DE10112099A1 - Verbessertes Verfahren zur Herstellung von 6-Methylheptanon - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Methylheptanon und entsprechender homologer Methylketone, insbesondere Phyton und Tetrahydrogeranylaceton, durch Aldolisierung von Isovaleraldehyd oder Prenal oder der entsprechenden Aldehyde mit Aceton in Gegenwart eines den Aldolisierungskatalysator und den heterogenen Hydrierkatalysator enthaltenden mehrwertigen Alkohol oder im einfachsten Fall Wasser selbst, wobei unpolare Hilfslösungsmittel zur Steigerung der Ausbeute und Selektivität eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von 6-Methylheptan-2-on und entsprechender homologer Methylketone, insbesondere Phyton und Terahydrogeranylaceton, durch Aldolisierung von Aldehyden mit Aceton in Gegenwart eines mehrwertigen Alkohols oder wässriger Lösungen beziehungsweise Suspensionen eines Aldolisierungskatalysators und einem heterogenen Hydrierkatalysator und eines unpolaren Additivs oder Hilfslösungsmittels.

Die Erfindung bestrifft insbesondere einen technischen Herstellprozess für Methylketone durch Kondensation der entsprechenden Aldehyde mit Aceton unter hydrierenden Bedingungen, wobei das als Nebenprodukt durch Acetondimerisierung gebildete Methylisobutylketon als selektivitätssteigerndes Additiv verwendet wird und teilweise im Kreis geführt wird.

Methylketone, insbesondere 6-Methylheptan-2-on, Tetrahydrogeranylaceton und Phyton, sind wichtige Zwischenprodukte und Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Riechstoffen, Pharmaprodukten und Futtermitteladditiven (J. Org. Chem., 32 (1967), 177; J. Org. Chem., 28 (1963), 45; Bull. Soc. Chim. Fr. (1955), 1586), insbesondere von Isophytol, das wiederum einen zentralen Baustein der Vitamin E-Synthese darstellt.

Die Herstellung von Methylketonen, insbesondere Methylheptanon, ist in der einschlägigen Literatur beschrieben, wobei verschiedene Synthesestrategien eingesetzt werden. So können Isoamylhalide und Acetessigester in einer nukleophilen Substitutionsreaktion in Gegenwart stöchiometrischer Mengen einer Base miteinander gekoppelt werden (Weg A), wobei der als Intermediat entstehende β-Ketoester unter Abspaltung des entsprechenden Alkohols und Kohlendioxid decarboxyliert wird. Das Verfahren ist aufgrund der mangelnden Atomökonomie, der Höhe der produzierten Abfallmengen an CO₂, Alkohol und der anfallenden Salzfracht nicht wirtschaftlich (Wagner et al., "Synthetic Organic Chemistry", 327, John Wiley & Sons, Inc.).

Eine weitere Synthesestrategie geht zunächst von der Herstellung diverser ungesättigter Methylheptanon-Derivate aus, wie etwa 6-Methyl-5-hepten-2-on oder 6-Methyl-3,5- heptadien-2-on (Weg B), die in einem separaten Reaktionsschritt in Gegenwart heterogener Katalysatoren zum Methylheptanon hydriert werden, (Izv. Akad. Nauk SSSR, Ser. Khim. 5 (1972), 1052). Nachteilig an dieser Methodik ist die aufwendige Herstellung des Methylheptenons und die Notwendigkeit der Durchführung als mehrstufiger Prozess.

Eine weitere Möglichkeit ist die Oxidation von 6-Methyl-5- hepten-2-ol (Weg C), wie in Recl. Trav. Chim. Pays Bas, 28, 116 (1909) beschrieben, oder die Behandlung des Alkenols mit Phosphorsäure und Phosphorpentoxid (Weg D) nach Bull. Soc. Chim. Fr., 1799, (1963). Beide Methoden sind für die technische Herstellung von Methylheptanon ungeeignet, da stöchiometrische Mengen der entsprechenden Reagenzien verbraucht werden, und die Synthese des Edukts mehrstufig und kompliziert ist.

Eine Vielzahl von Synthesestrategien hat sich mit der Zugänglichkeit von 6-Methyl-5-hepten-2-on beschäftigt, aus dem wie oben dargestellt (Weg B) das entsprechende Methylheptanon durch katalytische Hydrierung effizient hergestellt werden kann. Relativ früh wurde von den Riechstoff-, Aromastoff- und Vitaminherstellern erkannt, daß 6-Methyl-5-hepten-2-on ein zentrales Intermediat darstellt, von dem ausgehend es möglich ist, diverse Vitamine, unter anderem Vitamin E und Vitamin A, Carotinoide und Riechstoffe zu erzeugen. Exemplarisch seien an dieser Stelle die wichtigsten Verfahren erläutert.

Industrielle Anwendung findet ein mehrstufiger Prozess ausgehend von Aceton (Weg E), das in der ersten Stufe in Gegenwart basischer Katalysatoren in Ammoniak zu Methylbutinol umgesetzt wird. Nach Lindlarhydrierung zum Methylbutenol wird mit Diketen umgesetzt und das sich "in situ" bildende Intermediat in einer Caroll-Umlagerung zum Methylheptenon umgesetzt (J. Org. Chem., 23, 153, (1958). Es ist offensichtlich, daß die hohe Stufenzahl des Verfahrens und die Verwendung von Diketen und Acetylen und die damit verbundenen hohen sicherheitstechnischen Anforderungen, die industrielle Anwendbarkeit des Prozesses stark einschränken.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Methylheptenon umfasst die Druckreaktion von Isobuten mit Formaldehyd und Aceton (Weg F). Die Prozessbedingungen, die die Verwendung von hohen Temperaturen und Drücken zur Erzielung guter Umsätze und Selektivitäten notwendig machen, sind allerdings mit hohen apparativen Kosten verbunden und schränken die Anwendbarkeit des Verfahrens ein (DE 12 59 876; DE 12 68 135; US 3,574,773).

Ein weiterer Zugang zum Methylheptenon, der bei moderaten Bedingungen zum Ziel führt, ist ein zweistufiger Prozess, der mittlerweile industriell umgesetzt wurde. Im ersten Schritt wird in Gegenwart eines Cu-I-halogenids Isopren mit HCl-Gas umgesetzt, wobei eine Isomerenmischung aus den entsprechenden Allylchloriden entsteht. Das terminale Prenylchlorid wird in einer Zweiphasenreaktion mit wässriger Natronlauge in Gegenwart eines Phasentransferkatalysators mit Aceton gekuppelt (Weg G). Nachteilig an diesem Verfahren ist der stöchiometrische Salzanfall und nur mäßige Ausbeuten in der Größenordnung von 70% (US 3,983,175 und US 3,984,475).

Im Angesicht der genannten Probleme, erscheint es nicht wirtschaftlich, eine der angegebenen Synthesestrategien für die Herstellung von Methylheptanon zu wählen. Insbesondere der Zugang zum 6-Methylheptan-2-on über 6-Methyl-5-hepten- 2-on ist nach dem Stand der Technik nur mit hohen Stufenzahlen und erheblichem apparativem Aufwand verbunden.

Ein alternativer Prozess stellt den Zugang zu einem Doppelbindungsisomeren von 6-Methyl-5-hepten-2-on, nämlich 6-Methyl-3-hepten-2-on, durch die Cross-Aldol Kondensation von Isovaleraldehyd und Aceton, in Gegenwart einer wässrigen Alkaliverbindung als Katalysator dar (Nippon Kagaku Kaishi, 59, 224 [1938]). Die moderate Reaktionstemperatur, die zur Erzielung hoher Selektivitäten eingestellt wird, bedingt, daß die Reaktion ebenfalls auf der Stufe des β-Hydroxyketons stehen bleibt (Bull. Soc. Chim. Fr., 112, [1957]).

In GB 1,246,698 werden Aceton und Isovaleraldehyd bei Temperaturen von < 200°C und Drücken von < 30 bar miteinander umgesetzt, wobei nur bescheidene Umsätze von ca. 25% erzielt werden und Aceton in einem molaren Überschuß von 4 Äquivalenten verwendet wird. Neben der Verwendung von wässriger Natronlauge als Katalysator der Umsetzung werden auch heterogene Oxide als aktive Aldolisierungskatalysatoren beschrieben.

DE-OS 26 15 308 (siehe auch US 4,146,581) beschreibt die Verwendung katalytischer Mengen an Oxiden Seltener Erden und gleichzeitig eines heterogenen Hydrierkatalysators (ein oder mehrere Metalle der Gruppe VIII des Periodensystems) für die Cross-Aldolisierung von symmetrischen Ketonen mit niedrigen Aldehyden (siehe Reaktion Aceton mit Isovaleraldehyd, Beispiel 12), wobei die Reaktion bei höheren Temperaturen unter hydrierenden Bedingungen (in Anwesenheit von Wasserstoff, vorzugsweise zwischen 20-30 bar) durchgeführt wird. Nach einer Variante dieses Verfahrens wird als Aldolisierungskatalysator kein Oxid sondern ein entsprechendes lipophiles Salz (z. B. Stearat) eingesetzt. Nachteilig an diesem im wesentlichen guten Verfahren ist die Tatsache, daß zur Erzielung guter Selektivitäten das Keton in einem deutlichen Überschuß (3-5 Äquivalente bezüglich dem eingesetzten Aldehyd) verwendet wird und der Umsatz an Aldehyd nicht vollständig ist. Bei dieser Verfahrensweise wird neben dem gewünschten Methylheptanon auch ein nicht unerheblicher Bestandteil des nicht umgesetzten Methylheptenons erhalten. Auf die Standzeiten der verwendeten heterogenen Systeme wird nicht eingegangen.

