DE19648960A1 - Verfahren zur Herstellung von cyclischen Acetalen oder Ketalen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von cyclischen Acetalen oder Ketalen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von cycli­ schen Acetalen und Ketalen durch Umsetzung eines Polyols mit ei­ nem Überschuß eines Aldehyds oder Ketons mit 1 bis 6 Kohlenstoff­ atomen.
Die Herstellung von cyclischen Acetalen, z. B. von 2,2-Dimethyl- 4-methylol-1,3-dioxolan, durch Umsetzung von z. B. Glycerin mit Aldehyden (z. B. Formaldehyd) oder Ketonen (z. B. Aceton oder Methylethylketon) unter Säurekatalyse ist seit langem bekannt.
Problematisch ist bei jedem Herstellungsprozeß die Entfernung des Reaktionswassers und die Vermeidung einer intermolekularen Reak­ tion der Alkohole mit den Aldehyden oder Ketonen, die zu einem Aufbau von Oligomeren führt und damit die Ausbeute an cyclischen Acetalen vermindert (siehe hierzu Literaturstelle [1]).
Es sind sowohl diskontinuierliche als auch kontinuierliche Pro­ duktionsverfahren üblich, wobei die diskontinuierlichen überwie­ gen. So wird in der Literaturstelle [2] ein diskontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Isopropylidenglycerin (IPG) aus Glycerin und Aceton im molaren Verhältnis von 1 : 1,1 unter Zugabe eines sauren Katalysators ohne Wasserschlepper beschrieben. Bei diesem Verfahren reagieren Glycerin und Aceton bis zur Gleichge­ wichtskonzentration. Anschließend wird erhitzt und das Reaktions­ wasser bei 0,01333 bar (10 Torr) entfernt. Danach wird der Rück­ stand bei 0,00667 bar (5 Torr) destilliert, um das gewünschte Produkt zu gewinnen. Die angegebene Ausbeute an IPG liegt bei 80%. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß die Ausbeute an IPG niemals über die durch das Reaktionsgleichgewicht vorgegebene Konzentration hinausgehen kann. Bei dem angegebenen Verhältnis von Aceton zu Glycerin ist ebenfalls eine intermolekulare Reak­ tion in deutlichem Ausmaß zu erwarten. Nachteilig ist auch, daß man eine für Vakuum ausgelegte Apparatur benötigt.
Ein ähnliches Verfahren wird in der Literaturstelle [3] beschrie­ ben. Hierbei werden Glycerin oder Trimethylolpropan (TMP) mit einem Überschuß an Aceton unter Katalyse von p-Toluolsulfonsäure erhitzt. Nach der Neutralisation und Filtration wird das Reak­ tionsprodukt durch Destillation gereinigt. Die Ausbeuten betragen 56%.
Die Verwendung von Schleppmitteln zur Entfernung des Reaktions­ wassers ist üblich und wird z. B. in der Literaturstelle [1] be­ schrieben. Auch in der Literaturstelle [4] wird ganz allgemein ein Verfahren zur Herstellung von cyclischen Ketalen aus Glycerin und n-Alkylmethylketonen, z. B. 2-Butanon oder 2-Hexanon, be­ schrieben. Dabei werden Glycerin, das entsprechende Keton, Benzol und p-Toluolsulfonsäure zusammen erhitzt. Das Benzol wirkt als Schleppmittel für das entstehende Reaktionswasser. Es wird eine Ausbeute von 85 Mol-% angegeben. Dieses Verfahren ist jedoch bei Verwendung von Aceton als Keton untauglich, da Aceton bereits vor Benzol destillativ abgetrennt und so der eigentlichen Reaktion entzogen wird. Die Ausbeuten an cyclischen Ketalen sind hierbei sehr gering.
Bei der Umsetzung von Glycerin mit Aceton sind daher als Wasser­ schlepper Petrolether oder auch Chloroform gebräuchlich (siehe Literaturstellen [5] bis [7]) Die Effektivität dieser Lösungs­ mittel ist indessen nicht besonders hoch, da sie sich gut mit Aceton mischen. Dies beeinträchtigt die Phasentrennung des Was­ sers mit dem organischen Lösungsmittelgemisch erheblich und führt zu einem unvollständigen Auskreisen des Reaktionswassers, was sich auch in der sehr langen Reaktionszeit (43 h bei Petrolether, Literaturstelle [6]) dokumentiert.
