ES2823160T3 - Procedimiento para la producción continua de cetonas a partir de epóxidos en lecho fijo - Google Patents

Procedimiento para la producción continua de cetonas a partir de epóxidos en lecho fijo Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la producción continua de cetonas a partir de un compuesto que contiene al menos un grupo epóxido en un dispositivo (6) que al menos comprende al menos un reactor de lecho fijo (3), conteniendo el al menos un reactor de lecho fijo (3) una composición de catalizador, que comprende al menos un metal noble y al menos un óxido de metal, caracterizado porque a. la presión en el reactor (3) antes del catalizador asciende a al menos 1,2 bar, b. la fase gaseosa del reactor presenta como máximo 0,2 bar de presión parcial de hidrógeno, preferiblemente nada de hidrógeno, y c. después del catalizador en la fase gaseosa del reactor está ajustada una presión parcial de monóxido de carbono de 50 mbar o menos mediante la introducción de al menos un gas inerte.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la producción continua de cetonas a partir de epóxidos en lecho fijo
La presente invención se refiere a un procedimiento continuo para la producción de cetonas a partir de epóxidos en un dispositivo con al menos un reactor de lecho fijo.
Ya se conocen en el estado de la técnica procedimientos para la producción de cetonas a partir de epóxidos. A este respecto se utilizan con frecuencia procedimientos continuos para la obtención de cetonas. Las cetonas obtenidas se utilizan con frecuencia como productos de partida para reacciones adicionales. Por ejemplo, en el documento EP 2772478 A1 se describe un procedimiento para la producción de cetonas a partir de epóxidos. Esto tiene lugar en presencia de catalizadores de óxido de metal a presiones de hidrógeno de desde 0 hasta 0,9 bar.
Durante la producción continua de cetonas a partir de epóxidos se generan con frecuencia subproductos, que presentan un punto de ebullición mayor que las cetonas deseadas. Reducen el rendimiento de cetona y tienen que separarse de manera laboriosa.
En el documento EP 2743247 A1 (US 2014/0171636 A1) se describe un procedimiento para la separación de sustancias de alto punto de ebullición, que puede tener lugar a través de una secuencia de varias columnas de extracción lateral. El documento EP 2742981 A2 (US 2014/0166470 A1) describe un procedimiento de separación para sustancias de alto punto de ebullición, utilizándose una columna con una pared lateral perforada.
Por consiguiente, el estado de la técnica da a conocer soluciones para separar los subproductos de alto punto de ebullición generados. Sin embargo, no se mencionan procedimientos para reducir significativamente los porcentajes de sustancias de alto punto de ebullición durante la reacción para dar la cetona.
Por consiguiente, el objetivo consistía en poner a disposición un procedimiento del tipo mencionado al principio, que permita mantener reducido el porcentaje de sustancias de alto punto de ebullición durante la reacción de epóxidos para dar cetonas. De este modo se pretende aumentar el rendimiento de cetona y reducirse la complejidad de aparatos para la separación de sustancias de alto punto de ebullición.
Sorprendentemente se ha encontrado que el porcentaje de sustancias de alto punto de ebullición puede mantenerse reducido cuando se mantiene reducida la presión parcial de monóxido de carbono. A este respecto no hay hidrógeno o está presente en cantidades reducidas, es decir a una presión parcial de hidrógeno de como máximo 0,2 bar. Por tanto, se pone a disposición un procedimiento para la producción continua de cetonas a partir de un compuesto que contiene al menos un grupo epóxido. El procedimiento se realiza en un dispositivo que comprende al menos un reactor de lecho fijo, denominado en lo sucesivo también brevemente reactor, conteniendo el al menos un reactor de lecho fijo una composición de catalizador, que comprende al menos un metal noble y al menos un óxido de metal. A este respecto, la presión en el reactor antes del catalizador asciende a al menos 1,2 bar. La fase gaseosa del reactor presenta como máximo 0,2 bar de presión parcial de hidrógeno; preferiblemente, la presión asciende a 0 bar, es decir no hay nada de hidrógeno. En el reactor de lecho fijo se ajusta mediante la introducción de al menos un gas inerte una presión parcial de monóxido de carbono en la fase gaseosa después del catalizador de 50 mbar o menos, preferiblemente 30 mbar o menos.
La introducción del gas inerte tiene lugar habitualmente antes del reactor de lecho fijo.
En un procedimiento continuo se produce de manera continua monóxido de carbono y se ajusta una cierta presión parcial de monóxido de carbono en función de la presión de la instalación y de la dilución mediante gases inertes. La presión parcial de monóxido de carbono puede ajustarse especialmente en una instalación de producción industrial a un nivel comparativamente alto, porque la presión total en el reactor por encima del catalizador debido a las condiciones marco a gran escala (por ejemplo, pérdida de presión por encima del catalizador, nivel de presión en el conducto de gas de escape) asciende a un nivel mínimo de 1,2 bar y la introducción de gases inertes (por ejemplo, nitrógeno) se limita por motivos económicos. Aunque un aumento de la presión total en el reactor y una reducción de la introducción de gases inertes en una instalación de producción a primera vista serían ventajosos desde el punto de vista económico y técnico, en este caso se ha encontrado que es necesario un control de estos parámetros, para mantener reducida la presión parcial de monóxido de carbono.
La reducción de la presión parcial de monóxido de carbono puede tener lugar mediante la dilución de la fase gaseosa del reactor de lecho fijo con un gas inerte, dado el caso junto con una reducción de la presión total en el reactor. En particular, un control de la presión parcial de monóxido de carbono puede reducir considerablemente la formación de subproductos de alto punto de ebullición y con ello aumentar considerablemente el rendimiento de productos aprovechables.
