DE10010771C1 - Verfahren zur Herstellung aliphatischer Carbonsäuren aus Aldehyden - Google Patents
Verfahren zur Herstellung aliphatischer Carbonsäuren aus AldehydenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung aliphatischer Carbonsäuren durch katalytische Oxidation von Aldehyden mit Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasgemischen. Als Katalysatoren werden Metalle oder Verbindungen von Metallen der Gruppen 5 bis 11 des Periodensystems der Elemente in Mengen von maximal 5 ppm, bezogen auf eingesetzten Aldehyd, eingesetzt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues, katalytisches Verfahren zur Her
stellung aliphatischer Carbonsäuren aus Aldehyden durch Oxidation mit
Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen.
Aldehyde werden in großem Umfang als Ausgangsstoffe zur Gewinnung von
Carbonsäuren eingesetzt. Die Vorzugsstellung für diese Verwendung ver
danken Aldehyde ihrer hohen Verfügbarkeit nach einer Reihe, auch industri
ell genutzter Prozesse. Überdies läßt sich die Carbonylgruppe der Aldehyde
leicht in die für Carbonsäuren charakteristische Carboxylgruppe umwandeln.
Im Rahmen technisch ausgeübter Verfahren erfolgt die Umsetzung von
Aldehyden zu Carbonsäuren häufig in Anwesenheit von Katalysatoren. Es
fehlt jedoch nicht an Hinweisen die davor warnen, Katalysatoren einzuset
zen, weil sie das Auftreten von Nebenreaktionen, z. B. die Decarbonylierung
der eingesetzten Aldehyde zu Kohlenwasserstoffen, fördern. Dementspre
chend sind auch unterschiedliche Prozesse bekannt, bei denen auf die Ver
wendung von Katalysatoren verzichtet wird. Zur Vermeidung von Nebenre
aktionen arbeitet man sowohl bei den katalytischen als auch bei den nicht
katalytischen Prozessen bei möglichst niedrigen Temperaturen, im allge
meinen wird eine Reaktionstemperatur von 100°C nicht überschritten. Als
Katalysatoren kommen vorwiegend Salze von Übergangsmetallen in Be
tracht, insbesondere Salze des Kobalts und des Mangans sowie des
Chroms, Eisens, Kupfers, Nickels, Silbers und Vanadiums. Dennoch ist die
Carbonsäurebildung aus Aldehyden, selbst bei Einhaltung optimaler Tempe
raturbedingungen, häufig mit Neben- und Abbaureaktionen verbunden. Das
gilt gleichermaßen für Reaktionen in Gegenwart wie in Abwesenheit von
Katalysatoren. In solchen Fällen kann die Selektivität der Umsetzung durch
Zusatz von Alkalimetallsalzen schwacher Säuren zu den Reaktanten erheb
lich verbessert werden. Nachteilig bei dieser Verfahrensvariante ist jedoch,
dass die Alkalimetallsalze inhibierend wirken, so dass für eine vollständige
Umsetzung der Ausgangsstoffe lange Reaktionszeiten erforderlich sind.
Nach dem in der DE-OS 30 29 700 beschriebenen Verfahren werden zur
Herstellung von aliphatischen Monocarbonsäuren mit 6 bis 9 Kohlenstoff
atomen die entsprechenden Aldehyde mit Sauerstoff in reiner Form oder mit
Luft oxidiert. Als Katalysator wirkt eine Kombination von Mangan- und Kup
ferverbindungen, die in der Säure löslich sind. Die Metalle liegen in einer
Menge von je etwa 10 bis etwa 2000 ppm, vorzugsweise 200 bis 600 ppm
Mangan und Kupfer, bezogen auf das Gewicht des flüssigen Reaktionsge
mischs, vor. Das Molverhältnis von Mangan zu Kupfer beträgt 5 : 1 bis 0,5 : 1.
Die Umsetzung der Ausgangsstoffe erfolgt in flüssiger Phase bei Temperatu
ren von etwa 50 bis 80°C und Drücken im Bereich von etwa 1,4 bis 10,3 bar.
Als Hauptschwierigkeit dieses Verfahrens wird in der Prozessbeschreibung
die Anwesenheit von Kupfer- und auch Manganverbindungen im Reaktions
produkt, d. h. in der Carbonsäure, geschildert. Zur Entfernung der Metalle
sind aufwendige Reinigungsmaßnahmen erforderlich, beispielsweise ihre
Ausfällung mit wäßriger Oxalsäure.
