DE1227442B - Verfahren zur Herstellung von Benzolcarbon-saeuren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Benzolcarbon-saeuren

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DE1227442B
DE1227442B DEC20650A DEC0020650A DE1227442B DE 1227442 B DE1227442 B DE 1227442B DE C20650 A DEC20650 A DE C20650A DE C0020650 A DEC0020650 A DE C0020650A DE 1227442 B DE1227442 B DE 1227442B
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DE
Germany
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oxidation
oxygen
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acetic anhydride
reaction
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DEC20650A
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English (en)
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Dr Wolfgang Seeliger
Dr Heinrich Hahn
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Chemische Fabrik Kalk GmbH
Original Assignee
Chemische Fabrik Kalk GmbH
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/16Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation
    • C07C51/21Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen
    • C07C51/255Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of compounds containing six-membered aromatic rings without ring-splitting
    • C07C51/265Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides by oxidation with molecular oxygen of compounds containing six-membered aromatic rings without ring-splitting having alkyl side chains which are oxidised to carboxyl groups
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C67/00Preparation of carboxylic acid esters
    • C07C67/035Preparation of carboxylic acid esters by reacting carboxylic acids or symmetrical anhydrides with saturated hydrocarbons

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Description

  • Verfahren zur Herstellung von Benzolcarbonsäuren Bei erhöhter Temperatur und unter normalem oder erhöhtem Druck können alkylierte, aromatische Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Schwermetallkatalysatoren mit Sauerstoff bzw. diesen enthaltenden Gasgemischen in flüssiger Phase leicht zu den entsprechenden aromatischen Monocarbonsäuren oxydiert werden. Enthält der eingesetzte aromatische Kohlenwasserstoff mehrere kernständige Alkylgruppen, so wird in den meisten Fällen eine dieser Alkylgruppen zur Carboxylgruppe oxydiert, während die Oxydation der zweiten und jeder weiteren Alkylgruppe nur unter sehr scharfen Reaktionsbedingungen mit geringen Ausbeuten zu erreichen ist. Aromatische Carbonsäuren mit mehreren Carboxylgruppen im Molekül lassen sich jedoch nach dem gleichen Verfahren, aber unter milderen Reaktionsbedingungen und mit besseren Ausbeuten erzeugen, wenn an Stelle der alkylierten, aromatischen Kohlenwasserstoffe bzw. der entsprechenden Monocarbonsäure deren Ester als Ausgangsmaterial verwendet werden.
  • Nach einem anderen Verfahren sollen die zu oxydierenden alkylierten, aromatischen Kohlenwasserstoffe oder die Ester der alkylierten, aromatischen Monocarbonsäuren vor der Oxydation in mindestens der gleichen Gewichtsmenge wenigstens eines gesättigten, aliphatischen Kohlenwasserstoffs oder einer Fettsäure und/oder eines aliphatischen Ketons gelöst oder dispergiert werden. Mit dieser Maßnahme sollen eine Erniedrigung der Reaktionstemperatur sowie ein besserer Kontakt der zu oxydierenden Substanz mit dem Sauerstoff bzw. mit dem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch bewirkt werden. Die Oxydation der eingesetzten alkylierten, aromatischen Kohlenwasserstoffe oder der alkylierten, aromatischen Monocarbonsäureester kann unter normalem oder erhöhtem Druck durchgeführt werden und bringt im Vergleich zu dem erstgenannten Verfahren eine etwas bessere Ausbeute.
  • Die genannten Verfahren haben den Nachteil, daß die Oxydation der Alkylgruppen der eingesetzten alkylierten, aromatischen Kohlenwasserstoffe oder der alkylierten, aromatischen Monocarbons äureester erst nach einer längeren Induktionsperiode einsetzt.
  • Diese Induktionsperiode kann nach einem neueren Verfahren wesentlich abgekürzt bzw. ganz eliminiert werden, wenn dem Oxydationsgemisch eine kleine Menge eines organischen Säureanhydrids zugemischt wird. Die Menge des zuzusetzenden organischen Säureanhydrids soll in den seltensten Fällen bis zu 4 Gewichtsprozent der zu oxydierenden Substanz betragen und normalerweise zwischen 1 bis 2 Gewichtsprozent liegen.
