Die Friedel-Crafts-Alkylierung organischer Verbindungen ist ein in der chemi- schen Industrie sehr häufig durchgeführtes Verfahren, dessen große Bedeu- tung sich auch in zahireichen Veröffentlichungen zu diesem Thema wider- spiegelt.

Die Durchführung von Friedel-Crafts-Alkylierungen im technischen Maßstab bringt jedoch Sicherheitsprobleme und Gefahren mit sich. Zum einen werden häufig hochgiftige chemische Substanzen eingesetzt, die für sich allein be- reits ein erhebliches Risiko für Mensch und Umwelt darstellen, zum anderen verlaufen Friedel-Crafts-Alkylierungen häufig sehr stark exotherm, so daß bei der Durchführung dieser Reaktionen im technischen Maßstab eine erhöhte Explosionsgefahr besteht. Die Erlangung einer behördlichen Genehmigung nach dem BlmSchG (BGBI. I Nr. 71 vom 26.10.1998 S. 3178) für das Be- treiben von Anlagen zur Friedel-Crafts-Alkylierung organischer Verbindungen im technischen Maßstab ist daher mit einem beträchtlichen Aufwand verbun- den.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein neues Verfahren zur Friedel-Crafts-Alkylierung organischer Verbindungen zur Verfügung zu stel- len, welches in einfacher, reproduzierbarer Weise mit erhöhter Sicherheit für Mensch und Umwelt sowie mit guten Ausbeuten durchführbar ist. Eine weite- re Aufgabe bestand darin, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfah- rens zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch das Bereitstellen neuer Verfahren zur Friedel-Crafts-Alkylierung organischer Verbindungen, bei denen die organische Verbindung in flüssiger oder gelöster Form in Gegen- wart eines Katalysators in flüssiger oder gelöster Form mit einem Alkylie- rungsreagenz in flüssiger oder gelöster Form in wenigstens einem Mikrore- aktor vermischt wird, während einer Verweilzeit reagiert und die alkylierte or- ganische Verbindung aus dem Reaktionsgemisch isoliert wird.

Ein Mikroreaktor im Sinne der Erfindung ist ein Reaktor mit einem Volumen c 100 pu in dem die Flüssigkeiten und/oder Lösungen wenigstens einmal innig vermischt werden. Vorzugsweise beträgt das Volumen des Mikroreaktors s 10 pi, besonders bevorzugt 1 ut. Ein Mikroreaktor wird bevorzugt aus dün- nen, miteinander verbundenen Siliziumstrukturen-hergestellt.

Vorzugsweise ist der Mikroreaktor ein miniaturisierter Durchflußreaktor, be- sonders bevorzugt ein statischer Mikromischer. Ganz besonders bevorzugt ist der Mikroreaktor ein statischer Mikromischer, wie er in der WO 96/30113 beschrieben ist, die hiermit als Referenz eingeführt wird und als Teil der Of- fenbarung gilt.

Ein solcher Mikroreaktor weist kleine Kanäle auf, in denen Flüssigkeiten und/oder in Lösungen vortiegende, chemische Verbindungen vorzugsweise durch die kinetische Energie der strömenden Flüssigkeiten und/oder Lösun- gen miteinander vermischt werden.

Die Kanäle des Mikroreaktors weisen vorzugsweise einen Durchmesser von 10 bis 1000 um, besonders bevorzugt von 20 bis 800 um und ganz beson- ders bevorzugt von 30 pm bis 400 um auf.

Vorzugsweise werden die Flüssigkeiten und/oder Lösungen so in den Mikro- reaktor gepumpt, daß sie diesen mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 0,1 N /min bis 10 ml/min, besonders bevorzugt 1 ut/min bis 1 ml/min durchströ- men.

Der Mikroreaktor ist erfindungsgemäß vorzugsweise temperierbar.

Die Verweilzeit im Sinne der Erfindung ist die Zeit zwischen der Durch- mischung der organischen Verbindungen, Katalysatoren und Alkylierungs- reagenzien bzw. deren Lösungen und der Aufarbeitung dieser Reaktionslö- sung zur Analyse bzw. Isolierung der/des gewünschten Produkte (s).

Die erforderliche Verweilzeit in den erfindungsgemäßen Verfahren hängt von verschiedenen Parametern ab, wie z. B. der Reaktivität der eingesetzten or- ganischen Verbindungen, Katalysatoren und Alkylierungsreagenzien, dem gewünschten Grad der Alkylierung oder der Temperatur. Dem Fachmann ist es möglich, die Verweilzeit an diese Parameter anzupassen und so einen op-

timalen Reaktionsverlauf zu erzielen. Vorzugsweise beträgt die Verweilzeit der Reaktionslösung im Mikroreaktor, gegebenfalls im Mikroreaktor und der Verweilstrecke < Stunden, vorzugsweise vorzugsweise < Stunde.

