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Verfahren zur Herstellung von Arylessigsäurealkylestern Die vorliegende
Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Herstellung von Arylessigsäurealkylestern.
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Es sind bereits mehrere Verfahren zur Herstellung von Phenylessigsäureestern
bekannt. So können Phenylessigsäureester durch Umsetzung von Benzylchlorid mit Alkalicyanid
mit anschließender Verseifung des Nitrils zur Säure und nachfolgender Veresterung
(Ullmann, 1953, Bd. 4, 291) gewonnen werden. Unbefriedigend an diesem Verfahren
ist die Reaktionsfolge über mehrere Stufen. Weiterhin können Phenylessigsäureester
durch Carbonylierung von Benzylhalogeniden mit dem Na-Salz des Eobaltoctacarbonyls
erhalten werden. (R.F. Heck et al., J. Amer.Chem.Soc. 85., (1963) 2779-82 und Fr.
P.
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1 313 306, 1962). Die Anwendung des Na-Cobaltcarbonyla ist technisch
außerordentlich schwierig und liefert zudem nur schlechte Ausbeuten. Phenylessigsäureester
sind auch noch durch Carbonylierung von Benzylhalogeniden mit CO unter Druck in
Anwesenheit von Rhodiumkomplexen zugänglich ( E.Ohno et
al., J.
Amer. Chem. Soc. ., ( 1968 ) 99 - 107 ). Auch nach diesem Verfahren, welches bei
höheren Drücken ( 100 atm. ) durchgeführt werden muß, werden nur geringe Ausbeuten
erhalten.
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Nach einem neuen Verfahren zur Herstellung von Phenylessig säureestern
wird Benzylchlorid mit CO und Alkohol in Gegenwart von Nickeltetracarbonyl und Jod
als Katalysator sowie von Erdalkalioxyden als HCl-Akzeptoren in polaren Lösungsmitteln
wie Dimethylformamid oder Dimethylsulfoxid zur Umsetzung gebracht ( DOS 1 914 391
). Nachteile des Verfahrens ergeben sich aus dem hohen Bedarf an Nickelcarbonyl
und Jod als Katalysatoren sowie der Rückgewinnung der verwendeten teuren Lösungsmittel.
Aus der langen Reaktionszeit von 26,5 Stdn. ergeben sich nur geringe Raum-Zeit-Ausbeuten,
welche das Verfahren unwirtschaftlich machen.
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Es wurde nun gefunden, daß durch katalytische Umsetzung einer aromatischen
Chlormethylvcrbindung mit CO und in Gegenwart eines basischen Mittels und der jeweiligen
Alkohole unmittelbar der Arylessigsiureester erhalten werden kann.
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Überraschenderweise wird unter den angewendten Rcaktionsbedingungen
aus z.B. Benzylchlorid und Natriumalkoholat nicht, wie erwartet werden könnte, der
Benzylalkyläther gebildet, sondern die Reaktion lauSt nach folgender Reaktion3glenchung
ab:
In der Gleichung bedeutet R einen gesättigten aliphatischen Alkylrest mit 1 bis
6 C-Atomen.
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Als Arylessigsäurealkylester werden die unsubstituierten Phenylessigsäurealkylester
ebenso wie substituierte Phenylessigsäurealkylester verstanden, wobei als Arylreste
auch densierte oder nicht kondensierte aromatische Ringe vorhanden sein kennen,
welche einen oder mehrere weitere Substituenten, bevorzugt Chlor, Alkylreste mit
1 bis 6 C-Atomen, Alkoxyreste mit 1 bis 6 C-Atomen tragen können. Beispiele hierfür
sind Mono-, Di- und Tetrachlorphenylessigsäurealkylester, Mono- und Dimethyl bzw.
Propylphenylessigsäurealkylester, Mono- und Dimethoxy-bzw. -äthoxyphenylessigsäurealkylester,
Naphthylessigsäuremethyl- bzw. äthylester usf.
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Als Ausgangs stoffe werden dabei die strtücturell entsprechenden unsubstituierten
oder die jeweiligen Substituenten tragenden aromatischen Hslogenmethylverbindungen-,
bevorzugt die Cblorriethylverbindungen verwendet.
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Die verwendeten Alkohole sowie Alkylreste der Alkalialkoholate sind
dabei diejenigen, die strukturell den in die jeweiligen
Alkylesterreste
der Phenylessigsäurealkylester eintretenden Resten entsprechen. Hierbei können sowohl
die primären wie auch sekundären und tertiären Alkohole bzw. die entsprechenden
Alkoholate eingesetzt werden.
