• Nem Talált Eredményt

Karbonilezési reakciók

In document Szerves vegyipari alapfolyamatok (Pldal 95-101)

6 REAKCIÓK SZÉN-MONOXIDDAL

6.2 A szén-monoxid reakciói

6.2.3 Karbonilezési reakciók

6.2.3.1 Telítetlen vegyületek karbonilezése A.) Acetilén karbonilezése (Reppe-reakció)

Acetilén karbonilezésével víz vagy alkohol jelenlétében akrilsav, ill. akrilsavészterek állíthatók elő katalitikus eljárásokkal (Reppe-reakció):

HCºCH + CO + H2O (ROH) → H2C=CHCOOH(R).

A reakcióhoz Ni(CO)4 formájában adják a CO-t, sztöchiometrikus mennyiségben, HCl jelenlétében, 40 °C-on. A keletkezett NiCl2-ból a karbonilvegyület 100 bar nyomáson, 80 °C-on regenerálható. Ez a sztöchiometrikus megoldás.

A másik lehetőség a katalitikus megoldás: gázként adagolják a szén-monoxidot, nikkel- vagy kobaltalapú komplex katalizátor jelenlétében 170–350 °C-on, 30–150 bar nyomáson. Ez a katalitikus eljárás.

B.) Olefinek karbonilezése: RCH=CH2 + CO + HX ® RCH2–CH2–CO–X,

ahol X csoport: –OH; –OR; –SR; –NHR; –O2C–R (a termék ennek megfelelően sav, észter, tioészter, savamid vagy savanhidrid).

A katalizátor Ni-, Co-, Fe-, Rh-, Ru- vagy Pd-karbonil.

Így etilénből szén-monoxiddal vízben nikkel-propionát katalizátor jelenlétében 270–320 °C-on és 200–240 bar nyomáson propionsav állítható elő:

H2C=CH2 + CO + H2O ® CH3CH2COOH (–159 kJ/mol).

Újabban ezt a reakciót Pd-tartalmú zeolit katalizátorral heterogén fázisban 100 °C-on 50 bar nyomáson valósítják meg.

Diének is lehetnek kiinduló anyagok. Így butadiénből adipinsav-diészter állítható elő kétlépéses (konszekutív) karbonilező reakcióban metanol segítségével (6.2.3.1. ábra).

H2C CH CH CH2 + CO 130 °C, 60 bar

H3C CH CH CH2 COOMe + MeOH

H3C CH CH CH2 COOMe + CO + MeOH 170 °C, 150bar

MeOOC (CH2)4 COOMe 6.2.3.1. ábra: Diének karbonilezése

A reakciók katalizátora Co-karbonil-piridin.

C.) Koch-reakció

A Koch-reakció olefinek és szén-monoxid között játszódik le. A savkatalizált reakció során karbonsavak képződnek. A reakció során stabilis karbéniumion alakul ki, és az reagál a szén-monoxiddal, valamint a vízzel. Pivalinsavat ezzel a módszerrel 20–80 °C-on, 20–100 bar nyomáson, foszforsav-bór-trifluorid katalizátor jelenlétében állítottak elő (6.2.3.2. ábra). Jelenleg egy BASF- eljárás szerint heterogén fázisú katalízissel (Pentasil, zeolit) dolgoznak 250–300 °C-on, 300 bar nyomáson.

C CH2

6.2.3.2. ábra: Pivalinsav előállítása 6.2.3.2 Telített vegyületek karbonilezése

A.) Alkohol

Metanol karbonilezésével ecetsav állítható elő folyadék fázisban CoI2 katalizátorral 250°C-on, 680 bar nyomáson, vagy RhI2 katalizátorral 150–200 °C-on és 300 bar nyomáson.

MeOH + CO ® CH3COOH –138 kJ/mol B.) Észter

Metil-acetát karbonilezésével ecetsavanhidrid állítható elő hasonló reakciókörülmények között.

