DE1014094B

DE1014094B - Verfahren zur Herstellung von Cyanhydrinen

Info

Publication number: DE1014094B
Application number: DEB40284A
Authority: DE
Inventors: Dr Rudolf Keller; Dr Alfred Muenster
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1956-05-18
Filing date: 1956-05-18
Publication date: 1957-08-22

Description

Verfahren zur Herstellung von Cyanhydrinen Es ist bekannt, Cyanhvdrine durch Umsetzung von Carbonylverbindungen, wie Aldehyden oder Ketonen, mit Cyanwasserstoff in Gegenwart alkalischer Katalysatoren herzustellen. Die Umsetzung nach den bisher üblichen Verfahren erfolgte in flüssiger Phase in der Weise, daß man zu den Carbonylverbindungen oder deren Lösungen, z. B. in dem herzustellenden Cyanhydrin selbst, äquivalente Mengen Cyanwasserstoff, flüssig oder gasförmig, zusetzte und die Reaktion durch Zugabe alkalischer Verbindungen, z. B. von Alkali- oder Erdalkalicyanid, Ammoniak, Aminen oder alkalischen Phosphaten in Gang brachte. Auch ein Rieselverfahren für die Herstellung von Cyanhydrinen, bei dem Carbonylverbindungen in einer Kolonne über die fest angeordneten Katalysatoren, beispielsweise Alkalisalze der Phosphor-oder Arsensäure, herabrieseln und gasförmiger Cyanwasserstoff im Gegenstrom von unten eingeleitet wird, ist bekannt.
Die bisher bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß die Durchsätze verhältnismäßig gering sind und die Ausbeute durch die Polymerisationsneigung des Cyanwasserstoffs bei einem pH oberhalb 6 herabgesetzt wird.
Auch die verschiedenen Carbonylverbindungen, besonders die ungesättigten, können bei den angewandten Reaktionsbedingungen zur Zersetzung oder Polymerisation neigen.
Es wurde nun gefunden, daß man Cyanhydrine in guten Ausbeuten durch Umsetzung von Carbonylverbin dungen mit Cyanwasserstoff in Gegenwart von Katalysatoren erhält, wenn man die Carbonyle und den Cyanwasserstoff gasförmig getrennt oder auch zusammen in den Reaktionsraum einbringt. Die Umsetzung kann bei Normaldruck oder vermindertem Druck sowie innerhalb eines Temperaturbereiches von 0 bis 80°, vorzugsweise 30 bis 60° vorgenommen werden.
Als Carbonylverbindungen sind solche mit gesättigten und ungesättigten aliphatischen, cycloaliphatischen und aromatischen Resten geeignet, z. B. Formaldehyd, Acetaldehyd, Propionaldehyd, Butyraldehyd, Isobutyraldehyd, Benzaldehyd, Acrolein, Aceton, Methyläthylketon, Diäthylketon, Methylvinylketon, Cyclohexanon. Auch Derivate von Carbonylverbindungen, soweit ihre Suhstituenten die angewandten Katalysatoren nicht entscheidend beeinflussen können, werden nach dem Verfahren der Erfindung mit Cyanwasserstoff zu Cyanhydrinen umgesetzt. Für einen guten Verlauf der Umsetzung ist es wünschenswert, die Reaktionstemperatur herabzusetzen. Man führt daher die Verdampfung der Carbonylverbindungen vorteilhaft nicht bei Siedetemperatur, sondern mit Hilfe eines Inertgases als Schleppmittel bei tieferer Temperatur durch.
Man geht dabei so vor, daß man die Carbonylverbindung in einem Verdampfer auf die gewünschte Temperatur bringt und dann so viel Inertgas, z. B. Stickstoff oder Kohlendioxyd; hindurchleitet, daß die gewünschte Menge an Carbonylverbindungen je Zeiteinheit verdampft wird.
Das Gemisch aus Inertgas und Carbonylverbindung wird in den Reaktionsturm geführt und dort mit einer dem Gehalt an Carbonylverbindung äquivalenten Menge gasförmigen Cyanwasserstoffs umgesetzt.
