Maleinsäureanhydrid

Benzoloxidation

Bis zum Beginn der sechziger Jahre wurde Maleinsäureanhydrid ausschließlich durch die selektive katalytische Gasphasenoxidation von Benzol mit Luftsauerstoff bei Temperaturen von 400–450 °C und Drücken von 2–5 bar an Vanadiumpentoxid-Katalysatoren, welche zusätzlich mit Molybdäntrioxid oder Phosphorsäure modifiziert sein können, hergestellt.[7]

Selektive Partial-Oxidation von Benzol mit Luftsauerstoff zu Maleinsäureanhydrid, Kohlenstoffdioxid und Wasser in Gegenwart eines Vanadiumpentoxid / Molybdäntrioxid-Katalysators

Die komplette Reaktion wird dabei in Rohrbündelreaktoren, bei denen die beträchtliche Reaktionsenthalpie (ΔH_R= −1875 kJ·mol⁻¹) mithilfe von Salzschmelzen abgeführt und zur Erzeugung von überhitztem Hochdruckdampf genutzt wird, durchgeführt. Der Benzolumsatz beträgt 85–95 %, dabei wird jedoch nur eine Ausbeute von 60–75 % Maleinsäureanhydrid erreicht. Nachteilig ist außerdem, dass etwa ein Drittel des Benzols als Kohlenstoffdioxid verloren geht. Deshalb ist dieses Verfahren aufgrund der hohen und weiterhin ansteigenden Benzolpreise sowie der einzuhaltenden Emissionsgrenzwerte wirtschaftlich unattraktiv geworden.[7]

Butenoxidation

Aus diesem Nachteil wurde Anfang der sechziger Jahre ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Maleinsäureanhydrid entwickelt. Demnach geht man von butadienfreien C4-Fraktionen aus, die im Wesentlichen Isobuten und die isomeren Butene (But-1-en und But-2-en) enthalten. Dieses Gemisch wird danach mit Luftsauerstoff bei Temperaturen von 350–450 °C und Drücken von 2–5 bar ebenfalls an Vanadiumpentoxid-Katalysatoren, welche mit Oxiden von Titan, Molybdän oder Antimon modifiziert sein können und auf oberflächenarmen Trägern aufgebracht sind, umgesetzt.[7][8]

Selektive Partial-Oxidation der Butene mit Luftsauerstoff zu Maleinsäureanhydrid und Wasser in Gegenwart eines Vanadiumpentoxid-Katalysators

Auch hier verwendet man Rohrbündelreaktoren, bei denen die beträchtliche Reaktionsenthalpie (ΔH_R= −1315 kJ·mol⁻¹) mithilfe von Salzschmelzen abgeführt und zur Erzeugung von überhitztem Hochdruckdampf genutzt wird. Die Selektivität zu Maleinsäureanhydrid beträgt 45–60 % bezogen auf den oxidierbaren Butengehalt. Das gewünschte Produkt fällt nach zweistufiger Destillation in Leicht- und Schwersiederkolonnen in einer Reinheit von 99 % an. Wesentlich Nebenprodukte sind neben Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid, auch Essig-, Acryl-, Fumar-, Croton- und Glyoxylsäure sowie Formaldehyd.[7]

Butanoxidation

Hinsichtlich des weiterhin ansteigenden Bedarfs an Maleinsäureanhydrid führte auch das neuere Butenoxidation-Verfahren aufgrund der geringen Selektivitäten zu einem unbefriedigenden Ergebnis. Angesichts dessen wurde Mitte der siebziger Jahre erstmals von Monsanto in den USA eine Oxidation von Butan als dem preiswertesten Einsatzmaterial für MSA entwickelt. Nach diesem Verfahren setzt man Butan mit Luftsauerstoff bei Temperaturen von 390–430 °C und leichtem Überdruck an Vanadylpyrophosphat-Katalysatoren [(VO₂)₂P₂O₇] in der Gasphase um.[3][7]

Selektive Partial-Oxidation von n-Butan mit Luftsauerstoff zu Maleinsäureanhydrid und Wasser in Gegenwart eines VPO-Katalysators

Die Reaktion kann hierbei analog zu den Vorgängervarianten in Rohrbündelreaktoren sowie neuerdings auch in Wirbelschichtreaktoren durchgeführt werden. Der Umsatz an n-Butan beträgt 80–85 %. Damit wird eine Ausbeute an Maleinsäureanhydrid von 50–60 %, in neueren Verfahrensvarianten auch 70–75 % erreicht.[3][7]

Es besteht eine Analogie zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid: Während ältere Verfahren von Naphthalin ausgehen, verwenden moderne Verfahren o-Xylol.

Maleinsäureanhydrid bildet farblose, nadelförmige Kristalle, die bei 52,8 °C schmelzen.[9][10] Die molare Schmelzenthalpie beträgt 13,66 kJ·mol⁻¹.[10] Die Verbindung siedet unter Normaldruck bei 202 °C.[2] Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log₁₀(P) = A−(B/(T+C)) (P in bar, T in K) mit A = 3,79916, B = 1431,009 und C = −101.093 im Temperaturbereich von 317 bis 445 K.[11] Die molare Verdampfungsenthalpie beträgt 54,8 kJ·mol⁻¹.[10][12]

Maleinsäureanhydrid ist sehr reaktionsfreudig. Es hydrolysiert in Wasser zu Maleinsäure. Die Hydrolyse verläuft mit −34,9 kJ·mol⁻¹ exotherm.[13] Mit Alkoholen werden die entsprechenden Monoester oder Diester gebildet.[9] Die Umsetzung mit Ammoniak oder Aminen führt zu den entsprechenden Monoamiden, welche unter Wasserabspaltung in die cyclischen Imide überführt werden können.[10] Wie für ungesättigte Verbindungen typisch geht Maleinsäureanhydrid leicht Additionsreaktionen an der Doppelbindung ein. Mit Halogenen können die entsprechenden Dihalogenbernsteinsäuren, Mono- oder Dihalogenmaleinsäuren bzw. deren Anhydride gewonnen werden.[10][9] Eine Hydrierung kann je nach Reaktionsbedingungen zum Bernsteinsäureanhydrid, 1,4-Butandiol, Tetrahydrofuran oder Butyrolacton führen.[10] In Diels-Alder-Reaktionen tritt es als reaktives Dienophil in Erscheinung. Die Umsetzung mit 1,3-Butadien führt zum 1,3,3a,4,7,7a‐Hexahydro‐2‐benzofuran‐1,3‐dion (Tetrahydrophthalsäureanhydrid). Diese Reaktion verläuft mit −263,6 kJ·mol⁻¹ stark exotherm.[14]

Photochemisch gelingt bei UV-Licht-Bestrahlung die Dimerisierung zum Cyclobutantetracarbonsäuredianhydrid.[15]

Die Verbindung kann auch in Homo- bzw. Copolymerisationen umgesetzt werden.[10] Die Polymerisationswärme beträgt −59 kJ·mol⁻¹.[16]

Maleinsäureanhydrid bildet bei höheren Temperaturen entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt von 103 °C.[2][17] Der Explosionsbereich liegt zwischen 1,4 Vol.‑% (57 g/m³) als untere Explosionsgrenze (UEG) und 7,1 Vol.‑% (290 g/m³) als obere Explosionsgrenze (OEG).[2][17] Der untere Explosionspunkt beträgt 91 °C.[2] Die Zündtemperatur beträgt 380 °C.[2][17] Der Stoff fällt somit in die Temperaturklasse T2.