WO2012034991A1 - Method for producing formamides - Google Patents
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- WO2012034991A1 WO2012034991A1 PCT/EP2011/065810 EP2011065810W WO2012034991A1 WO 2012034991 A1 WO2012034991 A1 WO 2012034991A1 EP 2011065810 W EP2011065810 W EP 2011065810W WO 2012034991 A1 WO2012034991 A1 WO 2012034991A1
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C231/00—Preparation of carboxylic acid amides
- C07C231/02—Preparation of carboxylic acid amides from carboxylic acids or from esters, anhydrides, or halides thereof by reaction with ammonia or amines
Definitions
- the present invention relates to a process for the preparation of formamides, i. of formamide and its / V-substituted derivatives starting from carbon dioxide.
- Formamide and its derivatives are important selective solvents and extractants because of their polarity. They are z. B. for the extraction of butadiene from C 4 cuts, acetylene from C 2 cracker fractions and aromatics used from aliphatic.
- Formamide, / V-Alkylformamide and A / ./V-dialkylformamide are prepared by reacting methyl formate with ammonia, / V-alkylamines or A /, / V-dialkylamines.
- the liberated methanol can be recycled to the Methylformiatsynthese from carbon monoxide and methanol.
- ammonia or the abovementioned amines are reacted at 20 to 100 ° C. and 2 to 10 MPa directly with carbon monoxide instead of methyl formate.
- Work is carried out in methanol as a solvent with alkoxides as catalysts (Hans-Jürgen Arpe, Industrial Organic Chemistry, 6th edition, 2007, pages 48 to 49).
- the TOF value (Turn Over Frequency) is a measure of the efficiency of the catalyst and indicates how many moles of product per mole of catalyst and hour are formed, cf. J.F. Hartwig: Organotransition Metal Chemistry, 1st Edition, 2010, University Science Books, Sausalito, California, p. 545).
- Carbon dioxide can also be hydrogenated in the presence of dimethylamine and homogeneously dissolved platinum complex compounds of the formula ⁇ -Pt 2 (Ph 2 P-CH 2 -PPh 2 ) 3 ) to dimethylformamide.
- platinum complex compounds of the formula ⁇ -Pt 2 (Ph 2 P-CH 2 -PPh 2 ) 3
- TOF values 57.3 are achieved (Schreiner, S., et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1988, pages 602-603).
- An enormous increase in TOF was achieved by the use of homogeneously dissolved ruthenium complex compounds containing trialkyl phosphine ligands.
- the highest TOF value was achieved after 70 hours with 6,000 in the hydrogenation of carbon dioxide at 100 ° C, 13 MPa carbon dioxide and 8 MPa hydrogen in the presence of dimethylamine in the form of ammonium carbamate.
- the catalyst used was RuCl 2 [P (CH 3 ) 3 ] 4 (JACS, Table 7).
- EP 0 095 321 A, EP 0 151 510 A and EP 0 181 078 A describe the hydrogenation of carbon dioxide in the presence of a homogeneous catalyst comprising a transition metal of subgroup VIII (group 8, 9, 10), a tertiary amine and a polar solvent to an adduct of formic acid and the tertiary amine known.
- Ruthenium-based carbonyl, halide and / or triphenylphosphine-containing complex catalysts and rhodium-phosphine complexes are mentioned as preferred homogeneous catalysts.
- the hydrogenation is carried out at a carbon dioxide partial pressure of up to 6 MPa, a hydrogen partial pressure of up to 25 MPa and a temperature of about room temperature to 200 ° C.
- JP 1 1322687 shows that salts of formic acid and tertiary amines are obtained in the reaction of aliphatic aldehydes with formaldehyde in the presence of tertiary amines to give polyalcohols. These salts are previously unrecognizable by-products.
- the application teaches the salts at 20 to 130 ° C with primary or secondary amines to formamides, tertiary amines and water to implement.
- the water of reaction is preferably after addition of a solvent such as. B. toluene separated by azeotropic distillation.
- FIG. 7 shows an integrated process concept for the synthesis and work-up of dimethylformamide:
- the reaction effluent consists of two liquid phases, which are separated from each other.
- the upper, toluene and catalyst-containing phase is concentrated and then returned to the synthesis stage.
- the lower aqueous phase containing the target product dimethylformamide is back-extracted with toluene and worked up by distillation.
- the target products formamide and its derivatives should be made accessible with high yields and selectivities.
- the work-up of the reaction effluent from the reactor should be technically simple, require little energy, and be carried out exclusively with substances already present in the process, without additional auxiliaries.
- the separation and recycling of the homogeneous hydrogenation catalysts in the synthesis step should be as efficient as possible.
- This object is achieved by a process for the preparation of formamides of Formal la in the F and R 2 are independently hydrogen, linear or branched radicals having 1 to 15 carbon atoms, cycloaliphatic radicals having 5 to 10 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenyl radical and a
- Phenyl, and R 1 and R 2 may be closed to a five- or six-membered ring which contains an oxygen atom, a ⁇ / - ⁇ - or N-R radical, where R 1 has the abovementioned meaning,
- N-substituted and two or all three radicals can also be linked together to form a chain comprising at least four atoms, with the proviso that the total number of C atoms per molecule is at least 6,
- the partial stream not recycled to the extraction unit III is returned to the tertiary amine-enriched liquid phase in the hydrogenation reactor I.
- the catalyst to be used in the hydrogenation of carbon dioxide in the process according to the invention is preferably a homogeneous catalyst.
- This contains an element from the 8th, 9th or 10th group of the periodic table, ie Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir and / or Pt.
- the catalyst contains Ru, Rh, Pd, Os, Ir and / or Pt, more preferably Ru, Rh and / or Pd, and most preferably Ru.
- the elements mentioned above are homogeneously dissolved in the form of complex-like compounds in the reaction mixture.
- the homogeneous catalyst is to be selected so that it is enriched together with the tertiary amine in the liquid phase (B). Under "enriched” is a distribution coefficient of the homogeneous catalyst
- the liquid phase (A) is the phase containing the solvent enriched with the formic acid / amine adducts.
- this also includes radicals such as -CH 2 -C 6 Hn.
- Suitable radicals are, for example, be mentioned methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl, 1- (2-methyl) propyl, 2- (2, "- 3nty
- the unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radical preferably contains at least 1 and preferably not more than 10 carbon atoms. In the case of an exclusively cyclic radical in the above-mentioned sense, the number of carbon atoms is 3 to 12 and preferably at least 4 and preferably at most 8 carbon atoms.
- Preferred radicals are ethyl, 1-butyl, sec-butyl, 1-octyl and cyclohexyl.
- the phosphine group can contain one, two or three of the above-mentioned unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radicals. These can be the same or different.
- the phosphine group contains three of the above-mentioned unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radicals, with particular preference, all three radicals are the same.
- Preferred phosphines are P (A7-C n H 2 n + i) 3 where n is 1 to 10, more preferably tri-n-butylphosphine, tri-n-octylphosphine and 1, 2-bis (dicyclohexylphosphino) ethane.
- acyclic or cyclic, aliphatic radicals individual carbon atoms may also be substituted by> P-.
- multidentate for example, bidentate or tridentate phosphine ligands are also included. These preferably contain the
- the phosphine group contains radicals other than the abovementioned unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radicals, these generally correspond to those which are customarily used in the case of phosphine ligands for organometallic complex catalysts. Examples include phenyl, tolyl and xylyl.
- the organometallic complex compound may contain one or more, for example two, three or four, of the abovementioned phosphine groups having at least one unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radical. The remaining ligands of the organometallic complex may be of different nature.
- Examples which may be mentioned are hydride, fluoride, chloride, bromide, iodide, formate, acetate, propionate, carboxylate, acetylacetonate, carbonyl, DMSO, hydroxide, trialkylamine, alkoxide.
- the homogeneous catalysts can be used both directly in their active form and starting from customary standard complexes such as [M (p-Cymene) Cl 2 ] 2, [M (benzene) Cl 2 ] n , [M (COD) (allyl)], [MCI 3 x H 2 O], [M (acetylacetonate) 3 ], [M (COD) Cl 2 ] 2 , [M ( DMSO) 4 CI 2 ] with M equal to element from the 8th, 9th or 10th group of the periodic table with the addition of the corresponding phosphine ligand or only under reaction conditions.
- customary standard complexes such as [M (p-Cymene) Cl 2 ] 2, [M (benzene) Cl 2 ] n , [M (COD) (allyl)], [MCI 3 x H 2 O], [M (acetylacetonate) 3 ], [M (COD) Cl 2 ] 2 , [M ( DMSO)
- Preferred homogeneous catalysts in the process according to the invention are [Ru (Pn-Bu 3 ) 4 (H) 2 ], [Ru (Pn-octyl 3 ) 4 (H) 2 ], [Ru (Pn-Bu 3 ) 2 (1, 2 bis (dicyclohexylphosphino) ethane) (H) 2 ], [Ru (Pn-Octyl 3 ) 2 (1, 2-bis (dicyclohexylphosphino) ethane) (H) 2 ], [Ru (PEt 3 ) 4 (H) 2 .
- TOF values turn-over frequency
- the amount of said metal component in the organometallic complex is generally from 0.1 to 5000 ppm by weight, preferably from 1 to 800 ppm by weight, and more preferably from 5 to 800 ppm by weight, based in each case on entire liquid reaction mixture in the hydrogenation reactor.
- the distribution coefficient of the homogeneous catalyst based on the amount of ruthenium in the amine phase and the product phase containing the formic acid / amine adduct after hydrogenation in the range of P is greater than 0.5, more preferably greater than 1.0, and most preferably greater than 4.
- the tertiary amine is selected and matched with the polar solvent such that the hydrogenation product forms two liquid phases and the tertiary amine in the upper phase is enriched in the hydrogenation reactor.
- enriched is meant a weight fraction of> 50% of the free, that is not bound in the form of the formic acid / amine adduct, tertiary amine in the upper phase based on the total amount of free, tertiary amine in both liquid phases.
- the proportion by weight is preferably> 90%.
- the choice of tertiary amine is generally made by a simple experiment in which the solubility of the desired tertiary amine in both liquid phases is determined experimentally under the intended process conditions.
- the upper phase may also contain parts of the polar solvent and a non-polar inert solvent.
- the preferred tertiary amine to be used in the process according to the invention is an amine of the general formula (IVa)
- NR 3 R 4 R 5 in which the radicals R 3 to R 5 are identical or different and independently of one another _ : - : __ 3n QC
- Suitable amines of the formula (IVa) include: triethylamine, tri-n-propylamine, tri-n-butylamine, tri-n-pentylamine, tri-n-hexylamine, tri-n-heptylamine, tri-n-octylamine , Tri-n-nonylamine, tri-n-decylamine, tri-n-undecylamine, tri-n-dodecylamine, tri-n-tridecylamine, tri-n-tetradecylamine, tri-n-pentadecylamine, tri-n hexadecylamine, tri- (2-ethylhexyl) amine. Dimethyldecylamine, dimethyldodecylamine, dimethyl-tetradecylamine, ethyl-di (2-propyl) amine, dioctylmethylamine, dihexylmethylamine.
- Triphenylamine methyldiphenylamine, ethyldiphenylamine, propyldiphenylamine, butyldiphenylamine, 2-ethylhexyldiphenylamine, dimethylphenylamine, diethylphenylamine, dipropylphenylamine, dibutylphenylamine, bis (2-ethylhexyl) phenylamine, tribenzylamine, methyldibenzylamine, ethyldibenzylamine and theirs by a or a plurality of methyl, ethyl, 1-propy, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl or 2-methyl-2-propyl groups substituted derivatives.
- DBU 1, 8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene
- DABCO 1, 4-diazabicyclo [2.2.2] octane
- tropane N-methyl-8-azabicyclo [3.2.1 ] octane
- garnetane N-methyl-9-azabicyclo [3.3.1] nonane
- 1-azabicyclo [2.2.2] octane quinuclidine
- the tertiary amine is an amine of general formula (IVa), in which the radicals R 1 to R 3 are independently selected from the group d- to C 2 alkyl, C 5 - to C 8 - Cycloalkyl, benzyl and phenyl.
- a saturated amine i. containing only single bonds of the general formula (IVa).
- a tertiary amine is an amine of the general formula (IVa) in which the radicals R 3 to R 5 are independently selected from the group C 5 - to C 8 -alkyl, in particular tri-n - pentylamine, tri-n-hexylamine, tri-n-heptylamine, tri-n-octylamine, dimethylcyclohexylamine, methyldicyclohexylamine, dioctylmethylamine and dimethyldecylamine.
- the radicals R 3 to R 5 are independently selected from the group C 5 - to C 8 -alkyl, in particular tri-n - pentylamine, tri-n-hexylamine, tri-n-heptylamine, tri-n-octylamine, dimethylcyclohexylamine, methyldicyclohexylamine, dioctylmethylamine and dimethyldecylamine.
- the tertiary amine used is an amine of the general formula (IVa) in which the radicals R 1 to R 3 are selected independently of one another from C 5 - and C 6 -alkyl.
- the tertiary amine is preferably liquid in all process stages. However, this is not a mandatory requirement. It would also be sufficient if the tertiary amine were at least dissolved in suitable solvents. Suitable solvents are in principle those which are chemically inert with regard to the hydrogenation of carbon dioxide and the thermal cleavage of the adduct, in which the tertiary amine and, in the case of the use of a homogeneous catalyst, these also dissolve well, inversely polar solvent and formic acid / Dissolve amine adducts poorly.
- polar solvents such as aliphatic, aromatic or araliphatic hydrocarbons, such as octane and higher alkanes, toluene, xylenes.
- the polar solvent to be used in the hydrogenation of carbon dioxide in the process according to the invention is to be selected or matched with the tertiary amine in such a way that the polar solvent is enriched in the lower phase.
- enriched is meant a weight fraction of> 50% of the polar solvent in the lower phase based on the total amount of polar solvent in both liquid phases.
- the proportion by weight of the polar solvent is generally given by a A simple experiment in which the solubility of the desired polar solvent in both liquid phases under the intended process conditions is determined experimentally.
- the polar solvent may be a pure polar solvent as well as a mixture of various polar solvents as long as the solvent, above-mentioned conditions, boiling point and phase behavior apply.
- Suitable classes of substances which are suitable as polar solvents are preferably alcohols and diols and also their formic esters and water.
- Suitable alcohols include alcohols in which the trialkylammonium formates preferably dissolve in a mixture with water and this product phase has a mixture gap with the free trialkylamine.
- suitable alcohols are methanol, ethanol, 2-methoxyethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-methyl-1-propanol.
- the ratio of alcohol to water should be selected such that, together with the trialkylammonium formate and the trialkylamine, a biphasic mixture is formed in which most of the trialkylammonium formate, water and polar solvent are in the lower phase, generally by a simple Experiment is determined by experimentally determining the solubility of the desired polar solvent mixture in both liquid phases under the intended process conditions.
- Suitable classes of compounds which are suitable as polar solvents are preferably diols and also their formic acid esters, polyols and also their formic acid esters, sulfones, sulfoxides, open-chain or cyclic amides and mixtures of the mentioned classes of substances.
- diols and polyols examples include ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, polyethylene glycol, 1,3-propanediol, 2-methyl-1,3-propanediol, 1,4-butanediol, dipropylene glycol, 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol and called glycerin.
- sulfone especially tetramethylene sulfone (sulfolane) is called.
- Suitable sulfoxides are dialkyl sulfoxides, preferably C 1 - to C 6 -dialkyl sulfoxides, in particular dimethylsulfoxide.
- suitable open-chain or cyclic amides are formamide, N-methylformamide, A / ./V-dimethylformamide, / V-methylpyrrolidone, acetamide and / V-methylcaprolactam.
- the molar ratio of the polar solvent or solvent mixture to be used in the process according to the invention to the tertiary amine used is generally 0.5 to 30 and preferably 1 to 20.
- the carbon dioxide to be used in the hydrogenation of carbon dioxide can be solid, liquid or gaseous. It is also possible to use gas mixtures containing large quantities of carbon dioxide, provided they are substantially free of carbon monoxide (volume fraction of ⁇ 1% CO).
- the hydrogen to be used in the hydrogenation of carbon dioxide is generally gaseous. Carbon dioxide and hydrogen may also contain inert gases, such as nitrogen or noble gases. Advantageously, however, their content is below 10 mol% based on the total amount of carbon dioxide and hydrogen in the hydrogenation reactor. While larger amounts may also be tolerable, they generally require the use of a higher pressure in the reactor, requiring further compression energy.
- the hydrogenation of carbon dioxide takes place in the liquid phase preferably at a temperature of 20 to 200 ° C and a total pressure of 0.2 to 30 MPa abs.
- the temperature is at least 30 ° C and more preferably at least 40 ° C and preferably at most 150 ° C, more preferably at most 120 ° C and most preferably at most 80 ° C.
- the total pressure is preferably at least 1 MPa abs and more preferably at least 5 MPa abs and preferably at most 15 MPa abs.
- the partial pressure of the carbon dioxide is generally at least 0.5 MPa and preferably at least 2 MPa and generally at most 8 MPa.
- the partial pressure of hydrogen is generally at least 0.5 MPa and preferably at least 1 MPa and generally at most 25 MPa and preferably at most 10 MPa.
- the molar ratio of hydrogen to carbon dioxide in the feed of the hydrogenation reactor is preferably 0, 1 to 10 and particularly preferably 1 to 3.
- the molar ratio of carbon dioxide to tertiary amine in the feed of the hydrogenation reactor is generally 0, 1 to 10 and preferably 0.5 to 3.
- all reactors which are fundamentally suitable for gas / liquid reactions under the given temperature and the given pressure can be used as hydrogenation reactors.
- Suitable standard reactors for liquid-liquid reaction systems are described, for example, in KD Henkel, "Reactor Types and Their Industrial Applications", in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, DOI: 10.1002 / 14356007.
- b04_087 chapter 3.3 "Reactors for gas-liquid reactions”. Examples which may be mentioned stirred tank reactors, tubular reactors or bubble column reactors.
- the hydrogenation of carbon dioxide can be carried out batchwise or continuously in the process according to the invention.
- the reactor is equipped with the desired liquid and optionally solid feedstocks and auxiliaries, and then carbon dioxide and hydrogen are pressed to the desired pressure at the desired temperature.
- the reactor is generally depressurized and the two liquid phases formed are separated from one another.
- the feedstocks and auxiliaries, including carbon dioxide and hydrogen are added continuously. Accordingly, the liquid phase is continuously removed from the reactor, so that the liquid level in the reactor remains the same on average. Preference is given to the continuous hydrogenation of carbon dioxide.
- the average residence time in the hydrogenation reactor is generally 10 minutes to 5 hours.
- the formic acid / amine adducts formed in the hydrogenation of carbon dioxide in the presence of the catalyst to be used, the polar solvent and the tertiary amine generally have the general formula (IIa)
- the respective average compositions of the amine-formic acid ratios in the product phases in the respective process steps, ie the factor x can be determined, for example, by determining the formic acid content by titration with an alcoholic KOH solution against phenolphthalein and the amine content by gas chromatography.
- the composition of the formic acid / amine adducts, ie the factor x can change during the different process steps. For example, adducts are generally formed after removal of the polar solvent a higher formic acid content with x 2 > Xi with x 2 1 to 4, wherein the excess, free amine can form a second phase.
- the lower phase is enriched with the formic acid / amine adducts as well as the polar solvent.
- a distribution coefficient of the formic acid / amine adducts P [concentration of formic acid / amine adduct (II) in liquid phase (A)] / [concentration of formic acid / amine adduct (II) in Liquid phase (B)] of> 1, where A and B have the meaning given above.
- the distribution coefficient is> 2 and more preferably> 5.
- the upper phase is enriched with the tertiary amine. In the case of the use of a homogeneous catalyst this is also enriched in the upper phase.
- the two liquid phases formed are separated from one another in the process according to the invention and the upper phase is recycled to the hydrogenation reactor.
- a further liquid phase comprising both liquid phases containing unconverted carbon dioxide and a gas phase containing unconverted carbon dioxide and / or unreacted hydrogen to the hydrogenation reactor.
- phase separation vessels are, for example, standard apparatuses and standard methods, which are described, for example, in E. Müller et al. , "Liquid Liquid Extraction", in Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, DOI: 10.1002 / 14356007.b03_06, Chapter 3 "Apparatus".
- the liquid phase enriched with the formic acid / amine adducts as well as the polar solvent is heavier and forms the lower phase.
- the phase separation can be carried out, for example, after relaxation, for example to about or near atmospheric pressure, and cooling of the liquid reaction mixture, for example to about or near ambient temperature.
- relaxation for example to about or near atmospheric pressure
- cooling of the liquid reaction mixture for example to about or near ambient temperature.
- at least part of the at the higher reaction pressure in the Liquid phases of dissolved gas, in particular carbon dioxide degassed in the relaxation and to compress separately as a gas stream and is recirculated to the hydrogenation reactor.
- the lower phase before being returned to the hydrogenation reactor separately to bring to reaction pressure.
- a suitable, designed according to the pressure difference to be overcome designed compressor or a pump, which also consumes additional energy during operation for the recirculating gas and liquid phase.
- the solvent and the amine are preferably to be selected so that the separation of the one, enriched with the formic acid / amine adducts and the polar solvent lower phase of the other, enriched with the tertiary amine upper phase, and the return of the upper phase to Hydrogenating reactor can be carried out at a pressure of 1 to 30 MPa abs.
- the pressure is preferably at most 15 MPa abs.
- the process according to the invention can thus preferably be carried out in such a way that the pressure in the hydrogenation reactor and in the phase separation vessel is the same or approximately the same.
- the process according to the invention can thus preferably be carried out in such a way that the pressure and the temperature in the hydrogenation reactor and in the phase separation vessel are the same or approximately the same, whereby a pressure difference of up to +/- 0.5 MPa or approximately a temperature difference of up to +/- 5 ° C is understood.
- the phase separation takes place at a pressure of at least 50%, very particularly preferably of at least 90% and in particular of at least "-gpression pressure.
- the pressure during the phase separation is particularly high preferably at most 105% and most preferably at most 100% of the reaction pressure.
- both liquid phases can separate very well even at an elevated temperature which corresponds to the reaction temperature.
- the phase separation also no cooling and subsequent heating of the recirculating upper phase is required, which also saves energy.
