Verfahren zur Umlagerung von Salzen heterocyclischer Carbonsäuren
Es wurde gefunden, dass man Salze von Carbonsäuren, deren Carboxylgruppen an heterocyclischen Ringsystemen mit aromatischer Struktur stehen, durch Erhitzen auf Temperaturen über 2750 C umlagern kann, wobei ein Platzwechsel von Carboxylgruppen stattfindet.
Heterocyclen mit aromatischer Struktur sind 5und 6-Ringheterocyclen mit konjugierter Doppelbindung, z. B. Furan, Thiophen, Pyrrol, a-Pyran, a-Thiopyran und Pyridin. Die heterocyclischen Ringe können mit andern Heteroringen aromatischer Struktur oder mit aromatischen Ringen, vorzugsweise mit Benzolringen, annelliert sein. Derartige Heterocyclen sind z. B. Chinolin, Isochinolin, Indol, aber auch Salze anderer heterocyclischer Carbonsäuren, z. B. des Benzotriazols, Benzimidazols, lassen sich verwenden.
Bei der erfindungsgemässen Umlagerung erfolgt ein Platzwechsel von Carboxylgruppen, der sowohl innerhalb eines Moleküls als auch zwischen mehreren Molekülen stattfinden kann. Geht man von Monocarbonsäuren aus, so findet hauptsächlich eine Disproportionierung statt, wobei zwei Moleküle Monocarbonsäure in ein Molekül Dicarbonsäure und ein Molekül carboxylfreies Heteroringsystem disproportionieren, während bei der Verarbeitung von Die und Polycarbonsäuren Platzwechsel und Decarboxylierungen auftreten. Die Carboxylgruppen wandern dabei bei einkernigenRingsystemen bevorzugt in 2,5-Stellung, und zwar sowohl bei 5- als auch bei 6-Ringheterocyclen. Bei 6-Ringheterocyclen ist ausserdem die 2,4,6-Konfiguration bevorzugt.
Für den Fall der Furan-l-carbonsäure, einer heterocyclischen Carbonsäure, die sich von einem Heteroring mit einem Heteroatom ableitet, verläuft die Reaktion nach folgender Formel:
EMI1.1
in der Me ein einwertiges Metall darstellt. Für den Fall der Pyridinmonocarbonsäure, einer Carbonsäure, die sich von einem 6-Ringheterocyclus mit einem Heteroatom ableitet, verläuft die Reaktion nach folgender Formel:
EMI1.2
das heisst, man erhält als Hauptprodukt das Salz der Isocinchomeronsäure (Pyridin 5-dicarbonsäure) ; als Nebenprodukt kann auch das Salz der Trimesitinsäure (Pyridin-2,4,6-tricarbonsäure) entstehen.
Als Ausgangsmaterial können Salze von Monooder Polycarbonsäuren, z. B. Dicarbonsäuren, der genannten Heterocyclen dienen, die vorzugsweise in Form der Alkalisalze, insbesondere der Salze des Natriums und Kaliums, eingesetzt werden. Aus wirtschaftlichen Erwägungen wird man von der Verwendung der Thallium-, Rubidium- und Cäsiumsalze, die an sich auch brauchbare Ergebnisse liefern, ab sehen. Sofern Die oder Tricarbonsäuren von einkernigen 6-Ringheterocyclen als Ausgangsmaterialien dienen, verwendet man bevorzugt solche, in denen die Carboxylgruppen nicht in den Stellungen 2,5 bzw. 2,4,6 stehen. Dienen Dicarbonsäuren von 5-Ringheterocyclen als Ausgangsmaterialien, so verarbeitet man vorzugsweise solche, deren Carboxylgruppen nicht in 2,5-Stellung stehen. An Stelle der Salze kann man auch Gemische verarbeiten, aus denen sich die Salze bilden, z. B.
Gemische aus den freien Säuren oder ihren Chloriden oder Anhydriden mit Metallcarbonaten. Es können auch Gemische mehrerer Carbonsäuren verarbeitet werden, wobei man im Falle der gleichzeitigen Verarbeitung von Carbonsäuren, die nicht die gleiche Anzahl von Carboxylgruppen im Molekül enthalten, das Mischungsverhältnis so einstellen kann, dass die Menge der im Reaktionsgemisch pro Heteroringsystem vorhandenen Carboxylgruppen dem Mengenverhältnis der als Endprodukt gewünschten Carbonsäure entspricht. Dieses Verhältnis kann vor allem im Bereich von 2-3 Carboxylgruppen pro Heteroringsystem liegen. Will man z. B. Pyridindicarbonsäure als Hauptprodukt erhalten, so wendet man z. B. ein Gemisch an, in dem vorhandene Mono- und Tricarbonsäuren in äquimolekularem Verhältnis vorliegen. Will man die Bildung von Pyridintricarbonsäuren fördern, so kann man z.
B. äquimolekulare Mengen an Pyri dindi- und -tetracarbonsäuren anwenden.
Die zu verarbeitenden carbonsauren Salze werden vorzugsweise in möglichst trockenem Zustand verarbeitet. Liegen diese Salze als wässrige Lösung vor, so kann man sie nach an sich bekannten Verfahren, vorzugsweise aber durch Zerstäubungstrocknung, in trockene Pulver überführen und gegebenenfalls zur Entfernung geringer Restmengen an Feuchtigkeit in an sich bekannter Weise nachtrocknen.
Die Reaktion kommt bei einigen Verbindungen schon beim Erhitzen auf Temperaturen von wenig iiber 2750 C in Gang. Als Höchsttemperatur ist diejenige anzusehen, bei der das Reaktionsprodukt merkliche Zersetzung zeigt. Meistens arbeitet man nicht oberhalb 5000 C. Die optimale Reaktionstemperatur ist von Fall zu Fall verschieden. Oft liegt der für die Reaktion optimale Temperaturbereich 20-40"C unterhalb der Schmelztemperatur des Salzes bei Normaldruck. So schmilzt brenzschleim saures Kalium unter Normaldruck bei 3503600 C unter sofortiger starker Zersetzung; die optimale Reaktionstemperatur für die vorliegende Umsetzung beträgt 3203300 C.
