NL9200580A - Werkwijze voor de bereiding van 2-(2-cyanoethyl)-cyclopentanonen. - Google Patents

Description

WERKWIJZE VOOR DE BEREIDING VAN 2-(2-CYANOETHYL)-

CYCLOPENTANONEN

De uitvinding betreft een werkwijze voor de bereiding van een 2-(2-cyanoethyl)-cyclopentanon door reactie van een cyclopentanon dat tenminste één a-H atoom bevat, met een cx, β-onverzadigd nitril, in aanwezigheid van een katalytische hoeveelheid amine.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit US-A-2850519, waarin bijvoorbeeld cyclopentanon met acrylonitril wordt omgezet in aanwezigheid van een primair amine, cyclo-hexylamine, en azijnzuur als katalysator. In de praktijk blijkt een dergelijke werkwijze een relatief lage selektivi-teit en een relatief lage produktiecapaciteit met zich mee te brengen. Bovendien gaat verhoging van de selektiviteit in dergelijke reakties vaak gepaard met verlaging van de produktiecapaciteit.

Het doel van de uitvinding is om een werkwijze te verschaffen waarbij genoemde reaktie met hogere selektiviteit plaatsvindt en waarbij tevens een hogere produktiecapaciteit dan tot nu toe het geval was, wordt bereikt.

Dit wordt volgens de uitvinding bereikt door als katalysator pyrrolidine toe te passen.

Gebleken is dat wanneer cyclopentanon als uitgangsstof werd toegepast in combinatie met pyrrolidine als katalysator zowel een verhoogde selectiviteit als een verhoogde activiteit van de katalysator, resulterend in een verhoogde productiecapaciteit, werd gerealiseerd. Wanneer eenzelfde werkwijze werd uitgevoerd met andere ketonen zoals cyclohexanon, werden slechtere resultaten verkregen ten opzichte van de resultaten verkregen met een primair amine als katalysator. Daarnaast is gebleken dat wanneer andere secundaire amines dan pyrrolidine als katalysator werden toegepast onder vergelijkbare reactiecondities, geen of een veel slechtere opbrengst werd gerealiseerd met cyclopentanon als uitgangstof.

Het 2-(2-cyanoethyl)-cyclopentanon verkregen door reaktie van cyclopentanon en acrylonitril, is bijvoorbeeld een tussenprodukt in de bereiding van 2,3-cyclopentenopyri-dine. Voor de bereiding van 2,3-cyclopentenopyridine wordt bijvoorbeeld het met de werkwijze volgens de uitvinding verkregen 2-(2-cyanoethyl)-cyclopentanon in een 2-stapsproces omgezet in 2,3-cyclopentenopyridine waarbij eerst katalytische hydrogenering van het 2-(2-cyanoethyl)-cyclopentanon in de vloeistoffase tot 2,3-cyclopentanopiperidine plaatsvindt gevolgd door katalytische dehydrogenering van het verkregen 2,3-cyclopentanopiperidine, zoals beschreven in J.Am.Chem.Soc. 82^ 469 (1960). Een andere mogelijke route is de direkte katalytische gasfasecyclisatie en dehydrogene-ring van 2-(2-cyanoethyl)cyclopentanon zoals bijvoorbeeld beschreven in GB-A-1304155.

Bij toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding kan een hogere selektiviteit worden bereikt zowel t.o.v. het cyclopentanon als t.o.v. het ex,β-onverzadigd ni-tril. Tevens vertoont pyrrolidine als katalysator een hogere aktiviteit zodat een hogere produktiecapaciteit kan worden gerealiseerd.

Het cyclopentanon kan eventueel op één of meerdere plaatsen in de kern gesubstitueerd zijn, bijvoorbeeld met een alkylgroep met 1-10 C-atomen.

Als a, β-onverzadigd nitril kunnen bijvoorbeeld acrylonitril en homologen daarvan zoals methacrylonitril en crotononitril worden toegepast.

De verhouding tussen de hoeveelheid cyclopentanon en a,β-onverzadigd nitril die wordt toegepast in de werkwijze volgens de uitvinding, kan worden gevarieerd. Theoretisch is per mol a,β-onverzadigd nitril één mol cyclopentanon nodig. In de praktijk wordt voor het verkrijgen van een hoge selektiviteit een overmaat keton toegepast. Meestal zal de molaire verhouding cyclopentanon tot a,β-onverzadigd nitril tussen 1 en 5 liggen. In de werkwijze volgens de uitvinding kan een hoge selektiviteit worden bereikt met een molaire verhouding cyclopentanon tot a,β-onverzadigd nitril tussen 1,5 en 3.

