ES2295564T3 - Oxidacion en fase liquida de otro-xilenos halogenados. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la preparación de ácido monohaloftálico que comprende: formar una mezcla de reacción que comprende: una mezcla de aproximadamente 7 a aproximadamente 3 partes en peso de ácido acético a 1 parte en peso de halo-orto-xileno, aproximadamente 0, 25 a aproximadamente 2 moles por ciento, con respecto al halo-orto-xileno, de una fuente de cobalto, aproximadamente 0, 1 a aproximadamente 1 mol por ciento, con respecto al halo-orto-xileno, de una fuente de manganeso, aproximadamente 0, 01 a aproximadamente 0, 1 moles por ciento, con respecto a dicho halo-orto-xileno, de una fuente de un metal seleccionado de entre circonio, hafnio y mezclas de los mismos, aproximadamente 0, 02 a aproximadamente 0, 1 moles por ciento, con respecto a dicho halo-orto-xileno, de una fuente de bromuro; mantener dicha mezcla de reacción a una presión de por lo menos aproximadamente 1.600 Kpa y a una temperatura de aproximadamente 130ºC a aproximadamente 200ºC; introducir un gas que contiene oxígeno molecular a dicha mezcla de reacción a un caudal de por lo menos aproximadamente 0, 5 m3 normales de gas/kg de halo-orto-xileno en dicha mezcla de reacción durante un tiempo suficiente para proporcionar por lo menos aproximadamente el 90 por ciento de conversión de dicho monohalo-orto-xileno en ácido monohaloftálico.
Description
Oxidación en fase líquida de
orto-xilenos halogenados.
La presente invención se refiere a la oxidación
en fase líquida de compuestos alquil aromáticos sustituidos con
halógeno. En particular, la invención se refiere a la oxidación en
fase líquida de
mono-halo-orto-xileno,
en lo sucesivo denominado
halo-orto-xileno, para producir
ácido monohaloftálico que puede deshidratarse para producir
anhídrido monohaloftálico, denominado en lo sucesivo anhídrido
haloftálico.
La oxidación en fase líquida se ha utilizado
desde hace tiempo para producir ácidos dicarboxílicos a partir de
dialquilbencenos. Ha sido de particular interés la oxidación de
dimetil benceno (xileno) a ácido ftálico, especialmente la
oxidación de para-xileno a ácido tereftálico, que se
utiliza en la producción de tereftalato de polibutileno. La
oxidación en fase líquida del xileno a ácido ftálico requiere la
utilización de un catalizador, típicamente un sistema catalítico
cobalto/manganeso/bromo, y se lleva a cabo generalmente en un
disolvente de ácido carboxílico tal como el ácido acético. El
sistema catalítico puede aumentarse mediante la utilización de un
cocatalizador tal como circonio, hafnio o cerio. El ácido ftálico es
un sólido fácilmente aislable, que puede ser filtrado de la mezcla
de reacción.
La oxidación en fase líquida, utilizando un
sistema catalítico de cobalto/manganeso/bromo y un disolvente ácido
carboxílico, se ha aplicado también al xileno halogenado con algún
éxito. Véase Ukr. Khim. Hu. 1984, 50(6),
644-647 y Chem. Abs., American Chemical
Society, Columbus, US, vol. 101, nº 25, 230079r. La oxidación
del xileno halogenado es más difícil que la oxidación del xileno
debido a la presencia de un halógeno que es un sustituyente que
desprende electrones, en el anillo del benceno. La dificultad mayor
en la oxidación produce una selectividad de reacción inferior y una
cantidad mayor de oxidación parcial y productos secundarios que la
que se observa en la oxidación en fase líquida del xileno en
condiciones similares. Además, el ácido ftálico halogenado es
difícil de separar de la oxidación parcial y de los productos
secundarios, incluso por destilación. Por lo tanto es evidente que
para que un procedimiento de oxidación en fase líquida del xileno
halogenado tenga éxito comercialmente el rendimiento de la reacción
y la selectividad de la reacción deben ser muy elevados.
Óptimamente, para un procedimiento comercial útil, la selectividad
de la reacción debería ser suficientemente elevada para que
produzca solamente cantidades insignificantes de oxidación parcial y
productos secundarios eliminando de este modo la necesidad de
aislamiento del ácido haloftálico.
Un procedimiento para la preparación de ácido
haloftálico comprende formar una mezcla de reacción que comprende
una mezcla de aproximadamente 7 a aproximadamente 3 partes en peso
de ácido acético a 1 parte en peso de un
halo-orto-xileno, aproximadamente
0,25 a aproximadamente 2 moles por ciento, con respecto al
halo-orto-xileno, de una fuente de
cobalto, aproximadamente 0,1 a aproximadamente 1 mol por ciento, con
respecto al halo-orto-xileno, de
una fuente de manganeso, aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1
mol por ciento, con respecto al
halo-orto-xileno, de una fuente de
un metal seleccionado de entre circonio, hafnio y mezclas de los
mismos y aproximadamente 0,02 a aproximadamente 0,1 moles por
ciento, con respecto al
halo-orto-xileno de una fuente de
bromuro, manteniendo la mezcla de reacción a una presión de por lo
menos aproximadamente 1.600 kilopascales (Kpa) y a una temperatura
de aproximadamente 130ºC a aproximadamente 200ºC; introduciendo un
gas que contiene oxígeno molecular a la mezcla de reacción a un
caudal de por lo menos aproximadamente 0,5 m^{3} normales de
gas/hora por kilogramo (kg) de
halo-orto-xileno en la mezcla de
reacción durante un tiempo suficiente para proporcionar por lo menos
aproximadamente el 90 por ciento de conversión del
halo-orto-xileno en ácido
haloftálico.
