DE10146088A1

DE10146088A1 - Verfahren zur Herstellung von Isonikotinsäure

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Publication number: DE10146088A1
Application number: DE2001146088
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2003-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Direktoxidation von gamma-Picolin zur Isonikotinsäure in der Gasphase in Anwesenheit von Luft und Wasser. Die eingesetzten Katalysatoren basieren auf Titandioxid, das nach der Sulfatmethode hergestellt ist, eine hohe spezifische Oberfläche > 100 m·2·/g besitzt und in der Anatas Struktur vorliegt, und einen Anteil von 5-50 Gew.-% Vanadiumpentoxid besitzt. DOLLAR A Hohe Selektivitäten von 98% (molar) zur Isonikotinsäure und Pyridin-4-carbaldehyd werden durch die getrennte Zufuhr von gamma-Picolin, Luft und Wasser, deren Zusammenführung am Anfang des Katalysatorbettes und niedrige Temperaturen von 250-270 DEG C erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung von Isonikotinsäure durch Direktoxidation von γ-Picolin in der Gasphase, wobei Wasser, Luft und γ-Picolin getrennt voneinander zum Katalysatorbett geführt werden und der Katalysator auf einem Titandioxidträger, der nach der Sulfatmethode hergestellt ist und eine hohe spezifische Oberfläche besitzt und einem Anteil von 5-50% Vanadiumoxid basiert. Ebenso sind niedrige Temperaturen von 250-270°C für hohe Selektivitäten zur Isonikotinsäure und Pyridin-4-carbaldehyd notwendig.
Isonikotinsäure ist ein wertvolles Zwischenprodukt für Pharmaka. Für die Synthese von Isonikotinsäure aus dem γ-Picolin sind verschiedene Verfahren bekannt. Die Direktoxidation mit Ozon an H₂SO₄, CoSO₄ und MnSO₄ (JP 11343283, 1999) bei Temperaturen von 115°C und Ausbeuten von 79% zur Isonikotinsäure. Nachteil dieses Verfahrens ist die Verwendung von Ozon.
In der Gasphase kennt man die Ammonoxidation von Alkylpyridinen zu den Cyanopyridinen mit anschließender Hydrolyse zu den Pyridincarbonsäuren (JP 27218, 1968). Bei diesen Verfahren werden zwar hohe Ausbeuten erzielt, Nachteil ist aber der zweistufige Prozeß und die Verwendung von NH₃.
Ebenfalls in der Gasphase gibt es einige Untersuchungen zur Direktoxidation des γ-Picolins an Vanadiumpentoxid-Chromoxyd-Katalysatoren. Die besten Ergebnisse werden mit 94,5% (molar) Ausbeute an Isonikotinsäure bei Zugabe von reinem molekularem Sauerstoff und Wasser und Temperaturen von 320-600°C genannt (USP 3803156, 1974). Nachteil dieses Verfahrens ist aber die Verwendung des teueren reinen Sauerstoffs und die hohen Temperaturen.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die Direktoxidation des γ-Picolins zur Isonikotinsäure mit hohen Ausbeuten bei niedrigen Temperaturen in Gegenwart von Luft zu erzielen, um die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu verbessern.
Demgemäß wurde ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung von Isonikotinsäure durch Direktoxidation von γ-Picolin gefunden, daß man γ-Picolin getrennt vom Wasser und Luft zum Reaktor zuführt und erst am Beginn des Katalysatorbettes zusammenführt, und einen vanadiumoxidhaltigen Katalysator einsetzt, dessen Träger aus einem nach der Sulfatmethode hergestellten Titandioxid besteht. Als Sauerstoffquelle wird Luft verwendet, oder eine variierende Mischung aus Sauerstoff und Stickstoff. Ein mit γ-Picolin angereicherter Stickstoffstrom wird mit Luft und Wasser getrennt zum Katalysator geführt.
Hohe Ausbeuten (> 91%) oder Selektivitäten (> 98%) des Produktes Isonikotinsäure und des Zwischenproduktes Pyridin-4-carbaldehyd werden erreicht, wenn die spezifische Oberfläche des Titandioxidträgers über 100 m²/g, wenn der Katalysator einen Sulfatgehalt größer 0,1-5 Gew.-%, bevorzugt 0,5-2 Gew.-%, besitzt und der Gehalt an Vanadiumoxid zwischen 5 und 50 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 10 und 30 Gew.-% liegt, und wenn niedrige Temperaturen kleiner 400°C, bevorzugt 250-270°C, gewählt werden. Das Titandioxid liegt in der Anatas-Form vor.
Bei der industriellen Herstellung von Titandioxiden unterscheidet man zwei Verfahren, das Chlorid- und das Sulfatverfahren (Ullmann's Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, VCH Weinheim, Band 18, S. 569). Das Chloridverfahren besteht aus den Schritten Chlorierung, Kühlung, TiCl₄-Reinigung, TiCl₄-Verbrennung und TiO₂-Abscheidung. Das Sulfatverfahren besteht in der Auflösung des Titanrohstoffes in konzentrierter Schwefelsäure und anschließender Ausfällung des Titandioxids. Im einzelnen besteht dieses Verfahren aus den Schritten Aufschluß, Lösen und Reduktion, Klärung, Kristallisation und Hydrolyse. Beiden Verfahren schließen sich noch Aufbereitungsverfahren zur Gewinnung eines möglichst reinen Produktes an. Charakteristisches Merkmal des Sulfatverfahrens ist vor allem der geringe Sulfatrestgehalt, der im Titandioxid enthalten ist, und durch Auswaschen zwar reduziert aber nicht vollkommen vermieden werden kann. Verbunden damit sind auch unterschiedliche chemische Eigenschaften.
Die erfindungsgemäße Direktoxidation des γ-Picolin zur Nikotinsäure wird bei einer Reaktionstemperatur zwischen 150 und 400°C, vorzugsweise bei 200 und 320°C und ganz besonders bei 250 bis 270°C in einem Festbettreaktor durchgeführt, alternativ sind auch die Fahrweise in einem Wirbelbett, Moving-bed sowie in der Flüssigphase im Festbett und mehrphasig im Tricklebed bzw. Autoklaven möglich. Das molare Wasser/γ-Picolin- Verhältnis sollte zur Erzielung guter Ergebnisse zwischen 10 und 100, insbesondere zwischen 30 und 50 liegen, das molare Sauerstoff/γ-Picolin-Verhältnis zwischen 10 und 150, insbesondere zwischen 70 und 100, sowie die Katalysatorbelastung bei einer WHSV (Weight hourly space velocity

