WO2006056366A1 - Verfahren zur kontinuierlichen herstellung von alkylaminoacrylamiden - Google Patents

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WO2006056366A1
WO2006056366A1 PCT/EP2005/012362 EP2005012362W WO2006056366A1 WO 2006056366 A1 WO2006056366 A1 WO 2006056366A1 EP 2005012362 W EP2005012362 W EP 2005012362W WO 2006056366 A1 WO2006056366 A1 WO 2006056366A1
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catalyst
distillation column
acrylate
reaction
mixture
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PCT/EP2005/012362
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Inventor
Volker Schleep
Thomas Mertz
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Röhm Gmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C231/00—Preparation of carboxylic acid amides
    • C07C231/02—Preparation of carboxylic acid amides from carboxylic acids or from esters, anhydrides, or halides thereof by reaction with ammonia or amines
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C231/00—Preparation of carboxylic acid amides
    • C07C231/22—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives

Definitions

  • R 1 linear or branched alkyl radical having 3 to 10
  • R 2 is a linear, branched or cyclic
  • Alkyl radical an aryl radical which may also be substituted by one or more alkyl groups
  • the linear, cyclic or branched alkyl radical may have a length of 1-12 carbon atoms, such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, tert. Butyl, pentyl, Hexyl, heptyl, octyl, isooctyl, nonyl, decyl, undecyl and may optionally be replaced by
  • R 3 or R 4 may assume the meaning of hydrogen and furthermore:
  • R 3 , R 4 or R 5 may be either the same or different and represent an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, tert. Butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, isooctyl, nonyl, decyl, undecyl or hydrogen.
  • R 6 may be a Ci-C 4 alkyl group, which may also be branched, such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl or tert. Butyl.
  • R 7 may be the methyl group or the ethyl group.
  • amines for example, the following compounds are suitable: Dimethylaminoethylamine, diethylaminoethylamine, Dipropylaminoethylamin, diisopropylaminoethylamine, dibutylaminoethylamine, Disobutylaminoehtylamin, dimethylaminopropylamine, diethylamino, dipropylaminopropylamine, Diisopropylaminopropylamin, dibutylaminopropylamine, Disobutylaminopropylamin, dimethylaminobutylamine, diethylaminobutylamine, Dipropylaminobutylamin, Diisopropylaminobutylamin, Dibutylaminobutylamin, Disobutylaminobutylamin, methylamine, cyclohexylamine, Dimethyla
  • dimethylaminopropylamine dimethylaminoethylamine, dimethylaminobutylamine, dimethylaminopentylamine and dimethylaminohexylamine is particularly preferred.
  • the continuous transesterification processes have the following advantages over the batch transesterification processes: The process is easier to automate and can be operated with reduced personnel requirements, the product quality is more reproducible and less variable, the plant capacity increases due to the omission of the sequential processing of the individual production steps (filling, reaction, low boiler removal, product separation, emptying).
  • the process has a higher space-time yield than a batch process.
  • EP 0 960 877 (Elf Atochem S.A.) describes a continuous process for the preparation of methacrylate esters of dialkylaminoalcohols. Dialkylamino alcohols are reacted with in general methyl (meth) acrylate and the dialkylaminoalkyl (meth) acrylate is obtained by the following process:
  • the mixture of the starting materials (methyl (meth) acrylate and dialkylaminoalcohol) is used together with a tetraalkyl titanate as catalyst (for example tetrabutyl, tetraethyl or tetra (2-ethylhexyl) titanate) and at least one polymerization inhibitor (for example phenothiazine, tert-butylcatechol, hydroquinone monomethyl ether or hydroquinone) fed continuously to a stirred reactor, where at a temperature of 90 to 120 0 C, the conversion to the dialkylamino (meth) acrylate with simultaneous continuous withdrawal of the azeotropic methyl (meth) acrylate / methanol mixture.
  • a tetraalkyl titanate for example tetrabutyl, tetraethyl or tetra (2-ethylhexyl) titanate
  • at least one polymerization inhibitor for example phenothiazin
  • the crude reaction mixture (crude ester) is fed to a first distillation column, wherein at reduced pressure at the top of the distillation column a substantially catalyst-free stream is withdrawn and withdrawn at the bottom of the distillation column of the catalyst and a little dialkylaminoalkyl (meth) acrylate.
  • the top stream of the first distillation column is then fed to a second distillation column which comprises a stream of low-boiling products containing a little dialkylaminoalkyl (meth) acrylate under reduced pressure and a stream comprising mainly dialkylaminoalkyl (meth) acrylate and polymerization inhibitor (s) in the bottom.
  • withdrawn which is fed to a third distillation column.
  • a rectification carried out in which one withdraws the desired pure dialkylaminoalkyl (meth) acrylate ester at the top and in the bottom substantially the polymerization inhibitor or the polymerization inhibitors.
  • the bottom stream of the first distillation column is recycled after further purification using a film evaporator as well as the top stream from the second distillation column.
  • This process dispenses with dehydration of the alcohols before use, which can lead to increased deactivation of the tetraalkyl titanate used as a result of hydrolysis up to the formation of undesired precipitation of solids. Furthermore, the process has the disadvantage that in the first distillation column, the catalyst in the sump is thermally stressed at relatively high temperatures. This can easily lead to decomposition of the catalyst.
  • EP 0 968 995 (Mitsubishi Gas Chemical Comp.) Describes a continuous process for the preparation of alkyl (meth) acrylic acid esters using a reaction column.
