СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ В ПРОЦЕССЕ СИНТЕЗА БИСФЕНОЛА A
METHOD OF BY-PRODUCTS CONVERSION IN PROCESS OF SYNTHESIS OF BISPHENOL A

Настоящее изобретение относится к способу преобразования побочных продуктов в процессе синтеза бисфенола A, мономера для получения поликарбонатов, используемых в электронных устройствах, вычислительной технике, оптической, автомобильной, строительной отраслях и в медицине, а также эпоксидных смол для получения защитных покрытий, композитов, красок и клеящих веществ. Пластические материалы на основе бисфенола A (BPA) используют в потребительских товарах, таких как мобильные телефоны, компьютеры, бытовая техника, велошлемы. Бисфенол A также используют для получения смол на основе ненасыщенных сложных полиэфиров, полисульфоновых смол и полиэфиримидов, а также добавок для пластических материалов, например огнезащитных средств и температурных стабилизаторов.
Бисфенол A получают путем реакции конденсации карбонильного соединения – ацетона и ароматического гидроксильного соединения, например фенола, в присутствии кислотных катализаторов. Катализатором, обычно используемым для синтеза BPA, является смола на основе полистирол-сульфоновой кислоты/дивинилбензола (PS-DVB), необязательно с добавлением промотора (тиоловых соединений, например, 2,2-диметил-1,3-тиазолидин и 2-аминоэтантиола), который повышает выход и селективность реакции конденсации фенола и ацетона в бисфенол A и реакции изомеризации побочных продуктов в бисфенол A. Другие эффективные катализаторы для синтеза бисфенола A, как описано в литературе, включают в себя цеолиты, оксиды металлов, полисилоксаны и кислотные катализаторы, фиксированные на органической или неорганической подложке.
В присутствии кислотных катализаторов имеют место обратимые реакции изомеризации p,p’-BPA и o,p’-BPA, а также реакция трисфенола I и фенола. Реакция синтеза BPA происходит в узком температурном диапазоне при оптимально высоком молярном соотношении фенола к ацетону и при достаточном времени контакта. Вдобавок к основному продукту – бисфенолу – реакционная смесь содержит избыточное количество фенола, катализатора, непрореагировавшего ацетона, воды, различных побочных продуктов, таких как смесь изомеров и производных фенола, например, 2-(2-гидроксифенил)-2-(4-гидроксифенил)пропана, так называемый изомер o,p’-BPA и 2,4-(4-гидроксикумил)фенол (трисфенол I). Также в значительных количествах образуются циклический димер PIPF – 1,1,3-триметил-3-(4-гидроксифенил)-5-инданол и содимер 4-(4-гидроксифенил)-2,2,4-триметилхромана. Изопропенилфеноловые тримеры, совместно именуемые трисфенолом II, также являются нежелательными продуктами. В технологических потоках могут накапливаться побочные продукты, которые оказывают неблагоприятное влияние на качество продукта. Послереакционную смесь от синтеза BPA дистиллируют для удаления непрореагировавших ингредиентов и воды. При высокой температуре BPA разлагается до фенола и изопропенилфенола, который подвергают дополнительным реакциям и таким образом повышают процент побочных продуктов, в том числе цветных комплексов металлов с фенолами, которые дают интенсивное окрашивание необработанного BPA.
Способы снижения масштаба образования побочных продуктов, в том числе, например, при реакции изомеризации o,p’-BPA до p,p'-BPA, как известно из описаний патентных документов (JP 08333290, EP 630878, JP 05271132, JP 05294872, EP 630878, WO 9708122, WO 0134544), в которых используется тот факт, что после кристаллизации аддукта BPA/фенол концентрация изомера o,p’-BPA становится выше равновесной концентрации, и происходит процесс каталитического разложения под влиянием кислотных (WO 0040531) или основных (PL 181992) катализаторов. Образование побочных продуктов, например, 2-(2-гидроксифенил)-2-(4-гидроксифенил)пропана, также может быть ограничено или частично устранено путем выбора соответствующих технологических параметров и рециркуляции послекристаллизационных жидкостей в последовательных стадиях синтеза (US 6858759, PL 199344, PL 210812). Наибольшее преимущество, касающееся ограничения образования изомера o,p’-BPA, заключается в рециркуляции маточной жидкости в первую стадию синтеза, и поэтому патентная литература включает в себя прежде всего варианты осуществления, заключающиеся в рециркуляции части маточной жидкости в последовательные стадии синтеза, только как необязательной возможности без указания полученных преимуществ (US 6858759).
