DE2055102B2 - - Google Patents
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- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
- C07D213/00—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
- C07D213/02—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
- C07D213/04—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having no bond between the ring nitrogen atom and a non-ring member or having only hydrogen or carbon atoms directly attached to the ring nitrogen atom
- C07D213/60—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having no bond between the ring nitrogen atom and a non-ring member or having only hydrogen or carbon atoms directly attached to the ring nitrogen atom with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
- C07D213/78—Carbon atoms having three bonds to hetero atoms, with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals
- C07D213/79—Acids; Esters
- C07D213/803—Processes of preparation
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Description
R1
in der R1 bis R5 für ein Wasserstoffatom, eine CH3-,
C2H5- oder CsH7-Gruppe stehen und zusammen bis
zu 6 Kohlenstoffatome enthalten und als Verbindungen des sechswertigen Schwefels Oleum, welches
mindestens 60 Gew.-% Schwefeltrioxid enthält, in einer Menge, die mindestens 50% des zur Oxydation
benötigten sechswertigen Schwefels als Schwefeltrioxid enthält, in Gegenwart einer Selenmenge von
0,1-4 Gew.-%, bezogen auf die eingesetzten Alkylpyridine, einsetzt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung mit Oleum, welches
65-100 Gew.-% Schwefeltrioxid enthält, erfolgt und 70—120% des zur Oxidation benötigten
sechswertigen Schwefels als Schwefeltrioxid eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Selenmenge von 0,2—2
Gew.-% eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Lösung des Alkylpyridine
in Schwefelsäure oder Oleum bei 260-35O0C bis zur Beendigung der Schwefeldioxid-Entwicklung
Oleum zugesetzt wird.
5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Lösung von Selen in
Schwefelsäure oder Oleum bei 260-3500C eine Lösung des Alkylpyridine in Oleum zugesetzt wird.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Alkylpyridin, Oleum und
Selendioxid getrennt oder gemeinsam kontinuierlich in die Mittelzone eines Reaktionsrohres eingespeist
werden und an dessen einem Ende die in Schwefelsäure gelöste Pyridincarbonsäure, am anderen
Ende gasförmige Reaktionsprodukte entnommen werden.
7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Reaktion gebildetes
Schwefeldioxid durch Luftsauerstoff zu Schwefeltrioxid oxidiert und dieses wieder in die Reaktion
zurückgeführt wird.
8. Verfahren zur Herstellung von Pyridin-3,5-di- to
carbonsäure, dadurch gekennzeichnet, daß man rohe technische Pyridinbasen, welche 60—99 Gew.-% an
3,5-Dimethylpyridin, 3-Methyl-5-äthyl-pyridin und 3,5-Diäthylpyridin enthalten, mit Oleum, welches
65-100 Gew.-% Schwefeltrioxid enthält, in Gegen- b5
wart von Selendioxid entsprechend 0,2 — 2 Gew.-% Selen bezogen auf Gesamtmenge an Pyridinbasen
bei 260-3500C umsetzt, wobei soviel Oleum verwendet wird, daß 70-120% des zur Oxidation
benötigten 6wertigen Schwefels als Schwefeltrioxid eingesetzt werden.
9. Verfahren zur Herstellung von Pyridin-3,5-dicarbonsäure,
dadurch gekennzeichnet, daß man 3,5-Dimethylpyridin mit Oleum, welches 65-100
Gew.-% Schwefeltrioxid enthält, in Gegenwart von Selendioxid entsprechend 0,2—2 Gew.-% Selen bei
260—350° C umsetzt, wobei soviel Oleum verwendet
wird, daß 70-120% des zur Oxidation benötigten 6wertigen Schwefels als Schwefeltrioxid eingesetzt
werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung von 3,5-Dimethylpyridin
und Selen in Schwefelsäure bei 26O-350°C mit Schwefeltrioxid umgesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung von Pyridincarbonsäuren aus Alkylpyridinen sind bekannt So lassen sich
beispielsweise α-, β- oder y-Picolin mittels wäßriger alkalischer Kaliumpermanganatlösung zu den entsprechenden
Pyridin-monocarbonsäuren oxydieren. Das Verfahren ist jedoch in der Durchführung aufwendig
und wenig wirtschaftlich, denn es muß in Gegenwart großer Mengen Wasser gearbeitet werden. Als
Nebenprodukt fällt Braunstein in fein verteilter sehr voluminöser Form an, welcher abgetrennt und von der
Pyridincarbonsäure befreit werden muß. Das Verfahren hat daher keinen Eingang in die Technik gefunden.
Ferner ist es bekannt, Alkylpyridine mit verdünnter Salpetersäure unter Druck bei 130-1800C zu oxidieren.
Auf diese Weise lassen sich z.B. Nicotinsäure und Isonicotinsäure in befriedigenden Ausbeuten herstellen.
Die Reaktion verläuft jedoch exotherm und ist wegen des starken Druckanstiegs während der Umsetzung nur
mit erheblichen Vorsichtsmaßnahmen technisch durchführbar. Ferner ist dieses Verfahren nicht auf alle
Alkylpyridine anwendbar. So ist die Ausbeute bei der Herstellung von Isonicotinsäure aus y-Picolin erheblich
besser als die an Nicotinsäure aus JD-Picolin. Während
die Oxidation von 2-Äthyl-5-methylpyridin in guter Ausbeute zur Isocinchomeronsäure führt, gelingt die
Oxidation von 3,5-Dimethylpyridin zu Dinicotinsäure nur mit etwa 10 — 20% Ausbeute.
Auch die Methode der Ammonoxidation mit anschließender Hydrolyse des Nitrils zur Carbonsäure läßt sich
auf 3,5-Dimethylpyridin nicht in wirtschaftlicher Weise anwenden.
