DE2421934C2 - Verfahren zur Hydrierung von ungesättigten Verbindungen - Google Patents
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Description
einer Verbindung von Zink, Zirkonium, Molybdän oder Eisen und
einer Nickel-Verbindung.
einer Nickel-Verbindung.
wobei das Atomverhaltnis Metall (a) zu
= 10:1 bis 0,01 : 1 ist, erhalten worden ist.
= 10:1 bis 0,01 : 1 ist, erhalten worden ist.
Nickel
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hydrierung
von ungesättigten Verbindungen in flüssiger Phase mittels Wasserstoff in Anwesenheit eines löslichen
Katalysators, der durch Einwirkung einer metallorganischen Verbindung oder eines Metalihydrids als Reduktionsmittel
auf Verbindungen von Übergangsmetallen erhalten worden ist.
Unter ungesättigten Verbindungen versteht man insbesondere Kohlenwasserstoffe mit 2 bis 40, beispielsweise
2 bis 20 Kohlenstoffatomen, welche eine beliebige Zahl und An von ungesättigten Stellen aufweisen,
insbesondere die azetylenischen, äthylenischen, polyolefinischen
und gewisse aromatische Kohlenwasserstoffe, ferner ungesättigte Verbindungen, welche außer Kohlenstoff
und Wasserstoff noch ein oder mehrere Sauerstoff- oder Stickstoffatome besitzen, wie z. B.
gesättigte und ungesättigte Ketone, ungesättigte Ester, gesättigte und ungesättigte Aldehyde, ungesättigte
Alkohole und Äther. Oxime, gesättigte oder ungesättigte
Nitrile, ungesättigte Sulfone. Imine, ungesättigte Amine, gesättigte oder ungesättigte nitrierte Verbindungen.
Die ungesättigten Polymeren können auch hydriert sein, z. B. Polybutadien oder Polyisopren.
Beispiele für hydrierbare Verbindungen sind Butadien, Cyclododecatrien, Vinylazetylen, Cyclopenten, die
Butene. Benzol, die Alkylbenzole, Alkyldiphenyle, Alkylnaphthaline, insbesondere Toluol, die Xylole.
Methylnaphthalin, Propionitril. Adiponitril, Oleonitril, 1,4-Dicyanobuten. Benz.oniiril, Vinyläthylsulfon, Vinyläthylketon,
die ungesättigten fetten öle und Äthyllinolenat.
Es ist bereits bekannt, daß man aktive Hydrierkatalysatoren
herstellen kann, indem man eine Verbindung eines Übergangsmetalls mit einem Reduktionsmittel,
z. B.Trialkylaluminium, in Kontakt bringt. Anstelle einer einzigen Metallverbindung kann man eine Mischung
von Metallverbindungen verwenden, z. B. ein Gemisch aus einem Kobaltsalz und einem Nickelsalz. Die
Verwendung einer derartigen Mischung bietet keinen speziellen Vorteil.
Die DH-PS 12 94 966 beschreibt ein Verfahren zur
Hydrierung von ungesättigten organischen Verbindungen
mit Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators, und ist dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysator
a) eine in Kohlenwasserstoffen oder Lewis-Basen lösliche Komplexverbindung aus einem Übergangsmetallsalz
der Platingruppe und einer aluminium-organischen
Verbindung der allgemeinen Formel Al R'R"R"\ Al R'R'OR'" bzw. Al R'R"H
verwendet, oder
b) eine feste Komplexverbindung aus der Umsetzung von mindestens einem Übergangsmetallchelat mit
einer aluminium-organischen Verbindung verwen-
in det.
Die Katalysatoren und Verfahren des bisherigen Standes der Technik bieten eine unzureichende
Aktivität und Stabilität.
Ii Demgegenüber liegt vorliegender Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Katalysator zur Hydrierung von ungesättigten Verbindungen zu
liefern, der hohe Aktivität, Selektivität iod Stabilität, damit erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit und Raum-Zeit-Ausbeute
bei geringen Nebenreaktionen bietet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs gcnaiiinen Gattung dadurch
gelöst, daß man als löslichen Katalysator das Reaktionsprodukt verwendet, das durch Reduktion eines Gemi-
sches aus
a) einer Verbindung von Zink, Zirkonium, Molybdän oder Eisen und
b) einer Nickel-Verbindung,
wobei das Atomverhältnis Metall (a) zu Nickel = 10:1
bis 0,01 : 1 ist, erhalten worden ist.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß diese
J5 Assoziationen von Metallverbindungen einen unerwarteten synergistischen Effekt bewirken.
