Verfahren zur Herstellung von tetrasubstituierten Diphenchinonen
Die Erfindung betrifft die Herstellung von 3, 3', 5, 5'-tetrasubstituierten Diphenchinonen.
Es ist schon vorgeschlagen worden, ein 3,3',5,5'- tetrasubstituiertes Diphenchinon durch Oxydation des entsprechenden 2, 6-disubstituierten Phenols mit einem chemischen Oxydationsmittel, wie Peroxyd, Chromsäure, Salpetersäure oder Kaliumferricyanid, herzustellen. Dieses Verfahren ermöglicht nur eine relativ schlechte Ausbeute, gewöhnlich im Bereich von 50-70%, wobei das restliche 2,6-disubstituiertc Phenol zu unerwünschten Nebenprodukten oxydiert wird, die zur Isolation des gewünschten 3,3',5,5'- tetrasubstituierten Diphenchinons zusammen mit dem restlichen Oxydationsmittel entfernt werden müssen.
Fernerhin wird für jedes Mol oxydiertes 2,6disubsft- tuiertes Phenol eine stöchiometrische Menge des relativ kostspieligen Oxydationsmittels benötigt. So ergeben beispielsweise 12,1 g Benzoylperoxyd und 6,1 g 2,6-Xylenol in Benzollösung nach sechsstündiger Umsetzung bei Rückflusstemperatur des Benzols 3.,8 8 g (62,3 % der Theorie) 3,3',5,5'-Tetramethyl- diphenchinon als roten Feststoff. Bei Raumtemperatur und einer Reaktionszeit von drei Wochen beträgt die Ausbeute 52,4 S.
Überraschenderweise wurde nun eine allgemeine, schnelle, einfache und billige Methode zur Oxydation eines 2,6-disubstituierten Phenols in das entsprechende 3, 3', 5, 5'-tetrasubstituierte Diphenchinon mit relativ hoher her Ausbeute und wenig oder keinem Nebenprodukt gefunden.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung von 3, 3',5 ,5'-tetrasubstituiertem Diphenchinon wird Sauerstoff mit einem oder mehreren 2,6-disubstituierten Phenolen in Gegenwart eines cyansubstituierten Kohlenwasserstoffes oder eines tertiären carbamoylsubstituierten Kohlenwasserstoffes und eines KupferÄsalzes, welches im Kupfer-II Zustand existieren und mit dem substituierten Kohlenwasserstoff einen im Reaktionsmedium löslichen Komplex bilden kann, als Katalysator umsetzt, wobei die Substituenten am 2,6-disubstituierten Phenol Alkyl-, Alkoxy-, Aryl- oder Aryloxydreste sind.
Die Gesamtoxydationsreaktion ist durch folgende Gleichung dargestellt:
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wobei jedes R ein Alkyl-, Alkoxy-, Aryl- oder Aryloxyrest ist.
Zur Durchführung des Verfahrens wird Sauerstoff, gewöhnlich als sauerstoffhaltiges Gas, durch eine geeignete Mischung aus einem oder mehreren 2, 6-disubstituierten Phenolen, einem cyansubstituierten Kohlenwasserstoff oder einem tertiären, carbamoylsubstituierten Kohlenwasserstoff und einem geeigneten KupfeT-I-Sa hindurchgeführt.
Die Reaktion kann ohne weiteres bei atmosphärischem Druck und Temperaturen zwischen Umgebungstemperatur und Rückflusstemperatur der Reaktionsmischung in wenigen Minuten oder einigen Stunden durchgeführt werden. Unter- oder über atmosphärische Drücke können selbstverständlich angewandt werden, ebenso wie Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur oder, durch Anwendung von Überdruck, höhere Temperaturen als die Rückflusstemperatur bei Atmosphärendruck. Es besteht jedoch kein Grund für die Anwendung derartiger Bedingungen, da niedrigere Temperaturen und/oder Drücke die Reaktionsgeschwindigkeit senken und der höhere Preis einer Druckanlage nicht durch die etwas grössere Reaktionsgeschwindigkeit gerechtfertigt ist, die durch die Anwendung hoher Drücke und/oder Temperaturen erzielt werden kann.
