EP1966128A2 - Verfahren zur herstellung von aminoalkansäureamiden - Google Patents

Verfahren zur herstellung von aminoalkansäureamiden

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Publication number
EP1966128A2
EP1966128A2 EP06841384A EP06841384A EP1966128A2 EP 1966128 A2 EP1966128 A2 EP 1966128A2 EP 06841384 A EP06841384 A EP 06841384A EP 06841384 A EP06841384 A EP 06841384A EP 1966128 A2 EP1966128 A2 EP 1966128A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
reaction
catalyst
temperature
separation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06841384A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Ernst
Andreas Kusche
Gunnar Heydrich
Horst Grafmans
Holger Evers
Johann-Peter Melder
Harald Meissner
Torsten Freund
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE200510060803 external-priority patent/DE102005060803A1/de
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Priority to EP06841384A priority Critical patent/EP1966128A2/de
Publication of EP1966128A2 publication Critical patent/EP1966128A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C231/00—Preparation of carboxylic acid amides
    • C07C231/14—Preparation of carboxylic acid amides by formation of carboxamide groups together with reactions not involving the carboxamide groups
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/582—Recycling of unreacted starting or intermediate materials

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of AminoalkanTexreamiden by reacting a Cyanalkanchureester with a) ammonia or an amine and b) hydrogen in the presence of a catalyst, optionally occurring intermediates are not isolated and the reaction with component b) simultaneously or not later than a maximum of 100 minutes after the start of the reaction of Cyanalkanchureesters with component a) is started.
  • DE-A 21 10 060 describes a corresponding process for preparing N-substituted carboxamides using primary and secondary aliphatic, cycloaliphatic or mixed aliphatic / cycloaliphatic amines instead of ammonia.
  • US-A 3,235,576 relates to a process for the preparation of ⁇ -aminocaproic acid amides.
  • the starting compound used here is the methyl ester of 7-cyano-2,5-heptadienoic acid, which is first reacted with ammonia to give the corresponding amide.
  • the corresponding 7-cyanoheptanoic acid amide is prepared using a palladium catalyst, for example, and the isolated intermediate is reacted in a second hydrogenation reaction using a cobalt- and nickel-containing catalyst to give ⁇ -aminocaproic acid amide.
  • DE-A 26 01 462 relates to a two-stage process for the preparation of 6-aminocaproic acid amide, wherein in a first reaction stage over a period of 2 to 6 hours, a 5-Cyanvaleriansester reacted with excess ammonia and in a second reaction step in the presence of a cobalt and / or nickel-containing supported catalyst, the resulting intermediate product is hydrogenated to 6-aminocaproic acid amide.
  • DE-A 26 01 461 relates to a process for the preparation of ⁇ -Aminoalkan- carboxylic acid alkyl esters, wherein ⁇ -Cyanalkancarbonklarealkylester be hydrogenated at elevated temperature and elevated pressure using ammonia in the presence of nickel and / or cobalt supported catalysts.
  • ⁇ -Cyanalkancarbonklarealkylester be hydrogenated at elevated temperature and elevated pressure using ammonia in the presence of nickel and / or cobalt supported catalysts.
  • the object underlying the invention is to provide a novel process for the preparation of AminoalkanTexreamiden by reacting Cyanalkan Textreestern with a) ammonia or an amine and b) hydrogen in the presence of a catalyst.
  • this object is achieved by the reaction of a cyanalkanTexreester at elevated pressure with a) at least one mol equivalent of ammonia or one mole equivalent of amine and b) hydrogen in the presence of a catalyst, optionally occurring intermediates are not isolated and the Reaction with component b) is started simultaneously or not later than a maximum of 100 minutes after the beginning of the reaction of the Cyanalkanchureesters with component a).
  • the process according to the invention has the advantage that it can be carried out faster than processes known from the prior art. For example, no catalyst change is required for the amidation and hydrogenation, but the amidation can be carried out without the presence of a catalyst, provided that the amidation and the hydrogenation are not carried out simultaneously and / or spatially separated.
  • the inventive method provides the desired product (Aminoalkanklamid) in high selectivities, preferably of at least 95%, more preferably of at least 98%, particularly preferably of at least 99%.
  • the process according to the invention has the advantage that the unreacted component a) (ammonia or amine) is separated off from the reaction product (aminoalkanoic acid amide) and recovered.
  • the reaction product aminoalkanoic acid amide
  • a further advantage is the fact that using a fixed bed catalyst for the hydrogenation (in particular of a fixed bed supported catalyst), the reaction product contains only very small traces of catalyst metals, so that a final purification by crystallization is possible.
  • the catalyst has to be removed by filtration and the product has to be purified by distillation, since traces of metal present in the end product impair product stability and the product property (possible ligand action).
  • due to the conditions required for the distillation results in a low product yield.
  • Suitable educts are in principle all customary cyanoalkanoic acid esters, if appropriate, it is also possible to use a mixture of two or more cyanoalkanoic acid esters, but preference is given to the use of a cyanoalkanoic acid ester.
  • preferred starting materials have one cyano and one ester group per molecule.
  • the ester group the corresponding molecule having an acid group can also be used.
  • cyanoalkanoic acid esters are the methyl or ethyl esters of cyanoacetic acid, cyanopropionic acid, cyanobutyric acid, cyanovaleric acid or cyancapaproic acid, preferably the cyano group is located at the terminal carbon atom of the underlying alkanoic acid.
  • the alkanoic acid skeleton may have further substituents, preferably one or two C 1 -C 3 -alkyl groups, in particular two methyl substituents.
  • Preferred cyanoalkanoic acid esters including the carbon atoms of the cyano and the ester group, have 4 to 10 carbon atoms, the cyano function being located at the terminal carbon atom of the alkanoic acid skeleton.
  • Particularly preferred is 2-cyano-2,2-dimethylessigklaremethylester or the corresponding ethyl ester.
  • the amidation of the cyanoalkanoic acid ester is carried out with at least one molar equivalent of component a), preferably at a 2 to 30-fold molar excess of component a), more preferably with a 5- to 25-fold molar excess. If several ester functions are amidated in the educt, the amount of component a) must be increased accordingly.
  • component a) are suitable ammonia or an amine, optionally also
  • Mixtures are used. Preferably, however, only one component a) is used, in particular ammonia. If an amine is used, in particular especially monoalkyl or dialkylamines (to give the corresponding monoalkylated or dialkylated amide), in particular methylamine or dimethylamine.
  • 2-cyano-2,2-dimethylacetic acid methyl ester is used as starting material and ammonia is used as component a).
  • the reaction of the educt or in particular of the intermediate product (cyanoalkanoic acid amide) obtained in the amidation with hydrogen (component b); Hydrogenation) takes place in the presence of a catalyst.
  • a catalyst In principle, all hydrogenation catalysts known to those skilled in the art are suitable as catalyst.
  • the catalyst may be, for example, a sponge, carrier, thin film or full catalyst, preferably a supported catalyst.
  • the catalyst is present as a fixed bed catalyst, in particular in the form of a supported catalyst.
