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"Verfahren zur erstellung von Oxalkylierungsprodukten"
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Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Oxalkylierung
von organischen Verbindungen, die mindestens ein zur Reaktion mit Oxiranverbindungen
befähigtes Wasserstoffatom enthalten, in Gegenwart von basischen Katalysatoren.
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Verbindungen mit reaktiven Wasserstoffatomen, wie Alkohole., Phenole,
Mercaptane, Carbonsäuren, Carbonsäureamide und Amine, lassen sich bekanntlich mit
Ethylenoxid und-Propylenoxid zu den entsprechenden Hydroxyalkylverbindungen, Alkylenglykol-
und Polyalkylenglykolethern umsetzen. Zur Beschleunigung der Reaktion werden dabei
alkalische Katalysatoren, wie z.B. Alkalimetalle, Alkalimetallhydroxide und Alkalimetallalkoholate,
oder saure Katalysatoren, insbesondere Lewis-Säuren, wie Borfluorid, Zinntetrachlorid
und Antimonpentachlorid verwendet (siehe N. Schönfeldt, "Grenzflächenalctive . Alkylenoxid-Addukte"
Stuttgart 1 97h, S. 13-101).
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Sowohl die alkalischen als auch die sauren Katalysatorsysteme weisen
eine Reihe von Nachteilen auf. So müssen bei der Oxalkylierung in Gegenwart von
alkalischen Katalysatoren verhältnismäßig hohe Reaktionstemperaturen angewandt werden,
um wirtschaftlich vertretbare Reaktionszeiten zu erreichen. Bei der Oxalkylierung
von primären Alkoholen bleibt - vor allem im Fallvvon niederen Oxalkylierungsgraden
- ein erheblicher Anteil an nicht umgesetztem Alkohol zurück. Dies hat seinen Grund
darin, daß die alkoholischen Hydroxylgruppen des Ausgangsmaterials gegenüber den
Alkylenoxiden eine geringere Reaktionsfähigkeit aufweisen als die Hydroxylgruppen
der entstandenen Etheralkohole. Werden die auf diese Weise erhaltenen Fettalkoholoxethylate
zur Herstellung von Waschmitteln nach dem Sprühtrocknungsverfahren eingesetzt, so
führt der in diesen Produkten enthaltene, nicht umgesetzte Alkohol zu der unerwünschten
Erscheinung des "Pluming".
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Die aufgezeigten Schwierigkeiten, die sich bereits bei der Oxalkylierung
von primären Alkoholen bemerkbar machen, treten in verstärktem Maße bei der Oxalkylierung
sekundärer Alkohole auf. Der Anteil an nicht umgesetztem Alkohol ist hier in der
Regel so groß, daß die erhaltenen Produkte den Qualitätsanforderungen der Praxis
nicht genügen.
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Verwendet man bei der Oxalkylierung von Alkoholen saure Katalysatoren,
so wird die Reaktionsfähigkeit der Hydroxylgruppe des Ausgangsalkohols gesteigert;
der Anteil an nicht umgesetztem Alkohol im Reaktionsprodukt wird dadurch zurückgedrängt.
Saure Katalysatoren erlauben auch ein Arbeiten bei niederen Temperaturen. Dennoch
haben sich die sauren Katalysatoren im technischen Bereich nicht durchgesetzt, da
sie zur Bildung von unerainschten Nebenprodukten wie cyclischen Ethern und Polyglykolen
führen. Ein weiterer großer Nachteil der Verfahren, die mit sauren Katalysatoren
durchgeführt werden, ist die dabei auftretende verstärkte Korrosion der Reaktionsapparaturen.
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Es wurde nun gefunden, daß man die mit den alkalischen oder sauren
Katalysatoren verbundenen nachteiligen Erscheinungen weitgehend ausschalten kann,
wenn man bei der Oxalkylierung von organischen Verbindungen ein Katalysator system
verwendet, das neben einem üblichen alkalischen -Katalysator einen Diazapolyoxamakrobicyclus
enthält.
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Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung
von Oxalkylierungsprodukten durch Umsetzen vonorganischen Verbindungen, die mindestens
ein zur Reaktion mit Oxiranverbindungen befähigtes Wasserstoffatom enthalten, mit
Alkylenoxiden in Gegenwart von alkalischen Katalysatoren, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß man die Umsetzung in Gegenwart von Diazapolyoxamakrobicyclen der Formel
I
in der n und m die Werte 1 haben können und die Kombinationen (m=1; n=1) und (m=li
n=O) möglich~sind, durchführt.