Es' ist vorgeschlagen worden, Pyridin-3,5-dicarbonsäure durch Oxidation von 2-Äthyl-3,5-dimethylpyridin
oder von 3,5-Dimethylpyridin mittels Schwefelsäure/Selen durchzuführen. Unter Einhaltung bestimmter Reaktionsbedingungen
können Ausbeuten bis zu 88% an Dinicotinsäure erhalten werden.
Das Verfahren hat schwerwiegende Nachteile, die seine technische Verwertbarkeit stark einschränken. So
ist die Reaktion so stark endotherm, daß es bei großen Ansätzen schwierig ist, die erforderliche Heizleistung
aufzubringen, um die Temperatur oberhalb 2700C zu halten. Bereits bei 2600C kommt jedoch die Reaktion
völlig zum Stillstand. Die Reaktion erfordert hohe Zufuhr von Wärmeenergie und dauert im allgemeinen
viele Stunden.
Ein weiterer Nachteil ist der verhältnismäßig hohe Selenverbrauch von ca. 0,1 Mol pro Mol Pyridin, das
sind 6-8%. Für die Oxidation von 1 kg 2-Äthyl-3,5-di-
methylpyridin sind ca. 60-80g Selen erforderlich.
Diese große Menge ist deshalb notwendig, weil während der Reaktion ständig Selen abdestilliert und
wieder ersetzt werden muß. Der wirtschaftliche Vorteil der Verwendung von Schwefelsäure geht so durch den
Energie- und Selenverbrauch weitgehend wieder verloren. Schließlich treten durch die Bildung großer
Wassermengen bei der Oxidationstemperatur von 280 — 320° C schwerwiegende Korrosionsprobleme auf.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die geschilderten Nachteile durch die Verwendung von
hochprozentigem Oleum anstelle der Schwefelsäure vermieden werden können.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pyridin-mono- und -dicarbonsäuren durch Oxydation
von Alkylpyridinen mit Verbindungen des sechswertigen Schwefels in Gegenwart von Selen-Katalysatoren
bei Temperaturen von 260 bis 3500C, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß man Alkylpyridine der allgemeinen Formel
R2 I R*
v/V
R1
R5
10
20
25
in der R1 bis R5 für ein Wasserstoffatom, eine CH3-,
C2H5- oder OjHz-Gruppe stehen und zusammen bis zu 6
Kohlenstoffatome enthalten und als Verbindungen des sechswertigen Schwefels Oleum, welches mindestens 60
Gew.-% Schwefeltrioxid enthält, in einer Menge, die mindestens 50% des zur Oxydation benötigten
sechswertigen Schwefels als Schwefeltrioxid enthält, in Gegenwart einer Selenmenge von 0,1-4 Gew.-%,
bezogen auf die eingesetzten Alkylpyridine, einsetzt
Besonders bevorzugt ist die Umsetzung mit Oleum, welches 65-100 Gew.-% Schwefeltrioxid enthält
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ganz besonders zur Herstellung der bisher schlecht zugänglichen
Dinicotinsäure (Pyridin-3,5-dicarbonsäure) aus 3,5-Dimethylpyridin, 3-Methyl-5-äthylpyridin und
3,5-Diäthylpyridin, sowie aus technischen Pyridinbasen, welche mindestens 60% dieser Produkte enthalten.
Derartige technische Pyridinbasen werden beispielsweise bei der Umsetzung von Trimethylolpropan, Trimethyloläthan,
Methacrolein, Methylenpropandiol-(1,3), Formaldehyd-Kondensaten des Propionaldehyds bzw.
Butyraldehyds und Ammoniak erhalten.
Ferner eignet sich das Verfahren zur Herstellung der
30
35
40
45
50 Isonicotinsäure aus y-Picolin sowie der Nocitinsäure aus
/3-Picolin.
Gegenüber dem Stand der Technik weist das Verfahren folgende Vorteile auf:
1) Je nach gewähltem SO3-Gehalt des Oleums läßt
sich die Reaktion schwach endotherm oder schwach exotherm durchführen.
2) Bei der Reaktion wird nur wenig oder überhaupt kein Wasser freu
3) Die benötigte Selenmenge ist niedrig; während der Reaktion treten keine oder nur ganz geringe
Selenverluste auf.
4) Das Verfahren ermöglicht wesentlich bessere Raum-Zeit-Ausbeuten.
5) Das Verfahren läßt sich kontinuierlich durchführen.
6) Die Korrosion ist gering.
Es können beliebige Mono-, Di- und Trialkylpyridine eingesetzt werden. Vorzugsweise werden solche Pyridine
eingesetzt, die insgesamt 1—6 Kohlenstoff atome aliphatischer Natur tragen, besonders bevorzugt in
Form von Methyl- oder Äthylgruppen, ggfs. auch Propyl- oder Isopropylgruppen.
Bevorzugt sind:
Bevorzugt sind:
3-Methylpyridin,4-Methylpyridin,
3-Äthylpyridin,2,4-Dimethylpyridin,
2,5-Dimethylpyridin,2,4,6-Trimethylpyridin,
2-Methyl-5-äthylpyridin.
3-Äthylpyridin,2,4-Dimethylpyridin,
2,5-Dimethylpyridin,2,4,6-Trimethylpyridin,
2-Methyl-5-äthylpyridin.
Ganz besonders ist das Verfahren zur Herstellung von Pyridin-3,5-dicarbonsäure aus
3,5-Dimethylpyridin, 3-Methyl-5-äthylpyridin,
3,5-DiäthyIpyridin,3,5-Dipropylpyridin,
3,5-Diisopropylpyridin,
2-Äthyl-3,5-dimethylpyridin
3,5-DiäthyIpyridin,3,5-Dipropylpyridin,
3,5-Diisopropylpyridin,
2-Äthyl-3,5-dimethylpyridin
geeignet. Diese Di- und Trialkylpyridine werden daher ganz besonders bevorzugt.
