DE4440927A1 - Verfahren zur Herstellung von Nikotinsäureamid durch katalytische Hydratisierung von 3-Cyano-pyridin - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Nikotinsäureamid durch katalytische Hydratisierung von 3-Cya­ no-pyridin an Braunsteinkatalysatoren
Nikotinsäureamid (auch Vitamin PP, Niacin oder Niacinamid ge­ nannt) hat insbesondere als Zusatz zu dem Futter von Hühnern und Schweinen große Bedeutung erlangt.

Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, Verfahren zu dessen Her­ stellung zu entwickeln. Als vorteilhaft hat sich die Ammonoxi­ dation von β-Picolin zu 3-Cyano-pyridin mit anschließender Hydra­ tisierung zum Nikotinsäureamid erwiesen.

Die Hydratisierung von 3-Cyano-pyridin kann beispielsweise auf enzymatischem Wege mit Hilfe von Nitril-Hydratasen erfolgen (vgl. beispielsweise Ca 114 (13): 11 75 15K; CA 110 (21): 18 83 31a und EP 243 967 A2). Nachteilig an biotechnischen Verfahren ist die im Vergleich zur Hydratisierung in Gegenwart heterogener Katalysatoren unbefriedigende Standzeit.

Auch einige Verfahren auf rein chemischer Basis sind bekannt. So wird z. B. in JP-B2 16 092/82 die Hydratisierung von 3-Cyano-pyri­ din unter hohem Druck in Gegenwart von Ammoniak und/oder Methanol beschrieben. Nachteilig an diesem Verfahren ist die Notwendig­ keit, bei sehr hohen Drucken zu arbeiten.

Aus DE 27 02 014 und EP 175 581 B sind weiterhin Verfahren zur Hy­ dratisierung von 3-Cyano-pyridin an speziellen Kupferkatalysa­ toren bekannt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß von dem Reaktionsgemisch erhebliche Mengen des Kupfers aus dem Katalysa­ tor herausgelöst werden, was zu unerwünschten Verunreinigungen des Produktes führt.

Weiterhin war die Hydratisierung von 3-Cyano-pyridin an Braun­ steinkatalysatoren bekannt (vgl. DE 21 31 813 und Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Develop. 11 (1972) Seiten 364-365). In Usbek. Khim 53 (1984) Seiten 1548-71, bzw. Russian Chemical Reviews 53, 9 (1984) Seiten 900-912) findet sich eine Übersicht über mögliche Katalysatoren bei verschiedenen Nitrilhydratisierungen, wobei Mangandioxidkatalysatoren als besonders effizient bezeichnet wer­ den. Nachteilig an den bekannten Braunsteinkatalysatoren ist ihre unzureichende mechanische Stabilität.

Zur Überwindung dieses Nachteils wurde neuerdings Braunsteinpul­ ver in Suspensionsreaktoren eingesetzt (vgl. EP 461 85 A1 und EP 545 697 A1). Nachteilig an diesen Verfahren ist die aufwendige Abtrennung des suspendierten feinteiligen Kataly­ sators.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß durch Zusatz von nur geringen Mengen an Verstrangungshilfsmitteln sowie geeigneten Bindemitteln harte und mechanisch stabile Katalysatorstränge oder -tabletten erhalten werden können, die auch die technisch sehr vorteilhafte Festbettfahrweise bei der Hydratisierung des 3-Cyano-pyridins erlauben.

Gegenstand der Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zur Hydratisierung von 3-Cyano-pyridin zu Nikotinsäureamid durch Überleiten einer Mischung aus Wasser und 3-Cyano-pyridin und ggf. einem organischen Lösungsvermittler über ein Braunsteinkatalysa­ tor-Festbett, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man einen Braunsteinkatalysator verwendet, der in Form von mechanisch sta­ bilen Strängen, Tabletten oder in versplitterter Form vorliegt und

• a) 30 bis 95 Gew.-% Mangandioxid und/oder Dimangantrioxid;
• b) 0,5 bis 70 Gew.-% an Al₂O₃ oder 1 bis 70 Gew.-% eines Oxids der Gruppe SiO₂, TiO₂ oder ZrO₂ oder eines Misch­ oxids der Gruppe Al₂O₃, SiO₂, TiO₂ und/oder ZrO₂ und
• c) 0,1 bis 10 Gew.-% eines Alkali- und/oder Erdalkalioxids enthält, wobei zur Herstellung des Katalysators auch sol­ che Metallverbindungen eingesetzt werden können, die erst durch Calcinieren des Katalysators die oben genannten Oxide bilden.