De hoeveelheid pyrrolidine die wordt toegepast is niet kritisch en ligt meestal tussen 0,05 en 0,2 mol per mol a,β-onverzadigd nitril.

indien naast pyrrolidine een geringe hoeveelheid van een zure verbinding aanwezig is, heeft dit meestal een verbetering van de selektiviteit tot gevolg. Geschikte zure verbindingen zijn bijvoorbeeld azijnzuur, benzoëzuur, capronzuur, zoutzuur, fosforzuur en zwavelzuur. Bij voorkeur wordt een zuur toegepast dat destillatief eenvoudig te verwijderen is zoals bijvoorbeeld azijnzuur. Bovendien heeft toepassing van azijnzuur vergeleken met bijvoorbeeld benzoëzuur het additionele voordeel dat een hogere aktiviteit wordt bereikt. Per mol pyrrolidine wordt meestal 0,01-0,2 mol zure verbinding toegepast.

De werkwijze volgens de uitvinding wordt gewoonlijk uitgevoerd bij een temperatuur tussen 50°C en 200°C, bij voorkeur tussen 80°C en 150°C. Naarmate de temperatuur lager wordt gekozen zal de reactietijd nodig om een gegeven conversie te bereiken, langer zijn, hetgeen de produktiecapaciteit nadelig beïnvloedt.

De druk waarbij de reaktie volgens de uitvinding wordt uitgevoerd, is niet kritisch. Meestal wordt een druk gekozen die ligt tussen de bij de reaktietemperatuur geldende dampdruk en 10 MPa. De druk wordt zo gekozen dat de reaktie, al dan niet in aanwezigheid van een oplosmiddel of verdeelmiddel, in de vloeistoffase kan plaatsvinden. Bij voorkeur wordt de reaktie uitgevoerd bij een druk tussen 0,1 en 2 MPa.

Uit het reaktiemengsel kan het 2-(2-cyanoethyl)-cyclopentanon met hoge zuiverheid destillatief worden verkregen zonder dat daarbij, zoals bij gebruik van primaire amines wel het geval is, extra wassingen nodig zijn.

De uitvinding zal verder worden toegelicht aan de hand van de volgende voorbeelden, zonder evenwel daartoe te worden beperkt.

Definities ex: molaire verhouding keton tot nitril β; molaire verhouding nitril tot amine γ; molaire verhouding amine tot zuur

Voorbeeld I

Bereiding van 2-(2-cyanoethyl)cyclopentanon

Aan een reactor met een inhoud van 5 liter, voorzien van een roerder, thermometer en condensor, werden achtereenvolgens 3024 gram cyclopentanon (36 mol), 954 gram acrylonitril (18 mol), 63,9 gram pyrrolidine (0,9 mol) en 4,2 gram azijnzuur (0,07 mol) gedoseerd (α=2; β=20; γ=12,8). Vervolgens werd het mengsel, onder roeren, gedurende 2 uur onder totale reflux verwarmd. De temperatuur liep hierbij op van 95°C tot ca. 141°C. Vervolgens werd het reaktiemengsel afgekoeld tot kamertemperatuur. Volgens gaschromatografisch analyse bevatte het ruwe reaktiemengsel o.a. 21,0 gram acrylonitril, 1623,9 gram cyclopentanon en 2145,4 gram 2—(2— cyanoethyl)cyclopentanon. Dit betekent dat 97,8 % van de oorspronkelijke hoeveelheid acrylonitril was omgezet. De selektiviteit bedroeg 89 % t.o.v. omgezet acrylonitril en 94 % t.o.v. omgezet cyclopentanon. De produktiecapaciteit aan ruw 2-(2-cyanoethylcyclopentanon) bedroeg 1,935 mol/(kg.uur). Het ruwe reaktiemengsel werd vervolgens gedestilleerd. Onder atmosferische condities werd allereerst de niet omgezette acrylonitril verwijderd. Vervolgens werd het systeem onder vacuüm gebracht en verder gedestilleerd. Bij een druk van 50 mm Hg en een toptemperatuur van 85°C werd 1513 gram destillaat verkregen dat vnl. bestond uit cyclopentanon. Vervolgens werd de druk verlaagd tot 10 mm Hg. Totdat een bodemtemperatuur van 185eC was bereikt werd 249 gram tussenfractie.afgedestilleerd, waarna totdat een bodemtemperatuur van 235°C was bereikt 1945 gram hoofdfractie werd verkregen, welke voor 99,3 % bestond uit 2-(2-cyanoethyl)cyclopentanon (destillatierendement = 90 %).

