ES2216116T3 - Catalizador basado en titano-silicalitas y proceso de obtencion de hidroxilamina disustituida en n,n. - Google Patents

Catalizador basado en titano-silicalitas y proceso de obtencion de hidroxilamina disustituida en n,n.

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ES2216116T3
ES2216116T3 ES97402269T ES97402269T ES2216116T3 ES 2216116 T3 ES2216116 T3 ES 2216116T3 ES 97402269 T ES97402269 T ES 97402269T ES 97402269 T ES97402269 T ES 97402269T ES 2216116 T3 ES2216116 T3 ES 2216116T3
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Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UNA CATALIZADOR A BASE DE TITANOSILICATOS QUE PRESENTAN UN CONTENIDO PONDERAL DE METAL O METALES ALCALINOS COMPRENDIDO ENTRE EL 0,05 Y EL 2 %. EN PARTICULAR, TIENE POR OBJETO UN METODO DE OBTENCION DE HIDROXILAMINA N,N - DISUSTITUIDA A PARTIR DE PEROXIDO DE HIDROGENO Y DE LA AMINA DISUSTITUIDA CORRESPONDIENTE.

Description

Catalizador basado en titano-silicalitas y proceso de obtención de hidroxilamina disustituida en N,N.
La presente invención se refiere a un proceso de obtención de hidroxilamina disustituida en N,N a partir de peróxido de hidrógeno y de la amina disustituida correspondiente en presencia de un catalizador basado en titano-silicalitas que tiene un contenido ponderal de metal o metales alcalinos comprendido entre 0,05 y 2%.
Se entienden por titano-silicalitas zeolitas de tipo MFI una parte de cuyos átomos de silicio está sustituida por átomos de titanio. Estas titano-silicalitas han sido objeto de numerosas publicaciones. Así, en la patente americana US 4.410.501 se describe un método de preparación de titano-silicalitas por reacción de una fuente de silicio con una fuente de óxido de titanio, en medio acuoso, a una temperatura comprendida entre 130 y 200ºC, a presión autógena y en presencia de una base nitrogenada tal como un hidróxido de amonio cuaternario. En el ejemplo 1 de dicha patente, se precisa que el hidróxido de amonio cuaternario debe estar exento de ion alcalino.
De acuerdo con ciertos autores, en particular B. NOTARI ("Structure-Activity and Selectivity Relationships in Heterogeneous Catalysis", Elsevier Science Publishers 1991, p. 248) y G. Bellussi y V. Fattore ("Zeolite Chemistry and Catalysis", Elsevier Science Publishers 1991, p. 79), la síntesis de las titano-silicalitas requiere la utilización de reactivos exentos de impurezas, particularmente metales alcalinos. Estos autores han demostrado que, en presencia de metales alcalinos, la reacción entre una fuente de silicio y un derivado hidrolizable del titanio como los titanatos de alquilo, no conduce a la formación de las titano-silicalitas.
Además, las titano-silicalitas preparadas de acuerdo con la Patente US 4.410.501 deben sufrir varias etapas de activación con peróxido de hidrógeno y un ácido fuerte, antes de poder ser utilizadas como catalizador (EP 208 311, EP 267 362 y EP 314 147).
Por otra parte, la solicitud de patente europea EP 665 188 divulga un proceso de obtención de titano-silicalitas a partir de una fuente de silicio y de TiF_{4} y eventualmente en presencia de metal o metales alcalinos. Las titano-silicalitas así preparadas, se lavan con ácido clorhídrico antes de ser utilizadas en la reacción de hidroxilación del fe-
nol.
La Solicitante ha descubierto ahora un catalizador basado en titano-silicalitas, que es a la vez activo y selectivo en reacciones de oxidación que utilizan peróxido de hidrógeno.
Este catalizador ofrece una selectividad con relación al agua oxigenada, más elevada que los de la técnica anterior. Además, su proceso de obtención tiene la ventaja de no presentar los inconvenientes citados anteriormente.
