-
Verfahren zur Herstellung niedermolekularer C2-C3-Alkylen-
-
bzw. Poly-C2-C3-alkylen-polyamine Die Erfindung betrifft ein neues
Verfahren zur Herstellung von niedermolekularen, destillierbaren C2-C3-Alkylen-bzw.
Poly-C2-C3-alkylen-polyaminen durch Spaltung von Aminrückständen und/oder höhermolekularen
Poly-C2-C3-alkylenpolyaminen.
-
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden unter C2-C3-Alkylen-polyaminen
Xthylen- und Propylendiamin und Piperazin, unter Poly-C2-C3-alkylen-polyaminen Diäthylen-
bzw.
-
Dipropylen-triamin und Aminoäthyl-piperazin, Triäthylen-bzw. Tripropylen-tetramin,
Tetraäthylen- bzw. Tetrapropylen-pentamin und Tetraäthylen- bzw. Tetrapropylen-hexamin,
ferner gemischte Xthylen-propylen-tri-, -tetra-, -pent-und -hexamine und deren Isomere
verstanden.
-
Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von (Polv-)C23-alkylen-polyaminen,
z.B. bei der Herstellung von (Poly-) Xthylen-polyaminen durch Umsetzung von Dichloräthan
und Ammoniak (s. z.B. Houben Weyl Methoden der organischen
Chemie",
4. Auflage 1057, Band XI,'1, teite 43), von Xthanolamin und Ammoniak in Gegenwart
von Wasserstoff und Katalysatoren (s. US-PS 2 861 995), von Äthylendiamin mit Xthylenimin
oder Äthanolamin, oder durch Selbstkondensation von Xthylendiamin; oder bei der
Herstellung von Xthylen-propylen-polyaminen durch Umsetzung von Xthylendiamin oder
Piperazin mit (Meth-)Acrylnitril und anschließender katalytischer Hydrierung der
gebildeten Mono- und Dinitrile(s. B 59, Seite 2423; J. Am. Chem. Soc. 68, Seite
1296 (1946)); oder bei der Herstellung von Polypropylen-Polyaminen durch Umsetzung
von (Meth)Acrylnitril mit Ammoniak und anschließender Hydrierung der gebildeten
Mono- und Dinitrile, fallen nicht mehr destillierbare höhermolekulare Polyäthylenpolyamine
und harzartige Polybasen - im folgenden vereinfachend als Aminrückstand bezeichnet
- als Nebenprodukte an. Diese Aminrückstände sind als solche nicht mehr verwendbar
und müssen daher vernichtet werden.
-
Da die Beseitigung der Aminrückstände mit erheblichen Kosten verbunden
ist, hat man versucht, sie nutzbringend zu verwenden, sie z.B. zu niedermolekularen
destillierbaren (Poly-)Alkylen-polyaminen abzubauen. So wird in J. Am.
-
Chem. Soc. 67 (1945), Seiten 1966-1968 die Pyrolyse von Aminrückständen
zur Herstellung von Xthylendiamin beschrieben. Diese thermische Spaltung verläuft
jedoch unspezifisch unter Bildung einer Vielzahl undefinierter, ebenfalls nicht
verwendbarer Produkte. Die Ausbeute an definierten, verwendbaren Verbindungen, Xthylendiamin
und Piperazin, beträgt nur etwa 30 %.
-
Gemäß DT-OS 2 230 735 wird der Aminrückstand mit Ammoniak und Wasserstoff
in Gegenwart von Hydrier-Katalysatoren unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur
umgesetzt.
-
Bei dieser hydrierenden Aminierung des Aminrückstandes werden im wesentlichen
Piperazin und N-(2-aminoäthyl)-piperazin erhalten. Die Ausbeuten an den technisch
ebenfalls interessanten niedermolekularen destillierbaren (Poly-) Alkylenpolyaminen
,Xthylendiamin, Diäthylentriamin, Triäthylentetramin, Tetraäthylenpentamin und Pentaäthylenhexamin
sind dagegen gering. Außerdem hat das Verfahren den Nachteil, daß es Wasserstoff
und relativ kostspielige Katalysatoren erfordert.
