Verfahren zur Herstellung von Sulfonsaureestern
Es ist bereits bekannt, Vinylsulfonsäureester oder deren Derivate, die in a-oder -Stellung Substituenten enthalten, dadurch herzustellen, dass man Vinylsulfonsäurechlorid oder dessen Substitutionsprodukte mit Alkoholen in Gegenwart von chlorwasserstoffbindenden Mitteln umsetzt.
Es ist weiterhin bekannt, in a-oder -Stellung substituiertes ss-Chloräthansulfochlorid mit Alkoholen oder Phenolen bei pH-Werten unterhalb 8 in Gegen- wart von mindestens zwei Aquivalenten chlorwasser stoffbindender Mittel in organischen Lösungsmitteln umzusetzen, wobei Ester von Sulfonsäuren erhalten werden, die in a, ss-Stellung eine Doppelbindung aufweisen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Vinylsulfonsäureestem bzw. substituierten Vinylsulfonsäureestern.
Es wurde gefunden, dass man aliphatische Carbylsulfate in glatter Reaktion mit aliphatischen oder cycloaliphatischen Monohydroxyverbindungen zu den vorstehend genannten Verbindungen umsetzen kann.
Schematisch lässt sich die erste Stufe dieser Reaktion durch folgende Gleichung wiedergeben :
EMI1.1
R = aliphatischer Rest.
Aus den Äthionsäureestern I werden durch Alkalisieren unter Abspaltung des Schwefelsäureesterrestes die entsprechenden Vinylsulfonsäureester gemäss folgendem Schema erhalten :
EMI1.2
Verwendet man anstelle von Carbylsulfat andere aliphatische substituierte Carbylsulfate für die Umset- zung, so gelangt man zu den entsprechenden substituierten Athionsäureestern, die sich ihrerseits mit säu- rebindenden Mitteln sowohl zu den entsprechenden Salzen wie auch durch Alkalisieren zu den entsprechenden substituierten Vinylsulfonsäureestern umsetzen lassen.
Weiterhin wurde gefunden, dass man durch Umsetzung von aliphatischen oder cycloaliphatischen Hydro xyverbtbdungen mit Carbylsulfat bzw. substituierten Carbylsulfaten in Gegenwart säurebindender Mittel auch in direkter Reaktion zu Vinylsulfonsäureestern bzw. substituierten Vinylsulfonsäureestern gelangen kann. Bei der Herstellung der Vinylsulfonsäureester ist es nicht erforderlich, die Athionsäureester I oder deren Salze zu isolieren, sondern man kann die Reaktion in Gegenwart säurebindender Mittel auch so leiten, dass direkt die entsprechenden Vinylsulfonsäureester erhalten werden.
Als Monohydroxyverbindungen kommen primäre, sekundäre und tertiäre aliphatische oder cycloaliphatische, geradkettige oder verzweigte Alkohole in Be tracht, die gegebenenfalls auch Substituenten enthalten können, welche unter den angewandten Reaktionsbe- dingungen gegenüber dem Carbylsulfat indifferent sind.
Als solche Substituenten seien beispielsweise genannt : Halogenatome, Nitro-, Carboxyl-od ; er Sulfonsäure- gruppen. An Hydroxyverbindungen seien z. B. erwähnt : Methanol, khanol, n-Propanol, iso-Propanol, n-Butanol, i-Butanole, Decanol-1, Dodecanol-1, Octa decanol-1, Cyclohexanol, Allylalkohol, Propargylalko- hol, Gemische langkettiger Alkohole auf Basis natürlicher Fette ; weiterhin Oxoalkohole, wie sie durch die Oxoreaktion mit verzweigten Olefinen hergestellt werden, z. B.
Heptanol auf Basis Dipropylen, Nonylalkohol auf Basis Di-iso-butylen, Decylalkohol auf Basis Tripropylen, Tridecylalkohol auf Basis Tetramerpropen oder Tri-iso-butylen. Als substituierte Alkohole seien genannt : Chloräthylalkohol, 1, 3-Dichlorpropanol-2, 2, 3-Epoxypropanol-l, Glykolsäure, Oxyäthansulfon- säure, 2-Oxypropansulfonsäure-1.
