DE3779601T2 - ACID CATALYSTS AND METHOD FOR USE. - Google Patents
ACID CATALYSTS AND METHOD FOR USE.Info
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Description
Diese Erfindung betrifft säurekatalysierte organische Reaktionen und insbesondere Verfahren zur Durchführung säurekatalysierter Reaktionen von organischen Verbindungen, die durch starke Säuren beschleunigt werden.This invention relates to acid-catalyzed organic reactions and, more particularly, to methods for carrying out acid-catalyzed reactions of organic compounds that are accelerated by strong acids.
Die Fähigkeit von Schwefelsäure, eine Vielzahl von organischen Reaktionen zu katalysieren, ist gut bekannt. Es ist auch bekannt, dar Harnstoff (eine in dieser Erfindung einsetzbare Chalcogenverbindung) und Schwefelsäure sich verbinden, um Addukte zu bilden, einschließlich dem Monoharnstoff-Schwefelsäure-Addukt und dem Diharnstoff-Schwefelsäure-Addukt. Zum Beispiel offenbarte D.F. du Toit, Verslag Akad. Wetenschappen, 22, 573-4 (zusammengefaßt in Chemical Abstracts, 8, 2346, 1914) , daß Harnstoff bestimmte Verbindungen mit Oxalsäure, Essigsäure, Salzsäure, Salpetersäure und Schwefelsäure bildet. L.H. Dalman, "Ternary Systems of Urea and Acid. I. Urea, Nitric Acid and Water. II. Urea, Sulfuric Acid and Water. III.Urea, Oxalic Acid and Water"; JACS, 56, 549-53 (1934), offenbarte die Phasenbeziehungen zwischen der festen Phase und gesättigten Lösungen, die Harnstoff und Schwefelsäure enthalten, bei 10ºC und 25ºC. The Sulfur Institute, Sulfur Institute Bulletin No. 10 (1964) "Adding Plant Nutrient Sulfur to Fertilizer", offenbarte, daß Harnstoff mit Schwefelsäure reagiert, um zwei Komplexe von "Harnstoffsulfat" zu bilden, die brauchbare Düngemittel sind. Verfahren zur Herstellung bestimmter Kombinationen von Harnstoff und Schwefelsäure sind von Verdegaal et al. in U.S.-Patent 4,310,343 und von Jones in U.S.-Patent 4,116,664 offenbart.The ability of sulfuric acid to catalyze a variety of organic reactions is well known. It is also known that urea (a chalcogen compound useful in this invention) and sulfuric acid combine to form adducts, including the monourea-sulfuric acid adduct and the diurea-sulfuric acid adduct. For example, DF du Toit, Verslag Akad. Wetenschappen, 22, 573-4 (summarized in Chemical Abstracts, 8, 2346, 1914) disclosed that urea forms certain compounds with oxalic acid, acetic acid, hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid. LH Dalman, "Ternary Systems of Urea and Acid. I. Urea, Nitric Acid and Water. II. Urea, Sulfuric Acid and Water. III.Urea, Oxalic Acid and Water"; JACS, 56, 549-53 (1934), disclosed the phase relationships between the solid phase and saturated solutions containing urea and sulfuric acid at 10ºC and 25ºC. The Sulfur Institute, Sulfur Institute Bulletin No. 10 (1964) "Adding Plant Nutrient Sulfur to Fertilizer", disclosed that urea reacts with sulfuric acid to form two complexes of "urea sulfate" which are useful fertilizers. Processes for producing certain combinations of urea and sulfuric acid are disclosed by Verdegaal et al. in U.S. Patent 4,310,343 and by Jones in U.S. Patent 4,116,664.
Eine breite Vielzahl organischer Umwandlungen werden durch die Fähigkeit starker Säuren zur Protonenabgabe katalysiert. Solche Reaktionen sind eingehend untersucht und in weitem Umfang in der Literatur diskutiert worden. Zum Beispiel diskutiert die Kirk- Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3. Ausgabe, John Wiley and Sons, New York, 1980, eine Vielzahl organischer Reaktionen, die katalysiert werden von starken Säuren, einschließlich Mineralsäuren, Übergangsmetallhalogeniden, wie etwa Friedel-Crafts-Katalysatoren, konjugierten Friedel-Crafts- Katalysatoren und anderen. Kirk-Othmer definiert säurekatalysierte Reaktionen als diejenigen, bei denen ein Proton vom Katalysator auf den Reaktanten übertragen wird, der dadurch in einen instabilen Zustand überführt wird, der sofort zur betrachteten Reaktion führt. (Band 5, Seite 33). Während der Protonenabgabemechanismus säurekatalysierter Reaktionen, auf den bei Kirk-Othmer Bezug genommen wird, für die Reaktionen die bei allen säurekatalysierten Reaktionen stattfinden verantwortlich sein kann oder nicht, ist es bekannt, daß starke Säuren zahlreiche Reaktionen beschleunigen, einschließlich oxidativer Addition, reduktiver Addition, Veresterung, Umesterung, Hydrierung, Isomerisierung (einschließlich Racemisierung optischer Isomere), Hydrolyse und Alkoholyse, Alkylierung, Olefinpolymerisierung, Friedel-Crafts-Reaktionen, Entmetallisierung von organischen Verbindungen und Nitrierungsreaktionen, unter anderem. Starke Säuren, von denen bekannt ist, daß sie solche säurekatalysierten organischen Reaktionen beschleunigen, schließen Schwefelsäure, Salpetersäure, Salzsäure, Übergangsmetallhalogenide, einschließlich der sogenannten Friedel-Crafts- Katalysatoren, zum Beispiel den Halogeniden von Aluminium, Gallium, Bor, Titan, Vanadium, Zinn und anderen, und konjugierten Friedel-Crafts-Katalysatoren, auch bekannt als Bronsted-Lewis-Supersäurengemische (Kirk-Othmer, Bd. 11, 295) wie etwa Mineralsäureaddukte von Übergangsmetallhalogeniden ein.A wide variety of organic transformations are catalyzed by the proton-donating ability of strong acids. Such reactions have been studied in detail and widely discussed in the literature. For example, the Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd edition, John Wiley and Sons, New York, 1980, discusses a variety of organic reactions catalyzed by strong acids, including mineral acids, transition metal halides such as Friedel-Crafts catalysts, conjugated Friedel-Crafts catalysts, and others. Kirk-Othmer defines acid-catalyzed reactions as those in which a proton is transferred from the catalyst to the reactant, which is thereby converted into an unstable state that immediately leads to the reaction under consideration (Volume 5, page 33). While the proton donation mechanism of acid-catalyzed reactions referred to in Kirk-Othmer may or may not be responsible for the reactions that occur in all acid-catalyzed reactions, strong acids are known to accelerate numerous reactions, including oxidative addition, reductive addition, esterification, transesterification, hydrogenation, isomerization (including racemization of optical isomers), hydrolysis and alcoholysis, alkylation, olefin polymerization, Friedel-Crafts reactions, demetallization of organic compounds, and nitration reactions, among others. Strong acids known to accelerate such acid-catalyzed organic reactions include sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, transition metal halides, including the so-called Friedel-Crafts catalysts, for example the halides of aluminum, gallium, boron, titanium, vanadium, tin, and others, and conjugated Friedel-Crafts catalysts, also known as Bronsted-Lewis superacid mixtures (Kirk-Othmer, Vol. 11, 295), such as mineral acid adducts of transition metal halides.
Alle bekannten starken Säurekatalysatoren und die Verfahren, die ihre Verwendung für die Beschleunigung säurekatalysierter organischer Reaktionen betreffen, leiden an einem oder mehreren Nachteilen. Zum Beispiel beschleunigen starke Mineralsäuren Nebenreaktionen, die unerwünschte Nebenprodukte bilden, das organische Einsatzmaterial oder Produkt zerstören und/oder den Katalysator verbrauchen oder desaktivieren. Schwefelsäure ist ein starkes Sulfatierungs-, Sulfonierungs-, Oxidations- und Dehydratisierungsmittel, und aufgrund dieser Aktivitäten wird sie in den meisten organischen Reaktionen durch Nebenreaktionen, die diese Mechanismen betreffen, verbraucht. Außerdem führen die Sulfonierungs- und Oxidationsaktivitäten von Schwefelsäure zur Sulfonierung und Oxidation der organischen Einsatzmaterialien und/oder Produkte. Ähnliche Mankos bestehen bei den anderen starken Mineralsäuren, wie etwa Salzsäure und Salpetersäure. Salzsäure chloriert die Reaktanten und verbraucht dadurch das Einsatzmaterial, um unerwünschte chlorierte Nebenprodukte zu produzieren. Salpetersäure oxidiert und/oder nitriert organische Verbindungen. Flußsäure fluoriert organische Reaktanten und Produkte. Die Übergangsmetallhalogenide, einschließlich der Friedel-Crafts-Katalysatoren, sind schwierig zu handhaben, da sie von Wasser und Reduktionsmitteln isoliert werden müssen. Solche Katalysatoren halogenieren ebenfalls organische Einsatzmaterialien und Produkte.All known strong acid catalysts and the processes involving their use for accelerating acid-catalyzed organic reactions suffer from one or more disadvantages. For example, strong mineral acids accelerate side reactions that form undesirable byproducts, destroy the organic feedstock or product, and/or consume or deactivate the catalyst. Sulfuric acid is a strong sulfating, sulfonating, oxidizing, and dehydrating agent, and because of these activities, it is consumed in most organic reactions by side reactions involving these mechanisms. In addition, the sulfonating and oxidizing activities of sulfuric acid lead to the sulfonation and oxidation of the organic feedstocks and/or products. Similar shortcomings exist for the other strong mineral acids, such as hydrochloric acid and nitric acid. Hydrochloric acid chlorinates the reactants and thereby consumes the feedstock to produce undesirable chlorinated byproducts. Nitric acid oxidizes and/or nitrates organic compounds. Hydrofluoric acid fluorinates organic reactants and products. The transition metal halides, including the Friedel-Crafts catalysts, are difficult to handle because they must be isolated from water and reducing agents. Such catalysts also halogenate organic feedstocks and products.
Demgemäß besteht ein Bedürfnis nach verbesserten Verfahren zur Durchführung säurekatalysierter organischer Reaktionen und nach verbesserten sauren Katalysatoren zur Verwendung bei solchen Reaktionen, die die gewünschte säurekatalysierte organische Reaktion beschleunigen, jedoch die normalerweise mit säurekatalysierten organischen Reaktionen verbundenen Nebenreaktionen verringern oder ausschließen.Accordingly, there is a need for improved processes for conducting acid-catalyzed organic reactions and for improved acid catalysts for use in such reactions which accelerate the desired acid-catalyzed organic reaction but avoid the side reactions normally associated with acid-catalyzed organic reactions reduce or exclude.
Es ist daher eine hauptsächliche Aufgabe dieser Erfindung, neuartige Verfahren zur Durchführung säurekatalysierter Reaktionen von organischen Verbindungen in Gegenwart von Zusammensetzungen, die Schwefelsäure umfassen, zur Verfügung zu stellen.It is therefore a primary object of this invention to provide novel processes for carrying out acid-catalyzed reactions of organic compounds in the presence of compositions comprising sulfuric acid.
Eine andere Aufgabe ist die Bereitstellung neuartiger Verfahren für die oxidative Addition organischer Verbindungen.Another task is to provide novel processes for the oxidative addition of organic compounds.
Noch eine andere Aufgabe ist die Bereitstellung neuartiger Verfahren zur reduktiven Addition organischer Verbindungen.Yet another task is to provide novel processes for the reductive addition of organic compounds.
Eine andere Aufgabe ist die Bereitstellung neuartiger Verfahren für die Veresterung und Umesterung organischer Verbindungen.Another task is to provide novel processes for the esterification and transesterification of organic compounds.
Noch eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung neuartiger Verfahren zur Hydrierung organischer Verbindungen, die olefinische Ungesättigtheit enthalten.Yet another object of this invention is to provide novel processes for hydrogenating organic compounds containing olefinic unsaturation.
Eine andere Aufgabe ist die Bereitstellung neuartiger Verfahren zur Isomerisierung organischer Verbindungen.Another task is to provide novel processes for the isomerization of organic compounds.
Noch eine andere Aufgabe ist die Bereitstellung neuartiger Verfahren zur Hydrolyse, Alkoholyse, Thiolyse und Aminierung organischer Verbindungen.Yet another task is to provide novel processes for the hydrolysis, alcoholysis, thiolysis and amination of organic compounds.
Eine andere Aufgabe ist die Bereitstellung neuartiger Verfahren für die Alkylierung organischer Verbindungen.Another task is to provide novel processes for the alkylation of organic compounds.
Noch eine andere Aufgabe ist die Bereitstellung neuartiger Verfahren zur Polymerisierung olefinischer Verbindungen.Yet another task is to provide novel processes for the polymerization of olefinic compounds.
Eine andere Aufgabe ist die Bereitstellung neuartiger Friedel- Crafts-katalysierter organischer Reaktionen.Another task is to provide novel Friedel-Crafts-catalyzed organic reactions.
Noch eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung neuartiger Verfahren zur Entmetallisierung organischer Verbindungen.Yet another object of this invention is to provide novel methods for demetallizing organic compounds.
Eine andere Aufgabe ist die Bereitstellung neuartiger Verfahren zur Nitrierung organischer Verbindungen.Another task is to provide novel processes for the nitration of organic compounds.
Andere Aufgaben, Aspekte und Vorteile dieser Erfindung werden dem Fachmann auf diesem Gebiet angesichts der folgenden Offenbarung und der beigefügten Ansprüche deutlich werden.Other objects, aspects and advantages of this invention will become apparent to those skilled in the art in view of the following disclosure and the appended claims.
In einem Aspekt besteht die Erfindung somit in einem Verfahren zur Durchführung der säurekatalysierten Reaktion, verschieden von Hydrolyse, einer organischen Verbindung, wobei diese Reaktion durch Schwefelsäure säurekatalysiert werden kann, welches die Schritte umfaßt: Durchführung besagter Reaktion in Gegenwart einer katalytisch aktiven Menge von Monoaddukt aus Schwefelsäure und einer chalcogenhaltigen Verbindung mit der empirischen FormelIn one aspect, the invention thus consists in a process for carrying out the acid-catalyzed reaction, other than hydrolysis, of an organic compound, which reaction can be acid-catalyzed by sulfuric acid, which comprises the steps of: carrying out said reaction in the presence of a catalytically active amount of monoadduct of sulfuric acid and a chalcogen-containing compound having the empirical formula
R&sub1;- -R&sub2;R₁- -R₂
in der X ein Chalcogen ist, R&sub1; und R&sub2; jeweils unabhängig aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Wasserstoff, NR&sub3;R&sub4; und NR&sub5; besteht, wenigstens eine der Gruppen R&sub1; und R&sub2; verschieden von Wasserstoff ist, R&sub3; und R&sub4; jeweils unabhängig aus Wasserstoff und einwertigen organischen Resten ausgewählt sind und R&sub5; ein zweiwertiger organischer Rest ist.wherein X is a chalcogen, R₁ and R₂ are each independently selected from the group consisting of hydrogen, NR₃R₄ and NR₅, at least one of R₁ and R₂ is other than hydrogen, R₃ and R₄ are each independently selected from hydrogen and monovalent organic radicals, and R₅ is a divalent organic radical.
Die Erfindung besteht weiterhin in einem Verfahren zur Durchführung der säurekatalysierten Reaktion einer organischen Verbindung, wobei diese Reaktion durch Schwefelsäure säurekatalysiert sein kann, welches die Schritte umfaßt: Durchführung besagter Reaktion in Gegenwart einer katalytisch aktiven Menge des Monoaddukts aus Schwefelsäure und einer chalcogenhaltigen Verbindung, verschieden von Harnstoff, mit der empirischen FormelThe invention further consists in a process for carrying out the acid-catalyzed reaction of an organic compound, which reaction can be acid-catalyzed by sulphuric acid, which comprises the steps of: carrying out said reaction in the presence of a catalytically active amount of the Monoadduct of sulphuric acid and a chalcogen-containing compound other than urea, with the empirical formula
R&sub1;- -R&sub2;R₁- -R₂
in der X ein Chalcogen ist, R&sub1; und R&sub2; jeweils unabhängig aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Wasserstoff, NR&sub3;R&sub4; und NR&sub5; besteht, wenigstens eine der Gruppen R&sub1; und R&sub2; von Wasserstoff verschieden ist, R&sub3; und R&sub4; jeweils unabhängig aus Wasserstoff und einwertigen organischen Resten ausgewählt sind und R&sub5; ein zweiwertiger organischer Rest ist.wherein X is a chalcogen, R₁ and R₂ are each independently selected from the group consisting of hydrogen, NR₃R₄ and NR₅, at least one of R₁ and R₂ is other than hydrogen, R₃ and R₄ are each independently selected from hydrogen and monovalent organic radicals, and R₅ is a divalent organic radical.
Die neuartigen Verfahren dieser Erfindung beinhalten säurekatalysierte Reaktionen einer oder mehrerer organischer Verbindungen in Gegenwart der beschriebenen Katalysatoren. Die lösungsmittel- und/oder tensidhaltigen Katalysatoren sind insbesondere brauchbar für viele säurekatalysierten organischen Reaktionen, insbesondere diejenigen, bei denen die lipophileren, d.h. hydrophobe Materialien vorliegen. Es ist festgestellt worden, daß Tenside und Lösungsmittel die Aktivität der Chalcogen/Säure-Komponente gegenüber lipophileren Substraten verstärkt. In gleicher Weise können die neuartigen konjugierten sauren Katalysatoren in den neuartigen Verfahren dieser Erfindung verwendet werden.The novel processes of this invention involve acid-catalyzed reactions of one or more organic compounds in the presence of the described catalysts. The solvent- and/or surfactant-containing catalysts are particularly useful for many acid-catalyzed organic reactions, especially those involving the more lipophilic, i.e., hydrophobic materials. Surfactants and solvents have been found to enhance the activity of the chalcogen/acid component toward more lipophilic substrates. Likewise, the novel conjugated acid catalysts can be used in the novel processes of this invention.
Insbesondere betreffen die neuartigen Verfahren dieser Erfindung die Umwandlung organischer Materialien, zumindestens teilweise, durch die säurekatalysierte Aktivität von Schwefelsäure. Somit schließen sie alle säurekatalysierten organischen Reaktionen ein, die durch Schwefelsäure katalysiert werden, wie etwaIn particular, the novel processes of this invention relate to the conversion of organic materials, at least in part, by the acid-catalyzed activity of sulfuric acid. Thus, they include all acid-catalyzed organic reactions that are catalyzed by sulfuric acid, such as
(a) Oxidation einer oder mehrerer organischer Verbindungen in Gegenwart eines Oxidationsmittels;(a) oxidation of one or more organic compounds in the presence of an oxidising agent;
(b) Reduktion einer oder mehrerer organischer Verbindungen durch Reaktion mit einem Reduktionsmittel, wie etwa Wasserstoff;(b) Reduction of one or more organic compounds by Reaction with a reducing agent such as hydrogen;
(c) Hydrolyse einer oder mehrerer organischer Verbindungen durch Reaktion mit Wasser und/oder einem oder mehreren Alkoholen und/oder Thiolen;(c) hydrolysis of one or more organic compounds by reaction with water and/or one or more alcohols and/or thiols;
(d) oxidative Addition einer oder mehrerer organischer Verbindungen durch Reaktion mit einem Oxidationsmittel;(d) oxidative addition of one or more organic compounds by reaction with an oxidising agent;
(e) reduktive Addition organischer Verbindungen durch Reaktion mit einem Reduktionsmittel;(e) reductive addition of organic compounds by reaction with a reducing agent;
(f) Veresterung von Amiden, Nitrilen, Carbonsäuren, Acylhalogenide, Thiocarbonsäuren und/oder Carbonsäureanhydriden durch Reaktion mit Alkoholen und/oder Thiolen;(f) esterification of amides, nitriles, carboxylic acids, acyl halides, thiocarboxylic acids and/or carboxylic anhydrides by reaction with alcohols and/or thiols;
(g) Hydrierung organischer Verbindungen, die Kohlenstoff/Kohlenstoff-Ungesättigtheit enthalten, durch Reaktion mit Wasserstoff;(g) hydrogenation of organic compounds containing carbon/carbon unsaturation by reaction with hydrogen;
(h) Alkylierung organischer Verbindungen durch Reaktion mit einem organischen Alkylierungsmittel, das wenigstens eine olefinische Kohlenstoff/Kohlenstoff-Bindung aufweist;(h) alkylating organic compounds by reaction with an organic alkylating agent having at least one olefinic carbon/carbon bond;
(i) Polymerisierung organischer Verbindungen, die olefinische Ungesättigtheit enthalten, in Gegenwart eines Oxidationsmittels;(i) polymerising organic compounds containing olefinic unsaturation in the presence of an oxidising agent;
(j) Friedel-Crafts-Reaktionen organischer Verbindungen mit Kohlenwasserstoffhalogeniden;(j) Friedel-Crafts reactions of organic compounds with hydrocarbon halides;
(k) Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen mit 4 bis etwa 20 Kohlenstoffatomen pro Molekül;(k) isomerization of hydrocarbons having from 4 to about 20 carbon atoms per molecule;
(l) Entmetallisierung metallorganischer Verbindungen durch Reaktion mit Wasser und/oder Alkoholen; und(l) demetallization of organometallic compounds by reaction with water and/or alcohols; and
(m) Nitrierung organischer Verbindungen durch Reaktion mit einem Nitrierungsinittel, wie etwa Stickstoff(II)-Oxid.(m) Nitration of organic compounds by reaction with a nitrating agent such as nitrogen(II) oxide.
