DE2011163B2 - Verfahren zur Herstellung von ungesättigten Alkoholen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von ungesättigten Alkoholen

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Description

2 = CH-CH=CH2 + H2O
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ungesättigten Alkoholen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man in einer homogenen flüssigen Phase
in eine von gelöstem Sauerstoff befreite Lösung aus einem aliphatischen konjugierten C4- bis Ce-Diolefin, Wasser und einem Lösungsmittel in Gegenwart eines Katalysatorsystems, das einen nullwertigen Palladiumkomplex enthält und gegebenenfalls einer organischen oder
ii anorganischen Base als Cokatalysator, mit einem organischen Isonitril oder Phosphin als Aktivator behandelt
Ungesättigte aliphatische Alkohole sind bekannte Handelsprodukte, die nach einer Vielzahl ebenfalls bekannter Methoden hergestellt werden, jedoch keines der Verfahren erwies sich als zufriedenstellend.
Es wurde nun gefunden, daß ungesättigte Alkohole leicht durch katalysierte Dimerisation von aliphatischen konjugierten C4- Ce-Diolefinen in Gegenwart von Wasser hergestellt werden können. Die Reaktion wird in der flüssigen Phase durchgeführt, und zwar üblicherweise in Gegenwart eines Verdünnungsmittels für die Reaktion. Das Reaktionsgemisch soll homogen sein. Die Reaktion wird bei einer Temperatur von
«> weniger als etwa 1250C und in Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt. Als Katalysator ist insbesondere Tetrakis-(triphenylphosphin)palladium geeignet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann man auch einen Alkohol zusammen mit dem genannten Katalysa-
ii tor in Verbindung mit einem basischen Cokatalysator verwenden.
Die Umsetzung YaJt nach folgender Gleichung ab:
ΠI; =■ CH-CH2-CH2-CH2-CH = CH-CH2-OH
Die Gleichung erläutert die Umsetzung von 2 Mol Butadien mit Wasser unter Bildung von 1-Octa-2,7-dienol. Zusätzlich zu den Hauptprodukten werden geringe Mengen von Nebenprodukten gebildet, zu denen Butadiendimere wie 1,3,7-Octatrien gehören. Beispiele für brauchbare Olefine sind acyclische Kohlenwasserstoffe wie Butadien, Isopren oder Piperylen.
Der eingesetzte Palladium-Katalysator wird zu metallischem Palladium zersetzt, wenn er mit Sauerstoff in Berührung kommt. Die maximale Katalysatorwirkung läßt sich infolgedessen nur erreichen, wenn das Diolefin und das Wasser vor der Verwendung von allem gelöstem Sauerstoff befreit werden. Die Entfernung des Sauerstoffs kann durch Spülen mit Stickstoff oder einem anderen Inertgas erreicht werden.
Das Lösungsmittel darf den nullwertigen Palladiumkatalysator nicht zersetzen. Es soll ein heterogenes Reaktionsgemisch vermieden werden, weil der komplexe Palladiumkatalysator in organischen Materialien besser löslich ist. Im allgemeinen schreitet die Reaktion zwischen einem Diolefin und Wasser in Abwesenheit eines Co-Lösungsmittels sowohl für das Wasser als auch für das Olefin nicht (in wirtschaftlicher Hinsicht) rasch genug fort, weil sich der Palladiiimkntalysator vorwiegend in der Diolefinschicht ansamme't.
Mit Ausnahme von stickstoffhaltigen Verbindungen, wie Aminen, Amiden oder Nitrilen, kann jedes Lösungsmittel verwendet worden «'Hches sowohl das Diolefin als auch die hydroxylgruppenhaltigen, bei der Reaktion mitbenutzten Verbindungen löst. Alkohole und Äther, insbesondere niedere Alkylalkohole und Äther mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen werden als Lösungsmittel für die Umsetzung bevorzugt verwendet. Am besten eignen sich verzweigtkettige Alkohole, z. B. sekundäre und tertiäre Alkohole, vor allem tertiäre Alkohole, weil sie zwar, aber doch nur in sehr geringem Maße, an der Reaktion teilnehm; ,;. Brauchbare Lösungsmittel sind beispielsweise Isopropanol, t-Butanol or'er Tetrahydrofuran.