Erfindungsgemäß, ist der Mikroreaktor vorzugsweise über einen Auslaß mit wenigstens einer Verweilstrecke, vorzugsweise einer Kapillare, besonders bevorzugt einer temperierbaren Kapillare verbunden. In diese Verweilstrecke bzw. Kapillare werden die Flüssigkeiten und/oder Lösungen nach ihrer Durchmischung im Mikroreaktor zur Verlängerung ihrer Verweilzeit geführt.

Ebenfalls bevorzugt wird das Reaktionsgemisch durch zwei oder mehr, par- allel oder in Reihe geschaltete Mikroreaktoren geführt. Hierdurch wird er- reicht, daß auch bei erhöhter Durchflußgeschwindigkeit die Verweilzeit ver- langer wird und die eingesetzten Komponenten der Alkylierungsreaktion na- hezu vollständig zu der/den gewünschten alkylierten organischen Verbin- dung (en) umgesetzt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zahl und die Anordnung der Kanäle in einem oder meh- reren Mikroreaktor (en) so variiert, daß die Verweilstrecke verlängert wird, so daß auch hier bei erhöhter Durchflußgeschwindigkeit eine nahezu vollständi- ge Umsetzung zu der/den gewünschten alkylierten organischen Verbin- dung (en) erreicht wird.

Die Verweilzeit der Reaktionstösung in dem zum Einsatz kommenden System aus wenigstens einem Mikroreaktor und gegebenenfalls einer Verweilstrecke kann auch durch die Wahl der Durchflußgeschwindigkeit der eingesetzten Flüssigkeiten und/oder Lösungen eingestellt werden.

Die erfindungsgemäßen Verfahren können in einem sehr breiten Tempera- turbereich durchgeführt werden, der im wesentlichen durch die Temperatur- beständigkeit der zum Bau des Mikroreaktors, ggf der Verweilstrecke, sowie weiterer Bestandteile, wie z. B. Anschlüsse und Dichtungen eingesetzten Materialien und durch die physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Lö- sungen und/oder Flüssigkeiten beschränkt ist. Vorzugsweise werden die er- findungsgemäßen Verfahren bei einer Temperatur von-90 bis +150 bis °C, besonders bevorzugt-20 bis +100 °C, ganz besonders bevorzugt von-10 bis +80 °C durchgefuhrt.

Die erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich durchgeführt werden. Vorzugsweise werden sie kontinuier- lichdurchgeführt.

Für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Friedel-Crafts- Alkylierung organischer Verbindungen ist es erforderlich, daß die Alkylie- rungsreaktion in homogener flüssiger Phase durchgefuhrt wird, da sonst die in den Mikroreaktoren vorhandenen Kanake verstopfen.

Der Reaktionsverlauf der Alkylierung in den erfindungsgemäßen Verfahren kann mit den verschiedenen dem Fachmann bekannten analytischen Metho- den verfolgt und gegebenenfalls geregelt werden. Vorzugsweise wird der Re- aktionsverlauf chromatographisch, besonders bevorzugt gaschromatogra- phisch verfolgt und gegebenenfalls geregelt.

Die Isolierung der alkylierten organischen Verbindungen kann ebenfalls nach den verschiedenen dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen. Vorzugs- weise wird/werden das/die alkylierte (n) Produkte durch Extraktion, vorzugs- weise mit einem organischen Lösungsmittel oder durch Fallung, vorzugswei- se mit einem organischen Lösungsmittel und/oder Wasser, besonders bevor- zugt mit Wasser aus dem Reaktionsgemisch isoliert.

Als organische Verbindungen können in den erfindungsgemäßen Verfahren alle dem Fachmann als Substrate von Friedel-Crafts-Alkylierungsreaktionen bekannten organischen Verbindungen eingesetzt werden.

Vorzugsweise werden als organische Verbindungen aromatische oder he- teroaromatische Verbindungen eingesetzt. Diese aromatischen oder heteroa- romatischen Verbindungen umfassen sowohl monocyclische als auch poly- cyclische Verbindungen, sowie Verbindungen, die ein monocyclisches und/oder polycyclisches, homo-oder heteroaromatisches Grundagerüst oder eine Teilstruktur, z. B. in Form von Substituenten, aufweisen.

