DE1793350C3

DE1793350C3 - Verfahren zur Herstellung von alkylsubstituierten Glutarsäuren

Info

Publication number: DE1793350C3
Application number: DE19681793350
Authority: DE
Inventors: Helmut aus der Dr 5215 Mondorf; Richtzenhain Hermann Dr 5066 Schwellenbach Fünten
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Filing date: 1968-09-04
Publication date: 1978-02-16

Description

HOOC-C-CH₂-CH₂-COOh

in welcher Ri und R₂ Alkylgruppen mit 1 —4 C-Atomen bedeuten oder in welcher Ri und R₂ gemeinsam einen carbocyclischen Ring bilden können, durch Oxydation und Verseifung von Cyanaldehyden der allgemeinen Formel H

I'

C-C-CH₂-CH₂-CN

in welcher Ri und R₂ die angegebene Bedeutung haben, und ist dadurch gekennzeichnet, daß man wahlweise in beliebiger Reihenfolge die Oxydation bei 5 bis 40⁰C und die Verseifung bei 50 bis 12O⁰C oder Oxydation und Verseifung gleichzeitig bei 50 bis 12)°C mit Chlor oder Brom in Anwesenheit einer mindestens stöchiometrischen Menge Wasser durchführt.

Es ist somit nicht erforderlich, sauerstoffhaltige Oxydationsmittel zu verwenden. Die Oxydationsmittel Chlor oder Brom werden lediglich in äquivalenter Menge oder in geringem Überschuß von etwa 5% verwendet. Die Oxydation läuft schnell ab und ist durch Bestimmung des Halogenverbrauchs verfolgbar. Praktisch ist die Reaktionsgeschwindigkeit nur durch die Einlcitungsgeschwindigkeit bzw. die Löslichkeit des Chlors bzw. durch die Zugabegeschwindigkeit des Broms begrenzt. Vorteilhaft kann die Reaktionsgeschwindigkeit von Chlor daher durch Anwendung von erhöhtem Druck gesteigert werden. Ein eventueller Überschuß von Chlor oder Brom kann in einfacher Weise durch Durchleiten von Luft oder Inertgas entfernt werden.

Als Ausgangsmaterialien für das erfindungsgemäßc Verfahren eignen sich beispielsweise 2,2-Dimethyl-, 2,2-Diäthyl-, 2-Äthyl-2-isopropyl-, 2-Äthyl-2-n-butyl-, 2,2-Tetraniethylen-, 2,2-Pentamethyleri-4-cyanbutyraldehyd.

f>5 Die genannten Cyanaldehyde sind in der Regel durch /i-Cyanäthylierung von Aldehyden gut zugänglich. Das Verfahren ist jedoch nicht auf diese Aldehyde beschränkt.

Die erfindungsgemäße Reaktion verläuft nach der folgenden summarischen Gleichung:

R₁

H I
OC—C—(CH₂J₂-CN+Cl₂+ 3H₂O (1)

= HOOc-C-(CH₂)Z-COOH + HCl + NH₄Cl

Die Gesamtreaktion läßt sich gemäß (I) in einer Stufe durchführen. Sie läßt sich aber auch in Einzelreaktionen aufteilen, je nachdem, ob zunächst der Cyanalder-yd nur zur Nitrilcarbonsäure oxydiert (Ha) und diese dann sauer zur Dicarbonsäure verseift (I Ib) werden soll,

(II a)

H I
OC-C-(CH₂J₂-CN + Cl₂+ H₂O

R₂

— HOOC-C-(CH₂J₂-CN + 2HCl

R₂

T¹

HOOC- C—(CH₂)₂—CN + HCl + 2H₂O

R₂ (Hb)

ι'

— HOOC—C—(CH₂)₂—COOH + NH₄Cl

R₂

oder ob zunächst der Cyanaldehyd sauer zur Aldehydcarbonsäure verseift (IHa) und diese mit Chlor zur Dicarbonsäure oxydiert (IIIb) werden soll.

H t
OC-C—(CH₂)₂—CN + 2H₂O + HCl

R₂

R.

-» OC-C-(CH₂J₂-COOH + NH₄Cl

R₂

H Γ
OC-C-(CH₂J₂-COOH + Cl₂ + H₂O

R₂

HOOC—C—(CH₂)₂ —

2HCI

Die Oxydation der Aldehydgruppe 'mit Chlor in Anwesenheit von Wasser gemäß Ha bzw. IHb verläuft schon bei niedriger Temperatur unterhalb von 40⁰C praktisch vollständig. Falls gemäß Ha die Nitrilcarbonsäure als Zwischenstufe angestrebt wird, muß die Oxydation mit Chlor wegen der Gefahr der Nitrilverseifuri3 bei Temperaturen unterhalb 40° C, vorzugsweise zwischen 5° und 30⁰C, durchgeführt werden. Für die Oxydation der Aldehydsäure gemäß Hb ist die

ίο Temperatur von geringerer Bedeutung. Es kann bei Temperaturen zwischen 5° und etwa 120° C gearbeitet werden.

