CN102227403B - 从n-乙烯基酰胺中除去副产物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种从富含N-乙烯基酰胺的产物混合物(粗N-乙烯基酰胺)中除去副产物的方法，其特征在于使用有机溶剂作为萃取剂萃取粗N-乙烯基酰胺。
Description
本发明涉及一种从富含N-乙烯基酰胺的产物混合物(粗N-乙烯基酰胺)中除去副产物的方法，该方法包括用有机溶剂作为萃取剂萃取该粗N-乙烯基酰胺。
例如包括N-乙烯基吡咯烷酮在内的N-乙烯基酰胺的制备方法例如描述于DE-A 102 55 437、DE-A 195 09 362和DE-A 198 39 565中。得到的产物混合物因制备方法而包含一系列不同的副产物，例如原料、已经由乙烯基化合物形成的低聚物或聚合物以及尤其可能在反应器中进行化学转化的过程中形成的其他副产物。后者还包括在产物混合物的常规蒸馏后处理过程中如果可以除去的话，仅不完全除去的荧光副产物。
这些荧光副产物降低产品质量。因此需要一种从产物混合物中非常显著地除去这些荧光副产物的简单方法。
因此，发现了开头所定义的方法。
在本发明方法中，通过萃取从富含N-乙烯基酰胺的产物混合物(粗N-乙烯基酰胺)中除去副产物。
粗N-乙烯基酰胺
N-乙烯基酰胺可能包含环状乙烯基酰胺(乙烯基内酰胺)或非环状N-乙烯基酰胺，例如下式的那些：
在式I中，R1和R2各自独立地为氢原子或C1-C10烷基，优选C1-C4烷基。
式I的非环状N-乙烯基酰胺尤其包括N-乙烯基甲酰胺(R1和R2＝H)和N-乙烯基-N-甲基乙酰胺(VIMA，R1和R2＝甲基)。
乙烯基内酰胺尤其包括N-乙烯基哌啶酮、N-乙烯基己内酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮或其衍生物。衍生物尤其为其中环体系的一个或多个，优选1或2个碳原子被C1-C10烷基取代的乙烯基内酰胺；实例尤其包括N-乙烯基甲基吡咯烷酮、N-乙烯基二甲基吡咯烷酮或N-乙烯基乙基吡咯烷酮。
特别优选的N-乙烯基酰胺为乙烯基内酰胺，尤其是N-乙烯基己内酰胺或N-乙烯基吡咯烷酮。
非常特别优选的N-乙烯基酰胺为N-乙烯基吡咯烷酮。
根据本发明，萃取粗N-乙烯基酰胺。
粗N-乙烯基酰胺应理解为指富含N-乙烯基酰胺的产物混合物。这可以是在反应器中作为化学转化的产物形成、随后作为反应器排出料取出并直接供入萃取中的产物混合物。在N-乙烯基吡咯烷酮的情况下，这优选为在2-吡咯烷酮(γ-丁内酰胺)与乙炔的反应中得到的产物混合物。
然而，粗N-乙烯基酰胺还可以来自其他制备方法，例如如WO2006/109869第5页所述。例如，可以按如下得到粗N-乙烯基酰胺：通过丁内酯与乙醇胺反应，使用亚硫酰氯以氯取代羟基并随后脱水，或者通过使N-(2-羟基乙基)-2-吡咯烷酮与乙酸酐反应并消除乙酸，或者通过N-羟基乙基-2-吡咯烷酮的气相脱水。
用于萃取的粗N-乙烯基酰胺还可以是已经在反应器中的转化之后进一步后处理的产物混合物，或原料或副产物。
更具体而言，粗N-乙烯基酰胺，例如粗N-乙烯基吡咯烷酮为通过使原料如2-吡咯烷酮与乙炔反应并且任选随后后处理所得产物混合物而得到的混合物。
用作萃取的粗N-乙烯基酰胺的混合物通常包含至少50重量％，更优选至少70重量％，尤其是至少80重量％的N-乙烯基酰胺。
