Wat is butanal?
Butanal, ook bekend als butyraldehyde, is een organische verbinding met de formule CH3(CH2)2CHO. Het is een kleurloze, ontvlambare vloeistof met een sterke, onaangename geur, vaak beschreven als broodachtig, kaasachtig of boterachtig.
n-Butanal is een natuurlijk voorkomende verbinding die in sporen aanwezig is in essentiële oliën, planten en andere stoffen.
Butanal is een zeer reactief tussenproduct dat voornamelijk wordt gebruikt als een veelzijdige bouwsteen in talrijke chemische syntheses, voornamelijk voor de bereiding van C4- en C8-verbindingen zoals alcoholen, carbonzuren en aminen.
De wereldwijde productie van butanals bedraagt meer dan 7 miljoen ton per jaar.
Inhoudsopgave
1. Productie van butanal
Momenteel is de enige methode die wordt gebruikt voor grootschalige productie van butanal het hydroformyleringsproces van propeen.
Alternatieve routes, zoals de dimerisatie van aceetaldehyde tot crotonaldehyde, gevolgd door selectieve hydrogenering tot n-butyraldehyde, worden niet langer commercieel gebruikt.
Andere potentiële routes, waaronder de dehydrogenering van butanol, blijven inactief voor commerciële doeleinden.
Het hydroformyleringsproces (of oxoproces) werd voor het eerst geïdentificeerd in 1938 door OTTO ROELEN van Ruhrchemie in Oberhausen, Duitsland.
Zijn onderzoek naar de ontwikkeling van zuurstofhoudende verbindingen binnen kobaltgekatalyseerde Fischer-Tropsch-chemie leidde tot het besef dat olefinen kunnen interacteren met een mengsel van koolmonoxide en waterstof (momenteel aangeduid als synthesegas) in aanwezigheid van specifieke metaalkatalysatoren, waardoor aldehyden worden gegenereerd met een extra koolstofatoom vergeleken met de oorspronkelijke olefine.
De productie van butanal via hydroformylering omvat het gebruik van hoge drukken variërend van 20-45 MPa en temperaturen tussen 140-180 °C.
Vóór de jaren 70 was kobalt de voorkeursmetaalkatalysator voor het proces; rhodium heeft echter sindsdien zijn plaats ingenomen.
Rhodium wordt nu gebruikt in combinatie met liganden om de stabiliteit, reactiesnelheden en de n:iso-verhouding te verbeteren.
Momenteel worden drie fosfinen, waaronder trifenylfosfine, en een complex bisfosfiet gebruikt als liganden bij commerciële hydroformylering van propeen.
Industriële hydroformylering van propeen wordt doorgaans uitgevoerd bij temperaturen van 70-150 °C en een drukbereik van 1,5-5,0 MPa, waarbij drie van de vier algemene processen een homogeen katalysatorsysteem gebruiken.
Het vierde proces maakt gebruik van een tweefasen water-organisch oplosmiddelsysteem dat resulteert in verbeterde katalysatorscheiding en geoptimaliseerd energieverbruik.
Propeen is de meest gebruikte grondstof voor hydroformylering, goed voor meer dan 70% van de totale oxo-procesvoeding, en wordt omgezet in een mengsel van n- en isobutyraldehyde.
De n/iso-verhouding van het verkregen butanalmengsel kan variëren van 1/1 tot 30/1, afhankelijk van het katalysator-ligandsysteem, concentraties, reactieomstandigheden en procesontwerp.
Butanals vormen 90-98% van het productmengsel, terwijl kleine hoeveelheden onzuiverheden, waaronder butylformiaat, n-butanol en isobutanol, en aldehydedimeren, -trimeren en andere condensatieproducten worden gevormd.
Deze onzuiverheden worden vervolgens verwijderd via meerstapsdestillaties.
2. Chemische reacties van butanal
Butanal is een reactief intermediair dat typische reacties ondergaat die kenmerkend zijn voor verzadigde alifatische aldehyden.
Deze veelvoorkomende reacties omvatten oxidatie, wat resulteert in het overeenkomstige carbonzuur, hydrogenering, wat resulteert in de overeenkomstige alcohol, reductieve aminering, wat leidt tot de vorming van aminen, en aldolcondensatie met een ander aldehyde of een keton.
Bovendien kan butanal Tishchenko-reacties ondergaan, wat resulteert in de productie van esters. Talrijke aanvullende aldehydereacties zijn te vinden in standaardteksten over organische chemie.
3. Toepassingen van butanal
Vanwege de hoge reactiviteit en brede beschikbaarheid is butanal een cruciaal uitgangsmateriaal voor een breed scala aan producten.
De hoge reactiviteit van de carbonylgroep en het gemakkelijk te abstraheren α-proton vergemakkelijken veel organische chemische reacties.
Typische commercieel belangrijke butanalreacties omvatten hydrogenering (reductie), oxidatie, additie- en condensatiereacties, aldolcondensaties, Tishchenko-reacties, reductieve amineringen en aldolvormingen.
n-Butyraldehyde is een kritisch uitgangsmateriaal voor talrijke C4-producten, waaronder n-butanol, n-boterzuur, n-butylamine, n-butylacetaat, n-butylacrylaat en methacrylaat.
Door aldolzelfcondensatie biedt het een handige route naar C8-producten zoals de weekmakeralcohol 2-ethylhexanol, 2-ethylhexaanzuur en vele essentiële weekmakers, waaronder di-(2-ethylhexyl)ftalaat (DOP).
Aldolcondensatie met formaldehyde levert het commercieel belangrijke polyoltrimethylolpropaan op.
3.1. Hydrogenering
Katalytische hydrogenering van butanal vormt butanol en vindt plaats in zowel vloeistoffase- als gasfaseprocessen. Deze zeer selectieve hydrogeneringsprocessen gebruiken doorgaans katalysatoren op basis van nikkel of koper.
Butanal kan afzonderlijk worden gehydrogeneerd na scheiding, of het n/iso-mengsel kan worden gehydrogeneerd met daaropvolgende scheiding van n-butanol en iso-butanol door destillatie.
3.2. Oxidatie
Zuivere zuurstof of lucht zet butanal om in carbonzuur in hoge opbrengsten. De reactie vindt zelfs plaats bij afwezigheid van een katalysator. Geschikte katalysatoren omvatten overgangsmetalen van de groepen 5-10, Cu, Ag, Ce, alkalimetalen en aardalkalimetalen.
Als oxidatie wordt uitgevoerd in de vloeibare fase, worden metaalnaftenaten of carboxylaten vaak gebruikt als katalysatoren. In gasfaseprocessen worden over het algemeen metaaloxiden gebruikt die zijn afgezet op dragers zoals silicagel, kiezelgoer, silicaten, kwarts of aluminiumoxide.
3.3. Additie- en condensatiereacties
Een breed scala aan additie- en condensatiereacties vindt plaats wanneer butanal reageert met zichzelf of andere carbonylverbindingen, zoals ammoniak, aminen, alcoholen, nitrillen en andere functionele groepen. Reacties omvatten aldolcondensaties, Tishchenko-reacties, aminaties, additie van Grignard-reagentia en nog veel meer.
De chlorering van butanal levert geurstoffen en farmaceutische tussenproducten op.
n-Butyraldehyde dient als een katalysatorcomponent voor speciale polymerisatiereacties.
Referentie
- Butanals; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a04_447.pub2
