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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von reinem 3-Amino-crotonitril aus Acetonitril und geschmolzenem-Natrium.
3-Amino-crotonitril (auch Diacetonitril genannt), kann nach einer bekannten 2-Stufen-Reaktion aus Acetonitril und Natrium und anschliessendem Zersetzen des gebildeten Natriumsalzes hergestellt werden. Ohne auf die möglichen cistrans isomeren und tautomeren Formen einzugehen, kann die Reaktion durch folgende Reaktionsgleichungen beschrieben werden :
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Nach Homer Adkins, Am. Soc. 64, pg 150 bis 154 (1942) erfolgt die Umsetzung von Acetonitril und Natrium unter Kühlen von aussen in Benzol unter Rückflussbedingungen, die gebildeten Salze, nämlich Natriumcyamid und Natriumaminocrotonitril, werden abfiltriert, in Äther suspendiert und langsam mit Wasser zersetzt. Aus der abgetrennten ätherischen Lösung kristallisiert rohes 3-Amino-crotonitril in 65%iger Ausbeute, das anschliessend aus Benzol umkristallisiert wird.
Nach CH-PS Nr. 415603 ist es nachteilig, unter Rückflussbedingungen zu arbeiten, daher ererfolgt die Kondensation von Acetonitril und Natrium in einem relativ hoch siedenden aliphatischen Kohlenwasserstoff bei einer Temperatur von 10 bis 35 C. Zur Hydrolyse des Natriumsalzes wird langsam soviel Wasser zugegeben, dass im Reaktor drei Schichten, eine obere aus Kohlenwasserstoff, eine mittlere aus 3-Amino-crotonitril und Acetonitril und eine untere aus wässerigem Natriumcyanid und Natriumhydroxyd gebildet werden, und das 3-Aminocrotonitril aus der mittleren Schicht gewonnen wird. Die Art der Gewinnung ist nicht angegeben, das 3-Amino-crotonitril hat eine Reinheit von 95 bis 96%.
Die Hauptschwierigkeiten in beiden Verfahren sind in der Verwendung von festem Natrium zur stark exothermen Kondensationsreaktion begründet. Festes Natrium bildet an seiner Oberfläche gemäss Reaktionsgleichung (1) sogleich das Natriumsalz von 3-Amino-crotonitril. Da dieses anorganische Salz in dem umgebenden organischen Medium unlöslich ist, bildet sich auf der Metalloberfläche eine undurchlässige, gut haftende Kruste und die Weiterreaktion des metallischen Natriums ist weitgehend unterbunden. Dementsprechend beträgt die Reaktionszeit allein für die
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2 1/2 h, die Raum-Zeit-Ausbeute ist daher äusserst schlecht und wirtschaftlich nachteilig.
Auch die Schwierigkeiten der zweiten Reaktionsstufe, Zersetzung des Natriumsalzes zu freiem 3-Amino-crotonitril, sind in der Salzkruste, im Vorhandensein kleiner, nicht umgesetzter Natriumteilchen bedingt, weshalb die Zugabe von Wasser zur Zersetzung der Natriumsalze unter Vorsichtsmassnahmen und sehr langsam, in CH-PS Nr. 415603 etwa in einem Zeitraum von 2 h, erfolgen muss.
Vor allem ist es jedoch nach den bisher bekannten Verfahren nicht möglich, hochreines 3-Amino-crotonitril ohne mehrfaches Umkristallisieren zu erhalten, nach CH-PS Nr. 415603 etwa entsteht ein 95%iges Produkt, nach Adkins ein Rohprodukt. Solche Reinheitsgrade sind jedoch für 3-Amino-crotonitril, das etwa zur Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe verwendet wird, völlig ungeeignet, und zusätzliche aufwendige Reinigungsschritte sind notwendig.
Überraschenderweise wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von 3-Amino-crotonitril gefunden, das kurze Reaktionszeiten aufweist, bei dem keine Gefahr des Übrigbleibens von nicht umgesetztem Natrium besteht, und bei dem das 3-Amino-crotonitril ohne Umkristallisieren in einer Reinheit von über 99, 5% entsteht. Dies gelingt, indem die Umsetzung bei einer Temperatur erfolgt, die über dem Schmelzpunkt von Natrium liegt, und indem das nach Hydrolyse des Natriumsalzes und Abtrennung der wässerigen und der Lösungsmittelphase gebildete flüssige 3-Amino-crotonitril in kaltem Wasser ausgefällt wird.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung von reinem 3-Amino- - crotonitril durch Umsetzen von Acetonitril mit Natrium in einem inerten, unter Reaktionsbedingungen
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flüssigen organischen Medium, anschliessende Hydrolyse des in erster Stufe gebildeten Natriumsalzes und Gewinnung des 3-Amino-crotonitrils'aus dem dabei entstehenden 3-Phasengemisch, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Umsetzung mit geschmolzenem Natrium bei einer Temperatur von 97 bis 140 C und unter einem Druck von 1 bis 10 bar durchgeführt wird, aus dem nach der Hydrolyse gebildeten Dreiphasensystem die wässerige Phase und das inerte flüssige Medium abgetrennt werden, die dritte Phase aus rohem flüssigem 3-Amino-crotonitril mit der 0,
5- bis 3fachen Menge Wasser versetzt und auf -10 bis +30 C abgekühlt wird, worauf das reine 3-Amino-crotonitril auskristallisiert und abgetrennt wird, wonach gegebenenfalls die beim Auskristallisieren des 3-Amino-crotonitrils entstehende Mutterlauge jeweils zur Hydrolyse des in erster Stufe gebildeten Natriumsalzes und das inerte flüssige organische Medium nach der Abtrennung für eine weitere Umsetzung mit Natrium verwendet werden.
