DE102016220662A1 - Process for the preparation of at least one hydrogenated compound from a carboxylic acid derivative - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer hydrierten Verbindung aus einem Carbonsäurederivat, umfassend mindestens einen Schritt, in dem man das Carbonsäurederivat in Gegenwart wenigstens eines Katalysators mit Wasserstoff umsetzt, wobei man erfindungsgemäß ein Ammoniumsalz einer Carbonsäure in wässriger Lösung mit Wasserstoff zur Reaktion bringt. Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass nicht erst aus einem Salz die Carbonsäure selbst gewonnen und aufwändig gereinigt werden muss. Die bei der Hydrierung gebildeten Produkte sind in erster Linie Alkohole. Es können aber auch zumindest teilweise aliphatische oder cyclische Ether, Lactone und Hydroxycarbonsäuren gebildet werden. Die Umsetzung kann zum Beispiel in einem Trickle-Bed-Reaktor (10) erfolgen. Er weist im oberen Bereich einen ersten Einlass (11) für die Zugabe einer wässrigen Lösung eines Carbonsäureammoniumsalzes auf, die über einen Flüssigkeitsverteiler (13) über den Querschnitt des Reaktorinnenraums verteilt wird. Im Kopfbereich befindet sich beispielsweise in etwa zentrischer Anordnung ein Gaseinlass (12) für Wasserstoff. Die durch den Einlass (11) zugeführte Flüssigkeit mischt sich so mit dem oben einströmenden Gas und das Gemisch strömt dann im Reaktor (10) nach unten und gelangt in ein im Reaktor angeordnetes Katalysatorbett (14). In diesem Katalysatorbett (14) gelangt die wässrige Lösung des Carbonsäuresalzes mit dem Wasserstoff zur Reaktion.The present invention relates to a process for the preparation of at least one hydrogenated compound from a carboxylic acid derivative, comprising at least one step in which the carboxylic acid derivative is reacted with hydrogen in the presence of at least one catalyst, wherein according to the invention an ammonium salt of a carboxylic acid in aqueous solution is reacted with hydrogen , An advantage of the method according to the invention is that not only from a salt, the carboxylic acid itself must be recovered and cleaned consuming. The products formed in the hydrogenation are primarily alcohols. However, at least partially aliphatic or cyclic ethers, lactones and hydroxycarboxylic acids can also be formed. The reaction can be carried out, for example, in a trickle bed reactor (10). It has in the upper region a first inlet (11) for the addition of an aqueous solution of a carboxylic acid ammonium salt, which is distributed via a liquid distributor (13) over the cross section of the reactor interior. In the head area, for example, a gas inlet (12) for hydrogen is located approximately in a centric arrangement. The liquid supplied through the inlet (11) thus mixes with the gas flowing in the top and the mixture then flows downwards in the reactor (10) and enters a catalyst bed (14) arranged in the reactor. In this catalyst bed (14), the aqueous solution of the carboxylic acid salt is reacted with the hydrogen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer hydrierten Verbindung aus einem Carbonsäurederivat, umfassend mindestens einen Schritt, in dem man das Carbonsäurederivat in Gegenwart wenigstens eines Katalysators mit Wasserstoff umsetzt.The present invention relates to a process for the preparation of at least one hydrogenated compound from a carboxylic acid derivative comprising at least one step in which the carboxylic acid derivative is reacted with hydrogen in the presence of at least one catalyst.

In der DE 10 2010 025 167 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Bernsteinsäure beschrieben. Dabei wird die aus der Fermentation stammende Diammoniumsuccinatlösung durch Filtration von Biomasse befreit. Anschließend werden durch Zugabe von Schwefelsäure und der damit verbundenen Absenkung des pH-Wertes die freie Bernsteinsäure und als Koppelprodukt Diammoniumsulfat gebildet. Im Folgenden wird diese Lösung in einer Simulated Moving Bed (SMB) Chromatographie in die zwei Fraktionen wässrige Bernsteinsäurelösung und wässrige Diammoniumsulfatlösung aufgespalten. Die wässrige Bernsteinsäurelösung wird, ggf. nach weiteren Reinigungsschritten, eingedickt. Dadurch fällt bei Unterschreitung der Bernsteinsäurelöslichkeit in Wasser reine Bernsteinsäure aus. Nachteilig an diesem Verfahren sind die umfangreichen Aufarbeitungsschritte, der Einsatz einer zusätzlichen Chemikalie (Schwefelsäure), der Verlust des in den Prozess an früherer Stelle eingebrachten Ammoniaks in Form eines Ammoniumsalzes sowie die Notwendigkeit, eine kostengünstige Nutzung dieses Koppelproduktes (Diammoniumsulfat) zu erreichen.In the DE 10 2010 025 167 A1 a process for the production of succinic acid is described. The resulting from the fermentation Diammoniumsuccinatlösung is freed by filtration of biomass. Subsequently, the addition of sulfuric acid and the associated lowering of the pH, the free succinic acid and formed as by-product diammonium sulfate. In the following, this solution is split into the two fractions aqueous succinic acid solution and aqueous diammonium sulfate solution in Simulated Moving Bed (SMB) chromatography. The aqueous succinic acid solution is thickened, if necessary after further purification steps. As a result, falls below the succinic acid solubility in water pure succinic acid. Disadvantages of this process are the extensive work-up steps, the use of an additional chemical (sulfuric acid), the loss of ammonia introduced into the process in the form of an ammonium salt and the need to achieve a cost-effective use of this coproduct (diammonium sulfate).