- the findings for the phase separation under elevated pressure and elevated temperature are exceeded even more that just the upper phase according to the inventive system under pressure by suitable choice of the amine and the polar solvent can have a particularly high absorption capacity for carbon dioxide. This means that any excess carbon dioxide which is not reacted in the hydrogenation reaction is very preferably present in the upper phase and can thus be recycled without problems as a liquid to the reactor.
- the majority of the polar solvent of the separated lower phase is thermally separated from the formic acid / amine adducts in a distillation unit, whereby the polar solvent removed by distillation is recycled to the hydrogenation reactor.
- the pure formic acid / amine adducts and free amine are obtained in the bottom of the distillation unit, since formic acid / amine adducts with a lower amine content are formed during the removal of the polar solvent, resulting in a two-phase bottom mixture consisting of an amine and a formic acid / amine Adduct phase forms ( Figure 2).
- the thermal separation of the polar solvent or mixture is preferably carried out at a bottom temperature at which no free formic acid forms from the formic acid / amine adduct having the higher (x1) or lower (x2) amine content at a given pressure
- the bottom temperature of the thermal separation unit is at least 20 ° C, preferably at least 50 ° C and more preferably at least 70 ° C, and generally at most 210 ° C, more preferably at most 190 ° C.
- the pressure is generally at least 0.0001 MPa abs, preferably at least 0.005 MPa abs and more preferably at least 0.01 MPa abs and generally at most 1 MPa abs and preferably 0, 1 MPa abs.
- the thermal separation of the polar solvent or mixture takes place either in an evaporator or in a distillation unit, consisting of evaporator and column, filled with packing, packing and / or trays.
- ien- r rennun g be condensed, again with the liberated condensation enthalpy can be used, for example, to preheat the solvent coming from the extraction with amine / formic acid adduct mixture to the evaporation temperature (FIG. 1). Alternatively, only parts of the solvent mixture can be separated. It is also possible to separate the polar solvent only in substep VI and to return it to the hydrogenation stage I.
- the solution of tertiary amine adduct and formic acid is extracted with free tertiary amine streams from the appropriate phase separation vessels and recycled to the hydrogenation reactor. This is done to separate residual amounts of hydrogenation catalyst from the product stream. This extraction allows efficient recovery of the expensive, active noble metal catalyst for the hydrogenation reaction.
- the extraction takes place at temperatures of 30 to 100 ° C and pressures of 0, 1 to 8 MPa.
- the extraction can also be carried out under hydrogen pressure.
- the extraction of the hydrogenation catalyst can be carried out in any suitable apparatus known to the person skilled in the art, preferably in countercurrent extraction columns, mixer-settler cascades or combinations of mixer-settlers.
- a device for adsorbing traces of hydrogenation catalyst may be advantageous to integrate a device for adsorbing traces of hydrogenation catalyst between the extraction apparatus and the thermal separation device.
- Many adsorbents are suitable for adsorption. Examples include polyacrylic acid and its salts, sulfonated polystyrenes and their salts, activated carbons, montmorillonites, bentonites, silica gels and zeolites. If the amount of hydrogenation catalyst in the product stream of the phase separation vessel II is less than 1 ppm, in particular less than 0.1 ppm, the adsorption device is sufficient for the separation of the hydrogenation catalyst and its recovery. Then, the extraction step can be omitted and the tertiary amine can be recycled together with the organic solvent in the hydrogenation.
- the reaction is carried out in the presence of the polar solvent used in the hydrogenation reactor.
- the entire amount of polar solvent arriving in the reactor is preferably used.
- the reaction is preferably carried out at temperatures of 80 to 200 ° C, preferably 100 to 180 ° C, particularly preferably 120 to 170 ° C.
- the pressure is 0.01 to 10 MPa, preferably 0.1 to 7 MPa, particularly preferably 0.2 to 5 MPa.
- reaction effluents in addition to formamides of the formula Ia, predominantly as intermediate formates of the formula Va, i.
- the molar ratio of formic acid in adduct IIa to ammonia or amine III is 1 to 5, preferably 1 to 2, particularly preferably 1 to 1.
- the reaction can be carried out batchwise, but preferably continuously.
- formamides 1a can be carried out in standard reactors, as described, for example, in KD Henkel, "Reactor Types and their Industrial Applications” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag, Chapter 3.3 are indicated. Examples which may be mentioned stirred tank reactors, tubular reactors or bubble column reactors.
- part or all of the polar solvent is removed by distillation before being fed to the formamide reactor and recycled to the hydrogenation reactor (I).
- the amount of polar solvent removed can be from 25 to 99%, preferably from 35 to 97%, particularly preferably from 50 to 95%, of the amount of polar solvent present in the stream before being fed to the reactor.
- This process variant is advantageous, for example, when used as the polar solvent in the hydrogenation of carbon dioxide primary alcohols such as methanol together with water. It is also possible in principle and may be advantageous to use a polar solvent other than the amidation step, in the reactor IV, in the hydrogenation step in the hydrogenation reactor I. For this purpose, the polar solvent is separated from the hydrogenation and recycled to the hydrogenation reactor I. In the amidation stage, a different polar solvent used in the hydrogenation step is used in reactor IV, which is separated again after amidation and in the reactor IV, in which the amidation is carried out, is recycled.
- the carbon dioxide hydrogenation in the presence of methanol and water and the reaction of the adduct (IIa) can be carried out with ammonia in the presence of sulfolane.
- Suitable polar solvents for the amidation are, for example, sulfones, sulfoxides or open-chain or cyclic amides.
- the distillation can be carried out in the separation of low-boiling polar solvents such as the monohydric alcohols methanol, ethanol, propanols and butanols at atmospheric pressure or in vacuo.
- low-boiling polar solvents such as the monohydric alcohols methanol, ethanol, propanols and butanols
- diols working in a vacuum is preferred.
- distillation units can be used as distillation units. At far apart boiling points of the adduct IIa and the polar solvent can, for. B. evaporators such as falling film evaporator can be used.
- the distillation unit to be used generally comprises a distillation column containing packing, packing and / or trays.
- the distribution coefficient is> 2, and more preferably> 5.
- the liquid phase D is enriched with the tertiary amine resulting from the adduct II a.
- the two liquid phases C and D formed are separated from one another in the process according to the invention.
- the liquid phase D is returned to the extraction apparatus and serves there for the extraction of residual amounts of homogeneous, dissolved hydrogenation catalyst. If appropriate, it is desirable, for example, for discharging unwanted by-products or impurities, to remove some of the liquid phases C or D from the process.
- the separation of the two liquid phases C and D is generally carried out by gravimetric phase separation. Suitable for this purpose are, for example, standard apparatus and standard methods, which are described, for example, in E. Müller et. Al., "Liquid-Liquid Extraction,” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, DOI: 10.1002 / 14356007. b03_06, Chapter 3 "Apparatus”.
- the phase separation can be carried out, for example, after relaxation, for example to about or near atmospheric pressure, and cooling of the liquid reaction mixture, for example to about or near ambient temperature.
- the liquid phase C is passed into a distillation unit VI and worked up there by distillation. It contains the target product formamide of the formula (Ia), optionally unreacted ammonia or amine of the formula (IIIa), water of reaction and polar solvents selected from the group of methanol, ethanol, propanols or butanols or from the group of diols.
- the polar solvents are separated before being fed to the formamide reactor and recycled to the hydrogenation stage I.
- the distillation unit VI consists of at least one, preferably two to three distillation columns. These columns contain, depending on the separation problems z. B. packing, packages and / or floors. If the polar solvents have not previously been separated off, the ethanol / water and propanol / water homoazeotrope in the case of ethanol and heteroazeotrope in the case of butanols are to be taken into account.
- the water of reaction is discharged from the process.
- Polar solvents are recycled to the hydrogenation stage, unreacted ammonia and unreacted amines III a to the reactor.
- the target products, the formamides of the formula (Ia) are discharged from the process and, if necessary, fed to a preferably distillative fine purification.
- adducts of the formula (IIa), formates of the formula (Va) or mixtures of adducts of the formula (IIa) and formates of the formula (Va) with amines of the formula (IIIa), preferably with ammonia and polar solvents Implemented distillation conditions.
- the reaction takes place in a distillation apparatus, for example a distillation flask with attached distillation column.
- Aliphatic, cycloaliphatic or aromatic hydrocarbons such as n-heptane, n-hexane, cyclohexane, methylcyclohexane, toluene, ethylbenzene, ortho, meta and para xylene and mixtures of these compounds can be used as nonpolar solvents. These compounds form heteroazeotrope with water.
- the bottom temperatures of this distillation are 80 to 200 ° C, preferably 110 to 200 ° C, particularly preferably 135 to 190 ° C.
- the pressure is 0.01 MPa to 10 MPa, preferably 0.1 MPa to 7 MPa, more preferably 0.2 to 5 MPa.
- the water of reaction is distilled off together with the polar solvent.
- the process according to the invention has particular advantages when constructing a large-scale production plant with "economy of scale" for the preparation of adducts of the formula (IIa) from tertiary amines and formic acid, which is used for the production of formic acid and of formamides I a.
- the total content of formic acid in the formic acid / amine adduct was determined by titration with 0.1 N KOH in methanol potentiometrically using a Mettler Toledo DL50 titrator ®. From this, the turn-over frequency (TOF) and the reaction rate were calculated. The composition of the two phases was determined by gas chromatography. The ruthenium content was determined by atomic absorption spectroscopy (AAS). The parameters and results of the individual experiments are given in Table 1.
- Example B-1 Table 2 shows that in the phase separation of a Wasserstoffrieraustrags 26.2 g of a lower phase were obtained which contained 6.1 wt .-% formic acid in the form of the formic acid / amine adduct and 33 ppm ruthenium.
- This lower phase was stirred at room temperature under inert conditions three times for 10 minutes each with 26.2 g of tri-n-hexylamine. The phases were separated.
- the ruthenium content of the extracted lower phase as determined by AAS analysis was 21 ppm ruthenium.
- Example B-1 shows that the amount of ruthenium in the lower phase can be reduced by about 36% by extraction with the same tertiary amine already used in C0 2 hydrogenation. Additional extraction steps or continuous countercurrent extraction could further reduce the ruthenium content.
- Example C-1 shows the distillative separation of the polar solvents methanol and water from a hydrogenation. At 120 ° C and 0.02 MPa, a distillate was obtained on a rotary evaporator, which contained all the methanol, 0.3 wt .-% formic acid and almost all water.
- the biphasic bottom effluent (upper phase + lower phase) can be used for the amide preparation in reactor IV (FIGS. 1 and 2).
- Hastelloy C autoclave equipped with a magnetic stirrer bar was placed under inert conditions with the formic acid tertiary amine adduct IIa and, optionally, a nominal solvent and water (see Table 4, Examples D-1 through D-19). filled. Subsequently, the autoclave was sealed. At room temperature dimethylamine, n-butylamine, or ammonia were pressed. Subsequently, the reactor was heated with stirring (700 rpm). After the desired reaction time, the autoclave was cooled and the reaction mixture was depressurized.
- a two-phase product mixture was obtained, the upper phase consisting of the tertiary amine and the lower phase consisting of the corresponding amide, water and optionally polar solvent and optionally ammonium formate. Both phases were separated and weighed using a separatory funnel. The composition of the two phases was determined by gas chromatography and proton NMR spectroscopy. The parameters and results of the individual experiments are shown in Tables 4 to 6.
- Example D-1 Example D-2 Example D-3 Example D-4 Example D-5
- Solvent 72 g 4- No LM 72 g 1, 4- No LM 73 g 1, 4- (LM) Butanediol Butanediol Butanediol
- Example D-1 1 Example D-12 Example D- Example D-14 Example D-15
- Experimental result E-1 shows that the reaction of adduct IIa with n-butylamine in the presence of 1,4-butanediol as the polar solvent gives n-butylformamide in quantitative yield.
- Example F-1 Example F-2 Example F-3 Example F-4 Example F-5
- Trihexylamine 57 g Trihexylamine 16 g Trihexylamine
- Figure 2 is a block diagram of a further preferred method for the preparation of
- carbon dioxide, stream 1, and hydrogen, stream 2 are fed into the hydrogenation reactor I. Therein they are reacted in the presence of a catalyst containing an element from the 8th, 9th or 10th group of the periodic table, a tertiary amine and a polar solvent to formic acid-amine adducts.
- a supplementary stream of tertiary amine, (stream 4a) may be provided to the hydrogenation reactor I.
- the two-phase discharge from the hydrogenation reactor I (stream 3) is passed into the phase separation vessel II.
- the phase separation vessel II In the phase separation vessel II there is a lower phase which is enriched with formic acid-amine adducts and the polar solvent, and an upper phase 4, which contains predominantly the tertiary amine in which the homogeneous catalyst is enriched enriched, and from the Phase separation vessel II is recycled to the hydrogenation reactor I.
- the lower phase 5 is fed to an extraction apparatus III, wherein catalyst residues are extracted with the tertiary amine from the phase separation vessel V (stream 12).
- the tertiary amine with the catalyst residues (stream 6) from the extraction unit III is recycled to the hydrogenation reactor I, the product phase 7 from the extraction unit III is fed to the reactor IV, wherein the reaction with ammonia or amines, stream IIIa, takes place.
- the biphasic liquid effluent, stream 9, from the reactor IV is separated in a phase separation vessel V into a formamide-enriched liquid phase, stream 10, and a second tertiary amine-enriched liquid phase, stream 12, stream 12 being preferably introduced into the extraction apparatus III is recycled.
- the enriched with the target product formamide liquid phase, stream 10 is separated by distillation in a distillation unit VI to yield the formamide, stream la, discharge of water, H 2 0, and unreacted ammonia or amine, stream 1 1, in the reactor IV and polar solvent (stream 8) which is recycled to the hydrogenation reactor.
- the preferred embodiment shown in Figure 2 differs from the embodiment in Figure 1 only insofar as the extraction unit III is followed by a separation unit 111-1, for separating polar solvent. In the separation unit 111-1, the polar solvent is separated off and recycled as stream 8a into the hydrogenation reactor I.
- a different from the hydrogenation stage solvent can be supplied, which is separated again in the distillation unit VI and as stream 1 1 in the amidation, in the reactor IV, recycled.
- the product stream 7a from the separation unit 111-1 is substantially free of polar solvent, and is passed into the reactor IV.
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung von Formamiden Beschreibung Process for the preparation of formamides Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formamiden, d.h. von Formamid und seinen /V-substituierten Derivaten, ausgehend von Kohlendioxid. The present invention relates to a process for the preparation of formamides, i. of formamide and its / V-substituted derivatives starting from carbon dioxide.
Formamid und seine Derivate sind wegen ihrer Polarität wichtige selektive Löse- und Extraktionsmittel. Sie werden z. B. zur Extraktion von Butadien aus C4-Schnitten, von Acetylen aus C2-Crackfraktionen und von Aromaten aus Aliphaten eingesetzt. Formamide and its derivatives are important selective solvents and extractants because of their polarity. They are z. B. for the extraction of butadiene from C 4 cuts, acetylene from C 2 cracker fractions and aromatics used from aliphatic.
Alle großtechnischen Produktionsverfahren zur Herstellung von Formamid und seinen Alkylderivaten nutzen bislang Kohlenmonoxid als d-Baustein: All large-scale production processes for the production of formamide and its alkyl derivatives use carbon monoxide as the d-block:
Formamid, /V-Alkylformamide und A/./V-Dialkylformamide werden durch Umsetzung von Methylformiat mit Ammoniak, /V-Alkylaminen bzw. A/,/V-Dialkylaminen hergestellt. Das dabei freiwerdende Methanol kann in die Methylformiatsynthese aus Kohlenmonoxid und Methanol zurückgeführt werden. Formamide, / V-Alkylformamide and A / ./V-dialkylformamide are prepared by reacting methyl formate with ammonia, / V-alkylamines or A /, / V-dialkylamines. The liberated methanol can be recycled to the Methylformiatsynthese from carbon monoxide and methanol.
Bei einer weiteren, ebenfalls technisch genutzten Synthese werden Ammoniak oder die oben genannten Amine bei 20 bis 100 °C und 2 bis 10 MPa direkt mit Kohlenmonoxid anstelle von Methylformiat umgesetzt. Gearbeitet wird in Methanol als Lösemittel mit Alkoholaten als Katalysatoren (Hans-Jürgen Arpe, Industrielle Organische Chemie, 6. Auflage, 2007, Seiten 48 bis 49). In another, also technically used synthesis, ammonia or the abovementioned amines are reacted at 20 to 100 ° C. and 2 to 10 MPa directly with carbon monoxide instead of methyl formate. Work is carried out in methanol as a solvent with alkoxides as catalysts (Hans-Jürgen Arpe, Industrial Organic Chemistry, 6th edition, 2007, pages 48 to 49).
Nachteilig an Kohlenmonoxid ist dessen Toxizität, die ein Arbeiten unter strikten Sicherheitsvorkehrungen notwendig macht. Weiterhin sind die relativ hohen Drücke bei der Herstellung der Formamide aus Kohlenmonoxid kostenintensiv. A disadvantage of carbon monoxide is its toxicity, which makes working under strict safety precautions necessary. Furthermore, the relatively high pressures in the production of formamides from carbon monoxide are costly.
Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, Kohlenmonoxid durch den billigen, nicht toxischen und in großen Mengen verfügbaren d-Baustein Kohlendioxid zu ersetzen (z.B. Applied Homogeneous Catalysis with Organometallic Compounds, Band 2, Seiten 1058 bis 1072, 1996, VCH Verlagsgesellschaft und W. Leitner, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1995, 34. Seiten 2207 bis 2221). There has therefore been no lack of attempts to replace carbon monoxide with the cheap, non-toxic and abundantly available d-block carbon dioxide (eg Applied Homogeneous Catalysis with Organometallic Compounds, Volume 2, pages 1058 to 1072, 1996, VCH Verlagsgesellschaft and W. Leitner, Angew Chem, Int. Ed., Engl. 1995, 34, pages 2207 to 2221).
Es gibt zahlreiche Untersuchungen zur Hydrierung von Kohlendioxid in Gegenwart von primären oder sekundären Aminen zu Ammoniumformiaten und/oder Formamiden unter Einsatz von heterogenen Katalysatoren. Nachteilig ist jedoch, dass die Aktivität der heterogenen Katalysatoren nach ihrer Abtrennung und Rückführung in die Hydrierung nachlässt. There are numerous studies on the hydrogenation of carbon dioxide in the presence of primary or secondary amines to ammonium formates and / or formamides using heterogeneous catalysts. A disadvantage, however, is that the activity of the heterogeneous catalysts decreases after their separation and recycling in the hydrogenation.
Daher werden für die Umsetzung homogene Katalysatoren bevorzugt. Therefore, homogeneous catalysts are preferred for the reaction.
US 3,530, 182 (Shell Oil Company, Prior. 26.12.1967) und Tetrahedron Letters Nr. 5, Seiten 365 bis 368 (1970) zeigen, dass auch homogene Katalysatoren für die Hydrierung von Kohlendioxid in Gegenwart von primären und sekundären Aminen zu Form- amiden verwendet werden können. Geeignet sind z. B. Halogen enthaltende Über- gangsmetall-Verbindungen, vor allem der Elemente Kupfer, Zink, Cadmium, Palladium und Platin. Nach Beispiel 1 wird Kohlendioxid in Gegenwart von Dimethylamin und Zinkbromid als Katalysator bei 155 °C, 2,76 MPa Kohlendioxid und 2,76 MPa Wasserstoff hydriert. Nach 17 Stunden wird Dimethylformamid mit einem TOF-Wert von 1 ,45 erhalten. Der TOF-Wert (Turn Over Frequency) ist ein Maß für die Effizienz des Kata- lysators und gibt an, wieviel Mol Produkt pro Mol Katalysator und Stunde gebildet werden, vgl. J.F. Hartwig: Organotransition Metal Chemistry, 1. Auflage, 2010,University Science Books, Sausalito/California S. 545). US 3,530, 182 (Shell Oil Company, Prior. 26.12.1967) and Tetrahedron Letters No. 5, pages 365 to 368 (1970) show that even homogeneous catalysts for the hydrogenation of carbon dioxide in the presence of primary and secondary amines to form amides can be used. Suitable z. B. halogen-containing transition metal compounds, especially the elements copper, zinc, cadmium, palladium and platinum. According to Example 1, carbon dioxide is hydrogenated in the presence of dimethylamine and zinc bromide as a catalyst at 155 ° C, 2.76 MPa carbon dioxide and 2.76 MPa hydrogen. After 17 hours, dimethylformamide is obtained with a TOF value of 1.45. The TOF value (Turn Over Frequency) is a measure of the efficiency of the catalyst and indicates how many moles of product per mole of catalyst and hour are formed, cf. J.F. Hartwig: Organotransition Metal Chemistry, 1st Edition, 2010, University Science Books, Sausalito, California, p. 545).