Die Entfernung des Reaktionswassers in situ durch Trocknungsmit­ tel wurde ebenfalls beschrieben. In den Literaturstellen [8] und [9] werden Natriumsulfat und Phosphorpentoxid, die gleichzeitig als Katalysatoren wirken, genannt. In neuerer Zeit sind auch Molekularsiebe verwendet worden (Literaturstelle [10]). Diese Verfahren sind für den Produktionsmaßstab ungeeignet, weil das Trocknungsmittel entweder als Abfallprodukt anfällt oder aufwen­ dig regeneriert werden müßte.
Um Probleme der Herstellung von Isopropylidenglycerin im Batch- Prozeß zu umgehen, wurden verfahrenstechnisch aufwendige konti­ nuierliche Herstellungsverfahren beschrieben. In der Literatur­ stelle [11] wird die Reaktion von Glycerin mit Aceton unter Säu­ rekatalyse nur bis zur Gleichgewichtskonzentration (etwa 45% IPG) durchgeführt. Nach der Desaktivierung des Katalysators werden Wasser, Aceton, IPG und Glycerin destillativ getrennt, und die nicht umgesetzten Anteile an Glycerin und Aceton werden der Reak­ tion wieder zugeführt. Der desaktivierte Katalysator bleibt je­ doch im Glycerin zurück und kann Nebenreaktionen hervorrufen. In der Literaturstelle [12] wird daher vom gleichen Autor ein saurer Festbett-Ionenaustauscher als Katalysator vorgeschlagen, bei dem eine Neutralisation entfällt. Bei diesen beiden Methoden ([11] und [12]) wird infolge des unvollständigen Umsatzes Glycerin als Sumpfprodukt in der Destillation thermisch sehr belastet. Dies führt zu Nebenprodukten, die in einem kontinuierlichen Prozeß ausgeschleust werden müssen und so die Ausbeuten beträchtlich verringern können. Wegen der Aufarbeitung der Produkte im Vakuum ist außerdem eine aufwendige Reaktionsführung nötig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur Herstellung von cyclischen Acetalen oder Ketalen be­ reitzustellen, das einfach und auch mit Aldehyden oder Ketonen durchführbar ist, die zumindest teilweise mit Wasser mischbar sind und/oder einen Siedepunkt aufweisen, der im Bereich des Sie­ depunktes von Wasser oder darunter liegt.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe gelöst wird, wenn man den Aldehyd oder das Keton im Überschuß einsetzt und den Aldehyd oder das Keton während der Reaktion abdestil­ liert.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein, vorzugsweise diskontinuierliches, Verfahren zur Herstellung von cyclischen Acetalen oder Ketalen durch Umsetzung eines Polyols mit einem Überschuß eines Aldehyds oder eines Ketons mit 1 bis 6 Kohlen­ stoffatomen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man während der Umsetzung Aldehyd oder Keton abdestilliert.
Brauchbare Aldehyde oder Ketone (im folgenden als Carbonylverbin­ dungen bezeichnet) sind insbesondere solche, deren Siedepunkt bei Normaldruck < 110°C und vorzugsweise < 100°C ist. Besonders bevor­ zugt sind Carbonylverbindungen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und insbesondere Aceton, 2-Butanon, Formaldehyd, Acetaldehyd oder Propionaldehyd.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Carbonylverbindung nicht nur Reaktionskomponente ist, sondern auch als Transport­ medium für das bei der Umsetzung entstehende Wasser dient, obwohl die Carbonylverbindungen zumindest teilweise oder sogar vollstän­ dig (wie Aceton, Methylethylketon, Formaldehyd, Acetaldehyd) mit Wasser mischbar sind und unter den Destillationsbedingungen kein Azeotrop bilden. Trotzdem wird auf diese Weise das gebildete Wasser aus dem Gleichgewicht entfernt, so daß hohe Ausbeuten an cyclischen Verbindungen erzielt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die bei der Umsetzung abdestillierte Carbonylverbindung durch frische, d. h. durch eine Carbonylverbindung zu ersetzen, deren Wassergehalt ≦ 1% und insbesondere ≦ 0,8% ist. Der Ersatz der Carbonylverbindung kann durch stufenweise Zugabe oder vor­ zugsweise kontinuierliche Zugabe in das Reaktionsgemisch erfol­ gen. Dies erfolgt zweckmäßigerweise entsprechend der Verdamp­ fungsrate, d. h. die Menge an Carbonylverbindung in der Reaktions­ mischung wird konstant gehalten. Die abdestillierte Carbonylver­ bindung kann in üblicher Weise, beispielsweise durch Destillation oder durch Absorption des Wassers an Trocknungsmitteln, getrock­ net und wiederverwendet werden.
