PL239874B1 - Sposób otrzymywania nadkwasu n-dekanowego - Google Patents

Description

PL 239 874 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania nadkwasu n-dekanowego z kwasu n-dekanowego w obecności stężonego kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru.

Nad kwasy organiczne, do których należy nadkwas n-dekanowy, są istotnym surowcem wykorzystywanym w różnych procesach chemicznych jako utleniacze, przykładowo w procesie otrzymywania £-kaprolaktonu z cykloheksanonu. Znane w reakcjach utleniania Baeyera-Villigera jest wykorzystanie nadtlenokwasów organicznych, do których jako najefektywniejszych, należy kwas nadtlenooctowy i kwas m -chloronadtlenobenzoesowy. Wytwarzanie nadkwasów organicznych odbywa się z wykorzystaniem właściwości stężonego kwasu siarkowego, tworzącego właściwe środowisko reakcyjne dla reakcji odpowiedniego kwasu i nadtlenku wodoru, jako środka utleniającego kwas do nadkwasu.

Przykładowo, w procesie ujawnionym w patencie US 2,813,885 przedstawiono proces otrzymywania nadkwasów tłuszczowych polegający na wymieszaniu składnika tłuszczowego wybranego z grupy zawierającej nasycone kwasy tłuszczowe o liczbie atomów węgla w cząsteczce od 2 do 18, estrów metylowych nasyconych kwasów tłuszczowych o liczbie atomów węgla w cząsteczce od 2 do 24, oraz ich mieszanin, z co najmniej jednym równoważnikiem molowym stężonego kwasu siarkowego, następnie, utrzymując mieszanie i temperaturę mieszaniny poniżej 40°C, dodaje się do tej mieszaniny, nadtlenek wodoru o stężeniu od 30% do 65% i po przereagowaniu tej mieszaniny z nadtlenkiem wodoru do uzyskania odpowiedniego nadkwasu tłuszczowego, wyodrębnienia się nadkwas tłuszczowy z mieszaniny poreakcyjnej. Korzystnie, w procesie prowadzonym zgodnie z wynalazkiem, rozpuszcza się kwas tłuszczowy w kwasie siarkowym, schładza do około 10°C, powoli dodaje nadtlenku wodoru z efektywnym chłodzeniem i mieszaniem - przy utrzymywaniu temperatury poniżej 30°C. Mieszaninę reakcyjną utrzymuje się w temperaturze pokojowej przez okres 1-2 godzin, po czym rozcieńcza dużą ilością zimnej wody i rekrystalizuje uzyskany w ten sposób surowy nadkwas z odpowiedniego rozpuszczalnika, na przykład eteru naftowego lub eteru dietylowego. Resztkowy kwas tłuszczowy jest łatwy do oddzielenia od nadkwasu, ponieważ z reguły kwasy tłuszczowe są lepiej rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych niż nadkwasy.

W patencie US 3,079,411 przedstawiono natomiast sposób wytwarzania nadkwasów z kwasów alifatycznych zawierających grupy funkcyjne wrażliwe na kwas siarkowy, w szczególności kwasów tłuszczowych zawierających od 6 do 22 atomów węgla. Sposób polega na otrzymywaniu nadkwasów karboksylowych w środowisku kwasu metanosulfonowego, etanosulfonowego, lub ich mieszanin. Kwas metanosulfonowy jest znacznie lepszym rozpuszczalnikiem niepolarnych, długołańcuchowych kwasów tłuszczowych i umożliwia uzyskanie wysokich wydajności reakcji również dla tych kwasów karboksylowych, które są słabo rozpuszczalne w kwasie siarkowym. Sposobem według tego wynalazku kwas laurynowy rozpuszcza się w kwasie metanosulfonowym, po czym utrzymując temperaturę mieszaniny reakcyjnej w zakresie od 10 do 60, korzystnie 30-40°C, dodaje się nadtlenek wodoru o stężeniu około 50%, korzystnie 70%, następnie mieszaninę reakcyjną schładza się do 10-15°C, odfiltrowuje się z niej, placek filtracyjny, który przemywa się kilkukrotnie wodą i suszy. W tak prowadzonym procesie można uzyskać nadkwas laurynowy o czystości 99% z wydajnością97%.

