DE2461922A1 - Verfahren zur herstellung von tetrahydrofuran - Google Patents

Verfahren zur herstellung von tetrahydrofuran

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DE2461922A1
DE2461922A1 DE19742461922 DE2461922A DE2461922A1 DE 2461922 A1 DE2461922 A1 DE 2461922A1 DE 19742461922 DE19742461922 DE 19742461922 DE 2461922 A DE2461922 A DE 2461922A DE 2461922 A1 DE2461922 A1 DE 2461922A1
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butanediol
tetrahydrofuran
silica
catalyst
silicon oxide
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DE19742461922
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William Edward Smith
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General Electric Co
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General Electric Co
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07DHETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/04Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having no double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/06Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having no double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with only hydrogen atoms or radicals containing only hydrogen and carbon atoms, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D307/08Preparation of tetrahydrofuran

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Description

  • Verfahren zur Herstellung von Tetrahydrofuran Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Tetrahydrofuran, welches die Erhitzung eines 1,4-Butandiols in Anwesenheit eines Dehydratisierungskatalysators umfaßt.
  • Es ist bekannt, daß Tetrahydrofuran nach einer Reihe unterschiedlieher Verfahren hergestellt werden kann; die bedeutungsvolleren Verfahren bestehen dabei in der katalytischen Hydrierung von Furan oder in der Dehydratisierung von 1,4-Butandiol in der flüssigen Phase, d.h. im Erhitzen von 1,4-Butandiol in der flüssigen Phase mit Schwefelsäure auf erhöhte Temperaturen.
  • In der Praxis wird Tetrahydrofuran am häufigsten nach einer Reihe von Reaktionen hergestellt, die mit der Reaktion von Formaldehyd und Acetylen in Anwesenheit eines Kupfer-I-acetylidkomplexes unter Bildung von Butindiol beginnen. Butindiol wird durch Hydrierung in Butandiol überführt. Das 1,4-Butandiol wird, wie vorstehend bereits erwähnt, in Tetrahydrofuran umgewandelt.
  • Weiterhin wird Tetrahydrofuran aus Maleinsäure, ihren Estern, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, ihren Estern, Succinsäure, ihren Estern, Succinsäureanhydrid, %-Butyrolacton oder Mischungen dieser Verbindungen durch Hydrierung über einen entsprechenden Hydrierungskatalysator hergestellt.
  • Diese Verfahren erfordern jedoch teure Anlagen und häufig treten Korrosionsprobleme auf.
  • Tetrahydrofuran ist als Lösungsmittel für natürlidle und synthetische Harze, insbesondere für Vinylharze, brauchbar. Es wird weiterhin als Zwischenprodukt bei der Herstellung von Nylon, 1,4-Dichlorbutan und Polyurethanen verwendet.
  • Es wurde nunmehr gefunden, daß Tetrahydrofuran in wirksamer Weise aus 1,4-Butandiol durch Erhitzen des 1,4-Butandiols in der Dampfphase in Anwesenheit eines heterogenen Dehydratisierungskatalysators hergestellt werden kann. Dieser Dehydratisierungskatalysator wird dabei ausgewählt aus der Gruppe aus Zeoliten, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxiden, Siliciumdioxid-Magnesiumoxiden und sauren Tonerden. Nach diesem Verfahren wird Tetrahydrofuran im wesentlichen in quantitativen Ausbeuten erzeugt. Weiterhin ist auch der Dehydratisierungskatalysator gemäß der vorliegenden Erfindung stationär und permanent und kann daher kontinuierlich wieder verwendet werden.
  • Die Dehydratisierungskatalysatoren, die in der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind solche, die den Ringschluß und die Entfernung des Wassers beschleunigen. Geeignete Dehydratisierungskatalysatoren umfassen Zeolite, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxide, Siliciumdioxid-Magnesiumoxide, saure Tonerden und dergleichen.
  • Die Zeolit-Dehydratisierungskatalysatoren, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen die natürlichen und die synthetischen Zeolite, die auch als Molekularsiebe bekannt sind. Diese Zeolite sind allgemein bekannt und im einzelnen in dem Buch von Charles K. Hersh Molekularsiebe, Reinhold Publishing Company, New York (1961) beschrieben. Durch diese Bezugnahme wird der Offenbarungsgehalt dieser Veröffentlichung in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