En lo sucesivo, el compuesto que contiene al menos un grupo epóxido se denomina compuesto E.
A los gases inertes pertenecen, por ejemplo, nitrógeno, dióxido de carbono, hexafluoruro de azufre, así como gases nobles tales como helio y argón. Gases inertes preferidos son nitrógeno, dióxido de carbono, argón o mezclas de los mismos. Gases inertes preferidos son nitrógeno, dióxido de carbono, argón o mezclas de los mismos, de manera especialmente preferible nitrógeno. Preferiblemente, la relación de la cantidad de sustancia de gas inerte o mezcla de gases y de la cantidad de sustancia del compuesto E asciende a al menos 0,5, preferiblemente a 1 y de manera especialmente preferible a 2.
Una reducción de la presión parcial de monóxido de carbono puede tener lugar adicionalmente mediante la reducción de la presión total en el reactor. Preferiblemente, la presión total en el reactor por encima del catalizador asciende a menos de 4 bar, de manera especialmente preferible a menos de 2 bar, de manera muy especialmente preferible a menos de 1,5 bar.
El compuesto E puede ser alifático o cicloalifático, prefiriéndose compuestos cicloalifáticos. Preferiblemente están comprendidos de 4 a 20 átomos de C, preferiblemente de 6 a 16 átomos de C, de manera especialmente preferible de 8 a 14 átomos de C, de manera muy especialmente preferible de 10 a 12 átomos de C y en particular 12 átomos de C.
El compuesto E puede contener uno o varios grupos epóxido, prefiriéndose compuestos monoepóxido.
Además, el compuesto puede estar saturados o insaturado. Por ejemplo, pueden estar contenidos uno o dos dobles enlaces.
Compuestos E preferidos son monoepoxicicloalcanos, monoepoxicicloalcanodienos y monoepoxicicloalquenos, prefiriéndose especialmente los monoepoxicicloalcanos. Un compuesto E muy especialmente preferido es monoepoxiciclododecano.
Durante la conversión continua de epóxidos a cetonas pueden formarse subproductos. Una parte de estos subproductos tienen un punto de ebullición tan alto, que no pueden detectarse por medio de cromatografía de gases. La formación de tales subproductos representa una pérdida de selectividad. Para tener en cuenta todas las posibles impurezas en el cálculo de la selectividad, se analizaron las mezclas de reacción por medio de cromatografía de gases (GC) con la adición de una cantidad conocida de tetradecano como patrón externo. Para todas las sustancias conocidas que están presentes durante la reacción, por ejemplo, de epoxiciclododecano (tetradecano, cicloundecano, cicloundeceno, ciclododecano, ciclododeceno, ciclododecanona, ciclododecanol, epoxiciclododecano), pueden determinarse factores de GC con disoluciones de referencia preparadas. En consecuencia, mediante la adición de una cantidad conocida de tetradecano a cada muestra de reacción puede calcularse para cada sustancia un porcentaje en masa en cada mezcla de reacción. A partir del cromatograma de GC pueden calcularse los porcentajes de todas las sustancias, que son visibles en el cromatograma. El porcentaje de los subproductos de alto punto de ebullición (sustancias de alto punto de ebullición), que no se detectan en la GC, puede calcularse mediante la diferencia entre el 100% y la suma de todas las sustancias en el cromatograma de GC.
A las sustancias de alto punto de ebullición pertenecen aquellos productos de reacción del compuesto que contiene al menos un grupo epóxido, que con respecto a la cetona generada presentan un punto de ebullición al menos 10 K mayor a 1013 hPa. No pueden convertirse mediante procedimientos adicionales en la cetona deseada (productos no aprovechables). A las sustancias de alto punto de ebullición pertenecen, en el caso del epoxiciclododecano, por ejemplo, ciclododecan-1-on-2-ol, ciclododecan-1,2-diol, dímeros C12 (es decir compuestos con 24 átomos de C), trímeros C12 (es decir compuestos con 36 átomos de C) y oligómeros adicionales. A diferencia de esto, subproductos obtenidos como el alcano, el alqueno, la alquenona, el alcohol y el alqueno son productos aprovechables, que mediante procedimientos conocidos del estado de la técnica pueden convertirse en la cetona deseada (productos aprovechables), y por consiguiente no representan ninguna pérdida de selectividad. En el caso del epoxiciclododecano, a estos pertenecen ciclododecano (CDAN), ciclododeceno (CDEN), ciclododecanona (CDON), ciclododecenona (CDENON), ciclododecanol (CDOL) y ciclododecenol (CDENOL).
Dado que los subproductos de alto punto de ebullición representan un residuo no aprovechable, su porcentaje debería ser tan bajo como sea posible. Preferiblemente, este porcentaje asciende a menos del 5% en peso con respecto al epóxido convertido, de manera especialmente preferible a menos del 2% en peso.
Se encontró sorprendentemente que se forma monóxido de carbono como subproducto durante la conversión de epóxidos a cetonas y en el procedimiento continuo representa un porcentaje significativo de la fase gaseosa del reactor. La formación de monóxido de carbono puede explicarse, por ejemplo, en el caso del epoxiciclododecano por la reacción secundaria de cicloundecano y cicloundeceno. Pueden formarse del 1 al 2% en moles de cicloundecano y de cicloundeceno con respecto a epoxiciclododecano durante la reacción, lo que corresponde a una formación del 1 al 2% en moles de CO. En función de la cantidad de gas dosificada en la instalación, el porcentaje de monóxido de carbono puede corresponder en consecuencia a varios tantos por ciento de la fase gaseosa.
