Verfahren zur Herstellung von N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactam
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactam.
Es ist bekannt, N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactam durch Umsetzung von ε-Caprolactam mit Phosgen in Gegenwart eines tertiären aliphatischen Amins als Chlorwasserstoff bindendem Mittel herzustellen.
WO 00/02863 offenbart die Herstellung von N,N'-Carbonyldimidazolen durch Umsetzung von Imidazol mit Phosgen in Gegenwart eines tertiären Amins in einem inerten organischen Lösungsmittel. Als tertiäre Amine werden aliphatische tertiäre Amine, nämlich Trimethyl-, Triethyl-, Tripropyl- und Tributylamin genannt.
WO 98/31672 offenbart ebenfalls die Herstellung von N,N'-Carbonyldimidazolen durch Umsetzung von Imidazol mit Phosgen in Gegenwart eines tertiären Amins in einem inerten organischen Lösungsmittel und nennt als tertiäre Amine neben aliphatischen Aminen auch Triphenylamin, Tribenzylamin, 1-Methylpyrrolidin, 1-Methylpyrrol und 1-Methylpiperi- din.
US 3,862,262 offenbart die Herstellung von N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactam durch Umsetzung von ε-Caprolactam mit Phosgen in Gegenwart von Triethylamin in Benzol als Lösungsmittel. Die Aufarbeitung erfolgt durch Filtrieren, Waschen des produkthaltigen Filtrats mit Wasser, Abziehen des Lösungsmittels und Umkristallisieren aus Isopropanol.
JP 42/17 832 offenbart die Herstellung von N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactam durch Reaktion von ε-Caprolactam mit Phosgen in Gegenwart von Trimethylamin, Triethylamin, Tripropylamin und Tributylamin in Lösungsmitteln wie Benzol, Toluol und Diethylether. In einem Beispiel wird Caprolactam mit Phosgen in Gegenwart von Triethylamin in Benzol als Lösungsmittel umgesetzt. Zur Aufarbeitung wird die produkthaltige Lösung filtriert, das Filtrat mit Wasser gewaschen und das Lösungsmittel abgezogen.
Die Ausbeute der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist nicht immer zufriedenstellend.
Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Carbonylbis-ε- caprolactam bereitzustellen, welches hohe Ausbeuten ergibt.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von N,N'-Carbonylbis-ε- caprolactam durch einstufige Umsetzung von ε-Caprolactam mit Phosgen, gegebenenfalls in einem inerten organischen Lösungsmittel, in Gegenwart einer organischen Stickstoff- base ohne acylierbares Stickstoffatom, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Stick- stoffbase einen pKa-Wert zwischen 5 und 7 aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung dieser organischen Stickstoffbasen als Chlorwasserstoff bindende Mittel in einem einstufigen Verfahren zur Herstellung von N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactam.
Beispiele für geeignete organische Stickstoffbasen mit einem pKa-Wert zwischen 5 und" 7 sind N,N-Dimethylanilin, N,N-Diethylanilin, 1-Methylimidazol, 1-Methylbenzimidazol, alpha-, beta- und gamma-Picolin, Pyridin, 2-Ethylpyridin, 2,3-Lutidin, 2,4-Lutidin, 3,5- Lutidin, 2-Methylchinolin, 4-Methylchinolin und 5-Methylchinolin.
Bevorzugte organische Stickstoffbasen weisen einen pKa-Wert zwischen 6 und 7 auf. Beispiele sind N,N-Diethylanilin, alpha- und gamma-Picolin, 2,3-, 2,4- und 3,5-Lutidin.
Als organische Stickstoffbase besonders bevorzugt ist N,N-Diethylanilin.
Die Umsetzung kann in einem inerten organischen Lösungsmittel durchgeführt werden. Beispiele für geeignete organische Lösungsmittel sind Benzol, Toluol, Ethylbenzol, o-, m- und p-Xylol und deren Gemische, beispielsweise technische Xylol-Gemische, die bis zu 25 Gew.-% Ethylbenzol enthalten können, Chlorkohlenwasserstoffe wie Methylenchlorid, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Chlorbenzol, o-, m- und p-Dichlorbenzol, Ether wie Diethylether, Diisopropylether, Tetrahydrofuran und Dioxan, Ester wie Essigsäure- ethylester und Kohlenwasserstoffe wie Hexan, Petrolether, Ligroin und Cyclohexan. Be- vorzugte Lösungsmittel sind Toluol, o-, m- und p-Xylol und deren Gemische.
