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Verfahren zur Herstellung von Cumarin
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Cumarin und bezweckt insbesondere, die Erzielung grösserer Ausbeuten und höherer Reinheit als bisher in einem technisch leicht ausführbaren Prozess zu ermöglichen.
Es ist bekannt, dass Cumarin bei der Umsetzung von Salicylaldehyd mit Essigsäureanhydrid in Gegenwart von wasserfreiem Natriumacetat entsteht. Bei dieser erstmals von Perkin durchgeführten Synthese werden Salicylaldehyd, Essigsäureanhydrid und Natriumacetat in einem Molverhältnis von 1 : 2 : 2 während 24 h unter Rückfluss erhitzt, wobei die vollständige Abwesenheit von Wasser wesentlich ist. Bei diesem Verfahren wird Cumarin in Ausbeuten um 40% der Theorie erhalten.
Ausbeuteerhöhungen bis zu 50% der Theorie können dadurch erzielt werden, dass Salicylaldehyd,
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Jod durch Piperidin bis etwa 52% der Theorie. Nach einem weiteren Verfahren dieser Art werden 1 Mol Salicylaldehyd mit 2, 2 Mol Essigsäureanhydrid und 1, 5 Mol wasserfreiem Natriumacetat 8 h auf 180 bis 190 C unter Rückfluss erhitzt, wobei die Ausbeute an Cumarin 50% der Theorie erreichen kann.
Bei einer geänderten Arbeitsweise, vgl. USA-Patentschrift Nr. 2, 204, 008, werden Salicylaldehyd, Essigsäureanhydrid und Natriumacetat in einem Molverhältnis von 1 : 2 : 2 in Gegenwart eines Katalysators, z. B. 0, 018 Mol CoC12. 6 H2O, im Verlaufe von 2 h auf 1500 C unter Abdestillieren eines Gemisches von Essigsäure und Essigsäureanhydrid erhitzt und hierauf weitere 3 h auf 180-195 C. Dabei wird Cumarin in 64, 5% iger Ausbeute erhalten. Die relativ hohen Ausbeuten werden auf die Gegenwart des Katalysators (CoC12 oder Oxyde, Chloride, Nitrate, Acetate, Sulfate von Fe, Co, Ni, Mn, Pt oder Pd) zurückgeführt, der die Bildung harziger Nebenprodukte herabsetzt.
Entsprechend einem weiteren Vorschlag, vgl. C. A. 1946 (40) Seite 7237,3, soll Cumarin sogar in 70-75%iger Ausbeute erhalten werden, wenn Salicylaldehyd und Essigsäureanhydrid unter Abdestillieren eines Essigsäure/Essigsäureanhydrid-Gemisches auf 190 C und dann unter mehrmaligem Zugeben von Essigsäureanhydrid so lange erhitzt werden, bis eine Reaktionstemperatur von 200 bis 210 C erreicht wird. Dabei soll, was allerdings nicht bestätigt werden konnte, die Anwesenheit eines Katalysators nicht erforderlich sein.
Gemäss der franz. Patentschrift Nr. 772. 768 soll der Salicylaldehyd durch sein Monoacetat ersetzt werden, um die Bildung von Disalicylaldehyd herabzusetzen. Ausserdem werden als Katalysatoren BiOg, ZnO, CoO oder KCOg empfohlen. Die Ausbeuten an Cumarin bei diesen Vorgangsweisen liegen aber, wie festgestellt wurde, unter 50% der Theorie.
Die bekannten Verfahren haben den allgemeinen Nachteil, dass sie Cumarin in nur schlechter Ausbeute liefern. Dies beruht darauf, dass die Umsetzung des Salicylaldehyds zu Cumarin nicht vollständig ist. Bei der Vakuumdestillation des Rohcumarins werden als Vorlauf beträchtliche Mengen an Salicylaldehyd und dessen Acetylierungsprodukte erhalten. Da diese mit Abbauprodukten phenolischer Natur verunreinigt sind, müssen die Vorläufe entsprechenden Reinigungen unterworfen werden, ehe man sie einer nochmaligen Umsetzung mit Essigsäureanhydrid zuführen kann. Dies bedeutet einen zusätzlichen Arbeitsprozess, der natürlich mit Verlusten an wertvollem Salicylaldehyd verbunden ist.
