Verfahren zur Herstellung von Isatosäureanhydrid oder Halogenderivaten desselben
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Isatosäureanhydrid oder eines Halogenderivats dieser Verbindung und bezieht sich insbesondere auf ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Verbindung durch eine gesteuerte Umsetzung zwischen einem Phthalimid oder einem Halogenphthalimid-Salz und einem Metallhypohalogenit.
Isatosäureanhydrid wurde bisher in technischem Massstabe mittels einer Reaktion hergestellt, bei der die Verwendung von Phosgen (COLI2) erforderlich war. Das Anhydrid ist als Zwischenprodukt für die Herstellung von Anthranilsäureestern, die Parfumessenzen und Geschmacksstoffe darstellen. geeignet, Es wurde auch vorgeschlagen. Isatosäureanhydrid aus Phthalimid, Natrium hydroxyd, Natrium oder Calciumhypochlorit und einer Säure herzustellen [vgl. Mohr, Journal für praktische Chemie (2) 80, 1-33].
Die Umsetzung unter Verwendung der genannten Ausgangsverbindungen, die ebenfalls zur Herstellung von Anthranilsäure angewendet werden kann, verläuft jedoch unregelmässig, wobei ein dunkelgefärbtes Isatosäurecnhydrid in Ausbeuten gewonnen wird, die aus keinem ersichtlichen Grund schwanken; die höchste Ausbeute, über die in der Literatur berichtet wurde, liegt bei 80%, während die niedrigste gleich 0 war.
Die voriiegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Isatosäureanhydrid sowie bestimmte Halogenderivate dieser Verbindung in hohen und gesteuerten Ausbeuten aus Phthalimid oder einem bestimmten Phthalimid-Halogendenvat, Natriumhydroxyd, Natriumhypochlorit, Wasser und einer Säure hergestellt werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung von Isatosäureanhydrid oder einem bestimmten Halogenderivat dieser Verbinduna.
Diese Aufgabe wird erfindungsbemäss gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von 1,2-Dihydro-4H-2,4- -dioxo-3,1-benzoxazinen der allgemeinen Formel I
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tn welcher Z. Z', Z" und Z"' Wasserstoff- oder Halogenaiome bedeuten, durch Lösen eines Phthalimids der all gemeiren Formel II
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in der Z bis Z"' die oben angegebene Bedeutung haben, in etwa der äquivalenten Menge einer wässrigen Lösung einer Base, die ein wasserlösliches Salz mit dem Phthalimid der allgemeinen Formel II bildet, anschliessend Umsetzen dieser Lösung mit einer äquivalenten Menge einer wässrigen Metallhypohalogenitlösung und sobald sich die Hauptmenge des Benzoxazinderivates gebildet hat, ausfällen derselben mit Säure,
wobei das Neue und Erfinderische darin besteht, dass die Metallhypohalogenitlösung X Minuten nach dem Lösen des Phthalimids der allgemeinen Formel II in der Basenlösung zu dieser hinzugefügt wird, wobei X eine Funktion der Temperatur der Phthalimidbasenlösung ist und innerhalb den schraffierten Flächen der Fig. 1 liegt, und dass die Reaktionslösung innerhalb einer Zeitspanne von einigen Sekunden, bevor die Reaktionslösung eine Temperatur von 30 C erreicht hat, auf einen pH-Wert zwischen 5,5 und 9,0 eingestellt wird, wenn nach Zusatz der Metallhypohalogenitlösung pro gMol Phthalimid der allgemeinen Formel In 18 000 bis 30 000 g-Kalorien freigesetzt worden sind.
Von den beigefügten Zeichnungen gibt die Fig. 1 den Verlauf der maximalen Zeit nach der Vermischung von Phthalimid oder einem Halogenderivat dieser Verbindung mit Wasser und einem Alkali und vor der Zugabe eines Hypohalogenits zu der Mischung in Abhängigkeit von der Temperatur bei der Herstellung eines Säureanhydrids gemäss der Erfindung wieder, während aus der Fig. 2 der Prozentsatz der Hydrolyse von Natriumphthalimid gegenüber Natriumphthalamat als Funktion der Zeit und bei einigen verschiedenen Temperaturen zu ersehen ist.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geht man beispielsweise folgendermassen vor:
Eine Verbindung der allgemeinen Formel II und eine im wesentlichen äquivalente Menge einer Verbindung (gewöhnlich Lithium-, Kalium-, Natrium-, Magnesiumoder Calciumoxyd oder -hydroxyd oder Lithium-, Kalium- oder Natriumcarbonat sowie metallisches Lithium, Kalium, Natrium oder Calcium), die mit der vorstehend genannten Verbindung unter Erzeugung eines wasserlöslichen Salzes reagiert, wird mit einer Wassermenge, die wenigstens dazu ausreicht, das Salz zu lösen, bei einer Temperatur, die nicht höher als ungefähr 450C ist, vermischt. Nic!lt mehr als X Minuten nach dem Vermischen der Verbindung der allgemeinen Formel II, der mit ihr unter Bildung eines wasserlöslichen Salzes reagierenden Verbindung und des Wassers wird eine,
bezogen auf 1 Mol der Verbindung der allgemeinen Formel II, zwischen 0.9 und 1,08 Äquivalenten schwankende Menge eines Metallhypohalogenits (gewöhnlich Lithium-, Kalium-, Natrium-, Calcium oder Magnesiumhypochlorit oder -hypobromit) zu der erhaltenen Lösung zugegeben.
wobei X eine Funktion der Temperatur der Mischung der wässrigen Lösung des Salzes der Verbindung der allgemeinen Formel II ist und durch eine der Kurven in Fig. 1 wiedergegeben wird. Nachdem die exotherme Reaktionswärme zwischen dem Salz der Verbindung der allgemeinen Formel II und dem Hypohalogenit im Rahmen von 18000 bis 30000 g-Kalorien pro g-Mol der Verbindung der allgemeinen Formel II entwickelt ist, wird die Lösung auf einen pH-Wert zwischen 5,5 und 9,0 eingestellt und auf diesem pH-Wert gehalten, wobei angenommen wird, dass die gesamte entwickelte Wärme.
sofern die Reaktion adiabatisch durchgeführt wird, das Volumen (in ccm) der Reaktionsmischung multipliziert mit dem Temperaturanstieg in OC ist. Insbesondere wird diese pH-Wert-Einstellung zu einem Zwischenzeitpunkt während der Reaktion vorgenommen, und zwar dann, wenn im wesentlichen das ganze Phthalimid oder dessen Äquivalent wenigstens soweit wie ein besonderes Zwischenprodukt reagiert hat, jedoch vor dem Zeitpunkt, vor welchem mehr als ungefähr 20% des Phthalimids oder dessen Äquivalents soweit wie das Natriumsalz des Isatosäureanhydrids oder dessen Äquivalent reagiert haben.
