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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung von 1,2,4-Triazol durch die Reaktion von Hydrazin, Ameisensäure sowie Formamid und/oder Ammoniak, dadurch gekennzeichnet, dass Hydrazin und Ameisensäure oder deren wässrige Lösungen im Molverhältnis von 1: max. 3, wobei die Molzahl von Ameisensäure immer grösser als 0 ist, in Gegenwart von Formamid und/oder Ammoniak mit, auf Hydrazin berechnet, 1 bis 2 Mol Formamid und/oder Ammoniak bei einer Temperatur von 140 bis 220"C umgesetzt werden und das 1,2,4 Triazol abgetrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Überschuss angewendeten Reagenzien rezirkuliert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem wasserfreien oder wässrigen Gemisch von Ammoniak und Ameisensäure Hydrazin oder das wässrige oder wasserfreie Gemisch von Hydrazin und Ameisensäure oder Hydrazin, Ameisensäure und Ammoniak zugesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Formamid, gegebenenfalls in Gegenwart von Ammoniak, das wässrige oder wasserfreie Gemisch von Hydrazin und Ameisensäure oder Hydrazin, Ameisensäure und Formamid zugesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reagenzien der Schmelze oder Lösung von 1,2,4-Triazol zugesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Reaktion entstehende Ammoniak teilweise oder ganz in den Prozess zurückgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das entstehende Wasser-Formamid-Gemisch getrennt und das wasserfreie Formamid gegebenenfalls in den Prozess zurückgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die entstehenden Dämpfe auf 110 bis 140"C gekühlt werden und das Kondensat in das Reaktionsgemisch zurückgeführt wird.
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von 1,2,4-Triazol durch die Reaktion von Hydrazin, Ameisensäure sowie Formamid vmd/oder Ammoniak.
Das 1,2,4-Triazol wird hauptsächlich in der Pflanzenschutzmittelindustrie und in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt.
Zur Herstellung von 1,2,4-Triazol sind mehrere Verfahren bekannt. Darunter werden nur die Verfahren vorgestellt, die der vorliegenden Erfindung am nächsten stehen.
Nach der luxemburgischen Patentschrift Nr. 61 617 kann das 1,2,4-Triazol durch die Reaktion von 1 Mol Hydrazin und 3 Mol Formamid, in einem Temperaturbereich von
90 bis 260"C nach den Gleichungen 1 und 2 herstellt werden.
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Der Nachteil dieses Verfahrens ist der hohe Formamidbedarf, gleichzeitig geht ein grosser Teil des Ammoniakgehalts von Formamid als Abfall verloren, und deshalb kann dieses Verfahren in der Industrie nicht wirtschaftlich durchgeführt werden.
Ein ebenfalls von diesen beiden Reagenzien und Ammoniak ausgehendes Verfahren stellt die deutsche Patentschrift Nur.2802491 vor, wonach die Reaktion bei einer Temperatur von 100-2500C, vorteilhaft bei 110-220"C, in einem 3- oder 4-teiligen, in Reihe geschalteten Apparat durchgeführt wird, wobei Gase, Dämpfe bei unterschiedlichen Temperaturen kondensiert werden, und die Kondensate sowie die Gase und Dämpfe in den einen oder den anderen Teil des Apparates zurückgeleitet werden. Bei diesem Verfahren werden statt 3 Mol Formamid (3-n) Mol Formamid verwendet, wobei 0,3 Q n 9 1, d.h. das Formamid teilweise durch Ammoniak ersetzt wird (Gleichung 3).
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Das Verfahren ist wegen der Sicherung des Gleichgewichts des mehrteiligen Kaskadensystems, dem Kühlen der gas- und dampfförmigen Produkte auf unterschiedliche Temperaturen und der Verteilung der Kondensate sowie der Gase kompliziert, gleichzeitig ist das Senken der verwendeten Menge von Formamid nicht bedeutend.
Zum Triazolring kann man auch über Diformylhydrazin gelangen C. Ainsworth und R. B. Jones: J.Am. Chem. Soc.
1955. 77, p. 621-24]. Aus Ameisensäure und Hydrazin wurde nach Gleichung (4) durch 12stündiges Erwärmen bei 100"C Diformylhydrazin mit einer Ausbeute von nur 60% hergestellt.
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Diformylhydrazin kann auch aus Hydrazin und Formamid bei 100"C in 2 Stunden hergestellt werden, die Ausbeute beträgt aber auch so nur 80% (siehe Gleichung 1).
Der Ringschluss von Diformylhydrazin zu 1,2,4-Triazol wurde mit Ammoniak nach Gleichung (5) durchgeführt, und zwar mit flüssigem Ammoniak, wobei durch 24stündiges Erwärmen unter Druck bei 200"C 1,2,4-Triazol mit einer Ausbeute von 70-80% hergestellt wird.
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Die Gesamtausbeute auf Hydrazin berechnet blieb in beiden Fällen unter 60%. Das Verfahren ist schwerfällig, kompliziert und unwirtschaftlich.
Für den Ringschluss von Diformylhydrazin wird also Formamid oder Ammoniak bzw. Formamid und Ammoniak verwendet (siehe Gleichungen 2 und 3). Neben den Hauptreaktionen laufen aber auch zahlreiche Nebenreaktionen ab, z.B. gemäss Gleichungen 6, 7 und 8 [A. Etienne, A.: Traite de chimie organique (V. Grignara et al. editor) 21, 898 Masson, Paris 1953; A. Hetzheim und K. Möckel: Advan.
