DE2823165A1 - Verfahren zur herstellung von cycloaliphatischen carbonsaeureestern - Google Patents

Verfahren zur herstellung von cycloaliphatischen carbonsaeureestern

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DE2823165A1
DE2823165A1 DE19782823165 DE2823165A DE2823165A1 DE 2823165 A1 DE2823165 A1 DE 2823165A1 DE 19782823165 DE19782823165 DE 19782823165 DE 2823165 A DE2823165 A DE 2823165A DE 2823165 A1 DE2823165 A1 DE 2823165A1
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description

BAYER AKTIENGESELLSCHAFT 5090 Leverkusen, Bayerwerk
Zentralbereich Fr/AB
Patente, Marken und Lizenzen
2 4. Mai 1978
Verfahren zur Herstellung von cycloaliphatischen Carbonsäureestern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein vorzugsweise kontinuierliches Verfahren zur Hydrierung von aromatischen Carbonsäureestern zu den entsprechenden cycloaliphatischen Carbonsäureestern mithilfe eines in einem Festbett angeordneten Nickel-und/oder Ruthenium- und/oder Rhodium- und/oder Palladiumkatalysators, der auf einen Träger aufgebracht ist, welcher vorzugsweise zumindest teilweise aus Lithium-Aluminium-Spinell besteht.
Es ist bereits bekannt, Ester der verschiedenen isonieren Phthalsäuren zu den entsprechenden isomeren cycloaliphatischen Hexahydrophthalsäureestern zu hydrieren. Dabei verwendet man ausschließlich die Suspensionskatalyse, d.h., der Katalysator wird in suspendierter Form mit dem zu hydrierenden aromatischen Ester gemischt, teilweise unter Zusatz eines Verdünnungsmittels·
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In den meisten Fällen wird Nickel als Katalysator verwendet, so z. B. in der US-PS 2 070 770 und der DE-AS 1 154 096. In anderen Fällen benutzt man Ruthenium als Katalysator, wie beispielsweise in der US-PS 3 027 39~8 und der DE-OS 2 132 547. Gemäß den Beispielen der vorgenannten Schriften erfolgt die Hydrierung diskontinuierlich in oft recht langen Reaktionszeiten.
Der Nachteil der bisher beschriebenen Verfahren zur Hydrierung von aromatischen Carbonsäureestern zu den entsprechenden cycloaliphatischen Carbonsäureestern besteht vor allem in der diskontinuierlichen Suspensionskatalyse. Das erfordert ein Eintragen des Katalysators in die Einsatzmischung und ein Abtrennen des Katalysators von der Reaktionsmischung. Diese Abtrennung des Katalysators ist bei den meist pyrophoren Raney-Nickel-Katalysatoren nur unter Beachtung von Vorsichtsmaßnahmen möglich.
Bei der Abtrennung der preislich sehr teuren, suspendierten Edelmetallkatalysatoren (Ru oder Rh) kommt der wirtschaftliche Verlust durch die nicht quantitative Rückgewinnung hinzu. Außerdem lassen sich erfahrungsgemäß einmal benutzte, suspendierte Edelmetallkatalysatoren nur in begrenztem Maße in den Hydrierprozeß zurückführen. Die beschriebenen Nachteile des notwendigen Katalysatorein- und -austrage sind nicht nur auf die diskontinuierliche Sumpfphasehydrierung beschränkt, sondern treten auch bei kontinuierlicher Handhabung des Verfahrens auf.
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Ein weiterer Nachteil ist der oft beachtliche Zeitaufwand bei der Sumpfphasehydrierung von aromatischen Carbonsäureestern. So werden z.B. in J.Amer. ehem. Soc. 02_ (1960) 2547 - 53: 3 - 4 h und gemäß J. prakt. Chemie 2j) (1965) 235 - 36 sogar 16 h für die Hydrierung benötigt. In den meisten der beschriebenen Hydrierverfahren wird der zu hydrierende aromatische Ester in Verdünnung mit einem Fremdlösungsmittel (Methanol, Äthanol, Dioxan) hydriert. Von Nachteil dabei ist die erforderliche anschließende destillative Abtrennung des Lösungsmittels.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren zur Hydrierung von aromatischen Carbonsäureestern zu den entsprechenden cycloaliphatischen Carbonsäureestern aufzufinden, das -kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt - erlaubt, hohe Raum-Zeit-Ausbeute zu erzielen und das auf die Abtrennung suspendierten Katalysators verzichtet. Das Verfahren sollte einen hohen Grad an Wirtschaft-
20 lichkeit erbringen sowie einfach und problemlos
durchführbar sein. So sollte das Arbeiten mit pyrophoren Katalysatoren und Katalysatorverluste vermieden werden, und die Menge an Edelmetallkatalysator niedrig gehalten werden können sowie der Katalysator seine Wirksamkeit ohne besondere Aktivierung über längere Zeiträume behalten. Natürlich sollte das Hydrierprodukt auch eine möglichst hohe Reinheit aufweisen.
Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß ausgewählte Katalysatoren eingesetzt werden,und die Hydrierung
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in der Riesel-, Flut- oder Gasphase über in einem Festbett angeordneten Ni- und/oder Ru- -und/oder Rh- und/oder Pd-Katalysator, der auf einem Träger aufgebracht ist, durchgeführt wird. Optimale Resultate werden bei der kontinuierlichen Hydrierung erreicht, wobei Ru-, Rh- oder Pd-, insbesondere aber Pd-Katalysatoren,aufbracht auf einen Träger aus mindestens 20 % Lithium-Aluminium-Spinell (Li KL^Oq) ι eingesetzt werden und der zu hydrierende Carbonsäureester mit dem hydrierten Endprodukt verdünnt wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur katalytischen Hydrierung von aromatischen Carbonsäureestern zu den entsprechenden cycloaliphatischen Carbonsäureestern in der Riesel-, Flut- oder Gasphase, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen, auf Trägern aufgebrachten Katalysator aus der Reihe Nickel, Ruthenium, Rhodium oder Palladium einsetzt, den auf Trägern aufgebrachten Katalysator im Festbett anordnet und in der Riesel- oder Flutphase bei Temperaturen von 7O°C bis 25O°C und Drücken von 30 bar bis 2OO bar bzw. 70°C bis 25O°C und 1 bar bis 10 bar in der Gasphase hydriert.
Als aromatische Carbonsäureester können die Ester von aromatischen Mono-, Di-, Tri- und Tetracarbonsäuren eingesetzt werden. Der Aromatenteil kann ein- und mehrcyclisch sein, wobei der aromatische Ring auch Alkylreste mit 1-4 C-Atomen enthalten kann.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren angewandt für die Kernhydrierung von Estern der Benzoesäure, o-, m-, p-Toluylsäure, o-Pththalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure und Homophthalsäure. Als Alkoholkomponente der Ester der aromatischen Carbonsäuren eignen sich Alkohole von C1 bis C«, bevorzugt Methanol und Äthanol.
Die Ester der aromatischen Carbonsäuren können in unverdünnter Form oder unter Zusatz eines Verdünnungsmittels wie übliche Fremdlösungsmittel oder das bei der Hydrierung anfallende Endprodukt kernhydriert werden. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den als Reaktionsprodukt anfallenden cycloaliphatischen Ester als Verdünnungsmittel einzusetzen. Dabei kann ein Teil des Hydrierproduktes direkt wieder zum Verdünnen der Einsatzverbindung zurückgepumpt werden.
Bei Verwendung eines Verdünnungsmittels kann das Gewichtsverhältnis von zu hydrierender Komponente zum Verdünnungsmittel 1:1 bis 1:1OO, bevorzugt 1:5 bis 1:30 betragen.
Als Hydriergase können Wasserstoff oder Wasserstoff enthaltende Gase verwendet werden, wobei enthaltene Katalysatorgifte vorher zu entfernen sind. Nach der Reaktion kann ein kleiner Anteil des Restgases entspannt werden, um die Anreicherung von Inertgasen zu vermeiden.
Die Hydrierung in der flüssigen Phase wird bei Drucken oberhalb von 30 bar durchgeführt; im allgemeinen werden Drucke von 50 bis 200 bar, vorzugsweise von 80 bis 150 bar
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angewendet. Bei der Gasphasenhydrierung werden Drucke von 1 bis 10 bar angewendet, vorzugsweise wird jedoch in der Nähe des Atmosphärendruckes gearbeitet.
Die Temperaturen für die Hydrierung der aromatischen Carbonsäureester sollten 70 bis 25O°C betragen, bevorzugt wird ein Temperaturbereich von 120 bis 180 C.
Als Katalysatoren sind die Metalle aus der Reihe Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium geeignet. Bevorzugt werden Ruthenium, Rhodium oder Palladium, insbesondere Palladium. Es können auch Kombinationen der vorgenannten Metalle eingesetzt werden.
