DE2702014A1 - Verfahren und katalysator zur herstellung von saeureamiden - Google Patents

Verfahren und katalysator zur herstellung von saeureamiden

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DE2702014A1 DE19772702014 DE2702014A DE2702014A1 DE 2702014 A1 DE2702014 A1 DE 2702014A1 DE 19772702014 DE19772702014 DE 19772702014 DE 2702014 A DE2702014 A DE 2702014A DE 2702014 A1 DE2702014 A1 DE 2702014A1
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    • B01J23/76Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B01J23/84Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36 with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
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Description

SUMITOMO CHEMICAL COMPANY, LIMITED
Osaka, Japan
" Verfahren und Katalysator zur Herstellung von Säureamlden "
Priorität: 19. Januar 1976, Japan, Nr. 5 289/76
21. Januar 1976, Japan, Nr. 6 252/76
22. März 1976, Japan, Nr. 31 681/76 17. Mai 1976, Japan, Nr. 57 082/76
Die Erfindung betrifft den in den Patentansprüchen gekennzeichneten Gegenstand.
Die Herstellung von Säureamiden durch katalytische Hydratation der entsprechenden Nitrile mit Wasser in Gegenwart eines Katalysators, der metallisches Kupfer enthält, ist bekannt. Die Hydratation erfolgt hierbei nach folgender Formel:
R-C=N + H2O
R-CONH
in der R ein organischer Rest ist.
Als Hydratationskatalysatoren sind verschiedene Kupfermetallkatalysatoren bekannt, z.B. Kupfermetall, das durch Reduktion feiner Kupferverbindung mit einem Reduktionsmittel erhalten
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worden ist, Kupfermetall, das durch thermische Zersetzung von Kupfer(II)-formiat oder Kupfer(II)-oxalat erhalten worden ist, Raney-Kupfer und Urushibara-Kupfer. Diese Kupfermetallkatalysatoren werden zwar bei der technischen Herstellung von Säureamiden eingesetzt, weisen jedoch noch verschiedene Nachteile auf, z.B. im Hinblick auf die Komplexität ihrer Herstellung, die schwierige Handhabung aufgrund ihrer extremen Affinität gegenüber molekularem Sauerstoff und die unvermeidliche Bildung von Nebenprodukten, die sich in Form von organischen Materialien und Schwermetallen im Abwasser finden.
Aus der US-PS 3 381 03^ ist die Verwendung einwertiger und zweiwertiger Kupferverbindungen als Katalysatoren für die Hydratation von Nitrilen bekannt. Die Hydratationsaktivität dieser Kupferverbindungen ist jedoch außerordentlich niedrig. Aus der JA-OS 3$ 315/74 ist ferner bekannt, daß die katalytische Aktivität eines Kupferkatalysators, der durch Behandeln von metallischem Kupfer mit einem Vanadat erhalten worden ist, der von Kupfermetall überlegen ist. In diesem Verfahren muß jedoch ein speziell aktiviertes metallisches Kupfer eingesetzt werden, da handelsübliches Kupfermetall nicht nennenswert aktiviert werden kann.
Es wurde nun gefunden, daß ein Katalysator, der durch Behandeln eines Vanadats mit einem Kupfer(l)-salz oder mit einem Gemisch aus mindestens zwei der folgenden Bestandteile: metallisches Kupfer, Kupfer(I)-salz, Kupfer(II)-salz erhalten worden ist, eine außerordentlich hohe katalytische Aktivität
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bei der Hydratation von Nitrilen mit Wasser zum entsprechenden Säureamid entfaltet.
Das zur Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators verwendete Vanadat kann wie bei Cotton et al.: "Advanced Inorganic Chemistry11, 3. Ausgabe, Seiten 821 bis 825 (1972), definiert werden als Anion von fünfwertigem Vanadin und Sauerstoff z.B. der Formel: χ M2O.y V2Oc.η H2O (M = einwertiges Kation) oder χ M O.y V2Oc.η H2O (M = zweiwertiges Kation, wobei η eine Zahl einschließlich 0 ist. Die einwertigen und zweiwertigen Kationen unterliegen keiner bestimmten Beschränkung, jedoch sind Alkalimetall-, Erdalkalimetall- und Kupferionen bevorzugt. Spezielle Beispiele für geeignete Vanadate sind Natriumorthovanadat, Natriummetavanadat, Natriumpyrovanadat, Kaliumorthovanadat, Kaliummetavanadat, Kaliumpyrovanadat, Kupfer(I)-orthovanadat, Kupfer(II)-orthovanadat, Kupfer(I)-metavanadat, Kupfer(II)-metavanadat, Kupfer(l)-pyrovanadat, Kupfer(Il)-pyrovanadat und deren Gemische. Ferner eignen sich Polyvanadate und Isopolyvanadate, deren chemische Strukturen noch nicht genau bekannt sind. Bevorzugt sind Natriumorthovanadat, Natriummetavanadat, Natriumpyrovanadat und deren Gemische, Kaliumorthovanadat, Kaliummetavanadat, Kaliumpyrovanadat und deren Gemische sowie Kupfer(II)-orthovanadat, Kupfer(II)-metavanadat, Kupfer(II)-pyrovanadat und deren Gemische.
