DE4319672A1 - Verfahren zur Herstellung von Polyisobutylbernsteinsäureanhydriden - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Polyisobutylbernsteinsäureanhydriden

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Polyisobutylbernsteinsäureanhydriden aus Polyiso­ buten und Maleinsäureanhydrid, dadurch gekennzeichnet, daß man Polyisobuten mit einem mittleren Molekulargewicht MN von 600-5000 und einem Gehalt an endständigen Doppelbindungen von mindestens 50% mit Maleinsäureanhydrid in einer Reinheit von mindestens 99% im Verhältnis von 1,1 : 1 bis 6 : 1 mol Malein­ säureanhydrid zu Polyisobuten bei 140-200°C umsetzt. Weiterhin betrifft die Erfindung Polyisobutylbernsteinsäureamide und -imide, die aus dem nach dem beschriebenen Verfahren erhältlichen Polyisobutylbernsteinsäureanhydriden zugänglich sind. Ferner be­ trifft die Erfindung die Verwendung der Polyisobutylbernsteinsäu­ reamide und -imide als Kraftstoff- und Schmieröladditive sowie Kraftstoffe und Schmieröle, die die genannten Verbindungen ent­ halten.
Es ist allgemein bekannt, daß durch Zusatz verschiedener Additive zum Kraftstoff die Reinhaltung von Vergasern, Einspritzdüsen, An­ saugrohren und Einlaßsystemen von Otto-Motoren bzw. Dieselmotoren verbessert werden kann (siehe z. B. M. Rosenbeck "Katalysatoren, Tenside, Mineralöladditive", J. Falbe, U. Hasserodt, S. 223 ff., Thieme Verlag, Stuttgart 1978 und Ullmann′s Encyclopedia of Indu­ strial Chemistry, Vol. A 16, Seite 719 ff., VCH Verlagsgesell­ schaft 1990). Die Anwesenheit von Additiven wie Polyisobutyl­ bernsteinsäureimiden führt zur Erhöhung von im Brennraum uner­ wünschten Ablagerungen (siehe z. B. "Deposits in Gasoline Engines - A Literature Review", G.F. Kalghatgi, SAE-Paper 902105 (1990)). Solche Ablagerungen tragen wesentlich zum Anstieg des Octanzahl­ bedarfes bei. Eine Minimierung dieser Ablagerungen sollte deshalb neben einer verbesserten Reinhaltung von Vergaser-, Einspritz- und Einlaßsystemen das Ziel einer Neuentwicklung von Additiven sein.
Polyisobutylbernsteinsäureimide finden weiterhin als sogenannte aschefreie Dispergatoren breite Anwendung im Schmierstoffbereich. In Motorölen für Otto- und Dieselmotoren sind sie in Mengen bis zu 10 Gew.-% enthalten und sollen hier die Agglomeration Ausfällung und Ablagerung von unlöslichen Teilchen verhindern, die im allgemeinen als Schlammbildung und -ablagerung bezeichnet wird.
Die Dispergierwirkung dieser Zusätze ist für diese Anwendung die wichtigste Eigenschaft.
Polyisobutylbernsteinsäureimide werden im allgemeinen aus den entsprechenden Anhydriden hergestellt.
Polyisobutylbernsteinsäureanhydride wiederum werden im üblicher­ weise aus Polyisobutenen und Maleinsäureanhydrid hergestellt. Zur Ausbeutesteigerung wird diese Reaktion häufig in Gegenwart von Chlor vorgenommen, was zur Folge hat, daß chlorhaltige Nebenpro­ dukte entstehen. Solche Produkte sind heute unerwünscht, da sie aufgrund ihrer Nebenbestandteile korrosionsfördernd sein können.
Eine rein thermische Umsetzung von Polyisobuten und Maleinsäu­ reanhydrid kann zu chlorfreien Produkten führen. Jedoch sind dazu nach der Lehre der EP-A 457 599 relativ hohe Temperaturen von über 200°C in Verbindung mit Überdruck nötig, um wirtschaftliche Reaktionszeiten zu erzielen. Unter diesen Reaktionsbedingungen kommt es zu Teerbildung, die die Qualität des Produktes ernied­ rigt. Weiterhin tritt bei diesen hohen Temperaturen leicht eine teilweise Bismaleinierung des Polyisobutens auf. Diese Folgereak­ tion des Polyisobutenbernsteinsäureanhydrids ist ebenfalls uner­ wünscht im Hinblick auf eine Verwendung der Produkte oder daraus hergestellter Imide in Kraftstoffen, da solche Produkte mit einem Bismaleinierungsgrad von über 10% die Ablagerungsraten auf Ven­ tilen erhöhen können.
