Propylenglykol ist eine viskose, farblose Flüssigkeit, die nahezu geruchlos ist, aber einen leicht süßlichen Geschmack hat. Es ist ein Diol mit der chemischen Formel C3H8O2.
Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Propylenglykol ähneln denen von Ethylenglykol. Die erste schriftliche Beschreibung stammt von Wurtz aus dem Jahr 1859.
Die industrielle Produktion von 1,2-Propandiol aus Propylenoxid und Wasser begann in den 1930er Jahren und wird noch heute verwendet. Der Prozess liefert gleichzeitig Di- und Tripropylenglykole.
Die weltweite Produktionskapazität von 1,2-Propandiol übersteigt 2,56 Millionen Tonnen pro Jahr.
1,2-Propandiol hat zahlreiche Anwendungen, darunter die Verwendung in ungesättigten Polyestern für duroplastische Verbundwerkstoffe, in der Lebensmittelchemie, in Geräten für die Lebensmittelverarbeitung, in Kosmetika, Pharmazeutika sowie in Enteisungsmitteln und Frostschutzkomponenten für Kraftfahrzeuge.
Inhaltsverzeichnis
1. Herstellung von Propylenglykol
1.1. Herstellung von Propylenglykol durch Hydrolyse von Propylenoxid
Das vorherrschende Verfahren zur industriellen Herstellung von 1,2-Propandiol beinhaltet die direkte Hydrolyse von Propylenoxid in Gegenwart von Wasser.
Dieses Verfahren erzeugt bekanntermaßen Dipropylenglykol und Tripropylenglykol durch die sequentielle Addition von Propylenoxid an 1,2-Propandiol.
Daher erfolgt die Trennung aller drei Produkte durch Destillation.
Der Herstellungsprozess von 1,2-Propandiol wird durch die Kombination von Propylenoxid und Wasser in einem Molverhältnis von 1:15 bei einer Anfangstemperatur von 125 °C und einem Druck von etwa 2 MPa eingeleitet. Aufgrund der exothermen Reaktion steigt die Temperatur des Reaktoraustritts auf etwa 190 °C.
Die resultierende Mischung aus 1,2-Propandiol, Dipropylenglykol und Tripropylenglykol liegt etwa im Verhältnis 100:10:1 vor, wobei dieses Verhältnis bei dem oben genannten Verhältnis von Wasser zu Oxid erreicht wird.
Eine Erhöhung des Wasser-Oxid-Verhältnisses kann zu höheren Propylenglykol-Verhältnissen führen; Dies führt jedoch zu höheren Recyclingraten, einem geringeren Durchsatz und höheren Energiekosten.
Das Wasser-Glykol-Gemisch wird bei etwa 200 °C aus der Reaktorzone abgezogen und in Dehydratisierungskolonnen einer Wasserentfernung unterzogen. Hochreines 1,2-Propandiol, Dipropylenglykol und Tripropylenglykol werden durch drei aufeinanderfolgende Vakuumdestillationen getrennt.
Der Rückstand besteht aus einer Kombination höherer Glykole, die nur begrenzte kommerzielle Anwendungen haben.
Aufgrund der geringen Toxizität von 1,2-Propandiol, Dipropylenglykol und Tripropylenglykol entsteht bei diesem Verfahren nur sehr wenig Abfall, was nur minimale Umweltgefahren mit sich bringt. Alle diese Verbindungen sind leicht biologisch abbaubar.
a) Reaktor; b) Verdampfer (typischerweise 2–4 Säulen); c) 1,2-Propandiol-Destillationskolonne; d) Dipropylenglykol-Destillationskolonne; e) Tripropylenglykol-Destillationskolonne
1.2. Herstellung von Propylenglykol durch Hydrogenolyse von Glycerin zu 1,2-Propandiol
Glycerin, ein Nebenprodukt der Umesterung von Pflanzenölen zur Biodieselproduktion, ist ein interessanter Ausgangsstoff für die Synthese von 1,3-Propandiol und 1,2-Propandiol.
Aus der Produktion von 100 kg Biodiesel können ca. 10 kg Rohglycerin mit einer Konzentration von 50-55 % gewonnen werden.
Metallkatalysatoren und Wasserstoff werden verwendet, um Glycerin zu 1,2-Propandiol zu hydrieren, das im Handel als Industrie- und U.S.P.-Produkt erhältlich ist. Noten.
Diese Reaktion erfolgt in zwei Schritten über ein Acetol-Zwischenprodukt. Der erste Schritt umfasst die Umwandlung von Glycerin in Acetol in Gegenwart eines metallischen Katalysators. Im zweiten Schritt wird Acetol mit einem ähnlichen Katalysator zu 1,2-Propandiol hydriert.
Die Wahl des Katalysators und seine Eigenschaften beeinflussen die Selektivität der Reaktion. Kupferchromit erwies sich als der wirksamste Katalysator.
1.3. Alternative Routen
Es wurde eine umfassende Studie zum Prozess der Acetoxidation von Propen durchgeführt, der zur Produktion von Glykolacetaten und anschließender Hydrolyse zum Glykol führt. Berichten zufolge bietet diese Methode eine kostengünstige Alternative zur Propylenoxid-Route, allerdings mit deutlich höheren Anlageinvestitionskosten.
