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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Amiden. Insbesondere ist die Erfindung gerichtet auf ein im
technischen Maßstab
ausführbares
Verfahren, mit dem ein Ketoxim mittels einer Beckmannumlagerung
in ein cyclisches oder acyclisches Amid umgewandelt werden kann.
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Die
Beckmann-Umlagerung wird zur Herstellung von Amiden ausgehend von
Ketoximen eingesetzt. Großtechnisch
von Bedeutung sind besonders die Herstellung von Caprolactam zur
Herstellung von Polyamid 6 und die Herstellung von Laurinlactam
für Polyamid
12 (Beyer Walter, Lehrbuch der organischen Chemie, 22. Auflage,
Stuttgart 1991, S. 546).
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Die
Reaktion wird üblicherweise
in stark sauren Medien bei hohen Temperaturen durchgeführt, was
zu hohen Nebenproduktgehalten und damit verbunden aufwändiger Reinigung
und reduzierten Ausbeuten führt und
mit hohen Energiekosten verbunden ist.
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In
der Literatur ist eine weitere Variante der Beckmann Umlagerung
unter Einsatz von Cyanurchlorid als Katalysator unter milden Reaktionsbedingungen
beschrieben (JACS 2005, 127, 11240). Nach dieser Methode lassen
sich nicht cyclische und cyclische Amide aus den entsprechenden
Ketoximen unter Zusatz von katalytischen Mengen an Cyanurchlorid
in Gegenwart von katalytischen Mengen an ZnCl2 in
guten Ausbeuten synthetisieren.
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Nachteil
der Methode ist, dass laut Lit.-Angaben gute Ausbeuten nur in polaren
Lösemitteln
wie Acetonitril und Nitromethan erhalten werden, während in
unpolaren Lösemitteln
nur ein geringer Umsatz erreicht wird und z.B. das 9-Ring-Lactam
nur in sehr geringer Ausbeute erhalten wird.
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Für die großtechnische
Anwendung ist jedoch eine Reaktion in unpolaren Lösemitteln
erforderlich, da die Oxim-Vorstufe in unpolaren Lösemitteln
anfällt
und somit aufwendige Zwischenschritte zum Wechsel des Lösemittels
erforderlich wären
und zusätzliche
Lösemittel-Kosten
anfielen, wenn das literaturbekannte Verfahren unter Einsatz von
Cyanurchlorid zur Anwendung käme.
Ein solches Verfahren wäre
im großtechnischen Einsatz
klar benachteiligt.
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Aufgabe
der Erfindung war deshalb die Angabe eines weiteren Verfahrens zur
Herstellung von Amiden mittels Beckmann-Umlagerung, welches trotz des Einsatzes
von Cyanurchlorid als Katalysator auf den Einsatz derart polarer
Lösungsmittel
verzichten kann. Gerade im großtechnischen
Maßstab
sollte das erfindungsgemäße Verfahren
vom ökologischen
wie auch ökonomischen
Standpunkt dem Verfahren des Standes der Technik überlegen
sein. Insbesondere sollte das gegenständliche Verfahren bei nicht
wesentlich mehr Einsatzmenge an Cyanurchlorid einen nicht wesentlich
schlechteren Umsatz an Ketoxim in einem unpolareren Lösungsmittel
oder Lösungsmittelgemisch
hervorzubringen im Stande sein.
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Überraschend
wurde nun gefunden, dass in einem Verfahren zur Herstellung von
Amiden aus den entsprechenden Ketoximen durch Erhitzen des Ketoxims
in Gegenwart von Cyanurchlorid, die Amide auch dann in ausgezeichneten
Ausbeuten erhalten werden können,
wenn man die Reaktion in einem unpolaren organischen Lösungsmittel
mit einem logP-Wert von 2–14
durchführt,
wobei das Lösungsmittel
nicht ausschließlich aus
Toluol bestehen darf, wenn die Einsatzmenge an Cyanurchlorid ≤ 5 Mol% beträgt.
