Verfahren zur Herstellung von Harnstoffderivaten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Harnstoffderivaten der Formel I
EMI1.1
in der R, eine Alkyl- oder Alkylengruppe mit 1-4 Kohlenstoffatomen und Ra einen gegebenenfalls substituierten Kohlenwasserstoffrest bedeuten.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass N-Methyl-hydroxylamin mit einem Aldehyd oder Keton der Formel RR1C =0, worin R ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1-4 Kohlenstoffatomen, R1 ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1-4 Kohlenstoffatomen, eine Phenyl-, Tolyl-, Monochlorphenyl- oder Dichlorphenyl-, Nitrophenyl- oder Furylgruppe bedeuten und wobei R und Rt zusammen Cyclohexyl oder Cyclopentylringe bilden können, zu einem a-substituierten N-Methylnitron der Formel II
EMI1.2
umgesetzt wird, dass dieses Nitron mit einer Verbindung der Formel R9X zu einem quaternären Am moniumsalz der Formel III
EMI1.3
umgesetzt wird, wobei X ein Schwefelsäurerest oder ein Sulfonsäurerest, Chlor, Jod oder Brom darstellt,
dass dieses quaternäre Ammoniumsalz in wässrigem Medium zu einem Hydroxylaminderivat der Formel CH3NHOR2 gespalten wird, und dass dieses Hydroxylaminderivat mit einem Isocyanat der Formel R3NCO zu einem Harnstoffderivat gemäss der obigen Formel (I) umgesetzt wird.
Zur Herstellung des N-Methylhydroxylamins kann man mit Vorteil Nitromethan reduzieren. Eine bevorzugte Form des Verfahrens lässt sich durch das folgende Schema veranschaulichen: (siehe Schema auf Seite 2) Herstellung des Nitrons:
Zur Herstellung des N-Methylhydroxylamins kann man Nitromethan reduzieren, wie durch katalytische Hydrierung mit einem Palladium-auf-Kohlenstoff-Katalysator und gasförmigem Wasserstoff bei einem Druck von 1,4-4,2 atü. Dabei soll eine Säure, wie Oxalsäure, anwesend sein, die das sich als Produkt bildende N-Methylhydroxylamin aufnimmt.
Das N-Methylhydroxylamin kann dann durch Zusatz einer geeigneten Base, wie Natriumhydroxyd, von der Säure befreit und dann mit der substituierten Carbonylverbindung in der oben erläuterten Weise umgesetzt werden. Das Hydroxylamin liegt in diesem Fall aufgrund der Hydrierung in wässriger Lösung vor, und man kann zur Bildung des entsprechenden Nitrons einfach den substituierten Aldehyd oder das substituierte Keton einrühren.
Der Aldehyd oder das Keton werden von den Substituenten R und R3 bestimmt, die in den neuen a - substituierten N-Allcyliden-N-R,- oxy-N-methyl- ammonium-Salzen vorliegen sollen. Das Aldehyd oder der Keton werden bei dem Verfahren mit Vor
EMI2.1
<tb> 1. <SEP> CH3NO2 <SEP> Nitromethan
<tb> <SEP> 1 <SEP> Reduktion
<tb> 2. <SEP> CH3NHOH <SEP> N-Methylhydroxylamin
<tb> <SEP> R
<tb> <SEP> > /O <SEP> l <SEP> !
<tb> <SEP> R1 <SEP> R <SEP> O
<tb> 3. <SEP> \ <SEP> t <SEP> a-substituiertes
<tb> /=N-CH3 <SEP> N-Methylnitron
<tb> <SEP> R1
<tb> <SEP> bD
<tb> <SEP> E <SEP> l <SEP> Quaternisierung
<tb> <SEP> OR2 <SEP> a-substituiertes
<tb> <SEP> :
1 <SEP> 1 <SEP> +
<tb> 4. <SEP> C=N-CH3 <SEP> R <SEP> =N-CH3
<tb> <SEP> } <SEP> wässrige
<tb> <SEP> CO <SEP> + <SEP> Spaltung
<tb> <SEP> Rt
<tb> 5. <SEP> CH3NHOR2 <SEP> N-Methyl-O-R
<tb> <SEP> hydroxylamin
<tb> teil regeneriert und im Kreislauf zurückgeführt. In der jeweils erforderlichen Weise kann man zum Ausgleich von Verlusten weiteren Aldehyd oder weiteres Keton zusetzen.