Üblicherweise werden ε-Caprolactam und das tertiäre aromatische A in in stöchiome- trischen Mengen, das heißt 2 Mol der organischen Stickstoffbase pro Mol ε-Caprolactam, vorgelegt und Phosgen bis zur vollständigen Umsetzung eingegast.
Die Umsetzung wird üblicherweise bei einer Temperatur von 0 bis 90 °C, vorzugsweise von 20 bis 50 °C, beispielsweise 40 °C, durchgeführt. Die Reaktionsdauer beträgt im allgemeinen 2 bis 12 h.
Die Isolierung des N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactam kann in an sich bekannter Weise erfolgen durch Extraktion der Produktlösung mit Wasser oder wässriger Mineralsäure zur Entfernung von gebildetem Hydrochlorid der Stickstoffbase, anschließendem Abdestillieren des Lösungsmittels und Reinigung des N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactam durch Umkristallisieren aus einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Isopropanol oder Cyclohexan.
Bevorzugt wird die Umsetzung in Gegenwart eines inerten organischen Lösungsmittels durchgeführt und das N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactam aus der Produktlösung isoliert, wobei die Isolierung die Schritte umfasst:
(a) gegebenenfalls Abdestillieren eines Teils des organischen Lösungsmittels von der Produktlösung;
(b) Zugabe von Wasser zu der Produktlösung;
(c) Entfernung des organischen Lösungsmittels durch azeotrope Destillation, gegebenenfalls unter Ersatz des abdestillierten Wassers, wodurch die Produktlösung an organischem Lösungsmittel verarmt;
(d) Kristallisieren lassen von N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactam aus der an organischem Lösungsmittel verarmten Lösung, wobei eine wässrige Suspension von N,N'-Carb- onylbis-ε-caprolactam erhalten wird; und
(e) Abtrennung des Kristallisats.
Geeignete organische Lösungsmittel sind dabei solche, die mit Wasser Azeotrope bilden, wie Toluol, Ethylbenzol, Xylole, Dichlormethan, Chloroform sowie Mischungen von Ethylbenzol mit Xylolisomeren, besonders bevorzugt sind o-, m- und p-Xylol und deren technische Gemische, die bis zu 25 Gew.-% Ethylbenzol enthalten können. Beispielsweise kann die azeotrope Destillation mit Xylol bei einem Druck von 20 bis 400 mbar und einer Temperatur von 10 bis 80°C durchgeführt werden.
Das in Schritt (c) mit abdestillierte Wasser wird vorzugsweise zumindest teilweise ersetzt. Dies kann in der Weise geschehen, dass in dem abdestillierten Wasser/Lösungsmittel- Gemisch in einem Wasserabscheider eine Phasentrennung herbeigeführt und die wässrige Phase in die Produktlösung zurückgeführt wird. Diese Verfahrensvariante wird auch als "Auskreisen" des organischen Lösungsmittels bezeichnet. Es kann aber auch das abdestillierte Wasser durch Frischwasser ersetzt werden.
Es ist aber auch möglich, in Schritt (b) soviel Wasser zuzugeben, dass auch ohne Ersatz von Wasser nach Abdestillieren des inerten organischen Lösungsmittels eine rührfahige wässrige Suspension von N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactam verbleibt.
Den Schritten (a) bis (e) gehen vorzugsweise ein oder mehrere Extraktionsschritte voran, bei denen die Produktlösung zur Entfernung des Hydrochlorids der organischen Stick- stoffbase mit Wasser oder wässriger Mineralsäure extrahiert wird. Vor Zugabe von Wasser in Schritt (b) kann in einem Schritt (a) ein Teil des organischen Lösungsmittels abdestilliert werden.
Die Umsetzung mit Phosgen kann diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden. Geeignete Reaktionsapparate sind Rührkessel, Schlaufenreaktoren, Blasensäulen, Rohrreaktoren und Rührkesselkaskaden.
Die Aufarbeitung erfolgt im allgemeinen diskontinuierlich. Geeignete Extraktionsapparate sind beispielsweise Rührkessel, Mixer-Settler und Extraktionskolonnen. Die azeotrope Destillation kann in Rührkesseln, Rührkesseln mit aufgesetzter Destillationskolonne oder Destillationskolonnen erfolgen. Dabei wird im allgemeinen bei vermindertem Druck gearbeitet.
