DE19859759C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung kontinuierlicher Hydrosilylierungsreaktionen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung kontinuierlicher Hydrosilylierungsreaktionen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von organomodifizierten Polysiloxanen durch die Übergangsmetall-katalysierte Addition von SiH-Gruppen enthaltenden Polysiloxanen an CC-Mehrfachbindungen enthaltende Substanzen, insbesondere ein Verfahren zur kontinuierlichen Hydrosilylierung von CC-Mehrfachbindungen enthaltenden Substanzen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Reaktanten gegebenenfalls in Anwesenheit eines homogenen oder heterogenen Katalysators in einen schlaufenförmigen, temperierbaren Reaktionskreislauf einbringt, der ein statisches Mischelement und/oder ein dynamisches Mischelement aufweist, um Edukte und gebildetes Produkt zu vermischen, das Reaktionsgemisch bis zu einem vorbestimmten Umsetzungsgrad in dem Reaktionskreislauf beläßt, anschließend das noch Edukte enthaltende Reaktionsgemisch zur Vervollständigung der Reaktion in einen Rohrreaktor überführt und über eine Vorlage entnimmt. DOLLAR A Des weiteren wird eine geeignete technische Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von organomodifizierten Polysiloxanen durch die Übergangsmetall-katalysierte Addition von SiH-Gruppen ent­ haltenden Polysiloxanen an CC-Mehrfachbindungen enthaltende Substanzen. Desweiteren wird eine geeignete technische Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Unter den Verfahren zum Aufbau und zur Modifizierung von Orga­ nosiloxanen kommt der Übergangsmetall-katalysierten Hydro­ silylierung eine besondere Bedeutung zu, da sie in vielfältiger Weise SiC-Verknüpfungen ermöglicht. Ungeachtet der Anwen­ dungsbreite dieser Reaktion ist deren technische Umsetzung je­ doch oft von erheblichen Schwierigkeiten begleitet. Im Mittel­ punkt dieser Probleme steht die zeitlich veränderliche, und vielen Störeinflüssen ausgesetzte Katalysatoraktivität. Vor dem Hintergrund der bei Hydrosilylierungsreaktionen freiwerdenden Energie (Exothermie) führt eine schwankende Katalysator­ aktivität in Batchprozessen nicht selten zu kritischen Be­ triebszuständen, da sich zwischenzeitlich Reaktandmengen kumu­ lieren und damit ein Gefahrenpotential aufbauen können. Der Batchprozeß repräsentiert den üblichen Stand der Technik für technische Hydrosilylierungen, nicht zuletzt, da erfahrungsge­ mäß eine Präformierungsphase zur Bildung der katalytisch akti­ ven Spezies aus dem inaktiven Vormaterial zwingend zu durchlau­ fen ist. Die schwankenden Reaktionsverläufe technischer Hydro­ silylierungsreaktionen bedingen eine hohe Präsenz qualifizier­ ter Mitarbeiter.
Ein besonderes Gefahrenpotential geht von den stofflichen Sy­ stemen bei Hydrosilylierungsprozessen aus, die eine hohe Hy­ dridwasserstoffdichte aufweisen. Neben den monomeren Silanen sind hier speziell die Derivate des Poly-(methylwasserstoff)- siloxans zu nennen.
Einhergehend mit dem Gefahrenmoment liefern die kritischen Systeme auch unerwünschte Nebenprodukte, d. h. die Selektivität der Zielreaktion leidet.
Bemerkenswerterweise trachten daher die bekannten chemischen Verfahren zur Herstellung organofunktionalisierter Poly- (methylwasserstoff)-siloxane danach, die Stationärkonzentration aktiver SiH-Gruppen im SiC-verknüpfenden Schritt zu minimieren.
