Tittel: Fremgangsmåte for fremstilling av p-hydroksymandelsyreforbindelser som eventuelt er substituerte, og derivatisert.

Transkript

1 1 V1293NO00 EP B3 Tittel: Fremgangsmåte for fremstilling av p-hydroksymandelsyreforbindelser som eventuelt er substituerte, og derivatisert.

2 Den foreliggende oppfinnelse har som mål en fremgangsmåte for fremstilling av vanillin eller etylvanillin. I den gjennomgåelsen som følger av oppfinnelsen, forstår man med "p-hydroksymandelsyreforbindelser som eventuelt er substituerte" en aromatisk forbindelse som minst er bærer av en gruppe -CHOH-COOH i parastilling for en hydroksylgruppe. Vanillin fremstilles fra naturlige kilder, så som lignin eller ferulinsyre, men en stor del av det fremstilte vanillin er kjemisk basert. En rekke fremgangsmåter som både er forskjellige og kan varieres for slik fremstilling, er beskrevet i litteraturen (Kirk-Othmer - Encyclopedia of Chemical Technology 24, s , 4. utgave (1997)). En klassisk måte å komme frem til vanillin på, impliserer en kondenseringsreaksjon av glyoksylsyre på guajakol i et basisk miljø for å komme frem til 4-hydroksy-3- metoksymandelsyre. Dette produktet oksideres deretter for å danne vanillin. Ytelsen ut fra kondenseringen er begrenset av det faktum at kondenseringsreaksjonen ikke er selektiv og likeledes fører til o-hydroksymandelsyre så vel som dimandelsyrer. Dannelsen av dimandelsyrer fører til en påfølgende reaksjon, nemlig en andre kondensering av glyoksylsyre på en mandelsyre. Man søker å begrense disse påfølgende reaksjoner i den hensikt å få en optimal seleksjon. Kontinuerlige fremstillingsprosesser utføres ofte i en kjede med flere reaktorer av typen med god omrøring. Innføringen av en rekke reaktorer innebærer imidlertid kostnader både ved utførelsen så vel som utnyttelsen. Oppfinnelsen har som mål å komme frem til en fremgangsmåte for fremstilling av mandelsyreforbindelser, der man unngår én eller flere av de ulemper som er nevnt ovenfor, og hvor man særlig søker å oppnå en bedret selektivitet. Konseptet for den foreliggende oppfinnelse er således en fremgangsmåte for fremstilling av vanillin eller etylvanillin omfattende kondensering i vann, i nærvær av et alkalisk middel, av guajakol eller av guetol med glyoksylsyre, som er kjennetegnet av det fakta at reaksjonen utføres i en reaktor med stempelstrømning, og oksydasjon av oppnådd 4-hydroksy-3-metoksy-mandelsyre eller av 3-etoksy-4-hydroksy-mandelsyre. Ifølge foretrukne utførelsesmodi er reaktoren en rørformet reaktor eller en søylereaktor. I den gjennomgåelsen som følger av den foreliggende oppfinnelse, vil man med "rørformet reaktor" forstå en reaktor som har rørform, og med "søylereaktor" forstår man en vertikal reaktor med sirkulært tverrsnitt. Med "stempelstrømning" forstår man en strømning eller flyt i en enkelt retning, hvor, i et perpendikulært plan i strømmen, samtlige delstrømmer av fluidet forflytter seg

