FI74945B - Foerfarande foer framstaellning av hydroksifoereningar genom elektrokemisk reduktion. - Google Patents

Description

' 74945

Menetelmä hydroksiyhdisteiden valmistamiseksi sähkökemiallisella pelkistyksellä

Keksinnön kohteena on menetelmä kaavan RÖH mukaisten 5 hydroksiyhdisteiden valmistamiseksi, jossa kaavassa R on terpenoidiryhmä, joka on valittu ryhmästä geranyyli, hydrok-sigeranyyli, neryyli, hydroksineryyli tai linalyyli tai hydroksilinalyyli, sähkökemiallisella pelkistyksellä subs-tituoiduista hydroksyyliamiineista.

10 Keksinnöllä on erityistä arvoa valmistettaessa ter- peenialkoholeja, kuten geraniolia ja nerolia, jotka ovat tärkeitä tuotteita hajusteteollisuudessa. Esimerkiksi GB-patentista 1 535 608 tai US-patentista 4 107 219 tunnetaan prosessi, jolla isopreenia voidaan saattaa reagoimaan se-15 kundäärisen amiinin kanssa katalyytin, kuten butyylilitiu-min läsnäollessa terpeeniamiinin muodostamiseksi. Viimeksi mainittu voidaan muuttaa alkoksidialkyyliamiiniksi, joka katalyyttisessä hydrauksessa antaa geraniolia ja/tai nerolia. Valitettavasti on valmistuksen loppuvaiheena vaikea suurpai-20 ne-hydraus, joka antaa suhteellisen pienen saannon alkoholia, mikä rajoittaa kaupallista arvoa muutoin taloudellisesti houkuttelevassa menetelmässä terpeenialkoholien syn-tetisoimiseksi.

Nyt on havaittu, että hydroksyyliamiineja, kuten ge-25 raniolin alkoksidiakyyliamiini-esivaihetta voidaan muuttaa vastaaviksi alkoholeiksi sähkökemiallisella pelkistyksellä hyvin suurin saannoin ja hyvin suurella sähköhyötysuhteella.

Keksinnön mukaisella menetelmällä on tunnusomaista, että pelkistetään sähkökemiallisesti kaavan RONR^ mukainen 30 substituoitu hydroksyyliamiini, jossa kaavassa R' on vety tai mahdollisesti substituoitu hiilivetyryhmä tai NR1> on orgaaninen typpipitoinen heterosyklinen rengas, elektro-lyysikennossa, joka käsittää metalli- tai hiilikatodin, katodin kanssa yhteydessä olevan katolyytin, jonka pH on 35 3-6,5, oksidilla päällystetyn metallianodin tai hiiliano- din, anodin kanssa yhteydessä olevan anolyytin, joka käsit- 2 74945 tää vesipitoista vahvaa mineraalihappoa, ja kationiselek-tiivisen membraanin tai huokoisen diafragman, joka erottaa katolyytin anolyytistä, jolloin katolyytti on sähköä johtava ja käsittää orgaanista karboksyylihappoa ja substituoi-5 dun hydroksyyliamiinin liuosta, ja orgaaninen hydroksiyh-diste otetaan talteen anolyytistä.

Kukin R* voi olla vety, mutta edullisesti se on alempi (esim. 1-4 hiiltä) alkyyliryhmä. Vaihtoehtoisesti se voi olla arkyyli-, alkenyyli- tai sykloalkyyliryhmä tai 10 korkeampi alkyyliryhmä, joka sisältää aina 20 hiiliatomia.

R'-ryhmät voivat olla samat tai erilaiset. Eräässä suoritusmuodossa R'-ryhmät N-atomin kanssa muodostavat typpeä sisältävän renkaan, kuten piperidiinin.

