DE10057194A1

DE10057194A1 - Verfahren zur Herstellung von Pyrazolen

Info

Publication number: DE10057194A1
Application number: DE2000157194
Authority: DE
Inventors: Guido Fries; Jochen Kirchhoff; Guenther Koehler
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2020-11-18
Also published as: DE10057194C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pyrazolen aus Hydrazinen beziehungsweise dessen Derivaten und acetalisierten 1,3-Dicarbonylverbindungen. Die Aufarbeitung erfolgt durch Neutralisation, anschließende Flüssigphasenextraktion, gefolgt von einer Destillation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pyrazolen der allgemeinen Formel

wobei R¹, R², R³ und R⁴ unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, einen aliphatischen, einen cycloaliphatischen, einen araliphatischen oder einen aromatischen Rest bedeutet. R¹ kann auch für ein Halogenatom, eine Nitrilgruppe oder den Rest -O-R⁷ und R⁴ für den Rest -C(O)- R⁸ stehen, wobei R⁷ und R⁸ unabhängig voneinander einen aliphatischen, araliphatischen oder aromatischen Rest bedeutet,
durch Umsetzung von Bisacetalen der allgemeinen Formel I

wobei R¹, R² und R³ die vorgenannte Bedeutung besitzt
und R⁵ und R⁶ unabhängig voneinander einen aliphatischen, araliphatischen oder aromatischen Rest bedeutet,
mit Hydrazinen oder Hydrazinderivaten der allgemeinen Formel II oder deren Salzen

R⁴-HN-NH₂ II

wobei R⁴ die oben genannte Bedeutung besitzt,
und Aufarbeitung durch eine destillative Trennung der entstehenden Hydroxylverbindung, Neutralisation der Reaktionsmischung und Extraktion der organisch-wässrigen Phase.

Pyrazole stellen wichtige Ausgangsstoffe für die Herstellung von Farbstoffen, Pflanzenschutz mitteln und Pharmazeutika dar.

Zahlreiche Synthesen von Pyrazolen sind aus der Literatur bekannt. So werden in Rodd, Chemistry of Carbon Compounds, Band IVa (Elsevier, N. Y. 1957), Seiten 246 bis 249 ver schiedene Darstellungen zum Beispiel durch Umsetzung von Hydrazinen mit 1,3-Dicarbonyl verbindungen, Kondensation von α-Halogenhydrazonen mit Natrium-Ketoverbindungen oder die Cyclisierung von Hydrazonen der α-Cyanoketone beschrieben. Die wichtigeren Synthese wege verwenden Derivate von 1,3-Dicarbonylverbindungen, die mit Hydrazin oder Hydrazin derivaten in saurer, wässriger Lösung oder mit Salzen des Hydrazins oder von Hydrazin derivaten zu wässrigen Lösungen von Pyrazolsalzen umgesetzt werden.

So wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 29 22 591 A1 die Herstellung von Pyrazolen durch Umsetzung von acetalisierten 1,3-Dicarbonylverbindungen mit Hydrazinen beschrieben. Bei diskontinuierlicher Reaktionsführung wurde das entstehende Pyrazolhydrochlorid durch Zugabe von Hydrazin in die freie Base überführt, die anschließend aus der wässrigen Lösung extrahiert wurde. Aufgrund der hohen Toxizität und der sehr leichten Zersetzungsneigung stellt die Verwendung von Hydrazinen als Base einen gravierenden Nachteil des Verfahrens dar. Neben den zu berücksichtigenden, sehr aufwendigen sicherheitstechnischen Aspekten kann bei der Extraktion nicht ausgeschlossen werden, dass das Extrakt aufgrund der Löslichkeitseigenschaften des Extraktionsmittels einen toxischen hydrazinhaltigen wässrigen Anteil enthält und damit schwer handhabbar ist. Aus Beispiel 1 der deutschen Patentanmeldung DE 29 22 591 A1 geht hervor, dass bei kontinuierlicher Fahrweise die durch Natronlauge-Zugabe frei gesetzte Pyrazol-Base durch Feststoffextraktion erhalten werden kann. Die zuvor vollständig durchgeführte destillative Abtrennung des Wasser/Alkanol-Gemisches ist allerdings zeitaufwendig und mit hohen Energiekosten verbunden und stellt daher einen großen Nachteil des in der deutschen Patentanmeldung DE 29 22 591 A1 beschriebenen Verfahrens dar.

