Verfahren zur Herstellung von Pyridincarbonsäuren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pyridincarbonsäuren durch Oxydation von Alkylpyridinen mit Salpetersäure bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck.
Es ist bekannt, Pyridincarbonsäuren durch Oxydation von Alkylpyridinen mit Salpetersäure herzustellen. Dabei wird im allgemeinen so vorgegangen, dass die die Pyridincarbonsäure enthaltende Lösung aus dem Reaktor mit einem pH-Wert austritt, der genau dem isoelektrischen Punkt der Pyridincarbonsäure entspricht. Die Pyridincarbonsäure kristallisiert aus und wird abgetrennt.
Der Nachteil dieser Arbeitsweise liegt jedoch darin, dass die Pyridincarbonsäure als unreines Produkt anfällt und die anfellende Mutterlauge noch grosse Mengen Pyridinbasen und Pyridincarbonsäure enthält. Eine Aufarbeitung dieser Mutterlauge ist sehr aufwendig und unbefriedigend. Wird nach diesem Verfahren beispielsweise Nicotinsäure durch Oxydation von 2-Methyl-5-äthylpyridin hergestellt, so geht man von einem Ausgangsgemisch, das pro Mol Ausgangsmaterial 5-6 Mol HNO3 enthält, aus, setzt zunächst dieses Gemisch bei 190-2000C und 35 atü zu Isocinchomeronsäure um und decarboxyliert diese weiter bei 2200C zu Nicotinsäure. Die Verweilzeit beträgt etwa 40-45 Min. Die den Reaktor verlassende Lösung besitzt einen pH-Wert von 3,4. Aus dieser Lösung kristallisiert Nicotinsäure als stark gelbliches Produkt aus.
Der Umsatz liegt bei etwa 80%, die Ausbeute beträgt etwa 70%, bezogen auf den Umsatz. Die anfallende Mutterlauge muss eingedampft werden, um noch Nicotinsäure daraus zu isolieren. Aus dem verbleibenden Filtrat wird noch nicht umgesetztes Ausgangsmaterial isoliert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Verfahren zu beseitigen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass man zur Oxydation der Alkylpyridine Salpetersäure in solcher Menge verwendet, dass der Überschuss an HNO3 über die zur Oxydation theoretisch benötigte Menge 25600% beträgt, dass man das Gemisch bei Temperaturen von 180-2600C und Drücken von 20-60 atü, bei einer Verweilzeit von 1-20 Minuten umsetzt, das entstehende Reaktionsgemisch auf eine HNO3-Konzentration von 1028% einstellt, die Pyridincarbonsäure in Form ihres Hydronitrates bei 0-200C auskristallisiert und von der sauren Mutterlauge abtrennt, das kristallisierte Pyridincarbonsäurehydronitrat in Wasser löst, die Lösung mit der entsprechenden Ausgangsbase (Alkylpyridin) auf den isoelektrischen Punkt der herzustellenden Pyridincarbonsäure einstellt,
die dabei auskristallisierende Pyridincar bonsäure von der basenhaltigen Mutterlauge abtrennt, die beiden Mutterlaugen vereinigt, auf Ausgangskonzentration bringt und in den Prozess zurückführt.
Durch die Anwendung eines Überschusses an HNO3, der vorzugsweise bei 30-40% über der zur Oxydation theoretisch notwendigen Menge liegt, fällt nach der Umsetzung das Hydronitrat der Pyridincarbonsäure an.
Die Verweilzeit beträgt zweckmässig 8-14 Minuten, um einerseits die Umsetzung möglichst vollständig zu machen, anderseits einem Zerstören der entstandenen Pyridincarbonsäure entgegenzuwirken.
Das anfallende, das Hydronitrat enthaltende, Reaktionsgemisch muss nun auf eine solche HNO3-Konzentration gebracht werden, damit infolge eines Löslichkeitsminimums die Hauptmenge des Hydronitrates aus fällt. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, das Hydronitrat bei 4 bis 120C aus der Reaktionslösung, die auf eine Konzentration von 12-25% Hin03 eingestellt war, auszufällen.
