EP2744774A1 - Verfahren zur herstellung von alpha-hydroxycarbonsäureestern - Google Patents

Verfahren zur herstellung von alpha-hydroxycarbonsäureestern

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Publication number
EP2744774A1
EP2744774A1 EP12734873.8A EP12734873A EP2744774A1 EP 2744774 A1 EP2744774 A1 EP 2744774A1 EP 12734873 A EP12734873 A EP 12734873A EP 2744774 A1 EP2744774 A1 EP 2744774A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
alpha
hydroxycarboxylic acid
reaction mixture
reactor
reaction
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Withdrawn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
EP12734873.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Köstner
Willi Plösser
Alexander May
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.)
Roehm GmbH Darmstadt
Original Assignee
Evonik Roehm GmbH
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
Application filed by Evonik Roehm GmbH filed Critical Evonik Roehm GmbH
Publication of EP2744774A1 publication Critical patent/EP2744774A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/06—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides from carboxylic acid amides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C67/00—Preparation of carboxylic acid esters
    • C07C67/18—Preparation of carboxylic acid esters by conversion of a group containing nitrogen into an ester group
    • C07C67/20—Preparation of carboxylic acid esters by conversion of a group containing nitrogen into an ester group from amides or lactams

Definitions

  • the present invention relates to processes for the preparation of alpha-hydroxycarboxylic acid esters.
  • Alpha-hydroxycarboxylic acid esters are valuable intermediates in the large-scale synthesis of acrylic acid esters and methacrylic acid esters, hereinafter referred to as
  • Alkyl (meth) acrylates called. Alkyl (meth) acrylates are used in large quantities for the preparation of polymers, such as polymethyl methacrylate.
  • methacrylic acid esters such as, for example, methyl methacrylate
  • HIBSM 2-hydroxyisobutyric acid methyl ester
  • document DE-A-25 28 524 describes processes for the preparation of alpha-hydroxycarboxylic acid esters.
  • various catalysts are used, which include, inter alia, lanthanum compounds.
  • a generic method is known from EP 0 945 423.
  • a process for producing alpha-hydroxycarboxylic acid esters which comprises the steps of reacting an alpha-hydroxycarboxylic acid amide and an alcohol in the presence of a catalyst in a liquid phase while maintaining the ammonia concentration in the reaction solution at 0.1 Wt .-% or less holds.
  • the ammonia formed is removed as completely as possible from the reaction solution.
  • the reaction solution is heated to boiling and / or a strip gas, i. an inert gas bubbled through the reaction solution.
  • Another object of the invention was to provide a process in which the alpha-hydroxycarboxylic acid esters can be obtained very selectively.
  • the present invention accordingly provides a continuous process for the preparation of alpha-hydroxycarboxylic acid esters, wherein at least one alpha-hydroxycarboxylic acid amide present in the liquid phase is reacted with an alcohol in the presence of a catalyst characterized in that the obtained alpha-hydroxycarboxylic acid ester is at least partially separated from the reaction mixture via the gas phase.
  • the inventive method can be carried out inexpensively, in particular with low energy consumption.
  • the catalysts used for the alcoholysis of alpha-hydroxycarboxamide can be used over a long period of time, without the selectivity or the activity decreases.
  • the catalysts have a long service life.
  • the formation of by-products is unusually low.
  • high conversions are achieved.
  • the process of the present invention also has an extremely low tendency to form by-products. Furthermore, to carry out the present method, no complex systems are required, which are associated with very high investment and maintenance costs.
  • the alpha-hydroxycarboxylic acid esters are obtained in high yields and purities.
  • alpha-hydroxycarboxylic acid esters are prepared by the reaction between the reactants alpha-hydroxycarboxamide and alcohol in the presence of a catalyst.
  • a catalyst To the alphabetic used in the reaction of the invention
  • Hydroxycarboxylic acid amides usually belong to all of them
  • Carboxylic acid amides which have at least one hydroxyl group in the alpha position to the carboxylic acid amide group.
  • Carboxylic acid amides are well known in the art. Commonly included herein are compounds having groups of the formula - CONR'R "-, wherein R 'and R" independently represent hydrogen or a group having 1-30 carbon atoms, especially 1-20, preferably 1-10 and especially 1-5
  • the carboxylic acid amide may comprise 1, 2, 3, 4 or more groups of the formula - CONR'R" -.
  • groups of the formula - CONR'R" - include, in particular, compounds of the formula R (-CONR'R ") n , in which the radical R represents a group having 1 to 30 carbon atoms, in particular 1 to 20, preferably 1 to 10, in particular 1 to 5 and particularly preferably 2 to 3 Carbon atoms, R 'and R "has the abovementioned meaning and n represents an integer in the range of 1-10, preferably 1-4, and more preferably 1 or 2.
  • the term "1 to 30 carbon atoms” denotes residues of organic compounds having 1 to 30 carbon atoms. It includes not only aromatic and heteroaromatic groups but also aliphatic and
  • heteroaliphatic groups such as alkyl, cycloalkyl, alkoxy,
  • Cycloalkoxy, cycloalkylthio and alkenyl groups are branched or unbranched.
  • aromatic groups are radicals of mononuclear or polynuclear aromatic compounds having preferably 6 to 20, in particular 6 to 12, carbon atoms.
  • Heteroaromatic groups denote aryl radicals in which at least one CH group has been replaced by N and / or at least two adjacent CH groups have been replaced by S, NH or O.
  • Aromatic or heteroaromatic groups which are preferred according to the invention are derived from benzene, naphthalene, biphenyl, diphenyl ether, diphenylmethane,
  • Dibenzothiophene carbazole, pyridine, bipyridine, pyrazine, pyrazole, pyrimidine, pyridazine, 1, 3,5-triazine, 1, 2,4-triazine, 1, 2,4,5-triazine, tetrazine, quinoline, isoquinoline, quinoxaline, Quinazoline, cinnoline, 1,8-naphthyridine, 1,5-naphthyridine, 1,6-naphthyridine, 1,7-naphthyridine, phthalazine, pyridopyrimidine, purine, pteridine or quinolizine, 4H-quinolizine, diphenyl ether, anthracene, benzopyrrole, benzooxathiadiazole,
  • Benzooxadiazole benzopyridine, benzopyrazine, benzopyrazidine, benzopyrimidine,
  • Benzotriazine indolizine, pyridopyridine, imidazopyrimidine, pyrazinopyrimidine, carbazole, aciridine, phenazine, benzoquinoline, phenoxazine, phenothiazine, acridizine, Benzopteridin, phenanthroline and phenanthrene, which may optionally be substituted.
  • the preferred alkyl groups include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, 1-butyl, 2-butyl, 2-methylpropyl, tert-butyl, pentyl, 2-methylbutyl, 1, 1 -
  • the preferred cycloalkyl groups include the cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl and cyclooctyl groups, which
  • the preferred alkenyl groups include the vinyl, allyl, 2-methyl-2-propene, 2-butenyl, 2-pentenyl, 2-decenyl and 2-eicosenyl groups.
  • Preferred heteroaliphatic groups include those listed above
  • said preferred alkyl and cycloalkyl radicals in which at least one carbon unit is replaced by O, S or a group NR 8 or NR 8 R 9 and R 8 and R 9 are independently an alkyl 1-6 carbon atoms, a 1-6 Carbon atoms having alkoxy or an aryl group.
