DE2256888A1 - Verfahren zur katalytischen oxidation vicinaler diole - Google Patents
Verfahren zur katalytischen oxidation vicinaler dioleInfo
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Description
D ^523
"Verfahren zur katalytischen Oxidation vicinaler Diole"
"Verfahren zur katalytischen Oxidation vicinaler Diole"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuren,
Aldehyden und Ketonen durch katalytische Oxidation
vicinaler Diole mit Sauerstoff.
vicinaler Diole mit Sauerstoff.
Gegenüber den seit längerer Zeit bekannten Verfahren der Diol-Oxidation
mit äquivalenten Mengen Bleitetraacetat t Perjodat
und anderen Verbindungen mit Atomen hoher Oxidationsstufe sind in den letzten Jahren mehrere Verfahren bekannt geworden, bei
denen Sauerstoff in Gegenwart katalytischer Mengen von Schwermetallionen, insbesondere Kobaltionen, zur oxidativen Spaltung der Diole verwendet wird. Im allgemeinen wird dabei so verfahren, daß eine Lösung des vicinalen Diols und katalytischer Mengen Kobaltsalz bei erhöhter Temperatur mit einem sauerstoffhaltigen Gas durch Rühren, Schütteln oder Verwendung einer Pritte in innige Berührung gebracht wird. Die der exothermen Reaktion vorangehende Induktionsperiode» die ähnlich bei Autoxidationsreaktionen beobachtet werden kann, beansprucht in vielen Fällen einen erheblichen Teil der Gesamtreaktionszeit. Die Dauer der
Induktionsperiode ist vor allem vom Inhibitorgehalt der eingesetzten Materialien Diol, Lösungsmittel und Katalysator, sowie
und anderen Verbindungen mit Atomen hoher Oxidationsstufe sind in den letzten Jahren mehrere Verfahren bekannt geworden, bei
denen Sauerstoff in Gegenwart katalytischer Mengen von Schwermetallionen, insbesondere Kobaltionen, zur oxidativen Spaltung der Diole verwendet wird. Im allgemeinen wird dabei so verfahren, daß eine Lösung des vicinalen Diols und katalytischer Mengen Kobaltsalz bei erhöhter Temperatur mit einem sauerstoffhaltigen Gas durch Rühren, Schütteln oder Verwendung einer Pritte in innige Berührung gebracht wird. Die der exothermen Reaktion vorangehende Induktionsperiode» die ähnlich bei Autoxidationsreaktionen beobachtet werden kann, beansprucht in vielen Fällen einen erheblichen Teil der Gesamtreaktionszeit. Die Dauer der
Induktionsperiode ist vor allem vom Inhibitorgehalt der eingesetzten Materialien Diol, Lösungsmittel und Katalysator, sowie
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von der Temperatur und der Katalysatorkonzentration abhängig und. kann durch Variation dieser Werte beeinflußt werden.
Dies ist jedoch meist nur innerhalb der für die oxidative Spaltung erforderlichen Versuchsbedingungen möglich.
Da ausbeuteneutrale Maßnahmen, wie zum Beispiel die Verwendung von durch spezielle Reinigungsmaßnahmen von möglichen
Inhibitoren befreiter Lösungsmittel, aus wirtschaftlichen Gründen nicht in Betracht kommen können, sind auch
schon Versuche gemacht worden, durch Zusatz entsprechender Substanzen zum Reaktionsgemisch die Induktionsperiode zu
verkürzen. So sind speziell für die oxidative Spaltung von vicinalen Diolen unter Bildung von Carbonsäuren als Initiatoren
Percarbonsäuren vorgeschlagen worden, die in Mengen von bis zu 20 - 30 Mol pro 100 Mol Diol in das Reaktionsgemisch
eingebracht werden.
Es wurde gefunden, daß man die Induktionsperiode bei der oxidativen Spaltung vicinaler Diole unter Bildung von Carbonsäuren,
Ketonen und Aldehyden mit Sauerstoff oder sauerstoff haltigen Gasen in Gegenwart von Kobaltionen und ggf.
inerten organischen Lösungsmitteln verkürzen kann, wenn man die Umsetzung unter Zusatz von mehrwertigen Alkoholen,
Ketonen und/oder Hydroxyketonen mit maximal 6 C-Atomen, die mindestens zwei Sauerstoff- bzw. Kohlenstoffatome enthalten
und in denen die Anzahl der C-Atome die der O-Atome
um maximal 3 übertrifft und die ggf. in Form ihrer Metallkomplexe vorliegen, durchführt.