Das ausgefällte und isolierte Hydronitrat wird anschliessend in wenig Wasser gelöst und die Pyridincarbonsäure durch Hinzufügen von frischem Alkylpyridin in Freiheit gesetzt. Die Pyridincarbonsäure fällt dabei aus. Die zuzusetzende Menge an Alkylpyridin hängt vom isoelektrischen Punkt der auszufällenden Pyridincarbonsäure ab. Um reines Endprodukt zu erhalten, ist es zweckmässig, nach dem Ausfällen der Pyridincarbonsäure noch kurz zu erwärmen, dadurch die Säure noch einmal in Lösung zu bringen und wieder abzukühlen.
Die nach dem Abtrennen von der basenhaltigen Mutterlauge anfallende Pyridincarbonsäure ist ein reines Produkt.
Da die Pyridincarbonsäure mit Alkylpyridin in Freiheit gesetzt wurde, enthält die nach Abtrennung der Säure anfallende Mutterlauge bereits grosse Mengen an Ausgangsprodukt. Diese Mutterlauge wird mit der bei der Abtrennung des Hydronitrates anfallenden Mutterlauge vereint, mit weiterem Ausgangsprodukt und HNO3 wieder auf Ausgangskonzentration gebracht und wieder in den Prozess zurückgeführt.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren können die verschiedensten Pyridincarbonsäuren hergestellt werden, z.B. Nicotinsäure, Isonicatinsäure, Picolinsäure, Isocinchomeronsäure, Cinchomeronsäure.
Als Alkylpyridine kommen beispielsweise Methyl -äthylpyridin, Picoline, Collidine, Lutidine, Äthylpyridine zum Einsatz.
Nach dem Verfahren der Erfindung fällt die Pyridincarbonsäure als reines weisses Produkt an. Eine weitere Reinigung braucht nicht nachgeschaltet zu werden. Die Umsätze, die nach der Erfindung erzielt werden, liegen bei 95-99%, die Ausbeuten können bis zu 94%, bezogen auf den Umsatz, betragen. Infolge der kurzen Verweilzeit bei der Umsetzung lässt das Verfahren eine hohe Raum-Zeitausbeute zu. Weiter entfällt jegliche Aufbereitung der Mutterlauge.
Beispiele
1. Durch ein Reaktorrohr aus V2A-Stahl mit einem Inhalt von 1,48 lt wurden bei einer Temperatur von 2390C und 55 atü Druck 4632 g eines Gemisches von 6,3% 2-Methyl-5-äthyl-pyridin und 28,1% HNO3 (entsprechend einem Überschuss von etwa 42% über die theoretisch notwendige Menge) während 35 Min. geführt (Verweilzeit 12,72 Minuten). Es resultierten 3966 g flüssigen Reaktionsproduktes. Der Rest, 666 g (14,35%), wurde gasförmig abgeführt. Das Reaktionsprodukt wurde durch Eindampfen auf eine Salpetersäurekonzentration von 15% gebracht und auf 50C gekühlt. Dabei kristallisierten 354,2 g Nicotinsäurehydronitrat mit einem Nicotinsäuregehalt von 66,1% aus. Dieses Produkt wurde durch Zentrifugieren von der sauren Mutterlauge (833 g) abgetrennt. In der Mutterlauge waren weitere 30,8 g Nicotinsäure enthalten. Der Gehalt an Isocinchomeronsäure in der Mutterlauge lag unter 0,1%.
Das Nicotinsäurehydronitrat (354,2 g) wurde in 1100 g Wasser gelöst, auf 600C erwärmt und mit 2-Methyl-5 -äthyl-pyridin (230 g) auf einen pH-Wert von 3,3 gebracht und auf 900C erwärmt. Nach dem Abkühlen wurde die in Freiheit gesetzte Nicotinsäure abzentrifugiert und getrocknet. Es resultierten 188 g Nicotinsäure. Bei einem Umsatz von 95%, bezogen auf eingesetztes 2-Methyl-5-äthylpyridin, entspricht dies einer isolierten Aus beute von 66,9%. Die Gesamtausbeute (isolierte Nicotinsäure + Nicotinsäure in Mutterlauge) betrug 94,5%. Die beiden Mutterlaugen wurden vereint und enthielten noch 77,8 g Nicotinsäure und 244,81 g 2-Methyl-5-äthylpyridin. Diese vereinigten Mutterlaugen wurden mit 2-Methyl -5-äthylpyridin und Salpetersäure auf die Ausgangskonzentration und -menge gebracht.
