NL8104444A - Werkwijze ter bereiding van aceetaldehyde. - Google Patents

Description

V * <»„<* Μ // .......

Werkwijze ter bereiding van aceetaldehyde.

De uitvinding heeft betrekking op de bereiding van aceetaldehyde en heeft meer in het bijzonder betrekking op de bereiding van aceetaldehyde door omzetting van az ij nzuuranhydride.

5 Aceetaldehyde is een algemeen bekende technische chemicalie, die voornamelijk wordt gebruikt als intermediair bij de bereiding van organische chemicaliën, en is gedurende vele jaren technisch bereid, bijvoorbeeld door hydratering van ethyn en katalytische oxydatie van ethylalkohol, 10 etheen en verzadigde koolwaterstoffen, zoals butaan. Meer onlangs werd gevonden dat aceetaldehyde kan worden bereid door inwerking van koolmonoxyde en waterstof op alkoholen, ethers en esters in tegenwoordigheid van katalysatoren op basis van metalen uit de 8 groep van het periodiek systeem. Dergelijke reacties zijn 15 bijvoorbeeld beschreven in de Amerikaanse octrooischriften 2.727.902, 3.285.948 en 3.356,734 en de Japanse octrooipublika-tie 48-19286 en vereisen de toepassing van zeer hoge super-atmosferische drukken. Het Belgische octrooischrift 839.321, dat overeenkomt met de Amerikaanse octrooiaanvrage Serial 20 654.662, ingediend op 5 februari 1976, beschrijft de bereiding van aceetaldehyde als bijprodukt bij de bereiding van ethylideen-diacetaat door reactie van koolmonoxyde en waterstof met methyl-acetaat onder gematigde superatmosferische drukken. De selectiviteit ten opzichte van aceetaldehyde, vermeld in deze publi-25 katies, is echter in het algemeen betrekkelijk laag en dit is duidelijk een nadeel wanneer aceetaldehyde het gewenste produkt is. Volgens het Amerikaanse octrooischrift 3.579.566 worden organische zuuranhydriden, zoals azijnzuuranhydride, behandeld met waterstof in tegenwoordigheid van een katalysator, omvatten-30 de een complex van een groep VIII edelmetaal met een bifyllische ligand uit de groep, bestaande uit trihydroearbylfosfinen, -arsinen en -stibinen. De voorbeelden van het Amerikaanse octrooischrift 3.579.566 illustreren voornamelijk de bereiding van 8104444 i ·$ - 2 - ethylideendiacetaat uit azijnzuuranhydride volgens deze techniek. De vorming van kleine hoeveelheden aceetaldehyde is eveneens vermeld in dit Amerikaanse oetrooischrift, maar de gevormde hoeveelheden zijn ongeschikt wanneer het wenselijk is aceetaldehyde 5 als hoofdprodukt samen met azijnzuur te verkrijgen. Volgens het

Belgische oetrooischrift 879.178 worden anhydriden in 1.1-diësters omgezet met behulp van waterstof in tegenwoordigheid van zekere ondersteunde metalen, waaronder metalen uit groep VIII van het periodiek systeem, en in tegenwoordigheid van een sterk proto-10 nisch zuur, zoals chloorwaterstofzuur en fluorwaterstofzuur.

De vorming van aceetaldehyde is niet vermeld.

De uitvinding beoogt daarom te voorzien in een werkwijze ter bereiding van aceetaldehyde, waarbij de selectiviteit ten opzichte van aceetaldehyde in aanzienlijke mate 15 is vergroot en waarbij de reactie kan worden uitgevoerd bij matig verhoogde drukken.

Volgens de uitvinding worden deze en andere doeleinden bereikt door azijnzuuranhydride in reactie te brengen met waterstof in tegenwoordigheid van een groep VIII 20 edelmetaal-katalysator in een kokende reactiezone, bijvoorbeeld door op continue wijze te werken met een continue voeding van azijnzuuranhydride zowel als waterstof aan de kokende reactiezone. Een kokende reactiezone is een reactiezone, die men onder zodanige temperatuur- en druk-omstandigheden laat werken, dat 25 de aanwezige reactiecomponenten en produkten continu koken, dat wil zeggen dat zij continu worden verdampt en het reactieprodukt, effluent uit de reactiezone wordt verwijderd in de damptoestand, ter onderscheiding van gebruikelijke vloeistoffase-reacties, waarbij het produkt-effluent wordt afgevoerd als een vloeibare 30 stroom. De kokende reactiezone onderscheidt zich eveneens van een dampfase-zone, waarbij de reactiecomponenten en de reactie-produkten op ieder moment nagenoeg alle in de dampfase zijn.