Unter »Oleum« sind Gemische aus Schwefelsäure und Schwefeltrioxid zu verstehen, welche mindestens 60
Gew.-% Schwefeltrioxid, vorzugsweise jedoch mehr als 62 Gew.-% Schwefeltrioxid enthalten. Besonders
bevorzugt ist 65-80%iges Oleum. Einige Ausführungsformen erlauben auch den Einsatz von 100%igem
Oleum, also reinem Schwefeltrioxid. 95-100%iges Oleum ist somit ganz besonders bevorzugt.
Die Menge an Oleum ist so zu bemessen, daß mindestens 50%, vorzugsweise 70—120% des zur
Oxidation benötigten 6wertigen Schwefels als Schwefeltrioxid eingesetzt werden.
Das Verfahren sei beispielhaft anhand der Oxidation von 3,5-Lutidin erläutert:
CH3
CH3 + 6 SO3
2H2O + 2SO3
HOOC
H2SO4
60
Auf 1 Mol (107 g) Dimethylpyridin sollen also mindestens 3 Mol (240 g) Schwefeltrioxid eingesetzt
werden, das sind 300 g 80%iges Oleum oder 370 g 65%iges Oleum. In diesem Fall werden zusätzlich noch 3
Mol Schwefelsäure zur Oxidation verbraucht, welche im Oleum enthalten sein können oder zusammen mit dem
erforderlichen Selen vorgelegt werden. Soll jedoch die Reaktion völlig wasserfrei durchgeführt werden, so sind,
wie die Gleichung zeigt, 8 Mol SO3 (640 g) Schwefeltrioxid
erforderlich entsprechend 800 g 80%iges Oleum COOH
+ 2H2O
+ 6SO2
+ 6SO2
oder 980 g 65%iges Oleum. Die in Oleum enthaltene Schwefelsäure reagiert in diesem Fall auch nicht anteilig
mit, sondern dient ausschließlich als Lösungsmittel.
Das als Katalysator für die Oxidation dienende Selendioxid kann als Selendioxid oder vorzugsweise als
elementares Selen eingesetzt werden. Die erforderliche Menge beträgt 0,1 -4 Gew.-%, bezogen auf eingesetztes
Alkylpyridin, vorzugsweise 0,2 — 2 Gew.-%.
Die Reaktion wird zweckmäßig in Schwefelsäure als Lösungsmittel durchgeführt. Als solches dient im
allgemeinen der im Oleum enthaltene Schwefelsäuireanteil.
Es ist zweckmäßig, zu Beginn der Reaktion eine gewisse Menge Schwefelsäure (konz.) oder
10—30%iges Oleum vorzulegen.
Die Reaktion kann in verschiedener Art und Weise durchgeführt werden.
So kann man beispielsweise das Alkylpyridin bzv/. das Gemisch von Alkylpyridinen zusammen mit Selftn in
Schwefelsäure oder Oleum, welches bis zu etwa 60% Schwefeltrioxid enthalten kann, vorlegen und auf 2700C
aufheizen. Zunächst wird dabei das Selen, welches durchaus in grobkörniger Form vorliegen kann, gelöst
und bei etwa 200° C zu Selendioxid oxidiert Bei Temperaturen oberhalb 260° C setzt dann die Oxidation
ein, welche durch fortlaufende Zugabe von Oleum aufrechterhalten wird. Die für die Oxidation günstigste
Reaktionstemperatur beträgt 260—350° C, vorzugsweice
275-310°C. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, wenn die Oxidation überwiegend mit
100%igem Oleum durchgeführt werden soll, welches bei
260 —280° C der Reaktionsmischung in dem Maße zugeführt wird wie die Reaktion fortschreitet Dabei
kann 100°/oiges Oleum flüssig oder auch gasförmig (z. B. durch Erwärmen von 65-80%igem Oleum erzeugt) in
die Reaktionsmischung eingeleitet werden.
Zweckmäßig läßt man zu Beginn zu dem Gemisch aus Oleum oder Schwefelsäure und Selen einfach ohne
Kühlung das Alkylpyridin langsam zulaufen, wobei starke Erwärmung erfolgt. Nach Beendigung der so
Zugabe des Pyridins sollte jedoch der Gehalt an freiem Schwefeltrioxid nicht über 15% betragen, da sonst
während des Aufheizens auf die Reaktionstemperatur zu starke SO3-Verluste durch Verdampfen auftreten.
Daraus folgt, daß von der gesamten zur Oxidation benötigten SO3-Menge höchstens die Hälfte, vorzugsweise
10—30%, vorgelegt werden.
Nach einer anderen bevorzugten Durchführungsform wird ein Gemisch aus Schwefelsäure und Selen auf
270° C erhitzt und dann eine Lösung des Alkylpyridins in Oleum, welches 65-80% Schwefeltrioxid enthält, im
Verlauf von 1 -4 Stunden zulaufen gelassen. Anschließend wird die Reaktion durch Zugabe von reinem
Oleum, welches 65-100% Schwefeltrioxid enthält, zu Ende geführt.
Weiterhin ist es möglich, Alkylpyridin und Oleum gleichzeitig in das Reaktionsgefäß fließen zu lassen.