Die WO 2011/123269 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Tetrahydrofuran, gamma-Butyrolacton und Butandiol aus Bernsteinsäuresalzen, bei dem aus einer Fermentation stammendes Diammoniumsuccinat nach Abtrennung der Biomasse in einem ersten Schritt durch thermische Behandlung über Monoammoniumsuccinat in Ammoniak und Bernsteinsäure gespalten wird. Das Ammoniak wird abgezogen und kann dem Fermentationsprozess an anderer Stelle wieder zugeführt werden. Die Bernsteinsäure kann aus der so erhaltenen Lösung durch Kristallisation in reiner und fester Form gewonnen werden. Diese reine Bernsteinsäure wird dann in einem weiteren Schritt in einem Hydrierungsprozess in wässriger Lösung unter Verwendung eines metallbeladenen Trägerkatalysators mit Wasserstoff hydriert, wobei verschiedene Produkte je nach Reaktionsbedingungen in unterschiedlichen Mengen entstehen, insbesondere Butandiol, Tetrahydrofuran und gamma-Butyrolacton. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Bernsteinsäure erst kristallisiert werden muss, bevor sie dann in einem weiteren Verfahrensschritt hydriert werden kann.The WO 2011/123269 A1 describes a process for the preparation of tetrahydrofuran, gamma-butyrolactone and butanediol from succinic acid salts in which fermentation-derived diammonium succinate is separated after separation of the biomass in a first step by thermal treatment of monoammonium succinate in ammonia and succinic acid. The ammonia is withdrawn and can be recycled to the fermentation process elsewhere. The succinic acid can be recovered from the resulting solution by crystallization in pure and solid form. This pure succinic acid is then hydrogenated in a further step in a hydrogenation process in aqueous solution using a metal-loaded supported catalyst with hydrogen, with different products depending on the reaction conditions in different amounts, especially butanediol, tetrahydrofuran and gamma-butyrolactone. A disadvantage of this process is that the succinic acid must first be crystallized before it can then be hydrogenated in a further process step.

Die kanadische Patentanmeldung CA 2 657 666 beschreibt ein Verfahren, in dem das Ammoniak aus einer fermentativ hergestellten wässrigen Diammoniumsuccinatlösung durch reaktive Druckreaktion mittels Kohlendioxid in Gegenwart eines Alkohols (Ethanol) zurückgewonnen wird. Gleichzeitig wird dabei der Diester der Bernsteinsäure gebildet. Dieser kann über eine konventionelle Destillation gereinigt und anschließend einer bekannten katalytischen Hydrierung zugeführt werden, um Butandiol, Tetrahydrofuran und/oder gamma-Butyrolacton zu gewinnen. Nachteilig an diesem Verfahren ist der Einsatz eines weiteren Stoffes (des Alkohols), welcher in den folgenden Schritten wieder zurückgewonnen werden muss. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass ein apparativ aufwendiger, weil unter Druck stattfindender, Prozess unter Nutzung von CO2 eingesetzt werden muss, um den Bernsteinsäurediethylester (Diethylsuccinat) herzustellen.The Canadian patent application CA 2 657 666 describes a process in which the ammonia is recovered from a fermentatively prepared aqueous solution of diammonium succinate by reactive pressure reaction with carbon dioxide in the presence of an alcohol (ethanol). At the same time, the diester of succinic acid is formed. This can be purified by a conventional distillation and then fed to a known catalytic hydrogenation to obtain butanediol, tetrahydrofuran and / or gamma-butyrolactone. A disadvantage of this method is the use of another substance (the alcohol), which must be recovered in the following steps again. A further disadvantage is that an equipment-consuming, because under pressure, process using CO 2 must be used to produce the succinic acid diethyl (diethyl succinate).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung wenigstens einer hydrierten Verbindung aus Carbonsäurederivaten zur Verfügung zu stellen.The object of the present invention is to provide an improved process for preparing at least one hydrogenated compound from carboxylic acid derivatives.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zur Herstellung hydrierter Verbindungen aus einem Carbonsäurederivat, umfassend mindestens einen Schritt, in dem man das Carbonsäurederivat in Gegenwart wenigstens eines Katalysators mit Wasserstoff umsetzt, mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The solution to this problem is provided by a process for preparing hydrogenated compounds from a carboxylic acid derivative, comprising at least one step in which the carboxylic acid derivative is reacted with hydrogen in the presence of at least one catalyst, having the features of claim 1.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass Ammoniumsalze von Carbonsäuren an geeigneten Katalysatoren und unter passenden Reaktionsbedingungen mit Wasserstoff in wässriger Lösung zur Reaktion gebracht werden können. Dabei wird zumindest teilweise der vorher als Ammonium gebundene Stickstoff in Form von Ammoniak freigesetzt. Das Ammoniak kann mit entsprechenden Maßnahmen aus dem Reaktionssystem entfernt werden und gegebenenfalls wieder an den Anfang des Prozesses zurückgeführt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das Ammoniak anderweitig wiederverwendet wird.In the context of the present invention, it has been found that ammonium salts of carboxylic acids on suitable catalysts and under appropriate reaction conditions can be reacted with hydrogen in aqueous solution. In this case, at least in part, the previously bound as ammonium nitrogen is released in the form of ammonia. The ammonia can be removed with appropriate measures from the reaction system and optionally returned to the beginning of the process. But there is also the possibility that the ammonia is otherwise reused.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit, dass nicht erst aus einem Salz die Carbonsäure selbst gewonnen und aufwändig gereinigt werden muss, sondern man bei der Hydrierung direkt das Ammoniumsalz der Carbonsäure mit Wasserstoff umsetzt.An advantage of the method according to the invention is thus that not only from a salt, the carboxylic acid itself must be recovered and laboriously cleaned, but one reacts directly in the hydrogenation of the ammonium salt of the carboxylic acid with hydrogen.

