NL8502485A - Werkwijze voor de elektrochemische oxidatie van alkylpyridines. - Google Patents

Description

JAS/WP/ag *»--*«** STAMICARBON B.V. (Licensing subsidiary of DSM)

Uitvinder: Marinus Alfenaar te Schinnen * -1- PN 3658

WERKWIJZE VOOR DE ELEKTROCHEMISCHE OXIDATIE VAN ALKYLPYR1DINES

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de elektrochemische oxidatie van een alkylpyridine met formule (öf· 5 waarin R een alkylgroep of een partieel geoxideerde alkylgroep met 1-6 C atomen voorstelt, en x 1,2 of 3 is,in zuur milieu aan een lood-bevattende anode van een elektrolysecel met door een ionenwisselend membraan gescheiden anode- en kathoderuimtes.

Een dergelijke werkwijze voor de bereiding van zuren van 10 pyridinebasen is bekend uit US-A-4482439. Dergelijke zuren zijn waar-devol als tussenprodukten voor bijvoorbeeld corrosieremmers, gewasbeschermingsmiddelen en farmaceutische produkten. In de beschrijving van dit octrooi staat in kolom 4, regel 51-54, dat zowel kation - als anionwisselende membranen kunnen worden toegepast, afhankelijk van de 15 specifieke reaktieomstandigheden. Er wordt verwezen naar de voor- * beelden. In deze (20) voorbeelden wordt steeds de kombinatie kation-wisselend membraan met zure katholiet of anionwisselend membraan met alkalische katholiet toegepast. Deze kombinaties zijn uitgevoerd in overeenstemming met de leer van Dr. F. Beek, zoals beschreven in diens 20 boek Elektroorganische Chemie, Grundlagen und Anwendungen, Verlag Chemie (1974). Op pag. 112-115 van dit boek staat dat in een elektroche- Cï-C'2 48 3 -2- «· misch proces uitgevoerd in een continu werkende, gescheiden elektroly-secel, stationaire verhoudingen slechts dan te verwachten zijn, wanneer men bij toepassing van een kationwisselend membraan de anoliet zuur, resp. bij toepassing van een anionwisselend membraan de katho-5 liet alkalisch instelt. Slechts dan worden de H+ resp. 0H"ionen over het membraan getransporteerd naar de andere elektroderuimte en verbruikt aan de tegenelektrode in dezelfde mate als ze worden geïnjecteerd in de eerste elektroderuimte.

Bij de werkwijze als in de aanhef beschreven zal men de ano-10 liet zuur kiezen, omdat de alkylpyridines anders niet oplosbaar zijn in een waterig medium. Volgens het bovengenoemde werk van Beek hoort in een gescheiden elektrolysecel daarbij de keuze van een kationwisselend membraan. Een bezwaar van de hierboven beschreven werkwijze is dat vanuit de zure anoliet permeatie van het geprotoneerde 15 alkylpyridine door het membraan naar de katholiet kan optreden, waarna dit alkylpyridine vervolgens aan de kathode wordt gehydrogeneerd tot het overeenkomstige piperidinederivaat. In een dergelijke situatie treedt niet alleen verlies van grondstof op, maar zal in veel gevallen ook de kathode ernstig worden vervuild.

20 Wanneer men de werkwijze-volgens de aanhef in aanwezigheid van een anionwisselend membraan uitvoert, zal men volgens Beek een alkalische katholiet kiezen. Bij een dergelijke kombinatie van een zure anoliet en een alkalische katholiet kan vooral de situatie waarin geen stroom door de cel loopt, tot een ongewenste reaktie tussen zuur 25 en base ter plaatse van het membraan (of dat nu anion- of kationwisselend is) leiden. De bij een dergelijke reaktie optredende reak-tiewarmte leidt gemakkelijk tot ernstige beschadigingen van het membraan, vooral wanneer men in geconcentreerde oplossingen werkt. Tevens treedt ten gevolge van diffusie ook in stroomvoerende toestand 30 neutralisatie op, waardoor zuur en base worden verbruikt en er verontreiniging van de anoliet optreedt door gevormd zout.