Bei der Verseifung der Nitrilgruppen gemäß Hb oder IHa ist die Temperaturführung nicht von entscheidender

■5 Bedeutung. Zur Erreichung einer ausreichenden Verseifungsgeschwindigkeit sind Temperaturen zwischen 50 und 120° C erforderlich. Vorzugsweise wird im Temperaturbereich von 70 bis 105⁰C gearbeitet. Bei gleichzeitiger Oxydation und Verseifung wird bei Temperaturen zwischen 50° und 120⁰C, bevorzugt zwischen 70 und 105° C, gearbeitet.

Das Verhältnis von Wasser zu Cyanaldehyd ist für die Oxydation selbst nicht von entscheidender Bedeutung. Stöchiometrisch erforderlich ist eine Menge von mindestens 3 Mol Wasser/Mol Cyanaldehyd. In der Regel wird mindestens soviel Wasser verwendet, wie zur Lösung des gebildeten Ammoniumchlorids erforderlich ist, wobei bevorzugt mit der 1- bis 3fachen Gewichtsmenge Wasser, bezogen auf die Cyanaldehyde, gearbeitet wird.

Gegebenenfalls kann die Reaktion auch in Gegenwart inerter Lösungsmittel, bevorzugt den unten genannten Chlorkohlenwasserstoffen, durchgeführt werden, wobei lediglich die stöchiometrisch erforderliehe Menge Wasser anwesend zu sein braucht. Die Oxydation wird in der Weise durchgeführt, daß der Cyanaldehyd in Wasser oder dem wasserhaltigen Lösungsmittel verteilt wird und in diese Mischung mindestens die stöchiometrisch erforderliche Menge Chlor eingeleitet wird. In der Regel ist ein geringer Überschuß an Chlor erforderlich. Ein größerer Überschuß kann zur Bildung chlorierter Produkte führen und soll daher vermieden werden.

Die gebildeten Glutarsäure^ scheiden sich zum Teil aus der.sauren Lösung ab und können direkt abgetrennt werden. Zur vollständigen Gewinnung wird die saure Lösung mit geeigneten Lösungsmitteln extrahiert. Geeignete Lösungsmittel sind Chlorkohlenwasserstoffe wie Methylenchlorid, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, 1,2-Dichloräthan, Methylchloroform. Auch Koh-(I I Ia) lenwasserstoffe wie Benzol oder Toluol sind brauchbar.

Die Reaktion kann vorteilhaft kontinuierlich durchgeführt werden.

Der durch Verseifung der Nitrilgruppe gebildete Ammoniak liegt in Form von Ammoniumchlorid vor, welches als solches verwertet oder in Ammoniak übergeführt werden kann. Bei dem eingangs geschilderten Verfahren der Oxydation mit Salpetersäure geht der überwiegende Teil des gebildeten Ammoniaks als Stickstoff verloren.

In den folgenden Beispielen sind Jie Konzentrationen in Gew.-%, Umsätze und Ausbeuten in Mol-% angegeben.

_(l(; Beispiel!

In eine durch Rühren fein emulgierte Mischung von 125 g (1 Mol) 2,2-Dimethyl-4-cyanbutyraldehyd und 125 g Wasser wird so lange und in solcher Geschwindig-

(HIb)

keit Chlor eingeleitet, daß im Gasraum oberhalb der Emulsion kein Chlor erkennbar ist. Die Reaktionstemperatur steigt dabei innerhalb einer Stunde von 19 auf 48°C, nach Ablauf einer weiteren Stunde auf 54°C und wird dann für 2³M Std. durch zeitweises Erhitzen auf 60—80⁰C gehalten. Nach 3 Stunden Reaktionszeit ist aus der Emulsion eine Lösung geworden. Die zu diesem Zeitpunkt sich bildenden Kristalle werden durch Zusatz von 50 ml Wasser wieder in Lösung gebracht. Die noch warme Lösung wird in einem Perforator erschöpfend mit 1,2-Dichloräthan extrahiert. Das im Extrakt enthaltene Wasser wird azeotrop abdestilliert, worauf nach Abfiltration geringer Anteile von ausgefallenem Ammonchlorid der Extrakt eingeengt wird. Der verbleibende Rückstand wird aus Äther/Petroläther (1 :1) umkristallisiert und getrocknet. Ausbeute 145,8 g (90,7% d.Th.), Fp. 77-80⁰C. Der Mischschmelzpunkt mit 2,2-Dimethylglutarsäure zeigt keine Depression. Bei Verwendung der äquivalenten Menge Brom anstelle von Chlor wird ein entsprechendes Ergebnis erhalten.

