DE2124718C3 - Verfahren zur Herstellung einer Carbonsäure oder eines Carbonsäureesters - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer Carbonsäure oder eines CarbonsäureestersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Carbonsäure oder eines Carbonsäureesters durch
Umsetzung eines olefinisch ungesättigten aliphatischen oder alicyclischen Kohlenwasserstoffs mit Kohlenmonoxid
und mit Wasser oder einem aliphatischen oder alicyclischen Alkohol oder einer Mischung derselben in
Gegenwart eines Katalysators der allgemeinen Formel L2PdX2. wobei L ein Aryl- oder Alkyl-Phosphin und X
ein Halogenid-Rest ist.
Ein derartiges Verfahren ist aus den DE-PS 12 21 224 und 12 29 089 bereits bekannt. Dabei liegt der
Halt^enidrest als Chlorid-Rest vor.
Es ist jedoch schwierig, bei dem bekannten Verfahren eine für die industrielle Durchführung genügend hohe
katalytische Aktivität bei alleiniger Verwendung dieses Katalysators zu erzielen. Demgemäß wird gewöhnlich
Chlorwasserstoff als Reaktionsbeschleuniger zugesetzt. Der Chlorwasserstoffzusatz bewirkt jedoch, insbesondere
in Gegenwart von Wasser, eine Korrosion des Reaktors. Zur Verhinderung einer derartigen Korrosion
während der Umsetzung und während der Abtrennung und Rückgewinnung des Chlorwasserstoffs ist es
erforderlich, die Innenwandungen des Reaktors und eines Teils des Destillationsapparats mit teurem
HCI-beständigen Material auszukleiden.
Ferner besteht der Nachteil, daß es in Gegenwart von Wasserstoff zu einer Palladiummetallabscheidung aufgrund
einer Zersetzung des Katalysators kommt. Es ist daher erforderlich, reines Kohlenmonoxid oder eine
Mischung von Kohlenmonoxid und einem Inertgas zu verwenden. Es ist daher unmöglich, bei dem bekannten
Verfahren Wassergas einzusetzen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches in
Gegenwart von Wasserstoff mit einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit abläuft und nicht zu einer Korrosion
des Reaktors führt.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man einen Katalysator einsetzt, bei dem der
I lalogenidrcst X Bromid oder Jodid bedeutet und man die Umsetzung unter Zugabe von Wasserstoff in einem
Molverhältnis zu Kohlenmonoxid von 0,001 bis 10 durchführt.
Durch die Gegenwiirt von Wasserstoff wird die
katalytische Aktivität erhöht im Vergleich zu einem Reaktionärstem ohne Wasserstoff oder mit Chlorwasserstoff.
In dieser aktivierten Form ist der Katalysator mit den Liganden J oder Br erheblich reaktiver als der
Katalysator mit dem Liganden Cl, Andererseits ist der Katalysator mit dem Liganden Cl am reaktivsten in
Abwesenheit von Wasserstoff. Aus diesen Tatsachen wird geschlossen, daß die durch Wasserstoff aktivierte
Form verschieden ist von der in Abwesenheit von Wasserstoff vorliegenden Form des Katalysators.
Diese durch Wasserstoff aktivierte Form hat eine hohe katalytische Aktivität auch ohne Zusatz des
ίο korrodierend wirkenden Chlorwasserstoffs. Gleichzeitig
werden unerwünschte Nebenreaktionen, z. B. die Halogenierung des Olefins, vollständig unterdrückt.
Darüber hinaus wird keine merkliche Hydrierung des Olefins beobachtet, obwohl Wasserstoff bei dem
is Verfahren zugegen ist Darüber hinaus ist der
Katalysator sehr stabil.