C.) Halogén-származékok

Halogénvegyületeket alkoholát jelenlétében karbonilezve észter nyerhető. Így etil-klóracetátból nátrium-etilát segítségével malonészter készíthető (6.2.3.3. ábra).

Cl C O CH3 O

+ CO + EtONa

Ni, Co, Fe v. Pd 50-100 °C, 1-10 bar

O O

O O

6.2.3.3. ábra: Malonészter előállítása D.) Éter

Ha étert karbonileznek, észter a termék: (6.2.3.4. ábra).

H3C O

CH3 + CO BF3 és Co

CH3CO2CH3 6.2.3.4. ábra: Éterek karbonilezése

6.2.3.3 Reduktív karbonilezés

Ezekben a szén-monoxidos reakciókban a szén-monoxid egy része redukálószerként funkcionál (szén-dioxiddá oxidálódik) és csak egy hányada lép be a szubsztrátumba, mint karbonilezőszer. Nitrocsoport reduktív karbonilezésével uretánhoz juthatunk, amiből izocianát készíthető (foszgénmentes izocianát előállítás, 6.2.3.5. ábra).

PhNO2 + 2CO + ROH PhNHCOOR + CO2 Ph N C O 6.2.3.5. ábra: Reduktív karbonilezés

6.2.3.4 Oxidatív karbonilezés

Ezekben a reakciókban a szén-monoxidon kívül oxigénre is szükség van.

A.) Metanol oxidatív karbonilezésével oxálsavészterhez juthatunk, amelyből hidrogénezéssel glikol állítható elő (6.2.3.6. ábra).

2 MeOH + CO

Pd (HNO3 jelenlétében)

110 °C, 90 bar O

O O

O 6.2.3.6. ábra: Dimetil-oxalát előállítása

B.) Olefinek (etilén) oxidatív karbonilezése akrilsavhoz vezet (6.2.3.7. ábra).

H2C CH2 + CO PdCl2/CuCl2

AcOH H2C CH COOH 6.2.3.7. ábra: Etilén oxidatív karbonilezése

C.) Anilin oxidatív karbonilezése alkohol jelenlétében uretánhoz vezet, ami az izocianátgyártás kiinduló anyaga lehet (6.2.3.8. ábra).

PhNH2 + 3 CO + EtOH + [O] Pd(I), 150-180 °C, 50-80 bar

95% konverzió PhNHCO2Et + H2O 6.2.3.8. ábra: Anilin oxidatív karbonilezése

6.2.4 Formilezések

6.2.4.1 Hidroformilezés (más néven oxoszintézis)

A szén-monoxid legfontosabb és legnagyobb ipari volumenű felhasználása. A hidroformilezés olefinek átalakítása eggyel nagyobb szénatomszámú aldehiddé, szén-monoxiddal és hidrogénnel való reakcióban. A reakcióban két izomer keletkezik (6.2.4.1. ábra), a lineáris láncú (normál, „n”) és az elágazó láncú (izo, „i”). Ez a legnagyobb ipari méretben megvalósított homogén katalitikus folyamat.

Az így előállított aldehid mennyisége a XX. század végére elérte az évenkénti 7 millió tonnát. Jó példája annak, hogy egy homogén katalitikus folyamat is versenyképes lehet.

R CH CH2 + CO + H2

R

HC O

HC O R

n

i

6.2.4.1. ábra: Hidroformilezés (R = alkil)

A kiinduló olefinek szénatomszáma nagyon változó, etiléntől kezdve elérheti a húszas lánchosszat is. A reakció katalitikus folyamat, amelynek ipari katalizátorai Co- és Rh-vegyületek különböző ligandumokkal (Co(CO)4 és Rh-foszfinok, pl. Rh(PPh3)3Cl), amelyeknek különböző az aktivitása és a szelektivitása. Az izomerarány a hőmérséklettől és a CO parciális nyomásától is függ.