Wenn man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das Ammoniak (teilweise) zurückgewinnt, kann dies beispielsweise durch Auswaschen mit Wasser oder Auswaschen mit Säure oder Auswaschen mit mindestens einem Teil einer Fermentationslösung erfolgen. When the ammonia is (partially) recovered by the process according to the invention, this can be done, for example, by washing with water or washing out with acid or washing out with at least one part of a fermentation solution.

Die bei der Hydrierung gebildeten Produkte sind in erster Linie Alkohole. Es können aber auch zumindest teilweise aliphatische oder cyclische Ether, Lactone und Hydroxycarbonsäuren gebildet werden.The products formed in the hydrogenation are primarily alcohols. However, at least partially aliphatic or cyclic ethers, lactones and hydroxycarboxylic acids can also be formed.

Das Reaktionsgemisch wird vorzugsweise nach Abtrennung des Katalysators derart aufgearbeitet, dass zumindest Teile der gebildeten Produkte in verkaufsfähiger oder für weitere Reaktionen geeigneter Reinheit gewonnen werden können. Diese Aufbereitung kann beispielsweise durch Destillationen, Extraktionen, Kristallisationen und/oder Trennungen über Membranen und/oder andere geeignete Maßnahmen allein oder in Kombination durchgeführt werden.The reaction mixture is preferably worked up after separation of the catalyst such that at least parts of the products formed can be obtained in salable or suitable for further reactions purity. This treatment can be carried out, for example, by distillation, extractions, crystallizations and / or separations via membranes and / or other suitable measures alone or in combination.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung hydriert man ein Ammoniumsalz einer Monocarbonsäure oder einer Dicarbonsäure.According to a preferred development of the present invention, an ammonium salt of a monocarboxylic acid or a dicarboxylic acid is hydrogenated.

Insbesondere kann es sich um ein Ammoniumsalz einer Carbonsäure ausgewählt aus der Gruppe umfassend Essigsäure, Propionsäure, Milchsäure, Bernsteinsäure, Adipinsäure, Sebacinsäure und Oxalsäure handeln.In particular, it may be an ammonium salt of a carboxylic acid selected from the group comprising acetic acid, propionic acid, lactic acid, succinic acid, adipic acid, sebacic acid and oxalic acid.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung verwendet man als Katalysator für die Hydrierung einen heterogenen Katalysator mit einem Katalysatorträger ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aktivkohle, Al2O3, TiO2, ZrO2, SiO2 und MgO bzw. Mischungen daraus.According to a preferred development of the present invention, the catalyst used for the hydrogenation is a heterogeneous catalyst with a catalyst support selected from the group comprising activated carbon, Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , SiO 2 and MgO or mixtures thereof.

Weiterhin verwendet man bevorzugt einen Trägerkatalysator mit einer monometallischen aktiven Komponente, insbesondere umfassend mindestens ein Element ausgewählt aus Ru, Pd und Re oder einen Trägerkatalysator mit einer bimetallischen aktiven Komponente, insbesondere umfassend eine Kombination von Metallen ausgewählt aus Ru/Ir, Ru/Rh, Re/Pd, Re/Rh.Furthermore, preference is given to using a supported catalyst having a monometallic active component, in particular comprising at least one element selected from Ru, Pd and Re or a supported catalyst with a bimetallic active component, in particular comprising a combination of metals selected from Ru / Ir, Ru / Rh, Re / Pd, Re / Rh.

Die Hydrierung des Carbonsäurederivats nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in verschiedenen Reaktortypen durchgeführt werden. Beispielsweise kommen hierfür in Betracht Batch-Reaktoren. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Hydrierung bei erhöhter Temperatur und/oder unter erhöhtem Druck, insbesondere in einem Autoklaven durchzuführen. Als Batch-Reaktor kann man zum Beispiel einen „continuous stirred tank reactor“ (CSTR) verwenden.The hydrogenation of the carboxylic acid derivative by the process according to the invention can be carried out in various reactor types. For example, come into consideration batch reactors. It may be advantageous to carry out the hydrogenation at elevated temperature and / or under elevated pressure, in particular in an autoclave. For example, a continuous stirred tank reactor (CSTR) can be used as a batch reactor.

Alternativ dazu kann man auch die Hydrierung in einem Trickle-Bed-Reaktor (Rieselbett-Reaktor) durchführen, wobei wieder verschiedene Verfahrensvarianten besonders vorteilhaft sind. Zum Beispiel kann in einem solchen Trickle-Bed-Reaktor mit Einsatzstrom und Wasserstoff im Gleichstrom oder mit Einsatzstrom und Wasserstoff im Gegenstrom gearbeitet werden. Alternativ ist es beispielsweise aber auch möglich, das Verfahren in einem Blasensäulenreaktor durchzuführen.Alternatively, one can also carry out the hydrogenation in a Trickle-Bed reactor (trickle bed reactor), wherein again different process variants are particularly advantageous. For example, in such a Trickle-Bed reactor with feed stream and hydrogen in cocurrent or with feed stream and countercurrent hydrogen can be used. Alternatively, it is also possible, for example, to carry out the process in a bubble column reactor.