Verrassenderwijze werd gevonden dat wanneer een groep VIII edelmetaal-katalysator, in het bijzonder 35 palladium, rhodium, ruthenium en platina, speciaal palladium, wordt gebruikt en de reactie wordt uitgevoerd in een kokende re- 8104444 # Ά - 3 - actiezone van het beschreven type de selectiviteit ten opzichte van aceetaldehyde in aanzienlijke mate wordt vergroot en het theoretische maximum daarvan kan benaderen.

De reactie van waterstof met azijnzuur-5 anhydride onder vorming van aceetaldehyde kan worden geïllustreerd door de volgende vergelijking: 0 0 tr ii

CH3COCCH3 + H2 -> CH3CHO + CEjCOOH

10 Zoals uit de bovenstaande vergelijking blijkt zal 1 mol azijnzuuranhydride theoretisch 1 mol aceetaldehyde en 1 mol azijnzuur vormen. Volgens de uitvinding wordt de vorming van andere produkten, zoals ethylideendiacetaat, die de neiging vertonen de opbrengst aan aceetaldehyde te vermin-15 deren, zo klein mogelijk gehouden, zodat de hoeveelheid aceetaldehyde, gevormd uit een eenheidshoeveelheid azijnzuuranhydride, bijna de theoretische hoeveelheid zal benaderen. Tegelijkertijd wordt de hoeveelheid azijnzuuranhydride, omgezet in aceetaldehyde en azijnzuur, op een gewenst niveau gehandhaafd, De hier gebruikte 20 uitdrukking "selectiviteit" bezit de gebruikelijke betekenis, namelijk „ i >χ. gevormde molen aceetaldehyde ,nn gerwageerde molen azijnzuuranhydride 25 Zoals blijkt uit de bovenstaande verge lijking is de theoretische selectiviteit ten opzichte van aceetaldehyde 100 % wanneer 1 mol aceetaldehyde en 1 mol azijnzuur worden gevormd per mol gereageerd azijnzuuranhydride.

De groep VIII edelmetaal-katalysator 30 kan worden toegevoerd en gebruikt in een willekeurige geschikte vorm, dat wil zeggen in de 0-valentietoestand of in een willekeurige hogere valentie-vorm. De katalysator kan bijvoorbeeld zijn het metaal zelf in fijnverdeelde vorm of een metaalcarbonaat, -oxyde, -hydroxyde, -bromide, -jodide, -chloride, -lager alkoxyde 35 (methoxyde), -fenoxyde of metaalcarboxylaat, waarbij het carboxy-laat-ion is afgeleid van een alkaanzuur met 1-20 koolstofatomen.

8104444

*··· aI

\ - 4 -

Bij voorkeur wordt het groep VIII edelmetaal gebruikt in de vorm van een zout of in de O-valentievorm. Voor dit doel omvatten typische zouten palladiumbromide (PdBr^), palladiumchloride (PdC^) , palladiumchloride-dihydraat (PdC^ · 21^0), palladium-5 trifluoride (PdF^), palladiumjodide (Pd^), palladiumnitraat (Pd(NO^)2)9 palladiumsulfaat (PdSO^.21^0), palladiumacetaat en dergelijke. Deze illustratieve vormen zijn typisch voor de vormen van de andere groep VIII edelmetalen, die gebruikt kunnen worden, bijvoorbeeld rhodiumchloride (RhCl^), rhodiumjodide 10 (RhJ^), rutheniumchloride (RuCl^), platinabromide (PtBr2), platinachloride (PtCl^), etc. Wanneer de katalysator in de 0-valentievorm is wordt deze bij voorkeur ondersteund, dat wil zeggen dat deze wordt gedispergeerd op een drager van gebruikelijk type. zoals aluminiumoxyde, siliciumoxyde, siliciumcarbide, 15 zirkoniumoxyde, koolstof, bauxiet, attapulgus-klei en dergelijke. De katalysator-componenten kunnen op een gebruikelijke wijze op de dragers worden aangebracht, bijvoorbeeld door impregnering van de drager met een oplossing van de katalysator of het kata-lysatormengsel, gevolgd door droging. Desgewenst kan de kata-20 lysator van te voren worden geactiveerd, bijvoorbeeld door verhitting daarvan in tegenwoordigheid van waterstof. De katalysator component-concentratie ten opzichte van de drager kan binnen ruime grenzen variëren, bijvoorbeeld van 0,01 gew.% tot 10 gew.% of hoger.

