TWI415832B - 轉換腈化合物為羧酸及相對應酯之方法 - Google Patents

轉換腈化合物為羧酸及相對應酯之方法 Download PDF

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Description

轉換腈化合物為羧酸及相對應酯之方法
本發明係關於一種轉換包含至少一個腈官能基之烴化合物為包含至少一個羧基官能基之化合物的方法，且亦係關於自因此獲得之該等羧酸化合物獲得酯化合物之方法。
本發明更尤其係關於將在氫氰化丁二烯中作為產物及副產物獲得之諸如甲基丁腈、戊腈、2－甲基－2－丁烯腈、2－戊烯腈、3－戊烯腈、4－戊烯腈、2甲基－3－丁烯腈之腈化合物，及諸如甲基戊二腈、乙基丁二腈及視需要己二腈或該等3種化合物之混合物之二腈，轉換為(一方面)二酸化合物及(另一方面)二酯化合物之方法。
用於藉由氫氰化丁二烯製造己二腈之方法已用於工業歷時數十年。該方法顯示對己二腈之高選擇性，該己二腈為己二胺或己內醯胺之合成中及聚醯胺之製造中的重要化學中間物。
然而，該方法亦產生支鏈二腈化合物，諸如尤其為經分離且藉由蒸餾回收之甲基戊二腈或乙基丁二腈。
通常，回收支鏈二腈化合物可產生包含佔優勢之甲基戊二腈與乙基丁二腈及己二腈之混合物。
已提供若干解決方法以用於有效回收該等副產物或混合物。該等方法之一在於將二腈化合物氫化以得到一級胺，尤其產生甲基戊二胺(MPMD)，其用作製造特定聚醯胺中之單體。該方法需要甲基戊二腈或甲基戊二胺之任一者之純化階段。在工業上，該等副產物常常藉由燃燒破壞，以蒸汽或能量形式有效回收，但產生包含CO2 及氮氧化物之氣體排放物。
因此，對於找到有效回收及轉換該等腈化合物或混合物為可有效回收且為經濟有利之化合物之新穎途徑存在重大需要及需求。
本發明之目標之一尤其為提供一種方法，其使該等腈化合物可能轉換成(一方面)羧酸化合物，其可尤其用作化學中間物，諸如用於製造聚脲及聚醯胺之單體，或轉換成(另一方面)二酯化合物，其可尤其用作溶劑。
為此，本發明提供轉換包含至少一個腈官能基且包含4至10個碳原子之化合物為包含至少一個羧基官能基之化合物的方法，其在於藉由在強無機酸的存在下與水之反應而將腈官能基水合以得到醯胺官能基，且隨後藉由與水及強無機酸之反應將醯胺官能基水解以得到羧基官能基。
根據本發明，水合反應係在攪拌下，在可能將反應介質保持在液態之溫度下，較佳係在大於或等於90℃之溫度下，且較佳在90℃與180℃之間的溫度下，在強無機酸的存在下，藉由使用每莫耳欲水合之腈官能基為1至1.5 mol之水來進行。
強無機酸較佳係選自由氣體鹽酸、磷酸、硫酸及其類似物組成之群。較佳係添加純或高度濃縮形式的酸，以控制添加至反應介質中之水量。
另外，水解反應亦在攪拌下，藉由使用每莫耳欲水解之醯胺官能基為1至10 mol之水，較佳1至5 mol之水且更較佳係1至2 mol之水，及作為質子表示且相應於每莫耳欲水解之醯胺為至少1 mol之質子之量的強無機酸來進行，反應介質之溫度經確定以將反應介質保持在液態，其較佳係在大於或等於90℃之溫度下且較佳在90℃與180℃之間的溫度下。
適合之強無機酸為上文清單中所述之彼等者。
在本發明之另一實施例中，腈官能基之水合反應及醯胺官能基之水解所必需之水係在水合反應開始時添加。因此，所添加之水量較佳係在每欲水合之腈官能基為2與10 mol之間的水(包括極限)，較佳為每腈官能基為2至3 mol之水。
根據本發明，在水解反應結束後，停止攪拌反應介質，以使該介質藉由沈降分離，同時將溫度維持在以便將反應介質保持在液態之值。
分離獲得2個相，其另一相本質上包含所形成之羧酸。
因此，根據本發明之方法，可能根據簡單技術，即藉由沈降及相分離之分離來回收及分離羧酸化合物。
相之該回收及分離係藉由在酸性介質中進行腈官能基之水合及水解，且藉由在兩個階段中使用特定量之水及鹽於水解介質中之存在來獲得。
