Способ получения окислов алкиленов путем эпоксидирования олефинов ароматическими пероксикарбоновыми кислотами

1 Настоящее изобретение относится к улучшенному способу получения эпоксидов, в частности окислов алкиленов, путем эпоксидирования олефинов ароматическими пероксикарбоновыми кислотами. Эпоксидирование олефинов с помощью пероксикарбоновых кислот, в частности с помощью м-хлорпероксибензойной кислоты, является для синтеза эпоксидов хорошо разработанным лабораторным методом. В специальной химической литературе этот метод подробно описан, например,Y.Sawaki у S.Patai (издатель), Chem. Hydroxyl,Ether Peroxide Groups, стр. 590-593 (1993). Однако для получения эпоксидов в большом масштабе этот метод мало подходит, т.к. пероксикарбоновые кислоты используют в стехиометрических количествах и для регенерации образующейся карбоновой кислоты требуется больший расход перекиси водорода. Поэтому в основу настоящего изобретения была положена задача выработать способ получения окислов алкиленов путем эпоксидирования олефинов с помощью ароматических пероксикарбоновых кислот, который дает возможность простой, надежно выполнимой и экономичной повторной переработки образующихся карбоновых кислот в пероксикарбоновые кислоты без применения перекиси водорода. В соответствии с этим был найден способ получения окислов алкилена путем эпоксидирования олефинов ароматическими пероксикарбоновыми кислотами, который заключается в том,что после произведенного эпоксидирования(стадия А) полученные ароматические карбоновые кислоты отделяют от эпоксидов, на стадии Б каталитически гидрируют в соответствующие ароматические альдегиды и на стадии В полученные альдегиды окисляют кислородом или содержащей кислород газовой смесью до ароматических пероксикарбоновых кислот, которые рециркулируют на эпоксидирование. С помощью этого способа в соответствии со стадией А можно, в принципе, эпоксидировать любой олефин. Предпочтительны те олефины, которые непосредственно на двойной связи несут не более одного притягивающего электрон заместителя. Особенно предпочтительны олефины без притягивающих электроны заместителей на двойной связи. Примерами широко применимых олефинов являются линейные или разветвленные олефины с 7-40 атомами углерода, в частности олефины с 3-24 атомами углерода, такие как этилен, пропен, 1-бутен, 2 бутен, изобутен, 1-пентен, 2-пентен, 1-гексен, 1 гептен, 1-октен, 2,4,4-триметил-1-пентен, 2,4,4 триметил-2-пентен, 1-нонен, 1-декан, 1-додецен,1-тетрадецен, 1-гексадецен, 1-октадецен, олефин с 20 атомами углерода, олефин с 22 атомами углерода, олефин с 24 атомами углерода,олефин с 28 атомами углерода, олефин с 30 атомами углерода, или циклические олефины, та 000108 2 кие как циклопропен, циклобутен, циклопентен,циклогексен, циклооктен, винилалкиловые эфиры, такие как винилметиловый эфир, винилэтиловый эфир или винилбутиловый эфир, аллилхлорид, аллиловый спирт, винилацетат, винилпропионат, стирол, а также соединения с многими олефиновыми двойными связями, такие как 1,3-бутадиен, изопропен, циклопентадиен или циклооктадиен. Применяют также и смеси олефинов. Особенно хорошо подходит соответствующий изобретению способ для эпоксидирования пропена в окись пропилена. В качестве ароматических пероксикарбоновых кислот подходят прежде всего соединения с общей формулой I в которой заместители от R1 до R3 независимо друг от друга означают водород, алкил с 1-6 атомами углерода, циклоалкил с 3-8 атомами углерода, арил с 6-14 атомами углерода, фенилалкил с 7-12 атомами углерода, галоген, алкокси с 1-6 атомами углерода, циклоалкокси с 3-8 атомами углерода, арилокси с 6-14 атомами углерода или фенилалкокси с 7-12 атомами углерода и один из заместителей от R1 до R3 также могут означать другую пероксикарбоксильную группу или карбоксильную группу. В частности, заместители от R1 до R3 независимо друг от друга имеют следующее значение:- алкил с 1-6 атомами углерода, преимущественно алкил с 1-4 атомами углерода, такие как