Die so wieder auf Ausgangsmenge und -konzentration gebrachte Lösung wurde, wie vorher beschrieben, umgesetzt und aufgearbeitet. Es resultierten dabei 250 g Nicotinsäure, entsprechend einer isolierten Ausbeute von 88,9%, bei einem Umsatz von 95%. Die anfallende Nicotinsäure war rein weiss. Die Reinheit betrug 99,6%.
2. Die Mutterlauge eines früheren Ansatzes, enthaltend 77,0 g Nicotinsäure, 236,7 g 2-Methyl-5-äthylpyridin und 120 g HNO3 (100%) wurde mit 2-Methyl-5-äthylpyridin und Salpetersäure auf eine Menge von 4432 g mit einer Konzentration von 4,68% 2-Methyl-5-äthylpyridin und 19,5% NHO3 (entsprechend einem Überschuss von 32%) gebracht und durch ein Titanreaktorrohr mit einem Inhalt von 1,6 1(Länge etwa 16 m) bei 2340C und 52 atü bei einer Verweilzeit von 8,7 Min. geführt. Die Aufarbeitung erfolgte wie in Beispiel 1. Es resultierten bei einem Umsatz von 97,3% 166 g Nicotinsäure, entsprechend einer isolierten Ausbeute von 82,0%. Die Mutterlaugen wurden wieder vereint und in den Prozess zurückgeführt.
3. Durch ein Reaktorrohr aus Titan mit einem Inhalt von 1,6 1 (Länge ca. 16 m) wurden bei einer Temperatur von 2600C und 50 atü Druck 4500 g eines Gemisches von 5,18% ,-Picolin und 35% Salpetersäure (entsprechend einem Überschuss von 400% über die theoretisch notwendige Menge) mit einer Verweilzeit von 3,75 Minuten geführt.
Es resultierten 4115 g flüssigen Reaktorproduktes.
Der Rest, 385 g (8,6%), wurde gasförmig abgeführt. Das Reaktionsprodukt wurde auf eine HNO3-Konzentration von 25% gebracht und auf 5 C gekühlt Dabei kristallisierten 213,4 g Nicotinsäurehydronitrat mit einem Nicotinsäuregehalt von 66,3% aus. Dieses Produkt wurde durch Zentrifugieren von der sauren Mutterlauge (950 g) abgetrennt. In der Mutterlauge waren weitere 47,5 g Nicotinsäure enthalten.
Das Nicotinsäurehydronitrat (213,4 g) wurde in 710 g Wasser gelöst, auf 600C erwärmt, mit p-Picolin (107 g) auf einen pH-Wert von 3,4 gebracht und auf 950C erwärmt.
Nach dem Abkühlen wurde die in Freiheit gesetzte Nicotinsäure abzentrifugiert und getrocknet. Es resultieten 113,0 g Nicotinsäure. Bei einem Umsatz von 68,6%, bezogen auf eingesetztes j3-Picolin, entspricht dies einer isolierten Ausbeute von 60,4%. Die Gesamtausbeute (isolierte Nicotinsäure + Nicotinsäure in der Mutterlauge) betrug 89,0%.
Die saure und die basenhaltige Mutterlauge wurden vereint und enthielten noch 47,5 g Nicotinsäure und 180 g p-Picolin. Diese vereinigten Mutterlaugen wurden mit 8- -Picolin ud HNO3 auf Ausgangskonzentration und -menge gebracht.
Die so auf Ausgangsmenge und -konzentration gebrachte Lösung wurde - unter den Bedingungen wie oben beschrieben - umgesetzt und aufgearbeitet. Es resultierten dabei 151,8 g Nicotinsäure, entsprechend einer isolierten Ausbeute von 80,5%, bezogen auf einen Umsatz von 68,6%. Die anfallende Nicotinsäure war rein weiss, ihr Gehalt betrug 99,7%.
Process for the preparation of pyridinecarboxylic acids
The invention relates to a process for the preparation of pyridinecarboxylic acids by oxidation of alkylpyridines with nitric acid at elevated temperature and elevated pressure.
It is known to produce pyridinecarboxylic acids by oxidizing alkylpyridines with nitric acid. The procedure here is generally such that the solution containing the pyridinecarboxylic acid emerges from the reactor with a pH value which corresponds exactly to the isoelectric point of the pyridinecarboxylic acid. The pyridinecarboxylic acid crystallizes out and is separated off.