-
Es wurde nun gefunden, daß sich die Aminrückstände in einfacher, wirtschaftlicher
Weise ohne Verwendung von Wasserstoff und kostspieliger Katalysatoren durch einfaches
Erhitzen auf etwa 200 bis 35O0C, gegebenenfalls unter erhöhtem Druck, spalten lassen,
wenn man die Spaltung in Gegenwart von Säuren, z.B. Protonensäuren, wie Sauerstoffsäuren
des Phosphors, Schwefel oder Bors oder Halogenwasserstoffsäuren bzw. Verbindungen
die unter den Reaktionsbedingungen diese Säuren zu bilden vermögen, vornimmt.
-
In Gegenwart der genannten Säuren lassen sich nicht nur die vorerwähnten
Aminrückstände in ausgezeichneten Ausbeuten in niedermolekulare destillierbare (Poly-)C2-C3-alkylenpolyamine
spalten, sondern auch höhere destillierbare Polyalkylenpolyamine wie Tetraäthylenpentaiin
und Pentaäthylenhexamin in niedere (Poly-) Xthylenpolyamine wie Xthylendiamin, Diäthylentriamin
und Triãthylentetrasin.
-
Gegenüber der in der DT-OS 2 434 913 bescnriebenen Dehydrocyclisierung
bzw. Crackcyclisierung von höhermolekularen Xthylen- oder gemischten Äthylen-Propylenaminen
zur Herstellung von Triäthylendiamin und Piperazin-Verbindungen, die bei Temperaturen
zwischen 350 und 4500C in Gegenwart bestimmter Zeolithe vorgenommen wird, hat die
erfindungsgemäße Spaltung der Polyalkylenpolyamine den Vorteil, das sie wesentlich
bessere Ausbeuten an den gewünschten Polyalkylenpolyaminen liefert.
-
Als Vertreter der erfindungsgemäß zu verwendenden Säuren seien beispielweise
genannt: Als Protonensäuren: Sauerstoffsäuren des Phosphors, wie Ortho-, Meta-,
Di- und Polyphosphorsäuren (siehe z.B. Holleman-Wilberg Lehrbuch der anorganischen
Chemie" 71-80. Auflage 1971, Seiten 398-402); des Schwefels, wie Schwefelsäure und
Dischwefelsäure, und des Bors, wie Ortho- und Metaborsäure; Halogenwasserstoffsäuren,
wie Chlor- und Bromwasserstoffsäure. Die mehrbasischen Säuren, wie Orthophosphorsäure
und Schwefelsäure sind auch in Form ihrer sauren Salze, z.B. al s als Natriumdihydrogenphosphat
oder Kaliumhydrogensulfat, einsetzbar.
-
Als Verbindungen, die diese Protonensäuren unter den Reaktionsbedingungen
bilden können: anorganische Säurehalogenide, wie PCl3, PCl5, POCl3, organische Säurehalogenide,
wie Acetylchlorid, Benzoylchlorid, anorganische Halogenide wie AlCl3, ZnCl2, CuBr2,
CoCl2 und organische Halogenide wie 1,2-Dichloräthan, Chloressigsäure. Vorzugsweise
werden die Sauerstoffsäuren des Phosphors, insbesondere Ortho-phosphorsäure verwendet.
-
Die Mengen, in denen die erfindungsgemäß zu verwendenden Säuren eingesetzt
werden, können in weiten Grenzen schwanken; im allgemeinen haben sich Mengen von
0,01 bis 10, vorzugsweise von 0,5 bis 3 ew.-% Säure (berechnet als wasserfreie Säure)
bewährt, bezogen auf das Gewicht der zu spaltenden Aminrückstände bzw. der zu spaltenden
Polyalkylenpolyamine.
-
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Säuren werden dem zu spaltenden
Aminrückstand bzw. den zu spaltenden Polyalkylenpolyaminen entweder als solche,
d.h. in fester bzw.
