DE2205597B2

DE2205597B2 - Verfahren zur herstellung von n- alkylderivaten cyclischer alkylenimine

Info

Publication number: DE2205597B2
Application number: DE19722205597
Authority: DE
Inventors: Toni Dr 6701 Meckenheim; Toussain't Herbert Dr 6710 Frankenthal; Decker Martin Dr 6700 Ludwigshafen Dockner
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1972-02-07
Filing date: 1972-02-07
Publication date: 1977-12-29
Also published as: NL7301107A; IT1033067B; GB1409978A; FR2171138B1; JPS5919102B2; DE2205597C3; NL176675B; FR2171138A1; DE2205597A1; NL176675C; JPS4886857A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur — im wesentlichen drucklosen — N-Alkylierung bestimmter cyclischer Alkylenimine mittels aliphatischer Hydroxylverbindungen oder deren Äthern in Gegenwart eines dehydratisierend wirkenden Katalysators.

Es sind verschiedene Methoden zur N-Alkylierung aliphatischer heterocyclischer Stickstoffverbindungen beschrieben. Nach Houben — Weyl, 4. Auflage, Band 11/1, Seiten 112 ff. unterscheidet man Verfahren mit hydrierend-dehydrierend wirkenden und Verfahren mit dehydratisierend wirkenden Katalysatoren.

In den meisten Fällen werden die Amine mit Alkoholen bzw. Carbonylverbindungen in Gegenwart von Hydrierkatalysatoren und Wasserstoff bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur umgesetzt:

In der belgischen Patentschrift 6 94 068 wird die Umsetzung von Morpholin mit Alkoholen an Katalysatoren aus Nickel oder Kobalt, Kupfer und Titandioxid bei 150 bis 300° C und bei einem Druck von 35 bis 350 Atmosphären beschrieben.

Nach der deutschen Patentanmeldung B13 494 entstehen N-Alkylpiperidine und -pyrrolidone bei der Behandlung von Gemischen aus aliphatischen Ketonen und Piperidin bzw. Pyrrolidon mit Wasserstoff bei höherer Temperatur und Druck in Gegenwart von Nickel-, Kobalt- oder Kupfer-Katalysatoren.

Im Journal of Organic Chemistry, Band 21 (1956), Seiten 86 und 87 ist die Alkylierung von Piperazinen mit Alkoholen an Raney-Nickel bei 200⁰C beschrieben. Die Methylierung kann mit Formaldehyd und Wasserstoff bei 50 bis 9O⁰C und einem Druck von 30 bis 50 Atmosphären in einer Stufe an Kobaltkatalysatoren bewerkstelligt werden.

Es ist ein Nachteil der hydrierenden Verfahren, daß hoher Druck, oftmals teure Katalysatoren und Wasserstoff zur Ausführung der Reaktion erforderlich sind.

Die Umsetzungen an dehydratisierenden Kontakten sind nach Houben — Weyl weiterer Anwendung fähig, jedoch »beschäftigt sich das Schrifttum vor allem mit Reaktionspartnern, die präparativ meist von geringem Interesse sind«. Auch sollen sauer reagierende Kontakte vermieden werden. Zu dem vorliegenden Problem, cyclische Imine am Stickstoffatom zu alkylie- t>o ren, ist wenig bekannt, lediglich von G a 1 i k und Mitarbeitern (Coll. of Czechoslovak Chemical Communications 33 [1368] 2, 509—613) wurde die Umsetzung von Piperidin mit Alkoholen in Gegenwart von Aluminiumoxid zu N-Alkylpiperidinen studiert; die Ausbeuten betragen nur zwischen 19 und 56% der Theorie. Aluminiumoxid, Phosphorsäure, Alumosilikate und andere dehvdratisierende Katalysatoren werden nach den Vorschlägen etwa der deutschen Patentschrift 6 17 990 oder in Ind Engg. Chem. Prod. Res. Developm. 7, 159 (1968) hauptsächlich für die Alkylierung aromatischer Amine verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens bzw. die Auffindung eines dehydratisierend wirkenden Katalysstorsystems, das die N-Alkylierung bestimmter cyclischer Alkylenimine, nämlich des Morpholins, Piperazins, Pyrrolidine, Piperidins und Hexamethylenimins mittels aliphatischer Hydroxylverbindungen oder deren Äthern erlaubt

Es wurde gefunden, daß die Aufgabe mit dem Vorteil hoher Ausbeuten und sehr guten Umsatzes gelöst werden kann, wenn man als Katalysator Siliciumdioxid einer spezifischen Oberfläche von 50 bis 500 mVg, das 0,1 bis 20 Gewichtsprozent Phosphorsäure enthält, verwendet und die Reaktion in der Gasphase ausführt

Als Alkohole kommen gesättigte niedere aiiphatische Alkohole in Frage, wie insbesondere Methanol, Äthanol und Isopropanol und als Äther die entsprechenden Dialkylverbindungen.