Vorzugsweise wird der pH auf einen Wert zwischen 6 und 7,5 und in besonders zweckmässiger Weise auf einen Wert zwischen 6,4 und 6,8 eingestellt.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiel I
In einem 1-Liter-Becher wurden 364 ccm einer Wasserlösung, die 12,09 g Natriumhydroxyd enthielt, mit einer Temperatur von 200C vorgelegt. Die Lösung in dem Becher wurde mittels eines propellerartigen Rührers während der rasch erfolgenden Zugabe von 43,61 g Phthalimid sowie während der restlichen Herstellungsstufe gerührt. Die Temperatur der Reaktionsmischung wurde nach Beendigung der Zugabe des Phthalimids 2/2 Minuten auf 200C gehalten: darauf wurde eine 300-ccm Portion einer Natriumhypochloritlösung (die Natriumhypochloritlösung wurde durch Umsetzung von 21,0 g Chlor mit 24 g Natriumhydroxyd in einer ausreichenden Menge Wasser zur Herstellung von 300 ccm der Lösung bei 200C umgesetzt) bei einer Temperatur von 200C zugegeben.
Nachdem die exotherme Reaktion 6600-g Kalorien erzeugt hatte, was daraus hervorging, dass die Reaktionsmischung eine Temperatur von 300C erreichte, wurden insgesamt 8,05 ccm einer 36,4n Schwefelsäure zugegeben. um den pH-Wert auf 6,9 zu bringen und auf diesem Wert zu halten. Die erste Schwefelsäurezugabe erfolgte ungefähr 20 Sekunden nach dem Zusatz das Natriumhypochlorits, wobei die Einstellung einige Sekunden dauerte. Rohes Isatosäureanhydrid wurde aus der Aufschlämmung durch Filtration abgetrennt, mit Wasser gewaschen und 15 Stunden lang in einem Ofen bei 50 bis 600C getrocknet. Die gesamte gewonnene Menge betrug 45,3 g oder 93,6So der Theorie. Das Produkt besass eine leicht gelbbraune Färbung (Reinheitsgrad 99,8%).
Die vorstehend beschriebene Arbeitsweise wurde dahingehend modifiziert. dass die Zeitintervalle zwischen der Zugabe des Phthalimids zu der Natriumhydroxydlösung und der Zugabe der Natriumhypochloritlösung variiert wurden, während im übrigen vollständig nach der vorstehenden Arbeitsweise verfahren wurde. Es wurde gefunden, dass die Ausbeute an rohem Isatosäureanhydrid von der Länge dieses Zeitintervalles abhängt. Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe sind in tabellarischer Form nachstehend zusammengefasst.
TABELLE I
Zeitintervall C/o Ausbeute an
Isatosäureanhydrid
2.5 Minuten 93.6
10,0 Minuten 90.6
40,0 Minuten 80.5
Es ist bekannt, dass Anthranilsäure aus den für das vorstehend beschriebene Verfahren eingesetzten Ausgangsverbindungen hergestellt werden kann. Es wurde folgender Reaktionsmechanismus diskutiert (Conant, The Chemistry of Organic Compounds, The Macmillan Company, New York, New York, 1939, Seite 420):
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Es ist möglich, die Herstellung von Natriumphthalamat
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nach den vorstehenden Reaktionsgleichungen zu zeigen, wenn Phthalimid in einer wässrigen Lösung aus Natriumhydroxyd gelöst wird. Um eine derartige Hydrolyse zu zeigen, wird eine Lösung aus destilliertem Wasser mit einem pH-Wert von 7,0 bis 7,2, Natriumhydroxyd und Phthalimid hergestellt.
Die Lösung wird eine bestimmte Zeit lang auf einer festgelegten Temperatur gehalten und dann in eine saure wässrige Lösung gegossen, die l-Äquivalent Säure pro Äquivalent des in der Phthalimidlösung verwendeten Natriumhydroxyds enthält. Die erhaltene Mischung wird dann mit einer Standard-Natronlauge auf einen pH von 7,0 bis 7,2 zurücktitriert.
Die Zahl der Mole an Natriumhydroxyd, die für die Zurücktitration erforderlich ist, entspricht der Zahl der Mole an hydrolysiertem Phthalimid: das zurückgebliebene nicht hydrolysierte Phthalimid ist ein Niederschlag, der abgetrennt und quantitativ bestimmt werden kann.
Es wurden derartige Versuche durchgeführt, wobei auf der Grundlage dieser Versuche festgestellt wurde, dass die Hydrolyse von Natriumphthalimid zu Natriumphthalamat in Lösung erfolgt, wobei die Geschwindigkeit, mit der eine derartige Hydrolyse auftritt, eine direkte Funktion der Temperatur ist. Es wurde ferner festgestellt, dass das Ausmass, bis zu welchem eine derartige Hydrolyse vor der Zugabe der Natriumhypochloritlösung fortschreitet, die Prozentausbeute des rohen Isatosäureanhydrids bestimmt, welches durch die in der vorstehenden Tabelle I zusammengefasste Arbeitsweisen hergestellt wird.
Innerhalb der Grenzen der Ausgangsverbindungsmengen, die zur Verwendung bei der Herstellung von Isatosäureanhydrid nach dem erfindungsgemässen Verfahren geeignet sind, ist die Temperatur der Hauptfaktor, welcher die Geschwindigkeit bestimmt, mit der Natriumphthalimid zu Natriumphthalamat hydrolysiert wird.
Beispielsweise kann eine Lösung aus Natriumphthalimid ungefähr 35 Minuten lang bei OOC stehen, bevor 10% des Natriumphthalimids zu Natriumphthalamat hydrolysiert werden, jedoch werden bei 300C in ungefähr 2 Minuten 10% zu Natriumphthalamat hydrolysiert. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der Fig. 2 graphisch für Lösungstemperaturen von OOC, 50C, 100C, 200C und 300C angegeben; in der Fig. 2 sind die Molprozent Natriumphthalamat in Abhängigkeit von der Zeit für die angegebenen Temperaturen aufgetragen.
Durch sorgfältige Untersuchungen wurde ermittelt, dass zur Herstellung von Isatosäure in hohen Ausbeuten durch Anwendung der oben angegebenen Umsetzungen nicht mehr als 50% des Natriumphthalimids zu Natriumphthalamat vor der Zugabe des Natriumhypochlorits oder dessen Äquivalenz zur Initiierung der Reaktionen, durch welche das gewünschte Anhydrid letztlich gebildet wird. hydrolysiert werden sollten. Die Kurve A in Fig. 1 gibt die Zeit als Funktion der Temperatur wieder, welche erforderlich ist, um 50% des in einer derartigen Lösung vorhandenen Natriu mphthalimids zu Natriumphthalamat zu hydrolysieren.
Erfindungsgemäss wird daher Natriumhypochlorit oder dessen Äquivalent zu einer derartigen Lösung nicht mehr als X Minuten nach der Zugabe von Phthalimid zu einer Natriumhydroxydlösung zugegeben, wobei X eine Funktion der Temperatur der Lösung ist und durch die Kurve A der beigefügten Zeichnung wiedergegeben wird. Vorzugsweise ist X nicht grösser als die Zeit, welche durch die Kurve B, welche der Kurve A ähnlich ist, jedoch die Beziehungen für eine 30%ige Hydrolyse zeigt, wiedergegeben wird; in besonders zweckmässiger Weise ist X nicht grösser als die Zeit, welche durch die Kurve B, welche der Kurve A ähnlich ist, jedoch die Beziehungen für eine 30%ige Hydrolyse zeigt, wiedergegeben wird; in besonders zweck massiges Weise ist X nicht grösser als die Zeit, welche durch die Kurve C, die die Beziehungen für eine 20%ige Hydrolyse zeigt, wiedergegeben wird.
Wird vor der Hypochloritzugabe entweder eine Erwärmung oder Abkühlung durchgeführt, dann sollte eine hauptsächlich wirksame Zeit X angewendet werden, die nicht länger ist als angegeben.