Verrassenderwijs, en tegen de heersende leer in, heeft aanvraagster nu gevonden dat, wanneer men een werkwijze als in de aanhef beschreven uitvoert, men door de keuze van een anionwisselend 35 membraan gekombineerd met een zure katholiet bovengenoemde bezwaren SS 0 2 4 8 5 -3- kan ondervangen, zonder dat de door Beek genoemde stationaire verhoudingen wezenlijk worden aangetast.

De werkwijze voor de elektrochemische oxidatie van een alkyl-pyridine met formule 5 —Rx waarin R een alkylgroep of een partieel geoxideerde alkylgroep met 1-6 C atomen voorstelt, en x 1,2 of 3 is, in zuur milieu aan een lood-bevattende anode van een elektrolysecel met door een ionenwisselend 10 membraan gescheiden anode- en kathoderuimtes wordt hierdoor gekenmerkt, dat men als ionenwisselend membraan een anionwisselend membraan toepast, en als katholiet een waterige oplossing van hetzelfde zuur als in de anoliet wordt toegepast, welke oplossing ten opzichte van de anoliet verdund is en men vervolgens uit de anoliet het reaktieprodukt 15 wint.

Als alkylgroep kan men in principe een veelheid aan alkylver-bindingen kiezen, bijvoorbeeld die beschreven in US-A-4482439. De concentratie van de uitgangsstof kan worden gekozen in het gebied van 1-20 gew.X.

20 Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt de alkylgroep of alkylgroepen geoxideerd tot de overeenkomstige carboxylgroep(en). Een aantal mogelijke uitgangsstoffen met de daarbij behorende reaktie-produkten zijn hieronder in tabel 1 weergegeven: TABEL 1 25 Alkylpyridine_Pyridinezuur cc -pi co line picolinezuur β-pi coline nicotinezuur 2,3-luti di ne 2,3-pyri di nedi ca rbonzuur 2,6-lutidine 2,6-pyridinedicarbonzuur 30 2-ethyl-5-methylpyridine 2,5-pyridinedicarbonzuur * ü.m /. q % —' * -4-

In het geval dat men als uitgangsstof een alkylpyridine kiest met 2 of 3 alkylgroepen, is het ook mogelijk om een reaktieprodukt te verkrijgen, waarin respektievelijk 1 of 2 carboxylgroepen zijn gevormd.

5 Onder partieel geoxideerde alkylgroep wordt bij de werkwijze' volgens de uitvinding bijvoorbeeld een alcohol- of aldehydegroep verstaan.

De werkwijze volgens de uitvinding heeft een aantal voordelen. Enerzijds wordt voorkomen dat geprotoneerd alkylpyridine in de 10 katholiet terecht komt, en wordt voorkomen dat het membraan sterk wordt aangetast en dat zoutvorming in de anoliet optreedt, anderzijds blijkt onverwacht dat de benodigde celspanning beduidend lager is, dan in het geval waarbij een anionwisselend membraan in kombinatie met een alkalisch ingesteld katholiet wordt toegepast. Bovendien wordt er 15 ondanks de bewering van Beek toch een nagenoeg stationaire toestand bereikt. Een ander voordeel is, dat anoliet en katholiet hetzelfde zuur bevatten en er geen procesvreemde stoffen in het systeem worden gebracht.