Nadkwas w postaci analitycznie czystej otrzymuje się na drodze krystalizacji z eteru naftowego.

W patencie US 4,172,086 przedstawiono sposób syntezy nadkwasu z jednoczesną ekstrakcją produktu do fazy organicznej, przy czym rozpuszczalnik organiczny jest dodawany do mieszaniny reakcyjnej przed rozpoczęciem dozowania nadtlenku wodom. Surowcem wyjściowym są kwasy dikarboksylowe. Istotą sposobu jest prowadzenie reakcji w obecności mocnego kwasu wybranego z grupy składającej się oleum, kwasu siarkowego, kwasu trifluorometanosulfonowego, kwasu toluenosulfonowego w ilości od 1,3 do około 5 moli na mol kwasu karboksylowego zawartego w mieszaninie reakcyjnej, oraz w obecności wystarczającej ilości silnie zdyspergowanego, niemieszającego się z wodą, inertnego rozpuszczalnika nadkwasu karboksylowego, w celu selektywnego, ciągłego usuwania powstającego w procesie nadkwasu karboksylowego. Kwas dodekanodiowy miesza się z chlorkiem metylenu, dodaje się kwas siarkowy o stężeniu 100%, dozuje się nadtlenek wodoru. Mieszaninę reakcyjną ogrzewa się następnie do temperatury wrzenia (41°C) i utrzymuje się w tych warunkach przez 30 minut. Po tym czasie do reaktora wprowadza się zimną wodę. Pod ciśnieniem atmosferycznym oddestylowuje się rozpuszczalnik, a z fazy wodnej filtruje się kryształy produktu końcowego, następnie przemywa się je i suszy. Otrzymuje się dinadtlenokwas dodekanodiowy o czystości 99,0% z wydajnością 96%.

W amerykańskim patencie 4,244,884 przedstawiono ciągły proces syntezy nadkwasu karboksylowego prowadzony w środowisku kwasu siarkowego, z jednoczesną regeneracją strumienia roztworu

PL 239 874 B1 utleniacza w kwasie siarkowym. Proces syntezy nadkwasu karboksylowego o liczbie atomów węgla w cząsteczce od około 6 do około 20 i zawierającego co najmniej jedno ugrupowanie nadtlenokwasowe, składa się z następujących etapów:

a) wytworzenie zawiesiny reakcyjnej zawierającej fazę ciekłą i fazę stałą,

i) faza ciekła składa się z 60-80% stężonego kwasu siarkowego, 2,5-12,5% nadtlenku wodoru oraz 7,5-37,5% wody, ii) faza stała składa się z nadtlenokwasu karboksylowego o liczbie atomów węgla w cząsteczce od około 6 do około 20 oraz z kwasu karboksylowego będącego substratem do otrzymania nadtlenokwasu karboksylowego,

b) usuwanie z reaktora w sposób ciągły pierwszej porcji zawiesiny i rozdzielenie jej na strumień filtratu oraz placek filtracyjny,

c) zmieszanie strumienia filtratu z wodnym roztworem nadtlenku wodoru w ilości wystarczającej do utrzymania ilości nadtlenku wodoru i wody w reaktorze, tworząc tym samym pierwszy strumień nawrotowy,

d) chłodzenie pierwszego strumienia nawrotowego i wprowadzanie go do reaktora,

e) usuwanie z reaktora w sposób ciągły drugiej porcji zawiesiny,

f) zmieszanie drugiej porcji zawiesiny z ilościami kwasu karboksylowego będącego substratem do otrzymania nadtlenokwasu karboksylowego oraz kwasu siarkowego wystarczającymi do utrzymania ilości kwasu karboksylowego i kwasu siarkowego w reaktorze, tworząc tym samym drugi strumień nawrotowy,

g) chłodzenie drugiego strumienia nawrotowego i wprowadzanie go do reaktora,

h) przemywaniu placka filtracyjnego w celu otrzymania produktu - nadtlenokwasu, w wyniku czego otrzymuje się w sposób ciągły produkt - nadtlenokwas i usuwa go z reaktora, przy czym skład i temperaturę zawiesiny utrzymuje się w granicach podanych w punkcie a).

