CH421073A - Verfahren zur Herstellung von Terephthalsäureestern - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von TerephthalsäureesternInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung von Terephthalsäureestern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her stellung von Estern der Terephthalsäure aus dem Dialkalisalz der Terephthalsäure und Alkanolen, Alkandiolen oder 1,2-Epoxyden.
Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Ver- esterung von Terephthalsäure bekannt. So hat man die Veresterung drucklos oder unter erhöhtem Druck und in Gegenwart saurer Katalysatoren, wie Chlor wasserstoff, Schwefelsäure, Phosphorsäure oder p- Toluolsulfonsäure, durchgeführt.
Es sind auch schon Verfahren zur Veresterung von Terephthalsäure ohne Katalysator bei Normal druck oder unter erhöhtem Druck bekannt. Der Um satz ist dabei nicht vollständig, so dass eine Nachver- esterung durchgeführt werden muss, wenn man einen praktisch quantitativen Umsatz erzielen will.
Es ist ein Gegenstand dieser Erfindung, ein Ver fahren aufzuzeigen, bei dem man aus Dialkalisalzen der Terephthalsäure, wie sie z. B. bei der thermischen Umlagerung von Alkalisalzen anderer Benzolcarbon- säuren als Terephthalsäure erhalten wurden, mittels einer Säure, die saurer als Terephthalsäure ist, und oder den entsprechenden Anhydriden und/oder sau ren Salzen anderer Benzolcarbonsäuren das Mono alkalisalz der Terephthalsäure herstellt und dieses dann mit Alkanolen,
Alkandiolen oder 1,2-Epoxyden umsetzt und das Umsetzungsgemisch in den Ester und das neutrale Salz der Terephthalsäure zerlegt. Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, ein Ver fahren zu beschreiben, bei dem man den Alkalianteil des terephthalsauren Salzes quantitativ in Alkalisalze anderer Benzolcarbonsäuren als Terephthalsäure, die dann zur thermischen Umlagerung in die Salze der Terephthalsäure verwendet werden können,
über führt und gleichzeitig die Terephthalsäure verestert. Auch ist es ein Gegenstand der Erfindung, ein Ver- fahren aufzuzeigen, bei dem man den Terephthal- säurebisglykolester in sehr guter Ausbeute und mit einem so hohen Reinheitsgrad erhält, dass man ihn direkt polykondensieren kann. Schliesslich ist es ein Gegenstand der Erfindung, das sich bei dem Ver fahren bildende Dialkaliterephthalat dem Ausgangs stoff wieder zuzugeben und dadurch die Ausbeute an den Estern der Terephthalsäure zu erhöhen.
Diese Gegenstände lassen sich verwirklichen, wenn man neutrale Salze der Terephthalsäure mittels einer Säure, die saurer als Terephthalsäure ist, und/ oder den entsprechenden Anhydriden und/oder sau ren Salzen anderer Benzolcarbonsäuren in das saure Salz der Terephthalsäure überführt, dieses saure Salz mit Alkoholen oder Epoxyden, gegebenenfalls in Gegenwart von Veresterungskatalysatoren behandelt,
das Umsetzungsgemisch in den Ester der Terephthal- säure und das neutrale Salz der Terephthalsäure zerlegt, das neutrale Salz gegebenenfalls dem Aus gangsstoff wieder zusetzt und den Terephthalsäure- ester, nach bekannten Meh toden, aufarbeitet.
Als Ausgangsstoffe werden vorzugsweise die Alkali- und Erdalkalisalze der Terephthalsäure, wie Dinatrium-, Dikalium- oder Calciumterephthalat, ver wendet. Es lassen sich aber auch andere Salze der Terephthalsäure verwenden, z. B. Cadmiumterephtha- lat oder Diammoniumterephthalat. Es ist dabei gleich gültig, auf welchem Wege die Terephthalsäure her gestellt wurde. Es lässt sich z.
B. eine durch Oxyda tion von Dialkylbenzolen erhaltene Terephthalsäure verwenden. Besonders geeignet ist jedoch ein neu trales Alkaliterephthalat, das durch thermische Um lagerung bzw. Disproportionierung anderer Benzol- carbonsäuren erhalten wurde.
Als Säuren, die stärker sauer sind als Terephthal- säure, eignen sich Mineralsäuren, wie Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Kohlensäure bzw.
