カプロラクタム (caprolactam)
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概要
カプロラクタムは、環構造を持つ炭素数6のアミドです。ナイロンの原材料となる分子です。その1種であるε-caprolactam はポリアミド系繊維であるナイロン6 (nylon-6) の単量体です。少量の水の存在下で加熱すると、環のアミド部分が開いて次々と鎖状に結合する開環重合が進行してナイロン6が得られます。この合成法は1941年に東レが中心になって開発されました。
ナイロンは、軽くて柔らかく、弾力性に富みのびやすい性質があります。とくにストッキングなど合成繊維としての用途は画期的でした。ナイロンを使ったストッキングには特有のつやがあります。ナイロンには、ナイロン6の他に、アジピン酸とヘキサメチレンジアミンから作るナイロン6,6があります。
カプロラクタムの化学合成
カプロラクタムの工業製法にはいくつかのルートがあります。従来は、紫外線照射下シクロヘキサンに塩化ニトロシルを作用させるか、シクロヘキサノンにヒドロキシルアミンを作用させて得たシクロヘキサノンオキシムを濃硫酸下でベックマン転位させる方法が使われていました。これらの方法はみな、濃硫酸の中和にアンモニアを使用したため、大量の硫酸アンモニウムが副産します。この欠点は、後に解決されました。
住友化学が中心となって見出されたカプロラクタムの新しい製造法1)2) は、シクロヘキサノンをシクロヘキサノンオキシムにする1段階目の反応と、シクロヘキサノンオキシムをカプロラクタムにする2段階目の反応からなります。1段階目では、チタン及びケイ素の酸化物からなるMFI構造を取ったゼオライトを触媒に使いています。この反応は、チタンが触媒となりアンモニアと過酸化水素からヒドロキシルアミンが系中で生成して起こると考えられています。2段階目が新製法のポイントで、アルミニウムなど他の元素をほとんど含まない高純度のケイ素の酸化物からなるMFI構造を取ったゼオライトを触媒に使います。メタノール蒸気およびアンモニア添加下、350℃で反応し、濃硫酸の中和で硫酸アンモニウムが生成することはありません。ベックマン転位は過酷な条件が要求されますが、比較的穏和な条件でシクロヘキサノンオキシムからカプロラクタムへの変換ができます。理論計算によればゼオライトのケイ素原子に隣接したOH基が活性の本質に関与していると考えられています。なお。MFI構造とは、ゼオライトの100以上が知られる構造の1つです。
参考文献
- Ichihashi, H., Kitamura, M. : Catal.Today, 73, 23 (2002). DOI: 10.1016/S0920-5861(01)00514-4
- Ishida, M., Suzuki, T., Ichihashi, H., and Shiga, A : Catal.Today, 87, 15 (2003). DOI: 10.1016/j.cattod.2003.10.021