3 med jevn hastighet og der alle fysiske størrelser er identiske. I en slik flyt eller strømning blir den radiale blanding perfekt, idet det ikke er noen aksial blanding. I praksis betraktes disse betingelser som tilfredsstilt når strømningen er turbulent. Man antar at en strøm er turbulent når Reynolds tall er lik eller større enn 00, og fortrinnsvis når det er over 000. Definisjonen av Reynolds tall er: Re =..d/ der: - er den volumetriske masse av fluidet i kg/m 3 ; - er strømningshastigheten i m/s; - d er reaktorens diameter i m; og - er den dynamiske viskositet i Pa.s. FIG. 1 viser en skjematisk oversikt over en rørformet reaktor dannet av konsentriske rør. FIG. 2 viser en skjematisk oversikt over en reaktor formet som en søyle. FIG. 3 viser skjematisk en flerrørsreaktor som omfatter rør som er holdt sammen i et knippe. I samsvar med oppfinnelsens fremgangsmåte er det funnet at anvendelsen av den beskrevne fremgangsmåte i en rørformet reaktor med stempelstrømning muliggjør at man får en forbedret selektivitet. Faktisk oppnås en god selektivitet som følge av en begrensning av de påfølgende reaksjoner. Fremgangsmåten har for øvrig som fordel at den krever lite volum, så vel som lave drifts- og investeringskostnader, sammenliknet med en kjede av reaktorer med god omrøring, der hver har anordninger for tilførsel av reagens, for å ta ut produkter, så vel som anordninger for blanding av reagenser og kontroll/regulering av prosessens parametere. Fremgangsmåten som her er beskrevet, innebærer å fremstille p-hydroksymandelsyreforbindelser ved å utføre en kondenseringsreaksjon av en aromatisk forbindelse som er bærer for minst én hydroksylgruppe, og glyoksylsyre i nærvær av et alkalisk middel og eventuelt en katalysator. I beskrivelsen nedenfor vil "aromatisk forbindelse" være en syklisk forbindelse med delokaliserte dobbeltbindinger, slik det er fastlagt i litteraturen, særlig av M. Smith og J. March, Advanced Organic Chemistry,. utgave, John Wiley & Sons, 1992, s. 46 og videre. De forbindelser som oppfinnelsens fremgangsmåte er egnet for, er guajakol og guetol.

4 I samsvar med oppfinnelsens fremgangsmåte utføres kondenseringen av den hydroksylerte aromatiske forbindelse og glyoksylsyren i væskefase og ved tilstedeværelse av et alkalisk middel. Som alkaliske midler er et hydroksid av alkalisk metall særskilt egnet, og dette midlet kan særskilt være natrium- eller kaliumhydroksid. Tar man økonomien i betraktning, vil man fortrinnsvis velge natriumhydroksid. Tilstedeværelsen av basen fører til saltdannelse av den hydroksylerte aromatiske forbindelse på den ene side og karboksylfunksjonen på den annen side. Løsningen med hydroksid av et alkalisk metall gir generelt en konsentrasjon som i vektdeler utgjør mellom og 0 %. Mengden hydroksid av alkalisk metall, og innført i reaksjonsmediet, tar hensyn til den nødvendige mengde for å danne salt av hydroksylfunksjonen av den hydroksylerte aromatiske forbindelse og karboksylfunksjonen av glyoksylsyren. Generelt vil mengden hydroksid av alkalisk metall variere mellom 80 og 1 % av den støkiometriske mengde. Glyoksylsyren kan brukes i vannoppløsning og med en konsentrasjon som f.eks. kan variere mellom 1 og 70 % regnet i vekt. Man kan på foretrukket vis benytte seg av handelstilgjengelige oppløsninger hvis konsentrasjon ligger omkring 0 % i vekt. Man lar glyoksylsyren reagere med den hydroksylerte aromatiske forbindelse. Molarforholdet mellom denne hydroksylerte aromatiske forbindelse og glyoksylsyren varierer mellom 1,0 og 4,0. Konsentrasjonen av den hydroksylerte aromatiske forbindelse ligger fortrinnsvis mellom 0, og 1, mol/l, og særskilt foretrekkes omkring 1 mol/l. En mulig variant går ut på å utføre reaksjonen ved tilstedeværelse av en katalysator av typen dikarboksylsyre, fortrinnsvis oksalsyre, slik det er beskrevet i patentskriftet WO 99/83. Mengden katalysator som da brukes, uttrykkes i forholdet mellom molverdien for katalysator og molverdien for glyoksylsyre, og dette forholdet velges fortrinnsvis mellom 0, og 2, %, aller helst mellom 1 og 2 %. Reaksjonstemperaturen velges fortrinnsvis mellom C og 90 C, aller helst mellom C og 40 C. Reaksjonen utføres ved atmosfærisk trykk, men i en atmosfære som er regulert og inneholder inertgass, fortrinnsvis nitrogen eller eventuelt edelgasser, herunder særskilt argon. Fortrinnsvis velges nitrogen. Man har funnet det fordelaktig å forhåndsblande den hydroksylerte aromatiske forbindelse og basen. Denne varianten gir bedre mulighet til å holde temperaturen under kontroll, under den eksoterme saltdannelsesreaksjon av glyoksylsyren.