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Eine weitere nachteilige Wirkung auf die Cumarinausbeute ist darauf zurückzuführen, dass durch Nebenreaktionen harzige Produkte entstehen. Diese können bei den bekannten Verfahren bis zu 16%, bezogen auf den eingesetzten Salicylaldehyd, betragen. Die Bildung von harzigen Nebenprodukten wird durch Überhitzungen in der Reaktionsmasse begünstigt. Zu solchen Überhitzungen kommt es, wenn sich das als Katalysator für die Aldolkondensation erforderliche Natriumacetat an den Wänden der Reaktionsgefässe festlegt. Dies wird durch die grossen Katalysatormengen der bekannten Verfahren und die erforderlichen hohen Synthesetemperaturen begünstigt.
Überdies entsteht bei den bekannten Verfahren eine erhebliche Menge an Disalicylaldehyd, die bis zu 6%, bezogen auf Rohcumarin, betragen kann und sich somit ebenfalls ausbeutevermindemd auswirkt.
Wird während der Synthese von Cumarin, wie dies bei einigen bekannten Methoden der Fall ist, die bei der Reaktion entstehende Essigsäure gleichzeitig abdestilliert, so destillieren sowohl nicht umgesetztes Essigsäureanhydrid als auch Salicylaldehyd mit über. Dies bedingt einen erhöhten Verbrauch an Essig- säureanhydrid und eine schlechte Ausnützung des eingesetzten Salicylaldehyds.
Es wurde nun gefunden, dass man Cumarin in über 80% iger Ausbeute erhalten kann, wenn man die Umsetzung von Salicylaldehyd, Espigsäuieanhydrid und Natriumacetat unter Einhaltung eines Mol-
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für die Gesamtreaktion in der Weise durchführt, dass in einer ersten Verfahrensstufe die Reaktionskomponenten in einem Molverhältnis von etwa l : l bis 1, 1 :
0, 02 bis 0, 05 auf eine von etwa 1500 C auf etwa 209 0 C steigende Temperate erhitzt werden, wonach in einer zweiten Verfahrensstufe bei einer konstant auf etwa 208-211 C, insbesondere 209 C gehaltenen Temperatur die noch fehlende Menge von Essigsäure- anhydrid (1-1, 1 Mol) zugeführt wird, wobei während der gesamten Reaktionsdauer die entstehende Essigsäure abdestilliert wird. Vorzugsweise wird das Natriumacetat in einer Menge eingesetzt, die einem
Anteil von etwa 0, 037 Mol in dem obgenannten Molverhältnis entspricht.
Bei der erfindungsgemässen Verfahrensweise werden also in der ersten Stufe der Reaktion, in der die
Acetylierung des Salicylaldehyds vorwiegend zu Salicylaldehydmonoacetat stattfindet, Salicylaldehyd mit
Essigsäureanhydrid (1-1, 1 Mol) und dem für die Gesamtreaktion erforderlichen Natriumacetat, vorteilhaft im Laufe von 2 h, erhitzt, wobei die Temperatur von etwa 150 C auf etwa 209 C erhöht wird. In der zweiten Stufe, die man konstant bei etwa 2090 C durchführt, werden die restlichen 1-1, 1 Mol Essig- säureanhydrid zugeführt, was vorteilhaft duich kontinuierliches Eindosieren und zweckmässig im Laufe von 3 h geschieht. Die Einbaltung einer Temperatur von etwa 209 C ist für einen hohen Umsatz erforderlich.