Auch die DE-OS 26 25 541 (entspricht US 4,212,825) beschäftigt sich mit einer Methode zur direkten Herstellung von höheren gesättigten Ketonen, insbesondere 6- Methylheptanon, durch Cross-Aldolisierung von Aceton mit 3- Methyl-butanal durch Verwendung eines heterogenen geträgerten Kontaktes, der als Aldolisierungskomponente Zinkoxid und als Hydrierkomponente Nickel, Kobalt oder Kupfer enthält. Nachteilig an dieser Methode ist der unvollständige Umsatz, die unbefriedigende Hydrierausbeute und Nebenprodukte, die durch Konsekutiereaktion von Methylheptanon mit einem weiteren Äquivalent Isovaleraldehyd entstehen (Produktmischung enthält 2,10- Dimethylundekan-6-on und ungesättigte Vorstufen). Außerdem ist die Katalysatorpräparation aufwendig. Es werden keine Angaben zur Langzeitaktivität des Katalysators gemacht.

Die Verwendung von Zinkoxid "per se" als Aldolisierungskatalysator zur Herstellung der entsprechenden α,β-ungesättigten Ketons wird in US 4,005,147 beschrieben. Die Verwendung lipophiler Zinksalze in Gegenwart eines Hydrierkatalysators wird im US Patent 3,316,303 beschrieben, wobei insbesondere durch die Verwendung eines ungeeigneten Hydrierkatalysators (Sulfid der Elemente Mo, Ni, W oder eines Cobalt- Carbonylierungskatalysators) erhebliche Mengen des unerwünschten Alkohols entstehen.

Ein weiterer Ansatz zur Herstellung von 6-Methylheptanon wird in WO 96/31454 beschrieben, wonach in einem zweistufigen Verfahren zunächst in einer ersten Stufe die Cross-Aldolisierung von Aceton mit Isovaleraldehyd in Gegenwart wässriger Natronlauge durchgeführt wird und nach Erhalt eines 4-Hydroxy-6-methyl-heptan-2-on haltigen Gemischs die Dehydratisierung und Hydrierung in Gegenwart einer katalytischen Menge Brönstedtsäure und eines heterogenen Edelmetall-Hydrierkatalysators erfolgt. Es ist offensichtlich, daß ein mehrstufiges Verfahren, insbesondere die Notwendigkeit, das Katalysatormilieu von basisch nach sauer zu wechseln, keine befriedigende Lösung der bestehenden Probleme darstellt. Zur Erzielung hoher Ausbeuten wird zudem ein Acetonüberschuß zwischen 3-5 Äquivalenten bezüglich Isovaleraldehyd eingestellt.

Ein anderes Verfahren wird in US 5,955,636 beschrieben, wo die Aldolisierung von Isovaleraldehyd mit Aceton in Gegenwart einer wässrigen Natronlauge und eines heterogenen Edelmetall-Hydrierkatalysators durchgeführt wird, wobei der Hydrierkatalysator in vorgelegtem Aceton suspendiert wird und gleichzeitig sowohl die wässrige Natronlauge als auch Isovaleraldehyd bei erhöhten Temperaturen zu dieser Suspension dosiert werden.

Nachteilig an diesem Verfahren ist der prozesstechnische Aufwand, der für die gleichzeitige Dosierung der beiden Lösungen betrieben werden muß. Nach der Reaktion muß der heterogene Hydrierkatalysator durch Filtration entfernt werden, danach folgt Phasentrennung, wobei die obere Phase den Wertstoff 6-Methylheptanon enthält und die untere Phase die durch Reaktionswasser verdünnte wässrige Natronlauge. Die nach diesem Verfahren erzielbaren Umsätze betragen ca. 97-98%, die Ausbeuten bezüglich Isovaleraldehyd betragen ca. 87%. Bei Reproduktion des Patents wird ersichtlich, daß ein wesentlicher Anteil des Isovaleraldehyds zum nicht gewünschten 3-Methylbutan-1-ol hydriert wird. Auf die Recyclierung beziehungsweise Reaktivierung der wässrigen Katalysatorphase, die sowohl den alkalischen Aldolisierungs- als auch den heterogenen Hydrierkatalysator enthält wird nicht eingegangen.

Bei den im Stand der Technik angeführten Verfahren wird üblicherweise kein kompletter Umsatz angestrebt, da die Selektivität der Aldolisierung mit zunehmendem Umsatz sinkt, was auf Konsekutivreaktionen des gebildeten Methylheptanons mit weiteren Äquivalenten Isovaleraldehyd oder auf Reaktionen eines der Intermediate β-Hydroxyketon oder Methylheptenon, zurückzuführen ist.

Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bsschriebenen Verfahren ist die Notwendigkeit, zur Erzielung hoher Selektivitäten bezüglich Isovaleraldehyd, einen hohen Überschuß an Aceton einzusetzen. Aceton neigt aber unter den vorgegebenen Bedingungen zur Dimerisierung zu Mesityloxid, was sich unter hydrierender. Bedingungen zu Methylisobutylketon umsetzt. Bei den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren stellt diese Homoaldolisierung von Aceton eine wesentliche Nebenreaktion dar, die die Selektivität bezüglich Aceton deutlich herabsetzt und sich in einem hohen spezifischen Verbrauch des Ketons äußert.

Es ist insbesondere bei allen vorgeschlagenen Verfahren nicht berücksichtigt, wie die Katalysatorphase, insbesondere der die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bestimmende Hydrierkatalysator, recycliert werden kann.

Bislang ist noch kein wirtschaftliches Verfahren bekannt, das die Herstellung von Methylketonen, insbesondere 6- Methylheptan-2-on, beschreibt, bei dem bei vollständigen Umsätzen (Umsätze < 99%) befriedigende Ausbeuten erhalten werden Des weiteren ist es bislang noch nicht gelungen, ein befriedigendes Verfahren zu finden, um die unerwünschte Nebenproduktbildung durch die Hydrierung von Isovaleral zu 3-Methylbutanol zu unterdrücken und so den spezifischen Isovaleral-Verbrauch zu reduzieren.

Es war Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von Methylketonen durch Cross-Aldolisierung unter Hydrierbedingungen von Aceton mit den entsprechenden Aldehyden zu finden, das

• 1. a.) es erlaubt, die entsprechenden Methylketone in optimalen Ausbeuten und Reinheiten bei vollständigem Umsatz (< 99%) des eingesetzten Aldehyds herzustellen, unter Vermeidung einer aufwendigen Prozessführung, nämlich die simultane Zugabe sowohl der wässrigen Alkali-Lösung als auch des Aldehyds,
• 2. b.) eine einfache Recyclierung der nicht umgesetzten oder nicht verbrauchten Edukte und Hilfslösungsmittel, insbesondere Aceton, den aktiven Hydrierkatalysator erlaubt, und es damit gestattet, gleichbleibend stabile Ausbeuten und Prozessbedingungen bei wiederholtem Einsatz des reaktivierten Katalysators zu gewährleisten, und
• 3. c.) die unerwünschte Hydrierung des eingesetzten Aldehyds zum entsprechenden primären Alkohol zu unterdrücken.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein technischer Kreislaufprozess unter teilweiser Rückführung von des Hilfslösungsmittels und/oder Methylheptanon, in dem die erfindungsgemäßen unpolaren Hilfslösungsmittel einen selektivitätserhöhenden Effekt ausüben. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Einsatz besagter Methylketone als Edukt für die Herstellung von Isophytol und Vitamin E-Acetat durch sukzessives Durchlaufen von Reaktionssequenzen C-2-, C-3-Verlängerung und Partialhydrierungsschritten.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Methylketonen der allgemeinen Formel (1)

wobei x eine Zahl zwischen 1-3 darstellt (für x = 1 ⇒ 6- Methylheptan-2-on; für x = 2 ⇒ Tetrahydrogeranylaceton; für x = 3 ⇒ Phyton)
durch Umsetzung von Wasserstoff, Aceton und einem Aldehyd der allgemeinen Formel (2)

wobei x eine Zahl zwischen 0-2 darstellt und die gestrichelten Linien jeweils olefinische Doppelbindungen repräsentieren, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung der Komponenten in Gegenwart einer Katalysatorsuspension durchführt, die einen suspendierten heterogenen Hydrierkätalysator und einen gelösten, Alkali- oder Erdalkalimetall-haltigen Aldolisiarungskatalysator enthält und daß man die Umsetzung der Komponenten zweiphasig durchführt, wobei die untere Wasser- oder Alkoholphase das Suspensionsmedium des heterogenen Hydrierkatalysators und das Lösungsmittel des Aldolisierungskatalysators darstellt und die obere Phase eine Lösung von Aceton (Reaktant) in einem unpolaren Hilfslösungsmittel representiert wird, insbesondere Methylisobutylketon.