El catalizador está basado en titano-silicalitas que tienen un contenido ponderal de metal o metales alcalinos comprendido entre 0,05 y 2%, comprendido con preferencia entre 0,9 y 1,5%. Se puede preparar por tratamiento hidrotérmico de una mezcla de reacción constituida por una fuente de silicio tetravalente, tetrafluoruro de titanio (TiF_{4}), un agente estructurante, agua y uno o varios iones alcalinos.
Como fuente de silicio se puede recurrir a los derivados del silicio utilizados habitualmente tales como: las sílices finamente divididas en forma de hidrogeles, aerogeles o suspensiones coloidales; los ésteres silícicos hidrolizables como los ortosilicatos de alquilo de fórmula Si(OR)_{4} en la cual R representa un radical alquilo que contiene de uno a cuatro átomos de carbono (radicales metilo, etilo, propilos, butilos). Con preferencia se recurre al ortosilicato de tetraetilo.
El agente estructurante puede seleccionarse entre los propuestos anteriormente y en particular entre los hidróxidos de tetraalquilamonio en los cuales los grupos alquilo contienen de 1 a 4 átomos de carbono; se recurre preferentemente a los hidróxidos de tetrapropilamonio y de tetrabutilamonio. Como no es necesario recurrir a hidróxidos de amonio cuaternario desembarazados de los iones alcalinos que contienen, pueden ser convenientes soluciones acuosas comerciales de hidróxidos de amonio cuaternario.
El o los iones alcalinos puede(n) provenir del agente estructurante y/o por adición sea en forma de hidróxido, sea en forma de sal. El ion alcalino puede seleccionarse entre el potasio, el sodio y el cesio, y con preferencia entre el potasio y el sodio.
Las condiciones de la reacción hidrotérmica son las utilizadas habitualmente. El proceso se desarrolla en dos fases. En el curso de una primera fase se prepara una mezcla de reacción acuosa que contiene al menos una fuente de silicio, el agente estructurante, el o los iones alcalinos y el tetrafluoruro de titanio. Esta mezcla se puede mantener a una temperatura comprendida entre aproximadamente 15ºC y aproximadamente 50ºC y durante un tiempo suficiente para proceder a la hidrólisis de la fuente de silicio; la duración de esta fase depende de la temperatura seleccionada. En general, es conveniente una duración comprendida entre aproximadamente 10 min y 2 horas. El pH del medio de reacción es con preferencia superior a 10; es conveniente un pH de 10 a 12. El modo de adición de los reactivos no reviste carácter crítico alguno; así, el tetrafluoruro de titanio puede añadirse al medio acuoso que contiene la fuente de silicio antes o después de la adición del agente estructurante, y en este último caso, con preferencia después de haber procedido a la hidrólisis parcial de la fuente de silicio. El tetrafluoruro de titanio puede añadirse al medio de hidrólisis sea en forma de polvo sea en forma de una suspensión en un líquido vector. Habida cuenta de su estabilidad a la hidrólisis a la temperatura ambiente, se puede utilizar el agua como líquido vector.
En el curso de la segunda fase se realiza la cristalización de la titano-silicalita por calentamiento de la masa de reacción proveniente de la primera fase a presión autógena, a una temperatura que va de 120 a 200ºC y, con preferencia, de 160 a 190ºC. La duración de la fase de cristalización depende de las condiciones de la reacción; en general, esta duración está comprendida entre 1 y 7 días. Cuando se utiliza como fuente de silicio un silicato de alquilo, se procede a la eliminación del alcohol formado en el curso de la hidrólisis por destilación a presión normal o a presión reducida, antes de realizar la fase de cristalización.
Las cantidades de derivados de silicio y de TiF_{4} expresadas en moles pueden variar dentro de límites amplios en función de la composición deseada de la titano-silicalita, es decir de la relación Si/Ti buscada. Estas cantidades pueden estar próximas a la estequiometría de la reacción para la composición considerada, o apartarse sensiblemente de la misma. En general, la cantidad de TiF_{4} expresada en moles por mol de derivado de silicio y en particular por mol de ortosilicato de alquilo puede estar comprendida en un intervalo de aproximadamente 0,005 a aproximadamente 0,2 y, con preferencia, de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 0,15.