En otra forma de realización, un procedimiento
para la preparación de ácido haloftálico comprende formar una
mezcla de reacción que comprende una mezcla de aproximadamente 7 a
aproximadamente 3 partes en peso de ácido acético a 1 parte en peso
de un halo-orto-xileno,
aproximadamente 0,25 a aproximadamente 2 moles por ciento, con
respecto al halo-orto-xileno, de una
fuente de cobalto, aproximadamente 0,1 a aproximadamente 1 mol por
ciento, con respecto al
halo-orto-xileno, de una fuente de
manganeso, aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1 mol por
ciento, con respecto a dicho
halo-orto-xileno, de una fuente de
un metal seleccionado de entre circonio, hafnio y mezclas de los
mismos y aproximadamente 0,02 a aproximadamente 0,1 moles por
ciento, con respecto a dicho
halo-orto-xileno de una fuente de
bromuro, manteniendo dicha mezcla de reacción a una presión de por
lo menos aproximadamente 1.600 Kpa y a una temperatura de
aproximadamente 130ºC a aproximadamente 200ºC; introduciendo un gas
que contiene oxígeno molecular a la mezcla de reacción a un caudal
de por lo menos aproximadamente 0,5 m^{3} normales de gas/kg de
halo-orto-xileno durante un tiempo
suficiente para proporcionar por lo menos aproximadamente el 90 por
ciento de conversión del
halo-orto-xileno en ácido
haloftálico con menos de aproximadamente 600 partes por millón
(ppm) de haloftalida; eliminando el ácido acético y algo de agua
formados como resultado de la reacción por destilación; y
deshidratando el ácido haloftálico para formar anhídrido
haloftálico.
En otro aspecto, el procedimiento para la
preparación de ácido haloftálico comprende formar una mezcla de
reacción que comprende una mezcla de aproximadamente 7 a
aproximadamente 3 partes en peso de ácido acético a 1 parte en peso
de un halo-orto-xileno,
aproximadamente 0,8 a aproximadamente 1,2 moles por ciento, con
respecto al halo-orto-xileno, de una
fuente de cobalto, aproximadamente 0,4 a aproximadamente 0,6 moles
por ciento, con respecto al
halo-orto-xileno, de una fuente de
manganeso, aproximadamente 0,04 a aproximadamente 0,06 moles por
ciento, con respecto a dicho
halo-orto-xileno, de una fuente de
un metal seleccionado de entre circonio, hafnio y mezclas de los
mismos y menos de aproximadamente 0,04 moles por ciento, con
respecto a dicho halo-orto-xileno
de una fuente de bromuro, manteniendo la mezcla de reacción a una
presión de por lo menos aproximadamente 1.600 Kpa y a una
temperatura de aproximadamente 130ºC a aproximadamente 200ºC;
introduciendo un gas que contiene oxígeno molecular a la mezcla de
reacción a un caudal de por lo menos aproximadamente 0,5 m^{3}
normales de gas/kg de
halo-orto-xileno durante un tiempo
suficiente para proporcionar por lo menos aproximadamente el 90 por
ciento de conversión del
halo-orto-xileno en ácido
haloftálico.
En otro aspecto, un procedimiento para la
preparación de anhídrido haloftálico comprende formar una mezcla de
reacción que comprende una mezcla de aproximadamente 7 a
aproximadamente 3 partes en peso de ácido acético a 1 parte en peso
de un halo-orto-xileno,
aproximadamente 0,8 a aproximadamente 1,2 moles por ciento, con
respecto al halo-orto-xileno, de
acetato de cobalto o acetato de cobalto hidratado, aproximadamente
0,4 a aproximadamente 0,6 moles por ciento, con respecto al
halo-orto-xileno, de acetato de
manganeso o acetato de manganeso hidratado, aproximadamente 0,04 a
aproximadamente 0,06 moles por ciento, con respecto a dicho
halo-orto-xileno, de acetato de
circonio o acetato de circonio hidratado, menos de aproximadamente
0,04 moles por ciento, con respecto a dicho
halo-orto-xileno de bromuro sódico;
manteniendo dicha mezcla de reacción a una presión de por lo menos
aproximadamente 1.600 Kpa y a una temperatura de aproximadamente
130ºC a aproximadamente 200ºC; introduciendo un gas que contiene
oxígeno molecular a la mezcla de reacción a un caudal de por lo
menos aproximadamente 0,5 m^{3} normales de gas/kg de
halo-orto-xileno en la mezcla de
reacción durante un tiempo suficiente para proporcionar por lo
menos aproximadamente el 90 por ciento de conversión de dicho
halo-orto-xileno en ácido
haloftálico; eliminando el ácido acético y algo de agua formados
como resultado de la reacción por destilación; y separando el agua
del ácido acético y reciclando el ácido acético; y deshidratando el
ácido haloftálico para formar anhídrido haloftálico.
