DE19811517A1 - Continuous selective oxidation of hydrocarbon, especially cyclohexane to cyclohexanone - Google Patents

Continuous selective oxidation of hydrocarbon, especially cyclohexane to cyclohexanone

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    • C07ORGANIC CHEMISTRY
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Abstract

Selective oxidation of hydrocarbons (I) comprises continuously contacting (I) with ozone (O3) in a reactor, in which O3 comes into contact only with inert materials apart from (I) and the oxidation product.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues katalysatorfreies Verfahren zur selektiven Oxidation von Kohlenwasserstoffen, Ozon in einem inerten Reaktor. Das Verfahren bezieht sich insbesondere auf die selektive Herstellung von Cyclohexanon durch die Oxidation von Cyclohexan mit Ozon in der Flüssig- und Gasphase in der Abwesenheit von Katalysatoren, Metallteilen und anderen Einbauten, die Ozon zersetzen.The present invention relates to a new catalyst-free process for selective oxidation of hydrocarbons, ozone in an inert reactor. The process relates in particular to the selective production of Cyclohexanone through the oxidation of cyclohexane with ozone in the liquid and Gas phase in the absence of catalysts, metal parts and others Internals that decompose ozone.

Stand der Technik und ErfindungsbeschreibungState of the art and description of the invention

Cyclohexanol und Cyclohexanon dienen sowohl zur Herstellung des Massenprodukts Caprolactam als auch zur Herstellung des während der Oxidation anfallenden Folgeprodukts Adipinsäure. Diese wird durch Polykondensation mit Hexamethylendiamin zu Nylon-6,6 weiterverarbeitet. Die Oxidation von Cyclohexan mit Ozon ist bekannt. Von Nachteil ist die bisher immer simultan mit Cyclohexanon erfolgende Bildung von Cyclohexanol. In der Literatur und in dem Patentschrifttum werden verschiedene Verfahren zur Darstellung von Cyclohexanol und Cyclohexanon beschrieben, wobei beide Produkte simultan meist in vergleichbaren Größenordnungen anfallen (US Pat. 3,957,876; Ger. Offen. 2,154,656; US Pat. 3,404,185 und US Pat. 3,598,869; WO 94/17021 und WO 96/3145 (L.G. Galimova, V.D. Komissarov, E. T. Denisov, Bull. Acad. Sci. USSR, Div. Chem. Sci. (Engl. Trans.) 295 (1973) und L.V. Ruban, S.K. Rakovski, S.D. Razumovskii, G.E. Zaikov, , Bull. Acad. Sci. USSR, Div. Chem. Sci. (Engl. Trans.) 1972 (1976)). Es auch wird beschrieben, daß mehr Cyclohexanol als Cyclohexanon entsteht (L.V. Ruban, S.K. Rakovski, A.A. Popov, Bull. Acad. Sci. USSR, Div. Chem. Sci. (Engl. Trans.) 1834 (1976)) und es wird über Verhältnisse von Cyclohexanol zu Cyclohexanon von (2,5 ± 0,5): 1 berichtet ((V.D. Komissarov, L.G. Galimova, I.N. Komissarova, V.V. Shereshovets, E. T. Denisov, Dokl. Phys. Chem. (Engl. Trans.) 235 838 (1977). Ein Verfahren mit hoher Selektivität zur direkten Erzeugung von Cyclohexanon aus Cyclohexan ist bisher nicht bekannt. Cyclohexanol and cyclohexanone are both used to make the Bulk product Caprolactam as well as for the production of during the Oxidation resulting adipic acid. This is through Polycondensation with hexamethylenediamine processed to nylon-6,6. The Oxidation of cyclohexane with ozone is known. So far, this has been a disadvantage Cyclohexanol always forms simultaneously with cyclohexanone. In the Literature and in the patent literature are different methods for Representation of cyclohexanol and cyclohexanone described, both Products usually occur simultaneously in comparable orders of magnitude (US Pat. 3,957,876; Ger. Open. 2,154,656; U.S. Pat. 3,404,185 and U.S. Pat. 3,598,869; WO 94/17021 and WO 96/3145 (L.G. Galimova, V.D. Komissarov, E. T. Denisov, Bull. Acad. Sci. USSR, Div. Chem. Sci. (Engl. Trans.) 295 (1973) and L.V. Ruban, S.K. Rakovski, S.D. Razumovskii, G.E. Zaikov,, Bull. Acad. Sci. USSR, Div. Chem. Sci. (Engl. Trans.) 1972 (1976)). It also describes that more cyclohexanol than cyclohexanone is formed (L.V. Ruban, S.K. Rakovski, A.A. Popov, Bull. Acad. Sci. USSR, Div. Chem. Sci. (Engl. Trans.) 1834 (1976)) and cyclohexanol to cyclohexanone ratios of (2.5 ± 0.5): 1 reported ((V.D. Komissarov, L.G. Galimova, I.N. Komissarova, V.V. Shereshovets, E. T. Denisov, Doc. Phys. Chem. (Engl. Trans.) 235 838 (1977). A process with high selectivity for the direct production of cyclohexanone from cyclohexane is not yet known.  

