DE2718078B2 - Verfahren zur Herstellung höherer verzweigter gesättigter Carbonsäuren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung höherer verzweigter gesättigter Carbonsäuren

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung höherer, verzweigter, gesättigter Carbonsäuren.
Die höheren verzweigten gesättigten Carbonsäuren werden vorwiegend verwendet als hochwertige Ersatzstoffe für Pflanzenöle in der Synthese von Alkydharzen, die Bestandteil von Firnissen und Lacken zum Beschichten von Kraftfahrzeugen, Möbeln und anderer Erzeugnisse sind.
Außerdem sind die genannten Säuren Bestandteil von in der Flugzeug- und Schiffsbauindustrie und in der Elektronik verwendeten Beschichtungsmitteln.
Sie sind auch wirksame Extraktionsmittel bei der Trennung der Seltenerdmetalle.
Eine wichtige Verwendung der höheren, verzweigten, gesättigten Carbonsäuren ist ihr Einsatz für die Herstellung wasserlöslicher Latexfarbstoffe. Die genannten Säuren finden hauptsächlich in Form von Estern Verwendung. Die hohe Beständigkeit verschiedener Ester der höheren, gesättigten, verzweigten Carbonsäuren gegen Hydrolyse und äußere Einwirkung bedingt eine erhöhte Lebensdauer der Email-, Lack- und anderer Überzüge.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung verzweigter, gesättigter Carbonsäuren nach der Koch-Methode aus Olefinen, Kohlenoxid und Wasser bekannt (H. Koch, Brennstoff-Chemie, 36, 321 [1955], 45, 5 [1964]) unter Verwendung konzentrierter Schwefel- oder Phosphorsäure als Katalysator. Ein Nachteil des Verfahrens ist die Verwendung größerer Mengen dieser Säuren. So beträgt das optimale Molverhältnis des sauren Katalysators zum Olefin 5:1 bis 10:1. Außerdem sind die Stufen der Abtrennung der Syntheseprodukte von dem sauren Katalysator und die Regenerierung des Katalysators äußerst erschwert. Es sei auch bemerkt, daß es die Koch-Methode nur möglich macht, ein Gemisch der genannten Säuren zu erhalten.
Es ist auch ein Verfahren zur Herstellung verzweigter, gesättigter Carbonsäuren durch Telomerisation von Äthylen mit niederen, goradkettigen Carbonsäuren in Gegenwart von tert. Butylperoxid bekannt. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die niedrige Ausbeute an Endprodukt (gegen 30 Gewichtsprozent) und die Verwendung als Katalysator von schwer zugänglichem tert. Butylperoxid (FR-PS 15 37 490). Bei der Synthese der Säuren nach diesem Verfahren bildet sich ein Gemisch «-verzweigter Säuren mit 5 bis 20 Kohlenstoffatomen.
Aus der DE-AS 2146 417 ist ein Verfahren zu,-Herstellung von höheren einzelnen, verzweigten gesättigten Carbonsäuren durch Aldolkondensation von j9-methylverzweigten Aldehyden bekannt, die in bekannter Weise hergestellt werden, z. B. durch Hydroformylierung entsprechender Olefine, nachfolgende Oxydierung der höheren verzweigten ungesättigten Aldehyde in höhere ungesättigte Säuren und heterogene Hydrierung dieser Säuren in gesättigte.