The disadvantage of this procedure, however, is that the pyridinecarboxylic acid is obtained as an impure product and the resulting mother liquor still contains large amounts of pyridine bases and pyridinecarboxylic acid. Working up this mother liquor is very expensive and unsatisfactory. If, for example, nicotinic acid is produced by this process by oxidation of 2-methyl-5-ethylpyridine, a starting mixture containing 5-6 moles of HNO3 per mole of starting material is used Isocinchomeronic acid and decarboxylates this further at 220 ° C to nicotinic acid. The residence time is about 40-45 minutes. The solution leaving the reactor has a pH of 3.4. Nicotinic acid crystallizes out from this solution as a very yellowish product.
The conversion is about 80%, the yield is about 70%, based on the conversion. The resulting mother liquor has to be evaporated in order to isolate nicotinic acid from it. Unreacted starting material is isolated from the remaining filtrate.
The invention is based on the object of eliminating the disadvantages of the known methods.
According to the invention, this is achieved by using nitric acid for the oxidation of the alkylpyridines in such an amount that the excess of HNO3 over the amount theoretically required for the oxidation is 25,600%, that the mixture is used at temperatures of 180-2600C and pressures of 20-60 atü, with a residence time of 1-20 minutes, the resulting reaction mixture adjusts to an HNO3 concentration of 1028%, the pyridinecarboxylic acid crystallizes out in the form of its hydronitrate at 0-200C and is separated from the acidic mother liquor, the crystallized pyridinecarboxylic acid hydronitrate dissolves in water, adjusts the solution with the appropriate starting base (alkylpyridine) to the isoelectric point of the pyridinecarboxylic acid to be produced,
the pyridinecarboxylic acid that crystallizes out is separated from the base-containing mother liquor, the two mother liquors are combined, brought to the initial concentration and returned to the process.
By using an excess of HNO3, which is preferably 30-40% above the amount theoretically necessary for oxidation, the hydronitrate of the pyridinecarboxylic acid is obtained after the reaction.
The residence time is expediently 8-14 minutes, on the one hand to make the reaction as complete as possible and on the other hand to counteract the destruction of the pyridinecarboxylic acid formed.
The resulting reaction mixture containing the hydronitrate must now be brought to such a HNO3 concentration that the main amount of the hydronitrate precipitates as a result of a minimum solubility. It has proven to be particularly advantageous to precipitate the hydronitrate at 4 to 120 ° C. from the reaction solution, which was adjusted to a concentration of 12-25% Hin03.
The precipitated and isolated hydronitrate is then dissolved in a little water and the pyridinecarboxylic acid is set free by adding fresh alkylpyridine. The pyridine carboxylic acid precipitates out. The amount of alkyl pyridine to be added depends on the isoelectric point of the pyridinecarboxylic acid to be precipitated. In order to obtain a pure end product, it is advisable to warm up briefly after the pyridinecarboxylic acid has precipitated out, so that the acid is once again dissolved and then cooled again.
The pyridinecarboxylic acid obtained after separation from the base-containing mother liquor is a pure product.
Since the pyridine carboxylic acid was set free with alkyl pyridine, the mother liquor obtained after the acid has been separated off already contains large amounts of starting product. This mother liquor is combined with the mother liquor obtained during the separation of the hydronitrate, brought back to the initial concentration with further starting product and HNO3 and fed back into the process.
A wide variety of pyridinecarboxylic acids can be prepared by the process according to the invention, e.g. Nicotinic acid, isonicatinic acid, picolinic acid, isocinchomeronic acid, cinchomeronic acid.
Examples of alkyl pyridines used are methyl ethyl pyridine, picolines, collidines, lutidines and ethyl pyridines.
According to the process of the invention, the pyridinecarboxylic acid is obtained as a pure white product. Further cleaning does not have to be carried out afterwards. The conversions that are achieved according to the invention are 95-99%, the yields can be up to 94%, based on the conversion. As a result of the short residence time in the implementation, the process allows a high space-time yield. Furthermore, there is no need for any preparation of the mother liquor.
