DE1143507B - Verfahren zur Herstellung von aromatischen oder sich aromatisch verhaltenden heterocyclischen Carbonsaeuren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von aromatischen oder sich aromatisch verhaltenden heterocyclischen Carbonsaeuren

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DE1143507B
DE1143507B DEJ12100A DEJ0012100A DE1143507B DE 1143507 B DE1143507 B DE 1143507B DE J12100 A DEJ12100 A DE J12100A DE J0012100 A DEJ0012100 A DE J0012100A DE 1143507 B DE1143507 B DE 1143507B
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William Alexander O'neill
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Description

JÜÜk
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Oxydation von organischen Verbindungen mit Hilfe von Sauerstoff oder einem Sauerstoff enthaltenden Gas.
Es ist bekannt, organische Verbindungen mit Hilfe von molekularem Sauerstoff entweder in der flüssigen oder in der Dampfphase zu oxydieren und diese Reaktionen mit Hilfe von Katalysatoren zu beschleunigen. Unter den brauchbaren Katalysatoren sind gewisse Metalle variabler Wertigkeit. Beispielsweise beschreibt die USA.-Patentschrift 2 245 528 die Oxydation von alkylsubstituierten aromatischen Verbindungen in Lösungsmitteln wie Essigsäure mit Unterstützung mehrwertiger Metalle, beispielsweise Kobalt und Mangan mit einem Atomgewicht zwischen 50 und 200, und in der USA.-Patentschrift 2 276 774 wird ein Verfahren beansprucht zur Oxydation von Alkylbenzolen in flüssiger Phase in Gegenwart von Kobalt und einer in Essigsäure löslichen Verbindung von Blei oder Barium, wobei das Verfahren in einem aus chromhaltigem Stahl hergestellten Behälter durchgeführt wird. Man hat auch gefunden, daß derartige Oxydationsreaktionen durch Zusatz von Brom oder bromhaltigen Stoffen unterstützt werden. Die USA.-Patentschrift 2 415 800 offenbart die Oxydation von alkylaromatischen Verbindungen in der Dampfphase mit Hilfe von Sauerstoff und Bromwasserstoff, und die deutsche Auslegeschrift 1 081 445, welche nach dem Anmeldetag der vorliegenden Erfindung veröffentlicht worden ist, betrifft die Herstellung von aromatischen Di- und Polycarbonsäuren durch Oxydation der entsprechenden alkylsubstituierten Kohlenwasserstoffe in einem organischen Lösungsmittel, wobei sowohl ein Schwermetall als auch Brom zugegen ist.
Die Erfindung betrifft die Herstellung von aromatischen Carbonsäuren durch Oxydation von alkylsubstituierte oder teilweise oxydierte alkylsubstituierte Gruppen enthaltenden Verbindungen bei erhöhter Temperatur in flüssiger wäßriger Phase. Es hat sich gezeigt, daß unter diesen Bedingungen die Oxydationsreaktion in Gegenwart einer katalytischen Menge von Bromionen bzw. von dem Ausgangsprodukt dieser Ionen voranschreitet und der Zusatz von katalytischen Metallen nicht wesentlich ist. Die Verwendung von Wasser als Reaktionsmedium ist verständlicherweise einfacher und wirtschaftlicher als die von organischen Lösungsmitteln und die Korrosion von metallischen Reaktionsbehältern geringer. Die Oxydation in wäßrigen Medien ist besonders wirksam, wenn die zu oxydierende Gruppe eine Methylgruppe ist und wenn eine Substituentengruppe mit polarem Charakter in Verfahren zur Herstellung von aromatischen oder sich aromatisch verhaltenden
heterocyclischen Carbonsäuren
Anmelder:
Imperial Chemical Industries Limited,
London
Vertreter: Dr.-Ing. H. Fincke, Dipl.-Ing. H. Bohr und Dipl.-Ing. S. Staeger, Patentanwälte,
München 5, Müllerstr. 31
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 24. August, 4. November 1955,
20. Februar 1956, 14. März, 29. März und 3. August 1956 (Nr. 24 330, Nr. 24 331, Nr. 31 558, Nr. 5140, Nr. 5141,
Nr. 7954 und Nr. 9869)
James Eric Mclntyre
und William Alexander O'Neill, Harrogate
(Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden
dem Ausgangsmaterial zugegen ist, wodurch eine gewisse Löslichkeit in Wasser erreicht wird. Die wäßrige Methode kann jedoch zum Oxydieren von alkylsubstituierten Verbindungen mit sehr niedriger Wasserlöslichkeit benutzt werden, wenn eine geringe Menge eines Metallkatalysators eingeführt wird.