Elektrolyytti voi olla homogeeninen katodin ja ano-15 din välillä, mutta edullisesti anodi ja katodi on erotettu kalvolla (membraani) tai diafragmalla ja katolyytin ja ano-lyytin koostumukset voivat tällöin olla erilaiset. Katolyytti koostuu edullisesti liuottimesta substituoitua hyd-roksyyliamiinia varten, sähkönjohtavuutta paranravasta yh-20 disteestä ja protonilähteestä sekä substituoidusta hydrok-syyliamiinista ja tuotealkoholeista tai sivutuotteista (esim. amiini), joita voi muodostua. Tyypillisesti järjestelmä sisältää myös jonkin verran vettä.

Tietyissä olosuhteissa sama aine voi toteuttaa useam-25 pia kuin yhden edellä mainituista funktioista, esim. etik-kahappo voi toimia liuottimena, protonilähteenä ja parantaa sähkönjohtavuutta.

Liuotin voi tyypillisesti olla alempi (esim. C-j.^) alkoholi, kuten metanoli, etanoli, n-propanoli, n-butanoli, 30 tertiäärinen butanoli tai isopropanoli, edullisesti metano li. Läsnä voi kuitenkin olla mitä tahansa muuta orgaanista liuotinta, joka pystyy liuottamaan substituoidun hydroksyyliamiinin.

Läsnäoleva protonilähde on tyypillisesti heikko hap-35 po. Erikoisen edullisesti läsnä on orgaanista happoa, tavallisesti alempaa (esim. .4)-karboksyylihappoa, kuten 3 74945 etikkahappoa. Voimakkaita mineraalihappoja ei edullisesti ole katolyytissä, koska ne pyrkivät tuhoamaan tuotteen. Edullinen happo on etikkahappo. Yleensä on edullista, että katolyytissä on riittävän hapan pH edistämään sähkökemial-5 lista reaktiota (mahdollisesti protonoimalla substituoitua hydroksyyliamiinia), mutta ei tuhoamaan alkoholituotetta. Useimmissa tarkoituksissa katolyytin edullinen pH-alue on 3-6,5, vaikka toiminta myös tämän alueen ulkopuolella on mahdollista ja voi olla edullista tietyissä erityistapauk-10 sissa.

Katolyytti sisältää edullisesti sähkönjohtavuutta parantavaa ainetta, joka on helposti ionisoituva yhdiste, kuten voimakkaan hapon alkalimetallisuola. Litiumsuolat, kuten litiumkloridi, ovat käyttökelpoisia, johtuen niiden 15 suuresta liukenevuudesta, mutta natriumsuolat, kuten nat-riumsulfaatti tai erityisesti natriumkloride ovat edullisia taloudellisista syistä. Voidaan myös käyttää kalium-suoloja, kuten myös ammoniumsuoloja, edullisesti tetra-alkyyliammoniumsuoloja, kuten tetraetyyliammoniumkloridia.

20 Substituoidun hydroksyyliamiinin konsentraatio ka tolyytissä ei ole kriittinen ja panostoiminnassa se voi pudota olennaisesti nollaan, reaktion lähetessä loppuaan. Taloudellisista syistä on yleensä suositeltavaa, että käytetään suurinta mahdollista lähtökonsentraatiota, mutta 25 edullisesti ei suurempaa kuin mikä liukenee katolyyttiin ja on yhteensopiva katolyytin kanssa aiheuttamatta saostumista tai yhden tai useamman sen komponentin faasien erottumista, vaikkakaan toiminta sellaisten erottuneiden faasien läsnäollessa ei ole suljettu pois. Optimaalinen konsen-30 traatio riippuu käytetystä lähtöaineesta ja katolyytistä, mutta tyypillisessä tapauksessa se on alueella 10-20 pai-no-%. Joissakin tapauksissa korkeammat lähtökonsentraatiot ovat kuitenkin mahdollisia ja ne voivat olla edullisia erityisesti silloin, kun hydroksyyliamiini on erityisesti puh-35 distettua, esimerkiksi tislauksella. Viimeeksi mainitussa tapauksessa aina 50 %:n konsentraatiot ja korkeammatkin 4 74945 ovat käytännössä sopivia ja edullisia. Joissakin tapauksissa voidaan käyttää emulsioita.

