DE2303648A1 - Kupferkatalysator fuer die katalytische hydratisierung von nitrilen zu amiden - Google Patents
Kupferkatalysator fuer die katalytische hydratisierung von nitrilen zu amidenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Synthese von Amiden durch katalytische Hydratisierung von Nitrilen mit Wasser
in Gegenwart eines heterogenen festen Katalysators.
Zur Verwendung als heterogene Katalysatoren für die Hydratisierung von Nitrilen sind bereits verschiedene
feste Stoffe beschrieben worden. Zu den für einen solchen Zweck bereits bekannten Stoffen gehören Mangandioxid,
Adkins-Katalysator, Raney-Kupfer und reduzierte Kupfer-Kupferoxid-Gemische,
wie sie in der US-PS 3 631 104 beschrieben sind.
In der Japanischen Patentanmeldung Nr. 44-58021 vom 24. Juli 1969 ist die Hydratisierung von Acrylnitril mit
Wasser in Gegenwart eines kupferhaltigen Katalysators zur Erzeugung von Acrylamid beschrieben. Als geeignete Katalysatoren
sind Raney-Kupfer und durch Reduktion mit Zink oder mit Wasserstoff erzeugtes Kupfer beschrieben.
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Durch die Erfindung wird ein Katalysator mit stark verbesserter Aktivität für die Hydratisierung von Nitrilen
mit Wasser geschaffen. Dieser Katalysator ist Kupfer, das durch Reduktion einer Kupferverbindung in wässriger Lösung
durch Einwirkung einer wässrigen Lösung eines wasserlöslichen Borhydridreduktionsmittels auf das gelöste Kupfersalz'
erzeugt wird. Der durch eine solche Behandlung erhaltene Katalysator ist feinteiliges Kupfer, welches in den meisten
Fällen zu Umsätzen führt, die etwa dopppelt so hoch wie bei bekannten Katalysatoren sind.
Die geeigneten Borhydridreduktionsmittel sind allgemein wasserlösliche Borhydride. Viele dieser Salze sind kostspielig und nicht ohne weiteres im Handel erhältlich. Die
Alkalisalze, besonders Natriumborhydrid (NaBH.), Kaliumborhydrid (KBH4) und Lithiumborhydrid, sind jedoch allgemein verfügbar und brauchbar. Von diesen Alkalimetallborhydriden wird aufgrund der Verfügbarkeit und aus
wirtschaftlichen Gründen Natriumborhydrid bevorzugt. Die
Menge an Borhydridreduktionsmittel schwankt in einzelnen Fällen. Im allgemeinen wird das Reduktionsmittel in molarem überschue, bezogen auf die vorhandene Holmenge an
Kupfer, d. h. in einer Menge von 2 Mol Borhydrid oder mehr pro Mol Kupfer, angewandt. Die Anwendung alkalischer
Lösungen verbessert die Wirksamkeit des Reduktionsmittels und die Gegenwart eines reduzierenden Zuckers, zum Beispiel von Dextrose, in der alkalischen Lösung, führt zu
einer weiter verbesserten Wirksamkeit mit dem Ergebnis, daß weniger Borhydridreduktionsmitte1 zur Reduktion einer
gegebenen Menge Kupfer verwendet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird als spezieller Katalysator bei der Hydratisierung von Nitril mit Wasser elementares Kupfer
verwendet, das durch Reduktion einer wasserlöslichen Kupferverbindung in wässriger Lösung durch Einwirkung
eines wasserlöslichen Borhydridreduktionsmittels in wässriger Lösung auf die gelöste Kupferverbindung erhalten
worden ist. Zu diesem Zweck wird eine lösliche Kupferverbindung, zum Beispiel Kupfersulfat, in Wasser
gelöst und mit einer wässriger Lösung des Borhydridreduktionsmittels zum Zweck der Reduktion und Abscheidung
von elementarem Kupfer aus der Lösung vereinigt. Sowohl Cuproverbindungen als auch Cupriverbindungen
sind für die Reduktion zu dem katalytlschen Kupfer geeignet. Die Reduktion der gelösten Kupferverbindung
führt zu einem sehr feinteiligen Feststoff, dessen kleinste Teilchen anscheinend eine Größe von weniger
als 1 Mikron aufweisen. Bei einer typischen Abscheidung liegt die durch Absetzgeschwindigkeiten gemessene scheinbare
mittlere Teilchengröße im Bereich von etwa 40 bis 1000 Mikron. Die mikroskopische Untersuchung dieser Teilchen
zeigt jedoch, daß sie in Wirklichkeit lockere Aggregate aus weit kleineren Teilchen mit einer Größe
im Bereich von 20 bis 250 Mikron sind. Dieses außerordentlich feinteillge Kupfer kann direkt als Katalysator
für die Hydratisierungsreaktion eingesetzt werden. Durch Reduktion mit Borhydrid bei Normaltemperaturen
hergestellte Kupferkatalysatoren weisen eine katalytische Aktivität für die Nitrilhydratisierungsreaktion
auf, welche der Aktivität von Raney-Kupfer oder von Kupferkatalysatoren, welche durch Reduktion mit Wasserstoff
hergestellt wurden, weit überlegen ist, sowie gegenüber elementares Kupfer enthaltenden Katalysatoren,
welche durch Reduktion mit einem der anderen Reduktionsmittel erzeugt worden sind, welche zur Verwendung
in der gleichen katalytischen Reaktion beschrieben worden sind.
