NL8005734A - Werkwijze voor de bereiding van omega-lactamen. - Google Patents

Description

Werkwijze voor de bereiding van ω-lactamen.

Deze uitvinding betreft een werkwijze voor de bereiding van ω-lactamen, in het bijzonder van caprolactam.

Het is bekend caprolactam te bereiden door een cyclo-alifatische verbinding in aanwezigheid van een dehydraterings-5 middel met een nitroseringsmiddel te laten reageren. In het Amerikaanse octrooischrift 3.356.675 is een bereidingswijze van caprolactam beschreven, waarbij men een verbinding met een cycloalifa-tische ring (in het bijzonder een cyclohexylring) laat reageren met nitrosozwavelzuur (ONOJSO^H in geconcentreerd zwavelzuur en met 10 oleum als ontwateringsmiddel. De reactie gebeurt continu en in de opeenvolgende fasen loopt de temperatuur steeds verder op; con-tacttijden en molecuulverhoudingen tussen de verschillende stoffen moeten bepaalde waarden hebben. Deze bepaalde waarden worden met voorproefjes bepaald. Volgens het Amerikaanse octrooischrift 15 3.356.675 bereikt men met een molecuulverhouding SO^/ONOSO^H

tussen 0,6:1 en 0,7:1 een caprolactam-opbrengst van 92-94 %; de zuiverheid daarvan is ongeveer 98 %.

Indien oleum gebruikt wordt voor de bereiding van caprolactam uit hexahydrobenzoëzuur wordt een deel van dit laatste 20 op de α-plaats ten opzichte van de carboxyl-groep gesulfoneerd en ontstaat er cyclohexaansulfonzuur, zodat de opbrengst omlaag gaat. Verder is het op industriële schaal moeilijk in de verschillende fasen van de lactam-vorming verschillende temperaturen te handhaven, zoals het Amerikaanse octrooischrift 3.356.675 voorschrijft.

25 De genoemde hoge opbrengsten brengen toch de vor ming van aanzienlijke hoeveelheden bijprodukten met zich mee, die men nergens voor kan gebruiken en die men op een of andere wijze kwijt moet zien te raken, vaak tegen aanzienlijke kosten. Daarom blijft een bereidingswijze met een praktisch kwantitatieve op-30 brengst (en dus minder problemen met milieuvervuiling) nog zeer interessant.

Nu is verrassenderwijs gevonden dat het mogelijk is 8005734 2 de opbrengst van deze reactie te verhogen door de molecuulverhou-ding tussen oleum of andere dehydrateringsmiddel tot het cycloalifa-tische zuur hoger te nemen en tevens de reactietemperatuur lager in te stellen en constant over de verschillende fasen. Daar bij ver-5 laagde temperatuur de lactam-vorming gemakkelijk onderbroken kan worden zodat ophoping van nitrosozwavelzuur kan optreden (wat de mogelijkheid van hevige reacties en plotselinge temperatuurstijgingen opent, en daardoor sulfonering van hexahydrobenzoëzuur en verlaging van de opbrengst) is het erg belangrijk een systeem te 10 hebben voor de continue en directe beheersing van de concentratie van het nitroseringsmiddel in het reactiemengsel.

Deze uitvinding verschaft een werkwijze voor de bereiding van ω-lactamen met 5 tot 14 koolstofatomen, door reactie van een cycloalifatisch zuur met 4 tot 14 koolstofatomen in de 15 ring en/of het overeenkomstige anhydride met een nitroseringsmiddel in aanwezigheid van een ontwateringsmiddel, welke gekenmerkt wordt doordat de reactie uitgevoerd wordt bij lage temperaturen die over de opeenvolgende fasen constant gehouden wordt, met een molecuulverhouding ontwateringsmiddel/nitroseringsmiddel tussen 20 0,7:1 en 1:1.

Verder is verrassenderwijs gevonden dat het mogelijk is de reactiviteit van het systeem en dus ook de concentratie aan nitroseringsmiddel continu te controleren met behulp van redox-elektroden die in het reactiemengsel ondergedompeld zijn.

25 De meetelektrode is van platina en de vergelijkingselektrode is een glaselektrode. Deze twee zijn op bekende wijze op elkaar aangesloten via een meetbrug.

