DE2059979A1 - Verfahren zur Alkylierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen - Google Patents
Verfahren zur Alkylierung von aromatischen KohlenwasserstoffenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur
Alkylierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen mit Hilfe eines Olefins oder eines Alkylhalogenids in Gegenwart einer
Lewis-Säure der allgemeinen Formel RMXn-1, in der R einen
monovalenten organischen Rest mit 1-20 Kohlenstoffatomen aus der Gruppe der Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Aralkyl- und Alkoxy-Radikale
ist, X ein Halogenatom oder eine elektronegative Gruppe M ein Metall der Gruppen IHb, IV b oder V b des Periodensystems
und η die höchste Wertigkeit des Metalls bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß man der Lewis-Säure soviel Wasser zusetzt,
daß das Molverhältnis Wasser/Lewis-Säure zwischen 0,01 und 5
liegt.
Es gibt zahlreiche Methoden zur Alkylierung von aromatischen
Kohlenwasserstoffen. Ks sei genannt die Alkylierur.gsmethode
nach Friedel-Crafts, bei der die aromatischen Kohlenwasserstoffe mit Alkylhalogeniden, Alkoholen oder Olefinen in Gegenwart von
sog. Friedel-Crafts-Katalysatoren alkyliert werden; letztere
1 Q 9 ^ 2 F. / 2 2 2 3
sind z.B. Aluminiumchlorid, Bortrifluorid oder andere Metallhalogenide,
die starke Lewis-Säuren darstellen. Man weiß heute, daß bei dieser Reaktion, die in flüssiger Phase durchgeführt
wird, der aktive Katalysator nicht das feste Metallhalogenid
selbst ist, sondern ein komplexes Gemisch aus dem Metallhalogenid,
einer Protonen-Säure und Kohlonwasserstoffen, insbesondere den mehr oder weniger alkylierten aromatischen Kohlenwasserstoffen.
Dieses Gemisch, welches im allgemeinen "katalytischer Komplex" genannt wird, hat die Konsistenz eines schweren Öls
und ist braun gefärbt; seine Zusammensetzung wechselt je nach den eingesetzten Reaktionskomponenten. Die Unlöslichkeit dieses
katalytischen Komplexes in den zu alkylierenden Kohlenwasserstoffen ist der Grund für die Schwierigkeiten, die bei der
Durchführung des Verfahrens im industriellen Maßstab, d.h. bei der kontinuierlichen Arbeitsweise auftreten. Ein weiterer wesentlicher
Nachteil ist die fehlende Stabilität des katalytischen Komplexes, dessen Zusammensetzung und Aktivität sich mit der
Zeit stark ändern. Zur Sicherstellung einer konstanten Produktion pro Einheit muß man daher dauernd die Aktivität des katalytischen
Komplexes wiederherstellen; zu diesem Zweck gibt man bei jeder Charge gleichzeitig Cokatalysatoren zu, z.B. organische Halogenide
oder Protonen-Säliren und das Metallhalogenid selbst.
Diese Reaktivierung muß in einer etwas empirischen Weise erfolgen, weil Mittel zur Kontrolle der Aktivität des katalytischen Komplexes
fehlen. Ein weiterer Nachteil, der übrigens mit dem vorstehenden zusammenhängt, ist der relativ schwerwiegende
Verbrauch an Katalysator bezogen auf gebildete Alkylverbindung.
Es ist bekannt, daß man auch Alkyl-aluminium-dihalogenide
als Alkylierungskatalysatoren für aromatische Kohlenwasserstoffe, mittels Olefinen verwenden kann; jedoch ist ihre eigentliche ,
katalytische Aktivität viel schwächer als die des Aluminiumchlorids.
