DE19513493C1 - Verfahren zur Herstellung von Polytetramethylenetherglykoldiester an Aluminium-Magnesiumsilikat Katalysatoren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Polytetramethylenetherglykoldiester an Aluminium-Magnesiumsilikat KatalysatorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Polytetramethylenetherglykol(PTMEG)diester durch Polymerisation von
Tetrahydrofuran (THF) in Gegenwart von Carbonsäureanhydrid mit einem
Magnesium-Aluminium-Hydrosilikat-Katalysator, der durch Erhitzen auf 200-600°C
aktiviert wurde. Die natürlich vorkommenden Mineralien Sepiolit und bevorzugt
Attapulgit sind geeignete Ausgangsprodukte für die neuen erfindungsgemäßen
Katalysatoren.
Die Polymerisation von THF durch Oxoniumionenkatalyse wurde als Ergebnis der
grundlegenden Arbeiten von H. Meerwein et al. bekannt (Angew. Chemie 72, (1960),
927) und wird umfassend in der Monographie "Polytetrahydrofuran" von P. Dreyfuß,
Gordon a. Breach Sc. Publishers, New York, London, Paris 1982 abgehandelt.
In der Deutschen Patentschrift PS 29 16 653 wird ein Polymerisationsverfahren für
THF beschrieben, bei dem die Polymerisation von in einem separaten Schritt
gereinigtem THF durch im Festbett angeordneter Bleicherde in Anwesenheit von
Carbonsäureanhydrid erfolgt. Bleicherden sind natürlich vorkommende
Aluminiumsilicate mit einer kryptokristallinen Dreischichtstruktur des Montmorillonit-
Minerals. Das aus Lagerstätten gewonnene Mineral zeigt von Vorkommen abhängige
variable physikalische und chemische Eigenschaften auf. Insbesondere die Aktivität
der Katalysatoren ist nicht konstant, sondern schwankt von Charge zu Charge. Dies
ist trotz des niedrigen Preises ein gravierender Nachteil für die gewerbliche Nutzung
der Bleicherden als Katalysatoren. Ähnlich verhalten sich Kaolin und Zeolithe, die in
der PCT-Anmeldung WO 94/05719 für die THF-Polymerisation vorgeschlagen
wurden. Nachteilig ist zusätzlich, daß nur extrem reines THF ein gewerblich nutzbares
Polymerisat liefert. Der vorliegenden Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde die
Polymerisation von THF in bezug auf die technische Ausführungsform zu
vereinfachen und reproduzierbarer zu gestalten. Die Vorteile des in der Deutschen
Patentschrift PS 29 16 653 beschriebenen Verfahrens insbesondere die der
Festbettkatalyse, sollten aber erhalten bleiben.
Überraschenderweise zeigte sich, daß zu Formkörpern verpreßter im wesentlichen
wasserfreier gegebenenfalls durch Säurebehandlung oder durch thermische
Zersetzung von Ammoniumverbindungen protonierter Sepiolit und Attapulgit, die
suspendiert oder besser in ein stationäres, fest angeordnetes Katalysatorbett
eingebracht werden, eine Mischung aus THF und Carbonsäureanhydrid mit hoher
Polymerisationsgeschwindigkeit in Polytetrabutylenetherglykolcarbonsäureester mit
niedriger Farbzahl reproduzierbar und über ungewöhnlich lange Zeiträume
umwandelt. THF bedarf anders als bei der Verwendung von Bleicherden, Zeolithen
oder Kaolin keiner besonderen Reinigung. Es kann sogar mit wasserhaltigem THF
(z. B. 1% Wasser) polymerisiert werden. Durch den Einsatz besonders von Attapulgit
als Katalysator gelingt es Polymerisate herzustellen, die sich durch eine sehr niedrige
Farbzahl, eine enge Molekulargewichtsverteilung und einen extrem niedrigen Gehalt
an verunreinigenden Kronether auszeichnen. Attapulgit wird im erfindungsgemäßen
Verfahren bevorzugt verwendet.
Der Katalysator weist eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer auf und begründet u. a.
auch dadurch die bessere Umweltverträglichkeit des neuen Verfahrens.
Sepiolit und Attapulgit sind in der Natur weit verbreitete hydratisierte Magnesium-
Aluminium-Hydrosilikate, die ohne besondere Aktivierung mit Säuren saure Zentren
besitzen. Im Vergleich zu den oben erwähnten Katalysatoren reagieren diese neuen
Katalysatoren deshalb neutral oder schwach basisch. Sie enthalten keine Restsäure
und sind deshalb nicht korrosiv. Es ist natürlich möglich zusätzliche saure Zentren
durch Behandlung mit anorganischen Säuren wie z. B. Salzsäure oder
Ammoniumchlorid zu erlangen.
