DE2161770A1 - Verfahren zur herstellung von tetrasubstituierten imidazolen - Google Patents

Description

Unser Zeichen: 0.Z.27 851 WB/Be 6700 Ludwigshafen,13.12.1971

Verfahren zur Herstellung von tetrasubstituierten Imidazolen

Gegenstand dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellungvon in 1,2,4>5-Stellung substituierten Imidazolen durch Umsetzung von Imidazolen mit aliphatischen Alkoholen oder Äthern in Gegenwart von Metalloxiden und/oder -phosphaten bei Temperaturen von 460 bis 600⁰C.

Es ist aus Hofmann, Imidazole and its derivatives (1953)» Seite 49 bekannt, Imidazole mit Alky!halogeniden oder -sulfaten an dem substituierbaren Stickstoffatom zu alkylieren. Man geht zweckmäßig von den Metallsalzen der entsprechenden Imidazole aus und arbeitet unter Ausschluß von Wasser, um die Ausbeute an Endstoff zu verbessern. Die deutsche Patentschrift 1 213 beschreibt die Alkylierung am Stickstoffatom mit Hilfe von Oxalsäureestern. Alle diese Verfahren gehen von relativ umständlich herzustellenden Alkylierungsmitteln aus und liefern unbefriedigende Ausbeuten an am Stickstoffatom alkylierten Imidazolen. Die Reinheit der Endst.offe ist durch die Bildung entsprechender quarternärer Imidazoliumverbindungen beeinträchtigt.

Durch Umsetzung von oc-Dicarbonylverbindungen mit Aldehyden und Ammoniak erhält man trisubstituierte Imidazole (Rodd, Chemistry of Carbon.Compounds (Elsevier, Ή.Y. 1957) Band IV, Seiten 287ff), die dann am Stickstoffatom mit Alky!halogeniden oder Alkoholen alkyliert werden müssen. Weitere Verfahren gehen von a-Halogenketonen und Amidinen, Iminoäthern und a-Aminoketonen oder a-Diketonen und Aminen aus. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß die Ausgangsstoffe schwer zugänglich sind.

Im amerikanischen Patent 3 177 223 wird ein Verfahren zur Herstellung von 1,2,4,5-Tetramethylimidazol beschrieben. 2,4-Dimethylimidazol wird mit Methanol bei 700 bis 800⁰P in Gegenwart von Aluminiumoxid alkyliert. Durch eine Isomerisierung bei 900 bis 1 000⁰F in Gegenwart saurer Katalysatoren überführt man 553/71 - 2 -

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das 1,2,4-Tr!methylimidazo1 in 2,4,5-Trimethylimidazol. Dieser Stoff wird dann nochmals.mit Methanol alkyliert.

Alle diese Verfahren befriedigen in Bezug auf einfache und wirtschaftliche Arbeitsweise sowie Ausbeute an reinem tetrasubstituiertem Imidazol gerade auch im großtechnischen Maßstab nicht.

Es ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 670 293 bekannt, durch Umsetzung von 2,4,5-trisubstituierten Imidazolen in Gegenwart von Metalloxiden und/oder -phosphaten zwischen 200 und 45O⁰C mit Alkoholen oder Äthern entsprechend auch in 1-Stellung substituierte Imidazole herzustellen.

Es wurde nun gefunden, daß man tetrasubstituierte Imidazole der allgemeinen Formel

in der Rp und R, gleich oder verschieden sein können und jeweils einen aliphatischen, araliphatischen, cycloaliphatische]! oder aromatischen Rest bedeuten, und R.. einen aliphatischen Rest bezeichnet, vorteilhaft erhält, wenn man Imidazole der allgemeinen Formel

II,

worin R. die vorgenannte Bedeutung von Rp, und R₁- die vorgenannte Bedeutung von R~ haben, darüber hinaus R* und/oder Rjauch jeweils ein Wasserstoffatom bezeichnen können, wenn entsprechend jeweils Rp und/oder R, einen aliphatischen Rest bedeuten, mit Verbindungen der allgemeinen Formel

R₁-O-R₆ III,

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worin R^ die oben angegebene Bedeutung hat und Rg ein Wasserstoff atom oder einen aliphatischen Rest bezeichnet, bei einer Temperatur von 460 bis 650 CT, in Gegenwart von Oxiden und/oder Phosphaten der Metalle der 2«, 3. und 4. Gruppe des Periodischen Systems umsetzt.

Es wurde weiterhin gefunden, daß sich das Verfahren weiter ausgestalten läßt, wenn die Umsetzung in Gegenwart vorgenannter Katalysatoren und zusätzlich in Gegenwart von Phosphorsäure und/oder Phosphorsäureestern durchgeführt wird.