Die Vanadate können auf bekannte Weise hergestellt werden, z. B. durch Auflösen von Vanadinpentoxid oder Ammoniumvanadat und einem Alkalimetallsalz, z.B. Natriumcarbonat oder Natrium-
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hydroxid, in einem geeigneten Mengenverhältnis in wäßrigen Medien oder durch Zusammenmischen und anschließendes Erwärmen der Komponenten. Kupfer(II)-vanadate und deren Gemische können z.B. dadurch hergestellt werden, daß man ein Alkalimetall-, Erdalkalimetall- oder Ammoniumsalz der Vanadinsäure mit einer Kupfer(II)-verbindung (z.B. Kupfer(ll)-chlorid, -bromid, -sulfat, -nitrat, -perchlorat, -formiat, -acetat, -propionat, -hydroxid oder -carbonat) in einem wäßrigen Medium vermischt oder Kupfer(II)-oxid, -carbonat, -hydroxid oder -nitrat mit Vanadinpentoxid oder Ammoniumvanadat in einem geeigneten Mengenverhältnis vermischt und anschließend erhitzt. Die erhaltenen Kupfer(II)-vanadate können mit oder ohne vorherige Abtrennung aus dem Reaktionsgemisch zur Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators eingesetzt werden. Im Falle der Abtrennung erfolgt diese vorzugsweise auf nassem Wege.
Ein Teil des Vanadats kann durch ein beliebiges anderes Oxosäuresalz ersetzt werden, das als Metallkomponente z.B. Mo, Cr oder W enthält. In diesem Fall beträgt das Atomverhältnis der anderen Metallkomponente zu Vanadin üblicherweise 0,01 bis 0,5 : 1, vorzugsweise 0,01 bis 0,1 : 1. Die Oxosäuresalze können auf ähnliche Weise wie die Vanadate hergestellt werden.
Als metallisches Kupfer kann beliebiges handelsübliches Kupfermetall oder auch auf Übliche Weise aktiviertes Kupfermetall eingesetzt werden.
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Beispiele für geeignete Kupfer(I)-salze sind Kupfer(I)-chlorid, -bromid, -jodid, -sulfat, -nitrat, -formiat, -acetat und -oxid. Hierbei ist Kupfer(l)-chlorid besonders bevorzugt. Anstelle des Kupfer(I)-salzes kann auch eine Verbindung eingesetzt werden, die aus metallischem Kupfer und einem Kupfer(II)-salz (z.B. Kupfer(Il)-chlorid, -bromid, -sulfat, -nitrat, -formiat oder -acetat) erhalten worden ist, da derartige Verbindungen chemisch äquivalent sind.
Spezielle Beispiele für Kupfer(II)-salze sind Kupfer(II)-chlorid, -bromid, -nitrat, -sulfat, -perchlorat, -formiat, -acetat, -propionat, -hydroxid, -carbonat und -oxid. Ein Teil des Kupfer(II)-salzes kann durch ein oder mehrere Salze eines oder mehrerer anderer Metalle ersetzt sein, z.B. von Fe, Mn oder Sn. Das Atomverhältnis dieser anderen Metalle zu Kupfer beträgt gewöhnlich z.B. 0,01 bis 0,3 : 1, vorzugsweise 0,01 bis 0,1 : 1.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators unterliegt die Menge des Kupfer(l)-salzes oder des Gemisches aus mindestens zwei der folgenden Bestandteile: metallisches Kupfer, Kupfer(I)-salz, Kupfer(II)-salz, mit denen das Vanadat behandelt wird, keiner bestimmten Beschränkung, üblicherweise ist jedoch ein Atomverhältnis von Cu : V von 1 : 0,01 bis 1 : 100, insbesondere 1 : 0,1 bis 1 : 10, bevorzugt. Bei Verwendung eines Gemischs aus mindestens zwei der Komponenten: metallisches Kupfer, Kupfer(I)-salz, Kupfer(II)-salz kann das Atomverhältnis von Cu0J Cu1, Cu0 s Cu11 oder Cu1 : Cu11 z.B. 1 t 0,01 bis 1 : 100, vorzugsweise 1 : 0,1 bis 1 : 10 und J
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das Atomverhältnis von Cu : Cu : Cu z.B. 1 : 0,01 : 0,01 bis 1 i 100 : 100, vorzugsweise 1 : 0,1 : 0,1 bis 1 : 10 : 10, betragen.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators erfolgt gewöhnlich in einem flüssigen Medium, wie Wasser, das vorzugsweise z.B. durch Zusatz von Carbonationen oder Acetationen auf einen geeigneten pH eingestellt worden ist. Die Katalysatoreigenschaften werden im allgemeinen durch Anwesenheit eines Nitrils in dem Reaktionssystem begünstigt. Die Reaktionstemperatur unterliegt keiner bestimmten Beschränkung, sie liegt jedoch gewöhnlich im Bereich von 0 bis 1000C.
Der so hergestellte Katalysator kann mit oder ohne vorherige Abtrennung aus dem Reakti ons gemisch zur Hydratation von Nitrilen eingesetzt werden. Durch Umsetzen des gegebenenfalls aus dem Reaktionsgemisch abgetrennten Katalysators mit einem Oxidationsmittel läßt sich die katalytische Aktivität im allgemeinen erhöhen. Beispiele für geeignete Oxidationsmittel sind Sauerstoff, sauerstoffhaltige Gase, Wasserstoffperoxid, organische Peroxide und Metallsalze in hohen Oxidationsstufen. Spezielle Oxidationsmittel sind Sauerstoff, sauerstoffhaltige Gase, Wasserstoffperoxid, Benzoylperoxid, Benzylhydroperoxid, Cumolhydroperoxid, Äthylbenzolhydroperoxid, Sn +-salze und Fe -salze. Besonders bevorzugt sind Sauerstoff, sauerstoffhaltige Gase und Wasserstoffperoxid. Die Menge des Oxidationsmittels richtet sich nach der Katalysatorzusammensetzung. Im Falle eines Katalysators, der durch Behandeln eines Vanadate
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mit einem Kupfer(I)-salz erhalten worden ist, verwendet man vorzugsweise das Oxidationsmittel in einer Menge, die 0,1 bis 100 %, insbesondere 10 bis 60 %, der dem im Katalysator enthaltenen Kupfer-äquivalenten Menge entspricht.
Der erfindungsgemäße Katalysator muß nicht unbedingt metallisches Kupfer enthalten. Gegenüber bekannten Katalysatoren, die Kupfer(I)- und Kupfer(ll)-oxide enthalten, weist der erfindungsgemäße Katalysator eine höhere Aktivität auf.
