DE102012016959A1 - Preparing formic acid, comprises e.g. reacting a reaction mixture comprising carbon dioxide, hydrogen, polar solvent and tertiary amine in presence of cationic complex catalyst into hydrogenation mixture including formic acid-amine-adduct - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ameisensäure durch Umsetzung von Kohlendioxid mit Wasserstoff in einem Hydrierreaktor in Gegenwart eines kationischen Komplexkatalysators, der ein Element aus der 8., 9. oder 10. Gruppe des Periodensystems enthält und auf einem Trägermaterial immobilisierbar ist, eines tertiären Amins und eines polaren Lösungsmittels, unter Bildung von Ameisensäure-Amin-Addukten, die anschließend thermisch zu Ameisensäure und tertiärem Amin gespalten werden.The invention relates to a process for the preparation of formic acid by reacting carbon dioxide with hydrogen in a hydrogenation reactor in the presence of a cationic complex catalyst which contains an element from the 8th, 9th or 10th group of the periodic table and can be immobilized on a support material, a tertiary one Amines and a polar solvent to form formic acid-amine adducts, which are then thermally cleaved to formic acid and tertiary amine.
Addukte aus Ameisensäure und tertiären Aminen können thermisch in freie Ameisensäure und tertiäres Amin gespalten werden und dienen daher als Intermediate bei der Herstellung von Ameisensäure.Adducts of formic acid and tertiary amines can be thermally cleaved into free formic acid and tertiary amine and therefore serve as intermediates in the preparation of formic acid.
Ameisensäure ist ein wichtiges und vielseitig einsetzbares Produkt. Sie wird beispielsweise zum Ansäuern bei der Herstellung von Futtermitteln, als Konservierungsmittel, als Desinfektionsmittel, als Hilfsstoff in der Textil- und Lederindustrie, als Gemisch mit ihren Salzen zur Enteisung von Flugzeugen und Start- und Landebahnen sowie als Synthesebaustein in der chemischen Industrie verwendet.Formic acid is an important and versatile product. It is used, for example, for acidification in the production of animal feed, as a preservative, as a disinfectant, as an adjuvant in the textile and leather industry, as a mixture with their salts for de-icing of airplanes and runways and as a synthesis component in the chemical industry.
Die genannten Addukte aus Ameisensäure und tertiären Aminen können auf verschiedene Art und Weise hergestellt werden, beispielsweise (i) durch direkte Umsetzung des tertiären Amins mit Ameisensäure, (ii) durch Hydrolyse von Methylformiat zu Ameisensäure in Gegenwart des tertiären Amins, (iii) durch katalytische Hydratisierung von Kohlenmonoxid in Gegenwart des teriären Amins oder (iv) durch Hydrierung von Kohlendioxid zu Ameisensäure in Gegenwart des tertiären Amins. Das letztgenannte Verfahren der katalytischen Hydrierung von Kohlendioxid hat den besonderen Vorteil, dass Kohlendioxid in großen Mengen verfügbar und hinsichtlich seiner Quelle flexibel ist.The said adducts of formic acid and tertiary amines can be prepared in various ways, for example (i) by direct reaction of the tertiary amine with formic acid, (ii) by hydrolysis of methyl formate to formic acid in the presence of the tertiary amine, (iii) by catalytic Hydration of carbon monoxide in the presence of the teriary amine or (iv) by hydrogenation of carbon dioxide to formic acid in the presence of the tertiary amine. The latter method of catalytic hydrogenation of carbon dioxide has the particular advantage that carbon dioxide is available in large quantities and is flexible in its source.
Großtechnisch aussichtsreich erscheint dabei vor allem die katalytische Hydrierung von Kohlendioxid in Gegenwart von Aminen (
Um ein wirtschaftliches Verfahren zu ermöglichen, muss der eingesetzte Katalysator möglichst vollständig aus dem Produktstrom der katalytischen Hydrierung abgetrennt und in die Umsetzung von Kohlendioxid mit Wasserstoff in Gegenwart von Aminen rückgeführt werden. Die Gründe hierfür sind:
- • Nicht vollständige Abtrennung und Rückführung würde zu großen Verlusten des teuren Katalysators führen und erhebliche Zusatzkosten generieren.
- • Der Katalysator kann die Rückspaltung des Addukts aus Ameisensäure und tertiärem Amin zu Kohlendioxid, Wasserstoff und tertiärem Amin gemäß folgender Reaktionsgleichung katalysieren:
- • Inadequate separation and recycling would lead to large losses of the expensive catalyst and generate significant additional costs.
- The catalyst can catalyze the cleavage of the adduct of formic acid and tertiary amine to carbon dioxide, hydrogen and tertiary amine according to the following reaction equation:
Die Rückspaltung führt zu einer deutlichen Verringerung der Ausbeute an Addukt aus Ameisensäure und tertiärem Amin und somit zu einer Verringerung der Ausbeute des Zielprodukts Ameisensäure. Die Übergangsmetall-katalysierte Zersetzung von Ameisensäure wurde unter anderem in
Somit muss der eingesetzte Katalysator möglichst vollständig aus dem Produktstrom der katalytischen Hydrierung abgetrennt und in die Hydrierung von Kohlendioxid rückgeführt werden.Thus, the catalyst used must be separated as completely as possible from the product stream of the catalytic hydrogenation and recycled to the hydrogenation of carbon dioxide.
- 1) Phasentrennung des Reaktionsgemischs unter Erhalt einer Oberphase enthaltend das tertiäre Amin und den Katalysator sowie einer Unterphase enthaltend das Ameisensäure-Amin-Addukt, das hochsiedende polare Lösungsmittel und Reste des Katalysators; Rückführung der Oberphase zur Hydrierung,
- 2) Extraktion der Unterphase mit dem tertiären Amin unter Erhalt eines Extrakts enthaltend das tertiäre Amin und die Reste des Katalysators sowie eines Raffinats enthaltend das hochsiedende polare Lösungsmittel und das Ameisensäure-Amin-Addukt; Rückführung des Extrakts zur Hydrierung,
- 3) Thermische Spaltung des Raffinats in einer Destillationskolonne unter Erhalt eines Destillats enthaltend die Ameisensäure und eines Sumpfgemischs enthaltend das freie tertiäre Amin und das hochsiedende polare Lösungsmittel; Rückführung des hochsiedenden polaren Lösungsmittels zur Hydrierung.
- 1) phase separation of the reaction mixture to obtain an upper phase containing the tertiary amine and the catalyst and a lower phase containing the formic acid-amine adduct, the high-boiling polar solvents and residues of the catalyst; Recycling of the upper phase for hydrogenation,
- 2) extracting the lower phase with the tertiary amine to obtain an extract containing the tertiary amine and the residues of the catalyst and a raffinate containing the high boiling point polar solvent and the formic acid amine adduct; Recycling of the extract for hydrogenation,
- 3) thermal cracking of the raffinate in a distillation column to obtain a distillate containing the formic acid and a bottoms mixture containing the free tertiary amine and the high-boiling polar solvent; Recycling of the high-boiling polar solvent for hydrogenation.
Das Verfahren bemäß
Nachteilig an dem Verfahren der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren zur Herstellung von Ameisensäure durch Hydrierung von Kohlendioxid zur Verfügung zu stellen, das die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht oder nur in deutlich vermindertem Ausmaß aufweist und das zu konzentrierter Ameisensäure in hoher Ausbeute und hoher Reinheit führt. Ferner soll das Verfahren eine einfachere Verfahrensführung erlauben, als im Stand der Technik beschrieben, insbesondere ein einfacheres Verfahrenskonzept zur Aufarbeitung des Austrags aus dem Hydrierreaktor, einfachere Verfahrensstufen, eine geringere Anzahl an Verfahrensstufen oder einfachere Apparate. Des Weiteren soll das Verfahren auch mit einem möglichst niedrigen Energiebedarf durchgeführt werden können.The object of the present invention was to provide a process for the preparation of formic acid by hydrogenation of carbon dioxide, which does not have the disadvantages of the prior art or only to a significantly reduced extent and which leads to concentrated formic acid in high yield and high purity , Furthermore, the method should allow a simpler process management, as described in the prior art, in particular a simpler process concept for processing the discharge from the hydrogenation reactor, simpler process steps, a smaller number of process stages or simpler apparatus. Furthermore, the method should also be able to be carried out with the lowest possible energy requirement.
Die Aufarbeitung des Austrags aus dem Hydrierreaktor soll bevorzugt ausschließlich mit den im Verfahren bereits befindlichen Stoffen, ohne zusätzliche Hilfsstoffe, erfolgen, und diese sollen bevorzugt im Verfahren vollständig oder weitgehend vollständig rückgeführt werden.The workup of the discharge from the hydrogenation reactor should preferably be carried out exclusively with the substances already present in the process, without additional auxiliaries, and these should preferably be completely or substantially completely recycled in the process.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Ameisensäure, umfassend die Schritte
- (a) Umsetzung eines Reaktionsgemischs (Rg) enthaltend Kohlendioxid, Wasserstoff, mindestens ein polares Lösungsmittel sowie mindestens ein tertiäres Amin der allgemeinen Formel (A1)
NR1R2R3 (A1), NR1R2R3·xiHCOOH (A2),
- (a) reaction of a reaction mixture (Rg) comprising carbon dioxide, hydrogen, at least one polar solvent and at least one tertiary amine of the general formula (A1)
NR 1 R 2 R 3 (A1), case 1 to 16 carbon atoms, where individual carbon atoms are also independently of one another by a hetero group selected from the groups -O - and> N- may be substituted and two or all three radicals may be joined together to form a chain comprising at least four atoms, in the presence of at least one cationic complex catalyst containing at least one element selected from groups 8, 9 and 10 of Periodic table contains, in a hydrogenation reactor, to obtain a hydrogenation mixture (H) containing the at least one polar solvent, the at least one cationic catalyst and at least one formic acid-amine adduct of the general formula (A2)NR 1 R 2 R 3 · x i HCOOH (A2),
Es wurde festgestellt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Ameisensäure in hoher Ausbeute zugänglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine effektive Abtrennung des Katalysators in seiner aktiven Form sowie die Immobilisierung des kationischen Komplexkatalysators in dem Hydrierreaktor in Schritt (a). Durch die Abtrennung des erfindungsgemäß eingesetzten polaren Lösungsmittels wird zudem eine Veresterung der in der thermischen Spalteinheit in Schritt (b2) erhaltenen Ameisensäure verhindert, was ebenfalls zu einer Steigerung der Ameisensäureausbeute führt. Darüber hinaus wurde überraschend festgestellt, dass der Einsatz der erfindungsgemäßen polaren Lösungsmittel zu einer Erhöhung der Konzentration des Ameisensäure-Amin-Addukts (A2) im in Schritt (a) erhaltenen Hydriergemisch (H) – gegenüber den in
Die Begriffe „Schritt” und „Verfahrensstufe” werden nachfolgend synonym gebraucht.The terms "step" and "process step" are used synonymously below.
Herstellung des Ameisensäure-Amin-Addukts (A2); Verfahrensstufe (a)Preparation of Formic Acid-Amine Adduct (A2); Process step (a)
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird in Verfahrensstufe (a) in einem Hydrierreaktor ein Reaktionsgemisch (Rg) umgesetzt, das Kohlendioxid, Wasserstoff, mindestens einen kationischen Komplexkatalysator enthaltend mindestens ein Element ausgewählt aus den Gruppen 8, 9 und 10 des Periodensystems, mindestens ein polares Lösungsmittel sowie mindestens ein tertiäres Amin der allgemeinen Formel (A1) enthält.In the process according to the invention, in process step (a), a reaction mixture (Rg) is reacted in a hydrogenation reactor containing carbon dioxide, hydrogen, at least one cationic complex catalyst containing at least one element selected from groups 8, 9 and 10 of the periodic table, at least one polar solvent and at least a tertiary amine of the general formula (A1).
Das in Verfahrensstufe (a) eingesetzte Kohlendioxid kann fest, flüssig oder gasförmig sein. Es ist auch möglich, großtechnisch verfügbare, Kohlendioxid enthaltende Gasgemische zu verwenden, sofern diese weitgehend frei von Kohlenmonoxid (Volumenanteil von < 1% CO), sind. Der bei der Hydrierung von Kohlendioxid in Verfahrensstufe (a) eingesetzte Wasserstoff ist im Allgemeinen gasförmig. Kohlendioxid und Wasserstoff können auch inerte Gase, wie etwa Stickstoff oder Edelgase, enthalten. Vorteilhaft liegt jedoch deren Gehalt unterhalb von 10 mol-% bezogen auf die Gesamtmenge an Kohlendioxid und Wasserstoff im Hydrierreaktor. Größe Mengen sind zwar gegebenenfalls ebenfalls noch tolerierbar, bedingen aber im Allgemeinen die Anwendung eines höheren Druckes im Reaktor, wodurch weitere Kompressionsenergie erforderlich ist.The carbon dioxide used in process step (a) can be solid, liquid or gaseous. It is also possible to use gas mixtures containing large quantities of carbon dioxide, provided they are substantially free of carbon monoxide (volume fraction of <1% CO). The hydrogen used in the hydrogenation of carbon dioxide in process step (a) is generally gaseous. Carbon dioxide and hydrogen may also contain inert gases, such as nitrogen or noble gases. However, their content is advantageously below 10 mol% based on the total amount of carbon dioxide and hydrogen in the hydrogenation reactor. Although quantities may also be tolerable, they generally require the use of a higher pressure in the reactor, requiring further compression energy.
Kohlendioxid und Wasserstoff können der Verfahrensstufe (a) als getrennte Ströme zugeleitet werden. Es ist auch möglich, ein Gemisch enthaltend Kohlendioxid und Wasserstoff in Verfahrensstufe (a) einzusetzen.Carbon dioxide and hydrogen can be fed to process stage (a) as separate streams. It is also possible to use a mixture containing carbon dioxide and hydrogen in process step (a).
