DE2449054C3 - Verfahren zur Inhibierung der Polymerisation von äthylenisch ungesättigten Monocarbonsäureestern - Google Patents
Verfahren zur Inhibierung der Polymerisation von äthylenisch ungesättigten MonocarbonsäureesternInfo
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- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C67/00—Preparation of carboxylic acid esters
- C07C67/48—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
- C07C67/62—Use of additives, e.g. for stabilisation
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Description
NH,
besitzt, in welcher jeder der Reste R1 und R2 eine
niedermolekulare Alkylgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen
darstellt
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inhibierung der Polymerisation von äthylenisch ungesättigten
Monocarbonsäureestern während deren Destillation, Transport oder Lagerung durch Zugabe einer zur
Inhibierung der Polymerisation wirksamen Menge eines substituierten Phenylendiamins.
Erhebliche Mengen an ungesättigten Carbonsäureestern, wie beispielsweise Methylmethacrylat, werden
als Zwischenprodukte für die Herstellung von Polymerisaten und Mischpolymerisaten produziert Während der
Herstellung, dem Transport und der Lagerung dieser äthylenisch ungesättigten Monocarbonsäureester muß
dafür gesorgt werden, daß keine Polymerisation eintritt. Wenn eine unerwünschte Polymerisation im Verlaufe
des Herstellungsverfahrens erfolgte, werden Reaktoren und Leitungen durch die zähen, klebrigen Polymerisate
verschmutzt oder sogar vollständig verstopft, so daß die Anlage stillgelegt und gereinigt werden muß. Derartige
Betriebsstörungen sind kostspielig und sollen nach Möglichkeit verhindert werden. Das Problem der
unerwünschten Polymerisation ist besonders während der zur Reinigung der Ester notwendigen Destillationsstufe akut, da hier bei erhöhten Temperaturen
gearbeitet werden muß und eine Temperaturerhöhung die Polymerisationsreaktion im allgemeinen begünstigt.
Wenn eine vorzeitige Polymerisation während des Transports oder der Lagerung auftritt, wird die
Entfernung des Polymerisats aus dem Lagergefäß aufJornrdentlich schwierig, da sich der Behälterinhalt
durch die frei werdende Polymerisationswärme stark erwiinnt, was u. IJ. zum Zerknall führen kann.
Außerdem wird durch eine auftretende Polymerisation die Ausbeute an dem Monomeren erheblich gesenkt, so
daß vor allem aus Gründen der Verfahrensökonomie und der Sicherheit derartige Reaktionen sicher unterbunden
werden müssen,
Es ist allgemein üblich, den ungesättigten Estern Stabilisatoren zuzugeben, um die Polymerisation zu
inhibieren. Bevorzugte Polymerisationsinhibitoren verhindern die vorzeitige Polymerisation, und stören weder
die gewünschte Polyincrisationsrcaktion, noch beeinflussen
sie die Polymerisationseigenschaften in nachteiliger Weise. Bei der l'olymcrisatherstcllting wird die
Wirkung der Polymerisationsinhibitoren im allgemeinen durch Zugabe von Polymerisationsinitiatoren
herabgesetzt In »Ulimanns Encyklopädie der technischen
Chemie«, 3. Auflage, Band 14 (1963), Seite 116,
sind bekannte Polymerisationsinhibitoren beschrieben, zu denen Phenole (von denen Hydrochinon am
häufigsten verwendet wird) und aliphatisch^ und aromatische Amine, beispielsweise Phenylendiamine,
gehören.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein verbessertes Verfahren zur Inhibierung der
Polymerisation von äthylenisch ungesättigten Monocarbonsäureestern während deren Destillation, Transport
oder Lagerung durch Zugabe einer zur Inhibierung der Polymerisation wirksamen Menge eines substituierten
Phenyldiamins zu schaffen.
Diese Aufgabe wurde gemäß Erfindung so gelöst, daß das substituierte Phenylendiamin die allgemeine Formel
R1
N-ClS2-C-NH2
R2
besitzt, in welcher jeder der Reste R1 und R2 eine
niedermolekulare Alkylgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen darstellt
Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten substituierten Phenylendiamine tragen an dem
Alkylrest, der mit dem Stickstoffatom des Phenylendiamins verbunden ist, eine Aminogruppe, welche die
Inhibitorwirksamkeit offensichtlich verbessert
In der allgemeinen Formel des im erfindungsgemäßen Verfahren als inhibitor eingesetzten substituierten
Phenylendiamins werden als niedermolekulare Alkylgruppen
R1 und R2 geradkettige, unverzweigte Reste bevorzugt Typische Beispiele sind Methyl-, Äthyl-,
Propyl-, Isopropyl-, η-Butyl-, Isobutyl-, sek.-Butyl-,
tert.-Butyl-, Pentyl- und Isopentylreste, wobei Methyl der bevorzugte Rest ist.
