DE69510563T2 - Verfahren zum caronylieren von aethylen und in diesem gebrauchtes katalytisches system - Google Patents
Verfahren zum caronylieren von aethylen und in diesem gebrauchtes katalytisches systemInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft das Carbonylieren von Ethylen unter Verwendung von Kohlenstoffmonoxid in Gegenwart eines katalytischen Systems sowie ein derartiges katalytisches System.
- Das Carbonylieren von Ethylen unter Verwendung von Kohlenstoffmonoxid in Gegenwart eines Alkohols oder Wasser und eines katalytischen Systems, umfassend ein Metall der VIII. Gruppe, beispielsweise Palladium, und einen Phosphinliganden, beispielsweise ein Alkylphosphin, Cycloalkylphosphin, Arylphosphin, Pyridylphosphin oder zweizähniges Phosphin, wurde in zahlreichen europäischen Patentschriften und Patentanmeldungen beschrieben, beispielsweise in EP-A- 0055875, EP-A-04489472, EP-A-0106379, EP-A-0235864, EP-A- 0274795, EP-A-0499329, EP-A-0386833, EP-A-0441447, EP-A- 0489472, EP-A-0282142, EP-A-0227160, EP-A-0495547 und EP-A- 0495548. Insbesondere wird in EP-A-0227160, EP-A-0495547 und EP-A-0495548 offenbart, daß zweizähnige Phosphinliganden katalytische Systeme bereitstellen, mit denen das Erreichen höherer Reaktionsgeschwindigkeiten ermöglicht wird.
- In EP-A-0375573 wird die Hydroformylierung von Olefinen unter Verwendung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff in Gegenwart eines Rhodiumkomplex-Katalysatorsystems beschrieben. Der Katalysator umfaßt einen Rhodiumkomplex mit mindestens einem zweizähnigen Liganden mit einer bestimmten Struktur. Hydroformylierungsreaktionen bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken mit hohen Reaktionsgeschwindigkeiten und Selektivität für das Aldehydprodukt werden erhalten.
- Das Hauptproblem mit den vorausgehend offenbarten katalytischen Systemen ist, daß der Palladiumkatalysator, obwohl relativ hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erreicht werden können, schnell zerstört wird, was die häufige Ergänzung des Katalysators erfordert, und somit zu einem Verfahren führt, das industriell unattraktiv ist.
- Es wurde nun gefunden, daß mit einer besonderen Gruppe von zweizähnigen Phosphinverbindungen bemerkenswert stabile Katalysatoren bereitgestellt werden können, bei denen wenig oder keine Ergänzung erforderlich ist; daß die Verwendung derartiger zweizähniger Katalysatoren zu Reaktionsgeschwin- digkeiten führt, die signifikant höher sind als solche, die vorausgehend offenbart wurden; daß wenig oder keine Verunreinigungen bei hohen Umsätzen erzeugt werden.
- Demzufolge wird nach der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Carbonylieren von Ethylen bereitgestellt, das die Reaktion von Ethylen mit Kohlenstoffmonoxid in Gegenwart einer Quelle von Hydroxylgruppen und eines katalytischen Systems umfaßt, wobei das katalytische System erhältlich ist durch Kombination:
- (a) eines Metalls der Gruppe VIII oder einer Verbindung davon; und
- (b) eines zweizähnigen Phosphins der allgemeinen Formel (I)
- in der
- R&sup0; ein tertiäres Kohlenstoffatom ist
- jede der Gruppen R¹ R², R³ R&sup4; R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup8;, R&sup9;, R¹&sup0;, R¹¹ und R¹² unabhängig eine gebundene, gegebenenfalls substituierte organische Gruppe ist, die ein Kohlenstoffatom trägt, durch das die Gruppe mit dem jeweiligen R&sup0; verbunden ist;
- jede der Gruppen L¹ und L² unabhängig eine Linkergruppe ist, ausgewählt aus einer gegebenenfalls substituierten C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylenkette, die das jeweilige Phosphoratom mit der Gruppe x verbindet; und
- X eine verbrückende Gruppe ist, die eine gegebenenfalls substituierte Arylgruppe umfaßt, mit der die Phosphoratome über verfügbare benachbarte Kohlenstoffatome verbunden sind.