Das verbleibende Inertgas kann man dann bei geeigneter Temperatur im Gegenstrom zu dem gebildeten Cyanhydrin zurückführen, wobei geringe Anteile von nicht umgesetzten, niedrigersiedenden Ausgangsstoffen, die noch im Cyanhydrin enthalten sind, ausgetrieben werden und in das Verfahren zurückgebracht werden können. Überraschenderweise zeigte sich, daß die niederen Aldehyde, z. B. Formaldehyd, Acetaldehyd und Propionaldehyd, sowie die ungesättigten Ketone und andere ungesättigte Carbonylverbindungen besonders rasch und quantitativ mit Cyanwasserstoff zu den Cyanhydrinen umgesetzt werden können, wenn man als Katalysatoren saure Alkalisalze mehrbasischer Säuren verwendet. Aber auch Kationenaustauscher haben gute katalytische Eigenschaften. Dabei soll der pH-Wert unter 6, vorteilhaft zwischen 4 und 5, liegen. Zum Beispiel zeigt primäres Kaliumphosphat (p, 4,6) besonders gute katalytische Wirksamkeit. Unter diesen Reaktionsbedingungen erhält man z. B. aus Formaldehyd und Acetaldehyd ein vollständig farbloses Glykolsäure- bzw.
Milchsäurenitril in fast quantitativer Ausbeute, das sich ohne Rückstandsbildung destillieren läßt.
Der Durchsatz bei gleichem Katalysatorraum ist 2- bis mal so groß wie bei den bisher bekannten Flüssigverfahren. Auch die ungesättigten Ketone reagieren mit Cyanwasserstoff in saurem Bereich zu farblosen Cyanhydrinen, die nach Wegnahme eines geringen Vorlaufs direkt für weitere Synthesen verwendet werden können.
So erhält man beispielsweise aus Methylvinylketon fast ausschließlich l-Oxy-l-vinylpropionitril, während bei einem höheren pE-Wert des Katalysators, z. B. bei Verwendung von sekundärem Natriumphosphat, merkliche Mengen des isomeren Lävulinsäurenitrils gebildet werden.
Die Ketone sowie die höheren Aldehyde setzen sich im sauren Bereich auch in gasförmigem Zustand nicht mehr quantitativ zu den entsprechenden Cyanhydrinen um.
Für diese Ausgangsstoffe wählt man günstig einen Katalysator, der in wäßriger Lösung einen p-Wert zwischen 7 und 9 aufweist. Geeignet sind: Sekundäre Alkali- und Erdalkalisalze mehrbasischer Säuren, insbesondere das sekundäre Kaliumphosphat, aber auch Anionenaustauscher, wie z. B. Aminharze. Mit diesen Katalysatoren vollzieht sich die Umsetzung der höheren Aldehyde und Ketone rasch und vollständig, ohne daß störende Nebenreaktionen, wie die Polymerisation von Cyanwasserstoff oder Aldolisierung der Carbonylverbindungen stattfinden.
Man erhält ein völlig farbloses Produkt in fast quantitativer Ausbeute. Die Aktivität der Katalysatormasse ist jedoch in ihrer Dauer begrenzt durch die wenn auch geringfügige Löslichkeit der aktiven Stoffe in den Cyanhydrinen, da der Träger mit der Zeit ausgewaschen wird und die Reaktionsgeschwindigkeit so weit abfällt, daß bei gleichbleibendem Durchsatz die rohen Cyanhydrine immer größere Anteile nicht umgesetzter Ausgangsstoffe enthalten. Diesem Umstand kann man durch diskontinuierliche oder kontinuierliche Zuführung frischen Katalysators, z. B. F,intragung feinpulverisierten Salzes, am Kopf der Kolonne oder Einführung der konzentrierten wäßrigen Lösung des Katalysators begegnen. Besonders vorteilhaft verwendet man eine gesättigte Lösung des Katalysators in dem betreffenden Cyanhydrin. Wesentlich längere Aktivitätsperioden des Katalysators werden bei Anwendung primärer oder sekundärer Magnesium- bzw.