Die Verhinderung der Hydrolyse des Natriumphthalimids durch schnelle Zugabe von Natriumhypochlorit zu der Reaktionsmischung, die aus Wasser, Phthalimid und Natriumhydroxyd gebildet wird, gewährleistet nicht notwendigerweise eine gute Ausbeute an Isatosäureanhydrid.
Diese Tatsache wurde durch eine andere Versuchsreihe bewiesen. wobei die in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wiederholt wurde, mit der Ausnahme, dass die Schwefelsäure den Reaktionsprodukten zu verschiedenen Zeitpunkten, entweder früher oder später, zugesetzt wurde. Die bei dieser Versuchsreihe erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle II zusammengefasst.
TABELLE II Reaktionswärme vor % Ausbeute an der Saurezugabe . X (g-Kalorienlg-Mol)* Isatosäureanhydnd
12000 unkontrollierbare
Reaktion; das Produkt ist nicht Isatosäure anhydrid
22100 93,6
26400 87,5 77000** 25,0 * Volumen der Reaktionsmischung in ccm mal Temperatur anstieg in C.
Bei diesem Versuch wurde keine Mineralsäure zugegeben; der pH-Wert wurde durch eine in der Reaktionsmischung gebildete Säure herabgesetzt.
Es ist darauf hinzuweisen, dass das vorstehend beschriebene Verfahren adiabatisch ist, vorausgesetzt, dass ein geringfügiger Wärmeübergang von der Reaktions mischung auf die umgebenden Gefässteile vernachlässigt wird. Da in einer adiabatischen Reaktion die Endreak tionstemperatur eine direkte Funktion der durch die exotherme Reaktion freigesetzten Wärmemenge ist, sowie ies bei der Herstellung von Isatosäureanhydrid oder dgl. erfindungsgemäss der Fall ist, können bestimmte
Schlüsse aus der in den vorstehenden Tabelle II zusam mengefassten Ergebnissen gezogen werden. Isatosäure anhydrid oder ein Salz dieser Verbindung ist ein Zwi- schenprodukt für eine Reihe von Reaktionen, die dann in Gang gesetzt werden, wenn Natriumhypochlorit zu einer Lösung von Natriumphthalimid begeben wird.
Wird der Reaktionsmischung zur Steuerung des pH-Wertes wie in der in Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise
Schwefelsäure zugegeben, dann wird eine Reihe von
Reaktionen abgestoppt. so dass Isatosäureanhydrid in hoher Ausbeute gewonnen werden kann. Stimmt man die für Reaktionen angewendeten Bedingungen mit der Zeii ab. zu welcher Schwefelsäure oder ein Äquivalent derselben zu der Reaktionsmischung zugesetzt wird, dann kann man eine optimale Ausbeute an Isatosäureanhydrid erzielen.
Sorgfältig gesteuerte Versuche wurden durchgeführt, tim zu zeigen. dass eine pH-Wert-Einstellung der Reak tionsmischung mittels Schwefelsäure oder eines Äqui valentes dieser Verbindung dann begonnen werden sollte, s. enn die exotherme Reaktionswärme aus der Umsetzung zwischen Natriumhypochlorit und der wässrigen Lösung aus Natriumphthalimid und Natriumphthalamat, die ge mäss den in Fig. l angegebenen Werten gesteuert wird, freigesetzt ist (pro g-Mol zugesetztes Phthalimid zwischen 1 000 und 30000 g-ICalorien). Vorzugsweise wird die
Säure dann der Reaktionsmischung zugesetzt, wenn
20000 bis 28 000-g-Kalorien pro g-Mol zugesetztes
Phthalimid in Freiheit gesetzt sind.
Bei Anwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise und Einstellung des pH-Wertes mit Schwefelsäure auf der in diesem Ab satz angegebenen vorzugsweisen Basis wird eine Isato säureanIiydridausbeute von wenigstens 85% erzielt. So gar dann. wenn es möglich wäre, der sich schnell ändern den chemischen Zusammensetzung zur Bestimmung der spezifischen Wärme oder einer hauptsächlich wirksamen spezifischen Wärme der Reaktionsmischung Rechnung zu tragen und damit genau die durch die exotherme Reaktion in Freiheit gesetzte Wärme zu bestimmen, so ist eine derartige Verfeinerung unwesentlich, wenn festgestellt wird, wann die pH-Wert-Einstellung bei der erfindungsgemässen Herstellung eines Anhydrids begonnen werden soll.
Es ist bekannt, dass sich die Reaktionsmischung aus Wasser und verschiedenen Salzen zusammensetzt. und zwar in jedem Falle in Mengenverhältnissen, die leicht auf experimentellem Wege bestimmt oder gewünschtenfalls berechnet werden können. Die Zugabe einer Schwefelsäurelösung oder einer äquivalenten Lösung sollte bei der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise dann begonnen werden, wenn der Temperaturanstieg der Reaktionsmischung die Freisetzung von wenigstens 18 000 und vorzugsweis zur Erzielung optimaler Ergebnisse, wenigstens 20000-g-Kalorien pro g-Mol zugesetztes Phthalimid anzeigt, und zwar unter der Annahme. dass die gesamte in Freiheit gesetzte Wärmemenge das Gesamtvolumen in ccm der Reaktionsmischung multipliziert mit dem Temperaturanstieg in OC ist.
In ähnlicher Weise sollte Schwefelsäure oder ein Äquivalent dieser Verbindung bei einer derartigen Arbeitsweise dann zugegeben werden. wenn der Temperaturanstieg der Re ktionsmischung die Freisetzung von nicht mehr als 30 000 und vorzugsweise. zur Erzielung optimaler Ergebnisse, nicht mehr als 28 000-g-Kalorien pro g-Mol zugesetztes Phthalimid anzeigt, wobei wiederum angenommen wird, dass die Gesamtmenge der in Freiheit gesetzten Wärmemenge das Gesamtvolumen in ccm der Reaktionsmischung multipliziert mit dem Temperaturanstieg in Cist.
Es wurde festgestellt. dass, wenn eine pH-Wert-Einstellung in der vorstehend beschriebenen Art und Weise durchgeführt wird, nur ein kleiner Teil, und zwar nicht mehr als ungefähr 20%. des Phthalimids oder dessen Äquivalents soweit wie das Natriumsalz des Isatosäureanhydrids oder dessen Äquivalents reagiert hat. Dementsprechend wird die pH-Wert-Einstellung derart vorgenommen. dass die Reaktion nicht abgestoppt wird, sondern der grösste Teil der Umlagerung gesteuert wird.
Insbesondere sollte die pH-Wert-Einstellung nur dann vorgenommen werden, nachdem im wesentlichen das Phthalimid od. dessen Äquivalent wenigstens soweit wie die N-Chlorphthalaminsäure (N-Chlor-o-carbamylbenzoesäure) reagiert hat: der pH-Wert sollte ausreichend hoch eingestellt werden, um sowohl das Mcnonatriumsalz als auch das Dinatriumsalz der N-Chlorphihalaminsäure aufrechtzuerhalten, andererseits soll der pH-Wert ausrei chend niedrig sein, um im wesentlichen das ganze Natriumsalz des Isatosäureanhydrids in der Reaktionsmischung in Isatosäureanhyd rid umzuwandeln.
