DE102006028619A1

DE102006028619A1 - Verfahren zur Herstellung von Alkenen

Info

Publication number: DE102006028619A1
Application number: DE102006028619A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schmalz; Marc Dittmann; Stefan Zehner; Frank Schwarz
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2007-01-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkenen durch Wasserabspaltung aus Alkoholen mit mindestens einer CH-Gruppe in alpha-Stellung zur Alkohol-Funktion, das dadurch gekennzeichnet ist, dass DOLLAR A a) der Alkohol in mindestens einem Lösungsmittel vorgelegt wird, DOLLAR A b) mindestens eine Säure, gegebenenfalls in mindestens einem Lösungsmittel, getrennt vorgelegt wird, DOLLAR A c) die Eduktlösungen aus a) und b) getrennt voneinander in mindestens einen temperierten Durchflussreaktor geleitet und dort zusammengeführt und temperiert werden, DOLLAR A d) das Reaktionsgemisch abgeleitet wird und dieses gesammelt, aufgearbeitet und/oder in einer oder mehreren nachgeschalteten Reaktionen weiter umgesetzt wird. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die kontinuierliche Synthese von Alkenen aus den entsprechenden Alkoholen in hohen bis sehr hohen Ausbeuten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Alkenen durch Wasserabspaltung aus Alkoholen im Strömungsrohr.
Die Herstellung von Alkenen durch Wasserabspaltung aus Alkoholaten, insbesondere Lithium- oder Grignardalkoholaten, ist prinzipiell bekannt und dient beispielsweise zur Synthese von arylsubstituierten Alkenen, die als flüssigkristalline oder mesogene Substanzen, Pharmawirkstoffe, Pflanzenschutzmittel, Polymere oder Vorstufen zur Herstellung solcher Verbindungen verwendet werden können. Zur Wasserabspaltung wird das Alkoholat, das in α-Position zur Alkoholat-Funktion eine CH-Gruppe aufweist, mit einer Säure umgesetzt.
Die bisher übliche Synthese von arylsubstituierten Alkenen, gemäß der nachstehenden Gleichung
in der R H oder einen Alkylrest bedeutet, wird in diskontinuierlichen Verfahren durchgeführt. Hierzu wird die Alkoholatlösung in Gegenwart von Schwefelsäure mehrere Stunden lang erhitzt. Die Reaktionszeit kann in der Regel durch eine höhere Reaktionstemperatur verringert werden. Auf der einen Seite ist jedoch die maximal einstellbare Reaktionstemperatur durch die Siedetemperatur des eingesetzten Lösungsmittels beschränkt, sofern nicht spezielle Druckapparaturen verwendet werden und damit ein deutlich höherer apparativer sowie sicherheitstechnischer Aufwand in Kauf genommen wird. Auf der anderen Seite sind die erhaltenen Alkene je nach Struktur und funktionellen Gruppen unterschiedlich stabil, so dass bei den verhältnismäßig langen Reaktionszeiten im Reaktionsgemisch unerwünschte Folgereaktionen zur Minderung der Produktausbeute und zu einem höheren Aufarbeitungsaufwand führen können. Daher sind insbesondere chemisch anspruchsvolle Alkene durch Wasserabspaltung aus den entsprechenden Alkoholaten nicht oder nur mit geringen Ausbeuten zugänglich.

In der DE 102 04 236 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Alkenen durch Wasserabspaltung aus Alkoholaten bzw. Alkoholen mit mindestens einer CH-Gruppe in α-Stellung zur Alkoholat-bzw. Alkohol-Funktion offenbart, bei dem

a) das Alkoholat bzw. der Alkohol in mindestens einem Lösungsmittel vorgelegt und temperiert wird,
b) mindestens eine Säure in mindestens einem Lösungsmittel getrennt vorgelegt und temperiert wird,
c) die Eduktlösungen aus a) und b) getrennt voneinander in mindestens einen temperierten Durchflussreaktor geleitet und dort zusammengeführt werden,
d) das Reaktionsgemisch abgeleitet wird und dieses gesammelt, aufgearbeitet und/oder in einer oder mehreren nachgeschalteten Reaktionen weiter umgesetzt wird.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass sowohl das Alkoholat bzw. der Alkohol als auch die mindestens eine Säure in jeweils mindestens einem Lösungsmittel vorgelegt und temperiert werden muß. Darüber hinaus werden in den Beispielen mindestens zwei Säuren, nämlich Schwefelsäure und Essigsäure, eingesetzt. Diese Maßnahmen sind notwendig, um Fällungsprobleme durch Salze, die insbesondere bei der Umsetzung von Alkoholaten mit Säuren gebildet werden, zu verhindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, dass die Synthese der gewünschten Alkene in sehr hohen Ausbeuten bei keiner oder lediglich geringer Nebenproduktbildung ermöglicht, dass gut beherrschbar ist, keinen hohen sicherheitstechnischen Aufwand erfordert und damit auch eine ökonomische Synthese von Alkenen in kommerziellen Maßstäben erlaubt und nicht die oben beschriebenen Nachteile aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei die abhängigen Ansprüche vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens betreffen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Alkenen durch Wasserabspaltung aus Alkoholen mit mindestens einer CH-Gruppe in α-Stellung zur Alkohol-Funktion, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