Es ist schon eine Methode (siehe z. B. französisches Patent Nr. 1 234 336, oder italienisches Patent Nr. 613 739, oder japanisches Patent Nr. 293 059) der Umsetzung von Sauerstoff mit einem 2,6-disubstituierten Phenol zur Bildung entweder eines Poly phenylenäthers oder eines 3 ,3"5,5'-tetrasubstituierten Diphenchinons unter Verwendung eines Katalysators beschrieben, der aus einem tertiären Amin und einem Kupfer-I-Salz besteht, das in der Lage ist, im Kupfer-II-Zustand zu existieren und mit dem tertiären Amin einen im Reaktionsmedium löslichen Komplex zu bilden.
Wenn das Reaktionswasser nicht so schnell entfernt wird, wie es sich bildet, oder wenn das 2, 6-disubstituierte Phenol in der 2- und 6-Stellung nicht mit grossen Resten, wie einem tertiären Butylrest, substituiert ist, wird ein Polyphenylen äther erhalten. Das 3,3"5,5'-tetrasubstituierte Diphenchinon entsteht als Produkt, wenn das Wasser so schnell entfernt wird, wie es sich bildet, oder wenn das 2,6-disubstituierte Phenol grosse Substituenten besitzt. Unter bestimmten Bedingungen wird sowohl 3,3',5,5'-tetrasubstituiertes Diphenchinon als auch Polyphenylenäther gebildet.
Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren durch die Verwendung von cyansubstituiertem Kohlenwasserstoff oder tertiärem, carbamoylsubstituiertem Kohlenwasserstoff eine hohe Ausbeute an 3,3',5,5'-tetra- substituiertem Diphenchinon mit nur spurenweisen Mengen Polyphenylenäther erhalten, ohne Rücksicht darauf, ob das Wasser so schnell entfernt wird, wie es sich während der Reaktion bildet, oder ob die Substituenten grosse Reste sind oder nicht.
Typische 2, 6-disubstituierte Phenole, die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet werden können, sind folgende:
2,6-Dimethylphenol 2,6-Diäthylphenol,
2-Methyl-6-äthylphenol, 2 ,6-Dipropylphenol,
2, 6-Dibutylphenol, 2-Methyl-6-isobutylphenol, 2, 6-Dicyclohexylphenol, 2,6-Dibenzylphenol, 2, 6-Di-(phenyläthyl) -phenol und 2,6-Ditetradecylphenol;
2, 6-Dimethoxyphenol, 2, 6-Diäthoxyphenol,
2-Methoxy-6-äthoxyphenol, 2-Methyl-6-methoxyphenol und 2-Sithyl-6-hexadecycloxyphenol ;
2, 6-Diphenylphenol, 2-Methyl-6-phenylphenol, 2,6-Ditolylphenol und
2,6-Bis-(2',4'-dichlorphenyl)-phenol und
2,6-Diphenoxyphenol.
Das für den Katalysator verwendete jeweilige Kupfer-I-Salz hat keine Wirkung auf die Art des erhaltenen Produktes. Die einzige Anforderung besteht darin, dass das Kupfer-I-Salz fähig sein muss, im Kupfer-II-Zustand zu existieren und mit dem cyansubstituierten Kohlenwasserstoff (oder Nitril) oder dem tertiären carbamoylsubstituierten Kohlenwasserstoff (oder Amid) einen Komplex zu bilden, der im Reaktionsmedium löslich ist.
Es wurde beobachtet, dass die Oxydation des 2,6-disubstituierten Phenols gemäss der Erfindung offensichtlich von der intermediären Bildung eines aktivierten Kupfer-II Nitril-Komplexes oder Kupfer-II-Amid-Komplexes begleitet ist, der mit dem 2,6-disubstituierten Phenol unter Regeneration des Kupfer-I-Nitril-Komplexes oder Kupfer-I-Amid-Komplexes reagiert. Soweit es sich bisher feststellen liess, ist es unmöglich, diesen aktivierten Komplex dadurch zu erhalten, dass zunächst von einem Kupfer-II-Salz ausgegangen wird, sofern nicht reduzierende Bedingungen vorliegen, die zur Bildung des Kupfer-I-Salzes in situ führen.