Welches spezielle Keton bzw. welcher spezielle Aldehyd bei dem Verfahren gemäss der Erfindung verwendet wird, ist unwichtig. Das Keton bzw. der Aldehyd wird, wie das obige Reaktionsschema zeigt, durch die wässrige Spaltung unabhängig von seiner Art ausgeschieden und tritt nicht in das Endprodukt ein. Im Hinblick auf die Bildung des N-Methyl-O R2-hydroxylamins ist es daher recht unwichtig, welches Keton oder welcher Aldehyd verwendet wird.
Zu den Ketonen und Aldehyden, mit denen man arbeiten kann, gehören:
1. Formaldehyd
2. Acetaldehyd
3. Propionaldehyd
4. Butyraldehyd
5. Valeraldehyd
6. Benzaldehyd
7. o-, m-, p-Tolualdehyd
8. o-, m-, p-Chlorbenzaldehyd
9. Dichlorbenzaldehyd
10. Furfuraldehyd
11. o-, m-, p-Nitrobenzaldehyd
12. Aceton
13. Methyläthylketon
14. Diäthylketon
15. Acetophenon
16. Propionphenon
17. Cyclopentanon
18. Cyclohexanon
Das gebildete Nitron lässt sich bequem durch Extrahieren mit einem mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel, wie Chloroform, Methylenchlorid, Trichloräthylen, Tetrachloräthylen, Toluol oder Trichloräthan, isolieren.
Man kann das so erhaltene Produkt durch Trocknen aus dem Lösungsmittel gewinnen oder, wie später beschrieben, die weitere Umsetzung in dem Lösungsmittel durchführen.
Herstellung des a-substituierten N-Alkyliden N-R,-oxy-N-methylammonium-Salzes
Gemäss der Erfindung wird ein Nitron der obenbeschriebenen Art, das aus dem jeweils eingesetzten Keton oder Aldehyd erhalten wird, z. B. durch Behandlung bei wasserfreien Bedingungen und bei einer Temperatur von 35 bis 1100 C, quaternisiert.
Als Quaternisierungsmittel werden Verbindungen der Strukturformel R X eingesetzt, worin X die obige Bedeutung hat. So kann man mit Methylierungsmitteln, wie Dimethylsulfat, Methylchlorid, Methyljodid, Methylbromid, Methylbenzolsulfonat und Methyl-ptoluolsulfonat, arbeiten.
Zu anderen Quaternisierungsmitteln, mit denen man arbeiten kann, gehören Diäthylsulfat, Dipropylsulfat, Dibutylsulfat, Allylchlorid, Allylbromid, Methallylchlorid, Allylbenzolsulfonat, Allyltoluolsulfonat, Butylbenzolsulfonat, 2-Butenylbenzolsulfonat und Propyltoluolsulfonat.
Gewöhnlich wird das Quaternisierungsmittel in einer molar dem Nitron äquivalenten Menge eingesetzt. Das Arbeiten mit einem Überschuss bietet keinen Vorteil und stellt keinen grossen Nachteil dar; der Einsatz von ungefähr einem Mol genügt.
Die Quaternisierung erfolgt zweckmässig bei in wesentlichen wasserfreien Bedingungen, da jegliches anwesende Wasser gewöhnlich zu einem Ausbeuteverlust führt. Man kann die Reaktion zwischen dem Nitron und dem Quaternisierungsmittel im geschmolzenen Zustand oder in einem beiderseitigen Lösungsmittel durchführen.
Als Lösungsmittel kann man die oben für das Nitron genannten Lösungsmittel und darüberhinaus auch Benzol, Tetrachlorkohlenstoff, Xylol, Chlorbenzol, Dibutyläther, Dichlorbenzol oder Dioxan einsetzen.