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Die zuzusetzenden Initiatoren sollen im Reaktionsgemisch löslich sein, gegebenenfalls nach Zusatz eines der weiter
"unten genannten Lösungsmittels.
Als Beispiele für die erfindungsgemäß einzusetzenden Zusätze sind insbesondere zu nennen: Kthylenglykol, Propandiol-1.2,
Glycerin, Diacetyl, Acetylaceton, Kobalt-(II)-Acetylacetonat, Kobalt-(II)-(Glykol),-Acetat.
Die Wirkung der beschriebenen Verbindungen ist als durchaus überraschend anzusehen, da Substanzen dieser Strukturen
bisher nicht als Aktivatoren von Oxidations- oder Autoxidations-Reaktionen
bekannt waren, andererseits aber Zusätze, die als Autoxidations-Initiatoren gelten, wie z. B.
Peroxide einen geringeren Einfluß, auf die Induktionsperiode der Diolspaltungsreaktion ausüben.
Die Menge an erfindungsgemäß einzusetzenden Initiatoren ist
nicht kritisch. Im allgemeinen kann im Mengenbereich von etwa 0,5 bis 5 Molprozent Initiator gearbeitet werden.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Änderung
der üblichen Reaktionsbedingungen nicht erforderlich....
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf Dioie mit
primären, sekundären und tertiären C-Atomen in der Diol-Gruppierung,
die sowohl rein acyclisch -sein, als auch Cycloalkyl- und Aryl-Gruppierungen enthalten können und die ferner
durch solche Hereroatome bzw. HeteroatUmgruppierungen/
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substituiert sein können, die nicht unter den vorliegenden Reaktionsbedingungen oxidierbar sind wie beispielsweise Halogenatome, Äthergruppierungen, Estergruppierungen, insbesondere
werden Diole mit 6 bis 35 C-Atomen eingesetzt. Als Beispiele
für die in dem erfindungsgemäßen Verfahren oxidierbaren Verbindungen sind zu nennen:
Hexandiol-1.2, Octandiol-2.3, Octadecändiol-9.10, Hectandlol-1.2, Hexandiol-3".4, Octandiol-1.2, Nonandiol-1.2, Deeandiol-1.2, Octandiol-4.5, Decandiol-5.6, Dodecandiol-6.7, Tetradecandiol-7.8, Hexadecandiol-8.9» Cyclohexandiol-l^, 1.2-Diphenyl-l.2-dihydroxyäthan, Phenyl-l^-dihydroxyäthan, 3.1-Dimethylhexandiol-3.1*, 2.3-Dimethylheρtandiol-2.3, 3-Methylii-äthylhexandiol-3.1», 2-Methyl-3-butylheptandiol-2.3, 7.8-Dimethyltetradecandiol-7.8, ll.12-Dimethyldocosandiol-ll.12,
3-Äthylpentandiol-2.3, 3.5-Dimethylhexandiol-2.3, 3.4-Dimethylhexandiol-2.3, 3-Methyloctandiol-2.3, il-Propylheptandiol-3.4, 5-Butyldecandiol-5.6, S-Butyltetradecandlol-S.e, 7-Hexylheptadecandiol-7.8\l 2-Methylbutandiol-l.2, 2.3-Dimethylbutandiol-1.2, 2.ί^.ί|-Trimethylpentandiol-1.2.
Die beschriebenen Diole werden, je nach Konstitution und Reaktionsbedingungen, in dem erfindungsgemäßen Verfahren eu Aldehyden, Carbonsäuren oder Ketonen oxidiert. Als Katalysatoren
werden hierbei in jedem Fall Salze, Oxide, Sulfide und Komplexverbindungen des zweiwertigen Kobalts eingesetzt. Bevorzugt werden als Katalysatoren Kobalt-(II)-Verbindungen, die
im Reaktionsgemisch löslich sind, eingesetzt, beispielsweise
» ■ Kobalz-Salze von höheren Carbonsäuren, wie z. B. der Laurin-,
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Die bei der Umsetzung anzuwendenden Temperaturen liegen im Bereich zwischen 4o und JlPO C, wobei die bevorzugten Bereiche
je nach Ausgangsmaterial und herzustellendem Produkt variieren. So ist es zum Beispiel bei der Herstellung von
Aldehyden in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, die gemäß deutscher Patentanmeldung P 20 27 924.7 angewendeten
Temperatur-Randbedingungen einzuhalten, damit eine schnelle Abführung des entstandenen Aldehyds aus dem
Reaktionsgemisch gewährleistet ist. Diese Temperaturen sollen mindestens 50° C unter dem Siedepunkt des eingesetzten
Diols und höchstens 50 C unter dem Siedepunkt des entstehenden Aldehyds liegen und im übrigen der obige Bereich
eingehalten werden.
