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Verfahren zur Herstellung von N-Carboxyalkoxy-harnstoffen Gegenstand
dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von N-Carboxyalkoxy-harnstoffen
durch Umsetzung von N-Hydroxy-harnstoffen zuerst mit ob -Halogenearbonsäuren und
dann mit Alkylierungsmitteln.
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Es ist bereits bekannt, l-Alkyl-l-carboxyalkoxy-3-arylharnstoffe durch
Umsetzung von l-Alkyl-l-hydroxy-3-arylharnstoffen und α -Halogencarbonsäuren
herzustellen ? (belgische Patentschrift 700 851). Die als Ausgangsstoffe benötigten
l-Alkyl-l-hydroxy-3-arylharnstoffe kann man ihrerseits aus Arylisocyanaten und Alkylhydroxylaminen
herstellen. Das Verfahren hat den Nachteil, daß die als Ausgangsstoffe verwendeten
Alkylhydroxylamine im technischen Maßstab schwer zugänglich und kostspielig sind.
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Es ist bekannt, daß 1-Alkoxy-3-arylharnstoffe am der Alkoxygruppe
benachbarten Stickstoffatom alkyliert werden können, (deutsche Patentschrift 1 076
117). Bei l-Hydroxy-3-arylharnstoffen werden, wie die deutsche Patentschrift 1 196
639 lehrt, sowohl die Hydroxygruppe als auch das benachbarte
Stickstoffatom
alkyliert. Ebenfalls ist die Alkylierung von Carbonsäuren bekannt (Houben-Weyl,
Methoden der organischen Chemie, Band 8, Seiten 541 - 543).
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Es wurde nun gefunden, daß man N-Carboxyalkoxy-harnstoffe der allgemeinen
Formel
in der R1 einen aliphatischen, cycloaliphatischen, araliphatischen oder aromatischen
Rest, R2 einen aliphatischen Rest bezeichnen und R3 und R4 gleich oder verschieden
sein können und jeweils Wasserstoff oder einen aliphatischen Rest bedeuten, vorteilhaft
erhält, wenn man N-lIydroxyharnstoffe der allgemeinen Formel
in der X1 die zuvorgenannte Bedeutung hat, zuerst mit 6-Halogencarbonsäuren der
allgemeinen Formel
in der R3 und R4 die zuvorgenannte Bedeutung haben und X ein Halogenatom bedeutet,
und dann mit einem Alkylierungsmittel der allgemeinen Formel R2 - Y IV,
in
der Y ein Halogenatom, den Rest-OS02R5, worin R5 einen aromatischen Rest bedeutet,
oder den Rest
bezeichnet und 112 jeweils die vorgenannte Bedeutung hat, in Gegenwart basischer
Verbindungen umsetzt.
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Die Umsetzung läßt sich für den Fall der Verwendung von 1-Hydroxy-3-phenyl-harnstoff,
Chloressigsäure und Dimethylsulfat durch die folgenden Formeln wiedergeben:
Im Vergleich zum Stand der Technik liefert das Verfahren nach der Erfindung N-Carboxyalkoxy-harnstoffe
der allgemeinen Formel I auf einfacherem und wirtschaftlicherem Wege in guter Ausbeute
und Reinheit. Nach den genannten Veröffentlichungen war zu erwarten, daß bei der
Umsetzung in der hauptsache die Carboxylgruppe oder sowohl die Carboxylgruppe als
auch das benachbarte Stickstoffatom der N-Carboxyalkoxy-harnstoffe alkyliert werden.
Werden beide Schritte der Umsetzung hintereinander in einem Reaktionsgefäß durchgeführt,
so war außerdem noch die
Alkylierung von ununigesetztem N-Hydroxy-harnstoff
an der Ilydroxygruppe vorauszusehen. Überraschend liefert aber das Verfahren nach
der Erfindung am Stickstoffatom alkylierte N-Carboxyalkoxy-harnstoffe ohne wesentliche
Bildung von Nebenprodukten der genannten Art.
