DE1128147B

DE1128147B - Verfahren zur Oxaethylierung carboxylgruppenhaltiger Verbindungen

Info

Publication number: DE1128147B
Application number: DEF29077A
Authority: DE
Inventors: Dr J Wolfgang Zimmermann; Dr Alfred Kuehlkamp
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1959-08-01
Filing date: 1959-08-01
Publication date: 1962-04-19
Also published as: BE593654A; GB963902A; CH390896A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

F 29077 IVd/39 c

ANMELDETAGi 1. A U G U S T 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 19. A P R I L 1962

Die Herstellung von Carbonsäuremono- und -polyoxäthylestern durch Einwirkung von Äthylenoxyd auf die entsprechenden Carbonsäuren in Gegenwart von katalytischen Mengen Alkali bei Temperaturen zwischen 150 und 200° C ist bereits beschrieben worden.

Bei den verwendeten Carbonsäuren handelt es sich meistens um längerkettige, wasserunlösliche Verbindungen, die bei den erforderlichen relativ hohen Reaktionstemperaturen nicht flüchtig sind.

Eine weitere bekannte Möglichkeit der Darstellung von Carbonsäurepolyoxyäthylestern ,besteht darin, die Carbonsäuren mit Polyäthylenglykolen in Gegenwart von Veresterungskatalysatoren zu verestern.

Die Verwendung der üblichen Polyäthylenglykole mit zwei Hydroxylgruppen im Molekül hat dabei den Nachteil, daß sowohl Ester mit 1 Molekül als auch mit 2 Molekülen Carbonsäure entstehen, die schwer voneinander zu trennen sind.

Die entsprechende Kombination mit Dicarbonsäuren führt bekanntlich zu Polyestern.

Um auf diese Weise niedermolekulare Polyoxäthylester zu erhalten, muß man Monocarbonsäuren mit einseitig verätherten Polyäthylenglykolen verestern.

Es wurde nun ein Verfahren zur Oxäthylierung carboxylgruppenhaltiger Verbindungen durch Umsatz von Dicarbonsäurederivaten mit Äthylenoxyd in Gegenwart von Katalysatoren in der Wärme gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man als Dicarbonsäurederivat einen Dicarbonsäurehalbester verwendet.

Hierbei wird ausschließlich die freie Carboxylgruppe des Dicarbonsäurehalbesters oxäthyliert. Eine Reaktion der Estergruppierung des Dicarbonsäurehalbesters, bei der sich in bekannter Weise eine PoIyoxäthylkette zwischen Carbonsäure- und Alkoholkomponente des Esters schiebt, tritt nicht ein.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber noch durch einen zweiten unerwarteten Effekt charakterisiert, der darin besteht, daß man den Dicarbonsäurehalbester je nach der Art des verwendeten Oxäthylierungskatalysators wahlweise mono- oder polyoxäthylieren kann.

Während bei der bisher bekannten erschöpfenden Oxäthylierung von Mono- und Dicarbonsäuren in Abwesenheit von Wasser sowohl mit alkalischen als auch mit sauren Katalysatoren in jedem Falle PoIyoxäthylester erhalten werden, zeigen die Dicarbonsäurehalbester, besonders diejenigen, die sich von cyclischen Dicarbonsäureanhydriden ableiten, folgendes überraschendes Verhalten:

Wenn man diese Halbester in der für die PoIy-

Verfahren zur Oxäthylierung
carboxylgruppenhaltiger Verbin düngen

Anmelder:

Farbwerke Hoechst Aktiengesellschaft

vormals Meister Lucius & Brüning,

Frankfurt/M., Brüningstr. 45

Dr. J. Wolfgang Zimmermann,

Frankfurt/M.-Unterliederbach,

und Dr. Alfred Kühlkamp, Hofheim (Taunus),

sind als Erfinder genannt worden

oxäthylierung von Carbonsäuren üblichen Weise in Gegenwart von geringen Mengen Alkali bei 150 bis 200° C mit Äthylenoxyd behandelt, bleibt die Reaktion überraschenderweise auf der Stufe des Monooxäthylesters stehen. Daran ändert sich auch nichts, wenn man die Reaktionsbedingungen verschärft, z. B. durch Erhöhung der Temperatur oder durch Einleiten des Äthylenoxyds unter Druck.

3c Verwendet man hingegen als Katalysator für die Oxäthylierung anstatt Alkali geringe Mengen von Lewis-Säuren, vorzugsweise Borfluorid, so verläuft die Reaktion glatt zum Polyoxäthylester unter Anlagerung von bis zu 40 Mol Äthylenoxyd.

