CZ119095A3 - Process for preparing n-methylmorpholinoxide with a low content of nitrosomorpholine - Google Patents

Description

Způsob přípravy nitrosomorfolinu

Oblast techniky roztoků

7,

N-methylmorfolinoxidu s > Λ fi> . <=

Vynález se týká způsobu přípravy roztoků N-methylmorfolinoxidu (NMMO) s nízkým obsahem nitrosomorfolinu (NOMOR), který se používá k přípravě celulosových vláken. K tomuto účlu se používá roztok obsahující 50 až.60 % hmot.N- methylmorfolinoxidu s obsahem do 300 ppb nitrosomorfolinu.

Fyzikální rozpouštění celulósy spolu s jednoduchou a kvantitativní regenerací rozpouštědla je ve srovnání s viskózovou technologií výroby vlákna radikální inovací, zejména z hlediska ochrany pracovního a životního prostředí.

Dosavadní stav techniky

I

NMMO se vyrábí reakcí N-methylmorfolinu (NMM) s peroxidem vodíku podle rovnice I.

Reakce probíhá vzhledem k oběma reaktantům s téměř kvantitativním výtěžkem. Patentová literatura se proto zaměřuje na kvalitu vyráběného NMMO.

V patentu firmy Eastman Kodak Co. (US 3 447 939, SRN 1694048 2.9.1966) zaměřeného na použití oxidů cyklických aminů jako rozpouštědla makromolekulárních látek se popisuje příprava oxidů cyklických terciárních aminů, mezi nimi na prvním místě NMMO. Při oxidaci aminu se pracuje s poměrem H2O2 /amin = 0,98. V příkladu přípravy NMMO jě chybný údaj o navážce peroxidu, podle kterého by byl molární poměr H2O2 /amin = 0,83, přičemž výtěžek oxidu na peroxid je vysoko přes 100 %. Všechny další údaje v patentu svědčí o aplikaci téměř ekvimolekulárního poměru reagujících látek.

Do NMM obsahujícího 8 % hnot. vody se v průběhu 4 až 5 hodin vnese 35ti %ní roztok H2O2 při teplotě 67 až 72 θθ. Pak byla směs udržována při reakční teplotě ještě 2 hodiny a po vychladnutí byl přebytek peroxidu rozložen enzymem katalázou. Žlutý olej byl odvodněn azeotropickou rektifikaci s benzenem a bezvodý NMMO byl rs o

•J

C7.

,L_ cn pak nalit do výtěžku 89,6 acetonu, přičemž se % počítáno na NMM.

vyloučily krysTaly -NMMG—ve Zbytek NMMO a nečistoty pravděpodobně zůstávají v matečném roztoku.

Podobný postup popisuje Čs. AO 218 714, kde se též pracuje s poměrem H202/amin = 0,98 a teplotě 67 až 72 θθ. Rozdíl od patentu Eastman Kodak Co. je jen v tom, že se reakční směs nejprve extrahuje acetonem, čímž se zbaví nezreagovaného NMM a pak se teprve odvodňuje rektifíkaci s benzenem. Tím se však ztrácí efekt čištění NMMO krystalizaci.

Pro výrobu vláken se používají vodné roztoky NMMO a je proto účelné se při přípravě NMMO vyhnout odvodňování a krystalizaci. Je však třeba i bez krystalizace připravit dostatečně čistý roztok NMMO.

Jedním z požadavků na kvalitu NMMO je zbarvení roztoku. Při postupu podle US 3 447 939 se získá oranžový roztok NMMO. V patentovém spisu NDR 254 199 se zdůrazňuje, že při výrobě roztoku NMMO se světlým zbarvením se musí reakční teplota udržovat v rozmezí + 1 K a roztok H2O2 se musí do reakční směsi jemně dispergovat, např. pomocí trysky. Pracuje se s ekvimolekulárním poměrem reaktantů při teplotě 69 až 72 θθ.

Podle dalšího patentu stejné skupiny autorů (NDR 259 863) se do 90 % hmot. NMM zavádí po dobu 3,5 hodin 48 %ní roztok H2O2 při 75 ®C a pak se směs míchá dalších 5 hodin. Pracuje se se stechiometrickým poměrem reaktantů. Reakční směs se pak propouští čtyřmi kolonami plněnými katexem, přičemž se před vstupem do 4. kolony přidává k reakční směsi kyselina fosforečná. Na katexu se zřejmě zachycuje nezreagovaný NMM.