Besonders bevorzugt wird in der vorliegenden Erfindung das Diammoniumsalz der Bernsteinsäure hydriert, welches die Formel H4N+ -OOC-CH2-CH2-COO- NH4 + aufweist. Die Strukturformel der Bernsteinsäure ist nachfolgend wiedergegeben. (Bernsteinsäure wird in Tabelle 1 abgekürzt mit BS bezeichnet.)

Figure DE102016220662A1_0001
Particularly preferably, in the present invention, the diammonium salt of succinic acid is hydrogenated, which has the formula H 4 N + - OOC-CH 2 -CH 2 -COO - NH 4 + . The structural formula of succinic acid is shown below. (Succinic acid is abbreviated to BS in Table 1)
Figure DE102016220662A1_0001

Bei Bernsteinsäure handelt es sich um eine Dicarbonsäure, die industriell von großer Bedeutung ist. Bernsteinsäure und ihre Verbindungen werden beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, Pharmazie, Kosmetik und in der Textilindustrie genutzt. Weiterhin dient Bernsteinsäure als Ausgangsprodukt für die Herstellung von Polymeren. Vorteilhaft für die industrielle Nutzung von Bernsteinsäure ist, dass diese sich durch Fermentation kohlehydrathaltiger Substrate mittels verschiedener Mikroorganismen erzeugen lässt. Ein Verfahren zur fermentativen Herstellung von Dicarbonsäuren, u.a. auch Bernsteinsäure, ist zum Beispiel in der WO 2014/108163 A2 beschrieben. Deshalb ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, wenn man ein durch Fermentation gewonnenes Ammoniumsalz einer Carbonsäure hydriert, insbesondere ein Diammoniumsuccinat.Succinic acid is a dicarboxylic acid of industrial importance. Succinic acid and its compounds are used, for example, in the food industry, pharmacy, cosmetics and in the textile industry. Furthermore, succinic acid is used as starting material for the production of polymers. It is advantageous for the industrial use of succinic acid that it can be produced by fermentation of carbohydrate-containing substrates by means of various microorganisms. One Process for the fermentative production of dicarboxylic acids, including succinic acid, is for example in the WO 2014/108163 A2 described. Therefore, it is advantageous in the context of the present invention to hydrogenate an ammonium salt of a carboxylic acid obtained by fermentation, in particular a diammonium succinate.

Bei der Hydrierung des Diammoniumsalzes der Bernsteinsäure nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können je nach Reaktionsbedingungen verschiedene Produkte in unterschiedlichen Anteilen entstehen, insbesondere entsteht bei Reduktion beider Carboxyl-Gruppen der entsprechende Alkohol 1,4-Butandiol, (hierin in Tabelle 1 abgekürzt auch als BDO bezeichnet), dessen Strukturformel nachfolgend wiedergegeben ist:

Figure DE102016220662A1_0002
In the hydrogenation of the diammonium salt of succinic acid by the process according to the invention, depending on the reaction conditions, different products can be formed in different proportions; in particular, the corresponding alcohol 1,4-butanediol is formed upon reduction of both carboxyl groups (abbreviated to BDO in Table 1) whose structural formula is given below:
Figure DE102016220662A1_0002

Weiterhin entsteht durch teilweise Reduktion nur einer Carboxyl-Gruppe und anschließende intramolekulare Esterbildung γ-Butyrolacton, auch bekannt unter der Bezeichnung Dihydrofuran-2-on, teils auch mit der Abkürzung GBL bezeichnet, welches die nachfolgend wiedergegebene Strukturformel aufweist:

Figure DE102016220662A1_0003
Furthermore, by partial reduction of only one carboxyl group and subsequent intramolecular ester formation γ-butyrolactone, also known under the name dihydrofuran-2-one, partly also denoted by the abbreviation GBL, which has the following structural formula:
Figure DE102016220662A1_0003

Weiterhin entsteht bei Reduktion nur einer der beiden Carboxyl-Gruppen die 4-Hydroxy-Buttersäure oder 4-Hydroxybutansäure, auch γ-Hydroxybuttersäure (abgekürzt mit GHB bezeichnet), deren Strukturformel nachfolgend wiedergegeben ist:

Figure DE102016220662A1_0004
Furthermore, when only one of the two carboxyl groups is reduced, 4-hydroxybutyric acid or 4-hydroxybutanoic acid, also γ-hydroxybutyric acid (abbreviated to GHB), whose structural formula is reproduced below, is formed:
Figure DE102016220662A1_0004

Schließlich kann bei Reduktion beider Carboxyl-Gruppen und anschließender Ringbildung Tetrahydrofuran entstehen, auch abgekürzt mit THF bezeichnet, dessen Strukturformel nachfolgend wiedergegeben ist:

Figure DE102016220662A1_0005
Finally, reduction of both carboxyl groups and subsequent ring formation may give rise to tetrahydrofuran, also abbreviated to THF, whose structural formula is given below:
Figure DE102016220662A1_0005

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

  • 1 einen schematisch vereinfachten Längsschnitt durch einen beispielhaften Reaktor, welcher in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann.
Hereinafter, the present invention will be described with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings. Showing:
  • 1 a schematically simplified longitudinal section through an exemplary reactor which can be used in a method according to the invention.