Das in der US-Patentschrift 4 487 720 offenbarte Verfahren zur Herstellung
von C5- bis C9-Monocarbonsäuren durch Oxidation von Aldehyden der glei
chen Kohlenstoffatom-Zahl mit reinem Sauerstoff oder mit Luft arbeitet
ebenfalls mit Kupfer- und Manganverbindungen als Katalysatoren. Die Ge
samtmenge der Metalle erstreckt sich über einen Bereich von 10 bis 200
ppm, bezogen auf das Gesamtgewicht der aus Aldehyd, Säure und Kataly
sator bestehenden Lösung. Mangan und Kupfer werden in einem Molverhält
nis von etwa 3 : 1 bis etwa 1 : 1 eingesetzt. Als Nachteil dieser Arbeitsweise
wird die Bildung von Kupferfilmen beschrieben, die bei der destillativen Rei
nigung der Säure auftreten und mechanische Schäden in der Destillations
apparatur zur Folge haben. Um dieses Problem zu vermeiden wird empfoh
len, die Destillation in Gegenwart von Sauerstoff durchzuführen.
Ein weiteres katalytisches Verfahren zur Reaktion von Aldehyden mit Sauer
stoff unter Bildung von Carbonsäuren ist Gegenstand der offengelegten in
ternationalen Anmeldung WO 97/14668. Als Katalysatoren finden substitu
ierte oder unsubstituierte Alkylamine, Alkylamin-N-oxide, aromatische Amine,
aromatische N-oxide, heterocyclische Amine, heterocyclische Amin-N-oxide
und deren Mischungen in einer Menge Verwendung, die von etwa 0,001 oder
weniger bis etwa 10 oder mehr Moläquivalente, bezogen auf den Aldehyd,
reicht. Bevorzugt werden etwa 0,005 bis etwa 2 Moläquivalente und insbe
sondere etwa 0,005 bis etwa 1,2 Moläquivalente des Amins bzw. des Amin-
N-oxids, bezogen auf den Aldehyd, eingesetzt. Ausdrücklich wird darauf hin
gewiesen, dass die katalytisch wirkenden Stickstoffverbindungen einen im
Vergleich zum Reaktionsprodukt höheren Siedepunkt besitzen müssen, um
eine Verunreinigung der Säure durch den Katalysator zu unterbinden.
Nach der Lehre der offengelegten japanischen Patentanmeldung 53-105413
oxidiert man α-verzweigte aliphatische Aldehyde mit Sauerstoff in Gegenwart
von Lithium- oder Erdalkalimetallverbindungen, die in Mengen von 0,01 bis
10 Gew.-% (bezogen auf das gesamte Reaktionssystem) eingesetzt werden,
um α-verzweigte aliphatische Carbonsäuren herzustellen.
Kennzeichnend für die in der französischen Patentanmeldung 2 769 624 be
schriebene Arbeitsweise ist die Einhaltung niedriger Reaktionstemperaturen,
nämlich Temperaturen zwischen 0 und 25°C. Das Verfahren erfordert eben
falls die Gegenwart von Alkalimetall- bzw. Erdalkalimetallverbindungen als
Hilfsstoffe. Es bleibt offen, welche speziellen Wirkungen diese Verbindungen
entfalten, d. h. ob sie, wie bekannt, lediglich die Selektivität der Umsetzung
verbessern oder aber bei den gewählten, niedrigen Temperaturen, mögli
cherweise auch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.
Gegenstand der bekanntgemachten deutschen Patentanmeldung 26 04 545
ist die Herstellung von Alkylcarbonsäuren der allgemeinen Formel
CnH2n+1COOH, in der n für einen Wert von 2 bis 18 steht, durch Hydroformy
lierung eines Olefins CnH2n und unmittelbare Oxidation des bei der Hydro
formylierung anfallenden Reaktionsgemisches. Unmittelbar heißt in diesem
Zusammenhang, dass eine vorherige Aufarbeitung des Hydroformylierungs
produktes unterbleibt. Das Verfahren dient insbesondere zur Herstellung von
Gemischen isomerer C9- bis C16-Fettsäuren. Als Ausgangsolefine kommen
bevorzugt Dimere und Trimere des Propens und der Butene in Betracht, dar
unter vor allem das dimere Isobuten (2,4,4-Trimethylpenten-1). Beide Ein
zelumsetzungen des zweistufigen Verfahrens, d. h. sowohl die Hydroformylie
rung als auch die Oxidation werden durch Rhodium in Form seiner Verbin
dungen katalysiert. Maßgebend für die Rhodium-Konzentration in dem der
Oxidation unterworfenen Reaktionsgemisch ist daher der relativ hohe Rhodi
umanteil im Hydroformylierungsprodukt. Um die Wirtschaftlichkeit des Ge
samtprozesses sicherzustellen ist es erforderlich, das Edelmetall durch ge
eignete Maßnahmen möglichst vollständig aus dem Endprodukt des Prozes
ses, der Carbonsäure, wiederzugewinnen. Überdies ist nicht auszuschließen,
dass durch Rhodium in der vorliegenden Konzentration während des Oxida
tionsvorganges unerwünschte Nebenreaktionen begünstigt werden, denn die
Carbonsäure-Ausbeute ist, wie die Beispiele zeigen, für eine technische Nut
zung des Verfahrens unzureichend.