Erdalkalisalze mehrbasischer organischer oder anorganischer Säuren erreicht, da diese in dem gebildeten Cyanhydrin schwächer löslich sind. Geeignet sind z. B. die Magnesium- oder Erdalkalisalze der Phosphor-, Arsen-, Zitronen-, Aconit-, Bernstein-, Wein- und Benzoltricarbonsäure. Auch Mischungen dieser Magnesiumsalze mit den Alkali- und bzw. oder Ammoniumsalzen dieser Säuren, z. B. Magnesiumammoniumphosphat oder Salze mit mehreren Alkalikomponenten können vorteilhaft angewandt werden. Bei den Magnesium- und Erdalkalisalzen ist es vorteilhaft, diejenige Neutralisationsstufe zu verwenden, deren pE-Wert zwischen 7 und 9, vorzugsweise 8 und 8,5, liegt. Die primären Salze führen infolge der außerordentlich geringen Löslichkeit meist nicht zu einer befriedigenden Umsetzung der Reaktionspartner.
Auch schwächer basische Oxyde und Hydroxyde der Alkali- und Erdalkalimetalle zeigen eine katalytische Wirksamkeit. Geeignet sind z. B. Lithiumoxyd, Berylliumoxyd, Magnesiumoxyd und Calciumoxyd. Man kann den jeweiligen Katalysator in Anteilen von 1 bis 2001, vorzugsweise 5 bis l0°/0, auf einem inerten Trägermaterial, z. B. Silicagel, Kieselstränge, Tonringe oder Aktivkohle niederschlagen oder auch für sich zu Formlingen geeigneter Größe gepreßt, anwenden.
Auch durch Einbringen geringer Mengen von Ammoniak oder gasförmiger Amine, z. B. Diäthylamin, wird die Cyanhydrinbildung in- der Gasphase über inertem Trägermaterial katalvsiert.
Die in den Beispielen angeführten Teile sind, wenn nicht anders bezeichnet, Gewichtsteile.
Beispiel l Ein Gemisch aus 440 Teilen Acetaldehyd und 270 Teilen Cyanwasserstoff, stabilisiert durch einen Zusatz von 3,5 Teilen konzentrierter Phosphorsäure wird durch Wärmezufuhr in einer Menge von stündlich 250 g verdampft und das entstehende Gasgemisch von oben nach unten über 0,8 1 Katalysatormasse aus Silicagel, die 501, primäres Natriumphosphat enthält, geleitet. Der Reaktionsraum besteht aus einem 45 mm weiten und 800 mm langen ringförmigen Glasrohr, welches innen einen Durchmesser von 15 mm hat und außen mit einem Kühlmantel versehen ist. Durch innere und äußere Kühlung mit Wasser kann die entstehende sehr erhebliche Wärmemenge abgeführt werden. Die Umsetzung der Ausgangsstoffe setzt sofort ein, sobald diese mit dem Katalysator in Berührung kommen. Daher beobachtet man in den ersten 100 mm der Katalysatorschicht die größte Wärmeentwicklung. Der überwiegende Teil der Ausgangsstoffe wird hier bereits umgesetzt. Der untere Teil der Kolonne wird auf einer Temperatur von 30 bis 35° gehalten, in ihm werden die noch nicht umgesetzten Ausgangsstoffe quantitativ umgesetzt. Das vom Boden der Reaktionskolonne abgezogene Milchsäurenitnl wird anschließend auf 0° gekühlt und durch 0,5 01o Phosphorsäurezusatz stabilisiert. Man erhält 69,5 g fast farbloses Milchsäurenitril mit einem Reinheitsgrad von 990/o. Der Gehalt an freiem Cyanwasserstoff liegt unter 0,01 °/0. In diesem besonderen Fall vereinfacht sich die Arbeitsweise durch die Möglichkeit der gemeinsamen Verdampfung und Zuführung von Acetaldehyd und Cyanwasserstoff, da die Dampfdrucke der beiden Stoffe miteinander vergleichbar sind. Das Produkt kann ohne weitere Reinigung oder Destillation beispielsweise über das Acetylderivat zu Acrylnitril oder durch Hydrierung zu Oxypropylamin weiterverarbeitet werden. Die Ausbeute beträgt 9801,, bezogen auf angewandten Acetaldehyd bzw. Cyanwasserstoff.
