NL9101348A

NL9101348A - Werkwijze voor de bereiding van n-gesubstitueerde acrylzuuramiden en methacrilzuuramiden.

Info

Publication number: NL9101348A
Application number: NL9101348A
Authority: NL
Original assignee: Roehm Gmbh
Priority date: 1990-09-03
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1992-04-01
Also published as: ES2036467B1; GB2248234B; FR2666334B1; DE4027843A1; FR2666334A1; ES2036467A1; GB9118329D0; GB2248234A

Description

Uittreksel

De uitvinding heeft betrekking op een verbeterde werkwijze voor de bereiding van N-gesubstitueerde acrylzuuramiden en methacrylzuuramiden door omzetting van acrylesters van acryl- of methacrylzuur met alifatische of aromatische aminen in een molverhouding l:fc2 volgens een continue procesvoering. Volgens de verbeterde werkwijze liggen de opbrengsten aan onverzadigde amiden bij ongeveer 95# van de theorie betrokken op toegepaste acryl- of methacrylzuuresters en het verlies aan amine is sterk verlaagd.

Vferkwijze_voor de bereiding van N-gesubstitueerde acrvlzuuramiden en methacrvlzuuramiden

Gebied van de uitvinding

De uitvinding heeft betrekking op een verbeterde werkwijze voor de bereiding van N-gesubstitueerde acrylzuuramiden en methacrylzuuramiden door omzetting van acrylesters van acryl- of methacrylzuur met alifatische of aromatische aminen.

Stand der techniek

Voor de bereiding van N-gesubstitueerde amiden van acrylzuur en methacrylzuur, die als polymeriseerbare monomeren met een relatief hydrofiele en inerte functionele groep een grote technische belangstelling bezitten zijn de kleinmoleculige esters van acrylzuur en methacrylzuur vanwege de goede beschikbaarheid hiervan voorkeursuitgangsstoffen, die hiervoor omgezet worden met overeenkomstige primaire of secundaire aminen.

Daar de onverzadigde carbonzuuresters daarbij zowel aan de koolstof-koolstof-(C-C)-dubbele binding ervan alsook met de estergroep ervan kunnen reageren met het amine, verkrijgt men afhankelijk van de reactie-omstandigheden, in het bijzonder van de concentratie-, temperatuur- en drukomstandigheden en van de invloed van katalysatoren de gewenste onverzadigde N-gesubstitueerde carbonzuuramiden gemengd met meer of minder hoge gehalten amineadditieprodukten aan de C-C-dubbele binding.

Uit DE-B-2.502.247 is een werkwijze voor de bereiding van N-(tert-aminoalkyl)(meth)acrylamiden door thermische splitsing bij temperaturen van 180 tot 300*C van bijvoorbeeld door omzetting van acryl- of methacrylzuuresters met een tert-aminoalkylarnine in de molverhouding 1:^2 beneden 200°C verkregen β-amino-propionamiden resp. -isobutylamiden bekend. De splitsingsreactie wordt bij voorkeur bij een continue werkwijze onder toepassing van verminderde drukken tot minimaal 2 mbar of bovenatmosferische drukken tot maximaal ongeveer 11 bar uitgevoerd. Betrokken op de toegepaste (meth)acrylesteruitgangscomponenten worden over beide omzettingstrappen opbrengsten aan methacrylamiden tot ongeveer 80% van de theorie verkregen.

In DE-A-2.8O9.IO2 is een werkwijze voor de bereiding van N-gesubstitueerde (meth)acrylamiden beschreven, waartoe (meth)acrylzuuresters met een ondermaat tot een geringe overmaat van een amine in één trap onder autogene druk (ongeveer 10 tot 20 bar) in homogene fase tot boven 150°C, bij voorkeur 180 tot 250°C verwarmd worden en de reactieprodukten door gefractioneerde destillatie zuiver worden verkregen. Bijvoorbeeld wordt uit methylamine en methylmethacrylaat N-methylmethacrylamide afhankelijk van de per mol methylmethacrylaat toegepaste hoeveelheid methylamine in hoeveelheden van 81# van de theorie, betrokken op ester (1,1 mol methylamine) en 89# van de theorie, betrokken op amine (0,5 mol methylamine) resp. 97# van de theorie, betrokken op amine (0,25 mol methylamine) gevormd.

