DE102016220662A1 - Process for the preparation of at least one hydrogenated compound from a carboxylic acid derivative - Google Patents
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- C07D307/33—Oxygen atoms in position 2, the oxygen atom being in its keto or unsubstituted enol form
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
Die
Die kanadische Patentanmeldung
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.)
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
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:
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:
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:
Schließlich kann bei Reduktion beider Carboxyl-Gruppen und anschließender Ringbildung Tetrahydrofuran entstehen, auch abgekürzt mit THF bezeichnet, dessen Strukturformel nachfolgend wiedergegeben ist:
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.
-
1 a schematically simplified longitudinal section through an exemplary reactor which can be used in a method according to the invention.
Die in
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
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.
- 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.
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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