-
unverdünnter Form, oder in Form wäßriger Lösungen zugesetzt. Die Säuren
können den zu spaltenden Aminrückständen bereits vor dem Erhitzen oder aber erst
im Reaktor zugesetzt werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Unterdruck, Normaldruck, oder
unter erhöhtem Druck ausgeführt werden. Im allgemeinen haben sich Drucke von 4 mbar
bis 200 bar, vorzugsweise 1 bis 50 bar, bewährt.
-
Die erfindungsgemäße Spaltung wird im allgemeinen bei Temperaturen
von etwa 200 bis 3500C, vorzugsweise 220 bis 3000C, vorgenommen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann diskontinuierlich oder, vorzugsweise,
kontinuierlich durchgeführt werden. In manchen Fällen hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, die Spaltung in einer Schutzgasatmosphäre, z.B. unter Stickstoff, vorzunehmen.
Die Reaktionszeit hängt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von den gewählten Reaktionsbedingungen
(insbesondere Temperatur, Druck und Katalysatormenge) ab und kann in weiten Grenzen
schwanken. Im allgemeinen hat es sich bewährt, diese Reaktionsbedingungen so zu
wählen, daß der gewünschte Umsatz innerhalb einer Reaktionszeit von 1 bis 120 Minuten,
vorzugsteise 5 bis 30 Minuten, erreicht wird.
-
Zur Herstellung bestimmter (Poly-)Alkylenpolyamine bzw.
-
(Poly-)Alkylenpolyamin-Gemische bestimmter Zusammensetzung kann es
vorteilhaft sein, den Aminrückstand bzw.
-
das Polyalkylenpolyamin(-gemisch) nicht vollständig zu spalten, sondern
die Spaltung nur bis zu einem gewissen Grade durchzuftihren, dann das gewünschte
Polyalkylenpolyamin(-gemisch) aus dem Reaktionsgemisch, z.B. durch Destillation,
abzutrennen und alle anderen Komponenten des Reaktionsgemisches, gegebenenfalls
nach Zusatz von frischem Aminrückstand oder frischem Polyalkylenpolyamin, erneut
der Spaltung zu unterwerfen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise folgendermaßen
ausgeführt werden: In einen Reaktor, beispielsweise einen Autoklaven, wird der zu
spaltende Aminrückstand bzw. das zu spaltende Amingemisch, dem beispielsweise 2,5
Gew.-% 85 %ige wäßrige H3P04 zudosiert worden waren, gegebenenfalls nach Vorerhitzung
auf etwa 2300C, kontinuierlich eingeleitet. Die Strömungsgeschwindigkeit wird so
gewählt, daß sich beispielsweise bei 2700C Reaktionszeiten von 1 bis 120 Minuten
ergeben. Das Reaktionsgemisch wird kontinuierlich abgeftihrt und z.B. destillativ
aufgearbeitet; nicht ungesetzter Aminrückstand und Katalysator werden nach Ersatz
der gespaltenen Menge des Aminrückstandes durch frischen Aminrückstand in den Reaktor
zurückgeführt.
-
Die nach den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten (Poly-)Alkylenpolyaine
sind bekanntlich wichtige Ausgangsprodukte für die Herstellung technisch bedeutsaner
Produkte, z.B. von Stabilisatoren für Kautschuk-Lactices, Fungizid oder Zwischenprodukten
für Pharmazeut ika (Üllmanns Inzyklopldie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band
7 (1974), Seiten 380-392.
-
Bei den in den folgenden Beispielen verwendeten %-Angaben handelt
es sich, sofern nicht anders angegeben ist, um Gew.-%.