метил, этил, н-пропил, изо-пропил, н-бутил, изобутил, вторичный бутил, третичный бутил, нпентил или н-гексил, особенно метил или третичный бутил;- циклоалкил с 3-8 атомами углерода, такие как циклопропил, циклобутил, циклопентил, циклогексил, циклогептил или циклооктил, в частности циклопентил или циклогексил или замещенный циклоалкил с 3-8 атомами углерода, в частности 1-метилциклопентил или 1-метилциклогексил;- алкокси с 1-6 атомами углерода, циклоалкокси с 3-8 атомами углерода, арилокси с 6-14 атомами углерода или фенилалкокси с 7-12 атомами углерода, причем указанные алкильные остатки и арильный остаток имеют вышеуказанные предпочтительные значения;-для одного из заместителей от R1 до R3 пероксикарбоксил или карбоксил; Далее предпочтительными являются ароматические пероксикарбоновые кислоты 1, которые имеют одну, две или три метильных группы в качестве заместителей от R1 до R3. Примерами применяемых ароматических пероксикарбоновых кислот являются в частности пероксибензойные кислоты, 2-метилпероксибензойная кислота(о-перокситолуиловая кислота), 3-метилпероксибензойная кислота (м-перокситолуиловая кислота), 4 метилпероксибензойная кислота (п-перокситолуиловая кислота), 2,4- и 3,5-диметилпероксибензойная кислота, 2,4,6-триметилпероксибензойная кислота,4 трет.бутилпероксибензойная кислота, 2-метил 4-трет.бутилпероксибензойная кислота, 2-метил-4-трет.бутилпероксибензойная кислота, 2,6 диметил-4-трет.бутилпероксибензойная кислота, 2-, 3- или 4-этилпероксибензойная кислота,4-(1-метилциклогексил) пероксибензойная кислота, 4-(1-метилциклопентил) пероксибензойная кислота, 4-фенилпероксибензойная кислота,3-хлорпероксибензойная кислота, 4-метоксиили 4-этоксипероксибензойная кислота, 4 метоксиили 4-этокси-2,6-диметилпероксибензойная кислота, бис-пероксифталевая кислота, монопероксифталевая кислота, бисперокситерефталевая кислота и моноперокситерефталевая кислота. Также применяют смеси названных ароматических пероксикарбоновых кислот. Особенно предпочтительна о-перокситолуиловая кислота. Соответствующая изобретению стадия А касательно эпоксидирования олефинов описана в литературе. Как правило, эпоксидирование проводят следующим образом. Ароматические пероксикарбоновые кислоты, растворенные в подходящем растворителе,подвергают реакции с олефином. Молярное соотношение олефина относительно пероксикарбоновой кислоты составляет от 0,8:1 до 100:1, в частности от 1:1 до 20:1, прежде всего от 1,5:1 до 5:1. Используемый раствор пероксикарбоновой кислоты получают растворением в растворителе выделенной пероксикарбоновой кислоты. Однако, предпочтительно используют непосредственно тот раствор, который был получен на стадии окисления В (при известных условиях после стадии очистки, в которой пероксикарбоновая кислота остается в растворе). В качестве органических растворителей для пероксикарбоновых кислот при эпоксиди 000108 4 ровании используют, например, кетоны (например, ацетон, бутанон или третичный бутилметилкетон), сложные эфиры (например, метил- и этилацетат или метилбензоат), нитросоединения(например, нитрометан или нитробензол), галогенозамещенные углеводороды (например, ди- и трихлорметан, 1,1,1-трихлорэтан или хлорбензол), карбонаты (например, диметилкарбонат),карбамидные производные (например, тетраметилкарбамид), неорганические эфиры или амиды (например, триметилфосфат или гексаметилтриамид ортофосфорной кислоты), углеводороды (например, гексан или гептан), или ароматические алкилуглеводороды (например, бензол,толуол или ксилол). Особенно предпочтительно,однако, применение тех же растворителей, что и при окислении на стадии В. Особенно предпочтительными растворителями для обеих стадий являются ацетон, метилацетат и этилацетат. Эпоксидирование проводят, например, при температуре от -20 до 100 С, в зависимости от растворителя и олефина. При применении ацетона в качестве растворителя и конечных олефинов (как, например, 1-октена или пропена) в качестве субстрата предпочтительны температуры от 25 до 80 С. Особенно