Beispiel 2 Wie im Beispiel 1 beschrieben, werden stündlich 128 Teile Formaldehyd und 108 Teile Cyanwasserstoff über 0,8 1 einer Katalysatormasse aus Kieselsträngen, die 501, primäres Kaliumphosphat enthält, durch zwei getrennte Eintrittsöffnungen geleitet. Sofort nachdem die Ausgangsstoffe mit dem Kontakt in Berührung gekommen sind, tritt durch spontane Reaktion eine erheb liche Wärmebildung auf, die durch Kühlung mit Wasser so gelenkt werden muß, daß die Kopftemperatur der Kolonne 50° nicht überschreitet. Der untere Teil des Reaktionsgefäßes wird durch Wasserkühlung auf einer Temperatur von 25 bis 30° gehalten. Das Glykolsäurenitril, das man gewinnt, ist eine blaßgelbe Flüssigkeit und muß nach Abkühlung auf 0° durch 0,50/0 Phosphorsäure zusatz stabilisiert werden. Aus 1500 Teilen Formaldehyd und 1350 Teilen Cyanwasserstoff erhält man 2780 Teile rohes Glykolsäurenitril, das unter vermindertem Druck Kp. = (lOOmm Hg) bei 60° fraktioniert wird. Der Vorlauf kann in die Reaktion zugeführt werden. Mit dem Hauptlauf erhält man 2650 Teile Glykolsäurenitril mit einem Reinheitsgrad von 97,50/,. Diese Fraktion ist für die meisten Umsetzungen, z. B. für die Synthese von Äthylendiamin ohne weitere Reinigung verwendbar. Die Ausbeute, bezogen auf umgesetzten Cyanwasserstoff, beträgt 93 °/0. Wenn gasförmiger Formaldehyd nicht zur Verfügung steht, kann man auch von entsprechenden Mengen der üblichen 400/0eigen wäßrigen Formaldehydlösung ausgehen. Diese wird durch Zusatz geringer Mengen Alkali-, Magnesium- oder Calciumhydroxyd schwach alkalisch gemacht und über eine mit Füllkörpern versehene, von außen beheizte Kolonne gerieselt.
Im Gegenstrom führt man Inertgas, z. B. Stickstoff, den Formaldehyd zusammen mit einem der Temperatur entsprechenden Anteil an Wasserdampf am Kopf der Kolonne ab. Das Gasgemisch wird, wie oben beschrieben, mit Cyanwasserstoff zur Reaktion gebracht. In diesem Fall ist das anfallende Glykolsäurenitril wasserhalX Wenn es nicht, wie in den meisten Fällen, sofort weiter verarbeitet werden kann, entfernt man das Wasser, z. B. durch Auskreisung, mit Benzol unter vermindertem Druck.
Beispiel 3 Wie im Beispiel 2 beschrieben, werden stündlich 175 Teile Aceton durch einen Stickstoffstrom von 21 Nl je Stunde bei 50° verdampft, über einen Katalysator aus Silicagel, der 50/, sekundäres Kaliumphosphat enthält, geführt und mit 81 Teilen Cyanwasserstoff umgesetzt.
Bei Reaktionsbeginn steigt die Kopftemperatur der Kolonne auf 80". Das Temperaturoptimum liegt bei 55 bis 60° und muß durch Wasserkühlung eingestelIt werden.
Das Reaktionsprodukt wird am Boden der Kolonne bei einer Temperatur von 35° entnommen und anschließend über zwei weitere kleinere Kolonnen von 500 mm Länge und 30 mm Durchmesser, die mit dem gleichen Katalysator gefüllt sind, geleitet. In der ersten Kolonne wird eine Temperatur von + 20°, in der zweiten von - 200 eingestellt. Das aus der letzten Kolonne ablaufende Produkt wird mit 0,5 01o Phosphorsäure stabilisiert. Aus 810 Teilen Cyanwasserstoff und 1750 Teilen Aceton erhält man nach einer Reaktionsdauer von 10 Stunden 2530 Teile Rohprodukt mit einem Gehalt von 95,7 01o Acetoncyanhydrin. Das Cyanhydrin ist gelbstichig klar und für die meisten Folgesynthesen, z. B. für die Herstellung von Methacrylamid, ohne weitere Reinigung verwendbar.
