DE2811722A1 - Verfahren zur katalytischen isomerisierung eines cyclohexan-bis-(methylamins) - Google Patents
Verfahren zur katalytischen isomerisierung eines cyclohexan-bis-(methylamins)Info
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Description
DA-13 109
BESCHREIBUNG
Disubstituierte Cyclohexanisomeren kommen in zwei isomeren Formen vor, welche entsprechend der Lage der Substituenten im
Hinblick auf den Cyclohexanring als eis- und trans-Isomere bezeichnet
werden. Die Zusammensetzung des Isomerengemisches hat häufig einen wesentlichen Effekt auf die physikalischen Eigenschaften
von Produkten, die aus diesen Cyclohexj^lderivaten hergestellt
werden. So schmelzen z.B. Polyamide, die aus Isomerengemischen hergestellt werden, die überwiegend trans-1,4-Cyclohexan-bis-(methylamin)
enthalten, bei weit höherer Temperatur als die entsprechenden cis-Polyamide. Es ist daher wünschenswert,
eine Möglichkeit zu haben, das Verhältnis von eis- zu trans-Form in einem solchen Isomerengemisch einstellen zu können.
In der Literatur wurde bereits beschrieben, daß die Isomerisierung
von 1,4-Cyclohexan-dicarbonitril, 1,A—Cyclohexan-bis-Cmethylamin)
und 4-(Aminomethyl)-cyclohexanone thanol in Gegenwart eines Katalysators
durchgeführt werden kann, der unter den Elementen Lithium, Natrium, Kalium und deren Oxiden, Cyaniden, Amiden, Hydriden,
Hydroxiden und Borhydriden gewählt wird (US-PS 3 344 164). Da jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit stark temperaturabhängig
ist, werden diese Katalysatoren vorzugsweise bei Temperaturen von 200 bis 3000C angewendet und unter diesen Bedingungen treten unerwünschte
Nebenreaktionen ein, welche die Ausbeute der gewünschten Produkte wesentlich vermindern.
In der US-PS 3 829 490 wird angegeben, daß die Isomerisierung von Cg bis C, r-Cycloalkan-bis-(methylaminen), wie von 1,4-Cyclohexanbis-(methylamin),
durchgeführt werden kann, indem das entsprechende Isomerengemisch bei erhöhter Temperatur in Gegenwart bestimmter
Hydrierungskatalysatoren (beispielsweise Raney-Kobalt, Palla-
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dium, Platin und Ruthenium) mit Wasserstoff und Ammoniak in Berührung
gebracht wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist der hohe Druck, der sich unter den Reaktionsbedingungen einstellt.
Von Interesse ist außerdem die US-PS 3 251 874, in der die Isomerisierung
eines an der cis-Verbindung reichen Gemisches von 1, 4-Cyclohexan-dicarbonitril
zu einem Gemisch aus etwa 42 % des cis- und etwa 58 % des trans-Isomeren beschrieben wird. Bei diesem
Verfahren werden die Dämpfe des Isomerengemisches zusammen mit Ammoniak bei erhöhter Temperatur über einen Katalysator geleitet,
der aus einem Erdalkalimetalloxid oder aktiviertem Aluminiumoxid besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Katalysator mit verbesserter Aktivität zur Verfügung zu stellen, der es ermöglicht,
das Isomerisierungsverfahren rasch und bei relativ niederer Temperatur und unter Atmosphärendruck durchzuführen. Erfindungsgemäß
soll ein Isomerisierungsverfahren geschaffen werden, bei dem hohe Ausbeuten des Isomerisierungsprodukts erreicht werden.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dai3 als
Katalysator eine metallorganische Verbindung eines Alkalimetalle bei einer relativ niederen Temperatur von 100 bis 200 C, vorzugsweise
100 bis weniger als 2000C, angewendet wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur katalytischen
Isomerisierung eines Cyclohexan-bis-(methylamins), das dadurch gekennzeichnet ist, daß man dieses Bis-amin bei einer Temperatur im
Bereich von etwa 100 bis etwa 2000C mit einer Alkalimetallverbindung
von Benzol oder einer Verbindung der Benzolreihe behandelt.
Vorzugsweise wird die Alkalimetall-Benzolverbindung in situ aus einem Phenylmethylamin und einem Alkalimetall, einem Alkalimetallamid
oder einem Alkalimetallhydrid hergestellt. Es ist überraschend, daß die Alkalimetall-Benzolverbindungen die Isomerisie-
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rung beschleunigen, da zu erv/arten gewesen wäre, daß dia Abspaltung
von Ammoniak aus der Ausgangsverbindung eintritt, wie aufgrund von anerkannten Theorien vorherzusagen war (C. Gould,
Mechanism and Structure of Organic Chemistry, S. 478), nicht jedoch die reversible Bildung eines Carbanions als Zwischenprodukt,
die offensichtlich dem Isomerisierungsmechanismus zugrundeliegt.
