DE2405633C2 - Verfahren zur Herstellung von Glykolätherformalen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von GlykolätherformalenInfo
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Description
25
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formalen, d. h. Acetalen des Formaldehyds, der
Äthylenglykolmonomethyläther — vereinfacht Glykolmonoäther genannt — der allgemeinen Formel
CH3O(CH2CH2O)nH,
30
mit n=\ bis 8, mit wäßrigen Formaldehydlösungen in Gegenwart von sauren Katalysatoren.
Die Umsetzung von Alkoholen, d.h. auch von Glykolmonoäthern mit ihrer primären Alkoholfunktion,
zu Formalen erfolgt im allgemeinen aus Paraformaldehyd, bzw. nach der DAS 12 93 143 mit Vorteil auch aus
Trioxan. Beide Formaldehyd liefernden Substanzen sind aus den wäßrigen Formaldehydlösungen, wie sie bei der +0
großtechnischen Herstellung des Formaldehyds durch Oxidation von Methanol anfallen, erst durch zumindest
noch einen weiteren Verfahrensschritt hervorgegangen. Paraformaldehyd und Trioxan stellen damit eine
unwirtschaftlichere Quelle für Formaldehyd dar als *5
seine wäßrige Lösung.
Nun sind aber für die Herstellung von Formalen aus Alkoholen und wäßrigen Formaldehydlösungen aus der
Literatur verschiedene Nachteile bekanntgeworden. So ist nach H. Meerwein in Houben-Weyl, Methoden der
Org. Chemie 4. Auflage, Stuttgart 1965 Band VI/3 S. 210
beim Versuch der azeotropen Wasserentfernung festzustellen, daß das Wasser sich nur unvollkommen
oder überhaupt nicht abscheidet, weil ein Wasser-Alkohol-Aldehydgemisch
abdestilliert Zur Entwässerung des Destillats wurden Trockenmittel wie Calciumcarbid,
wasserfreies Kiipfer-(H)-sulfat oder Calciumchlorid
vorgeschlagen. Diese Methode ist umständlich, sie führt zu beträchtlichen Mengen an Salzlösungen, aus denen
überdestillierte Produkte wie Formaldehyd und Alkoho-Ie abgetrennt und zur Umsetzung am Katalysator
zurückgeführt werden müssen.
Ein Versuch zur Umsetzung von Äthylenglykolmonomethyläther mit wäßrigjr Fqrmaldehydlösung in Gegenwart
eines sauren Katalysators bestätigt die vorgenannte Tatsache: das Destillat besteht aus einem
Wasser-Glykoimonoäther-Formaldehyd-Gemisch. Die Verwendung von* Benzol, Toluol oder Heptan als
Wasserschleppmittel ändert wenig an der quantitativen Zusammensetzung des Destillats.
Als Katalysatoren für die Formal-Herstellung sind starke Säuren üblich, wie H2SO4, HCl, p-Toluoisulfonsäure
usw, aber auch Lewis-Säuren, wie z. B. FeCl3
können angewandt werden. Weiterhin sind auch saure Ionenaustauscher z. B. im US-Patent 25 66 599 vorgeschlagen
worden. Bei ihrer Verwendung und einem 4—5fachen molaren Überschuß an z. B. Butanol ist eine
Ausbeute von 64 Mol-% an Butanolformal, bezogen auf Paraformaldehyd, erreichbar.
Gemäß der DAS 12 93 143 werden mit Trioxan und in Gegenwart saurer Ionenaustauscher Alkohole in 5 bis
9fachem Überschuß bezogen auf Trioxan, d. h. in 2 bis 3
fächern Überschuß bezogen auf den Formaldehydgehalt des Trioxans, mit Selektivitäten um 90 Mol-%, bezogen
auf den Alkohol, umgesetzt
Es zeigt sich also, daß trotz unterschiedlichster saurer Katalysatoren nur dann zufriedenstellende Selektivitäten
zu erhalten sind, wenn mit einem Überschuß an Alkoholen gearbeitet wird. In diesem Falle müssen
jedoch größere Mengen Alkohol im Kreis zurückgeführt werden. Diese Tatsache, sowie die relativ teure
Ausgangssubstanz für Formaldehyd, d. h. Paraformaldehyd
oder Trioxan, stehen diesen Herstellmethoden als Nachteil entgegen.
Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung der Formale von Äthylenglykolmonomethyläthern der
allgemeinen Formel
[CH3O(CH2CH2O)J2CH2,
mit n=l bis 8, durch Umsetzung der entsprechenden
Äthylenglykolmonomethyläther mit Formaldehyd in Gegenwart von 0,2—20Gew.-%, bezogen auf den
Äther, eines sauren Katalysators mit einem pK-Wert <4 gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist daß ein
oder mehrere Äthylenglykolmonomethyläther mit einer 20 bis 60-Gew. proz. wäßrigen Formaldehydlösung in
Gegenwart eines aliphatischen Chlor- oder Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffs,
der einen Siedepunkt zwischen 35 und 125°C bei Normaldruck hat unter azeotropem Abdestillieren des Wassers umgesetzt
werden.
Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß es von der wirtschaftlichsten Formaldehyd liefernden
Substanz, d. h. einer wäßrigen Formaldehyd-Lösung ausgeht Weiterhin werden die nachteiligen Folgen
überdestillierender Reaktionskomponenten \ ermieden.
Vor allem führt das erfindungsgemäße Verfahren schon bei stöchiometrischem Einsatz der Reaktionskomponenten zu hohen Ausbeuten an den Formalen.
Ein weiterer überraschender Vorteil wird durch die Verwendung der Chlor- oder Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffe
als Hilfsstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren erzielt Der Äthylenglykolmonomethyläther,
d. h. CH3OCH2CH2OH, bildet bekanntlich ein Azeotrop
mit Wasser (153 Gew.-% im Gemisch mit Wasser), auf dessen Zusammensetzung gängige Schleppmittel wie
z. B. Benzol, Toluol oder aliphatische Kohlenwasserstoffe
wie z. B. Heptan kaum einen Einfluß habea
Nach Houben Weyl, Methoden der Org. Chemie Bd
1/1, Stuttgart 1958, S. 867 gibt es bei binären Azeotropen
keine Stoffe, die sich von vornherein als Trennungshilfen eignen, noch gibt es Verfahren, die einen solchen
Stoff für ein vorgegebenes Gemisch voraussagen lassen.
Es war daher überraschend, daß die Chlor- oder
Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffe zusätzlich zu ihrer
bekannten Eigenschaft als Schleppmittel auch noch eine solche als Trennungshilfe für das Dreistoffsystem
Formaldehyd/Glykolmonoäther/Wasser aufweisen, d. h. daß bei ihrer Verwendung im wäßrigen Destillat
praktisch keine Glykolmonoäther mehr auftreten.
Als Chlor- oder Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffe sind prinzipiell alle diejenigen geeignet, deren Siedepunkt
bei Normaldruck zwischen 35 und 125° C liegt, wie
beispielsweise Di, Tri- oder Tetrachlormethan, Äthylendichlorid,
1.1.2-Trichloräthan, U^-Trichlortrifluoräthan,
Tetrachloräthylen, Isopropylchlorid, Propylchlorid,
Propylendichlorid, Butylchlorid Besonders bevorzugt sind jedoch die Di-, Tri- oder Tetrachlormethane,
weil sie einen niedrigen Azeotropsiedepunkt mit Wasser zeigen, sowie einen niedrigen Eigensiedepunkt,
einen ausreichenden Gehalt an Wasser im Azeotrop und eine günstige wirtschaftliche Zugänglichkeit aufweisen.
Die vergleichsweise niedrig siedenden Chlor- oder Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffe, die beim erfindungsgemäßen
Verfahren verwendet werden können, haben den Vorteil, daß nur ein kleiner Anteil an Formaldehyd
aus der Reaktionsmischung durch Herausdestillieren aus dem Gleichgewicht mit seiner Hydratform entweicht
Für die Umsetzung kommen als Glykolmonoäther
entsprechend der allgemeinen Formel die Monomethyläther des Mono-, Di-, Tri-, Tetra-, Penta-, Hexa-, Hepta-
und Octaäthylenglykols in Betracht Diese Monoäther sind durch eine katalysierte Umsetzung von Methanol
mit den entsprechenden unterschiedlichen Mengen Äthylenoxid technisch leicht zugänglich. Sie können als
einheitliche Substanzen, aber auch als Gemisch in die Reaktion zu den Formalen eingesetzt werden.