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird in Verfahrensstufe (a) bei der Hydrierung von Kohlendioxid mindestens ein tertiäres Amin (A1) eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter „tertiäres Amin (A1)” sowohl ein (1) tertiäres Amin (A1) als auch Mischungen von zwei oder mehreren tertiären Aminen (A1) verstanden.In the process according to the invention, at least one tertiary amine (A1) is used in process step (a) in the hydrogenation of carbon dioxide. In the context of the present invention, "tertiary amine (A1)" is understood as meaning both one (1) tertiary amine (A1) and mixtures of two or more tertiary amines (A1).
Das beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt einzusetzende tertiäre Amin ist ein Amin, der allgemeinen Formel
Als geeignete tertiäre Amine der Formel (A1) seien beispielsweise genannt:
- • Tri-n-propylamin, Tri-n-butylamin, Tri-n-pentylamin, Tri-n-hexylamin, Tri-n-heptylamin, Tri-n-octylamin, Tri-n-nonylamin, Tri-n-decylamin, Tri-n-undecylamin, Tri-n-dodecylamin, Tri-n-tridecylamin, Tri-n-tetradecylamin, Tri-n-pentadecylamin, Tri-n-hexadecylamin, Tri-(2-ethylhexyl)amin.
- • Dimethyl-decylamin, Dimethyl-dodecylamin, Dimethyl-tetradecylamin, Ethyl-di-(2-propyl)amin, Dioctyl-methylamin, Dihexyl-methylamin.
- • Tricyclopentylamin, Tricyclohexylamin, Tricycloheptylamin, Tricyclooctylamin und deren durch eine oder mehrere Methyl-, Ethyl-, 1-Propy-, 2-Propyl-, 1-Butyl-, 2-Butyl- oder 2-Methyl-2-propyl-Gruppen substituierte Derivate.
- • Dimethyl-cyclohexylamin, Methyl-dicyclohexylamin, Diethyl-cyclohexylamin, Ethyl-dicyclohexylamin, Dimethyl-cyclopentylamin, Methyl-dicyclopentylamin.
- • Triphenylamin, Methyl-diphenylamin, Ethyl-diphenylamin, Propyl-diphenylamin, Butyl-diphenylamin, 2-Ethyl-hexyl-diphenylamin, Dimethyl-phenylamin, Diethyl-phenylamin, Dipropyl-phenylamin, Dibutyl-phenylamin, Bis(2-Ethyl-hexyl)phenylamin, Tribenzylamin, Methyl-dibenzylamin, Ethyl-dibenzylamin und deren durch eine oder mehrere Methyl-, Ethyl-, 1-Propyl, 2-Propyl-, 1-Butyl-, 2-Butyl- oder 2-Methyl-2-propyl-Gruppen substituierte Derivate.
- • N-C1-bis-C12-Alkyl-piperidine, N,N-Di-C1-bis-C12-Alkyl-piperazine, N-C1-bis-C12-Alkyl-pyrrolidone, N-C1-bis-C12-Alkyl-imidazole und deren durch eine oder mehrere Methyl-, Ethyl-, 1-Propy-, 2-Propyl-, 1-Butyl-, 2-Butyl- oder 2-Methyl-2-propyl-Gruppen substituierte Derivate.
- • 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en („DBU”), 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan („DABCO”), N-Methyl-8-azabicyclo[3.2.1]octan („Tropan”), N-Methyl-9-azabicyclo[3.3.1]nonan („Granatan”), 1-Azabicyclo[2.2.2]octan („Chinuclidin”).
- Tri-n-propylamine, tri-n-butylamine, tri-n-pentylamine, tri-n-hexylamine, tri-n-heptylamine, tri-n-octylamine, tri-n-nonylamine, tri-n-decylamine, tri -n-undecylamine, tri-n-dodecylamine, tri-n-tridecylamine, tri-n-tetradecylamine, tri-n-pentadecylamine, tri-n-hexadecylamine, tri (2-ethylhexyl) amine.
- Dimethyl-decylamine, dimethyldodecylamine, dimethyl-tetradecylamine, ethyl-di- (2-propyl) amine, dioctyl-methylamine, dihexyl-methylamine.
- Tricyclopentylamine, tricyclohexylamine, tricycloheptylamine, tricyclooctylamine and their substituted by one or more methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl or 2-methyl-2-propyl groups derivatives.
- Dimethylcyclohexylamine, methyldicyclohexylamine, diethylcyclohexylamine, ethyldicyclohexylamine, dimethylcyclopentylamine, methyldicyclopentylamine.
- • triphenylamine, methyl-diphenylamine, ethyl-diphenylamine, propyl-diphenylamine, butyl-diphenylamine, 2-ethyl-hexyl-diphenylamine, dimethyl-phenylamine, diethyl-phenylamine, dipropyl-phenylamine, dibutyl-phenylamine, bis (2-ethyl-hexyl ) phenylamine, tribenzylamine, methyl-dibenzylamine, ethyl-dibenzylamine and theirs by one or more methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl or 2-methyl-2-propyl Groups substituted derivatives.
- • NC 1 -bis-C 12 -alkyl-piperidines, N, N-di-C 1 -bis-C 12 -alkyl-piperazines, NC 1 -bis-C 12 -alkyl-pyrrolidone, NC 1 -bis-C 12 Alkyl imidazoles and their by one or more methyl, ethyl, 1-propy, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl or 2-methyl-2-propyl groups substituted derivatives.
- • 1,8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene ("DBU"), 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane ("DABCO"), N-methyl-8-azabicyclo [3.2.1 ] octane ("tropane"), N-methyl-9-azabicyclo [3.3.1] nonane ("garnetane"), 1-azabicyclo [2.2.2] octane ("quinuclidine").
Beim erfindungsgemäßen Verfahren können auch Gemische aus zwei oder mehreren verschiedenen tertiären Aminen (A1) eingesetzt werden.In the process according to the invention, mixtures of two or more different tertiary amines (A1) can also be used.
Besonders bevorzugt setzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren als tertiäres Amin der allgemeinen Formel (A1) ein Amin ein, in der die Reste R1, R2, R3 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe C1- bis C12-Alkyl, C5- bis C8-Cycloalkyl, Benzyl und Phenyl, ein.The tertiary amine of the general formula (A1) used in the process according to the invention is particularly preferably an amine in which the radicals R 1 , R 2 , R 3 are selected independently of one another from the group C 1 - to C 12 -alkyl, C 5 - to C 8 cycloalkyl, benzyl and phenyl, a.
Besonders bevorzugt setzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren als tertiäres Amin ein gesättigtes Amin, d. h. nur Einfachbindungen enthaltend, der allgemeinen Formel (A1) ein.In the process according to the invention, particular preference is given to using a saturated amine as tertiary amine, ie. H. containing only single bonds of the general formula (A1).
Ganz besonders setzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren als tertiäres Amin ein Amin der allgemeinen Formel (A1) ein, in der die Reste R1, R2, R3 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe C5- bis C8-Alkyl, insbesondere Tri-n-pentylamin, Tri-n-hexylamin, Tri-n-heptylamin, Tri-n-octylamin, Dimethylcyclohexylamin, Methyldicyclohexylamin, Dioctylmethylamin und Dimethyldecylamin.An especially suitable amine in the process according to the invention is a tertiary amine of the general formula (A1) in which the radicals R 1 , R 2 , R 3 are independently selected from the group C 5 - to C 8 -alkyl, in particular tri -n-pentylamine, tri-n-hexylamine, tri-n-heptylamine, tri-n-octylamine, dimethylcyclohexylamine, methyldicyclohexylamine, dioctylmethylamine and dimethyldecylamine.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein (1) tertiäres Amin der allgemeinen Formel (A1) eingesetzt.In one embodiment of the process according to the invention, one (1) tertiary amine of the general formula (A1) is used.
Insbesondere setzt man als tertiäres Amin ein Amin der allgemeinen Formel (A1) ein, in der die Reste R1, R2, R3 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus C5- und C6- Alkyl. Am meisten bevorzugt setzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren als tertiäres Amin der allgemeinen Formel (A1) Tri-n-hexylamin ein.In particular, the tertiary amine used is an amine of the general formula (A1) in which the radicals R 1 , R 2 and R 3 are selected independently of one another from C 5 - and C 6 -alkyl. Most preferably, in the process according to the invention, tri-n-hexylamine is used as the tertiary amine of the general formula (A1).
Bevorzugt liegt das tertiäre Amin (A1) beim erfindungsmäßen Verfahren in allen Verfahrensstufen flüssig vor. Dies ist jedoch kein zwingendes Erfordernis. Es würde auch ausreichen, wenn das tertiäre Amin (A1) zumindest in geeigneten Lösungsmitteln gelöst wäre. Geeignete Lösungsmittel sind prinzipiell solche, die hinsichtlich der Hydrierung von Kohlendioxid chemisch inert sind, in denen sich das tertiäre Amin (A1) und der Katalysator gut lösen und in denen sich umgekehrt das polare Lösungsmittel sowie das Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) schlecht lösen. In Frage kommen daher prinzipiell chemisch inerte, unpolare Lösungsmittel wie etwa aliphatische, aromatische oder araliphatische Kohlenwasserstoffe, beispielweise Octan und höhere Alkane, Toluol, Xylole (o-, p- und/oder m-Xylol).The tertiary amine (A1) in the process according to the invention is preferably liquid in all process stages. However, this is not a mandatory requirement. It would also be sufficient if the tertiary amine (A1) were dissolved at least in suitable solvents. Suitable solvents are in principle those which are chemically inert with respect to the hydrogenation of carbon dioxide, in which the tertiary amine (A1) and the catalyst dissolve well and in which, conversely, the polar solvent and the formic acid-amine adduct (A2) dissolve poorly , In principle, therefore, chemically inert, nonpolar solvents such as for example, aliphatic, aromatic or araliphatic hydrocarbons, for example octane and higher alkanes, toluene, xylenes (o-, p- and / or m-xylene).
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird in Verfahrensstufe (a) bei der Hydrierung von Kohlendioxid mindestens ein polares eingesetzt. Bevorzugt sind polare Lösungsmittel mit einem Siedepunkt bei Normaldruck (1 atm) im Bereich von 20 bis 150°C, bevorzugt 20 bis 120°C, mehr bevorzugt 20 bis 110°C und insbesondere im Bereich von 30 bis 100°C.In the process of the invention, at least one polar is used in process step (a) in the hydrogenation of carbon dioxide. Preferred are polar solvents having a boiling point at atmospheric pressure (1 atm) in the range of 20 to 150 ° C, preferably 20 to 120 ° C, more preferably 20 to 110 ° C and in particular in the range of 30 to 100 ° C.
Geeignete polare Lösungsmittel sind beispielsweise
- • Monoalkohole wie Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, 1-Butanol, 2-Butanol, 2-Methyl-1-propanol,
- • Ether wie Diethylether, Di-n-propylether, Dimethoxyethan, Methyl-tert-butylether, Ethyl tert-butylether, 1,4-Dioxan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran,
- • Wasser.
- Monoalcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-methyl-1-propanol,
- Ethers, such as diethyl ether, di-n-propyl ether, dimethoxyethane, methyl tert-butyl ether, ethyl tert-butyl ether, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran,
- • Water.
Unter „polares Lösungsmittel” im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden sowohl ein (1) polares Lösungsmittel als auch Mischungen aus zwei oder mehreren polaren Lösungsmitteln verstanden.In the context of the present invention, "polar solvent" is understood to mean both one (1) polar solvent and mixtures of two or more polar solvents.
Bevorzugt enthält das Reaktionsgemisch (Rg) mindestens ein polares Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, 1-Butanol, Dimethoxyethan, Methyl tert-butylether, Tetrahydrofuran.Preferably, the reaction mixture (Rg) contains at least one polar solvent selected from the group consisting of methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, dimethoxyethane, methyl tert-butyl ether, tetrahydrofuran.
Besonders bevorzugt als polares Lösungsmittel sind Mischungen aus mindestens einem der vorstehend genannten geeigneten Monoalkohole und/oder mindestens eines der vorstehend genannten geeigneten Ether mit Wasser.Particularly preferred polar solvents are mixtures of at least one of the abovementioned suitable monoalcohols and / or at least one of the abovementioned suitable ethers with water.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird als polares Lösungsmittel Methanol, Tetrahydrofuran oder eine Mischung aus Wasser, Methanol und Tetrahydrofuran eingesetzt.In a further particularly preferred embodiment, the polar solvent used is methanol, tetrahydrofuran or a mixture of water, methanol and tetrahydrofuran.
Der Einsatz von Diolen sowie deren Ameisensäureestern, Polyolen sowie deren Ameisensäureestern, Sulfonen, Sulfoxiden und offenkettigen oder cyclischen Amiden als polares Lösungsmittel ist nicht bevorzugt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese polaren Lösungsmittel im Reaktionsgemisch (Rg) nicht enthalten.The use of diols and their formic acid esters, polyols and their formic acid esters, sulfones, sulfoxides and open-chain or cyclic amides as the polar solvent is not preferred. In a preferred embodiment, these polar solvents are not contained in the reaction mixture (Rg).
Das Molverhältnis des im erfindungsgemäßen Verfahren in Verfahrensstufe (a) eingesetzten polaren Lösungsmittels beziehungsweise Lösungsmittelgemischs zum eingesetzten tertiären Amin (A1) beträgt im Allgemeinen 0,5 bis 30 und bevorzugt 1 bis 20.The molar ratio of the polar solvent or solvent mixture used in the process according to the invention in process step (a) to the tertiary amine (A1) used is generally 0.5 to 30 and preferably 1 to 20.