De werkwijze volgens de uitvinding wordt in zuur milieu, 20 zowel in de anoliet als in de katholiet, toegepast. Het zuur dient inert te zijn. Er moet ten minste zoveel zuur in de anoliet aanwezig zijn, dat het al dan niet partieel geoxideerde alkylpyridine oplost en er voldoende geleidbaarheid wordt verkregen. Zwavelzuur is bij uitstek geschikt als zuur. In de anoliet is bij voorkeur 10-50 gew.% zwavel-25 zuur aanwezig. De concentratie van het zuur in de katholiet wordt lager gekozen dan de vrije zuur concentratie in de anoliet en bedraagt bij voorkeur 0,1-5 gew.%. Relatief zijn er derhalve in de katholiet meer bisulfaationen aanwezig dan in de anoliet.

Als anionwisselend membraan wordt bij voorkeur een niet-30 poreus membraan toegepast omdat een dergelijk membraan diffusie van niet-geloniseerde moleculen belemmert. Een verdere voorkeur gaat uit naar toepassing van membranen welke een hoge selektiviteit voor het transport van eenwaardige anionen over het transport van meerwaardige ionen vertonen, omdat hierdoor het netto transport van zwavelzuur van 35 katholiet naar anoliet minimaal is.

85 0 2 4 9 ü ÏP "* ......«A " -5-

Toch neemt principieel door migratie van zuur uit de katho- liet naar de anoliet de zuursterkte in deze elektrolieten af respek- tievelijk toe. Deze migratie is echter verrassend klein en vormt « slechts een fraktie van de hoeveelheid welke men op basis van het 5 stroomtransport zou verwachten. Op zichzelf staan de vakman een aantal bekende middelen ter beschikking om de in de anoliet toègenomen zuur-concentratie op gewenst niveau te houden. Men kan bijvoorbeeld een base toevoegen, die met het zuur een onoplosbaar zout vormt, en het zuur in de katholiet aanvullen. Naast zuurtransport treedt er door 10 (elektro)osmose een netto watertransport op van katholiet naar anoliet. Dit kan met eenvoudige middelen worden geregeld. Te denken valt bijvoorbeeld aan verdamping en terugvoeren van het condensaat naar de katholiet.

De temperatuur waarbij de elektrolyse kan worden uitgevoerd 15 wordt wat betreft de bovengrens voornamelijk bepaald door de stabiliteit van het membraan en voor wat betreft de benedengrens door de oplosbaarheid van het (partieel geoxideerde) alkylpyridine en door de geleidbaarheid van de elektrolieten. De vakman kan door een systematisch onderzoek eenvoudig vaststellen bij welke temperatuur het ren-20 dement van de reaktie optimaal is. In het algemeen wordt een temperatuur tussen 20-90nc gekozen.

In principe komt elk type elektrolysecel in aanmerking om de reaktie in uit te voeren. De voorkeur gaat echter uit naar. cellen van het zogenaamde filterpers type omdat men de membranen zeer geschikt in 25 dergelijke cellen kan inbouwen.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding kan men van een bepaalde hoeveelheid anoliet uitgaan, waarin het alkylpyridine is opgelost. Men kan dan de elektrolyse zodanig lang laten plaatsvinden, totdat vrijwel alle ingezette alkylpyridine is geconverteerd. Na 30 aftappen van de anoliet uit de elektrolysecel kan het reaktieprodukt vervolgens op op zichzelf bekende wijze worden gewonnen uit het reak-tiemengsel (anoliet). Bekende methodes zijn bijvoorbeeld precipitatie en extraktie.

Aan de hand van de hiernavolgende voorbeelden en verge Li j— 35 kingen wordt de uitvinding verder toegelicht.

8502 433 -6-

Indien niet anders vermeld, zijn de experimenten uitgevoerd in een electrolysecel met evenwijdig ten opzichte van elkaar geplaatste anode en kathode, beide bestaande uit een loden plaatje van 4 x 4 cm. De beide elektroden bevinden 'zich op een afstand van 5 ongeveer 2 mm van een membraan dat de electrolysecel verdeelt in een anode- en kathoderuimte. Het geexposeerde deel van het in de celconstructie ingeklemde membraan is eveneens 4x4 cm2. Anode- en kathoderuimte werden onafhankelijk van elkaar doorstroomd met anoliet resp. katholiet die in kringloop gehouden werden. De circulatie-10 snelheid werd zodanig gekozen, dat de anode- resp, kathoderuimte ongeveer 500 keer per uur ververst werden.