Gemäß vorliegender Erfindung kann man einen ausgezeichneten Katalysator für die Hydrierung von
ungesättigten Verbindungen in homogener oder praktisch homogener Phase synthetisieren, wenn man ein
Reduktionsmittel auf die Verbindungen von mindestens zwei verschiedenen Metallen einwirken läßt, welche
einzeln mit dem gleichen Reduktionsmittel umgesetzt Katalysatoren liefern, die nur wenig oder keine
Aktivität aufweisen. Diese Reaktion wird in einem Lösungsmittel durchgeführt, welches ein inertes Lösungsmittel
oder die zu hydrierende flüssige Verbindung sein kann.
Der Katalysator für das erfindungsgemäße Verfahren
so entsteht, wenn man
λ) eine Verbindung von Zink, Zirkonium, Molybdän
oder Eisen und
b) eine Nickelverbindung
b) eine Nickelverbindung
mit einem Reduktionsmittel in Kontakt bringt.
Unter Metallverbindungen und insbesondere Eisen-, oder Nickel-Verbindungen versteht man entweder eine
Verbindung der Valenz +2 oder +3, z.B. ein Halogenid, ein Alkoxid oder ein Carboxylat, oder das
Produkt, welches man durch Einwirkung von ein oder mehreren Reduktionsmitteln auf Verbindungen der
Valenz. +2 oder +3 erhält.
Als Beispiele für derartige Verbindungen seien
f>? genannt Eisendichlorid, Eisentrichlorid, Eisen-Acetylacetonat,
Nickel-Acetyl-acetonat, Zink-Acelylacetonat. Nickeldichlorid, Bis-Pyridinodichloronickel. lüstriphenylphosphin-Dichloronickel
und die Carboxylate von
organischen Säuren mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, z. B. das Naphthenat, Stearat, Äihylhexanoat, Benzoat,
Decanoat und Oleat von Eisen, Zink, Molybdän, Zirkonium oder Nickel. Diese Verbindungen werden im
allgemeinen in Lösung in einem Lösungsmittel verwendet, welches z. B. ein gesättigter oder ungesättigter
Kohlenwasserstoff oder eine Mischung dieser Kohlenwasserstoffe oder ein Äther sein kann. Bevorzugt sind
deshalb lösliche Metallverbindungen, insbesondere die Carboxylate und Acetylacetonate.
Unter Reduktionsmitteln versteht man die Organometallverbindungen oder die Hydride von Lithium,
Natrium, Aluminium oder gemischte Derivate des Aluminiums und Natriums oder Lithiums und ihre
Derivate. Diese Verbindungen besitzen im allgemeinen mindestens eine Kohlenstoff-Metall- oder Wasserstoff-Metall-Bindung.
So kann man z. B. eine Verbindung der Formel AlR3 verwenden, in welcher R einen Alkylrest
mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen bedeutet.
Als Beispiele seien erwähnt Butyllithium, Natriumäthylat,
Naphthalin-Hatrium, Triäthylaluminium, ChIorodiäihyiaiüminiüm.
Triisobutylaluminium, Diäthyl-tert.-Butoxyaluminium,
Diäthoxyäthylaluminium, Diisobutylaluminiumhydrid, das gemischte Hydrid von Lithium
und Aluminium, das gemischte Hydrid von Natrium und Aluminium, sowie ihre Derivate, die entweder durch
einen Kohlenwasserstoffrest oder durch eine Alkoxygruppe substituiert sind. Bei diesen Substitutionsderivaten
ist der maximale Substitutionsgrad 3, so daß mindestens ein Wasserstoffatom übrig bleibt.
Das Reduktionsmittel kann entweder rein oder in einem Lösungsmittel l. B. einem Kohlenwasserstoff
oder Äther, verwendet werden.