Die Verfahren dieser Erfindung beseitigen die meisten, wenn nicht alle, Mankos, die mit der säurekatalysierten Umwandlung organischer Verbindungen in Gegenwart von Schwefelsäure in Zusammenhang stehen. Die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten minimieren oder beseitigen vollständig die unerwünschte Oxidations-, Dehydrierungs- und Sulfonierungsaktivität von Schwefelsäure, bewahren jedoch die starke protonenabgebende Fähigkeit der Säure. Somit wird die Schwefelsäure, die in der Chalcogenverbindung/Säure-Komponente enthalten ist, nicht während säurekatalysierter organischer Reaktionen aufgrund von Sulfonierung, Oxidation oder anderer Reaktionen, die mit Schwefelsäure im Zusammenhang stehen, zerstört. Gleichzeitig werden organische Einsatzmaterialien nicht zerstört oder durch Nebenreaktiorien, die üblicherweise mit Schwefelsäure in Zusammenhang stehen, zu unerwünschten Nebenprodukten umgewandelt. All diese Vorteile bestehen bei allen Formen von Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten, die in den Verfahren dieser Erfindung eingesetzt werden, einschließlich den neuartigen tensidhaltigen Katalysatoren und den neuartigen konjugierten Übergangsmetallhalogenid-Katalysatoren. Darüber hinaus zeigen die lösungsmittel- und tensidhaltigen Katalysatoren verbesserte katalytische Aktivität für die Umwandlung organischer Verbindungen gemäß den Verfahren dieser Erfindung, insbesondere für die Umwandlung lipophilerer Verbindungen und organischer Materialien, die lipophiles Material enthalten, wie etwa Fette, Wachse und organische Substanzen mit höherem Molekulargewicht.The processes of this invention eliminate most, if not all, of the deficiencies associated with acid-catalyzed conversion of organic compounds in the presence of sulfuric acid. The chalcogen compound/sulfuric acid components minimize or completely eliminate the undesirable oxidation, dehydrogenation and sulfonation activity of sulfuric acid, yet retain the strong proton-donating ability of the acid. Thus, the sulfuric acid contained in the chalcogen compound/acid component is not destroyed during acid-catalyzed organic reactions due to sulfonation, oxidation or other reactions associated with sulfuric acid. At the same time, organic feedstocks are not destroyed or converted to undesirable byproducts by side reactions commonly associated with sulfuric acid. All of these advantages exist in all forms of chalcogen compound/sulfuric acid components used in the processes of this invention, including the novel surfactant-containing catalysts and the novel conjugated transition metal halide catalysts. In addition, the solvent- and surfactant-containing catalysts exhibit improved catalytic activity for the conversion of organic compounds according to the processes of this invention, particularly for the conversion of more lipophilic compounds and organic materials containing lipophilic material, such as fats, waxes, and higher molecular weight organic substances.
Ohne die Absicht, auf eine bestimmte Theorie festgelegt zu werden, nimmt man gegenwärtig an, daß die Adduktbildung von Schwefelsäure mit Verbindungen, wie etwa den beschriebenen Chalcogenverbindungen, die in der Lage sind, Elektronen an die Schwefelsäure abzugeben, die Labilität der Säurewasserstoffe in einer Weise modifiziert, die die Neigung der Säure zu unerwünschten Nebenreaktionen hemmt. Man nimmt an, daß stärkere Elektronendonoren die Labilität von Säurewasserstoff in einem größeren Male hemmen, als dies die Zugabe von zwei statt einem Chalcogen-Molekülen zu jedem Säuremolekül tut. Zum Beispiel ist das Monoharnstoffaddukt von Schwefelsäure ein selektiver, aktiver saurer Katalysator, während das Diharnstoffaddukt im wesentlichen als saurer Katalysator inaktiv ist.Without wishing to be bound to a particular theory, it is currently believed that the adduct formation of sulphuric acid with compounds such as the chalcogen compounds described, which are able to donate electrons to the sulphuric acid, increases the lability of the acid hydrogens in in a manner that inhibits the tendency of the acid to undergo undesirable side reactions. Stronger electron donors are thought to inhibit the lability of acid hydrogen to a greater extent than does the addition of two rather than one chalcogen molecules to each acid molecule. For example, the monourea adduct of sulfuric acid is a selective, active acid catalyst, while the diurea adduct is essentially inactive as an acid catalyst.
Diese Erfindung stellt neuartige Verfahren zur Durchführung säurekatalysierter organischer Reaktionen, insbesondere organischer Reaktionen, von denen bekannt ist, das sie durch Schwefelsäure katalysiert werden, zur Verfügung.This invention provides novel processes for carrying out acid-catalyzed organic reactions, particularly organic reactions known to be catalyzed by sulfuric acid.
Die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten, die in den Verfahren dieser Erfindung einsatzbar sind, enthalten eine Kombination aus Schwefelsäure und einer oder mehreren bestimmten Chalcogenverbindungen, in der das Molverhältnis der Chalcogenverbindung zu Schwefelsäure unter 2 liegt. In diesem Bereich von Molverhältnissen liegt wenigstens ein Teil der Schwefelsäure als Mono-Addukt der Schwefelsäure vor. In einer Ausführungsform kann die Chalcogenverbindung/Säure-Komponente fakultativ ein Tensid, Lösungsmittel oder andere Komponenten enthalten. Tenside und Lösungsmittel erhöhen die Aktivität der Säurekomponente gegenüber organischen Materialien, insbesondere gegenüber Materialien, die lipophile Bestandteile enthalten, wie etwa Fette, Öle, Wachse und dergleichen. Die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente, mit oder ohne Tensid, kann auch mit einem oder mehreren organischen oder anorganischen Reaktanten kombiniert werden, die an der gewünschten organischen Reaktion teilnehmen, um eine Zusammensetzung zu bilden, die bei der Durchführung der gewünschten organischen Reaktion brauchbar ist. In einer anderen Ausführungsform kann die Chalcogen/Säure- Komponente, mit oder ohne Tenside, mit einem herkömmlichen Übergangsmetallhalogenid-Katalysator kombiniert werden, um einen in diesem Verfahren einsatzbaren konjugierten Friedel-Crafts-Katalysator zu bilden.The chalcogen compound/sulfuric acid components useful in the processes of this invention contain a combination of sulfuric acid and one or more specific chalcogen compounds in which the molar ratio of the chalcogen compound to sulfuric acid is less than 2. In this range of molar ratios, at least a portion of the sulfuric acid is present as a mono-adduct of the sulfuric acid. In one embodiment, the chalcogen compound/acid component may optionally contain a surfactant, solvent, or other components. Surfactants and solvents increase the activity of the acid component toward organic materials, particularly toward materials containing lipophilic components such as fats, oils, waxes, and the like. The chalcogen compound/sulfuric acid component, with or without a surfactant, may also be combined with one or more organic or inorganic reactants that participate in the desired organic reaction to form a composition useful in carrying out the desired organic reaction. In another embodiment, the chalcogen/acid Component, with or without surfactants, can be combined with a conventional transition metal halide catalyst to form a conjugated Friedel-Crafts catalyst useful in this process.
Die Verfahren dieser Erfindung beinhalten die säurekatalysierte Umwandlung organischer Verbindungen. Insbesondere können diese Verfahren für die säurekatalysierte Umwandlung irgendeines organischen Materials eingesetzt werden, das durch Schwefelsäurekatalyse umgewandelt werden kann, und üblicherweise ohne das Auftreten unerwünschter Nebenreaktionen, die normalerweise mit Schwefelsäure in Zusammenhang stehen. Veranschaulichend für geeignete säurekatalysierte Reaktionen sind Oxidation, insbesondere oxidative Addition; Veresterung; Umesterung; Hydrierung; Isomerisierung, einschließlich Racemisierung optischer Isomere; Hydrolyse und Alkoholyse durch Reaktion mit Wasser, Alkoholen oder Thiolen; Alkylierung; Olefinpolymerisierung, Friedel- Crafts-Reaktionen; Entmetallisierung und Nitrierung. Gemäß diesen Verfahren wird (werden) der (die) organische(n) Reaktant (en) mit der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure- Komponente in Form einer Lösung in Wasser oder anderen Lösungsmitteln oder als eine geschmolzene Mischung aus Chalcogenverbindung und Schwefelsäure in Kontakt gebracht.The processes of this invention involve the acid-catalyzed conversion of organic compounds. In particular, these processes can be used for the acid-catalyzed conversion of any organic material that can be converted by sulfuric acid catalysis, and usually without the occurrence of undesirable side reactions normally associated with sulfuric acid. Illustrative of suitable acid-catalyzed reactions are oxidation, especially oxidative addition; esterification; transesterification; hydrogenation; isomerization, including racemization of optical isomers; hydrolysis and alcoholysis by reaction with water, alcohols or thiols; alkylation; olefin polymerization, Friedel-Crafts reactions; demetallization and nitration. According to these processes, the organic reactant(s) is/are contacted with the chalcogen compound/sulfuric acid component in the form of a solution in water or other solvents or as a molten mixture of chalcogen compound and sulfuric acid.
Die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten sind Reaktionsprodukte von Schwefelsäure und einer oder mehreren bestimmten chalcogenhaltigen Verbindungen, in denen das Molverhältnis von Chalcogenverbindung zu Schwefelsäure unter 2 liegt. In solchen Komponenten liegt wenigstens ein Teil der Schwefelsäure als Mono-Addukt von Schwefelsäure und der Chalcogenverbindung vor. Diese Komponenten können in den hier offenbarten Verfahren als Schmelzen, als Lösungen solcher Mischungen in Wasser oder anderen Lösungsmitteln oder als Feststoffe eingesetzt werden, in denen die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente in einen festen Träger, wie etwa Kohlenstoff, refraktorische Oxide, wie etwa Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und dergleichen, saure oder basische Ionenaustauschharze oder Zeolithe, wie etwa die natürlichen und synthetischen Aluminosilikate, und Kombinationen solcher Träger hineingetränkt oder hineingetauscht ist. Die Katalysatoren können auch fakultative Komponenten, wie etwa Tenside und Übergangsmetallhalogenide enthalten. Andere Komponenten, die die protonenabgebende Aktivität des Mono-Addukts von Schwefelsäure nicht wesentlich aufheben, können ebenfalls vorliegen.The chalcogen compound/sulfuric acid components are reaction products of sulfuric acid and one or more specific chalcogen-containing compounds in which the molar ratio of chalcogen compound to sulfuric acid is less than 2. In such components, at least a portion of the sulfuric acid is present as a mono-adduct of sulfuric acid and the chalcogen compound. These components can be used in the processes disclosed herein as melts, as solutions of such mixtures in water or other solvents, or as solids in which the chalcogen compound/sulfuric acid component is encapsulated in a solid support, such as carbon. refractory oxides such as silica, alumina and the like, acidic or basic ion exchange resins or zeolites such as the natural and synthetic aluminosilicates, and combinations of such supports. The catalysts may also contain optional components such as surfactants and transition metal halides. Other components which do not substantially negate the proton donating activity of the mono-adduct of sulfuric acid may also be present.
Die einsetzbaren chalcogenhaltigen Verbindungen besitzen die empirische FormelThe applicable chalcogen-containing compounds have the empirical formula
R&sub1;- -R&sub2;R₁- -R₂
in der X ein Chalcogen ist, R&sub1; und R&sub2; unabhängig ausgewählt sind aus Wasserstoff, NR&sub3;R&sub4; oder NR&sub5;, wobei wenigstens eine der Gruppen R&sub1; und R&sub2; von Wasserstoff verschieden ist, R&sub3; und R&sub4; unabhängig ausgewählt sind aus Wasserstoff und einem einwertigen organischen Rest und R&sub5; ein zweiwertiger organischer Rest ist. Einer der einwertigen Reste R&sub3; und R&sub4; kann Wasserstoff sein und einer oder beide von R&sub3; und R&sub4; können irgendein organischer Rest sein, einschließlich Alkyl, Aryl, Alkenyl, Alkenylaryl, Aralkyl, Aralkenyl, Cycloalkyl, Cycloalkenyl oder Alkinyl, die unsubstituiert oder mit funktionellen Seitengruppen, wie etwa Hydroxyl, Carboxyl, Oxid, Thio, Thiol oder anderen, substituiert sein können, und sie können acyclische oder cyclische Heteroatome, wie etwa Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff oder andere enthalten. R&sub5; kann jeder zweiwertige organische Rest sein, wie etwa Alkdyl, Ardyl, Alkendyl, Alkindyl, Aralkdyl, Aralkindyl, die Seitenatome oder Substituenten und/oder acyclische oder cyclische Heteroatome enthalten können, wie für R&sub3; und R&sub4; beschrieben. Vorzugsweise sind sowohl R&sub1; als auch R&sub2; von Wasserstoff verschieden, sind sowohl R&sub3; als auch R&sub4; ausgewählt aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffresten, die in Kombination etwa 10 Kohlenstoffatome oder weniger enthalten, und X ist vorzugsweise Sauerstoff oder Schwefel, am bevorzugtesten Sauerstoff. Solche Substituenten werden gegenwärtig aufgrund ihrer relativ höheren chemischen Stabilität bevorzugt. Besonders bevorzugte chalcogenhaltige Verbindungen sind Harnstoff, Thioharnstoff, Formamid und Kombinationen von diesen.wherein X is a chalcogen, R₁ and R₂ are independently selected from hydrogen, NR₃R₄ or NR₅, wherein at least one of R₁ and R₂ is other than hydrogen, R₃ and R₄ are independently selected from hydrogen and a monovalent organic radical, and R₅ is a divalent organic radical. One of the monovalent radicals R₃ and R₄ may be hydrogen and one or both of R₃ and R₄ may be may be any organic radical including alkyl, aryl, alkenyl, alkenylaryl, aralkyl, aralkenyl, cycloalkyl, cycloalkenyl or alkynyl which may be unsubstituted or substituted with pendant functional groups such as hydroxyl, carboxyl, oxide, thio, thiol or others, and may contain acyclic or cyclic heteroatoms such as oxygen, sulfur, nitrogen or others. R₅ may be any divalent organic radical such as alkdyl, ardyl, alkendyl, alkindyl, aralkdyl, aralkindyl which may contain pendant atoms or substituents and/or acyclic or cyclic heteroatoms as described for R₃ and R₄. Preferably both R₁ and R₂ are other than hydrogen, both R₃ and R₄ are selected from hydrogen and hydrocarbon radicals which in combination contain about 10 carbon atoms or less, and X is preferably oxygen or sulfur, most preferably oxygen. Such substituents are presently preferred due to their relatively higher chemical stability. Particularly preferred chalcogen-containing compounds are urea, thiourea, formamide, and combinations of these.
Die Chalcogene sind Elemente der periodischen Gruppe VI-B und schließen Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur und Polonium ein. Sauerstoff und Schwefel sind gegenwärtig aufgrund niedriger Kosten, Verfügbarkeit, niedriger Toxizität und chemischer Aktivität bevorzugt, und Sauerstoff ist am bevorzugtesten.The chalcogens are elements of periodic group VI-B and include oxygen, sulfur, selenium, tellurium and polonium. Oxygen and sulfur are currently preferred due to low cost, availability, low toxicity and chemical activity, and oxygen is the most preferred.
Die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten können nichtumgesetzte (freie) Schwefelsäure oder das Diaddukt von Schwefelsäure enthalten. Brauchbare und bevorzugte Verhältnisse von Chalcogenverbindung, Schwefelsäure und von den Mono- und Diaddukten von Schwefelsäure, relativ zueinander, können geeigneterweise durch das Molverhältnis Chalcogenverbindung/Schwefelsäure ausgedrückt werden. Dieses Verhältnis wird unter 2 liegen, üblicherweise im Bereich von etwa 1/4 bis etwa 7/4, bevorzugt etwa 1/2 bis etwa 3/2 und am bevorzugtesten zwischen etwa 1/1 und etwa 3/2. Molverhältnisse im Bereich von etwa 1/4 bis etwa 7/4 definieren Zusammensetzungen, in denen wenigstens 25 % der Schwefelsäure als das Monoaddukt von Schwefelsäure vorliegen. Molverhältnisse im Bereich von 1/2 bis etwa 3/4 definieren Zusammensetzungen, in denen wenigstens 50 % der Schwefelsäure als das Monoaddukt vorliegen. Der bevorzugteste Molverhältnisbereich von etwa 1/1 bis etwa 3/2 definiert Zusammensetzungen, die im wesentlichen keine nichtkomplexierte Schwefelsäure enthalten und in der wenigstens 50 % der Schwefelsäure als das Monoaddukt von Schwefelsäure vorliegen. Die bevorzugtesten Kombinationen haben Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Molverhältnisse von etwa 1/1. In solchen Kombinationen liegt im wesentlichen die gesamte Schwefelsäure als das Monoaddukt von Schwefelsäure vor, und solche Zusammensetzungen sind im wesentlichen frei von nicht-komplexierter Schwefelsäure. Beträchtliche Mengen nicht-komplexierter Schwefelsäure, d.h. Schwefelsäure, die nicht mit einer Chalcogenverbindung entweder als das Mono- oder Diaddukt komplexiert ist, sind weniger bevorzugt, da Schwefelsäure, wenn sie in beträchtlichen Mengen vorliegt, Nebenreaktionen, wie etwa Oxidation, Sulfonierung, Dehydratisierung und/oder andere Reaktionen, beschleunigen kann. Obgleich das Diaddukt im allgemeinen nicht schädlich für die Leistung der Monoaddukt-Komponenten als saure Katalysatoren für organische Reaktionen ist, hat es geringe oder gar keine protonenabgebende Fähigkeit und somit geringe oder keine Aktivität als Katalysator für säurekatalysierte organische Reaktionen.The chalcogen compound/sulfuric acid components may contain unreacted (free) sulfuric acid or the diadduct of sulfuric acid. Useful and preferred ratios of chalcogen compound, sulfuric acid, and the mono- and diadducts of sulfuric acid, relative to one another, may conveniently be expressed by the chalcogen compound/sulfuric acid molar ratio. This ratio will be less than 2, usually in the range of about 1/4 to about 7/4, preferably about 1/2 to about 3/2, and most preferably between about 1/1 and about 3/2. Molar ratios in the range of about 1/4 to about 7/4 define compositions in which at least 25% of the sulfuric acid is present as the monoadduct of sulfuric acid. Molar ratios in the range of 1/2 to about 3/4 define compositions in which at least 50% of the sulfuric acid is present as the monoadduct. The most preferred molar ratio range of about 1/1 to about 3/2 defines compositions containing substantially no uncomplexed sulfuric acid and in which at least 50% of the sulfuric acid is present as the monoadduct of sulfuric acid. The most preferred combinations have chalcogen compound/sulfuric acid molar ratios of about 1/1. In such combinations, substantially all of the sulfuric acid as the monoadduct of sulfuric acid, and such compositions are substantially free of uncomplexed sulfuric acid. Substantial amounts of uncomplexed sulfuric acid, that is, sulfuric acid that is not complexed with a chalcogen compound as either the mono- or diadduct, are less preferred because sulfuric acid, when present in substantial amounts, can accelerate side reactions such as oxidation, sulfonation, dehydration, and/or other reactions. Although the diadduct is generally not detrimental to the performance of the monoadduct components as acid catalysts for organic reactions, it has little or no proton donating ability and thus little or no activity as a catalyst for acid-catalyzed organic reactions.