Die Umsetzung läßt sich für den Fall der Verwendung von 2-Methylimidazol und Methanol durch folgende Formeln wiedergeben:

j I „ι *Z TT Γ\

₊ 3 CH₃ - O - H ^ IJi-CH₃ ^{5 2}

CH₃

Im Vergleich zu den bekannten Verfahren liefert das Verfahren nach der Erfindung eine große Zahl von tetrasubstituierten Imidazolen auf einfacherem und wirtschaftlicherem Wege und in teilweise besserer Ausbeute und Reinheit. Im Hinblick auf DOS 1 670 293 wurden überraschend nicht nur das Stickstoffatom in 1—Stellung des Imidazole, sondern auch die Kohlenstoffatome in 4(5)- und gegebenenfalls in 5(4)- und 2-Stellung substituiert. Obwohl man gerade deshalb schwer trennbare Gemische unterschiedlich substituierter Komponenten und damit gerade im industriellen Maßstab kein wirtschaftliches Verfahren hätte erwarten sollen, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren in Ausbeute, Reinheit des Endstoffs und einfacher Arbeitsoperation gerade für den großtechnischen Betrieb.

Der im Verfahren nach der Erfindung verwendete Phosphorsäure und/oder Phosphorsäureester enthaltende Katalysator behält im Vergleich zu den vorgenannten Katalysatoren seine Aktivität während längerer Betriebszeit bei und liefert den Endstoff in gleichbleibend hoher Ausbeute. Nach der Regenerierung, z.B.

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durch Zersetzung der gebildeten organischen Verunreinigungen auf dem Katalysator bei 400 bis 500⁰C im Luftstrom, bleibt die Aktivität des erfindungsgemäßen Katalysators ebenfalls während einer längeren Betriebszeit erhalten. Die Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit der Herstellung von Imidazolen I wird auf die genannte Weise verbessert. Diese vorteilhaften Ergebnisse sind im Hinblick auf den Stand der Technik ebenfalls überraschend.

Als Ausgangsstoffe verwendet man Imidazole der allgemeinen Formel II, die an einem Stickstoffatom und mindestens an einem Kohlenstoffatom noch ein substituierbares Wasserstoffatom tragen. Wegen der Tautomerie des Imidazole kann der Substituent in 5-Stellung am Molekül sich auch in 4-Stellung befinden. Je nach der Zahl der Substituenten können somit die als Ausgangsstoffe in Präge kommenden unsubstituierten oder in 2- und/oder 4(5)-Stellung substituierten Imidazole zum tetrasubstituierten Imidazol tetra-, tri- oder disubstituiert werden. Bevorzugte Ausgangsstoffe II und dementsprechend bevorzugte Endstoffe I sind solche, in deren Formeln R₂ ^un& ^3 gleich oder verschieden sein können und jeweils einen Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, einen Cycloalkylrest mit 5 oder 6 Kohlenstoffatomen, einen Aralkylrest mit 7 bis 12 Kohlenstoffatomen oder einen Phenylrest bedeuten, R- die vorgenannte Bedeutung von Rp und R,- die vorgenannte Bedeutung von R, haben. Bezeichnen R. und/oder Rp- Jeweils ein Wasserstoffatom, so haben R₂ entsprechend R, und/oder R, entsprechend R,- jeweils die Bedeutung von R^ oder gegebenenfalls von R^ oder Rg, wenn der Rest Rg ebenfalls den Ausgangsstoff II substituiert. Die genannten Reste können noch durch unter den Reaktionsbedingungen inerte Gruppen,z.B. Alkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, substituiert sein.

So können z.B. neben Imidazol selbst folgende substituierte Imidazole als Ausgangsstoffe II verwendet werden: 2-Methyl-, 2-Cyclohexyl-, 2-Isopropyl-, 2-Benzyl-, 2-Phenyl-imidazol und entsprechende in 4- oder 5-Stellung substituierte Imidazole; 2,4-Dimethyl-, 2-Cyclopentyl-4-äthyl-, 2-Toluyl-4-phenyl-, 4,5-Diäthyl-, 2,4-Dicyclohexyl-, 2,4-Dibenzyl-, 2,4-Diphenylimidazol und entsprechende in 2-, 5-Stellung disubstituierte