Die Katalysatoren sind mit einem Gehalt von 0,1 bis 5 Gew.-% auf Katalysatorträger aufgebracht. Als Katalysatorträger eignen sich alle herkömmlichen Träger, beispielsweise Aluminiumoxid und Kieselsäure. Besonders ist Aluminiumoxid, das zu mindestens 20 % in Lithium-Aluminium-Spinell umgewandelt worden ist, geeignet, wobei ein Träger mit einem Gehalt von 70 - 100 % Lithium-Aluminium-Spinell die besten Ergebnisse liefert. Der Katalysatorträger kann als Zylinder, Extrudat, Pellet oder stückig eingesetzt werden, bevorzugt ist jedoch die Kugelform (Durchmesser ca. 1 bis 8 mm).
Der im Festbett angeordnete Katalysator kann in einen Schachtofen eingefüllt sein, wegen der besseren Wärmeabfuhr ist es jedoch vorteilhaft, den Katalysator in einen Rohrbündelreaktor einzufüllen, wobei um die Rohre ein Wärmeabfuhrmedium geleitet wird.
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Die Durchführung der Hydrierung kann in der Gas-, Riesel oder Flutphase erfolgen. Bevorzugt wird in der Rieseloder Flutphase, insbesondere in der Rieselphase hydriert. Bei der Gasphasehydrierung wird die zu hydrierende Verbindung durch das Hydriergas verdampft, das Hydrierprodiakt aus dem Reaktionsgas abgeschieden; ein Teil des Abgases kann in den Hydrierprozeß als Kreisgas zurückgeführt werden. Erfolgt die Hy drierung in der Rieselphase, so rieselt das zu hydrierende Produkt im Reaktor von oben nach unten über den Katalysator, der sich in einer Wasserstoffatmosphäre befindet; der Wasserstoff kann von oben oder von unten in den Reaktor eingeführt werden. Einen Teil des Abgases entspannt man nach Abtrennung des flüssigen Produktes ins Freie. Führt man die Hydrierung in der Flutphase durch, so durchströmen Einsatzprodukt und Wasserstoff, meist in gelöster Form, das Katalysatorbett von unten nach oben.
Die Raum-Zeit-Ausbeute kann 0,1 bis 2 kg an cycloaliphatischem Ester pro Liter Katalysator und Stunde betragen, vorzugsweise unter 1 kg / 1 x h.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden. Bevorzugt wird die kontinuierliche Verfahrensweise.
Die erfindungsgemäß erhaltenen Produkte können als Weichmacher für Kunststoffe sowie als Zwischenprodukte für die Herstellung von Ausgangsstoffen für Epoxidver-
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bindungen eingesetzt werden .
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert. Die angegebenen Prozentgehalte beziehen sich auf das Gewicht, sofern nicht anders vermerkt.
Beschreibung der Hydrierapparatur
Als Reaktor diente ein 4 bzw. 6 m langes Rohr mit einer lichten Weite von 24 mm. Das Reaktionsrohr (Reaktor) war mit einem Doppelmantel versehen, welcher mit Dampf geheizt und mit Kondensat gekühlt werden konnte. Der Katalysator war in dem Reaktionsrohr fest angeordnet, über den Katalysator wurde im Falle der Rieselphasehydrierung das zu hydrierende Einsatzprodukt, in den meisten Fällen verdünnt mit rückgeführtem Hydrierprodukt,von oben aufgegeben. Am unteren Ende des Reaktors befand sich ein Abscheider, in dem das flüssige Reaktionsprodukt vom Restgas abgeschieden wurde. Meist wurde ein Teil des Reaktionsproduktes zum Einsatz zurückgepumpt, das restliche Reaktionsprodukt wurde ins Freie entspannt.
Der Wasserstoff wurde gemeinsam mit dem flüssigen Einsatzprodukt am oberen Ende des Reaktors unter Druck aufgegeben, während aus dem unter dem Reaktor befindlichen Abscheider eine kleine Menge von durchweg 10 % des theoret. benötigten Wasserstoffgases als Abgas entspannt wurde.
Bei der Durchführung der Hydrierung in der Flutphase wurde der gleiche Reaktor benutzt wie bei der Rieselphasehydrierung. Wasserstoff und zu hydrierende Komponente
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— Jo —
(meist verdünnt mit dem Hydrierprodukt als Verdünnungsmittel) wurden am unteren Ende des Reaktors unter Druck eingeführt. Am oberen Ende des Reaktors befand sich der Abscheider zur Trennung von Gas- und Flüssigphase, aus dem wie bei dem Abscheider der Rieselphase die Produkte entspannt wurden.