Die Menge des Lösungsmittels ist praktisch unwichtig. Man soll mit einer genügenden Menge arbeiten, um ein fliessfähiges System zu erhalten, aber im Hinblick auf die Kosten sowohl des Lösungsmittels als auch der Apparaturen keinen grossen Überschuss einsetzen.
Die Quaternisierung lässt sich in einem beträchtlichen Temperaturbereich von Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur bis zum Zersetzungspunkt einer der Komponenten oder des Endproduktes durchführen. Im allgemeinen arbeitet man bei geschmolzenen Komponenten mit höheren Temperaturen bis zu 150 und auch 2000 C ; in einem solchen System kann ein Quaternisierungsmittel wie Methylchlorid oder ein anderes flüchtiges Gut nur bei Anwendung von Druck verbleiben.
Vorzugsweise arbeitet man bei etwas niedrigeren Temperaturen im Bereich von etwa 35 bis 1100 C und gewöhnlich vorzugsweise bei der niedrigstmöglichen Temperatur, die zu einer angemessenen Reaktionsgeschwindigkeit führt.
Die a-substituierten N-Alkyliden-N-R2-oxy-N- methylammonium-Salze enthalten die Substituenten R, Rl und R, die oben in Verbindung mit dem Quaternisierungsmittel und den Aldehyden und Ketonen beschrieben sind. Beispiele für solche Salze sind:
1. N-Benzyliden-N-äthoxy-N-methylammonium äthosulfat
2. N-Methyl-N-(p-methylbenzyliden)-N-n-propoxy ammoniumproposulfat
3. N-n-Butoxy-N- (o-chlorbenzyliden)-N-methyl- ammonium-butosulfat
4. N-(p-Chlor-a-methylbenzyliden)-N-methyl-N vinyloxyammonium-p-toluolsulfonat
5.
N- (2-Furfuryliden)-N-methoxy-N-methyl ammonium-chlorid
6. N-Allyloxy-N-(2, 4-dichlor-a-äthylbenzyliden)-
N-methylammonium-bromid
7. N-(2-Butenoxy)-N-(m-chlor- < x-propylbenzyliden)-
N-methylammonium-chlorid
8. N-(3 ,4-Dichlorbenzyliden)-N-methyl-N-propen- oxyammonium-benzolsulfonat
9. N Methoxy-N-methyl-N-(m-nitrobenzyliden)- ammoniumjodid 10. N-Methyl-N-(o-methylbenzyliden)-N-iso propenoxyammonium-o-toluolsulfonat
11. N-Methyl-N-(p-nitrobenzyliden)-N-iso-propoxy ammoniumjodid 12. N-sek.-Butoxy-N-methyl-N-(m-methyl benzyliden)-ammoniumbromid 13. N-Isobutoxy-N-methyl-N-(a-methylbenzyliden) ammoniumchlorid 14. N-Butyliden-N-methoxy-N-methylammonium methosulfat 15. N-Isopropyliden-N-methoxy-N-methyl ammoniumjodid 16. N-(2-Butyliden)-N-äthoxy-N-methylammonium bromid 17.
N-(3 -Hexyliden)-N-methyl-N-n-propoxy ammonium-p-toluol-sulfonat 18. Bis-(N-2-Hexyliden-N-methoxy-N-methyl ammonium)-sulfat 19. N-Cyclohexyliden-N-methoxy-N-methyl ammoniummethosulfat 20. N-Cyclopentyliden-N-methoxy-N-methyl ammoniumjodid Wässrige Spaltung:
Bemerkenswerterweise spalten sich die a-substituierten N-Alkyliden-N-k2-oxy-N-methylammonium- salze leicht durch den einfachen Zusatz von einem oder mehreren Moläquivalenten Wasser unter Bildung von N-Methyl-O-R2.-hydroxylaminen, wobei gleichzeitig die dem Ausgangsnitron entsprechende Carbonylverbindung regeneriert wird. Man kann diese beiden Stoffe auf verschiedenen Wegen trennen, für die später Beispiele aufgeführt sind. So kann man sie durch Extrahieren trennen.