Die Formale finden Verwendung z. B. als Stabilisatoren für Acrylnitril-Polymere oder als Lösemittel zur
Herstellung von Celluloseester- oder -ätherlacken.
Weiterhin sind sie geeignete Ausgangsprodukte zur Herstellung von Dimethyläthern der Glykole.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Gewichtsverhältnis der Chlor- oder
Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffe, die als Schleppmittel und Trennungshilfe eingesetzt werden, zum Glykolmonoäther
in weiten Grenzen, z. B. von 0,2 :1 bis 5 :1
schwanken. Vorzugsweise verwendet man ein Verhältnis von 0,5:1 bis 3:1. Das Molverhältnis des
Formaldehyds zum Glykolmonoäther wird im allgemeinen entsprechend der Stöchiometrie gewählt, d. h. pro
2 Mol Glykolmonoäther 1 Mol Formaldehyd. Ist für die Weiterverwendung des Glykolmonoätherformals die
vollständige Abwesenheit entweder von Formaldehyd oder von Glykolmonoäther gefordert, so können
entweder die Glykol- oder aber die Aldehydkomponente in einem kleinen Überschuß, ζ. Β 10-20 Mol.-°/o
eingesetzt werden. Dann kann wegen der sehr selektiven und vollständigen Umsetzung eine Destillation
der Glykolmonoätherformale unterbleiben, die im Fall der höheren Glieder mit n>3 in der allgemeinen
Formel zu Verlusten durch thermischen Zerfall führen kann.
Als starke Säuren mit einem pK-Wert <4 sind beim erfindungsgemäßen Verfahren Mineralsäuren oder
aliphatische oder aromatische Sulfonsäuren geeignet, wie Schwefelsäure, Salzsäure, Phosphorsäure, p-Toluolsulfonsäure
oder Naphthalinsulfonsäure, insbesondere es
aber, und zwar wegen der einfachen Handhabung eines heterogenen sauren Katalysators und der fehlenden
korromven Wirkung von Kationenaustauschern, sind stark saure vernetzte sulfonsäuregruppenhaltige Polystyrole
geeignet Diese Ionenaustauscher werden im allgemeinen in Kugelform mit einer Korngröße von 0,2
bis 2 mm verwendet Als Beispiele geeigneter stark saurer handelsüblicher Ionenaustauscher seien genannt:
Amberlyci 15 (Rohm und Haas Comp.) oder Lewatit S 100 (Bayer). Weitere geeignete stark saure Ionenaustauscher
sind z. B. von K. Dorfner in »Ionenaustauscher«, Berlin 1964 S. 15—31 aufgeführt
Die Menge des stark sauren Katalysators schwankt, bezogen auf den Glykoläther, in den Grenzen
0,2—20 Gew.-%. Bevorzugt ist eine Menge von 0,5-10Gew.-%.
Die Reaktionstemperatur im Reaktionsgemisch aus Glykolmonoäther, wäßriger Formaldehydlösung und
Chlor- oder Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoff liegt im allgemeinen, in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis,
im Bereich zwischen 40 und 125° C, unter Rückfluß des
Halogen-Kohlenwasserstoffs bzw. des Azeotrops mit H2O. Vorzugsweise sollte die Reaktionstemperatur
unter 100GC liegen, um einen Formaldehyd-Verlust durch Herausdestillieren aus dem Reaktionsgemisch
möglichst gering zu halten. Dies kann etwa durch eine Erhöhung des Gewichtsverhältnisses des Halogen-Kohlenwasserstoffs
zum Glykolmonoäther, beispielsweise von 0,5 :1 auf 3 :1, erreicht werden.