Die olefinisch ungesättigten aliphatischen i.nd alicyclischen
Kohlenwasserstoffe können zwei bis zwanzig Kohlenstoffatome und 1 bis 4 olefinische Doppelbindungen
aufweisen. Es ist möglich, olefinisch ungesättigte Kohlenwasserstoffe zu verwenden, bei denen eine
Dreifachbindung mit einer Doppelbindung konjugiert ist oder weiche einen aromatischen Ring aufweisen.
Im folgenden seien einige Beispiele der anwendbaren olefinisch ungesättigten Verbindungen genannt: Äthylen,
Propylen, Isobuten, Buten-1, Hexen-1, Octen-1,
Dodecen-1, 2-Äthylhexen-1, Cyclohexen, Cycloocten, Butadien-1,3, Isopren, Cyclooctadien, Äthylacrylat,
Acrylamid, Allylalkohol, Vinyl-chlorid und Styrol.
«ι Wenn Wasser als eines der Ausgangsmaterialien
eingesetzt wird, so werden Carbonsäuren erhalten. Wenn andererseits Alkohol verwendet wird, so erhält
man eine Mischung der Carbonsäure und des entsprechenden Esters der Carbonsäure. Der aliphatische oder
!■■> alicyclische Alkohol weist vorzugsweise 1 bis 20 und
insbesondere 1 bis 10 Kohlenstoffatome auf. Man kann einen mehrwertigen Alkohol einsetzen.
Im folgenden seien einige typische Beispiele für derartige Alkohole angegeben: Methanol, Äthanol,
4(i Propanol, Isobutanol, Cyclohexanol, Benzyl-alkohol,
Äthylenglycol.
Die Menge an Wasser oder Alkohol sollte nicht weniger als 1 Äquivalent betragen, vorzugsweise mehr
als ein Mol und insbesondere 2 bis 10 Mole pro 1
4> Äquivalent der olefinischen Doppelbindung der olefinisch ungesättigten Verbindung.
Die erfindungsgemäße Reaktion wird in Gegenwart von Wasserstoffgas durchgeführt. Demgemäß kann
Wassergas als Quelle für das Kohlenmonoxid verwen-
■lO det werden. Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren ein Inertgas zugegen sein, z. B. Stickstoff oder ein Kohlenwasserstoff. Das Molverhältnis von
Wasserstoff zu Kohlenmonoxid liegt im Bereich von 0,001 bis 10, vorzugsweise 0,02 bis 2,0. Der Gesamtdruck
■n der Reaktion kann im Bereich von etwa 5 bis 1000
Atmosphären und gewöhnlich im Bereich von 50 bis 500 Atmosphären liegen. Der Partialdruck des Kohlenmonoxids
liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 10 bis 300 Atmosphären.
w) Bevorzugte Beispiele des Katalysators sind
PdJ2 [P(C6Hs)1J2 und PdBr2[P(C6H5)J]2.
Der Katalysator kann in einem Lösungsmittel aufgelöst oder solvatisiert werden, z. B. in Chloroform.
ι,--, Der Katalysator liegt gewöhnlich in der Gesamtmischung der Ausgangsmaterialien in einer Menge von
10~4 bis 1 Gew.-% vor. Die Reaktionstemperatur beträgt vorzugsweise etwa 50 bis 1500C. Falls die
Gefahr einer Korrosion des Reaktors nicht besteht, etwa durch Ausschluß von Feuchtigkeit (z, B, bei der
Herstellung eines Carbonsäureesters), so ist es möglich, Halogenwasserstoff als Reaktionsbeschleuniger zuzusetzen.
Um die Stabilität des Katalysators während der Reaktion aufrechtzuerhalten, kann ein Überschuß des
Phosphins, oder Halogens zugesetzt werden. Hierdurch ist es möglich, die Reaktion selbst bei hohen
Temperaturen durchzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren verläuft jedoch auch ohne diese Maßnahme
recht glatt.