Es wurde nun gefunden, daß Wasser eine überraschende Wirkung
Uh* ü'. kntalytische Aktivität von Metall-Alky^'e
hat"i i .biiondore vor' aolchen Alkyl-nluminiurn-dih.ilo
^^α^,η,,,,,-,^η BAD ORIGINAL
bei der Alkylierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen mit Olefinen oder Alky!halogeniden. Es ist bekannt, dai3 Protonen-Donatoren
und insbesondere Wasser einen cokatalytischen Effekt auf Lewis-Säuren von Typ MX haben, wobei M.ein Metallatom der
Wertigkeit η ist und X ein Halogenatom oder eine elektronegative
Gruppe vorstellt. Man konnte jedoch nicht vorhersehen, daß Wasser eine ähnliche Wirkung auf MetaHL-Alkylverbindungen haben
würde, insbesondere auf die Alkyl-aluminium-dihalogenide; denn
Wasser bewirkt einen hydrolytisöhen Abbau der Alkyl-metallhalogenide.
So ist es bekannt, daß man Alkohole und Wasser benutzen
kann, um Katalysatoren zu inaktivieren, die Metall-Alkyle, insbesondere
Aluminiumalkyle, enthalten; dies wird am Ende von gewissen Reaktionen, wie z.B. der Polymerisation, durchgeführt.
Desgleichen hat man es bislang sorgfältig vermieden, Organoaluminiumverbindungen
mit Sauerstoff oder Säuerstoff-haitagen
Verbindungen zu versetzen.
Der Befund, wonach durch eine kleine, aber kritische Menge
Wasser eine wesentliche Steigerung der Aktivität von Metallalkylverbindungen,
insbesondere von Alkyl-aluminiumhalogeniden,
bewirkt wird, ist daher völlig überraschend. Die auf diese Weise erhaltenen katalytischen Systeme, erlauben eine Alkylierung
von Aromaten mit einer viel größeren Geschwindigkeit als bei Verwendung von Aluminiumchlorid und insbesondere von Alkylaluminium-dihalogeniden,
deren katalytische Aktivität - wie oben erwähnt - geringer ist als die von Aluminiumchlorid. Die
Ausbeute an Alky!verbindungen, die man pro Mol.Metall-alkyl
erhält, sind deutlich höher als die bei Verwendung von Aluminiumchlorid. Die Alkyl-aluminium-dihalogenide sind z.B. in den zu
alkylierenden Kohlenwasserstoffen löslich, wodurch man eine Reihe von Nachteilen j die bei der Vorwendung von Aluminiumchlorid
auftreten, vermeiden kann. Auch kann die katalytische Aktivität ihrer Lösungen viel leichter kontrolliert werden. Übrigens kann
man durch Einstellung der Katalysator-Konzentration Lösinigen herstellen j irdl denen man selektiv ein Olefin in einem Gemisch
von Olefinen unterschiedlicher Reaktivität alkylieren kann.
1 0 9 δ 2 B / 2 2 2 3 ΆΑ^
«AD ORIGJNAL
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Alkylierung von alkylicrbaren aromatischen Kohlenwasserstoffen
mit Hilfe eines Olefins oder eines Alkylhalogenids in Gegenwart eines löslichen Katalysators, der aus einer Lewis-Säure
der Formel RMX _-, und soviel Wasser gebildet wird, daß das
Molverhältnis Wasser/Lewis-Säure zwischen 0,01 - 5, vorzugsweise zwischen 0,1 - 2,5 liegt. In der vorstehenden Formel bedeutet
R eine mcno/alente organische Gruppe von 1-20 Kohlenstoffatomen
aus der Gruppe der Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Aralkyl- oder Alkoxy-Radikale, die gegebenenfalls halogeniert sein können;
bevorzugt sind die Gruppen Äthyl, Methyl, Propyl und Butyl. X ist ein Halogenatom oder eine elektronegative Gruppe, vorzugsweise
Chlor oder Brom. M ist ein Metallatom der Gruppen III b, IV b oder V b des Periodensystems, vorzugsweise Aluminium,
η ist die höchste Wertigkeit des Metallatoms.