Zur Durchführung der Reaktion können di° Reaktionspartner
GWkolmonoäther und wäßrige Formaldehydlösung in einem üblicherweise verwendeten Reaktionsgefäß
z. B. einem Rührkolben oder Rührkessel zusammen mit dem Halogen-Kohlenwasserstoff und
dem sauren Katalysator zum Sieden erhitzt werden. Das Wasser aus der Formaldehydlösung sowie das Reaktionswasser
werden als Azeotrop mit dem Halogen-Kohlenwasserstoff mit Hilfe eines Wasserabscheiders
abgetrennt. Der Halogen-Kohlenwasserstoff fließt in den Reaktor zurück. Es ist zweckmäßig, zwischen
Reaktionsgefäß und Wasserabscheider eine Rektifikationskolonne zu schalten, um den Formaldehyd-Gehalt
im Azeotrop herabzusetzen.
Eine ändert vorteilhafte Möglichkeit der Reaktionsführung besteht darin, den Glykolmonoäther mit
Katalysator und einem Halogen-Kohlenwasserstoff unter Sieden am Rückfluß zu halten und die wäßrige
Formaldehydlösung kontinuierlich einzudosieren. Ein niedriger Formaldehyd-Partialdruck im Reaktionsgefäß
führt zu einem geringeren Austrag an Formaldehyd im wäßrigen Destillat.
Die in den folgenden Beispielen verwendeten Maßgrößen für Umsatz, Selektivität und Ausbeute sind
wie folgt definiert:
Der Umsatz an den eingesetzten Komponenten, d. h. Glykolmonoäther bzw. Formaldehyd, ist der prozentuale
molare Anteil der umgesetzten, bezogen auf die eingesetzte Komponente.
Die Selektivität eines Formals ist seine prozentuale molare Menge, bezogen auf eine umgesetzte Komponente.
Die Ausbeute eines Formals ist seine prozentuale molare Menge, bezogen auf eine der eingesetzten
Komponenten.
In einem 2 1-Dreihalskolben, der mit einem Rührer,
einem Tropftrichter und einem Wasserabscheider zur Verwendung eines Schleppmittels mit einer Dichte
größer als 1 versehen ist, werden 76Og-IOMoI
Athylenglykolmonomethyläther, 500 ml Chloroform
und 100 g des sauren Ionenaustauschers Amberlyst 15 unter Rühren erhitzt Das Gewichtsverhältnis Chloroform
zu Glykolmonoäther beträgt 0,98 :1. Im Zeitraum von 3 Stunden werden 405 g einer 37 proz. wäßrigen
Fonmalinlösung, entsprechend 150 g-^5 Mol Formaldehyd
gleichmäßig eindosiert. Unter Rühren und Rückfluß werden das Wasser der Formaldehydlösung sowie das
Reaktionswasser über eine Kolonne mit ca. 2—3 theoretischen Böden azeotrop in den Wasserabscheider
destilliert und dort abgetrennt Im wäßrigen Destillat ist außer 10,4 g = 0,34 Mol Formaldehyd kein Glykolmonoäther
vorhanden. Das Reaktionsprodukt enthält 4,28 Mol Formal des Glykolmonoäthers und 0,93 Mol
unveränderten Glykolmonoäther.
Der Umsat2 des Glykolmonoäthers beträgt is
90,7 MoI-%, der Umsatz des Formaldehyds beträgt 93,2 MoI-%. Die Ausbeute an Glykolmonoätherformal
ist 85,5 Mol-%, entsprechend Selektivitäten von 94,5 Mol-%, bezogen auf Glykolmonoäther und
97,4 Mol-%, bezogen auf Formaldehyd
Verfährt man analog Beispiel 1 und verringert unter sonst gleichen Bedingungen die Menge des Chloroforms
so, daß ein Gewichtsverhältnis zum Glykolmonoäther von 0,59 zu 1 erhalten wird, so steigt der Formaldehydgehalt
im wäßrigen Destillat auf 0,61 Mol an. Der Umsatz an Glykolmonoäther sinkt auf 87 Mol-%.