Selbstverständlich kann man den Katalysator auch in der gesamten Menge oder einer Teilmenge Oleum
auflösen und so der Reaktionsmischung allmählich zusetzen. In diesem Fall ist es zweckmäßig, Selendioxid
zu verwenden oder durch Auflösen von Selen in Schwefelsäure oder 20%igem Oleum bei 200-250° C
eine konzentrierte Lösung von Selendioxid in Schwefelsäure herzustellen und diese dem Oleum oder dem
Alkylpyridin zuzusetzen.
Die Reaktion kann auch kontinuierlich durchgeführt werden.
So kann man eine Lösung von Alkylpyridin, Schwefeltrioxid und Selendioxid langsam kontinuierlich
in ein auf 280-350° C beheiztes Quarz- oder Keramikrohr, welches zur Vergrößerung der Oberfläche
Füllkörper, wie Raschigringe oder Tonstücke, enthält, einspeisen und am einen Ende eine Lösung der
Pyridincarbonsäuren entnehmen, während am anderen Ende Schwefeldioxid und ggf. Kohlendioxid und Wasser
entweichen. Um die Schwefeltrioxidverluste niedrig zu halten, erfolgt die Eindosicrung des Reaktionsgemischs
zweckmäßig in der Mittelzone des Reaktionsrohrs.
Es ist zweckmäßig, die abfließende Reaktionslösung durch ein Verweilgefäß zu leiten, in welchem bei
290-320° C die Oxidation bis zum Klarwerden der Lösung zu Ende geführt wird. Dabei kann bereits ein
Teil der Schwefelsäure abdestilliert werden.
Bei der Oxidation von Alkylpyridinen mittels Oleum entstehen große Mengen Schwefeldioxid. Dieses kann
z. B. durch Kühlung und ggfs. Komprimierung verflüssigt oder in wäßrigen Alkalien, z. B. Sodalösung oder
Ammoniaklösung absorbiert werden.
Wird das Verfahren in größerem Maßstab durchgeführt, so ist es am vorteilhaftesten, das Schwefeldioxid in
an sich bekannter Weise am Kontakt, z. B. Vanadinpentoxid mit Luftsauerstoff wieder zu Schwefeltrioxid zu
oxidieren, welches dann wieder in das Reaktionsgemisch zurückgeführt wird, so daß im Endeffekt das
Verfahren in einer Luftoxidation von Alkylpyridinen mit Schwefeltrioxid als Sauerstoffüberträger besteht
Entsteht bei der Reaktion neben SO2 auch CO2, so ist
es zweckmäßig, das bei der Oxidation gebildete SO3/CO2-Gemisch nicht direkt zur Pyridin-Oxidation zu
verwenden, sondern das Schwefeltrioxid in Schwefelsäure zu absorbieren und in Form von Oleum wieder
einzusetzen.
Zur Isolierung der gebildeten Pyridincarbonsäuren aus ihren bei der Reaktion anfallenden Lösungen in
wasserfreier Schwefelsäure wird ggfs. zunächst überschüssige Schwefelsäure im Vakuum abdestilliert Beim
Erkalten der konzentrierten oder der mit wenig Wasser verdünnten Lösung kristallisiert in vielen Fällen das
Hydrogensulfat der gewünschten Pyridincarbonsäure aus. Sehr leicht läßt sich auf diese Weise das
Hydrogensulfat der Dinicotinsäure isolieren. Durch Auflösen in Wasser und Neutralisation bis zum
isoelektrischen Punkt mit wäßrigen Alkalien erhält man die freie Pyridincarbonsäure in kristalliner Form.
Man kann jedoch auch ohne Isolierung des Hydrogensulfats die konzentrierte Lösung der Säure in
Schwefelsäure mit Wasser oder Eis verdünnen und anschließend bis zum isoelektrischen Punkt der
Pyridincarbonsäure neutralisieren.
Besonders vorteilhaft ist das Oxidationsverfahren gemäß Erfindung, wenn nicht die Carbonsäure selbst,
sondern deren Ester, insbesondere der Methyl-, Äthyl-, Propyl-, Isopropyl-, Butyl-Ester hergestellt werden
sollen.
Man braucht in diesem Fall die Pyridincarbonsäuren nicht zu isolieren, sondern kann unmittelbar ihre
konzentrierte Lösung in Schwefelsäure wie sie bei der Oxidation, ggfs. nach Konzentrierung, anfällt mit dem
gewünschten Alkohol vermischen und nach kurzer Reaktionszeit durch Neutralisation bei -100C bis
+ 10° C den Ester isolieren. Gibt man den Alkohol, insbesondere Methanol, bei ca. 60-100° C ohne
Kühlung in die konzentrierte schwefelsaure Lösung, so ist die Veresterung bereits nach etwa 30 Minuten
beendet
Die Ausbeute an Pyridincarbonsäuren bzw. deren Estern sind sehr gut und beiragen meist über 70%.
Dinicotinsäure wird aus 3,5-Dialkylpyridinen in über
85% Ausbeute erhalten.
Pyridincarbonsäuren sind wertvolle Zwischenprodukte. So dienen z. B. Dinicotinsäure und ihre Ester zur
Herstellung von Polymeren der verschiedensten Art.
Die hervorragende Eignung von hochprozentigem Oleum in Gegenwart sehr geringer Mengen Selen zur
Oxidation von Alkylpyridinen und insbesondere von
3,5-Dialkylpyridinen war nicht zu erwarten, da nach C.
R. A d a m s (vgl. J. heterocycl. Chem., 4,137 [1967]) die
Schwefelsäure/Selen-Oxidation nur unter den dort angegebenen Bedingungen zu guten Ausbeuten führt,
und Abänderungen des Verfahrens stets erhebliche Verminderung der Ausbeute zur Folge haben. Da
bereits die Anwesenheit von Luft Teerbildung und Verkohlung zur Folge haben, war dies um so mehr bei
Verwendung von hochprozentigem Oleum in dem für die Oxidation benötigten Temperaturbereich von
270-3200C zu erwarten. Schließlich ist zu berücksichtigen,
daß Dialkylpyridine in Oleum in Form der recht starken SO3-Komplexe vorliegen. Auch mußte unter
den extremen Bedingungen mit Sulfonierung als Nebenreaktion gerechnet werden.