a) der Alkohol in mindestens einem Lösungsmittel vorgelegt wird,
b) mindestens eine Säure, vorzugsweise eine Säure, gegebenenfalls in mindestens einem Lösungsmittel, getrennt vorgelegt wird,
c) die Eduktlösungen aus a) und b) getrennt voneinander in mindestens einen temperierten Durchflussreaktor geleitet und dort zusammengeführt und temperiert werden,
d) das Reaktionsgemisch abgeleitet wird und dieses gesammelt, aufgearbeitet und/oder in einer oder mehreren nachgeschalteten Reaktionen weiter umgesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Synthese von Alkenen aus den entsprechenden Alkoholen in hohen bis sehr hohen Ausbeuten. Hierbei handelt es sich um ein kontinuierliches Verfahren, bei dem Volumenströme der Eduktlösungen im Durchflussreaktor zusammengeführt werden und der so erzeugte Volumenstrom des Reaktionsgemisches den temperierten Durchflussreaktor in definierter Weise durchströmt. Das kleine Reaktionsvolumen in Verbindung mit der kontinuierlichen Reaktionsführung erlaubt die Einstellung kurzer Verweilzeiten des Reaktionsgemisches im Durchflussreaktor. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, selbst thermisch labile Alkohole über eine Wasserabspaltung in die entsprechenden Alkene bei hoher Selektivität zu überführen. Ferner werden die erhaltenen Alkene thermisch nur zeitlich gering belastet, so dass Nebenreaktionen weitgehend vermieden werden können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Reaktionsparameter, wie z.B. Reaktionstemperatur, Druck und Verweilzeit des Reaktionsgemisches, sehr exakt einstellbar und damit in Abhängigkeit von der Reaktivität und Stabilität der Edukte und Produkte sowie ökonomischer Aspekte sehr gut optimierbar.

Darüber hinaus ist es gegenüber den bekannten diskontinuierlichen Verfahren von grundlegendem Vorteil, dass das Volumen des Reaktionsgemisches im Durchflussreaktor vergleichsweise klein ist. So sind auch hochreaktive, toxische oder in sonstiger Weise potentiell gefährliche Edukte, Produkte und/oder Lösungsmittel unter sehr gut beherrschbaren Bedingungen ohne zusätzliche aufwändige Sicherheitsvorkehrungen handhabbar. Zudem steht ohne erhöhten Sicherheitsaufwand ein deutlich größerer Wertebereich der Reaktionsparameter zur Verfügung. So sind Wasserabspaltungen bei erhöhten Drücken und/oder bei hohen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb der Siedetemperatur des Lösungsmittels, ohne weiteres durchführbar.

Ein weiterer Vorteil ist das günstige Oberflächen- zu Volumen-Verhältnis in einem Durchflussreaktor im Gegensatz zu herkömmlichen Rührwerksapparaturen. Hierdurch kann die Temperatur des Reaktionsmediums schnell und exakt eingestellt werden. Die unkontrollierte Bildung von Bereichen mit erhöhter Temperatur (sog. hot spots), verbunden mit unerwünschten Nebenreaktionen und Sicherheitsproblemen, wird somit weitestgehend vermieden.

Insgesamt sind daher mit dem neuen erfindungsgemäßen Verfahren zum einen Wasserabspaltungen aus Alkoholen zugänglich, die mit den bekannten diskontinuierlichen Verfahren nicht durchführbar waren, zum anderen sind solche Wasserabspaltungsreaktionen deutlich besser optimierbar. Durch die erzielbare höhere Selektivität der Umsetzung und damit geringere Nebenproduktbildung gestaltet sich die gegebenenfalls anschließende Aufarbeitung einfacher oder kann je nach Art der Folgereaktion(en) gänzlich wegfallen.

Gegenüber den bekannten, kontinuierlichen Verfahren weist das erfindungsgemäße Verfahren mehrere Vorteile auf. So kann die vorzugsweise eine Säure auch ohne den Zusatz eines Lösungsmittels eingesetzt werden. Ferner entfällt das aufwändige Temperieren, sowohl des Alkoholats bzw. des Alkohols auf der einen Seite als auch der Säure auf der anderen Seite.

Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Synthese von arylsubstituierten Alkenen eingesetzt, die als flüssigkristalline oder mesogene Substanzen, Pharmawirkstoffe, Pflanzenschutzmittel, Polymere oder Vorstufen zur Herstellung solcher Verbindungen Verwendung finden.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen und Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Vorzugsweise wird als Alkohol eine Verbindung der Formel I verwendet

in der
R¹, R², R³, R⁴ unabhängig voneinander einen gegebenenfalls substituierten aliphatischen oder aromatischen Rest, der ein oder mehrere Heteroatome aufweisen kann, bedeuten, wobei ein, zwei oder drei Reste der Gruppe R¹ bis R⁴ auch H bedeuten können, und wobei zwei oder mehr der Reste R¹, R², R³ und/oder R⁴ miteinander verbunden sein können.

Vorzugsweise sind die Reste R¹ und R² und/oder R² und R³ miteinander verbunden, beispielsweise unter Ausbildung eines aliphatischen und/oder aromatischen Rings oder anellierten Ringsystems, der bzw. das auch ein oder mehrere Heteroatome aufweisen kann.

Vorzugsweise besitzt R¹ eine Bedeutung gemäß der Formel Ia

worin
R^a einen unsubstituierten, einen einfach oder mehrfach durch CN und/oder Halogen substituierten Alkylrest mit 1 bis 15 C-Atomen, wobei in diesen Resten auch eine oder mehrere CH₂-Gruppen durch -O-, -S-, -CH=CH-, -C≡C-, -OC-O- und/oder -O-CO-, und/oder auch eine oder mehrere CH-Gruppen durch N oder P so ersetzt sein können, dass zwei O-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind, oder, falls r und/oder p verschieden von 0 sind, auch H, Halogen, CN, SF₅ oder NCS,
A⁰, A¹ jeweils unabhängig voneinander, gleich oder verschieden

a) einen 1,4-Cyclohexenylen- oder 1,4-Cyclohexylenrest, worin eine oder zwei nicht benachbarte CH₂-Gruppen durch -O- oder -S- ersetzt sein können,
b) einen 1,4-Phenylenrest, worin eine oder zwei CH-Gruppen durch N ersetzt sein können,
c) einen Rest aus der Gruppe Piperidin-1,4-diyl, 1,4-Bicyclo[2,2,2]octylen, Phenanthren-2,7-diyl, Naphthalin-2,6-diyl, Decahydronaphthalin-2,6-diyl und 1,2,3,4-Tetrahydronaphthalin-2,6-diyl,
d) einen bivalenten Rest aus der Gruppe Furan, Pyrrol, Thiophen, Pyrazol, Imidazol, 1,2-Oxazol, 1,3-Oxazol, Thiazol, Pyridin, Pyridazin, Pyrimidin, Pyrazin, 2H-Pyran, 4H-Pyran, Purin, Pteridin, 1H-Azepin, 3H-1,4-Diazepin, Indol, Benzofuran, Benzothiophen, Chinolin, Isochinolin, Phenazin, Phenoxazin, Phenothiazin und 1,4-Benzodiazepin,

wobei die Reste a), b), c) und d) ein- oder mehrfach durch R^a, insbesondere durch Halogen und/oder CN, substituiert sein können,
Z⁰ -CO-O-, -O-CO-, -CF₂O-, -OCF₂-, -CH₂O-, -OCH₂-, -CH₂CH₂-, -(CH₂)₄-, -C₂F₄-, -CH₂CF₂-, -CF₂CH₂-, -CF=CF-, -CH=CH-, -C≡C- oder eine Einfachbindung,
p 0, 1, 2 oder 3 und
r 0, 1 oder 2 bedeutet.

Bevorzugte Bedeutungen von R^a sind geradkettige oder verzweigte Alkyl- und Alkoxyreste mit 1 bis 8 C-Atomen, die einfach durch -CN und/oder ein- oder mehrfach durch Halogen substituiert sein können.

Bevorzugte Bedeutungen von A⁰ und/oder A¹ sind 1,4-Cyclohexylen, worin eine oder zwei nicht benachbarte CH₂-Gruppen durch -O- ersetzt sein können, 1,4-Phenylen, worin eine oder zwei CH-Gruppen durch N ersetzt sein können, Phenanthren-2,7-diyl-, Naphthalin-2,6-diyl, Decahydronaphthalin-2,6-diyl, und 1,2,3,4-Tetrahydronaphthalin-2,6-diyl, wobei diese Reste ein- oder mehrfach durch Halogen, insbesondere Fluor und/oder Chlor, CN und/oder gegebenenfalls durch Halogen substituiertes C_1-5-Alkyl oder C_1-5-Alkoxy substituiert sein können.