Der im erfindungsgemäßen Verfahren in Verfahrensstufe (a) zur Hydrierung von Kohlendioxid eingesetzte kationische Komplexkatalysator enthält mindestens ein Element ausgewählt aus den Gruppen 8, 9 und 10 des Periodensystems (Nomenklatur nach IUPAC). Die Gruppen 8, 9 und 10 des Periodensystems umfassen Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und Pt. In Verfahrensstufe (a) können ein (1) kationischer Komplexkatalysator oder eine Mischung aus zwei oder mehreren kationischen Komplexkatalysatoren eingesetzt werden. Bevorzugt wird ein (1) kationischer Komplexkatalysator eingesetzt. Unter „kationischer Komplexkatalysator” werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl ein (1) kationischer Komplexkatalysator als auch Mischungen von zwei oder mehr kationischen Komplexkatalysatoren verstanden.The cationic complex catalyst used in the process according to the invention in process step (a) for the hydrogenation of carbon dioxide comprises at least one element selected from groups 8, 9 and 10 of the Periodic Table (IUPAC nomenclature). Groups 8, 9 and 10 of the Periodic Table include Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir and Pt. In process step (a), one (1) cationic complex catalyst or a mixture of two or more cationic complex catalysts can be used. Preference is given to using one (1) cationic complex catalyst. In the context of the present invention, "cationic complex catalyst" is understood to mean both one (1) cationic complex catalyst and mixtures of two or more cationic complex catalysts.
Bevorzugt enthält der kationische Komplexkatalysator mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fe, Pd und Ir. Besonders bevorzugt enthält der kationische Komplexkatalysator Fe.Preferably, the cationic complex catalyst contains at least one element selected from the group consisting of Fe, Pd and Ir. Most preferably, the cationic complex catalyst contains Fe.
Als kationischer Komplexkatalysator wird bevorzugt eine komplexartige Verbindung der vorstehend genannten Elemente eingesetzt, die im Allgemeinen vor der Immobilisierung im Reaktionsgemisch (Rg) löslich ist.The cationic complex catalyst used is preferably a complex-like compound of the abovementioned elements, which is generally soluble in the reaction mixture (R g ) prior to immobilization.
Die Menge der eingesetzten Metallkomponenten im kationischen Komplexkatalysator in Verfahrensstufe (a) beträgt im Allgemeinen 0,1 bis 5000 Gew.-ppm, bevorzugt 1 bis 800 Gew.-ppm und besonders bevorzugt 5 bis 250 Gew.-ppm, jeweils bezogen auf das gesamte flüssige Reaktionsgemisch im Hydrierreaktor.The amount of metal components used in the cationic complex catalyst in process step (a) is generally from 0.1 to 5000 ppm by weight, preferably from 1 to 800 ppm by weight, and more preferably from 5 to 250 ppm by weight, in each case based on the total liquid reaction mixture in the hydrogenation reactor.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet man als kationische Komplexkatalysatoren insbesondere Katalysatoren, die vor der Immobilisierung homogen im Reaktionsgemisch (Rg) löslich sind, insbesondere metallorganische Komplexverbindungen, die mindestens ein Element aus der 8., 9. oder 10. Gruppe des Periodensystems, mindestens einen neutralen Liganden und mindestens einen anionischen Liganden enthalten.In the process according to the invention, the cationic complex catalysts used are in particular catalysts which are homogeneously soluble in the reaction mixture (Rg) before the immobilization, in particular organometallic complex compounds containing at least one element from the 8th, 9th or 10th group of the periodic table, at least one neutral ligand and at least one anionic ligand.
Unter neutralen Liganden werden Liganden verstanden, die in freier, d. h. unkomplexierter, Form, keine Ladung aufweisen. Unter anionischen Liganden werden Liganden verstanden, die in freier, d. h. unkomplexierter, Form, mindestens eine negative Ladung aufweisen. Geeignete neutrale Liganden sind beispielsweise Phosphinliganden, Aminliganden (wie tertiäre Amine), Kohlenmonoxid und DMSO. Geeignete anionische Liganden sind beispielsweise Hydrid, Fluorid, Chlorid, Bromid, Iodid, Formiat, Acetat, Propionat, Acetylacetonat, Hydroxid und Alkoholate (wie Methanolat, Ethanolat und Propanolat).Neutral ligands are ligands that are in free, d. H. uncomplexed, form, have no charge. By anionic ligands ligands are understood that in free, d. H. uncomplexed, form, have at least one negative charge. Suitable neutral ligands are, for example, phosphine ligands, amine ligands (such as tertiary amines), carbon monoxide and DMSO. Examples of suitable anionic ligands are hydride, fluoride, chloride, bromide, iodide, formate, acetate, propionate, acetylacetonate, hydroxide and alcoholates (such as methanolate, ethanolate and propoxide).
Unter kationischen Komplexkatalysatoren werden Katalysatoren verstanden, die unter den Reaktionsbedingungen in Verfahrensstufe (a) mindestens einen anionischen Liganden abspalten können, wobei eine Katalysatorspezies entsteht, die mindestens eine positive Ladung aufweist.Cationic complex catalysts are understood as meaning catalysts which can cleave off at least one anionic ligand under the reaction conditions in process step (a), giving rise to a catalyst species which has at least one positive charge.
Besonders geeignete neutrale Liganden sind Phosphinliganden. Bevorzugt weist der kationische Komplexkatalysator mindestens einen Phosphinliganden auf.Particularly suitable neutral ligands are phosphine ligands. The cationic complex catalyst preferably has at least one phosphine ligand.
Der kationische Komplexkatalysator oder seine als Vorstufe eingesetzten Salze können zur Verbesserung der Löslichkeit vor dem Einsatz in Verfahrensstufe (a) in einem polaren Lösungsmittel, bevorzugt einem Ether wie Tetrahydrofuran, gelöst werden.The cationic complex catalyst or its salts used as a precursor can be dissolved to improve the solubility before use in process step (a) in a polar solvent, preferably an ether such as tetrahydrofuran.
Geeignete Phospinliganden sind Phosphin-Gruppen, die mindestens einen unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Rest mit 1 bis 9 Kohlenstoffatomen enthalten, wobei einzelne Kohlenstoffatome auch durch >P- substituiert sein können. Im Sinne von verzweigten cyclischen aliphatischen Resten sind damit auch Reste wie beispielsweise -CH2-C6H11 eingeschlossen. Als geeignete Reste sind beispielsweise genannt Methyl, Ethyl, 1-Propyl, 2-Propyl, 1-Butyl, 1-(2-Methylpropyl, 2-(2-Methylpropyl, 1-Pentyl, 1-Hexyl, 1-Heptyl, 1-Octyl, 1-Nonyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl und Cyclooctyl, Methylcyclopentyl, Methylcyclohexyl, 1-(2-Methyl)-Pentyl, 1-(2-Ethyl)-hexyl und Norbornyl. Bevorzugt enthält der unverzeigte oder verzweigte, acyclische oder cyclische, aliphatische Rest mindestens 1 sowie bevorzugt maximal 9 Kohlenstoffatome. Im Falle eines ausschließlich cyclischen Restes im oben genannten Sinne beträgt die Zahl der Kohlenstoffatome 3 bis 9 und bevorzugt mindestens 4 sowie bevorzugt maximal 8 Kohlenstoffatome. Bevorzugte Reste sind Methyl, Ethyl, 1-Butyl, sec-Butyl, 1-Octyl und Cyclohexyl.Suitable phosphine ligands are phosphine groups which contain at least one unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radical having 1 to 9 carbon atoms, where individual carbon atoms may also be substituted by> P-. For the purposes of branched cyclic aliphatic radicals, radicals such as, for example, -CH 2 -C 6 H 11 are also included. Examples of suitable radicals are methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl, 1- (2-methylpropyl, 2- (2-methylpropyl, 1-pentyl, 1-hexyl, 1-heptyl, 1-methyl). Octyl, 1-nonyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl and cyclooctyl, methylcyclopentyl, methylcyclohexyl, 1- (2-methyl) -pentyl, 1- (2-ethyl) -hexyl and norbornyl, preferably containing the unbranched or branched, acyclic or cyclic In the case of an exclusively cyclic radical in the above-mentioned sense, the number of carbon atoms is 3 to 9 and preferably at least 4 and preferably at most 8. The preferred radicals are methyl, ethyl, 1-butyl, sec-butyl, 1-octyl and cyclohexyl.
Die Phosphin-Gruppe kann einen, zwei oder drei der oben genannten unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Reste enthalten. Diese können gleich oder verschieden sein. Bevorzugt enthält die Phosphin-Gruppe drei der oben genannten unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Reste, wobei besonders bevorzugt alle drei Reste gleich sind. Bevorzugte Phosphine sind P(n-CnH2n+1)3 mit n gleich 1 bis 11, bevorzugt mit n gleich 1 bis 10.The phosphine group can contain one, two or three of the above-mentioned unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radicals. These can be the same or different. Preferably, the phosphine group contains three of the above-mentioned unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radicals, with particular preference, all three radicals are the same. Preferred phosphines are P (nC n H 2n + 1 ) 3 where n is 1 to 11, preferably n is 1 to 10.
Besonders bevorzugt sind Phosphine der allgemeinen Formel P(n-CnH2n+1)2-CH2CH2-P(n-CnH2n+1)2 mit n gleich 1 bis 9 wie 1,2-Bis(Dimethylphosphino)ethan, 1,2-Bis(Diethylphosphino)ethan, 1,2-Bis(Dibutylphosphino)ethan, 1,2-Bis(Dioctylphosphino)ethan, 1,1'-[2-[(diethylphosphino)methyl]-2-methyl-1,3-propandiyl]bis[1,1-diethyl-phosphin („Ethylphos Triphos”) oder Tris[2-(Diphenylphosphino)-ethyl]phosphin und 1,2-Bis[bis(methoxypropyl)phosphino]ethane {P(C4H9O)2-CH2CH2-P(C4H9O)2}.Particular preference is given to phosphines of the general formula P (nC n H 2n + 1 ) 2 -CH 2 CH 2 -P (nC n H 2n + 1 ) 2 where n is 1 to 9, such as 1,2-bis (dimethylphosphino) ethane, 1,2-bis (diethylphosphino) ethane, 1,2-bis (dibutylphosphino) ethane, 1,2-bis (dioctylphosphino) ethane, 1,1 '- [2 - [(diethylphosphino) methyl] -2-methyl-1 , 3-propanediyl] bis [1,1-diethylphosphine ("Ethylphos Triphos") or tris [2- (diphenylphosphino) ethyl] phosphine and 1,2-bis [bis (methoxypropyl) phosphino] ethane {P (C 4 H 9 O) 2 -CH 2 CH 2 -P (C 4 H 9 O) 2 }.
Wie bereits weiter oben erwähnt, können in den genannten unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Resten einzelne Kohlenstoffatome auch durch >P- substituiert sein. Als geeignete Reste sind beispielsweise genannt Methyl, Ethyl, 1-Propyl, 2-Propyl, 1-Butyl, 2-Butyl, 1-(2-Methyl)propyl, 2-(2-Methyl)propyl, 1-Pentyl, 1-Hexyl, 1-Heptyl, 1-Octyl, 1-Nonyl. Somit sind auch mehrzähnige, beispielsweise zwei- drei- oder vierzähnige, Phosphin-Liganden mit umfasst.As already mentioned above, in the stated unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radicals, individual carbon atoms may also be substituted by> P-. Examples of suitable radicals are methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl, 1- (2-methyl) propyl, 2- (2-methyl) propyl, 1-pentyl, 1 Hexyl, 1-heptyl, 1-octyl, 1-nonyl. Thus, multidentate, for example, two- or tetradentate, phosphine ligands are also included.
Diese enthalten bevorzugt die wobei Ra C1- bis C9-Alkyl oder C5- bis C6-Aryl bedeutet.These preferably contain the where R a is C 1 - to C 9 -alkyl or C 5 - to C 6 -aryl.
Geeignete vierzähnige Phosphinliganden weisen beispielsweise die folgenden allgemeinen Formeln auf P(CH2CH2PRa 2)3, P(CH2CH2PR4 2)3, wobei die Reste Ra bzw. R4 die vor- bzw. nachstehend definierten Bedeutungen haben.Suitable tetradentate phosphine ligands have, for example, the following general formulas: P (CH 2 CH 2 PR a 2 ) 3 , P (CH 2 CH 2 PR 4 2 ) 3 , where the radicals R a and R 4 are as defined above and below Have meanings.
Enthält die Phosphin-Gruppe noch andere Reste als die oben genannten unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Reste, so entsprechen diese im Allgemeinen denen, die ansonsten üblicherweise bei Phosphin-Liganden für metallorganische Komplexkatalysatoren eingesetzt werden. Als Beispiele seinen genannt Phenyl, Tolyl und Xylyl.If the phosphine group contains radicals other than the abovementioned unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radicals, these generally correspond to those which are customarily used in the case of phosphine ligands for organometallic complex catalysts. As examples of its called phenyl, tolyl and xylyl.
Der kationische Komplexkatalysator kann eine oder mehrere, beispielsweise zwei, drei oder vier, der oben genannten Phosphin-Gruppen mit mindestens einem unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Rest enthalten. Die restlichen Liganden des metallorganischen Komplexes können verschiedener Natur sein. Als exemplarische Beispiele seien genannt Hydrid, Fluorid, Chlorid, Bromid, Iodid, Formiat, Tetraflouroborat, Nitrat, Sulfat, Sulfit, Hydrogensulfit, Oxalat, Acetat, Propionat, Carboxylate, Carbonat, Acetylacetonat, Carbonyl, DMSO, Hydroxid, Trialkylamin, Alkoxid.The cationic complex catalyst may contain one or more, for example two, three or four, of the abovementioned phosphine groups having at least one unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radical. The remaining ligands of the organometallic complex may be of different nature. Examples which may be mentioned are hydride, fluoride, chloride, bromide, iodide, formate, tetrafluoroborate, nitrate, sulfate, sulfite, hydrogen sulfite, oxalate, acetate, propionate, carboxylates, carbonate, acetylacetonate, carbonyl, DMSO, hydroxide, trialkylamine, alkoxide.
Bevorzugt enthält der kationische Komplexkatalysator mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Palladium und Iridium sowie mindestens einen Phosphinliganden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 1,2-Bis(Dimethylphosphino)ethan, 1,2-Bis(Diethylphosphino)ethan, 1,2-Bis(Dipropylphosphino)ethan und 1,2-Bis(Dibutylphosphino)ethan.The cationic complex catalyst preferably contains at least one element selected from the group consisting of iron, palladium and iridium and at least one phosphine ligand selected from the group consisting of 1,2-bis (dimethylphosphino) ethane, 1,2-bis (diethylphosphino) ethane, 1 , 2-bis (dipropylphosphino) ethane and 1,2-bis (dibutylphosphino) ethane.
