DE3643011A1

DE3643011A1 - Verfahren zur herstellung von caprolactam aus 6-aminocapronsaeure, deren estern und amiden

Info

Publication number: DE3643011A1
Application number: DE19863643011
Authority: DE
Inventors: Toni Dr Dockner; Manfred Dr Sauerwald; Rolf Dr Fischer; Hans-Martin Dr Hutmacher; Claus-Ulrich Dr Priester; Uwe Dr Vagt
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1986-12-17
Filing date: 1986-12-17
Publication date: 1988-06-30
Also published as: JPS63156767A; EP0271817B1; JPH0780837B2; US4767856A; EP0271817A1; DE3782811D1; ES2043636T3

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Caprolactam aus 6-Aminocapronsäure, deren Estern und Amiden sowie Gemischen derselben.

In der DE-OS 22 49 993 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem man 6-Aminocapronsäureester in Gegenwart von Wasser bei einer Temperatur von 250 bis 350°C zu Caprolactam umsetzt. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Umsetzung unter erhöhtem Druck durchgeführt werden muß. Zudem soll die Cyclisierung bei niederen Konzentrationen durchgeführt werden, um dieBildung von Oligomeren zu unterdrücken. Dies hat zur Folge, daß sich die Isolierung des Caprolactams aus der verdünnten Lösung technisch aufwendig gestaltet. Nach einem anderen, in der DE-OS 32 35 938 beschriebenen Verfahren werden 6-Aminocapronsäureester durch Erhitzen auf 180 bis 250°C in einem mehrwertigen Alkohol mit einem Siedepunkt, der höher als derjenige des Carpolactams ist, in einem Zeitraum von 0,5 bis 5 Stunden zu Caprolactam umgesetzt und anschließend Caprolactam aus dem erhaltenen Reaktionsgemisch durch Destillation abgetrennt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß ebenfalls relativ verdünnte Lösungen mit 5 bis 15 Gew.-% angewandt werden sollen und zudem anspruchsvolle Lösungsmittel wie Tetraethylenglykol, die zurückgewonnen werden müssen, angewandt werden. Schließlich gestaltet sich die Gewinnung des Caprolactams durch zwei getrennte Verfahrensstufen aufwendig.

In Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., Vol. 17 (1978), Seite 9, wird auch schon die Cyclisierung von 6-Aminocapronsäureamid in Ethanol und Wasser bei einer Temperatur von 180 bis 250°C zu Caprolactam beschrieben. Hierbei werden jedoch erhebliche Mengen an Dimeren als Nebenprodukte gebildet, wodurch die Ausbeute zu wünschen übrig läßt.

Es war deshalb die technische Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung von Caprolactam, ausgehend von 6-Aminocapronsäure, deren Estern oder Amiden oder Gemischen derselben zur Verfügung zu stellen, das drucklos mit hohen Ausbeuten in kurzer Zeit verläuft und keine aufwendigen Lösungsmittel erfordert und zudem eine einfache Abtrennung des Caprolactams ermöglicht.

Diese technische Aufgabe wird gelöst in einem Verfahren zur Herstellung von Caprolactam durch Erhitzen von 6-Aminocapronsäure, deren Estern oder Amiden oder Gemischen derselben in Gegenwart eines unter Reaktionsbedingungen flüssigen inerten Reaktionsmediums mit einem Siedepunkt über dem des Caprolactams, wobei man als Reaktionsmedium Kohlenwasserstoffe verwendet, eine Temperatur von 150 bis 350°C einhält, 6-Aminocapronsäure, deren Ester oder Amide sowie Gemischen derselben in dem Maße zuführt, wie sie umgesetzt werden und Caprolactam in dem Maße, wie es entsteht, aus dem Reaktionsgemisch abtrennt.