5 Således og ifølge en foretrukket utførelsesform av fremgangsmåten bringes først den hydroksylerte aromatiske forbindelse i kontakt med hydroksidet av alkalisk metall i vandig oppløsning. Oppløsningen som derved dannes, føres så til kontakt med glyoksylsyren, og den blandingen som da fremkommer, føres inn i reaktoren med stempelstrømning. Den oppnådde blanding får derved en viskositet ved C på mellom 1, og 3 mpa.s. Den innførte mengde av denne blandingen vil variere mellom 0,0 og m 3 /h. Oppholdstiden i reaktoren vil fortrinnsvis ligge mellom minutter og 2 timer. Ved slutten av reaksjonen skilles den frembrakte p-hydroksymandelsyreforbindelse fra reaksjonsblandingen som salt, ved bruk av klassiske teknikker for fraskilling, særlig ved krystallisering eller ved ekstraksjon ved hjelp av en egnet organisk løsning. Oppfinnelsens fremgangsmåte fører til at man får fremstilt 4-hydroksy-3- metoksy-mandelsyre og 3-etoksy-4-hydroksy-mandelsyre En anvendelse av oppfinnelsen er fremstillingen av hydroksyaromatiske aldehyder ved oksidasjon av p-hydroksymandelsyreforbindelse og er fremstilt ifølge oppfinnelsen. Reaksjonsblandingen som således har fremkommet, kan brukes slik den er, men det ville være å foretrekke å gjenoppta prosessen for den hydroksylerte aromatiske forbindelse som ikke har reagert. For dette kan man iverksette en behandling som er beskrevet og hører til den kjente teknikk, særskilt i patentskriftet FR-A Den går ut på å tilføye en mineralsk syre, f.eks. saltsyre eller svovelsyre, for å kunne regulere ph mellom og 7 og deretter ekstrahere ut den hydroksylerte aromatiske forbindelse som ikke har reagert, med et organisk løsemiddel, så som eter, toluen eller annet. Etter ekstraksjonen skilles vannfasen og den organiske fase fra hverandre. Vannfasen omfatter p-hydroksymandelsyreforbindelsen, som deretter går til oksidasjon. Oksidasjonen kan utføres i samsvar med allerede litteraturbeskrevne teknikker. Således kan det vises til P. Hebert [Bull. Soc. Chim. France, 27, s. 4- (19)] og til Nagai Shigeki et al. [JP-A 76/ ]. Oksidasjonen utføres generelt med oksygen eller luft under trykk, i et basisk miljø og ved nærvær av en egnet katalysator, så som f.eks. derivater av krom, kobolt, kopper, vanadium eller osmium. På denne måten kan oppfinnelsen muliggjøre en lett tilgang til vanillin og 3- etylvanillin, ved oksidasjon henholdsvis av 4-hydroksy-3-metoksymandelsyre, og 3- etoksy-4-hydroksymandelsyre. Reaktoren som brukes for oppfinnelsens fremgangsmåte, er en reaktor med stempelstrømning.