Die in 1 wiedergegebene Darstellung zeigt einen schematisch vereinfachten Längsschnitt durch einen Trickle-Bed-Reaktor (Rieselbettreaktor), der insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Reaktor hat eine langgestreckte, über den Großteil seiner Länge, etwa zylindrische Grundform. Er weist im oberen Bereich einen ersten Einlass 11 für die Zugabe einer wässrigen Lösung eines Carbonsäureammoniumsalzes auf. Diese Flüssigkeit wird über einen Flüssigkeitsverteiler 13 möglichst gleichmäßig über den Querschnitt des Reaktorinnenraums verteilt. Im Kopfbereich befindet sich beispielsweise in etwa zentrischer Anordnung ein Gaseinlass 12 für Wasserstoff. Die durch den Einlass 11 zugeführte Flüssigkeit mischt sich so mit dem oben einströmenden Gas und das Gemisch strömt dann im Reaktor nach unten und gelangt in ein im Reaktor angeordnetes Katalysatorbett 14. In diesem Katalysatorbett 14 gelangt die wässrige Lösung des Carbonsäuresalzes mit dem Wasserstoff zur Reaktion und es bilden sich hydrierte Produkte wie beispielsweise Alkohole, Ether, Lactone oder Hydroxycarbonsäuren.In the 1 reproduced representation shows a simplified schematic longitudinal section through a Trickle-Bed reactor (trickle bed reactor), which is generally designated by the reference numeral 10. The reactor has an elongated, about the majority of its length, approximately cylindrical basic shape. He points in the upper portion a first inlet 11 for the addition of an aqueous solution of a carboxylic acid ammonium salt. This liquid is distributed over a liquid distributor 13 as evenly as possible over the cross section of the reactor interior. In the head region, for example, a gas inlet 12 for hydrogen is located approximately in a centric arrangement. The liquid supplied through the inlet 11 thus mixes with the above-flowing gas and the mixture then flows down the reactor and enters a catalyst bed 14 arranged in the reactor. In this catalyst bed 14, the aqueous solution of the carboxylic acid salt reacts with the hydrogen and Hydrogenated products such as, for example, alcohols, ethers, lactones or hydroxycarboxylic acids are formed.

Unterhalb des Katalysatorbetts 14 befinden sich im Reaktor zwei Auslässe für die Reaktionsprodukte, nämlich zum einen ein seitlicher Gasauslass 15 und im unteren Endbereich des Reaktors 10 ein Auslass 16 für Flüssigkeit, die sich im unteren Bereich des Reaktors unterhalb des Gasauslasses 15 angesammelt hat. Die aus dem Reaktor abgeführten Produkte werden dann in der Regel entsprechenden Vorrichtungen zugeführt, in denen eine weitere Trennung erfolgt, beispielsweise durch Destillation, Extraktion, Kristallisation und/oder mittels Trennung über eine Membran.Below the catalyst bed 14 are located in the reactor two outlets for the reaction products, namely on the one hand, a gas outlet 15 and in the lower end of the reactor 10, an outlet 16 for liquid, which has accumulated in the lower region of the reactor below the gas outlet 15. The discharged from the reactor products are then usually supplied to appropriate devices in which a further separation takes place, for example by distillation, extraction, crystallization and / or by means of separation via a membrane.

In einer Ausführungsform kann der Reaktor 10 über seine gesamte Länge mithilfe einer geeigneten Heizvorrichtung 17, wie beispielsweise einem Ofen oder einer Begleitheizung, beheizt werden. In one embodiment, the reactor 10 may be heated over its entire length by means of a suitable heater 17, such as an oven or a tracer heater.

Nachfolgend wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung anhand von konkreten Versuchsbeispielen näher erläutert.Hereinafter, the method according to the present invention will be explained in more detail by means of concrete experimental examples.

Beispiel 1example 1

Hydrierung von Diammoniumsuccinat in einem CSTRHydrogenation of diammonium succinate in a CSTR

1,22 g (Restfeuchte: 45 Ma.-%) eines Katalysatorpulvers der Firma Heraeus mit einer Beladung von 4 Ma.-% Ru / 1 Ma.-% Ir auf Aktivkohleträger wurden in einem Autoklaven mit wässriger Diammoniumsuccinatlösung (5 Ma.-% bezogen auf Bernsteinsäure; 12,88 g Diammoniumsuccinat in 189,45 g H2O) suspendiert. Vor Durchführung der Reaktion wurde der Autoklav mit Wasserstoffgas gespült. Anschließend wurde die Reaktionsmischung unter konstantem Rühren durch Aufdrücken des Wasserstoffs und Temperaturerhöhung schrittweise auf die Reaktionsbedingungen von 175 bar und 180 °C gebracht. Die Hydrierung wurde für eine Dauer von 20 h durchgeführt. Nach Ende der Reaktionszeit wurde das Reaktionssystem auf Raumtemperatur abgekühlt, der Katalysator abfiltriert und die Reaktionslösung mittels HPLC (Trennsäule Aminex HPX-87H von Bio-Rad mit 300 x 7,8 mm; Partikelgröße Trägermaterial 9 µm; pH-Bereich 1-3; mobile Phase wässrige H2SO4, 4mM; RI-Detektor) und GC (Trennsäule HP-PONA Methyl-Siloxan von Agilent mit 50 m × 0,2 mm; Filmdicke 0,5 µm; Temperaturprogramm: Start 50 °C auf 70 °C mit 2 K/min, dann von 70 °C auf 280 °C mit 4 K/min, Halten der Endtemperatur von 280 °C für 10 min; Trägergas Helium; FID) analysiert. Eine Übersicht ausgewählter Versuche samt Ergebnissen zur Hydrierung wässriger Diammoniumsuccinatlösungen im CSTR ist in Tabelle 1 dargestellt.1.22 g (residual moisture content: 45% by mass) of a catalyst powder from Heraeus with a loading of 4% by mass Ru / 1% by mass Ir on activated charcoal carrier were mixed in an autoclave with aqueous diammonium succinate solution (5% by mass). based on succinic acid, 12.88 g diammonium succinate in 189.45 g H 2 O). Before carrying out the reaction, the autoclave was purged with hydrogen gas. Subsequently, the reaction mixture was brought under constant stirring by applying the hydrogen and increasing the temperature gradually to the reaction conditions of 175 bar and 180 ° C. The hydrogenation was carried out for a period of 20 h. At the end of the reaction time, the reaction system was cooled to room temperature, the catalyst was filtered off and the reaction solution was analyzed by HPLC (separating column Aminex HPX-87H from Bio-Rad with 300 × 7.8 mm; particle size carrier material 9 μm, pH range 1-3; Phase aqueous H 2 SO 4 , 4mM; RI detector) and GC (Agilent's HP-PONA methyl siloxane separation column 50m x 0.2mm; film thickness 0.5μm; temperature program: start 50 ° C to 70 ° C at 2 K / min, then from 70 ° C to 280 ° C at 4 K / min, keeping the final temperature of 280 ° C for 10 min; carrier gas helium; FID). An overview of selected experiments including results for the hydrogenation of aqueous diammonium succinate solutions in CSTR is shown in Table 1.