Die Herstellungsweise des Katalysators ist nicht kritisch; z. B. kann man die Reduktiv der Metallverbindungen,
insbesondere der Eisen- und NicKel-Verbindungen,
entweder gemeinsam oder einzeln durchführen. Bevorzugt ist jedoch die erstgenannte Methode. Man
kann z. B. die Lösungen der Metallsalze, insbesondere der Salze des Eisens und Nickels in eine Lösung gießen,
welche die gesamte Menge des Reduktionsmittels enthält; man kann aber auch die das Reduktionsmittel
enthaltende Lösung in die Lösung gießen, welche die Metallsalze, insbesondere die Salze des Eisens und
Nickels enthält. Außerdem kann man die das Reduktionsmittel enthaltende Lösung in eine Lösung gießen,
welche ein erstes Metallsalz enthält, und anschließend eine Lösung zufügen, die das zweite Metallsalz enthält.
Bevorzugt ist die Herstellung des Katalysators in einem inerten Lösungsmittel in Abwesenheit der zu hydrierenden
Verbindung. Man kann jedoch auch den aktiven Katalysator mitunter in Gegenwart der zu hydrierenden
Verbindung herstellen, z. B. einem Phenol, wenn man zuerst die Metallverbindung (a) einführt, z. B. die
Eisenverbindung, und anschließend die Nickel-Verbindung; diese Methode ist auch durchführbar, wenn man
unmittelbar nach Einführung der Nickel-Verbindung die Metallverbindung (a) einführt, insbesondere die Eisenverbindung.
Das atomare Mengenverhältnis von Metall (a) zu Nickel liegt zwischen IO : 1 und 0,01 : 1. Das Verhältnis
zwischen der Anzahl der Reduktionsmittel-Moleküle
und der Anzahl der Metallatome (Metallvcrbindung (a) plus Nickel-Verbindung) liegt im allgemeinen zwischen
0,5 : I und 10:1, vorzugsweise zwischen 1.5 : I und 6:1.
Die Herstellung des Katalysators kann z. B. bei 0 bis
20(TC erfolgen, vorzugsweise zwischen 70 und 160"C.
Bei di 1I Verwendung des auf diese Weise hergestellten
Katalysators kann der Wasserstoffdruck bei 0,1 bis 100 Bar liegen, vorzugsweise zwischen 2 und 50 Bar.
Die Reaktionstemperatur liegt zwischen 0 und 300°C, vorzugsweise zwischen 10 und 250°C.
ί Im allgemeinen ist die Konzentration des Katalysators gering, sie liegt zwischen 5 und 1500 ppm, vorzugsweise 20 bis 1000 ppm (Gewicht der Metalle (a + b) bezogen auf die Gesamtenarge).
ί Im allgemeinen ist die Konzentration des Katalysators gering, sie liegt zwischen 5 und 1500 ppm, vorzugsweise 20 bis 1000 ppm (Gewicht der Metalle (a + b) bezogen auf die Gesamtenarge).
Das Verhähnis des Volumens der zugefügten
katalytischen Lösung zum gesamten Reaktionsvolumen beträgt im allgemeinen 0,001 bis 10%.
Je nach den Reaktionsbedingungen kann die Hydrierung partiell oder total sein; bei einer in mehreren
aufeinanderfolgenden Stufen verlaufenden Hydrierung !■>
kann man eine selektive partielle Hydrierung erreichen.
Der Katalysator kann bei einem in getrennten Chargen durchgeführten Verfahren oder bei einem
kontinuierlichen Verfahren verwendet werden.
In den nachstehenden Beispielen wird die Erfindung näher erläutert.
Man stellt den Katalysator her, indem man bei 90°C
5,6 Millimol Triäthylaluminium in 2,8 Milliliter Heptan auf ein Gemisch von 1,4 Millimol Nickeloctoat und
035 Millimol Eisenoctoat in 4,75 ml Heptan einwirken
läßt.
Diesen Katalysator gftt man in einen Reaktor, der
lOOgr Bisphenol A in 100 gr Cyclohexanol gelöst
»ι enthält. Man arbeitet bei 180°C unter 30 Bar Wasserstoff.