La presión parcial de monóxido de carbono se calcula a partir del porcentaje de monóxido de carbono en la fase gaseosa y la presión total. El porcentaje de monóxido de carbono puede determinarse, por ejemplo, mediante espectrometría FT-IR en línea con una sonda. A este respecto se encontró que esta presión parcial en ausencia de o a presiones parciales reducidas de hasta 0,2 bar de hidrógeno tiene una influencia considerable sobre la selectividad de la reacción química. Una presión parcial mayor de monóxido de carbono conduce a una reducción de la selectividad de cetona y a un aumento del porcentaje de sustancias de alto punto de ebullición. Este efecto es reversible y la selectividad de cetona se vuelve mejor, en cuanto se reduce de nuevo la presión parcial de CO. Una posible explicación es una contaminación del catalizador que contiene metal noble mediante monóxido de carbono, que inhibe la ruta de reacción deseada para dar la cetona.
Cuando se introduce suficiente hidrógeno en el reactor, no se observa esta contaminación del catalizador que contiene metal noble: el porcentaje de sustancias de alto punto de ebullición no aumenta, también a concentraciones mayores de monóxido de carbono. Sin embargo, en el procedimiento industrial quiere prescindirse de la introducción de hidrógeno, porque conduce a una selectividad menor de la cetona y a una selectividad aumentada de los subproductos alcohol y alcano. Por estos motivos, el procedimiento según la invención se limita a una presión parcial de hidrógeno de como máximo 0,2 bar.
La temperatura durante la reacción se ajusta preferiblemente a un intervalo de desde 100 hasta 350°C, preferiblemente de 150 a 250°C y de manera especialmente preferible entre 180 y 230°C. La reacción puede realizarse con un compuesto E, que se encuentra en estado líquido o gaseoso.
La transposición continua de epóxidos a cetonas en un reactor de lecho fijo tiene lugar preferiblemente en presencia de un catalizador que contiene metal noble (sistema de catalizador), conteniendo el catalizador preferiblemente dióxido de titanio, dióxido de circonio o ambos.
El metal noble del sistema de catalizador se selecciona preferiblemente de rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio y platino, prefiriéndose rutenio, paladio y platino y prefiriéndose especialmente paladio. El metal noble puede encontrarse como polvo (no soportado) o soportado. En forma de polvo son adecuados, por ejemplo, metales nobles elementales o sus óxidos.
Además, puede estar contenido al menos un óxido de metal como componente adicional del sistema de catalizador. El óxido de metal del sistema de catalizador comprende dióxido de titanio, dióxido de circonio o mezclas de los mismos o está compuesto por al menos uno de los óxidos mencionados anteriormente. Por ejemplo, el óxido de metal del sistema de catalizador puede comprender un óxido mixto, conteniendo el óxido mixto dióxido de circonio y dióxido de silicio.
El óxido de metal del sistema de catalizador puede actuar como soporte para el metal noble del sistema de catalizador. El metal noble puede estar aplicado opcionalmente sobre un soporte alternativo, que se selecciona, por ejemplo, de óxido de aluminio, dióxido de silicio o carbón activo. El dióxido de titanio, dióxido de circonio u óxidos mixtos que contienen dióxido de circonio son soportes preferidos.
Los óxidos de metal del sistema de catalizador, así como los soportes alternativos pueden encontrarse como polvos o como cuerpos moldeados. Cuerpos moldeados adecuados son esferas, piezas extruidas, comprimidos, gránulos y microgránulos. Se prefiere que los soportes del metal noble se encuentren como cuerpos moldeados. Igualmente se prefiere que el óxido de metal del sistema de catalizador, cuando no actúa como soporte, se encuentre como cuerpo moldeado.
El sistema de catalizador puede encontrarse independientemente entre sí como una de las siguientes formas de sistema:
I) El metal noble está soportado sobre un óxido de metal, que se selecciona de dióxido de titanio y dióxido de circonio, no estando contenido preferiblemente nada de dióxido de titanio.
II) El metal noble está soportado, no conteniendo el soporte dióxido de titanio y/o dióxido de circonio o no estando compuesto por el mismo. El sistema contiene adicionalmente al menos un óxido de metal, que se selecciona de dióxido de titanio o dióxido de circonio.
Dióxido de titanio adecuado como óxido de metal del sistema de catalizador puede obtenerse mediante el procedimiento de sulfato, el procedimiento de cloruro o mediante hidrólisis de llama (procedimiento pirogénico) de tetracloruro de titanio. El experto en la técnica conoce todos los procedimientos. Modificaciones adecuadas son rutilo y anatasa, pudiendo contener el dióxido de titanio utilizado mezclas de dichas modificaciones.
Dióxido de titanio especialmente preferido se obtiene por medio de pirólisis de llama, tal como se describe, por ejemplo, en el documento DE-C-830786.
Dióxido de titanio adecuado puede obtenerse con la denominación dióxido de titanio Aeroxid P25 (polvo) o Aerolyst 7711 (cuerpo moldeado) de la empresa Evonik, Alemania, así como Hombikat M234 (cuerpo moldeado) de la empresa Sachtleben, Alemania.
El dióxido de circonio (óxido de circonio(IV)) puede obtenerse, por ejemplo, a partir de hidróxido de circonio, calcinándose a más de 200°C, por ejemplo, a 350°C.
