DE3401896C2 - - Google Patents

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Klaus Dipl.-Chem. Dr. Gehrmann
Winfried Dipl.-Ing. 5042 Erftstadt De Lork
Peter 5030 Huerth De Prinz
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    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C29/00Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
    • C07C29/15Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively
    • C07C29/151Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively with hydrogen or hydrogen-containing gases
    • C07C29/153Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively with hydrogen or hydrogen-containing gases characterised by the catalyst used
    • C07C29/156Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively with hydrogen or hydrogen-containing gases characterised by the catalyst used containing iron group metals, platinum group metals or compounds thereof
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäureethylestern und Ethanol durch Umsetzung von Carbonsäuremethylestern mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei Temperaturen von 375 bis 650 K und Drücken von 1 bis 600 bar, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Umsetzung in Gegenwart eines Katalysatorsystems durchführt, welches Rhenium oder dessen Verbindungen; Jod und/oder dessen Verbindungen; tertiäre organische N-, P-, As- oder Sb-Verbindungen; ggf. quaternäre organische N-, P-, As- oder Sb-Verbindungen; ggf. Salze der Alkali- oder Erdalkalimetalle; und ggf. Essigsäure im Molverhältnis
1 : (1-50) : (1-100) : (0-50) : (0-50) : (0-500)
enthält.
Die DE 31 22 796 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäurealkylestern der Formel R₁COOCH₂R₂ durch Umsetzung eines Carbonsäurealkylesters der Formel R₁COOR₂ mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Gegenwart von Mangan und Ruthenium oder deren Verbindungen als Katalysator und Jod oder Brom oder deren Verbindungen als Promotor. Der Promotor kann elementar, als Metall-, Wasserstoff- oder Alkylhalogenid, als Jodsäure oder Jodbromid eingesetzt werden. So wird beispielsweise bei Einsatz eines Gemisches aus Methylacetat, Mangan(II)-acetattetrahydrat, Ruthenium(III)-chlorid und Natriumjodid bei 200°C und einem Druck von 200 bar ein Methylacetatumsatz von 55,3% und eine Ethylacetatselektivität von 77,3% erzielt. Daneben sind im flüssigen Reaktionsprodukt auch Methanol, Ethanol und Essigsäure vorhanden. Die Raum-Zeit-Ausbeute erreicht einen Wert von ca. 170 g Ethylacetat/l Rv · h.
Die EP 00 31 784 B1 beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäureethylestern durch Umsetzen der entsprechenden Carbonsäuremethylester mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei Temperaturen zwischen 175 und 250°C und Drücken im Bereich von 50 bis 600 bar in Gegenwart eines Katalysatorsystems aus Ruthenium, Kobalt und einem jodhaltigen Promotor, wobei das Atomverhältnis Co/Ru1 und I/Ru5 ist.
Der jodhaltige Promotor besteht aus mindestens einem Alkyljodid und mindestens einem ionischen Jodid, dessen Kation ausgewählt wird aus der Gruppe der Alkali- und Erdalkalimetalle sowie der Ammonium- oder quaternären Phosphoniumkationen. Die Ausbeuten an Ethylacetat erreichen Werte von max. 25%, bezogen auf eingesetztes Methylacetat, wobei Raum-Zeit-Ausbeuten bis zu 365 g Ethylacetat/l Rv · h erzielt werden. Neben der gewünschten Verbindung Ethylacetat werden noch Mengen an Methanol, Acetaldehyd, Ethanol und Essigsäure gebildet.
Die EP 00 63 105 A1 beansprucht ein Verfahren zur Herstellung von Ethylacetat durch Umsetzung von Methylacetat mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei Temperaturen zwischen 150 und 250°C und einem Druck zwischen 50 und 200 bar in Gegenwart eines neutralen oder ionischen Katalysators der Formel Ru(CO)xLyOz, wobei L eine hetero- oder alizyklische Stickstoffbase oder eine phosphorhaltige Verbindung darstellt; x ist 1, 2 oder 3, y=1 oder 2 und z=2 oder 3. Bei Methylacetatumsätzen von 4-62% werden Selektivitäten an Ethylacetat zwischen 45 und 76,7% erreicht. Doch die erreichten Raum-Zeit-Ausbeuten von nur 10-20 g Ethylacetat/l Rv · h lassen eine technische Verwirklichung dieses Verfahrens unwahrscheinlich erscheinen.
Alle in der zitierten Patentliteratur genannten Katalysatoren besitzen als zentrales Atom das kostspielige Edelmetall Ruthenium. Wird z. B. nur Mangan ohne Zusatz von Ruthenium als Katalysator eingesetzt, so erfolgt - wie das Vergleichsbeispiel 4 zeigt - keine Homologisierung des Methylacetats zur Ethylacetat.