Der erste Reaktionsschritt, Bildung des Natriumsalzes von 3-Amino-crotonitril erfolgt, indem Natrium in einem vorher mit Stickstoff gespülten, beheizbaren und kühlbaren Rührbehälter mit Rückflusskühler in Gegenwart eines gegenüber Natrium inerten flüssigen Mediums geschmolzen wird, und unter ständigem intensiven Rühren Acetonitril zugeführt wird. Das inerte flüssige Medium
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flüssige Medien sind aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Benzine mit dem entsprechenden Siedebereich, Dekaline, Toluol oder Gemische dieser Lösungsmittel.
Die Umsetzung erfolgt bei einer Temperatur von 97 bis 140 C, vorzugsweise bei 100 bis 120 C, wobei der Temperaturbereich bis 110 C besonders bevorzugt ist. Die Reaktion wird bei Atmosphärendruck oder insbesondere bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen mit relativ niedrigen Siedepunkten bei erhöhten Drücken, die den Dampfdrücken der Lösungsmittel bei der gewählten Reaktionstemperatur entsprechen, durchgeführt. Der Druck beträgt 1 bis 10 bar, vorzugsweise 2 bis 5 bar.
Das eingetragene Acetonitril reagiert praktisch augenblicklich, so dass die verdampfende, im Rückflusskühler zu kondensierende Menge gering ist. Zweckmässig ist es, das Acetonitril unter die Oberfläche des Reaktionsgemisches, bevorzugt am Boden des Reaktionsgefässes, einzuführen.
Die Geschwindigkeit der Reaktion ist unter den genannten Bedingungen ausserordentlich hoch und in der Praxis nur durch die Abführung der Reaktionswärme und damit nur vom Reaktortyp her begrenzt. Das gemäss der Reaktionsgleichung entstehende Methan wird kontinuierlich abgeblasen.
Da das Natrium bei der Reaktion vollständig umgesetzt wird, wird auch nur die theoretisch nötige Acetonitrilmenge für den Umsatz benötigt. Je nach Reaktionsführung kondensieren geringe Acetonitrilmengen im Kühler und werden der Reaktion wieder zugeführt, bis die theoretische Menge Acetonitril verbraucht ist. Es ist auch möglich, die Reaktion mit einem geringen, etwa 10%igen Überschuss durchzuführen, und nach Beendigung der Reaktion, da die Temperatur der Reaktionmischung ohnehin wesentlich über dem Siedepunkt des Acetonitrils liegt, das Acetonitril über den Kühler abzudestillieren. Werden Lösungsmittel verwendet, deren Siedepunkt nicht wesentlich über jenem des Acetonitrils liegt, können auch Anteile dieses Lösungsmittels mit abdestilliert werden.
In jedem Fall ist das Destillat für den nächsten Ansatz verwendbar.
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3-Amino-crotonitril hydrolysiert wird, und das dabei anfallende Natriumhydroxyd sowie das im ersten Reaktionsschritt gebildete Natriumcyanid in eine wässerige Lösung übergeführt werden.
Die Wassermenge wird daher so gewählt, dass sie ausreicht, um alles Natriumsalz zu zersetzen und alles Natriumhydroxyd und Natriumcyanid vollständig in Lösung zu bringen. Pro Gewichtsteil eingesetztes Acetonitril benötigt man etwa 1 bis 1, 5 Gew.-Teile Wasser.
Da 3-Amino-crotonitril zu einem geringen Teil in Wasser löslich ist, wird zum Zersetzen des Natriumsalzes bevorzugt die im späteren Kristallisationsschritt anfallende Zentrifugenmutterlauge verwendet. Da die Reaktion praktisch ohne störende Nebenreaktionen vor sich geht, muss nur ein geringer Teil derselben zwecks Entfernung von Nebenprodukten ausgeschleust werden.