  • Auch nach den beiden zuletzt genannten Verfahren läßt sich lediglich die erste Alkylgruppe eines aromatischen Kohlenwasserstoffs, der mehrere Alkylgruppen im Molekül enthält, verhältnismäßig leicht oxydieren, während die Oxydation der zweiten und folgenden Alkylgruppen nur unter sehr scharfen Reaktionsbedingungen mit geringen Ausbeuten bewirkt werden kann. Die Ester der aromatischen Carbonsäuren mit mehreren kernständigen Carboxylgruppen lassen sich jedoch auch nach diesem Verfahren aus den Estern der methylierten, aromatischen Monocarbonsäuren unter milderen Bedingungen mit besseren Ausbeuten herstellen. Zur Gewinnung der freien, aromatischen Carbonsäuren aus den auf diese Weise hergestellten Estern müssen diese nach ihrer Isolierung aus dem Oxydationsgemisch in einem zusätzlichen Verfahrensschritt verseift werden. Dieser Umweg über die Ester ist für die Herstellung der freien, aromatischen Carbonsäuren mit mehreren Carboxylgruppen insofern nachteilig, als durch die zusätzlichen Maßnahmen der Veresterung und der Esterverseifung nochmals Ausbeuteverluste in Kauf genommen werden müssen.
  • Es wurde nun gefunden, daß man Benzolcarbonsäuren durch Oxydation von Methylbenzolen mit Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen in Gegenwart von Essigsäureanhydrid und Schwermetallsalzen organischer Säuren bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck dadurch mit Vorteil herstellen kann, daß man die Oxydation von Gemischen aus einem Methylbenzol und Essigsäureanhydrid, die das Essigsäureanhydrid im Molverhältnis je Methylgruppe wie 1 : 1 bis 1:1,5 enthalten, in Gegenwart von etwa 0,4 bis 4,0 Gewichtsprozent an Kupfer-, Kobalt- oder Manganstearat oder deren Gemische, bezogen auf eingesetzes'- - Methylbenzol, mit 1,5 bis 5,0 Mol Sauerstoff je zu oxydierender Methylgruppe bei einer Temperatur von 120 bis 1600 C und einem Druck von 20 bis 25 at durchführt und das erhaltene Reaktionsgemisch in üblicher Weise aufarbeitet.
  • Als Ausgangsmaterial für die kontinuierliche und diskontinuierliche Durchführung dest - erfindungsgemäßen Verfahrens-dienen Methylbelizõle.
  • Diesen Methylbenzolen werden geringe Mengen - bezogen auf ihr Gewicht etwa 0,4 bis 4,0 Gewichtsprozent - bekannter Oxydationskatalysatoren zugefügt. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben sich die Stearate des Kupfers, Kobalts oder Mangans und deren Gemische als besonders wirksam erwiesen.
  • Diesem Gemisch werden ferner je Mol des Methylbenzols für jede der in dessen Molekül vorhandenen und zu oxydierenden Methylgruppen 1,0 bis 1,5 Mol Essigsäureanhydrid zugesetzt. Die erfindungsgemäß notwendige Gesamtmenge dieses Säureanhydrids kann vor Beginn der Oxydation mit dem Reaktionsgemisch vermischt werden. Wenn jedoch mehrere an einem Kern -eines Methylbenzols befindliche Methylgruppen oxydiert werden sollen, kann es vorteilhaft sein, dem Reaktionsgemisch vor Beginn der Oxydation nur eine Teilmenge des erfindungsgemäß benötigten Säureanhydrids und den Rest in einer oder mehreren Portionen während des Ablaufs der Oxydationsreaktion zuzusetzen.
  • Das in ein Druckgefäß eingefüllte Reaktionsgemisch wird auf eine-Temperatur von 100 bis 2000 C, vorzugsweise 120 bis 1600 C, erhitzt. Nach Einstellung der gewünschten Reaktionstemperatur wird vorteilhaft zuerst ein Inertgas oder ein - Gasgemisch aus inerten Gasen und Sauerstoff, wie beispielsweise Luft, und anschließend Sauerstoff in das Druckgefäß eingepreßt, bis darin der Gesamtdruck 20 bis 25 at beträgt und. je Mol, des Methylbenzols für jede der in dessen Molekül- -vorhandenen und zu oxydierenden, keruständigen Methylgruppen 1,5 bis 5,0 Mol Sauerstoff vorhanden sind. Der insgesamt notwendige Sauerstoff kann jedoch auch auf einmal gleichzeitig -mit dem-Inertgas zu Beginn der Oxydation oder nach der Einfühmng:des Inertgases in Portionen zu Beginn und im Verlauf der- Oxydation in das Druck gefäß eingepreßt werden, wobei die Ausschleusung der in dem Reaktionsgefäß befindlichen Gase erforderlich werden kann. Die letztgenannte Möglichkeit ist besonders dann vorteilhaft, wenn eine aromatische Carbonsäure mit - mehreren kernständigen Carboxylgruppen im~Molekül nach- dem Verfahren der Erfindung erzeugt werden soll.