Nach vier Stunden wird das Produkt entnommen; es enthält nach dem Abziehen des Cyclohexanols 99%
Dicyclohexanol-Propan.
Beispiel 2(Vergleichsversuch)
Man wiederholt das Beispiel 1 unter Verwendung von 3,5 Millimol Nickeloctoat in Abwesenheit von Eisenoctoat.
Nach 5 Stunden beträgt die Umwandlung nur 20% und der Katalysator hat seine Aktivität veloren.
Beispiel 3(Vergleichsversuch)
Man wiederholt das Beispiel 1 unter Verwendung von 3,5 Millimol Eisenoxtoat in Abwesenheit von Nickel.
4"> Die Reaktion springt nicht an, was zeigt, daß der
Katalysator nicht aktiv ist.
Man stellt den Katalysator her, indem man bei 90°C ϊ" die durch Reaktion der folgenden Komponenten
erhaltenen Produkte vermischt:
a) 3,5 Millimol Nickeloctoat in 5,4 ml Heptan und 10,5 Millimol Triäthylaluminium in 5,25 ml Heptan;
^ b) 1,75 Millimol Eisenoctoat in 3,2 ml Heptan und 7 MillimolTriäthylaluminium in 3,5 ml Heptan.
Die Hydrierung wird wie im Beispiel 1 beschrieben durchgeführt und nach 5 Stunden das Reaktionsprodukt
h0 entnommen; nach dem Abziehen des Cyclohexanols
enthält es 99,2% Dicyclohexanol-Propan.
Beispiel 5 (Vcrglcichsbcispiel)
Zur Hydrierung von 100 gr Bis-Phcnol A. welches in
h'· 100 gr Cyclohexanol gelöst ist. gibt man in diese Lösung
ciri'-'n Katalysator, der durch Reduktion von 3.5 Millimol
Nii'keloctoat mit 10.5 Millimol Triälhylaluminium bei
90 C erhalten wurde; nach 5 Minuten gibt man einen
Katalysator zu, <\sr durch Reduktion von 1,75 Millimol
Eisenoctoat mit 7 Millimol Triäthylaluminium erhalten wurde. Man arbeitet bei 1800C und 30 Bar Wasserstoff.
Die resultierende Hydrierungsaktivität ist sehr schwach und die Umwandlung nach 5 Stunden beträgt nur 15%. ϊ
Dies zeigt, daß eine zu lange Verzögerung zwischen der Einführung des Nickelkatalysators und des Eisenkatalysators
ungünstig für die Katalysatorwirkung ist. Dieses Beispiel soll mit dem nachstehenden Beispiels 6
verglichen werden. in
Man arbeitet wie im Beispiel 5, jedoch wird der Eisenkatalysator weniger als eine Minute nach dem
Nickelkatalysator eingeführt. ι ί
Nach 5 Stunden ist die Umwandlung total; das Produkt enthält nach dem Abziehen des Cyclohexanols
993% Dicyclohexanol-Propan.
Beispiel 7 1()
Man arbeitet wie im Beispiel 5, führt jedoch zuerst das Eisen und das Nickel ein.
Nach 5 Stunden ist die Umwandlung total; das Produkt enthält nach dem Abziehen des Cyclohexanols
99,0% Dicyclohexanol-Propan.
Man arbeitet wie im Beispiel 1, ersetzt aber das Nickeloctoat durch Nickelacetylacetonat. Nach 4 Stunden
wird das Produkt entnommen, welches nach dem J0 Abziehen des Cyclohexanols 99% Dicyclohexanol-Propan
enthält
Man arbeitet wie im Beispiel 1; jedoch wird der Katalysator durch Einwirkung von 10,9 Millimol Butyllithium
auf eine Mischung von 1,4 Millimol Nickeloctoat und 0,42 Millimol Eisenoctoat hergestellt. Nach 6 Stunden
wird das Produkt entnommen; es enthält nach dem Abziehen des Cyclohexanols 98% Dicyclohexanol-Pro- «o
pan.