Auch durch aromatische Reste substituierte aliphatische Alkohole, wie Benzylalkohol, ¯-Phenyl-Ïthylalko hol, sind verwendbar.
Die aliphatischen Hydroxyverbindungen, die für die Reaktion verwendbar sind, können auch durch Heteroatome, dfie gegenüber dem Carbylsulfatring indifferent sind, in der Kette unterbrochen, sein. Hier seien genannt : GlykolmonomethylÏther, Produkte, wie sie durch Umsetzung von Alkoholen, Phenolen und Carbonsäuren mit Athylenoxyd bzw. Propylenoxyd erhalten werden, beispielsweise OxÏthylierungs-(Oxypropylierungs) produkte von Methanol, Butanol, Dodecanol-1, Tridecanol (Oxierungsprodukt Basis Tetrapro- pylen), Stearylalkohol, Phenol, Tri-iso-butylphenol, Nonylphenol, Dinonylphenol, Essigsäure, Kokosfettsäure, Stearinsäure, Naphthensäure.
Für die Umsetzung mit den aliphatischen Hydroxy- verbindungen kann sowohl das Carbylsulfat als auch seine aliphatischen Substitutionsprodukte eingesetzt werden. Beispielsweise seien genannt : Methylcarbylsul- fat, Dimethylcarbylsulfat (aus Buten-2), n-Butylcarbylsulfat, n-Decylcarbylsulfat, Chlormethylcarbylsulfat, Brommethylcarbylsulfat.
Die Darstellung erfolgt nach bekannten. Methoden aus den entsprechenden äthylenisch ungesättigten Verbindungen und Schwofeltrioxyd. So kann das Methylcarbylsulfat durch Einleiten von Propylen in eine e Lösung von flüssigem Schwefeltrioxyd in flüssigem Schwefeldioxyd bei einer Tem, peratur van-15 C bis -20 C hergestellt werden. Nach dem Abdestillieren des Schwefeldioxyds verbleibt das Methylcarbylsulfat als fester Rückstand, der aus Athylenchlorid umkristal- lisiert werden kann.
Wenn man anstelle von Propylen frisch destilliertes Allylchlorid zutropfen lässt, so erhält man nach dem Abdestillieren des Schwefeldioxyds das Chlormethylcarbylsulfat, das durch Umkristallisieren aus wenig Äthylenchlorid unter starkem Abkühlen im gereinigten Zustand erhalten werden kann und dann als feines Kristallpulver anfällt.
Analog kann durch Verwendung von Allylbromid das Brommethylcarbylsulfat erhalten werden. Die Verbindung ist ebenfalls aus Athylenchlorid umkristallisierbar.
Die Umsetzung der in Betracht kommenden aliphatischen, araliphatischen und cycloaliphatischen Hydro xyverbindungen mit Carbylsulfat kann in organischen Lösungsmitteln in der Art durchgeführt werden, dass zunächst der Athionsäureester I hergestellt wird. Der Einsatz substituierter Carbylsulfate führt zu den entsprechenden substituierten Athionsäureestern. Als organische Lösungsmittel werden vorzugsweise chlorierte niedermoIekulare aliphatische Kohlenwasserstoffe oder Lösungsmittel mit hohem Dipolmoment verwendet. Beispielsweise seien genannt : Methylenchlorid, Athylenchlorid, PerchlorÏthylen, Methylchloroform, Dichlorbenzol, Acetonitril, Nitrobenzol und ähnliche.
Man kann das Carbylsulfat bzw. die substi tuierten Carbylsulfate in fester oder gelöster Form zu der Lösung der Hydroxyverbindung im organischen Lösungsmittel zugeben ; es ist jedoch auch die umgekehrte Arbeitsweise möglich.