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Dies
war so vor dem Hintergrund des bekannten Standes der Technik mitnichten
zu erwarten. Insbesondere kann als Überraschung gelten, dass offensichtlich
lediglich die Tatsache einer vernachlässigbar geringeren Erhöhung der
Einsatzmenge an Cyanurchlorid in unpolaren Lösungsmitteln dazu gereicht,
die durch den Stand der Technik propagierte Lehre des Einsatzes
von polaren und nukleophilen Lösungsmitteln
bei dieser Reaktion auch auf den erfolgreichen Einsatz von unpolaren
Lösungsmitteln
auszudehnen.
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Als
Substrate können
sowohl cyclische oder acyclische Ketoxime in die erfindungsgemäße Reaktion eingesetzt
werden. Die Menge an Cyanurchlorid kann vom Fachmann entsprechend
des jeweils vorliegenden Syntheseproblems angepasst werden. Als
zu betrachtende Faktoren für
das Austarieren der Einsatzmenge seien die Reaktionsgeschwindigkeit,
Raum-/Zeitausbeute und/oder Nebenproduktbildung angegeben.
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Die
Reaktion wird bevorzugt in Gegenwart einer Menge an Cyanurchlorid
bezogen auf das Ketoxim von 0,5–30
mol% durchgeführt.
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Es
hat sich gezeigt, dass die zuzugebende Menge an Cyanurchlorid in
Bezug auf das Syntheseproblem der Umsetzung offenkettiger bzw. cyclischer
Ketoxime variieren kann. Für
cyclische Ketoxime kann vorzugsweise eine Einsatzmenge an Cyanurchlorid
bezogen auf die Menge an Ketoxim von 0,5–30 mol% genommen werden. Mehr
bevorzugt ist der Einsatz einer Menge von 0,5–20 mol%, weiter bevorzugt
von 1–15
mol% und besonders bevorzugt von 1,5 –13 mol% Cyanurchlorid.
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Für acyclische
Ketoxime kann bevorzugt eine Einsatzmenge an Cyanurchlorid bezogen
auf die Menge an Ketoxim von 0,5–30 mol% genommen werden. Mehr
bevorzugt ist der Einsatz einer Menge von 0,5–20 mol%, weiter bevorzugt
von 1–10
mol% und besonders bevorzugt von 2–6 mol% Cyanurchlorid.
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Die
Wahl des unpolaren Lösungsmittels
bleibt im erfindungsgemäßen Rahmen
dem Fachmann überlassen.
Die Polarität
von Lösungsmitteln
kann nach dem sogenannten logP-Wert bestimmt werden. Dieser ist definiert
als der dekadische Logarithmus des Verteilungskoeffizienten P einer
Substanz in Octanol-Wasser (Lit: J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol.
18, No. 3, 1989). In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der logP-Wert der
Lösungsmittel
2–10,
mehr bevorzugt 2,5–8
und ganz bevorzugt 3–7.
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Im
einzelnen haben sich Lösungsmittel
oder Lösemittelgemische
aus der Gruppe bestehend aus Cyclododecan, Cyclooctan, Cycloheptan,
Cyclohexan, Cyclopentan, n-Nonan, n-Octan, n-Heptan, n-Hexan, n-Pentan,
Isooctan, Hydrocumol, Toluol, Benzol u.ä. bei der Reaktion als günstig erwiesen.
Ganz besonders bevorzugt ist der Einsatz von Cyclododecan, Cyclooctan
und Hydrocumol oder Mischungen derselben in diesem Zusammenhang.
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Obwohl
sich der Einsatz eines Cokatalysators bei den vorliegenden Versuchen
als nicht notwendig erwiesen hat, könnte es für bestimmte Syntheseprobleme
günstig
sein, einen solchen der Reaktion zuzusetzen. Als Cokatalysatoren
kommen insbesondere Lewis-Säuren
oder Brönstedt-Säuren in
Betracht. Derartige können
ausgewählt
werden aus der Gruppe bestehend aus ZnCl2,
FeCl3, CoCl2, PbCl3, SnCl3, TiCl2, ZrCl2 bzw. HCl,
H2SO4, H3PO4, HNO3, p-Toluolsulfonsäure, Methylsulfonsäure u.ä.. Ganz
besonders bevorzugt ist der Einsatz von schwachen Lewis-Säuren wie
Zinkchlorid, Eisenchlorid, Cobaltchlorid oder Brönstedt-Säuren wie HCl, H2SO4, p-Toluolsulfonsäure.