V patentovém spisu firmy Huls AG (EP 0 254 803) se uvádí, že se čistota NMMO zvýší, jestliže se výchozí NMM nejprve j_e_kti_f iku.Te_s^—vodou—^a-—74 ^nf—azeotrop^—který—se—pak—oxiduj e^

Vliv rektifikace NMM před oxidací na čistotu NMM je pochopitelný, protože NMM stejně jako jiné terciární aminy při skladování žloutne působením vzdušného kyslíku. Je ovšem otázkou, zda je vyčištění výchozí látky před >chemickou reakcí vůbec patentovatelné. V příkladu se NMM rektifikuje se stejným množstvím vody na koloně. Do získané azeotropické směsi se během dvou hodin vnesl 35 % hmot.H202 v poměru H202/amin - 0,82. Pak se

7 9'i0 při 68 směs míchala ještě 6 hodin. Nakonec se za vakua oddestiloval nezreagovaný NMM a část vody tak, aby roztok obsahoval 60 % hmot. NMMO. Získaný roztok NMMO obsahuje 2 ppm ^2θ2’ θ’¹ hmot. NMM a číslo kyselosti je 0,1 mg KOH/g. Roztok je nažloutlý. Citovaný patentový spis chrání molární poměr H2O2/NMM = 0,75 až 0,90, což zajišťuje úplné proreagování peroxidu. Odstranění nezreagovaného NMM vakuovou destilací je snadné.

Již v r. 1967 byl patentován (US 3 333 000) postup na výrobu trialkylaminoxidů, zejména triethylaminoxidu, při kterém se oxidaceaminu peroxidem vodíku katalyzuje alkalickým hydrogenuhličitanem a alkalickým polyfosfátem. Polyfosfáty a jiné chelatizační látky brání rozkladu peroxidu na vodu a kyslík. Při oxidaci triethylaminu bez uvedeného katalytického systému byl výtěžek oxidu na H2O2 jen 30,8 %, za přítomnosti katalyzátorů byl výtěžek teoretický.

Největší význam mají oxidy terciárních aminů s jedním dlouhým uhlíkatým řetězcem (zejména dimethyllaurylaminu) používané jako tenzidy. Bylo zjištěno, že při oxidaci těchto aminů peroxidem. vodíku má oxid uhličitý větší-katalytický efekt < než hydrogenuhličitan (US 4 247 480, 1981). Obsah CO2 má být 0,01 až 2 % hmot. počítáno na terciární amin. Zároveň se přidávají stabilizátory peroxidu jako jsou polyfosfáty, ethylendiamintetraoctová kyselina (EDTA), stanáty aj. Pracuje se s poměrem HzOz/amin = 1,05 až 1,1, protože mastný amin se nedá od roztoku oxidu oddělit a musí úplně zreagovat.

Francouzský patent 2 632 638 (1988) chrání použití CO2 jako katalyzátoru při oxidaci terciárních aminů peroxidem vodíku, přičemž první· bod předmětu vynálezu je shodný s US 4 247 480, který není v přehledu dosavadních poznatků uveden. Příklady jsou zaměřeny na triethylaminoxid.

V poslední době se kvalita oxidů hodnotí podle obsahu nitrosaminů, který kolísá v rozmezí 50~ažlO 000^ppb? Při“oxidaci dimethyllaurylaminu vzniká karcenogenní dimethylnitrosamin a dále N-nitroso-N-methyllaurylamin. Při přípravě NMMO vzniká hlavně Nnitrosomorfolin (NOMOR).

První postup na přípravu aminoxidu s nízkým obsahem nitrosaminů popisuje EP307184 (8.9.1987) firmy Ethyl Corporation.

Podle patentu se terciární aminy oxidují peroxidem vodíku za přítomnosti C0₂ při teplotě nižší než 45 ®C. Zatímco za přítomnosti C0₂ při teplotě 65 °C a 10 %ním přebytku H₂0₂ byl záskán produkt s obsahem 96 ppb dimethylnitrosaminu, při teplotě pod 40 ^UC byl obsah nitrosaminů pod mezi detekce. Doporučuje se 3 až 7 % hmot. C0₂ na hmotnost aminu. Je možno namítnout, že již v patentu US 4 247 480 je popsána příprava oxidů za přítomnosti C0₂ při 40 až 80 θθ.