Der Erfindung lag ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Polyisobutylbernsteinsäureanhydriden als Aufgabe zugrunde, das es erlaubt, unter verfahrenstechnisch einfach zu realisierenden mil­ den Reaktionsbedingungen zu Produkten zu gelangen, die möglichst teerfrei anfallen und weiterhin minimale Bismaleinierungsgrade aufweisen.
Demgemäß wurde ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Po­ lyisobutylbernsteinsäureanhydriden aus Polyisobuten und Malein­ säureanhydrid gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Polyisobuten mit einem mittleren Molekulargewicht MN von 600-5000 und einem Gehalt an endständigen Doppelbindungen von mindestens 50% mit Maleinsäureanhydrid in einer Reinheit von mindestens 99% im Verhältnis von 1, 1 : 1 bis 6 : 1 mol Malein­ säureanhydrid zu Polyisobuten bei 140-200°C umsetzt. Weiterhin wurde ein Verfahren zur Herstellung von Polyisobutylbernsteinsäu­ reamiden und -imiden aus den Anhydriden gemäß dem beschriebenen Verfahren gefunden, sowie die Verwendung der genannten Amide und Imide als Zusatzstoffe für Kraftstoffe und Schmieröle. Schließ­ lich wurden Kraftstoffe und Schmieröle gefunden, die die genann­ ten Verfahrensprodukte enthalten.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Polyisobutene sind bekannt (z. B. aus der EP-A 145 235) und weisen bei einem Molekulargewicht MN von 600-5000, vorzugsweise 1000-2500 einen Gehalt an end­ ständigen Doppelbindungen von mindestens 50%, vorzugsweise 70-90% auf. Diese endständige Doppelbindungen sind im Ver­ gleich zu innenständigen Doppelbindungen bei Umsetzungen mit Ma­ leinsäureanhydrid besonders reaktiv.
Diese Polyisobutene werden mit Maleinsäureanhydrid umgesetzt. Um teerfreie Produkte zu erlangen, wird Maleinsäureanhydrid mit ho­ her Reinheit, vorzugsweise mit einer Reinheit von mindestens 99%, besonders von mindestens 99,5% eingesetzt.
Die Ausgangsstoffe werden im molaren Verhältnis von 1,1 : 1 bis 6 : 1, vorzugsweise 1,2 : 1 bis 3 : 1 von Maleinsäureanhydrid zu Polyisobuten umgesetzt.
Die Reaktion wird bei 140-200°C, vorzugsweise bei 150-190°C vorgenommen. Im allgemeinen herrscht bei Reaktion Normaldruck, es kann jedoch auch unter dem Eigendruck des Reaktionsgemisches oder bei erhöhtem Druck gearbeitet werden.
Die Reaktion kann in Substanz, aber auch in Gegenwart eines Lö­ sungsmittels vorgenommen werden. Es sind hier besonders hochsie­ dende Aromaten wie Toluol, Xylol und Naphtha, weiterhin Ether wie Dimethyldiglykol und Diethyldiglykol zu nennen. Üblicherweise be­ trägt die Menge des verwendeten Lösungsmittels 5 bis 30 Gew.-% bezogen auf den Reaktionsansatz. Ein Teil des Lösungsmittels kann beim Aufheizen des Reaktionsansatzes auf die Reaktionstemperatur abdestilliert werden.
Die Ausgangsstoffe können vor der Reaktion vermischt und bei der Reaktionstemperatur umgesetzt werden. In einer besonders bevor­ zugten Ausführungsform wird nur ein Teil des Maleinsäureanhydrids vorgelegt und der verbleibende Teil wird der Reaktionsmischung bei Reaktionstemperatur so zugesetzt, daß immer eine homogene Phase im Reaktionsgefäß vorliegt, durch die eine Umsetzung ohne Bildung wesentlicher Mengen an Nebenprodukten erleichtert wird.