Kohlendioxid lässt sich auch in Gegenwart von Dimethylamin und homogen gelösten Platin-Komplexverbindungen der Formel ^-Pt2(Ph2P-CH2-PPh2)3) zu Dimethylformamid hydrieren. Bei 100 °C und 1 1 ,4 MPa Gesamtdruck werden TOF-Werte von 57,3 erreicht (S. Schreiner et al. J. Chem. Soc, Chem. Commun., 1988, Seiten 602 bis 603). Eine enorme Steigerung der TOF-Werte wurde durch den Einsatz von homogen gelösten Ruthenium-Komplex-Verbindungen erzielt, die Trialkylphosphin-Liganden enthielten. Dabei wurde bei der Hydrierung von Kohlendioxid in Gegenwart von Ammoniak, primären oder sekundären Aminen oder entsprechenden Ammoniumcarbamaten einphasig unter überkritischen Bedingungen (Reaktionstemperatur > 31 °C, C02-Druck > 7,4 MPa) gearbeitet (P.G. Jessop, Y. Hsiao, T. Ikariya, R. Noyori, JACS 1996, 118, Seiten 351 bis 352 und EP 0 652 202 A1 , Seiten 5 bis 6, 14 und Tabelle 6, Research Development Corporation of Japan, Prior. 04.1 1.1993 und 07.06.1994). Die Tabellen 6 und 7 in JACS und Tabelle 6 in EP 0 652 202 A1 fassen die Ergebnisse zusammen. Der höchste TOF-Wert wurde nach 70 Stunden mit 6.000 bei der Hydrierung von Koh- lendioxid bei 100 °C, 13 MPa Kohlendioxid und 8 MPa Wasserstoff in Gegenwart von Dimethylamin in Form des Ammoniumcarbamats erzielt. Als Katalysator diente RuCI2[P(CH3)3]4 (JACS, Tabelle 7). Carbon dioxide can also be hydrogenated in the presence of dimethylamine and homogeneously dissolved platinum complex compounds of the formula ^ -Pt 2 (Ph 2 P-CH 2 -PPh 2 ) 3 ) to dimethylformamide. At 100 ° C and 11.4 MPa total pressure, TOF values of 57.3 are achieved (Schreiner, S., et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1988, pages 602-603). An enormous increase in TOF was achieved by the use of homogeneously dissolved ruthenium complex compounds containing trialkyl phosphine ligands. In the hydrogenation of carbon dioxide in the presence of ammonia, primary or secondary amines or corresponding ammonium carbamates in single phase under supercritical conditions (reaction temperature> 31 ° C, C0 2 pressure> 7.4 MPa) worked (PG Jessop, Y. Hsiao, T Ikariya, R. Noyori, JACS 1996, 118, pp. 351-352, and EP 0 652 202 A1, pp. 5-6, 14, and Table 6, Research Development Corporation of Japan, Prior. 04.1, 1993, and 07.06.1994). Tables 6 and 7 in JACS and Table 6 in EP 0 652 202 A1 summarize the results. The highest TOF value was achieved after 70 hours with 6,000 in the hydrogenation of carbon dioxide at 100 ° C, 13 MPa carbon dioxide and 8 MPa hydrogen in the presence of dimethylamine in the form of ammonium carbamate. The catalyst used was RuCl 2 [P (CH 3 ) 3 ] 4 (JACS, Table 7).
Bei der Herstellung von Ameisensäure durch Hydrierung von Kohlendioxid in Gegenwart gleicher oder ähnlicher Katalysatoren und unter- oder überkritischer Fahrweise von ter†jaren Aminen gearbeitet, welche die Ameisensäure in Form von Addukten mit den tertiären Aminen abfangen. Im Gegensatz hierzu wird bei der Herstellung von Amiden ohne Zusatz von tertiären Aminen gearbeitet (JACS, Seite 346, Spalte 2, Zeilen 3 bis 10). Es ist davon auszugehen, dass die zunächst entstehende Ameisensäure von Ammoniak, den primären oder sekundären Aminen als Salz abgefangen wird. Dieses Salz setzt sich bei überkritischen Bedingungen in homogener Phase schon bei 100 °C zu Formamiden und Wasser um. In the production of formic acid by hydrogenation of carbon dioxide in the presence of the same or similar catalysts and sub- or supercritical operation on t he v † j amines worked which the formic acid in the form of of adducts with the tertiary amines. In contrast, the preparation of amides without addition of tertiary amines is used (JACS, page 346, column 2, lines 3 to 10). It can be assumed that the initially formed formic acid is absorbed by ammonia, the primary or secondary amines as salt. This salt reacts at supercritical conditions in homogeneous phase even at 100 ° C to formamides and water.
Eine weitere Steigerung der TOF-Werte nach 2 Stunden auf 370.000 wurde bei Verwendung von Ruthenium-Komplexen mit bidentaten Phosphinen als Liganden erzielt (O. Kröcher, R. A. Koppel, A. Baiker, Chem. Comm. 1997, Seiten 453 bis 454, Tabelle 1). A further increase in the TOF values after 2 hours to 370,000 was achieved using ruthenium complexes with bidentate phosphines as ligands (O. Kröcher, RA Koppel, A. Baiker, Chem. Comm. 1997, pages 453 to 454, Table 1 ).
Aus EP 0 095 321 A, EP 0 151 510 A und EP 0 181 078 A (BP Chemicals Ltd.) ist die Hydrierung von Kohlendioxid in Gegenwart eines homogenen Katalysators enthaltend ein Übergangsmetall der VIII. Nebengruppe (Gruppe 8, 9, 10), eines tertiären Amins und eines polaren Lösungsmittels zu einem Addukt aus Ameisensäure und dem tertiären Amin bekannt. Als bevorzugte Homogenkatalysatoren sind rutheniumbasierte Carbonyl-, Halogenid- und/oder triphenylphosphinhaltige Komplexkatalysatoren und Rhodium-Phosphin-Komplexe genannt. Die Hydrierung erfolgt bei einem Kohlendioxid- Partialdruck von bis zu 6 MPa, einem Wasserstoffpartialdruck von bis zu 25 MPa und einer Temperatur von etwa Raumtemperatur bis 200 °C. EP 0 095 321 A, EP 0 151 510 A and EP 0 181 078 A (BP Chemicals Ltd.) describe the hydrogenation of carbon dioxide in the presence of a homogeneous catalyst comprising a transition metal of subgroup VIII (group 8, 9, 10), a tertiary amine and a polar solvent to an adduct of formic acid and the tertiary amine known. Ruthenium-based carbonyl, halide and / or triphenylphosphine-containing complex catalysts and rhodium-phosphine complexes are mentioned as preferred homogeneous catalysts. The hydrogenation is carried out at a carbon dioxide partial pressure of up to 6 MPa, a hydrogen partial pressure of up to 25 MPa and a temperature of about room temperature to 200 ° C.
Aus JP 1 1322687 geht hervor, dass bei der Umsetzung von aliphatischen Aldehyden mit Formaldehyd in Gegenwart von tertiären Aminen zu Polyalkoholen Salze aus Ameisensäure und tertiären Aminen anfallen. Diese Salze stellen bisher nicht verwertbare Nebenprodukte dar. Die Anmeldung lehrt, die Salze bei 20 bis 130 °C mit primären oder sekundären Aminen zu Formamiden, tertiären Aminen und Wasser umzusetzen. Das Reaktionswasser wird bevorzugt nach Zusatz eines Lösungsmittels wie z. B. Toluol durch Azeotropdestillation abgetrennt. Im einzigen Ausführungsbeispiel wurden Triethylammoniumformiat und Toluol gemischt und mit Piperidin (Molverhältnis Formiat zu Piperidin = 1 zu 1 ,2) versetzt. Unter Rückfluss wurde das Toluol/Wasser- Heteroazeotrop abgetrennt und Wasser ausgeschleust. Die Ausbeute an N-Formyl- piperidin und Triethylamin war quantitativ. Aus Chemie Ingenieur Technik (75), Seiten 877 bis 883 (2003) ist bekannt, Kohlendioxid mit Wasserstoff in Gegenwart von Dimethylamin, Toluol, Wasser und Rhodiumoder Rutheniumphosphinkomplexen zu Dimethylformamid umzusetzen. Nach Abbildung 5 wurden bei 120 °C, einem Partialdruckverhältnis von Wasserstoff zu Kohlendioxid von 1 zu 1 (pkait = 5 MPa) TOF-Werte von rund 260 erzielt. Abbildung 7 zeigt ein integriertes Verfahrenskonzept für Synthese und Aufarbeitung von Dimethylformamid: Der Reaktionsaustrag besteht aus zwei flüssigen Phasen, die voneinander getrennt werden. Die obere, Toluol und Katalysator enthaltene Phase wird eingeengt und dann in die Synthesestufe zurückgeführt. Die untere wässrige, das Ziel- produkt Dimethylformamid enthaltende Phase wird mit Toluol nachextrahiert und destillativ aufgearbeitet. JP 1 1322687 shows that salts of formic acid and tertiary amines are obtained in the reaction of aliphatic aldehydes with formaldehyde in the presence of tertiary amines to give polyalcohols. These salts are previously unrecognizable by-products. The application teaches the salts at 20 to 130 ° C with primary or secondary amines to formamides, tertiary amines and water to implement. The water of reaction is preferably after addition of a solvent such as. B. toluene separated by azeotropic distillation. In the only embodiment triethylammonium formate and toluene were mixed and with piperidine (molar ratio of formate to piperidine = 1 to 1, 2) was added. Under reflux, the toluene / water heteroazeotrope was separated and discharged water. The yield of N-formylpiperidine and triethylamine was quantitative. From Chemie Ingenieur Technik (75), pages 877 to 883 (2003) is known to convert carbon dioxide with hydrogen in the presence of dimethylamine, toluene, water and rhodium or Rutheniumphosphinkomplexen to dimethylformamide. According to Figure 5, TOF values of around 260 were achieved at 120 ° C, a partial pressure ratio of hydrogen to carbon dioxide of 1: 1 (p k ait = 5 MPa). Figure 7 shows an integrated process concept for the synthesis and work-up of dimethylformamide: The reaction effluent consists of two liquid phases, which are separated from each other. The upper, toluene and catalyst-containing phase is concentrated and then returned to the synthesis stage. The lower aqueous phase containing the target product dimethylformamide is back-extracted with toluene and worked up by distillation.
Angaben, auf welcher Stufe und bei welchem Druck überschüssiger Wasserstoff und überschüssiges Kohlendioxid zurückgeführt werden, fehlen. Nachteilig ist auch, dass trotz einer Nachextraktion der Wasserphase mit Toluol merkliche Katalysator-Verluste zu verzeichnen sind. Außerdem ist Toluol ein verfahrensfremder Stoff und muss daher vor der Recyclierung des Extraktes in die Hydrierstufe aufwendig abgetrennt werden. Information on which stage and at which pressure excess hydrogen and excess carbon dioxide are recycled, missing. Another disadvantage is that despite a subsequent extraction of the water phase with toluene noticeable catalyst losses are recorded. In addition, toluene is a foreign substance and must therefore be separated consuming before recycling the extract in the hydrogenation.
Der Stand der Technik zeigt, dass bei der Hydrierung von Kohlendioxid in Gegenwart von homogen gelösten Ruthenium-Phosphin-Komplexen als Katalysatoren und Ammoniak, primären oder sekundären Aminen Amid-TOF-Werte erzielt werden, die für technische Verfahren attraktiv sind. Keines der zitierten Dokumente offenbart jedoch, wie man die Hydrierausträge auf wirtschaftliche Weise aufarbeiten und dabei den homogenen Katalysator von den Reaktionsprodukten abtrennen und in die Hydrierstufe zurückführen kann (O. Kröcher, R. A. Koppel, A. Baiker, Chem. Commun. 1996, Seite 1497, linke Spalte, 1. Absatz). Wrtschaftlich bedeutet dabei, dass es von großem Vorteil ist, wenn das bei der Hydrierung unter hohem Druck stehende Kohlendioxid/Wasserstoffgemisch im Rahmen der Aufarbeitung nicht oder nur teilweise entspannt werden müsste. Nach der Entspannung müsste das überschüssige Kohlen- dioxid/Wasserstoffgemisch nämlich unter hohem Energieaufwand wieder komprimiert werden. The prior art shows that in the hydrogenation of carbon dioxide in the presence of homogeneously dissolved ruthenium-phosphine complexes as catalysts and ammonia, primary or secondary amines, amide TOF values are obtained which are attractive for industrial processes. None of the cited documents, however, discloses how to work up the hydrogenation efficiencies in an economical manner and thereby separate the homogeneous catalyst from the reaction products and can be recycled to the hydrogenation stage (O. Kröcher, RA Koppel, A. Baiker, Chem. Commun. 1996, page 1497 , left column, 1st paragraph). In this case, it means that it is of great advantage if the carbon dioxide / hydrogen mixture which is under high pressure during the hydrogenation would not have to be partially or completely relaxed in the course of the work-up. After the expansion, the excess carbon dioxide / hydrogen mixture would have to be compressed again with high energy expenditure.
Es bestand daher die Aufgabe, ein bevorzugt kontinuierliches, integriertes Verfahren zur Herstellung von Formamid und seinen Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl- und Aralkylderivaten auf Basis der Ausgangsstoffe Kohlendioxid, Wasserstoff und Ammoniak, Mono- oder Diamine bereitzustellen. Die Zielprodukte Formamid und seine Derivate sollten mit hohen Ausbeuten und Selektivitäten zugänglich gemacht werden. Die Aufarbeitung des Reaktionsaustrags aus dem Reaktor sollte technisch einfach sein, wenig Energie benötigen, und ausschließlich mit im Verfahren bereits befindlichen Stoffen, ohne zusätzli- che Hilfsstoffe, erfolgen. Die Abtrennung und Rückführung der homogenen Hydrierkatalysatoren in die Synthesestufe sollte möglichst effizient erfolgen. It is an object of the present invention to provide a preferably continuous, integrated process for the preparation of formamide and its alkyl, cycloalkyl, aryl and aralkyl derivatives based on the starting materials carbon dioxide, hydrogen and ammonia, mono- or diamines. The target products formamide and its derivatives should be made accessible with high yields and selectivities. The work-up of the reaction effluent from the reactor should be technically simple, require little energy, and be carried out exclusively with substances already present in the process, without additional auxiliaries. The separation and recycling of the homogeneous hydrogenation catalysts in the synthesis step should be as efficient as possible.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Formamiden der Formal la in der F und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, lineare oder verzweigte Reste mit 1 bis 15 Kohlenstoffatomen, cycloaliphatische Reste mit 5 bis 10 Koh- lenstoffatomen, einen substituierten oder unsubstituierten Phenylrest und einenThis object is achieved by a process for the preparation of formamides of Formal la in the F and R 2 are independently hydrogen, linear or branched radicals having 1 to 15 carbon atoms, cycloaliphatic radicals having 5 to 10 carbon atoms, a substituted or unsubstituted phenyl radical and a
Phenylalkylrest bedeuten können, und R^ und R2 zu einem fünf- oder sechsglied- rigen Ring geschlossen sein können, der ein Sauerstoffatom, einen Λ/-Η- oder N- R Rest enthält, wobei R^ die oben genannte Bedeutung besitzt, Phenyl, and R 1 and R 2 may be closed to a five- or six-membered ring which contains an oxygen atom, a Λ / -Η- or N-R radical, where R 1 has the abovementioned meaning,
durch Umsetzung von Kohlendioxid (1) mit Wasserstoff (2) in einem Hydrierreak- tor I in Gegenwart by reacting carbon dioxide (1) with hydrogen (2) in a hydrogenation reactor I in the presence
- eines Katalysators, enthaltend ein Element aus der 8., 9. oder 10. Gruppe des Periodensystems, - eines tertiären Amins der Formel NR3R4R5 (IVa), in der die Reste R3 bis R5 gleich oder verschieden sind und unabhängig voneinander einen unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen, aromatischen oder araliphatischen Rest mit jeweils 1 bis 16 Kohlenstoffatomen, bevorzugt 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, darstellen, wobei einzelne Kohlenstoffatome unabhängig voneinander auch durch eine Heterogruppe ausgewählt aus der Gruppe -O- und- A catalyst containing an element from the 8th, 9th or 10th group of the Periodic Table, - A tertiary amine of the formula NR 3 R 4 R 5 (IVa) in which the radicals R 3 to R 5 are the same or different and independently represent an unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic, aromatic or araliphatic radical having in each case 1 to 16 carbon atoms, preferably 1 to 12 carbon atoms, wherein individual carbon atoms independently of one another also by a hetero group selected from the group -O- and
>N- substituiert sein können sowie zwei oder alle drei Reste unter Bildung einer mindestens jeweils vier Atome umfassenden Kette auch miteinander verbunden sein können, mit der Maßgabe, dass die Gesamtzahl der C-Atome pro Molekül mindestens 6 ist, > N-substituted and two or all three radicals can also be linked together to form a chain comprising at least four atoms, with the proviso that the total number of C atoms per molecule is at least 6,
- eines polaren Lösungsmittels - a polar solvent
unter Bildung von Ameisensäure-Amin-Addukten als Intermediate der Formel II a to form formic acid-amine adducts as intermediates of formula II a
NR3R4R5 .Xi HCOOH (IIa), NR 3 R 4 R 5 .Xi HCOOH (IIa),
(Xi = 0,4 bis 5) wobei sich bei der Umsetzung im Hydrierreaktor I zwei Flüssigphasen bilden, und zwar eine Unterphase, enthaltend überwiegend das polare Lösungsmittel, in dem die Ameisensäure-Amin-Addukte angereichert vorliegen, sowie eine Oberphase, enthaltend überwiegend das tertiäre Amin, in der der homogene Katalysator an- gereichert vorliegt und wobei der Austrag (3) aus dem Hydrierreaktor I nach den folgenden Verfahrensschritten aufgearbeitet wird: (Xi = 0.4 to 5) wherein in the reaction in the hydrogenation reactor I form two liquid phases, namely a lower phase containing predominantly the polar solvent in which the formic acid-amine adducts are enriched, and an upper phase containing predominantly the tertiary amine in which the homogeneous catalyst is enriched and wherein the effluent (3) from the hydrogenation reactor I is worked up according to the following process steps:
Auftrennung der zwei Flüssigphasen aus dem Hydrierreaktor in einem Phasentrennge- fäß, Separation of the two liquid phases from the hydrogenation reactor in a phase separation vessel,
Rückführung der Oberphase aus dem Phasentrenngefäß in den Hydrierreaktor und Recycling the upper phase from the phase separation vessel into the hydrogenation reactor and
Weiterleitung der Unterphase aus dem Phasentrenngefäß in eine Extraktionseinheit, worin Forwarding the lower phase from the phase separation vessel in an extraction unit, wherein
• Reste an Katalysator mit demselben tertiären Amin, das in der Hydrierung eingesetzt wurde, extrahiert und das mit dem Katalysator beladene tertiäre Amin in den Hydrierreaktor I recycliert wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man den katalysatorfreien Strom, enthaltend die Ameisensäure/Amin-Addukte der Formel (IIa), und polares Lösungsmittel (7) in einen Reaktor IV weiterleitet, und darin die Ameisensäure-Amin-Addukte der Formel (IIa) bei Temperaturen von 0 bis 200 °C mit Ammoniak oder Aminen der Formel (lila) umsetzt, • residues of catalyst with the same tertiary amine that was used in the hydrogenation, extracted and the loaded with the catalyst tertiary amine is recycled to the hydrogenation reactor I, which is characterized in that the catalyst-free stream containing the formic acid / amine adducts of formula (IIa), and polar solvent (7) in a reactor IV passes, and therein the formic acid-amine adducts of the formula (IIa) at temperatures of 0 to 200 ° C with ammonia or amines of the formula (IIIa),
/R1 / R 1
H - N H - N
\ (lila), \ (purple),
in der R-\ und R2 die zu Formel (la) angegebene Bedeutung haben, wobei über die Zwischenstufe mit der Formel (Va) des entsprechendenin the R \ and R 2 for formula (la) have the meaning given, in which via the intermediate of formula (Va) of the corresponding
Adduktes von Ameisensäure mit Ammoniak oder einem Amin der Formel (lila) Adduct of formic acid with ammonia or an amine of the formula (IIIa)
NHR! R2 · χ HCOOH (Va) das entsprechende Formamid der Formel (la) erhalten wird, und NHR ! R 2 · χ HCOOH (Va) the corresponding formamide of the formula (Ia) is obtained, and
(ii) den zweiphasigen flüssigen Reaktionsaustrag aus dem Reaktor IV (Strom 9) in einem Phasentrenngefäß V in eine mit Formamiden der Formel (la) angereicherte Flüssigphase (Strom 10) und eine zweite mit tertiärem Amin angereicherte Flüssigphase (Strom 12) trennt , die mit tertiärem Amin angereicherte Flüssigphase (Strom 12) vollständig oder teilweise in die Extraktionseinheit III zurückführt, und (iii) in einer Destillationseinheit VI Strom 10 destillativ auftrennt unter Gewinnung des Formamids der Formel (la), Ausschleusung von Wasser, Rück- führung des polaren Lösungsmittels (Strom 8) in den Hydrierreaktor I, und des nicht umgesetzten Ammoniaks oder Amins der Formel (lila) in den Reaktor IV (Strom 11). (ii) separating the biphasic liquid effluent from reactor IV (stream 9) in a phase separation vessel V into a liquid phase (stream 10) enriched in formamides of formula (la) and a second tertiary amine enriched liquid phase (stream 12) tertiary amine-enriched liquid phase (stream 12) completely or partially returns to the extraction unit III, and (iii) distilling stream 10 in a distillation unit VI to yield the formamide of formula (Ia), removing water, recycling the polar solvent (stream 8) to the hydrogenation reactor I, and unreacted ammonia or amine of the formula (II) purple) in the reactor IV (stream 11).
Bevorzugt wird der nicht in die Extraktionseinheit III zurückgeführte Teilstrom der mit tertiärem Amin angereicherten Flüssigphase in den Hydrierreaktor I zurückgeführt. Preferably, the partial stream not recycled to the extraction unit III is returned to the tertiary amine-enriched liquid phase in the hydrogenation reactor I.
Der beim erfindungsgemäßen Verfahren bei der Hydrierung von Kohlendioxid einzusetzende Katalysator ist bevorzugt ein homogener Katalysator. Dieser enthält ein Element aus der 8., 9. oder 10. Gruppe des Periodensystems, also Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt. Bevorzugt enthält der Katalysator Ru, Rh, Pd, Os, Ir und/oder Pt, besonders bevorzugt Ru, Rh und/oder Pd, und ganz besonders bevorzugt Ru. The catalyst to be used in the hydrogenation of carbon dioxide in the process according to the invention is preferably a homogeneous catalyst. This contains an element from the 8th, 9th or 10th group of the periodic table, ie Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir and / or Pt. Preferably, the catalyst contains Ru, Rh, Pd, Os, Ir and / or Pt, more preferably Ru, Rh and / or Pd, and most preferably Ru.
