DE19529874A1 - Verfahren zur Reduktion von Nitroverbindungen - Google Patents
Verfahren zur Reduktion von NitroverbindungenInfo
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Description
Die Reduktion von Nitroverbindungen, speziell von Nitroaromaten, zu den
entsprechenden Aminen bzw. Anilinen wird schon seit über hundert Jahren
industriell durchgeführt. Während bis vor wenigen Jahren noch die
Eisenreduktion großtechnisch angewendet wurde, hat in neuerer Zeit die
katalytische Reduktion mit Edelmetall-Katalysatoren auf verschiedenen
Trägermaterialien in der Industrie Einzug gehalten. Obwohl diese Methode viele
Vorteile gegenüber der Eisenreduktion hat, ergeben sich in der Praxis doch
häufig Probleme. So sind häufig lange Filtrationszeiten beim Abtrennen des
Katalysators nötig. Die Katalysatoren sind meist äußerst empfindlich gegen
Spuren von Katalysatorgiften wie Schwefelverbindungen niederer
Oxidationsstufen, was zum völligen Stillstand der Reduktion führen kann. Die
Fehlersuche bei einem Mißlingen der Reaktion ist aufgrund der Natur eines
heterogenen Katalysators oft problematisch und teilweise nur mit erheblichem
apparativem Aufwand möglich.
Reduktionen mit homogenen Katalysatoren, die gegenüber heterogenen
Katalysatoren häufig effizienter sind, sind aufgrund der Probleme beim
Abtrennen des Katalysators vom Produkt bislang nur im Labormaßstab
durchgeführt worden.
EP 0 372 313 beschreibt die Verwendung von Edelmetallkatalysatoren mit Tris-
(m-sulfophenyl)-phosphan als Komplexliganden. Diese Katalysatoren werden
insbesondere bei der Wassergas-Reaktion, bei Hydrocarbonylierungen und
Hydroformylierungen eingesetzt.
Es wurde nun ein homogenes Katalysatorsystem gefunden, das die Reduktion
von Nitroaromaten zu den entsprechenden Anilinen mit sehr hohen Ausbeuten
und sehr hoher Selektivität katalysiert. Die Abtrennung der wäßrigen
Katalysator-Lösung kann durch einfache Phasentrennung erfolgen. Außerdem
konnte ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur
Herstellung des homogenen Katalysators entwickelt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Reduktion von Nitroaromaten der
allgemeinen Formel I
wobei R¹ und R² gleich oder verschieden sein können und Wasserstoff, C₁-C₄-
Alkyl, C₁-C₄-Alkoxy, Phenyl, C₁-C₄-Alkylphenyl, Nitro, Amino, Cyano,
-COOR³, -SO₂OR³ oder Sulfamoyl und R³ Wasserstoff oder das Äquivalent
eines Kations bedeuten, mit Wasserstoff in Gegenwart einer wäßrigen Lösung
des wasserlöslichen Rhodiumkatalysators der Formel
Rh(CO)Cl(TPPTS)₂,
wobei TPPTS Triphenylphosphintrisulfonat-tri-natriumsalz bedeutet,
gegebenenfalls unter Zusatz eines organischen Lösemittels.
Der erfindungsgemäß zu verwendende Katalysator ist aus EP 0 372 313
bekannt. Er wird dort nur für die Hydroformylierung von Olefinen benutzt. Die
für diese Art von Reaktion üblicherweise benutzten Katalysatoren eignen sich
nicht für die Reduktion von Nitroaromaten. Es war deshalb überraschend, daß
sich dieser spezielle Rhodiumkatalysator nicht nur für die Hydroformylierung,
sondern ebenfalls auch für die Reduktion von Nitroaromaten zu den
entsprechenden Anilinen eignet.
Der genannte Katalysator kann nach einem neuen Verfahren leicht aus einer
wäßrigen Lösung von TPPTS und Rhodiumtrichlorid sowie nachträglicher Zugabe
einer wäßrigen Formaldehyd-Lösung gewonnen werden, wie im folgenden im
Beispiel 1 beschrieben ist. Dieses Verfahren ist gegenüber dem in EP 0 372 313
beschriebenen wesentlich einfacher. Eine Isolierung und chromatographische
Reinigung der Zwischenstufen entfällt. Das TPPTS kann als technische Ware, so
wie es in der Produktion anfällt, eingesetzt werden. Das Kohlenmonoxid wird
durch die wäßrige Formaldehyd-Lösung ersetzt, so daß die apparative
Handhabung auch hier wesentlich vereinfacht wurde.