Kohlendioxyd, organische Säuren, wie Ameisen säure, Essigsäure, Benzoesäure, die Anhydride der Säuren, wie Essigsäureameisensäureanhydrid, Essig säureanhydrid, Bernsteinsäureanhydrid. Besonders vorteilhaft lässt sich das Verfahren gestalten, wenn man die Neutralsalze der Terephthalsäure, insbeson dere das Dikaliumterephthalat, mit einer Benzoldi- carbonsäure oder deren Anhydrid, wie Phthalsäure oder Phthalsäureanhydrid,
umsetzt. Dabei werden die Dialkalisalze, insbesondere das Dikaliumsalz, der Phthalsäure gewonnen, die dann nach dem Ver mischen mit einem Katalysator und dem Eindamp fen direkt einem thermischen Umlagerungsverfahren zugeführt werden können.
Die Veresterung des sauren Terephthalats lässt sich mit einwertigen primären aliphatischen Alkoho- len mit 1 bis 8, vorzugsweise 1 bis 4, C-Atomen, wie Methanol, Äthanol, Propanol oder Butanol, oder mit 1,2-Alkandiolen mit 2 bis 10, vorzugsweise 2 bis 6, C-Atomen, wie Glykol, 1,2-Propylenglykol, 1,4-Butylenglykol, 1,6-Hexandiol, 1,3-Butandiol, 1,
2- Propandiol, durchführen. Man kann anstelle der zweiwertigen Alkohole auch die entsprechenden 1,2- Epoxyde, wie Äthylenoxyd, Propylenoxyd, verwen den.
Das Verfahren lässt sich z. B. wie folgt durch führen: Dikaliumterephthalat wird mit Phthalsäureanhy- drid in. wässrigem Medium bei 40 bis 150 C, ent sprechend der folgenden Reaktionsgleichung, umge setzt:
EMI0002.0048
Die Umsetzung erfolgt quantitativ.
Die Menge der zuzugebenden Benzolcarbonsäuren lässt sich sehr einfach über einen automatisch arbeitenden pH-Wert- regler steuern, der auf einen Bereich zwischen 5,4 und 6,1, vozugsweise zwischen 5,5 und 5,8, einge stellt ist.
Nach dem Filtrieren oder Zentrifugieren des sehr leicht wasserlöslichen Dikahumphthalates vom praktisch wasserunlöslichen Kaliumhydroterephtha- lat erfolgt in einer zweiten Stufe in Gegenwart von Alkohol, gegebenenfalls auch unter Zufügen eines bekannten Veresterungskatalysators, bei Tempera turen zwischen 80 und 350 C, vorzugsweise zwi schen 140 und 350 C und den sich jeweils einstel lenden Drücken,
gegebenenfalls unter zusätzlich auf gepresstem Stickstoff die weitere Umsetzung direkt zum Terephthalsäuredimethylester mit ebenfalls prak tisch quantitativer Ausbeute nach folgender Reak tionsgleichung:
EMI0002.0067
Das Umsetzungsgemisch kann auch geringe Men gen Wasser enthalten, die in der Regel durch die vom Abschleudern oder Filtrieren verbleibende Restfeuch tigkeit des in der ersten Umsetzungsstufe erhaltenen Monoalkaliterephthalates eingebracht werden.
Hier bei wirkt sich die Anwesenheit des noch nicht um- gesetzten sauren Terep'hthalates, das hier die Funk tion der sonst für die Veresterung verwendeten Säurekatalysatoren, wie Schwefelsäure, Sulfonsäure usw., übernimmt, besonders vorteilhaft aus, da die Veresterung so auch ohne zusätzliche Katalysatoren mit guter Ausbeute und hoher Veresterungsgeschwin- digkeit durchgeführt werden kann.
Bei Verwendung eines Veresterungskatalysators, wie Zinkborat, Meselgelkatalysatoren, Aluminium oxyd, Cobaltsinterkatalysatoren, lässt sich die Ver-- esterungsreaktion auch bei tieferen Temperaturen mit genügend hoher Reaktionsgeschwindigkeit durch führen.
Der nach der Abtrennung des überschüs sigen Alkohols sowie des gebildeten Dikaliumtere- phthalats verbleibende Ester kann zur Feinreinigung von Spuren anderer Begleitstoffe im Vakuum destil liert werden. Terephthalsäurebisglykolester lässt sich auch durch Umkristallisieren aus heissem Wasser reinigen.
Das Verfahren lässt sich sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich gestalten.
Die auf diese Weise hergestellten Terephthalsäure- ester zeichnen sich durch einen hohen Reinheitsgrad aus und sind direkt zur Weiterverarbeitung auf Poly- äthylenterephthalat verwendbar. Dass sich die so ge wonnenen Terephthalsäureester trotz der einfachen und direkten Veresterung ohne zusätzliche Reini gungsverfahren zu einem einwandfreien Polyester ver arbeiten lassen, ist überraschend, da bei allen bisher bekannten Arbeitsweisen die Zwischenprodukte vor her zahlreichen kostspieligen Reinigungsmethoden unterworfen werden mussten, bevor sie zu einem verspinnbaren Polyester verarbeitet werden konnten.
Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass man zur Herstellung des Alkalihydrogentere- phthalats auch verunreinigte Benzolcarbonsäure ver wenden kann, z. B. rohes Phthalsäureanhydrid, wie es bei der Anhydridherstellung unmittelbar erhalten wird, oder Benzolcarbonsäuren, die durch Oxydation von Alkylbenzolen erhalten und nicht gereinigt wur den.
Verwendet man zur Ausfällung des sauren Alkali- terephthalats eine organische Benzolcarbonsäure, wie Phthalsäure, Benzoesäure, Isophthalsäure, oder Ge mische von Benzolcarbonsäuren, wie sie z. B. bei der Oxydation von Rohxylol erhalten werden, so wird hierbei das Alkalikation auf die zur Ausfällung der Terephthalsäure verwendete Benzolcarbonsäure über tragen.
Eine derartige Arbeitsweise bietet besonders dann erhebliche Vorteile, wenn die Alkaliterephtha- late auf dem Wege der bekannten Isomerisierungs- bzw. Disproportionierungsreaktion aus Alkalisalzen anderer Benzolcarbonsäuren gewonnen werden, da hier dann eine verlustlose und unmittelbare Rück führung des Alkalliions in den Reaktionskreislauf möglich ist.
Beim Ausfällen mit Mineralsäuren oder organischen Säuren, wie p-Toluolsulfosäure, fällt hin gegen das Alkali in Form des praktisch wertlosen Sulfates, Chlorides, Sulfochlorides usw. an, wobei eine Rückgewinnung für den Prozess nur auf dem kostspieligen Wege einer Schmelzflusselektrolyse mög lich ist.
Die in den Beispielen genannten Teile sind Ge wichtsteile.
<I>Beispiel 1</I> Eine Mischung von 60,5 Teilen Dikaliumtere- phthalat, 18,7 Teilen Phthalsäureanhydrid und 250 Teilen Wasser wird unter Rühren kurzzeitig auf 95 C aufgeheizt und anschliessend auf 30 C abge kühlt. In der Reaktionslösung stellt sich dabei ein pH-Wert von 5,7 ein. Man filtriert vom festen Rück stand ab und wäscht diesen mit 20 Teilen kaltem Wasser aus. Der trockene Rückstand besteht aus 50-,8 Teilen Kaliumhydrogenterephthalat mit einer Säure zahl von 274.
Im Filtrat sind 30,3 Teile Dikalium- phthalat und eine sehr geringe Menge Kaliumhydro- genphthalat gelöst.
Das saure Monokaliumterephthalat dient als Ausgangsstoff für die Veresterung. Das Filtrat wird mittels Pottasche auf einen pH-Wert von 8 gebracht, dann werden 2 % Cadiumcarbonat zugegeben und zur Trockne eingedampft. Anschliessend wird das feste Gut durch thermische Umlagerung in Dikalium- terephthalat übergeführt.
Die 50,8 Teile Kaliumhydrogenterephthalat, die noch 3,5 % Wasser enthalten, werden in einem Druck- rührkessel in 180 Teilen Methanol suspendiert und unter Rühren 5 Stunden auf 320 C erhitzt. Nach dem Abkühlen auf Zimmertemperatur saugt man das überschüssige Methanol vom ausgefallenen Feststoff, der aus Terephthalsäuredimethylester und Dikalium- terephthalat besteht, ab. Das Feststoffgemisch wird anschliessend mit 100 Teilen Wasser in der Wärme (60 bis 90 ) verrührt, wobei der Dikaliumterephtha- latanteil vollständig in Lösung geht.
Nach dem Ab kühlen auf 20 bis<B>25'</B> C trennt man dann den was serunlöslichen Terephthalsäuredimethylester von der Dikaliumterephthalatlösung (Trockengewicht 30,4 Teile) ab, die als Ausgangsstoff zur Gewinnung von Kaliumhydrogenterephthalat wieder verwendet wird. Das Methanolfiltrat, das 2,2 Teile Veresterungswas- ser und noch 2 Teile gelösten Dimethylester enthält, kann vor dem Aufdestillieren nach Ergänzung der verbrauchten Methanolmenge erneut für 3 bis 4 weitere Veresterungsansätze verwendet werden.
