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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Carboxylierung organischer Substrate, die mindestens ein aktives Wasserstoffatom enthalten, durch Reaktion mit CO2 und einem Alkaliphenolat in einem organischen Medium, dadurch gekennzeichnet, dass man die Reaktion in Gegenwart eines einfachen oder substituierten Alkaliphenolats in einem aprotischen Medium, das wenigstens teilweise ein Lösungsmittel für das Phenolat darstellt und bei dem es sich um einen cyclischen Äther, Ester, ein tertiäres aliphatisches cycloaliphatisches, heterocyclisches Amin, ein cyclisches Sulfon oder ein Gemisch dieser Lösungsmittel handelt, bei einer Temperatur von 40-60 C durchführt.
2. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Lösungsmittelmedium Tetrahydrofuran, Dioxan, Tetrahydropyran oder ein Gemisch davon verwendet.
3. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Lösungsmittelmedium Äthylacetat und/oder Propylencarbonat verwendet.
4. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Lösungsmittelmedium Triäthylamin, N-Methyl-morpholin, ein Picolin, ein Lutidin, 2-Methyl-5 äthyl-pyridin oder ein Gemisch davon verwendet.
5. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Lösungsmittelmedium Sulfolan verwendet.
6. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Alkaliphenolat ein Li-, Na- oder K-Salz eines Phenols der Formel
EMI1.1
worin der Rest R eine oder alle freien Positionen des Phenolrings besetzt und für Wasserstoff und/oder eine Alkylund/oder Alkoxygruppe, die linear oder verzweigt sein können, und die bis zu 20 C-Atome aufweisen, und/oder eine Phenylgruppe steht und M das Alkalimetall bedeutet, verwendet.
7. Verfahren gemäss Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man das Natrium-ortho-tert.-butylparacresolat verwendet.
8. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als organisches Ausgangssubstrat ein Keton, einen Ester, ein Nitroparaffin oder Nitril verwendet.
9. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Reaktion bei einer Temperatur von ungefähr 50 C durchführt.
10. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man für jedes Mol Substrat 14 Mol Phenolat verwendet.
11. Anwendung des Verfahrens gemäss Patentanspruch 1 unter Verwendung eines Alkaliphenolats, das aus dem entsprechenden Phenol und Alkalihydroxid unter azeotropem Entfernen des gebildeten Wassers durch das Lösungsmittel in situ hergestellt wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Carboxylierung organischer Substrate, die mindestens ein aktives Wasserstoffatom enthalten und zwar durch Reaktion mit einem Alkaliphenolat und CO2 in einem besonderen aprotischen organischen Medium mit Lösungsmittelwirkung.
Die hierdurch erhaltenen Produkte bieten wichtige Möglichkeiten zur Anwendung.
Abgesehen davon, dass die erhaltenen Produkte wertvolle Zwischenprodukte für organische Synthesen darstellen, können sie eine besondere Verwendung auf den Gebieten der Kosmetika, der Lösungsmittel für Celluloseacetat und -nitrat, der Harze, Lacke, Tinten, Lackfarben (Benzoylessigsäure), Zitronensäure (8-Ketoessigsäure) und dergleichen finden.
Es ist bekannt, organische Substrate mit aktiven Wasserstoffatomen mit CO2 zu carboxylieren, indem man Alkaliphenolate in einem dipolaren Lösungsmittel (N,N-Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Diglyme und dergl.) verwendet.
Die eben erwähnte Reaktion besitzt jedoch den Nachteil, dass das dipolare Lösungsmittel durch technisch aufwendige und mühsame Arbeitsgänge zurückgewonnen werden muss.
In wirtschaftlicher Hinsicht ist die Verwendung eines dipolaren Lösungsmittels darüber hinaus mit beträchtlichen Kosten verbunden.
Es ist bekannt, dieselbe Carboxylierung in suspendierenden organischen Kohlenwasserstoffmedien oder auch in Alkyl äthern, Nitrilen, Anisol und dergleichen, und zwar, wie gefunden wurde, vorteilhaft in Gegenwart von Phenolaten, die vorzugsweise in mindestens einer ortho-Position eine sterisch hindernde Gruppe enthalten, wie beispielsweise der tert.-Butylgruppe, durchzuführen.
