Quelltext der Seite Caprolactam

{{Infobox Chemikalie
| Strukturformel      = [[Datei:Strukturformel Caprolactam.svg|Strukturformel von Caprolactam]]
| Andere Namen        = * Azepan-2-on ([[IUPAC-Nomenklatur|IUPAC]])
* Hexano-6-lactam
* Hexahydro-2''H''-azepin-2-on
* 1,6-Hexalactam
* ε-Caprolactam
| Summenformel        = C<sub>6</sub>H<sub>11</sub>NO
| CAS                 = {{CASRN|105-60-2}}
| EG-Nummer           = 203-313-2
| ECHA-ID             = 100.003.013
| PubChem             = 7768
| ChemSpider          = 7480
| Beschreibung        = weiße Schuppen<ref name="GESTIS" />
| Molare Masse        = 113,16 [[Gramm|g]]·[[mol]]<sup>−1</sup>
| Aggregat            = fest
| Dichte              = 1,02 g·cm<sup>−3</sup> (75 °C)<ref name="GESTIS">{{GESTIS|Name=epsilon-Caprolactam|ZVG=13240|CAS=105-60-2|Abruf=2016-02-01}}</ref>
| Schmelzpunkt        = 70 [[Grad Celsius|°C]]<ref name="GESTIS" />
| Siedepunkt          = 270 °C<ref name="GESTIS" />
| Dampfdruck          = 
| Löslichkeit         = gut in Wasser (4650 g·l<sup>−1</sup> bei 20 °C)<ref name="GESTIS" />
| CLH                 = {{CLH-ECHA|ID=100.003.013|Name=ε-caprolactam|Abruf=2016-02-01}}
| Quelle GHS-Kz       = <ref name="GESTIS" />
| GHS-Piktogramme     = {{GHS-Piktogramme|07}}
| GHS-Signalwort      = Achtung
| H                   = {{H-Sätze|302|332|315|319|335}}
| EUH                 = {{EUH-Sätze|-}}
| P                   = {{P-Sätze|302+352|304+340|305+351+338}}
| Quelle P            = <ref name="GESTIS" />
| MAK                 = * [[Deutsche Forschungsgemeinschaft|DFG]]: 5&nbsp;mg·m<sup>−3</sup> (gemessen als [[einatembarer Staub]])<ref name="GESTIS" />
* Schweiz: 5&nbsp;mg·m<sup>−3</sup><ref>{{SUVA-MAK |Name=ε-Caprolactam |CAS-Nummer=105-60-2 |Abruf=2020-02-20}}</ref>
| ToxDaten            = {{ToxDaten|Typ=LD50 |Organismus=Ratte |Applikationsart=oral |Wert=1155 mg·kg<sup>−1</sup>|Bezeichnung= |Quelle=<ref name="Ullmann"/> }}
}}
'''Caprolactam''', genauer '''[[Ständigkeit|ε]]-Caprolactam''', ist ein wirtschaftlich bedeutsames [[Lactame|Lactam]], das jährlich im Megatonnen-Maßstab produziert wird. Es dient als Ausgangsstoff für die Herstellung von [[Polycaprolactam|Polyamid 6]] (Perlon).

== Geschichte ==
Zum ersten Mal wurde Caprolactam 1899 von [[Siegmund Gabriel]] und Theodor A. Maass durch die [[Cyclisierung]] von [[ε-Aminocapronsäure]] hergestellt.<ref name="Gabriel">{{Literatur |Autor=Siegmund Gabriel, Theodor A. Maass |Titel=Ueber ε‐Amidocapronsäure |Sammelwerk=Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft |Band=32 |Datum=1899 |Seiten=1266–1272 |DOI=10.1002/cber.189903201205}}</ref> Ein Jahr später<ref name="acs">{{Internetquelle |url=https://www.acs.org/content/acs/en/molecule-of-the-week/archive/c/caprolactam.html |titel=Caprolactam |datum=2016-09-19 |abruf=2019-10-24}}</ref> entdeckte der spätere Nobelpreisträger [[Otto Wallach]] die bis heute wichtigste Synthese über die Beckmann-Umlagerung von Cyclohexanonoxim. Ein wirtschaftlicher Durchbruch ergab sich durch die Entdeckung der Reaktion von Caprolactam zu Polycaprolactam durch [[Paul Schlack]] ([[I.G. Farben]]) im Jahr 1938. Im Jahr 1989 lag die Produktionsmenge von Caprolactam näherungsweise bei etwa 2 Millionen Tonnen, Im Jahr 2016 bei 5,5 Millionen Tonnen.<ref name="Ullmann">{{Literatur |Autor= |Titel=Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry |Auflage=1 |Verlag=Wiley |Ort= |Datum=2000 |ISBN=978-3-527-30385-4 |Seiten= |DOI=10.1002/14356007.a05_031.pub3}}</ref>