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Bei den Diazapolyoxamakrobicyclen der Formel 1 handelt es sich um
die Verbindungen 4,7,13,16,21 ,24-Hexaoxa-1 ,10-diazabicyclo(8,8,8)-hexacosan und
4,7,13,16,21-Pentaoxa-1,10-dazabicyclo(8,8,5)-tricosan. Diese Substanzen sind bekannt
und imHandel erhältlich.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren werden die bei Alkoxylierungsreaktionen
üblichen alkalischen Katalysatoren verwendet, beispielsweise metallisches Natrium
oder Kalium, Alkalimetallcarbonate und -bicarbonate, wie Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat
und Natriumbicarbonat, Alkalimetallseifen wie Natriumseifen und Kaliumseifen. Bevorzugt
eingesetzt werden Alkalimetallhydroxide, wie Natriumhydroxid und iumhydroxid sowie
Alkalimetallalkoholate wie Natriummethylat und Kaliummethylat. Es ist zweckmäßig,
wasserfreie Katalysatoren einzusetzen und im Falle der Verwendung von Atzalkalien
das bei der Alkoholat- oder Salzbildung entstandene Wasser aus der Mischung zu entfernen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, bei der Verwendung von Alkalimetallalkoholaten
niederer Alkohole die letzteren vor der Umsetzung mit dem Alkylenoxid abzudestillieren.
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Die Menge des alkalischen Katalysators beträgt in der Regel 0,05 bis
10, vorzugsweise 0,1 bis 5 Molprozent, bezogen auf die zu oxalkylierende Verbindung.
Die Verbindungen der Formel I werden in solchen Mengen eingesetzt, daß das molare
Verhältnis von alkalischem Katalysator zu Diazapolyoxamakrobicyclus im Bereich von
100 : 1 bis 1 : 1 liegt.
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Als Ausgangs stoffe für das erfindungsgemäße Verfahren kommen organische
Verbindungen in Betracht, die mindestens ein zur Reaktion mit Oxiranverbindungen
befähigtes Wasserstoffatom enthalten, insbesondere Alkohole,Carbonsäuren und Amine.
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Bei der Oxalkylierung von Alkoholen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
können ein- und mehrwertige Alkohole der aliphatischen, cycloaliphatischen und alkylaromatischen
Reihe mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen als Ausgangssubstanzen eingesetzt werden. Diese
Alkohole können gesättigt oder ungesättigt, geradkettig oder verzweigt sein; ihre
Alkylketten oder ihr Kern können durch Heteroatome substituiert oder unterbrochen
sein. Die zu oxalkylierenden Hydroxylgruppen können primären, sekundären oder tertiären
Charakter haben. Beispiele für derartige Alkohole sind Methanol, Ethanol, n-Propanol,
i-Propanol, n-Butanol-1, n-Hexanol-1, n-Octanol-1, n-Dodecanol-1, n-Tetradecanol-1,
Docosylalkohol, 4-Chlorbutanol-1, Oleylalkohol, Linoleylalkohol, Ester der Ricinolsäure
mit Alkoholen, 2,2,4-Trimethylhexanol-6, n-Octanol-2, sekundäre n-Tetradecanole,
n-Pentadecanol-8, 2,5,10-Trimethylundecanol-7, tert.-Butanol, Cyclohexanol, Cyclododecanol,
BenzylaSkohol, Propandiol-1,2, Propandiol-1,3, Butandiol-1 4, Hexandiol-1,6, Dodecandiol-1,2,
Hexadecandiol-1,2, Glycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythrit, Sorbit und Mannit.
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Es können auch Alkoholgemische eingesetzt werden, wie z.B.
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Gärungsamylalkohole, Fettalkoholgemische mit 8 bis 24 Kohlenstoffatomen,
wie sie aus den bei der Spaltung natürlicher Fette und Wachse anfallenden Fettsäuregemischen
durch Hydrierung nach bekannten Verfahren erhalten werden, weiterhin Gemische synthetischer
Alkohole, die aus Erdölprodukten nach dem Ziegler- oder dem Oxo-Verfahren darstellbar
sind, ferner die Gemische-vorwiegend sekundärer Alkohole, die dadurch Luftoxidation
geradkettiger Paraffine in Gegenwart von Borsäure oder Borsäureanhydrid hergestellt
werden, sowie Gemische, die primäre und sekundäre Alkohole nebeneinander enthalten.