Die kationischen Komplexkatalysatoren können sowohl direkt in ihrer aktiven Form als auch ausgehend von üblichen Standardverbindungen oder Standardkomplexen wie Eisen(II)-Nitrat, Eisen(III)-nitrat, Eisen(II)-sulfat, Eisen(III)-sulfat, Eisen(II)-chlorid, Eisen(III)-chlorid, Bis(cyclopentadienyl)eisen, Bis(pentamethylcyclopentadienyl)eisen, Cyclohexadiene-Eisentricarbonyl, Eisen(II)-acetat, Trieeisendodecacarbonyl, Dieisennonacarbonyl, Eisenpentacarbonyl, Eisen(II)-tetrafluoroborat, Eisen(III)-phosphat, Ammoniumeisen(III)-sulfat, Ammoniumeisen(II)-sulfat, Eisen(II)-oxalat, Eisen(III)-oxalat, Ammoniumeisen(III)-oxalattrihydrat, Eisenphosphid (Eisenmonophospid, Dieisenphosphid, Trieisenphosphid), Eisen(II)-perchlorat, Eisen(III)-perchlorathydrat, Eisen(III)-phosphat, Eisen(III)-acetylacetonat, Eisen(II)-bromid, Eisen(II)-fluorid, Eisen(III)-fluorid, Eisen(III)-bromid, Eisen(II)-iodid, Eisen(III)-oxid, Eisen(II)-acetylacetonat, Ammoniumeisen(II)-sulfathexahydrat, Ammoniumeisen(III)-sulfatdodecahydrat, Cyclopentadienyleisen(II)-dicarbonyl-dimer, unter Zugabe des beziehungsweise der entsprechenden Phosphanliganden erst unter Reaktionsbedingungen in Verfahrensstufe (a) erzeugt werden.The cationic complex catalysts can be used both directly in their active form and starting from customary standard compounds or standard complexes such as iron (II) nitrate, iron (III) nitrate, iron (II) sulfate, iron (III) sulfate, iron (II ) chloride, iron (III) chloride, bis (cyclopentadienyl) iron, bis (pentamethylcyclopentadienyl) iron, cyclohexadiene-iron tricarbonyl, ferrous acetate, triene dodecacarbonyl, diisone nonacarbonyl, iron pentacarbonyl, ferrous tetrafluoroborate, iron (III ) phosphate, ammonium ferric sulfate, ammonium ferrous sulfate, ferrous oxalate, ferric oxalate, ammonium ferric oxalate trihydrate, iron phosphide (iron monophosphide, diiron phosphide, triiron phosphide), iron ( II) perchlorate, iron (III) perchlorate hydrate, iron (III) phosphate, iron (III) acetylacetonate, iron (II) bromide, iron (II) fluoride, iron (III) fluoride, iron (III ) bromide, ferrous iodide, ferric oxide, ferrous acetylacetonate, ammonium ferrous sulfate hexahydrate, ammonium ferric sulfate dodecahydrate, cyclopentadienyliron (II) dicarbonyl dimer, with the addition of the corresponding or the corresponding phosphine ligands only under reaction conditions in process step (a) are produced.
Die kationischen Komplexkatalysatoren können auch in ihrer aktiven Form eingesetzt werden. Bevorzugte kationische Komplexkatalysatoren sind beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus [Fe(PR43)4X1]+[X2]–, [Fe(PR4 3)4(H2)X1]+[X2]–, [Fe(PR4 3)4(L)X1]+[X2]–, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4 2)2X1]+[X2]–, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4 2)2(H2)X1]+[X2]–, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4 2)2(L)X1]+[X2]–, [FeP(CH2CH2PR4 2)3X1]+[X2]–, [FeP(CH2CH2PR4 2)3(H2)X1]+[X2]–, [FeP(CH2CH2PR4 2)3(L)X1]+[X2]–, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4(CH2)nPR4 2)X1]+[X2]–, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4(CH2)nPR4 2)(H2)X1]+[X2]–, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4(CH2)nPR4 2)(L)X1]+[X2]–,
wobei X1 und X2 gleich oder verscheiden unabhängig voneinander bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H–, Cl–, Br–, I–, HCOO–, BF4 –, NO3 – SO4 2, SO3 2–, HSO4 –, C2O4 2–, CH3CO2 –, CH3CH2CO2 –, OH–, CH3O–, CH3CH2O–, CH3COCHCOCH3 –, HCO3 –, CO3 2–,
wobei L bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H2O, N2, CO, CO2, polarem Lösungsmittel gegebenenfalls vorhandenem unpolaren Lösungsmittel und tertiärem Amin (A1) und ihre Kombination und
wobei R4 bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methyl, Ethyl, 1-Propyl, 2-Propyl, 1-Butyl, 2-Butyl, 1-(2-Methyl)propyl, 2-(2-Methyl)propyl, 1-Pentyl, 1-Hexyl, 1-Heptyl, 1-Octyl, 1-Nonyl, Cyclohexyl, Phenyl und Benzyl, wobei n 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 ist, bevorzugt ist n 2.The cationic complex catalysts can also be used in their active form. Preferred cationic complex catalysts are, for example, selected from the group consisting of [Fe (PR 4 3) 4 X 1 ] + [X 2 ] - , [Fe (PR 4 3 ) 4 (H 2 ) X 1 ] + [X 2 ] - , [Fe (PR 4 3 ) 4 (L) X 1 ] + [X 2 ] - , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 2 ) 2 X 1 ] + [X 2 ] - , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 2 ) 2 (H 2 ) X 1 ] + [X 2 ] - , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 2 ) 2 (L) X 1 ] + [X 2 ] - , [FeP (CH 2 CH 2 PR 4 2 ) 3 X 1 ] + [X 2 ] - , [FeP (CH 2 CH 2 PR 4 2 ) 3 (H 2 ) X 1 ] + [ X 2 ] - , [FeP (CH 2 CH 2 PR 4 2 ) 3 (L) X 1 ] + [X 2 ] - , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 (CH 2 ) n PR 4 2 ) X 1 ] + [X 2 ] - , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 (CH 2 ) n PR 4 2 ) (H 2 ) X 1 ] + [X 2 ] - , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 (CH 2 ) n PR 4 2 ) (L) X 1 ] + [X 2 ] - ,
wherein X 1 and X 2 is identical or different, are each independently preferably selected from the group consisting of H -, Cl -, Br -, I -, HCOO -, BF 4 -, NO 3 - SO 4 2-, SO 3 2-, HSO 4 - , C 2 O 4 2- , CH 3 CO 2 - , CH 3 CH 2 CO 2 - , OH - , CH 3 O - , CH 3 CH 2 O - , CH 3 COCHCOCH 3 - , HCO 3 - , CO 3 2- ,
wherein L is preferably selected from the group consisting of H 2 O, N 2 , CO, CO 2 , polar solvent optionally present nonpolar solvent and tertiary amine (A1) and their combination and
wherein R 4 is preferably selected from the group consisting of methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl, 1- (2-methyl) propyl, 2- (2-methyl) propyl, 1 -Pentyl, 1-hexyl, 1-heptyl, 1-octyl, 1-nonyl, cyclohexyl, phenyl and benzyl, wherein n is 1, 2, 3, 4, 5 or 6, preferably n is 2.
Die Hydrierung von Kohlendioxid in Verfahrensstufe (a) erfolgt in der Flüssigphase bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 200°C und einem Gesamtdruck im Bereich von 0,2 bis 30 MPa abs. Bevorzugt beträgt die Temperatur mindestens 30°C und besonders bevorzugt mindestens 40°C sowie bevorzugt höchsten 150°C, besonders bevorzugt höchsten 120°C und ganz besonders bevorzugt höchsten 80°C. Der Gesamtdruck beträgt bevorzugt mindestens 1 MPa abs und besonders bevorzugt mindestens 5 MPa abs sowie bevorzugt höchstens 30 MPa abs und besonders bevorzugt höchstens 15 MPa abs.The hydrogenation of carbon dioxide in process step (a) is preferably carried out in the liquid phase at a temperature in the range of 20 to 200 ° C and a total pressure in the range of 0.2 to 30 MPa abs. Preferably, the temperature is at least 30 ° C and more preferably at least 40 ° C and preferably at most 150 ° C, more preferably at most 120 ° C and most preferably at most 80 ° C. The total pressure is preferably at least 1 MPa abs and more preferably at least 5 MPa abs and preferably at most 30 MPa abs and more preferably at most 15 MPa abs.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Hydrierung in Verfahrensstufe (a) bei einer Temperatur im Bereich von 40 bis 80°C und einem Druck im Bereich von 5 bis 15 MPa abs.In a preferred embodiment, the hydrogenation is carried out in process step (a) at a temperature in the range of 40 to 80 ° C and a pressure in the range of 5 to 15 MPa abs.
Der Partialdruck des Kohlendioxids beträgt in Verfahrensstufe (a) im Allgemeinen mindestens 0,5 MPa und bevorzugt mindestens 2 MPa sowie im Allgemeinen höchstens 8 MPa. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Hydrierung in Verfahrensstufe (a) bei einem Partialdruck des Kohlendioxids im Bereich von 2 bis 7,3 MPa.The partial pressure of the carbon dioxide in process step (a) is generally at least 0.5 MPa and preferably at least 2 MPa and generally at most 8 MPa. In a preferred embodiment, the hydrogenation in process step (a) is carried out at a partial pressure of the carbon dioxide in the range of 2 to 7.3 MPa.
Der Partialdruck des Wasserstoffs beträgt in Verfahrensstufe (a) im Allgemeinen mindestens 0,5 MPa und bevorzugt mindestens 1 MPa sowie im Allgemeinen höchstens 25 MPa und bevorzugt höchstens 20 MPa. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Hydrierung in Verfahrensstufe (a) bei einem Partialdruck des Wasserstoffs im Bereich von 1 bis 15 MPa.The partial pressure of the hydrogen in process step (a) is generally at least 0.5 MPa and preferably at least 1 MPa and generally at most 25 MPa and preferably at most 20 MPa. In a preferred embodiment, the hydrogenation in process step (a) is carried out at a partial pressure of the hydrogen in the range of 1 to 15 MPa.
Das Molverhältnis von Wasserstoff zu Kohlendioxid im Reaktionsgemisch (Rg) im Hydrierreaktor beträgt bevorzugt 0,1 bis 10 und besonders bevorzugt 1 bis 3.The molar ratio of hydrogen to carbon dioxide in the reaction mixture (Rg) in the hydrogenation reactor is preferably 0.1 to 10 and particularly preferably 1 to 3.
Das Molverhältnis von Kohlendioxid zu tertiärem Amin (A1) im Reaktionsgemisch (Rg) im Hydrierreaktor beträgt bevorzugt 0,1 bis 10 und besonders bevorzugt 0,5 bis 3.The molar ratio of carbon dioxide to tertiary amine (A1) in the reaction mixture (Rg) in the hydrogenation reactor is preferably 0.1 to 10 and more preferably 0.5 to 3.
Als Hydrierreaktoren können prinzipiell alle Reaktoren eingesetzt werden, welche für gas/flüssig-Reaktionen unter der gegebenen Temperatur und dem gegebenen Druck geeignet sind. Geeignete Standardreaktoren für gas-flüssig Reaktionssysteme sind beispielweise in
Die Hydrierung von Kohlendioxid kann beim erfindungsgemäßen Verfahren diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden. Bei der diskontinuierlichen Fahrweise wird der Reaktor mit den gewünschten flüssigen und gegebenenfalls festen Einsatz- und Hilfsstoffen bestückt und anschließend Kohlendioxid und das polare Lösungsmittel auf den gewünschten Druck bei der gewünschten Temperatur aufgepresst. Nach Ende der Reaktion wird der Reaktor im Regelfall entspannt. Bei der kontinuierlichen Fahrweise werden die Einsatz- und Hilfsstoffe, einschließlich des Kohlendioxids und Wasserstoffs kontinuierlich zugegeben. Entsprechend werden die Flüssigphasen kontinuierlich aus dem Reaktor abgeführt, so dass der Flüssigkeitsstand im Reaktor im Mittel gleich bleibt. Bevorzugt ist die kontinuierliche Hydrierung von Kohlendioxid.The hydrogenation of carbon dioxide can be carried out batchwise or continuously in the process according to the invention. In the batchwise procedure, the reactor is equipped with the desired liquid and optionally solid feedstocks and auxiliaries, and then carbon dioxide and the polar solvent are pressed to the desired pressure at the desired temperature. After the end of the reaction, the reactor is usually depressurized. In the continuous mode of operation, the feedstocks and auxiliaries, including carbon dioxide and hydrogen, are added continuously. Accordingly, the liquid phases are continuously discharged from the reactor, so that the liquid level in the reactor remains the same on average. Preference is given to the continuous hydrogenation of carbon dioxide.
Die mittlere Verweilzeit der im Reaktionsgemisch (Rg) enthaltenen Komponenten im Hydrierreaktor beträgt im Allgemeinen 5 Minuten bis 5 Stunden.The average residence time of the components in the hydrogenation reactor contained in the reaction mixture (Rg) is generally from 5 minutes to 5 hours.
Bei der katalysierten Hydrierung von Kohlendioxid wird in Verfahrensstufe (a) ein Hydriergemisch (H) erhalten, das den kationischen Komplexkatalysator, das polare Lösungsmittel, gegebenenfalls das tertiäre Amin (A1) und das mindestens eine Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) enthält.In the catalyzed hydrogenation of carbon dioxide, a hydrogenation mixture (H) is obtained in process step (a) which contains the cationic complex catalyst, the polar solvent, optionally the tertiary amine (A1) and the at least one formic acid-amine adduct (A2).