Besonders bevorzugt ist r = 1 und A¹ eine 1,4-Phenylen-Gruppe, die unsubstituiert oder in 2, 3, 5 und/oder 6-Position ein-, zwei-, drei- oder vierfach mit Fluor substituiert ist, womit die erfindungsgemäße Umsetzung nach folgendem Schema verläuft:

worin R^a, A⁰, Z⁰, p, R², R³ und R⁴ die vor- und nachstehend angegebenen Bedeutungen aufweisen und s 0, 1, 2, 3 oder 4 bedeutet.

Bevorzugt sind:

• p = r = 0, wobei R^a vorzugsweise ein geradkettiger oder verzweigter Alkylrest mit 1 bis 8 C-Atomen ist, der einfach durch -CN und/oder ein- oder mehrfach durch Halogen substituiert sein kann, oder
• r = 1 und p = 0, 1 oder 2.

R¹ kann auch Bestandteil eines Liganden, beispielsweise eines Cyclopentadienyl-Systems, in einem metallorganischen Komplex sein.

Besonders bevorzugte Gruppen R¹ sind nachfolgend aufgeführt:

worin X O, NR^a oder S bedeutet, R^a die oben angegebene Bedeutung besitzt und * die freie Bindung angibt.

Vor- und nachstehend bedeutet Halogen als Substituent organischer Reste Fluor, Chlor, Brom oder Iod, vorzugsweise Fluor oder Chlor und besonders bevorzugt Fluor.

Vor- und nachstehend können mehrfach vorkommende Gruppen und Substituenten, wie beispielsweise A⁰, Z⁰, A¹, R^a, jeweils gleiche oder unterschiedliche Bedeutungen aufweisen.

Vorzugsweise besitzen ein, zwei oder drei Reste der Gruppe R², R³, R⁴ unabhängig voneinander eine Bedeutung gemäß der Formel Ia und die gegebenenfalls übrigen Reste der Gruppe R², R³, R⁴ bedeuten H.

Besonders bevorzugt ist R⁴ H und R² und/oder R³ besitzen eine von H verschiedene Bedeutung. Ganz besonders bevorzugt sind R² und R³ verschieden von H.

Weiterhin bevorzugt sind R² und R³ derart miteinander verbunden und substituiert, dass der Alkohol der Formel I eine Bedeutung gemäß der Formel Ib besitzt

worin
R^b eine der zu R^a angegebenen Bedeutungen besitzt,
A² eine der zu A⁰, A¹ angegebenen Bedeutungen besitzt,
Z¹ eine der zu Z⁰ angegebenen Bedeutungen besitzt,
q 0, 1, 2 oder 3 bedeutet und
R¹ die oben angegebenen Bedeutungen besitzt.

Die Alkohole können nach allen dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt werden. Vorzugsweise werden sie jedoch in guten bis sehr guten Ausbeuten durch Hydrolyse der entsprechenden Alkoholate erhalten.

Die Alkoholate wiederum sind in guten bis sehr guten Ausbeuten durch Addition von metallorganischen Verbindungen an Verbindungen mit einer oder mehreren Carbonylfunktionen erhältlich. Solche Umsetzungen sowie die einzusetzenden Edukte, Lösungsmittel und Reaktionsbedingungen sind dem Fachmann bekannt oder in Abwandlung bekannter Synthesen ohne weiteres zu erhalten.

Unter Einbeziehung der zuvor genannten Synthese der Edukte lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren anhand des folgenden Reaktionsschemas darstellen:

worin M, R¹, R², R³ und R⁴ die oben angegebenen Bedeutungen besitzen.

Bei Verwendung von metallorganischen Verbindungen R¹-M, insbesondere lithium- oder magnesiumorganischen Verbindungen, mit mindestens einem H-Atom am α-Kohlenstoffatom, beispielsweise n-Alkyllithium, können auch Ketone ohne Wasserstoffatome an den α-Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise Diphenylketon oder Di-tert-butylketon, eingesetzt werden.

Der erste Syntheseschritt, die Addition der metallorganischen Verbindung R¹-M an die Carbonylverbindung der Formel III wird vorzugsweise in einem kontinuierlichen Verfahren durchgeführt. Die Möglichkeit der kontinuierlichen Synthese von Lithiumalkoholaten ist bekannt ( DE 198 58 855 A1 , DE 198 58 856 A1 ). Auch der zweite Syntheseschritt, die Hydrolyse des Alkoholats der Formel IV zum Alkohol der Formel I wird vorzugsweise in einem kontinuierlichen Verfahren (beispielsweise in einem Mixer-Settler) durchgeführt. Von besonderem Vorteil ist hierbei die Möglichkeit, den kontinuierlich anfallenden Alkohol der Formel I aus der kontinuierlichen Hydrolyse unmittelbar im erfindungsgemäßen Verfahren weiter umzusetzen. Damit kann ausgehend von einer metallorganischen Verbindung R¹-M und einer Carbonylverbindung der Formel III das Alken der Formel II in einem über drei Stufen (Carbonyladdition, Hydrolyse und Dehydratisierung) kontinuierlich durchzuführenden Verfahren erhalten werden.