De anoliet en katholietcircuits zijn voorzien van aftappunten en van punten waar extra zuur, base of water kan worden toegevoegd. De geproduceerde gassen werden afgescheiden. De samenstelling van anoliet 15 en katholiet werd voor wat betreft de organische componenten met behulp van vloei stofchromatografie bepaald. Het zuur resp. base gehalte werd door potentiometrische titratie vastgesteld. De temperatuur waarbij de experimenten werden uitgevoerd bedroeg 60hc. De stroomdichtheid, bedroeg 1000 A.m”2.

20 Door middel van niveau meting werd het netto watertransport door het membraan bepaald.

Voorbeeld I

Samenstelling anoliet: 20 gew.% zwavelzuur, 10 gew.% a-picoline, 70 gew.% water.

25 katholiet: 5 gew.% zwavelzuur, 95% Gew.% water.

membraan: anionwisselend membraan, Selemion AMV van de firma Asahi

Glass.

Tijdens het experiment werd de a-picoline in de anoliet aangevuld door continu inpompen van ca. 0,3 g α-picoline . uur"1. Na 30 24 uur stroomdoorgang werd het experiment afgebroken en de samen stelling van anoliet en katholiet bepaald.

De α-picoline concentratie in de katholiet bleek beneden de detectie grens van 0,05 gew. % te liggen . De katholiet was vrijwel kleurloos, het kathode oppervlak bevatte geen organische afzettingen.

85 02 4 8 5 -7- «·

Het transport van zwavelzuur van katholiet naar anoliet door het membraan bedroeg 5,7 mol. m“2,uur-1 (bepaald door de sulfaatcon-centratie in anoliet en katholiet voor en na de elektrolyse te meten). Indien het ladingstransport door bi sulfaat ionen zou worden verzorgd,, 5 zou een zwavelzuurtransport van ca. 37 mol.m”2.uur-1 verwacht worden op grond van: stroomdichtheid (A.m-2) . 3600 Lading van 1 mol bisulfaationen (C.mol~1)

De celspanning bedroeg 3,8 Volt.

10 Vergelijkend voorbeeld 1

Voorbeeld 1 werd herhaald, nu echter met een katholiet-samenstelling van 5 gew.X natriumhydroxyde en 95 gew.X water. Ook thans vond geen aantoonbaar α-picoline transport door het membraan plaats. Er bleek zwavelzuur transport naar de katholiet te zijn 15 opgetreden, (0,11 mol.m“2.uur^) en er waren natriumionen aanwezig in de anoliet. Zowel zwavelzuur als natriumhydroxyde werden verbruikt en de anoliet werd verontreinigd met vreemde, (Na+) kationen. De absolute grootte van deze ionentransporten was, zoals op grond van Beek te verwachten valt, geringer dan in voorbeeld I.

20 De celspanning bedroeg echter 4,2 Volt en bovendien was het membraan na 24 uur sterk verkleurd, hetgeen duidt op aantasting van het membraan materiaal. (Bij langduriger experimenten trad na enige dagen reeds membraanbreuk op).

Vergelijkend voorbeeld 2 25 Vergelijkend voorbeeld 1 werd herhaald, nu echter onder toepassing van een kationwisselend membraan (Selemion CMV van de firma Asahi Glass). Reeds na enige minuten bleek de katholiet sterk naar a-picoline te ruiken, hetgeen wijst op ongewenst transport van a-picoline.

30 Voorbeeld II

Samenstelling

anoliet: 20 gew.X zwavelzuur, 10 gew.X 2,3-lutidine en 70 gew.X

water.

