DE10127375A1 - Verfahren zur Erzeugung von Hydroxycarbonsäureestern - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung von HydroxycarbonsäureesternInfo
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Abstract
Diese Erfindung beschreibt ein Verfahren zur leichten Erzeugung von Hydroxycarbonsäureestern mit hoher Reaktionsselektivität unter Verwendung eines kostengünstigen Katalysators. Das heißt, diese Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von Hydroxycarbonsäureestern, umfassend die Hydrierung eines Dicarbonsäurediesters mit 3 bis 20 Kohlenstoffatomen im Dicarbonsäureanteil in Gegenwart eines Kupferkatalysators, der 1 bis 40 Gew.-% Kupfer, als Kupferoxide, enthält.
Description
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur kostengünstigen
Erzeugung von Hydroxycarbonsäureestern mit hoher Selektivität.
Hydroxycarbonsäureester sind als Ausgangsmaterial für Polymere
oder verschiedene synthetische Zwischenprodukte nützlich, und
insbesondere sind C12-20 ω-Hydroxyfettsäureester als
makrozyklische Lactonvorläufer sehr nützlich, die in großem
Umfang als pharmazeutische Zwischenprodukte oder als
Moschusparfüme verwendet werden.
Wenn Dicarbonsäuren oder Diester davon hydriert werden, unter
Erzeugung von Hydroxycarbonsäuren oder Estern davon, gibt es
das Problem, dass Diole als Nebenprodukte gebildet werden und
dass mit fortschreitender Reaktion die Selektivität der
gewünschten Monohydride erniedrigt wird. Zum Beispiel ist ein
Kupfer-Chrom-Katalysator (Gehalt an Kupferoxiden: 42 bis 44
Gew.-%) als Hydrierungskatalysator für Ester bekannt, aber die
Hydrierung von Dicarbonsäurediestern unter Verwendung dieses
Katalysators hat eine schlechte Selektivität von Monohydriden
von einer sehr frühen Stufe der Reaktion.
Beispiele des Standes der Technik sind die folgenden.
- 1. Gemäß JP-A-63-301845 wird ein Hydroxycarbonsäureester aus einem Dicarbonsäuremonoester durch einen Katalysator erhalten, der Kobalt, Lanthan und Palladium enthält.
- 2. JP-B-2651291 (entsprechend JP-A-5-17393) offenbart ein Verfahren zum Hydrieren einer α,ω-langkettigen aliphatischen Dicarbonsäure unter Verwendung eines Katalysators aus Ruthen oder Rhenium und Zinn.
- 3. In Beispiel 5 von JP-A-9-87233 wird ein Glycolsäureester aus einem Oxalsäurediester unter Verwendung eines Ruthenkatalysators erhalten. In JP-B-62-37030 wird ein Glycolsäureester aus einem Oxalsäurediester durch einen silberhaltigen Katalysator erhalten. Gemäß JP-B-60-45938 wird ein Glycolsäureester oder Ethylenglycol von einem Oxalsäurediester durch einen Kupferkatalysator erhalten, der aus einem Kupferaminkomplex erhalten wird.
- 4. Gemäß JP-A-1-172359 wird ein a,ω-aliphatisches Dicarbonsäureanhydrid durch Lithiumaluminiumhydrid oder Natriumborhydrid reduziert. Gemäß JP-A-64-52739 wird ein Hydroxycarbonsäureester aus einer Dicarbonsäure durch einen Diboran haltigen Katalysator erhalten.
Jedoch gibt es in dem obigen Verfahren (1) das Problem, dass
die selektive Synthese von Dicarbonsäuremonoestern als
Ausgangsmaterial kompliziert und teuer ist.