Erfindungsgemäß ist es möglich, 1,2-, 1,3- oder 1,4-Cyclohexanbis-(methylamin)
sehr wirksam zu isomerisieren. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren angewendet, um das
Mengenverhältnis von eis- und trans-Isomeren in einem nicht im
Gleichgewicht befindlichen Gemisch dieser Isomeren einzustellen. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren
zur Isomerisierung von reinem eis- oder reinem trans-Isomerem
anwendbar.
Die zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Katalysatoren sind,
wie bereits erwähnt, Alkalimetallverbindungen von Benzol und Benzolderivaten und umfassen die Klasse von Benzyl-Organoali:aliverbindungen,
die von Coates, Green and ¥ade, Organometallic Compounds, 3· Auflage, Band 1, Seite 49, Methuen & Co., Ltd.,
London (1967) beschrieben sind. Typische Mitglieder dieser Klasse von Alkalimetall-Benzolverbindungen sind Benzylnatriusi, XyIylnatrium
und Benzylkalium.
Wegen der hohen Reaktivität und schlechten Wärmebeständigkeit dieser
Organoalkaliverbindungen von Benzolen ist es wünschenswert, den Katalysator in situ herzustellen, indem man ein Alkalimetall,
Alkalimetallamid oder Alkalimetallhydrid mit einem Fhenylaexhylamin,
wie Benzylamin, Dibenzylamin oder vorzugsweise Xylylamin kombiniert. Die aktive Organoalkaliverbindung bildet sich sehr
rasch aus diesen Reagentien, was durch die Entwicklung einer intensiv gefärbten löslichen Substanz, die charakteristisch für
Benzyl-organoalkaliverbindungen ist, angezeigt wird. Dieser Reak-
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tionstyp zur Herstellung der Organoalkaliverbindung ist von V/. Krabbe et al. (Ber. 74,1343 (1941)) beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durchgeführt, indem der Organometallkatalysator
bei der Reaktionstemperatur und unter Atmosphärendruck mit dem Cyclohexan-bis-(Diethylamin) in Berührung
gehalten wird, bis der gewünschte Isomerisierungsgrad eingestellt ist. Die Isomerisierungsgeschwindigkeit hängt von der
Katalysatorkonzentration und der Temperatur ab. Zufriedenstellende Ergebnisse werden bei etwa 100 bis 2000C erhalten, wobei Temperaturen
von 125 bis 175°C bevorzugt werden. Unter 1000C ist die
Geschwindigkeit in unpraktischer Weise gering und oberhalb etwa 2000C treten unerwünschte Nebenreaktii
von Ammoniak, zu stark in Erscheinung.
von Ammoniak, zu stark in Erscheinung.
2000C treten unerwünschte Nebenreaktionen, wie die Abspaltung
Die Menge des zu verwendenden Katalysators unterliegt zwar keiner festgesetzten Beschränkung, zufriedenstellende Ergebnisse werden
jedoch erreicht, wenn 5 bis 50 mMol, bezogen auf das Alkalimetall,
pro Mol Cyclohexan-bis-(methylamin) verwendet werden. Wenn der Katalysator in situ hergestellt wird, ist mindestens 1 mi-iol Phenylmethylamin
erforderlich, um 1 mMol des Katalysators zu bilden, es können jedoch größere Mengen eingesetzt werden, um die l-lengs
des Katalysators nachzuliefern, die während des Verfahrens durch thermische Zersetzung zerstört wird.
Da der Katalysator durch Sauerstoff, sauerstoffhaltige Lösungsmittel
und Wasser zerstört wird, sollten die Reaktanzen inert
gegenüber dem Katalysatorkomplex sein und es sollten Vorsichtsmaßnahmen
getroffen werden, um zu gewährleisten, daß Luft, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen streng ausgeschlossen sind.
Obwohl keine Lösungsmittel zur Durchführung der Reaktion erforderlich sind, so sollte bei der eventuellen Verwendung eines Lösungsmittels
dieses trocken und luftfrei sein. Geeignet sind Kohlenwasserstoff lösungsmittel, wie Hexan und Benzol.
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Die Reaktionsdauer hängt von der Temperatur und den gewählten Katalysatorgehalt ab. Im allgemeinen führen Kontaktzeiten von
weniger als 6 Stunden zu dem gewünschten Ausmaß der Reaktion innerhalb des "bevorzugten Temperaturbereiches und der angegebenen
Katalysatorkonzentration und gewöhnlich ist eine Reaktionsdauer von weniger als 1 Stunde geeignet. Es ist unerwünscht, eine längere
Kontaktzeit als nötig einzuhalten, da sonst Hebenreaktionen eintreten können, welche die Ausbeute des Isomerisierungsprodukts
vermindern.