Das neue Verfahren hat den Vorteil, daß es bei Normaldruck mit hohem Umsatz und hohen Ausbeuten verläuft, keine aufwendigen Lösungsmittel mitverwendet werden müssen und somit die Wiederaufarbeitung der Lösungsmittel entfällt. Darüber hinaus hat das neue Verfahren den Vorteil, daß sich die Gewinnung von Caprolactam einfach gestaltet.

Das neue Verfahren ist insofern bemerkenswert, als in der DE-OS 32 35 938, Seiten 18 und 19, ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß bei der Umsetzung von Aminocapronsäureestern in Kohlenwasserstoffen als Lösungsmittel ein unlösliches Polymerisat gebildet wird.

Bevorzugte Ausgangsstoffe sind solche der allgemeinen Formel I

in der X eine OH-Gruppe, die Gruppe OR¹, in der R¹ für einen Alkylrest, Cycloalkylrest oder Aralkylrest steht oder die Gruppe

in der R₂ und R₃ gleich oder verschieden sein können und jeweils für ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen stehen und R¹ und R² zusammen mit dem Stickstoffatom, das sie substituieren, einen 5- bis 7gliedrigen Ring bilden können, bezeichnet.

Geeignete Ausgangsstoffe sind beispielsweise 6-Aminocapronsäure, Ester der 6-Aminocapronsäure mit C₁- bis C₁₀-Alkanolen, Cycloalkanolen mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen oder Aralkanolen mit 7 bis 10 Kohlenstoffatomen. Bevorzugt sind unter den Estern 6-Aminocapronsäure C₁- bis C₄-Alkylester. Ferner sind geeignet 6-Aminocapronsäureamid sowie mit C₁- bis C₄-Alkylgruppen substituierte Amide.

Bevorzugte 6-Aminocapronsäureester sind solche mit Ethanol, n-Propanol, i-Propanol, n-Butanol oder sec. Butanol als Esterkomponente. Besonders bevorzugt sind 6-Aminocapronsäuremethyl- und -ethylester.

Bevorzugt ist auch 6-Aminocapronsäureamid sowie 6-Aminocapronsäuredimethyl- oder -diethylamid.

Die verwendeten Ausgangsstoffe können sowohl in reiner Form als auch in Form einer wäßrigen oder alkoholischen Lösung eingesetzt werden. Falls man Ester verwendet, entspricht der als Lösungsmittel verwendete Alkohol zweckmäßig der Alkoholkomponente des Esters.

Die Umsetzung wird bei einer Temperatur von 150 bis 350°C, vorteilhaft 250 bis 330°C durchgeführt. Im allgemeinen hält man bei der Umsetzung Atmosphärendruck ein, doch ist es auch möglich, die Umsetzung unter vermindertem Druck, z. B. bis zu 10 mbar, durchzuführen.

Erfindungsgemäß wird die Umsetzung in unter Reaktionsbedingungen inerten flüssigen Kohlenwasserstoffen als Reaktionsmedium durchgeführt. Die verwendeten Kohlenwasserstoffe haben einen höheren Siedepunkt als das herzustellende Caprolactam. Vorteilhaft verwendet man Kohlenwasserstoff mit einem Siedepunkt von mindestens 300°C, insbesondere von 350 bis 550°C. Geeignete Kohlenwasserstoffe sind beispielsweise Mineralölfraktionen mit dem entsprechenden Siedepunkt, insbesondere technisches Weißöl, Vakuumgasöl, Vakuumrückstandsöl, Heizöl S, geschmolzenes Paraffinwachs, aromatisches Kohlenwasserstofföl oder Marlothermöl.

Vorteilhaft wird die Umsetzung unter Mitverwendung von sauren Katalysatoren durchgeführt. Geeignete Katalysatoren sind beispielsweise Phosphorsäure, Diphenylphosphinsäure, Dodecylbenzolsulfonsäure oder saure Katalysatoren auf Trägern wie z. B. Phosphorsäure auf Silikagel. Die Katalysatoren werden vorteilhaft dem Reaktionsmedium in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-% zugesetzt.

