JPS6351945A - 固体酸触媒及びその製法 - Google Patents

固体酸触媒及びその製法

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JPS6351945A
JPS6351945A JP6709887A JP6709887A JPS6351945A JP S6351945 A JPS6351945 A JP S6351945A JP 6709887 A JP6709887 A JP 6709887A JP 6709887 A JP6709887 A JP 6709887A JP S6351945 A JPS6351945 A JP S6351945A
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oxide
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和田 啓輔
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は固体酸触媒及びその製法に関する。
詳しくは本発明は優れた固体酸性を有する固体酸触媒及
びその製造方法に関する。
〔従来の技術〕
現在の化学工業プロセスの中には、(j!酸、リン酸等
の鉱酸、塩化アルミニウム、三フフ化ホウ素などの酸性
物質を触媒として使用するものが数多く存在しておシ、
触媒の分離、回収、再使用、廃水処理、装置の腐食、好
ましくない副生成物の生成、生成物の着色など数多くの
問題点がある。このため鉱酸や塩化アルミニウム等に代
わる固体酸触媒の開発が望まれている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
このような背景のもとで、金属の酸化物、複合酸化物、
例えばアルミナ、シリカ−アルミナあるいは金属の硫酸
塩、リンa増などの固体酸性が研究され、化学工業プロ
セスへの適用が検討されている。″1ft水存在下で使
用できるような固体酸触媒としてイオン交換樹脂、含水
酸化ニオブなどが提案されている。このうちイオン交換
a4脂触謀は、酸強度が弱いこと、樹脂が崩壊しやすい
こと、適用範囲、特に温度において限界があるなどの欠
点を有する。また、含水酸化ニオブ触媒は、特開昭4O
−4t4tOJ9によりその固体酸触媒としての特許が
提案されているが、適用温度範囲がaOθ℃以下、好ま
しくは300℃以下と、限界があシ、さらKまたより触
媒活性の向上が望まれる。
c問題点を解決するための手段〕 本発明者らは、従来の触媒の上記欠点を解決するため1
で鋭意検討を重ねた結果、種々の方法で水酸化タンタル
を調製し、これを酸及び又は水で洗浄したのち加熱処理
して得た水和水を含む酸化メンタル(以下、「含水酸化
タンタル」ともいう)は極めて強い固体酸性を発現し、
種々の酸触媒反応に有効であることを見出して、本発明
に到遅し虎。
即ち本発明の要旨は、(1)水和水を含む酸化メンタル
から成ることを特徴とする固体酸触媒、並びK(2)水
酸化メンタルを酸及び/又は水で洗浄したのち約too
℃以下の温度で加熱処理することを特徴とする固体酸触
媒の製法、に存する。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の含水酸化メンタルの構造に関しては、その詳細
は不明であるが、非晶質もしくは結晶化の程度が低く、
