DE2924133C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Cyanäthylierungsver
fahren, speziell ein verbessertes Verfahren zur kontinuierli
chen Cyanäthylierung von Verbindungen mit einem oder mehreren
labilen Wasserstoffatomen in homogener Phase.
Die Cyanäthylierung stellt eine Reaktion zwischen Acrylnitril
und zahlreichen Verbindungen unter Bildung von β-substituier
ten Propionitrilderivaten dar. Für die zur Umsetzung geeigne
ten Verbindungen ist es charakteristisch, daß sie labile Was
serstoffatome aufweisen. Ein solches labiles Wasserstoffatom
ist ein Wasserstoffatom, welches an ein elektronegatives Atom
oder an ein Atom, das durch stark elektronegative Substituenten
aktiviert ist, gebunden ist.
Zu Verbindungsklassen mit labilen Wasserstoffatomen gehören
Verbindungen mit Hydroxylgruppen, z. B. Wasser, Alkohol und
Glycole. Die Cyanäthylierung läßt sich durch folgende Reakti
ionsgleichung darstellen:
CH2 = CHCN + RN ⇄ RCH2CH2CN
Cyanäthylierungsprodukte sind wertvolle Zwischenprodukte für
die Herstellung von Kunststoffen und Synthesefasern.
Die Cyanäthylierung wird zur Herstellung einer großen Viel
falt von mono- und polyfunktionellen Nitrilen angewendet, die
beispielsweise in der Encyclopedia of Chemical Technology,
Kirk-Othmer, 2. Auflage, Band 6 und Organic Reactions, R.
Adams et al, Band 5, John Wiley and Sons, New York, 1949,
beschrieben sind.
Für die Herstellung von β-substituierten Propionitrilderivaten
in großem Maßstab ist es vorteilhaft, die Cyanäthylierungs
reaktion in kontinuierlicher Verfahrensweise durchzuführen.
Dies ist jedoch schwierig mit technisch brauchbaren hohen
Ausbeuten durchzuführen, weil
- 1. die Cyanäthylierungsreaktion stark exotherm ist,
- 2. Acrylnitril zur Polymerisation neigt, wenn es in hohen Konzentrationen vorliegt, und
- 3. die Cyanäthylierungsreaktion unter bestimmten Bedingungen leicht reversibel ist.
Um die vorstehend genannten Probleme zu ver
meiden, ist es möglich, das Acrylnitril langsam zu einem Über
schuß der labile Wasserstoffatome enthaltenden Verbindung zu
zugeben. Die genannte Verfahrensweise ist jedoch nicht sehr
wirkungsvoll, weil lange Verweilzeiten erforderlich sind, um
einen hohen Umsetzungsgrad zu erreichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehend
genannten Probleme zu überwinden und ein verbessertes konti
nuierliches Cyanäthylierungsverfahren zur Verfügung zu stellen.
Dieses verbesserte Verfahren soll die kontinuierliche Durch
führung der Cyanäthylierung in kontrollierter Weise und mit
hohen Ausbeuten an β-substituierten Propionitrilderivaten
ermöglichen. Die hohen Ausbeuten sind überraschend, da bekannt
ist, daß die Cyanäthylierungsreaktion unter typischen Ver
fahrensbedingungen leicht reversibel abläuft. Die erfindungs
gemäße Verbesserung erleichtert auch das Problem der Wärmeab
führung. Darüber hinaus vermindert oder beseitigt diese Ver
besserung das Erfordernis, ein inertes Lösungsmittel zu ver
wenden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Cyanäthylierung in
homogener Phase, bei dem eine Verbindung mit labilem
Wasserstoff aus der Gruppe der Alkohole, Polyalkohole,
Phenole und Thiole in einer bei der üblichen Cyan
äthylierungstemperatur gehaltenen Reaktionszone mit
Acrylnitril in Gegenwart eines stark basischen
Katalysators umgesetzt wird, das dadurch gekenn
zeichnet ist, daß man einen 50 bis 90 gewichts
prozentigen Anteil des aus der Reaktionszone abge
zogenen Gemisches in die Cyanäthylierungs-Reaktionszone
zurückführt, wobei das Gemisch mehr als 90 Gew.-% des
Cyanäthylierungsprodukts enthält, und man den zurück
geführten Anteil des aus der Reaktionszone abströmenden
Gemisches mit der als Beschickung zugeführten Ver
bindung mit labilem Wasserstoffatom und dem stark
basischen Katalysator in Berührung bringt und das so
gebildete Gemisch mit Acrylnitril unmittelbar vor dessen
Eintritt in die Reaktionszone vermischt.