Erfindungsgemäß werden die Ausgangsstoffe dem auf Reaktionstemperatur erhitzten Kohlenwasserstoff in dem Maße zugeführt, wie sie umgesetzt werden. Vorteilhaft führt man je Liter Lösungsmittel 0,01 bis 1,0 kg/h 6-Aminocapronsäure, deren Ester oder Amide oder Gemische derselben zu. Vorteilhaft führt man zusätzlich Inertgase wie Stickstoff oder Kohlendioxid, insbesondere Stickstoff, zu. Es hat sich bewährt, je Liter Lösungsmittel 0,01 bis 0,2 Nm³ Inertgas anzuwenden.

Unmittelbar mit der Umsetzung ist eine Stofftrennung verbunden. Hierdurch wird Caprolactam in dem Maße, wie es entsteht, aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt, z. B. abdestilliert oder mit dem Inertgas gestrippt. Zugleich werden andere leichtsiedende Verbindungen, z. B. freigesetztes Wasser, freigesetzte Alkohole oder freigesetzte Amine, nichtumgesetzte Ausgangsstoffe sowie geringe Mengen leichtflüchtiger Bestandteile aus dem Lösungsmittel gasförmig entfernt. Auf diese Weise wird die Konzentration an 6-Aminocapronsäure, deren Estern oder Amiden sowie Caprolactam im erhitzten Kohlenwasserstoff möglichst klein gehalten. Die entstehenden Brüden, die neben dem Inertgas Caprolactam und die vorgenannten Stoffe enthalten, werden anschließend kondensiert und vorteilhaft einer Destillationskolonne zugeführt und Caprolactam abgetrennt.

Die Umsetzung führt man beispielsweise in Rührbehältern oder zylindrischen Reaktoren oder Füllkörperkolonnen durch. Diese sind zweckmäßig bis zu ²/₃ mit dem als Reaktionsmedium verwendeten inerten Kohlenwasserstoff, der gegebenenfalls Katalysatoren enthält, beschickt. Die Ausgangsprodukte werden vorteilhaft von unten, gegebenenfalls mit einem Inertgas wie Stickstoff als Strippgas dem Reaktor zugeführt. Das flüssige Reaktionsgemisch wird auf der vorgenannten Temperatur gehalten und die ausgetragenen Produkte nach Kondensation durch Destillation getrennt. Geringe Mengen schwerflüchtiger Nebenprodukte bleiben in dem Kohlenwasserstoff zurück und werden vorteilhaft durch partielles Abziehen des Kohlenwasserstoffs ausgeschleust und der Reaktorinhalt mit frischem Kohlenwasserstoff ergänzt. Der abgezogene Kohlenwasserstoff wird nicht zurückgewonnen, sondern zweckmäßig für die Unterfeuerung verwendet.

Caprolactam wird zur Herstellung von Polycaprolactam verwendet.

Das Verfahren nach der Erfindung sei an folgenden Beispielen veranschaulicht.

Beispiel 1

Ein Rührkolbenvon 2 l Inhalt wurde mit 900 g technischem Weißöl beschickt und auf 250°C erhitzt. Stündlich wurden 73 g 6-Aminocapronsäuremethylester zusammen mit 110 Nl Stickstoff von unten zugeführt. Die das Reaktionsgefäß verlassenden gasförmigen Produkte wurden abgekühlt und das Kondensat gaschromatographisch untersucht. Nach einer Versuchsdauer von 4 Stunden erhielt man 295 g Kondensat, das laut gaschromatographischer Analyse 6,4 g nicht umgesetzten 6-Aminocapronsäuremethylester und 220,6 g Caprolactam enthielt. Dies entspricht einem Umsatz von 97,8% und einer Selektivität von 99,1%.