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Die
Einsatzmenge des Cokatalysators kann vom Fachmann nach seinem Wissen
gewählt
werden. Als Einsatzmenge kommen 0,5–20 mol% bezogen auf das Ketoxim,
vorzugsweise 0,5–10
mol% und ganz besonders bevorzugt 1–4 mol% vorliegendenfalls in
Betracht.
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Die
Reaktion wird vorzugsweise so ausgeführt, dass das Substrat in dem
unpolaren Lösungsmittel vorgelegt
und das Cyanurchlorid der Mischung beigemengt wird. Anschließend erhitzt
man die Reaktionsmischung, wobei eine Temperatur von 50–250 °C eingestellt
wird. Vorzugsweise beträgt
die Temperatur der Umsetzung 80–120 °C, ganz besonders
bevorzugt 100–115 °C.
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Nach
Ablauf der Reaktion, die bei den oben angegebenen Temperaturen in
der Regel innerhalb von mind. 3 h, bevorzugt 2 h, mehr bevorzugt < 1 h, und ganz besonders < 15 min. beendet
ist, kann die Mischung nach Maßgabe
des Fachmanns aufgearbeitet werden. Vorzugsweise kühlt man
die Lösung
dazu ab, lässt
das Lactam auskristallisieren und filtriert ab, ggfs. kann das Produkt
durch Umkristallisation weiter aufgereinigt werden.
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Vorteilhaft
ist für
die Umsetzung von acyclischen Ketoximen mit einer Ausbeute von > 85% an Amid der Einsatz
von 5 mol% Cyanurchlorid. Dies gilt im Gegensatz zu den Literaturangaben
sowohl für
polare als auch für
unpolare Lösemittel.
Niedrigere Konzentrationen führen
meist zu geringeren Umsätzen,
höhere
Konzentrationen führen
zwar auch zu 100%igem Umsatz des Oxims, wobei jedoch die Gefahr
der Nebenproduktbildung zunehmen kann.
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Cyclische
Ketoxime, welche in die Reaktion eingesetzt werden haben vorzugsweise
eine Ringgröße von 6–12, mehr
bevorzugt 7–12
und weiter bevorzugt 7–9
oder weiter bevorzugt 10–12.
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Cyclische
Ketoxime mit Ringgrößen von
10–12
lassen sich vorzugsweise in Hydrocumol oder Cyclooctan umsetzen,
wobei mit 2–3
mol% Cyanurchlorid 100% Umsatz und Ausbeuten > 90% erhalten werden können. In polaren Lösungsmitteln
wie Acetonitril ist bereits eine Cyanurchlroridkonzentration von
1 mol% für
einen vollständigen
Umsatz ausreichend. Nicht umgesetztes Keton aus der Vorstufe stört dabei
die Reaktion nicht.
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Für die Umsetzung
von kleineren Ringen (Ringgrößen 6–9, vorzugsweise
7–9) kommt
vorteilhafterweise eine Cyanurchloridkonzentration von 3–13 mol%
zum Einsatz. Damit lassen sich ebenfalls Umsätze von > 85% in entsprechenden Zeitfenstern erreichen.
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Die
Reaktion kann batchweise im Rührkessel
oder kontinuierlich im Rohrreaktor, Rührkessel oder einer Rührkesselkaskade
ablaufen.