Los óxidos mixtos especialmente adecuados como óxido de metal comprenden dióxido de circonio y dióxido de silicio o están compuestos por estos dos óxidos. El porcentaje de la suma de dióxido de circonio y dióxido de silicio en el óxido mixto asciende preferiblemente a al menos el 20% en peso, y preferiblemente a al menos el 30% en peso, de manera especialmente preferible al 50% en peso y de manera muy especialmente preferible al 95% en peso, en cada caso con respecto al peso total del óxido mixto. De manera especialmente preferible, el óxido mixto está compuesto por dióxido de circonio y dióxido de silicio. Preferiblemente, la relación en masa de dióxido de circonio con respecto a dióxido de silicio en el óxido mixto asciende a de 86:14 a 99,9:0,1.
Los óxidos mixtos pueden generarse a partir de la calcinación de un compuesto de circonio con un dióxido de silicio. Preferiblemente, el dióxido de silicio se produce por medio de procedimientos pirogénicos. El experto en la técnica conoce el procedimiento, por ejemplo, por la serie de publicaciones “Fine Particles” n ° 11 (7a edición, 2003), revista de empresa de Degussa AG. El compuesto de circonio se selecciona preferiblemente de dióxido de circonio, hidróxido de circonio, acetato de circonio, nitrato de circonio, oxicloruro de circonio, carbonato de amoniocirconio o mezclas de los mismos. Preferiblemente se utilizan dióxido de circonio, hidróxido de circonio o mezclas de los mismos. Por hidróxido de circonio se entiende hidróxido de circonio(IV).
El óxido de metal del sistema de catalizador puede presentar una densidad aparente promedio de desde 0,5 hasta 2 g/cm3. La densidad aparente se mide pesando en primer lugar un cilindro de medición de 1000 ml vacío. A continuación, se llena el óxido de metal hasta la marca de 500 ml. El cilindro llenado se pesa de nuevo, a partir de la diferencia de peso entre el cilindro de medición llenado y vacío se indica la densidad aparente del material en g/cm3.
El óxido de metal del sistema de catalizador presenta preferiblemente una superficie BET, que se encuentra en el intervalo de 5 - 155 m2/g.
Se prefiere que la superficie BET del óxido de metal de los sistemas de catalizador según la invención se encuentre en un intervalo de desde 80 hasta 150 m2/g. La superficie BET se mide según las normas DIN 66131 y DIN ISO 9277. Una superficie BET por encima de 155 m2/g conduce a una menor selectividad.
El porcentaje de metal noble, con respecto al peso total de metal noble y soporte, puede ascender a del 0,01 al 5% en peso, preferiblemente a del 0,05 al 1,2% en peso y preferiblemente a del 0,1 al 0,6% en peso.
El metal noble puede estar distribuido sobre o en el soporte.
El porcentaje de cantidad de sustancia de metal noble, con respecto a la cantidad de sustancia del compuesto E, puede ascender a del 0,00001 al 0,1, preferiblemente a del 0,0001 al 0,01.
El porcentaje de cantidad de sustancia de óxido de metal del sistema de catalizador, con respecto a la cantidad de sustancia del compuesto E, puede ascender a del 0,01 al 100, preferiblemente a del 0,01 al 10.
Para la producción del sistema II puede impregnarse el metal noble sobre un soporte inerte, no estando compuesto el soporte por el óxido de metal. Preferiblemente, el soporte no contiene el óxido de metal o no está compuesto por el mismo. Con este fin puede utilizarse cualquier procedimiento de impregnación conocido por el experto en la técnica, tal como la aplicación de una disolución de metal noble sobre el soporte.
Para la producción del sistema I puede impregnarse el metal noble sobre el óxido de metal como soporte. Con este fin puede utilizarse cualquier procedimiento de impregnación conocido por el experto en la técnica, tal como la aplicación de una disolución de metal noble sobre el soporte.
El procedimiento según la invención puede realizarse a una presión parcial de hidrógeno de desde 0 hasta 0,2 bar, preferiblemente desde 0 hasta 0,1 bar. Preferiblemente, el procedimiento según la invención se realiza sin hidrógeno.
Los datos de presión mencionados anteriormente se refieren a la presión parcial de hidrógeno en el sistema. Habitualmente son componentes de la mezcla de reacción, incluyendo el disolvente, aire o gases inertes, componentes gaseosos adicionales del sistema.
El procedimiento se realiza en al menos un reactor de lecho fijo. Alternativamente, aguas abajo del reactor de lecho fijo está conectado al menos un reactor de lecho fijo adicional. El gas de escape de los reactores de lecho fijo (incluyendo el primer reactor de lecho fijo) puede o bien guiarse a un reactor adicional o bien eliminarse del sistema.
En el caso de que el procedimiento contenga varios reactores conectados uno detrás de otro en serie, puede introducirse gas nuevo a cada reactor (el denominado modo de funcionamiento de corriente cruzada). Alternativamente puede introducirse gas nuevo en un reactor, cuyo gas de escape se introduce a su vez en el siguiente reactor. De este modo se diluye el monóxido de carbono en cada reactor (el denominado modo de funcionamiento de corriente continua). Preferiblemente, la introducción de gas se ejecuta a contracorriente: se introduce gas nuevo en el último reactor y el flujo de gas se guía a continuación al reactor anterior, y así hasta el primer reactor, cuyo gas de escape se descarga del procedimiento. De este modo puede reducirse la cantidad total necesaria de gas nuevo. También puede seleccionarse alternativamente una combinación de modo de funcionamiento de corriente cruzada, continua y contracorriente.