Beispiel 2

Ein Rührkolben von 2 l Inhalt wurde mit 900 g technischem Weißöl beschickt und auf 250°C erhitzt. Stündlich wurden 76 g einer 61%igen methanolischen Lösung von 6-Aminocapronsäuremethylester zusammen mit 50 Nl Stickstoff von unten zugeführt. Die das Reaktionsgefäß verlassenden gasförmigen Produkte wurden kondensiert. In 4 Stunden wurden insgesamt 304 g der Lösung, entsprechend 185,4 g 6-Aminocapronsäuremethylester, umgesetzt. Man erhielt 292 g Kondensat, das laut gaschromatographischer Analyse 10,7 g nicht umgesetzten 6-Aminocapronsäuremethylester und 132,7 g Caprolactam enthielt. Dies entspricht einem Umsatz von 94,2% und einer Selektivität von 97,5%.

Beispiel 3

Ein Rührkolben von 2 l Inhalt wurde mit 900 g Vakuumgasöl beschickt und auf 300°C beheizt. Stündlich wurden 49 g einer 67%igen methanolischen Lösung von 6-Aminocapronsäuremethylester zusammen mit 50 Nl Stickstoff von unten zugeführt. Die das Reaktionsgefäß verlassenden gasförmigen Produkte wurden kondensiert. In 3 Stunden wurden insgesamt 147 g der Lösung, entsprechend 98,5 g 6-Aminocarponsäuremethylester, umgesetzt. Man erhielt 154 g Kondensat, das laut gaschromatographischer Analyse 5,8 g nicht umgesetzten 6-Aminocapronsäuremethylester und 70,5 g Caprolactam enthielt. Dies entspricht einem Umsatz von 94,1% und einer Selektivität von 97,6%.

Beispiel 4

Ein Rührkolben von 2 l Inhalt wurde mit 900 g technischem Weißöl und 10 g Diphenylphosphinsäure beschickt und auf 300°C beheizt. Stündlich wurden 87 g einer 57%igen methanolischen Lösung von 6-Aminocapronsäuremethylester zusammen mit 50 Nl Stickstoff von unten zugeführt. Die das Reaktionsgefäß verlassenden gasförmigen Produkte wurden kondensiert. In 3 Stunden wurden insgesamt 261 g der Lösung, entsprechend 148,8 g 6-Aminocapronsäuremethylester, umgesetzt. Man erhielt 262 g Kondensat, das laut gaschromatographischer Analyse 0,7 g nicht umgesetzten 6-Aminocapronsäuremethylester und 106,1 g Caprolactam enthielt. Dies entspricht einem Umsatz von 99,5% und einer Selektivität von 91,9%.

Beispiel 5

Ein Rührkolben von 2 l Inhalt wurde mit 900 g technischem Weißöl beschickt und auf 250°C erhitzt. Stündlich wurden 80 g 6-Aminocapronsäureethylester zusammen mit 110 Nl Stickstoff von unten zugeführt. Die das Reaktionsgefäß verlassenden gasförmigen Produkte wurden kondensiert. Nach einer Versuchsdauer von 4 Stunden erhielt man 325 g Kondensat, das laut gaschromatographischer Analyse 8,0 g nicht umgesetzten 6-Aminocapronsäureethylester und 219,4 g Caprolactam enthielt. Dies entspricht einem Umsatz von 97,5% und einer Selektivität von 98,9%.

Beispiel 6

Ein Rührkolben von 2 l Inhalt wurde mit 900 g technischem Weißöl beschickt und auf 250°C erhitzt. Stündlich wurden 100 g einer 30%igen wäßrigen Lösung von 6-Aminocapronsäure von unten zugeführt. Die das Reaktionsgefäß verlassenden gasförmigen Produkte wurden kondensiert. In 3 Stunden wurden insgesamt 300 g der Lösung, entsprechend 90 g 6-Aminocapronsäure, umgesetzt. Man erhielt 280 g Kondensat, das laut analytischer Gaschromatographie 56,8 g Caprolactam, aber kein Ausgangsprodukt enthielt. Dies entspricht bei quantitativem Umsatz einer Selektivität von 73,1%.