亦可容易地回收所產生之水及銨鹽，因為其構成反應介質之較低相。在本發明之一特定實施例中，較佳係在分離較高相之後，才將水添加至較低相中，以促進銨鹽在環境溫度(15℃－30℃)下結晶。分離結晶之鹽後，較佳係將可包含少量羧酸及可能的強酸之水相再循環至腈化合物之水合階段。
根據本發明之一特定形式，較佳係將所回收之羧酸化合物用作藉由與醇反應(較佳係藉由添加為化學計量或接近化學計量之量的醇，亦即每莫耳二酸為約2 mol之醇)來製造酯之起始物質。
該反應可無需補充添加作為觸媒的酸化合物地進行。其係因為在水解階段中所獲得之反應介質之較高相中的酸化合物(強酸及/或銨鹽)之存在量可足以催化酯化反應。因此，可藉由在製造羧酸之方法中藉由沈降分離後所獲得之較高相與醇混合，且將反應介質維持在一可有利地使所涉及的醇回流之溫度下來進行酯化。然而，亦可能在比上文所定義之溫度略低之溫度下操作。
然而，在不脫離本發明之範疇的情況下，可能添加特定量之酸觸媒以進行酯化階段。該觸媒可包含強無機酸及/或包含在水解階段後獲得之酸式鹽之較低水相的部分。
鹽於酯化介質中之存在性促進藉由水之沈降而分離並因此形成酯。
然而，為獲得二酸至二酯之高轉換度，即100%左右，較佳係在藉由沈降分離水相之分離後或在不分離該水相時，移除藉由連續添加醇且蒸餾水/醇混合物所形成之水直至實際上所有所形成之水已被移除為止。用水蒸餾之醇可(例如)藉由透過沈降分離而自水中分離且再循環於酯化反應中。
因此，可藉由在40與150℃之間的溫度下通過磺酸樹脂的方式來進行該反應。隨後，蒸出自包含樹脂之塔產生之介質以分離未反應之醇及所形成之水。
其亦可在反應性蒸餾塔中進行，此可進行酯化反應，同時藉由蒸餾萃取所形成之水。因此，可能移動平衡以獲得在100%附近之轉換度。
適合的醇為(例如)支鏈或未分支及環狀或非環狀脂族醇，其可包含芳族環且其可包含1至20個碳原子。提及可作為較佳實例者為以下醇：甲醇、丙醇、異丙醇、苄醇、乙醇、正丁醇、異丁醇、環己醇、己醇、異辛醇、2－乙基己醇、戊醇、甲基丁醇或其類似物。
隨後較佳係在包含頂端及尾料階段之設備中蒸出包含二酯之介質。該蒸餾可在單個塔中進行，並以中間餾份形式回收二酯。
本發明之方法適用於包含一或多個腈官能基之化合物。
在一較佳實施例中，其更尤其適用於將包含2個腈官能基之化合物轉換為二羧酸並隨後轉換成二酯。
提及可作為適於本發明方法之腈化合物的為甲基丁腈、戊腈、2－甲基－2－丁烯腈、2－戊烯腈、3－戊烯腈、4－戊烯腈、2－甲基－3－丁烯腈及二腈，諸如2－甲基丁腈、甲基戊二腈、乙基丁二腈、丁二腈、戊二腈、己二腈或類似產物，或該等化合物中之至少2者之混合物。
根據一尤其有利形式，適於本發明之腈化合物為單獨或呈混合物形式之在氫氰化丁二烯之方法中所形成的二腈化合物，更特定言之為支鏈二腈化合物，諸如甲基戊二腈及乙基丁二腈。
仍更佳地，用於實施本發明之方法之起始物質包含蒸餾餾份，該等蒸餾餾份包含在氫氰化丁二烯之方法中所形成的支鏈二腈化合物，尤其在用於分離及純化己二腈之階段中回收者。
因此，該起始物質主要包含甲基戊二腈、乙基丁二腈及己二腈。在該混合物中係以甲基戊二腈為主。
本發明之方法因此可產生二羧酸化合物之混合物及二酯化合物之混合物。
當然，可能藉由諸如蒸餾、結晶或液體/液體萃取之常用技術分離該混合物之各種化合物。然而，在許多應用中，化合物之混合物可無需分離地使用。
因此，二酯之混合物顯示高度有利之溶劑性質，且係用作諸如甲基丁內酯、N－甲基－吡咯啶酮、乙腈或其類似物之習知溶劑之置換物或用作與該等習知溶劑之混合物。
舉例而言，因此獲得之二酯可用於許多應用中，諸如油漆、清漆、漆中之溶劑，用於塗佈表面或諸如電纜之任何其它物件之工業中，例如，墨水、用於紡織品之潤滑劑、用於澆注模之核心之黏合劑及樹脂、清潔產品或化妝調配物之工業中。其亦可用作某些化學反應之起始物質，用於處理土壤及植物之組合物中。
更一般而言，其可單獨使用或以調配物形式使用作為任何工業或家庭活動之清潔、汽提或除脂溶劑。該等二酯亦可用作某些塑膠之增塑劑或作為製造聚合物之單體。
同樣地，所獲得之二酸較佳係以混合物形式用於(例如)聚胺基甲酸酯、聚酯、聚醯胺或其類似物之製造中。本發明之方法可分批進行或連續進行。羧酸及/或二酯可藉由諸如在離子交換樹脂上處理、用活性碳處理、蒸餾、結晶或液體/液體萃取之習知技術純化。