Beim Verfahren (2) werden die verhältnismäßig kostengünstigen
Dicarbonsäuren als Ausgangsmaterial verwendet, aber der
Ruthen- oder Rheniumkatalysator ist teuer und weiterhin ist
der Reaktionsvorgang schwierig durch den hohen Schmelzpunkt
von 1,15-Pentadecandisäure und wegen des sehr hohen
Schmelzpunktes von Carbonsäuredimeren und Oligomeren, die
während der Reaktion als Nebenprodukte erzeugt werden.
Weiterhin sind die Verfahren (3) auf Glycolsäureester
beschränkt.
Das Verfahren (4) ist für eine industrielle Massenproduktion
nicht geeignet, weil ein Hydrid-Reaktionsmittel in einer
größeren Menge als der äquimolaren Menge im Hinblick auf den
Esteranteil erforderlich ist.
Die Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur
leichten Erzeugung von Hydroxycarbonsäureestern mit hoher
Reaktionsselektivität unter Verwendung eines kostengünstigen
Katalysators anzugeben.
Diese Erfindung gibt ein Verfahren zur Erzeugung eines
Hydroxycarbonsäureesters an, das die Hydrierung eines
Dicarbonsäurediesters mit 3 bis 20 Kohlenstoffatomen in dem
Dicarbonsäureanteil in der Gegenwart eines Kupferkatalysators
mit 1 bis 40 Gew.-% Kupfer als Kupferoxide (oder umgewandelt in
Kupferoxide) umfasst.
Der Dicarbonsäureanteil, der die Dicarbonsäurediester
ausmacht, die als Ausgangsmaterial verwendet werden, hat 3 bis
20 Kohlenstoffatome und kann linear oder verzweigt und
aliphatisch oder aromatisch sein.
Die Dicarbonsäurediester sind bevorzugt α,ω-lineare
aliphatische Dicarbonsäurediester mit der Formel (I), weil
diese aliphatische ω-Hydroxycarbonsäureester mit der Formel
(II) erzeugen können, die als pharmazeutische Zwischenprodukte
und Parfümzwischenprodukte nützlich sind.
worin n eine ganze Zahl von 4 bis 16 und R eine
Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen sind.
Die Verbindungen mit den Formeln (I) und (II), worin n 10 bis
15 ist, sind als Zwischenprodukt eines makrozyklischen Lactons
nützlich, und insbesondere sind solche Verbindungen, worin n
13 ist, als Zwischenprodukt von Cyclopentadecanolid sehr
nützlich, das als Ausgangsmaterial für ein Moschusparfüm sehr
wichtig ist.
Weiterhin umfasst R des Alkohols, der die Dicarbonsäurediester
der Formel (I) ausmacht, 1 bis 24 Kohlenstoffatome insgesamt
und kann linear oder verzweigt und aromatisch oder aliphatisch
sein. Im Hinblick auf die Reaktionsrate ist jedoch eine
lineare Alkylgruppe mit einer geringen sterischen Hinderung
bevorzugt, und im Hinblick auf die leichte Herstellung ist
eine lineare Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen
insbesondere bevorzugt.
Als Verfahren zur Erzeugung von Dicarbonsäurediestern, wenn
ein Alkohol verwendet wird, der mit Wasser eine azeotrope
Mischung bilden kann, gibt es ein Verfahren, das das
kontinuierliche Zuführen des Alkohols zu der entsprechenden
Dicarbonsäure bei atmosphärischem Druck in der Abwesenheit von
irgendeinem Katalysator oder in der Gegenwart eines sauren
Katalysators und das Erwärmen der Mischung unter Entfernung
von als Nebenprodukt gebildetem Wasser und einer
überschüssigen Menge des Alkohols umfasst, und wenn ein
hochsiedender Alkohol, der keine azeotrope Mischung mit Wasser
bildet, verwendet wird, gibt es ebenfalls ein Verfahren, das
die Zugabe von 1,0 bis 2,0 Äquivalenten Alkohol pro
Dicarbonsäure und das Erwärmen der Mischung auf
atmosphärischen Druck bis auf 1 kPa umfasst, während das als
Nebenprodukt gebildete Wasser entfernt wird. Durch
Neutralisieren des sauren Katalysators und Trennen des
anorganischen Salzes durch Filtration können die erhaltenen
Dicarbonsäurediester als solche bei der erfindungsgemäßen
Hydrierung verwendet werden, aber es ist bevorzugt, dass nach
der Entfernung von Verunreinigungen, die den Kupferkatalysator
vergiften können, durch Destillationsraffinier- oder
Adsorptionsbehandlung die Dicarbonsäurediester bei der
Hydrierung verwendet werden.