6 1 2 3 Oftest vil en slik reaktor ha et lengde-/diameterforhold over 3. Det kan særlig dreie seg om en rørformet reaktor som har et lengde-/diameterforhold mellom 4 og, særskilt mellom og. Fordelaktig vil det være dersom den rørformede reaktor er utformet slik at den ikke tar særskilt stor plass, f.eks. ved at den er utformet foldet. Materialet i reaktoren er ikke spesielt begrenset. Det kan velges blant materialer som er inert for reaksjonsforholdene. Generelt vil man velge en reaktor med rustfritt stål som hovedmateriale. De rørformede reaktorer er i alminnelighet anordnet horisontalt. For imidlertid å passe til særskilte avgrensete rom kan det likevel da være gunstig å bruke en reaktor som strekker seg vertikalt eller på skrå. Fortrinnsvis er reaktoren anordnet vertikalt. I det tilfellet man har en slik vertikal eller eventuelt skråstilt reaktor, vil det være å foretrekke å mate den underifra, idet avgassing da lettes. Fortrinnsvis anordner man én eller flere perforerte plater nær innløpet til reagensene for å sikre en god homogenitet av fluidet i denne delen av reaktoren. Det er også en fordel dersom reaktoren med rørform har form som en søyle. Den har rør for tilførsel av reagens og for utløp av reaksjonsblandingen. Tilførselen av reagens er utført på tradisjonell måte, så som f.eks. via en pumpe, særskilt en sentrifugalpumpe eller en såkalt volumetrisk pumpe. I prinsippet vil det være å foretrekke å bare arbeide i væskefasen, ved fravær av gassfase. Den rørformede reaktor kan videre være pakket. Tilstedeværelsen i reaktoren av pakkemateriale etablerer turbulenser som sikrer homogenitet av reaksjonsblandingen over hele reaktorens tverrsnitt. Pakkingen muliggjør på denne måten å opprettholde stempelstrømningsevnen, også for lave strømningshastigheter, f.eks. i størrelsesorden mm/s. Materialet i pakkingen har mindre betydning, så lenge det er kjemisk inert overfor reaksjonsblandingen ved de forhold som finner sted ved reaksjonen. Generelt kan det være materiale så som av glass, metall, særlig rustfritt stål, karbon, polymerer eller også keramikk. Forskjellige typer pakkemateriale kan tenkes. Det kan gjelde pakkemateriale i løs vekt og som består av mindre gjenstander, så som med ringform, plater, kuler eller hule sylindere, og som kan fylle hele eller en del av reaktoren. Fortrinnsvis er pakkematerialet anordnet i reaktoren nær innløpet for reagenser. I det tilfellet hvor en reaktor er anordnet vertikalt, fylles pakkematerialet fortrinnsvis opp i hele reaktorens høyde. Det vil da være aktuelt å ha en passende støtte, f.eks. i form av stag, for å holde materialet på plass.

7 Særlig foretrekkes en pakking av statisk blandertype og med blanderelementer som omfatter styreblad anordnet ved bestemte vinkler og arrangert på kompleks måte. Denne typen pakking er f.eks. ført i handelen fra firmaet Sulzer og går under benevnelsen SMV eller SMX. For beskrivelse av et slikt pakkemateriale skal det vises til artikkelen "Don't Be Baffled By Static Mixers" i tidsskriftet Chemical Engineering, mai 03. Fra et praktisk synspunkt vil man velge et rett rør uten pakking og bøye dette til og anordne det horisontalt eller vertikalt når Reynolds tall er over 00, fortrinnsvis over 000. Når Reynolds tall er mindre enn 00, vil man foretrekke å bruke en reaktor med ifylling av pakkemateriale. Det skal bemerkes at det er mulig, når reaktoren utgjøres av et rør som er bøyd tilbake i meanderform, å fylle det delvis med pakking. Etter hvert bend av røret fører man da inn en seksjon av pakkemateriale, og med en lengde som f.eks. tilsvarer 3-6 ganger diameteren av røret, over hele dettes lengde eller en del av det, mellom to påfølgende bend. Figurene som hører til, illustrerer den type apparat som kan være egnet for å utføre oppfinnelsens fremgangsmåte. FIG. 1 viser således en rørformet reaktor dannet av konsentriske rør. På denne måten består reaktoren av et rør (1) i hvis indre reagensene kan sirkulere i blanding, og hvor et innløp (6) fører dem inn, mens et utløp (7) fører produktene ut. Termisk utveksling sikres av et varmeledende fluid som sirkulerer i en dobbel omslutning (2), via et innløp (4) og ut via et fluidutløp (). Fluidet kan generelt være vann eller en organisk løsning av egnet type, som f.eks. en aromatisk eter som bifenyloksid og/eller benzyloksid, en parafinolje og/eller naftaolje, destillasjonsrester fra petroleum etc. Røret kan inneholde seksjoner av pakkemateriale etter hvert bend (3). FIG. 2 viser en reaktor () med form som en søyle og utrustet med en kappe (11), eller tilsvarende middeler, i hvilket det kan sirkulere et varmeledende fluid som tilføres via et fluidinnløp (12) og tas ut via et fluidutløp (13). Kjeglen er fylt med pakkemateriale (14). Reagensene føres inn via et reagensinnløp (1), og produktene føres ut via et utløp (16). Det skal bemerkes at oppfinnelsen ikke utelukker det tilfellet der den rørformede reaktor, slik den er illustrert på FIG. 3, er av en vertikal flerrørs varmeveksler. Den omfatter et område () for innføring av reagens, et sentralt område (21) og et utløpsområde (22) for reagens. Det sentrale området omfatter et knippe parallelle rør (23), og hvert rør omfatter en inngang som munner ut i innføringsområdet og en utgang som munner ut i utløpsområdet.