Beispiel 10 (Vergleichsversuch)
Man arbeitet wie im Beispiel 1, ersetzt jedoch das Nickeloctoat durch Kobaltoctoat. Nach 4 Stunden 4^
beträgt die Umwandlung 20% und der Katalysator hat immer noch die gleiche Aktivitä: bewahrt.
Beispiel 11
Man hydriert 100 gr Phenol in 100 gr Cyclohexanol 5n
unter Verwendung des Katalysators gemäß Beispiel 1. Nach 3 Stunden Reaktionsdauer enthält das dem
Reaktor entnommene Produkt mehr als 99% reines Cyclohexanol.
Beispiel 12
Man wiederholt das Beispiel I; jedoch werden nach der Hydrierung von Bisphenol A 50 gr Cyclododecatrien
eingeführt Die Hydrierung verläuft sehr rasch (3 Minuten) und man findet quantitativ Cyclododecan. b0
Dieses Beispiel zeigt, daß der erfindungsgemäße Katalysator zur Hydrierung von Ungesättigten Kohlenwasserstoffen
verwendet werden kann.
Beispiel 13 h.
In einen 250 cmJ-Rcaktor, der 100 gr Phenol enthält
und auf 155°C gehalten wird, gibt man 10 cm3 einer katalytischen DeLa'.'n-Lösung, welche das Reaktionsprodukt aus 4,5 Millimol Triäthylaluminium und einer
Lösung von 1 Millimol Nickeloctoat, ü,5 Millimol Zinkoctoat enthält. Man arbeitet unter 30 Bar Wasserstoff.
Nach 15 Minuten beträgt die Umwandlung von Phenol in Cyclohexanol mehr als 99%.
Beispiel 14 (Vergleichsversuch)
Man arbeitet wie im Beispiel 13, aber in Abwesenheit
von Nickel und in Gegenwart von 1,5 Millimoi Zinkoctoat Nach 2 Stunden bemerkt man, daß überhaupt
kein Wasserstoff verbraucht wurde.
Beispiel 15
Man arbeitet wie im Beispiel 13, wobei jedoch das Zinkoctoat durch Molybdänstearat ersetzt wird. Nach
15 Minuten sind mehr als 99% Phenol in Cyclohexanol überführt.
Beispiel 16 (Vergldchsversuch)
Man arbeitet wie im Beispiel 14, wobei jedoch das Zinkoctoat durch Molybdänstearat ersetzt wird. Nach
2 Stunden stellt man fest, daß U;erhaupt kein Wasserstoff
verbraucht wurde.
Beispiel 17 (Vergleichsbeispiel)
Man hydriert unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben 20 gr Phenol, die in 80 gr Cyclohexanol
gelöst sind, mittels eines Katalysators, der durch Umsetzung von 1 Millimol Kobaltoctoat, 0,5 Millimol
Eisenoctoat und 3 Millimol Triäthylaluminium in Heptan gebildet wurde. Nach 3 Stunden enthält das
entnommene Produkt weniger als 0,5 Gew.-% Phenol. Die Umwandlung in Cyclohexanol beträgt 99%.
Beispiel 18(Vergleichsbeispiel)
Man hydriert 100 gr Benzol mittels eines Katalysators, der durch Umsetzung von 0,5 Millimol Kobaltstearat,
0,2 Millimol Eisenstearat und 2 Miilimol Triisobutylaluminium
in Benzol erhalten wurde. Es wird bei 155" C unter 10 Bar Wasserstoff gearbeitet.
Nach 30 Minuten enthält das entnommene Produkt weniger als 1% Benzol. Die Ausbeute an Cyclohexan
beträgt 99%.
Beispiel 19
Man wiederholt das Beispiel 18 wobei jedoch als Katalysator 0,5 Millimol Nickeloctoat und 0,25 Millimol
Zinkoctoat und 2,1 Millimol Triäthylaluminium verwendet werden. Nach einer Stunde enthält das entnommene
Produkt weniger als 1% Benzol. Die Ausbeute an Cyclohexan beträgt 99%.
Man arbeitet wie im Beispiel 13; jedoch wird der katalysator dadurch hergestellt, daß man die 1 Millimol
Nickeloctoat enthaltende Lösung der Reihe nach mit
3 Millimol Triäthylaluminium und dann Mit 0,5 Millimol Zinkoctoat versetzt. Nach 15 Minuten sind mehr als
99% des Phenols in Cyclohexanol umgewandelt.