-
Beispiel 1 a) Ein elektrisch beheizbarer, mit einer Rührvorrichtung
versehener 5 Autoklav (aus Stahl) wurde mit einer Mischung aus 2344 g Aminrückstand
(enthaltend Polyäthy -lenpolyamine mit mehr als 5 Äthyleneinheiten in offenkettiger
oder ringförmiger Anordnung; Destillationsrückstand aus der Produktion von l'olyäthylenpolyaminn;
Kp. Y 1750C/1 mbar) und 56,5 g 85 %iger wäßriger H 3P04 beschickt und anschließend
mit Stickstoff (1 bar) cespült. Nach Verschließen des Autoklaven wurde die Mischung
unter Rühren auf 2800C erhitzt und 30 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Dabei
stellte sich ein Druck von 16,9 bar ein.
-
Nach Entspannen des Autoklaven bei Raumtemperatur wurde die Reaktionsmischung
destillativ aufgearbeitet und die anfallenden Destillate gaschromatographisch analysiert.
-
Bei der destillativen Aufarbeitung wurde das Reaktionsgemisch zunächst
durch Destillation unter Normaldruck bei 117 bis 1200C vom Äthylendiamin befreit.
Anschließend wurde das verbleibende Gemisch einer Vakuumdestillation im Dünnschichtverdampfer
unterworfen. Es wurden die bei einer Wandtemperatur von 2050C/4 mbar abdestillierenden
Amine aufgefangen. Es wurden 924 g Destillat (= 39,2 S bezogen auf eingesetzten
Aminrückstand) folgender Zusammensetzung erhalten:
4,8 %Äthylendiamin
3,4 t Piperazin 5,7 % Diäthylentriamin 9,5 % Aminoäthylpiperazin 16,1 % Triäthylentetramin
60,5 8 Tetraäthylenpentamin und Pentaäthylenhexamin b) 1307 g des bei 1 a) angefallenen
Destillationsrückstandes (27,4 g Katalysator und 1279,6 g nichtumgesetzter Aminrückstand)
wurden in einen 2,7 l-Autoklaven gegeben und wie unter 1 a) beschrieben umgesetzt.
Das Reaktionsgemisch wurde wie unter 1 a) beschrieben aufgearbeitet. Es wurden 327
g (25,6 %) Destillat folgender Zusammensetzung erhalten: 3,1 t Äthylendiamin 3,3
s Piperazin 3,7 % Diäthylentriamin 10,4 t An.noäthylpi?erazin 15,7 % Triäthylentetramin
63,8 % Tetraäthylenpentamin und Pentsäthylenhexamin Der angefallene Rückstand wurde
abermals wie unter 1 a) beschrieben gespalten.
-
Insgesamt wurden nach fünfmaliger Spaltung des Aminrückstandes 1900
g destillierbare niedere Polyäthylenpolyamine erhalten, d.h. 81 % des ursprünglich
eingesetzten Aminrückstandes wurden in destillierbare niedere Polyäthylenamine umgewandelt.
-
Beispiel 2 bis 12 In einen 0,7 1 Rührautoklaven wurden jeweils 300
g des in Beispiel 1 a) beschriebenen Aminrückstandes unter den in der nachstehenden
Tabelle angegebenen Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck, Reaktionszeit) in Gegenwart
der ebenfalls in der Tabelle angegebenen Katalysatoren und Katalysatormengen umgesetzt.
-
Die anfallenden Reaktionsprodukte wurden wie in Beispiel 1 a) beschrieben
aufgearbeitet. Die bei der Vakuumdestillation erhaltenen Mengen an Destillat und
ihre Zusammensetzung sind ebenfalls in der Tabelle angegeben. Vor Reaktionsbeginn
wurde der Autoklav mit Stickstoff (1 bar) gespult.