Wytwarzanie nadtlenokwasów organicznych zgodnie ze znanym stanem techniki ma ograniczenia procesowe wynikające z faktu, że wykorzystywany w procesie kwas siarkowy ulega w trakcie trwania procesu znaczącemu rozcieńczeniu co w efekcie powoduje, że traktowany jest on jako odpad trudny do dalszego zagospodarowania. Także fakt, że w procesach tych konieczne jest wyodrębnianie surowego nadtlenokwasu z odpowiedniego rozpuszczalnika, na przykład eteru naftowego lub eteru dietylowego powoduje, że rozwiązania te nie są procesowo korzystne - powstają duże ilości roztworów wymagających dalszej obróbki, utylizacji. Stąd dotychczasowe metody trudno jest wykorzystywać na skalę przemysłową, a konieczność zagospodarowanie odpadów procesowych powoduje, że są one z punktu widzenia ekonomicznego niekorzystne.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu otrzymywania nadkwasu n-dekanowego z kwasu n-dekanowego o czystości umożliwiającej wykorzystanie go w zbilansowanym ekonomicznie procesie produkcji £-kaprolaktonu.

Okazało się, że możliwe jest otrzymanie nadkwasu n-dekanowego z kwasu n-dekanowego, o czystości umożliwiającej zastosowanie go do produkcji kaprolaktonu, w procesie utleniania nadtlenkiem wodoru kwasu n -dekanowego rozpuszczonego w stężonym kwasie siarkowym, jeżeli mieszaninę w sposób kontrolowany ogrzewa się aż do całkowitego stopienia powstałego nadkwasu n-dekanowego, który separuje się od stężonego kwasu siarkowego, a następnie stopiony nadkwas przemywa się wodą o temperaturze niższej od temperatury topnienia nadkwasu.

Istota sposobu otrzymywania nadkwasu n-dekanowego z kwasu n-dekanowego, który rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym, a następnie utlenia się nadtlenkiem wodoru i uzyskany osad zawierający nadkwas przemywa wodą i suszy, według wynalazku polega na tym, że kwas n-dekanowy rozpuszczany jest w kwasie siarkowym o stężeniu od 95 do 98%, przy zachowaniu stężenia masowego kwasu n-dekanowego w kwasie siarkowym od 36 do 53% wagowych, następnie mieszanina reakcyjna schładzana jest do temperatury nie wyższej niż 10°C, po czym do roztworu wprowadzany jest nadtlenek wodoru o stężeniu od 36 do 60%, przy zachowaniu stosunku molowego nadtlenku wodoru do kwasu n- dekanowego od 0,94 :1 do 1,81 :1 i temperatury reakcji nie przekraczającej 30°C, następnie mieszanina poreakcyjna jest kolejno mieszana, korzystnie w sposób ciągły przez okres od 40 do 60 minut, później, przy zachowaniu mieszania, podgrzewana do temperatury nie przekraczającej 43°C aż do całkowitego stopienia powstałego osadu, potem uzyskaną w ten sposób mieszaninę rozdziela się na dwie fazy, gdzie fazę dolną usuwa się z układu, a faza górna jest mieszana z wodą aż do całkowitego wykrystalizowania stopionej fazy organicznej i przy zachowaniu zakresu temperatur krystalizacji od 30 do

PL 239 874 B1

43°C, po czym powstały osad jest odfiltrowywany i poddawany dalszej obróbce, korzystnie przemywany jest wodą aż do uzyskania odczynu obojętnego i suszony pod próżnią.