предпочтительны температуры от 45 до 65 С. При относительно высокой температуре 45 С или выше неожиданно намного быстрее реагирует олефин по отношению к эпоксиду,чем при известных условиях еще существующий альдегид на стадии Б по отношению к карбоновой кислоте. Отделение возникающих из ароматических пероксикарбоновых кислот на стадии А ароматических карбоновых кислот от окислительных продуктов, в частности окислов алкенов, происходит согласно обычным методам, например путем фильтрации, экстракции или дистилляции. Каталитическое гидрирование ароматических карбоновых кислот на стадии Б происходит преимущественно в газовой фазе с помощью водорода в присутствии катализатора лантанида/двуокиси циркония. Подобные катализаторы известны из немецкой патентной заявки Р 44 28 994.4 как катализаторы гидрогенизации для переведения ароматических карбоновых кислот в соответствующие альдегиды. Стадия Б соответствующего изобретению способа производится следующим образом. Гидрирование ароматических карбоновых кислот с помощью водорода в присутствии катализатора, каталитически активная масса которого содержит от 60 до 99,9, в частности от 80 до 99,9 вес.% двуокиси циркония (ZrO2 ) и от 0,1 до 40, в частности от 0,1 до 20 вес.% одного или нескольких элементов лантанидов, проводится как правило при температурах от 200 до 450 С,преимущественно от 250 до 400 С, в частности от 300 до 380 С, и давлениях от 0,1 до 20 бар,преимущественно от 0,7 до 5 бар, в частности при атмосферном (нормальном) давлении. Тре 5 буемая температура и требуемое давление зависят от активности катализатора и термической стабильности исходного соединения и продукта. В качестве катализаторов подходят как катализаторы на носителе, так и катализаторы без носителя, преимущественно катализаторы из двуокиси циркония в кубической, тетрагональной или моноклинной фазе, которые легированы одним или несколькими элементами из ряда лантанидов. Каталитически активная масса содержит преимущественно от 90 до 99,9 вес.%, в частности от 92 до 99 вес.% двуокиси циркония и от 0,1 до 10 вес.%, в частности от 1 до 8 вес.% одного или нескольких элементов лантанидов, в частности лантана, церия, празеодима, неодима,самария, европия или их смесей, прежде всего лантана как окиси лантана (III). Легирование происходит, как правило, путем пропитывания двуокиси циркония солевыми растворами (водными или спиртовыми) лантанидов. Катализатор может дополнительно содержать другие примеси (например, хром, железо,иттрий, гафний, марганец) в количествах от 0,001 до 10 вес.%. Однако предпочтительны катализаторы без подобных добавок. Поверхность по БЭТ двуокиси циркония колеблется в широких пределах, но составляет как правило от 5 до 150 м 2/г, преимущественно от 20 до 150 м 2/г, особенно от 40 до 120 м 2/г. Подобные катализаторы изготавливают известным образом, например путем пропитывания предварительно сформованных носителей в виде окатышей, шариков или жгутов, сушки и кальцинирования. Преимущественно применяемые катализаторы на носителе показывают высокую активность по истечении долгого промежутка времени. Дезактивированные катализаторы можно регенерировать путем обработки газами, содержащими молекулярный кислород, например воздухом, при температурах от 350 до 500 С. В общем, регулируют нагрузку катализатора от 0,01 до 10, преимущественно от 0,01 до 3 кг ароматической карбоновой кислоты на кг катализатора и в час. Концентрация водорода в исходном газе зависит от концентрации карбоновой кислоты. Молярное соотношение водорода и ароматической карбоновой кислоты составляет как правило от 2:1 до 70:1. В качестве источника водорода также используют муравьиную кислоту. Также является, например, полезной добавка инертного разбавителя. Как правило применяются азот, вода или газообразные, инертные при условиях реакции соединения, такие как углеводороды, ароматические углеводороды или эфиры. Реакцию проводят в газовой фазе либо на неподвижном слое катализатора с подачей реагентов снизу или сверху, или на псевдоожиженном слое катализатора. Предпочтительной является работа на неподвижном слое катализатора. 