Butanal, auch Butyraldehyd genannt, ist eine organische Verbindung mit der Formel CH3(CH2)2CHO. Es ist eine farblose, brennbare Flüssigkeit mit einem starken, unangenehmen Geruch, der oft als brotig, käsig oder butterartig beschrieben wird.
Es handelt sich um eine natürlich vorkommende Verbindung, die in Spuren in ätherischen Ölen, Pflanzen und anderen Substanzen vorkommt.
Butanal ist ein hochreaktives Zwischenprodukt, das hauptsächlich als vielseitiger Baustein in zahlreichen chemischen Synthesen verwendet wird, hauptsächlich zur Herstellung von C4- und C8-Verbindungen wie Alkoholen, Carbonsäuren und Aminen.
Die weltweite Produktion von Butanalen übersteigt 7 Millionen Tonnen pro Jahr.
Inhaltsverzeichnis
1. Herstellung von Butanal
Derzeit ist die einzige Methode zur großtechnischen Herstellung von Butanal der Hydroformylierungsprozess von Propen.
Alternative Wege, wie die Dimerisierung von Acetaldehyd zu Crotonaldehyd, gefolgt von der selektiven Hydrierung zu n-Butyraldehyd, werden nicht mehr kommerziell genutzt.
Andere potenzielle Wege, einschließlich der Dehydrierung von Butanol, bleiben für kommerzielle Zwecke inaktiv.
Das Hydroformylierungsverfahren (oder Oxoverfahren) wurde erstmals 1938 von OTTO ROELEN von der Ruhrchemie in Oberhausen, Deutschland, entdeckt.
Seine Untersuchungen zur Entwicklung sauerstoffhaltiger Verbindungen in der Kobalt-katalysierten Fischer-Tropsch-Chemie führten zu der Erkenntnis, dass Olefine in Gegenwart spezifischer Metallkatalysatoren mit einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (derzeit als Synthesegas bezeichnet) interagieren und dadurch erzeugen können Aldehyde mit einem zusätzlichen Kohlenstoffatom im Vergleich zum ursprünglichen Olefin.
Bei der Herstellung von Butanal mittels Hydroformylierung werden hohe Drücke im Bereich von 20–45 MPa und Temperaturen zwischen 140–180 ° C eingesetzt.
Vor den 1970er Jahren war Kobalt der bevorzugte Metallkatalysator für das Verfahren; Allerdings hat Rhodium inzwischen seinen Platz eingenommen.
Rhodium wird jetzt in Verbindung mit Liganden verwendet, um die Stabilität und Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen und das n: iso-Verhältnis zu verbessern.
Derzeit werden drei Phosphine, darunter Triphenylphosphin (TPP), und ein komplexes Bisphosphit als Liganden bei der kommerziellen Hydroformylierung von Propen eingesetzt.
Die industrielle Hydroformylierung von Propen wird typischerweise bei Temperaturen von 70–150 ° C und einem Druckbereich von 1,5–5,0 MPa durchgeführt, wobei drei von vier allgemeinen Verfahren ein homogenes Katalysatorsystem verwenden.
Der vierte Prozess verwendet ein zweiphasiges Wasser-organisches Lösungsmittelsystem, das zu einer verbesserten Katalysatortrennung und einem optimierten Energieverbrauch führt.
Propen ist das am häufigsten verwendete Ausgangsmaterial für die Hydroformylierung. Es macht über 70 % des gesamten Ausgangsmaterials für den Oxo-Prozess aus und wird in eine Mischung aus n- und Isobutyraldehyd umgewandelt.
Das n/iso-Verhältnis der erhaltenen Butanalmischung kann je nach Katalysator-Ligand-System, Konzentrationen, Reaktionsbedingungen und Prozessdesign zwischen 1/1 und 30/1 liegen.
Butanale machen 90–98 % der Produktmischung aus, während geringe Mengen an Verunreinigungen, darunter Butylformiat, n- und Isobutanol sowie Aldehyddimere, -trimere und andere Kondensationsprodukte, gebildet werden.
Diese Verunreinigungen werden anschließend durch mehrstufige Destillationen entfernt.
