DE60008124T2

DE60008124T2 - Katalysatorzusammensetzung und verfahren zur herstellung von diarylcarbonaten

Info

Publication number: DE60008124T2
Application number: DE60008124T
Authority: DE
Inventors: Fletcher Bruce JOHNSON; Kirill Vladirimovich Shalyaev; Grigorii Lev Soloveichik; James Eric Pressman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: SABIC Global Technologies BV
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2020-07-29
Also published as: KR20020040792A; JP2003508375A; WO2001016086A1; ATE258913T1; CN1218925C; EP1212286B1; DE60008124D1; CN1371354A; US6265340B1; EP1212286A1; US6215014B1; AU6499600A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Diarylcarbonaten durch Carbonylierung. Insbesondere bezieht sie sich auf die Verbesserung der Diarylcarbonatausbeute bei der Carbonylierungsreaktion.
Diarylcarbonate sind wertvolle Zwischenprodukte für die Herstellung von Polycarbonaten durch Umesterung mit Bisphenolen in der Schmelze. Dieses Verfahren der Polycarbonatherstellung hat umweltpolitische Vorteile gegenüber Verfahren, die Phosgen, ein toxisches Gas, als Reagenz und aus Umweltgesichtspunkten nachteilige, chlorierte, aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methylenchlorid, als Lösungsmittel verwenden.
Viele, verschiedene Verfahren zur Herstellung von Diarylcarbonaten durch eine oxidative Carbonylierungs- (im Folgenden gelegentlich einfach kurz als „Carbonylierung" bezeichnet) Reaktion hydroxyaromatischer Verbindungen mit Kohlenmonoxid und Sauerstoff wurden offenbart. Im Allgemeinen erfordert die Carbonylierungsreaktion einen eher komplexen Katalysator. Es wird beispielsweise auf US Patent 4 187 24 verwiesen, in welchem der Katalysator ein Gruppe VIII-Schwermetall ist, d. h. ein Gruppe VIII-Metall mit einer Atomnummer von mindestens 44, wobei die Metalle aus Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin oder einem Komplex davon bestehen.
Die Herstellung der Carbonate kann durch Verwendung eines Metallbasierenden Cokatalysators zusammen mit dem Gruppe VIII-Schwermetallkatalysator verbessert werden. Obwohl die Identität geeigneter Metall-basierender Cokatalysatoren von den spezifischen Reaktionsbedingungen abhängen werden, welche die Identität der Reaktanden und der anderen Bestandteile des Katalysatorpakets umfassen, können manche allgemeinen Hinweise in den US Patenten 4 187 242 und 4 201 721 gefunden werden.
Eine weitere Entwicklung bei der Carbonylreaktion, die die Verwendung spezifischer Bleiverbindungen als Cokatalysatoren beinhaltet, wird in US Patent 5 498 789 offenbart. Gemäß diesem Patent ist auch die Verwendung eines quartären Ammonium- oder Phosphoniumhalogenids, wie dies beispielsweise durch Tetra-n-butylammoniumbromid veranschaulicht wird, erforderlich. Verbindungen, die als inerte Lösungsmittel charakterisiert werden, wie beispielsweise To-1uol, Diethylether, Diphenylether und Acetonitril, können auch vorliegen.
Die kommerzielle Realisierbarkeit der Carbonylierungsreaktion würde enorm vergrößert werden, wenn eine weniger teure Verbindung das quartäre Ammonium- oder Phosphoniumbromid ersetzen könnte. Jedoch führt die Substitution solcher Verbindungen als Natriumbromid zu einer Isolierung des gewünschten Diarylcarbonates in niedriger oder unbedeutender Ausbeute.
Es ist daher von Interesse Katalysatorsysteme zu entwickeln, die eine preiswerte Halogenidverbindung beinhalten und Diarylcarbonate effizient herstellen können. Manche solcher Systeme sind bekannt. Es wird beispielsweise auf die japanische Kokai 10/316 627 verwiesen, die die Verwendung von Palladium und einer Blei- oder Magnesiumverbindung in Kombination mit einem Halogenid, wie beispielsweise Natriumbromid, und mit einem Amid oder Alkylharnstoff offenbart. US Patent 5 726 340 und die Japanische Kokai 9/278 716 offenbaren ähnliche Systeme, bei welchen das Blei mit einem anderen Metall kombiniert wird und bei welchen inerte Lösungsmittel, wie beispielsweise die zuvor genannten, vorliegen können. Die Entwicklung anderer Systeme, die relativ preiswerte Halogenide verwenden, bleibt jedoch wünschenswert.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von Diarylcarbonaten bereit, welches ein relativ preiswertes Halogenid und eine Verbindung beinhaltet, die die Effizienz des Halogenids maximiert. Es wird auch eine Katalysatorzusammensetzung zur Verfügung gestellt, die bei einem solchen Verfahren verwendet werden kann.
