Способ получения катализатора
Изобретение относится к способу получения катализатора и к способу гидроформилирования олефинов для получения альдегидов, в котором используют органополифосфитовый лиганд и органомонофосфитовый лиганд. Способ получения катализатора гидроформилирования включаает: (А) образование катализатора гидроформилирования путем контактирования в условиях реакции, в присутствии растворителя предшественника каталитического металла, по меньшей мере, одного органополифосфитового лиганда, СО, водорода, объемного органомонофосфитового лиганда и, необязательно, олефина, причем молярное отношение органополифосфит : каталитический металл составляет, по меньшей мере, 1, но меньше чем 2; парциальное давление монооксида углерода составляет, по меньшей мере, 25 фунт/кв.дюйм; и молярное отношение объемный органомонофосфит : каталитический металл составляет от 5:1 до 50:1; и затем (В) предоставление возможности концентрации органополифосфитового лиганда снижаться так, что отношение органополифосфитовый лиганд : каталитический металл падает до меньше чем 1, причем металл представляет собой металл девятой группы. Технический результат – снижение риска потери родия и уменьшение риска ускоренного разложения лиганда. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 табл., 7 пр.
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА ВЗАИМОСВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
Эта заявка испрашивает приоритет предварительной заявки номер 61/694329, поданной 29 августа 2012 года, которая включена в данный документ по ссылке полностью.
ОСНОВЫ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к способу гидроформилирования, который использует органополифосфитовый лиганд и органомонофосфитовый лиганд.
US 2006/0069680 сообщает, что реакциями гидроформилирования, имеющими смесь комплексообразующего бисфосфита и объемного монофосфитового лиганда, где бисфосфит используют в меньшем, чем стехиометрическое, количестве по отношению к родию и процесс работает в области отрицательного порядка кривой парциального давления монооксида углерода, можно обеспечить усовершенствованный контроль отношения изомерного продукта. Эти технологические процессы могут позволить специалисту-практику добиваться того, чтобы эти процессы соответствовали меняющимся требованиям рынка и покупателей. Однако когда компоненты такой смешанной системы лиганд загружают в реактор с самого начала, то бисфосфитовый лиганд быстро координирует с порцией родия, что в результате дает стабильный комплекс родий-бисфосфит. В принципе, оставшийся родий окружается лигандами объемного монофосфита; однако комплексы родий-объемный монофосфит в условиях гидроформилирования формируются с относительно медленной скоростью. Таким образом, в реакторе, загруженном родием и только объемным монофосфитом или объемным монофосфитом и субстехиометрическим количеством бисфосфита, некоторая порция родия изначально может быть не окружена лигандами. Это приводит в результате к ситуации, когда ценный родий может быть осажден или потерян в части процесса.
Увеличение концентрации объемного монофосфита могло бы стать решением этой проблемы. Однако многие предпочтительные объемные монофосфиты только незначительно растворимы в матрице реакции, что ограничивает их конечную концентрацию. Кроме того, реакции разрушения фосфитного лиганда обычно положительного порядка (т.е. чем больше лиганда присутствует, тем быстрее он разлагается), что создает проблемы, относящиеся к эксплуатации, и увеличивает стоимость при использовании избытка лиганда. Таким образом, существует необходимость в усовершенствованном процессе образования катализатора гидроформилирования, который мог бы снизить риск потери ценного родия и уменьшить риск ускоренного разложения лиганда.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к способу, который включает (А) образование катализатора гидроформилирования путем контактирования в условиях реакции в присутствии растворителя, предшественника каталитического металла, по меньшей мере, одного органополифосфитового лиганда, CO, водорода объемного органомонофосфитового лиганда и необязательно олефина при том, что молярное отношение органополифосфитовый лиганд:каталитический металл составляет, по меньшей мере, 1, но меньше чем 2; парциальное давление монооксида углерода составляет, по меньшей мере 25 фунт/кв.дюйм (172 кПа); а молярное отношение объемный органомонофосфитовый лиганд:каталитический металл составляет от 5:1 до 50:1; а затем (B) позволяя концентрации органополифосфитового лиганда уменьшаться так, что отношение органополифосфитовый лиганд:каталитический металл падает до менее чем 1.
Потери ценного каталитического металла к удивлению существенно уменьшаются, если реакция гидроформилирования инициируется с, по меньшей мере, стехиометрическим количеством комплексообразующего (хелатного) бифосфитового лиганда относительно каталитического металла. Наличие избытка объемного монофосфита дает затем устойчивый комплекс каталитический металлобъемный монофосфит с образованием концентрации хелатного бисфосфита, которая медленно и естественным образом снижается до желательных стехиометрических уровней.
К удивлению, монофосфитовый лиганд является более стабильным при высоком парциальном давлении монооксида углерода.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 является графиком данных примера 7, который показывает соотношение концентрации лиганда А и потерь родия.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение включает образование катализатора из предшественника каталитического металла, хелатного бисфосфита и объемного монофосфита с несколько большим, чем стехиометрическое, количеством хелатного бисфофита относительно каталитического металла при парциальном давлении CO, по меньшей мере 25 фунт/кв.дюйм (172 кПа). Катализатор может быть использован в реакциях гидроформилирования, например, для получения альдегидов из олефинов.
Все ссылки на периодическую таблицу элементов и различные группы в вышесказанном являются версией, опубликованной в CRC Руководстве по химии и физике, 72 выпуск (1991-1992), CRC Press, стр. 1-10.
Если не указано иное или неявно из контекста, все доли и проценты основаны на массе и все методы испытаний приведены по состоянию на дату подачи. Для целей патентной практики Соединенных Штатов содержание любого ссылочного патента, патентной заявки или публикации вводят полностью по ссылке (или эквивалент версии США вводят с помощью ссылки) особенно по отношению к раскрытию определений (до степени, не противоречащей любым определениям, специально предусмотренным в данном раскрытии) и общим знаниям в данном уровне техники.
Используемые в данном документе “неопределенный артикль a”, “неопределенный артикль an”, “ определенный артикль the”, “по меньшей мере, один” и “один или больше” используют взаимозаменяемо. Выражения “содержит”, “включает в себя” и их варианты не имеют ограничивающих значений, если эти термины удовлетворяют описанию и формуле изобретения. Таким образом, например, водная композиция, которая включает частицы “a (одного)” гидрофобного полимера может быть интерпретирована, означающей композицию, которая включает частицы “одного или более” гидрофобных полимеров.
Кроме того, в данном документе перечисления числовых интервалов (диапазонов) с помощью крайних положений, включает в себя все числа, представленные в этом диапазоне (например, 1-5 включает, 1, 1,5, 2, 2,75, 3, 3,80, 4,5 и т.д.). Для целей изобретения следует понимать в соответствии с тем, что следует понимать квалифицированному специалисту в данной области техники, что числовые диапазоны предназначаются для включения и поддержания всех подинтервалов, которые включены в такой интервал. Например, интервал 1-100 предназначается для перемещения от 1,01 до 100, от 1,01 до 99,99, от 1,01 до 99,99, от 40 до 60, от 1 до 55 и т.д. Кроме того, в данном документе перечисления числовых интервалов и/или числовых значений, включающие такие перечисления в формуле изобретения, могут быть прочитаны как включающие выражение “примерно”. В этих случаях выражение “примерно” относится к числовым диапазонам и/или численным значениям, которые являются, по существу, такими же, которые перечисляются в данном документе.
Используемое в данном документе выражение “ppmw” (part per million) означает часть на миллион по весу.
Для целей данного изобретения выражение “углеводород” рассматривается для включения всех допустимых соединений, имеющих, по меньшей мере, один водородный и один углеродный атом. Эти допустимые соединения могут иметь также один или более гетероатомов. В широком аспекте допустимые углеводороды включают ациклические (с гетероатомами или без них) и циклические, разветвленного строения и неразветвленного строения, карбоциклические и гетероциклические, ароматические и неароматические органические соединения, которые могут быть замещенными или незамещенными.