Heterocyclic Chem. 7, 183-224 (1966); G. H. Schwab: Z. anorg. allg. Chem. 262, 41-8 (1950)].
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EMI2.1
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah
ren auszuarbeiten, mit dem einfacher und billiger als bisher 1,2,4-Triazol hergestellt werden kann.
Bei der Untersuchung der Reaktion von Hydrazin, Ameisensäure und Formamid oder Ammoniak gelangten wir zu der überraschenden Erkenntnis, dass unter bestimmten Bedingungen das mit Hydrazin gebildete Salz der Ameisensäure, also das Hydrazin-formiat oder auch das Hydrazin selbst mit Ameisensäure und Formamid oder Ammoniak zum Ringschluss fähig ist, ohne dass vorher Diformylhydrazin hergestellt würde. Diese überraschende Beobachtung war bisher unbekannt und auch unerwartet. Die Reaktion von Hydrazin, Ameisensäure sowie Formamid und/oder Ammoniak führt mit hoher Geschwindigkeit und sehr guter Ausbeute zur Bildung von 1,2,4-Triazol, ohne dass durch die in Gleichungen 6 und 7 beschriebenen Nebenreaktionen 4-Amino- 1,2,4-Triazol bzw. 1 ,3,4-Oxadiazol-Verunreinigun- gen entstünden.
Die Brutto-Reaktionsgleichung 9 beschreibt den erfindungsgemässen Prozess.
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0 < mA3
0 < n < 1 1 64 (m + n) < 4
Die schnelle und vollständige Reaktion von Hydrazin, Ameisensäure sowie Formamid und/oder Ammoniak kann so erreicht werden, dass das Hydrazin oder das Hydrazin und die Ameisensäure bei etwa 1800C mit Formamid bzw.
mit dem Gemisch von Ammoniak und Ameisensäure umgesetzt wird (werden), wobei es vorteilhaft ist, wenn das Reaktionsgemisch mit Ammoniak gesättig ist. Das kann durch das Einführen von Ammoniakgas in das Reaktionsgemisch oder auch so erreicht werden, dass die Lösung von Hydrazin oder Hydrazinformiat im Wasser, Formamid oder einem Gemisch von Wasser und Formamid mit Ammoniakgas gesättigt oder mit einer Ammoniaklösung vermischt wird.
Durch Ammoniak kann die in der Reaktion verwendete Formamidmenge gesenkt oder vollständig ersetzt werden.
Die Bildung von 1,2,4-Triazol erfolgt unter solchen Bedingungen so schnell, dass die Geschwindigkeit der Wärmeiibertragung das Tempo der Zuführung bestimmt. Wichtig ist, dass die Temperatur des Reaktionsgemisches nicht unter 140"C sinkt und 220"C nicht überschreitet, weil in ersterem Fall die Reaktion verlangsamt wird, im letzteren Fall hingegen der Destillationsverlust bedeutend wird. Nachdem Hydrazinformiat oder Hydrazin dem Formamid oder dem Gemisch von Ameisensäure und Ammoniak zugesetzt wurden, wird das Gemisch noch 10 Minuten bei 1800C gehalten, dann abgekühlt, wobei sich das gebildete 1 ,2,4-Triazol in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und dem Verhältnis der angewendeten Reagenzien grösstenteils herauskristallisiert oder aber das Reaktionsgemisch fest wird.
Die Ausbeute beträgt in beiden Fällen 95%.
Bei der Durchführung der Reaktion beträgt das Molverhältnis von Hydrazin: Ameisensäure vorzugsweise 1 : 1-3, die Menge des angewendeten Formamids und/oder Ammoniaks, auf 1 Mol Hydrazin bezogen, 1-2 Mol.
Bei der Reaktion muss darauf geachtet werden, dass der entweichende Wasserdampf nach dem Kondensieren nicht wieder in das System zurückgelangen kann.
Das Reaktionsprodukt ist eine reine, farblose, homogene Flüssigkeit, wovon sich beim Abkühlen das gebildete 1,2,4-Triazol als weisse kristalline Substanz abscheidet oder aber das Ganze zu einer weissen kristallinen Masse erstarrt.
Die Bildungsreaktion von 1,2,4-Triazol dauert in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und dem Molverhältnis der Reagenzien und von der Temperatur im allgemeinen 5 bis 60 Minuten. Die Reaktionstemperatur beträgt 1 40-2200C, vorteihaft liegt sie um 180"C.
Die Reaktion kann auch so durchgeführt werden, dass das Formamid im Überschuss angewendet wird. Das hat eine doppelte Funktion, einerseits ist es ein Lösungsmittel und steigert die Löslichkeit von Ammoniak, andererseits sichert es, dass bei der Zuführung eine geringe Menge Hydrazin oder Hydrazinformiat immer mit einem grossen Überschuss an Formamid in Berührung kommen kann. In die sem Fall bleiben etwa 6 Gew.. % 1,2,4-Triazol im Form- amidüberschuss gelöst nach der Filtration des kristallinen Produkts. Das Filtrat wird durch Zurückführung in die Reaktion genutzt.
Bei der Reaktion kann die Rückgewinnung des mit Wasser überdestillierenden Formamids mit einer - mit dem Reaktionsgefäss verbundenen - Destillationssäule gleichzeitig mit der Reaktion oder von Fall zu Fall nach der Akkumulation erfolgen, und so kann das rückgewonnene Formamid erneut verwendet werden.