Katalysatoren für den erfindungsgemäßen Prozeß sind beispielsweise als Attapulgus
Clay oder Folrida Erde bekannt. Die bevorzugten Katalysatoren bestehen
überwiegend aus dem Mineral Attapulgit, das aus dreidimensionalen Ketten mit der
idealen chemischen Zusammensetzung (OH₂)₄(OH)₂Mg₅Si₈O₂₀ × 4H₂O.
Im Gegensatz zu den Tonerden und Kaolin enthalten Attapulgit und Sepiolit
Magnesium, ein stärker basisches Element als Aluminium, und sollte deshalb
kationisch weniger wirksam sein.
Durch Extrusion und gezielte Calcination werden dem natürlichen Attapulgit Wasser
entzogen. Durch Mahlen und Sieben erhält man Granulat oder pulverförmige
Qualitäten, die im Festbett oder Suspensionsverfahren eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäß zu verwendeten Katalysatoren sollen vor ihrer Verwendung
einige Zeit z. B. 0,5 bis 10 Stunden bei Temperaturen zwischen 200 und 600°C
getempert werden. Durch diese Maßnahmen wird der Wassergehalt erniedrigt und
die Reaktivität formiert.
Das im Katalysatorfestbett eingesetzte Granulat hat z. B. ein Korngrößenspektrum von
418 mesh = 2,4-4,75 mm. Man kann auch Attapulgitpulver mit Wasser anteigen, zu
Formkörpern verpressen und calcinieren.
Anstelle der natürlich vorkommenden Mineralien lassen sich auch synthetische
Aluminium-Magnesium-Hydrosilikate verwenden.
Für die Polymerisation des THF wird nur eine geringe Menge des Katalysators
benötigt. Die trockenen Katalysatorkörper werden in einem Reaktionsgefäß,
beispielsweise einem Röhren- oder Schachtofen aufgeschüttet. Die gewählte
Dimension der Schüttung wird vorzugsweise von der Notwendigkeit bestimmt, die
Polymerisationswärme abzuführen. Es kann auch nützlich sein, das Reaktionsprodukt
ganz oder zum Teil im Kreis über die Schüttung zu pumpen, um in einem
Wärmeaustauscher durch Kühlen oder Erwärmen für eine isotherme
Reaktionsführung längs des Ofens zu sorgen. Im allgemeinen genügt ein Kreisstrom
der etwa das 3- bis 10fache des Reaktorvolumens stündlich ausmacht. Bei
kontinuierlicher Polymerisation fügt man dem Kreislaufprodukt das 0,01-0,1fache
der stündlichen Kreislaufmenge Frischlauf als THF und Carbonsäureanhydrid zu.
Ein geeigneter Reaktor für die erfindungsgemäße Polymerisation ist auch ein
rotierender Korb gefüllt mit Granulat, der sich in einem thermostatisierbaren Reaktor
befindet, der zusätzlich noch mit einem Rührpaddel ausgestattet sein kann.
Unerwartet und technisch fortschrittlich im Vergleich zu der bisher bekannten
Verfahrensweise wie sie z. B. in dem Deutschen Patent 29 16 653 beschrieben wird,
entstehen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Produkte mit einer sehr engen
Molekulargewichtsverteilung und einem vernachlässigbar geringen Anteil von weniger
0,1 Gew.-% an verunreinigenden Kronether. Während marktgängiges
Polytetramethylenetherglykol (PTMEG) mit der Molmasse 1000 durch den
Einheitlichkeitsquotienten Mw/Mn von 1,6 bis 1,8 charakterisiert wird, entsteht
erfindungsgemäß ein Produkt mit dem Quotienten Mw/Mn von 1,2 bis 1,4. Dieses
eignet sich besonders für die Herstellung elastischer Polyurethanfaser oder
thermoplastischer Polyurethane mit gutem Tieftemperaturverhalten.
Der im wesentlichen wasserfreie Attapulgit und Sepiolit entfaltet erst in Gegenwart
des Promotors Carbonsäureanhydrid seine katalytische Wirkung. Vorteilhafterweise
verwendet man solche Carbonsäureanhydride, die sich von aliphatischen oder
aromatischen Poly- und/oder vorzugsweise Monocarbonsäuren mit 2 bis 12,
vorzugsweise 2 bis 8 Kohlenstoffatomen ableiten. Genannt seien z. B.
Essigsäureanhydrid, Propionsäureanhydrid, Buttersäureanhydrid oder Acrylsäure-
und Methacrylsäureanhydrid sowie Bernsteinsäureanhydrid. Auch gemischte Anhydride
und Anhydridgemische sind verwendbar. Bevorzugt wird schon aus Preisgründen
Essigsäureanhydrid.