Beispielsweise beschreibt die WO 98/05700 einen (semi)kontinu­ ierlichen Prozeß zur Herstellung multifunktioneller Polyorga­ nosiloxane mit Si-Alkyl- und Si-Alkoxy-Gruppen in einer viel­ stufigen Reaktionsvorrichtung, die aus einer Kombination eines Dehydrokondensationsreaktors mit einem Hydrosilylierungsreaktor besteht. Der Dehydrokondensationsreaktor wird mit einem SiH- haltigen Polyorganosiloxan und - hierauf bezogen im Unterschuß - mit einem Alkohol bzw. Thioalkohol in Gegenwart eines Pla­ tinkatalysators beschickt, wobei unter H2-Freisetzung ein ge­ mischtes Alkoxy-Wasserstoffsiloxan bzw. Thioalkoxy-Wasser­ stoffsiloxan entsteht, das dann unverzüglich mit einem Olefin in einem nachgeschalteten Hydrosilylierungsreaktor der SiC- verknüpfenden Alkylierung unterzogen wird. Auf Seite 2, Zeile 29 bis Seite 3, Zeile 3 dieser Schrift wird auf die Gefahrenmo­ mente im Umgang mit SiH-haltigen Verbindungen - selbst solchen mit zum Teil Alkoxy- beziehungsweise Thioalkoxy-funktionali­ sierten Ketten- abgestellt. Bewußt wird die eigentliche Hydro­ silylierung daher erst nach der partiell-entschärfenden Reak­ tion (Dehydrokondensation) durchgeführt, obwohl der Betrieb dieses Prozesses mit dem technischen Problem der Gewährleistung einer vollständigen Abtrennung von Alkohol/Thiol und Wasser­ stoffgas vor der Hydrosilylierung einhergeht. Apparatetechnisch wird daher eine aufwendige und kostspielige Lösung notwendig.
Auch an sich bereits bekannte kontinuierliche Verfahren zur Hydrosilylierung zielen auf eine Absenkung der In-Situ- Konzentration aktiver SiH-Gruppen ab. Die DE 196 32 157 A lehrt ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Organosiliciumverbindungen vom Typ der 3-Halogen-Propyl-Orga­ nosilane der allgemeinen Struktur RbH3-a-bXaSiCH2CH2CH2Y durch die Umsetzung eines Allylhalogenids mit einem wenigstens ein H-Atom tragenden Silan, das im Überschuß vorgegeben wird. Als unerwünschte Nebenprodukte entstehen nicht verwertbare Propyl- Organosilane. Das wesentliche Merkmal dieses Verfahrens besteht darin, daß man durch Einstellen eines Teilumsatzes der Edukte von 10-80% bezogen auf die Unterschußkomponente die Nebenproduktbildung zurückdrängt.
Ein weiteres Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung von Hydrosilylierungsreaktionen wird in der DE 196 19 138 A offen­ bart. Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung von vinylierten Organo-Silicium-Verbindungen, das dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß man eine wenigstens eine SiH-Gruppe enthaltende Silicium-organische Verbindung mit Acetylen im Überschuß in einer weitgehend inerten Flüssigphase in Gegenwart eines Katalysators zur Umsetzung bringt. Zur Sicherung einer intensiven Durchmischung der Reaktionsmatrix gelangt ein Strahldüsenschlaufenreaktor zum Einsatz.
Als kontinuierliche Gasphasenprozesse in einem Durchflußreaktor sind sowohl die Anlagerung von Acetylen an Methyldichlorsilan an einem Chrysotil-Asbest verankerten Wilkinson-Katalysator (Appl. Organomet. Chem. (1987), 1 (5), 459-63), als auch die mit eingeschränkter Selektivität verlaufende Hydrosilylierung von Acetylen mit Trichlorsilan an auf SiO2-fixierten Rh- und Ru-Phosphinkomplexen beschrieben (Appl. Organomet. Chem. (1987), 1 (3), 267-73).
Der Stand der Technik dokumentiert somit drei Verfahren zur Verdünnung aktiver SiH-Gruppen:
die Teilumsatz-Fahrweise,
die Verwendung einer inerten Flüssigphase und
die Reaktion im Gasraum.