Es ist darauf hinzuweisen. dass die Einstellung der Reaktiotismischung auf einen pH-Wert von ungefähr 6.9, so wie sie nach der in Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise erfolgt, einige Sekunden erfordert; ausserdem verläuft eine Reaktion. die 6600-g-Kalorien in ungefähr 20
Sekunden in Freiheit setzt, wobei ungefähr 1%-g-l'4-ol-
Mengen an Verbindungen umgesetzt werden. mit einer extrem hohen Geschwindigkeit. Es wurde festgestellt.
dass die Umsetzung in einfacherer Weise durch Zugabe von ungefähr 75% der Säure, die theoretisch zur Neutra lisation des Natriumhydroxyds oder dessen Äquivalenz in der Reaktionsmischung erforderlich ist, wobei die Zu gabe etwas später während der Reaktion und im wesent liegen augenblicklich erfolgt, gesteuert werden kann. Bei spielsweise können praktisch dieselben oder leicht ver besserte Ergebnisse erhalten werden, wenn die in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wiederholt wird, mit der Ausnahme. dass 75% der theoretisch zur Neutralisation des Natriumhydroxyds in der Reaktionsmischung erforderlichen Schwefelsäure 30 Sekunden nach der Natriumhypochloritzugabe zugesetzt werden, worauf eine weitere pH-Wert-Einstellung vorgenommen wird, um den pH-Wert auf ungefähr 6,9 zu halten.
Das im folgenden beschriebene versuchsweise Verfahren wurde durchgeführt, um den Mechanismus zu beweisen, nach welchem Isatosäureanhydrid oder dessen Äquivalent nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wird.
Beispiel 2
Die in Beispiel 1 beschriebene Arbeitsweise wird wiederholt, mit der Ausnahme, dass 30 Sekunden nach der Natriumhypochloritzugabe eine 6,04-ccm-Portion einer 36.4 n Schwefelsäure im wesentlichen augenblicklich zu der Reaktionsmischung zugegeben wurde, worauf unmittelbar danach ungefähr 300 g zerstückeltes Eis zugesetzt wurden. Der Becher wurde dann mit zerstückeltem Eis umgeben und die Reaktionsmischung kräftig gerührt, um eine schnelle Abkühlung auf etwa OOC zu bewirken. In der Reaktionsmischung wurde eine kleine Menge eines weissen Niederschlags beobachtet; dieser Niederschlag wurde als Isatosäureanhydrid identifiziert. Der Niederschlag wurde von der Mutterlauge durch Filtration abgetrennt, gewaschen, getrocknet und gewogen. Es wurden ungefähr 4 g gewonnen. was etwas weniger als 10% der Theorie entspricht.
Während der Filtration des Isatosäureanhydrids wurde dafür Sorge getragen, dass sich die Mutterlauge nicht erwärmte. Anschliessend wurde die Mutterlauge auf eine Temperatur zwischen 15 und 200C erwärmen gelassen, wobei in periodischen Abständen die zur Aufrechterhaltung eines pH-Wertes von ungefähr 6,9 erforderlichen Schwefelsäurezusätze erfolgten.
Während einer Zeitspanne von 5 Minuten bildete sich ein weiterer Niederschlag. Dieser Niederschlag, der anschliessend als Isatosäureanhydrid identifiziert wurde, wurde durch Filtration abgetrennt, gewaschen. getrocknet und mit dem ersten Niederschlag vereinigt. Die vereinigten Isatosäureanhydridfraktionen wurden dann gewogen; es hatten sich 45 g Isatosäureanhydrid gebildet, was 93sec Theorie entspricht.
Die in dem vorstehenden Paragraph beschriebene Arbeitsweise wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass nach der Filtration der ersten Isatosäureanhydridfraktion die Mutterlauge auf einen pH-Wert von ungefähr 3 angesäuert wurde. Es bildete sich eine wesentliche Menge eines Niederschlages, der nach der Filtration, dem Waschen und Trocknen als N-Chlorphthalaminsäure identifiziert wurde. Ein Teil der N-Chlorphthalaminsäure wurde anschliessend mit Wasser vermischt, worauf das Wasser bei ungefähr 200C auf einen pH-Wert von ungefähr 6,9 eingestellt und auf diesem Wert gehalten wurde.
Die N-Chlorphthalaminsäure löste sich, worauf weisses Isatosäureanhydrid ausfiel.
Aus dem vorstehenden Beispiel 2 geht hervor, dass, wie bereits weiter oben angegeben. die pH-Wert-Einstellung, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren vorgenommen wird, deshalb erfolgt, um den grössten Teil einer Molekülumlagerung zu steuern, durch welche letzlich Isatosäureanhydrid gebildet wird, und nicht um die Umsetzung abzustoppen. Aus den entsprechenden Titrationskurven wurde ermittelt, dass sowohl die Mono- als auch die Dinatriumsalze der N-Chlorphthalaminsäure in Lösung existieren, und zwar bei pH-Werten unterhalb des Minimums, bei welchem Natriumisatosäureanhydrid existiert.
Da Isatosäureanhydrid selbst im wesentlichen unlöslich in Wasser ist, verursacht die erfindungsgemässe pH-Wert-Einstellung, sowie sie weiter oben diskutiert wurde, eine Neutralisation des Natriumisatosäureanhydrids, welches sich vor der pH-Wert-Einstellung gebildet hat, sowie eine Ausfällung des gebildeten Isatosäureanhydrids; durch die Aufrechterhaltung des pH-Wertes während des Verlaufs der Reaktion innerhalb eines derartigen Bereiches wird die Ausfällung des anschliessend gebildeten Isatosäureanhydrids verursacht. Diese Ausfällung verhindert in wirksamer Weise unerwünschte Nebenreaktionen, die dann auftreten, wenn die pH-Wert Einstellung nicht vorgenommen wird, oder wenn der pH-Wert anschliessend an die Einstellung nicht innerhalb des genannten Bereiches gehalten wird.
Es wurde ferner festgestellt, dass das Dinatriumsalz der N-Chlorphthalaminsäure eine Molekülumlagerung unter Bildung des Natriumsalzes des Isatosäureanhydrids erfährt, wobei jedoch das Mononatriumsalz der N-Chlorphthalaminsäure keiner derartigen Umlagerung unterliegt. Daher hängt die Wirksamkeit des vorliegenden Verfahrens von den bisher unbekannten Tatsachen ab, dass das Natriumsalz des Isatosäureanhydrids nicht bei pH-Werten innerhalb des vorstehend angegebenen Bereiches existiert, dass die Mono- und Dinatriumsalze der N-Chlorphthalaminsäure innerhalb eines derartigen Bereiches existent sind, dass das Dinatriumsalz der N-Chlorphthalaminsäure eine Molekülumlagerung zu dem Natriumsalz des Isatosäureanhydrids erfährt, und zwar bei pH-Werten innerhalb eines derartigen Bereiches,
und dass bei einer derartigen Umlagerung jedes Molekül des Dinatriumsalzes der N-Chlorphthalaminsäure ein Natriumkation in Freiheit setzt, welches ein Molekül des Mononatriumsalzes der N-Chlorphthalaminsäure in das Dinatriumsalz dieser Säure umwandelt.