  • the carboxylic acid amides have branched or unbranched alkyl or alkoxy groups having 1 to 20
  • Carbon atoms preferably 1 to 12, suitably 1 to 6,
  • the radical R may have substituents.
  • substituents include halogens, in particular fluorine, chlorine, bromine, and alkoxy or hydroxy radicals.
  • the alpha-hydroxycarboxamides can be used in the process of the invention individually or as a mixture of two or three or more different alpha-hydroxycarboxamides.
  • Particularly preferred alpha-hydroxycarboxylic acid amides include alpha-hydroxyisobutyric acid amide and / or alpha-hydroxyisopropionic acid amide.
  • alpha-hydroxycarboxamides which are obtainable by cyanohydrin synthesis from ketones or aldehydes and hydrogen cyanide.
  • the carbonyl compound for example a ketone, in particular acetone, or an aldehyde, for example acetaldehyde,
  • This reaction is typically carried out in the presence of a catalyst.
  • a catalyst particularly suitable for this purpose are manganese oxide catalysts, such as these
  • the manganese oxide can be used in the form of manganese dioxide, which by treatment of manganese sulfate with potassium permanganate under acidic conditions (see Biochem.J., 50 p 43 (1951) and J. Chem. Soc., 1953, p 2189, 1953) or by electrolytic oxidation of manganese sulfate in aqueous solution.
  • the catalyst is often used in the form of powder or granules with a suitable grain size.
  • Catalyst are applied to a support.
  • so-called slurry reactors or fixed-bed reactors can also be used here, which can also be operated as a trickle bed and are described inter alia in EP-A-956 898.
  • the hydrolysis reaction by enzymes can also be used here, which can also be operated as a trickle bed and are described inter alia in EP-A-956 898.
  • Suitable enzymes include, among others
  • Suitable alcohols which can be used in the process of the invention include all alcohols known to the person skilled in the art as well as precursor compounds of alcohols which under the stated conditions of pressure and temperature are capable of reacting with the alpha-hydroxycarboxamides in the manner of an alcoholysis.
  • the reaction of the ⁇ -hydroxycarboxylic acid amide is preferably carried out by alcoholysis with an alcohol which preferably comprises 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms.
  • Preferred alcohols are i.a.
  • Methanol and / or ethanol is particularly preferred as the alcohol, with methanol being particularly useful.
  • the use of precursors of an alcohol is possible in principle. For example, alkyl formates can be used.
  • methyl formate or a mixture of methanol and carbon monoxide are suitable.
  • hydroxyisobutyric acid amide is used as the alpha-hydroxycarboxylic acid amide and methanol is used as the alcohol.
  • the reaction according to the invention takes place in the presence of a catalyst.
  • a catalyst include homogeneous catalysts as well as heterogeneous catalysts.
  • the reaction can be accelerated, for example, by basic catalysts.
  • lanthanoid compounds are used as catalysts.
  • Lanthanoid compounds denote compounds of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Td, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and / or Lu.
  • a lanthanoid compound is used which comprises lanthanum.
  • Preferred lanthanoid compounds are salts which are preferably present in the oxidation state 3.
  • Particularly preferred water-resistant lanthanoid compounds are La (NOs) 3 and / or LaCb. These compounds can be added as salts of the reaction mixture or formed in situ.
  • homogeneous catalysts which can be successfully used in the present invention include alkali metal alcoholates and organometallic compounds of titanium, tin and aluminum.
  • a titanal is koholate or
  • Tin alcoholate such as Titantetraisopropyloxid or Zinntetrabutyloxid used.
  • a particular process variant involves using as catalyst a soluble metal complex containing titanium and / or tin and the alpha-hydroxycarboxylic acid amide.
  • the catalyst used is a metal trifluoromethanesulfonate.
  • the metal is selected from the group consisting of the elements in the groups 1, 2, 3, 4, 1 1, 12, 13 and 14 of the Periodic Table.
  • preference is given to using those metal trifluoromethanesulfonates in which the metal has one or more
  • heterogeneous catalysts include, inter alia, magnesium oxide, calcium oxide and basic ion exchangers and the like.
  • the catalyst is an insoluble metal oxide which comprises at least one selected from among Sb, Sc, V, La, Ce, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Tc, Re, Fe, Co, Ni, Cu, Al, Si, Sn, Pb and Bi
  • the catalyst used is an insoluble metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, In, Bi and Te.
  • the preferred heterogeneous catalysts include in particular
  • ammonia liberated in preferred variants of the process of the present invention can easily be made into a
  • ammonia can be converted to hydrocyanic acid with methanol.
  • the hydrocyanic acid can be obtained from ammonia and methane according to the BMA or Andrussow process, these processes being described in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 5th edition on CD-ROM, keyword "Inorganic Cyano Compounds.”
  • the ammonia an ammoxidation process, such as the large-scale synthesis of acrylonitrile from ammonia, oxygen and propene to be led back.
  • the Acrylnitrilsynthese is under the keyword Sohio process in Indsutrial Organic Chemistry by K. Weisermehl and H.-J. Arpe on page 307 ff.
  • the resulting alpha-hydroxycarboxylic acid ester is at least partially separated from the reaction mixture via the gas phase.
  • the process preferably at least 60 wt .-%, especially at least 80 wt .-%, more preferably at least 90 wt .-% and most preferably at least 95 wt .-% of the obtained alpha-hydroxycarboxylic acid from the reaction mixture
  • the process is preferably carried out in such a way that the highest possible proportion of the product is converted into the gas phase. This goal can be achieved in particular by the choice of the reactor, by the choice of the pressure and the temperature and the gas volume in the operation of the reactor, in particular in relation to the total volume or the liquid volume.
  • the process according to the invention is carried out continuously. Continuous processes are characterized by the fact that all educts are permanently introduced into the reactor and all products are discharged from the reactor, so that the reaction can be carried out over an indefinite period of time. Disregarded are interruptions due to maintenance or
  • the reaction may be carried out so that the alpha-hydroxycarboxylic acid ester is separated from the liberated nitrogen-containing compound from the reaction mixture in a separate step.
  • the molar ratio of alpha-hydroxycarboxylic acid ester to alpha-hydroxycarboxamide in the liquid phase of the reaction mixture is less than 1, more preferably less than 0.8, and most preferably less than 0.1.
  • reactors for carrying out the present process are not limited. Preferably, however, such reactors are used, in the larger amounts of gas can be introduced or discharged. To be favoured
  • multiphase reactors can be used in which a gas is introduced in countercurrent to the liquid phase.
  • reactors include reactors based on fumigated stirred tanks or cascades.
  • a gas can be passed in countercurrent to the liquid through a tray column or packed column, this arrangement being suitable for carrying out the present method.
  • the alcohol may be introduced into the reaction mixture in cocurrent. This may preferably be carried out in a reactor in which the alcohol is fed as a gas in cocurrent.