El reactor de lecho fijo está lleno al menos en parte con el sistema de catalizador que contiene metal noble. El catalizador que se encuentra en el mismo se denomina lecho de catalizador. El reactor puede hacerse funcionar, por ejemplo, como reactor de circulación o como reactor tubular (“flujo de pistón”). La mezcla de reacción (fase líquida y fase gaseosa) se conduce a través del reactor, por ejemplo, con una bomba y con ello se pone en contacto con el catalizador. Después del reactor, la fase líquida y la fase gaseosa se separan y al menos una parte de la fase gaseosa se evacúa de la instalación a través de conducto de gas de escape. Una cierta alimentación de masa que contiene el epóxido se dosifica de manera continua antes del reactor o a la circulación y la misma masa de mezcla de reacción se evacúa después del reactor o de la circulación, de modo que la masa de la mezcla de reacción permanezca constante en la instalación. Además, pueden dosificarse uno o varios gases, tales como, por ejemplo, nitrógeno, argón e hidrógeno, a la instalación. Preferiblemente, esta dosificación tiene lugar antes del reactor de lecho fijo. La presión en el reactor puede ajustarse, por ejemplo, mediante un regulador de presión inicial en el trayecto de gas de escape.
La figura 1 muestra un dispositivo (6) con un reactor de circulación, es decir un reactor de lecho fijo (3), que se hace funcionar en circulación. Allí se introduce la alimentación (1) al sistema. Se dosifica gas inerte (2) antes del o de los reactor(es) de lecho fijo (3) que contiene(n) el sistema de catalizador. El gas de escape (4) y la mezcla de producto líquida (5) se separan en un separador (7). El gas de escape se elimina del sistema. La mezcla de producto se guía en parte de vuelta al o a los reactor(es) de lecho fijo y se guía en parte a la siguiente etapa de procedimiento. La presión en el dispositivo (6) se aumenta a través de una bomba (8). Habitualmente, la presión entre la bomba y el catalizador, que se encuentra en el reactor de lecho fijo (3) se aumenta con respecto a otras zonas del dispositivo. Esto corresponde a la presión mencionada anteriormente en el reactor antes del catalizador, que asciende a al menos 1,2 bar.
En la figura 2 se representa un dispositivo (6) con bomba (8), un reactor tubular como reactor de lecho fijo (3), en el que se aplica la alimentación (1) y se añade gas inerte (2) antes del reactor de lecho fijo (3). El gas de escape (4) y el producto (5) se separan en el separador (7).
El procedimiento según la invención puede realizarse en disolventes orgánicos, prefiriéndose trabajar sin disolventes y por consiguiente no utilizar ningún disolvente orgánico. Disolventes adecuados son, por ejemplo, alcanos tales como n-hexano, n-heptano, n-tetradecano y ciclohexano; éteres tales como tetrahidrofurano y dioxano; alcanoles tales como metanol, etanol y t-butanol; ésteres tales como acetato de etilo y acetato de butilo. Los disolventes pueden utilizarse individualmente o en mezclas. El disolvente se utiliza preferiblemente en una cantidad, que asciende a 20 veces o menos, preferiblemente 10 veces o menos, el peso del compuesto E.
En una forma de realización preferida de la invención se convierte de manera continua monoepoxiciclododecano en ciclododecanona sin disolventes a temperaturas de desde 170 hasta 250°C con un catalizador de lecho fijo, controlándose la presión parcial de monóxido de carbono en la fase gaseosa del reactor después del catalizador por debajo de 50 mbar. La presión parcial de monóxido de carbono se determina, por ejemplo, mediante la medición de la presión total por medio de un manómetro y del porcentaje de monóxido de carbono por medio de espectrometría FT-IR.
Un objeto adicional de la invención es un procedimiento para la síntesis de lactamas (procedimiento de lactamas según la invención), en el que se recurre al procedimiento según la invención mencionado anteriormente para la producción de cetonas: en primer lugar, tiene lugar una transposición de un compuesto que contiene al menos un grupo epóxido (compuesto E) para dar la cetona. A continuación, se realiza una oximación la cetona para dar la oxima. Después tiene lugar una transposición de Beckmann de la oxima para dar la lactama. El compuesto E se selecciona preferiblemente de monoepoxicicloalcanos alifáticos, monoepoxicicloalcanodienos alifáticos y monoepoxicicloalquenos alifáticos, prefiriéndose los monoepoxicicloalcanos.
Siempre que la cetona se encuentre en una mezcla con el derivado de alcohol correspondiente, puede tener lugar una deshidrogenación del alcohol para dar la cetona. La transposición de Beckmann puede tener lugar por medio de ácido sulfúrico o cloruro cianúrico. Las lactamas pueden procesarse adicionalmente por policondensación para dar poliamidas.
El experto en la técnica conoce la deshidrogenación, la oximación, la transposición de Beckmann, así como la reacción de condensación.
En una forma de realización preferida del procedimiento de lactama según la invención se produce laurolactama a partir de monoepoxiciclododecano (o epóxido de ciclododecano o epóxido de 1,2-ciclododecano).
En el marco del procedimiento de lactama preferido puede obtenerse monoepoxiciclododecano mediante las siguientes etapas de reacción: se convierte 1,3-butadieno mediante ciclotrimerización en ciclododecatrieno. A continuación, tiene lugar una hidrogenación para dar el ciclododeceno. Mediante la epoxidación posterior se obtiene el epóxido de ciclododecano. El experto en la técnica en el campo de la síntesis de compuestos orgánicos puede producir otros compuestos alifáticos y cicloalifáticos E en analogía a la síntesis de monoepoxiciclododecano.
A continuación, se describe más detalladamente la presente invención mediante ejemplos. Formas de realización alternativas de la presente invención puede obtenerse de manera análoga.