Falls für die Reaktion Hydrazin, Ameisensäure und Ammoniak verwendet werden, kann die Reaktion auch so durchgeführt werden, dass einer Amonium-Formiat-Lösung bei 180"C das Gemisch von Hydrazin-Formiat und Ammoniak zugesetzt wird. Dabei wird die entsprechende Bildungsgeschwindigkeit des 1,2,4-Triazols im Reaktionsgemisch durch Ammoniaküberschuss gesichert. Das Produkt ist ein fester Stoff, der aus weissen Kristallen besteht und der bei einer Reaktionstemperatur von 1800C bei 98-102"C schmilzt.
Vorteilhaft werden der aus dem Reaktionsgefäss entweichende Wasserdampf, das Ammoniak und die geringe Menge an abdestillierendem Ausgangsstoff, das inertermediäre Reaktionsprodukt und das 1,2,4-Triazol enthaltende Gemisch in einen Kondensator einer Temperatur von 110-1400C geleitet, von wo die nützlichen Komponenten als Kondensat in das Reaktionsgemisch zurückgeführt werden.
Der aus dem Kondensator entweichende Wasserdampf und das Ammoniak werden dann auf 20-80"C gekühlt, und das Ammoniak wird teilweise oder ganz in das Reaktionsgemisch zurückgeführt, wodurch gesichert ist, dass das Reaktionsgemisch immer mit Ammoniak gesättigt ist. Das im Überschuss zugeführte Ammoniak kann in Ameisensäure absorbiert und so erneut in den Herstellungsprozess zurückgeführt werden.
Sollen nach Ablauf der Reaktion auch das im erhaltenen Produkt vorhandene wenige Wasser und Formamid entfernt werden, so kann das durch im Vakuum bei 1600C durchgeführte Destillation oder durch eine Wärmebehandlung des Produkts bei 210-230"C erreicht werden. Die bei diesen Vorgängen entstehenden Dämpfe können nach der Kondensation erneut im Herstellungsprozess eingesetzt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann sowohl in diskontinuierlichem als auch in kontinuierlichem Betrieb durchgeführt werden.
Das Verfahren soll anhand von Beispielen veranschaulicht werden, ohne dabei die Erfindung darauf zu beschränken.
Beispiel 1
In einen Rundkolben mit einem Fassungsvermögen von 250 ml werden 92 g (2,0 Mol) Ameisensäure eingewogen, und innerhalb von 10 Minuten werden 69,5 g (1,0 Mol) 72% ige Hydrazin-Hydrat-Lösung zugesetzt. Inzwischen wird die Kühlung so geregelt, das zum Ende der Zuführung die Temperatur des Reaktionsgemisches 80"C beträgt. Inzwischen werden in einen anderen Rundkolben mit einem Fassungsvermögen von 250 ml 76,5 g (1,7 Mol) Formamid eingewogen und auf 1800C erwärmt. Diesem Formamid wird eine Hydrazinformiat-Lösung mit einem Temperatur von 80"C in einem solchen Tempo zugeführt, dass die Temperatur der formamidhaltigen Lösung zwischen 175 und 185"C liegt.
Während der Zuführung wird das mit dem Hydrazinhydrat eingebrachte sowie in der Reaktion gebildete Wasser über den mit dem Rundkolben verbundenen Destillationsaufsatz entfernt. Nach der Zuführung des Hydrazinformiats wird das Reaktionsgemisch noch 10 Minuten bei 180"C gehalten, dann lässt man es abkühlen und kühlt es schliesslich auf - 1 - -2"C. Aus dem Formamid scheidet sich inzwischen das 1,2,4-Triazol ab, das durch Filtration separiert werden kann. Die Masse des trockenen Produkts beträgt 60,5 g, sein Schmelzpunkt liegt bei 120-121"C, das Filtrat beträgt 26,5 g und enthält 19,5% 1,2,4-Triazol in gelöstem Zustand; die Bruttoausbeute auf Hydrazin berechnet beträgt 95,8%.
Beispiel 2
In einem Rundkolben mit einem Fassungsvermögen von 250 ml werden 135 g (2,5 Mol) 85%ige Ameisensäure eingewogen, und unter Kühlung werden 69,5 g (1,0 Mol) 72%iges Hydrazinhydrat zugesetzt. Gleichzeitig wird Ammoniak mit einer Geschwindigkeit von 6 l/h in das System geführt. Die Temperatur des Reaktionsgemisches wird unter 20"C gehalten. Nach Beendigung der Zuführung wird die Einleitung von Ammoniak bis zur Sättigung fortgesetzt. In einen anderen Rundkolben mit einem Fassungsvermögen von 250 ml werden 45 g (1 Mol) Formamid eingewogen und auf 1700C erhitzt. Diesem Formamid wird die mit Ammoniak gesättigte Hydrazinformiat-Lösung zugesetzt. Die Temperatur des Formamids wird teilweise durch Heizen, teilweise durch die Zuführungsgeschwindigkeit so geregelt, dass sie ständig über 1600C liegt.
Das mit den Reagenzien eingebrachte sowie in der Reaktion gebildete Wasser wird mit Hilfe eines Destillationsaufsatzes entfernt. Die gesamte Dauer der Zuführung beträgt 50-55 Minuten, dann wird das Reaktionsgemisch noch 15 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten. Danach lässt man es kühlen und kühlt es schliesslich auf -1 - -2"C. Das durch die Kühlung abgeschiedene 1,2,4-Triazol wird abfiltriert und gründlich abgesaugt. Die Masse des trockenen Produkts beträgt 58,9 g, die des Filtrats 35,2 g und das Filtrat enthält 19,1% 1 2,4-Triazol in gelöstem Zustand; die Bruttoausbeute auf Hydrazin berechnet beträgt also 95,1%.