Gemäß einem seiner Aspekte stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Diarylcarbonates bereit, welches umfasst, dass man mindestens eine hydroxyaromatische Verbindung mit Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid in der Gegenwart einer für die Carbonylierung effektiven Menge mindestens eines katalytischen Materials in Kontakt bringt, welches umfasst:

(A) ein Gruppe VIII-Metall mit einer Atomnummer von mindestens 44 oder eine Verbindung davon,
(B) mindestens ein Alkalimetallhalogenid oder ein Erdalkalimetallhalogenid, und
(C) mindestens ein Sulfon.

Ein anderer Aspekt der Erfindung sind Katalysatorzusammensetzungen umfassend die zuvor beschriebenen Komponenten A, B und C und irgendwelche Reaktionsprodukte davon.
Irgendeine hydroxyaromatische Verbindung kann bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Monohydroxyaromatische Verbindungen, wie beispielsweise Phenol, die Cresole, die Xylenole, und p-Cumylphenol werden im Allgemeinen bevorzugt, wobei Phenol am meisten bevorzugt wird. Die Erfindung kann jedoch auch mit dihydroxyaromatischen Verbindungen, wie beispielsweise Resorcinol, Hydrochinon und 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)propan oder "Bisphenol A", verwendet werden, wobei die Produkte dann Polycarbonat-Oligomere sind.
Andere Reagenzien bei dem Verfahren dieser Erfindung sind Sauerstoff und Kohlenstoffmonoxid, welche mit dem Phenol reagieren, um das gewünschte Diarylcarbonat zu bilden. Sie können in hochreiner Form oder verdünnt mit einem anderen Gas, wie beispielsweise Stickstoff, Argon, Kohlendioxid oder Wasserstoff, verwendet werden, welches keinen negativen Einfluss auf die Reaktion hat.
Aus Gründen der Kürze, werden die Bestandteile des Katalysatorsystems als "Komponenten" definiert, ohne Rücksicht darauf, ob eine Reaktion zwischen den Bestandteilen vor oder während der Carbonylierungsreaktion auftritt. Daher kann das Katalysatorsystem diese Komponenten und irgendwelche Reaktionsprodukte davon beinhalten.
Komponente A des Katalysatorsystems ist ein Gruppe VIII-Schwermetall, vorzugsweise Palladium oder eine Verbindung davon. Daher beinhalten einsetzbare Palladiummaterialien elementares Palladium enthaltende Einheiten, wie beispielsweise Palladiummohr, Palladium/Kohlenstoff, Palladium/Alumiumoxid und Palladium/Siliziumoxid; Palladiumverbindungen, wie beispielsweise Palladiumchlorid, Palladiumbromid, Palladiumiodid, Palladiumsulfat, Palladiumnitrat, Palladiumacetat und Palladium-2,4-pentandionat; und Palladium-enthaltende Komplexe, die solche Verbindungen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, Amine, Nitrile, Phosphine und Olefine umfassen. Bei vielen Gelegenheiten werden Palladium(II)salze organischer Säuren, am meisten von C₂_₆ aliphatischen Carbonsäuren, und Palladium(II)salze von -Diketonen bevorzugt. Palladium(II)acetate und Palladium(II)-2,4-pentandionate werden im Allgemeinen am meisten bevorzugt. Mischungen der zuvor genannten Palladiummaterialien werden auch in Erwägung gezogen.
Komponente B ist mindestens ein Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhalogenid, vorzugsweise ein Bromid, wie beispielsweise Lithiumbromid, Natriumbromid, Kaliumbromid, Calciumbromid oder Magnesiumbromid. Alkalimetallbromide werden besonders bevorzugt, wobei Natriumbromid wegen seiner besonderen Eignung und den relativ niedrigen Kosten oftmals am meisten bevorzugt wird.
Komponente C ist mindestens ein Sulfon, welches aliphatisch, aromatisch oder heterozyklisch sein kann. Beispielhafte Sulfone sind Dimethylsulfon, Diethylsulfon, Diphenylsulfon und Sulfolan (Tetrahydrothiophen-1,1-dioxid). Sulfolan wird oftmals bevorzugt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt in dem Katalysatorsystem (D) mindestens ein Cokatalysator vor, welcher eine Metallverbindung ist, wobei das Metall kein Gruppe VIII-Schwermetall ist.