Vor diesem Hintergrund stellte sich nun das Problem der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die unter Vermeidung von bekannten Gefahrenpotentialen eine wirtschaftliche und reproduzierbare Durchführung der Hydrosilylierungsreaktion auch in schwierigen stofflichen Systemen gestatten und darüber hinaus auf komplizierte und teure Apparatetechnik verzichten. Außerdem sollte das Verfahren eine gleichbleibend hohe Produktqualität bei sparsamem Einsatz der hochpreisigen Edelmetallkatalysatoren sichern. Darüber hinaus sollte das Verfahren bei nahezu vollständigem Umsatz, unter Verzicht auf eine inerte Hilfsphase und auch für nicht unzersetzt-verdampfbare, höhermolekulare Reaktanden anwendbar sein.
Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Hydrosilylierung von CC-Mehrfachbindungen enthaltenden Sub­ stanzen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktanten gegebe­ nenfalls in Anwesenheit eines homogenen oder heterogenen Kata­ lysators in einen schlaufenförmigen, temperierbaren Reaktions­ kreislauf einbringt, der ein statisches Mischelement und/oder ein dynamisches Mischelement aufweist, um Edukte und gebildetes Produkt zu vermischen, das Reaktionsgemisch bis zu einem vorbe­ stimmten Umsetzungsgrad in dem Reaktionskreislauf beläßt, an­ schließend das noch Edukte enthaltende Reaktiongemisch zur Ver­ vollständigung der Reaktion in einen Rohrreaktor überführt und über eine Vorläge entnimmt.
Eine allgemeine Darstellung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips ist in Fig. 1 dargestellt.
Der Stoffstrom ist gegenüber dem der Temperierung (Kühlung oder Heizung) zu den variablen Anlagenparametern dienenden Ölkreislauf durch einen breiteren Strich hervorgehoben. Die in den Vorlagen B1 und B2 befindlichen, gegebenenfalls mit Katalysator beaufschlagten, Edukte werden mit Hilfe der Dosierpumpen P1 und P2 in den Loopreaktor eingespeist. Die fortwährende Umwälzung des Reaktandgemisches innerhalb des Loops wird durch die Pumpe P3 gewährleistet. Zur Unterstützung einer intensiven Durchmischung der Reaktionsmatrix sind statische Mischelemente (SM) in den Loop integriert. Nach einer vorbestimmten Verweilzeit tritt das Reaktionsgemisch in den Rohrreaktor über. Ist die Nachreaktion im Rohrreaktor abgeschlossen, wird das Produkt in der Vorlage B3 aufgefangen.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß die geforderten Anfor­ derungen durch ein Reaktorsystem erfüllt werden, in dem dosierte Reaktandenströme in Gegenwart eines heterogenen oder homogenen Edelmetallkatalysators durch einen temperierbaren Loopreaktor (Schlaufenreaktor) in Kombination mit einem temperierbaren Rohrreaktor geschleust werden. Der Loopreaktor übernimmt hierbei die Funktion, die kritische Anfangsphase der einsetzenden Hydrosilylierung steuerbar zu machen. Der Kumulation kritischer Stoffmengen an Edukten wird im Loop­ reaktor durch eine schnelle und intensive Vermischung begegnet, die sowohl durch den Einbau statischer Mischelemente als auch durch eine hohe Umwälzleistung der integrierten Förderpumpe gewährleistet ist. Wahlweise können die statischen Mischelemente auch durch im Durchfluß betriebene dynamische Mischer, beispielsweise nach dem Rotor/Stator-Prinzip, ersetzt oder auch in Kombination mit diesen verwendet werden (Fig. 2). Diese Maßnahmen bewirken einzeln und/oder in Kombination eine zeitadäquate, zügige Abreaktion von SiH-Gruppen-tragender und CC-Mehrfachbindung aufweisenden Substanz. Der mit dem Loopreaktor durch einen Überlauf verbundene Rohrreaktor dient der geringer exothermen Nachreaktion der Reaktionsmischung.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht somit in einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Hydrosilylie­ rung von wenigstens eine CC-Mehrfachbindung enthaltenen Sub­ stanzen umfassend eine Vorlage (B1) zur Aufnahme der gegebenen­ falls mit einem Katalysator beaufschlagten Substanz, eine Vor­ lage (B2) zur Aufnahme der Hydrosilylierungskomponente, För­ dereinrichtung (P1, P2) zum Einbringen eines Eduktstroms in ei­ nen schlaufenförmigen, temperierbaren Reaktionskreislauf, ent­ haltend ein stationäres Mischelement oder ein dynamisches Mischelement (SM) zum Vermischen der Edukte und des gebildeten Produkts, Einrichtungen zum Ableiten der Reaktionswärme, einen Rohrreaktor zur Vervollständigung der Reaktion und Ein­ richtungen zum Auffangen des Produktes (B3).