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Die Selektivität bei der Umwandlung eines Nitrile in das entsprechende Amid ist bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Katalysatoren sehr hoch und kommt bei bevorzugten Ausführungsformen einer Selektivität zu dem Amid von
100 % nahe. Im Fall von Acrylnitril beträgt die Selektivität der Umwandlung zu Acrylamid bei bevorzugten Ausführungsformen
praktisch 100 %.
Die Reaktionsbedingungen zur Durchführung der Hydratisierungsreaktion
unter Verwendung des. katalytischen Kupfers nach der Erfindung sind im allgemeinen die gleichen, wie
sie bei Verwendung der bekannten Katalysatoren angewandt werden: Die Hydratisierung wird mit dem Nitril vorzugsweise
als Lösung in Wasser und in flüssiger Phase durchgeführt.
Bei weniger bevorzugten Ausführungsformen kann
zur Durchführung der Hydratisierung eine Gasmischung der Reaktionsteilnehmer mit dem Katalysator in Kontakt gebracht
werden. Im Fall der Hydratisierung von Acrylnitril ist eine wässrige Lösung des Nitrils in flüssiger
Phase eine sehr zweckmäßige Reaktionsmischung. Das Verhältnis der Reaktionsteilnehmer ist nicht kritisch.
Bei den besonders bevorzugten Ausführungsformen ist gewöhnlich
ein Überschuß an Wasser vorhanden, da Wasser in solchen Fällen sowohl als Reaktionsteilnehmer als
auch als Lösungsmittel dient. Bei schwer löslichen Nitrilen kann ein Cosolvens, zum Beispiel ein Alkohol,
angewandt werden, um die Lösung des Nitrilreaktionsteilnehmers zu unterstützen, und es ist dann kein Wasserüberschuß erforderlich. Die erforderliche Mindestmenge
an Wasser ist also diejenige, die zur Bildung des Hydratisierungsprodukts, d. h. des Amids, nötig
ist. Die Temperatur der Hydratisierungsreaktion ist ebenfalls nicht kritisch, da jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit
mit ansteigender Temperatur im allgemeinen zunimmt, wird es im allgemeinen bevorzugt, eine
möglichst hohe Temperatur anzuwenden, soweit dies die
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Bedingung, die Reaktionsteilnehmer in flüssiger Phase zu
halten, zuläßt. Der Druck ist ebenfalls nicht kritisch, und die Hydratisierung kann mit befriedigenden Ergebnissen
bei Atmosphärendruck oder bei erhöhtem Eigendruck durchgeführt werden, was bevorzugt werden kann, um hohe Reaktionstemperaturen zu ermöglichen, jedoch die Reaktionsmischung
bei solchen Temperaturen in flüssiger Phase zu halten. Für die Hydratisierung von Acrylnitril kann jede gewählte Reaktionstemperatur
im Bereich von etwa O 0C bis etwa 200 0C
angewandt werden. Bevorzugt werden Temperaturen im Bereich von 30 bis 150 0C und besonders von 50 bis 150 0C beim
Eigendruck.