Используемый здесь термин “замещенный” предлагается для включения всех допустимых заместителей органических соединений, если не указано иначе. В широком аспекте допустимые заместители включают ациклические и циклические, разветвленного строения и неразветвленного строения, карбоциклические и гетероциклические, ароматические и неароматические заместители органических соединений. Типичные заместители включают, например, алкил, алкилокси, арил, арилокси, гидрокси, гидроксиалкил, амино, аминоалкил, галоген и т.п., в которых количество углеродов может варьироваться от 1 до 20 или более, предпочтительно от 1 до 12. Допустимыми заместителями для соответствующего органического соединения могут быть один или более и одинаковые или разные. Это изобретение не должно быть каким-либо образом ограничено допустимыми заместителями органических соединений.
Используемый здесь термин “гидроформилирование” предлагается для включения, но не ограничения, всех допустимых асимметрических и неасимметрических способов гидроформилирования, которые включают превращение одного или более замещенных или незамещенных олефиновых соединений или реакционной смеси, содержащей одно или более замещенных или незамещенных олефиновых соединений, в один или более замещенных или незамещенных альдегидов или реакционную смесь, содержащую один или более замещенных или незамещенных альдегидов.
Выражения “реакционная жидкость”, “реакционная среда” и “каталитический раствор” используют здесь взаимозаменяемо и включают в себя, но не ограничены, смесью, содержащей (а) комплексный катализатор металл-органофосфорный лиганд, (b) свободный органофосфорный лиганд, (с) альдегидный продукт, образованный по реакции, (d) непрореагировавшие реагенты, (е) растворитель упомянутого комплексного катализатора металл-органофосфорный лиганд и упомянутого свободного органофосфорного лиганда и необязательно (f) одно или более фосфорных кислотных соединений, образованных по реакции (которые могут быть гомогенными или гетерогенными и эти соединения включают в себя те, которые налипают на поверхность технологического оборудования). Реакционная жидкость может заключать в себе, но не ограничена, (a) жидкость реакционной зоны, (b) поток жидкости на пути к зоне разделения, (с) жидкость в реакционной зоне, (d) рециркуляционный поток, (е) жидкость, удаляемую из реакционной зоны или зоны разделения, (f) удаленную жидкость, обрабатываемую водным буферным раствором, (g) обработанную жидкость, возвращенную в реакционную зону или зону разделения, (h) жидкость во внешнем охладителе и (i) продукты разложения лиганда и их соли.
Предшественником каталитического металла может быть любой источник каталитического металла, пригодный для реакции образования катализатора. Металлы могут включать металлы 8, 9 и 10 групп, выбранные из родия (Rh), кобальта (Co), иридия (Ir), рутения (Ru), железа (Fe), никеля (Ni), палладия (Pd), платины (Pt) и осмия (Os), предпочтительными металлами являются родий, кобальт, иридий и рутений, наиболее предпочтительным - родий. Можно использовать смеси этих металлов. Примеры предшественников каталитического металла включают сырьевые материалы родия, такие как ацетилацетонат родия, дикарбонил ацетилацетонат родия, Rh2O3, Rh4(CO)12, [RhCl(CO)2]2, Rh6(CO)16 и Rh(NO3)3.
Допустимые органофосфорные лиганды, которые составляют комплексы металл-органофосфорный лиганд, и свободный органофосфорный лиганд включают моно-, ди-, три- и более высокие полиорганофосфорные лиганды. Смеси лиганд можно использовать в комплексном катализаторе металл-органофосфорный лиганд и/или в свободном лиганде, и такие смеси могут быть одинаковыми или различными.
Водород и монооксид углерода можно получить от любого соответствующего источника, включая крекинг нефти и нефтеперерабатывающее производство. Смеси сингаза являются предпочтительным источником водорода и CO. Сингаз (от синтез-газ)- название, которое дано газовой смеси, содержащей различные количества CO и H2. Способы их производства хорошо известны. Водород и CO обычно являются основными компонентами сингаза, но сингаз может содержать CO2 и инертные газы, такие как N2 и Ar. Отношение H2 к CO изменяется в значительной степени, но обычно находится в диапазоне от 1:100 до 100:1, а предпочтительно между 1:10-10:1. Сингаз коммерчески доступен, и его часто используют как источник топлива или как промежуточное соединение для получения других химикатов. Наиболее предпочтительное отношение H2:CO для химического производства находится между 3:1 и 1:3, а обычно для большинства применений гидроформилирования регулируют между 1:2 и 2:1.
В процессе образования катализатора необязательно используется олефин. Преимущественно олефином является олефин, который предназначается для использования в реакции гидроформилирования, катализируемой образованным катализатором.
Замещенные или незамещенные олефиновые ненасыщенные реагенты, которые можно использовать в способе гидроформилирования, включают как оптически активные (прохиральные или хиральные), так и оптически неактивные (ахиральные) олефиновые ненасыщенные соединения, в состав которых входят от 2 до 40, предпочтительно 3-20 атомов углерода. Такие соединения описывают подробно в US 2010/006980. Такие олефиновые ненасыщенные соединения могут иметь концевую ненасыщенность или внутреннюю ненасыщенность и могут быть с нормальной прямой цепью, с разветвленной цепью или с циклической структурой, а также олефиновыми смесями, полученными в результате олигомеризации пропена, бутена, изобутена и т.д. (например, так называемый димерный, тримерный или тетрамерный пропилен и подобные, раскрытые, например, в US 4518809 и 4528403.
Прохиральные и хиральные олефины, используемые в асимметрическом гидроформилировании, которое можно использовать для получения энантиомерных альдегидных смесей, могут включать олефины, представленные формулой:
,
в которой R1, R2, R3 и R4 являются одинаковыми или разными (при условии, что R1 отличается от R2 или R3 отличается от R4) и их выбирают из водорода; алкила; замещенного алкила, причем упомянутый заместитель выбран из диалкиламино, например бензиламино и дибензиламино, алкокси, таких как метокси и этокси, ацилокси, например ацетокси, галогеновых, нитро, нитрил, тио, карбонил, карбоксамид, карбоксальдегидных, карбоксил и карбоксиловый сложный эфир; арила, включающего фенил, замещенного арила, включающего фенил, причем упомянутый заместитель выбирают из алкила, амино, включая алкиламино и диалкиламино, например бензиламино и дибензиламино, гидрокси, алкокси, таких как метокси и этокси, ацилокси, такой как ацетокси, галогеновых, нитрил, нитро, карбоксил, карбоксальдегид, сложный эфир карбоксиловой кислоты, карбонил и тио; ацилокси, такой как ацетокси, алкокси, такой как метокси и этокси; амино, включая алкиламино и диалкиламино, например бензиламино и дибензиламино, ациламино и диациламино, например ацетилбензиламино и диацетиламино, нитро, карбонил, нитрил, карбоксил, карбоксамид, карбоксальдегид, сложный эфир карбоксиловой кислоты и алкилмеркапто, например метилмеркапто. Следует понимать, что прохиральные и хиральные олефины этого определения также включают молекулы, приведенной выше общей формулы, где R группы соединяются, образуя циклическое соединение, например 3-метил-1-циклогексен и подобное. Примеры оптически активных прохиральных олефиновых соединений, используемых в асимметрическом гидроформилировании описывают, например в US 4329507, 5360938 и 5491266.
Фосфорорганические соединения могут служить в качестве лиганда комплексного катализатора металл-фосфорорганический лиганд и/или свободный лиганд может быть ахирального (оптически неактивного) или хирального (оптически активного) типа и хорошо известны в уровне техники. Ахиральные фосфорорганические лиганды являются предпочтительными.
Среди фосфорорганических лигандов, которые могут служить лигандом комплексного катализатора метал-фосфорорганический лиганд, находятся органомонофосфитовый, органодифосфитовый, органотрифосфитовый и органополифосфитовые соединения. Такие органополифосфитовые лиганды и способы их получения хорошо известны в уровне техники.
Объемные органомонофосфорные лиганды, используемые в этом изобретении: (i) имеют координационную прочность по отношению к металлу упомянутого комплексного катализатора металл-органополифосфитовый лиганд меньше, чем у органополифосфитового лиганда упомянутого комплексного катализатора металл-органополифосфитовый лиганд, (ii) не ингибируют комплексный катализатор органополифосфитового лиганда больше чем на 25% при измерении путем сравнения скоростей реакции с объемными органомонофосфорными лигандами и без них в представляющих интерес реакциях, (iii) имеют координационную прочность по отношению к металлу упомянутого комплексного катализатора металл-органополифосфитовый лиганд больше, чем у CO, и (iv) являются пространственно затрудненными. Для целей изобретения “пространственно затрудненным” лигандом является лиганд с пространственным параметром Толмена 135°-190°, как описано в US 5684167.