Imidazole. - 5 -

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Als weitere Ausgangsstoffe verwendet man Alkohole bzw. Äther der allgemeinen Formel III, die in stöchiometrischer Menge, 'bezogen auf Ausgangsstoff II, oder im Überschuß, vorzugsweise in bis zu 8-fachem Überschuß, zur Umsetzung gelangen. Bevorzugte Ausgangsstoffe III und dementsprechend bevorzugte Endstoffe I sind solche, in deren Formeln R^ und Rg jeweils einen Alkyl-, Alkenyl- oder Alkinylrest mit jeweils bis zu 16, insbesondere bis zu 8 Kohlenstoffatomen bedeuten, darüber hinaus auch Rg ein Wasserstoffatom bezeichnen kann. Die Reste R^ und/oder Rg können geradkettig oder verzweigt sein. Bedeuten R₁ und Rg in demselben Ausgangsstoff unterschiedliche Alkyl-, Alkenyl- oder Alkinylreste, so erhält man ein Gemisch entsprechend substituierter Imidazole.

So können z.B. folgende Alkohole bzw. Ither als Ausgangsstoffe III verwendet werden: Methanol, Äthanol, Propanol, n-Butanol, Isopropanol, sec.-Butanol, Hexanol, Isobutylalkohol, Crotylalkohol, Allylalkohol, Neopentylalkohol, Octanol, Decanol, Dodecanol, Dimethylather und vorgenannten Alkoholen entsprechende Dialkylather, Methy1-äthylather.

Die Umsetzung wird in Gegenwart von Katalysatoren in Gestalt der Oxide und/oder Phosphate der Metalle der 2., 3. und 4. Gruppe des Periodischen Systems durchgeführt. Bevorzugten Verbindungen dieser Art liegen die Metalle der Gruppen Ha, HIa, IVa und IVb des Periodischen Systems (Gruppenbezeichnung nach D'Ans-Lax, Taschenbuch für Chemiker und Physiker (Springer, Berlin, 1967), Band 1, Seite 63; Clark, the Encyclopedia of Chemistry, 2. ed. (Reinhold Pub. Corp., N.T₀, 1966), S_eite 790), insbesondere Calcium, Aluminium, Silicium, Titan oder Thorium, zugrunde. Die genannten Verbindungen können allein oder im Gemisch miteinander der Umsetzung zugeführt werden. Im allgemeinen verwendet man bei diskontinuierlicher Verfahrensweise den Katalysator in einer Menge von 1 bis 50 $, vorzugsweise 2 bis 20 Gew.$, bezogen auf Ausgangsstoff II. Bei kontinuierlicher Verfahrensweise verwendet man in der Regel 0,1 bis 0,2 Teile Ausgangsstoff II pro Stunde und Teil Katalysator. Die Katalysatoren können vor ihrer Verwendung in ihrer Struktur oder Oberfläche durch physikalische oder chemische Behandlung, z.B.

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durch Glühen, Behandlung mit Wasserdampf, Tränken mit Säuren, z.B. Phosphorsäure, Borsäure,oder Salzlösungen, z.B. von Nitraten, Formiaten oder Oxalaten vorgenannter Metalle, modifiziert werden. Der Katalysator kann auch durch Tränken oder durch Fällung auf ein Trägermaterial, z.B. Quarzpulver, keramische Materialien, Bimsstein, aufgebracht und gegebenenfällä in seine endgültige Oxidform durch thermische Behandlung oder Zersetzung verwandelt werden. Die Trägermaterialien können gegebenenfalls noch die Reaktion nicht wesentlich beeinflussende Verbindungen anderer Elemente, z.B. Natrium, enthalten. Formgebung und Größe der Katalyaatorteilchen sind für die Umsetzung nicht von ausschlaggebender Bedeutung, im allgemeinen verwendet man körnige Katalysatoren von einer Korngröße zwischen 0,1 und 4 mm.