Thiophen-2-carbonsaures Kalium schmilzt bei Normaldruck sehr unvollkommen bei 4200 C, ohne stärkere Zersetzung; seine optimale Reaktionstemperatur liegt bei 3700 C. Beim pyrrol 1-carbonsauren Kalium liegt die optimale Reaktionstemperatur ebenfalls unter dem Schmelzpunkt, der bei 3400 C liegt. Im allgemeinen liegt die optimale Temperatur im Bereich von 330-450" C. In diesem Temperaturbereich ist das Reaktionsgemisch manchmal mehr oder weniger flüssig, wodurch das Arbeiten unter Bewegen des Reaktionsgemisches (z. B.
Rührer oder Rollautoklaven) erleichtert wird. Das Reaktionsgemisch kann durch inerte Füllstoffe, wie Sand, feinverteilten Koks oder andere Formen von Kohlenstoff, Metallpulver, -späne oder -stücke verdünnt werden. Ausserdem sind Metallcarbonate oder -bicarbonate, insbesondere solche der Alkalien, als Verdünnungsmittel geeignet.
Es hat sich gezeigt, dass die Reaktion besonders gut verläuft, wenn man im Reaktionsgefäss einen Druck aufrechterhält, der vorteilhaft durch Inertgase erzeugt wird. Als Inertgase dienen vor allem Stickstoff und Kohlendioxyd. Die Höhe des Druckes während der Reaktion kann in weiten Grenzen schwanken, z. B. 10 atm oder mehr betragen.
Zweckmässigerweise setzt man das Reaktionsgefäss bereits vor dem Erhitzen unter den Druck eines Inertgases, der zu diesem Zeitpunkt z. B. 5-150 atm betragen kann, sofern ein derartiger Druck mit dem verwandten Inertgas in kaltem Zustand überhaupt erzielbar ist. Beim Erhitzen steigt der Druck an und kann bei der Reaktion z. B. 15-500 atm, vorzugsweise 100--250 atm, betragen. Man kann auch den Druck dadurch erzeugen, dass man die carboxylgruppenfreie heterocyclische Verbindung, wie z. B. Pyridin, hinzufügt.
Es hat sich gezeigt, dass die Reaktion durch Anwesenheit von Katalysatoren begünstigt wird. Man kann die Reaktion z. B. in Gegenwart der Metalle Blei, Cadmium, Zink und Quecksilber durchführen oder in Gegenwart der Oxyde, Hydroxyde, Bicarbonate, Carbonate, Fluoride, Chloride, Bromide, Jodide, Sulfate, Nitrate oder anderer Salze dieser Metalle.
Man kann auch Salze der genannten Metalle mit organischen Säuren verwenden, z. B. die entsprechenden Formiate, Acetate, Propionate, Stearate, Oleate, Ricinoleate, Benzoate, Phthalate usw. Vor allem können die katalytisch wirksamen Metalle aber auch in Form ihrer Salze mit den zu verarbeitenden heterocyclischen Carbonsäuren eingesetzt werden. Die Menge des Metalls kann in sehr weiten Grenzen schwanken und 0-15, vorzugsweisse 0,5-5 Gewichtsprozent, betragen, bezogen auf das Reaktionsgemisch. Setzt man die Katalysatoren in Form ihrer Salze mit den umzulagernden Carbonsäuren ein, so können die gesamten, zur Neutralisation der Carboxylgruppen notwendigen Kationen von dem Katalysatormetall geliefert werden.
Die Katalysatoren lassen sich im Reaktionsgemisch bzw. im Ausgangsmaterial dadurch besonders fein verteilen, dass man eine wässrige Lösung der als Ausgangsmaterial dienenden Salze von heterocyclischen Carbonsäuren, die die Katalysatoren gelöst oder suspendiert enthalten, durch Zerstäubung oder auf Walzentrocknern in ein trockenes Pulver überführt. Schliesslich kann man auch die freien Metalle einsetzen, was dann von besonderem Interesse ist, wenn man das Reaktionsgefäss mit einer Schicht des katalytisch wirksamen Metalls überzieht.
Bei der Umlagerung kann eine teilweise Decarboxylierung unter Rückbildung des heterocyclischen Ringsystems eintreten. Die gebildeten Heterocyclen lassen sich z. B. gewinnen, wenn man den Autoklaven über eine Kühlfalle entspannt.
Zur Aufarbeitung des Reaktionsgemisches wird dieses z. B. in Wasser gelöst und durch Abfiltrieren bzw. durch Behandlung mit Aktivkohle oder andern Entfärbungsmitteln von unerwünschten Bestandteilen befreit. Die freien Säuren aus den bei der Umlagerung gebildeten Salzen von heterocyclischen Carbonsäuren sind meist in Wasser schwerer löslich als die freien Säuren aus den als Ausgangsmaterialien verwendeten Salzen, daher lassen sich die freien Säuren durch Ansäuren der wässrigen Lösung mit Säuren, wie Mineralsäuren, oder organischen Säuren, und Auskristallisierenlassen leicht von den übrigen Bestandteilen des Reaktionsgemisches, insbesondere von nicht umgesetzten Ausgangsmaterialien, trennen.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren ist es möglich geworden, auf einfachem Wege zu heterocyclischen Die oder Polycarbonsäuren zu kommen.
So hat man z. B. die Isocinchomeronsäure (Pyridin-2,5-dicarbonsäure) bisher durch Salpetersäureoxydation von 2-Methyl-5-äthyl-pyridin hergestellt.
Die Dehydroschleimsäure (Furan-2, 5-dicarbonsäure), die bisher nach umständlichen Verfahren aus Hexosen hergestellt werden musste, ist nunmehr aus Pentosen über das Furfurol leicht zu gewinnen.
Die heterocyclischen Die und Polycarbonsäuren lassen sich überall dort einsetzen, wo man bisher zwei- und mehrfunktionelle Verbindungen, insbesondere Die oder Polycarbonsäuren, verwendet hat, z. B. bei der Herstellung von Weichmachern, Kunstharzen und als saure Komponenten bei der Herstellung von Polyestern.
Beispiel 1
Ein Gemisch aus 40 g nikotinsaurem Kalium und 1,2 g Cadmiumfluorid wurde in einem Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt, in den vor Beginn des Versuches 50 atm CO2 eingedrückt worden waren, zwei Stunden auf 3700 C erhitzt. Der Druck stieg dabei auf 140 atm.
