СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 1,2-ЭПОКСИ-3-ХЛОРПРОПАНА Российский патент 2008 года по МПК C07D301/12 C07D303/08 

Изобретение относится к способу получения 1,2-эпокси-3-хлорпропана реакцией между аллилхлоридом и перекисью водорода.

Известно получение 1,2-эпокси-3-хлорпропана (или эпихлоргидрина) путем эпоксидирования аллилхлорида посредством перекиси водорода в присутствии метанола в качестве растворителя и в присутствии катализатора, включающего TS-1, как описано в патенте США 6.350.888.

Этот известный способ без регулирования рН эпоксидирующей среды проявляет недостатки в виде плохой селективности реакции эпоксидирования и, соответственно, значительного образования нежелательных побочных продуктов.

Настоящее изобретение нацелено на преодоление данного недостатка, предлагая новый способ, в котором образование побочных продуктов сильно снижено, однако без уменьшения активности катализатора (или степени превращения реагентов или скорости реакции эпоксидирования). Побочные продукты, которые могут образовываться, являются, например, результатом метанолиза эпихлоргидрина в хлорметоксипропанолы или гидролиза в хлорпропандиол.

Следовательно, изобретение относится к способу получения 1,2-эпокси-3-хлорпропана реакцией между аллилхлоридом и перекисью водорода в присутствии катализатора и возможном присутствии, по меньшей мере, одного растворителя в эпоксидирующей среде, включающей, по меньшей мере, одну жидкую фазу, в котором рН жидкой фазы контролируют и поддерживают при значении, большем или равном 1,5 и меньшем чем 4,8.

Понятно, что термин "контроль рН" означает периодическое или непрерывное измерение рН во время процесса так, чтобы осуществлять мониторинг его изменения в ходе процесса и, в результате, иметь возможность действовать, когда рН становится слишком высоким или слишком низким, так чтобы предотвратить достижение рН значений, более высоких или равных 4,8 или меньших чем 1,5.

Одна из важнейших характеристик изобретения заключается в регулировании рН жидкой фазы эпоксидирующей среды. Это так, потому что было найдено, что, когда рН контролируют и поддерживают при значении, большем или равном 1,5 и меньшем чем 4,8, наблюдается преимущество по сравнению с процессом, проводимом без контроля рН состоящее, в том, что селективность эпоксидирования оказывается выше без избыточного снижения активности катализатора.

Не будучи связанной научной теорией, заявляющая компания полагает, что рН оказывает влияние на селективность реакции эпоксидирования. Это может быть объяснено тем фактом, что избыточно высокий рН будет ингибировать активность катализатора, в то время как избыточно кислотный рН будет благоприятствовать образованию побочных продуктов.

В способе согласно изобретению рН жидкой фазы эпоксидирующей среды может регулироваться и измеряться любыми подходящими известными способами. Когда рН измеряют при комнатной температуре электродом Metrohm® 6.0239.100 (электролит 3М KCl) на отобранном образце эпоксидирующей среды, его следует регулировать так, чтобы поддерживать величину, большую или равную 1,5 и меньшую или равную 4,8. В общем случае рН поддерживают при значении, большем или равном 1,75, предпочтительно большем или равном 2, более предпочтительно большем или равном 2,5; при этом значения, большие или равные 3, дают удовлетворительные результаты. Величину рН выгодно поддерживать при значении, меньшем или равном 4,5, более предпочтительно, меньшем или равном 4,2; при этом значения, меньшие или равные 4, дают хорошие результаты.

Величина рН может регулироваться путем добавления основания или смеси соли и кислоты или связанного с ней основания. Основание может быть выбрано из водорастворимых оснований. Они могут быть сильными основаниями или слабыми основаниями. В качестве примера можно упомянуть гидроксид щелочного металла или щелочноземельного металла, карбонат или ацетат. Предпочтительным является гидроксид натрия.

Термин "эпоксидирующая среда", в которой протекает реакция эпоксидирования по способу согласно изобретению, следует понимать как означающий среду, включающую, по меньшей мере, одну жидкую фазу, содержащую аллилхлорид, перекись водорода, растворитель, если применяется образовавшийся 1,2-эпокси-3-хлорпропан и, необязательно, побочные продукты, и твердую фазу, включающую катализатор. Жидкая фаза эпоксидирующей среды в общем случае содержит также воду, обычно в концентрации от 5 до 25 мас.%.