Es ist wichtig, daß das erfindungsgemäße Verfahren als zweiphasiger Prozess zur Herstellung von Methylketonen, insbesondere 6-Methylheptan-2-on, durch Co-aldolisierung von Aldehyden, insbesondere Isovaleraldehyd, mit Aceton unter hydrierenden Bedingungen eingesetzt wird.

Nach intensiven Untersuchungen wurde gefunden, daß die oben genannte Problematik in überraschender Weise gelöst wird, indem man

• 1. die Katalysatorphase zusammen mit Aceton als zweiphasiges Gemisch unter Wasserstoff im Autoklaven vorlegt und unter Sicherstellung effizienter Rührung den entsprechenden Aldehyd bei Temperaturen zwischen 40°C-200°C zupumpt und man nach Reaktionsende nach Abtrennung des heterogenen Hydrierkatalysators die obere, den Wertstoff (das entsprechende Methylketon neben nicht umgesetzten Aceton) enthaltende Phase von der Wasser- oder Alkoholphase entfernt und durch Destillation Aceton rückgewinnt und das entsprechende Methylketon isoliert; und
• 2. nach Reaktionsende, das während der Reaktion gebildete Methylisobutylketon durch Destillation der organischen Produktphase, neben Aceton destillativ gewinnt und als Recyclierstrom teilweise oder vollständig in die Reaktion zurückführt, wobei Methylisobutylketon als vergleichsweise unpolares Lösungsmittel zu Beginn der Reaktion die Zweiphasigkeit des Reaktionsansatzes sicherstellt, und gegebenenfalls
• 3. ein weiteres unpolares Hilfslösungsmittel bei der Durchführung des Verfahrens als kontinuierlicher Prozess im Kreis führt.

Insbesondere wird ein verbessertes Verfahren zur Herstellung vom unsymmetrisch substituierten Ketonen, die eine α-Methyl-Gruppe tragen, im folgenden als Methylketone bezeichnet, durch Umsetzung der entsprechenden Aldehyde mit Aceton unter Hydrier-, Dehydratisier- und Aldolisierungsbedingungen, wobei die verwendeten Edukte und die entstehenden Produkte eine geringe Löslichkeit in der sowohl den Hydrierkatalysator als auch den alkalischen Dehydratisierungs- und Aldolisierungskatalysator enthaltenden Katalysatorphase aufweisen, beschrieben.

Die erfindungsgemäße Zugabe eines unpolaren Hilfslösungsmittels, insbesondere die Recyclierung von diesem Hilfslösungsmittel beim Betrieb des Verfahrens als kontinuierlicher Kreisprozess, erlaubt die Erzielung bislang nicht beschriebener Ausbeuten bis zu 99% bezüglich eingesetztem Aldehyd.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die zweiphasige Reaktionsführung unter Verwendung eines mehrwertigen, polaren Alkohols als Suspendierungsmittel des heterogenen Hydrierkatalysators oder wässrige Lösungen besagter mehrwertiger Alkohole oder im einfachsten Fall Wasser selbst und die Abtrennung der Produktphase von der aktiven Katalysatorphase nach Filtration des Hydrierkatalysators, Phasentrennung und Aufarbeitung der beiden Phasen unter Rückführung nicht umgesetzter Edukte und Hilfsstoffe.

Zwar bildet sich bei allen im Stand der Technik beschriebenen Verfahren Methylisobutylketon als Nebenprodukt der unerwünschten Aceton-Homoaldolisierung, wobei aber bei diesen Verfahren die Methylisobutylketon Konzentration erst mit zunehmender Reaktionsdauer zunimmt, d. h. zu Reaktionsbeginn liegt überhaupt kein Methylisobutylketon vor.

Nach dem vorliegenden Verfahren wird nun durch Methylisobutylketon- beziehungsweise Methylheptanon- Recyclierung aus der Aufarbeitung der Produkte eine ausreichende Konzentration an Methylisobutylketon beziehungsweise Methylheptanon auch zu Beginn der Reaktion eingestellt, um die Ausbeute der Umsetzung deutlich zu steigern.

Nach Vorlage der zweiphasigen Reaktionsmischung wird der gegebenenfalls ungesättigte Aldehyd zudosiert, sodaß seine "in situ" Konzentration im Reaktionsgemisch immer unterhalb 20 mol% bezüglich Aceton beträgt. Nach Ablauf der Reaktion wird das zweiphasige Gemisch, in dem der Hydrierkatalysator suspendiert wird, filtriert, wobei der heterogene Hydrierkatalysator abgetrennt wird und ein eindeutig zweiphasiges Gemisch resultiert. Die Phase, die den Aldolisierungskatalysator enthält, wird abgetrennt. Die destillative Aufarbeitung der beiden Phasen gewinnt nahezu quantitativ nicht umgesetztes Aceton neben kleineren Resten Aldehyd zurück und erlaubt die Isolierung der als Produkt gewünschten Methylketone in Reinheiten < 99%.

Im folgenden Schema ist die Reaktion am Beispiel der Acetonisierung von 3-Methylbutyraldehyd (Isovaleraldehyd) unter Herstellung von Methylheptanon skizziert. Die in Klammern stehenden Verbindungen werden als Intermediate durchlaufen:

Mit Katalysatorphase ist hier eine Phase gemeint, die den Aldolisierungskatalysator und den Hydrierkatalysator enthält. Die Katalysatorphase selbst ist ebenfalls zweiphasig, da der Aldolisierungskatalysator gelöst vorliegt und der heterogene Hydrierkatalysator suspendiert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert die Prozessführung im Vergleich mit dem im Stand der Technik beschriebenen Verfahrensweise wesentlich, indem die Dosierung nur einer Komponente zur Erzielung hoher Selektivitäten notwendig ist und nahezu quantitative Ausbeuten der gewünschten Methylketone bezüglich eingesetztem Aldehyd erzielt werden können. Die Kreislaufführung eines unpolaren Hilfslösungsmittels, insbesondere die Recyclierung von Methylisobutylketon oder dem Produkt der Umsetzung Methylheptanon selbst, stellt einen nur unerheblichen Aufwand dar, da Methylisobutylketon als Nebenprodukt durch Acetondimeriserung im Prozess zwangsweise entsteht und vom Produkt durch Destillation abgetrennt werden muß.

Durch die Erzielung hoher Ausbeuten geht die drastische Reduzierung von hochsiedenden Nebenprodukten einher, die die Deaktivierung des Hydrierkatalysators fördern und seine Recyclierbarkeit stark einschränken. Die Vermeidung der Bildung der Bildung von 3-Methylbutanol durch Isovaleralhydrierung, wie es beim Arbeiten nach US 5,955,636 entsteht, erleichtert die Produktisolierung durch Einsparung entsprechender Trennoperationen.

Bei dem Erfindungsgemäßen sehr selektiven Verfahren gibt es bezüglich der Recyclierbarkeit des heterogenen Hydrierkatalysators keine Einschränkungen. Der Katalysator kann unter optimalen Bedingungen bis zu 30 Mal und mehr eingesetzt werden ohne daß eine merkliche Abnahme der Hydrieraktivität zu verzeichnen ist.

Eine Abtrennung des Hydrierkatalysators erfolgt durch gängige technische Maßnahmen, im einfachsten Fall durch Filtration. Die Trennung von Katalysatorphase und Produktphase erfolgt im einfachsten Fall durch einfaches Abdekantieren. Die so erhaltene Katalysatorphase enthält mehr oder weniger komplett das durch die Kondensation entstandene Reaktionswasser, was die destillative Aufarbeitung der organischen Produktphase durch die Vermeidung von Azeotropen zwischen Wasser und den vorhandenen Carbonylverbindungen oder anderen Stoffen wesentlich erleichtert. Die Katalysatorphase enthält den nicht verbrauchten alkalischen Aldolisierungskatalysator und das Alkali- oder Erdalkalisalz der dem Aldehyd entsprechenden Säure, die durch als Nebenreaktion beobachtete Cannizarroreaktion entstanden ist. Bei der Umsetzung von Isovaleral mit wässriger Natronlauge entsteht das Natriumsalz der Isovaleriansäure als Nebenprodukt.

Vor der Wiederverwendung der Wasser- oder Alkoholphase wird lediglich die durch Nebenreaktionen verbrauchte Alkalimenge ergänzt.

Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein technisches Eintopf-Konzept für die Herstellung von Methylketonen, bei dem die Katalysatorphase nach Durchführung der Reaktion und Phasentrennung gegebenenfalls vollständig zurückgeführt werden kann. In einer anderen erfindungsgemäßen Variante wird die alkalische Katalysatorlösung nach Entfernung der organischen Bestandteile und gegebenenfalls Neutralisation verworfen.

Die Reaktionsführung sieht die einfache Dosierung des Aldehyds zu der zweiphasigen Mischung aus Katalysatorphase, Aceton und unpolares Hilfslösungsmittel, insbesondere Methylisobutylketon, vor, was nur einen unwesentlichen steuerungstechnischen Aufwand verursacht. Auf diese Weise wird weiterhin eine sichere Prozessführung gewährleistet, da eine auftretende Exotherme einfach abgefangen wird, indem die Dosierung des Aldehyds unterbrochen oder verlangsamt wird.

Der erste Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Methylketonen, insbesondere 6-Methylheptan- 2-on, durch Herstellung aus der entsprechenden Carbonylverbindung und Aceton, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der alkalische Kondensations- als auch der heterogene Hydrierkatalysator in einem mehrwertigen, lipophoben Alkohol und/oder Wasser gelöst beziehungsweise suspendiert sind und die Reaktion in Gegenwart eines unpolaren Hilfslösungsmittel, insbesondere Methylisobutylketon, zweiphasig durchgeführt wird.

Dieser erste Aspekt umfasst auch die Verfahrensweise, daß die die Katalysatoren enthaltende lipophobe Alkoholphase beziehungsweise Wasserphase, Aceton und das Hilfslösungsmittel in einem Autoklaven unter einem moderaten Wasserstoffdruck vorgelegt werden und die Aldehydkomponente zu dem zweiphasigen Gemisch aus Aceton/Hilfslösungsmittel und Katalysatorphase dosiert werden. Es ist hierbei darauf zu achten, daß die Konzentration des Aldehyds in der Reaktionslösung möglichst niedrig zu wählen ist und eine Konzentration von 20 Mol% bezüglich eingesetztem Aceton nicht überschreitet. Diese Verfahrensweise kann in einfacher Weise erfüllt werden, wenn bei entsprechender Reaktionstemperatur die Aldehydzugabe während einer Dosierzeit von 0,5-5 Stunden erfolgt. Die Anwesenheit des Hilfslösungsmittels stellt auch zu Beginn der Reaktion zweiphasige Bedingungen her, sodaß das entstehende Produkt im Sinne einer Reaktivextraktion im Augenblick der Bildung aus der Katalysatorphase entfernt wird.

Zum Verständnis soll an dieser Stelle die Reaktion exemplarisch am Beispiel der Umsetzung von Aceton mit Isovaleraldehyd zur Herstellung von 6-Methylheptan-2-on erläutert werden. Die Reaktion verläuft "in situ" über die Stufe der Aldolisierung unter Entstehung des entsprechenden β-Hydroxyketons, das nicht isoliert wird. Unter den Reaktionsbedingungen findet Dehydratisierung zum 6- Methylhept-3-en-2-on statt, das durch den in der lipophoben Alkoholphase homogen verteilten Hydrierkatalysator selektiv zum entsprechenden Methylketon hydriert wird.

Der Prozess, exemplarisch für die Herstellung von Methylheptanon ausgehend von Isovaleral und Aceton in Anwesenheit von Natronlauge und eines Pd-Aktivkohle Kontakts, ist in Fig. 1 dargestellt.

Kennzeichnend für das vorliegende Verfahren ist die Anwesenheit eines Hilfslösungsmittels, das in einer Konzentration von mindestens 1 Gew.-% bezüglich der hydrophoben, Katalysatoren enthaltenden Lösung eingesetzt wird. Einen die Ausbeute und die Selektivität der Umsetzung fördernden Effekt erhält man nach der vorliegenden Erfindung, wenn das Hilfslösungsmittel in einer Menge von 1 Gew.-%-200 Gew.-% bezüglich der verwendeten Katalysatorphase verwendet wird. Besonders bevorzugt ist eine Einsatzmenge von 5 Gew.-%-50 Gew.-% an Hilfslösungsmittel bezüglich Katalysatorphase. Beim Einsatz der bevorzugten Hilfslösungsmittel Methylisobutylketon, dem als Produkt gewünschten Methylketon oder Mischungen dieser Komponenten, wird die entsprechende Hilfslösungsmittelmenge durch einfache Recyclierung der diese Komponenten enthaltenden Ströme des Aufarbeitungsteils eingestellt.

Das Molverhältnis von Isovaleraldehyd zu Aceton ist nicht kritisch für die Reaktion und kann in weiten Bereichen variiert werden, allerdings wird üblicherweise zur Erzielung einer hohen Produktselektivität bezüglich Isovaleraldehyd und eines hohen Aldehydumsatzes Aceton als Überschusskomponente eingesetzt. Gute Ergebnisse werden erhalten, wenn ein molares Verhältnis von Isovaleraldehyd zu Aceton von 1 : 0,5 bis 1 : 10, vorzugsweise von 1 : 1 bis 1 : 5 eingesetzt wird.

Als Aldolisierungskatalysatoren der Cross-Aldolisierung werden im allgemeinen basische Verbindungen eingesetzt. Geeignete basische Verbindungen sind beispielsweise Hydroxide und Carbonate von Alkali- und Erdalkaliverbindungen der Elemente Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium oder Barium, wobei unter diesen Verbindungen insbesondere Natrium- und Kaliumhydroxid sowie Barium- und Calciumhydroxid aufgrund der guten Verfügbarkeit bevorzugt sind. Im wesentlichen können auch andere Komponenten eingesetzt werden, solange eine gute Löslichkeit in der Matrix der polaren Katalysatorphase (Wasser oder mehrwertige Alkohole) gegeben ist. Die Herstellung der Katalysatorphase geschieht in einfacher Weise durch Auflösen der entsprechenden Basen, gegebenenfalls unter Erhitzen. Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Variante, werden die Salze in Form ihrer wässrigen Lösungen in der Wasser oder Alkoholphase gelöst. Es ist auch möglich, Mischungen unterschiedlicher Stöchiometrien der genannten Verbindungen als Aldolisierungskatalysator einzusetzen.

Als mehrwertige Alkohole im Sinne der vorliegenden Erfindung können Zuckeralkohole mit einem Kohlenwasserstoffgerüst von 3-6 Kohlenwasserstoffen, insbesondere Glycerin, eingesetzt werden, aber auch andere zwei- bis sechswertige Alkohole. Exemplarisch seien an dieser Stelle Ethylenglycol, Propandiol, Butandiol, Glycerin, Erythrit und isomere Tetrite, Pentaerythrit, diverse Pentite wie Arabit und Xylit, Hexite und sich nicht von Zuckeralkoholen ableitende mehrwertige Alkohole wie Inosit, sowie verwandte Verbindungen, Isomere und Homologe genannt.

Bei Verwendung von mehrwertigen Alkoholen als Katalysatormatrix können auch Alkoholale niedriger Alkohole, die eine gute Löslichkeit im mehrwertigen Alkohol aufweisen, als Katalysator der Aldolisierung eingesetzt werden. Exemplarisch seien aus diesen Stoffklassen die Methanolate, Ethanolate, Isopropanolate, Butanolate und entsprechende verzweigte Verbindungen und Homologe genannt. Es sei aber darauf hingewiesen, daß die Verwendung der entsprechenden Alkoholate keine wesentlichen Vorteile im Vergleich mit etwa den günstigen und gut verfügbaren Hydroxiden besitzt. Da durch die Reaktion "in situ" Wasser entsteht, wandeln sich die Alkoholate in die entsprechenden Metallhydroxide unter Entstehung der diversen Alkohole um. Auch Amide katalysieren in diesem Sinne die Reaktion effektiv.

Der mehrwertige Alkohol, insbesondere Glycerin oder ein anderer Zuckeralkohol, wird in einem Volumenverhältnis Alkohol : Aceton von 1 : 20 bis 20 : 1 bezüglich eingesetztem Aceton verwendet, wobei ein Volumenverhältnis zwischen 1 : 5 bis 5 : 1 besonders bevorzugt ist. Die Verwendung von noch größeren Volumina der Katalysatorphase ist zwar möglich, geht aber zu Lasten der Raum-Zeit Ausbeute der Reaktion und ist deshalb nicht wünschenswert. Auch eine Verringerung des Volumens der Katalysatorphase führt noch zu befriedigenden Ergebnissen, wobei sich allerdings keine weiteren Vorteile ergeben.

Wasser als Reaktionsmatrix wird ebenfalls in einem Volumenverhältnis Wasser : Aceton von 1 : 20 bis 20 : 1 bezüglich eingesetztem Aceton verwendet, wobei ein Volumenverhältnis zwischen 1 : 5 bis 5 : 1 besonders bevorzugt ist. Die Verwendung von noch größeren Volumina der Katalysatorphase ist zwar möglich, geht aber zu Lasten der Raum-Zeit Ausbeute der Reaktion und ist deshalb nicht wünschenswert. Auch eine Verringerung des Volumens der Katalysatorphase führt noch zu befriedigenden Ergebnissen, wobei sich allerdings keine weiteren Vorteile ergeben.