Das pyridinhaltige Reaktionsprodukt wurde in etwa 400 cms Wasser gelöst und nach Abfiltrieren von Katalysator und kohleartigen Produkten mit Salzsäure angesäuert. Beim Erkalten kristallisierten 10,1 g Isocinchomeronsäure = 48,80/o der Theorie aus. Nach Umkristallisation aus Wasser lag der Fp. bei 2480, die SZ betrug 669, berechnet 671. Zur Identifizierung der Säure wurde sie mit Methanol und etwas konzentrierter Schwefelsäure unter Rückfluss gekocht. Der erhaltene Dimethylester besass nach Umkristallisation einen Fp. von 161" (163 nach Literaturangaben).
Die Ausbeute an Pyridin, das gemäss der Reaktionsgleichung
EMI3.1
theoretisch in einer Menge von 13 g hätte entstehen müssen, wurde nicht quantitativ bestimmt; es war jedoch annähernd in der erforderlichen Menge vorhanden.
Beispiel 2
Ein Gemisch aus 40 g nikotinsaurem Kalium und 1,2 g Cadmiumfluorid wurde in einem Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt, in dem vor Beginn des Versuches 50 atm CO, eingedrückt worden waren, 11/2 Stunden auf 4200 C erhitzt. Der Druck stieg dabei auf 157 atm.
Das pyridinhaltige Reaktionsprodukt wurde in etwa 200 cm3 heissem Wasser gelöst, mit A-Kohle behandelt, filtriert und mit Salzsäure angesäuert.
Nach Abkühlen auf 0" wurde die erhaltene Isocinchomeronsäure abgesaugt und getrocknet. Die Ausbeute betrug 10,6 g = 51,00/o der Theorie.
Beispiel 3
Ein Gemisch aus 40 g picolinsaurem Kalium und 1,2 g Cadmiumfluorid wurde in einem Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt, in dem vor Beginn des Versuches 50 atm CO2 eingedrückt worden waren, zwei Stunden auf 3800 C erhitzt. Der Druck stieg dabei auf 155 atm.
Das pyridinhaltige Reaktionsprodukt wurde in etwa 200 cm heissem Wasser gelöst, filtriert und mit Salzsäure angesäuert. Nach Einengen und Abkühlen der Lösung kristallisierten 9,7 g Isocinchomeronsäure = 46 80/o der Theorie mit SZ = 678. Die Identifizierung der Säure erfolgte ebenfalls über den Dimethylester.
Beispiel 4
Ein Gemisch aus 40 g isonikotinsaurem Kalium und 1,2 g Cadmiumfluorid wurde in einem Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt, in den vor Beginn des Versuches 50 atm CO2 eingedrückt worden waren, zwei Stunden auf 3909 erhitzt. Der Druck stieg dabei auf 130 atm an.
Das 32,4 g wiegende Reaktionsprodukt wurde in 200 cm3 heissem Wasser gelöst, filtriert und mit Salzsäure angesäuert. Beim Abkühlen kristallisierten 5,2 g = 25 ovo der Theorie Isocinchomeronsäure aus, die über den Dimethylester identifiziert wurden. Aus der Mutterlauge schieden sich nach einiger Zeit weitere 5,3 g des Monokaliumsalzes der Pyridin2,4,6-tricarbonsäure ab, die durch den Triäthylester identifiziert wurden.
Beispiel 5
In einem Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt wurden 44 g chinolinsaures Kalium, das bei 150"C im Vakuum über P2Os getrocknet worden war, nach Aufdrücken von 50 atm CO2 ohne Zusatz eines Katalysators drei Stunden auf 3900 C erhitzt. Der Enddruck betrug 150 atm.
Das 35,5 g wiegende Rohprodukt wurde in etwa 200 cm3 heissem Wasser gelöst, mit A-Kohle behandelt, filtriert und dann mit Salzsäure angesäuert.
Beim Abkühlen kristallisierten 14,75 g = 48,86/0 der Theorie Isocinchomeronsäure aus.
Beispiel 6
In einem Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt wurde ein Gemisch aus 55 g des Dikaliumsalzes der Chinolinsäure wie im vorhergehenden Beispiel getrocknet und 2 g Cadmiumfluorid nach Aufdrücken von 50 atm CO2 drei Stunden lang auf 3900 C erhitzt, wobei sich ein Höchstdruck von 127 atm einstellte.
Das 50 g wiegende graue Rohprodukt wurde in 300 cm3 heissem Wasser gelöst, filtriert und mit Salzsäure angesäuert. Beim Abkühlen kristallisierten 16,0 g = 42,36/0 der Theorie Isocinchomeronsäure aus. Nach Einengen des Filtrats schieden sich weitere 7,6 g des Monokaliumsalzes der 2,4,6- Pyridintricarbonsäure ab.
Beispiel 7
Ein Gemisch aus 40 g nikotinsaurem Kalium wurde ohne Katalysator in einem Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt, in den vor Beginn des Versuches 50 atm CO2 eingedrückt worden waren, drei Stunden auf 4000 C erhitzt. Der Druck stieg dabei auf 150 atm an.
Das 23,1 g wiegende Rohprodukt wurde in der beschriebenen Weise aufgearbeitet und ergab 6,4 g Isocinchomeronsäure = 37 ovo der Theorie.
Beispiel 8
40 b nikotinsaures Kalium wurden ohne Katalysator in einem Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt, in den vor Beginn des Versuches 50 atm CO2 eingedrückt worden waren, drei Stunden auf 3900 C erhitzt. Der Druck stieg dabei auf 125 atm.
Das 26,4 g wiegende Rohprodukt wurde in der beschriebenen Weise aufgearbeitet und ergab 8,0 g Isocinchomeronsäure = 38,7 6/o der Theorie.
