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Verfahren zur Herstellung von Oxyaldehyden und Oxyketonen aus Formaldehyd
oder Formaldehyd liefernden Stoffen Bei der Selbstkondensation von Formaldehyd treten
bekanntlich zwei Reaktionen auf. Bei der einen entstehen Oxyaldehyde und Ketone
und bei der anderen, einer Cannizzaroschen Reaktion, .-Ameisensäure und Methanol.
Gleichgültig welcher Katalysator verwendet oder nach welchem bekannten Verfahren
gearbeitet wurde, bei über i % hinausgehenden Konzentrationen an Formaldehyd entsteht
immer eine bet.räch!tliche Menge Ameisensäure und Methanol; bei Konzentrationen
an Formaldehyd bei mehr als 4. bis 5% herrscht die Cannizzarosche Reaktion vor.
Verfahren zur Kondensation von Formaldehyden in, verdünnten wäßrigen Lösungen zu
Oxyalidehyden@ besitzen aus wirtschaftlichen, Gründen keinen praktischen Wert. Verfahren,
die mit Methanol als Beschleuniger arbeiten, vermindern zwar. die Cann:izzarosche
Reaktion, so daß auch bei Formaldehydkonzentrationen über 5% sich gute Erfolge zeigen.
Diese Verfahren haben aber den Nachteil, daß unerwünschte Nebenreaktionen, wie Bildung
von hthern und Acetal, auftreten, daß. die Kondensation langsamer verläuft und daß
das billige Lösungsmittel Wasser durch das relativ teure Metbanol ersetzt wird.
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Die Erfindung gestattet as,, Formaldehyd in wäßriger Lösung hoher
Konzentration in einem einstufigen Verfahren kontinuierlich mittels eines löslich
gemachten und in homogenier Lösung befindlichen Katalysators aus der 4.. Gruppe
des Periodischen Systems oder von Cer mit großer Ausbeute in Oxyaldehyde und Oxyketone
umzuwandeln, wobei die Reaktion insbesondere so
geleitet werden
kann, daß vorwiegend -niedrige Oxyal-dehyde- und Oxyketone erhalten werden. Im einzelnen
wird :so verfahren, daß eine Verbindung eines Elements der 4.. Gruppe des Periodischen
Systems mit der Oridnungszahl zwischen 5.o. und go mittels Alkali in einer Enidiollösung
bei einem pii von ungefähr 5 oder mehr gelöst wird, diese Lösung zu einer wäßrigen
Formaldehydlösung mit. eln:er mindestens 8'o/oiben Formaltdehydkonzentration gegeben
wird und daß das resultierende Gemisch einer Wärmebehandlung unterworfen wird, wobei
der Formaldehyd zu Oxyaldehyden und Oxyketonen kondensiert wird, und daß nach Erreichen
des gewünschten Kondensationsgrades die Kondensation durch Abkühlen und/oder Ausfällen
des Katalysators abgestoppt wird, worauf der Katalysator entiferut wird und die
Oxyaldehyde und Oxyketone aus dem Lösungsgemiisch abgetrennt werden.
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Die Zeichnung dient zur Erläuterung -der Erfindung. Die mit
A, B und ('bezeichneten Behälter enthalten eine Lösung von Ätzkali, Endiol
sowie einen Katalysator. Diese drei Komponenten fließen in einem Mischgefäß D zusammen.,
in dem nach gründlichem Versnischen eine vollständige Lösung des Katalysators erfolgt.
Diese Lösung wird nach dem Behälter H geleitet., woselbst sie mit einer aus einer
Formaldehydverbindung und Wasser bestehenden Lösung vom ,Behälter G vermischt. wird.
Behälter G ist, ein Mischgefäß., das die Formaldehydverbindung vom Behälter E und
das Wasser vom Behälter F erhält, und zwar in den zu der gewünschten Konzentration
erforderlichen Mengen. Das vom B!.hälter H erhaltene Gemisch streicht durch die
Reaktionskammer I, und zwar in einer Menge, die den gewünschten Grad der Kond!ensatiion
unter den Arbeitsbedingungen der genannten lkammer sichert. Das Reaktionsgemisch
wird dann im Kühler T abgekühlt. Von dem Kühler I geht das Gemisch
in die Kammer L, woselbst es mit einer Säure aus dem Behälter IC versehen wird.
Diese Säure wird in einer solchen. Menge hinzugefügt, daß der Katalysator ausgefällt
wird. ;Der ausgefällte Katalysator wird durch das Filter _l.1 zurückgehalren und
nach.:dem Lagergefäß G geführt. Die Lösung der Oxyaldehy de und Oxyketone geht durch
das Filter dl zum Vorratsbehälter N. Ein Teil der Lösung wird zum Behälter B zurückgeführt,
um als Endiolcluelle Venverndung zu finden. Die erhaltene Lösung wird abgetrennt,
um die verschiedenen gewünschten Komponenten zurückzuerhalten. Dabei kann das pH
während der ganzen Kondensation relativ konstant gehalten wenden durch kontinuierliches
oder unterbrochenes Hinzufügen von Alkali aus dem Behälter O an den in der Zeichnung
angegebenen Stellen der Reaktionskammer.