Einsetzbare Lösungen enthalten eine katalytisch aktive Menge des Monoadduktes von Schwefelsäure in einem geeigneten Lösungsmittel. Sehr niedrige Monoaddukt-Konzentrationen, z.B. in der Größenordnung von etwa 0,5 Gew.-% der Lösung (oder Schmelze), sind ausreichend, um eine Vielzahl von säurekatalysierten organischen Reaktionen zu beschleunigen. Höhere Konzentrationen des Monoaddukts sind jedoch im allgemeinen bevorzugt. Die Lösungen werden somit üblicherweise wenigstens 0,5, im allgemeinen wenigstens etwa 1, bevorzugt wenigstens etwa 5 und am bevorzugtesten wenigstens etwa 10 Gew.-% Chalcogenverbindung und Schwefelsäure, bezogen auf das kombinierte Gewicht dieser zwei Komponenten, enthalten. Höhere Konzentrationen von Chalcogenverbindung und Schwefelsäure liefern erhöhte katalytische Aktivität. Zum Beispiel werden Lösungen, die wenigstens 50 % und sogar 85 Gew.-% oder mehr der Kombination von Chalcogenverbindung und Schwefelsäure, in Kombination, enthalten, 0,5 bis etwa 90, normalerweise etwa 1 bis etwa 90 und bevorzugt etwa 5 bis etwa 90 Gew.-% der Lösung ausmachen.Useful solutions contain a catalytically active amount of the monoadduct of sulfuric acid in a suitable solvent. Very low monoadduct concentrations, e.g., on the order of about 0.5% by weight of the solution (or melt), are sufficient to promote a variety of acid-catalyzed organic reactions. However, higher concentrations of the monoadduct are generally preferred. The solutions will thus usually contain at least 0.5, generally at least about 1, preferably at least about 5, and most preferably at least about 10% by weight of chalcogen compound and sulfuric acid, based on the combined weight of these two components. Higher concentrations of chalcogen compound and sulfuric acid provide increased catalytic activity. For example, solutions containing at least 50% and even 85% or more by weight of the combination of chalcogen compound and sulfuric acid, in combination, will comprise from 0.5 to about 90, usually from about 1 to about 90, and preferably from about 5 to about 90% by weight of the solution.
Jedes zum Lösen der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure- Komponente unter den Reaktionsbedingungen geeignete Lösungsmittel kann verwendet werden. Geeignete Lösungsmittel schließen polare Lösungsmittel, wie etwa Wasser, Dimethylsulfoxid (DMSO), halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie etwa Trichlormethan, oxidierte Kohlenwasserstoffe, wie etwa Methylethylketon und Tetrahydrofuran, und dergleichen ein. Das Lösungsmittel ist vorzugsweise nicht mit der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure- Komponente, den organischen Einsatzmaterialien, Zwischenprodukten oder Produkten oder anderen in den säurekatalysierten organischen Reaktionen verwendeten Komponenten reaktiv, wenn natürlich nicht das organische Einsatzmaterial auch als das Lösungsmittel für die Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente verwendet wird.Each solution for dissolving the chalcogen compound/sulphuric acid A solvent suitable for the urea/sulfuric acid component under the reaction conditions may be used. Suitable solvents include polar solvents such as water, dimethyl sulfoxide (DMSO), halogenated hydrocarbons such as trichloromethane, oxidized hydrocarbons such as methyl ethyl ketone and tetrahydrofuran, and the like. The solvent is preferably non-reactive with the chalcogen compound/sulfuric acid component, the organic feedstocks, intermediates or products, or other components used in the acid-catalyzed organic reactions, unless, of course, the organic feedstock is also used as the solvent for the urea/sulfuric acid component.
Wenn Wasser als einziges Lösungsmittel oder als eine Komponente des Lösungsmittels verwendet wird, habe ich beobachtet, daß, bei relativ hohen Wasserkonzentrationen, Wasser beginnt, die Chalcogenverbindung als ein Addukt auf der Schwefelsäure zu verdrängen, wodurch sozusagen freie Schwefelsäure in das System abgegeben wird. Dieser Prozeß ist reversibel, d.h. wenn Wasser aus dem System entfernt wird, bildet sich das Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Addukt zurück. Aus diesen Gründen besitzen die gegenwärtig bevorzugten Zusammensetzungen und Katalysatorsysteme H&sub2;O/(Chalcogenverbindung + H&sub2;SO&sub4;)-Molverhältnisse von etwa 5 oder weniger, am bevorzugtesten etwa 2,5 oder weniger.When water is used as the sole solvent or as a component of the solvent, I have observed that, at relatively high water concentrations, water begins to displace the chalcogen compound as an adduct on the sulfuric acid, thus releasing free sulfuric acid into the system. This process is reversible, i.e., when water is removed from the system, the chalcogen compound/sulfuric acid adduct reforms. For these reasons, the presently preferred compositions and catalyst systems have H₂O/(chalcogen compound + H₂SO₄) molar ratios of about 5 or less, most preferably about 2.5 or less.
Schmelzen der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten enthaltenden Zusammensetzungen, die Schmelzpunkte oberhalb Raumtemperatur, z.B. etwa 21ºC (70ºF), besitzen, können ebenfalls verwendet werden, um die säurekatalysierten organischen Reaktionen zu katalysieren. Die aktiven Komponenten, die in dieser Ausführungsform brauchbar sind, sind Feststoffe bei Raumtemperatur und werden zu Schmelzen umgewandelt, indem sie auf erhöhte Reaktionstemperaturen erhitzt werden. Bei dieser Ausführungsform werden die Schmelzen üblicherweise wenigstens etwa 50 und vorzugsweise wenigstens etwa 80 Gew.-% der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente enthalten, bezogen auf das kombinierte Gewicht von Chalcogenverbindungen in Schwefelsäure. Die Schmelzen werden üblicherweise wenigstens etwa 20, im allgemeinen etwa 50, bevorzugt wenigstens etwa 80 Gew.-% des bevorzugten Monoaddukt von Schwefelsäure enthalten.Melts of the compositions containing chalcogen compound/sulfuric acid components having melting points above room temperature, e.g., about 21°C (70°F), can also be used to catalyze the acid-catalyzed organic reactions. The active components useful in this embodiment are solids at room temperature and are converted to melts by heating to elevated reaction temperatures. In this embodiment, the melts are typically at least about 50 and preferably at least about 80 weight percent of the chalcogen compound/sulfuric acid component, based on the combined weight of chalcogen compounds in sulfuric acid. The melts will usually contain at least about 20, generally about 50, preferably at least about 80 weight percent of the preferred monoadduct of sulfuric acid.
Die in den Verfahren dieser Erfindung verwendeten Zusammensetzungen können auch eine oder mehrere Tenside enthalten, die vorzugsweise, obgleich nicht notwendigerweise, in Gegenwart der sauren Addukt-Komponente und in Gegenwart anderer bei den Verfahren dieser Erfindung verwendeten Komponenten für einen signifikanten Zeitraum chemisch stabil sind. Tenside erhöhen die Aktivität des sauren Addukts gegenüber im wesentlichen allen nicht-polaren organischen Verbindungen, einschließlich lipophilen organischen Materialien, wie etwa Wachsen, Proteinen, Liganden, Fetten, Alkanen, höhermolekularen Säuren, Alkoholen und dergleichen. Zum Beispiel erhöhen Tenside die Aktivität der flüssigen sauren Addukt-Zusammensetzung gegenüber Cellulosematerial, wie etwa wachsender oder abgeernteter Vegetation, die mit einer signifikanten Menge wachsartiger Cuticula überzogen ist oder diese enthält. Tenside erhöhen somit die säurekatalysierte Hydrolyse von lipidhaltigem Cellulosematerial und erhöhen die Herbizidaktivität der Harnstoff/Schwefelsäure- Komponente gegenüber wachsender Vegetation, wie im weiteren und in den anhängigen europäischen Patentanmeldungen 86 105 942.6, 86 111 365.2 und 87 300 147.3 diskutiert. Die Herbizidaktivität der beschriebenen Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten beruht offensichtlich, zumindestens teilweise, auf ihrer Fähigkeit, die chemische Umwandlung von Cellulose und anderen organischen Verbindungen im Pflanzenmaterial zu katalysieren. Wie hier beschrieben, sind diese Chalcogenverbindungen/Schwefelsäure-Komponenten in der Lage, ebenso Reaktionen zu katalysieren, die andere organische Verbindungen als Pflanzenmaterial beinhalten.The compositions used in the methods of this invention may also contain one or more surfactants which are preferably, although not necessarily, chemically stable in the presence of the acidic adduct component and in the presence of other components used in the methods of this invention for a significant period of time. Surfactants increase the activity of the acidic adduct toward substantially all non-polar organic compounds, including lipophilic organic materials such as waxes, proteins, ligands, fats, alkanes, higher molecular weight acids, alcohols, and the like. For example, surfactants increase the activity of the liquid acidic adduct composition toward cellulosic material such as growing or harvested vegetation coated with or containing a significant amount of waxy cuticle. Surfactants thus increase the acid-catalyzed hydrolysis of lipid-containing cellulosic material and increase the herbicidal activity of the urea/sulfuric acid component against growing vegetation, as discussed below and in pending European patent applications 86 105 942.6, 86 111 365.2 and 87 300 147.3. The herbicidal activity of the described chalcogen compound/sulfuric acid components is apparently based, at least in part, on their ability to catalyze the chemical conversion of cellulose and other organic compounds in the plant material. As described here, these chalcogen compound/sulfuric acid components are also capable of catalyzing reactions involving organic compounds other than plant material.
Das ausgewählte Tensid ist vorzugsweise in den flüssigen oder festen Zusammensetzungen oder in den aus den festen Zusammensetzungen gebildeten Schmelzen hinreichend chemisch stabil, um sicherzustellen, daß das Tensid für einen Zeitraum, der für Herstellung, Lagerung, Transport und Verwendung der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente erforderlich ist, genügend Benetzungsfähigkeit gegenüber dem organischen Material behält. Die Stabilität von irgendeinem Tensid kann leicht dadurch bestimmt werden, daß eine Menge des Tensids zur Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Zusammensetzung zugegeben wird, in der es verwendet werden soll, und die Kombination durch herkömmliche analytische Techniken auf der Grundlage kernmagnetischer Resonanz (NMR) überwacht wird. NMR kann verwendet werden, um die Frequenz und Höhe von Spektralpeaks, die für einen ausgewählten Kern, z.B. einen Wasserstoffkern im Tensid, charakteristisch sind, zu überwachen. Persistente Spektralpeakhöhe und -frequenz über einen Zeitraum von 5 bis 6 Stunden zeigt Stabilität an. Verringerte Peakhöhe oder eine Verschiebung in der Peakfrequenz im Zusammenhang mit dem ausgewählten Kern zeigt Instabilität an, d.h. die Anordnung der funktionellen Gruppen im Tensidmolekül ist modifiziert worden.The selected surfactant is preferably sufficiently chemically stable in the liquid or solid compositions or in the melts formed from the solid compositions to ensure that the surfactant retains sufficient wettability to the organic material for a period of time required for the manufacture, storage, transportation and use of the chalcogen compound/sulfuric acid component. The stability of any surfactant can be readily determined by adding an amount of the surfactant to the chalcogen compound/sulfuric acid composition in which it is to be used and monitoring the combination by conventional analytical techniques based on nuclear magnetic resonance (NMR). NMR can be used to monitor the frequency and height of spectral peaks characteristic of a selected nucleus, e.g. a hydrogen nucleus in the surfactant. Persistent spectral peak height and frequency over a period of 5 to 6 hours indicates stability. Decreased peak height or a shift in peak frequency associated with the selected nucleus indicates instability, i.e. the arrangement of the functional groups in the surfactant molecule has been modified.
Veranschaulichend für Klassen stabiler Tenside sind nichtionische, wie etwa die Alkylphenolpolyethylenoxide, anionische, wie etwa die langkettigen Alkylsulfate, und kationische, wie etwa 1-Hydroxyethyl-2-heptadecenylgloxalidin. Von diesen sind die nicht-ionischen Polyethylenoxid-Tenside besonders bevorzugt. Veranschaulichend für bevorzugte spezifische Tenside ist das nicht-ionische Tensid, das unter dem Warenzeichen T-MULZ 891 von Thompson-Hayward, Inc., vermarktet wird.Illustrative of classes of stable surfactants are nonionics, such as the alkylphenol polyethylene oxides, anionics, such as the long chain alkyl sulfates, and cationics, such as 1-hydroxyethyl-2-heptadecenylgloxalidine. Of these, the nonionic polyethylene oxide surfactants are particularly preferred. Illustrative of preferred specific surfactants is the nonionic surfactant marketed under the trademark T-MULZ 891 by Thompson-Hayward, Inc.
Die Tensidkonzentration ist vorzugsweise ausreichend, um die Benetzungsfähigkeit der Chalcogenverbindung/Säure-Komponente für das umzuwandelnde organische Material zu erhöhen. Selbst sehr geringe Tensidkonzentrationen erhöhen die Benetzungsfähigkeit der Säureaddukt-Komponente in gewissem Maße. Die Tensidkonzentration wird üblicherweise wenigstens etwa 0,05, im allgemeinen wenigstens etwa 0,1 und vorzugsweise wenigstens etwa 0,2 Gew.-% der Lösung, wie sie bei dem Verfahren dieser Erfindung verwendet wird, betragen. Tensidkonzentration von etwa 0,2 bis etwa 1 Gew.-% sind für die meisten Anwendungsfälle angemessen.The surfactant concentration is preferably sufficient to increase the wetting ability of the chalcogen compound/acid component for the organic material to be converted. Even very low surfactant concentrations increase the wettability of the acid adduct component to some extent. The surfactant concentration will usually be at least about 0.05, generally at least about 0.1, and preferably at least about 0.2% by weight of the solution used in the process of this invention. Surfactant concentrations of from about 0.2 to about 1% by weight are adequate for most applications.
Die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente kann mit Übergangsmetallhalogeniden kombiniert werden, um die konjugierte Säure des Säureaddukts mit dem Übergangsmetallhalogenid zu bilden. Solche konjugierten Säuren von Übergangsmetallhalogeniden, wie etwa Friedel-Crafts-Katalysatoren und die Übergangsmetallhalogenide, die in den sogenannten Ziegler- Katalysatoren verwendet werden, sind in der Veröffentlichung von Kirk-Othmer, auf die oben Bezug genommen wurde, und in US-A- 4,078,832; US-A-3,987,123; US-A-4,086,062 und US-A-4,008,360 diskutiert. Zum Beispiel beschreibt Kirk-Othmer, auf Seite 856 von Band 12, den Komplex von Salzsäure mit Aluminiumtrichlorid. Die Übergangsmetallhalogenid-Komponente der konjugierten sauren Friedel-Crafts-Katalysatoren dieser Erfindung kann Halogenide irgendeines Übergangsmetalls umfassen, insbesondere die Halogenide von Aluminium, Vanadium, Bor, Titan, Zinn, Gallium und Kombinationen derselben. Die Halogenidkomponente kann ausgewählt sein aus Chlorid, Bromid, Fluorid und Iodid, obgleich die Iodide für die Beschleunigung säurekatalysierter organischer Reaktionen weniger aktiv sind und demgemäß weniger bevorzugt sind. Die konjugierten Friedel-Crafts-Katalysatoren dieser Erfindung können äquimolare Mengen des Monoaddukts von Schwefelsäure plus des Übergangsmetallhalogenids enthalten oder sie können einen Überschuß von einer dieser zwei Komponenten umfassen. Es ist gegenwärtig jedoch bevorzugt, daß die konjugierte Säure etwa 0,1 bis etwa 2 Mol Übergansmetallhalogenid für jedes Mol Mono-Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Addukt enthält.The chalcogen compound/sulfuric acid component can be combined with transition metal halides to form the conjugate acid of the acid adduct with the transition metal halide. Such conjugate acids of transition metal halides, such as Friedel-Crafts catalysts and the transition metal halides used in the so-called Ziegler catalysts, are discussed in the Kirk-Othmer publication referred to above and in US-A-4,078,832; US-A-3,987,123; US-A-4,086,062 and US-A-4,008,360. For example, Kirk-Othmer, on page 856 of volume 12, describes the complex of hydrochloric acid with aluminum trichloride. The transition metal halide component of the conjugated acidic Friedel-Crafts catalysts of this invention can comprise halides of any transition metal, particularly the halides of aluminum, vanadium, boron, titanium, tin, gallium, and combinations thereof. The halide component can be selected from chloride, bromide, fluoride, and iodide, although the iodides are less active for accelerating acid-catalyzed organic reactions and are thus less preferred. The conjugated Friedel-Crafts catalysts of this invention can contain equimolar amounts of the monoadduct of sulfuric acid plus the transition metal halide, or they can comprise an excess of either of these two components. However, it is presently preferred that the conjugate acid contain from about 0.1 to about 2 moles of transition metal halide for each mole of mono-chalcogen compound/sulfuric acid adduct.
Die einsetzbaren Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten können durch die Reaktion der Chalcogenverbindung mit Schwefelsäure nach den in US-A-4,445,925 beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Dieses Patent beschreibt teilweise die Herstellung von Harnstoff/Schwefelsäure-Komponenten, die frei von Zersetzungsprodukten von Harnstoff, Schwefelsäure und den Mono- oder Di-Harnstoff/Schwefelsäure-Addukten sind, und die zur Herstellung der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten dieser Erfindung besonders bevorzugt sind. Wie in US-A-4,445, 925 beschrieben, ist die Reaktion von Harnstoff und Schwefelsäure extrem exotherm und kann, wenn sie nicht angemessen kontrolliert wird, zur Zersetzung der Reaktanten oder Produkte und zur Bildung von Zersetzungsprodukten, wie etwa Amidoschwefelsäure, Ammoniumsulfamat, Ammoniumsulfat und anderen Materialien führen. Reaktionen von Schwefelsäure mit anderen bei dieser Erfindung einsetzbaren Chalcogenverbindungen sind ebenfalls exotherm, und ähnliche Vorsichtsmaßregeln sollten beachtet werden, insbesondere bei der Herstellung von konzentrierteren Lösungen und Schmelzen. Die Bildung solcher Zersetzungsprodukte und das Vorhandensein solcher Zersetzungsprodukte in den Zusammensetzungen und Verfahren dieser Erfindung ist aus mehreren Gründen nicht bevorzugt. Solche Zersetzungsprodukte können die säurekatalysierte Umwandlung organischer Verbindungen stören und können zu Verunreinigungen im Endprodukt führen. Zersetzung führt auch zum Verlust von Schwefelsäure, die verfügbar sein muß, um sich mit den brauchbaren Chalcogen-Verbindungen zu kombinieren, um das aktive Monoaddukt von Schwefelsäure zu bilden.The useful chalcogen compound/sulfuric acid components can be prepared by reacting the chalcogen compound with sulfuric acid according to the methods described in US-A-4,445,925. This patent describes in part the preparation of urea/sulfuric acid components which are free of decomposition products of urea, sulfuric acid and the mono- or di-urea/sulfuric acid adducts and which are particularly preferred for preparing the chalcogen compound/sulfuric acid components of this invention. As described in US-A-4,445,925, the reaction of urea and sulfuric acid is extremely exothermic and, if not adequately controlled, can result in decomposition of the reactants or products and the formation of decomposition products such as amidosulfuric acid, ammonium sulfamate, ammonium sulfate and other materials. Reactions of sulfuric acid with other chalcogen compounds useful in this invention are also exothermic and similar precautions should be observed, particularly in preparing more concentrated solutions and melts. The formation of such decomposition products and the presence of such decomposition products in the compositions and processes of this invention is not preferred for several reasons. Such decomposition products can interfere with the acid-catalyzed conversion of organic compounds and can result in impurities in the final product. Decomposition also results in the loss of sulfuric acid which must be available to combine with the useful chalcogen compounds to form the active monoadduct of sulfuric acid.
Feste Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten, die bei der Herstellung der Schmelzen und Lösungen dieser Erfindung einsetzbar sind, können durch Kristallisation aus ihren entsprechenden wäßrigen Lösungen erhalten werden, wie für Harnstoff/Schwefelsäure-Komponenten in der anhängigen europäischen Anmeldung 86 105 942.6 beschrieben. Das Tensid, wenn vorhanden, wird entweder bei annähernd derselben Temperatur wie die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente aus kristallisieren oder wird von dem aus kristallisierten Schwefelsäure-Addukt mitgerissen. Alternativ kann das Tensid, wenn gewünscht, durch irgendeine geeignete Mischtechnik zur trocknen oder feuchten, aus kristallisierten Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente zugegeben werden.Solid chalcogen compound/sulfuric acid components useful in preparing the melts and solutions of this invention can be obtained by crystallization from their corresponding aqueous solutions as described for urea/sulfuric acid components in pending European Application 86 105 942.6. The surfactant, if present, is either at approximately the same temperature as the chalcogen compound/sulfuric acid component or is entrained by the crystallized sulfuric acid adduct. Alternatively, if desired, the surfactant may be added to the dry or wet crystallized chalcogen compound/sulfuric acid component by any suitable mixing technique.