  • the transesterification reaction is carried out directly in a distillation column (ie reactor and distillation column to remove the methyl (meth) acrylate / methanol azeotrope form an apparatus) to which the starting materials (methyl (meth) acrylate and alcohol) are fed continuously.
  • the necessary catalyst here likewise preferably a titanium compound, is located in the distillation column. In the case of a homogeneous catalyst, the catalyst is continuously metered into the distillation column.
  • the object of the present invention is to provide a continuous process for the aminolysis of acrylic acid esters which avoids the disadvantages of the two processes described above. Furthermore, the new process should provide a product that is better in quality than the one currently on the market. A better quality is understood to mean a lower crosslinker content or a lower content of addition products of the amines to the double bond of the starting ester or to the double bond of the product amide. Furthermore, with the new method aminoacrylates with as little effort and energetically cheaper (ie cheaper) are produced. The personnel costs for operating the system should be reduced.
  • the method is shown schematically in FIG.
  • FIG. 1 Explanations of the reference numbers FIG. 1:
  • the Acrylatfeed starting material (11) is continuously fed to a suitable reactor (1), wherein both a single reaction vessel and a cascade of a plurality of successively connected reaction vessels can be used.
  • a cascade may consist, for example, of 2, 3, 4, 5, 6 or optionally a plurality of individual reaction vessels.
  • a cascade of 3 consecutively operated stirred kettles is used.
  • the Acrylatfeed starting material (11) can be done in various ways. It is possible, for example, to supply the reactant stream (11) only to the first reaction vessel of the cascade or else to divide the reactant stream (11) into substreams and to supply these substreams to all or only some of the reaction vessels connected in series to the cascade. Exactly so it is possible to make the supply of the reactant stream (11) via the apparatus (2) and / or the reaction apparatuses (1). It may be advantageous to feed the educt stream (11) only into the apparatus (2) or, in another embodiment, to divide the educt stream (11) into partial streams which then both the apparatus (2) and the first or optionally a plurality of reaction vessels of the cascade be supplied.
  • the flow guidance to and from the reactors does not necessarily have to be as shown in the flow chart. It has proved advantageous in particular embodiments to introduce the discharge of a boiler of the cascade into the respective subsequent boiler of the cascade from below.
  • the amine (12) is continuously fed to the distillation column (2) for dehydration.
  • the tetraalkoxititanate required as catalyst (the tetraalkoxititanate content with respect to acrylic ester A used is preferably 0.2-4% by weight) is likewise preferably metered continuously into the reactor (1) as is the polymerization inhibitor (s).
  • aminolysis catalysts it is also possible to use all transesterification catalysts known from the prior art.
  • Suitable catalysts are zirconium acetylacetonate and further 1,3-diketonates of zirconium; furthermore, mixtures of alkali metal cyanates or alkali metal thiocyanates and alkali metal halides, tin compounds, for example dioctyltin oxide, alkaline earth metal oxides or alkaline earth metal hydroxides, such as, for example, CaO, Ca (OH) 2 , MgO, Mg (OH) 2 or mixtures of the abovementioned compounds, furthermore alkali metal hydroxides, alkali metal alkoxides and lithium chloride and lithium hydroxide, it is also possible to use mixtures of the abovementioned compounds with the abovementioned alkaline earth compounds and the Li salts, dialkyltin oxides, such as, for example, dioctyltin oxide, alkali metal carbonates , Alkali metal carbonates together with quaternary ammonium salts such as te
  • a catalyst mixture of dialkyltin oxide and alkyl titanate for example dioctyltin oxide and isopropyl titanate in a ratio of about 2.5: 1 (wt .-% / wt .-%).
  • the catalyst or the catalyst mixture is used in amounts of 0.1-10% by weight, preferably 0.2-7% by weight, in each case based on the acrylate used.
  • Suitable alkyl acrylates are all acrylates having a linear or branched alkyl radical having 3 to 10, preferably 3 to 6 and particularly preferably 3 or 4 carbon atoms. Typical examples thereof are propyl acrylate, isopropyl acrylate, n-butyl acrylate, isobutyl acrylate, 3-methylbutyl acrylate, amyl acrylate, neopentyl acrylate, hexyl acrylate, cyclohexyl acrylate, heptyl acrylate, n-octyl acrylate, ethylhexyl acrylate or decyl acrylate.
  • the choice of starting materials is particularly advantageously such that as the alcohol is removed from the reaction mixture, the equilibrium can be shifted to the side of the products.
  • the removal of the alcohol can be carried out by distillation by its lower boiling point compared to the amine used and / or by the formation of an azeotrope.
  • Suitable polymerization inhibitors are, for example, hydroquinone, 4-hydroxy-2,2,6,6-tetra-methylpiperidinooxyl or else bis (2-methoxycarbonylpropyl) sulfide or hydroquinone monomethyl ether in combination with oxygen.
  • the amine used may contain water.
  • the amount of water in the amine used is in the case of amine between 50 and 500 ppm (0.05 - 0.005% by weight).
  • the amine is preferably dewatered by distillation before entering the reactor, via the distillation column (2).
  • the water contained in the amine is removed overhead.
  • the task of the amine is preferably carried out in the lower part of the distillation column (2).
  • the amine used can also be dehydrated in other ways:
  • a dehydrating agent such as a molecular sieve, or
  • Dewatering is therefore important because the water in the amine can cause irreversible damage to the catalyst (e.g., tetraalkyl titanate) in the reactor.
  • the water contained in the amine leads to the formation of by-products and should therefore be strictly avoided.
  • This dewatering step avoids the hydrolysis of the catalyst and the associated costs due to increased catalyst use and problems with solid precipitates.