Lista de números de referencia
1 alimentación
2 gas inerte
3 reactor de lecho fijo
4 gas de escape
5 producto
6 dispositivo
7 separador
8 bomba
Ejemplos
El dato porcentual en el caso de los catalizadores indica el porcentaje en peso del metal noble con respecto al peso total del catalizador que comprende metal noble y soporte. La abreviatura “calc.” representa “calcinado”. Las abreviaturas de las sustancias son: CDAN: ciclododecano; CDEN: ciclododeceno; ECD: epoxiciclododecano; CDON: ciclododecanona; CDENON: ciclododecenona (mezcla de isómeros); CDOL: ciclododecanol; CDENOL: ciclododecenol (mezcla de isómeros).
El sistema de catalizador utilizado estaba compuesto por un óxido mixto de ZrO2-SiO2 (95% de ZrO2, 5% de SiO2) y un catalizador de Pd al 0,5%/SiO2. Ambos catalizadores se produjeron según el documento EP3006107 (óxido mixto correspondiente al ejemplo B y Pd/SiO2 correspondiente al ejemplo D).
Cromatografía de gases (GC): Tuvieron lugar estudios de cromatografía de gases con un cromatógrafo GC-2010 (Shimadzu), equipado con muestreador automático, detector de ionización de llama (FID) así como columna capilar de GC Supelcowax® (60 m x 0,32 mm x 0,25 gm, Supelco). Se realizaron mediciones en modo dividido (tasa de división 1:66) con helio como gas portador (tasa de flujo 0,89 ml/min, velocidad de gas portador lineal 17,9 cm/s). Programa de temperaturas para el horno de GC: temperatura inicial 150°C; calentar con 5°C/min hasta 180°C, mantener durante 10 min; calentar con 5°C/min hasta 200°C, mantener durante 10 min. Las temperaturas de detector y de inyector ascendían a 340°C y 220°C.
Mediante la adición de un patrón externo (tetradecano) a cada muestra y el empleo del procedimiento de factor se calculó la composición de la mezcla de reacción en % en peso. Con la masa molar de cada sustancia pudo calcularse entonces la composición de la mezcla en % en moles. A continuación, pudo calcularse la conversión del epóxido. La selectividad de cada producto se calculó mediante la diferencia de concentración de este producto en la mezcla de reacción y en el educto, con respecto al epóxido convertido. Para las sustancias de alto punto de ebullición se calculó la selectividad mediante la masa molar del epóxido, lo que proporciona una información sobre la cantidad de sustancia del epóxido, que se convirtió en sustancias de alto punto de ebullición (pérdida de selectividad durante la reacción).
El porcentaje de monóxido de carbono se determinó con espectrometría IR mediante la introducción del gas de escape desde el reactor en un espectrómetro de IR. Las mediciones espectroscópicas se realizaron con un espectrómetro de mid-IR de transformada de Fourier (FT) Gasmet DX4000 de la empresa Ansyco, que resuelve la absorción en el rango espectral de 600-4200 cm-1. La corriente de sustancia gaseosa desde el reactor se guio con conductos correspondientes hasta la célula de medición del espectrómetro y se sujetó por medio de conexiones Swagelok. Para evitar la condensación en la corriente de sustancia se atemperaron los conductos por medio de calentamiento acompañante eléctrico a 110°C. En el espectrómetro de mid-IR usado, un material de SiC cerámico (Globar) sirvió como fuente de mid-IR. La célula de medición disponía de un volumen de 0,45 l y una longitud de camino óptico de 500 cm, que se implementó a través de reflexiones múltiples. La célula de medición se atemperó igualmente a una temperatura de 110°C. Como detector sirvió un detector MCT enfriado termoeléctricamente. La calibración de la determinación de CO tuvo lugar mediante espectros de referencia partiendo de gases de prueba (intervalo: del 0,9 al 7% en volumen de monóxido de carbono en nitrógeno). Para ello se evaluó el rango espectral de la señal de CO de 1850-2060 cm-1, dado que en este caso no se observó ninguna interferencia con componentes adicionales. La calibración y las mediciones se realizaron con el software Calcmet de la empresa Ansyco. Las mediciones de la fase gaseosa del reactor se realizaron frente a nitrógeno puro como espectro de fondo. Como duración de la medición se usaron 60 s a un intervalo de medición de 1800 s.
Los datos con respecto al flujo másico del nitrógeno se indican para diferenciarlo del flujo volumétrico en Nl/h. Como norma se recurre a la norma DIN 1343 (contrapresión 1013,25 mbar, temperatura de gas 0°C).
Ejemplo 1: no según la invención
Se realizó la reacción en una instalación de laboratorio. La instalación estaba compuesta por dos reactores de lecho fijo en serie (aproximadamente 200 ml por reactor) y un recipiente de reserva (1 l). El reactor de lecho fijo inferior se llenó con 45 g de óxido mixto de ZrO2-SiO2 (95% de ZrO2, 5% de SiO2) y el reactor de lecho fijo superior se llenó con 90 g de Pd al 0,5%/SiO2. El recipiente se llenó con 1000 g de ciclododecanona. El líquido se bombeó en círculo desde la reserva a través del lecho de catalizador de vuelta al recipiente de reserva por medio de una bomba de circulación (10 I/h). Los reactores se calentaron hasta una temperatura interna de 185°C en la mezcla de reacción con un termostato.
Entonces se dosificaron de manera continua 65 g/h de alimentación que contenían el 85,4% en peso de epoxiciclododecano, el 9,3% en peso de CDAN y el 5,3% de CDEN a la circulación. Esto corresponde a una dosificación de 0,31 mol/h de epoxiciclododecano. Desde la instalación se descargó de manera continua producto a través de un tubo de derrame, de modo que el nivel de llenado en el recipiente de reserva se mantenía constante. Además, se dosificaron de manera continua 2 Nl/h de nitrógeno a la instalación, lo que corresponde a una cantidad de sustancia de 0,08 mol/h de N2. Por consiguiente, la relación de la cantidad de sustancia de nitrógeno con respecto a la cantidad de sustancia de epoxiciclododecano ascendía a 0,26. Con un regulador de presión inicial se ajustó una presión total en la instalación de 3,2 bar y el gas de escape se descargó de manera continua de la instalación.