Beispiel 4 Wie im Beispiel 2 beschrieben, werden stündlich 140 Teile Methylvinylketon mit 54 Teilen Cyanwasserstoff an einem Katalysator, der als aktive Komponente 100/, primäres Kaliumphosphat enthält, umgesetzt. Bei einem Gesamtdurchsatz von 580 g erhält man 560g eines hellgelb gefärbten Rohproduktes, das nach Abziehen des Vorlaufes unter vermindertem Druck ohne weitere Reinigung verwendet werden kann. Die Ausbeute an 2-Oxy-2-cyanbuten-3 beträgt 870/o bezogen auf angewandten Cyanwasserstoff.
Beispiel 5 Wie im Beispiell beschrieben, leitet man stündlich 300 Teile eines äquimolekularen Gemisches von Acetaldehyd und Cyanwasserstoff über einen Katalysator aus Kieselsträngen, auf dem sekundäres Magnesiumphosphat niedergeschlagen ist. Man erhält je Stunde 297 g farbloses Milchsäurenitril mit einem Gehalt von über 990/o.
Die Ausbeute entspricht der im Beispiel 1.
Verwendet man an Stelle von sekundärem Magnesiumphosphat sekundäres Lithiumphosphat als aktive Komponente des Katalysators, so erhält man das gleiche Produkt in gleicher Ausbeute.
Mit sekundärem Calciumphosphat als aktiver Komponente erhält man bei um etwa 200/o verminderter Reaktionsgeschwindigkeit die gleichen Resultate.
Beispiel 6 Wie im Beispiel 2 beschrieben, werden stündlich 112 Teile Acrolein und 54 Teile Cyanwasserstoff über einen Katalysator mit einem Gehalt an 100/o primärem Kaliumphosphat geleitet. Man erhält je Stunde 160 g rohes l-Oxy-l-cyanpropen-2 mit einem Gehalt von 850!o, das sind 82 °/0, bezogen auf eingesetzten Cyanwasserstoff.
Beispiel 7 Wie im Beispiel 2 beschrieben, werden stündlich 120 Teile Propionaldehyd und 54 Teile Cyanwasserstoff über einen Katalysator mit einem Gehalt an 501, Kalium- Ammoniumhydrogenphosphat umgesetzt. Man erhält je Stunde 168 g rohes Oxybuttersäurenitril, mit einem Gehalt von 730/, Cyanhydrin, das sind 720in bezogen auf angewandten Cyanwasserstoff.
Beispiel 8 Wie im Beispiel 2 beschrieben, werden stündlich 180 Teile Butyraldehyd durch einen Inertgasstrom bei 60° vergast und mit 67 Teilen Cyanwasserstoff über einen Katalysator aus Aktivkohle mit 50/, Magnesiumoxydgehalt geleitet. Man erhält stündlich 245 g rohes Oxyvaleriansäurenitril mit einem Reingehalt von 70,50/,, das sind 70 0/, bezogen auf umgesetzten Cyanwasserstoff.
Da das für die Verdampfung der Carbonylverbindung erforderliche Inertgas im Kreislauf geführt wird, werden Verluste an Reaktionsprodukt und Ausgangsstoffen vermieden. Nicht umgesetztes Ausgangsmaterial wird bei der Destillation des Cyanhydrins als Vorlauf zurückgewonnen und wieder eingesetzt.
Beispiel 9 Wie im Beispiel 1 beschrieben, werden stündlich 176 Teile Acetaldehyd und 102 Teile Cyanwasserstoff (5 0!o Unterschuß) aus einer Mischung verdampft und über einen Katalysator aus Silicagel, dem 50/, sekundäres Natriumcitrat zugesetzt sind, geführt. Man erhält farbloses Milchsäurenitril mit einem Gehalt an 13 °/o nicht umgesetzter Ausgangsstoffe, die durch Abdestillieren unter vermindertem Druck entfernt werden. Die Ausbeute, bezogen auf umgesetzten Cyanwasserstoff, beträgt 96,8 0/o.