von 0,05 bis 5 h^-1, insbesondere zwischen 0,1 und 2 h^-1 und ganz besonders zwischen 0,1 und 0,5 h^-1.
Aufgrund der hohen Ausbeuten und der leichten Abtrennbarkeit der Isonikotinsäure vom restlichen Produktgemisch (Sublimationstemperatur der Isonikotinsäure = 310-315°C), kann das synthetisierte Produkt bei 200-300°C in hoher Reinheit abgetrennt werden. Das Wasser, die Gasanteile (vornehmlich Sauerstoff und Stickstoff), das Zwischenprodukt Pyridin-4- carbaldehyd sowie nicht umgesetztes γ-Picolin können gasförmig recycliert werden und zu Beginn des Katalysatorbettes mit frischem γ-Picolin und Sauerstoff zusammengeführt werden.
Als Trägermaterialien werden verschiedene kommerziell erhältliche Titandioxide eingesetzt, die nach dem Sulfatverfahren hergestellt wurden. Auch nach anderen Fällungsverfahren hergestellte Titandioxide können verwendet werden. Die erfindungsgemäß eingesetzten Titandioxide unterscheiden sich in ihrer spezifischen Oberfläche, die durch N₂-Sorption und BET-Auswertung bestimmt wurde, sowie in ihrem Sulfatgehalt.
Diese Trägermaterialien wurden direkt mit Vanadiumoxid beladen nach der folgenden Methode:
Als Vanadiumprecursor wird eine wasserlösliche Vanadiumverbindung gewählt, allgemein werden Ammonium-meta-vanadat, Vanadium-acetylacetonat oder Vanadiumoxalat verwendet. Entsprechend der gewünschten V₂O₅-Beladung wird die dazu benötigte Menge des Vanadiumprecursors in eine wäßrige Lösung überführt. Mit dieser wäßrigen Lösung wird das Titandioxid-Trägermaterial gegeben und verrührt. Nach einem Verdampfungsschritt, in dem das Wasser abgetrennt wird, liegt bei hinreichender Durchmischung ein Feststoff vor, der aus dem Titandioxid und dem darauf adsorbierten Vanadiumprecursor besteht. Das pulverförmige Produkt wird danach bei 450°C 4 h lang kalziniert, womit der gewünschte Katalysator V₂O₅/TiO₂ vorliegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die folgenden Beispiele belegt:
Als Trägermaterialien wurden die folgenden Titandioxide eingesetzt: Tabelle 1 Trägermaterialien
Aus den Trägermaterialien nach Tabelle 1 wurden nach der im folgenden beschriebenen Imprägniertechnik die in Tabelle 2 aufgeführten V₂O₅-TiO₂-Katalysatoren hergestellt. Als Vanadiumprecursor wurde einheitlich Ammonium-meta-vanadat verwendet. Entsprechend der angegebenen Soll-Beladung wurde die dazu benötigte Menge Ammonium- meta-vanadat in destilliertem Wasser aufgelöst. Zur besseren Löslichkeit des Feststoffes wurde das Wasser auf ca. 40°C erhitzt. Zu dieser wäßrigen Lösung wird die gewünschte Menge des Titandioxids gegeben und verrührt. In einem Rotationsverdampfer wird unter ständigem Rühren und Wasserstrahlpumpen-Vakuum bei einer Ölbad-Temperatur von 100°C das Wasser abrotiert. Das pulverförmige Produkt wird danach bei 450°C 4 h lang kalziniert und zu Tabletten von ca. 13 mm Durchmesser verpresst. Aus diesen Tabletten wird dann in einer Zerkleinerungsprozedur die Split-Fraktion von 1-1,6 mm herausgesiebt, welche als Katalysator eingesetzt wird.