Als aromatische Verbindungen werden besonders bevorzugt Benzol, Naph- thalin, Azulen, Anthracen, Phenanthren, Pyren, Fluoren, Chinone wie z. B. ortho und para-Benzochinon, Naphthochinone, Flourenone, Anthrone, Phen- anthrone, Anthrachinone und/oder deren Derivate, insbesondere deren Alkyl- derivate eingesetzt.

Als heteroaromatische Verbindungen werden besonders bevorzugt sauer- stoffhaltige, heteroaromatische Verbindungen und/oder deren Derivate, ganz besonders bevorzugt Furane, wie z. B. benzanellierte Furane, Dibenzofurane, Dibenzodioxane, Pyryliumkationen, Benzopyranone eingesetzt. Ebenfalls be- sonders bevorzugt sind stickstoffhaltige, heteroaromatische Verbindungen und/oder deren Derivate, wie z. B. Pyrrole, Pyrazole, Imidazole, Triazole, Te- trazole, Pyridine, Pyrazine, Pyrimidine, Pyridiniumsalze, Triazine, Tetrazine, Pyridin-N-oxide, benzanellierte Pyrrole, wie z. B. Indole, Carbazole, Benzimi- dazole oder Benzotriazole, Phenanzin, Chinoline, Isochinoline, Cinnoline, Chinazoline, Chinoxaline, Phenanthrolin, Bipyridyle und deren höhere Ho- mologe, Acridine, Acridone, und/oder Pyren. Weiterhin besonders bevorzugt sind schwefelhaltige, heteroraromatische Verbindungen und/oder deren Deri- vate, wie z. B. Thiophene, benzanellierte Thipophene, insbesondere Ben- zothiophene oder Dibenzothiophene sowie Acenaphthylene, Thiazole, Isothiazole, Biphenylene, Purine, Benzothiadiazole, Oxazole und/oder Isoaxazole.

Ebenfalls bevorzugt werden als organische Verbindungen metallorganische Verbindungen eingesetzt, deren organische Teilstruktur durch eine Friedel- Crafts-Alkylierung alkyliert werden kann. Besonders bevorzugt werden als metallorganische Verbindungen Metallocene von Metallen der vierten bis achten Nebengruppe des Periodensystems, ganz besonders bevorzugt Me- tallocene von Metallen der vierten bis achten Nebengruppe des Periodensy- stems mit wenigstens einem Cyclopentadienylliganden in den erfindungsge- mäßen Verfahren eingesetzt.

Als Alkylierungsreagenzien können in den erfindungsgemäßen Verfahren sämtliche, dem Fachmann bekannten, Alkylierungsreagenzien eingesetzt werden. Vorzugsweise werden als Alkylierungsreagenzien Olefine, beson- ders bevorzugt Ethen, Propen, Dodecen oder lineare Olefine mit einer Ket- ten ! änge von 20 bis 30 Kohlenstoffatomen, Alkylhalogenide, besonders be- vorzugt Methylchlorid, Methyliodid, Ethylchlorid, Isopropylchlorid, tert- Butylchlorid, Benzylchlorid oder Cyclohexylchlorid, Alkohole, Ether, Ester an- organischer und organischer Säuren, Epoxide, Aldehyde, Ketone, Thiole, Dialkylsulfate, Alkyl-p-tolylsulfonate, Trifluormethansulfonsäure oder deren Ester, aliphatische Diazoverbindungen und/oder Trialkyloxoniumtetrafluoro- borate eingesetzt.

Für die erfindungsgemäßen Verfahren ist es wesentlich, daß die eingesetzten organischen Verbindungen, Alkylierungsreagenzien und Katalysatoren ent- weder selbst flüssig sind oder in gelöster Form vorliegen. Sofern diese Ver- bindungen nicht schon selbst in flüssiger Form vorliegen, müssen sie daher vor der Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst werden. Als Lösungsmittel werden bevorzugt haloge- nierte Kohlenwasserstoffe, besonders bevorzugt Dichlormethan, Chloroform, 1, oder 1,1,2, Paraffine, besonders bevor- zugt Hexan oder Ligroin, Ether, besonders bevorzugt Diethylether, Säurea- mide, besonders bevorzugt N, N-Dimethylformamid, Nitrile, besonders bevor- zugt Acetonitril, Schwefelkohlenstoff, Nitroaliphaten, besonders bevorzugt Nitromethan, Nitroaromaten, besonders bevorzugt Nitrobenzol oder deren Gemische eingesetzt.