  • Particularly suitable reactors include trickle bed reactors,
  • Bubble column reactors, jet scrubbers and falling film reactors wherein
  • trickle bed reactors By trickle bed reactors is generally understood reactors which are usually, but not necessarily, operated in cocurrent of gas and liquid via interface-generating internals or beds. Riesel bed reactors are characterized by a narrow residence time distribution for gas and liquid phase. Trickle bed reactors can be used as fixed bed columns or packed columns
  • Fallfilmreaktoren allow a simple and effective zoneszu- or -abbow, which is particularly in reactions with strong heat of reaction or at
  • Phase transition of a reactant or product proves to be advantageous.
  • reactors are characterized by a gas fraction which is preferably at least 50% by volume, particularly preferably at least 60% by volume.
  • the quotient of mass transfer area of the reactor, via which the alpha-hydroxycarboxylic acid ester is converted into the gas phase, to the reactor volume may preferably be at least 100 m -1 , more preferably at least 500 m -1 .
  • the generation of gas-liquid interfaces in multiphase reactors can be done in different ways depending on the type of reactor. In addition to the entry of energy in the form of kinetic energy or pressure energy is in particular the Use of structured installations expedient. Structured internals include fillers, such as Raschig rings, Interpak or structured packings such as Mellapak, etc., up to Katapak or, expediently, a heterogeneous one
  • the remaining after the reaction with the alcohol and the separation of the alpha-hydroxycarboxylic acid liquid may contain alpha-hydroxycarboxylic acid amide.
  • This remaining educt can be worked up according to customary purification methods.
  • customary purification methods are processes in which the alpha-hydroxycarboxylic acid amide is circulated in the reactor.
  • by-products with a high boiling point from the circulation via an evaporator for example, be separated via a thin-film evaporator.
  • the vapor phase removed from the reactor may contain unreacted alcohol in addition to the products.
  • customary purification processes especially distillative processes, the recycling of the unreacted alcohol, either in liquid or vapor form, is of particular interest.
  • the reaction is preferably carried out at a temperature in the range of 50-300 ° C, more preferably in the range of 150 to 200 ° C.
  • the pressure at which the reaction takes place is not critical per se. Because the
  • boiling temperature of the alpha-hydroxycarboxylic acid ester is dependent on the same and the alpha-hydroxycarboxylic ester is to be converted into the gas phase, the pressure as a function of the temperature must be selected, with low temperatures cause relatively low pressures.
  • the reaction can be carried out at a pressure in the range of 0.01 to 20 bar, more preferably in the range of 0.1 to 10 bar. By the above measures, the reaction can be carried out at relatively low temperatures and pressures, with particularly high
  • This type of reaction is particularly advantageous in terms of energy consumption per resulting mole of purified alpha-hydroxycarboxylic acid ester and ammonia. Essentially determined is the
  • the catalyst used was La (NO 3 ) x 6H 2 O with a concentration of 2% by weight in the liquid phase.
  • the temperature of the liquid circulation was 180 ° C, the pressure in the reactor was set to 800 mbar.
  • the vapor phase was completely and continuously condensed and the composition was determined by gas chromatography and titration.
  • the methanol-based selectivity to alpha-hydroxyisobutyrate was 99.8%, the
  • Ammonia concentration in the condensate was 4.8 wt .-%.
  • the degree of conversion of methanol was averaged over the experimental period 12%.
  • Example 1 The trickle bed reactor used in Example 1 was modified such that, instead of random packings, a heterogeneous contact based on ZrO 2 (3 mm pellets) was used
  • Catalyst was used. Over a period of 48 hours, vaporous methanol and alpha-hydroxyisobutyric acid amide fed as a melt were reacted. The temperature of the liquid circulation was 170 ° C, the pressure in the reactor was set to 800 mbar. The vapor phase was completely and continuously condensed and the composition was determined by gas chromatography and titration. The methanol-based selectivity to methyl ⁇ -hydroxyisobutyrate was 99.85%, the ammonia concentration in the condensate was 4.83 wt .-%. The average conversion of methanol was 13%.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von alpha-Hydroxycarbonsäureestern, wobei mindestens ein alpha-Hydroxycarbonsäureamid, welches in flüssiger Phase vorliegt, mit einem Alkohol in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der erhaltene alpha-Hydroxycarbonsäureester zumindest teilweise aus der Reaktionsmischung über die Gasphase abgetrennt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung von Alpha-Hydroxycarbonsäureestern
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von alpha- Hydroxycarbonsäureestern.
Alpha-Hydroxycarbonsäureester sind wertvolle Intermediate bei der großtechnischen Synthese von Acrylsäureestern und Methacrylsäureestern, nachfolgend als
Alkyl(meth)acrylate bezeichnet. Alkyl(meth)acrylate werden in großen Mengen zur Herstellung von Polymeren, wie zum Beispiel Polymethylmethacrylat eingesetzt.
Eine Übersicht über die gängigen Verfahren zur Herstellung von
(Meth)acrylsäureestern findet sich in der Literatur wie Weissermel, Arpe„Industrielle organische Chemie", VCH, Weinheim 1994, 4. Auflage, S.305 ff oder Kirk Othmer „Encyclopedia of Chemical Technology", 3. Ausgabe, Vol. 15, Seite 357.
Wird die Synthese von Methacrylsäureestern, wie beispielsweise Methylmethacrylat angestrebt, ist als alpha-Hydroxycarbonsäureester der 2-Hydroxyisobuttersäure- methylester (= HIBSM) ein zentrales Intermediat für dessen Herstellung.
Die Herstellung von alpha-Hydroxycarbonsäureester über die Umsetzung eines Alkohols mit einem alpha-Hydroxycarbonsäureamid wird beispielhaft in der
Druckschrift DE-A-24 54 497 dargelegt. Diese Druckschrift beschreibt die
Verwendung von Bleiverbindungen, um die Umsetzung zu katalysieren. Hierbei werden auch kontinuierliche Verfahren erwähnt, ohne jedoch eine technische Lösung zur Verfügung zu stellen, bei der die Produkte mit einer hohen Effizienz erhalten werden.
Darüber hinaus beschreibt das Dokument DE-A-25 28 524 Verfahren zur Herstellung von alpha-Hydroxycarbonsäureestern. Hierbei werden verschiedene Katalysatoren eingesetzt, die unter anderem Lanthanverbindungen umfassen. Zwar wird auch in DE-A-25 28 524 erwähnt, dass die beschriebenen Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden können, jedoch wird auch in dieser Druckschrift keine
befriedigende Lösung der hierbei auftretenden Probleme zur Verfügung gestellt.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der EP 0 945 423 bekannt. Hier wird ein Verfahren zur Herstellung von alpha-Hydroxycarbonsäureestern offenbart, welches die Schritte umfasst, dass man ein alpha-Hydroxycarbonsäureamid und einen Alkohol in Gegenwart eines Katalysators in einer flüssigen Phase miteinander zur Umsetzung bringt, während man die Ammoniakkonzentration in der Reaktionslösung bei 0,1 Gew.-% oder weniger hält.
Aus diesem Grund wird entstehendes Ammoniak möglichst vollständig aus der Reaktionslösung entfernt. Hierzu wird die Reaktionslösung bis zum Sieden erhitzt und/oder es wird ein Strip-Gas, d.h. ein inertes Gas, durch die Reaktionslösung hindurchgeperlt.