Korzystnie, proces krystalizacji prowadzi się wprowadzając do reaktora wodę o temperaturze niższej od temperatury fazy górnej, lub korzystnie wprowadzając wodę o temperaturze zbliżonej do temperatury fazy górnej, przy prowadzeniu równoczesnego odbioru ciepła z układu, aż do całkowitego wykrystalizowania fazy organicznej.

Sposób otrzymywania nadkwasu n-dekanowego według wynalazku stwarza nowe możliwości jego wykorzystywania - osiągalne stało się zastosowanie wynalazku w skali większej niż laboratoryjna. Dzięki zachowaniu reżimu procesowego przedstawionego w wynalazku okazało się, że realne jest otrzymanie nadkwasu organicznego (n-naddekanowego) o jakości wymaganej np. w procesie utleniania ketonów do laktonów.

W prowadzonym zgodnie z wynalazkiem procesie, w reakcji utleniania nadtlenkiem wodoru kwasu n-dekanowym rozpuszczonego w stężonym kwasie siarkowym otrzymuje się nadkwas, który wyodrębnia się w prosty sposób z mieszaniny poreakcyjnej, bez stosowania dodatkowych rozpuszczalników wymagających następnie rekrystalizacji nadkwasu surowego z lotnych, palnych rozpuszczalników organicznych, takich jak pentan, heksan, eter naftowy. W dotychczasowych rozwiązaniach, konieczność operowania relatywnie dużymi ilościami takich rozpuszczalników (około 10 ml rozpuszczalnika na gram produktu surowego), stanowi istotne utrudnienie dla procesów prowadzonych w skali półtechnicznej lub technicznej.

W procesie prowadzonym według wynalazku, otrzymana zawiesina nadkwasu n-dekanowego w wodzie nie przywiera do ścian reaktora i jest dzięki temu łatwa w dalszej obróbce. Dodatkowo, ze względu na fakt, że odpadowy kwas siarkowy posiada stężenie 68-70%, istnieje możliwość dalszego jego zagospodarowania - co jest bardzo istotne z powodu ekonomiki procesu.

Sposób otrzymywania nadkwasu n-dekanowego według wynalazku przedstawiono w poniższych przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1

W termostatowanym reaktorze płaszczowym wyposażonym w mieszadło mechaniczne rozpuszcza się 34,49 g (0,20 mola) kwasu n-dekanowego w 30,09 g kwasu siarkowego o stężeniu 95% wagowych. Uzyskany roztwór schładza się do temperatury 10°C. Następnie, przy intensywnym mieszaniu wkrapla się 20,42 g (0,36 mola; 1,80 równoważnika kwasu n-dekanowego) nadtlenku wodoru o stężeniu 60% wagowych z taką szybkością aby w trakcie dozowania temperatura roztworu reakcyjnego wynosiła powyżej 30°C, lecz nie przekraczała 35°C. Czas dozowania wynosi 9 minut. Po zakończeniu dozowania mieszaninę reakcyjną miesza się jeszcze przez 50 minut.

Następnie zawartość reaktora podgrzewa się do 41°C i w tej temperaturze miesza aż do całkowitego stopienia osadu nadkwasu n-dekanowego. Po wyłączeniu mieszadła i separacji faz fazę dolną usuwa się, a pozostałą fazę górną przemywa się wodą o temperaturze 35°C, miesza do całkowitego wykrystalizowania stopionej fazy organicznej, po czym powstałą zawiesinę odfiltrowuje się, a placek filtracyjny przemywa wodą do odczynu obojętnego. Następnie placek filtracyjny suszy się pod próżnią. Otrzymuje się 27,80 g (0,15 mola, 74% wydajności teoretycznej) nadkwasu n-dekanowego o czystości 67%, wyrażonej jako stosunek oznaczonej liczby nadtlenkowej do teoretycznej liczby nadtlenkowej.