Das erfindungsgemäöe unterscheidet sich von dem bekannten Verfahren darin, daß die Hydroformylierung und Hydrierung gleichzeitig in einem Reaktor auf einem und demselben Katalysator, z. B. Kobaltcarboxyle, und darauffolgend die Oxydierung des erhaltenen gesättigten Aldehyds in die entsprechende Säure erfolgt. Durch diese gemeinsame Verfahrensführung entfällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Hydrierung der ungesättigten Säuren in gesättigte. Bei dem bekannten Verfahren hingegen erfolgt die Hydrierung in einem gesonderten Reaktor in Gegenwart eines heterogenen Katalysators, also eine Synthesestufe, die sehr arbeitsintensiv ist, so daß ihr Wegfall zu einer Herabsetzung der Eigenkosten der gesättigten Säuren um 25 bis 30% führt Die Möglichkeit, beide obengenannten Reaktionen gemeinsam durchzuführen, erwies sich als unerwartet, da es bekannt ist, daß Verbindungen mit konjugierten Doppelbindungen das Hydroformylieren von Olefinen verhindern, weil eine Bindung des Katalysators (Co-Carbonyl) in einen hydroformylierungsstabilen Komplex stattfindet
Deshalb reinigt man vor der Hydroformylierung die Rohstoffe von jeglichen eventuell darin enthaltenen Verbindungen mit konjugierten Doppelbindungen auf das sorgfältigste.
Auf diese Weise war die Einführung von Verbindungen mit konjugierten Doppelbindungen in den Hydroformylierungsprozeß unerwünscht
Als Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen wurden Bedingungen gefunden, bei denen eine gemeinsame Durchführung von obenerwähnten Reaktionen unter hoher Selektivität und annehmbaren Geschwindigkeiten bei genügend hoher Anfangskonzentration von Aldehyd nur für Isoolefine mit 4 und mehr C-Atomen möglich ist.
Durch die Vereinigung von Hydroformylierung und Hydrierung werden folgende Vorteile (technischer Fortschritt) erreicht:
Bei der Hydroformylierungsstufe entfällt ein spezielles Lösungsmittel (Toluol, Küpenrest oder Pentan-Hexan-Fraktion), was praktisch eine doppelte Leistung des Reaktors und eine Einsparung von zusätzlicher Ausrüstung zu seiner Isolierung aus den Reaktionsprodukten ermöglicht; anstatt der erwähnten Lösungsmittel findet ein ungesättigter dimerer Aldehyd Anwendung, welcher unter Hydroformylierungsbedingungen hydriert wird;
beim Verfahren entfällt die Hydrierungsstufe als selbständiger Vorgang;
das heterogene Hydrieren ungesättigter Säuren in gesättigte wird durch homogenes Hydrieren von «,^-ungesättigtem Aldehyd in Gegenwart von Co-Carbonylen ersetzt;
in der Hydrierungsstufe wird eine Ausbeutesteigerung von Endprodukten um 6% erzielt;
die Selbstkosten pro 1 t gesättigter Säure Cio werden um 25 bis 30% gesenkt.
Die genannte Aufgabe wurde wie aus dem vorstehen-
den Anspruch ersichtlich, gelöst
Die Hydrofonnylierungsreaktion wird in Gegenwart eines Kobaltkataiysators durchgeführt.
Die Möglichkeit, die zwei Stufen der Hydroformylierung der Olefine und der Hydrierung der «J?-ungesättigten Aldehyde zusammenzufassen, war überraschend. Es fet nämlich bekannt, daß Verbindungen mit konjugierten Doppelbindungen, beispielsweise Disne, die Hydroformylierung von Olefin stören, da eine Bindung des Kobalthydrocarbylkatalysators zu einem bei der Hydroformylierung stabilen Komplex stattfindet (MaJiov, Mistri R. Ε, Stresinka U, Chem. ZwestL, 17, Nr. 9, 629 [1963]). Bei der Zersetzung des Komplexes unter den Bedingungen der Hydroformylierung wird nur eine Doppelbindung unter Erhalt eines Monoolefins hydrisiert Alle Diene die in dem Reaktionsgemisch vorliegen, werden nicht zu den entsprechenden Monoolefinen durchhydriert, so daß die Hydroformylierung des Ausgangsolefins praktisch nicht stattfindet Aus diesem Grunde ist die Einführung von Verbindungen mit konjugierten Doppelbindungen, wie etwa «^-ungesättigte Aldehyde bei der Hydroformylierung unerwünscht Im Rahmen der Untersuchungsarbeken wurden jedoch Bedingungen gefunden, unter denen die angegebenen Reaktionen gemeinsam und, unter hoher Ausbeute bei ausreichend hoher Anfangskonzentration des Aldehydes der Isoolefine mit vier oder mehr C-Atomen ablaufen.