実験式であられすとTa1O,・nH,Oであシ、ここ
でO(n≦t、好ましくは0 (n≦3である。
本発明の含水酸化タンタルの製造に用いられる水酸化メ
ンタルの調製方法としては次のような方法が挙げられる
。第一の方法は、3価のメンタルのハロゲン化物、例え
ばTaC111TaBr1 ITa I @ m Ta
 F−或いはオキシ塩化物Ta0C1,を加水分解する
方法である。具体的にはTaC1Bを濃堪!!IK溶解
させたのち、熱水、アンモニア水或いは塩基性を示す溶
液、例えば水酸化カリタス、水酸化ナトリウムなどの水
溶液を添加して水酸化メンタルの沈殿を生成せしめる方
法が挙げられる。菖二の方法は、j価のタンタルのアル
コ中シト、例えばTJL(OCH3)1 # Ta(O
CIHI)s ITa(OCmHv)s など、あるい
はハロゲンを含むアルコ命シト、例えばTaCl(oc
H,)4.Ta C1t(0CHJiTaC1(QC,
H,)4 などを加水分解する方法である。
具体的にはTa(OCIHI)@  をエタノールに溶
解して水、7ン毫エア水或いは塩基性溶液、例えば水酸
化カリウム、水酸化ナトリウムなどの水溶液を添加して
水酸化タンタルの沈殿を生成せしめる方法が挙げられる
。第三の方法は3価のタンタルのハロゲン化物、例えば
TaBr1を加水分解して水酸化タンタルを生成させる
方法である。
第四の方法は酸化メンタル(水和水を含まないものを指
す) Ta1O1をアルカリ金属の水酸化物或いは炭酸
塩、硫f!It場、ピロ硫酸塩、例えばKOHh KI
CO@ * NaOH6Nag co、 I K150
4 m KBBlog +などと溶融して得られ喪もの
を加水分解して水酸化タンタルを得る方法である。
上記のようにして得られた水酸化タンタルはそのままで
は十分な固体酸性を有しておらず、先ず、酸及び/又は
水で洗浄する操作が必要である。この洗浄操作は恐らく
、水酸化タンタルの調製の際に使用し次アルカリ金属、
アンモニア等の塩基性物質の除去に効果があると考えら
れる。酸及び/又は水による洗浄は、具体的には、得ら
れた水酸化タンタルを希薄な酸、好ましくは0./〜3
N程度の塩酸、硝酸、硫酸等の鉱酸水溶液に分散して攪
拌するのが効果的であ夛、さらに好ましくは液を加熱し
て沸騰状態のもとて分散洗浄するのがよい。この場合、
酸の水溶液が濃厚すぎると水酸化タンタルの一部が溶解
して、除去されてしまうので好ましくない。
洗浄は数回繰シ返し、各回毎にP遍或いは送心分離等に
より、水酸化メンタルと洗浄液とを分離するのが効果的
である。希薄な酸の洗浄の後は水中に分散させて洗浄し
、例えば[2を用いた場合、洗浄液中の塩素イオンが検
出されなくなるまで洗浄を繰)返した方が、最終的に得
られる含水酸化タンタル中への塩素の混入が抑制される
ので好ましい。
洗浄後、−過または遠心分離によ)水酸化タンタルを分
取し、乾燥し、加熱処理して本発明の目的とする固体酸
触媒が得られる。これらの操作において加熱処理の温度
が、本発明で提案している固体酸性にとって重要であう
、本発明においては約600℃以下、好ましくは100
〜soO℃、よυ好ましくは、xoo−4too℃の温
度範囲で加熱処理を行なう。
第7表は種々の温度で加熱処理して得た含水酸化タンタ
ルの表面酸強度をHamme t を指示薬を用いて測
定した結果を示すものである。
第  7  表 第7宍から明らかなように含水酸化タンタルは、処理温
度200℃から4tOθ℃の範囲でH0== −/0.