Vaikka on mandollista toimia täysin vedettömällä järjestelmällä, pidetään edullisena, että katolyytti sisäl-5 tää ainakin vähän vettä, esimerkiksi 1-30, tyyppillisesti 2-25, esimerkiksi 5-20 paino-% vettä, sähkönjohtavuuden parantamiseksi.

Tavallisesti katolyytti sisältää 10-90 paino-%, edullisesti 20-85 paino-%, tavallisemmin 35-80 paino-% 10 liuotinta; 2-40 paino-%, edullisesti 5-30 paino-% proto- nointiainetta; 1 %:sta kyllästymispisteeseen saakka, edullisesti 2-20 paino-%, esim. 5-10 paino-% sähkönjohtavuutta parantavaa yhdistettä. Edellä esitettyjä suhteita voidaan vaihdella huomattavasti, erityisesti silloin, kun yksi tai 15 useampi komponenteista jossakin määrin pystyy suorittamaan useampia kuin yhden edellä mainituista funktioista. Esimerkiksi, kun etikkahappoa käytetään protonointiaineena, sitä voidaan käyttää suuri ylimäärä, esim. aina 90 %:iin saakka, edullisesti 50—70 %, jolloin ylimäärä toimii aina-20 kin osittain liuottimena.

Vaikka on mahdollista, että anolyytti ja katolyytti ovat samat, pidetään edullisena erottaa elekrtolyytit kalvolla erillisen anolyytin säilyttämiseksi. Tyypillisesti anolyytti sisältää vesipitoista voimakasta mineraalihappoa, 25 edullisesti rikkihappoa, vaikkakin muut hapot, kuten kloo-rivetyhappo tai fosforihappo ja happojen seokset ovat kaikki toimivia, mutta yleensä vähemmän edullisia.

Katodi voi olla mitä tahansa sähköä johtavaa ainetta, joka on stabiilia pelkistävässä ympäristössä, joka 30 edullisesti suosii hydroksyyliamiinin pelkistystä ennen vedyn kehittämistä, esim. metallia, jolla on riittävän > suuri vedyn ylipontentiaali estämään vedyn muodostumisen, tai sellaista ainetta, joka katalysoi hydroksyyliamiinin pelkistystä. Kustannus- ja tehokkuussyistä lyijyä pidetään 35 edullisena. Muihin aineisiin, joita voidaa käyttää, kuuluvat sinkki, kadmium, elohopea ja hiili.

5 74945

Anodi voi olla mitä tahansa sähköä johtavaa ainetta, joka on sopiva hapen kehittämiseen. Mitä tahansa oksidilla päällystettyä metallia, joka soveltuu veden elektrolyysiin happamissa olosuhteissa, voidaan käyttää, kuten lyijydiok-5 sidilla päällystettyä lyijyä, titaania tai senkaltaista tukiainetta. Myös hiiltä voidaan käyttää.

Kaupallista käyttöä varten on erittäin edullista yhdistää joukko yksikkökennoja sarjaan kytkettyinä kenno-pakaksi, kunkin kennon ollessa fysikaalisesti erotettu 10 viereisestä kennosta ja sähköisesti yhdistetty viereisiin kennoihin bipolaarielektrodilla.

Edullinen bipolaarielektrodi käsittää lyijylevyn katodipintana ja ruteenioksidilla päällystetyn titaanin anodipintana. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää lyijyoksi-15 di 11a päällystettyä lyijyä sen anodipinnalla. Lyijyoksidi-päällystys voidaan suorittaa tai antaa muodostua in situ kennon toiminnalla. Muita tavanomaisia dimensionaalisesti stabiileja bipolaarisia elektrodeja voidaan käyttää, kuten hiiltä, vaikkakaan viimeeksi mainittu ei ole edullinen joh-20 tuen eroosio-ongelmista ja tuotteen saastumisesta hiilihiuk-kasilla.

Edullisesti katodi ja anodi on kussakin yksikköken-nossa erotettu toisistaan kalvoilla, joka edullisesti on kationiselektiivinen, esim. sulfonoitu polyesterikalvo.