Der alleinige Einsatz von Kobalt (ohne Zusatz von Ruthenium) führt nur zu geringer Ethylacetatbildung (siehe Vergleichsbeispiel 5).
Die vorliegende, bereits eingangs definierte Erfindung beschreibt einen Katalysator zur Homologisierung von Carbonsäuremethylestern, der anstelle des gemäß dem Stand der Technik verwendeten teuren Edelmetalls Ruthenium das wesentlich preisgünstigere Rhenium als aktive Komponente enthält. Mit diesem neuartigen Katalysatorsystem gelingt es, Carbonsäureethylester und Ethanol in befriedigender Selektivität durch Umsetzung von Carbonsäuremethylester, Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen. Die dabei erreichten Raum-Zeit-Ausbeuten von 100-200 g Ethylacetat + Ethylalkohol/l Rv · h lassen die Wirtschaftlichkeit dieses Katalysatorsystems erkennen. Der Zusatz von Essigsäure zum Reaktionssystem verbessert die Katalysatorleistung. Rhenium wird z. B. in Form von ReCl₅ oder auch [Re(CO)5]₂ eingesetzt. Als Salze der Alkali- und/oder Erdalkalimetalle werden bevorzugt deren Acetate oder Jodide eingesetzt. Als Jodverbindung verwendet man bevorzugt Methyljodid, aber auch Ethyljodid oder Jodwasserstoff. Es können aber auch Alkalÿodide, Erdalkalÿodide oder quaternäre organische N-, P-, As- oder Sb-Jodide eingesetzt werden, welche dann zugleich die Salze der Alkali- oder Erdalkalimetalle bzw. die quaternären organischen N-, P-, As- oder Sb-Verbindungen sind.
Von den tertiären und ggf. quaternären organischen N-, P-, As- oder Sb-Verbindungen werden bevorzugt Trialkyl- oder Triarylphosphane bzw. -phosphoniumjodide eingesetzt. Dabei stehen "alkyl" bevorzugt für methyl, ethyl, propyl und butyl sowie "aryl" für phenyl.
Das Katalysatorsystem Rhenium(-verbindung)/Jod(-verbindung)/tertiäre organische N-, P-, As- oder Sb-Verbindungen/quaternäre organische N-, P-, As- oder Sb-Verbindungen/Alkali- und/oder Erdalkaliverbindung/Essigsäure wird im Molverhältnis
1 : (1-50) : (1-100) : (0-50) : (0-50) : (0-500)
eingesetzt.
Je Mol eingesetzten Carbonsäuremethylesters werden vorzugsweise 0,0005-0,05 mol Rhenium(-verbindung) verwendet. Das Verhältnis Kohlenmonoxid zu Wasserstoff kann in einem weiten Bereich schwanken, bevorzugt wird jedoch ein Molverhältnis von 2 : 1 bis 1 : 2 eingehalten.
Die Umsetzung gemäß der Erfindung erfolgt bevorzugt bei 100-400 bar und 400-600 K.
Das Verfahren der Erfindung kann sowohl in diskontinuierlicher als auch in kontinuierlicher Betriebsweise durchgeführt werden.
Beispiel 1
3,64 g ReCl₅, 10,6 g Methyljodid, 45,5 g Tributylphosphan und 210,9 g Methylacetat werden in einen Autoklaven aus korrosionsbeständigem Edelstahl eingesetzt und mit einem Wasserstoff- und Kohlenmonoxid-Druck von jeweils 90 bar versehen. Nach einer Reaktionszeit von 2 Stunden bei 543 K wird das Reaktionsprodukt analysiert. Es werden 31,4 g Ethylacetat und 23,8 g Ethanol gefunden, woraus sich eine Raum-Zeit-Ausbeute von 102 g Ethylacetat + Ethanol/l Rv · h errechnet.
Beispiel 2
3,64 g ReCl₅, 25,8 Methyltributylphosphoniumjodid, 30,4 g Tributylphosphan und 210,9 g Methylacetat werden in einen Autoklaven aus korrosionsbeständigem Edelstahl eingesetzt. Anschließend werden Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit einem Druck von je 90 bar aufgedrückt. Nach einer Reaktionszeit von 2 Stunden bei 543 K werden im Reaktionsprodukt 38,6 g Ethylacetat und 22,9 g Ethanol analysiert, woraus sich eine Raum-Zeit-Ausbeute von 114 g Ethylacetat + Ethanol/l Rv · h errechnet.
