WO2008061820A1 - Verfahren zur herstellung von alkyl(meth)acrylaten unter verwendung einer enzymatischen cyanhydrinhydrolyse - Google Patents

Verfahren zur herstellung von alkyl(meth)acrylaten unter verwendung einer enzymatischen cyanhydrinhydrolyse Download PDF

Info

Publication number
WO2008061820A1
WO2008061820A1 PCT/EP2007/059033 EP2007059033W WO2008061820A1 WO 2008061820 A1 WO2008061820 A1 WO 2008061820A1 EP 2007059033 W EP2007059033 W EP 2007059033W WO 2008061820 A1 WO2008061820 A1 WO 2008061820A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
acid
reaction
cyanohydrin
meth
hydrolysis
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/059033
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander May
Jochen Ackermann
Hermann Siegert
Bernd Vogel
Steffen Osswald
Original Assignee
Evonik Röhm Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Röhm Gmbh filed Critical Evonik Röhm Gmbh
Priority to AU2007324721A priority Critical patent/AU2007324721A1/en
Priority to US12/441,145 priority patent/US20100021977A1/en
Priority to CA002670421A priority patent/CA2670421A1/en
Priority to BRPI0718994-0A priority patent/BRPI0718994A2/pt
Priority to MX2009005391A priority patent/MX2009005391A/es
Publication of WO2008061820A1 publication Critical patent/WO2008061820A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/62—Carboxylic acid esters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P13/00—Preparation of nitrogen-containing organic compounds
    • C12P13/02—Amides, e.g. chloramphenicol or polyamides; Imides or polyimides; Urethanes, i.e. compounds comprising N-C=O structural element or polyurethanes