Nachfolgend werden bevorzugte Reaktionsbedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgeführt.

Vorzugsweise wird als Säure Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure und/oder Trifluormethansulfonsäure verwendet, vorzugsweise Schwefelsäure. Vorzugsweise wird die Säure ohne Lösungsmittel vorgelegt und ohne Temperierung dem Durchflussreaktor zugeführt.

Die Säure wird im allgemeinen im molaren Überschuss, vorzugsweise im Bereich von 100 Mol% bis 1000 Mol%, besonders bevorzugt von 100 Mol% bis 600 Mol%, insbesondere von 150 Mol% bis 450 Mol%, bezogen auf den eingesetzten Alkohol zugeführt.

Bevorzugte Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemische für den Alkohol als Edukt und gegebenenfalls für die Säure sind unter den jeweiligen Reaktionsbedingungen im wesentlichen inerte organische Lösungsmittel, besonders bevorzugt Alkane, Aromaten und Ether, wie beispielsweise Pentan, Hexan, Heptan, Oktan, Benzol, Toluol, Xylole, Diethylether, Tetrahydrofuran, 1,4-Dioxan und deren Gemische. Die zu wählende Konzentration der Eduktlösungen ist an sich unkritisch und daher über einen weiten Bereich variierbar.

Die Eduktlösungen bzw. Edukte werden im Durchflussreaktor vorzugsweise bei einem Druck von über 1 bar, besonders bevorzugt von über 2 bar und insbesondere bei 5 bis 7 bar, zusammengeführt. Bevorzugte, im Durchflussreaktor einzustellende Reaktionstemperaturen liegen im Bereich von 50°C bis 180°C, besonders bevorzugt von 70°C bis 150°C und insbesondere von 100°C bis 140°C. Ganz besonders bevorzugt wird das Reaktionsgemisch im Durchflussreaktor auf eine Temperatur oberhalb der bei Normaldruck bestimmten Siedetemperatur des Reaktionsgemisches temperiert.

Die Zusammenführung der Eduktlösungen bzw. Edukte erfolgt vorteilhaft unter Einsatz eines oder mehrerer hintereinander oder parallel geschalteter Y-Stücke, T-Stücke und/oder Statikmischer, an die sich vorzugsweise ein oder mehrere parallel geschaltete Strömungsrohre zur Aufnahme und Weiterleitung des Reaktionsgemisches anschließen. Grundsätzlich ist die Kombination eines oder mehrerer Y- oder T-Stücke mit einem oder mehreren Strömungsrohren ausreichend. Zur Erzielung einer besonders hohen Mischungsgüte ist es von Vorteil, zwischen dem oder den Y- oder T-Stücken und dem Strömungsrohr ein oder mehrere Statikmischer fluidisch zwischen zu schalten. Die Y-Stücke, T-Stücke und/oder Statikmischer sowie die Strömungsrohre werden zur Einstellung der gewünschten Reaktionstemperatur unter Einsatz bekannter Maßnahmen, wie beispielsweise eines Temperierbades oder elektrischer Heizelemente, temperiert und sind Bestandteil des Durchflussreaktors. Des weiteren sind Mikroreaktoren als Durchflussreaktor in dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar. Geeignete Statikmischer, wie beispielsweise Sulzer-, Kenics-, Kugel- und Mikromischer, sowie Mikroreaktoren und deren Einsatz sind dem Fachmann bekannt, beispielsweise aus ULLMANN'S ENCYCLOPEDIA OF INDUSTRIAL CHEMISTRY, Release 2001, 6th Edition sowie der darin zitierten Literatur. Um eine schnelle und effektive Mischung zu erzielen, weisen die Leitungs- oder Kanalstrukturen, insbesondere der Bereiche des Durchflussreaktors, in denen die Eduktlösungen zusammengeführt werden, vorteilhaft Innenabmessungen in zumindest einer Dimension von ≤ 10 mm, vorzugsweise ≤ 3 mm und besonders bevorzugt ≤ 1 mm auf. Zumindest die durchströmten Bereiche des Durchflussreaktors bestehen vorzugsweise aus gegenüber den eingesetzten Reagenzien inerten Materialien, wie beispielsweise Edelstahl, Titan, Tantal, Glas oder Quarzglas. Zur Kontrolle und damit Steuerung und Optimierung der Wasserabspaltung sind vorzugsweise im Durchflussreaktor sowie gegebenenfalls der nachgeschalteten Verweilstrecke und/oder Abkühlstrecke Mittel zur Kontrolle der Prozessparameter, wie Druck, Temperatur, Volumenfluss und Konzentrationen, integriert. Vorzugsweise werden die so ermittelten Prozessparameter von einer Steuereinheit erfasst, die im Abgleich mit vorgegebenen oder berechneten Sollwerten die Verfahrensführung, beispielsweise durch Ansteuerung von Ventilen, Pumpen und Thermostaten, vornimmt.