Vorzugsweise destilliert man die Carbonylverbindung nicht während der gesamten Dauer der Umsetzung ab, sondern man beginnt mit dem Abdestillieren erst, nachdem sich eine wesentliche Menge des Ace­ tals oder Ketals gebildet hat. Zweckmäßigerweise beginnt man, so­ bald sich das Reaktionsgleichgewicht eingestellt hat.
Die Menge an Carbonylverbindung kann in einem weiten Bereich variieren. Im allgemeinen verwendet man einen Überschuß von min­ destens 10 Mol-%, bezogen auf die Menge an Polyol. Vorzugsweise verwendet man 2 bis 30 Mol, insbesondere 3 bis 15 Mol Carbonyl­ verbindung pro Mol Polyol.
Als Polyol sind alle Verbindungen brauchbar, die mindestens zwei Hydroxygruppen in einer Position aufweisen, die zur Bildung eines cyclischen Acetals oder Ketals mit 5 bis 8 und insbesondere 5 oder 6 Ringatomen führt. Brauchbare Polyole sind:
  • - aliphatische Diole, deren Hydroxygruppen in 1,2-, 1,3-, 1,4- oder 1,5-Position stehen. Beispiele hierfür sind Ethylengly­ kol, 1,2-Propylenglykol, 1,3-Propylenglykol, 1,2-Butandiol, 1,3-Butandiol, 1,4-Butandiol, 1,5-Pentandiol, Neopentylglykol etc.;
  • - aromatische Diole, wie 1,2-Dihydroxybenzol;
  • - aliphatische Triole, wie Glycerin, Trimethylolpropan, Tri­ methylolethan oder Trimethylolmethan;
  • - aliphatische Tetrole, wie Pentaerythrit;
  • - Zuckeralkohole mit 4 bis 6 Hydroxygruppen, wie Threit, Erythrit, Xylit, Dulcit, Mannit und Sorbit;
  • - Zucker, wie Aldosen und Ketosen, beispielsweise Glucose, Mannose, Fructose, etc.
Bevorzugt sind Diole oder Triole mit 2 bis 12 Kohlenstoffen, ins­ besondere Ethylenglykol, 1,2- und 1,3-Propylenglykol, Glycerin und Trimethylolpropan.
Die Reaktionstemperatur liegt im allgemeinen im Bereich von ca. 20°C bis zur Siedetemperatur des Reaktionsgemisches. Die Reakti­ onszeit richtet sich nach der Reaktionstemperatur und den Mengen­ verhältnissen der Ausgangsprodukte. Sie beträgt im allgemeinen ca. 20 Min bis 48 h.
Alle zur Herstellung von Acetalen oder Ketalen brauchbaren Kata­ lysatoren können zur Anwendung kommen, z. B. Säuren, wie Toluol­ sulfonsäure, Schwefelsäure, Chlorwasserstoff, saure Ionenaustau­ scher etc.
Die Menge an Katalysator beträgt im allgemeinen 0,01 bis 0,5 Mol-%, bezogen auf den zur Anwendung kommenden Alkohol.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die intramolekularen Reaktionsprodukte, nämlich cyclische Acetale bzw. Ketale, in hohen Reinheitsgraden, nämlich von 95 bis 99,5%, erhalten. Für viele Anwendungszwecke sind diese Reinheitsgrade bereits ausrei­ chend, so daß sich, speziell bei der Herstellung von Isopropyli­ denglycerin, eine weitere Aufarbeitung des Reaktionsproduktes, z. B. durch Destillation, erübrigt.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie zu begrenzen.
Beispiele
1 mol Alkohol und 4 mol Keton (entsprechend Tabelle 1) wurden vorgelegt und 0,05 Mol-% p-Toluolsulfonsäure-Monohydrat, bezogen auf Alkohol, wurden zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde 30 Mi­ nuten unter Rückfluß erhitzt. Anschließend wurde Keton destilla­ tiv entfernt und der Flüssigkeitsstand des Reaktors synchron durch den kontinuierlichen Zulauf von trockenem Keton konstant gehalten. Der Reaktionsfortschritt wurde mittels Gaschromato­ graphie verfolgt. Die Reaktion wurde nach Erreichen des gewünsch­ ten Umsatzes durch Zugabe von 0,1 Mol-% (bezogen auf Alkohol) Natriummethanolat abgebrochen. Anschließend wurde das überschüs­ sige Keton destillativ entfernt.