  • the purity of the product is increased by a reduced proportion of by-products.
  • the reaction takes place in the reactor (1) at a temperature in the range between 80 and 180 0 C depending on the material system and operating pressure.
  • the temperature range between 110 and 160 ° C. is preferred.
  • the alcohol released in the reaction is withdrawn from the reaction mixture via the distillation column (2), optionally also as an azeotrope with the alcohol (13). This can both at atmospheric pressure, at overpressure or under reduced pressure.
  • the reaction mixture which consists largely of the product alkyl acrylate, unreacted acrylate and amine and small amounts of alcohol, the catalyst, the polymerization inhibitors and a proportion of by-products is after about 0.5 to 3 hours reactor residence time (preferably, a residence time of 1 - 2 hours) fed to a continuously operated falling-film evaporator (5).
  • the vapors of the falling film evaporator (5) are fed to a low boiler distillation column (3).
  • These are withdrawn via the top of the distillation column (3) and returned to the reactor area or into the distillation column (2) (14). This circulation stream results in a high conversion based on the reactants and the entire process.
  • the in the course of the falling film evaporator (5) obtained with catalyst, polymerization and high-boiling by-products still contaminated crude amide (15) preferably contains> 80 wt .-% product amide and is used to work up a further vacuum distillation stage, which in the preferred pressure range between 0.1 and 200 mbar works, fed.
  • the distillative separation of the high-purity product amide takes place as top product.
  • the by-products formed in the process are high-boiling components with respect to the educt amine and the starting acrylate and thus enter the product amide as an impurity, thereby significantly lowering product quality.
  • This problem can be solved by separating the product amide from the catalyst and the polymerization inhibitors and the high-boiling by-products Apparatus with gentle film evaporation, such as (5). Suitable apparatuses for this fall film, thin film and short path evaporator are known.
  • the preparation of the alkylaminoacrylamides may optionally be followed by a purifying distillation unit which can also be operated under reduced pressure, for example at 500-0.1 mbar.
  • the first reaction vessel was charged with 200 kg / h of butyl acrylate / catalyst feed containing 2.0% by weight of isopropyl titanate 5.0% by weight of dioctyltin oxide from the distillation column (2) and 144 kg / h of N-dimethylaminopropylamine (DMAPA).
  • DMAPA N-dimethylaminopropylamine
  • the 1st reaction vessel via the distillation column (2) continuously recirculated from the top of the low boiler distillation column (400 kg / h with the composition 70 wt .-% Eduktacrylat and butyl alcohol, DMAPA and byproducts.)
  • the molar butyl acrylate: DMAPA ratio in the reactor feed was 1.8. 1.
  • the reaction temperature in the second and third reaction vessels was 143 and 155 ° C.
  • the distillate removal of the distillation column (2) was 110 kg / h.
  • Reaction vessel and the effluent of the second reaction vessel ran into the third reaction vessel Residence time of a total of about 150 minutes, the following proportions of the components were determined at the end of the third reaction vessel:
  • the course of the third reaction vessel was continuously fed to the thin-film evaporator of a low-boiling column in which unreacted DMAPA 1 butyl acrylate and butanol were withdrawn as distillate (400 kg / h) and recycled as recycle stream to the distillation column (2).
  • the bottom outlet of the low-boiling column thin-film evaporator was 240 kg / h and had the composition: about 90% of product amide, 0.1% of DMAPA, a larger proportion of high-boiling components and traces of the reactants.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Alkylaminoacrylamiden durch Umsetzung von Alkylacrylaten mit hochsiedenden Aminen. Durch eine besondere Aufarbeitungstechnik werden bisher nicht erzielte Produktqualitäten erreicht. Weiterhin können sehr hohe Raum-Zeit- und Gesamt-Ausbeuten erreicht werden.

Description

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Alkylaminoacrylamiden
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein kontinuierlich betriebenes Verfahren zur Herstellung von Alkylaminoacrylamiden (C) durch kontinuierliche Aminolyse von beispielsweise Butylacrylat (A mit Ri = C4) mit Aminen (B) unter Freisetzung von Butanol (D mit Ri = C4) gemäß folgender Reaktionsgleichung:
H
H2C = C -COOR1 + R2NH2
H
H2C = C -CONHR2 + R1OH
wobei gilt:
R1 = linearer oder verzweigter Alkylrest mit 3 bis 10
Kohlenstoffatomen
R2 steht für einen linearen, verzweigten oder cyclischen
Alkylrest, einen Arylrest, der auch mit ein oder mehreren Alkylgruppen subsituiert sein kann, der lineare, cyclische oder verzweigte Alkylrest kann eine Länge von 1 - 12 Kohlenstoffatomen aufweisen, wie beispielsweise Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, tert. Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, Isooctyl, Nonyl, Decyl, Undecyl bedeuten und kann gegebenenfalls durch
- NR3 R4 oder
- OR5
ein- oder mehrfach substituiert sein, dabei kann entweder R3 oder R4 die Bedeutung von Wasserstoff annehmen und femer gilt:
- R3, R4 oder R5 können entweder gleich oder verschieden sein und eine Alkylgruppe mit 1 - 12 Kohlenstoffatomen darstellen, wie beispielsweise Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, tert. Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, Isooctyl, Nonyl, Decyl, Undecyl oder Wasserstoff.
- R2 kann ferner auch
[ (R6-0) n ] - R7
bedeuten, wobei gilt:
- R6 kann eine Ci-C4-Alkylgruppe sein, die auch verzweigt sein kann, wie beispielsweise Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl oder tert. Butyl.