Vorzugsweise oxäthyliert man auf diese Weise die Dicarbonsäurehalbester bis zur Aufnahme von 5 bis 30 Mol Äthylenoxyd.

Die Reaktion ist exotherm; die Wärmetönung läßt aber mit steigender Äthylenoxydanlagerung nach.

Das Reaktionsgefäß wird in einem Wasserbad auf einer Temperatur von 30 bis 100° C, vorzugsweise 50 bis 80° C, gehalten, anfangs durch Kühlung, später durch Beheizung.

Sowohl bei der Monooxäthylierung als auch bei der Polyoxäthylierung werden die Katalysatoren, Alkali bzw. Borfluorid, vor der Reaktion oder allmählich in Anteilen während derselben dem Reaktionsgemisch zugegeben.
Das Alkali wird beispielsweise in Form von Kaliumcarbonat, Kaliumhydroxyd, wasserfrei oder als wäßrige Lösung oder auch in Form von metallischem Natrium eingesetzt, wobei man die zuzusetzenden

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Mengen so wählt, daß ein Gehalt von 0,1 bis 6 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 bis 2 Gewichtsprozent, an Natrium oder Kalium resultiert. Der Unterschied zwischen den einzelnen Alkalien ist gering; selbstverständlich können beispielsweise auch Lithium und seine Verbindungen verwendet werden.

Auch ist es möglich, dem zu oxäthylierenden Dicarbonsäurehalbester die entsprechende Menge des Alkalisalzes des gleichen Dicarbonsäurehalbesters als Katalysator hinzuzufügen.

Im Falle der Polyoxäthylierung wird das Borfluorid entweder vor Beginn der Oxäthylierung in den Halbester eingeleitet oder vorzugsweise zur besseren Dosierung in Form von Borfluorid-Komplexverbindungen mit solchen Stoffen, die freie Elektronenpaare tragen, wie Äther, beispielsweise Diäthyläther, Alkohole mit einer Kohlenstoffatomzahl größer als 6, beispielsweise Dodecanol, oder in Lösung mit Carbonsäuren bzw. Carbonsäureestern, vorteilhaft in den Die Äthylenoxydaufnahme kann bei der Polyoxäthylierung in jedem Zeitpunkt der Reaktion unterbrochen werden, wenn die Volumen- bzw. Gewichtszunahme des .Reaktionsgemisches bzw. die Gewichtsabnahme des Äthylenoxydvorrates einen gewünschten Wert erreicht hat.

Nach Beendigung der Äthylenoxydaufnahme werden überschüssiges gelöstes Äthylenoxyd sowie geringe Mengen an flüchtigeii Nebenprodukten im Vakuum bei etwa 12 bis 20 Torr und etwa 60° C Außentemperatur abdestilliert.

Eine weitere Aufarbeitung der Oxäthylierungsprodukte erübrigt sich für die meisten technischen Verwendungszwecke. Besonders im Falle der Monooxäthylester ist eine Reinigung nicht erforderlich, da bei Verwendung von Alkali als Katalysator keine Nebenprodukte anfallen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens der Oxäthylierung eines Dicarbonsäurehalbesters

gleichen Halbestern, die der Äthoxylierungsreaktion 20 gegenüber der bekannten Oxäthylierung, beispiels

weise einer einbasischen Carbonsäure der gleichen Kohlenstoffzahl, sind offensichtlich:

1. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt durch Variierung der an sich bekannten Oxäthylierungskatalysatoren selektiv ausschließlich entweder Mono- oder Polyoxäthylester herzustellen.

2. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine weitgehende Abwandelbarkeit der herzustellenden Verbindungen durch Auswahl der zugrunde liegenden Dicarbonsäure bzw. ihres Anhydrids sowie der als Halbveresterungskomponente eingesetzten Hydroxyverbindung.

Auf diese Weise lassen sich eine ganze Reihe neuartiger, technisch wertvoller Oxäthylierungsprodukte herstellen.

Beispielsweise erhält man je nach dem Verhältnis der Kohlenstoffzahl des Kohlenwasserstoffrestes, der an der von vornherein veresterten Carboxylgruppe des Halbesters haftet, zur Kohlenstoffzahl des PolyHerstellung der Oxäthylierungsprodukte kommen 40 oxäthylrestes wasserunlösliche, wasserteillösliche und

unterworfen werden sollen, dem Äthoxylierungsansatz hinzugefügt.