  • Preferred catalysts contain at least one noble metal of group VII and VIII, preferably cobalt (Co) and nickel (Ni) and optionally at least one metal from the group copper, manganese, chromium or iron.
  • the support may be selected from the conventional metal oxides, such as aluminum oxide, zirconium oxide, silicon dioxide or mixtures of these metal oxides; preference is given to using aluminum oxide and zirconium oxide, particularly preferably zirconium oxide.
  • preferred catalysts are Raney cobalt (hereinafter also referred to as Ra-Co) or Raney nickel catalysts - this type of catalyst is available as a commercial product in various designs under the name Raney TM cobalt or Raney TM nickel, respectively.
  • Further examples of preferred catalysts are supported hydrogenation catalysts prepared from nickel oxide, cobalt oxide, copper oxide and zirconium oxide, which may optionally contain further metal components.
  • Suitable catalysts and processes for the preparation of these catalysts can be found, for example, in the documents Mozingo et al., Organic Synth. Coli. Vol. 3, pages 181 ff, Fieser and Fieser, Reagents for Org. Synth. Vol. 1, pages 723-731, EP-A 0 963 975 or EP-A 1 106 600 are taken.
  • the reaction of the cyanoalkanoic acid ester to the corresponding aminoalkanoic acid amide is carried out at elevated pressure, preferably at 10 to 250 bar, more preferably 50 to 220 bar, particularly preferably at 80 to 210 bar.
  • the reaction can also be carried out at atmospheric pressure.
  • the temperature may be between 20 and 150 ° C, preferably 60 to 150 ° C, more preferably 80 ° to 120 ° C, particularly preferably 80 to 1 10 ° C.
  • the inventive method is carried out such that the reaction of the educt (Cyanalkanklareester) with the component a) and the component b) either at the same time or the reaction with component b) for a maximum of 100 minutes Beginning of the reaction of the reactant with component a) is started.
  • the process according to the invention is preferably carried out in such a way that the reaction of the starting material with component b) is started at most 100 minutes after the beginning of the reaction of the euct with component a).
  • the reaction with component b) takes place in the second option after a residence time of a maximum of 100 minutes. Preferably, a residence time of 5 to 100 minutes is selected.
  • the intermediates which may be present are not isolated. It is crucial that the addition of component b) to the educt does not take place before the addition or the reaction of component a) with the educt, because the amidation of Aminoalkan yarn proceeds only in minor amounts as a side reaction. If the hydrogenation is not carried out at the same time as the amidation of the cyanoalkanoic ester, it can be assumed that the intermediate formed is mainly the corresponding cyanoalkanoic acid amide.
  • the hydrogenation start is more preferably 5 to 60 minutes later than the beginning of the amidation (residence time of 5 to 60 minutes). Particularly preferred is a residence time of 8 to 20 minutes.
  • the components a) and b) are fed stepwise to the educt.
  • this method is applied in the batch process, by stepwise feeding first component a) and then hydrogen in a solution of Cyanalkanklaresters.
  • This embodiment is particularly preferably used in an autoclave.
  • the hydrogenation is started only after the start of the amidation, and which is likewise preferably used in an autoclave, first the catalyst, a solution of the cyanoalkanoic ester (starting material) and component a) and a part of the hydrogen at a pressure of at most 10 bar presented.
  • a maximum temperature of 60 ° C should not be exceeded, preferably the temperature is 20 to 30 ° C.
  • the temperature is increased to 70 to 150 ° C, preferably to 75 to a maximum of 120 ° C, and the hydrogen pressure by further hydrogen addition to 50 to 210 bar.
  • the increase of the hydrogen pressure and the temperature can take place simultaneously or successively.
  • the temperature is first slowly increased and after the temperature has reached the desired end value (greater than 70 ° C), hydrogen is rapidly injected to the desired final pressure value (greater than 50 bar).
  • the residence time is calculated here starting with the combination of the educt solution and the component a) up to the time at which the temperature is at least 70 ° C and the hydrogen pressure is at least 50 bar.
  • this embodiment can also be carried out by only the solution of the reactant and component a) and the catalyst are presented and the hydrogen is added only at the beginning of the temperature increase.
  • the residence time is also calculated in this case, starting with the time of combining the reactant with the component a) to the time at which the temperature is at least 70 ° C and the hydrogen pressure is at least 50 bar.
  • the amidation and the hydrogenation are spatially separated from each other by pre-switching a residence time.
  • the corresponding starting material and the component a) (preferably ammonia), which are each fed continuously, already react by passing through a residence time before they reach the actual hydrogenation reactor.
  • This residence time section can also consist of a section of the hydrogenation reactor which is filled with catalytically or only slightly active material (such as steel rings, steatite etc.) or in which the temperature is kept below a threshold temperature necessary for the hydrogenation.
  • the temperature in this residence time is 20 to 100 ° C, preferably 30 to 60 ° C.
  • the hydrogenation is carried out after passing through this residence time at a temperature of preferably 60 to 150 ° C, more preferably at 75 to 120 ° C.
  • the amidation and the hydrogenation can also be carried out at the same temperature in a range between 20 and 150 ° C.
  • the process can be carried out in one step in a solvent, for example in an alcohol or N-methylpyrrolidone (NMP), preferably in a monohydric aliphatic alcohol, more preferably in an alcohol of the group MeOH.
  • a solvent for example in an alcohol or N-methylpyrrolidone (NMP), preferably in a monohydric aliphatic alcohol, more preferably in an alcohol of the group MeOH.
  • EtOH ethanol
  • PrOH propanol
  • i-PrOH 1-butanol (1 -BuOH)
  • 2-BuOH 1-pentanol
  • 2-pentanol 2-pentanol
  • 3-pentanol The solvent can be used in a proportion of 5 to 95% [wt .-%] of the reaction mixture, preferably 20 to 70%, particularly preferably 30 to 60%.
  • the process can be carried out in batch, semibatch or continuously, preference being given to continuous reaction.
  • the product can be isolated and purified by distillation or crystallization or a combination of both. Preference is given to crystallization.
  • the crystallization can be carried out in particular if the hydrogenation step has been carried out in the presence of a fixed bed catalyst, because in this case the product has only very small traces of the metals contained in the catalyst as impurity.
  • the methyl cyanoester is hydrogenated as a 50% solution in 2-butanol in the presence of 7 equivalents of liquid ammonia in a batch autoclave at 100 ° C to Raney nickel (5 wt .-%) and simultaneously ins Amide transferred.
  • the catalyst is removed by filtration and the product is isolated by distillation.
  • the methyl cyanoester is combined as a 40% solution in MeOH with 10 to 25 equivalents of ammonia in a displacer-filled tubular reactor (where the ester is converted to the amide) and after a residence time of 8 to 20 minutes 80 to 120 ° C and 150 to 250 bar hydrogenated on a supported hydrogenation catalyst prepared from 28% NiO, 28% CoO, 13% CuO and 31% ZrO 2 .
  • the product is isolated by single-stage crystallization from the crude solution.
  • the unreacted component a) ie the proportions of ammonia or amine which have not been reacted with cyanalkanoic acid ester
  • component b) hydrophilicity
  • the separation of the unreacted component a) preferably takes place at temperatures below 150 ° C., more preferably below 130 ° C., particularly preferably below 110 ° C.