En otra forma de realización, un procedimiento
para la preparación de polieterimida comprende formar una mezcla de
reacción que comprende una mezcla de aproximadamente 7 a
aproximadamente 3 partes en peso de ácido acético a 1 parte en peso
de un halo-orto-xileno,
aproximadamente 0,25 a aproximadamente 2 moles por ciento, con
respecto al halo-orto-xileno, de
una fuente de cobalto, aproximadamente 0,1 a aproximadamente 1 mol
por ciento, con respecto al
halo-orto-xileno, de una fuente de
manganeso, aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1 moles por
ciento, con respecto a dicho
halo-orto-xileno, de una fuente de
un metal seleccionado de entre circonio, hafnio y mezclas de los
mismos, aproximadamente 0,02 a aproximadamente 0,1 moles por ciento,
con respecto a dicho
halo-orto-xileno de una fuente de
bromuro; manteniendo dicha mezcla de reacción a una presión de por
lo menos aproximadamente 1.600 Kpa y a una temperatura de
aproximadamente 130ºC a aproximadamente 200ºC; introduciendo un gas
que contiene oxígeno molecular a la mezcla de reacción a un caudal
de por lo menos aproximadamente 0,5 m^{3} normales de gas/kg de
halo-orto-xileno en la mezcla de
reacción durante un tiempo suficiente para proporcionar por lo
menos aproximadamente el 90 por ciento de conversión de dicho
halo-orto-xileno en ácido
haloftálico con menos de aproximadamente 600 partes por millón (ppm)
de haloftalida; eliminando el ácido acético y algo de agua formados
como resultado de la reacción por destilación; y separando el agua
del ácido acético y reciclando el ácido acético; deshidratando el
ácido haloftálico para formar anhídrido haloftálico; haciendo
reaccionar el anhídrido haloftálico con
1,3-diaminobenceno para formar
bis(haloftalimida) (II)
en la que X es un halógeno; y
haciendo reaccionar la bis(haloftalimida) (II) con una sal de
metal alcalino de un hidrocarburo aromático sustituido con
dihidroxi que presenta la fórmula
(IV).
en la que A^{2} es un radical
hidrocarburo aromático divalente para formar la
polieterimida.
Un procedimiento para la preparación de ácido
haloftálico comprende formar una mezcla de reacción que comprende
una mezcla de aproximadamente 7 a aproximadamente 3 partes en peso
de ácido acético a 1 parte en peso de
halo-orto-xileno, aproximadamente
0,25 a aproximadamente 2 moles por ciento, con respecto al
halo-orto-xileno, de una fuente de
cobalto, aproximadamente 0,1 a aproximadamente 1 mol por ciento, con
respecto al halo-orto-xileno, de una
fuente de manganeso, aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1
moles por ciento, con respecto a dicho
halo-orto-xileno, de una fuente de
un metal seleccionado de entre circonio, hafnio y mezclas de los
mismos, aproximadamente 0,02 a aproximadamente 0,1 moles por
ciento, con respecto a dicho
halo-orto-xileno de una fuente de
bromuro. La mezcla de reacción se mantiene a una presión de por lo
menos aproximadamente 1.600 Kpa y a una temperatura de
aproximadamente 130ºC a aproximadamente 200ºC. Se introduce un gas
que contiene oxígeno molecular a la mezcla de reacción a un caudal
de por lo menos aproximadamente 0,5 m^{3} normales de gas/kg de
halo-orto-xileno en la mezcla de
reacción durante un tiempo suficiente para proporcionar por lo menos
aproximadamente el 90 por ciento de conversión de dicho
halo-orto-xileno en ácido
haloftálico. La introducción del gas que contiene oxígeno molecular
crea un gas residual que contiene oxígeno, que preferentemente tiene
una concentración de oxígeno inferior a aproximadamente 3 por
ciento en volumen del gas residual.
Utilizando el procedimiento para la preparación
de ácido y anhídrido haloftálico descrito en la presente memoria,
la síntesis de alto rendimiento de ácido y anhídrido haloftálico de
gran pureza es posible a una escala que emplea centenares de
kilogramos de halo-orto-xileno por
oxidación en fase líquida en presencia de aproximadamente 0,25 a
aproximadamente 2 moles por ciento (moles%) de una fuente de
cobalto, aproximadamente 0,1 a aproximadamente 1 moles% de una
fuente de manganeso, aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1
moles% de una fuente de un metal seleccionado de entre circonio,
hafnio y mezclas de los mismos, y aproximadamente 0,02 a
aproximadamente 0,1 moles% de una fuente de bromuro. Los
solicitantes han descubierto que en las oxidaciones en fase líquida
a gran escala que emplean
halo-orto-xileno la cantidad de
bromuro puede tener un impacto significativo en la cantidad de
impurezas presentes en el producto final. La utilización de
porcentajes molares decrecientes de bromuro dan como resultado un
producto, ya sea ácido o anhídrido haloftálico, con un nivel
decreciente de impurezas tal como haloftalida. Aunque las razones
de este fenómeno no se comprenden con claridad se contempla que
incluso cantidades menores de bromuro, porcentajes molares
inferiores a aproximadamente 0,02, pueden ser útiles para producir
ácido o anhídrido haloftálico de gran pureza en oxidaciones en fase
líquida a escala aún mayor tales como las que emplean miles de
kilogramos de halo-orto-xileno.
El
halo-orto-xileno adecuado para su
utilización en la oxidación presenta la estructura (IV)
en la que X es un halógeno.
Preferentemente X es cloro. El sustituyente halógeno puede estar en
la posición 3 (isómero 3) o en la posición 4 (isómero 4). El
halo-orto-xileno utilizado en la
oxidación en fase líquida puede ser también una mezcla del isómero
3 y del isómero
4.
La oxidación en fase líquida emplea
preferentemente ácido acético como disolvente aunque pueden
emplearse otros ácidos carboxílicos inferiores, como aprecia
fácilmente cualquier experto en la materia. En general, puede
emplearse el ácido acético con un contenido en agua de hasta
aproximadamente 3 por ciento. Por lo general, el ácido acético está
presente en una cantidad de 7 a 3 partes en peso a 1 parte en peso
de halo-orto-xileno.
Preferentemente el ácido acético está presente en una cantidad de 5
a 3 partes en peso a 1 parte en peso de
halo-orto-xileno.