- Nach einer zweiten Ausgestaltung wird durch die vorliegende Erfindung ein katalytisches System bereitgestellt, das die Katalyse des Carbonylierens von Ethylen ermöglicht, wobei das katalytische System gebildet ist aus
- (a) einem Metall der Gruppe VIII oder einer Verbindung davon; und
- (b) einem zweizähnigen Phosphin der allgemeinen Formel (I)
- in der
- R&sup0; ein tertiäres Kohlenstoffatom ist
- jede der Gruppen R¹, R², R³, R&sup4;, R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup8;, R&sup9;, R¹&sup0;, R¹¹ und R¹² unabhängig ein gebundene, gegebenenfalls substituierte organische Gruppe ist, die ein Kohlenstoffatom trägt, durch das die Gruppe mit dem jeweiligen R&sup0; verbunden ist;
- jede der Gruppen L¹ und L² unabhängig eine Linkergruppe ist, ausgewählt aus einer gegebenenfalls substituierten C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylenkette, die das jeweilige Phosphoratom mit der Gruppe X verbindet; und
- X eine verbrückende Gruppe ist, die eine gegebenenfalls substituierte Arylgruppe umfaßt, mit der die Phosphoratome über verfügbare benachbarte Kohlenstoffatome verbunden sind. Die gebundenen, gegebenenfalls substituierten organischen Gruppen R¹, R², R³, R&sup4;, R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup8;, R&sup9;, R¹&sup0;, R¹¹ und R¹², können unabhängig aus einem weiten Bereich von Komponenten ausgewählt sein. Bevorzugt sind die gebundenen Gruppen gegebenenfalls substituierte C&sub1;- bis C&sub8;-Alkyle und können verzweigt oder linear sein.
- Insbesondere bevorzugt ist, wenn die organischen Gruppen R¹, R², R³, R&sup4;, R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup8;, R&sup9;, R¹&sup0;, R¹¹ und R¹² wenn sie an ihr jeweiliges R&sup0;-Kohlenstoffatom gebunden sind, zusammengesetzte Gruppen bilden, die sterisch mindestens so gehindert wie t-Butyl sind. Sterische Hinderung in diesem Zusammenhang ist, wie auf Seite 14 ff. von "Homogeneous Transition Metal Catalysis - A Gentle Art", von C. Masters, veröffentlicht von Chapman und Hall, 1981, diskutiert.
- Die Linkergruppen, L¹ und L², sind unabhängig aus einer gegebenenfalls substituierten, vorzugsweise C&sub1;- bis C&sub4;- Alkyl-, substituierten C&sub1;- bis C&sub4;-Alkylenkette ausgewählt. Insbesondere bevorzugt ist, wenn sowohl L¹ als auch L² Methylen sind.
- Die verbrückende Gruppe X ist eine Arylgruppe, beispielsweise eine Phenylgruppe, die gegebenenfalls substituiert sein kann, vorausgesetzt, daß die zwei Phosphoratome mit benachbarten Kohlenstoffatomen, beispielsweise an den Positionen 1 und 2 der Phenylgruppe, verknüpft sind. Gegebenenfalls Substitution der Arylgruppe kann durch andere organische Gruppen erfolgen, beispielsweise Alkyl, insbesondere C&sub1;&submin;&sub8;, Aryl, Alkoxy, Carbalkoxy, Halogenid, Nitro, Trihalogenidmethyl und Cyano. Des weiteren kann die Arylgruppe eine kondensierte polycyclische Gruppe sein, beispielsweise Naphtalin, Biphenylen oder Inden.