Beispiel 3
In einen Rundkolben mit einem Fassungsvermögen von 250 ml werden 92 g Ameisensäure (2 Mol) und 45 g (1 Mol) Formamid eingewogen, dann innerhalb von 10 Minuten werden 32 g (1 Mol) Hydrazin zugesetzt. Die Temperatur des Reaktionsgemisches wird bei 40"C gehalten. In einen anderen Kolben werden 22,5 g Formamid eingewogen und auf 180"C erwärmt. Unter intensivem Rühren wird die formamidhaltige Lösung von Hydrazinformiat neben der Zuführung von Ammoniak (Geschwindigkeit: 10 l/h) innerhalb einer Stunde zugesetzt. Nach 10 Minuten Nachrüh ren wird die Ammoniakzuführung eingestellt und das Reaktionsgemisch auf -2"C gekühlt, dann wird das 1,2,4-Triazol filtriert. Die Masse des trockenen Produkts beträgt 61,1 g die des Filtrats 20,5 g.
Bei der Zuführung des Hydrazinformiats wurden 75 g Destillat in dem Destillationsaufsatz aufgefangen.
Beispiel 4
Die Reaktion wird wie in Beispiel 3 durchgeführt. Nach dem Einstellen der Ammoniakzuführung wird das Formamid in Vakuum bei 1600C abdestilliert. Das in Form von Schmelze gewonnene 1,2,4-Triazol erstarrt. Die Masse des so gewonnenen 1,2,4-Triazols beträgt 64,8 g.
Beispiel 5 85% ige Ameisensäure und 73 % iges Hydrazinhydrat werden unter Kühlen in einem Molverhältnis von 2:1 vermischt. In einen Rundkolben mit einem Fassungsvermögen von 100 ml, der mit einem Überläufer, einem Destillationsaufsatz, einem Rührer und einem Thermometer ausgestattet ist, werden vom wie oben hergestellten Hydrazinformiat 180 g und 69 g Formamid pro Stunde eingespeist. Der Inhalt des Kolbens wird ständig bei einer Temperatur von 1800C gehalten. Aus dem Kolben treten pro Stunde 75 g 1,2,4-Triazollösung aus, woraus 62,1 g trockenes 1,2,4-Triazol gewonnen werden können.
Beispiel 6
Aus 3 Kolben mit einem Fassungsvermögen von jeweils 100 ml wurde mit einem Flüssigkeitsabschluss-Durchfluss eine Kaskadenreihe zusammengestellt. Jeder Kolben hat einen Rührer und ein Thermometer, an den ersten ist ein Rückflusskühler, an den zweiten und dritten ein Destillationsaufsatz angeschlossen. In den ersten Kolben werden 108 g/h 85%ige Ameisensäure und 70 g/h 72%iges Hydrazinhydrat eingespeist. In diesem Kolben wird die Temperatur des Reaktionsgemisches bei 80"C gehalten. Das Reaktionsgemisch gelangt durch den Flüssigkeitsabschluss Oberläufer in den bei 1800C gehaltenen zweiten Kolben, wohin 77 g/h Formamid zugeführt werden.
Das durch den Destillationsaufsatz entfernte Destillat enthält auch etwas Formamid, deshalb wird die entfernte wässrige Lösung erneut destilliert, und auch das wasserfreie Formamid wird in den zweiten Kolben zurückgeführt. Das Reaktionsgemisch gelangt in den dritten Kolben, wo auch die letzten Spuren von Wasser ausgetrieben werden, während die Temperatur bei 1900C gehalten wird. Aus diesem Kolben treten 95-98 g/h formamidhaltige Lösung von 1,2,4-Thiazol aus. Aus dem Reaktionsgemisch wird das 1,2,4-Triazol durch Ausfrieren und Filtrieren entfernt und die Mutterlauge in den zweiten Kolben zurückgeführt. Im System entsteht mit einer Geschwindigkeit von 67,5 g/h 1,2,4-Triazol, das bei 120-121"C schmilzt.
Beispiel 7
In einen Rundkolben mit einem Fassungsvermögen von 250 ml werden 54,2 g 85%ige (1,0 Mol) Ameisensäure eingewogen und 69,4 g 24,5%ige (1,0 Mol) Ammoniaklösung zugesetzt. Die entstandere Ammoniumformiatlösung wird unter Rühren und kontinuierlicher Ammoniakgaszuführung so auf 1800C erhitzt, dass das durch die Lösungen eingebrachte und in der Reaktion gebildete Wasser durch den an den Rundkolben angeschlossenen Destillationsaufsatz entweicht. Wenn 180"C erreicht werden, wird die Zuführung von Ammoniakgas eingestellt. Inzwischen wird aus 70,5 g 71 %igem (1,0 Mol) Hydrazinhydrat und 54,2 g 85%iger (1,0 Mol) Ameisensäure Hydrazinformiat hergestellt, dem 34,7 g 24,5%ige (0,5 Mol) Ammoniaklösung zugesetzt werden.
Das letztere Reaktionsgemisch wird unter ständiger Wasserentnahme und Rühren so in den Rundkolben ge speist, dass die Temperatur zwischen 175-185"C liegt. Nach der Zuführung von Hydrazinformiat und Ammoniak wird das Reaktionsgemisch noch 10 Minuten bei 180"C gehalten.