Tras un tiempo de funcionamiento de 48 h, la mezcla de reacción estaba en estado estacionario. Se alcanzó una conversión del epóxido del 77%. La selectividad con respecto a CDON ascendió únicamente al 6,8% en moles y se formó un 17% en moles de sustancias de alto punto de ebullición.
El porcentaje de monóxido de carbono en el gas de escape se determinó con espectrometría IR y ascendió al 2,6% en moles. A una presión total de 3,2 bar se alcanzó una presión parcial de monóxido de carbono de 83 mbar.
Tabla 1. Conversión del epóxido (% en moles, GC con patrón externo) y selectividad de los diferentes productos (% en moles, GC con patrón externo)
Figure imgf000008_0001
CDAN, CDEN, CDON, CDENON, CDOL y CDENOL son sustancias, que pueden convertirse todas con procedimientos conocidos en CDON. Es decir, todas son productos aprovechables. Por este motivo, la selectividad de productos aprovechables asciende al 82,8% en moles.
Ejemplo 2: no según la invención
Se realizó la reacción en una instalación de laboratorio según el ejemplo 1. Se dosificaron de manera continua 65 g/h de alimentación que contenía el 85,4% en peso de epoxiciclododecano, el 9,3% en peso de CDAN y el 5,3% de CDEN a la circulación. Esto corresponde a una dosificación de 0,31 mol/h de epoxiciclododecano. Desde la instalación se descargó de manera continua producto a través de un tubo de derrame, de modo que el nivel de llenado en el recipiente de reserva se mantenía constante. Además, se dosificaron de manera continua 5 Nl/h de nitrógeno a la instalación, lo que corresponde a una cantidad de sustancia de 0,20 mol/h de N2. Por consiguiente, la relación de la cantidad de sustancia de nitrógeno con respecto a la cantidad de sustancia de epoxiciclododecano ascendía a 0,67. Con un regulador de presión inicial se ajustó una presión total en la instalación de 3,2 bar y el gas de escape se descargó de manera continua de la instalación.
Tras un tiempo de funcionamiento de 48 h, la mezcla de reacción estaba en estado estacionario. Se alcanzó una conversión del epóxido del 78%. La selectividad de la CDON ascendió al 37% en moles y se formó un 16,5% en moles de sustancias de alto punto de ebullición.
El porcentaje de monóxido de carbono en el gas de escape se determinó con espectrometría IR y ascendió al 1,83% en moles. A una presión total de 3,2 bar se alcanzó una presión parcial de monóxido de carbono de 59 mbar.
Tabla 2. Conversión del epóxido (% en moles, GC con patrón externo) y selectividad de los diferentes productos (% en moles, GC con patrón externo)
Figure imgf000009_0001
La selectividad de productos aprovechables ascendió al 82,5% en moles.
Ejemplo 3: según la invención
Se realizó la reacción en una instalación de laboratorio según el ejemplo 1. Se dosificaron de manera continua 65 g/h de alimentación que contenía el 85,4% en peso de epoxiciclododecano, el 9,3% en peso de CDAN y el 5,3% de CDEN a la circulación. Esto corresponde a una dosificación de 0,31 mol/h de epoxiciclododecano. Desde la instalación se descargó de manera continua producto a través de un tubo de derrame, de modo que el nivel de llenado en el recipiente de reserva se mantenía constante. Además, se dosificaron de manera continua 20 Nl/h de nitrógeno a la instalación, lo que corresponde a una cantidad de sustancia de 0,81 mol/h de N2. Por consiguiente, la relación de la cantidad de sustancia de nitrógeno con respecto a la cantidad de sustancia de epoxiciclododecano ascendía a 2,6. Con un regulador de presión inicial se ajustó una presión total en la instalación de 3,2 bar y el gas de escape se descargó de manera continua de la instalación.
Tras un tiempo de funcionamiento de 48 h, la mezcla de reacción estaba en estado estacionario. Se alcanzó una conversión del epóxido del 79%. La selectividad de la CDON ascendió al 90% en moles y se formó únicamente un 2% en moles de sustancias de alto punto de ebullición.
El porcentaje de monóxido de carbono en el gas de escape se determinó con espectrometría IR y ascendió al 0,85% en moles. A una presión total de 3,2 bar se alcanzó una presión parcial de monóxido de carbono de 27 mbar.
Tabla 3. Conversión del epóxido (% en moles, GC con patrón externo) y selectividad de los diferentes productos (% en moles, GC con patrón externo)
Figure imgf000009_0002
La selectividad de productos aprovechables ascendió al 97,6% en moles.
Ejemplo 4: según la invención
Se realizó la reacción en una instalación de laboratorio según el ejemplo 1. Se dosificaron de manera continua 65 g/h de alimentación que contenía el 85,4% en peso de epoxiciclododecano, el 9,3% en peso de CDAN y el 5,3% de CDEN a la circulación. Esto corresponde a una dosificación de 0,31 mol/h de epoxiciclododecano. Desde la instalación se descargó de manera continua producto a través de un tubo de derrame, de modo que el nivel de llenado en el recipiente de reserva se mantenía constante. Además, se dosificaron de manera continua 5 Nl/h de nitrógeno a la instalación, lo que corresponde a una cantidad de sustancia de 0,20 mol/h de N2. Por consiguiente, la relación de la cantidad de sustancia de nitrógeno con respecto a la cantidad de sustancia de epoxiciclododecano ascendía a 0,67. Con un regulador de presión inicial se ajustó una presión total en la instalación de 1,2 bar y el gas de escape se descargó de manera continua de la instalación.