Další

22.11.1988) přítomnosti synergický poměr H₂O₂ teplota je koncentrace patent firmy Ethyl Corporation (EP 320 694, chrání přípravu oxidů terciárních aminů za

C0₂ a askorbové kyseliny, přičemž obě příměsi mají efekt na snížení obsahu nitrosaminů. Doporučuje se /amin = 1,0 až 1,5, preferuje se 1,1 až 1,2. Reakční až 100 ®C, preferována je teplota 45 až 75 ®C,

C0₂ 0,05 až 5 % počítáno na hmotnost aminu, a stejný je i-;obsah askorbové kyseliny. Jsou uvedeny 3 srovnávací pokusy.

pouze C0₂ pouze AK oba dimethylnitrosamin 96 37 nedetek.

methyldodecylnitrosamin nedetek. 216 nedetek.

Další patent firmy Ethyl Corporation (EP 356 918, 29.8.1988) chrání přípravu aminoxidů prostých nitrosaminů oxidací terciárních aminů peroxidem vodíku za přítomnosti kovového titanu. Bez titanu i bez C0₂ se získá z dimethyllaurylaminu 30ti %ní roztok oxidu obsahující asi 700 ppb obou nitrosaminů, za přítomnosti titanového plechu obsahuje roztok oxidu 310 ppb nitrosaminů, za přítomnosti C0₂ 96 ppb a při účinku obou byl obsah nitrosaminů pod mezí detekce 10 ppb.

Poslední z řady patentů firmy Ethyl Corporation (EP 426 084,

0.10.1989) popisu j e_ p_ř_lpravuam i noxj_dů_za—př-í-tomrio stw—CO₂_ zředěného nejméně stejným objemem inertního plynu. Při obsahu 60 % hmot. C0₂ a více v plynu nad reakční směsí se získá oranžový produkt, při použití plynu s obsahem 20 až 40 % hmot.C0₂ je roztok oxidu pouze nažloutlý.

Firma Albright and Vilson Limited chrání (GB 2 252 320,

2.2.1991) stabilizaci roztoků aminoxidů vůči tvorbě nitrosaminů při výrobě i skladování přídavkem 2,5 až 20 % hmot.

hydrógenuhličitanu nebo uhličitanu počítáno na hmotnost aminu. Oxid uhličitý prý nechrání před tvorbou nitrosaminů dokonale.

Při oxidaci se doporučuje zabránění rozkladu peroxidu obsah NO skupin. Při oxidaci zejména při skladování roztoků, přidávat chelatotvorné látky k vodíku. V příkladech je udáván terciárního aminu obchodní značky Empigen AB při poměru ř^C^/amin = 0,9 při 40 θθ, za pří dávku 0,4 % hmot. sodné soli EDTA byla získána následující závislost % hmot. ppb NO

NaHCOi na amin

0,71

611

1,8

406

3,6

237

7,15

Další patent stejné firmy (EP 553 800, 31.1.1992) popisuje synergický efekt hydrogenuhličitanu nebo uhličitanu a organického fosfonátu. Patent chrání koncentraci hydrogenuhličitanu 0,05 až 20 % hmot.a fosfonátu 0,005 až 5 % hmot. na hmotnost terciárního aminu. Jako účinné fosfonáty se uvádějí aminotrismethylenfosfonát, ethylendiaminotetrakismethylenfosfonát aj. Při oxidaci je účelné přidávat chelatizační činidla, která stabilizují peroxid vodíku a urychlují oxidaci, avšak nemají vliv na tvorbu nitrosaminů. Při kombinaci 0,1 % hmot. fosf onátu a 1 % hmot. NaHCO^ na amin.a při stechiometrickém poměru H₂O₂/amin byl získán roztok dimethyllaurylaminoxidu s obsahem nitrososkupin 34 ppb.

Firma BASF ve svém patentu (EP 545 208, 6.12.1991) uvádí, že obsah nitrosaminů v roztoku oxidu závisí na obsahu primárních a sekundárních aminů ve výchozím terciárním aminu. Patent chrání postup, při kterém se vychází z terciárních aminů, které obsahují méně než 0,05 % hmot. primárních a sekundárních aminů. S výhodou se nežádoucí aminy odstraňují přídavkem reagentů jako_r jsou acylhalogenidy, anhydridy kyselin, sulfonylhalogenidy aj. Uvedený patent BASF jako jediný popisuje přípravu NMMO s nízkým obsahem Ve srovnávacím pokusu byl oxidován methylmorfolin s % hmot. primárních a sekundárních aminů. Během dvou hodin byl při 70 θθ vnešen~’30^-%~hnfóť\ roztok H^O^s^molárnínr poměrem H2O2/WIM = 0,9. Pak byla směs míchána ještě 7 hodin pří 70°C. Nezreagovaný NMM byl oddestilován za tlaku 10 kPa a získal se tak 57 % hmot. roztok NMMO, který obsahoval 3100 ppb nitrosaminů. Jestliže byl NMMO připraven z NMM přečištěného destilací na obsah 0,02 % hmot. primárních a sekundárních aminů, pak obsahoval pod nitrosaminů. obsahem 0,3 ppb nitrosaminů.