Erfindungsgemäß liegt die Menge des zurückgeführten Abstroms
aus der Reaktionszone im Bereich von 50 bis 90
Gewichts-%.
Das zurückgeführte Produkt wird mit frischer Beschickung für
die Reaktionszone vermischt, unmittelbar bevor es in die Reaktionszone
eingeführt wird. Die Komponenten der frischen Beschickung
sind Acrylnitril und eine Verbindung mit einem labilen
Wasserstoffatom sowie ein stark basischer Katalysator. Bevorzugt
enthält der Abstrom aus der Reaktionszone weniger als
3 Gew.-% nicht umgesetztes Acrylnitril. Im allgemeinen enthält das Gemisch mehr als
90 Gewichts-% des β-substituierten Propionitrilderivats.
Die Temperatur der Reaktionszone liegt in dem üblichen Tempe
raturbereich für die Cyanäthylierung. Bei der industriellen
Durchführung der Reaktion beträgt der Temperaturbereich etwa
0 bis etwa 100°C. Das System, das aus den Reaktanten und
einem Katalysator besteht, stellt eine homogene
Phase dar.
Die Figur ist eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen verbesserten Verfahrens
der kontinuierlichen Cyanäthylierung.
Gemäß der Figur wird die Acrylnitril-Beschickung (1) in die
Reaktionsvorrichtung (10) eingeleitet. Die Beschickung von
Acrylnitril (1) wird begleitet von einem Strom (6), der als
Komponenten eine Verbindung mit labilem Wasserstoff (4), einen
Katalysator (5) und den
zurückgeführten Anteil (Kreislaufstrom) (2) enthält, der ein
Teil des Reaktorabstroms (8) ist.
Der restliche Anteil des Reaktor-Abstroms (3) wird aufge
arbeitet, um die gewünschten β-substituierten Propionitril
derivate von nicht umgesetztem Acrylnitril, Nebenprodukten,
Reaktionszwischenprodukten und Katalysator
abzutrennen.
Die Reaktionsvorrichtung (10) ist so ausgelegt, daß eine
Verweilzeit für die Reaktanten, den
Katalysator und das Produkt vorgesehen wird, welche zu dem
gewünschten Umsatz führt. Die Vorrichtung (10) kann außerdem
(nicht gezeigte) Einrichtungen zum Mischen der miteinander in
Berührung kommenden Materialien enthalten. Darüber hinaus kann
die Vorrichtung (10) gewünschtenfalls Einrichtungen (7) zum
Kühlen des Cyanäthylierungs-Reaktionsgemisches aufweisen. Im
allgemeinen liegt die Verweilzeit im Bereich von etwa 15 Mi
nuten bis etwa 5 bis 7 Stunden. Eine weitere Möglichkeit zur
Feststellung der Verweilzeit ist die Zusammensetzung des Ab
stroms. Bevorzugt enthält der die Cyanäthylierungs-Reak
tionszone verlassende Abstrom weniger als 3 Gewichts-%
oder sogar weniger als 1 Gewichts-% nicht umgesetztes Acryl
nitril. Ein weiteres Maß für die Verweilzeit ist die Menge des
gewünschten Produkts in dem Abstrom. Im allgemeinen enthält der
Abstrom mehr als 90 Gewichts-% und vorzugsweise mindestens
95 Gewichts-% des gewünschten Produkts, d. h. des Cyanäthylie
rungsprodukts.