Tras un tiempo de funcionamiento de 48 h, la mezcla de reacción estaba en estado estacionario. Se alcanzó una conversión del epóxido del 78%. La selectividad de la CDON ascendió al 89% en moles y se formó únicamente un 2,7% en moles de sustancias de alto punto de ebullición.
El porcentaje de monóxido de carbono en el gas de escape se determinó con espectrometría IR y ascendió al 1,71% en moles. A una presión total de 1,2 bar se alcanzó una presión parcial de monóxido de carbono de 21 mbar.
Tabla 4. Conversión del epóxido (% en moles, GC con patrón externo) y selectividad de los diferentes productos (% en moles, GC con patrón externo)
Figure imgf000010_0001
La selectividad de productos aprovechables ascendió al 95,6% en moles.
Ejemplo 5: según la invención
Se realizó la reacción en una instalación de laboratorio según el ejemplo 1. Se dosificaron de manera continua 65 g/h de alimentación que contenía el 85,4% en peso de epoxiciclododecano, el 9,3% en peso de CDAN y el 5,3% de CDEN a la circulación. Corresponde a una dosificación de 0,31 mol/h de epoxiciclododecano. Desde la instalación se descargó de manera continua producto a través de un tubo de derrame, de modo que el nivel de llenado en el recipiente de reserva se mantenía constante. Además, se dosificaron de manera continua 20 Nl/h de nitrógeno a la instalación, lo que corresponde a una cantidad de sustancia de 0,81 mol/h de N2. Por consiguiente, la relación de la cantidad de sustancia de nitrógeno con respecto a la cantidad de sustancia de epoxiciclododecano ascendía a 2,6. Con un regulador de presión inicial se ajustó una presión total en la instalación de 1,2 bar y el gas de escape se descargó de manera continua de la instalación.
Tras un tiempo de funcionamiento de 48 h, la mezcla de reacción estaba en estado estacionario. Se alcanzó una conversión del epóxido del 76%. La selectividad de la CDON ascendió al 90% en moles y se formó únicamente un 2,3% en moles de sustancias de alto punto de ebullición.
El porcentaje de monóxido de carbono en el gas de escape se determinó con espectrometría IR y ascendió al 0,70% en moles. A una presión total de 1,2 bar se alcanzó una presión parcial de monóxido de carbono de 8 mbar.
Tabla 5. Conversión del epóxido (% en moles, GC con patrón externo) y selectividad de los diferentes productos (% en moles, GC con patrón externo)
Figure imgf000010_0002
La selectividad de productos aprovechables ascendió al 96,1% en moles.
Resultado
Con los ejemplos 1 a 5 pudo demostrarse que una reducción de la presión parcial de CO por medio de una mezcla de gases inertes hasta por debajo de 50 mbar reduce esencialmente el porcentaje de sustancias de alto punto de ebullición como subproducto de la reacción del epóxido para dar la cetona.
Tabla 6. Resumen sobre las presiones parciales y los porcentajes de productos de reacción que resultan de las mismas
Figure imgf000010_0003
* según la invención

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1 Procedimiento para la producción continua de cetonas a partir de un compuesto que contiene al menos un grupo epóxido en un dispositivo (6) que al menos comprende al menos un reactor de lecho fijo (3), conteniendo el al menos un reactor de lecho fijo (3) una composición de catalizador, que comprende al menos un metal noble y al menos un óxido de metal, caracterizado porque
    a. la presión en el reactor (3) antes del catalizador asciende a al menos 1,2 bar,
    b. la fase gaseosa del reactor presenta como máximo 0,2 bar de presión parcial de hidrógeno, preferiblemente nada de hidrógeno, y
    c. después del catalizador en la fase gaseosa del reactor está ajustada una presión parcial de monóxido de carbono de 50 mbar o menos mediante la introducción de al menos un gas inerte.
  2. 2. - Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en la fase gaseosa del reactor de lecho fijo está ajustada una presión parcial de monóxido de carbono de 30 mbar o menos.
  3. 3. - Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el óxido de metal del sistema de catalizador contiene dióxido de titanio, dióxido de circonio o mezclas de los mismos o está compuesto por al menos uno de los óxidos mencionados anteriormente.
  4. 4. - Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la presión total en el reactor asciende a 4 bar o menos, preferiblemente 2 bar o menos.
  5. 5. - Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la relación de la cantidad de sustancia de gas inerte y de la cantidad de sustancia del compuesto que contiene grupo epóxido asciende a al menos 0,5.
  6. 6. - Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque aguas abajo del reactor de lecho fijo está conectado al menos un reactor de lecho fijo adicional.
  7. 7. - Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque tiene lugar una introducción de gas del gas de escape entre los reactores de lecho fijo a contracorriente.
  8. 8. - Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el compuesto que contiene al menos un grupo epóxido es un compuesto cicloalifático con de 4 a 20 átomos de C.
  9. 9. - Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque el compuesto que contiene al menos un grupo epóxido comprende monoepoxiciclododecano.
  10. 10. - Procedimiento para la síntesis de lactamas, que comprende las etapas de
    a. someter a transposición un compuesto que contiene al menos un grupo epóxido para dar la cetona, b. someter a oximación la cetona para dar la oxima
    c. someter a transposición de Beckmann la oxima para dar la lactama,
    caracterizado porque la transposición a. se realiza según una de las reivindicaciones anteriores.
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