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Verfahren zur N-Monoalkylierung des Piperazins N-monoalkylierte Piperazine
sind wichtige Zwischenprodukte bei der Herstellung von Piperazinderivaten, welche
in der Medizin, z. B. als Antihistamine, Antiwurmmittel u. dgl., verwendet werden.
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Die N-Monoalkylierung des Piperazins ist durch den Umstand erschwert,
daß in dem Piperazin (vgl. nachstehende Formel)
zwei basische Zentren Nlund N2 gleicher Aktivität gegenüber alkylierenden Mitteln
vorliegen, mit der Folge, daß die Monoalkylierung ohne gleichzeitige Dialkylierung
schwerlich gelingt. Die bisher bekannten Verfahren zur Monoalkylierung des Piperazins
ergeben Gemische, die einerseits aus nicht umgesetzter Base und andererseits aus
N'-monoalkylierten Derivaten und bemerkenswerten Mengen von N1N2-dialkylierten Derivaten
bestehen. Die einzelnen Bestandteile der Gemische können schwer voneinander getrennt
werden, so daß bei der Aufarbeitung mit einer erheblichen Ausbeuteminderung an dem
N1-monoalkylierten Derivat zu verzeichnen ist.
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Es wurde festgestellt, daß im Gegensatz zum Piperazin die beiden
aktiven Zentren N1 und N2 im Monopiperazinion (vgl. nachstehende Strukturformel)
abgeleitet von dem entsprechenden Monopiperaziniumsalz (vgl. die Formel)
(R = anionisches Radikal, abgeleitet von einer unten beschriebenen Säure) bezüglich
der Aktivität gegenüber alkylierenden Mitteln nicht mehr gleich sind. Die Alkylierung
von Salzen ergibt also ausgezeichnete Ausbeuten an N-monoalkyliertem Piperazin.
Dieses ist im wesentlichen frei von N1N2-dialkylierten Derivaten. Dieser Sachverhalt
eröffnet die Möglichkeit zur Herstellung von N-monoalkylierten Derivaten des Piperazins.
Man erhält hervorragende Ausbeuten unter Anwendung eines Einstufenverfahrens.
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Die vorliegende Erfindung besteht demgemäß darin, Piperazine durch
Umsetzen eines Monopiperaziniumsalzes mit einem bis zu 6 Kohlenstoffatome enthaltenden
alkylierenden Mittel oder einem aralkylierenden Mittel
in Gegenwart eines organischen
oder wäßrigen organischen Lösungsmittels N-monoalkylierte Piperazine herzustellen.
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Das Monopiperaziniumsalz wird in bekannter Weise durch partielle
Neutralisation von Piperazin oder seinem Hexahydrat in einem organischen oder wäßrigen
organischen Lösungsmittel mit der hierzu erforderlichen Menge einer Säure hergestellt.
Das Monopiperaziniumsalz trennt sich von der Lösung ab oder verbleibt in ihr, so
daß es durch Beseitigung des Lösungsmittels gewonnen werden kann. Besonders zweckmäßig
ist es, wenn man das Monopiperaziniumsalz im Zuge der Monosubstitution des Piperazins
in einem Arbeitsgang herstellt, indem man dem als Ausgangsmaterial für die Substitution
verwendeten Piperazin vorzugsweise die Säuremenge zusetzt, die erforderlich ist,
um das Piperazin in Monopiperaziniumsalz umzusetzen.
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Als alkylierende Mittel sind Methyl- oder Äthylsulfat oder ein Alkylhalogenid,
insbesondere Alkylbromid oder Alkyljodid, nicht dagegen ein Alkylfluorid geeignet.
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Das alkylierende oder aralkylierende Mittel kann zwei aktive Zentren
besitzen. Es kann also ein aliphatisches oder araliphatisches a,ccs-Dichlorid, Dibromid
oder Dijodid sein. Insbesondere verwendet man als alkylierendes Mittel ein a,rn-Dibromid
oder Dijodid, welches bis zu 6 Kohlenstoffatome enthalten kann.
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Als aralkylierendes Mittel ist z. B. das Chlorid, Bromid oder Jodid
einer Verbindung der allgemeinen Formel Hal (C H2)nAr geeignet. In dieser bedeutet
n eine Zahl, die nicht größer als 6 ist und Ar einen aromatischen Kern,
insbesondere
einen Phenyl-, Naphthyl- oder Diphenylkern. Diese Kerne können zusätzlich substituiert
sein, z. B. durch Alkyl-, Alkoxy-, Halogen- oder Nitrogruppen.