Die Athionsäureester bzw. die substituierten Athionsäureester werden durch Behandeln mit säure- bindenden Mitteln, zweckmässigerweise in Gegenwart von Wasser, in die entsprechenden Salze übergeführt.
Die Salzform der genannten Ester kann bis zu einem pH-Wert von etwa 8 bis 9 erhalten werden. Wird mit Hilfe der säurebindenden Mittel ein höherer pH-Wert eingestellt, so erhält man unter Abspaltung des Schwefelsäureesters direkt die entsprechenden Vinylsulfonsäureester. Wenn auch die Grenze, bis zu der noch Salze der Athionsäureester erhalten werden., im allgemeinen bei pH-Werten von etwa 8 bis 9 liegt, so muss doch gesagt werden, dass dieser pH-Wert von den zur Umsetzung gebrachten Reaktionskomponenten und von den Reaktionsbedingungen, z. B. Temperatur und Verweilzeit, abhängig ist ; somit können Verschiebun, gen nach oben oder unten eintreten.
Als säurebindende Mittel seien beispielsweise genannt : Alkalihydroxyde, wie Natrium oder Kaliurnhydr- oxyd, Alkalicarbonate oder-bicarbonate, wie Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat, Kaliumcarbonat, Kali umbicarbonat, Alkaliphosphate, wie Natriumphosphat, Alkalisilikate, Alkaliacetate, Erdalkalihydroxyde, wie Magnesiurnhydroxyd, Calciumhydroxyd, Erdalkalibi- carbonate und ähnliche.
Wegen der grossen Empfindlichkeit des Carbylsulfats und seiner Substitutionsprodukte gegenüber Feuchtigkeit muss es als ausserordentlich überraschend bezeichnet werden, dass das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung, d. h. die Umsetzung der genannten aliphatischen Hydroxyverbindungen mit Carbylsulfat bzw. substituierten Carbylsulfaten, sogar in Gegenwart von Wasser durchgeführt werden kann. Denn es ist bekannt, dass das Carbylsulfat durch die Einwirkung von Wasser in Athionsäure übergeführt wird.
Es war nicht vorauszusehen, dass die Alkoholyse trotz der Möglichkeit der Hydrolyse mit guten Ausbeuten erfolgt, so dass in Abhängigkeit vom eingestellten pH-Wert die Sithionsäureester bzw. die substituierten Athionsäureester und die Vinylsulfonsäureester bzw. die substituierten Vinylsulfonsäureester erhalten werden können. Eine bevorzugte Arbeitsweise ist dabei das Arbeiten im Zweiphasensystem, wobei neben der wässrigen Phase noch ein indifferentes Lösungsmittel verwen, det wird, beispielsweise aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, Halogenkohlenwasserstoffe, wie Methylenchlorid oder ¯thylenchlorid, Ather, wie Diäthyläbher, Ketone, wie Methyläthylke- ton.
Die verwendeten säurebindenden Mittel können dabei in fester Form, in wässriger Lösung oder Suspension vor der Reaktion zugesetzt oder aber anteilig zur Aufrechterhaltung des gewünschten pH-Wertes wÏhrend der Reaktion zugegeben werden. Bei der Reaktion in, Gegenwart von Wasser werden das Carbylsulfat bzw. die substituierten Carbylsulfate als solche oder in gelöster Form eingebracht.
Man kann die Arbeitsweise auch so wählen, dass man durch Aufrechterhaltung eines pH-Wertes oberhalb von 9 durch die Gegenwart säurebindender Mittel die Reaktion direkt in die Richtung der Vinylsulfonsäureester bzw. der substituierten Vinylsulfonsäureester lenkt. Zu diesem Zweck wird beispielsweise die umzusetzende aliphatische Hydroxyverbindung mit einem Zweiphasensystem, z. B. Athylenchlorid/Wasser, vorgelegt, ein säurebindendes Mittel, welches einen pH-Wert oberhalb von 9 aufweist, zugegeben und zu dieser Mischung unter kräftigem Rühren das Carbylsulfat bzw. das substituierte Carbylsulfat eingetragen. Aus der organischen Phase lässt sich dann der Vinylsulfonsäureester bzw. der substituierte Vinylsulfonsäureester isolieren.