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Für die Oxalkylierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eignen
sich auch die Gemische von Alkandiolen-1,2 mit 8 bis 24 Kohlenstoffatomen und Gemische
von Alkandiolen mit nichtendständigen, vicinalen Hydroxylgruppen und 8 bis 24 Kohlenstoffatomen,
wie sie in bekannter Weite durch Epoxidieren entsprechender Olefingemische und anschließende
Hydrolyse der resultierenden Epoxyalkane erhalten werden können.
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Bei der Oxalkylierung von Carbonsäuren nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren können als Ausgangsmaterial ein-und mehrwertige Carbonsäuren eingesetzt
werden, die gesättigte oder ungesättigte, geradkettige oder verzweigte aliphatische,
cycloaliphatische oder aromatische Reste mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen enthalten.
Beispiele für derartige Carbonsäuren sind Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure,
Valeriansäure, Capronsäure, Caprylsäure, Caprinsäure, Laurinsäure, Myristinsäure,
Palmitinsäure, Stearinsäure, Arachinsäure, Behensäure, Lignocerinsäure, ölsäure,
Erucasäure, Linolsäure, Linolensäure, Cyclohexancarbonsäure, Benzoesäure, Glutarsäure,
Adipinsäure, Terephthalsäure, Gemische von Fettsäuren, wie sie durch Verseifung
von natürlichen Fetten, Ölen und Wachsen erhalten werden, beispielsweise die aus
Kokosfett, Palmkernöl, Rapsöl, Erdnußöl und Fischöl gewonnenen Fettsäuregemische,
durch Oxydation von Kohlenwasserstoffen erhaltene Carbonsäuren, durch Carbonylierung
von Olefin- oder Acetylenkohlenwasserstoffen nach bekannten Verfahren herstellbare
Carbonsäuren oder die durch Polymerisation ungesättigter Fettsäuren herstellbaren
di- und oligomeren Fettsäuren.
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Wird das erf-indungsgemäße Verfahren zur oxalkylierung von Aminen
eingesetzt, so kommen als Ausgangsstoffe primäre und sekundäre e-in- oder mehrwertige
aliphatische Amine mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen in Betracht, deren Alkylreste
geradkettig oder verzweigt, gesättigt oder ungesättigt sein können. Beispiele für
derartige Amine sind Methylamin, Ethylamin, n-Propylamin, n-Hexylamin, n-Dodecylamin,
exadecylamin, Docosylamin, Oleylamin, Erucylamin, 3-Methyloctylamin-1, 3-Aminooctan,
Diethylamin, N-Methylhexylamin, N-Ethyldodecylamin, Ethylendiamin, Propylendiamin
und Hexamethylendiamin. Es können auch Gemische von entsprechenden Aminen eingesetzt
werden. Hier sind inbesondere die Amingemische zu nennen, die aus natürlichen Fetten
auf bekannte Weise gewonnen werden, z.B. Kokosamin und Talgamin.
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Weiterhin können cycloaliphatische oder aromatische Reste enthaltende
Amine, wie Cyclohexylamin und Benzylamin, eingesetzt werden.
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Weitere ge eignete Ausgangsstoffe sind Amine, deren Alkylketten durch
OH-Gruppen substituiert oder durch Etherbrücken unterbrochen sind. Beispiele hierfür
sind insbesondere die Ethylen-, Propylen- undButylenoxidaddukte an Amine sowie die
ß-IIydroxyalkylamine, die aus längerkettigen Epoxyalkanen durch Umsetzung mit Ammoniak
oder primären Aminen erhalten werden.
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Als Alkylenoxide sind alle Epoxidgruppen enthaltenden Substanzen geeignet.
Von besonderem Interesse sind Verbindungen mit 2 bis 4 Kohlenstoff atomen wie Butylenoxide,
Glycid und Epichlorhydrin sowie insbesondere Ethylenoxid und Propylenoxid.
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Diese Epoxide können einzeln oder im Gemisch miteinander zur Reaktion
gebracht werden. Sie können auch nacheinander in beliebiger Reihenfolge zum Einsatz
kommen. Die Menge des anzulagernden Alkylenoxids ist beliebig; sie wird vom Verwendungszweck
des gewünschten Adduktes bestimmt.
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Die Umsetzung der zu oxalkylierenden Verbindungen mit den Epoxiden
kann unter den für Oxalkylierungsverfahren üblichen Bedingungen durchgeführt werden.
Demgemäß kommen Temperaturen zwischen 20 und 2000 C in Betracht, wobei sowohl bei
Normaldruck als auch unter Überdruck im Autoklaven gearbeitet werden kann.
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Die Verwendung eines Lösungsmittels ist im allgemeinen entbehrlich.