Unter „Ameisensäure-Amin-Addukt (A2)” werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl ein (1) Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) als auch Mischungen aus zwei oder mehreren Ameisensäure-Amin-Addukten (A2) verstanden. Mischungen aus zwei oder mehreren Ameisensäure-Amin-Addukten (A2) werden in Verfahrensstufe (a) erhalten, wenn im eingesetzten Reaktionsgemisch (Rg) zwei oder mehrere tertiäre Amine (A1) eingesetzt werden.In the context of the present invention, "formic acid-amine adduct (A2)" is understood as meaning both one (1) formic acid-amine adduct (A2) and mixtures of two or more formic acid-amine adducts (A2). Mixtures of two or more formic acid-amine adducts (A2) are obtained in process step (a) if two or more tertiary amines (A1) are used in the reaction mixture used (Rg).
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Reaktionsgemisch (Rg) in Verfahrensstufe (a) eingesetzt, das ein (1) tertiäres Amin (A1) enthält, wobei ein Hydriergemisch (H) erhalten wird, das ein (1) Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) enthält. In a preferred embodiment of the process according to the invention, a reaction mixture (Rg) is used in process step (a) which comprises a (1) tertiary amine (A1), a hydrogenation mixture (H) being obtained which comprises one (1) formic acid amine. Adduct (A2) contains.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Verfahrensstufe (a) ein Reaktionsgemisch (Rg) eingesetzt, das als tertiäres Amin (A1) Tri-n-hexylamin enthält, wobei ein Hydriergemisch (H) erhalten wird, das das Ameisensäure-Amin-Addukt aus Tri-n-hexylamin und Ameisensäure enthält und der folgenden Formel (A3) entspricht
Im Ameisensäure-Amin-Addukt der allgemeinen Formel (A2) beziehungsweise (A3) haben die Reste R1, R2, R3 die vorstehend für das tertiäre Amin der Formel (A1) genannten Bedeutungen, wobei die dort genannten Bevorzugungen entsprechend gelten.In the formic acid-amine adduct of the general formula (A2) or (A3), the radicals R 1 , R 2 , R 3 have the meanings given above for the tertiary amine of the formula (A1), where the preferences mentioned there apply correspondingly.
In den allgemeinen Formeln (A2) und (A3) liegt x, im Bereich von 0,4 bis 5. Der Faktor xi gibt die gemittelte Zusammensetzung des Ameisensäure-Amin-Addukts (A2) bzw. (A3) an, d. h. das Verhältnis von gebundenem tertiärem Amin (A1) zu gebundener Ameisensäure im Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) bzw. (A3).In general formulas (A2) and (A3) x is in the range of 0.4 to 5. The factor x i is the average composition of the formic acid-amine adduct (A2) or (A3), ie the ratio of bound tertiary amine (A1) to bound formic acid in the formic acid-amine adduct (A2) or (A3).
Der Faktor xi lässt sich beispielsweise durch Bestimmung des Ameisensäuregehalts durch Säure-Base-Titration mit einer alkoholischen KOH-Lösung gegen Phenolphtalein bestimmen. Darüber hinaus ist eine Bestimmung des Faktors xi durch Bestimmung des Amingehalts durch Gaschromatographie möglich. Die genaue Zusammensetzung des Ameisensäure-Amin-Addukts (A2) bzw. (A3) ist von vielen Parametern abhängig, wie beispielsweise den Konzentrationen von Ameisensäure und tertiärem Amin (A1), dem Druck, der Temperatur sowie der Gegenwart und Natur weiterer Komponenten, insbesondere des polaren Lösungsmittels.The factor x i can be determined, for example, by determining the formic acid content by acid-base titration with an alcoholic KOH solution against phenolphthalein. In addition, a determination of the factor x i by determination of the amine content by gas chromatography is possible. The exact composition of the formic acid-amine adduct (A2) or (A3) depends on many parameters, such as the concentrations of formic acid and tertiary amine (A1), the pressure, the temperature and the presence and nature of other components, in particular of the polar solvent.
Daher kann sich die Zusammensetzung des Ameisensäure-Amin-Addukts (A2) bzw. (A3), d. h. des Faktors xi, auch über die einzelnen Verfahrensstufen hinweg ändern. So bildet sich zum Beispiel im Allgemeinen nach Entfernung des polaren Lösungsmittels ein Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) bzw. (A3) mit einem höheren Ameisensäuregehalt aus, wobei das überschüssige gebundene tertiäre Amin (A1) aus dem Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) abgespalten wird und eine Zweitphase ausbildet.Therefore, the composition of the formic acid-amine adduct (A2) or (A3), ie the factor x i , can also change over the individual process stages. For example, after removal of the polar solvent, a formic acid-amine adduct (A2) or (A3) with a higher formic acid content generally forms, the excess bound tertiary amine (A1) being formed from the formic acid-amine adduct (A2 ) is split off and forms a second phase.
In der Verfahrensstufe (a) wird im Allgemeinen ein Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) bzw. (A3) erhalten, in dem xi im Bereich von 0,4 bis 5, bevorzugt im Bereich von 0,7 bis 1,6 liegt.In process step (a), a formic acid-amine adduct (A2) or (A3) is generally obtained in which x i is in the range from 0.4 to 5, preferably in the range from 0.7 to 1.6 ,
Vor der weiteren Aufarbeitung des Hydriergemischs (H) in Schritt (b) wird der kationische Komplexkatalysator durch mindestens ein Trägermaterial (T), das saure funktionelle Gruppen aufweist und im Hydriergemisch (H) unlöslich ist, immobilisiert (Immobilisierung). Hierdurch wird ein immobilisierter kationischer Komplexkatalysator erhalten.Before further working up of the hydrogenation mixture (H) in step (b), the cationic complex catalyst is immobilized (immobilized) by at least one support material (T) which has acidic functional groups and is insoluble in the hydrogenation mixture (H). As a result, an immobilized cationic complex catalyst is obtained.
Geeignete Trägermaterialien (T) sind solche, die saure funktionelle Gruppen aufweisen wie beispielsweise Sulfonsäuregruppen (-SO3H) und/oder Carbonsäuregruppen (COOH). Weiter sind solche Trägermaterialien (T) geeignet, die als saure funktionelle Gruppen Chelatgruppen, wie beispielweise Iminodiessigsäure oder Aminophosphonsäure enthalten. Außerdem eignen sich auch anorganische Trägermaterialien (T) mit sauren funktionellen Gruppen, wie beispielsweise Ton- und Bleicherden, Zeolite, phosphatiertes Nb2O5, Metalloxide, z. B. Titanoxid TiO2, Zirkonoxid ZrO2, Halbmetalloxide, z. B. SiO2-Al2O3-Mischoxide.Suitable support materials (T) are those which have acidic functional groups, for example sulfonic acid groups (-SO 3 H) and / or carboxylic acid groups (COOH). Further suitable are those support materials (T) which contain chelate groups as acidic functional groups, for example iminodiacetic acid or aminophosphonic acid. In addition, inorganic support materials (T) with acidic functional groups, such as clay and bleaching earths, zeolites, phosphated Nb 2 O 5 , metal oxides, eg. As titanium oxide TiO 2 , zirconium oxide ZrO 2 , semi-metal oxides, z. B. SiO 2 -Al 2 O 3 mixed oxides.
Als Trägermaterialien (T) besonders geeignet sind stark saure kationische Ionentauscherpolymere, d. h. Ionentauscherpolymere, die Sulfonsäuregruppen aufweisen. Weiter besonders geeignete sind auch schwach sauer kationische Ionentauscherpolymere, d. h. Ionentauscherpolymere, die Carbonsäuregruppen aufweisen. Es ist auch möglich Ionentauscherpolymere einzusetzen, die Sulfonsäuregruppen und Carbonsäuregruppen aufweisen. Üblicherweise enthalten die genannten Ionentauscherpolymere eine Matrix aus mit Divinylbenzol quervernetztem Polystryrol oder aus quervernetztem Poylacrylat oder aus Phenol-Formaldehydkondensat. Je nach Grad der Quervernetzung spricht man von gelförmigen oder makroporösen Ionentauscherpolymeren. Je nach Art und Anzahl der funktionellen Gruppen spricht man insbesondere bei sulfonierten Ionentauscherpolymeren von oberflächensulfonierten, mono- und bisulfonierten Ionentauscherpolymeren.Particularly suitable as support materials (T) are strongly acidic cationic ion exchanger polymers, i. H. Ion exchange polymers having sulfonic acid groups. Also particularly suitable are weakly acidic cationic ion exchange polymers, d. H. Ion exchange polymers having carboxylic acid groups. It is also possible to use ion exchanger polymers which have sulfonic acid groups and carboxylic acid groups. Typically, said ion exchange polymers contain a matrix of divinylbenzene cross-linked polystyrene or crosslinked polyacrylate or of phenol-formaldehyde condensate. Depending on the degree of crosslinking one speaks of gel or macroporous ion exchange polymers. Depending on the type and number of functional groups, in particular in the case of sulfonated ion exchanger polymers, surface-sulfonated, mono- and bisulfonated ion exchanger polymers are used.
Geeignete stark saure kationische Ionenaustauscherpolymere sind beispielsweise Amberlite 252H der Firma Dow, Lewatit MonoPlus S100 H der Firma Lanxess, Lewatit K 1131 der Firma Lanxess, Purolite CT175 der Firma Purolite, Purolite CT275 der Firma Purolite, Amberlyst 15 der Firma Dow, Amberlyst 16 der Firma Dow, Amberlyst 35 der Firma Dow, Amberlyst 36 der Firma Dow und Amberlyst 39 der Firma Dow, Amberlyst 15 der Firma Dow, Amberlyst 16 der Firma Dow, Amberlyst 35 der Firma Dow, Amberlyst 36 der Firma Dow und Amberlyst 39 der Firma Dow. Geeignete schwach saure kationische Ionenaustauscherpolymere sind beispielsweise Amberlite IRC50 der Firma Dow und Lewatit CNP80 der Firma Lanxess. Geeignete saure kationische Ionentauscherpolymere, die Chelatgruppen, in diesem Fall Iminodiessigsäure, aufweisen, sind beispielsweise Amberlite IRC748 der Firma Dow.Examples of suitable strongly acidic cationic ion exchanger polymers are Amberlite 252H from Dow, Lewatit MonoPlus S100 H from Lanxess, Lewatit K 1131 from Lanxess, Purolite CT175 from Purolite, Purolite CT275 from Purolite, Amberlyst 15 from Dow, Amberlyst 16 from Dow, Amberlyst 35 from Dow, Amberlyst 36 from Dow and Amberlyst 39 from Dow, Amberlyst 15 from Dow, Amberlyst 16 from Dow, Amberlyst 35 of Dow, Amberlyst 36 of Dow and Amberlyst 39 of Dow. Suitable weakly acidic cationic ion exchange polymers are, for example, Amberlite IRC50 from Dow and Lewatit CNP80 from Lanxess. Suitable acidic cationic ion exchanger polymers which have chelate groups, in this case iminodiacetic acid, are, for example, Amberlite IRC748 from Dow.
Bei der Immobilisierung des kationischen Komplexkatalysators spaltet dieser mindestens einen anionischen Liganden ab, wodurch eine positiv geladene Katalysatorspezies wie beispielsweise [Fe(PR4 3)4X1]+, [Fe(PR4 3)4(H2)X1]+, [Fe(PR4 3)4(L)X1]+, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4 2)2X1]+, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4 2)2(H2)X1]+, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4 2)2(L)X1]+, [FeP(CH2CH2PR4 2)3X1]+, [FeP(CH2CH2PR4 2)3(H2)X1]+, [FeP(CH2CH2PR4 2)3(L)X1]+, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4(CH2)nPR4 2)X1]+, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4(CH2)nPR4 2)(H2)X1]+, [Fe(PR4 2(CH2)nPR4(CH2)nPR4 2(L)X1]+,
wobei X1 bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H–, Cl–, Br–, I–, HCOO–, BF4 –, NO3 – SO4 2, SO3 2–, HSO4 –, C2O4 2–, CH3CO2 –, CH3CH2CO2 –, OH–, CH3O–, CH3CH2O–, CH3COCHCOCH3 –, HCO3 –, CO3 2–,;
wobei L bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H2O, N2, CO, CO2, polarem Lösungsmittel gegebenenfalls vorhandenem unpolaren Lösungsmittel und tertiärem Amin (A1) und ihre Kombination und
wobei R4 bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methyl, Ethyl, 1-Propyl, 2-Propyl, 1-Butyl, 2-Butyl, 1-(2-Methyl)propyl, 2-(2-Methyl)propyl, 1-Pentyl, 1-Hexyl, 1-Heptyl, 1-Octyl, 1-Nonyl, Cyclohexyl, Phenyl und Benzyl, wobei n 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 ist, bevorzugt ist n 2.In the immobilization of the cationic complex catalyst, this splits off at least one anionic ligand, whereby a positively charged catalyst species such as [Fe (PR 4 3 ) 4 X 1 ] + , [Fe (PR 4 3 ) 4 (H 2 ) X 1 ] + , [Fe (PR 4 3 ) 4 (L) X 1 ] + , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 2 ) 2 X 1 ] + , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 2 ) 2 (H 2 ) X 1 ] + , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 2 ) 2 (L) X 1 ] + , [FeP (CH 2 CH 2 PR 4 2 ) 3 X 1 ] + , [FeP (CH 2 CH 2 PR 4 2 ) 3 (H 2 ) X 1 ] + , [FeP (CH 2 CH 2 PR 4 2 ) 3 (L) X 1 ] + , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 (CH 2 ) n PR 4 2 ) X 1 ] + , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 (CH 2 ) n PR 4 2 ) (H 2 ) X 1 ] + , [Fe (PR 4 2 (CH 2 ) n PR 4 (CH 2 ) n PR 4 2 (L) X 1 ] + ,
wherein X 1 is preferably selected from the group consisting of H - , Cl - , Br - , I - , HCOO - , BF 4 - , NO 3 - SO 4 2 , SO 3 2- , HSO 4 - , C 2 O 4 2- , CH 3 CO 2 - , CH 3 CH 2 CO 2 - , OH - , CH 3 O - , CH 3 CH 2 O - , CH 3 COCHCOCH 3 - , HCO 3 - , CO 3 2- ,
wherein L is preferably selected from the group consisting of H 2 O, N 2 , CO, CO 2 , polar solvent optionally present nonpolar solvent and tertiary amine (A1) and their combination and
wherein R 4 is preferably selected from the group consisting of methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl, 1- (2-methyl) propyl, 2- (2-methyl) propyl, 1 -Pentyl, 1-hexyl, 1-heptyl, 1-octyl, 1-nonyl, cyclohexyl, phenyl and benzyl, wherein n is 1, 2, 3, 4, 5 or 6, preferably n is 2.