25 On mahdollista, vähemmän edullisesti, käyttää huokoista diafragmaa erottamaan elektrodeja toisistaan.

On hyvin suositeltavaa ylläpitää nesteen kiertoa kennon lävitse tarkoituksella estää vedyn kerääntyminen katodipinnalle. Lämpötila ei ole kriittinen edellyttäen, 30 että se ei ole riittävän korkea höyrystämään katolyytin komponentteja ei-hyväksyttävässä määrin tai niin alhainen, että se aiheuttaa kiinteytymistä (jähmettymistä), saostumista tai muuta faasien erottumista. Edullinen lämpötila on 20-25°C, esim. 30-40°C. Prosessi voi synnyttää lämpöä 35 ja haluttaessa on varustauduttava elektrolyytin jäähdyttämiseen esimerkiksi kierrättämällä sitä ulkopuolisen läm- 6 74945 mönvaihtimen läpi.

On usein suositeltavaa toteuttaa prosessi inertissä atmosfäärissä, kuten typessä tulipalovaaran vähentämiseksi.

Prosessi toimii laajalla virrantiheysalueella.

5 Tuote voidaan ottaa talteen tavanomaisella erotta- mistekniikalla, tavallisesti jollakin yhdistelmällä yhdestä tai useammasta saostusvaiheesta, suodatusvaiheesta, haihdu-tusvaiheesta, laimennusvaiheesta faasien erottumisen aikaansaamiseksi ja fraktiotislauksella riippuen tuotteen luon-10 teestä ja anolyytin koostumuksesta.

Prosessti voidaan toteuttaa panosprosessina, esim. käyttämällä säiliöitä katolyyttiä ja anolyyttiä varten, jolloin ensiksi mainittu sisältää liuotetun panoksen lähtöainetta, ja kierrättämällä näitä kahta liuosta kennon kato-15 ri- ja anodiosastojen lävitse, kunnes konversio on täydellinen tai on saavuttanut halutun tason. Tuote voidaan sitten ottaa talteen katolyyttiliuoksesta. Vaihtoehtoisesti voidaan edellä kuvattu järjestelmä sovittaa jatkuvaan toimintaan ottamalla tuote ja mandollinen sivutuoteamiini tal-20 teen jatkuvasti tai jaksottaisesti kiertävästä liuoksesta sopivassa jakson vaiheessa ja täydentämällä liuosta jatkuvasti tai jaksottaisesti laskemalla kiertävää liuosta tal-teenottovaiheeseen.

Tyypillisesti on joukko yksikkökennoja yhdistetty 25 sähköisesti sarjaan muodostamaan kannopakka ja joukko ken-nopakkoja on kytketty sähköisesti rinnan. Sopivasti sekä anolyytti- että katolyyttivirtaus on rinnakkainen läpi kunkin pakan yksikkökennoja ja sarjassa peräkkäisten kenno-pakkojen lävitse.

30 Myös muut erilaiset yksikkökennojen, kennopakkojen ja reagenssivirtausten järjestelyt ovat mahdollisia.

Tyypillinen sähkökemiallinen palkistyslaitos, joka soveltuu keksinnön toteuttamiseen, kuvataan seuraavassa oheiseen piirustukseen liittyen, joka esittää virtauskaa-35 viota.

Laitos käsittää sarjan kennopakkoja 1. Kukin kenno- 7 74945 pakka 1 käsittää oksidilla päällystetyn lyijyisen päätea-nodin 2 ja lyijyisen päätekatodin 3, jotka on erotettu u useilla bipolaarisella elektrodeilla 4, joista kukin on lyijylevy, joka anodipinnaltaan on päällystetty lyijydiok-5 sidilla ja jotka määrittävät useita yksikkökennoja.