In den Kreislauf des Loopreaktors kann ein Rührkessel integriert werden, der mit einem statischen Mischelement (wie in Fig. 3 dargestellt) oder mit einem dynamischen Durchfluß­ mischer (wie in Fig. 4 gezeigt) ausgerüstet ist. Als alterna­ tives Reaktionssystem eignet sich für das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Rührkesselkaskade bestehend aus wenigstens zwei oder mehr hintereinander durchströmten Rührkesseln (Fig. 5), die gegebenenfalls zur Nachkatalyse verwendet werden können.
Für den Fachmann verblüffend erweist sich die Beobachtung, daß man, verglichen mit der konventionellen Batch-Technik, wesent­ lich geringere Mengen an Edelmetallkatalysator zur Erzielung quantitativer Umsätze einsetzen muß. Der geringere Verbrauch an Edelmetall ist nicht nur unter dem Aspekt der Kostensenkung von Interesse, sondern nimmt auch direkten Einfluß auf die erzielte Produktqualität, da gewisse unerwünschte Verfärbungen direkt auf die Gegenwart von Übergangsmetallverbindungen zurückzu­ führen sind. Desweiteren wird die Abtrennung des Katalysators von der Reaktionsmischung erleichtert.
Die mit dem erfindungsgemäß beanspruchten Reaktionssystem erzielbaren Raum-Zeit-Ausbeuten übertreffen deutlich die Produktivität der konventionellen Rührkesseltechnologie.
Dadurch ist es möglich, kleine und kompakte Produktionsanlagen zu errichten, die auf begrenztem Raum durch ihre Leistungsfä­ higkeit überzeugen.
Als weiterer, günstiger Aspekt ist die Chemoselektivität der Hydrosilylierungsreaktion direkt mit den hohen Raum-Zeit-Aus­ beuten des vorgestellten Prozesses verknüpft. Insbesondere am­ bidente oder multifunktionelle Reaktanden (z. B. OH-funktionelle Allylpolyether) lassen sich mit guten Ausbeuten zu den Zielpro­ dukten umsetzen.
In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein trägerfixierter Edelmetallkontakt in den Reaktionsloop integriert, so daß der Katalysator in heterogener Form die SiC- Verknüpfungsreaktion im anströmenden Fluid fördert. Hierbei wird die Produktbehaftung mit Übergangsmetallverbindungen mi­ nimiert, so daß zeitraubende Filtrationsschritte zur Entfernung des Katalysators entfallen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sichert eine gleichbleibend hohe Produktqualität und gewährt darüber hinaus die Möglichkeit, einen hohen Automatisierungsgrad in der Produktion von organo­ modifizierten Siloxanen zu erzielen. Durch Festlegung der Do­ sierleistungen der Förderorgane in der Edukteinspeisung werden direkt die Verweilzeit im Reaktorsystem und damit der bei einer bestimmten Temperatur zu erreichende Umsatz definiert. Gekop­ pelt an ein übliches Meß-Steuer-Regeltechnik-System erlauben das erfindungsgemäße Verfahren oder die erfindungsgemäße Vor­ richtung dann beispielsweise beim Einsatz integrierter Nah-In­ frarotsonden eine Online-mäßige Adaption der Prozeßparameter an den aktuellen Betriebszustand. Dadurch können subjektiv­ menschliche Fehler in der Reaktionsführung eliminiert werden.