Das Verhältnis der Reaktionsteilnehmer zu dem Lösungsmittel ist nicht kritisch und kann innerhalb eines weiten Bereiches verändert werden. Üblicherweise verwendet man nur die gerade ausreichende Menge Lösungsmittel, d. h. die Menge Lösungsmittel, die zur Erzielung eines einphasigen Reaktionsgemisches erforderlich ist. In einem typischen Fall besteht das Reaktionsgemisch bei Verwendung von Wasser als Coreagens vor der Zugabe des Diolefins aus 15 bis 50, vorzugsweise 20 bis 30 Volumen-% Wasser und zum restlichen Teil aus Lösungsmittel. Man verwendet etwa 0,5 bis 2,0 Mol Butadien pro Liter Lösungsmittel. Vorzugsweise setzt man 1,0 bis 1,5 Mol Diolefin pro Liter Lösungsmittel ein.
Das Verfahren wird in Gegenwart eines Katalysatorsystems durchgeführt, welches auf einem nullwertigen Palladiumkomplex besteht, d. h. einem nullwertigen
Palladium oder einer Verbindung, welches unter den Reaktionsbedingungen nullwertiges Palladium bildet, sowie einem Phosphin oder Isonitril als Aktivator. Gegebenenfalls kann man auch einen basischen Cokatalysator mitverwenden. Verbindungen, die das gewünschte nullwertige Palladium unter den Reaktionsbedingungen bilden, sind beispielsweise Bis(pi-allyl)palladium und Tetrakis(triphenylphosphin)palladium.
Bei den Aktivatoren, die in Verbindung mit den nullwertiges Palladium bildenden Stoffen verwendet >n werden können, sind Phosphine und Isonitrile, d.h. Verbindungen, die den allgemeinen Formeln R1R2RaP und R4NC entsprechen, in welchen Ri, R2, R3 und R4 einwertige substituierte oder nicht substituierte organische Reste mit 1 bis 12, vorzugsweise 1 bis 10 Kohlenstoffatomen pro Molekül sind. Vorzugsweise bedeuten Ri, R2, R3 und R4 einwertige acyclische oder alicyclische Alkylreste mit 1 bis 8, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen wie Methyl, Propyl, Isobutyl oder Cyclohexyl; Phenylene, einwertige Alkylarylreste mit 7 bis 12, vorzugsweise 7 bis 10 Kohlenstoffatomen wie ToIyI, Äthyl oder Äthylphenyl oder einwertige Aralkylreste mit 7 bis 12, vorzugsweise 7 bis 10 Kohlenstoffatomen wie Benzyl, Äthylbenzyl oder Diäthylbenzyl.
Isonitrile lassen sich in einfacher Weise herstellen, in _>"> dem man ein primäres Amin mit Chloroform und Natriumhydroxid erhitzt Die als Aktivatoren eingesetzten Phosphine werden im allgemeinen durch Umsetzung eines Phosphorhalogenides, z. B. Phosphortrichlorid, mit einer organometallischen Alkyl- oder Arylverbindung wie Butyllith.„m oder Phenyl-magnesiumchlorid hergestellt Typische Be-spiele für brauchbare Aktivatoren sind: Triphenylphosphin, Tricyclohexylphosphin, Tributylphosphin, DiäthylpHnylphosphin, Methyldiphenylphosphin, Tris(para-tolyl)phosphin, js Tris(meta-tolyl)phosphin, Tris(4-methylcyclohe-
xyl)phosphin, Tris(xylyl)phosphin, Triäthylphosphin, Tribenzylphosphin, Tris(phenyläthyl)phosphin, Methylisonitril, Äthylisonitril, t-Butylisonitril, Cyclohexylisonitril, Phenylisonitril oder p-ToIylisonitril. -to
Die Wirkungsweise des Katalysatorsystems kann weiterverbessert werden, wenn man entweder organische oder anorganische basische Verbindungen zusammen mit dem nullwertigen Palladium-Aktivator-System verwendet Vorzugsweise benutzte basische Verbindungen sind quaternäre Ammoniumhydroxide mit 4 bis 20, vorzugsweise 8 bis 10 Kohlenstoffatomen, quaternäre Ammoniumalkoxide mit 4 bis 20, vorzugsweise 8 bis 12 Kohlenstoffatomen, Alkali- und Erdalkalimetallhydroxide, Alkali- und Erdalkalimetallalkoxide mit 1 bis 10 >o Kohlenstoffatomen. Da die Mitverwendung anorganischer Hydroxide die Löslichkeit des Diolefins in dem Reaktionsgemisch meistens nachteilig beeinflußt, zieht man es im allgemeinen vor, organische basische Materialien, insbesondere quaternäre Ammoniumhy- y, droxide und -alkoxide zu verwenden. Brauchbare Cokatalysatoren sind beispielsweise: Tetraalkylammoniumhydroxide, Tetraalkylammoniumalkoxide, Alkylpyridiniumhydroxide.Trialkylaralkylammoniumhydroxide, Trialkylaralkylammoniumalkoxide, Alkylpyridiniumal- ho koxide sowie Alkali- und Erdalkalimetalloxide, -hydroxide und -alkoxide wie Natrium-, Kalium- und Lithiummethoxid, -äthoxid, -isopropoxid oder -t-butoxid.