Die Gewinnung von Isatosäureanhydrid oder dergleichen nach dem erfindungsgemässen Verfahren wurde bisher im Hinblick auf eine im wesentlichen adiabatische Reaktion diskutiert. Eine derartige Reaktion ist aus einigen Gründen bevorzugt, insbesondere deshalb, da der Reaktionsverlauf durch einfache Temperaturmessungen verfolgt werden kann, so dass die Kontrolle vergleichsweise einfach durchzuführen ist. Jedoch kann die Reaktionsmischung gewünschtenfalls weder erhitzt noch gekühlt werden, und zwar während des Verlaufes der ganzen Umsetzung. Da, wie vorstehend gezeigt wurde, das Ausmass, bis zu welchem Natriumphthalimid oder dgl.
zu Natriumphthalamat oder dgl. auf einem Minimum gehalten werden sollte, um eine optimale Ausbeute eines Säureanhydrids zu gewinnen, und da erhöhte Tempera turen eine derartige Hydrolyse begünstigen, liegt normalerweise kein Grund vor, Wärme auf die Lösung, die aus Phthalimid oder einem halogenierten Phthalimid, Natriumhydroxyd oder einem Äquivalent desselben und Wasser gebildet wird, einwirken zu lassen. In der Tat ist eine vergleichsweise niedrige Temperatur von Vorteil, so dass jeglicher Wärmeübergang vorzugsweise aus der Lösung erfolgt, wobei jedoch hohe Temperaturen geduldet werden können.
In ähnlicher Weise würde man annehmen, dass eine vergleichsweise niedrige Temperatur nach der Zugabe des Natriumhypochlorits oder dessen Äquivalents das Voranschreiten exothermer Reaktionen begünstigen würde, und dass jeder Wärmeübergang aus der Reaktionsmischung erfolgt, jedoch vergleichsweise hohe Temperaturen geduldet werden können und Wärme tat sächlicil gewünschtenfalls auf die Reaktionsmischung einwirken gelassen werden kann. vorausgesetzt, dass die Reaktionen bei einem geeigneten Zeitpunkt, der wie vorstehend angegeben bestimmt wird, abgestoppt werden.
Das folgende Beispiel zeigt die Herstellung eines Chlorisatosäureanhydrids aus dem entsprechenden Chlorphthalimid.
Beispiel 3
In einem 200-ml-Becher wurden 79 ccm Wasser mit einer Temperatur von 200C und 2,04 g Natriumhydroxyd vorgelegt. Das Wasser in dem Becher wurde mittels eines propellerartigen Rührers während der schnell erfolgenden Zugabe einer 9,07-g-Portion der gemischten Monochlorphthalimid-Isomeren sowie während der restlichen Herstellungsstufen gerührt. Die Temperatur der Reaktionsmischung wurde 2 Minuten lang nach Beendigung der Zugabe der Chlorphthalimid-Isomeren auf 200C gehalten. Dann wurde eine 50-ccm-Portion der in Beispiel 1 beschriebenen Natriumhypochloritlösung zugesetzt.
Nachdem 1160-g-Kalorien in Freiheit gesetzt waren, was sich dadurch zu erkennen gab, dass die Reaktionsmischung eine Temperatur von 290C erreichte, wurde eine 40-ccm Portion einer 9,76 n Salzsäure zugesetzt, um den pH-Wert auf 7,2 zu bringen und auf diesem Wert zu halten; ein rohes Chlorisatosäureanhydrid der Formel
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wurde dann durch Filtration der gebildeten Aufschlämmung gewonnen. Das rohe Anhydrid wurde mit Wasser gewaschen und 15 Stunden lang in einem Ofen bei 50 bis 600C getrocknet. Insgesamt wurden 10,08 g oder 102% der Theorie erhalten. Das Material besass eine leicht gelbbraune Farbe; sein Schmelzpunkt (unter Zersetzung) wurde zu 160 - 1780C ermittelt. Das Infrarotabsorptionsspektrum zeigte, dass es sich um Chlorisatosäure anhydrid handelte.
Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren kann wiederholt werden, wobei entsprechende Mengen eines Lithium-, Kalium- oder Natriumcarbonats, eines Lithium-, Kalium-, Magnesium- oder Calciumhydroxyds oder eines Lithium-, Kalium-, Natrium-, Magnesium- oder Calciumoxyds oder metallisches Lithium, Kalium, Natrium oder Calcium anstelle des Natriumhydroxyds eingesetzt werden können; ferner können entsprechende Mengen eines Lithium-, Kalium-, Magnesium- oder Calciumhypochlorits oder eines Lithium-, Kalium-, Natrium-, Magnesiumoder Calciumhypobromits anstelle des Natriumhypochlo- rits eingesetzt werden, In allen Fällen werden Ergebnisse erzielt, die im wesentlichen denjenigen des Beispiels 1 entsprechen.
Es ist daher offensichtlich, dass jede Verbindung, die mit Phthalimid oder einem Halogenderivat dieser Verbindung unter Erzeugung eines wasserlöslichen Salzes reagieren kann, anstelle von Natriumhydroxyd eingesetzt werden kann, und dass jedes Metall-Hypohalogenit, vorzugsweise jedes Hypochlorit, anstelle des Natriumhypochlorits zur Herstellung eines Säureanhydrids gemäss der Erfindung zur Anwendung gelangen kann.
Eine im wesentlichen äquivalente Menge der Verbindung, die mit dem Phthalimid oder einem Halogenphthalimid reagieren kann, sollte zur Gewinnung des wasserlöslichen Salzes dieser Verbindung verwendet werden, d.h.
0,95 bis 1,05 Äquivalente pro Mol Phthalimid oder Chlorphthalimid. In ähnlicher Weise sollten 0,9 bis 1,08 Äquivalente des Metallhypohalogenits pro Mol Phthalimid oder dessen Äquivalent eingesetzt werden. Die Funktion der Schwefelsäure bei den vorstehend beschriebenen Verfahren liegt lediglich darin, den pH-Wert der Reaktionsmischung zu reduzieren, wobei hohe Ausbeuten an Isatosäureanhydrid oder dessen Äquivalent erzielt werden. Die Art der verwendeten Säure ist unbeachtlich, es werden im wesentlichen die gleichen Ergebnisse unter Verwendung jeder beliebigen Säure erzielt, vorausgesetzt, dass der pH auf einen Wert innerhalb des Bereiches von 9,0 bis 5,5 eingestellt und auf diesem Wert gehalten wird.
Alkalihydroxyde, insbesondere Natriumhydroxyd, Alkalihypochlorite, insbesondere Natriumhypochlorit, und Schwefelsäure, die gemäss der in Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweise verwendet wird, sind bevorzugte Ausgangsstoffe, da sie ohne weiteres zur Verfügung stehen und vergleichsweise billig sind.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren kann Isatosäureanhydrid oder irgendeines seiner oben definierten Halogenderivate hergestellt werden, und zwar entweder nach kontinuierlichen oder chargenweisen Verfahren. Es liegt für den Fachmann auf der Hand, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen der vorstehend beschriebenen Arbeitsweise vorgenommen werden können.
ohne dass man dabei den Rahmen der vorliegenden Anmeldung verlässt.
Process for the production of isatoic anhydride or halogen derivatives thereof
The invention relates to a process for the preparation of isatoic anhydride or a halogen derivative of this compound and relates in particular to an improved process for the preparation of such a compound by a controlled reaction between a phthalimide or a halophthalimide salt and a metal hypohalite.