Wie bereits erwähnt, können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Diester von
Polybutylenglykol von beliebigem Polymerisationsgrad hergestellt werden. Die
Carbonsäureanhydridkonzentration der Polymerisationsmischung bestimmt den
Polymerisationsgrad. Je niedriger die Anhydridkonzentration gewählt wird, um so
höhere Molekulargewichte werden erreicht und umgekehrt. Als Orientierungswerte für
eine Reaktionstemperatur von 50°C können folgende Angaben dienen:
Zur Durchführung der Polymerisation werden Festbettkatalysatoren in einem
geeigneten Reaktionsgefäß z. B. bei der bevorzugten Ausführungsform der
Polymerisation in Abwesenheit einer Gasphase nach der sogenannten
Sumpffahrweise mit dem Reaktionsgemisch z. B. durch Umpumpern in Berührung
gebracht. Die bei der Polymerisation entstehende Reaktionswärme wird in geeigneter
Weise abgeführt. Man kann auch bei der einfachsten Form der Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens die Katalysatorschüttung einfach mit dem
Polymerisationsgemisch überstellen und die Umsetzung z. B. adiabatisch
durchzuführen. Bei sehr aktiven Katalysatoren begrenzt siedendes THF die
Maximaltemperatur bei ca. 65°C. Bei dieser Reaktionsführung ist die Polymerisation
nach ca. 30 bis 60 Minuten zu Ende.
Im allgemeinen wird man die Polymerisation bei Drücken zwischen 0 bis 25 bar und bei
Temperaturen zwischen 10 bis 60°C ausüben. Niedrigere oder höhere Drücke und
Temperaturen bringen keine Vorteile.
In den meisten Fällen wird man die Polymerisation bis zum vollständigen Umsatz des
Carbonsäureanhydrids ablaufen lassen. Je nach Polymerisationstemperatur sind
dann, wenn im Bereich von 30 bis 55°C polymerisiert wurde, 40 bis 75 Gew.-% des
eingesetzten THF umgesetzt. Nicht reagiertes THF gewinnt man bei der destillativen
Aufarbeitung des Reaktionsproduktes wieder, und kann es erneut ohne Nachteile für
spätere Polymerisationen verwenden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen
Polybutylenetherglykoldiester lassen sich nach den bekannten Methoden verseifen,
oder auch z. B. nach der Methode des US-PS 2499725 mit beispielsweise Methanol
umestern. Besonders für die großtechnische Ausübung des Verfahrens empfiehlt sich
die hydrierende Umesterung, wie sie in der US-PS 4608422 beschrieben ist. Weitere
Methoden sind in den Patentschriften DE 27 60 272, EP 0185553 und EP 0038009
beschrieben. Am einfachsten überführt man die Diester nach der von Adkins
eingeführten Methode der Esterhydrierung mit Kupfer-Chromoxid-Katalysatoren in die
Diolform. Geeignete Katalysatoren werden angeboten. So z. B. die 5-15% Barium
enthaltenden Kupferchromitkatalysatoren, die bei 220°C und 250 bar
Wasserstoffdruck ohne Lösungsmittel oder auch in Gegenwart von Methanol oder
Äthanol die Diester verlustlos in das PTMEG überführt. Dieses ist dann z. B. mit
Molekulargewichten 800-3000 geeignet für die Herstellung von Polyestern oder
Polyurethanen. Die nach dem erfindungsgemäßem Verfahren erhaltenen Produkte
können nach der Adkinsmethode zu Produkten mit ausreichend niedriger
Restesterzahl von < 1 mg KOH/g hydriert werden. PTMEG-diacetate, die durch
andere Polymerisationsmethoden (z. B. durch Bleicherdekatalyse) entstehen, ergeben
Polytetramethylenetherglykole mit Restesterzahlen von über 1 mg KOH/g.
Die folgenden Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern
ohne es zu begrenzen. Die genannten Teile sind Gewichtsteile: Sie verhalten sich zu
Volumenteilen wie Kilogramm zu Litern.
Attapulgus Clay/Floridin 418 mesh LVM (Granulat) der Firma Chemie-Mineralien AG u.
Co KG, Bremen wurden mit einer 0,2gew.-%igen Salzsäure überstellt und die
überschüssige Lösung am Büchnertrichter abgesaugt und dann mit destilliertem
Wasser gewaschen. Das Granulat wurde danach 2 Stunden lang bei 300°C calciniert
und im Exiccator abgekühlt. 150 cm³ des wasserfreien Granulats werden in eine
Duranglas-Laborflasche der Firma Schott, Mainz, gefüllt, im Wasserbad auf 50°C
vorgewärmt und mit 300 g einer Mischung, die aus 91,5 Gew.-% techn. THF und 8,5
Gew.-% Essigsäureanhydrid besteht, überstellt. Die dicht mit einer
Polypropylenschraubkappe verschlossene Flasche wird im Wasserbad bei 50°C
4 Stunden lang langsam um die Längsachse gedreht, um die Katalysatorschüttung in
leichter Bewegung zu halten.