Die Nachteile des in EP 0 945 423 offenbarten Verfahrens zur Darstellung von alpha- Hydroxycarbonsäureestern durch Alkoholyse entsprechender alpha- Hydroxycarbonsäureamide lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
i. Das einfache Abdestillieren des Ammoniak bei Bedingungen gemäß einer in der EP 0 945 423 aufgezeigten Verfahrensvariante ist wenig effektiv. Zur
Verwirklichung dieses Vorschlags bedarf es einer äußerst wirksamen
Trennkolonne und damit eines besonderen technischen Aufwands.
ii. Wird zusätzlich oder ausschließlich ein inertes Strip-Gas verwendet wird zwar die Effektivität der Ammoniakentfernung verbessert, allerdings zu Lasten einer weiteren Prozesskomponente, deren Handling einen zusätzlichen Aufwand bedeutet.
iii. Werden alpha-Hydroxisobuttersäureamid und Methanol als Edukte eingesetzt, lassen sich unter den in der EP 0 945 423 aufgezeigten Bedingungen entstehendes Ammoniak und Rest-Methanol nur sehr schwer voneinander abtrennen. Der fast immer notwendige Einsatz eines inerten Gases zur Ammoniakentfernung und das damit verbundene zusätzliche Handling eines weiteren Stoffstromes
(Trennung Stripgas/Ammoniak) machen die vorgeschlagene Verfahrensweise wirtschaftlich relativ uninteressant, so dass dieses Verfahren bislang technisch nicht umgesetzt wurde.
Ein gegenüber den zuvor dargelegten Methoden verbessertes Verfahren wird in der Druckschrift DE-A-10 2007 01 1706 beschrieben. Gemäß diesem Verfahren wird die Umsetzung des alpha-Hydroxisobuttersäureamids mit Methanol bei einem relativ hohen Druck durchgeführt, wobei der erhaltene 2-Hydroxyisobuttersäuremethylester ggf. zusammen mit Resten des eingesetzten alpha-Hydroxisobuttersäureamids aus dem Reaktor ausgeleitet wird. Obwohl dieses Verfahren gegenüber den zuvor bekannten Methoden wesentlich kostengünstiger durchgeführt werden kann und die Produkte mit sehr hohen Selektivitäten erhalten werden, besteht das dauerhafte Bedürfnis ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von alpha- Hydroxycarbonsäureestern bereitzustellen.
In Anbetracht des Standes der Technik war es nun Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, Verfahren zur Herstellung von alpha-Hydroxycarbonsäurestern zur Verfügung zu stellen, die energie- und ressourcenschonend und damit einfach und kostengünstig durchgeführt werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die alpha-Hydroxycarbonsäureester sehr selektiv erhalten werden können.
Darüber hinaus war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von alpha-Hydroxycarbonsäureestern zur Verfügung zu stellen, bei dem keine Nebenprodukte oder nur geringe Mengen an Nebenprodukten erzeugt werden. Hierbei sollte das Produkt möglichst in hohen Ausbeuten und, insgesamt gesehen, unter geringem Energieverbrauch erhalten werden. Ferner bestand eine Aufgabe darin, Verfahren zu schaffen, welche mit Anlagen durchgeführt werden können, die einen geringeren Investitions- und
Wartungsaufwand erfordern, als die Anlagen, die zur Durchführung der in DE-A- 10 2007 01 1706 beschriebenen Verfahren notwendig sind.
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne Weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Zweckmäßige Abwandlungen der erfindungsgemäßen Verfahren werden in den auf Anspruch 1 rückbezogenen abhängigen Ansprüchen unter Schutz gestellt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von alpha-Hydroxycarbonsäureestern, wobei mindestens ein alpha-Hydroxycarbonsäureamid, welches in flüssiger Phase vorliegt, mit einem Alkohol in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der erhaltene alpha-Hydroxycarbonsäureester zumindest teilweise aus der Reaktionsmischung über die Gasphase abgetrennt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann kostengünstig, insbesondere bei geringem Energiebedarf durchgeführt werden. Hierbei können die zur Alkoholyse des alpha- Hydroxycarbonsäureamids verwendeten Katalysatoren über einen langen Zeitraum eingesetzt werden, ohne dass die Selektivität oder die Aktivität abnimmt. Insofern besitzen die Katalysatoren eine hohe Standzeit. Hierbei ist die Bildung von Nebenprodukten ungewöhnlich gering. Des Weiteren werden, insbesondere unter Berücksichtigung der hohen Selektivität, hohe Umsätze erzielt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung weist außerdem eine äußerst geringe Neigung zur Bildung von Nebenprodukten auf. Weiterhin werden zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens keine aufwendigen Anlagen benötigt, die mit sehr hohen Investitions- und Unterhaltungskosten verbunden sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die alpha-Hydroxycarbonsäureester in hohen Ausbeuten und Reinheiten erhalten.
Schließlich kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft großtechnisch durchgeführt werden.
Beim Verfahren der Erfindung werden alpha-Hydroxycarbonsäureester durch die Umsetzung zwischen den Edukten alpha-Hydroxycarbonsäureamid und Alkohol in Gegenwart eines Katalysators hergestellt. Zu den in der Reaktion der Erfindung einsetzbaren alpha-
Hydroxycarbonsäureamiden gehören üblicherweise all diejenigen
Carbonsäureamide, die in alpha-Stellung zur Carbonsäureamidgruppe wenigstens eine Hydroxygruppe aufweisen. Carbonsäureamide wiederum sind in der Fachwelt allgemein bekannt. Üblicherweise werden hierunter Verbindungen mit Gruppen der Formel - CONR'R" - , worin R' und R" unabhängig Wasserstoff oder eine 1 -30 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe darstellt, die insbesondere 1 -20, bevorzugt 1 -10 und insbesondere 1 -5
Kohlenstoffatome umfasst, wobei Amide mit R' und R" gleich Wasserstoff besonders bevorzugt sind. Das Carbonsäureamid kann 1 , 2, 3, 4 oder mehr Gruppen der Formel - CONR'R" - umfassen. Hierzu gehören insbesondere Verbindungen der Formel R(-CONR'R")n, worin der Rest R eine 1 -30 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe darstellt, die insbesondere 1 -20, bevorzugt 1 -10, insbesondere 1 -5 und besonders bevorzugt 2-3 Kohlenstoffatome umfasst, R' und R" die zuvor genannte Bedeutung hat und n eine ganze Zahl im Bereich von 1 -10, vorzugsweise 1 -4 und besonders bevorzugt 1 oder 2 darstellt. Der Ausdruck "1 bis 30 Kohlenstoffatome aufweisende Gruppe" kennzeichnet Reste organischer Verbindungen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen. Er umfasst neben aromatischen und heteroaromatischen Gruppen auch aliphatische und
heteroaliphatische Gruppen, wie beispielsweise Alkyl-, Cycloalkyl-, Alkoxy-,
Cycloalkoxy-, Cycloalkylthio- und Alkenylgruppen. Dabei können die genannten Gruppen verzweigt oder nicht verzweigt sein.
Erfindungsgemäß bezeichnen aromatische Gruppen Reste ein oder mehrkerniger aromatischer Verbindungen mit vorzugsweise 6 bis 20, insbesondere 6 bis 12 C- Atomen.
Heteroaromatische Gruppen kennzeichnen Arylreste, worin mindestens eine CH- Gruppe durch N ersetzt ist und/oder mindestens zwei benachbarte CH-Gruppen durch S, NH oder O ersetzt sind.