- Beispiele von geeigneten zweizähnigen Liganden sind Bis(di-t-butylphosphino)-o-xylen (auch bekannt als 1,2 Bis(di-t-butylphosphinomethyl)benzol), Bis(di-t- neopentylphosphino)-o-xylen und Bis-1,2-(di-t- butylphosphino)naphthalin. Zusätzlich kann das zweizähnige Phosphin an ein geeignetes polymeres Substrat über mindestens eine der verbrückenden Gruppe X, der Linkergruppe L¹ oder der Linkergruppe L² gebunden sein, beispielsweise kann Bis(di-t-butylphospino)-o-xylen über die Xylengruppe an Polystyrol gebunden sein zur Bildung eines stationären, heterogenen Katalysators.
- Die verwendete Menge an zweizähnigem Liganden kann innerhalb weiter Grenzen variieren. Bevorzugt liegt der zweizähnige Ligand in einer solchen Menge vor, daß das Verhältnis der Molzahl des vorliegenden zweizähnigen Liganden zu der Molzahl des vorliegenden Gruppe VIII-Metalls 1 bis 50 beträgt, beispielsweise 1 bis 10 und bevorzugt 1 bis mol pro mol.
- Das Kohlenstoffmonoxid kann in Gegenwart anderer Gase, die bei der Reaktion inert sind, verwendet werden. Beispiele derartiger Gase schliessen Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und die Edelgase wie Argon ein.
- Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 20 bis 250ºC, insbesondere von 40 bis 150ºC und speziell von 70 bis 120ºC, durchgeführt.
- Das Verfahren kann unter einem Gesamtdruck von 1 · 10&sup5; bis 100 · 10&sup5; Nm&supmin;² und insbesondere von 5 · 10&sup5; bis 50 · 10&sup5; Nm&supmin;² durchgeführt werden.
- Geeignete Metalle der VIII. Gruppe schliessen Cobalt, Nickel, Palladium, Rhodium und Platin ein. Besonders bevorzugt ist Palladium. Geeignete Verbindungen von derartigen Gruppe VIII-Metallen beinhalten Salze von derartigen Metallen mit, oder Verbindungen, umfassend schwach koordinierte Anionen, abgeleitet von Salpetersäure, Schwefelsäure, niederen Alkansäuren (bis zu C&sub1;&sub2;) wie Essigsäure und Propansäure, Sulfonsäuren wie Methansulfonsäure, Chlorsulfonsäure, Fluorsulfonsäure, Trifluormethansulfonsäure, Benzolsulfonsäure, Naphthalinsulfonsäure, Toluolsulfonsäure, beispielsweise p-Toluolsulfonsäure, t-Butylsulfonsäure, und 2- Hydroxypropansulfonsäure; sulfonierte Ionenaustauscherharze; perhalogenierte Säuren wie Perchlorsäure; perfluorierte Carbonsäure wie Trichloressigsäure und Trifluoressigsäure;
- Orthophosphorsäure, Phosphonsäure wie Benzolphosphonsäure; und Säuren, abgeleitet von Wechselwirkungen zwischen Lewissäuren und Broenstedsäuren. Andere Quellen, die geeignete Anionen bereitstellen können, schliessen die Tetraphenylboratderivate ein. Zusätzlich können nullwertige Palladiumverbindungen mit labilen Liganden, beispielsweise Tri(dibenzylidenaceton)dipalladium, verwendet werden.
- Das katalytische System der vorliegenden Erfindung kann homogen oder heterogen verwendet werden. Vorzugsweise wird das katalytische System homogen verwendet.
- Das katalytische System der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt in der flüssigen Phase gebildet, die durch einen oder mehrere der Reaktanten oder durch die Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels gebildet werden kann.