Beispiel 3
3,26 g [Re(CO)₅]₂, 25,8 g Methyltributylphosphoniumjodid, 30,4 g Tributylphosphan, 100 g Essigsäure und 210,9 g Methylacetat werden in einen Autoklaven aus korrosionsbeständigem Edelstahl eingefüllt und mit einem Wasserstoff- und Kohlenmonoxid-Druck von jeweils 90 bar versehen. Nach einer Reaktionszeit von 2 Stunden bei 543 K werden im Reaktionsprodukt 89,5 g Ethylacetat und 40,8 g Ethanol analysiert. Die Raum-Zeit-Ausbeute berträgt 176 g Ethylacetat + Ethanol/l Rv · h.
Beispiel 4 (Vergleichsbeispiel)
3,52 g Mangan(III)-acetylacetonat (Mn(C₅H₇O₂)₃), 25,8 g Methyltributylphosphoniumjodid, 30,4 g Tributylphosphan, 100 g Essigsäure und 210,9 g Methylacetat werden in einen Autoklaven aus korrosionsbeständigem Edelstahl eingewogen. Danach werden Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit jeweils einem Druck von 90 bar aufgedrückt. Nach einer Reaktionszeit von 2 Stunden bei 543 K wird das Reaktionsprodukt analysiert, wobei weder Ethylacetat noch Ethanol gefunden werden. Die eingesetzte Essigsäure wird quantitativ zurückgewonnen. Ein Druckabfall über den genannten Reaktionszeitraum wurde ebenfalls nicht beobachtet.
Beispiel 5 (Vergleichsbeispiel)
3,56 g Kobalt(III)-acetylacetonat (Co(C₅H₇O₂)₃), 25,8 g Methyltributylphosphoniumjodid, 30,4 g Tributylphosphan, 100 g Essigäsure und 210,9 g Methylacetat werden in einen Autoklaven aus korrosionsbeständigem Edelstahl eingefüllt und mit einem Wasserstoff- und Kohlenmonoxid-Druck von jeweils 90 bar versehen. Nach einer Reaktionszeit von 2 Stunden bei 543 K werden im Reaktionsprodukt 5,2 g Ethylacetat ermittelt. Die Raum-Zeit-Ausbeute beträgt 7 g Ethylacetat/l Rv · h.
Beispiel 6
3,64 g RFeCl₅, 16,8 g Dimethylimidazoliumjodid, 12,3 g Methylimidazol und 210,9 g Methylacetat werden in einen Autoklaven aus korrosionsbeständigem Edelstahl eingesetzt und mit einem Wasserstoff- und Kohlenmonoxid-Druck von jeweils 90 bar versehen. Nach einer Reaktionszeit von 2 Stunden bei 543 K wird das Reaktionsprodukt analysiert. Es werden 33,4 g Ethylacetat und 19,8 g Ethanol gefunden, woraus sich eine Raum-Zeit-Ausbeute von 109 g Ethylacetat + Ethanol/l Rv · h errechnet.
Beispiel 7
3,64 g ReCl₅, 12,7 g LiJ, 30,4 g Tributylphosphan, 100 g Essigsäure und 210,9 g Methylacetat werden in einen Autoklaven aus korrosionsbeständigem Edelstahl eingewogen. Danach werden Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit einem Druck von je 90 bar aufgedrückt. Nach einer Reaktionszeit von 2 Stunden bei 543 K wird das Reaktionsprodukt analysiert, wobei 58 g Ethylacetat und 36,5 g Ethanol gefunden werden. Die Raum-Zeit-Ausbeute beträgt 132 g Ethylacetat + Ethanol/l Rv · h.
Beispiel 8
3,26 g [Re(CO)₅]₂, 12,9 g Methyltributylphosphoniumjodid, 11,0 g CaJ₂, 30,4 g Tributylphosphan, 100 g Essigsäure und 210,9 g Methylacetat werden in einen Autoklaven aus korrosionsbeständigem Edelstahl eingefüllt und mit einem Wasserstoff- und Kohlenmonoxid-Druck von jeweils 90 bar versehen. Nach einer Reaktionszeit von 2 Stunden bei 543 K werden im Reaktionsprodukt 78,5 g Ethylacetat und 34,2 g Ethanol gefunden, woraus sich eine Raum-Zeit-Ausbeute von 153 g Ethylacetat + Ethanol/l Rv · h errechnet.

Claims (1)

  1. Verfahren zur Herstellung von Carbonsäureetylestern und Ethanol durch Umsetzung von Carbonsäuremethylestern mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff bei Temperaturen von 375 bis 650 K und Drücken von 1 bis 600 bar, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegenwart eines Katalysatorsystems durchführt, welches Rhenium oder dessen Verbindungen; Jod und/oder dessen Verbindungen; tertiäre organische N-, P-, As- oder Sb-Verbindungen; ggf. quaternäre organische N-, P-, As- oder Sb-Verbindungen; ggf. Salze der Alkali- oder Erdalkalimetalle; und ggf. Essigsäure im Molverhältnis 1 : (1-50) : (1-100) : (0-50) : (0-50) : (0:500)enthält.
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