DE2737511C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Pinacolon durch katalytische Dampfphasenreaktion
von Aceton mit Pivalinsäure über einem Cerdioxid-Alu
miniumoxid-Katalysatorsystem im Temperaturbereich von
300 bis 550°C unter Verwendung einer sehr kurzen Kontaktzeit
über dem Katalysator, wobei eine Umwandlung im
Bereich von 85% oder mehr erhalten wird, während die
Hauptmenge der nicht umgewandelten Reaktionsteilnehmer
für die Recyclisierung wiedergewonnen wird. Ein Beispiel
einer solchen Reaktion ist die Erzeugung von Pinacolon
bei der Umsetzung von Aceton mit Pivalinsäure über
einem Cerdioxid-Aluminiumoxid-Katalysator bei einer
Temperatur nahe bei 470°C.
Pinacolon ist ein Zwischenprodukt, das für die
Herstellung pharmazeutischer Produkte und Pestizide nützlich
ist und zu dessen Herstellung verbesserte Verfahren seit langem
gesucht werden. Die elektrolytische, reduktive Kupplung
von Aceton unter Bildung von Pinacol, das in Pinacolon überführt
werden kann, wurde auf Versuchsgrundlage während einer
Reihe von Jahren durchgeführt, wobei jedoch geringe Mengen
an Pinacol gebildet wurden. Diese Verfahren wurden daher technisch
nicht verwendet, da die Kosten, die bei diesen Verfahren
auftreten, sehr hoch sind.
Bei einem thermo-chemischen, in der Literatur beschriebenen
Weg wird die Pyrolyse von einer oder mehreren
Carbonsäuren unter Bildung symmetrischer oder unsymmetrischer
Ketone verwendet. Diese Art von Umsetzung wurde technisch
verwendet. Sie besitzt den wesentlichen Nachteil, daß die
für die Herstellung der Ketone erforderlichen Rohmaterialien
teuer sind, da die Selektivität der Umsetzung zu unsymmetrischen
Ketonen niedrig ist.
Es besteht daher, wie bei allen chemischen Verfahren,
ein Bedarf nach einem thermo-chemischen Verfahren zu Pinacolon
oder anderen Ketonen, die in der chemischen Industrie verwendet
werden, das mit niedrigen Kosten in technischem Maßstab
durchgeführt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Pinacolon
aus Aceton und Pivalinsäure zu schaffen, wobei Pinacolon
in hoher Ausbeute erzeugt wird, während die Gesamtkosten
der Kapitalinvestitionen und Rohmaterialien,
die bei diesem Verfahren verwendet werden, erniedrigt
sind.
Erfindungsgemäß soll ein Katalysator-System geschaffen
werden, das diese neue chemische Reaktion innerhalb des
Rahmens der technischen Verwendbarkeit katalysiert.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
von Pinacolon, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
man Aceton und Pivalinsäure in eine Kammer einleitet,
das Gemisch aus Aceton und Pivalinsäure bei einer
Reaktionstemperatur im Bereich von 300 bis 550°C über
ein erhitztes, katalytisch aktives Material leitet, das
eine Cerdioxid- oder Thoriumdioxid-Verbindung auf einem
Aluminiumoxid-Träger, der eine spezifische Oberfläche
von 190 m²/g aufweist, ist, und das Pinacolon gewinnt.
Unsymmetrische Ketone können nach der allgemeinen
Reaktion R₂CO + 2R′CO₂H unter Bildung von
2RR′CO + CO₂ + H₂O, worin R eine Kohlenwasserstoffgruppe
und R′ eine andere Kohlenwasserstoffgruppe als R
bedeuten, hergestellt werden. Es wurde gefunden, daß
diese Umsetzung über katalytisch aktiven Materialien
mit relativ kurzer Kontaktzeit in einem Temperaturbereich
von 300 bis 550°C stattfindet. Pinacolon, das bei
der oben angegebenen Reaktion gebildet wird, kann in
Ausbeuten von bis zu 90% oder mehr isoliert werden.
Es wird angenommen, daß die oben angegebene Reaktion
stattfindet, wenn man die Dämpfe der Reaktionsteilnehmer
über erhitzte, katalytisch aktive Materialien, wie
Aluminiumoxid, Thoriumdioxid oder Cerdioxid-Katalysatoren
bzw. Katalysatoren dieser Typen, leitet. Das bevorzugte
Katalysatorsystem ist, wie sich aus Versuchen
ergibt, eine Cerdioxid-Verbindung, die auf einem Aluminiumoxid
träger vorliegt.