Stejný efekt byl docílen, jestliže se před oxidací přidal k výchozímu N-methylmorfolinu acetanhydrid v množství 0,0045 mol na mol NMM a směs se nechala 1 hodinu reagovat.

Podstata vynálezu

Způsob přípravy 50 až 60% hmot. roztoku NMMO s obsahem 100 až 300 ppb NOMOR oxidací směsi NMM s vodou roztokem peroxidu vodíku při teplotě 55 až 70 θϋ podle vynálezu spočívá v tom, že se pracuje s molárnim poměrem H₂0₂ /NMM = 0,4 až 0,7, s výhodou 0,5 až 0,65, přičemž se roztok peroxidu zavádí do roztoku aminu po dobu až 5 hodin a směs se pak nechá při reakční teplotě doreagovat až 5 hodin.

Z reakční směsi se nezreagovaný NMM odstraní vakuovou rektifikací.

N-methylmorfolin se při oxidaci peroxidem vodíku značně liší od trialkylaminů. I bez chelatizačních činidel se peroxid nerozkládá a reakce probíhá při 60 až 70 C dostatečně rychle a selektivně i bez katalyzátorů.

Experimentálně bylo zjištěno, že při molárnim přebytku H₂0₂ vůči ..NMM vyšším než 0,7 se již obtížně zajistí požadovaný NMMO s obsahem NOMOR pod 300 ppb. Naše experimenty nepotvrzují údaj patentu BASF (EP 545 208), že při poměru H₂O₂ /NMM = 0,9 se získá NMMO s obsahem pod 50 ppb nitrosaminů v případě, že obsah primárních a sekundárních aminů ve výchozím NMM je pod 0,05 % hmot. U NMM se jedná především o přítomnost morfolinu. V našich pokusech jsme pracovali vždy s NMM, který obsahoval pod 0,02 % hmot. morfolinu a za podmínek patentuBASF vznlkalo 500ažl000ppb NOMOR. Ostatnč sedomníváme, že čistota výchozí látky je těžko patentovatelný význak. Podle našich experimentů se obsah volného morfolinu projeví velmi extrémně na tvorbě nitrosaminů v případě, že je kombinován s vysokým molárním poměrem H₂0₂ /NMM. Např. při obsahu morfolinu v NMM 0,5 % hmot. a při molárnim poměru H₂0₂/amin = 1,05, jaký popisují patenty zaměřené na výrobu oxidů mastných terciárních aminů, se dostane roztok oxidu s obsahem 20 000 ppb nitrosomorfolinu.

Ί

Větší přebytek NMM podle vynálezu přispívá i k rychlému proreagování H₂0₂, jehož obsah v reakční směsi je po vnesení roztoku peroxidu 0,3 až 1 % hmot. Spodní mez poměru H₂O₂ /NMM = 0,4 je dána potřebou recykláže velkého množství NMM a dále tím, že s klesající konverzí NMM se poněkud zhoršuje zbarvení roztoku NMMO. Z tohoto hlediska je optimální konverze NMM 0,5 až 0,65.

. Aby bylo možné, dobře odstranit přebytečný NMM, musí reakční směs obsahovat potřebné množství vody. S výhodou se proto jako výchozí surovina použije azeotropická směs NMM-voda, která za atmosférického tlaku obsahuje 73 % hmot. NMM. Ve formě azeotropu se NMM získá z reakční směsi po methylaci morfoli^u7~prTcemz“ážě“ otrop je homogenní a jeho odvodnění není tedy jednoduché. Ostatně i nezreagovaný NMM se z reakční směsi oxidace regeneruje ve formě azeotropu s vodou a v této formě se vrací do oxidace. Použití azeotropické směsi NMM-voda k výrobě NMMO je proto z mnoha důvodů výhodné.

Peroxid vodíku je účelné použít ve formě 30 až 50ti %ního roztoku, optimální je komerční 35ti %ní roztok.

Doba zavádění roztoku H₂0₂ do reakční směsi roste s poměrem H₂O₂ /NMM od 2 do 5 hodin a ve stejném směru narůstá doba doreagování peroxidu.

Teplota nad 70 a pod 50 θθ zvyšuje obsah NOMOR, optimální je teplota 60 až 65 θθ.