Die »äthylenisch ungesättigten Monocarbonsäureester«, die gemäß Erfindung inhibiert werden, sind
bevorzugterweise Niedrigalkylester, jedoch ist die Größe des Monocarbonsäure- oder des Esterteils ohne
Bedeutung. Gemäß Erfindung wird auch die Polymerisation von Estern ungesättigter Monocarbonsäuren mit 30
Kohlenstoffatomen oder mehr inhibiert. Typische Beispiele für Verbindungen, die durch das erfindungsgemäße
Verfahren inhibiert werden, s:nd die Methyl-,
Äthyl-, Butyl- und 2-Äthylhexylester der folgenden SS'iren: Acrylsäure, Methacrylsäure, Angelikasäure,
Crotonsäure, Isocrotonsäure, Sorbinsäure, Oleinsäure, Elaidinsäure, Linolsäure, (X-Elaeostearinsäure, J3-Elaeostearinsäure,«-Linolensäure
und Erucasäurc.
Eine bevorzugte Untergruppe der äthylenisch ungesättigten Monocarbonsäureester sind Acrylatester, die
von Acryl- und Mcthacrylsäuren abstammen. Diese Estern weisen die Formel
CHi = C(R4)C(O)OR)
auf, worin R4 ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppc
und R1 eine Alkylgruppe mit I bis 8 Kohlenstoffatomen ist. Niedrigalkylester werden bevorzugt.
Die Inhibitoren dieser Erfindung werden mittels bekannter Verfahren hergestellt. Beispielsweise werden
die N-(Aminoalkyl)-N'-(phenyl)-p-phenylendiamine
durch Reduktion der N-(Nitroalkyl)-N'-phenyl-p-phenylendiamine
hergestellt, wobei die N-(Nitroalkyl)-N'-phenyl-p-phenylendiamine
durch Umsetzen eines Nitroalkans und 4-Aminodiphenylamins mit Formaldehyd,
oder durch Umsetzen eines 2-Nitroalkohols mit 4-Aminodiphenylamin hergestellt werden.
Typische Inhibitoren der Erfindung sind:
Typische Inhibitoren der Erfindung sind:
N-(2-Methyl-2-aminobutyl)-N'-phenyl-
p-phenylendiamin
N-(2-Methyl-2-aminopentyl)-N'-phenyl-
N-(2-Methyl-2-aminopentyl)-N'-phenyl-
p-phenylendiamin
N-(2-Äthyl-2-aminobutyl)-N'-phenyl-
N-(2-Äthyl-2-aminobutyl)-N'-phenyl-
p-phenylendiamin
N-(2i33-Trimethyl-2-aminobutyl)-N'-phenyl-
N-(2i33-Trimethyl-2-aminobutyl)-N'-phenyl-
p-phenylendiamin
N!-(2-Äthyl-2-aminopentyl)-N'-phenyl-
N!-(2-Äthyl-2-aminopentyl)-N'-phenyl-
p-phenylendiamin
N-(2-PropyI-2-aminopentyl)-N'-phenyl-
N-(2-PropyI-2-aminopentyl)-N'-phenyl-
p-phenylendiamin
N-(2-Propyl-2-aminohexyl)-N'-phenyl-
N-(2-Propyl-2-aminohexyl)-N'-phenyl-
p-phenylen'Jiamin
N-(2-IsopropyI-33-dimethyl-2-aminobutyI)-
N-(2-IsopropyI-33-dimethyl-2-aminobutyI)-
N'-phenyl-p-phenylendiamin.