Alkylamido(meth)acrylate m: 1 - 4
R7 kann die Methylgruppe oder die Ethylgruppe sein. Als Amine kommen beispielsweise folgende Verbindungen in Frage: Dimethylaminoethylamin, Diethylaminoethylamin, Dipropylaminoethylamin, Diisopropylaminoethylamin, Dibutylaminoethylamin, Disobutylaminoehtylamin, Dimethylaminopropylamin, Diethylaminopropylamin, Dipropylaminopropylamin, Diisopropylaminopropylamin, Dibutylaminopropylamin, Disobutylaminopropylamin, Dimethylaminobutylamin, Diethylaminobutylamin, Dipropylaminobutylamin, Diisopropylaminobutylamin, Dibutylaminobutylamin, Disobutylaminobutylamin, Methylamin, Cyclohexylamin, Dimethylaminohexylamin, Diethylaminohexylamin.
Besonders bevorzugt ist neben Dimethylaminopropylamin, Dimethylaminoethylamin, Dimethylaminobutylamin, Dimethylaminopentylamin und Dimethylaminohexylamin.
Stand der Technik
In der Literatur sind viele diskontinuierlich durchgeführte Umesterungs- verfahren (Batch-Umesterungsverfahren) in Verbindung mit unterschied¬ lichen Katalysatoren beschrieben.
Die Suche nach wirtschaftlicheren Verfahren führte zu der Auffindung von kontinuierlichen Umesterungsverfahren, bei denen die Edukte kontinuierlich zugeführt und die Produkte kontinuierlich abgeführt werden. Die kontinuierlichen Umesterungsverfahren haben gegenüber den diskontinuierlichen Umesterungsverfahren folgende Vorteile: Der Prozess ist leichter automatisierbar und kann mit reduziertem Personalbedarf betrieben werden, die Produktqualität ist besser reproduzierbar und weniger schwankend, die Anlagenkapazität erhöht sich aufgrund des Wegfalls des sequenziellen Abarbeitens der einzelnen Herstellungsschritte (Befüllen, Reaktion, Niedrigsiederabtrennung, Produktabtrennung, Entleeren). Der Prozess besitzt eine höhere Raum-Zeit-Ausbeute als ein Batch-Prozess.
Kontinuierliche Umesterungsverfahren sind bekannt. EP 0 960 877 (Elf Atochem S.A.) beschreibt ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Methacrylatestem von Dialkylaminoalkoholen. Man setzt Dialkylaminoalkohole mit im allgemeinen Methyl(meth)acrylat um und erhält das Dialkylaminoalkyl(meth)acrylat nach folgendem Verfahren:
Das Gemisch der Ausgangsstoffe (Methyl(meth)acrylat und Dialkylaminoalkohol) wird zusammen mit einem Tetraalkyltitanat als Katalysator (beispielsweise Tetrabutyl-, Tetraethyl- oder Tetra(2- Ethylhexyl)titanat) und mindestens einem Polymerisationsinhibitor (beispielsweise Phenothiazin, tert.-Butylcatechol, Hydrochinonmonomethylether oder Hydrochinon) kontinuierlich einem Rührreaktor zugeführt, wo bei einer Temperatur von 90 - 120 0C die Umsetzung zum Dialkylamino(meth)acrylat bei gleichzeitigem kontinuierlichem Abzug des azeotropen Methyl (meth)acrylat/Methanol- Gemisches erfolgt. Das rohe Reaktionsgemisch (Rohester) wird einer ersten Destillationskolonne zugeführt, wobei man bei vermindertem Druck am Kopf der Destillationskolonne einen im wesentlichen katalysatorfreien Strom abzieht und im Sumpf der Destillationskolonne der Katalysator sowie wenig Dialkylaminoalkyl(meth)acrylat abgezogen werden. Der Kopfstrom der ersten Destillationskolonne wird dann einer zweiten Destillationskolonne zugeführt, bei der man unter vermindertem Druck am Kopf einen Strom von niedrigsiedenden Produkten mit wenig Dialkylaminoalkyl(meth)acrylat und im Sumpf einen Strom bestehend aus hauptsächlich Dialkylaminoalkyl(meth)acrylat sowie Polymerisationsinhibitor(en) abzieht, der einer dritten Destillationskolonne zugeführt wird. In der dritten Destillationskolonne wird unter vermindertem Druck eine Rektifikation durchgeführt, in der man am Kopf den gewünschten reinen Dialkylaminoalkyl(meth)acrylatester und im Sumpf im wesentlichen den Polymerisationsinhibitor oder die Polymerisationsinhibitoren abzieht. Der Sumpfstrom der ersten Destillationskolonne wird nach weiterer Aufreinigung mit Hilfe eines Filmverdampfers genauso in den Reaktor zurückgeführt wie der Kopfstrom aus der zweiten Destillationskolonne.
Dieses Verfahren verzichtet auf eine Entwässerung der Alkohole vor dem Einsatz, was zu einer verstärkten Desaktivierung des eingesetzten Tetraalkyltitanats infolge Hydrolyse bis hin zur Bildung unerwünschter Feststoffniederschläge führen kann. Weiterhin verfügt das Verfahren über den Nachteil, dass in der ersten Destillationskolonne der Katalysator im Sumpf bei relativ hohen Temperaturen thermisch beansprucht wird. Dies kann leicht zur Zersetzung des Katalysators führen.
Bei diesem Verfahren werden sowohl die nicht umgesetzten Edukte wie auch das Produkt insgesamt zweimal über Kopf rektifiziert. Dies erfordert sehr hohe Energiekosten und insgesamt 4 Rektifikationskolonnen, die zum Teil sehr groß dimensioniert sein müssen. Der Prozeß ist daher mit sehr hohen Investitions- und Betriebskosten belastet.