Typische Beispiele für zu diesem Zweck geeignete Kupfer-I-Salze sind:
Kupfer-I-chlorid, Kupfer-I-bromid,
Kupfer-I-sulfat, Kupfer-I-azid,
Kupfer-I-tetraaminsulfat, Kupfer-I-acetat,
Kupfer-I-propionat, Kupfer-I-palminat und
Kupfer-I-benzoat.
Obwohl Kupfer-II-sulfit nicht bekannt ist, kann Kupfer-I-sulfit verwendet werden, da es offensichtlich zu Kupfer-I-sulfat oxydiert wird. Kupfer-I-Salze, wie Kupfer-I-jodid, Kupfer-I-sulfid, Kupfer-Icyanid und Kupfer-I-thiocyanat, sind für den vorliegenden Zweck nicht geeignet, da sie entweder nicht im Reaktionsmedium löslich oder nicht in der Lage sind, als stabile Kupfer-II-salze zu existieren. So zersetzen sich beispielsweise Kupfer-II-cyanid und Kupfer-II-thiocyanat von selbst in die entsprechenden Kupfer-I-salze. Kupfer-I-nitrate und Kupfer-lfluoride sind nicht bekannt, aber ihre Komplexe mit Amiden oder Nitrilen können in situ hergestellt werden.
Die Verwendung von Kupfer-II-chlorid, Kupfer-II-sulfat, Kupfer-II-perchlorat oder Kupfer-IInitrat anstelle der entsprechenden Kupfer-I-salze bei der Herstellung der Komplexe ergibt keine Oxydation des 2,6-disubstituierten Phenols.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens können verschiedene, cyansubstituierte Kohlenwasserstoffe verwendet werden, einschliesslich solcher, bei welchen der Kohlenwasserstoff ein Alkyl-, Aralkyl-, Cycloalkyl-, Alkenyl-, Alkynyl-, Aryloder Alkarylkohlenwasserstoff ist, der mit einem oder mehreren Cyanresten substituiert ist. Der cyansubstituierte Kohlenwasserstoff ist vorzugsweise ein mit einem oder zwei Cyanresten substituierter Alkyloder Arylkohlenwasserstoff.
Typische Beispiele sind folgende Stoffe: aliphatische Nitrile, wie
Acetonitril, Acrylnitril, Propionsäurenitril,
Buttersäurenitril, Valeriansäurenitril,
Caprosäurenitril, Stearinsäurenitril,
Malonsäurenitril, Bernsteinsäurenitril,
Maleonitril, Adipinsäurenitril,
Itaconsäurenitril und Citronensäurenitril; cycloaliphatische Nitrile, wie
Cyclohexanonitril und Cycloheptanonitril; arylsubstituierte aliphatische Nitrile, wie
Phenylacetonitril und Naphthylacetonitril, und Arylnitrile, wie
Benzonitril, Tolunitril, Naphthonitril,
Phthalonitril, Isophthalonitril,
Trimellitonitril und Trimesonitril.
In ähnlicher Weise können verschiedene tertiäre carbamoylsubstituierte Kohlenwasserstoffe für das erfindungsgemässe Verfahren verwendet werden, einschliesslich solcher Stoffe, bei denen der Kohlenwasserstoff ein Alkyl-, Aralkyl-, Cycloalkyl-, Alkenyl-, Alkynyl-, Aryl- oder Alkarylkohlenwasserstoff ist, der durch einen tertiären Carbamoyfrest substituiert ist, in welchem die beiden N-substituierten Kohlenwasserstoffreste Alkyl-, Alkenyl-, Alkynyloder Arylreste sind. Der tertiäre carbamoylsubstituierte Kohlenwasserstoff ist vorzugsweise ein Alkyloder Arylkohlenwasserstoff, der durch einen N,N Dialkylcarbamoylrest substituiert ist.
Typische Beispiele sind folgende Stoffe:
N,N-Dimethylacetamid, N,N-Diäthylacetamid,
N,N-Dimethylbenzamid,
N,N-Dimethylcyclohexanamid,
N-nethyl-N-äthylacetamid,
N,N-Dimethylbutyramid,
N,N-Diäthylpropionamid, N,N-Hexylacrylamid, N,N-Dipropylmaleinsäureamid,
N-Phenyl-N-cyclohexylvaleriansäureamid,
N, N-Dimethylisophthalsäureamid und
N,N-Dimethylnaphthamid.