  • the separation of the unreacted component a) is preferably carried out at a lower temperature than the temperature in the reaction with component b) (hydrogenation).
  • the removal of the unreacted component a) takes place at temperatures below 150 ° C., more preferably below 130 ° C., particularly preferably below 110 ° C.
  • the separation step as such (the separation of unreacted component a) from the reaction mixture) is carried out as quickly as possible in terms of time.
  • the term "as fast as possible in terms of time” is to be understood as meaning that the separation step as such lasts for a maximum of 300 minutes, more preferably not more than 200 minutes, particularly preferably not more than 120 minutes.
  • the separation preferably takes place on unreacted component a) both at a lower temperature and as quickly as possible over time.
  • the separation of unreacted component a) takes place in a separate apparatus.
  • a separate apparatus is to be understood as meaning all separation units known to the person skilled in the art, in particular a compressed gas column or a distillation column.
  • the separation of the unreacted component a) from the separation unit is preferably carried out at temperatures below 150 ° C, more preferably below 130 ° C, more preferably below 1 10 ° C.
  • the residence time of Aminoalkanklamids (product) in the separation of the unreacted component a) in the separation unit is preferably 1 to 300 minutes, more preferably 1 to 200 minutes, more preferably 1 to 120 minutes.
  • the temporally as fast as possible separation of unreacted component a) from the reaction mixture has proved particularly advantageous because the amidation is an equilibrium reaction that can be shifted in the direction of the ester when the amine or ammonia continuously at elevated temperature from the Reaction mixture are removed and the relatively slow reaction is given sufficient time.
  • the educt and the catalyst are introduced into the autoclave and the contents are rendered inert by flushing with nitrogen. Subsequently, 5 bar hydrogen is injected. The desired amount of ammonia is metered in and then heated slowly with stirring to the reaction temperature (80 ° C). This step lasts on average 90 min. the residence time of the educt solution in contact with ammonia is about 90 min.
  • hydrogen is rapidly injected onto the pressure indicated in the following Table 1, and hydrogen consumed in a pressure-controlled manner is metered in over the test period until there is no more hydrogen uptake.
  • the autoclave experiments are carried out in a 2.5 l autoclave with a hollow shaft disk stirrer (rotational speed about 600 rpm), electric heating and jacket air cooling, 2 breakwaters, gassing via the autoclave cover and introduction of the hydrogen via the hollow shaft stirrer.
  • the weights for Raney catalysts are corrected for 10% water moisture, i. in reality, 10% more water-moist catalyst is weighed than indicated.
  • Reaction discharges are analyzed by gas chromatography (GC) (conditions: 60 m DB1701, inside diameter 0.32 mm, film thickness 0.25 ⁇ m, detector: FID, temperature program: 80 ° C ⁇ 10 K / min ⁇ 280 ° C, 40 min.
  • Split ratio 100 1, carrier gas helium
  • the reactor yield is determined by means of gas chromatography with internal standard (LS) (LS piperidine, the concentration thus obtained in the crude feed is multiplied by the total mass of the crude feed and the calculated thus compared with the theoretical yield).
  • the batches are all carried out with 2-cyano-2,2-dimethylacetic acid methyl ester with a purity of> 99.8%.
  • aminopivalic acid amide (3-amino-2,2-dimethylpropionic acid amide) is obtained. Table 1
  • Example 8 shows that with Raney nickel and Raney cobalt very good selectivities of at least 90% can be achieved.
  • a metal determination is performed; it is found 430 ppm Co in the reaction.
  • the experimental examples are in a 1 I reactor (10 x 2000 mm), equipped with feed pumps for solvent, ammonia and nitrile ester, filled with 250 ml steel rings in the lower and upper part of the reactor, centered with 500 ml tablets (5 x 3 mm) of a hydrogenation catalyst of the following composition: 28% NiO, 28% CoO, 13% CuO and 31% ZrO 2 , carried out in the upflow mode.
  • the reduction procedure of the catalyst is as follows: The reactor is heated to 180 ° C. in 5 hours with a hydrogen feed of 50 l / h, then maintained at 180 ° C.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aminoalkansäureamiden durch Umsetzung von Cyanalkansäureestern mit a) Ammoniak oder einem Amin und b) Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators, wobei die Umsetzung mit Komponente b) gleichzeitig oder nicht später als maximal 100 Minuten nach Beginn der Umsetzung des Cyanalkansäureesters mit Komponente a) gestartet wird.

Description

Verfahren zur Herstellung von Aminoalkansäureamiden
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aminoalkansäureamiden durch Umsetzung von einem Cyanalkansäureester mit a) Ammoniak oder einem Amin und b) Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators, wobei gegebenenfalls dabei auftretende Zwischenstufen nicht isoliert werden und die Umsetzung mit Komponente b) gleichzeitig oder nicht später als maximal 100 Minuten nach Beginn der Umsetzung des Cyanalkansäureesters mit Komponente a) gestartet wird.
Die Umsetzung von Carbonsäure oder eines Carbonsäureesters mit Ammoniak (Ami- dierung) ist prinzipiell bekannt. So beschreibt DE- 20 26 832 ein Verfahren zur Her- Stellung von Carbonsäureamiden, bei dem geradkettige und verzweigte, gesättigte und ungesättigte Carbonsäuren beziehungsweise deren Ester mit Ammoniak in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt werden. Als Katalysator geeignet sind im Reaktionsgemisch lösliche Verbindungen von Metallen der Gruppen IVb und Vb des Periodensystems der Elemente (PSE), insbesondere Metallverbindungen von Titan, Zirkon und Tantal. In DE-A 21 10 060 wird ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung von N- substituierten Carbonsäureamiden unter Verwendung von primären und sekundären aliphatischen, cycloaliphatischen oder gemischt aliphatischen/cycloaliphatischen Aminen anstelle von Ammoniak beschrieben.
Auch die Darstellung von Aminoalkansäureamiden ist bereits bekannt. Bereits im Jahre 1934 wurde in DE-A 597 305 die Umsetzung von Cyanalkansäureamiden (insbesondere Cyanessigsäureamid-Derivate) durch katalytische Hydrierung zu den entsprechenden Aminoalkansäureamiden beschrieben. Die Cyanalkansäureamiden werden in einem vorausgehenden (separaten) Reaktionsschritt durch Umsetzung des entspre- chenden Cyanalkansäurehalogenids mit Ammoniak oder einem Amin hergestellt. G. D. Buckley et al. (J. Chem. Soc. 1947, Seiten 1500 bis 1503) beschreiben, dass die Reduktion von 2-Nitroalkylcyaniden mit Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators (beispielsweise ein Raney-Nickel-Katalysator, nachfolgend auch als Ra-Ni bezeichnet - oder als weiteres Beispiel Palladium auf Kalziumcarbonat) das entsprechende Ami- noalkansäureamid ergibt.