Die genannten Elemente liegen in Form von komplexartigen Verbindungen im Reaktionsgemisch homogen gelöst vor. Der homogene Katalysator ist dabei so auszuwählen, dass dieser zusammen mit dem tertiären Amin in der Flüssigphase (B) angereichert vorliegt. Unter "angereichert" ist dabei ein Verteilungskoeffizient des homogenen Katalysators The elements mentioned above are homogeneously dissolved in the form of complex-like compounds in the reaction mixture. The homogeneous catalyst is to be selected so that it is enriched together with the tertiary amine in the liquid phase (B). Under "enriched" is a distribution coefficient of the homogeneous catalyst
P = [Konzentration homogener Katalysator in Flüssigphase (B)] / [Konzentration homo- gener Katalysator in Flüssigphase (A)] von > 1 zu verstehen. Hierbei ist die Flüssigphase (A) die Phase enthaltend das mit den Ameisensäure-/Amin-Addukten angereicherte Lösungsmittel. Die Auswahl des homogenen Katalysators erfolgt im Allgemeinen durch einen einfachen Versuch, in dem der Verteilungskoeffizient des gewünschten homogenen Katalysators unter den geplanten Verfahrensbedingungen experimen- teil bestimmt wird. P = [concentration of homogeneous catalyst in liquid phase (B)] / [concentration of homogeneous catalyst in liquid phase (A)] of> 1 to understand. Here, the liquid phase (A) is the phase containing the solvent enriched with the formic acid / amine adducts. The selection of the homogeneous catalyst is generally carried out by a simple experiment in which the partition coefficient of the desired homogeneous catalyst under the planned process conditions is determined experimentally.
Wegen ihrer guten Löslichkeit in tertiären Aminen verwendet man beim erfindungsgemäßen Verfahren als homogene Katalysatoren bevorzugt eine metallorganische Komplexverbindung, die ein Element aus der 8., 9. oder 10. Gruppe des Periodensystems und mindestens eine Phosphin-Gruppe mit mindestens einem unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Rest mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen enthält, wobei einzelne Kohlenstoffatome auch durch >P- substituiert sein können. Im Sinne von verzweigten cyclischen aliphatischen Resten sind damit eingeschlossen auch Reste wie beispielsweise -CH2-C6Hn . Als geeignete Reste sind beispielsweise genannt Methyl, Ethyl, 1-Propyl, 2-Propyl, 1-Butyl, 2-Butyl, 1-(2-Methyl)propyl, 2-(2- , „ -3nty| -|_Hexy| 1-Heptyl, 1-Octyl, 1-Nonyl, 1-Decyl, 1-Undecyl, 1- Dodecyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl und Cyclooctyl, Methylcyclopentyl, Methylcyclohexyl, 1-(2-Methyl)-pentyl, 1-(2-Ethyl)-hexyl, 1-(2-Propyl)heptyl und Norbornyl. Bevorzugt enthält der unverzweigte oder verzweigte, acyclische oder cycli- sche, aliphatische Rest mindestens 1 sowie bevorzugt maximal 10 Kohlenstoffatome. Im Falle eines ausschließlich cyclischen Restes im oben genannten Sinne beträgt die Zahl der Kohlenstoffatome 3 bis 12 und bevorzugt mindestens 4 sowie bevorzugt maximal 8 Kohlenstoffatome. Bevorzugte Reste sind Ethyl, 1-Butyl, sec-Butyl, 1-Octyl und Cyclohexyl. Die Phosphin-Gruppe kann einen, zwei oder drei der oben genannten unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Reste enthalten. Diese können gleich oder verschieden sein. Bevorzugt enthält die Phosphin-Gruppe drei der oben genannten unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Reste, wobei besonders bevorzugt alle drei Reste gleich sind. Bevorzugte Phosphine sind P(A7-CnH2n+i)3 mit n gleich 1 bis 10, besonders bevorzugt Tri-n- butylphosphin, Tri-n-octylphosphin und 1 ,2-Bis(dicylohexylphosphino)ethan. Because of their good solubility in tertiary amines used in the process according to the invention as homogeneous catalysts preferably an organometallic complex compound containing an element from the 8th, 9th or 10th group of the periodic table and at least one phosphine group having at least one unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radical having 1 to 12 carbon atoms, wherein individual carbon atoms may also be substituted by> P-. For the purposes of branched cyclic aliphatic radicals, this also includes radicals such as -CH 2 -C 6 Hn. Suitable radicals are, for example, be mentioned methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl, 1- (2-methyl) propyl, 2- (2, "- 3nty | - | _ Hexy | 1-heptyl, 1-octyl, 1-nonyl, 1-decyl, 1-undecyl, 1 Dodecyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl and cyclooctyl, methylcyclopentyl, methylcyclohexyl, 1- (2-methyl) -pentyl, 1- (2-ethyl) -hexyl, 1- (2-propyl) -heptyl and norbornyl. The unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radical preferably contains at least 1 and preferably not more than 10 carbon atoms. In the case of an exclusively cyclic radical in the above-mentioned sense, the number of carbon atoms is 3 to 12 and preferably at least 4 and preferably at most 8 carbon atoms. Preferred radicals are ethyl, 1-butyl, sec-butyl, 1-octyl and cyclohexyl. The phosphine group can contain one, two or three of the above-mentioned unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radicals. These can be the same or different. Preferably, the phosphine group contains three of the above-mentioned unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radicals, with particular preference, all three radicals are the same. Preferred phosphines are P (A7-C n H 2 n + i) 3 where n is 1 to 10, more preferably tri-n-butylphosphine, tri-n-octylphosphine and 1, 2-bis (dicyclohexylphosphino) ethane.
Wie bereits weiter oben erwähnt, können in den genannten unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Resten einzelne Kohlenstoffato- me auch durch >P- substituiert sein. Somit sind auch mehrzähnige, beispielsweise zwei- oder dreizähnige, Phosphin-Liganden mit umfasst. Diese enthalten bevorzugt die As already mentioned above, in the stated unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radicals, individual carbon atoms may also be substituted by> P-. Thus, multidentate, for example, bidentate or tridentate phosphine ligands are also included. These preferably contain the
>P-CH2CH2-P< >P-CH2CH2-P-CH2CH2-P<> P-CH 2 CH 2 -P <> P-CH 2 CH 2 -P-CH 2 CH 2 -P <
Gruppierung beziehungsweise. Grouping respectively.
Enthält die Phosphin-Gruppe noch andere Reste als die oben genannten unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Reste, so entsprechen diese im Allgemeinen denen, die ansonsten üblicherweise bei Phosphin- Liganden für metallorganische Komplexkatalysatoren eingesetzt werden. Als Beispiele seien genannt Phenyl, Tolyl und Xylyl. Die metallorganische Komplexverbindung kann eine oder mehrere, beispielsweise zwei, drei oder vier, der oben genannten Phosphin-Gruppen mit mindestens einem unverzweigten oder verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen Rest enthalten. Die restlichen Liganden des metallorganischen Komplexes können verschiedener Natur sein. Als exemplarische Beispiele seien genannt Hydrid, Fluorid, Chlorid, Bromid, lodid, Formiat, Acetat, Propionat, Carboxylat, Acetylacetonat, Carbonyl, DMSO, Hydroxid, Trialkylamin, Alkoxid. If the phosphine group contains radicals other than the abovementioned unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radicals, these generally correspond to those which are customarily used in the case of phosphine ligands for organometallic complex catalysts. Examples include phenyl, tolyl and xylyl. The organometallic complex compound may contain one or more, for example two, three or four, of the abovementioned phosphine groups having at least one unbranched or branched, acyclic or cyclic, aliphatic radical. The remaining ligands of the organometallic complex may be of different nature. Examples which may be mentioned are hydride, fluoride, chloride, bromide, iodide, formate, acetate, propionate, carboxylate, acetylacetonate, carbonyl, DMSO, hydroxide, trialkylamine, alkoxide.
Die homogenen Katalysatoren können sowohl direkt in ihrer aktiven Form als auch ausgehend von üblichen Standardkomplexen wie beispielsweise [M(p-Cymene)CI2]2, [M(benzol)CI2]n, [M(COD)(allyl)], [MCI3 x H20], [M(acetylacetonat)3], [M(COD)CI2]2, [M(DMSO)4CI2] mit M gleich Element aus der 8., 9. oder 10. Gruppe des Periodensystems unter Zugabe des beziehungsweise der entsprechenden Phosphin-Liganden erst unter Reaktionsbedingungen erzeugt werden. The homogeneous catalysts can be used both directly in their active form and starting from customary standard complexes such as [M (p-Cymene) Cl 2 ] 2, [M (benzene) Cl 2 ] n , [M (COD) (allyl)], [MCI 3 x H 2 O], [M (acetylacetonate) 3 ], [M (COD) Cl 2 ] 2 , [M ( DMSO) 4 CI 2 ] with M equal to element from the 8th, 9th or 10th group of the periodic table with the addition of the corresponding phosphine ligand or only under reaction conditions.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugte homogene Katalysatoren sind [Ru(Pn-Bu3)4(H)2], [Ru(Pn-Octyl3)4(H)2], [Ru(Pn-Bu3)2(1 ,2-bis(dicyclohexylphosphino)- ethan)(H)2], [Ru(Pn-Octyl3)2(1 ,2-bis(dicyclohexylphosphino)ethan)(H)2], [Ru(PEt3)4(H)2. Mit diesen können in der Hydrierung von Kohlendioxid TOF-Werte (Turn-Over- Frequency) von größer 1000 h"1 erzielt werden. Preferred homogeneous catalysts in the process according to the invention are [Ru (Pn-Bu 3 ) 4 (H) 2 ], [Ru (Pn-octyl 3 ) 4 (H) 2 ], [Ru (Pn-Bu 3 ) 2 (1, 2 bis (dicyclohexylphosphino) ethane) (H) 2 ], [Ru (Pn-Octyl 3 ) 2 (1, 2-bis (dicyclohexylphosphino) ethane) (H) 2 ], [Ru (PEt 3 ) 4 (H) 2 . With these, TOF values (turn-over frequency) of greater than 1000 h -1 can be achieved in the hydrogenation of carbon dioxide.
Beim Einsatz von homogenen Katalysatoren beträgt die eingesetzte Menge der genannten Metallkomponente im metallorganischen Komplex im Allgemeinen 0,1 bis 5000 Gew.-ppm, bevorzugt 1 bis 800 Gew.-ppm und besonders bevorzugt 5 bis 800 Gew.-ppm, jeweils bezogen auf das gesamte flüssige Reaktionsgemisch im Hydrierreaktor. When using homogeneous catalysts, the amount of said metal component in the organometallic complex is generally from 0.1 to 5000 ppm by weight, preferably from 1 to 800 ppm by weight, and more preferably from 5 to 800 ppm by weight, based in each case on entire liquid reaction mixture in the hydrogenation reactor.
Der Verteilungskoeffizient des homogenen Katalysators bezogen auf die Menge an Ruthenium in der Aminphase und der das Ameisensäure/Amin-Addukt enthaltenden Produktphase ist nach der Hydrierung im Bereich von P größer 0,5, bevorzugtermaßen größer 1 ,0 und besonders bevorzugtermaßen größer 4. The distribution coefficient of the homogeneous catalyst based on the amount of ruthenium in the amine phase and the product phase containing the formic acid / amine adduct after hydrogenation in the range of P is greater than 0.5, more preferably greater than 1.0, and most preferably greater than 4.
Das tertiäre Amin ist dabei so ausgewählt und mit dem polaren Lösungsmittel abgestimmt, dass der Hydrieraustrag zwei flüssige Phasen bildet und das tertiäre Amin in der Oberphase im Hydrierreaktor angereichert vorliegt. Unter "angereichert" ist dabei ein Gewichtsanteil von > 50 % des freien, das heißt nicht in Form des Ameisensäu- re/Amin-Addukts gebundenen, tertiären Amins in der Oberphase bezogen auf die Gesamtmenge an freiem, tertiärem Amins in beiden Flüssigphasen zu verstehen. Bevorzugt liegt der Gewichtsanteil bei > 90 %. Die Auswahl des tertiären Amins erfolgt im Allgemeinen durch einen einfachen Versuch, in dem die Löslichkeit des gewünschten tertiären Amins in beiden Flüssigphasen unter den geplanten Verfahrensbedingungen experimentell bestimmt wird. Die Oberphase kann zudem noch Teile des polaren Lösungsmittels sowie eines unpolaren inerten Lösungsmittel enthalten. Das beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt einzusetzende tertiäre Amin ist ein Amin, der allgemeinen Formel (IVa) The tertiary amine is selected and matched with the polar solvent such that the hydrogenation product forms two liquid phases and the tertiary amine in the upper phase is enriched in the hydrogenation reactor. By "enriched" is meant a weight fraction of> 50% of the free, that is not bound in the form of the formic acid / amine adduct, tertiary amine in the upper phase based on the total amount of free, tertiary amine in both liquid phases. The proportion by weight is preferably> 90%. The choice of tertiary amine is generally made by a simple experiment in which the solubility of the desired tertiary amine in both liquid phases is determined experimentally under the intended process conditions. The upper phase may also contain parts of the polar solvent and a non-polar inert solvent. The preferred tertiary amine to be used in the process according to the invention is an amine of the general formula (IVa)
NR3R4R5 (IVa), in der die Reste R3 bis R5 gleich oder verschieden sind und unabhängig voneinander _:— :__3n QC|er verzweigten, acyclischen oder cyclischen, aliphatischen, aromatischen oder araliphatischen Rest mit jeweils 1 bis 16 Kohlenstoffatomen, bevorzugt 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, darstellen, wobei einzelne Kohlenstoffatome unabhängig voneinander auch durch eine Heterogruppe ausgewählt aus der Gruppe -O- und >N- substituiert sein können sowie zwei oder alle drei Reste unter Bildung einer mindestens jeweils vier Atome umfassenden Kette auch miteinander verbunden sein können, mit der Maßgabe, dass die Gesamtzahl der C-Atome mindestens 6 ist. NR 3 R 4 R 5 (IVa) in which the radicals R 3 to R 5 are identical or different and independently of one another _ : - : __ 3n QC | he branched, acyclic or cyclic, aliphatic, aromatic or araliphatic radical having in each case 1 to 16 carbon atoms, preferably 1 to 12 carbon atoms, where individual carbon atoms can be substituted independently of one another by a hetero group selected from the group -O- and> N- and two or all three radicals with formation a chain of at least four atoms each, with the proviso that the total number of carbon atoms is at least 6.
Als geeignete Amine der Formel (IVa) seien beispielsweise genannt: · Triethylamin, Tri-n-propylamin, Tri-n-butylamin, Tri-n-pentylamin, Tri-n-hexylamin, Tri-n-heptylamin, Tri-n-octylamin, Tri-n-nonylamin, Tri-n-decylamin, Tri-n-undecyl- amin, Tri-n-dodecylamin, Tri-n-tridecylamin, Tri-n-tetradecylamin, Tri-n-pentadecyl- amin, Tri-n-hexadecylamin, Tri-(2-ethylhexyl)amin. · Dimethyldecylamin, Dimethyldodecylamin, Dimethyl-tetradecylamin, Ethyl-di-(2- propyl)amin, Dioctylmethylamin, Dihexylmethylamin. Examples of suitable amines of the formula (IVa) include: triethylamine, tri-n-propylamine, tri-n-butylamine, tri-n-pentylamine, tri-n-hexylamine, tri-n-heptylamine, tri-n-octylamine , Tri-n-nonylamine, tri-n-decylamine, tri-n-undecylamine, tri-n-dodecylamine, tri-n-tridecylamine, tri-n-tetradecylamine, tri-n-pentadecylamine, tri-n hexadecylamine, tri- (2-ethylhexyl) amine. Dimethyldecylamine, dimethyldodecylamine, dimethyl-tetradecylamine, ethyl-di (2-propyl) amine, dioctylmethylamine, dihexylmethylamine.
• Tricyclopentylamin, Tricyclohexylamin, Tricycloheptylamin, Tricyclooctylamin und deren durch eine oder mehrere Methyl-, Ethyl-, 1-Propy-, 2-Propyl-, 1-Butyl-, 2- Butyl- oder 2-Methyl-2-propyl-Gruppen substituierte Derivate. Tricyclopentylamine, tricyclohexylamine, tricycloheptylamine, tricyclooctylamine and their substituted by one or more methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl or 2-methyl-2-propyl groups derivatives.
• Dimethylcyclohexylamin, Methyldicyclohexylamin, Diethylcyclohexylamin, Ethyl- dicyclohexylamin, Dimethylcyclopentylamin, Methyldicyclopentylamin. · Triphenylamin, Methyldiphenylamin, Ethyldiphenylamin, Propyldiphenylamin, Butyl- dipehnylamin, 2-Ethyl-hexyl-diphenylamin, Dimethylphenylamin, Diethylphenylamin, Dipropylphenylamin, Dibutylphenylamin, Bis(2-Ethyl-hexyl)phenylamin, Tribenzyl- amin, Methyldibenzylamin, Ethyldibenzylamin und deren durch eine oder mehrere Methyl-, Ethyl-, 1-Propy-, 2-Propyl-, 1 -Butyl-, 2-Butyl- oder 2-Methyl-2-propyl- Gruppen substituierte Derivate. Dimethylcyclohexylamine, methyldicyclohexylamine, diethylcyclohexylamine, ethyldicyclohexylamine, dimethylcyclopentylamine, methyldicyclopentylamine. Triphenylamine, methyldiphenylamine, ethyldiphenylamine, propyldiphenylamine, butyldiphenylamine, 2-ethylhexyldiphenylamine, dimethylphenylamine, diethylphenylamine, dipropylphenylamine, dibutylphenylamine, bis (2-ethylhexyl) phenylamine, tribenzylamine, methyldibenzylamine, ethyldibenzylamine and theirs by a or a plurality of methyl, ethyl, 1-propy, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl or 2-methyl-2-propyl groups substituted derivatives.
• A/-Crbis-Ci2-Alkyl-piperidine, A/,/V-Di-Crbis-Ci2-Alkylpiperazine, A/-Crbis-Ci2-Alkyl- pyrrolidine, A/-Crbis-Ci2-Alkylimidazole und deren durch eine oder mehrere Methyl-, Ethyl-, 1-Propy-, 2-Propyl-, 1 -Butyl-, 2-Butyl- oder 2-Methyl-2-propyl-Gruppen substi- tuierte Derivate. • A / -Crbis Ci-2-alkyl-piperidines, A /, / V-di-Ci-Crbis -Alkylpiperazine 2, A / -Crbis-pyrrolidine Ci 2 alkyl, A / -Crbis-Ci 2 -Alkylimidazole and their derivatives substituted by one or more methyl, ethyl, 1-propyl, 2-propyl, 1-butyl, 2-butyl or 2-methyl-2-propyl groups.
• 1 ,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en ("DBU"), 1 ,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan ("DABCO"), N-Methyl-8-azabicyclo[3.2.1]octan ("Tropan"), N-Methyl-9-aza- bicyclo[3.3.1]nonan ("Granatan"), 1-Azabicyclo[2.2.2]octan ("Chinuclidin"). Beim erfindungsgemäßen Verfahren können natürlich auch Gemische einer beliebigen Anzahl verschiedener tertiärer Amine IVa eingesetzt werden. • 1, 8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene ("DBU"), 1, 4-diazabicyclo [2.2.2] octane ("DABCO"), N-methyl-8-azabicyclo [3.2.1 ] octane ("tropane"), N-methyl-9-azabicyclo [3.3.1] nonane ("garnetane"), 1-azabicyclo [2.2.2] octane ("quinuclidine"). Of course, mixtures of any number of different tertiary amines IVa can also be used in the process according to the invention.
Besonders bevorzugt setzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren als tertiäres Amin ein Amin der allgemeinen Formel (IVa), in der die Reste R1 bis R3 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe d- bis Ci2-Alkyl, C5- bis C8-Cycloalkyl, Benzyl und Phenyl ein. Particularly preferred in the present process the tertiary amine is an amine of general formula (IVa), in which the radicals R 1 to R 3 are independently selected from the group d- to C 2 alkyl, C 5 - to C 8 - Cycloalkyl, benzyl and phenyl.
Besonders bevorzugt setzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren als tertiäres Amin ein gesättigtes Amin, d.h. nur Einfachbindungen enthaltend, der allgemeinen Formel (IVa) ein. In the process according to the invention, it is particularly preferable to use as the tertiary amine a saturated amine, i. containing only single bonds of the general formula (IVa).
Ganz besonders bevorzugt setzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren als tertiäres Amin ein Amin der allgemeinen Formel (IVa) ein, in der die Reste R3 bis R5 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe C5- bis C8-Alkyl, insbesondere Tri-n- pentylamin, Tri-n-hexylamin, Tri-n-heptylamin, Tri-n-octylamin, Dimethylcyclohexyl- amin, Methyldicyclohexylamin, Dioctylmethylamin und Dimethyldecylamin. Very particularly preferably employed in the process according to the invention as a tertiary amine is an amine of the general formula (IVa) in which the radicals R 3 to R 5 are independently selected from the group C 5 - to C 8 -alkyl, in particular tri-n - pentylamine, tri-n-hexylamine, tri-n-heptylamine, tri-n-octylamine, dimethylcyclohexylamine, methyldicyclohexylamine, dioctylmethylamine and dimethyldecylamine.
Insbesondere setzt man als tertiäres Amin ein Amin der allgemeinen Formel (IVa) ein, in der die Reste R1 bis R3 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus C5- und C6- Alkyl. In particular, the tertiary amine used is an amine of the general formula (IVa) in which the radicals R 1 to R 3 are selected independently of one another from C 5 - and C 6 -alkyl.