Isatoic anhydride has so far been produced on an industrial scale by means of a reaction in which the use of phosgene (COLI2) was required. The anhydride is an intermediate product for the production of anthranilic acid esters, which are perfume essences and flavorings. suitable, It has also been suggested. Isatoic anhydride to produce from phthalimide, sodium hydroxide, sodium or calcium hypochlorite and an acid [cf. Mohr, Journal for practical chemistry (2) 80, 1-33].
However, the reaction using the starting compounds mentioned, which can also be used for the preparation of anthranilic acid, proceeds irregularly, with a dark-colored isatoic acid anhydride being obtained in yields which vary for no apparent reason; the highest yield reported in the literature is 80% while the lowest was zero.
The present invention is based on the finding that isatoic anhydride and certain halogen derivatives of this compound can be prepared in high and controlled yields from phthalimide or a certain phthalimide halogenated derivative, sodium hydroxide, sodium hypochlorite, water and an acid.
The object of the present invention is therefore to create an improved process for the production of isatoic anhydride or a certain halogen derivative of this compound.
This object is achieved according to the invention by a process for the preparation of 1,2-dihydro-4H-2,4-dioxo-3,1-benzoxazines of the general formula I
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tn which Z. Z ', Z "and Z"' mean hydrogen or halogen aioms, by dissolving a phthalimide of the general formula II
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in which Z to Z "'have the meaning given above, approximately the equivalent amount of an aqueous solution of a base which forms a water-soluble salt with the phthalimide of the general formula II, then reacting this solution with an equivalent amount of an aqueous metal hypohalite solution and once most of the benzoxazine derivative has formed, precipitate it with acid,
What is new and inventive is that the metal hypohalite solution is added to the base solution X minutes after the phthalimide of general formula II has been dissolved in the base solution, where X is a function of the temperature of the phthalimide base solution and is within the hatched areas of FIG. 1, and that the reaction solution is adjusted to a pH value between 5.5 and 9.0 within a period of a few seconds before the reaction solution has reached a temperature of 30 ° C. if, after addition of the metal hypohalite solution, per gmol phthalimide of the general formula In 18,000 to 30,000 g calories have been released.
1 shows the course of the maximum time after the mixing of phthalimide or a halogen derivative of this compound with water and an alkali and before the addition of a hypohalite to the mixture as a function of the temperature in the preparation of an acid anhydride according to FIG Invention again, while Figure 2 shows the percentage hydrolysis of sodium phthalimide versus sodium phthalamate as a function of time and at several different temperatures.
The procedure according to the invention is carried out as follows, for example:
A compound of the general formula II and an essentially equivalent amount of a compound (usually lithium, potassium, sodium, magnesium or calcium oxide or hydroxide or lithium, potassium or sodium carbonate and metallic lithium, potassium, sodium or calcium) which reacts with the above compound to produce a water-soluble salt is mixed with an amount of water at least sufficient to dissolve the salt at a temperature not higher than about 450 ° C. Not more than X minutes after mixing the compound of the general formula II, the compound which reacts with it to form a water-soluble salt and the water becomes a
based on 1 mol of the compound of general formula II, between 0.9 and 1.08 equivalents varying amount of a metal hypohalite (usually lithium, potassium, sodium, calcium or magnesium hypochlorite or hypobromite) is added to the solution obtained.
where X is a function of the temperature of the mixture of the aqueous solution of the salt of the compound of the general formula II and is represented by one of the curves in FIG. After the exothermic heat of reaction between the salt of the compound of the general formula II and the hypohalite has developed in the range of 18,000 to 30,000 g-calories per g-mol of the compound of the general formula II, the solution is brought to a pH between 5.5 and 9.0 and maintained at that pH, assuming that all of the heat evolved.
if the reaction is carried out adiabatically, the volume (in ccm) of the reaction mixture multiplied by the temperature rise in OC. In particular, this pH adjustment is made at an intermediate point in time during the reaction, namely when essentially all of the phthalimide or its equivalent has reacted at least as far as a particular intermediate product, but before the point in time before which more than about 20% of the phthalimide or its equivalent as far as the sodium salt of isatoic anhydride or its equivalent have reacted.
The pH is preferably adjusted to a value between 6 and 7.5 and, in a particularly expedient manner, to a value between 6.4 and 6.8.
The following examples illustrate the invention.
Example I.
364 ccm of a water solution containing 12.09 g of sodium hydroxide at a temperature of 200 ° C. were placed in a 1 liter beaker. The solution in the beaker was stirred by means of a propeller-type stirrer during the rapid addition of 43.61 g of phthalimide and during the remainder of the manufacturing step. After the addition of the phthalimide had ended, the temperature of the reaction mixture was kept at 200 ° C. for 2/2 minutes: a 300 ccm portion of a sodium hypochlorite solution (the sodium hypochlorite solution was obtained by reacting 21.0 g of chlorine with 24 g of sodium hydroxide in a sufficient amount of water) was then added Production of 300 ccm of the solution reacted at 200C) at a temperature of 200C.
After the exothermic reaction had generated 6600 g calories, which was evident from the fact that the reaction mixture reached a temperature of 30 ° C., a total of 8.05 cc of 36.4N sulfuric acid was added. to bring the pH to 6.9 and keep it at this value. The first sulfuric acid addition took place approximately 20 seconds after the addition of the sodium hypochlorite, the adjustment taking a few seconds. Crude isatoic anhydride was separated from the slurry by filtration, washed with water and dried in an oven at 50 to 60 ° C for 15 hours. The total recovered was 45.3 grams, or 93.6 percent of theory. The product was slightly yellow-brown in color (degree of purity 99.8%).
The procedure described above has been modified accordingly. that the time intervals between the addition of the phthalimide to the sodium hydroxide solution and the addition of the sodium hypochlorite solution were varied, while the rest of the procedure was completely in accordance with the above procedure. It has been found that the yield of crude isatoic anhydride depends on the length of this time interval. The results of this series of tests are summarized below in tabular form.
TABLE I.
Time interval C / o yield
Isatoic anhydride
2.5 minutes 93.6
10.0 minutes 90.6
40.0 minutes 80.5
It is known that anthranilic acid can be prepared from the starting compounds used for the process described above. The following reaction mechanism was discussed (Conant, The Chemistry of Organic Compounds, The Macmillan Company, New York, New York, 1939, page 420):
EMI3.1
It is possible to manufacture sodium phthalamate
EMI3.2
to show according to the above reaction equations when phthalimide is dissolved in an aqueous solution of sodium hydroxide. To demonstrate such hydrolysis, a solution of distilled water with a pH of 7.0 to 7.2, sodium hydroxide and phthalimide is made.
The solution is held at a specified temperature for a certain time and then poured into an acidic aqueous solution containing 1 equivalent of acid per equivalent of sodium hydroxide used in the phthalimide solution. The mixture obtained is then back-titrated to a pH of 7.0 to 7.2 with a standard sodium hydroxide solution.
The number of moles of sodium hydroxide required for the back titration corresponds to the number of moles of hydrolyzed phthalimide: the remaining unhydrolyzed phthalimide is a precipitate which can be separated and quantified.
Such tests have been carried out and based on these tests it has been found that the hydrolysis of sodium phthalimide to sodium phthalamate occurs in solution, the rate at which such hydrolysis occurs being a direct function of temperature. It has also been found that the extent to which such hydrolysis proceeds prior to the addition of the sodium hypochlorite solution determines the percent recovery of crude isatoic anhydride produced by the procedures summarized in Table I above.