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Bevorzugt verwendet man Monopiperaziniumsalze nachstehend aufgeführter
Säuren. Voraussetzung ist, daß die entsprechenden Monopiperaziniumsalze in den bei
der Kondensation herrschenden Temperaturen verwendeten Lösungsmitteln löslich sind,
nicht mit den bei der Kondensation angewendeten Lösungsmitteln reagieren und sich
bei den herrschenden Reaktionsbedingungen nicht zersetzen.
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Die Säuren, die dem Säurerest des Monopiperaziniumsalzes entsprechen,
besitzen zweckmäßig eine Dissoziationskonstante, die unter der zweiten Säuredissoziationskonstante
des Piperazins in demjenigen Lösungsmittel liegt, das für die Kondensation verwendet
wird. Wird also Piperazin in einer wäßrigen, äthanolischen Lösung verwendet, so
wird sich der Säurerest des Monopiperaziniumsalzes von einer Säure ableiten, deren
Dissoziationskonstante unter der zweiten Säuredissoziationskonstante des Piperazins
(pKa2 = 9,66 in Wasser bei 250 C) liegt.
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In Betracht kommende Säuren sind: Essigsäure, Bernsteinsäure, Zitronensäure,
Benzoesäure, p-Toluolsulfonsäure, Salzsäure, Bromwasserstoffsäure und Schwefelsäure,
Salzsäure wird bevorzugt verwendet.
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Die Durchführung des Verfahrens kann in den verschiedensten Lösungsmitteln
erfolgen, wie z. B. Dioxan, Äthoxyäthanol oder einem bis zu 5 Kohlenstoffatomen
enthaltenden Alkanol. Dem Lösungsmittel kann Wasser zugegeben sein oder nicht. Wäßriges
Äthanol wird bevorzugt verwendet.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine geeignete
Menge des alkylierenden oder aralkylierenden Mittels einer Lösung von Monopiperaziniumsalz
in dem geeigneten Lösungsmittel zugegeben. Dabei ist es notwendig, das Gemisch zu
erhitzen, wenn das alkylierende Mittel eine ungenügende Aktivität besitzt.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt man
die Anteile des alkylierenden oder aralkylierenden Mittels und des Monopiperaziniumsalzes
so ein, daß die Ausbeute ohne Aufwand eines zu großen Überschusses von Monopiperaziniumsalz
die beste ist.
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Der Anteil des Monopiperaziniumsalzes soll also nicht kleiner sein
als ein Mol gegenüber jedem verwendeten alkylierenden Medium. Dabei ist es nicht
zweckmäßig, mehr als 2,1 Mol Monopiperaziniumsalz je Mol Alkylierungsmittel zu verwenden.
Geht man von Monopiperaziniumsalz aus, das sich von Salzsäure oder anderen starken
Säuren ableitet, erhält man ein Optimum an Ausbeuten, wenn man 1,9 bis 2,1 Mol Monopiperaziniumsalz
je Mol Alkylierungsmittel verwendet. Bei schwachen organischen Säuren ist es möglich,
einen kleineren Anteil von Monopiperaziniumsalz zu verwenden. Dabei ist jedoch mit
einem mäßigen Ausbeuteabfall zu rechnen. In diesem Fall soll der Anteil des Monopiperaziniumsalzes
nicht kleiner sein als 1 Mol je Alkylierungsmittel.
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Beispiel 1 Eine Lösung von 24,5 g (0,2 Mol) Monopiperaziniumchlorid
in 100 ml Äthanol und 35 ml Wasser werden auf 200 C abgekühlt. Hierzu werden 18,5
g (0,1 Mol) m-Methylbenzylbromid unter Rühren zugegeben und das Gemisch bei einer
Temperatur von 20° C 1 Stunde gerührt. Sodann wird 30 Minuten bei 700 C gerührt
und daran anschließend das Äthanol bei vermindertem Druck abdestilliert. Der verbleibende
Rückstand wird durch Zusatz eines kleinen Überschusses an 5 n-Natriumhydroxyd basisch
gemacht.