Beispiel 2Example 2

Hydrierung von Diammoniumsuccinat in einem Trickle-Bed-ReaktorHydrogenation of diammonium succinate in a Trickle-Bed reactor

14,27 g (trocken) eines Katalysatorgranulats der Firma Heraeus mit einer Beladung von 4 Ma.-% Re / 2 Ma.-% Pd auf Aktivkohleträger wurden in einen Rohrreaktor (/= 39,5 cm; rinnen= 7,9 mm) eingebaut. Das Volumen der Katalysatorschüttung betrug etwa 40 ml (Höhe der Katalysatorschüttung h= 20 cm). Vor Durchführung der Reaktion wurde der Reaktor ausgiebig mit Stickstoffgas gespült. Die katalytische Hydrierung wurde in kontinuierlichem Betrieb (LHSV = 0,5 h-1; ̇V̇Feed = 20 mLh-1; V̇H 2 = 20 NLh-1) mit Diammoniumsuccinatlösung (5,2 Ma.-% bezogen auf Bernsteinsäure) bei 175 bar und 180 °C gefahren. Hinter dem Reaktor wurde die Produktlösung mithilfe eines Flüssigabscheiders vom Gasstrom getrennt. Die Probenahme erfolgte stündlich und die flüssige Produktlösung wurde anschließend mittels HPLC (Trennsäule Aminex HPX-87H von Bio-Rad mit 300 × 7,8 mm; Partikelgröße Trägermaterial 9 µm; pH-Bereich 1-3; mobile Phase wässrige H2SO4, 4mM; RI-Detektor) und GC (Trennsäule HP-PONA Methyl-Siloxan von Agilent mit 50 m × 0,2 mm; Filmdicke 0,5 µm; Temperaturprogramm: Start 50 °C auf 70 °C mit 2 K/min, dann von 70 °C auf 280 °C mit 4 K/min, Halten der Endtemperatur von 280 °C für 10 min; Trägergas Helium; FID) analysiert. Eine Übersicht ausgewählter Versuche samt Ergebnissen zur Hydrierung wässriger Diammoniumsuccinatlösungen im Trickle-Bed-Reaktor ist in Tabelle 1 dargestellt.14.27 g (dry) of a catalyst granulate from Heraeus with a loading of 4% by mass Re / 2% by mass Pd on activated charcoal carrier were placed in a tubular reactor (/ = 39.5 cm, inside = 7.9 mm ) built-in. The volume of the catalyst bed was about 40 ml (height of the catalyst bed h = 20 cm). Before carrying out the reaction, the reactor was thoroughly purged with nitrogen gas. The catalytic hydrogenation was carried out in continuous operation (LHSV = 0.5 h -1; V Feed = 20 MLH-1; V H 2 = 20 NLh -1 ) with diammonium succinate solution (5.2% by mass, based on succinic acid) at 175 bar and 180 ° C. Behind the reactor, the product solution was separated from the gas stream by means of a liquid separator. Sampling took place every hour and the liquid product solution was subsequently analyzed by HPLC (separation column Aminex HPX-87H from Bio-Rad with 300 × 7.8 mm, particle size carrier material 9 μm, pH range 1-3, mobile phase aqueous H 2 SO 4 , 4mM; RI detector) and GC (Agilent's HP-PONA methyl siloxane separation column of 50m x 0.2mm; film thickness 0.5μm; temperature program: start 50 ° C to 70 ° C at 2K / min, then from 70 ° C to 280 ° C at 4 K / min, holding the final temperature of 280 ° C for 10 min; carrier gas helium; FID). An overview of selected experiments including results for the hydrogenation of aqueous diammonium succinate solutions in the Trickle-Bed reactor is shown in Table 1.