Die Kristallisation des N,N'-Carbonylbis-ε-caprolactams kann beispielsweise in Rührkes- sein, in Fließbettkristallisatoren oder Zwangsumlaufkristallisatoren erfolgen. Die Abtrennung des Kristallisats kann beispielsweise mittels Nutschen oder Zentrifugen wie Rühr- drucknutschen, Filterpressen, Schälzentrifugen oder Schubzentrifugen erfolgen.
An die Abtrennung schließt sich im allgemeinen die Trocknung des Kristallisats, bei- spielsweise in einem Schaufeltrockner, Kegelschneckentrockner oder Wirbelschichttrockner an.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Base mit einem pKa-Wert zwischen 5 und 7 wird eine erhebliche Ausbeutesteigerung erreicht.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert.
Beispiele
Beispiel
1000 ml Xylol, 452,6 g (4 mol) Caprolactam und 686,5 g (4,6 mol) N,N-Diethylanilin (pKa = 6,6) werden vorgelegt. Unter Rühren und bei 40°C werden 227,5 g (2,3 mol) Phosgen eingegast, die Temperatur wird bei 40°C gehalten. Man rührt eine Stunde bei 40°C nach und strippt danach 2 h bei 40°C mit ca. 50 1 h Stickstoff. Man addiert 500 ml Wasser und rührt 15 min intensiv. Man trennt die wässrige Phase ab und reextrahiert diese zweimal mit je 300 ml Xylol jeweils 15 min. Die xylolischen Extrakte werden vereinigt. Von dieser xylolischen CBC-Lösung wird unter Rühren bei 50 mbar Druck und 40°C Innentemperatur 900 ml Xylol abdestilliert. Man addiert 1500 ml Wasser und destilliert bei 50 mbar Druck und 40°C Innentemperatur das restliche Xylol (ca. 700 ml) azeotrop ab. Die dabei entstehende CBC-Suspension wird unter Rühren auf 25°C abgekühlt und filtriert. Der Filterkuchen wird mit 2 x 100 ml 25 °C warmen Wasser gewaschen, abfiltriert und anschließend 1 h trockengesaugt. Man erhält 508 g noch feuchtes CBC (ca. 10 % Restfeuchte), das bei 100 mbar und 50°C über Nacht getrocknet wird. Nach der Trocknung erhält man 455,6 g CBC, entsprechend 89,5 % isolierter Ausbeute mit einer Reinheit > 99 % (HPLC), Wassergehalt 0,18 %.
Vergleichsbeispiel
1000 ml Xylol, 452,6 g ( 4 mol) Caprolactam und 465,5 g (4,6 mol) Triethylamin (PKa = l,0)werden vorgelegt. Unter Rühren und bei 40°C werden 227,5 g (2,3 mol) Phosgen eingegast, die Temperatur wrid bei 40°C gehalten. Man rührt eine Stunde bei 40°C nach und strippt danach 2 h bei 40°C mit ca. 50 1/h Stickstoff. Man addiert 500 ml Wasser und rührt 15 min intensiv. Man trennt die wässrige Phase ab und reextrahiert diese zweimal mit je 300 ml Xylol jeweils 15 min. Die xylolischen Extrakte werden vereinigt. Von dieser
xylolischen CBC-Lösung wird unter Rühren bei 50 mbar Druck und 40°C Innentemperatur 900 ml Xylol abdestilliert. Man addiert 1500 ml Wasser und destilliert bei 50 mbar Druck und 40°C Innentemperatur das restliche Xylol (ca. 700 ml) azeotrop ab. Die dabei entstehende CBC-Suspension wird unter Rühren auf 25 °C abgekühlt und filtriert. Der Filterkuchen wird mit 2 x 100 ml 25°C warmen Wasser gewaschen, abfiltriert und anschließend 1 h trockengesaugt. Man erhält 255 g noch feuchtes CBC (ca. 10 % Restfeuchte), das bei 100 mbar und 50°C über Nacht getrocknet wird. Nach der Trocknung erhält man 228,3 g CBC, entsprechend 43,0 % isolierter Ausbeute mit einer Reinheit von 95 % (HPLC), Wassergehalt 0,17 %.