In J. Am. Chem. Soc. Band 71 (1949), Seite 3997, ist die stöchiometrische Umsetzung von 1,1,3,3-Tetraethoxypropan mit Hydrazindihydrochlorid beschrieben. Die erhaltene Lösung wird anschließend eingedampft, der Rückstand mit Wasser aufgenommen und die freie Pyrazol-Base durch Zugabe von Natriumbicarbonat freigesetzt. Wie schon zuvor erwähnt, stellt das destillative Abtrennen des Wasser/Alkanol-Gemisches einen zeitaufwendigen und energieintensiven Verfahrensschritt dar. Zudem führt die Verwendung von Natriumbicarbonat als Base zu einem Abgasstrom, der mit organischen Bestandteilen belastet sein kann und somit gegenbenenfalls einem gesonderten Reinigungsschritt unterzogen werden muss.

In J. Chem. Soc. 1957, Seite 3314 ist die Herstellung von 1-Methyl-1-H-pyrazol beschrieben. Bei der Aufarbeitung wird wiederum eine Base verwendet, die zu einem Abgasstrom führt. Zusätzlich wird das ausgefallene Salz vor der Extraktion abfiltriert, wodurch ein zusätzlicher Verfahrensschritt resultiert.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren zu finden, bei dem die Aufarbeitung technisch leicht realisierbar ist, keine vollständige destillative Abtrennung des Wasser/Hydroxylverbindung-Gemisches notwendig ist und bei der auf Basen wie Hydrazin oder dessen Derivate oder auf anorganische Salze, die zu einer Gasentwicklung führen, verzichtet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die anfallende Hydroxylverbindung, die in der Regel ein Alkanol ist, abdestilliert wird, und die Reaktionsmischung nach vollständiger Eduktzugabe mit einer wässrigen Base, die zu keiner Gasentwicklung führt, neutralisiert und die freigesetzte Pyrazol-Base extrahiert wird.

Überraschend wurde insbesondere gefunden, dass die Exothermie der Reaktion genutzt werden kann, um entstehende Hydroxylverbindung(en) sofort während der Umsetzung destillativ vom Reaktionsgemisch abzutrennen, wodurch im Vergleich zu den anderen beschriebenen Verfahren eine günstigere Energiebilanz resultiert. Ferner wurde gefunden, dass keine Nachreaktion erforderlich ist. Die anschließende extraktive und destillative Aufarbeitung liefert Pyrazole in sehr hoher Reinheit und in nahezu quantitativer Ausbeute.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Pyrazolen der allgemeinen Formel

wobei R¹, R², R³ und R⁴ unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, einen unverzweigten oder verzweigten aliphatischen Rest mit 1 bis 18, vorzugsweise 1 bis 10, besonders bevorzugt 1-6, Kohlenstoffatomen wie zum Beispiel den Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, Isopropyl-, n-Butyl sek.-Butyl- oder n-Hexyl-Rest, einen cycloaliphatischen Rest mit vorzugsweise 3 bis 8 Kohlenstoffatomen wie den Cycloprohyl-, Cyclohexyl- oder Cyclooctyl-Rest, einen aralipha tischen oder aromatischen Rest mit vorzugsweise insgesamt 6 bis 18 Kohlenstoffatomen, bedeutet, wobei R¹ aber auch für ein Halogenatom, eine Nitrilgruppe oder den Rest -O-R⁷ und R⁴ für den Rest -C(O)-R⁸ steht und R⁷ und R⁸ unabhängig voneinander einen aliphatischen, cycloaliphatischen, araliphatischen oder aromatischen Rest wie oben beschrieben bedeutet, durch Umsetzung von Bisacetalen der allgemeinen Formel I

wobei R¹, R² und R³ die vorgenannte Bedeutung besitzt und R⁵ und R⁶ unabhängig voneinander einen aliphatischen, araliphatischen oder aromatischen Rest bedeutet, mit Hydrazinen oder Hydrazinderivaten der allgemeinen Formel

R⁴-HN-NH₂ II

oder deren Salzen,
wobei R⁴ die oben genannte Bedeutung besitzt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktions- und Verfahrensschritte

a) Umsetzung von Hydrazin oder Hydrazinderivaten oder Salzen des Hydrazins oder Salzen von Hydrazinderivaten mit acetalisierten 1,3-Dicarbonylverbindungen,
b) destillative Trennung der entstehenden Hydroxylverbindungen (vorzugsweise Alkanol)
c) Neutralisation der organisch-wässrigen Phase,
d) Extraktion der organisch-wässrigen Phase,
e) Abdestillieren der Leichtsieder und
f) Reindestillation des entstandene Pyrazols oder Pyrazolderivates

durchlaufen werden.