Kukin yksikkökenno on jaettu anolyytti- ja katolyyt-tiosastoihin kationiselektiivisellä kalvolla 5. Kukin ano-lyyttiosasto ja kukin katolyytiosasto on kytketty sarjaan seuraavan kennopakan vastaavien osastojen kanssa anolyyt-10 ti- ja katolyytti-kokoonjajohdoilla.Viimeisen kennopakan anolyyttiosastot ja katolyyttiosastot sarjassa ovat yhteydessä anolyytin kierrätyskokoojajohtoon 8 ja vastaavasti katolyytin kierrätyskokoojajohtoon 9, jotka on varustettu lämmönvaihtimilla 10, 11.

15 Sarjan ensimmäisen kennopakan katolyytti- ja ano- lyyttiosastoja syötetään vastaavasti katolyytin syöttö-kokooja johdosta 12 ja anolyytin syöttökokoojajohdosta 13. Katolyytin syöttökokoojajohto 12 ja katolyytin kierrätyskokooja johto 9 on kytketty katolyyttisäiliöön 14. Anolyy-20 tin syöttökokoojajohto 13 ja anolyytin kierrätyskokooja-johto 8 on kytketty anolyyttisäiliöön 15.

Pääteanodit 2 ja päätekatodit 3 on kytketty rinnan tasajännitelähteen positiiviseen ja vastaavasti negatiiviseen napaan.

25 Keksintö kuvataan seuraavilla esimerkeillä.

Kaikki prosenttiluvut tarkoittavat painoprosentteja, ellei toisin ole mainittu.

Esimerkki 1 Käytettiin lasikennoa, johon kuului anodikammio, 30 katodikammio ja kationinen kalvo, joka erotti nämä kammiot toisistaan. Katodina oli lyijylevy, pinta-alaltaan noin 5 cm^, anodina lyijydioksidilla päällystetty lyijytanko, jolla oli samanlainen poikkileikkauspinta-ala. Typpikaasua kuplitettiin jatkuvasti katolyytin lävitse sekoituksen 35 aikaansaamiseksi. Elektrolyysi toteutettiin joko vakio- virtaolosuhteissa tai vakioelektrodipotentiaaliolosuhteis- 74945 8 sa.

Käytettäessä tätä laitteistoa yhdessä kokeessa, ano-lyyttiliuoksena oli 10-% rikkihapon vesiliuos ja katolyytti koostui 50 %:sta metanolia, 29 %:sta jääetikkaa ja 12 %:sta 5 vettä, johon oli liuotettu 6 % litiumkloridia ja 10 % N- (3,7-dimetyyliokta-2,6-dieeni-1-yylioksi)dietyyliamiinia. Elektrolyysi toteutettiin vakioelektropotentiaalissa ja keskimääräinen virrantiheys oli 20 mA/cm . Reaktiota jatkettiin, kunnes olennaisesti kaikki lähtöaine oli muuttu-10 nut geraniolin ja nerolin seokseksi. Alkuperäinen virran-hyötysuhde oli yli 90 %.

Esimerkki 2

Vesipitoista rikkihappoa (10 %) käytettiin anolyyt-tinä. Anodina oli lyijydioksidikerros lyijyllä, ja katodi-15 na oli lyijy, pinta-alaltaan 0.05 m . Katodi- ja anodi- osastot oli erotettu toisistaan "Ionac"-kationise11a kalvolla. Katolyyttikoostumus oli seuraava: 300 g neryyli/geranyyli-hydroksiamiineja (90-%:isesti puhdasta GLC:llä) 20 1 100 g jääetikkaa 1 100 g metanolia 300 g vettä 30 g natriumkloridia

Typpeä 40/ml/min pumpattiin katodisäiliöön.

25 Sekä katolyytti että anolyytti pumpattiin kennon lä vitse nopeudella 12 1/min. Virta 40 A ylläpidettiin säätämällä jännitettä alueella 9-15 V. Katolyytin lämpötila pidettiin 18°C:na. Virtaa johdettiin 2,5 tunnin ajan. Tulokset 30 virrantiheys 800 A/m2 GLC analyysi nerolia 36 % GLC analyysi geraniolia 64 % virranhyötysuhde 67 % kWh/kg 6,0 35 Esimerkki 3

Valmistettiin vesipitoinen rikkihappo (10-%) ja si-

Claims (10)