Die Erfindung betrifft nunmehr ein Verfahren zur Herstellung von aromatischen oder sich aromatisch verhaltenden heterocyclischen Carbonsäuren durch Oxydation von alkylsubstituierten aromatischen oder sich aromatisch verhaltenden heterocyclischen Verbindungen in flüssigem Zustand bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in Gegenwart von Bromionen und gegebenenfalls von Schwermetallsalzen verschiedener Wertigkeit, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein Gemisch aus der zu oxydierenden aromatischen Verbindung und Wasser im Verhältnis 1 : 10 bis 1 : 50 als Ausgangsmaterial verwendet.
309 509/281
Das Brom kann dem Reaktionsgemisch als sSblciies' oder in Form einer bromhaltigen Verbindung* ,^h" anorganischem oder organischem Charakter zugesetzt werden". Vorzugsweise wefcferi bromhaltige Stoffe berlulzt, welch! zumindest in gewissem Maße in Wasser löslich,sjnd;, beispielsweise hat es sich gezeigt, daß JsTätritiffiiJrbrrilil füf 3en vorliegenden Zweck geeignet
Als Verbindungen; weiclie in Wasser in Abwesenheit von Metallkatalysatoren erfolgYelbH dxydiert worden sind, sind Toluylsäuriii, fctimihiätire' Nitrotuole, Picoline und Acetophenon ieeiftM. Man hat weniger losliche Stoffe wie p-Dnsopropylbenzol in Gegenwart einer geringen Menge Vanadium sehr wirksam oxydiert. Das vorliegende Verfahren bildet daher ein wertvolles Mittel, hiit dem terephthalsäure, ein Stoff von großer Bedeutung für die Polyesterfabrikation, billig hergestellt werden kann.
Beispiel 1
p-Toluylsäure, Wasser und die nachstehend aufgeführten Bromverbindungen werden entweder in einen Autoklav aus rostfreiem Stahl (A) oder in einen solchen, der innen emailliert ist (B), eingebracht. Beide Autoklaven sind mit einer mechanischen Rührvorrichtung versehen. Dem Autoklav wird Sauerstoff mit einem Druck von 31,5 kg/cma zugeführt. Der Autoklav wird auf 2000C erhitzt, nach 2 Stunden abgekühlt und die Reaktionsprodukte isoliert. Die erhaltenen Terephthalsäufeausbeuten sind in der Tabelle 1 angegeben.
Tabelle
p-Toluylsäure
TeUe		 Wasser
TeUe		 Zugesetzte Verbindungen
Teile		 3 Autoklav Ausbeute an Te
auf zugesetzte....
p-Toiüyls'äure bezogen		 rep'hthälsäure, °/o
auf verbrauchte
p-TolüyMure bezogen
60 600 Bromwasserstoff 5 Ä 44 81
40 400 Äthylbromid 2 A 67 83
40 400 Bromwasserstoff 5 B 89 96
40 4ÖÖ Natriürribroinid B 88 96
Zum Vergleich wird das „Verfahren in einem Falle ohne Zusatz yöh Brdrnid und im änderen Fälle unter Zusatz von Chlorwasserstoff an Stelle eines Bromids durchgeführt. Die Ergebhisse sind folgende:
Tabelle
p-Toluylsäure
Teüe
Wasser
Teile
Zugesetzte Verbindungen
Teile Autoklav
Ausbeute an Terephthalsäure, °/o
S1Uf zugesetzte .
p-Tolüyisäüre bezogen
,. auf verbfauchte ^. p-Toluylsäüre bezogen.