Der Kupferkatalysator umfasst (a) einen Katalysator mit
Kupferoxiden, die auf Trägern getragen sind, (b) ein
gemischtes Metalloxid aus Kupferoxiden und anderen
Metalloxiden, und (c) einen Katalysator mit Kupferoxiden und
zumindest einer Art eines anderen Metalloxides, die auf
Trägern getragen sind. Der Gehalt an Kupfer, ausgedrückt als
Kupferoxide in diesen Katalysatoren ist 1 bis 40 Gew.-%,
bevorzugt 5 bis 30 Gew.-% und mehr bevorzugt 5 bis 20 Gew.-%,
für den Erhalt einer hohen Reaktionsselektivität.
Der Gehalt von Kupfer als Kupferoxide im Katalysator wird
durch die Gleichung (1) und die Reaktionsselektivität durch
die Gleichung (2) definiert.
Kupfergehalt (%) = [Gewicht von Kupferoxid/(Gesamtgewicht der
Metalloxide und der Träger)] × 100 (1)
Reaktionsselektivität (%) = [Hydroxycarbonsäureester (Mol)/
(Hydroxycarbonsäureester + Diol)
(Mol)] × 100 (2)
Die anderen Metalloxide als Kupferoxid in dem
Kupferkatalysator umfassen Oxide von Zink, Chrom, Kobalt,
Eisen, Mangan, Barium, etc. Bevorzugt werden Kupfer-Zink- oder
Kupfer-Eisen-Katalysatoren verwendet. Der Kupfer-Zink-
Katalysator ist mehr bevorzugt, und einer mit einem niedrigen
Zinkgehalt ist insbesondere bevorzugt. Als Katalysatorträger
kann irgendein bekannter Katalysatorträger wie Aktivkohle,
Zeolith, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und
Titanoxid verwendet werden. Jedoch sind im Hinblick auf die
leichte Herstellung Aluminiumoxid und Titanoxid bevorzugt und
Titanoxid ist insbesondere bevorzugt.
Der Kupferkatalysator kann leicht durch ein bekanntes
Verfahren hergestellt werden. Er kann zum Beispiel durch
Zugabe eines Ausfallmittels zu einer wässrigen gemischten
Lösung aus Kupfer und anderen Metallsalzen in der Gegenwart
von fein pulverisierten Trägern, unter Erhalt von Präzipitaten
durch das Copräzipitatonsverfahren, das anschließende Waschen
der Präzipitate mit Wasser, Trocknen und Kalzinieren dieser
hergestellt werden.
Die Metallsalze, die beim Kopräzipitationsverfahren verwendet
werden, sind nicht besonders beschränkt, solange sie
wasserlöslich sind. Sulfate, Nitrate, Ammoniumkomplexsalze
usw. werden im allgemeinen verwendet. Das bei dem
Kopräzipitationsverfahren verwendete Ausfällmittel umfasst
wässrige Lösungen von Alkalien wie Ammoniumcarbonat,
Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat und Natriumhydroxid.
Der durch das Copräzipitationsverfahren erhaltene Katalysator
wird bei einer Temperatur von 300 bis 500°C für 1 bis 3
Stunden calziniert.