Aceton und Pivalinsäure reagieren
über einem Cerdioxid-Aluminiumoxid-Katalysator bei einer Temperatur
nahe 470°C unter Bildung von Pinacolon. Unter Verwendung
eines 2 : 1-Molverhältnisses von Aceton zu Pivalinsäure
mit einer Kontaktzeit von 10 sec liegt die Umwandlung von
Pivalinsäure zu Pinacolon im Bereich von 80% der theoretischen
Umwandlung. Zusätzlich kann die Hauptmenge der nichtumgewandelten
Reaktionsteilnehmer gewonnen und in die Reaktorzone zurückgeführt
werden, wodurch man höhere Ausbeuten erhält. Durch
eine Recyclisierung der Reaktionsteilnehmer sind tatsächlich
100%ige Umwandlungsraten möglich. Dies ermöglicht die Bildung
von etwa 2 Mol Pinacolon/je 1 Mol verbrauchtem Aceton.
Der Katalysator kann Ceracetat sein, das in Cerdioxid
auf einem Aluminiumoxidträger so überführt wurde, daß eine
gute Aktivität erhalten wird. Dies ist der Fall, wenn die Cer
dioxidkonzentration im Bereich von 1 bis 10%, berechnet als
CeO₂, bezogen auf das Gesamtgewicht, liegt. Die verwendete Menge
wird von der auf dem Aluminiumoxidträger vorhandenen spezifischen
Oberfläche abhängen. Wenn der Träger Aluminiumoxid ist,
das von Harshaw Chemical Company unter dem Warenzeichen
Harshaw Al 1404 T-1β 8 erhältlich ist, entspricht dies etwa
190 m²/g und der Bereich an Cerdioxid beträgt bevorzugt 5 bis
10%. Es wurde gefunden, daß vor dem Gebrauch keine Vorbehand
lung erforderlich ist, außer einer geringen Alterung des Katalysators
während der Anfangsverwendung, wie dies bei solchen
Katalysatorsystemen üblich ist. Dieses System wird daher eine
gute Aktivität mit stationärem Verhalten von Zeiten über
1000 Gebrauchsstunden ergeben. Der Cerdioxid-Aluminiumoxid-
Katalysator ergibt, verglichen mit Thoriumdioxidkatalysatoren,
wesentliche Vorteile, da das Cerdioxid nicht radioaktiv ist
und somit die Gefahr des Thoriumdioxids beseitigt wird; und
außerdem ist es nicht erforderlich, die Regeln und die Lizenz
bedingungen der Nuclear Regulatory Commission, die seine
Verwendung betreffen, zu beachten.
Man nimmt an, daß die oben beschriebene Aceton-
und Pivalinsäure-Reaktion unter Herstellung von Pinacolon
folgendermaßen abläuft:
2 Mol Pivalinsäure verbinden sich mit 1 Mol Aceton unter Bildung
von 2 Mol Pinacolon. Man nimmt an, daß die Pivalinsäure
einen Komplex mit dem Cerdioxid-Aluminiumoxid-Katalysatorsystem
bildet, indem das saure Wasserstoffatom von der Pivalinsäure
abgelöst bzw. gelockert wird. Anschließend wird die
Kohlenstoff-zu-Sauerstoff-Doppelbindung durch das Methylenanion
des Acetons angegriffen unter Verlagerung von Elektronen
zu dem Sauerstoffatom und dem Verlust des Sauerstoffatoms
durch das Kuppeln des Acetons mit seiner Methylgruppe daran.
Dies ergibt ein mögliches Zwischenprodukt der Formel
(CH₃)₃CCOCH₂COCH₃. Man nimmt an, daß dieses Zwischenprodukt
hydrolysiert wird, wodurch eine Spaltung verursacht wird, die
Pinacolon und eine Essigsäuregruppe ergibt, die austritt und
die anschließend mit einer zweiten, komplexierten Pivalin
säuregruppe unter Bildung von weiterem Pinacolon reagiert.
Bei diesem Verfahren werden ebenfalls Kohlendioxid und Wasser
gebildet.
Analog zu dem erfindungsgemäßen Verfahren können weitere
Ketone aus Ketonen und Carbonsäuren hergestellt werden:
Aceton
und Benzoesäure unter Herstellung von Acetophenon; Aceton
und Propionsäure unter Herstellung von Methyläthylketon und
Diäthylketon; Aceton und Dimethylsuccinat unter Herstellung
von 2,5-Hexandion; Aceton und Phenylessigsäure unter Herstellung
von Phenylaceton; Diäthylketon und Essigsäure unter Herstellung
von Aceton und Methyläthylketon; Diäthylketon und
Benzoesäure unter Herstellung von Propiophenon; Benzophenon
und Essigsäure unter Herstellung von Acetophenon; Benzoesäure
und Methyläthylketon unter Herstellung von Acetophenon und
Propiophenon; und Aceton und Dimethylterephthalat unter Herstellung
von p-Diacetylbenzol.