Bevorzugt liegt das tertiäre Amin beim erfindungsgemäßen Verfahren in allen Verfahrensstufen flüssig vor. Dies ist jedoch kein zwingendes Erfordernis. Es würde auch ausreichen, wenn das tertiäre Amin zumindest in geeigneten Lösungsmitteln gelöst wäre. Geeignete Lösungsmittel sind prinzipiell solche, welche hinsichtlich der Hydrierung von Kohlendioxid sowie der thermischen Spaltung des Addukts chemisch inert sind, in denen sich das tertiäre Amin und, im Falle des Einsatzes eines homogenen Katalysators, auch diesen gut lösen, umgekehrt polares Lösungsmittel sowie das Ameisensäure/Amin-Addukte schlecht lösen. In Frage kommen daher prinzipiell chemisch inerte, unpolare Lösungsmittel wie etwa aliphatische, aromatische oder araliphatische Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Octan und höhere Alkane, Toluol, Xylole. Das beim erfindungsgemäßen Verfahren bei der Hydrierung von Kohlendioxid einzusetzende polare Lösungsmittel ist dabei so auszuwählen beziehungsweise mit dem tertiären Amin abzustimmen, dass das polare Lösungsmittel in der Unterphase angereichert vorliegt. Unter "angereichert" ist dabei ein Gewichtsanteil von > 50 % des polaren Lösungsmittels in der Unterphase bezogen auf die Gesamtmenge an polarem Lö- sungsmittel in beiden Flüssigphasen zu verstehen. Bevorzugt liegt der Gewichtsanteil a - swahl des polaren Lösungsmittels erfolgt im Allgemeinen durch ei- nen einfachen Versuch, in dem die Löslichkeit des gewünschten polaren Lösungsmittels in beiden Flüssigphasen unter den geplanten Verfahrensbedingungen experimentell bestimmt wird. Bei dem polaren Lösungsmittel kann es sich um ein reines polares Lösungsmittel als auch um ein Gemisch verschiedener polarer Lösungsmittel handeln, solange die an das Lösungsmittel gestellten oben genannten Bedingungen bezüglich, Siedepunkt und Phasenverhalten zutreffen. Als Stoffklassen, die als polare Lösungsmittel geeignet sind, kommen bevorzugt Alkohole und Diole sowie deren Ameisensäureester und Wasser in Frage. In the process according to the invention, the tertiary amine is preferably liquid in all process stages. However, this is not a mandatory requirement. It would also be sufficient if the tertiary amine were at least dissolved in suitable solvents. Suitable solvents are in principle those which are chemically inert with regard to the hydrogenation of carbon dioxide and the thermal cleavage of the adduct, in which the tertiary amine and, in the case of the use of a homogeneous catalyst, these also dissolve well, inversely polar solvent and formic acid / Dissolve amine adducts poorly. In principle, therefore, come chemically inert, non-polar solvents such as aliphatic, aromatic or araliphatic hydrocarbons, such as octane and higher alkanes, toluene, xylenes. The polar solvent to be used in the hydrogenation of carbon dioxide in the process according to the invention is to be selected or matched with the tertiary amine in such a way that the polar solvent is enriched in the lower phase. By "enriched" is meant a weight fraction of> 50% of the polar solvent in the lower phase based on the total amount of polar solvent in both liquid phases. Preferably, the proportion by weight of the polar solvent is generally given by a A simple experiment in which the solubility of the desired polar solvent in both liquid phases under the intended process conditions is determined experimentally. The polar solvent may be a pure polar solvent as well as a mixture of various polar solvents as long as the solvent, above-mentioned conditions, boiling point and phase behavior apply. Suitable classes of substances which are suitable as polar solvents are preferably alcohols and diols and also their formic esters and water.
Als geeignete Alkohole sind Alkohole genannt, in welchen sich im Gemisch mit Wasser die Trialkylammoniumformiate bevorzugt lösen und diese Produktphase eine Mi- schungslücke mit dem freien Trialkylamin aufweist. Als geeignete Alkohole seien beispielsweise Methanol, Ethanol, 2-Methoxyethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, 1-Butanol, 2-Butanol, 2-Methyl-1-propanol genannt. Das Verhältnis von Alkohol zu Wasser ist so zu wählen, das sich zusammen mit dem Trialkylammoniumformiat und dem Trialkylamin ein zweiphasiges Gemisch bildet, in welchem sich der Großteil des Trialkylammoniumformiates, das Wasser sowie das polare Lösungsmittel in der Unterphase befindet, was im Allgemeinen durch einen einfachen Versuch bestimmt wird, in dem die Löslichkeit des gewünschten polaren Lösungsmittelgemisches in beiden Flüssigphasen unter den geplanten Verfahrensbedingungen experimentell bestimmt wird. Als Stoffklassen, die als polare Lösungsmittel geeignet sind, kommen bevorzugt Diole sowie deren Ameisensäureester, Polyole sowie deren Ameisensäureester, Sulfone, Sulfoxide, offenkettige oder cyclische Amide sowie Gemische der genannten Stoffklassen in Frage. Als geeignete Diole und Polyole sind beispielsweise Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Polyethylenglykol, 1 ,3-Propandiol, 2-Methyl-1 ,3-propandiol, 1 ,4- Butandiol, Dipropylenglykol, 1 ,5-Pentandiol, 1 ,6-Hexandiol und Glycerin genannt. Suitable alcohols include alcohols in which the trialkylammonium formates preferably dissolve in a mixture with water and this product phase has a mixture gap with the free trialkylamine. Examples of suitable alcohols are methanol, ethanol, 2-methoxyethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, 2-methyl-1-propanol. The ratio of alcohol to water should be selected such that, together with the trialkylammonium formate and the trialkylamine, a biphasic mixture is formed in which most of the trialkylammonium formate, water and polar solvent are in the lower phase, generally by a simple Experiment is determined by experimentally determining the solubility of the desired polar solvent mixture in both liquid phases under the intended process conditions. Suitable classes of compounds which are suitable as polar solvents are preferably diols and also their formic acid esters, polyols and also their formic acid esters, sulfones, sulfoxides, open-chain or cyclic amides and mixtures of the mentioned classes of substances. Examples of suitable diols and polyols are ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, polyethylene glycol, 1,3-propanediol, 2-methyl-1,3-propanediol, 1,4-butanediol, dipropylene glycol, 1,5-pentanediol, 1,6-hexanediol and called glycerin.
Als geeignetes Sulfon wird vor allem Tetramethylensulfon (Sulfolan) genannt. As a suitable sulfone especially tetramethylene sulfone (sulfolane) is called.
Als geeignete Sulfoxide sind beispielsweise Dialkylsulfoxide, vorzugsweise d- bis C6- Dialkylsulfoxide, insbesondere Dimethylsulfoxid genannt. Als geeignete offenkettige oder cyclische Amide sind beispielsweise Formamid, N- Methylformamid, A/./V-Dimethylformamid, /V-Methylpyrrolidon, Acetamid und /V-Methyl- caprolactam genannt. Das Molverhältnis des beim erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzenden polaren Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemisches zum eingesetzten tertiären Amin beträgt im Allgemeinen 0,5 bis 30 und bevorzugt 1 bis 20. Examples of suitable sulfoxides are dialkyl sulfoxides, preferably C 1 - to C 6 -dialkyl sulfoxides, in particular dimethylsulfoxide. Examples of suitable open-chain or cyclic amides are formamide, N-methylformamide, A / ./V-dimethylformamide, / V-methylpyrrolidone, acetamide and / V-methylcaprolactam. The molar ratio of the polar solvent or solvent mixture to be used in the process according to the invention to the tertiary amine used is generally 0.5 to 30 and preferably 1 to 20.
Das bei der Hydrierung von Kohlendioxid einzusetzende Kohlendioxid kann fest, flüssig oder gasförmig eingesetzt werden. Es ist auch möglich, großtechnisch verfügbare, Kohlendioxid enthaltende Gasgemische zu verwenden, sofern diese weitgehend frei von Kohlenmonoxid (Volumenanteil von <1 % CO), sind. Der bei der Hydrierung von Kohlendioxid einzusetzende Wasserstoff ist im Allgemeinen gasförmig. Kohlendioxid und Wasserstoff können auch inerte Gase, wie etwa Stickstoff oder Edelgase, enthal- ten. Vorteilhafterweise liegt jedoch deren Gehalt unterhalb von 10 mol-% bezogen auf die Gesamtmenge an Kohlendioxid und Wasserstoff im Hydrierreaktor. Größere Mengen sind zwar gegebenenfalls ebenfalls noch tolerierbar, bedingen aber im Allgemeinen die Anwendung eines höheren Druckes im Reaktor, wodurch weitere Kompressionsenergie erforderlich ist. The carbon dioxide to be used in the hydrogenation of carbon dioxide can be solid, liquid or gaseous. It is also possible to use gas mixtures containing large quantities of carbon dioxide, provided they are substantially free of carbon monoxide (volume fraction of <1% CO). The hydrogen to be used in the hydrogenation of carbon dioxide is generally gaseous. Carbon dioxide and hydrogen may also contain inert gases, such as nitrogen or noble gases. Advantageously, however, their content is below 10 mol% based on the total amount of carbon dioxide and hydrogen in the hydrogenation reactor. While larger amounts may also be tolerable, they generally require the use of a higher pressure in the reactor, requiring further compression energy.
Die Hydrierung von Kohlendioxid erfolgt in der Flüssigphase bevorzugt bei einer Temperatur von 20 bis 200 °C und einem Gesamtdruck von 0,2 bis 30 MPa abs. Bevorzugt beträgt die Temperatur mindestens 30°C und besonders bevorzugt mindestens 40 °C sowie bevorzugt höchstens 150 °C, besonders bevorzugt höchstens 120 °C und ganz besonders bevorzugt höchstens 80 °C. Der Gesamtdruck beträgt bevorzugt mindestens 1 MPa abs und besonders bevorzugt mindestens 5 MPa abs sowie bevorzugt höchstens 15 MPa abs. The hydrogenation of carbon dioxide takes place in the liquid phase preferably at a temperature of 20 to 200 ° C and a total pressure of 0.2 to 30 MPa abs. Preferably, the temperature is at least 30 ° C and more preferably at least 40 ° C and preferably at most 150 ° C, more preferably at most 120 ° C and most preferably at most 80 ° C. The total pressure is preferably at least 1 MPa abs and more preferably at least 5 MPa abs and preferably at most 15 MPa abs.
Der Partialdruck des Kohlendioxids beträgt dabei im Allgemeinen mindestens 0,5 MPa und bevorzugt mindestens 2 MPa sowie im Allgemeinen höchstens 8 MPa. Der Partialdruck des Wasserstoffs beträgt im Allgemeinen mindestens 0,5 MPa und bevorzugt mindestens 1 MPa sowie im Allgemeinen höchstens 25 MPa und bevorzugt höchstens 10 MPa. Das Molverhältnis von Wasserstoff zu Kohlendioxid im Zulauf des Hydrierreaktors beträgt bevorzugt 0, 1 bis 10 und besonders bevorzugt 1 bis 3. The partial pressure of the carbon dioxide is generally at least 0.5 MPa and preferably at least 2 MPa and generally at most 8 MPa. The partial pressure of hydrogen is generally at least 0.5 MPa and preferably at least 1 MPa and generally at most 25 MPa and preferably at most 10 MPa. The molar ratio of hydrogen to carbon dioxide in the feed of the hydrogenation reactor is preferably 0, 1 to 10 and particularly preferably 1 to 3.
Das Molverhältnis von Kohlendioxid zu tertiärem Amin im Zulauf des Hydrierreaktors beträgt im Allgemeinen 0, 1 bis 10 und bevorzugt 0,5 bis 3. Als Hydrierreaktoren können prinzipiell alle Reaktoren eingesetzt werden, welche für gas/flüssig-Reaktionen unter der gegebenen Temperatur und dem gegebenen Druck grundsätzlich geeignet sind. Geeignete Standardreaktoren für flüssig-flüssig Reaktionssysteme sind beispielsweise in K.D. Henkel, "Reactor Types and Their Industrial Applications", in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, DOI: 10.1002/14356007. b04_087, Kapitel 3.3 "Reactors for gas-liquid reactions" angegeben. Als Beispiele seien genannt Rührkesselreaktoren, Rohrreaktoren oder Blasensäulenreaktoren. Die Hydrierung von Kohlendioxid kann beim erfindungsgemäßen Verfahren diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden. Bei der diskontinuierlichen Fahrweise wird der Reaktor mit den gewünschten flüssigen und gegebenenfalls festen Einsatz- und Hilfsstoffen bestückt und anschließend Kohlendioxid und Wasserstoff auf den gewünschten Druck bei der gewünschten Temperatur aufgepresst. Nach Ende der Reak- tion wird der Reaktor im Regelfall entspannt und die beiden gebildeten Flüssigphasen voneinander getrennt. Bei der kontinuierlichen Fahrweise werden die Einsatz- und Hilfsstoffe, einschließlich des Kohlendioxids und Wasserstoffs kontinuierlich zugegeben. Entsprechend wird die Flüssigphase kontinuierlich aus dem Reaktor abgeführt, so dass der Flüssigkeitsstand im Reaktor im Mittel gleich bleibt. Bevorzugt ist die kontinu- ierliche Hydrierung von Kohlendioxid. The molar ratio of carbon dioxide to tertiary amine in the feed of the hydrogenation reactor is generally 0, 1 to 10 and preferably 0.5 to 3. In principle, all reactors which are fundamentally suitable for gas / liquid reactions under the given temperature and the given pressure can be used as hydrogenation reactors. Suitable standard reactors for liquid-liquid reaction systems are described, for example, in KD Henkel, "Reactor Types and Their Industrial Applications", in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, DOI: 10.1002 / 14356007. b04_087, chapter 3.3 "Reactors for gas-liquid reactions". Examples which may be mentioned stirred tank reactors, tubular reactors or bubble column reactors. The hydrogenation of carbon dioxide can be carried out batchwise or continuously in the process according to the invention. In the batchwise procedure, the reactor is equipped with the desired liquid and optionally solid feedstocks and auxiliaries, and then carbon dioxide and hydrogen are pressed to the desired pressure at the desired temperature. After the end of the reaction, the reactor is generally depressurized and the two liquid phases formed are separated from one another. In the continuous mode of operation, the feedstocks and auxiliaries, including carbon dioxide and hydrogen, are added continuously. Accordingly, the liquid phase is continuously removed from the reactor, so that the liquid level in the reactor remains the same on average. Preference is given to the continuous hydrogenation of carbon dioxide.
Die mittlere Verweilzeit im Hydrierreaktor beträgt im Allgemeinen 10 Minuten bis 5 Stunden. Die bei der Hydrierung von Kohlendioxid in Gegenwart des einzusetzenden Katalysators, des polaren Lösungsmittels und des tertiären Amins gebildeten Ameisensäu- re/Amin-Addukte weisen im Allgemeinen die allgemeine Formel (IIa) The average residence time in the hydrogenation reactor is generally 10 minutes to 5 hours. The formic acid / amine adducts formed in the hydrogenation of carbon dioxide in the presence of the catalyst to be used, the polar solvent and the tertiary amine generally have the general formula (IIa)
NR3R4R5 · Xi HCOOH (IIa), auf, in der die Reste R3 bis R5 den beim tertiären Amin (IVa) beschriebenen Resten entsprechen und x, 0,4 bis 5, bevorzugt 0,7 bis 1 ,6 beträgt. Die jeweiligen gemittelten Zusammensetzungen der Amin-Ameisensäureverhältnisse in den Produktphasen bei den jeweiligen Verfahrensschritten, d.h. der Faktor x,, lassen sich beispielsweise durch Bestimmung des Ameisensäuregehaltes durch Titration mit einer alkoholischen KOH- Lösung gegen Phenolphthalein und des Amingehaltes durch Gaschromatographie bestimmen. Die Zusammensetzung der Ameisensäure/Amin-Addukte, d.h. der Faktor x, kann sich während der verschiedenen Verfahrensschritte ändern. So bilden sich zum Beispiel im Allgemeinen nach der Entfernung des polaren Lösungsmittels Addukte mit einem höheren Ameisensäuregehalt mit x2 > Xi mit x2 1 bis 4 aus, wobei das überschüssige, freie Amin eine Zweitphase ausbilden kann. NR 3 R 4 R 5 · Xi HCOOH (IIa), in which the radicals R 3 to R 5 correspond to the radicals described for the tertiary amine (IVa) and x is from 0.4 to 5, preferably from 0.7 to 1.6. The respective average compositions of the amine-formic acid ratios in the product phases in the respective process steps, ie the factor x ,, can be determined, for example, by determining the formic acid content by titration with an alcoholic KOH solution against phenolphthalein and the amine content by gas chromatography. The composition of the formic acid / amine adducts, ie the factor x, can change during the different process steps. For example, adducts are generally formed after removal of the polar solvent a higher formic acid content with x 2 > Xi with x 2 1 to 4, wherein the excess, free amine can form a second phase.
Bei der Hydrierung von Kohlendioxid nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zwei Flüssigphasen gebildet. Die Unterphase ist mit den Ameisensäure/Amin-Addukten sowie dem polaren Lösungsmittel angereichert. Hinsichtlich der Ameisensäure/Amin- Addukte ist unter "angereichert" ein Verteilungskoeffizient der Ameisensäure/Amin- Addukte P = [Konzentration Ameisensäure/Amin-Addukt (II) in Flüssigphase (A)] / [Konzentration Ameisensäure/Amin-Addukt (II) in Flüssigphase (B)] von > 1 zu verstehen, wobei A und B die vorstehend angegebene Bedeutung haben. Bevorzugt liegt der Verteilungskoeffizient bei > 2 und besonders bevorzugt bei > 5. Die Oberphase ist mit dem tertiären Amin angereichert. Im Falle des Einsatzes eines homogenen Katalysators liegt dieser ebenfalls in der Oberphase angereichert vor. In the hydrogenation of carbon dioxide by the process according to the invention, two liquid phases are formed. The lower phase is enriched with the formic acid / amine adducts as well as the polar solvent. With regard to the formic acid / amine adducts, a distribution coefficient of the formic acid / amine adducts P = [concentration of formic acid / amine adduct (II) in liquid phase (A)] / [concentration of formic acid / amine adduct (II) in Liquid phase (B)] of> 1, where A and B have the meaning given above. Preferably, the distribution coefficient is> 2 and more preferably> 5. The upper phase is enriched with the tertiary amine. In the case of the use of a homogeneous catalyst this is also enriched in the upper phase.
Die beiden gebildeten Flüssigphasen werden beim erfindungsgemäßen Verfahren voneinander getrennt und die Oberphase zum Hydrierreaktor rückgeführt. Gegebenen- falls ist auch eine Rückführung einer über beiden Flüssigphasen vorhandenen weiteren Flüssigphase enthaltend nicht umgesetztes Kohlendioxid sowie einer Gasphase enthaltend nicht umgesetztes Kohlendioxid und/oder nicht umgesetzten Wasserstoff zum Hydrierreaktor vorteilhaft. Gegebenenfalls ist es beispielsweise zur Ausschleusung von unerwünschten Nebenprodukten oder Verunreinigungen wünschenswert, einen Teil der Oberphase und/oder einen Teil der Kohlendioxid oder Kohlendioxid und Wasserstoff enthaltenden flüssigen beziehungsweise gasförmigen Phasen aus dem Verfahren auszuschleusen. The two liquid phases formed are separated from one another in the process according to the invention and the upper phase is recycled to the hydrogenation reactor. Optionally, it is also advantageous to recycle a further liquid phase comprising both liquid phases containing unconverted carbon dioxide and a gas phase containing unconverted carbon dioxide and / or unreacted hydrogen to the hydrogenation reactor. Optionally, for example, it is desirable for the discharge of unwanted by-products or impurities, auszuschleusen a portion of the upper phase and / or a portion of the carbon dioxide or carbon dioxide and hydrogen-containing liquid or gaseous phases from the process.
Die Trennung der beiden Flüssigphasen erfolgt im Allgemeinen durch gravimetrische Phasentrennung. Als Phasentrenngefäße sind beispielsweise Standardapparaturen und Standardmethoden geeignet, welche sich zum Beispiel in E. Müller et al. , "Liquid- Liquid Extraction", in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, DOI:10.1002/14356007.b03_06, Kapitel 3 "Apparatus" finden lassen. Im Allgemeinen ist die mit den Ameisensäure/Amin-Addukten sowie dem polaren Lösungsmittel angereicherte Flüssigphase schwerer und bildet die Unterphase. The separation of the two liquid phases is generally carried out by gravimetric phase separation. Suitable phase separation vessels are, for example, standard apparatuses and standard methods, which are described, for example, in E. Müller et al. , "Liquid Liquid Extraction", in Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, DOI: 10.1002 / 14356007.b03_06, Chapter 3 "Apparatus". In general, the liquid phase enriched with the formic acid / amine adducts as well as the polar solvent is heavier and forms the lower phase.
Die Phasentrennung kann beispielsweise nach Entspannung, beispielsweise auf etwa oder nahe Atmosphärendruck, und Abkühlung des flüssigen Reaktionsgemischs, beispielsweise auf etwa oder nahe Umgebungstemperatur, erfolgen. Allerdings ist dabei zu befürchten, dass zumindest ein Teil des bei dem höherem Reaktionsdruck in den Flüssigphasen gelösten Gases, insbesondere Kohlendioxid, bei der Entspannung entgast und als Gasstrom separat zu verdichten und zum Hydrierreaktor rückzuführen ist. Ebenso ist auch die Unterphase vor der Rückführung zum Hydrierreaktor separat auf Reaktionsdruck zu bringen. Dabei ist für die rückzuführende Gas- und Flüssigphase jeweils ein geeigneter, entsprechend der zu überwindenden Druckdifferenz ausgelegter Verdichter bzw. eine Pumpe vorzusehen, welche im Betrieb zudem zusätzliche Energie verbraucht. The phase separation can be carried out, for example, after relaxation, for example to about or near atmospheric pressure, and cooling of the liquid reaction mixture, for example to about or near ambient temperature. However, it is to be feared that at least part of the at the higher reaction pressure in the Liquid phases of dissolved gas, in particular carbon dioxide, degassed in the relaxation and to compress separately as a gas stream and is recirculated to the hydrogenation reactor. Likewise, the lower phase before being returned to the hydrogenation reactor separately to bring to reaction pressure. In this case, a suitable, designed according to the pressure difference to be overcome designed compressor or a pump, which also consumes additional energy during operation for the recirculating gas and liquid phase.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass sich bei dem vorliegen- den System, das heißt, einer mit den Ameisensäure/Amin-Addukten sowie dem polaren Lösungsmittel angereicherten Unterphase und einer mit dem tertiären Amin und im Falle des Einsatzes eines homogenen Katalysators auch mit diesem angereicherten Oberphase, beide Flüssigphasen bei geeigneter Kombination des Lösungsmittels und des Amins sich auch bei einem deutlich erhöhten Druck sehr gut voneinander trennen können. Daher ist beim erfindungsgemäßen Verfahren das Lösungsmittel und das Amin bevorzugt so auszuwählen, dass die Trennung der einen, mit den Ameisensäure/Amin-Addukten und dem polaren Lösungsmittel angereicherte Unterphase von der anderen, mit dem tertiären Amin angereicherten Oberphase, sowie die Rückführung der Oberphase zum Hydrierreaktor bei einem Druck von 1 bis 30 MPa abs durchge- führt werden kann. Gemäß dem Gesamtdruck im Hydrierreaktor, liegt der Druck bei bevorzugt höchstens 15 MPa abs. So kann es sogar möglich sein, ohne vorhergehende Entspannung beide Flüssigphasen voneinander zu trennen und die Oberphase ohne nennenswerte Druckerhöhung zum Hydrierreaktor zurückzuführen. In diesem Falle, sowie auch im Falle einer nur geringfügigen Entspannung ist es möglich, auf eine Rückführung einer etwaigen Gasphase gänzlich zu verzichten. Ob dieser Verzicht für das jeweils konkrete System möglich ist, ist im Zweifel vorab durch einfache experimentelle Beispiele zu ermitteln. In the context of the present invention, it has been found that in the present system, that is to say a subphase enriched with the formic acid / amine adducts and the polar solvent, and also with the tertiary amine and in the case of the use of a homogeneous catalyst This enriched upper phase, both liquid phases with a suitable combination of the solvent and the amine can be separated very well even at a significantly increased pressure. Therefore, in the process according to the invention, the solvent and the amine are preferably to be selected so that the separation of the one, enriched with the formic acid / amine adducts and the polar solvent lower phase of the other, enriched with the tertiary amine upper phase, and the return of the upper phase to Hydrogenating reactor can be carried out at a pressure of 1 to 30 MPa abs. According to the total pressure in the hydrogenation reactor, the pressure is preferably at most 15 MPa abs. Thus, it may even be possible to separate both liquid phases from each other without prior relaxation and to recycle the upper phase to the hydrogenation reactor without appreciable pressure increase. In this case, as well as in the case of only slight relaxation, it is possible to completely renounce a return of any gas phase. Whether this waiver is possible for the respective concrete system is to be determined in case of doubt beforehand by simple experimental examples.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit bevorzugt in der Weise durchgeführt werden, dass der Druck im Hydrierreaktor und im Phasentrenngefäß gleich oder annähernd gleich ist. The process according to the invention can thus preferably be carried out in such a way that the pressure in the hydrogenation reactor and in the phase separation vessel is the same or approximately the same.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit bevorzugt in der Weise durchgeführt werden, dass der Druck und die Temperatur im Hydrierreaktor und im Phasentrennge- fäß gleich oder annähernd gleich sind, wobei unter annähernd gleich vorliegend ein Druckunterschied von bis zu +/- 0,5 MPa bzw. ein Temperaturunterschied von bis zu +/- 5 °C verstanden wird. The process according to the invention can thus preferably be carried out in such a way that the pressure and the temperature in the hydrogenation reactor and in the phase separation vessel are the same or approximately the same, whereby a pressure difference of up to +/- 0.5 MPa or approximately a temperature difference of up to +/- 5 ° C is understood.