Definitions

  • the present invention relates to processes for the preparation of alkyl (meth) acrylates using enzymatic cyanohydrin hydrolysis.
  • Acrylic esters and methacrylic esters hereinafter referred to as alkyl (meth) acrylates, find their main field of use in the preparation of polymers and copolymers with other polymerizable compounds.
  • Methacrylic acid esters such as methyl methacrylate
  • MAS methacrylic acid
  • Methyl methacrylate (MMA) and methacrylic acid are produced predominantly starting from hydrocyanic acid and acetone via the resulting acetone cyanohydrin (ACH) as a central intermediate.
  • 2-Hydroxyisobutyric acid is a central intermediate for the preparation of methacrylic acid and derived methacrylic acid esters, especially methyl methacrylate.
  • ACH is saponified to 2-hydroxyisobutyric acid in a two-step process.
  • ACH is first reacted in the presence of 0.2 1.0 mol of water and 0.5 to 2 equivalents of sulfuric acid, whereby the corresponding amide salts are formed.
  • a two-step process occurs when using low concentrations of water and sulfuric acid, which are necessary to obtain good yields, short reaction times and small waste process acid quantities, massive problems with the stirrability of the amidation by high viscosity of the reaction mixtures, especially towards the end of the reaction time.
  • the isolation from the reaction matrix or the separation of HIBS from the remaining process acid is essential for the economic efficiency of a technical process.
  • Hydroxyisobutyric acid and acid ammonium hydrogen sulfate containing reaction solution is treated with an extractant, wherein the 2-hydroxyisobutyric acid passes into the extractant and the acid ammonium sulfate remains in the aqueous phase.
  • the still free sulfuric acid in the reaction medium is neutralized by treatment with an alkaline medium to increase the degree of extraction of HIBS into the organic extraction phase.
  • the necessary neutralization is associated with a significant overhead of aminic or mineral base and thus with significant amounts of waste of corresponding salts that can not be disposed of ecologically and economically.
  • JP Sho 57-131736 process for the preparation of MMA via methacrylamide hydrogen sulfate (reaction sequence: amidation - conversion - hydrolytic esterification) can be summarized as follows: a.) Use of high molar sulfuric acid surpluses with respect to ACH (in the industrial process about 1.5 to 2 equivalents of sulfuric acid per equivalent of ACH). b.) High yield losses in the amidation step (about 3-4%) and in the conversion step (about 5-6%), which ultimately manifests itself in a maximum Methacryl Acidmidsulfat yield of about 91%. c.) Large waste streams in the form of aqueous sulfuric acid in which ammonium hydrogen sulfate and organic by-products are dissolved. Separation of undefined tar residues from this process waste acid, which make post-treatment or expensive disposal necessary.
  • Effort for the isolation of HIBS must be prepared by distillation. About 2 kg of process acid waste containing about 34% by weight of water and about 66% by weight of ammonium hydrogensulfate are produced per kg of HIBS (see Japanese Patent Disclosure SHO-57-131736, Example 4).
  • EP 0 487 853 describes the preparation of methacrylic acid starting from acetone cyanohydrin (ACH), characterized in that in the first step ACH is reacted with water at moderate temperatures in the presence of a heterogeneous hydrolysis catalyst and in the second step 2-Hydroxyisobutterklamid with methyl formate or methanol / carbon monoxide is reacted with formation of formamide and hydroxyisobutyrate, and in the third step HIBSM in the presence of a heterogeneous ion exchanger with water to hydroxyisobutyric acid, and dehydrated in the fourth step HIBS by reacting in the liquid phase at high temperatures in the presence of a soluble alkali metal salt.
  • ACH acetone cyanohydrin
  • the methacrylic acid production ex HIBS is described at high conversions by 99% with more or less quantitative selectivities.
  • EP 0 429 800 discloses HIBSM or a mixture of HIBSM and a corresponding alpha or beta alkoxy ester in the gas phase, in the presence of methanol as a co-feed on a heterogeneous catalyst consisting of a crystalline aluminosilicate and a mixed dopant from an alkali metal element on the one hand and a noble metal on the other hand implemented.
  • EP 0 941 984 describes the gas-phase dehydration of HIBSM as a substep of an MMA synthesis in the presence of a heterogeneous catalyst consisting of an alkali metal salt of phosphoric acid on SiC> 2.
  • a heterogeneous catalyst consisting of an alkali metal salt of phosphoric acid on SiC> 2.
  • a central step in the preparation of alkyl (meth) acrylates according to the processes of the documents EP 0 429 800, EP 0 487 853 and EP 0 941 984 is the hydrolysis of the cyanohydrin to the carboxylic acid amide.
  • catalysts comprising manganese dioxide can be used for this purpose.
  • DE 1593320 describes a process for the hydrolysis of nitriles to amides with the aid of manganese dioxide, in which yields of more than 90% were achieved with aliphatic nitriles. This process gives good yields at high speed.
  • a disadvantage is the low durability of the catalyst.
  • Suitable enzymes include nitrile hydra Tasen. This reaction is exemplary in "Screening, Characterization and Application of Cyanide-resistant Nitrile Hydratases" Eng. Life. Be. 2004, 4, no. 6 described. However, the productivity of this reaction is very low, so that this method of producing the carboxylic acid amides has hitherto achieved no industrial importance for the production of alkyl (meth) acrylates.
  • a process for the preparation of alkyl (meth) acrylates comprises a step in which a cyanohydrin is hydrolyzed with an enzyme whose residual activity after the reaction of methacrylonitrile in the presence of 20 mM cyanide ions at 20 0 C after 30 min. is at least 90% of the residual activity of the enzyme, which was used under otherwise the same conditions in the absence of cyanide ions, it is possible to provide a process for the preparation of alkyl (meth) acrylates, which can be carried out particularly easily, inexpensively and with high yield ,
  • the inventive method can be achieved by the inventive method, a number of other advantages.
  • the catalyst to be used according to the invention can be obtained very simply and inexpensively.
  • preferred enzymes that can be used to hydrolyze the cyanohydrin show surprisingly high productivity.
  • the process avoids the use of sulfuric acid in high amounts as a reactant. Accordingly, no large amounts of ammonium hydrogen sulfate are produced in the process according to the invention.
  • the formation of by-products is unusually low. Furthermore, in particular taking into account the high selectivity, high conversions are achieved.
  • the process of the present invention has low by-product formation.
  • Alkyl (meth) acrylates are esters derived from the (meth) acrylic acids.
  • the term (meth) acrylic acid refers to methacrylic acid, acrylic acid and mixtures of both.
  • acrylic acid (propenoic acid) and methacrylic acid (2-methylpropenoic acid) include, in particular, derivatives which comprise substituents.
  • Suitable substituents include, in particular, halogens such as chlorine, fluorine and bromine, and alkyl groups which may preferably comprise 1 to 10, more preferably 1 to 4 carbon atoms.
  • ⁇ -methylacrylic acid butenoic acid
  • ⁇ -dimethylacrylic acid ⁇ -ethylacrylic acid
  • ⁇ -ethylacrylic acid Preference is given to acrylic acid (propenoic acid) and methacrylic acid (2-methylpropenoic acid), with methacrylic acid being particularly preferred.
  • the alcohol radical of preferred alkyl (meth) acrylates preferably comprises 1 to 20 carbon atoms, in particular 1 to 10 carbon atoms and particularly preferably 1 to 5 carbon atoms.
  • Preferred alcohol radicals are derived in particular from methanol, ethanol, propanol, butanol, in particular n-butanol and 2-methyl-1-propanol, pentanol, hexanol and 2-ethylhexanol, with methanol and ethanol being particularly suitable are preferred.
  • the preferred alkyl (meth) acrylates include, in particular, methyl methacrylate, methyl acrylate, ethyl methacrylate and ethyl acrylate.
  • the erf ⁇ ndungshacke method has a step in which a cyanohydrin is hydrolyzed with an enzyme whose residual activity after the reaction of methacrylonitrile in the presence of 20 mM cyanide at 20 0 C after 30 min. is at least 90% of the residual activity of the enzyme used under otherwise the same conditions in the absence of cyanide ions.
  • the residual activity after the reaction in the presence of 50 mM cyanide ions may be at least 60%.
  • the form in which the enzyme is used is generally not critical.
  • the enzyme can be used in the form of microorganisms containing the enzyme. In this case, a lysate of these microorganisms can be used.
  • microorganisms which produce the enzyme are used for this purpose.
  • quiescent cells of these microorganisms can be used.
  • natural microorganisms can be used or microorganisms that have been isolated and purified.
  • isolated and purified microorganisms refers to microorganisms that are found to be naturally present in a higher concentration, and the enzyme, which may be referred to as nitrile hydratase, may also be used in purified form.
  • the enzyme can be derived from microorganisms of the genus Pseudomonas.
  • Particularly preferred microorganisms of the genus Pseudomonas include Pseudomonas marginalis or Pseudomonas putida.
  • Particularly preferred microorganisms of the genus Pseudomonas, from which enzymes which can be used according to the invention originate, have been deposited under the number DSM 16275 and DSM 16276. The deposit took place on 09.03.2004 with the DSMZ, German collection for microorganisms and cell cultures in Braunschweig, after the Budapest Treaty. These strains are particularly suitable for producing the enzymes according to the invention.
  • the microorganisms or enzymes can be fermented, for example, by a process in which a) a microorganism producing this nitrile hydratase, in particular the genus Pseudomonas marginalis or Pseudomonas putida, under conditions that the enzyme forms in the microorganism, b) at the earliest after passing through c) either the microorganism containing the enzyme, optionally after increasing the permeability of the cell membrane or d) the lysate of the cells or e) isolated in the cells of the microorganism enzyme with known measures.
  • the microorganism may preferably be isolated as a quiescent cell.
  • the culture medium to be used should suitably satisfy the requirements of the respective strains. Descriptions of culture media of various microorganisms are contained in the Manual of Methods for General Bacteriology of the American Society for Bacteriology (Washington, DC, USA, 1981).
  • Carbohydrates such as glucose, sucrose, lactose, fructose, maltose, molasses, starch and cellulose, oils. and fats such as soybean oil, sunflower oil, peanut oil and coconut oil, fatty acids such as palmitic acid, stearic acid and linoleic acid, alcohols such as glycerin and ethanol, and organic acids such as acetic acid. These substances can be used individually or as a mixture.
  • organic nitriles or acid amides such as acetonitrile, acetamide, methacrylonitrile, methacrylamide, isobutyronitrile, isobutyramide or urea may also be used in combination with other nitrogen-containing compounds such as peptones, yeast extract, meat extract, malt extract, corn steep liquor, soybean meal and / or inorganic compounds such as ammonium sulfate, ammonium chloride, Ammonium phosphate, ammonium carbonate and ammonium nitrate.
  • the nitrogen sources can be used singly or as a mixture.
  • Phosphoric acid potassium dihydrogen phosphate or dipotassium hydrogen phosphate or the corresponding sodium-containing salts can be used as the phosphorus source.
  • the culture medium generally further contains salts of metals such as e.g. Magnesium sulfate or iron sulfate necessary for growth.
  • essential growth factors such as amino acids and vitamins can be used in addition to the above-mentioned substances.
  • the said feedstocks may be added to the culture in the form of a one-time batch or fed in a suitable manner during the cultivation.
  • basic compounds such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonia or ammonia water or acidic compounds such as phosphoric acid or sulfuric acid are suitably used.
  • antifoams such as e.g. Fatty acid polyglycol esters are used;
  • oxygen or oxygen-containing gas mixtures e.g. Air entered into the culture.
  • the temperature of the culture is normally from 10 0 C to 40 0 C and preferably at 10 0 C to 30 0 C.
  • the culture may preferably be continued until it has passed through the logarithmic growth phase. This goal is usually reached within 10 hours to 70 hours.
  • the cells are preferred harvested, washed and taken up in a buffer as a suspension at a pH of 6-9, in particular from 6.8 to 7.9.
  • the cell concentration amounts to 1-25%, in particular 1.5 to 15% (wet weight / v).
  • the permeability can by physical or chemical methods so, z. With toluene as described in Wilms et al., J. Biotechnol, Vol. 86 (2001), 19-30, that the cyanohydrin to be converted can penetrate the cell wall and the carboxylic acid amide can escape.
  • cyanohydrins ( ⁇ -hydroxycarbonitriles) are used. These compounds are known per se and described, for example, in Römpp Chemie Lexikon 2. Aufla- on CD-ROM.
  • cyanohydrins include hydroxyacetonitrile, 2-hydroxy-4-methylthio-butyronitrile, ⁇ -hydroxy- ⁇ -methylthiobutyronitrile (4-methylthio-2-hydroxybutyronitrile), 2-hydroxypropionitrile (lactonitrile) and 2-hydroxy-2 Methylpropionitrile (acetone cyanohydrin), with acetone cyanohydrin is particularly preferred.
  • the concentration of the cyanohydrins to be reacted in the reaction solution is not limited to specific ranges.
  • the concentration of cyanohydrin is generally maintained at 0.02 to 10 w / w%, in particular 0.1 to 2 w / w%, based on the amount of biocatalyst as a dried cell mass .
  • the substrate can be added continuously or discontinuously at the beginning of the reaction as a whole or during the course of the reaction.
  • Dry weight is determined with the Moisture Analyzer MA 45 (Sartorius).
  • the water which is necessary for the hydrolysis of cyanohydrin, can be widely used as a solvent.
  • the water used for the hydrolysis can have a high degree of purity. However, this property is not mandatory.
  • fresh water and process water can be used, which includes more or less high amounts of impurities. Accordingly, recycled water can also be used for the hydrolysis.
  • solubility of cyanohydrins in the aqueous reaction system is too low, a solubilizer may be added.
  • the reaction can also be carried out in a two-phase system of water / organic solvents.
  • the amount of the cells used in proportion to the amount of substrate is preferably 0.02 to 10 w / w% as a dried cell mass.
  • constituents may be present in the reaction mixture for the hydrolysis of the carbonitrile.
  • carbonyl compounds such as aldehydes and ketones, in particular those which have been used for the preparation of preferably used as carbonitrile cyanohydrins.
  • aldehydes and ketones such as those which have been used for the preparation of preferably used as carbonitrile cyanohydrins.
  • acetone and / or acetaldehyde may be included in the reaction mixture. This is described for example in US 4018829-A.
  • the purity of the added aldehydes and / or ketones is generally not particularly critical. Accordingly, these substances may contain impurities, in particular alcohols, for example methanol, water and / or ⁇ -hydroxyisobutyrate (HIBSM).
  • the amount of carbonyl compounds, in particular acetone and / or acetaldehyde can be used in the reaction mixture in a wide range.
  • the carbonyl compound is used in an amount in the range of 0.1-6 moles, preferably 0.1-2 moles per mole of carbonitrile.
  • the hydrolysis of the cyanohydrin can be carried out in the presence of hydrocyanic acid or a salt of hydrocyanic acid.
  • the initial concentration of cyanide is preferably in the range of 0.1 mol% to 3 mol% of cyanide, more preferably 0.5 to 3 mol% of cyanide, based on the cyanohydrin used.
  • the temperature at which the hydrolysis reaction of the cyanohydrin is carried out may generally be in the range of -5 to 50 ° C., preferably in the range of 0 to 40 ° C., and more preferably in the range of 10 to 30 ° C.
  • the hydrolysis reaction can be carried out under reduced or elevated pressure, depending on the reaction temperature.
  • this reaction is carried out in a pressure range of 0.1-10 bar, more preferably 0.5 to 5 bar.
  • the reaction time of the hydrolysis reaction depends inter alia on the carbonitriles used, the activity of the catalyst and the reaction temperature, which parameter can be within wide limits.
  • the reaction time of the hydrolysis reaction is in the range of 5 minutes to 200 hours, more preferably 30 minutes to 100 hours, and most preferably 2 hours to 50 hours.
  • the residence time is preferably 5 minutes to 100 hours, more preferably 30 minutes to 50 hours, and most preferably 2 hours to 10 hours.
  • the reaction can be carried out, for example, in a fixed bed reactor or in a slurry reactor.
  • the reaction mixture obtained in this way can generally comprise, in addition to the desired carboxylic acid amide, further constituents, in particular unconverted cyanohydrin and optionally used acetone and / or acetaldehyde. Accordingly, the Re action mixture can be purified, for example, unreacted cyanohydrin can be cleaved in acetone and hydrogen cyanide to use these again for the production of cyanohydrin. The same applies to the separated acetone and / or acetaldehyde.
  • reaction mixture comprising purified carboxylic acid amide may be purified by ion exchange columns of other ingredients.
  • cation exchangers and anion exchangers can be used for this purpose.
  • Suitable ion exchangers for this purpose are known per se.
  • suitable cation exchangers can be obtained by sulfonation of styrene-divinylbenzene copolymers.
  • Basic anion exchangers include quaternary ammonium groups covalently bonded to styrene-divinylbenzene copolymers.
  • the cyanohydrin used for the hydrolysis can be obtained in any way.
  • the purity of the carbonitrile, for example cyanohydrin is generally not critical.
  • purified or unpurified carbonitrile can be used for the hydrolysis reaction.
  • a ketone, in particular acetone, or an aldehyde, for example acetaldehyde, propanal, butanal can be reacted with hydrocyanic acid to give the corresponding cyanohydrin. It is particularly preferred to react acetone and / or acetaldehyde in a typical manner using a small amount of alkali or an amine as the catalyst.
  • the hydrolysis reaction described above serves as an intermediate step in processes for the preparation of alkyl (meth) acrylates.
  • Processes which may comprise a hydrolysis step of cyanohydrins for the preparation of (meth) acrylic acid and / or alkyl (meth) acrylates are described inter alia in EP-A-0 406 676, EP-A-0 407 811, EP-A-0 686 623 and EP-A-0 941,984.
  • the ⁇ -hydroxycarboxylic acid amide obtained can be converted, for example, to the (meth) acrylamide, which can then be converted into an alkyl formate, for example methyl formate or an alcohol, in alkyl (meth) acrylate, in particular methyl methacrylate.
  • alkyl formate for example methyl formate or an alcohol
  • alkyl (meth) acrylate in particular methyl methacrylate.
  • alkyl (meth) acrylates starting from cyanohydrins can also be effected via a dehydration of ⁇ -hydroxycarboxylic acid alkyl esters, which were previously obtained from ⁇ -hydroxycarboxamides by alcoholysis or transesterification.
  • the individual steps of this reaction route are described in detail, for example, in EP-A-0 407 811 or EP-A-0 941 984.
  • alkyl (meth) acrylates can be obtained in a simple and cost-effective manner by processes comprising the following steps:
  • Steps A) and B) have been detailed above.
  • the ⁇ -hydroxycarboxylic acid thus obtained can be converted to the ⁇ -hydroxycarboxylic acid alkyl ester.
  • This can be done for example by the use of alkyl formates.
  • Particularly suitable is methyl formate or a mixture of methanol and carbon monoxide, this reaction being described by way of example in EP-A-0407811.
  • the reaction of the ⁇ -hydroxycarboxamide is preferably carried out by alcoholysis with an alcohol which preferably comprises 1-10 carbon atoms, particularly preferably 1 to 5 carbon atoms.
  • Preferred alcohols are i.a. Methanol, ethanol, propanol, butanol, in particular n-butanol and 2-methyl-1-propanol, pentanol, hexanol, heptanol, 2-ethylhexanol, octanol, nonanol and decanol.
  • Methanol and / or ethanol is particularly preferably used as the alcohol, with methanol being very particularly preferred.
  • the reaction of carboxylic acid amides with alcohols to obtain carboxylic acid esters is well known.
  • This reaction can be accelerated, for example, by basic catalysts.
  • These include homogeneous catalysts as well as heterogeneous catalysts.
  • Homogeneous catalysts include alkali metal alcoholates and organometallic compounds of titanium, tin and aluminum. Preference is given to using a titanium alcoholate or tin alkoxide, such as, for example, titanium tetraisopropoxide or tin tetrabutyloxide.
  • the heterogeneous catalysts include magnesium oxide, calcium oxide and basic ion exchangers, as described above.
  • the molar ratio of ⁇ -hydroxycarboxamide to alcohol is not critical per se, and is preferably in the range of 2: 1-1: 20.
  • the reaction temperature can also be in wide ranges, the reaction rate generally increasing with increasing temperature.
  • the upper temperature limit generally results from the boiling point of the alcohol used.
  • the reaction temperature is in the range of 40-300 0 C, more preferably 160-240 0 C.
  • the reaction can be carried out under reduced or elevated pressure, depending on the reaction temperature. Preferably, this reaction is carried out in a pressure range of 0.5-35 bar, more preferably 5 to 30 bar.
  • the resulting ammonia is discharged from the reaction system, the reaction is often carried out at the boiling point.
  • ammonia released during alcoholysis can easily be recycled to the overall process.
  • ammonia can be converted to hydrocyanic acid with methanol.
  • hydrocyanic acid can be obtained from ammonia and methane according to the BMA or Andrussow process, these processes being described in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 5th Edition on CD-ROM, keyword "Inorganic Cyano Compounds".
  • the alkyl ⁇ -hydroxycarboxylate is reacted with (meth) acrylic acid to give alkyl (meth) acrylate and ⁇ -hydroxycarboxylic acid.
  • Hydroxycarboxylic acid alkyl esters are reacted with (meth) acrylic acid.
  • (meth) acrylic acids are known per se and can be obtained commercially.
  • acrylic acid (propenoic acid) and methacrylic acid (2-methylpropenoic acid) include, in particular, derivatives which comprise substituents.
  • the suitable substituents include, in particular, halogens, such as chlorine, fluorine and bromine, and also alkyl groups, which may preferably comprise 1 to 10, particularly preferably 1 to 4, carbon atoms.
  • ⁇ -methylacrylic acid butenoic acid
  • ⁇ -dimethylacrylic acid ⁇ -ethylacrylic acid
  • ⁇ -ethylacrylic acid ⁇ -ethylacrylic acid
  • methacrylic acid ⁇ -dimethylacrylic acid
  • the ⁇ -hydroxycarboxylic acid alkyl esters used for this purpose are known per se, the alcohol radical of the ester preferably comprising 1 to 20 carbon atoms, in particular 1 to 10 carbon atoms and particularly preferably 1 to 5 carbon atoms.
  • Preferred alcohol radicals are derived in particular from methanol, ethanol, propanol, butanol, in particular n-butanol and 2-methyl-1-propanol, pentanol, hexanol and 2-ethylhexanol, with methanol and ethanol being particularly preferred.
  • the acid radical of the ⁇ -hydroxycarboxylic acid alkyl esters used for the transesterification is preferably derived from the (meth) acrylic acid which can be obtained by dehydration of the ⁇ -hydroxycarboxylic acid. If, for example, methacrylic acid is used, ⁇ -hydroxyisobutyric acid ester is used. If, for example, acrylic acid is used, preference is given to using ⁇ -hydroxyisopropionic acid.
  • Preferred ⁇ -hydroxycarboxylic acid alkyl esters are ⁇ -hydroxypropionic acid methyl ester, ⁇ -hydroxypropionic acid ethyl ester, ⁇ -hydroxyisobutyric acid methyl ester and ⁇ -hydroxyisobutyric acid ethyl ester.
  • the reaction mixture may include, in addition to the reactants, other ingredients such as solvents, catalysts, polymerization inhibitors, and water.
  • the reaction of the alkylhydroxycarboxylic acid ester with (meth) acrylic acid can be catalyzed by at least one acid or at least one base.
  • both homogeneous and heterogeneous catalysts can be used.
  • Particularly suitable acidic catalysts are, in particular, inorganic acids, for example sulfuric acid or hydrochloric acid, and organic acids, for example sulphonic acids, in particular p-toluenesulphonic acid, and acidic cation exchangers.
  • Particularly suitable cation exchange resins include in particular sulfonic acid-containing styrene-divinylbenzene polymers.
  • Particularly suitable cation exchange resins can be obtained commercially from Rohm & Haas under the trade name Amberlyst® and from Bayer under the trade name Lewatit®.
  • the concentration of catalyst is preferably in the range of 1 to 30 wt .-%, particularly preferably 5 to 15 wt .-%, based on the sum of the ⁇ -alkylhydroxycarboxylic acid ester used and the (meth) acrylic acid used.
  • the preferred polymerization inhibitors include phenothiazine, tert-butyl catechol, hydroquinone monomethyl ether, hydroquinone, 4-hydroxy
  • the polymerization inhibitors may be used in a concentration in the range from 0.001 to 2.0% by weight, particularly preferably in the range from 0.01 to 0.2% by weight, based on the sum of never the ⁇ -alkylhydroxycarboxylic acid ester used and the (meth) acrylic acid used.
  • the reaction is preferably carried out at temperatures in the range from 50 ° C. to 200 ° C., more preferably from 70 ° C. to 130 ° C., especially from 80 ° C. to 120 ° C., and very particularly preferably from 90 ° C. to 110 ° C.
  • the reaction can be carried out at reduced or elevated pressure, depending on the reaction temperature. This reaction is preferably carried out at the pressure range of 0.02-5 bar, in particular 0.2 to 3 bar and particularly preferably 0.3 to 0.5 bar.
  • the molar ratio of (meth) acrylic acid to the ⁇ -hydroxycarboxylic acid alkyl ester is preferably in the range of 4: 1-1: 4, in particular 3: 1 to 1: 3 and particularly preferably in the range of 2: 1-1: 2.
  • the selectivity is preferably at least 90%, particularly preferably 98%.
  • the selectivity is defined as the ratio of the sum of amounts formed of alkyl (meth) acrylates and ⁇ -hydroxycarboxylic acids, based on the sum of the reacted amounts of ⁇ -hydroxycarboxylic acid alkyl ester and (meth) acrylic acid.
  • the transesterification can be carried out in the presence of water.
  • the water content is preferably in the range of 0.1-50% by weight, more preferably 0.5-20% by weight, and most preferably 1-10% by weight, based on the weight of the ⁇ -hydroxycarboxylic acid alkyl ester used ,
  • the selectivity of the reaction can be increased.
  • the formation of methanol can be kept surprisingly low.
  • a water concentration of 10 to 15 wt .-% based on the weight of the ⁇ -hydroxycarboxylic used, form preferably less than 5 wt .-% methanol at a reaction temperature of 120 0 C and a reaction time or residence time of 5 to 180 min.
  • the transesterification may be carried out batchwise or continuously, with continuous processes being preferred.
  • the reaction time of the transesterification depends on the molar masses used and the reaction temperature, which parameter can be within wide limits.
  • the reaction time of the transesterification of the ⁇ -hydroxycarboxylic acid alkyl ester with (meth) acrylic acid is preferably in the range from 30 seconds to 15 hours, more preferably 5 minutes to 5 hours and most preferably 15 minutes to 3 hours.
  • the residence time is preferably 30 seconds to 15 hours, more preferably 5 minutes to 5 hours, and most preferably 15 minutes to 3 hours.
  • the temperature is preferably from 60 to 130 0 C, particularly preferably 80 to 120 0 C and most preferably 90 to 110 0 C.
  • the pressure is preferably in the range of 50 to 1000 mbar, particularly preferably 300 to 800 mbar.
  • the molar ratio of methacrylic acid to ⁇ -hydroxyisobutyric acid methyl ester is preferably in the range of 2: 1-1: 2, in particular 1.5: 1-1: 1.5.
  • the transesterification can take place in the plant set out in FIG.
  • the hydroxycarboxylic acid ester for example, methyl hydroxyisobutyrate
  • a fixed bed reactor (3) comprising a cation exchange resin.
  • acrylic acid for example 2-methylpropenoic acid is added via line (2) or line (17) in the fixed bed reactor (3).
  • the line (2) can be connected to other lines, such as line (9) and line (13), so as to reduce the number of leads into the reactor.
  • the lines (9), (13) and / or (17) can also lead directly into the fixed bed reactor.
  • a reaction mixture is formed, which in addition to methanol and unreacted hydroxyisobutyrate and methacrylic acid comprises the reaction products hydroxyisobutyric acid and methyl methacrylate.
  • This reaction mixture is passed via line (4) into a still (5).
  • water methyl methacrylate and methanol is obtained as a distillate, which is fed via line (7) as a top product to a phase separator (8).
  • methyl methacrylate and methanol are collected, which are removed from the system via line (10).
  • the lower phase of the phase separator (8) collects in particular water, which can be removed via line (11) from the system or via line (9) the fixed bed reactor (3) can be supplied.
  • hydroxyisobutyric acid and methacrylic acid can be obtained, which can be passed via line (6) in a second distillery (12).
  • methyl hydroxyisobutyrate and methacrylic acid are distilled off, which are recycled via line (13) of the transesterification.
  • the hydroxyisobutyric acid contained in the distillation bottoms is passed via line (14) into a dehydration reactor (15).
  • the methacrylic acid obtained in this way can be fed via line (17) to the transesterification set out above or removed from the system via line (16).
  • the transesterification can take place in a still.
  • the catalyst can be added in each area of the still.
  • the catalyst can be provided in the region of the bottom or in the region of the column. In this case, however, the starting materials should be brought into contact with the catalyst.
  • catalyst can be provided in a separate area of the still, this area being connected to the further areas of the still, for example the sump and / or the column. This separate arrangement of the catalyst region is preferred.
  • This preferred embodiment surprisingly succeeds in increasing the selectivity of the reaction.
  • the pressure of the reaction can be adjusted independently of the pressure within the distillation columns. As a result, the boiling temperature can be kept low without the reaction time or the residence time increases accordingly.
  • the temperature of the reaction can be varied over a wide range. This can shorten the reaction time.
  • the volume of catalyst can be chosen arbitrarily, without having to take into account the geometry of the column consideration.
  • another reactant can be added. All of these measures can contribute to increasing selectivity and productivity, with surprising synergy effects.
  • the ⁇ -hydroxycarboxylic acid alkyl ester for example ⁇ -hydroxyisobutyrate
  • (meth) acrylic acid for example methacrylic acid
  • the distillation conditions are preferably carried out so that exactly one product is derived by distillation from the still, leaving the second product in the sump and continuously removed therefrom.
  • the alkyl (meth) acrylate is preferably removed by distillation of the reaction mixture.
  • the starting materials are passed cyclically through the catalyst zone. This produces continuously alkyl (meth) acrylate and ⁇ -hydroxy carboxylic acid.
  • the educts can be introduced into the distillation column (3) via a common line (1) or separately via two lines (1) and (2).
  • the addition of the educts preferably takes place via separate lines.
  • the starting materials can be supplied at the same stage or in any position of the column.
  • the temperature of the reactants can be adjusted via a heat exchanger in the feed, the necessary aggregates are not shown in Figure 1.
  • the reactants are metered separately into the column, wherein the metered addition of the lower-boiling component takes place below the position for the supply of the high-boiling compound.
  • the lower-boiling component is added in vapor form in this case.
  • any multi-stage distillation column (3) having two or more separation stages can be used.
  • the number of separation stages in the present invention refers to the number of plates in a tray column or the number of theoretical plates in the case of a packed column or a packed column.
  • Examples of a multistage distillation column with trays include such as gypsum bottoms, sieve trays, tunnel trays, valve trays, slotted trays, sieve slotted trays, sieve trays, nozzle trays, centrifugal trays, for a multistage distillation column with packing such as Raschig rings, Lessing rings, Pall rings, Berl saddles, Intalox saddles and for a multistage distillation column with packing such as Mellapak (Sulzer), Rombopak (Kühni), Montz-Pak (Montz) and catalyst bag packs, for example Kata-Pak.
  • a distillation column having combinations of regions of soils, regions of packing or regions of packing may also be used.
  • the column (3) can be equipped with internals.
  • the column preferably has a condenser (12) for condensing the vapor and a sump evaporator (18).
  • the distillation apparatus preferably has at least one region, referred to below as the reactor, in which at least one catalyst is provided.
  • This reactor can lie within the distillation column. However, this reactor is preferably arranged outside the column (3) in a separate area, one of these preferred embodiments being explained in more detail in FIG.
  • a portion of the downwardly flowing liquid phase can be collected within the column via a collector and passed as a partial stream (4) from the column.
  • the position of the collector is determined by the concentration profile in the column of the individual components. The concentration profile can be controlled via the temperature and / or the return.
  • a plurality of collectors may be provided at different locations of the distillation column, wherein the molar ratios can be adjusted by the amount of reactants withdrawn.
  • another reactant for example water
  • water can be added to the stream removed from the column in order to adjust the product ratio of acid / ester in the cross-transesterification reaction or to increase the selectivity.
  • the water can be supplied via a line from the outside (not shown in Figure 1) or removed from a phase separator (13).
  • the pressure of the water-enriched stream (5) can then be increased via a means for increasing the pressure (6), for example a pump.
  • the pressure By increasing the pressure, formation of vapor in the reactor, for example a fixed bed reactor, can be reduced or prevented. As a result, a uniform flow through the reactor and wetting of the catalyst particles can be achieved.
  • the stream can be passed through a heat exchanger (7) and the reaction temperature can be adjusted.
  • the current can be heated or cooled as needed the.
  • the product ratio of ester to acid can be adjusted via the reaction temperature.
  • the transesterification reaction takes place on the catalyst.
  • the reactor can be flowed through downwards or upwards.
  • the reactor effluent (9) containing, to a certain extent, the products and the unreacted starting materials, the proportion of the components in the reactor effluent depending on the residence time, the catalyst mass, the reaction temperature and the educt ratio and the amount of water added, is first passed through a heat exchanger ( 10) and adjusted to a temperature which is advantageous when introduced into the distillation column.
  • the temperature is set which corresponds to the temperature in the distillation column at the point of introduction of the stream.
  • the position where the stream leaving the reactor is returned to the column may be above or below the position for the removal of the reactor feed, but is preferably above.
  • the stream Before returning to the column, the stream can be vented via a valve (11), wherein preferably the same pressure level is set as in the column.
  • the distillation column preferably has a lower pressure.
  • the distillation column (3) then takes place the separation of the product mixture.
  • the low boiler preferably the ester formed in the transesterification
  • the distillation column is driven so that the water added before the fixed bed reactor is also separated off as overhead product.
  • the withdrawn at the top, vaporous stream is condensed in a condenser (12) and then separated in a decanter (13) in the aqueous and varnishster ambience phase.
  • the aqueous phase can be discharged via a line (15) for processing or completely or partially recycled via line (17) as a stream back into the reaction.
  • the stream from the ester-containing phase can be driven via line (14) partly as reflux (16) on the column or be partially discharged from the still.
  • the high boiler preferably the acid formed in the cross-esterification, is discharged as the bottom stream from the column (19).
  • the pressure of the reaction can be adjusted independently of the pressure within the distillation columns. As a result, the boiling temperature can be kept low without the reaction time or the residence time increases accordingly. In addition, the temperature of the reaction can be varied over a wide range. This can shorten the reaction time.
  • the volume of catalyst can be chosen arbitrarily, without having to take into account the geometry of the column consideration. Furthermore, for example, a further reactant can be added.
  • the ⁇ -hydroxycarboxylic acid obtained from the reaction can be dehydrated in a known manner in a further step E).
  • the ⁇ -hydroxycarboxylic acid is, for example, the ⁇ -hydroxyisobutyric acid in the presence of at least one metal salt, for example alkali and / or alkaline earth metal salts, heated to temperatures in the range of 160-300 0 C, more preferably in the range of 200 to 240 0 C.
  • the (meth) acrylic acid and water are obtained.
  • Suitable metal salts include sodium hydroxide, potassium hydroxide, calcium hydroxide, barium hydroxide, magnesium hydroxide, sodium sulfite, sodium carbonate, potassium carbonate, strontium carbonate, magnesium carbonate, sodium bicarbonate, sodium acetate, potassium acetate and sodium dihydrogen phosphate.
  • the dehydration of the ⁇ -hydroxycarboxylic acid may preferably be carried out at a pressure in the range from 0.05 bar to 2.5 bar, more preferably in the range from 0.1 bar to 1 bar.
  • the dehydration of ⁇ -hydroxycarboxylic acids is described for example in DE-A-176 82 53.
  • the (meth) acrylic acid thus obtained can in turn be used for the preparation of alkyl (meth) acrylates.
  • (meth) acrylic acid is a commercial product.
  • the process for preparing alkyl (meth) acrylates can also be used to prepare (meth) acrylic acid, the product ratio of alkyl (meth) acrylates to (meth) acrylic acid being determined by the concentration of water in the transesterification of the ⁇ -hydroxycarboxylic acid alkyl ester and / or can be easily regulated by the reaction temperature.
  • the precultures were grown within 24 h with shaking at 30 ° C. in a volume of 5 ml in glass tubes. 100 ml of the skin culture were inoculated with 1 ml of the preculture and shaken for 42 hours at 25 ° C. in an Erlenmeyer flask with a total volume of 1000 ml.
  • the two strains MA32 and MAI 13 were selected by determining the nitrile hydratase activity of the resting cells in the presence of 2 mM potassium cyanide.
  • the profile of cellular fatty acids is typical of group I of pseudomonads.
  • MA32 was identified as Pseudomonas marginalis.
  • the profile of cellular fatty acids is typical of group I of pseudomonads.
  • MA32 was identified as Pseudomonas putida.
  • the cells were grown as described in Example 1, separated from the culture medium by centrifugation and resuspended in standard buffer (50 mM potassium phosphate buffer pH 7.5). 50 ⁇ l of this cell suspension cell suspension was added to 700 ⁇ l of the standard buffer, which was 0; 21.4; 53.6 and 107.1. Potassium cyanide (final concentration 0, 20, 50, 100 mM cyanide) To start the reaction, 200 ⁇ l of a 200 mM solution of the nitrile in the standard buffer, each having the same cyanide concentration as the remainder of the reaction solution, were added In this case, the nitrile in the batch without cyanide was reacted to 16% after 10 minutes at 20 ° C. After 10 minutes at 20 ° C., the reaction was stopped by addition of 20 ⁇ l of semi-concentrated phosphoric acid and the cells were separated by centrifugation ,
  • the activity of one U is defined as the amount of enzyme that converts 1 ⁇ mol of methacrylonitrile to the amide in one minute.
  • the acid was also a U defined as the amount of enzyme that converts 1 ⁇ mol of methacrylonitrile to amide and acid in one minute.
  • the conversion was determined by HPLC analysis.
  • a column with Intersil ODS-3V GL Sciences Inc.
  • a mixture of 10 mM potassium phosphate buffer pH 2.3 and acetonitrile in the ratio 85:15 was used, as a mobile phase, a mixture of 10 mM potassium phosphate buffer pH 2.3 and acetonitrile in the ratio 85:15 was used.
  • the flow rate was 1 ml / min. Detection was by UV at 200nm.
  • Figure 3 and Figure 4 show the relative activities for the conversion of methacrylonitrile as a function of the cyanide concentration.
  • Pseudomonas marginalis MA32 and Pseudomonas putida MA1 13 cells were grown as described in Example 1 and centrifuged off. Such an amount of cells containing 1.16 g of dry biomass was diluted with 50 mM potassium phosphate buffer pH 8.0 to a final volume of 50 ml. In addition, 0.02 mM 2-methyl-1-propane boronic acid was added to the reaction mixture. Freshly distilled acetone cyanohydrin was continuously added at 4 ° C with vigorous stirring at such a rate that the concentration did not exceed 5 g / L during the reaction. The pH was kept constant at 7.5. The reaction was monitored by HPLC as described in Example 3. After 140 minutes, 10.0 g of the nitrile had been completely reacted to give 10.7 g of amide and 1.4 g of acid.
  • Figure 5 and Figure 6 show the temporal course of reaction achieved with strains MAl 13 and M A31.
  • the selectivity defined as the ratio of amounts of methyl methacrylate (MMA) and ⁇ -hydroxyisobutyric acid (HIBS) to HIBSM and MAS reacted was 99%.
  • Methyl methacrylate was prepared by dehydration of ⁇ -hydroxyisobutyric acid methyl ester. This reaction was carried out according to EP-A-0941984. A mixture of 20 g of sodium dihydrogen phosphate and 80 g of water was added to 60 g of silica gel. The water was removed from the mixture under a reduced pressure. The residue was dried at 150 ° C. overnight to obtain a catalyst. 10 g of the obtained catalyst was placed in a quartz tube, the equipped with an evaporator. The quartz tube was heated with an oven, wherein the temperature of the catalyst layer was about 400 0 C.
  • a mixture of methanol and ⁇ -hydroxyisobutyric acid methyl ester (2: 1) was continuously evaporated at a rate of 10 g per hour and passed over the catalyst layer.
  • the selectivity of the reaction defined as the ratio of the amount of MMA formed to the amount of HIBSM reacted, was 88%.
  • Example 1 was substantially repeated except that no water was added to the reaction mixture.
  • the reaction took place under the conditions given in Table 1, in particular with regard to the temperature, residence time and molar ratio of the educts.
  • the selectivity of the reactions defined as the ratio of amounts of MMA and HIBS formed to quantities of HIBSM and MAS converted is also shown in Table 1.