Ebenfalls bevorzugt werden als Lösungsmittel ionische Flüssigkeiten einge- setzt, die bei Raumtemperatur flüssige Eutektika sind. Besonders bevorzugt werden als ionische Flüssigkeiten N-Butyl-N-methylimidazolium- tetrachloroaluminat, N-Ethyl-N-methylimidazolium-tetrachloroaluminat, N- Ethyl-N-methylimidazolium-tetrafluoroborat, N-alkylierte Pyridinium- imidazoliumsalze, insbesondere deren Tetrafluoroborate und/oder Hexafluo- rophosphate oder deren Gemische eingesetzt.

Das molare Verhaltnis von organischer Verbindung zu eingesetztem Alkylie- rungsreagens in den erfindungsgemäßen Verfahren hängt zum einen von der Reaktivität der eingesetzten organischen Verbindungen, Katalysatoren und Alkylierungsreagenzien ab, und zum anderen von dem gewünschten Grad der Alkylierung. Der Grad der Alkylierung selbst hängt außer von der Kon- zentration der eingesetzten Reagenzien von einer Reihe weiterer Parameter, wie z. B. Temperatur, Art des Katalysators oder der Verweilzeit, ab. Dem Fachmann ist es möglich, die verschiedenen Parameter auf die jeweilige Al- kylierungsreaktion so abzustimmen, daß das gewünschte einfach oder mehrfach alkylierte Produkt erhalten wird.

Vorzugsweise beträgt das molare Verhältnis von organischer Verbindung zu Alkylierungsreagenz 1 bis 10, vorzugsweise 1,1 bis 2 und besonders bevor- zugt 1,2 bis 1,5 für die Herstellung einer einfach alkylierten Verbindung.

Als Katalysatoren können in den erfindungsgemäßen Verfahren sämtliche, dem Fachmann bekannten, für Friedel-Crafts-Alkylierungen geeigneten Ka- taiysatoren eingesetzt werden.

Vorzugsweise werden als Katalysatoren Lewis-Säuren gebenenfalls auch gelöst in ionischen Flüssigkeiten, Protonensäuren, ionische Flüssigkeiten, metallorganische Katalysatoren und/oder deren Gemische eingesetzt.

Besonders bevorzugt werden als Katalysatoren Chloressigsäure, Trifluores- sigsäureanhydrid, Trifluormethansulfonsäureanhydrid, dihalogenierte Phos- phorsäure, Schwefelsäure, Chlorwasserstoff, Phosphorsäure, Sulfonsäuren, ganz besonders bevorzugt Alkylsulfonsäuren, wie z. B. Methansulfonsäure oder Arylsulfonsäure, Eisentrihalogenide, Zinntetrachlorid, Aluminiumhaloge- nide, Alkylaluminiumhalogenide, Bortrihalogenide, ionische Flüssigkeiten, die bei Raumtemperatur flüssige Eutektika sind, wie beispielsweise N-Butyl-N- methylimidazolium-tetrachloroaluminat, N-Ethyl-N-methylimidazolium- tetrachloroaluminat, N-Ethyl-N-methylimidazolium-tetrafluoroborat oder N- alkylierte Pyridinium-imidazoliumsalze, insbesondere deren Tetrafluoroborate und/oder Hexafluorophosphate, Antimonhalogenide, BeCl2, CdCl2, ZnCl2, Gal3, BiC13, TiCl4, ZrCl4, VCl4, Metallalkyle, Metallalkoxide, TiCl2 (CH3) 2, Pd (PPh3) 4, RuCl2 (PPh3) 2 oder Gemische aus diesen Katalysatoren einge- setzt.

Die Menge des eingesetzten Katalysators in den erfindungsgemäßen Verfah- ren beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 und 110 Mol-%, besonders bevorzugt zwischen 1 und 100 Mol-% bezogen auf die eingesetzte Menge an organi- scher Verbindung.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Alkylierungsmikroreaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieser Alkylierungsmikro- reaktor weist wenigstens ein Mischelement und gegebenenfalls eine Verweil- strecke auf und sein Volumen, ohne das Volumen der Verweilstrecke, beträgt vorzugsweise 10 u !, besonders bevorzugt # 1 µl.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Alkylierungsmikroreaktor ein statischer Mikromischer.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Alkylierungsmikroreak- tors weist er eine Verweilstrecke auf, die eine Kapillare ist, welche mit einem Auslaß des Alkylierungsmikroreaktors verbunden ist. Vorzugsweise ist die Kapillare eine temperierbare Kapillare.

