DE4027843A1 - Kontinuierliches verfahren zur herstellung von n-substituierten acryl- und methacrylamiden - Google Patents
Kontinuierliches verfahren zur herstellung von n-substituierten acryl- und methacrylamidenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur
Herstellung N-substituierter Acrylsäureamide und
Methacrylsäureamide durch Umsetzung von Alkylestern der
Acryl- oder Methacrylsäure mit aliphatischen oder
aromatischen Aminen.
Für die Herstellung von N-substituierten Amiden der
Acrylsäure und Methacrylsäure, die als polymerisierbare
Monomere mit einer relativ hydrophilen und inerten
funktionellen Gruppe hohes technisches Interesse besitzen,
stellen die niederen Ester der Acrylsäure und
Methacrylsäure wegen ihrer guten Verfügbarkeit bevorzugte
Ausgangsstoffe dar, die dazu mit entsprechenden primären
oder sekundären Aminen umgesetzt werden.
Da die ungesättigten Carbonsäureester dabei sowohl an
ihrer Kohlenstoff-Kohlenstoff-(C-C)-Doppelbindung als auch
mit ihrer Estergruppe mit dem Amin reagieren können,
erhält man abhängig von den Reaktionsbedingungen,
insbesondere den Konzentrations-Temperatur- und
Druckbedingungen, und dem Einfluß von Katalysatoren, die
gewünschten ungesättigten, N-substituierten
Carbonsäureamide im Gemisch mit mehr oder weniger hohen
Anteilen von Aminadditionsprodukten an die C-C-
Doppelbindung.
Aus der DE-AS 25 02 247 ist ein Verfahren zur Herstellung
von N-(tert.-Aminoalkyl)(meth)acrylamiden durch thermische
Spaltung bei Temperaturen von 180 bis 300 Grad C, von,
beispielsweise durch Umsetzung von Acryl- oder
Methacrylestern mit einem tert.-Aminoalkylamin im
Molverhältnis 1 : 2 unter 200°C erhaltenen, β-
Amino-propinoamiden bzw. -isobutyramiden bekannt. Die
Spaltungsreaktion wird vorzugsweise bei einer
kontinuierlichen Verfahrensweise unter Anwendung
verminderter Drücke bis hinunter zu 2 mbar, oder
Überatmosphärendrücken bis herauf zu etwa 11 bar
durchgeführt. Auf die eingesetzten (Meth)acrylester
ausgangskomponenten bezogen, werden über beide
Umsetzungsstufen, Ausbeuten an den Methacrylamiden bis zu
etwa 80% d. Th. erhalten.
In der DE-OS 28 09 102 ist ein Verfahren zur Herstellung
von N-substituierten (Meth)acrylamiden beschrieben, wozu
(Meth)acrylsäureester mit einem Unterschuß bis zu einem
geringen Überschuß eines Amins, einstufig, unter autogenem
Druck (ca. 10 bis 20 bar), in homogener Phase auf über 150°C,
vorzugsweise 180 bis 250°C, erhitzt, und die
Reaktionsprodukte durch fraktionierte Destillation rein
erhalten werden. Beispielsweise wird aus Methylamin und
Methylmethacrylat, N-Methylmethacrylamid in Abhängigkeit
von der pro Mol Methylmethacrylat zugesetzten
Methylaminmenge, in Mengen von 81% d. Th. bezogen auf
Ester (1,1 Mol Methylamin) und 89% d. Th. bezogen auf Amin
(0,5 Mol Methylamin) bzw. 97% d. Th. bezogen auf Amin
(0,25 Mol Methylamin), gebildet.
Nach der DE-OS 28 16 516 wird die Umsetzung der Alkylester
der Acryl- oder Methacrylsäure mit Aminen bei Temperaturen
zwischen 50 und 180°C in Gegenwart von katalytischen
Mengen eines Dialkylzinnoxids durchgeführt.
Zweckmäßigerweise arbeitet man mit einem Esterüberschuß.