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Die als Ausgangsstoffe der allgemeinen Formel II verwendeten N-Hydroxyharnstoffe
können leicht, z. n. durch Umsetzung von entsprechend substituierten Isocyanaten
mit Ilydroxylaminen nach dem in der deutschen Patentschrift 1 135 890 beschriebenen
Verfahren, hergestellt werden. Man kann die Ausgangsstoffe II auch zweckmä#ig in
Gestalt ihrer Alkali- oder Erdalkalisalze einsetzen. Bevorzugte Ausgangsstoffe II
und dementsprechend bevorzugte Endstoffe I sind solche, in deren Formeln R1 einen
Älkyl-, Cycloalkyl-, Aralkyl- oder Arylrest mit jeweils bis zu 7 Kohlenstoffatomen
bedeutet. Die genannten Reste können noch durch unter den Reaktionsbedingungen inerte
Atome und/oder Gruppen, z. B. IIalogen-, insbesondere Chlor-, Bromatome, Trifluormethyl-,
Nitro-, Cyangruppen sowie Alkyl-, Alkoxy-, Alkylsulfonylgruppen mit jeweils bis
zu 6 Kohlenstoffatomen substituiert sein. Es können z. B. folgende N-Hydroxyharnstoffe
als Ausgangsstoffe II verwendet werden: 3-Phenyl-, 3-(4'-Chlorphenyl)-, 3-(3'-trifluormethylphenyl)-,
3-Cyclohexyl-, 3-13utyl-, 3-13enzyl-, 3-(3@äthylphenyl)-, 3-(4'-methoxyphenyl)-,
3-(4,-Cyanphenyl)-, 3-(2'-Nitrophenyl)-, 3-(4'-Äthylsulfonylphenyl)-1-hydroxyharnstoff.
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Bevorzugte α-Halogencarbonsäuren der allgemeinen Formel III
sind solche, in deren Formel 11 und R4 gleich oder 3 114 verschieden sein können
und jeweils Wasserstoff oder einen alkylrest mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen bedeuten
und X ein Brom- oder Chloratom bezeichnet. Zweckmäßig verwendet man die Ausgangsstoffe
III in stöchiometrischer Menge, bezogen auf Ausgangsstoff II, man kann aber auch
mit einem Überschuß, z. 13. bis zu 50 Mol.%, arbeiten. Anstelle der Säuren können
auch ihre Alkali- oder Erdalkalisalze, vorzugsweise Natrium- und Kaliumsalze, verwendet
werden.
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Folgende α-Halogencarbonsäuren und ihre Natrium- oder Kaliumsalze
sind z. 13. als Ausgangsstoffe III geeignet.
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Chloressigsäure, α -Brompropionsäure, α -Chlor-isovaleriansäure,
α -Chlor-α-äthyl-buttersäure.
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Bevorzugte Alkylierungsmittel der allgemeinen Formel IV sind solche,
in deren Formel 112 einen Alkylrest mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen bezeichnet und
Y ein Chlor- oder Bromatom, den Rest -OSO2-R5, in dem R5 einen gegebenenfalls mit
den genannten, unter den Reaktionsbedingungen inerten Atomen und/oder Gruppen substituierten
Phenyl- oder Tolylrest bedeutet, oder den Rest
worin R2 die genannte Bedeutung hat, bezeichnet, Im allgemeinen verwendet man Ausgangsstoffe
IV in stöchiometrischer Menge, bezogen auf Ausgangsstoff II. Es können z. B. folgende
Ausgangsstoffe
IV verwendet werden: Methyl-, Äthyl-, Propylchlorid oder -bromid; Dimethyl-, Dipropyl-
oder Diäthylsulfat; ethyl-, Äthyl- oder Propylester der Benzol--, Toluol-, 2,5-Dimethylbenzol-,
4-Chlorbenzol-, 4-Methoxy-benzolsulfonsäure.
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Das Verfahren wird in 2 Schritten, der Umsetzung von Ausgangsstoff
II mit Ausgangsstoff III und dann der Umsetzung des gebildeten l-Carboxyalkoxy-harnstoffs
mit Ausgangsstoff IV, durchgeführt. Sowohl beim ersten als auch beim zweiten Schritt
des Verfahrens arbeitet man bei einem PH über 7, wobei man das pH durch Zugabe entsprechender
basischer Verbindungen einstellt. Geeignete basische Verbindungen sind z. 13. Alkali-
und Erdalkali-carbonate, -oxide, -alkoholate, acetate, -salze schwacher bzw. mehrbasischer
Säuren und insbesondere hydroxide, vorzugsweise Natrium- und Kaliumhydroxid. Nur
solche basischen. Verbindungen werden verwendet, die die bei Umsetzung entstehende
Säure binden und gegebenenfalls mit der freien Carboxylgruppe der α-Halogencarbonsäure
oder des Endstoffs Salze bilden, aber sich darüber hinaus nicht mit den Ausgangsstoffen
unter den T'eaktionsbedingungen umsetzen; z. B. sind Amine nicht geeignet.