Volgens DE-A-2.8l6.5l6 wordt de omzetting van de alkylesters van acryl- of methacrylzuur met aminen bij temperaturen tussen 50 en l80 °C bij aanwezigheid van katalytische hoeveelheden van een dialkyltinoxide uitgevoerd. Doelmatig werkt men met een overmaat ester. Daarbij worden amiden van (meth)acrylzuur in opbrengsten tot 98# van de theorie, betrokken op amine verkregen. Een analoge werkwijze, waarbij de omzetting bij aanwezigheid van katalytische hoeveelheden van verbindingen van de metalen van de IVde nevengroep en/of verbindingen van de metalen lood, tin en tantaal wordt uitgevoerd, is in DE-A-3.123.970 beschreven.

Volgens de beschreven werkwijzen van de stand der techniek kan een technische winning van N-gesubstitueerde (meth)acrylamiden door omzetting van de alkylesters van acryl- of methacrylzuur met aminen op continue wijze niet worden gerealiseerd. Bij het werken volgens DE-B-2.502.247 wordt het in lange reactietijden - ca. 10 tot 20 uur - uit 2 mol amine en 1 mol onverzadigde ester gevormde β-amino-propionamide resp. β-amino-isobutylamide in een tweede trap gesplitst voor het zuiver kan worden verkregen.

Ook bij de andere bij de stand der techniek besproken werkwijzen zijn lange reactietijden - ca. 3 tot 10 uur - nodig om het, ook in ondermaat, toegepaste amine om te zetten tot het onverzadigde amide. Verder werd vastgesteld, dat bij werkwijzen, waarbij met acrylesters resp. methacrylesters in overmaat wordt gewerkt, wegens vorming van de meest verschillende bijprodukten, o.a. polymerisatieprodukten, vorming van afzettingen en verstoppingen in de onderdelen van de apparatuur optreden, zodat continue werkwijzen niet kunnen worden uitgevoerd. Overeenkomstig liggen bij deze werkwijzen de selectiviteiten voor de onverzadigde amiden als reactieprodukten betrokken op de toegepaste onverzadigde esters duidelijk lager dan die betrokken op het toegepaste amine.

Probleem en oplossing

Aan de uitvinding ligt het probleem ten grondslag een continue werkwijze voor de bereiding van N-gesubstitueerde amiden van acryl- of methacrylzuur uit esters van deze zuren door aminolyse hiervan, met inbegrip van de winning in zuivere toestand van de onverzadigde N-gesubstitueerde amiden, ter beschikking te stellen.

De oplossing van dit probleem wordt volgens de uitvinding als volgt beschreven:

Werkwijze voor de bereiding van N-gesubstitueerde amiden van acryl- of methacrylzuur met de formule I

waarin Rx H of CH3 is en R2 en R3 telkens C^-Cg alkyl-, aralkyl- of arylgroepen of R2 H en R3 C1-bis-Cg alkyl-, aralkyl- of arylgroepen of Ci-Cg alkyleengroepen, die eindstandig noch substituenten dragen, zijn, door herestering van alkylesters van acryl- of methacrylzuur met aminen met de formule II

II/ waarin R2 en R3 de hiervoor aangegeven betekenis hebben, eventueel bij aanwezigheid van één of meer van de bekende aminolysekatalysatoren, met het kenmerk, dat de omzetting wordt uitgevoerd in een reactor bij temperaturen boven 150°C en drukken >1 bar door continue toevoer van acrylzuur- of methacrylzuuralkylester en amine in de molverhouding 1:^2 in reactietijden van 5 tot 40 minuten met continue verwijdering van het reactiemengsel waarbij dit eventueel ter voltooiing van de splitsing in onverzadigd amide en amine nog in een bij temperaturen boven de l60°C bedreven kolom geleid wordt en dan verder door gefractioneerde destillaties in het reactieprodukt, overmaat amine en bijprodukten wordt gescheiden.