Erfindungsgemäß bevorzugte aromatische oder heteroaromatische Gruppen leiten sich von Benzol, Naphthalin, Biphenyl, Diphenylether, Diphenylmethan,
Diphenyldimethylmethan, Bisphenon, Diphenylsulfon, Thiophen, Furan, Pyrrol, Thiazol, Oxazol, Imidazol, Isothiazol, Isoxazol, Pyrazol, 1 ,3,4-Oxadiazol, 2,5- Diphenyl-1 ,3,4-oxadiazol, 1 ,3,4-Thiadiazol, 1 ,3,4-Triazol, 2,5-Diphenyl-1 ,3,4-triazol, 1 ,2,5-Triphenyl-1 ,3,4-triazol, 1 ,2,4-Oxadiazol, 1 ,2,4-Thiadiazol, 1 ,2,4-Triazol, 1 ,2,3- Triazol, 1 ,2,3,4-Tetrazol, Benzo[b]thiophen, Benzo[b]furan, Indol, Benzo[c]thiophen, Benzo[c]furan, Isoindol, Benzoxazol, Benzothiazol, Benzimidazol, Benzisoxazol, Benzisothiazol, Benzopyrazol, Benzothiadiazol, Benzotriazol, Dibenzofuran,
Dibenzothiophen, Carbazol, Pyridin, Bipyridin, Pyrazin, Pyrazol, Pyrimidin, Pyridazin, 1 ,3,5-Triazin, 1 ,2,4-Triazin, 1 ,2,4,5-Triazin, Tetrazin, Chinolin, Isochinolin, Chinoxalin, Chinazolin, Cinnolin, 1 ,8-Naphthyridin, 1 ,5-Naphthyridin, 1 ,6-Naphthyridin, 1 ,7- Naphthyridin, Phthalazin, Pyridopyrimidin, Purin, Pteridin oder Chinolizin, 4H- Chinolizin, Diphenylether, Anthracen, Benzopyrrol, Benzooxathiadiazol,
Benzooxadiazol, Benzopyridin, Benzopyrazin, Benzopyrazidin, Benzopyrimidin,
Benzotriazin, Indolizin, Pyridopyridin, Imidazopyrimidin, Pyrazinopyrimidin, Carbazol, Aciridin, Phenazin, Benzochinolin, Phenoxazin, Phenothiazin, Acridizin, Benzopteridin, Phenanthrolin und Phenanthren ab, die gegebenenfalls auch substituiert sein können.
Zu den bevorzugten Alkylgruppen gehören die Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Isopropyl-, 1 - Butyl-, 2-Butyl-, 2-Methylpropyl-, tert.-Butyl-, Pentyl-, 2-Methylbutyl-, 1 ,1 -
Dimethylpropyl-, Hexyl-, Heptyl-, Octyl-, 1 ,1 ,3,3-Tetramethylbutyl, Nonyl-, 1 -Decyl-, 2- Decyl-, Undecyl-, Dodecyl-, Pentadecyl- und die Eicosyl-Gruppe.
Zu den bevorzugten Cycloalkylgruppen gehören die Cyclopropyl-, Cyclobutyl-, Cyclopentyl-, Cyclohexyl-, Cycloheptyl- und die Cyclooctyl-Gruppe, die
gegebenenfalls mit verzweigten oder nicht verzweigten Alkylgruppen substituiert sind.
Zu den bevorzugten Alkenylgruppen gehören die Vinyl-, Allyl-, 2-Methyl-2-propen-, 2- Butenyl-, 2-Pentenyl-, 2-Decenyl- und die 2-Eicosenyl-Gruppe.
Zu den bevorzugten heteroaliphatischen Gruppen gehören die vorstehend
genannten bevorzugten Alkyl- und Cycloalkylreste, in denen mindestens eine Kohlenstoff-Einheit durch O, S oder eine Gruppe NR8 oder NR8R9 ersetzt ist und R8 und R9 unabhängig eine 1 bis 6 Kohlenstoffatome aufweisende Alkyl-, eine 1 bis 6 Kohlenstoffatome aufweisende Alkoxy- oder eine Arylgruppe bedeutet.
Erfindungsgemäß ganz besonders bevorzugt weisen die Carbonsäureamide verzweigte oder nicht verzweigte Alkyl-, oder Alkoxygruppen mit 1 bis 20
Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 12, zweckmäßigerweise 1 bis 6,
insbesondere 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und Cycloalkyl- bzw. Cycloalkyloxygruppen mit 3 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 5 bis 6 Kohlenstoffatomen auf.
Der Rest R kann Substituenten aufweisen. Zu den bevorzugten Substituenten gehören u.a. Halogene, insbesondere Fluor, Chlor, Brom, sowie Alkoxy- oder Hydroxyreste. Die alpha-Hydroxycarbonsäureamide können beim Verfahren der Erfindung einzeln oder als Mischung von zwei oder drei oder mehreren unterschiedlichen alpha- Hydroxycarbonsäureamiden eingesetzt werden. Zu besonders bevorzugten alpha- Hydroxycarbonsäureamiden gehören alpha-Hydroxyisobuttersäureamid und/oder alpha-Hydroxyisopropionsäureamid.
Weiterhin ist es in einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens von besonderem Interesse solche alpha-Hydroxycarbonsäureamide einzusetzen, die durch Cyanhydrinsynthese aus Ketonen oder Aldehyden und Blausäure zugänglich sind. In einem ersten Schritt wird hierbei die Carbonylverbindung, beispielsweise ein Keton, insbesondere Aceton, oder ein Aldehyd, beispielsweise Acetaldehyd,
Propanal, Butanal, mit Blausäure zum jeweiligen Cyanhydrin umgesetzt. Besonders bevorzugt wird hierbei Aceton und/oder Acetaldehyd auf typische Weise unter Verwendung einer geringen Menge an Alkali oder eines Amins als Katalysator umgesetzt. In einem weiteren Schritt wird das so erhaltene Cyanhydrin mit Wasser zum alpha-Hydroxycarbonsäureamid umgesetzt.
Diese Umsetzung wird typischerweise in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt. Hierfür geeignet sind insbesondere Manganoxidkatalysatoren, wie diese
beispielsweise in EP-A-0945429, EP-A-0561614 sowie EP-A-0545697 beschrieben sind. Hierbei kann das Manganoxid in Form von Mangandioxid eingesetzt werden, welches durch Behandlung von Mangansulfat mit Kaliumpermanganat unter sauren Bedingungen (vgl. Biochem.J., 50 S. 43 (1951 ) und J.Chem.Soc., 1953, S. 2189, 1953) oder durch elektrolytische Oxidation von Mangansulfat in wässriger Lösung erhalten wird. Im Allgemeinen wird der Katalysator vielfach in Form von Pulver oder Granulat mit einer geeigneten Korngröße eingesetzt. Des Weiteren kann der
Katalysator auf einen Träger aufgebracht werden. Hierbei können insbesondere auch sogenannte Slurry-Reaktoren oder Festbett-Reaktoren eingesetzt werden, die auch als Rieselbett betrieben werden können und unter anderem in EP-A-956 898 beschrieben sind. Des Weiteren kann die Hydrolysereaktion durch Enzyme
katalysiert werden. Zu den geeigneten Enzymen gehören unter anderem
Nitrilhydratasen. Diese Reaktion ist beispielhaft in "Screening, Characterization and Application of Cyanide-resistant Nitrile Hydratases" Eng. Life. Sei. 2004, 4, No. 6 beschrieben. Darüber hinaus kann die Hydrolysereaktion durch Säuren,
insbesondere Schwefelsäure katalysiert werden. Dies wird unter anderem in JP Hei 4- 193845 dargelegt.