Wie in besagter anhängiger Anmeldung 86 105 942.6 beschrieben besitzt die wäßrige Lösung von Harnstoff/Schwefelsäure, dort als 18-0-0-17 bezeichnet, eine Kristallisationstemperatur von 10ºC (50ºF). Bezeichnungen, wie etwa 18-0-0-17, werden üblicherweise in der Agrarindustrie verwendet, um die Gewichtsprozentanteile von Stickstoff, Phosphor, Kalium und einer vierten Komponente, in diesem Falle Schwefel, zu definieren, die in einer Zusammensetzung enthalten sind. Somit enthält 18-0-0-17 18 Gew.-% Stickstoff als Harnstoff, 0 % Phosphor, 0 % Kalium und 17 Gew.-% Schwefel. Die 18-0-0-17-Lösung besitzt ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von etwa 1,2 und enthält etwa 90 Gew.-% einer Kombination von Harnstoff und Schwefelsäure. Harnstoff und Schwefelsäure machen in Kombination 80 Gew.-% der mit 10-0-0-19 bezeichneten wäßrigen Lösung aus, wobei diese Zusammensetzung ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von 0,6 besitzt und bei etwa 6ºC (42ºF) kristallisiert. Die mit 9-0-0-25 bezeichnete wäßrige Lösung umfaßt annäherend 96 Gew.-% einer Kombination von Harnstoff und Schwefelsäure, besitzt ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von etwa 0,4 und kristallisiert bei -10ºC (14ºF) . Die angegebenen Kristallisationstemperaturen der drei wäßrigen Lösungen von Harnstoff/Schwefelsäure, auf die eben oben Bezug genommen wurde, und die Kristallisationstemperaturen für andere Formulierungen von Harnstoff und Schwefelsäure, die bei der Zusammensetzung und den Verfahren dieser Erfindung einsetzbar sind, sind teilweise durch die Isothermen in Dreistoff- Phasendiagramm für Harnstoff, Schwefelsäure und Wasser in der Zeichnung veranschaulicht, die besagter anhängiger Anmeldung 86 105 942.6 beiliegt. Die Kristallisationstemperaturen für andere Harnstoff/Schwefelsäure-Kombinationen und für Kombinationen von Schwefelsäure und anderen Chalcogenverbindungen, die bei den Zusammensetzungen und Verfahren dieser Erfindung einsetzbar sind, können aus dieser Zeichnung oder durch Abkühlen der ausgewählten Lösung, bis Kristallisation auftritt, bestimmt werden. Das kristallisierte Material kann von der überstehenden wäßrigen Phase mit irgendeiner geeigneten Fest/Flüssig-Trenntechnik, wie etwa Filtration, Zentrifugation, Dekantieren und dergleichen, abgetrennt werden und der gewonnene feuchte Feststoff kann durch Verdampfung getrocknet werden, falls gewünscht.As described in said copending application 86,105,942.6, the aqueous solution of urea/sulfuric acid, designated therein as 18-0-0-17, has a crystallization temperature of 10°C (50°F). Designations such as 18-0-0-17 are commonly used in the agricultural industry to define the weight percentages of nitrogen, phosphorus, potassium and a fourth component, in this case sulfur, contained in a composition. Thus, 18-0-0-17 contains 18% nitrogen as urea, 0% phosphorus, 0% potassium and 17% sulfur by weight. The 18-0-0-17 solution has a urea/sulfuric acid molar ratio of about 1.2 and contains about 90% by weight of a combination of urea and sulfuric acid. Urea and sulfuric acid in combination comprise 80% by weight of the aqueous solution designated 10-0-0-19, which composition has a urea/sulfuric acid molar ratio of 0.6 and crystallizes at about 6°C (42°F). The aqueous solution designated 9-0-0-25 comprises approximately 96% by weight of a combination of urea and sulfuric acid, has a urea/sulfuric acid molar ratio of about 0.4 and crystallizes at -10°C (14°F). The reported crystallization temperatures of the three aqueous solutions of urea/sulfuric acid referred to above and the crystallization temperatures for other formulations of urea and sulfuric acid useful in the compositions and methods of this invention are illustrated in part by the isotherms in the ternary phase diagram for urea, sulfuric acid and water in the drawing, which is part of said pending application 86 105 942.6. Crystallization temperatures for other urea/sulfuric acid combinations and for combinations of sulfuric acid and other chalcogen compounds useful in the compositions and processes of this invention can be determined from this drawing or by cooling the selected solution until crystallization occurs. The crystallized material can be separated from the supernatant aqueous phase by any suitable solid/liquid separation technique such as filtration, centrifugation, decantation and the like and the recovered wet solid can be dried by evaporation if desired.
Da niedrigere Kristallisationstemperaturen erforderlich sind, um die gewünschte Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente aus den verdünnteren Lösungen abzutrennen, ist es bevorzugt, mit konzentrierteren Lösungen mit höheren Kristallisationspunkten zu beginnen, wie etwa mit der 18-0-0-17-Harnstoff/Schwefelsäure- Zusammensetzung, die nur etwa 10 % Wasser enthält. Konzentriertere Lösungen und solche mit höheren Kristallisationstemperaturen, z.B. 25ºC (77ºF), sind sogar noch mehr bevorzugt, da weniger Abkühlung erforderlich ist, um eine gleiche Menge der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente zu erhalten. Im wesentlichen wasserfreie feste Zusammensetzungen können durch Waschen der getrockneten, kristallisierten Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente mit einem stark hydrophilen Lösungsmittel, wie etwa absolutem Ethanol oder Aceton, erhalten werden. 10 bis 100 Gew.-Teile Lösungsmittel pro Gewichtsteil gelöster Stoff sind üblicherweise für diesen Zweck angemessen. Verfahren zur Herstellung im wesentlichen wasserfreier Harnstoff/Schwefelsäure-Komponenten, die etwa 1 Gew.-% Wasser oder weniger enthalten und thermisch stabiler sind als wasserhaltigere Zusammensetzungen, sind in besagter Anmeldung 86 105 942.6 diskutiert. Solche Verfahren können verwendet werden, um andere thermisch stabile, wasserfreie Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten, die hier einsetzbar sind, herzustellen.Since lower crystallization temperatures are required to separate the desired chalcogen compound/sulfuric acid component from the more dilute solutions, it is preferred to start with more concentrated solutions with higher crystallization points, such as the 18-0-0-17 urea/sulfuric acid composition, which contains only about 10% water. More concentrated solutions and those with higher crystallization temperatures, e.g., 25°C (77°F), are even more preferred since less cooling is required to obtain an equal amount of the chalcogen compound/sulfuric acid component. Essentially anhydrous solid compositions can be obtained by washing the dried, crystallized chalcogen compound/sulfuric acid component with a highly hydrophilic solvent, such as absolute ethanol or acetone. From 10 to 100 parts by weight of solvent per part by weight of solute is usually adequate for this purpose. Methods for preparing substantially anhydrous urea/sulfuric acid components containing about 1% by weight of water or less and which are more thermally stable than more water-containing compositions are discussed in said application 86 105 942.6. Such methods can be used to prepare other thermally stable, anhydrous chalcogen compound/sulfuric acid components useful herein.
Die wasserfreien Monoaddukt enthaltenden Komponenten sind bei Umgebungsbedingungen stabil und besitzen vernachlässigbaren Dampfdruck bis zu ihren Zersetzungstemperaturen von bis zu 150ºC (300ºF). Sie zersetzen sich jedoch explosionsartig bei weit niedrigen Temperaturen in Gegenwart von Wasser. Zum Beispiel zersetzen sich die wasserhaltigen Harnstoff/Schwefelsäure-Zusammensetzungen bei 80ºC (176ºF).The anhydrous monoadduct-containing components are stable at ambient conditions and have negligible vapor pressure up to their decomposition temperatures of up to 150ºC (300ºF). However, they decompose explosively at much lower temperatures in the presence of water. For example, the hydrous urea/sulfuric acid compositions decompose at 80ºC (176ºF).
Die bevorzugteste feste Harnstoffzusammensetzung, die aus dem 1/1-molaren Harnstoff/Schwefelsäure-Addukt besteht, besitzt einen Schmelzpunkt von etwa 38ºC (100ºF), und der Schmelzpunkt der Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente zeigt an, wenn das Harnstoff/Säureverhältnis von 1:1 in irgendeiner Richtung in einer Weise abweicht, die parallel zu den Isothermen verläuft, die in der Zeichnung besagter Anmeldung 86 105 942.6 veranschaulicht sind.The most preferred solid urea composition consisting of the 1/1 molar urea/sulfuric acid adduct has a melting point of about 38°C (100°F), and the melting point of the urea/sulfuric acid component indicates when the urea/acid ratio deviates from 1:1 in any direction in a manner parallel to the isotherms illustrated in the drawing of said application 86 105 942.6.
Flüssige Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Zusammensetzungen, die bei den Verfahren dieser Erfindung verwendet werden, können mit irgendeiner Methode hergestellt werden, die in der Lage ist, eine Lösung der gewünschten Zusammensetzung herzustellen. Das Tensid und/oder die anderen Komponenten, wenn eingesetzt, können somit während oder unmittelbar nach ihrer Herstellung durch das in US-A-4,445,925 beschriebene Verfahren zur konzentrierten Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Lösung zugegeben werden, oder solche Komponenten können zur Chalcogenverbindung/Schwefelsäure- Lösung vor ihrer Verwendung bei der Katalyse organischer Reaktionen gemäß den Verfahren der Erfindung zugegeben werden. Alternativ können die fakultativen Komponenten, wenn eingesetzt, mit dem ausgewählten Lösungsmittel vor oder gleichzeitig mit der festen oder konzentrierten Chalcogenverbindung/Schwefelsäure- Komponente vermischt werden.Natürlich wird die Auflösung der oben beschriebenen festen Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Zusammensetzungen, die die gewünschten fakultativen Komponenten im ausgewählten Lösungsmittel enthalten, auch zur Bildung der aktiven flüssigen Zusammensetzung dieser Erfindung führen. Die in mehreren Ausführungsformen dieser Erfindung eingesetzten Schmelzen können einfach durch Schmelzen der ausgewählten festen Zusammensetzung hergestellt werden, entweder vor oder während des Kontakts mit dem, wie im weiteren beschrieben, umzuwandelnden organischen Material.Liquid chalcogen compound/sulfuric acid compositions used in the methods of this invention can be prepared by any method capable of producing a solution of the desired composition. Thus, the surfactant and/or other components, when employed, can be added to the concentrated chalcogen compound/sulfuric acid solution during or immediately after its preparation by the method described in US-A-4,445,925, or such components can be added to the chalcogen compound/sulfuric acid solution prior to its use in catalyzing organic reactions according to the methods of the invention. Alternatively, the optional components, when employed, can be mixed with the selected solvent prior to or simultaneously with the solid or concentrated chalcogen compound/sulfuric acid component. Of course, the dissolution of the solid chalcogen compound/sulfuric acid compositions described above, containing the desired optional components in the selected solvent also result in the formation of the active liquid composition of this invention. The melts employed in several embodiments of this invention can be prepared simply by melting the selected solid composition either before or during contact with the organic material to be converted as described below.
Die konjugierten Friedel-Crafts-Säuren dieser Erfindung können durch Umsetzen der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente mit einem oder mehreren Übergangsmetallhalogeniden hergestellt werden. Die Reaktion kann durchgeführt werden, indem die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente in einem polaren Lösungsmittel, wie etwa dem oben beschriebenen, gelöst wird und das Übergangsmetallhalogenid in der resultierenden Lösung gelöst oder dispergiert wird. Bewegung und erhöhte Temperaturen, wie etwa Temperaturen im Bereich von etwa 32 bis etwa 66ºC (etwa 90 bis 150ºF), erhöhen die Bildungsgeschwindigkeit der konjugierten Säure, d.h. der Kombination des Monoaddukts und des Übergangsmetallhalogenids.The conjugated Friedel-Crafts acids of this invention can be prepared by reacting the chalcogen compound/sulfuric acid component with one or more transition metal halides. The reaction can be carried out by dissolving the chalcogen compound/sulfuric acid component in a polar solvent such as that described above and dissolving or dispersing the transition metal halide in the resulting solution. Agitation and elevated temperatures, such as temperatures in the range of about 32 to about 66°C (about 90 to 150°F), increase the rate of formation of the conjugated acid, i.e., the combination of the monoadduct and the transition metal halide.
Die Reaktanten enthaltenden Zusammensetzungen dieser Erfindung können hergestellt werden, indem eine oder mehrere organische und/oder anorganische Reaktanten, wie etwa die im weiteren diskutierten, mit einer oder mehreren der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten, die bei den Verfahren dieser Erfindung einsetzbar sind, einschließlich der konjugierten Friedel-Crafts-Katalysatoren dieser Erfindung, in Gegenwart oder Abwesenheit eines zugesetzten Lösungsmittels oder Tensids vermischt werden. Diese Zusammensetzungen können entweder homogene Lösungen oder heterogene Mischungen sein, einschließlich Flüssig-Flüssig, Fest-Flüssig- oder Dampf-Flüssig-Mischungen der Chalcogen/Schwefelsäure- und/oder konjugierten Säure-Komponenten und eines oder mehrerer flüssiger, fester oder dampfförmiger Reaktanten.The reactant-containing compositions of this invention can be prepared by mixing one or more organic and/or inorganic reactants, such as those discussed below, with one or more of the chalcogen compound/sulfuric acid components useful in the processes of this invention, including the conjugated Friedel-Crafts catalysts of this invention, in the presence or absence of an added solvent or surfactant. These compositions can be either homogeneous solutions or heterogeneous mixtures, including liquid-liquid, solid-liquid, or vapor-liquid mixtures of the chalcogen/sulfuric acid and/or conjugated acid components and one or more liquid, solid, or vapor reactants.
Die neuartigen Verfahren dieser Erfindung beinhalten säurekatalysierte Reaktionen von organischen Verbindungen in Gegenwart einer katalytisch aktiven Menge der beschriebenen Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten in Gegenwart oder Abwesenheit zusätzlicher Komponenten, wie etwa Tensiden, Übergangsmetallhalogeniden und/oder der konjugierten Friedel-Crafts- Katalysatoren dieser Erfindung, und die Bezugnahme auf die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten in der Beschreibung der Verfahren dieser Erfindung ist so gemeint, daß sie Zusammensetzungen einschließt, die solche zusätzlichen Komponenten enthalten. Die neuartigen lösungsmittel- und/oder tensidhaltigen Zusammensetzungen sind bei Reaktionen bevorzugt, die relativ lipophile organische Materialien beinhalten, da Tenside die Aktivität der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure- Komponente gegenüber solchen Materialien verstärken.The novel processes of this invention involve acid-catalyzed reactions of organic compounds in the presence of a catalytically active amount of the described chalcogen compound/sulfuric acid components in the presence or absence of additional components such as surfactants, transition metal halides and/or the conjugated Friedel-Crafts catalysts of this invention, and reference to the chalcogen compound/sulfuric acid components in the description of the processes of this invention is meant to include compositions containing such additional components. The novel solvent and/or surfactant-containing compositions are preferred in reactions involving relatively lipophilic organic materials since surfactants enhance the activity of the chalcogen compound/sulfuric acid component toward such materials.
Jede organische Reaktion, die durch relativ starke Säuren, wie etwa Schwefelsäure, katalysiert wird, kann nach den Verfahren dieser Erfindung durchgeführt werden. Eine Vielzahl solcher Reaktionen sind in der Literatur gut bekannt, und viele werden in der Kirk-Othmer-Veröffentlichung Encyclopedia of Chemical Technology, auf die oben Bezug genommen wurde, und in den Literaturstellen, auf die darin Bezug genommen wird, wobei deren Offenbarungen hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit eingeschlossen sind, diskutiert. Veranschaulichend für solche säurekatalysierten Reaktionen sind (1) Oxidation, wie etwa oxidative Additionsreaktion; (2) Reduktion, wie etwa reduktive Additionsreaktion; (3) Veresterung; (4) Umesterung; (5) Hydrierung; (6) Isomerisierung, einschließlich Racemisierung optischer Isomere; (7) Hydrolyse, die für die Zwecke dieser Offenbarung Alkoholyse und Thiolyse einschließt, d.h. die Reaktion organischer Verbindungen mit Alkoholen und Thiolen; (8) Alkylierung; (9) Polymerisierung von olefinisch ungesättigten organischen Verbindungen; (10) Friedel-Crafts-Reaktionen; (11) Entmetallisierung; und (12) Nitrierungsreaktionen. Andere Reaktionen, von denen bekannt ist, daß sie von sauren Katalysatoren katalysiert werden, können ebenfalls durch die hier beschriebenen Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten katalysiert werden. Die im weiteren diskutierten speziellen Verfahren können durch irgendeine der oben diskutierten Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Katalysatorkomponenten katalysiert werden, einschließlich der Tensid und/oder Übergangsmetallhalogenid enthaltenden Komponenten.Any organic reaction catalyzed by relatively strong acids, such as sulfuric acid, can be carried out by the methods of this invention. A variety of such reactions are well known in the literature, and many are discussed in the Kirk-Othmer publication Encyclopedia of Chemical Technology referenced above and in the references referenced therein, the disclosures of which are incorporated herein by reference in their entirety. Illustrative of such acid-catalyzed reactions are (1) oxidation, such as oxidative addition reaction; (2) reduction, such as reductive addition reaction; (3) esterification; (4) transesterification; (5) hydrogenation; (6) isomerization, including racemization of optical isomers; (7) hydrolysis, which for the purposes of this disclosure includes alcoholysis and thiolysis, i.e., the reaction of organic compounds with alcohols and thiols; (8) alkylation; (9) polymerization of olefinically unsaturated organic compounds; (10) Friedel-Crafts reactions; (11) demetallation; and (12) nitration reactions. Other reactions known to be catalyzed by acid catalysts can also be catalyzed by the chalcogen compound/sulfuric acid components described herein. The specific processes discussed further can be catalyzed by any of the chalcogen compound/sulfuric acid catalyst components discussed above, including the surfactant and/or transition metal halide containing components.
Säurekatalysierte oxidative Reaktionen beinhalten primär die Abstraktion von Wasserstoff von einer organischen Verbindung durch Umsetzen der Verbindung mit einem Oxidationsmittel. Ein veranschaulichendes Beispiel für solche Reaktionen ist die oxidative Addition von organischen Verbindungen, veranschaulicht durch die folgende Gleichung:Acid-catalyzed oxidative reactions primarily involve the abstraction of hydrogen from an organic compound by reacting the compound with an oxidizing agent. An illustrative example of such reactions is the oxidative addition of organic compounds, illustrated by the following equation:
R&sub1;H + R&sub2;H + 1/2 O&sub2; --> R&sub1;R&sub2; + H&sub2;O (1)R₁H + R₂H + 1/2 O₂ --> R1R2 + H₂O (1)
in der R&sub1; und R&sub2; identische oder verschiedene Kohlenwasserstoffreste sind, einschließlich geradkettigen und verzweigtkettigen Alkanen; Alkenen; Alkinen; Aromaten; Alkyl-, Alkenyl- und alkinylsubstituierten Arylen; und arylsubstituierten Alkanen, Alkenen und Alkinen, mit im wesentlichen irgendeinem Molekulargewicht, aber üblicherweise mit von 1 bis etwa 40 Kohlenstoffatomen pro Molekül. Bevorzugte Reaktanten schließen Olefine, insbesondere Alpha-Olefine ein.wherein R₁ and R₂ are identical or different hydrocarbon radicals, including straight-chain and branched-chain alkanes; alkenes; alkynes; aromatics; alkyl-, alkenyl- and alkynyl-substituted aryls; and aryl-substituted alkanes, alkenes and alkynes, of essentially any molecular weight, but usually having from 1 to about 40 carbon atoms per molecule. Preferred reactants include olefins, particularly alpha-olefins.
Die säurekatalysierten Oxidationsreaktionen können beschleunigt werden, indem die umzuwandelnde organische Verbindung im Gegenwart eines Oxidationsmittels, das vorzugsweise Sauerstoff ist, wie in der obigen Gleichung veranschaulicht, mit der Katalysatorkomponente in Kontakt gebracht wird. Die oxidative Additionsreaktion, die in der Gleichung veranschaulicht ist, erfordert nur, daß die organische Verbindung eine Kohlenstoff/Wasserstoff-Bindung enthält, die in der Lage ist, oxidative Additionsreaktionen zu durchlaufen. Die organische Verbindung kann entweder in einer Schmelze oder einer Lösung der Katalysatorkomponente in einem geeigneten Lösungsmittel dispergiert oder gelöst sein, oder sie kann durch herkömmliche Misch- und Kontaktverfahren mit der Katalysatorkomponente in Kontakt gebracht werden.The acid-catalyzed oxidation reactions can be accelerated by contacting the organic compound to be converted with the catalyst component in the presence of an oxidizing agent, which is preferably oxygen, as illustrated in the above equation. The oxidative The addition reaction illustrated in the equation requires only that the organic compound contain a carbon/hydrogen bond capable of undergoing oxidative addition reactions. The organic compound may be dispersed or dissolved in either a melt or a solution of the catalyst component in a suitable solvent, or it may be brought into contact with the catalyst component by conventional mixing and contacting techniques.