Die Reaktion wird vorteilhaft in inerter Atmosphäre, z. B. unter Stickstoff, durchgeführt.
Je nach der gewählten Reaktionstemperatur und dem Überschuß an Maleinsäureanhydrid ist die Reaktion in der Regel nach 2 bis 16 Stunden beendet. In an sich bekannter Weise wird daraufhin auf das Verfahrensprodukt aufgearbeitet. Im allgemeinen werden dazu alle flüchtigen Bestandteile abdestilliert und der Destillations­ rückstand wird isoliert.
Die Farbe des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polyisobutylbernsteinsäureanhydrids ist gelblich bis bernstein­ farben. Auch der Reaktor zeigt keinen Teerbelag nach der Beendi­ gung der Reaktion. Der Bismaleinierungsgrad des Reaktionsproduk­ tes ist so gering, daß das Verhältnis von Bernsteinsäureanhydrid­ gruppen zu Polyisobuteneinheiten unter 1,1 : 1 liegt (d. h. daß der Bismaleinierungsgrad unter 10% liegt), vorzugsweise sogar unter 1,05 : 1.
Der Polyisobutenumsatz liegt in der Regel unter dem Umsatz, der bei vollständiger Reaktion aller endständigen Doppelbindungen zu erwarten wäre.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polyisobu­ tylbernsteinsäureanhydride dienen als Zwischenprodukte für die Herstellung von Polyisobutylbernsteinsäureamiden und -imiden.
Diese Produkte werden in an sich bekannter Weise durch Umsetzung von Polyisobutylbernsteinsäureanhydriden mit einem primären oder sekundären Amin unter Abspaltung von Wasser umgesetzt.
Bei diesen Aminen kann es sich prinzipiell um alle zur Amid- und Imidbildung geeigneten Verbindungen handeln wie Ammoniak, mono- und dialiphatische Amine, cycloaliphatische und aromatische Amine. Im Hinblick auf die Verwendung der Verfahrensprodukte als Zusatz zu Kraftstoffen und Schmierstoffen sind jedoch Polyamine bevorzugt. Die Polyamine tragen vorzugsweise 2 bis 10 Stickstoff­ atome. Besonders bevorzugt sind solche Polyamine, die Alkylen­ gruppen tragen wie Ethylen, 1,2-Propylen, 2,2-Dimethylpropylen, z. B. Ethylendiamin, Diethyltriamin, Triethylentetramin, Tetra­ ethylenpentamin, Dipropylentriamin und Tripropylentetramin.
Die erfindungsgemäß erhältlichen Polyisobutylbernsteinsäureamide und -imide finden als Zusatz für Otto-, Wankel- und Diesel-Kraft­ stoffe Verwendung, insbesondere für Kraftstoffe in Ottomotoren, vorzugsweise in Mengen von 20 bis 300 ppm reiner Wirksubstanz be­ zogen auf den Kraftstoff. Sie können auch in Kombination mit an­ deren Dispergatoren wie Polyisobutylaminen verwendet werden.
Weiterhin eignen sie sich als Zusätze für Schmierstoffe, insbe­ sondere mineralische, teilsynthetische und voll synthetische Motoröle, wie Motoröle der gehobenen Leistungsklasse APJ SG/CE, vorzugsweise in Mengen von 1 bis 10 Gew.-% bezogen auf das Öl.
Beispiele Herstellung von Polyisobutylbernsteinsäureanhydriden Beispiel 1
3 kg (2,96 Mol) Polyisobuten mit einem Gehalt an endständigen Doppelbindungen von 85% und einem mittleren Molekulargewicht MN von 1013 wurden mit 150 g Maleinsäureanhydrid und 600 g Naphtha (Siedelage 150-180°C) versetzt und auf 180°C erhitzt. Innerhalb von 2 Stunden wurden weitere 300 g Maleinsäureanhydrid (Reinheit von 99,6%, molares Verhältnis Maleinsäureanhydrid zu Polyisobu­ ten 1,55 : 1) zugesetzt. Das Reaktionsgemisch wurde 6 Stunden bei dieser Temperatur gerührt. Lösungsmittel und nicht umgesetztes Maleinsäureanhydrid wurden abdestilliert und der Destillations­ rückstand wurde isoliert.