  • ->Während der - Oxydation muß das Reaktion gemisch durch --ständige -l-ebhafte Bewegung in gutem Kontakt mit dem aufgepreßten- Sauerstoff gehalten werden. Nach beendeter Reaktion und Abkühlung des Reaktionsgemisches wird aus diesem- ein Gemisch -aus nicht umgesetztem Methylbenzol und der dem eingesetzten Säureanhydrid entsprechenden Säure sowie geringen Mengen von Zwischenprodukten der Oxydation; gegebenenfalls im Vakuum, abdestilliert.
  • -Im Destillationsrückstand findet sich die gewünschte Benzolcarbonsäure, die nach bekannten Verfahren gewonnen und anschließend gereinigt werden kann.
  • Aus dem Destillat wird die aus dem eingesetzten Essigsäureanhydrid entstandene - Essigsäure durch Destillati4n entfernt und der aus nicht umgesetztem Methylbenzol und Zwischenprodukten .: bestehende Destillationsrückstand wieder in das Verfahren zurückgeführt.
  • Durch den Zusatz des Essigsäureanhydrids zu dem Reäktionsgemisch wird derAblauf der'Oxydatibn von Methylbenzol nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in dreifacher Hinsicht günstig beeinflußt.
  • Der Zusatz dieses Anliydrids bewirkt, daß die Oxydation des Methylbenzols unter den erfindungsgemäßen Reaktionsbedingungen sofort nach dem Vermischen der Reaktionspartner einsetzt und keine Induktionsperiode zwischen diesen beiden Vorgängen liegt. Ferner bindet das Essigsäureanhydrid unter Bildung der entsprechenden freien Säure zum Teil oder vollständig das gegebenenfalls in geringen Mengen in dem Reaktionsgemisch vorhandene und während-der-Oxydation des Methylbenzols entstehende Wasser, das in größeren Mengen bekanntlich den Ablauf der Oxydationsreaktion empfindlich zu stören vermag. Die dabei entstehende aliphatische Carbonsäure beschleunigt als Lösungs- oder Verdünnungsmittel den Ablauf der Oxydationsreaktion und drängt offensichtlich die Bildung von Neben produkten zurück.
  • Beispiel 1 530 Gewichtsteile p-Xylol, 3,75 Gewichtsteile Kobaltstearat und 1,25 Gewichtsteile Manganstearat werden in einem Autoklav auf eine Temperatur von 1500 C erhitzt, die während des ganzen Reaktion; verlaufs aufrechterhalten wird. Nach Einstellung der Reaktionstemperatur wird zunächst Luft in den Autoklav eingepreßt, bis der Druck darin auf 25 at angestiegen ist. Unter Aufrechterhaltung dieses Drucks wird weiter-eine Luftmenge von 100 VStunde feinverteilt durch das lebhaft bewegte Reaktionsgemisch geleitet.
  • Im Verlauf von 100 Minuten werden dem Reak tionsgemisch 255,2 Gewichtsteile Acetanhydrid zugefügt. Nach Ablauf dieser Zeit wird der Versuch abgebrochen und das Reaktionsgemisch aufgearbeitet.
  • Zunächst werden 237 Gewichtsteile Essigsäure abdestilliert. Aus dem Destillationsrückstand kristalli sieren beim Abkühlen 192 g Toluylsäure aus, die von der Mutterlauge abgetrennt werden. Aus der Mutterlauge werden durch Destillation noch 172,4 Gewichtsteile p-Methylbenzylacetat isoliert. Entsprechend der zugesetzten Menge Acetanhydrid müsserl theoretisch 265 Gewichtsteile- p-Xylol umgesetzt werden. Tatsächlich werden 263,3 Gewichtsteile p-Xylol zu 192- Gewichtsteilen p-Toluylsäure und 172,4 Gewichtsteilen Methylbenzylacetat umgesetzt.
  • Dieses Beispiel: zeigt, daß von einer der zugesetzten Acetanhydridmenge entsprechenden p-Xylolr menge 99°/o in Oxydationsprodukte übergefuhrt werden. Diese Oxydationsprodukte bestehen--zu 52,80/0 aus p-Toluylsäure und zu 47,2 0/o - aus p-Methylbenzylacetat, das in einem weiteren Verfahreusgang mit frischem p-Xylol vermischt eingesetzt und zu p-Toluylsäure oxydiert werden kann Beispiel 2 In einem Autoklav werden 5 Mol Mesitylen, rnit 15 Mol Acetanhydrid und je .5,6 g Kupfer-, Kobalt-und Manganstearat vermischt. und nach Verschließen des Autoklavs-auf- eine Temperatur von 135P(: erhitzt, die während des ganzen .-Reaktionsverlaufes aufrechterhalten wird.