8 Det varmeledende fluid føres inn via en fluidinngang (24) og tas ut via en fluidutgang (2) og sirkulerer i varmeveksleren (28) rundt rørene. Reagensene føres inn i et reagensinnløp (26), og produktene føres ut via et produktutløp (27). Rørene kan ha, eller mangle pakkemateriale. Apparatene som foreslås, er særskilt anvendbare for den beskrevne fremgangsmåte, siden de muliggjør å opprettholde en stempelstrømning for en reaksjon som krever lang oppholdstid, med lave strømningshastigheter. Videre muliggjøres en begrensning av de påfølgende reaksjoner som vil kunne føre til uønskede sekundære forbindelser. Oppfinnelsen blir forklart i nærmere detalj nedenfor ut fra eksempler på en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, men presentert uten å være begrensende for denne. Eksempler Der det ikke spesielt er angitt annerledes, vil prosentandelene som er indikert, være uttrykt i vektdeler. I eksemplene benyttes størrelsene omsetningsgrad, utbytte, og hvilken selektivitet som oppnås. Omsetningsgraden (TT) gjelder forholdet mellom molverdien for den reagens (glyoksylsyre) som blir omsatt, og molverdien for reagensen (glyoksylsyre) som inngår. Selektiviteten (RT) gjelder forholdet mellom molverdien for det produkt som dannes (4-hydroksy-3-metoksymandelsyre) og molverdien for reagensen (glyoksylsyre) som omdannes. Eksempel 1 I en reaktor på 6 liter og utrustet med en dobbelkappe, en ph-elektrode, en temperaturføler, et kjølemiddel, med tilførsel av edelgass og med mekanisk omrøring tilføres: - 41 kg/h destillert vann, - 8,9 kg/h av en vandig oppløsning av natriumhydroksid med % angitt i vekt, -,48 kg/h guajakol, og - 3,8 kg/h av en vandig oppløsning av glyoksylsyre ved 0 % i vekt. Denne oppløsningen mates deretter inn i en rørformet reaktor, så som den som er illustrert på FIG. 2, med en innløpsmengde per tidsenhet på 8 l/h, ved et volum på omkring 1 liter (lengde 2 m og diameter 0 mm) og med en innført pakking Sulzer SMX. Temperaturen i stempelstrømreaktoren holdes ved 38 C. Under disse betingelser vil oppholdstiden i reaktoren være omkring 16 minutter, og Reynolds tall vil være 140.