Weiterhin sind die zuvor dargelegten Verfahren zur Herstellung von alpha- Hydroxycarbonsäureamiden unter anderem in WO 2009/130075 A2 dargelegt, wobei die in dieser Druckschrift dargelegten Verfahren zu Offenbarungszwecken durch Referenz in die vorliegende Anmeldung eingefügt werden.
Zu den bei Verfahren der Erfindung mit Erfolg einsetzbaren Alkoholen gehören alle dem Fachmann geläufigen Alkohole sowie Vorläuferverbindungen von Alkoholen, die unter den angegebenen Bedingungen von Druck und Temperatur in der Lage sind, mit den alpha-Hydroxycarbonsäureamiden im Sinne einer AI koholyse zu reagieren. Bevorzugt erfolgt die Umsetzung des α-Hydroxycarbonsäureamid durch Alkoholyse mit einem Alkohol, der vorzugsweise 1 -10 Kohlenstoffatome, besonders bevorzugt 1 bis 5 Kohlenstoffatome umfasst. Bevorzugte Alkohole sind u.a. Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, insbesondere n-Butanol und 2-Methyl-1 -propanol, Pentanol, Hexanol, Heptanol, 2-Ethylhexanol, Octanol, Nonanol und Decanol. Besonders bevorzugt wird als Alkohol Methanol und / oder Ethanol eingesetzt, wobei Methanol ganz besonders zweckmäßig ist. Auch der Einsatz von Vorstufen eines Alkohols ist prinzipiell möglich. So können beispielsweise Alkylformiate eingesetzt werden.
Insbesondere eignen sich Methylformiat oder eine Mischung von Methanol und Kohlenmonoxid.
Des Weiteren sind Verfahren bevorzugt, die dadurch gekennzeichnet sind, dass man als alpha-Hydroxycarbonsäureamid Hydroxyisobuttersäureamid und als Alkohol Methanol einsetzt. Die Umsetzung gemäß der Erfindung findet in Gegenwart eines Katalysators statt. Diese umfassen homogene Katalysatoren sowie heterogene Katalysatoren. Die Reaktion kann beispielsweise durch basische Katalysatoren beschleunigt werden. Von ganz besonderem Interesse für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Katalysatoren Lanthanoidverbindungen. Lanthanoidverbindungen bezeichnen Verbindungen von La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Td, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und/oder Lu. Bevorzugt wird eine Lanthanoidverbindung eingesetzt, die Lanthan umfasst.
Bevorzugte Lanthanoidverbindungen stellen Salze dar, die vorzugsweise in der Oxidationsstufe 3 vorliegen.
Besonders bevorzugte wasserbeständige Lanthanoidverbindungen sind La (NOs) 3 und/oder LaCb. Diese Verbindungen können als Salze der Reaktionsmischung zugegeben werden oder in situ gebildet werden.
Zu weiteren bei der vorliegenden Erfindung erfolgreich anwendbaren homogenen Katalysatoren gehören Alkalimetallalkoholate und organometallische Verbindungen von Titan, Zinn und Aluminium. Vorzugsweise wird ein Titanal koholat oder
Zinnalkoholat, wie beispielsweise Titantetraisopropyloxid oder Zinntetrabutyloxid eingesetzt.
Eine besondere Verfahrensvariante beinhaltet, dass man als Katalysator einen löslichen Metallkomplex einsetzt, der Titan und/oder Zinn und das alpha- Hydroxycarbonsäureamid enthält.
Eine andere spezielle Abwandlung des Verfahrens der Erfindung sieht vor, dass man als Katalysator ein Metall-trifluormethansulfonat einsetzt. Vorzugsweise setzt man dabei ein Metall-trifluormethansulfonat ein, bei dem das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus den Elementen in den Gruppen 1 , 2, 3, 4, 1 1 , 12, 13 und 14 des Periodensystems. Hiervon werden bevorzugt solche Metall- trifluormethansulfonate eingesetzt, bei denen das Metall einen oder mehreren
Lanthanoiden entspricht. Neben den bevorzugten Varianten der homogenen Katalyse sind auch Verfahren unter Anwendung heterogener Katalysatoren zweckmäßig. Zu den mit Erfolg anwendbaren heterogenen Katalysatoren gehören unter anderem Magnesiumoxid, Calciumoxid sowie basische Ionenaustauscher und dergleichen mehr.
So können beispielsweise Verfahren bevorzugt sein, bei denen der Katalysator ein unlösliches Metalloxid ist, welches mindestens ein aus der aus Sb, Sc, V, La, Ce, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Tc, Re, Fe, Co, Ni, Cu, AI, Si, Sn, Pb und Bi
bestehenden Gruppe ausgewähltes Element enthält.
Alternativ dazu können Verfahren bevorzugt sein, wobei man als Katalysator ein unlösliches Metall einsetzt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni , Cu, Ga, In, Bi und Te.
Zu den bevorzugten heterogenen Katalysatoren gehören insbesondere
Katalysatoren auf Basis von ZrO2 und/oder AI2O3. Besonders bevorzugte
Katalysatoren dieser Gattung werden insbesondere in JP 6-345692 ausführlich dargestellt, wobei die in der Druckschrift JP 06-345692 dargelegten Katalysatoren zu Offenbarungszwecken durch Referenz in die vorliegende Anmeldung eingefügt werden.
Der bei bevorzugten Varianten des Verfahrens der vorliegenden Erfindung freigesetzte Ammoniak kann beispielsweise auf leichte Weise zu einem
Gesamtprozess zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten rückgeführt werden.
Beispielsweise kann Ammoniak mit Methanol zu Blausäure umgesetzt werden. Dies ist beispielsweise in EP-A-0941984 dargelegt. Des Weiteren kann die Blausäure aus Ammoniak und Methan gemäß dem BMA- oder Andrussow-Verfahren erhalten werden, wobei diese Verfahren in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 5. Auflage auf CD-ROM, Stichwort„Inorganic Cyano Compounds" beschrieben sind. Ebenso kann der Ammoniak einem Ammoxidationsprozess, wie beispielsweise die großtechnische Synthese von Acrylnitril aus Ammoniak, Sauerstoff und Propen zurückgeführt werden. Die Acrylnitrilsynthese ist unter dem Stichwort Sohio-Prozess in Indsutrial Organic Chemistry von K. Weisermehl und H.-J. Arpe auf Seite 307 ff. beschrieben. Erfindungsgemäß wird der erhaltene alpha-Hydroxycarbonsäureester zumindest teilweise aus der Reaktionsmischung über die Gasphase abgetrennt. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens können bevorzugt mindestens 60 Gew.-%, insbesondere mindestens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% des erhaltenen alpha-Hydroxycarbonsäureesters aus der Reaktionsmischung über die Gasphase abgetrennt werden Dementsprechend wird das Verfahren vorzugsweise dergestalt ausgeführt, dass ein möglichst hoher Anteil des Produkts in die Gasphase überführt wird. Dieses Ziel kann insbesondere durch die Auswahl des Reaktors, durch die Wahl des Drucks und der Temperatur sowie das Gasvolumen beim Betreiben des Reaktors, insbesondere in Bezug desselben auf das Gesamtvolumen bzw. des Flüssigkeitsvolumens erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird kontinuierlich ausgeführt. Kontinuierliche Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass dauerhaft alle Edukte in den Reaktor eingeleitet und alle Produkte aus dem Reaktor abgeleitet werden, so dass die Reaktion über einen unbestimmten Zeitraum durchgeführt werden kann. Hiervon unbenommen sind Unterbrechungen, die aufgrund von Wartungs- oder
Reinigungsmaßnahmen notwendig sind. Hierbei kann die Reaktion so ausgeführt werden, dass der alpha- Hydroxycarbonsäureester in einem separaten Schritt von der freigesetzten stickstoffhaltigen Verbindung aus der Reaktionsmischung abgetrennt wird.