В одном варианте воплощения при образовании комплекса с металлом для создания комплексного катализатора металл-объемный фосфорорганический лиганд, объемный монофосфорорганический лиганд обеспечивает возможность другого отношения нормальный (прямой): разветвленный изомерный продукт (N:I), чем отношение N:I, предложенное комплексным катализатором металл-пространственно затрудненный фосфорорганический лиганд, образованным из органополифосфитового лиганда.
В предпочтительном варианте воплощения объемным монофосфорорганическим лигандом может быть любой из лигандов, например органомонофосфитовыми лигандами, представленными ниже формулами (I)-(IV), при условии, что такой объемный органомонофосфорный лиганд соответствует установленным здесь критериям. Предпочтительные объемные органомонофосфорные фосфитные лиганды включают диорганофосфиты и оксиды, например монооксиды органобисфосфитов.
Типичные моноорганофосфиты могут включать, те, которые имеют формулу:
в которой R10 представляет замещенный или незамещенный трехвалентный углеводородный радикал, содержащий от 4 до 40 углеродных атомов или больше, такой как трехвалентный ациклический и трехвалентный циклический радикалы, например трехвалентные алкиленовые радикалы, такие как производные 1,2,2-триметилпропана и подобные, или трехвалентные радикалы циклоалкилена, такие как производные 1,3,5-тригидроксициклогексан и подобные. Такие моноорганофосфиты можно найти подробно описанные, например, в US 4567306.
Типичные диорганофосфиты могут включать такие, которые имеют формулу:
в которой R20 представляет замещенный или незамещенный двухвалентный углеводородный радикал, содержащий от 4 до 40 углеродных атомов или более, а W представляет замещенный или незамещенный одновалентный углеводородный радикал, содержащий от 1 до 18 углеродных атомов или более.
Типичные замещенные или незамещенные одновалентные углеводородные радикалы, представленные W в приведенной выше формуле (II), включают алкильные и арильные радикалы, тогда как типичные замещенные или незамещенные двухвалентные углеводородные радикалы, представленные R20, включают двухвалентные ациклические радикалы и двухвалентные ароматические радикалы. Типичные двухвалентные ациклические радикалы включают, например, радикалы алкилена, алкилен-окси-алкилена, алкилен-S-алкилена, циклоалкиленовые радикалы и алкилен-NR24-алкилен, в котором R24 является водородом или замещенным или незамещенным одновалентным углеводородным радикалом, например алкильным радикалом, имеющим 1-4 углеродных атомов. Более предпочтительными двухвалентными ациклическими радикалами являются двухвалентные алкиленовые радикалы, такие как раскрытые более полно, например, в Патентах US 3415906 и 4567302. Типичные примеры двухвалентных ароматических радикалов включают, например, арилен, бисарилен, арилен-алкилен, арилен-алкилен-арилен, арилен-окси-арилен, арилен-NR24-арилен, в котором R24 является, как определено выше, арилен-S-ариленом и арилен-S-алкиленом и подобные. Более предпочтительно R20 является двухвалентным ароматическим радикалом, таким, как раскрытый более полно, например, в Патентах US 4599206, 4717775, 4835299 и аналогичных.
Типичными из более предпочтительного класса диорганофосфитов являются диорганофосфиты с формулой:
в которой W является таковым, как определено выше, каждый Ar является одинаковым или разным и представляет замещенный или незамещенный арильный радикал, каждый y является одинаковым или разным и имеет значение 0 или 1, Q представляет двухвалентную мостиковую группу, выбранную из -C(R33)2, -O-,-S-, -NR24-, Si(R35)2 и -CO- при том, что каждый R33 является одинаковым или разным и представляет водород, алкильный радикал, имеющий от 1 до 12 углеродных атомов, фенил, толил и анизил, R24 определен выше, каждый R35 является одинаковым или разным и представляет водород или радикал метила, а m имеет значение 0 или 1. Такие диорганофосфиты более подробно описывают, например, в Патентах US 4599206, 4717775 и 4835299.
Типичные триорганофосфиты могут включать те, которые имеют формулу:
в которой каждый R46 является одинаковым или разным и является замещенным или незамещенным одновалентным углеводородным радикалом, например циклоалкильным, арильным или аралкильным радикалом, которые могут содержать от 1 до 24 углеродных атомов. Типичные триорганофосфиты включают арилфосфиты, такие как, например, тринафтилфосфит, бис(3,6,8-три-трет-бутил-2-нафтил)метилфосфит, бис(3,6,8-три-трет-бутил-2-нафтил)циклогексилфосфит, трис(3,6-ди-трет-бутил-2-нафтил)фосфит, бис(3,6,8-три-трет-бутил-2-нафтил)фенилфосфит и бис(3,6,8-три-трет-бутил-2-нафтил)(4-сульфонилфенил)фосфит. Наиболее предпочтительным триорганофосфитом является трис(2,4-ди-трет-бутилфенил)фосфит. Такие триорганофосфиты описывают более подробно, например, в Патентах US 3527809, 5277532 и 5684167.
Типичные органополифосфиты содержат два или более трехвалентных атомов фосфора и могут включать такие, которые имеют формулу:
в которой X представляет замещенный или незамещенный n-валентный органический мостиковый радикал, включающий в себя от 2 до 40 углеродных атомов, каждый R57 является одинаковым или разным и представляет замещенный или незамещенный двухвалентный углеводородный радикал, включающий от 4 до 40 углеродных атомов, каждый R58 является одинаковым или разным и представляет одновалентный замещенный или незамещенный углеводородный радикал, включающий от 1 до 24 углеродных атомов, a и b могут быть одинаковыми или разными и каждый имеет значение от 0 до 6 с условием, что сумма a+b составляет 2-6 и n равно a+b. Конечно, следует понимать, что, если n принимает значение 2 или больше, каждый радикал R57 может быть одинаковым или разным. Каждый радикал R58 также может быть одинаковым или разным в любом данном соединении.
Типичные n-валентные (предпочтительно двухвалентные) органические мостиковые радикалы, представленные с помощью X, и типичные двухвалентные органические радикалы, представленные с помощью приведенного выше R57, включат как ациклические радикалы, так и ароматические радикалы, такие как радикалы алкилена, алкилена-Qm-алкилена, циклоалкилена, арилена, бисарилена, арилен-алкилена и арилен-(CH2)y-Qm-(CH2)y- арилена, в которых каждый Q, y и m являются такими, как определено в формуле (III). Более предпочтительными ациклическими радикалами, представленными выше X и R57, являются двухвалентные алкиленовые радикалы, в то время как более предпочтительными ароматическими радикалами, представленными выше X и R57, являются двухвалентные ариленовые и бисариленовые радикалы, такие как те, которые раскрыты более полно в Патентах US 4769498; 4774361; 4885401; 5179055; 5113022; 5202297; 5235113; 5264616 и 5364950, и 5527950. Типичные предпочтительные одновалентные углеводородные радикалы, представленные выше каждым R58 включают алкильные радикалы и ароматические радикалы.
Предпочтительные примеры органополифосфитов могут включать бифосфиты, такие как представленные ниже формулами (VI)-(VIII):
в которых каждый R57, R58 и X в формулах (VI)-(VIII) являются такими же, как определено в формуле (V). Предпочтительно каждый R57 и X представляет двухвалентный углеводородный радикал, выбранный из алкилена, арилена, арилен-алкилен-арилена и бисарилена, в то время как каждый радикал R58 представляет одновалентный углеводородный радикал, выбранный из алкильных и арильных радикалов. Органофосфитные лиганды этих формул (V)-(VIII) можно обнаружить раскрытыми, например, в Патентах US 4668651; 4748261; 4769498; 4774361; 4885401; 5113022; 5179055; 5202297; 5235113; 5254741; 5264616; 5312996; 5364950 и 5391801.