Die Menge des zurückgeführten Anteils (2) ist durch zwei Be
grenzungen bedingt. Die obere Begrenzung besteht darin, daß
die Selektivität vermindert wird, wenn die Menge an rückge
führtem Produkt (2) erhöht wird. Die untere Begrenzung be
steht darin, daß die Temperatur des Eintritts der Reaktions
zone erhöht wird, wenn der Anteil an zurückgeführtem Produkt
(2) vermindert wird, und infolgedessen die Menge an Beipro
dukten, die häufig unerwünscht sind, ansteigt. Die Temperatur
des zurückgeführten Anteils (2) kann mit Hilfe beliebiger
Methoden (die nicht gezeigt sind) modifiziert werden. Kleine
Änderungen in der Selektivität und/oder Temperatur können aus
verschiedenen Gründen auftreten, die Verminderung oder Erhöhung
sollte daher wesentlich sein. Der technisch geeignete Bereich
des zurückgeführten Anteils (2) liegt bei Werten im Bereich
von 50 bis 90 Gewichts-% des die Vorrichtung (10)
verlassenden Abstroms und ein bevorzugter Bereich liegt
zwischen etwa 60 und etwa 80 Gewichts-%.
Das Cyanäthylierungsverfahren kann auch in folgender Weise
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben werden.
Acrylnitril (1) wird in einer Rate von 278,05 kg pro
Stunde in die Vorrichtung (10) eingeleitet. Unmittelbar vor
der Einleitung in die Vorrichtung (10) wird Äthylenglycol (4),
in das Natriumhydroxid (5) in einer Rate von 13,15 kg pro Stunde ein
gespritzt wird, in einer Rate von 162,39 kg pro Stunde in
das Acrylnitril (1) eingespritzt. Außerdem
wird das Gemisch aus Äthylenglycol und Natriumhydroxid mit
907,19 kg pro Stunde des Reaktorabstroms (2) in Berührung
gebracht und das gebildete Dreikomponentengemisch wird dann
in das Acrylnitril (1) eingespritzt. Das Produktgemisch (3)
wird in einer Rate von 453,59 kg pro Stunde aus dem System ab
gezogen. Das Produktgemisch (3) wird in eine Reinigungsvor
richtung geführt, in welcher der Katalysator neutralisiert
und das gewünschte Produkt abgetrennt wird, beispielsweise
durch Destillation. Das neutralisierte und abgetrennte Produkt
besteht im wesentlichen aus 3,3′-Äthylendioxybis(propionitril),
das beispielsweise in mehr als 95 Gewichts-% Überschuß vor
liegt. Die Produktausbeute beträgt mehr als 95 Gewichts-%,
bezogen auf das Äthylenglycol (4) und Acrylnitril, welche in
die Reaktionsvorrichtung (10) eingeleitet werden.
Die erfindungsgemäße Verbesserung eines kontinuierlichen homo
genen Cyanäthylierungsverfahrens, bei dem die Temperatur der
Reaktionszone, die äquivalent der vorstehend erwähnten Vorrich
tung (10) ist, innerhalb des Bereiches der Temperatur der Cyan
äthylierungsreaktion gehalten wird, besteht somit darin, daß
die Menge des Anteils des Reaktionsabstroms, der in die Cyan
äthylierungs-Reaktionszone zurückgeführt wird, in dem Bereich
zwischen dem Wert gehalten wird, in welchem die Selektivität
sich vermindert, wenn der Anteil des zurückgeführten Abstroms
erhöht wird, d. h. oberhalb etwa 90 Gewichts-%, und zwischen
dem Wert, bei dem die Temperatur am Eintritt in die Reaktions
zone sich erhöht, wenn die Menge des zurückgeführten Abstroms
vermindert wird, d. h. einem Wert von weniger als etwa 50 Ge
wichts-%.