Die Inhibitoren werden in die äthylenisch ungesättigten Monocarbonsäureesterzubereitungen durch einfache
Zugabe eingebracht Normalerweise wird der Inhibitor in den Reaktor nach der Herstellung des
Esters, jedoch vor der Destillation des Reaktionsgemisches, durch die der ungesättigte Ester von den
Nebenprodukten und dem Reaktionsmedium abgetrennt wird, eingeführt
Im allgemeinen werden der durch die Destillation gewonnenen Este/fraklion weitere l.mibitormengen zur
Inhibierung der Polymerisation während der Lagerung zugegeben. Obgleich die Wirkung d^r Inhibitoren als
Inhibierung der Polymerisation beschrieben wurde, ist es wahrscheinlich exakter, sich die Inhibierung eher als
eine Verlängerung der Induktionsdauer vor dem Anlaufen der Polymerisation, und nicht als eine
Beeinträchtigung der Polymerisationsgeschwindigkeit vorzustellen. Durch die Zugabe des Inhibitors erhält
man jedenfalls eine stabilere Zubereitung des äthylenisch ungesättigten Monocarbonsäureester-Monomeren,
die länger in monomerer Form verbleibt als eine ähnliche Esterzubereitung ohne zugesetzten Inhibitor.
Die Inhibitorwirkung ist konzentrationsabhängig, d. h. je mehr Inhibitor zugegeben wird, um so langer ist
der Zeitraum bis zum Einsetzen der Polymerisation. Die N-Phenyl-p-phenylendiamin-lnhibitoren dieser Erfindung
sind besonders wirksam. Mengen von 1 ppm oder weniger, bezogen auf das Gewicht des Esters, sind
ausreichend, die Polymerisation zu inhibieren. Normalerweise werden für die meisten Zwecke 5 bis 50 ppm
empfohlen, wobei mitunter Mengen von 50 bis 200 ppm und 200 bis 5000 ppm beim Vorliegen erschwerter
Bedingungen, die eine stärkere Inhibierung erforderlich machen, verwendet werden können. Obgleich größere
Inhibitormengen ebenfalls wirken, sind höhere Dosierungen im allgemeinen nicht erforderlich und werden
aus Wirtschaftlichkeitsgründen vermieden. Die für irgendeine gewünschte Induktionszeit erforderliche
Menge kann leicht durch die nachfolgend beschriebenen Verfahren bestimmt werden.
Die »Einsatzzeit«, d.h. die Zeit vom Beginn des Versuchs bis zum Beginn der Polymerisation, kann
üblicherweise so bestimmt werden, daß man entweder die Temperatur einer Probe mißt, um die Freisetzung
von Wärme festzustellen, die dann stattfindet, wenn die
Polymerisation beginnt, oder daß man die Änderung des Volumens einer Probe mißt, um die bei ablaufender
Polymerisation stattfindende Volumenverringerung festzustellen. Jedes dieser Verfahren ist bei nicht
katalysierten Proben oder bei Proben, denen Polymerisationsinitiatoren
zugegeben wurden, anwendbar. Das exotherme Verfahren ist von Bockstahler et aU
Ind. & Eng. Chem., 50 (10), 1581, das dilatoraetrische
Verfahren von CaIdwell und Ihrig, J. Am. Chem.
Soc, 84,2886, beschrieben.
Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Inhibitoren werden im wesentlichen nach dem
exothermen Verfahren von Bockstahler et al. bewertet. Die Zeit, die bei einem unter Versuch
stehenden Monomeren bis zum Beginn der Polymerisation erforderlich ist, wird bei erhöhter Temperatur
bestimmt. Der Versuch beruht auf dem Prinzip, daß die Polymerisation exotherm abläuft, so daß die Initiierung
festzustellen ist, wenn man die Temperaturänderung zwischen einer Versuchsprobe und einer stabilen
Bezugsprobe, die in der gleichen Umgebung gehalten wird, vergleicht Bei diesem Verfahren wird ein
Reagenzglas, in das ein Thermoelement taucht, mit einer gemessenen Menge an Monomeren in ein
temperaturkonstantes Bad (das innerhalb eines Bereiches von ± 0,25" C konstant gehalten wird) gebracht Ein
ähnliches Reagenzglas, das Siliconöl enthält, wird als Vergleichsprobe verwendet Ein Differential-Thermoelement
mißt kontinuierlich den Temperaturunterschied id Γ zwischen der Test- und der Vergleichsprobe. Alle
Proben werden im Dunkeln gemessen, um Lichteinwirkungen auszuschalten. Die Thermoelementablesungen
werden mit einem Schreiber aufgezeichnet, wobei Δ Τ
gegen die Zeit aufgeschrieben wird. Wenn die Polymerisation beginnt, ist ein scharfer Ausschlag von
Δ T zu beobachten, woraus die Einsatzzeit bestimmt werden kann.