8502 43 0 -8- katholiet: 5 gew.% zwavelzuur en 95 gew.% water, membraan: anionwisse lend membraan Selemion ASV van de firma Asahi

Glass.

Tijdens de duur van de electrolyse (69 uur) werd de 5 2/3-lutidine in de anoliet aangevuld door continu inpompen van 2/3-lutidine (ca. 0,5 g.uur“1). Het extra volume van de anoliet (door water en zwavelzuurtransport vanuit de katholiet) werd opgevangen door een spui naar een opvangvat. Zuur en water werden in de katholiet aangevuld.

10 Op het eind van de electrolyse bleek de katholiet kleurloos te zijn en bedroeg het rendement van de omzetting van 2/3-lutidine tot de overeenkomstige carbonzuren 60% (op mol basis) bij een conversie van 68% van de totale hoeveelheid aangeboden 2/3-lutidine. Het stroomren-dement voor de omzetting tot carbonzuur bedroeg 42%. De celspanning 15 bedroeg 3/8 Volt.

Vergelijkend voorbeeld 3

Voorbeeld II werd herhaald, nu echter met een kationwisselend membraan. Nation 233 van de firma Dupont de Nemours. Het experiment moest na 51 uur afgebroken worden. De katholiet bleek sterk verkleurd 20 en de kathode was bedekt met een bruine teerachtige laag. De verkleuring van de katholiet werd veroorzaakt door 2,3-lutidine. Het rendement van de qmzetting van 2,3-lutidine tot de overeenkomstige carbonzuren bedroeg 19,5%, terwijl 82% van de totale hoeveelheid aangeboden 2,3-lutidine geconverteerd bleek. Het stroomrendement voor 25 de omzetting tot carbonzuur bedroeg 17%.

Toepassing van een ander kationwisselend membraan, Selemion CMV van de firma Asahi Glass, leverde een vergelijkbaar resultaat op. Ook hier trad transport op van 2,3-lutidine door het membraan naar de katholiet.

30 Voorbeeld III

Voorbeeld II werd herhaald, nu echter met fosforzuur in plaats van zwavelzuur in anoliet en katholiet, en gedurende 5 dagen 33 02 48 5 -9- .................... ' voortgezet. Het anionwisseLend membraan was in dit gevat Selemion AMV.

Ook in dit experiment vond omzetting van 2,3-lutidine in de overeenkomstige carbonzuren pLaats met ca. 60% (mol basis) rendement bij vergelijkbare conversie. De celspanning bedroeg 3,9 Volt.

33 0 2 4 8 5

Claims (8)

1. Werkwijze voor de elektrochemische oxidatie van een alkylpyridine met formule Of"" N 5 waarin R een alkylgroep met 1-6 C atomen voorstelt, en x 1,2 of 3 is, in zuur milieu aan een lood-bevattende anode van een elektro-lysecel met door een ionenwisselend membraan gescheiden anode- en kathoderuimtes, met het kenmerk, dat men als ionenwisselend membraan een anionwisselend membraan toepast, en als katholiet een 10 waterige oplossing van hetzelfde zuur als in de anoliet wordt toegepast, welke oplossing ten opzichte van deze anoliet verdund is en men vervolgens uit de anoliet het reaktieprodukt wint.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men als zuur zwavelzuur toepast.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de ano liet 10-50 gew.% zwavelzuur en de katholiet 0,1-5 gew.% zwavelzuur bevat.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat het anionwisselende membraan een niet-poreus membraan is.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat men een membraan kiest met een hoge selektiviteit voor het transport van eenwaardige anionen.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat met als alkylpyridine a-picoline, p-picoline, 2,3-lutidine, 25 2,6-lutidine of 2-ethyl-5-methylpyridine toepast.

7. Werkwijze zoals in hoofdzaak is beschreven en/of in de voorbeelden nader is toegelicht.

8. Pyridinecarbonzuren verkregen onder toepassing van een der conclusies 1-7. 8502 48 5