Der Katalysator wird in Form einer wäßrigen Lösung eingesetzt, wobei die
Menge an Wasser in einem großen Bereich variieren kann. Da die Reaktion in der
Wasserphase stattfindet, wird sich durch die Bereitstellung größerer Mengen
Wasser mehr Nitroaromat im Wasser lösen und damit die Reduktion
beschleunigen. Die Wassermenge hat somit in gewissen Grenzen lediglich einen
Einfluß auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Da der Katalysator selbst extrem gut
in Wasser löslich ist, ist man auch hier in der Wassermenge nicht eingeschränkt.
Außerdem muß man berücksichtigen, daß sich bei der Reduktion selbst Wasser
bildet. Bei einem Mol Substrat und einem Millimol Katalysator setzt man im
allgemeinen 10-1000 ml, bevorzugt 50-500 ml, insbesondere 100-200 ml
Wasser ein. Das molare Verhältnis Katalysator zu Substrat beträgt im
allgemeinen 1 : 100 bis 1 : 100000, bevorzugt 1 : 1000 bis 1 : 10000,
insbesondere 1 : 2000 bis 1 : 5000. Aus den Verhältnissen Katalysator zu
Substrat und Katalysator zu Wasser ergibt sich rechnerisch ein Verhältnis von
Katalysator zu Wasser von ungefähr 1 : 556 bis 1 : 155 556, bevorzugt 1 : 2778 bis
1 : 27 778 insbesondere 1 : 5556 bis 1 : 11 111.
Die jeweilige Reaktionsgeschwindigkeit hängt von vielen Parametern ab, wie
Druck, Temperatur, Menge Katalysator, Menge Substrat, Menge Wasser. Sie
hängt aber auch entscheidend von der Löslichkeit des Substrats in Wasser ab.
Nitroaromaten, die z. B. eine Ethoxy- oder Methoxygruppe enthalten, sind in der
Regel besser wasserlöslich als alkylierte Verbindungen. Die Reaktionszeit beträgt
je nach den Reaktionsbedingungen und Natur des Nitroaromaten 30 min bis
10 h. Die Wasserstoffaufnahme bricht in der Regel nach vollständiger Reduktion
scharf ab, die Ausgangsverbindung tritt im Endprodukt höchstens in Spuren auf.
Die Reaktionstemperatur liegt im allgemeinen bei 20-150°C, bevorzugt bei
70-130°C, insbesondere bei 90-110°C. Der Wasserstoffdruck kann 1-150
bar, bevorzugt 10-100 bar, besonders bevorzugt 20 bar betragen. Häufig
gewählte Reaktionsbedingungen sind 100°C und 20 bar Wasserstoffdruck.
Das Reduktionsprodukt wird nach Beendigung der Reduktion von der wäßrigen
Katalysatorlösung abgetrennt und die wäßrige Katalysatorlösung kann für die
nächste Reduktion wieder verwendet werden. Ein Aktivitätsverlust konnte bei
der Rückführung nicht beobachtet werden. Bei mehrmaliger Rückführung des
Katalysators wird die wäßrige Katalysatorlösung durch das hinzukommende
Reaktionswasser immer stärker verdünnt. Durch Membranfilter oder durch
Einengen im Vakuum können die ursprünglichen Konzentrationsverhältnisse
wiederhergestellt werden.
Das Katalysatorsystem ist relativ luftunempfindlich, dennoch sollte die wäßrige
Lösung weitestgehend inert behandelt werden, um eine möglichst lange
Lebensdauer und Rückführbarkeit des Katalysators zu gewährleisten.
Neben Nitrobenzol lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
insbesondere auch substituierte Nitrobenzole wie 2-Chlornitrobenzol,
4-Ethoxynitrobenzol, 3-Nitrotoluol reduzieren. Die zu reduzierende
Nitroverbindung kann auch zwei oder drei Nitrogruppen enthalten, die dann zu
Aminogruppen reduziert werden. R³ in der Formel I bedeutet insbesondere ein
Ammonium- oder ein Alkaliion oder das Äquivalent eines Erdalkalikations.