2 (りoX硫酸の酸強度に相当)より強い酸強度を示
し、さらに500℃以下ではH0=−j、ぶ(7/X硫
酸の酸強度に相当)よシ強い酸強度を、too′C以下
ではH,=−3,0(4tr♂硫酸の酸強度に相当)よ
り強い酸強度を示している。
通常の金jiff化物ではこのような強い酸強度を示す
ものは殆どなく、さらに含水酸化タンタルにおいては約
60θ℃以下、特に−00℃から4400℃の広い温度
範囲にわたって強い酸強度を示すことが注目される。3
00℃以下の温度で強い酸強度を示す固体酸触媒として
前記した含水酸化ニオブが提案されているが、よシ高温
では急激に#強度が低下しており、シたがってこのよう
な高温を費する反応には使用できない。この酸強度低下
の原因の詳細はまだ不明であるが、その原因の一つとし
て酸化ニオブの結晶化が進行するためではないかと考え
られる。
一方、酸化タンタルにおいては結晶化温度が酸化ニオブ
に比べて高温度であるのでより高い温度まで強い酸強度
を示すものと推察される。この結晶化のおこる温度は示
差熱分析(以下、DTAという)によシ測定される。含
水酸化メンタル及び含水酸化ニオブについて本発明者ら
が測定した結果をそれぞれ第7図及び第一図に示した。
これらの図を比較すると含水酸化ニオブが酸化ニオブに
結晶化するのが!J′7℃であるのに対して、含水酸化
タンタルの酸化タンタルへの結晶化は730℃で起こっ
ており、従ってよυ高温まで強い固体酸性を示すことが
推察される。
本発明の含水酸化タンタルは単独で用いても、あるいは
他の成分と共存させて用いてもよく、例えばシリカ、ア
ルミナ、酸化チタン、酸化シルコニ9ム、酸化ニオブ或
いはこれらの複合物があげられる。さらKまた含水酸化
タンタルあるいは含水酸化タンタルと前記した成分との
複合物を硫酸、リン酸またはフッ化水素酸等で前処理し
たのち、低温で加熱処理することによシ、触媒性能を高
められる場合もある。
本発明の含水酸化タンタル触媒は通常知られている酸触
媒反応に触媒として使用できる。また、液相、気相いず
れの反応にも使用することができる。そのよう唸反応の
911を具体的に記すと、 ■ オレフィンの水和反応。さらに具体的には炭素数λ
から9のオレフィンの水利反応による対応するアルコー
ル類の生成。
■ アルコールの脱水反応。さらに具体的には炭素数−
から9のアルコールの脱水反応による対応するオレフィ
ンの生成。
■ オレフィンの異性化反応。さらに具体的には炭素数
ダからtのオレフィンの異性化反応。
■ カルボン酸トアルコールとのエステル化反応。さら
に具体的には炭素数コからよの飽和ま念は不飽和カルボ
ン酸と炭素数7から9の飽和または不飽和アルコールと
のエステル化反応。
■ 上記■の逆反応であるエステルの加水分解反応。
■ クライゼン縮合反応。さらに具体的には酢eIIま
たはプロピオン酸とホルムアルデヒドとの反応によるア
クリル酸′1穴はメタクリル酸の製造。
などが挙げられる。その峰かKも芳香族化合物のアルキ
ル化反応、不飽和炭化水素の重合反応、ベックマン転位
反応、アルドール縮合反応などに使用することができる
また、触媒の最適形状は反応の様式に依存するが、底型
触媒を希望する場合、通常おこなわれている成型方法を
採用することができる。
〔実施例〕
次に本発明を実施例にょ9さらに具体的に説明するが、
本発明はその要旨を越えない限シ、以下の実施例によっ
てその範囲を制約されるものではない。
実施例1 五塩化タンタル(三津和化学社aり−2jJをエタノー
ル−jo−中に溶解させに0なお、エタノールは予めモ
レキ為う−シープにょ9水分を除去したものを用いた。
この溶液に水虐化カリワム(含量/ j X ) 2 
j、/ gをエタノール−j Od K溶解して得た液
を少量ずつ滴下して白色の沈殿を生成させた。このエタ
ノール中で白色沈殿を7日装置して熟成をおこなった。
続いて遠心分離器によう白色沈殿と上澄み液とを分離し
た。7N塩酸水溶液lL中にこの沈殿物を分散させ、液