La cantidad de agente estructurante utilizada en el proceso, expresada en moles por mol de derivado del silicio y particularmente de ortosilicato de alquilo puede estar comprendida en un intervalo de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 2, y con preferencia de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 0,6.
La cantidad de agua presente en el medio de reacción no es crítica y puede variar dentro de límites amplios. En general, es conveniente una cantidad de agua comprendida en un intervalo de aproximadamente 5 a aproximadamente 100 moles y, con preferencia, de aproximadamente 20 a aproximadamente 50 moles por mol de derivado de silicio.
El catalizador obtenido al final de la reacción se separa del medio de reacción por filtración, se lava con agua, se seca a temperatura superior o igual a 100ºC y se calcina luego a una temperatura superior o igual a 500ºC para eliminar el agente estructurante.
La cantidad de titanio presente en el catalizador está comprendida en general entre 0,6% y 2,5%, con preferencia comprendida entre 0,8 y 1,5%.
La preparación del catalizador difiere principalmente de la descrita en la solicitud de patente europea EP 665 188 por la ausencia de la etapa de lavado. En efecto, el lavado con ácido está destinado a eliminar los metales alcalinos.
El catalizador es conveniente muy particularmente para fabricar hidroxilaminas disustituidas en N,N de fórmula general (I):
1
en la cual R^{1} y R^{2}, idénticos o diferentes, representan cada uno un radical alquilo lineal o ramificado, con preferencia lineal, que contiene 1 a 8 átomos de carbono, con preferencia de 1 a 6 átomos de carbono, eventualmente sustituido, con preferencia en el extremo de la cadena, por grupos seleccionados entre el hidroxilo, el fluoruro, los sulfonatos de metales alcalinos o alcalino-térreos, los carboxilatos de metales alcalinos o alcalino-térreos y el éter, un radical cicloalquilo que contiene de 5 a 8 átomos de carbono, un radical lineal de fórmula C_{n}H_{2n-1}, siendo n un número comprendido entre 2 y 6. R^{1} y R^{2}, junto con el átomo de nitrógeno, pueden estar igualmente unidos entre sí formando un anillo saturado o insaturado que comprende de 4 a 7 átomos de carbono.
El objeto de la invención concierne por tanto a un proceso de obtención de hidroxilamina disustituida en N,N de fórmula general (I) a partir de peróxido de hidrógeno y de la amina correspondiente. Este proceso se caracteriza porque se opera en presencia de un catalizador como se ha descrito anteriormente.
Las aminas correspondientes preferidas son la dietilamina, la dibutilamina, la dihexilamina, la metil-etilamina, la metilpropilamina, la metilbutilamina, la etilbutilamina, la etilhexilamina, la dietanolamina, la divinilamina, la piperidina, la morfolina, la pirrolidina y la pirrolina.
Las aminas correspondientes particularmente preferidas son la dietilamina, la dietanolamina, la divinilamina, la metiletilamina, la metilpropilamina y la metilbutilamina.
De acuerdo con el proceso de la presente invención, se puede operar en presencia o en ausencia de un disolvente. Como disolvente, se puede seleccionar el agua o cualquier disolvente orgánico miscible con el agua, por ejemplo los alcoholes alifáticos y los éteres pesados de tipo glima.
Ventajosamente, se seleccionan el terc-butanol y la diglima.
El proceso puede conducirse tanto en régimen continuo como en régimen discontinuo.
La temperatura de reacción está comprendida por regla general entre 15 y 150ºC, y con preferencia comprendida entre 60 y 90ºC.
Se puede operar a la presión atmosférica e igualmente a una presión superior a la presión atmosférica a fin de mantener tanto el disolvente como los reactivos en estado líquido.