Diese positiv geladene Katalysatorspezies bindet ionisch an die sauren funktionellen Gruppen des Trägermaterials (T), wodurch sich der immobilisierte kationische Komplexkatalysator bildet.This positively charged catalyst species ionically binds to the acidic functional groups of the support material (T), forming the immobilized cationic complex catalyst.
Der immobilisierte kationische Komplexkatalysator ist im Hydriergemisch (H) weitestgehend unlöslich.The immobilized cationic complex catalyst is largely insoluble in the hydrogenation mixture (H).
Der immobilisierte kationische Komplexkatalysator enthält somit die positiv geladene Katalysatorspezies, die durch Abspaltung mindestens eines anionischen Liganden aus dem kationischen Komplexkatalysator entsteht, und das Trägermaterial (T), in dem formal die Protonen der sauren funktionellen Gruppen durch die positiv geladene Katalysatorspezies unter Ausbildung einer ionischen Bindung ersetzt sind.The immobilized cationic complex catalyst thus contains the positively charged catalyst species formed by cleavage of at least one anionic ligand from the cationic complex catalyst and the support material (T), in which formally the protons of the acidic functional groups through the positively charged catalyst species to form an ionic bond are replaced.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Immobilisierung des kationischen Komplexkatalysators vor der Umsetzung des Reaktionsgemischs (Rg) erfolgen. Hierzu werden der kationische Komplexkatalysator und das Trägermaterial (T), gegebenenfalls in Gegenwart des polaren Lösungsmittels und/oder des tertiären Amins (A1), im Hydrierreaktor vorgelegt. Die Immobilisierung des kationischen Komplexkatalysators erfolgt in dieser Ausführungsform vor der eigentlichen Hydrierung in Schritt (a), so dass die Umsetzung des Reaktionsgemischs (Rg) von Beginn an in Gegenwart des immobilisierten kationischen Komplexkatalysators stattfindet. In dieser Ausführungsform enthält das Hydriergemisch (H) den kationischen Komplexkatalysator in immobilisierte Form (immobilisierter kationischer Komplexkatalysator).In one embodiment of the process according to the invention, the immobilization of the cationic complex catalyst can take place before the reaction of the reaction mixture (Rg). For this purpose, the cationic complex catalyst and the support material (T), optionally in the presence of the polar solvent and / or the tertiary amine (A1), are introduced into the hydrogenation reactor. The immobilization of the cationic complex catalyst takes place in this embodiment before the actual hydrogenation in step (a), so that the reaction of the reaction mixture (Rg) takes place from the beginning in the presence of the immobilized cationic complex catalyst. In this embodiment, the hydrogenation mixture (H) contains the cationic complex catalyst in immobilized form (immobilized cationic complex catalyst).
Es ist auch möglich, die Immobilisierung in einem dem Hydrierreaktor vorgeschalteten Reaktor durchzuführen und den so erhaltenen immobilisierten kationischen Komplexkatalysator dem Hydrierreaktor in Schritt (a) zuzuführen.It is also possible to carry out the immobilization in a reactor upstream of the hydrogenation reactor and to supply the resulting immobilized cationic complex catalyst to the hydrogenation reactor in step (a).
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Immobilisierung des kationischen Komplexkatalysators während und/oder nach der Umsetzung des Reaktionsgemischs (Rg) erfolgen. Hierzu wird das Reaktionsgemisch (Rg) dem Hydrierreaktor zugeführt und zum Hydriergemisch (H) umgesetzt. Die Immobilisierung des kationischen Komplexkatalysators erfolgt dann durch Zugabe des Trägermaterials (T) in den Hydrierreaktor. Die Umsetzung des Reaktionsgemischs (Rg) erfolgt in dieser Ausführungsform bis zur Immobilisierung des kationischen Komplexkatalysators homogen katalysiert, d. h. der katalytisch aktive Teil des kationischen Komplexkatalysators ist vor der Immobilisierung zumindest teilweise im flüssigen Reaktionsmedium in Schritt (a) gelöst. Bevorzugt liegen vor der Immobilisierung mindestens 90% des in Schritt (a) eingesetzten kationischen Komplexkatalysators im flüssigen Reaktionsmedium gelöst vor, mehr bevorzugt mindestens 95%, insbesondere mindestens 99%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge des vor der Immobilisierung im flüssigen Reaktionsmedium in Schritt (a) enthaltenen kationischen Komplexkatalysators. Nach der Immobilisierung enthält das Hydriergemisch (H) den kationischen Komplexkatalysator in immobilisierte Form (immobilisierter kationischer Komplexkatalysator).In a further embodiment of the process according to the invention, the immobilization of the cationic complex catalyst can take place during and / or after the reaction of the reaction mixture (Rg). For this purpose, the reaction mixture (Rg) is fed to the hydrogenation reactor and converted to the hydrogenation mixture (H). The immobilization of the cationic complex catalyst is then carried out by adding the support material (T) in the hydrogenation reactor. The reaction of the reaction mixture (Rg) is homogeneously catalyzed in this embodiment until the immobilization of the cationic complex catalyst, d. H. the catalytically active part of the cationic complex catalyst is at least partially dissolved in the liquid reaction medium in step (a) before immobilization. Preferably, prior to immobilization, at least 90% of the cationic complex catalyst used in step (a) is dissolved in the liquid reaction medium, more preferably at least 95%, in particular at least 99%, based in each case on the total amount of the prior to immobilization in the liquid reaction medium in step (a ) contained cationic complex catalyst. After immobilization, the hydrogenation mixture (H) contains the cationic complex catalyst in immobilized form (immobilized cationic complex catalyst).
Der immobilisierte kationische Komplexkatalysator ist im Hydriergemisch (H) weitestgehend unlöslich. Dies ermöglicht eine einfache Abtrennung des immobilisierten kationischen Komplexkatalysators aus dem Hydriergemisch (H), wobei ein aufgearbeitetes Hydriergemisch (Ha) erhalten wird, das das polare Lösungsmittel und das Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) enthält. Die Abtrennung des immobilisierten kationischen Komplexkatalysators kann beispielsweise durch Filter erfolgen. Diese können beispielsweise am Reaktorausgang des Hydrierreaktors installiert sein, so dass der immobilisierte kationische Komplexkatalysator im Hydrierreaktor verbleibt. Es ist auch möglich, das Trägermaterial (T) in Form eines Festbetts im Hydrierreaktor zu installieren The immobilized cationic complex catalyst is largely insoluble in the hydrogenation mixture (H). This allows for easy separation of the immobilized cationic complex catalyst from the hydrogenation mixture (H) to give a hydrogenated hydrogenation mixture (Ha) containing the polar solvent and the formic acid-amine adduct (A2). The separation of the immobilized cationic complex catalyst can be carried out for example by filters. These can be installed, for example, at the reactor outlet of the hydrogenation reactor, so that the immobilized cationic complex catalyst remains in the hydrogenation reactor. It is also possible to install the support material (T) in the form of a fixed bed in the hydrogenation reactor
Die Effizienz (E) der Immobilisierung wird beschrieben durch:
B ist definiert als die Menge der Metallkomponente des kationischen Komplexkatalysators im Hydriergemisch (H) vor der Immobilisierung.The efficiency (E) of immobilization is described by:
B is defined as the amount of the metal component of the cationic complex catalyst in the hydrogenation mixture (H) before immobilization.
Bevorzugt ist der Wert für E größer 90%, besonders bevorzugt größer 95% und insbesondere größer 99%.The value for E is preferably greater than 90%, particularly preferably greater than 95% and in particular greater than 99%.
Die Menge der Metallkomponente (A) im aufgearbeiteten Hydriergemisch (Ha) und die Menge der Metallkomponente (B) im Hydriergemisch (H) vor der Immobilisierung können durch diskontinuierliche Versuche ermittelt werden Die Bestimmung der Mengen der Metallkomponenten findet beispielsweise durch Atomemissionsspektrometrie statt.The amount of the metal component (A) in the worked up hydrogenation mixture (Ha) and the amount of the metal component (B) in the hydrogenation mixture (H) before the immobilization can be determined by discontinuous experiments. The determination of the amounts of the metal components takes place, for example, by atomic emission spectrometry.
Nach der Abtrennung des immobilisierten kationischen Komplexkatalysators enthält das aufgearbeitete Hydriergemisch im Allgemeinen weniger als 0,1 g, bevorzugt weniger als 0,01 g und insbesondere weniger als 0,001 g der Metallkomponente des kationischen Komplexkatalysators, jeweils bezogen auf eine Menge von 100 g des aufgearbeiteten Hydriergemischs (Ha).After separation of the immobilized cationic complex catalyst, the reclaimed hydrogenation mixture generally contains less than 0.1 g, preferably less than 0.01 g and in particular less than 0.001 g of the metal component of the cationic complex catalyst, each based on an amount of 100 g of the worked up hydrogenation mixture (Ha).
Die Auswahl des kationischen Komplexkatalysators und des Trägermaterials (T) erfolgt im Allgemeinen durch einen einfachen Versuch, bei dem der kationische Komplexkatalysator und das Trägermaterial (T) unter den Reaktionsbedingungen in Schritt (a) zusammengebracht werden, und nach vollendeter Umsetzung die Menge der Metallkomponenten im aufgearbeiteten Hydriergemisch (Ha) und im immobilisierten kationischen Komplexkatalysator durch Elementaranalyse bestimmt wird.Selection of the cationic complex catalyst and support material (T) is generally accomplished by a simple experiment in which the cationic complex catalyst and support material (T) are contacted under the reaction conditions in step (a), and after completion of the reaction, the amount of metal components in the reaction mixture worked up hydrogenation mixture (Ha) and in the immobilized cationic complex catalyst is determined by elemental analysis.
Das aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) kann ein-, zwei- oder mehrphasig sein. Für den Fall, dass das Hydriergemisch einphasig ist, kann dieses durch Zugabe von zusätzlichem polarem Lösungsmittel, insbesondere durch Zugabe von Wasser, in ein zweiphasiges Hydriergemisch umgewandelt werden.The reclaimed hydrogenation mixture (Ha) can be mono-, bi- or polyphase. In the case where the hydrogenation mixture is single-phase, this can be converted into a two-phase hydrogenation mixture by adding additional polar solvent, in particular by adding water.
Das aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) enthält das polare Lösungsmittel und das Ameisensäure-Amin-Addukt (A2). Das aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) kann gegebenenfalls zusätzlich das tertiäre Amin (A1), freie Liganden sowie Reste des kationischen Komplexkatalysators enthalten.The worked up hydrogenation mixture (Ha) contains the polar solvent and the formic acid-amine adduct (A2). The worked-up hydrogenation mixture (Ha) may optionally additionally contain the tertiary amine (A1), free ligands and residues of the cationic complex catalyst.
Dies stellt keinen Nachteil dar, da die freien Liganden im tertiären Amin (A1) löslich sind, und somit aus der thermischen Spalteinheit in Schritt (b2) zusammen mit dem tertiären Amin (A1) in den Hydrierreaktor in Schritt (a) rückgeführt werden können.This is not a disadvantage since the free ligands are soluble in the tertiary amine (A1) and thus can be recycled from the thermal cleavage unit in step (b2) together with the tertiary amine (A1) to the hydrogenation reactor in step (a).
Aus dem aufgearbeiteten Hydriergemisch (Ha) wird in Schritt (b1) das polare Lösungsmittel abgetrennt. Das aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) kann direkt in die Destillationsvorrichtung in Schritt (b1) weitergeleitete werden.From the worked-up hydrogenation mixture (Ha), the polar solvent is separated off in step (b1). The reclaimed hydrogenation mixture (Ha) can be passed directly to the distillation apparatus in step (b1).
Es ist möglich, das aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) vor der Abtrennung des polaren Lösungsmittels in Schritt (b1) weiter aufzuarbeiten. Für den Fall, dass das aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) zweiphasig ist enthält es eine Oberphase (O1), die das tertiäre Amin (A1), sowie gegebenenfalls freie Liganden enthält, und eine Unterphase (U1), die das polare Lösungsmittel, gegebenenfalls Reste des kationischen Komplexkatalysators sowie das Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) enthält. Das aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) kann dann einer Phasentrennvorrichtung zugeführt werden, in der es in die Oberphase (O1) und die Unterphase (U1) getrennt wird. Die Oberphase (O1) kann zum Hydrierreaktor in Schritt (a) rückgeführt werden. Die Unterphase (U1) wird zur Destillationsvorrichtung in Schritt (b1) weitergeleitet.It is possible to further work up the reclaimed hydrogenation mixture (Ha) prior to separation of the polar solvent in step (b1). In the event that the reclaimed hydrogenation mixture (Ha) is biphasic, it contains an upper phase (O1) containing the tertiary amine (A1), and optionally free ligands, and a lower phase (U1) containing the polar solvent, optionally residues of the cationic complex catalyst and the formic acid-amine adduct (A2). The reclaimed hydrogenation mixture (Ha) can then be fed to a phase separation device, where it is separated into the upper phase (O1) and the lower phase (U1). The upper phase (O1) can be recycled to the hydrogenation reactor in step (a). The lower phase (U1) is forwarded to the distillation apparatus in step (b1).
Es ist auch möglich das aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) mit einem Extraktionsmittel enthaltend das mindestens eine tertiäre Amin (A1) zu extrahieren, unter Erhalt eines Raffinats (R1) enthaltend das Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) und das polare Lösungsmittel und eines Extrakts (E1) enthaltend das tertiäre Amin (A1) sowie gegebenenfalls freie Liganden. Der Extrakt (E1) kann zum Hydrierreaktor in Schritt (a) rückgeführt werden. Das Raffinat (R1) wird zur Destillationsvorrichtung in Schritt (b1) weitergeleitet. Es ist auch möglich das aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) vor der Abtrennung des polaren Lösungsmittels in Schritt (b1) durch eine Kombination aus Phasentrennung und Extraktion weiter aufzuarbeiten. It is also possible to extract the worked-up hydrogenation mixture (Ha) with an extractant containing the at least one tertiary amine (A1) to obtain a raffinate (R1) containing the formic acid-amine adduct (A2) and the polar solvent and an extract ( E1) containing the tertiary amine (A1) and optionally free ligands. The extract (E1) can be recycled to the hydrogenation reactor in step (a). The raffinate (R1) is sent to the distillation apparatus in step (b1). It is also possible to further work up the worked-up hydrogenation mixture (Ha) before the separation of the polar solvent in step (b1) by a combination of phase separation and extraction.