Im allgemeinen liegt die Temperatur der Cyanäthylierungs
reaktion im Bereich von etwa 0° bis etwa 100°C. Bei einer
niedrigeren Temperatur wird wahrscheinlich eine zu langsame
Reaktionsrate erzielt, während bei einer höheren Temperatur
unerwünschte Nebenreaktionen gefördert werden. Der bevorzugte
Temperaturbereich für die Reaktion ist ein Bereich zwischen
etwa 20°C und etwa 50°C.
Die erfindungsgemäße Verbesserung besteht außerdem darin, daß
ein Teil des Reaktions-Abstroms, der den Abstrom aus der Re
aktionszone darstellt, der noch nicht zur Abtrennung der ge
wünschten β-substituierten Propionitrilderivate behandelt
worden ist, mit einer Verbindung in Berührung gebracht wird,
die ein labiles Wasserstoffatom enthält, und daß das resultie
rende Gemisch dieser beiden Bestandteile mit Acrylnitril in
Kontakt kommt. Die zuletzt genannte Verbindung ist frisches
Acrylnitril, welches in die Reaktionszone eingeführt wird. Die
Verbesserung besteht ferner darin, daß das resultierende Gemisch
aus dem zurückgeführten Reaktorabstrom und der das labile Wasser
stoffatom enthaltenden Verbindung mit einem stark basischen Katalysa
tor in Berührung kommt, bevor es mit dem in die Reaktionszone
eintretenden Acrylnitril in Kontakt gebracht wird.
Bekanntlich wird für die Cyanäthylierungsreaktion häufig ein
stark basischer Katalysator angewendet; dies hängt jedoch da
von ab, welche spezielle Verbindung mit labilem Wasserstoffatom
als Reaktant eingesetzt wird. So wird beispielsweise ein stark
basischer Katalysator in Verbindung mit einem einwertigen oder
mehrwertigen aliphatischen Alkohol angewendet, während kein Ka
talysator verwendet wird, wenn die Ausgangsverbindung ein pri
märes oder sekundäres aliphatisches Amin ist.
Die benötigte Menge des Katalysators ist gering.
Im allgemeinen ist eine Menge von 1 bis 5 Gewichts-% Katalysa
tor, bezogen auf das Gewicht des Acrylnitrils, zufriedenstel
lend. Zu geeigneten Katalysatoren gehören Alkalimetalle, Oxide
von Alkalimetallen und Hydroxide von Alkalimetallen. Häufig
werden die Hydroxide der Alkalimetalle, z. B. KOH und NaOH,
in Form einer konzentrierten wäßrigen Lösung verwendet.
Wie vorstehend angegeben wurde, ist einer der Reaktanten der
Cyanäthylierungsreaktion eine Verbindung mit labilem Wasser
stoffatom. Die Reaktion kann somit unter Verwendung von
Alkoholen, Polyalko
holen, Phenolen und Thiolen, z. B. alipha
tische Mercaptanen
durchgeführt werden.
Zu den Polyalkoholen gehören Äthylenglycol und ähnliche
Diole und Polyole.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden weiteren Beispiele und Ver
gleichsversuche veranschaulicht.
Dieses Beispiel stellt einen ansatzweise durchgeführten Ver
such mit simulierter Rückführung dar, der zeigt, daß die Cyan
äthylierungsreaktion geregelt werden kann und das gewünschte
Produkt in hoher Ausbeute erhalten wird.