Within the limits of the starting amounts of compounds suitable for use in the preparation of isatoic anhydride by the process of the present invention, temperature is the main factor determining the rate at which sodium phthalimide is hydrolyzed to sodium phthalamate.
For example, a solution of sodium phthalimide can stand at OOC for about 35 minutes before 10% of the sodium phthalimide is hydrolyzed to sodium phthalamate, but 10% is hydrolyzed to sodium phthalamate in about 2 minutes at 300C. The results of these experiments are shown graphically in FIG. 2 for solution temperatures of OOC, 50C, 100C, 200C and 300C; In FIG. 2, the mole percent sodium phthalamate is plotted as a function of time for the specified temperatures.
Careful investigations have shown that for the production of isatoic acid in high yields by using the above reactions, not more than 50% of the sodium phthalimide to sodium phthalamate before the addition of the sodium hypochlorite or its equivalent to initiate the reactions through which the desired anhydride is ultimately formed . should be hydrolyzed. Curve A in FIG. 1 shows the time as a function of temperature which is required to hydrolyze 50% of the sodium phthalimide present in such a solution to sodium phthalamate.
According to the invention, sodium hypochlorite or its equivalent is therefore added to such a solution no more than X minutes after the addition of phthalimide to a sodium hydroxide solution, where X is a function of the temperature of the solution and is represented by curve A of the accompanying drawing. Preferably, X is not greater than the time represented by curve B, which is similar to curve A but shows the relationships for 30% hydrolysis; in a particularly expedient manner, X is not greater than the time which is represented by curve B, which is similar to curve A, but shows the relationships for a 30% hydrolysis; in a particularly expedient manner, X is not greater than the time which is given by curve C, which shows the relationships for a 20% hydrolysis.
If either heating or cooling is carried out prior to the addition of hypochlorite, then a mainly effective time X which is no longer than specified should be used.
Preventing the hydrolysis of the sodium phthalimide by rapidly adding sodium hypochlorite to the reaction mixture formed from water, phthalimide and sodium hydroxide does not necessarily ensure a good yield of isatoic anhydride.
This fact was proven by another series of experiments. the procedure described in Example 1 was repeated with the exception that the sulfuric acid was added to the reaction products at different times, either earlier or later. The results obtained in this series of tests are summarized in Table II below.
TABLE II Heat of reaction before% yield of acid addition. X (g-calories / g-moles) * isatoic anhydride
12000 uncontrollable
Reaction; the product is not isatoic anhydride
22100 93.6
26400 87.5 77000 ** 25.0 * Volume of the reaction mixture in ccm times the temperature increase in C.
No mineral acid was added in this experiment; the pH was lowered by an acid formed in the reaction mixture.
It should be noted that the process described above is adiabatic, provided that a slight heat transfer from the reaction mixture to the surrounding vessel parts is neglected. Since the end reaction temperature in an adiabatic reaction is a direct function of the amount of heat released by the exothermic reaction, as is the case in the production of isatoic anhydride or the like according to the invention, certain
Conclusions can be drawn from the results summarized in Table II above. Isatoic anhydride or a salt of this compound is an intermediate product in a series of reactions that are set in motion when sodium hypochlorite is added to a solution of sodium phthalimide.
The reaction mixture is used to control the pH as in the procedure described in Example 1
Sulfuric acid is added, then a number of
Reactions stopped. so that isatoic anhydride can be obtained in high yield. If one agrees the conditions used for reactions with the Zeii. to whichever sulfuric acid or equivalent is added to the reaction mixture, an optimal yield of isatoic anhydride can be obtained.
Carefully controlled attempts have been made to show tim. that a pH adjustment of the reaction mixture by means of sulfuric acid or an equivalent of this compound should then be started, s. hen the exothermic heat of reaction from the reaction between sodium hypochlorite and the aqueous solution of sodium phthalimide and sodium phthalamate, which is controlled according to the values given in FIG. 1, is released (between 1,000 and 30,000 g-ICalories per g-mol of phthalimide added). Preferably the
Acid then added to the reaction mixture when
20,000 to 28,000 g calories per g mole added
Phthalimide are released.
If the procedure described in Example 1 is used and the pH is adjusted with sulfuric acid on the preferred basis given in this paragraph, an isatoic anhydride yield of at least 85% is achieved. So even then. if it were possible to take into account the rapidly changing chemical composition for determining the specific heat or a mainly effective specific heat of the reaction mixture and thus to precisely determine the heat released by the exothermic reaction, such refinement is insignificant, when it is established when the pH adjustment is to be started in the production of an anhydride according to the invention.
It is known that the reaction mixture is composed of water and various salts. and in each case in proportions which can easily be determined experimentally or, if desired, calculated. The addition of a sulfuric acid solution or an equivalent solution should be started in the procedure described above when the rise in temperature of the reaction mixture indicates the release of at least 18,000 and preferably, for optimal results, at least 20,000 g calories per g mole of phthalimide added, under the assumption. that the total amount of heat released is the total volume in cc of the reaction mixture multiplied by the temperature rise in OC.
Similarly, sulfuric acid or its equivalent should then be added in such a procedure. when the temperature rise of the reaction mixture does not exceed the release of 30,000 and preferably. for best results does not indicate more than 28,000 g-calories per g-mole phthalimide added, again assuming that the total amount of heat released is the total volume in cc of the reaction mixture multiplied by the temperature rise in C.
It was determined. that when pH adjustment is made in the manner described above, only a small amount, no more than about 20%. of the phthalimide or its equivalent as far as the sodium salt of isatoic anhydride or its equivalent has reacted. The pH adjustment is made accordingly. that the reaction is not stopped, but that most of the rearrangement is controlled.
In particular, the pH adjustment should only be made after essentially the phthalimide or its equivalent has reacted at least as far as the N-chlorophthalamic acid (N-chloro-o-carbamylbenzoic acid): the pH should be adjusted sufficiently high in order to maintain both the sodium salt and the disodium salt of N-chlorophihalamic acid, on the other hand the pH should be sufficiently low to convert essentially all of the sodium salt of isatoic anhydride in the reaction mixture to isatoic anhydride.
It should be pointed out. that the adjustment of the reaction mixture to a pH of approximately 6.9, as it is carried out according to the procedure described in Example 1, requires a few seconds; there is also a reaction. the 6600 g calories in about 20
Seconds in freedom, with about 1% -g-l'4-ol-
Amounts of compounds are implemented. at an extremely high speed. It was determined.
that the reaction can be controlled in a simpler manner by adding about 75% of the acid that is theoretically required to neutralize the sodium hydroxide or its equivalence in the reaction mixture, the addition taking place a little later during the reaction and essentially instantaneously . For example, practically the same or slightly improved results can be obtained when the procedure described in Example 1 is repeated, with the exception. that 75% of the theoretical sulfuric acid required to neutralize the sodium hydroxide in the reaction mixture is added 30 seconds after the sodium hypochlorite has been added, whereupon a further pH adjustment is made to keep the pH at approximately 6.9.
The experimental procedure described below was carried out in order to demonstrate the mechanism by which isatoic anhydride or its equivalent is produced by the process of the present invention.