Beispiel 2

100 g Chlorwasser, bei 40⁰C mit Chlor gesättigt (0,485% CI2) werden in einem verschlossenen Erlenmeyer-Kolben mit der stöchiometrischen Menge (0,981 g) 4,4-Dimethylglutaraldehydsäure versetzt. Die Temperatur wird während der Umsetzung konstant auf 40° C gehalten. Der Chlorverbrauch wird durch jodometrische Titration verfolgt. Hieraus berechnet sich der Umsatz nach 0.5 Std. zu 78,4%, nach 1 Std. 87,4% und nach 4 Stunden 88,85%. Nach 20 Stunden beträgt der Umsatz schließlich 93,7%. Die wäßrige Lösung wird in einen Perforator überführt und 6 Stunden mit 1,2-Dichloräthan extrahiert. Nach Entfernung des Extraktionsmittels verbleibt die 2,2-Dimethylglutarsäure als kristalliner Rückstand vom Fp. 80—8I⁰C. Die Ausbeute entspricht dem Chlorumsatz.

Beispiel 3

In die Emulsion von 187,5 g 2,2-Dimethyl-4-cyanbutyraldehyd und 300 g Wasser wird Chlor mit der Strömungsgeschwindigkeit 7 —8 l/h eingeleitet und die Temperatur durch Kühlung auf 18°C gehalten. Unter diesen Bedingungen wird die gesamte Chlormenge in der flüssigen Phase aufgenommen. Nach 5³A Stunden beträgt die Gewichtszunahme 112,5 g. Der Chlorstrom wird abgestellt, die Reaktionsmischung langsam auf 40"C erhitzt und für 1V2 Std. auf dieser Temperatur gehalten. Unter leichter Gelbfärbung tritt hierbei völlige Lösung der organischen Phase ein. Zur Verseifung wird nunmehr für 3 Std. auf 70-80⁰C erhitzt. Die Lösung wird noch heiß mit 1,2-Dichlorüthan ausgeschüttelt, wobei ausgefallenes NH4CI durch Zugabe von Wasser in Lösung gebracht wird. Nach Einengen der organischen Phase kristallisier die 2,2-Dimethylglutarsäure aus. Ausbeute 129 g. Fp. 79-80,5⁰C. Durch erschöpfende Extraktion der wäßrigen Phase der Verseifungslösung mit 1,2-Dichioräthan und Einengen der Muterlauge der Kristallisation wurden nochmals 63,7 g 2,2-Dimethylglutarsäure gewonnen, so daß die Gesamtausbeute damit 19Z7 g (80,37% der Theorie) beträgt Als Nebenprodukt wurden 14,62g (6,92% d.Th.) 2,2-Dimethylglutaramid isoliert, welches durch Hydrolyse ebenfalls in die äquivalente Menge 2,2-Dimethylglutarsäure überführt wird.

Beispiel 4

Verfährt man wie im Beispiel 3 angegeben, nimmt aber statt des 2,2-Dimethyl-4-cyanbutyraldehyds 271,5 g 2-Äthyl-2-butyl-4-cyanbutyraldehyd, so erhält man nach erfolgter Verseifung zwei Schichten. Nach Abtrennung der organischen Schicht wird die wäßrige Schicht mit 1,2-Dichloräthan extrahiert, der Extrakt mit der organischen Schicht vereinigt, das Extraktionsmittel abgezogen, zuletzt bei vermindertem Druck. Eine Probemenge wird durch Zugabe von Nitromethan zur Kristallisation gebracht. Fp. der 2-Äthyi-2-butylglutarsäure:78—8O⁰C.

Bei Verwendung von a) 2-Äthyl-2-isopropyl-4-cyanbutyraldehyd oder b) 2,2-Pentamethylen-4-cyanbutyraldehyd werden
a) 2-Äthyl-2-isopropylglutarsäure in einer Ausbeute von 74% d. Th. bzw.

b) 2,2-Pentamethylenglutarsäure in einer Ausbeute von 65% d. Th. erhalten.