Das Verfahrensprodukt fiel als klare bernsteinfarbene Flüssigkeit mit einer Hazen-Farbzahl von 370 (Bestimmung nach DIN ISO 6271) an. Der Bismaleinierungsanteil betrug 2% (Berechnung aus Umsatz des Polyisobutens, Molekulargewicht und Verseifungszahl des Pro­ duktes). Der Polyisobutenumsatz betrug 74%.
Beispiel 2
Die Umsetzung wurde in Analogie zu Beispiel 1 vorgenommen, jedoch wurden beim Aufheizen des Reaktionsgemisches bereits 50 g Lö­ sungsmittel abdestilliert. Nach destillativer Aufarbeitung wurde ein gelbliches Produkt mit einer Hazen-Farbzahl von 250 und einem Bismaleinierungsgrad von 1% isoliert. Der Polyisobutenumsatz be­ trug 80%.
Beispiel 3
Das Beispiel wurde in Analogie zu Beispiel 2 durchgeführt, jedoch unter Verwendung eines Lösungsmittelgemisches aus 120 g Naphtha und 480 g Toluol. Nach destillativer Aufarbeitung wurde ein gelb­ liches Produkt isoliert, das eine Hazen-Farbzahl von 240 und einen Bismaleinierungsgrad von 0% aufwies. Der Polyisobutenum­ satz betrug 78%.
Beispiel 4
Das Beispiel wurde in Anlehnung an Beispiel 1 durchgeführt. Die Reaktion wurde jedoch ohne Lösungsmittel bei 155°C vorgenommen. Die Gesamtmenge an Maleinsäureanhydrid wurde über 2 Stunden bei der Reaktionstemperatur zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde 14 Stunden bei dieser Temperatur gehalten.
Nach destillativer Aufarbeitung erhielt man ein gelbliches Pro­ dukt mit einer Hazen-Farbzahl von 210 und einem Bismaleinierungs­ grad von 1%. Der Polyisobutenumsatz betrug 78%.
Beispiel 5
Das Beispiel wurde in Anlehnung an Beispiel 1 durchgeführt, je­ doch bei einer Reaktionstemperatur von 195°C und einem Maleinsäu­ reanhydrid-Zulauf von 160 g in einer halben Stunde. Die Reakti­ onszeit betrug 3 Stunden. Das isolierte Produkt wies eine Hazen- Farbzahl von 240 und einen Bismaleinierungsanteil von 3% auf. Der Polyisobutenumsatz betrug 83%.
Vergleichsbeispiel 1
Das Beispiel wurde in Analogie zu Beispiel 5 durchgeführte jedoch bei einer Reaktionstemperatur von 225°C.
Nach Aufarbeitung wurde ein schwach-trübes, dunkelbraunes Produkt isoliert, dessen Farbzahl nicht bestimmt werden konnte. Der Bis­ maleinierungsanteil betrug 31%. Am Rührer und an den Reaktorwän­ den waren kleine Mengen schwarz-brauner, teerartiger Rückstände erkennbar, die acetonlöslich waren. Der Polyisobutenumsatz betrug 90%.
Herstellung von Polyisobutylbernsteinsäureimiden Beispiel 6
703 g Polyisobutylbernsteinsäureanhydrid nach Beispiel 2 wurden zu 37,5 g Triethylentetramin in 270 g Naphtha bei 180°C gegeben und 30 min unter Abdestillieren von Wasser erhitzt. Das bern­ steinfarbene Produkt wies eine Säurezahl von unter 1 mg KOH pro g Substanz auf.
Vergleichsbeispiel 2
620 g Polyisobutylbernsteinsäureanhydrid nach Vergleichsbei­ spiel 1 wurden bei 180°C zu 47,7 Triethylentetramin in 340 g Naph­ tha gegeben und unter Abdestillieren von Wasser 30 min erhitzt. Man erhielt ein trübes, schwarz-braunes Imid mit einer Säurezahl von unter 1 mg KOH pro g Substanz.