In einigen Fällen können Alkohole oder Aldehyde anstelle
der Carbonsäuren unter Bildung der Ketone bei dem
Verfahren verwendet werden. Es wurde gefunden,
daß Benzylalkohol oder Benzaldehyd anstelle von Benzoesäure
bei der Umsetzung mit Aceton unter Bildung von Acetophenon
verwendet werden kann. Man nimmt an, daß diese Umsetzungen
unter Verwendung des Aldehyds oder des Alkohols als Ausgangsmaterial
durch eine Oxydations-Reduktions-Disproportionierung
der Beschickungsmaterialien abläuft. Es ist weiterhin
möglich, daß die ketonischen Produkte durch Carbonsäurezwischen
produkte gebildet werden.
Man nimmt an, daß die Cerdioxid-Aluminiumoxid-Katalysatoren
eine gute Aktivität für zahlreiche andere chemische
Reaktionen außer den oben beschriebenen Ketonreaktionen zeigen.
Diese Katalysatoren sind nützlich bei Reaktionen wie: Umsetzung
von Benzophenon und Pivalinsäure unter Bildung von
t-Butylphenylketon; Umsetzung von 1,3-Dichloraceton und Pivalinsäure
unter Bildung von Monochlorpinacolon; und Umsetzung von
Cyclopentanon und Essigsäure unter Bildung von 2,7-Octandion.
Man nimmt weiterhin an, daß die Cerdioxid-Aluminium
oxid-Katalysatoren eine gute Aktivität für viele andere Reaktionen
zeigen, die unter die folgenden, allgemeinen Typen
fallen:
RCH₂X + CH₃COCH₃ unter Bildung von RCH₂CH₂COCH₃ + HX worin R eine aktivierende Gruppe, wie Wasserstoff, Alkyl oder Aryl, und X eine gute austretende Gruppe, wie Halogen, bedeuten.
RCH₂X + CH₃COCH₃ unter Bildung von RCH₂CH₂COCH₃ + HX worin R eine aktivierende Gruppe, wie Wasserstoff, Alkyl oder Aryl, und X eine gute austretende Gruppe, wie Halogen, bedeuten.
RCH₃ + R¹CO₂H unter Bildung von RCH₂COR¹
worin R eine elektronenabziehende Gruppe, wie 2- oder 4-Pyridyl
und R¹ Alkyl oder Aryl bedeuten.
RCH₂COCH₃R + HCCOH unter Bildung von RCH₂CHO
worin R Wasserstoff, Alkyl oder Aryl bedeutet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt wesentliche
wirtschaftliche Vorteile, verglichen mit den bekannten Verfahren
bei der Erzeugung von Pinacolon entweder
nach dem gemischten sauren Pyrolyseverfahren oder der Bildung
von gemischten Anhydriden und der anschließenden Pyrolyse zu
Ketonen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Kapital-
und Betriebskosten niedriger als bei der gemischten Säure
pyrolyse, da die Verdampfungswärme des Acetons unter der der
Essigsäure liegt. Somit sind die Energieerfordernisse niedriger.
Weiterhin muß praktisch nur 1 Mol Aceton verwendet werden,
verglichen mit 2 Mol Essigsäure, die bei den bekannten Verfahren
erforderlich sind. Außerdem wird nur die Hälfte der Menge
an Kohlendioxid und Wasser gebildet, was das Kondensieren und
die Isolierung der Produkte und nichtumgesetzten Materialien
erleichtert. Das Reaktionsgemisch wird weiterhin durch die
Nebenprodukte, Kohlendioxid und Wasser, weniger verdünnt, so
daß ein Reaktionsbehälter mit nur ²/₃ bis ¾ der Größe
erforderlich ist wie bei dem sauren Pyrolyseverfahren, was
ebenfalls Ersparnisse in den Katalysator- und Reaktorkosten
mit sich bringt. Weiterhin sind nur kleinere Kühler erforderlich,
so daß die Energieersparnis noch vergrößert wird.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Eine Vorrichtung, die bei den oben beschriebenen
Reaktionen verwendet werden kann,
besitzt einen vertikalen Röhrenofen, der über einem Pyrexrohr
zum Erhitzen der Reaktionszone angebracht ist. Das Reaktionsrohr
enthält ein Thermoelement in der Reaktionszone, um genaue
Temperaturablesungen zu ermöglichen. Der obere Teil, in den
die Reaktionsteilnehmer eintreten, enthält ein Vorerhitzersegment,
so daß die Reaktionsteilnehmer auf die Reaktionstemperatur
erhitzt werden können, während der untere Teil ein
kleineres Heizsegment enthält, um diese Temperaturen zu erhalten.
