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Verfahren zur Herstellung von Sulfamidsäuren Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur' Herstellung von Sulfamidsäuren durch Umsetzung von Isocyanaten
mit Oleum bei Temperaturen von mindestens 250C.
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Es ist aus den Annalen der Chemie 535 (1938), Seite 278 bekannt, daß
Cyansäure und Schwefelsäure (Monohydrat) in einem Molverhältnis 1 : 1 in Diäthyläther
bei -60 bis -50°C zu Amidosulfonsäure umgesetzt werden. Die Reaktion verläuft jedoch
nicht einheitlich und liefert gerade- im industriellen Maßstab erhebliche Mengen
an Carbamidosulfonsäure als Nebenprodukt. Sie muß in einem tiefen Temperaturbereich
durchgeführt werden, um einen explosionsartigen Verlauf der Umsetzung zu vermeiden.
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Beispiel 1 der US-Patentschrift 2 7851 196 zeigt eine Arbeitsweise
zur Herstellung von Äthylsulfaminsäure in Abwesenheit von organischen Lösungsmitteln,
wobei hohe Überschüsse an Oleum das Lösungsmedium darstellen; etwa die Hälfte des
Ausgangsstoffs muß unter Eiskühlung umgesetzt werden, das am Ende der Isocyanatzugabe
leicht lauwarme Reaktionsgemisch wird erneut vor Aufarbeitung gekWit. Es wird die
Bedeutung der Arbeitsweise unterstrichen, bei möglichst tiefer Temperatur umzusetzen,
um Sulfonierung, Sulfatierung oder Oxidation der Alkylgruppe zu vermeiden. Auch
die US-Patentschrift 2 800 501 zeigt in ihren Beispielen die Herstellung von Cyclohexylsulfamidsäure
in Abwesenheit von Lösungsmitteln mit einem Überschuß an Oleum unter Kühlung, wobei
eine Temperatur von 20°C nicht überschritten wird.
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Bei allen diesen Verfahren ist die Arbeitsweise durch'hohe Überschüsse
an Oleum, benötigte Kühleinrichtungen,- umständliche bzw.
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unwirtschaftliche Aufarbeitung des erhaltenen Reaktionsgemischs aufwendig
und gerade für eine industrielle Herstellung unbefriedigend. Die Reinheit des erhaltenen
Endstoffs genügt für eine Weiterverarbeitung meist nicht, teilweise sind unwirtschaftliche
Reinigungsoperationen unter Verwendung großer Mengen des teuren Diäthyläthers notwendig.
Die Brennbarkeit und die
Neigung des Äthers, Peroxide zu bilden,
gestatten andererseits keinen sicheren, reibungslosen, großtechnisch wirtschaftlichen
Betrieb. Bei Verwendung von einem Überschuß an Oleum liefern die Verfahren gerade
im industriellen Betrieb keine schwefelsäurefreien Sulfamidsäuren und benötigen
daher ebenfalls eine komplizierte Reinigung. So führt das Reinigen mit wäßriger
Bleihydroxid- oder Calciumhydroxidlösung zu schwerwiegenden Neutralisations- und
Trocknungsproblemen. Die Herstellung schwefelsäurefreier- Sulfamidsäuren ist jedoch
Voraussetzung für ihre Verwendung als Pharmazeutika oder zur Herstellung von Alkylaminosulfonylchloriden
und den sich davon ableitenden Herbiziden und Pharmazeutika.
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Es wurde nun gefunden, daß man Sulfamidsäuren der allgemeinen Formel
in der R einen aliphatischen oder cycloaliphatischen Rest bedeutet, durch Umsetzung
von Isocyanaten mit Schwefelsäure vorteilhaft erhält, wenn man ein Isocyanat der
allgemeinen Formel R - N = 0 = 0 II, in der R die vorgenannte Bedeutung hat, mit
wasserfreier Schwefelsäure bei einer Temperatur von mindestens 2500 in unter den
Reaktionsbedingungen inerten, organischen Lösungsmitteln umsetsf Die Umsetzung läßt
sich -für den fall der Verwendung von Äthyl-, isocyanat durch folgende Formeln wiedergeben:
Im Vergleich zu den bekannten Verfahren liefert das Verfahren nach der Erfindung
übertraschend auf einfacherem und gerade im großtechnischen - Maßstab betriebssicheren
und wirtschaftlicheren Wege Sulfamidsäuren in beserer Ausbeute und Reinheit. Aufwendige
Reinigungsoperationen
sind nicht notwendig. Obwohl höhere Temperaturen verwendet werden, tritt ein Angriff
der Schwefelsäure an der Kohlenstoffkette bzw. eine Oxidation oder Zersetzung des
Endstoffs auch bei einer längeren Reaktionszeit nicht ein.