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Der Kohlenoxiddruck kann 0 bis 25 atü, bevorzugt 0 bis 10 atü betragen.
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Das verwendete Katalysatorsystem besteht aus drei Komponenten, nämlich
einer Kobaltverbindung wie Kobalthalogenid, Kobaltacetat, Kobalt-II-acetyl-acetonat,
Kobaltnitrat und tobaltoctacarbonyl; metallischem Mangan, Eisen, Nickel oder deren
Legierungen wie Eisen-Mangan-Legierungen in fein verteilter Form, einer wasserlöslichen
S-Verbindung wie Natriumdihionit, Sulfoxylaten (Rongalit) oder Natriumsulfid/Natriumthiosulfat.
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Die Reaktion verläuft drucklos oder unter geringem Überdruck und führt
mit hoher Ausbeute zum gewünschten Arylessigester.
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Zur Herstellung des Katalysatorsystems wird in einer Lösung von CoCl26H20
in Alkohol, Metallpulver und Na2S204 solange CO oder ein CO enthaltendes Gasgemisch
wie z.B. Wassergas eingeleitet, bis keine nennenswerten Mengen CO mehr aufgenommen
werden. Die Einleitung des CO findet bei 10 bis 100ort vorzugsweise 20 - 4000, statt
und dauert ca. 30 Min. Anschließend werden bei einer Temperatur zwischen 30 - 800,
vorzugsweise 50 - 60°C, unter weiterem verstärkten Einleiten von CO die aromatische
Chlormethylverbindung und als alkalische Mittel bevorzugt Alkalialkoholate oder
Erdalkalioxide in einem solchen Mengenverhältnis zugesetzt, daß das Reaktionsmedia:
stets alk31ische, vorzugsweise schwach alkalische Reaktion
zeigt
Zweckmäßigerweise wird das Natriumalkoholat in Form einer 10 - 25 Gew.%igen Lösung
in Alkohol zugesetzt. Die aromatische Chlormethylverbindung kann der Katalysatormi
schung auf einmal zugesetzt oder auch laufend zudosiert werden. Die Dosierung von
CO und Alkoholat in Lösung des jeweiligen Alkohols bzw. CaO mit dem jeweiligen Alkohol
erfolgt in einem Zeitraum von etwa 3 bis 5 Stunden. Das-Einleiten von CO wird bis
zur Beendigung der Aufnahme noch fortgesetzt. In der Regel ist die Aufnahme etwa
3 Stunden nach Zugabe der Komponenten beendet.
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Insgesamt ergibt sich dann in der Regel eine Gesamtreaktionszeit (
einschl. Katalysatorherstellung ) von 6 - 8 Stunden.
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Das Mengenverhältnis von basischem Reagenz zu aromatischer Chlormethylverbindung
liegt vorzugsweise bei 1, obwohl auch geringe Überschüsse des basischen Mittels
angewandt werden können, so daß eine schwach alkalische Reaktiqn durch einen geringen
Überschuß des basischen Mittels eingehalten, und saure Reaktion vermieden wird.
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Eine langsame stetige oder in Portionen erfolgende Zugabe des basischen
Mittels während der Reaktion der Halogenmethylw verbindung wird daher bevorzugt.
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Das verwendete Metallpulver oder Legierung kann in einer Teilchengröße
zwischen 0,10 und 300 y, vorzugsweise zwischen 50 und 200 1u eingesetzt werden.
Das Gewichtsverhältnis Metallpulver oder Legierung zu eingesetzter Ohlormethylverbindung
bewegt
sich zweckmäßigerweise zwischen 1:1 bis 1:1000, wobei das Verhältnis nach obenhin
nur durch die Rührbarkeit des Reaktionsmediums begrenzt wird. Vorzugsweise liegt
das Verhältnis zwischen 1:10 und 1:100.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet sowohl die Isolierung wie
auch die V{iedervenzendung des Metallpulvers oder Legierung. Das Gewichtsverhältnis
Kobaltverbindung zu Chlormethylverbindung kann zwischen 1:1 bis 1:500, vorzugsweise
1:2 bis 1:50 liegen. Die Schwefelverbindung wird in geringerer Menge eingesetzt,
das Gewichtsverhältnis der Schwefelverbindung zur Chlormethylverbindung liegt zwischen
1:3 und 1:1500, vorzugsweise zwischen 1:30 und 1:500.
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Die Aufarbeitung des Reaktionsansatzes gestaltet sich besonders einfach
durch Abtrennung der festen Bestandteile ( Kochsalz, Metallpulver ) durch Filtration.