R10, R20, R46, R57, R58, Ar, Q, X, m, и у в формулах (VI)-(VIII) являются такими, как определено выше. Наиболее предпочтительно X представляет двухвалентный радикал арил-(CH2)y-(Q)m-(CH2)y-арила при том, что каждый у в отдельности имеет значение 0 или 1; m имеет значение 0 или 1 и Q представляет -0-, -S- или -C(R35)2-, где каждый R35 является одинаковым или разным и представляет водород или радикал метил. Более предпочтительно каждый алкильный радикал указанных выше групп R3 может содержать от 1 до 24 атомов углерода, а каждый арильный радикал указанных выше групп Ar, X, R57, R58 в приведенных выше формулах (VI)-(VII) может включать в себя от 6 до 18 углеродных атомов, и упомянутые радикалы могут быть одинаковыми или разными, тогда как предпочтительные алкиленовые радикалы X могут включать в себя от 2 до 18 углеродных атомов, а предпочтительные алкиленовые радикалы R57 могут включать в себя от 5 до 18 углеродных атомов. Кроме того, предпочтительно, что двухвалентные Ar радикалы и двухвалентные арильные X радикалы приведенных выше формул являются фениленовыми радикалами, в которых мостиковая группа, представленная -(CH2)y-(Q)m-(CH2)y-, образует связь с упомянутым фениленовым радикалом в положениях, которые являются в формулах орто положениями относительно атомов кислорода и которая соединяет в формуле фениленовые радикалы с атомом фосфора. Предпочтительно также, что любой замещающий радикал, если присутствует в таких фениленовых радикалах, будет образовывать связь в пара и/или орто положении фениленового радикала по отношению к атому кислорода, который связывает данный фениленовый радикал с атомом фосфора.
Конечно, любой из R10, R20, R57, R58, W, X, Q и Ar радикалов таких органофосфитов формул (I)-(VIII), приведенных выше, может быть замещен, если это желательно, любым отвечающим требованиям заместителем, включающим в себя от 1 до 30 углеродных атомов, которые не оказывают неблагоприятное воздействие на желательные результаты процесса настоящего изобретения. Заместители на упомянутые радикалы, которые, конечно, могут быть помимо существующих углеводородных радикалов, таких как алкильные, арильные, аралкильные, алкарильные и циклогексильные заместители, могут включать в себя, например, радикалы силила, такие как -Si(R35)3, аминорадикалы, такие как -N(R15)2, фосфиновые радикалы, такие как -арил-P(R15)2; ацил-радикалы, такие как -C(O)R15, ацилокси радикалы, такие как -OC(O)R15; амидо радикалы, такие как -CON(R15)2 и -N(R15)COR15; сульфонильные радикалы, такие как -SO2R15, алкокси радикалы, такие как-OR15; сульфонильные радикалы, такие как -SOR15, сульфонильные радикалы, такие как -SR15, фосфонильные радикалы такие как -P(O)(R15)2, а также галогеновые, нитро, циано, трифторметил, гидрокси радикалы и аналогичные, в которых каждый радикал R15 отдельно представляет одинаковые или разные одновалентные углеводородные радикалы, имеющие от 1 до 18 углеводородных атомов (например, алкильные, арильные, аралкильные и циклогексильные радикалы), при условии, что в амино заместителях, таких как N(R15)2, каждые R15, взятые вместе, могут также представлять двухвалентную мостиковую группу, которая образует гетероциклический радикал с атомом азота, а в амидо заместителях, таких как -C(O)N(R15)2 и -N(R15)CОR15, каждый R15, образующий связь с N, также может быть водородом. Тем не менее, следует понимать, что любые из замещенных или незамещенных углеводородных радикальных групп, которые составляют (входят в состав) конкретный заданный органофосфит могут быть одинаковыми или разными.
Более конкретно типичные заместители включают в себя первичные, вторичные и третичные алкильные радикалы, такие как метил, этил, n-пропил, изопропил, бутил, сек-бутил (втор-бутил), т-бутил (трет-бутил), нео-пентил, н-гексил, амил, сек (втор)-амил, т-(трет)амил, изо-октил, децил, октадецил и подобные; арильные радикалы, такие как фенил, нафтил и подобные; аралкильные радикалы, такие как бензил, фенилэтил, трифенилметил и подобные; алкарильные радикалы, такие как толил, ксилил и подобные; алициклические радикалы, такие как циклопентил, циклогексил, 1-метилциклогексил, циклооктил, циклогексилэтил и подобные; алкокси радикалы, такие как метокси, этокси, пропокси, т-бутокси, -ОСН2СН2ОСН3, -O(СН2CH2)2OCH3, -O(СН2СН2)3OCH3 и подобные; арилокси радикалы, такие как фенокси и подобные; а также радикалы силила, такие как Si(CH3)3,-Si(OCH3)3, -Si(C3H7)3, и подобные; амино радикалы, такие как -NH2, -N(CH3)2, -NHCH3, -NH(C2H5), и подобные; арилфосфиновые радикалы, такие как -Р(С6Н5)2, и подобные; ацил радикалы, такие как -C(O)CH3, -С(O)С2Н5, -С(O)С6Н5, и подобные; карбонилокси радикалы, такие как -C(O)OCH3 и подобные; оксикарбонильные радикалы, такие как -O(CO)C6H5 и подобные; амидо радикалы, такие как -CONH2, -CON(CH3)2, -NHC(O)CH3, и подобные; сульфонильные радикалы, такие как -S(O)2C2H5 и подобные; сульфинильные радикалы, такие как -S(O)CH3 и подобные; сульфонильные радикалы, такие как -SCH3, -C2H5, -SC6H5 и подобные; фосфонильные радикалы, такие как -P(O)(C6H5)2, -P(O)(CH3)2, -P(O)(C2H5)2, -P(O)(C3H7)2, -P(O)(C4H9)2, -P(O)(C6H13)2, -P(O)CH3(C6H5), -P(O)(H)(C6H5) и подобные.
Конкретные типичные примеры таких органофосфитных лигандов включают следующие: 2-т-бутил-4-метоксифенил(3,3'-ди-т-бутил-5,5'-диметокси-1,1'-бифенил-2,2'-диил)фосфит, метил(3,3'-ди-т-бутил-5,5'-диметокси-1,1'-бифенил-2,2'-диил)фосфит, 6,6'-[[3,3'-бис(1,1-диметилэтил)-5,5'диметокси-[1,1'-бифенил]-2,2'-диил]бис(окси)]бис-дибензо[d,f][1,3,2]диоксафосфепин, 6,6'-[[3,3',5,5'-тетракис(1,1-диметилэтил)-1,1'-бифенил]-2,2'-диил]бис(окси]бис-дибензо[d,f][1,3,2]-диоксафосфепин, (2R,4R)-ди[2,2'-(3,3',5,5'-тетракис-трет-бутил-1,1-бифенил)]-2,4-пентилдифосфит, (2R,4R)ди[2,2'-(3,3'-ди-трет-бутил-5,5'-диметокси-1,1'-бифенил)]-2,4-пентилдифосфит, 2-[[2-[[4,8,-бис(1,1-диметилэтил), 2,10-диметоксидибензо-[d,f] [1,3,2]диоксафосфепин-6-ил]окси]-3-(1,1-диметилэтил)-5-метоксифенил]метил]-4-метокси, метиленди-2,1-фенилентетракис[2,4-бис(1,1-диметилэтил)фенил]сложный эфир фосфорной кислоты и [1,1'-бифенил]-2,2'-диилтетракис [2-(1,1-диметилэтил)-4-метоксифенил] сложный эфир фосфорной кислоты.
Органофосфитовые лиганды имеют координационную прочность по отношению к каталитическому металлу больше, чем координационная прочность относительно объемного органофосфитового лиганда.
Активный катализатор может быть производным от предшественника каталитического металла, который может быть введен в реакционную среду для образования активного катализатора in situ. Например, предшественник каталитического родия может быть введен в реакционную смесь вместе с органофосфорными лигандами для образования активного катализатора in situ. В предпочтительном варианте осуществления используют родийдикарбонилацетилацетонат в качестве предшественника родия и реагирующий в присутствии растворителя, сначала с органополифосфитовым лигандом для образования комплекса родий-органополифосфитовый лиганд в присутствии избытка (свободного) объемного органомонофосфитового лиганда под давлением сингаза для образования активного катализатора in situ.