Los gases adecuados que contienen oxígeno
molecular incluyen gases o combinaciones de gases que son una fuente
de oxígeno molecular (O_{2}), por ejemplo, oxígeno al 100% y
mezclas de oxígeno con gas inerte con una concentración suficiente
de oxígeno para efectuar la oxidación. Las concentraciones de
oxígeno suficientes por lo general son mayores o iguales a
aproximadamente 6% de oxígeno, preferentemente superiores o iguales
a aproximadamente 15%, más preferentemente superiores o iguales a
aproximadamente 20%. Evidentemente pueden utilizarse también las
mezclas con cantidades superiores o iguales a aproximadamente el 50%
de oxígeno. Como apreciará cualquier experto en la materia, la
concentración de oxígeno puede afectar la velocidad de la reacción.
Un gas que contiene oxígeno molecular preferido es el aire.
Las fuentes útiles de cobalto, manganeso, bromo,
circonio y hafnio son aquellas fuentes que son solubles en ácido
acético. En cuanto a las fuentes de cobalto, manganeso, circonio o
hafnio éstas incluyen los propios metales o cualquiera de sus
sales, complejos o compuestos. Éstos incluyen, pero no se limitan a,
acetatos, citratos, estearatos, naftenatos, acetilacetonatos,
benzoilacetonatos, carbonatos, sulfatos, bromuros, cloruros,
fluoruros, nitratos, hidróxidos, alcóxidos, nitruros, triflatos,
hidratos de los anteriores y mezclas de los anteriores.
Preferentemente el cobalto en la fuente de cobalto está en un estado
de oxidación +2 ó +3. Preferentemente el manganeso en la fuente de
manganeso está en un estado de oxidación +2 ó +3. Ejemplos de
fuentes de bromuro incluyen, pero no se limitan a, bromo, bromuro
de hidrógeno, una sal de bromuro metálico tal como bromuro sódico y
bromuros orgánicos. Ejemplos de bromuros orgánicos incluyen
tetrabromuroetano, bromuro de etilo, bromuro de etileno,
bromoformo, bromuro de xililo, bromuro de xilileno y mezclas que
comprenden por lo menos uno de los bromuros orgánicos.
El porcentaje de moles (moles%) de cobalto,
manganeso, circonio, hafnio y bromo está basado en la cantidad de
halo-orto-xileno presente al
principio de la reacción. La fuente de cobalto está generalmente
presente en cantidades de aproximadamente 0,25 a aproximadamente 2
moles%. Preferentemente la fuente de cobalto está presente en una
cantidad inferior a aproximadamente 1,2 moles%. Además, es también
preferible que la fuente de cobalto esté presente en una cantidad
superior o igual a aproximadamente 0,5 moles%, y más
preferentemente en una cantidad superior o igual a aproximadamente
0,8 moles%. Es particularmente preferido que la cantidad de la
fuente de cobalto sea aproximadamente 1 moles%.
La fuente de manganeso está presente en
cantidades de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 1 moles%.
Preferentemente la fuente de manganeso está presente en una
cantidad inferior o igual a aproximadamente 0,6 moles%. Además,
también es preferible que la fuente de manganeso esté presente en
una cantidad superior o igual a aproximadamente 0,3 moles%, más
preferentemente superior o igual a aproximadamente 0,4 moles%. En
una forma de realización particularmente preferida, la fuente de
manganeso está presente en una cantidad de aproximadamente 0,5
moles%.
La fuente de bromuro está generalmente presente
en cantidades de aproximadamente 0,02 a aproximadamente 0,1 moles%.
Preferentemente, la cantidad de la fuente de bromuro es inferior o
igual a 0,8 moles%, más preferentemente inferior o igual a
aproximadamente 0,5 moles%, aún más preferentemente inferior o igual
a 0,4 moles%, y aún más preferentemente inferior o igual a 0,3
moles%.
La fuente de circonio, la fuente de hafnio o la
mezcla de las mismas está generalmente presente en cantidades de
aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1 moles%. Preferentemente,
la fuente de circonio, la fuente de hafnio o la mezcla de las
mismas está presente en una cantidad inferior o igual a
aproximadamente 0,06 moles%. Además, también es preferible que, la
fuente de circonio, la fuente de hafnio o la mezcla de las mismas
esté presente en una cantidad superior o igual a aproximadamente
0,03 moles%, más preferentemente superior al 0,04 moles%. En
una forma de realización particularmente preferida, la fuente de
circonio, la fuente de hafnio o la mezcla de las mismas está
presente en una cantidad de aproximadamente 0,05 moles%.
En un procedimiento a título de ejemplo, el
ácido haloftálico puede producirse combinando
halo-orto-xileno; la fuente de
cobalto; la fuente de manganeso; la fuente de bromo; y la fuente de
circonio, la fuente de hafnio o la mezcla de las mismas, en ácido
acético en un recipiente de reacción. El recipiente de reacción se
establece a una presión superior a aproximadamente 1.600 Kpa a la
temperatura deseada. La temperatura de la reacción es por lo
general aproximadamente 130ºC a aproximadamente 200ºC, con
preferencia aproximadamente 150ºC a aproximadamente 170ºC, y más
preferentemente superior a aproximadamente 160ºC. El gas que
contiene el oxígeno molecular se introduce a continuación. El flujo
del gas que contiene el oxígeno molecular crea un gas residual que
contiene oxígeno que preferentemente tiene una concentración en
oxígeno inferior al 3% en volumen, preferentemente inferior a
aproximadamente el 1% en volumen. La concentración de oxígeno del
gas residual puede determinarse por análisis de oxígeno de
transducción paramagnética u otro procedimiento conocido en la
técnica. Los caudales útiles son por lo general superiores o
iguales a 0,5 metros cúbicos normales (m^{3})/hora por kilogramo
(kg) de halo-orto-xileno y
preferentemente superiores o iguales a 1,0 metros cúbicos normales
(m^{3})/hora por kilogramo (kg) de
halo-orto-xileno. Un metro cúbico
normal se define como metro cúbico en condiciones normales de
temperatura y presión. Preferentemente la mezcla de reacción se
agita utilizando procedimientos habituales tales como la agitación
mecánica. El caudal de gas que contiene oxígeno molecular se
continúa hasta que por lo menos aproximadamente el 90% del
halo-orto-xileno ha sido convertido
en ácido haloftálico, preferentemente hasta que ha sido convertido
más del 95%. La cantidad de conversión conseguida en la reacción
puede determinarse fácilmente mediante la utilización de
cromatografía de gases, espectrometría de masa u otros métodos
conocidos en la técnica. En la experiencia de los solicitantes, la
cantidad de tiempo requerido
para alcanzar el 90% de conversión del halo-orto-xileno es aproximadamente de 3 a aproximadamente 6 horas.