  • Nach Einstellung der Reaktionstemperatur wird zunächst Luft in den Autoklav eingepreßt, bis der Druck darin auf 20 at angestiegen ist, und anschließend langsam so viel Sauerstoff nachgedrückt, daß insgesamt 21 Mol Sauerstoff in dem Autoklav vorhanden sind.
  • Nach beendeter Reaktion wird der Autoklav abgekühlt und entspannt. Aus dem Reaktionsgemisch werden im Vakuum 1967 g einer Flüssigkeit abdestilliert, die 1275 g Essigsäure und 435 g nicht umgesetztes Mesitylen und Zwischenprodukte der Oxydationsreaktion enthält. Das nicht umgesetzte Mesitylen und die Zwischenprodukte werden nach Abtrennung der Essigsäure mit neuen Ausgangsmaterialien vermischt und für den nächsten Verfahrensablauf eingesetzt.
  • Der Destillationsrückstand besteht hauptsächlich aus 3,5-Dimethylbenzoesäure, die durch einmaliges Umkristallisieren rein erhalten wird. Die Ausbeute beträgt mit 257 g etwa 34,3 °/o der Theorie.
  • Beispiel 3 In einem Autoklav wird ein Gemisch aus 184 Gewichtsteilen Toluol und 306 Gewichtsteilen Acetanhydrid unter Zusatz von je 1 Gewichtsteil Kupfer-, Kobalt- und Manganstearat auf eine Temperatur von 1500 C erhitzt, die während des ganzen Verlaufs der Reaktion aufrechterhalten wird. Durch Einpressen von Luft wird der Druck in dem Autoklav auf 25 at eingestellt. Anschließend wird noch so viel Sauerstoff langsam nachgedrückt, daß insgesamt 256 Gewichtsteile Sauerstoff in dem Autoklav vorhanden sind.
  • Nach beendeter Reaktion wird der Autoklav abgekühlt und entspannt. Aus dem Reaktionsgemisch werden 356 Gewichtsteile eines Gemisches abdestilliert, das 251 Gewichtsteile Essigsäure, 92 Gewichtsteile Acetanhydrid und geringe Mengen an Zwischenprodukten der Oxydationsreaktion enthält. Durch Umkristallisieren werden aus dem Destillationsrückstand 221 Gewichtsteile Benzoesäure (91 0/o der Theorie) rein erhalten.

Claims (1)

  1. Patentanspruch: Verfahren zur Herstellung von Benzolcarbonsäuren durch Oxydation von Methylbenzolen mit Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen in Gegenwart von Essigsäureanhydrid und Schwermetallsalzen organischer Säuren bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, d a d u r c h gekennzeichnet, daß man die Oxydation von Gemischen aus einem Methylbenzol und Essigsäureanhydrid, die das Essigsäureanhydrid im Molverhältnis je Methylgruppe wie 1: 1 bis 1: 1,5 enthalten, in Gegenwart von etwa 0,4 bis 4,0 Gewichtsprozent an Kupfer-, Kobalt- oder Manganstearat oder deren Gemische, bezogen auf eingesetztes Methylbenzol, mit 1,5 bis 5,0 Mol Sauerstoff je zu oxydierender Methylgruppe bei einer Temperatur von 120 bis 1600 C und einem Druck von 20 bis 25 at durchführt und das erhaltene Reaktionsgemisch in üblicher Weise aufarbeitet. ~~~~~~~~~ In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1 181 351; britische Patentschrift Nr. 797 475; USA.-Patentschriften Nr. 2 727 919, 2696499.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2696499A (en) * 1952-07-01 1954-12-07 Richfield Oil Corp Preparation of toluic acids
US2727919A (en) * 1952-08-21 1955-12-20 Hercules Powder Co Ltd Process for oxidizing polyalkylaromatic hydrocarbons and derivatives thereof using an acid anhydride catalyst
GB797475A (en) * 1955-07-22 1958-07-02 Olin Mathieson Improvements in or relating to process of an aromatic carboxylic acid
FR1181351A (fr) * 1956-08-20 1959-06-15 Ici Ltd Procédé d'oxydation des hydrocarbures

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