Кроме активного катализатора в реакционной среде также присутствует свободный объемный органомонофосфорный лиганд (т.е. лиганд, который не образует комплекса с металлом). Упомянутые количества объемного органомонофосфорного лиганда являются суммой как количества объемного органомонофосфорного лиганда, который образует связь (образует комплекс) с присутствующим металлом, так и количества присутствующего свободного объемного органомонофосфорного лиганда. По желанию в реакционную среду процесса гидроформилирования можно дополнительно подать объемный органомонофосфорный лиганд в любое время и любым удобным образом, например, для того, чтобы поддержать в реакционной среде заранее определенный уровень свободного лиганда.
В одном варианте воплощения родиевым катализатором может быть пропитана любая твердая подложка, например неорганические оксиды (оксид алюминия, оксид кремния, оксид титана или оксид циркония), углерод или ионообменные смолы, нанесенные на цеолит, стекло или глины или включенные внутрь пор, или, кроме того, могут быть растворены в жидкой пленке, покрывающей поры упомянутого цеолита или стекла. Такие нанесенные на цеолиты катализаторы являются особенно выгодными для получения одного или более региоизомерных альдегидов высокой селективности, определенной размером пор цеолита. Твердый катализатор, образованный таким образом, все еще может образовать комплекс с одним или более из лиганд, указанных выше. Описания таких твердых катализаторов можно найти, например, в J. Mol. Cat. 1991, 70, 363-368; Catal. Lett. 1991, 8, 209-214; J. Organomet. Chem, 1991, 403, 221-227; Nature, 1989, 339, 454-455; J. Catal. 1985, 96, 563-573;. J. Mol. Cat. 1987, 39, 243-259. Катализатор можно присоединить к тонкопленочной или мембранной подложке, такой как ацетилцеллюлозная или полифенилсульфоновая, описанной в J. Mol. Cat. 1990, 63, 213-221, например. Катализатор можно присоединить к нерастворимой полимерной подложке с помощью содержащего органический фосфор лиганда, такого как фосфит, введенного в полимер. Описания нанесенных на полимер катализаторов можно найти, например, в J. Mol. Cat., 1993, 83, 17-35; Chemtech 1983, 46; J. Am. Chem. Soc., 1987, 109, 7122-7127. Еще в одном варианте воплощения катализатор можно нанести на полимер, который из-за природы своего молекулярного веса, является растворимым в реакционной среде при повышенной температуре, но выпадает в осадок при охлаждении, тем самым облегчая выделение катализатора из реакционной смеси. Такие “растворимые” нанесенные на полимер катализаторы описаны, например, в Polymer, 1992, 33, 161; J. Org. Chem. 1989, 54, 2726-2730.
В процессе гидроформилирования выгодно применяют растворитель. Можно использовать любой отвечающий требованиям растворитель, который не наносит существенного вреда процессу гидроформилирования. В качестве примера, соответствующими растворителями для родия, который катализирует процесс гидроформилирования, включает в себя те, которые раскрыты в Патентах US 3527809; 4148830; 5312996; и 5929289. Неограничивающие примеры соответствующих растворителей включают в себя насыщенные углеводороды (алканы), ароматические углеводороды, воду, простые эфиры, альдегиды, кетоны, нитрилы, спирты, сложные эфиры и продукты конденсации альдегида. Конкретные примеры растворителей включают в себя: тетраглим, пентаны, циклогексаны, гептаны, бензол, ксилол, толуол, диэтиловый эфир (сложный), тетрагидрофуран, бутиральдегид и бензонитрил. Органические растворители могут содержать также растворенную воду до предела насыщения. Типичные предпочтительные растворители включают кетоны (например, ацетон и метилэтилкетон), сложные эфиры (например, этилацетат, ди-2-этилгексилфталат, 2,2,4-триметил-1,3-пентандиол моноизобутират), углеводороды (например, толуол), нитроуглеводороды (например, нитробензол), простые эфиры (например, тетрагидрофуран (THF) и сульфолан. В процессах гидроформилирования, катализируемых родием, в качестве первичного растворителя предпочтительно можно использовать альдегидные соединения, соответствующие альдегидным продуктам, которые желательно получить, и/или побочные продукты конденсации вышекипящих жидких альдегидов, например, такие которые могли быть получены in situ в процессе гидроформилирования, описанные, например, в US 4148380 и US 4247486. Первичный растворитель, очевидно, будет содержать в норме как альдегидные продукты, так и вышекипящие жидкие побочные продукты конденсации альдегидов (“heavies”) из-за природы непрерывного процесса. Количество растворителя не является особенно критичным и должно быть достаточным только для предоставления реакционной среды с желательной величиной концентрации переходного металла. Обычно количество растворителя изменяется в интервале от примерно 5% до примерно 95 вес.%, исходя из общего веса реакционной среды. Можно использовать смеси растворителей.
Активный катализатор получают in situ, соединив предшественник каталитического металла с органополифосфитным лигандом и объемным органомонофосфитным лиганодом в соответствующем растворителе под давлением сингаза. В варианте воплощения изобретения органополифосфит и предшественник каталитического металла загружают в реактор предпочтительно до введения объемного органомонофосфита. В предпочтительном варианте воплощения органополифосфитовый лиганд добавляют сначала к растворителю, с последующим введением предшественника каталитического металла и, наконец, объемного органомонофосфита.
Не будучи связанными какой-либо теорией, полагают, что из-за того, что комплекс металл-органополифосфит образуется очень быстро, время которое проходит до того, как вводят объемный органомонофосфит, не является критичным; наоборот объемный органомонофосфит может необязательно быть добавлен вместе с органомонофосфитом.
Еще в одном варианте воплощения, когда каталитический металл истощается или дезактивируется в процессе нормальной эксплуатации, к существующему каталитическому раствору необходимо добавить больше, загрузку каталитического состава следует выполнять, как описано в данном документе, как если бы это являлось исходной загрузкой катализатора. Другими словами, загрузка состава катализатора производится путем введения органополифосфита и предшественника каталитического металла к объемному органомонофосфиту (необязательно в отдельной смешивающей емкости (баке) катализатора до введения в реакционную систему гидроформилирования).
Предпочтительно количество предшественника каталитического металла находится в интервале от 10 ч./млн до 1000 ч./млн, рассчитанное как свободный металл в реакционной среде, хотя, как правило, предпочтительно использовать от 25 ч./млн до 500 ч./млн металла, а более предпочтительно от 50 ч./млн до 350 ч./млн каталитического металла.
Количество используемого органополифосфита должно быть, по меньшей мере, 1, но меньше чем 2 моля на один моль каталитического металла. В варианте воплощения молярное отношение объемный органополифосфит:каталитический металл составляет от 1,05 до 1,8, а еще в одном варианте воплощения составляет от 1,08 до 1,2. Концентрация объемного органомонофосфита может изменяться, но предпочтительно находится в интервале от примерно 5 до 50 молей на моль каталитического металла. В предпочтительном варианте воплощения концентрация объемного органомонофосфита составляет примерно 20-30 молей на моль каталитического металла.
Как только органополифосфит, каталитический металл и объемный органомонофосфит соединены в определенных соотношениях, вводят сингаз. Парциальное давление монооксида углерода предпочтительно составляет, по меньшей мере, 25 фунтов/кв.дюйм (172 кПа). В одном варианте воплощения парциальное давление CO составляет, по меньшей мере, 30 фунтов/кв.дюйм (207 кПа). В одном варианте воплощения парциальное давление CO составляет не более чем 250 фунтов/кв.дюйм (1724 кПа). Давление используемого сингаза может изменяться, поскольку парциальное давление CO находится в интервале, описанном выше. В предпочтительном варианте воплощения парциальное давление сингаза составляет от 50 фунтов/кв.дюйм (345 кПа) до 500 фунтов/кв.дюйм (3450 кПа).
Необязательно в процессе изобретения можно использовать олефин.
Катализатор, образованный с помощью процесса изобретения, пригоден в реакциях гидроформилирования, включающих CO, H2 и олефин. Процесс гидроформилирования и условия этого процесса хорошо известны.