EP 0 968 995 (Mitsubishi Gas Chemical Comp.) beschreibt ein kontinuier¬ liches Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylsäureestem unter Verwendung einer Reaktionskolonne. Die Umesterungsreaktion erfolgt dabei direkt in einer Destillationskolonne (d.h. Reaktor und Destillationskolonne zum Abzug des Methyl(meth)acrylat/Methanol-Azeotrops bilden einen Apparat), der die Ausgangsstoffe (Methyl(meth)acrylat und Alkohol) kontinuierlich zugeführt werden. Der notwendige Katalysator, hier ebenfalls bevorzugt eine Titanverbindung, befindet sich in der Destillationskolonne. Im Fall eines homogenen Katalysators wird der Katalysator in die Destillationskolonne kontinuierlich eindosiert. Die Verwendung von homogenen Katalysatoren in einer Destillationskolonne führt jedoch aufgrund eines Spüleffektes durch den flüssigen Rücklauf in der Destillationskolonne zu einem erhöhten Katalysatorbedarf sowie bei Auftreten eines Katalysatorfeststoffniederschlags zur Verschmutzung der Kolonneneinbauten. Im Fall eines heterogenen Katalysators befindet sich der Katalysator in der Reaktionskolonne. Die Positionierung des Katalysators in der Destillationskolonne ist allerdings nachteilig, weil in der Destillations¬ kolonne dann ein erhöhter Druckverlust auftritt und zusätzlich für die regelmäßige Reinigung der Destillationskolonne ein sehr hoher Aufwand betrieben werden muss. Weiterhin können heterogene Katalysatoren beispielsweise infolge unerwünschter Polymerisation desaktivieren.
DE 4 027 843 (Röhm GmbH) beschreibt ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung N-substituierter (Meth)acrylsäureamiden durch Aminolyse von Alkylestern der (Meth)acrylsäure mit aliphatischen und aromatischen Aminen. Die Reaktionstemperatur liegt bei > 150°, der Druck beträgt ca. 160 bar. Es wird ohne Katalysator gearbeitet.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kontinuierliches Verfahren zur Aminolyse von Acrylsäureestem zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile der beiden vorgenannt beschriebenen Verfahren vermeidet. Weiterhin soll durch das neue Verfahren ein Produkt zur Verfügung gestellt werden, das in der Qualität besser ist als die bisher auf dem Markt befindlichen. Unter einer besseren Qualität wird ein geringerer Vernetzergehalt oder ein geringerer Gehalt an Additionsprodukten der Amine an die Doppelbindung des Ausgangsesters oder an die Doppelbindung des Produktamids verstanden. Ferner sollen mit dem neuen Verfahren Aminoacrylate mit möglichst wenig Aufwand und energetisch günstiger (d.h. kostengünstiger) hergestellt werden. Der Personalaufwand zur Bedienung der Anlage soll verringert werden.
Gelöst werden diese sowie weitere im einzelnen nicht näher ausgeführte, jedoch aus der einleitenden Erörterung des Standes der Technik ohne weiteres erschließbare oder ableitbare Aufgaben durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüchen unter Schutz gestellt.
Verfahrensbeschreibung
Das Verfahren ist schematisch in Figur 1 dargestellt.
Erläuterungen der Bezugszeichen Figur 1 :
1. Reaktionsapparat
2. Niedersieder-Austrags-Destillationskolonne
3. Niedrigsieder-Destillationskolonne
5. Fiimverdampfer
11. Acrylat-Feed und Katalysator-Feed
12. Amin-Feed
13. Niedersieder-Austrag
14. Niedrigsieder-Kreislaufstrom
15. Rohprodukt
16. Vorlagebehälter für weitere Destillationsschritte
Der Acrylatfeed Edukt (11) wird kontinuierlich einem geeigneten Reaktionsapparat (1) zugeführt, wobei sowohl ein einzelner Reaktionsbehälter als auch eine Kaskade von mehreren hintereinander geschaltenen Reaktionsbehältern eingesetzt werden kann. Eine solche Kaskade kann beispielsweise aus 2, 3, 4, 5, 6 oder gegebenenfalls mehreren einzelnen Reaktionsbehältern bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Kaskade aus 3 hintereinander angeordneten kontinuierlich betriebenen Rührkesseln verwendet.
Der Acrylatfeed Edukt (11) kann auf verschiedene Weise erfolgen. Es ist zum Beispiel möglich, den Eduktstrom (11) nur dem ersten Reaktionsbehälter der Kaskade zuzuführen oder aber den Eduktstrom (11) in Teilströme aufzuteilen und diese Teilströme allen oder nur einigen der hintereinander geschalteten Reaktionsbehältern der Kaskade zuzuführen. Genau so ist es möglich, die Zuführung des Eduktstroms (11) über den Apparat (2) und/oder die Reaktionsapparate (1) vorzunehmen. Es kann vorteilhaft sein, den Eduktstrom (11) nur in den Apparat (2) zuzuführen oder in einer weiteren Ausführungsform den Eduktstrom (11) in Teilströme aufzuteilen, welche dann sowohl dem Apparat (2) als auch dem ersten oder gegebenenfalls mehreren Reaktionsbehältern der Kaskade zugeführt werden.
Es ist sinnvoll, dass alle Reaktionsbehälter einen Brüdenabzug zur Destillationskolonne (2) zur Entfernung des bei der Reaktion frei werdenden Alkohols besitzen.