6 Для повышения селективности образующиеся при гидрировании побочные продукты,например спирты, можно рециркулировать в синтез. Содержащая ароматический альдегид смесь из стадии Б, при необходимости после стадии очистки, на стадии В соответственно поглощается подходящим растворителем и окисляется в жидкой фазе с помощью кислорода или содержащей кислород газовой смеси до соответствующих ароматических перкарбоновых кислот. При этом работают преимущественно при температурах от-10 до 100 С и парциальном давлении кислорода от 0,001 до 100 бар. Из DE-A 25 15 033 известно, что птолуиловый альдегид окисляют, например, в растворе ацетона с помощью воздуха при 28 С и 30 бар без катализатора примерно с 80%-ным выходом п-перокситолуиловой кислоты. Столь высокие выходы достигают, однако, лишь тогда,когда используют п-толуиловый альдегид высокой чистоты и не содержащий воды ацетон. Стадию В соответствующего изобретению способа обычно проводят следующим образом. Концентрация ароматического альдегида в растворителе составляет, например, от 1 до 75 вес.%. При этом предпочитаются концентрации от 5 до 35 вес.%, особенно от 8 до 20 вес.%. Кислород или содержащую кислород газовую смесь, либо в газообразном состоянии, либо как раствор, при необходимости также и под давлением, подвергают реакции с ароматическим альдегидом. Парциальное давление кислорода составляет преимущественно от 0,01 до 30 бар, в частности от 0,05 до 5 бар. Окисление проводят одно- или двухфазно. Для однофазного режима проведения подходят реакторы, в которых раствор ароматического альдегида подвергают реакции с раствором кислорода, при необходимости под давлением,например трубчатые реакторы или котлы с мешалкой, снабженные лотком. Для двухфазного режима проведения подходят реакторы, которые осуществляют хорошее размешивание газа/жидкости, такие как барботажные колонны (с или без разделительных пластин или насадок),котлы с мешалкой (при необходимости с мешалкой для обработки газом или при необходимости установленные в виде каскада) или оросительные реакторы. Температура реакции составляет преимущественно от 0 до 60 С, в частности от 15 до 40 С. Время реакции выбирают таким образом,чтобы степень превращения альдегида достигала от 40 до 100%. Предпочтительно время реакции, в течение которого степень превращения альдегида достигает от 60 до 99%. Особенно предпочтительно то время реакции, в течение которого степень превращения альдегида достигает значения между 75 и 95%. 7 При окислении можно также добавлять стабилизатор для образованной пероксикарбоновой кислоты,например,8 гидроксихинолин, дипиколиновая кислота или 2,6-дигидроксиметилпиридин. В качестве органических растворителей для стадии В применяют, например, кетоны(например, ацетон, бутанон или третичный бутилметилкетон), сложные эфиры (например,метил- и этилацетат или метилбензоат), нитросоединения (например, нитрометан или нитробензол), галогенозамещенные углеводороды(например, ди- и трихлорметан, 1,1,1 трихлорэтан или хлорбензол), карбонаты (например, диметилкарбонат), производные карбамида (например, тетраметилкарбамид), неорганические эфиры или амиды (например, триметилфосфат или гексаметилтриамид фосфорной кислоты) или алкильные ароматические углеводороды (например, бензол, толуол или ксилол). Предпочтение отдается кетонам, в частности ацетону и третичному бутилметилкетону, и сложным эфирам, в частности метил- и этилацетату и метилбензоату. Ароматические перкарбоновые кислоты либо выделяют (например, путем осаждения),либо используют без выделения (т.