P r z y k ł a d 2

W termostatowanym reaktorze płaszczowym, wyposażonym w mieszadło, rozpuszcza się 34,50 g (0,20 mola) kwasu n-dekanowego w 30,07 g kwasu siarkowego o stężeniu 95% wagowych. Otrzymany roztwór schładza się do temperatury 10°C. Następnie, przy intensywnym mieszaniu wkrapla się 20,45 g (0,36 mola; 1,8 równoważnika kwasu n-dekanowego) nadtlenku wodoru o stężeniu 60% wagowych z taką szybkością aby w trakcie dozowania temperatura roztworu reakcyjnego wynosiła powyżej 30°C, lecz nie przekraczała 34°C. Czas dozowania nadtlenku wodoru wynosi 10 minut. Po zakończeniu dozowania mieszaninę reakcyjną miesza się jeszcze przez 50 minut.

Następnie zawartość reaktora podgrzewa się do 41°C i w tej temperaturze miesza aż do całkowitego stopienia osadu nadkwasu n-dekanowego. Po wyłączeniu mieszadła i separacji faz fazę dolną usuwa się a pozostałą fazę górną zadaje się wodą o temperaturze 41°C, intensywnie miesza, po czym odbierając w sposób ciągły ciepło, krystalizuje się z niej nadkwas. Po całkowitym wykrystalizowaniu nadkwasu powstałą zawiesinę odfiltrowuje się, a placek filtracyjny przemywa wodą do odczynu obojętnego. Następnie placek filtracyjny suszy się pod próżnią.

Claims (5)

1. PL 239 874 B1

   Otrzymuje się 36,28 g (0,19 mola, 96% wydajności teoretycznej) nadkwasu n-dekanowego o czystości 84%, wyrażonej jako stosunek oznaczonej liczby nadtlenkowej do teoretycznej liczby nadtlenkowej.

   P r z y k ł a d 3

   W termostatowanym reaktorze płaszczowym o pojemności 250 cm³ wyposażonym w mieszadło mechaniczne, zawór spustowy oraz termometr rozpuszcza się 68,80 g (0,40 mola) kwasu n-dekanowego w 60,04 g kwasu siarkowego o stężeniu 96% wagowych. Słomkowożółty roztwór schładza się do 8°C. Następnie, przy intensywnym mieszaniu wkrapla się 40,80 g (0,72 mola; 1,8 równoważnika kwasu n-dekanowego) nadtlenku wodoru o stężeniu 60% wagowych z taką szybkością aby w trakcie dozowania temperatura roztworu reakcyjnego wynosiła powyżej 30°C, lecz nie przekraczała 34°C. Czas dozowania nadtlenku wodoru wynosi 13 minut. Po zakończeniu dozowania mieszaninę reakcyjną miesza się jeszcze przez 60 minut.

   Następnie zawartość reaktora podgrzewa się do 43°C i w tej temperaturze miesza aż do całkowitego stopienia osadu nadkwasu. Po wyłączeniu mieszadła i separacji faz, fazę dolną usuwa się, a fazę górną zadaje się wodą o temperaturze 43°C, intensywnie miesza, po czym odbierając w sposób ciągły ciepło, krystalizuje się z niej nadkwas. Po całkowitym wykrystalizowaniu nadkwasu powstałą zawiesinę odfiltrowuje się, a placek filtracyjny przemywa wodą do odczynu obojętnego. Następnie placek filtracyjny suszy się pod próżnią.

   Otrzymuje się 74,10 g (0,39 mola, 99% wydajności teoretycznej) nadkwasu n-dekanowego o czystości 62%, wyrażonej jako stosunek oznaczonej li czby nadtlenkowej do teoretycznej liczby nadtlenkowej.