25 De hoeveelheid van de groep VIII edel- metaal-katalysator is op geen enkele wijze van essentieel belang en is geen parameter van de werkwijze volgens de uitvinding en kan binnen ruime grenzen variëren. Zoals aan deskundigen algemeen bekend is is de gebruikte hoeveelheid katalysator de 30 hoeveelheid, die zal voorzien in de gewenste geschikte en redelijke reactiesnelheid, omdat de reactiesnelheid wordt beïnvloed door de hoeveelheid katalysator. Echter zal nagenoeg iedere hoeveelheid katalysator de basis-réactie vergemakkelijken en daarom kan iedere hoeveelheid worden beschouwd als een kata-35 lytisch doeltreffende hoeveelheid. In het algemeen echter wordt de katalysator gebruikt in een hoeveelheid van 1 mol per 50-5000 8104444

c*· W

- 5 - molen azijnzuuranhydride, bij voorkeur 1 mol per 300-2500 molen azijnzuuranhydride en zeer in het bijzonder I mol per 1000-2000 molen.

De waterstof wordt bij voorkeur gebruikt 5 in nagenoeg zuivere vorm, in het bijzonder met betrekking tot koolmonoxyde, zoals technisch verkrijgbaar, maar inerte verdun-ningsmiddelen, zoals stikstof, methaan en edelgassen kunnen desgewenst aanwezig zijn. De aanwezigheid van inerte verdunningsmid-delen, beïnvloedt de reactie niet, maar de aanwezigheid daarvan 10 maakt het noodzakelijk de totale druk te verhogen teneinde de gewenste partiële waterstofdruk te handhaven. De waterstof is bij voorkeur nagenoeg vrij van CO. De waterstof moet eveneens nagenoeg droog zijn, dat wil zeggen dat de waterstof en de andere reactiecomponenten redelijk vrij van water moeten zijn. De aan-15 wezigheid van kleine hoeveelheden water, zoals aangetroffen kunnen worden in de technische vormen van de reactiecomponenten, is echter volledig aanvaardbaar.

De werkwijze volgens de uitvinding kan desgewenst worden uitgevoerd in tegenwoordigheid van een oplos-20 middel of verdunningsmiddel. Het oplosmiddel of verdunningsmiddel kan zijn een willekeurig organisch oplosmiddel, dat inert is in het medium van het proces, maar bij voorkeur wordt gebruik gemaakt van betrekkelijk hoogkokende paraffinische koolwaterstoffen, zoals hexadecaan en decaline, aromatische koolwaterstoffen, 25 zoals difenyl, fenanthreen, anthraceen en tetraline. halogeen-koolwaterstoffen, zoals chloorbenzenen, bijvoorbeeld trichloor-benzeen, of carbonzuren, bijvoorbeeld die welke tot 16 koolstof-atomen bevatten, zoals azijnzuur, of betrekkelijk hoogkokende esters en cellosolve-acetaat, en dergelijke. Voorkeursoplosmidde-30 len zijn trichloorbenzeen, decaline, anthraceen en tetraline.

Mengsels van oplosmiddelen kunnen eveneens worden toegepast.

In het algemeen zijn hoogkokende oplosmiddelen voor de toepassing het meest geschikt gebleken wanneer een oplosmiddel bij het proces wordt gebruikt. Op geschikte wijze wordt een oplosmiddel of 35 verdunningsmiddel gekozen, dat een kookpunt bezit, dat voldoende verschilt van dat van de andere componenten in het reactiemengsel, 8104444 * - 6 - zodat het gemakkelijk door destillatie kan worden afgescheiden, zoals voor deskundigen duidelijk zal zijn.