Dem Wasser kann, wenn gewünscht, Schwefelsäure, Salzsäure oder eine andere Mineralsäure zugesetzt werden. Es wird angenommen, dass die Säure das Amin in wässriger Lösung hält. Die Säuremenge kann 0,01 bis 2 Mol, bezogen auf das Gewicht des Amins, betragen.
Die N-Methyl- O-R,-bydroxylamin-Verbindungen und insbesondere das N,O-Dimethylhydroxylamin lassen sich durch Umsetzung mit einem entsprechenden Isocyanat in den gewünschten Harnstoff überführen. So erhält man bei Verwendung eines 3,4 Dichlorphenylisocyanates mit N, O-Dimethylhydroxyl- amin den 1 -(3 ,4-Dichlorphenyl)-3-methyl-3-metoxyharnstoff. In ähnlicher Weise lassen sich unter Verwendung des entsprechenden Isocyanates andere R- Oxyharnstoffe und insbesondere die Methoxyharnstoffe nach USA-Patentschrift Nr. 2960534 herstellen.
Beispiel 1
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erwindung wird N-Benzyliden-N-methoxy-N-methylammonium-methosulfat hergestellt und durch wässrige Spaltung in N,O-Dimethylhydroxylamin übergeführt, wobei man nach folgendem Schema arbeitet:
EMI4.1
<tb> 1. <SEP> CH3NO2
<tb> <SEP> Reduktion
<tb> 2. <SEP> CH3NHOH
<tb> <SEP> O <SEP> CHO
<tb> <SEP> 1
<tb> 3. <SEP> +
<tb> <SEP> cH=N-CH3
<tb> <SEP> (CH8)2SO4
<tb> <SEP> OCH9 <SEP> +
<tb> | <SEP> CH=N-CH3] <SEP> CHsOSO2O
<tb> <SEP> wässrige
<tb> <SEP> Spaltung
<tb> <SEP> CHO <SEP> f
<tb> 5.
<SEP> H3NHOCH3
<tb> Nitromethan N-Methylhydroxylamin a-Phenyl-N-methyl-nitron N-Benzyliden-Nmethoxy-N-methylammoniummethosulfat N,O-Dimethyl- hydroxylamin
In einen Druckbehälter werden 61 Gewichtsteile Nitromethan und 63 Gewichtsteile Oxalsäure-dihydrat sowie 6 Gewichtsteile 5X /0-Palladium-auf- Aktivkohle-Katalysator und 1000 Gewichtsteile Wasser eingegeben. Man schliesst den Behälter und presst Wasserstoff auf 4,2 atü Druck ein. Unter Schütteln des Behälters ist eine leichte Temperaturzunahme festzustellen. Die Hydrierung wird fortgesetzt, bis etwa 4 Gewichtsteile Wasserstoff absorbiert worden sind.
Man entlüftet nun den Behälter, entfernt durch Filtrieren des Behälterinhalts den Katalysator und gibt das Filtrat in einen Rührbehälter ein.
In das Produkt werden 40 Gewichtsteile Natriumhydroxyd in Form einer 50 /0igen wässrigen Lösung eingerührt. Man achtet vorzugsweise darauf, dass die Temperatur in dem Rührbehälter keinen hohen Wert annimmt und unter beispielsweise 300 C gehalten wird, wenngleich dies auch nicht kritisch ist.
Besonders bei Verwendung von festem Natriumhydroxyd ergibt sich eine beträchtliche Neigung zu Temperaturanstiegen.
Man gibt nun 85 Gewichtsteile Benzaldehyd ein und rührt das Gemisch etwa 10 Min. Die Reaktion ist nunmehr im wesentlichen vollständig.
Das Reaktionsgemisch wird nacheinander mit 4 aliquoten Anteilen Chloroform extrahiert, deren Volumen jeweils gleich etwa einem Viertel desjenigen der zu behandelnden Lösung ist. Die vereinigten Chloroform auszüge werden über Natriumsulfat getrocknet und zur Trockne eingedampft. Das Produkt ist das Nitron nach der obigen Formel 3.