Die Zuführung der Eduktlösungen bzw. der Edukte und der Aufbau des im Durchflussreaktors gewünschten Drucks erfolgt mit Hilfe dem Fachmann bekannter Mittel, wie beispielsweise Zahnradpumpen.

Von besonderem Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Optimierbarkeit der Wasserabspaltung über eine Einstellung der Verweilzeit des Reaktionsgemisches im Durchflussreaktor. Die Einstellung kann über die Dimensionierung des Durchflussreaktors, insbesondere über die Wahl des Volumens der vom Reaktionsgemisch durchströmten Bereiche und bei gleichem Querschnitt dieser Bereiche über deren Länge erfolgen. Es ist von Vorteil, dem Durchflussreaktor eine temperierte Verweilstrecke nachzuschalten, in die vor der Durchführung des Schritts d) das Reaktionsgemisch aus dem Durchflussreaktor geleitet wird. Über die Wahl der Länge der Verweilstrecke, die vorteilhaft auf im wesentlichen die gleiche Temperatur wie der Durchflussreaktor temperiert ist, ist die Verweilzeit des Reaktionsgemisches konstruktiv einfacher einzustellen als durch konstruktive Änderungen des Durchflussreaktors selbst. Im einfachsten Fall ist die Verweilstrecke eine sich unmittelbar an den Durchflussreaktor anschließende Rohrleitung, vorzugsweise mit im wesentlichen gleichem Durchmesser wie die Reaktionsstrecke im Durchflussreaktor.

Bei gegebener konstruktiver Ausgestaltung des Durchflussreaktors und der gegebenenfalls vorhandenen Verweilstrecke ist die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in diesen über die Volumenflüsse der Eduktlösungen einstellbar. Bevorzugte Verweilzeiten betragen 0,1 bis 600 Sekunden, besonders bevorzugt 0,5 bis 100 Sekunden und insbesondere 1 bis 60 Sekunden.

Vorzugsweise schließt sich an den Durchflussreaktor und die gegebenenfalls vorhandene Verweilstrecke eine niedriger temperierte Abkühlstrecke zum Abkühlen des Reaktionsgemisches an. Mit dem Abkühlen des Reaktionsgemisches können im Anschluss an die Passage durch den Durchflussreaktor und die Verweilstrecke und damit zeitlich exakt nach der eingestellten Verweilzeit des Reaktionsgemisches unerwünschte Neben- und/oder Folgereaktionen wirkungsvoll unterbunden werden.

Die aus dem Durchflussreaktor abgeleitete Reaktionsmischung, wird, gegebenenfalls im Anschluss an die Verweilstrecke oder die Abkühlstrecke, vorzugsweise auf Umgebungsdruck entspannt und in einen Vorratsbehälter geleitet oder unmittelbar aufgearbeitet und/oder in weiteren Syntheseschritten eingesetzt.