Bei der Hydrierung von Dicarbonsäurediestern wird ein
Katalysator mit der optimalen Form in Abhängigkeit vom
Reaktionssystem ausgewählt. Zum Beispiel wird ein
pulverförmiger Katalysator bei der Hydrierung in einem
Suspensionsbettreaktionssystem verwendet, und ein pellet- oder
nadelförmiger Katalysator wird in einem
Festbettreaktionssystem oder Fließbettreaktionssystem
verwendet. Bei dem Suspensionsbett-Reaktionssystem ist die
Menge des verwendeten Katalysators bevorzugt 0,1 bis 20 Gew.-%
bezogen auf die Dicarbonsäurediester, aber in Abhängigkeit vom
Reaktionsdruck oder der Reaktionstemperatur kann die Menge
willkürlich aus einem solchen Bereich ausgewählt werden, dass
praktische Reaktionsraten erhalten werden.
Vor der Hydrierungsreaktion kann der Katalysator durch
Reduktion voraktiviert werden. Das Reduktionsmittel umfasst
Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Ammoniak und niedrige Alkohole wie
Methanol.
Die Reaktionstemperatur bei der Hydrierungsreaktion ist
bevorzugt 100 bis 350°C und mehr bevorzugt 150 bis 300°C. Der
Wasserstoffdruck ist bevorzugt 1,0 bis 40 MPa, mehr bevorzugt
5,0 bis 30 MPa. Im Hinblick auf die Produktivität wird die
Reaktion bevorzugt in der Abwesenheit eines Lösungsmittels
durchgeführt, aber Alkohole oder Ether, die die Reaktion nicht
nachteilig beeinflussen, können bei einer schlechten
Handhabbarkeit aufgrund eines hohen Schmelzpunktes der
gebildeten hydrierten Mischung verwendet werden.
Gemäß dieser Erfindung können Hydroxycarbonsäureester,
insbesondere ω-Hydroxyfettsäureester, die als verschiedene
Zwischenprodukte nützlich sind, hoch selektiv mit niedrigen
Produktionskosten in einem einfachen Vorgang erzeugt werden.
Das Ausmaß der Umwandlung und die Selektivität wurden wie
folgt bestimmt. Eine Probe wurde nach der Entfernung des
Katalysators durch Filtration in der Gegenwart eines sauren
Katalysators und eines Überschusses an Methanol erwärmt,
wodurch alle Ester in der Probe in Methylester umgewandelt
wurden, d. h. es wurde eine Methanolyse durchgeführt, wobei
diese dann durch Gaschromatographie in dem internen
Standardverfahren quantifiziert wurden. Das Ausmaß der
Umwandlung wird durch die folgende Gleichung (3) definiert.
Umwandlungsgrad (%) =
100 - [Carbonsäuredister (Mol)/(Carbonsäurediester +
Hydroxycarbonsäurediester +
Diol) (Mol)] × 100 (3)
Als Trägermaterial wurden 78,6 g Titanoxidpulver zu 1050 g
entionisiertem Wasser gegeben und bei 95°C gerührt. 116 g
einer wässrigen Lösung Metallsalze, umfassend 26,0 g
Kupfernitrat × 3H2O, 1,64 g Zinknitrat × 6H2O und 1,38 g
Bariumnitrat, und 161 g einer wässrigen 10 Gew.-%-igen
Natriumcarbonatlösung werden gleichzeitig tropfenweise für 30 min
dazugegeben. Weiterhin wurde die resultierende Mischung
bei 98°C für 1 h gerührt, unter Erhalt einer Aufschlämmung mit
pH 9,5. Präzipitate wurden aus dieser Aufschlämmung durch
Filtration getrennt, ausreichend mit Wasser gewaschen, dann
getrocknet und bei 400°C 2 h lang kalziniert, wodurch ein
Oxidkatalysator aus Kupferoxid-Zinkoxid-Bariumoxid, getragen
auf Titanoxid, erhalten wurde. Die Zusammensetzung des
erhaltenen Katalysators, bezogen auf das Gewicht, ist in
Tabelle 1 gezeigt.