para alcanzar el 90% de conversión del halo-orto-xileno es aproximadamente de 3 a aproximadamente 6 horas.
Además, el procedimiento de preparación del
ácido o anhídrido haloftálico puede incluir la etapa opcional del
control de la concentración de oxígeno del gas residual. Cuando la
concentración de oxígeno del gas residual supera aproximadamente el
3% en volumen esto indica una disminución de la velocidad de la
reacción. Una vez la concentración de oxígeno del gas residual
supera aproximadamente el 3% en volumen del caudal del gas que
contiene oxígeno molecular puede modificarse a fin de mantener la
concentración de oxígeno del gas residual inferior a
aproximadamente el 5% en volumen. El caudal del gas que contiene
oxígeno molecular puede modificarse de varias maneras. El gas que
contiene el oxígeno molecular puede diluirse con un gas inerte a fin
de disminuir la concentración de oxígeno en el gas que contiene
oxígeno molecular, el caudal del gas que contiene oxígeno molecular
puede disminuirse, la fuente del gas que contiene oxígeno molecular
puede cambiarse a fin de emplear un gas que contiene oxígeno
molecular con una concentración en oxígeno inferior o pueden
combinarse estos procedimientos a fin de mantener la concentración
de oxígeno del gas residual inferior a aproximadamente 5% en
volumen. El caudal modificado del gas que contiene oxígeno molecular
a continuación puede continuar hasta que por lo menos
aproximadamente el 90% de
halo-orto-xileno se haya convertido
en ácido haloftálico, preferentemente hasta que se haya convertido
más del 95%. La cantidad de conversión lograda en la reacción puede
determinarse fácilmente mediante la utilización de cromatografía de
gases, espectrometría de masas u otros métodos conocidos en la
técnica.
Una vez la reacción alcanza el nivel de
terminación deseado, el ácido haloftálico puede recuperarse como
ácido haloftálico o anhídrido haloftálico. Muchas aplicaciones
tales como las aplicaciones farmaceúticas y la síntesis de
polímeros requieren ácido haloftálico y anhídrido haloftálico con un
grado elevado de pureza. Dicho grado elevado de pureza puede
conseguirse por el procedimiento descrito en la presente memoria. De
hecho, se consiguen fácilmente el ácido haloftálico y el anhídrido
haloftálico que contienen menos de aproximadamente 600 ppm de
haloftalida, preferentemente menos de aproximadamente 500 ppm de
haloftalida, y más preferentemente menos de aproximadamente 400 ppm
de haloftalida. Además, pueden conseguirse el ácido cloroftálico y
el anhídrido cloroftálico que contienen menos de aproximadamente 1%
en peso de anhídrido ftálico y ácido clorobenzoico. Los ácidos
cloroftálicos y los ácidos dicloroftálicos, por lo general, no se
detectan.
La mayor parte del ácido acético así como el
agua producida en la reacción pueden eliminarse por destilación a
aproximadamente la presión atmosférica, por lo general calentando a
aproximadamente 200ºC a 200 Kpa. El ácido acético y el agua se
eliminan como vapor y se condensan. El agua puede eliminarse a
continuación del ácido acético y el ácido acético puede reciclarse.
Alguna deshidratación del ácido haloftálico para formar anhídrido
haloftálico puede producirse simultáneamente con la eliminación del
ácido acético y agua. Además, la eliminación de ácido acético y
agua puede combinarse con la deshidratación para formar una sola
etapa.
La deshidratación se realiza por lo general
térmicamente por destilación al vacío a una temperatura elevada que
permite la deshidratación y el aislamiento del anhídrido haloftálico
de cualquier ácido acético y agua que quedan para producirse
simultáneamente. La deshidratación puede realizarse también mediante
otras reacciones químicas bien conocidas por los expertos en la
materia tal como el tratamiento con anhídrido acético. Tras la
destilación el anhídrido haloftálico es por lo general superior a
aproximadamente el 95 por ciento, preferentemente superior a
aproximadamente el 97 por ciento y aún más preferentemente superior
a aproximadamente el 99 por ciento de pureza. Los anhídridos
haloftálicos de gran pureza se utilizan en la síntesis de
polieterimida, plástico con alta resistencia térmica.
Las polieterimidas son plásticos con alta
resistencia térmica que tienen una variedad de utilizaciones. Una
vía de síntesis de polieterimidas procede a través de una
bis(4-haloftalimida) que presenta la
estructura (1) siguiente:
en la que Y es un grupo alquileno,
cicloalquileno o amileno divalente y X es un halógeno. La
bis(4-haloftalimida) en la que Y es un grupo
1,3-fenilo (II) es especialmente
útil.