Jedoch besitzt auch diese Arbeitsweise Nachteile hinsichtlich Ausbeute und Umwandlung, so dass sie im Hinblick auf ihre industrielle Anwendung nicht vollständig zufriedenstellend ist.
Es wurde nunmehr festgestellt, dass man die Carboxylierung bei im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich besseren Substratumwandlungen durchführen kann, indem man in einem aprotischen Lösungsmittel, das entweder Sauerstoff oder Stickstoff oder möglicherweise ein anderes Heteroatom enthält arbeitet.
Es wurde festgestellt, dass Verbesserungen insbesondere durch Verwendung von Lösungsmitteln erzielt werden können, die ein Atomverhältnis von C zu 0, das zwischen 1:1 und 5:1 liegt, bzw. von C zu N, das zwischen 3:1 und 10:1 liegt, aufweisen.
Die maximale Zahl der C-Atome im Molekül des Lösungsmittels kann bis zu 10 betragen.
Die in Betracht kommenden sauerstoffhaltigen Lösungsmittel gehören zur Gruppe linearer und cyclischer Ester (beispielsweise Äthylacetat, Propylencarbonat), cyclischer Äther (beispielsweise Tetrahydrofuran, Dioxan, Tetrahydropyran), cyclischer Sulfone (Sulfolan). Die stickstoffhaltigen Lösungsmittel gehören beispielsweise zur Klasse der tertiären Amine mit offener Struktur wie Triäthylamin) oder cyclischer gesättigter Struktur (N-Methylmorpholin) und heterocyclischer Struktur (Alkylpyridine, wie Picoline, 2-Methyl-5-äthylpyridin).
Ziel der Erfindung ist somit die Schaffung eines einfachen und in wirtschaftlicher Hinsicht günstigen Verfahrens zur Carboxylierung organischer Substrate, die aktiven Wasserstoff enthalten, und zwar durch Reaktion mit einem Alkaliphenolat und CO2, wobei des Verfahren frei von den Nachteilen des Standes der Technik ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Carboxylierung organischer Substrate, die mindestens ein aktives Wasserstoffatom enthalten, durch Reaktion mit einem Alkaliphenolat und Kohlendioxid in einem organischen Medium gelöst, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Reaktion in Gegenwart eines einfachen oder substituierten Alkaliphenolates in einem aprotischen Medium, das wenigstens teilweise ein Lösungsmittel für das Phenolat darstellt und das unter cyclischen Äthern, Estern, tertiären aliphatischen, cycloaliphatischen und heterocyclischen Aminen und cyclischen Sulfonen ausgewählt ist, bei einer Temperatur von 40-60" C durchführt.
Im Prinzip sind derartige Lösungsmittel durch eine gute
oder wenigstens einigermassen gute Löslichkeit für das verwendete Phenolat gekennzeichnet.
Solche Lösungsmittel sind cyclische Äther, vorzugsweise Tetrahydrofuran, Dioxan, Tetrahydropyran; Ester, vorzugsweise Äthylacetat und Propylencarbonat; tertiäre aliphatische Amine, vorzugsweise Triäthylamin; tertiäre cycloaliphatische Amine, vorzugsweise N-Methylmorpholin; tertiäre heterocyclische Amine, vorzugsweise Picoline, Lutidine und 2-Methyl-5pyridin; und cyclische Sulfone, vorzugsweise Sulfolan.
Für die Carboxylierung bevorzugt sind Alkaliphenolate (z. B. von Lithium, Natrium, Kalium etc.), die entweder einfach oder substituiert sind und die der nachfolgenden Formel entsprechen:
EMI2.1
worin R für Wasserstoff, eine lineare oder verzweigte Alkyloder Alkoxygruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen oder eine Phenylgruppe steht. Es können mehrere von H verschiedene Gruppen R vorliegen, die einander gleich oder voneinander verschieden sind, und zwar so viele, bis die freien Phenolpositionen erschöpft sind. M bedeutet ein Alkalimetall.