Nach dem Trocknen erhält man insgesamt 22,6 Teile an rohem Terephthalsäuredimethylester (= 93,5 % der berechneten Menge) von heller Farbe und einem Schmelzpunkt von l39 C, der zur Feinreinigung aus der Schmelze bei einem Druck von 5 Torr über eine Kolonne destilliert wird, wobei der Dimethylester über Kopf und die verbleibenden Spuren von Ver unreinigungen als Sumpf abgenommen werden. Der so erhaltene Terephthalsäuredimethylester ist ohne weitere Reinigung zur unmittelbaren Polyäthylen- terephthalatherstellung geeignet.
Die quantitative Ausfällung des Kaliumhydro- genterephthalats kann unter denselben Reaktionsbe dingungen auch mit der äquivalenten Menge eines Gemisches aus Benzolcarbonsäuren, wie es z. B.
durch Oxydation von Rohxylol mit einer Zusammen setzung von 53,3 % Isophthalsäure, 13,3 % o-Phthal- säure, <B>18,2%</B> Terephthalsäure, 15,27o Benzoesäure erhalten wurde, vorgenommen werden, wenn man darauf achtet, dass der sich bei der Fällung einstel lende pH-Wert etwa 5,6 bis 5,9 beträgt.
In diesem Fall wird die zusammen mit der Fällungskomponente eingebrachte Terephthalsäure, die aus dem p-Xylal- anteil des Rohxylols stammt, ebenfalls in das saure Monokaliumterephthalat überführt und zusammen mit dem aus dem Dikaliumterephthalat bei der Fäl lung gebildeten Kaliumhydrogenterephthalat abge trennt.
Die Ausfällung des Monokaliumterephthalats aus dem wasserlöslichen neutralen Dikaliumterephthalat kann auch mit Kohlensäure nach der in der deutschen Patentschrift Nr. 1081877 beschriebenen Arbeits weise vorgenommen werden. Will man auf eine Rückführung des Alkalianteils in den Reaktions kreislauf der Phthalatisomerisierung verzichten, so kann man die Ausfällung des Monoalkaliterephtha- lats natürlich auch mit einer Mineralsäure, wie Salz säure, Schwefelsäure, oder einer organischen Carbon- säure, wie Ameisensäure oder Essigsäure, durch führen.
<I>Beispiel 2</I> 48,5 Teile Dikaliumterephthalat, das durch ther mische Umsetzung von Kaliumbenzoat bei 445 C und unter Kohlendioxyddruck in Gegenwart von Ka talysatoren in bekannter Weise erhalten wurde, wer den mit 24,45 Teilen Benzoesäure in 250 Teilen Wasser bei 90 C unter Rühren umgesetzt, wobei sich ein pH-Wert von 5,75 einstellt.
Nach dem Abkühlen auf 30 C schleudert man das ausgefallene Kalium- hydrogenterephthalat vom wasserlöslichen Kalium- benzoat ab, das nach Zufügen eines Katalysators und Eindampfen in bekannter Weise durch thermische Disproportionierung in Dikaliumterephthalat und Benzol überführt wird. Nach dem Auswaschen und Trocknen des Filterrückstandes werden 40,8 Teile Monokaliumterephthalat erhalten.
Diese 40,8 Teile Kaliumhydrogenphthalat wer den unter Zufügen von 1,2 Teilen Zinkborat in einem Druckrührbehälter mit 200 Teilen Methanol aasge- maischt, auf 310 C aufgeheizt und untrer Rühren 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten.
Nach der Entspannung wird das Reaktionsgemisch durch Ein leiten von 35 Teilen überhitzten Methanoldampfes mit Hilfe einer Kolonne aufgearbeitet. Dabei ent weichen am Kolonnenkopf Terephthalsäuredimethyl- ester und Methanol, während Dikaliumterephthalat und Zinkborat als Destillationsrückstand zurückblei ben.
Das Destillat wird auf +l0 C abgekühlt und der ausgefallene Dimethylester mittels einer Zentri fuge abgetrennt und mit kaltem Methanol nachge waschen. Nach dem Trocknen werden<B>18,5</B> Teile reiner Terephthal'säuredimethylester erhalten. Das Methanolfiltrat, das noch für weitere Veresterungs- ansätze benutzt werden kann, enthält noch etwa 0,2 Teile Dimethylester in gelöster Form, die bei der Entwässerung des Methanols zurückgewonnen wer den können.
Zur Abtrennung des Katalysatoranteils vom Dikaliumterephthalat wird der Veresterungs- rückstand mit 60: Teilen warmem Wasser behandelt, wobei 24,9 Teile Dikaliumterephthalat in Lösung gehen und nach Abtrennung vom festen Rückstand zur Aufarbeitung auf üonoalkaliumterephthalat zu rückgeführt werden.