Способ снижения разложения BPA заключается в нейтрализации кислотных примесей, присутствующих в послереакционной смеси, путем введения нейтрализующих соединений (карбонатов и гидроксидов щелочных металлов), фильтрования неочищенного BPA через катион-обменную смолу (Na, K, Li, Ca, Mg) или неорганические ионообменники (US 6512148). При условиях процесса, при которых протекает реакция изомеризации o,p’-BPA до p,p’-BPA, могут происходить другие реакции, которые приводят к образованию изомера p,p’-BPA, более конкретно реакция трисфенола I и фенола, упомянутая в описании патента EP 1985602.
В процессе преобразования также происходят другие нежелательные реакции, которые приводят к образованию побочных продуктов, большинство из таких реакций приводят к образованию циклического димера 4-изопропенилфенола (Kulesza, K.; German, K. Modern Polym. Mater. for Env. Appi.; Pielichowski, Ed. K., WNT TEZA, Cracow, 3 (2008), 93).
Согласно патентам №№ JP 3312920, JP 62178532, JP 2011098301 эффективность процесса синтеза бисфенола A зависит от морфологической структуры частиц катализатора, прежде всего их диаметра, пористости и устойчивости к окислению (общее содержание органического углерода, TOC). Структура пористых ионообменных катализаторов, используемых в качестве катализаторов для получения бисфенола A в форме квазисферических зерен, оказывает влияние на термочувствительность и гидрофобность ионообменника, что обеспечивает определение корреляции между эффективностью ионообменных катализаторов и средним размером их пор в набухшем состоянии.
Известен способ описания пористой структуры ионообменных катализаторов в набухшем состоянии путем дополнительного применения способов термопорометрии макропористых сульфокатионных обменников, а также способов идентификации сульфогрупп (Balcerowiak, W.; Kulesza, K. Przemysł Chemiczny 86/5 (2007) 382-385), однако корреляция между эффективностью ионообменных катализаторов и средним размером их пор в набухшем состоянии остается неизвестной.
Цель настоящего изобретения заключается в улучшении способа преобразования побочных продуктов в синтезе бисфенола A в направлении изомера p,p’-BPA, а также в направлении ограничения количества полученных в результате нежелательных побочных продуктов.
°
°
Неожиданно выяснили, что при температуре ниже 65C желаемая реакция изомеризации до изомера p,p’-BPA явно замедляется, и в тоже время происходят реакции, приводящие к образованию побочных продуктов, тогда как при температуре выше 80C нежелательные побочные продукты начинают преобладать в процессе преобразования.
Также неожиданно выяснили, что хорошие катализаторы для преобразования побочных продуктов включают в себя катализаторы, в которых общий объем пор с радиусом не более 20 нм составляет менее 0,5 мл/г, а общий объем пор с радиусом от 20 нм до 100 нм составляет более 0,8 мл/г.
°
°
3
3
k
Суть способа в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что раствор побочных продуктов и p,p’-BPA в феноле, содержащий не более 18% изомера p,p’-BPA, не более 0,5% воды, и не менее 0,15 моля изомера o,p’-BPA на 1 моль p,p’-BPA, и по меньшей мере 0,01 моля трисфенолов на 1 моль p,p’-BPA, приводят в контакт при температуре по меньшей мере от 60C до 80C, а также при объемной и пространственной скорости потока до 2,0 м/(м⋅час) с макропористой сульфонионообменной смолой в водородной форме с бимодальной ионной структурой, и в которой общий объем пор с радиусом не более 20 нм в смоле составляет менее 0,5 мл/г, тогда как общий объем пор с радиусом от 20 нм до 100 нм составляет более 0,8 мл/г.
°
Предпочтительно преобразование побочных продуктов в синтезе p,p’-BPA выполняют при температуре 65-75C.
3
Предпочтительно не более 50% послереакционного раствора рециркулируют в процесс. Предпочтительно в процессе используют катализатор, содержащий 5,0-5,34 ммоля групп –SOH на 1 г сухого веса катализатора.
Предпочтительно процесс выполняют с использованием катализатора в форме смолы, в которой общий объем пор с радиусом до 20 нм составляет 0,4-0,49 мл/г, а общий объем пор с радиусом от 20 нм до 100 нм составляет 1,0-1,5 мл/г.
°
Преобразование побочных продуктов в синтезе p,p’-BPA выполняют способом в соответствии с настоящим изобретением при температуре 60-80C, при атмосферном давлении, в проточном реакторе со стационарным катализатором в форме макропористой сильнокислотной ионообменной смолы. Характеристики полистерольной ионообменной смолы определяют способом идентификации сульфогрупп и путем измерения размера пор в набухшем состоянии с использованием способа термопорометрии.