El catalizador puede utilizarse en estado finamente dividido y dispersado en el medio de reacción, o bien conformado para dar pastillas o extrudatos. La cantidad de catalizador utilizada está comprendida en general entre 0,5 y 50 partes para 100 partes de amina, y con preferencia comprendida entre 1 y 30 partes.
El peróxido de hidrógeno utilizado se encuentra en general en forma de solución acuosa de concentración comprendida entre 10 y 70% en peso. La mayoría de las veces se utiliza una solución acuosa de 20 a 40% en peso de peróxido de hidrógeno.
La cantidad de peróxido de hidrógeno utilizada es tal que la relación molar peróxido de hidrógeno/amina está comprendida entre 0,2 y 1,5, y con preferencia comprendida entre 0,9 y 1,2 cuando se trabaja en régimen discontinuo.
Cuando se trabaja en presencia de un disolvente, la cantidad utilizada es tal que la concentración de la amina en el disolvente está comprendida entre 1 y 30 partes para 100 partes de disolvente.
Cuando se trabaja en régimen discontinuo, se obtiene al final de la reacción una suspensión que contiene el catalizador. Este último puede recuperarse por filtración de la suspensión y el filtrado así obtenido constituido por la amina que no ha reaccionado y los productos de la reacción se analiza por cromatografía en fase gaseosa. La amina que no ha reaccionado y la hidroxilamina disustituida en N,N pueden dosificarse igualmente por acidimetría. Los diferentes productos de la reacción, así como la amina que no ha reaccionado pueden aislarse del filtrado por las técnicas conocidas tales como destilación, cristalización o extracción. La amina que no ha reaccionado y el disolvente pueden reciclarse.
La invención se comprenderá mejor con ayuda de los ejemplos siguientes.
Parte experimental Preparación del catalizador
En un matraz de 250 cm^{3} equipado con un dispositivo de calentamiento y un sistema de agitación, se introducen 25 cm^{3} de silicato de etilo y 40 cm^{3} de una solución acuosa de hidróxido de tetrapropilamonio (ALDRICH), de concentración 1 mol por litro, que contiene 0,1% en peso de iones sodio y 0,32% en peso de iones potasio. Se pone en marcha la agitación, y se mantiene luego la mezcla durante 30 minutos a la temperatura ambiente. Se añaden a continuación 40 cm^{3} de agua destilada y se lleva luego la mezcla a 80ºC. La mezcla se mantiene durante 2 horas a esta temperatura. Al cabo de 2 horas, se detiene la calefacción y se añaden 0,32 g de TiF_{4}. El medio de reacción se deja a continuación en agitación durante 5 minutos, se trasvasa luego a un reactor resistente a la presión, provisto de un revestimiento interior de Teflón, equipado con un sistema de agitación y un dispositivo de calefacción. El medio de reacción se lleva luego a 170ºC en una hora, bajo agitación (300 revoluciones por minuto) y se mantiene así durante 2 horas. El sólido blanco formado durante la reacción, se filtra y se lava luego 5 veces con 250 cm^{3} de agua destilada cada vez. El sólido filtrado se seca a continuación a 120ºC durante 12 horas, y se calcina luego a 500ºC al aire durante 4 horas.
Se obtienen así 5,3 g de un sólido blanco cuyo contenido ponderal es 0,9% de Ti, 0,07% de F, 0,8% de K, y 0,045% de Na.
El producto analizado por difracción de rayos X y por infrarrojo, da espectros característicos de las titano-silicalitas. Además, el espectro ultravioleta indica que el producto está desprovisto de titanio exterior a la red.