(Laboratóriumban jónak bizonyult Pt is PPh3-nal és SnCl2-dal együtt, de még nem használják ipari méretben.)

Az egyik fontos ipari hidroformilező eljárás a propilénből induló, amely során butiraldehid és izobutiraldehid keletkezik. Az ipari megvalósítás során kobaltot és ródiumot is használnak katalizátornak. A két eljárás fontosabb paramétereit a 6.2.4.1. táblázatban foglaltuk össze.

6.2.4.1. táblázat: Propilént hidroformilező eljárások összevetése

Katalizátor Co(CO)4 Rh(PPh3)3Cl

Hőmérséklet 140–180°C 30–50°C

Nyomás 200–300 bar 30–50 bar

Izomerarány (n/i) 8/2 9/1

Katalizátorelválasztás Hevítés, savas oldás, lúgos extrakció A fázisok elválasztása Kobaltkatalizátor esetén a reakció sebességi egyenlete a 6.2.4.2. ábrán látható.

d aldehid

dt =

olefin Co pH pCO

2

6.2.4.2: ábra: Az aldehid fogyását leíró differenciálegyenlet

Az olefin és a katalizátor koncentrációjával, valamint a hidrogén parciális nyomásával növekszik a reakció sebessége. A katalizátorkoncentráció növelésének határt szab a heterogén rendszer keverhetősége. A túl nagyra választott hidrogénnyomás pedig elősegítheti a kiinduló olefin és a keletkezett aldehid nemkívánatos hidrogénezését. Az utóbbiból keletkező alkohol reagálhat a keletkező aldehiddel (félacetál-, acetálképződés). A szén-monoxid parciális nyomását célszerű olyan kis értéken tartani, ahol még jól megy a reakció.

A hatvanas években ismerték fel, hogy a kobalt periódusos rendszerbeli nagyobb móltömegű szomszédja, a ródium is jó katalitikus hatású karbonilvegyület formájában (aktivitása négy nagyságrenddel meghaladja a kobaltét). Viszont az izomer arány csupán 1:1 volt, ami nem megfelelő.

A Rh akkor jutott jelentős szerephez mint katalizátor, amikor felismerték, hogy tercier foszfin ligandumokkal a szelektivitás nagymértékben növelhető. A Rh-ot használó eljárásokban a korábbiakhoz képest enyhébbek a reakciókörülmények, kedvezőbb a normál láncú termék aránya, viszont a katalizátor lényegesen drágább. Ezért csak akkor vált iparivá az eljárás, amikor sikerült a katalizátor kvantitatív visszanyerését megoldani. Ezt vízoldható ligandumokkal érték el (6.2.4.3. ábra).

P HOOC

P HO3S

6.2.4.3. ábra: Vízoldható ligandumok

Újabb ligandumok (6.2.4.2. táblázat) bevezetésével a trifenilfoszfinnál is jobb eredményeket értek el.

6.2.4.2. táblázat: P-Ligandumok hatása a termékeloszlásra hex-1-én hidroformilezése során Katalizátor Komplexképző Lineáris:elágazó termék

Rh PPh3 9:1

A jobbnak látszó ródiumos eljárás jelenleg csak kis lánchosszúságú olefinek esetén (elsősorban propilén) használható. Hosszabb olefinek hidroformilezéséhez a kobaltalapú katalizátort alkalmazzák.

Hidroformilezés során a lineáris aldehidek képződése mellett más mellékreakciók is lejátszódhatnak (6.2.4.4. ábra).

R H

6.2.4.4. ábra: Mellékreakciók a hidroformilezés során

A keletkezett (oxo)aldehideket4 sokféleképpen hasznosíthatják:

– hidrogénezve alkoholok nyerhetők (oxoalkoholok), ami sok esetben a szintézis fő célja.