Die Hydratisierungsreaktion ist mit einem breiten Bereich von Katalysatorkonzentrationen durchführbar, und die üblichen
katalytischen Mengen sind wirksam. Im allgemeinen wird eine zunehmende Umsatzgeschwindigkeit beobachtet,
wenn die Katalysatorkonzentration erhöht wird. Wegen der reduzierten Form des Katalysators wird es bevorzugt,
die Umsetzung unter Ausschluß von Luft oder Oxydationsmitteln durchzuführen, welche die Katalysatoraktivität
rasch durch Oberflächenoxydation zerstören können.
Der ausgewählte Katalysator nach der Erfindung ist für die katalytische Hydratisierung von aliphatischen, cycloaliphatischen,
heterocyclischen und aromatischen Nitrilen vorteilhaft. Zu den Nitrilen, die erfindungsgemäß zu Amiden
hydratisiert werden, gehören Acetonitril, Propionitril, Acrylnitril, n-Butyronitril, Benzonitril, 1,4-Cyclohexandicarbonitril,
Nicotinonitril und die weiteren Nitrile, die
in der US-PS 3 366 639 genannt sind. Die Hydratisierungsreaktion ist für die Cyangruppe ziemlich selektiv, und
normalerweise treten, wenn überhaupt, nur sehr kleine Mengen von anderen Hydratisierungsprodukten oder Nebenprodukten
auf. Die besonders bevorzugten Ausfuhrungsformen
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der Erfindung beziehen sich auf die Hydratisierung von Acrylnitril, und die Erfindung wird in den Beispielen
ausführlicher für Acrylnitril erläutert. Die Verwendung von anderen Nitrilen in der Hydratisierungsreaktion erfolgt
nach den gleichen allgemeinen Grundsätzen, wie sie hierin dargelegt werden, mit geeigneten Abänderungen
zur Anpassung an bestimmte Eigenschaften des gewählten Nitrils, zum Beispiel der Verwendung eines Cosolvens
bei wasserunlöslichen Nitrilen.
Das Reaktionsprodukt läßt sich aus der wässrigen Reaktionsmischung
leicht durch übliche Trennmethoden abtrennen. In manchen Fällen kann bei Acrylamid als Produkt dieses
als wässrige Lösung für die weitere Verarbeitung zur Erzeugung von Polyacrylamid gewonnen werden, ohne daß es
erforderlich ist, das Amid von dem Wasser der Reaktionsproduktmischung abzutrennen. Da der Katalysator ein unlöslicher
Feststoff ist, kann er ganz leicht von der flüssigen Reaktionsproduktmischung abgetrennt werden, beispielsweise
durch Filtrieren oder Zentrifugieren. Wenn ein gereinigtes Amidprodukt gewünscht wird, kann es
leicht durch übliche Methoden, zum Beispiel Eindampfen und Umkristallisieren, isoliert werden. Jegliches nichtumgesetztes
Nitril kann mit Üblichen Methoden aus dem Produkt abgetrennt und in den Reaktor zurückgeführt
werden.
Beispiel 1 Katalysatorherstellung
A. Eine Lösung von 3,9 g CuSO4.5H2O in 100 ml Wasser
wird rasch zu einer Lösung von 4,0 g NaBH4 in 200 ml Wasser
mit Raumtemperatur, d. h. 22 0C, gegeben. Es findet
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eine rasche Entwicklung von Wasserstoff unter Abscheidung
von flockigem schwarzem Niederschlag statt, der 1 g
Kupfer in Teilchengrößen von weniger als 1 Mikron bis zu
Aggregaten von ungefähr 250 Mikron enthält. Der Feststoff
wird abfiltriert und mit Wasser gewaschen.
von flockigem schwarzem Niederschlag statt, der 1 g
Kupfer in Teilchengrößen von weniger als 1 Mikron bis zu
Aggregaten von ungefähr 250 Mikron enthält. Der Feststoff
wird abfiltriert und mit Wasser gewaschen.
B. Die Arbeitsweise A wird mit der Ausnahme wiederholt, daß nur 1,2 g NaBH. in einer wässrigen Lösung, die in einem
Eisbad gekühlt wird, verwendet werden.