Im allgemeinen ist es nicht erforderlich, bei der erfindungsgemäßen Reaktion ein Lösungsmittel zu
verwenden. Falls ein Alkohol als Ausgangsmaterial verwendet wird, so können alle Ausgangsmaterialien
ohne Lösungsmittel gleichförmig vermischt werden. Wenn jedoch Wasser verwendet wird, so ist es
bevorzugt, ein hydrophiles polares organisches Lösungsmittel zuzusfi'ien, um eine gleichförmige Mischung
des Reaktionjsystems zu erhalten. Dies ist unter dem Gesichtspunkt der Reaktionsgeschwindigkeit und
der Katalysatorstabilität günstig. Das jeweils günstige Lösungsmittel hängt von der Art der olefinisch
ungesättigten Verbindungen und des Katalysators ab. Bevorzugt sind Ketone, z. B. Acetone, Methyl-äthylketon
und Methyl-Isobutyl-keton; Ätner, z. B. Äthyläther, Tetrahydrofuran und Dioxan, Sulfoxide, z. B.
Dimethylsulfoxid und organische Carbonsäuren, z. B. Essigsäure.
Bei kontinuierlicher Durchführung des Verfahrens in einem Reaktor ist es nicht notwendig, ein Lösungsmittel
zuzusetzen, da die erhaltene Carbo.,säure oder der
erhaltene Carbonsäureester eine Lösungsmittelwirkung ausüben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
15 ml Hexen-1, 3 ml Wasser, 42 ml Aceton und
162 mg PdJ2[P(C6H5)Jk werden in einen 200-ml-Autoklaven
gegeben, welcher eine Innenauskleidung mit Titan aufweist und mit einem Rührer ausgerüstet ist
Der Autoklav wird geschlossen und die darin befindliche Luft wird entfernt, indem man dreiwal
Kohlenmonoxidgas bis zu einem Druck von 30 kg/cm2
ίο einleitet Sodann wird der Autoklav bei Zimmertemperatur
bis zu einem Druck von 100 kg/cm2 mit Kohlenmonoxidgas gefüllt Ferner wird Wasserstoffgas
mit einem Partialdruck von 100 kg/cm2 eingeleitet so
daß sich ein Gesamtdruck von 200 kg/cm2 ergibt Der Autoklav wird auf 110° C aufgeheizt und 70 min bei
dieser Temperatur unter Rühren gehalten. Nach der Reaktion wird der Autoklav abgekühlt Die gaschromatographische
und acidimetrische Analyse des Reaktionsprodukts zeigt, daß eine Carbonsäure mit 7
2i) Kohlenstoffatomen in einer Ausbeute von 99% aus dem
Hexen-1 entsteht Eine etwaige Reduzierung des Katalysators zu Palladiummetall konnte nicht festgestellt
werden.
,. B e i s ρ i e 1 e 2 bis 5
und Vergleichsbeispiel 1
Das Verfahren nach Beispiel 1 wird wiederholt, wobei
jedoch die Menge des Wasserstoffgases variiert wird. Die Ergebnisse der Reaktion sind in Tabelle 1
ίο zusammengestellt. Die spezifische Reaktionsgeschwindigkeit
wird erhalten, indem man die für eine 50%ige Urm 'andlung in Abwesenheit von Wasserstoff erforderliche
Zeitdauer durch die für eine 50%ige Umwandlung in Gegenwart von Wasserstoff erforderliche Zeitdauer
ji dividiert. Die Umwandlung wird anhand der Gasabsorptionskurve
verfolgt.
Vgl. 1
CO-Druck (kg/cm2)
H2-Druck (kg/cm2)
Reaktionsdauer (min)
H2-Druck (kg/cm2)
Reaktionsdauer (min)
Spezifische Reaktionsgeschwindigkeit
Carbonsäureausbeute
| 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 100 | 0,5 | 2 | 11 | 27 | 0 |
| 70 | 200 | 180 | 110 | 100 | 210 |
| 15 | 1,3 | 4 | 6 | 8 | I |
99
93
98
99
90
Beispiel 6
und Vergleichsbeispiel 2
und Vergleichsbeispiel 2
Das Verfahren gemäß Beispiel 1 wird wiederholt, wobei jedoch 135 mg eines Katalysators der Formel
PdBr2fP(C6H5)3j2 eingesetzt wird, und einmal in Gegenwart
und einmal in Abwesenheit von Wasserstoff gearbeitet wird. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2
zusammengestellt.
vg\..