Da in der US-PS 24 36 660 ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß zur Oxidation von Alkylpyridinen
mit Schwefelsäure/Selen eine Säure von etwa 96% bis etwa 78% Gehalt an Schwefelsäure bevorzugt und
rauchende Schwefelsäure, worunter im allgemeinen ein Produkt, welches bis zu 20% freies Schwefeltrioxid
enthält, verstanden wird, weniger geeignet ist, war es
ausgesprochen überraschend, daß die Verwendung von Oleum mit mehr als 60% SO3-Gehalt zu wesentlich
besseren Ergebnissen führt als die Verwendung von Schwefelsäure. Dies gilt insbesondere für die Herstellung
von Dinicotinsäure aus 3,5-Dialkylpyridinen. Allerdings ist die Verwendung von Oleum mit mehr als
60% SOß-Gehalt nur dann von besonderem Vorteil, wenn dessen Menge so bemessen wird, daß mindestens
50%, vorzugsweise 70—120% des zur Oxidation benötigten 6wertigen Schwefels als Schwefeltrioxid
eingesetzt werden.
Ganz besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Pyridin-3,5-dicarbonsäure
aus 3,5-Dimethylpyridin und Schwefeltrioxid in Gegenwart von 0,2-2% Selen und Schwefelsäure bzw.
bei 2700C mit Schwefeltrioxid gesättigter Schwefelsäure
als Reaktionsmedium.
Die ausgezeichnete Eignung von 100%igem Oleum, also reinem Schwefeltrioxid, ist besonders überraschend,
da Schwefeltrioxid bereits bei 46° C siedet, die Reaktion jedoch oberhalb 2600C in der flüssigen Phase
stattfindet.
Beispiel 1
Apparatur
Apparatur
2-Ltr.-Vierhalskolben mit Rührer, Tropftrichter,
Thermometer und Kolonne mit absteigendem Kühler am Kolonnenkopf, Vorlage und dahintergeschalteter
SO2-Absorptionsanlage.
400 g Schwefelsäure (96%), lOO.g 65%iges Oleum und
4 g Selen werden vorgelegt und auf 255° C erhitzt, wobei eine klare, blaßgelbe Lösung entsteht. Hierzu läßt man
langsam innerhalb von ca. 2-3 Stunden eine Lösung von 138 g eines Pyridingemisches, welches 84,5%
3,5-Diäthylpyridin, 7,2% 3-Methyl-5-äthylpyridin und 1,4% 3-Picolin enthält, in 1,5 kg 65%igem Oleum
zufließen. Man hält die Temperatur durch schwaches Heizen zwischen 270 und 29O0C und steigert anschließend
auf 3050C. Während der Zugabe tritt starkes Schäumen auf, der Kolbeninhalt ist tiefdunkel gefärbt
Man erkennt das Ende der Reaktion am Aufhören der SO2-Entwicklung und der klaren hellgelben Farbe der
Lösung im Reaktionskolben. Während der Reaktion destilliert in den ersten zwei Stunden überwiegend
Schwefeltrioxid, später etwas Wasser in die Vorlage, so daß zum Ende der Reaktion 190 g Schwefelsäure
(d= 1,83) sich in der Vorlage befinden. Geringe Mengen
von in der Kolonne abgeschiedenem Selen werden durch Zugabe von 100 g Oleum durch den Tropfentrichter
ins Reaktionsgefäß gespült.
Anschließend werden bei 215-224°C und 17-25
Torr 560 g Schwefelsäure abdestilliert.
Der Destillationsrückstand (610 g) wird auf 97°C gekühlt, mit 600 g Wasser verdünnt, filtriert und mit
638 g 25%iger wäßriger Ammoniaklösung auf einen pH-Wert von 2,5 eingestellt. Die als sandiger Niederschlag
ausgefallene Dinicotinsäure wird abgesaugt, mit Wasser gewaschen und getrocknet. Ausbeute 119 g
(76% d. Th.) Schmp. 297 - 299 (unkorr.).
Mit derselben Menge Selen wird bei Durchführung der Oxidation mit Schwefelsäure (2 kg) nur eine
Ausbeute von knapp 60% erhalten.
Durchführung wie in Beispiel 1, jedoch mit folgenden Änderungen:
Vorgelegt werden:
400 g Schwefelsäure (96%ig),
-' 8 g Selen.
-' 8 g Selen.
Zugegeben werden:
bei 285 - 290° C in 100 Minuten
270 g »Pyridinbase« (wie Beispiel 1)
in2kgOleum(65%ig).
Anschließend:
Anschließend:
bei 3000C in 2 Stunden
1,6 kg Oleum (65%ig).
In die Vorlage destillieren 113 g wäßrige schweflige
Säure zusammen mit 1,6 g Selen.
Ausbeute: 236 g (77% d.Th.) Dinicotinsäure. Schmp. 313-314° C (unkorr.).
Durchführung wie in Beispiel 1, jedoch im 10-Ltr.-Vierhalskolben
mit Kolonne von 1,20 m Länge und 8 cm Durchmesser (Füllung: Raschigringe). Die Lösung der
»Pyridinbase« in Oleum läuft aus einem 20-Ltr.-Vorratsgefäß zu.