Die Konzentration der alkalischen Aldolisierungskatalysatoren kann in weiten Bereichen variiert werden, wobei zur Erzielung guter Raum-Zeit Ausbeuten und Selektivitäten bezüglich eingesetztem Aldehyd eine Konzentration zwischen 0,1-20 Mol% der entsprechenden Base eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist eine Konzentration zwischen 0,5-10 Mol%.

Die Konzentration der Base im mehrwertigen Alkohol wird üblicherweise zwischen 0,01 Gew.-% bis 20 Gew.-% eingestellt. Ein bevorzugter Bereich, der die Erzielung guter Ausbeuten und Umsätze gestattet, ist eine Konzentration zwischen 0,1 bis 5 Gew.-%.

Die Reaktion wird üblicherweise bei Temperaturen zwischen 40°C-200°C durchgeführt, wobei zur Erzielung hoher Produktselektivitäten und einer ausreichenden Reaktionsgeschwindigkeit Temperaturen zwischen 80°C-140°C bevorzugt sind. Es ist ebenfalls möglich, die verschiedenen, nacheinander ablaufenden Reaktionen bei verschiedenen Temperaturstufen ablaufen zu lassen. So kann zu Beginn der Reaktion die selektive Durchführung der Cross-Aldolisierung bei niedrigeren Temperaturen stattfinden, als die anschließende Dehydratisierung zum α,β-ungesättigten Methylketon und dessen Hydrierung zum gesättigten Methylketon.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Reaktion chargenweise durchgeführt werden. Nach dieser Verfahrensweise wird die Phase des mehrwertigen Alkohols, insbesondere die Glycerinphase, oder die Wasserphase, die das binäre Katalysatorsystem enthält, zusammen mit Aceton und dem Hilfslösungsmittel unter guter Rührung in einem Druckbehälter vorgelegt, der gewünschte Wasserstoffdruck eingestellt und auf Reaktionstemperatur gebracht. Danach wird der entsprechende Aldehyd insbesondere Isovaleraldehyd zudosiert. Es ist auch möglich, nur die Katalysatorphase vorzulegen und das Gemisch aus Hilfslösungsmittel/Aceton und Isovaleraldehyd einzutragen. Aus Gründen der Selektivität ist die erste Variante bevorzugt, was wir auf die Tatsache zurückführen, daß bei Vorlage von Aceton das stationäre Verhältnis zwischen Aceton und Isovaleraldehyd immer entsprechend groß genug ist, um eine Homoaldolkondensation von Isovaleraldehyd mit sich selbst effektiv zu unterbinden.

Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Durchführung des Verfahrens wird die wässrige oder alkoholische Katalysatorphase zunächst auf Reaktionstemperatur gebracht, anschließend die Gesamtmenge Aceton zügig zugegeben und anschließend der Aldehyd langsam wie üblich zudosiert. Auf diese Weise lässt sich die unerwünschte Homoaldolisierung von Aceton zu Methylisobutylketon (entsteht unter hydrierenden Bedingungen) zurückdrängen.

In einer weiteren zweiphasigen Ausführungsvariante, die allerdings mehr apparativen Aufwand erfordert, wird die Alkohol- beziehungsweise Wasserphase, die nur den suspendierten Hydrierkatalysator enthält, zusammen mit Aceton unter dem gewünschten Wasserstoffdruck bei Reaktionstemperatur vorgelegt und sowohl der Aldehyd als auch eine wässrige Lösung des Aldolisierungskatalysators zudosiert.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren kontinuierlich betrieben, wobei Katalysatorphase und Edukte gegebenenfalls im Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht werden. Nach Reaktion in der Reaktionszone werden die Phasen getrennt, wobei die alkoholische oder wässrige Phase kontinuierlich auf den Reaktor zurückgeführt wird. Hier erfolgt vor Wiedereintritt in den Reaktor auch die Frischergänzung von verbrauchtem Katalysator (basischer Aldolisierungskatalysator) und die Frischergänzung der Edukte.

Für die erfindungsgemäße Durchführung der zweiphasigen Reaktion ist die zusätzliche Anwesenheit eines unpolaren Hilfslösungsmittel erforderlich und man arbeitet zur Erzielung hoher Selektivitäten bevorzugt in Gegenwart von Methylisobutylketon oder dem als Produkt gewünschten Methylketon oder einer Mischung dieser Komponenten. Auch für eine bessere Reaktionskontrolle, insbesondere für eine bessere Temperaturführung zum Abfangen der Reaktionswärme, können unter Reaktionsbedingungen inerte Lösungsmittel eingesetzt werden, die die Selektivität erhöhen. Als Lösungsmittel und Hilfslösungsmittel körnen beispielsweise aliphatische Kohlenwasserstoffe wie Pentan, Hexan, Cyclohexan, Heptan, Octan und verzweigte Homologe oder aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol, Toluol, Xylol oder Ether wie Diethylether, Dibutylether, Methyl tert- Butylether, Tetrahydrofuran, Dioxan, Glyme, Diglyme, 6- Methylheptanon und entsprechende Derivate eingesetzt werden. Auch höhere aliphatische Ketons, die eine geringere Löslichkeit in der Glycerin- oder Wasserphase aufweisen als Aceton selbst sind im Sinne der Erfindung als Lösungsmittel geeignet.

Exemplarisch für diese Ketone seien Diethylketon, Methylethylketon, Diisopropylketon, Dibutylketon und insbesondere Methylisobutylketon genannt, wobei letzteres als Lösungsmittel der Umsetzung bevorzugt eingesetzt wird, da es ein aus der Selbstaldolisierung von Aceton stammendes Nebenprodukt der Reaktion darstellt.

Bevorzugte Hilfslösungsmittel der Umsetzung sind auch die als Produkt gewünschten Methylketone selbst, wie etwa Methylheptanon oder Dimethylundecanon (ex Citral oder Citronellal zugänglich) und davon abgeleitete partiell ungesättigte Derivate, sowie Methylisobutylketon, die nach destillativer Aufarbeitung der Produktphase als Teilstrom in den Folgeansatz zurückgeführt werden können.

In der exemplarischen Darstellung der Methylheptanonherstellung ausgehend von Isovaleral und Aceton wird verdeutlicht, daß die für die Selektivitätssteigerung notwendige Konzentration an Methylisobutylketon in der Reaktion nach Katalysatorfiltration und Phasentrennung durch die Rückführung von Methylisobutylketon und nicht umgesetzten Aceton (diese Destillatfraktion enthält auch Wasser) erfolgt.

Als Hydrierkatalysator werden üblicherweise kommerziell für diesen Zweck entwickelte und zugängliche geträgerte Metallkatalysatoren verwendet. Geeignete Metalle, die gute Selektivitäten und Standzeiten aufweisen sind insbesondere Palladium, Platin, Rhodium und Nickel, die in Form ihrer Elemente, der Oxide und Mischoxide mit anderen Metallen oder als Legierungen mit anderen Metallen verwendet werden können. Geeignete Träger sind Aktivkohle, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und weitere in der Literatur bekannte und kommerzialisierte Träger.

Die Einsatzmenge dieser Hydrierkatalysatoren beträgt üblicherweise 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-%, wobei 0,1 Gew.-%-­ 3 Gew.-% eine bevorzugte Katalysatormenge darstellen (Katalysatoreinsatzmengen beziehen sich üblicherweise auf eingesetzten Aldehyd).

Für den angewendeten Wasserstoffdruck gibt es keine besonderen Beschränkungen, wobei üblicherweise bei Drücken zwischen 1-40 bar gute Ergebnisse erhalten werden. Auch höhere Drücke können eingestellt werden, sind aber im Hinblick auf die apparativen Anforderungen nicht wünschenswert. Einen bevorzugten Druckbereich stellt das Intervall zwischen 5-25 bar dar.

Einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Aufarbeitung des zweiphasigen Reaktionsgemisch dar, wobei neben Produktisolierung und Rückführung nicht umgesetzter Edukte insbesondere die Konditionierung der Katalysatorphase vor Verwendung im neun Cyclus von Belang ist.

Nach Reaktionsende erhält man ein zweiphasiges Reaktionsgemisch, das sich aus der aktiven Katalysatorphase einerseits und aus der Produktphase andererseits zusammensetzt. Das bei der Dehydratisierung des "in situ" durchlaufenen β-Hydroxyketons entstehende Wasser löst sich mehr oder weniger vollständig in der Glycerin- oder Wasserphase und wird mehr oder weniger vollständig durch Ausschleusung in der Katalysatorphase vom Produkt getrennt.