Die Reaktion wird in der Gasphase durchgeführt, wobei der Katalysator in einem festen Bett oder in einer Wirbelschicht angeordnet sein kann.

Die Reaktionstemperatur beträgt im allgemeinen 150 bis 350⁰C, vorzugsweise 180 bis 300⁰C. Üblicherweise arbeitet man bei Normaldruck, man kann aber auch leicht erhöhten oder erniedrigten Druck anwenden, z. B. Drucke zwischen 0,1 und 5 Atmosphären.

Der Katalysator besteht aus S1O2 mit einer spezifischen Oberfläche von 50 bis 500, insbesondere 300 bis 450 m²/g und 0,1 bis 70, insbesondere 2 bis 10 Gewichtsprozent Phosphorsäure, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators. Für die Wirbelschichtanordnung wird zweckmäßig eine Korngröße von 60 bis 1000 μ gewählt Wenn eine Festbettanordnung in Frage kommt, kann der Katalysator in Form von Kugeln, Strängen oder in unregelmäßiger Form verwendet werden.

Die Herstellung eines geeigneten Katalysators kann als bekannt vorausgesetzt werden. Mit besonderem Vorteil stellt man einen geeigneten Katalysator wie folgt her:

Handelsübliches Natronwasserglas wird durch Zusatz von Schwefelsäure über die Zwischenstufe eines Kielsäure-Sols in ein wasserreiches Kieselsäure-Hydrogei überführi, das mit aminoniakalischem Wasser entsalzt (eluiert) wird. Das entsalzte Hydrogel wird mit der geeigneten Menge Phosphorsäure unter Zusatz von Oxalsäure in einer Mühle oder einer anderen, Scherkräfte erzeugenden Vorrichtung behandelt, wobei Peptisation (Verflüssigung) eintritt. Die erhaltene wäßrige Phase wird z. B. im Rauchgasstrom versprüht, wobei ein als Wirbelschichtkontakt geeignetes körniges Pulver anfällt. Durch Wahl einer geeigneten anderen Trockenmethode können auch Kieselgelstränge erzeugt werden.

Die innere Oberfläche des erhaltenen Kontaktes kann z. B. mit der bekannten BET-Methode bestimmt werden.

Ein Überblick über das Gebiet der Herstellung derartiger Kontakte ist z. B. in Ulimanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 3. Auflage, Band 9, Seiten 275 ff. und Band 15, Seiten 712 ff. enthalten.

Man führt die Reaktion mit Vorteil wie folgt durch: Amin und Alkohol bzw. Äther werden bei einer geeigneten Temperatur verdampft, in einem Molverhältnis z. B. zwischen (Alkohol zu Amin) 4 :1 bis 1 :1 gemischt,

oder einfacher auch eine entsprechende Mischung bei entsprechend hoher Temperatur vollständig verdampft, das Dampfgemisch über den Katalysator geführt und nach der Umsetzung kondensiert Dabei können auch indifferente gasförmige Verdünnungsmittel, ζ. Β. Stickstoff anwesend sein. Der Umsatz an Amin liegt im allgemeinen bei 90 bis 98%, die Ausbeute, bezogen auf umgesetztes Amin, erreicht 90 bis 96% der Theorie bei einer Raum-Zeit-Ausbeute von 200 bis 600 g/l Reaktionsraum und Stunde.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß bei Bedingungen, die mühelos eingestellt und aufrechterhalten werden können, in einer anspruchslosen Apparatur hohe Ausbeuten und hohe Raum Zeit-Ausbeuten erzielt werden.

N-Alkylderivate cyclischer Imine finden ζ. Β. Anwendung als Hilfsmittel, als Zwischenprodukte, Pharmazeutika oder Katalysatoren. So wird z. B. N-Methylmorpholin als Kautschukhilfsmittel verwendet, N-Methylpiperazin ist als Psychopharmakon bekannt.