Landscapes

  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt aufweist, bei dem ein Cyanhydrin mit einem Enzym hydrolysiert wird, dessen Restaktivität nach der Umsetzung von Methacrylnitril in Gegenwart von 20 mM Cyanidionen bei 20°C nach 30 min. mindestens 90 % der Restaktivität des Enzyms beträgt, das unter ansonsten denselben Bedingungen in Abwesenheit von Cyanidionen eingesetzt wurde.

Description

Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten unter Verwendung einer enzy- matischen Cyanhydrinhydrolyse
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten un- ter Verwendung einer enzymatischen Cyanhydrinhydrolyse.
Acrylsäureester und Methacrylsäureester, nachfolgend als Alkyl(meth)acrylate bezeichnet, finden ihr Haupteinsatzgebiet in der Herstellung von Polymeren und Copolymeren mit anderen polymerisierbaren Verbindungen.
Methacrylsäureester, wie zum Beispiel Methylmethacrylat, ist zudem ein wichtiger Baustein für diverse, auf Methacrylsäure (MAS) basierender Spezialester, die durch Umesterung mit dem entsprechenden Alkohol hergestellt werden.
Methylmethacrylat (MMA) und Methacrylsäure werden heute überwiegend ausgehend von Blausäure und Aceton über das entstehende Acetoncyanhydrin (ACH) als Zentralintermedi- at hergestellt.
Weitere Verfahren, die eine andere Rohstoffbasis als ACH verwenden, sind in der einschlä- gigen Patentliteratur beschrieben und mittlerweile im Produktionsmaßstab realisiert worden. In diesem Zusammenhang werden heute C-4 basierte Rohstoffe wie Isobutylen oder tert- Butanol als Edukte verwendet, die über mehrere Verfahrenstufen in die gewünschten Me- thacrylsäurederivate umgewandelt werden. Intensiv untersucht wurde darüber hinaus die Verwendung von Propen als Basisrohstoff, wobei man über die Stufen Hydrocarbonylierung (zur Isobuttersäure) und dehydrierender Oxidation in moderaten Ausbeuten zur Methacrylsäure gelangt.
Es ist bekannt, Propanal oder Propionsäure, die in technischen Prozessen ausgehend von Ethylen und C-I Bausteinen wie Kohlenmonoxid zugänglich sind, als Basisrohstoff einzusetzen. In diesen Prozessen wird in einer aldolisierenden Reaktion mit Formaldehyd unter Dehydratisierung der in situ entstehenden ß-Hydroxy-carbonylverbindung zur entsprechenden α, ß -ungesättigten Verbindung umgesetzt. Eine Übersicht über die gängigen Verfahren zur Herstellung der Methacrylsäure und deren Ester findet sich in der Literatur wie Weis- sermel, Arpe „Industrielle organische Chemie", VCH, Weinheim 1994, 4. Auflage, S.305 ff oder Kirk Othmer „Encyclopedia of Chemical Technology", 3. Ausgabe, Vol. 15, Seite 357.
Es ist allgemein bekannt, dass technische, auf ACH basierende Verfahren mit hochkonzent- rierter Schwefelsäure (um etwa 100 Gew.-% H2SO4) im ersten Schritt der Umsetzung, der sogenannten Amidierung, bei Temperaturen zwischen 800C bis etwa 1100C durchgeführt werden.
Repräsentativ für einen solchen Prozess ist beispielsweise US Patent 4,529,816, in der die ACH Amidierung bei Temperaturen um 1000C mit einem molaren Verhältnis von ACH : H2SO4 von etwa 1 : 1,5 bis 1 : 1,8 durchgeführt wird. Verfahrensrelevante Prozessschritte für diesen Prozess sind: a) Amidierung; b) Konvertierung; und c) Veresterung.
Neben den schlechten Gesamtausbeuten des oben beschriebenen Prozesses, die insbesonde- re im Produktionsmaßstab mit dem Anfall erheblicher Mengen an Abfällen und Abgasen verbunden sind, hat dieser Prozess den Nachteil, dass weit überstöchiometrische Mengen an Schwefelsäure eingesetzt werden müssen. Aus der Ammoniumhydrogensulfat- und Schwefelsäure-haltigen Prozesssäure, die in einer Schwefelsäurekontaktanlage regeneriert wird, sondern sich zudem teerartige, feste Kondensationsprodukte ab, die eine einwandfreie För- derung der Prozesssäure behindern und unter erheblichem Aufwand beseitigt werden müssen.
Aufgrund der drastischen Ausbeuteverluste bei dem oben beschriebenen Verfahren aus US Patent 4,529,816, gibt es einige Vorschläge, ACH in Gegenwart von Wasser zu amidieren und hydrolysieren, wobei die Hydroxyfunktion im Molekülverbund zumindest in den ersten Schritten der Umsetzung erhalten bleibt.
Diese Vorschläge zu einer alternativen Amidierung in Gegenwart von Wasser führen je nach dem, ob in Gegenwart von oder ohne Methanol durchgeführt, entweder zur Entstehung von 2-Hydroxyisobuttersäuremethylester (= HIBSM) oder zur Entstehung von 2Hydroxyisobuttersäure (= HIBS).
2-Hydroxyisobuttersäure ist ein zentrales Intermediat für die Herstellung von Methacrylsäure und hiervon abgeleitete Methacrylsäureester, insbesondere Methylmethacrylat.
Eine weitere Alternative der Herstellung von Estern der 2-Hydroxyisobuttersäure, insbesondere 2-Hydroxyisobuttersäuremethylester, ausgehend von ACH wird in JP Hei- 4193845 beschrieben. In JP Hei- 4-193845 wird ACH mit 0,8 bis 1,25 Äquivalenten Schwefeisäure in Gegenwart von weniger als 0,8 Äquivalenten Wasser unterhalb 600C zunächst amidiert und anschließend bei Temperaturen von größer 55°C mit mehr als 1,2 Äquivalenten Alkohol, insbesondere Methanol, zum HIBSM oder entsprechenden Estern umgesetzt. Auf die Anwesenheit von viskositätserniedrigenden Medien, die stabil gegenüber der Reaktionsmatrix sind, wird hier nicht eingegangen.
Die Nachteile und Probleme dieses Verfahrens sind die technische Umsetzung durch außerordentliche Viskositätsbildung am Ende der Reaktion.
Einige Ansätze zur Verwertung und Umwandlung von HIBSM durch Dehydratisierung zu Methylmethacrylat sind in der Patentliteratur beschrieben. Es ist außerdem bekannt, dass zur Herstellung von 2-Hydroxyisobuttersäure ausgehend von Acetoncyanhydrin (ACH) die Verseifung der Nitrilfunktion in Gegenwart von Mineralsäuren durchgeführt werden kann (siehe J. Brit. Chem. Soc. (1930); Chem. Ber. 72 (1939), 800).
Repräsentativ für einen solchen Prozess ist beispielsweise die japanische Patentveröffentlichung Sho 63-61932, in der ACH in einem zweistufigen Prozess zur 2Hydroxyisobuttersäure verseift wird. Hierbei wird ACH zunächst in Gegenwart von 0,2 1,0 mol Wasser und 0,5 - 2 Äquivalenten Schwefelsäure umgesetzt, wobei die entsprechenden Amidsalze gebildet werden. Bereits in diesem Schritt treten bei Verwendung geringer Wasser- und Schwefelsäurekonzentrationen, die zum Erhalt guter Ausbeuten, kurzer Reaktionszeiten und geringer Abfall-Prozesssäuremengen notwendig sind, massive Probleme mit der Rührbarkeit des Amidierungsgemischs durch hohe Viskosität der Reaktionsansätze insbesondere gegen Ende der Reaktionszeit auf.
Erhöht man die molare Wassermenge zur Gewährleistung einer niedrigen Viskosität, so verlangsamt sich die Reaktion drastisch und es treten Nebenreaktionen auf, insbesondere die Fragmentierung von ACH in die Edukte Aceton und Blausäure, die unter den Reaktionsbedingungen zu Folgeprodukten weiterreagieren. Auch bei Erhöhung der Temperatur lässt sich nach den Vorgaben der japanischen Patentveröffentlichung SHO 63-61932 die Viskosität des Reaktionsgemischs zwar beherrschen und die entsprechenden Reaktionsansätze werden durch die sinkende Viskosität zwar rührbar, aber auch hier nehmen bereits bei moderaten Temperaturen die Nebenreaktionen drastisch zu, was sich letztlich in nur mäßigen Ausbeuten äußert (siehe Vergleichsbeispiele).
Arbeitet man bei niedrigen Temperaturen < 500C, die eine selektive Reaktionsführung gewährleisten würden, so kommt es gegen Ende der Reaktionszeit durch die Erhöhung der Konzentration der unter den Reaktionsbedingungen schwer löslichen Amidsalzen zunächst zur Bildung einer schwer rührbaren Suspension und schließlich zur vollständigen Verfestigung des Reaktionsansatzes.
Im zweiten Schritt der japanischen Patentveröffentlichung SHO 63-61932 wird Wasser zur Amidierungslösung gegeben und bei höheren Temperaturen als der Amidierungstemperatur hydrolisiert, wobei sich aus den nach der Amidierung gebildeten Amidsalzen unter Freisetzung von Ammoniumhydrogensulfat 2-Hydroxyisobuttersäure bildet.
Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit eines technischen Prozesses ist neben der selektiven Darstellung des Zielprodukts HIBS in der Reaktion auch die Isolierung aus der Reaktionsmatrix bzw. die Abtrennung von HIBS von der verbleibenden Prozesssäure.
In JP Sho 57-131736, Methode zur Isolierung von alpha-Oxyisobuttersäure (=HIBS), wird diese Problematik behandelt, indem die nach der Reaktion zwischen Acetoncyanhydrin, Schwefelsäure und Wasser durch hydrolytische Spaltung erhaltene, alpha¬
Hydroxyisobuttersäure und saures Ammoniumhydrogensulfat enthaltende Reaktionslösung mit einem Extraktionsmittel behandelt wird, wobei die 2-Hydroxyisobuttersäure in das Extraktionsmittel übergeht und das saure Ammonsulfat in der wässrigen Phase zurückbleibt.
Nach diesem Verfahren, wird vor der Extraktion die noch freie Schwefelsäure im Reaktionsmedium durch Behandlung mit einem alkalischen Medium neutralisiert, um den Extraktionsgrad von HIBS in die organische Extraktionsphase zu erhöhen. Die notwendige Neutralisation ist mit einem erheblichen Mehraufwand an aminischer oder mineralischer Base verbunden und damit mit erheblichen Abfallmengen an entsprechenden Salzen, die nicht ökologisch und wirtschaftlich entsorgt werden können.
Die Nachteile des JP Sho 57-131736 Verfahrens zur Darstellung von MMA über Methacrylsäureamid-Hydrogensulfat (Reaktionssequenz: Amidierung - Konvertierung - hydrolytische Veresterung) lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: a.) Verwendung hoher molarer Schwefelsäure Überschüsse bezüglich ACH (im technischen Prozess ca. 1,5 - 2 Äquivalente Schwefelsäure pro Äquivalent ACH). b.) Hohe Ausbeuteverluste im Amidierungsschritt (ca. 3-4%) und im Konvertierungsschritt (ca. 5-6%), was sich letztlich in einer maximalen Methacrylsäureamidsulfat Ausbeute von ca. 91% äußert. c.) Große Abfallströme in Form wässriger Schwefelsäure, in der Ammoniumhydrogensulfat und organische Nebenprodukte gelöst sind. Abscheidung Undefinierter Teerrückstände aus dieser Prozess- Abfallssäure, die eine Nachbehandlung bzw. aufwendige Entsorgung notwendig machen.
Die Nachteile des JP Sho 57-131736 Verfahrens zur Darstellung von MMA über Hydroxyisobuttersäure als Zentralintermediat (Reaktionssequenz: Amidierung - Hydrolyse HIBS Synthese - MAS Synthese - hydrolytische Veresterung) lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: a.) Verwendung zwar geringer molarer Schwefelsäure Überschüsse bezüglich ACH (nur ca. 1,0 Äquivalente Schwefelsäure pro Äquivalent ACH), aber massive Probleme mit Viskosität und Rührbarkeit des Amidierungsmediums bis zur kompletten Verfestigung der Reaktionsansätze; die vorgeschlagene Verdünnung der Amidierung mit Alkoholen (Methanol) oder diversen Estern führt unter den
Reaktionsbedingungen zur unvollständigen ACH Umsetzung, drastischer Zunahme der Nebenreaktionen oder zur chemischen Zersetzung der Verdünner, b.) Hohe Ausbeuteverluste im Amidierungsschritt (ca. 5-6%) und aufwendige Extraktion mit einem organischen Lösungsmittel unter Entstehung einer Wasser und HIBS enthaltenden Extraktionsmittelphase, die unter hohem energetischen
Aufwand zur Isolierung von HIBS destillativ aufbereitet werden muss. Pro kg HIBS werden etwa 2 kg Prozesssäure-Abfall erzeugt, der etwa 34 Gew.-% Wasser neben 66 Gew.-% Ammoniumhydrogensulfat enthält (siehe japanische Offenlegung SHO-57-131736, Beispiel 4). Die Regenerierung einer Abfallsalzlösung mit hohen Wassergehalten in einer Schwefelsäure-Kontaktanlage (=SK An läge) ist mit einem erheblichen energetischen Aufwand verbunden, die Kapazität einer solchen SK Anlage deutlich limitiert.
Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, dass die Isolierung von HIBS aus der Ammoniumhydrogensulfat-haltigen wässrigen Reaktionsmatrix sehr aufwendig ist. Ein zu hoher Wassergehalt in der HIBS-haltigen Extraktionsphase bedingt auch eine Verschleppung von Ammoniumhydrogensulfat in die nachfolgende MAS Stufe, die nicht mehr im technischen Maßstab über einen vertretbaren Zeitraum hinweg kontinuierlich betrieben werden kann. Der hohe energetische Aufwand bei der Regenerierung hochkonzentrierter wasserhaltiger Prozesssäure- wie auch Extraktionsströme machen die vorgeschlagenen Verfahrensweisen zudem unwirtschaftlich und bieten gegenüber dem zwar unselektiven, aber aufgrund der einfachen, wenigen verfahrenstechnischen Operationen zielgerichteten, etablierten Verfahrensweise, keine wirkliche Alternative.
EP 0 487 853 beschreibt die Herstellung von Methacrylsäure ausgehend von Acetoncyanhydrin (ACH), dadurch gekennzeichnet, dass man im ersten Schritt ACH mit Wasser bei moderaten Temperaturen in Gegenwart eines heterogenen Hydrolysekatalysators umsetzt und man im zweiten Schritt 2-Hydroxyisobuttersäureamid mit Methylformiat oder Methanol/Kohlenmonoxid unter Entstehung von Formamid und Hydroxyisobuttersäuremethylester umsetzt, und man im dritten Schritt HIBSM in Gegenwart eines heterogenen Ionenaustauschers mit Wasser zu Hydroxyisobuttersäure verseift, und man im vierten Schritt HIBS dehydratisiert, indem man in flüssiger Phase bei hohen Temperaturen in Gegenwart eines löslichen Alkalisalzes reagieren lässt. Die Methacrylsäure-Herstellung ex HIBS wird bei hohen Umsätzen um 99% mit mehr oder weniger quantitativen Selektivitäten beschrieben. Die Vielzahl der notwendigen Reaktionsschritte und die Notwendigkeit der Zwischenisolierung einzelner Intermediate, insbesondere auch die Durchführung einzelner Prozessschritte bei erhöhtem Druck, machen das Verfahren kompliziert und damit letztlich unwirtschaftlich.
Einige Ansätze zur Verwertung und Umwandlung von HIBSM durch Dehydratisierung zu Methylmethacrylat sind in der Patentliteratur beschrieben. HIBSM Zum Beispiel wird in der EP 0 429 800 HIBSM oder eine Mischung aus HIBSM und eines entsprechenden alpha- oder beta-Alkoxyesters in der Gasphase, in Gegenwart von Methanol als Co-Feed an einem heterogenen Katalysator bestehend aus einem kristallinen Alumosilikat und einer Misch-Dotierung aus einem Alkalimetallelement einerseits und einem Edelmetall andererseits umgesetzt.
Einen ähnlichen Ansatz verfolgt EP 0 941 984, in der die Gasphasendehydratisierung von HIBSM als Teilschritt einer MMA Synthese in Gegenwart eines heterogenen Katalysators bestehend aus einem Alkalimetallsalz der Phosphorsäure auf SiC>2 beschrieben wird. Insgesamt ist aber dieses vielstufϊge Verfahren kompliziert, erfordert in Teilschritten erhöhte Drücke und damit teures Equipment und liefert nur unbefriedigende Ausbeuten.
Ein zentraler Schritt bei der Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten gemäß den Verfahren der Dokumente EP 0 429 800, EP 0 487 853 und EP 0 941 984 stellt die Hydrolyse des Cyanhydrins zum Carbonsäureamid dar. Im Allgemeinen können hierfür Mangandioxid umfassende Katalysatoren eingesetzt werden. Beispielhaft für viele Dokumente wird auf die Druckschrift DE 1593320 verwiesen. In DE 1593320 wird ein Verfahren zur Hydrolyse von Nitrilen zu Amiden mit Hilfe von Mangandioxid beschrieben, bei dem mit aliphatischen Nitrilen Ausbeuten bis über 90 % erzielt wurden. Dieses Verfahren liefert bei einer hohen Geschwindigkeit gute Ausbeuten. Nachteilig ist jedoch die geringe Haltbarkeit des Katalysators. Bei kontinuierlich durchgeführten Verfahren muss daher nach kurzer Zeit die Produktion unterbrochen werden, um den Katalysator auszutauschen. Dieser Vorgang ist mit sehr hohen Kosten verbunden. Obwohl viele Anstrengungen unternommen wurden, die Standzeiten der Katalysatoren zu verbessern, stellt die begrenzte Lebensdauer des Katalysators einen hohen Kostenfaktor in der Produktion von Alkyl(meth)acrylaten gemäß den zuvor dargelegten Verfahren dar.
Darüber hinaus ist die Verwendung von Enzymen zur Herstellung von Carbonsäureamiden aus Cyanhydrinen bekannt. Zu den geeigneten Enzymen gehören unter anderem Nitrilhydra tasen. Diese Reaktion ist beispielhaft in "Screening, Characterization and Application of Cyanide-resistant Nitrile Hydratases" Eng. Life. Sei. 2004, 4, No. 6 beschrieben. Allerdings ist die Produktivität dieser Reaktion sehr gering, so dass diese Art der Herstellung der Carbonsäureamide bisher keine technische Bedeutung zur Produktion von Alkyl(meth)acrylaten erlangt hat.
In Anbetracht des Standes der Technik ist es nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten zur Verfügung zu stellen, die besonders einfach, kostengünstig und mit hoher Ausbeute durchgeführt werden können. Ein besonderes Problem bestand insbesondere darin ein Verfahren zu schaffen, das bei hoher Geschwindigkeit, geringem Energieeinsatz und geringen Ausbeuteverlusten eine besonders lange Haltbarkeit der eingesetzten Katalysatoren gewährleistet.
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Zweckmäßige Abwandlungen der erfindungsgemäßen Verfahren werden in Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