En lo que sigue, se define la selectividad de la dietilhidroxilamina (DEHA) con relación a la amina correspondiente (DEA) por la fórmula siguiente:
Selectividad \ (DEHA/DEA) = \frac{número \ de \ moles \ de \ DEHA \ formados \times 100}{(DEA)_{i} \ - \ (DEA)_{f}}
donde (DEA)_{i} = número de moles de DEA en el estado inicial
donde (DEA)_{f} = número de moles de DEA en el estado final
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Del mismo modo, la selectividad de la DEHA con relación al peróxido de hidrógeno (H_{2}O_{2}) se define por la fórmula siguiente:
Selectividad \ (DEHA/H_{2}O_{2}) = \frac{número \ de \ moles \ de \ DEHA \ formados \times 100}{(H_{2}O_{2})_{i} \ - \ (H_{2}O_{2})_{f}}
donde (H_{2}O_{2})_{i} = número de moles de H_{2}O_{2} en el estado inicial
donde (H_{2}O_{2})_{f} = número de moles de H_{2}O_{2} en el estado final
Ejemplo 1
En un reactor termostatizado, equipado con un sistema de agitación, un dispositivo de introducción de reactivo líquido, una toma de temperatura y un condensador de reflujo conectado a un colector de agua, se introducen
- 11 g de dietilamina (0,15 moles)
- 60 g de terc-butanol y
- 2 g de catalizador preparado de acuerdo con el modo operatorio anterior.
Se lleva la mezcla, con agitación, a la temperatura de reflujo (79-80ºC), y se introducen luego en el reactor, durante 1 hora, 13,1 g de una solución acuosa de peróxido de hidrógeno de 35% en peso (0,135 moles).
Se detiene la calefacción 15 minutos después del final de la introducción de la solución acuosa de peróxido de hidrógeno. El colector de agua, que es el dispositivo para evaluar la tasa de descomposición del peróxido de hidrógeno, indica la ausencia de desprendimiento gaseoso.
Después del enfriamiento, el peróxido de hidrógeno no consumido se dosifica por yodometría y la solución final se analiza a continuación por cromatografía en fase gaseosa y se dosifica igualmente por acidimetría.
Los análisis indican que, al final de la reacción, se obtiene una tasa de conversión de dietilamina (DEA) del 87%, y una selectividad en dietilhidroxilamina (DEHA) y en nitrona con relación a la dietilamina de 87% y 11% respectivamente.
El análisis de la solución final demuestra que el peróxido de hidrógeno se ha consumido totalmente y que la selectividad en dietilhidroxilamina y en nitrona con relación al peróxido de hidrógeno es de 84% y 10% respectivamente.
Ejemplo 2
Al final de la reacción del ejemplo 1, el catalizador se separa de la solución por filtración. El catalizador así recuperado sin secar, se utiliza a continuación en las mismas condiciones que las descritas anteriormente (ejemplo 1).
Ejemplo 3 comparativo
Se opera como se describe en el ejemplo 1, excepto que el catalizador utilizado se ha preparado de acuerdo con el método descrito en el ejemplo 2 de la patente US 4.410.501.
En este caso, el colector de agua indica la presencia de desprendimiento gaseoso durante la reacción. Por consiguiente, una parte del peróxido de hidrógeno consumida se ha descompuesto.
Ejemplo 4 comparativo
Se opera como se describe en el ejemplo 1, excepto que el catalizador utilizado se ha preparado de acuerdo con el método descrito en el ejemplo 2 de la solicitud de patente europea EP 665 188. Después del lavado con ácido y antes de la utilización, el catalizador tiene un contenido ponderal de 1,39% de Ti, 0,083% de F, 0,01% de K y 0,02% de Na.
Ejemplo 5 comparativo
Se opera como se describe en el ejemplo 3, excepto que el catalizador se somete a un pretratamiento con una solución acuosa de KCl de 0,1 mol por litro y una solución acuosa de NaCl de 0,01 mol por litro.
El catalizador pretratado tiene un contenido ponderal de 1,04% de Ti, 0,85% de K y 0,065% de Na.
Los resultados obtenidos de los ejemplos 1 a 5 se consignan en la Tabla 1.
Ejemplo 6
Se mezclan 80 partes en peso del catalizador preparado de acuerdo con el modo operatorio descrito en la presente solicitud de patente, con 20 partes de un ligante basado en gel de sílice (20% en peso de sílice), y se conforma luego para dar extrudatos de diámetro y longitud comprendidos entre 1 mm y 1,6 mm. Los extrudatos se calcinan a continuación a 500ºC al aire durante 4 horas.