Beispiel 9
In einen Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt wurde ein inniges Gemisch aus 62,4 g Kaliumpyromukat (furan-2-carbonsaures Kalium) und 3,3 g (5 lo) Cadmiumfluorid eingefüllt und nach dem Verdrängen der Luft durch Kohlendioxyd ein Anfangsdruck von 50 atm dieses Gases aufgepresst. Der Autoklav wurde dann zwei Stunden bei 3200 C gerollt. Während des Erhitzens stellte sich ein Maximal druck von 200 atm ein, der nach dem Erkalten fast auf den Ausgangsbetrag zurückfiel. Das Rohprodukt wog 50,6 g und wurde nach dem Pulverisieren in 0,5 Liter Wasser suspendiert und aufgekocht. Nachdem von gebildeter Kohle und dem Katalysator abfiltriert war, wurde das klare Filtrat mit Salzsäure auf ein PH von 3,5 eingestellt.
Bei diesem Fällungsoptimum fällt die Dehydroschleimsäure (Furan-2,5dicarbonsäure) fast vollständig, während geringe Mengen von nicht umgesetzter Brenzschleimsäure erst bei weiterem Ansäuern dieses Filtrates auskristallisieren. Die so gewonnene Dehydroschleimsäure (16,5 g) ist nach dem Trocknen 980/oig, entsprechend einer Säurezahl von 700.
Die Dehydroschleimsäure wurde durch folgende Derivate charakterisiert: SZ der über den Dimethylester gereinigten Säure = 712; Dimethylester: Kp = 155 C/15 mm Hg, F = 111 C, VZ = 609,2; Dichlorid: Kp = 122" C/12 mm Hg, F = 79/800 C.
Beispiel 10
Unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 9 wurden 50,0 g Kaliumpyromukat mit 50 atm N im Rollautoklaven eine Stunde bei 330 C behandelt.
Das 43,4 g wiegende Rohprodukt lieferte nach entsprechender Aufarbeitung 8,3 g rohe Dehydroschleimsäure.
Beispiel 11
In einen Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt wurde ein Gemisch aus 46,0 Kaliumsalz der Thiophen-2-carbonsäure und 2,3 g (5 /o) Cadmiumoxyd eingefüllt. Der Ansatz wurde unter 50 atm CO2-Anfangsdruck eine Stunde auf 3400 C erwärmt. Nach der Reaktion wurde das fast farblose gepulverte Reaktionsprodukt in 0,5 Liter Wasser suspendiert und das Filtrat mit Salzsäure kongosauer gemacht. Die ausgefallene, in Wasser recht schwer lösliche Dicarbonsäure wurde mit warmem Wasser digeriert und fiel in einer Menge von 14,9 g an. Als Thiophen-2,5dicarbonsäure wurde sie durch folgende Derivate charakterisiert: Dimethylester: F = 147,50 C, Kp = 1760C/ 14 mm Hg; Diäthylester: F = 50O C.
Beispiel 12
Ein 1,5-Liter-Drehautoklav wurde mit einem Gemisch aus 300 g Kaliumpyromukat und 30 g wasserfreiem Cadmiumchlorid beschickt. Bei Zimmertemperatur wurden 50 atm CO2 eingedrückt. Während des Erhitzens auf 3300 C stieg der Druck auf 180 atm und fiel nach zweistündigem Erhitzen auf 3300 C und anschliessendem Erkalten fast auf den Ausgangswert zurück. Das Reaktionsprodukt wog 284 g und wurde analog dem Beispiel 9 aufgearbeitet. Die Ausbeute an Dehydroschleimsäure betrug 106 g.
Beispiel 13
In einem feststehenden Autoklaven wurde ein mit Glaswolle umwickeltes und mit Glaswolle verstopftes starkwandiges Reagenzglas von 15 ml Fassungsvermögen eingesetzt, welches mit einem innigen Gemisch aus 3 g bei 1400 C getrocknetem Kalium salz der Pyrrol-2-carbonsäure und 0,3 g Cadmiumfluorid gefüllt war. Auf den dann verschlossenen Autoklaven wurden 50 atm CO2 aufgedrückt. Dann wurde 1 Stunde auf 3000 C erhitzt. Nach dem Erkalten und Entspannen wurde das kaum verfärbte, pulverförmige Reaktionsprodukt, welches 2,8 g wog, in 70 ml heissem Wasser gelöst und vom Cadmiumfluorid abfiltriert. Daraufhin wurde mit Salzsäure auf PH = 2 eingestellt und die ausfallende, sehr reine Pyrrol-2,5-dicarbonsäure alsbald abfiltriert.
Nach dem Trocknen lagen 1,26 g Dicarbonsäure vor.
Das Filtrat scheidet bei längerem Stehen weitere Dicarbonsäure ab, die aber mit dunkel gefärbten Kondensationsprodukten verunreinigt ist. Die reine Säure kann daraus über den Ester gewonnen werden.
Beispiel 14
Ein Gemisch aus 20 Teilen des Dikaliumsalzes der Pyrazindikarbonsäure-2,3 und 1 Teil wasserfreiem Cadmiumchlorid wurde in einem Rollautoklaven mit 50 atm CO2 Anfangsdruck eine Stunde bei 3300 C gerollt. Nach Entspannen des Autoklaven wurde das dunkelbraune Reaktionsprodukt in 300 Teilen Wasser suspendiert, von Katalysator und Nebenprodukten abfiltriert. Durch Kochen mit Aktivkohle wird das bräunliche Filtrat völlig farblos.
Durch Ansäuern des Filtrates auf ein PH = 1 kristallisierten 4 Teile Pyrazindicarbonsäure-2,5 aus, entsprechend 30 /o der Theorie als wasserfreie Säure gewogen.
Beispiel 15
7,6 Teile Kaliumsalz der Pyrrol-a-carbonsäure wurden mit 10 8/o Cadmiumfluorid vermischt und im Rollautoklaven eine Stunde bei 2900 C und 50 atm CO2 Anfangsdruck erhitzt. Nach einer Beispiel 13 entsprechenden Aufarbeitung wurden 0,9 Teile reine Pyrrol-a-a'-dicarbonsäure erhalten.
Beispiel 16
Entsprechend Beispiel 9 wurden 50 g Natriumpyromukonat im Gemisch mit 5 /o Cadmiumfluorid eine Stunde auf 3300 C bei 50 atm CO2 Anfangsdruck erhitzt. Aus dem 48,5 g wiegenden Reaktionsrohprodukt wurden 4,6 g rohe Dehydroschleimsäure erhalten.
Beispiel 17
In einem Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt wurden 30 g chinaldinsaures Kalium (wasserfrei) mit 1 g Cadmiumfluorid zwei Stunden auf 3600 C erhitzt.