Säurekatalysierte Reduktionsreaktionen organischer Verbindungen gemäß den Verfahren dieser Erfindung können die Addition von Wasserstoff zu ungesättigten organischen Verbindungen beinhalten. Veranschaulichende Reaktionen schließen die Hydrierung organischer Verbindungen ein, die olefinische, alkinylische oder aromatische Ungesättigtheit enthalten, und reduktive Additionsreaktionen, wie etwa Dimerisierungs-, Oligomerisierungs- und Polymerisierungs-Reaktionen,wie schematisch in der folgenden Gleichung veranschaulicht: und höhere Polymere (2)Acid-catalyzed reduction reactions of organic compounds according to the methods of this invention can involve the addition of hydrogen to unsaturated organic compounds. Illustrative reactions include the hydrogenation of organic compounds containing olefinic, alkynylic or aromatic unsaturation and reductive addition reactions such as dimerization, oligomerization and polymerization reactions as schematically illustrated in the following equation: and higher polymers (2)
in der R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; identische oder verschiedene funktionelle Gruppen sind, ausgewählt aus Wasserstoff und Alkyleinheiten mit von 1 bis etwa 20 Kohlenstoffatomen. Bevorzugte Reaktanten schließen normale und verzweigtkettige Alkene und alkenylaromatische Verbindungen ein. Die säurekatalysierten Reduktionsreaktionen können durchgeführt werden, indem die umzuwandelnde organische Verbindung mit einem Reduktionsmittel, wie etwa Wasserstoff, Hydrazin und/oder anderen Reduktionsmitteln, in Abwesenheit von Oxidationsmitteln in Kontakt gebracht wird.wherein R₁, R₂, R₃ and R₄ are identical or different functional groups selected from hydrogen and alkyl moieties having from 1 to about 20 carbon atoms. Preferred reactants include normal and branched chain alkenes and alkenyl aromatic compounds. The acid-catalyzed reduction reactions can be carried out by contacting the organic compound to be converted with a reducing agent such as hydrogen, hydrazine and/or other reducing agents in the absence of oxidizing agents.
Solche Reaktionen können durchgeführt werden, indem eine Zusammensetzung, wie etwa eine Schmelze, Lösung oder Dispersion, die die ungesättigten organischen Verbindungen, das Reduktionsmittel und die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente enthält, in Abwesenheit von Oxidationsmitteln unter Temperatur- und Druckbedingungen hergestellt wird, die ausreichen, um die reduktive Additionsreaktion zu beschleunigen. Wie durch die im weiteren diskutierten Beispiel veranschaulicht, kann die reduktive Addition von Propylen bei Raumtemperatur beschleunigt werden.Such reactions can be carried out by preparing a composition, such as a melt, solution or dispersion, containing the unsaturated organic compounds, the reducing agent and the chalcogen compound/sulfuric acid component in the absence of oxidizing agents under conditions of temperature and pressure sufficient to accelerate the reductive addition reaction. As illustrated by the example discussed below, the reductive addition of propylene can be accelerated at room temperature.
Säurekatalysierte Veresterungsreaktionen gemäß den Verfahren dieser Erfindung beinhalten typischerweise das Umsetzen einer veresterbaren organischen Verbindung mit einer oder mehreren Amid-, Nitril-, Carbonsäure-, Carbonsäureanhydrid-, Acylhalogenid- und/oder Thiocarbonsäuregruppen, mit einem organischen Alkohol oder Thiol in Gegenwart der sauren Katalysatorkomponente. Solche Reaktionen können durchgeführt werden, indem eine Zusammensetzung, die die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure- Katalysatorkomponente, eine oder mehrere veresterbare organische Verbindungen und einen (ein) oder mehrere Alkohole, Thiole und/oder Amine enthält, unter Veresterungsbedingungen in Kontakt gebracht wird. Reaktionen von Säuren, Amiden und Thiosäuren werden durch die folgende Gleichung veranschaulicht:Acid-catalyzed esterification reactions according to the methods of this invention typically involve reacting an esterifiable organic compound having one or more amide, nitrile, carboxylic acid, carboxylic anhydride, acyl halide and/or thiocarboxylic acid groups with an organic alcohol or thiol in the presence of the acidic catalyst component. Such reactions can be carried out by contacting a composition containing the chalcogen compound/sulfuric acid catalyst component, one or more esterifiable organic compounds and one or more alcohols, thiols and/or amines under esterification conditions. Reactions of acids, amides and thioacids are illustrated by the following equation:
R&sub1;( -Y)xHx + R&sub2;(Z)xHx T R&sub1;( -Z)xR&sub2; + H2xYx (3)R₁(-Y)xHx + R₂(Z)xHx T R₁(-Z)xR₂ + H2xYx (3)
in der R&sub1; und R&sub2; irgendwelche organischen Reste sind, einschließlich natürlicher und synthetischer Polymere, wie etwa teilweise hydrolysiertem Protein oder Cellulose, Nylon, Dacron, etc., und Y und Z identische oder verschiedene zweiwertige Reste sind, ausgewählt aus Sauerstoff-, Schwefel- und NH-Gruppen. x ist eine ganze Zahl von 1 oder größer und kann in einem Bereich bis zu 1000 oder mehr liegen, in Abhängigkeit vom Molekulargewicht der betroffenen Verbindung. Zum Beispiel können teilweise hydrolysierte Polymere, wie diejenigen, auf die oben Bezug genommen wurde, 100 oder mehr funktionelle Gruppen enthalten, die in der Lage sind, Veresterung durch die säurekatalysierten Verfahren dieser Erfindung zu durchlaufen.in which R₁ and R₂ are any organic radicals including natural and synthetic polymers such as partially hydrolyzed protein or cellulose, nylon, dacron, etc., and Y and Z are identical or different divalent radicals selected from oxygen, sulfur and NH groups. x is an integer of 1 or greater and may range up to 1000 or more depending on the molecular weight of the compound involved. For example, partially hydrolyzed polymers such as those referred to above may contain 100 or more functional groups capable of undergoing esterification by the acid-catalyzed processes of this invention.
Die Reaktionen von Alkoholen, Thiolen und Aminen mit organischen Cyaniden und Acylhalogeniden, obgleich nicht veranschaulicht in Gleichung (3) oben, sind gut bekannt und können durch die Verfahren dieser Erfindung beschleunigt werden. Zum Beispiel kann die Reaktion von Alkoholen mit Acylchloriden durch das Verfahren der Erfindung katalysiert werden, um den entsprechenden Ester und Chlorwasserstoff zu bilden, und die Reaktionen von organischen Cyaniden mit Wasser und/oder Alkoholen führt zur Bildung der entsprechenden Ester und Ammoniak, wie bei Kirk- Othmer, Bd. 9, S.302, diskutiert. Die Ammoniakentwicklung durch Veresterung von Nitrilen und Amiden kann zum Verbrauch eines Teils der Schwefelsäure in der Katalysatorkomponente führen, wird aber nicht das Auftreten der säurekatalysierten Veresterung verhindern. Von Ammoniak oder anderen Basen, die in Veresterungsreaktionen (oder in anderen säurekatalysierten Reaktionen, die von den Verfahren dieser Erfindung eingeschlossen sind) produziert werden oder in ihnen vorliegen, verbrauchte Schwefelsäure kann ersetzt werden, indem zusätzliche Schwefelsäure, falls gewünscht, während des Verfahrens zugesetzt wird.The reactions of alcohols, thiols and amines with organic cyanides and acyl halides, although not illustrated in equation (3) above, are well known and can be accelerated by the processes of this invention. For example, the reaction of alcohols with acyl chlorides can be catalyzed by the process of the invention to form the corresponding ester and hydrogen chloride, and the reactions of organic cyanides with water and/or alcohols result in the formation of the corresponding esters and ammonia, as discussed in Kirk-Othmer, Vol. 9, p. 302. The evolution of ammonia by esterification of nitriles and amides can result in consumption of a portion of the sulfuric acid in the catalyst component, but will not prevent the acid-catalyzed esterification from occurring. Sulfuric acid consumed by ammonia or other bases produced or present in esterification reactions (or in other acid-catalyzed reactions encompassed by the processes of this invention) can be replaced by adding additional sulfuric acid, if desired, during the process.
Obwohl Gleichung (3) oben angibt, daß alle Acyleinheiten mit einem mit R&sub1; angegebenen organischen Rest verbunden sind, und daß alle Alkohol-,Thiol- und/oder Amineinheiten mit einem als R&sub2; identifizierten organischen Rest verbunden sind, ist diese Gleichungsform nur beispielhaft verwendet. Zum Beispiel kann eine polyfunktionelle Carbonsäure mit einer Reihe monofunktioneller Alkohole verestert werden; umgekehrt kann eine Reihe monofunktioneller Carbonsäuren, Thiosäuren, etc., durch weniger Moleküle eines polyfunktionellen Alkohols, Thiols, etc., verestert werden.Although equation (3) above indicates that all acyl moieties are linked to an organic moiety identified as R₁, and that all alcohol, thiol and/or amine moieties are linked to an organic moiety identified as R₂, this form of equation is used only by way of example. For example, a polyfunctional carboxylic acid can be linked to a series of monofunctional alcohols; conversely, a series of monofunctional carboxylic acids, thioacids, etc., can be esterified by fewer molecules of a polyfunctional alcohol, thiol, etc.
Im wesentlichen jede Umesterungsreaktion kann durch die Verfahren dieser Erfindung durchgeführt werden, einschließlich (a) Ester/Ester-Austausch, (b) Alkoholyse, die den Austausch von Alkohol-, Thiol- oder Aminogruppen beinhaltet, und (c) Acidolyse, die den Austausch von Carbonsäure-, Thiocarbonsäure- und/oder Amidgruppen beinhaltet. Solche Umesterungsreaktionen können durchgeführt werden, indem eine Zusammensetzung, die (1) die bei dieser Erfindung einsetzbare Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente, (2) einen Carbonsäureester, Thioester und/oder Amidoester und (3) entweder (a) einen unterschiedlichen Organoester, Thioester und/oder Amidoester, (b) eine Carbonsäure, Thiosäure oder ein Amid, (c) einen Alkohol, ein Thiol und/oder ein Amin oder (d) Kombinationen von (a), (b) und (c) enthält, unter Veresterungsbedingungen in Kontakt gebracht wird. Solche Reaktionen sind schematisch durch die folgenden Gleichungen veranschaulicht:Essentially any transesterification reaction can be carried out by the processes of this invention, including (a) ester/ester exchange, (b) alcoholysis involving the exchange of alcohol, thiol or amino groups, and (c) acidolysis involving the exchange of carboxylic acid, thiocarboxylic acid and/or amide groups. Such transesterification reactions can be carried out by contacting under esterification conditions a composition containing (1) the chalcogen compound/sulfuric acid component useful in this invention, (2) a carboxylic acid ester, thioester and/or amidoester, and (3) either (a) a different organoester, thioester and/or amidoester, (b) a carboxylic acid, thioacid or amide, (c) an alcohol, thiol and/or amine, or (d) combinations of (a), (b) and (c). Such reactions are schematically illustrated by the following equations:
(a) Ester-Ester-Austausch (a) Ester-ester exchange
(b) Alkoholyse(b) Alcoholysis
R&sub1;( -ZR&sub2;)x + xR&sub3;YH --> R&sub1;( -YR&sub3;)x + xR&sub2;Z (4)R₁( -ZR₂)x + xR₃YH --> R₁( -YR₃)x + xR₂Z (4)
(c) Acidolyse (c) Acidolysis
Wie im Fall der durch die Gleichung (3) oben veranschaulichten Veresterung können die in den Gleichungen 4 (a), (b) und (c) enthaltenen R&sub1;-, R&sub2;-, R&sub3;- und R&sub4;-Einheiten identische oder verschiedene organische Einheiten mit im wesentlichen irgendeinem Molekulargewicht sein, Y und Z identische oder verschiedene zweiwertige Reste sein, ausgewählt aus Sauerstoff-, Schwefel- und NH-Gruppen, und x irgendeine ganze Zahl von 1 oder größer darstellen. Auch können, wie im Veresterungsfall, Verbindungen, die eine oder mehrere Estergruppen enthalten, entweder mit mono- oder polyfunktionellen Estern, Alkoholen, Thiolen, Säuren, Thiosäuren, etc. umgesetzt werden. Zum Beispiel können Alkohole, wie etwa 1-Butanol, entweder mit einfachen Estern, wie etwa Ethylacetat, um Butylacetat herzustellen, oder mit komplexen Polyamiden, wie etwa Proteinen, um die entsprechenden Butylester von den im Protein enthaltenen Aminosäure herzustellen, umgesetzt werden.As in the case of the esterification illustrated by equation (3) above, the R1, R2, R3 and R4 moieties contained in equations 4(a), (b) and (c) may be identical or different organic moieties of substantially any molecular weight, Y and Z may be identical or different divalent radicals selected from oxygen, sulfur and NH groups, and x may represent any integer of 1 or greater. Also, as in the case of esterification, compounds containing one or more ester groups may be reacted with either mono- or polyfunctional esters, alcohols, thiols, acids, thioacids, etc. For example, alcohols, such as 1-butanol, can be reacted either with simple esters, such as ethyl acetate, to produce butyl acetate, or with complex polyamides, such as proteins, to produce the corresponding butyl esters of the amino acid contained in the protein.
Die säurekatalysierten Hydrierungsreaktionen dieser Erfindung können durchgeführt werden, indem eine Zusammensetzung, die (1) eine organische Verbindung, die Kohlenstoff/Kohlenstoff-Ungesättigtheit enthält, (2) Wasserstoff und (3) den Chalcogenverbindung/Schwefelsäure enthaltenden Katalysator enthält, unter Hydrierungsbedingungen in Kontakt gebracht wird. Die Reaktion kann durchgeführt werden, indem eine Zusammensetzung, die die saure Katalysatorkomponente, Wasserstoff und eine ungesättigte organische Verbindung enthält, Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt wird, die ausreichen, um Hydrierung zu beschleunigen. Die Hydrierung von Olefinen ist durch die Gleichung (5) veranschaulicht:The acid-catalyzed hydrogenation reactions of this invention can be carried out by contacting a composition containing (1) an organic compound containing carbon/carbon unsaturation, (2) hydrogen, and (3) the chalcogen compound/sulfuric acid-containing catalyst under hydrogenation conditions. The reaction can be carried out by subjecting a composition containing the acidic catalyst component, hydrogen, and an unsaturated organic compound to temperature and pressure conditions sufficient to promote hydrogenation. The hydrogenation of olefins is illustrated by equation (5):
R&sub1;(CH=CH)xR2 + xH&sub2; --> R&sub1;(CH&sub2;-CH&sub2;)xR&sub2; (5)R₁(CH=CH)xR2 + xH₂ --> R₁(CH₂-CH₂)xR₂ (5)
in der R&sub1; und R&sub2; identisch oder verschieden Wasserstoff oder organische Einheiten mit im wesentlichen irgendeinem Molekulargewicht sind und x irgendeine ganze Zahl von 1 oder größer ist. Zum Beispiel können die Verfahren dieser Erfindung eingesetzt werden, um Ethylen sowie Polymere mit Molekulargewichten von 100.000 oder mehr zu hydrieren, wobei diese Polymere eine Vielzahl von Olefinbindungen enthalten. Sie können auch eingesetzt werden, um Benzol, Alkyl- oder Alkenylaromaten, Alkine und andere ungesättigte organische Verbindungen zu hydrieren. Olefinisch ungesättigte organische Verbindungen, insbesondere Kohlenwasserstoff-Verbindungen, mit 2 bis etwa 40 Kohlenstoffatomen sind gegenwärtig bevorzugt. Die Hydrierungsreaktionen können durch Wasserstoff, Hydrazin oder andere Hydrierungsmittel beschleunigt werden und werden vorzugsweise in Abwesenheit von Oxidationsmittel, wie etwa Sauerstoff und anderen Oxidationsmitteln, durchgeführt.in which R�1 and R₂ identical or different are hydrogen or organic moieties of substantially any molecular weight; and x is any integer of 1 or greater. For example, the processes of this invention can be used to hydrogenate ethylene as well as polymers having molecular weights of 100,000 or more, which polymers contain a plurality of olefin linkages. They can also be used to hydrogenate benzene, alkyl or alkenyl aromatics, alkynes, and other unsaturated organic compounds. Olefinically unsaturated organic compounds, particularly hydrocarbon compounds, having from 2 to about 40 carbon atoms are presently preferred. The hydrogenation reactions can be accelerated by hydrogen, hydrazine, or other hydrogenating agents, and are preferably carried out in the absence of oxidizing agents such as oxygen and other oxidizing agents.
Die säurekatalysierten Isomerisierungsreaktionen beinhalten die Isomerisierung irgendwelcher organischer Verbindungen mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen, indem solche Verbindungen unter Isomerisierungsbedingungen mit der brauchbaren Säurekatalysator- Komponente in Kontakt gebracht werden. Solche Isomerisierungsreaktionen können durchgeführt werden, indem eine Zusammensetzung, die die Säure-Katalysatorkomponente und eine oder mehrere organische Verbindungen enthält, unter Isomerisierungsbedingungen in Kontakt gebracht wird. Im wesentlichen alle organischen Verbindungen können mit den Verfahren dieser Erfindung isomerisiert werden, einschließlich Kohlenwasserstoffen und organischen Verbindungen, die andere Elemente als Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten, wie etwa Sauerstoff, Schwefel, Phosphor, Stickstoff und dergleichen. Das Vorhandensein funktioneller Gruppen in den in säurekatalysierten Isomerisierungsreaktionen dieser Erfindung eingesetzten organischen Verbindungen, die in Gegenwart der sauren Katalysatorkomponente reaktiv sind, können zusätzlich zur Isomerisierung zum Auftreten anderer Reaktionen führen. Nichtsdestoweniger wird auch Isomerisierung auftreten.The acid-catalyzed isomerization reactions involve the isomerization of any organic compounds having four or more carbon atoms by contacting such compounds with the useful acid catalyst component under isomerization conditions. Such isomerization reactions can be carried out by contacting a composition containing the acid catalyst component and one or more organic compounds under isomerization conditions. Essentially all organic compounds can be isomerized by the processes of this invention, including hydrocarbons and organic compounds containing elements other than carbon and hydrogen, such as oxygen, sulfur, phosphorus, nitrogen, and the like. The presence of functional groups in the organic compounds employed in acid-catalyzed isomerization reactions of this invention that are reactive in the presence of the acid catalyst component can, in addition to isomerization, lead to the occurrence of other reactions. Nevertheless, isomerization will also occur.
Die Isomerisierungsreaktionen, die von den Verfahren dieser Erfindung eingeschlossen sind, sind insbesondere brauchbar für die Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen mit niedrigem Molekulargewicht, die 4 bis etwa 20 Kohlenstoffatome pro Molekül aufweisen. Sie sind auch brauchbar für die Racemisierung optischer Isomere, d.h. die Umwandlung von rechts- oder linksdrehenden Isomeren in das entsprechende racemische Gemisch.The isomerization reactions encompassed by the processes of this invention are particularly useful for the isomerization of low molecular weight hydrocarbons having from 4 to about 20 carbon atoms per molecule. They are also useful for the racemization of optical isomers, i.e., the conversion of right- or left-handed isomers into the corresponding racemic mixture.