De temperatuur van het reactiemengsel wordt zodanig gekozen, dat het reactiemengsel onder continu 5 kokende omstandigheden wordt gehouden, dat wil zeggen teneinde een continue verdamping van het vloeibare reactiemengsel te handhaven bij de toegepaste totale druk en totale gasstroomsnelheid. Gewoonlijk zal de temperatuur liggen binnen het traject van 100-225°C. Hogere temperaturen kunnen worden gebruikt, maar 10 de toepassing daarvan biedt geen bijzondere Voordelen. De reactie-duur is geen parameter van het proces en is grotendeels afhankelijk van de toegepaste temperatuur.

De voeding van gas aan de reactiezone, dat wil zeggen waterstof en recirculatiegas, wordt op geschikte 15 wijze bewerkstelligd door het gas te leiden in het vloeibare kokende reactiemedium, zodat het gas opwaarts daardoorheen stroomt. Dit bewerkstelligt niet alleen een roering maar vergemakkelijkt eveneens de controle op de partiële druk van het gas.

De reactie wordt uitgevoerd onder superatmosferische druk, maar 20 overmatig hoge drukken, die een speciale hogedrukapparatuur vereisen, zijn niet noodzakelijk. In het algemeen wordt de reactie op doeltreffende wijze uitgevoerd onder gebruikmaking van een 2 partiële waterstofdruk, die bij voorkeur 3,5-210 kg/cm bedraagt, hoewel een partiële waterstofdruk binnen een breder traject van 9 25 0,7-700 kg/cm eveneens kan worden toegepast. De totale druk is de druk, die nodig is om te voorzien in de gewenste partiële waterstofdruk en die welke nodig is om de vloeistoffase te handhaven maar kokende omstandigheden mogelijk te maken. Typisch worden totale drukken tot ongeveer 245 kg/cm gebruikt. De reac-30 tie kan met voordeel worden uitgevoerd in een autoclaaf of een analoog apparaat.

Het zal duidelijk zijn dat de hierboven vermelde reacties worden uitgevoerd onder nagenoeg watervrije omstandigheden. De aanwezigheid van zeer kleine hoeveelheden wa-35 ter, zoals kunnen worden aangetroffen in technisch verkrijgbare reactiecomponenten, is echter toegestaan. Gewoonlijk echter dient 8104444 t - 7 - de aanwezigheid van meer dan 5 mol.% water in ëén of meer van de reactiecomponenten te worden vermeden, waarbij de aanwezigheid van minder dan 3 mol.% water wenselijk is en de aanwezigheid van minder dan 1 mol.% de voorkeur geniet.

5 Het effluent uit de reactiezone is vol ledig gasvormig, dat wil zeggen dat het is samengesteld uit de niet-condenseerbare gassen in het reactiesysteem, bijvoorbeeld waterstof, zowel als verdampte organische verbindingen, waaronder het produkt aceetaldehyde, niet-gereageerd azijnzuuranhydride, 10 azijnzuur en oplosmiddel, indien aanwezig.

Het verdampte reactiemengsel wordt continu verwijderd uit de reactiezone en gedeeltelijk gecondenseerd teneinde de hoger kokende bestanddelen af te scheiden en teneinde te voorzien in een nettoprodukt, bestaande uit aceet-15 aldehyde, dat afzonderlijk wordt gecondenseerd of op andere wijze wordt gewonnen uit de niet-condenseerbare gascomponent, bijvoorbeeld waterstof, zoals hierboven werd vermeld. De boven beschreven reactie leent zich gemakkelijk voor een continue uitvoering, waarbij de reactiecomponenten, bijvoorbeeld azijnzuuranhydride 20 en waterstof, continu worden toegevoerd aan de reactiezone en, na de verwijdering van aceetaldehyde als hierboven beschreven, de andere componenten van het damp-effluent, zowel gasvormige als vloeibare, in het bijzonder niet gereageerd azijnzuuranhydride en waterstof, continu worden gerecirculeerd naar de reactie-25 zone. De betrekkelijk niet-vluchtige katalysator blijft op ieder moment in de reactiezone en slechts het gasvormige effluent wordt verwijderd. Een spuigas van de gerecirculeerde gassen kan op een gebruikelijke wijze worden afgenomen teneinde de opbouw van verontreinigende gassen, die aanwezig kunnen zijn in de 30 waterstof-voeding aan het systeem, zoals stikstof, of die bij de reactie zelf kunnen zijn gevormd, te voorkomen.