Aus der nachfolgend wiedergegebenen Tabelle 1 lassen sich die folgenden Erkenntnisse ableiten:

  • Die Hydrierung des Diammoniumsalzes der Bernsteinsäure führt im CSTR überwiegend zur Bildung von γ-Hydroxybuttersäure und γ-Butyrolacton durch partielle Reduktion einer der beiden Carboxyl-Gruppen. Hingegen führt die Hydrierung im Trickle-Bed-Reaktor unter Einsatz des Katalysators 4 Ma.-% Re / 2 Ma.-% Pd auf Aktivkohleträger durch Reduktion beider Carboxyl-Gruppen hauptsächlich zum Alkohol 1,4-Butandiol.
Tabelle 1: Übersicht ausgewählter Versuche zur Hydrierung von Diammoniumsuccinat (H4N+-OOC(CH2)2COO-+NH4) Aktive Spezies Träger m (Kat)1 w (BS)2 X (BS)2 S (BDO)3 S (GHB)3 S (GBL)3 S (THF)3 CSTR4 5% Ru2 Aktivkohle 0,66 g 5,0% 53,5% 5,24% 34,2% 0% 0,6% 4% Ru / 1% Ir2 Aktivkohle 0,67 g 5,0% 45,2% 8,5% 41,2% 12,1% 0,1% 4% Re / 2% Pd2 Aktivkohle 0,67 g 5,0% 38,644% 8,2% 0% 11,0% 0,7% Trickle-Bed5 4% Re / 2% Pd2 Aktivkohle 14,27 g 5,2% 43,8% 46,9% 0% 0,6% 0% 4% Re / 2% Pd2 Al2O3 24,75 g 5,2% 89,8% 5,2% 16,1% 3,4% 0% 1Masse Katalysator (trocken) 2Massenanteil und Umsatz auf Bernsteinsäure bezogen 3Selektivität angegeben auf molarer Basis 4175 bar, 180 °C, Reaktionszeit = 20 h 5175 bar, 180 °C, LHSV = 0,5 h-1,V̇Feed = 20 mL h-1,vKat = 40 mL,V̇H 2 20 NL h-1 Table 1 below gives the following information:
  • The hydrogenation of the diammonium salt of succinic acid leads in the CSTR predominantly to the formation of γ-hydroxybutyric acid and γ-butyrolactone by partial reduction of one of the two carboxyl groups. In contrast, the hydrogenation in the Trickle Bed reactor using the catalyst leads to 4% by mass Re / 2% by mass Pd on activated charcoal carrier by reduction of both carboxyl groups mainly to the alcohol 1,4-butanediol.
Table 1: Summary of selected experiments on the hydrogenation of diammonium succinate (H 4 N + - OOC (CH 2 ) 2 COO - + NH 4 ) Active species carrier m (cat) 1 w (BS) 2 X (BS) 2 S (BDO) 3 S (GHB) 3 S (GBL ) 3 S (THF) 3 CSTR 4 5% Ru 2 activated carbon 0.66 g 5.0% 53.5% 5.24% 34.2% 0% 0.6% 4% Ru / 1% Ir 2 activated carbon 0.67 g 5.0% 45.2% 8.5% 41.2% 12.1% 0.1% 4% Re / 2% Pd 2 activated carbon 0.67 g 5.0% 38.644% 8.2% 0% 11.0% 0.7% Trickle Bed 5 4% Re / 2% Pd 2 activated carbon 14.27 g 5.2% 43.8% 46.9% 0% 0.6% 0% 4% Re / 2% Pd 2 Al 2 O 3 24.75 g 5.2% 89.8% 5.2% 16.1% 3.4% 0% 1 mass catalyst (dry) 2 mass fraction and conversion based on succinic acid 3 selectivity indicated on a molar basis 4 175 bar, 180 ° C, reaction time = 20 h 5 175 bar, 180 ° C, LHSV = 0.5 h -1 , V̇ Feed = 20 mL h - 1, v Cat = 40 mL, V̇ H 2 20 NL h -1

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Reaktorreactor
1111
Einlass für FlüssigkeitInlet for liquid
1212
Gaseinlassgas inlet
1313
Flüssigkeitsverteilerliquid distributor
1414
Katalysatorbettcatalyst bed
1515
Gasauslassgas outlet
1616
Auslass für FlüssigkeitOutlet for liquid
1717
Heizvorrichtungheater

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (18)