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Die genannten basischen Verbindungen werden beim 1. Schritt der Umsetzung
in der Regel in einer Menge von 100 bis 400, vorzugsweise von 200 bis 250 Mol.%,
bezogen auf Ausgangsstoff III, und beim 2. Schritt der Umsetzung in einer Menge
von 100 bis 300, vorzugsweise von 100 bis 200 Mol., o, bezogen auf Ausgangsstoff
IV, verwendet. Rührt man die 2 Schritte der
Umsetzung hintereinander
in einem Reaktionsgefäß durch, so kann man die für den 2. Schritt benötigten Mengen
an basischen Verbindungen ganz oder teilweise schon beim 1. Schritt vorlegen.
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In der Regel wird der 1. Schritt des VeSahrens bei einer Temperatur
zwischen 0 und 100 OC, vorzugsweise zwischen 15 und 80 OC, der 2. Schritt zwischen
0 und 100 OC, vorzugsweise zwischen 20 und 50 OC, durchgeführt. Man kann drucklos
oder unter Druck, kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeiten. Zweckmäßig verwendet
man unter den Reaktionsbedingungen inerte Lösungsmittel, z. 13. Wasser.
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Die Reaktion kann wie folgt durchgeführt werden: Ein Gemisch von Ausgangsstoff
II und III, basischer Verbindung und gegebenenfalls Lösungsmittel wird unter guter
Durchmischung während 1 bis 5 Stunden bei der Reaktionstemperatur gehalten. Dem
Gemisch werden dann, gegebenenfalls unter Abkühlen auf den angegebenen, bevorzugten
Temperaturbereich des 2. Schrittes, Ausgangsstoff IV und gegebenenfalls weitere
Mengen an basischen Verbindungen zugegeben. Es spielt dabei keine Rolle, ob man
Ausgangsstoff IV vor Zugabe der basischen Verbindung oder gleichzeitig mit ihr zusetzt.
Das Gemisch wird noch während 0,5 bis 2 Stunden bei der Reaktionstemperatur gehalten.
Dann wird der Endstoff in üblicher Weise, z. B. durch Ansäuern des Gemischs und
Filtration des gebildeten Niederschlags, abgetrennt.
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Man kann die Reaktion aber auch so durchführen, daX man nach der Umsetzung
von Ausgangsstoff II und III das Reaktionsgemisch ansäuert, den gebildeten l-Carboxyalkoxyharnstoff
durch Filtration abtrennt, mit nasser wäscht, trocknet und ihn in einem getrennten
2. Schritt unter Zusatz entsprechender Mengen an basischer Verbindung und gegebenenfalls
an Lösungsmittel mit Ausgangsstoff IV umsetzt. Diese Umsetzung und die Aufarbeitung
des resultierenden Reaktionsgemisches erfolgt in der oben geschilderten Weise.
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Die nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren Verbindungen sind
wertvolle Zwischenprodukte für die Iferstellung v-on Pflanzenschutzmitteln (siehe
Patent Patentanmeldung O.Z. 24 325 / B 87 835 IVa/12 p ............
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O. Z. 24 674 / B 90 760 IaWa/45 1).
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Die in den Beispielen genannten Teile bedeuten Gewichtsteile.
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Beispiel 1 37,2 Teile l-Hydroxy-3-(4'-chlorphenyl)-harnstoff werden
in 200 Teilen Wasser suspendiert und bei einer Temperatur von 20 - 30 OC mit 12
Teilen Kaliumhydroxid, die in 20 Teilen Wasser gelöst sind, versetzt. Zu der so
erhaltenen Lösung gibt man eine Lösung von 24,5 Teilen Chloressigsäurenatriumsalz
in 50 Teilen Wasser. Das Gemisch wird einige Stunden bei 45 - 50 Oc gerührt, dann
unter Kühlung mit verdünnter Salzsäure angesäuert, der gebildete Niederschlag wird
abgesaugt, mit Wasser gewaschen und getrocknet.
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Man erhält 36 Teile (entspricht 74 % der Theorie) l-Carboxymethoxy-3-(4'-chlorphenyl)-harnstoff
vom Fp 171 - 173 OC. fleispiel 2 12,2 Teile 1-Carboxymethoxy-3-(4'-chlorphenyl)-harnstoff
werden in 50 Teilen Wasser suspendiert und mit einer Lösung von 5 Teilen Natriumhydroxid
in 25 Teilen Wasser versetzt. Zu der so erhaltenen Lösung gibt man hunter gutem
Rühren 6,3 Teile Dimethylsulfat bei einer Temperatur von 30 - 50 °C. Anschlie#end
erwärmt man das Gemisch noch 1 Stunde bei 50 °C, säuert es dann unter Kühlung mit
verdünnter Salzsäure an und saugt den gebildeten Niederschlag ab. Man erhält 9,8
Teile (entspricht 76 % der Theorie) 1-Methyl-1-carboxymethoxy-3-(4'-chlorphenyl)-harnstoff
vom Fp. 125 - 127 OC Beispiel 3 44 Teile 1-Hydroxy-3-(3'-trifluormethylphenyl)-harnstoff
werden in 100 Teilen Wasser suspendiert und bei Raumtemperatur mit 11,8 Teilen Kaliumhydroxid,
die in 20 Teilen Wasser gelöst sind, versetzt. Zu der so erhaltenen Lösung gibt
man eine Lösung von 24,5 Teilen Chloressigsäurenatriumsalz in 50 Teilen Wasser.