De verbeterde lactamisering van cycloalifatische verbindingen volgens de uitvinding bestaat dus hieruit dat in alle 30 fasen de laagst mogelijke temperatuur die met industrieel aanvaardbare reactiesnelheden gepaard gaat aangehouden wordt, en dat de verhouding tussen het verbruik aan nitroseringsmiddel en de aangevoerde hoeveelheid daarvanèodanig is dat zich nergens in de reactor een gevaarlijke hoeveelheid nitroseringsmiddel kan op-35 hopen, doordat men de verhouding ontwateringsmiddel/nitroserings-middel hoger kiest naarmate men de temperatuur lager instelt (om 8005734 3 de reactiesnelheid hoog genoeg te houden), en doordat men de plaatselijke concentratie aan nitroseringsmiddel in de reactor met behulp van geëigende elektroden meet.

Cycloalifatische zuren die men met de werkwijze vol-5 gens de uitvinding kan lactamiseren zijn hexahydrobenzoëzuur, cyclododecaancarbonzuur en andere, en de anhydriden daarvan. De voorkeur gaat uit naar hexahydrobenzoëzuur oftewel cyclohexaan-carbonzuur.

Alle nitroseringsmiddelen die in het Amerikaanse 10 octrooischrift 3.356.675 genoemd zijn kan men bij de nu gevonden werkwijze ook toepassen. Als dehydrateringsmiddel kan men SO^, CISO^H en gebruiken, en zelfs het anhydride van hexahydro benzoëzuur (in het laatste geval in combinatie met 100 % hexahydrobenzoëzuur en zwavelzuur) waarbij men voor het berekenen 1 mol 15 hexahydrobenzoëzuuranhydride gelijk aan 1 mol SO^ stelt.

De reactietemperatuur kan variëren van 30° tot 100°C, bij hexahydrobenzoëzuur ligt die het beste tussen 60° en 80°C.

De reactie kan discontinu in geroerde reactoren gebeuren, semicontinu (door alle uitgangsstoffen behalve het nitro-20 sozwavelzuur met elkaar te mengen en dit laatste over een bepaalde tijd toe te voegen, waarna men het reactiemengsel aflaat) en ook continu. Indien men van hexahydrobenzoëzuur uitgaat verdient een continue reactie in meerdere fasen de voorkeur.

De warmteregeling van de sterk exotherme reactie 25 gebeurt met behulp van bepaalde inerte vloeistoffen in het reac- tiesysteem die door hun verdamping warmte afvoeren en zo de temperatuur constant op hun kookpunt houden. Deze inerte vloeistoffen kunnen zowel enkelvoudig als mengsels zijn. Voorbeelden hiervan zijn cyclohexaan, n-pentaan, n-hexaan, n-heptaan, gechloreerde en 30 gefluoreerde koolwaterstoffen”nitro-verbindingen, e.a. Indien men uitgaat van hexahydrobenzoëzuur verdienen n-pentaan, n-hexaan en hun mengsels met cyclohexaan de voorkeur.

Bij een bevoorkeurde uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt de cycloalifatische verbinding, vooral het hexahydro-35 benzoëzuur, met het oleum gemengd voordat men hieraan het nitroso-zwavelzuur toevoegt; dit is ook beschreven in het Amerikaanse 80CS734 4 octrooischrift 3.356.675.

De reactie gebeurt in meerdere fasen, in welke gelijke hoeveelheden (of eventueel zelfs ongelijke hoeveelheden) nitrosozwavelzuur toegevoegd worden. Als er dus bijvoorbeeld drie 5 reactiefasen zijn wordt in de eerste reactor een derde van de te gebruiken hoeveelheid nitrosozwavelzuur toegevoegd, evenveel aan de tweede reactor, en het laatste derde deel aan de laatste reactor; een andere verdeling (minder nitrosozwavelzuur in de eerste reactor en wat meer in de volgende) kan ook. Indien in het voor-10 mengsel oleum toegepast wordt kan het SO^ helemaal met het hexahy-drobenzoëzuur gemengd worden, maar ook alleen met een deel daarvan en voegt men het restant samen met het nitrosozwavelzuur toe.