を加熱沸騰させて1時間保持した。室温まで冷却したの
ち遠心分離器により沈殿物と液とを分離し穴。再び同様
に/N場酸水溶液中での煮沸分散洗浄を7時間行なった
。続いて脱イオン水lL中での煮沸分散洗浄′に3回(
各回とも7時間)繰シ返した。各回の洗浄ごとに遠心分
離を行ない、沈殿物と液とを分離した。最終の洗浄後の
液に硝酸銀水溶液を滴下したところ、白濁せず、塩素イ
オンの存在は認められなかった。
次に沈殿物を真空乾燥話中で120℃、4時間乾燥した
。乾燥後の白色粉末の重量は、/6.6Iであった。こ
の白色粉末を乾燥空気流通下で植々の温度(−00℃、
300℃、弘00℃、soo℃、400℃及びtoo℃
)で加熱処理した。なお加熱処理後、Hamme t 
を指示薬により酸強度を測定したところ、前記第7表に
示し念結果を得た。
実施例− 五塩化タンタル(三津和化学社製)!yを誦塩酸60―
甲に溶解させたのち、脱塩水100−中に少量ずつ滴下
すると液は白濁した。このgt加熱して8騰させると、
液の白濁の1度が高まり、白色不溶物の生成が瑠太し念
。時々水を加えなから郭騰状独のもとて一時間保持した
冷却後、室温で7日静置熟成した。白色沈殿物を遠心分
離により液と分離しなのち実施例1と同様に沈殿物の洗
浄t−繰り返し、続いて乾燥した。得られた白色粉末を
乾燥空気流通下で種々の温度で加熱処理し穴。なM )
lamme t i指示薬による酸強度測定結果は前記
第1表とほぼ同様であった。
比較例7 含水酸化ニオブ(CBMMインターナシッナル社製AD
−J/りを乾燥空気流通下で一檎の温度<、ioo’c
及びtoo℃)で加熱処理した。Hamme t を指
示薬による酸強度測定結果を第−表に示す。この結果は
特開昭t O−4t4tOJ ?に示されたものとよく
一致している。
比較例− 市販のシリカ−アルミナ成型品(日揮化学社HN t 
j / H: 5iO1/ AlzOm−11量比約7
0/30)を破砕して粉末とし念ものを、乾燥空気流通
下で固体酸性が強まることの知られている4toθ℃で
加熱処理しな。′a強度を第−表に示した。
比較例3 SiC1,及びTiC1,の混合物を加熱分層してシリ
カ−チタニア触媒を傅;I’j (Si/Ti原子比=
9!/j)。これを乾燥空気流通下、300℃で加熱処
理した。この−強度を第2我に示した。
第  −表 /)  CBMM(y/−fシ、fル社製AD−31,
2−2)8揮化学社製Njj/H。
810、/Al、O,ニア0/jO(wtX)3) 自
製、81/Ti=9j/j (原子比)反応例ノ メタクリル酸とメタノールとの気相エステル化反応を固
体酸触媒によるモデル反応としてとシあげ、触媒の性能
を評価した。この反応は生成するメタクリル酸メチル(
以下、MMAという)が合成樹脂塗料などの原料として
有用であ)、工業的に重要な反応の1つである。原料お
よび生成物は重合し易く、これを考慮すると、上記エス
テル化反応は可及的に温和な条件下で、しかも短時間で
完結させることが好ましく、そのために高活性の触媒の
開発が望まれている。
実施例7に記し念ようKHA製し、300℃で加熱処理
した含水酸化タンタル/dを触媒としてパイレックスガ
ラス裂反厄器に入れ、反応温度−00℃のもとてメタク
リル酸/メタノールR//@ (モル比)m合物をマイ
クロフィーダーで導入し、窒素をキャリアーガスとして
空間速度的、2. j 00 hr−’  で反応させ
た。なお、反応物の供給盪はメタクリルeye、ノj 
mnol/hr 、 )タノール/d、j? mmol
/hr %窒素9 /、74 mmo17’hrである
。反応生成物を冷却したメチルセロソルブ−水(/:/
)溶液中に捕集し、酸滴定及びガスクロマトグラフィー
により分析した結果は、 反応開始後θ、jhr経過MMA生M、Ik4t、θj
mmol/hr11Jhr  l      13.タ
タ mmol/hrz  IJhr#   #   j