Die Menge dieses Katalysatorzusatzes schwankt zwischen 0,1 und 7 Gewichtsprozent Borfluorid, bezogen auf die Menge des zu oxäthylierenden Dicarbonsäurehalbesters. Im allgemeinen ist die einzusetzende Menge an Borfluorid abhängig von dem gewünschten Oxäthylierungsgrad des Halbesters; je größer die Menge an anzulagerndem Äthylenoxyd, um so größer ist die notwendige Katalysatormenge. Zum Beispiel benötigt man bei der Oxäthylierung von Maleinsäureisooktylhalbester etwa 0,3 Gewichtsprozent Borfluorid zur maximalen Anlagerung von 9 Mol Äthylenoxyd und etwa 0,8 Gewichtsprozent zur maximalen Anlagerung von 30 Mol Äthylenoxyd. Die erforderliche Menge Borfluorid ist weiter, abhängig von der Reinheit des jeweiligen Dicarbonsäurehalbesters.

Als Ausgangsprodukte zur erfindungsgemäßen

wegen der bequemen technischen Zugänglichkeit vor allem solche Halbester von Dicarbonsäuren in Betracht, die sich von einem intramolekularen Dicarbonsäureanhydrid durch Addition eines Mols wasserlösliche Verbindungen.

Die neuen Verbindungen sind oberflächenaktiv. Ihre oberflächenaktive Wirkung basiert auf dem Hydrophilie-Lipophilie-Gleichgewicht von einem

Alkohol ableiten und deren Herstellung grundsätzlich 45 hydrophoben organischen Rest mit vorzugsweise

bekannt ist. Derartige intramolekulare Dicarbonsäureanhydride sind z. B. Bernsteinsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid oder Phthalsäureanhydrid. Als Halbesterkomponente sind alle hydroxylgruppen-1 bis 18 Kohlenstoffatomen und einer hydrophilen Oxäthylkette, gebildet aus 1 bis 40 Mol Äthylenoxyd. Zwischen der hydrophoben und der hydrophilen Kette befindet sich der Rest einer Dicarbonsäure.

haltigen Verbindungen brauchbar, vorzugsweise ein- 50 Dieser zwischengelagerte Dicarbonsäurerest ist ge-

wertige aliphatische Alkohole mit geraden oder verzweigten Ketten der Kohlenstoffzahl 1 bis 18, aber auch Cycloalkylalkohole, Phenole, Benzylalkohol, weiterhin ungesättigte einwertige Alkohole, wie Allylalkohol oder Oleylalkohol.

Bei der Oxäthylierung dieser Halbester muß für eine sehr gute, turbulente Rührung des Reaktionsgemisches gesorgt werden. Es ist möglich, die Geschwindigkeit der Reaktion durch Veränderung eignet, der Gesamtverbindung nach Wunsch ganz besondere Eigenschaften zu verleihen.

Die neuen Produkte können mit großem Vorteil als Textilhilfsmittel, für die Lederzurichtung oder als Flotationsmittel eingesetzt werden.

Weiterhin stellen diese oxäthylierten Dicarbonsäurehalbester wertvolle Zwischenprodukte für weitere chemische Umsetzungen dar.

Für die nachfolgend beschriebenen Oxäthylierungs-

der Drehzahl des Rührers zu steuern. Weiter ist zu 60 reaktionen kann man beispielsweise einen mit einem

beachten, daß vor dem Beginn des Einleitens von Äthylenoxyd sorgfältig der Sauerstoff aus dem Reaktionsgefäß entfernt wird, beispielsweise durch mehrmaliges Evakuieren und Einfüllen von Stickstoff.

Das Äthylenoxyd kann sowohl in gasförmiger als auch in flüssiger Form zur Reaktion gebracht werden.

wirksamen Rührer an einem stufenlosen Getriebe versehenen 10-1-Kessel aus Glas oder rostfreiem Stahl verwenden, in den ein Thermometer eingeführt ist, dessen Stutzen gleichzeitig als Strömungsbrecher wirkt. Weiterhin führen von oben her in das Gefäß ein Tropftrichter für die Katalysatorzugabe, ein Rückflußkühler, der bei Bedarf zur Destillation umgeschaltet werden kann, und ein Gaseinleitungsrohr,