Darüber hinaus wird durch die definierte Dosage der Edukte in einen Reaktionsloop eine Akkumulation von nicht umgesetzten Edukten verhindert, die Anfangsexothermie sicher abgeführt und eine sichere Prozeßführung gewährleistet.
Alternativ zu den variablen Anlageparameter kann auch mit fest eingestellten Anlagenparametern eine Anzahl vorgegebener Pro­ dukte ohne Meß-Steuer-Regeltechnik einfach und reproduzierbar hergestellt werden.
Ausführungsbeispiele Beispiel 1
In dem Gefäß B1 wurden 1379 g Heptamethyltrisiloxan (4,99 Val SiH/kg) und in dem Gefäß B2 4491 g eines hydroxyfunktionellen Allylpolyethers (M ca. 522 g/mol, Struktur:
(-EO- = -CH2-CH2-O- -PO- = -CH2-CH2-CH2-O-) JZ: 48,6 gJ/100 g), in dem 18,1 mg cis-Diamino-platin(II) dichlorid (2 ppm Pt) gleichmäßig suspendiert sind, vorgelegt. Mit Pumpleistungen von 280 ml/h und 720 ml/h förderten die Dosierpumpen P1 und P2 die Reaktanten in den zuvor auf 130°C beheizten Loopreaktor (VLoop = 1 l). Die Pumpe P3 wälzte die Reaktionsmischung mit 800-1000 l/h um. Im Reaktionssystem etablierte sich ein Druck von 4 bar. Nach einer mittleren Verweilzeit von 2 Stunden verließ das Produkt den nachgeschalteten Rohrreaktor (VR = 1 l) und wurde in der Vorlage B3 isoliert.
Die gasvolumetrische SiH-Bestimmung (Zersetzung mit Na-Butano­ lat) belegte einen Endumsatz von ≧ 99%. Begleitende 29Si-NMR- Spektroskopie zeigte, daß die für die SiH-Gruppe charakteristi­ sche Signallage bei δ -36,5 ppm vollständig verschwunden war.
Beispiel 2
In Analogie zu Beispiel 1 wurden 1637 g eines Polydimethylsi­ loxans mit seitenständigen SiH-Funktionen (Struktur: MD20,5D5 HM, SiH-Wert: 2,5 val/kg) in Gefäß B1 und 4564 g eines hydroxyfunk­ tionellen Allylpolyethers (M ca. 838 g/mol,
JZ: 30,3 gJ/100 g) in dem 19,1 mg cis-Diamino-platin(II) dichlorid (2 ppm Pt) suspendiert wären, in Gefäß B2 vorgelegt. Die Dosierpumpen P1 und P2 förderten die Reaktanten im stöchiometrischen Verhältnis von 1,3 Val Polyether/1 Val SiH-Siloxan in den zuvor auf 130°C erwärmten Reaktionsloop. Nach einer mittleren Verweilzeit von 2 Stunden wurde ein Anlagerungsprodukt in B3 aufgefangen, das 98% SiH-Umsatz aufwies. 29Si-NMR-Spektroskopie sicherte die struktu­ relle Identität des Produktes mit der Zielvorgabe.