In vielen Fällen ist es vorteilhaft, wenn man einen Co-Katalysator
zusetzt, der ein Protonen-Donator AH sein kann, wobei A das Anion einer Säure bedeutet, vorzugsweise einer starken
Mineral- oder organischen Säure, z.B. Halogenwasserstoffsäuren,
gegebenenfalls halogenierte Fettsäuren ,oder eine Alkoxygruppe von z.B. 1 - 20 Kohlenstofffatomen (wie Athoxy oder Phenoxy)
bedeuten kann · Der Co-Katalysator kann auch das Halogenid .
eines monovalenten Kohlenwasserstoffrestes,wie er oben beim
Radikal R definiert wurde, oder ein Metallhalogenid oder eine Mischung derselben sein. Üblicherweise benutzt man 10" - 1 Mol
Co-Katalysator, vorzugsweise 10 - 0,1 Mol pro Mol des aromatischen
Kohlenwasserstoffs.
Beispiele für erfindungsgemäß zu verwendende Lewis-Säuren sind Dichlor-äthyl-aluminium, Dichlor-hexyl-aluminium, Trichloro-tolyl-zinn,
Trichlor-benzyl-blei, Tetrachlor-phenyl-antimon,
Äthoxy-dichlor-aluminium und Cyclohexyl-dibrom-aluminium. Als Protonen-Donatoren kann man z.B.' Schwefelsäure, Chlorwasserstoffsäure,
Bromwasserstoffsäure, Trichloressigsäure, Trifluoressigsäure,
Essigsäure, 'Benzolsulfosäure und Äthanol verwenden.
109825/2223
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Alkylierung eines
aromatischen Kohlenwasserstoffs mit einem Olefin in flüssiger Phase wird bei Temperaturen zwischen -10 bis 1200C durchgeführt,
vorzugsweise zwischen 10 - 700C, wobei ein Druck von 0,1 - 2OQ
Atmosphären, vorzugsweise 0,5 - 5 Atmosphären, angewandt wird. Üblicherweise benutzt man zwischen 10 bis 0,1 Mol Lewis-Säure
pro Mol des aromatischen Kohlenwasserstoffs.
Außerdem hat es sich als vorteilhat·ft erwiesen, in Gegenwart
eines löslichen Milieus das Wasser mit der Lewis-Säure unter milden Bedingungen (niedere Temperatur und geringe Konzentration) (
zusammenzubringen, damit man eine zu heftige Reaktion vermeidet, die den Katalysator zerstören würde. Die auf diese Weise erhaltenen homogenen Lösungen sind nach dem Filtrieren einige Zeit
stabil und können den für die Alkylierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen mit Olefinen benötigten Reaktionskomponenten
beigemischt werden.
Mit diesen katalytischen Systemen kann man einen aromatischen
Kohlenwasserstoff selektiv mit einem Olefin alkylieren, das sich in einem Gemisch von Olefinen befindet, wobei zwischen diesem
Olefin und den anderen Olefinen des Gemischs ein deutlicher Unterschied in der Reaktivität besteht. Verwendet man ein solches *
Olefin-Gemiseh, so ist es in manchen Fällen vorteilhaft, die Reaktion in Gegenwart des zu alkylierenden Olefins zu initiieren.
Es ist zweckmäßig, wenn man die Anwesenheit von Sauerstoff vermeidet, der den Katalysator inaktiviert.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf alle alkylierbaren aromatischen Kohlenwasserstoffe anwenden. Derartige
Kohlenwasserstoffe haben z.B. 6 ,τ 30 Kohlenstoffatome, v<$zugsweise
6 - 14 Kohlenstoffatome, wobei mindestens ein Benzolkern
mit 6 Kohlenstoffatomen anwesend sein muß. Es können 1-6
Benzolringe in kondensierter oder nicht-kondensierter Form oder durch Kohlenwasserstoffketten mit z.B. je 1 - 10 Kohlenstoff-
.11
atomen verbunden enthalten sein. Die aromatischen Ringe können
gegebenenfalls auch Substituenten tragen, vorzugsweise Kohlen-
1 0 9825/2223 ■ ■
wasserstoffreste. Bevorzugte aromatische Kohlenwasserstoffe
haben 1-3 Benzolringe und 0-4 gesättigte Kohlenwasserstoff-Substituenten.