Normaliter zal de inerte vloeistof voor de warmte-regeling in de eerste fase toegevoegd worden, bij voorkeur met be-15 hulp van een dompelpijp die tot onder de vloeistofspiegel bij normaal gebruik reikt en die bij voorkeur in de buurt van de bladen van de roerder uitkomt. Men kan hem echter ook in verschillende fasen toevoegen.

Ook de zwavelzure oplossing van het nitrosozwavel-20 zuur wordt in de buurt van de bladen van de roerder ingeleid. Het reactiemengsel dat van de ene fase naar de volgende overstroomt gaat door een hevel waarvan het omlaag gaande deel ook in de buurt van roerderbladen uitkomt. De dampen van de warmteregelende inerte vloeistof worden gecondenseerd en de vloeistof wordt ook in de 25 buurt van de bladen van de roerder ingeleid.

In elke fase van de reactie is er minstens êën paar elektroden voor het meten van de concentratie aan nitroserings-middel; er kunnen echter per fase meerdere elektrode-koppels zijn, zodat men desgewenst zelfs in de uitlaat of in de hevel kan meten.

30 De uitvinding wordt nu nader toegelicht door de vol gende voorbeelden. Deze betreffen een continue lactamisering van hexahydrobenzoëzuur in meerdere fasen met constante temperatuur in alle fasen.

In de apparatuur die schematisch in figuur 1 weer-35 gegeven is, bestaande uit drie in serie staande reactoren R1, R2 en R3 was elke reactor voorzien van een roerder AG, een thermometer T, 8005734 5 een terugvloeikoeler RR, een vergelijkingselektrode ER, een meet-elektrode EM en een verwarmingsmantel GR. Uit buffervat C werd continu 2293 g/uur aangevoerd van een vooraf aangemaakt mengsel dat voor 27,91 % ï^SO^, 53,58 % hexahydrobenzoëzuur en 11,7 % SO^ 5 was; de resterende 6,8 % bestond uit bijprodukten en oplosmiddelen. Na ongeveer 20 minuten werd uit buffervat B 1500 ml/uur inerte vloeistof aangevoerd die voor 70 vol.% n-hexaan en 30 vol.% cyclohexaan was; hierdoor werd de temperatuur constant op 70-72°C gehouden. Uit voorraadvaten A-I, A-2 en A-3 werd 252 g/uur 10 nitroseringsmengsel aangevoerd, bestaande uit 68,3 % ONOSO^H, 5,0 % S03 en 26,7 % H2S04·

Met een thermostaat op 72°G gehouden water werd door de verwarmingsmantels GR der drie reactoren gecirculeerd.

Het reactiemengsel stroomde via hevel SI uit de eerste naar de 15 tweede reactor, dan door S2 naar de laatste reactor, en tenslotte door S3 naar koeler D. Uit de terugvloeikoelers RR ontweek koolzuur.

De uitgangsstoffen werden gedoseerd met behulp van vo'lumepompen PA, PB en PC; de eerste hiervan werden verwarmd om uitkristalliseren van het nitrosozwavelzuur te voorkomen.

20 Na 3 uur continu werk bleek het systeem stabiel te zijn en konden de metingen voor de massabalans beginnen. Bij stationaire toestand was de molecuulverhouding hexahydrobenzoëzuur : oleum : totaal aan zwavel-verbindingen : NO = 2,36 : 0,94 : 3,88 : 1,00.

25 Zo nu en dan werden de temperaturen en de meetbruggen tussen de elektroden afgelezen; deze zijn in onderstaande tabel opgegeven.

De bereiding werd na 5 uur afgebroken. Men liet de opgevangen massa zich ontmengen in een lichte en een zware fase.

In de lichte fase vond men 28,5 g/uur zuiver hexahydrobenzoëzuur, 30 en in de zware fase 448,7 g/uur caprolactam en 677,3 g/uur hexahydrobenzoëzuur. (Alle bepalingen door titratie).

Ingevoerd werd per uur 1228 g zuiver hexahydrobenzoëzuur en 516,3 g zuiver nitrosozwavelzuur (4,0654 gmol). Gewonnen werd per uur 448,7 g caprolactam (3,9709 gmol) en terugge-35 wonnen werd per uur 705,8 g hexahydrobenzoëzuur.

Het verbruik aan hexahydrobenzoëzuur was dus 522,2 g = 4,0796 gmol.

8005734 6

Het rendement, betrokken op caprolactam, was dus 3,9709/4,0796 « 97,3 Z.

