酸167gを導入し、
内部温度を25〜30℃に保ちながら、スチームクラッカー
にて得られた下記の組成を有する炭化水素留分2kgを1
時間に亘り滴下した。その後徐々に内部温度を80℃まで
昇温し、80℃にて1時間攪拌してディールス‐アルダー
反応を行った。反応生成物から蒸留によって未反応成分
を留去し、続いて減圧蒸留を行って黄色液体 320g を得
た。
【0031】スチームクラッカーにて得られた炭化水素留分の組成 メチルシクロペンタジエン 4.7% 1,3-シクロヘキサジエン 0.9% 1,3-ヘキサジエン 0.6% 2-エチル-1,3- ブタジエン 0.7% C6 〜C7 オレフィン、パラフィン 7.3% ベンゼン 53.0% トルエン 32.8% 上記の液体生成物をガスクロマトグラフにて分析するこ
とにより、その組成は、 endo-MeNAが68.7%であ
り、ビシクロ[2.2.2]-5-オクテン-2,3- ジカルボン酸無
水物が12.5%であり、3-エチル‐Δ4 - テトラヒドロフ
タル酸無水物が 8.8%であり、4-エチル‐Δ4 - テトラ
ヒドロフタル酸無水物が10.0%である混合物であること
が判明した。
【0032】温度計、還流冷却器及び攪拌機を備えた容
量 500mlの四つ口フラスコに、上記で得られた混合物 2
50g 、及びパラトルエンスルホン酸(東京化成株式会社
製)0.5gを導入し、 180℃で3時間攪拌して反応させ
た。次に、反応物を減圧蒸留に付し、触媒及び重質物で
ある副生成物の除去された淡黄色透明液体 238g を得
た。この液体をガスクロマトグラフで分析したところ、
exo-MDNA42.0%、endo- MDNA 7.6%、exo-5-M
eNA 4.1%、未反応の endo-1-MeNA 3.8%、endo
-5-MeNA11.4%、ビシクロ[2.2.2]-5-オクテン-2,3-
ジカルボン酸無水物12.5%、3-エチル‐Δ4 - テトラ
ヒドロフタル酸無水物 8.7%、及び4-エチル‐Δ4 - テ
トラヒドロフタル酸無水物 9.9%から成ることが判明し
た。MDNAへの異性化率は72.0%であり、MDNAに
おけるexo-体: endo-体の比率は85:15であった。
【0033】次に、 500mlのオートクレーブ中に、上記
で得られた液体200gとパラジウム触媒(5重量%の金属パ
ラジウムをアルミナ粉末に担持したもの、エヌ・イー・
ケムキャット社製)4.0gを導入し、オートクレーブ内を
水素で置換した後、水素圧50kg/cm2 Gにて80℃に加熱
し、攪拌下で5時間水素添加反応を行った。反応終了
後、減圧濾過によって触媒を除去し、193gの無色透明液
体生成物を得た。
【0034】この液体の赤外吸収スペクトルにおいては
1770〜1780cm-1及び1850cm-1に無水カルボン酸のC=O
伸縮に起因するピークが観察され、また、ヨウ素価は
0.9であった。
【0035】また、ガスクロマトグラフ分析より、上記
液体生成物は以下の組成を有することが判明した。 exo-5-HMeNA 46.0% endo-5- HMeNA 19.2% endo-1- HMeNA 3.7% ビシクロ[2.2.2]-オクタン 12.3% -2,3-ジカルボン酸無水物 3-エチルヘキサヒドロフタル酸無水物 8.8% 4-エチルヘキサヒドロフタル酸無水物10.0% 最終生成物は、凝固点が−15℃以下、25℃における粘度
が 224センチポイズの、低凝固点かつ低粘度の無色透明
液体であった。
【0036】
【応用例】エポキシ樹脂(商品名;エピコート 828、油
化シェル株式会社製) 100部、実施例1で得られた最終
生成物の無色透明液体90部及び硬化促進剤として2-エチ
ル-4- メチルイミダゾール(四国化成株式会社製) 0.5
部を、室温にて配合した。この配合物を 100℃にて2時
間、引き続いて 150℃にて5時間硬化反応させて、淡黄
色透明の硬化物を得た。
【0037】この硬化物について、JIS K6911に準拠
して、熱変形温度(HDT)を測定したところ、 162℃
であり、この硬化物は耐熱性に優れていることが判明し
た。また、耐湿性について調べるため、70mmφ×2mm厚
の試験片を用い、 122℃、24時間のプレッシャー・クッ
カー・テスト(PCT)後の重量増加率を測定したとこ
ろ、1.27重量%であり、優れた耐湿性を有することが判
明した。
【0038】
【実施例2〜4及び比較例1〜3】種々の組成の不飽和
脂環式ジカルボン酸無水物の混合物を調製した。そうし
て得られた混合物を用い、混合物の組成、(180℃での)
反応時間、及びパラトルエンスルホン酸の使用量を表1
のように代えた以外は実施例1と同じ操作を行い、得ら
れた生成物の凝固点及び25℃における粘度を測定した。
それらの結果を表1に示す。尚、表1において、BcO
DCAはビシクロ[2.2.2]-5-オクテン-2,3-ジカルボン
酸無水物を、EtTHPAはエチルテトラヒドロフタル
酸無水物を、MeTHPAはメチルテトラヒドロフタル
酸無水物を、THPAはテトラヒドロフタル酸無水物
を、NAはノルボルネンジカルボン酸無水物を、夫々示
す。
【0039】
【表1】 表1より、本発明の製造法により得られる飽和脂環式ジ
カルボン酸無水物の混合物が低凝固点かつ低粘度の液体
を与えることが明らかである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野 廣 埼玉県入間郡大井町西鶴ヶ岡1丁目3番 1号 東燃株式会社総合研究所内 (56)参考文献 特開 平5−32653(JP,A) 特開 平6−25207(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C07D 307/93 C07B 61/00 300 CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 A)メチルノルボルナン-2,3- ジカルボ
    ン酸無水物60〜95重量%、及びB)他の一以上の飽和脂
    環式ジカルボン酸無水物5〜40重量%から成る混合物
    を、 a)メチルノルボルネン-2,3- ジカルボン酸無水物60〜
    95重量%、及びb)他の一以上の不飽和脂環式ジカルボ
    ン酸無水物5〜40重量%から成る混合物から製造する方
    法において、原料中のメチルノルボルネン-2,3- ジカル
    ボン酸無水物の一部または全部を酸触媒の存在下にてメ
    チレンノルボルナン-2,3- ジカルボン酸無水物へ異性化
    し、次いで水素化を行うことを特徴とする飽和脂環式ジ
    カルボン酸無水物の製造法。
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