Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung N,N,N',N'-tetrasubstituierter Harnstoffe der allgemeinen Formel
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worin R1 bis R4 je einen Alkylrest bedeutet, wobei R1 und R2 bzw. R3 und R4 zusammen mit dem Stickstoffatom, an welches sie gebunden sind, einen heterocyclischen Ring bilden können, der gegebenenfalls weitere Heteroatome, wie z. B. Sauerstoff-, Schwefel- oder Stickstoffatome enthält.
Die Alkylreste R1 bis R4 können eine niedrigere oder eine höhere Anzahl an Kohlenstoffatomen aufweisen, sie können geradkettig oder verzweigt sein. Sie können ferner auch Arylreste enthalten, wie z. B. einen Benzylrest. Von Interesse sind vor allem solche Verbindungen der Formel (1), in denen R1 bis R4 Alkylreste mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen sind. Sofern R1 und R2 bzw. R3 und R4 mit dem Stickstoffatom, an welches sie gebunden sind, einen heterocyclischen Ring bilden, sind Verbindungen der Formel
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oder gemischte Harnstoffe der Formel
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35 bevorzugt, worin n und m positive ganze Zahlen von 2 bis 6 sind und R3 und R4 je einen Alkylrest bedeuten. Verbindungen der Formeln (2) und (3) können z. B. Aziridin-, Pyrrolidin-, Piperidin- oder Hexamethyleniminreste an die Carbonylbrücke gebunden enthalten. Wenn der von R1 und R2 bzw.
R3 und R4 mit dem Stickstoffatom, an welches sie gebunden sind, gebildete heterocyclische Ring ausser dem Stickstoffatom ein weiteres Heteroatom enthält, kommen vorwiegend Verbindungen der Formeln
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in Betracht, worin X und X' je ein Sauerstoff- oder Schwefelatom oder eine -NR-Gruppe ist, wobei R ein Wasserstoffatom oder ein Alkylrest ist, R3 und R4 die oben angegebene Bedeutung haben und n, m, p und q positive ganze Zahlen darstellen, die klein sind, wobei vorzugsweise n und m bzw.
p und q einander gleich sind. Als wichtige Verbindungen der Formeln (4) bis (6) seien solche genannt, die einen 5- oder 6gliedrigen heterocyclischen Rest mit einem oder zwei Heteroatomen enthalten, insbesondere einen Rest der Formel
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worin X die oben angegebene Bedeutung hat. Als Beispiel für einen Rest der Formel (7) sei der Morpholinorest genannt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen tetrasubstituierten Harnstoffe.
Die tetrasubstituierten Harnstoffe können nach verschiedenen Methoden hergestellt werden.
Die allgemein verwendete Methode ist die Umsetzung von N,N-disubstituierten Carbaminsäurehalogeniden mit sekundären Aminen, die nach der Gleichung
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verläuft. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass 2 Mole Amin für die Herstellung von 1 Mol Harnstoff benötigt werden, dass die starke Wärmetönung der Reaktion technisch schwer zu beherrschen ist und dass sich u. U. die Abtrennung des entstandenen Harnstoffs von den gebildeten Salzen schwierig gestaltet. Andere bekannte Methoden haben ebenfalls Nachteile, wie z. B. die Bildung lästiger Nebenprodukte oder einen unerwünschten Aufwand an zusätzlichen und eventuell teuren Reaktionspartnern.
Es wurde nun gefunden, dass man tetrasubstituierte Harnstoffe nach einem Verfahren herstellen kann, welches die Nachteile der bekannten Methoden nicht aufweist. Dieses Verfahren stellt eine Weiterentwicklung eines von uns gefundenen Verfahrens zur Herstellung von N,N-disubstituierten Carbaminsäurehalogeniden dar.
Das Verfahren besteht darin, dass man ein N,N-disubstituiertes Carbaminsäurehalogenid, insbesondere -chlorid der Formel
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mit einem sekundären Amin der Formel
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und Alkali, insbesondere Natriumhydroxyd, in konzentrierter wässeriger Lösung oder in dem herzustellenden tetrasubstituierten Harnstoff als Lösungsmittel bei niedrigen Temperaturen, vorzugsweise zwischen etwa -20 und + 20 C und bei einem pH-Wert zwischen etwa 9 und 11,5, vorzugsweise zwischen 10 und 11, umsetzt.
Die Reaktion verläuft nach der Bruttogleichung (R,R2)NCOCI+ (R3R4)NH +NaOHe- (R1R2)NCON(R3R4) + NaCl + fI20; so dass pro Mol Carbaminsäurechlorid 1 Mol Harnstoff erhal ten wird. Als Nebenprodukte entstehen Wasser und Kochsalz.
Die Umsetzung erfolgt in einem Arbeitsgang und vorzugs weise kontinuierlich. Sie wird wegen der starken Wärmetö nung in einem Reaktionsgefäss àusgeführt, das einen guten
Wärmeaustausch ermöglicht. Im Anschluss an die Umsetzung wird das in der Reaktionslösung enthaltene Wasser konti nuierlich abdestilliert, und der gebildete tetrasubstituierte
Harnstoff wird vom ausgeschiedenen Natriumchlorid abfil triert. Das erhaltene Produkt ist das nahezu reine Harnstoff derivat.