Man erhält noch bessere Ergebnisse durch Verwendung einfacher oder substituierter (Cresolate) oder sterisch gehinderter (ortho- und/oder meta-tert.-Butylphenolate und -cresolate, Dodecylphenolate) Phenolate, bis hin zum 2,6-Di-tert.butylparacresolat, in der angegebenen Reihenfolge.
Das Alkaliphenolat (z. B. von Lithium, Natrim, Kalium) kann im Falle von Lösungsmitteln, die mit Wasser eine azeotrope Mischung ergeben und mit diesem nicht mischbar sind, wie beispielsweise Methylpyridin, in loco aus dem entsprechenden Phenol und dem wässrigen Alkalihydroxid, hergestellt werden, indem man das H2O als azeotrope Mischung mit einem Überschuss des Lösungsmittels selbst entfernt. In anderen Fällen kann es nach azeotropen Methoden, beispielsweise unter Verwendung von Toluol, getrennt hergestellt und dann im trockenen Zustand zum Carboxylierungs-Lösungsmittel zugegeben werden. Hierbei handelt es sich im wesentlichen um bekannte Techniken.
Die caboxylierbaren organischen Substrate umfassen alle Verbindungen, die mindestens ein aktives Wasserstoffatom enthalten, beispielsweise Ketone, Ester, Nitroparaffine, Nitrile, wie Acetophenon, Aceton, Phenylacetonitril, Nitromethan, Methylphenylacetat, und dergleichen.
Die Reaktion kann unter im wesentlichen üblichen parametrischen Bedingungen durchgeführt werden.
Insbesondere verwendet man vorzugsweise 1 bis 4 Mol Alkaliphenolat pro Mol organisches Substrat.
Verwendet man ein 1 : 1-Molverhältnis zwischen Phenolat und dem zu carboxylierenden Substrat und arbeitet man bei Zimmertemperatur, so sind die Umwandlungen weniger hoch insofern als der grösste Teil des Substrats wiedergewonnen wird, obgleich die Selektivität jedoch noch immmer gross bleibt.
Man erhält bessere Umwandlungen, indem man das oben erwähnte Verhältnis und/oder die Temperatur erhöht.
Ein besonderer Aspekt dieser Carboxylierungstechnik ist die Durchführung bei einer Temperatur, die um 50 C herum liegt. Unter derartigen Bedingungen wird die Kolbe-Reaktion (Insertion der Carbonsäuregruppe in den Phenolatkern als solchen) im Gegensatz zu dem, was bei dipolaren aprotischen Lösungsmitteln geschieht, im Falle von unsubstituiertem Phenolat und Cresolaten auf ein Minimum herabgesetzt (weniger als 1 Gew. %, bezogen auf das verwendete Phenolat) und wird bei o-tert.-Butyl-p-cresolat, das noch eine verfügbare ortho-Position aufweist, praktisch auf Null herabgesetzt.
Die Reaktion wird abhängig vom Fall, bei einer Temperatur von 40-600 C, vorzugsweise jedoch bei ungefähr 50 C, durchgeführt.
Nach einer typischen Ausführungsform wird die Reaktion wie folgt durchgeführt:
Zur Lösung des Phenolats im Lösungsmittel, das zuvor mit Kohlendioxid gesättigt wurde, gibt man unter Rühren bei ungefähr 50 C das zu carboxylierende Substrat in variierendem Verhältnis von 1 bis 4 Mol Phenolat pro Mol vorgegebenes Substrat. Man hält die Mischung bei der angegebenen Temperatur in einer CO2-Atmosphäre, bis die Reaktion beendet ist.
Dann kann das Produkt nach bekannten Techniken isoliert und gereinigt werden. Im Falle der Verwendung von Aceton gibt man beispielsweise unter heftigem Rühren eine Menge H2O zu, die bezüglich des zugegebenen Phenolats äquimolar ist. Die Alkalisalze der gebildeten Acetessigsäure und 3-Ketoglutarsäure fallen zusammen mit dem von Phenolatüberschuss herrührenden Natriumbicarbonat in kristalliner Form aus und werden mühelos filtriert und gewaschen.
Die Säure kann aus dem Salz nach bekannten Techniken, beispielsweise durch Ansäuern mit einer Mineralsäure, gefolgt von Extraktion mit Äthyläther, befreit werden.