Dadurch, dass ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten einen Schritt aufweist, bei dem ein Cyanhydrin mit einem Enzym hydrolysiert wird, dessen Restaktivität nach der Umsetzung von Methacrylnitril in Gegenwart von 20 mM Cyanidionen bei 200C nach 30 min. mindestens 90 % der Restaktivität des Enzyms beträgt, das unter ansonsten denselben Bedingungen in Abwesenheit von Cyanidionen eingesetzt wurde, gelingt es ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten zur Verfügung zu stellen, das besonders einfach, kostengünstig und mit hoher Ausbeute durchgeführt werden kann.
Zugleich lassen sich durch die erfindungsgemäßen Verfahren eine Reihe weiterer Vorteile erzielen. Hierzu gehört unter anderem, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Lebensdauer des Katalysators überraschend stark verlängert werden kann. Hierdurch kann das Verfahren besonders effizient und kostengünstig durchgeführt werden, da bei einem kontinuierlichen Betrieb der Anlage nur selten eine Betriebsunterbrechung zum Austausch des Katalysators notwendig ist. Des Weiteren kann der erfindungsgemäß einzusetzende Katalysator sehr einfach und kostengünstig erhalten werden. Darüber hinaus zeigen bevorzugte Enzyme, die zur Hydrolyse des Cyanhydrins eingesetzt werden können, eine überraschend hohe Produktivität.
Das Verfahren vermeidet die Verwendung von Schwefelsäure in hohen Mengen als Reaktant. Dementsprechend fallen beim erfindungsgemäßen Verfahren keine großen Mengen an Ammoniumhydrogensulfat an.
Hierbei ist die Bildung von Nebenprodukten ungewöhnlich gering. Des Weiteren werden, insbesondere unter Berücksichtigung der hohen Selektivität, hohe Umsätze erzielt. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung weist eine geringe Bildung von Nebenprodukten auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die effiziente Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten. Alkyl(meth)acrylate sind Ester, die von den (Meth)acrylsäuren abgeleitet sind. Der Ausdruck (Meth)acrylsäure bezeichnet Methacrylsäure, Acrylsäure und Mischungen aus beiden. Neben Acrylsäure (Propensäure) und Methacrylsäure (2Methylpropensäure) gehören hierzu insbesondere Derivate, die Substituenten umfassen. Zu den geeigneten Substituenten gehören insbesondere Halogene, wie Chlor, Fluor und Brom sowie Alkylgruppen, die vorzugsweise 1 bis 10, besonders bevorzugt 1 bis 4 Kohlenstoffatome umfassen können. Hierzu gehören unter anderem ß-Methylacrylsäure (Butensäure), α, ß-Dimethylacrylsäure, ß-Ethylacrylsäure, sowie ß,ß-Dimethylacrylsäure. Bevorzugt sind Acrylsäure (Propensäure) und Methacrylsäure (2-Methylpropensäure), wobei Methacrylsäure besonders bevorzugt ist. Der Alkoholrest bevorzugter Alkyl(meth)acrylate umfasst vorzugsweise 1 bis 20 Kohlenstoffatome, insbesondere 1 bis 10 Kohlenstoffatome und besonders bevorzugt 1 bis 5 Kohlenstoffatome. Bevorzugte Alkoholreste leiten sich insbesondere von Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, insbesondere n-Butanol und 2-Methyl-lpropanol, Pentanol, Hexanol und 2-Ethylhexanol ab, wobei Methanol und Ethanol beson ders bevorzugt sind. Zu den bevorzugten Alkyl(meth)acrylaten gehören insbesondere Me- thylmethacrylat, Methylacrylat, Ethylmethacrylat und Ethylacrylat.
Das erfϊndungsgemäße Verfahren weist einen Schritt auf, bei dem ein Cyanhydrin mit einem Enzym hydrolysiert wird, dessen Restaktivität nach der Umsetzung von Methacrylnitril in Gegenwart von 20 mM Cyanidionen bei 200C nach 30 min. mindestens 90 % der Restaktivität des Enzyms beträgt, das unter ansonsten denselben Bedingungen in Abwesenheit von Cyanidionen eingesetzt wurde. Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Restaktivität nach der Umsetzung in Gegenwart von 50 mM Cyanidionen mindestens 60 % betragen.
Die Form, in der das Enzym eingesetzt wird, ist im Allgemeinen unkritisch. Beispielsweise kann das Enzym in Form von Mikroorganismen eingesetzt werden, die das Enzym enthalten. Hierbei kann auch ein Lysat dieser Mikroorganismen eingesetzt werden. Vorzugsweise werden hierfür Mikroorganismen eingesetzt, die das Enzym produzieren. Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung können ruhende Zellen dieser Mikroorganismen eingesetzt werden. Hierbei können natürliche Mikroorganismen eingesetzt werden oder Mikroorganismen, die isoliert und gereinigt wurden. „Isolierte und gereinigte Mikroorganismen" betrifft Mikroorganismen, die in einer höheren Konzentration als natürlich zu finden vorliegen. Weiterhin kann das Enzym, das als Nitrilhydratase bezeichnet werden kann, auch in gereinigter Form eingesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Enzym aus Mikroorganismen der Gattung Pseudomonas stammen. Zu den besonders bevorzugten Mikroorgansimen der Gattung Pseudomonas gehören Pseudomonas marginalis oder Pseudomonas putida. Besonders bevorzugte Mikroorganismen der Gattung Pseudomonas, aus denen erfindungsgemäß einsetzbare Enzyme stammen, wurden unter der Nummer DSM 16275 und DSM 16276 hinterlegt. Die Hinterlegung erfolgte am 09.03.2004 bei der DSMZ, Deutsche Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen in Braunschweig, nach dem Budapester Vertrag. Diese Stämme sind besonders geeignet, die erfϊndungsgemäßen Enzyme zu produzieren.
Die Mikroorganismen bzw. Enzyme können beispielsweise durch ein Verfahren, bei dem man a) einen diese Nitrilhydratase produzierenden Mikroorganismen, insbesondere der Gattung Pseudomonas marginalis oder Pseudomonas putida, unter Bedingungen fermentiert, dass sich das Enzym in dem Mikroorganismus bildet, b) frühestens nach dem Durchlaufen der logarithmischen Wachstumsphase die Zellen erntet und c) entweder den das Enzym enthaltenden Mikroorganismus, gegebenenfalls nach der Erhöhung der Permeabilität der Zellmembran oder d) das Lysat der Zellen oder e) das in den Zellen des Mikroorganismus Enzym mit bekannten Maßnahmen isoliert. Der Mikroorganismus kann bevorzugt als ruhende Zelle isoliert werden.
Das zu verwendende Kulturmedium sollte in geeigneter Weise den Ansprüchen der jeweiligen Stämme genügen. Beschreibungen von Kulturmedien verschiedener Mikroorganismen sind im Handbuch "Manual of Methods for General Bacteriology" der American Society for Bacteriology {Washington D. C, USA, 1981) enthalten.
Als Kohlehstoffquelle können Zucker und Kohlehydrate wie z.B. Glucose, Saccharose, Lac- tose, Fructose, Maltose, Melasse, Stärke und Cellulose, Öle. und Fette wie z.B. Sojaöl, Sonnenblumenöl, Erdnußöl und Kokosfett, Fettsäuren wie z.B. Palmitinsäure, Stearinsäure und Linolsäure, Alkohole wie z.B. Glycerin und Ethanol und organische Säuren wie z.B. Essigsäure verwendet werden. Diese Stoffe können einzeln oder als Mischung verwendet werden. Als Stickstoffquelle können vorteilhaft organische Nitrile oder Säureamide wie Acetonitril, Acetamid, Methacrylnitrile, Methacrylamid, Isobutyronitril, Isobutyramid oder Harnstoff auch in Kombination mit anderen Stickstoffhaltigen Verbindungen wie Peptone, Hefeextrakt, Fleischextrakt, Malzextrakt, Maisquellwasser, Sojabohnenmehl und oder anorganisehe Verbindungen wie Ammoniumsulfat, Ammoniumchlorid, Ammoniumphosphat, Ammoniumearbonat und Ammoniumnitrat verwendet werden. Die Stickstoffquellen können einzeln oder als Mischung verwendet werden.
Als Phosphorquelle können Phosphorsäure, Kaliumdihydrogen-phosphat oder Dikaliumhydrogenphosphat oder die entsprechenden Natrium-haltigen Salze verwendet werden.
Das Kulturmedium enthält im Allgemeinen weiterhin Salze von Metallen wie z.B. Magnesiumsulfat oder Eisensulfat, die für das Wachstum notwendig sind. Schließlich können essentielle Wuchsstoffe wie Aminosäuren und Vitamine zusätzlich zu den oben genannten Stoffen eingesetzt werden. Die genannten Einsatzstoffe können zur Kultur in Form eines einmaligen Ansatzes hinzugegeben oder in geeigneter Weise während der Kultivierung zugefüttert werden.
Zur pH-Kontrolle der Kultur werden basische Verbindungen wie Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Ammoniak bzw. Ammoniakwasser oder saure Verbindungen wie Phosphorsäure oder Schwefelsäure in geeigneter Weise eingesetzt.
Zur Kontrolle der Schaumentwicklung können Antischaummittel wie z.B. Fettsäurepolyglykolester eingesetzt werden; Um aerobe Bedingungen aufrechtzuerhalten, werden Sauerstoff oder Sauerstoffhaltige Gasmischungen wie z.B. Luft in die Kultur eingetragen.
Die Temperatur der Kultur liegt normalerweise bei 100C bis 400C und vorzugsweise bei 100C bis 300C. Die Kultur kann vorzugsweise solange fortgesetzt werden, bis sie die logarithmische Wachstumsphase durchschritten hat. Dieses Ziel wird normalerweise innerhalb von 10 Stunden bis 70 Stunden erreicht. Im Anschluss daran werden die Zellen bevorzugt geerntet, gewaschen und in einem Puffer als Suspension bei einem pH- Wert von 6-9, insbesondere von 6,8 bis 7,9 aufgenommen. Die Zellkonzentration beläuft sich auf 1-25%, insbesondere 1,5 bis 15% (Feuchtgewicht/v). Die Permeabilität kann mit physikalischen oder chemischen Methoden so, z. B. mit Toluol wie bei Wilms et al., J. BiotechnoL, Vol. 86 (2001), 19-30 beschrieben, erhöht werden, dass das umzuwandelnde Cyanhydrin die Zellwand durchdringen und das Carbonsäureamid austreten kann.
Erfindungsgemäß werden Cyanhydrine (α-Hydroxycarbonsäurenitrile) eingesetzt. Diese Verbindungen sind an sich bekannt und beispielsweise in Römpp Chemie Lexikon 2. Aufla- ge auf CD-ROM beschrieben. Zu den bevorzugten Cyanhydrinen gehören unter anderem Hydroxyacetonitril, 2-Hydroxy-4-methylthio-butyronitril, α-Hydroxy-γ- methylthiobutyronitril (4-Methylthio-2-hydroxybutyronitril), 2-Hydroxypropionitril (Lacto- nitril) und 2-Hydroxy-2-methylpropionitril (Acetoncyanhydrin), wobei Acetoncyanhydrin besonders bevorzugt ist.
Die Konzentration der umzusetzenden Cyanhydrine in der Reaktionslösung ist nicht auf bestimmte Bereiche begrenzt.
Um eine Inhibierung der Enzymaktivität durch das Substrat zu vermeiden, hält man die Konzentration des Cyanhydrins im allgemeinen auf 0,02 bis 10 w/w%, insbesondere 0,1 bis 2 w/w%, bezogen auf die Menge des Biokatalysators als getrocknete Zellmasse. Das Substrat kann zu Beginn der Umsetzung insgesamt oder im Verlauf der Umsetzung kontinuierlich oder diskontinuierlich zugesetzt werden.
Die Bestimmung des Trockengewichts erfolgt mit dem Moisture Analyser MA 45 (Sartori- us).
Das Wasser, welches zur Hydrolyse des Cyanhydrins notwendig ist, kann vielfach als Lösungsmittel eingesetzt werden. Das zur Hydrolyse eingesetzte Wasser kann einen hohen Reinheitsgrad aufweisen. Allerdings ist diese Eigenschaft nicht zwingend. So kann neben Frischwasser auch Brauchwasser oder Prozesswasser eingesetzt werden, welches mehr oder minder hohe Mengen an Verunreinigungen umfasst. Dementsprechend kann auch recyceltes Wasser zur Hydrolyse verwendet werden.
Wenn die Löslichkeit der Cyanhydrins in dem wässrigen Reaktionssystem zu gering ist, kann ein Lösungsvermittler zugesetzt werden. Die Reaktion kann aber alternativ auch in einem Zweiphasensystem Wasser/organische Lösungsmittel durchgeführt werden.
Bei der Verwendung von Zellen des Mikroorganismus als enzymatisch aktivem Material, ist die Menge der eingesetzten Zellen im Verhältnis zur Substratmenge bevorzugt 0,02 bis 10 w/w% als getrocknete Zellmasse.
Es ist auch möglich, das isolierte Enzym nach allgemein bekannten Techniken zu immobilisieren und in dieser Form dann einzusetzen.
Des Weiteren können weitere Bestandteile in der Reaktionsmischung zur Hydrolyse des Carbonsäurenitrils vorhanden sein. Hierzu gehören u.a. Carbonylverbindungen, wie Aldehyde und Ketone, insbesondere jene, die zur Herstellung von bevorzugt als Carbonsäurenitril einzusetzenden Cyanhydrinen verwendet wurden. Beispielsweise kann Aceton und / oder Acetaldehyd in der Reaktionsmischung enthalten sein. Dies wird beispielsweise in US 4018829- A beschrieben. Die Reinheit der zugegebenen Aldehyde und/oder Ketone ist im Allgemeinen nicht besonders kritisch. Dementsprechend können diese Stoffe Verunreinigungen, insbesondere Alkohole, beispielsweise Methanol, Wasser und/oder α-Hydroxyisobuttersäuremethylester (HIBSM) enthalten. Die Menge an Carbonylverbindungen, insbesondere Aceton und / oder Acetaldehyd kann in der Reaktionsmischung in weiten Bereichen eingesetzt werden. Vorzugsweise wird die Carbonylverbindung in einer Menge im Bereich von 0,1-6 Mol, vorzugsweise 0,1-2 Mol pro Mol Carbonsäurenitril eingesetzt. Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Hydrolyse des Cyanhydrins in Gegenwart von Blausäure oder einem Salz der Blausäure durchgeführt werden. Hierbei liegt die Anfangskonzentration an Cyanid vorzugsweise im Bereich von 0,1 mol% bis 3 mol% Cyanid, besonders bevorzugt 0,5 bis 3 mol% Cyanid, bezogen auf das eingesetzte Cyanhydrin.
Die Temperatur, bei der Hydrolysereaktion des Cyanhydrins erfolgt, kann im Allgemeinen im Bereich von -5 bis 500C, vorzugsweise im Bereich von 0 bis 400C und besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 300C liegen.
Die Hydrolysereaktion kann, je nach Reaktionstemperatur, bei Unter- oder Überdruck durchgeführt werden. Vorzugsweise wird diese Reaktion in einem Druckbereich von 0,1-10 bar, besonders bevorzugt 0,5 bis 5 bar durchgeführt.
Die Reaktionsdauer der Hydrolysereaktion hängt unter anderem von den eingesetzten Carbonsäurenitrilen, der Aktivität des Katalysator sowie der Reaktionstemperatur ab, wobei dieser Parameter in weiten Bereichen liegen kann. Bevorzugt liegt die Reaktionszeit der Hydrolysereaktion im Bereich von 5 Minuten bis 200 Stunden, besonders bevorzugt 30 Minuten bis 100 Stunden und ganz besonders bevorzugt 2 Stunden bis 50 Stunden.
Bei kontinuierlichen Verfahren beträgt die Verweilzeit vorzugsweise 5 Minuten bis 100 Stunden, besonders bevorzugt 30 Minuten bis 50 Stunden und ganz besonders bevorzugt 2 Stunden bis 10 Stunden.
Die Reaktion kann beispielsweise in einem Festbettreaktor oder in einem Suspensionsreaktor durchgeführt werden.
Die so erhaltene Reaktionsmischung kann im Allgemeinen neben dem gewünschten Carbonsäureamid weitere Bestandteile umfassen, insbesondere nicht umgesetztes Cyanhydrin sowie gegebenenfalls eingesetztes Aceton und / oder Acetaldehyd. Dementsprechend kann die Re aktionsmischung aufgereinigt werden, wobei beispielsweise nicht umgesetztes Cyanhydrin in Aceton und Blausäure gespalten werden kann, um diese wieder zur Herstellung des Cyanhydrins einzusetzen. Gleiches gilt für das abgetrennte Aceton und / oder Acetaldehyd.
Des Weiteren kann die gereinigte Carbonsäureamid umfassende Reaktionsmischung durch Ionenaustauschsäulen von weiteren Bestandteilen gereinigt werden.
Hierzu können insbesondere Kationenaustauscher und Anionenaustauscher eingesetzt werden. Hierfür geeignete Ionenaustauscher sind an sich bekannt. Beispielsweise können geeignete Kationenaustauscher durch Sulfonierung von Styrol-Divinylbenzolcopolymeren erhalten werden. Basische Anionenaustauscher umfassen quaternäre Ammoniumgruppen, die kovalent an Styrol-Divinylbenzolcopolymere gebunden sind.
Die Aufreinigung von α-Hydroxycarbonsäureamiden ist u.a. in EP-A-0686623 detaillierter beschrieben.
Das zur Hydrolyse eingesetzte Cyanhydrin kann auf jede Weise erhalten werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Reinheit des Carbonsäurenitrils, beispielsweise des Cyanhydrins im Allgemeinen unkritisch. Demzufolge kann gereinigtes oder ungereinigtes Carbonsäurenitril zur Hydrolysereaktion eingesetzt werden. Beispielsweise kann beispielsweise ein Keton, insbesondere Aceton, oder ein Aldehyd, beispielsweise Acetaldehyd, Propanal, Butanal, mit Blausäure zum entsprechenden Cyanhydrin umgesetzt werden. Besonders bevorzugt wird hierbei Aceton und / oder Acetaldehyd auf typische Weise unter Verwendung einer geringen Menge an Alkali oder eines Amins als Katalysator umgesetzt.
Die zuvor beschriebene Hydrolysereaktion dient als Zwischenschritt in Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten. Verfahren, die einen Hydrolyseschritt von Cyanhydrinen zur Herstellung von (Meth)acrylsäure und/oder Alkyl(meth)acrylaten aufweisen können, sind unter anderem in EP-A-O 406 676, EP-A-O 407 811, EP-A-O 686 623 und EP-A-O 941 984 dargelegt. Ausgehend von Cyanhydrinen kann das erhaltene α-Hydroxycarbonsäureamid beispielsweise zum (Meth)acrylsäureamid umgesetzt werden, welches anschließend mit einem Alkylformiat, beispielsweise Methylformiat oder einem Alkohol in Alkyl(meth)acrylat, insbesondere Methylmethacrylat überfuhrt werden kann. Die zuvor dargelegten Reaktionsschritte sind in EP-A-O 406 676 und EP-A-O 686 623 ausfuhrlich dargelegt.
Die Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten ausgehend von Cyanhydrinen kann auch über eine Dehydratisierung von α-Hydroxycarbonsäurealkylestern erfolgen, die zuvor aus αHydroxycarbonsäureamiden durch Alkoholyse bzw. Umesterung gewonnen wurden. Die einzelnen Schritte dieses Reaktionswegs ist beispielsweise in EP-A-O 407 811 bzw. EP-A-O 941 984 ausführlich beschrieben sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform können aus Carbonylverbindungen, Blausäure und Alkoholen Alkyl(meth)acrylate auf einfache und kostengünstige Weise durch Verfahren erhalten werden, die die folgenden Schritte umfassen:
A) Bildung mindestens eines Cyanhydrins durch Umsetzung mindestens einer Carbonylverbindung mit Blausäure;
B) Hydrolyse des Cyanhydrins bzw. der Cyanhydrine unter Bildung mindestens eines αHydroxycarbonsäureamids;
C) Alkoholyse des α-Hydroxycarbonsäureamids bzw. der α-Hydroxycarbonsäureamide, wobei mindestens ein α-Hydroxycarbonsäurealkylester erhalten wird;
D) Umesterung des α-Hydroxycarbonsäurealkylesters bzw. der α-Hydroxycarbonsäurealkylester mit (Meth)acrylsäure, wobei mindestens ein Alkyl(meth)acrylat und mindestens eine α-Hydroxycarbonsäure gebildet werden;
E) Dehydratisierung der α-Hydroxycarbonsäure bzw. der α-Hydroxycarbonsäuren, wobei (Meth)acrylsäure gebildet wird.
Durch Verfahren die insbesondere einen Schritt D) umfassen, können besondere Vorteile erzielt werden. So können durch Verfahren, die einen Umesterungsschritt aufweisen, Al kyl(meth)acrylate in hohen Ausbeuten erhalten werden. Dies gilt insbesondere auch im Vergleich mit den in EP-A-0941984 beschriebenen Verfahren, bei denen die α- Hydroxycarbonsäurealkylester unmittelbar zu den Alkyl(meth)acrylaten dehydratisiert werden. Überraschend konnte festgestellt werden, dass durch den zusätzlichen Reaktionsschritt der Umesterung des α-Hydroxycarbonsäurealkylesters mit (Meth)acrylsäure insgesamt höhere Selektivitäten erzielt werden. Hierbei ist die Bildung von Nebenprodukten ungewöhnlich gering. Des Weiteren werden, insbesondere unter Berücksichtigung der hohen Selektivität, hohe Umsätze erzielt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann kostengünstig, insbesondere bei geringem Energiebedarf durchgeführt werden. Hierbei können die zur Dehydra- tisierung und Umesterung verwendeten Katalysatoren über einen langen Zeitraum eingesetzt werden, ohne dass die Selektivität oder die Aktivität abnimmt.
Die Schritte A) und B) wurden zuvor ausführlich dargelegt. Im nächsten Schritt C) kann das so erhaltene α-Hydroxycarbonsäureamid zum α-Hydroxycarbonsäurealkylester umgesetzt werden. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von Alkylformiaten erfolgen. Insbesondere geeignet ist Methylformiat oder eine Mischung von Methanol und Kohlenmono- oxid, wobei diese Reaktion beispielhaft in EP-A-0407811 beschrieben ist.
Bevorzugt erfolgt die Umsetzung des α-Hydroxycarbonsäureamids durch Alkoholyse mit einem Alkohol, der vorzugsweise 1-10 Kohlenstoffatome, besonders bevorzugt 1 bis 5 Kohlenstoffatome umfasst. Bevorzugte Alkohole sind u.a. Methanol, Ethanol, Propanol, Buta- nol, insbesondere n-Butanol und 2-Methyl-l -propanol, Pentanol, Hexanol, Heptanol, 2- Ethylhexanol, Octanol, Nonanol und Decanol. Besonders bevorzugt wird als Alkohol Methanol und / oder Ethanol eingesetzt, wobei Methanol ganz besonders bevorzugt ist. Die Umsetzung von Carbonsäureamiden mit Alkoholen, um Carbonsäureester zu erhalten, ist allgemein bekannt.
Diese Reaktion kann beispielsweise durch basische Katalysatoren beschleunigt werden. Diese umfassen homogene Katalysatoren sowie heterogene Katalysatoren. Zu den homogenen Katalysatoren gehören Alkalimetallalkoholate und organometallische Verbindungen von Titan, Zinn und Aluminium. Vorzugsweise wird ein Titanalkoholat oder Zinnalkoholat, wie beispielsweise Titantetraisopropyloxid oder Zinntetrabutyloxid eingesetzt. Zu den heterogenen Katalysatoren gehören u.a. Magnesiumoxid, Calciumoxid sowie basische Ionenaustauscher, wie sie zuvor beschrieben wurden.
Das Molverhältnis von α-Hydroxycarbonsäureamid zu Alkohol, beispielsweise α-Hydroxyisobuttersäureamid zu Methanol, ist an sich nicht kritisch, wobei dieses vorzugsweise im Bereich von 2:1-1 :20 liegt.
Die Reaktionstemperatur kann ebenfalls in weiten Bereichen liegen, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Temperatur im Allgemeinen zunimmt. Die obere Temperaturgrenze ergibt sich im Allgemeinen aus dem Siedepunkt des eingesetzten Alkohols. Vorzugsweise liegt die Reaktionstemperatur im Bereich von 40-3000C, besonders bevorzugt 160-2400C. Die Reaktion kann, je nach Reaktionstemperatur, bei Unter- oder Überdruck durchgeführt werden. Vorzugsweise wird diese Reaktion in einem Druckbereich von 0,5-35 bar, besonders bevorzugt 5 bis 30 bar durchgeführt.
Üblicherweise wird der entstehende Ammoniak aus dem Reaktionssystem abgeleitet, wobei die Umsetzung vielfach beim Siedepunkt durchgeführt wird.
Der bei der Alkoholyse freigesetzte Ammoniak kann dem Gesamtprozess auf leichte Weise zurückgeführt werden. Beispielsweise kann Ammoniak mit Methanol zu Blausäure umgesetzt werden. Dies ist beispielsweise in EP-A-0941984 dargelegt. Des Weiteren kann die Blausäure aus Ammoniak und Methan gemäß dem BMA- oder Andrussow- Verfahren erhalten werden, wobei diese Verfahren in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 5. Auflage auf CD-ROM, Stichwort „Inorganic Cyano Compounds" beschrieben sind. In einem nächsten Schritt D) wird der α-Hydroxycarbonsäurealkylester mit (Meth)acrylsäure umgesetzt, wobei Alkyl(meth)acrylat sowie α-Hydroxycarbonsäure erhalten werden.
Gemäß dem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können α-
Hydroxycarbonsäurealkylester mit (Meth)acrylsäure umgesetzt werden. Die hierfür einsetzbaren (Meth)acrylsäuren sind an sich bekannt und können kommerziell erhalten werden. Neben Acrylsäure (Propensäure) und Methacrylsäure (2-Methylpropensäure) gehören hierzu insbesondere Derivate, die Substituenten umfassen. Zu den geeigneten Substituenten ge- hören insbesondere Halogene, wie Chlor, Fluor und Brom sowie Alkylgruppen, die vorzugsweise 1 bis 10, besonders bevorzugt 1 bis 4 Kohlenstoffatome umfassen können. Hierzu gehören unter anderem ß-Methylacrylsäure (Butensäure), α, ß-Dimethylacrylsäure, ß- Ethylacrylsäure, sowie ß,ß-Dimethylacrylsäure. Bevorzugt sind Acrylsäure (Propensäure) und Methacrylsäure (2-Methylpropensäure), wobei Methacrylsäure besonders bevorzugt ist.
Die hierfür eingesetzten α-Hydroxycarbonsäurealkylester sind an sich bekannt, wobei der Alkoholrest des Esters vorzugsweise 1 bis 20 Kohlenstoffatome, insbesondere 1 bis 10 Kohlenstoffatome und besonders bevorzugt 1 bis 5 Kohlenstoffatome umfasst. Bevorzugte Alkoholreste leiten sich insbesondere von Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, insbeson- dere n-Butanol und 2-Methyl-l -propanol, Pentanol, Hexanol und 2-Ethylhexanol ab, wobei Methanol und Ethanol besonders bevorzugt sind.
Der Säurerest der zur Umesterung eingesetzten α-Hydroxycarbonsäurealkylester leitet sich bevorzugt von der (Meth)acrylsäure ab, die durch Dehydratisierung der α- Hydroxycarbonsäure erhalten werden kann. Wird beispielsweise Methacrylsäure eingesetzt, so wird α-Hydroxyisobuttersäureester verwendet. Wird beispielsweise Acrylsäure eingesetzt, so wird bevorzugt α-Hydroxyisopropionsäure eingesetzt. Bevorzugt eingesetzte α-Hydroxycarbonsäurealkylester sind α-Hydroxypropionsäuremethylester, α-Hydroxypropionsäureethylester, α-Hydroxyisobuttersäuremethylester und α-Hydroxyisobuttersäureethylester.
Die Reaktionsmischung kann neben den Reaktanden weitere Bestandteile, wie beispielsweise Lösungsmittel, Katalysatoren, Polymerisationsinhibitoren und Wasser umfassen.
Die Umsetzung des Alkylhydroxycarbonsäureesters mit (Meth)acrylsäure kann durch mindestens eine Säure oder mindestens eine Base katalysiert werden. Hierbei können sowohl homogene als auch heterogene Katalysatoren verwendet werden. Als saure Katalysatoren besonders geeignet sind insbesondere anorganische Säuren, beispielsweise Schwefelsäure oder Salzsäure, sowie organische Säuren, beispielsweise Sulfonsäuren, insbesondere p-Toluolsulfonsäure sowie saure Kationenaustauscher.
Zu den besonders geeigneten Kationenaustauscherharzen gehören insbesondere sulfonsäu- regruppenhaltige Styrol-Divinylbenzolpolymere. Besonders geeignete Kationenaustauscherharze können kommerziell von Rohm&Haas unter der Handelsbezeichnung Amber- lyst® und von Bayer unter der Handelsbezeichnung Lewatit® erhalten werden.
Die Konzentration an Katalysator liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 15 Gew.-%, bezogen auf die Summe des eingesetzten α-Alkylhydroxycarbonsäureesters und der eingesetzten (Meth)acrylsäure.
Zu den bevorzugt einsetzbaren Polymerisationsinhibitoren gehören unter anderem Phenothi- azin, Tertiärbutylcatechol, Hydrochinonmonomethylether, Hydrochinon, 4-Hydroxy-
2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxyl (TEMPOL) oder deren Gemische; wobei die Wirksamkeit dieser Inhibitoren durch Einsatz von Sauerstoff teilweise verbessert werden kann. Die Polymerisationsinhibitoren können in einer Konzentration im Bereich von 0,001 bis 2,0 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 0,2 Gew.-%, bezogen auf die Sum- nie des eingesetzten α-Alkylhydroxycarbonsäureesters und der eingesetzten (Meth)acrylsäure, eingesetzt werden.
Die Reaktion wird bevorzugt bei Temperaturen im Bereich von 500C bis 2000C, besonders bevorzugt 700C bis 1300C, insbesondere 800C bis 1200C und ganz besonders bevorzugt 900C bis 1100C durchgeführt.
Die Reaktion kann bei Unter- oder Überdruck durchgeführt werden, je nach Reaktionstemperatur. Vorzugsweise wird diese Reaktion beim Druckbereich von 0,02-5 bar, insbesonde- re 0,2 bis 3 bar und besonders bevorzugt 0,3 bis 0,5 bar durchgeführt.
Das molare Verhältnis von (Meth)acrylsäure zum α-Hydroxycarbonsäurealkylester liegt vorzugsweise im Bereich von 4:1-1 :4, insbesondere 3:1 bis 1 :3 und besonders bevorzugt im Bereich von 2:1-1 :2.
Bevorzugt beträgt die Selektivität mindestens 90 %, besonders bevorzugt 98 %. Die Selektivität ist definiert als das Verhältnis der Summe aus gebildeten Stoffmengen an Al- kyl(meth)acrylaten und α-Hydroxycarbonsäuren, bezogen auf die Summe der umgesetzten Stoffmengen an α-Hydroxycarbonsäurealkylester und (Meth)acrylsäure.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Umesterung in Gegenwart von Wasser erfolgen. Vorzugsweise liegt der Wassergehalt im Bereich von 0,1-50 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5-20 Gew.-%, und ganz besonders bevorzugt 1-10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des eingesetzten α-Hydroxycarbonsäurealkylesters.
Durch den Zusatz von geringen Mengen Wasser kann überraschend die Selektivität der Umsetzung erhöht werden. Trotz Wasserzugabe kann dabei die Bildung von Methanol ü- berraschend gering gehalten werden. Bei einer Wasserkonzentration von 10 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des eingesetzten α-Hydroxycarbonsäurealkylesters, bilden sich vorzugsweise weniger als 5 Gew.-% Methanol bei einer Reaktionstemperatur von 1200C und einer Reaktionsdauer bzw. Verweilzeit von 5 bis 180 min.
Die Umesterung kann chargenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden, wobei kontinuierliche Verfahren bevorzugt sind.
Die Reaktionsdauer der Umesterung hängt von den eingesetzten Molmassen sowie der Reaktionstemperatur ab, wobei dieser Parameter in weiten Bereichen liegen kann. Bevorzugt liegt die Reaktionszeit der Umesterung des α-Hydroxycarbonsäurealkylesters mit (Meth)acrylsäure im Bereich von 30 Sekunden bis 15 Stunden, besonders bevorzugt 5 Minuten bis 5 Stunden und ganz besonders bevorzugt 15 Minuten bis 3 Stunden.
Bei kontinuierlichen Verfahren beträgt die Verweilzeit vorzugsweise 30 Sekunden bis 15 Stunden, besonders bevorzugt 5 Minuten bis 5 Stunden und ganz besonders bevorzugt 15 Minuten bis 3 Stunden.
Bei der Herstellung von Methylmethacrylat aus α-Hydroxyisobuttersäuremethylester beträgt die Temperatur vorzugsweise 60 bis 130 0C, besonders bevorzugt 80 bis 1200C und ganz besonders bevorzugt 90 bis 110 0C. Der Druck liegt vorzugsweise im Bereich von 50 bis 1000 mbar, besonders bevorzugt 300 bis 800 mbar. Das molare Verhältnis von Methacrylsäure zu α-Hydroxyisobuttersäuremethylester liegt vorzugsweise im Bereich von 2:1-1 :2, insbesondere 1,5:1-1 :1,5.
Beispielsweise kann die Umesterung in der in Fig. 1 dargelegten Anlage erfolgen. Der Hydroxycarbonsäureester, beispielsweise Hydroxyisobuttersäuremethylester, wird über Leitung (1) einem Festbettreaktor (3) zugeführt, der ein Kationenaustauschharz umfasst. (Meth)acrylsäure, beispielsweise 2-Methylpropensäure wird über Leitung (2) oder Leitung (17) in den Festbettreaktor (3) zugegegeben. Die Leitung (2) kann mit weiteren Leitungen, beispielsweise Leitung (9) und Leitung (13), verbunden sein, um so die Anzahl der Zuleitungen in den Reaktor zu verringern. Die Leitungen (9), (13) und/oder (17) können jedoch auch direkt in den Festbettreaktor führen. Bei den zuvor genannten Reaktionsbedingungen wird eine Reaktionsmischung gebildet, die neben Methanol sowie nicht umgesetztem Hydroxyisobuttersäuremethylester und Methacrylsäure die Reaktionsprodukte Hydroxyisobuttersäure sowie Methylmethacrylat umfasst. Diese Reaktionsmischung wird über Leitung (4) in eine Destille (5) geleitet. In der Destille (5) wird Wasser, Methylmethacrylat sowie Methanol als Destillat erhalten, welches über Leitung (7) als Kopfprodukt einem Phasentrenner (8) zugeführt wird. In der oberen Phase sammelt sich Methylmethacrylat sowie Methanol, welche über Leitung (10) aus dem System entnommen werden. In der unteren Phase des Phasentrenners (8) sammelt sich insbesondere Wasser, welches über Leitung (11) aus dem System entfernt oder über Leitung (9) dem Festbettreaktor (3) zugeführt werden kann.
Aus dem Sumpf können Hydroxyisobuttersäuremethylester, Hydroxyisobuttersäure sowie Methacrylsäure gewonnen werden, die über Leitung (6) in eine zweite Destille (12) geleitet werden können. Hierbei wird Hydroxyisobuttersäuremethylester sowie Methacrylsäure abdestilliert, die über Leitung (13) der Umesterung zurückgeführt werden. Die im Destillationssumpf enthaltene Hydroxyisobuttersäure wird über Leitung (14) in einen Reaktor zur Dehydratisierung (15) geleitet. Die hierdurch erhaltene Methacrylsäure kann über Leitung (17) der zuvor dargelegten Umesterung zugeführt oder über Leitung (16) dem System entnommen werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Umesterung in einer Destille erfolgen. Hierbei kann der Katalysator in jedem Bereich der Destille beigefügt werden. Beispielsweise kann der Katalysator in den Bereich des Sumpfes oder im Bereich der Kolonne bereitgestellt werden. Hierbei sollten die Edukte jedoch in Kontakt mit dem Katalysator gebracht werden. Des Weiteren kann Katalysator in einem separaten Bereich der Destille bereitgestellt werden, wobei dieser Bereich mit den weiteren Bereichen der Destille, beispielsweise des Sumpfes und/oder der Kolonne verbunden sind. Diese separate Anordnung des Katalysatorbereichs ist bevorzugt. Durch diese bevorzugte Ausgestaltung gelingt es überraschend die Selektivität der Umsetzung zu erhöhen. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass der Druck der Umsetzung unabhängig vom Druck innerhalb der Destillationskolonnen eingestellt werden kann. Hierdurch kann die Siedetemperatur niedrig gehalten werden, ohne dass die Reaktionszeit bzw. die Verweilzeit entsprechend ansteigt. Darüber hinaus kann die Temperatur der Umsetzung über einen weiten Bereich variiert werden. Hierdurch kann die Reaktionszeit verkürzt werden. Darüber hinaus kann das Volumen an Katalysator beliebig gewählt werden, ohne dass auf die Geometrie der Kolonne Rücksicht genommen werden müsste. Weiterhin kann beispielsweise ein weiterer Reaktand hinzugefügt werden. All diese Maßnahmen können zur Steigerung der Selektivität und der Produktivität beitragen, wobei überraschende Synergieeffekte erzielt werden.
Hierbei wird der α-Hydroxycarbonsäurealkylester, beispielsweise α-Hydroxyisobuttersäuremethylester, der Destille zugeführt. Des Weiteren wird (Meth)acrylsäure, beispielsweise Methacrylsäure in die Destille eingeleitet. Die Destillationsbedingungen werden bevorzugt so ausgeführt, dass genau ein Produkt durch Destillation aus der Destille abgeleitet wird, wobei das zweite Produkt im Sumpf verbleibt und aus diesem kontinuierlich entfernt wird. Bei Verwendung von Alkoholen mit einer geringen Kohlenstoffanzahl, insbesondere Ethanol oder Methanol, wird vorzugsweise das Alkyl(meth)acrylat durch Destillation der Reaktionsmischung entzogen. Die Edukte werden zyklisch durch den Katalysatorbereich geleitet. Hierdurch entsteht kontinuierlich Alkyl(meth)acrylat sowie α-Hydroxy carbonsäure.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Reaktivdestillation ist in Fig. 2 schematisch dargelegt. Die Edukte können über eine gemeinsame Leitung (1) oder getrennt über zwei Leitungen (1) und (2) in die Destillationskolonne (3) eingeleitet werden. Bevorzugt erfolgt die Zugabe der Edukte über getrennte Leitungen. Die Edukte können dabei auf derselben Stufe oder in beliebiger Position der Kolonne zugeführt werden. Die Temperatur der Reaktanden kann dabei über einen Wärmetauscher in der Zuführung eingestellt werden, wobei die hierfür notwendigen Aggregate nicht in Figur 1 dargestellt sind. In einer bevorzugten Variante werden die Edukte separat in die Kolonne dosiert, wobei die Zudosierung der leichtersiedenden Komponente unterhalb der Position für die Zu- führung der schwersiedenden Verbindung erfolgt. Bevorzugt wird in diesem Fall die leichtersiedende Komponente dampfförmig zugegeben.