Las bis(haloftalimida) (I) y (II) se
forman por lo general por la condensación de aminas, p. ej.,
1,3-diaminobenceno con anhídridos, p. ej.,
anhídrido 4-haloftálico (III):
Las polieterimidas pueden sintetizarse por la
reacción de la bis(haloftalimida) con una sal de metal
alcalino de un hidrocarburo aromático sustituido con dihidroxi en
presencia o ausencia de catalizador de transferencia de fase. Los
catalizadores de transferencia de fase adecuados se describen en la
patente U.S. nº 5.229.482. Los hidrocarburos aromáticos sustituidos
con dihidroxi adecuados incluyen aquellos que presentan la fórmula
(IV)
en la que A^{2} es un radical
hidrocarburo aromático divalente. Los radicales A^{2} adecuados
incluyen m-fenileno, p-fenileno,
4,4'-bifenileno,
4,4'-bi(3,5-dimetil)fenileno,
2,3-bis(4-fenileno)propano
y radicales similares tales como los descritos mediante la
denominación o fórmula en la patente U.S. nº
4.217.438.
El radical A^{2} preferentemente presenta la
fórmula (V)
en la que cada A^{3} y A^{4} es
un radical hidrocarburo aromático divalente monocíclico y Q es un
radical hidrocarburo que forma un puente en la que uno o dos átomos
separan A^{3} de A^{4}. Los enlaces de valencia libre en la
fórmula (V) están habitualmente en las posiciones meta o para de
A^{3} y A^{4} en relación a Y. A^{3} y A^{4} puede ser
fenileno sustituido o el derivado sustituido por hidrocarburo del
mismo, siendo los sustituyentes ilustrativos (uno o más) alquilo y
alquenilo. Se prefieren radicales fenileno no sustituidos. Tanto
A^{3} como A^{4} son preferentemente p-fenileno,
aunque ambos pueden ser o- o m-fenileno o un o- o
m-fenileno y el otro
p-fenileno.
El radical que forma el puente, Q, es aquel en
el que uno o dos átomos, preferentemente uno, separa A^{3} de
A^{4}. Los radicales ilustrativos de este tipo son metileno,
ciclohexilmetileno, 2-(2,2,1)-bicicloheptilmetileno,
etileno, isopropilideno, neopentilideno, ciclohexilideno y
adamantilideno. El radical preferido de fórmula (IV) es el radical
2,2-bis(4-fenileno) propano
que procede del bisfenol A y en el que Q es isopropilideno y
A^{3} y A^{4} son cada uno p-fenileno.
Resulta evidente para cualquier experto en la
materia que puedan producirse algunas impurezas presentes en el
anhídrido haloftálico en todas las etapas posteriores en la síntesis
de politeterimida. La presencia de concentraciones significativas
de impurezas en las etapas posteriores puede interferir con la
polimerización y producir la decoloración del producto final,
polieterimida.
La invención se ilustra con mayor detalle
mediante los siguientes ejemplos no limitativos.
Ejemplos 1 a
5
En un reactor a escala de laboratorio se
combinaron 492 gramos (g) (3,5 moles) de
cloro-orto-xileno (una mezcla de
aproximadamente 30% de
3-cloro-orto-xileno
y aproximadamente 70% de
4-cloro-orto-xileno),
1.925 g de ácido acético glacial, 8,7 g (1 moles%) de
acetato de cobalto tetrahidratado, 4,3 g (0,5 moles%) de acetato de
manganeso tetrahidratado, 1,0 g (0,06 moles%) de solución de acetato
de circonio, 4,3 g (1,5 moles%) de acetato sódico y cantidades
variables de bromuro sódico. El reactor se llenó con nitrógeno, se
presurizó a 1.900 KPa y se calentó a aproximadamente 160ºC. Se
introdujo al reactor mediante un tubo sumergido. Inicialmente, la
concentración de oxígeno del gas residual fue superior a 0 pero
inferior al 1 por ciento. La mezcla de reacción se agitó durante
todo el tiempo de reacción. Después de aproximadamente 3 horas la
concentración de oxígeno del gas residual aumentó hasta más del 3
por ciento. El flujo de aire se interrumpió. Se introdujo en el
reactor aire diluido con nitrógeno a fin de tener una concentración
en oxígeno del gas residual de aproximadamente el 5 por ciento y la
temperatura del reactor se aumentó hasta aproximadamente 190ºC. El
caudal de aire diluido continuó hasta aproximadamente 1 a 3 horas.
Se determinó el ácido cloroftálico que estaba presente en una
cantidad del 25% en peso con respecto al peso total de la mezcla de
reacción. La mayoría del agua formada por la reacción y del ácido
acético se eliminaron por destilación atmosférica. El ácido
cloroftálico se deshidrató y cualquier resto de agua y de ácido
acético se eliminó mediante calor y a presión reducida para formar
anhídrido cloroftálico. Se separó el anhídrido cloroftálico del
catalizador por destilación al vacío a las temperaturas de
destilación próximas a 170ºC. Se analizó el ácido cloroftálico
aislado por cromatografía de gases. En la Tabla 1 se presentan los
resultados.
Como puede apreciarse por los ejemplos 1 a 5, el
anhídrido cloroftálico con cantidades muy pequeñas de cloroftalida
puede producirse a escala de laboratorio, sin embargo la cantidad de
bromuro requerido es superior al 0,05% molar.