在N-乙烯基吡咯烷酮的情况下，特别优选使用如下粗N-乙烯基吡咯烷酮，其首先通过使乙炔与2-吡咯烷酮反应而获得，然后通过第一蒸馏(粗蒸馏)从中除去高沸点物质(例如N-乙烯基吡咯烷酮的低聚物)。蒸出的混合物包含N-乙烯基吡咯烷酮(其量通常大于70重量％，更优选大于80重量％)以及残留量的2-吡咯烷酮(通常为0-30重量％，更优选1-25重量％)和沸点在2-吡咯烷酮以上的副产物(其量通常为0.5-20重量％，更优选0.5-10重量％)，所有以上重量数据均基于该混合物。在特别优选的实施方案中，将该混合物用作随后萃取的粗N-乙烯基吡咯烷酮。
用于萃取的粗N-乙烯基酰胺，例如粗N-乙烯基吡咯烷酮尤其包含荧光副产物。这些副产物可能是沸点为150-320℃，尤其是200-260℃(在标准压力下)的芳族化合物。
萃取剂
在萃取中，将有机溶剂用作萃取剂。
除去的副产物应在该溶剂中具有最大溶解度。同时，该溶剂必须与待萃取的混合物在萃取条件下仅具有低混溶性(若有的话)，从而形成两相。由待萃取混合物和萃取剂构成的二元体系的相图在萃取条件下必须具有混溶性区。
若粗N-乙烯基酰胺与萃取剂没有混溶性区，则可以使用具有对应混溶性区的混合物代替粗N-乙烯基酰胺。该混合物组分应与该粗N-乙烯基酰胺具有最大混溶性，与该萃取剂具有最小混溶性并且可在萃取之后易于从该粗N-乙烯基酰胺除去。优选的混合物组分为水。这也可以是以溶解形式包含无机或有机盐的水。
在本发明的优选实施方案中，萃取在加入水下进行。此时，萃取剂由水和一种或多种有机溶剂构成。萃取剂例如可以包含1-70重量％，尤其是2-50重量％的水。
合适的萃取剂例如为芳族溶剂如苯、甲苯或二甲苯(异构体混合物)。然而，芳族溶剂通常是不希望的。此外，在这种情况下也是不利的，因为N-乙烯基吡咯烷酮部分转移到有机相中且N-乙烯基吡咯烷酮因此不完全除去。
对萃取剂合适的有机溶剂尤其是脂族或脂环族溶剂。特别优选在21℃(1巴)下为液体且沸点大于80℃(在1巴下)的脂族或脂环族溶剂。它们尤其是完全非极性溶剂，即仅由碳和氢构成的化合物(烃)。
上述脂族或脂环族溶剂当然还可以与芳族溶剂混合使用。芳族溶剂在所有用于萃取剂中的有机溶剂总量中的含量更优选小于50重量％，尤其小于30重量％，更优选小于10重量％或小于5重量％。在特别优选的实施方案中，用作萃取剂的有机溶剂不包含任何芳族溶剂。
合适的脂族或脂环族溶剂例如包括甲基环戊烷、环戊烷、己烷、甲基环己烷、环己烷、庚烷或辛烷。合适的溶剂尤其是与待萃取的N-乙烯基酰胺具有混溶性区的化合物。还可以使用不同溶剂的混合物作为萃取剂；实例包括任何所需比例的环己烷和甲基环己烷的混合物。
特别优选的有机溶剂包括甲基环己烷、环己烷、甲基环戊烷和环戊烷，以及它们的混合物。非常特别优选甲基环戊烷和环戊烷的混合物或甲基环己烷和环己烷的混合物。
非常特别优选包含水和上述特别优选的有机溶剂的萃取剂或由其构成的萃取剂。
在特别优选的实施方案中，将包含甲基环己烷和水或由其构成的萃取剂用作粗N-乙烯基吡咯烷酮的萃取剂。
粗N-乙烯基吡咯烷酮和水的混合物与甲基环己烷在合适的萃取条件下具有混溶性区。
在三元体系中的混溶性区通常可以通过改变浓度而确定并且可以由三角形相图表示。
萃取的进行
通常而言，在标准压力(1巴)下20-100℃的温度范围也适合萃取粗N-乙烯基酰胺。萃取还可以在升高的压力或降低的压力下进行。例如，可以以每1重量份粗N-乙烯基吡咯烷酮20-0.5重量份，尤其是10-1重量份的量使用萃取剂。
在由粗N-乙烯基吡咯烷酮、水和甲基环己烷构成的三元体系情况下，合适的萃取条件如下：在1巴下温度范围为20-100℃，更优选30-80℃并且具有如下重量比例：
10-50重量％，更优选20-40重量％的粗N-乙烯基吡咯烷酮，
20-80重量％，更优选30-70重量％的甲基环己烷，和
2-50重量％，更优选10-30重量％的水。