Die Masse des abgekühlten, weissen kristallinen 1 ,2,4-Tria- zols beträgt 65,8 g, die Ausbeute auf Hydrazinhydrat berechnet 95,3%.
Beispiel 8
Die Herstellung von 1,2,4-Triazol wird wie in Beispiel 7 durchgeführt, aber nach der Zuführung von Hydrazinformiat und der Ammoniaklösung wird die Temperatur des Reaktionsgemisches auf 220"C angehoben, und es wird 15 Minuten bei dieser Temperatur gehalten. Die Masse des erhaltenen 1,2,4-Triazols beträgt 62 g, seine Reinheit 97%.
Das Kondensat wird im nächsten Herstellungsprozess genutzt.
Beispiel 9
In einen Rundkolben mit einem Fassungsvermögen von 250 ml werden 108,4 g 85%ige (2,0 Mol) Ameisensäure und 138,8 g 24,5%ige (2,0 Mol) Ammoniaklösung eingewogen, dann wird wie in Beispiel 7 vorgegangen, mit dem Unterschied, dass beim Erreichen einer Temperatur von 180"C nicht Hydrazinformiat, sondern das Gemisch von 70,5 g 71 %igem (1,0 Mol) Hydrazinhydrat und 34,7 g 24,5%iger (0,5 Mol) Ammoniaklösung in den Rundkolben eingespeist wird. Die Masse des gewonnenen 1,2,4-Triazols beträgt 66,0 g.
Beispiel 10
In einem Reaktor mit einem Nutzinhalt von 1000 ml, der mit einem Rührer, einem Überläufer und einem Destillationsaufsatz ausgestattet ist, wurde nach einem der Beispiele 7, 8 oder 9 die 1,2,4-Triazolschmelze hergestellt, dann wurde der Schmelze mit einer Temperatur von 1800C ständig die wässrige Lösung von Hydrazin, Ameisensäure und Ammoniak mit einem Molverhältnis von 1: 2:1,3 und einer Einspeisungsgeschwindigkeit von 434 g/h zugesetzt.
Die aus dem Reaktor entweichenden Gase und Dämpfe werden auf 125"C gekühlt und das Kondensat in das Reaktionsgefäss zurückgeleitet. Das bei der weiteren Kühlung der Gase und Dämpfe auf 60"C entstehende wasser- und ammoniakenthaltende Kondensat wird abgeleitet, das Ammoniakgas in das Reaktionsgemisch zurückgeführt. Das im Überschuss angewendete Ammoniak wird in Ameisensäure absorbiert und im Prozess erneut eingesetzt. Die am Überläufer des Reaktors bei 1800C ständig entweichende 1,2,4 Triazolmenge beträgt 100,3 g/h. Die Ausbeute beträgt auf Hydrazin berechnet 96,9%, die Reinheit des Produkts 92,0%.
Beispiel 11
Die aus dem in Beispiel 10 beschriebenen Reaktor austretende Schmelze wird ständig in ein Gefäss geleitet, das einen Nutzraum von 250 ml und eine Temperatur von 220"C hat und mit einem Uberläufer, einem Riihrer und einem Destillationsaufsatz ausgestattet ist. Die entstehenden Dämpfe werden auf 600C gekühlt, das Kondensat wird in den Reaktor nach Beispiel 10 zurückgeleitet. Die beim Überläufer austretende Menge von 1,2,4-Triazol beträgt 98,3 g/h, die Reinheit des Produkts 98,0%.
Das vorliegende Verfahren verfügt - ohne Anspruch auf Vollständigkeit - über folgende Vorteile: - für das vorliegende Verfahren werden billige, in grosser Menge zur Verfügung stehende Stoffe verwendet; - der Ringschluss erfolgt schnell und fast quantitativ; - die im Überschuss angewendeten Reagenzien können erneut in den Prozess zurückgeführt werden; - jede Reaktion des Verfahrens erfolgt schnell und als Homogenphase, so kann das Verfahren in einem Schritt, auf einfache Weise, auch in kontinuierlichem Betrieb durchgeführt werden; und - das in kristallinem Zustand gewonnene 1,2,4-Triazol ist von hoher Reinheit.
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PATENT CLAIMS
1. Process for the preparation of 1,2,4-triazole by the reaction of hydrazine, formic acid and formamide and / or ammonia, characterized in that hydrazine and formic acid or their aqueous solutions in a molar ratio of 1: max. 3, where the number of moles of formic acid is always greater than 0, in the presence of formamide and / or ammonia, calculated on hydrazine, 1 to 2 moles of formamide and / or ammonia are reacted at a temperature of 140 to 220 ° C. and the 1st , 2,4 triazole is separated.
2. The method according to claim 1, characterized in that the reagents used in excess are recirculated.
3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that hydrazine or the aqueous or anhydrous mixture of hydrazine and formic acid or hydrazine, formic acid and ammonia is added to the anhydrous or aqueous mixture of ammonia and formic acid.
4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the aqueous or anhydrous mixture of hydrazine and formic acid or hydrazine, formic acid and formamide is added to the formamide, optionally in the presence of ammonia.
5. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the reagents are added to the melt or solution of 1,2,4-triazole.
6. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the ammonia formed during the reaction is partly or completely returned to the process.
7. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the resulting water-formamide mixture is separated and the anhydrous formamide is optionally returned to the process.
8. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the vapors formed are cooled to 110 to 140 "C and the condensate is returned to the reaction mixture.