Die Verwendung von Lösungsmitteln in dem erfindungsgemäßen Verfahren richtet sich ebenfalls nach Ausgangsmaterial und
herzustellendem Produkt, Grundsätzlich kann auf den Einsatz von Lösungsmitteln verzichtet werden; soll die oxidative
Spaltung der Diole jedoch zu Carbonsäuren führen, so ist
die Verwendung eines hochsiedenden Lösungsmittels von Vorteil, um eine Abführung der als Zwischenprodukt auftretenden
Aldehyde aus dem Reaktiorisgemisch durch das Oxidationsgas zu verhindern. Gemäß Deutscher Patentanmeldung
P 20 38 296.1 kommen in diesem Fall Lösungsmittel mit Siedepunkten
oberhalb 80 C in Frages wobei Mit besonderem Vorteil
die in dem Prozeß herzustellenden Carbonsäuren als Lösungsmittel eingesetzt werden können.
Allgemein können als Lösungsmittel in dem erfindungsgemäßen
Verfahren unpolare, polar-aprotische, sowie polar-protische
Eingao©
em .A'.Jtes.&-&> - ζ
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Henkel & CIO GmbH StIt. 6 »»' Patentanmeldung D M 5 2 3
Lösungsmittel eingesetzt werden. Als Beispiele für geeignete Lösungsmittel sind demgemäß zu nennen: Paraffinische
Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Benzinfraktionen, . Carbonsäureester, Benzonitril, Carbonsäuren, Chlorbenzol.
Als Oxidationsgas kann Luft, insbesondere aber reiner Sauerstoff,
di h. Sauerstoff technischer Qualität, der nicht mehr
als 10 Volumenprozent anderer Gase enthält, eingesetzt werden.
Das Oxidationsgas soll möglichst fein verteilt mit dem zu oxidierenden Diol in Kontakt gebracht werden. Dies kann
beispielsweise dadurch erfolgen, daß das Gas durch mehrere feine Düsen am Boden des Reaktionsgefäßes eingeblasen v/ird.
Man kann auch so verfahren, daß man direkt über der Sauerstoff zuführung am Boden des Reaktionsgefäßes eine hochtourige
Rührvorrichtung anbringt oder das Rührorgan selbst mit Bohrungen für die Oxidationsgaszufuhr vorsieht.
)i ■
Beim Arbeiten im Bereich höherer Temperaturen und bei Umsatz größerer Mengen empfiehlt es sich, das Oxidationsgas auf die jeweilige Temperatur des Reaktionsgemisches
vorzuerhitzen.
Die üeschwindigkeit des Oxidationsgasstromes ist von mehreren
Versuchsparametern abhängig und daher nicht für alle Ausfuhrungsformen verbindlich angebbar. Sie richtet sich
u. a. nach den apparativen Gegebenheiten, wobei insbesondere die Art der Zuführung des Gases und seine Verteilung im
Reaktionsgemisch eine Rolle spielen, ferner nach der Menge
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des umzusetzenden Materials, sowie danach, ob im kontinuierlichen
oder diskontinuierlichen Betrieb gearbeitet wird und schließlich nach der jeweiligen Arbeitstemperatur.
.
Soweit erforderlich, d. h. soweit die Reaktionsprodukte nicht bereits während der Umsetzung aus. dem Reaktionsgemisch abgeführt werden, wie dies bei der Herstellung
von Aldehyden und zum Teil auch bei Ketonen der Fall ist, kann die Aufarbeitung durch Destillation oder im Falle
der Carbonsäuren durch Extraktion mittels wäßrig alkalischer Lösung erfolgen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Ausmaß der Verkürzung
der Induktipnsperiode abhängig von den jeweils angewendeten Versuchsbedingungen und daher nur für den Einzelfall
angebbar. Die Dauer der Induktionsperiode kann beispielsweise definiert werden als der Zeitraum, der zwischen der Zugabe
der Katalysator-Initiator-Mischung zu dem auf Reaktionstemperatür thermostatisierten Diol bzw. Diol-Lösungsmittelgemisch
und dem plötzlichen Temperaturanstieg bei Einsetzen der Reaktion liegt. Die Zuverlässigkeit der Endpunktsanzeige
über die Temperaturmessung läßt sich durch titrimetrische
Ermittlung des Diol-Gehaltes bestätigen.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine. Vorreinigung der das Reaktionsgemisch
bildenden Komponenten durch Zugabe von Fremdsubstanzen in sehr kleinen Mengen vermieden werden kann. Der #
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mit den erfindungsgemäß einzusetzenden Substanzen erzielbare Effekt war nicht vorhersehbar, da angenommen werden
mußte,-daß nur typische Autoxydations-Katalysatoren eine Wirkung zeigen, die erfindunßsgemäß einzusetzendenSubstanzen nicht als solche beschrieben sind und andererseits
typische Autoxydations-Katalysatoren wie Peroxide einen deutlich geringeren Effekt zeigen.