Das Produkt läßt sich leicht durch Destillation von dam Katalysator
abtrennen und es kann wünschenswert sein, den Katalysator vor der Destillation zu zersetzen. Dies kann durch Zugabe von
stöchiometrischen Mengen an Luft, Wasser oder Ir/droxylgruppenhaltigen
Lösungsmitteln, wie Alkoholen, erfolgen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden die nachstehenden Beispiele angegeben.
Eine Aufschlämmung von 1,1 g Eenzylnatrium in 3,4 £ Heptan wurde
zu 35 g 1^-Cyclohexan-bis-Cmethylamin) gegeben, dessen transzu
cis-Isomeren-Verhältnis 0,7S betrug. Die beim Vermischen gebildete
tiefrote Lösung wurde unter Stickstoff auf 1000C erhitzt.
Nach 2 Stunden wurde das Amin von dem Benzylnatrium durch Zncspannungsverdampfung
bei etwa 0,5 mm Hg abgetrennt. Die Analyse zeigte, daß das gewonnene Amin aus 1,4-Cyclohexan-bis-(methylamin)
mit einem Verhältnis von trans-Isomerem zu cio-Isomerem
von 1,5 bestand.
Beisüiel 2
Die Verfahrensweise des Beispiels 1 wurde wiederholt, mit der
Gemisch auf 150°(
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Abänderung, daß das Gemisch auf 150 C erhitzt wurde. Bas Verhält-
nis von trans-Isomerem zu cis-Isomerem in dem Endprodukt betrug 2,8.
Eine Suspension von 1,2 g Natrium in Mineralöl (40 ·}■>) wurde zu
30,9 g 1,4-Cyclohexan-bis-(methylamin) (Verhältnis von trans-Isomerem
zu cis-Isomerem 0,65) gegeben. Das Gemisch v/urde 2,5 Stunden auf 15O0C und danach 0,5 Stunden auf etv/a 2400C erhitzt.
Bei jeder der angegebenen Temperaturen entnommene Proben wurden analysiert, wobei gezeigt v/urde, daß keine Änderung der Zusammensetzung
des Isomerengemisches eingetreten war.
Das Gemisch wurde auf 300C gekühlt und 5 g para-Xylylamin wurden
zugegeben. Danach wurde es auf 150 C erhitzt. Während des Srhitzens
entwickelte sich eine tiefrote Färbung. Nach 1 Stunde
hatte sich das Verhältnis von trans-Isomerem zu cis-Isomerem auf mehr als 4,0 erhöht.
Eine Suspension von 0,3 g Natrium in Mineralöl (->-0 'A) und 0,2 ; ■
ra-Xylylamin wurden zu 5,0 g 1 , 4-Cyclohexan-bi3-(!.V2thylanin)
(trans zu cis-Verhältnis 0,65) gegeben, das in 113 -;il Dacalin jolost
war. Das Gemisch wurde auf etv/a 190°C erhitzt, wobei sich eine rote Färbung entwickelte. Proben wurden periodisch on enormer
um die Analyse durchzuführen. Das Verhältnis von trans-T.3cr.er.3ni
zu cis-Isomerem war nach 30 Minuten auf 1,6 und nach 120 Minucei
auf mehr als 4,0 angestiegen. Nach 120 Minuten trat keine -./eitor:
Änderung ein, wodurch angezeigt wurde, daß die isomeren das Gleichgewicht erreicht hatten.
Der gleiche Versuch wurde durchgeführt, wobei jedoch kein ;-_ir::-
Xylylamin zugesetzt wurde. Nach 5 Stunden war das Verhältnis von
trans-Isomerem zu cis-Isomerem unverändert geblieben.
8 0 9 8 3 9/0870 BA0 ORIGINAL
- ίο -
Zu einer Lösung von 5,0 g 1,^-Cyclohexan-bis-Cmethylamin) in 15 ml
Toluol wurde 0,3 g Natriumamid und 0,2 g para-Xylylamin gegeben.
Es bildete sich sofort eine lösliche rote Spezies. Die Lösung wurde auf 110 C erhitzt und es wurden periodisch Proben zur Analyse entnommen.
Dabei zeigte sich, daß das Verhältnis von trans-Isomerem
zu cis-Isomerem von einem Anfangswert von 0,67 nach 2 Stunden auf
1,8 und nach 5 Stunden auf 2,2 angestiegen war.
Der gleiche Versuch wurde durchgeführt, mit der Abänderung, daß kein para-Xylylamin zugesetzt wurde. Dabei trat während der gleichen
Dauer keine Isomerisierung ein.