Die Erfindung macht es also gegenüber dem bekannten Verfahren möglich, eine der besonders arbeitsintensiven Stufen der Synthese, nämlich die der heterogenen Hydrierung der ungesättigten Säuren zu gesättigten, zu vermeiden.
Dies liefert nicht nur einen eindeutigen technischen, sondern auch einen wirtschaftlichen Effekt. Die Selbstkosten pro 1 Tonne der erhaltenen Säure sinken um 25 bis 30%.
Durch die Verwendung des «^-ungesättigten Aldehyds als Lösungsmittel in der Stufe der Hydroformylierung erfolgt die gewünschte Vereinigung der Hydroformylierung des Ausgangs-Isoolefins und der Hydrierung des ungesättigten Aldehyds zum gesättigten mit einer Ausbeute von 96 bis 98 Gew.-%, was zu einer Steigerung der Ausbeute an Endprodukt um 3 bis 6 Gew.-% gegenüber dem bekannten Verfahren führt. Darüber hinaus wird das Verfahren vereinfacht. Es ist möglich, die Verwendung eines fremden, d. h. eines inerten Lösungsmittels, beispielsweise des Toluols, der Pentan-Hexan-Fraktion, des Blasenrückstandes und anderer in der Hydroformylierung zu vermeiden, für dessen Kreislaufführung zusätzliche Apparatur benötigt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch folgende ausführliche Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung illustriert, in der das Prinzipschema des Verfahrens dargestellt ist. Der Chemismus ist am Beispiel der Herstellung von 2-Isopropyl-5-methylhexansäure aus Isobutylen gezeigt. In den genannten Formeln ist π > 5.
In einem Reaktor 1 führt man die Hydroformylierung der Isoolefine im Medium höherer «,/^-ungesättigter Aldehyde der Formel C2nH4„_2O in Gegenwart von Kobaltcarbonylen als Katalysator bei einem Druck des Synthesegases (ein Gemisch von CO und H2) von 147 bis 294 bar und einer Temperatur von 140 bis 170°C durch. Man führt zweckmäßigerweise die genannte Stufe bei einer Temperatur von 140 bis 160° C und einem Druck des Synthesegases von 245 bar durch.
Dadurch kommt es zur Hydroformylierung der Isoolefine unter Bildung von Aldehyden der allgemeinen Formel CnH2oO und zur Hydrierung der oben genannten «^-ungesättigten Aldehyde an der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung unter Bildung von Aldehyden der allgemeinen Formel C2nH.nO.
Der Chemismus des Verfahrens kann durch folgendes Schema dargestellt werden.
1. Hydroformylierung der Isoolefine:
CH3-C = CH2 + CO + H2
CH3
CH3-CH-CH2-C
CH3
(entsprechend der allgemeinen Formel
CnH2nO(I))
2. Hydrierung des a, jS-ungesättigten Aldehyds:
CH3-CH-C-C +H2
I Il V
CH3 CH
CH2
CH3-CH-CH3
(entsprechend der Formel C2„H4„_2O (II))
> CH3-CH-CH-C
I I \
CH3 CH2 H
CH2
CH3 — CH — CH3
(entsprechend der Formel C2nH4nO (III))
Die Umwandlung des Olefins und des «^-ungesättigten Aldehyds erreicht in dieser Stufe 95 bis 97%. Die Ausbeute an gesättigtem Aldehyd der Formel III beträgt 95 bis 97%. In einer Kolonne 2 führt man die Rektifikation des Hydroformylierungsp-oduktes durch und erhält einen niederen gesättigten Aldehyd der Formel CnH2nO (I) und einen höheren gesättigten Aldehyd der Formel C2nH4nO (III). Den Aldehyd der Formel (I) leitet man in einen Reaktor 3 zur
bo Aldolkondensation und den Aldehyd der Formel (III) in einen Reaktor 4, wo die Oxydation durchgeführt wird.