- Geeignete Lösungsmittel, die in Verbindung mit dem katalytischen System verwendet werden können, beinhalten ein oder mehrere aprotische Lösungsmittel wie Ether, beispielsweise Diethylether, Dimethylether, Dimethylether von Diethylenglykol, Anisol und Diphenylether; aromatische Verbindungen, einschließlich halogenierter Varianten derartiger Verbindungen, beispielsweise Benzol, Toluol, Ethylbenzol, o- Xylen, m-Xylen, p-Xylen, Chlorbenzol, o-Dichlorbenzol, m- Dichlorbenzol und p-Dichlorbenzol; Alkane, einschließlich halogenierter Varianten derartiger Verbindungen, beispielsweise Hexan, Heptan, 2,2,3-Trimethylpentan, Methylenchlorid und Tetrachlorkohlenstoff; Nitrile, beispielsweise Benzonitril und Acetonitril; Ester, beispielsweise Methylbenzoat, Methylacetat und Dimethylphthalat; Sulfone, beispielsweise Diethylsulfon und Tetrahydrothiophen-1,1-dioxid; Amide, einschließlich halogenierter Varianten derartiger Verbindungen, beispielsweise Dimethylformamid und N-Methylpyrrolidon.
- Das katalytische System der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für das Carbonylieren von Ethylen geeignet. Überraschend wurde gefunden, daß Propen derart schwie rig zu carbonylieren ist, daß das vorliegende katalytische System nicht als fähig zum Carbonylieren von Propen angesehen werden kann.
- Das Endprodukt der Reaktion wird mindestens teilweise durch die verwendete Hydroxylgruppenquelle bestimmt. Durch die Verwendung von Wasser wird die entsprechende Carbonsäure bewirkt, während die Verwendung eines Alkanols zu dem entsprechenden Ester führt. Geeignete Alkanole schliessen C&sub1;&submin;&sub3;&sub0;-Alkanole ein, die gegebenenfalls mit einem oder mehreren Substituenten wie Halogenatomen, Cyano-. Carbonyl-, Alkoxy- oder Arylgruppen substituiert sind. Geeignete Alkanole schliessen Methanol, Ethanol, Propanol, 2-Propanol, 2-Butanol, t-Butylalkohol und Chlorcaprylalkohol ein. Besonders geeignet sind Methanol und Ethanol.
- Das Molverhältnis der Menge an in der Reaktion verwendetem Ethylen zu der Menge an hydroxylliefernder Verbindung ist nicht kritisch und kann zwischen weiten Grenzen variieren, beispielsweise von 0,001 : 1 bis 100 : 1 mol/mol.
- Das Produkt der Reaktion kann von den anderen Komponenten durch irgendein geeignetes Mittel getrennt werden. Es ist jedoch ein Vorteil des vorliegenden katalytischen Systems, daß signifikant weniger Nebenprodukte gebildet werden, wodurch der Bedarf an weiterer Reinigung nach der anfänglichen Trennung des Produkts vermindert ist, was die allgemein signifikant höhere Selektivität zeigt. Ein weiterer Vorteil ist, daß die anderen Komponenten, die das katalytische System enthalten, wiedergewonnen und/oder in weiteren Reaktionen mit minimalem Zusatz an frischem Katalysator wiederverwendet werden können.
- Die folgenden Beispiele veranschaulichen weiter die vorliegende Erfindung.
- Bei diesem Beispiel wurde Methylpropionat aus Kohlen stoffmonoxid und Ethylen unter Verwendung von Methanol als der Hydroxylgruppenquelle hergestellt.
- Ein mechanisch gerührter Autoklav mit 2 Litern Kapazität wurde von Luft evakuiert und dann mit einem katalytischen System bestehend aus
- Methanol 300 cm³
- Palladiumacetat 0,1 mmol
- zweizähniger Ligand* 0,3 mmol
- Methansulfonsäure 0,24 mmol
- * -Bis(di-t-butylphosphino)-o-xylen beladen.