Эпоксидирующая среда может также включать две жидкие фазы, причем первая жидкая фаза, преимущественно водная, включает перекись водорода и, по меньшей мере, часть растворителя, если целесообразно его применять, а вторая жидкая фаза, преимущественно органическая, включает аллилхлорид, образовавшийся 1,2-эпокси-3-хлорпропан, необязательно, побочные продукты и по меньшей мере другую часть растворителя, если он применяется. Эпоксидирующая среда может не содержать растворителя.

Когда эпоксидирующая среда включает две жидкие фазы, рН измеряют как описано выше, но, энергично смешивая две жидкие фазы так, чтобы получить постоянные и воспроизводимые замеры рН перемешанной среды.

Способ согласно изобретению делает возможным получение значений селективности, которые обычно выше или равны 95 мол.% по эпихлоргидрину, рассчитанных как в приведенном далее примере, предпочтительно выше или равны 96%. Селективность обычно ниже или равна 99,5%, более предпочтительно меньше или равна 99%.

В способе согласно изобретению можно кроме того показать, что является выгодным применять аллилхлорид, очищенный таким образом, чтобы он содержал менее 2000 ч./млн 1,5-гексадиена. Это так, потому что было найдено, что использование очищенного аллилхлорида делает возможным увеличить продолжительность использования катализатора (и, таким образом, уменьшить частоту, с которой катализатор должен выводиться из эпоксидирующей среды для того, чтобы его заменить или регенерировать), сохраняя в то же время высокую активность и высокую селективность.

Очищенный аллилхлорид может быть получен любым подходящим известным способом, например, хлорированием, как описано в международной патентной заявке WO 96/03362. Очистка может также быть осуществлена дистилляцией.

Очищенный аллилхлорид обычно включает 1,5-гексадиен в количестве, меньшем 1000 ч./млн мас. и предпочтительно меньшем или равном 500 ч./млн мас.; величины, меньшие или равные 400 ч./млн мас. и, в особенности, меньшие или равные 300 ч./млн мас., являются наиболее выгодными. Количество 1,5-гексадиена, присутствующее в очищенном аллилхлориде, обычно больше или равно 1 ч./млн мас., наиболее часто больше или равно 10 ч./млн мас.

В процессе согласно изобретению перекись водорода преимущественно применяют в виде водного раствора. Водный раствор обычно включает по меньшей мере 10 мас.% перекиси водорода, предпочтительно по меньшей мере 20 мас.% Он обычно включает до 70 мас.% перекиси водорода, предпочтительно 50 мас.%.

Обычно мольное отношение количества применяемого аллилхлорида к количеству применяемой перекиси водорода больше или равно 0,1, в частности больше или равно 0,5, и предпочтительно больше или равно 1. Такое отношение обычно меньше или равно 100, более часто меньше или равно 50, в общем случае меньше или равно 25. В особо предпочтительной альтернативной форме способа согласно изобретению осуществлено использование такого избытка аллилхлорида, что мольное отношение количества применяемого аллилхлорида к количеству применяемой перекиси водорода больше или равно 2, в частности больше или равно 3, и весьма предпочтительно больше или равно 4. В данной предпочтительной альтернативной форме отношение, в общем случае, меньше или равно 10, более часто, меньше или равно 8, и обычно меньше или равно 7. Особенно хорошо подходит отношение примерно 5. Применение избытка аллилхлорида в данной альтернативной форме делает возможным получение еще большего увеличения селективности и в сочетании с очищенным аллилхлоридом делает возможным также добиться снижения дезактивации катализатора.

Растворитель, необязательно применяемый в способе согласно изобретению, может быть выбран из любых органических растворителей, которые, по меньшей мере, частично растворимы в воде и водных смесях. Растворителями, которые особенно подходят, являются спирты. Предпочтительные спирты включают от 1 до 5 атомов углерода. Особо подходящими являются те, которые содержат одну группу ОН. В качестве примера можно упомянуть метанол, этанол, н-пропанол, изопропанол, бутанол и пентанол. Обычно это метанол или трет-бутанол. Наиболее часто применяемым является метанол.