Bei der Reduktion kann auf den Zusatz eines Lösungsmittels für den
Nitroaromaten verzichtet werden. Damit entfällt auch die aufwendige und
kostenintensive Lösungsmittelaufbereitung. Auch die bei der heterogenen
katalytischen Reduktion notwendige Filtration vom Katalysator entfällt.
Es ist jedoch auch möglich, daß man die Nitroverbindung mit einem organischen
Lösungsmittel beispielsweise mit Benzol, Toluol, o-Xylol, m-Xylol, p-Xylol,
Gemische isomerer Xylole, Ethylbenzol, Mesitylen, Chlorbenzol, Dichlorbenzol,
Chlortoluol, Cyclohexan, Cumol, Decalin oder ein Gemisch dieser Lösungsmittel
verdünnt.
RhCl₃ × H₂O (0,26 g, 1 mmol) wird zu einer siedenden Lösung von TPPTS (29,2%ig,
19,5 g, 10 mmol) gegeben. Nach ca. 15 - 20 Sekunden wird eine
Formaldehydlösung (35%ig, 15 g, 175 mmol) zugesetzt. Die Lösung verfärbt
sich von dunkelrot nach gelb. Anschließend wird 10 min auf ca. 80°C erhitzt
und solange tropfenweise mit Ethanol versetzt, bis eine leichte Trübung auftritt.
Beim Abkühlen kristallisiert TPPTS sowie der Rh-TPPTS-Komplex aus der Lösung
aus. Die Kristalle werden durch Waschen mit Ethanol/H₂O 80/20 weitgehend
von überschüssigem TPPTS befreit. Nach Umkristallisation aus Ethanol/H₂O und
Trocknen im Vakuum liegt der Komplex stark angereichert vor.
In einem 2 l-Autoklaven mit Begasungsrührer wird ein Zweiphasensystem,
bestehend aus 200 g (1,62 mol) Nirobenzol, 200 g Wasser und 0,31 g
(0,235 mmol) Rh(CO)Cl(TPPTS)₂, bei 20 bar und 100°C hydriert. Nach 8 h
erhielt man bei einem Umsatz von 99,3% einen Gehalt von 87,1% an Anilin.
Die wäßrige Katalysatorlösung wurde im Scheidetrichter abgetrennt.
200 g Nitrobenzol wurde unter den in Beispiel 2 angegebenen
Reaktionsbedingungen in Gegenwart der in diesem Beisiel wiedergewonnenen
Katalysatorlösung reduziert. Diesmal erhielt man nach 3,5 h einen Umsatz von
98%. Der Gehalt an Anilin betrug 95,5%. Der höhere Anteil an Anilin in
Beispiel 2 könnte mit einer Löslichkeit von Anilin in Wasser zusammenhängen.
Die mit Anilin gesättigte wäßrige Katalysatorlösung kann in Beispiel 2 kein
weiteres Anilin mehr aufnehmen.
Unter gleichen Reaktionsbedingungen wie in Beispiel 2 wurden 200 g (1,27 mol)
2-Chlornitrobenzol mit dem aus Beispiel 2 wiedergewonnenen Katalysator
umgesetzt. Nach 8,5 h erhielt man eine Rohlösung folgender Zusammensetzung:
11,0% Anilin (durch reduktive Dehalogenierung), 81,8% 2-Chloranilin sowie 3,2% nicht umgesetztes 2-Chlornitrobenzol.
11,0% Anilin (durch reduktive Dehalogenierung), 81,8% 2-Chloranilin sowie 3,2% nicht umgesetztes 2-Chlornitrobenzol.
Unter gleichen Reaktionsbedingungen wie in Beispiel 2 wurden 200 g (1,31 mol)
4-Ethoxynitrobenzol in 400 g Toluol mit frischem Rhodium-Katalysator aus
Beispiel 1 (0,23 mol in 200 ml Wasser) umgesetzt. Nach einer Stunde war die
Reaktion beendet. Laut GC enthielt die Rohlösung nach der Phasentrennung
95,5% 4-Ethoxyanilin und 1,4% 4-Ethoxynitrobenzol.