In dem Reaktor 3 führt man die Aldolkondensation des genannten niederen gesättigten Aldehyds unter intensivem Rühren während 45 bis 120 Minuten,
b5 vorzugsweise 50 bis 60 Minuten, in Gegenwart wässeriger Natron- oder Kalilaugen mit einer Konzentration von 1 bis 10 Gewichtsprozent als Katalysator durch. Die Temperatur des Kondensationsprozesses
beträgt 50 bis 100°C, der Umwandlungsgrad der Aldehyde bei der Kondensation 90 bis 95%, die Ausbeute an Λ,/3-ungesättigtem Aldehyd der Formel C2nH4n.. 2O (II) 85 bis 95 Gewichtsprozent.
Der Chemismus der Stufe der Kondensation ist wie folgt:
2CH3-CH-CH2-C
I \
CH3 H
-» CH3-CH-C-C
CH3 CH
CH,
CH3-CH-CH3
(entsprechend der Formel C2„H4.2O (H))
Das Produkt der Aldolkondensation leitet man in eine Kolonne 5, wo dessen Rektifikation durchgeführt wird. Den nicht umgesetzten Aldehyd der Formel CnH2nO (I) leitet man in den Kondensationsreaktor 3 zurück, während der «^-ungesättigte Aldehyd der Formel C2nH4„-2O (II) zur Stufe der Hydroformylierung in den Reaktor 1 geleitet wird.
Die Oxydation der höheren gesättigten Aldehyde der Formel C2nH4nO zu den entsprechenden Säuren führt man in einem Reaktor 4 unter intensivem Rühren in Gegenwart wässeriger Natron- oder Kalilaugen als Katalysator, die in einer Konzentration von 1 bis 10 Gewichtsprozent genommen werden, durch.
Die Stufe der Oxydation führt man bei einer Temperatur von 10 bis 70° C in Gegenwart von Sauerstoff oder eines sauerstoffhaltigen Gases während 30 bis 80 Minuten durch. Man führt die Oxydation vorzugsweise niit Luft bei einer Temperatur von 35 bis 50°C während 40 bis 60 Minuten durch. Der Chemismus der Oxydation ist wie folgt:
O
CH3-CH-CH-C +V2O2
I I \
CH3 CH2 H
CH2
H3C-CH-CH3
> CH3-CH-CH-c'
ίο
I I \
CH3 CH2 OH
CH2
CH3-CH-CH3
(entsprechend der allgemeinen Formel
C2„H<„O2(IV))
Die Ausbeute an Endprodukt in dieser Stufe beträgt 90 bis 97 Gewichtsprozent.
Das Oxydationsprodukt wird in einen Absetzapparat 6 geleitet, in dem man mit 15 bis 25%iger Schwefelsäure die überschüssige Lauge auf einen pH-Wert von 4 bis 7 neutralisiert.
In dem Absetzapparat 6 kommt es zur Entmischung in organische und wässerige Phase. Die obere organische Schicht enthält das Endprodukt, die Säure.
Die Identifizierung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Säuren wurde nach chemischen, physikalisch-chemischen Methoden und durch Chromatomassenspektrometrie durchgeführt.
In den angeführten Beispielen bedeuten Prozente Gewichtsprozente.