Besonders bevorzugt erfolgt die Phasentrennung bei einem Druck von mindestens 50 %, ganz besonders bevorzugt von mindestens 90 % und insbesondere von mindes- "-gktionsdrucks. Der Druck bei der Phasentrennung liegt besonders bevorzugt bei höchstens 105 % und ganz besonders bevorzugt bei höchstens 100 % des Reaktionsdrucks. Particularly preferably, the phase separation takes place at a pressure of at least 50%, very particularly preferably of at least 90% and in particular of at least "-gpression pressure. The pressure during the phase separation is particularly high preferably at most 105% and most preferably at most 100% of the reaction pressure.
Überraschenderweise wurde auch gefunden, dass sich bei dem vorliegenden System beide Flüssigphasen auch bei einer erhöhten Temperatur, die der Reaktionstemperatur entspricht, sehr gut voneinander trennen können. Insofern ist zur Phasentrennung auch keine Abkühlung und anschließende Aufheizung der rückzuführenden Oberphase erforderlich, was ebenfalls Energie einspart. Die Erkenntnisse zur Phasentrennung unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur werden noch dadurch übertroffen, dass gerade die Oberphase gemäß des erfindungsgemäßen Systems unter Druck durch geeignete Wahl des Amins und des polaren Lösungsmittels eine besonders hohe Aufnahmekapazität für Kohlendioxid aufweisen kann. Dies heißt, dass eventuell überschüssiges, in der Hydrierreaktion nicht umge- setztes Kohlendioxid stark bevorzugt in der Oberphase vorliegt und somit problemlos als Flüssigkeit zum Reaktor rückgeführt werden kann. Surprisingly, it has also been found that in the present system both liquid phases can separate very well even at an elevated temperature which corresponds to the reaction temperature. In this respect, the phase separation also no cooling and subsequent heating of the recirculating upper phase is required, which also saves energy. The findings for the phase separation under elevated pressure and elevated temperature are exceeded even more that just the upper phase according to the inventive system under pressure by suitable choice of the amine and the polar solvent can have a particularly high absorption capacity for carbon dioxide. This means that any excess carbon dioxide which is not reacted in the hydrogenation reaction is very preferably present in the upper phase and can thus be recycled without problems as a liquid to the reactor.
Der Großteil des polaren Lösungsmittels der abgetrennten Unterphase wird in einer Destillationseinheit thermisch von den Ameisensäure/Amin-Addukten abgetrennt, wo- bei das destillativ entfernte polare Lösungsmittel zum Hydrierreaktor rückgeführt wird. Im Sumpf der Destillationseinheit fallen die reinen Ameisensäure/Amin-Addukte sowie freies Amin an, da sich bei der Entfernung des polaren Lösungsmittels Ameisensäure/Amin-Addukte mit niedrigerem Amingehalt bilden, wodurch sich ein zweiphasiges Sumpfgemisch bestehend aus einer Amin- und einer Ameisensäure/Amin-Addukt- Phase bildet (Figur 2). The majority of the polar solvent of the separated lower phase is thermally separated from the formic acid / amine adducts in a distillation unit, whereby the polar solvent removed by distillation is recycled to the hydrogenation reactor. The pure formic acid / amine adducts and free amine are obtained in the bottom of the distillation unit, since formic acid / amine adducts with a lower amine content are formed during the removal of the polar solvent, resulting in a two-phase bottom mixture consisting of an amine and a formic acid / amine Adduct phase forms (Figure 2).
Die thermische Trennung des polaren Lösungsmittels oder -gemisches, siehe oben, erfolgt bevorzugtermaßen bei einer Sumpftemperatur, bei welcher sich bei gegebenem Druck keine freie Ameisensäure aus dem Ameisensäure/Amin-Addukt mit dem höhe- ren (x1) oder niedrigerem (x2) Amingehalt bildet. Im Allgemeinen beträgt die Sumpftemperatur der thermischen Abtrenneinheit mindestens 20 °C, bevorzugtermaßen mindestens 50 °C und besonders bevorzugtermaßen mindestens 70 °C sowie im Allgemeinen höchstens 210 °C, bevorzugtermaßen höchstens 190 °C. Der Druck beträgt dabei im Allgemeinen mindestens 0,0001 MPa abs, bevorzugt mindestens 0,005 MPa abs und besonders bevorzugt mindestens 0,01 MPa abs sowie im Allgemeinen höchstens 1 MPa abs und bevorzugtermaßen 0, 1 MPa abs. The thermal separation of the polar solvent or mixture, see above, is preferably carried out at a bottom temperature at which no free formic acid forms from the formic acid / amine adduct having the higher (x1) or lower (x2) amine content at a given pressure , Generally, the bottom temperature of the thermal separation unit is at least 20 ° C, preferably at least 50 ° C and more preferably at least 70 ° C, and generally at most 210 ° C, more preferably at most 190 ° C. The pressure is generally at least 0.0001 MPa abs, preferably at least 0.005 MPa abs and more preferably at least 0.01 MPa abs and generally at most 1 MPa abs and preferably 0, 1 MPa abs.
Die thermische Abtrennung des polaren Lösungsmittels oder -gemisches erfolgt entweder in einem Verdampfer oder in einer Destillationseinheit, bestehend aus Verdamp- fer und Kolonne, gefüllt mit Packung, Füllkörpern und/oder Böden. Das Lösungsmittel , -^_.rT1jSC|ien -rrennung kondensiert werden, wobei wiederum die dabei freiwerdende Kondensationsenthalpie genutzt werden kann, um beispielsweise das aus der Extraktion kommende Lösungsmittel mit Amin/Ameisensäureaddukt-Gemisch auf Abdampftemperatur vorzuwärmen (Figur 1). Alternativ können auch nur Teile des Lösungsmittelgemisches abgetrennt werden. Es ist auch möglich, das polare Lösungsmittel erst in Teilschritt VI abzutrennen und in die Hydrierstufe I zurückzuführen. The thermal separation of the polar solvent or mixture takes place either in an evaporator or in a distillation unit, consisting of evaporator and column, filled with packing, packing and / or trays. The solvent, - ^ _. rT1 j SC | ien- r rennun g be condensed, again with the liberated condensation enthalpy can be used, for example, to preheat the solvent coming from the extraction with amine / formic acid adduct mixture to the evaporation temperature (FIG. 1). Alternatively, only parts of the solvent mixture can be separated. It is also possible to separate the polar solvent only in substep VI and to return it to the hydrogenation stage I.
Die Lösung des Addukts aus tertiärem Amin und Ameisensäure wird mit aus den ent- sprechenden Phasentrenngefäßen stammendem Strömen von freiem tertiärem Amin extrahiert und in den Hydrierreaktor rückgeführt. Dies geschieht, um Restmengen an Hydrierkatalysator aus dem Produktstrom abzutrennen. Diese Extraktion ermöglicht eine effiziente Rückgewinnung des teuren, aktiven Edelmetallkatalysators für die Hydrierreaktion. The solution of tertiary amine adduct and formic acid is extracted with free tertiary amine streams from the appropriate phase separation vessels and recycled to the hydrogenation reactor. This is done to separate residual amounts of hydrogenation catalyst from the product stream. This extraction allows efficient recovery of the expensive, active noble metal catalyst for the hydrogenation reaction.
Die Extraktion erfolgt bei Temperaturen von 30 bis 100 °C und Drücken von 0, 1 bis 8 MPa. Die Extraktion kann auch unter Wasserstoffdruck durchgeführt werden. The extraction takes place at temperatures of 30 to 100 ° C and pressures of 0, 1 to 8 MPa. The extraction can also be carried out under hydrogen pressure.
Die Extraktion des Hydrierkatalysators kann in jeder geeigneten, dem Fachmann be- kannten Vorrichtung durchgeführt werden, bevorzugt in Gegenstrom-Extraktionskolonnen, Mixer-Settler-Kaskaden oder Kombinationen von Mixer-Settlern. The extraction of the hydrogenation catalyst can be carried out in any suitable apparatus known to the person skilled in the art, preferably in countercurrent extraction columns, mixer-settler cascades or combinations of mixer-settlers.
Unter Umständen werden neben dem Katalysator Anteile einzelner Komponenten des polaren Lösungsmittels aus der zu extrahierenden Flüssigphase im Extraktionsmittel, dem Aminstrom, gelöst. Dies ist für das Verfahren kein Nachteil, da die bereits extrahierte Menge an Lösungsmittel nicht der Lösungsmittelabtrennung zugeführt werden muss und somit unter Umständen Verdampfungsenergie einspart. In certain circumstances, in addition to the catalyst, portions of individual components of the polar solvent from the liquid phase to be extracted in the extraction agent, the amine stream, are dissolved. This is not a disadvantage for the process, since the already extracted amount of solvent does not have to be supplied to the solvent removal and thus may save evaporation energy.
Es kann vorteilhaft sein, zwischen der Extraktionsapparatur und der thermischen Trennvorrichtung eine Vorrichtung zur Adsorption von Spuren von Hydrierkatalysator zu integrieren. Zahlreiche Adsorptionsmittel sind für die Adsorption geeignet. Beispiele hierfür sind Polyacrylsäure und deren Salze, sulfonierte Polystyrole und deren Salze, Aktivkohlen, Montmorillonite, Bentonite, Kieselgele sowie Zeolithe. Falls die Menge an Hydrierkatalysator im Produktstrom des Phasentrenngefäßes II kleiner als 1 ppm, insbesondere kleiner als 0.1 ppm ist, reicht die Adsorptionsvorrichtung für die Abtrennung des Hydrierkatalysators und seine Rückgewinnung aus. Dann kann die Extraktionsstufe entfallen und das tertiäre Amin zusammen mit dem organischen Lösungsmittel in die Hydrierstufe zurückgeführt werden. Anschließend werden die Ameisensäure-Addukte der Formel (IIa) mit Ammoniak (F und R2 in Formel (lila) = Wasserstoff) oder Aminen der Formel (lila) zu Formamiden der Formel (la), tertiären Aminen IVa und Wasser umgesetzt: It may be advantageous to integrate a device for adsorbing traces of hydrogenation catalyst between the extraction apparatus and the thermal separation device. Many adsorbents are suitable for adsorption. Examples include polyacrylic acid and its salts, sulfonated polystyrenes and their salts, activated carbons, montmorillonites, bentonites, silica gels and zeolites. If the amount of hydrogenation catalyst in the product stream of the phase separation vessel II is less than 1 ppm, in particular less than 0.1 ppm, the adsorption device is sufficient for the separation of the hydrogenation catalyst and its recovery. Then, the extraction step can be omitted and the tertiary amine can be recycled together with the organic solvent in the hydrogenation. The formic acid adducts of the formula (IIa) are then reacted with ammonia (F and R 2 in formula (IIIa) = hydrogen) or amines of the formula (IIIa) to formamides of the formula (Ia), tertiary amines IVa and water:
^ R1 . . R1. ,
NR3R4R5 . X| HCOOH + xt HN H - IC - N ../. R1 + NR3R4R5 + H20 NR 3 R 4 R 5 . X | HCOOH + x t HN H - IC - N ../. R1 + NR 3 R 4 R 5 + H 2 0
R2 R2 R2 R2
I a IVa I a IVa
(Xi = 0,4 - 5) (Xi = 0.4 - 5)
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Umsetzung in Gegenwart des im Hydrierreaktor eingesetzten polaren Lösungsmittels durchgeführt. Dabei wird bevorzugt die gesamte, im Reaktor ankommende Menge an polarem Lösungsmittel verwendet. In a preferred embodiment of the invention, the reaction is carried out in the presence of the polar solvent used in the hydrogenation reactor. In this case, the entire amount of polar solvent arriving in the reactor is preferably used.
Die Umsetzung wird bevorzugt bei Temperaturen von 80 bis 200 °C, bevorzugt 100 bis 180 °C, besonders bevorzugt 120 bis 170 °C durchgeführt. Der Druck beträgt dabei 0,01 bis 10 MPa, bevorzugt 0,1 bis 7 MPa, besonders bevorzugt 0,2 bis 5 MPa. The reaction is preferably carried out at temperatures of 80 to 200 ° C, preferably 100 to 180 ° C, particularly preferably 120 to 170 ° C. The pressure is 0.01 to 10 MPa, preferably 0.1 to 7 MPa, particularly preferably 0.2 to 5 MPa.
Die Umsetzung kann auch bei Temperaturen von 0 bis 80 °C in den angegebenen Druckbereichen durchgeführt werden. Dabei entstehen Reaktionsausträge, die neben Formamiden der Formel la ganz überwiegend als Zwischenstufe Formiate der Formel Va, d.h. Addukte von Ameisensäure mit Ammoniak oder einem Amin der Formel (lila) enthalten. The reaction can also be carried out at temperatures of 0 to 80 ° C in the specified pressure ranges. This results in reaction effluents, in addition to formamides of the formula Ia, predominantly as intermediate formates of the formula Va, i. Adducts of formic acid with ammonia or an amine of the formula (IIIa).
NHR! R2 · χ HCOOH (Va). NHR ! R 2 · χ HCOOH (Va).
Diese Gemische lassen sich bei Temperaturen zwischen 80 und 200 °C wie die Addukte (IIa) in Formamide der Formel (la) überführten. These mixtures can be converted at temperatures between 80 and 200 ° C as the adducts (IIa) in formamide of formula (Ia).
Das Mol-Verhältnis von Ameisensäure in Addukt IIa zu Ammoniak oder Amin lila beträgt dabei 1 zu 5, bevorzugt 1 zu 2, besonders bevorzugt 1 zu 1. Die Umsetzung kann diskontinuierlich, bevorzugt aber kontinuierlich durchgeführt werden. The molar ratio of formic acid in adduct IIa to ammonia or amine III is 1 to 5, preferably 1 to 2, particularly preferably 1 to 1. The reaction can be carried out batchwise, but preferably continuously.
Die Synthese der Formamide la kann in Standardreaktoren durchgeführt werden, wie sie beispielsweise in K. D. Henkel, "Reactor Types and their Industrial Applications" in Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag, Kapitel 3.3 angegeben sind. Als Beispiele seien Rührkesselreaktoren, Rohrreaktoren oder Blasen- säulenreaktoren genannt. The synthesis of formamides 1a can be carried out in standard reactors, as described, for example, in KD Henkel, "Reactor Types and their Industrial Applications" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag, Chapter 3.3 are indicated. Examples which may be mentioned stirred tank reactors, tubular reactors or bubble column reactors.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Teil oder die gesamte Menge an polarem Lösungsmittel vor der Zuführung zum Formamid-Reaktor destillativ entfernt und in den Hydrierreaktor (I) zurückgeführt. Die entfernte Menge an polarem Lösungsmittel kann dabei 25 bis 99 %, bevorzugt 35 bis 97 %, besonders bevorzugt 50 bis 95 % der im Strom vor der Zuführung zum Reaktor enthaltenen Menge an polarem Lösungsmittel betragen. In a further preferred embodiment of the invention, part or all of the polar solvent is removed by distillation before being fed to the formamide reactor and recycled to the hydrogenation reactor (I). The amount of polar solvent removed can be from 25 to 99%, preferably from 35 to 97%, particularly preferably from 50 to 95%, of the amount of polar solvent present in the stream before being fed to the reactor.
Diese Verfahrensvariante ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn man als polare Lösungsmittel bei der Hydrierung von Kohlendioxid primäre Alkohole wie Methanol zusammen mit Wasser verwendet. Es ist prinzipiell auch möglich und kann vorteilhaft sein, im Hydrierschritt im Hydrierreaktor I ein anderes polares Lösungsmittel als im Amidierungsschritt, im Reaktor IV, zu verwenden. Hierzu wird das polare Lösungsmittel aus der Hydrierung abgetrennt und in den Hydrierreaktor I recycliert. In die Amidierungsstufe wird in Reaktor IV ein von dem im Hydrierschritt eingesetztes, verschiedenes polares Lösungsmittel eingesetzt, das nach erfolgter Amidierung wieder abgetrennt und in dem Reaktor IV, in dem die Amidierung durchgeführt wird, recycliert wird. So kann beispielsweise die Kohlendioxid- Hydrierung in Gegenwart von Methanol und Wasser und die Umsetzung des Adduktes (IIa) mit Ammoniak in Gegenwart von Sulfolan durchgeführt werden. Als für die Amidierung besonders geeignete polare Lösungsmittel kommen beispielsweise Sulfone, Sulfoxide oder offenkettige oder cyclische Amide in Frage. This process variant is advantageous, for example, when used as the polar solvent in the hydrogenation of carbon dioxide primary alcohols such as methanol together with water. It is also possible in principle and may be advantageous to use a polar solvent other than the amidation step, in the reactor IV, in the hydrogenation step in the hydrogenation reactor I. For this purpose, the polar solvent is separated from the hydrogenation and recycled to the hydrogenation reactor I. In the amidation stage, a different polar solvent used in the hydrogenation step is used in reactor IV, which is separated again after amidation and in the reactor IV, in which the amidation is carried out, is recycled. Thus, for example, the carbon dioxide hydrogenation in the presence of methanol and water and the reaction of the adduct (IIa) can be carried out with ammonia in the presence of sulfolane. Suitable polar solvents for the amidation are, for example, sulfones, sulfoxides or open-chain or cyclic amides.
Die Destillation kann bei Abtrennung von niedrigsiedenden polaren Lösungsmitteln wie den einwertigen Alkoholen Methanol, Ethanol, Propanolen und Butanolen bei Normaldruck oder im Vakuum erfolgen. Dagegen ist bei Verwendung von Diolen als polaren Lösungsmitteln das Arbeiten im Vakuum bevorzugt. The distillation can be carried out in the separation of low-boiling polar solvents such as the monohydric alcohols methanol, ethanol, propanols and butanols at atmospheric pressure or in vacuo. In contrast, when using diols as polar solvents, working in a vacuum is preferred.
Als Destillationseinheiten kommen je nach Trennproblem unterschiedliche Apparate in Frage. Bei weit auseinanderliegenden Siedepunkten des Addukts IIa und des polaren Lösungsmittels können z. B. Verdampfer wie Fallfilmverdampfer verwendet werden. Die einzusetzende Destillationseinheit umfasst jedoch im Allgemeinen eine Destillationskolonne, die Füllkörper, Packungen und/oder Böden enthält. Depending on the separation problem, different apparatus can be used as distillation units. At far apart boiling points of the adduct IIa and the polar solvent can, for. B. evaporators such as falling film evaporator can be used. However, the distillation unit to be used generally comprises a distillation column containing packing, packing and / or trays.
Bei der Umsetzung von Ameisensäure-Addukten der Formel (IIa) mit Ammoniak oder Aminen der Formel (lila) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden sowohl in Gegenwart als auch in Abwesenheit von polaren Lösungsmitteln zwei Flüssigphasen C —, — '-'■■jSSjgp|-iase C ist mit dem Formamid der Formel (la), Wasser und gegebenenfalls nicht umgesetztem Ammoniak oder Amin lila angereichert. Hinsichtlich des Formamids der Formel (la) ist unter angereichert ein Verteilungskoeffizient In the reaction of formic acid adducts of the formula (IIa) with ammonia or amines of the formula (IIIa) according to the inventive method, both in the presence and in the absence of polar solvents, two liquid phases C -, - '-' ■■ j SS jgp | -iase C is linked to the formamide of formula (Ia), water and optionally unreacted ammonia or amine enriched purple. With regard to the formamide of the formula (Ia), a distribution coefficient is enriched under
P = [Konzentration des Formamids der Formel (la) in Flüssigphase C / P = [concentration of formamide of formula (Ia) in liquid phase C /
[Konzentration des Formamids der Formel (la) in Flüssigphase D von > 1 zu verstehen. Bevorzugt liegt der Verteilungskoeffizient bei > 2 und besonders bevorzugt bei > 5. Die Flüssigphase D ist mit dem tertiären Amin angereichert, das aus dem Addukt II a hervorgeht. To understand the concentration of the formamide of formula (Ia) in liquid phase D of> 1. Preferably, the distribution coefficient is> 2, and more preferably> 5. The liquid phase D is enriched with the tertiary amine resulting from the adduct II a.