60
60
600
600
Chlorwasserstoff A
A
7
15
17 46
Die , erhaltene Verbesserung durch Zusatz eines Bromids ist deutlich Zu ersehen. Da derartig hohe Ausbeuten; bezogen auf die verbrauchte Töluylsäure, erhalten werdeii, ist tfäs Verfahren für eine koritlflüierliche Arbeitsweise gut geeignet, wobei die rücht-Öxydierte Tdldylsäüre dem Ä'utökläY wieder zugeführt wird.
Beispiel 2
Je 20 Teile der in Tabelle 3 genannten.Ausgangsstoffe werden zusärhmen mit 2ÖÖ Teilen 20/Qigeni wäßrigem Bromwässerstoff in eirieri mit einer Glasaüskleidung verseherien rotierendeii Autoklav eingebracht und SauerstÖffgäs unter einem Drück von 28 kg/cm^ eitigeleitet. Der Autoklav wird unter Rotieren 2 Stünden äüf loO°C erhitzt, dann abgekühlt und die Reaktionsprodukte isoliert.
Tabelle 3
Oxydierte
Verbindung
o-Toluylsaure
m-Tpiuyisäure
p-Äldehydbenzoesäure
Produkt
Phthalsäure
Isophthalsäure
Terephthalsäure
Ausbeute in °/ö, bezogen auf
zugesetztes
Ausgangs-
rnateriai
82 93 96
verbrauchtes
Aysgajigs-
rnaterial
93 97 99
Dieses Beispiel läßt die durch das erfihduhgsgeniäße Verfahren erhaltenen hohen Ausbeuten er-
kennen. Diese Ausbeuten sind höher, als sie bei dem bisher üblichen einstufigen Oxydationsverfahren unter Verwendung von Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas erhalten werden.
Beispiel 3
Je 80 Teile der in Tabelle 4 genannten Ausgangsstoffe, 900 Teile Wasser und Bromwasserstoff in der in Tabelle 4 angegebenen Menge werden in einen aus rostfreiem Stahl bestehenden Autoklav eingebracht, der mit einem Rückflußkühler versehen ist. Der Autoklav wird auf 200° C erhitzt und durch die flüssigen Phasen Luft unter einem Druck von 26,6 kg/ cm2 mit einer Geschwindigkeit von 120 i/Stunde (gemessen bei Atmosphärendruck) geleitet. Es tritt eine gewisse Korrosion des Autoklavs ein. Nach der angegebenen Behandluhgszeit wird der Autoklav abgekühlt und entleert, und es werden die folgenden Produkte isoliert.
Tabelle 4
Oxydierte
Verbindung		 Brom
wasser
stoff
Teile		 Behand-
lüngs-
däüer
Stünden		 Produkte Ausbeute
7o
p-Xylol
Aceto
phenon
p-Diiso-
propyl-
benzol		 4
10
4		 16,5 j
20
20		 Terephthal
säure
p-Tolüyl-
saure
Benzoe
säure
Terephthal
säure		 29
37
74
40
Beispiel 4 Tabelle 5
Prozent Produkt Prozent
gehali an ί l vU Ll !ν L Ausbeute,
Oxydierte Brom bezogen auf
Verbindung wasserstoff zugesetztes
p-Sulfo- Aüsgahgs-
1 benzoesäure materiäl
p-Toluol- ρ-Nitro 41
sulfonsäure 5 benzoesäure
p-Nitro- 88
toluol
25
30
35
40
Wenn, zum Vergleich ein Versuch gemacht wird, das p-Diisopropylbenzol ohne Zusatz von Bromid unmittelbar zu Terephthalsäure zu oxydieren, wird eine sehr geringe Ausbeute an Terephthalsäure erhalten.
Es ist festzustellen, daß, da an der Oberfläche des Autoklavs aus rostfreiem Stahl eine ,gewisse Korrosion auftritt, es möglich ist, daß das Eisen durch katalytische Wirkung die Oxydation unterstützt. p-Toluolsulfonsäure ist ein Stoff, der sich nicht leicht oxydieren läßt, mit Ausnahme durch kräftige Oxydationsmittel, wie beispielsweise alkalisches Kaliumpermanganat.