Als Ausgangsstoffe kommen für das erfindungsgemässe
Verfahren z. B. folgende in Betracht.
N,N-disubstituierte Carbaminsäurechloride:
N,N-Dimethylcarbaminsäurechlorid, N,N-Diäthylcarbaminsäurechlorid,
N,N-Dibutylcarbaminsäurechlorid.
N,N-Diisobutylcarbaminsäurechlorid,
N,N-Diisoamylcarbaminsäurechlorid,
N,N-Diisoheptylcarbaminsäurechlorid,
Pyrrolidinocarbaminsäurechlorid,
Piperidinocarbaminsäurechlorid,
Morpholinocarbaminsäurechlorid, N,N-Dibenzylcarbaminsäurechlorid,
N-Methyl-N-äthylcarbaminsäurechlorid, N-Methyl-N-cyclohexylcarbaminsäurechlorid.
Sekundäre Amine:
Dimethylamin, Diäthylamin, Dibutylamin, Diisobutylamin,
Methyl-äthylamin, Diisoamylamin, Diisoheptylamin, Pyrroli din, Piperidin, Morpholin, Dibenzylamin u. a.
Statt der oben genannten Chloride können auch andere
Halogenide N,N-disubstituierter Carbaminsäuren verwendet werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann vorteilhaft mit dem bereits erwähnten neuen Verfahren zur Herstellung von
N,N-disubstituierten Carbaminsäurehalogeniden verknüpft werden.
Nach diesem Verfahren werden N,N-disubstituierte Carb aminsäurechloride der Formel
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in sehr guter Ausbeute erhalten, wenn man ein sekundäres
Amin der Formel (R1R2)NH mit Phosgen in hochsiedenden
Lösungsmitteln oder vorzugsweise in dem herzustellenden
Carbaminsäurechlorid selbst als Lösungsmittel bei erhöhter
Temperatur (etwa zwischen 60 und 1600 C), vorzugsweise bei 80 bis 95" C umsetzt. Das Amin und das Phosgen werden vorteilhaft gleichzeitig und kontinuierlich zusammengegeben, wobei das Phosgen in einem durch technisch-apparative Fak toren bedingten Überschuss von 5 bis 10% vorhanden sein soll. Das Verfahren wird vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt.
Die Reaktion erfolgt in einem Reaktionsgefäss mit Rührer, in welchem sich ein Lösungsmittel, oder vorzugsweise das gewünschte Carbaminsäurechlorid von einem früheren Ansatz als Lösungsmittel befindet. Bei gleichzeitigem Zulauf des Amins und Einleiten von Phosgen läuft die Reaktion bei entsprechender Temperatur selbsttätig ab. Das gebildete Carbaminsäurechlorid wird kontinuierlich in ein zweites Gefäss abgelassen. Durch Einleiten trockener Luft in dieses wird der entstandene Chlorwasserstoff und überschüssiges Phosgen entfernt. Das erhaltene Rohprodukt ist genügend rein, so dass es für die Umsetzung mit einem sekundären Amin zu tetrasubstituiertem Harnstoff ohne weitere Aufarbeitung verwendet werden kann.
Das in der beschriebenen Weise kontinuierlich anfallende N,N-disubstituierte Carbaminsäurechlorid kann nun, ebenfalls kontinuierlich, einem anderen Reaktionsgefäss zugeführt werden, in welches gleichzeitig das sekundäre Amin und die benötigte Menge Natronlauge eingeleitet werden. Durch die Zugabe der Natronlauge wird der pH-Wert der Reaktionslösung auf dem erforderlichen Wert gehalten, und eine kräftige Kühlung sorgt dafür, dass die Reaktionstemperatur 20 C nicht überschreitet. Diesem Reaktionsgefäss kann kontinuierlich eine Lösung entnommen werden, die aus dem gewünschten tetrasubstituierten Harnstoff, Kochsalz und Wasser besteht. Das Wasser kann - wie bereits erwähnt - unter Normaldruck abdestilliert werden, und das ausgeschiedene Kochsalz kann vom Filtrat, das aus praktisch reinem tetrasubstituiertem Harnstoff besteht, durch Filtration abgetrennt werden.
Die erfindungsgemässen tetrasubstituierten Harnstoffe spielen in der präparativen organischen Chemie eine Rolle als Reaktionspartner, z. B. als Chlorierungskatalysator, und insbesondere als Lösungsmittel bei verschiedenen Reaktionen (s. a. Angew. Chemie, 75, 1059 [1963]). Ihre Anwendbarkeit in der Technik war jedoch aufgrund der bisher bekannten umständlichen und teuren Herstellungsverfahren begrenzt.
Das vorliegende Verfahren macht solche Harnstoffverbindungen nunmehr leicht zugänglich und gestattet somit deren vorteilhafte Eigenschaften auch für technische Prozesse auszunutzen.
