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Verfahren zur Herstellung aromatischer und heterocyclischer Ketone
Die Erfindung betrifft ein besonders fortschrittliches Verfahren zur Herstellung
von aromatischen und heterocyclischen Ketonen durch Umsetzung entsprechender aromatischer
und heterocyclischer Verbindungen mit Acylierungsmitteln in Gegenwart hochwirksamer
Katalysatoren.
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Die Herstellung aromatischer Ketone erfolgt üblicherweise durch Friedel-Crafts-Acylierung
mit Lewis-Säuren, vorzugsweise mit Aluminiumchlorid. Hierzu sind mindestens molare
Mengen des als Katalysator wirkenden Aluminiumchlorids erforderlich (s.Friedel-Crafts
and Related Reactions III, Seite 8 ff., G,A. Olah, Interscience Publ., New-York-London-Sidney
1964).
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In Ausnahmefällen gelingt die Friedel-Crafts-Acylierung auch unter
Verwendung starker Broenstedt-Säuren vom Typ der Schwefelsäure, Trifluoressigsäure
oder Toluolsulfonsäure. In diesen Fällen ist es aber erforderlich, daß die mit dem
aromatischen Säurechlorid in Reaktion gebrachten Aromaten besonders leicht acylierbar
sind. Beispiele derartiger Verbindungen sind 1,3,5-Trimethylbenzol, Methoxybenzol,
1,3, 5-Trimethoxybenzol sowie Furan oder Thiophen (s. Sci. Proc. Roy. Dublin Soc.,
25, 19 (1949); C.A. 43, 7000 (1949); US-Pa-tent 2.496.786, C.A 44, 4930 (1950);
J.chem.'C1oc London 1954, 1456; Liebigs Ann.Chem.
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504, 267 (1933). Auch mit den reaktionsfähigen Aromaten sind
die
beschriebenen Ketonausbeuten nur klein.
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Es wurde nun gefunden, daß man aromatische und heterocyclische Ketone
in besonders einfacher und vorteilhafter Weise aus den entsprechenden aromatischen
oder heterocyclischen Verbindungen durch Umsetzung mit Acylierungsmitteln in Gegenwart
von Katalysatoren erhält, wenn man gegebenenfalls substituierte aromatische Kohlenwasserstoffe
oder gegebenenfalls substituierte heterocyclische Verbindungen mit Acylierungsmitteln
in Anwesenheit von weniger als der molaren Menge von Perfluoralkansulfonsäuren sowie
deren Derivate, die unter den Reaktionsbedingungen derartige Perfluorslkansulfonsäuren
liefern, im Temperaturbereich von 0 bis 2500 C umsetzt.
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Vorzugsweise wird im Temperaturbereich von 50 bis 180° C gearbeitet
Die für das Verfahren der Erfindung als Katalysatoren Verwendung findenden Perfluoralkansulfonsäuren
sowie deren Derivate, die unter den Reaktionsbedingungen die Perfluoralkansulfonsäure
liefern (Säurehalogenide und Säureanhydride) entsprechen der allgemeinen Formel
RfSO2Y worin Rfeinen gesättigten, gegebenenfalls verzweigten, perfluerierten Alkylrest
mit 1 - 18 Kohlenstoffatomen sowie einen prfluorierten (yclohexylrest bedeutet,
Y für OH, Halogen sowie für den Rest OSO2Ftc' 5 techen kann, wobei Rfi gleich oder
verschieden Rf sein kann,
Die bevorzugten Reste flf enthalten 1
bis 8 C-Atome. Beispielhafte Vertreter dieser Verbindungen RfSO2Y sind, die Perfluor-n-octansulfonsäure,
die Perfluorbutansulfonsäure, die Pentafluoräthansulfonsäure sowie die besonders
bevorzugte, relativ einfach zugängliche Trifluormethansulfonsäure. Die erfindungsgemäß
verwendeten Katalysatoren sind bekannt bzw. können nach bekannten Verfahren erhalten
werden (siehe US-Patentschrift 2.732.398, dort auch Anhydride und Halogenide).