Für die Erfindung ist auch wesentlich, dass während der gesamten Reaktionsdauer die entstehende Essigsäure abdestilliert wird. Dies kann beispielsweise mit einer Siebbodenkolonne geschehen. Gemäss einem besonderen Merkmal der Erfindung wird für den angegebenen Zweck eine Glockenbodenkolonne verwendet, in welcher das in beiden Verfahrensstufen entstehende Gemisch von Essigsäureanhydrid und Essigsäure kontinuierlich fraktioniert wird. Eine Glockenbodenkolonne hält Stossbelastungen gut stand und zeigt auch keine Strassenbildungen bzw. Wandeffekte. Auf diese Weise wird eine besonders gute Fraktionierungswirkung des Gemisches von Essigsäure und Essigsäureanhydrid erreicht und verhindert, dass Salicylaldehyd bzw. dessen Monoacetat mit den übergehenden Essigsäuredämpfen mitdestilliert.
Bei der destillativen Aufbereitung des Rohcumarins fällt dann praktisch kein Vorlauf an. Die harzigen Verunreinigungen betragen maximal 9%, bezogen auf eingesetzten Salicylaldehyd, und die Menge an Disalicylaldehyd maximal 2%, bezogen auf Rohcumarin.
Der technische Fortschritt der Erfindung gegenüber den bisher bekannten Verfahren besteht nun darin, dass die Mengen an basischem Katalysator, der für die über eine Aldolkondensation verlaufende Cumarinsynthese unbedingt erforderlich ist, wesentlich gesenkt werden kann, nämlich auf nur 0, 02 bis 0, 05 Mol, vorzugsweise 0, 037 Mol gegenüber bisher 1-2 Mol Natriumacetat. Neben den damit verbundenen Kosteneinsparungen ergibt sich, dass das bei Erreichen von 190 C Reaktionstemperatur in der ersten Stufe ausfallende Natriumacetat sehr feinkrista1lin anfällt und bei Vorliegen geringer Mengen einfach durch Rühren gut in Suspension gehalten werden kann. Dadurch wird ein Festsetzen an den Reaktorwänden verhindert und damit lokalen überhitzungen begegnet.
Das Reaktionsgut ist dünnflüssig und gut rührbar, im Gegensatz zu den Reaktionsmassen der bekannten Verfahren, die infolge der grossen Mengen von Natriumacetat eine breiige Konsistenz aufweisen und wesentlich schlechter zu durchmischen sind. Daraus ergibt sich eine wesentliche Erniedrigung des Anteiles an harzigen Nebenprodukten gegenüber den bekannten Verfähren.
Ausserdem ist der Einsatz von zusätzlichen Katalysatoren, wie Jod, Piperidin oder Salzen von Fe, Co, Ni, Mn, Pt oder Pd bzw. Metalloxyde nicht erforderlich, weil diese Substanzen praktisch keinen Ein- fluss auf die Harzbildung haben. Daraus resultiert eine verbesserte Wirtschaftlichkeit des erfindunggemässen Verfahrens.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Fraktionierung des während der gesamten Synthese abzudestillierenden Gemisches von Essigsäure und Essigsäureanhydrid über eine Glockenbodenkolonne. Dadurch wird eine maximale Umsetzung des eingesetzten Essigsäureanhydrids erreicht und ausserdem verhindert, dass noch nicht umgesetzter Salicylaldehyd bzw. dessen Acetylierungsprodukte mit der Essigsäure überdestillieren. Der letztgenannte Umstand führt ebenfalls zu einer Erhöhung der Cumarinausbeute.
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Wie bereits erwähnt, entstehen bei dem erfindungsgemässen Verfahren nur bis zu 2% Disalicylaldehyd.