LARKIN berichtet in J. Org. Chem. 1990, 55, S. 1563 ff., dass die Gegenwart
von Katalysatoren bei der kommerziell ausgeführten Oxidation von Aldehy
den zu Carbonsäuren deshalb für notwendig erachtet wird, weil im Reakti
onsgemisch Spuren von Metallsalzen enthalten sind, die Nebenreaktionen
katalysieren können. Die Bildung der Metallsalze geht auf die Korrosion me
tallischer Anlagenteile zurück. Aufgabe der Katalysatoren ist es, die Wirkung
der Korrosionsprodukte zu überkompensieren.
Auch in Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage 1975,
Band 9, wird mehrfach auf den negativen Einfluss metallischer Verunreini
gungen in den zur Oxidation eingesetzten Ausgangsaldehyden hingewiesen.
So führen z. B. im Butyraldehyd gelöste Eisen- und Kobaltsalze bei dessen
Oxidation zu Buttersäure zu einem erhöhten Anfall von Nebenprodukten (l. c.,
Seite 142, linke Spalte) und bei der Oxidation von 2-Ethylhexanal zu 2-Ethyl
hexansäure beschleunigen Schwermetallionen die Decarbonylierung des
Ausgangsaldehyds zu Heptan (l. c. Seite 144, linke Spalte).
Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuren aus Aldehyden
erfüllen noch nicht im vollen Umfang die technischen und wirtschaftlichen
Erfordernisse, die an moderne, industriell genutzte Prozesse gestellt werden.
Die Anwendung von Katalysatoren hat oftmals das Auftreten unerwünschter
Nebenreaktionen zur Folge. Darüberhinaus erfordern sie auch aufwendige
Reinigungsschritte, denen das Reaktionsprodukt unterworfen werden muss,
um Carbonsäuren zu erhalten, die problemlos weiterverarbeitet werden kön
nen. Nichtkatalytische Prozesse befriedigen häufig nicht hinsichtlich Reakti
onsgeschwindigkeit und bezüglich Umsatz und Selektivität zum gewünschten
Produkt.
Es bestand daher die Aufgabe eine Arbeitsweise zu entwickeln, die die Vor
teile der nichtkatalytischen Oxidation von Aldehyden zu Carbonsäure, ins
besondere die Abwesenheit von störenden Fremdstoffen und die Vermei
dung von Nebenreaktionen, mit den Vorteilen der Oxidation in Gegenwart
von Katalysatoren, vor allem eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit,
verbindet, die Nachteile der jeweiligen Umsetzungen jedoch weitgehend
ausschließt. Als Ergebnis wird die Gewinnung von Carbonsäuren aus Alde
hyden mit vertretbarem technischen Aufwand in hoher Ausbeute und Rein
heit angestrebt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung aliphatischer
Carbonsäuren mit 4 bis 11 Kohlenstoffatomen durch Oxidation der entspre
chenden Aldehyde mit Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasgemi
schen bei 20 bis 100°C. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation
der Aldehyde in Gegenwart von 0,1 bis 5,0 Gew.-ppm eines Metalls der
Gruppen 5 bis 11 des Periodensystems der Elemente oder der entsprechen
den Menge einer Verbindung eines solchen Metalls oder Gemischen solcher
Metalle und/oder Metallverbindungen, bezogen auf eingesetzten Aldehyd,
erfolgt.
Überraschenderweise gelingt es, in Gegenwart geringer Mengen ausge
wählter Metalle oder Verbindungen dieser Metalle, Aldehyde mit reinem
Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasgemischen mit hohem Umsatz
und sehr selektiv zu den entsprechenden Carbonsäuren umzusetzen. Die
angewandten Metallmengen, sie betragen maximal 5 Gew.-Teile je 1 Million
Gew.-Teile Aldehyd stellen eine, auch für technische Bedürfnisse, ausrei
chende Reaktionsgeschwindigkeit sicher. Sie geben jedoch nicht zu uner
wünschten Nebenreaktionen Anlass, so dass die Aldehyde nahezu aus
schließlich in die ihnen entsprechenden Carbonsäuren umgewandelt werden.
Überdies sind die eingesetzten Metallmengen so gering, dass sie weder un
ter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, z. B. bei Verwendung
teurer Edelmetalle, noch im Hinblick auf die für die verschiedenen Anwen
dungsgebiete geforderte Reinheit der Carbonsäuren, aus dem Reaktionspro
dukt wiedergewonnen bzw. entfernt werden müssen.