Voorbeeld II

Bereiding van 2-(2-cyanoethyl)cyclopentanon

Op analoge wijze als beschreven in voorbeeld I werd een mengsel bestaande uit 3024 gram cyclopentanon (36 mol), 954 gram acrylonitril (18 mol), 127,8 gram pyrrolidine (1,8 mol) en 16,6 gram benzoëzuur (0,136 mol) gedurende 2 uur onder totale reflux verwarmd (α=2; β=10; γ=13,23). De temperatuur liep hierbij op van 95°C tot ca. 138°C. Na afkoelen tot kamertemperatuur bevatte het mengsel volgens gas-chromatografische analyse 28,6 gram acrylonitril, 1663,2 gram cyclopentanon en 2033,2 gram 2-(2-cyanoethyl)qyclopen-tanon. Dit betekent dat 97 % van de oorspronkelijke hoeveelheid acrylonitril was omgezet. Het rendement bedroeg 85 % t.o.v. omgezet acrylonitril en 91 % t.o.v. omgezet cyclopentanon. De produktiecapaciteit aan ruw 2-(2-cyanoethyl)cyclopentanon bedroeg 1,800 mol/kq.uur.

Vergelijkend Experiment A

Bereiding van 2-(2-cyanoethyl)cyclopentanon

Op analoge wijze als beschreven in voorbeeld I werd een mengsel bestaande uit 3024 gram cyclopentanon (36 mol), 954 gram acrylonitril (18 mol), 238 gram cyclohexyl-amine (2,4 mol) en 5,8 gram benzoëzuur (0,047 mol) onder totale reflux verwarmd (α=2; β=7,5; γ=51). Na 4½ uur reaktie was de temperatuur opgelopen van 93°C naar 115°C. Volgens gaschromatografische analyse bevatte het mengsel o.a. 166,0 gram acrylonitril, 2162,2 gram cyclopentanon en 971,3 gram 2-(2-cyanoethyl)cyclopentanon. Dit betekent dat 82,6 % van de oorspronkelijke hoeveelheid acrylonitril was omgezet. Het rendement bedroeg 47,7 % t.o.v. omgezet acrylonitril en 69,2 % t.o.v. omgezet cyclopentanon. Nadat het mengsel nog 3 uur onder reflux werd verhit was de temperatuur opgelopen tot 130°C. Volgens gaschromatografische analyse was alle acrylo-nitril omgezet en bevatte het mengsel verder o.a. 1814,4 gram cyclopentanon en 1171,3 gram 2-(2-cyanoethyl)-cyclopentanon. Het rendement bedroeg 47,5 % t.o.v. omgezet acryloni-tril en 59,2 % t.o.v. omgezet cyclopentanon. De produktieca-paciteit aan ruw 2-(2-cyanoethyl)cyclopentanon bedroeg 0,270 mol/kq.uur. Rechtstreekse destillatie van het ruwe reaktie-mengsel in analogie met de werkwijze zoals beschreven in voorbeeld I, leverde bij een toptemperatuur van 112-119°C en een druk van 3 mm Hg een hoofdfractie welke slechts voor ca. 93 % 2-(2-cyanoethyl)cyclopentanon bevatte. De verontreiniging bestond vnl. uit de schiffse base van het produkt met cyclohèxylamine. Produkt met een voldoende hoge zuiverheid werd pas verkregen door het ruwe produkt, na destillatieve afscheiding van de vluchtige componenten, op te nemen in tolueen en te wassen met een verdunde waterige zuuroplossing (20 % H2S04 opl.) gevolgd door destillatie van de organische fase.