Beispiel i
In Übereinstimmung mit dem angeführten Schema des Verfahrens bringt man in den Hydroformylierungsreaktor I 3,4 g Kobaltcarbonyl, gelöst in 80 g Toluol, 170 g Isobutylen und 180 g «-Isopropyl-ß-isobutylacrolein (CioHieO) ein. Die Kobaltkonzentration in dem Reaktionsgemisch beträgt 0,2 Gewichtsprozent (bezogen auf das metallische Kobalt). Das Verfahren wird bei einer Temperatur von 160° C und einem Druck des Gemisches von CO und H2 von 245 bar während 20 Minuten durchgeführt Nach der Beendigung der Reaktion trägt man 500 g Hydroformylierungsprodukt aus, aus dem man durch Rektifikation auf der Kolonne 2 220 g Isovaleraldehyd (Ausbeute 85%, bezogen auf das eingesetzte Isobutylen) und 178 g 2-Isopropyl-5-methylhexanal (C.oH2oO) (Ausbeute 97%, bezogen auf das eingesetzte a-Isopropyl-isobutylacrolein) abtrennt Dann unterwirft man den erhaltenen Isovaleraldehyd einer Aldolkondensation im Reaktor 3 unter Erhitzen auf eine Temperatur von 65° C während 50 Minuten in Gegenwart von 200 ml 7%iger wässeriger NaOH-Lösung. Nach der Rektifikation des Kondensationsproduktes auf der Kolonne 5 trennt man 183 g (Ausbeute 93%, bezogen auf das eingesetzte Isovaleraldehyd)a-Isopropyl-j3-isobutylacrolein, welches in den Reaktor 1 zur Stufe der Hydroformylierung zurückgeleitet wird. Der nichtumgesetzte Isovaleraldehyd wird in den Kondensationsreaktor 3 zurückgeleitet
Das auf der Kolonne"2 bei einer Temperatur von 89 bis 98° C bei einem Restdruck von 17 Torr abgetrennte 2-Isopropyl-5-methylhexanal leitet man in den Reaktor 4, wo es mit Luft in Gegenwart von 800 ml 6%iger wäßriger NaOH-Lösung bei einer Temperatur von 35° C unter kontinuierlicher Luftzufuhr während 30 Minuten oxydiert wird. Nach der Beendigung der Oxydation neutralisiert man das Reaktionsgemisch im Absetzapparat 6 mit 15 bis 25%iger Schwefelsäure auf einen pH-Wert von 4 bis 7. In diesem Absetzapparat 6 kommt es zur Trennung des Reaktionsgemisches durch Entmischung in eine organische und eine wässerige Phase. Die organische Schicht enthält das Endprodukt, die Säure. Nach der Rektifikation der organischen Schicht erhält man das Handelsprodukt Durch die genannte Behandlung erhielt man 187 g 2-Isopropyi-5-methylhexansäure (C10H20O2) mit einem Reinheitsgrad von 99%, ermittelt durch Gas-Flüssigkeits-Chromatographie. EKe Ausbeute betragt 96%, bezogen auf den eingesetzten Aldehyd C10H200.
Beispiel 2
Unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen hydroformyliert man ein Gemisch von 2,4 g Kobaltcar-
bonyl in 80 g Toluol, 133,5 g Isobutylen und 100 g «-Isopropyl-jJ-isobutylacrolein. Die Kobaltkonzentration im Gemisch beträgt 0,2 Gewichtsprozent (bezogen auf das metallische Kobalt), die Reaktionstemperatur 1400C. Die Reaktion dauert 60 Minuten. Nach der Beendigung der Reaktion trägt man 300 g Produkt aus, aus dem man durch Rektifikation 180 g Isovaleraldehyd (Ausbeute 88%, bezogen auf das eingesetzte Isobutylen) und 96 g 2-Isopropy!-5-methylhexanal (C10H20O) mit einer Ausbeute von 94%, bezogen auf das eingesetzte Ä-lsopropyl-/?-isobutylacrolein abtrennt. Den erhaltenen Aldehyd (C10H20O) unterwirft man dann einer Oxydation unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen und trennt 100 g 2-Isopropyl-5-methyl-hexansäure (C10H20O2) mit einem Reinheitsgrad von 99% ab, ermittelt durch Gas-Flüssigkeits-Chromatographie, was 95%, bezogen auf den eingesetzten Aldehyd C10H20O, bedeutet.
Durch Aldolkondensation des erhaltenen Isovaleraldehyds erhält man unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen 152 g (Ausbeute 95%, bezogen auf das Isovaleraldehyd) <x-lsopropyl-j9-isobutylacrolein, das man wieder in den Reaktor 1 zur Stufe der Hydroformylierung zurückleitet.