Als Nitrile, die im Verfahren der Erfindung hydratisiert werden, eignen sich z.B. aliphatische Nitrile, aromatische Nitrile und heterocyclische Nitrile. Spezielle Beispiele sind substituierte und unsubstituierte Alkylnitrile, wie Acetonitril, Propionitril, Butyronitril und Methoxyacetonitril, substituierte und unsubstituierte Alkenylnitrile, wie Acrylnitril, Methacrylnitril, Crotonnitril und Allylcyanid, substituierte und unsubstituierte Cycloalkylnitrile, wie Cyclohexancarbonitril, substituierte und unsubstituierte Aralkylnitrile, wie Benzylcyanid und a-Naphthylacetonitril, substituierte und unsubstituierte Aralkenylnitrile, wie cinnamonitril, substituierte und unsubstituierte Arylnitrile, wie Benzonitril und Naphthonitril, substituierte und unsubstituierte Pyridylnitri-Ie, wie Nicotinonitril, Polynitrile, wie Dicyan, Adiponitril, Phthalonitril und Glutaronitril, sowie andere Nitrile, wie Benzoylcyanid und Acetylcyanid.
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Die Hydratationsreaktion erfolgt durch Behandeln des Nitrils mit Wasser in Gegenwart des Katalysators gewöhnlich bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis zu etwa 30O0C. Zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und zur Vermeidung von Nebenreaktionen führt man die Reaktion vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 50 bis 1500C durch. Das Wasser kann in der theoretischen Menge eingesetzt werden, vorzugsweise wendet man Jedoch einen Überschuß, z.B. das 1,5 bis 50-fache der dem Nitril äquivalenten Menge, an.
Falls das eingesetzte Nitril polymerisierbar ist, wie Acrylnitril oder Methacrylnitril, kann dem Reaktionssystem ein Polymerisationsinhibitor zugesetzt werden, z.B. ein Schwermetallsalz, etwa ein Mangan-, Eisen- oder Kupfersalz. Gegebenenfalls können auch inerte organische Lösungsmittel, wie Ν,Ν-Dimethylformamid, Ν,Ν-Dimethylacetatamid, N-Methylpyrrolidon oder Acrylamid, als Reaktionsmedium angewandt werden.
Die eingesetzte Katalysatormenge richtet sich nach der Art der Reaktionsführung und des Katalysators. Die Reaktion kann in der Gasphase oder vorzugsweise in flüssiger Phase durchgeführt werden. Bei Anwendung eines Suspensionsverfahrens beträgt die Katalysatormenge gewöhnlich etwa 0,01 Gewichtsprozent oder mehr, vorzugsweise etwa 0,05 bis 100 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des eingesetzten Reaktionsgemische. Obwohl das Suspensionsverfahren bevorzugt ist, kann auch mit einem Festbett gearbeitet werden. Beim Festbettverfahren richtet sich die Katalysatormenge nach der Reaktionstemperatur
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und der Konzentration des eingesetzten Nitrils. Die Raumgeschwindigkeit beträgt in diesem Fall gewöhnlich etwa 0,1 bis
-1 -1
100 Stunde , vorzugsweise etwa 1 bis 50 Stunde .
Die Reaktion verläuft schnell mit außerordentlich hoher Selektivität, wobei das entsprechende Säureamid in hohen Ausbeuten anfällt.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiele 1 bis 6
Ein 50 ml fassender Reaktor wird unter Stickstoff mit 2,25 mMol eines Kupfer(II)-salzes, 1,5 mMol Natriumorthovanadat-monohydrat und 142,9 mg (2,25 mMol) Kupferpulver p.A. beschickt, worauf man 20 ml Wasser zugibt und 5 Minuten bei Raumtemperatur rührt. Hierauf beschickt man den Reaktor mit 1,2 g Acrylnitril und führt die Hydratation 1 Stunde bei 80°C durch. Nach beendeter Umsetzung wird das erhaltene Amid durch Gaschromatographie quantitativ bestimmt. Das Amid wird aus dem Reaktionsgemisch auf übliche Weise abgetrennt und durch Massen-, NMR- und IR-Spektrem als Acrylamid identifiziert. Die Ergebnisse sind in Tabelle I wiedergegeben. Äthylencyanhydrin, Hydroxypropionsäureamid und Ammoniumacrylat werden nicht nachgewiesen.
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«V
Tabelle I
Beispiel Kupfer(II)-
salz
Umsatz,
00
Selektivität
(3«)
1
2
3
4
5
6
CuCl2
CuSO4
Cu (NO3)2
Cu(OCOCH3)2
Cu(BF4J2
Cu(OCOH)2
85,0
67,0
45,7
16 1 5
9,6
34jO
100
100
100
100
100
100
Beispiele 7 bis 9
Ein 50 ml fassender Reaktor wird unter Stickstoff mit 3,25 mMol eines Kupfer(II)-salzes, 1,26 g (6,5 mMol) Natriummetavanadat-tetrahydrat und 0,21 g (3»25 mMol) Kupferpulver p.A. beschickt, worauf man das Verfahren gemäß Beispiel 1 fortfuhrt. Die Ergebnisse sind in Tabelle II wiedergegeben. Äthylencyanhydrin wird nicht nachgewiesen.
Tabelle II
Beispiel Kupfer(II)-
salz
Umsatz
00
Selektivität
OO
7
8
9
CuCl2
CuSO.
4
Cu(OCOCH3J2
78,7
7470
23;0
100
100
100
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Beispiele 10 bis 12
Ein 50 ml fassender Reaktor wird unter Stickstoff mit 1,6 mMol Kupfer(II)-chlorid, 3,25 mMol Natriummetavanadat und Kupferpulver beschickt, worauf man das Verfahren gemäß Beispiel 1 fortführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle III wiedergegeben. Äthylencyanhydrin v/ird nicht nachgewiesen.