Wir haben nun überraschenderweise gefunden, daß die unerwünschte Bildung von Cyclohexanol bei der Oxidation von Cyclohexan mit Ozon zu Cyclohexanon nahezu vollständig unterdrückt werden kann, wenn die Reaktion in einem inerten Reaktorraum, d. H. in Abwesenheit von Katalysatoren, Metallteilen und anderen Einbauten, die Ozon zersetzen, durchgeführt wird. Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß zur selektiven Darstellung von Cyclohexanon keine Katalysatoren benötigt werden, sondern Cyclohexanon durch die Oxidation von Cyclohexan mit Ozon selektiv in einem Schritt dargestellt werden kann.We have now surprisingly found that the undesirable formation of cyclohexanol in the oxidation of cyclohexane with ozone to cyclohexanone can be almost completely suppressed if the reaction occurs in one inert reactor space, d. H. in the absence of catalysts, metal parts and other installations that decompose ozone. The essential The advantage of the present invention is that for the selective display of Cyclohexanone no catalysts are required, but cyclohexanone by the oxidation of cyclohexane with ozone selectively in one step can be represented.

Die Oxidation von Cyclohexan mit Ozon kann in der Flüssig- und in der Gasphase bei Normaldruck in einem Temperaturbereich von 0-140°C erfolgen. Um bei der Oxidation entstehende Folgeprodukte, wie z. B. Adipinsäure, zu vermeiden, bietet sich die Reaktivdestillation als besonders geeignet an. Die Reaktivdestillation ist eine Methode der Reaktionsführung, in der Reaktion und Produktabtrennung simultan durchgeführt werden. Für die Herstellung von Cyclohexanon aus Cyclohexanol wird eine kontinuierliche Destillation so eingestellt, daß am Kolonnenkopf nahezu reines Cyclohexan vorliegt, während im Kolonnensumpf Cyclohexanon überwiegt. Im Kolonnenkopf kann nun Ozon und Cyclohexanon kontinuierlich zudosiert werden, während Cyclohexanon kontinuierlich aus dem Kolonnensumpf abgetrennt werden kann. Das Verfahren ist nicht nur zur selektiven Oxidation von gesättigten Kohlenwasserstoffen wie cyclischen und acyclischen verzweigten und unverzweigten Alkenen, sondern auch zur selektiven Oxidation von aromatischen Verbindungen und ungesättigten Verbindungen, wie Alkenen, geeignet. Es ist für das Verfahren unerheblich, ob das Ozon nun aus trockener Luft, synthetischer Luft, reinem Sauerstoff oder jeder anderen Mischung von Sauerstoff mit inerten Gasen wie Ar, Ne, Xe, He, N2, CO2 und anderen erzeugt wird und rein oder im Gemisch eingesetzt wird. The oxidation of cyclohexane with ozone can take place in the liquid and in the gas phase at normal pressure in a temperature range of 0-140 ° C. In order to result in the oxidation of secondary products such. B. to avoid adipic acid, reactive distillation is particularly suitable. Reactive distillation is a method of carrying out the reaction in which the reaction and product separation are carried out simultaneously. For the production of cyclohexanone from cyclohexanol, a continuous distillation is set so that almost pure cyclohexane is present at the top of the column, while cyclohexanone predominates in the bottom of the column. Ozone and cyclohexanone can now be metered in continuously at the top of the column, while cyclohexanone can be continuously separated from the bottom of the column. The process is not only suitable for the selective oxidation of saturated hydrocarbons such as cyclic and acyclic branched and unbranched alkenes, but also for the selective oxidation of aromatic compounds and unsaturated compounds such as alkenes. It is irrelevant to the process whether the ozone is generated from dry air, synthetic air, pure oxygen or any other mixture of oxygen with inert gases such as Ar, Ne, Xe, He, N 2 , CO 2 and others and pure or is used in a mixture.