Die beiden gebildeten Flüssigphasen C und D werden beim erfindungsgemäßen Verfahren voneinander getrennt. Die Flüssigphase D wird in die Extraktionsvorrichtung zurückgeführt und dient dort zur Extraktion von Restmengen an homogenem, gelöstem Hydrierkatalysator. Gegebenenfalls ist es beispielsweise zur Ausschleusung von uner- wünschten Nebenprodukten oder Verunreinigungen wünschenswert, einen Teil der Flüssigphasen C oder D aus dem Verfahren auszuschleusen. The two liquid phases C and D formed are separated from one another in the process according to the invention. The liquid phase D is returned to the extraction apparatus and serves there for the extraction of residual amounts of homogeneous, dissolved hydrogenation catalyst. If appropriate, it is desirable, for example, for discharging unwanted by-products or impurities, to remove some of the liquid phases C or D from the process.
Die Trennung der beiden Flüssigphasen C und D erfolgt im Allgemeinen durch gravi- metrische Phasentrennung. Geeignet hierzu sind beispielsweise Standardapparaturen und Standardmethoden, welche sich zum Beispiel in E. Müller et. AI., "Liquid-Liquid Extraction", in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, DOI: 10.1002/14356007. b03_06, Kapitel 3 "Apparatus" finden lassen. Die Phasentrennung kann beispielsweise nach Entspannung, beispielsweise auf etwa oder nahe Atmosphärendruck, und Abkühlung des flüssigen Reaktionsgemischs, beispielsweise auf etwa oder nahe Umgebungstemperatur, erfolgen. The separation of the two liquid phases C and D is generally carried out by gravimetric phase separation. Suitable for this purpose are, for example, standard apparatus and standard methods, which are described, for example, in E. Müller et. Al., "Liquid-Liquid Extraction," in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, DOI: 10.1002 / 14356007. b03_06, Chapter 3 "Apparatus". The phase separation can be carried out, for example, after relaxation, for example to about or near atmospheric pressure, and cooling of the liquid reaction mixture, for example to about or near ambient temperature.
Die Flüssigphase C wird in eine Destillationseinheit VI geleitet und dort destillativ auf- gearbeitet. Sie enthält das Zielprodukt Formamid der Formel (la), gegebenenfalls nicht umgesetzten Ammoniak oder Amin der Formel (lila), Reaktionswasser und polare Lösungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe Methanol, Ethanol, Propanole oder Butanole oder aus der Gruppe der Diole. In einer Variante dieses Verfahrens werden die polaren Lösungsmittel vor der Zuführung zum Formamid-Reaktor abgetrennt und in die Hyd- rierstufe I zurückgeführt. The liquid phase C is passed into a distillation unit VI and worked up there by distillation. It contains the target product formamide of the formula (Ia), optionally unreacted ammonia or amine of the formula (IIIa), water of reaction and polar solvents selected from the group of methanol, ethanol, propanols or butanols or from the group of diols. In a variant of this process, the polar solvents are separated before being fed to the formamide reactor and recycled to the hydrogenation stage I.
Die Destillationseinheit VI besteht aus mindestens einer, bevorzugt zwei bis drei Destillationskolonnen. Diese Kolonnen enthalten je nach den Trennproblemen z. B. Füllkörper, Packungen und/ oder Böden. Wurden die polaren Lösungsmittel nicht zuvor abgetrennt, so ist bei Ethanol das Ethanol/ Wasser- und Propanol/Wasser-Homoazeotrop und bei Butanolen sind Heteroazeotrope zu beachten. Das Reaktionswasser wird aus dem Verfahren ausgeschleust. Polare Lösungsmittel werden in die Hydrierstufe, nicht umgesetzter Ammoniak und nicht umgesetzte Amine III a in den Reaktor zurückgeführt. Die Zielprodukte, die Form- amide der Formel (la), werden aus dem Verfahren ausgeschleust und, wenn notwendig, einer bevorzugt destillativen Feinreinigung zugeführt. The distillation unit VI consists of at least one, preferably two to three distillation columns. These columns contain, depending on the separation problems z. B. packing, packages and / or floors. If the polar solvents have not previously been separated off, the ethanol / water and propanol / water homoazeotrope in the case of ethanol and heteroazeotrope in the case of butanols are to be taken into account. The water of reaction is discharged from the process. Polar solvents are recycled to the hydrogenation stage, unreacted ammonia and unreacted amines III a to the reactor. The target products, the formamides of the formula (Ia), are discharged from the process and, if necessary, fed to a preferably distillative fine purification.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Addukte der Formel (IIa), Formiate der Formel (Va) oder Gemische aus Addukten der Formel (IIa) und Formiaten der Fomel (Va) mit Aminen der Formel (lila), bevorzugt mit Ammoiak und polaren Lösungsmitteln unter Destillationsbedingungen umgesetzt. Die Reaktion erfolgt in einer Destillationsvorrichtung beispielsweise einem Destillationskolben mit aufgesetzter Destillationskolonne. Als unpolare Lösungsmittel können aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, wie n-Heptan, n-Hexan, Cyclohexan, Methylcyclohexan, Toluol, Ethylbenzol, Ortho-, meta- und para-Xylol und Gemische dieser Verbindungen verwendet werden. Diese Verbindungen bilden Heteroazeotrope mit Wasser. Die Sumpftemperaturen dieser Destillation betragen 80 bis 200 °C, bevorzugt 110 bis 200 °C, besonders bevorzugt 135 bis 190 °C. Der Druck beträgt 0,01 MPa bis 10 MPa, bevorzugt 0,1 MPa bis 7 MPa, besonders bevorzugt 0,2 bis 5 MPa. Das Reaktionswasser wird zusammen mit dem polaren Lösungsmittel abdestilliert. Aus dem bei der Kondensation entstehenden flüssigen zweiphasigen Gemisch wird Wasser abgetrennt und ausgeschleust, das unpolare Lösungsmittel in die Destillation zurückgeführt. Das Sumpfprodukt der Destillation wird aufgearbeitet. Formamid der Formel (la) wird von tertiärem Amin der Formel IVa getrennt. Das tertiäre Amin IVa wird in die Hydrierstufe I zurückgeführt. In a further preferred embodiment, adducts of the formula (IIa), formates of the formula (Va) or mixtures of adducts of the formula (IIa) and formates of the formula (Va) with amines of the formula (IIIa), preferably with ammonia and polar solvents Implemented distillation conditions. The reaction takes place in a distillation apparatus, for example a distillation flask with attached distillation column. Aliphatic, cycloaliphatic or aromatic hydrocarbons, such as n-heptane, n-hexane, cyclohexane, methylcyclohexane, toluene, ethylbenzene, ortho, meta and para xylene and mixtures of these compounds can be used as nonpolar solvents. These compounds form heteroazeotrope with water. The bottom temperatures of this distillation are 80 to 200 ° C, preferably 110 to 200 ° C, particularly preferably 135 to 190 ° C. The pressure is 0.01 MPa to 10 MPa, preferably 0.1 MPa to 7 MPa, more preferably 0.2 to 5 MPa. The water of reaction is distilled off together with the polar solvent. From the resulting in the condensation liquid two-phase mixture, water is separated and discharged, the non-polar solvent returned to the distillation. The bottom product of the distillation is worked up. Formamide of the formula (Ia) is separated from tertiary amine of the formula IVa. The tertiary amine IVa is recycled to the hydrogenation stage I.
Besondere Vorteile besitzt das erfindungsgemäße Verfahren, wenn man eine groß- technische Produktionsanlage mit "economy of scale" zur Herstellung von Addukten der Formel (IIa) aus tertiären Aminen und Ameisensäure baut, die für die Herstellung von Ameisensäure und von Formamiden I a genutzt wird. The process according to the invention has particular advantages when constructing a large-scale production plant with "economy of scale" for the preparation of adducts of the formula (IIa) from tertiary amines and formic acid, which is used for the production of formic acid and of formamides I a.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeich- nung näher erläutert. Ausführungsbe The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments and a drawing. Ausführungsbe
1. Kohlendioxid-Hydrierung (im Hydrierreaktor I) und Phasentrennung des Austrags aus dem Hydrierreaktor (im Phasentrenngefäß II) (Beispiele A1 bis A4) 1. Carbon dioxide hydrogenation (in the hydrogenation reactor I) and phase separation of the discharge from the hydrogenation reactor (in the phase separation vessel II) (Examples A1 to A4)
Ein 250 ml_ Autoklav aus Hastelloy C, ausgestattet mit einem Magnetrührstab, wurde unter Inertbedingungen mit dem in der nachfolgenden Tabelle 1 jeweils angegebenen tertiären Amin, polaren Lösungsmittel und homogenen Katalysator befüllt. Anschließend wurde der Autoklav verschlossen und bei Raumtemperatur C02 aufgepresst. Nachfolgend wurde H2 aufgepresst und der Reaktor unter Rühren (700 U/min) erwärmt. Nach der entsprechenden Reaktionszeit wurde der Autoklav abgekühlt und das Reaktionsgemisch entspannt. Es wurde ein zweiphasiges Produktgemisch erhalten, wobei die obere Phase mit freiem tertiärem Amin und dem homogenen Katalysator, und die untere Phase mit dem polaren Lösungsmittel und dem gebildeten Ameisensäu- re/Amin-Addukt angereichert war. Der Gesamtgehalt an Ameisensäure im Ameisen- säure/Amin-Addukt wurde durch Titration mit 0,1 N KOH in Methanol potentiometrisch mit einem Mettler Toledo DL50®-Titrator bestimmt. Daraus wurden die Turn-Over Frequency (TOF) und die Reaktionsrate berechnet. Die Zusammensetzung der beiden Phasen wurde durch Gaschromatographie bestimmt. Der Rutheniumgehalt wurde per Atomabsorptions-Spektroskopie (AAS) bestimmt. Die Parameter und Ergebnisse der einzelnen Versuche sind in Tabelle 1 wiedergeben. A 250 ml Hastelloy C autoclave equipped with a magnetic stirrer bar was charged under inert conditions with the tertiary amine, polar solvent and homogeneous catalyst indicated in Table 1 below. The autoclave was then closed and pressed at room temperature C0 2 . Subsequently, H 2 was pressed in and the reactor was heated with stirring (700 rpm). After the appropriate reaction time, the autoclave was cooled and the reaction mixture was depressurized. A biphasic product mixture was obtained in which the upper phase was enriched with free tertiary amine and the homogeneous catalyst, and the lower phase with the polar solvent and the formic acid / amine adduct formed. The total content of formic acid in the formic acid / amine adduct was determined by titration with 0.1 N KOH in methanol potentiometrically using a Mettler Toledo DL50 titrator ®. From this, the turn-over frequency (TOF) and the reaction rate were calculated. The composition of the two phases was determined by gas chromatography. The ruthenium content was determined by atomic absorption spectroscopy (AAS). The parameters and results of the individual experiments are given in Table 1.
Die beiden flüssigen Phasen wurden in einem Scheidetrichter voneinander getrennt. Die Beispiele A-1 bis A-4 zeigen, dass hohe bis sehr hohe Reaktionsraten von bis zu 0,98 mol kg"1 h"1 (Reaktionsrate = mol Ameisensäure / (kg Auswaage Reaktionsaustrag x h Reaktionszeit) erzielt werden. Alle untersuchten Systeme bildeten zwei Phasen, wobei die obere Phase jeweils mit dem freien tertiären Amin und dem homogenen Katalysator, und die untere Phase jeweils mit dem polaren Lösungsmittel und dem gebil- deten Ameisensäure/Amin-Addukt angereichert war. The two liquid phases were separated in a separatory funnel. Examples A-1 to A-4 show that high to very high reaction rates of up to 0.98 mol kg "1 h " 1 (reaction rate = mol of formic acid / (kg weight reaction output xh reaction time) are achieved two phases, wherein the upper phase was enriched in each case with the free tertiary amine and the homogeneous catalyst, and the lower phase in each case with the polar solvent and the formed formic acid / amine adduct.
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Tabelle 1 Table 1
EK10-0928PC EK10-0928PC
2. Extraktion von Katalysator-Restmengen (in der Extraktionsvorrichtung III) (Beispiel B-1) 2. Extraction of Catalyst Residues (in Extraction Apparatus III) (Example B-1)
Beispiel B-1 , Tabelle 2 zeigt, dass bei der Phasentrennung eines Hydrieraustrags 26,2 g einer Unterphase erhalten wurden, die 6,1 Gew.-% Ameisensäure in Form des Amei- sensäure/Aminaddukts und 33 ppm Ruthenium enthielt. Diese Unterphase wurde bei Raumtemperatur unter Inertbedingungen dreimal 10 Minuten lang mit je 26,2 g Tri-n- hexylamin gerührt. Die Phasen wurden getrennt. Der durch AAS-Analyse ermittelte Ruthenium-Gehalt der extrahierten Unterphase betrug 21 ppm Ruthenium. Example B-1, Table 2 shows that in the phase separation of a Wasserstoffrieraustrags 26.2 g of a lower phase were obtained which contained 6.1 wt .-% formic acid in the form of the formic acid / amine adduct and 33 ppm ruthenium. This lower phase was stirred at room temperature under inert conditions three times for 10 minutes each with 26.2 g of tri-n-hexylamine. The phases were separated. The ruthenium content of the extracted lower phase as determined by AAS analysis was 21 ppm ruthenium.
Beispiel B-1 zeigt, dass sich die Menge an Ruthenium in der Unterphase durch Extraktion mit dem gleichen, schon in der C02-Hydrierung verwendeten tertiären Amin um rund 36 % absenken lässt. Durch zusätzliche Extraktionsschritte oder eine kontinuierliche Gegenstromextraktion könnte der Rutheniumgehalt weiter verringert werden. Example B-1 shows that the amount of ruthenium in the lower phase can be reduced by about 36% by extraction with the same tertiary amine already used in C0 2 hydrogenation. Additional extraction steps or continuous countercurrent extraction could further reduce the ruthenium content.
Tabelle 2 Table 2
Katalysator Extraktion Beispiel B-1 Catalyst Extraction Example B-1
Tertiäres Amin 37,5 g Trihexylamin Tertiary amine 37.5 g trihexylamine
Polares Lösungsmittel 12,0 g Methanol Polar solvent 12.0 g of methanol
(eingesetzt) 0,5 g Wasser (used) 0.5 g of water
Katalysator 0,16 g [Ru(Pn-Octyl3)4(H)2] Catalyst 0.16 g [Ru (Pn-Octyl 3 ) 4 (H) 2 ]
Aufpressen von C02 Auf 1 ,7 MPa Pressing on C0 2 At 1, 7 MPa
Aufpressen von H2 Auf 8,0 MPa Pressing H 2 to 8.0 MPa
Erwärmen 50 °C Heating 50 ° C
Reaktionszeit 1 ,5 Stunden Reaction time 1, 5 hours
Oberphase 23,3 g Upper phase 23.3 g
Unterphase 26,2 g Lower phase 26.2 g
6,1 % Ameisensäure 6.1% formic acid
cRu Oberphase nach Reaktion 350 ppm c Ru upper phase after reaction 350 ppm
cRu Unterphase nach Reaktion 33 ppm c Ru lower phase after reaction 33 ppm
cRu Unterphase nach Extraktion 21 ppm 3. Destillative Abtrennung des polaren Lösungsmittels vor der Amidsynthese (in der Destillationsvorrichtung 111-1) (Beispiel C-1) c Ru lower phase after extraction 21 ppm 3. Distillative separation of the polar solvent before amide synthesis (in the distillation apparatus 111-1) (Example C-1)
Beispiel C-1 zeigt die destillative Abtrennung der polaren Lösungsmittel Methanol und Wasser aus einem Hydrieraustrag. Bei 120 °C und 0,02 MPa wurde am einem Rotationsverdampfer ein Destillat erhalten, welches das gesamte Methanol, 0,3 Gew.-% Ameisensäure und fast alles Wasser enthielt. Der zweiphasige Sumpfaustrag (Oberphase + Unterphase) kann für die Amidherstellung in Reaktor IV (Figuren 1 und 2) eingesetzt werden. Example C-1 shows the distillative separation of the polar solvents methanol and water from a hydrogenation. At 120 ° C and 0.02 MPa, a distillate was obtained on a rotary evaporator, which contained all the methanol, 0.3 wt .-% formic acid and almost all water. The biphasic bottom effluent (upper phase + lower phase) can be used for the amide preparation in reactor IV (FIGS. 1 and 2).
Tabelle 3 Table 3
Herstellung der Formamide durch Umsetzung von Addukten aus Ameisensäure mit tertiären Aminen mit primären und sekundären Amin (n-Butylamin oder Dimethylamin) bzw. mit Ammoniak (in Reaktor IV) Preparation of formamides by reaction of adducts of formic acid with tertiary amines with primary and secondary amine (n-butylamine or dimethylamine) or with ammonia (in reactor IV)
Ein 250 mL Autoklav aus Hastelloy C, ausgestattet mit einem Magnetrührstab, wurde unter Inertbedingungen mit dem Ameisensäure-tert.-Amin-Addukt IIa und gegebenenfalls einem nnlaren Lösungsmittel und Wasser (siehe Tabelle 4, Beispiel D-1 bis D-19) befüllt. Anschließend wurde der Autoklav verschlossen. Bei Raumtemperatur wurden Dimethylamin, n-Butylamin, bzw. Ammoniak aufgepresst. Nachfolgend wurde der Reaktor unter Rühren (700 U/min) erwärmt. Nach der gewünschten Reaktionszeit wurde der Autoklav abgekühlt und das Reaktionsgemisch entspannt. Es wurde ein zweipha- siges Produktgemisch erhalten, wobei die Oberphase aus dem tertiären Amin und die Unterphase aus dem entsprechenden Amid, Wasser und gegebenenfalls polarem Lösungsmittel sowie gegebenenfalls Ammoniumformiat bestand. Beide Phasen wurden mit Hilfe eines Scheidetrichters getrennt und ausgewogen. Die Zusammensetzung der beiden Phasen wurde durch Gaschromatographie sowie Protonen-NMR-Spektroskopie bestimmt. Die Parameter und Ergebnisse der einzelnen Versuche sind in den Tabelle 4 bis 6 wiedergegeben. A 250 mL Hastelloy C autoclave equipped with a magnetic stirrer bar was placed under inert conditions with the formic acid tertiary amine adduct IIa and, optionally, a nominal solvent and water (see Table 4, Examples D-1 through D-19). filled. Subsequently, the autoclave was sealed. At room temperature dimethylamine, n-butylamine, or ammonia were pressed. Subsequently, the reactor was heated with stirring (700 rpm). After the desired reaction time, the autoclave was cooled and the reaction mixture was depressurized. A two-phase product mixture was obtained, the upper phase consisting of the tertiary amine and the lower phase consisting of the corresponding amide, water and optionally polar solvent and optionally ammonium formate. Both phases were separated and weighed using a separatory funnel. The composition of the two phases was determined by gas chromatography and proton NMR spectroscopy. The parameters and results of the individual experiments are shown in Tables 4 to 6.