Wurde die Hydrierung in der Gasphase durchgeführt, so geschah dies im gleichen Reaktor, wie er bei der Rieseloder Flutphasehydrierung benutzt wurde. Die zu hydrierende Komponente wurde - verdünnt oder meist unverdünnt in einem Verdampfer (Blasensäule oder Fallfilmverdampfer) mit einem Überschuß an Wasserstoff verdampft. Das Gasgemisch durchströmte den Reaktor von unten nach oben. Nach Verlassen des Reaktors wurde das Reaktionsprodukt aus dem Abgasstrom durch Quenchung mit schon kondensiertem Hydrierprodukt und/oder Tiefkühlung in die flüssige Form übergeführt. Das Abgas wurde entspannt, es kann aber auch als Kreisgas zum Verdampfer zurückgeführt werden.
20 Katalysatoren
Als Katalysatoren wurden Nickel. Ruthenium, Rhodium und Palladium oder deren Kombinationen eingesetzt, die auf Lithium-Aluminium-Spinell als Katalysatorträger aufgebracht worden waren.
Die Herstellung des Katalysator-Trägers sei beispielhaft geschildert: 2,86 Liter kugelförmiges ^-
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- VCs -
miniumoxid mit 1-3 mm bzw. 4-6 mm Durchmesser und
2 einer inneren Oberfläche von ca. 250 m /g wurden mit 1 Liter wäßriger Lösung bei 300C getränkt, in die nacheinander 296 g Ameisensäure und 233 g 54%ige wäßrige Lithiumhydroxidlösung gegeben worden waren. Das getränkte Aluminiumoxid wurde bei 150°C im Vakuum getrocknet, mit der gleichen Lösung nochmals getränkt und wieder bei 150 C im Vakuum getrocknet. Der Träger wurde anschließend 6 Std. bei 1050°C zum Lithium-Aluminium-Spinell geglüht, was durch eine Röntgenaufnahme bestätigt wurde (60 % Spinell). Der fertige
2 Träger hatte eine innere Oberfläche von ca. 30 m /g und eine mittlere Porenweite von ca. 700 Ä .
Das Aufbringen der (Edel)Metalle erfolgte in der herkömmlichen Art durch Tränken des Trägers mit der wäßrigen Metallsalzlösung, Reduktion des Metallsalzes, Auswaschen der Anionen und Trocknen. Auf diese Weise wurden die folgenden Träger-Katalysatoren mit den angegebenen Metallgehalten hergestellt:
Katalysator-
Nr.		 % (Edel) Metall Katalysator-
Nr.		 % (Edel)Metall 0,5 % Pd
1 1 % Ru 5 0,5 % Ru 0,5 % Pd
2 1 % Rh 6 0,5 % Rh 0,3 % Rh
3 1 % Pd 7 0,3 % Ru
4 0, 5 % Ru 0,5 % Rh 0,3 % Pd
8 5 % Ni
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Durchführung der Hydrierung
Der Reaktor wurde mit 3 1 des Katalysators gefüllt. Es wurde so viel der zu hydrierenden Komponente eingesetzt, daß die Raum-Zeit-Ausbeute zwischen 0,1 - 2 kg betrug. Im einzelnen betrug die Raum-Zeit-Ausbeute bei den in der folgenden Tabelle aufgeführten Versuchen:
Versuch 2 =2,0 kg/1 χ h
Versuch 4 =1,0 kg/1 χ h
10 Versuch 1 , 3 und 9 =0,5 kg/1 χ h
Versuch 5 - 8, 10 - 11 =0,3 kg/1 χ h
Versuch 12-19 = 0,1 - 0,2 kg/1 χ h
Die Verdünnung des Einsatzproduktes mit dem Hydrierprodukt betrug bei:
Versuch 1 5 ■ 1 : 100
Versuch 2 - 11 = 1 : 30
Versuch 6 - - 18 = 1 : 15
Versuch 12 * 1 : 10
Versuch 19 « 1 : 1
Die Hydrierung erfolgte bei den Versuchen 1 und 3 in der Gasphase, bei den Versuchen 13, 16 und 18 in der Flutphase, bei allen anderen in der Rieselphase.