Aufarbeitung des aufgearbeiteten Hydriergemischs (Ha); Verfahrensstufe (b)Work-up of the worked-up hydrogenation mixture (Ha); Process stage (b)
Abtrennung des mindestens einen polaren Lösungsmittels; Verfahrensstufe (b1) In Verfahrensstufe (b1) wird aus dem aufgearbeiteten Hydriergemisch (Ha) das polare Lösungsmittel in einer Destillationsvorrichtung abgetrennt. In der Destillationsvorrichtung werden ein Destillat (D1) und ein Sumpfgemisch (S1) erhalten. Das Destillat (D1) enthält das abgetrennte polare Lösungsmittel und wird in den Hydrierreaktor in Schritt (a) rückgeführt. Das Sumpfgemisch (S1) enthält das Ameisensäure-Amin-Addukt (A2), gegebenenfalls tertiäres Amin (A1) sowie gegebenenfalls freie Liganden.Separation of the at least one polar solvent; Process Stage (b1) In process stage (b1), the polar solvent is separated off from the worked-up hydrogenation mixture (Ha) in a distillation apparatus. In the distillation apparatus, a distillate (D1) and a bottoms mixture (S1) are obtained. The distillate (D1) contains the separated polar solvent and is recycled to the hydrogenation reactor in step (a). The bottom mixture (S1) contains the formic acid-amine adduct (A2), optionally tertiary amine (A1) and optionally free ligands.
Das Sumpfgemisch kann zweiphasig sein. In diesem Fall enthält das Sumpfgemisch (S1) eine Oberphase (O2), die das tertiäre Amin (A1) sowie gegebenenfalls freie Liganden enthält, und eine Unterphase (U2), die das Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) enthält.The swamp mixture can be biphasic. In this case, the bottoms mixture (S1) contains an upper phase (O2) which contains the tertiary amine (A1) and optionally free ligands, and a lower phase (U2) which contains the formic acid-amine adduct (A2).
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der Destillationsvorrichtung in Verfahrensstufe (b1) das polare Lösungsmittel teilweise abgetrennt, so dass das Sumpfgemisch (S1) noch nicht abgetrenntes polares Lösungsmittel enthält. In Verfahrensstufe (b1) können beispielsweise 5 bis 98 Gew.-% des im aufgearbeiteten Hydriergemisch (Ha) enthaltenen polaren Lösungsmittels, bevorzugt 50 bis 98 Gew.-%, mehr bevorzugt 80 bis 98 Gew.-% und insbesondere bevorzugt 80 bis 90 Gew.-% abgetrennt werden, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des im aufgearbeiteten Hydriergemisch (Ha) enthaltenen polaren Lösungsmittels.In one embodiment of the process according to the invention, the polar solvent is partially removed in the distillation apparatus in process stage (b1), so that the bottom mixture (S1) contains not yet separated polar solvent. In process step (b1), for example, from 5 to 98% by weight of the polar solvent contained in the worked-up hydrogenation mixture (Ha), preferably from 50 to 98% by weight, more preferably from 80 to 98% by weight and especially preferably from 80 to 90% by weight .-% are separated, each based on the total weight of the recovered in the hydrogenation mixture (Ha) polar solvent.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der ersten Destillationsvorrichtung in Verfahrensstufe (b1) das polare Lösungsmittel vollständig abgetrennt. Unter „vollständig abgetrennt” wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abtrennung von mehr als 98 Gew.-% des im aufgearbeiteten Hydriergemisch (Ha) enthaltenen polaren Lösungsmittels, bevorzugt mehr als 98,5 Gew.-%, besonders bevorzugt mehr als 99 Gew.-%, insbesondere mehr als 99,5 Gew.-%, verstanden, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des im aufgearbeiteten Hydriergemisch (Ha) enthaltenen polaren Lösungsmittels.In a further embodiment of the process according to the invention, the polar solvent is completely separated off in the first distillation apparatus in process stage (b1). In the context of the present invention, "completely separated off" is a separation of more than 98% by weight of the polar solvent contained in the worked-up hydrogenation mixture (HA), preferably more than 98.5% by weight, more preferably more than 99% by weight. %, in particular more than 99.5% by weight, understood, in each case based on the total weight of the polar solvent contained in the worked-up hydrogenation mixture (Ha).
Das in der ersten Destillationsvorrichtung abgetrennte Destillat (D1) wird in einer bevorzugten Ausführungsform zum Hydrierreaktor in Schritt (a) rückgeführt.The distillate (D1) separated in the first distillation apparatus is recycled in a preferred embodiment to the hydrogenation reactor in step (a).
Die Abtrennung des polaren Lösungsmittels aus dem aufgearbeiteten Hydriergemisch (Ha) kann beispielsweise in einem Verdampfer oder in einer Destillationseinheit bestehend aus Verdampfer und Kolonne, wobei die Kolonne mit Packungen, Füllkörper und/oder Böden gefüllt ist, erfolgen.The separation of the polar solvent from the worked-up hydrogenation mixture (Ha) can be carried out, for example, in an evaporator or in a distillation unit consisting of evaporator and column, the column being filled with packings, fillers and / or trays.
Die Abtrennung des polaren Lösungsmittels erfolgt bevorzugt bei einer Sumpftemperatur, bei welcher bei gegebenem Druck keine freie Ameisensäure aus dem Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) gebildet wird. Der Faktor xi des Ameisensäure-Amin-Addukts (A2) in der Destillationsvorrichtung liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,4 bis 3, bevorzugt im Bereich von 0,6 bis 1,8, besonders bevorzugt im Bereich von 0,7 bis 1,7.The separation of the polar solvent is preferably carried out at a bottom temperature at which no free formic acid is formed from the formic acid-amine adduct (A2) at a given pressure. The factor x i of the formic acid-amine adduct (A2) in the distillation apparatus is generally in the range from 0.4 to 3, preferably in the range from 0.6 to 1.8, particularly preferably in the range from 0.7 to 1 , 7th
Im Allgemeinen beträgt die Sumpftemperatur in der Destillationsvorrichtung mindestens 20°C, bevorzugt mindestens 50°C und insbesondere bevorzugt mindestens 70°C, sowie im Allgemeinen höchstens 210°C, bevorzugt höchstens 190°C. Die Temperatur in der Destillationsvorrichtung liegt im Allgemeinen im Bereich von 20°C bis 210°C, bevorzugt im Bereich von 50°C bis 190°C. Der Druck in der ersten Destillationsvorrichtung beträgt im Allgemeinen mindestens 0,001 MPa abs, bevorzugt mindestens 0,005 MPa abs und besonders bevorzugt mindestens 0,01 MPa abs sowie im Allgemeinen höchstens 1 MPa abs und bevorzugt höchstens 0,1 MPa abs. Der Druck in der Destillationsvorrichtung liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,001 MPa abs bis 1 MPa abs, bevorzugt im Bereich von 0,005 MPa abs bis 0,1 MPa abs und besonders bevorzugt im Bereich von 0,01 MPa abs bis 0,1 MPa abs.In general, the bottom temperature in the distillation apparatus is at least 20 ° C, preferably at least 50 ° C and more preferably at least 70 ° C, and generally at most 210 ° C, preferably at most 190 ° C. The temperature in the distillation apparatus is generally in the range of 20 ° C to 210 ° C, preferably in the range of 50 ° C to 190 ° C. The pressure in the first distillation apparatus is generally at least 0.001 MPa abs, preferably at least 0.005 MPa abs and more preferably at least 0.01 MPa abs and generally at most 1 MPa abs and preferably at most 0.1 MPa abs. The pressure in the distillation apparatus is generally in the range of 0.001 MPa abs to 1 MPa abs, preferably in the range of 0.005 MPa abs to 0.1 MPa abs and more preferably in the range of 0.01 MPa abs to 0.1 MPa abs.
Bei der Abtrennung des polaren Lösungsmittels in der Destillationsvorrichtung können im Sumpf der Destillationsvorrichtung das Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) sowie freies tertiäres Amin (A1) anfallen, da bei der Entfernung des polaren Lösungsmittels Ameisensäure-Amin-Addukte (A2) mit niedrigerem Amingehalt entstehen. Hierdurch bildet sich ein Sumpfgemisch (S1), das das Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) und das freie tertiäre Amin (A1) enthält. Das Sumpfgemisch (S1) enthält in Abhängigkeit der abgetrennten Menge des polaren Lösungsmittels das Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) sowie gegebenenfalls das im Sumpf der Destillationsvorrichtung gebildete freie tertiäre Amin (A1).In the separation of the polar solvent in the distillation apparatus, the formic acid-amine adduct (A2) and free tertiary amine (A1) can be obtained in the bottom of the distillation apparatus the removal of the polar solvent formic acid-amine adducts (A2) with lower amine content arise. This forms a bottom mixture (S1) which contains the formic acid-amine adduct (A2) and the free tertiary amine (A1). The bottom mixture (S1) contains, depending on the separated amount of the polar solvent, the formic acid-amine adduct (A2) and optionally the free tertiary amine (A1) formed in the bottom of the distillation apparatus.
Das Sumpfgemisch (S1) kann direkt zur thermischen Spalteinheit in Schritt (b2) weitergeleitet werden.The bottoms mixture (S1) can be forwarded directly to the thermal splitter unit in step (b2).
Es ist auch möglich das Sumpfgemisch (S1) vor der Weiterleitung in Schritt (b2) weiter aufzuarbeiten. Beispielsweise ist es möglich das in Schritt (b1) erhaltene Sumpfgemisch (S1) einer Phasentrennung zu unterziehen, unter Erhalt einer Oberphase (O2), die das freie tertiäre Amin (A1) sowie gegebenenfalls freie Liganden enthält, und einer Unterphase (U2), die das Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) enthält. Die Unterphase (U2) kann anschließend gemäß Verfahrensstufe (b2) weiter aufgearbeitet werden. Die Oberphase (O2) kann zum Hydrierreaktor in Schritt (a) rückgeführt werden.It is also possible to further work up the sump mixture (S1) before forwarding in step (b2). For example, it is possible to subject the bottoms mixture (S1) obtained in step (b1) to phase separation, to obtain an upper phase (O2) which contains the free tertiary amine (A1) and optionally free ligands, and a lower phase (U2) contains the formic acid-amine adduct (A2). The lower phase (U2) can then be further worked up according to process step (b2). The upper phase (O2) can be recycled to the hydrogenation reactor in step (a).
Spaltung des Ameisensäure-Amin-Addukts (A2); Verfahrensstufe (b1)Cleavage of the formic acid-amine adduct (A2); Process step (b1)
Das gemäß Schritt (b1) erhaltene Sumpfgemisch (S1) wird einer thermischen Spalteinheit zur weiteren Umsetzung zugeführt.The bottom mixture (S1) obtained according to step (b1) is fed to a thermal splitting unit for further reaction.
Das im Sumpfgemisch (S1) enthaltene Ameisensäure-Amin-Addukt (A2) wird in der thermischen Spalteinheit zu Ameisensäure und tertiärem Amin (A1) gespalten. Die Ameisensäure wird aus der thermischen Spalteinheit ausgeschleust. Das tertiäre Amin (A1) wird zum Hydrierreaktor in Schritt (a) rückgeführt.The formic acid-amine adduct (A2) present in the bottom mixture (S1) is cleaved in the thermal splitting unit to formic acid and tertiary amine (A1). The formic acid is discharged from the thermal splitting unit. The tertiary amine (A1) is recycled to the hydrogenation reactor in step (a).
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die thermische Spalteinheit eine zweite Destillationsvorrichtung. In der zweiten Destillationsvorrichtung erfolgt die thermische Spaltung des Ameisensäure-Amin-Addukts (A2), unter Erhalt eines Destillats (D2), das Ameisensäure enthält und aus der zweiten Destillationsvorrichtung ausgeschleust (entnommen) wird, und eines Sumpfgemischs (S2) enthaltend das tertiäre Amin (A1) sowie gegebenenfalls freie Liganden.In a preferred embodiment, the thermal splitting unit comprises a second distillation device. In the second distillation apparatus, the thermal decomposition of the formic acid-amine adduct (A2) is carried out to obtain a distillate (D2) containing formic acid which is discharged from the second distillation apparatus and a sump mixture (S2) containing the tertiary amine (A1) and optionally free ligands.