Als Katalysator wird dem Oxidationsgemisch erfindungsgemäß mindestens
ein Metall aus den Gruppen 5 bis 11 des Periodensystems der Elemente (in
der Fassung der IUPAC-Empfehlung von 1985) oder mindestens eine Ver
bindung eines solchen Metalls, zugesetzt. Verwendet man Metalle als Kata
lysatoren, so empfiehlt es sich, sie in feiner Verteilung dem Reaktionsge
misch hinzuzufügen, um ihre Umwandlung in die katalytisch aktive Form zu
erleichtern. Denn es kann angenommen werden, dass das Metall mit im
Aldehyd in Spuren vorhandener Carbonsäure unter Bildung eines im Reakti
onsgemisch löslichen, katalytisch wirkenden Salzes reagiert. Statt der
Metalle in elementarer Form können auch Verbindungen der Metalle als
Katalysatoren Anwendung finden. Die Art der Verbindungen unterliegt dabei
keiner Beschränkung. Sofern nicht besondere Gründe vorliegen, wird man
jedoch solche Verbindungen bevorzugen, die im Reaktionsmedium von An
fang an löslich sind, um eine Verzögerung des Reaktionseintritts durch vor
herige Bildung einer löslichen und damit besonders aktiven Metallverbindung
zu vermeiden.
Zu den katalytisch, bereits in sehr geringer Menge wirksamen Metallen der 5.
bis 11. Gruppe zählen Vanadium, Chrom, Molybdän, Eisen, Kobalt, Nickel,
Ruthenium, Rhodium, Palladium, Kupfer, vorzugsweise Chrom, Eisen,
Nickel, Rhodium und insbesondere Eisen und Rhodium. Als im Reaktions
gemisch lösliche Verbindungen verwendet man Salze, insbesondere Salze
organischer Säuren, wobei Carboxylate der Säuren bevorzugt werden, die
das Ergebnis der Oxidationsreaktion sind. Andere geeignete Verbindungen
der erfindungsgemäß eingesetzten Metalle sind Komplexverbindungen, z. B.
Acetylacetonate, Metallcarbonyle, Hydridometallcarbonyle, ferner Carbonyl
verbindungen, die neben Kohlenmonoxid und gegebenenfalls Wasserstoff
noch weitere Liganden, z. B. durch organische Reste substituierte Phosphine
wie Arylphosphine, Alkylphosphine, Arylalkylphosphine enthalten. Ein Bei
spiel für derartige Liganden ist das Triphenylphosphin.
Es ist nicht erforderlich, die katalytisch wirksamen Metalle oder die kataly
tisch wirksamen Metalle enthaltenden Verbindungen als reine Substanzen
einzusetzen. Vielmehr können auch Gemische der genannten Metalle bzw.
der Metallverbindungen und ebenso auch Gemische aus Metallen und
Metallverbindungen als Katalysatoren eingesetzt werden.
Neben der Auswahl der katalytisch wirksamen Metalle ist ein weiteres sehr
wesentliches Merkmal des neuen Verfahrens die Einhaltung eines maxima
len Gewichtsverhältnisses zwischen Katalysator und zu oxidierendem Alde
hyd. Erfindungsgemäß ist die obere Grenze dieses Verhältnisses 5 ppm, d. h.
1 Gew.-Teil Katalysatormetall je 106 Gew.-Teile Aldehyd. Es hat sich beson
ders bewährt, auf 106 Gew.-Teile Aldehyd 0,2 bis 3 Gew.-Teile Katalysator
metall und vorzugsweise 0,5 bis 2 Gew.-Teile Katalysatormetall anzuwen
den. Die vorstehend beschriebenen Verhältnisse zwischen Katalysatormetall
und Aldehyd gelten auch bei Verwendung von Metallverbindungen, d. h. die
Menge der einzusetzenden Verbindung bemisst sich nach ihrem Metallge
halt. Entsprechendes gilt bei Einsatz von Mischungen verschiedener kataly
tisch wirksamer Metalle bzw. Metallverbindungen und von Mischungen aus
Metallen und Metallverbindungen.
Das Verfahren der Erfindung wird im Temperaturbereich von 20 bis 100°C
durchgeführt. Vorzugsweise arbeitet man zwischen 20 und 80°C, insbeson
dere zwischen 40 und 80°C. Die Temperaturführung, konstante oder variable
Temperatur, kann den individuellen Erfordernissen des Ausgangsmaterials
und den Reaktionsgegebenheiten angepasst werden.
Die Umsetzung der Reaktionspartner erfolgt bevorzugt bei Atmosphären
druck. Die Anwendung erhöhten Drucks ist jedoch nicht ausgeschlossen.
Üblicherweise arbeitet man in einem Bereich von Atmosphärendruck bis 1,0
MPa, vorzugsweise bei Atmosphärendruck bis 0,8 MPa.