Als Beispiele seien erwähnt Benzol, Toluol, Xylole, Äthylbenzol, Cumol, Pseudocumol, Tetralin, Naphthalin, 1-Methylnaphthalin,
1,8-Diäthyl-naphthalin, Biphenyl, 2,4,6-Tributylbiphenyl,
Diphenyl-alkane, deren aromatische Ringe durch eine gesättigte aliphatische Kette verbunden sind (z.B. Diphenylmethan,
1,3-Diphenyl-butan, 2,2-Diphenyl-propan), Anthrazen
und seine substitutierten Derivate, Phenanthren und seine substituierten Derivate.
Das als Alkylierungsmittel verwendete Olefin ist ein monoolefinischer
Kohlenwasserstoff mit 2-20 Kohlenstoffatomen im Molekül. Es kann acyclisch oder cyclisch sein und eine interne
oder terminale Doppelbindung haben. Als Beispiele für erfindungsgemäß verwendbare Olefine seien erwähnt Äthylen, Propylen,
Buten-1, die Butene-2, Isobutylen, Penten-1, Isoamylen, Octen-1,
2,4,4-Trimethyl-penten-l, die Decene, Dodecene, Tetramere des
Propylens oder Olefin-Gemische, wie z.B. diejenigen, die man durch Kracken von Paraffin-Wachsen oder durch katalytische
Dehydrierung von Paraffinen erhält. Beispiele für cyclische Olefine sind Gyclohexen, Cyclopenten, Gycloocten und Cyclododecen.
Das Olefin kann auch inerte Verbindungen als Verdünnungsmittel enthalten, insbesondere gesättigte Kohlenwasserstoffe
wie Methan, Äthan, Propan oder dergleichen.
Sofern der aromatische Kohlenwasserstoff bei Normaltemperatur nicht flüssig ist, kann man ihn mit einem inerten Lösungsmittel
in Lösung bringen, z.B. mit Hexan, Isooctan, Cyclohexan oder Decahydronaphthalin.
Die folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung erläutern
und keineswegs beschränelcdn wirken/
10982 5/2223
Ein Glas-Reaktor wird zunächst von Luft und Feuchtigkeit
befreit, worauf man ihn mit über ein Molekularsieb getrocknetem Propylen füllt und dann bei 1O°C über ein Molekularsieb wasserfreies
Benzol (100 ml) einleitet, welches mit trockenem Propylen gesättigt ist; ferner gibt man in das Gefäß eine Lösung von
25 Gew.-56 Dichlor-äthyl-aluminium in einem Gemisch aus Hexan
und Benzol (insgesamt 0,8 Milünol Dichlor-äthyl-aluminium).
Die Lösung wird gerührt. Es iet keine Absoption von Propylen'
festzustellen. Untersucht man die flüssige Phase massenspektrometrisch, so zeigt sich, daß kein Isopropyl-benzol gebildet wurde.
Beispiel 2 \
Man verfährt wie im Beispiel 1 beschrieben, versetzt die Lösung aber mit 50 ml Benzol, welches 490 ppm Wasser und 0,25 ml
einer 25 Gew.-^igen Lösung von Dichlor-äthyl-aluminium enthält. Das Molverhältnis 7/asser/Dichlor-athyl-alumirium beträgt 1:1.
Die Lösung färbt sich momentan gelb-orange und das Propylen wird bei Atmosphäreridruck je nach seiner Einleitung absorbiert. Nach
einer Stunde hört man mit dem Rühren auf und analysiert die erhaltenen Produkte massenspektrometrisch und mittels der Gas- "
Flüssig-Chromatographie. Die Zusammensetzung der Produkte ist im Folgenden wiedergegebent
Benzol 47 Gew.-#
Cumol 20 M "
Diisopropylbenzol 9" "
Triisopropylbenzol 17 " "
Tetra-isopropylbenzol 7" "
Be !spiele
3
- 14
Ein Glasreaktor wird zunächst von Luft und Feuchtigkeit gereinigt, worauf man ihn mit einer Argon-Atmosphäre füllt.