AusführungsbeispieleEmbodiments Beispiel 1example 1

Ozon wird durch stille elektrische Entladung aus einem Inertgas­ /Sauerstoffgemisch generiert. In einem Satzreaktor aus Teflon werden 10 ml (0,093 mol) Cyclohexan vorgelegt und ozonhaltiges Argon (Ozonkonzentration 36,0 g/Nm3) wird über einen Teflonschlauch mit einem Fluß von 38 ml/min direkt in das Cyclohexan geleitet und über einen Intensivkühler wieder aus dem Reaktor abgeführt. Die Reaktionsmischung wird bei Raumtemperatur mit einem Magnetrührer gerührt. Die Ozonkonzentration wird am jeweiligen Reaktorein- und -ausgang UV-spektrometrisch überwacht. Die Produkte werden in einer Kühlfalle ausgefroren. Die Produkte werden gaschromatographisch analysiert und die entstandene Menge an Kohlendioxid wird mit einem Kohlendioxidsensor gemessen. Nach einer Reaktionszeit von 17,5 h werden 5% Cyclohexanon mit einer Selektivität von < 98% gebildet.Ozone is generated by silent electrical discharge from an inert gas / oxygen mixture. 10 ml (0.093 mol) of cyclohexane are placed in a set reactor made of Teflon, and argon containing ozone (ozone concentration 36.0 g / Nm 3 ) is fed directly into the cyclohexane via a Teflon tube with a flow of 38 ml / min and then discharged again via an intensive cooler discharged to the reactor. The reaction mixture is stirred at room temperature with a magnetic stirrer. The ozone concentration is monitored by UV spectrometry at the respective reactor inlet and outlet. The products are frozen out in a cold trap. The products are analyzed by gas chromatography and the amount of carbon dioxide generated is measured with a carbon dioxide sensor. After a reaction time of 17.5 h, 5% cyclohexanone are formed with a selectivity of <98%.

Beispiel 2Example 2

Zur Oxidation von Cyclohexan in der Gasphase wird ozonhaltiges Trägergas mit einem Fluß von 76 ml/min durch einen Rohrreaktor geleitet. Die Ozonkonzentration beträgt am Reaktoreingang 36,0 g/Nm3 Trägergas. Cyclohexan wird kontinuierlich mit einer Dosiergeschwindigkeit von 6 mg/min zugegeben. Bei einer Temperatur von 100°C bilden sich Cyclohexanon und Cyclohexanol im Verhältnis 22 : 5.For the oxidation of cyclohexane in the gas phase, the carrier gas containing ozone is passed through a tube reactor at a flow of 76 ml / min. The ozone concentration at the reactor inlet is 36.0 g / Nm 3 carrier gas. Cyclohexane is added continuously at a rate of 6 mg / min. At a temperature of 100 ° C cyclohexanone and cyclohexanol form in a ratio of 22: 5.

Beispiel 3Example 3

In einen Satzreaktor mit 30 ml Cyclohexan wird Ozon-haltiges Trägergas über einen Teflonschlauch mit einem Fluß von 180 ml/min direkt in das Cyclohexan geleitet. Die Reaktionsmischung wird bei 30°C mit einem Begasungsrührer gerührt. Nach 4 h enthält das Produktgemisch 61% Cyclohexanon und 33% Cyclohexanol, die Ausbeute bezüglich des eingesetzten Ozons beträgt 73%.Carrier gas containing ozone is transferred into a batch reactor with 30 ml of cyclohexane a Teflon tube with a flow of 180 ml / min directly into the cyclohexane headed. The reaction mixture is at 30 ° C with a gassing touched. After 4 hours, the product mixture contains 61% cyclohexanone and 33% Cyclohexanol, the yield based on the ozone used is 73%.

Claims (5)

1. Verfahren zur selektiven Oxidation von Kohlenwasserstoffen, gekennzeichnet dadurch, daß Ozon kontinuierlich mit dem Kohlenwasserstoff in einem Reaktor zur Reaktion gebracht wird, wobei das Ozon im Reaktorraum außer mit dem genannten Kohlenwasserstoff und den bei der Oxidation daraus entstehenden Produkt nur mit gegen Ozon inerten Materialien in Berührung kommt.1. A method for the selective oxidation of hydrocarbons, characterized in that ozone is continuously reacted with the hydrocarbon in a reactor, the ozone in the reactor space except with the said hydrocarbon and the product resulting therefrom in the oxidation only with materials inert to ozone comes into contact. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Ozon im Reaktorraum nur mit den Materialien Teflon, Kunststoff, Gold, Glas oder Quarz und nicht mit Metalloberflächen in Berührung kommt.2. The method according to claim 1, characterized in that the ozone in Reactor room only with the materials Teflon, plastic, gold, glass or Quartz and does not come into contact with metal surfaces. 3. Verfahren nach Anspruch 1-2, gekennzeichnet dadurch, daß das Ozon mit dem Kohlenwasserstoff bei einer Temperatur kleiner gleich der Siedetemperatur des Kohlenwasserstoffes zur Reaktion gebracht wird.3. The method according to claim 1-2, characterized in that the ozone with the hydrocarbon at a temperature less than or equal to Boiling temperature of the hydrocarbon is reacted. 4. Verfahren nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß Cyclohexan als Kohlenwasserstoff verwendet wird.4. The method according to claim 1-3, characterized in that cyclohexane as Hydrocarbon is used. 5. Verfahren nach Anspruch 1-4, wobei in einer Reaktivdestillation das Ozon über den Kolonnenkopf zudosiert wird, während gleichzeitig das Cyclohexanon kontinuierlich im Kolonnensumpf als Produkt abgeführt wird.5. The method according to claim 1-4, wherein in a reactive distillation, the ozone is metered in via the top of the column, while at the same time Cyclohexanone is continuously removed as product in the column bottom.
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