Dieses Metall ist vorzugsweise eins, welches in der flüssigen Phase unter den Reaktionsbedingungen löslich ist. Im Stand der Technik ist bekannt, dass zahlreiche andere Metallverbindungen als Carbonylierungscokatalysatoren aktiv sind, und irgendeine Verbindung mit einer solchen Fähigkeit kann gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, vorausgesetzt, dass eine Verbesserung bei der Diphenylcarbonatherstellung, üblicherweise der Ausbeute, wird dadurch erreicht.
Beispielhafte cokatalytische Metalle beinhalten Titan, Kupfer, Zink und Blei, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können. Für die Zwecke dieser Erfindung sind bevorzugte Cokatalysatoren solche, die Metalle enthalten, die keine Gruppe VIII Metalle sind; dies sind andere als Eisen, Kobalt und Nickel. Besonders bevorzugt werden Bleiverbindungen, insbesondere wenn sie alleine oder in Kombination mit Titan verwendet werden. Es sollte jedoch bemerkt werden, dass die Komponente C nicht effektiv ist, die Diarylcarbonat-Bildung für alle möglichen Permutationen der Komponente D zu optimieren; die kombinierte Effizienz der zwei für diesen Zweck kann durch einfaches experimentieren bestimmt werden.
Beispiele der Bleiverbindungen, die verwendet werden können, sind Bleioxide, wie beispielsweise PbO und Pb₃O₄, anorganische Bleisalze, wie beispielsweise Blei(II)nitrat, Bleicarboxylate, wie beispielsweise Blei(II)acetat und Blei(II)propionat, Bleialkoxide und -aryloxide, wie beispielsweise Blei(II)methoxid und Blei(II)phenoxid, und Bleisalze von -Diketonen, wie beispielsweise Blei(II)-2,4-pentandionat. Mischungen der zuvor genannten Bleiverbindungen können auch verwendet werden. Die bevorzugten Bleiverbindungen sind Blei(II)oxid, Blei(II)aryloxid und Blei(II)-2,4-pentandionat.
Beispielhafte Titanverbindungen sind anorganische Titansalze, wie beispielsweise Titan(IV)bromid, Titanalkoxide und -aryloxide, wie beispielsweise Titan(IV)butoxid und Titan(IV)phenoxid, und Titansalze von -Diketonen, wie beispielsweise Titan(IV)oxid-bis-(2,4-pentandionat). Mischungen der zuvor genannten Titanverbindungen können auch verwendet werden. Die bevorzugten Titanverbindungen sind Titan(IV)alkoxide, -aryloxide und -2,4-pentandionate.
Die bevorzugten Verbindungen der anderen Metalle sind größtenteils Salze von -Diketonen und insbesondere 2,4-Pentandionate. Zusätzlich zu den zuvor genannten Reaktanden und dem Katalysatorsystem ist es ganz besonders bevorzugt, dass ein Trockenmittel im Reaktionssystem vorliegt. Die bevorzugten Trockenmittel sind nicht-reaktive Materialien, wie beispielsweise Molekülsiebe, wie beispielsweise durch 3 ngstrom (im folgenden "3A") Molekülsiebe veranschaulicht. Sie werden üblicherweise von den anderen Reaktanden isoliert, wie beispielsweise durch einen Korb, der an einem Rührerschaft befestigt ist.
Die Komponente A liegt in den meisten Fällen in einer Menge von 0,1 bis 10000 Gewichtsteile pro 1 Millionen Gewichtsteile des entsprechenden Gruppe VIII-Metalls (üblicherweise Palladium) vor, bezogen auf das Gesamtgewicht der hydroxyaromatischen Verbindung und der Komponente C, und die Komponente B liegt in einer Menge von 1 bis 2000 mmol pro Äquivalent des Gruppe VIII-Metalls der Komponente A vor. Die Komponente D liegt, sofern sie verwendet wird, im Allgemeinen in einer Menge von 1 bis 200 Grammatom des gesamten Metalls pro Äquivalent des Gruppe VIII-Metalls der Komponente A vor.
Es wird davon ausgegangen, dass die Rolle der Komponente C in der Zusammensetzung und dem Verfahren der Erfindung darin besteht, den Dissoziationsgrad und den Ionisationsgrad des Halogenidanions der Komponente B zu erhöhen, möglicherweise indem ein Komplex mit dem kationischen Teil der Komponente gebildet wird, obwohl die Erfindung nicht davon oder irgendeiner anderen Lehre der Funktionsweise abhängt. Die verwendete Menge der Komponente C wird eine Menge sein, die eine Erhöhung der Ausbeute der gewünschten Diarylcarbonat bewirken kann, wie dies beispielsweise durch eine Erhöhung der "Wechselzahl" gezeigt wird, d. h. der Anzahl der gebildeten Mole Diarylcarbonat pro Grammatom vorliegendem Palladium. Diese Menge ist am häufigsten 1 bis 60 Volumen-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der hydroxyaromatischen Verbindung und der Komponente C.