、74℃mmol/hrでありた。メタクリル酸に対す
る単流収車は各々 、  ?  7.7  X  (o
、j hr   )  、  ?  t、2  X  
(2hr   )  、テ0./ X (jhr)、選
択率はいずれもほぼ100Sであった。また、メタノー
ルの脱水によるジメチルエーテルの生成は検出されず、
メタノールFiMMAと合計して??鬼以上が回収され
た。
同様の反応条件のもとで、前記したようにして調製され
次触媒の活性を試験したところ、第3表に掲げた結果を
得た。
以上の結果をみると、本発明の含水酸化メンタル固体酸
触媒が高いMMA収率を保っておシ、すぐれた性能を有
していることが明らかである。
論3表 触媒性能評価 (メタクリル酸とメタノールとの気相エステルイ巳剋己
)反応温度: 2oo℃、Sv: シ!0Ohr″″1
触Is 量:ノ― 供 給 量:メタクリル酸/メタノール/窒素=’I、
/j//l、jり/?/、76(mmol/hr)/)
  CBMMインターナシ曹ナル社製 AD−j♂λ2
)日揮化学社裂Nt3/H。
810、/Al、O,ニア0/30(WtX)3) 自
製、8L/T1−9j/s (原子比)反応例− 触媒量の活性の差をよシ明確にするために、反応例/で
述べ大気相エステル化反応を空間速度を高めて行なっ穴
。すなわち、反応例1と同様の反応温度、原料供給量の
もとで、触媒量のみを7/!の0.Zatとして空間速
度を約/2!θθhr−’  とした。触媒として実施
例/に記したようKしてv4製された含水醇化メンタル
を種々の温度(200℃、300℃、<too℃、50
0℃、6θθ℃及び100℃)で加熱処理したもの、及
び比較例1に記した含水酸化ニオブを300℃及び乙O
O℃で加熱処理したものを用い次。反応結果を第+を衣
に示した。なお、反応生成物中にジメチルエーテルは検
出されず、メタノールはMMAと合計してタデ九以上が
回収され六。
ggy表に示し大結果より含水酸化タンタルは触媒活性
が高く、また含水酸化ニオブよりも高温で処理しても触
媒活性が高いことから、広い温度範囲にわたって使用で
きることが明らかである。
第ダ表 (メタクリル酸とメタノールとの気相エステル化反応)
反応温度:200℃、sv:/aよθObr″″1触媒
量:θ、2ゴ 供給量:メタクリル酸/メタノール/窒素=4t、/!
//6Jり15+/ 、 2t  (mmol/hr 
)/)  CBMMインターナショナル社袈 A D−
j♂2実施例3 水溶液60ml中に7日浸漬した。次に液を分離した固
体を真空乾燥層中で/2θ”C1i<時間乾燥した。乾
燥後の白色粉末およびこれを乾沫空気流通下で300℃
で加熱処理して得たもののHamff!e t を指示
系による酸強度は第!表に元す通シであった。
第j茨 反応例3 シクロヘギサノンオ中シムを6−カグロラクタムに変決
する反応はベックマン転位反応といわれる。この反応に
対する本発明の固体酸触媒の性能を評価した。
実施例7に記したように調製し、Jt)0℃で加熱処理
しfc廿氷水酸化タンタルよびX施例3に記したように
818!Igし、300℃で加熱処理し穴、硫酸処理含
水酸化メンタル(H,SOa/含水酸化タンタルという
)各々θ、j j @7を触媒としてパイレックスガラ
ス製反応器に入れ、反応a度λ!θ℃のもとてシクロヘ
キサノンオ中シムのベンゼン溶液をマイクロフィーダー
で導入し、窒素をキャリアーガスとして空間速に−ti
00hr−’で反応させた。なお反応物の供給量および
組成は、次のとお9であった。
シクロへ中サノンオキシム:ベンゼン:巽素=o、q1
3:ノノ、♂t  :  yz、sa (mmol、/
hr)= / : / j : r 4 (mol鬼)
反応生成物は冷却したテトラエチレングリコールジメチ
ルエーテル中に抽果シ、ガスクロマトグラフィーによp
定量分析した。反応、結果を第3表に示す。
第6表 反応例ダ アセトンのアルドール縮合反応はM!または塩基を触媒
とする反応である。この反応に対する本発明の固体酸触