In speziellen Fällen, z.B. bei der Umsetzung hochschmelzender Carbonsäuren, kann
die Verwendung eines für Oxalkylierungsreaktionen üblichen Lösungsmittels, z.B.
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Diglykoldimethyläther oder Dioxan von Vorteil sein.
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Zur Durchführung der Umsetzung wird die zu oxalkylierende Verbindung,
gegebenenfalls nach Zugabe eines Lösungsmittels, mit den vorgesehenen Mengen an
alkalischem Katalysator und Diazapolyoxamakrobicyclus versetzt. Nach dem Verdrängen
der Luft aus dem Reaktionsgefäß wird das Gemisch auf die vorgesehene Reaktionstemperaturen
erwärmt und das Alkylenoxid entweder in Teilmengen oder kontinuierlich mit einer
solchen Geschwindigkeit zugegeben, daß der für die Reaktion vorgesehene Temperaturbereich,
und bei Reaktionen im geschlosssenen System der vorgesehene Druckbereich, eingehalten
wird. Das Ende der Reaktion kann leicht am Abfall der Temperatur und/oder des Drucks
nach der letzten Alkylenoxidzugabe erkannt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl chargenweise als auch kontinuierlich
durchgeführt werden.
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Die eingebrachten Katalysatoren können im Endprodukt verbleiben und
können mit Säure neutralisiert werden, falls dies erforderlich ist.
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Die erhaltenen Produkte sind praktisch farblos und enthalten keine
unerwünschten Nebenprodukte; sie können ohne weitere Aufarbeitung ihrer Verwendung
als oberflächenaktive Substanzen zugeführt werden.
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Die zusätzliche Verwendung von Diazapolyoxamakrobicyclen neben alkalischen
Katalysatoren im Sinne der Erfindung bewirkt eine Beschleunigung der Oxalkylierungsreaktion.
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Führt man das erfindungsgemäße Verfahren bei den Temperatur- und Druckbedingungen
durch, unter denen Oxalkylierungsreaktionen bei alkalischer Katalyse normalerweise
ablaufen, so wird-eine beträchtliche Verkürzung der Reaktionszeit erzielt. Bei der
Oxalkylierung von hydroxylgruppenhaltigen organischen Verbindungen wird überdies
der Gehalt an freiem Alkohol im Reaktionsprodukt stark vermindert. Führt man das
erfindungsgemäße Verfahren jedoch unter Beibehaltung der für alkalisch katalysierte
Oxalkylierungsreaktionen typischen Reaktionszeiten durch, so kann die Reaktionstemperatur
erheblich herabgesetzt werden.
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Die nachstehenden Beispiele sollen den Gegenstand der Erfindung näher
erläutern, ihn jedoch nicht darauf beschränken.
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Beispiel 1 In einem 3 l-Autoklaven aus rostfreiem Stahl, der mit einem
explosionsgeschützten Rührer, einer Heizung und einer Kühleinrichtung versehen war,
wurden 902 g (3,1 Mol) Fettalkohol der Kettenlänge C12-C14 (OHZ 291), 5,5 g (102
mMol) Natriummethylat (Katalysator-A; 3,3 Mol-, bezogen auf Fettalkohol) und 0,9
g (2,7 mMol) 4,7,13,16, 21-Pentaoxa-l,lO-diazabicyclo (8,8,5)-tricosan (Katalysator
B; 0,087 Mol-%, bezogen auf Fettalkohol) miteinander vermischt. Der Autoklav wurde
dreimal mit Stickstoff gefüllt und wieder evakuiert. Schließlich wurde Stickstoff
bis zu einem Druck von 0,5 bar eingepumpt und der Autoklaveninhalt auf 1450 C erwärmt.
Aus einer gekühlten Wiegevorlage wurden 1785 g (31 Mol) Propylenoxid mit Hilfe von
Stickstoff mit einer solchen Geschwindigkeit in den Autoklaven gedrückt, daß bei
Ausnutzung der vollen Kühlkapazität die Reaktionstemperatur von 1450 C und ein Maximaldruck
von 5 bar nicht überschritten wurde. Nach 90 Minuten wurde das letzte Propylenoxid
in den Autoklaven gedrückt. Nach weiteren 5 Minuten war das Ende der Reaktion am
Druck- und Temperaturabfall zu erkennen.
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Wurde die Reaktion bei sonst gleichen Bedingungen und Ansatzmengen,
jedoch ohne Zusatz von Katalysator B und bei einer Reaktionstemperatur von 1600
C durchgeführt, so war die Aufnahme von Propylenoxid erst nach 110 Minuten beendet.