Der Palladiumkatalysator wird im allgemeinen in Mengen von etwa 0,0001 bis 0,01 Mol pro Liter Alkohol br> und Lösungsmittel in der Reaktionszone verwendet. In den meisten Fällen ist der Palladiumkatalysator in Konzentrationen, die etwa 0,01 Mol Katalysator pro Liter Lösungsmittel und Alkohol übersteigen, unlöslich. Vorzugsweise verwendet man etwa 0,001 Mol Katalysator pro Liter Lösungsmittel und Alkohol, die in der Reaktionszone vorhanden sind.
Die Konzentration des Aktivators in der Reaktionszone kann sehr unterschiedlich sein. Verwendet man ein Phosphin als Aktivator, so verwendet man dieses vorzugsweise in einem molaren Überschuß über das nullwertige Palladiummaterial. Es können bis zu etwa 150 Mol Phosphin pro Mol nullwertige Palladiumverbindung verwendet werden. Vorzugsweise sollen wenigstens etwa 1 bis 10 Mol Phosphin pro Mol nullwertiges Palladiummaterial vorliegen. Verwendet man ein Isonitril als Aktivator, so soll wenigstens etwa ein Mol Isonitril pro Mol nullwertiger Palladiumverbindung vorhanden sein. Vorzugsweise verwendet man etwa 1 bis 4 Mol Isonitril zur Aktivierung von 1 Mol nullwertiger Palladiumverbindung. Werden sehr große Überschüsse an Isonitril über die nullwertige Palladiumverbindung verwendet so läuft die Reaktion sehr rasch an, hört aber nach einer verhältnismäßig kurzen Reaktionsdauer auf. Die das nullwertige Palladium bildenden Stoffe und der Aktivator können in einem einzigen Komplex oder Molekül vereinigt sein, wie dies beispielsweise bei Tetrakis(triphenylphosphin)-palladium der Fall ist In diesen Fällen ist es im allgemeinen nicht notwendig eine zusätzliche Menge Aktivator zu verwenden; vorzugsweise soll jedoch die Menge an Aktivatorverbindung größer sein als der stöchiometrischen Menge entspricht.
Der basische Cokatalysator kann in Konzentrationen verwendet werden, die entweder denen des Palladiumkatalysators entsprechen oder darüberliegen. Wenigstens etwa 0,0001 Mol Base pro Liter Alkohol und Lösungsmittel sollten eingesetzt werden. Die obere Grenze und Lösungsmittel sollten eingesetzt werden. Die obere Grenze für die Konzentration der Base ist innerhalb weiter Grenzen veränderlich, so daß es möglich ist, mehr als etwa 0,1 Mol tas^ pro Liter Lösungsmittel und Alkohol zu verwenden. Es ist jedoch zu bedenken, daß die Anwesenheit der basischen Verbindung die Löslichkeit des Olefins in dem Reaktionsgemisch nachteilig beeinflußt. Infolgedessen wird man im allgemeinen die Base in der niedrigsten Konzentration verwenden, bei der noch der gewünschte Effekt eintritt, d. h. eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit für das in dem Reaktionsgemisch gelöste Olefin erreicht wird.