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Interessanter
Weise zeigt die vorliegende Erfindung, dass entgegen der Lehre,
die dem zitierten Stand der Technik entnommen werden kann, es durchaus
möglich
ist, die katalytische Beckmann-Umlagerung mit Cyanurchlorid auch
in unpolaren Lösemitteln
mit sehr hohen Ausbeuten zu erreichen. Gerade das Beispiel in der
JACS-Publikation in Tabelle 1, Eintrag 11 hätte den Fachmann vom Einsatz
unpolarer Lösungsmittel
in der vorliegenden Reaktion eher abgehalten, da hier das Toluol
als Lösungsmittel
gerade einmal 8% an Ausbeute erbracht hat. Es konnte vorliegendenfalls
jedoch gezeigt werden, dass eine leichte Erhöhung der Cyanurchloridkonzentration
die Ausbeute an Produkt überraschender
Weise drastisch steigen lässt,
weshalb die hier beschriebene Herstellvariante gerade im technischen
Maßstab
außerordentlich
bevorzugt zum Einsatz kommen kann. Sie wird jedoch durch den vorhandenen
Stand der Technik somit in keinster Weise nahe gelegt. Ganz besonders
hervorzuheben ist, dass auch das 9-Ring-Lactam in wirtschaftlich
vorteilhaften Ausbeuten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
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Darüberhinaus
ist der Einsatz von unpolaren Lösungsmitteln
vor dem Hintergrund dessen, dass die hier eingesetzten Vorstufen
ebenfalls in unpolaren Lösungsmitteln
hergestellt werden, aus prozessökonomischen
Gründen
besonders vorteilhaft, da ein Lösungsmittelwechsel
von unpolaren zu polaren bei der Herstellung von Amiden und Lactamen
damit vermieden werden kann.
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Die
für die
vorliegende erfindungsgemäße Reaktion
einzusetzenden Oxime lassen sich nach dem Fachmann bekannten Verfahren
gewinnen (Organikum, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1986,
16. Auflage, S. 394ff.)
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Beispiele:
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Die
Umsetzungen wurden alle mit jeweils 2 mmol des jeweiligen Oxims
in 4 ml Lösemittel
unter Zusatz von unterschiedlichen Mengen Cyanurchlorid als Katalysator
durchgeführt.
Alle Lösemittel
wurden in p.A.-Qualität
eingesetzt. Die Reaktion wurde über
GC verfolgt und Umsatz und Ausbeute aus den F1% ermittelt. Die Ausbeuten
beziehen sich jeweils auf die eingesetzte Oximmenge.
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Bsp.1
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- Umsetzung von Acetophenonoxim in ACN mit 1 mol% CYC für 60 Min.
unter Rückfluß. Umsatz
61%, Ausbeute Lactam 61%.
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Bsp.2
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- Umsetzung von Acetophenonoxim in ACN mit 5 mol% CYC für 60 Min.
unter Rückfluß. Umsatz
99%, Ausbeute Lactam 99%.
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Bsp.3
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- Umsetzung von Acetophenonoxim in Toluol mit 10 mol% CYC
für 60
Min. unter Rückfluß. Umsatz
98%, Ausbeute Lactam 60%.
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Bsp.4
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- Umsetzung von Acetophenonoxim in Cyclooctan mit 1 mol% CYC
für 60
Min. bei 113°C.
Umsatz 5%, Ausbeute Lactam 5%.
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Bsp.5
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- Umsetzung von Acetophenonoxim in Cyclooctan mit 5 mol% CYC
für 60
Min. bei 113°C.
Umsatz 99%, Ausbeute Lactam 90%.
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Bsp.6
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- Umsetzung von Acetophenonoxim in Cyclooctan mit 10 mol%
CYC für
60 Min. bei 113°C.
Umsatz 99%, Ausbeute Lactam 60%.
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Bsp.7
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- Umsetzung von CDON in ACN mit 1,1 mol% CYC für 60 Min.
unter Rückfluß. Umsatz
100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Bsp.8
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- Umsetzung von CDON in ACN mit 1,6 mol% CYC für 60 Min.
unter Rückfluß. Umsatz
100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Bsp.9
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- Umsetzung von CDON in ACN mit 2,2 mol% CYC für 120 Min.
unter Rückfluß. Umsatz
100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Bsp.10
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- Umsetzung von CDON in Toluol mit 1,6 mol% CYC für 60 Min.
unter Rückfluß. Umsatz
18%, Ausbeute Lactam 18%.