Ein alternatives Verfahren ist in US 4,780,542 beschrieben, wonach eine Säure mit einem Alkylchloroformat in einem wässrigen Medium zuerst in ein Anhydrid überführt wird und anschließend dieses Anhydrid mit Alkohol zu einem Ester oder alternativ mit einem Amin zu einem Aminoalkansäureamid umgesetzt werden kann. Die Umsetzung von 5-Cyanvalerianamid mit Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators zu 6-Aminocapronamid ist in WO 01/77068 beschrieben. Der Ausgangsstoff (5- Cyanovaleramid) wird wiederum in einem separaten Reaktionsschritt vorab dargestellt, beispielsweise kann es durch Umsetzung des entsprechenden Cyanovalerats mit Am- moniak in Gegenwart von Alkohol dargestellt werden. Ein sinngemäßes Verfahren ist in DE-A 29 47 825 beschrieben, wonach 4-Aminobuttersäureamid-hydrochlorid durch Hydrierung von 3-Cyanopropionsäureamid in Gegenwart eines unter den Reaktionsbedingungen inerten Lösungsmittels eines Edelmetallkatalysators und von Chlorwasserstoff bei einer Temperatur zwischen 5 und 80°C dargestellt wird. Das eingesetzte E- dukt (3-Cyanopropionsäureamid) kann aus dem entsprechenden Dinitril durch partielle Verseifung dargestellt werden.
US-A 3,235,576 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ω-Aminocapronsäureamiden. Als Ausgangsverbindung dient hierbei der Methylester von 7-Cyano-2,5- heptadiensäure, der zunächst mit Ammoniak zum entsprechenden Amid umgesetzt wird. In einer ersten Hydrierungsreaktion wird beispielsweise unter Verwendung eines Palladiumkatalysators das entsprechende 7-Cyanoheptansäureamid dargestellt und das isolierte Zwischenprodukt in einer zweiten Hydrierungsreaktion unter Verwendung eines kobalt- und nickelhaltigen Katalysators zu entsprechendem ω-Aminocapron- säureamid umgesetzt. Alternativ kann auch von dem entsprechenden ungesättigten Amid ausgegangen werden.
DE-A 26 01 462 betrifft ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung von 6- Aminocapronsäureamid, wobei in einer ersten Reaktionsstufe über einen Zeitraum von 2 bis 6 Stunden ein 5-Cyanvaleriansäureester mit überschüssigem Ammoniak umgesetzt und in einem zweiten Reaktionsschritt in Gegenwart eines kobalt- und/oder nickelhaltigen Trägerkatalysators das dabei entstandene Zwischenprodukt zu 6- Aminocapronsäureamid hydriert wird. Zwar ist in DE-A 26 01 462 angedeutet, dass es prinzipiell möglich ist, den ersten Reaktionsschritt (Amidierung: Umsetzung des Esters mit Ammoniak) bereits in Gegenwart des beim zweiten Reaktionsschritt benötigten Katalysators (Hydrierung: Umsetzung des Cyanoalkansäureamids zum Aminoalkan- säureamid) durchzuführen und dabei das entstandene Zwischenprodukt (Cyanalkan- säureamid) nicht zu isolieren. Jedoch kann weder DE-A 26 01 462 noch irgendeinem anderen Dokument des Stands der Technik entnommen werden, dass die Amidierung und Hydrierung des Ausgangsproduktes (Cyanalkansäureester) zeitgleich bzw. die Hydrierung in unmittelbarem Anschluss an die Amidierung durchgeführt werden kann. In sämtlichen relevanten Dokumenten des Standes der Technik wird ausgeführt, dass der erste Reaktionsschritt (Amidierung) über einen Zeitraum von mindestens 2 Stunden vollständig durchgeführt werden muss, um das dabei entstehende Zwischenpro- dukt (Cyanalkansäureamid) in einem zweiten Reaktionsschritt zum Aminoalkansäu- reamid zu hydrieren.
DE-A 26 01 461 betrifft hingegen ein Verfahren zur Herstellung von ω-Aminoalkan- carbonsäurealkylestern, wobei ω-Cyanalkancarbonsäurealkylester bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unter Verwendung von Ammoniak in Gegenwart von Nickel- und/oder Kobaltträgerkatalysatoren hydriert werden. In diesem Verfahren findet also eine Hydrierung der Cyanogruppe zu entsprechendem Amin statt, jedoch wird keine Amidierung durchgeführt, da die Esterfunktion der Ausgangssubstanz erhalten bleibt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines neuen Verfahrens zur Herstellung von Aminoalkansäureamiden durch Umsetzung von Cyanalkansäureestern mit a) Ammoniak oder einem Amin und b) Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Umsetzung von einem Cyan- alkansäureester bei erhöhtem Druck mit a) mindestens einem mol-Äquivalent Ammoniak oder einem mol-Äquivalent Amin und b) Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators, wobei gegebenenfalls dabei auftretende Zwischenstufen nicht isoliert werden und die Umsetzung mit Komponente b) gleichzeitig oder nicht später als maximal 100 Minuten nach Beginn der Umsetzung des Cyanalkansäureesters mit Komponente a) gestartet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren schneller durchgeführt werden kann. Beispielsweise ist für die Amidierung und Hydrierung kein Katalysatorwechsel erforderlich, vielmehr kann die Amidierung, sofern die Amidierung und die Hydrierung nicht zeitgleich und/oder räumlich getrennt durchgeführt werden, auch ohne die Anwesenheit von einem Katalysator erfolgen.
Weiterhin liefert das erfindungsgemäße Verfahren das gewünschte Produkt (Aminoal- kansäureamid) in hohen Selektivitäten, bevorzugt von mindestens 95 %, mehr bevorzugt von mindestens 98 %, besonders bevorzugt von mindestens 99 %.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den Vorteil, dass die nicht umgesetzte Komponente a) (Ammoniak beziehungsweise Amin) vom Reaktionsprodukt (Aminoalkansäureamid) abgetrennt und zurückgewonnen wird. Dadurch kann insbesondere bei einem kontinuierlichen Verfahren wertvolles Edukt in den Reaktionskreislauf rückgeführt werden. Bei dieser Ausfüh- rungsform ist weiterhin von Vorteil, dass aufgrund von bevorzugt ausgewählten Ab- trennungsbedingungen der Komponente a) die Selektivität an Produkt weiter erhöht werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass unter Verwendung eines Festbettkatalysa- tors für die Hydrierung (insbesondere eines Festbett-Trägerkatalysators) das Reaktionsprodukt nur sehr geringe Spuren an Katalysatormetallen enthält, so dass eine abschließende Aufreinigung durch Kristallisation möglich ist. Bei herkömmlichen Verfahren muss der Katalysator durch Filtration entfernt und das Produkt durch Destillation gereinigt werden, da im Endprodukt enthaltene Metallspuren die Produktstabilität sowie die Produkteigenschaft (mögliche Ligandenwirkung) beeinträchtigt. Zudem ergibt sich aufgrund der für die Destillation erforderlichen Bedingungen eine geringe Produktausbeute.