Tabelle III
Beispiel Kupferpulver mKol Umsatz
(%)
10
11
12
handelsüblich
handelsüblich
hergestellt durch Be
handeln von CuO mit NaBH^
6,5
3,25
6,5
99,6
96,0
99,6
Beispiele 13 bis 15
Ein 50 ml fassender Reaktor wird unter Stickstoff mit 1,63 mMol eines Kupfer(Il)-salzes, 3,2 mMol Kupferpulver und 3 mMol Natriummetavanadat beschickt, worauf man das Verfahren gemäß Beispiel 1 fortführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV wiedergegeben. Äthylencyanhydrin wird nicht nachgewiesen.
Tabelle IV
Beispiel Kupfer(II)-salz Umsatz (%)
13
14
15
CuSO4
Cu(OCOCH3) 2
Cu(NO3) 2
47,6
51jl
56jO
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Beispiele 16 bis 18
Ein 150 ml fassender Reaktor wird unter Stickstoff mit 1,74 mMol Kupfer(II)-chlorid, 0,06 mMol eines Metallsalzes und 80 ml Wasser beschickt, worauf man 1,2 mMol Natriumorthovanadat, 3 mMol Kupferpulver und 6 ml Acrylnitril zugibt. Die Hydratation wird 30 Minuten bei 80°C durchgeführt. Anschließend behandelt man das Reaktionsgemisch gemäß Beispiel 1. Die Ergebnisse sind in Tabelle V wiedergegeben. Äthylencyanhydrin wird nicht nachgewiesen.
Tabelle V
Beispiel Metallsalζ Umsatz (%)
16
17
18
FeCl3.6H2O
SnCl2.2H2O
MnCl2.4H2O
49f6
37fl
26.9
Beispiele 19 bis 22
Ein 150 ml fassender Reaktor wird unter Stickstoff mit 1,2 mMol Natriumorthovanadat, 80 ml Wasser und 3 mMol Kupfer(II)-chlorid beschickt, worauf man mit Eisenpulver reduziertes Kupfer und 6 ml Acrylnitril zugibt. Die Hydratation wird 30 Minuten bei 800C durchgeführt, worauf man das Reaktionsgemisch gemäß Beispiel 1 behandelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle VI wiedergegeben. Äthylencyanhydrin wird nicht nachgewiesen.
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Tabelle VI
Beispiel Kupfer (mMol) Umsatz (%)
19 1I5 29,9
20 2I4 67,9
21 3jO - 4O72
22 6,0 14I1
Beispiele 23 bis 25
Ein 50 ml fassender Reaktor wird unter Stickstoff mit Natriumhydroxid, Vanadinpentoxid, Kupfer(II)-chlorid und handelsüblichem Rupfermetall beschickt, worauf man 20 ml Wasser und 1,5 ml Acrylnitril zugibt. Die Hydratation wird 30 Minuten bei 800C durchgeführt, worauf man das Reaktionsgemisch gemäß Beispiel 1 behandelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle VII wiedergegeben. Äthylencyanhydrin wird nicht nachgewiesen.
Tabelle VII
Beispiel NaOH
(mMol)
V2°5
(mMol)
cu11
(mMol)
(mMol) Umsatz
(*>
23
24
25
0,9
4>5
1,8
0,15
0,75
0,30
0,75
2,25
0,75
2,25
I;5
66,8
98;6
99;6
Beispiel 26
Sin 300 ml fassender Reaktor wird unter Stickstoff nacheinander mit 18 mMol Natriumhydroxid, 200 ml Wasser, 3 mMol Vanadinpentoxid, 15 mMol Kupfer(II)-Chlorid, 15 mMol metallischem Kupfer und 15 ml Acrylnitril beschickt, worauf man
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30 Minuten bei 800C rührt. Nach dem Abkühlen wird der abgeschiedene Feststoff abfiltriert und in einer Stickstoffatmosphäre getrocknet. Der erhaltene Feststoff (0,3 g) wird unter Stickstoff zusammen mit 20 ml Wasser und 1,5 ml Acrylnitril in einen 50 ml fassenden Reaktor eingegeben und 30 Minuten bei 80°C der Hydratation unterworfen. Nach beendeter Umsetzung wird das erhaltene Amid nach dem Verfahren von Beispiel 1 im Reaktionsgemisch quantitativ bestimmt, wobei sich ein Umwandlungsgrad des Acrylnitrils von 78,8 % ergibt. Athylencyanhydrin wird nicht nachgewiesen.
Beispiel 27
Ein 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,64 g (6,5 mMol) Kupfer Kupfer(I)-chlorid ind 1,26 g (6,5 mMol) Natriummetavanadattetrahydrat beschickt, worauf man 20 ml Wasser und 1,2 g Acrylnitril zugibt. Die Hydratation wird 1 Stunde bei 80°C durchgeführt. Nach beendeter Umsetzung wird das erhaltene Amid durch Gaschromatographie quantitativ bestimmt, wobei sich ein Umwandlungsgrad des Acrylnitrils von 55,7 % ergibt. Athylencyanhydrin wird nicht nachgewiesen.
Beispiel 28
Das Verfahren wird gemäß Beispiel 27 durchgeführt, Jedoch verwendet man 0,90 g (6,5 mMol) Kaliummetavanadat anstelle von Natriummetavanadat-tetrahydrat. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 60,0 %. Athylencyanhydrin wird nicht nachgewiesen.
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Beispiel 29
Ein 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,303 g (1,5 mMol) Natriumorthovanadat, 20 ml Wasser und 1,2 g Acrylnitril beschickt, worauf man 0,445 g (4,5 mMol) Kupfer(I)-chlorid zugibt. Die Hydratation wird 30 Minuten bei 800C durchgeführt. Nach beendeter Umsetzung bestimmt man das erhaltene Amid quantitativ durch Gaschromatographie, wobei sich ein Acrylnitrilumsatz von 94,9 % und eine Acrylamid-Selektivität von 100 % ergeben.