Die Reaktion wird in der flüssigen Phase bei Temperaturen unter etwa 125°C durchgeführt. Die Reaktion schreitet zwar bei höheren Temperaturen sehr viel schneller voran, der Palladiumkatalysator wird jedoch bei Temperaturen über etwa 1250C in steigendem Maße inaktiviert. Vorzugsweise führt man die Umsetzung bei einer Temperatur zwischen etwa 0 und 125°C, am besten zwischen 50 und 1000C durch. Der Reaktionsdruck, d. h. der Druck, der in der Reaktionszone aufrechterhalten wird, kann innerhalb weiter Grenzen verändert werden; man kann sowohl bei atmosphärischem Druck als auch bei Überdruck arbeiten. Vorzugsweise führt man die Reaktion unter dem Druck durch, der durch die Reaktionsteilnehmer und das Lösungsmittel bei der Reaktionstemperatur entsteht. Die Reaktionsdauer hängt von einer Reihe von Verfahrensvariablen ab. In den meisten Fällen lassen sich hohe Ausbeuten an dem gewünschten Produkt erzielen, wenn man bei den genannten Temperaturen und Drucken arbeitet und die Reaktionsdauer zwischen
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etwa 2 und 60 Stunden liegt. Gute Ausbeuten lassen sich auch bereits in 10 bis 20 Stunden bei den genannten Temperaturen und Drucken erzielen.
Die ungesättigten Alkohole, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, können für verschiedene Zwecke verwendet werden. In erster Linie können die Verbindungen in der flüssigen Phase in Gegen'vart typischer Hydrierungskatalysatoren wie Nickel, Platin oder Palladium, hydriert und zu den entsprechenden gesättigten Alkoholen reduziert werden. Die gebildeten Alkohole können mit Phthalsäureanhydrid umgesetzt werden, wobei man wertvolle Weichmacher für Polyvinylchlorid gewinnt. Die gesättigten Alkohole lassen sich außerdem als Zusätze für kosmetische Präparate verwenden.
Beispiel 1
Eine mit Stickstoff gespülte Mischung aus !,0147 a Tetrakis(triphenylphosphin)palladiur 17,4 g Butadien, 50 ml Tetrahydrofuran und 10 ml Wasser wurde in das Reaktionsgefäß einer typischen Parr-Druckvorrichtung gegeben. Nach Zugabe des Katalysators, der Reaktionsteilnehmer und des Lösungsmittels wurde das Reaktionsgefäß geschüttelt und gleichzeitig auf 60° C erhitzt. Die Reaktion wurde bei 600C 16,5 Stunden fortgeführt. Nach Beendigung der Reaktionszeit wurde das Reaktionsgefäß entspannt und der flüssige Inhalt wurde mit der dreifachen Volumenmenge Wasser verdünnt. Anschließend wurde die organische Schicht von der wäßrigen Schicht abgetrennt; die letztere wurde mit Pentan extrahiert. Der Extrakt wurde mit der organischen Schicht vereinigt. Die so gewonnene Pentan-Schicht wurde mit Wasser gewaschen und über Magnesiumsulfat getrocknet. Anschließend wurde das Pentan von dem Reaktionsprodukt abgedampft.
Das auf diese Weise gewonnene Produkt (3,0 g) WUrC1S einer gaschromatographischen Prüfung unterzogen und der Infrarot- und kernmagnetischen Resonanz-Spektralanalyse unterworfen. Folgendes Ergebnis wurde erzielt: 65,9 Gewichts-% i,3,7-Octatrien, 7-9 Gewichts-% l-Octa-2,7-dienol and 15,5 Gewichts-u/u Bis(2,7-octadienyl)-äther. Der ungesättigte Alkohol wurde in einer Menge von 0,233 g Alkohol pro Gramm Katalysator pro Stunde gebildet und eine Ausbeute von 2,52 g Produkt pro Gramm Palladium konnte gewonnen werden.