Volgens deze uitvinding is het voor het eerst mogelijk in één werkwijzegang uit onverzadigde esters tot N-gesubstitueerde amiden te geraken. Zoals uit uitvoerige onderzoekingen met de reactiecomponenten methacrylzuurmethylester/methylamine, een systeem dat volgens de uitvinding de voorkeur heeft, voor de bereiding van N-methylmethacryl-amide bleek, ligt het verliesgehalte aan methylamine bij het werken volgens de onderhavige uitvinding b,v. met 2 tot 3 mol methylamine per mol methacrylzuurmethylester slechts bij ongeveer 0,1 mol per mol N-methylmethacrylamide ten opzichte van 0,3 mol amineverlies per mol N-methylmethacrylamide bij het werken met een equimolaire verhouding van de uitgangscomponenten.

Uitvoering van de uitvinding

Als acryl- of methacrylesters hebben methylacrylaat, ethylacrylaat en methylmethacrylaat de voorkeur, daar zij technisch goed toegankelijk zijn en de bij de aminolyse vrijkomende alcohol gemakkelijk uit het reactiemengsel kan worden verwijderd. Met toenemend aantal koolstofatomen in de alcoholresten neemt de geschiktheid van de esters af. Vanuit dit gezichtspunt kunnen de alkylesters met meer dan 4 C-atomen in de alkylrest als minder geschikt worden beschouwd.

De aminolyse volgens de uitvinding wordt met aminen met de formule II, volgens welke dit primaire en secundaire aminen met alifatische, aralifatische en aromatische resten R2 en/of R3 met telkens 1 tot 8 C-atomen in de rest R2 of R3 kunnen zijn, uitgevoerd. Als voorbeeld kunnen hier als alifatische primaire aminen in de eerste plaats methylamine, ethylamine, n-propylamine, n-butylamine en sec-butylamine, als alifatische secundaire aminen dimethylamine, diethylamine, methyl- ethylamine en di-n-butylamine, als aralifatisch amine benzylamine en als aromatische aminen aniline en met methyl gesubstitueerde anilinen worden genoemd.

De om te zetten aminen kunnen in het bijzonder naast de primaire aminogroep nog andere functionele groepen zoals ether-, thioether- of aminogroepen bevatten, waarbij tertiaire aminogroepen als zodanig de voorkeur hebben. Voorbeelden van dergelijke aminen met groepen met tertiaire stikstofatomen zijn 3-8imethylaminopropylamine, 2-morfolino-ethylamine.

Bekende aminolyse-katalysatoren kunnen tevens worden toegepast, zoals b.v. dialkyltinoxiden; echter telt de katalytische werkzaamheid ervan wegens de hoge reactietemperatuur van > ca. 180°C niet bijzonder mee. Voor het vermijden van polymerisatieverliezen is het doelmatig de omzetting en opwerking van het reactiemengsel bij aanwezigheid van polymerisatieremmers, zoals hydrochinon, hydrochinonmonomethylether, fenothiazine uit te voeren, die eventueel bij aanwezigheid van moleculair opgeloste zuurstof hun stabiliserende eigenschap beter ontplooien.