Als Edukt eignen sich prinzipiell alle gängigen Cyanalkansäureester, gegebenenfalls kann auch ein Gemisch von zwei oder mehreren Cyanalkansäureestern eingesetzt werden, bevorzugt ist jedoch die Verwendung eines Cyanalkansäureesters. Gegebenenfalls können auch Verbindungen eingesetzt werden, die zwei oder mehrere Cya- nogruppen und/oder zwei oder mehrere Estergruppen aufweisen. Bevorzugte Edukte weisen jedoch eine Cyano- und eine Estergruppe pro Molekül auf. Gegebenenfalls kann anstelle der Estergruppe auch das entsprechende Molekül mit einer Säuregruppe verwendet werden. Beispiele für Cyanalkansäureester sind die Methyl- oder Ethylester von Cyanessigsäure, Cyanpropionsäure, Cyanbuttersäure, Cyanvaleriansäure oder Cyancapronsäure, vorzugsweise befindet sich die Cyanogruppe am endständigen Kohlenstoffatom der zugrunde liegenden Alkansäure. Gegebenenfalls kann das Alkansäu- regrundgerüst weitere Substituenten aufweisen, vorzugsweise ein oder zwei C1-C3- Alkylgruppen, insbesondere zwei Methylsubstituenten. Bevorzugte Cyanalkansäureester weisen inklusive der Kohlenstoffatome der Cyano- und der Estergruppe 4 bis 10 Kohlenstoffatome auf, wobei die Cyanofunktion sich am endständigen Kohlenstoffatom des Alkansäuregrundgerüstes befindet. Besonders bevorzugt ist 2-Cyano-2,2- dimethylessigsäuremethylester oder der entsprechende Ethylester.
Die Amidierung des Cyanalkansäureesters erfolgt mit mindestens einem mol- Äquivalent der Komponente a), bevorzugt bei einem 2- bis 30-fachen molaren Über- schuss an Komponente a), besonders bevorzugt mit einem 5- bis 25-fachen molaren Überschuss. Werden beim Edukt mehrere Esterfunktionen amidiert, muss die Menge an Komponente a) entsprechend erhöht werden.
Als Komponente a) eignen sich Ammoniak oder ein Amin, gegebenenfalls können auch
Gemische eingesetzt werden. Vorzugsweise wird jedoch nur eine Komponente a) ein- gesetzt, insbesondere Ammoniak. Sofern ein Amin eingesetzt wird, eignen sich insbe- sondere Monoalkyl- oder Dialkylamine (unter Erhalt des entsprechenden monoalkylier- ten oder dialkylierten Amides), insbesondere Methylamin oder Dimethylamin.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Edukt 2-Cyano-2,2-dimethylessigsäuremethylester und als Komponente a) Ammoniak eingesetzt.
Die Umsetzung des Edukts beziehungsweise insbesondere des bei der Amidierung erhaltenen Zwischenproduktes (Cyanalkansäureamids) mit Wasserstoff (Komponente b); Hydrierung) erfolgt in Gegenwart eines Katalysators. Als Katalysator eignen sich prinzipiell alle dem Fachmann bekannten Hydrierkatalysatoren. Der Katalysator kann beispielsweise ein Schwamm-, Träger-, Dünnschicht- oder Vollkatalysator sein, vorzugsweise ein Trägerkatalysator. Vorzugsweise liegt der Katalysator als Festbettkatalysator vor, insbesondere in Form eines Trägerkatalysators. Bevorzugte Katalysatoren enthalten mindestens ein Edelmetall der Gruppe VII und VIII, bevorzugt Kobalt (Co) und Nickel (Ni) sowie optional mindestens ein Metall aus der Gruppe Kupfer, Mangan, Chrom oder Eisen. Wird ein Trägerkatalysator eingesetzt, so kann der Träger aus den herkömmlichen Metalloxiden wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumdioxid oder Mischungen dieser Metalloxide ausgewählt sein, bevorzugt wird Aluminiumoxid und Zir- konoxid, besonders bevorzugt Zirkonoxid eingesetzt. Beispiele für bevorzugte Katalysatoren sind Raney-Kobalt- (nachfolgend auch als Ra-Co bezeichnet) oder Raney- Nickel-Katalysatoren - diese Art von Katalysator ist als Handelsprodukt in unterschiedlichen Ausführungen unter der Bezeichnung Raney™-Kobalt bzw. Raney™-Nickel erhältlich. Weitere Beispiele für bevorzugte Katalysatoren sind geträgerte Hydrierkataly- satoren hergestellt aus Nickeloxid, Kobaltoxid, Kupferoxid und Zirkonoxid, die gegebenenfalls noch weitere Metallkomponenten enthalten können. Geeignete Katalysatoren sowie Verfahren zur Herstellung dieser Katalysatoren können beispielsweise den Dokumenten Mozingo et al., Organic Synth. Coli. Vol. 3, Seiten 181 ff, Fieser und Fieser, Reagents for Org. Synth. Vol. 1 , Seiten 723-731 , EP-A 0 963 975 oder EP-A 1 106 600 entnommen werden.
Die Umsetzung des Cyanalkansäureesters zum entsprechenden Aminoalkansäurea- mid wird bei erhöhtem Druck, bevorzugt bei 10 bis 250 bar, mehr bevorzugt 50 bis 220 bar, besonders bevorzugt bei 80 bis 210 bar durchgeführt. Gegebenenfalls kann die Reaktion auch bei Normaldruck erfolgen. Die Temperatur kann zwischen 20 und 150°C, bevorzugt 60 bis 150°C, mehr bevorzugt 80° bis 120°C, besonders bevorzugt 80 bis 1 10°C liegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird derart durchgeführt, dass die Umsetzung des Eduktes (Cyanalkansäureester) mit der Komponente a) und der Komponente b) entweder zeitgleich oder die Umsetzung mit Komponente b) maximal 100 Minuten nach Beginn der Umsetzung des Edukts mit Komponente a) gestartet wird. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt, dass die Umsetzung des Edukts mit Komponente b) maximal 100 Minuten nach Beginn der Umsetzung des E- dukts mit Komponente a) gestartet wird.
Die Umsetzung mit Komponente b) erfolgt bei der zweiten Option also nach einer Verweilzeit von maximal 100 Minuten. Vorzugsweise wird eine Verweilzeit von 5 bis 100 Minuten gewählt. Die gegebenenfalls dabei auftretenden Zwischenstufen werden nicht isoliert. Entscheidend ist, dass die Zugabe der Komponente b) zum Edukt nicht vor der Zugabe bzw. der Umsetzung der Komponente a) mit dem Edukt erfolgt, weil die Ami- dierung von Aminoalkansäureestern nur in untergeordneten Mengen als Nebenreaktion abläuft. Sofern die Hydrierung nicht zeitgleich mit der Amidierung des Cyanalkansäu- reesters durchgeführt wird, kann davon ausgegangen werden, dass als Zwischenprodukt hauptsächlich das entsprechende Cyanalkansäureamid gebildet wird.