Man löst 500 ml Prepionitril in 100 ml Benzol und gibt
diese Mischung in einen 50 ml-Rpaktor unter Sauerstoff- und Feuchtigkeitsausschluß.
Man arbeitet unter Verwendung von 0,6 Millimol Nick'.-'octoal '.nd 0.1 Millimol Eisenoctoat. Nach
1,5 Stunden Reakiionsdauer ist die Umwandlung vollständig
und die Analyse des erhaltenen Produkts zeigt
einen Alcalmithtsgrad mim i.hO (ausgedruckt in cm'
n-Sai/saure pro Gramm Produk'1 (einsprechend dem
primären Amin) iinil eine lodzah1
<<n 74,β (aiisiredrin ki
in C'enimriimm pro (ι ramm Produkt).
Ii e ι s ρ ι e I 221 Vergleichsvcrsuch)
Miin arheilel wie im Beispiel 21. aber mit ('.7 Millimol
Nickeloctoat. Nach 2 Stunden Reaktionsdauer ist die Umwandlung vollständig ind die Analyse des Produkt,
zeigt einen Alcalinitätsgivd von !.in und eine |od/ahl
von 48.
Dieses Beispiel zeigt, daß Nickel allem weniger
selektiv ist. um ein ungesättigtes primäres Amin /u
erhalten.
Beispiel 2i
Man arbeitet wie πι Beispiel 21. wobei man aber
0.1 Millimol Risenoctoat durch 0.1 Millimol /irkoniumocto.it
ersetz;. Nach 1 Stunde Reaktionsdaiicr ist die
Umwandlung komplett und die Analyse des erhaltenen Produkts zeigt einen Alcalinitätsgrad von 2.8 und eine
lodzahl um 89.8.
Dieses Beispiel beweist, daß der erfindungsgemäßc Katalysator selektiv die Gewinnung eines ungesättigten
sekundären Amins erlaubt.
Beispiel 24 (Vergleichst ersuch)
Man arbeitet wie im Beispiel 21. wobei man mn ciik
Mischung von 1.2 Millimol Nickeloctont und "4 \|i;;.
mol Kobaltoctoat arbeitet. Nach 2 Stunden Reaktion-,
dauer betragt die I Imwandiunc nur 80",1O.
Dieses rieispicl zeigt, daß die Assoziation Kobalt-Nikkei
keinen wesentlichen synergistischen Fffekt atifweisi.
Beispiel 25(Vfigk-Ktishcispi·1)
Man arbeitet wie im Beispiel 1. wobei jedoch eine Mischung von 1.8 Millimol Nickeloctoat und 1.x MiIIimol
Kobaltoctoat \ei endet werden. Nach 'i Stunde!
beträgt die Umwandlung: nur 20% und der Κ,ιΐ,ιΚ .,ιό·
hat seine Aktivität verloren.
Dieses Beispiel zeigt, daß nicht alle katalytischer,
l'.iare ausgezeichnete Hydncrkatiihsatoren sind
Beispiel .>
Man arbeitet wie im Beispiel ', wobei man ,lh.·
1.4 Millimol Nickelacetylacetonat und 0.35 Mülun.'
füsenoctoat verwende1.
Nach 4 Stunden wird das Produkt entnommen e ■
enthält nach dem Abziehen des Cyclohexanols W1
Dicyclohexanol-Propan.
Dieses Beispiel zeigt, daß das Nickel in l'orm des
Acetylacetonats ebenso aktiv ist wie das Nickel in f-'nrm
des Oetoa's
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Hydrierung von ungesättigten Verbindungen in flüssiger Phase mittels Wasserstoff in Anwesenheit eines löslichen Katalysators, der durch Einwirkung einer metallorganischen Verbindung oder eines Metallhydrids als Reduktionsmittel auf Verbindungen von Übergangsmetallen erhalten worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß man als löslichen Katalysator düs Reaktionsprodukt verwendet, das durch Reduktion eines Gemisches aus
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