Die Strömungsführung zu den Reaktoren und aus diesen heraus muss nicht zwangsläufig wie im Fließbild dargestellt erfolgen. Es hat sich in besonderen Ausführungsformen als vorteilhaft erwiesen, den Austrag eines Kessels der Kaskade in den jeweils nachfolgenden Kessel der Kaskade von unten einzuführen. Das Amin (12) wird kontinuierlich der Destillationskolonne (2) zur Entwässerung zugeführt.
Das als Katalysator benötigte Tetraalkoxititanat (der Tetraalkoxititanat-Gehalt in Bezug auf eingesetzten Acrylester A beträgt bevorzugt 0,2 - 4 Gew.-%) wird wie der/die Polymerisationsinhibitor/en ebenfalls bevorzugt kontinuierlich in den Reaktionsapparat (1) zudosiert. Als Aminolysekatalysatoren können aber auch alle aus dem Stand der Technik bekannten Umesterungskatalysatoren eingesetzt werden. Als Katalysatoren kommen beispielsweise Zirkonacetylacetonat und weitere 1.3-Diketonate des Zirkons in Frage, ferner können Mischungen aus Alkalimetallcyanaten oder Alkalimetallthiocyanaten und Alkalimetallhalogeniden eingesetzt werden, ferner Zinnverbindungen, beispielsweise Dioctylzinnoxid, Erdalkalimetalloxide oder Erdalkalimetallhydroxide, wie beispielsweise CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2 oder Gemische aus den vorstehend genannten Verbindungen, ferner Alkalimetallhydroxide, Alkalimetallalkoxide und Lithiumchlorid und Lithiumhydroxid, es können auch Gemische aus den vorstehend genannten Verbindungen mit den vorstehend genannten Erdalkaliverbindungen und den Li-Salzen eingesetzt werden, Dialkylzinnoxide, wie beispielsweise Dioctylzinnoxid, Alkalimetallcarbonate, Alkalimetallcarbonate zusammen mit quartären Ammoniumsalzen, wie beispielsweise Tetrabutylammoniumhydroxid oder Hexadecyltrimethylammoniumbromid, ferner Mischkatalysatoren aus Diorganylzinnoxid und Organylzinnhalogenid, saure Ionenaustauscher, Phosphormolybdän-Heteropolysäuren, Titanalkoholate, wie beispielsweise Isopropyltitanat, Chelatverbindungen der Metalle Titan, Zirkonium, Eisen oder Zink mit 1.3-Di-Carbonylverbindungen, Bleiverbindungen, wie beispielsweise Bleioxide, Bleihydroxide, Bleialkoxide, Bleicarbonate oder Bleisalze von Carbonsäuren. Besonders bevorzugt ist ein Katalysatorgemisch aus Dialkylzinnoxid und Alkyltitanat, beispielsweise Dioctylzinnoxid und Isopropyltitanat im Verhältnis ca. 2,5 : 1 (Gew.-%/Gew.-%). Der Katalysator oder das Katalysatorgemisch wird in Mengen von 0,1 - 10 Gew.-%, bevorzugt 0,2 - 7 Gew.~%, jeweils bezogen auf das eingesetzte Acrylat, eingesetzt.
Geeignete Alkylacrylate sind alle Acrylate mit einem linearen oder verzweigten Alkylrest mit 3 bis 10, bevorzugt 3 bis 6 und besonders bevorzugt 3 oder 4 Kohlenstoffatomen. Typische Beispiele hierfür sind Propylacrylat, Isopropylacrylat, n-Butylacrylat, Isobutylacrylat, 3-Methylbutylacrylat, Amylacrylat, Neopentylacrylat, Hexylacrylat, Cyclohexylacrylat, Heptylacrylat, n- Octylacrylat, Ethylhexylacrylat oder Decylacrylat.
Als Amine können alle Verbindungen R2NH2 verwendet werden, deren Rest R2 aus 1 - 12, bevorzugt 2 - 8 oder besonders bevorzugt aus 2 - 4 Kohlenstoffatomen besteht. Beispiele für typische Strukturen und konkrete Verbindungen sind bereits zu Beginn dieser Anmeldung aufgeführt.
Es ist für den Fachmann des Gebiets weiterhin klar, das die Wahl der Ausgangsstoffe besonders vorteilhaft so erfolgt, dass mit dem Entfernen des Alkohols aus der Reaktionsmischung das Gleichgewicht auf die Seite der Produkte verschoben werden kann. Die Entfernung des Alkohols kann destillativ durch seinen im Vergleich zum verwendeten Amin niedrigeren Siedepunkt und/oder durch die Bildung eines Azeotrops erfolgen.
Als Polymerisationsinhibitoren kommen beispielsweise Hydrochinon, 4- Hydroxy-2,2,6,6-tetra-methylpiperidinooxyl oder auch Bis(2- methoxycarbonylpropyl)sulfid oder Hydrochinonmonomethylether in Verbindung mit Sauerstoff in Frage.
Das eingesetzte Amin kann Wasser enthalten. Die Menge an Wasser im eingesetzten Amin liegt im Falle von Amin zwischen 50 und 500 ppm (0,05 - 0,005 Gew.-%). Das Amin wird vor dem Eintreten in den Reaktionsapparat bevorzugt über die Destillationskolonne (2) destillativ entwässert. Dabei wird das im Amin enthaltene Wasser über Kopf abgezogen. Zur Vermeidung einer Verunreinigung des Niedersieder-Austrags (13) mit dem eingesetzten Amin erfolgt die Aufgabe des Amins bevorzugt im unteren Teil der Destillationskolonne (2). Das eingesetzte Amin kann auch auf andere Art und Weise entwässert werden:
- durch eine vorgeschaltete Entwässerungs-Destillationskolonne oder
- durch Behandlung mit einem Entwässerungsmittel, wie beispiels¬ weise ein Molekularsieb, oder
- durch ein Membrantrennverfahren, wie beispielsweise eine Pervaporation.