Das Verfahren der Erfindung wird vorzugsweise in einem Reaktor ausgeführt, in welchem die hydroxyaromatische Verbindung und das Katalysatorsystem unter Druck von Kohlenmonoxid und Sauerstoff eingebracht und erwärmt werden. Der Reaktionsdruck ist am häufigsten innerhalb des Bereichs von 1 bis 500 und vorzugsweise 1 bis 150 atm. Das Gas wird üblicherweise in Teilen von 1–50 Molprozent Sauerstoff, wobei mit Kohlenmonoxid ausgeglichen wird, und auf jeden Fall aus Sicherheitsgründen außerhalb des explosiven Bereichs zugeführt. Die Gase können separat oder in Mischung eingebracht werden. Reaktionstemperaturen im Bereich von 60–150°C sind üblich. Damit die Reaktion so schnell wie möglich ist, ist es bevorzugt, den Gasgesamtdruck und die Partialdrücke von Kohlenmonoxid und Sauerstoff im Wesentlichen aufrecht zu erhalten, bis die Umsetzung der hydroxyaromatischen Verbindung abgeschlossen ist, wie dies beispielsweise in US-Patent 5 399 734 beschrieben wird.
Die durch das Verfahren der Erfindung hergestellten Diarylcarbonate können durch konventionelle Verfahren isoliert werden. Es wird oftmals bevorzugt, ein Addukt des Diarylcarbonates mit der hydroxyaromatischen Verbindung zu bilden und thermisch zu brechen, wie dies beispielsweise in den US-Patenten 5 239 106 und 5 312 955 beschrieben wird.
Das Verfahren der Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht. Es wird davon ausgegangen, dass kleinere Abweichungen bei den Reagenzmengen von einem Beispiel zum anderen Beispiel vom Gesichtspunkt der Ausbeute nicht signifikant sind.
Beispiele 1–4
Die Carbonylierungsversuche wurden in kleinen Fläschchen unter Verwendung von Palladium(II)-2,4-pentandionat, Natriumbromid und Sulfolan mit den Mengen: 24 ppm Palladium bezogen auf Phenol, 270 Äquivalente Natriumbromid pro Äquivalent Palladium und 1 Volumenteil Sulfolan pro 1,86 Volumenteile Phenol. Viele verschiedene Cokatalysatorverbinbungen, die Blei(II)oxid, Titan(IV)oxid-bis-(2,4-pentandionat), Zink-2,4-pentandionat und Kupfer(II)-2,4-pentandionat umfassten, und einzeln oder in Kombination verwendet wurden, wurden als Komponente D verwendet. Jedes Fläschchen wurde mit Schnappdeckeln mit einem Schlitz mit einem Polytetrafluoroethylenseptum verschlossen und die die Fläschchen wurden in einen Autoklaven platziert, der mit einer Mischung aus 91,7 mol-% Kohlenmonoxid und 8,3 mol-% Sauerstoff unter einen Druck von 81,6 atm gesetzt und für 3 Stunden auf 100°C erwärmt wurde. Die Fläschcheninhalte wurden mittels Dampfphasenchromatographie hinsichtlich Diphenylcarbonat untersucht.
Die Ergebnisse werden in der folgenden Tabelle als Mittelwerte doppelter Durchläufe wiedergegeben. Die Cokatalysatoranteile sind in Äquivalenten pro Äquivalent von Palladium und die Sulfolananteile sind in Volumenprozent, bezogen auf Phenol. Es wird mit zwei Vergleichsversuchen pro Beispiel verglichen: Kontrolle 1, in welcher kein Sulfolan verwendet und der Phenolanteil entsprechend erhöht wurde, und Kontrolle 2, in welcher das gleiche zutraf und das Natriumbromid durch eine äquivalente Menge Tetraethylammoniumbromid ersetzt wurde.