е. в растворе) снова непосредственно на стадии А. Неожиданно то, что о-толуиловый альдегид можно окислять быстрее, чем изомерный птолуиловый альдегид. Способ согласно изобретению имеет то преимущество,что ароматические пероксикарбоновые кислоты регенерируют после окисления или эпоксидирования без использования перекиси водорода. Ароматическая пероксикарбоновая кислота действует только как переносчик кислорода и практически не расходуется. Стехиометрия для общего способа означает в случае эпоксидирования: олефин + O2 +H2 окись алкилена + Н 2 О. Схема реакции эпоксидирования с применением ароматических пероксикарбоновых кислот I выглядит следующим образом: 8 50 г 8,3%-ного по весу раствора пперокситолуиловой кислоты в ацетоне смешивают с 4,6 г (1,5 эквивалента) 1-октена и перемешивают при 40 С. Через 5 ч конверсия пероксикислоты составляет примерно 90%. Селективность образования окиси октена составляет около 80% относительно пероксикислоты и 95% относительно 1-октена. Температура реакции может быть повышена без существенного снижения селективности. При температуре реакции 60 С степень превращения пероксикислоты составляет через 2 ч уже около 90%. Селективность образования окиси октена напротив остается неизменной по сравнению с опытом при 40 С. Пример 2. Эпоксидирование пропена с помощью п-перокситолуиловой кислоты в ацетоне. 35 г 8,4%-ного по весу раствора пперокситолуиловой кислоты в ацетоне помещают в 50 мл стеклянный автоклав, добавляют 2,4 г пропена (3 эквивалента) и перемешивают 4,5 ч при температуре 60 С. Степень превращения пероксикислоты составляет 94%. Селективность образования окиси пропилена относительно пероксикислоты составляет 95%. Пример 3. Эпоксидирование 1-октена с помощью о-перокситолуиловой кислоты в ацетоне. 100 г 11,2%-ного по весу раствора оперокситолуиловой кислоты в ацетоне смешивают с 16,8 г 2-октена (2 эквивалента) и перемешивают при 60 С. Через 1 ч степень превращения пероксикислоты составляет 92%. Селективность образования окиси октена составляет 97% относительно о-перокситолуиловой кислоты. Пример 4. Получение катализатора для гидрирования на стадии Б. Моноклинную ZrO2 (поверхность по БЭТ: от 40 до 85 м 2/г) в виде таблеток (катализатор А и Д) или жгутов (катализатор Б, В и Г) пропитывают с помощью водного раствора нитрата лантанида (или с помощью водного раствора нитратов лантанида) при хорошем перемешивании и выдерживают 2 ч при комнатной температуре. Наконец, катализатор сушат 15 ч при 120 С и затем подвергают термической обработке в течение от 2 до 4 ч при температуре от 400 до 500 С. Полученные таким образом катализаторы имеют следующее содержание лантанидов: Катализатор А (поверхность 67 м 2/г): 3 вес.% лантана; Катализатор Б (поверхность 46 м 2/г): 3 вес.% празеодима; Катализатор В (поверхность 46 м 2/г): 3 вес.% церия; Катализатор Г (поверхность 46 м 2/г): 3 вес.% лантанида;Nd2O3); Катализатор Д (поверхность 53 м 2/г): 3 вес.% лантана. Примеры от 5 а до 5 и. Гидрирование 4 замещенных ароматических карбоновых кислот. При известных условиях растворяют от 4 до 8 г в час ароматических карбоновых кислот в тетрагидрофуране (ТГФ), направляют в выпарной аппарат (300 С) и оттуда с помощью 100 л/ч водорода подвергают распылению над 100 г катализатора. Газообразный продукт реакции конденсируют в низкотемпературной ловушке и анализируют газохроматографическим методом. Применяемые кислоты и результаты обобщены в табл.1. Пример 6. Гидрирование 3-метилбензойной кислоты. С помощью 100 л/ч водорода выпаривают 8 г в час 3-метилбензойной кислоты (в качестве расплава) и при 360 С пропускают над 100 г катализатора Д. Газообразный продукт реакции конденсируют в низкотемпературной ловушке и анализируют газохроматографическим методом. Выход 3-метилбензальдегида составляет 92%(степень превращения 99%). Пример 7. Гидрирование 2-метилбензойной кислоты. С помощью 200 л/ч водорода выпаривают 8 г/ч 2-метилбензойной кислоты (в качестве расплава) и при 350 С пропускают над 100 г катализатора Д. Газообразный продукт реакции конденсируют в низкотемпературной ловушке и анализируют газохроматографическим методом. Выход 3-метилбензальдегида составляет 93%(степень превращения 99%). Примеры от 8 а до 8 д. Окисление ароматических альдегидов с помощью воздуха до пероксикарбоновых кислот в ацетоне. Раствор ароматического альдегида (10 вес.