4.1 Herstellung von A/,/V-Dimethylformamid (Beispiele D1 bis D19) 4.1 Preparation of A /, / V-dimethylformamide (Examples D1 to D19)
Tabelle 4 Table 4
Beispiel D-1 Beispiel D-2 Beispiel D-3 Beispiel D-4 Beispiel D-5Example D-1 Example D-2 Example D-3 Example D-4 Example D-5
Amin 48 g 60 g 48 g 48 g 23 g /V-Ethyl-Amine 48 g 60 g 48 g 48 g 23 g / v ethyl
Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin diisopropylaminTrihexylamine trihexylamine trihexylamine trihexylamine diisopropylamine
Ameisensäure 16 g HCOOH 20 g HCOOH 16 g HCOOH 16 g HCOOH 17 g HCOOHFormic acid 16 g HCOOH 20 g HCOOH 16 g HCOOH 16 g HCOOH 17 g HCOOH
Lösungsmittel 72 g 1 ,4- Kein LM 72 g 1 ,4- Kein LM 73 g 1 ,4- (LM) Butandiol Butandiol Butandiol Solvent 72 g 1, 4- No LM 72 g 1, 4- No LM 73 g 1, 4- (LM) Butanediol Butanediol Butanediol
6 g Wasser 6 g of water
Dimethylamin 18 g DMA 21 g DMA 19 g DMA 19 g DMA 16 g DMA (DMA) Dimethylamine 18 g DMA 21 g DMA 19 g DMA 19 g DMA 16 g DMA (DMA)
Druck nach Auf0,33 MPa 0,21 MPa 0,36 MPa 0,32 MPa 0,28 MPa pressen Press to 0.33 MPa 0.21 MPa 0.36 MPa 0.32 MPa 0.28 MPa
Temperatur 150 UC 150 UC 150 UC 150 UC 130 UCTemperature 150 U C 150 U C 150 U C 150 U C 130 U C
Laufzeit 4 Stunden 2 Stunden 2 Stunden 2 Stunden 2 StundenRunning time 4 hours 2 hours 2 hours 2 hours 2 hours
Oberphase 48 g 57 g 46 g 46 g 15 g /V-Ethyl-Upper phase 48 g 57 g 46 g 46 g 15 g / V ethyl
Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin diisopropylaminTrihexylamine trihexylamine trihexylamine trihexylamine diisopropylamine
Unterphase 102 g 40 g 1 12 g 33 g 109 g Lower phase 102 g 40 g 1 12 g 33 g 109 g
Ausbeute GC 99,5 % 94,0 % 75,9 % 99,4 % 95,0 % (Fl%) Yield GC 99.5% 94.0% 75.9% 99.4% 95.0% (Fl%)
Dimethylformamid Beispiel D-6 Beispiel D-7 Beispiel D-8 Beispiel D-9 Beispiel D-10dimethylformamide Example D-6 Example D-7 Example D-8 Example D-9 Example D-10
Amin 48 g 48 g 48 g 25 g 48 g Amine 48 g 48 g 48 g 25 g 48 g
Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamine trihexylamine trihexylamine trihexylamine trihexylamine
Ameisensäure 16 g HCOOH 16 g HCOOH 16 g HCOOH 4 g HCOOH 16 g HCOOHFormic acid 16 g HCOOH 16 g HCOOH 16 g HCOOH 4 g HCOOH 16 g HCOOH
Lösungsmittel 72 g MeOH 72 g MeOH Kein 25 g Methanol 72 g 1 ,5- 6 g Wasser 6 g Wasser PentandiolSolvent 72 g MeOH 72 g MeOH No 25 g methanol 72 g 1, 5-6 g water 6 g water pentanediol
Dimethylamin 18 g DMA 19 g DMA 20 g DMA 4 g DMA 16 g DMA (DMA) Dimethylamine 18 g DMA 19 g DMA 20 g DMA 4 g DMA 16 g DMA (DMA)
Druck nach Auf0,26 MPa 0,09 MPa 0,26 MPa 0,29 MPa 0,29 MPa pressen Press to 0,26 MPa 0,09 MPa 0,26 MPa 0,29 MPa 0,29 MPa
Temperatur 130 UC 130 UC 130 UC 130 UC 130 UCTemperature 130 U C 130 U C 130 U C 130 U C 130 U C
Laufzeit 2 Stunden 2 Stunden 2 Stunden 2 Stunden 2 StundenRunning time 2 hours 2 hours 2 hours 2 hours 2 hours
Oberephase 48 g 46 g 46 g 23 g 47 g Upper phase 48 g 46 g 46 g 23 g 47 g
Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamine trihexylamine trihexylamine trihexylamine trihexylamine
Unterephase 1 1 1 g 107 g 33 g 25 g 101 gLower phase 1 1 1 g 107 g 33 g 25 g 101 g
Ausbeute GC 60,8 % 82,9 % 99,4 % 20,7 % 89,5 % (Fl%) Yield GC 60.8% 82.9% 99.4% 20.7% 89.5% (Fl%)
Dimethylformamid dimethylformamide
Beispiel D-1 1 Beispiel D-12 Beispiel D- Beispiel D-14 Beispiel D-15 Example D-1 1 Example D-12 Example D- Example D-14 Example D-15
13 13
Amin 48 g 27 g 33 g 41 g 33 g N,N- Amine 48 g 27 g 33 g 41 g 33 g N, N
Trihexylamin Tripropylamin Tributylamin Tripentylamin DimethyldecylaminTrihexylamine tripropylamine tributylamine tripentylamine dimethyldecylamine
Ameisensäure 16 g HCOOH 17 g HCOOH 17 g 17 g HCOOH 16 g HCOOH Formic acid 16 g HCOOH 17 g HCOOH 17 g 17 g HCOOH 16 g HCOOH
HCOOH HCOOH
Lösungsmittel 73 g 1 ,6- 72 g 1 ,4- 72 g 1 ,4- 72 g 1 ,4- 72 g 1 ,4-Butandiol Solvent 73 g 1, 6-72 g 1, 4-72 g 1, 4-72 g 1, 4-72 g 1, 4-butanediol
Hexandiol Butandiol Butandiol Butandiol Hexanediol butanediol butanediol butanediol
Dimethylamin 17 g DMA 15 g DMA 16 g DMA 16 g DMA 16 g DMA (DMA) Dimethylamine 17 g DMA 15 g DMA 16 g DMA 16 g DMA 16 g DMA (DMA)
Druck nach Auf0,32 MPa 0,19 MPa 0,18 MPa 0,18 MPa 0,21 MPa pressen Press to 0.32 MPa 0.19 MPa 0.18 MPa 0.18 MPa 0.21 MPa
Temperatur 130 UC 130 UC 130 UC 130 UC 130 UC Temperature 130 U C 130 U C 130 U C 130 U C 130 U C
Laufzeit 2 Stunden 2 Stunden 2 Stunden 2 Stunden 2 Stunden Running time 2 hours 2 hours 2 hours 2 hours 2 hours
Oberephase 47 g 20 g 31 g 38 g 29 g N,N-Upper phase 47 g 20 g 31 g 38 g 29 g N, N
Trihexylamin Tripropylamin Tributylamin Tripentylamin dimethyldecylaminTrihexylamine tripropylamine tributylamine tripentylamine dimethyldecylamine
Unterephase 102 g 106 g 101 g 101 g 104 g Lower phase 102 g 106 g 101 g 101 g 104 g
Ausbeute GC 83,0 % 87,2 % 87,3 % 86,2 % 88,3 % Yield GC 83.0% 87.2% 87.3% 86.2% 88.3%
(Fl%) (Area%)
Dimethylformamid Beispiel D-16 Beispiel D-17 Beispiel D-18 Beispiel D-19dimethylformamide Example D-16 Example D-17 Example D-18 Example D-19
Amin 35 g /V-Methyl- 23 g /V-Ethyl- 64 g Tris(2- 70 g Amine 35 g / V methyl 23 g / V ethyl 64 g Tris (2-70 g
dicyclohexylamin diisopropylamin ethylhexyl)amin Trihexylamin dicyclohexylamine diisopropylamine ethylhexyl) amine trihexylamine
Ameisensäure 17 g HCOOH 17 g HCOOH 16 g HCOOH 5 g HCOOH Formic acid 17 g HCOOH 17 g HCOOH 16 g HCOOH 5 g HCOOH
Lösungsmittel 72 g 1 ,4- 73 g 1 ,4- 72 g 1 ,4- 30 g 1 ,4- Butandiol Butandiol Butandiol Butandiol Solvent 72 g of 1, 4-73 g of 1, 4-72 g of 1, 4-30 g of 1, 4-butanediol butanediol butanediol butanediol
Dimethylamin (DMA) 16 g DMA 16 g DMA 16 g DMA 5 g DMA Dimethylamine (DMA) 16 g DMA 16 g DMA 16 g DMA 5 g DMA
Druck nach Aufpressen 0,18 MPa 0,28 MPa 0,32 MPa 0,30 MPa Pressure after pressing 0.18 MPa 0.28 MPa 0.32 MPa 0.30 MPa
Temperatur 130 UC 130 UC 130 UC 130 UC Temperature 130 U C 130 U C 130 U C 130 U C
Laufzeit 2 Stunden 2 Stunden 2 Stunden 2 Stunden Running time 2 hours 2 hours 2 hours 2 hours
Oberephase 25 g /V-methyl- 15 g /V-Ethyl- 64 g Tris(2- 63 g Upper phase 25 g / V methyl 15 g / V ethyl 64 g Tris (2-63 g
dicyclohexylamin diisopropylamin ethylhexyl)amin Trihexylamin dicyclohexylamine diisopropylamine ethylhexyl) amine trihexylamine
Unterephase 1 12 g 109 g 101 g 33 g Lower phase 1 12 g 109 g 101 g 33 g
Ausbeute GC (Fl%) 86,4 % 95,0 % 89,7 % 17,9 % Yield GC (Fl%) 86.4% 95.0% 89.7% 17.9%
Dimethylformamid dimethylformamide
Bei den in Tabelle 4 dargestellten Versuchen zur Herstellung von Dimethylformamid aus Addukten IIa und Dimethylamin (DMA) wurden in Gegenwart von 1 ,4-Butandiol als polarem Lösungsmittel (D-1 , D-15) und in Abwesenheit eines polaren Lösungsmittels und Wasser (D-4, D-8) Dimethylformamid-Ausbeuten von über 95 % erzielt. In the experiments shown in Table 4 for the preparation of dimethylformamide from adducts IIa and dimethylamine (DMA) were in the presence of 1, 4-butanediol as a polar solvent (D-1, D-15) and in the absence of a polar solvent and water (D. -4, D-8) dimethylformamide yields of over 95% achieved.
In Anwesenheit von primären Alkoholen wie Methanol als polarem Lösungsmittel sank die Dimethylformamid-Ausbeute auf 82,9 % (D-7). Noch stärker sank die Dimethylformamid-Ausbeute bei Anwesenheit von Methanol und Wasser. In den Versuchen D-6 und D-9 wurden Dimethylformamid-Ausbeuten von nur 60,8 % bzw. 20,7 % erzielt. Bevorzugt wird daher Wasser, besonders bevorzugt Wasser gemeinsam mit primären Alkoholen als polaren Lösungsmitteln bereits in Verfahrensschritt 111-1 destillativ abgetrennt und als Strom 8 in den Hydrierschritt zurückgeführt. In the presence of primary alcohols such as methanol as the polar solvent, the dimethylformamide yield dropped to 82.9% (D-7). Even more, the dimethylformamide yield dropped in the presence of methanol and water. In experiments D-6 and D-9 dimethylformamide yields of only 60.8% and 20.7% were achieved. Therefore, water, more preferably water together with primary alcohols as polar solvents is preferably already separated by distillation in process step 111-1 and recycled as stream 8 into the hydrogenation step.
4.2 Herstellung von n-Butylformamid (Beispiel E1) 4.2 Preparation of n-butylformamide (Example E1)
Tabelle 5 Table 5
Beispiel E-1 Example E-1
Amin 48 g Trihexylamin Amine 48 g trihexylamine
Ameisensäure 16 g HCOOH Formic acid 16 g HCOOH
Lösungsmittel 72 g 1 ,4-Butandiol Solvent 72 g of 1,4-butanediol
N-Butylamin 31 g n-BuNH2 Druck nach Aufpressen 0,12 MPa N-butylamine 31 g n-BuNH 2 Pressure after pressing 0.12 MPa
Temperatur 150 UC Temperature 150 U C
Laufzeit 4 Stunden Running time 4 hours
Oberephase 35 g Trihexylamin Upper phase 35 g trihexylamine
Unterephase 125 g Lower phase 125 g
Ausbeute GC (Fl%) Butyl- 99,5 % Yield GC (Fl%) Butyl 99.5%
formamid Butylformamid formamide Butylformamide
Das Versuchsergebnis E-1 zeigt, dass die Umsetzung von Addukt IIa mit n-Butylamin in Gegenwart von 1 ,4-Butandiol als polarem Lösungsmittel in quantitativer Ausbeute n- Butylformamid ergibt. Experimental result E-1 shows that the reaction of adduct IIa with n-butylamine in the presence of 1,4-butanediol as the polar solvent gives n-butylformamide in quantitative yield.
4.3 Herstellung von Formamid (Beispiele F-1 bis F-8) 4.3 Preparation of Formamide (Examples F-1 to F-8)
Beispiel F-1 Beispiel F-2 Beispiel F-3 Beispiel F-4 Beispiel F-5Example F-1 Example F-2 Example F-3 Example F-4 Example F-5
Amin 48 g 44 g 50 g 60 g 58 g Amine 48 g 44 g 50 g 60 g 58 g
Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamine trihexylamine trihexylamine trihexylamine trihexylamine
Ameisensäure 8 g HCOOH 5 g HCOOH 6 g HCOOH 20 g HCOOH 10 g HCOOHFormic acid 8 g HCOOH 5 g HCOOH 6 g HCOOH 20 g HCOOH 10 g HCOOH
Lösungsmittel 35 g Methanol 41 g Ethanol 37 g Propanol 29 g Methanol Solvent 35 g methanol 41 g ethanol 37 g propanol 29 g methanol
10 g Wasser 9 g Wasser 8 g Wasser 10 g water 9 g water 8 g water
Ammoniak 4 g NH3 3 g NH3 2 g NH3 8 g NH3 5 g NH3 Ammonia 4 g NH 3 3 g NH 3 2 g NH 3 8 g NH 3 5 g NH 3
Druck nach Auf0,18 MPa 0,1 1 MPa 0,10 MPa 0,89 MPa 0,27 MPa pressen Press to 0,18 MPa 0,1 1 MPa 0,10 MPa 0,89 MPa 0,27 MPa
Temperatur 160 UC 160 UC 160 UC 160 UC 160 UCTemperature 160 U C 160 U C 160 U C 160 U C 160 U C
Laufzeit 4 Stunden 4 Stunden 4 Stunden 4 Stunden 4 StundenRunning time 4 hours 4 hours 4 hours 4 hours 4 hours
Oberphase 47 g 46 g 85 g 56 g 57 g Upper phase 47 g 46 g 85 g 56 g 57 g
Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamin Trihexylamine trihexylamine trihexylamine trihexylamine
Unterphase 54 g 54 g 14 g 26 g 44 gLower phase 54 g 54 g 14 g 26 g 44 g
Ausbeute GC 44,9 % 48,0 % 25,9 % 71 ,4 % 76,6 % (Fl%) Formamid Yield GC 44.9% 48.0% 25.9% 71.4% 76.6% (F1%) formamide
Ausbeute NMR 43,0 % 52,0 % 65,0 % Nicht be17,0 % (mol %) stimmt Yield NMR 43.0% 52.0% 65.0% Not 17.0% (mol%) true
Ammonium ammonium
Formiat formate
Selektivität (Aus78,8 % 100,0 % 74,0 % Nicht be92,3 % beute/Umsatz) stimmt Beispiel F-6 Beispiel F-7 Beispiel F-8 Selectivity (from78.8% 100.0% 74.0% not be92.3% prey / turnover) is correct Example F-6 Example F-7 Example F-8
Amin 60 g Trihexylamin 57 g Trihexylamin 16 g Trihexylamin Amine 60 g Trihexylamine 57 g Trihexylamine 16 g Trihexylamine
Ameisen Säure 20 g HCOOH 20 g HCOOH 3 g HCOOH Ants Acid 20 g HCOOH 20 g HCOOH 3 g HCOOH
Lösungsmittel 20 g Methanol 20 g Sulfolan 30 g 1 ,4-Butandiol Solvent 20 g methanol 20 g sulfolane 30 g 1, 4-butanediol
Ammoniak 9 g NH3 8 g NH3 1 g NH3 Ammonia 9 g NH 3 8 g NH 3 1 g NH 3
Druck nach Aufpressen 0,45 MPa 0,99 MPa 0,95 MPa Pressure after pressing 0.45 MPa 0.99 MPa 0.95 MPa
Temperatur 160 UC 160 UC 160 UC Temperature 160 U C 160 U C 160 U C
Laufzeit 4 Stunden 4 Stunden 4 Stunden Running time 4 hours 4 hours 4 hours
Oberphase 59 g Trihexylamin 54 g Trihexylamin 1 1 g Trihexylamin Upper phase 59 g Trihexylamine 54 g Trihexylamine 1 1 g Trihexylamine
Unterphase 46 g 45 g 25 g Lower phase 46 g 45 g 25 g
Ausbeute GC (Fl%) 72,6 % 89,6 % 6,3 % Yield GC (Fl%) 72.6% 89.6% 6.3%
Formamid formamide
Ausbeute NMR (mol %) 26,0 % 10,0 % Nicht bestimmt Ammonium Formiat Yield NMR (mol%) 26.0% 10.0% Not determined Ammonium Formate
Selektivität (Ausbeu98, 1 % 99,6 % Nicht bestimmt te/Umsatz) Selectivity (recovery98, 1% 99.6% Not determined / turnover)
Bei der Umsetzung von Addukten IIa mit Ammoniak zu Formamid wurden in Methanol als polarem Lösungsmittel Formamid-Ausbeuten von rund 77 Flächen-% erzielt. Im Reaktionsgemisch enthaltenes Ammoniumformiat (17 mol-%) kann nachträglich zu Formamid umgesetzt werden (F-5). In the reaction of adducts IIa with ammonia to formamide, formamide yields of around 77 area% were achieved in methanol as the polar solvent. Ammonium formate (17 mol%) contained in the reaction mixture can be subsequently converted to formamide (F-5).
Wurde als polares Lösungsmittel Sulfolan verwendet, betrug die Formamid-Ausbeute rund 90 Flächen-%, wobei 10 mol-% Ammoniumformiat enthalten waren (F-7). When sulfolane was used as the polar solvent, the formamide yield was about 90 area%, with 10 mol% of ammonium formate contained (F-7).
Eine Verschlechterung der Ausbeute wird ähnlich wie bei der Herstellung von Dimethylformamid (D-6, D-9) in Gegenwart von Methanol und zusätzlich Wasser beobachtet (F-1). Deterioration of the yield is observed similarly to the preparation of dimethylformamide (D-6, D-9) in the presence of methanol and additional water (F-1).
Auch hier wird Wasser, besonders bevorzugt Wasser gemeinsam mit primärem Alkohol als polarem Lösungsmittel schon in Verfahrensschritt II 1-1 destillativ abgetrennt und als Strom 8a in den Hydrierschritt zurückgeführt. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen: ein Blockschema einer Anlage für ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Formamiden ausgehend von Kohlendioxid nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und Again, water, particularly preferably water together with primary alcohol as polar solvent already in process step II 1-1 separated by distillation and recycled as stream 8a in the hydrogenation step. The drawing shows in detail: a block diagram of a plant for a preferred process for the preparation of formamides starting from carbon dioxide by the process according to the invention and
Figur 2 ein Blockschema für ein weiter bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Figure 2 is a block diagram of a further preferred method for the preparation of
Formamiden ausgehend von Kohlendioxid. Formamides starting from carbon dioxide.
Bei der Ausführungsform nach Figur 1 werden Kohlendioxid, Strom 1 , und Wasserstoff, Strom 2, in den Hydrierreaktor I geführt. Darin werden diese in Gegenwart eines Katalysators enthaltend ein Element aus der 8., 9. oder 10. Gruppe des Periodensystems, eines tertiären Amins und eines polaren Lösungsmittels zu Ameisensäure-Amin- Addukten umgesetzt. In the embodiment according to FIG. 1, carbon dioxide, stream 1, and hydrogen, stream 2, are fed into the hydrogenation reactor I. Therein they are reacted in the presence of a catalyst containing an element from the 8th, 9th or 10th group of the periodic table, a tertiary amine and a polar solvent to formic acid-amine adducts.
Um Verluste an tertiärem Amin IVa auszugleichen, kann ein Ergänzungsstrom an tertiärem Amin, (Strom 4a) zum Hydrierreaktor I vorgesehen sein. To compensate for losses of tertiary amine IVa, a supplementary stream of tertiary amine, (stream 4a) may be provided to the hydrogenation reactor I.
Der zweiphasige Austrag aus dem Hydrierreaktor I (Strom 3) wird in das Phasentrenn- gefäß II geleitet. Im Phasentrenngefäß II liegt eine Unterphase vor, die mit Ameisen- säure-Amin-Addukten sowie dem polaren Lösungsmittel angereichert ist, und eine Oberphase 4, die überwiegend das tertiäre Amin enthält, in der der homogene Kataly- sator angereichert vorliegt, und die aus dem Phasentrenngefäß II zum Hydrierreaktor I zurückgeführt wird. Die Unterphase 5 wird einer Extraktionsapparatur III zugeführt, worin Katalysatorreste mit dem tertiären Amin aus dem Phasentrenngefäß V (Strom 12) extrahiert werden. Das tertiäre Amin mit den Katalysatorresten (Strom 6) aus der Extraktionseinheit III wird in den Hydrierreaktor I rückgeführt, die Produktphase 7 aus der Extraktionseinheit III wird dem Reaktor IV zugeführt, worin die Umsetzung mit Ammoniak oder Aminen, Strom lila, erfolgt. Der zweiphasige flüssige Reaktionsaustrag, Strom 9, aus dem Reaktor IV wird in einem Phasentrenngefäß V in eine mit Formamiden angereicherte Flüssigphase, Strom 10, und eine zweite, mit tertiärem Amin angereicherte Flüssigphase, Strom 12, aufgetrennt, wobei Strom 12 vorzugsweise in die Extraktionsvorrichtung III recycliert wird. Die mit dem Zielprodukt Formamid angereicherte Flüssigphase, Strom 10, wird in einer Destillationseinheit VI destillativ aufgetrennt unter Gewinnung des Formamids, Strom la, Ausschleusung von Wasser, H20, und nicht umgesetztem Ammoniak oder Amin, Strom 1 1 , der in den Reaktor IV und polarem Lösungsmittel (Strom 8), das in den Hydrierreaktor recycliert wird. Die in Figur 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform in Figur 1 nur insoweit, als sich an die Extraktionseinheit III eine Abtrenneinheit 111-1 , zum Abtrennen von polarem Lösungsmittel anschließt. In der Abtrenneinheit 111-1 wird das polare Lösungsmittel abgetrennt und als Strom 8a in den Hydrierreaktor I recycliert. In den Reaktor IV, in dem die Amidierung stattfindet, kann ein von der Hydrierstufe verschiedenes Lösungsmittel zugeführt werden, das in der Destillationseinheit VI wieder abgetrennt und als Strom 1 1 in die Amidierung, in den Reaktor IV, zurückgeführt wird. Der Produktstrom 7a aus der Abtrenneinheit 111-1 ist weitgehend frei von polarem Lösungsmittel, und wird in den Reaktor IV weitergeleitet. The two-phase discharge from the hydrogenation reactor I (stream 3) is passed into the phase separation vessel II. In the phase separation vessel II there is a lower phase which is enriched with formic acid-amine adducts and the polar solvent, and an upper phase 4, which contains predominantly the tertiary amine in which the homogeneous catalyst is enriched enriched, and from the Phase separation vessel II is recycled to the hydrogenation reactor I. The lower phase 5 is fed to an extraction apparatus III, wherein catalyst residues are extracted with the tertiary amine from the phase separation vessel V (stream 12). The tertiary amine with the catalyst residues (stream 6) from the extraction unit III is recycled to the hydrogenation reactor I, the product phase 7 from the extraction unit III is fed to the reactor IV, wherein the reaction with ammonia or amines, stream IIIa, takes place. The biphasic liquid effluent, stream 9, from the reactor IV is separated in a phase separation vessel V into a formamide-enriched liquid phase, stream 10, and a second tertiary amine-enriched liquid phase, stream 12, stream 12 being preferably introduced into the extraction apparatus III is recycled. The enriched with the target product formamide liquid phase, stream 10, is separated by distillation in a distillation unit VI to yield the formamide, stream la, discharge of water, H 2 0, and unreacted ammonia or amine, stream 1 1, in the reactor IV and polar solvent (stream 8) which is recycled to the hydrogenation reactor. The preferred embodiment shown in Figure 2 differs from the embodiment in Figure 1 only insofar as the extraction unit III is followed by a separation unit 111-1, for separating polar solvent. In the separation unit 111-1, the polar solvent is separated off and recycled as stream 8a into the hydrogenation reactor I. In the reactor IV, in which the amidation takes place, a different from the hydrogenation stage solvent can be supplied, which is separated again in the distillation unit VI and as stream 1 1 in the amidation, in the reactor IV, recycled. The product stream 7a from the separation unit 111-1 is substantially free of polar solvent, and is passed into the reactor IV.
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