Man kann die Reaktion aber auch nur in Wasser in Abwesenheit eines organischen Lösungsmittels durchführen und das Reaktionsprodukt erst nach der Umsetzung durch Extraktion isolieren. Doch werden bei dieser Arbeitsweise dm allgemeinen niedrigere Ausbeuten erhalten.
Man kann die Umsetzung von Carbylsulfat bzw. substituierten Carbylsulfaten mit aliphatischen Hydro xyverbindungen auch in Abwesenheit irgendwelcher Lösungsmittel durchführen. Zu diesem Zweck wird beispielsweise in die vorgelegte molare Menge der ali phatischen Hydroxyverbindung das Carbylsulfat bzw. substituierte Carbylsulfat in kleinen Anteilen eingetragen. Die Aufarbeitung der erhaltenen Reaktionsmi schung erfolgt in der gewohnten Weise.
Die Reaktionstemperaturen des beanspruchten Verfahrens liegen vorzugsweise zwischen-5 C und +30 C, doch kann es für spezielle Zwecke vorteilhaft sein, die Umsetzung auch bei höheren Temperaturen vorzunehmen, sofern die Beständigkeit des Carbylsulfats oder der substituierten Carbylsulfate bzw. der entstandenen Reaktionsprodukte es erlaubt.
Die gemäss dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhältlichen Vinylsulfonsäureester, die auch sub stituiert sein können, sind wertvolle Produkte für die Herstellung von Textilhilfsmitteln, Kunststoffen, Farbstoffen, SchÏdlingsbekÏmpfungsmitteln usw.
Die in den nachstehenden Beispielen erwähnten Teile sind Gewichtsteile.
Beispiel 1
Man legt 1000 Teile Athylenchlorid, 240 Teile Wasser, 108 Teile n-Propanol und 88, 8 Teile Calciumhydroxyd vor. Unter kräftigem Rühren werden innerhalb von einer Stunde 112, 8 Teile Carbylsulfat eingetragen, wobei die Temperatur bei 8'C bis 15'C gehalten wird. Nach einstündigem Nachrühren wird abgesaugt, die Athylenchloridschicht abgetrennt, mit Natriumsulfat getrocknet und vom Trockenmittel abfil- triert.
Das Athylenchlorid wird abdestilliert, zuletzt am vollen Wasserstrahlvakuum, wobei der Vinylsulfonsäure-n-propylester als fl ssiger R ckstand in einer Ausbeute von 70"/e bis 75 O/o (bezogen auf Carbylsulfat) erhalten wird. Kp8 = 94 C bis 98 C, nD20 = 1, 4361 (destilliert).
Beispiel 2
Es werden 285 Teile Athylenchlorid, 80 Teile Wasser, 18 Teile n-Propanol und 63, 1 Teile Barium- hydroxyd HO vorgelegt. Unter kräftigem Rühren werden innerhalb von 30 Minuten 18, 8 Teile Carbylsulfat bei 10 C bis 15 C eingetragen. Nach stündi- gem Nachrühren wird mit Essigsäure schwach angesäu- ert, abgesaugt und die Sithylenchlonidschicht mit wenig Wasser gewaschen. Nach dem Trockn, en mit Natriumsulfat wird, wie in Beispiel 1 angegeben, aufgearbeitet.
Die Ausbeute an Vinylsulfonsäure-n-propylester beträgt etwa 40% der Theorie (bezogen auf eingesetztes Carbylsulfat).
Werden anstelle von Bariumhydroxyd 52, 9 Teile Strontiumhydroxyd H 8O verwendet, so erhält man den Vinylsulfonsäure-n-propylester in einer Ausbeute von 67 ouzo der Theorie.