Způsob podle vynálezu je možné realizovat vsádkově i kontinuálně. V kontinuálním uspořádání se pracuje s kaskádou míchaných reaktorů, přičemž azeotrop NMM a roztok peroxidu se zavádějí do prvního, peroxid vodíku event. i do druhého reaktoru a další členy kaskády slouží k doreagování H₂0₂ .

Příklad 1.

Do sůifonačni baňky o objemu 2 litry opatřené- míchadlem-bylo předloženo 1200 g azeotropu NMM-voda s obsahem 73 % hmot. NMM. .Po vyhřátí termostatu, propláchnutí aparatury roztok H₂0₂, který byl fosforečnanu sodného v ve kterém byla baňka umístěna a po dusíkem, se začal nastřikovat 35 % hmot. stabilizován od výrobce dekahydrátem pyrokoncentraci 150 ppm a 3 ppm stanátu sodné8 ho. Roztok H2O2 byl dávkován rovnoměrnou rychlostí po dobu tří hodin, přičemž molární poměr H2O2/NMM byl 0,6. Během dávkování peroxidu i při doreagování byla udržována teplota 60 +1 θθ. Reakční směs byla intenzivně míchána. Po vnesení všeho peroxidu byla baňka po dobu 10ti minut proplachována dusíkem, aby se odstranil kyslík vznikající v malém množství (asi 2 %) rozkladem H2O2.

Po vnesení roztoku H2O2 obsahovala reakční směs 0,8 % hmot. H₂0₂ a po čtyřech hodinách doreagování poklesl obsah peroxidu na 0,008 % hmot. Pak byla reakční směs přenesena do destilační aparatury s kolonou o účinnosti osm teoretických pater. Nezreagovaný NMM byl odrektifikován za sníženého tlaku, na počátku 20 kPa a nakonec 13 kPa. Za těchto podmínek je teplota vroucí směsi 55 až 69 θθ a proto při destilaci značná část zbývajícího peroxidu zreaguje. Při konečném tlaku 13 kPa a teplotě kapaliny 68 až 69 θθ zbývá v destilační baňce 60 % hmot. roztok NMMO obsahující pod

0,05 % hmot. NMM. Obsah nitrosomorfolinu byl 200 ppb, roztok NMMO byl žlutý.

Příklad 2.

Pokus byl proveden se stejnými surovinami, avšak s molárním poměrem H2O2/NMM = 0,5 a při teplotě 65 θθ. Doba vnášení roztoku peroxidu byla 2,5 hodin, doba doreagování 3 hodiny. Produkt byl zpracován stejným způsobem a byl získán 60 % hmot. roztok NMMO s obsahem 150 ppb NOMOR.

Příklad 3.

Pro kontinuální přípravu NMMO byla použita kaskáda tří reaktorů s míchadlem, přičemž každý reaktor měl zádrž jeden litr. Do prvního reaktoru byla nastřikována azeotropická směs NMM rychlostí 250 g/h a 35 % hmot. H2O2 odpovídající molárnímu poměru 0,5. Ve všech třech reaktorech byla udržována teplota 65 ®C, Z posledního reaktoru odtékala reakční směs obsahující 0,01 % hmot. H₂0₂ . která byla zpracována stejným způsobem jako v příkladě 1. Obsah NOMOR ve finálním 60 % hmot. roztoku NMMO byl 250 ppb.

Průmyslové využití

Vynález lze použít pro výrobu N- methylmorfolinoxidu, který se používá pro přípravucělulosóvých vláken.

Claims (3)

1. Patentové nároky

   1. Způsob přípravy roztoků N-methylmorfolinoxidu s nízkým obsahem nitrosaminů působením roztoku peroxidu vodíku na vodný roztok % Λ * N-methylmorfolinu při teplotě 55 až 70 ^UC vyznačený tím, že molární poměr H2O2 /amin je 0,4 až 0,7, s výhodou 0,5 až 0,65.
2. 2. Způsob výroby podle nároku 1 vyznačený tím, že se peroxid zavádí do předloženého aminu 2 až 5 hodin a pak se nechá doreagovat dalších 3 až 5 hodin a nezreagovaný N-methylmorfolin se odstraní vakuovou rektifikací.
3. 3. Způsob výroby vodných roztoků N-methylmorfolinoxidu podle nároku 1 vyznačený tím, že se oxidace provádí kontinuálně v kaskádě dvou až čtyřech reaktorů, přičemž roztok N-methylmorfolinu se zavádí do prvého míchaného reaktoru a roztok peroxidu vodíku do prvého nebo i do druhého míchaného reaktoru.