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Die fUr das Verfahren der Erfindung Verwendung findenden Ka--tatysatoren
(Broenstedt-Säuren) werden in Mengen von 10 5 bis 10 Gew.%, vorzugsweise 0,01 bis
2 Gew.%, bezogen auf die Gewichtsmenge der Reaktionspartner eingesetzt Für das Verfahren
der Erfindung können alle üblicherweise bei Friedel-Crafts-Reaktio:len Verwendung
findenden aromatischen und heterocyclischen Verbindungen eingesetzt werden (S. Friedel-Crafts
and Related Reactions III, Seiten 36 - 100, G.A. Olah, Interscience- Publ., New
York-London-Sidney 1964).
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Gleiches gilt für die zur Anwendung gelangenden Acylierungsmittel.
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Die für das Verfahren der Erfindung bevorzugt Verwendung findenden
Verbindungen entsprechen der allgemeinen Formel ArH wobei Ar für einen gegebenenfalls
substituierten aromatischen oder gegebenenfalls substituierten heterocyclischen
Rest steht.
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Als gegebenenfalls substituierte aromatische Reste sind solche mit
bis zu 24 C-Atomen im Ringsystem zu verstehen, bevorzugt Jedoch mit bis zu 14, insbesondere
10 oder 6 C-Atomen. Als Substituenten am aromatischen Rest seien beispielsweise
genannt: gegebenenfalls verzweigte aliphatische Reste mit bis zu 8, vorzugsweise
1 bis 4 C-Atomen - wobei als aliphatische Reste auch cycloaliphatische Reste mit
vorzugsweise 5 und 6 C-Atomen im Ring zu verstehen sind - O-Alkyl- und S-Alkylreste
mit vorzugsweise 1 bis 4 C-Atomen, Phenyl-, Phenoxy-, Phenylthio-, 1 bis 3 über
eine Alkyl- (C1 3 4) Brücke verbundene(r) Phenylrest(e), OH-, SH-, Halogene (Brom,
Jod, vorzugsweise Fluor, Chlor) sowie niedere (vorzugsweise C1 und c2) Halogenalkylreste
(vorzugsweise CCl3, CBr3 und CF3), auch mit verschiedenen Halogenatomen.
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Als beispielhafte Vertreter der für das Verfahren Verwendung findenden
aromatischen Verbindungen seien genannt: Benzol, Toluol, Xylole, Naphthalin, Anthrazen,
Chrysen, Diphenyl, m,p-Terphenyl, Azulen, Methoxybenzol, o-,ms,p-Dimethoxybenzol,
1 3,5- und 1 3, 4-Trimethylbenzol, Diphenyloxid, Diphenylsulfid, Diphenylmethan,
Triphenylmethan. Als für das Verfahren Verwendung findende heterocyclische Verbindungen
werden solche mit 5 bis 7, vorzugsweise 6 Ringgliedern bevorzugt, wobei das hetero.cyclische
Ringsystem gegebenenfalls auch mit aromatischen Ringsystemen anelliert sein kann.
Als Heteroatome seine vorzugsweise Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel genannt.
Als Substituenten am heterocyclischen Ringsystem kommen die für das aromatische
Ringsystem genannten Substituenten in Betracht vorzugsweise jedoch die genannten
Halogene, sowie die niederen Alkyl-, O-Alkyl- und S Alkylgruppen. Als für das Verfahren
Verwendung findende heterocyclische Verbindungen seien beispielhaft genannt: Furan,
Thiophen, Pyrrol, Benzdfuran, Carbazol-, Dibenzofuran, Indol.