In einen mit Rührer, Rückflußkühler und zusätzlichem Tropf
trichter versehenen 2000 ml-Kolben, der in ein Eis-Wasser-Bad
eingetaucht war, wurden 248 g Äthylenglycol und 20 g einer
40-prozentigen wäßrigen NaOH-Lösung gegeben. Der Rührer wurde
in Betrieb genommen und 424 g Acrylnitril wurden durch den
Tropftrichter während einer Dauer von etwa 15 Minuten zuge
führt. Die Temperatur verblieb während der Zugabe des Acryl
nitrils im Bereich von 25-35°C. Das Rühren wurde eine weitere
Stunde fortgesetzt, wonach 170 g des Reaktionsgemisches aus dem
Kolben abgezogen wurden und durch Behandlung mit 70 g eines Sul
fonsäuregruppen enthaltenden Harzes neutralisiert wurden. Das
abgezogene Gemisch enthielt mehr als 95 Gewichts-% 3,3′-Äthy
lendioxy-bis(propionitril) und im wesentlichen kein Acrylnitril.
Folgende Bestandteile wurden rasch in den in Beispiel 2 beschriebe
nen Kolben, der das restliche Reaktionsgemisch enthielt, in
der folgenden Reihenfolge zugesetzt: 62 g Äthylenglycol, 5 g
40-prozentige wäßrige NaOH und 106 g Acrylnitril. Die Tempe
ratur verblieb während der Zugabe bei etwa 30°C und das Rühren
wurde 90 Minuten lang fortgesetzt. Danach wurde der Kolbenin
halt in der in Beispiel 2 beschriebenen Weise mit dem Sulfon
säureharz neutralisiert. Die Zusammensetzung dieses
Ansatzes war praktisch identisch mit der des in Beispiel 2 abgezoge
nen Gemisches, da in dem Gemisch mehr als 95 Gewichts-% des
Propionitrilderivats und im wesentlichen kein Acrylnitril
vorhanden waren.
Im Gegensatz dazu werden durch das nachstehende Vergleichsbeispiel die
Schwierigkeiten beschrieben, die während der Cyanäthylierung
auftreten können, insbesondere die rasche exotherme Wärmeent
wicklung.
In einen mit Rührer, Rückflußkühler und zusätzlichem Tropf
trichter versehenen 500 ml-Morton-Kolben, der in ein Eis-
Wasser-Bad getaucht war, wurden 62 g Äthylenglycol und 5 g
40-prozentige wäßrige NaOH gegeben. Zu dem gebildeten Gemisch
wurden 106 g Acrylnitril aus dem Tropftrichter rasch zugesetzt
und dann wurde der Rührer in Betrieb genommen. Innerhalb von
5 Minuten erhöhte sich die Temperatur auf 60°C und danach
rasch auf 120°C, einer Temperatur, bei welcher der Kolbenin
halt aus dem Kolben herausspritzte.
In einem weiteren Versuch wurde die Cyanäthylierungsreaktion
kontinuierlich in einem Röhrenreaktor aus rostfreiem Stahl der
Abmessungen 0,63 × 213,4 cm durchgeführt, der in ein zirkulie
rendes Bad, dessen Temperatur auf 30°C eingestellt wurde, ein
getaucht war. Äthylen-dioxy-bis(propionitril) wurde zur Simu
lierung der Produktrückführung aus dem Reaktoraustritt in einer
Menge von 0,247 ml/min in ein Misch-T-Stück gepumpt. Dort ver
mischte es sich mit Äthylenglycol, das 7 Gewichts-% 40-pro
zentiges wäßriges Natriumhydroxid enthielt, welches in einer
Rate von 0,0285 ml/min durch Pumpen zugeführt wurde. Der ge
mischte Strom wurde durch ein Rohr mit den Abmessungen 0,63 cm
× 51 cm zu einem zweiten T-Stück geführt und Acrylnitril
wurde in einer Rate von 0,0741 ml/min, d. h. 1,09 Mol/Mol
Glycol, zudosiert.