Das Filtrat kann mit Wasser versetzt werden, wobei sich das Reaktionsprodukt in
ziemlich reiner Form als organische Phase abscheidet. Die wässerige Phase besteht
aus einem Gemisch von Alkohol und Wasser, welches die Kobalt- und Schwefelverbindung
und das Natriumsalz der als Nebenprodukt gebildeten Arylessigsäure gelöst enthält.
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Die nach dem erfirdungsgemäßen Verfahren hergestellten Phenylessigester
finden Verwendung als Riechstoffe und sind wertvolle chemische Zwischenprodukte.
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Beispiel 1 Zu 100 ml Methanol wurden 12 g CoCl2.6 H20, 6 g Mangan-Pulver
( 150 M ) und 1 g Natriumdithionit in CO-Atmosphäre gegeben. Dann wurde unter Rühren
( 500 U/min ) bei 35 0C während 30 Minuten CO mit einem Überdruck von 600 mm Hg
durchgeleitet. Anschließend wurde auf 550C erwärmt und unter stetigem Durchleiten
von CO im Verlauf von 3 Stunden 190 g ( 1,5 Mol ) Benzylchlorid und 404 g ( 1,5
Mol ) 21 Gew.%ige Natriummethylatlösung bei einer Rührgeschwindigkeit von 500 -750
U/min. zudosiert.
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Kohlenmonoxyd wurde noch etwa 2 1/2 Stunden eingeleitet, bis keine
Aufnahme mehr erfolgte. Danach wurde Kochsalz und Mangan abgetrennt, das Filtrat
mit Wasser versetzt und mit Aether extrahiert. Nach Destillieren des Aethers hinterblzeb
ein Reaktionsgemisch, aus welchem durch Destillation 170 g Phenylessigsäuremethylester
( Ausbeute 78 , Reinheit 99,7 %) und 6,9 g Benzylchlorid isoliert wurden.
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Nach Ärisäuern der wässrigen Phase und Ausäthern konnten noch 18 g
Phenylessigsäure (Ausbeute 9,1 %,Reinheit 99,3 %) isoliert werden.
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Beisiel- 2 Wie in Beispiel 1 beschrieben wurden 300 g Benzylchlorid,
620 ml 21 Gew.iges Natriummethylat und als Katalysatoren 20 g CoCl2.6 H2O, 1 g Na2S,
1,5 g Na2S2O3.5 H20, 9 g Mangan
Pulver mit CO umgesetzt. Aus dem
Reaktionsgemisch wurden nach der beschriebenen Aufarbeitung 21 g Benzylchlorid (
Umsatz 93 % ) , 214 g Phenylessigsäuremethylester ( Ausbeute 64,7 % ) und 26 g Phenylessigsäure
( Ausbeute 8,6 ffi ) isoliert.
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Beispiel 3 Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden 190 g Benzylchlorid,
404 g 21 Gew.%iges Natriummethylat und als Katalysatoren 12 g CoBr2.6 H20, 6 g Mangan-Pulver
und 1 g Na2S204 mit CO umgesetzt. Aus dem Reaktionsgemisch wurden nach der beschriebenen
Aufarbeitung 7 g Benzylchlorid, 125 g Phenylessigsäure methylester ( Ausbeute 57,6
% ), 13,4 g Phenylessigsäure ( Ausbeute 6,8 % ) und,23 g Methylbenzyläther isoliert.
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Beispiel 4 Wie im Beispiel 1 beschrieben, wurden 190 g Benzylchlorid,
404 g 21 Ge.iges Natriummethylat, 12 g Co(CH3C00)2.4 H20, 6 g Mangan-Pulver und
1 g Na2S204 mit CO umgesetzt Aus dem Reaktionsgemisch wurden nach der beschriebenen
Aufarbeitung 2,9 g Benzylchlorid, 152 g Phenylessigsäuremethylester ( Ausbeute 68,5
% ), 5 g Phenylessigsäure ( Ausbeute 2,5 ffi ) und 11 g Methylbenzyläther ( Ausbeute
6 do ) isoliert.
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Beispiel 5 Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden 190 g Benzylchlorid,
100 g Calciumoxyd,750 ml Methanol, 6 g CoCl26 H20, 6 g Mangan-Pulver und 3 g Na2S204
mit CO umgesetzt, wobei das Calciumoxyd im Verlauf von 3 Stunden zugegeben wurde.
Aus dem Reaktionsgemisch wurden nach der beschriebenen Aufarbeitung 10 g Benzylchlorid,
122 g Phenylessigsäuremethylester ( Ausbeute 57 % ), 37 g Phenylessigsäure ( Ausbeute
19 % ) und 2 g Methylbenzyläther isoliert.