Dabei werden Amide der (Meth)acrylsäure in Ausbeuten bis
zu 98% d. Th. bezogen auf Amin erhalten. Ein analoges
Verfahren, wobei die Umsetzung in Gegenwart von
katalytischen Mengen von Verbindungen der Metalle der IV.
Nebengruppe und/oder Verbindungen der Metalle Blei, Zink
und Tantal durchgeführt wird, ist in der DE-OS 31 23 970
beschrieben.
Nach den beschriebenen Verfahren des Standes der Technik
läßt sich eine technische Gewinnung von N-substituierten
(Meth)acrylamiden durch Umsetzung der Alkylester der
Acryl- oder Methacrylsäure mit Aminen in kontinuierlicher
Fahrweise nicht realisieren. Beim Arbeiten nach der DE-AS
25 02 247 wird das in langen Reaktionszeiten - ca. 10 bis
20 Stunden - aus 2 Molen Amin und 1 Mol ungesättigtem
Ester gebildete β-Amino-propionamid bzw. β-Amino-isobutylamid
in einer zweiten Stufe gespalten, bevor es
dann rein erhalten werden kann.
Auch bei den weiteren im Stand der Technik diskutierten
Verfahren sind lange Reaktionszeiten - ca. 3 bis 10
Stunden - nötig, um das, auch im Unterschuß, eingesetzte
Amin zum ungesättigten Amid umzusetzen. Weiter wurde
festgestellt, daß bei Verfahren, welche mit Acrylester
bzw. Methacrylester im Überschuß arbeiten, wegen Bildung
verschiedenster Nebenprodukte, u. a.
Polymerisatiionsprodukte, Belagsbildungen und Verstopfungen
in Apparaturteilen auftreten, so daß kontinuierliche
Arbeitsweisen nicht durchführbar sind. Entsprechend liegen
bei diesem Verfahren die Selektivitäten für die
ungesättigten Amide als Reaktionsprodukte bezogen auf die
eingesetzten ungesättigten Ester deutlich niedriger als
die auf das eingesetzte Amin bezogenen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
kontinuierliches Verfahren zur Herstellung N-
substituierter Amide der Acryl- oder Methacrylsäure aus
Estern dieser Säuren durch deren Aminolyse, einschließlich
der Reingewinnung der ungesättigten N-substituierten
Amide, zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt
beschrieben:
Verfahren zur Herstellung N-substituierter Amide der Acryl- oder Methacrylsäure der Formel I
Verfahren zur Herstellung N-substituierter Amide der Acryl- oder Methacrylsäure der Formel I
worin R₁ H oder CH₃ ist und R₂ und R₃ jeweils C₁-C₈-Alkyl-,
Aralkyl oder Arylgruppen oder R₂ H und R₃ C₁-C₈-Alkyl-,
Aralkyl- oder Arylgruppen oder C₁-C₆-Alkylengruppen,
die endständig noch Substituenten tragen,
sind, durch Umesterung von Alkylestern der Acryl- oder
Methacrylsäure mit Aminen der Formel II
worin R₂ und R₃ die oben angegebene Bedeutung haben,
gegebenenfalls in Gegenwart eines oder mehrerer der
bekannten Aminolysekatalysatoren, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umsetzung durchgeführt wird in einem Reaktor bei
Temperaturen über 150°C und Drucken <1 bar durch
kontinuierliche Zuführung von Acrylsäure- oder
Methacrylsäurealkylester und Amin im Molverhältnis von 1 : 2,
in Reaktionszeiten von 5 bis 40 Minuten, bei
kontinuierlicher Entnahme des Reaktionsgemisches und
gegebenenfalls dieses zur Vervollständigung der Spaltung
in ungesättigtes Amid und Amin noch in eine bei
Temperaturen über 160°C betriebenen Kolonne geführt
wird, und dieses dann weiter durch fraktionierte
Destillationen in das Verfahrensprodukt, Aminüberschuß und
Beiprodukte getrennt wird.