Führt man die Reaktion in Gegenwart von 31, 8 Teilen Natriumcarbonat anstelle von Bariumhydroxyd durch, so kann mlan dlen Vinylsulfonsäure-n-propyl- ester in einer Ausbeute von 60" isolieren.
Beispiel 3 a) Zu einer Mischung von 315 Teilen Athylenchlorid, 80 Teilen Wasser, 22, 2 Teilen n-Butanol und 14, 8 Teilen Calciumhydroxyd werden unter kräftigem R hren innerhalb von 30 Minuten 18, 8 Teile Carbylsulfat bei 10 C gegeben. Nach dem Absaugen, Abtrennen der Athylenchloridschicht und Abtreiben des Lösungs- mittels wird der Vinylsulfonsäure-n-butylester in einer Ausbeute von 67 I/o der Theorie (bezogen auf Carbylsulfat) erhalten. Kp9 = 107 C bis 108, 5 C ;
nD20 = 1, 4392 (destilliert). b) In ein Gemisch von 1250 Teilen Athylenchlorid und 208 Teilen Carbylsulfat werden 75 Teile n-Buta- nol bei-5 C bis 0 C zugetropft. Nach zweistündigem Rühren bei ca. 20 C wird die Lösung in eine Suspension von 1000 Teilen Wasser, 300 Teilen Calciumhydroxyd und 2500 Teilen Athylenchlorid eingetropft.
Nach ein-bis zweistündigem kräftigem Rühren wird abgesaugt und der Rückstand zweimal mit wenig Athy lenchlorid nachgewaschen. Die abgetrennte Athylen- chloridschicht wird mit 200 Teilen in Sodalösung geschüttelt, mit Wasser sulfatfrei und neutral gewaschen, mit Calciumchlorid getrocknet und im Vakuum eingeengt. Als Rückstand verbleibt der Vinylsulfonsäuren-butylester in 60 %iger Ausbeute (bezogen auf einge setztes n-Butanol).
Beispiel 4
In ein Gemisch von 680 Teilen technischem Carbylsulfat und 1250 Teilen Athylenchlorid werden bei 20 C bis 25 C 138 Teile Athylalkohol tropfenweise zugegeben. Nach zweistündigem Rühren bei 20 C wird der Kolbeninhalt in eine Suspension von 2000 Teilen Wasser, 900 Teilen Calciumhydroxyd und 2500 Teilen Athylenchlorid bei 15 C bis 20 C eintropfen gelassen. Es wird zwei Stunden nachgerührt und, wie in Beispiel 3b) beschrieben, aufgearbeitet. Man erhält den Vinylsulfonsäureäthylester in einer Ausbeute von 48 /o (bezogen auf eingesetzten Athylalkohol). Kpto = 89 C ; nD20 = 1, 4325 (destilliert).
Beispiel 5
In eine Aufschlämmung von 490 Teilen technischem Carbylsulfat in 1700 Teilen Äthylenchlorid werden bei 25 C bis 30 C 372 Teile geschmolzenes n-Dodecanol zutropfen gelassen. Nach dreistündigem Rühren bei 15 C bis 20 C wird der Kolbeninhalt in eine Suspension von 2000 Teilen Wasser, 600 Teilen Calciumhydroxyd und 2500 Teilen Athylenchlorid bei 10 C bis 20 C eingerührt. Es wird in der in Beispiel 3 b) angegebenen Weise aufgearbeitet. Der VinylsulfonsÏure-n-dodecylester wird in einer Ausbeute von 50 ouzo (bezogen auf eingesetztes n-Dodecanol) erhalten.
Kpo, 2 = 149 C bis 151 C (unter teilweiser Zerset zung) ; nD20 = 1, 4532 (destilliert).