Eingesetztes Material:
Eingesetztes Material:
Im Vorratsgefäß werden 17,4 kg 65%iges Oleum vorgelegt und unter Luftkühlung bei 20—49° C in 4
Stunden 1535 g eines durch Reaktion von 1,1,1-Trimethylolpropan
mit Ammoniak erhaltenen Pyridingemischs zugegeben.
Zusammensetzung des Pyridingemischs:
0,9% 3-Äthylpyridin,
9,4% 3-Methyl-5-äthylpyridin,
74,6% 3,5-Diäthylpyridin,
9,4% 3-Methyl-5-äthylpyridin,
74,6% 3,5-Diäthylpyridin,
15,1% andere Komponenten überwiegend aliphatischer und cycloaliphatischer Natur.
Vorgelegt werden:
600 g Schwefelsäure (96%ig),
40 g Selen (= 2,6% bez. auf Pyridin).
40 g Selen (= 2,6% bez. auf Pyridin).
Nach Zugabe der Pyridingemisch-Oleum-Lösung
werden noch 4 kg 65%iges Oleum nachgesetzt.
Anschließend werden 5,6 kg Schwefelsäure abdestilliert.
In der Vorlage haben sich während der Reaktion 1,1 kg wäßrige schweflige Säure abgeschieden.
Der Destillationsrückstand wird mit 5 Ltr. Wasser verdünnt und anschließend mit 2 kg 20% Natronlauge
und 4,3 kg 40% Natronlauge auf einen pH-Wert von 2,2
eingestellt.
Der sandige Niederschlag wird abgesaugt, mit 2 Ltr. Eiswasser angeschlämmt, erneut abgesaugt und getrocknet.
Ausbeute: 1418g (89,4% d. Th.),
Schmp.322-323°C.
Schmp.322-323°C.
Mit derselben Menge Selen wird bei Durchführung der Oxidation mit Schwefelsäure nur eine Ausbeute von ι ο
ca. 50% erhalten (vgl. C. R. Adams, J. heterocycl.
Chemie, 4,138 [1967]).
Dinicotinsäure aus Diäthylpyridin-Vorlauf. Apparatur
und Durchführung wie Beispiel 3.
Eingesetzt wird ein Pyridingemisch (1643 g) der nachfolgenden Zusammensetzung, welches bei der
Herstellung von 3,5-Diäthylpyridin aus Trimethylolpropan und Methylamin als Vorlauf abgetrennt wurde:
3,1% Pyridin,
14,5% 3-Picolin,
14,5% 3-Picolin,
1,5% 3-Äthylpyridin,
0,4% 3,5-DimethyIpyridin,
21,5% 3-Methyl-5-äthylpyridin, "3
34,7% 3,5-Diäthylpyridin,
24,3% andere Komponenten überwiegend aliphatischer oder cycloaliphatischer Natur.
Die Menge an eingesetztem Oleum, Selen und jo Schwefelsäure sind dieselben wie im Beispiel 3.
Während der Reaktion scheiden sich in der Vorlage 2 kg wäßrige schweflige Säure ab. Nach Abdestillieren
von 3,2 kg konz. Schwefelsäure erstarrt der Kolbenrückstand beim Erkalten (Dinicotinsäure-hydrogensulfat).
Das Reaktionsprodukt wird in Wasser gelöst, mit Natronlauge auf einen pH-Wert von 2,2 gebracht und
die Dinicotinsäure abgesaugt, mit Eiswasser angeschlämmt und wieder abgesaugt und getrocknet.
Ausbeute: 1007 g;Schmp.301-310°C.
Die Ausbeute beträgt 84% d. Th, bezogen auf
eingesetztes Dialkylpyridin.
Das Beispiel zeigt, daß auch große Mengen an verunreinigenden Begleitstoffen die Reaktion nicht
ungünstig beeinflussen.
Dinicotinsäuredimethylester aus technischem 3,5-Diäthylpyridin.
Im 10-Ltr.-Vierhalskolben werden vorgelegt:
600 g Schwefelsäure (96%ig),
40 g Selen.
40 g Selen.
Bei 280° C wird in dünnem Strahl folgende Mischung zugegeben: In 11,3 kg 65%iges Oleum werden nacheinander
4,2 kg 10%iges Oleum (350C) und innerhalb von 5
Stunden 1,3 kg technisches 3,5-Diäthylpyridin zugegeben, das 5,9% 3-Methyl-5-äthylpyridin und 80,4%
3,5-Diäthylpyridin enthält.
Die Zugabe der Mischung erfolgt im Verlauf von 5 Stunden. Anschließend werden noch 3,1 kg 100%iges
Oleum zugetropft und bei 300° C nachgerührt. Am Ende der Reaktion befinden sich 360 g Schwefelsäure
(d=· 1,86) in der Vorlage.
Aus dem Reaktionsgemisch werden im Wasserstrahlvakuum 7 kg Schwefelsäure abdestilliert und der
Rückstand bei 100-1300C mit 7,2 Ltr. Methanol versetzt. Man rührt 2 Stunden unter Rückflußkochen
nach und gießt die erkaltete Lösung anschließend auf 9 kg Eis. Man neutralisiert zunächst mit 600 g
Kristallsoda bis zum Auftreten einer bleibenden Schaumschicht, anschließend wird mit 3,6 kg 15%iger
Natronlauge auf einen pH-Wert von 8 gestellt. Währenddessen werden 6 kg Eis zugesetzt.
Der ausgefallene Niederschlag wird abgesaugt, mit 2 kg Eiswasser gewaschen und noch feucht (1,5 kg) mit
6 kg Eiswasser verrührt, abgesaugt und getrocknet.
Ausbeute: 1010 g (62% d.Th. bezogen auf Diäthylpyridin). Schmp. 86 - 88° C.