Bei einer Temperatur von 1500 C wurden 50 atm CO2 aufgedrückt; der Enddruck bei 3600 C betrug 70 atm.
Das Reaktionsprodukt wurde mit Äther ausgewaschen, um das entstandene Chinolin zu entfernen, anschliessend wurde es in heissem Wasser gelöst, mit Aktivkohle behandelt und filtriert. Nach Ansäuern mittels Salzsäure kristallisierten 3,4 g -- 22 0/o der Theorie Chinolin-2,4-dicarbonsäure. Nach Einengen der Mutterlauge wurden weitere 2,2 g eines Gemisches von Chinolin-mono- und -dicarbonsäuren erhalten.
Beispiel 18
In einem Rollautoklaven von 0,2 Liter Inhalt wurden 30 g nicotinsaures Natrium ohne Katalysator 3 Stunden auf 4000 C erhitzt. Zu Beginn des Versuches wurden 50 atm CO2 aufgedrückt; der Enddruck bei 400O betrug 150 atm. Das 23,1 g wiegende Reaktionsprodukt wurde in etwa 250 cm3 Wasser gelöst, filtriert und mit Salzsäure angesäuert. Nach Einengen und Abkühlen der Lösung kristallisierten 6,4 g = 37 O/o der Theorie Isocinchomeronsäure aus.
Beispiel 19
In einem Autoklaven wurde ein Gemisch von 76,4 g des Bariumsalzes der Nikotinsäure und 3,0 g Cadmiumfluorid unter einem Kohlendioxyddruck von 150 at (bei Reaktionstemperatur) 4 Stunden auf 3600 erhitzt. Nach dem Abkühlen und Entspannen des Autoklaven wurde das Reaktionsgemisch nach Zusatz von 42 g Kaliumcarbonat mit Wasser aufgekocht und filtriert. Das klare Filtrat wurde mit der den vorhandenen Kaliumionen entsprechenden Menge Salzsäure angesäuert. Anschliessend wurde die Lösung 48 Stunden mit Äther extrahiert. Aus der Ätherlösung wurden nach Verdampfen des Lösungsmittels 13,45 g eines Gemisches von Pyridincarbonsäuren erhalten. Die Säurezahl betrug 660 (berechnet für Pyridindicarbonsäure 671). FP. 195 C unter Zersetzung.
Beispiel 20
Der gleiche Ansatz wie im vorhergehenden Beispiel wurde unter einem Kohlendioxyddruck von 300 atm (bei Reaktionstemperatur) 16 Stunden auf 3600 C erhitzt. Die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches, welche in der im Beispiel 19 beschriebenen Weise erfolgte, ergab 18,5 g eines Gemisches von Pyridincarbonsäuren, welche die Säurezahl 601 und einen Schmelzpunkt von 2200 C (Zers.) aufwiesen.
Beispiel 21
In einem Autoklaven wurde ein Gemisch aus 55,3 g des Calciumsalzes der Nikotinsäure und 2,5 g Cadmiumfluorid 16 Stunden auf 4400 C erhitzt. Zu Beginn des Versuches wurde mittels eines Kompressors so viel Kohlendioxyd aufgedrückt, dass bei 440O C ein Druck von 1400 atm entstand. Nach dem Abkühlen und Entspannen des Autoklaven wurde das rohe Reaktionsprodukt mit 41,4 g Kaliumcarbonat versetzt, mit Wasser aufgekocht und filtriert.
Das Filtrat wurde mit der berechneten Menge Salzsäure angesäuert und anschliessend mit Äther extrahiert. Durch Eindampfen der Ätherlösung wurden 12,4 g eines Gemisches von Pyridincarbonsäuren erhalten, welches eine Säurezahl von 645 aufwies.
Process for the rearrangement of salts of heterocyclic carboxylic acids
It has been found that salts of carboxylic acids, the carboxyl groups of which are on heterocyclic ring systems with an aromatic structure, can be rearranged by heating to temperatures above 2750 ° C., whereupon the position of the carboxyl groups changes.
Heterocycles with an aromatic structure are 5 and 6-membered ring heterocycles with conjugated double bonds, e.g. B. furan, thiophene, pyrrole, a-pyran, a-thiopyran and pyridine. The heterocyclic rings can be fused with other hetero rings with an aromatic structure or with aromatic rings, preferably with benzene rings. Such heterocycles are z. B. quinoline, isoquinoline, indole, but also salts of other heterocyclic carboxylic acids, eg. B. benzotriazole, benzimidazole, can be used.
In the rearrangement according to the invention, there is a change in position of carboxyl groups, which can take place both within a molecule and between several molecules. If one starts out from monocarboxylic acids, then mainly disproportionation takes place, whereby two molecules of monocarboxylic acid disproportionate into one molecule of dicarboxylic acid and one molecule of carboxyl-free hetero ring system, while during the processing of die and polycarboxylic acids changes of position and decarboxylation occur. In mononuclear ring systems, the carboxyl groups migrate preferentially in the 2,5-position, both in the case of 5- and 6-ring heterocycles. In the case of 6-ring heterocycles, the 2,4,6 configuration is also preferred.
In the case of furan-1-carboxylic acid, a heterocyclic carboxylic acid derived from a hetero ring with a hetero atom, the reaction proceeds according to the following formula:
EMI1.1
in which Me represents a monovalent metal. In the case of pyridine monocarboxylic acid, a carboxylic acid that is derived from a 6-ring heterocycle with one heteroatom, the reaction proceeds according to the following formula:
EMI1.2
that is, the main product obtained is the salt of isocinchomeronic acid (pyridine 5-dicarboxylic acid); The salt of trimesitic acid (pyridine-2,4,6-tricarboxylic acid) can also be formed as a by-product.
Salts of mono- or polycarboxylic acids, e.g. B. dicarboxylic acids, the said heterocycles, which are preferably used in the form of the alkali metal salts, in particular the salts of sodium and potassium, are used. For economic reasons, one will not use the thallium, rubidium and cesium salts, which in themselves also provide useful results. If the or tricarboxylic acids of mononuclear 6-ring heterocycles are used as starting materials, preference is given to using those in which the carboxyl groups are not in the 2.5 or 2.4.6 positions. If dicarboxylic acids of 5-membered ring heterocycles are used as starting materials, those whose carboxyl groups are not in the 2,5-position are preferably processed. Instead of the salts, you can also process mixtures from which the salts are formed, e.g. B.