In einem weiteren Versuch wurde p-Aminomethyl-benzylnatrium als
Katalysator vorgebildet, indem Natriumamid mit para-Xylylamin bei der Reaktionstemperatur während 0,5 h umgesetzt wurde und danach
das 1,4-Cyclohexan-bis-(methylamin) zugegeben wurde. Der Versuch wurde sonst in gleicher Weise wie Beispiel 5 durchgeführt.
Proben, die zur Analyse entnommen wurden, zeigten, daß das Verhältnis von trans-Isomerem zu cis-Isomerem nach 2 Stunden auf
1,4 und nach 6 Stunden auf 3,4 angestiegen war.
Verschiedene Organo-Stickstoffbasen wurden anstelle von p-Xylylamin
nach der Verfahrensweise des Beispiels 5 als Katalysator-Vorläufer
verwendet. Die nachstehend tabellarisch zusammengefaßten Ergebnisse zeigen, daß andere Verbindungen, die der Klasse der
Phenylniethylamine angehören, leicht den aktiven Katalysator bilden,
daß jedoch aliphatische Amine und Stickstoffheterocyclen, wie n-Butylamin und Pyridin, nicht zur Bildung eines aktiven Katalysators
führen.
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para-XyIylendiamin Dibenzylamin
Benzylamin . n-Butylamin Pyridin
trans : eis -Verhältnis
anfänglich Ende der Reaktion
0,5 | 1,0 |
0,5 | 1,0 |
0,7 | 1,0 |
0,7 | 0,7 |
0,7 | 0,7 |
Ein Gemisch aus 28,0 g 1,4-Cyclohexan-bis-(methylamin) mit einem
Gehalt an 46 % des trans- und 54 % des cis-lsomeren, 1,5 g para-Xylylamin
und 150 mg Natriumamid wurden auf 15O0C erhitzt. Dabei
entwickelte sich eine tiefrote Färbung. Das Reaktionsgemisch wurde
0,5 Stunde bei 1500C gehalten. Dann wurde es auf etwa 1000C
abgekühlt und unter vermindertem Druck einer Entspannungsdestillation unterworfen. Dabei wurde ein klares farbloses Destillat
in einer Menge von 27,0 g erhalten, das im wesentlichen reines 1,4-Cyclohexan-bis-(Diethylamin) mit einem Gehalt des trans-Isomeren
von 75 % darstellte. In dem Destillationsgefäi3 verblieb ein rotes öl, welches den Katalysatorrückstand enthielt, d.h. die
Reaktionsprodukte aus Natriumamid und para-Xylylamin.
Die Isomerisierung von 1^-Cyclohexan-bis-Cmethylamin) wurde im
wesentlichen nach der Verfahrensweise des Beispiels 7 durchgeführt, mit der Abänderung, daß Lithium, Natriumhydrid und Kaliumhydrid
anstelle von Natriumamid verwendet wurden. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle gezeigt :
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AusgangsverMndung für den Katalysator
Natriumhydrid Lithium
Kaliumhydrid
TABELLE 2 | % trans-Isomeres | nach der |
anfangs | Reaktion | |
Gew., mg | 75 | |
47 | 69 | |
70 | 42 | 52 |
330 | 42 | |
250 | ||
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Claims (11)
1. Verfahren zur katalytischen Isomerisierung eines Cyclohexanbis-Cmethylamins),
dadurch gekennzeichnet , daß man das Cyclohexan-bis-Cmethylarain) bei einer Temperatur von etwa
bis etwa 2000C mit einem Alkalimetallderivat einer Benzolverbindung
in Berührung hält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man das Alkalimetallderivat einer Benzolverbindung in
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situ aus einem Phenylmethylamin und einem Alkalimetall, Alkalimetallamid
oder Alkalimetallhydrid herstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man 1,4-Cyclohexan-bis-(methylamin) isomerisiert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man als Alkalimetallderivat einer
Benzο!verbindung Benzylnatrium verwendet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man als Alkalimetallderivat einer
Benzolverbindung ein Xylylnatrium verwendet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man als Alkalimetallderivat einer
Benzolverbindung ρ-Aminomethylbenzylnatrium verwendet.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net,
daß man das Benzylnatrium durch Umsetzung von Benzylamin mit Natrium, Natriumhydrid oder Natriumamid herstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennze ich-
n e t , daß man das Xylylnatrium durch Umsetzung von para-Xylylamin
mit Natrium, Natriumhydrid oder Natriumamid herstellt.
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9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß man das Xylylnatrium durch Umsetzung von para-Xylyiendiamin
mit Natrium, Natriumhydrid oder Natriumamid herstellt.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Alkalimetallverbindung Natriumamid verwendet.
11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Alkalimetallverbindung Natriumhydrid verwendet
.
809839/0870
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Legal Events
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8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: STREHL, P., DIPL.-ING. DIPL.-WIRTSCH.-ING. SCHUEBE |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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