Beispiel 1

Eine Versuchsanordnung, die leicht in den technischen Maßstab übersetzt werden kann, besteht aus einem elektrisch beheizten Quarzrohr von 50 mm Durchmesser und einer Länge von 40 cm und einem Quarzverdampfer. Das Quarzrohr ist senkrecht angeordnet und enthält einen Katalysator einer Korngröße zwischen 60 und 200 μ, der zu 90 Gewichtsprozent aus Siliciumdioxid und zu 10 Gewichtsprozent aus Phosphorsäure besteht, eine spezifische Oberfläche von 400 g/m² (nach der BET-Methode bestimmt) und einen Porenradius von 15 bis 100 Α-Einheiten aufweist.

106 g einer Mischung aus 40 Gewichtsprozent Morpholin und 60 Gewichtsprozent Methanol werden stündlich bei 160⁰C verdampft, bei 200⁰C über 200 ml des wirbelnden Katalysators geführt und in einem nachgeschalteten Kühler kondensiert. Man erhält stündlich 105 g Kondensat, die zu 40,5 Gewichtsprozent aus N-Methylmorpholin bestehen; das entspricht einem Umsatz von 95% und einer Ausbeute von 91%, bezogen auf umgesetztes Morpholin. Durch eine fraktionierte Destillation über eine 50 cm lange Füllkörperkolonne erhält man N-Methylmorpholin in 99prozentiger Reinheit.

Beispiel 2

Man wiederholt den Versuch wie in Beispiel 1 beschrieben. Statt einer stündlichen Menge von 106 g werden 240 g je Stunde bei 280⁰C über den Katalysator geführt Der Umsatz beträgt wieder 95%, die Ausbeute an N-Methylmorpholin beträgt 88%, bezogen auf umgesetztes Morpholin. Man sieht aus dieser Variation der Versuchsbedingungen leicht, daß die Reaktion gegen Änderung der Reaktionsbedingungen relativ unempfindlich ist

Beispiel 3

Man setzt in der in Beispiel 1 beschriebenen Anordnung stündlich 50 g einer Mischung von 40 Gewichtsprozent Pyrrolidin und 60 Gewichtsprozent Methanol, die bei 165° C verdampft wurden, bei 190⁰C um. Der Umsatz beträgt 93%, die Ausbeute an N-Methylpyrrolidin. bezogen auf umgesetztes Pyrrolidin, erreicht 89%.

Beispiel 4

120 ml einer Mischung von 57 Gewichtsprozent Piperazin und 43 Gewichtsprozent Methanol werden stündlich bei 160⁰C verdampft und bei 220° C über das in Beispiel 1 beschriebene Wirbelbett geführt.

Der Umsatz an Piperazin beträgt 49,3%. Das Gewichtsverhältnis von N-Methylpiperasin und N,N'-Dimethylpiperazin ist 85:15. Die Ausbeute an beiden

ίο Derivaten beträgt insgesamt 93%. Die Aufarbeitung geschieht durch eine'fraktionierte Destillation. Zuerst geht nicht umgesetztes Methanol über, dann bei 100 bis lore ein Azeotrop aus dem bei der Reaktion gebildeten Wasser und Ν,Ν-Dimethyipiperazin, N-Monomethylpiperazin destilliert bei Kpjeo 139 bis 140⁰C in 98%iger Reinheit.

Beispiel 5

Man verfährt wie in Beispiel 4 beschrieben, statt 120 ml werden stündlich 60 ml, diesmal bei 180⁰C über den Katalysator geleitet Bei einem Umsatz von 34% ist der Anteil an einfach alkyliertem Piperazin 92%, an zweifach alkyliertem 8%. Die Gesamtausbeute beträgt 95%, bezogen auf umgesetztes Piperazin.
(Alle angegebenen Siedepunkte sind bei atmosphärischem Druck am Kopf einer Fraktionierkolonne gemessen.)

Beispiel 6

Man setzt in der in Beispiel 1 beschriebenen Anordnung stündlich 200 g einer Mischung von 50 Gew.-% Morpholin und 50 Gew.-% Äthanol, die bei 250⁰C verdampft wurden, bei 280⁰C um.

j5 Der erzielte Umsatz beträgt 95%; die Ausbeute an N-Äthylmorphoiin mit einer Siedetemperatur von 136 bis 138°C erreicht 87%, bezogen auf umgesetztes Morpholin.

Durch fraktionierte Destillation läßt sich N-Äthylmorpholin in einer Reinheit von 98% gewinnen.