Nach Abtrennung des Hydrierkatalysators durch Filtration oder andere geeignete Maßnahmen trennt man Produkt- und Katalysatorphase, die scharfe Phasengrenzen ausbilden, voneinander, indem man im einfachsten Fall die überstehende Produktphase ablässt. Die Katalysatorphase setzt sich im wesentlichen aus Wasser (oder einem mehrwertigen Alkohol wie Glycerin oder einem Gemisch aus diesen Komponenten), dem Metallsalz des durch Cannizarroreaktion gebildeten, zum eingesetzten Aldehyd korrespondierenden Carboxylat (wenn Isovaleraldehyd und NaOH eingesetzt werden, entsteht das Natriumsalz der Isovaleriansäure) und Resten des Aldolisierungskatalysators.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß wesentliche Mengen von Nebenprodukten der Reaktion bei Recyclierung der wässrigen Katalysatorphase, insbesondere den aus der Cannizarroreaktion hervorgehenden Carboxylatsalze, toleriert werden, ohne daß wesentliche Auswirkungen auf Selektivität und Ausbeute zu beobachten sind. Nach Frischergänzung von verbrauchter Aldolisierungsbase kann die Katalysatorphase recycliert werden beziehungsweise bei Erreichung eines unerwünschten Nebenproduktlevels entsorgt werden.

Die recyclierte Katalysatorphase ist neben den vorhandenen Carboxylatsalzen auch durch ihren Wassergehalt gekennzeichnet. Die Carboxylatkonzentration beträgt üblicherweise zwischen 0,1-70 Gew.-%, der Wassergehalt wird zwischen 20-99,9 Gew.-% eingestellt. Zur Erzielung guter Ausbeuten und zur Reduzierung der notwendigen Ausschleusrate wird ein Carboxylatgehalt von 1-20 Gew.-% eingestellt.

Bei Verwendung von Glycerin als Katalysatormatrix wird der Wassergehalt der recyclierten Glycerinphase bevorzugt zwischen 1-50 Gew.-% bezüglich Glycerin eingestellt. Die Natronlaugekonzentration in der Katalysatorphase (Wasser oder mehrwertiger Alkohol, insbesondere Glycerin, oder Mischungen dieser Komponenten) ist in gewissen Grenzen nicht kritisch für den Reaktionsverlauf und wird üblicherweise zwischen 0,01 Gew.-% bis 20 Gew.-% eingestellt. Ein bevorzugter Bereich stellt eine Konzentration zwischen 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-% dar.

Die Einstellung der Wasserkonzentration vor Recyclierung der Katalysatorphase wird im einfachsten Fall durch simples Einengen der Glycerinphase erreicht, wobei als Destillat ein zweiphasiges Gemisch erhalten wird. Die organische Phase besteht aus nicht umgesetzten Aceton, neben kleineren Mengen Methylisobutylketon. Die wässrige Phase kann verworfen werden, oder wird weiter aufgearbeitet. Die Ergänzung des basischen Aldolisierungskatalysators erfolgt durch Zugabe in Substanz, oder in Form der entsprechenden Lösungen der Basen in geeigneten Lösungsmitteln. Lösungsmittel kann entweder der mehrwertige Alkohol selbst sein, oder aber niedrige Alkohole mit 1-6 Kohlenwasserstoffatomen oder auch Wasser.

Die Reinheit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren isolierten Methylketone, insbesondere des 6-Methylheptan-2- ons, das durch Umsetzung von Aceton mit Isovaleraldehyd zugänglich ist, entspricht einer Produktqualität, wie sie für den Einsatz als Edukt für die Synthese von Intermediaten für die Synthese von Vitamin E, Vitamin A und diversen Carotinoiden, erforderlich ist. Üblicherweise wird nach Destillation eine Produktqualität < 99% erreicht.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Vergleichsbeispiel A Zweiphasige Aldolisierung von Isovaleraldehyd und Aceton mit NaOH (ohne Hilfslösungsmittel)

Im 2 Liter (L) Autoklaven mit mechanischem Rührer werden 350 Gramm (g) Wasser vorgelegt und darin 6,5 g Hydrierkatalysator (Pd auf Kohle, 5 Gew.-%, E 101 R/W Degussa AG, H₂O-Gehalt 53,9%) suspendiert. Diese Suspension wird mit 5 g NaOH (0,125 mol; 2,5 Mol% bezüglich Isovaleraldehyd) versetzt. Nachdem NaOH in Lösung gegangen ist, gibt man zu dieser Suspension 436 g (7,5 Mol) Aceton hinzu. Bei Raumtemperatur wird unter intensiver Rührung ein Wasserstoffdruck von 15 bar eingestellt. Man erhitzt die zweiphasige Mischung auf 105°C. Zu dieser Mischung dosiert man über ein Tauchrohr mit einer HPLC-Pumpe aus einer Vorlage 431 g Isovaleraldehyd (4,96 Mol; Fa. Celanese; nach Gaschromatographie (GC): 99%). Damit beträgt das molare Verhältnis zwischen Aldehyd und Aceton 1 : 1,5.

Die Zudosierzeit beträgt 3 Stunden (h) die Reaktionstemperatur wird unter Abfangen der auftretenden Exotherme zwischen 105°C-110°C gehalten. Nach beendeter Zugabe wird eine weitere Stunde unter Wasserstoffdruck gerührt, sodaß während der gesamten Dossier- und Nachreaktionszeit ein konstanter Druck von 20 bar vorhanden ist. Insgeamt werden vom Ansatz ca. 115 L Wasserstoff aufgenommen.

Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wird der Autoklav geöffnet und das zweiphasige Gemisch mittels H₂O als Spülmedium herausgesaugt. Der Katalysator wird mittels Filtration abgetrennt. Man erhält nach Phasentrennung eine organische Phase von 799,8 g und 453,3 g einer wässrigen Phase.

In der oberen produkthaltigen Phase wird mittels quantitativer GC mit n-Dodekan als interner Standard die Ausbeute und die Konzentration von Nebenprodukten bestimmt. In der organischen Phase werden 68,2 g Methylisobutylketon detektiert, das aus Acetondimerisierung unter hydrierenden Bedingungen entsteht (entspricht 1,36 Mol Aceton). Damit sind 18,1% des ursprünglich eingesetzten Acetons in dieser Nebenreaktion verbraucht worden. In der wässrigen Phase werden 2,5 Gew.-% an 3-Methylbuttersäure-Natriumsalz gefunden.

Laut Quantifizierung wurden 596,5 g 6-Methylheptanon (4,65 Mol) erhalten, was bei Isovaleral-Umsatz von 99,5%, einer Selektivität von 94,2 und einer Ausbeute von 93,75% entspricht.

Beispiel 1 Zweiphasige Aldolisierung von Isovaleraldehyd und Aceton mit NaOH in Gegenwart eines mit H₂O nicht mischbaren Methylisobutylketon als Hilfslösungsmittel

Man verfährt wie in Vergleichsbeispiel A, verwendet identische Ansatzgrößen und Bedingungen, aber ergänzt zu der vorgelegten Mischung von Hydrierkatalysator, wässrigen NaOH und Aceton zusätzlich Methylisobutylketon. Im 2 Liter Autoklaven mit mechanischem Rührer werden 350 g Wasser vorgelegt und darin 6,5 g Hydrierkatalysator (Pd auf Kohle, 5 G%, E 101 R/W Degussa AG, H₂O-Gehalt 53,9%) suspendiert. Diese Suspension wird mit 5 g NaOH (0,125 mol; 2,5 Mol% bezüglich Isovaleraldehyd) versetzt. Nachdem NaOH in Lösung gegangen ist, gibt man zu dieser Suspension zunächst 436 g (7,5 Mol) Aceton und anschließend 35 g Methylisobutylketon hinzu (entspricht 10 Gew.-% bezüglich Wasser).

Bei Raumtemperatur wird unter intensiver Rührung ein Wasserstoffdruck von 15 bar eingestellt. Man erhitzt die zweiphasige Mischung auf 105°C. Zu dieser Mischung dosiert man über ein Tauchrohr mit einer HPLC-Pumpe aus einer Vorlage 431 g Isovaleraldehyd (4,96 Mol; Fa. Celanese; nach GC: 99%). Damit beträgt das molare Verhältnis zwischen Aldehyd und Aceton 1 : 1,5.

Die Zudosierzeit beträgt 3 h, die Reaktionstemperatur wird unter Abfangen der auftretenden Exotherme zwischen 105°C-­ 110°C gehalten. Nach beendeter Zugabe wird eine weitere Stunde unter Wasserstoffdruck gerührt, sodaß während der gesamten Dosier- und Nachreaktionszeit ein konstanter Druck von 20 bar vorhanden ist. Insgeamt werden vom Ansatz ca. 115 L Wasserstoff aufgenommen.

Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wird der Autoklav geöffnet und das zweiphasige Gemisch aufgetrennt. Der Katalysator wird mittels Filtration abgetrennt und zuerst mit 50 ml Aceton, anschließend mit Wasser gewaschen.