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Das sich abscheidende öl und der Benzolextrakt aus der wäßrigen Schicht
werden miteinander vereinigt. Das
Benzol wird abdestilliert. Die Destillation des
Rückstandes liefert N-m-Methylbenzylpiperazin, Kp.0,2: 100 bis 105° C. Ausbeute
75 0J0.
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Beispiel 2 Eine Lösung von 17,5 ml einer 11,4n-Salzsäure (0,2 Mol)
werden einer Lösung von 38,8 g (0,2 Mol) Piperazinhexahydrat in 100 ml Methanol
zugesetzt. Die Lösung wird auf 200 C abgekühlt. Dann werden 18,5 g (0,1 Mol) m-Methylbenzylbromid
unter Rühren zugegeben. Das Rühren wird 30 Minuten lang bei 70" C fortgesetzt. Das
N-m-Methylbenzylpiperazin wird, wie im Beispiel 1 beschrieben, isoliert. Kp.1,5
123 bis 1270 C, Ausbeute 74°l0.
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Beispiel 3 Es wird wie im Beispiel 2 beschrieben verfahren mit der
Abweichung, daß an Stelle von Methanol 100 ml Isopropanol verwendet werden. Ausbeute
74O/o.
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Beispiel 4 Das Beispiel 2 wird unter Verwendung von 100 mol B-Äthoxyäthanol
an Stelle von Methanol wiederholt. Das Gemisch wird mit Rücksicht auf die Tendenz,
zwei Schichten zu bilden, stark gerührt. Das N-m-Methylbenzylpiperazin wird in üblicher
Weise isoliert. Kp.1.2 122 bis 1240 C. Ausbeute 69 O/o.
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Beispiel 5 34,5 g (0,2 Mol) einer 470,(0gen Bromwasserstoffsäure
werden einer Lösung von 38,8 g (0,2 Mol) Piperazinhexahydrat in 80 ml Äthanol zugesetzt.
Die Lösung wird auf 700 C erhitzt. Sodann werden 18,5 g (0,1 Mol) m-Methylbenzylbromid
langsam unter Rühren zugegeben.
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Das Rühren wird 30 Minuten lang bei 70" C fortgesetzt.
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Die Isolierung des N - m - Methylbenzylpiperazins erfolgt nach Beispiel
1. Kp.0,2 100 bis 1020 C. Ausbeute 820/o.
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Beispiel 6 6,0 g (0,1 Mol) Eisessig werden einer Lösung von 19,4
g (0,1 Mol) Piperazinhexahydrat in 100 ml Äthanol und 20 ml Wasser zugegeben. Die
Lösung wird auf 700 C erhitzt und sodann 18,5 g (0,1 Mol) m-Methylbenzylbromid unter
Rühren langsam zugegeben. Das Rühren wird bei 70" C 30 Minuten fortgesetzt. Das
N-m-Methylbenzylpiperazin wird gemäß den vorangehenden Beispielen isoliert. Kp.1.5
123 bis 125° C. Ausbeute 60°lo.
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Beispiel 7 5,3 ml einer 37,5 n (98 0/o) Schwefelsäure (01 Mol) werden
einer Lösung von 38,8 g (0,2 Mol) Piperazinhexahydrat in einem Gemisch aus 100 ml
Äthanol und 15 ml Wasser zugegeben. Es wird auf 700 C erhitzt.
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Dann werden 18,5 g (0,1 Mol) m-Methylbenzylbromid langsam unter Rühren
zugegeben. Das Rühren wird 30 Minuten bei 700 C fortgesetzt. Das N-m-Methylbenzylpiperazin
wird, wie im Beispiel 1 beschrieben, isoliert. Kp.0.2 103 bis 1050 C. Ausbeute 660/,.
