DE2055102C3 - Verfahren zur Herstellung von Pyridin-mono- und -dicarbonsäuren - Google Patents

Description

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in der R¹ bis R⁵ für ein Wasserstoffatom, eine CH₃-, C2H5- oder C3H7-Gruppe stehen und zusammen bis 2η 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 _iQ 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 260-350° C 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 -350° C 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 -,0 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- _b0 carbonsäure, dadurch gekennzeichnet, daß man rohe technische Pyridinbasen, weiche 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 260-350° C 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—350⁰C 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 260-350⁰C mit Schwefeltrioxid umgesetzt wird.

Verfahren zur Herstellung von Pyridincarbonsäuren aus Alkylpyridinen sind bekannt So lassen sich beispielsweise «-, ß- 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 130-180° C 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 0-Picolin. Während die Oxidation von 2-ÄthyI-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 270° C 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 ke 2-Äthvl-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 280-320⁰C schwerwiegende Korrosionsprobleme auf.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die to 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 _7n

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R¹

R⁵

in der R¹ bis R⁵ für ein Wasserstoffatom, eine CH₃-, C2H5- oder CjHz-Gruppe stehen und zusammen bis zu 6 _J0 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 _J5 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.-°/o 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, weiche mindestens 60% dieser Produkte enthalten. ₄-_; 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 Isonicotinsäure aus y-Picolin sowie der Nicotinsäure aus J?-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 frei.

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 Kohlenstoffatome aliphatischer Natur tragen, besonders bevorzugt in Form von Methyl- oder Äthylgruppen, ggfs. auch Propyl- oder Isopropylgruppen.
Bevorzugt sind:

3-Mcthylpyridin, 4-Methylpyridin,

3-Äthylpyridin, 2,4-Dimethylpyridin,

2,5-Dimethylpyridin,2,4,6-Trimethylpyridin,

2-Methyi-5-äthyIpyridin.

Ganz besonders ist das Verfahren zur Herstellung von Pyridin-3,5-dicarbonsäure aus

3,5-DimethyIpyridin,3-Methyl-5-äthyIpyridin,

3,5-Diäthylpyridin, 3,5-Dipropylpyridin,

3,5-Diisopropylpyridin,

2-Äthyi-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

/Y-

CHj + 6SO, ► HOOC

2H₂O + 2SO., > H₂SO₄

COOH

+ 2H₂O
+ 6SO₂

Auf 1 Mol (107 g) Dimethylpyridin sollen also mindestens 3 Mol (240 g) Schwefeltrioxid eingesetzt _M werden, das sind 300 g 80%iges Oleum oder 370 g 65°/oiges 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. SoH jedoch die _b5 Reaktion völlig wasserfrei durchgeführt werden, so sind, wie die Gleichung zeigt, 8 Mol SO₃ (640 g) Schwefeltrioxid erforderlich entsprechend 800 g 80%iges Oleum 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 SchwefelsäureanteiL

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 bzw. das Gemisch von Alkylpyridinen zusammen mit Selen in Schwefelsäure oder Oleum, welches bis zu etwa 60% ι ο Schwefeltrioxid enthalten kann, vorlegen und auf 270⁰C aufheizen. Zunächst wird dabei das Selen, welches durchaus in grobkörniger Form vorliegen kann, gelöst und bei etwa 20C'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 260-350⁰C, vorzugsweise 275-310⁰C. 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%iges 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 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 J5 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 Alkylpyridine 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 200-250⁰C 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 280-350⁰C 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 Eindosierung des Reaktionsgemische zweckmäßig in der Mittelzone des Reaktionsrohrs.

Es ist zweckmäßig, die abfließende Reaktionslösung durch ein Verweilgefäß zu leiten, in welchem bei 290—320⁰C 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 Ixjsung 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 der»;n 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 + 10⁰C den Ester isolieren. Gibt man den Alkohol, insbesondere Methanol, bei ca. 60-100⁰C 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 betragen 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 Hei stellung 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-DialkyIpyridinen 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% SO₃-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 260° C in der flüssigen Phase stattfindet

Beispiel 1 Apparatur

2-Ltr.VierhaIskolben mit Rührer, Tropftrichter, Thermometer und Kolonne mit absteigendem Kühler am Kolonnenkopf, Vorlage und dahintergeschalteter SO2-Absorptionsanlage.

400 g Schwefelsäure (96%), iüö g öSwiges Oieum 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-äthylpvridin und 1,4% 3-Picolin enthält, in 1,5 kg 65%igem Oleum zufließen. Man hält die Temperatur durch schwaches Heizen zwischen 270 und 290⁰C und steigert anschließend auf 305° C 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 97⁰C 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.

Beispiel 2

Durchführung wie in Beispiel 1, jedoch mit folgenden Änderungen:

Vorgelegt werden:

400 g Schwefelsäure (96%ig),

8 g Selen. Zugegeben werden:

bei 285-290° C in 100 Minuten 270 g »Pyridinbase« (wie Beispiel 1)

in2kgOleum(65%ig). ^J0 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.).

Beispiel 3

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:

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-Tnmethylolpropan mit Ammoniak erhaltenen Pyridingemischs zugegeben.

Zusammensetzung des Pyridingemischs:

3-Ätnyipynain,

9,4% 3-MethyI-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).

Nach Zugabe der Pyridingemisch-Oleum-Lösung

werden noch 4 kg 65%iges Oieum 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

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und 4,3 kg 40% Natronlauge auf einen pH-Wert von 2,2 eingestellt

Der sandige Niederschlag wird abgesaugt, mit 2 Ll r. Eiswasser angeschlämmt, erneut abgesaugt und getrocknet.