Beispiel 5

In eine gerührte Emulsion von 1250 g 2,2-Dimethyl-4-cyanbutyraldehyd in 2700 g Wasser wurden unter Aufrechterhaltung einer Temperatur von 18—20⁰C 710 g Chlor eingeleitet. Nach beendeter Chloraufnahme wurde die Mischung 5'/2 Stunden auf 90⁰C erhitzt. Die Mischung erstarrt beim Abkühlen zu einem Kristallbrei. Durch Extraktion mit 1,2-Dichloräthan wurden 1347 g (84,2% d.Th.) 2,2-Dimethylglutarsäure mit einem Schmp. von 80,5—81,5°C erhalten. Aus der Dichloräthan-Mutterlauge kann noch eine weitere Menge 2,2-Dimethylglutarsäure (7,3% d. Th.) isoliert werden, so daß sich eine Gesamtausbeute von 91,5% der Theorie ergibt,

Beispiel 6

187 g 2,2-Dimelhyl-4-cyanbutyraldehyd werden mit verdünnter Salzsäure bei 85°C zu 4,4-Dimethylglutaraldehydsäure verseift, worauf in die auf 40^DC abgekühlte Lösung Chlor eingeleitet und die entstandene 2,2-Dimethylglutarsäure aufgearbeitet wird.

Ausbeute: 89% der Theorie.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von alkylsubstituierten Glutarsäuren der allgemeinen Formel

HOOC-C-CH₂-CH₂-COOh

in welcher Ri und R₂ Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen oder gemeinsam einen carbocyclischen Ring bedeuten, durch Oxydation und Verseifung von Cyanaldehyden der allgemeinen Formel

H R₁

C-C-CH₂-CH₂-CN

/ I

O R₂

in welcher Ri und R₂ die angegebene Bedeutung haben, dadurch gekennzeichnet, daß man entweder die Oxydation bei 5 bis 40" C und die Verseifung bei 5 bis 120⁰C in beliebiger Reihenfolge oder bei 50 bis 12O⁰C gleichzeitig mit Chlor oder Brom in Anwesenheit einer mindestens stöchiometrischen Menge Wasser durchführt.

Es ist bekannt, aus Cyanaldehyden der oben angegebenen Formel durch Oxydation und Verseifung Glutarsäuren der oben angegebenen Formel herzustellen. So wird die Herstellung von Dimethylglutarsäure aus 2,2-Dimethyl-4-cyanbutyraldehyd durch Einwirkung einer Mischung aus Salpeter- und Schwefelsäuje von verschiedenen Autoren beschrieben, wobei von Franke und Bueren, Z. Naturforschung5 b(1950),S. 122, eine Ausbeute von 75% erhalten wurde, während C. K. Warren und B. C. L. Weeden, J. Chem. Soc. 1958, S. 3972—86, nach dem gleichen Verfahren nur eine Ausbeute von 47% erhalten konnten. Die Oxydation mit Bichromat-Schwefelsäure (R. F. Brown u. G. H. Schmidt, J.Org. Chem. 27 [1962], 1288-94) erbringt nur geringe Ausbeuten. Auch die alkalische Verseifung der Nitrilgruppe und Oxydation mit Kaliumpermanganat (brit. Patentschrift 1033 251) erbrachte keine befriedigenden Ausbeuten an substituierten Glutarsäuren. Die Oxydation mit Salpetersäure liefert zwar mit 75% die bisher besten Ausbeuten, ist aber vom technischen Standpunkt aus nicht befriedigend. Sie ist stark exotherm und — besonders bei technischen Ansätzen — selbst bei sehr sorgfältiger Dosierung nur schwierig zu steuern. Außerdem ist ein beträchtlicher Überschuß an Salpetersäure erforderlich, weil einerseits ein Teil der Salpetersäure in Form von Stickoxyden entweicht und andererseits die Lösung nach beendeter Oxydation noch beträchtliche Mengen Salpetersäure enthält, die wegen der niedrigen Konzentralion als Oxydationsmittel nicht mehr verwendbar ist. Aus wirtschafllichen Gründen müssen die entweichenden Stickoxyde und die Restsalpetersäure wieder in Salpetersäure geeigneter Konzentration übergeführt werden, wodurch zusätzliche Verfahrensstufen erforderlich sind. Weiterhin geht der durch die Verseifung der Nitrilgruppe entstehende Ammoniak zum größten Teil verloren, weil er unter Verbrauch von Salpetersäure zu Stickstoff oxydiert wird.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß sich Cyanaldehyde der obigen allgemeinen Formel mit ausgezeichneten Ausbeuten in die substituierten Glutarsäuren überführen lassen, wenn die Oxydation der Aldehydgruppe in technisch einfacher Weise mit Chlor und/oder Brom in Anwesenheit von Wasser vorgenommen wird, wobei die Verseifung der Nitrilgruppe vor, während oder nach der Oxydation der Aldehydgruppe erfolgen kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung von Glutarsäuren der allgemeinen Formel I