Die Entwässerung ist daher bedeutsam, da das im Amin enthaltene Wasser zur irreversiblen Schädigung des Katalysators (z.B. Tetraalkyltitanat) im Reaktor führen kann. Das im Amin enthaltene Wasser führt zur Bildung von Nebenprodukten und ist daher strikt zu vermeiden. Durch diesen Entwässerungsschritt vermeidet man die Hydrolyse des Katalysators und die damit entstehenden Kosten durch erhöhte Katalysatoreinsatzmengen und durch Probleme mit Feststoffniederschlägen. Außerdem wird die Reinheit des Produktes durch einen verringerten Anteil an Nebenprodukten erhöht.
Die Umsetzung erfolgt im Reaktionsapparat (1) bei einer Temperatur im Bereich zwischen 80 und 180 0C Je nach Stoffsystem und Betriebsdruck. Bevorzugt ist der Temperaturbereich zwischen 110 und 160 0C. Zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit wird der bei der Reaktion frei werdende Alkohol über die Destillationskolonne (2) aus dem Reaktionsgemisch, gegebenenfalls auch als Azeotrop mit dem Alkohol abgezogen (13). Dies kann sowohl bei atmosphärischem Druck, bei Überdruck oder bei Unterdruck erfolgen. Die Reaktionsmischung, welche größtenteils aus dem Produkt-Alkylacrylatamid, nicht umgesetztem Acrylat und Amin sowie geringen Mengen Alkohol, dem Katalysator, den Polymerisationsinhibitoren und einem Anteil an Nebenprodukten besteht, wird nach ca. 0,5 - 3 Stunden Reaktorverweilzeit (bevorzugt ist eine Verweilzeit von 1 - 2 Stunden) einem kontinuierlich betriebenen Fallfilmverdampfer (5) zugeführt. Die Brüden des Fallfilmverdampfers (5) werden einer Niedrigsieder-Destillationskolonne (3) zugeführt. Dort erfolgt bei vermindertem Druck, bevorzugt im Bereich von ca. 1 - 500 mbar, die Abtrennung der in Bezug auf das Produktamid niedrigsiedenden Komponenten, vorwiegend Produktalkohol und nicht umgesetztes Edukt-Acrylat und -Amin. Diese werden über den Kopf der Destillationskolonne (3) abgezogen und in den Reaktorbereich oder in die Destillationskolonne (2) zurückgeführt (14). Durch diesen Kreislaufstrom wird ein hoher Umsatz bezogen auf die Edukte und den gesamten Prozess erzielt.
Das im Ablauf des Fallfilmverdampfers (5) anfallende mit Katalysator, Polymerisationsinhibitor und hochsiedenden Nebenprodukten noch verunreinigte Roh-Amid (15) enthält vorzugsweise > 80 Gew.-% Produktamid und wird zur Aufarbeitung einer weiteren Vakuumdestillationsstufe, welche im bevorzugten Druckbereich zwischen 0,1 und 200 mbar arbeitet, zugeführt. Hier erfolgt die destillative Abtrennung des hochreinen Produktamids als Kopfprodukt.
Die im Prozeß gebildeten Nebenprodukte stellen in Bezug auf das Eduktamin und das Edukt-Acrylat hochsiedende Komponenten dar und gelangen somit als Verunreinigung in das Produktamid, wodurch die Produktqualität deutlich gesenkt wird. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass man zur Abtrennung des Produktamids vom Katalysator und den Polymerisationsinhibitoren sowie den hochsiedenden Nebenprodukten einen Apparat mit schonender Filmverdampfung wie (5) einsetzt. Als geeignete Apparate sind hierfür Fallfilm-, Dünnschicht- und Kurzwegverdampfer bekannt.
An die Herstellung der Alkylaminoacrylamide kann sich gegebenenfalls noch eine Reindestillationsanlage anschließen, die auch unter vermindertem Druck, beispielsweise bei 500-0,1 mbar, betrieben werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch nachfolgendes Beispiel näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.
Beispiel: Kontinuierliche Aminolyse zu Aminoacrylamid
Zur kontinuierlichen Herstellung von N-Dimethylaminopropylacrylamid wurde dem 1. Reaktionskessel 200 kg/h Butylacrylat/Katalysator-Feed mit einem Anteil von 2,0 Gew.-% Isopropyl-Titanat 5,0 Gew.-% Dioctylzinnoxid der Destillationskolonne (2) und 144 kg/h N-Dimethylaminopropylamin (DMAPA) zudosiert. Weiterhin floss dem 1. Reaktionskessel über die Destillationskolonne (2) der Kreislaufrückstrom vom Kopf der Niedrigsieder-Destillationskolonne kontinuierlich zu (400 kg/h mit der Zusammensetzung 70 Gew.-% Eduktacrylat sowie Butylalkohol, DMAPA und Nebenprodukte. Das molare Butylacrylat : DMAPA-Verhältnis im Reaktorzulauf betrug 1,8 : 1. Weiterhin liefen die in der Destillationskolonne (2) vom Butanol befreiten Brüden der Rührkessel über den Kolonnensumpf dem 1. Reaktionskessel zu. Unter diesen Reaktionsbedingungen (Druck ca. 500 mbar) stellte sich eine Reaktionstemperatur von 138 0C im 1. Reaktionskessel ein. Die Reaktionstemperatur im 2. und 3. Reaktionskessel betrug 143 bzw. 155 0C. Der Destillat-Abzug der Destillationskolonne (2) betrug 110 kg/h. Der Ablauf des 1. Reaktionskessels lief in den 2. Reaktionskessel und der Ablauf des 2. Reaktionskessels lief in den 3. Reaktionskessel. Bei einer Verweilzeit von insgesamt ca. 150 Min. wurden am Ablauf des 3. Reaktionskessels folgende Anteile der Komponenten bestimmt:
Butylacrylat 43 Gew.-%
DMAPA 4,86 Gew.-%
Aminoamid 35 Gew.-%
Die Brüden der einzelnen Reaktionskessel wurden kontinuierlich der Destillationskolonne (2) zugeführt.