Beispiel 2
Unter Anwendung der allgemeiner, Verfahrensvorschriften von Beispiel 1 wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, bei welchen Butadien mit Wasser in Gegenwart von Isopropanol als Verdünnungs- bzw. Lösungsmittel umgesetzt wurde. In jedem Fall wurde Tetrakis-(triphenylphosphin)palladium als Katalysator verwendet Bei Versuch Nr. 2 wurde Natriumhydroxid als Cokatalysator mitverwendet. Die Bedingungen, unter welche- jeder Versuch durchgeführt luiirH*» CAwip HiA PriTAK^iccA Ae>r Vprclirhp ^ίΠ^ ίΓ;
.—·... ·. _. W, UW .. .ta M. ta .^.^VW-..».'.- »»ta. . ta.—— — ..— - -.-
Tabelle I zusammengestellt. Aus den Daten geht deutlich die Wirkung des Palladiumkatalysators und des basischen Aktivators bei der Bildung sowohl von ungesättigten Äthern als auch ungesättigten Alkoholen hervor. Wie man aus Tabelle I erkennt, besteht der Hauptteil des bei der Umsetzung gewonnenen Produkts aus den gewünschten ungesättigten Alkoholen und Äthern.
Beispiel 3
Unter Anwendung der Arbeitsweise von Beispiel ! wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, bei welchen Butadien mit Wasser in Gegenwart von tertiärem Butanol als Verdünnungsmittel umgesetzt wurde. Der benutzte Katalysator bestand aus Tetrakis(triphenylphosphin)palladium. Benzyltrimethylammoniumhydroxid wurde bei Versuch 2 als Cokatalysator benutzt. Die Ergebnisse der Versuche und die Bedingungen, bei welchen die Versuche durchgeführt wurden, sind in Tabelle Il zusammengestellt.
Tabelle I (Pl t H2O ((H Butadien (Ph1Pl4Pd 1.,I1I4Pd But; Λ (CII B OH C OC Geu .- lllCII.,1, Bis-O C Ltadicin ( I an B
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5.2
'"' /u Beginn /ug. ilihrtes Material nicht gan/ verbraucht.
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Tabelle II
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Aus den Zahlenwerten geht deutlich hervor, daß die Umsetzung für die Bildung ungesättigter Alkohole brauchbar ist. Man erkennt weiterhin, daß sich bei Verwendung eines tertiären Alkohols, nämlich t-Butanol, als Lösungsmittel bei der Umsetzung deutlich _>, weniger Äther bildet. Durch Verwendung von t-Butanol als Lösungsmittel kann das Verfahren selektiv in Richtung auf die Bildung ungesättigter Alkohole gesteuert werden. Aus den Versuchen 1 und 2 erkennt man die gute Wirkung, die sich durch die Mitverwendung einer quaternären Ammoniunibase als Cokatalysator ergibt. Bei Versuch 2 wurde Benzyltrimethylammo· niumhydroxid ah Cokatalysator verwendet; die BiI-dungsgesuhwindigkeit des Alkohols pro Gramm Palladium pro Stunde war ''.ngefähr zweimal so groß wie die bei einem gleichen Versuch, der jedoch ohne quaternäres Ammoniumhydroxid durchgeführt wurde.

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von ungesättigten Alkoholen, dadurch gekennzeichnet, daß man in einer homogenen flüssigen Phase eine von gelöstem Sauerstoff befreite Lösung aus einem aliphatischen konjugierten C4- bis Ce-Diolefin, Wasser und einem Lösungsmittel in Gegenwart eines Katalysatorsystems, das einen nullwertigen Palladiumkomplex enthält und gegebenenfalls einer organischen oder anorganischen Base als Cokatalysator, mit einem organischen Isonitril oder Phosphin als Aktivator behandelt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Diolefin und Wasser in einem Lösungsmittel, welches sowohl das Diolefin als auch das Wasser löst und gegenüber dem 0-wertigen Palladiumkomplex inert ist, bei einer Temperatur zwischen 0 und 125° umsetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Phosphin- bzw. Nitril-Aktivator der Forme! R]R2R3P bzw. R4NC verwendet, worin Ri, R2, Rj und R4 einwertige Alkylreste mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, Phenylreste, einwertige Alkylarylreste mit 7 bis 12 Kohlenstoffatomen oder einwertige Aralkylreste mit 7 bis 12 Kohlenstoffatomen bedeuten.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Cokatalysator ein quaternäres Ammoniumhydroxid oder -alkoxid verwendet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Cokatalysator ein quaternäres Ammoniumhydroxid oder -alkoxid mit 4 bis 20 Kohlenstoffatomen verwendet.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lösungsmittel einen verzweigtkettigen niederen Monohydroxyalkohol verwendet
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