Die zur Umwandlung von Aldehyden in Carbonsäuren nach dem erfindungs
gemäßen Verfahren erforderliche Reaktionszeit hängt unter anderem ab von
der Reaktionstemperatur, der Art der Einsatzstoffe und dem Mengenverhält
nis der Reaktanten zueinander. Normalerweise beträgt sie 30 min bis 20 h,
insbesondere 3 bis 8 h.
Im Mittelpunkt des neuen Prozesses steht die Oxidation von C4- bis C11-
Aldehyden, sowohl unverzweigten als auch verzweigten. Die Herkunft der
Aldehyde ist nicht auf bestimmte Herstellungsverfahren beschränkt. Aufgrund
ihrer leichten Zugänglichkeit werden durch Oxosynthese, d. h. durch Reaktion
von C3- bis C10-Olefinen mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff gewonnene
Aldehyde bevorzugt. In diesem Zusammenhang ist es nicht entscheidend,
welche spezielle Ausführungsform der Oxosynthese zur Gewinnung der
Aldehyde diente, d. h. ob die Reaktion z. B. durch Kobalt oder durch Rhodium
katalysiert wurde, ob man die Metalle allein oder zusammen mit
Komplexbildnern einsetzte und der Katalysator im Reaktionsgemisch homo
gen gelöst war oder eine eigene, heterogene Phase bildete.
Als Oxidationsmittel verwendet man nach dem Verfahren der Erfindung mo
lekularen Sauerstoff oder Gasgemische, die molekularen Sauerstoff enthal
ten. Weitere Bestandteile derartiger Gasgemische sind inerte Gase, z. B.
Stickstoff, Edelgase und Kohlendioxid. Der Anteil der inerten Bestandteile
des Sauerstoff enthaltenden Gasgemisches beträgt bis zu 90 Vol-%, insbe
sondere 30 bis 80 Vol-%. Die bevorzugten Oxidationsmittel sind Sauerstoff
oder Luft.
Die Aldehyde können als solche oder gelöst in einem, unter den Reaktions
bedingungen inerten, Lösungsmittel eingesetzt werden. Beispiele für geeig
nete Lösungsmittel sind Ketone wie Aceton, Ester, z. B. Ethylacetat, Kohlen
wasserstoffe, z. B. Toluol und Nitrokohlenwasserstoffe wie Nitrobenzol. Die
Konzentration des Aldehyds wird durch seine Löslichkeit in dem Lösungs
mittel begrenzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann absatzweise oder kontinuierlich
durchgeführt werden. Eine Rückführung nicht umgesetzter Reaktionsteil
nehmer ist in beiden Fällen möglich.
Nach einer bewährten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfah
rens legt man den Aldehyd zusammen mit dem Katalysator in einem geeig
neten Reaktor, z. B. einem mit einem Anströmboden versehenen Rohrreak
tor, der gegebenenfalls noch Füllkörper enthält, vor und leitet den Sauerstoff
oder das Sauerstoff enthaltende Gasgemisch von unten durch den, Kataly
sator gelöst oder suspendiert enthaltenden Aldehyd.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform verwendet man als Reaktor
einen Rieselturm, der Füllkörper enthält. Über die Füllung läßt man Aldehyd
und Katalysator herabrieseln und leitet in den Turm gleichzeitig im Gleich-
oder Gegenstrom, Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch
ein.
In den folgenden Beispielen wird die Herstellung von n-Buttersäure, 2-
Methylbuttersäure, n-Heptansäure und Isononansäure nach dem bean
spruchten Verfahren beschrieben. Die Umsetzung der Ausgangsaldehyde
erfolgt entsprechend der Erfindung in Gegenwart von Metallen der 5. bis 11.
Gruppe des Periodensystems oder Verbindungen dieser Metalle als Kataly
satoren. Den Beispielen werden die Ergebnisse von Versuchen (Vergleichs
beispiele) gegenübergestellt, in denen die Aldehyde nichtkatalytisch oxidiert
wurden. Eine Ausnahme stellt das Vergleichsbeipiel 3 dar, das die Oxidation
von 2-Methylbutanal beschreibt. Unter Berücksichtigung der Eigenart α-ver
zweigter Aldehyde bei der nichtkatalytischen Oxidation verstärkt Nebenreak
tionen einzugehen, wurde in diesem Beispiel die vom Fachmann üblicher
weise gewählte Oxidation in Gegenwart eines Alkalisalzes als Vergleich her
angezogen. Die jeweiligen Versuchsergebnisse werden durch Angabe fol
gender Kenngrößen wiedergegeben:
- - GC-Analyse der Rohsäure; die Vorlaufkomponente ist nicht aufgegliedert, sondern unter der Bezeichnung Leichtsieder zu sammengefasst;
- - Aldehyd-Umsatz;
- - Selektivität; sie ergibt sich aus dem Carbonsäure-Anteil im Re aktionsprodukt, bezogen auf umgesetzten Aldehyd.