本發明之其它細節及優點將根據僅僅藉由說明方式提供於下文中之實例而變得更顯而易見。
 實例1：
在環境溫度下，在氮氣氛下，將50g之水裝填於1公升的配備攪拌器且頂部帶有回流冷凝器之反應器中，且隨後加入(run in)220.43g之98% H2 SO4 。隨後使溫度達到105℃。
隨後經2h引入108.68g之2-甲基戊乙腈(MGN)，且將介質之溫度維持在120℃。
維持在溫度下15min後，在10min內將58.5g之水加入均質介質，且隨後使溫度達到125℃且維持6h。
停止攪拌且2個液相迅速藉由沈降而分離。
對較低相之藉由氫氧化鈉之電位檢定展示，(NH4 )HSO4 /(H2 SO4 +(NH4 )HSO4 )莫耳比率相應於MGN之完全轉換。亦可進行液相層析(HPLC)檢定。
將反應介質冷卻至90℃，且自水相分離較高相且將之轉移至500 ml反應器中。因此獲得147.47 g之粗2－甲基戊二酸。
將64 g之甲醇添加至二酸中，且在攪拌下將溫度維持在60℃持續1 h。停止攪拌，且大致20 g之水性層藉由沈降分離。分離後者，且對較高層之分析展示，超過60%之酸官能基已轉換成酯官能基。可藉由添加甲醇而使酯化完成。亦可能藉由蒸餾反應介質而分離二酯化合物，且再循環酯化介質中之單酯以增加轉換成二酯之程度。
實例2：
在環境溫度下，在氮氣氛下將98.3 g之水(5.9 mol)裝填至1公升之配備攪拌器且頂部帶有回流冷凝器之反應器中，且隨後加入379.2 g之98%硫酸(3.8 mol)。隨後使溫度達到105℃。隨後經4 h引入300 g之2－甲基丁腈且將介質之溫度維持在105℃另外歷時1小時。對反應介質之分析指示，所有腈官能基已反應。
添加89 g之水且使溫度達到120℃且維持15 h。隨後，使溫度降低至70℃，停止攪拌，且2個液相極快速地藉由沈降而分離。對較低相之藉由氫氧化鈉之電位分析展示，(NH4 )HSO4 /(H2 SO4 ＋(NH4 )HSO4 )莫耳比率相應於2－甲基丁腈至相對應羧酸之完全轉換。藉由在該溫度下藉由沈降之分離來分離各相。因此獲得492 g之水相及366 g包含2－甲基丁酸之有機層。
將329 g之乙醇(7.1 mol)及18 g之硫酸(0.2 mol)添加至有機相中，且將溫度維持在80℃下歷時2小時。對介質之分析指示84%之酸官能基已酯化。
隨後將溫度降低至20℃且在攪拌下添加碳酸鈉以中和酸。
隨後停止攪拌且添加水以獲得藉由沈降來分離之2個液相。獲得水相，連同620 g的包含2－甲基丁酸乙酯之有機相，其隨後藉由蒸餾而純化。
實例3：
在環境溫度下，在氮氣氛下將98.3 g之水(5.9 mol)裝填至1公升之配備攪拌器且頂部帶有回流冷凝器之反應器中，且隨後加入379.2 g之98%硫酸(3.8 mol)。隨後使溫度達到105℃。隨後經4 h引入300 g之2－甲基丁腈且將介質之溫度維持在105℃下另外歷時1小時。對反應介質之分析指示，所有腈官能基已反應。
添加89 g之水且使溫度達到120℃且維持15 h。隨後將溫度降低至70℃，停止攪拌，且2個液相極快速地藉由沈降分離。對較低相之藉由氫氧化鈉之電位分析展示，(NH4 )HSO4 /(H2 SO4 ＋(NH4 )HSO4 )莫耳比率相應於2－甲基丁腈至2－甲基丁酸之完全轉換。藉由在該溫度下藉由沈降之分離來分離各相。因此獲得492 g之水相及367 g的包含戊酸之有機層。
添加197 g之乙醇(4.3 mol)及18 g之硫酸(0.2 mol)且將溫度維持在80℃下歷時2小時，且隨後返回至20℃。停止攪拌，且62 g之水性層藉由沈降而分離。移除後者，且在攪拌下，將18 g之硫酸(0.2 mol)添加至有機層中。將溫度維持在80℃歷時2小時，且隨後返回至20℃。添加碳酸鈉以中和酸。在攪拌30分鐘後，停止攪拌且添加水以獲得藉由沈降分離之2個相。對有機層之分析指示，82%之起始腈官能基轉換成乙酯。隨後藉由蒸餾純化497 g之有機相。