Beispiel 30
Das Verfahren wird gemäß Beispiel 29 durchgeführt, jedoch erfolgt die Reaktion unter Stickstoff zunächst 1 Stunde bei Raumtemperatur und dann 30 Minuten bei 800C. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 79,1 %, die Acrylamid-Selektivität 100 %.
Beispiel 31
Ein Reaktor wird mit 5 g Na tr iumortho vanada t-monohydra t und 150 ml Wasser beschickt, worauf man 8 g Acrylnitril und 7,35 g Kupfer(I)-chlorid zugibt und 3 Stunden bei Raumtemperatur rührt. Der abgeschiedene Feststoff wird abfiltriert und in einer Stickstoffatmosphäre getrocknet. 0,296 g des erhaltenen Feststoffs werden in einen Reaktor eingebracht und unter Stickstoff mit 20 ml Wasser sowie 1,2 g Acrylnitril versetzt. Die Hydratation wird 1 Stunde bei 8O0C durchgeführt. Nach beendeter Umsetzung wird das erhaltene Amid durch Gaschromatographie quantitativ bestimmt, wobei sich ein Acrylnitrilumsatz von 71,0 % und eine Acrylamid-Selektivität von 100 % ergeben.
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Beispiel 32
Ein 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,853 mMol Natriumorthovanadat. 0,047 mMol Kaliumchromat, 20 ml Wasser und 1,5 ml Acrylnitril beschickt, worauf man 4,5 mMol Kupfer(I)-Chlorid zugibt. Die Hydratation wird 30 Minuten bei 800C durchgeführt. Nach beendeter Umsetzung wird das erhaltene Amid durch Gaschromatographie quantitativ bestimmt, wobei sich ein Acrylnitrilumsatz von 85,1 % und eine Acrylamid-Selektivität von 100 # ergeben.
Beispiel 33
Das Verfahren wird gemäß Beispiel 32 durchgeführt, jedoch verwendet man 0,047 mMol Natriummolybdat anstelle von Kaliumchromat. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 92,8 %f die Acrylamid-Selektivität 100 %.
Beispiel 34
Ein 50 ml fassender Reaktor wird unter Stickstoffspülung mit 0,303 g (1,5 mMol) Natriumorthovanadat, 20 ml Wasser und 1,2 g Acrylnitril beschickt, worauf man 0,445 g (4,5 mMol) Kupfer(l)-chlorid und eine 30prozentige wäßrige Lösung von Wasserstoffperoxid (0,185 mMol) zugibt. Der Reaktor wird verschlossen und die Hydratation 1 Stunde bei 800C durchgeführt. Nach beendeter Umsetzung wird das erhaltene Amid durch Gaschromatographie quantitativ bestimmt, wobei sich ein Acrylnitrilumsatz von 79,7 % und eine Acrylamid-Selektivität von 100 % ergeben. Die verwendete Wasserstoffperoxidmenge beträgt 4,1 Molprozent, bezogen auf Kupfer.
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Beispiel 35
Das Verfahren wird gemäß Beispiel 34 durchgeführt, jedoch verwendet man 0,291 mMol einer 3Oprozentigen wäßrigen Wasserstoff ρ eroxidlö sung. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 98,5 %, die Acrylamid-Selektivität 100 %. Die verwendete Wasserstoffperoxidmenge beträgt 6,5 Molprozent, bezogen auf Kupfer.
Beispiel 36
Das Verfahren wird gemäß Beispiel 34 durchgeführt, jedoch verwendet man 0,510 mMol einer 30prozentigen wäßrigen Wasserstoffperoxidlösung. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 98,8 %, die Acrylamid-Selektivität 100 %. Die verwendete Wasserstoffperoxidmenge beträgt 11,3 Molprozent, bezogen auf Kupfer.
Beispiel 37
Ein 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,32 g (3,25 mMol) Kupfer(I)-chlorid, 0,63 g (3,25 mMol) Natriummetavanadattetrahydrat und 0,31 g (4,9 mMol) Kupferpulver p.A. beschickt, worauf man 20 ml Wasser zugibt. Nach 5minUtigem Rühren bei Raumtemperatur wird mit 1,2 g Acrylnitril versetzt. Die Hydratation wird 1 Stunde bei 800C durchgeführt. Nach beendeter Umsetzung bestimmt man das erhaltene Acrylamid quantitativ durch Gaschromatographie, wobei sich ein Acrylnitrilumsatz von 96,8 % ergibt. Äthylencyanhydrin wird nicht nachgewiesen.
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Beispiel 38
Das Verfahren wird gemäß Beispiel 37 durchgeführt, jedoch verwendet man 0,45 g (3,25 nMol) Kaliummetavanadat anstelle von Natriummetavanadat-tetrahydrat. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 93|0 %. Es wird kein Athylencyanhydrin nachgewiesen.
Beispiel 39
A) Katalvsatorhersteilung
Ein 200 ml fassender Kolben wird mit einer Lösung von 4,0 g Natriumorthovanadat in 100 ml Wasser beschickt, worauf man unter Rühren eine Lösung von 5,0 g Kupfer(II)-chlorid-dihydrat in 10 ml Wasser zugibt. Der erhaltene Niederschlag wird abfiltriert, mit Wasser gewaschen und getrocknet, wobei ein gelblich grüner Feststoff erhalten wird.
B) Hydratation des Nitrils
Ein mit Stickstoff gespülter, 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,420 g des vorstehend erhaltenen Feststoffs, 20 ml Wasser, 0,191 g Kupferpulver p.A. und 1,2 g Acrylnitril beschickt und verschlossen. Die Hydratation wird 30 Minuten bei 8O0C durchgeführt. Nach beendeter Umsetzung bestimmt man das erhaltene Amid quanta ti ν, wobei sich ein Acrylnitrilumsatz von 99,8 % und eine Acrylamid-Selektivität von 100 % ergeben.