30
Verfährt man analog Beispiel 1 und ersetzt nur das Chloroform durch 500 ml Tetrachlorkohlenstoff (Gewichtsverhältnis
zu Glykolmonoäther = 1,04 :1), so läßt sich durch Wasserentfernung mit Hilfe des Schleppmittel
der Glykolmonoäther bei einer Sumpftemperatur von anfangs 70° ansteigend auf 100° zum Formal
umsetzen. Im wäßrigen Destillat ist neben 12,8 g = 0,43 Mol Formaldehyd kein Glykolmonoäther vorhanden.
Wird die Umsetzung mit gleichen Einsatzmaterialien wiederholt, ohne daß zwischen Reaktionskolben und
Wasserabscheider eine Kolonne vorhanden ist, so steigt im wäßrigen Destillat der Formaldehydgehalt auf
22,8 g = 0,76 Mol an. Glykolmonoäther tritt auch jetzt im Destillat nicht auf.
158 g = 2 Mol Äthylenglykolmonomethyläther, 81g
einer 37 proz. wäßrigen Formalinlösung, 200 ml CH2CI2,
entsprechend einem Gewichtsverhältnis zum Glykol- so monoäther von 1,06 zu 1, werden unter Rühren in
Gegenwart von 1,6 g Amberlyst 15 in einen Kolben zum Rückfluß erhitzt. Zwischen dem 1 1-Kolben und dem
Rückflußkühler befinden sich eine Füllkörperkolonne mit ca. 2—3 theoretischen Böden und ein Wasserabscheider.
Das Lösungswasser der Formalinlösung und das sich bildende Reaktionswasser werden azeotrop
entfernt. Die Temperatur der Reaktionsmischung liegt zwischen 50 und 6O0C. Nach ca. 7 Stunden ist die
Reaktion beendet. Der Formaldehydgehalt im abgetrennten Wasser beträgt 1,06 g = 0,035 Mol. Der Umsatz
des Glykolmonoäthers ist 93 Mol-%. Die Ausbeute an Glykolmonoätherformal beträgt 87,2 Mol-%, entsprechend
eine Selektivität von 93,7 Mol-%, bezogen auf den Glykolmonoäther. 6s
Zur Isolierung des Formals werden über eine Kolonne zunächst Methylenchlorid und nicht umgesetzter
Glykolmonoäther abgetrennt. Der Kolonnensumpf besteht aus nahezu reinem Formal, das einer Reindestillation
unterworfen wird. Das Formal siedet bei 102—104° C und 18 Torr.
Werden unter sonst gleichen Bedingungen wie in Beispiel 4 die 81 g der 37 proz. Formalinlösung
innerhalb von 3 Stunden dem Athylenglykolmonomethyläther
zusammen mit dem Katalysator und CH2CI2
unter Sieden und Wasserentfenmng mit Hilfe des Schleppmittels zugetropft, so verringert sich der
Formaldehydgehalt im abgetrennten Wasser auf 0,4 g=0,01 Mol-%. Die Ausbeute an Formal steigt auf
96,5 Mol-% bei einer Selektivität von ca. 99 Mol-% bezogen auf den Glykolmonoäther.
Analog Beispiel 1 werden 600 g Diäthylenglykolmonomethyläther mit 30 g Amberlyst 15 und 1000 ml
CHCh, entsprechend einem Gewichtsverhältnis zum Diglykolmonoäther von 2,48 zu 1, zum Sieden erhitzt In
dieses Gemisch werden mittels einer Kolbenpumpe 303 g einer 25 proz. Formalinlösung innerhalb von 4
Stunden gleichmäßig eingepumpt Im wäßrigen Destillat sind 4,7 g Formaldehyd. Der Umsatz an Diglykolmonoäther
beträgt 91,7 Mol-%, die Ausbeute nach Destillation bei ca. Kp5 :1600C ergibt 82 Mol-% Formal
des Diglykolmonoäthers.
Analog Beispiel 4 wird aus einem Gemisch von 441 g Triäthylenglykolmonomethyläther, 74 g einer 58 proz.