Ejemplos 6 a
10
En una reacción a escala piloto se combinaron
200 kilogramos (kg) de
cloro-orto-xileno (una mezcla de
3-cloro-orto-xileno
y
4-cloro-orto-xileno),
780 kg de ácido acético, 3,5 kg (1,0 moles%) de acetato de cobalto
tetrahidratado, 1,75 kg (0,5 moles%) de acetato de manganeso
tetrahidratado, 0,4 kg (0,05 moles%) de solución de acetato de
circonio, 1,75 kg (1,5 moles%) de acetato sódico y cantidades
variables de bromuro sódico. La cantidad de bromuro sódico se
varió, por ejemplo, como se muestra en la Tabla 2. El reactor se
llenó con nitrógeno, se presurizó a 1.900 KPa y se calentó a
aproximadamente 160ºC. Se introdujo al reactor mediante un tubo
sumergido a un caudal gradualmente creciente hasta 200 m^{3}
normales/h. Inicialmente, la concentración de oxígeno del gas
residual fue superior a 0 pero inferior al 1 por ciento. La mezcla
de reacción se agitó durante todo el tiempo de reacción. Después de
aproximadamente 3 horas la concentración de oxígeno del gas residual
aumentó hasta más del 3 por ciento. El flujo de aire se
interrumpió. Se introdujo en el reactor aire diluido con nitrógeno
a fin de tener una concentración en oxígeno del gas residual de
aproximadamente el 5 por ciento y la temperatura del reactor se
aumentó hasta aproximadamente 190ºC. El caudal de aire diluido
continuó durante aproximadamente 3 horas. El peso final del
contenido del reactor fue coherente con las elevadas conversiones de
cloro-o-xileno referidas a la
absorción de 3 moles de O_{2} para generar el diácido y dos moles
de agua. La mayoría del agua formada por la reacción y del ácido
acético se eliminaron por destilación atmosférica. El ácido
cloroftálico se deshidrató y cualquier resto de agua y de ácido
acético se eliminó mediante calor y a presión reducida para formar
anhídrido cloroftálico. Se separó el anhídrido cloroftálico del
catalizador por destilación al vacío a las temperaturas de
destilación próximas a 170ºC. Se analizó el ácido cloroftálico
aislado por cromatografía de gases. En la Tabla 2 se presentan los
resultados.
Como puede apreciarse por los ejemplos
anteriores, es posible producir anhídrido cloroftálico con
concentraciones muy bajas de cloroftalida a gran escala. La pureza
total del ácido cloroftálico producido en los Ejemplos 9 y 10 fue
mayor del 98%.
En un reactor a escala de laboratorio se
combinaron 40 gramos (g) (284 mmoles) de
cloro-orto-xileno (una mezcla de
aproximadamente 30% de
3-cloro-orto-xileno
y aproximadamente 70% de
4-cloro-orto-xileno),
160 g de ácido acético glacial, 567 miligramos (mg)
(0,8 moles%) de acetato de cobalto tetrahidratado, 349 mg
(0,5 moles%) de acetato de manganeso tetrahidratado, 9,1 mg
(0,06 moles%) de solución de acetato de circonio y 91 mg de
solución al 30% en peso de bromuro de hidrógeno y ácido acético. El
reactor se llenó con nitrógeno, se presurizó a 1.900 KPa y se
calentó a aproximadamente 160ºC. Se introdujo al reactor mediante
un tubo sumergido. Inicialmente, la concentración de oxígeno del gas
residual fue superior a 0 pero inferior al 1 por ciento. La mezcla
de reacción se agitó durante todo el tiempo de reacción. Después de
1 hora a 160ºC se aumentó la temperatura a aproximadamente 175ºC.
Después de aproximadamente 3 horas la concentración de oxígeno del
gas residual aumentó hasta más del 3 por ciento. El flujo de aire se
interrumpió. Se introdujo en el reactor aire diluido con nitrógeno
a fin de tener una concentración en oxígeno del gas residual de
aproximadamente el 5 por ciento y la temperatura del reactor se
aumentó hasta aproximadamente 190ºC. El caudal de aire diluido
continuó hasta aproximadamente 1 a 3 horas. La mezcla de
reacción se analizó por cromatografía líquida (LC) y se halló que
se formó ácido cloroftálico con rendimiento y niveles de impurezas
comparables a los resultados del Ejemplo 2.
Utilizando el procedimiento para la fabricación
del ácido y anhídrido haloftálico descrito en la presente memoria,
la síntesis con alto rendimiento de ácido y anhídrido haloftálico de
gran pureza es posible a gran escala empleando centenares de
kilogramos de halo-orto-xileno por
oxidación en fase líquida en presencia de aproximadamente 0,25 a
aproximadamente 2 moles% de una fuente de cobalto, aproximadamente
0,1 a aproximadamente 1 moles% de una fuente de manganeso,
aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1 moles% de una fuente de
un metal seleccionado de entre circonio, hafnio y mezclas de los
mismos, y aproximadamente 0,2 a aproximadamente 0,1 moles% de una
fuente de bromuro. Los solicitantes han descubierto que en las
oxidaciones en fase líquida a gran escala que emplean
halo-orto-xileno la cantidad de
bromuro puede tener un impacto significativo sobre la cantidad de
impurezas presentes en el producto final. La utilización de
porcentajes molares decrecientes de bromuro produce bien ácido o
anhídrido haloftálico con una concentración disminuida de impurezas
tal como la haloftalida. Aunque las razones de este fenómeno no se
comprenden claramente se contempla que incluso concentraciones
menores de bromuro, porcentajes molares inferiores a aproximadamente
0,02, pueden ser útiles para producir ácido o anhídrido haloftálico
de gran pureza en oxidaciones en fase líquida a escala aún mayor
tales como las que emplean miles de kilogramos de
halo-orto-xileno.