Im Falle anderer Substrate verdünnt man beispielsweise die Reaktionsmischung mit einem gleichen Volumen H2O in Gegenwart von CO2, anschliessend extrahiert man das Phenol, das Lösungsmittel und das unumgesetzte Substrat mit Äther, während man die wässrige Phase ansäuert und die Säure durch weitere Extraktion mit Äther gewinnt.
Aufgrund der milden Betriebsbedingungen weist das beschriebene Verfahren spezifische Vorteile auf, die wie folgt zusammengestellt werden können: a) hinsichtlich der Verwendung der Kohlenwasserstoffreak tionsmedien des Standes der Technik: - wesentlich höhere Umwandlungen und Selektivität; - grössere Löslichkeiten der Reaktionsteilnehmer und so mit geringere Reaktionsvolumina; - Abwesenheit von Kondensationsnebenprodukten des
Substrats (beispielsweise Mesityloxid im Falle von Ace ton); - Möglichkeit einer Verwendung von Phenolaten mit ge ringeren Kosten im Vergleich zu gehinderten Phenola ten;
b) hinsichtlich der Verwendung dipolarer aprotischer Lö sungsmittel: - höhere Umwandlungen und Selektivität; - grössere Stabilität des Lösungsmittels, wodurch seine
Wiedergewinnung durch technisch weniger aufwendige
Arbeitsgänge möglich wird; - im allgemeinen geringere Kosten für die Lösungsmittel; - geringere Bildung oder gänzliche Abwesenheit von Ne benprodukten der Carboxylierung des Phenolats.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele, die lediglich zur Erläuterung dienen, detaillierter beschrieben.
In den in der Tabelle I aufgeführten Beispielen finden sich einige Abkürzungen, die wie folgt zu deuten sind:
THF - Tetrahydrofuran;
MEP - 2-Methyl-5-äthylpyridin.
Mit dem Begriff Umwandlung des Substrats in Säure % ist der molare prozentuale Anteil des in die entsprechende Säure umgewandelten Substrats gemeint. So erhält man aus Acetophenon die Benzoylessigsäure, aus Aceton die Acetessigsäure (Monocarboxylat) oder die 3-Ketoglutarsäure (Bicarboxylat), aus Phenylacetonitril erhält man das Halbnitril der Phenylmalonsäure und aus Methylphenylacetat erhält man den Halbester der Phenylmalonsäure.
Die Vergleichsversuche a-e dienen zu Vergleichszwecken, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber der bekannten Reaktionstechnik in suspendierenden Medien aufzuzeigen.
Die Beispiele und Vergleichsversuche wurden nach dem folgenden allgemeinen Schema durchgeführt:
Zu der Natriumphenolatlösung im gewählten und zuvor mit Kohlendioxid gesättigten Lösungsmittel gibt man unter Rühren bei der vorgegebenen Temperatur das zu carboxylierende Substrat in den festgelegten Anteilen. Diese Reaktionsmischung wird dann in einer Kohlendioxidatmosphäre gerührt, bis die Reaktion beendet ist. An diesem Punkt gibt man im Falle von Aceton unter heftigem Rühren eine Menge von H2O zu, die bezüglich des Ausgangsphenolats äquimolar ist.
Die Natriumsalze der gebildeten Acetessigsäure und 3-Ketoglutarsäure fallen zusammen mit dem vom Überschuss des Phenolats herrührenden Natriumbicarbonat in kristalliner Form aus und werden dann filtriert und mit einem Lösungsmittel (Benzol, Petroläther, Chloroform) gewaschen.
Dann setzt man nach bekannten Methoden durch Ansäuern mit verdünnter Schwefelsäure, gefolgt von Extraktion mit Äthyläther, die Säure aus dem Salz frei.
Im Falle der anderen Substrate wird die Reaktionsmischung mit einem gleichen Volumen an H2O in Gegenwart von CO2 verdünnt, das Phenol, das Lösungsmittel und das unumgesetzte Substrat werden kann mit Äther extrahiert, die wässrige Phase angesäuert und die Säure wird durch weiteres Extrahieren mit Äther gewonnen.