Der Vorerhitzer wird thermostatisch kontrolliert, so
daß mehr Hitze zugeführt werden kann, wenn die Reaktionsteilnehmer
in den Teil eingeleitet werden, damit die Temperatur
aufrechterhalten bleibt. Der Katalysator sollte zwischen Glaskugeln
gestellt werden, so daß er gerade unter dem oberen Teil
beginnt und etwa 75% der Länge bis zum unteren Teil herabläuft
und zwischen dem konzentrischen Thermoelement und dem Glas,
das den Reaktor darstellt bzw. enthält, liegt. Der Reaktor wird
mit einem Y-Rohr mit dem Kondensataufnahmegefäß am Boden und
zwei wassergekühlten Kühlern in Reihe auf dem vertikal ausge
richteten Hals verbunden. Der untere Kühler kann z. B. ein
sechs-Kugel-Allihn-Kühler sein und der obere kann ein Friedrich-
Kühler sein. Es kann weiterhin bevorzugt sein, ein Reservoir
für das Beschickungsmaterial auf einer dreibalkigen Waage zu
verwenden, die mit einer Meßpumpe verbunden ist, um die Reaktions
teilnehmer in das System mit bekannter Rate einzuleiten.
Wenn ein Y-Rohr den oberen Teil des Rohrofens verbindet,
können die Reaktionsteilnehmer in einen Zweig eingeleitet werden,
und das Thermoelement zum Messen der Temperaturen kann
in den anderen Zweig eingeleitet werden.
Ein Thoriumdioxid-Katalysator wird aus 40 g
Thoriumnitrattetrahydrat [Th(NO₃)₄ · 4H₂O] in Wasser und Imprägnieren
auf 200 ml oder 172 g Harshaw Aluminiumoxid-Katalysator
AL1404 T 1/8 hergestellt. Das benetzte Aluminiumoxid wird
in einem Rotationsverdampfer unter Wasserstrahlvakuum vom
Wasser abgestreift. Dieses wird in eine große Prozellanschale
übertragen, wo es stark erhitzt wird, während man durch eine
Wasserfalle NOx absaugt. Das entstehende, lose Material wird
dann in ein Reaktorrohr mit Glaskugeln vor und hinter der
Katalysatorzone gegeben.
Das System wird dann mit Acetondämpfen zum Reinigen
des Systems von irgendwelchen Rückständen gespült. Die Kataly
satortemperatur wird allmählich von 440 auf 485°C erhöht. Das
Beschickungsreservoir wird von Aceton zu einem 2 : 1 Molverhältnis
von Aceton zu Pivalinsäure geändert. Die entfernten Kondensatproben
enthalten 4 bis 5 Teile rote organische Schicht
über einer farblosen, wäßrigen Schicht. Das Produkt wird gereinigt.
Gaschromatographische Untersuchungen der organischen
Schicht zeigen die Anwesenheit von Pinacolon in Ausbeuten im
Bereich von so hoch wie 90% der Theorie bei einem einzigen
Durchgang. Gewinnt man die Reaktionsteilnehmer und recyclisiert
sie, so erhält man noch höhere Ausbeuten.
Ein Cerdioxid-Katalysator wird aus 100 g Ceracetat
hydrat [Ce(OAc)₃ · xH₂O] und 400 ml Wasser bei Zimmertemperatur
unter Rühren zum Auflösen fast des gesamten Materials herge
stellt. Die Lösung wird filtriert und mit mehreren Teilen Wasser
gespült; man erhält etwa 460 ml Filtrat. Die Lösung wird
mit 1050 g Harshaw Aluminiumoxid-Katalysator Al 1404 1/8 vereinigt
und in einer 3,6 l Trommel getrommelt. Die Lösung wird
absorbiert, und es verbleibt keine frei gießbare Flüssigkeit.
Das Aluminiumoxid wird so benetzt. Das Gemisch wird etwa
15 min in einer Porzellanschale bei etwa 200°C getrocknet und
dann in die in Beispiel 1 beschriebene Vorrichtung eingebracht.
Das System wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, gespült
und in das Beschickungsreservoir wird ein Gemisch aus
Aceton und Pivalinsäure in einem Molverhältnis von 2 : 1 gegeben.
Das Pinacolon wird aus dem Kondensat in Ausbeuten bis
zu 90% der Theorie gewonnen, was gaschromatographisch festge
stellt wird.
Claims (1)
- Verfahren zur Herstellung von Pinacolon, dadurch gekennzeichnet, daß man Aceton und Pivalinsäure in eine Kammer einleitet, das Gemisch aus Aceton und Pivalinsäure bei einer Reaktionstemperatur im Bereich von 300 bis 550°C über ein erhitztes, katalytisch aktives Material leitet, das eine Cerdioxid- oder Thorium dioxid-Verbindung auf einem Aluminiumoxid-Träger, der eine spezifische Oberfläche von 190 m²/g aufweist, ist, und das Pinacolon gewinnt.
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