Ausbeute: 1010 g (62% d.Th. bezogen auf Diäthylpyridin). Schmp. 86 - 88° C.
972 g technisches 3,5-Diäthylpyridin (93%ig) werden in 4 Stunden unter Kühlung mit Luft in 9,9 kg 65%iges
Oleum getropft.
Diese Lösung wird im Verlauf von 2 Stunden zu einer auf 285° C erhitzten Lösung von 28 g Selen und 1,4 kg
96%iger Schwefelsäure zugesetzt. Die Reaktion wird im 6-Ltr.-Vierhalskolben durchgeführt. Anschließend werden
bei 2800C weitere 2,8 kg 65%iges Oleum zugefügt, bis der Kolbeninhalt hellgelb und die aufgesetzte
Kolonne frei von Selen ist. Bei 210-2300C und 13 Torr
werden aus dem Reaktionsgemisch 4,3 kg Schwefelsäure abdestilliert.
Der Rückstand (3,1 kg) wird in einen lO-Ltr.-Dreihalskolben
umgefüllt, wobei das Hydrogensulfat der Dinicotinsäure auskristallisiert. Bei 400C werden in 18
Minuten 4,3 kg Methanol zugegeben, wobei Temperaturanstieg bis 93° C erfolgt und eine klare
Lösung entsteht. Am Ende der Zugabe ist die Temperatur wieder auf 64° C abgesunken. Man rührt 5
Stunden ohne Wärmezufuhr nach und gießt das Veresterungsgemisch auf 9 kg Eis. Unter Rühren
werden nacheinander 0,7 kg Kristallsoda und 5 kg einer frisch hergestellten Mischung aus 2,5 kg 30%iger
Natronlauge und 2,5 kg Eis zugefügt bis ein pH-Wert von 8 erreicht ist
Der ausgefallene Dimethylester wird abgesaugt, noch feucht mit Eiswasser angeschlämmt und erneut abgesaugt
Nach Trocknen werden 1130 g Dinicotinsäuredimethylester erhalten. Schmp. 85 - 88° C.
Ausbeute: 86% d. Theorie.
Ausbeute: 86% d. Theorie.
Analog Beispiel 5 werden bei Verwendung von 6,2 kg Äthanol anstelle von Methanol 1240 g Dinicotinsäurediäthylester
erhalten. Schmp. 45,5-47° C, nach Umkristallisieren aus Petroläther 48,5 - 50° C.
Ausbeute: 82% d. Theorie.
Ausbeute: 82% d. Theorie.
Der Diäthylester kann ebenso wie der Dimethylester durch Sublimation im Vakuum völlig rein erhalten
werden.
Analog Beispiel 5 werden bei Verwendung von 8,1 kg n-Propanol anstelle von Methanol 1470 g Dinicotinsäure-di-n-propylester
erhalten. Schmp. 57 — 58° C.
Ausbeute: 77% d. Theorie.
Ausbeute: 77% d. Theorie.
Analog Beispiel 7 wurden bei Verwendung von Isopropanol 1110g (58% d.Th.) Diisopropylester
erhalten. Der Ester wurde durch Toluolextraktion isoliert Schmp. 39,5 - 40° C.
Beispiel 10
Zu einer auf 280° C erhitzten Lösung von 4 g Selen in 100 g 2O°/oigem Oleum wird im Verlauf von 30 Minuten
eine Lösung von 84 g 3-Picolin in 100 g 20%igem Oleum zugetropft. Man rührt 5 Std. bei 270-2800C nach, gibt
noch 240 ecm 65%iges Oleum zu und rührt weitere 4 Stunden bei 300-3200C nach. Hierauf werden 152 g
Schwefelsäure abdestilliert und der Rückstand nach Verdünnen mit 200 g Wasser mit 770 g 30%iger
Natronlauge auf einen pH-Wert von 4 eingestellt. Dabei fällt Nicotinsäure aus.
Ausbeute: 68 g (61 % d. Th.); Schmp. 225 - 228° C.
Ausbeute: 68 g (61 % d. Th.); Schmp. 225 - 228° C.
Beispiel 11
Zu einer Mischung aus 200 g Schwefelsäure (98%ig) und 6 g Selen werden 93 g 4-Picolin ohne Kühlung
zugegeben, wobei die Temperatur auf 146° C ansteigt.
Das Gemisch wird auf 2900C geheizt, wobei langsam Schwefeldioxid und Wasser gebildet wird. Innerhalb
von 18 Stunden werden bei 285-295° C 700 g 65%iges
Oleum zugetropft. Anschließend werden 360 g Schwefelsäure abdestilliert und der mit 400 ecm Wasser
verdünnte Rückstand mit 20%iger Natronlauge auf einen pH-Wert von 2 eingestellt. Es wird mit 200 g
Eiswasser verdünnt und der ausgefallene Niederschlag abgesaugt und getrocknet.
Ausbeute: 90 g (73% d. Th.); Schmp. nach Umkristallisieren aus Wasser 315 — 316° C.
Beispiel 12
Stunden zugegeben. Anschließend wird bis zum Ende der SO2-Entwicklung bei 3100C nachgerührt. Die
Aufarbeitung gemäß Beispiel 4 ergibt 1,9 kg reine Pyridin-3,5-dicarbonsäure.
Schmp. 328 -329°C. Ausbeute: 79% der Theorie.
Schmp. 328 -329°C. Ausbeute: 79% der Theorie.
Beispiel 15
Es wird wie in Beispiel 14 verfahren, jedoch werden ίο 20 g Selen eingesetzt (1% bezogen auf Diäthylpyridin).