Mixtures of the free acids or their chlorides or anhydrides with metal carbonates. Mixtures of several carboxylic acids can also be processed, and in the case of simultaneous processing of carboxylic acids that do not contain the same number of carboxyl groups in the molecule, the mixing ratio can be set so that the amount of carboxyl groups present in the reaction mixture per hetero ring system corresponds to the ratio of the as End product corresponds to the desired carboxylic acid. This ratio can be in the range of 2-3 carboxyl groups per hetero ring system. Do you want z. B. obtained pyridinedicarboxylic acid as the main product, one applies z. B. a mixture in which the mono- and tricarboxylic acids present are present in an equimolecular ratio. If you want to promote the formation of pyridinetricarboxylic acids, you can, for.
B. apply equimolecular amounts of pyri dindi- and tetracarboxylic acids.
The carboxylic acid salts to be processed are preferably processed in the dry state possible. If these salts are in the form of an aqueous solution, they can be converted into dry powders by processes known per se, but preferably by spray drying, and, if necessary, dried in a manner known per se to remove small residual amounts of moisture.
In the case of some compounds, the reaction starts when they are heated to temperatures of just over 2750 ° C. The maximum temperature is that at which the reaction product shows noticeable decomposition. Usually you do not work above 5000 C. The optimal reaction temperature varies from case to case. Often the optimal temperature range for the reaction is 20-40 "C below the melting temperature of the salt at normal pressure. For example, pyroclastic acid potassium melts under normal pressure at 3503600 C with immediate strong decomposition; the optimal reaction temperature for the present reaction is 3203300 C.
Thiophene-2-carboxylic acid potassium melts very imperfectly at 4200 ° C. under normal pressure, without any major decomposition; its optimum reaction temperature is 3700 C. In the case of potassium pyrrole 1-carboxylic acid, the optimum reaction temperature is also below the melting point, which is 3400 C. In general, the optimal temperature is in the range of 330-450 "C. In this temperature range, the reaction mixture is sometimes more or less liquid, which makes it possible to work with agitation of the reaction mixture (e.g.
Stirrer or roller autoclave) is facilitated. The reaction mixture can be diluted by inert fillers such as sand, finely divided coke or other forms of carbon, metal powder, chips or pieces. In addition, metal carbonates or bicarbonates, in particular those of the alkalis, are suitable as diluents.
It has been shown that the reaction proceeds particularly well if a pressure is maintained in the reaction vessel which is advantageously generated by inert gases. The main inert gases used are nitrogen and carbon dioxide. The level of pressure during the reaction can vary within wide limits, e.g. B. 10 atm or more.
The reaction vessel is expediently placed under the pressure of an inert gas prior to heating. B. can be 5-150 atm, provided that such a pressure can be achieved at all with the inert gas used in the cold state. When heated, the pressure increases and during the reaction, for. B. 15-500 atm, preferably 100-250 atm. You can also generate the pressure by the fact that the carboxyl group-free heterocyclic compound, such as. B. pyridine adds.
It has been shown that the reaction is favored by the presence of catalysts. You can see the reaction z. B. in the presence of the metals lead, cadmium, zinc and mercury or in the presence of the oxides, hydroxides, bicarbonates, carbonates, fluorides, chlorides, bromides, iodides, sulfates, nitrates or other salts of these metals.
You can also use salts of the metals mentioned with organic acids, for. B. the corresponding formates, acetates, propionates, stearates, oleates, ricinoleates, benzoates, phthalates etc. Above all, the catalytically active metals can also be used in the form of their salts with the heterocyclic carboxylic acids to be processed. The amount of metal can vary within very wide limits and be 0-15, preferably 0.5-5 percent by weight, based on the reaction mixture. If the catalysts are used in the form of their salts with the carboxylic acids to be rearranged, then all of the cations necessary for neutralizing the carboxyl groups can be supplied by the catalyst metal.
The catalysts can be distributed particularly finely in the reaction mixture or in the starting material by converting an aqueous solution of the salts of heterocyclic carboxylic acids which are used as starting material and which contain the catalysts in dissolved or suspended form into a dry powder by atomization or on a drum dryer. Finally, the free metals can also be used, which is of particular interest when the reaction vessel is coated with a layer of the catalytically active metal.
During the rearrangement, partial decarboxylation can occur with reformation of the heterocyclic ring system. The heterocycles formed can be z. B. win if you relax the autoclave via a cold trap.
To work up the reaction mixture this z. B. dissolved in water and freed from unwanted constituents by filtering off or treating with activated charcoal or other decolorizing agents. The free acids from the salts of heterocyclic carboxylic acids formed during the rearrangement are usually less soluble in water than the free acids from the salts used as starting materials, so the free acids can be acidified by acidifying the aqueous solution with acids such as mineral acids or organic acids , and allowing them to crystallize out easily separated from the remaining constituents of the reaction mixture, in particular from unreacted starting materials.
The process according to the invention has made it possible to obtain heterocyclic die or polycarboxylic acids in a simple manner.
So one has z. B. Isocinchomeronic acid (pyridine-2,5-dicarboxylic acid) previously produced by nitric acid oxidation of 2-methyl-5-ethyl-pyridine.
The dehydro-mucic acid (furan-2,5-dicarboxylic acid), which previously had to be produced from hexoses by laborious processes, can now be easily obtained from pentoses via furfural.
The heterocyclic die and polycarboxylic acids can be used wherever two- and polyfunctional compounds, in particular die or polycarboxylic acids, have been used, eg. B. in the production of plasticizers, synthetic resins and as acidic components in the production of polyesters.
example 1
A mixture of 40 g of nicotinic acid potassium and 1.2 g of cadmium fluoride was heated to 3700 ° C. for two hours in a roller autoclave with a volume of 0.2 liters, into which 50 atm of CO2 had been injected before the start of the experiment. The pressure rose to 140 atm.