Nach dieser Erfindung ist es erstmalig möglich, in einem
Verfahrenszug aus ungesättigten Estern zu N-substituierten
Amiden zu gelangen. Wie ausführliche Untersuchungen mit
den Reaktionskomponente Methacrylsäuremethylester/Methylamin,
einem erfindungsgemäßen bevorzugten System,
für die Herstellung von N-Methylmethacrylamid, ergaben,
liegt der Verlustanteil an Methylamin beim Arbeiten nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren, z. B. mit 2 bis 3 Mol
Methylamin pro Mol Methacrylsäuremethylester nur bei ca.
0,1 Mol pro Mol N-Methyl-methacrylamid, gegenüber 0,3 Mol
Aminverlust pro Mol N-MEthylmethacrylamid beim Arbeiten
mit äquimolarem Ausgangskomponenten-Verhältnis.
Als Acryl- oder Methacrylester werden Methylacrylat,
Ethylacrylat und Methylmethacrylat bevorzugt, da sie
technisch gut zugänglich sind und der bei der Aminolyse
freiwerdende Alkohol leicht aus dem Reaktionsgemisch
entfernt werden kann. Mit zunehmender Zahl der
Kohlenstoffatome in den Alkoholresten nimmt die Eignung der
Ester ab. Unter diesem Gesichtspunkt sind die Alkylester
mit mehr als 4 C-Atomen im Alkylrest als weniger geeignet
anzusehen.
Die erfindungsgemäße Aminolyse wird mit Aminen der Formel
II, wonach diese primäre und sekundäre Amine, mit
aliphatischen, araliphatischen und aromatischen Resten R₂
und/oder R₃ mit jeweils 1 bis 8 C-Atomen im Rest R₂ oder
R₃ sein können, durchgeführt. Beispielsweise seien hier
als aliphatische primäre Amine vor allem Methylamin,
Ethylamin, n-Propylamin, n-Butylamin und sec-Butylamin,
als aliphatische sekundäre Amine Dimethylamin,
Diethylamin, Methyl-ethylamin und Di-n-butylamin als
araliphatisches Amin Benzylamin und als aromatische Amine
Anilin und Methyl-substituierte Aniline genannt.
Die umzusetzenden Amine können insbesondere neben der
primären Aminogruppe noch weitere funktionelle Gruppen wie
Ether-, Thioether- oder Aminogruppen enthalten, wobei
tertiäre Aminogruppen als solche bevorzugt sind. Beispiele
solcher Amine mit Gruppen mit tertiären Stickstoffatomen
sind 3-Dimethylaminopropylamin, 2-Morpholinoethylamin.
Bekannte Aminolyse-Katalysatoren können mitverwendet
werden, wie z. B. Dialkylzinnoxide, jedoch fällt ihre
katalytische Wirksamkeit wegen der hohen
Reaktionstemperatur von <ca. 180°C nicht sonderlich
ins Gewicht.
Zur Vermeidung von Polymerisationsverlusten ist es zweckmäßig, die Umsetzung und Aufarbeitung des Reaktionsgemisches in Gegenwart von Polymerisationsinhibitoren, wie Hydrochinon, Hydrochinonmonomethylether, Phenothiazin durchzuführen, die gegebenenfalls in Gegenwart von molekulargelöstem Sauerstoff ihre stabilisierende Eigenschaft besser entfalten.
Zur Vermeidung von Polymerisationsverlusten ist es zweckmäßig, die Umsetzung und Aufarbeitung des Reaktionsgemisches in Gegenwart von Polymerisationsinhibitoren, wie Hydrochinon, Hydrochinonmonomethylether, Phenothiazin durchzuführen, die gegebenenfalls in Gegenwart von molekulargelöstem Sauerstoff ihre stabilisierende Eigenschaft besser entfalten.