Beispiel 40 A) Katalvsatorherstellung
Ein 1000 ml fassender Kolben wird mit 9,05 g Vanadinpentoxid und 100 ml 1 η Natronlauge beschickt, worauf man 150 ml einer
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270201 A
wäßrigen 1 m Kupfersulfatlösung und 200 ml einer 1 η Natronlauge unter Rühren zugibt. Der entstandene Niederschlag wird abfiltriert, mit Wasser gewaschen und getrocknet, wobei ein gelblich grüner Feststoff erhalten wird.
B) Hydratation des Nitrils
Ein mit Stickstoff gespülter, 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,474 g des vorstehend erhaltenen Feststoffs, 20 ml Wasser, 0,191 g Kupferpulver p.A. und 1,2 g Acrylnitril beschickt und verschlossen. Die Hydratation wird 30 Minuten bei 800C durchgeführt. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 58,2 %, die Acrylamid-Selektivität 100 %.
Beispiel 41
A) Katalvsatorhersteilung
Ein 500 ml fassender Kolben wird mit einer Lösung von 4,8 g Natriumhydroxid in 300 ml Wasser beschickt, worauf man unter Rühren 3,64 g Vanadinpentoxid zugibt. Nachdem das Reaktionsgemisch entfärbt ist, gibt man eine Lösung von 10,2 g Kupfer(II)-chlorid-dihydrat in 50 ml Wasser zu. Der Niederschlag wird abfiltriert, mit Wasser gewaschen und getrocknet, wobei ein gelblich-grüner Feststoff erhalten wird.
B) Hydratation des Nitrils
Ein mit Stickstoff gespülter, 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,237 g des erhaltenen Feststoffs, 20 ml Wasser, 0,171 g Kupfer(II)-chlorid-dihydrat, 0,159 g Kupferpulver p.A. und 1,2 g Acrylnitril beschickt und verschlossen. Die Hydratation
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wird 30 Minuten bei 800C durchgeführt. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 56,1 %, die Acrylamid-Selektivität 100 %.
Beispiel 42
Das Verfahren wird gemäß Beispiel 41 durchgeführt, jedoch verwendet man 0,198 g Kupfer(I)-chlorid anstelle von Kupfer(ll)-chlorid-dihydrat und 0,095 g Kupferpulver p.A. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 58,9 %, die Acrylamid-Selektivität 100 #.
Beispiel 43
Das Verfahren wird gemäß Beispiel 41 durchgeführt, Jedoch verwendet man 0,198 g Kupfer(I)-chlorid anstelle von Kupfer(Il)-chlorid-dihydrat und kein Kupferpulver. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 28,7 %, die Acrylamid-Selektivität 100 %.
Beispiel 44
Ein mit Stickstoff gespülter, 50 ml fassender Reaktor wird unter Stickstoff mit einer Lösung von 0,12 g Natriumhydroxid in 20 ml Wasser beschickt, worauf man unter Rühren 0,091 g Vanadinpentoxid zusetzt. Nachdem sich das Reaktionsgemisch entfärbt hat, gibt man 0,426 Kupfer(II)-chlorid-dihydrat zu. Der erhaltene gelblich-grüne Niederschlag wird durch Abdekantieren mit Wasser gewaschen und dann mit 20 ml Wasser, 0,095 g Kupferpulver p.A. sowie 1,2 g Acrylnitril versetzt. Die Hydratation wird 30 Minuten bei 800C durchgeführt. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 90,6 %, die Acrylamid-Selektivität 100 %.
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Beispiel 45
Ein mit Stickstoff gespülter, 50 ml fassender Reaktor wird mit einer Lösung von 0,048 g Natriumhydroxid in 20 ml Wasser beschickt, worauf man unter Rühren 0,036 g Vanadinpentoxid zugibt. Nachdem sich das Reaktionsgemisch entfärbt hat, gibt man 0,171 g Kupfer(II)-chlorid-dihydrat zu, wobei sich ein gelblich-grüner Niederschlag bildet. Dieser wird mit 0,064 g Kupferpulver p.A. und 1,2 g Acrylnitril versetzt. Die Hydratation wird 30 Minuten bei 800C durchgeführt. Der Acrylnitrilumsetzt beträgt 99,9 %, die Acrylamid-Selektivität 100 #.
Beispiel 46
Ein mit Stickstoff gespülter, 300 ml fassender Reaktor wird mit einer Lösung von 0,072 g Natriumhydroxid in 20 ml Wasser beschickt, worauf man unter Rühren 0,055 g Vanadinpentoxid zugibt. Nachdem sich das Reaktionsgemisch entfärbt hat, gibt man 0,256 g Kupfer(Il)-chlorid-dihydrat zu, wobei sich ein gelblich-grüner Niederschlag bildet, der mit 0,095 g Kupferpulver p.A. und 1,2 g Acrylnitril versetzt wird. Anschließend rührt man 30 Minuten bei Raumtemperatur, versetzt das Gemisch mit 180 ml Wasser und 10,8 g Acrylnitril und führt die Hydratation 1 Stunde bei 800C durch. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 50,6 %, die Acrylamid-Selektivität 100 % und die Acrylamid-Ausbeute 8,12 g. Das Reaktionsgemisch wird mit zusätzlichen 12 g Acrylnitril versetzt, worauf man die Hydratation weitere 2 Stunden bei 800C durchführt. Der Gesamtumsatz von Acrylnitril beträgt hierbei 47,6 % und die Acrylamid-Gesamtausbeute 15,30 g.