9 8 HPLC. På utgangen av den rørformede reaktor bestemmes produktene fra reaksjonen ved De oppnådde resultater er satt opp i tabellen nedenfor. Ingen forurensning av reaktoren ble observert, selv etter flere måneder. Eksempel 2 (sammenlikningseksempel) Eksempel 1 ble gjentatt, med den forskjell at man ikke førte inn den reaktiv blandingen fra den første reaktoren i en rørformet reaktor, men i en kjede med to reaktorer av den typen som har perfekt omrøring og utrustet med en røreverk med fire skråstilte blad, og der hver reaktor hadde et volum på liter. Ved utløpet av den siste reaktoren ble reaksjonsproduktene bestemt ved HPLC. De oppnådde resultater er også satt opp i tabellen nedenfor. Tabell (I) 1 Ref.eks. Omsetning 4-hydroksy-3- metoksymandelsyre 2-hydroksy-3- metoksymandelsyre 2-hydroksy-3- metoksy-1,- dimandelsyre 1 TT = 72,2 % RT = 81,9 % RT = 6,1 % RT = 11,1 % 2 TT = 71,9 % RT = 79,3 % RT =,8 % RT = 14,7 % Man ser at for en ekvivalent omsetning blir selektiviteten av det fremstilte ønskede produkt, 4-hydroksy-3-metoksymandelsyre, høyere for en rørformet reaktor enn for en kjede eller kaskade av reaktorer av den typen som er effektivt omrørt. Bruken av en rørformet reaktor som omfatter et pakkemateriale, gjør det således mulig å øke selektiviteten ved fremstillingen av et preparat av p-hydroksymandelsyreforbindelser, så som 4-hydroksy-3-metoksymandelsyre.

10 9 P a t e n t k r a v Fremgangsmåte for fremstilling av vanillin ved - fremstilling av 4-hydroksy-3-metoksy-mandelsyre, omfattende kondensering i vann, i nærvær av et alkalisk middel, av guajakol, med glyoksylsyre, karakterisert ved det faktum at reaksjonen utføres i en reaktor med stempelstrømning - og oksidasjon av oppnådd 4-hydroksy-3-metoksy-mandelsyre. 2. Fremgangsmåte for fremstilling av etylvanillin ved - fremstilling av 3-etoksy-4-hydroksy-mandelsyre, omfattende kondensering i vann, i nærvær av et alkalisk middel, av guetol, med glyoksylsyre, karakterisert ved det faktum at reaksjonen utføres i en reaktor med stempelstrømning - og oksidasjon av oppnådd 3-etoksy-4-hydroksy-mandelsyre. 3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller krav 2, karakterisert ved det faktum at reaktoren utelukkende omfatter en pakking når strømningen i reaktoren fremviser et Reynolds tall lik eller større enn 00, og fortrinnsvis større enn Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller krav 2, karakterisert ved det faktum at reaktoren omfatter en pakking når strømningen i reaktoren fremviser et Reynolds tall under 00.. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 3 og 4, karakterisert ved det faktum at reaktoren fremviser et lengde-/diameterforhold mellom 4 og. 6. Fremgangsmåte ifølge krav, karakterisert ved det faktum at reaktoren fremviser et lengde-/diameterforhold mellom og Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved det faktum at reaktoren er en rørformet reaktor dannet av konsentriske rør, en reaktor med søyleform eller en rørformet reaktor som omfatter rør forbundet med hverandre som i et knippe. 8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved det faktum at reaktoren er en søylereaktor.

11 9. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved det faktum at pakkingen er en pakking av typen statisk blanding. 1. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved det faktum at pakkingen er sammensatt av blandingselementer som omfatter ledende blad eller lameller og anordnet ved nøyaktige vinkler, og på kompleks måte, fremstilt av firmaet Sulzer og med benevnelsen SMV og SMX. 11. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-, karakterisert ved det faktum at det molare forhold (molforholdet) mellom guajakol eller guetol og glyoksylsyre varierer mellom 1,0 og 4, Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved det faktum at blandingens viskositet ved C ligger mellom 1, og 3 mpa. 13. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-12, karakterisert ved det faktum at reaksjonens temperatur varierer mellom C og 90 C, fortrinnsvis mellom C og 40 C.

12 1/3

13 2/3

14 3/3