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Die Mehrzahl der für das Verfahren der Erfindung Verwendung findenden
Acylierungsmittel entspricht der allgemeinen Formel
wobei n @ für die Zahl 1 oder 2 steht, R1 einen gegebenenfalls substituierten Benzol-,
Naphthalin-oder einen gegebenenfalls substituierten heterocyclischen Rest sowie
einen gegebenenfalls substituierten aliphatischen Rest bedeutet, X für Fluor, Brom
oder Chlor steht und weiterhin auch für den Rest O - C - R2 stehen kann, wobei R2
gleich oder ver-II o schieden R1 sein kann und R2 auch £r eine Bindung stehen kann,
welche am aromatischen Rest R1 in o-Stellung eingreift unter Bildung eines cyclischen
Anhydrids Als Substituenten am aromatischen Rest (R1) seien beispielsweise genannt:
Halogene (vorzugsweise Fluor, Chlor, Brom), CN, niedere Alkylreste (vorzugsweise
1 » 4 C-Atome) sowie insbesondere die Nitrogruppe, Als gegebenenfalls substituierte
aliphatische Reste sind solche mit bis zu 6 C-Atomen9 vorzugsweise 1 bis 4 C-Atomen
zu verstehen, selbstverständlich auch cycloaliphatische Reste mit 5 oder 6 C-Atomen
im Ringsystem. Als Substituenten am aliphatischen Rest kommen vorzugsweise Halogenatome,
gegebenenfalls aber auch eine Nitrogruppe in Betracht. Als heterocyclische Reste
(R1) kommen diejenigen in Betracht, wie sie oben für Ar angeführt siDdo Als beispielhafte
Vertreter von Acylierungsmitteln seien genannt:Benzoylchlorid, o-, m-, p-Nitrobenzoylchlorid,
o-, m-, p-Cyanobenzoylchlorid, o-, m-, p-Methylbenzoylchlorid, Benzoesäureanhydrid,
Phthalsäureanhydrid, Terephtalsäuredichlorid, Isophtalsäuredichlorid,Pyridin-carbonsäurechloride,
Pyrimidin-5-carbonsäurechloride, Thiophensäurechlorid, Zistsäurechlorid, Acrylsäurschlorid,
Pivalinsäurechlorid.
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Das Verfahren der Erfindung wird im allgemeinen so durchgeführt, daß
die Reaktionsteilnehmer im molaren Verhältnis eingesetzt werden. Zweckmäßigerweise
wird die zu acylierende Verbindung im Ueberschuß eingesetzt. In Abhängigkeit vom
Siedepunkt der Reaktionsteilnehmer kann es gegebenenfalls erforderlich sein, zum
Erreichen der gewünschten Reaktionstemperatur unter dem sich einstellenden erhöhten
Druck zu arbeiten. Es können gegebenenfalls auch die bei Acylierungen üblichen Lösungsmittel
mitverwendet werden.
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Zur Aufarbeitung der Ansätze wird im allgemeinen der Katalystator
durch Waschen mit wenig Wasser entfernt und der RUckstand nach Trocknen destillativ
aufgearbeitet. Bei Verwendung der als Katalysator bevorzugten Trifluormethansulfonsäure
kann durch Neutralisation des wässrigen Teil mittels Bariumcarbonat die eingesetzte
Trifluormethansulfomsä uçe zu zea quantitativ als Bariumsalz zurückgewonnen werden.
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Die Durchführbarkeit des Verfahrens der Erfindung unter Verwendung
dieser speziellen Katalysatoren muß als ausgesprochen überraschend angesehen werden,
da Aromaten die weniger aktiviert sind als Methoxybenzol, bisher im Sinne einer
Friedel-Crafts-Reaktion nur in wesentlich schlechteren Ausbeuten acyliert werden
konnten als dies gemäß dem Verfahren der Erfindung, insbesondere bei Verwendung
von Trifluormethansulfonsäure als Katalysator, nunmehr möglich ist. Auch die Verwendung
von starken Säuren (z.B. H2S04, Flu.orsulfonsäure, Trifluoressigsäure) als Friedel-Crafts-Katalysatoren
lieferten die gewünschen Verbindungen nur in sehr geringer Ausbeute. Um so überraschender
sind die hohen Ausbeuten, die mit den Katalysatoren gemäß dem Verfahren vorliegender
Erfindung erzielt werden.
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Die nach dem neuen Verfahren der Erfindung erhältlichen Verbindungen
sind wertvolle Zwischenprodukte für Kunststoffe6 Farbstoffe, Pflanzenschutzmittel
und Öladditive.