De uitvinding wordt verder toegelicht maar niet beperkt door de volgende voorbeelden, waarin de aangegeven percentages molpercentages zijn, tenzij anders is aangegeven.

35 8104444

V

- 8 - y· C-

Voorbeeld I

In dit voorbeeld wordt een magnetisch geroerde, met glas gevoerde Parr-bom van 200 ml als reactievat gebruikt. Het vat is voorzien van een damp-afvoerleiding, be- 5 vattende een drukregulator, die wordt ingesteld teneinde op 2 ieder moment de druk in het vat op 7 kg/cm te handhaven. Het vat wordt geladen met 30 g azijnzuuranhydride en 0,5 g palladium- 3 op-houtskool (5 gew.%) samen met ongeveer 30 cm trichloorben-zeen, wordt gespoeld met argon en onder druk gebracht met water-10 stof tot 7 kg/cm , De reactor wordt vervolgens geplaatst in een oliebad bij kamertemperatuur en in ongeveer 10 minuten gebracht op 160°C. Onder deze omstandigheden kookt het reactiemengsel en de ontwikkelde dampen worden afgevoerd. Tegelijkertijd wordt waterstof toegevoerd aan de reactor in een zodanige hoeveelheid 15 (30 liter per uur) dat voorzien wordt in een aanvulling voor de hoeveelheid, die is afgevoerd met het effluent, en ter handhaving van de aangegeven druk. Na 1 uur wordt de reactie gestaakt. Gedurende de reactie wordt het effluent onderworpen aan een eerste condensatie teneinde de porties van het effluent met hogere 20 kookpunten dan aceetaldehyde af te scheiden en het aceetaldehyde wordt vervolgens gecondenseerd teneinde dit af te scheiden van de niet-condenseerbare gascomponent. De verhouding van aceetaldehyde tot azijnzuur blijkt 0,33 te bedragen en men verkrijgt een opbrengst van 25,8 % aceetaldehyde. Dit voorbeeld illus-25 treert de discontinue uitvoering, waarbij al het azijnzuuranhydride in de aanvang wordt toegevoerd.

Voorbeeld'II

Voorbeeld I wordt herhaald, maar de reactie wordt uitgevoerd bij een temperatuur van I85°C. De op-30 brengst aan aceetaldehyde blijkt 63 % te bedragen en de verhouding van aceetaldehyde tot azijnzuur is 0,68.

Vergelijkend voorbeeld A

Voorbeeld II wordt herhaald met deze uit-3 zondering, dat ongeveer 0,25 cm orthofosforzuur aan de charge 35 wordt toegevoegd. De opbrengst aan aceetaldehyde blijkt te dalen tot slechts 5 % en de verhouding van aceetaldehyde tot azijnzuur 8104444 * - 9 - is slechts kleiner dan 0,1. Het meeste azijnzuuranhydride blijkt te zijn omgezet in ethylideendiacetaat. Dit voorbeeld illustreert het nadelige effect van sterke protonische zuren op de aceetaldéhyde-vorming.

5 Voorbeeld III

In dit voorbeeld en in de volgende voorbeelden wordt de werkwijze volgens de uitvinding uitgevoerd onder een continue toevoer van reactiecomponenten. Onder gebruikmaking van een reactor als beschreven in voorbeeld I wordt het vat aan-10 vankelijk geladen met de katalysator, die wordt ondersteund en 0,5 g palladium op geactiveerde koolstof (5 gew.%) samen met 3 ongeveer 30 cm trichloorbenzeen is, uitgespoeld met argon en 2 met waterstof onder druk gebracht tot 7 kg/cm . De reactor wordt vervolgens gebracht op 185°C in ongeveer 10 minuten en zodra 15 het reactiemengsel begint te koken wordt een continue voeding 3 van azijnzuuranhydride begonnen bij een snelheid van 20 cm per uur en wordt waterstof continu toegevoerd bij een snelheid van 20 liter per uur. De reactie wordt gedurende 1,5 uren bij 7 kg/ 2 cm voortgezet. Aceetaldehyde wordt gewonnen op de xn voorbeeld 20 I beschreven wijze en blijkt te zijn gevormd in een opbrengst van 57 % bij een verhouding van aceetaldehyde tot azijnzuur van 0,74.