The pyridine-containing reaction product was dissolved in about 400 cms of water and, after filtering off the catalyst and carbon-like products, acidified with hydrochloric acid. On cooling, 10.1 g of isocinchomeronic acid = 48.80 / o of theory crystallized out. After recrystallization from water the melting point was 2480, the AN was 669, calculated 671. To identify the acid, it was refluxed with methanol and a little concentrated sulfuric acid. After recrystallization, the dimethyl ester obtained had a melting point of 161 "(163 according to literature).
The yield of pyridine according to the reaction equation
EMI3.1
theoretically should have been produced in an amount of 13 g, was not determined quantitatively; however, it was present in nearly the required amount.
Example 2
A mixture of 40 g of nicotinic acid potassium and 1.2 g of cadmium fluoride was heated to 4200 ° C. for 11/2 hours in a roller autoclave of 0.2 liter capacity into which 50 atm of CO had been injected before the start of the experiment. The pressure rose to 157 atm.
The pyridine-containing reaction product was dissolved in about 200 cm3 of hot water, treated with activated charcoal, filtered and acidified with hydrochloric acid.
After cooling to 0 ", the isocinchomeronic acid obtained was filtered off with suction and dried. The yield was 10.6 g = 51.00 / o of theory.
Example 3
A mixture of 40 g of potassium picolinate and 1.2 g of cadmium fluoride was heated to 3800 ° C. for two hours in a roller autoclave with a capacity of 0.2 liters, into which 50 atm of CO2 had been injected before the start of the experiment. The pressure rose to 155 atm.
The pyridine-containing reaction product was dissolved in about 200 cm of hot water, filtered and acidified with hydrochloric acid. After concentration and cooling of the solution, 9.7 g of isocinchomeronic acid = 46 80 / o of theory with AN = 678 crystallized. The acid was also identified via the dimethyl ester.
Example 4
A mixture of 40 g of potassium isonicotinate and 1.2 g of cadmium fluoride was heated to 3909 for two hours in a roller autoclave of 0.2 liter capacity, into which 50 atm of CO2 had been injected before the start of the experiment. The pressure rose to 130 atm.
The reaction product weighing 32.4 g was dissolved in 200 cm3 of hot water, filtered and acidified with hydrochloric acid. On cooling, 5.2 g = 25 ovo of the theory of isocinchomeronic acid crystallized out, which was identified via the dimethyl ester. After some time, a further 5.3 g of the monopotassium salt of pyridine-2,4,6-tricarboxylic acid separated from the mother liquor, which was identified by the triethyl ester.
Example 5
In a rolling autoclave with a capacity of 0.2 liters, 44 g of potassium quinoline, which had been dried at 150 ° C. in vacuo over P2Os, were heated to 3900 ° C. for three hours after 50 atm of CO2 had been injected without the addition of a catalyst. The final pressure was 150 atm .
The crude product, weighing 35.5 g, was dissolved in about 200 cm3 of hot water, treated with activated charcoal, filtered and then acidified with hydrochloric acid.
On cooling, 14.75 g = 48.86 / 0 of theory of isocinchomeronic acid crystallized out.
Example 6
A mixture of 55 g of the dipotassium salt of quinolinic acid was dried in a roller autoclave with a capacity of 0.2 liters, as in the previous example, and 2 g of cadmium fluoride was heated to 3900 ° C. for three hours after applying 50 atm of CO2, the maximum pressure being 127 atm .
The gray crude product, weighing 50 g, was dissolved in 300 cm3 of hot water, filtered and acidified with hydrochloric acid. On cooling, 16.0 g = 42.36 / 0 of theory of isocinchomeronic acid crystallized out. After the filtrate was concentrated, a further 7.6 g of the monopotassium salt of 2,4,6-pyridinetricarboxylic acid separated out.
Example 7
A mixture of 40 g of nicotinate was heated to 4000 C for three hours without a catalyst in a roller autoclave with a capacity of 0.2 liters, into which 50 atm of CO2 had been injected before the start of the experiment. The pressure rose to 150 atm.
The crude product, weighing 23.1 g, was worked up in the manner described and gave 6.4 g of isocinchomeronic acid = 37 ovo of theory.
Example 8
40 b of potassium nicotinate were heated to 3900 ° C. for three hours without a catalyst in a roller autoclave with a capacity of 0.2 liters, into which 50 atm of CO2 had been injected before the start of the experiment. The pressure rose to 125 atm.
The crude product, weighing 26.4 g, was worked up in the manner described and gave 8.0 g of isocinchomeronic acid = 38.7 6 / o of theory.
Example 9
An intimate mixture of 62.4 g of potassium pyromucate (furan-2-carboxylic acid potassium) and 3.3 g (5 lo) of cadmium fluoride was poured into a roller autoclave with a capacity of 0.2 liters and, after the air had been displaced by carbon dioxide, an initial pressure of 50 atm of this gas. The autoclave was then rolled at 3200 ° C. for two hours. During the heating, a maximum pressure of 200 atm was established, which after cooling almost fell back to the initial amount. The crude product weighed 50.6 g and, after pulverization, was suspended in 0.5 liter of water and boiled. After the formed charcoal and the catalyst had been filtered off, the clear filtrate was adjusted to a pH of 3.5 with hydrochloric acid.
At this optimum precipitation, the dehydro-mucic acid (furan-2,5-dicarboxylic acid) falls almost completely, while small amounts of unconverted pyrocucous acid only crystallize out when this filtrate is acidified further. The dehydroglucic acid obtained in this way (16.5 g) is 980% after drying, corresponding to an acid number of 700.
The dehydroglucic acid was characterized by the following derivatives: AN of the acid purified via the dimethyl ester = 712; Dimethyl ester: b.p. 155 C / 15 mm Hg, F = 111 C, VN = 609.2; Dichloride: Bp = 122 "C / 12 mm Hg, F = 79/800 C.
Example 10
Under the same conditions as in Example 9, 50.0 g of potassium pyromucate were treated with 50 atm N in a roller autoclave at 330 ° C. for one hour.
The crude product, weighing 43.4 g, gave 8.3 g of crude dehydro-mucic acid after appropriate work-up.