Die Umsetzung der Edukte I und II erfolgt bei Temperaturen von 0°C bis 100°C, bevorzugt bei 40°C bis 90°C, besonders bevorzugt bei 75°C bis 80°C. Die entstehende Hydroxylverbindung wird abdestilliert, vorzugsweise schon während der Reaktion. Gegebenenfalls wird die Sumpftemperatur nach der Reaktion erhöht, um den Gehalt an der Hydroxylverbindung im Sumpf auf 0% bis 80%, bevorzugt auf 0% bis 30%, besonders bevorzugt auf 0% bis 15% zu reduzieren. Das Destillat enthält neben der Hydroxylverbindung, insbesondere also dem Alkanol, auch größere Mengen an Lösemittel, in der Regel Wasser.

Die Reaktion kann drucklos oder unter Druck durchgeführt werden. Als Lösemittel bei der Umsetzung wird in der Regel Wasser verwendet, es können aber gegebenenfalls auch inerte, organische Lösemittel zugesetzt werden. Beispiele für geeignete Lösemittel sind aromatische Kohlenwasserstoffe wie Toluol, Ethylbenzol, Xylole, Isopropylbenzol oder Methylnaphthalin, Alkanole und Cycloalkanole, insbesondere Monoalkohole, wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol, Isobutanol, tert.-Butanol, n-Amylalkohol, Isoamylalkohole oder Cyclohexanol und Dialkohole wie Glykol, aliphatische oder cycloaliphatische Kohlenwasser stoffe wie Hexan, Heptan, Nonan, Decan, Cyclohexan, Methylcyclohexan oder Dekalin sowie entsprechende Gemische.

Die Neutralisation des Reaktionsgemisches erfolgt bei einer Temperatur zwischen 0°C und 100°C, bevorzugt zwischen 0°C und 50°C, besonders bevorzugt bei Raumtemperatur. Zur Neutralisation können anorganische Basen als Feststoff oder gelöst in einem geeigneten Lösemittel, in der Regel Wasser, verwendet werden. Beispiele geeigneter Basen sind Alkali- oder Erdalkalihydroxide beziehungsweise deren Lösungen wie zum Beispiel Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Calciumhydroxid, Natronlauge, Kalilauge, Alkali- oder Erdalkali-Alkoholate wie zum Beispiel Natriummethylat, Natriumethylat, Kaliummethylat, Kaliumethylat, Kalium-tert.-butylat, Magnesiummethylat oder Magnesiumethylat sowie gasför miger Ammoniak, wässrige Ammoniaklösung oder Aluminiumhydroxid. Natronlauge wird zur Neutralisation bevorzugt.

Die Extraktion kann kontinuierlich oder diskontinuierlich bei Temperaturen zwischen 0°C und 100°C, bevorzugt zwischen 0°C und 50°C, besonders bevorzugt bei Raumtemperatur durch geführt werden. Als Extraktionsmittel eignen sich organische, aprotische Lösemittel. Beipiele geeigneter Lösemittel sind chlorierte Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Dichlormethan, 1,1- oder 1,2-Dichlorethan, Trichlormethan, 1,1,1- oder 1,1,2-Trichlorethan, n-Propylchlorid oder n-Butylchlorid, Ketone wie Methylisobutylketon, Diisobutylketon oder Cyclohexanon, Ester wie zum Beispiel Ethylacetat, Isopropylacetat, Butylacetat, Isobutylacetat oder Cyclohexyl acetat sowie Ether wie zum Beispiel Diethylether, Ethylpropylether, Methyl-tert.-butylether, Diisopropylether oder Diphenylether. Als Extraktionsmittel wird Ethylacetat oder Methyliso butylketon oder besonders Methyl-tert.-butylether bevorzugt. Nach Phasentrennung und der destillativen Trennung des Extraktionsmittels vom Rohprodukt kann das Extraktionsmittel für weitere Extraktionen verwendet werden.

Die folgenden Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern, nicht jedoch auf die speziell genannten Umstände einschränken.

Beispiel 1 Herstellung von Pyrazol

In einem 1 l-Kolben mit Teflon-Flügelrührer, Tropftrichter, Kontakt-Innenthermometer und 10 cm-Multifill-Kolonne werden bei 80°C 328 g (2 mol) Tetramethoxypropan langsam zu 319 g (2 mol) einer 35%igen, wässrigen Hydrazinhydrochlorid-Lösung, die zuvor mit ca. 10 Tropfen Salzsäure (30%ig) versetzt wurde, zugetropft. Während der Zugabe wird das entstehende Methanol über den Kolonnenkopf abgenommen. Nach vollständiger Zugabe des Tetramethoxypropans wird die Sumpftemperatur auf 100°C erhöht und ein Methanol/Wasser- Gemisch bis zu einer Kopftemperatur von 85°C abgenommen. Nach dem Abkühlen auf Raum temperatur werden ca. 320 g (2 mol) 25%ige Natronlauge zugefügt und die klare, gelbe Lösung viermal mit Methyl-tert.-butylether extrahiert. Von den vereinigten organischen Phasen wird das Extraktionsmittel destillativ entfernt. Die Reindestillation unter vermindertem Druck (10 mbar) liefert Pyrazol in einer Reinheit von < 99,8%.
Ausbeute: 128 g (94%)
Schmelzpunkt: 69°C (Literatur: 67°C-70°C)