C. (Vergleichskatalysator) Eine Probe Raney-Kupfer von 1 g wird nach bekannten Methoden erzeugt.
D. (Vergleichskatalysator) Eine Probe Adkins-Katalysator (handelsübliches Kupferchromit, CuCr2O4, eine unlösliche Kupferverbindung)
von 1 g wird in einer Atmosphäre aus 5 % H2 und
95 % N2 bei 175 0C 6 Stunden reduziert.
E. Die Arbeitsweise B wird mit der Ausnahme wiederholt, daß anstelle von 1,2 g NaBH4 in 200 ml Wasser eine in einem
Eisbad gekühlte Lösung von 0,66 g NaBH4 und 0,64 g NaOH
verwendet wird.
verwendet wird.
F. Zu 100 ml einer wässrigen Lösung von 2,83 g Dextrose und 2,51 g NaOH werden 3,93 g CuSO4-SH2O in 50 ml Wasser
gegeben. Die Mischung wird unter Argon in einem Eisbad gekühlt. Nachdem die Mischung homogen geworden ist (tiefblauviolett) , werden 0,20 g NaBH4 in 10 ml 0,5n NaOH und 40 ml
Wasser zugesetzt und 15 Minuten lang gerührt.
gegeben. Die Mischung wird unter Argon in einem Eisbad gekühlt. Nachdem die Mischung homogen geworden ist (tiefblauviolett) , werden 0,20 g NaBH4 in 10 ml 0,5n NaOH und 40 ml
Wasser zugesetzt und 15 Minuten lang gerührt.
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Der gewaschene Niederschlag von Beispiel IA oben wird in
ein Reaktionsrohr gebracht, das 5,0 g Wasser und 0,30 g Acrylnitril enthält. Die Mischung wird 1 Stunde bei 57 0C
geschüttelt. Dann wird das Rohr entleert, und sein flüssiger Inhalt wird durch Dampfphasenchromatographie zur
Bestimmung der prozentualen Umwandlung von Acrylnitril in Acrylamid analysiert. Nach der gleichen Arbeitsweise
werden in mehreren Versuchen jeweils die gemäß Beispiel IB bis IF hergestellten Katalysatoren eingesetzt. Die Ergebnisse
der Umsetzungen zeigt Tabelle I.
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% Umwandlung von Acrylnitril in Acrylamid
A. mit Borhydrid reduziertes Kupfer 70
B. mit Borhydrid reduziertes Kupfer
C. (Vergleichskatalysator) Raney-Kupfer, technisch
D. (Vergleichskatalysator) Adkins-Katalysator
E. mit Borhydrid reduziertes Kupfer, alkalisches Medium
72
22,3 37,2 85,7
F. mit Borhydrid reduziertes Kupfer alkalisches Medium, das Dextrose
enthält 83,8
ro co ο
Die vorstehenden Ergebnisse zeigen die bedeutende Verbesserung der prozentualen Umwandlung, die mit dem mittels
Borhydrid reduzierten Kupferkatalysator erzielt wird. Aus der Tabelle gehen ferner die erhöhten Umwandlungsgrade
hervor, die sich bei Verwendung von alkalischem Medium und reduzierendem Zucker (Dextrose) ergeben.
10 g wie in Beispiel IB hergestellter Kupferkatalysator
werden in einen kontinuierlichen Festbettkatalysatorreaktor gebracht. Durch den Reaktor wird für eine Zeit von
mehreren Tagen eine wässrige Lösung mit 6,8 bis 6,9 Gewichtsprozent
Acrylnitril bei den in Tabelle II angegebenen Beschickungsgeschwindigkeiten und Temperaturen geleitet.
Die prozentualen Umwandlungen von Acrylnitril in Acrylamid, die durch Analyse von Proben, die wie
angegeben zu den seit Beginn des kontinuierlichen Versuchs verstrichenen Zeiten entnommen wurden, bestimmt
werden, zeigt Tabelle II.