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Beispiele 2 - 10 Die Umsetzungen wurden in Analogie zu Beispiel 1
durchgeführt. Als Ausgangssubstanzen wurden neben dem im Beispiel 1 beschriebenen
Fettalkoholgemisch n-Dodecanol, Talgalkohol (OHZ 215), Propandiol-1,2, Stearinsäure
und Kokosamin (Aminzahl 296) eingesetzt. Die Oxalkylierungen wurden mit Ethylenoxid
und Propylenoxid in
selnden Molverhältnissen durchgeführt. Als
alkalische Katalysatoren (Katalysator A) wurden Kaliumhydroxid und Natriummethylat,
als Verbindungen der Formel I (Katalysator B) wurden 4,7,13,16,21,24-Hexaoxa-1,10-diazabicyclo
(8,8,8)-hexacosan (Ia) und 4,7,13,16,21-Pentaoxa-l,lO-diazabicyclo (8,8,5)-tricosan
(Ib) eingesetzt. Die Ausgangsmengen an Alkylenoxid und zu oxalkylierender organischer
Verbindung wurden dabei so bemessen, daß jeweils 2700 g Endprodukt zu erwarten waren.
Die jeweiligen Versuchsbedingungen und die beobachteten Reaktionszeiten sind zusammen
mit den entsprechenden Daten aus Beispiel 1 in der Tabelle I wiedergegeben.
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Die Beispiele 2 - 5 und 7 - 10 wurden unteren gleichen Bedingungen,
jedoch ohne Verwendung eines Katalysators B in den Vergleichsbeispielen 2a - 5a
und 7a - 10a wiederholt. Die Ergebnisse dieser Vergleichsversuche und das Resultat
des Vergleichsversuchs la zu Beispiel 1 sind in der Tabelle I ebenfalls angeführt.
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TABELLE I Oxalkylierungsreaktionen in Gegenwart und in Abwesesheit
von Diazapolyoxamakrobicyclen
Beispiel Ausgangs- Alkylen- Mol- Katalysator A Katalysator
B Reakt.- Reakt.- |
substanz oxid verh. temp zeit |
Art Mol-% Art Mol-% |
(°C) (min) |
1 Fettalkohol C12-14 PO 1:10 NaOCH3 3,3 Ia 0,087 145 95 |
1a " PO 1:10 NaOCH3 3,3 - - 180 110 |
2 " PO 1:10 KOH 3,3 Ib 0,038 145 60 |
2a " PO 1:10 KOH 3,3 - - 145 93 |
3 n-Dodecanol EO 1:2 NaOCH3 0,73 Ia 0,031 160 15 |
3a " EO 1:2 NaOCH3 0,73 - - 160 24 |
4 " EO 1:2 KOH 0,73 Ib 0,027 160 16 |
4a " EO 1:2 KOH 0,73 - - 160 24 |
5 Talgalkohol EO 1:5 NaOCH3 0,94 Ib 0,11 160 33 |
5a " EO 1:5 NaOCH3 0,94 - - 160 57 |
6 " EO 1:5 NaOCH3 0,92 Ib 0,21 160 20 |
7 Propandiol-1,2 PO 1:10,2 KOH 2,9 Ib 0,066 130 115 |
7a " PO 1:10,2 KOH 2,9 - - 130 63 |
8 Stearinsäure EO 1:36 KOH 2,2 Ib 0,18 130 175 |
8a " EO 1:36 KOH 2,2 - - 130 190 |
9 Kokosamin EO 1:10 NaOCH3 0,39 Ia 0,08 170 100 |
9a " EO 1:10 NaOCH3 0,39 - - 170 180 |
10 " EO 1:10 KOH 0,39 Ib 0,078 170 93 |
10a " EO 1:10 KOH 0,39 - - 170 115 |
Um die Verminderung des Gehaltes an freiem Alkohol im Reaktionsprodukt
zu demonstrieren; wurden in den Reaktionsprodukten aus den Beispielen 3, 3a, 5,
5a und 6 jeweils gaschromatographisch der Gehalt an freiem Alkohol ermittelt. Die
Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in der Tabelle II wiedergegeben.
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TABELLE II Gehalt an freiem Alkohol im Reaktionsprodukt
Ausgangs- Alkylen- Katalysator B freier Alko- |
Beispiel substanz oxid hol |
Art Mol-% Gew.-% |
3 n-Dodecanol EO Ia 0,031 23,6 |
3a | " | EO | - | - | 29,3 |
5 Talgalkohol EO Ib 0,11 6>4 |
5a | " | EO | - | - | 11,0 |
EO Ib 0,21 4,0 |