Example 2
The procedure described in Example 1 is repeated with the exception that 30 seconds after the sodium hypochlorite addition, a 6.04 cc portion of 36.4N sulfuric acid was added to the reaction mixture essentially instantaneously, followed immediately by about 300 g of chopped ice . The beaker was then surrounded with crushed ice and the reaction mixture stirred vigorously to effect a rapid cooling to about OOC. A small amount of white precipitate was observed in the reaction mixture; this precipitate was identified as isatoic anhydride. The precipitate was separated from the mother liquor by filtration, washed, dried and weighed. Approximately 4 g was recovered. which corresponds to a little less than 10% of theory.
During the filtration of the isatoic anhydride, care was taken that the mother liquor did not warm up. The mother liquor was then allowed to warm to a temperature between 15 ° and 200 ° C., the sulfuric acid being added at periodic intervals to maintain a pH value of approximately 6.9.
Another precipitate formed over a period of 5 minutes. This precipitate, which was then identified as isatoic anhydride, was separated off by filtration and washed. dried and combined with the first precipitate. The combined isatoic anhydride fractions were then weighed; 45 g of isatoic anhydride had formed, which corresponds to theory for 93 seconds.
The procedure described in the preceding paragraph was repeated with the exception that the mother liquor was acidified to a pH of approximately 3 after the first fraction of isatoic anhydride had been filtered. A substantial amount of a precipitate formed which, after filtration, washing and drying, was identified as N-chlorophthalamic acid. Part of the N-chlorophthalamic acid was then mixed with water, whereupon the water was adjusted to a pH of about 6.9 at about 200 ° C. and kept at this value.
The N-chlorophthalamic acid dissolved, whereupon white isatoic anhydride precipitated.
From the above example 2 it can be seen that, as already stated above. the pH adjustment, which is carried out according to the process according to the invention, is therefore carried out in order to control most of a molecular rearrangement through which isatoic anhydride is ultimately formed, and not in order to stop the reaction. From the corresponding titration curves it was determined that both the mono- and disodium salts of N-chlorophthalamic acid exist in solution, specifically at pH values below the minimum at which sodium anhydride exists.
Since isatoic anhydride itself is essentially insoluble in water, the pH adjustment according to the invention, as discussed further above, causes a neutralization of the sodium anhydride which was formed before the pH adjustment, as well as precipitation of the isatoic anhydride formed; Maintaining the pH within such a range during the course of the reaction causes the isatoic anhydride subsequently formed to precipitate. This precipitation effectively prevents undesirable side reactions which occur if the pH value adjustment is not carried out or if the pH value is not kept within the stated range following the adjustment.
It has also been found that the disodium salt of N-chlorophthalamic acid undergoes molecular rearrangement to form the sodium salt of isatoic anhydride, but the monosodium salt of N-chlorophthalamic acid does not undergo such rearrangement. Therefore, the effectiveness of the present method depends on the hitherto unknown facts that the sodium salt of isatoic anhydride does not exist at pH values within the range given above, that the mono- and disodium salts of N-chlorophthalamic acid exist within such a range that the The disodium salt of N-chlorophthalamic acid undergoes a molecular rearrangement to the sodium salt of isatoic anhydride, at pH values within such a range,
and that in such a rearrangement each molecule of the disodium salt of N-chlorophthalamic acid releases a sodium cation which converts a molecule of the monosodium salt of N-chlorophthalamic acid into the disodium salt of this acid.
The recovery of isatoic anhydride or the like by the process according to the invention has been discussed with regard to an essentially adiabatic reaction. Such a reaction is preferred for a number of reasons, in particular because the course of the reaction can be followed by simple temperature measurements, so that the control can be carried out comparatively easily. However, if desired, the reaction mixture can neither be heated nor cooled throughout the course of the reaction. Since, as shown above, the extent to which sodium phthalimide or the like.
to sodium phthalamate or the like. should be kept to a minimum in order to obtain an optimal yield of an acid anhydride, and since elevated temperatures favor such hydrolysis, there is normally no reason to heat the solution, which is composed of phthalimide or a halogenated phthalimide, Sodium hydroxide or its equivalent and water is formed to act. In fact, a comparatively low temperature is advantageous, so that any heat transfer preferably takes place from the solution, although high temperatures can be tolerated.
Similarly, it would be assumed that a comparatively low temperature after the addition of the sodium hypochlorite or its equivalent would favor the progress of exothermic reactions, and that any heat transfer from the reaction mixture occurs, but comparatively high temperatures can be tolerated and heat did so if desired Reaction mixture can be allowed to act. provided that the reactions are stopped at an appropriate time determined as indicated above.
The following example shows the production of a chlorinated acid anhydride from the corresponding chlorophthalimide.
Example 3
79 cc of water at a temperature of 200 ° C. and 2.04 g of sodium hydroxide were placed in a 200 ml beaker. The water in the beaker was stirred using a propeller type stirrer during the rapid addition of a 9.07 g portion of the mixed monochlorophthalimide isomers and during the remainder of the manufacturing steps. The temperature of the reaction mixture was held at 20 ° C. for 2 minutes after the addition of the chlorophthalimide isomers was complete. A 50 cc portion of the sodium hypochlorite solution described in Example 1 was then added.
After 1160 g calories had been set free, which was evident from the fact that the reaction mixture reached a temperature of 290 ° C., a 40 cc portion of 9.76 N hydrochloric acid was added to bring the pH to 7.2 to bring and keep at this value; a crude chloroic anhydride of the formula
EMI6.1
was then collected by filtration of the resulting slurry. The crude anhydride was washed with water and dried in an oven at 50 to 60 ° C for 15 hours. A total of 10.08 g or 102% of theory was obtained. The material was slightly yellow-brown in color; its melting point (with decomposition) was found to be 160 - 1780C. The infrared absorption spectrum showed that it was chloroic acid anhydride.
The method described in Example 1 can be repeated, using appropriate amounts of a lithium, potassium or sodium carbonate, a lithium, potassium, magnesium or calcium hydroxide or a lithium, potassium, sodium, magnesium or calcium oxide or metallic Lithium, potassium, sodium or calcium can be used in place of the sodium hydroxide; Furthermore, corresponding amounts of a lithium, potassium, magnesium or calcium hypochlorite or of a lithium, potassium, sodium, magnesium or calcium hypobromite can be used instead of the sodium hypochlorite correspond.
It is therefore obvious that any compound which can react with phthalimide or a halogen derivative of this compound to produce a water-soluble salt can be used instead of sodium hydroxide, and that any metal hypohalite, preferably any hypochlorite, can be used instead of sodium hypochlorite to produce an acid anhydride according to the invention can be used.
A substantially equivalent amount of the compound which can react with the phthalimide or a halophthalimide should be used in the recovery of the water-soluble salt of that compound, i.
0.95 to 1.05 equivalents per mole of phthalimide or chlorophthalimide. Similarly, 0.9 to 1.08 equivalents of the metal hypohalite should be employed per mole of phthalimide or its equivalent. The function of sulfuric acid in the processes described above is merely to reduce the pH of the reaction mixture, with high yields of isatoic anhydride or its equivalent being achieved. The type of acid used does not matter, essentially the same results will be achieved using any acid provided the pH is adjusted and maintained within the range of 9.0 to 5.5.
Alkali hydroxides, especially sodium hydroxide, alkali hypochlorites, especially sodium hypochlorite, and sulfuric acid, which is used according to the procedure described in Example 1, are preferred starting materials because they are readily available and comparatively cheap.
Isatoic anhydride or any of its halogen derivatives as defined above can be prepared in accordance with the process of the present invention, either by continuous or batch processes. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made to the operation described above.
without departing from the scope of the present application.