Bsp. 6
CO-Druck (kg/cm2)
H2-DmCk (kg/cm2)
Reaktionsdauer (min)
H2-DmCk (kg/cm2)
Reaktionsdauer (min)
| 100 | 100 |
| 0 | 100 |
| 150 | 120 |
Vgl. 2
lisp, ft
Wl
Spezifische Reaktions- 1 1,6
geschwindigkeit
Carbonsaureausbeute (%) 96 97
Das Verfahren gemäß Beispiel I wird wiederholt, wobei jedoch anstelle von Wasser und Aceton Äthanol
verwendet wird, und die Reaktionsdauer 160 min beträgt. Es erhält den Äthylester einer Carbonsäure mit
7 Kohlenstoffatomen in einer Ausbeute von 95%. Falls in Abwesenheit von Wasserstoff und bei einem
Kohlenmonoxiddruck von 100 kg/cm2 während 260 min
gearbeitet wird, so ergibt sich eine Ausbeute von 84% des Reaktionsproduktes. Die Reaktionsgeschwindigkeit
beträgt in letzterem Falle etwa Ά der Reaktionsgeschwindigkeit
bei Anwesenheit von Wasserstoff.
Vergleichsbeispiel 3
Das Verfahren gemäß Beispiel 1 wird in Gegenwart von 120 mg PdCl2[P(C6Hs)3]J wiederholt und die
Reaktion wird in Abwesenheit von Wasserstoff während 200 Minuten durchgeführt Die Ausbeute an ι ο
Carbonsäure beträgt 86%. Wenn man in Gegenwart von 0,5 kg/cm2 Wasserstoffgas während 200 min arbeitet,
so fällt die Ausbc-ute an Carbonsäure auf 75% ab. Das Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeit bei
Anwesenheit von Wasserstoff zu derjenigen bei Abwesenheit von Wasserstoff beträgt 0,9 (spezifische
Reaktionsgeschwindigkeit). Falls man das Experiment in Gegenwart von 2 kg/cm2 Wasserstoffgas durchführt,
so sinkt die Ausbeute an Carbonsäure auf 54% und die spezifische Reaktionsgeschwindigkeit fällt auf 0.6 ab. 2n
Ferner wird festgestellt, daß in diesem F.'.ll Paüadiummetall
abgeschieden wird.
Vergleichsbeispiel 4
Das Verfahren gemäß Beispiel 7 wird wiederholt, wobei jedoch 120 mg PdCI2[P(C6Hs)3J2 eingesetzt werden
und die Umsetzung während 200 min in Abwesenheit von Wasserstoff erfolgt. Die Ausbeute an dem
Carbonsäureester beträgt 81%. Die gleiche Reaktion wird ferner in Gegenwart von 2 kg/cm2 Wasserstoff
während 200 min durchgeführt. Die Ausbeute an Carbonsäureester fällt dabei auf 60% ab. Die spezifische
Reaktionsgeschwindigkeit beträgt 0,45.
Beispiel 8 r>
Das Verfahren gemäß Beispiel 1 wird wiederholt, wobei jedoch anstelle von Hexen-1 Octen-1 verwendet
wird. Die Ausbeute an Carbonsäure beträgt 97%. Das gleiche Verfahren wird während 180 min in Abwesenheit
von Wasserstoff durchgeführt. Die Ausbeute an Carbonsäure fällt auf 89% ab. Die spezifische
Reaktionsgeschwindigkeit beträgt 9.