2. Chemische Reaktionen von Butanal
Butanal ist ein reaktives Zwischenprodukt, das typische Reaktionen eingeht, die für gesättigte aliphatische Aldehyde charakteristisch sind.
Zu diesen üblichen Reaktionen gehören die Oxidation, die zur entsprechenden Carbonsäure führt, die Hydrierung, die den entsprechenden Alkohol erzeugt, die reduktive Aminierung, die zur Bildung von Aminen führt, und die Aldolkondensation mit einem anderen Aldehyd oder einem Keton.
Darüber hinaus kann Butanal Tischtschenko-Reaktionen eingehen, die zur Bildung von Estern führen. Zahlreiche weitere Aldehydreaktionen finden sich in Standardtexten zur organischen Chemie.
3. Verwendung von Butanal
Aufgrund seiner hohen Reaktivität und breiten Verfügbarkeit ist Butanal ein entscheidender Ausgangsstoff für eine Vielzahl von Produkten.
Die hohe Reaktivität der Carbonylgruppe und das leicht abstrahierbare α-Proton erleichtern viele organische chemische Reaktionen.
Typische kommerziell wichtige Reaktionen von Butanal umfassen Hydrierung (Reduktion), Oxidation, Additions- und Kondensationsreaktionen, Aldolkondensationen, Tischtschenko-Reaktionen, reduktive Aminierungen und Aldolbildungen.
N-Butyraldehyd ist ein kritischer Ausgangsstoff für zahlreiche C4-Produkte, darunter n-Butanol, n-Buttersäure, n-Butylamin, n-Butylacetat sowie n-Butylacrylat und -methacrylat.
Durch Aldol-Selbstkondensation bietet es einen bequemen Weg zu C8-Produkten wie dem Weichmacheralkohol 2-Ethylhexanol, 2-Ethylhexansäure und vielen essentiellen Weichmachern, einschließlich Di- (2-ethylhexyl) phthalat (DOP).
Durch Aldolkondensation mit Formaldehyd entsteht das kommerziell wichtige Polyol Trimethylolpropan.
3.1 Hydrierung
Die katalytische Hydrierung von Butanalen zu den entsprechenden Butanolen erfolgt sowohl in Flüssigphasen- als auch in Gasphasenprozessen. Bei diesen hochselektiven Hydrierungsprozessen werden typischerweise Katalysatoren auf Nickel- oder Kupferbasis eingesetzt.
Butanal kann einzeln nach der Trennung hydriert werden, oder das n/iso-Gemisch kann hydriert werden mit anschließender destillativer Trennung von n-Butanol und iso-Butanol.
3.2 Oxidation
Reiner Sauerstoff oder Luft wandelt Butanal in hohen Ausbeuten in Carbonsäure um. Die Reaktion findet auch ohne Katalysator statt. Zu den geeigneten Katalysatoren gehören Übergangsmetalle der Gruppen 5–10, Cu, Ag, Ce, Alkalimetalle und Erdalkalimetalle.
Wird die Oxidation in flüssiger Phase durchgeführt, werden häufig Metallnaphthenate oder -carboxylate als Katalysatoren eingesetzt. Bei Gasphasenprozessen werden im Allgemeinen Metalloxide verwendet, die auf Trägern wie Kieselgel, Kieselgur, Silikaten, Quarz oder Aluminiumoxid abgeschieden sind.
3.3 Additions- und Kondensationsreaktionen
Bei der Reaktion von Butanal mit sich selbst oder anderen Carbonylverbindungen, Ammoniak, Aminen, Alkoholen, Nitrilen und anderen funktionellen Gruppen kommt es zu einer Vielzahl von Additions- und Kondensationsreaktionen. Zu den Reaktionen gehören Aldolkondensationen, Tischtschenko-Reaktionen, Aminierungen, Zugabe von Grignard-Reagenzien und vieles mehr.
Durch Chlorierung von Butanal entstehen Duftstoffe und pharmazeutische Zwischenprodukte.
N-Butyraldehyd dient als Katalysatorkomponente für spezielle Polymerisationsreaktionen.
Referenz
- Butanals; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a04_447.pub2