Für die vorliegende Erfindung kann jede mehrstufige Destillationskolonne (3) verwendet werden, die zwei oder mehr Trennstufen besitzt. Als Anzahl der Trennstufen wird in der vorliegenden Erfindung die Anzahl der Böden bei einer Bodenkolonne oder die Anzahl der theoretischen Trennstufen im Fall einer Packungskolonne oder eine Kolonne mit Füllkörpern bezeichnet.
Beispiele für eine mehrstufige Destillationskolonne mit Böden beinhalten solche wie GIo- ckenböden, Siebböden, Tunnelböden, Ventilböden, Schlitzböden, Sieb-Schlitzböden, Sieb- Glockenböden, Düsenböden, Zentrifugalböden, für eine mehrstufige Destillationskolonne mit Füllkörpern solche wie Raschig-Ringe, Lessing-Ringe, Pall-Ringe, Berl-Sättel, Intalox Sättel und für eine mehrstufige Destillationskolonne mit Packungen wie solche vom Typ Mellapak (Sulzer), Rombopak (Kühni), Montz-Pak (Montz) und Packungen mit Katalysa- tortaschen, beispielsweise Kata-Pak.
Eine Destillationskolonne mit Kombinationen aus Bereichen von Böden, aus Bereichen von Füllkörpern oder aus Bereichen von Packungen kann ebenso verwendet werden.
Die Kolonne (3) kann mit Einbauten ausgestattet sein. Die Kolonne weist vorzugsweise einen Kondensator (12) zur Kondensation des Dampfes und einen Sumpf- Verdampfer (18) auf.
Vorzugsweise weist die Destillationsapparatur mindestens einen Bereich, nachfolgend Re- aktor genannt, auf, in dem mindestens ein Katalysator vorgesehen ist. Dieser Reaktor kann innerhalb der Destillationskolonne liegen. Vorzugsweise wird dieser Reaktor jedoch außerhalb der Kolonne (3) in einem separaten Bereich angeordnet, wobei eine dieser bevorzugten Ausführungsformen in Figur 2 näher erläutert wird.
Um die Umesterungsreaktion in einem separaten Reaktor (8) durchzuführen, kann innerhalb der Kolonne ein Teil der abwärts strömenden flüssigen Phase über einen Sammler aufgefangen und als Teilstrom (4) aus der Kolonne geleitet. Die Position des Sammlers wird durch das Konzentrationsprofil in der Kolonne der einzelnen Komponenten bestimmt. Das Konzentrationsprofil kann hierbei über die Temperatur und/oder den Rücklauf geregelt werden. Der Sammler wird bevorzugt so positioniert, dass der aus der Kolonne herausgeführte Strom beide Reaktanden, besonders bevorzugt die Reaktanden in ausreichend hoher Konzentration und ganz besonders bevorzugt im molaren Verhältnis Säure : Ester = 1,5:1 bis 1 :1,5 enthält. Des Weiteren können mehrere Sammler an verschiedenen Stellen der Destillationskolonne vorgesehen sein, wobei durch die Menge an entnommenen Reaktanden die molaren Verhältnisse eingestellt werden können.
Dem aus der Kolonne abgeführten Strom kann zudem noch ein weiterer Reaktand, beispielsweise Wasser zudosiert werden, um das Produktverhältnis Säure/Ester in der Kreuzumesterungsreaktion einzustellen oder die Selektivität zu erhöhen. Das Wasser kann über eine Leitung von außen zugeführt (in Figur 1 nicht dargestellt) oder aus einem Phasentrenner (13) entnommen werden. Der Druck des mit Wasser angereicherten Stroms (5) kann anschließend über ein Mittel zur Druckerhöhung (6), beispielsweise eine Pumpe, erhöht werden.
Durch eine Erhöhung des Drucks kann eine Bildung von Dampf in dem Reaktor, beispielsweise einem Festbettreaktor vermindert bzw. verhindert werden. Hierdurch kann eine gleichmäßige Durchströmung des Reaktors und Benetzung der Katalysatorpartikel erzielt werden. Der Strom kann durch einen Wärmetauscher (7) geführt und die Reaktionstemperatur eingestellt werden. Der Strom kann dabei je nach Bedarf erwärmt oder gekühlt wer den. Über die Reaktionstemperatur kann zudem das Produktverhältnis Ester zu Säure eingestellt werden.
Im Festbettreaktor (8) findet am Katalysator die Umesterungsreaktion statt. Der Reaktor kann dabei abwärts oder aufwärts durchströmt werden. Der die zu einem gewissen Anteil die Produkte und die nicht umgesetzten Edukte enthaltende Reaktorabstrom (9), wobei der Anteil der Komponenten im Reaktorabstrom von der Verweilzeit, der Katalysatormasse, der Reaktionstemperatur und dem Eduktverhältnis sowie der zugesetzten Wassermenge abhängt, wird zunächst durch einen Wärmetauscher (10) geleitet und auf eine Temperatur eingestellt, die beim Einleiten in die Destillationskolonne vorteilhaft ist. Bevorzugt wird die Temperatur eingestellt, die der Temperatur in der Destillationskolonne an der Stelle des Einleitens des Stroms entspricht.
Die Position, wo der den Reaktor verlassende Strom in die Kolonne zurückgeführt wird, kann dabei ober- oder unterhalb der Position für die Entnahme der Reaktorzuführung liegen, bevorzugt wird jedoch oberhalb. Vor dem Rückführen in die Kolonne kann der Strom über ein Ventil (11) entspannt werden, wobei vorzugsweise das gleiche Druckniveau wie in der Kolonne eingestellt wird. Bevorzugt weist die Destillationskolonne hierbei einen niedrigeren Druck auf. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die Siedepunkte der zu trennenden Komponenten herabgesetzt werden, wodurch die Destillation auf niedrigerem Temperaturniveau, dadurch energiesparender und thermisch schonender durchgeführt werden kann.
In der Destillationskolonne (3) erfolgt dann die Auftrennung des Produktgemisches. Der Niedersieder, bevorzugt der in der Umesterung gebildete Ester, wird über Kopf abgetrennt. Bevorzugt wird die Destillationskolonne so gefahren, dass das vor dem Festbettreaktor zugegebene Wasser ebenfalls als Kopfprodukt abgetrennt wird. Der am Kopf abgezogene, dampfförmige Strom wird in einem Kondensator (12) kondensiert und anschließend in einem Dekanter (13) in die wässrige und Produktesterhaltige Phase aufgetrennt. Die wässrige Phase kann über eine Leitung (15) zur Aufarbeitung ausgeschleust oder vollständig oder teilweise über Leitung (17) als Strom wieder in die Reaktion zurückgeführt werden. Der Strom aus der esterhaltigen Phase kann über Leitung (14) zum Teil als Rücklauf (16) auf die Kolonne gefahren werden oder zum Teil aus der Destille ausgeschleust werden. Der Schwersieder, bevorzugt die in der Kreuzumesterung gebildete Säure, wird als Sumpfstrom aus der Kolonne (19) ausgeschleust.
Durch diese bevorzugte Ausgestaltung gelingt es überraschend die Selektivität der Umsetzung zu erhöhen. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass der Druck der Umsetzung unabhängig vom Druck innerhalb der Destillationskolonnen eingestellt werden kann. Hierdurch kann die Siedetemperatur niedrig gehalten werden, ohne dass die Reaktionszeit bzw. die Verweilzeit entsprechend ansteigt. Darüber hinaus kann die Temperatur der Umsetzung über einen weiten Bereich variiert werden. Hierdurch kann die Reaktionszeit verkürzt werden. Darüber hinaus kann das Volumen an Katalysator beliebig gewählt werden, ohne dass auf die Geometrie der Kolonne Rücksicht genommen werden müsste. Weiterhin kann beispielsweise ein weiterer Reaktand hinzugegeben werden.
Die aus der Reaktion erhaltene α-Hydroxycarbonsäure, beispielsweise Hydroxyisobuttersäure, kann auf bekannte Weise in einem weiteren Schritt E) dehydratisiert werden. Im Allgemeinen wird die α-Hydroxycarbonsäure, beispielsweise die α-Hydroxyisobuttersäure in Gegenwart mindestens eines Metallsalzes, beispielsweise von Alkali- und/oder Erdalkalimetallsalzen, auf Temperaturen im Bereich von 160-3000C, besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 240 0C erhitzt, wobei im Allgemeinen die (Meth)acrylsäure sowie Wasser erhalten werden. Zu den geeigneten Metallsalzen gehören u.a. Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Calciumhydroxid, Bariumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Natriumsulfit, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Strontiumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Natriumbicarbonat, Natriumacetat, Kaliumacetat und Natriumdihydrogenphosphat.
Die Dehydratisierung der α-Hydroxycarbonsäure kann vorzugsweise bei einem Druck im Bereich von 0,05 bar bis 2,5 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bar bis 1 bar durchgeführt werden. Die Dehydratisierung von α-Hydroxycarbonsäuren ist beispielsweise in DE-A- 176 82 53 beschrieben.
Die so erhaltene (Meth)acrylsäure kann wiederum zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten eingesetzt werden. Des Weiteren ist (Meth)acrylsäure ein Handelsprodukt. Überraschend kann dementsprechend das Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten ebenfalls dazu dienen, (Meth)acrylsäure herzustellen, wobei das Produktverhältnis von Alkyl(meth)acrylaten zu (Meth)acrylsäure durch die Konzentration an Wasser bei der Umesterung des α-Hydroxycarbonsäurealkylesters und/oder durch die Reaktionstemperatur leicht reguliert werden kann.
Nachfolgend soll die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Beispiel 1
Anzuchtbedingungen
Die Vorkulturen wurden innerhalb von 24 h unter Schütteln bei 300C in einem Volumen von 5 ml in Glasröhrchen angezogen. Mit 1 ml der Vorkultur wurden 100 ml der 15 Hautkultur angeimpft und 42 h bei 25°C in einem Erlenmeyerkolben mit einem Gesamtvolumen von 1000 ml geschüttelt.
Figure imgf000033_0001
Figure imgf000034_0001
Beispiel 2
Isolierung und Identifizierung der Mikroorganismen
Die beiden Stämme MA32 und MAl 13 wurden durch Bestimmung der Nitrilhydratase- Aktivität der Ruhezellen in Gegenwart von 2 mM Kaliumcyanid selektiert.
Eigenschaften von MA32:
Zellform Stäbchen
Breite 0,6 - 0,8 um
Länge 1,5 - 3,0 um
Beweglichkeit +
Geißeln polar > 1
Gram-Reaktion Lyse durch 3% KOH +
Aminopeptidase (Cerny) +
Oxidase +
Katalase +
Wachstum bei 4 FC
Substratverwertung
Adipat
Citrat +
Malat +
Phenylacetat
D-Glucose +
Maltose
Mannitol +
Arabinose +
Mannose +
Trehalose +
Sorbitol +
Erythro 1 +
Citraconat +
Inositol +
ADH +
Urease
Hydrolyse von Gelatine +
Hydrolyse von Esculin +
Levan aus Saccharose + Denitrifϊcation +
Lecithinase +
Fluoreszens +
Pyocyanin
Das Profil der zellulären Fettsäuren ist typisch für die Gruppe I der Pseudomonaden.
Die Analyse eines 484 bp langen Abschnitts der 16S rRNA ergab eine 100%-ige Überein- Stimmung mit der Sequenz von Pseudomonas marginalis.
Unter Berücksichtigung aller Daten konnte MA32 als Pseudomonas marginalis identifiziert werden.
Eigenschaften von MAl 13 :
Zellform Stäbchen
Breite 0,6 - 0,8 um
Länge 1,5 - 3,0 um
Beweglichkeit +
Geißeln polar > 1
Gram-Reaktion
Lyse durch 3% KOH +
Aminopeptidase (Cerny) +
Oxidase +
Katalase +
Wachstum bei 4 FC Substratverwertung
Adipat -
Citrat +
Malat +
Phenylacetat +
D-Glucose +
Maltose -
Mannitol -
Arabinose -
Mannose -
Trehalose -
Inositol - ß-Alanin + α-Ketoglutarat +
Benzylamin +
Hippurat +
Azelat +
D-Mandelat +
ADH +
Urease
Hydrolyse von Gelatine Hydrolyse von Esculin
Levan aus Saccharose Denitrifϊcation
Lecithinase Fluoreszens +
Pyocyanin
Das Profil der zellulären Fettsäuren ist typisch für die Gruppe I der Pseudomonaden.
Die Analyse eines 476 bp langen Abschnitts der 16S rRNA ergab eine 100%-ige Überein- Stimmung mit der Sequenz von Pseudomonas putida.
Unter Berücksichtigung aller Daten konnte MA32 als Pseudomonas putida identifiziert werden.
Beispiel 3
Einfluß von Cyanid auf die Aktivität der Nitrilhydratase
Die Zellen wurden wie in Beispiel 1 beschrieben angezogen, durch Zentrifugation vom Kulturmedium abgetrennt und im Standardpuffer (50 mM Kaliumphosphatpuffer pH 7,5) resuspendiert. 50 μl dieser Zellsuspension Zellsuspension wurden zu 700 ul des Standardpuffers gegeben, der 0; 21,4; 53,6 und 107,1. mM Kaliumcyanid enthielt (Endkonzentration 0, 20, 50, 100 mM Cyanid. Zum starten der Reaktion wurden 200 μl einer 200 mM Lösung des Nitrils im Standardpuffer zugesetzt, der jeweils die selbe Cyanidkonzentration aufwies wie die übrige Reaktionslösung. Die Konzentration der Zellen in der Zellsuspension war hierbei so bemessen, daß das Nitril im Ansatz ohne Cyanid nach 10 min bei 200C zu 16 % umgesetzt war. Nach 10 min bei 200C wurde die Reaktion durch Zugabe von 20 μl halbkonzentrierter Phosphorsäure abgestoppt und die Zellen wurden durch Zentrifugation abgetrennt.
Die Aktivität von einem U ist definiert als die Menge an Enzym, die 1 μmol Methacrylnitril in einer Minute zum Amid umsetzt. Entstand neben dem Amid auch die Säure, wurde ein U definiert als die Menge an Enzym, die 1 μmol Methacrylnitril in einer Minute zu Amid und Säure umsetzt.
Der Umsatz wurde durch HPLC-Analyse ermittelt. Hierfür wurde eine Säule mit Intersil ODS-3V (GL Sciences Inc.) eingesetzt, wobei als mobile Phase war ein Gemisch aus 10 mM Kaliumphosphatpuffer pH 2,3und Acetonitril im Verhältnis 85:15 verwendet wurde. Die Flussrate betrug 1 ml/min. Die Detektion erfolgte mittels UV bei 200nm.
In Abbildung 3 und Abbildung 4 werden die relativen Aktivitäten für die Umsetzung von Methacrylnitril in Abhängigkeit von der Cyanidkonzentration wiedergegeben.
Beispiel 4
Umsetzung von Acetoncyanhydrin mit Pseudomonas marginalis MA.32 und Pseudomonas putida MA 113 Ruhezellen
Pseudomonas marginalis MA32 und Pseudomonas putida MAl 13 Zellen wurden wie in Beispiel 1 beschrieben angezogen und abzentrifugiert. Eine solche Menge der Zellen, die 1,16 g Biotrockenmasse enthielt, wurde mit 50 mM Kaliumphosphatpuffer pH 8,0 auf ein Endvolumen von 50 ml verdünnt. Zusätzlich wurden dem Reaktionsgemisch 0,02 mM 2-Methyl-l-propanboronsäure zugesetzt. Frisch destilliertes Acetoncyanhydrin wurde bei 4°C unter heftigem Rühren kontinuierlich mit einer solchen Rate zugegeben, dass die Konzentration während der Reaktion 5 g/L zu keinem Zeitpunkt überschritt. Der pH- Wert wurde konstant .bei 7,5 gehalten. Die Reaktionsverfolgung wurde mittels HPLC wie in Beispiel 3 beschrieben durchgeführt. Nach 140 min waren 10,0 g des Nitrils vollständig zu 10,7 g Amid und 1,4 g Säure umgesetzt worden.
In Abbildung 5 und Abbildung 6 wird der mit den Stämmen MAl 13 und M A31 erzielte zeitliche Reaktionsablauf dargestellt. Beispiel 5
In einer in Fig. 2 dargelegten Reaktivdestille wurden über einen Zeitraum von 48 Stunden 4619 g α-Hydroxyisobuttersäuremethylester (HIBSM) sowie 3516 g Methacrylsäure (MAS) zugeführt. Die Reaktion wurde bei einer Temperatur von 1200C und einem Druck von 250 mbar durchgeführt. Entstandene α-Hydroxyisobuttersäure wurde aus dem Sumpf entfernt. Methylmethacrylat (MMA) wurde abdestilliert. Die Reaktion wurde in Gegenwart von 16 Gew.-% Wasser, bezogen auf das Gewicht an α-Hydroxyisobuttersäuremethylester, durchgeführt. Die Umsetzung wurde unter Verwendung eines sauren Katalysators durchgeführt (Kationenaustauscher; Lewatit®-Typ K2431 von Bayer).
Die als das Verhältnis von gebildeten Stoffmengen an Methylmethacrylat (MMA) und αHydroxyisobuttersäure (HIBS) zu umgesetzten Stoffmengen an HIBSM und MAS definierte Selektivität betrug 99%
Die aus dem Verfahren gewonnene α-Hydroxyisobuttersäure wurde gemäß DE-OS 17 68 253 dehydratisiert.
Insgesamt ergibt sich eine Selektivität von 98,5%, die als das Verhältnis von gebildeter Stoffmenge an MMA zur umgesetzten Stoffmenge an HIBSM definiert ist.
Beispiel 6
Methylmethacrylat wurde hergestellt durch Dehydratisierung von α-Hydroxyisobuttersäuremethylester. Diese Reaktion wurde gemäß EP-A-0941984 durchgeführt. Eine Mischung von 20 g Natriumdihydrogenphosphat und 80 g Wasser wurden zu 60 g Silikagel zugegeben. Das Wasser wurde aus der Mischung unter einem reduzierten Druck entfernt. Der Rückstand wurde über Nacht bei 1500C getrocknet, um einen Katalysator zu erhalten. 10 g des erhaltenen Katalysators wurden in eine Quarzröhre gegeben, der mit einem Verdampfer ausgestattet war. Die Quarzröhre wurde mit einem Ofen erhitzt, wobei die Temperatur der Katalysatorschicht etwa 4000C betrug. Eine Mischung von Methanol und α-Hydroxyisobuttersäuremethylester (2:1) wurden kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 10 g pro Stunde verdampft und über die Katalysatorschicht geleitet. Die als das Verhältnis von gebildeter Stoffmenge an MMA zur umgesetzten Stoffmenge an HIBSM definierte Selektivität der Umsetzung betrug 88 %.
Beispiele 7 bis 23
Das Beispiel 1 wurde im Wesentlichen wiederholt, wobei jedoch der Reaktionsmischung kein Wasser hinzugegeben wurde. Die Umsetzung erfolgte unter den in der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen, insbesondere hinsichtlich der Temperatur, Verweilzeit und molarem Verhältnis der Edukte. Die als das Verhältnis von gebildeten Stoffmengen an MMA und HIBS zu umgesetzten Stoffmengen an HIBSM und MAS definierte Selektivität der Umsetzungen ist ebenfalls in Tabelle 1 dargelegt.
Tabelle 1
Figure imgf000041_0001
Figure imgf000042_0001
Figure imgf000043_0001
Figure imgf000044_0001
Figure imgf000045_0001
Figure imgf000046_0001
Figure imgf000047_0001
Figure imgf000048_0001
Figure imgf000049_0001
Figure imgf000050_0001