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Beispiel 47
Ein mit Stickstoff gespülter, 50 ml fassender Reaktor wird mit einer Lösung von 0,20 g Natriumorthovanadat in 20 ml Wasser beschickt, worauf man unter Rühren 0,256 g Kupfer(II)-chlorid-dihydrat zugibt, so daß sich ein gel blich-grüner Niederschlag bildet. Das erhaltene Gemisch wird mit 0,095 g Kupferpulver p.A. und 1,2 g Methacrylnitril versetzt, worauf man die Hydratation 30 Minuten bei 800C durchführt. Nach beendeter Umsetzung wird das erhaltene Amid quantitativ bestimmt, wobei sich ein Methacrylnitrilumsatz von 9115 # ergibt. Es lassen sich keine Nebenprodukte nachweisen.
Beispiel 48
Das Verfahren wird gemäß Beispiel 47, jedoch unter Verwendung von 1,2 g Allylcyanid anstelle von Methacrylnitril durchgeführt. Der Allylcyanidumsatz beträgt 40,8 % und es lassen sich keine Nebenprodukte nachweisen.
Beispiel 49
Das Verfahren wird gemäß Beispiel 47 durchgeführt, jedoch verwendet man 1,2 g Crotonnitril (eis : trans =3:2) anstelle von Methacrylnitril. Der Umwandlungsgrad von cis-Crotonnitril und trans-Crotonnitril beträgt 3,3 % bzw. 87,5 %. Es werden keine Nebenprodukte nachgewiesen.
Beispiel 50
Ein mit Stickstoff gespülter, 50 ml fassender Reaktor wird mit einer Lösung von 0,2 mMol Natriumorthovanadat in 10 ml
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Wasser beschickt, worauf man 0,5 mMol Kupfer(II)-chlorid und 0,5 mMol Kupferpulver zusetzt. Hierauf gibt man 2,0 g Nicotinonitril und 10 ml Methanol zu dem erhaltenen Gemisch und führt die Hydratation 30 Minuten bei 800C durch. Das erhaltene Gemisch wird mit Hilfe eines Waters-Flüssigkeitschromatographen Typ 244 mit einer u-Bondpak-C, ß-Säule bei 254 nm quantitativ analysiert, wobei sich eine Nicotinamidausbeute von 80,4 % ergibt. Es werden keine Nebenprodukte nachgewiesen. Das Reaktionsgemisch wird auf übliche Weise zu dem gewünschten Produkt aufgearbeitet, das durch Massen-, NMR- und IR-Spektren als Nicotinamid identifiziert wird.
Beispiel 51
Das Verfahren wird gemäß Beispiel 50, jedoch unter Verwendung von 2,0 g Benzonitril anstelle vonNNicotinonitril durchgeführt. Das Reaktionsgemisch wird mit Hilfe eines Waters-Flüssigkeitschromatographen Typ 244 mit einer u-Bondpak-CN-Säule bei 254 nm quantitativ analysiert, wobei sich eine Benzamidausbeute von 73,0 % ergibt. Das Reaktionsgemisch wird auf übliche Weise zu dem gewünschten Produkt aufgearbeitet, das durch Massen-, NMR- und IR-Spektren als Benzamid identifiziert wird.
Beispiele 52 bis 58
0,3 Mol Natriumcarbonat und 0,1 Mol Vanadinpentoxid werden mit 200 ml Wasser vermischt und bis zur Farblosigkeit erwärmt. Ein mit Stickstoff gespülter, 50 ml fassender Reaktor wird mit 20 ml der erhaltenen Natriumvanadatlösung sowie Kupfer(II)-
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Chlorid, Kupfer(I)-chlorid und Acrylnitril beschickt. Die Hydratation wird 30 Minuten bei 800C durchgeführt. Nach beendeter Umsetzung wird das Reaktionsgemisch quantitativ analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle VIII wiedergegeben, Es läßt sich kein Äthylencyanhydrin nachweisen.
Tabelle VIII
Beispiel Na3VO4
(mMol)
CuCl2
(mMol)
CuCl
(mMol)
Umsatz
(%)
52 0,45 0,56 1,69 90,1
53 0;45 0,11 2,14 30;l
54 0;563 0,675 1,575 93,5
55 0,563 0;225 2,025 24;7
56 0,75 0,9 1,35 68,4
57 0,75 0;225 2,025 27,4
58 1,125 1,35 0,9 54,3
Beispiel 59
Ein mit Stickstoff gespülter, 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,45 mMol Kupfer(Il)-sulfat, 0,45 mMol gemäß Beispiel 58 hergestelltem Natriumvanadat, 1,8 mMol Kupfer(I)-Chlorid, 1,5 ml Acrylnitril und 20 ml Wasser beschickt, worauf man die Hydratation 30 Minuten bei 800C durchführt. Nach beendeter Umsetzung bestimmt man das erhaltene Amid quantitativ, wobei sich ein Acrylnitrilumsatz von 78,0 % ergibt. Es lassen sich keine Nebenprodukte nachweisen.
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27020H
Beispiele 60 bis 62
A) Katalvsa torhers tellung
Eine wäßrige Lösung von Natriuraorthovanadat wird auf übliche Weise aus 0,5 Mol Vanadinpentoxid und 2 Mol Natriumhydroxid hergestellt.
B) Hydratation des Nitrils
Ein mit Stickstoff gespülter, 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,45 mMol der vorstehend erhaltenen Natriumorthovanadatlösung, einem Zusatz, 0,45 mliol Kupfer(II)-chlorid, 1,8 mMol Kupfer(I)-chlorid und 1,5 ml Acrylnitril beschickt, worauf man mit Wasser auf ein Volumen von 20 ml auffüllt. Die Hydratation wird 30 Minuten bei 800C durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle IX wiedergegeben. Es läßt sich kein Äthylencyanhydrin nachweisen.