Überraschende Vorteile ergeben sich jedoch bei Ausführungsformen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der alpha-Hydroxycarbonsäureester zusammen mit der freigesetzten stickstoffhaltigen Verbindung, vorzugsweise freigesetztem Ammoniak aus der Reaktionsmischung abgetrennt wird. Vorteile ergeben sich insbesondere durch Verfahren bei denen das molare Verhältnis von alpha- Hydroxycarbonsäureester zu Ammoniak während der Abtrennung dieser Komponenten aus der Reaktionsmischung im Bereich von 2:1 bis 1 :2, besonders bevorzugt 1 ,2:1 bis 1 :1 ,2 liegt. Von Interesse sind insbesondere Verfahren, bei denen die Konzentration an alpha- Hydroxycarbonsäureester in der flüssigen Phase der Reaktionsmischung
vorzugsweise kleiner als 30 Gew.-%, insbesondere kleiner als 20 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 10 Gew.-% und besonders bevorzugt kleiner als 5 Gew.-% gehalten wird. Vorzugsweise ist das molare Verhältnis von alpha-Hydroxycarbonsäureester zu alpha-Hydroxycarbonsäureamid in der flüssigen Phase der Reaktionsmischung kleiner als 1 , besonders bevorzugt kleiner als 0,8 und besonders bevorzugt kleiner als 0,1 . Überraschende Vorteile hinsichtlich der Produktivität des Verfahrens, insbesondere hinsichtlich der Kosten zur Durchführung desselben, können dadurch erzielt werden, dass der Alkohol als Gas in die Reaktionsmischung eingeleitet wird.
Die Art des Reaktors zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens ist nicht begrenzt. Vorzugsweise werden jedoch solche Reaktoren eingesetzt, in die größere Gasmengen ein- oder ausgeleitet werden können. Bevorzugt werden
dementsprechend Multiphasenreaktoren zur Durchführung des vorliegenden
Verfahrens eingesetzt. Hierbei können Multiphasenreaktoren eingesetzt werden, bei denen ein Gas im Gegenstrom bezüglich der Flüssigkeitsphase eingeleitet wird. Zu diesen Reaktoren gehören unter anderem Reaktoren, die auf begasten Rührkesseln oder Kaskaden beruhen. Weiterhin kann ein Gas im Gegenstrom zu der Flüssigkeit durch eine Bodenkolonne oder Füllkörperkolonne geleitet werden, wobei diese Anordnung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens geeignet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Alkohol im Gleichstrom in die Reaktionsmischung eingeleitet werden. Dies kann bevorzugt in einem Reaktor erfolgen, in welchen der Alkohol als Gas im Gleichstrom zugeführt wird. Besonders geeignete Reaktoren sind unter anderem Rieselbettreaktoren,
Blasensäulenreaktoren, Strahlwäscher und Fallfilmreaktoren, wobei
Rieselbettreaktoren und Fallfilmreaktoren bzw. die Kombination aus
Rieselbettreaktoren und Fallfilmreaktoren besonders bevorzugt sind.
Unter Riesel bettreaktoren versteht man allgemein Reaktoren, die üblicherweise, aber nicht notwendigerweise im Gleichstrom von Gas und Flüssigkeit über Grenzfläche erzeugenden Einbauten oder Schüttungen betrieben werden. Riesel bettreaktoren zeichnen sich aus durch eine enge Verweilzeitverteilung für Gas und Flüssigphase. Riesel bettreaktoren können als Festbettkolonnen oder Füllkörperkolonnen
ausgeführt sein.
Fallfilmreaktoren ermöglichen eine einfachen und effektiven Wärmezu- bzw. -abfuhr, was sich insbesondere bei Reaktionen mit starker Wärmetönung bzw. bei
Phasenübergang eines Edukts oder Produkts als vorteilhaft erweist.
Nährere Beschreibungen findet man in der Fachliteratur (z.B. Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, Band 3, 4. Auflage S. 357ff und S. 500ff)
Zur Ausführung des vorliegenden Verfahrens sind insbesondere
Multiphasenreaktoren bevorzugt, die sich durch einen hohen Gasanteil im
Reaktorvolumen auszeichnen. Besondere Reaktoren zeichnen dementsprechend durch einen Gasanteil aus, der vorzugsweise mindestens 50 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 60 Vol.-% beträgt. Der Quotient aus Stoffaustauschfläche des Reaktors, über die der alpha-Hydroxycarbonsäureester in die Gasphase überführt wird, zum Reaktorvolumen kann vorzugsweise mindestens 100 m"1, besonders bevorzugt mindestens 500 m"1 betragen. Die Erzeugung von Gas-Flüssig-Grenzflächen in Multiphasenreaktoren kann auf unterschiedliche Art und Weise je nach Reaktortyp erfolgen. Neben dem Eintrag von Energie in Form von Bewegungsenergie oder Druckenergie ist insbesondere die Verwendung strukturierter Einbauten zweckmäßig. Zu den strukturierten Einbauten zählt man Füllkörper , wie Raschig Ringe, Interpak oder strukturierte Packungen wie Mellapak, etc. bis Katapak oder zweckmäßigerweise ein heterogener
Katalysatorkontakt in entsprechender zweckmäßiger Formgebung.
Die nach der Umsetzung mit dem Alkohol und dem Abtrennen des alpha- Hydroxycarbonsäureesters zurückbleibende Flüssigkeit kann alpha- Hydroxycarbonsäureamid enthalten. Dieses verbleibende Edukt kann gemäß üblichen Aufreinigungsverfahren aufgearbeitet werden. Von besonderem Interesse sind jedoch Verfahren bei denen das alpha-Hydroxycarbonsäureamid im Reaktor in einem Kreislauf geführt wird. Hierbei können Nebenprodukte mit einem hohen Siedepunkt aus dem Kreislauf über einen Verdampfer, beispielsweise über einen Dünnschichtverdampfer abgetrennt werden. Die aus dem Reaktor abgeführte Dampfphase kann neben den Produkten auch nicht umgesetzten Alkohol enthalten. Neben üblichen Aufreinigungsverfahren, speziell destillativen Verfahren, ist die Recyclierung des nicht umgesetzten Alkohols, entweder in flüssiger oder dampfförmiger Form von besonderem Interesse. Von besonderem Interesse sind mithin Verfahren, bei denen die Umsetzung vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 50-300°C, besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 200°C durchgeführt wird.