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Beispiel i 315 g Paraformalidehyd wund'-n in 350g Wasser durch Erwärmen
auf 8o° mit einer Spur von Alkali gelöst. Zu dieser Formaldehydlösung wunden
30 g Bleisulfat hinzugefügt, welche vorher durch Suspendieren in go ccm einer
Lösung, enthaltend 4o g Endiol (Erythrose) und ioo ccm io°/oiges Natriumbydroxyd.,
in der Kälte aufgelöst wurden. Diese Lösung wurde sodann durch eine Nickelschlange
(o,45 cm- im Durchmesser und 6 m lang, mit einer Kapazität von 75 ccm) in einer
Menge von 4 ccm in der Minute und bei einer Temperatur von go bis g5° geleitet.
Unter diesen Bedingungen. wurden 75'/o des Formaldehyds zu Oxyaldehyden und Oxyketonen
kondensiert. Das pli der Lösung wurde sodann durch Zugabe von 2 ccm konzentrierter
Schwefelsäure in io ccm Wasser herabgesenkt auf 5,o und die Lösung filtriert, um
das ausgefällte Bleisulfat zu entfernen. Beim Untersuchen. einer Probe des Filtrats
mit Schwefelwasserstoff wurde festgestellt, daß sämtliche Bleiionen durch diese
Behandlung entfernt, waren. Das pi-i der Lösung stieg sodann auf 7,1 durch Hinzufügen
von f oo/oigem Natriumhydroxyd.
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Zur Ausbeuteliestimmung wurde eine Probe, enthaltend 92 g des Kondeneam,
bei i2o° mit 2o g ,eines Nick @el-,Kieselgur-flLatalysators unter einem Druck von
6oo bis 65o Atm. hydriert. Nach dein Filtrieren zur Entfernung des Hydrierungskataly
-sator:s wurde die Lösung, die mit Fehlirngscher Lösung negativ auf Reduktionsstoffe
reagierte, unter vermindertem Druck destilliert, wobei die folgenden Resultate erzielt
wurden:
Tabelle I |
Fraktion I Gramm I Substanz I Ausbeute) |
1 710 Äthylenglykol 10,0 |
2 g,i Glycerin 13,0 |
3 11,5 Erythrit 16,5 |
Die Ausbeuten beziehen sich auf den kondensierten |
Formaldehyd. |
Beispiel 2
630 g Paraformal@dehyd wurden in
700 g Wasser durch Erwärmen
auf 8o° mit einer Spur von Alkali gelöst. Zu dieser Formaldehydlösung wurden 55
g BIeiformiat, das vorher durch ,Suspendieren in 20o ccm .airner Lösung, enthaltend
6o g Eadiol (Kondensationsgemischgemäß Beispieli), unterHinzufügung von 77 ccm ioo/aigem
Natriumhydroxyd in der Kälte gelöst wurde, hinzugefügt. Dieses Gemisch wurde sodann
durch eine Nickelschlange. wie oben beschrieben., hindurchgeleitet, und zwar in
einer Menge von 1,7 ccm pro Minute, wobei die Temperatur auf g5° gehalten wurde.
Unter diesen Bedingungen polymerisierten 7:21/o Formaldehyd zu einem Gemisch von
Oxyaldehyden: und Oxyketonen. Das pi-i des wurde sodann durch Zugabe von 4 ccm konzentrierter
Schwefelsäure in io ccm Wasser auf 4,o herabgeRetzt.
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Eine 240 ccm Probe dieses Materials, das goo/o K.on@dernsat enthielt,
wurde mit 2o g eines Nickel-Kieselgur-@Ka.tral:ys.ators in der im Beispiel i beschriebenien
Weise hydriert. Nach Entfernen des Hydrierungskatalysators durch Filtration wurde
die hydrierte Lösung bei vermindertem Druck
destilliert, wobei die
folgenden Resultate erhalten wurden:
Tabelle II |
Fraktion 1 Gramm I Substanz Ausbeute) |
1 ig,o Methanol 21,0 |
2 8,8 Äthylenglykol 13,0 |
3 14,5 Glycerin 22,5 |
4 7,0 Erythrit 10,7 |
*) Die Ausbeuten beziehen sich auf den kondensierten |
Formaldehyd. |
Beispiel 3 3r6 g Paraformaldehyd wurden in
350 g Wasser durch Erwärmen auf
8o° mit einer Spur von Alkali gelöst. Zu .dieser Formaldehydlösung wurden
30 g Stan@nochlorid, das vorher durch Suspendieren in roo ccm einer Lösung,
enthaltend 125 g Endiol (Kondensationsgemischgemäß Beispie12),unterHinzufügung von
z50 ccm io%igem Natriumhydroxyd in der Kälte gelöst wurde, hinzugefügt. Dieses Gemisch
wurde durch eine ReaktionGsschlange, wie im Beispiel i beschrieben, in einer Menge
von ungefähr 1,4 ccm pro Minute bei einer Temperatur von g5° hindurchgeleitet. Unter
diesen Bedingungen polymerisierten 871/o Formaldehyd zu einem Gemisch von Oxyal(dehyden
und Oxyketonen. Ohne zu versuchen., den Katalysator wegzunehmen., stieg das pli
auf 7,o durch Zugabe von io%igeTn Natriumhydroxyd.