因此，用粗N-乙烯基吡咯烷酮、水和甲基环己烷构成的三元体系进行萃取，优选遵循上述萃取条件。
萃取可以分批或连续进行。
在分批萃取的情况下，在简单情形中使用用于混合两相(萃取剂和待萃取相)的搅拌容器和在其中这两相根据其密度分离成上相和下相的分离器(混合澄清器)。然后可以提纯溶剂，例如通过蒸馏提纯，并再次循环进入混合器中。
萃取优选连续进行。更具体而言，连续进行包括在反应器中转化原料并随后后处理的整个制备方法。
同样适合连续进行萃取的是如上所述的混合澄清器，或混合澄清器级联；在优选实施方案中，在连续进行的情况下，使用塔，例如常规萃取塔，如喷雾板式塔、筛板塔、具有无规填料的萃取塔、脉冲塔或旋转塔是合适的。起始组分经由已知为分配器的部件供应。分配器为在塔中引起各组分在塔横截面上最大分布的内件。合适的分配器优选水平安装在塔中。
连续萃取可以在一个或多个塔中进行。对于三元粗N-乙烯基吡咯烷酮/水/甲基环己烷体系，一个选择是例如在萃取塔和与其相连的洗涤塔中进行萃取。在萃取塔中，用甲基环己烷从水/粗N-乙烯基吡咯烷酮混合物中除去不希望的副产物；在洗涤塔中，用水再次回收已经同样(不希望地)转移到甲基环己烷相中的N-乙烯基吡咯烷酮。可以将在洗涤塔中取出的水/N-乙烯基吡咯烷酮混合物再循环到萃取塔中。
在优选实施方案中，在塔中进行连续萃取。
粗NVP、萃取剂和任选的水可以供入塔中的任何点。粗NVP、萃取剂和任选的水可以分开或一起供入；可以将所有这三种组分或这三种组分中的两种一起供入塔中任何地方。
萃取剂(甲基环己烷)优选经由塔下部的分配器供入，而水经由塔上部的分配器供入，同时待萃取的粗N-乙烯基吡咯烷酮在中部供入。根据各组分的密度，甲基环己烷萃取剂升至塔顶并且富积待由粗N-乙烯基吡咯烷酮萃取的副产物以及N-乙烯基吡咯烷酮；在塔上部，用水将N-乙烯基吡咯烷酮由甲基环己烷涤出，从而可以在顶部排出甲基环己烷和萃取的副产物的基本不含N-乙烯基吡咯烷酮的混合物。在塔底排出提纯的粗N-乙烯基吡咯烷酮和水的混合物。
在塔中产生的温度分布取决于各组分的混合焓和各组分在该塔中的分布。在三元粗N-乙烯基吡咯烷酮/水/甲基环己烷体系的情况下，该塔中的温度优选为10-90℃，尤其是20-60℃，更优选30-50℃。
甲基环己烷然后可以通过蒸馏提纯并再利用。
水/粗N-乙烯基吡咯烷酮混合物也可以进一步后处理。
通过萃取提纯的粗N-乙烯基酰胺，尤其是粗N-乙烯基吡咯烷酮，现在几乎不包含任何荧光副产物。在除去水之后，该含量基于100重量份N-乙烯基吡咯烷酮小于0.5重量份，尤其小于0.1重量份，更优选小于0.05重量份或小于0.01重量份。
实施例
N-乙烯基吡咯烷酮通过使乙炔与2-吡咯烷酮反应而制备。通过蒸馏从所得混合物中除去高沸点物质。得到的顶部产物为仍包含荧光杂质的N-乙烯基吡咯烷酮。在下游萃取测试中将这用作粗N-乙烯基吡咯烷酮。
将200ml粗N-乙烯基吡咯烷酮(粗NVP)、200ml水和200ml在每种情况下表1所列作为萃取剂的溶剂之一混合并剧烈振摇。得到水相和有机相。分离各相并测定包含N-乙烯基吡咯烷酮(萃取的NVP)的水相的荧光。
在粗N-乙烯基吡咯烷酮中测定的荧光(F)表达为与所得水相的荧光之比：
F＝F粗NVP/F萃取的NVP。
F的值越大，所实现的荧光杂质的除去越好。F的值列于表1中。
测量用Perkin Elmer LS50-B发光分光光度计进行。将待检测物质引入UV比色杯(d＝1.0cm)中并在三种不同激发波长下确定荧光最大的波长。该最大荧光强度表示为与粗NVP的最大荧光强度之比。
温度：20℃
激发波长λex＝320nm，340nm和360nm