Selbstverständlich ist das neue Verfahren nicht auf die nachstehend be
schriebenen Ausführungsformen beschränkt.
Die Flüssigphasenoxidation von n-Butanal zu n-Buttersäure wurde ohne
Katalysatorzusatz in einem Blasensäulen-Reaktor aus Glas mit einem Innen
durchmesser von 38 mm und 150 cm Länge durchgeführt. Abhängig vom
Reaktionsverhalten wurde der Reaktor mantelseitig durch einen mit einem
Wärmeaustauscher verbundenen Wasserkreislauf gekühlt oder beheizt und
die Innentemperatur auf diese Weise konstant gehalten. Die Sauerstoffzufuhr
erfolgte von unten durch eine mit der Blasensäule verbundene Glasfilterplatte
mit einer maximalen Porenweite von 16-40 µm.
In die Oxidation wurden 800,0 g Aldehyd eingesetzt. Nach 6 Stunden Oxida
tion bei konstant 40°C wurden folgende Ergebnisse ermittelt:
GC-Analyse (%) | |
Leichtsieder | 0,10 |
n-Butanal | 2,76 |
n-Buttersäure | 96,80 |
Sonstige | 0,34 |
Umsatz n-Butanal (% d. Th.) | 96,60 |
Selektivität zu n-Buttersäure (% d. Th.) | 99,60 |
In einem 150 ml-Stahlautoklaven wurde eine Lösung aus 44,6 g Toluol,
5,09 g Triphenylphosphin und 20 mg Rhodium (in Form von Rh-2-
ethylhexanoat) 60 min bei 110°C unter einem Druck von 27 MPa mit
Synthesegas behandelt. 2,7 g der resultierenden Lösung mit einem Gehalt
von 1,1 mg Rhodium wurden mit 800,0 g Butanal gemischt und unter den
Bedingungen des Vergleichsbeispiels 1 in die Oxidation eingesetzt.
Nach 6 Stunden Oxidation bei konstant 40°C wurden folgende Ergebnisse
ermittelt:
GC-Analyse (%) | |
Leichtsieder | 0,17 |
Toluol | 0,25 |
n-Butanal | 0,49 |
n-Buttersäure | 98,82 |
Sonstige | 0,27 |
Umsatz n-Butanal (% d. Th.) | 99,40 |
Selektivität zu n-Buttersäure (% d. Th.) | 99,40 |
Die Flüssigphasenoxidation von 2-Methylbutanal zu 2-Methylbuttersäure
wurde ohne Katalysatorzusatz in einem Blasensäulen-Reaktor aus Glas mit
einem Innendurchmesser von 38 mm und 150 cm Länge durchgeführt. Ab
hängig vom Reaktionsverhalten wurde der Reaktor mantelseitig durch einen
mit einem Wärmeaustauscher verbundenen Wasserkreislauf gekühlt oder
beheizt und die Innentemperatur auf diese Weise konstant gehalten. Die
Sauerstoffzufuhr erfolgte von unten durch eine mit der Blasensäule verbun
dene Glasfilterplatte mit einer maximalen Porenweite von 16-40 µm.
In die Oxidation wurden 800,0 g Aldehyd eingesetzt. Nach 6 Stunden Oxida
tion bei konstant 50°C wurden folgende Ergebnisse ermittelt:
GC-Analyse (%) | |
Leichtsieder | 0,79 |
2-Methylbutanal | 1,84 |
2-Methylbuttersäure | 85,53 |
Sonstige | 11,84 |
Umsatz 2-Methylbutanal (% d. Th.) | 97,50 |
Selektivität zu 2-Methylbuttersäure (% d. Th.) | 85,90 |
Unter den Bedingungen von Vergleichsbeispiel 2 wurden 800 g 2-Methyl
butanal zusammen mit einem Gemisch aus 75,3 g 2-Methylbuttersäure sowie
20,7 g 50 gew.-%iger wässriger Kalilauge (entsprechend 2 mol-% Kalium,
bezogen auf 2-Methylbutanal) in die Oxidation eingesetzt.