Mit besonderem Vorteil gelingt das erfindungsgemäße Verfahren wenn man einen Mangandioxidkatalysator verwendet, der 0,5 bis 20, vorzugsweise 1 bis 5 Gew.-% Al₂O₃ bzw. wenn man einen Mangandio­ xidkatalysator verwendet, der 0,1 bis 10, vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew.-% K₂O enthält.

Braunsteinkatalysatoren können nach vielen verschiedenen Methoden hergestellt werden, eine Übersicht geben beispielsweise Glemser und Mitarbeiter in Z. Anorg. Chem. 309, (1961), Seiten 1-19, 20-36 und 121-150. Nicht alle Herstellverfahren führen jedoch zu gleich aktiven Materialien in der Nitrilhydratisierung. Je nach Ausführung können definierte Phasen, Mischungen verschiedener Phasen oder sogar röntgenamorphe Materialien entstehen, die so­ wohl Wasser als auch Fremdionen, insbesondere Alkalimetalle, ent­ halten. Die Oxidationsstufe des Mangans kann dabei in gewissen Grenzen variieren. Im folgenden sollen daher unter dem Begriff Braunstein die diversen Modifikationen ohne genaue Spezifizierung verstanden werden und sich nicht nur auf das in seiner Idealfor­ mel als MnO₂ vorliegende reine Mn(IV) beziehen, sondern eine Zusammensetzung von etwa MnO_1,7 bis MnO₂ aufweisen.

Die Hydratisierung des 3-Cyano-pyridins läßt sich mit Katalysatoren in Form von Strängen, Tabletten oder anderen größe­ ren Partikeln, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, vorteilhaft so durchführen, daß ein Festbettkontakt in einem Rohrreaktor von der wäßrigen Lösung des 3-Cyano-pyridins durchströmt wird. Hierbei kann sowohl in aufsteigender als auch in absteigender Fahrweise gearbeitet werden. Die Reaktionstempe­ ratur beträgt mit Vorteil 40 bis 100°C, vorzugsweise 50 bis 100°C. möchte man bei einer höheren Temperatur arbeiten, so muß eine Re­ aktionsführung unter Druck gewählt werden. Höhere Temperaturen beschleunigen den Ablauf der Reaktion, können aber bei sehr hohen Temperaturen auch zu unerwünschten Nebenprodukten führen. Die Re­ aktion kann auch in Gegenwart eines Inertgases wie Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid durchgeführt werden.

Das Eduktgemisch besteht mit Vorteil aus einer Lösung des 3-Cyano-pyridins in Wasser. Um die Löslichkeit des Nitrils zu er­ höhen, kann weiterhin noch ein Lösungsvermittler zugesetzt wer­ den. Dieser sollte in seiner Polarität zwischen Wasser und dem Nitril liegen. Zu diesem Zweck können folglich verschiedene Sub­ stanzen eingesetzt werden, bewährt hat sich insbesondere Aceton. Zweckmäßigerweise geht man von einer vorgefertigten Mischung aus, die über eine Pumpe einem Vorratsbehälter entnommen wird. Eine getrennte Zuführung der einzelnen Komponenten zum Reaktor ist je­ doch ebenfalls möglich. Nach dem Reaktor werden die Produkte so­ wie nicht umgesetzte Edukte mit einem Kühler aufgefangen.

Die Lösungsvermittler verwendet man im allgemeinen in Mengen von 1 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die gesamte, dem Reaktor zugeführte Mischung.

Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein solches handelt, bei dem der Festbettkatalysator von einer Flüssigkeit umströmt wird, muß der Katalysator eine besonders große mechani­ sche Stabilität, d. h. große Härte aufweisen, da andernfalls ab­ gesprengte Feinpartikel die Zwischenräume im Katalysatorbett im Reaktionsgefäß verstopfen und dadurch der Druck zu groß wird, was dazu führt, daß der Katalysator zu oft ausgewechselt werden muß.