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Bevorzugte Ausgangsstoffe II und dementsprechend bevorzugte Endstoffe
I sind solche, in deren Formeln R einen Alkylrest mit 1 bis 20, insbesondere 1 bis
8 Kohlenstoffatomen, einen Cycloalkylrest mit 4 bis 8 Kohlenstoffatomen, einen Norbornylrest
bedeutet. Die genannten Reste können noch durch unter den Reaktionsbedingungen inerte
Atome und/oder Gruppen, z.B. Chloratome, Bromatome, Alkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen,
Carbalkoxygruppen mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen, Cycloalkylgruppen mit 4 bis 6-
Kohlenstoffatomen, Norbornylgruppen, substituiert sein. Bevorzugte Endstoffe sind
insbesondere solche, in deren Formeln R einen Cycloheptyl-, Cyclooctyl-Rest, einen
durch Chloratome, Bromatome, Cycloalkylgruppen mit 4 bis 6 Eohlenstoffatomen, eine
Norbornylgruppe substituierten Alkylrest mit 2 bis 5, einen verzweigten Alkylrest
mit 5 Kohlenstoffatomen, oder einen unsubstituierten oder in vorgenannter Weise
substituierten Alkylrest mit 6 bis 20, insbesondere 6 bis 9 Kohlenstoffatomen bedeutet.
Die Alkylreste können geradkettig oder verzweigt sein.
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Beispielsweise kommen folgende Isocyanate als Ausgangsstoffe II in
Frage: Methylisocyanat, Äthylisocyanat, n-Propylisocyanat, iso-Propylisocyanat,
n-Butylisocyanat, sek.-Butylisocyanat, Cyclobutylisocyanat, Pentylisocyanat, 1,2-Dimethylpropylisocyanat,
Cyclopentylisocyanat, n-Hexylisocyanat, 1-Äthyl-2-methylpropylisocyanat, 1,2,2-lrimethyl-propylisocyanat,
1 , 3-Dimethyl-1-n-butylisocyanat, Cyclohexylisocyanat, 1,2-Dimethyl-1-n-hexylisocyanat,
1-Cyclohexyl-1-äthylisocyanat, 1-[2'-Norbornyl]-äthylisocyanat, 2- bzw. 3-Chlorpropyl-,
-3-Brompropyl-, 1-Äthyl-1 -propyl-, isobutyl-, Cyclooctylisocyanat.
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Die Reaktion wird in Gegenwart von unter den Reaktionsbedingungen
inerten, organischen Lösungsmitteln, bei einer Temperatur von mindestens 250C, vorteilhaft
von 30 bis 1250C vorzugsweise
von 50 bis 850C, drucklos oder unter
Druck, kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt. Es kommen beispielsweise
in Frage: Ohlorierte Kohlenwasserstoffe wie Methylenchlorid, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff,
1,1- und 1,2-I)ichloräthan, 1,1,1- und 1,1,2-Trichloräthan, n-Propylchlorid, n-Butylchlorid,
2,3-Isobutylchlorid, 1,4-Dibrombutan, 1, 10-Dibromdekan, Chlorbenzol, Brombenzol,
Jodbenzol, o,m-Dichlorbenzol, o,m-Dibrombenzol, o,m bzw. p-Chlortoluol, 1,2,4-Trichlorbenzol;
Ester wie Methylacetat, Isobutylacetat; Nitrokohlenwasserstoffe wie Nitromethan,
Nitroäthan, Nitrobenzol, o,m bzw.-p-Chlornitrobenzol, o-Nitrotoluol; Nitrile wie
Acetonitril, Benzonitril, m-Chlorbenzonitril; aliphatische, cycloaliphatische Eohlenwasserstoffe
wie Pentan, Hexan, Cyclohexan, Heptan, Petroläther; aromatische Kohlenwasserstoffe
wie Benzol, Toluol; oder entsprechende Gemische. Verarbeitet man ohne Abtrennung
des Endstoffs I das Reaktionsgemisch weiter, so sind Chlorkohlenwasserstoffe als
organische Lösungsmittel bevorzugt. Im allgemeinen verwendet man von 100 bis 500,
vorzugsweise von 200 bis 300 Ges.% Lösungsmittel, bezogen auf Ausgangsstoff II.