Die säurekatalysierten Hydrolysereaktionen schließen die Reaktion von Wasser, Alkoholen, Thiolen oder Aminen mit (a) Carbonsäure-Amidoestern, einschließlich Polyamiden; (b) Carbonsäureestern und -polyester, wie etwa Proteinen, d.h. Polyaminosäureester; (c) Thiocarbonsäureestern und -polyestern; (d) Estern und Thioethern, einschließlich Polyoxyethern und Thioethern, wie etwa Cellulose, Rayon, Stärken und anderen Polysacchariden; (e) Di- und Polyalkylaminen, einschließlich Polyaminen; (f) organischen Verbindungen, die olefinische Ungesättigtheit enthalten; und (g) Epoxiden ein. Solche Hydrolysereaktionen können durchgeführt werden, indem eine Zusammensetzung, die (1) die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente, (2) eine organische Verbindung mit einer oder mehreren hydrolysierbaren funktionellen Gruppen, wie etwa Amidoester-, Säureester-, Thioester-, Ether-, Thioether-, Amino-, olefinischen und/oder Epoxybindungen, und (3) eine hydrolysierende Verbindung, wie etwa Wasser, Alkohole, Thiole und/oder Amine, unter Temperatur- und Druckbedingungen in Kontakt gebracht wird, die ausreichend sind, um Hydrolyse der hydrolysierbaren funktionellen Gruppe zu beschleunigen. Alternativ kann die organische Verbindung, die eine hydrolysierbare funktionelle Gruppe, wie etwa Amidoester, Säureester, etc., unter hydrolysierenden Bedingungen mit einer Zusammensetzung, die den Chalcogenverblndung/Schwefelsäure enthaltenden sauren Katalysator und eine hydrolysierende Verbindung enthält, in Kontakt gebracht werden.The acid-catalyzed hydrolysis reactions include the reaction of water, alcohols, thiols or amines with (a) carboxylic acid amidoesters, including polyamides; (b) carboxylic acid esters and polyesters, such as proteins, i.e., polyamino acid esters; (c) thiocarboxylic acid esters and polyesters; (d) esters and thioethers, including polyoxyethers and thioethers, such as cellulose, rayon, starches and other polysaccharides; (e) di- and polyalkylamines, including polyamines; (f) organic compounds containing olefinic unsaturation; and (g) epoxides. Such hydrolysis reactions can be carried out by contacting a composition comprising (1) the chalcogen compound/sulfuric acid component, (2) an organic compound having one or more hydrolyzable functional groups such as amidoester, acid ester, thioester, ether, thioether, amino, olefinic and/or epoxy linkages, and (3) a hydrolyzing compound such as water, alcohols, thiols and/or amines under conditions of temperature and pressure sufficient to promote hydrolysis of the hydrolyzable functional group. Alternatively, the organic compound having a hydrolyzable functional group such as amidoester, acid ester, etc. can be contacted under hydrolyzing conditions with a composition comprising the chalcogen compound/sulfuric acid-containing acidic catalyst and a hydrolyzing compound.
Mehrere der Hydrolysierungsreaktionen, die von dieser Ausführungsform der Erfindung eingeschlossen sind, sind auch von den Umesterungsverfahren dieser Erfindung eingeschlossen, die, wie oben diskutiert, Alkoholyse beinhalten. Solche Reaktionen schließen die Reaktion von Alkoholen, Thiolen und/oder Aminen mit (1) Mono- oder Polycarbonsäurestern oder -polyestern; (2) mono- oder polyfunktionellen Thiocarbonsäureestern oder -polyestern und (3) Mono- oder Polycarbonsäureamidoestern oder -polyamidoestern ein.Several of the hydrolysis reactions encompassed by this embodiment of the invention are also encompassed by the transesterification processes of this invention, which, as discussed above, involve alcoholysis. Such reactions include the reaction of alcohols, thiols and/or amines with (1) mono- or polycarboxylic acid esters or polyesters; (2) mono- or polyfunctional thiocarboxylic acid esters or polyesters; and (3) mono- or polycarboxylic acid amido esters or polyamido esters.
Ein besonders interessanter Aspekt der Hydrolysereaktionen, die gemäß den Verfahren dieser Erfindung bewirkt werden können, besteht darin, daß sie entweder für die teilweise oder die vollständige Hydrolyse von natürlichen oder synthetischen Polymeren, wie etwa Polysacchariden, einschließlich Cellulose, Stärken und dergleichen, Protein, Rayon, Nylon und anderen eingesetzt werden können, indem solche Materialien mit den sauren Katalysatorkomponenten dieser Erfindung, die Wasser enthalten, in Kontakt gebracht werden. Solche Reaktionen laufen sogar bei Raumtemperatur ab, und sie führen, wenn man sie bis zur Vervollständigung laufen läßt, zur vollständigen Depolymerisation, d.h. vollständigen Hydrolyse des Polymers. Zum Beispiel kann Cellulose vollständig zu Glucose umgewandelt werden, und Proteine können durch dieses Verfahren vollständig zu Aminosäuren umgewandelt werden. Die teilweise Hydrolyse von Cellulose scheint für die dramatische herbizide Aktivität der in den Verfahren dieser Erfindung eingesetzten Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten verantwortlich zu sein, und die herbizide Aktivität von Harnstoff/Schwefelsäure-Komponenten ist in größerem Detail in der anhängigen Anmeldung Nr. 86 105 942.6 diskutiert. Die Fähigkeit von Tensiden, die Aktivität der Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente zu verstärken und die Vielfalt der kontrollierten Vegetation zu verbreitern, ist ebenfalls in besagter anhängigen Anmeldung diskutiert. Die anderen Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten zeigen ähnliche herbizide Aktivität, wenn sie mit Tensiden kombiniert werden.A particularly interesting aspect of the hydrolysis reactions which can be effected according to the processes of this invention is that they can be used for either the partial or complete hydrolysis of natural or synthetic polymers such as polysaccharides including cellulose, starches and the like, protein, rayon, nylon and others by contacting such materials with the acidic catalyst components of this invention which contain water. Such reactions proceed even at room temperature and, if allowed to proceed to completion, result in complete depolymerization, i.e., complete hydrolysis of the polymer. For example, cellulose can be completely converted to glucose and proteins can be completely converted to amino acids by this process. The partial hydrolysis of cellulose appears to be responsible for the dramatic herbicidal activity of the chalcogen compound/sulfuric acid components used in the processes of this invention, and the herbicidal activity of urea/sulfuric acid components is discussed in greater detail in pending application No. 86 105 942.6. The ability of surfactants to enhance the activity of the urea/sulfuric acid component and to increase the diversity of controlled vegetation is also discussed in said pending application. The other chalcogen compound/sulfuric acid components show similar herbicidal activity when combined with surfactants.
Die Hydrolysereaktionen sind teilweise durch die folgenden Gleichungen veranschaulicht, die nur als schematische Darstellungen mehrerer säurekatalysierter Hydrolysereaktionen, die von den Verfahren dieser Erfindung eingeschlossen werden, gedacht sind: The hydrolysis reactions are illustrated in part by the following equations, which are intended only as schematic representations of several acid-catalyzed hydrolysis reactions encompassed by the processes of this invention:
Gleichung 6(a) stellt die vollständige säurekatalysierte Hydrolyse von Aminosäureestern, einschließlich Polyaminosäureestern, wie etwa Proteinen, durch Reaktion mit einem hydrolysierenden Mittel dar. Gemäß Formel 6(a) kann R&sub1; irgendeine difunktionelle organische Einheit sein, Y kann Wasserstoff oder eine monofunktionelle endständige organische Einheit sein, wie etwa Kalium oder ein anderes Metall-Ion, R&sub2; ist Wasserstoff oder irgendeine organische Einheit, einschließlich Kohlenwasserstoffresten mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen pro Molekül, X ist Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff oder eine Kombination von diesen, und n ist eine ganze Zahl von 1 oder größer. Aus Formel 6(a) kann man sehen, daß die Reaktion von Protein - einem Poly-α- Aminosäurester - mit Wasser zur Bildung der Aminosäure-Monomereinheiten, die im Protein enthalten sind, führt, wenn man sie bis zur Vervollständigung laufen lädt. Formel 6(b) veranschaulicht die Hydrolyse eines Diorganoamins durch Reaktion mit einem organischen Thiol, in dem R&sub1;, R&sub2; und R&sub3; irgendeine organische Einheit sein können.Equation 6(a) represents the complete acid-catalyzed hydrolysis of amino acid esters, including polyamino acid esters, such as proteins, by reaction with a hydrolyzing agent. According to formula 6(a), R₁ can be any difunctional organic moiety, Y can be hydrogen or a monofunctional terminal organic moiety such as potassium or another metal ion, R₂ is hydrogen or any organic moiety including hydrocarbon radicals having from 1 to 20 carbon atoms per molecule, X is oxygen, sulfur, nitrogen, or a combination of these, and n is an integer of 1 or greater. From Formula 6(a), it can be seen that the reaction of protein - a poly-α-amino acid ester - with water results in the formation of the amino acid monomer units contained in the protein when allowed to run to completion. Formula 6(b) illustrates the hydrolysis of a diorganoamine by reaction with an organic thiol in which R₁, R₂, and R₃ can be any organic moiety.
Formel 6(c) veranschaulicht die Hydrolyse eines organischen Thioesters durch Reaktion mit Wasser, um die entsprechende Carbonsäure und Thiol, in dem R&sub1; und R&sub2; irgendwelche organischen Einheiten sein können, herzustellen. Wie im Fall der anderen Hydrolysereaktionen, die von dieser Ausführungsform der Erfindung eingeschlossen sind, können Alkohole, Thiole und/oder Amine das in Formel 6(c) dargestellte Wasser ersetzen oder damit kombiniert werden.Formula 6(c) illustrates the hydrolysis of an organic thioester by reaction with water to produce the corresponding carboxylic acid and thiol, in which R1 and R2 can be any organic moieties. As in the case of the other hydrolysis reactions encompassed by this embodiment of the invention, alcohols, thiols and/or amines can replace or be combined with the water depicted in Formula 6(c).
Formel 6(d) veranschaulicht schematisch die Hydrolyse eines organischen Epoxids durch die säurekatalysierte Reaktion des Epoxids mit Wasser, Thiolen, Alkoholen oder Aminen, in denen R&sub4; und R&sub5; einwertige Einheiten sind, ausgewählt aus Wasserstoff und irgendeiner organischen Einheit, R&sub6; eine einwertige organische Einheit mit wenigstens einem Kohlenstoffatom ist und X ausgewählt ist aus Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff. Die Hydrolyse von Olefinen, einschließlich polyfunktionellen Olefinen, mit Wasser, Alkoholen, Thiolen oder Aminen kann schematisch durch die folgende Gleichung veranschaulicht werden: Formula 6(d) schematically illustrates the hydrolysis of an organic epoxide by the acid-catalyzed reaction of the epoxide with water, thiols, alcohols or amines in which R4 and R5 are monovalent moieties selected from hydrogen and any organic moiety, R6 is a monovalent organic moiety having at least one carbon atom, and X is selected from oxygen, sulfur and nitrogen. The hydrolysis of olefins, including polyfunctional olefins, with water, alcohols, thiols or amines can be schematically illustrated by the following equation:
in der R&sub1; und R&sub2; und R&sub3; identische oder verschiedene einwertige Einheiten sind, ausgewählt aus Wasserstoff und irgendeiner organischen Einheit, und X O, S und/oder NH, ist und n irgendeine ganze Zahl von 1 oder größer ist.in which R₁ and R₂ and R₃ are identical or different monovalent moieties selected from hydrogen and any organic moiety, and X is O, S and/or NH, and n is any integer of 1 or greater.
Alkylierungsreaktionen gemäß den Verfahren dieser Erfindung schließen die Reaktion jeder organischen Verbindung ein, die in der Lage ist, durch säurekatalysierte Reaktion mit einem organischen Reaktanten, der olefinische Ungesättigtheit enthält, alkyliert zu werden. Diese Reaktionen können bewirkt werden, indem die alkylierbare organische Verbindung mit einer Zusammensetzung in Kontakt gebracht wird, die den Chalcogenverbindung/Sschwefelsäure enthaltenden sauren Katalysator und einen organischen Reaktanten, der olefinische Ungesättigtheit enthält, und sind schematisch durch die folgende Gleichung veranschaulicht:Alkylation reactions according to the processes of this invention include the reaction of any organic compound capable of being alkylated by acid-catalyzed reaction with an organic reactant containing olefinic unsaturation. These reactions can be effected by contacting the alkylatable organic compound with a composition containing the chalcogen compound/sulfuric acid-containing acid catalyst and an organic reactant containing olefinic unsaturation and are schematically illustrated by the following equation:
R&sub1; + R&sub2;-CH=CH-R&sub3; --> R&sub1;- H-CH&sub2;-R&sub3; (8)R1; + R₂-CH=CH-R₃ --> R₁-H-CH₂-R₃ (8th)
in der R&sub2; und R&sub3; identisch oder verschieden Wasserstoff oder organische Einheiten sind, insbesondere Alkylgruppen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, und R&sub1; eine alkylierbare organische Verbindung ist, insbesondere geradkettige oder verzweigtkettige Alkane, Aromaten, Alkylaromaten und/oder Arylalkane mit 4 bis 20 Kohlenstoffatomen pro Molekül.in which R₂ and R₃ are identical or different and are hydrogen or organic units, in particular alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms, and R₁ is an alkylatable organic compound, in particular straight-chain or branched-chain alkanes, aromatics, alkylaromatics and/or arylalkanes having 4 to 20 carbon atoms per molecule.
Säurekatalysierte Olefinpolymerisationsreaktionen schließen die Polymerisation wenigstens einer organischen Verbindung ein, die wenigstens eine Kohlenstoff/Kohlenstoff-Olefinbindung enthält, die in der Lage ist, säurekatalysierte Polymerisation zu durchlaufen, indem die organische(n) Verbindung oder Verbindungen mit dem schwefelsäure enthaltenden Katalysator dieser Erfindung in Kontakt gebracht wird (werden). In dieser Ausführungsform ist das Reaktionssystem vorzugsweise im wesentlichen oxidationsmittelfrei. Solche Polymerisierungsreaktionen werden schematisch durch die folgenden Gleichung veranschaulicht Acid-catalyzed olefin polymerization reactions include the polymerization of at least one organic compound containing at least one carbon/carbon olefin bond capable of undergoing acid-catalyzed polymerization by reacting the organic compound or compounds with the sulfuric acid-containing catalyst of this invention in In this embodiment, the reaction system is preferably substantially free of oxidizing agents. Such polymerization reactions are schematically illustrated by the following equation
in der R&sub1; und R&sub2; ausgewählt sind aus Wasserstoff und einwertigen organischen Einheiten, insbesondere Kohlenwasserstoffresten mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, und n die Anzahl von in das Polymer eingebauten Monomereinheiten ist. Copolymere von zwei oder mehr olefinischen ungesättigten Monomeren können hergestellt werden. Veranschaulichend für solche Copolymere sind Styrol-Butadien-, Ethylen-Propylen-, Methacrylsäure-Ethylacrylat-Hydroxyethylacrylat- und Ethylen-Dicyclopentadien-Copolymere oder dergleichen, einschließlich der sogenannten Kohlenwasserstoffharze, abgeleitet aus gecrackten Erdöldestillaten, Terpentinfraktionen, Kohleteerfraktionen und bestimmten olefinischen Monomeren, wie etwa den bei Kirk-Othmer Band 12, auf den Seiten 842-847 in den dort angeführten Literaturstellen diskutierten Kohlenwasserstoffharzen.in which R₁ and R₂ are selected from hydrogen and monovalent organic moieties, particularly hydrocarbon radicals containing 1 to 10 carbon atoms, and n is the number of monomer units incorporated into the polymer. Copolymers of two or more olefinic unsaturated monomers can be prepared. Illustrative of such copolymers are styrene-butadiene, ethylene-propylene, methacrylic acid-ethyl acrylate-hydroxyethyl acrylate and ethylene-dicyclopentadiene copolymers or the like, including the so-called hydrocarbon resins derived from cracked petroleum distillates, turpentine fractions, coal tar fractions and certain olefinic monomers such as the hydrocarbon resins discussed in Kirk-Othmer Volume 12, pages 842-847 in the references cited therein.
Die Friedel-Crafts-Reaktionen beinhalten die Reaktion von organischen Verbindungen, insbesondere Kohlenwasserstoffverbindungen, die in der Lage sind, säurekatalysierte Friedel-Crafts- Reaktionen zu durchlaufen, mit Kohlenwasserstoffhalogeniden. Solche Reaktionen können bewirkt werden, indem eine oder mehrere organische Verbindungen mit einer Zusammensetzung in Kontakt gebracht werden, die den schwefelsäurehaltigen Katalysator und ein Kohlenwasserstoffhalogenid umfaßt. Solche Friedel-Crafts- Reaktionen werden schematisch durch die folgende Gleichung veranschaulicht:The Friedel-Crafts reactions involve the reaction of organic compounds, particularly hydrocarbon compounds capable of undergoing acid-catalyzed Friedel-Crafts reactions, with hydrocarbon halides. Such reactions can be effected by contacting one or more organic compounds with a composition comprising the sulfuric acid-containing catalyst and a hydrocarbon halide. Such Friedel-Crafts reactions are schematically illustrated by the following equation:
R&sub1;H + R&sub2;X --> R&sub1;R&sub2; + HX (10)R₁H + R₂X --> R₁R₂ + HX (10)
in der R&sub1; eine einwertige organische Einheit ist, die in der Lage ist, Friedel-Crafts-Reaktionen mit Kohlenwasserstoffhalogeniden einzugehen, R&sub2; eine einwertige Kohlenwasserstoffeinheit ist, vorzugsweise eine Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, und X ein Halogen ist, bevorzugt Chlor, Brom oder Fluor, am bevorzugtesten Chlor.in which R₁ is a monovalent organic moiety capable of undergoing Friedel-Crafts reactions with hydrocarbon halides, R₂ is a monovalent hydrocarbon moiety, preferably an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, and X is a halogen, preferably chlorine, bromine or fluorine, most preferably chlorine.
Die Säurekatalysatorkomponente, die verwendet wird, um die Friedel-Crafts-Reaktion zu katalysieren, kann irgendeine der beschriebenen Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten umfassen, obgleich die sauren Komponenten, die einen Friedel- Crafts-Halogenidkatalysator enthalten, wie etwa die neuartigen konjugierten Friedel-Crafts-Katalysatoren dieser Erfindung, bevorzugt sind.The acid catalyst component used to catalyze the Friedel-Crafts reaction can comprise any of the chalcogen compound/sulfuric acid components described, although the acidic components containing a Friedel-Crafts halide catalyst, such as the novel conjugated Friedel-Crafts catalysts of this invention, are preferred.
Die säurekatalysierten Entmetallisierungsreaktionen schließen die Entmetallisierung von metallorganischen Verbindungen ein, die in der Lage sind, säurekatalysierte Entmetallisierung durch Reaktion mit Wasser und/oder Alkoholen zu durchlaufen, und sie können bewirkt werden, indem eine Zusammensetzung, die metallorganische Verbindungen, dem beschriebenen schwefel-säurehaltigen Katalysator und wasser und/oder Alkohole enthält, unter Zeit- und Temperaturbedingungen in Kontakt gebracht wird, die ausreichen, um das gewünschte Maß an Entmetallisierung zu erreichen. Solche Entmetallisierungsreaktionen werden durch die folgende Gleichung veranschaulicht: The acid-catalyzed demetallization reactions include the demetallization of organometallic compounds capable of undergoing acid-catalyzed demetallization by reaction with water and/or alcohols, and can be effected by contacting a composition containing organometallic compounds, the described sulfuric acid-containing catalyst, and water and/or alcohols under conditions of time and temperature sufficient to achieve the desired level of demetallization. Such demetallization reactions are illustrated by the following equation:
in der R irgendein organischer Rest ist, einschließlich Porphyrinen und Petroporphyrinen, M irgendein Metall ist und a die Wertigkeit des mit der organischen Einheit verbundenen Metalls ist. Organische Komplexe von nullwertigen Metallen können ebenfalls durch diese Verfahren entmetallisiert werden. Veranschaulichend für die metallorganischen Verbindungen, die durch die Reaktion mit Wasser und/oder Alkohol gemäß diesem Verfahren entmetallisiert werden können, sind die Porphyrine und Petroporphyrine, die man üblicherweise in Erdölrohprodukten, Teersandölen, Schieferölen, Kohleextrakten und dergleichen findet.where R is any organic radical, including porphyrins and petroporphyrins, M is any metal, and a is the valence of the metal associated with the organic moiety. Organic complexes of zero-valent metals can also be demetallized by these methods. Illustrative of the organometallic compounds that can be demetallized by reaction with water and/or alcohol according to this method are the porphyrins and petroporphyrins commonly found in petroleum crudes, tar sands oils, shale oils, coal extracts, and the like.