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20 g eines Gemisches.mittenständiger, vicinaler Diole der
Kettenlängen C.j. - C.n wurden in~ 200 ml n-'-Butylacetat gelöst,
auf 100° C thermostatisiert und über eine Fritte mit einem Sauerstoffstrom von 0,2 1/Minute durchströmt.
Dem Reaktionsgemisch wurden dann 2 Molprozent Kobalt-(II)-Laurat und 5 Molprozent Äthylenglykol zugesetzt. Die Induktionsperiode
'war nach 4 Minuten beendet. Das Reaktionsgemisch wurde destillativ aufgearbeitet; die Ausbeute an
Carbonsäuren der Kettenlängen C7 - Cq,betrug 82 % d. Th.
Da die Dauer der Induktionsperiode auch bei gleichen Verτ
Suchsbedingungen in verschiedenen Ansätzen Schwankungen zeigt, wurden 8 weitere identische Versuche durchgeführt.
Die Induktionsperiode war im Mittel nach 6 Minuten beendet. Die Ausbeute an Carbonsäuren lag zwischen 80 und 83 $ d. Th.
Eine Wiederholung des Versuchs ohne Zusatz von Äthylenglykol
ergab eine Indukti'onsperiode von 35 "Minuten; die Carbonsäure-Ausbeute blieb unverändert' 83 % d. Th. Elf weitere Versuche
ergaben im Mittel eine Induktionsperiode von 40 Minuten.
- 10 -
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Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß" anstelle .
von Butylacetat n-Decansäure als Lösungsmittel eingesetzt wurde. Die Induktionsperiode betrug 33 Minuten.
Eine Wiederholung des Versuches in Abwesenheit von Äthylenglykol ergab eine Induktionsperiode von 1 Stunde 20 Minuten.
Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß anstelle von Äthylenglykol 1I Molprozent Acetylaceton zugesetzt wurden,
Die Induktionsperiode war nach 8 Minuten beendet.
Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß anstelle des Kobalt-(II)-Laurats und des Äthylenglykols 2 Molprozent
des Klompexes Co(Glykol),(CH^COO)p zugesetzt wurden. Die Induktionsperiode
war nach k Minuten beendet.
- 11 -
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Claims (3)
- Henkel & CIO GmbH S.It. 11 «ur Pat.nlonnoldung D ^523 O O C C? O O O "Pa t ent ä η s ρ r ti c h e -'■■■"■ - ':; ' '■-" -Verfahren zur oxidativen Spaltung vieinaler Piole unter. -. Bildung von Carbonsäuren, Ketonen und Aldehyden mit Sauer-, stoff oder sauerstoffhaltigen Gasen in Gegenwart von Kobalt-(II)-Ionen und ggf. inerten organischen Lösungsmitteln, dadurch gekennzeichnet,'daß die Umsetzung unter Zusatz von mehrwertigen Alkoholen, Ketonen und/oder Hydroxyketonen mit maximal 6 C-Atomen, die mindestens zvrei Sauerstoff- bzw. C-Atome enthalten und in denen die Anzahl der C-Atome die der O-Atome um maximal 3 übertrifft, ggf. in Form ihrer Metallkomplexe, durchgeführt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidativ
erfolgt.oxidative Spaltung bei Temperaturen zwischen ^O und 200° C - 3. Verfahren nach Ansprüchen 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Initiatoren Äthylenglykol und/oder Acetylaceton eingesetzt werden.k. Verfahren nach Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß als Initiatoren Co-(II)-Acetylacetonat und/oder Co-.(II)-(Glykol),-Aeetat eingesetzt werden.A09821/VV73
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