Dieser Mischstrom wurde direkt in den Reaktor eingeführt und
wurde nach dem Austritt aus dem Reaktor in einem graduierten
Auffanggefäß gesammelt, aus dem Proben periodisch abgezogen
wurden. Die Proben wurden durch Schütteln mit einem Sulfon
säuregruppen enthaltenden Ionenaustauscherharz neutralisiert
und dann durch Gaschromatographie analysiert.
Eine nach 3 Stunden entnommene Probe enthielt 93 Gewichts-%
Dinitril, 1 Gewichts-% Mononitril und 1 Gewichts-% Nebenpro
dukte. Der restliche Anteil bestand aus Wasser aus dem Kataly
sator und überschüssigem Acrylnitril. Diese Analyse entspricht
einer Bildung des gewünschten Produkts in einer Selektivität
von 97 Gewichts-%.
Eine weitere nach 4 Stunden entnommene Probe war praktisch
identisch in ihrer Zusammensetzung, was anzeigte, daß der
stationäre Zustand erreicht worden war.
Eine weitere kontinuierliche Reaktion wurde in gleicher Weise
wie in Beispiel 4 beschrieben durchgeführt, mit der Abänderung,
daß das Acrylnitril in einer Rate von 0,0667 ml/min zudosiert
wurde. In gleicher Weise wie in Beispiel 4 wurden nach 3- und 4-stün
digem Betrieb Proben entnommen und analysiert. Sie enthielten
95-96 Gewichts-% Dinitril, 0,5 Gewichts-% Mononitril, 0,5
bis 1 Gewichts-% anderer Nebenprodukte und 3-4 Gewichts-%
Wasser plus restliches Acrylnitril.
Die entsprechende Selektivität betrug 97-98 Gewichts-%.
Bei Verwendung von anderen Verbindungen mit labilem Wasser
stoff, nämlich Äthanol, Propanol und 2-
Äthyl-1-hexanol werden analoge Ergebnisse erzielt.
Claims (6)
1. Verfahren zur kontinuierlichen Cyanäthylierung in
homogener Phase, bei dem eine Verbindung mit labilem
Wasserstoff aus der Gruppe der Alkohole, Polyalkohole,
Phenole und Thiole in einer bei der üblichen Cyan
äthylierungstemperatur gehaltenen Reaktionszone mit
Acrylnitril in Gegenwart eines stark basischen
Katalysators umgesetzt wird, dadurch gekenn
zeichnet, daß man einen 50 bis 90 gewichts
prozentigen Anteil des aus der Reaktionszone abge
zogenen Gemisches in die Cyanäthylierungs-Reaktionszone
zurückführt, wobei das Gemisch mehr als 90 Gew.-% des
Cyanäthylierungsprodukts enthält, und man den zurück
geführten Anteil des aus der Reaktionszone abströmenden
Gemisches mit der als Beschickung zugeführten Ver
bindung mit labilem Wasserstoffatom und dem stark
basischen Katalysator in Berührung bringt und das so
gebildete Gemisch mit Acrylnitril unmittelbar vor dessen
Eintritt in die Reaktionszone vermischt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Reaktion in
Gegenwart eines Katalysators aus der Gruppe der Alkali
metalle, Alkalimetalloxide und Alkalimetallhydroxide
durchführt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß man das Hydroxid ei
nes Alkalimetalls in Form einer wäßrigen Lösung ver
wendet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß man als Poly
alkohol Äthylengylcol verwendet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß man den zurückgeführten
Anteil so einstellt, daß das aus der Reaktionszone abströ
mende Produkt weniger als etwa 3 Gew.-% nicht umgesetztes
Acrylnitril enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß man einen
Anteil von etwa 60 bis etwa 80 Gew.-% des aus dem Reak
tor abströmenden Produkts in die Cyanäthylierungs-Reak
tionszone zurückführt.
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Representative=s name: STREHL, P., DIPL.-ING. DIPL.-WIRTSCH.-ING. SCHUEBE |
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