Claims (22)

  1. 一種用於藉由水合有機化合物之腈官能基以得到醯胺官能基且水解該等醯胺官能基以得到羧基官能基來製造包含4至10個碳原子之羧酸之方法，其特徵在於：該水合階段係在可將該反應介質保持在液態之溫度下，在強無機酸的存在下，藉由使用每莫耳欲水合之腈官能基為1至1.5mol之水於強無機酸的存在下與水之反應來進行；該水解階段係在攪拌下，藉由使用每莫耳欲水解之醯胺官能基為1至10mol之水及以質子表示並相應於每莫耳欲水解之醯胺為至少1mol質子之量的強無機酸來進行，該反應介質之該溫度經確定以將該反應介質保持於液態；該所形成之羧酸係藉由在不攪拌下，將該反應介質維持在大於該羧酸及/或所形成鹽之熔點的溫度下，以藉由沈降分離該反應介質而回收之，該較高相(upper phase)包含所分離之該羧酸。
  2. 如請求項1之方法，其特徵在於用於該水解階段中之該水量係每莫耳欲水解之醯胺官能基為1與5mol之間的水。
  3. 如請求項2之方法，其特徵在於用於該水解階段中之該水量係每莫耳欲水解之醯胺官能基為1與2mol之間的水。
  4. 如請求項1至3中任一項之方法，其特徵在於該等水合及 水解反應所需之該水係根據每欲水合之腈官能基為2與10mol之間的水的水量而添加於該水合階段中。
  5. 如請求項4之方法，其特徵在於該等水合及水解反應所需之該水係根據每欲水合之腈官能基為2至3mol之間的水的水量而添加於該水合階段中。
  6. 如請求項1至3中任一項之方法，其特徵在於包含腈官能基之該化合物係選自由以下者組成之群：甲基丁腈、戊腈、2-甲基-2-丁烯腈、2-戊烯腈、3-戊烯腈、4-戊烯腈、2-甲基-3-丁烯腈及二腈及該等化合物中之至少兩者之混合物。
  7. 如請求項6之方法，其特徵在於該二腈係選自由甲基戊二腈、乙基丁二腈、丁二腈、戊二腈及己二腈所組成之群。
  8. 如請求項1至3中任一項之方法，其特徵在於包含腈官能基之該化合物為甲基戊二腈、乙基丁二腈及己二腈之混合物。
  9. 如請求項8之方法，其特徵在於該混合物構成來自在藉由氫氰化丁二烯製造己二腈之方法中藉由蒸餾純化或分離己二腈之頂部餾份。
  10. 如請求項8之方法，其特徵在於該水合階段係在90℃與180℃之間的溫度下進行且該水解階段係在90℃與180℃之間的溫度下進行。
  11. 如請求項1至3中任一項之方法，其特徵在於該無機酸係選自由氣體鹽酸、磷酸、硫酸及其類似物組成之群。
  12. 如請求項11之方法，其特徵在於該無機酸係以純或濃縮形式添加。
  13. 如請求項1至3中任一項之方法，其特徵在於其包含一藉由與醇之反應而酯化存在於該較高相中之該等羧酸以得到酯之階段。
  14. 如請求項13之方法，其特徵在於該酯化階段係藉由將該所分離之較高相與醇混合且將該反應介質維持在一可獲得該醇回流之溫度下進行。
  15. 如請求項13之方法，其特徵在於該羧酸為二酸，且醇之該混合量相應於每莫耳二酸為2mol之醇。
  16. 如請求項13之方法，其特徵在於該羧酸為二酸，且該二酸之完全酯化係藉由移除藉由連續添加醇且蒸餾水/醇混合物而獲得之所形成水來進行。
  17. 如請求項13之方法，其特徵在於添加作為觸媒的無機酸。
  18. 如請求項13之方法，其特徵在於該醇係選自由支鏈或未分支及環狀或非環狀脂族醇組成之群，其可包含芳族環且其可包含1至20個碳原子。
  19. 如請求項18之方法，其特徵在於該醇係選自由以下者組成之群：甲醇、丙醇、異丙醇、苄醇、乙醇、正丁醇、異丁醇、環己醇、己醇、異辛醇、2-乙基己醇、戊醇及甲基丁醇。
  20. 如請求項13之方法，其特徵在於該酯化反應係在一反應性塔中進行並移除該水。
  21. 如請求項13之方法，其特徵在於該酯化反應係藉由該羧酸化合物/醇混合物通過磺酸離子交換樹脂的方式來進行。
  22. 如請求項13之方法，其特徵在於回收所形成之酯且藉由蒸餾純化之。
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