En un reactor cilíndrico de diámetro interior 20 mm y equipado con una frita y paredes dobles, termostatizado con ayuda de un fluido térmico circulante, se introducen 12 g de los extrudatos así preparados. El lecho del catalizador descansa sobre la frita situada a 3 cm a partir de la parte inferior del reactor. El reactor cilíndrico comprende una zona de reacción, constituida por el lecho catalítico y una zona de precalentamiento, situada inmediatamente por debajo del lecho catalítico.
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(Tabla pasa a página siguiente)
2
Se introduce en régimen continuo en el reactor una solución de dietilamina con 19% en peso de diglima con un caudal de 256 g/h y una solución acuosa de peróxido de hidrógeno al 20% en peso con un caudal de 19,3 g/h. Las soluciones se mezclan antes de ser introducidas en el reactor.
La temperatura del fluido térmico se regula a fin de obtener una temperatura en la zona de reacción igual a 78ºC y el conjunto de la instalación se barre con nitrógeno.
A la salida del reactor, el líquido se recupera por descarga y se enfría luego antes de ser almacenado.
Para una duración de funcionamiento de 3 horas, se obtienen los resultados consignados en la Tabla 1.

Claims (11)

1. Proceso de obtención de hidroxilamina disustituida en N,N de fórmula general:
3
en la cual R^{1} y R^{2}, idénticos o diferentes, representan cada uno un radical alquilo lineal o ramificado, con preferencia lineal, que contiene de 1 a 8 átomos de carbono, con preferencia de 1 a 6 átomos de carbono, eventualmente sustituido, con preferencia en el extremo de la cadena, con grupos seleccionados entre el hidroxilo, el fluoruro, los sulfonatos de metales alcalinos o alcalino-térreos, los carboxilatos de metales alcalinos o alcalino-térreos y el éter, un radical cicloalquilo que contiene de 5 a 8 átomos de carbono, un radical lineal de fórmula C_{n}H_{2n-1}, siendo n un número comprendido entre 2 y 6, a partir del peróxido de hidrógeno y de la amina disustituida correspondiente y en presencia de un catalizador basado en titano-silicalitas, que tiene un contenido ponderal de metal o metales alcalinos comprendido entre 0,05 y 2% y susceptible de ser obtenido por tratamiento hidrotérmico de una mezcla de reacción constituida por una fuente de silicio tetravalente, de tetrafluoruro de titanio, de un agente estructurante, de agua y de uno o varios iones alcalinos.
2. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el contenido ponderal de metal o metales alcalinos está comprendido entre 0,9% y 1,5%.
3. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el metal o metales alcalinos se selecciona(n) entre el potasio, el sodio y el cesio.
4. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la fuente de silicio tetravalente se selecciona del grupo formado por la sílice finamente dividida en forma de hidrogel, de aerogel, o de suspensión coloidal y los ortosilicatos de alquilo de fórmula general Si(OR)_{4}, en la cual R representa un radical alquilo que tiene de 1 a 4 átomos de carbono.
5. Proceso de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la fuente de silicio es el ortosilicato de tetraetilo.
6. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el agente estructurante es un hidróxido de tetraalquilamonio en el cual el radical alquilo contiene de 1 a 4 átomos de carbono.
7. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el agente estructurante es el hidróxido de tetrapropilamonio o de tetrabutilamonio.
8. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el contenido ponderal de titanio está comprendido entre 0,6 y 2,5%.
9. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la temperatura del tratamiento hidrotérmico está comprendida entre 120 y 200ºC.
10. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque R^{1} y R^{2} junto con el átomo de nitrógeno pueden estar unidos entre sí formando un anillo saturado o insaturado que contiene de 4 a 7 átomos de carbono.
11. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la amina disustituida correspondiente es la dietilamina.
ES97402269T 1996-10-11 1997-09-29 Catalizador basado en titano-silicalitas y proceso de obtencion de hidroxilamina disustituida en n,n. Expired - Lifetime ES2216116T3 (es)

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