Vergleichsbeispiel 1
In einem 2000-ml-Vierhalskolben mit KPG-Rührer, Tropftrichter und Rückflußkühler wurden 1140 g eines hydroxyfunktionellen Allylpolyethers (M ca. 522 g/mol
JZ: 48,6 gJ/100 g), zusammen mit 22,9 mg cis-Diamino-platin(II) dichlorid (∼ 10 ppm) und 35 g Heptamethyltrisiloxan (4,99 Val SiH/kg) unter kräftigem Rühren vorgelegt und zügig auf 100°C erwärmt. Die einsetzende, exotherme Reaktion führte zu einem Temperaturanstieg auf 125°C. Bei dieser Temperatur wurden weitere 315 g Heptamethyltrisiloxan so zugetropft, daß einerseits weder die Temperatur der Reaktionsmischung sank, noch daß die Gasentwicklung zu stark wurde. Nach beendeter Zugabe (1 Stunde) wurde der SiH-Umsatz gasvolumetrisch bestimmt (90,7%). Die Reaktionsmischung wurde für weitere 7 Stunden bei 130°C gehalten und der Umsatz stündlich bestimmt. Nach 7 Stunden wurde ein Endumsatz von 96,4% erreicht.
Vergleichsbeispiel 2
Analog Vergleichsbeispiel 1 wurden in einem 2000-ml- Vierhalskolben mit KPG-Rührer, Tropftrichter und Rückflußkühler 1254 g eines hydroxyfunktionellen, Allylpolyethers (M ca. 838 g/mol,
JZ: 30,3 gJ/100 g) zusammen mit 26,2 mg (∼ 10 ppm) cis-Diamino­ platin(II) dichlorid und 45 g eines Polydimethylsiloxans mit seitenständigen SiH-Funktionen (Struktur: MD20,5D5 HM, SiH-Wert: 2,5 Val/kg) unter kräftigem Rühren vorgelegt und zügig auf 80°C erwärmt. Die Exothermie der einsetzenden Reaktion ließ die Temperatur des Ansatzes auf 112°C steigen. Nach Abklingen der Vorreaktion erwärmte man die Reaktionsmischung auf 130°C und tropfte dann weitere 405 g des Wasserstoffsiloxans so zu, daß kaum Gasentwicklung zu beobachten war und die Temperatur des Reaktionsansatzes nicht unter 125°C sank. Nach beendeter Zugabe (ca. 2 Stunden) lag der gasvolumetrisch ermittelte SiH-Umsatz bei 89% und erreichte in einer Nachreaktionsphase von weiteren zwei Stunden 97%.

Claims (5)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Hydrosilylierung von CC-Mehr­ fachbindungen enthaltenden Substanzen, dadurch gekennzeich­ net, daß man die Reaktanten gegebenenfalls in Anwesenheit eines homogenen oder heterogenen Katalysators in einen schlaufenförmigen, temperierbaren Reaktionskreislauf ein­ bringt, der ein statisches Mischelement und/oder ein dyna­ misches Mischelement aufweist, um Edukte und gebildetes Pro­ dukt zu vermischen, das Reaktionsgemisch bis zu einem vorbe­ stimmten Umsetzungsgrad in dem Reaktionskreislauf beläßt, anschließend das noch Edukte enthaltende Reaktionsgemisch zur Vervollständigung der Reaktion in einen Rohrreaktor überführt Und über eine Vorlage entnimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen schlaufenförmigen Reaktionskreislauf mit einem Rührkessel oder einer Rührkesselkaskade einsetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Träger-fixierten Edelmetallkatalysator einsetzt.
4. Vorrichtung zur kontinuierlichen Hydrosilylierung vor wenig­ stens eine CC-Mehrfachbindung enthaltenen Substanzen umfas­ send eine Vorlage (B1) zur Aufnahme der gegebenenfalls mit einem Katalysator beaufschlagten Substanz, eine Vorlage (B2) zur Aufnahme der Hydrosilylierungskomponente, Fördereinrich­ tung (P1, P2) zum Einbringen eines Eduktstroms in einen schlaufenförmigen, temperierbaren Reaktionskreislauf, ent­ haltend ein stationäres Mischelement und/oder ein dynami­ sches Mischelement (SM) zum Vermischen der Edukte und des gebildeten Produkts, Einrichtungen zum Ableiten der Reakti­ onswärme, einen Rohrreaktor zur Vervollständigung der Reak­ tion und Einrichtungen zum Auffangen des Produktes (B3).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionskreislauf einen Rührkessel oder eine Rührkessel­ kaskade umfaßt.
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