Ausbeute: 1418 g(89,4% d. Th.),
Schmp.322-323°C.

Mit derselben Menge Selen wird bei Durchführung der Oxidation mit Schwefelsäure nur eine Ausbeule von ι ο ca. 50% erhalten (vgl. C. R. Adams, J. heterocycl. Chemie, 4,138 [1967]).

Beispiel 4

Difiicotinsäure 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,

1,5% 3-Äthylpyridin,

0,4% 3,5-Dimethylpyridin,
21,5% 3-Methyl-5-äthylpyridin,
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 32 kg konz. Schwefelsäure erstarrt der Kolbenrückstand beim Erkalten (Dinicotinsäure-hydrogensul- js fat).

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. 4(1 Ausbeute: 1007 g;Schmp.3Ol -310⁰C.

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.

Beispiel 5

Dinicotinsäuredimethylester aus technischem 3,5-Diäthylpyridin.

Im 10-Ltr.-Vierhalskolben werden vorgelegt:

600 g Schwefelsäure (96%ig),
40 g Selen.

Bei 280° C wird in dünnem Strahl folgende Mischung zugegeben: In 1 1,3 kg 65%iges Oleum werden nacheinander 4,2 kg 10%iges Oleum (35° C) und innerhalb von 5 Stunden 13 kg technisches 3,5-Diäthylpyridin zugegeben, das 53% 3-Methyl-5-äthylpyridin und 80,4% 3,5-Diäthylpyridin enthält to

Die Zugabe der Mischung erfolgt im Verlauf von 5 Stunden. Anschließend werden noch 3,1 kg 100%iges Oleum zugetropft und bei 300⁰C nachgerührt Am Ende der Reaktion befinden sich 360 g Schwefelsäure (</= 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.

Beispiel 6

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 10-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. 86-88° C.
Ausbeute: 86% d. Theorie.

Beispiel 7

Analog Beispiel 5 werden bei Verwendung von 62 kg Äthanol anstelle von Methanol 1240 g Dinicotinsäurediäthylester erhalten. Schmp. 45,5-47° C, nach Umkristallisieren aus Petroläther 48,5 - 50⁰C.
Ausbeute: 82% d. Theorie.

Der Diäthylester kann ebenso wie der Dimethylester durch Sublimation im Vakuum völlig rein erhalten werden.

Beispiel 8

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.

Beispiel 9

Analog Beispie! 7 wurden bei Verwendung von Isopropanol 1110 g (58% &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 20%igem 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 270-280° C nach, gibt noch 240 ecm 65%iges Oleum zu und rührt weitere 4 Stunden bei 300 -320° C nach. Hierauf werden 152 g Schwefelsäure abdestilliert und der Rückstand nach Verdünnen mit 200 g Wasser mit 77Og 30%iger ι ο Natronlauge auf einen pH-Wert von 4 eingestellt. Dabei fällt Nicotinsäure aus. Ausbeute: 68 g(61 % d. Th.); Schmp. 225- 228°C.

Beispiel 11

13

Zu einer Mischung aus 200 g Schwefelsäure (98°/oig) und 6 g Selen werden 93 g 4-Picolin ohne Kühlung zugegeben, wobei die Temperatur auf 146⁰C ansteigt. Das Gemisch wird auf 290°C 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 Umkristallisierenaus Wasser 315—316° C JO

Beispiel 12

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- j₅ thylpyridin zugesetzt und die Mischung auf 290° C 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.

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. 160° C ansteigt Die Mischung wird auf 260° C geheizt und langsam mit 410 g flüssigem Schwefeltrioxid versetzt, bis das Reaktionsgemisch hellgelb geworden ist Beim Erkalten kristallisiert Dinicotinsäurehydrogensulfat aus.

Das Reaktionsgemisch kann unmittelbar mit Methanol verestert werden. Ausbeute an Dimethylester 72% der Theorie.

Beispiel 14 ^b0

Im 10-Ltr.-Vierhalskolben werden vorgelegt:

600 g Schwefelsäure (96%ig), 10 g Selen.

65

Hierzu wird bei 280° C in dünnem Strahl eine vorher hergestellte Mischung aus 2 kg 3,5-DiäthyIpyridin (98%ig) und 22^ kg Oleum (65%ig) innerhalb von ca. 17

Stunden zugegeben. Anschließend wird bis zum Ende

der SO₂-Entwicklung bei 310°C nachgerührt. Die

Aufarbeitung gemäß Beispiel 4 ergibt 1,9 kg reine Pyridin-3,5-dicarbonsäure. Schmp. 328 - 329°C. Ausbeute: 79% der Theorie.

Beispiel 15

Es wird wie in Beispiel 14 verfahren, jedoch werden 20 g Selen eingesetzt (1% bezogen auf Diäthylpyridin). Nach !2 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.

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 320⁰C 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.

Beispiel 17

(Vergleichsbeispiel zu Beispiel 16; 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 275° C 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 überzudestülieren. Anschließend wird im Wasserstrahlvakuurn (16 Torr) bei einer Badtemperatur von bis zu 240° C 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:! 1,9 g.

Zur Reinigung wurde das Produkt 1 Stunde bei Raumtemperatur mit 4OmI Wasser verrührt, erneut abgesaugt und getrocknet Ausbeute: 9,2 g Schmelzbereich ab ca. 200°C Bei 300° C waren erhebliche Anteile noch nicht geschmolzen, dh, das Produkt enthielt immer noch anorganische Begleitsalze.

Claims (1)

Patentansprüche:

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 350° C, dadurch gekennzeichnet, daß man Alkylpyridine der allgemeinen Formel