Um bei der Verstrangung dem Braunsteinkatalysators eine ausrei­ chende Härte der Katalysatorpartikel zu erzielen, werden gemäß der vorliegenden Erfindung der Katalysatoraktivmasse, die im we­ sentlichen aus Mangandioxid bzw. zumindest teilweise hydratisier­ ten Phasen des Mangandioxids oder Mischoxiden aus Alkalimetallen und Mangan(III)- bzw. Mangan(IV)-oxiden besteht, in einem Kneter Bindemittel und Ausbrennstoffe oder Gase entwickelnde Substanzen, sogenannte Porenbildner als Verstrangungshilfsmittel zugesetzt, die erhaltene Kontaktmasse zu Strängen, Tabletten oder anderen groben Partikeln verformt, dann getrocknet und anschließend bei Temperaturen von 150 bis 500°C calziniert.

Als Bindemittel sind im wesentlichen Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂) oder Zirkondioxid (ZrO₂) geeignet. Sie können auch in Form von Verbindungen eingebracht werden, die erst beim Calzinieren in die genannten Oxide über­ führt werden können. Genannt seien als solche "Vorläufer­ verbindungen" AlO(OH), Si(OR)₄ oder Ti(OR)₄ (worin R=H oder ein C₁- bis C₄-Alkylrest bedeuten), ZrO(NO₃)₂, amorphes Zinkhydroxid oder Zr(OCOCH₃)₄.

Die genannten Oxide oder Oxidvorstufen sind im Handel in reiner fein verteilter Form erhältlich. So ist ALO(OH) beispielsweise als Pural®SB der Firma Condea (ca. 75% Al₂O₃) oder als Versal® der Firmal La-Roche Chemicals Inc. (vormals Kaiser Chemicals) im Handel. Feinverteiltes Siliziumdioxid ist beispielsweise als wäß­ rige kolloidale Dispersion, z. B. unter dem Namen Ludox® der Firma Du Pont (z. B. HS-40 enthaltend 40% SiO₂) oder Levasit® (30% SiO₂) der Firma Bayer AG oder als feines Pulver im Handel. TiO₂ ist in Form feiner Pulver beispielsweise bei Firma Degussa AG (TiO₂ P25) oder Firma Sachtleben (TiO₂ VKR 611) erhältlich. Geei­ gnet ist auch Zirkonhydroxid (beispielsweise von Firma Magnesium Elektron Ltd.).

Um den Anteil der Aktivmasse möglichst hoch zu halten, ist es wichtig, den Anteil an Bindemitteln möglichst gering zu halten, ohne dadurch an Härte der Katalysatorpartikel zu verlieren. Be­ sonders bevorzugt wird Aluminiumoxid als Bindemittel verwendet, da es bereits in sehr kleinen Mengen zu mechanisch sehr stabilen Strängen oder Tabletten führt. Die Bindemittel verwendet man im allgemeinen in Mengen von 0,5 bis 70, vorzugsweise 1 bis 40 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtkatalysator. Bei Verwendung von Aluminiumoxid können ausreichend harte Katalysatoren schon mit Mengen von 0,5 bis 5 Gew.-% Al₂O₃ erzielt werden.

Als sogenannte Porenbildner können z. B. Stärke oder andere orga­ nische Verbindungen eingesetzt werden, die bei der Calzinierung rückstandsfrei zersetzt werden. Mit besonderem Vorteil verwendet man solche organische Verbindungen oder Zubereitungen davon, die durch ihre klebrige Beschaffenheit dem Braunstein-Bindemittelge­ misch die für das Verkneten und Verformen geeignete Konsistenz verleihen. Geeignet sind z. B. zahlreiche Verdickungsmittel und Kleber, wie sie für den Textildruck und verwandte Arbeitsgebiete verwendet werden (vgl. Sonderdruck der Bayer-Farben-Revue von Helmut Dahm, Bayer AG, September 1981). Genannt seien beispiels­ weise Carboxymethylcellulose-, Hydroxyethylcellulose- und Methyl­ hydroxy-Alkylcellulose-Zubereitungen die unter dem Namen Walo­ cel®-Typen der Firma Wolff Walsrode im Handel sind. Weitere geei­ gnete Porenbildner sind beispielsweise Polyacrylate wie die Sokalan®-Typen der BASF Aktiengesellschaft sowie Polystyrol, Polymethylmethacrylate und Kohlenstoffasern.