Der Veresterungskatalysator kann aber auch ohne vorherige Abtrennung zusam men mit dem Dikaliumterephthalat zur Aufarbeitung auf Monokaliumterephthalat zurückgeführt und dann nach gleichzeitiger Abtrennung zusammen mit dem Monoalkaliterephthalat erneut in der Veresterungs- stufe ohne vorherige Aufarbeitung verwendet werden.
<I>Beispiel 3</I> In eine Lösung von 121 Teilen Dikaliumtere- phthalat in 750 Teilen Wasser wird bei 100 C so lange Phthalsäureanhydrid eingerührt, bis der pH- Wert der Mischung 5,6 beträgt, und das ausgefal lene Monokaliumterephthalat abgesaugt.
Das Filtrat, welches Dikaliumphthalat enthält, kann wieder zur Herstellung von Dikaliumterephtha- lat nach bekannten Verfahren verwendet werden. Der feuchte Filterkuchen (Monokaliumterephtha- lat) wird in 280 Teilen Wasser aufgeschlämmt. In diese Suspension wird bei 95 C so lange Äthylen oxyd eingeleitet, bis die Mischung fast klar gewor den ist. Es wird noch heiss filtriert, wobei 0,8 Teile Monolcaliumterephthalat gewonnen werden, die dem nächsten Ansatz wieder zugefügt werden können.
Das klare Filtrat wird auf 0 C abgekühlt und das aus- kristallisierte Bis-ss-hydroxyäthylterephthalat (im fol genden als Bisglykolester bezeichnet) abgesaugt und getrocknet. 33,5 Teile vom Schmelzpunkt 110 C.
Das Filtrat, welches das gesamte Kalium sowie die nicht umgesetzte Terephthalsäure in Form ihrer Salze bzw. Estersalze enthält, wird mit so viel Di- kaliumterephthalat versetzt, wie dem gewonnenen Bisglykolester entspricht, erhitzt und erneut der Fäl lung mit PSA zugeführt.
<I>Beispiel 4</I> In eine Lösung von 24,2 kg Dikaliumterephthalat in 150 kg Wasser wird bei 100 C so lange P'hthal säureanhydrid eingerührt, bis der pH-Wert der Mi schung 5,6 beträgt. Das ausgefallene Monokalium terephthalat wird abgetrennt und in einem Druck- rührbehälter mit 50 kg Wasser angerührt. Der Be hälter wird geschlossen und mit Stickstoff auf 30 atü gebracht.
Diese Mischung wird zusammen mit 1 kg Äthylenoxyd/Stunde kontinuierlich durch ein auf 150 C geheiztes Rohr von 10 mm 0 und 12,35 m Länge geleitet. Am Ende des Rohres befindet sich ein Ventil, welches so eingestellt wird, dass stündlich 12 Liter der Mischung in eine mit einem Rückfluss- kühler versehene Vorlage auf Normaldruck entspannt werden. Durch Wasserverdampfung und Abstrahlung stellt sich in der Vorlage eine Temperatur von 85 bis 90 C ein.
Bei dieser Temperatur wird von ge ringen Mengen ungelöster Substanz abfiltriert. Die geklärte Lösung kühlt man auf 0 C und trennt den auskristallisierten Bisglykolester, der geringe Mengen Monoglykolester enthält, ab. Nach dem Trocknen verbleiben 10,3 kg Ester. Das Filtrat, welches 9,9 kg Terephthalsäure in Form ihrer Salze bzw. Estersalze enthält, wird, wie im Bei spiel 1 beschrieben, in den Prozess zurückgeführt.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH Verfahren zur Herstellung von Terep'hthalsäure- estern, dadurch gekennzeichnet, dass man neutrale Salze der Terephthalsäure mittels einer Säure, die saurer als Terephthalsäure ist, und/oder den ent sprechenden Aashydriden und/oder sauren Salzen anderer Benzolcarbonsäuren in das saure Salz der Terephthalsäure überführt, dieses saure Salz mit Alkoholen oder Epoxyden umsetzt,das Umsetzungs gemisch in den Ester der Terephthalsäure und das neutrale Salz der Terephthalsäure zerlegt und den Terephthalsäureester aufarbeitet. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass man die sauren Salze der Tere- phthalsäure in Gegenwart von Veresterungskataly- satoren mit den Alkoholen oder Epoxyden umsetzt. 2.Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass man das bei der Zerlegung anfal lende Neutralsalz der Terephthalsäure als Ausgangs stoff in den Prozess zurückführt.
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