Examples
1. 4632 g of a mixture of 6.3% 2-methyl-5-ethyl-pyridine and 28.1% were fed through a reactor tube made of V2A steel with a capacity of 1.48 lt at a temperature of 2390C and 55 atmospheric pressure HNO3 (corresponding to an excess of about 42% over the theoretically necessary amount) for 35 minutes (residence time 12.72 minutes). 3966 g of liquid reaction product resulted. The remainder, 666 g (14.35%), was discharged in gaseous form. The reaction product was brought to a nitric acid concentration of 15% by evaporation and cooled to 50C. 354.2 g of nicotinic acid hydronitrate with a nicotinic acid content of 66.1% crystallized out. This product was separated from the acidic mother liquor (833 g) by centrifugation. The mother liquor contained a further 30.8 g of nicotinic acid. The isocinchomeronic acid content in the mother liquor was below 0.1%.
The nicotinic acid hydronitrate (354.2 g) was dissolved in 1100 g of water, heated to 60.degree. C. and brought to a pH of 3.3 with 2-methyl-5-ethyl-pyridine (230 g) and heated to 90.degree. After cooling, the nicotinic acid set free was centrifuged off and dried. 188 g of nicotinic acid resulted. At a conversion of 95%, based on the 2-methyl-5-ethylpyridine used, this corresponds to an isolated yield of 66.9%. The overall yield (isolated nicotinic acid + nicotinic acid in mother liquor) was 94.5%. The two mother liquors were combined and still contained 77.8 g of nicotinic acid and 244.81 g of 2-methyl-5-ethylpyridine. These combined mother liquors were brought to the initial concentration and amount with 2-methyl -5-ethylpyridine and nitric acid.
The solution, which was brought back to the original amount and concentration, was reacted and worked up as described above. This gave 250 g of nicotinic acid, corresponding to an isolated yield of 88.9%, with a conversion of 95%. The resulting nicotinic acid was pure white. The purity was 99.6%.
2. The mother liquor of an earlier batch, containing 77.0 g of nicotinic acid, 236.7 g of 2-methyl-5-ethylpyridine and 120 g of HNO3 (100%) was mixed with 2-methyl-5-ethylpyridine and nitric acid to an amount of 4432 g with a concentration of 4.68% 2-methyl-5-ethylpyridine and 19.5% NHO3 (corresponding to an excess of 32%) and brought through a titanium reactor tube with a capacity of 1.6 l (length about 16 m) 2340C and 52 atmospheres with a residence time of 8.7 minutes. The work-up was carried out as in Example 1. With a conversion of 97.3%, 166 g of nicotinic acid resulted, corresponding to an isolated yield of 82.0%. The mother liquors were combined again and returned to the process.
3. Through a reactor tube made of titanium with a capacity of 1.6 l (length approx. 16 m), 4500 g of a mixture of 5.18%, picoline and 35% nitric acid (corresponding to an excess of 400% over the theoretically necessary amount) with a residence time of 3.75 minutes.
4115 g of liquid reactor product resulted.
The remainder, 385 g (8.6%), was removed in gaseous form. The reaction product was brought to an HNO3 concentration of 25% and cooled to 5 ° C. 213.4 g of nicotinic acid hydronitrate with a nicotinic acid content of 66.3% crystallized out. This product was separated from the acidic mother liquor (950 g) by centrifugation. The mother liquor contained a further 47.5 g of nicotinic acid.
The nicotinic acid hydronitrate (213.4 g) was dissolved in 710 g of water, heated to 60 ° C., brought to a pH of 3.4 with p-picoline (107 g) and heated to 950 ° C.
After cooling, the nicotinic acid set free was centrifuged off and dried. 113.0 g of nicotinic acid resulted. With a conversion of 68.6%, based on the j3-picoline used, this corresponds to an isolated yield of 60.4%. The overall yield (isolated nicotinic acid + nicotinic acid in the mother liquor) was 89.0%.
The acidic and base-containing mother liquors were combined and still contained 47.5 g of nicotinic acid and 180 g of p-picoline. These combined mother liquors were brought to the initial concentration and amount with 8-picoline and HNO3.
The solution brought to the initial amount and concentration was reacted and worked up under the conditions as described above. 151.8 g of nicotinic acid resulted, corresponding to an isolated yield of 80.5%, based on a conversion of 68.6%. The resulting nicotinic acid was pure white, its content was 99.7%.