Obwohl die folgenden theoretischen Erwägungen nicht als Beschränkung zu werten sind, ist anzunehmen, dass das Kupfer-I-salz mit dem Stickstoff im Nitril oder Amid einen Komplex bildet. Dieser Komplex kann dann mit dem Sauerstoff unter Bildung einer oxydierten Zwischenstufe reagieren, die in irgendeiner Weise mit dem 2,6-disubstituierten Phenol einen Komplex bilden kann. Dieser letztere Komplex aktiviert in irgendeiner Weise den Phenylkern, so dass das entsprechende 3,3',5,5'-tetrasubsti- tuierte Diphenchinon gebildet wird, wobei die Katalysatoren zu ihrem ursprünglichen, reduzierten Zustand regeneriert werden.
Obwohl Mischungen solcher Nitrile und/oder solcher Amide oder eines cyansubstituierten Amides der angegebenen Art und/oder Mischungen von Kupfer-I-salzen zur Bildung des Katalysatorsystems verwendet werden können, ergeben sich aus einer derartigen Verwendung keine Vorteile. Vorzugsweise wird das Kupfer-I-salz im Nitril oder Amid vor Zugabe des 2,6-disubstituierten Phenols gelöst. In einigen Fällen kann die Lösung des Kupfer-I-salzes durch Erhitzen der Mischung und/oder mittels Durchperlen von Sauerstoff oder Luft beschleunigt werden. In einigen Fällen wird jedoch eine vollständig homogene Lösung erst durch Zugabe des 2,6disubstituierten Phenols erhalten. Um das gesamte Kupfer wirksam zu verwenden, sollte genügend Nitril oder Amid für die Komplexbildung und damit für die Auflösung des gesamten Kupfer-I-salzes verwendet werden.
Grössere Mengen beeinträchtigen den Reaktionsablauf nicht. In einigen Fällen kann ein derartiger Überschuss wünschenswert sein, wenn das Nitril oder Amid bei Reaktionstemperatur eine Flüssigkeit ist, um eine vollständige Lösung des gesamten 2,6-disubstituierten Phenols zu erreichen und gleichzeitig eine Lösungsmittelwirkung für die Reaktionskomponenten zu ermöglichen. Die Konzentration des Katalysators im Reaktionsmedium ist nicht kritisch.
Zusätzlich zu dem Nitril oder Amid, das gegebenenfalls selbst als Lösungsmittel wirkt, kann ein anderes Lösungsmittel, wie Alkohol, Keton, Kohlenwasserstoff, Chlorkohlenwasserstoff, Nitrokohlenwasserstoff, Äther, Ester, Amid, Äther-Ester-Mi- schung, oder ein Sulfoxyd im Reaktionssystem vorhanden sein, sofern es die Reaktion nicht stört bzw. sich an der Reaktion nicht beteiligt. Typische Beispiele für solche Lösungsmittel sind: Äthanol, Methanol, Isopropanol, Aceton,
Anisol, Benzol, Toluol, Trichloräthylen,
Dichlorbenzol, Nitrobenzol Athylacetat, N,N-Dimethylacetamid und Dimethylsulfoxyd.
Die Menge dieses Lösungsmittels kann in weiten Grenzen verändert werden, wobei es lediglich notwendig ist, genügend Lösungsmittel zur Bildung einer homogenen Lösung des Katalysators und des 2, 6 disubstituierten Phenols vorzugeben. Das entstehende 3,3', 5,5' - tetrasubstituierte Diphenchinon fällt aus, sobald es entsteht.
Wenn der Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas in das Reaktionsmedium eingeperlt bzw. eingeblasen wird, bewirkt es eine exotherme Reaktion, die von Wasserbildung begleitet ist. Wenn gewünscht, kann dieses Wasser aus dem Reaktionsmedium entfernt werden, indem dieses mit einem inerten Gas gespült wird, indem die Reaktion bei unteratmosphärischem Druck durchgeführt wird, durch azeotrope Destillation, durch Verwendung eines offenen Reaktionsgefässes und/oder durch Erhitzen. Fernerhin kann der Sauerstoff mit einem Inertgas, wie Stickstoff, Helium oder Argon, verdünnt werden. Auch Luft kann verwendet werden. Durch Regelung des Verhältnisses von Sauerstoff zu dem gegebenenfalls vorhandenen Inertgas und der Eingangstemperatur dieser Mischung kann das Reaktionsmedium leicht gespült und alles Wasser während seiner Bildung entfernt werden.