Die folgenden Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie einzuschränken. Vor- und nachstehend bedeuten Prozentangaben Gewichtsprozent. Alle Temperaturen sind in Grad Celsius angegeben.
Versuchsaufbau
In 1 ist der Versuchsaufbau schematisch dargestellt. Von den Vorratsbehältern für die beiden Edukte (Alkohol, Säure) führen jeweils eine Zahnradpumpe aufweisende Leitungen zu einem Mischer, an den sich ein Strömungsrohr und eine Verweilstrecke, hier gemeinsam als Reaktionsmodul bezeichnet, anschließen. Der gesamte Durchflussreaktor, bestehend aus dem Mischer und dem Reaktionsmodul, wird von einem Thermostaten oder einer elektrischen Begleitheizung temperiert. Das Reaktionsmodul ist fluidisch mit einer Abkühlstrecke (Kühlmodul) verbunden, die über ein Druckventil zu einem Vorratsbehälter für das Produktgemisch (Alken) führt. Das Kühlmodul wird geeignet temperiert. In den beiden Eduktleitungen sowie in der Produktleitung im Anschluss an das Kühlmodul sind jeweils Durchflussmesser (FR) und Druckmesser (PR) angebracht. Die Temperatur der Eduktlösungen vor dem Eintritt in den Mischer und der Reaktionslösung im Ausleitungsbereich des Reaktionsmoduls wird durch Temperaturfühler (TR) erfasst.
Die Temperaturen in den Thermostaten und der Druck werden manuell oder über ein Prozessleitsystem vorgegeben. Die Einstellung der Flüsse sowie auch eine kontinuierliche Erfassung der gemessenen Temperaturen, Drücke, Massendurchflüsse und Dichten der Reagentien erfolgt über einen als Steuereinheit dienenden Computer.
Versuchsdurchführung
Es wird die Synthese der Cyclohexen-Verbindung der Formel 2 untersucht, die ein wichtiges Vorprodukt bei der Synthese von Flüssigkristallen darstellt. Die Verbindung der Formel 2 wird durch Wasserabspaltung aus dem entsprechenden Cyclohexanol-Derivat der Formel 1 unter Einsatz von Schwefelsäure und unter Verwendung der zuvor beschriebenen Anlage gemäß folgender Reaktionsgleichung erhalten:
Die verwendete Alkohol-Lösung (gelöst in Tetrahydrofuran) weist eine Konzentration von 0,69 mol/kg auf, die Schwefelsäure eine Säure-Konzentration von 10,19 mol/kg. Entsprechend werden bei einem Massenfluss von 1,45 kg/h, entsprechend einem Durchsatz des Alkohols von 1,00 mol/h, eine Schwefelsäuremenge von jeweils 1,50 mol/h, bzw. 0,15 kg/h im Mischer zusammengeführt. Über die Temperierung wird im Reaktions- und Verweilzeitmodul nacheinander eine Temperatur von a) 120°C, b) 130°C und c) 140°C bei jeweils einem Druck von 6 bar eingestellt. Die Verweilzeit des Reaktionsgemisches im Reaktionsmodul liegt bei etwa 60 Sekunden. Die Reaktionslösung wird im Kühlmodul auf eine Temperatur von 30°C gekühlt und nach Entspannung über das Druckventil in den Vorratsbehälter geleitet.
Zur Untersuchung des Produktgemisches werden Proben dieses Gemisches mit Wasser ausgeschüttelt und die organische Phase wiederholt mit wässriger Natriumhydrogencarbonatlösung ausgeschüttelt. Der Umsatz wird aus dem gaschromatographisch bestimmten Gehalt an dem Cyclohexen-Derivat der Formel 2 im Vergleich zu nicht umgesetzten Alkohol der Formel 1 berechnet.
Synthese des Alkoholats
Die Synthese des Alkoholats der Formel 6 aus dem Cyclohexanon-Derivat der Formel 5 und der Phenyllithium-Verbindung 4, erhältlich durch Lithiierung von 2,3-Difluorethoxybenzol der Formel 3, erfolgt gemäß folgendem Reaktionsschema:
Die Umsetzung erfolgt in einer Apparatur wie sie in der DE 198 58 856 A1 abgebildet und beschrieben ist sowie entsprechend dem darin erläuterten Verfahren. Zur Herstellung der Phenyllithium-Verbindung der Formel 4 werden eine Lösung von 2,3-Difluorethoxybenzol der Formel 3 (1,0 mol/l) und 2 % 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin in Tetrahydrofuran und eine Lösung von Hexyllithium (2,5 mol/l) in Hexan mit einem Massedurchfluss von jeweils 2 mol/h kontinuierlich zusammengeführt und zur Umsetzung gebracht. Die so erhaltene Produktlösung wird kontinuierlich weiter mit einer Lösung des Cyclohexan-Derivats der Formel 5 (1 mol/l) in Tetrahydrofuran bei einem Massedurchfluss ebenfalls von 2 mol/h zusammengeführt. Mittels eines Kryostaten werden Reaktionstemperaturen von –30°C bis –35°C eingestellt. Mit diesem zweistufigen, kontinuierlichen Verfahren wird ein Umsatz von ≤ 90 % erzielt.
Synthese des Alkohols aus dem Alkoholat
Das erhaltene Lithiumalkoholat der Formel 6 wird mit 1,5 Äquivalenten 10%-iger Schwefelsäure gemischt und die Phasen getrennt. Die organische Phase, die den Alkohol der Formel 1 enthält, wird weiterverarbeitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit einer Vielzahl von Alkoholen durchführbar. Zur Illustration sind nachfolgend metallorganische Verbindungen (Tabelle 1) und Carbonylverbindungen (Tabelle 2) aufgeführt, aus denen jeweils durch Umsetzung miteinander gemäß obigem Beispiel eine Vielzahl von Alkoholen zugänglich sind, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu den gewünschten Alkenen führen.
Tabelle 1
Tabelle 2