Примеры 1-12
3
3
Процесс преобразования побочных продуктов в синтезе p,p’-BPA выполняют в проточном реакторе со стационарным катализатором 1,0 дм. В реакторе смешивают 1,0 дм макропористой сульфоновой смолы со следующими характеристиками:
3
s
s
• ионообменная способность – 5,34 моля SOH/г (г – грамм сухого веса катализатора),
• объем пор с радиусом до 20 нм – 0,47 мл/г,
• объем пор с радиусом от 20 нм до 100 нм – 1,2 мл/г.
°
3
3
3
3
°
k
k
Прокачивали раствор побочных продуктов в феноле через слой катализатора при поддерживании температуры 60-75C. Поток жидкости регулируют в диапазоне от 0,6 м/(м·час) до 1,8 м/(м·час). Содержание воды в потоке на входе в реактор составляет 0,09%. В таблице 1 показаны результаты анализа технологических продуктов. Послереакционный раствор разделяют на два потока, при этом меньший поток (30% послереакционного раствора) нагревают в теплообменнике с потоком до температуры реакции (60-75C) и смешивают в статическом смесителе со свежим раствором побочных продуктов в синтезе p,p’-BPA в феноле на входе в проточный реактор. Больший поток, содержащий 70% послереакционного раствора из ионообменного реактора, представляет собой продукт процесса преобразования.
В таблице 1 показаны основные параметры процесса и результаты преобразования побочных продуктов в синтезе p,p’-BPA.
поток(м<sup>3</sup>/(м<sup>3</sup><sub>k</sub>⋅час))
Пример
температура(°C)
концентрация побочных продуктовна выходе реактора (%)
повышение концентрации p,p'-BPA(%)
конверсия(%)
l.p.
o,p'-BPA
трисфенолы I, II
циклический димер
o,p'-BPA
трисфенолы
0,6
1
50
1,72
0,16
0,06
0,32
14,4
23,8
2
65
1,50
0,12
0,07
0,54
25,4
42,8
3
70
1,40
0,10
0,08
0,65
30,3
52,4
4
75
1,37
0,10
0,12
0,66
31,9
52,4
1,2
5
60
1,83
0,17
0,05
0,20
9,0
19,0
6
65
1,51
0,15
0,06
0,52
24,9
28,6
7
70
1,39
0,12
0,07
0,65
30,8
42,9
8
75
1,38
0,12
0,10
0,64
31,3
42,9
1,8
9
60
1,89
0,18
0,05
0,12
6,0
14,3
10
65
1,56
0,16
0,05
0,46
22,4
23,8
11
70
1,47
0,15
0,06
0,57
26,9
28,6
12
75
1,40
0,15
0,08
0,60
30,3
28,6
В реактор подают раствор следующих побочных продуктов в феноле:
изомер p,p’-BPA
12,0%
изомер o,p’-BPA
2,01%
трисфенолы I, II
0,21%
циклический димер
0,05%
фенол
остальное
°
3
3
k
Данные в таблице 1 четко показывают медленный ход реакции при температуре 60C и неожиданно незначительный эффект более высокой скорости потока реакционного раствора через слой катализатора с бимодальным раствором диаметров пор на замедление реакции изомеризации o,p’-BPA до p,p’-BPA при скорости потока в диапазоне 0,6-1,8 м/(м·час).
Сравнительные примеры 13-16
Процесс преобразования побочных продуктов в синтезе p,p’-BPA выполняют тем же способом, что описан в примерах 1-12, но при температурах вне диапазона, предусматриваемого формулой изобретения или при скоростях потока вне диапазона, предусматриваемого формулой изобретения.
В таблице 2 показаны результаты преобразования побочных продуктов в синтезе p,p’-BPA для примеров 13-16.
Таблица 2. Результаты преобразования побочных продуктов в синтезе p,p’-BPA
поток(м<sup>3</sup>/(м<sup>3</sup><sub>k</sub>⋅час))
пример
температура(°C)
концентрация побочных продуктовна выходе реактора (%)
повышение концентрации p,p'-BPA(%)
конверсия(%)
l.p.
o,p'-BPA
трисфенолы I, II
циклический димер
l.p.
трисфенолы
1,2
13
81
1,39
0,2
0,21
0,48
30,9
4,8
14
85
1,50
0,34
0,45
-0,05
25,4
-61,9
2,4
15
65
1,71
0,18
0,05
0,32
14,9
14,3
16
75
1,58
0,16
0,07
0,45
21,4
23,8
Данные в таблице 2 четко показывают, что:
°
• как только температура превышает 80C, нежелательные побочные продукты начинают преобладать в процессе преобразования,
3
3
k
• скорость потока более 2 м/(м·час) явно замедляет процесс, даже если он выполняется в предпочтительном температурном диапазоне.