  • Als repräsentative Beispiele für natürliche Zeolite, die in der vorliegenden Erfindung Anwendung finden können, werden vorzugsweise die in den Tabellen 3-1, auf Seite 21 dieses vorerwähnten Werkes von Hersh bevorzugt, während repräsentative Beispiele für Molekularsiebe solche umfassen, die in Tabelle 5-1 auf Seite 54 des vorgenannten Werkes von Hersh aufgeführt sind. Weitere Zeolitkatalyßatoren sind in der Veröffentlichung "Organic Catalysts Over Crystalline Aluminosilicates von P.B. Venuto und P.S. Landis in Advances in Catalysis, Band 18, Seiten 259 bis 371 (1968) beschrieben. Auch der Offenbarungsgehalt dieser Veröffentlichung wird durch diese Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
  • Die Siljciumoxid-Aluminiumoxid-Dehydratisierungskatalysatoren, die erfindungsgemäß Anwendung finden können, variieren in ihrer Zusammensetzung von reinem Siliciumoxid bis zu reinem Aluminiumoxid, während die Siliciumoxid-Magnesiumoxide in ihrer Zusammensetzung von reinem Siliciumoxid bis zu vorherrschend Magnesiumoxid variieren.
  • Die erfindungsgemäß verwendbaren Dehydratisierungskatalysatoren auf der Basis von sauren Tonerden umfassen Tonerden, die die Mineralien Kaolinit, Halloysit, Montmorillonit, Illit, Quarz, Calcit, Liminomit, Gips, Muscavit und dergleichen entweder in natürlichen sauren Formen oder nach Behandlung mit Säure enthalten.
  • Der Katalysator wird vorzugsweise in Form eines Bettes verwendet, durch welches die Reaktionsbestandteile hindurchgeführt werden, Die Temperatur, bei der das Verfahren durchgeführt wird, kann ininnerhalb weiter Grenzen variieren. Temperaturen im Bereih von etwa 125 0C bis etwa 300 0C sind im allgemeinen geeignet, obgleich höhere Temperaturen ebenfalls Verwendung finden können. Vorzugsweise wird die Reaktion bei einer Temperatur von etwa 180 OC bis etwa 270 0C durchgeführt. Das Maximum hängt von dem Abbau des Produktes und der Olefinbildung, die unter zu scharfen Bedingungen auftritt, ab.
  • Obgleich normalerweise nur Atmosphärendruck erforderlich ist, so ist es doch offensichtlich für den Fachmann, daß auch überatmosphärendruck oder Unteratmosphärendruck Anwendung finden können, wenn die Bedingungen und Konzentrationen dies erfordern.
  • Das Verfahren kann durch die nachfolgende Gleichung veranschaulicht werden: In der eigenen älteren Patentanmeldung P 24 25 653.9 ist bereits ein Verfahren für die Herstellung von Butandiolen durch Reaktion von Propylen, Sauerstoff und einer Carbonsäure unter Bildung eines Allylcarboxylats offenbart und beansprucht, welches dann unter Erzeugung einer Mischung der entsprechenden Aldehyde hydroformyliert wird. Die Hydrierung der Mischung erzeugt eine Mischung von Estern der entsprechenden Diole. Die Diolester werden durch Alkoholyse oder durch Hydrolyse entestert unter Erzeugung der folgenden Diole: 1,4-Butandiol, - 2-Methyl-1,3-propandiol und 1,2-Butandiol.
  • In der eigenen älteren Patentanmeldung P 24 25 844.4 ist ein Verfahren offenbart und beansprucht, bei dem die Hydrierung gleichzeitig mit der Hydroformylierungsreaktion durchgeführt wird. Die Entesterung der Diolestermischung durch Alkoholyse oder Hydrolyse erzeugt die gleiche Mischung der vorstehend aufgeführten Diole.
  • Der Offenbarungsgehalt dieser beiden älteren Patentanmeldungen P 24 25 653.9 und P 24 25 844.4 wird durch diese Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
  • Tetrahydrofuran kann aus einer Mischung der Diole hergestellt werden, wobei die in den beiden vorgenannten Patentanmeldungen offenbarten Verfahren für die Herstellung dieser Diolmischung verwendet werden können. Dieses Verfahren umfaßt das Erhitzen der Mischung aus 1,4-Butandiol, 1,2-Butandiol und 2-Methyl-1,3-propandiol in der Dampfphase in Anwesenheit eines heterogenen Dehydratisierungskatalysators, wobei dieser Dehydratisierungskatalysator ausgewählt ist aus der Gruppe aus Zeoliten, Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid-Aluminiumoxiden, Siliciumoxid-Magnesiumoxiden und sauren Tonerden.
  • Die Reaktion kann in der Weise ausgeführt werden, daß eine Mischung aus 1.,4-Butandiol, 1,2-Butandiol und 2-Methyl-1,3-propandiol in der Dampfphase über ein erhitztes Katalysatorbett geleitet wird.
  • Das 1;4-Butandiol wird in Tetrahydrofuran und Wasser umgewandelt.
  • Die anderen Diole passieren das Katalysatorbett unverändert oder sie werden in olefinische Dehydratisierungsprodukte umgewandelt.
  • Für die Trennung des Tetrahydrofurans von seinen wasser-azeotropen Mischungen werden allgemein bekannte Verfahrenstechniken verwendet.