109 825/2 223
Dann gibt man bei 15 G 200 ml Benzol zu, das je nach den einzelnen
Versuchen verschiedene Mengen Wasser enthält, ferner 15 g Penten-1 und 1 ml einer 50 Gew.-^igen Lösung von Dichlor-äthylaluminium
in Hexan (insgesamt 3,4 Millimol Dichlor-äthyl-aluminium).
Entsprechend der Absorption des Olefins während der Reaktion werden dann in kleinen Fraktionen 80 g Penten-1 zugegeben,
wobei eine Temperatur von 15 C aufrechterhalten wird. Das Reaktionsprodukt
wird dann massenspektrometrisch analysiert. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der nachstehenden Tabelle
zusammengestellt.
| Nr. des Bei spiel |
H2O (mg) S |
Molverhält nis HpO: Lewis säure |
Reak tions- dauer (Min.) |
Benzol | Analyse (Gew. iJono-iso- \Diiso- pentyl- jpentyl- jenzol !benzol |
0 | -*) Triiso- pentyl- benzol |
Tetraisc pentyl- benzol |
0 |
| 3 | 0 | 0 | 300 | 10P | O | 1 | I ° | 1 | |
| 4 | 0,06 | 0,001 | 300 I |
95 | 2 | 1 | ; 1 | 1 | |
| 5 | 0,12 | 0,005 | 300 | 95 | 2 | 3 | 1 | 2 | |
| B | O.B | 0,01 | 250 ; | 90 | 3 | 8 | 2 | 3 | |
| 7 4 |
3 | 0,049 ; | 160 | 70 | 12 | 11.7 | 7 | 2,6 | |
| θ | 9 | 0,15 | 120 ; | 62 | 11,5 | 13 | 12,0 | 8,4 | |
| 9 | 50 . | 0,82 | 75 | 55 | 11 | 12,5 | 12.6 | 2,5 | |
| 10 | 75 | 1,24 | 12 | 43 | 29 | 7,8 ; | 13 | 2 | |
| 11 ; | 100 ; | 1,60 | 15 ; | 60,5 | 20 | 6.2 | 9.7 | 5 | |
| 12 | 156 | 2,50 | 12 | 65 | 1Θ ; < |
3 ■<-·; | 5,8 | ! | 1 |
| 13 | 312 | 5 | 75 | 90 | 5 : | 0 | ? ■ . 1 | : | |
| 14 | 470 | 7.5 ; | 120 | 100 | 0 I | 0 | i |
Dielobige Tabelle zeigt die Vorteile bei der Verwendung der kritischen Mangen Wasser, wie sie beansprucht sind.
15 - 20
Man verfahrt wie im Beispiel 2 beschrieben, wobei die folgenden Alkyl-aluminium-dihalogenide. verwendet werden:
Beispiel 15: Dichlor-methyl-aluminium ■'· 16: Dichlor-propyl-aluminium
17: Dibrom-butyl-aluminium 109825/2223
Beispiel 18: Dichlor-hexyl-aluminiurn
" 19: Äthoxy-dichlor-aluminiiiin
11 20: Cyclohexyl-dibrom-aluminium
Das Molverhältnis Wasser/Alkyl-aluminium-dihalogenid ist 1:1.
Man erhält im wesentlichen dieselben Ergebnisse.
Beispiel 21.*.