Beispiel 5
10 Teile y-Picolin unÜ 120 Teile lö%igei Bromwasserstoff, werden in einen mit einer Rührvorrichtung ausgestatteten emaillierten Autoklav eingebracht und Sauerstoffgas unter einem Druck von 31,5 kg/cm4 eingeleitet. Der Autoklav wird unter Rühren auf 2000C erhitzt. Nach 5stündiger Behandlung ,bei 2QO0C wird er abgekühlt und.die ReäktipnspfÖclukte entnommen. Es werden 4,3 Teile nicht umgesetztes y-Picolin wiedergewönnen.. Durch Ausfällen aus säurer Losung mit eiriein Überschuß an i<Cupfer4ce1;at,wer4eh 10,3 Teile Küpierisoriicö'tihät (Stickstoffgeriäit 7 °/o) erhalten. Die Ausbeute an Isonicotinsäure Beträgt 84 °/0, bezogen auf das verbrauchte y-Picblin.
Beispiel 6
In ein Glasrohr, das 2 Teile p-Diisopropylbenzol, 100 Teile Wasser, 5 Teile Bromwasserstoff und die in der Tabelle 6 angegebenen Katalysatormengen enthält, wird ein kleineres oben offenes Rohr eingeführt, das iÖO Teile Wasserstoffperoxyd von 100 Volumprozentiger Stärke enthält. Das äußere Rohr wird verschlossen μηα auf 80 bis 1000C erhitzt, um das Wasserstoffperoxyd zu Sauerstoff zu zersetzen. Dann wird das Rohr 4 Stunden auf 200° C erhitzt, abkühlen gelassen und geöffnet. Terephthalsäure wird in den angegebenen Mengen isoliert.
Tabelle 6
55
In ein Glasrohr, welches je 5,5 Teile eines der in Tabelle 5 aufgeführten Ausgangsstoffe und 100 Teile wäßrigen Bromwasserstoff mit der in" Tabelle 5 angegebenen Konzentration enthält, wird ein kleineres Rohr eingeführt, das oben offen ist und 10Ö Teile Wasserstoffpferoxyd von iöö Volumprozent Stärke enthält. Das äußere Rohr wird verschlossen und auf 80 bis ί 00 0C erhitzt, um das Waäserstöffperoxyd in Sauerstoff zu, zersetzen. Dann wird das Rohr 2 Stunden auf 200° C erhitzt, abkühlen gelassen und geöffnet. Es werden die folgenden Produkte isoliert.
Ver
such
Nr.		 Katalysator Menge
in
Teilen		 Terephthal
säure
in Teilen
1
2
3
4
5		 Ammoniumvariadät ...
Ferrosulfat
Kupferacetat
Kupferacetat/Kobalt
acetat
Kupferäcetat/Ferro-
sulfat 		1
1
1
0,5/0,5
0,5/0,5
0,5/0,5
0,5/05
0,5/0,5
0,5/0,5		 1,2
0,97
0,78
0,99
0,75
0,79
1,12
0,85
0,71
6
7
8
9		 Ferrosulfat/Vänadium-
pentoxyd
Manganacetat/
Vanädiumpentoxyd..
Kobaltacetat/
Vänadiumpentoxyd..
Ferrosulfat/Nickelsulfat
Diese Beispiele veranschaulichen die Oxydation von Diisopropylbenzol in Gegenwart von Bromwasserstoff und von verschiedenen bekannten Oxydationskatalysatoren. p-Diisopropylbenzol läßt sich schwierig direkt zu Terephthalsäure oxydieren. Bei Anwendung derselben Katalysatoren, jedoch ohne Bromwasserstoffzusatz, wird weniger als 0,1 Teil Terephthalsäure erhalten. Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß von den verschiedenen angegebenen Katalysatoren Ammonium-
mit Bromwasserstoff die
vanadat in Verbindung
besten Ergebnisse liefert.
Beispiel 7
Die folgenden Versuche erläutern die Oxydation von organischen Verbindungen nach dem Verfahren des Beispiels 6. Die Tabelle 7 gibt die Verbindungen, den Katalysator (1 Teil in jedem Fall) und die Menge des erhaltenen Produktes an. In allen Fällen werden 2 Teile des Ausgangsmaterials benutzt.