Nachfolgend werden Verfahren zur Herstellung der im erfindungsgemäBen Verfahren eingesetzten Inhibitoren
beschrieben:
Eine Lösung von 2-Methyl-2-nitro-l-propanol (119,1 g; 1,0 Mol) in Äthanol (300 ml) wird tropfenweise
im Verlaufe von 3 Stunden unter Rühren zu einer am Rückfluß gehaltenen Lösung von 4-Aminodiphenylamin
(184 g; 1,0 Mol) und Kaliumhydroxid (4 g) in Äthanol (200 ml) zugegeben und das Gemisch am Rückfluß
weitere 24 Stunden gerührt. Nach Abkühlen auf 00C wird der Niederschlag durch Filtration abgetrennt und
an der Luft getrocknet. Man erhält N-(2-Methyl-2-nitropropyl)-N'-phenyl-p-phenylendiamin
(237 g, Ausbeute 83%); Schmelzpunkt (nach Umkrislallisation aus Alkohol-127
bis 128° C.
Eine Parr-Bombe wird mit N-(2-Methyl-2-nitropropyl)-N'-phenyl-p-phenylendiamin
(69 g), 1% Platin auf Kohle-Katalysator (12 g) und Xylol (150 g) beschickt.
Das Gemisch wird 1 Stunde auf 70 bis 1100C erhitzt und
Wasserstoff mit einem Druck von 14 bis 21 kg/cm2 aufgepreßt. Nach Kühlen auf 600C entfernt man den
Katalysator durch Filtration und streift das Lösungsmittel von dem Filtrat mittels Vakuumdestillation bei 1900C
(etwa 4 bis 5 mm Hg) ab. Das Rohprodukt wird destilliert und man erhält N-(2-Methyl-2-aminopropyl)-N'-phenyl-p-phenylendiamin;
Siedepunkt 273 bis 279°C/6 mm Hg; man erhält einen weißen Feststoff mit
einem Schmelzpunkt von 60 bis 62°C.
Zur Erläuterung der Wirkung der im erfindtingsgemäßen
Verfahren eingesetzten Inhibitoren wird
Äthylmelhacrylat als Versuchsmonomeres verwendet. Eine Portion Äthylmethacrylat, das Hydrochinon als
Inhibitor enthält, wird wiederholt mit 0,5 n-Natriumbydroxidlösung
und zuletzt mit Wasser gewaschen, um den gesamten Hydrochinoninhibitor aus dem Material
zu entfernen. 50 g des unstabilisierten Äthylmethacrylats werden dem oben beschriebenen Test nach
Bockstahler unterzogen und in das Reagenzglas eingefüllt. Eine Lösung des Inhibitors wird dadurch
hergestellt, daß man eine sorgfältige gewogene Menge N-(Aminoalkyl)-N'-phenyI-p-phenylendiamin zu 10 ml
unstabilisiertem Äthylmethacrylat zugibt. In das Reagenzglas wird dann das geeignete Volumen Inhibitorlösung
mittels einer Mikropipette zugegeben, so daß eine Inhibitorkonzentration von 5 ppm vorliegt. Das Reagenzglas
wird in einem Bad bei einer konstanten Temperatur von 85°C gehalten und die Einsatzzeit wie
oben beschrieben, bestimmt und in Stunden festgehalten. Wenn der Versuch wiederholt wird, wird die
durchschnittliche Einsatzzeit ermittelt. Die Ergebnisse sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Die
Probe I ist eine Kontrollprobe und besteht aus Äthylmethacrylat ohne Inhibitor. Die Probe Il enthält
einen N-(Alkyl)-N'-(phenyl)-p-phenylendiamin Inhibitor. Die Probe !II erläutert einen Inhibitor gemäß
Erfindung.
l'rohc | Inhihilor | l'insal/7cil |
(5 ppm) | (Stunden) | |
I | Kein | 7 |
Il | N-Isobutyl-N'-phenyl-p- phcnylendiamin |
82 |
III | N-(2-Methyl-2-aminopropyl)-N'- phenyl-p-phenylendiamiii |
113 |
Die Versuchsergebnisse zeigen, daß das Vorhandensein der Aminoalkylgruppe die Inhibierungswirksamkeit df»s
N-(Phenyl)-p-phenylendiamini wesentlich verbessert.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Inhibierung der Polymerisation von äthylenisch ungesättigten Monocarbonsäureestern während deren Destillation, Transport oder Lagerung durch Zugabe einer zur Inhibierung der Polymerisation wirksamen Menge eines substituierten Phenylendiamins, dadurch gekennzeichnet, daß das substituierte Phenylendiamin die allgemeine Formel
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