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Bsp.11
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- Umsetzung von CDON in Toluol mit 4,3 mol% CYC für 60 Min.
unter Rückfluß. Umsatz
98%, Ausbeute Lactam 98%.
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Bsp.12
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- Umsetzung von CDON in Hydrocumol mit 0,7 mol% CYC für 60 Min.
bei 113°C.
Umsatz 4%, Ausbeute Lactam 4%.
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Bsp.13
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- Umsetzung von CDON in Hydrocumol mit 1,7 mol% CYC für 60 Min.
bei 113°C.
Umsatz 27%, Ausbeute Lactam 27%.
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Bsp.14
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- Umsetzung von CDON in Hydrocumol mit 1,9 mol% CYC für 60 Min.
bei 113°C.
Umsatz 97%, Ausbeute Lactam 97%.
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Bsp.15
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- Umsetzung von CDON in Hydrocumol mit 2,1 mol% CYC für 60 Min.
bei 113°C.
Umsatz 100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Bsp.16
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- Umsetzung von CDON in Hydrocumol mit 2,6 mol% CYC für 10 Min.
bei 113°C.
Umsatz 100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Bsp.17
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- Umsetzung von CDON in Hydrocumol mit 2,1 mol% CYC für 15 Min.
bei 113°C
und Zusatz von 2,5% Cyclododecanon. Umsatz 100, Ausbeute Lactam
100%.
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Bsp.18
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- Umsetzung von CDON in Cyclooctan mit 1,6 mol% CYC für 150 Min.
bei 113°C.
Umsatz 28%, Ausbeute Lactam 28%.
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Bsp.19
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- Umsetzung von CDON in Cyclooctan mit 2,7 mol% CYC für 20 Min.
bei 113°C.
Umsatz 100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Bsp.20
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- Umsetzung von CDON in Cyclododecan mit 2,1 mol% CYC für 30 Min.
bei 113°C.
Umsatz 100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Bsp.21
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- Umsetzung von CDON in einem Gemisch aus Hydrocumol und Cyclooctan
im Volumenverhältnis
1 : 1 mit 2,1 mol% CYC für
30 Min. bei 113°C.
Umsatz 100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Bsp.22
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- Umsetzung von CDON in einem Gemisch aus Hydrocumol und Cyclododecan
im Volumenverhältnis
1 : 1 mit 2,1 mol% CYC für
30 Min. bei 113°C.
Umsatz 100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Bsp.23
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- Umsetzung von CDON in einem Gemisch aus 20 Gew% Cyclododecan
und 80 Gew% Cyclooctan mit 2,1 mol% CYC für 30 Min. bei 113°C. Umsatz
100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Bsp.24
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- Umsetzung von CDON in n-Octan mit 2,1 mol% CYC für 60 Min.
bei 113°C.
Umsatz 100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Bsp.25
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- Umsetzung von CDON in Cyclooctan mit 1,6 mol% CYC und 1,0
mol% Schwefelsäure
für 30
Min. bei 113°C. Umsatz
50%, Ausbeute Lactam 20%.
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Bsp.26
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- Umsetzung von c-Octanonoxim in Cyclooctan mit 3,1 mol% CYC
für 30
Min. bei 113°C.
Umsatz 10%, Ausbeute Lactam 10%.
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Bsp.27
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- Umsetzung von c-Octanonoxim in Cyclooctan mit 12,5 mol%
CYC für
30 Min. bei 113°C.
Umsatz 95%, Ausbeute Lactam 95%.
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Bsp.28
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- Umsetzung von einem Gemisch c-Octanonoxim und CDON (58/42
mol%) in Cyclooctan mit 6,3 mol% CYC (bezogen auf Summe Oxime) für 30 Min.
bei 113°C.
Umsatz C8-Oxim 100%, Umsatz C12-Oxim
100%, Ausbeute Lactam C8/C12 100%/100%.