Beispiel 7

Ein Rührkolben von 2 l Inhalt wurde mit 900 g technischem Weißöl beschickt und auf 300°C erhitzt. Stündlich wurden 65 g 6-Aminocapronsäure zusammen mit 110 Nl Stickstoff zugeführt. Die das Reaktionsgefäß verlassenden gasförmigen Produkte wurden kondensiert. Nach einer Versuchsdauer von 4 Stunden erhielt man 231 g Kondensat, das latu analytischer Gaschromatographie 190,9 g Caprolactam, aber kein Ausgangsprodukt enthielt. Dies entspricht bei quantitativem Umsatz einer Selektivität von 85,1%,

Beispiel 8

Ein Rührkolben von 2 l Inhalt wurde mit 900 g technischem Weißöl beschickt und auf 300°C erhitzt. Stündlich wurden 65 g 6-Aminocapronsäureamid zusammen mit 110 Nl Stickstoff zugeführt. Die das Reaktionsgefäß verlassenden gasförmigen Produkte wurden abgekühlt und das Kondensat gaschromatographisch untersucht. Nach einer Versuchsdauer von 4 Stunden erhielt man 225 g Kondensat, das laut gaschromatographischer Analyse 215,8 g Caprolactam, aber kein Ausgangsprodukt enthielt. Dies entspricht bei quantitativem Umsatz einer Selektivität von 95,5%.

Beispiel 9

Ein beheizbares Rohr mit einem inneren Durchmesser von 60 mm und einer Länge von 1500 mm wurde mit 2000 g technischem Weißöl beschickt und auf 300°C beheizt. Stündlich wurden 145 g 6-Aminocapronsäuremethylester zusammen mit 110 Nl Stickstoff von unten zugeführt. Am Kopf des Rohres wurden die gasförmigen Produkte abgezogen, abgekühlt und das Kondensat gaschromatographisch untersucht. Nach einer Versuchsdauer von 4 Stunden erhielt man 595 g Kondensat, das laut gaschromatographischer Analyse 2,1 g nicht umgesetzten 6-Aminocapronsäuremethylester und 446,8 g Caprolactam enthielt. Dies entspricht einem Umsatz von 99,6% und einer Selektivität von 99,2%.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Caprolactam durch Erhitzen von 6-Aminocapronsäure, deren Estern oder Amiden oder Gemischen derselben in Gegenwart von einem unter Reaktionsbedingungen flüssigen, inerten Reaktionsmedium mit einem Siedepunkt über dem des Caprolactams, dadurch gekennzeichnet, daß man als Reaktionsmedium Kohlenwasserstoffe verwendet, eine Temperatur von 150 bis 350°C einhält, 6-Aminocapronsäure, deren Ester oder Amide sowie deren Gemische in dem Maße zuführt, wie sie umgesetzt werden und Caprolactam in dem Maße, wie es entsteht, aus dem Reaktionsgemisch abtrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt von 350 bis 550°C verwendet.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Temperatur von 250 bis 330°C einhält.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man je Liter Kohlenwasserstoffe stündlich 0,01 bis 1,0 kg Aminocapronsäure, deren Ester oder Amide oder Gemische derselben zuführt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich Inertgase zuführt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man verminderten Druck anwendet.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich saure Katalysatoren mitverwendet.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man 6-Aminocapronsäuremethyl- oder -ethylester als Ausgangsverbindungen verwendet.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man 6-Aminocapronsäureamid, das am Stickstoffatom durch Methyl- oder Ethylgruppen substituiert sein kann, als Ausgangsstoff verwendet.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teil des schwerflüchtige Nebenprodukte enthaltenden Kolbenwasserstoffs ausschleust und durch frischen Kohlenwasserstoff ersetzt und den ausgeschleusten Kohlenwasserstoff unterfeuert.