Как правило, процесс гидроформилирования можно проводить при любой температуре с возможностью управления. Предпочтительно процесс гидроформилирования проводят при температуре реакции от -25°C до 200°C, предпочтительно от 50°C до 120°C.
Комплексные катализаторы металл-фосфорорганический лиганд хорошо известны в данном уровне знаний и включают те, которые раскрыты в патентах, упомянутых в данном документе. Однако точная структура катализатора не известна. Комплексный катализатор металл-фосфорорганический лиганд может быть оптически активным и оптически неактивным.
СПЕЦИФИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующие примеры приведены для иллюстрации изобретения и не должны быть истолкованы как ограничивающие его область.
Общий порядок действий
Используется система жидкостного рециркуляционного реактора, который состоит из трех соединенных последовательно реакторов с мешалкой из нержавеющей стали емкостью 1 л. Каждый реактор снабжен смонтированным вертикально перемешивающим устройством и круговым трубчатым распределителем, размещенным около дна реактора. Каждый распределитель содержит множество отверстий достаточного размера, чтобы предоставить желательный поток газа в жидкость в реакторе. Распределители используют для подачи олефина и/или сингаза в реактор и могут быть использованы также для введения в каждый реактор газов, не вступивших в реакцию. Каждый реактор имеет силиконовое масло shell как средство управления температурой реактора. Реакторы 1 и 2 и реакторы 2 и 3 соединены дополнительно трубопроводами для переноса любых газов, не вступивших в реакцию, и трубопроводами для того, чтобы дать возможность прокачивать часть жидкого раствора, который содержит альдегидный продукт и катализатор, из реактора 1 в реактор 2 и из реактора 2 в реактор 3. Таким образом, непрореагировавший олефин реактора 1 подвергается дополнительно гидроформилированию в реакторе 2 и, соответственно, реакторе 3. Каждый реактор содержит (имеет в своем составе) также пневматический регулятор уровня жидкости для поддержания желательного уровня жидкости. Реактор 3 имеет выпускной вентиляционный клапан для удаления непрореагировавших газов.
Порцию жидкого реакционного раствора непрерывно прокачивают от реактора 3 в испаритель, который состоит из нагреваемой при пониженном давлении емкости. Поток элюэнта из испарителя посылают к разделителю (сепаратору) газ-жидкость, размещенному внизу испарителя, где испаряемый альдегид отделяется от нелетучих компонентов жидкого реакционного раствора. Испаряемый альдегидный продукт конденсируется и собирается в приемнике продукта. Пневматический контроллер уровня жидкости внизу сепаратора контролирует желательный уровень нелетучего компонента, включая катализатор, который необходимо рециклировать. Сепаратор соединяют рециркуляционным трубопроводом с емкостью буферной обработки.
Нелетучие компоненты из сепаратора, включая катализатор, который необходимо рециклировать, пропускают вниз насадочной колонки буферной водной обработки, которая состоит из области контактирования и зоны фазового разделения. После буферной обработки органический нелетучий слой, который включает в себя катализатор, который необходимо рециклировать, прокачивают из зоны фазового разделения через рециркуляционный трубопровод в реактор 1.
Сравнительный пример 1 - использование ЛИГАНДА B в зависимости от парциального давления монооксида углерода (не является вариантом осуществления изобретения)
.
Реакцию гидроформилирования проводят, загружая в реакторную систему 3 литра каталитического раствора, содержащего родийдикарбонилацетилацетонат (55 ч./млн родия), ЛИГАНД A (0,0149 вес.%; 0,33 моль эквивалента на моль родия), ЛИГАНД B (0,70 вес.%; 20 моль эквивалентов на моль родия), диметиловый простой эфир тетраэтиленгликоля (примерно 15 вес.%), смешанные C4 альдегиды (примерно 85 вес.%: отношение н-бутиральдегида к изобутиральдегиду примерно 30:1). После этого реактор нагревают до 70°C при пропускании монооксида углерода и водорода; соотношение парциального давления водорода и монооксида углерода поддерживают 1:1 по всему диапазону 120-160 фунтов/кв.дюйм (827-1103 кПа). Общее давление 1, 2, 3 реакторов поддерживают 200, 180 и 160 фунтов/кв.дюйм (1379, 1241 и 1103 кПа) соответственно. Пропилен загружают в реактор 1 со скоростью 1,8 грамм-моль на литр от общего объема реактора в час. Система испарителя функционирует при 6-8 фунтах/кв.дюйм (41-55 кПа) и 96-100°C. Упомянутые выше условия реакции поддерживают в продолжение всего времени, если не указано иначе. Отношение нормальный бутиральдегид: изобутиральдегид (N:I) поддерживают ~2, поддерживая постоянную концентрацию ЛИГАНДА А и ЛИГАНДА B.
Парциальное давление монооксида углерода изменяется в процессе гидроформилирования и концентрацию ЛИГАНДА А и ЛИГАНДА B измеряют с помощью жидкостной хроматографии высокого давления (HPLC-high pressure liquid chromatography). Используемые нормы расхода ЛИГАНДА В (например, количество ЛИГАНДА В, которое необходимо добавлять каждый день для поддержания постоянной концентрации), вычисляют исходя их данных HPLC, и показывают в Таблице 1.
| Таблица 1 | ||
| Нормы использования ЛИГАНДА В в зависимости от парциального давления CO | ||
| Дни в режиме онлайн | Среднее значение парциального давления (фунты/кв.дюйм) [кПа] | Ежедневное использование ЛИГАНДА В (г/л/день) |
| 5 | 72,4 [499] | 0,011 |
| 7 | 67,7 [467] | 0,056 |
| 10 | 65,5 [452] | 0,048 |
| 19 | 59,6 [411] | 0,036 |
| 21 | 59,2 [408] | 0,032 |
| 24 | 55,9 [385] | 0,075 |
| 26 | 51,6 [356] | 0,078 |
| 28 | 52,2 [360] | 0,059 |
| 31 | 54,0 [372] | 0,052 |
| 34 | 38,0 [262] | 0,451 |
| 35 | 38,0 [262] | 0,259 |
| 38 | 37,5 [259] | 0,241 |
| 40 | 38,6 [266] | 0,170 |
| 42 | 67,3 [464] | 0,059 |
| 45 | 66,1 [456] | 0,040 |
| 49 | 64,4 [458] | 0,034 |
| 59 | 63,2 [436] | 0,039 |
| 61 | 63,2 [436] | 0,024 |
| 63 | 62,8 [433] | 0,016 |
| 67 | 58,9 [406] | 0,013 |
| 69 | 56,5 [390] | 0,036 |
| 73 | 55,9 [385] | 0,029 |
| 77 | 56,7 [391] | 0,091 |
| 80 | 56,6 [390] | 0,063 |
| 82 | 72,8 [502] | 0,091 |
Данные показывают соотношение между уменьшением парциального давления CO и использованием ЛИГАНДА В, при значительном увеличении использования лиганда при парциальном давлении CO 38 фунтов/кв.дюйм (262 кПа) или меньше. Высокоэффективное использование ЛИГАНДА В возвращается к увиденным ранее более низким величинам, если парциальное давление CO увеличивается.