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Als wasserfreie Schwefelsäure kommen Monohydrat (Monohydrat des Schwefeltrioxids)
oder Oleum in Frage. Unter Oleum wird im Sinne von Ullmanns Encyklopädie der technischen
Chemie, Band 15, Seite 424, 1. Absatz, Lösungen von Schwefeltrioxid in Schwefelsäure
verstanden. Bevorzugt wird Monohydrat (Oleum mit O Gew.
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gelöstem Schwefeltrioxid, bezogen auf Schwefelsäure 100 %) oder Oleum
von 0 bis 20 Gew.% gelöstem Schwefeltrioxid und insbesondere Oleum von 0 bis 4 Gew.%
gelöstem Schwefeltrioxid, bezogen auf Schwefelsäure 100 , verwendet. Im allgemeinen
setzt man mit einem Molverhältnis von 1 bis 1,1, vorzugsweise von 1 bis 1,04 Mol
SO3 (in Gestalt von Monohydrat und gegebenenfalls gelöstem Schwefeltrioxid), bezogen
auf 1 Mol Ausgangsstoff II, um.
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Die Reaktion kann wie folgt durchgeführt werden: Ein Gemisch von Ausgangsstoff
II, wasserfreier Schwefelsäure und orgamischem Lösungsmittel wird während 20 bis
40 Minuten bei der Reaktion temperatur gehalten. Dann wird aus dem Reaktionsgemisch
der Endstoff auf übliche Weise, z.B. durch Kristallisation und Filtration,
abgetrennt.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform stellt man das Gemisch durch langsame Zugabe
von Ausgangsstoff II zusammen mit Lösungsmittel unter Rühren in Schwefelsäure, gegebenenfalls
zusammen mit Lösungsmittel, her.
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Bevorzugt ist folgende Arbeitsweise: Unter kräftigem Ruhren gibt man
gleichzeitig, aber getrennt voneinander, ein Gemisch von Ausgangsstoff II und Lösungsmittel
sowie Schwefelsäure bzw.
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ein Gemisch von Schwefelsäure und Lösungsmittel in eine Vorlage mit
Lösungsmittel. Die Zugabe dauert zweckmäßig von 10 bis 55 Minuten. Die Zugabe erfolgt
häufig bei Temreraturen von 25 bis 50 0C, die Reaktion dann bei Temperaturen von
mindestens 50°C Die nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren Verbindungen
sind wertvolle Ausgangsstoffe für die Herstellung von Pflanzenschutzmitteln, Farbstoffen
und Pharmazeutika. So kann man z.B.