== Herstellung von Caprolactam ==
Für Caprolactam sind zahlreiche verschiedene Herstellungsrouten bekannt. Alle kommerziellen Herstellungsprozesse laufen aktuell auf Basis von [[Benzol]] aus [[BTEX]] und benutzen die [[Beckmann-Umlagerung]]. Dabei fallen enorme Mengen an [[Ammoniumsulfat]] als Rest an; 40 bis 50 % des global hergestellten Ammoniumsulfats entsteht bei der Herstellung von Caprolactam. Die Prozesse lassen sich in zwei Gruppen unterteilen.<ref name="Ullmann"/>
=== Herstellung über Cyclohexanon ===
Fast alle kommerziellen Herstellungsprozesse verlaufen über [[Cyclohexanon]] als Zwischenstufe; 98 % des Caprolactams werden so hergestellt.<ref name="Ullmann"/> Alle davon lassen sich grob in drei Schritte einteilen:
* Aus Benzol wird Cyclohexanon hergestellt
* Das Cyclohexanon wird mittels [[Hydroxylamin]] in [[Cyclohexanonoxim]] überführt
* Das [[Cyclohexanonoxim]] reagiert in Gegenwart von Schwefelsäure in einer [[Beckmann-Umlagerung]] zu ε-Caprolactam
: [[Datei:Herstellung Caprolactam Klassisch.svg|rahmenlos|hochkant=3.2|Herstellung von Caprolactam aus Cyclohexanon]]

Für die Herstellung von Cyclohexanon aus Benzol gibt es verschiedene Reaktionswege, die praktiziert werden. Beispielsweise kann Benzol zunächst [[Katalysator|katalytisch]] [[Hydrierung|hydriert]] und anschließend oxidiert werden.

Für die Herstellung des Hydroxylamins im zweiten Prozessschritt werden klassischerweise Varianten des [[Raschig-Prozess]]es benutzt. Da hier allerdings große Mengen des Abfallprodukts Ammoniumsulfat anfallen (bis zu 2,7 Tonnen pro Tonne Oxim), haben sich auch andere [[Atomökonomie|atomökonomischere]] Methoden entwickelt.

Auch beim dritten Prozessschritt entsteht Ammoniumsulfat als Abfallprozess, sodass die Gesamtmenge an Nebenprodukten bei 2 bis 4,5&nbsp;Tonnen pro Tonne Caprolactam liegt. Dieser Reaktionsschritt ist stark exotherm, die [[Reaktionsenthalpie]] liegt bei −105,1&nbsp;kJ·mol<sup>−1</sup>.<ref>A. A. Kozyro, L. I. Marachuk, A. P. Krasulin, I. A. Yursha, G. Ya. Kabo: ''Thermodynamic properties of cyclohexanone oxime and ε-caprolactam.'' in ''J. Appl. Chem. USSR.'' 62, 1989, S. 547–550.</ref> Daher muss kontinuierlich gekühlt werden.

=== Photooximierung ===
Diese Herstellung kommt ohne Cyclohexanon als Zwischenprodukt aus und lässt sich ebenfalls in drei Schritte einteilen:
* Aus Benzol wird in einer katalytischen Hydrierung Cyclohexan hergestellt
* Cyclohexan wird mittels Nitrosylchlorid und Chlorwasserstoff zu Cyclohexanonoxim (genauer: zu Cyclohexanonoxim-Hydrochlorid) umgesetzt
* Zuletzt folgt analog zu den anderen Prozessen die Beckmann-Umlagerung von Cyclohexanonoxim zu ε-Caprolactam in Schwefelsäure
: [[Datei:Herstellung Caprolactam Photooximierung.svg|rahmenlos|hochkant=3.2|Herstellung von Caprolactam aus Cyclohexanon]]
Bei diesem Prozess entstehen pro Tonne Caprolactam nur 1,55&nbsp;Tonnen Ammoniumsulfat. Allerdings sind teure Reaktoren z. B. aus Titan nötig, da Zwischenprodukte wie Nitrosylchlorid in diesem Prozess sehr korrosiv sind.