Es ist offensichtlich, dass die Verwendung von Sulfolan in jedem Beispiel eine Verbesserung gegenüber der Kontrolle liefert, welche kein Sulfolan verwendet, wobei die Verbesserung von einer bescheidenen in Beispiel 4 bis zu einer sehr signifikanten in den Beispielen 1 und 2 reicht. Bei den Beispielen 2 und 3 waren die Wechselzahlen nahe genug zu denen von Kontrolle 2, welche das teurere, quartäre Ammoniumbromid verwendete, um zum Vergleich einzuladen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Diarylcarbonats, bei dem man mindestens eine hydroxyaromatische Verbindung mit Sauerstoff und Kohlenmonoxid in Gegenwart einer für die Carbonylierung wirksamen Menge mindestens einer katalytischen Substanz in Verbindung bringt, welche: (A) ein Gruppe-VIII-Metall, das eine Ordnungszahl von mindestens 44 besitzt, oder eine Verbindung davon, (B) mindestens ein Alkalimetallhalogenid oder Erdalkalimetallhalogenid, und (C) mindestens ein Sulfon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem mindestens ein Cokatalysator (D) anwesend ist, der eine Verbindung eines nicht-Gruppe-VIIIB-Metalls ist.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die hydroxyaromatische Verbindung Phenol ist.
Verfahren nach Anspruch 2, worin das Gruppe-VIIIB-Metall in der Komponente A Palladium ist.
Verfahren nach Anspruch 4, worin die Komponente A Palladium(II)acetat oder Palladium(II)-2,4-pentandionat ist.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Komponente D ausgewählt ist aus (a) Blei(II)oxid, einem Blei(II)aryloxid oder Blei(II)-2,4-pentandionat, (b) Blei(II)oxid, einem Blei(II)aryloxid oder Blei(II)-2,4-pentandionat, kombiniert mit einem Titan(IV)alkoxid, -aryloxid oder -2,4-pentandionat, (c) Zinkoxid, kombiniert mit einem Titan(IV)alkoxid, -aryloxid oder -2,4-pentandionat, und (d) Kupfer(II)-2,4-pentandionat.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem weiterhin ein Trockenmittel zugegen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Komponente A in der Menge von 0,1–10.000 Gewichts-ppm des Gruppe-VIII-Metalls bezogen auf die Gesamtmenge von hydroxyaromatischer Verbindung und Komponente C zugegen ist, die Komponente B in der Menge von 1–2.000 mmol pro Äquivalent des Gruppe-VIII-Metalls der Komponente A zugegen ist, die Komponente C in der Menge von 1–60 Volumen-% bezogen auf die Gesamtmenge von hydroxyaromatischer Verbindung und Komponente C zugegen ist, und die Komponente D in der Menge von 1–200 Grammatomen des gesamten Metalls pro Äquivalent des Gruppe-VIII-Metalls der Komponente A zugegen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Anteil an Sauerstoff 1–50 Molprozent bezogen auf die Gesamtmenge an Sauerstoff und Kohlenmonoxid beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, worin ein Druck im Bereich von 1–500 atm und eine Temperatur im Bereich von 60–150°C beibehalten werden.
Verfahren zur Herstellung von Diphenylcarbonat, bei dem man Phenol mit Sauerstoff und Kohlenmonoxid in Gegenwart einer für die Carbonylierung wirksamen Menge mindestens einer katalytischen Substanz in Kontakt bringt, welche (A) Palladium oder eine Verbindung davon, (B) Natriumbromid, (C) Sulfolan und (D) mindestens eine Bleiverbindung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, worin die Komponente A Palladium(II)acetat oder Palladium(II)-2,4-pentandionat ist und die Komponente D Diethylenglycoldimethylether oder Triethylenglycoldimethylether ist.
Katalysatorzusammensetzung, umfassend die folgenden Komponenten und jegliche Reaktionsprodukte davon: (A) ein Gruppe-VIII-Metall, das eine Ordnungszahl von mindestens 44 besitzt, oder eine Verbindung davon, (B) mindestens ein Alkalimetallhalogenid oder Erdalkalimetallhalogenid und (C) mindestens ein Sulfon.
Zusammensetzung nach Anspruch 13, die weiterhin mindestens einen Cokatalysator (D) umfasst, der eine Verbindung eines nicht-Gruppe-VIIIB-Metalls ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 14, worin die Komponente A Palladium(II)acetat oder Palladium(II)-2,4-pentandionat ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 14, worin die Komponente D ausgewählt ist aus (a) Blei(II)oxid, einem Blei(II)aryloxid oder Blei(II)-2,4-pentandionat, (b) Blei(II)oxid, einem Blei(II)aryloxid oder Blei(II)-2,4-pentandionat, kombiniert mit einem Titan(IV)alkoxid, -aryloxid oder -2,4-pentandionat, (c) Zinkoxid, kombiniert mit einem Titan(IV)alkoxid, -aryloxid oder -2,4-pentandionat, und (d) Kupfer(II)-2,4-pentandionat.