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aus ihnen durch Umsetzung mit Chlorierungsmitteln nach dem in der
deutschen Patentschrift . ... ... (Patentanmeldung P - O.Z. 27 883 ) beschriebenen
Verfahren Amidosulfonylchloride herstellen, die durch Umsetzung mit Anthranilsäure
oder ihren Salzen die in der deutschen Patentschrift . ... ... (Patentanmeldung
P 21 04 682.2) beschriebenen o-Sulfamidobenzoesäuren herstellen. Durch Cyclisierung
dieser Stoffe, z.B. nach dem in der deutschen Patentschrift . ... ... (Patentanmeldung
P 21 05 687.1) beschriebenen Verfahren, gelangt man zu den 2,1,3-Benzothiadiazin-4-on-2,2-dioxiden,
deren Verwendung für Pflanzenschutzmittel und Pharmazeutika in derselben Patentschrift
beschrieben ist. Weitere Verwendungen zeigen die belgischen Patentschriften 757
886 und 702 877. Sulfamidsäuren der allgemeinen Formel
in der Reinen Cycloheptyl-, Cyclooctyl-Rest, einen durch Chloratome, Bromatome,
Cycloalkylgruppen mit- 4- bis 6 Eohlenstöffatomen, eine Norbornylgruppe substituierten
Alkylrest mit 2-bis 5, einen verzweigten Alkylrest mit 5 Kohlenstoffatomen,
oder
einen unsubstituierten oder in vorgenannter Weise substituierten Alkylrest mit 6
bis 20, insbesondere 6 bis 9 Kohlenstoffatomen bedeutet und insbesondere 1,2-Dimethylpropyl-1-sulfaminsäure,
1,3-Dimethylbutyl-1-sulfaminsäure, 1-Äthyl-2-methylpropyl-1-sulfaminsäure, 1,2,2-Trimethylpropyl-1-sulfaminsäure,
1,2-Dimethylhexyl-1-sulfaminsäure sowie 1-[Cyclohexyl-] äthyl-1 -sulfaminsäure,
1- [2'-Norbornyl-] äthyl-1-sulfaminsäure, sek.-Butylsulfaminsäure, Cyclopentylsulfaminsäure,
2-Chlorpropylsulfaminsäure, 3--Chlorpropylsulfaminsäure, 1-Chlormethyl-1-propylsulfaminsäure,
1-Äthyl-1-propylsulfaminsäure sind bevorzugte Stoffe der vorgenannten Verwendungen.
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Die Endstoffe I können auch als Härtungsmittel für Phenol-Formaldehyd-Kunstharze
Verwendung finden (britische Patentschrift 572 986). Salze der Cyclohexylaminosulfonsäure
sind Süßstoffe und daher wichtige Mischungspartner für pharmazeutische und kosmetische
Präparate. Bezüglich weiterer Verwendung der genannten Verbindungen wird auf Ullmanns
Encyklopädie der technischen Chemie, Band 16, Seiten 481 ff verwiesen.
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Die in den folgenden Beispielen aufgeführten Teile bedeuten Gewichtsteile.
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Beispiel 1 71,1 Teile Äthylisocyanat in 50 Teilen Tetrachlorkohlenstoff
werden innerhalb 20 Minuten unter kräftigem Rühren bei 25 bis 35 0C zu einem Gemisch
von 100 Teilen 2 Gew.% Oleum in 320 Teilen Tetrachlorkohlenstoff zugegeben. Anschließend
wird das Gemisch noch 20 Minuten bei Rückflußtemperatur (7700) bis zum Ende der
Kohlendioxidentwicklung gehalten. Nach dem Erkalten wird die ausgefallene, farblose
Kristallmasse abgesaugt. Ausbeute: 120 Teile (96 Gew.%) schwefelsäurefreie Äthylaminosulfonsäure
mit Fp. 168 bis 17200.
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Beispiel 2 a) 250 Teile Isopropylisocyanat in 125 zeilen 1,2-Dichloräthan
und 295 Teile 2,5 Gew.% Oleum zusammen mit 12 Teilen 1,2-Dichloräthan werden über
2 Zuführungen unter kräftigem Rühren innerhalb 50 Minuten bei 30 bis 400C zu 750
Teilen 1,2-Dichloräthan zugegeben. Das Gemisch wird 25 Minuten auf Rückfluß (830C)
erhitzt und nach dem Erkalten abgesaugt.
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Ausbeute: 403 Teile schwefelsäurefreie Isopropylsulfaminsäure (98,5
Gew.%) mit Fp. 1600C (Zersetzung).
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b) Analog Beispiel 2a erhält man aus 127,6 Teilen Isopropylisocyanat
in 50 Teilen Heptan und 148 Teilen 0,5 Gew.% Oleum in 10 9eilen Heptan sowie 350
Teilen vorgelegtem Heptan 194 Teile (93 Gew.%) schwefelsäurefreie Isopropylsulfaminsäure
mit Fp. 15900 (Zersetzung).
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c) Bei Verwendung von Chlorbenzol als Lösungsmittel und einer Reaktion
analog Beispiel 2a bei 1200C anstelle von 8300 wird die gleiche Ausbeute an Endstoff
mit gleichem Reinheitsgrad erhalten.