Сравнительный пример 2 - использование ЛИГАНДА B в зависимости от парциального давления монооксида углерода и концентрации ЛИГАНДА В (не является вариантом осуществления изобретения)
Процедуру сравнительного примера 1 повторяют со следующими исключениями: 3 литра предшественника катализатора, содержащих родийдикарбонилацетилацетонат (75 ч./млн родия), ЛИГАНД А (0,020 вес.%; 0,33 моль эквивалента на моль родия), ЛИГАНД B (0,70 вес.%; 15 моль эквивалентов на моль родия), диметиловый простой эфир тетраэтиленгликоля (примерно 15 вес.%), смешанные C4 альдегиды (примерно 85 вес.%: отношение N:I примерно 30:1) загружают в реакторную систему. Соотношение N:I продукта поддерживают ~4, поддерживая постоянную концентрацию ЛИГАНДА А, в то время как концентрация ЛИГАНДА В, как предмет исследования, изменяется в процессе гидроформилирования. Данные использования ЛИГАНДА В в зависимости от концентрации ЛИГАНДА В при 35 и 65 фунтах/кв.дюйм (241 и 448 кПа) монооксида углерода представлены в Таблице 2 и таблице 3 соответственно.
| Таблица 2 | |
| Нормы использования ЛИГАНДА В в зависимости от концентрации, давление монооксида углерода 35 фунтов/кв.дюйм (241 кПа) | |
| Начальное молярное отношение ЛИГАНД В:Rh | Ежедневное использование (г/л/день) |
| 3,996 | 0,102 |
| 4,723 | 0,189 |
| 5,380 | 0,160 |
| 6,146 | 0,186 |
| 6,973 | 0,156 |
| 7,292 | 0,151 |
| 12,667 | 0,174 |
| 13,955 | 0,149 |
| 14,516 | 0,189 |
| 14,706 | 0,209 |
| 15,860 | 0,225 |
| 15,937 | 0,251 |
| Таблица 3 | |
| Нормы использования ЛИГАНДА В в зависимости от концентрации, парциальное давление монооксида углерода 65 фунтов/кв.дюйм (448 кПа) | |
| Начальное молярное отношение ЛИГАНД В:Rh | Ежедневное использование (г/л/день) |
| 4,907 | 0,017 |
| 5,668 | 0,030 |
| 5,745 | 0,033 |
| 5,881 | 0,042 |
| 6,201 | 0,021 |
| 7,406 | 0,041 |
| 8,547 | 0,038 |
| 8,581 | 0,048 |
| 8,620 | 0,040 |
| 11,900 | 0,060 |
| 15,305 | 0,084 |
Данные показывают положительную корреляцию между концентрацией ЛИГАНАДА В и нормой использования. Кроме того, данные показывают, что норма использования значительно снижается при увеличении парциального давления монооксида углерода
Сравнительный пример 3 - стабильность катализатора без ЛИГАНДА А в процессе пуска (не является вариантом осуществления изобретения)
Процедуру сравнительного примера 1 повторяют со следующими исключениями: 2 литра предшественника катализатора, содержащие родийдикарбонилацетилацетонат (140 ч./млн родия), ЛИГАНД В (10 моль эквивалента на моль родия), диметиловый простой эфир тетраэтиленгликоля (примерно 15 вес.%) и смешанные C5 альдегиды (примерно 85 вес.%: отношение N:I примерно 80:1) загружают в реакторную систему. Реакторы нагревают до температуры реакции 85°C, при пропускании монооксида углерода и водорода; отношения парциальных давлений водорода и монооксида углерода поддерживают 1:1 по всему диапазону 160-200 фунтов/кв.дюйм (1103-1379 кПа). Давления в реакторах 1 (реактор 2 обходят) и 3 поддерживают 230 и 210 фунтов/кв.дюйм (1586 и 1448 кПа) соответственно. 1-бутен загружают в реактор 1 при норме расхода 5 граммов на моль на литр объема реактора в час. Наблюдается непрерывная потеря родия в реакторах примерно 4,5 ч./млн в день с момента пуска. Неиспарившийся раствор из испарителя пропускают через зону водной буферной обработки, обычно прозрачный бесцветный буфер заметно темнеет. Атомный абсорбционный анализ (далее в данном документе АА) водного буфера показал концентрацию родия 39 ч./млн. Окрашенный в коричневый цвет буфер анализируют с помощью 31P ЯМР, и он демонстрирует неожиданные фосфорные резонансы.
Это показывает, что, если реакция инициируется родием и одним ЛИГАНДОМ В, имеют место значительные потери родия.
Пример 4 - стабильность катализатора в процессе пуска с присутствующими ЛИГАНДАМИ А и В
В некоторой степени аналогично сравнительному эксперименту 3, 2 литра предшественника катализатора, содержащие родийдикарбонилацетилацетонат (150 ч./млн родия), ЛИГАНД В (20 моль эквивалентов на моль родия), ЛИГАНД А (1,1 моль-эквивалент на моль родия), диметиловый простой эфир тетраэтиленгликоля (примерно 15 вес.%) и смешанные C5 альдегиды (примерно 85 вес.%: отношение N:I примерно 80:1) загружают в реакторную систему. Реакторы нагревают до температуры реакции 75°C, при пропускании монооксида углерода и водорода; отношение парциального давления водорода и монооксида углерода поддерживают 1:1 в диапазоне 160-200 фунтов/кв.дюйм (1103-1379 кПа). Давления в реакторах 1 (реактор 2 обходят) и 3 поддерживают 230 и 210 фунтов/кв.дюйм (1586 и 1448 кПа), соответственно. 1-бутен загружают в реактор 1 при норме расхода 5 граммов на моль на литр объема реактора в час. Концентрация родия в реакторе остается стабильной 150 ч./млн родия в течение 48 часов эксплуатации. Неиспарившийся раствор из испарителя пропускают через зону водной буферной обработки, но в этом примере буфер остается прозрачным. АА анализ водного буфера после 48 часов показывает концентрацию родия 2 ч./млн. Прозрачный буфер анализируют с помощью 31P ЯМР, и он демонстрирует ожидаемые фосфорные резонансы.
Концентрация ЛИГАНДА А, отслеживаемая с помощью HPLC медленно отклоняется от исходной концентрации 1,1 молей родия до 0,75 молей родия на протяжении 5 дней, тогда как отношение нормальный : изо-альдегид (N:I) в продукте медленно снижается от исходного значения примерно 80:1 до желательного значения примерно 6:1 на протяжении этого периода. Возможность учета родия, измеренная с помощью АА, составляет практически везде 100%.
Это показывает, что, если катализатор гидроформилирования образуется, по меньшей мере, с одним эквивалентом хелатного бифосфита, по существу не происходит потерь родия. Кроме того, если допускают медленное разрушение хелатного бифосфита в присутствии избытка монофосфита, то можно достичь конечного желательного отношения N:I и потерь родия из катализатора не наблюдается.
Не желая быть связанными с какой-либо конкретной теорией, предполагают, что избыток комплексообразующего бифосфита быстро координирует с доступным каталитическим металлом и тем самым уменьшает потери ценного металла в системе.
Сравнительный пример 5 - норма расхода катализатора в зависимости от концентрации ЛИГАНДА B (не является вариантом осуществления изобретения)
До некоторой степени аналогично примеру 1, 3 литра предшественника катализатора, содержащего родийдикарбонилацетилацетонат (70 ч./млн родия), ЛИГАНД B (5 моль-эквивалентов на моль родия), диметиловый простой эфир тетраэтиленгликоля (примерно 25 вес.%), ЛИГАНД A (0,33 моль эквивалента на моль родия) и смешанные C4 альдегиды (примерно 75 вес.%, N:I примерно 4:1) загружают в реакторную систему. Реакторы нагревают до 70°C при пропускании монооксида углерода и водорода; соотношение парциального давления водорода и монооксида углерода поддерживают 1:1 по всему диапазону 60-80 фунтов/кв.дюйм (414-552 кПа). Общее давление 1, 2, 3 реакторов поддерживают 130, 110 и 90 фунтов/кв.дюйм (896, 758, 621 кПа) соответственно. Пропилен подают в реактор 1 при скорости 6,4 грамм-моль/час. ЛИГАНД А загружают в систему при скорости 0,02 грамма на литр объема реактора в день для поддержания N:I продукта при 4. Концентрация ЛИГАНДА В изменяется в ходе гидроформилирования. Результаты суммированы в Таблице 4.
| Таблица 4 | ||
| Скорость альдегидного продукта в зависимости от молярного отношения ЛИГАНД В:Rh | ||
| Дни эксплуатации | Молярное отношение лиганд В:Rh | Общая скорость альдегида, г-моль/час |
| 118 | 5,4 | 5,83 |
| 119 | 5,3 | 5,39 |
| 120 | 4,7 | 5,59 |
| 123 | 4,0 | 3,45 |
| 125 | 3,9 | 3,77 |
| 126 | 7,1 | 5,14 |
| 127 | 7,3 | 5,39 |
| 128 | 6,1 | 5,09 |
Данные показывают, что если молярное отношение лиганд В:Rh падает ниже 4,7 эквивалента, то наблюдается заявленное уменьшение скорости образования альдегида. Кроме того, также видно, что скорость альдегида восстанавливается при увеличении молярного отношения лиганд В:Rh до ее прежней величины.