The invention relates to a new process for the preparation of 1,2,4-triazole by the reaction of hydrazine, formic acid and formamide and / or ammonia.
The 1,2,4-triazole is mainly used in the crop protection industry and in the pharmaceutical industry.
Several processes are known for the preparation of 1,2,4-triazole. Below, only those methods are presented that are closest to the present invention.
According to the Luxembourg patent no. 61 617, the 1,2,4-triazole can be reacted with 1 mol of hydrazine and 3 mol of formamide in a temperature range of
90 to 260 "C can be produced according to equations 1 and 2.
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The disadvantage of this process is the high demand for formamide, at the same time a large part of the ammonia content of formamide is lost as waste, and therefore this process cannot be carried out economically in industry.
A method also based on these two reagents and ammonia is presented in German Patent No. 2802491, according to which the reaction is connected in series at a temperature of 100-2500C, advantageously at 110-220 "C, in a 3-part or 4-part set The apparatus is carried out by condensing gases, vapors at different temperatures, and returning the condensates, gases and vapors to one or the other part of the apparatus, using instead of 3 moles of formamide (3-n) moles of formamide , where 0.3 Q n 9 1, ie the formamide is partially replaced by ammonia (Equation 3).
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The process is complicated because of the equilibrium of the multi-part cascade system, the cooling of the gaseous and vaporous products to different temperatures and the distribution of the condensates and the gases, at the same time the lowering of the amount of formamide used is not significant.
The triazole ring can also be accessed via diformyl hydrazine C. Ainsworth and R. B. Jones: J.Am. Chem. Soc.
1955. 77, p. 621-24]. According to equation (4), formic acid and hydrazine were produced by heating for 12 hours at 100 ° C. in a yield of only 60%.
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Diformyl hydrazine can also be produced from hydrazine and formamide at 100 ° C. in 2 hours, but the yield is only 80% (see equation 1).
The ring closure of diformylhydrazine to 1,2,4-triazole was carried out with ammonia according to equation (5), specifically with liquid ammonia, 1,2,4-triazole being obtained in a yield of 70 by heating under pressure at 200 ° C. for 24 hours -80% is made.
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The overall yield based on hydrazine remained below 60% in both cases. The process is cumbersome, complicated and uneconomical.
Formamide or ammonia or formamide and ammonia are therefore used for the ring closure of diformylhydrazine (see equations 2 and 3). In addition to the main reactions, numerous side reactions also take place, e.g. according to equations 6, 7 and 8 [A. Etienne, A .: Traite de chimie organique (V. Grignara et al. Editor) 21, 898 Masson, Paris 1953; A. Hetzheim and K. Möckel: Advan.
Heterocyclic Chem. 7, 183-224 (1966); G. H. Schwab: Z. anorg. gen. Chem. 262, 41-8 (1950)].
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EMI2.1
The invention has for its object a method
to work out with which 1,2,4-triazole can be produced more easily and cheaply than before.
When examining the reaction of hydrazine, formic acid and formamide or ammonia, we came to the surprising conclusion that, under certain conditions, the salt of formic acid formed with hydrazine, i.e. the hydrazine formate or the hydrazine itself with formic acid and formamide or ammonia for ring closure is capable without producing diformylhydrazine beforehand. This surprising observation was previously unknown and also unexpected. The reaction of hydrazine, formic acid and formamide and / or ammonia leads to the formation of 1,2,4-triazole at high speed and very good yield, without the side reactions described in equations 6 and 7 describing 4-amino-1,2, 4-triazole or 1, 3,4-oxadiazole impurities would result.
The gross reaction equation 9 describes the process according to the invention.
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0 <n <1 1 64 (m + n) <4
The rapid and complete reaction of hydrazine, formic acid and formamide and / or ammonia can be achieved in such a way that the hydrazine or the hydrazine and formic acid at about 1800C with formamide or
is (are) reacted with the mixture of ammonia and formic acid, it being advantageous if the reaction mixture is saturated with ammonia. This can be achieved by introducing ammonia gas into the reaction mixture or in such a way that the solution of hydrazine or hydrazine formate in water, formamide or a mixture of water and formamide is saturated with ammonia gas or mixed with an ammonia solution.
The amount of formamide used in the reaction can be reduced or completely replaced by ammonia.
The formation of 1,2,4-triazole takes place under such conditions so quickly that the rate of heat transfer determines the rate of supply. It is important that the temperature of the reaction mixture does not drop below 140 "C and does not exceed 220" C, because in the former case the reaction is slowed down, whereas in the latter case the loss of distillation becomes significant. After hydrazine formate or hydrazine has been added to the formamide or the mixture of formic acid and ammonia, the mixture is kept at 1800 ° C. for a further 10 minutes, then cooled, the 1,2,4-triazole formed depending on the composition and the ratio of those used Most of the reagents crystallized out or the reaction mixture solidified.
The yield is 95% in both cases.
When carrying out the reaction, the molar ratio of hydrazine: formic acid is preferably 1: 1-3, the amount of formamide and / or ammonia used, based on 1 mol of hydrazine, 1-2 mol.
During the reaction, care must be taken to ensure that the escaping water vapor cannot return to the system after condensation.
The reaction product is a pure, colorless, homogeneous liquid, from which the 1,2,4-triazole formed precipitates as a white crystalline substance on cooling or the whole solidifies to a white crystalline mass.