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tr«
(D
Hydrierbeispiele
Die Beispiele für die Hydrierung der verschiedenen aromatischen Carbonsäureester zu den entsprechenden cycloaliphatische!! Estern sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.
Versuchs- Einsatzprodukt Nr.
Hydrierprodukt
Katalysator- Tenp. Nr. 0C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Druck «Ausbeute Siedepunkt des bar der Theorie Hydrierprodukt
C/mm Hg
Benzoesäuremethylester
Benzoesäure— isopropylester
Benzoesäureäthylester
Benzoesäurepropylester
Benzoesäure-Isoanylester
o-Toluylsäuremethylester
o-Toluylsäureäthylester
nHEbluylsäureäthylester
m-Toluylsäuremethylester
Hexahydrobenzoesäuranethylester
Hexahydrobenzoesäureisopropylester
Hexahydrobenzoesäureäthylester
Hexahydrobenzoesäurepropylester
Hexahydrobenzoegäureisoanylester
Hexahydro-o-toluyl säuranethylester
Hexahydro-o-toluylsäureäthylester
Hexahydro-m-toluylsäureäthylester
Hexahydro-m-toluylsäuranethylester
120 50
130 60
120 50
120 50
140 50
12Ο 70
130 70
130 70
14Ο 70
99 182-83 C/750 98,4 76-77°C/12
99 199-2OO°C/75O
98,9 216°C/75O
98,7 258°C/75O 99
99
189°C/76O
2O4°C/75O
98,4 210 C/760 98,6 196-97/750
00
ro co
co
cn
Fortsetzung
öo
OO		 Versuchs-
Nr.		 Einsatzprodukt Hydrierprodukt Katalysator-
Nr.		 Tap. Druck
bar		 % Ausbeute
der Theorie		 Siedepunkt des
Hydrierungsproduktes
C/ran Hg
10 p-Tbluylsäure-
methylester		 Hexahydro-p-toluyl-
säuremethylester		 2 145 70 98,7 198°C/75O
11 p-Otoluylseture-
äthylester		 Hexahydro-p-toluyl-
säureäthylester		 1 150 75 98,5 2O9°C/75O
12 Hcmophthalsäure-
dimethylester		 Hexahydrohcnophthal-
säuredimethylester		 7 160 70 97,6 143-45°C/2O
13 Honophthalsäure-
diäthylester		 Hexahydrohcmophthal-
säurediäthylester		 5 160 70 97,8 276°C/76O
14 o-Phthalsäure-
dimethylester		 Hexahydrophthal-
säuredimethylester		 1 140 100 99 128°/2O ' ^
15 o-Phthalsäure-
diäthylester		 Hexahydrophthal-
säurediäthylester		 4 140 100 99 143°C/2O '
16 Isophthalsäure-
diinethylester		 Hexahydroisophthal-
siiiiTPd i iwt"hy1 pstf^r		 1 150 100 99 14O°C/2O
17 Isophthalsäure-
diäthylester		 Hexahydroisophthal-
säurediäthylester		 2 160 100 98,8 29O°C/76O
18 Terephthalsäure-
dimethylester		 Hexahydroterephthal-
säuredimethylester		 1 180 100 97,8 15O°C/2O
19 Terephthalsäure-
diäthylester		 Hexahydtottirephthal-
säurediäthyester		 1 180 100 98,5 iio°c/i m

Claims (5)

Patentan sprüche
1) ,Verfahren zur katalytischen Hydrierung von aromatischen Carbonsäureestern zu den entsprechenden cycloaliphatischen Carbonsäureestern in der Riesel-, Flut- oder Gasphase, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen, auf Trägern aufgebrachten Katalysator aus der Reihe Nickel, Ruthenium, Rhodium oder Palladium einsetzt, den auf Trägern aufgebrachten Katalysator im Festbett anordnet und in der Rieseloder Flutphase bei Temperaturen von 70 C bis 250 C und Drucken von 30 bar bis 200 bar bzw. 70°C bis 25O°C und 1 bar bis 10 bar in der Gasphase hydriert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysatoren Ruthenium, Rhodium, Palladium oder deren Mischungen einsetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Träger für die Katalysatoren ein Aluminiumoxid verwendet, das zu mindestens 20 % in Lithium-Aluminium-Spinell umgewandelt worden ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß man den zu hydrierenden aromatischen Carbonsäureester mit einem Verdünnungsmittel im Verhältnis
1 : 1 bis 1 : 100 verdünnt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Hydrierprodukt als Verdünnungsmittel ver-
25 wendet.
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