Mit der aus Beispiel 5 wiedergewonnenen wäßrigen Katalysatorlösung wurden
200 g (1,87 mol) 3-Nitrotoluol in 400 g Toluol unter gleichen
Reaktionsbedingungen reduziert. Nach 3 h 40 min war die Verbindung
vollständig zu 3-Methylanilin umgesetzt worden. Edukt war in der Rohlösung
nicht mehr nachweisbar.
Ein Gemisch aus 200 g (0,76 mol) 2,4-Dimethylnitrobenzol und zurückgeführter
Katalysatorlösung wurde 10 h bei 20 bar Wasserstoffdruck auf 100°C erhitzt.
Eine GC-Analyse der Produktlösung ergab einen Gehalt von 97,7%
3,4-Dimethylanilin.
Claims (7)
1 Verfahren zur Reduktion von Nitroaromaten der allgemeinen Formel I
wobei R¹ und R² gleich oder verschieden sein können und Wasserstoff,
C₁-C₄-Alkyl, C₁-C₄-Alkoxy, Phenyl, C₁-C₄-Alkylphenyl, Nitro, Amino,
Cyano, -COOR³, -SO₂OR³ oder Sulfamoyl und R³ Wasserstoff oder das
Äquivalent eines Kations bedeuten, mit Wasserstoff in Gegenwart einer
wäßrigen Lösung des wasserlöslichen Rhodiumkatalysators der FormelRh(CO)Cl(TPPTS)₂wobei TPPTS Triphenylphosphintrisulfonat-trinatriumsalz bedeutet,
gegebenenfalls unter Zusatz eines organischen Lösemittels.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als
Nitroaromaten der Formel (I) Nitrobenzol, 2-Chlornitrobenzol,
4-Ethoxynitrobenzol oder 3-Nitrotoluol reduziert.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einem
Mol Nitroaromat der allgemeinen Formel (I) und einem Millimol
Rhodiumkatalysator 10 bis 1000 ml Wasser zugibt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einem
molaren Verhältnis von Katalysator zu Nitroaromat der Formel (I) von
1 : 100 bis 1 : 100 000 arbeitet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei
Temperaturen von 20 bis 150°C arbeitet.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einem
Wasserstoffdruck von 1 bis 150 bar arbeitet.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die
Nitroverbindung mit einem organischen Lösungsmittel aus der Gruppe
Benzol, Toluol, o-Xylol, m-Xylol, p-Xylol, Gemische isomerer Xylole,
Ethylbenzol, Mesitylen, Chlorbenzol, Dichlorbenzol, Chlortoluol,
Cyclohexan, Cumol, Decalin oder einem Gemisch dieser Lösungsmittel
verdünnt.
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995129874 DE19529874A1 (de) | 1995-08-14 | 1995-08-14 | Verfahren zur Reduktion von Nitroverbindungen |
US09/011,677 US6054617A (en) | 1995-08-14 | 1996-08-02 | Nitro compound-reducing process |
PCT/EP1996/003415 WO1997007087A1 (de) | 1995-08-14 | 1996-08-02 | Verfahren zur reduktion von nitroverbindungen |
DE59604907T DE59604907D1 (de) | 1995-08-14 | 1996-08-02 | Verfahren zur reduktion von nitroverbindungen |
CA002229481A CA2229481A1 (en) | 1995-08-14 | 1996-08-02 | Process for reducing nitro compounds |
JP50871297A JP3827328B2 (ja) | 1995-08-14 | 1996-08-02 | ニトロ化合物の還元方法 |
EP96927664A EP0854856B1 (de) | 1995-08-14 | 1996-08-02 | Verfahren zur reduktion von nitroverbindungen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1995129874 DE19529874A1 (de) | 1995-08-14 | 1995-08-14 | Verfahren zur Reduktion von Nitroverbindungen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19529874A1 true DE19529874A1 (de) | 1997-02-20 |
Family
ID=7769454
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1995129874 Withdrawn DE19529874A1 (de) | 1995-08-14 | 1995-08-14 | Verfahren zur Reduktion von Nitroverbindungen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19529874A1 (de) |
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1995
- 1995-08-14 DE DE1995129874 patent/DE19529874A1/de not_active Withdrawn
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8130 | Withdrawal |