Das Reaktionsgemisch wurde danach vom Katalysator dekantiert und untersucht. Aus
der Säurezahl des Reaktionsproduktes läßt sich ein etwa 99%iger Umsatz des
Essigsäureanhydrids ableiten.
Bei 150°C und 2 mbar dampft man das unumgesetzte THF vom entstandenem
Polytetramethylenetherglykoldiacetat ab, das zu 56 Gew.-% in der Reaktionslösung
enthalten war. Die Verseifungszahl des Diesters beträgt 152,6 mg KOH/g was einem
Molekulargewicht von 734 g/mol entspricht. Durch Umestern mit der gleichen Menge
Methanol in Gegenwart von z. B. 0,01 Gew.-% Natriummethylat erhält man daraus
PTMEG mit der Hydroxylzahl 173 mg KOH/g und der Farbzahl 5 APHA. Das Produkt
zeigt eine sehr enge Molekulargewichtsverteilung. Der Heterogenitätsquotient
(Polydispersität) Mw/Mn beträgt nur 1,20. Der Gehalt an oligomeren cyclischen Ethern
ist kleiner 0,01 Gew.-%.
Die Polymerisation wird in der im Beispiel beschriebenen Versuchsanordnung bei
50°C mit einem käuflichen Granulat Attapulgus Clay 418 mesh LVM, Chemie
Mineralien AG, Bremen durchgeführt. Der Katalysator wird bei 250°C 3 Stunden bis
zur Gewichtskonstanz getrocknet. Für die Polymerisation wird eine 3gew.-%ige
Essigsäureanhydridlösung in techn. THF verwendet. Nach 2,5 Stunden
Polymerisationszeit hat Essigsäureanhydrid zu über 99% reagiert, und die
Polymerenlösung enthält 53 Gew.-% PTMEG-Diacetat mit der Esterzahl 61,2
(entspricht dem Molekulargewicht 1824 g/mol). Durch Hydrierung am Festbett in der
Sumpffahrweise wird es in 60gew.-%iger Methanollösung mit durch 11 Gew.-%
Bariumoxid aktivierten Kupferchromit-Katalysator bei 220°C und 250 bar Wasserstoff
in PTMEG mit der Hydroxylzahl 64,1 (Molekulargewicht 1750 g/mol) überführt. Das
durch Eindampfen (1 mbar, 190 °C) gewonnene Polymere ist sehr einheitlich und zeigt
in der GPLC-Analyse die Polydispersität Mw/Mn = 1,5. Die Farbzahl liegt bei 5 APHA.
Wie im Beispiel 1 beschrieben, wird THF mit anderen Säureanhydriden polymerisiert.
Verwendet man an Stelle von 8,5 Gew.-% Essigsäureanhydrid im Reaktionsansatz:
- 1. 16 Gew.-% Buttersäureanhydrid,
- 2. 24 Gew.-% 2-Ethylhexansäureanhydrid oder
- 3. 21 Gew.-% Benzoesäureanhydrid,
so erhält man Polymerlösungen von
- 1. 55 Gew.-% PTMEG-dibuttersäureester,
- 2. 60 Gew.-% PTMEG-di-2-ethylhexansäureester und
- 3. 58 Gew.-% PTMEG-Dibenzoat.
Die Ester lassen sich wie oben beschrieben nach verschiedenen Methoden in PTMEO
mit den Hydroxylzahlen
- 1. 168 mg KOH/g
- 2. 170 mg KOH/g und
- 3. 166 mg KOH/g
überführen.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von Polytetramethylenetherglykoldiester mit der
Formel
R-CO-O(-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-O)n-COR₁in der R und R₁ identisch oder
verschieden sind und einen Alkylrest oder ein Derivat davon bedeuten, und n
eine ganze Zahl von 2 bis 200 ist, durch Polymerisation von Tetrahydrofuran in
Gegenwart eines Polymerisationskatalysators und eines Carbonsäureanhydrids,
dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator ein calciniertes Magnesium-
Aluminium-Hydrosilikat verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator
weniger als 2% Wasser enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die natürlich
vorkommenden Mineralien Attapulgit und Sepiolit eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator im
Festbett angeordnet ist und die Mischung aus Tetrahydrofuran und dem
Carbonsäureanhydrid über dieses Festbett geleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator vor
der Verwendung 0,1 bis 5 Stunden einer thermischen Vorbehandlung bei 200 bis
600°C unterworfen wurde.
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