- Kohlenstoffmonoxid und Ethylen wurden auf äquimolarer Basis eingeführt, bis ein Druck von 30 · 10&sup5; Nm&supmin;² erreicht wurde. Die Temperatur des Reaktors wurde auf bis zu 100ºC erhöht und gehalten. Mit fortgeschrittener Reaktion wurde ausreichend zusätzliches Methanol eingeführt, um das verbrauchte zu kompensieren, und zusätzliches Kohlenstoffmonoxid und Ethylen wurde (auf äquimolarer Basis) zugegeben, um den Druck aufrechtzuhalten. Palladiumniederschlag wurde nicht beobachtet.
- Beispiel 1 wurde wiederholt, außer daß das Propan- Analoge des zweizähnigen o-Xylens verwendet wurde. Niederschlag von Palladium mit folgender Desaktivierung des Katalysators wurde innerhalb von zwei Stunden beobachtet.
- Die Reaktionsgeschwindigkeit (ausgedrückt als Mol Ethylen pro Mol Palladium pro Stunde), Selektivität für Methylpropionat (% durch Gaschromatographie) und Umsatzzahl, bezogen auf Phosphin (ausgedrückt als Mol Methylpropionat pro Mol Phosphin), für jedes der in Beispiel 1 und 2 beschriebenen katalytischen Systeme ist nachstehend in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
- Daraus kann man ersehen, daß das katalytische System der vorliegenden Erfindung stabiler, reaktiver und selektiver als das herkömmliche zweizähnige System ist.
- Das katalytische System aus Beispiel 1 wurde am Ende des Verfahrens extrahiert und dann mit frischem Methanol und Methansulfonsäure wiederverwendet. Die Aktivität des wiederverwendeten Katalysators war dieselbe wie die des ursprünglichen. Das katalytische System aus Beispiel 2 konnte aufgrund des Niederschlags von Palladium nicht wiederverwendet werden.
- Beispiel 1 wurde unter Verwendung des 4- nitrosubstituierten Analogen des zweizähnigen Liganden wiederholt, das über das aus der Reaktion des geeigneten sekundären Phosphins mit dem entsprechenden aromatischen Dihalogenid erzeugte Phosphoniumsalz hergestellt wurde.
- Beispiel 4 wurde unter Verwendung des 4- methoxysubstituierten Analogen wiederholt. Die Ergebnisse von Beispiel 4 und 5 waren wie folgt:
- Beispiel 1 wurde wiederholt, außer daß eine alternative Palladiumquelle verwendet wurde. Der Katalysator wurde durch Mischen des zweizähnigen Phosphins,
- Tris(dibenzylidenaceton)dipalladium, bekannt als DBA, und Sulfonsäure in einem Molverhältnis von 2 : 1 : 3 hergestellt. Das Phosphin und DBA wurden vor der Zugabe der Säure zusammengemischt.
- Die Reaktion wurde unter Verwendung einer äquimolaren Mischung aus Methanol und Methylpropionat bei einem Gesamtdruck von 15 barg (unter Verwendung einer 1 : 1-Mischung aus Kohlenstoffmonoxid und Ethylen) durchgeführt. Die Reaktionstemperatur betrug 80ºC.
- Beispiel 6 wurde wiederholt, außer daß bei dem Ligand eine der t-Butylgruppen an jedem Phosphoratom durch Cyclohexylgruppen ersetzt wurden.
- Beispiel 6 wurde wiederholt, außer daß die t- Butylgruppen des Liganden durch Cyclohexylgruppen ersetzt wurden.
- Beispiel 6 wurde wiederholt, außer daß die t- Butylgruppen des Liganden durch Isopropylgruppen ersetzt wurden.
- Beispiel 6 wurde wiederholt, außer daß die t- Butylgruppen des Liganden durch Phenylgruppen ersetzt wurden.
- Beispiel 6 wurde wiederholt, außer daß beide Methylen- Linkergruppen durch Sauerstoffatome ersetzt wurden. Das Phosphinit wurde aus einem aromatischen Diol und Chlordi(t- butyl)phosphin synthetisiert.