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt aufweist, bei dem ein Cyanhydrin mit einem Enzym hydrolysiert wird, dessen Restaktivität nach der Umsetzung von Methacrylnitril in
Gegenwart von 20 mM Cyanidionen bei 200C nach 30 min. mindestens 90 % der Restaktivität des Enzyms beträgt, das unter ansonsten denselben Bedingungen in Abwesenheit von Cyanidionen eingesetzt wurde.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Restaktivität nach der Umsetzung in Gegenwart von 50 mM Cyanidionen mindestens 60 % beträgt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das Enzym produzierende und enthaltende Mikroorganismen oder deren Lysat einsetzt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man ruhende Zelle des Mikroorganismus einsetzt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das gereinig- te Enzym einsetzt.
6. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Enzym aus Mikroorganismen der Gattung Pseudomonas stammt.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Enzym aus Mikroorganismen der Gattung Pseudomonas stammt, hinterlegt unter der Nummer DSM 16275 und DSM 16276.
8. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Hydrolyse des Cyanhydrins in Gegenwart von Blausäure oder einem Salz der Blausäure durchführt.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die Hydrolyse des
Cyanhydrins in Gegenwart einer Anfangskonzentration von mehr als 0,5 mol% Cyanid bis 3 mol% Cyanid, bezogen auf das eingesetzte Cyanhydrin, durchführt.
10. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Cyanhydrin 2-Hydroxy-2-methylpropionitril oder 2-
Hydroxypropionitril ist.
11. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrolysereaktion in Gegenwart einer Carbonylverbindung durch- geführt wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Carbonylverbindung im Bereich von 0,1 bis 6 Mol pro Mol Cyanhydrin liegt.
13. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Cyanhydrins im Bereich von 0,02 bis 10 w/w%, bezogen auf die Menge des Biokatalysators als getrocknete Zellmasse, liegt.
14. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Hydrolysereaktion bei einer Temperatur im Bereich von -5 bis 500C durchgeführt wird.
15. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrolysereaktion bei einem Druck im Bereich von 0,1 bar bis 10 bar durchgeführt wird.
16. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Cyanhydrin durch Umsetzung eines Ketons oder Aldehyds mit Blausäure in Gegenwart eines basischen Katalysators erhalten wird.
17. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst
A) Bildung mindestens eines Cyanhydrins durch Umsetzung mindestens einer Carbonylverbindung mit Blausäure; B) Hydrolyse des Cyanhydrins bzw. der Cyanhydrine unter Bildung mindestens eines αHydroxycarbonsäureamids;
C) Alkoholyse des α-Hydroxycarbonsäureamids bzw. der α-Hydroxycarbonsäureamide, wobei mindestens ein α-Hydroxycarbonsäurealkylester erhalten wird;
D) Umesterung des α-Hydroxycarbonsäurealkylesters bzw. der α-Hydroxycarbonsäurealkylester mit (Meth)acrylsäure, wobei mindestens ein Alkyl(meth)acrylat und mindestens eine α-Hydroxycarbonsäure gebildet werden;
E) Dehydratisierung der α-Hydroxycarbonsäure bzw. der α-Hydroxycarbonsäuren, wobei (Meth)acrylsäure gebildet wird.
18. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Methylmethacrylat hergestellt wird.
PCT/EP2007/059033 2006-11-22 2007-08-30 Verfahren zur herstellung von alkyl(meth)acrylaten unter verwendung einer enzymatischen cyanhydrinhydrolyse WO2008061820A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2007324721A AU2007324721A1 (en) 2006-11-22 2007-08-30 Process for preparing alkyl (meth)acrylates using an enzymatic cyanohydrin hydrolysis
US12/441,145 US20100021977A1 (en) 2006-11-22 2007-08-30 Process for preparing alkyl (meth)acrylates using an enzymatic cyanohydrin hydrolysis
CA002670421A CA2670421A1 (en) 2006-11-22 2007-08-30 Process for preparing alkyl (meth)acrylates using an enzymatic cyanohydrin hydrolysis
BRPI0718994-0A BRPI0718994A2 (pt) 2006-11-22 2007-08-30 Processo para preparar de (met) acrilatos de alquila utilizando hidrólise enzimática de ciano-hidrina.
MX2009005391A MX2009005391A (es) 2006-11-22 2007-08-30 Proceso para elaborar (met) acrilatos de alquilo utilizando una hidrolisis de cianohidrina enzimatica.