Если эпоксидирующая среда включает только одну жидкую фазу, последняя в общем случае включает по меньшей мере 30 мас.% растворителя, преимущественно 50 мас.%. Данное количество составляет обычно самое большее 90 мас.%, более часто, до 75 мас.%. Если эпоксидирующая среда включает две жидких фазы, эпоксидирующая среда может включать меньше растворителя и может даже не содержать растворителя.

Катализатор, применяемый в способе согласно изобретению, обычно включает цеолит, а именно, твердое вещество, включающее двуокись кремния, которое имеет микропористую кристаллическую структуру. Цеолит предпочтительно не содержит алюминия. Он предпочтительно включает титан.

Цеолит, который может быть использован в способе согласно изобретению, может иметь кристаллическую структуру цеолитов типа ZSM-5, ZSM-11 или MCM-41 или цеолита бета-типа. Цеолиты типа ZSM-5 являются особенно подходящими. Предпочтительными являются те, которые имеют полосу инфракрасного поглощения примерно при 950-960 см^-1.

Особо хорошо подходящими цеолитами являются силикаты титана. Особенно хорошие результаты дают цеолиты, соответствующие формуле xTiO₂(1-x)SiO₂, в которой x имеет значения от 0,0001 до 0,5, предпочтительно от 0,001 до 0,05 и проявляют кристаллическую структуру типа ZSM-5.

Катализатор предпочтительно вводят в форме сферических частиц, полученных любым известным способом. Способ, который особенно хорошо подходит, описан в международной патентной заявке WO 99/24162 от Solvay (Société Anonyme). Катализатор может также поставляться в форме несферических частиц, полученных, например, экструзией, как описано в международной патентной заявке WO 99/28029 от Solvay (Société Anonyme).

Частицы катализатора обычно имеют средний диаметр, больший или равный 0,01 мм и меньший или равный 5 мм, удельную поверхность, большую или равную 1 м²/г и меньшую или равную 900 м²/г (определенную согласно методу адсорбции азота), объемную плотность от 0,1 до 1,0 г/мл, объем пор от 0,25 до 2,5 мл/г и распределение диаметра пор с максимумом между 15 и 2000Å.

Катализатор может присутствовать в процессе согласно изобретению в форме слоя. Это может быть неподвижный или псевдоожиженный слой. Псевдоожиженный слой является предпочтительным.

Реакция эпоксидирования процесса согласно изобретению может быть проведена в подходящем реакторе любого типа. Это может быть, например, однопроходный слой. Это может быть также реактор типа петли, включающий рециркуляцию эпоксидирующей среды с рециркуляцией катализатора или без нее.

Температура, при которой может проводиться реакция эпоксидирования, в общем случае выше или равна 0°С, предпочтительно выше или равна 35°С, более предпочтительно выше или равна 45°С, и предпочтительно выше или равна 55°С. Температура обычно меньше или равна 120°С, более часто, меньше или равна 100°С, в общем случае, меньше или равна 80°С, причем температуры, меньшие или равные 65°С, дают весьма удовлетворительные результаты. Когда температура имеет значение от 45 до 80°С, наблюдается преимущество по сравнению с более низкой температурой, например, приблизительно 35°С, в том, что скорость дезактивации катализатора понижается.

Способ по изобретению может осуществляться при любом давлении, по меньшей мере, равном давлению паров составляющих эпоксидирующей среды.

Способ согласно изобретению может осуществляться непрерывно или периодически.

ПРИМЕРЫ

Опыты проводили в установке, состоящей в основном из трубчатого реактора с рубашкой под давлением в псевдоожиженном слое (диаметр 1,5 см, высота 50 см) жидкость-твердое с рециркуляционным контуром (петлей). Контур включает, в частности, порциальный конденсатор горячего орошения под атмосферным давлением, расположенный непосредственно на выходе из реактора (конденсация аллилхлорида), и датчик рН, делающий возможным регулирование рН. Общий объем установки составляет приблизительно 350 мл.

Температуру реактора регулировали, используя криотермостат.

Давление в реакторе регулировали на уровне 4,5 бар, используя пневматический клапан.

Давление эпоксидирующей среды понижали на ее выходе из реактора, и полученную из нее газожидкостную смесь охлаждали, пропуская ее через стеклянный змеевик, окруженный рубашкой. Точку задания регулирования криотермостата устанавливали на -20°С.