Claims (10)
1. Procedimiento para la preparación de ácido
monohaloftálico que comprende:
formar una mezcla de reacción que comprende:
- una mezcla de aproximadamente 7 a aproximadamente 3 partes en peso de ácido acético a 1 parte en peso de halo-orto-xileno,
- aproximadamente 0,25 a aproximadamente 2 moles por ciento, con respecto al halo-orto-xileno, de una fuente de cobalto,
- aproximadamente 0,1 a aproximadamente 1 mol por ciento, con respecto al halo-orto-xileno, de una fuente de manganeso,
- aproximadamente 0,01 a aproximadamente 0,1 moles por ciento, con respecto a dicho halo-orto-xileno, de una fuente de un metal seleccionado de entre circonio, hafnio y mezclas de los mismos,
- aproximadamente 0,02 a aproximadamente 0,1 moles por ciento, con respecto a dicho halo-orto-xileno, de una fuente de bromuro;
- mantener dicha mezcla de reacción a una presión de por lo menos aproximadamente 1.600 Kpa y a una temperatura de aproximadamente 130ºC a aproximadamente 200ºC;
- introducir un gas que contiene oxígeno molecular a dicha mezcla de reacción a un caudal de por lo menos aproximadamente 0,5 m^{3} normales de gas/kg de halo-orto-xileno en dicha mezcla de reacción durante un tiempo suficiente para proporcionar por lo menos aproximadamente el 90 por ciento de conversión de dicho monohalo-orto-xileno en ácido monohaloftálico.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que introduciendo un gas que contiene oxígeno molecular dicha
mezcla de reacción crea un gas residual que contiene oxígeno, y
dicha concentración de oxígeno en el gas residual que contiene
oxígeno es inferior a aproximadamente uno por ciento en volumen de
dicho gas residual y que comprende además mantener dicha
introducción de dicho gas que contiene oxígeno molecular hasta que
la concentración de oxígeno del gas residual supera aproximadamente
el 3 por ciento en volumen de dicho gas residual y modificar la
introducción de dicho gas que contiene oxígeno molecular a fin de
mantener la concentración de oxígeno en el gas residual a una
concentración inferior a aproximadamente el 5% en volumen de dicho
gas residual y mantener la introducción modificada de dicho gas que
contiene oxígeno molecular durante un tiempo suficiente para
proporcionar por lo menos aproximadamente el 90 por ciento de
conversión de dicho
monohalo-orto-xileno en ácido
monohaloftálico.
3. Procedimiento para la preparación de un
anhídrido monohaloftálico que comprende formar un ácido
monohaloftálico mediante el procedimiento de las reivindicaciones 1
ó 2;
eliminar dicho ácido acético y algo de agua
formados como resultado de la reacción por destilación; y
deshidratar dicho ácido monohaloftálico para
formar anhídrido monohaloftálico.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dicho ácido monohaloftálico
comprende menos de 600 partes por millón (ppm) de
monohaloftalida.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el gas que contiene oxígeno
molecular tiene una concentración en oxígeno superior o igual a
aproximadamente 6% de oxígeno.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el gas que contiene oxígeno
molecular es aire.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de cobalto, la
fuente de manganeso, la fuente de circonio o de hafnio y la fuente
de bromuro son solubles en ácido acético.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en
el que la fuente de cobalto comprende acetato de cobalto, naftenato
de cobalto, sulfato de cobalto, acetilacetonato de cobalto,
benzoilacetonato de cobalto, bromuro de cobalto, carbonato de
cobalto, cloruro de cobalto, fluoruro de cobalto, nitrato de
cobalto, estearato de cobalto, o un hidrato de uno de los
compuestos de cobalto anteriores; la fuente de manganeso comprende
acetato de manganeso, sulfato de manganeso, acetilacetonato de
manganeso, bromuro de manganeso, carbonato de manganeso, cloruro de
manganeso, fluoruro de manganeso, nitrato de manganeso, o un hidrato
de uno de los compuestos de manganeso anteriores; la fuente de
circonio comprende acetato de circonio, sulfato de circonio, citrato
de circonio, fluoruro de circonio, hidróxido de circonio, alcóxido
de circonio, cloruro de circonio, bromuro de circonio,
acetilacetonato de circonio, o un hidrato de uno de los compuestos
de circonio anteriores; la fuente de hafnio comprende cloruro de
hafnio, bromuro de hafnio, fluoruro de hafnio, yoduro de hafnio,
nitruro de hafnio, sulfato de hafnio, triflato de hafnio, nitrato
de hafnio, o un hidrato de uno de los compuestos de hafnio
anteriores; y la fuente de bromuro comprende bromo de hidrógeno,
una sal de bromuro metálico o un bromuro orgánico.
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la cantidad de la fuente de
cobalto es de aproximadamente 0,5 a aproximadamente
1,2 moles por ciento, la cantidad de la fuente de manganeso es de
aproximadamente 0,3 a aproximadamente 0,6 moles por ciento, la
cantidad de la fuente de circonio o hafnio es de aproximadamente
0,03 a aproximadamente 0,06 moles por ciento, en el que la cantidad
de la fuente de bromuro es inferior o igual a aproximadamente 0,04
moles por ciento, con respecto a dicho
monohalo-orto-xileno.
10. Procedimiento para la preparación de
polieterimida que comprende formar anhídrido monohaloftálico
mediante el procedimiento de las reivindicaciones 3 a 9;
hacer reaccionar dicho anhídrido monohaloftálico
con 1,3-diaminobenceno para formar
bis(haloftalimida) (II)
en la que X es un halógeno;
y
hacer reaccionar la bis(haloftalimida)
(II) con una sal de metal alcalino de un hidrocarburo aromático
sustituido con dihidroxi que presenta la fórmula (IV).
en la que A^{2} es un radical hidrocarburo
aromático divalente para formar la polieterimida.
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