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Beispiel 8 173 ml (2 Mol) konzentrierte Salzsäure werden langsam
einer Lösung von 388 g (2 Mol) Piperazinhexahydrat in 800 ml Äthanol in einem 3-Hals-Kolben
mit Rührwerk, Kondensator und Tropftrichter zugesetzt. Das Gemisch wird auf Raumtemperatur
abgekühlt und dann unter Rühren 142 g (1 Mol) Methyljodid langsam zugegeben. Nach
erfolgter Zugabe wird 11f2 Stunden bei Raumtemperatur und schließlich 2 Stunden
bei 70" C gerührt. Das Gemisch wird gekühlt und mit 86,5 ml einer 11,6 n-Salzsäure
(1 Mol) behandelt. Es wird auf
die Hälfte der Menge eingeengt. Das
unlösliche Piperazinbishydrochlorid wird filtriert. Das Filtrat wird bei vermindertem
Druck zur Trockne eingedampft, in 11 Methanol gelöst und wiederum abgefiltert, um
noch Reste des vorhandenen Piperazinbishydrochlorids abzutrennen. Das Filtrat wird
mit 108 g (2 Mol) einer konzentrierten Lösung von Natriummethylat versetzt und das
entstandene Natriumchlorid abfiltriert. Die verbleibende Lösung wird über einen
wirksamen Destillieraufsatz destilliert. Nachdem das Methanol und ein kleiner Vorlauf
überdestilliert sind, erhält man N-Methylpiperazin vom Kp. 134 bis 1360 C. Ausbeute
580/,.
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Beispiel 9 17,5 ml einer 11,4 Salzsäure (0,2 Mol) werden unter Rühren
einer Lösung von 38,8 g Piperazinhexahydrat in 180 ml Äthanol zugesetzt. Das Gemisch
wird auf 200 C abgekühlt und 15,1 g (0,1 Mol) n-Amylbromid langsam zugegeben. Nach
vollendeter Zugabe wird das Rühren 1 Stunde bei Raumtemperatur und 30 Minuten bei
70" C fortgesetzt. Das N-n-Amylpiperazin wird in üblicher Weise isoliert und besitzt
bei etwa 30 mm einen Siedepunkt von 110 bis 114"C. Ausbeute 640/,.
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Beispiel 10 17,3 ml 11,5 n-Salzsäure (0,2 Mol) werden unter Rühren
einer Lösung von 38,8 g Piperazinhexahydrat (0,2 Mol) in 80 ml Äthanol zugesetzt.
Das Gemisch wird auf 20° C abgekühlt und 18,5 g (0,1 Mol) o-Methylbenzylbromid tropfenweise
und langsam zugegeben. Sodann wird 2 Stunden bei Raumtemperatur und weiterhin 30
Minuten bei 700 C gerührt. Das N-o-Methylbenzylpiperazin wird entsprechend den vorangehenden
Beispielen isoliert und besitzt einen Siedepunkt von 104 bis 106° C bei 0,05 mm.
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Ausbeute 890/,.
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Beispiel 11 Eine Lösung von Monopiperazinium-p-toluolsulfonat wird
aus 38,8 g Piperazinhexahydrat und 38 g p-Toluolsulfonsäuremonohydrat in 80 ml Äthanol
hergestellt.
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Die Lösung wird auf 20° C gekühlt und 18,5 g m-Methylbenzylbromid
unter Rühren zugesetzt. 1 Stunde wird bei Raumtemperatur und weitere 30 Minuten
bei 70" C gerührt. Das N-m-Methylbenzylpiperazin wird, wie im Beispiel 1 beschrieben,
isoliert und besitzt bei 1,4 mm einen Siedepunkt von 130 bis 132" C. Ausbeute 500/,.
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Beispiel 12 Eine Lösung aus 38,8g Piperazinhexahydrat und 24,4 g
Benzoesäure in 80 ml Äthanol wird mit 18,5 g m-Methylbenzylbromid, wie im Beispiel
11 beschrieben, umgesetzt. Man erhält 13,5 g N-m-Methylbenzylpiperazin, das, wie
beschrieben, isoliert wird. Kp.0,6 110 bis 1160 C. Ausbeute 710/0.
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Beispiel 13 29,1 g Piperazinhexahydrat und 10,5 g Zitronensäuremonohydrat
werden in 60 ml Äthanol gelöst und, wie in den vorangehenden Beispielen beschrieben,
mit 18,5 g m-Methylbenzylbromid umgesetzt. Nach üblicher Aufarbeitung erhält man
11,4 g N-m-Methylbenzylpiperazin vom Kp.o,s 110 bis 114" C. Ausbeute 60%.
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Beispiel 14 17,5 ml 11,4 n-Salzsäure werden einer Lösung von 38,8
g Piperazinhexahydrat in 100 ml Äthanol zugesetzt.