Das Verfahren gemäß Beispiel 8 wird wiederholt, wobei jedoch eine Lösungsmittelmischung von Essigsäure
und Nonansäure anstelle des Acetons verwendet wird und die Umsetzung während 120 min durchgeführt
wird. Die Ausbeute an Carbonsäure beträgt 94%. Das gleiche Verfahren wird wiederholt, jedoch ohne
>o Wasserstoff und während 220 min. Die Ausbeute an Carbonsäure fällt dabei auf 89% ab. Die spezitische
Reaktionsgeschwindigkeit beträgt 6.
Beispiel 10
In den Reaktor gemäß Beispiel 1 gibt man 10 ml Cyclohexen, 30 ml Äthanol und 188 mg PdJ2[P(C6Hs)3]J.
Sodann wird die Luft des Systems gegen Stickstoff ausgetauscht und der Autoklav wird auf 1200C erhitzt,
worauf Kohlenmonoxid mit einem Druck von 100 kg/cm2 und Wasserstoff mit einem Druck von
30 kg/cm2 eingeführt werden. Die Reaktion wird bei der gleichen Temperatur während 90 min unter einem
Druckabfall von 15 kg/cm2 durchgeführt Nach der Umsetzung wird der Reaktor abgekühlt und das
Reaktionsgemisch wird gaschromatographisch analysiert Die Umwandlung des Cyclohexens beträgt 99%
und man erhält CyclohexancarHonsäureäthylester in einer Ausbeute von 98%, bezogen auf das Cyclohexen.
Vergleichsbeispiel 5
Die Umsetzung gemäß Beispiel 10 wird ohne Wasserstoffzugabe durchgeführt. Nach 180 min, gerechnet
vom Beginn der Reaktion an, beträgt der Druckabfall 6,5 kg/cm2. Das Reaktionsgemisch wird
abgekühlt und gaschromatographisch analysiert. 52% des Cyclohexens sind nicht umgesetzt. Man erhält den
Cyclohexancarbonsäureäthylester in einer Ausbeute von 47%.
Beispiel 11
Das Verfahren nach Beispiel 10 wird wiederholt, wobei man jedoch 30 ml Cyclohexanol anstelle der
30 ml Äthanol einsetzt. Nach 210 min vom Beginn der Reaktion an beträgt der Druckabfall 14 kg/cm2. Das
Reaktionsgemisch wird abgekühlt und gaschromatographisch analysiert. Es enthält 0,8% mchtumgesetztes
Cyclohexen; die Ausbeute an Cyclohexancarbonsäurecyclohexylester beträgt 96%.
Vergleichsbeispiel 6
Das Verfahren des Beispiels 11 wird wiederholt,
wobei jedoch kein Wasserstoff zugesetzt wird. Nach 210 min, gerechnet vom Beginn der Reaktion an, wird
noch kein Druckabfall festgestellt. Das Reaktionsgemisch wird abgekühlt und gaschromatographisch
analysiert. Es enthält keinen Cyclohexancarbonsäurecyclohexylester und 98,5% des eingesetzten Cyclohexens
werden zurückgewonnen.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Herstellung einer Carbonsäure oder eines Carbonsäureesters durch Umsetzung eines olefinisch ungesättigten aliphatischen oder alicyclischen Kohlenwasserstoffs mit Kohlenmonoxid und mit Wasser oder einem aliphatischen oder alicyclischen Alkohol oder einer Mischung derselben in Gegenwart eines Katalysators der allgemeinen Formel L2PdX2, wobei L ein Aryl- oder Alkyl-Phosphin und X ein Halogenid-Rest ist, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Katalysator einsetzt, bei dem der Halogenid-Rest X Bromid oder Jodid bedeutet und man die Umsetzung unter Zugabe von Wasserstoff in einem Molverhältnis zu Kohlenmonoxid von 0,001 bis 10 durchführt.
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