Sofern die Hydrierung erst nach Beginn der Amidierung gestartet wird, ist der Hydrierungsbeginn mehr bevorzugt 5 bis 60 Minuten später als der Beginn der Amidierung (Verweilzeit von 5 bis 60 Minuten). Besonders bevorzugt ist eine Verweilzeit von 8 bis 20 Minuten.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Komponenten a) und b) schrittweise dem Edukt zugeführt. Insbesondere wird dieses Verfahren im Batch- Prozess angewandt, durch schrittweises Zuführen von zuerst Komponente a) und anschließend Wasserstoff in einer Lösung des Cyanalkansäureesters. Besonders bevor- zugt findet diese Ausführungsform in einem Autoklaven Anwendung.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform, in der die Hydrierung erst nach Beginn der Amidierung gestartet wird, und die ebenfalls vorzugsweise in einem Autoklaven angewandt wird, werden zunächst der Katalysator, eine Lösung des Cyanalkansäu- reesters (Edukt) und der Komponente a) sowie ein Teil des Wasserstoffs bei einem Druck von maximal 10 bar vorgelegt. Dabei sollte eine Temperatur von maximal 60°C nicht überschritten werden, vorzugsweise beträgt die Temperatur 20 bis 30°C. Anschließend wird die Temperatur auf 70 bis 150°C, vorzugsweise auf 75 bis maximal 120°C, und der Wasserstoffdruck durch weitere Wasserstoffzugabe auf 50 bis 210 bar erhöht. Die Erhöhung des Wasserstoffdrucks und der Temperatur kann dabei zeitgleich erfolgen oder nacheinander. Vorzugsweise wird zuerst langsam die Temperatur erhöht und nachdem die Temperatur den gewünschten Endwert (größer als 70°C) erreicht hat, wird schnell Wasserstoff bis zum gewünschten Enddruckwert (größer als 50 bar) aufgepresst. Die Verweilzeit berechnet sich hierbei beginnend mit der Vereinigung der Eduktlösung und der Komponente a) bis zu dem Zeitpunkt, bei dem die Temperatur mindestens 70°C und der Wasserstoffdruck mindestens 50 bar beträgt. Alternativ kann diese Ausführungsform auch durchgeführt werden, indem nur die Lösung des Edukts und Komponente a) sowie der Katalysator vorgelegt werden und die Wasserstoffzugabe erst mit Beginn der Temperaturerhöhung erfolgt. Die Verweilzeit berechnet sich auch in diesem Fall beginnend mit dem Zeitpunkt der Vereinigung des Edukts mit der Komponente a) bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Temperatur mindestens 70°C und der Wasserstoffdruck mindestens 50 bar beträgt. Weiterhin ist es möglich, den Wasserstoff erst dann zuzugeben, wenn die Temperaturerhöhung abgeschlossen ist.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere im Semi- batch oder kontinuierlichem Prozess, erfolgt die Amidierung und die Hydrierung räumlich getrennt voneinander durch Vorschalten einer Verweilzeitstrecke. Die Verweilzeit bei einer solchen Verweilzeitstrecke ist definiert als die Volumensumme aus Edukt, Komponente a) und Lösungsmittel pro Volumen der Verweilzeitstrecke pro Stunde (t = (VolE+Vola+Vol|_M)/Volvz/1 Stunde). Hierbei können das entsprechende Edukt und die Komponente a) (vorzugsweise Ammoniak), die jeweils kontinuierlich zugeführt werden, bereits reagieren, indem sie eine Verweilzeitstrecke durchlaufen, bevor sie den eigentlichen Hydrierreaktor erreichen. Diese Verweilzeitstrecke kann auch in einem Abschnitt des Hydrierreaktors bestehen, der mit katalytisch nicht oder nur wenig aktivem Material (wie Stahlringen, Steatit etc.) befüllt ist oder in dem die Temperatur unterhalb einer für die Hydrierung nötigen Schwellentemperatur gehalten wird.
Sofern die Amidierung und die Hydrierung räumlich getrennt voneinander durch Vor- schalten einer Verweilzeitstrecke durchgeführt werden, beträgt die Temperatur in dieser Verweilzeitstrecke 20 bis 100°C, bevorzugt 30 bis 60°C. Die Hydrierung erfolgt nach Durchlaufen dieser Verweilzeitstrecke bei einer Temperatur von vorzugsweise 60 bis 150°C, besonders bevorzugt bei 75 bis 120°C. Gegebenenfalls können die Amidierung und die Hydrierung auch bei der gleichen Temperatur in einem Bereich zwischen 20 und 150°C durchgeführt werden.
Diese Verfahrensweise ist von Vorteil, wenn das Amin, welches bei der Hydrierung des Nitrils entsteht, mit der Eduktestergruppe entweder intra- oder intermolekular reagieren kann, oder wenn die Hydrierung unter Bedingungen durchgeführt werden soll, die die Amidierung nicht begünstigen. Die vorgenannte Ausführungsform ist somit insbesondere von Vorteil, wenn längerkettige Cyanalkansäureester zum entsprechenden Aminoal- kansäureamid umgesetzt werden sollen.
Das Verfahren kann in einem Schritt in einem Lösungsmittel durchgeführt werden, bei- spielsweise in einem Alkohol oder N-Methylpyrrolidon (NMP), bevorzugt in einem einwertigen aliphatischen Alkohol, besonders bevorzugt in einem Alkohol der Gruppe Me- thanol (MeOH), Ethanol (EtOH), Propanol (PrOH), i-PrOH, 1-Butanol (1 -BuOH), 2- BuOH, 1-Pentanol, 2-Pentanol, 3-Pentanol. Das Lösungsmittel kann in einem Anteil von 5 bis 95 % [Gew.-%] an der Reaktionsmischung eingesetzt werden, bevorzugt 20 bis 70 %, besonders bevorzugt 30 bis 60 %.
Wie vorstehend bereits aufgeführt, kann das Verfahren in Batch, Semibatch oder kontinuierlicher Weise betrieben werden, bevorzugt ist die kontinuierliche Reaktionsführung. Das Produkt kann durch Destillation oder Kristallisation oder eine Kombination von beiden isoliert und gereinigt werden. Bevorzugt ist die Kristallisation. Die Kristalli- sation kann insbesondere durchgeführt werden, wenn der Hydrierungsschritt in Gegenwart eines Festbettkatalysators durchgeführt worden ist, weil das Produkt in diesem Fall nur sehr geringe Spuren der im Katalysator enthaltenen Metalle als Verunreinigung aufweist.
In einer bevorzugten weiteren Ausführung der Erfindung wird der Methylcyanester als 50 %ige Lösung in 2-Butanol in Gegenwart von 7 Äquivalenten flüssigem Ammoniak in einem Batch-Autoklav bei 100°C an Raney-Nickel (5 Gew.-%) hydriert und gleichzeitig ins Amid überführt. Der Katalysator wird durch Filtration entfernt und das Produkt durch Destillation isoliert.