The formation reaction of 1,2,4-triazole generally takes 5 to 60 minutes depending on the composition and the molar ratio of the reagents and the temperature. The reaction temperature is 1 40-2200C, advantageously it is around 180 "C.
The reaction can also be carried out by using an excess of formamide. This has a dual function, on the one hand it is a solvent and increases the solubility of ammonia, on the other hand it ensures that a small amount of hydrazine or hydrazine formate can always come into contact with a large excess of formamide when it is added. In this case, about 6% by weight of 1,2,4-triazole in excess of form amide remains dissolved after filtration of the crystalline product. The filtrate is used by recycling it back into the reaction.
In the reaction, the water-distilling formamide can be recovered with a distillation column connected to the reaction vessel at the same time as the reaction or, after case, after the accumulation, and so the recovered formamide can be used again.
If hydrazine, formic acid and ammonia are used for the reaction, the reaction can also be carried out by adding the mixture of hydrazine formate and ammonia to an ammonium formate solution at 180 ° C. The corresponding rate of formation of 1, 2,4-triazole in the reaction mixture is secured by excess ammonia. The product is a solid substance which consists of white crystals and which melts at a reaction temperature of 1800C at 98-102 "C.
Advantageously, the water vapor escaping from the reaction vessel, the ammonia and the small amount of starting material distilling off, the inert media reaction product and the mixture containing 1,2,4-triazole are passed into a condenser at a temperature of 110-1400C, from where the useful components as Condensate are returned to the reaction mixture.
The water vapor escaping from the condenser and the ammonia are then cooled to 20-80.degree. C., and the ammonia is partly or completely returned to the reaction mixture, which ensures that the reaction mixture is always saturated with ammonia. The ammonia supplied in excess can absorbed in formic acid and thus returned to the manufacturing process.
If, after the reaction has ended, the little water and formamide present in the product obtained are also to be removed, this can be achieved by distillation carried out in vacuo at 1600 ° C. or by heat treatment of the product at 210-230 ° C. The vapors produced in these processes can can be used again in the manufacturing process after the condensation.
The process according to the invention can be carried out both in batch and in continuous operation.
The process is to be illustrated using examples, without restricting the invention thereto.
example 1
92 g (2.0 mol) of formic acid are weighed into a round bottom flask with a capacity of 250 ml, and 69.5 g (1.0 mol) of 72% hydrazine hydrate solution are added within 10 minutes. In the meantime, the cooling is regulated in such a way that the temperature of the reaction mixture at the end of the feed is 80 ° C. In the meantime, 76.5 g (1.7 mol) of formamide are weighed into another round-bottom flask with a capacity of 250 ml and heated to 180 ° C. A hydrazine formate solution with a temperature of 80 ° C. is fed to this formamide at such a rate that the temperature of the solution containing formamide is between 175 and 185 ° C.
During the feed, the water introduced with the hydrazine hydrate and formed in the reaction is removed via the distillation head connected to the round bottom flask. After the hydrazine formate has been fed in, the reaction mixture is kept at 180 ° C. for a further 10 minutes, then it is allowed to cool and is finally cooled to −1 −2 ° C. 1,2,4-triazole is now separated from the formamide and can be separated by filtration. The mass of the dry product is 60.5 g, its melting point is 120-121 "C, the filtrate is 26.5 g and contains 19.5% 1,2,4-triazole in the dissolved state; the gross yield is calculated on hydrazine is 95.8%.
Example 2
135 g (2.5 mol) of 85% formic acid are weighed into a round bottom flask with a capacity of 250 ml, and 69.5 g (1.0 mol) of 72% hydrazine hydrate are added with cooling. At the same time, ammonia is fed into the system at a rate of 6 l / h. The temperature of the reaction mixture is kept below 20 ° C. After the feed has ended, the introduction of ammonia is continued until saturation. 45 g (1 mol) of formamide are weighed into another round-bottomed flask with a capacity of 250 ml and heated to 1700 ° C. The hydrazine formate solution saturated with ammonia is added to formamide, and the temperature of the formamide is regulated in part by heating and in part by the feed rate so that it is constantly above 1600 ° C.
The water introduced with the reagents and formed in the reaction is removed with the aid of a distillation attachment. The total duration of the feed is 50-55 minutes, then the reaction mixture is kept at this temperature for a further 15 minutes. Then let it cool and finally cool it to -1 - -2 "C. The 1,2,4-triazole separated by cooling is filtered off and thoroughly suctioned off. The mass of the dry product is 58.9 g, that of the filtrate 35.2 g and the filtrate contains 19.1% 1 2,4-triazole in the dissolved state; the gross yield calculated on hydrazine is therefore 95.1%.
Example 3
92 g of formic acid (2 mol) and 45 g (1 mol) of formamide are weighed into a round-bottomed flask with a capacity of 250 ml, then 32 g (1 mol) of hydrazine are added within 10 minutes. The temperature of the reaction mixture is kept at 40 ° C. 22.5 g of formamide are weighed into another flask and heated to 180 ° C. With vigorous stirring, the formamide-containing solution of hydrazine formate is added in addition to the addition of ammonia (rate: 10 l / h) within one hour. After 10 minutes of stirring, the ammonia feed is stopped and the reaction mixture is cooled to -2 ° C., then the 1,2,4-triazole is filtered. The mass of the dry product is 61.1 g and that of the filtrate is 20.5 g.
When the hydrazine formate was fed in, 75 g of distillate were collected in the distillation head.