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Beispiel 6 Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden 126,5 g Benzylchlorid,
270 g 21 Gew.%iges Natriummethylat, 11 g Co2(CO)8, 4 g Mangan und 1 g Na2S204 mit
CO umgesetzt. Aus dem Reaktionsge-' misch wurden 133,5 g Phenylessigsäuremethylester
( Ausbeute 89 % ) in einer Reinheit von 97,25 % isoliert.
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Beisiele 7 bis 16 In den Beispielen der folgenden Tabelle wurden jeweils
190 g Benzylchlorid ( 1,5 Mol ) in Gegenwart der angegebenen Katalysatoren mit CO
umgesetzt. Als basische Mittel wurden jeweils 355 g einer 24 Gew.%igen Lösung von
Natriummethylat in Methanol verwendet.
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Tabelle I
Bei- Katalysator-System Dest. |
spiel Metall Co-Verbindung S-Verbindung in g |
7 4 g Mn 6 g CoCl2.6H20 Rongalit 1 g 185 |
8 6 g Ni 12 g CoCl2.6H2O Na2S2O4 1 g 165 |
9 6 g Fe 12 g CoCl2.6H2O n 160 |
10 4 g Mn+) 6 g CoCl2.6H20 1 200 |
45 - |
150 |
11 6 g Mn 12 g CoII- n 192 |
acetylacetonat |
12 6 g Mn 12 g CoJ2.2H20 " 200 |
13 6 g Mn+) 12 g CoCl2.6H20 " 184 |
0,15 mm |
14 6 g Mn++) 12 g CoCl2.6H20 " 180 |
0,15 mm |
15 6g Mn 12 g Co(N03)2. " 163,5 |
6H20 |
16 6 g Fe/Mn 12 g CoCl2.6H2O " 160 |
+) = thermisch ++) = elektrolytisch
Tabelle II
Bei- Gaschromatogr. Analyse des Destillats +++) |
spiel PhCH2Cl PhCH2OCH3 PhCH2COOCH3 PhCH2COOH PhCH2COOCH2Ph |
7 3,89 18,94- 72S 17 3,63 0,43 |
8 24,11 58,59 12,62 4,28 |
9 21,18 63,68 9,21 5,43 |
10 2,97 11,90 79,87 0,28 0,28 |
11 2,72 38,33 57,43 0,18 0,44 |
12 0,34 5,17 92,41 1,04 0,84 |
13 11,19 35,41 43,99 7,75 0,51 |
14 17,08 41,96 30,03 9,13 0,48 |
15 12,28 17,97 61,58 6,51 0,53 |
16 9,51 10,87 69,65 8,23 0,64 |
++) in Gew.%, bezogen auf das Destillat Die Chromathographie-Säule hatte eine Füllung
aus Silicone Gum - Rubber UCC - W - 982 (methyl vinyl).
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Beispiel 17 PhenylessigsSuremethYlester Zu 100 ml Methanol wurden
2,5 g CoCl2.6 H2O, 2 g Mangan-Pulver ( 150 p ) und 1 g Na2S2O4 in CO-Atmosphäre
gegeben. Dann wurde unter Rühren ( 500 U/min.) bei 350C während 30 Minuten CO mit
einem Überdruck von 600 mm Hg durchgeleitet. Bei 55 0C wurde die Reaktionsmischung
mit 190 g Benzylchlorid versetzt.
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Anschließend wurden im Verlauf von 3 Stunden unter stetigem Durchleiten
von CO 355 g 24 Gew.%ige Natriummethylatloaung bei einer Rührgeschwindigkeit von
500 - 750 U/min. zudosiert.
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Kohlenmonoxyd wurde nach etwa 2 1/2 Stunden eingeleitet bis keine
Aufnahme mehr erfolgte. Danach wurde die Mischung mit Wasser versetzt und vom Mangan
abgetrennt. Die Mischung wurde mit Aether ausgeschüttelt. Nach Destillieren des
Aethers hinterbleibt im Reaktionsgemisch aus welchem durch Destillation 3,5 g Benzylchlorid
und 189 g Phenylessigsäuremethylester ( Ausbeute 85,4 % ) isoliert wurde.
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Nach Ansäuern der wässrigen Phase und Ausäthern konnten noch 5 g P}lenylessigsäure
( Ausbeite 2,5 % ) isoliert werden.