=== Recycling von Polycaprolactam ===
Caprolactam kann außerdem durch Recycling aus Polycaprolactam durch Depolymerisation gewonnen werden. Das geschieht meist in einem Kessel mit Heißdampf, Basen und Katalysatoren wie [[Phosphorsäure]] bei Atmosphärendruck. Es kann auch ohne Katalysator bei hohen Drücken gearbeitet werden. Das Roh-Caprolactam wird dann durch Destillation aufgereinigt.<ref name="Ullmann"/> In weiteren Verfahren kann Phosphorsäure zur sauren [[Hydrolyse]], [[Natriumhydroxid]] zur basischen Hydrolyse oder heißes Wasser (high-temperature water, HTW) zur neutralen Hydrolyse genutzt werden. Ebenso können Alkoholyse und Ammonolyse sowie Depolymerisation in [[Ionische Flüssigkeit|ionischen Flüssigkeiten]] genutzt werden.<ref>{{Literatur |Autor=Ann-Joelle Minor, Ruben Goldhahn, Liisa Rihko-Struckmann, Kai Sundmacher |Titel=Chemical Recycling Processes of Nylon 6 to Caprolactam: Review and Techno-Economic Assessment |Sammelwerk=Chemical Engineering Journal |Band=474 |Verlag= |Datum=2023 |Seiten=145333 |DOI=10.1016/j.cej.2023.145333}}</ref>

=== Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen ===
Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um die Herstellung von Caprolactam aus nachwachsenden Rohstoffen zu bewerkstelligen. Dabei lassen sich drei verschiedene Ansätze unterscheiden:

Eine Möglichkeit liegt darin, die aktuellen Prozesse weiter zu benutzen und den Ausgangsstoff Benzol durch katalytische [[Pyrolyse]] aus Biomasse herzustellen. Die zweite Möglichkeit ist es, neue chemische Syntheserouten zum Produkt Caprolactam zu finden, die auf Ausgangsstoffen basieren, die leicht biobasiert zu erzeugen sind. Es sind mittlerweile einige solche Routen bekannt. So kann Caprolactam beispielsweise sehr selektiv und in nur drei Schritten aus biobasiertem [[Hydroxymethylfurfural]] hergestellt werden. Die letzte Möglichkeit besteht in der [[Fermentation|fermentativen]] Herstellung von Caprolactamvorläufern, die dann „klassisch“ chemisch weiterverarbeitet werden. Es gibt zum Beispiel Syntheserouten ausgehend von [[L-Lysin|<small>L</small>-Lysin]] oder [[1,3-Butadien]], die beide fermentativ hergestellt werden können.<ref name="Ullmann"/>

Stand 2017 war noch kein biobasiertes Verfahren wirtschaftlich konkurrenzfähig.<ref name="Ullmann"/>

<gallery class="center" caption="Strukturformeln einiger Vorläufer von Caprolactam, die biobasiert hergestellt werden können">
    Hydroxymethylfurfural Strukturformel.svg|Hydroxymethylfurfural
    Furfural.svg|Furfural
    Structural formula of acrylonitrile.svg|[[Acrylnitril]]
    Buta-1,3-diene 200.svg|1,3-Butadien
    L-Lysin - L-Lysine.svg|L-Lysin
</gallery>

=== Treibhausgasemissionen bei der Produktion ===

Die Produktion von Caprolactam kann je nach Verfahren große Mengen an [[Distickstoffmonoxid]] produzieren, ein hochwirksames Treibhausgas. Diese Emissionen können durch vergleichsweise günstige Abgasnachbehandlungstechnologien vermieden werden. Eine Studie, die vom [[Öko-Institut]] im Auftrag des [[Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz]] durchgeführt wurde, gibt an, dass in Anlagen mit einem hohen Ausstoß pro Tonne Caprolactam bis zu neun Kilogramm Distickstoffmonoxid erzeugt werden.<ref>{{Internetquelle|autor=Öko-Institut|url=https://www.oeko.de/fileadmin/oekodoc/NACAG-N2O-mitigation-potentials.pdf|titel=Mitigation potentials for emissions of nitrous oxide from chemical industry in industrialised countries world-wide|datum=28. September 2023|abruf=2023-10-23}}</ref>