Die Porenbildner verwendet man im allgemeinen in Mengen von 0,1 bis 40, vorzugsweise 5 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Katalysatorformkörpers vor der Calcinierung.

Das Einbringen von Alkali- oder Erdalkalioxiden in dem erfindungsgemäß verwendeten Katalysator kann durch Verwendung von Alkali- oder Erdalkali-mangan-mischoxiden, wie K₂Mn₈O₁₀ oder KMnO₄ erfolgen. Es kann aber auch in an sich bekannter Weise durch Do­ tieren von gefälltem Mangandioxid, z. B. durch Suspendieren des­ selben in einer wäßrigen Lösung eines Alkali- oder Erdalkalisal­ zes, Zugabe starker Mineralsäuren und längeres Erhitzen erfolgen.

Um für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet zu sein, müssen die Katalysatoren eine Schnitthärte von mindestens 5 bis 30 N aufweisen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das als Tierfut­ terzusatz begehrte Nikotinsäureamid auch in technischem Maßstab in sehr guten Ausbeuten und Reinheiten hergestellt werden.

Die folgenden Versuche zeigen beispielhaft die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf, ohne es jedoch zu beschränken. Die Analyse der Reaktionsausträge erfolgte entweder durch Einen­ gen der Austräge mit anschließender Extraktion oder direkt durch HPLC. Die Identität des Nikotinsäureamides wurde durch Vergleich der Retentionszeiten mit authentischem Material sowie ¹H- und ¹³-C-NMR sichergestellt.

Beispiel 1 Katalysatorherstellung a) Vergleichsbeispiel 1a

276,5 g Kaliumpermanganat wurden in 3 l destilliertem (dest.) Wasser gelöst und eine Mischung aus 214,5 g konzentrierter Schwefelsäure und 500 ml dest. Wasser langsam zugetropft. An­ schließend wurden noch 84 g Methanol zugetropft und 3 Stunden (h) nachgerührt. Das so gefällte MnO₂ wurde mit Hilfe einer Nutsche abgetrennt und dreimal mit je 3,5 1 Wasser gewaschen. Nach Trocknen bei 110°C wurde das Pulver in einer Lösung aus 16,2 g Rubidiumsulfat in 450 ml dest. Wasser suspendiert. Zu dieser Suspension gab man eine Mischung aus 19,2 g konzen­ trierte H₂SO₄ und 65 g dest. Wasser und rührte bei 80°C für drei h. Das so dotierte Braunstein-Pulver wurde mit Hilfe einer Nutsche abgetrennt und dreimal mit je 0,5 l Wasser ge­ waschen. Nach Trocknen bei 110°C wurden davon 100 g mit 5 g Walocel (Fa. Wolff Walsrode AG), 5 g Ludox AS 40 (Fa. Du Pont, 40% SiO₂) und 80 g Wasser verknetet und bei 50 bis 60 bar zu 2 mm Strängen verformt. Diese wurden bei 110°C ge­ trocknet und anschließend bei 500°C 5 h calziniert. Die Schnitthärte der so hergestellten Stränge betrug weniger als 1 N.

Die Zusammensetzung des Katalysators betrug:

91,8 Gew.-% MnO₂
 6,1 Gew.-% Rb₂O
 0,3 Gew.-% SiO₂
 1,1 Gew.-% K₂O

Dies Beispiel zeigt, daß mit Mengen von kleiner als 1 Gew.-% an SiO₂ keine ausreichende Schnitthärte erzielt wird.

b) Beispiel 1b

Analog zu Vergleichsbeispiel 1a wurde ein Natriumsulfat-do­ tiertes Braunstein-Pulver hergestellt. 90 g davon wurden mit 5 g Walocel, 10 g Ludox AS 40 und 60 ml Wasser verknetet und bei 45 bar zu 5 mm Strängen verformt. Die Schnitthärte der so hergestellten Stränge betrug 8,3 N.