Quaternisierung des Nitrons:
Zu 108 Gewichtsteilen des in der obigen Weise hergestellten Nitrons werden 250 Gewichtsteile Toluol und 101 Gewichtsteile Dimethylsulfat hinzugefügt. Die Aufschlämmung wird allmählich erwärmt; mit dem Ansteigen der Temperatur wird eine klare Lösung erhalten.
Die Temperatur wird auf etwa 75O C gebracht.
Die Lösung wird während der Bildung des Produktes wieder trübe. Das Erhitzen wird fortgesetzt, bis die Lösung zu sieden beginnt, und dann abgebrochen.
Man lässt die Lösung nunmehr abkühlen.
Man kühlt die erhaltene Lösung ab und kratzt den Behälter oder impft, um die Kristallisierung des Produktes zu fördern. Das Produkt wird dann abgetrennt; es kann, wenn man es trocken hält, gelagert werden.
Die Ausbeute, bezogen auf das Nitron, beträgt im wesentlichen 100 O/o, wobei als einziger Hauptverlust der durch von der Apparatur zurückgehaltenes Gut eintritt.
Wässrige Spaltung:
100 Gewichtsteile des in der obigen Weise erhaltenen Produktes werden mit einer gleichen Ge wichtsmenge Wasser von 400C behandelt, das 15 Gewichtsteile Schwefelsäure (als H2SO4) enthält.
Die erhaltene Lösung wird mit der doppelten Raummenge Toluol extrahiert, um den Benzaldehyd zu entfernen, den man dann im Kreislauf zur Reaktion zurückführen kann. Man stellt die verbleibende wässrige Lösung auf pH 6 bis 7 ein und gewinnt das Amin durch Destillation.
Beispiel 2:
Ein für Arbeiten unter Druck geeigneter Behälter wird mit 135 Gewichtsteilen a-Phenyl-N-methyl- nitron, 100 Gewichtsteilen o-Dichlorbenzol und 60 Gewichtsteilen Methylchlorid beschickt. Man schliesst den Behälter, bringt die Temperatur auf 1750 C und hält sie 3 Stunden auf diesem Wert, worauf der Behälter abgekühlt und belüftet wird. Das Produkt wird, wenn es noch nicht kristallisiert hat, durch Kühlen und Kratzen zur Kristallisation gebracht und dann abfiltriert. Aus dem so erhaltenen N-Benzyliden-N-methoxy-N-methylammoniumchlorid kann man durch die in Beispiel 1 beschriebene Hydrolyse das N,O-Dimethylhydroxylamin erhalten.
Beispiel 3:
87 Gewichtsteile a,a-N-Trimethylnitron und 126 Gewichtsteile Dimethylsulfat werden gemischt und 1 Stunde auf 45 bis 500 C gehalten. Das auf diese Weise gebildete N-Isopropyliden-N-methoxy-N-me- thylammonium-methosulfat wird durch Abkühlen und Kratzen zur Kristallisation gebracht.
213 Gewichtsteile des Produktes werden 1/2 Std. mit einer gleichen Gewichtsmenge Wasser von 300 C behandelt, die 5 Gewichtsteile H2SO4 enthält. Man stellt die erhaltene, klare Lösung auf pH 6 bis 7 ein und destilliert zuerst N,O-Dimethylhydroxylamin und dann das Aceton ab, welch letztgenanntes dann im Kreislauf zurückgeführt wird.
Beispiele 4 bis 23:
Es wird ein Nitron mit den nachfolgend genannten Substituenten R und Rt unter Verwendung eines Aldehydes oder Ketons mit entsprechenden Gruppen R und Rt hergestellt. Als Quaternisierungsmittel dient das nachfolgend genannte R2X. Das c-substi- tuierte N-Alkyliden-N-R2-oxy-N-methylammonium- Salz wird bei den genannten Reaktionstemperaturen und Reaktionszeiten gebildet und dann durch wässrige Spaltung in das N-Methyl-O-R2-hydroxylamin übergeführt.