Als Zusatzkatalysatoren werden Phosphorsäure und/oder eine oder mehrere Phosphorsäureester verwendet, vorteilhaft in einer Menge von 0,01 bis 0,1 Gew.S^, bezogen auf Ausgangsstoff II. In den Estern kann die Phosphorsäure einfach, zweifach oder vorzugsweise dreifach verestert sein. Geeignet sind beispielsweise Pyro-, Meta- und insbesondere Orthophosphorsäure; cycloaliphatische, araliphatisch^, aromatische und insbesondere aliphatische Ester der Phosphorsäure, insbesondere Ester mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen, wie Triäthyl-, Tri-n-butyl-, Trimethyl-, 0,0-Diäthyl-O-phenyl-, O-lthyl-O,O-diphenyl-, Tricyclohexyl-, Tribenzyl-, 0,0-Dimethyl-O-äthyl-, Tris-2-Äthylhexyl-, Tris-ß-chloräthyl-, Tris-ß-butoxyäthyl-, Tris-ß-methoxyäthyl-, Di-(2-Äthylhexyl)-, Dioctyl-, Octadecyl-, Trikresyl-, 0,0-Diphenyl-0-kresyl-, Trixylenyl-, Tris-(p-tert.-butylphenyl)-, 0,0-Diphenyl-O-bisphenyl-, 0,0-Diphenyl-O-methyl-ester der Phosphorsäure. Der Zusatzkatalysator kann in üblicher Weise, z.B. durch Tränken, Sprühen, Vermischen, gemeinsamen Vermählen, mit dem Metalloxid/Metallphosphat-Katalysator vereinigt werden. Vorteilhafter setzt man den Zusatzkatalysator vor Beginn der Reaktion dem Ausgangsstoff II oder dem Ausgangsgemisch aus den Ausgangsstoffen und gegebenenfalls dem Trägergas zu.

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Die Umsetzung wird bei einer Temperatur von 460 bis 65O⁰C, verzugsweise von 480 bis 570 G, drucklos oder unter Druck, kontinuierlich oder diskontinuierlich, durchgeführt. Setzt man bei Reaktionstemperaturen unterhalb 460 C um, so verringert sich die Ausbeute an Endstoff I und es bildet sich in wachsendem Maße der am Stickstoffatom allein substituierte Ausgangsstoff II.

Die Reaktion kann wie folgt durchgeführt werden: Ein Gemisch der Ausgangsstoffe II und III wird über den auf die Reaktionstemperatur erhitzten Katalysator in einem Röhren- oder Wirbelschichtreaktor geleitet. Gegebenenfalls können außer dem Gemisch noch unter den Reaktionsbedingungen inerte Gase, z.B. Stickstoff, zugeführt werden. Aus dem den Reaktor verlassenden Reaktionsgemisch wird der Endstoff in üblicher Weise, z.B. durch fraktionierte. Destillation, isoliert.

Die nach dem Terfahren der Erfindung herstellbaren Verbindungen sind Katalysatoren für Polymerisations- und Kondensationsreaktionen, insbesondere für Reaktionen mit Epoxiden, die Aldolkondensation, Kondensationsreaktionen mit Malonester oder Acetessigester und Zwischenprodukte für die Herstellung von Farbstoffen, Textilhilfsmitteln und Insectiziden. Tetraalkylimidazole, insbesondere 1,2,4,5-Tetraäthyl-, 1,2,4,5-Tetrapropyl-, 1,5-Dimethyl-2,4-diäthyl-, 2-Isopropyl-1,4,5-trimethyl-imidazol, 1,2,4»5-Tetramethylimidazol sind starke Basen und wirksame Katalysatoren bei der Herstellung von Polyurethanen.

Die in den Beispielen genannten Teile bedeuten Gewichtsteile. Sie verhalten sich zu den Yolumenteilen wie Kilogramm zu Liter.

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Herstellung der Katalysatoren:

a)'Al₂Oj · 5 Gew.$ H₅PO₄ : 100 Teilen 7-Al₂O₅ mit einer Korngröße von 50 bis 200/U werden durch Tränken mit 100 Teilen einer 5-prozentigen wäßrigen H^PO.-Lösung und Verdampfen des Wassers im Vakuum 5 Teile H₅PO₄ aufgelagert. Der Katalysator wird zunächst bei ca. 100⁰C getrocknet und dann in den Reaktionsofen gefüllt. Bei ca. 400⁰C wird solange Stickstoff übergeleitet, bis keine Feuchtigkeit mehr entweicht.

b) Bimsstein · 5 Gew.^ H₅PO, : 100 Teilen gekörntem, grobporigem Bimsstein werden durch Tränken mit wäßriger H^PO,-Lösung wie bei Katalysator a) 5 Teile H^PO,-Lösung aufgelagert und wie unter a) getrockne-t und vorbehandelt. .

c) TiO₂ · 5 Gew.$ H₅PO. : 100 Teile gekörntes, bei 700⁰C vorgeglühtes TiOp werden in einen Reaktionskolben gefüllt, der Kolben wird evakuiert und unter ständigem Umschütteln werden der Katalysatormasse 100 Teile einer 5-prozentigen, wäßrigen Η,ΡΟ.-Lösung eingesprüht. Die Hauptmenge des eingeführten Wassers wird durch Verdampfen im Vakuum entfernt und die restliche Feuchtigkeit im Reaktionsofen bei ca. 400⁰C durch Überleiten von Stickstoff ausgetrieben.

d) Al₂O₅ · 5 Gew.Ji Ca |1₂ΡθΓ|₂ : Auf 100 Teile 7-Al₂O₅ werden wie bei Kontakt a) 5 Teile Ca [h₂Po7] ₂ aufgelagert und entsprechend getrocknet.