De omzetting van het amine met de acryl- resp. methacrylester wordt in een reactor met zo gering mogelijke terugvermenging in vloeibare fase uitgevoerd. Hiertoe wordt het mengsel van het amine met de onverzadigde ester met een temperatuur van ongeveer 50 tot 100°C onder een druk van >1 bar vloeibaar uit een menginrichting in de reactor gedrukt. Als menggedeelte kan ook het eerste gedeelte van de reactor uitgevormd zijn, waarin de reactiecomponenten afzonderlijk gedoseerd worden toegevoerd. De uitvoering van de omzetting vindt met voordeel plaats in een buisreactor bij temperaturen boven 150°C, in de eerste plaats bij temperaturen van 180 tot 250°C en ook bij temperaturen van 250 tot 300*0. In plaats van een praktisch isotherme reactievoering kan de omzetting ook binnen een sterker temperatuurprofiel van ongeveer 100°C aan de ingang van de reactor tot ongeveer 300°C aan de uitgang van de reactor worden uitgevoerd. Het voordeel van deze wijze van werken bestaat daarin, dat ten hoogste slechts nog geringe amine-C-C-dubbele bindingsprodukten in het reactiemengsel aanwezig zijn en de vorming van het N-gesubstitueerde acryl- resp. methacrylamide in hoofdzaak voltooid is. De drukken in de reactor zijn bij voorkeur autogeen en liggen boven 1 bar, in de eerste plaats >5 bar, bijvoorbeeld bij 10 tot 30 bar of hoger. Na verblijftijden van 5 tot 40 minuten, in de eerste plaats van 5 tot 25 minuten, en in het bijzonder van 10 tot 20 minuten wordt het reactiemengsel continu van de reactoruitgang in een scheidingssysteem van kolommen geleid. Met voordeel wordt de afvoerstroom van de reactor in een eerste kolom geleid, waarin de afgesplitste alcohol en overmaat amine via de top afgedestilleerd worden en waarin de temperatuur voor het splitsen van nog aanwezig amine-C-C-dubbelebindingsprodukt voldoende is. Dat zijn temperaturen >l60°C, in de eerste plaats >l80°C, zodat in het terugloopgedeelte van de kolom het N-gesubstitueerde onverzadigde amide en eventueel hoger kokende bijprodukten worden verkregen.

Het via de top onttrokken amine-alcohol-mengsel wordt verder onder gebruikelijke omstandigheden, met voordeel destillatief, gescheiden en het amine wordt hier in de reactie teruggeleid. Uit het teruggelopen produkt wordt het N-gesubstitueerde acryl- resp. methacrylamide door fijnzuivering, in de eerste plaats door destillatie of van bij normale temperatuur kristalliserende amiden door kristallisatie en eventueel herkristallisatie gewonnen.

Voorbeelden

Bereiding van N-methylmethacrylamide Voorbeeld 1

Omzetting van methacrylzuurmethylester met methylamine in de molver-houding 1:2.

In een apparatuur overeenkomstig fig. 1 wordt in een isotherm bedreven buisreactor (C501) bij 210°C, een verblijfstijd van 15 minuten en een u i t g an g s v e r h o u d i n g van 1:2 = Μ M A : Μ A

(methacrylzuurmethylester:methylamine) de reactie bij een druk van l60 bar uitgevoerd. Aan de reactortoevoer van MMA is 300 dpm hydrochinonmono-methylether toegevoegd en de toevoer is verzadigd met luchtzuurstof. De de reactor verlatende produktstroom (3) wordt in een destillatiekolom (K501), waarin de bodemtemperatuur boven l60°C ligt, bevrijd van de laag-kokende stoffen methylamine, dimethylamine, trimethylamine, methanol, H20, methacrylzuur. Methylamine wordt in een andere kolom (K502) van de genoemde bijprodukten afgescheiden en weer in de reactie geleid (6). De overige laagkokende verbindingen worden verkregen in de bodem van de kolom (K502) en worden als afgevoerde stroom (7) verwijderd.