Ein Glasreaktor wird zunächst von Luft und Feuchtigkeit gereinigt, worauf man ihn mit Propylen füllt, das über ein Molekularsieb
getrocknet wurde. Dann führt man bei 4O0C 20 ml Benzol ein, welches 75 ppm Wasser enthält, sowie 1 ml einer Lösung von
Chlorwasserstoff in Benzol. Diese Lösung wird mit Propylen bei (
Atmosphärendruck gesättigt, worauf man 0,1 ml einer 50 Gew.-^igen
Lösung von Dichlor-äthyl-aluminium in Hexan zugibt. Das Molverhältnis HCl/Dichlor-äthyl-aluminium beträgt 0,5. Sofort nach
dieser Zugabe färbt sich die Lösung gelb-orange und das Propylen wird bei Atmosphärendruck absorbiert (in 10 Minuten)
23 S Proyplen). Nach 18 Minuten analysiert man die erhaltenen
Produkte durch Gas-Flüssig-Chromatographie* Das Gemisch istwie
folgt zusammengesetzt:
Benzol 2,5 Gew.-jß
Cumol . 4,2 " » Diisopropyl-benzol 11,2 " "
Triisöpropyl-benzol 51,1 " « |
Tetra-isopropyl-benzol 31,0 " " *
Man wiederholt das vorstehende Beispiel, wobei aber dor Chlorwasserstoff ersetzt wird durch Isopropylchlorid und das Benzol
nur · 45 ppm Wasser enthält. Das nach 40 Minuten erhaltene Reak
tionsprodukt ergibt bei der Analyse die folgende Zusammensetzung;
Benzol . 32,1 Cumol 24,3
Diisopropyl-benzol 19,0 Triisopropy^.ben^o/1 15,9
Tetraisopfopyl-benzol 8,7
109 825/222 3
Ein Glasreaktor wird zunächst von Luft und Feuchtigkeit gereinigt, worauf man ihn mit Propylen füllt, das über ein
Molekularsieb getrocknet wurde. Dann führt man bei 40 C 20 ml m-Xylol ein, welches 290 Gew.-Teile Wasser pro Million Teile
m-Xylol enthält. Diese Lösung wird bei Atmosphärendruck mit
Propylen gesättigt, worauf man 0,1 ml einer 50 Gew.-jSigen Lösung
von Dichlor-äthyl-aluminium in Hexan zugibt. In ca. 10 Minuten
werden 8,5 g Propylen absorbiert. Das Reaktionsgemisch enthält m-Xylol, Dimethyl-isopropyl-benzol und Dimethyl-diisopropyl-benzol,
109 8 25/2223
Claims (9)
- Pat entansprüch-e/Γ. ^Verfahren zur Alkylierung von aromatischen Kohlenwasser- ^— stoffen mit Hilfe eines Olefins oder eines Alkylhnlogenids in Gegenwart einer Lewis-Säure der allgemeinen Formel RMX ,, in der R einen monovalenten organischen Rest mit 1-20 'Kohlenstoffatomen aus der Gruppe der Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Aralkyl- und Alkoxy-Radikale ist, X ein Halogenatom oder eine elektronegative Gruppe, M ein Metall der Gruppen III b, IV b oder V b des Periodensystems und η die höchste · Wertigkeit des Metalls bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß man der Lewis-Säure soviel Wasser zusetzt, daß das Molverhältnis Wasser/Lewis-Säure zwischen 0,01 und 5 liegt.
- 2.) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis Wasser/Lewis-Säure 0,1 - 2,5 beträgt.
- 3·) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß M Aluminium bedeutet.
- 4.) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest R halogeniert ist.
- 5.) Vprfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest R einen Methyl-, Äthyl-, Propyl- oder Butyl-Rest bedeutet.
- 6.) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß X ein Chlor- oder Brom-Atom ist.
- 7.) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in Gegenwart eines zusätzlichen Protonen-Donators arbeitet.
- 8.) Verfahren ^emäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Protonen-Donator die allgemeine Formel AH hat, in der A das Anion eirie'r Säure oder eine Alkoxy-Gruppe bedeutet.109 8 25/2223
- 9.) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Temperaturen zwischen -10 bis 12O0C unter einem Druck von 0,1 - 200 Atmosphären arbeitet.10·) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man 10" bis 1 Mol Lewis-Säur
Kohlenwasserstoffs verwendet.man 10" bis 1 Mol Lewis-Säure pro Mol des aromatischen109825/2223
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| GB1285807A (en) | 1972-08-16 |
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