Beispiel 2 Herstellung von Pyrazol

Ausgehend von 328 g (2 mol) Tetramethoxypropan, 319 g (2 mol) einer 35%igen Hydrazinhydrochlorid-Lösung und 10 Tropfen Salzsäure (30%ig) wird analog wie in Beispiel 1 beschrieben mit Ethylacetat als Extraktionsmittel Pyrazol in einer Reinheit von < 99,5% erhalten.
Ausbeute: 125 g (92%)
Schmelzpunkt: 68°C (Literatur: 67°C-70°C)

Beispiel 3 Herstellung von 1-Methyl-1-H-pyrazol

In einem 2 l-Kolben mit Teflon-Flügelrührer, Tropftrichter, Kontakt-Innenthermometer und 10 cm-Multifill-Kolonne werden 230 g (2 mol) einer 40%igen wässrigen Lösung von Methylhydrazin unter Eiskühlung mit 200 g (2 mol) Salzsäure versetzt. Nach 10 Minuten wird die Lösung auf 80°C erwärmt und mit 328 g (2 mol) Tetramethoxypropan umgesetzt. Das destillative Abtrennen des entstehenden Methanols und die weiteren Aufarbeitungsschritte erfolgen wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Reindestillation bei Normaldruck liefert 1- Methylpyrazol als farblose Flüssigkeit.
Ausbeute: 153 g (93%)
Siedepunkt: 126°C (Literatur: 124°C-126°C)

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Pyrazolen der allgemeinen Formel
wobei R¹, R², R³ und R⁴ unabhängig voneinander ein Wasserstoffatom, einen unverzweigten oder verzweigten aliphatischen Rest, einen cycloaliphatischen Rest, einen araliphatischen oder einen aromatischen Rest, bedeutet, oder R¹ für ein Halogenatom, eine Nitrilgruppe oder den Rest -O-R⁷ und R⁴ für den Rest -C(O)-R⁸ steht und R⁷ und R⁸ unabhängig voneinander einen unverzweigten oder verzweigten aliphatischen, cycloaliphatischen, araliphatischen oder aromatischen Rest bedeutet,
durch Umsetzung von Bisacetalen der allgemeinen Formel I
wobei R¹, R² und R³ die vorgenannte Bedeutung besitzt
und R⁵ und R⁶ unabhängig voneinander einen aliphatischen, araliphatischen oder aromatischen Rest bedeutet,
mit Hydrazinen oder Hydrazinderivaten der allgemeinen Formel II oder deren Salzen
R⁴-HN-NH₂ II
wobei R⁴ die oben genannte Bedeutung besitzt,
dadurch gekennzeichnet, dass

a) Hydrazin oder Hydrazinderivate oder Salze des Hydrazins oder Salze von Hydrazinderivaten mit acetalisierten 1,3-Dicarbonylverbindungen umgesetzt werden,
b) die entstehende Hydroxylverbindung destillativ abgetrennt wird,
c) die organisch, wässrigen Phase neutralisiert wird,
d) die organisch-wässrige Phase extrahiert wird,
e) die Leichtsieder abdestilliert werden und
f) das entstandene Pyrazol oder Pyrazol-Derivat reindestilliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die entstehende Hydroxylverbindung während der Reaktion abdestilliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die entstehende Hydroxylverbindung ein Alkanol ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktion mit einem organischen Lösemittel, ausgewählt aus der Gruppe, die durch chlorierte Kohlenwasserstoffe, Ketone, Ester und Ether gebildet wird, durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Extraktionsmittel Diethylether, Ethylpropylether, Methyl-tert.-butylether, Diiso propylether oder Diphenylether verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Extraktionsmittel Ethylacetat, Isopropylacetat, Butylacetat, Isobutylacetat oder Cyclohexylacetat verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Extraktionsmittel Methylisobutylketon, Diisobutylketon oder Cyclohexanon verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Extraktionsmittel Dichlormethan, 1,1- oder 1,2-Dichlorethan, Trichlormethan, 1,1,1- oder 1,1,2-Trichlorethan, n-Propylchlorid oder n-Butylchlorid verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktion bei einer Temperatur zwischen 0°C und 100°C durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktion diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt wird.