Man erhält nach Phasentrennung eine organische Phase von 807 g und 688 g einer wässrigen Phase. Die wässrige Phase enthält nach Analyse noch 2,55 g NaOH (63 mmol), d. h. es wurde etwa die Hälfte der eingesetzten NaOH durch die als Nebenreaktion ablaufende Cannizarroreaktion verbraucht. Tatsächlich findet man nach ionenchromatographischer Quantifizierung des Gehaltes des Natriumsalzes der Isovaleriansäure 7,71 g (62,1 mmol) dieser Verbindung in der wässrigen Phase. Die wässrige Phase enthält des weiteren 10 Gew.-% Aceton, das durch einfaches Einrotieren am Rotationsverdampfer entfernt werden kann.

In der oberen produkthaltigen Phase wird mittels quantitativer GC mit n-Dodekan als interner Standard die Ausbeute und die Konzentration von Nebenprodukten bestimmt. In der organischen Phase werden 26,4 g Methylisobutylketon detektiert, das aus Acetondimerisierung unter hydrierenden Bedingungen entsteht, nicht berücksichtigt die 35 g Methylisobutylketon, die zu Beginn der Reaktion bereits vorhanden waren.

Laut Quantifizierung wurden 606,3 g 6-Methylheptanon (4,73 Mol) erhalten, was einer Ausbeute an Methylheptanon bezüglich Isovaleral von 95,4% entspricht. Der Umsatz an Isovaleraldehyd beträgt 99,2%.

Die Methylheptanonselektivität bezüglich Aceton beträgt 79,5%, die Methylheptanonselektivität bezüglich Isovaleraldehyd beträgt 96,1%.

In der organischen wie in der wässrigen Phase kann kein 3- Methylbutan-1-ol detektiert werden.

Beispiele 2-6

Man verfährt wie in Beispiel 1, verwendet aber die in der Tabelle 1 ersichtlichen Hilfslösungsmittel. Aus den in der Tabelle 1 aufgeführten Ergebnissen wird deutlich, daß der Zusatz lipophiler, schlecht wasserlöslicher Hilfslösungsmittel die Methylheptanon-Ausbeute im Vergleich zum Verfahren ohne Zusatz von Lösungsmitteln deutlich verbessert wird.

Tabelle 1

Vergleichsbeispiel B Zweiphasige Aldolisierung von Isovaleraldehyd und Aceton mit NaOH ohne Hilfslösungsmittel/Recyclierung des Hydrierkatalysators

Im 500 Liter Druckreaktor mit mechanischem Rührer werden 87,5 kg Wasser vorgelegt und darin 1,25 kg NaOH (31,25 mol; 2,5 Mol-% bezüglich Isovaleraldehyd) gelöst. Zu dieser Lösung werden 1,63 kg Hydrier-katalysator (Pd auf Kohle, 10 G%, Typ K 0226 Fa. Heraeus, H₂O-Gehalt 50,0%) suspendiert. Nach N₂-Inertisierung werden der Suspension 108,9 kg (1875 mol) Aceton zugesetzt. Bei Raumtemperatur wird unter intensiver Rührung ein Wasserstoffdruck von 4 bar eingestellt. Man erhitzt die zweiphasige Mischung auf 105°C. Zu dieser Mischung dosiert man über ein Tauchrohr mit einer Membran-Pumpe aus einer Vorlage 109,2 kg Isovaleraldehyd (1255 Mol; Fa. Celanese; nach GC: 99%). Damit beträgt das molare Verhältnis zwischen Aldehyd und Aceton 1 : 1,5.

Die Zudosierzeit beträgt 3 h, die Reaktionstemperatur wird unter Abfangen der auftretenden Exotherme zwischen 105°C-­ 110°C gehalten. Nach beendeter Zugabe wird eine weitere Stunde unter Wasserstoffdruck gerührt, sodaß während der gesamten Dosier- und Nachreaktionszeit ein konstanter Druck von 8 bar vorhanden ist. Insgeamt werden vom Ansatz ca. 35 m³ Wasserstoff aufgenommen.

Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird die zweiphasige Suspension über ein Druckfilter gedrückt. Die Auswaage an recykliertem Pd/C-Kat beträgt 1,85 kg.

Nach vollzogenen Phasentrennung erhält man 134,2 kg wäßrige Phase und 183,1 kg organische Phase mit einem 6- Methylheptanon-Gehalt von 81,9%.

Dies entspricht einer Auswaage von 150,0 kg (1170,3 mol) 6- Methylheptanon. Bei vollständigem Umsatz an Isovaleraldehyd beträgt die Reaktionsselektivität 93,2%.

Die Recyclierbarkeit des Adolisierungskatalysators wird überprüft in dem man verfährt wie im Vergleichsbeispiel B und den jeweils nach der Druckfiltration separierten Pd/C- Katalysator recycliert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2

Recyclierbarkeit des Adolisierungskatalysators aus Vergleichsbeispiel B

Beispiel 7

Man verfährt wie im Vergleichsbeispiel B, wobei der recylierte Katalysator, der bereits für fünf Ansätze eingesetzt wurde, verwendet wird, ergänzt aber mit dem Aceton zusätzlich noch 9,2 kg Methylisobutylketon (10,5 G-% bezogen auf H₂O) sowie 4,4 kg 6-Methylheptanon (5,0 G-% bezogen auf H₂O) als Hilfslösungsmittel. Man erhält durch die Zugabe eines Hilfslösungsmittelgemischs aus Methylheptanon und Methylisobutylketon die in Tabelle 3 dargestellten Resultate:

Tabelle 3

Recyclierbarkeit des Adolisierungskatalysators aus Beispiel 7

Die Angabe der Recyclierzahl bezieht sich auf die Cyclenzahl des Hydrierkatalysators ohne Frischergänzung. Es wird deutlich, daß durch Zusatz des beschriebenen Lösungsmittelsgemischs eine Ausbeuteerhöhung von ca. 3% erzielt wird. In der organischen Phase kann kein 3- Methylbutan-1-ol detektiert werden.

Beispiel 8 Zweiphasige Aldolisierung von Citral und Aceton mit KOH in Gegenwart von Methylisobutylketon als Hilfslösungsmittel

Im 0,5 L Autoklaven mit mechanischem Rührer werden 100 g einer wässrigen Glycerinlösung und 10 g Methylisobutylketon vorgelegt und darin 1,3 g Hydrierkatalysator (Pd auf Kohle, 5 Gew.-%, E 101 R/W Degussa AG, H₂O-Gehalt 53,9%) suspendiert. Diese Suspension wird mit 2,24 g KOH (0,04 mol; 4 Mol% bezüglich Citral) versetzt. Nachdem KOH in Lösung gegangen ist, gibt man zu dieser Suspension 87,12 g (1,5 Mol) Aceton hinzu. Bei Raumtemperatur wird unter intensiver Rührung ein Wasserstoffdruck von 30 bar eingestellt. Man erhitzt die zweiphasige Mischung auf 120°C. Zu dieser Mischung dosiert man über ein Tauchrohr mit einer HPLC-Pumpe aus einer Vorlage 153,8 g Citral (1,0 Mol; Fa. Merck; nach GC: 99%). Damit beträgt das molare Verhältnis zwischen Aldehyd und Aceton 1 : 1,5.

Die Zudosierzeit beträgt 3 h, die Reaktionstemperatur wird unter Abfangen der auftretenden Exotherme zwischen 120°C-­ 125°C gehalten. Nach beendeter Zugabe wird weitere zwei Stunden unter Wasserstoffdruck gerührt, sodaß während der gesamten Dosier- und Nachreaktionszeit ein konstanter Druck von 30 bar vorhanden ist.

Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wird der Autoklav geöffnet und der Katalysator mittels Filtration abgetrennt. Man erhält eine leicht gelbliche organisches Phase, die nacheinander zweimal mit je 30 ml Wasser gewaschen wird.

In der oberen produkthaltigen Phase wird mittels quantitativer GC mit n-Dodekan als interner Standard die Ausbeute und die Konzentration von Nebenprodukten bestimmt. Der Citralumsatz beträgt 96%, die Ausbeute an 6,10- Dimethylundecan-2-on neben ungesättigten Derivaten beträgt 89,2%, was einer Selektivität zur Bildung von Methylketonen von 92,2% entspricht.

Beispiel 9 Herstellung von Methylheptanon ausgehend von Prenal (= 3- Methyl-2-buten-1-al = Dimethylacrolein) und Aceton via Zweiphasenkatalyse in Gegenwart wässriger Natronlauge und Methylisobutylketon als Hilfslösungsmittel

Im 300 ml Autoklaven mit mechanischem Führer werden 20 g Wasser zusammen mit 3 g Methylisobutylketon vorgelegt und darin 0,2 g Hydrierkatalysator (Pd auf Kohle, 5 Gew.-%, E 101 R/W Degussa AG, H₂O-Gehalt 53,9%) suspendiert. Diese Suspension wird mit 0,2 g NaOH (5 mmol; 1,95 Mol% bezüglich Dimethylacrolein) versetzt. Nachdem NaOH in Lösung gegangen ist, gibt man zu dieser Suspension 22,5 g (0,39 mol) Aceton hinzu. Bei Raumtemperatur wird unter intensiver Rührung ein Wasserstoffdruck von 9 bar eingestellt. Man erhitzt die zweiphasige Mischung auf 120°C. Zu dieser Mischung dosiert man über ein Tauchrohr mit einer HPLC-Pumpe aus einer Vorlage 21,5 g Dimethylacrolein (0,255 mol; Fa. Aldrich). Damit beträgt das molare Verhältnis zwischen Aldehyd und Aceton ~ 1 : 1,5.