Beispiel 6
In ein Gemisch von 1500 Teilen Athylenchlorid und 450 Teilen technischem Carbylsulfat werden bei 15 C bis 20 C 161 Teile 2-Chloräthanol zutropfen gelassen. Nach dreistündigem Rühren bei 10 C bis 20 C wird der Kolbeninhalt in eine Suspension von 1000 Teilen Wasser, 600 Teilen Calciumhydroxyd und d 1900 Teilen Athylenchlorid bei 10 C bis 20 C trop fenweise eingegeben. Es wird eine Stunde nachgerührt und, wie in Beispiel 3 b) beschrieben, aufgearbeitet.
Die Ausbeute an Vinylsulfonsäure-, 8-chloräthylester beträgt 59 /o (bezogen auf eingesetztes 2-Chlorätha nol). Kpo2 = 81, 5 C bis 83 C ; nD20 = 1, 4669 (destilliert).
Beispiel 7
Man legt 315 Teile Athylenchlorid, 40 Teile Wasser, 18 Teile n-Propanol und 14, 8 Teile Calciumhydr- oxyd vor. Unter kräftigem Rühren werden 20, 2 Teile Methylcarbylsulfat (hergestellt aus Propen und Schwe feltrioxyd) innerhalb von 35 Minuten bei 10 C bis 15 C eingetragen. Man rührt 20 Minuten nach, saugt ab, trennt die Äthylenchloridschicht ab und trocknet sie mit Natriumsulfat. Nach dem Abdestillieren des fil trierten Äthylenchlorids, zuletzt am Wasserstrahlvakuum, verbleibt der Propen-l-sulfonsäure-l-n-propyl- ester in einer Ausbeute von 55 /o (bezogen auf eingesetztes Methylcarbylsulfat) als flüssiger Rückstand.
Kp, = 112 C bis 115 C ; nD20 = 1, 4480 (destilliert).
Beispiel 8
In eine vorgelegte, kräftig gerührte Mischung von 315 Teilen Äthylenchlorid, 40 Teilen Wasser, 18 Teilen n-Propanol und 14, 8 Teilen Calciumhydroxyd werden bei 10 C bis 12 C 28, 1 Teile Brommethylcarbylsulfat (hergestellt aus Allylbromid und flüssigem Schwefeltrioxyd) eingetragen. Es wird abgesaugt, die Athylenchloridschicht über Natriumsulfat, getrocknet und eingeengt. Als Rückstand verbleibt in einer Ausbeute von 72 ouzo (bezogen auf Brommethylcarbylsulfat) der flüssige Brommethylvinyl-sulfonsäure-n-propylester.
Kpo, t5 = 110 C bis 123 C ; nD20 = 1, 4950 (destilliert).
Werden anstelle von Brommethylcarbylsulfat 23, 6 Teile Chlormethylcarbylsulfat (hergestellt aus Allyl- chlorid und Schwefeltrioxyd) eingesetzt, so wird der flüssige Chlormethyl-vinsisulfonsäure-n-propylester in einer Ausbeute von 68"/o erhalten. Kp i = 108 C bis 115 C ; nD20 = 1, 4715 (destilliert).
Der nach derselben Arbeitsweise erhältliche Chlor methyl-vinylsulfonsäuremethylester entsteht in Ausbeute von 41 /o.
Beispiel 9
In 38 Teile n-Butanol werden unter Kühlen in kleinen Anteilen 94 Teile Carbylsulfat eingetragen. Die Temperatur wird bei 10 C bis 20 C gehalten und nach beendeter Zugabe ohne Kühlung zwei Stunden nachgerührt, wobei die Temperatur allmählich auf etwa 30 C ansteigt. Das Reaktionsgemisch wird in eine Suspension von 500 Teilen Wasser, 150 Teilen Calciumhydroxyd und 1250 Teilen Athylenchlorid bei 10 C bis 20 C eingetragen und eine Stunde nachgerührt. Die Aufarbeitung erfolgt, wie in Beispiel 3 b) beschrieben. Der Vinylsulfonsäure-n-butylester wird in einer Rohausbeute von über 50 /o erhalten.