Da das Natrium bei Einhaltung der erfindungsgemässen Vorgangsweise restlos verbraucht
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wird, kann das Wasser rasch und ohne besondere Sicherheitsmassnahmen zugeführt werden, wobei als zeitbestimmender Faktor nur die zur Einhaltung der oben genannten Temperaturobergrenze nötige Abführung der Reaktions- bzw. Lösungswärme anzusehen ist.
Nach der Zersetzung liegen drei Phasen vor. Die oberste besteht aus dem inerten organischen Lösungsmittel, sie wird abgetrennt und kann immer wieder in die erste Stufe rückgeführt werden, da sie keine Nebenprodukte enthält. Die unterste Schicht, eine wässerige Lösung aus Natronlauge und Natriumcyanid, wird abgetrennt. Die mittlere Schicht, bestehend aus flüssigem 3-Amino-crotonitril, etwas Wasser und geringen Mengen gelöster Salze, wird mit kaltem Wasser versetzt und unter gutem Rühren auf Temperaturen von etwa -10 bis +30 C, vorzugsweise auf Temperaturen von-8 bis +5 C abgekühlt. Die zugegebene Wassermenge soll etwa das 0, 5 bis 3fache der zu erwartenden 3-Amino-crotonitrilmenge betragen, vorzugsweise etwa das 2fache.
Dabei kristallisiert 3-Amino- - crotonitril in reinen, grobkörnigen Kristallen aus, und wird durch Filtration oder Zentrifugation abgetrennt und getrocknet. Erstaunlicherweise enthält das zentrifugenfeuchte, grobkristalline
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der Wassergehalt rasch auf unter 0, 2%.
Die Zentrifugenmutterlauge, die wegen der gewissen Wasserlöslichkeit des 3-Amino-crotonitrils etwas 3-Aminocrotonitril enthält, wird bevorzugterweise zur Zersetzung des im ersten Reaktionsschritt gebildeten Natriumsalzes von 3-Aminocrotonitril verwendet. Hiedurch wird die Reinheit des Produkts nicht beeinträchtigt.
Das solcherart hergestellte Produkt ist äusserst rein, der 3-Aminocrotonitrilgehalt ist über 99, 5%, es braucht nicht umkristallisiert zu werden.
Der Gehalt an 4-Amino-2, 6-dimethyl-pyrimidin beträgt unter 0, 1%, der Gehalt an NaCN unter 0, 05% und 5-Amino-4-cyan-3-methyl-2, 4-hexadiennitril konnte nicht nachgewiesen werden.
Beispiel l :
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erwärmt. Sodann werden 265 g Acetonitril (6, 5 Mol) kontinuierlich zugeführt, wobei die Reaktionstemperatur durch Wärmeabführung auf etwa 110 C gehalten wird. Es wird im Reaktor ein Druck von 3 bis 5 bar eingehalten und während der gesamten Reaktionszeit Methan abgeblasen. Die Acetonitrileintragung ist nach 20 min beendet. Nach einer kurzen Nachreaktionszeit von 25 min wird entspannt und das überschüssige Acetonitril abdestilliert.
Das Reaktionsgemisch wird auf 30 bis 40 C abgekühlt und 290 ml Wasser unter Rühren zugegeben. Die Temperatur wird durch Wärmeabfuhr konstant gehalten, die Eintragung ist nach 10 min beendet. Sodann werden die drei dabei entstehenden Phasen getrennt. Die mittlere, das 3-Amino-crotonitril enthaltende ölige Phase wird mit 200 ml Wasser versetzt und unter Rühren auf unter 0 C abgekühlt. Nach dem Animpfen mit einigen 3-Amino-crotonitrilkristallen kristallisiert das Produkt in groben, weissen bis hellgelben Kristallen, die unter Zentrifugation gewonnen und getrocknet werden.
Ausbeute : 81, 7 % Gehalt : 99, 5 % 4-Amino-2, 6-dimethylpyrimidin (aus GC) : unter 0, 1 % NaCN : unter 0, 05% H2O : zirka 0, 2 %
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arbeitet, mit der Ausnahme, dass das rückgewonnene Acetonitril des ersten Ansatzes und das bei der Phasentrennung anfallende Benzin zur Reaktion mitverwendet werden.
Ferner wird die beim Zentrifugieren des ersten Ansatzes anfallende Mutterlauge zum
Zersetzen des Natriumsalzes herangezogen. c) Vorgangsweise b) wird noch dreimal wiederholt und sodann bilanziert. Es werden pro
Versuch im Durchschnitt 151 g 3-Amino-crotonitril (kaum gefärbt, kristallin) mit einem
Gehalt von 99, 5% erhalten ; das entspricht einer Ausbeute von 92, 0% der Theorie.
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