% в ацетоне) окисляют воздухом при 30 С в колбе с четырьмя горлышками с трубкой для подведения газа, высокоскоростной мешалкой Геша и дефлегматором. Концентрацию пероксикислоты определяют йодометрически. Другие компоненты определяют с помощью газовой хроматографии (после восстановления пероксикислоты с помощью трибутилфосфита). Применяемые альдегиды и результаты сведены в табл.2. Таблица 2 Выход СелективПри- Альдегид Время реакции, альдеги- ность обмер разования ч да, % Пример 9. Окисление п-толуилового альдегида в метилацетате. П-толуиловый альдегид окисляют как в примере 8 б, но вместо ацетона в качестве растворителя используют метилацетат. Через 7 ч времени реакции конверсия альдегида составляет 62%. Селективность образования птолуиловой пероксикислоты составляет 69%. Пример 10. Окисление о-толуилового альдегида кислородом под давлением. Раствор, содержащий 10 вес.% отолуилового альдегида в ацетоне, окисляют чистым кислородом при 5 бар и 30 С в 10 мл стеклянном автоклаве с магнитной мешалкой. Через 1,5 ч было превращено около 80% альдегида. О-толуиловая пероксикислота образовалась с селективностью 90%. Остаток состоял в основном из о-толуиловой кислоты. Побочные продукты, такие как фталид, толуол, о-крезол и о-крезолформиат, образуются в количестве лишь примерно 0,2%. Окисление можно проводить также и в более концентрированных растворах. Окисление раствора, содержащего 20 вес.% о-толуилового альдегида (30 С, 5 бар, кислород, время реакции 3 ч) дает соответствующую пероксикислоту с селективностью около 93% (конверсия альдегида 90%). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения окислов алкиленов путем эпоксидирования олефинов ароматическими пероксикарбоновыми кислотами, отличающийся тем, что после произведенного эпоксидирования олефинов (стадия А) полученные ароматические карбоновые кислоты отделяют от эпоксидов, каталитически гидрируют их в соответствующие ароматические альдегиды(стадия Б) и полученные альдегиды окисляют кислородом или кислородсодержащей газовой смесью до ароматических пероксикарбоновых кислот (стадия В), которые рециркулируют на эпоксидирование олефинов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве олефина используют пропилен. ческих карбоновых кислот на стадии Б проводят в газовой фазе с помощью водорода в присутствии катализатора-лантанида/двуокиси циркония. 5. Способ по пп. от 1 до 3, отличающийся тем, что окисление ароматических альдегидов в стадии В проводят в жидкой фазе в подходящем растворителе при температурах от -10 до 100 С и парциальных давлениях кислорода от 0,001 до 100 бар. 6. Способ по пп. от 1 до 3, отличающийся тем, что эпоксидирование производят в растворителе. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что эпоксидирование и окисление альдегидов проводят в одинаковом растворителе. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве растворителя применяют ацетон, метилацетат или этилацетат. 9. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве пероксикарбоновой кислоты применяют о-перокситолуиловую кислоту. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем,что в качестве ароматических пероксикарбоновых кислот применяют соединения с общей формулой I в которой заместители от R1 до R3, независимо друг от друга, означают водород, алкил с 1-6 атомами углерода, циклоалкил с 3-8 атомами углерода, арил с 6-14 атомами углерода, фенилалкил с 7-12 атомами углерода, галоген, алкокси с 1-6 атомами углерода, циклоалкокси с 3-8 атомами углерода, арилокси с 6-14 атомами углерода или фенилалкокси с 7-12 атомами углерода и один из заместителей от R1 до R3 также может означать другую пероксикарбоновую группу или карбоксильную группу. 4. Способ по пп. от 1 до 3, отличающийся тем, что каталитическое гидрирование ароматипри- Катамера лизатор Заместитель на 4-ой позиции карбоновой кислоты. В растворителе (ТГФ), при 100 вес.% чистой карбоновой кислоты без растворителя.