Reaktionsbedingungen Ergebnisse |
Beispiel Kataly- Tempera- Druck Zeit Destillat Zusammensetzung
des Destillats in % |
Nr. sator tur Äthylen- Piperazin Diäthyl- Amino- Triäthy- Tetraäthyl- |
% °C ber h % diamin lentri- äthyl- lentetra- lenpent- |
amin piperazin min amin |
Pentäthyl- |
lenhex- |
amin |
2 5,4 H3PO4 220 5 0,5 10,2 4,7 3,1 5,4 4,1 10,3 72,4 |
3 2,0 H3PO4 250 7 0,5 13,0 3,7 1,8 5,8 4,5 12,7 71,5 |
4 1,0 H3PO4 270 9 1,5 10,9 1,7 2,7 5,5 3,3 5,8 81,0 |
5 2,0 H3PO4 270 10 0,5 20,5 5,4 2,1 7,3 6,2 19,1 59,9 |
6 0,5 H3PO4 270 9 8,0 11,0 0,9 8,2 3,0 12,0 20,3 55,6 |
7 4,0 H2SO4 220 2 0,5 7,8 5,2 3,9 5,5 7,3 28,3 49,8 |
8 2,8 H2SO4 270 13 0,5 17,7 4,6 3,0 6,5 13,1 21,7 51,1 |
9 2,3 H Cl 300 27 0,5 38,4 7,2 7,3 5,8 16,7 25,8 37,2 |
10 1,7 H Cl ** 270 13 0,5 30,3 6,9 3,4 7,6 12,7 24,0 45,4 |
11 6,4 Zn Cl2 *** 270 13 0,5 8,4 4,0 15,1 2,5 14,2 5,4 58,8 |
12 3,0 P Cl5 *** 260 12 0,5 27,8 5,7 4,1 5,6 16,1 27,7 40,8 |
13 5,0 AlCl3 *** 270 11 1,0 25,4 2,3 6,1 4,4 18,2 20,1 48,9 |
H3PO4 wurde als 85 %ige wäßrige Säure, H2SO4 als 96 %ige wäßrige Säure eingesetzt.
-
* als gasförmiger Chlorwasserstoff in den Aminrückstand eingeleitet.
-
** als 36 %ige wäßrige Chlorwasserstoffsäure eingesetzt.
-
*** wurden dem Aminrückstand in fester Form zugesetzt.
-
Beispiel 14 Der in Beispiel 2 beschriebene Autoklav wurde mit 300
g eines 20 % Wasser enthaltenden Polyäthylenpolyamingemisches und 8 g 85 %iger wäßriger
H3P04 beschickt. Die Spaltung wurde bei 2700C vorgenommen. Die Reaktionszeit betrug
60 Minuten, der Druck zunächst 26 später 29 bar.
-
Die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches wurde wie in Beispiel 1 a)
beschrieben vorgenommen. Es wurden 112 g wasserhaltiges Destillat erhalten. Dieses
wurde durch Trocknen über festem Natriumhydroxid vom Wasser befreit. Es wurden 52
g wasserfreies Destillat (= 21,7 % bezogen auf wasserfreies Polyäthylenpolyamingemisch)
folgender Zusammensetzung erhalten: 3,7 % Äthylendiamin 4,1 % Piperazin 4,9 % Diäthylentriamin
12,2 % Aminoäthylpiperazin 14,1 % Triäthylentetramin 61,0 % Tetraäthylenpentamin
und Pentaäthylenhexamin Beispiel 15 Der in Beispiel 2 beschriebene Autoklav wurde
mit 270 g Pentaäthylenhexamin und 30 g AlCl3 x 6 H20 beschickt. Die Spaltung wurde
bei 2700C vorgenommen. Der Druck betrug 29 bar und die Reaktionszeit 5 Stunden.
Anschließend wurde die Reaktionsmischung wie in Beispiel 1 a) beschrieben aufgearbeitet.
Bei
der Vakuumdestillation wurden die bei einer Wandtemperatur
von 135°C/4 mbar destillierenden Amine aufgefangen. Es wurden 43,2 g Destillat (=
16 % bezogen auf eingesetztes Pentaäthylenhexamin) folgender Zusammensetzung erhalten:
8,7 | Xthylendiamin 10,3 t Diäthylentriamin 54,2 9 Triäthylentetramin 9,3 % Piperazin
17,5 % Aminoäthylpiperazin Beispiel 16 Der in Beispiel 2 beschriebene Autoklav wurde
mit 282 g Tetraäthylenpentamin und 18 g H3BO3 beschickt. Die Spaltung wurde bei
2600C vorgenommen. Der Druck betrug 3 bar, die Reaktionszeit 30 Minuten.