Die Reinheit der Endprodukte wurde gaschromatographisch bestimmt. Die Reaktionszeiten sowie weitere Daten zu den Endprodukten gehen aus Tabelle 1 hervor. Die Zulaufmenge des trockenen Ketons wurde in den Beispielen gewichtsmäßig mit etwa 8 bis 15 Teilen Keton auf 1 Teil des eingesetzten Alkohols bestimmt.
Tabelle 1 (erfindungsgemäße Beispiele)
Vergleichsbeispiele 1 und 2 (in Anlehnung an Literaturstelle [6])
  • 1. 552 g (6 mol) Glycerin, 1392 g (24 mol) Aceton, 1400 g Pe­ trolether (Siedebereich 30 bis 75°C) und 0,47 g (0,05 Mol-%, bezogen auf Glycerin) p-Toluolsulfonsäure-Monohydrat wurden zusammengegeben und bis zum Siedepunkt der Lösungsmittel er­ hitzt. Mittels eines Wasserauskreisers wurde das Reaktions­ wasser entfernt. Nach 42 Stunden wurde im Wasserauskreiser kein Wasser mehr abgeschieden. Die Reaktion wurde durch Zu­ gabe von 0,94 g Natriummethanolat gestoppt, und die Lösungs­ mittel wurden im Vakuum am Rotationsverdampfer entfernt. Das Reaktionsgemisch enthielt das gewünschte Produkt in einer Ausbeute von 92,5%.
  • 2. 792 g (6 mol) Trimethylolpropan, 1392 g (24 mol) Aceton, 1400 g Petrolether (Siedebereich 30 bis 75°C) und 0,47 g p-Toluolsulfonsäure-Monohydrat wurden zusammengegeben und bis zum Siedepunkt der Lösungsmittel erhitzt. Mittels eines Was­ serauskreisers wurde das Reaktionswasser entfernt. Nach 14 Stunden wurde im Wasserauskreiser kein Wasser mehr abge­ schieden. Die Reaktion wurde durch Zugabe von 0,94 g Natrium­ methanolat gestoppt, und die Lösungsmittel wurden im Vakuum am Rotationsverdampfer entfernt. Das Reaktionsgemisch ent­ hielt das gewünschte Produkt in einer Ausbeute von 91,5%.
Literatur
[1] J. Kempe und G. Kiessling, Z. Chem. 26 (1986) 3, 97
[2] ES 499 129 A1
[3] EP 456 073 B1
[4] A. Piasecki, Polish Journal of Chemistry 58 (1984), 1215
[5] J. Rübner und H. Frommelt, Mitteilungsbl. Chem. Ges. DDR 31 (1984), 56
[6] M.S. Newman und N. Renoll, J. Amer. Chem. Soc. 67 (1945), 1621
[7] PL 63 823
[8] E. Fischer und E. Pfähler, Ber. Dt. Chem. Ges. 53 (1920), 1027
[9] R. Aldo Macchi, T. Crespo, Rev. Argent. Gras. Aceites 9 [2] (1972), 9
[10] Meng Shen Cai et al., Synth. Commun. 22 (1992) 18, 2653
[11] DD 238 232 A1
[12] DD 238 233 A1

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von cyclischen Acetalen oder Keta­ len durch Umsetzung eines Polyols mit einem Überschuß eines Aldehyds oder eines Ketons mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Umsetzung einen Teil des Aldehyds oder Ketons abdestilliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den abdestillierten Aldehyd oder das abdestillierte Keton durch frischen bzw. frisches ersetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Polyol ein Diol oder Triol mit 2 bis 12 Kohlenstoff­ atomen, insbesondere Ethylenglykol, Propylenglykol, Glycerin oder Trimethylolpropan, verwendet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Aldehyd oder ein Keton verwen­ det, dessen Siedepunkt bei Normaldruck < 110°C und insbeson­ dere < 100°C ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Keton Aceton oder 2-Butanon verwendet.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man 2 bis 30 Mol Aldehyd oder Keton pro Mol Polyol einsetzt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegenwart eines sau­ ren Katalysators durchführt.
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