Beispiel 10 Wie im Beispiel 1 beschrieben, werden stündlich 176 Teile Acetaldehyd und 105 Teile Cyanwasserstoff gasförmig über einen Kationenaustauscher auf der Basis Phenolharz/Sulfosäure geführt. Man erhält stündlich 275 Teile wasserklares Milchsäurenitril mit geringfügigen Verunreinigungen durch nicht umgesetzte Ausgangsstoffe. Die Ausbeute, bezogen auf umgesetzten Cyanwasserstoff, beträgt 94,8 0/o.
Beispiel 11 Wie im Beispiel 1 beschrieben, wurde die Umsetzung von Acetaldehyd und Cyanwasserstoff vergleichsweise mit tertiärem Natriumphosphat (pH12) vorgenommen.
Bei der unter starker Wärmetönung und Dunkelfärbung verlaufenden Reaktion entsteht ein schwarzbraun gefärbtes Produkt. Bei der Destillation erhält man bei Kp 760 55" eine Fraktion, die vermutlich eine lockere Molekülverbindung zwischen Acetaldehyd und Cyanwasserstoff darstellt, da sie die charakteristischen Reaktionen der beiden Komponenten gibt. Bei 85 bis 90" gehen 40 bis 500/, des Ansatzes als farbloses Destillat über. Diese Hauptfraktion erwärmt sich nach der Kondensation bis zum Aufsieden. Das erhaltene Produkt entspricht nach den erhaltenen analytischen Werten (Bruttozusammensetzung, Hydroxylzahl und gebundenen Cyanwasserstoff) annähernd dem Milchsäurenitril, ist jedoch zum Unterschied davon im Benzol völlig unlöslich und weder durch saure noch alkalische Verseifung in Milchsäure überzuführen, sondern verharzt dabei zum größten Teil. Durch Behandlung mit Essigsäureanhydrid erhält man Äthylidendiacetat, während die Destillation im Vakuum weitgehend Milchsäurenitril liefert. Nach dem Abdestillieren dieser Additionsverbindung verbleiben 30 bis 400/0 Rückstand in Form eines harzartigen Polymerisats. Das gleiche Ergebnis erzielt man auch, wenn man für die Umsetzung von Cyanwasserstoff mit Acetaldehyd bzw. Formaldehyd in gasförmigem Zustand andere stark basische Katalysatoren, z. B. sekundäres Kaliumphosphat oder Natriumcyanat, verwendet.
PATENTANSPRSCHE: 1. Verfahren zur Herstellung von Cyanhydrinen aus Cyanwasserstoff und Carbonylverbindungen in Gegenwart von Katalysatoren, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in gas- oder dampfförmigem Zustand vornimmt.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Umsetzung niedriger Glieder der Aldehydreihe oder ungesättigter Carbonylverbindungen mit Cyanwasserstoff vorzugsweise saure Katalysatoren, z. B. primäre Alkali- oder Erdalkalisalze mehrbasischer Säuren, verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Umsetzung höherer gesättigter Aldehyde oder gesättigter Ketone mit Cyanwasserstoff vorzugsweise basische Katalysatoren, z. B. sekundäre Alkali- oder Erdalkalisalze mehrbasischer Säuren, oder Anionenaustauscher, wie z. B. Aminharze, verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegenwart von sekundären Magnesiumsalzen mehrbasischer Säuren durchführt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktion bei geeigneter Ableitung der Reaktionswärme innerhalb eines Temperaturbereiches von 0 bis 80°, vorzugsweise 30 bis 60°, durchführt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man unterhalb der Siedetemperatur der angewandten Carbonylverbindungen arbeitet, indem man diese durch einen Inertgasstrom, der im Kreis geführt werden kann, verdampft.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das gas- oder dampfförmige Reaktionsgemisch über Füllkörper leitet und die Reaktion durch Einbringen geringer Mengen Ammoniak oder gasförmiger Amine katalysiert.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung bei vermindertem Druck vornimmt.