In den meisten Staaten sind diese Emissionen nicht reguliert, daher wird eine Abgasnachbehandlung häufig nicht eingesetzt. Distickstoffmonoxid-Emissionen der Caprolactam-Herstellung sind nicht Teil des EU-Emissionshandels, andere Chemikalien mit ähnlichen Emissionen hingegen schon.<ref>{{Internetquelle|autor=Hanno Böck|url=https://industrydecarbonization.com/news/the-avoidable-super-greenhouse-gas-from-fertilizer-nylon-and-vitamin-b3-production.html|titel=The avoidable Super-Greenhouse-Gas from Fertilizer, Nylon, and Vitamin B3 production|werk=Industry Decarbonization Newsletter|datum=März 2023|abruf=2023-10-23}}</ref>

== Eigenschaften ==
[[Datei:Caprolactam-Flakes.JPG|mini|Caprolactam-Flakes]]
=== Physikalische Eigenschaften ===
Bei Raumtemperatur bildet ε-Caprolactam weiße [[Kristall]]e, die gut in Wasser löslich und [[Hygroskopie|hygroskopisch]] sind und einen charakteristischen Geruch haben.<ref name="Ullmann"/> Es wird üblicherweise im geschmolzenen Zustand bei Temperaturen zwischen 75 und 90&nbsp;°C unter Feuchtigkeits- und Sauerstoffausschluss gelagert.<ref name="Ullmann"/>

=== Chemische Eigenschaften ===
Caprolactam ist löslich in polaren und aromatischen Lösungsmitteln und wenig löslich in längerkettigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen.<ref name="Ullmann"/> In Gegenwart von Wasser hydrolysiert es bei 260–270 °C zu [[ε-Aminocapronsäure]].<ref name="Ullmann"/> Beim stärkeren Erhitzen von Caprolactam in Gegenwart von Sauerstoff zersetzt sich dieses unter Bildung von u.&nbsp;a. [[Ammoniak]] und [[Stickoxide]]n, bei Sauerstoffabstinenz ist es hitzestabil.

Von herausragender Bedeutung ist die Möglichkeit der Polymerbildung, bei der Polycaprolactam (Polyamid 6) entsteht. Diese erfolgt üblicherweise über [[ringöffnende Polymerisation]]. Weiterhin kann aus Caprolactam durch [[Nitrierung]] und anschließende Reduktion [[3-Amino-2-azepanon|Aminocaprolactam]] hergestellt werden. Daneben geht Caprolactam alle typischen Reaktionen der [[Lactame]] ein.<ref name="Ullmann"/>

== Verwendung ==
Caprolactam wird industriell nahezu ausschließlich zur Herstellung von Polycaprolactam (Polyamid 6), das auch unter dem Markennamen Perlon bekannt ist, genutzt.<ref>{{Literatur |Autor=Gerd Dahlhoff, John P. M. Niederer, Wolfgang F. Hoelderich |Titel=ϵ-Caprolactam: new by-product free synthesis routes |Sammelwerk=Catalysis Reviews |Band=43 |Nummer=4 |Verlag= |Datum=2001 |Seiten=381–441 |DOI=10.1081/CR-120001808}}</ref> Daraus werden beispielsweise einfache Textilfasern und Folien, aber auch hochwertige und widerstandsfähige Garne für technische Anwendungen hergestellt.

[[Datei:Polycaprolactam.svg|zentriert|240px|Strukturformelelement aus Polycaprolactam]]

Kleinere Mengen Caprolacatam werden auch für die chemische Synthese genutzt. Beispielsweise kann aus Caprolactam über die Zwischenstufe des Aminocaprolactams die Aminosäure [[L-Lysin|Lysin]] hergestellt werden.<ref name="Ullmann"/>

== Literatur ==
* {{Literatur
   |Autor=Johan Tinge, Marijke Groothaert, Hans op het Veld, Josef Ritz, Hugo Fuchs, Heinz Kieczka & William C. Moran
   |Titel=Caprolactam
   |Sammelwerk=Ullmann’s Encyclopedia of industrial chemistry
   |Verlag=Wiley-VCH
   |Ort=Weinheim
   |Datum=2018
   |DOI=10.1002/14356007.a05_031.pub3}}
* {{Literatur
   |Autor=Gerd Dahlhoff, John P. M. Niederer & Wolfgang F. Hoelderich
   |Titel=ϵ-Caprolactam: new by-product free synthesis routes
   |Sammelwerk=Catalysis Reviews: Science and Engineering
   |Band=43
   |Nummer=4
   |Datum=2001
   |Seiten=381–441
   |DOI=10.1081/CR-120001808}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Lactam]]
[[Kategorie:Aromastoff (EU)]]