-
Anschließend wurde die Reaktionsmischung wie in Beispiel 14 beschrieben
aufgearbeitet. Es wurden 51,3 g Destillat (18,2 * bezoqen auf eingesetztes Tetraäthylenpentamin)
folgender Zusammensetzung erhalten: 9,1 % Äthylendiamin 3,6 % Piperazin 8,4 % Diäthylentriamin
10,5 % Aminoäthylpiperazin 68,4 % Triätyhlentetramin
Beispiel 17
In einem mit Rührvorrichtung versehenen 0,7 l-Autoklaven wurden 200 g Aminrückstand
(bestehend aus Polyäthhylen-Propylen-Polyaminen; Destillationsrückstand wie er bei
der Aufarbeitung des Reaktionsgemisches anfällt, das durch Umsetzunq von einem Mol
Xthylendiamin und 1,5 Mol Acrylsäurenitril und anschließender katalytischer Hydrierung
des Umsetzungsproduktes erhalten wird; Kp1750/4 mbar) mit 4,5 g 85 %iger wäßriger
H3P04 versetzt und 60 Minuten 0 auf 260 C erhitzt. Im Autoklav stellt sich ein Druck
von 11 bar ein.
-
Nach Entspannung des Autoklaven bei Raumtemperatur und anschließender
Destillation des Reaktionsgemisches wurden 4,5 g Äthylendiamin 12,1 g 1,3-Propylendiamin
14,3 g 3-(2-Aminoäthyl-)aminopropyl-amin 15,4 g N,N'-Bis-(3-aminopropyl)-äthylendiamin
erhalten.
-
Der bei der Destillation anfallende, oberhalb von 180°C/3 utbar siedende
Rückstand kann erneut der Spaltungsrekation unterworfen werden.
-
Beispiel iS Ein elektrisch beheizter Röhrenreaktor (Rauminhalt 400
cn3; Strömungsrichtung: von unten nach oben) wurde stündlich lit 800 g des in Beispiel
1 a) beschriebenen Aminrückstandes und 20 g 85 %iger wäßriger
H3PO,
beschickt. Aminrückstand und Phosphorsäurelösung wurden vor dem Einleiten in den
Reaktor in einem Vorerhitzer auf 2200C erwärmt. Die Temperatur im Röhrenreaktor
wurde konstant auf 2800C gehalten. Der Druck betrug 15 bar, d.e Verweilzeit 29 Minuten.
-
Das den Reaktor kontinuierlich verlassende Reaktionsgemisch wurde
wic in Beispiel la) beschrieben aufgearbeitet. Es wurden stündlich 224 g Destillat
erhalten.
-
Der bei der Vakuumdestillation anfallende Rückstand (nicht umgesetzter
Aminrückstand) wurde erneut der Spaltung unter worfen. Zu diesem Zweck wurde er
mit einer der abgeno-u--nen Menge an Destillat entsprechenden Menge an frischem
R-stand versetzt und über den Vorerhitzer in den R'5hrenr -k-£r zurückgeführt.
-
Nach 5-maliger Rückführung und Destillation wurde 1/5 des bei der
Aufarbeitung insgesamt angefallenen Rückstandes verworfen und durch frischen Aminrückstand
ersetzt. Der Verlust an Katalysator wurde durch Zusatz frischer H3P04 ausgeglichen.
-
Nach 5-maligem Durchsatz und anschließender Destillation wurden insgesamt
560 g Destillat folgender Zusammensetzung erhalten: 5,0 % Äthylendiamin 3,2 % Piperazin
5,9 % Diäthylentriamin 9,7 % Triäthylenpiperazin 17,1 % Triäthylentetramin 59,1
% Tetraäthylenpentamin und Pentaäthylenhexamin