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006055426.4 2006-11-22
DE102006055426A DE102006055426A1 (de) 2006-11-22 2006-11-22 Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten unter Verwendung einer enzymatischen Cyanhydrinhydrolyse

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008061820A1 true WO2008061820A1 (de) 2008-05-29

Family

ID=38740302

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/059033 WO2008061820A1 (de) 2006-11-22 2007-08-30 Verfahren zur herstellung von alkyl(meth)acrylaten unter verwendung einer enzymatischen cyanhydrinhydrolyse

Country Status (11)

Country Link
US (1) US20100021977A1 (de)
CN (1) CN101186935A (de)
AU (1) AU2007324721A1 (de)
BR (1) BRPI0718994A2 (de)
CA (1) CA2670421A1 (de)
DE (1) DE102006055426A1 (de)
MX (1) MX2009005391A (de)
RU (1) RU2009123373A (de)
TW (1) TW200837195A (de)
WO (1) WO2008061820A1 (de)
ZA (1) ZA200903528B (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016210285A1 (de) 2016-06-10 2017-12-14 Evonik Röhm Gmbh Verfahren zur Herstellung von Methacrylaten und Methacrylsäure

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007015583A1 (de) * 2007-03-29 2008-10-02 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Ein Enzym zur Herstellung von Methylmalonyl-Coenzym A oder Ethylmalonyl-Coenzym A sowie dessen Verwendung
AT506077B1 (de) * 2008-01-29 2009-06-15 Andritz Ag Maschf Abwärmenutzung in der trockenpartie von papiermaschinen
DE102008002715A1 (de) * 2008-06-27 2009-12-31 Evonik Röhm Gmbh 2-Hydroxyisobuttersäure produzierende rekombinante Zelle
DE102008040193A1 (de) * 2008-07-04 2010-01-07 Evonik Röhm Gmbh Verfahren zur Herstellung freier Carbonsäuren
DE102008044218A1 (de) 2008-12-01 2010-06-02 Evonik Röhm Gmbh Verfahren zur Herstellung von einem Carbonsäureamid aus einer Carbonylverbindung und Blausäure
DE102009046623A1 (de) 2009-11-11 2011-05-12 Evonik Röhm Gmbh Verwendung eines zu einem MeaB-Protein homologen Proteins zur Erhöhung der enzymatischen Aktivität einer 3-Hydroxycarbonsäure-CoA-Mutase
DE102013000602A1 (de) 2013-01-16 2014-07-17 Evonik Industries Ag Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure
GB2524310A (en) * 2014-03-20 2015-09-23 Lucite Int Uk Ltd A method of preventing polymer tar build-up in ACH production of MMA and MAA
US10392120B2 (en) * 2016-04-19 2019-08-27 General Electric Company Propulsion engine for an aircraft
CN109479363B (zh) * 2016-06-03 2020-12-22 路创技术有限责任公司 用于控制电负载的多个操作特性的控制装置
GB201619827D0 (en) * 2016-11-23 2017-01-04 Lucite Int Uk Ltd Process for the production of methyl methacrylate
FR3079498B1 (fr) 2018-03-30 2020-06-19 Airbus Operations Unite de propulsion a helice comprenant un moteur thermique et un moteur electrique et aeronef comportant une telle unite de propulsion a helice

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4529816A (en) * 1984-02-13 1985-07-16 E. I. Du Pont De Nemours And Company Process for producing alkyl methacrylates
EP0773297A2 (de) * 1995-11-10 1997-05-14 Nitto Chemical Industry Co., Ltd. Verfahren zur Herstellung eines alpha-Hydroxy-säure oder eines alpha-Hydroxy-amids mittels Mikroorganismen
WO2003066815A2 (en) * 2002-02-05 2003-08-14 E.I. Du Pont De Nemours And Company Method for producing 2-hydroxyisobutyric acid and methacrylic acid from acetone cyanohydrin

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05244968A (ja) * 1991-08-16 1993-09-24 Mitsui Toatsu Chem Inc α−ヒドロキシイソブチルアミドの製造法
JPH11255710A (ja) * 1998-03-11 1999-09-21 Mitsubishi Gas Chem Co Inc メタクリル酸メチルの製造方法
DE10034194A1 (de) * 2000-07-13 2003-09-11 Roehm Gmbh Verfahren zur Herstellung von Cyanwasserstoff
JP2002325587A (ja) * 2001-03-02 2002-11-12 Daicel Chem Ind Ltd ニトリルヒドラターゼ、およびアミドの製造方法
JP4672914B2 (ja) * 2001-06-15 2011-04-20 ダイセル化学工業株式会社 アミド化合物の製造方法
DE10200171A1 (de) * 2002-01-04 2003-07-10 Roehm Gmbh Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten
DE10301007A1 (de) * 2003-01-13 2004-07-22 Röhm GmbH & Co. KG Verbessertes Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten mit mehrfacher Katalysatorrezyklierung.
DE10347888A1 (de) * 2003-10-10 2005-06-30 Degussa Ag Verfahren zur Herstellung von enantiomerenangereicherten alpha-Hydroxycarbonsäuren bzw. -amide
DE102004013847A1 (de) * 2004-03-20 2005-10-06 Degussa Ag Cyanidtolerante Nitrilhydratasen
DE102004013824A1 (de) * 2004-03-20 2005-10-13 Degussa Ag Nitrilhydratasen aus Rhodococcus opacus
DE102005023975A1 (de) * 2005-05-20 2006-11-23 Röhm Gmbh Verfahren zur Herstellung von Alkyl(meth)acrylaten
DE102005023976A1 (de) * 2005-05-20 2006-11-23 Röhm Gmbh Verfahren zur Umesterung
DE102005043719A1 (de) * 2005-09-13 2007-03-15 Röhm Gmbh Vorrichtung und Verfahren für kontinuierlich durchgeführte Gleichgewichtsreaktionen
DE102006029318B3 (de) * 2006-06-23 2007-10-11 Röhm Gmbh Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von ungesättigten Carbonsäureanhydriden

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4529816A (en) * 1984-02-13 1985-07-16 E. I. Du Pont De Nemours And Company Process for producing alkyl methacrylates
EP0773297A2 (de) * 1995-11-10 1997-05-14 Nitto Chemical Industry Co., Ltd. Verfahren zur Herstellung eines alpha-Hydroxy-säure oder eines alpha-Hydroxy-amids mittels Mikroorganismen
WO2003066815A2 (en) * 2002-02-05 2003-08-14 E.I. Du Pont De Nemours And Company Method for producing 2-hydroxyisobutyric acid and methacrylic acid from acetone cyanohydrin

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016210285A1 (de) 2016-06-10 2017-12-14 Evonik Röhm Gmbh Verfahren zur Herstellung von Methacrylaten und Methacrylsäure

Also Published As

Publication number Publication date
MX2009005391A (es) 2009-06-02
DE102006055426A1 (de) 2008-05-29
US20100021977A1 (en) 2010-01-28
ZA200903528B (en) 2010-03-31
RU2009123373A (ru) 2010-12-27
CA2670421A1 (en) 2008-05-29
BRPI0718994A2 (pt) 2014-02-11
CN101186935A (zh) 2008-05-28
AU2007324721A1 (en) 2008-05-29
TW200837195A (en) 2008-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2008061820A1 (de) Verfahren zur herstellung von alkyl(meth)acrylaten unter verwendung einer enzymatischen cyanhydrinhydrolyse
EP1888503B1 (de) Verfahren zur herstellung von alkyl(meth)acrylaten
EP1716093B1 (de) Verfahren zur herstellung von alpha-hydroxycarbons uren und deren ester
EP2043994A1 (de) Verfahren zur herstellung von alpha-hydroxycarbonsäuren
EP2294207A2 (de) Verfahren zur stereoselektiven enzymatischen hydrolyse von 5-methyl-3-nitromethylhexansäureester
WO2007131829A1 (de) Verfahren zur herstellung von alpha-hydroxycarbonsäureestern
EP3994120A1 (de) Verfahren zur herstellung von alkylmethacrylaten und optional methacrylsäure
EP2125771B1 (de) Verfahren zur herstellung von tetramethylglycolid
WO2011064259A1 (de) Verfahren zum isolieren eines alkanols aus einer wässrigen biotransformationsbrühe
DE102006022896A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Alpha-Hydroxycarbonsäuren
WO2000011203A1 (de) Enzymkatalysierte racematspaltung von primären aminen
GB1596651A (en) Process for the recovery of laevulinic acid in the form of its internal ester alphaangelica lactone from mixtures of compounds of similar boiling-point
EP0714447A1 (de) Verfahren zur herstellung von (l)-2-chlorpropionsäure und deren salzen
DE102007011706A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Alpha-Hydroxycarbonsäuren
WO2022194590A1 (de) Neues verfahren zur kontinuierlichen herstellung von methacrylsäure durch katalytische hydrolyse von methylmethacrylat
DE102006010254B4 (de) Enzymkatalysierte Hydrolyse von optisch aktivem 2-Hydroxy-4-(methylthio)buttersäurenitril

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07803042

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2007324721

Country of ref document: AU

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12441145

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2007324721

Country of ref document: AU

Date of ref document: 20070830

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2729/CHENP/2009

Country of ref document: IN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: MX/A/2009/005391

Country of ref document: MX

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2670421

Country of ref document: CA

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2009123373

Country of ref document: RU

Kind code of ref document: A

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07803042

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: PI0718994

Country of ref document: BR

Kind code of ref document: A2

Effective date: 20090520