Die Umsetzung des Amins mit dem Acryl- bzw. Methacrylester
wird in einem Reaktor möglichst geringer
Rückvermischung in flüssiger Phase ausgeführt. Dazu wird
das Gemisch des Amins mit dem ungesättigten Ester, mit
einer Temperatur von ca. 50 bis 100°C, unter einem
Druck von <1 bar flüssig aus einem Mischer in den Reaktor
gedrückt. Als Mischteil kann auch der erste Teil des
Reaktors ausgebildet sein, in den die Reaktionspartner
separat eindosiert werden. Die Durchführung der Umsetzung
wird vorteilhaft in einem Rohrreaktor bei Temperaturen
über 150°C, vor allem bei Temperaturen von 180 bis
250°C und auch bei Temperaturen von 250 bis
300°C, vorgenommen. Anstelle einer praktisch
isothermen Reaktionsführung, kann die Umsetzung auch
innerhalb eines stärkeren Temperaturprofils, von ca.
100°C am Eingang des Reaktors bis ca. 300°C am
Ausgang des Reaktors durchgeführt werden. Der Vorteil
dieser Fahrweise besteht darin, daß höchstens nur noch
geringe Amin-C-C-Doppelbindungsprodukte im
Reaktionsgemisch vorhanden sind, und die Bildung des N-
substituierten Acryl- bzw. Methacrylamids im wesentlichen
fertig ist. Die Drucke im Reaktor sind vorzugsweise
autogen und liegen über 1 bar vor allem <5 bar,
beispielsweise bei 10 bis 30 bar, oder höher.
Nach Verweilzeiten von 5 bis 40 Minuten, vor allem von 5
bis 25 Minuten, insbesondere von 10 bis 20 Minuten wird
das Reaktionsgemisch kontinuierlich vom Reaktorausgang in
ein Trennsystem aus Kolonnen geleitet. Vorteilhaft wird
der Reaktorabstrom in eine erste Kolonne geleitet, in der
Spaltalkohol und überschüssiges Amin über Kopf
abdestilliert werden, und in der die Temperatur zur
Spaltung von noch vorhandenem Amin-C-C-Doppelbindungsprodukt
hinreichend ist. Das sind
Temperaturen <160°C, vor allem <180°C, so daß
im Abtriebsteil der Kolonne das N-substituierte
ungesättigte Amid und gegebenenfalls höhersiedene
Nebenprodukte anfallen.
Das über Kopf abgezogene Amin-Alkohol-Gemisch wird weiter
unter üblichen Bedingungen, vorteilhaft destillativ,
aufgetrennt und das Amin wieder in die Reaktion
zurückgeführt. Aus dem Abtriebsanteil wird das N-
substituierte Acryl- bzw. Methacrylamid durch
Feinreinigung, vor allem durch Destillation, oder von bei
Normaltemperatur kristallierenden Amiden, durch
Kristallisation und gegebenenfalls Umkristallisation,
gewonnen.
In einer Apparatur entsprechend Abb. 1 wird in einem
isotherm betriebenen Rohrreaktor (C501) bei 210°C,
einer Verweilzeit von 15 Minuten und einem
Einsatzverhältnis von 1 : 2 = MMA : MA
(Methacrylsäuremethylester : Methylamin) die Reaktion bei
einem Druck von 160 bar ausgeführt. Der MMA-Reaktorfeed
ist mit 300 ppm Hydrochinonmonomethylether versetzt und
Luftsauerstoff-gesättigt. Der den Reaktor verlassende
Produktstrom (3) wird in einer Destillationskolonne
(K501), in der die Sumpftemperatur über 160°C liegt,
von den Niedersiedern - Methyl-, Dimethyl-,
Trimethylamin, Methanol, H₂O, Methacrylsäure - befreit.
Methylamin wird in einer weiteren Kolonne (K502) von den
genannten Nebenprodukten abgetrennt und der Reaktion
wieder zugeführt (6). Die sonstigen Niedersieder fallen im
Sumpf der Kolonnen (K502) an und werden als Abstrom (7)
entsorgt.