Darüber hinaus wurde über die direkte Hydroxylierung von Propen zu 1,2-Propandiol berichtet, bei der Sauerstoff- und Osmiumkatalysatoren zum Einsatz kommen.
2. Chemische Reaktionen von Propylenglykol
Die chemischen Eigenschaften von 1,2-Propandiol werden hauptsächlich durch seine Hydroxylgruppen bestimmt und seine Reaktionen sind charakteristisch für Alkohole.
Bei erhöhten Temperaturen kondensiert 1,2-Propandiol mit Carbonsäuren unter Bildung von Estern und Wasser. Es reagiert auch leicht mit Isocyanaten und Säurechloriden unter Bildung von Carbamaten bzw. Estern.
Polykondensationsreaktionen von 1,2-Propandiol mit Disäuren führen zur Bildung von Polyestern. Insbesondere werden ungesättigte Polyester in erheblichen Mengen durch die Reaktion von 1,2-Propandiol mit Maleinsäureanhydrid und anderen Disäurekomponenten hergestellt.
1,2-Propandiol reagiert mit Propylenoxid unter Bildung von Dipropylenglykol, Tripropylenglykol und Polyetherpolyolen. Die aus dieser Reaktion gewonnenen Polypropylenglykolether dienen als entscheidende industrielle Bausteine für Polyurethanschäume und Elastomere.
Aufgrund seiner 1,2-Diol-Struktur kann 1,2-Propandiol verschiedene interessante Cyclisierungsreaktionen eingehen. Mit Aldehyden und Ketonen können zyklische Acetale bzw. Ketale hergestellt werden.
Wenn 1,2-Propandiol erhöhten Temperaturen und sauren Katalysatoren ausgesetzt wird, kann es zu zyklischen Ethern dehydrieren. Diese Dehydratisierungsprodukte sind typischerweise in geringen Mengen in wässrigen Nebenproduktströmen von Polykondensationsreaktionen mit 1,2-Propandiol vorhanden.
3. Verwendung von Propylenglykol
1,2-Propandiol findet seine größte Anwendung bei der Herstellung ungesättigter Polyesterharze. Diese Harze werden durch Reaktion von 1,2-Propandiol mit gesättigten und ungesättigten Carbondisäuren wie Maleinsäureanhydrid und Isophthalsäure erhalten.
Die resultierenden Harze werden in Styrol oder einem anderen polymerisierbaren Monomer gelöst und mit Füllstoffen, gehacktem Glas, Peroxid-Polymerisationsinitiatoren und anderen Additiven kombiniert, um einen vernetzten, duroplastischen Verbundwerkstoff zu bilden, der in Automobilkunststoffen, im Bauwesen und in Glasfaserbooten verwendet wird.
Diese Anwendung macht etwa 45 % der Gesamtproduktion von 1,2-Propandiol aus.
Die FDA hat 1,2-Propandiol als „Generally Regarded As Safe“ (GRAS) eingestuft, was zu seiner umfassenden Verwendung in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie geführt hat.
Es dient als Feuchthaltemittel, Lösungsmittel und Konservierungsmittel in Lebensmitteln und Tiernahrungsprodukten.
1,2-Propandiol wird als Schmiermittel für Maschinen, als Lösungsmittel in der Lebensmittelverarbeitung, in Lebensmittelverpackungen und als Frostschutzmittel im Kühlwasser von Maschinen verwendet.
Es fungiert außerdem als Weichmacher, Weichmacher, Feuchthaltemittel und Trägerstoff in Kosmetika, Hautpflegeprodukten und Tierarzneimitteln.
Aufgrund seiner nachgewiesenen Leistung, geringen Toxizität, biologischen Abbaubarkeit und Umweltverträglichkeit wird 1,2-Propandiol in Enteisungs- und Vereisungsschutzflüssigkeiten für Flugzeuge verwendet und bietet einen Frostschutz, der mit dem von Ethylenglykol vergleichbar ist, dem Hauptbestandteil von Frostschutzlösungen für Kraftfahrzeuge .
Tatsächlich hat 1,2-Propandiol das giftigere Ethylenglykol in Frostschutzmitteln für Kraftfahrzeuge ersetzt.
Es wird auch als Schmiermittel in Kombination mit Di- und Tripropylenglykolen, als Feuchthaltemittel für Tabak und als Lösungsmittel für E-Zigaretten verwendet.
1,2-Propandiol wird in vielen Latexfarben als Frost-Tau-Schutz und zur Kontrolle der Verdunstung in heißen und trockenen Umgebungen eingesetzt.
Es kann mit Fettsäuren oder langkettigen Carbonsäuren reagieren und Esterschmierstoffe, Emulgatoren und Weichmacher bilden.
Darüber hinaus ist 1,2-Propandiol ein Vorläufer zahlreicher Polyetherpolyole, die bei der Herstellung von Urethanschaum, Elastomeren, Klebstoffen und Dichtungsmitteln verwendet werden.
Referenz
- Propanediols, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a22_163.pub2