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Durch Erhitzen auf 70" C, starkes Rühren, tropfenweisen Zusatz von
15,7 g p-Methoxybenzylchlorid innerhalb von 10 Minuten, einstündiges Fortsetzen
des Rührens bei 700 C, Abkühlen, Basifizieren mit Natriumhydroxyd,
wie in den vorangehenden
Beispielen beschrieben, Isolieren des Reaktionsproduktes durch Extraktion mit Benzol
und nachfolgende Destillation bei vermindertem Druck erhält man 11,4 g N-p-Methoxybenzylpiperazin
vom Kp.1.5 130 bis 1360 C. Das Dihydrochlorid schmilzt bei 2600 C (Zersetzung).
Ausbeute 550/0.
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Beispiel 15 Man verfährt wie im Beispiel 14, mit dem Unterschied,
daß an Stelle von p-Methoxybenzylchlorid 16,1 g p-Chlorbenzylchlorid verwendet werden.
Man erhält 16,85 g N-p-Chlorbenzylpiperazin. Kp.1,4 132 bis 1340 C. Ausbeute 80
0/,.
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Beispiel 16 Verwendet man an Stelle von p-Methoxybenzylchlorid 17,7
g a-Chlormethylnaphthalin, dann erhält man 19,9 g N-{a-Naphthylmethyl?iperazin.
Kp.1,5 180 bis 1840 C.
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F. 58 bis 62" C. Ausbeute 880/,.
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Beispiel 17 Arbeitet man wie im Beispiel 14 angegeben und setzt als
Alkylierungskomponente 18,1 g 6-Chlormethyl-1,2,3, 4-Tetrahydronaphthalin zu, so
erhält man bei in üblicher Weise durchgeführter Isolierung 19,6 g N-{6-(1 ,2,3,4-Tetrahydronaphthyl)
-methylpiperazin vom Kp.1,5 172 bis 1760 C. Ausbeute 850/,.
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Beispiel 18 Eine Lösung von 38,8 g Piperazinhexahydrat und 17,3 ml
11,55 n-Salzsäure in 160 ml Äthanol wird auf 200 C abgekühlt und gerührt. Hierzu
werden tropfenweise 18,5 g ß-Phenäthylbromid zugegeben. Die Lösung wird 2 Stunden
bei 20° C und 30 Minuten bei 700 C gerührt. Nach üblicher Aufbereitung erhält man
10,65 g N-ß-Phenäthylpiperazin vom Kp.0,2 110 bis 114"C.
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Ausbeute 560/0. Das Dihydrochlorid schmilzt bei 280 bis 282° C (Zersetzung).
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Beispiel 19 Einer Lösung von 38,8 g Piperazinhexahydrat und 17,4
ml 11,5 n-Salzsäure in 160 ml jB-Äthoxyäthanol werden bei 300 C unter Rühren tropfenweise
20,0g y-Phenylpropylbromid zugesetzt. Es wird bei 300 C 15 Minuten und bei 700 C
2 Stunden weitergerührt.
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Nach Abtrennung desß-Äthoxyäthanols bei vermindertem Druck und üblicher
Aufarbeitung erhält man 13,75 g N-y-Phenylpropylpiperazin vom Kpo 5 122 bis 128°
C.
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Ausbeute 670/0.
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Beispiel 20 Durch Umsetzung von 18,0 g 6-Phenylhexylbromid mit 18,4
g Monopiperaziniumchlorid in 80 ml fl-Äthoxyäthanol im Verlauf von 5 Stunden bei
70 bis 80" C erhält man 9,2 g N-6-Phenylhexylpiperazin. Kp.l 163 bis 1700 C; Kp.03
143° C. Ausbeute 50%.
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Beispiel 21 Auf analoge Weise erhält man durch Umsetzung von 22,9
g 3-o-Toloxypropylbromid mit 24,5 g Monopiperaziniumchlorid in 80 ml Äthanol 13,5
g N-y-Propylo-methoxyphenylpiperazin als viskoses Öl vom Kp.0,1 135° C. Das Dihydrochlorid
besitzt nach dem Kristallisieren aus wäßrigem Äthanol einen Schmelzpunkt von 2330
C. Ausbeute 580/,.
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Beispiel 22 Durch Kondensation von 24,3 g 2 : 6-Xylyloxypropylbromid
mit 24,5 g Monopiperaziniumchlorid in 90 ml Äthanol in üblicher Weise erhält man
6,0 g N-y-Propyl-
2,6-dimethoxyphenylpiperazin als Ö1 vom Kp.0,05
136° C.