Tabelle IX
Beispiel Zusatz (mMol) Umsatz (%)
60
61
62
H3CO3 (0.0897 mMol)
CH3COOH (0.132 mMol)
(COOH)2 (0.04 mMol)
93,8
78;9
72,3
Vergleichsbeispiel 1
Ein mit Stickstoff gespülter, 50 ml fassender Reaktor wird mit 20 ml Wasser, 0,171 g Kupfer(Il)-chlorid-dihydrat, 0,064 g Kupferpulver p.A. und 1,2 g Acrylnitril beschickt, worauf man die Hydratation 30 Minuten bei 800C durchführt. Der Acrylnitrilumsatz beträgt weniger als 1 %.
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Vergleichsbeispiel 2
Ein 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,64 g (6,5 mMol) Kupfer(I)-chlorid und 20 ml Wasser beschickt, worauf man 1,2g Acrylnitril zusetzt. Die Hydratation wird 1 Stunde bei 800C durchgeführt. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 1,7 5^.
Vergleichsbeispiel 3
Ein 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,21 g (3,25 mMol) Kupferpulver und 0,56 g (3,25 mMol) Kupfer(II)-chlorid-dihydrat beschickt, worauf man 20 ml Wasser und 1,2 g Acrylnitril zugibt. Die Hydration wird 1 Stunde bei 80°C durchgeführt. Der Acrylnitrilumsatz beträgt weniger als 1 #.
Vergleichsbeispiel 4
Ein 50 ml fassender Reaktor wird mit 0,21 g (3,25 mMol) Kupferpulver p.A. und 0,63 g (3,25 mMol) Natriummetavanadattetrahydrat beschickt, worauf man 20 ml Wasser und 1,3 g Acrylnitril zugibt. Die Hydratation wird 1 Stunde bei 800C durchgeführt. Der Acrylnitrilumsatz beträgt 1,3 9^, die Äthylencyanhydrinausbeute 0,13
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Claims (16)

27020U Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Säureamiden durch Hydratation des entsprechenden Nitrile mit Wasser in Gegenwart eines Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Katalysator verwendet, der durch Behandeln eines Vanadats mit einem Kupfer(I)-salz oder mit einem Gemisch aus mindestens zwei der folgenden Bestandteile: metallisches Kupfer, Kupfer(I)-salz, Kupfer(II)-salζ hergestellt worden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Nitril Acetonitril, Propionitril, Butyronitril, Acrylnitril, Methacrylnitril, Crotonnitril, Methoxyacetonitril, Allylcyanid, Cyclohexancarbonitril, Benzylcyanid, Cinnamon!tril, a-Naphthylacetonitril, Benzonitril, Naphthonitril, Nicotinonitrile, Dicyan, Adiponitril, Phthalonitril, Glutaronltril, Benzoylcyanid oder Acetylcyanid verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Nitril Acrylnitril oder Methacrylnitril verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hydratation in Gegenwart von überschüssigem Wasser bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 3000C durchführt.
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L- 27020U
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Vanadat Natriumorthovanadat, Natriummetavanadat, Natriumpyrovanadat, Kaliumorthovanadat, Kaliummetavanadat, Kaliumpyrovanadat, Kupfer(I)-orthovanadat, Kupfer(II)-orthovanadat, Kupfer(I)-metavanadat, Kupfer(II)-metavanadat, Kupfer (I)-pyrovanadat, Kupfer(II)-pyrovanadat, Polyvanadate und/oder Isopolyvanadate verwendet.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Vanadate Kupfer(II)-vanadate oder deren Gemische verwendet, die durch Vermischen eines Alkalimetall- oder Erdalkalimetallvanadats mit einem Kupfer(II)-salz in einem wäßrigen Medium erhalten worden sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man Kupfer(II)-chlorid, -bromid, -sulfat, -nitrat, -perchlorat, -formiat, -acetat, -propionat, -hydroxid und/oder -carbonat als Kupfer(II)Tsalz verwendet.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man Kupfer(II)-vanadat ohne vorherige Abtrennung aus dem Reaktionsgemisch zur Herstellung des Katalysators verwendet.
9· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vanadat dadurch hergestellt worden ist, daß man Vanadinpentoxid oder Ammoniumvanadat zusammen mit einem Alkalimetall salz in einem wäßrigen Medium löst oder die beiden Bestandteile zusammenmischt und das erhaltene Gemisch erhitzt.
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j 27o?nu
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Kupfer(I)-chlorid, -bromid, -jodid, -sulfat, -nitrat, -formiat, -acetat und/oder-oxid als Kupfer(I)-salz verwendet.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Kupfer(II)-chlorid, -bromid, -sulfat, -nitrat, -perchlorat, -formiat, -acetat, -propionat, -hydroxid, -carbonat und/oder -oxid als Kupfer(II)-salz verwendet.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung in Gegenwart eines Nitrils durchführt.
13· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Katalysator verwendet, der durch Behandeln eines Vanadats mit einem Kupfer(I)-salz in einem Atomverhältnis von Cu : V von 1 : 0,01 bis 1 : 100 erhalten worden ist.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Katalysator verwendet, der durch Behandeln eines Vanadats mit einem Gemisch aus mindestens zwei der folgenden Bestandteile: metallisches Kupfer, Kupfer(I)-salz, Kupfer(II) salz in einem Atomverhältnis von Cu : V von 1 : 0,01 bis 1 : 100 erhalten worden ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Atoraverhältnis von Cu° : Cu , Cu0 : Cu oder Cu ; Cu 1 : 0,01 bis 1 : 100 bzw. das Atomverhältnis von Cu0 : Cu1 ι Cu11 1 : 0,01 : 0,01 bis 1 : 100 : 100 beträgt.
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16. Katalysator, erhalten durch Behandeln eines Vanadate mit einem Kupfer(I)-salz oder mit einem Gemisch aus mindestens zwei der folgenden Bestandteile: metallisches Kupfer, Kupfer(l)-salz, Kupfer(II)-salz.
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