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d) Werden die Komponenten analog Beispiel 2a bei 500C vereinigt, werden
392 Teile reiner Endstoff (96 % der Theorie) erhalten.
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Beispiel 3 119,1 Teile n-Butylisocyanat in 40 Teilen Cyclohexan und
119 Teile 1,84 Gew.% Oleum zusammen mit 10 Teilen Cyclohexan werden bei 60 bis 650C
innerhalb 35 Minuten zu 260 Teilen Cyclohexan gegeben. Anschließend rührt man das
Gemisch 30 Minuten bei 760C. Nach dem Erkalten wird die abgeschiedene, farblose
Kristallmasse abgesaugt. Man erhält 183 Teile (99,5 % der Theorie) schwefelsäurefreie
n-Butylsulfaminsäure mit Fp. 193°C.
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Beispiel 4 49,8 Teile 1-Cyclohexyl-1-äthylisocyanat in 15 Teilen
1,2-Dichloräthan und 30,7 Teile 2,5 Gew.% Oleum werden innerhalb 30 Minuten bei
25 bis 35°O zu 90 Teilen 1,2-Dichloräthan zugegeben und das Gemisch anschließend
20 Minuten bei 830C gerührt.
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Nach dem Entfernen des Lösungsmittels kristallisiert das als Rückstand
verbleibende farblose Öl. Ausbeute: 66 Teile (98 Gew.%) schwefelsäurefreie 1-Cyclohexyl-1-äthylaminosulfonsäure
mit Fp. 75 bis 80°C.
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Beispiele 5 bis 19 Analog Beispiel 2a werden die in der folgenden
Tabelle aufgeführten Ausgangsstoffe II mit Oleum zu den entsprechenden schwefelsäurefreien
Endstoffen I umgesetzt.
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T a b e l l e Beispiel Teile Ausgangsstoff Ausgangsstoff I Teile Endstoff
Endstoff I Fp.(°C) Ausbeute (%) 5 114 Methylisocyanat 218 Methylsulfaminsäure 171-175
98 6 170 n-Propylisocyanat 273 n-Propylsulfaminsäure 168-172 98 7 89 sek.-Butylisocyanat
131 sek.-Butylsulfaminsäure 128-135 95 8 99 Isobutylisocyanat 142 Isobutylsulfaminsäure
178-186 93 9 97 Cyclobutylisocyanat 138 Cyclobutylsulfaminsäure 175-182 91 10 113
Pentylisocyanat 153 Pentylsulfaminsäure 176-182 92 11 61 1,2-Dimethylpropylisocyanat
82,5 1,2-Dimethylpropylsulfaminsäure 152-154 93 12 80 Cyclopentylisocyanat 109,5
Cyclopentylsulfaminsäure 185-191 92 13 80 Hexylisocyanat 107,3 Hexylsulfaminsäure
168-171 94 14 80 1-Äthyl-2-methylpropylisocyanat 102,8 1-Äthyl-2-methylpropylsulfaminsäure
102-108 90 15 63,5 1,2,2-Trimethylpropylisocyanat 84,5 1,2,2-Trimethylpropylsulfaminsäure
184-188 93 (Zers.) 16 57,3 1,3-Dimethylbutyl-1-isocyanat 76,5 1,3-Dimethylbutyl-1-sulfaminsäure
zähes Öl+ 94 17 62,5 Cyclohexylisocyanat 82,3 Cyclohexylsulfaminsäure 159-163 92
18 60,9 1,2-Dimethylhexyl-1-isocyanat 78 1,2-Dimethylhexyl-1-sulfaminsäure zähes
Öl++ 95 19 82,5 1-[2'-Norbornyl-] äthylisocyanat 99,5 1-[2'-Norbornyl-] äthylsulfaminsäure
98-100 91 + charakterisiert als 1,3-Dimethylbutyl-1-sulfamoylanthranilsäure Fp 120
bis 122°C ++ charakterisiert als 1,2-Dimethylhexyl-1-sulfamoylanthranilsäure Fp
93 bis 97°C (Herstellung der Sulfamoylanthranilsäure durch Umsetzung der Sulfaminsäure
mit Thionylchlorid nach dem in dem deutschen Patent . ... ... (Patentanmeldung P
- O.Z. 27 883) beschriebenen Verfahren und Umsetzung der so gebildeten Amidosulfonylchloride
mit Anthranilsäure nach Patent . ... ...
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(Patentanmeldung P 21 04 682.2).