Wacker-Verfahren

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Das Wacker-Verfahren (auch Wacker-Hoechst-Verfahren genannt) ist ein großtechnischer Prozess in der chemischen Industrie, bei dem eine katalytische Oxidation von Alkenen durch molekularen Sauerstoff erfolgt.

Geschichte[Bearbeiten]

Bereits im Jahr 1894 entdeckte F. C. Phillips die Oxidation von Ethen zu Acetaldehyd mittels Palladium(II)-chlorid in wässriger Lösung, bei der das Palladiumsalz zu metallischem Palladium reduziert wird. Das Palladiummetall fällt dabei aus und steht für weitere Oxidationsreaktionen nicht zur Verfügung.[1]

Eine katalytische Variante des Verfahrens wurde von der Wacker Chemie AG (Deutschland) Anfang der 1960er Jahre entwickelt.[2] Das von Walter Hafner, Jürgen Smidt und anderen entwickelte Verfahren gehörte zu den ersten, die geeignet waren, auf die zukünftige Bedeutung von Alkenen hinzuweisen. Enorme Mengen an Aldehyden werden jährlich nach dieser Methode produziert. Es war die allgemeine Meinung, dass „die Erfindung des Wacker-Verfahrens einen Triumph des gesunden Menschenverstandes“ darstellt.[3] Mit dieser Methode kann z. B. aus Ethen (C2H4) Acetaldehyd (CH3CHO) gewonnen werden. Acetaldehyd kann wiederum zur Essigsäure (CH3COOH) oxidiert werden.

In einem 1913 von der Wacker-Chemie entwickelten Verfahren, zum Teil als Erstes Wacker-Verfahren bezeichnet, wurde Acetaldehyd durch Anlagerung von Wasser an Acetylen unter Quecksilbersulfat/Schwefelsäure-Katalyse gewonnen. Die Reaktion wurde 1898 von Hugo Erdmann und Paul Köthner entdeckt.[4] Dabei entstand intermediär ein Vinylalkohol, der sich in Acetaldehyd umlagert.

Verfahren[Bearbeiten]

Der Wacker-Prozess bzw. das Wacker-Verfahren führt genauso wie die ebenfalls großtechnisch durchgeführte Hydroformylierung zu Aldehyden, mit dem Unterschied, dass bei der Hydroformylierung eine Kettenverlängerung stattfindet und diese durch andere Übergangsmetalle katalysiert wird.

Wacker-Verfahren zur Herstellung von Aldehyden aus Ethen (Alkene)

Der ablaufende Kreisprozess kann in folgenden Gleichungen zusammengefasst werden:

\mathrm{[PdCl_4]^{2-} + C_2H_4 + H_2O \rightarrow CH_3CHO + Pd + 2 \ HCl +2 \ Cl^-}
\mathrm{Pd + 2 \ CuCl_2 + 2 \ Cl^- \rightarrow [PdCl_4]^{2-} + 2 \ CuCl}
\mathrm{2 \ CuCl + 1/2 \ O_2 + 2 \ HCl \rightarrow 2 \ CuCl_2 + H_2O}

Es gibt das einstufige und das zweistufige Verfahren. Beim einstufigen Verfahren wird in einem Reaktor die Oxidation des Ethens sowie die Regeneration des Katalysators durchgeführt. Die Regeneration muss mit reinem Sauerstoff erfolgen, außerdem muss das verwendete Ethen sehr rein sein. Um unterhalb der Explosionsgrenze zu bleiben, wird mit einem Überschuss an Ethen gearbeitet, dadurch sinkt die Ausbeute auf etwa 35 %. Nicht umgesetztes Ethen kann jedoch erneut in den Reaktor geführt werden.

Beim zweistufigen Verfahren sind die Oxidation des Ethens und die Regeneration des Katalysators räumlich getrennt. Es kann mit Luftsauerstoff regeneriert werden. Die Reinheit des Ethens ist geringer als im einstufigen Verfahren. Allerdings sind die Investitionskosten in die Anlagen sowie der Energieverbrauch beim zweistufigen Verfahren deutlich höher, weshalb man, wenn die Versorgung mit reinem Sauerstoff gewährleistet ist, das einstufige Verfahren vorzieht.

Die Ausbeute liegt für beide Verfahren Prozesse bei etwa 95 %.

Das Wacker-Hoechst-Verfahren verliert an Bedeutung, da nicht die Aldehyde, sondern deren Folgeprodukte industriell die entscheidende Rolle spielen und diese (z. B. Essigsäure oder Essigsäureanhydrid) verstärkt über die Verwendung von Synthesegas hergestellt werden.

Literatur[Bearbeiten]

  • James E. Huheey, Ellen A. Keiter, Richard L. Keiter: Anorganische Chemie. 3. Auflage. de Gruyter, Berlin 2003, ISBN 3-11-017903-2, S. 837.
  • Manfred Baerns, Arno Behr, Axel Brehm, Jürgen Gmehling, Hanns Hofmann, Ulfert Onken, Albert Renken: Technische Chemie. 1. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2006, ISBN 3-527-31000-2, S. 573.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Reinhard Jira: Acetaldehyd aus Ethylen - ein Rückblick auf die Entdeckung des Wacker-Verfahrens. In: Angewandte Chemie. 121, 2009, S. 9196–9199, doi:10.1002/ange.200903992.
  2. Wissenschaftliche Meilensteine der Wacker Chemie AG
  3. G. W. Parshall: Homogeneous Catalysis. Wiley, New York 1980, S. 102.
  4. Hugo Erdmann, Paul Köthner: Einige Beobachtungen über Acetylen und dessen Derivate. In: Zeitschrift für anorganische Chemie. 18, 1898, S. 48–58, doi:10.1002/zaac.18980180105.

Weblinks[Bearbeiten]