Die Entnahme der in der zweiten Destillationsvorrichtung erhaltenen Ameisensäure aus der zweiten Destillationsvorrichtung kann beispielsweise (i) über Kopf, (ii) über Kopf und über einen Seitenabzug oder (iii) nur über einen Seitenabzug erfolgen. Wird die Ameisensäure über Kopf entnommen, so wird Ameisensäure mit einer Reinheit von bis zu 99,99 Gew.-% erhalten. Bei der Entnahme über einen Seitenabzug wird wässrige Ameisensäure erhalten, wobei hierbei ein Gemisch mit etwa 85 Gew.-% Ameisensäure besonders bevorzugt ist. Je nach Wassergehalt des der thermischen Spalteinheit zugeführten Sumpfgemischs (S1) kann die Ameisensäure verstärkt als Kopfprodukt oder verstärkt über den Seitenabzug entnommen werden. Bei Bedarf ist es auch möglich, Ameisensäure nur über den Seitenabzug, bevorzugt mit einem Ameisensäuregehalt von etwa 85 Gew.-% zu entnehmen, wobei dann gegebenenfalls die erforderliche Wassermenge auch durch Zugabe von zusätzlichem Wasser in die zweite Destillationsvorrichtung eingestellt werden kann. Die thermische Spaltung des Ameisensäure-Amin-Addukts (A2) erfolgt im Allgemeinen nach den im Stand der Technik bekannten Verfahrensparametern hinsichtlich Druck, Temperatur sowie apparativer Ausgestaltung. Diese sind beispielsweise in
Im Allgemeinen beträgt die Sumpftemperatur in der zweiten Destillationsvorrichtung mindestens 130°C, bevorzugt mindestens 140°C und besonders bevorzugt mindestens 150°C, sowie im Allgemeinen höchstens 210°C, bevorzugt höchstens 190°C, besonders bevorzugt höchstens 185°C. Der Druck in der zweiten Destillationsvorrichtung beträgt im Allgemeinen mindestens 1 hPa abs, bevorzugt mindestens 50 hPa abs und besonders bevorzugt mindestens 100 hPa abs, sowie im Allgemeinen höchstens 500 hPa abs, besonders bevorzugt höchstens 300 hPa abs und besonders bevorzugt höchstens 200 hPa abs.In general, the bottom temperature in the second distillation apparatus is at least 130 ° C, preferably at least 140 ° C and more preferably at least 150 ° C, and generally at most 210 ° C, preferably at most 190 ° C, particularly preferably at most 185 ° C. The pressure in the second distillation apparatus is generally at least 1 hPa abs, preferably at least 50 hPa abs and more preferably at least 100 hPa abs, and generally at most 500 hPa abs, more preferably at most 300 hPa abs and more preferably at most 200 hPa abs.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen sowie einer Zeichnung näher erläutert ohne sie hierauf zu beschränken.The invention is explained in more detail below with reference to embodiments and a drawing without limiting it thereto.
Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen:The drawings show in detail:
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- II
- Hydrierreaktorhydrogenation reactor
- IIII
- Destillationsvorrichtungdistillation apparatus
- IIIIII
- thermische Spalteinheitthermal splitting unit
- 11
- Strom enthaltend Kohlendioxid (CO2)Electricity containing carbon dioxide (CO 2 )
- 22
- Strom enthaltend Wasserstoff (H2)Stream containing hydrogen (H 2 )
- 33
- Strom enthaltend Ameisensäure-Amin-Addukt (A2), polares Lösungsmittel; aufgearbeitetes Hydriergemisch (Ha)Stream containing formic acid-amine adduct (A2), polar solvent; worked up hydrogenation mixture (Ha)
- 44
- Strom enthaltend polares LösungsmittelStream containing polar solvent
- 55
- Strom enthaltend Ameisensäure-Amin-Addukt (A2); Sumpfgemisch (S1)Stream containing formic acid-amine adduct (A2); Swamp mixture (S1)
- 66
- Strom enthaltend tertiäres Amin (A1)Stream containing tertiary amine (A1)
- 77
- Strom enthaltend Ameisensäure; Destillat (D2)Stream containing formic acid; Distillate (D2)
Bei der Ausführungsform gemäß
Strom (
Ausführungsbeispieleembodiments
1. Immobilisierung des homogenen kationischen Komplexkatalysators auf dem Trägermaterial (T) im Hydrierreaktor1. Immobilization of the homogeneous cationic complex catalyst on the support material (T) in the hydrogenation reactor
Ein 250 mL Autoklav aus Hastelloy C, ausgestattet mit einem Magnetrührstab, wurde unter Inertbedingungen mit dem angegebenen tertiären Amin, mit polarem Lösungsmittel und mit dem kationischen Komplexkatalysator, bzw. mit seiner Vorstufe, gelöst in Tetrahydrofuran (THF) befüllt. Der Autoklav wurde nachfolgend mit Stickstoff (N2) auf Dichtigkeit geprüft.A 250 mL Hastelloy C autoclave equipped with a magnetic stirrer bar was charged under inert conditions with the indicated tertiary amine, polar solvent and cationic complex catalyst, or its precursor dissolved in tetrahydrofuran (THF). The autoclave was subsequently tested for leaks with nitrogen (N 2 ).
Anschließend wurde der Autoklav verschlossen. Bei Raumtemperatur wurden Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) auf den gewünschten Reaktionsdruck weiter nachgepresst und konstant gehalten. Der Reaktor wurde unter Rühren (700 U/min) erwärmt. Nach der entsprechenden Reaktionszeit wurde der Autoklav abgekühlt und das Hydriergemisch (H) entspannt.Subsequently, the autoclave was sealed. At room temperature, carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) were further pressed to the desired reaction pressure and kept constant. The reactor was heated with stirring (700 rpm). After the appropriate reaction time, the autoclave was cooled and the hydrogenation mixture (H) was depressurized.
Das erhaltene Hydriergemisch (H) wurde gewogen und es wurde eine Probe für die Analyse entnommen. Bei der Analyse wurden die Menge der im Hydriergemisch (H) enthaltenen Metallkomponente des kationischen Komplexkatalysators sowie die Menge der im Hydriergemisch (H) in Form des Ameisensäure-Amin-Adukkts enthaltenen Ameisensäure bestimmt.The resulting hydrogenation mixture (H) was weighed and a sample was taken for analysis. In the analysis, the amount of the metal component of the cationic complex catalyst contained in the hydrogenation mixture (H) and the amount of formic acid contained in the hydrogenation mixture (H) in the form of the formic acid-Amdukkts were determined.
Anschließend wurde dem Hydriergemisch (H) das Trägermaterial (T) zugegeben und zusammen mit dem Hydriergemisch (H) geschüttelt, wobei der kationische Komplexkatalysator auf dem Trägermaterial (T) immobilisiert wurde. Anschließend wurde der immobilisierte kationische Komplexkatalysator abgetrennt. Das so erhaltene aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) war zweiphasig und wurde in die Oberphase (O1) und die Unterphase U1) aufgetrennt. Ober- und Unterphase wurden gewogen und analysiert. Bei der Analyse wurde die Menge der in Ober- bzw. Unterphase (H) enthaltenen Metallkomponente des kationischen Komplexkatalysators sowie die Menge der in Ober- bzw. Unterphase in Form des Ameisensäure-Amin-Adukkts enthaltenen Ameisensäure bestimmt.Subsequently, the carrier material (T) was added to the hydrogenation mixture (H) and shaken together with the hydrogenation mixture (H), wherein the cationic complex catalyst was immobilized on the carrier material (T). Subsequently, the immobilized cationic complex catalyst was separated. The recovered hydrogenation mixture (Ha) thus obtained was biphasic and was separated into the upper phase (O1) and the lower phase U1). Upper and lower phases were weighed and analyzed. In the analysis, the amount of the metal component of the cationic complex catalyst contained in upper or lower phase (H) and the amount of formic acid contained in the upper or lower phase in the form of the formic acid-amine adduct were determined.
Die Mengen der Metallkomponente werden in g/100 g der jeweiligen Phase angegeben. Die Ameisensäuremengen werden in Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Phase angegeben. The amounts of the metal component are given in g / 100 g of the respective phase. The amounts of formic acid are given in wt .-% based on the total weight of the respective phase.
Die Menge der in Form des Ameisensäure-Amin-Addukts enthaltenen Ameisensäure wurde durch Titration mit 0,1 KOH in 2-Propanol gegen Phenolphthalein bestimmt. Die Ameisensäure wurde per 1H NMR Spektroskopie zusammen mit CHCl3 als interner Standard bestimmt und daraus wurde die Turn-Over Nummer (TON) und die Turn-Over Frequenz (TOF) berechnet. Die Menge der Metallkomponente des kationischen Komplexkatalysators wurde durch Atomemissionsspektrometrie bestimmt.The amount of formic acid contained in the formic acid-amine adduct was determined by titration with 0.1 KOH in 2-propanol against phenolphthalein. The formic acid was determined by 1 H NMR spectroscopy together with CHCl 3 as an internal standard and from this the turn-over number (TON) and the turn-over frequency (TOF) were calculated. The amount of the metal component of the cationic complex catalyst was determined by atomic emission spectrometry.
Die Parameter und Ergebnisse der einzelnen Versuche sind in Tabelle 1 wiedergeben.The parameters and results of the individual experiments are given in Table 1.
Die Beispiele A-1 und A-2 zeigen, dass Eisendichlorid (FeCl2) zusammen mit dem eingesetzten Phosphinliganden 1,2-Bis(Diethylphoshino)ethan (DEPE) im polaren Lösungsmittel in Gegenwart von Trihexylamin die Hydrierung von CO2 katalysiert, und dass der kationische Komplexkatalysator in situ gebildet werden kann. Im Hydriergemisch (H) wurde 6,3 bzw. 6,6% Ameisensäure in Form des Ameisensäure-Amin-Addukts bestimmt. Der homogene kationische Komplexkatalysator wurde anschließend auf dem Trägermaterial (T) immobilisiert und abgetrennt. Das so erhaltene aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) war zweiphasig. Der Eisenghalt in der Oberphase (O1) und der Unterphase (U1) des aufgearbeiteten Hydriergemischs (Ha) wurde bestimmt. Hieraus ergab sich eine sehr hohe Effizienz der Immobilisierung von 90 bzw. 95%.Examples A-1 and A-2 show that iron dichloride (FeCl 2 ) together with the employed
In Beispiel A-3 wurde Fe(DEPE)2Cl2 eingesetzt und Purolite CT 175 als Trägermaterial (T) verwendet. Im Hydriergemisch (H) wurde 6% Ameisensäure in Form des Ameisensäure-Amin-Addukts bestimmt. Es wurden 99% des homogenen kationischen Komplexkatalysators immobilisiert. Tabelle 1
Wie vorstehend beschrieben, wurde ein Hydriergemisch (H) hergestellt.As described above, a hydrogenation mixture (H) was prepared.
Dem so erhaltenen Hydriergemisch (H) wurden unterschiedliche Trägermaterialien (T) zugegeben, um die Effizienz der Immobilisierung zu bestimmen. Die Trägermaterialien (T) wurden zusammen mit dem Hydriergemisch (H) geschüttelt. Der immobilisierte Katalysator wurde nachfolgend abgetrennt. Das so erhaltene aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) war zweiphasig. Die Eisenmenge in der Oberphase (O1) und der Unterphase (U1) wurden bestimmt. Hieraus wurde die Effizienz der Immobilisierung berechnet. Tabelle 2
3. Hydrierung von CO2 mit einem immobilisierten kationischen Eisen komplexkatalysator 3. Hydrogenation of CO 2 with an immobilized cationic iron complex catalyst
In Beispiel B-1 wurde der immobilisierte kationische Komplexkatalysator in die Hydrierung von CO2 eingesetzt, der in Beispiel A-2 abgetrennt wurde. Nach der Hydrierung wurde der immobilisierte kationische Komplexkatalysator abgetrennt. Das so erhaltene aufgearbeitete Hydriergemisch (Ha) war zweiphasig. In der Unterphase (U1) wurden 3,9% Ameisensäure in Form des Ameisensäure-Amin-Addukts bestimmt.In Example B-1, the immobilized cationic complex catalyst was used in the hydrogenation of CO 2 , which was separated in Example A-2. After the hydrogenation, the immobilized cationic complex catalyst was separated. The recovered hydrogenation mixture (Ha) thus obtained was biphasic. In the lower phase (U1) 3.9% formic acid in the form of the formic acid-amine adduct were determined.
In Beispiel B-2 wurde der immobilisierte kationische Eisenkomplexkatalysator mit dem Trägermaterial Amberlite 252H der Firma Dow vor Beginn der Hydrierung in situ im Hydrierreaktor hergestellt. In der Unterphase (U1) des aufgearbeiteten Hydriergemischs wurden 3,8% Ameisensäure in Form des Ameisensäure-Amin-Addukts bestimmt. Tabelle 3
4. DMPE als Phosphinligand in der Fe-katalysierten CO2-Hydrierung4. DMPE as a phosphine ligand in Fe-catalyzed CO 2 hydrogenation
In den Beispielen C-1 und C-2, wurde der kationische Komplexkatalysator in situ aus Eisendichlorid (FeCl2) dem Phosphinliganden 1,2-Bis(Dimethylphosphino)ethan (DMPE) gebildet. Tabelle 4
Hierbei wurden in der Unterphase (U1) des aufgearbeiteten Hydriergemischs 7,6 bzw. 7,3% Ameisensäure in Form des Ameisensäure-Amin-Addukts bestimmt; mit einer TON von 75 bzw. 245. Wenn Wasser bei der CO2-Hydrierung präsent ist, bilden sich zwei Phasen und die Eisenkomplexe liegen in der polaren Unterphase (U1) angereichert vor.In this case, in the lower phase (U1) of the worked-up hydrogenation mixture, 7.6% and 7.3%, respectively, of formic acid in the form of the formic acid-amine adduct were determined; with a TON of 75 and 245, respectively. When water is present during CO 2 hydrogenation, two phases form and the iron complexes are enriched in the polar lower phase (U1).
In Beispiel C-3 wurde 1,2-Bis(Dimethylphosphino)ethan (DMPE) zusammen mit Eisendichlorid eingesetzt. Die Durchführung und Aufarbeitung erfolgte wie vorstehend beschrieben.In Example C-3, 1,2-bis (dimethylphosphino) ethane (DMPE) was used together with iron dichloride. The implementation and workup were as described above.
In Beispiel C-3 im Hydriergemisch (H) wurden 10,5% Ameisensäure in Form des Ameisensäure-Amin-Addukts bestimmt. Die Effizienz der Immobilisierung betrug 91%.
Der tridentate Phosphor-Ligand Ethylphos Triphos 1,1'-(2-[(diethylphosphino)methyl]-2-methyl-1,3-propanediyl]bis[1,1-diethyl-Phosphine zeigt zusammen mit Amberlite 252H im Beispiel C-4 eine hohe Effizient der Immobilisierung des kationischen Komplexkatalysators von 99%. In der Unterphase (U1) des aufgearbeiteten Hydriergemischs (Ha) sind nur 0,001 g Eisen bezogen auf 100 g Unterphase (U1) vorhanden. Im Hydriergemisch (H) wurden 7% Ameisensäure in Form des Ameisensäure-Amin-Addukts bestimmt.The tridentate phosphorus
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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