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das oberhalb des Flüssigkeitsspiegels endet. Das Beispiel 3
Reaktionsgefäß wird durch ein Wasser- bzw. Ölbad

nach Bedarf beheizt oder gekühlt. Es muß ferner In eine Lösung von 57 Gewichtsteilen Maleinsäuregasdicht sein, sowohl gegen geringen Überdruck 2-äthylhexyl-(l)-halbester und 0,3 Gewichtsteilen (bis etwa 800 Torr) als auch gegen Unterdruck (bis 5 Kaliumcarbonat wird unter starkem Rühren bei etwa 10 Torr). 165° C Äthylenoxyd eingeleitet. Zuvor ist aus der Äthylenoxyd oder Stickstoff kann wahlweise über Apparatur sämtlicher Sauerstoff entfernt und durch einen Dreiwegehahn, einen Trockenturm, gefüllt mit Stickstoff ersetzt worden, wie im Beispiel 1 beschrie-Ätzkali, ein Überdruckgefäß, gefüllt mit etwa 15 mm ben. Nach einer Stunde ist die Äthylenoxydaufnahme Quecksilber, einen Blasenzähler bzw. einen Strömungs- io beendet, und man erhält 68 Gewichtsteile Maleinsäuremesser in das Reaktionsgefäß eingegeben werden. 2-äthylhexyl-(l)-mono-oxäthylester. Eine weitere Ox-Die Gasableitung aus dem Reaktionsgefäß geht über äthylierung dieses Esters gelingt nicht, sondern es den Rückflußkühler, an welchem sich ein Flüssigkeits- tritt dabei Verfärbung und Zersetzung ein.
Verschluß, gefüllt mit konzentrierter Kalilauge, anschließt, der mittels eines Dreiwegehahnes an seinem 15 Analyse:

Austrittsende die Möglichkeit bietet, Vakuum an- Säurezahl 0,7 (theoretisch 0)

zulegen, zu entlüften oder Überdruck abzulassen. Verseifungszahl 407 (theoretisch 412)

CH = CH 9,50 (theoretisch 9,56)

Beispiel 1 ₂₀ Beispiel 4

Nach dem im Beispiel 3 geschilderten Verfahren

46 Gewichtsteile Bernsteinsäure-2-äthyl-hexyl-(l)- erhält man aus 87 Gewichtsteilen Bernsteinsäurehaibester werden in das Reaktionsgefaß eingewogen. n-butylhalbester und 0,3 Gewichtsteilen Kalium-Durch mehrmaliges Anlegen von Vakuum und Ein- hydroxyd nach erschöpfender Oxäthylierung 106 Geblasen von Stickstoff wird die Luft aus der Apparatur 25 wichtsteile Bernsteinsäure-n-butyl-mono-oxäthylester. verdrängt.
Unter Rühren wird der Halbester mit Äthylenoxyd Analyse:

gesättigt und diesem Gemisch dann 0,46 Gewichts- Säurezahl 0,8 (theoretisch 0)

teile einer gesättigten Lösung von Borfluorid in Verseifungszahl 403 (theoretisch 409)

2-Äthyl-hexanol-(l) (28<Y₀ig) aus dem Tropftrichter 30

hinzugefügt. Dazu wird .weiter Äthylenoxyd ein- Beispiel 5
geleitet und stark gerührt. Durch Änderung der

Drehzahl des Rührers kann die stark exotherme Nach der im Beispiel 1 geschilderten Methode Äthylenoxydaufnahme reguliert werden. Zusätzlich wird eine Mischung von 228 Gewichtsteilen Maleinwird der Kessel von außen auf 50 bis 70° C Innen- 35 säure-2-äthylhexyl-(l)-halbester und 5 Gewichtsteilen temperatur gekühlt. Nach einer Stunde Reaktions- einer gesättigten Lösung von Borfluorid in 2-Äthylzeit werden weitere 0,40 Gewichtsteile des obigen hexanol-(l) (28%ig) bei 80 bis 90° C oxäthyliert.
Katalysators in das Reaktionsgemisch gegeben. Die Nachdem überschüssiges Äthylenoxyd und flüch-Oxäthylierungsreaktion klingt nach insgesamt 3 Stun- tige Nebenprodukte im Vakuum bei 20 Torr und den langsam ab; die Kühlung des Kessels wird durch 40 80° C abdestilliert worden sind, resultieren 1548 GeBeheizung des Wasserbades ersetzt, so daß 50 bis wichtsteile eines Polyoxäthylierungsproduktes mit 70° C Innentemperatur aufrechterhalten bleiben. 30 Mol gebundenem Äthylenoxyd, bezogen auf 1 Mol Nach 3 Stunden wird der Äthylenoxydstrom ab- Maleinsäure-2-äthylhexyI-(l)-halbester.
gestellt, der Rückflußkühler auf Destillation geschal- Analyse: Oxäthyl nach Morgan = 84,8%.
tet und der Kessel unter Vakuum von 12 Torr, 45 Das Produkt ist in Wasser im Verhältnis 1:4 unter weiterem, jedoch langsamem Rühren auf 80° C noch löslich. Bei weiterem Wasserzusatz tritt Ausaufgeheizt. In der mit Trockeneis—Methanol ge- fällung ein.
kühlten Vorlage werden überschüssiges Äthylenoxyd Beispiel 6
nebst einigen 'Kubikzentimetern flüchtiger Nebenprodukte aufgefangen. Man erhält 163 Gewichtsteile 50 104 Gewichtsteile Phthalsäure-n-propylhalbester des polyoxäthylierten Halbesters, entsprechend einer werden in der oben beschriebenen Apparatur ge-Äthylenoxydaufnahme von 13 Mol pro Mol Halb- schmolzen (Fp. = 55° C) und nach der im Beispiel 1 ester. Analyse: Oxäthyl, bestimmt nach Morgan angegebenen Methode in Gegenwart von 1 Gewichts-(P. W. Morgan, Eng. Chem., 18 [1946], S. 500) teil Borfluorid-diäthyl-ätherat oxäthyliert. Nach einer = 71%. 55 Gewichtszunahme von 140 Gewichtsteilen wird die Beisniel 2 Reaktion abgebrochen. Nach Entfernung von gelö^p stem Äthylenoxyd und flüchtigen Nebenprodukten Nach der im Beispiel 1 angegebenen Methode werden 236 Gewichtsteile des polyoxäthylierten Halbwerden 42 Gewichtsteile Maleinsäure-n-butylhalb- esters isoliert.