Beispiele

Beispiel 1 (erfindungsgemäß)

Der Aufbau der Versuchsanlage gemäß Abb. 1 wurde dahingehend vorgenommen, daß der mit γ-Picolin angereicherte Stickstoffstrom, der Wasser- und Luftstrom separat erhitzt und direkt zum Katalysatorbett gefördert und erst dort zusammengeführt werden. Eingesetzt wurde Katalysator C (1 g). Bei einer Reaktionstemperatur von 250°C, einer WHSV von 0,17 h^-1 und einem O₂/H₂O/γ-Picolin-Verhältnis von 100/43/1 wurde ein Umsatz von 89% und eine Selektivität zur Nikotinsäure von 38% und zum Pyridin-4-carbaldehyd von 35% erzielt. Die Verbesserung zum Ergebnis des Beispiels 1 bestätigt die in den Vergleichsbeispielen beobachtete Zersetzung des γ-Picolin in Anwesenheit des Wassers - unabhängig vom Katalysator.

Beispiele 2-11

In den weiteren erfindungsgemäßen Beispielen wird daher immer der mit γ-Picolin angereicherte Stickstoffstrom und der Wasser- und Luftstrom separat auf Reaktionstemperatur erhitzt und am Anfang des Katalysatorbettes zusammen geführt. Eine hohe Gesamt Produkt Selektivität von 98% (Isonikotinsäure und Pyridin-4-carbaldehyd) kann mit Katalysator C und einer sehr niedrigen Temperatur von 250°C erreicht werden (Beispiel 5). Mit Steuerung der Verweilzeit oder einer Recyclierung kann das Zwischenprodukt Pyridin-4-carbaldehyd zur Isonikotinsäure weiter oxidiert werden.