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Eine Probe vorn 2i5 ccm, enthaltend 8o g des Kondensates, wurde mit
30 g eines Raney-Nickel-Katalysators unter ähnlichen Bedingungen, wie in
Beispiel i beschrieben, hydriert. Nach Entfernen des Katalysators durch Filtration
wurde die livdrierte Lösung unter vermindertem Druck destilliert, wobei die folgenden
Resultate erzielt wurden:
Tabelle III |
Fraktion -I Gramm I Substanz I Ausbeute) |
1 1o,6 Äthylenglykol 15,1 |
2 1o,1 Glycerin 14,4 |
_ 3 3,-- Erythrit 4,5 |
*) Die Ausbeuten beziehen sich auf den kondensierten |
Formaldehyd. |
Reispiel4 3r6- Paraformaldehyd wurden in
250g Wasser durch Erwärmen, auf
8o°' mit einer iSpur von, Alkali gelöst. Zu dieser Lösung wurde ein Gemisch, enthalten:d
30 g Certrichlorid, ioo ccm einer Lösung, enthaltend 4o g Endiol (Kondenwationsge.misch
gemäß Beispiel 2), und 120 ccm fo%iges Nat,riumhydroxyd gegeben. Diese Lösung wurde
dann durch die Reaktionsschlange, wie in Beispiel i beschrieben, in einer Menge
von o,5 ccm pro Minute und bei einer Temperatur von g5° geführt. Unter diesen Bedingungen
wurd1n 30% Formaldehyd polym:erisiert zu einem Gemisch von Oxvaldehvden und Oxvl:.etonen.
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Obwohl in den vorhergehenden Beispielen ausschließlich Paraformaldehyd
verwendet wurde, kann nach vorliegender Erfindung jede Form von Formaldehyd, oder
Formaldehydd!erivaten, die fähig ist, Formaldehyd unter den Iteakbionsbedingungen
frei zu machen, ange-waudt. werden. Zur Depolymerisierung von, Paraformaldehyd oder
Trioxyinethvlen ist es: nicht erforderlich!, Alkali hinzuzufügen, da Paraformaldehy.d
oder Trio.xymethyl:en beim Erhitzen auf go° oder darüber genügend depolymerisieren.
Formnaldehydlösungen mit einer Konzentration in einem überschuß, von 8% können bei
diesem Verfahren ebenfalls angewandt werden.
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Als Katalysatoren für dieses Verfahren eignen sich besonders gut Bl.eihydroxyde,
B#leioxy de, B.leiformiate, Bleisulfat, B.leioxalat, Zinnformiat und Zinnchlorid.
An Stelle dieser Katalysatoren können jedoch auch, Verbindungen von Blei, Zinn.
Thorium oder Cer Verwendung finden. :Die Menge -des Katalysators., die für eine
wirksame Reaktion erforderlich ist, hängt in gewissem Grade von verschiedenen Faktoren
ab, wie der Konzentration des Formaldehyds, der angewandten Temperatur, ,der Wasserstoffionenkonzentration
des Gemisches, der Menge und Art des verwendeten Alkalis zur Lösung dies Katalysatoris
und der ,Konzentration des verwendeten Endiols. Obwohl Katalysatormengen von nur
o,oi% Verwendung finden können, ist es ratsam, im allgemeinen nicht weniger als
0,15°/o, bezogen auf den Formaldehyd, anzuwenden, dia bei zu geringen Mengen die
Reaktion träge und unvollkommen, verläuft.
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Obwohl in den obern zitierten Beispielen ausschließlich N at.riumhydroxy
d Verwendung findet; können auch andere stark alkalisch reagierende Substamzen angewandt
werden. So können z. B. neben oder an ,Stelle von Natriumhydroxyd auch Kaliumhyd,roxyd,
Calciumhyd-roxyd, Trimetihylamin, Pyridin, Triäthylamin oder Bariumhydroxyd mit
gleichem Erfolg verwendet werden.