Da die Reaktion im allgemeinen exotherm ist, kann sich das Reaktionsmedium überhitzen, was zur Bildung unerwünschter Produkte führt. Im all gemeinen wird die Reaktion bei einer möglichst niedrigen Temperatur eingeleitet, die den Reaktionsbeginn noch ermöglicht, was daran zu erkennen ist, dass die Reaktion exotherm wird. Im allgemeinen wird die Reaktion so geregelt, dass die Maximaltemperatur nicht wesentlich über 1100 C steigt. Die Reaktionswärme kann durch Strahlung oder Konvektion, oder durch Kühlspiralen, die entweder im Reaktionsmedium eingetaucht sind oder das Reaktionsgefäss umgeben, abgeführt werden. Das Reaktionswasser kann auch aus dem Reaktionsmedium abdestilliert werden, wodurch gleichzeitig Wasser entfernt und Wärme abgeführt wird.
Gewöhnlich wird die Sauerstoffzufuhr zu dem Reaktionsmedium fortgesetzt, bis keine Wärme mehr entsteht, oder bis die gewünschte Sauerstoffmenge absorbiert ist. Gewünschtenfalls kann während der Reaktion das gleiche oder ein anderes 2,6-disubsti- tuiertes Phenol in Abständen oder fortlaufend zugegeben werden; bei Verwendung gemischter Phenole entsteht ein gemischtes 3,3', 5, 5'-tetrasubstituiertes Diphenchinon.
Zur Beendigung der Reaktion kann das Katalysatorsystem durch Zusatz einer Säure, vorzugsweise einer Mineralsäure, wie Salzsäure oder Schwefelsäure, zerstört werden, die mit dem Nitril, Amid oder Kupfer-I-salz reagiert. Da jedoch das 3,3',5,5'- tetrasubstituierte Diphenchinon aus dem Reaktionsmedium ausfällt, kann dieser Niederschlag leicht durch Filtration oder Zentrifugieren aus dem Reaktionsmedium ausgetragen und die Mutterlauge zur Oxydation einer andern Beschickung von 2,6-di- substituiertem Phenol nach dem erfindungsgemässen Verfahren wiederverwendet werden. Das abgetrennte 3,3',5,5' 5, 5'-tetrasubstituierte Diphenchinon wird bis zur Freiheit von Mutterlauge gewaschen, gewöhnlich mit einem niedrig siedenden Lösungsmittel, das ein Nichtlösungsmittel für das Diphenchinon ist.
In den folgenden Beispielen sind alle Angaben in Teilen, sofern nicht anders angeben, auf das Gewicht bezogen.
Beispiel 1
Durch eine heftig gerührte Mischung aus 125 ml Acetonitril und 2 g Kupfer-I-chlorid in einem in ein Wasserbad von 300 C eingetauchten 250-ml-Kolben wird Sauerstoff durchgeleitet. Nach Auflösung des Kupfer-I-chlorides wurden 5 g (0,41 Mol) 2,6-Di- methylphenol zugegeben. Nach 30minutiger Reaktionszeit wurde ein roter Niederschlag abfiltriert.
Dann wurde das Filtrat weitere 30 Minuten oxydiert, wobei eine zweite Menge roter Niederschläge entstand. Der gesamte Niederschlag wog 4,6 g (0,019 Mol, 93 % Ausbeute), wurde als 3,3',5,5'-Tetra- methyldiphenchinon identifiziert und besass einen Schmelzpunkt von 2240 C.