Beispiel 12

Vergleichsbeispiel

Als Reaktor wird ein Rohrwendelreaktor aus Stahl verwendet, der in einem Umluftofen auf Reaktionstemperatur gehalten wird. Es werden 1 g Katalysator C eingefüllt. Als Sauerstoffquelle wird Luft verwendet. Ein Stickstoffstrom wird in einem temperierten Sättiger mit γ-Picolin angereichert, in eine Mischkammer und Vorheizer geleitet, dort mit Luft und einen gepumpten Wasserstrom verdampft und zum Katalysator geführt. Bei einer Reaktionstemperatur von 250°C, einer WHSV von 0,25 g/h γ-Picolin/g Katalysator (= 0,25 h^-1) und einem molaren Verhältnis O₂/H₂O/γ-Picolin = 70/48/1 wurde ein γ-Picolin-Umsatz von 100% gemessen bei einer Selektivität zur Isonikotinsäure von 18% (molar). Dies Beispiel zeigt, daß sich die Selektivität zur Isonikotinsäure bei der gemeinsamen Zuführung von γ-Picolin und Wasser verschlechtert.

Beispiel 13

Vergleichsbeispiel

Die gleiche Versuchsanordnung wie in Beispiel 1 wurde ohne Katalysator wiederholt. Bei einer Temperatur von 250°C, einem O₂/H₂O/γ-Picolin-Verhältnis von 14/30/1 (molar) und einer Feedstrom (H₂O + γ-Picolin) = 5,4 g/h wurde ein γ-Picolin-Umsatz von 72% zu gasförmigen Produkten gemessen. Dies Beispiel demonstriert die Zersetzung von γ-Picolin in Gegenwart von Wasser ohne Anwesenheit des Katalysators.

Beispiel 14

Vergleichsbeispiel

Der Versuch von Beispiel 2 wurde wiederholt, jedoch wurde diesmal kein Wasser zugegeben. Bei einer Temperatur von 250°C, einem O₂/γ-Picolin-Verhältnis von 9/1 und einem Massenstrom von γ-Picolin = 2 g/h wurden nur noch 5% γ-Picolin-Verlust gemessen. Ohne Zusatz von Wasser und Katalysator reagiert γ-Picolin nur in geringem Umfang.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Nikotinsäure durch Direktoxidation aus γ-Picolin, dadurch gekennzeichnet, daß γ-Picolin getrennt von Luft und Wasser dem Katalysatorbett, gefüllt mit einem vanadiumhaltigen TiO₂-Trägerkatalysator, zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heterogenkatalysator als Trägermaterial Anatas mit einer spezifischen Oberfläche von mehr als 100 m²/g enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anatas-Träger nach der Sulfatmethode hergestellt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Titandioxid-Träger einen Sulfatgehalt von mehr als 0,1% besitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vanadiumoxidgehalt zwischen 5 und 50% beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionstemperatur zwischen 150 und 400°C liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoff/Edukt Verhältnis zwischen 10/1 und 150/1, insbesondere zwischen 70/1 und 100/1 und das Wasser/Edukt Verhältnis zwischen 10/1 und 100/1, insbesondere zwischen 30/1 und 50/1 liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die WHSV (weight hourly space velocity) zwischen 0,05 und 5 h^-1 liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion in der Gasphase oder Flüssigphase in einem Festbettreaktor, Wirbelbettreaktor oder Moving-bed-Reaktor stattfindet oder mehrphasig in einem Tricklebedreaktor oder Autoklav.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß hohe Selektivitäten von ≥ 98% durch die leichte Abtrennbarkeit der Isonikotinsäure, die bei ca. 310-315°C desublimiert, das restliche Prozeßgas zurückgeführt werden kann, mit frischem Edukt und Sauerstoff wieder dem Katalysatorbett zugeführt werden kann, und das Zwischenprodukt Pyridin-4- carbaldehyd zur Isonikotinsäure oxidiert wird.