Beispiel 3
Unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen bringt man in den Reaktor 1 3,2 g Kobaltcarbonyl, gelöst in 80 g Toluol, 168 g 2-Methyl-l-penten und 166 g a-Isoamyl-ß-isohexylacrolein (Ci4H26O) ein. Die Kobaltkonzentration im Reaktionsgemisch beträgt 0,2 Gewichtsprozent (bezogen auf das metallische Kobalt). Die Reaktion dauert 30 Minuten. Nach der Beendigung der Reaktion trägt man 440 g Produkt aus, aus dem man durch Rektifikation 184 g 3-Methylhexanal (OHi4O) (Ausbeute 81%, bezogen auf das eingesetzte Olefin) und 156 g 2-Isoamyl-5-methyloktanal (Ci4H2BO) (Ausbeute 94,5%, bezogen auf den eingesetzten Aldehyd C14H26O) abtrennt-
Den erhaltenen Aldehyd (C14H28O) unterwirft man dann einer Oxydation unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen und trennt 170 g 2-Isoamyl-5-methyloktansäure C14H28O2 mit einem Reinheitsgrad von 98%, ermittelt durch Gas-Flüssigkeits-Chromatographie. Die Ausbeute beträgt 97%, bezogen auf den eingesetzten Aldehyd Q4H28O.
Durch Aldolkondensation des erhaltenen 3-Methylhexanals(C?Hi4O) unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen erhält man 152,5 g (Ausbeute 90%, bezogen auf den eingesetzten Aldehyd CzHhO) «-Isoamyl-ß-isohexylacrolein, das wieder in den Reaktor 1 zur Stufe der Hydroformylierung zurückgeleitet wird.
Beispiel 4
Unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen bringt man in den Reaktor 1 2,7 g Kobaltcarbonyl, 130 g 2-Methyl-l-penten und 120g a-Isoheptyl-ß-isoaktylacrolein (C18H34O) ein. Die Kobaltkonzentration im Reaktionsgemisch beträgt 0,2 Gewichtsprozent (bezogen auf metallisches Kobalt).
Die Reaktion dauert 33 Minuten. Nach der Beendigung der Reaktion trennt man aus dem Hydroformylierungsprodukt durch Rektifikation 142 g 3-Methyloktanal (CmH igO) (Ausbeute 86%, bezogen auf das eingesetzte Olefin) und 112g 2-Isoheptyl-5-methyldekanal (Ci8H36O) (Ausbeute 92,5%, bezogen auf den eingesetzten Aldehyd C18H34O).
Den durch Rektifikation abgetrennten Aldehyd C18H36O oxydiert man unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen und trennt danach 107 g 2-Isoheptyl-5-methyldekansäure (C18H36O2) mit einem Reinheitsgrad von 96% ab. Die Ausbeute beträgt 90%, bezogen auf den eingesetzten Aldehyd Ci8H36O.
Durch Aldolkondensation des 3-Methyloktanals (C9Hi8O) unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen erhält man 118,2 g (Ausbeute 89%, bezogen auf den eingesetzten Aldehyd QHieO) ix-Isoheptyl-0-isooktylacrolein, das wieder in den Reaktor 1 zur Stufe der Hydroformylierung zurückgeleitet wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Herstellung höherer verzweigter gesättigter Carbonsäuren, bei dem man Isoolefine mit 4 oder mehr C-Atomen bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in einem Lösungsmittel katalytisch hydroformyliert, den erhaltenen Aldehyd der Formel Ο,ΗϊπΟ, worin η > 5, einer Aldokondensation unterwirft und anschließend den dimeren Aldehyd der Formel Cm^ß zur Carbonsäure oxydiert, dadurch gekennzeichnet, daß man die katalytische Hydroformylierung in einem «^-ungesättigten Aldehyd der Formel C2nH4n-^, worin 17 > 5, als Lösungsmittel bei 140 bis 1700C und 147 bis 294 bar durchführt
DE2718078A 1977-04-22 1977-04-22 Verfahren zur Herstellung höherer verzweigter gesättigter Carbonsäuren Withdrawn DE2718078B2 (de)

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