Die säurekatalysierten Entmetallisierungsreaktionen können in Gegenwart eines Oxidationsmittels, wie etwa Sauerstoff, Peroxiden, Ozon und dergleichen, durchgeführt werden, um das in der metallorganischen Verbindung enthaltene Metall zu einem löslicheren, höherwertigen Zustand zu oxidieren, wenn gewünscht. Solche oxidativen Entmetallisierungsumwandlungen können bewirkt werden, indem eine Zusammensetzung, die die metallorganische Verbindung, die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente und das Oxidationsmittel enthält, in Kontakt gebracht wird. In ähnlicher Weise kann der Wertigkeitszustand des in der metallorganischen Verbindung komplexierten Metalls reduziert werden, um ein löslicheres Metall-Ion herzustellen, z.B. die Umwandlung von Eisen (III) zu Eisen (II), indem die säurekatalysierte Entmetallisierungsreaktion in Gegenwart eines Reduktionsmittels, wie etwa Wasserstoff, Hydrazin und dergleichen durchgeführt wird. Solche reduktiven säurekatalysierten Entmetallisierungsreaktionen können durchgeführt werden, indem eine Zusammensetzung, die die metallorganische Verbindung, die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente und ein Reduktionsmittel enthält, in Kontakt gebracht wird.The acid-catalyzed demetallation reactions can be carried out in the presence of an oxidizing agent, such as oxygen, peroxides, ozone, and the like, to oxidize the metal contained in the organometallic compound to a more soluble, higher valence state, if desired. Such oxidative demetallation transformations can be effected by contacting a composition containing the organometallic compound, the chalcogen compound/sulfuric acid component, and the oxidizing agent. Similarly, the valence state of the metal complexed in the organometallic compound can be reduced to produce a more soluble metal ion, e.g., the conversion of ferric to ferrous, by conducting the acid-catalyzed demetallation reaction in the presence of a reducing agent, such as hydrogen, hydrazine, and the like. Such reductive acid-catalyzed demetallation reactions can be carried out by contacting a composition containing the organometallic compound, the chalcogen compound/sulfuric acid component and a reducing agent.
Die säurekatalysierten Nitrierungsreaktionen dieser Erfindung beinhalten die Reaktion organischer Verbindungen, die in der Lage sind, säurekatalysierte Nitrierung mit Stickstoffoxiden einzugehen, und können bewirkt werden, indem eine Zusammensetzung, die die nitrierbare Verbindung, Stickstoffoxide und den Chalcogenverbindung/Schwefelsäure enthaltenden Katalysator enthält, unter Nitrierungsbedingungen in Kontakt gebracht wird. Solche Reaktionen werden schematisch durch Gleichung (12) veranschaulicht.The acid-catalyzed nitration reactions of this invention involve the reaction of organic compounds capable of acid-catalyzed nitration with nitrogen oxides and can be effected by contacting a composition containing the nitratable compound, nitrogen oxides, and the chalcogen compound/sulfuric acid-containing catalyst under nitration conditions. Such reactions are schematically illustrated by equation (12).
R(H)n + nNO&sub2; --> (NO&sub2;)nR + nH&spplus; (12)R(H)n + nNO2 --> (NO2)nR + nH+ (12)
in der R jede nitrierbare organische Einheit mit einer Wertigkeit von n ist. Veranschaulichend für Nitrierungsreaktionen, die gemäß dieser Erfindung durchgeführt werden können, sind die Reaktionen von Toluol mit Stickstoff(II)-Oxid, um Nitrotoluol und Trinitrotoluol (TNT) herzustellen, die Nitrierung von Cellulose, um Nitrocellulose herzustellen, die Nitrierung von Alkanen, wie etwa n-Decan, und dergleichen.wherein R is any nitratable organic moiety having a valence of n. Illustrative of nitration reactions that can be carried out in accordance with this invention are the reactions of toluene with nitrogen (II) oxide to produce nitrotoluene and trinitrotoluene (TNT), the nitration of cellulose to produce nitrocellulose, the nitration of alkanes such as n-decane, and the like.
Die oben diskutierten säurekatalysierten organischen Reaktionen und andere in der Technik bekannten säurekatalysierten Reaktionen können bewirkt werden, indem das umzusetzende organische Material entweder in Dampfphase, flüssiger Phase oder fester Phase (wie im Fall von Cellulose, Nylon und anderen festen Materialien) mit dem flüssigen oder festen Chalcogenverbindung/Schwefelsäure enthaltenden Katalysator in Kontakt gebracht wird. Die flüssigen Katalysatoren können eine Schmelze der wasser freien Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Katalysatorkomponente umfassen, oder sie können eine Lösung dieser Komponente entweder in dem organischen Einsatzmaterial oder anderem Lösungsmittel umfassen. Die festen Katalysatoren können die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente umfassen, mit oder ohne die beschriebenen fakultativen Komponenten, in einen festen Träger hinein imprägniert oder ionenausgetauscht. Mischflüssigphasenreaktionen können durchgeführt werden, indem Emulsionen oder Dispersionen der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponentenschmelze oder -lösung und der umzuwandelnden Reaktanten und/oder des umzuwandelnden organischen Materials gebildet werden. Die neuartigen tensidhaltigen Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten dieser Erfindung sind besonders zur Verwendung als Säurekatalysatoren bei der Umwandlung von organischen Verbindungen geeignet, die signifikante Mengen lipophiler Substanzen enthalten, wie etwa Wachse, Öle und organische Substanzen mit hohem Molekulargewicht. Veranschaulichend für solche lipophilen Materialen sind die wachsartigen Cuticula auf vielen Arten von Vegetation, Proteine, insbesondere fetthaltige Proteine, Cellulosesubstrate, die Lignanden und andere von Holz abgeleitete lipophile Substanzen enthalten, und dergleichen.The acid-catalyzed organic reactions discussed above and other acid-catalyzed reactions known in the art can be effected by contacting the organic material to be reacted with the liquid or solid chalcogen compound/sulfuric acid containing catalyst in either the vapor phase, liquid phase or solid phase (as in the case of cellulose, nylon and other solid materials). The liquid catalysts can comprise a melt of the anhydrous chalcogen compound/sulfuric acid catalyst component, or they can comprise a solution of this component in either the organic feedstock or other solvent. The solid catalysts can comprise the chalcogen compound/sulfuric acid component, with or without the optional components described, impregnated or ion exchanged into a solid support. Mixed liquid phase reactions can be carried out by forming emulsions or dispersions of the chalcogen compound/sulfuric acid component melt. or solution and the reactants and/or organic material to be converted. The novel surfactant-containing chalcogen compound/sulfuric acid components of this invention are particularly suitable for use as acid catalysts in the conversion of organic compounds containing significant amounts of lipophilic substances, such as waxes, oils and high molecular weight organic substances. Illustrative of such lipophilic materials are the waxy cuticles on many types of vegetation, proteins, particularly fatty proteins, cellulosic substrates containing lignands and other wood-derived lipophilic substances, and the like.
Die säurekatalysierten Reaktionen dieser Erfindung können bei irgendeiner Temperatur unterhalb der thermischen Zersetzungstemperatur der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente und oberhalb der Temperatur, bei der die Zusammensetzung, die die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente umfaßt, fest wird, durchgeführt werden. Die Reaktionstemperatur sollte auch unterhalb der Temperatur gehalten werden, bei der das organische Einsatzmaterial, die Reaktanten, die Zwischenprodukte oder die Produkte mit der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponente reagieren. Das Auftreten irgendwelcher derartigen Nebenreaktion bei irgendeiner gegebenen Reaktionstemperatur kann leicht bestimmt werden, indem das Produkt analysiert wird, um das Vorhandensein von aus solchen Nebenreaktionen resultierenden Nebenprodukten zu bestimmen. Zum Beispiel sollten Reaktionstemperaturen, die bei den Harnstoff/Schwefelsäure-Komponenten verwendet werden, wegen der relativ niedrigen Zersetzungstemperatur der Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente in Gegenwart von Wasser bei Reaktionen, bei denen eine signifikante Menge an Wasser vorhanden ist, unterhalb 80ºC (176ºF) und vorzugsweise unterhalb etwa 77ºC (170ºF) gehalten werden. Höhere Reaktionstemperaturen bis zu etwa 150ºC (300ºF) können bei Harnstoff/Schwefelsäure- Komponenten unter wasserfreien Bedingungen verwendet werden, wenn das Reaktionssystem im wesentlichen frei von Wasser ist, d.h. wenn das System weniger als etwa 2, vorzugsweise weniger als etwa 1 Gew.-% Wasser enthält, bezogen auf die Konzentration der Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente. Solche höheren Temperaturen, d.h. Temperaturen oberhalb 77ºC (170ºF), werden jedoch vorzugsweise vermieden, wenn das Reaktionssystem nicht im wesentlichen wasserfrei ist, d.h. keine nachweisbare Menge Wasser enthält. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt, wenn die Temperatur angehoben wird. Die thermische Zersetzungstemperatur anderer wasserhaltiger und wasserfreier Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten kann leicht bestimmt werden, indem die Temperatur der ausgewählten Zusammensetzung allmählich angehoben wird, bis ein Nachweis von Zersetzung auftritt, wie etwa Aufbrausen oder andere Dampfentwicklung und Entfärbung.The acid-catalyzed reactions of this invention can be carried out at any temperature below the thermal decomposition temperature of the chalcogen compound/sulfuric acid component and above the temperature at which the composition comprising the chalcogen compound/sulfuric acid component solidifies. The reaction temperature should also be kept below the temperature at which the organic feedstock, reactants, intermediates or products react with the chalcogen compound/sulfuric acid component. The occurrence of any such side reaction at any given reaction temperature can be readily determined by analyzing the product to determine the presence of byproducts resulting from such side reactions. For example, reaction temperatures used with the urea/sulfuric acid components should be kept below 80°C (176°F) and preferably below about 77°C (170°F) because of the relatively low decomposition temperature of the urea/sulfuric acid component in the presence of water in reactions where a significant amount of water is present. Higher reaction temperatures up to about 150°C (300°F) can be used with urea/sulfuric acid Components may be used under anhydrous conditions when the reaction system is substantially free of water, i.e., when the system contains less than about 2, preferably less than about 1, weight percent water based on the concentration of the urea/sulfuric acid component. However, such higher temperatures, i.e., temperatures above 77°C (170°F), are preferably avoided when the reaction system is not substantially anhydrous, i.e., does not contain a detectable amount of water. The reaction rate increases as the temperature is raised. The thermal decomposition temperature of other hydrous and anhydrous chalcogen compound/sulfuric acid components can be readily determined by gradually raising the temperature of the selected composition until evidence of decomposition occurs, such as effervescence or other vapor evolution and discoloration.
Die Verfahren dieser Erfindung können bei im wesentlichen jedem Druck und selbst unter Vakuum durchgeführt werden, falls gewünscht. Dampfphasenreaktionen, d.h. Reaktionen, die organische Reaktanten in der Dampfphase beinhalten, können durch Erhöhen des Drucks auf dem System beschleunigt werden. Veranschaulichende Reaktionsdrücke sind 0 bis 2.000 Atmosphären, obwohl Drücke von 0 bis 100 Atmosphären üblicherweise ausreichend sind, um annehmbare Reaktionsgeschwindigkeiten zu erzielen.The processes of this invention can be carried out at essentially any pressure and even under vacuum if desired. Vapor phase reactions, i.e., reactions involving organic reactants in the vapor phase, can be accelerated by increasing the pressure on the system. Illustrative reaction pressures are 0 to 2,000 atmospheres, although pressures of 0 to 100 atmospheres are usually sufficient to achieve acceptable reaction rates.
Die säurekatalysierten Reaktionen dieser Erfindung erfordern Kontaktzeiten der organischen Reaktanten und der schwefelsäurehaltigen Komponente, die im Einklang stehen mit der gewünschten Produktausbeute. Im allgemeinen erhöht die Erhöhung der Kontaktzeit die Umwandlung. Da die Reaktionsgeschwindigkeit von der Natur der betroffenen Reaktion, der Kompatibilität der schwefelsäurehaltigen Komponente mit den Reaktanten und dem Betriebsdruck und der Betriebstemperatur abhängt sollte die Reaktionszeit ausreichend sein, um den erforderlichen Grad an Umwandlung zu erreichen. Chargenkontaktzelten von 1 Minute bis 100 Stunden sind üblicherweise ausreichend, um vollständige Umwandlung der meisten organischen Substrate zu erreichen. Kürzere Reaktionszeiten werden üblicherweise bei kontinuierlichen Prozessen, die die Verfahren dieser Erfindung verwenden, auftreten, wobei es in diesem Falle wünschenswert sein kann, nicht-umgesetzte organische Materialien an den Ablauf der Reaktionszone abzutrennen und diese Materialien zur Reaktionszone rückzuführen.The acid-catalyzed reactions of this invention require contact times of the organic reactants and the sulfuric acid-containing component consistent with the desired product yield. In general, increasing the contact time increases the conversion. Since the reaction rate depends on the nature of the reaction involved, the compatibility of the sulfuric acid-containing component with the reactants, and the operating pressure and temperature, the reaction time should be sufficient to achieve the required degree of conversion. Batch contact times from 1 minute to 100 hours are usually sufficient to achieve complete conversion of most organic substrates. Shorter reaction times will usually occur in continuous processes employing the methods of this invention, in which case it may be desirable to separate unreacted organic materials at the effluent of the reaction zone and recycle these materials to the reaction zone.
Die neuartigen Zusammensetzungen und säurekatalysierten Verfahren zur Umwandlung organischer Verbindungen gemäß dieser Erfindung haben mehrere signifikante Vorteile gegenüber Zusammensetzungen und Verfahren, die sonst auf diesem Gebiet verfügbar sind. Die Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten sind relativ preiswert; zusätzlich sind sie nicht-korrosiv und unter normalen Bedingungen stabil. Sie sind auch hoch aktive Protonierungsmittel und können daher verwendet werden, um die säurekatalysierte Umwandlung einer breiten Vielzahl von organischer Verbindungen zu bewirken, ohne Reaktionen, die mit anderen sauren Katalysatoren in Zusammenhang stehen, insbesondere Nebenreaktionen, die mit der Verwendung von Schwefelsäure in Zusammenhang stehen, wie etwa Oxidation und Sulfonierung, zu beschleunigen.The novel compositions and acid-catalyzed processes for converting organic compounds according to this invention have several significant advantages over compositions and processes otherwise available in the art. The chalcogen compound/sulfuric acid components are relatively inexpensive; in addition, they are non-corrosive and stable under normal conditions. They are also highly active protonating agents and can therefore be used to effect the acid-catalyzed conversion of a wide variety of organic compounds without accelerating reactions associated with other acid catalysts, particularly side reactions associated with the use of sulfuric acid, such as oxidation and sulfonation.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter beschrieben, die für spezielle Arten der praktischen Umsetzung der Erfindung veranschaulichend sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert ist, zu beschränken.The invention is further described by the following examples, which are illustrative of specific ways of practicing the invention and are not intended to limit the scope of the invention as defined by the appended claims.
Dieses Beispiel veranschaulicht die Hydrolyse von komplexen Polyethern durch Nachweis der vollständigen Hydrolyse von Cellulose zu Glucose in Gegenwart einer Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente dieser Erfindung. Sterile Baumwoll-Stoffproben werden in einer Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente, die ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von 1,2 aufweist und 38,6 Gew.-% Harnstoff, 52,1 Gew.-% Schwefelsäure und 8,3 Gew.-% Wasser enthält und bei einer Temperatur von 21ºC (70ºF) gehalten wird, aufgelöst. Die Baumwoll-Stoffproben werden nacheinander zu etwa 500 ml der oben beschriebenen Harnstoff/Schwefelsäure- Komponente zugegeben, und die Mischung wird während des gesamten Vorganges gerührt. Vollständige Auflösung jeder Baumwoll-Stoffprobe tritt nach etwa 1 Minute auf. Nach Zugabe von etwa 20 Baumwoll-Stoffproben wird die Mischung viskoser. Ein Teil der Reaktionsmischung wird mit Hochpräzisions-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) analysiert, und es wird festgestellt, daß sie Glucose in einer Menge enthält, die der stöchiometrischen Umwandlung der in die Reaktion eingebrachten Cellulose entspricht. Weder die HPLC-Analyse noch irgendeine andere Beobachtung während des Vorganges zeigt das Auftreten irgendeiner anderen Reaktion als der Hydrolyse von Cellulose zu Glucose. Es gibt keinen Nachweis von Sulfonierung und Oxidation weder der Cellulose noch der Glucose. Während des Verfahrens werden keine Dämpfe abgegeben und das Reaktionsmedium entfärbt sich nicht.This example illustrates the hydrolysis of complex polyethers by demonstrating the complete hydrolysis of cellulose to glucose in the presence of a urea/sulfuric acid component of this invention. Sterile cotton fabric samples are in a urea/sulfuric acid component having a urea/sulfuric acid molar ratio of 1.2 and containing 38.6% urea, 52.1% sulfuric acid and 8.3% water by weight and maintained at a temperature of 21°C (70°F). The cotton cloth samples are added one at a time to about 500 ml of the urea/sulfuric acid component described above and the mixture is stirred throughout the process. Complete dissolution of each cotton cloth sample occurs in about 1 minute. After adding about 20 cotton cloth samples, the mixture becomes more viscous. A portion of the reaction mixture is analyzed by high precision liquid chromatography (HPLC) and found to contain glucose in an amount corresponding to the stoichiometric conversion of the cellulose introduced into the reaction. Neither HPLC analysis nor any other observation during the process shows the occurrence of any reaction other than the hydrolysis of cellulose to glucose. There is no evidence of sulfonation and oxidation of either cellulose or glucose. No fumes are given off during the process and the reaction medium does not discolor.
Dieses Beispiel veranschaulicht die Verwendung einer Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente dieser Erfindung zur Säurekatalyse der Hydrolyse von Cellulose in lebender Vegetation und der daraus folgenden Wirksamkeit der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten als Herbizide.This example illustrates the use of a urea/sulfuric acid component of this invention to acid catalyze the hydrolysis of cellulose in living vegetation and the subsequent effectiveness of the chalcogen compound/sulfuric acid components as herbicides.
Vier replizierte Testparzellen von fünf Acres, von denen jede Zwiebeln im ersten Echtblatt-Stadium (etwa 1 Inch hoch) trägt, befallen von Malve, Cheese Weed, Nachtschatten, Hirtentische, Matricaria matricarioides und Portulak, werden jede durch Aufbringen von 470 l/ha (50 Gallonen pro Acre) einer Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente, die ein Harnstoff/Schwefelsäure- Molverhältnis von etwa 1,1 aufweist und 14,6 Gew.-% Harnstoff, 20,8 Gew.-% Schwefelsäure und 64,6 % Gew.-% Wasser enthält, auf die Blätter behandelt. Die beschriebene Behandlung führt zu 95 bis 100 % Abtötung aller Unkrautspezies innerhalb 48 Stunden nach Aufbringen. Es gibt keine Schäden an den Zwiebeln, nachgewiesen durch das Fehlen von Braunfärbung der Blätter, Fleckenbildung oder dergleichen. Die Cellulose-Struktur der Zwiebel ist geschützt durch die für grüne Zwiebeln charakteristischen wachsartigen Cuticula, die jedoch ebenfalls hydrolysiert werden können, durch Verwendung der tensidhaltigen Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung.Four replicate test plots of five acres, each bearing bulbs in the first true leaf stage (about 1 inch high), infested with mallow, cheese weed, nightshade, shepherd's table, Matricaria matricarioides and purslane, will each be treated by applying 470 l/ha (50 gallons per acre) of a urea/sulfuric acid component containing a urea/sulfuric acid molar ratio of about 1.1 and containing 14.6% by weight urea, 20.8% by weight sulfuric acid and 64.6% by weight water. The described treatment results in 95 to 100% kill of all weed species within 48 hours of application. There is no damage to the bulbs as evidenced by the absence of browning of the leaves, spotting or the like. The cellulose structure of the bulb is protected by the waxy cuticles characteristic of green onions, which, however, can also be hydrolyzed by using the surfactant-containing chalcogen compound/sulfuric acid components within the scope of this invention.
Dieses Beispiel veranschaulicht die Hydrolyse von Polycarbonsäureestern und beweist die Depolymerisation von Protein durch Kontakt mit den Chalcogenverbindung/Schwefelsäure-Komponenten dieser Erfindung. Zwei Rindsleder-Pumpendichtungen werden mit einer Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente, die 36,5 Gew.-% Harnstoff, 52,1 Gew.-% Schwefelsäure und 11,4 Gew.-% Wasser enthält und ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von etwa 1,1 aufweist, für etwa 70 Stunden bei Raumtemperatur in Kontakt gebracht. Die Rindslederdichtungen lösen sich innerhalb der 70 stündigen Kontaktperiode vollständig auf.This example illustrates the hydrolysis of polycarboxylic acid esters and demonstrates the depolymerization of protein by contact with the chalcogen compound/sulfuric acid components of this invention. Two cowhide pump seals are contacted with a urea/sulfuric acid component containing 36.5 wt% urea, 52.1 wt% sulfuric acid, and 11.4 wt% water and having a urea/sulfuric acid molar ratio of about 1.1 for about 70 hours at room temperature. The cowhide seals completely dissolve within the 70 hour contact period.