Пример 6 - расход катализатора в зависимости от концентрации лиганда В
Процесс гидроформилирования проводят в стеклянном толстостенном реакторе в непрерывном режиме. Реактор состоит из трехунциевой толстостенной колбы, частично погруженной в масляную ванну с передним стеклом для обзора. После продувки системы азотом 20 мл свежеприготовленного раствора предшественника родиевого катализатора, состав которого приводят ниже, подают в реактор шприцем. После герметизации реактора систему продувают азотом и масляную ванну нагревают для обеспечения температуры реакции 80°C. Каталитический раствор активируют подачей CO и H2 в соотношении 1:1 при общем эксплуатационном давлении 150 фунт/кв.дюйм (1034 кПа) в течение 30-60 минут. После периода активации инициируют реакцию с помощью введения пропилена. Потоки исходных газов регулируют по желанию и азот добавляют, если необходимо, для того, чтобы сохранять желательное общее рабочее давление примерно 150 фунт./кв.дюйм (1034 кПа). Потоки исходных газов (H2, CO, пропилен N2) регулируют отдельно с помощью расходомеров, а исходные газы диспергируют в растворе предшественника катализатора через фриттованные металлические распределители газа. Парциальные давления N2, H2, CO, пропилена и альдегидных продуктов определяют, анализом отводного потока, с помощью газовой хроматографии (gas chromatography GC) и закона Дальтона. Не вступившую в реакцию порцию исходных газов отбирают с продуктами бутиральдегида с помощью потока азота, чтобы поддерживать, по существу, постоянный уровень жидкости. Выходящий газ периодически анализируют с помощью GC. Образцы реакционной жидкости отбирают шприцем для 31P ЯМР для определения скорости разложения лигандов в зависимости от времени в условиях реакции. На практике часто наблюдается, что системе требуется около одного дня, чтобы прибыть в условия устойчивого режима из-за необходимости удаления следов воздуха из подающих трубопроводов и достижения теплового равновесия масляных ванн; поэтому исследование лиганда начинают только после достижения работы в устойчивом состоянии.
Растворы предшественника катализатора, содержащие родийдикарбонилацетилацетонат (100 ч./млн Rh), Лиганд В (5, 10 и 20 эквивалентов на родий) и диметиловый простой эфир тетраэтиленгликоля (20 мл) в качестве растворителя подают в каждый из трех реакторов. Реакторы герметизируют 50 фунт/кв.дюйм (345 кПа) CO и 50 фунт/кв.дюйм (345 кПа) водорода при 80°C в течение примерно 1 часа перед введением пропилена. Полученное количество молей альдегида в литрах/час, деленные на подаваемое в каждый реактор количество молей олефина (скорость получения альдегида/количество олефина) представлены в Таблице 5.
| Таблица 5 | |||
| Скорость реакции/подаваемый олефин для отношений ЛИГАНД В:Rh 5, 10 и 20:1 | |||
| Ежедневное среднее значение скорость реакции/подаваемый олефин | |||
| Дни эксплуатации | ЛИГАНД В:Rh=5 | ЛИГАНД В:Rh=10 | ЛИГАНД В:Rh=20 |
| 1 | 1,37 | 1,62 | 2,43 |
| 2 | 0,73 | 1,03 | 1,87 |
| 3 | 0,49 | 0,69 | 1,42 |
| 4 | 0,45 | 0,69 | 1,18 |
| 5 | 0,44 | 0,38 | 1,12 |
| 6 | 0,41 | 0,45 | 1,06 |
Данные показывают, что скорость реакции гидроформилирования быстрее при более высоких отношениях Лиганд В:Rh, подтверждая тем самым, что желательно инициировать процесс при высоких концентрациях ЛИГАНДА В.
Пример 7 - потери родия в зависимости от концентрации лиганда А
До некоторой степени аналогично примеру 6, растворы предшественника катализатора, содержащие родийдикарбонилацетилацетонат (200 ч./млн Rh), ЛИГАНД В (20 эквивалентов на родий), соответствующее количество ЛИГАНДА А и толуол (20 мл) подают в каждый из пяти реакторов. Реакторы герметизируют 75 фунт/кв.дюйм (517 кПа) CO и 75 фунт/кв.дюйм (517 кПа) водорода с общим потоком примерно 10 ст.л/час при 80°C. По истечении 5 минут в каждый реактор добавляют шприцем 10 мл дегазированного 0,04М фосфата натрия (pH 7,1) в воде. После 30 минут непрерывный поток сингаза останавливают и слоям дают возможность разделиться. Отбирают образцы водных слоев с помощью шприца и анализируют, используя АА. Уровни родия, определенные с помощью АА, показывают в Таблице 6 и на Фиг. 1:
| Таблица 6 | ||
| Соотношение между концентрацией ЛИГАНДА А и потерей родия | ||
| Rx | [ЛИГАНД А] | [Rh] ч./млн |
| (моль-экв./Rh) | определенная с помощью АА* | |
| 1 | 0 | 0,67 |
| 2 | 0,4 | 0,91 |
| 3 | 0,8 | 0,53 |
| 4 | 1,1 | 0,35 |
| 5 | 1,5 | 0,25 |
Данные показывают, что потери родия в водный слой снижаются при более высоких концентрациях Лиганда А.
1. Способ получения катализатора гидроформилирования, включающий: (А) образование катализатора гидроформилирования путем контактирования в условиях реакции, в присутствии растворителя предшественника каталитического металла, по меньшей мере, одного органополифосфитового лиганда, СО, водорода, объемного органомонофосфитового лиганда и, необязательно, олефина, причем молярное отношение органополифосфит : каталитический металл составляет, по меньшей мере, 1, но меньше чем 2; парциальное давление монооксида углерода составляет, по меньшей мере, 25 фунт/кв.дюйм; и молярное отношение объемный органомонофосфит : каталитический металл составляет от 5:1 до 50:1; и затем (В) предоставление возможности концентрации органополифосфитового лиганда снижаться так, что отношение органополифосфитовый лиганд : каталитический металл падает до меньше чем 1, причем металл представляет собой металл девятой группы.
2. Способ по п. 1, в котором контактирование проводят таким образом, что органополифосфитовый лиганд и предшественник каталитического металла вводят сначала с последующим добавлением объемного органомонофосфитового.
3. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором органополифосфит и предшественник каталитического металла контактируют друг с другом до их контактирования с объемным органомонофосфитом.
4. Способ по п. 1, в котором контактирование проводят таким образом, что сначала вводят органополифосфитовый лиганд, за ним следует добавление предшественника каталитического металла, за ним следует добавление объемного органического монофосфита.
5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором парциальное давление монооксида углерода составляет от 30 фунтов/кв.дюйм до 250 фунтов/кв.дюйм.
6. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором в определенный момент на стадии (А) молярное отношение органополифосфит : каталитический металл составляет больше чем 1.
7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором в определенный момент на стадии (А) молярное отношение органополифосфит : каталитический металл составляет от 1,05 до 1,8.
8. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором в определенный момент на стадии (А) молярное отношение органополифосфит : каталитический металл составляет от 1,08 до 1,2.
9. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором в определенный момент на стадии (А) количество предшественника каталитического металла составляет от 10 ч./млн по весу до 1000 ч./млн по весу, рассчитанное как свободный металл, исходя из веса растворителя, предшественника, органополифосфитового лиганда и органомонофосфитового лиганда.
10. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором в определенный момент на стадии (А) количество предшественника каталитического металла составляет от 25 до 500 ч./млн по весу, рассчитанное как свободный металл.
11. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором в определенный момент на стадии (А) количество предшественника каталитического металла составляет от 50 до 350 ч./млн по весу, рассчитанное как свободный металл.
12. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором каталитическим металлом предшественника каталитического металла является родий.
13. Способ использования катализатора по любому из предшествующих пунктов для гидроформилирования олефинов для получения альдегидов.
14. Способ по п. 13, в котором парциальное давление монооксида углерода составляет от 30 фунтов/кв.дюйм до 250 фунтов/кв.дюйм.
15. Способ по п. 13, в котором молярное отношение объемный органомонофосфит : каталитический металл на стадии (В) поддерживают от 15:1 до 50:1.