Nach 6 Stunden Oxidation bei konstant 50°C wurden folgende Ergebnisse
ermittelt:
GC-Analyse (%) | |
Leichtsieder | 2,01 |
2-Methylbutanal | 2,45 |
2-Methylbuttersäure | 93,63 |
Sonstige | 1,91 |
Umsatz 2-Methylbutanal (% d. Th.) | 96,50 |
Selektivität zu 2-Methylbuttersäure (% d. Th.) | 95,00 |
In einem 150 ml-Stahlautoklaven wurde eine Lösung aus 44,0 g Toluol und
22 mg Rhodium (in Form von Rh-2-ethylhexanoat) 60 hin bei 120°C unter
einem Druck von 27 MPa mit Synthesegas behandelt. 3,81 g der resultieren
den Lösung mit einem Gehalt von 1,9 mg Rhodium wurden mit 800,0 g 2-
Methylbutanal gemischt und unter den Bedingungen des Vergleichsbeispiels
3, d. h. in Gegenwart von 75,3 g 2-Methylbuttersäure sowie 20,7 g 50-
gew.-%iger wässriger Kalilauge, in die Oxidation eingesetzt.
Nach 6 Stunden Oxidation bei konstant 50°C wurden folgende Ergebnisse
ermittelt:
GC-Analyse (%) | |
Leichtsieder | 1,39 |
Toluol | 0,43 |
2-Methylbutanal | 1,28 |
2-Methylbuttersäure | 94,38 |
Sonstige | 2,52 |
Umsatz 2-Methylbutanal (% d. Th.) | 98,10 |
Selektivität zu 2-Methylbuttersäure (% d. Th.) | 95,10 |
Analog Vergleichsbeispiel 2 wurden 800,0 g 2-Methylbutanal zusammen mit
einem Gemisch aus 75,3 g 2-Methylbuttersäure und 20,7 g 50 gew.-%iger
Kalilauge in die Oxidation eingesetzt. Die Methylbuttersäure enthielt, als
Salze gelöst, 0,10 mg Chrom, 0,07 mg Nickel und 0,47 mg Eisen.
Nach 6 Stunden Oxidation bei konstant 50°C wurden folgende Ergebnisse
ermittelt:
GC-Analyse (%) | |
Leichtsieder | 1,41 |
2-Methylbutanal | 1,17 |
2-Methylbuttersäure | 94,93 |
Sonstige | 2,49 |
Umsatz 2-Methylbutanal (% d. Th.) | 98,30 |
Selektivität zu 2-Methylbuttersäure (% d. Th.) | 95,30 |
Die Flüssigphasenoxidation von n-Heptanal zu n-Heptansäure wurde ohne
Katalysatorzusatz in einem Blasensäulen-Reaktor aus Glas mit einem Innen
durchmesser von 38 mm und 150 cm Länge durchgeführt. Abhängig vom
Reaktionsverhalten wurde der Reaktor mantelseitig durch einen mit einem
Wärmeaustauscher verbundenen Wasserkreislauf gekühlt oder beheizt und
die Innentemperatur auf diese Weise konstant gehalten. Die Sauerstoffzufuhr
erfolgte von unten durch eine mit der Blasensäule verbundene Glasfilterplatte
mit einer maximalen Porenweite von 16-40 µm.
In die Oxidation wurden 800,0 g Aldehyd eingesetzt. Nach 6 Stunden Oxida
tion bei konstant 50°C wurden folgende Ergebnisse ermittelt:
GC-Analyse (%) | |
Leichtsieder | 0,82 |
n-Heptanal | 5,42 |
n-Heptansäure | 91,79 |
Sonstige | 1,97 |
Umsatz n-Heptanal (% d. Th.) | 93,8 |
Selektivität zu n-Heptansäure (% d. Th.) | 98,9 |
In einem 150 ml-Stahlautoklaven wurde eine Lösung aus 44,6 g Toluol, 5,09
g Triphenylphosphin und 20 mg Rhodium (in Form von Rh-2-ethylhexanoat)
60 min bei 110°C unter einem Druck von 27 MPa mit Synthesegas behan
delt. 1,78 g der resultierenden Lösung mit einem Gehalt von 0,7 mg Rhodium
wurden mit 800,0 g n-Heptanal gemischt und unter den Bedingungen des
Vergleichsbeispiels 4 in die Oxidation eingesetzt.
Nach 6 Stunden Oxidation bei konstant 50°C wurden folgende Ergebnisse
ermittelt:
GC-Analyse (%) | |
Leichtsieder | 0,53 |
Toluol | 0,26 |
n-Heptanal | 2,28 |
n-Heptansäure | 95,19 |
Sonstige | 1,74 |
Umsatz n-Heptanal (% d. Th.) | 97,40 |
Selektivität zu n-Heptansäure (% d. Th.) | 97,40 |
In einem 150 ml-Stahlautoklaven wurde eine Lösung aus 44,6 g Toluol und
20 mg Rhodium (in Form von Rh-2-ethylhexanoat) 60 min bei 110°C unter
einem Druck von 27 MPa mit Synthesegas behandelt. 1,78 g der resultieren
den Lösung mit einem Gehalt von 0,8 mg Rhodium wurden mit 800,0 g n-
Heptanal gemischt und unter den Bedingungen des Vergleichsbeispiels 4 in
die Oxidation eingesetzt.