Voorbeeld III en IV en vergelijkend experiment B,C,D,E en F

Bereiding 2-(2-cyanoethyl)cyclopentanon

Op dezelfde wijze als in voorbeeld I werden de in tabel 1 weergegeven experimenten uitgevoerd in een autoclaaf met een inhoud van 160 ml. Daarbij werden de reaktiemengsels gedurende de aangegeven reaktietijd (t) onder autogene druk verhit. Na afloop werden de reaktiemeng- seis afgekoeld en gaschromatografisch geanalyseerd. De resultaten zijn weergegeven in tabel 1.

T A B E L 1

Exp. no. amine zuut a p γ T(°C) t(uur} conv. sel. conv. sel. prod. cap.

ACN ACN cpton cpton (mol/kg/uur)

(%) (%) (%) (%J

B IPA Bz OH 2 5 27 110 2 95,1 53,9 35,3 72,6 1,097 C IPA BzOH 3 5 27 110 2 97,6 63,4 31,3 65,9 0,974 D IPA BzOH 3 10 20 140 6 93,9 53,4 20,9 80,0 0,268 III pyrrolidine BzOH 3 10 13,5 80 2,8 35,9 82,9 12,0 82,7 0,336 IV pyrrolidine BzOH 3 10 13,5 110 2 96,7 87,7 32,4 87,2 1,355 E piperidine HAc 2 10 22 110 2 — -- -- — F diethylamine HAc 2 10 22 110 2 -- -- -- — * Geen vorming produkt IPA : isopropylamine BzOH : benzoëzuur HAc : azijnzuur ACN : acrylonitril cpton : cyclopentanon α : molaire verhouding keton tot nitril P : molaire verhouding nitril tot amine Y : molaire verhouding amine tot zuur

Verqelijkinqend Experiment G t/m K

Op dezelfde wijze als in voorbeeld I werden de in tabel 2 weergegeven experimenten uitgevoerd in een 160 ml autoclaaf. Daarbij werden de reaktiemengsels gedurende de aangegeven reaktietijd (t) onder autogene druk verhit. Na afloop werden de reaktiemengsels afgekoeld en gaschromato-grafisch geanalyseerd. De resultaten zijn weergegeven in tabel 2.

T ft B E L 2

Exp.no. keton amine zuur α β γ rc°C) t(uur) conv. sel. conv. sel. produkt ACN ACN keton keton (%) (%) (%) {%)

G chon pyrrolidine BzOH 1,7 15 7,5 130 1,5 -- — — -* CECH

H chon IPA BzOH 1,7 15 7,5 130 1,5 100 85,6 58,2 86,3 CECH

I chon IPA BzOH 2 20 5 130 1,5 95 91,8 47,3 92,1 CECH

J aceton pyrrolidine BzOH 5 12 24 180 4 32 63 10,6 37,7 OHN

K aceton IPA BzOH 5 12 24 180 4 93 79 23,3 63 OHN

* geen vorming produkt ACN : acrylonitril chon : cyclohexanon IPA : isopropylamine BZOH : benzoëzuur CECH : 2-(2-cyanoethyl)cyclohexanon OHN : 5-oxohexaannitril « : molaire verhouding keton tot nitril β : molaire verhouding nitril tot amine γ t molaire verhouding amine tot zuur

Claims (8)

1. Werkwijze voor de bereiding van een 2-(2-cyanoethyl)-cyclopentanon door reactie van een cyclopentanon dat ten minste één cx-H atoom bevat, met een a, β-onverzadigd nitril, in aanwezigheid van een katalytische hoeveelheid amine, met het kenmerk, dat als amine pyrrolidine wordt toegepast.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tevens een katalytische hoeveelheid van een zure verbinding in het reaktiemengsel aanwezig is.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat als zure verbinding azijnzuur wordt toegepast.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de molaire verhouding cyclopentanon tot α,β-onverzadigd nitril ligt tussen 1,5 en 3.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de reaktie wordt uitgevoerd bij een temperatuur tussen 80°C en 150°C.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de reaktie wordt uitgevoerd bij een druk tussen 0,1 en 2 MPa.

7. Werkwijze voor de bereiding van een 2-(2-cyanoethyl)-cyclopentanon zoals beschreven en toegelicht aan de hand van de voorbeelden.

8. 2-(2-cyanoethyl)-cyclopentanon verkregen met een werkwijze volgens een der conclusies 1-7.