Eine der Vorteile geträgerter Hydrierkatalysatoren, die als Festbettkatalysator eingesetzt werden, verglichen mit Schwammkatalysatoren ist die bessere Resistenz gegen Auswaschen von Metallionen. In einer besonders bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der Methylcyanester als 40 %ige Lösung in MeOH mit 10 bis 25 Äquivalenten Ammoniak in einem mit Verdrängerkörpern gefüllten Rohrreaktor zusammengeführt (wobei der Ester in das Amid überführt wird) und nach einer Verweilzeit von 8 bis 20 Minuten bei 80 bis 120°C und 150 bis 250 bar an einem geträgerten Hydrierkatalysator hergestellt aus 28 % NiO, 28 % CoO, 13 % CuO und 31 % ZrO2 hydriert. Das Produkt wird durch einstufige Kristallisation aus der Rohlösung isoliert.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die nicht umgesetzte Komponente a) (also die Anteile an Ammoniak oder Amin, die nicht mit Cyanalkan- säureester umgesetzt wurden) im Anschluss an die Umsetzung mit Komponente b) (Hydrierung) abgetrennt. Vorzugsweise erfolgt die Abtrennung der nicht umgesetzten Komponente a) bei Temperaturen unter 150 °C, mehr bevorzugt unter 130 °C, besonders bevorzugt unter 1 10 °C
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Abtrennung der nicht umgesetzten Komponente a) vorzugsweise bei einer geringeren Temperatur als die Temperatur bei der Umsetzung mit Komponente b) (Hydrierung). Vorzugsweise erfolgt die Abtrennung der nicht umgesetzten Komponente a) bei Temperaturen unter 150 °C, mehr bevorzugt unter 130 °C, besonders bevorzugt unter 110 °C.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Abtrennungsschritt als solcher (die Abtrennung der nicht umgesetzten Komponente a) aus dem Reaktionsgemisch) zeitlich möglichst schnell durchgeführt wird. Unter dem Begriff "zeitlich möglichst schnell" soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass der Abtrennungsschritt als solcher maximal 300 Minuten, mehr bevorzugt maximal 200 Minuten, besonders bevorzugt maximal 120 Minuten andauert.
Vorzugsweise erfolgt die Abtrennung an nicht umgesetzter Komponente a) sowohl bei geringerer Temperatur als auch zeitlich möglichst schnell.
In einer weiteren Ausführungsform, insbesondere bei einem kontinuierlichen Verfahren, erfolgt die Abtrennung an nicht umgesetzter Komponente a) in einer separaten Vorrichtung. Unter separater Vorrichtung sollen alle dem Fachmann bekannten Abtrenneinheiten verstanden werden, insbesondere eine Druckgaskolonne oder eine Destillationskolonne. Dies bedeutet, dass das Reaktionsgemisch enthaltend das Produkt (Aminoal- kansäureamid), nicht umgesetzte Komponente a) und gegebenenfalls ein Lösungsmit- tel aus der Vorrichtung, in der die Hydrierung durchgeführt wird, nach dem Fachmann bekannten Methoden in die Abtrennungseinheit überführt wird. Die Abtrennung der nicht umgesetzten Komponente a) aus der Abtrennungseinheit erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen unter 150 °C, mehr bevorzugt unter 130 °C, besonders bevorzugt unter 1 10 °C. Die Verweilzeit des Aminoalkansäureamids (Produkt) bei der Abtrennung der nicht umgesetzten Komponente a) in der Abtrennungseinheit beträgt vorzugsweise 1 bis 300 Minuten, mehr bevorzugt 1 bis 200 Minuten, besonders bevorzugt 1 bis 120 Minuten.
Die zeitlich möglichst schnelle Abtrennung an nicht umgesetzter Komponente a) aus dem Reaktionsgemisch hat sich insbesondere deswegen als vorteilhaft erwiesen, da die Amidierung eine Gleichgewichtsreaktion ist, die in Richtung des Esters verschoben werden kann, wenn das Amin oder der Ammoniak bei erhöhter Temperatur kontinuierlich aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden und der relativ langsamen Reaktion ausreichend Zeit gegeben wird.
Bei der Aufarbeitung des beispielsweise in einer alkoholischen Lösung vorliegenden Aminoalkansäureamids kann daher Rückreaktion in den entsprechenden Ester des im Reaktionsgemisch vorliegenden Alkohol oder der Alkohole eintreten, wenn der Ammoniak oder das eingesetzte Amin bei erhöhter Temperatur aus dem Gemisch entfernt werden. Daher ist es wichtig, die Temperatur bei der Abtrennung so gering wie möglich zu halten und/oder die Verweilzeit des Aminoalkansäureamids (Produkt) in der Ab- trenneinheit (zum Beispiel einer Druckgaskolonne oder einer Destillationskolonne) zu minimieren.
Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Beispiele erläutert werden:
Beispiele:
Autoklavenversuche:
Allgemeines
Das Edukt und der Katalysator werden im Autoklaven vorgelegt und der Inhalt durch Spülen mit Stickstoff inertisiert. Anschließend wird 5 bar Wasserstoff aufgepresst. Die gewünschte Ammoniakmenge wird zudosiert und dann langsam unter Rühren auf die Reaktionstemperatur (80°C) aufgeheizt. Dieser Schritt dauert durchschnittlich 90 min., d.h. die Verweilzeit der Eduktlösung im Kontakt mit Ammoniak beträgt ca. 90 min. Bei Erreichen der Reaktionstemperatur wird auf den in der nachfolgenden Tabelle 1 angegebenen Druck schnell Wasserstoff aufgepresst und über die Versuchszeit druckgeregelt verbrauchter Wasserstoff nachdosiert, bis keine Wasserstoffaufnahme mehr zu verzeichnen ist.
Die Autoklavenversuche werden in einem 2,5 I Autoklaven mit Hohlwellen- Scheibenrührer (Drehzahl ca. 600 U/min), elektrischer Heizung und Mantel- Luftkühlung, 2 Wellenbrechern, Begasung über den Autoklavendeckel und Eintrag des Wasserstoffs über den Hohlwellenrührer durchgeführt. Die Einwaagen für Raney- Katalysatoren werden für 10 % Wasserfeuchte korrigiert, d.h. real wird 10 % mehr wasserfeuchter Katalysator abgewogen als angegeben. Reaktionsausträge werden via Gaschromatographie (GC) analysiert (Bedingungen: 60 m DB1701 ; Innendurchmesser 0,32 mm; Filmdicke 0,25 μm; Detektor: FID; Temperaturprogramm: 80°C → 10 K/min → 280°C, 40 min., Splitverhältnis 100 : 1 , Trägergas Helium) und die Zusammensetzungen in Gew.-% angegeben.
Die Reaktorausbeute wird mittels Gaschromatographie mit internem Standard (LS) bestimmt (LS. Piperidin; die so erhaltene Konzentration im Rohaustrag wird mit der Gesamtmasse des Rohaustrages multipliziert und die so berechnete mit der theoretischen Ausbeute verglichen). Die Ansätze werden sämtlich mit 2-Cyano-2,2- dimethylessigsäuremethylester mit einer Reinheit von > 99,8 % durchgeführt. Als Hauptprodukt wird Aminopivalinsäureamid (3-Amino-2,2-dimethylpropionsäureamid) erhalten. Tabelle 1
Die Beispiele zeigen, dass mit Raney-Nickel und Raney-Cobalt sehr gute Selektivitäten von mindestens 90 % erzielt werden können. Je höher die Ammoniakmenge, je höher die Katalysatorkonzentration und je höher der Wasserstoffdruck, desto besser ist die Selektivität. In Beispiel 8 wird eine Metallbestimmung durchgeführt; es wird 430 ppm Co im Reaktionsaustrag gefunden.