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Tabelle II
Bei Probennahme verstrichene
Dauer dee kontinuierlichen Versuchs i.Stunden
150
770
1600 Acrylnitril, Beschickungsge-6ew.-% in der schwindigkeit, g
Temp. C | Beschickung | Lösung/Stunde | % Umwandlung |
80 | 6,8 | 45 | 90 |
75 | 6,9 | 44 | 55 |
85 | 6,9 | 90,6 | 50 |
In einen kontinuierlichen 500 ml-Rührtankreaktor werden
40 g des wie in Beispiel IB hergestellten Katalysators gegeben. Der Reaktor wird mit kontinuierlicher Beschickung
von Acrylnitril in Wasser unter den verschiedenen Betriebsbedingungen betrieben, die in Tabelle III für die kontinuierliche
katalytische umsetzung angegeben sind. Die prozentualen Umwandlungen von Acrylnitril in Acrylamid, die durch Analyse
entsprechender Proben ermittelt werden, sind ebenfalls in Tabelle III aufgeführt.
III
Dauer des | xeiup · | Gewichtsprozent | Verweilzeit | % |
kontinuier | °c | Acrylnitril in | (Stunden) | Umwandlung |
lichen Ver | 85 | der Beschickung | 0,8 | 46 |
suchs , Stdn. | 85 | 9,6 | 2,2 | 43 |
4,5 | 19,0 | |||
55 | ||||
Der Katalysator kann auch durch direkte Abscheidung des Kupfers auf einem Katalysatorträger hergestellt werden, wofür jeder
geeignete Katalysatorträger wie Cellulose, Aluminiumoxid, Kohle, Ton, Diatomeenerde neben anderen Üblichen Trägern
verwendet werden kann.
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Die Arbeitsweise von Beispiel IF wird mit der Ausnahme wiederholt,
daß nur die Hälfte der Mengen des Borhydrids, Natriumhydroxids, der Dextrose und des Kupfersalzes verwendet
werden und während der Reduktionsstufe 1 g Aluminiumoxidteilchen
in die Reaktionsmischung eingerührt wird. Das Produkt ist ein Trägerkatalysator, der aus 1/2 g katalytischem
Kupfer auf 1 g Aluminiumoxidträger besteht.
Der Katalysator wird abgetrennt, gewaschen und in eine Lösung von 0,30 g Acrylnitril in 5,0 g Wasser gerührt. Die
katalytische Hydratisierung wird eine Stunde bei 57 C durchgeführt. Die Umwandlung in Acrylamid beträgt 65 %.
Die Arbeitsweise von Beispiel 4 wird mit der Ausnahme wiederholt, daß statt der Hälfte der in Beispiel IF verwendeten
Mengen der Reagentien jeweils 1/8 der in Beispiel IF genannten Mengen an Natriumhydroxid, Dextrose und Kupfersulfat
sowie 1/4 der in Beispiel IF angegebenen Menge an Borhydrid verwendet werden. Ferner sind anstelle des Aluminiumoxidträgers
in dem Reaktionsmedium 0,50 g Hydrocellulose vorhanden. Das Katalysatorprodukt, das aus 1/8 g Kupfer
auf 1/2 g Cellulose besteht, wird abgetrennt, gewaschen und wie in Beispiel 4 als Katalysator für die Hydratisierung
von Acrylnitril eingesetzt. Nach einer Stunde beträgt die Umwandlung in Acrylamid 45,3 %.
30983R/1211
Claims (10)
1. Verfahren zur Hydratisierung eines Nitrile zu einem Amid durch Umsetzung eines Nitrils mit Wasser in Kontakt
mit einem festen heterogenen Katalysator mit elementarem Kupfer als aktiver KataIysatorkomponente, dadurch gekennzeichnet,
daß als aktive Katalysatorkomponente elementares Kupfer verwendet wird, das durch Reduktion einer
wasserlöslichen Kupferverbindung in wässriger Lösung durch Einwirkung eines wasserlöslichen Borhydridreduktionsmittels in
wässriger Lösung auf die Kupferverbindung erzeugt worden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Reduktion in einem alkalischen Medium vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion in Gegenwart eines reduzierenden Zuckers vorgenommen
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Acrylnitril hydratisiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Borhydridreduktionsmittel ein Alkalimetallborhydrid verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupferverbindung ein Cuprisalz verwendet wird.
309835/121 1
23036^8
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
als Alkalimet allbor hydr id Natriuxnborhydrid verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Cuprisalz Kupfersulfat verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Borhydridreduktionsmittel Natriumborhydrid und als Kupferverbindung Kupfersulfat verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Hydratisierung bei einer Temperatur im Bereich von
50 - 100 0C durchgeführt wird.
50 - 100 0C durchgeführt wird.
30983^/1211
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