Das Vorgehen von Beispiel 3 wird wiederholt, indem zwei Rindsleder-Pumpendichtungen mit einer Harnstoff/Schwefelsäure- Komponente, die 21,5 Gew.-% Harnstoff, 55,2 Gew.-% Schwefelsäure und 23,3 Gew.-% Wasser enthält und ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von etwa 0,6 aufweist, in Kontakt gebracht werden. Diese Zusammensetzungen entsprechen der Formulierung 10- 0-0-18. Die Rindsleder-Pumpendichtungen lösen sich innerhalb 70 Stunden bei Raumtemperatur vollständig auf.The procedure of Example 3 is repeated by contacting two cowhide pump seals with a urea/sulfuric acid component containing 21.5 wt.% urea, 55.2 wt.% sulfuric acid and 23.3 wt.% water and having a urea/sulfuric acid molar ratio of about 0.6. These compositions correspond to the formulation 10-0-0-18. The cowhide pump seals dissolve within 70 hours at room temperature.
Dieses Beispiel veranschaulicht die oxidative Addition organischer Verbindungen und beweist die oxidative Addition von Propylen in Gegenwart der Chalcogenverbindung/Schwefelsäure- Komponenten dieser Erfindung. Technisch reines Propylen und Luft werden in etwa 1000 ml einer Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente eingebracht, die 38,6 Gew.-% Harnstoff, 52,1 Gew.-% Schwefelsäure und 9,3 Gew.-% Wasser enthält und ein Harnstoff-Schwefelsäure-Molverhältnis von 1,2 aufweist. Das Gasgemisch wird durch einen Gasverteiler eingeführt, der in die Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente eintaucht, die bei 21ºC (70ºF) gehalten wird und in einem 5l-Dreihalskolben enthalten ist, der mit Rührer, Beschickungseinlaß und Auslaßmitteln versehen ist. Der Abdampf der flüssigen Phase wird aus dem 5l-Kolben entfernt und durch eine eisgekühlte Flüssigkeitsfalle geleitet, in der das Reaktionsprodukt gesammelt wird. Die aus dem Abdampf rückgewonnene flüssige Phase wird durch Infrarotspektroskopie analysiert und es wird festgestellt, daß sie Propylen-Dimere und höhere Oligomere von Propylen, die olefinische Ungesättigtheit enthalten, enthält.This example illustrates the oxidative addition of organic compounds and demonstrates the oxidative addition of propylene in the presence of the chalcogen compound/sulfuric acid components of this invention. Technically pure propylene and air are charged to about 1000 ml of a urea/sulfuric acid component containing 38.6 wt.% urea, 52.1 wt.% sulfuric acid and 9.3 wt.% water and having a urea to sulfuric acid molar ratio of 1.2. The gas mixture is introduced through a gas distributor immersed in the urea/sulfuric acid component maintained at 21°C (70°F) and contained in a 5 L three-neck flask equipped with a stirrer, feed inlet and outlet means. The evaporated liquid phase is removed from the 5L flask and passed through an ice-cooled liquid trap where the reaction product is collected. The liquid phase recovered from the evaporated liquid is analyzed by infrared spectroscopy and found to contain propylene dimers and higher oligomers of propylene containing olefinic unsaturation.
Propylen und Buten werden reduktiv aneinander addiert, indem gasförmiges Propylen und 2-Buten in die flüssige Phase eingebracht werden, die durch Schmelzen einer wasserfreien Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente gebildet wird, die 42,6 Gew.-% Harnstoff und 47,4 Gew.-% Schwefelsäure enthält und ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von 1,2 aufweist. Die flüssige Phase wird bei einer Temperatur von 66ºC (150ºF) gehalten und der Dampf und die flüssigen Phase werden bei einem Druck von 1000 psig gehalten. Die flüssige Phase wird kontinuierlich aus der Reaktionszone abgezogen und geflasht, um verdampfbare Dimere und höhere Polymere von Propylen und 2-Buten und Co-Polymere von Propylen und 2-Buten zu gewinnen. Höhere Polymere, die nicht durch Flashen entfernt werden, können aus der Harnstoff/Schwefelsäure-Schmelze mit normalem Hexan bei einem Druck extrahiert werden, der ausreicht, um das normale Hexan in der flüssigen Phase zu halten. Die rückgewonnene Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente wird zur Reaktionszone rückgeführt.Propylene and butene are reductively added to each other by introducing gaseous propylene and 2-butene into the liquid phase formed by melting an anhydrous urea/sulfuric acid component containing 42.6 wt.% urea and 47.4 wt.% sulfuric acid and having a urea/sulfuric acid molar ratio of 1.2. The liquid phase is maintained at a temperature of 66ºC (150ºF) and the vapor and liquid phases are maintained at a pressure of 1000 psig. The liquid phase is continuously removed from the reaction zone and flashed to recover vaporizable dimers and higher polymers of propylene and 2-butene and co-polymers of propylene and 2-butene. Higher polymers not removed by flashing can be extracted from the urea/sulfuric acid melt with normal hexane at a pressure sufficient to maintain the normal hexane in the liquid phase. The recovered urea/sulfuric acid component is recycled to the reaction zone.
Maleinsäure wird mit 1,2-Ethandiol (Glykol) durch Rühren einer 50:50-molaren Mischung von Maleinsäure und Glykol mit einer Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente, die 36,5 Gew.-% Harnstoff, 52,1 Gew.-% Schwefelsäure und 11,4 Gew.-% Wasser enthält und ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von 1,1 aufweist, bei einer Temperatur von 60ºC (140ºF) unter einem Druck von 100 psig für 10 Minuten zur Reaktion gebracht, um den entsprechenden Polyester von Maleinsäure und 1,2-Ethandiol herzustellen. Das resultierende Polymer wird aus der Reaktionsphase mit Isopropylalkohol extrahiert.Maleic acid is reacted with 1,2-ethanediol (glycol) by stirring a 50:50 molar mixture of maleic acid and glycol with a urea/sulfuric acid component containing 36.5 wt% urea, 52.1 wt% sulfuric acid and 11.4 wt% water and having a urea/sulfuric acid molar ratio of 1.1 at a temperature of 60ºC (140ºF) under a pressure of 100 psig for 10 minutes to produce the corresponding polyester of maleic acid and 1,2-ethanediol. The resulting polymer is extracted from the reaction phase with isopropyl alcohol.
Benzol wird mit einem Gemisch von 1-Buten und 2-Buten alkyliert, um Normal- und Isobutylbenzole herzustellen, indem eine Mischung von Benzol, 1-Buten und 2-Buten mit einer geschmolzenen Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente, die 42,6 Gew-% Harnstoff und 57,4 Gew.-% Schwefelsäure enthält, in Gegenwart eines Alkylphenolpolyethylenoxid-Tensids bei einer Temperatur von 71ºC (160ºF) und unter einem Reaktionsdruck, der ausreicht, die Reaktanten in der flüssigen Phase zu halten, gerührt wird. Das resultierende Alkylbenzol wird durch Zentrifugieren der resultierenden Reaktionsphasenmischung gewonnen. Vollständige Trennung wird durch Waschen der Harnstoff/Schwefelsäure- Komponentenschmelze mit Toluol erreicht.Benzene is alkylated with a mixture of 1-butene and 2-butene to produce normal and isobutylbenzenes by stirring a mixture of benzene, 1-butene and 2-butene with a molten urea/sulfuric acid component containing 42.6 wt.% urea and 57.4 wt.% sulfuric acid in the presence of an alkylphenol polyethylene oxide surfactant at a temperature of 71°C (160°F) and under a reaction pressure sufficient to maintain the reactants in the liquid phase. The resulting alkylbenzene is purified by centrifuging the resulting reaction phase mixture. Complete separation is achieved by washing the urea/sulfuric acid component melt with toluene.
Normalbutylbenzol wird durch Erhitzen äquimolarer Mengen von 1- Chlorbutan und Benzol in einer geschmolzenen Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente, die 42,6 Gew.-% Harnstoff und 75,4 Gew.-% Schwefelsäure enthält und ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von 1,2 aufweist, bei einer Temperatur von 60ºC (140ºF) und einem Druck von 100 psig für einen Zeitraum von 10 Minuten hergestellt. Das n-Butylbenzol-Produkt wird durch Abkühlen der Reaktionsmischung, um die Harnstoff/Schwefelsäure-Komponentenschmelze zu verfestigen, und Extrahieren der resultierenden Mischung mit Toluol gewonnen. Das n-Butylbenzol-Produkt wird aus dem Lösungsmittel Toluol durch Abdestillieren des Lösungsmittels entfernt und die Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente wird erneut geschmolzen und in den Prozeß rückgeführt.Normal butylbenzene is prepared by heating equimolar amounts of 1-chlorobutane and benzene in a molten urea/sulfuric acid component containing 42.6 wt.% urea and 75.4 wt.% sulfuric acid and having a urea/sulfuric acid molar ratio of 1.2 at a temperature of 60°C (140°F) and a pressure of 100 psig for a period of 10 minutes. The n-butylbenzene product is recovered by cooling the reaction mixture to solidify the urea/sulfuric acid component melt and extracting the resulting mixture with toluene. The n-butylbenzene product is removed from the toluene solvent by distilling off the solvent and the urea/sulfuric acid component is remelted and returned to the process.
Ein Gemisch von Isooctanen wird hergestellt, indem Normaloctan mit einer geschmolzenen Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente, die 42,6 Gew.-% Harnstoff und 57,4 Gew.-% Schwefelsäure enthält und ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von 1,2 aufweist, bei einer Temperatur von 71ºC (160ºF) unter einem Druck von 500 psig für 5 Minuten in Kontakt gebracht wird. Das resultierende Isooctan-Gemisch wird durch Abkühlen der Schmelze auf eine Temperatur von 21ºC (70ºF) , um die geschmolzene Mischung zu verfestigen, und Extrahieren des Isooctan-Produkts mit Normalhexan gewonnen. Die resultierende Lösung von Hexan und Isooctan wird durch Destillation getrennt und Harnstoff/Schwefelsäure wird geschmolzen und zur Reaktionszone rückgeführt.A mixture of isooctanes is prepared by contacting normal octane with a molten urea/sulfuric acid component containing 42.6 wt.% urea and 57.4 wt.% sulfuric acid and having a urea/sulfuric acid molar ratio of 1.2 at a temperature of 71°C (160°F) under a pressure of 500 psig for 5 minutes. The resulting isooctane mixture is recovered by cooling the melt to a temperature of 21°C (70°F) to solidify the molten mixture and extracting the isooctane product with normal hexane. The resulting solution of hexane and isooctane is separated by distillation and urea/sulfuric acid is melted and recycled to the reaction zone.
Ein Roherdöl, das metallorganische Verbindungen enthält, die Petroporphyrine umfassen, wird entmetallisiert, indem das Roherdöl mit einer wäßrigen Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente, die 36,5 Gew.-% Harnstoff, 52,1 Gew.-% Schwefelsäure und 11,4 Gew.-% Wasser enthält und ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von 1,1 aufweist, in Gegenwart von Sauerstoff bei einer Temperatur von 71ºC (160ºF) und einem Druck von 500 psig unter genügenden Rühren, um das Roherdöl und die Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente innig zu vermischen, in Kontakt gebracht. Das resultierende Roherdöl mit reduziertem Metallgehalt wird durch Dekantieren von der Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente gewonnen, mit Wasser gewaschen, um restlichen Harnstoff, Schwefelsäure und Metallsalze zu entfernen, und durch Destillation getrocknet.A crude petroleum containing organometallic compounds comprising petroporphyrins is demetallized by contacting the crude petroleum with an aqueous urea/sulfuric acid component containing 36.5 wt% urea, 52.1 wt% sulfuric acid and 11.4 wt% water and having a urea/sulfuric acid molar ratio of 1.1 in the presence of oxygen at a temperature of 71°C (160°F) and a pressure of 500 psig with sufficient agitation to intimately mix the crude petroleum and the urea/sulfuric acid component. The resulting reduced metal crude oil is recovered from the urea/sulfuric acid component by decantation, washed with water to remove residual urea, sulfuric acid and metal salts, and dried by distillation.
Benzol wird nitriert, indem eine Dispersion von Benzol in einer Lösung einer Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente, die ein Harnstoff/Schwefelsäure-Molverhältnis von 1,1 aufweist und 15,9 Gew.-% Harnstoff und 22,7 Gew.-% Schwefelsäure enthält, in Wasser unter genügenden Rühren, um eine innige Dispersion des Benzols und der Lösung der Harnstoff/Schwefelsäure-Komponente herzustellen, gebildet wird. Stickstoff(II)-oxid wird in die gerührte Mischung aus Benzol und der Harnstoff/Schwefelsäure- Komponente hinein dispergiert, und die resultierende Mischung wird bei einer Temperatur von 66ºC (150ºF) und einem Druck von 200 psig in Kontakt gebracht. Das resultierende nitrierte Benzolprodukt wird durch Abkühlen der Reaktionsmischung und Extrahieren des nitrierten Benzolprodukts mit Toluol gewonnen.Benzene is nitrated by forming a dispersion of benzene in a solution of a urea/sulfuric acid component having a urea/sulfuric acid molar ratio of 1.1 and containing 15.9 wt% urea and 22.7 wt% sulfuric acid in water with sufficient agitation to produce an intimate dispersion of the benzene and the urea/sulfuric acid component solution. Nitrous oxide is dispersed into the stirred mixture of benzene and the urea/sulfuric acid component and the resulting mixture is contacted at a temperature of 66°C (150°F) and a pressure of 200 psig. The resulting nitrated benzene product is recovered by cooling the reaction mixture and extracting the nitrated benzene product with toluene.
Das Mono-N-Allyl-thioformamid-Addukt von Schwefelsäure wird hergestellt, indem 50 g N-Allylthioformamid zusammen mit 200 ml Diethylether in einen 500ml-Kolben gegeben, auf 10ºC (50ºF) abgekühlt und 51 g 89 %iger Schwefelsäure, vorgekühlt auf -1ºC (30ºF) mit einer Geschwindigkeit, die ausreichend langsam ist, um die Mischung im Kolben bei einer Temperatur unterhalb 10ºC (50ºF) zu halten, anschließend allmählich zugegeben werden. 200 ml Wasser werden in den Kolben zugegeben, und man lädt die Mischung bei Raumtemperatur 21ºC (70ºF) äquilibrieren. Baumwoll- Stoffproben werden dann bei Raumtemperatur in der Mischung untergetaucht und für 24 Stunden gehalten, um die Cellulose in der Baumwolle zu hydrolysieren.The mono-N-allyl-thioformamide adduct of sulfuric acid is prepared by placing 50 g of N-allylthioformamide in a 500 ml flask, cooled to 10ºC (50ºF), and then gradually adding 51 g of 89% sulfuric acid, precooled to -1ºC (30ºF), at a rate sufficiently slow to maintain the mixture in the flask at a temperature below 10ºC (50ºF). 200 ml of water are added to the flask and the mixture is allowed to equilibrate at room temperature 21ºC (70ºF). Cotton fabric samples are then submerged in the mixture at room temperature and held for 24 hours to hydrolyze the cellulose in the cotton.
21 g 98 Gew.-%ige Schwefelsäure und 50 g 1-(4-Aminobenzolsulfonyl)-2-thioharnstoff werden mit den in Beispiel 13 beschriebenen Verfahren vermischt, um das entsprechende äquimolare Addukt, gelöst in der Ether/Wasser-Gemisch, herzustellen, das verwendet werden kann, um Cellulose zu hydrolysieren.21 g of 98 wt% sulfuric acid and 50 g of 1-(4-aminobenzenesulfonyl)-2-thiourea are mixed using the procedures described in Example 13 to produce the corresponding equimolar adduct dissolved in the ether/water mixture, which can be used to hydrolyze cellulose.
30 g 98 Gew.-%ige Schwefelsäure und 50 g 1-Benzylharnstoff werden mit dem in Beispiel 13 beschriebenen Verfahren vermischt, um das entsprechende äquimolare Addukt, gelöst im Ether/Wasser- Gemisch, zu bilden, das verwendet werden kann, um Cellulose zu hydrolysieren.30 g of 98 wt% sulfuric acid and 50 g of 1-benzylurea are mixed using the procedure described in Example 13 to form the corresponding equimolar adduct dissolved in the ether/water mixture, which can be used to hydrolyze cellulose.
15,5 g 98 Gew.-%ige Schwefelsäure und 50 g 1,3 Bis(2-ethoxyphenyl)carbamid werden mit dem in Beispiel 13 beschriebenen Verfahren vermischt, um das entsprechende äquiomolare Addukt, gelöst im Ether/Wasser-Gemisch, zu bilden, das verwendet werden kann, um Cellulose zu hydrolysieren, wie in Beispiel 13 beschrieben.15.5 g of 98 wt% sulfuric acid and 50 g of 1,3 bis(2-ethoxyphenyl)carbamide are mixed using the procedure described in Example 13 to form the corresponding equiomolar adduct dissolved in the ether/water mixture which can be used to hydrolyze cellulose as described in Example 13.
22 g 98 Gew.-%ige Schwefelsäure und 50 g 1-(2-Brom-3-methylbutanoyl)carbamid werden mit dem in Beispiel 13 beschriebenen Verfahren vermischt, um das entsprechende äquimolare Addukt, gelöst im Ether/Wasser-Gemisch, herzustellen, das verwendet werden kann, um Cellulose zu hydrolysieren.22 g of 98 wt% sulfuric acid and 50 g of 1-(2-bromo-3-methylbutanoyl)carbamide are mixed using the procedure described in Example 13 to produce the corresponding equimolar adduct, dissolved in the ether/water mixture, which can be used to hydrolyze cellulose.
23 g 98 Gew.-%ige Schwefelsäure und 50 g 1-(4-Bromphenyl)carbamid werden mit dem in Beispiel 13 beschriebenen Verfahren vermischt, um das entsprechende äquimolare Addukt, gelöst in der Ether/Wasser-Lösung, zu bilden, das verwendet werden kann, um Cellulose zu hydrolysieren, wie in Beispiel 13 beschrieben.23 g of 98 wt% sulfuric acid and 50 g of 1-(4-bromophenyl)carbamide are mixed using the procedure described in Example 13 to form the corresponding equimolar adduct dissolved in the ether/water solution which can be used to hydrolyze cellulose as described in Example 13.
34 g 98 Gew.-%ige Schwefelsäure und 50 g 1,3-Diacetylcarbamid werden mit dem in Beispiel 13 beschriebenen Verfahren vermischt, um das entsprechende äquimolare Addukt, gelöst in der Ether/Wasser-Lösung, zu bilden. Propylen und Luft läßt man durch die Lösung bei einer Temperatur von 32ºC (30ºF) und einem Druck von 50 psi die hindurchperlen, um Propylen-Dimere und höhere Oligomere zu bilden.34 g of 98 wt% sulfuric acid and 50 g of 1,3-diacetyl carbamide are mixed using the procedure described in Example 13 to form the corresponding equimolar adduct dissolved in the ether/water solution. Propylene and air are bubbled through the solution at a temperature of 32ºC (30ºF) and a pressure of 50 psi to form propylene dimers and higher oligomers.
32,5 g 98 Gew.-%ige Schwefelsäure und 50 g 1-Ethyl-2-selenoharnstoff werden mit dem in Beispiel 13 beschriebenen Verfahren vermischt, um das entsprechende äquimolare Addukt, gelöst in der Ether/Wasser-Lösung, zu bilden. Rindsleder-Pumpendichtungen können in die Lösung eingetaucht werden, die für 24 Stunden bei 38ºC (100ºF) gehalten wird, um das Rindsleder-Protein teilweise zu hydrolysieren.32.5 g of 98 wt.% sulfuric acid and 50 g of 1-ethyl-2-selenourea are mixed using the procedure described in Example 13 to obtain the corresponding equimolar adduct dissolved in the ether/water solution. Cowhide pump seals can be immersed in the solution which is maintained at 38ºC (100ºF) for 24 hours to partially hydrolyze the cowhide protein.
Obgleich besondere Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben worden sind, wird man natürlich verstehen, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, daß viele offensichtliche Modifikationen durchgeführt werden können, und es ist beabsichtigt, in dieser Erfindung alle solche Modifikationen einzuschließen, wie sie unter den Geist und den Schutumfang der anhängigen Ansprüche fallen.Although particular embodiments of this invention have been described, it will of course be understood that the invention is not so limited, that many obvious modifications may be made, and it is intended to include in this invention all such modifications as come within the spirit and scope of the appended claims.
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