Tabelle
Ausgangsmaterial Katalysator Behandlungszeit
bei 2000C
Stunden		 Produkt Menge
Teüe
Acetophenon Ammoniumvanadat 6 Benzoesäure 1,2
Äthylbenzol
Isopropylbenzol		 Vanadiumpentoxyd 4
4		 Benzoesäure
Benzoesäure		 0,9
1,2
Cuminsäure Vanadiumpentoxyd 4 Terephthalsäure 1,65
Hydroxycuminsäure Vanadiumpentoxyd 4 Terephthalsäure 1,03
Ohne Anwendung eines Katalysators werden nur geringe Ausbeuten erzielt. So ergibt Hydroxycuminsäure nur eine Ausbeute von 0,07 Teilen Terephthalsäure. Ohne Anwendung von Bromwasserstoff werden ebenfalls sehr geringe Ausbeuten erhalten, in einigen Fällen so geringe, daß das Endprodukt nicht identifiziert
werden konnte. _ . . , „ Beispiel 8
Jeweils 10 Teile der in Tabelle 8 genannten organischen Verbindungen werden zusammen mit der angegebenen Menge an Metallbromiden und 300 Teilen Wasser in einem Autoklav unter einem Sauerstoffdruck von 30 Atmosphären auf 2000C erhitzt und 3 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Das Produkt wird abgekühlt und filtriert. Das filtrierte Produkt enthält Terephthalsäure und wird in einer Menge erhalten, die den in der Tabelle 8 angegebenen Ausbeuten, bezogen auf das Gewicht des ursprünglich benutzten p-Diisopropylbenzols, entspricht.
Tabelle
Ausgangsmaterial
Katalysator Menge
Teile
Manganbromid 0,2
Ferrobromid 0,2
Kupferbromid 0,2
Manganbromid
Kupferbromid		 0,1
0,1
Kupferbromid 0,1
Kupferbromid 0,1
Kupferbromid 0,1
Ausbeute
p-Diisopropylbenzol
p-Diisopropylbenzol
p-Diisopropylbenzol
p-Diisopropylbenzol
Cuminsäure
«A'-Dihydroxydiisopropylbenzol
p-Diacetylbenzol
45 53 58
60
80,5 52,2 61,5
In diesem Beispiel liegen der Katalysator und das Brom in Form eines Metallbromidkatalysators vor. Wenn unter den gleichen Bedingungen p-Diisopropylbenzol oxydiert wird und die Mangan- und Kupferbromide, welche in Kombination angewandt werden, durch ein Gemisch ihrer Chloride oder Sulfate ersetzt werden, beträgt die Ausbeute an Terephthalsäure 10 bzw. 16%· Wenn mit einem Mangan- und Kupferacetat-Gemisch gearbeitet wird, kann keine Terephthalsäure identifiziert werden.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Herstellung von aromatischen oder sich aromatisch verhaltenden heterocyclischen Carbonsäuren durch Oxydation von alkylsubstituierten aromatischen oder sich aromatisch verhaltenden heterocyclischen Verbindungen in flüssigem Zustand bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in Gegenwart von Bromionen und gegebenenfalls von Schwermetallsalzen ver-
9 10
schiedener Wertigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß oxydierbare Substituentengruppe mit polarem Cha-
man ein Gemisch aus der zu oxydierenden aro- rakter enthält, als Ausgangsmaterial verwendet,
matischen Verbindung und Wasser im Ver- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
hältnis 1:10 bis 1: 50 als Ausgangsmaterial ver- zeichnet, daß man als Oxydationskatalysator ein
wendet. 5 Vanadiumsalz verwendet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
zeichnet, daß man methylsubstituierte aromatische In Betracht gezogene Druckschriften:
Verbindungen, die mindestens eine andere nicht- USA.-Patentschriften Nr. 2 415 800. 2 276 774.
© 309 509/281 2.63
DEJ12100A 1955-08-24 1956-08-22 Verfahren zur Herstellung von aromatischen oder sich aromatisch verhaltenden heterocyclischen Carbonsaeuren Pending DE1143507B (de)

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