Die Zudosierzeit beträgt 3 h, die Reaktionstemperatur wird unter Abfangen der auftretenden Exotherme zwischen 120°C-­ 125°C gehalten. Nach beendeter Zugabe wird eine weitere Stunde unter Wasserstoffdruck gerührt, sodaß während der gesamten Dosier- und Nachreaktionszeit ein konstanter Druck von 9-10 bar vorhanden ist.

Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wird der Autoklav geöffnet und das zweiphasige Gemisch aufgetrennt. Der Katalysator wird mittels Filtration abgetrennt. Die wässrige Phase wird mit 2 × 50 ml Diethylether extrahiert, die organischen Phasen mit Na₂SO₄ getrocknet. In der oberen produkthaltigen Phase wird mittels quantitativer GC mit n- Dodekan als interner Standard Ausbeute, Umsatz und Produktselektivität bezüglich Prenal bestimmt.

Laut Quantifizierung werden 30,1 g 6-Methylheptan-2-on (0,235 Mol) in der organischen Phase erhalten, was einer Ausbeute an Methylheptanon bezüglich Prenal von 92,0% entspricht. Der Umsatz an Prenal betrügt 97,7%, die Produktselektivität damit 94,2%.

Vergleichsbeispiel C (Kurarayverfahren nach US 5,955,636) Zweiphasige Aldolisierung von Isovaleraldehyd und Aceton mit NaOH (ohne Hilfslösungsmittel) bei gleichzeitiger Dosierung sowohl der wässrigen Natronlauge als auch des Aldehyds

Im 2 L Autoklaven mit mechanischem Rührer werden 436 g Aceton (= 7,5 mol) vorgelegt und darin 6,5 g Hydrierkatalysator (Pd auf Kohle, 5 Gew.-%, E 101 R/W Degussa AG, H₂O-Gehalt 53,9%) suspendiert. Bei Raumtemperatur wird unter intensiver Rührung ein Wasserstoffdruck von 15 bar eingestellt. Man erhitzt die zweiphasige Mischung innerhalb 30 min auf 105°C. Zu dieser Mischung dosiert man über ein Tauchrohr mit einer HPLC- Pumpe aus einer Vorlage 431 g Isovaleraldehyd (4,96 Mol; Fa. Celanese; nach GC: 99%). Mit einer zweiten HPLC Pumpe werden 397 g einer 2 Gew.-%tigen KOH Lösung in Wasser innerhalb von 3 h zudosiert. Das entspricht einer KOH Menge von 16 g (199 mmol; 4 mol% bezüglich Isovaleral).

Das molare Verhältnis zwischen Aldehyd und Aceton beträgt 1 : 1,5. Diese Suspension wird mit 5 g NaOH (0,125 mol; 2,5 Mol% bezüglich Isovaleraldehyd) versetzt.

Die Zudosierzeit beträgt 3 h, die Reaktionstemperatur wird unter Abfangen der auftretenden Exotherme zwischen 105°C-­ 110°C gehalten. Nach beendeter Zugabe wird eine weitere Stunde unter Wasserstoffdruck gerührt, sodaß während der gesamten Dosier- und Nachreaktionszeit ein konstanter Druck von 20 bar vorhanden ist. Insgeamt werden vom Ansatz ca. 104 L Wasserstoff aufgenommen.

Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wird der Autoklav geöffnet und das zweiphasige Gemisch mittels H₂O als Spülmedium herausgesaugt. Der Katalysator wird mittels Filtration abgetrennt.

Nach der üblichen Aufarbeitung wird in der oberen produkthaltigen Phase mittels quantitativer GC mit n- Dodekan als interner Standard die Ausbeute und die Konzentration von Nebenprodukten bestimmt.

Laut Quantifizierung werden 585,5 g 6-Methylheptanon (4,56 Mol) erhalten, was bei einem Umsatz von 98,3% an Isovaleral einer Ausbeute von 92,9% entspricht. Die Selektivität der Umsetzung beträgt 94,5% bezüglich Isovaleral. Nach Quantifizierung des nicht umgesetzten Acetons in der wässrigen und der organischen Phase ergibt sich eine MH- Selektivität bezüglich Aceton von 82,0%.

In der organischen Phase werden des weiteren 11,9 g 3- Methylbutan-1-ol (0,13 mol) gefunden, die durch Hydrierung des Isovalerals entstanden sind. Damit sind 2,7% des eingesetzten Isovalerals in dieser Nebenreaktion verbraucht worden.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung von Methylketonen der allgemeinen Formel (1)
wobei x eine Zahl zwischen 1-3 darstellt (x = 1 ⇒ 6- Methylheptan-2-on; x = 2 ⇒ Tetrahydrogeranylaceton; x = 3 ⇒ Phyton)
durch Umsetzung von Wasserstoff, Aceton und einem Aldehyd der allgemeinen Formel (2)
wobei
x eine Zahl zwischen 0-2 darstellt und die gestrichelten Linien jeweils olefinische Doppelbindungen repräsentieren, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung der Komponenten in Gegenwart einer Katalysatorsuspension durchführt, die einen suspendierten heterogenen Hydrierkatalysator und einen gelösten, Alkali- oder Erdalkalimetall-haltigen Aldolisierungskatalysator enthält und daß die Umsetzung der Komponenten in Gegenwart eines sich von der polaren Katalysatorphase separierenden Lösungsmittels zweiphasig durchführt, wobei die polare Phase den suspendierten heterogenen Hydrierkatalysator und den gelösten, alkalischen Aldolisierungskatalysator enthält, während die organische Phase im wesentlichen aus unpolarem Hilfslösungsmittel und Aceton besteht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Katalysatorsuspension, die den alkalischen Aldolisierungskatalysator und den heterogenen Hydrierkatalysator enthält, mit Aceton und dem hydrophobem Hilfslösungsmittel in Gegenwart von Wasserstoff als zweiphasiges Gemisch vorlegt und den Aldehyd kontinuierlich zudosiert.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Methylisobutylketon oder das gewünschte Methylketon selbst oder Gemische dieser Komponenten als Hilfslösungsmittel verwendet.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Aldolisierungskatalysator in einem mehrwertigen Alkohol löst, der auch das Suspensionsmedium des heterogenen Hydrierkatalysatores darstellt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als mehrwertigen Alkohol Ethylenglycol, Propandiol, Butandiol, Glycerin, Erythrit und isomere Tetrite, Pentaerythrit, diverse Pentite wie Arabit und Xylit, Hexite und sich nicht von Zuckeralkoholen ableitende mehrwertige Alkohole wie Inosit, sowie verwandte Verbindungen, Isomere und Homologe verwendet.

6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als mehrwertigen Alkohol Glycerin verwendet.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Hydrierkatalysator und Aldolisierungskatalysator in einer Konzentration von 10^-2 bis 50 Gew.-% bezüglich des mehrwertigen Alkohols verwendet.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Aldolisierungskatalysator ein Hydroxid oder Carbonat der Elemente Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium oder Barium einsetzt.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als Aldolisierungskatalysator Natriumhydroxid einsetzt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Aldolisierungskatalysator ein basisches Salz eines Alkali- oder Erdalkalimetalls verwendet.

11. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Aldolisierungskatalysator in einer Menge zwischen 0,1-10 Mol% bezüglich eingesetztem Aldehyd verwendet.

12. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Hydrierkatalysator Palladium oder Platin enthaltende Kontakte verwendet, gegebenenfalls auf einem inerten Träger wie Aktivkohle oder Aluminiumoxid.

13. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Hilfslösungsmittel Pentan, Hexan, Cyclohexan, Heptan, Octan, Benzol, Toluol, Xylol, Diethylether, Dibutylether, Methylisobutylether, Methyl tert- Butylether, Tetrahydrofuran, Dioxan, Glyme, Diglyme, oder 6-Methylheptanon einsetzt.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man als Hilfslösungsmittel Methylisobutylether einsetzt.

15. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Edukt der Synthese von 6-Methylhepten-2-on entweder Prenal oder Isovaleraldehyd einsetzt.

16. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach Reaktionsende die Produktphase von der den Aldolisierungs- und den suspendierten Hydrierkatalysator enthaltenden Alkoholphase abtrennt und nach entsprechender Aufarbeitung und Ergänzung von verbrauchten Katalysatoranteilen erneut als Katalysatorphase einsetzt.

17. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Prozess kontinuierlich betreibt, wobei organische Phase und die Katalysatorsuspension im Gleich- oder Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht werden und nach Phasentrennung die Produktphase abgetrennt wird, während die Katalysatorphase im Kreis geführt wird.