Der Ablauf des 3. Reaktionskessels lief kontinuierlich dem Dünnschichtverdampfer einer Niedrigsieder-Kolonne zu, in der nicht umgesetztes DMAPA1 Butylacrylat und Butanol als Destillat (400 kg/h) abgezogen und als Kreislaufrückstrom der Destillationskolonne (2) wieder zugeführt wurden. Der Sumpf-Auslauf des Dünnschichtverdampfers der Niedrigsiederkolonne betrug 240 kg/h und hatte die Zusammensetzung: ca. 90 % Produktamid, 0,1 % DMAPA, einen grosseren Anteil hochsiedender Komponenten und Spuren der Reaktanden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur kontinuierlich betriebenen Herstellung von Alkylaminoacrylamid der Formel (C),
H
I (C)
H2C = C - CONHR2
worin R2 für einen linearen oder verzweigten oder cyclischen Alkylrest oder Arylrest mit 1 bis 12 C-Atomen steht, durch Umsetzung einer Verbindung der Formel (B),
R2NH2 (B)
wobei R2 die oben angegebene Bedeutung besitzt, mit Alkylacrylat (A),
H
(A) H2C = C -COOR1
worin R1 für einen linearen oder verzweigten Alkylrest mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen steht, in Gegenwart eines Katalysators oder eines Katalysatorgemischs und in Gegenwart mindestens eines Polymerisationsinhibitors in einer Apparatur zur kontinuierlichen Umsetzung,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Reaktanden einem geeigneten Reaktionsapparat (1) kontinuierlich zugeführt werden und dass der bei der Reaktion entstehenden Alkohol bzw. ein Alkohol/Alkylacrylat-Gemisch (13) kontinuierlich mit Hilfe einer Destillationskolonne (2) abgezogen wird und außerdem:
- das Reaktionsgemisch kontinuierlich aus dem Reaktionsapparat in eine Destillationskolonne (3) bzw. einen Verdampfer (5) geführt wird, wobei durch Destillation unter vermindertem Druck über Kopf die leicht flüchtigen Komponenten (A, B, Alkohol) und ein sehr geringer Anteil Produktamid (C) abgezogen und in den Reaktionsapparat zurückgeführt werden und aus dem Sumpf der Kolonne die Produktamide (C) zusammen mit dem Katalysator und den Polymerisationsinhibitoren sowie hochsiedenden Nebenprodukten abgezogen werden;
- der Sumpfstrom (15) aus der Destillationskolonne (3) einer Reindestillation kontinuierlich zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Brüdenstrom des Verdampfers (5) einer weiteren Destillationskolonne kontinuierlich zugeführt wird, wobei durch Destillation unter vermindertem Druck über Kopf das hochreine Produktamid (C) abgeführt wird und über den Sumpf der Katalysator und die Polymerisationsinhibitoren sowie die hochsiedenden Nebenprodukte mit einem kleinen Teil Produktamid (C) abgezogen werden.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Amin (B) zur Entwässerung über die Destillationskolonne (2) dem Reaktionsapparat zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das molare Verhältnis von Alkylacrylat zu Amin im Zulauf zwischen 1 und 2, vorzugsweise 1 ,05 - 1 ,15 beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass man als Katalysator ein Tetraalkyltitanat einsetzt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Katalysator in einer Menge von 0,1 - 10 Gew.-%, bezogen auf eingesetztes Acrylat eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Katalysator in einer Menge von 0,2 - 7 Gew.-%, bezogen auf eingesetztes Acrylat eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass man als Katalysatormischung eine Mischung aus Dioctylzinnoxid und Isopropyltitanat im Verhältnis 2,5 : 1 (Gew.-% /Gew.-%) anwendet.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Katalysatorgemisch in einer Menge von 0,1 - 10 Gew.-% bezogen auf eingesetztes Acrylat eingesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass man als Polymerisationsinhibitor entweder Phenothiazin, Tertiärbutylcatechol, Hydrochinonmonomethylether, Hydrochinon oder deren Gemische einsetzt, wobei die Menge des Inhibitor zwischen 100 und 5000 ppm, bezogen auf das Reaktionsgemisch, beträgt.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass man als Polymerisationsinhibitor zusätzlich noch Sauerstoff verwendet.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass man als Amin vorzugsweise Dimethylaminopropylamin verwendet.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Druck in der ersten Destillationskolonne (3) zwischen 2 und 500 mbar beträgt.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verweilzeit im Reaktionsapparat zwischen 0,5 und 3 Stunden beträgt.
15. Verfahren nach Anspruch einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verdampfer (5) ein Filmverdampfer ist.
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