Dies ist insbesondere auf die Synthesebedingungen in der zweiten Verfahrensstufe zurückzuführen. Es wurde beobachtet, dass sich hier Temperaturschwankungen auf die Menge an Disalicylaldehyd fühlbar auswirken. Bei grossen Mengen an Katalysator kommt es zu dem bereits geschilderten Festsetzen an den Wänden des Reaktionsgefässes, das zu schlechter Wärmeübertragung und damit zu Temperaturschwankun- gen im Reaktionsmedium führt. Die konstante Einhaltung der Reaktionstemperatur von etwa 209 C wird dadurch möglich, dass man in der zweiten Synthesestufe das erforderliche Essigsäureanhydrid kontinuierlich zudosiert und die entstehende Essigsäure laufend abdestilliert. Auf diese Weise gelingt es, die zweistufige Arbeitsweise als einen kombinierten kontinuierlichen Synthese- und Fraktioniervorgang auszubilden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gegeben, dass der Einsatz von absolut wasserfreiem Natriumacetat, das z. B. durch einen Schmelzprozess gewonnen werden muss, nun nicht mehr erforderlich ist. Restfeuchtigkeiten von 0, 1 bis 0, 3% im Natriumacetat, wie sie z. B. beim Trocknen in einem Trommeltrockner verbleiben, haben keinen negativen Einfluss auf das Verfahren. Dies ist den wesentlich geringeren Mengen an basischem Katalysator zuzuschreiben, die für das erfindungsgemässe Verfahren benötigt werden.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren werden überraschend hohe Ausbeuten erhalten, die über 80% der Theorie an Reincumarin betragen. Es war nicht vorauszusehen, dass mit so geringen Mengen an Natriumacetat in einer zweistufigen Arbeitsweise unter Einhaltung ganz besonderer Bedingungen in der zweiten Stufe die bekannte Synthese zu derart günstigen Ergebnissen führen könnte.
Die Erfindung ist in den nachfolgenden Beispielen, ohne sie hierauf zu beschränken, weiter erläutert.
Beispiel l : 244 Gew.-Teile Salicylaldehyd (2 Mol) werden mit 224 Gew.-Teilen Essigsäureanhydrid (2, 2 Mol) und 6 Gew.-Teilen Natriumacetat (0, 073 Mol) von 0, 2% Wassergehalt gemischt und innerhalb von 2 h von 150 auf 209 C erhitzt. Gleichzeitig wird die entstehende Essigsäure über eine Glockenbodenkolonne mit 10 Böden abdestilliert.
Hierauf werden weitere 224 Gew.-Teile Essigsäureanhydrid (2, 2 Mol) im Verlaufe von 3 h kontinuierlich eindosiert, wobei die Reaktionstemperatur konstant auf 209 C gehalten und die entstehende Essigsäure mittels der Glockenbodenkolonne laufend abdestilliert wird. Dabei wird die Temperatur genau eingehalten, weil sonst zuviel Essigsäureanhydrid mitdestilliert.
Das gewonnen Rohcumarin enthält 1, 8% Disalicylaldehyd. Die harzigen Verunreinigungen betragen 20, 6 Gew.-Teile, d. s. 8, 5%, bezogen auf eingesezten Salicylaldehyd. An Vorlauf bei der Destillation werden 5, 4 Gew.-Teile erhalten. Während der Synthese werden 357, 4 Gew.-Teile Essigsäure mit einem
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werden 160, 9 Gew.-Teile Essigsäure mit einem Gehalt von 2, 3% Essigsäureanhydrid abdestilliert. An Reincumarin werden 118 Gew.-Teile erhalten, d. s. 80, 8% der Theorie.
Wie dieses Beispiel zeigt, kann das erfindungsgemässe Verfahren auch unter zusätzlicher Mitverwendung eines Metallkatalysators ausgeführt werden, doch ist dies auf die Ausbeute offensichtlich ohne Einfluss.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Cumarin durch Umsetzung von Salicylaldehyd mit Essigsäureanhydrid und Natriumacetat, wobei mindestens die zweifache molare Menge an Essigsäureanhydrid, bezogen
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werden, wonach in einer zweiten Verfahrensstufe bei einer konstant auf etwa 208-211 0 C, insbesondere 2090 C gehaltenen Temperatur die noch fehlende Menge von Essigsäureanhydrid (1-1, 1 Mol) zugeführt wird, wobei während der gesamten Reaktionsdauer die entstehende Essigsäure abdestilliert wird.