Oxidkatalysatoren wurden auf gleiche Weise wie bei dem
Herstellungsbeispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass die
Mengen an eingeführtem Titanoxid geändert wurden. Die
Zusammensetzung eines jeden erhaltenen Katalysators, bezogen
auf das Gewicht, ist in Tabelle 1 gezeigt.
150 g (499 mmol) Dimethyl-1,15-pentadecandioat und 12 g (8,0 Gew.-%,
bezogen auf den Diester) des im Herstellungsbeispiel 1
hergestellten Katalysators wurden zu einem Autoklaven gegeben
und einer Hydrierungsreaktion bei einem Wasserstoffdruck von
20,0 MPa bei 250°C unterworfen. Nach 8 h war der
Umwandlungsgrad 63% und die Selektivität 87%. Die Reaktion
wurde weiter fortgesetzt, und nach 10 h wurde Methyl-15-
hydroxypentadecanoat mit einer Ausbeute von 61% erhalten. Die
Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Methyl-15-hydroxypentadecanoat wurde durch Durchführen der
gleichen Hydrierungsreaktion wie in Beispiel 1 erhalten, mit
der Ausnahme, dass die in den Herstellungsbeispielen 2 und 3
hergestellten Katalysatoren unter den in Tabelle 2 gezeigten
Bedingungen verwendet wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2
gezeigt.
Methyl-15-hydroxypentadecanoat wurde durch Durchführen der
gleichen Hydrierungsreaktion wie bei Beispiel 1 erhalten, mit
der Ausnahme, dass der in Herstellungsbeispiel 4 hergestellte
Katalysator unter den in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen
verwendet wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
150 g (499 mmol) Dimethyl-1,15-pentadecandioat und 750 mg (0,5 Gew.-%
bezogen auf den Diester) eines kommerziellen Kupfer-
Chrom-Katalysators (Kupfergehalt als Kupferoxide: 42 Gew.-%)
wurden zu einem Autoklaven gegeben und einer
Hydrierungsreaktion bei einem Wasserstoffdruck von 20,0 MPa
bei 280°C unterworfen. Nach 2 h wurde Methyl-15-
hydroxypentadecanoat mit 35% Ausbeute erhalten. Der Grad der
Umwandlung war 67%, die Selektivität 53% und die Ausbeute 35%.
Claims (9)
1. Verfahren zur Erzeugung eines Hydroxycarbonsäureesters,
umfassend die Hydrierung eines Dicarbonsäurediesters mit 3 bis
20 Kohlenstoffatomen im Dicarbonsäureanteil in der Gegenwart
eines Kupferkatalysators, der 1 bis 40 Gew.-% Kupfer, als
Kupferoxide, enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Dicarbonsäurediester
ein aliphatischer α,ω-Dicarbonsäurediester ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der
Dicarbonsäurediester die Formel (I) und der aliphatische ω-
Hydroxycarbonsäureester die Formel (II) aufweist:
worin n eine ganze Zahl von 4 bis 16 und R eine Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen sind.
worin n eine ganze Zahl von 4 bis 16 und R eine Kohlenwasserstoffgruppe mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, worin in der Formel (I) n eine
ganze Zahl von 10 bis 15 ist und R 1 bis 24 Kohlenstoffatome
umfasst.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der
Kupferkatalysator 5 bis 30 Gew.-% Kupfer, ausgedrückt als
Kupferoxide, umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der
Kupferkatalysator 5 bis 20 Gew.-% Kupfer, ausgedrückt als
Kupferoxide, umfasst.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der
Kupferkatalysator Kupfer und ein Element aus Zink oder Eisen
umfasst.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin der
Kupferkatalysator in einer Menge von 0,1 bis 20 Gew.-%, bezogen
auf den Dicarbonsäurediester verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 3, worin R eine lineare
Alkylgruppe ist.
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