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Ausbeute 25%.
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Beispiel 23 Zu einer Lösung von 2 Mol Monopiperaziniumchlorid in
800 ml Äthanol wird tropfenweise 1 Mol Dimethylsulfat unter Rühren im Verlauf von
20 Minuten zugegeben und das Rühren 90 Minuten fortgesetzt. Nach völliger Umsetzung
wird 2 Stunden auf 70" C erhitzt. Nach dem Abkühlen wird 1 Mol konzentrierte Salzsäure
zugegeben.
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Das ausgefällte Piperazindihydrochlorid wird nach dem Abkühlen abfiltriert.
Das Filtrat wird eingeengt und mit einer konzentrierten Lösung von 3 Mol Natriummethylat
in Methanol behandelt. Das abgeschiedene Natriumsalz wird abfiltriert. Nach Einengen
des Filtrats und nachfolgender Destillation bei atmosphärischem Druck erhält man
65 g N-Methylpiperazin. Kp. 1360 C.
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Ausbeute 65%.
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Beispiel 24 Zu einer Lösung von 1 Mol Monopiperaziniumchlorid in
400 ml Äthanol werden unter Rühren 0,55 Mol Äthylbromid gegeben. Die Lösung läßt
man 1 Stunde bei Raumtemperatur stehen. Nach Beendigung der Reaktion wird 2 Stunden
am Rückfluß erhitzt. Im übrigen wird nach den vorangehenden Beispielen verfahren.
Man erhält 39,5 g N-Äthylpiperazin vom Kp. 156 bis 1580 C.
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Ausbeute 69%.
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Beispiel 25 20,19 g Trimethylendibromid werden unter Rühren bei 35°
C einer Lösung von 34,4g wasserfreiem Piperazin und 34,4 ml 11,5 n-Salzsäure in
100 ml Äthanol zugesetzt. Die Lösung wird 30 Minuten auf 900 C erhitzt, abgekühlt
und mit 17,2 ml 11,5n-Salzsäure versetzt. Es wird bei vermindertem Druck bis zur
Trockene eingedampft. Der Rückstand wird mit 200 ml Äthanol gekocht und nach dem
Abkühlen filtriert, um das unlösliche Piperazindisalz zu entfernen. Das alkoholische
Filtrat wird mit einer Lösung von 9,2 g Natrium in 150 ml Methanol behandelt. Das
ausgefällte Natriumchlorid wird abfiltriert und das Filtrat eingeengt. Das zurückbleibende
Öl wird bei 0,1 mm destilliert, wobei man 11 g 1,3-Bis-N-piperazinpropan vom Kp.
132 bis 135° C erhält. Diese Verbindung bildet ein Tetrapikrat, das bei 270 bis
272° C unter Zersetzung schmilzt. Ausbeute 52%.
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Beispiel 26 Verwendet man entsprechend dem Beispiel 25 an Stelle
von Trimethylendibromid 18,8 g Äthylendibromid, dann erhält man 5,0 g 1, 2-Bis-N-piperazinäthan,
das nach
dem Umkristallisieren aus Benzol bei 97 bis 990 (> schmilzt.
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Das Tetrapikrat schmilzt bei 2750 C unter Zersetzung.
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Ausbeute 25 0/,.
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Beispiel 27 22,7 g p-tert.-Butylbenzylbromid werden bei 200 C unter
Rühren einer Lösung von 2 Mol Monopiperaziniumchlorid zugegeben. Dieses wird unmittelbar
vor der Substitution unter Verwendung von 38,8 g Piperazinhexahydrat in 80 ml Äthanol
und 17,3 ml 11,5n-Salzsäure hergestellt.
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Das Gemisch wird sodann nach Vollendung der Zugabe 1 Stunde bei Raumtemperatur
und anschließend 30 Minuten bei 70" C gerührt. Nach üblicher Aufarbeitung erhält
man 19,75 g 1-(p-tert.-Butylbenzyl)-piperazin vom Kp.os 5 122 bis 125° C und F.
50 bis 54" C. Ausbeute 83%.