Verfahren zur Herstellung wenigstens einer hydrierten Verbindung aus einem Carbonsäurederivat, umfassend mindestens einen Schritt, in dem man das Carbonsäurederivat in Gegenwart wenigstens eines Katalysators mit Wasserstoff umsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Ammoniumsalz einer Carbonsäure in wässriger Lösung mit Wasserstoff zur Reaktion bringt.A process for preparing at least one hydrogenated compound from a carboxylic acid derivative comprising at least one step of reacting the carboxylic acid derivative with hydrogen in the presence of at least one catalyst, characterized by reacting an ammonium salt of a carboxylic acid in aqueous solution with hydrogen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man zuvor im Ammoniumsalz gebundenen Stickstoff in Form von Ammoniak freisetzt.Method according to Claim 1 , characterized in that one releases previously bound in the ammonium salt nitrogen in the form of ammonia. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man freigesetztes Ammoniak aus dem Reaktionssystem entfernt.Method according to Claim 2 , characterized in that liberated ammonia is removed from the reaction system. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man freigesetztes Ammoniak zumindest teilweise zurückgewinnt und zur erneuten Herstellung eines Ammoniumsalzes einer Carbonsäure einsetzt oder einer anderweitigen Verwendung zuführt.Method according to Claim 2 characterized in that released ammonia is at least partially recovered and used for the re-preparation of an ammonium salt of a carboxylic acid or feeds it to another use. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man das Ammoniak durch Auswaschen mit Wasser oder Auswaschen mit Säure oder Auswaschen mit mindestens einem Teil einer Fermentationslösung zurückgewinnt.Method according to Claim 4 , characterized in that recovering the ammonia by washing with water or washing with acid or washing with at least part of a fermentation solution. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als hydrierte Verbindung wenigstens eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe umfassend Alkohole, aliphatische oder cyclische Ether, Lactone und Hydroxycarbonsäuren hergestellt wird.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that as the hydrogenated compound at least one compound selected from the group comprising alcohols, aliphatic or cyclic ethers, lactones and hydroxycarboxylic acids is prepared. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei verschiedene hydrierte Verbindungen hergestellt werden und diese nachfolgend in wenigstens einem Trennschritt mittels wenigstens einer Destillation, Extraktion, Kristallisation und/oder mittels Trennung über eine Membran voneinander abgetrennt und gegebenenfalls durch weitere Schritte gereinigt werden.Method according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that at least two different hydrogenated compounds are prepared and these are subsequently separated from one another in at least one separation step by means of at least one distillation, extraction, crystallization and / or separation via a membrane and optionally purified by further steps. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man von einem Ammoniumsalz einer Monocarbonsäure oder einer Dicarbonsäure ausgeht.Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that starting from an ammonium salt of a monocarboxylic acid or a dicarboxylic acid. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man von einem Ammoniumsalz einer Carbonsäure ausgewählt aus der Gruppe umfassend Essigsäure, Propionsäure, Milchsäure, Bernsteinsäure, Adipinsäure, Sebacinsäure und Oxalsäure ausgeht.Method according to Claim 8 , characterized in that one starts from an ammonium salt of a carboxylic acid selected from the group comprising acetic acid, propionic acid, lactic acid, succinic acid, adipic acid, sebacic acid and oxalic acid. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man ein durch Fermentation gewonnenes Ammoniumsalz einer Carbonsäure hydriert, insbesondere ein Diammoniumsuccinat.Method according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that one hydrogenates an ammonium salt of a carboxylic acid obtained by fermentation, in particular a diammonium succinate. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man aus einer Diammoniumsuccinat-Lösung durch Hydrierung 1,4-Butandiol und/oder Tetrahydrofuran und/oder γ-Butyrolacton herstellt.Method according to Claim 10 , characterized in that one prepares from a Diammoniumsuccinat solution by hydrogenation 1,4-butanediol and / or tetrahydrofuran and / or γ-butyrolactone. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass man einen heterogenen Katalysator mit einem Katalysatorträger ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aktivkohle, Al2O3,TiO2, ZrO2, SiO2 und MgO bzw. Mischungen daraus verwendet.Method according to one of Claims 1 to 11 , characterized in that one uses a heterogeneous catalyst with a catalyst support selected from the group consisting of activated carbon, Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , SiO 2 and MgO or mixtures thereof. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Trägerkatalysator mit einer monometallischen aktiven Komponente verwendet, insbesondere umfassend mindestens ein Element ausgewählt aus Ru, Pd und Re.Method according to one of Claims 1 to 12 , characterized in that one uses a supported catalyst with a monometallic active component, in particular comprising at least one element selected from Ru, Pd and Re. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Trägerkatalysator mit einer bimetallischen aktiven Komponente verwendet, insbesondere umfassend eine Kombination von Metallen ausgewählt aus Ru/Ir, Ru/Rh, Re/Pd, Re/Rh.Method according to one of Claims 1 to 13 , characterized in that one uses a supported catalyst with a bimetallic active component, in particular comprising a combination of metals selected from Ru / Ir, Ru / Rh, Re / Pd, Re / Rh. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass man die Hydrierung in einem Batch-Reaktor, insbesondere einem „continuous stirred tank reactor“ (CSTR) durchführt, wobei durch partielle Reduktion einer der beiden Carboxylgruppen überwiegend γ-Hydroxybuttersäure und γ-Butyrolacton hergestellt werden. Method according to one of Claims 1 to 14 , characterized in that one carries out the hydrogenation in a batch reactor, in particular a "continuous stirred tank reactor" (CSTR), being prepared by partial reduction of one of the two carboxyl groups predominantly γ-hydroxybutyric acid and γ-butyrolactone. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass man die Hydrierung in einem Trickle-Bed-Reaktor mit Einsatzstrom und Wasserstoff im Gleichstrom oder in einem Trickle-Bed-Reaktor mit Einsatzstrom und Wasserstoff im Gegenstrom durchführt, wobei durch Reduktion beider Carboxylgruppen hauptsächlich 1,4-Butandiol hergestellt wird.Method according to one of Claims 1 to 14 , characterized in that one carries out the hydrogenation in a Trickle Bed reactor with feed stream and hydrogen in cocurrent or in a Trickle Bed reactor with feed stream and hydrogen in countercurrent, wherein mainly 1,4-butanediol is prepared by reduction of both carboxyl groups , Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass man die Hydrierung in einem Blasensäulenreaktor durchführt.Method according to one of Claims 1 to 14 , characterized in that one carries out the hydrogenation in a bubble column reactor. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrierung bei erhöhter Temperatur und/oder unter erhöhtem Druck, insbesondere in einem Autoklaven durchgeführt wird.Method according to one of Claims 1 to 17 , characterized in that the hydrogenation is carried out at elevated temperature and / or under elevated pressure, in particular in an autoclave.
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