Ebenfalls bevorzugt ist der Alkylierungsmikroreaktor selbst temperierbar.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren ist die Gefahr für Mensch und Umwelt durch austretende Chemikalien erheblich verringert. Desweiteren wird unter anderem durch einen gegenüber herkömmlichen Systemen verbesserten Massen-und Wärmetransport die Gefahr einer Explosion bei sehr stark exo- thermen Alkylierungsreaktionen vermindert. Eine behördliche Genehmigung nach dem BlmschG (BGBI. I Nr. 71 vom 26.10.1998 S. 3178) für das Be- treiben von Anlagen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren ist daher wesentlich einfacher zu bekommen. Besonders vorteilhaft ist auch, daß die erfindungsgemäßen Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden können. Hierdurch können sie im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, schneller und kostengünstiger durchgeführt werden und es ist ohne großen Meß-und Regelungsaufwand möglich, beliebige Mengen der alkylierten or- ganischen Verbindungen herzustellen. Der Reaktionsverlauf der Alkylierung ist in den erfindungsgemäßen Verfahren sehr schnell regelbar. Die Alkylie- rung organischer Verbindungen nach den erfindungsgemäßen Verfahren er- möglicht auch eine bessere Kontrolle über Reaktionsdauer und Reaktion- stemperatur, als dies in den herkömmlichen Verfahren möglich ist. So kann durch die Realisierung kurzer Reaktionszeiten der Anteil an einfach alkylier- ten Produkten gegenüber zweifach und dreifach alkylierten Produkten gestei- gert werden. Die Temperatur kann in jedem Volumenelement des Systems individuell gewählt und konstant gehalten werden. Die alkylierten organischen Produkte lassen sich so in sehr guten und reproduzierbaren Ausbeuten er- halten.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispies erläutert. Dieses Beispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und schränkt den all- gemeien Erfindungsgedanken nicht ein.

Beispiel Friedel-Crafts-Alkylieruna von Benzol mit Cvclohexen :

Die Friedel-Crafts-Alkylierung von Benzol (1) mit Cyclohexen (2) erfolgte in einem statischen Mikromischer mit 11 integrierten Mischstufen (Technische Universität llmenau, Fakultät Maschinenbau, Dr.-Ing. Norbert Schwesinger, Postfach 100565, D-98684, llmenau) Jede einzelne Mischstufe hatte eine Baugröße von 0,8 mm x 0,8 mm x 0,6 mm und ein Volumen von 0,125 NI.

Der Gesamtdruckverlust über alle 11 Mischstufen betrug ca. 1000 Pa. Der statische Mikromischer war über einen Auslaß und eine Omnifit Mitteldruck- HPLC-Verbindungskomponente (Omnifit, Großbritannien) an eine Teflon- Kapillare mit einem Innendurchmesser von 0,25 mm und einer Länge von 0, 9 m verbunden. Der statische Mikromischer und die Teflon-Kapillare wurden in einem mit Ethanol gefüllten, auf 0 °C thermostatierten Doppelmantelgefäß temperiert.

Es wurde eine 20 mi Polypropylen-Spritze mit einem Gemisch aus 4 ml (0,045 mol) Benzol und 5 ml Cyclohexen und eine 1 ml Glasspritze mit Me- tallaufsatz mit 1 mi (0,019 mol) 96%iger Schwefelsäure befüllt. Anschließend wurde der Inhalt beider Spritzen mit einer Dosierpumpe (Harvard Apparatus Inc., Pump 22, South Natick, Massachussets, USA) in den statischen Mikro- mischer überführt. Die Durchflußgeschwindigkeit wurde dabei auf 10 ul/min eingestellt.

Zur Bestimmung der Ausbeute der alkylierten Reaktionsprodukte wurde die durchmischte Reaktionslösung in ein Becherglas mit 50 mi Wasser einge- rührt. Anschließend wurde das System aus statischem Mikromischer und Te- flon-Kapillare zunachst mit 10 ml Wasser und anschließend mit 10 ml Dichlormethan gespült. Die vereinigten flüssigen Phasen wurden dann drei- mal mit je 20 ml Dichlormethan extrahiert. Die vereinigten organischen Ex- trakte wurden über Magnesiumsulfat getrocknet und im Vakuum vom Lö- sungsmittel befreit. Es wurden 8,3 g (entsprechend 58 % der theoretischen Ausbeute) eines farblosen Ois erhalten, welches bei einer Temperatur von- 20 °C in Form von weißen Kristallen auskristallisierte. Der Gehalt an einfach alkyliertem Produkt (3) wurde durch eine kombinierte GC-MS-Analyse zu 50 Flächen-% des Chromatogramms bestimmt. Daneben wurden noch 20 Fia- chen-% Cyclohexen, sowie 5 Flächen-% an zweifach alkylierten Produkten nachgewiesen.