Kontinuierliche Versuche:
Allgemeines
Die Versuchsbeispiele werden in einem 1 I-Reaktor (10 x 2000 mm), ausgestattet mit Zulaufpumpen für Lösungsmittel, Ammoniak und Nitrilester, gefüllt mit 250 ml Stahlringen im unteren und oberen Reaktorteil, mittig mit 500 ml Tabletten (5 x 3 mm) eines Hydrierkatalysators der folgenden Zusammensetzung: 28 % NiO, 28 % CoO, 13 % CuO und 31 % Zrθ2, in Sumpffahrweise durchgeführt. Die Reduktionsprozedur des Katalysators ist wie folgt: Der Reaktor wird in 5 Stunden bei einer Wasserstoffzufuhr von 50 l/h auf 180°C aufgeheizt, dann 20 Stunden mit 50 l/h Wasserstoff bei 180°C gehalten, abgekühlt unter Wasserstoff und mit MeOH gespült, bevor Ammoniak und Edukt sowie Lösungsmittel zugefahren wird. Die Stahlringe im unteren Teil des Reak- tors dienen als Verweilzeitstrecke für die Amidierung. Es wird 1 1 Äquivalente Wasserstoff pro eingesetztes Nitril zugefahren. Die Verweilzeit beträgt somit ca. 10 Minuten.
Beispiel 9
Es werden 503 g/h MeOH und als Nitrilester 2-Cyano-2,2-dimethylessigsäure- methylester (im Gew.-Verhältnis von 1 : 1 ) und 670 g Ammoniak (20 Äquivalente Ammoniak bezogen auf Nitrilester) bei 200 bar und 100°C über den Reaktor gefahren. Die Volumenbelastung beträgt 0,5 kg/l*h. Die Austragsanalyse zeigt (ohne Lösungsmittel berechnet) 99,89 % Aminopivalinsäureamid, 0,03 % Aminopivalinsäuremethylester und 0,08 % Sonstige. Die Verweilzeit beträgt ca. 9,8 Minuten.
Beispiel 10
Es werden 250 g/h Tetrahydrofuran (THF) und 2-Cyano-2,2-dimethylessigsäure- methylester als Nitrilester (im Gew.-Verhältnis von 70 : 30) und 205 g Ammoniak (20 Äquivalente Ammoniak bezogen auf Nitrilester) bei 200 bar und 100°C über den Reaktor gefahren. Die Volumenbelastung beträgt 0,15 kg/l*h. Die Austragsanalyse zeigt (ohne Lösungsmittel berechnet) 33,083 % Aminopivalinsäureamid, 65,68 % Aminopivalinsäuremethylester und 0,49 % Sonstige. Die Verweilzeit beträgt ca. 27 Minuten. Wie man sieht, gelingt es in MeOH als Beispiel für einen einwertigen aliphatischen Alkohol, auch bei einer sehr hohen Volumenbelastung (bezogen auf den Nitrilester ohne Lösungsmittel) von 0,5 kg/l*h in der Ausführungsform, bei der die Amidierung und die Hydrierung des Edukts gleichzeitig stattfindet, den Nitrilester fast vollständig zu amidie- ren (es bleiben 0,03 % Aminopivalinsäuremethylester übrig), während in THF die Amidierung langsamer verläuft. Selbst bei einer niedrigen Volumenbelastung von 0,15 kg/l/h werden trotzdem noch ca. 34 % des Nitrilesters amidiert, so dass ein Gemisch von ca. 66 % des Aminopivalinsäureesters mit dem Aminopivalinsäureamid resultiert. Ersterer wird unter den Reaktionsbedingungen nicht mehr in Amid überführt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Aminoalkansäureamiden durch Umsetzung von einem Cyanalkansäureester bei erhöhtem Druck mit a) mindestens einem mol-
Äquivalent Ammoniak oder einem mol-Äquivalent Amin und b) Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators, wobei gegebenenfalls dabei auftretende Zwischenstufen nicht isoliert werden und die Umsetzung mit Komponente b) gleichzeitig oder nicht später als maximal 100 Minuten nach Beginn der Umsetzung des Cyanalkansäureesters mit Komponente a) gestartet wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung des Cyanalkansäureesters mit den Komponenten a) und b) gleichzeitig gestartet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Cyanalkansäureester zuerst mit Komponente a) und das dabei entstehende Zwischenprodukt direkt mit Komponente b) umgesetzt wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung durch schrittweises Hinzuführen der Komponenten a) und b) durchgeführt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator sowie eine Lösung des Cyanalkansäureesters und der Komponente a) vorgelegt werden, wobei eine Temperatur von maximal 60°C nicht überschritten wird und anschließend unter Wasserstoffzugabe der Druck auf 80 bis 210 bar und die Temperatur auf 80 bis 150°C erhöht wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge des Wasserstoffs bei einem Druck von maximal 10 bar vorgelegt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung des Cyanalkansäureesters mit den Komponenten a) und b) durch Vorschalten einer Verweilzeitstrecke räumlich getrennt voneinander stattfindet.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der Verweilzeitstrecke 20 bis 100°C und die Temperatur bei der Hydrierung 60 bis 150°C beträgt.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass 2-Cyano-2,2-dimethylessigsäuremethylester als Cyanalkansäureester verwendet wird.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Komponente a) Ammoniak verwendet wird.
1 1. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator als Festbettkatalysator vorliegt.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator Nickel, Kobalt, Kupfer und Zirkon enthält.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung in Gegenwart eines Lösungsmittels, insbesondere einem einwertigen aliphatischen Alkohol, durchgeführt wird.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 13, dadurch gekennzeich- net, dass die Umsetzung mit Komponente b) nach einer Verweilzeit von 8 bis 20
Minuten gestartet wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Umsetzung in Gegenwart eines Festbettkatalysators das er- haltene Aminoalkansäureamid durch Kristallisation gereinigt wird.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht umgesetzte Komponente a) im Anschluss an die Umsetzung mit Komponente b) bei einer Temperatur unter 130°C abgetrennt wird.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht umgesetzte Komponente a) im Anschluss an die Umsetzung mit Komponente b) abgetrennt wird, wobei die Abtrennung bei einer geringeren Temperatur als die Temperatur bei der Umsetzung mit Komponente b) erfolgt und/oder der Abtrennungsschritt zeitlich möglichst schnell durchgeführt wird.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung bei einer Temperatur unter 1 10 °C erfolgt und/oder die Abtrennung in maximal 120 Minuten durchgeführt wird.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung in einer separaten Vorrichtung, insbesondere einer Druckgaskolonne oder einer Destillationskolonne erfolgt.
20. Verfahren gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit des Aminoalkansäureamids bei der Abtrennung der zuerst umgesetzten Komponente a) in der separaten Vorrichtung 1 bis 120 Minuten beträgt.
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