Der Druck, bei der die Umsetzung stattfindet ist an sich nicht kritisch. Da die
Siedetemperatur des alpha-Hydroxycarbonsäureester jedoch von demselben abhängig ist und der alpha-Hydroxycarbonsäureester in die Gasphase zu überführen ist, muss der Druck in Abhängigkeit von der Temperatur gewählt werden, wobei tiefe Temperaturen relativ geringe Drücke bedingen. Vorzugsweise kann die Umsetzung bei einem Druck im Bereich von 0,01 bis 20 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 10 bar durchgeführt werden. Durch die obigen Maßnahmen kann die Umsetzung bei relativ geringen Temperaturen und Drücken durchgeführt werden, wobei besonders hohe
Selektivitäten und sehr hohe Wertstoffausbeuten erzielt werden. Dadurch sind auch die Apparate zur Durchführung der Reaktion bei diesen Bedingungen besonders einfach und damit kostengünstig.
Besonders vorteilhaft gestaltet sich diese Art der Reaktionsführung hinsichtlich des Energieverbrauchs pro entstehendem und als Reinstoff aufgereinigtem Mol alpha- Hydroxycarbonsäureester und Ammoniak. Wesentlich bestimmt wird der
Energieverbrauch durch den Umsatzgrad an Methanol pro Durchlauf.
Beispiel 1 :
In einer kontinuierlich betriebenen Laborversuchsanlage bestehend aus einer Eduktdosierung, einem Rieselbettreaktor, ausgeführt als Füllkörperkolonne (ID 100 mm, L 1000 mm, Interpack Füllkörper 10 mm) mit Flüssigumwälzung und
Dampfphasenabzug sowie einer Produktkondensation wurden über 48 h
dampfförmiges Methanol und als Schmelze zugeführtes alpha- Hydroxyisobuttersäureamid mit Hilfe eines in der Flüssigphase löslichen Katalysators umgesetzt. Als Katalysator wurde La (NO3)x6H2O mit einer Konzentration von 2 Gew.-% in der Flüssigphase eingesetzt. Die Temperatur des Flüssigkeitsumlaufs betrug 180°C, der Druck im Reaktor wurde zu 800 mbar eingestellt. Die Dampfphase wurde vollständig und kontinuierlich kondensiert und die Zusammensetzung per Gaschromatographie und Titration bestimmt. Die auf Methanol bezogene Selektivität zum alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester betrug 99,8 %, die
Ammoniakkonzentration im Kondensat betrug 4,8 Gew.-%. Der Umsatzgrad an Methanol betrug gemittelt über die Versuchszeit 12 %.
Vergleichsbeispiel 1 :
In einer Laborversuchsanlage bestehend aus einer Eduktdosierung und einem kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktor wurden über eine Versuchsdauer von 48 h 157 g/h eines Methanol/Katalysator-Gemisches mit einem Katalysatoranteil von 0,8 Gew.-% und 35 g/h alpha-Hydroxyisobutyramid zugeführt. Die Umsetzung wurde unter Verwendung von La(NOs)3 als Katalysator in voll flüssiger Phase bei 60 bar und einer Temperatur von 200°C durchgeführt. Das entstehende Produktgemisch wurde mittels Gaschromatographie analysiert. Die auf alpha-Hydroxyisobutyramid bezogene molare Selektivität zu alpha-Hydroxyisobuttersäuremethylester betrug 98,7 %, während die auf Methanol bezogene Selektivität zum
Hydroxyisobuttersäuremethylester 99,2 % betrug. Im voll flüssigen Produktgemisch ergab sich eine Ammoniakkonzentration von 0,7 Gew.-%. Der Umsatzgrad an Methanol betrug im Mitteil , 8 %.
Beispiel 2:
Der im Beispiel 1 eingesetzte Rieselbettreaktor wurde derart modifiziert, dass statt Füllkörpern ein heterogener Kontakt auf Basis von ZrO2 (3mm Pellets) als
Katalysator eingesetzt wurde. Über einen Zeitraum von 48h wurde dampfförmiges Methanol und als Schmelze zugeführtes alpha-Hydroxyisobuttersäureamid umgesetzt. Die Temperatur des Flüssigkeitsumlaufs betrug 170°C, der Druck im Reaktor wurde zu 800 mbar eingestellt. Die Dampfphase wurde vollständig und kontinuierlich kondensiert und die Zusammensetzung per Gaschromatographie und Titration bestimmt. Die auf Methanol bezogene Selektivität zum alpha- Hydroxyisobuttersäuremethylester betrug 99,85 %, die Ammoniakkonzentration im Kondensat betrug 4,83 Gew.-%. Der mittlere Umsatzgrad an Methanol betrug 13 %.

Claims

Patentansprüche
1 . Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von alpha- Hydroxycarbonsäureestern, wobei mindestens ein alpha- Hydroxycarbonsäureamid, welches in flüssiger Phase vorliegt, mit einem
Alkohol in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass der erhaltene alpha-Hydroxycarbonsäureester zumindest teilweise aus der Reaktionsmischung über die Gasphase abgetrennt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der alpha- Hydroxycarbonsäureester zusammen mit freigesetztem Ammoniak aus der Reaktionsmischung abgetrennt wird.
3. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 90 Gew.-% des erhaltenen alpha-
Hydroxycarbonsäureesters aus der Reaktionsmischung über die Gasphase abgetrennt wird.
4. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an alpha-Hydroxycarbonsäureester in der flüssigen Phase der Reaktionsmischung kleiner als 10 Gew.-% gehalten wird.
5. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis von alpha- Hydroxycarbonsäureester zu alpha-Hydroxycarbonsäureamid in der flüssigen Phase der Reaktionsmischung kleiner als 1 ist.
6. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol als Gas in die Reaktionsmischung eingeleitet wird.
7. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung in einem Multiphasenreaktor durchgeführt wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasanteil im Multiphasenreaktor mindestens 50 Vol.-% beträgt.
9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der
Quotient aus Stoffaustauschfläche des Reaktors, über die der alpha- Hydroxycarbonsäureester in die Gasphase überführt wird, zum Reaktorvolumen mindestens 100 m"1 beträgt.
10. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass alpha-Hydroxycarbonsäureamid im Reaktor in einem Kreislauf geführt wird.
1 1 . Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Nebenprodukte mit einem hohen Siedepunkt aus dem Kreislauf über einen
Dünnschichtverdampfer abgetrennt werden.
12. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein heterogener Katalysator eingesetzt wird,
vorzugsweise auf Basis von ZrO2 und/oder AI2O3.
13. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein homogener Katalysator eingesetzt wird,
vorzugsweise auf Basis einer Lantanoidverbindung.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass α-Hydroxyisobuttersäureamid und/oder a-
Hydroxyisopropionsäureamid und/oder α-Hydroxyisobutyramid, sowie als Alkohol Methanol eingesetzt wird.
15. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung bei einer Temperatur im Bereich von 50- 300°C und bei einem Druck im Bereich von 0,01 bis 20 bar durchgeführt wird.
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