Motorentest
Die Motorteste wurde in einem 1,05-l-Polomotor durchgeführt. Ein­ gesetzter Kraftstoff: bleifreier Kraftstoff nach DIN 51607. Es wurde auf Reinhaltung der Einlaßventile gemäß folgendem Programm über 40 Stunden (71 Zyklen) geprüft:
 4 Minuten: 1000 Umdrehungen pro Minute, 3,3 kW Last
10 Minuten: 3000 Umdrehungen pro Minute, 22,1 kW Last
 6 Minuten: 5300 Umdrehungen pro Minute, 29,5 kW Last
11 Minuten: 4000 Umdrehungen pro Minute, 23,6 kW Last
 3 Minuten: 2500 Umdrehungen pro Minute, 5,5 kW Last.
Nach dem Prüflauf wurden die Einlaßventile ausgebaut, mit Cyclo­ hexan gewaschen und die Masse der nicht abgelösten Ablagerungen bestimmt.
Zur Prüfung der Brennraumablagerungen wurden die Rückstände in den Brennräumen der Zylinderköpfe und von den Kolbenböden gesam­ melt.
Tabelle
Die erfindungsgemäße Verbindung weist eine ausgezeichnete Wirkung als Detergenz auf und verhindert jegliche Ablagerung an den Ein­ laßventilen. Die Beispiele zeigen klar, daß durch das erfindungs­ gemäße Imid mit geringem Bismaleinierungsanteil keine zusätzli­ chen Rückstände im Brennraum wie beim Produkt aus Vergleichs­ beispiel 2 gebildet werden.
Tüpfeltest
Es wurden 3 gew.-%ige Mischungen der Polyisobutylbernsteinsäure­ imide mit Rußdispersionen in einem Mineralöl hergestellt. Die Proben wurden bei Raumtemperatur RT oder bei 250°C 10 Minuten ge­ tempert.
Die so erhaltene Dispersion wurde auf einem Filterpapier wie ein Chromatogramm entwickelt. Die Werteskala reicht von 0 bis 1000, wobei 1000 100% Dispergierwirkung entspricht.
Der Versuch zeigte daß die dispergierenden Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Verbindung denen der Vergleichsver­ bindung überlegen sind. (Testbeschreibung: "Les Huiles pour Mo­ teurs et le Graissage des Moteurs", A. Schilling Vol. 1, Seite 89 f., 1962).

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Polyisobutylbernsteinsäure­ anhydriden aus Polyisobuten und Maleinsäureanhydrid, dadurch gekennzeichnet, daß man Polyisobuten mit einem mittleren Molekulargewicht MN von 600-5000 und einem Gehalt an end­ ständigen Doppelbindungen von mindestens 50% mit Maleinsäu­ reanhydrid in einer Reinheit von mindestens 99% im Verhält­ nis von 1,1 : 1 bis 6 : 1 mol Maleinsäureanhydrid zu Polyiso­ buten bei 140-200°C umsetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Molekulargewicht MN des Polyisobutens 1000 bis 2500 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an endständigen Doppelbindungen im Polyisobuten 70-90% beträgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß man die Reaktion in homogener Phase vornimmt.
5. Verfahren zur Herstellung von Polyisobutylbernsteinsäureami­ den und -imiden, dadurch gekennzeichnete daß man die nach den Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-4 erhältlichen Polyisobu­ tylbernsteinsäureanhydride mit einem aliphatischen Polyamin mit 2 bis 10 Stickstoffatomen umsetzt.
6. Additive für Kraftstoffe und Schmierstoffe, erhältlich nach dem Verfahren gemäß Anspruch 5.
7. Verwendung von Polyisobutylbernsteinsäureamiden und -imiden, erhältlich nach dem Verfahren gemäß Anspruch 5, als Additiv in Kraftstoffen und Schmierstoffen.
8. Kraftstoffe, enthaltend geringe Mengen an Polyisobutylbern­ steinsäureamiden oder -imiden, erhältlich nach dem Verfahren gemäß Anspruch 5.
9. Schmierstoffe, enthaltend Polyisobutylbernsteinsäureamide oder -imide, erhältlich nach dem Verfahren gemäß Anspruch 5.
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