Beispiel 7

Man verdampft in der in Beispiel 1 beschriebenen Anordnung stündlich 50 g einer Mischung von 55 Gew.-% Piperidin und 45 Gew.-% Äthanol bei 220⁰C und leitet die Dämpfe zusammen mit je 301 Stickstoff bei 27O°C über den Katalysator. Der Umsatz beträgt 90%; die Ausbeute an N-Äthylpiperidin mit einem Siedepunkt von 128 bis 129° C beträgt 97%, bezogen auf umgesetztes Piperidin.

Durch eine fraktionierte Destillation an einer Kolonne mit 20 praktischen Böden erhält man N-Äthylpiperidin bei 128 bis 129° C in 99%iger Reinheit.

Beispiel 8

Stündlich werden 120 g einer Mischung von 62 Gew.-% Piperidin, 19,5 Gew.-% Äthanol und 23,5 Gew.-% Diäthyläther, entsprechend einem Molverhältnis von Piperidin zu Äthanol zu Äther wie 1 :0,5 :0,5 werden stündlich bei 200⁰C verdampft und bei 33O⁰C über das im Beispiel 1 beschriebene Wirbelbett geführt.

Der Umsatz an Piperidin beträgt 70%, an Äthanol 100% und an Diäthyläther 40%. Die Ausbeute an N-Äthylpiperidin, bezogen auf umgesetztes Piperidin beträgt 98%.

von

Beispiel 9

Stündlich werden 18Og einer Mischung

36 Gew.-% Piperidin und 64 Gew.-% Diäthyläther bei 200⁰C verdampft und bei 330⁰C über das im Beispiel 1 beschriebene Wirbelbett geführt.

Der Umsatz an Piperidin beträgt 42%, die Ausbeute an N-Äthylpiperidin erreicht 98%, bezogen auf umgesetztes Piperidin.

Beispiel 10

Man verdampft in der in Beispiel 1 beschriebenen Anordnung stündlich 50 g einer Mischung von 40 Gew.-% Pyrrolidin und 60 Gew.-% 1-Butanol bei 220° C und setzt die Dämpfe zusammen mit je 15 1 Stickstoff bei 330⁰C um. Der Umsatz beträgt 70%, die Ausbeute an N-Butylpyrrolidin 94%, bezogen auf umgesetztes Pyrrolidin.

Durch fraktionierte Destillation über eine Kolonne mit 20 praktischen Böden erhält man bei 154 bis 155° C N-1-Butylpyrrolidin in 98,5%iger Reinheit.

Beispiel 11

Man setzt in der in Beispiel 1 beschriebenen Anordnung 70 g einer Mischung von 60 Gew.-% Hexamethylenimin und 40 Gew.-% Methanol, die bei 200° C verdampft wurden, bei 310⁰C um. Der Umsatz beträgt

10 90%, die Ausbeute an N-Methylhexaniethylenimin bezogen auf umgesetztes Hexamethylenimin beträgt 80%. Das erhaltene Umsatzprodukt wurde mit Ätznatron entwässert und fraktioniert destilliert. N-Methylhexamethylenimin vom Siedepunkt 138 bis 140° C wird dabei in 98%iger Reinheit gewonnen.

Beispiel 12

Stündlich werden 150 g einer Mischung von 64 Gew.-% Piperidin und 36 Gew.-% Methanol bei 200⁰C verdampft und bei 330° C über das im Beispiel 1 beschriebene Wirbelbett geführt.

Umsatz an Piperidin und Ausbeute an N-Methylpiperidin sind annähernd quantitativ. Durch fraktionierte Destillation über eine Kolonne mit 20 praktischen Böden erhält man N-Methylpiperidin mit einem Siedepunkt von 160⁰C in einer Reinheit von 99%.

Die in den Beispielen 1 bis 5 hergestellten Stoffe haben, gemessen am Kopf einer Fraktionierkolonne bei der Reinigung, die nachfolgenden Siedepunkte:

N-Methylmorpholin: 111 bis 114°C N-Methylpyrrolidin: 106⁰C
N-Monomethylpiperazin: 139 bis 140⁰C N,N-Dimethylpiperazin: 100 bis 101⁰C (Azeotrop mit Wasser)

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Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur im wesentlichen drucklosen N-Alkylierung von Morpholin, Piperazin, Piperidin, Hexamethylenimin oder Pyrrolidin mittels aliphatischer Hydroxyverbindungen oder deren Äthern in Gegenwart eines dehydratisierend wirkenden Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator Siliciumdioxid einer spezifischen ι ο Oberfläche von 50 bis 500 m²/g, das 0,1 bis 20 Gewichtsprozent Phosphorsäure enthält, verwendet und die Reaktion in der Gasphase ausgeführt wird.