Nach 12 Stunden Hauptreaktion und Nachrühren bis zum Ende der SO2- Entwicklung wird gemäß Beispiel 4
aufgearbeitet. Es werden 2,05 kg reine Pyridin-3,5-dicarbonsäure erhalten.
Schmp. 322 - 323° C. Ausbeute: 85% der Theorie.
Schmp. 322 - 323° C. Ausbeute: 85% der Theorie.
Beispiel 16
Ein Gemisch aus 60 ml konzentrierter Schwefelsäure, 20 ml 65%igem Oleum und 1,2 g Selen wurde auf 260° C
erhitzt und bei dieser Temperatur einer vorher hergestellten Mischung aus 100 ml 65%igem Oleum und
16 ml destilliertem 3-Picolin innerhalb von 4 Stunden zugetropft. Dabei wurde durch weiteres Heizen 30
Minuten nach Beginn des Zutropfens eine Reaktionstemperatur von 32O0C erreicht. 2 Stunden nach Ende
des Zutropfens war die Reaktion beendet, und es begann Schwefelsäure überzudestillieren. Die weitere
Aufarbeitung erfolgte genau wie in Versuch 1 beschrieben.
Rohausbeute: 15 g, nach Verrühren mit Wasser betrug die Ausbeute 12,0 g. Schmelzbereich 210-280° C.
Zu einer Mischung aus 130 g 10%iges Oleum und 2 g Selen werden ohne Kühlung 53,5 g (0,5 Mol) 3,5-Dime- 3-5
thylpyridin zugesetzt und die Mischung auf 2900C
geheizt. Man hält bei dieser Temperatur und leitet gasförmiges Schwefeltrioxid (100%iges Oleum) ein, bis
das Reaktionsgemisch hellgelb geworden ist, was nach Einleiten von 420 g der Fall ist. Man verdünnt das
Reaktionsgemisch mit 300 g Wasser und stellt mit 20%iger Natronlauge bis zu einem pH-Wert von 2,5.
Die ausgefallene Dinicotinsäure wird abgesaugt, mit Eiswasser gewaschen und getrocknet.
Ausbeute: 56 g(67% d. Th.); Schmp. 320 -324°C.
Ausbeute: 56 g(67% d. Th.); Schmp. 320 -324°C.
Beispiel 13
Zu einer Mischung aus 130 g Schwefelsäure und 3 g Selen werden ohne Kühlung 114 g (1 Mol) 3,5-Dimethylpyridin
(97%ig) zugesetzt, wobei die Temperatur auf ca. 1600C ansteigt. Die Mischung wird auf 26O0C geheizt
und langsam mit 410 g flüssigem Schwefeltrioxid versetzt, bis das Reuktionsgemisch hellgelb geworden
ist Beim Erkalten kristallisiert Dinicotinsäurehydrogensulfat aus.
Das Reaktionsgemisch kann unmittelbar mit Methanol verestert werden. Ausbeute an Dimethylester 72%
der Theorie.
Beispiel 14
Im 10-Ltr.-Vierhalskolben werden vorgelegt:
Im 10-Ltr.-Vierhalskolben werden vorgelegt:
600 g Schwefelsäure (96%ig),
10 g Selen.
10 g Selen.
Hierzu wird bei 28O0C in dünnem Strahl eine vorher
hergestellte Mischung aus 2 kg 3,5-Diäthylpyridin (98%ig) und 22,5 kg Oleum (65%ig) innerhalb von ca. 17
b5
Beispiel 17
(Vergleichsbeispiel zu Beispiel 16;
Schwefelsäure-Verfahren gemäß Stand der Technik)
Schwefelsäure-Verfahren gemäß Stand der Technik)
Zu 180 ml konzentrierter Schwefelsäure werden bei Raumtemperatur ohne Kühlung innerhalb von 7
Minuten 16 ml destilliertes 3-Picolin zugetropft, wobei die Temperatur auf 57° C ansteigt. Anschließend wird
das Gemisch erhitzt und bei 2750C 1,2 g Selen zugesetzt.
Unter weiterem kräftigem Heizen wird die Temperatur 16 Stunden lang zwischen 290 und 322° C gehalten,
währenddessen aus dem Reaktionsgemisch SO2 und H2O abgespalten werden. ■
Innerhalb der ersten 10 Stunden ließ sich die Temperatur nicht über 317° C steigern.
Am Ende der Reaktion ist die Lösung klar, hellgelb und anstelle von Wasser beginnt Schwefelsäure
überzudestillieren. Anschließend wird im Wasserstrahlvakuum (16 Torr) bei einer Badtemperatur von bis zu
2400C überschüssige Schwefelsäure abdestilliert und der etwa 50 ml betragende Rückstand bei Raumtemperatur
mit 50 ml Wasser verdünnt. Die saure Lösung wurde mit 144 g 30%iger Natronlauge auf einen
pH-Wert von 3,5 gebracht, und der feine kristalline Niederschlag bei 40°C abgesaugt und mit 100 ml
Eiswasser nachgewaschen. Rohausbeute nach Trocknung: 11,9g.
Zur Reinigung wurde das Produkt 1 Stunde bei Raumtemperatur mit 40 ml Wasser verrührt, erneut
abgesaugt und getrocknet. Ausbeute: 9,2 g Schmelzbereich ab ca. 2000C. Bei 3000C waren erhebliche Anteile
noch nicht geschmolzen, d. h„ das Produkt enthielt immer noch anorganische Begleitsalze.
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung von Pyridin-mono- und -dicarbonsäuren durch Oxydation von Alkylpyridinen
mit Verbindungen des sechswertigen Schwefels in Gegenwart von Selen-Katalysatoren bei
Temperaturen von 260 bis 35O°C, dadurch
gekennzeichnet, daß man Alkylpyridine der allgemeinen Formel ι ο
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