Die Beispiele und Vergleichsversuche sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst Bei- Substrat Lösungsmittel Phenol- Temp. molares Konz. Zeit Umwand- Umwand- Umwandspiel verbindung C Verhältnis Phe- h lung in lung in lung in Nr. (Natriumsalz) Phenolats nolat Dicarbon- Mono- Säure
Substrat säure carbonsäure Mol%
Mol% Mol%
1 Acetophenon THF 2-tert.-Butyl- 25 1:1 2n 3 46 phenol
2 Acetophenon THF 2-tert.-Butyl- 25 4:1 2n 3 92 phenol
3 Acetophenon THF 2-tert.-Butyl- 50 1:1 2n 3 47,6 phenol
4 Acetophenon THF 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 97 phenol
5 Acetophenon THF Phenol 25 1:1 2n 3 23,2 6 Acetophenon THF Phenol¯ --- 25 4:1 2n 3 32
7 Acetophenon THF Phenol 50 1:1 2n 3 30,5
8 Acetophenon THF Phenol 50 4:1 2n 3 89
9 Acetophenon THlF m-Cresol 50 1:
:1 2n 3 35,9 10 Acetophenon TlIF O-Hydroxy- 50 4:1 2n 3 12 anisol 11 Acetophenon 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 83 carbonat phenol 12 Acetophenon Triäthyl- 2-tert.-Butyl- 50 4.1 2n 3 94,5 amin phenol 13 Acetophenon N-Methyl- 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 84 morpholin phenol 14 Acetophenon Sulfolan 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 91 phenol 15 Aceton THF 2-tert.-Butyl- 25 4:1 2n 3 46 31,8 phenol 16 Aceton TllF 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 83,7 16,3 phenol 17 Aceton* THF Phenol 50 4:1 2n 3 47,9 10,2 18 Aceton THF 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 86,7 13 p-cresol 19 Aceton Dioxan 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 78 10 phenol 20 Aceton Äthylacetat 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 77,6 18 phenol 21 Aceton Äthylacetat 2-tert.-Butyl- 50 4:
:1 2n 3 79,8 14,9 p-cresol 22 Aceton ss-Picolin Phenol 50 4:1 2n 3 76,4 14,7 23 Aceton ss-Picolin 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 85,5 14,2 phenol 24 Aceton ss-Picolin m-Cresol 50 4:1 2n 3 66 13,7 25 Aceton MEP Phenol 50 4:1 2n 3 60,5 13,7 26 Aceton MEP o-Cresol 50 4:1 2n 3 69 19,4 27 Aceton MEP 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 83,8 15,4 phenol 28 Aceton MEP 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 82,2 17,6 p-cresol Bei- Substrat Lösungsmittel Phenol- Temp. molares Konz.
Zeit Umwand- Umwand- Umwandspiel verbindung C Verhältnis Phe- h lung in lung in lung in Nr. (Natriumsalz) Phenolat/ nolat Dicarbon- Mono- Säure
Substrat säure carbonsäure Mol % Mol% Mol% 29 Aceton MEP m-Cresol 50 4:1 2n 3 65,5 15,0 30 Aceton MEP p-Cresol 50 4:1 2n 3 62,5 14,9 31 Phenyl- THF 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 99 acetonitril phenol 32 Phenyl- THF Phenol 50 4:1 2n 3 42,9 acetonitril 33 Methyl- THF 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 66,5 phenylacetat phenol 34 Methyl- TIlF Phenol 50 4:1 2n 3 21,4 phenylacetat 35 Nitromethan THF 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 52 p-cresol Vergleichsversuche a Aceton Acetonitril 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 27,4 3,8 phenol b Aceton Nitrobenzol 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 30,1 4,2 phenol c Aceton Diiso- 2-tert.-Butyl- 50 4:
:1 2n 3 32,9 4,6 propyläther phenol d Aceton Anisol 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 26 3,6 phenol e Aceton Diphenyl- 2-tert.-Butyl- 50 4:1 2n 3 21,9 3,1 äther phenol 17* = Salicylsäure/Phenol 0,004% 25* = Salicylsäure/Phenol 0,15%