Жидкую фазу на выходе из конденсатора делили на два потока:

- жидкий выходной поток, расход которого соответствует расходу подаваемых на питание реагентов,

- и второй, больший выходной поток, который образует рециркуляционный возвратный поток. Потоки питания Н₂О₂, аллилхлорида (ALC) и метанола (СН₃ОН) добавляли в данный рециркулирующий поток. Как раз на этом уровне помещали также и систему измерения и регулирования рН.

Движение к реактору обеспечивали, используя мембранный насос. Расход рециркулирующего потока измеряли, используя расходомер, и устанавливали на 5 л/ч. Перед поступлением в реактор жидкость пропускали через предварительный подогреватель.

В данных опытах использовали 18,6 г катализатора (т.е. 6,5 г TS-1), поставляемого в форме 0,4-0,6 мм бусин, состоящих из силиката Ti (35 мас.%), распределенного в микропористой матрице из диоксида кремния (65 мас.%). Они были приготовлены по золь-гель процессу в присутствии газовой фазы (как описано в WO 99/24164 от Solvay (Société Anonyme).

Расходы потоков питания, соответствующие двум типам эпоксидирующей среды, показаны ниже

Эпоксидирующая среда 1:

ALC/H₂O₂: 2 моль/моль

MeOH/ALC: 7,8 моль/моль

ALC: 38,2 мл/ч

МеОН: 148,2 мл/ч

39 мас.% Н₂О₂: 20,5 г/ч

Эпоксидирующая среда 2:

ALC/H₂O₂: 5 моль/моль

MeOH/ALC: 2,1 моль/моль

ALC: 95,5 мл/ч

МеОН: 99,7 мл/ч

39 мас.% Н₂О₂: 148,2 г/ч

Степень превращения (DC) H₂O₂ рассчитывали по расходам Н₂О₂ на входе и выходе, последнюю определяли, используя результаты йодометрического анализа остаточной Н₂О₂ в выходящей жидкости.

DC (%)=100×(Н₂О_{2примененная}, моль/ч - Н₂О_{2 непрореагировавшая}, моль/ч) / Н₂О_{2примененная}, моль/ч,

где Н₂О_{2 непрореагировавшая} - концентрация Н₂О₂ в отводимом потоке в моль/кг × расход отводимого потока в кг/ч.

Термин "С3_{F (formed)}" понимается как означающий эпихлоргидрин (EPI) и различные побочные продукты, получаемые при раскрытии оксирамового кольца, а именно, 1-хлор-3-метокси-2-пропанол (обозначенный как 1C3OMe2Pol), 1-хлор-2-метокси-3-пропанол (обозначенный как 1C2OMe3Pol), 3-хлор-1,3-пропандиол (обозначенный как MCG) и 1,3-дихлор-2-пропанол (обозначенный как 1,3DCPol).

Таким образом, может быть рассчитана селективность EPI/C3_F по хроматограмме, полученной парофазной хроматографией выходящей жидкости, с использованием выражения:

Селективность:EPI/C3_F(%)=100×EPI_F(моль/ч)/Σ(EPI +1C3OMe2Pol+1C2OMe3Pol+MCG+1,3DCPol)_F (моль/ч)

Величину рН жидкого выходящего потока периодически измеряли вне потока. Для того чтобы сделать это, использовали титропроцессор (682 Titroprocessor Metrohm®) и комбинированный рН электрод (6.0239.100 от Metrohm®). Этот электрод, электролитом которого является 3М KCl, калибровали, используя два водных буферных раствора с рН 7 и 4.

Примеры 1 (в соответствии с изобретением) и 2 (не в соответствии с изобретением)

Пример 1 с регулированием рН проводили при следующих условиях: 55°С, "высокая чистота" ALC (включает 180 ч./млн мас. 1,5-гексадиена), отношение ALC/H₂O 5 моль/моль и отношение СН₃ОН/ALC 2,1 моль/моль. Значение рН поддерживали на величине 3,5, используя 0,1 М раствор NaOH в смеси 1:1 (об./об.) Н₂О/СН₃ОН, причем присутствие СН₃ОН являлось необходимым для того, чтобы было возможно избежать возможной сегрегации в случае добавления значительного количества основания.

Сравнение с примером 2, проведенным без регулирования рН, ясно показывает, что регулирование рН лишь слабо влияет на конверсию, по меньшей мере, и в использованных здесь условиях: разница в конверсиях не превышала 2-3%. Напротив, селективности ERI/C3_F совершенно явно превосходили селективности, замеренные в отсутствие регулирования.

Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1Время (ч) Пример 1
с регулированиемПример 2
без регулирования25Конверсия (%)
Селективность EPI/C3_F (%)95,3
96,996,9
93,750Конверсия (%)
Селективность EPI/C3_F (%)89,3
97,292,1
94,378Конверсия (%)
Селективность EPI/C3_F (%)83,3
97,485,1
94,4

Примеры 3 (в соответствии с изобретением) и 4 (не в соответствии с изобретением)

Примеры 3 и 4 проводили при следующих условиях: 65°С (пример 3) и 55°С (пример 4), "высокая чистота" ALC (включает 180 ч./млн мас. 1,5-гексадиена), отношение ALC/H₂O 5 моль/моль и отношение СН₃ОН/ALC 2,1 моль/моль.

В примере 3 величину рН регулировали, используя 0,1 М раствор NaOH в смеси 1:1 (об./об.) Н₂О/СН₃ОН, и поддерживали на величине 3,7.

Пример 4 проводили без регулирования рН.

Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 Пример 3
Т: 65°С
С регулированием рНПример 4
Т: 65°С
Без регулирования рНСтепень превращения Н₂О₂ (%)92,092,2Селективность EPI/C3_F (%)96,394,4Время (ч)19553

Факт увеличения температуры при регулировании рН делает возможным сочетать высокую селективность EPI/C3_F и высокое превращение Н₂О₂, а также ограничить дезактивацию.

Примеры 5 и 6 (не в соответствии с изобретением)

Примеры 5 и 6 без регулирования рН проводили при следующих условиях: 35°С (пример 5) и 55°С (пример 6), "высокая чистота" ALC (включает 180 ч./млн мас. 1,5-гексадиена), отношение ALC/H₂O 2 моль/моль и отношение СН₃ОН/ALC 7,8 моль/моль. Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3 Пример 5
Т: 35^оСПример 6
Т: 65^оССтепень превращения Н₂О₂ (%)44,742,9Селективность EPI/C3_F (%)97,390,8Время (ч)27228

Если рН не регулируют, повышение температуры отражается в медленной дезактивации, а также и в более низкой селективности EPI/C3_F.

Предложен способ получения 1,2-эпокси-3-хлорпропана реакцией между аллилхлоридом и перекисью водорода в присутствии катализатора, включающего цеолит и возможном присутствии, по меньшей мере, одного растворителя в эпоксидирующей среде, включающей, по меньшей мере, одну жидкую фазу. Отличительной особенностью предложенного способа является то, что рН жидкой фазы контролируют и поддерживают при значении, большем или равном 1,5 и меньшем чем 4,8. Технический результат - повышение селективности реакции эпоксидирования и, соответственно, снижение образования нежелательных побочных продуктов. 9 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ получения 1,2-эпокси-3-хлорпропана реакцией между аллилхлоридом и перекисью водорода в присутствии катализатора, включающего цеолит, и возможном присутствии, по меньшей мере, одного растворителя в эпоксидирующей среде, включающей, по меньшей мере, одну жидкую фазу, отличающийся тем, что рН жидкой фазы контролируют и поддерживают при значении, большем или равном 1,5 и меньшем чем 4,8.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рН жидкой среды поддерживают при значении от 1,75 до 4,5.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рН жидкой среды поддерживают при значении от 2 до 4,2.4. Способ согласно любому из пп.1-3, отличающийся тем, что применяемый аллилхлорид содержит меньше 2000 ч./млн г 1,5-гексадиена.5. Способ согласно любому из пп.1-3, отличающийся тем, что реакцию проводят при температуре от 45 до 80°С.6. Способ согласно любому из пп.1-3, отличающийся тем, что количества используемых аллилхлорида и перекиси водорода таковы, что их мольное соотношение составляет от 2 до 7.7. Способ согласно любому из пп.1-3, отличающийся тем, что растворитель включает метанол.8. Способ согласно любому из пп.1-3, отличающийся тем, что катализатор включает TS-1.9. Способ согласно любому из пп.1-3, отличающийся тем, что катализатор присутствует в виде псевдоожиженного слоя.10. Способ согласно любому из пп.1-3, отличающийся тем, что реакцию проводят в реакторе типа петли, включающем рециркуляцию эпоксидирующей среды.