Formalinlösung, 50 g Amberlyst 15, jedoch mit 600 ml CHCI3 (Gewichtsverhältnis zu Triglykolmonoäther
= 2,03 :1) unter Sieden am Rückfluß das Wasser innerhalb von 3 Stunden azeotrop entfernt. Die
Temperatur im Kolben beträgt 70—8O0C. Der Wasseraustrag
enthält 3,8 g = 0,13 Mol Formaldehyd. Bei einem Umsatz an Triglykolmonoäther von 75 Mol-% ist nach
Destillation bei Kp3 190—220° das Formal in einer
Ausbeute von 69,2 Mol-%, entsprechend 92,2 Mol-% Selektivität zu erhalten.
Analog Beispiel 1 werden 750 g eines Gemisches folgender Äthylenglykolmonomethyläther in die Reaktion
mit 37 proz. Formalinlösung eingesetzt:
Gew.-o/o
Triäthylenglykolmonomethyläther 9,0
Tetraäthylenglykolmonomethyläther 24,2
Pentaäthylenglykolmonomethyläther 28,8
Hexaäthylenglykolmonomethyläther 20,8
Heptaäthylenglykolmonomethyläther 10,8
Octaäthylenglykolmonomethyläther 4,7
Höhere Äthylenglykolmonomethyläther 1,7
In das bei 70—80° siedende Gemisch der Glykolmonoäther zusammen mit 1500 g CHCl3 und 50 g
Amberlyst 15 werden 121g einer 37 proz. Formalinlösung
im Verlauf von 3 Stunden unter Wasserentfernung mit Hilfe des Schleppmittels zugetropft. Das wäßrige
Destillat enthält 3,9 g =0,13 Mol Formaldehyd. Der Katalysator wird abfiltriert und das Chloroform
zusammen mit restlichem Wasser und nichtumgesetztem Formaldehyd im Vakuum abdestilliert Der
Katalysator kann mit unveränderter Aktivität für weitere Umsetzungen verwendet werden. Entspre-
chend dem Rückgang der Hydroxylzahl von 6,9% auf 1,9% beträgt der Umsatz zum Formal der Glykolmonoäther
72,4%. Nicht umgesetzte Monoäther werden im Vakuum bis zu einer Sumpftemperatur von ca. 280°C
abdestilliert. Den Rückstand färbende Anteile werden durch Adsorption an Aktivkohle bzw. Bleicherden
entfernt.
In einem 0,5 I Dreihalskolben, der mit einem Rührer, einem Thermometer und einer Füllkörperkolonne mit
ca. 2 —3 theoretischen Böden versehen ist, auf der sich
ein Wasserabscheider zur Verwendung eines Schlepp-
mittels mit einer Dichte kleiner als 1 befindet, werden 76 g = 1 Mol Äthylenglykolmonomethyläther, 40 g einer
37 proz. Formalinlösung, 185 g Isopropylchlorid und 0,38 g p-Toluolsulfonsäure, entsprechend 0,5 Gew.-%
bezogen auf den Glykolmonoäther, unter Rühren zum Sieden erhilzt. Im Zeitraum von 6 Stunden werden 27 g
HbO, bei ansteigender Temperatur (38 bis 56°C) im Kolben, mit Hilfe des Schleppmittels entfernt. Das
Wasser enthält außer 1,35 g Formaldehyd, entsprechend 9 Mol-% vom Einsatz, nur Spuren an Glykolmonoäther.
Die Ausbeute an Glykolmonoätherformal beträgt 72 Mol-% bei einem Umsatz an Glykolmonoäther von
78 Mol-%.
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Herstellung der Formale von Äthylenglykolmonomethyläthern der allgemeinen Formel[CH3O(CH2CH2O)J2CH2,mit n=l bis 8, durch Umsetzung der entsprechenden ι ο Äthylenglykolmonomethyläther mit Formaldehyd in Gegenwart von 0,2—20 Gew.-%, bezogen auf den Äther, eines sauren Katalysators mit einem pK-Wert <4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Äthylenglykolmonomethyläther mit '5 einer 20 bis 60-Gew. proz. wäßrigen Formaldehydlösung in Gegenwart eines aliphatischen Chlor- oder Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffs, der einen Siedepunkt zwischen 35 und 125° C bei Normaldruck hat, unter azeotropem Abdestillieren des Wassers umgesetzt werden.
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