Das Gemisch wird einige Stunden bei 40 - 50 °C gerührt, anschließend auf Raumtemperatur
abgekühlt und mit einer Lösung von 16,8 Teilen Kaliumhydroxid in 25 Teilen Wasser
versetzt. Zu dem Gemisch gibt man dann unter gutem Rühren bei einer temperatur von
25 - 50 OC 25,2 Teile Dimethylsulfat. Anschließend rührt man das Gemisch noch einige
Zeit bei einer Temperatur von 40 °C,
säuert dann unter Kühlung
mit verdünnter Salzsäure an und saugt den gebildeten Niederschlag ab. Man erhält
41 Teile (entspricht 70 % der Theorie) l-isfethyl-l-carboxymethoxy-3-(3'-trifluormethylphenyl)-harnstoff
vom Fp 146 - 148 Oc.
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Beispiel 4 22 Teile 1-Hydroxy-3-(3'-trifluoromethylphenyl)-harnstoff
werden in 50 Teilen Wasser suspendiert und bei Raumtemperatur mit 5,6 Teilen Kaliumhydroxid,
die in 20 Teilen Wasser gelöst sind, versetzt. Zu der so erhaltenen Lösung gibt
man eine Lösung von 11,6 Teilen Chloressigsäurenatriumsalz in 25 Teilen Wasser.
Das Gemisch wird einige Stunden bei 40 - 50 0 gerührt, anschließend auf Raumtemperatur
abgekühlt und bei einer Temperatur von 25 - 40 OC gleichzeitig langsam mit je einer
Lösung von 6,7 Teilen Kaliumhydroxid in 50 Teilen Wasser bzw. 12,6 Teilen Dimethylsulfat
versetzt, Nach beendeter Zugabe rührt man das Gemisch noch eine Stunde bei einer
Temperatur von 40 OC, säuert dann unter Kühlung mit verdünnter Salzsäure an und
saugt den gebildeten Niederschlag ab. Man erhält 20,7 Teile (entspricht 71 r;o der
Theorie) 1-methyl-1-carboxymethoxy-3-(3'-trifluoromethylphenyl)-harnstoff vom Fp
146 - 148°C.
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Beispiel 5 15, Teile 1-Hydroxy-3-cyclohexyl-harnstoff werden in 50
Teilen Wasser suspendiert und bei Raumtemperatur mit 5,6 Teilen Kaliumhydroxid,
die in 20 Teilen Wasser gelöst sind, versetzt. Zu der so erhaltenen Lösung gibt
man eine Lösung von 11,6 Teilen Ciiloressigsäurenatriumsalz in 25 Teilen Wasser.
Das Gemisch wird einige Stunden bei 40 - 50 Oc gerührt, anschließend auf Raumtemperatur
abgekühlt und mit einer Lösung von 6,7 Teilen Kaliumhydroxid in 15 Teilen Wasser
versetzt. Zu dem Gemisch gibt man dann unter gutem führen bei einer Temperatur von
20 - 50 OC 12,6 Teile Dimethylsulfat. Anschlie#end rührt man das Gemisch noch einige
Stunden bei einer Temperatur von 40 - 50 °C, säuert dann unter Kühlung mit verdünnter
Salzsäure an und schüttelt den gebildeten öligen Rückstand mit Methylenchlorid aus.
Nach dem Entfernen des Lösungsmittels verbleiben 15 Teile (entspricht 65 % der Theorie)
l-Methyl-l-carboxymethoxy-3-cyclohexyl-harnstoff vom Fp 92 OC.
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Beispiel 6 Analog Beispiel 5 erhält man aus 13,2 Teilen l-Hydroxy-3-butyl-harnstoff
12 Teile (entspricht 59 % der Theorie) 1-Methyl-1-carboxy-methoxy-3-butyl-harnstoff;
nD251,4682.
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Beispiel 7 Analog I3eispiel 5 erhält man aus 16,6 Teilen l-IIydroxy-3-benzyl-harnstoff
15,9 Teile (entspricht 67 % der Theorie) 1-methyl-1-carboxy-methoxy-3-benzylharnstoff;
nD25 1,5330.