Example 11
A mixture of 46.0 potassium salt of thiophene-2-carboxylic acid and 2.3 g (5 / o) cadmium oxide was introduced into a roller autoclave with a capacity of 0.2 liters. The batch was heated to 3400 ° C. for one hour under an initial pressure of 50 atm. After the reaction, the almost colorless powdered reaction product was suspended in 0.5 liter of water and the filtrate was made Congo acidic with hydrochloric acid. The precipitated dicarboxylic acid, which was very sparingly soluble in water, was digested with warm water and was obtained in an amount of 14.9 g. As a thiophene-2,5-dicarboxylic acid, it was characterized by the following derivatives: Dimethyl ester: F = 147.50 C, bp = 1760 C / 14 mm Hg; Diethyl ester: F = 50O C.
Example 12
A 1.5 liter rotary autoclave was charged with a mixture of 300 g of potassium pyromucate and 30 g of anhydrous cadmium chloride. At room temperature, 50 atm of CO2 were injected. During the heating to 3300 ° C., the pressure rose to 180 atm and after two hours of heating to 3300 ° C. and subsequent cooling, it almost fell back to the initial value. The reaction product weighed 284 g and was worked up analogously to Example 9. The yield of dehydro-mucic acid was 106 g.
Example 13
In a stationary autoclave, a thick-walled test tube with a capacity of 15 ml, wrapped with glass wool and clogged with glass wool, was used, which was filled with an intimate mixture of 3 g of potassium salt of pyrrole-2-carboxylic acid and 0.3 g of cadmium fluoride, dried at 1400 C. 50 atm of CO2 were injected onto the then closed autoclave. The mixture was then heated to 3000 ° C. for 1 hour. After cooling and releasing the pressure, the hardly discolored, powdery reaction product, which weighed 2.8 g, was dissolved in 70 ml of hot water and the cadmium fluoride was filtered off. The pH was then adjusted to 2 with hydrochloric acid and the very pure pyrrole-2,5-dicarboxylic acid which precipitated was immediately filtered off.
After drying, 1.26 g of dicarboxylic acid were present.
The filtrate separates out more dicarboxylic acid on prolonged standing, but this is contaminated with dark-colored condensation products. The pure acid can be obtained from it via the ester.
Example 14
A mixture of 20 parts of the dipotassium salt of 2,3-pyrazinedicarboxylic acid and 1 part of anhydrous cadmium chloride was rolled in a roller autoclave with an initial pressure of 50 atm. CO2 at 3300 ° C. for one hour. After releasing the pressure from the autoclave, the dark brown reaction product was suspended in 300 parts of water and the catalyst and by-products were filtered off. Boiling with activated charcoal will make the brownish filtrate completely colorless.
By acidifying the filtrate to a pH = 1, 4 parts of pyrazinedicarboxylic acid-2,5 crystallized out, corresponding to 30 / o of theory, weighed as anhydrous acid.
Example 15
7.6 parts of the potassium salt of pyrrole-a-carboxylic acid were mixed with 10 8 / o cadmium fluoride and heated in a roller autoclave for one hour at 2900 ° C. and 50 atm CO2 initial pressure. After a work-up corresponding to Example 13, 0.9 parts of pure pyrrole-a-a'-dicarboxylic acid were obtained.
Example 16
As in Example 9, 50 g of sodium pyromuconate mixed with 5 / o cadmium fluoride were heated for one hour at 3300 ° C. at an initial pressure of 50 atm CO2. 4.6 g of crude dehydroucosic acid were obtained from the crude reaction product, which weighed 48.5 g.
Example 17
In a roll autoclave with a capacity of 0.2 liters, 30 g of quinaldinate of potassium (anhydrous) were heated to 3600 ° C. with 1 g of cadmium fluoride for two hours.
At a temperature of 1500 C, 50 atm of CO2 were injected; the final pressure at 3600 ° C. was 70 atm.
The reaction product was washed out with ether in order to remove the quinoline formed; it was then dissolved in hot water, treated with activated charcoal and filtered. After acidification with hydrochloric acid, 3.4 g-22% of theory of quinoline-2,4-dicarboxylic acid crystallized. After concentrating the mother liquor, a further 2.2 g of a mixture of quinoline mono- and dicarboxylic acids were obtained.
Example 18
In a roller autoclave with a capacity of 0.2 liters, 30 g of sodium nicotinate were heated to 4000 ° C. for 3 hours without a catalyst. At the beginning of the experiment, 50 atm of CO2 were injected; the final pressure at 400O was 150 atm. The reaction product, weighing 23.1 g, was dissolved in about 250 cm3 of water, filtered and acidified with hydrochloric acid. After the solution had been concentrated and cooled, 6.4 g = 37% of theoretical isocinchomeronic acid crystallized out.
Example 19
In an autoclave, a mixture of 76.4 g of the barium salt of nicotinic acid and 3.0 g of cadmium fluoride was heated to 3600 for 4 hours under a carbon dioxide pressure of 150 at (at reaction temperature). After cooling and releasing the pressure in the autoclave, the reaction mixture, after adding 42 g of potassium carbonate, was boiled with water and filtered. The clear filtrate was acidified with the amount of hydrochloric acid corresponding to the potassium ions present. The solution was then extracted with ether for 48 hours. After evaporation of the solvent, 13.45 g of a mixture of pyridine carboxylic acids were obtained from the ether solution. The acid number was 660 (calculated for pyridinedicarboxylic acid 671). FP. 195 C with decomposition.
Example 20
The same batch as in the previous example was heated to 3600 ° C. for 16 hours under a carbon dioxide pressure of 300 atm (at reaction temperature). Working up the reaction mixture, which was carried out in the manner described in Example 19, gave 18.5 g of a mixture of pyridinecarboxylic acids which had an acid number of 601 and a melting point of 2200 ° C. (decomposition).
Example 21
A mixture of 55.3 g of the calcium salt of nicotinic acid and 2.5 g of cadmium fluoride was heated to 4400 ° C. for 16 hours in an autoclave. At the beginning of the experiment, so much carbon dioxide was injected using a compressor that a pressure of 1400 atm was created at 440 ° C. After the autoclave had cooled and let down, the crude reaction product was admixed with 41.4 g of potassium carbonate, boiled with water and filtered.
The filtrate was acidified with the calculated amount of hydrochloric acid and then extracted with ether. Evaporation of the ether solution gave 12.4 g of a mixture of pyridinecarboxylic acids which had an acid number of 645.