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Die Menge des verwandten Alkalis ist von verschiedenen Faktoren abhängig,
wie Konzentration des Katalysators, Konzentration des Endiols, angewandte Temperatur.
Im allgemeinen ist es jedoch von Vorteil, nicht weniger als 2010, bezogen auf die
Menge des verwendeten,Formaldlehyds, zu brauchen.
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Unter Endiolen sind Verbindungen zu verstehen. die: die Gruppe
enthalten, oder Verbindu:ngen, die fähig sind, zu enolisieren oder durch 1 Tmlagerung
oder Hydrolyse Produkte mit, einer solchen. Gruppe zu bilden. Zu diesen Produkten
gehören: Glucose, Ascorbinsäure, Fruktose, Erythrose, Reduktose, Invertzucker und
ein Gemisch von Oxyaltdehyden und Oxyketornen., hergestellt :durch Kondensation
des Formaldehyds, der im, wesentlichen aus Glykol- und Glycerinaldehyd-en, Tetrosen,
Pentosen, Hexosen, zusammen mit unverändertem Formaldehyd, besteht. Die Mengen an
Endiol oder ihrer Äquivalente, die am wirksamsten sind, liegen
zwischen
i und ungefähr io%, bezogen auf dien Formaldehyd. Die Verwendung von mehr als io%
Endiol oder ihrer Äquivalente bietet im allgemeinen keinen Vorteil.
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Die Reaktion kann, wenn gewünscht, bei Temperaturen zwischen ungefähr
25 und i5o° und mit einem pH zwischen 2,5 und io,o.eingeleitet werden. lm allgemeinen
ist jedoch vorzuziehen, mit einem pli zwischen 5 und 9 und bei Temperaturen zwisch°n
45 und 105° zu arbeiten.
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Das p1, kann während der Kondensation konstant gehalten werden durch
kontinuierliches oder unterbrochenes Hinzugeben von Alkali an: verschiedenen Stellen
der Reaktionskammer. Dies ist in der .Praxis wünschenswert, da hierdurch währ°nd
des ganzen Kondensationsprozesses eine Kontrolle -der Reaktion ausgeübt wird und
Produkte erhalten werden, die eine geringere Ausdehnung :des Mole-1;ulargewichtes
besitzen, als es sonst der Fall ist.
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Diese Modifikation ist b"sonders wirksam bei der Produktion von hohen
Ausbeuten an Oxyaldehyden,wie Glykol und C'slycerin mit niedrigem Molekulargewicht.
Um hohe Ausbeuten an Oxyaldehyden und Oxyketonen mit niedrigem Molekulargewicht,
z. B. Glykolaldehyde, Glycerinaldehyde, Dioxyaceton, Erythrosen, Pentosen., Hexosen,
zu erhalten, wird die Kondensationsreaktion gestoppt, sobald 40 bis 95% dies Forrnaldehyds
kondensiert sind. Vorteilhaft geschieht dies bei 6o bis 9o %. Die Kontrolle der
Kondensation geschieht durch Regulieren des Flusses der Reaktionsteilnehmer durch
die Reaktionszone, durch Abstoppen der Reaktion durch Sauernachen oder Abkühlen
der keaktionsteilneh:mer. Kombinationen dieser Methoden közinen ebenfalls zur Verhinderung
der weiteren Reaktion. angewandt werden. Temperaturen zwischen o bis 15° wurden
am praktischsten gefunden. Zum Sauermacher der Lösung kann Mineralsäure oder starke
organische Säure vervvendet werden. ,Schwefel-. und Oxals-äure eignen sich besonders,
wenn Blei- und Zinnverbindungen als Katalysator Verwendung finden. Diese Säuren
'.Tilden unlösliche Sulfate und Oxalate, die leicht durch Filtration entfernt werden.
können. Die Zugabe dieser Säuren hat in genügender Menge zu erfolgen, so daß das
pli der Lösung auf mindestens 6,o herabsinkt. Die ausgefällte Verbindung wird dann
filtriert oder durch Dekantation entfernt und kann wieder verwendet werden.
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Die nach dieseln Verfahren erhaltenen Oxyaldehy.de und Oxyketone können
als Zwischenprodukte bei der Synthese von wertvollen industriellen Produkten verwendet
werden, z. B. für die Herstellung von Polyoxyverbindunb@en, die z. B. als Weichmacher
für Cellulosehydratfolien verbreitete Venv:endung finden. Die Polyoxyaldehyde und
Oxyketone werden auch angewendet, um polymere Verbindungen durch .Kondensation mit
Verbindungen mit zweiwertigen Funktionen zu erhalten. Sie können nach irgendeiner
Methode, entweder diskontinuierlich oder kontinuierlich, katalytisch hydriert werden.