Beispiel 2
Bei Wiederholung der Arbeitsweise von Beispiel 1 unter Verwendung von 2-Methyl-6-t-butylphenol wurde das Produkt als 3,3'-Dlmethyl-5,5'-t-butyl- diphenchinon identifiziert und fiel in Form von rotgefärbten Kristallen mit einem Schmelzpunkt von 2170 C an. Bei der Verwendung von 2,6-Di-t-butyl- phenol wurde das Produkt als 3, 3',5 , 5'-Tetra-t-butyldiphenchinon identifiziert und fiel in Form von rotgefärbten Kristallen mit einem Schmelzpunkt von 2460 C an. Bei Verwendung von 2,6-Diisopropylphenol wurde das Produkt als 3,3',5,5'-Tetra-isopropyl-diphenchinon identifiziert und fiel in Form von rotgefärbten Kristallen mit einem Schmelzpunkt von 2250 C an.
Beispiel 3
Durch eine heftig gerührte Lösung aus 135 ml Benzonitril und 2 g Kupfer-I-chlorid in einem auf dem Dampfbad erhitzten 250-ml-Kolben wurde Sauerstoff durchgeleitet. Nach vollständiger Lösung des Kupfer-I-chlorides wurden 10 g (0,082 Mol) 2,6-DimethylphenoT zugesetzt. Nach 50 Minuten wurde ein reichlicher, roter Niederschlag abfiltriert und ergab nach dem Trocknen 8,2 g (0,034 Mol, 83% Ausbeute) Produkt, das als 3,3',5,5'-Tetra-methyl- diphenchinon mit einem Schmelzpunkt von 2240 C identifiziert wurde.
Beispiel 4
Durch eine kräftig gerührte Lösung aus 135 ml N,N-Dimethylacetamid und 1 g Kupfer-I-chlorid in einem 250-ml-Erlenmeyerkolben auf dem Dampfbad wurde Sauerstoff durchgeleitet. Nach Auflösung des Kupfer-I-chlorides wurden 10 g (0,082 Mol) 2,6-Di- methylphenol zugesetzt. Nach 40 Minuten Reaktionszeit war ein voluminöser, roter Niederschlag entstanden. Nach Abkühlen auf 250 C wurde das Lösungsmittel abfiltriert, der Niederschlag mit Alkohol gewaschen und getrocknet. Man erhält 7,8 g (0,033 Mol, 79 % der Theorie) 3,3',5,5'-Tetramethyldiphen- chinon mit einem Schmelzpunkt von 2240 C.
Beispiel 5
Durch eine kräftig gerührte Lösung aus 2 g Kupfer-I-chlorid, 125 ml Acrylnitril und 10 g 2,6 Dimethylphenol wurde 3 Stunden lang Sauerstoff durchgeperlt. Die Reaktionsmischung wurde zur Isolierung des Produktes filtriert, das als 3,3',5,5'-Tetra- methyldiphenchinon identifiziert wurde und einen Schmelzpunkt von 2240 C besitzt.
Beispiel 6
Durch eine kräftig gerührte, auf dem Dampfbad erhitzte Lösung aus 1 g Kupfer-I-chlorid, 30 ml N,N-Dimethylacetamid und 10 g 2-Methyl-6-t-butylphenol, wurde 90 Minuten lang Sauerstoff durchgeleitet. Die Reaktionsmischung wurde gekühlt und zur Isolierung des roten, unlöslichen Produktes abfiltriert, das als 3,3'-Dimethyl-5,5¯di-t-butyl-diphen- chinon mit einem Schmelzpunkt von 2170 C identifiziert wurde.
Die entstehenden 3,3', 5 ,5'-tetrasubstituierten Diphenchinone können vierlerlei Verwendung finden.
So können sie als Oxydationsinhibitoren für verschie dene Harze, einschliesslich von Vinylhalogenidharzen und Butadienpolymeris aten, verwendet werden. Fernerhin können sie leicht durch Sauerstoff, etwa mit metallischem Zink und einer Mineralsäure, wie Salzsäure, zu den entsprechenden Diphenhydrochinonen reduziert werden, die ihrerseits mit einer Dicarbonsäure, wie Isophthalsäure oder Terephthalsäure, oder den entsprechenden Säurechloriden oder Estern zu einem aromatischen Polyester guter Wärmestabilität umgesetzt werden können. Die Diphenchinone können auch nur mit Phosgen oder zusammen mit einem Säurehalogenid zu den entsprechenden aromatischen Polycarbonaten umgesetzt werden, die ebenfalls eine gute Stabilität besitzen.