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Beispiel 1 28 Gewichtsteile Benzoylchlorid werden in 55,2 Gewichtsteilen
Toluol gelöst, mit 0,6 Gewichtsteilen Trifluermethansulfonsäure versetzt und 48
Stunden am Rückfluß gekocht0 Nach dem Abkühlen wird mehrmals mit wenig Wasser gewaschene
über Natriumsulfat getrocknet, abfiltriert und das Filtrat fraktioniert. Man erhält
33,3 Gewichtsteile Methylbenzophenon (85 % der Theorie, kp 1680 - 1720 C/11 Torr;
Verhältnis para zu ortho 2 : 1).Zur Rückgewinnung des Katalysators werden die wässrigen
Phasen vereinigt, mit Bariumcarbonat neutralisiert, abfiltriert und zur Trockene
eingedampft.
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Beispiel 2 3,7 Gewichtsteile p-Nitrobenzoylchlorid werden mit 8 Gewichtsteilen
Benzol vermischt, mit 0,17 Gewichtsteilen Trifluormethansulfonsäure versetzt und
4 Stunden am Rückfluß gekocht.
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Man erhält 3,7 Gewichtsteile 4-Nitrobenzophenon (81,5 % der Theorie).
Das gleiche Ergebnis wird erzielt, wenn man anstelle von Trifluormethansulfonsäure
Perfluor-n-octansulfonsäure verwendet.
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Beispiel 3 42 Gewichtsteile Benzoylchlorid werden in 95,5 Gewichtststilen
p-Xylol gelöst, mit 0,45 Gewichtsteilen Trifluormethansulfonsäure versetzt und 13,5
Stunden am Rückfluß gekocht. Man erhält 56,7 Gewichtsteile 2,5-Dimethylbenzophenon
(90 % der Theorie, kp 1730 C/11 Torr).
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Beispiel 4 11f3 Gewichtsteile Benzoesäureanhydrid werden mit 17,2
Gewichtsteilen p-Xylol vermischt9 mit 0,17 Gewichtsteilen Tri fluormethansulfonsäure
versetzt und 3925 Stunden am Rückfluß
gekocht. Nach dem Abkühlen
wird mit Äther verdünnt, mehrmals mit Kaliumcarbonatlösung und anschließend mit
Wasser gewaschen, über Natriumsulfat getrocknet, abfiltriert und eingedampft.
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Der Rückstand wird fraktioniert. Man erhält 7,4 Gewichtsteile 2,5-Dimethylbenzophenon
(70,5 % der Theorie, kp 1740 - 1780 C/ 11 Torr).
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Beispiel 5 14 Gewichtsteile Benzoylchlorid werden mit 30,2 Gewichtsteilen
Anisol vermischt, mit O17 Gewichtsteilen Trifluormethansulfonsäure versetzt und
2 Stunden am Rückfluß gekocht. Man erhält 19,9 Gewichtsteile Methoxybenzophenon
(94 % der Theorie, kp 196 - 2010 C/11 Torr; Verhältnis para zu ortho 6 : 1).
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Beispiel 6 12 Gewichtsteile Pivalinsäurechlorid werden mit 49,5 Gewichtsteilen
Anisol vermischt, mit 0,17 Gewichtsteilen Trifluormethansulfonsäure versetzt und
18 Stunden am Rückfluß gekocht.
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Man erhält 14,2 Gewichtsteile 4-Methoxyphenyl-tert.butylketon (74
% der Theorie, kp 1400 - 1420 C/11 Torr).
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Beispiel 7 15 Gewichtsteile Furan werden mit 31 Gewichtsteilen Benzoylchlorid
und 0,7 Gewichtsteilen Trifluormethansulfonsäure in 25 Gewichtsteilen methylenchlorid
versetzt und 4 Stunden auf 40° C gehalten. man erhält in 95 %igerAusbeute das2-Benzoylfuran;
kp 148 - 1500 C/11 Torr.
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Beispiel 8 2,83 Gewichtsteile Pyridin-4-carbonsäurechlorid werden
mit 8 Gewichtsteilen Benzol und 0,17 Gewichtsteilen Trifluormethansulfonsäure 4
Stunden zum Sieden erhitzt. Man erhält 3,3 Gewichtsteile (90 % der Theorie) 4-Benzoylpyridin;
F: 720 c.