激发波长/发射波长的缝宽：5nm/5nm
表1：荧光数据
*对于荧光测量，将1重量份粗NVP用20重量份水稀释。
Claims (17)
1.一种从作为粗N-乙烯基酰胺的富含N-乙烯基酰胺的产物混合物中除去副产物的方法，包括使用仅由碳和氢构成的脂族或脂环族烃溶剂作为萃取剂进行所述粗N-乙烯基酰胺的萃取，其中所述粗N-乙烯基酰胺包含荧光副产物，其中所述N-乙烯基酰胺包括环状N-乙烯基酰胺或非环状N-乙烯基酰胺，其中所述非环状N-乙烯基酰胺包括N-乙烯基甲酰胺或N-乙烯基-N-甲基乙酰胺，所述环状N-乙烯基酰胺为N-乙烯基哌啶酮、N-乙烯基己内酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、N-乙烯基甲基吡咯烷酮、N-乙烯基二甲基吡咯烷酮或N-乙烯基乙基吡咯烷酮。
2.根据权利要求1的方法，其中所述N-乙烯基酰胺为N-乙烯基吡咯烷酮。
3.根据权利要求1的方法，其中所述粗N-乙烯基酰胺包含至少50重量％的N-乙烯基酰胺。
4.根据权利要求1的方法，其中所述粗N-乙烯基酰胺通过使原料与乙炔反应并任选随后后处理而得到。
5.根据权利要求1的方法，其中所述粗N-乙烯基酰胺为通过使2-吡咯烷酮与乙炔反应并任选随后后处理而得到的粗N-乙烯基吡咯烷酮。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中在所述萃取之前进行蒸馏以从所述粗N-乙烯基酰胺中除去高沸点物质。
7.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述溶剂为甲基环戊烷、环戊烷、己烷、甲基环己烷、环己烷、庚烷、辛烷或其混合物。
8.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述萃取在加入水下进行。
9.根据权利要求2或5的方法，其中所述粗N-乙烯基吡咯烷酮在加入水下用甲基环己烷萃取。
10.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述萃取在20-100℃的温度范围内进行。
11.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述萃取在一个或多个塔中连续进行。
12.根据权利要求2或5的方法，其中在塔中所述粗N-乙烯基吡咯烷酮在加入水下用甲基环己烷连续萃取，水经由所述塔上部的分配器供入，甲基环己烷经由所述塔下部的分配器供入且所述粗N-乙烯基吡咯烷酮在所述塔的中部供入。
13.根据权利要求12的方法，其中从所述塔的顶部取出甲基环己烷和除去的副产物的混合物并在所述塔的底部取出提纯的粗N-乙烯基吡咯烷酮和水的混合物。
14.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中所述萃取从所述粗N-乙烯基酰胺将荧光副产物除去至含量基于100重量份N-乙烯基吡咯烷酮小于0.05重量份。
15.根据权利要求2的方法，其中萃取后并除去水之后得到的N-乙烯基酰胺具有的荧光副产物含量基于100重量份N-乙烯基酰胺小于0.1重量份。
16.根据权利要求5的方法，其中萃取后并除去水之后得到的N-乙烯基酰胺具有的荧光副产物含量基于100重量份N-乙烯基酰胺小于0.1重量份。
17.根据权利要求9的方法，其中萃取后并除去水之后得到的N-乙烯基酰胺具有的荧光副产物含量基于100重量份N-乙烯基酰胺小于0.1重量份。
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