Nach 6 Stunden Oxidation bei konstant 50°C wurden folgende Ergebnisse
ermittelt:
GC-Analyse (%) | |
Leichtsieder | 0,25 |
Toluol | 0,25 |
n-Heptanal | 1,99 |
n-Heptansäure | 95,15 |
Sonstige | 2,36 |
Umsatz n-Heptanal (% d. Th.) | 97,70 |
Selektivität zu n-Heptansäure (% d. Th.) | 97,70 |
Die Flüssigphasenoxidation von Isononylaldehyd zu Isononansäure wurde
ohne Katalysatorzusatz in einem Blasensäulen-Reaktor aus Glas mit einem
Innendurchmesser von 38 mm und 150 cm Länge durchgeführt. Abhängig
vom Reaktionsverhalten wurde der Reaktor mantelseitig durch einen mit
einem Wärmeaustauscher verbundenen Wasserkreislauf gekühlt oder be
heizt und die Innentemperatur auf diese Weise konstant gehalten. Die Sau
erstoffzufuhr erfolgte von unten durch eine mit der Blasensäule verbundene
Glasfilterplatte mit einer maximalen Porenweite von 16-40 µm.
In die Oxidation wurden 800,0 g Aldehyd eingesetzt. Nach 6 Stunden Oxida
tion bei konstant 50°C wurden folgende Ergebnisse ermittelt:
GC-Analyse (%) | |
Leichtsieder | 3,78 |
Isononylaldehyd | 8,46 |
Isononansäure | 84,66 |
Sonstige | 3,10 |
Umsatz Isononylaldehyd (% d. Th.) | 90,00 |
Selektivität zu Isononansäure (% d. Th.) | 99,90 |
800,0 g Isononylaldehyd wurden mit einer Lösung aus 1,35 g Toluol und 0,6
mg Rhodium (in Form von Rh-2-ethylhexanoat) gemischt und unter den Be
dingungen des Vergleichsbeispiels 5 in die Oxidation eingesetzt.
Nach 6 Stunden Oxidation bei konstant 50°C wurden folgende Ergebnisse
ermittelt:
GC-Analyse (%) | |
Leichtsieder | 4,19 |
Toluol | 0,24 |
Isononylaldehyd | 1,65 |
Isononansäure | 90,05 |
Sonstige | 3,87 |
Umsatz Isononylaldehyd (% d. Th.) | 98,00 |
Selektivität zu Isononansäure (% d. Th.) | 98,40 |
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung aliphatischer Carbonsäuren mit 4 bis 11
Kohlenstoffatomen durch Oxidation der entsprechenden Aldehyde mit
Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasgemischen bei 20 bis
100°C, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation der Aldehyde in
Gegenwart von 0,1 bis 5 Gew.-ppm eines Metalls der Gruppen 5 bis 11
des Periodensystems der Elemente oder der entsprechenden Menge
einer Verbindung eines solchen Metalls oder Gemischen solcher
Metalle und/oder Metallverbindungen, bezogen auf eingesetzten Alde
hyd, erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxida
tion der Aldehyde in Gegenwart von 0,2 bis 3 ppm, insbesondere von
0,5 bis 2 ppm eines Metalls der Gruppen 5 bis 11 des Periodensystems
der Elemente oder der entsprechenden Menge einer Verbindung eines
solchen Metalls oder Gemischen solcher Metalle und/oder Metallver
bindungen, bezogen auf eingesetzten Aldehyd, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Metall der 5. bis 11. Gruppe des Periodensystems der Elemente Vana
dium, Chrom, Molybdän, Eisen, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium,
Palladium oder Kupfer, vorzugsweise Chrom, Eisen, Nickel, Rhodium
und insbesondere Eisen und Rhodium ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Metallverbindungen sich von den Metallen Vanadium, Chrom, Mo
lybdän, Eisen, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Kupfer,
vorzugsweise Chrom, Eisen, Nickel, Rhodium, und insbesondere Eisen
und Rhodium ableiten.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Metallverbindungen Carboxylate, Acetylace
tonate oder Carbonylverbindungen sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Metallcarboxylate Salze der Carbonsäuren sind, die als Ergebnis der
Oxidation der eingesetzten Aldehyde entstehen.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Oxidation bei Temperaturen im Bereich von
20 bis 80°C, vorzugsweise 40 bis 80°C, durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Oxidation bei Drücken in einem Bereich von
Atmosphärendruck bis 1,0 MPa, vorzugsweise Atmosphärendruck bis
0,8 MPa durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Sauerstoff enthaltenden Gasgemische einen
Anteil von bis zu 90 Vol-%, insbesondere 30 bis 80 Vol-%, inerter Be
standteile aufweisen.
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