ester in Gegenwart von 0,13 Gewichtsteilen einer 60 Analyse: Oxäthyl nach Morgan = 55,3%.
gesättigten Lösung von Borfluorid in Maleinsäure-

n-butylhalbester oxäthyliert. Durch Kühlung bzw. Beispiel 7
spätere Beheizung wird das Reaktionsgemisch bei

70 bis 80° C gehalten. Man erhält 122 Gewichtsteile 260 Gewichtsteile Maleinsäureäthylhalbester und des polyoxäthylierten Halbesters, entsprechend einer 65 3 Gewichtsteile des Natriumsalzes des Maleinsäure-Äthylenoxydaufnahme von 7,5 Mol pro Mol Halb- äthylhalbesters werden nach der im Beispiel 3 geester, schilderten Methode zum Maleinsäureäthyl-monoAnalyse: Oxäthyl nach Morgan = 66,5%. oxäthylester umgesetzt.

Claims

7 8

Analyse: PATENTANSPRÜCHE:

Säurezahl 1,2 (theoretisch 0)

Verseifungszahl 587 (theoretisch 596) 1. Verfahren zur Oxäthylierung carboxyl-

CH = CH 13,1 (theoretisch 13,8) gruppenhaltiger Verbindungen durch Umsatz von

5 Dicarbonsäurederivaten mit Äthylenoxyd in Ge-

Beispiel 8 genwart von Katalysatoren in der Wärme, da-

284 Gewichtsteile Maleinsäuredodecylhalbester durch gekennzeichnet, daß man als Dicarbonsäure-

werden nach der im Beispiel 1 geschilderten Methode derivat einen Dicarbonsäurehalbester verwendet,

unter allmählicher Zugabe von 6 Gewichtsteilen 2. Ausbildungsform des Verfahrens nach An-

einer gesättigten Lösung von Borfluorid in Dodecyl- io Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als

alkohol bis zu einer Gewichtszunahme von 1100 Ge- Katalysator Alkalimetalle oder Alkaliverbindun-

wichtsteilen oxäthyliert. gen verwendet.

Nach Vakuumdestillation erhält man 1209 Ge- 3. Ausbildungsform des Verfahrens nach An-

wichtsteile des polyoxäthylierten Halbesters, der sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als

21 Mol Äthylenoxyd gebunden enthält. 15 Katalysator Lewis-Säuren verwendet.

Analyse: Oxäthyl nach Morgan = 76%. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Halbester von solchen

Beispiel 9 Dicarbonsäuren verwendet, die sich von intramolekularen Dicarbonsäureanhydriden ableiten.

Nach der im Beispiel 1 geschilderten Methode 20 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gewerden 975 Gewichtsteile Maleinsäuremethylhalb- kennzeichnet, daß man Halbester von ungesättigester mit Borfluorid-di-äthylätherat als Katalysator ten Dicarbonsäuren verwendet.

zum Maleinsäuremethyl-polyoxäthylester oxäthyliert.

Analyse: Oxäthyl nach Morgan = 62%. In Betracht gezogene Druckschriften:

Das Produkt ist mit Wasser in jedem Verhältnis 25 Deutsche Patentschriften Nr. 694 078, 855 111;

mischbar. USA.-Patentschrift Nr. 2 674 619.

© 209 560/536 4.62