Het rendement, betrokken op nitrosozwavelzuur was dus 3,9709/4,0654 = 97,7 %.

8005734 7

>COOOOOOOO geej vQ V0 SO 10 VO vO vO

0 0)

rM

0

*H

u 0

<U

4-J>CNOOOOOOO

o & Pi η— I— f—- r— r— r i

Cl, a)

•H

U

cd ooooooo !1> — vovovovor'i'-'r-- O 6 Pi _ _ — — — — — o o cocococococococo H 0 r~~- i— i— I— r~~ —- 0

(U

H CJ

30 <NCM01CN<N<N<NCS

4J e-i Pi r^- o- I— o1 o> O' 0

U

0) a go ~ — aio ρ-.ρ^Γ^Ο'Γ'Γ'Γ^Γ^ Η H 0 co cc u co o o w

C/DÜÜO Ο <N <ί SO 00 O <N

O0 <f CO N VO - «1

Is <u ·— —> cm cm O 0i

CM

Hi !-<

CO o O -U

co O&0 O CM <1 Γ"· 00 O <N

O0 <f (O M vO «1

jg 0) — — <N CM

O Pi »-»

ffl M CO o O +J

cnobo o cm <n so n~ os cm O0 <t oo cm so o m

3 n) <—> « CM CM

Ο Ρί é

• CO

> o

d) t—I I—I OOOOOO

o&S ononomo

JIJ O CM tO I-·» O CM---tO

> H

<U3 © CM -4- sO 00 O CM

O0öO ro vo μ· d - ov 3 n co —< in p n 0

•t-I

8005734 3 · •-id ooooooo

·Η i—1 CM CO Ml1 in SO

H S

Claims (10)

1. Werkwijze voor de bereiding van ω-lactamen met 5 tot 14 koolstofatomen in de ring, door reactie van cycloalifati-sche zuren met 5 tot 14 koolstofatomen in de ring en/of het over-5 eenkomstige anhydride met een nitroseringsmiddel in aanwezigheid van een ontwateringsmiddel, met het kenmerk, dat de reactie uitgevoerd wordt bij lage temperaturen die over de opeenvolgende fasen constant gehouden wordt met een molecuulverhouding ontwateringsmiddel /nitroseringsmiddel tussen 0,7:1 en 1:1.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de reactie gebeurt bij temperaturen tussen 30° en 100°C.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de concentratie aan nitroseringsmiddel in het reac-tiemengsel gecontroleerd wordt met behulp van redox-elektroden in 15 het reactiemengsel.

4. Werkwijze volgens een der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat als ontwateringsmiddel SOg, CISO^H of P^O^ gebruikt wordt of het anhydride van hexahydrobenzoëzuur.

5. Werkwijze volgens een der voorafgaande conclu-20 sies, met het kenmerk, dat uitgegaan wordt van hexahydrobenzoëzuur, cyclododecaancarbonzuur en/of de anhydriden daarvan.

6. Werkwijze volgens een der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat men de temperatuur constant houdt door in het reactiemengsel een inerte, vluchtige vloeistof op te nemen, 25 waarvan het kookpunt de gewenste reactietemperatuur is.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de reactie gebeurt in aanwezigheid van een mengsel van n-hexaan en cyclohexaan.

8. Werkwijze volgens een der voorafgaande conclusies, 30 met het kenmerk, dat het hexahydrobenzoëzuur met oleum gemengd wordt voordat er nitrosozwavelzuur bij komt.

9. Werkwijze in hoofdzaak volgens beschrijving en/ of voorbeelden.

10. ω-lactamen met 5 tot 14 koolstofatomen, ver-35 kregen op een werkwijze volgens een der voorafgaande conclusies. 8005734 IJ . Caprolactam, verkregen op een werkwijze volgens een der conclusies 1 t/m 9. 8005734 Verbetering van erratum in de beschrijving behorende bij de octrooiaanvrage no. 80.05734 Ned. voorgesteld door aanvrager dd^_Jj__NOy._1_980________________________________________________ Verander "cyclohexaansulfonzuur" in regel 21 van blz. 1 in "1-sulfocyclohexaan-1-carbonzuur". |Β.νΠΤΓ| J3N0V198Q | JKr/jvdB 8005734