Claims

Verfahren zur Herstellung von Alkenen durch Wasserabspaltung aus Alkoholen mit mindestens einer CH-Gruppe in α-Stellung zur Alkohol-Funktion, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Alkohol in mindestens einem Lösungsmittel vorgelegt wird, b) mindestens eine Säure, gegebenenfalls in mindestens einem Lösungsmittel, getrennt vorgelegt wird, c) die Eduktlösungen aus a) und b) getrennt voneinander in mindestens einen temperierten Durchflussreaktor geleitet und dort zusammengeführt und temperiert werden, d) das Reaktionsgemisch abgeleitet wird und dieses gesammelt, aufgearbeitet und/oder in einer oder mehreren nachgeschalteten Reaktionen weiter umgesetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Alkohol eine Verbindung der Formel I
verwendet wird, in der R¹, R², R³, R⁴ unabhängig voneinander einen gegebenenfalls substituierten aliphatischen oder aromatischen Rest, der ein oder mehrere Heteroatome aufweisen kann, bedeuten, wobei ein, zwei oder drei Reste der Gruppe R¹ bis R⁴ auch H bedeuten können, und wobei zwei oder mehr der Reste R¹, R², R³ und/oder R⁴ miteinander verbunden sein können.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass R¹ eine Bedeutung gemäß der Formel Ia aufweist
worin R^a einen unsubstituierten, einen einfach oder mehrfach durch CN und/oder Halogen substituierten Alkylrest mit 1 bis 15 C-Atomen, wobei in diesen Resten auch eine oder mehrere CH₂-Gruppen durch -O-, -S-, -CH=CH-, -C≡C-, -OC-O- und/oder -O-CO-, und/oder auch eine oder mehrere CH-Gruppen durch N oder P so ersetzt sein können, dass zwei O-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind, oder, falls r und/oder p verschieden von 0 sind, auch H, Halogen, CN, SF₅ oder NCS, A⁰, A¹ jeweils unabhängig voneinander, gleich oder verschieden a) einen 1,4-Cyclohexenylen- oder 1,4-Cyclohexylenrest, worin eine oder zwei nicht benachbarte CH₂-Gruppen durch -O- oder -S- ersetzt sein können, b) einen 1,4-Phenylenrest, worin eine oder zwei CH-Gruppen durch N ersetzt sein können, c) einen Rest aus der Gruppe Piperidin-1,4-diyl, 1,4-Bicyclo[2,2,2]octylen, Phenanthren-2,7-diyl, Naphthalin-2,6-diyl, Decahydronaphthalin-2,6-diyl und 1,2,3,4-Tetrahydronaphthalin-2,6-diyl, d) einen bivalenten Rest aus der Gruppe Furan, Pyrrol, Thiophen, Pyrazol, Imidazol, 1,2-Oxazol, 1,3-Oxazol, Thiazol, Pyridin, Pyridazin, Pyrimidin, Pyrazin, 2H-Pyran, 4H-Pyran, Purin, Pteridin, 1H-Azepin, 3H-1,4-Diazepin, Indol, Benzofuran, Benzothiophen, Chinolin, Isochinolin, Phenazin, Phenoxazin, Phenothiazin und 1,4-Benzodiazepin, wobei die Reste a), b), c) und d) ein oder mehrfach durch R^a, insbesondere durch Halogen und/oder CN, substituiert sein können, Z⁰ -CO-O-, -O-CO-, -CF₂O-, -OCF₂-, -CH₂O-, -OCH₂-, -CH₂CH₂-, -(CH₂)₄-, -C₂F₄-, -CH₂CF₂-, -CF₂CH₂-, -CF=CF-, -CH=CH-, -C≡C- oder eine Einfachbindung, p 0, 1, 2 oder 3 und r 0, 1 oder 2 bedeutet.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein, zwei oder drei Reste der Gruppe R², R³, R⁴ unabhängig voneinander eine Bedeutung gemäß der Formel Ia nach Anspruch 3 besitzen und die gegebenenfalls übrigen Reste der Gruppe R², R³, R⁴ H bedeuten.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Säure Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure und/oder Trifluormethansulfonsäure verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Säure Schwefelsäure verwendet wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eduktlösungen im Durchflussreaktor bei einem Druck von über 1 bar zusammengeführt werden.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eduktlösungen im Durchflussreaktor bei einer Temperatur von 50°C bis 180°C zusammengeführt werden.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgemisch im Durchflussreaktor auf eine Temperatur oberhalb der bei Normaldruck bestimmten Siedetemperatur des Reaktionsgemisches temperiert wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des Schritts d) das Reaktionsgemisch aus dem Durchflussreaktor in eine diesem nachgeschaltete, temperierte Verweilstrecke geleitet wird.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenflüsse der Eduktlösungen derart gewählt werden, dass die Verweilzeit des Reaktionsgemisches im Durchflussreaktor und in der gegebenenfalls vorhandenen Verweilstrecke 0,1 bis 600 Sekunden beträgt.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des Schritts d) das Reaktionsgemisch aus dem Durchflussreaktor und der gegebenenfalls vorhandenen Verweilstrecke in eine niedriger temperierte Abkühlstrecke zum Abkühlen des Reaktionsgemisches geleitet wird.