1. Menetelmä kaavan RÖH mukaisten hydroksiyhdisteiden valmistamiseksi, jossa kaavassa R on terpenoidiryhmä, 5 joka on valittu ryhmästä geranyyli, hydroksigeranyyli, ne-ryyli, hydroksineryyli tai linalyyli tai hydroksilinalyyli, tunnettu siitä, että pelkistetään sähkökemiallises-ti kaavan RONRij mukainen substituoitu hydroksyyliamiini, jossa kaavassa R1 on vety tai mahdollisesti substituoitu 10 hiilivetyryhmä tai NR^ on orgaaninen typpipitoinen hetero-syklinen rengas, elektrolyysikennossa, joka käsittää metalli- tai hiilikatodin, katodin kanssa yhteydessä olevan ka-tolyytin, jonka pH 3-6,5, oksidilla päällystetyn metalli-anodin tai hiilianodin, anodin kanssa yhteydessä olevan ano-15 lyytin, joka käsittää vesipitoista vahvaa mineraalihappoa, ja kationiselektiivisen membraanin tai huokoisen diafragman, joka erottaa katolyytin anolyytistä, jolloin katolyytti on sähköä johtava ja käsittää orgaanista karboksyylihappoa ja substituoidun hydroksyyliamiinin liuosta, ja orgaaninen hyd-20 roksiyhdiste otetaan talteen anolyytistä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että katolyytti sisältää orgaanista karboksyylihappoa, substituoidun hydroksyyliamiinin liuosta sekä sähkönjohtavuutta parantavaa yhdistettä, joka on jon- 25 kin vahvan hapon ammonium- tai alkalimetallisuola.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sähkönjohtavuutta parantava yhdiste on litiumin, natriumin, kaliumin, substituoimattoman ammo-niumin tai tetra-alkyyliammoniumin kloridi tai sulfaatti.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että katolyytti sisältää etikkahappoa.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että katolyytti on liuos 35 1-4 hiiliatomia sisältävässä alkoholissa.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, t u n - 11 74945 n e t t u siitä, että liuotin on metanoli.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että katolyytti käsittää 50 paino-%:iin saakka substituoitua hydroksyyliamiinia, 5 0-30 paino-% vettä, 10-90 paino-% liuotinta, 2-90 paino-% etikkahappoa ja aina 1%:sta kyllästymispisteeseen saakka sähkönjohtavuutta parantavaa yhdistettä, joka on litiumin, natriumin, kaliumin, substituoimattoman ammoniumin tai tetra-^alkyyliammoniumin kloridi tai sulfaatti.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että anolyytin sisältämä happo on kloori-vetyhappo, rikkihappo tai fosforihappo.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että R' on 1-4 hiili- 15 atomia sisältävä alkyyli.

9 74945 tä käytettiin anolyyttinä. Anodina oli lyijydioksidi lyi- 2 jyllä ja katodina oli lyijy. Katodin pinta-ala oli 0,05 m . Katodi- ja anodiosastot oli erotettu toisistaan Ionac-kat-ionisella kalvolla. Katolyyttikoostumus oli seuraava: 5 300 g naryyli/geranyyli-hydroksyyliamiineja (90-%:inen puhtaus, GLC) 1 900 g metanolia 300 g jääetikkaa 300 g vettä 10 30 g natriumkloridia. Typpeä 40 ml/min pumpattiin katodisäiliöön. Sekä anolyyttiä että katolyyttiä pumpattiin kennon lävitse nopeudella 12 1/min. Virranvoimakkuus 40 A ylläpidettiin säätelemällä kennojännitettä välillä 7,5 - 12 V. Ka-15 tolyytin lämpötila pidettiin 21°C:na. Virtaa johdettiin kolmen tunnin ajan. Tulokset Virrantiheys 800 A/m^ GLC analyysi nerolia 35,5 %

20 GLC analyysi geraniolia 63,9 % virranhyötysuhde 55 % kWh/kg 5,2 10 74945

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu' siitä, että orgaaninen karbok-syylihappo sisältää 1-4 hiiliatomia.