   P r z y k ł a d 4

   W termostatowanym reaktorze płaszczowym o pojemności 250 cm³ wyposażonym w mieszadło mechaniczne, zawór spustowy oraz termometr rozpuszcza się 70,01 g (0,41 mola) kwasu n-dekanowego w 125,01 g kwasu siarkowego o stężeniu 98% wagowych. Słomkowożółty roztwór schładza się do 8°C, Następnie, przy intensywnym mieszaniu wkrapla się 36,08 g (0,38 mola; 0,94 równoważnika kwasu n-dekanowego) nadtlenku wodoru o stężeniu 36% wagowych z taką szybkością aby w trakcie dozowania temperatura roztworu reakcyjnego wynosiła powyżej 30°C, lecz nie przekraczała 34°C. Czas dozowania nadtlenku wodoru wynosi 11 minut. Po zakończeniu dozowania mieszaninę reakcyjną miesza się jeszcze przez 60 minut.

   Następnie zawartość reaktora podgrzewa się do 40°C i w tej temperaturze miesza aż do całkowitego stopienia osadu nadkwasu. Po wyłączeniu mieszadła i separacji faz, fazę dolną usuwa się, a fazę górną zadaje się wodą o temperaturze 39°C, intensywnie miesza, po czym odbierając w sposób ciągły ciepło, krystalizuje się z niej nadkwas. Po całkowitym wykrystalizowaniu nadkwasu powstałą zawiesinę odfiltrowuje się, a placek filtracyjny przemywa wodą do odczynu obojętnego. Następnie placek filtracyjny suszy się pod próżnią.

   Otrzymuje się 65,24 g (0,35 mola, 91% wydajności teoretycznej) nadkwasu n-dekanowego o czystości 51%, wyrażonej jako stosunek oznaczonej liczby nadtlenkowej do teoretycznej liczby nadtlenkowej.

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób otrzymywania nadkwasu n-dekanowego z kwasu n-dekanowego, który rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym, a następnie utlenia nadtlenkiem wodoru i uzyskany osad zawierający nadkwas przemywa wodą i suszy, znamienny tym, że kwas n-dekanowy rozpuszczany jest w kwasie siarkowym o stężeniu od 95 do 98%, przy zachowaniu stężenia masowego kwasu n-dekanowego w kwasie siarkowym od 36 do 53% wagowych, następnie mieszanina reakcyjna schładzana jest do temperatury nie wyższej niż 10°C, po czym do roztworu wprowadzany jest nadtlenek wodom o stężeniu od 36 do 60%, przy zachowaniu stosunku molowego nadtlenku wodoru do kwasu n-dekanowego od 0,94 :1 do 1,81:1 moli i temperatury reakcji nie przekraczającej 30°C, następnie mieszanina poreakcyjna jest kolejno mieszana, później przy zachowaniu mieszania, podgrzewana do temperatury nie przekraczającej 43°C, aż do całkowitego stopienia powstałego osadu, potem uzyskana mieszanina jest rozdzielana na dwie fazy, gdzie fazę dolną usuwa się z układu, a faza górna jest mieszana z wodą, aż do

   PL 239 874 B1 całkowitego wykrystalizowania stopionej fazy organicznej i przy zachowaniu zakresu temperatur krystalizacji od 30 do 43°C, po czym powstały osad jest odfiltrowywany i poddawany dalszej obróbce.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym że przed dodaniem wody, mieszanina poreakcyjna jest mieszana w sposób ciągły przez okres od 40 do 60 minut.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym że proces krystalizacji prowadzi się wprowadzając do reaktora wodę, o temperaturze niższej od temperatury fazy górnej, aż do całkowitego wykrystalizowania fazy organicznej.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym że proces krystalizacji prowadzi się wprowadzając wodę o temperaturze zbliżonej do temperatury fazy górnej, prowadząc równoczesny odbiór ciepła z układu, aż do całkowitego wykrystalizowania fazy organicznej.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że osad odfiltrowany z otrzymanej zawiesiny przemywany jest wodą, aż do uzyskania odczynu obojętnego i suszony próżniowo.