Bei-R Rj R2 X Quaternisierungs- N-Methyl-O-substit.- spiel bedingungen Hydroxylamin
4 Phenyl Wasserstoff Äthyl Äthosullat 800 ; 1/2 Std., N-Methyl-O-äthyl- kein Lösungsmit. hydroxylamin
5 p-Tolyl Wasserstoff n-Propyl Proposulfat 100O C; 3/4 Std., N-Methyl-O-n-pro
Dioxan als pyl-hydroxylamin
Lösungsmittel
6 o-Chlorphenyl Wasserstoff n-Butyl Butosulfat llOo C ; 1 Std., N-Methyl-O-n-butyl
Toluol als hydroxylamin
Lösungsmittel
7 p-Chlorphenyl Methyl Vinyl p-Toluol- 600 C; 3 Std., N-Methyl-O-vinyl sulfonat Chloroform als hydroxylamin
Lösungsmittel
8 2-Furyl Wasserstoff Methyl Chlorid 1400 C;
3 3t/2Std., O-N-Dimethyl
Xylol als hydroxylamin
Lösungsmittel
9 2,4-Dichlor- Äthyl Allyl Bromid 300 C; 10 Std., N-Methyl-O-allyl phenyl Tetrachlorkohlen- hydroxylamin stoff als
Lösungsmittel
10 m-Chlorphenyl Propyl 2-Butenyl Chlorid 600 ; 2 Std., N-Methyl-O-(2-bu
Tetrachloräthylen tenyl)-hydroxylamin als Lösungsmittel
11 3,4-Dichlor- Wasserstoff Propenyl Benzol- 400 ; 8 Std., N-Methyl-O-pro phenyl sulfonat Methylenchlorid penylhydroxylamin als Lösungsmittel
12 m-Nitrophenyl Wasserstoff Methyl Jodid 840 C;
5 Std., O,N-Dimethyl
Trichloräthylen hydroxylamin als Lösungsmittel Bei-R R, Ra X Quaternisierungs- N-Methyl-O-substit.- spiel bedingungen Hydroxylamin
13 o-Tolyl Wasserstoff Isopropenyl o-Toluol- 740 C; 2 Std., N-Methyl-O-iso sulfonat Trichloräthan als propenyl
Lösungsmittel hydroxylamin
14 p-Nitrophenyl Wasserstoff Isopropyl Jodid 1350 C: 4 Std., N-Methyl-O-iso
Xylol als propylhydroxylamin
Lösungsmittel
15 m-Tolyl Wasserstoff sek.-Butyl Bromid 1420 ; 3 Std., N-Methyl-O-sek.
Dibutyläther als butylhydroxylamin (Lösungsmittel
16 Phenyl Methyl Isobutyl Chlorid 1350 C;
5 Std., N-Methyl-O-iso
Chlorbenzol als butylhydroxylamin
Lösungsmittel
17 Wasserstoff Butyl Methyl Methosulfat 400 ; 2 Std., O,N-Dimethyl ohne Lösungsmit. hydroxylamin
18 Methyl Methyl Methyl Jodid 800 C; 5 Std., O,N-Dimethyl
Benzol als hydroxylamin
Lösungsmittel
19 Äthyl Methyl Äthyl Bromid 380 C; 8 Std., N-Methyl-O-äthyl ohne Lösungsmit. hydroxylamin
20 Propyl Äthyl n-Propyl p-Toluol- 600 C; 3 Std., N-Methyl-O-n sulfonat Chloroform als propylhydroxylamin
Lösungsmittel
21 Butyl Methyl Methyl Sulfat 450 C; 4 Std., O,N-Dimethyl ohne Lösungsmit. hydroxylamin
22 Pentamethylen Methyl Methosulfat 600 C; 1/2 Std., O,N-Dimethyl ohne Lösungsmit. hydroxylamin
23 Tetramethylen Methyl Jodid 100o C;
4 Std., O,N-Dimethyi-
Dioxan als hydroxylamin
Lösungsmittel