Beispiel 1

Teile einer Lösung von 20 Gew.$ 2 Methylimidazol und 80 Gew.$ Methanol werden stündlich bei 35O⁰C verdampft und bei 56O⁰C in einem Wirbelreaktor über 200 Volumenteile Katalysator-Wirbelschicht (100 Teile Al₂O₅ · 5 Gew.<?o H₅PO₄ mit einer Korngröße von 50 bis 200/U) geführt. Der kondensierte Reaktoraustrag von Teilen pro Stunde wird anschließend unter vermindertem Druck destilliert. Nach Abtrennen des Methanol und Wassers erhält man 13,4 Teile 1,2,4,5-Tetramethylimidazol Kp₁₀ = 106⁰C, Fp. 52 bis 55⁰C. Dies entspricht einer Ausbeute von 74 i° der Theorie, be-

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zogen auf das eingesetzte 2-Methylimidazol.

Beispiel 2

60 Teile einer 20-gewichtsprozentigen Imidazollösung in Methanol werden analog Beispiel 1 umgesetzt.

27 Teile Austrag enthalten 7,65 Teile 1,2,4,5-Tetramethylimidazol vom Kp_1n = 106 C, entsprechend einer Ausbeute von 35. % der Theorie. Daneben enthält der Austrag 4,23 Teile 1,2-Dimethylimidazol (25 j> der Theorie) vom Kp_{1 Q} = 82⁰C.

Beispiel 3

Analog Beispiel 1 werden in Methanol pro Stunde 60 Teile einer 20-gewichtsprozentigen 2,4-Dimethylimidazollösung bei 480⁰C umgesetzt.

In 28 Teilen stündlichem Austrag befinden sich 11,15 Teile 1,2,4,5-Tetramethylimidazol vom Kp₁Q = 106⁰C, entsprechend

₁Q einer Ausbeute von 72 i<> der Theorie.

Beispiel 4

Analog Beispiel 1 wird die Umsetzung mit 200 Volumenteilen eines Katalysators, wie unter Herstellung c) beschrieben, durchgeführt. Aus dem kondensierten Reaktoraustrag erhält man durch fraktionierte Destillation 5,8 Teile 1,2,4,5-Tetramethyl imidazol vom Kp_1Q = 106⁰C.

Beispiel 5

25 Teile 2-Methylimidazol werden mit 30 000 Volumenteilen Dimethyläther stündlich bei 300⁰C verdampft und bei 580⁰C über 200 Volumenteile Katalysator (100 Teile Al₂O, · 5 Gew.^ Η,ΡΟ«) wie unter Herstellung a) beschrieben, geführt. Der kondensierte Reaktoraustrag enthält 24,5 Teile 1,2,4,5-Tetramethylimidazol (64,6 io der Theorie) neben 7,7 Teilen 1,2-Dimethylimidazol.

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Claims (4)

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   Patentansprüche

   Verfahren zur Herstellung von tetrasubstituierten Imidazolen der allgemeinen Formel

   ^R1 J 1 ^R2

   KyM₁

   R₃

   in der Rp und R^ gleich oder verschieden sein können und jeweils einen aliphatischen, araliphatischen, cycloaliphatisehen oder aromatischen Rest bedeuten, und R₁ einen all— phatischen Rest bezeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß man Imidazole der allgemeinen Formel

   worin R. die vorgenannte Bedeutung von Rp und R₁- die vorgenannte Bedeutung von R^ haben, darüber hinaus R* und/oder Rjauch jeweils ein Wasserstoffatom bezeichnen können, wenn Rp und/oder R-* einen aliphatischen Rest bedeuten, mit Verbindungen der allgemeinen Formel

   R₁-O-R₆ III,

   worin R₁ die oben angegebene Bedeutung hat und R₆ ein Wasserstoffatom oder einen aliphatischen Rest bezeichnet, bei einer !Temperatur von 460 bis 650⁰C in Gegenwart von den Oxiden und/oder Phosphaten der Metalle der 2., 3. und 4. Gruppe des Periodischen Systems umsetzt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in Gegenwart vorgenannter Katalysatoren und zusätzlich in Gegenwart von Phosphorsäure und/oder Phosphorsäure estern durchgeführt wird.
3. _v,-^k' Badische Anilin- & Soda-Fabrik AG
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