Die Zusammensetzung des Katalysators betrug:

91,8 Gew.-% MnO₂
 3,2 Gew.-% SiO₂
 0,2 Gew.-% Na₂O
 4,2 Gew.-% K₂O

a) Beispiel 1c

Analog zu Vergleichsbeispiel 1a wurde ein Calciumnitrat-do­ tiertes Braunstein-Pulver hergestellt. 90 g davon wurden mit 4,4 g Walocel, 1,8 g Pural SB (Fa. Condea, ca. 75% Al₂O₃) und 70 ml Wasser verknetet und bei 55 bar zu 2 mm Strängen ver­ formt.

Die Schnitthärte der so hergestellten Stränge betrug 7,9 N.

Die Zusammensetzung des Katalysators betrug:

91,8 Gew.-% MnO₂
 0,2 Gew.-% CaO
 1,4 Gew.-% Al₂O₃
 1,2 Gew.-% K₂O

Beispiel 2 Hydratisierung

Ein Braunsteinkatalysator wurde analog zu Vergleichsbeispiel 1c hergestellt, aber bei 250°C calziniert. Gemäß röntgendiffraktome­ trischer Analyse bestand er aus Mn(O,OH)₂ (Nsutit) und Mn(OH)₄ (Vernadit) sowie amorphen Anteilen. Von dem Katalysator wurden in versplitterter Form 7 g in einen mit einem Heizmantel versehenen Glasreaktor (16 mm innerer Durchmesser) eingebaut. Der Reaktor wurde auf 60°C gebracht, indem Wasser in einem Thermostaten er­ wärmt und durch den Heizmantel geleitet wurde. Die Beschickung erfolgte in auf steigender Fahrweise und bestand aus einer Mischung von 1 Gew.-Teil 3-Cyano-pyridin, 9 Gew.-Teilen Wasser und 2 Gew.-Teilen Aceton, die mit 2,5 g h^-1 über eine Pumpe einem Vorratsbehälter entnommen wurde. Die Austräge wurden in regelmä­ ßigen Abständen analysiert. Nach 19 h betrug die Ausbeute an Ni­ kotinsäureamid 96,6%, nach 32 h 99,1%, nach 48 h 96,4%, nach 148 h 95,9% und nach 203 h 93,5%.

Claims (10)

1. Verfahren zur Hydratisierung von 3-Cyano-pyridin zu Nikotin­ säureamid durch Überleiten einer Mischung aus Wasser und 3-Cyano-pyridin und ggf. einem organischen Lösungsvermittler über ein Braunsteinkatalysator-Festbett und Abtrennung des Nikotinsäureamids, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Braunsteinkatalysator verwendet, der in Form von mechanisch stabilen Strängen, Tabletten oder in versplitterter Form vor­ liegt und

• a) 30 bis 95 Gew.-% Magandioxid und/oder Dimangantrioxid;
• b) 0,5 bis 70 Gew.-% an Al₂O₃ oder 1 bis 70 Gew.-% eines Oxids der Gruppe SiO₂, TiO₂ oder ZrO₂ oder eines Mischo­ xids der Gruppe Al₂O₃, SiO₂, TiO₂ und/oder ZrO₂ und
• c) 0,1 bis 10 Gew.-% eines Alkali- und/oder Erdalkalioxids enthält, wobei zur Herstellung des Katalysators auch sol­ che Metallverbindungen eingesetzt werden können, die erst durch Calzinieren des Katalysators die oben genannten Oxide bilden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man der wäßrigen 3-Cyano-pyridin-Lösung zur Erhöhung der Löslich­ keit von 3-Cyano-pyridin 1 bis 30 Gew.-% eines organischen Lösungsvermittlers zusetzt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hydratisierung bei Temperaturen von 40 bis 100°C durch­ führt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Braunsteinkatalysator verwendet, der 0,5 bis 70 Gew.-% Al₂O₃ enthält.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung des Braunsteinkatalysators AlO(OH) verwendet.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator 0,1 bis 5 Gew.-% K₂O enthält.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung des Braunsteinkatalysators ein Mischoxid aus einem Alkalioxid und einem Manganoxid verwendet.

8. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lösungsvermittler Aceton verwendet.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Herstellung des Braunsteinkatalysators Verstrangungs­ hilfsmittel mitverwendet, die bei der Calcinierung rück­ standsfrei zersetzt werden.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Verstrangungshilfsmittel Stärke oder Cellulosederivate einsetzt.