  • Die nachfolgenden Beispiele dienen zur besseren Erläuterung des Prinzips und der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung. Bei den angeführten Teilen und Prozentsätzen handelt es sich um Gewichtsteile und Gewichtsprozentsätze, sofern es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.
  • Beispiel 1 Ein vertikaler Heißrohrreaktor (16 mm Innendurchmesser, 70 cm wirksame Länge) wurde aus dickwandigem Glas mit 24/40 Schliffverbindungen hergestellt. Gerade oberhalb der Schliffverbindung wurden Vigreaux-Eindellungen angebracht, um das Katalysatorgranulat zu tragen. In drei anderen Vigreaux-Eindellungen entlang der Länge des Reaktors wurden Thermoelementanschlüsse befestigt.
  • Drei Briskheat-glasisolierte Erhitzungsbänder mit den Abmessungen 121 x 2,54 cm wurden um das Rohr gewickelt, mit Glaswolle und mit Glasbändern umwickelt und an separate variierbare Transformatoren angeschlossen. Der Röhrenausgang wurde über einen Schwanenhals (ebenfalls erhitzt) an einen wirksamen Kondensator und ein Sammelgefäß angeschlossen. Ein Dreihalskolben diente als Verdampfer, dem die Reaktionsbestandteile über einen im Seitenhals angeordneten Zugabetrichter zugeführt wurden. Ein Stickstoff-Trägergas wurde verwendet, um eine Kontaktzeit in der Größenordnung von 3 bis 10 Sekunden zu erzielen.
  • Die vorstehend beschriebene Röhre wurde mit 110 g Aluminiumoxidkatalysator (Harshaw 3,2 mm (1/8 inch) Granulat (Pellets), A1-0104T) und bei einer Temperatur von 250 bis 270 0" betrieben, während 51 g 1,4-Butandiol innerhalb von 15 Minuten hindurchgeleitet wurden. Mit etwa der Zugabe entsprechenden Geschwindigkeit wurden 51 g eines flüssigen Auslaufes erhalten, der aufgrund der glpc-Analyse nur aus Tetrahydrofuran und Wasser im Molverhältnis 1 : 1 bestand (quantitative Ausbeute und Umwandlung).
  • Beispiel 2 Die in Beispiel 1 beschriebene Röhre wurde mit 89 g Siliciumoxid-Aluminiumoxidkatalysator (87 % Siliciumoxid - 13 % Aluminiumoxid in Form von Pillen mit den Abmessungen 4,7 mm x 4,7 mm (3/16 inch x 3/16 inch) Davison Chemical grade 970) beschickt und bei einer Temperatur von 250 OC betrieben, während 90 g 1,4-Butandiol innerhalb einer Stunde hindurchgeleitet wurde. Der gesammelte Auslauf (86 g) enthielt aufgrund der durchgeführten glpc-Analyse 70 g Tetrahydrofuran (97 % Ausbeute) und nicht mehr als eine Spur des 1,4-Butandiols.
  • Beispiel 3 Die Röhre und der Katalysator, wie sie in Beispiel 2 beschrieben 0 sind, wurden bei einer Temperatur von 250 C betrieben, und es wurden 100 g einer Diolmischung, die 84 g 1,4-Butandiol, 11 g 1,2-Butandiol und 5 g 2-Methyl-1,3-propandiol enthielt, während einer Stunde hindurchgeleitet. Die quantitative glpc-Analyse des Auslaufes ergab die Anwesenheit von 67 g Tetrahydrofuran (100 % Ausbeute) sowie Wasser, die anderen Diole und ihre olefinischen Dehydratisierungsprodukte.
  • Beispiel 4 Die in Beispiel 1 beschriebene Röhre wurde mit 85 g Siliciumoxid-Magnesiumoxidkatalysator (70 % Siliciumoxid - 30 % Magnesiumoxid in Form von Pillen mit den Abmessungen 4,7 mm x 4,7 mm (3/16 inch x 3/16 inch), Hersteller: Davison Chemical) beschickt und bei einer Temperatur von 250 0C betrieben, während 100 g der in Beispiel 3 beschriebenen Diolmischung innerhalb einer Stunde hindurchgeleitet wurden. Die glpc-Analyse des Auslaufes zeigte die Anwesenheit von etwa 5 g nicht-umgesetztem 1,4-Butandiol (6 %ige Rückgewinnung), 63 gTetrahydrofuran (100 % Ausbeute auf der Basis einer 94 %igen Umwandlung), 4 g 1,2-Butandiol, 3 g 2-Methyl-1,3-propandiol und geringe Mengen olefinischer Dehydratisierungsprodukte an.

Claims (3)

PatentansprUche
1. Verfahren zur Herstellung von Tetrahydrofuran, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß 1,4-Butandiol in der Dampfphase in Anwesenheit eines Dehydratisierungskatalysators erhitzt wird, wobei der Dehydratisierungskatalysator ausgewählt ist aus der Gruppe aus Zeoliten, Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid-Aluminiumoxiden, Siliciumoxid-Magnesiumoxiden und sauren Tonerden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Dehydratisierungskatalysator Siliciumoxid-Aluminiumoxid ist.
3. Verfahren zur Herstellung von Tetrahydrofuran, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Mischung aus 1,4-Butandiol, 1,2-Butandiol und 2-Methyl-1,3-propandiol in der Dampfphase in Anwesenheit eines heterogenen Dehydratisierungskatalysators erhitzt wird, wobei der Dehydratisierungskatalysator ausgewählt ist aus der Gruppe aus Zeoliten, Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Siliciumoxid-Aluminiumoxiden, Siliciumoxid-Magnesiumoxiden und sauren Tonerden.
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