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Beisniel 18 p-Chlorophenylessigsäuremethylester Wie in Beispiel 1
beschrieben, wurden 80,5 g ( 0,5 Mol ) p-Chlorbenzylchlorid mit 135 g einer 24 Gew.%igen
Natriummethylatlösung, 10 g CoC12.6 H20, 4 g Mangan und 1 g Natriumdithionit
mit
CO ungesetzt. Die Durchführung und Aufarbeitung erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben.
Es wurden 74 g p-Chlorphenylessigsäuremethylester ( Ausbeute 80 ffi ) in einer Reinheit
von 96 % und 4 g p-Chlorphenylessigsäure ( 4,6 ffi ) isoliert.
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Beispiel 19 p-Methylphenylessigsäuremethylester Wie im Beispiel 1
beschrieben, wurden 70,5 g ( 0,5 Mol ) p-Methylbenzylchlorid und 135 g einer 24
Gew.%igen Natriummethylatlösung in Methanol, 5 g CoCl2.6 H20, 4 g Mangan-Pulver
und 1 g Natriumdithionit mit CO umgesetzt. Die Durchführung und Aufarbeitung erfolgte
wie in Beispiel 1 beschrieben. Es wurden 47,0 g p-Methylphenylessigsäuremethylester
Ep13 113° ( Ausbeute 57,2 % ) in einer Reinheit von 98 % und 6,2 g p-Methylphenylessigsäure
( Schmp. 89 - 900C, Ausbeute 8 % ) isoliert.
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Beispiel 20 Naphthyl-(1 )-essigsäuremethylester Wie in Beispiel 1
beschrieben, wurden 58 g α- Chlormethylnaphthalin mit 78 g einer 24 Gew.%igen
Natriummethylat-Lösung in Methannol, 12 g CoCl2. 6H2O, 6 g Mangan und 1 g Na2S20+,
mit CO umgesetzt. Die übliche Aufarbeitung ergab 35 g Naphthyl-(l)-essigsäuremethylester
( Ausbeute 53 % ) und 7 g (¾-Naphthylessigsäure
( Ausbeute 6,5
% ).
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Beispiel 21 p-Methoxyphenylessigsäuremethylester Analog Beispiel 1
wurden 50 g p-Methoxybenzylchlorid mit 115 g einer 24 Gew.%igen Natriummethylatlösung
in Methanol, 12 g CoCl2. 6H20, 6 g Mangan und 1 g Na2S204 mit CO umgesetzt. Nach
der Destillation des Reaktionßgemisches konnten durch Gaschromatographie folgende
Verbindungen nachgewiesen werden: p-Methoxybenzylchlorid 10,00 % p-MethoxymethylbenzylEther
69,50 ffi p-Methoxyphenylessigsäuremethylester 8,66 % p-Methoxyphenylessigsäure
5,54 % Beispiel 22 Phenylessisäureäthylester Analog Beispiel 17 wurden 126,5 g Benzylchlorid'
794 g einer 9 Gew.%igen Lösung von Natriumäthylat in Aethanol, 12 g CoCl2.
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6H20, 6 g Mangan-Pulver und 1 g Na2S2O4 mit CO umgesetzt. lTach der
üblichen Aufarbeitung wurden 8 g Benzylchlorid, 109 g Phenylessigsäureäthylester
( Ausbeute 71 % ), 8 g Phenylessigsäure ( Ausbeute 6 % ) und 1 g Aethylbenzyläther
isoliert.
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Beispiel 25 Analog Beispiel 1 wurden 63,5 g (1/2 Mol) Benzylchlorid,
6 g CoCl2 6H2O, 4 g Mangan-Pulver, 1 g Na Na2S2O4 in 100 ml tert.- Butanol und 56
g Kalium-tertiär-butylat mit CO umgesetzt. Durch Durchfahrung und Aufarbeitung erfolgte
wie in Beispiel 1 Es wurden 55 h Reaktionsgemisch destilliert, welches nach GC die
folgende Zusammensetzung enthält: Benzylchlorid 18,6 % Phenylessigsäure tert.butylester
79,18 % Beispiel 24 Wie in Beispiel 17 beschrieben, wurden 190 g Benzylchlorid,
329 g 25,8 Gew.%iges Natriummethylat, 12 g CoCl2.6H2O, 6 g Mangan-Pulver und 1 g
Na2S204 mit CO/H2-Gasgemisch im Verhältnis 3:1 Luagesetzt.
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Nach der Destillation des Reaktionsgemisches ( 180 g ) konnten durch
Gaschromatographie folgende Ergebnisse erzielt werden: Benzylchlorid 20,24 % Methylbenzyläther
25,43 % Phenylessigsäuremethylester 44,76 % Phenylessigsäure 5,31 %