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Bsp.29
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- Umsetzung von einem Gemisch c-Octanonoxim und CDON (58/42
mol%) in Cyclooctan mit 12,5 mol% CYC (bezogen auf Summe Oxime)
für 30
Min. bei 113°C.
Umsatz C8-Oxim 100%, Umsatz C12-Oxim
100%, Ausbeute Lactam C8/C12 50%/100%.
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Bsp.30
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- Umsetzung von einem Gemisch c-Hexanonoxim und CDON (63/37
mol%) in Hydrocumol mit 5,9 mol% CYC (bezogen auf Summe Oxime) für 95 Min.
bei 113°C.
Umsatz C6-Oxim 90%, Umsatz C12-Oxim
90%, Ausbeute Lactam C6/C12 20%/50%.
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Bsp. 31
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- Umsetzung von CDON in Cyclooctan mit 1,6 mol% CYC und 4,1
mol% Zinkchlorid für
60 Min. bei 113°C.
Umsatz 100%, Ausbeute Lactam 100%.
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Weitere
Beispiele im größeren Maßstab und
mit kontinuierlicher Synthesefahrweise.
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Bsp. 1.1
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100g
einer Mischung aus 75g Hydrocumol und 25g CDON (0,126 Mol, MG 197,3)
werden bei ca 80°C bei
einer Badtemperatur von 115°C
mit 0,50g Cyanurchlorid (0,00271 Mol, MG 184,4) versetzt und für 30 min gerührt. Hierbei
setzt nach ca 2–3
min. eine Exothermie bis max. 150°C
ein, welche nach 6–7
min. beendet ist. Anschließend
lässt man
die Mischung bei 110–115°C nachreagieren.
GC-Analyse:
0,4 Fl% CDON und 98,6 Fl% Laurinlactam
Abgekühlt auf
ca 10°C
und Niederschlag abfiltriert, im Vakuum bei 70°C getrocknet.
Isolierausbeute:
23,3 g Laurinlactam = 93,2% d. Th. MG 197,3
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Bsp.1.2
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19,8g
CDON werden in 100 ml Cyclooctan bei ca 80°C vorgelegt (Badtemperatur 115°C) und 0,50g Cyanurchlorid
zugegeben. Ab 4 min. setzt eine Exotherme bis 130°C ein, welche
nach 8 min. schon wieder abklingt. Die Reaktion ist nach 15 min.
beendet und beginnt abzukühlen.
GC-Analyse:
0,06 Fl% CDON und 99,6 Fl% Laurinlactam
Isolierausbeute: 19,1
g Laurinlactam = 96,5% d.Th. MG 197,3
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Bsp.1.3
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Eine
25 Gew%-ige Lösung
von CDON in Cyclooctan (Temperatur 80°C) [Lsg.A] und eine 10 Gew%-ige Lösung von
Cyanurchlorid in Cyclooctan (Temperatur 40°C) [Lsg.B] werden mit einem
konstanten Fluss von 10 l/Std. Lsg.A und 0,6 l/Std. Lsg.B simultan
in eine mit 115°C
beheizte Reaktionswendel, DN 25, Länge 5,6 m und eine sich anschließende mit
100°C beheizte
Nachreaktionsstrecke, DN 25, Länge
2,8 m mittels Pumpen dosiert. Die anfallende Reaktionslösung kann
dann abgekühlt
und der Produktisolierung sowie eventueller Reinigung zugeführt werden.
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Hierbei
ergeben sich mittlere Verweilzeiten von ca 15 min. in der Reaktionszone
und ca 8 min. in der Nachreaktion, was für eine vollständige Umsetzung
ausreicht.
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Die
gaschromatographische Analyse der erhaltenen Reaktionslösung ergibt
0,08 Fl% CDON und 99,2 Fl% Laurinlactam.
Isolierausbeute: aus
1 l Reaktionslösung
wurden 238 g Laurinlactam roh, trocken erhalten, das entspricht 95,2%
d.Th.
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Abkürzungen:
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- CYC
- = Cyanurchlorid
- ACN
- = Acetonitril
- CD
- ON = Cyclododecanonoxim