De afvoerstroom van het bodemprodukt van destillatiekolom (K501) bevat het gewenste produkt N-methylmethacrylamide en hoogkokende stoffen. De in de toevoer tot de kolom (3) aanwezige additieprodukten, zoals |5-methyl- resp. β-dimethylaminoisoboterzuurmethylamide worden in het terugloopdeel van de kolom praktisch volledig in de overeenkomstige aminen en N-methylmethacrylamide gesplitst.

In een derde destillatiekolom (K503) wordt N-methylmethacrylamide door destillatie van de hoogkokende produkten gescheiden.

In tabel 1 zijn de zich in de apparatuur op de overeenkomstige monsterplaatsen (zie fig. 1) instellende molstromen aangegeven. Methacrylzuurmethylester werd volgens de beschreven werkwijze voor 95,2% van de theorie omgezet in N-methylmethacrylamide. Per mol gevormd N-methylmethacrylamide werd 1,15 mol methylamine verbruikt.

Voorbeeld 2

Omzetting van methacrylzuurmethylester met methylamine in een molver-houding 1:3.

Wanneer de omzetting van MMA met MA met een molverhouding 1:3 onder overigens gelijke reactie-omstandigheden als in voorbeeld 1 is beschreven wordt uitgevoerd dan is het verbruik aan monomethylamine 1,11 mol per mol gevormd N-methylmethacrylamide. De opbrengst aan onverzadigd amide betrokken op methacrylzuurmethylester bedroeg 96% van de theorie.

Voorbeeld 3 (vergelijkend voorbeeld)

Reactiecomponenten in de molverhouding 1:1.

Bij een ingestelde verhouding MMA:MA van 1:1 onder overigens gelijke omstandigheden als in voorbeeld 1 was de uitvoering van de proef wegens aanzienlijke polymeervorming ondanks dezelfde stabilisering belangrijk moeilijker. De opbrengsten waren verminderd tot 76,9% van de theorie. Het verlies aan methylamine per mol gevormd N-methylmethacrylamide bedroeg 0,3 mol (zie fig. 2).

Fig. 2 toont het amineverlies afhankelijk van de molverhouding van de uitgangscomponenten.

Volgens deze reactie-omstandigheden kunnen met soortgelijk goed gevolg andere aminen met de algemene formule II tot de overeenkomstige onverzadigde amiden met de formule I worden omgezet.

TABEL 1

t * Molmassa van hoogkokende stoffen 250g/mol

Claims

1. Werkwijze voor de bereiding van N-gesubstitueerde amiden van acryl- of methacrylzuur met de formule I

I waarin of CH3 is en R2 en R3 telkens CrC8 alkyl-, aralkyl- of arylgroepen of R2 H en R3 C^Cg alkyl-, aralkyl- of arylgroepen of Cj-Cg alkyleengroepen, die eindstandig nog substituenten dragen, zijn, door omzetting van alkylesters van acryl- of methacrylzuur met aminen met de formule II

II waarin R2 en R3 de hiervoor aangegeven betekenis hebben, eventueel bij aanwezigheid van één of meer van de bekende aminolysekatalysatoren, met het kenmerk, dat de omzetting wordt uitgevoerd in een reactor bij temperaturen boven 150°C en drukken >1 bar door continue toevoer van acrylzuur- of methacrylzuuralkylester en amine in de molverhouding 1:^2 in reactietijden van 5 tot 40 minuten met continue verwijdering van het reactiemengsel, waarbij dit eventueel voor het voltooien van de splitsing in onverzadigd amide en amine nog in een bij temperaturen boven 160*C bedreven kolom wordt geleid en dan verder door gefractioneerde destillaties in het reactieprodukt, overmaat amine en bijprodukten wordt gescheiden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat als aminen met de formule II primaire aminen worden toegepast.

3· Werkwijze volgens conclusies 1 en 2, met het kenmerk, dat als aminen met de formule II primaire alifatische aminen worden toegepast.

4. Werkwijze volgens conclusies 1 tot 3» met het kenmerk, dat als amine met de formule II methylamine wordt toegepast.