Voorbeeld IV

Voorbeeld III wordt herhaald, maar de 2 25 reactiedruk wordt verminderd tot 4,2 kg/cm , de azijnzuuranhy- . 3 dride-voedingssnelheid is 18,7 cm per uur en de waterstof-voedingssnelheid is 40 liter per uur. Na een reactieperiode van 1 uur blijkt de opbrengst aan aceetaldehyde 63 % te zijn en de verhouding van aceetaldehyde tot azijnzuur bedraagt 0,64.

30 Voorbeeld V

Voorbeeld IV wordt herhaald met deze uitzondering, dat de azijnzuuranhydride-voedingssnelheid wordt . 3 verminderd tot 12,4 cm per uur en de reactieduur wordt verhoogd tot 2 uren. Aceetaldehyde wordt gevormd in een opbrengst van 35 70 % bij een verhouding van aceetaldehyde tot azijnzuur van 1.

8104444 * - 10 -

Voorbeeld VI

De werkwijze van voorbeeld III wordt herhaald met deze uitzondering, dat de hoeveelheid van 5 % palladium op geactiveerde koolstof wordt vergroot tot 1,1 g en de 5 waterstof-voedingssnelheid wordt verhoogd tot 40 liter per uur.

Na een reactieduur van 1,25 uren blijkt dat de opbrengst aan aceetaldehyde 80 % bedraagt en de verhouding van aceetaldehyde tot azijnzuur 1 is. Bij een verdere proef, uitgevoerd gedurende 3 1,33 uren bij een azijnzupr-voedingssnelheid van 18,8 cm per 10 . uur verkrijgt men een opbrengst aan aceetaldehyde van 70 % bij een verhouding van aceetaldehyde tot azijnzuur van 1.

Voorbeeld VII

Onder toepassing van het apparaat en de procedure, beschreven in voorbeeld III, werd de reactie uitge- 15 voerd in tegenwoordigheid van een katalysator in de vorm van 0,7 g palladiumchloride bij een temperatuur van 185°C, een waterstofdruk van 7 kg/cm , een azijnzuuranhydride-voedings- 3

snelheid van 17,6 cm per uur en een waterstof-voedingssnelheid van 77 liter per uur. Na een reactieduur van 1,42 uren bleek de 20 opbrengst aan aceetaldehyde 57 % te zijn, terwijl de verhouding van aceetaldehyde tot azijnzuur 0,89 blijkt te bedragen. Vergelijkend voorbeeld B

Voorbeeld IV wordt herhaald, echter in 3 aanwezigheid van 0,25 cm orthofosforzuur. Na een reactieduur van 25 1,32 uren blijkt dat de opbrengst aan aceetaldehyde slechts 16 % is. De verhouding van aceetaldehyde tot azijnzuur bedraagt 0,51.

Vergelijkend voorbeeld C

Voorbeeld VII wordt herhaald onder ge- 3 30 bruikmaking van 2 g palladiumchloride plus 1 cm orthofosforzuur. In dit geval daalde de opbrengst dramatisch tot 1 % en was de verhouding van aceetaldehyde tot azijnzuur minder dan 0,1.

8104444

Claims (5)

1. Werkwijze ter bereiding van aceet-aldehyde, met het kenmerk, dat men azijnzuuranhydride in reactie brengt met waterstof in tegenwoordigheid van een groep VIII 5 edelmetaal-katalysator, waarbij de reactie wordt uitgevoerd in de vloeistoffase, maar het reactiemengsel onder kokende omstandigheden wordt gehouden en het gehele reactie-effluent in de dampvorm is.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met 10 het kenmerk, dat de reactie wordt uitgevoerd bij een temperatuur van 100-225°C en onder een partiële waterstofdruk van 3,5-21 kg/cv?.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het groep VIII edelmetaal palladium is.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de palladium-katalysator palladium in de 0-valen-tietoestand op een drager is.

5. Werkwijzen, produkten, of apparaten als beschreven in de beschrijving en/of voorbeelden. 20 8104444