Example 4
The reaction is carried out as in Example 3. After the ammonia feed has been stopped, the formamide is distilled off in vacuo at 1600C. The 1,2,4-triazole obtained in the form of melt solidifies. The mass of the 1,2,4-triazole thus obtained is 64.8 g.
Example 5 85% formic acid and 73% hydrazine hydrate are mixed with cooling in a molar ratio of 2: 1. 180 g and 69 g of formamide per hour are fed from the hydrazine formate prepared as above into a round-bottomed flask with a capacity of 100 ml, which is equipped with a spill, a distillation head, a stirrer and a thermometer. The contents of the flask are constantly kept at a temperature of 1800C. 75 g of 1,2,4-triazole solution emerge from the flask per hour, from which 62.1 g of dry 1,2,4-triazole can be obtained.
Example 6
A cascade row was assembled from 3 flasks with a capacity of 100 ml each with a liquid-closing flow. Each flask has a stirrer and a thermometer, a reflux condenser is connected to the first, a distillation head to the second and third. 108 g / h of 85% formic acid and 70 g / h of 72% hydrazine hydrate are fed into the first flask. In this flask, the temperature of the reaction mixture is kept at 80 ° C. The top of the reaction mixture passes through the liquid seal to the second flask, which is kept at 180 ° C., to which 77 g / h of formamide are fed.
The distillate removed by the distillation head also contains some formamide, so the removed aqueous solution is distilled again and the anhydrous formamide is also returned to the second flask. The reaction mixture enters the third flask, where the last traces of water are driven off, while the temperature is kept at 1900C. 95-98 g / h of formamide-containing solution of 1,2,4-thiazole emerge from this flask. The 1,2,4-triazole is removed from the reaction mixture by freezing and filtering and the mother liquor is returned to the second flask. The system produces 1,2,4-triazole at a rate of 67.5 g / h, which melts at 120-121 "C.
Example 7
54.2 g of 85% (1.0 mol) formic acid are weighed into a round bottom flask with a capacity of 250 ml and 69.4 g of 24.5% (1.0 mol) ammonia solution are added. The resulting ammonium formate solution is heated to 1800C with stirring and a continuous supply of ammonia gas in such a way that the water introduced by the solutions and formed in the reaction escapes through the distillation head connected to the round bottom flask. When 180 ° C. is reached, the supply of ammonia gas is stopped. In the meantime, 70.5 g of 71% (1.0 mol) hydrazine hydrate and 54.2 g of 85% (1.0 mol) formic acid hydrazine formate, which is 34.7 g of 24.5% (0.5 mol) ammonia solution are added.
The latter reaction mixture is fed into the round-bottom flask with constant removal of water and stirring in such a way that the temperature is between 175-185 ° C. After the addition of hydrazine formate and ammonia, the reaction mixture is kept at 180 ° C. for a further 10 minutes.
The mass of the cooled, white crystalline 1,2,4-triazole is 65.8 g, the yield based on hydrazine hydrate is 95.3%.
Example 8
The preparation of 1,2,4-triazole is carried out as in Example 7, but after the addition of hydrazine formate and the ammonia solution, the temperature of the reaction mixture is raised to 220 ° C. and it is kept at this temperature for 15 minutes 1,2,4-triazole obtained is 62 g, its purity is 97%.
The condensate will be used in the next manufacturing process.
Example 9
108.4 g of 85% strength (2.0 mol) formic acid and 138.8 g of 24.5% strength (2.0 mol) ammonia solution are weighed into a round-bottomed flask with a capacity of 250 ml, and the procedure is then as in Example 7 , with the difference that when a temperature of 180 "C is reached not hydrazine formate, but the mixture of 70.5 g 71% (1.0 mol) hydrazine hydrate and 34.7 g 24.5% (0.5 mol ) Ammonia solution is fed into the round-bottom flask and the mass of the 1,2,4-triazole obtained is 66.0 g.
Example 10
The 1,2,4-triazole melt was prepared in accordance with one of Examples 7, 8 or 9 in a reactor with a useful content of 1000 ml, which is equipped with a stirrer, a defector and a distillation attachment, then the melt was heated to a temperature From 1800C the aqueous solution of hydrazine, formic acid and ammonia with a molar ratio of 1: 2: 1.3 and a feed rate of 434 g / h was constantly added.
The gases and vapors escaping from the reactor are cooled to 125 ° C. and the condensate is returned to the reaction vessel. The water- and ammonia-containing condensate formed during the further cooling of the gases and vapors is removed, and the ammonia gas is returned to the reaction mixture . The excess ammonia is absorbed in formic acid and used again in the process. The amount of 1,2,4 triazole constantly escaping from the reactor overflow at 1800C is 100.3 g / h. The yield calculated on hydrazine is 96.9%, the purity of the product 92.0%.
Example 11
The melt emerging from the reactor described in Example 10 is continuously fed into a vessel which has a usable space of 250 ml and a temperature of 220 ° C. and is equipped with an overflow device, a stirrer and a distillation attachment. The vapors formed are brought to 600 ° C. cooled, the condensate is returned to the reactor according to Example 10. The amount of 1,2,4-triazole emerging from the defector is 98.3 g / h and the purity of the product is 98.0%.
The present process has the following advantages, without claiming to be complete: cheap, large quantities of substances are used for the present process; - The ring closure takes place quickly and almost quantitatively; - The reagents used in excess can be returned to the process; - Each reaction of the process takes place quickly and as a homogeneous phase, so the process can be carried out in one step, in a simple manner, even in continuous operation; and - the 1,2,4-triazole obtained in the crystalline state is of high purity.