In den nachfolgenden Beispielen bedeuten die Teile, wenn nichts anderes angegeben ist, Gewichtsteile, die Prozente Gewichtsprozente, und die Temperaturen sind in Celsiusgraden angegeben.
Beispiel 1
Tetramethylharnstoff
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In einem Reaktionsgefäss mit 350 ml Nutzinhalt werden 350 Teile (etwa 300 ml) Dimethylcarbaminsäurechlorid vorgelegt und bei 85 bis 95" unter Rühren gleichzeitig und regelmässig pro Stunde 60 Teile Dimethylamingas und 140 Teile Phosgen unter Niveau eingeleitet. Das entstandene Dimethylcarbaminsäurechlorid fliesst kontinuierlich in das zweite Reaktionsgefäss ab, in das gleichzeitig pro Stunde weitere 63 Teile Dimethylamingas gleichmässig eingeleitet werden.
Durch gleichzeitige Zugabe von etwa 54 Teilen Natronlauge (100%, als etwa 40 %ige Lösung) pro Stunde wird der pH-Wert im zweiten Reaktionsgefäss bei 10,5 bis 11,5 und durch kräftige Kühlung die Reaktionstemperatur unter 200 gehalten.
Durch den Auslauf des zweiten Reaktionsgefässes fliessen pro Stunde etwa 310 Teile einer Lösung folgender Zusammen setzung ab: etwa 47 % Tetramethylharnstoff, etwa 27 % Wasser, etwa 26% Kochsalz.
Von dieser Lösung wird das Wasser bei Normaldruck abdestilliert und das auskristallisierte Kochsalz abfiltriert. Das Filtrat ist praktisch reiner Tetramethylharnstoff, der mit einem Gehalt von über 99 zu und Ausbeute von über 93% (auf einge- setztes Dimethylamin bezogen) anfällt. Kpio = 620; nD20 = 1,4500.
Werden die 63 Teile Dimethylamingas, die in das zweite Reaktionsgefäss eingeleitet werden durch
102 Teile Diäthylamin,
100 Teile Pyrrolidin oder
122 Teile Morpholin ersetzt, so entstehen folgende unsymmetrische tetrasubstituierte Harnstoffe:
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<tb> Beispiel <SEP> Amin <SEP> zugegeben <SEP> Produkt <SEP> Siedepunkt
<tb> <SEP> im <SEP> zweiten
<tb> <SEP> Reaktionsgefäss
<tb> <SEP> 0
<tb> <SEP> /C <SEP> 2H5 <SEP> H3%01/C2H5
<tb> Beispiel <SEP> 2 <SEP> Nil <SEP> 1! N <SEP> Kp12=74-750
<tb> <SEP> 2 <SEP> 5 <SEP> H2C/ <SEP> XC2H5
<tb> <SEP> H3C\¯¯()
<tb> <SEP> Beispiel <SEP> 3 <SEP> flN <SEP> il <SEP> 0/ <SEP> Kr0,02=55
<tb> <SEP> 3
<tb> <SEP> 0
<tb> <SEP> /-7 <SEP> H?C <SEP> II
<tb> <SEP> Beispiel <SEP> 4 <SEP> HN <SEP> O <SEP> WC-N <SEP> O <SEP> Kp8= <SEP> 113 <SEP>
<tb> <SEP> / <SEP> ,
<SEP> v <SEP> /
<tb> <SEP> 3
<tb>
Beispiel 5
Tetraäthylharnstoff
Werden in Beispiel 1 statt 100 Teile Dimethylamin 162 Teile Diäthylamin eingesetzt, so entsteht Tetraäthylharnstoff
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mit einem Siedepunkt von Kp12 = 94 bis 950; Ausbeute 959 der Theorie.
Beispiel 6
Di-piperidyl-harnstoff
Werden in Beispiel 1 statt 100 Teile Dimethylamin 189 Teile Piperidin eingesetzt, so entsteht Di-piperidyl-harnstoff
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mit einem Siedepunkt von Kp13 = 152 bis 154 ; Schmelz- punkt: 42 bis 43".
Beispiel 7
Dimorpholinoharnstoff
Werden in Beispiel 1 statt 100 Teile Dimethylamin 193 Teile Morpholin eingesetzt, so entsteht Dimorpholinoharn
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Die Aufarbeitung dieses Produktes ist wegen des relativ hohen Schmelzpunktes von Beispiel 1 verschieden.
Das Wasser und salzhaltiges Reaktionsgemisch wird mit Toluol mehrmals extrahiert und die toluolischen Lösungen eingeengt. Der Dimorpholinoharnstoff kristallisiert aus dem Toluol. Schmelzpunkt: 140 bis 142".
Beispiel 8
N,N-Dimethyl-N' ,N'-dibenzyl-harnstoff
Werden in Beispiel 1 die 63 Teile Dimethylamin, die in das zweite Reaktionsgefäss eingeleitet werden, durch 276 Teile Dibenzylamin ersetzt, so entsteht der folgende unsymmetrische Harnstoff
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mit einem Siedepunkt Ko,03 = 162 bis 165".