- Beispiel 11 wurde wiederholt, außer daß das 4-t- butylsubstituierte Analoge des Liganden verwendet wurde.
- Die Ergebnisse der Beispiele 6 bis 12 waren wie folgt:
Claims (5)
1. Verfahren zum Carbonylieren von Ethylen, das eine
Reaktion von Ethylen mit Kohlenstoffmonoxid in Gegenwart einer
Hydroxylgruppenquelle und eines katalytischen Systems
umfaßt, wobei das katalytische System erhältlich ist durch
Kombination:
(a) eines Metalls der Gruppe VIII oder einer Verbindung
davon; und
(b) eines zweizähnigen Phosphins der allgemeinen Formel
(I)
in der
R&sup0; ein tertiäres Kohlenstoffatom ist
jede der Gruppen R¹, R², R³, R&sup4;, R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup8;, R&sup9;, R¹&sup0;,
R¹¹ und R¹² unabhängig eine gebundene, gegebenenfalls
substi
tuierte organische Gruppe ist, die ein Kohlenstoffatom
trägt, durch das die Gruppe mit dem jeweiligen R&sup0; verbunden
ist;
jede der Gruppen L¹ und L² unabhängig eine Linkergruppe
ist, ausgewählt aus einer gegebenenfalls substituierten C&sub1;-
bis C&sub4;-Alkylenkette, die das jeweilige Phosphoratom mit der
Gruppe X verbindet; und
X eine verbrückende Gruppe ist, die eine gegebenenfalls
substituierte Arylgruppe umfaßt, mit der die Phosphoratome
über verfügbare benachbarte Kohlenstoffatome verbunden sind.
2. Katalytisches System, fähig zur Katalyse der
Carbonylierung eines Ethylens, wobei das katalytisches System gebildet
ist aus
(a) einem Metall der Gruppe VIII oder einer Verbindung
davon; und
(b) einem zweizähnigen Phosphin der allgemeinen Formel
(I)
in der
R&sup0;
ein tertiäres Kohlenstoffatom ist
jede der Gruppen R¹, R², R³, R&sup4;, R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup8;, R&sup9;, R¹&sup0;,
R¹¹ und R¹² unabhängig eine gebundene, gegebenenfalls
substituierte organische Gruppe ist, die ein Kohlenstoffatom
trägt, durch das die Gruppe mit dem jeweiligen R&sup0; verbunden
ist;
jede der Gruppen L¹ und L² unabhängig eine Linkergruppe
ist, ausgewählt aus einer gegebenenfalls substituierten C&sub1;-
bis C&sub4;-Alkylenkette, die das jeweilige Phosphoratom mit der
Gruppe X verbindet; und
X eine verbrückende Gruppe ist, die eine gegebenenfalls
substituierte Arylgruppe umfaßt, mit der die Phosphoratome
über verfügbare benachbarte Kohlenstoffatome verbunden sind.
3. Verfahren oder katalytisches System nach Anspruch 1 oder
Anspruch 2, wobei die gebundenen, gegebenenfalls
substituierten organischen Gruppen, R¹, R², R³, R&sup4;, R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup5;&sup8;, R&sup9;,
R¹&sup0;, R¹¹ und R¹², unabhängig aus gegebenenfalls substituierte
C&sub1;- bis C&sub8;-Alkylen ausgewählt sind.
4. Verfahren oder katalytisches System nach einem der
vorstehenden Ansprüche, wobei die organischen Gruppen, R¹,
R², R³, R&sup4;, R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup8;, R&sup9;, R¹&sup0;, R¹¹ und R¹², derart mit ihrem
jeweiligen R&sup0;-Kohlenstoffatom verbunden sind, daß sie
zusammengesetzte Gruppen bilden, die sterisch mindestens so
gehindert sind wie t-Butyl.
5. Verfahren oder katalytisches System nach einem der
vorstehenden Ansprüche, wobei sowohl L¹ als auch L² Methylen
sind.
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