媒の性能を評価した。
内容積10Q−の攪拌器付オートクレーブ中にアセトン
、20−1実施例1に記し次ように調製し、300℃で
加熱処理した含水酸化メンタルノy1に触媒として入れ
、窒素ガスで置換をおこなっ次のち、160℃で1時間
反応をおこなった。反応終了後、反応生成物をカスクロ
マトグラフィーによシ分析し、下記の結果を得た。
アセトン転化率       /!、9 Xメシチルオ
中シト選択率   r’1.jNインメシチルオ中シト
選択率    6.3Xジアセトンアルコ一ル選択率 
   コ、θS反応例! /−ブテンの気相異性化反応を固体酸触媒のモデル反応
としてとりあげ、触媒の性能を評価した。
実施例1に記したように調製し、300℃で加熱処理し
た含水酸化メンタルl−を触媒としてパイレックスガラ
ス製反応器に入れ、反応温度7θθ℃のもとでl−ブテ
ン/窒素=llO/6θ(モル比)の混合物を供給し、
空間速度10,000hr−”で反応させ7’c(反応
例/16よ−−2)。反応器出口に接続したガスクロマ
トグラフィーにより直接に反応生成物の定貸分析をおこ
なったところ、ブテン類の組成は、 l−ブテン:を−λ−ブテン:C−=−ブテン= 93
.r : a、♂: j、4t(九)であった。これは
、 l−ブテン転化峯 イ、2X 生成したλ−ブテンのシス/トランス比 1.2/に相
当する。なお炭素数9以外の化合物は検出されなかり次
″また、同様の反応条件のもとて前記した様にして調製
され1第2辰に示す触媒の性能を評価したところ(反応
例/16よ−)、j−j、5−ダ及びj−j)、第2表
に示す結果を得た。
第7表 (l−ブテンの気相異性化反応) コ ! 反応例6 イソブチンの液相水和反応によるt−ブチルアルコール
合成をモデル反応としてと)あげ、触媒の性能を評価し
た。
内容積−200m1の攪拌器付オートクレーブ中&C水
/9.4’、?、ブチルセロソルブ(溶1)t7.♂I
及び実施例7に記したように調製し、200℃で加熱処
理した含水酸化タンタルコ、!lを入れ、窒素ガスで置
換したのち、イソブチン!/、7mmolを導入した。
反応Fi/jθ℃で76時間おこない、生成物をガスク
ロマトグラフィーにより分析したところ、t−ブチルア
ルコール生成量は7/、♂mmo lであった。これは
%鳳料インブテンの! 、2j’ mo I X K相
当する。
〔発明の効果〕
本発明の含水酸化タンタル触媒は広い温度範囲にわたっ
て強い戯強度を示し、種々の酢触媒反応に対して好適に
使用することができる。
【図面の簡単な説明】
第7図は含水酸化タンタルの示差熱分析■線であシ、第
2図は含水酸化ニオブの示差熱分析曲線である。 特許ajM人 三菱化成工業株式会社 代理人 弁理士 長谷用   − ほか1名 第 )凹 第2凹 i度(°C)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)水和水を含む酸化タンタルから成ることを特徴と
    する固体酸触媒。
  2. (2)水酸化タンタルを酸及び/又は水で洗浄したのち
    約600℃以下の温度で加熱処理することを特徴とする
    固体酸触媒の製法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5227482A (en) * 1991-04-17 1993-07-13 Mitsubishi Kasei Corporation Method for producing a lactam

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JPS6044039A (ja) * 1983-08-17 1985-03-08 シ−ビ−エムエム・インタ−ナシヨナル・リミタ−ダ 含水酸化ニオブ固体酸触媒

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