Der Sumpfabstrom von Destillationskolonne (K501) enthält
das gewünschte Produkt N-Methylmethacrylamid und
Hochsieder. Die im Zulauf zur Kolonne (3) enthaltenen
Additionsprodukte, wie β-Methyl- bzw. β-
Dimethylaminoisobuttersäuremethylamid, werden im
Abtriebsteil der Kolonne praktisch vollständig in die
entsprechenden Amine und N-Methylmethacrylamid gespalten.
In einer 3. Destillationskolonne (K503) wird N-
Methylmethacrylamid durch Abdestillation von den
Hochsiedern getrennt.
In der Tabelle 1 sind die sich in der Apparatur an den
entsprechenden Probestellen (siehe Abb. 1) einstellenden
Molenströme angegeben. Methacrylsäuremethylester wurde
nach dem beschriebenen Verfahren zu 95,2% d. Th. in N-
Methylmethacrylamid umgewandelt. Pro Mol gebildetem N-
Methylmethacrylamid wurden 1,15 Mol Methylamin
verbraucht.
Wird die Umsetzung von MMA mit MA mit einem Molverhältnis
1 : 3 unter sonst gleichen Reaktionsbedingungen wie in
Beispiel 1 beschrieben durchgeführt, so ist der Verbrauch
an Monomethylamin 1,11 Mol pro Mol gebildetem N-
Methylmethacrylamid. Die Ausbeute an ungesättigtem Amid
bezogen auf Methacrylsäuremethylester betrug 96% d. Th.
Bei einem eingestellten Verhältnis MMA : MA von 1 : 1
unter sonst gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1, war
die Versuchsdurchführung wegen erheblicher
Polymerisatbildung trotz gleicher Stabilisierung
wesentlich erschwert. Die Ausbeuten verringerten sich auf
76,9% d. Th. Der Verlust an Methylamin pro Mol gebildetem
N-Methylmethacrylamid betrug 0,3 Mol (siehe dazu Abb. 2).
Abb. 2 zeigt den Aminverlust in Abhängigkeit vom
Molverhältnis der Ausgangskomponenten.
Nach diesen Verfahrensbedingungen lassen sich mit ähnlich
gutem Erfolg andere Amine der allgemeinen Formel II zu den
entsprechenden ungesättigten Amiden der Formel I umsetzen.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung N-substituierter Amide der
Acryl- oder Methacrylsäure der Formel I
worin R₁ H oder CH₃ ist und R₂ und R₃ jeweils C₁- bis
C₈-Alkyl-, Aralkyl- oder Arylgruppen oder R₂ H und R₃
C₁- bis C₈-Alkyl-, Aralkyl- oder Arylgruppen oder C₁-
bis C₆-Alkylengruppen, die endständig noch
Substituenten tragen, sind, durch Umsetzung von
Alkylestern der Acryl- oder Methacrylsäure mit Aminen
der Formel II
worin R₂ und R₃ die oben angegebene Bedeutung haben,
gegebenenfalls in Gegenwart eines oder mehrerer der
bekannten Aminolysekatalysatoren,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umsetzung durchgeführt wird in einem Reaktor
bei Temperaturen über 150°C und Drucken <1 bar
durch kontinuierliche Zuführung von Acrylsäure- oder
Methacrylsäurealkylester und Amin im Molverhältnis
von 1 : 2, in Reaktionszeiten von 5 bis 40 Minuten,
bei kontinuierlicher Entnahme des Reaktionsgemisches,
und gegebenenfalls dieses zur Vervollständigung der
Spaltung in ungesättigtes Amid und Amin noch in eine
bei Temperaturen über 160°C betriebene Kolonne
geführt wird, und dieses dann weiter durch
fraktionierte Destillation in das Verfahrensprodukt,
Aminüberschuß und Beiprodukte getrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Amine der Formel II primäre Amine eingesetzt
werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß als Amine der Formel II primäre
aliphatische Amine eingesetzt werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als Amin der Formel II Methylamin
eingesetzt wird.
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