Ilyenkor dolgozhatnak nagyobb nyomással, hiszen az alkoholhoz vezető lépés nem mellékreakció. A hidrogénezés folyamatábráját a 6.2.4.5. ábrán mutatjuk be.

6.2.4.5. ábra: Oxoaldehid hidrogénezése – oxidálva savakat kapunk (oxosavak):

R–CH2–CH2–CHO + O2 ® R–CH2–CH2–COOH

– lúg jelenlétében aldoldimerizáció váltható ki, amelynek a termékét hidrogénezve alkohol nyerhető, pl. butiraldehidből 2-etilhexanol (6.2.4.6. ábra)

O

O OH

aldoldimerizáció CO + H2

Co

H2 Ni

2-etil-hexanol 6.2.4.6. ábra: 2-Etil-hexanol előállítása

Különleges eset a vinilészterek aszimmetrikus hidroformilezése, amellyel optikailag aktív aminosav-származék állítható elő5 (6.2.4.7. ábra).

O O

H2/CO

90 °C, 10 bar

O O O

HCN NH4OH

H2N O CN

O

H2N

OH COOH H+

L-treonin

* * *

királis Rh-foszfin komplex

6.2.4.7. ábra: L-Treonin előállítása

4 Az oxoaldehid elnevezés megtévesztő lehet: ebben a molekulában nem két oxocsoport van, a név elején levő oxo-előtag a molekula előállítási módjára (oxoszintézis) utal. Hasonló a helyzet, az ezekből előállított oxoalkoholokkal, oxosavakkal stb.

Tehát egy olefin királis hidroformilezésekor csak az elágazó aldehid aktív optikailag (vannak enantiomerjei), azaz a királis indukció mellett a megfelelő regioszelektivitás is fontos, ha ez a termék a szintézis célja.

6.2.4.2 Formilezés a Friedel–Crafts-reakciók körülményei között

Sósav jelenlétében Lewis-sav hatására aromás gyűrűn aldehidcsoport alakítható ki (Gattermann–

Koch-reakció): PhH + CO + HCl ® PhCHO (bővebben lásd Acilezés/Friedel–Crafts- reakciók.) Speciális alkalmazásként Antrakinon is nyerhető ezen az úton (6.2.4.8. ábra).

+ CO

FeCl3, CuCl2, HCl 215-225 °C, 25-70 bar

O O

O

2 CO

6.2.4.8. ábra: Antrakinon előállítása 6.2.4.3 Formilezések

A formilezés CO-csoport bevitele különböző szerves molekulákba.

6.2.4.3.1. Víz formilezése

Hangyasav egyik lehetséges előállítása: CO + H2O ® HCOOH.

A reakciót bázis jelenlétében (NaOH, Ca(OH)2), 8–30 bar nyomáson és 115–150 °C-on végzik.

6.2.4.3.2. Alkoholok formilezése

A reakcióval hangyasav-észterek állíthatók elő: CO + ROH ® HCOOR.

Metanolból kiindulva katalitikus mennyiségű nátrium-metilát jelenlétében 70 °C-on, 20–300 bar nyomáson képződik a metil-formiát. A termék hidrolízisével hangyasav nyerhető.

6.2.4.3.3. Formaldehid formilezése

Formaldehid formilezésével (észteresítés és redukció után) glikolhoz juthatnak (6.2.4.9. ábra).

HCHO + CO + H2O H2SO4

200-250 °C, 300-700 bar

HOCH2COOH MeOH

HOCH2COOMe redukció glikol

6.2.4.9. ábra: Formaldehid formilezése 6.2.4.3.4. Aminok formilezése

Formamidok egyik előállítási lehetősége, pl. 6.2.4.10. ábra.

H3C

H3CNH + CO

NaOMe, MeOH 20-100 bar, 80-100 °C

H3C H3CN C

O H 6.2.4.10. ábra: DMF előállítása

In document Szerves vegyipari alapfolyamatok (Pldal 95-101)