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Verfahren zur Herstellung von quartären Ammoniumsalzen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Herstellung von quartären Ammoniumsalzen gemäß der allgemeinen
Formel
in der R1 und R2 ein Alkyl-, Aralkyl- oder Cycloalkyl-Radikal bedeuten oder R1 und
R2 zusammen mit dem Stickstoffatom einen heterocyclischen Ring, z.B. einen Morpholinring,
Piperidinring bilden und R für ein Alkyl-, Alken- oder Cycloalkyl-bzw.
Cycloalkenradical,
das gegebenenfalls durch eine hydroxy gruppe substituiert ist steht und X ein Halogenstom
bedeutet.
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@ertäre Ammoniumsalze der genannten Struktur vligung biologische Wirkung
auf Pflanzen auf.
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Bischer bekannte Verfahren zur Herstellung von spartaren Ammoniumsalzen
der genannten Struktur beruhen auf der Alkylierung eines entsprechenden tertiären
Amins durch Einen@rung von Alkylhalogenid, oder auf der Reaktion eines sekunden
amine' mit Dihalogenderivaten, z.B. mit 2,2'-Dihalogenidäther oder 1,5-Dihalogenpentan,
bzw. werden sie bei der Reaktion des sekundären Amine mit Halogenalkyl erlangt,
wobei ein Gemisch von quartärem Salz und Halogenhydrid des engewandten Amins entsteht.
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Einen technischen Nachteil bisher bekannter Verfahren zur Herstellung
von quartären Ammoniumsalzen bildet die Rotwendigkeit der Synthese des tertiären
Amins bzw. der t eines zusammengesetzten Gemisches von Produkten bei der Alkylierungsreaktion
des sekundären Amins mit Halogenalkylen, was die Anwendung einer fraktionierten
Kristallisation ertordert und eine bedeutende Verringerung der Ausbeute des quar.
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tären Salzes verursacht, die unterhalb 30% der theoretischen Ausbeute
sinkt.
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Die Erfindung bezweckt die Herstellung eines quartären Ammoniumsalzes
aus einem sekundären Amin bei gleichzeitiger Verringerung der Entstehung von Nebenprodukten
und bedeutender Erhöhung der Ausbeute der Reaktion. Diese Aufgabe wird durch Einwirkung
von Halogenalkyl der Formel R-X auf sekundäres Amin der Formel R1-NH-R2 in Gegenwart
von Halogenwasserstoff bindenden Mitteln, beispielsweise Hydroxiden und milden Alkalien
sowie Erdalkalicarbonaten und DurchfUhrung der Reaktion in einem organischen Lösungsmittel,
z.B. in einem nie(Iermolekularen
Alkohol, der die Homogenität des
Reaktionsmediums gewährleistet, gelöst.
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Die Synthese der Amt,loniumsalze führt man nach diesem Verfahren unter
normalem Druck in einem offenen Gefäß oder, wenn die reagierenden Produkte eine
hohe Flüchtigkeit aufweisen oder gasförmig auftreten, in einem geschlossenen Gefäß
unter einem Druck von 1 bis 1o at, de aus den Eigenschaften der Reaktanten resultiert.
Die Quaternierungsreaktion wird bei einer Temperatur durchgeführt, die aus den physikalischen
Eigenschaften und der Reaktionsfähigkeit der angewandten Rohstoffe resultiert und
die im Bereich von o bis 100°C liegt.
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Die aus der Anwendung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
sich ergebenden grundsätzlichen technischen Vorteile bestehen in der Möglichkeit
des Erhalts eines quartären Ammoniumhalogenids aus sekundärem Amin bei gleichzeitiger
Verringerung der Entstehung von Nebenprodukten bis zu einem Minimum, sowie in der
bedeutenden Erhöhung der Reaktionsausbeute, die abhängig von der Struktur des Amins
und des angewandten Halogenalkyls zwischen 60 und 95% der theoretischen Ausbeute
schwankt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das erhaltene Reaktionsprodukt
praktisch rein ist.
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Der Gegenstand der Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
dargestellt.
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Beispiel 1: In einen mit einem Rührer mit Quecksilberverschluß, Rückflußkühler,
Thermometer und Rührgebläse versehenen 500 ml fassenden Vierhalsrundkolben wird
eine lösung von 20 g (0,5 Mol) NaOH in 20 ml wasser eingebracht. loo ml 95/-iges-
Äthanol werden zugegeben und sodann loo ml wasserfreies Äthanol und 43,5 g (o,5
Mol) Morpholin. Das Gemisch wird im Eisbad bis zu einer Temperatur
von
5 bis 10°C gekühlt. Bei eingeschaltetem Rührer wird über ein Rührgebläse gasförmiges
Methylchlorid im Laufe von 4 bis 6 Stunden eingeführt, wobei die Reaktionstemperatur
in den genannten Grenzen gehalten wird. Im Laute der Methylchlorideinbringung trübt
sich das Reaktionsgemisch und danach fällt weißer grobkristalliner Niederschlag
aus. Die Einführung von Methylchlorid wird beendigt, sobald eine 10-fach mit destilliertem
Wasser verdünnte Probe des Reaktionsgemisches Phenolphthalein nicht färbt, was nach
Einführung von 75 bis loo g (1,5 bis 2 Mol) Methylchlorid erfolgt. Dann wird das
Eisbad abgestellt und nachdem das Reaktionsgemisch sich bis Raumtemperatur erwärmt
hat, wird das Rühren unterbrochen und der ausgeschiedene Niederschlag wird abfiltriert.
Im Niederschlag erhält man 28,3 g Natriumchlorid (Chlorgehalt 61%, theoretisch für
NaCl 60,8%). Das klare Filtrat wird auf einem Rotationsverdampfer bis zur Trockene
eingedampft. Man erhält 69 g eines hell-cremefarbenen Dimethylmorpholin-chloridniederschlages,
was 91,1% der theoretischen Ausbeute entspricht, in welchem der Natriumchloridgehalt
3% nicht übersteigt. Nach der Kristallisation aus einem Acxedton-Äthanol-Gemisch
erhält man 2 g unlösliches Methylchlorid und 54 g Dimethylmorpholinchlorid, was
71,3 % der theoretischen Ausbeute entspricht. Schmelzpunkt 327 bis 328°C, Stickstoffgehalt
9,37% (theoretisch 9,24%), Chlorgehalt 23,19% (theoretisch 23,43%).
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Beispiel 2: Aus 26,5 g (o,25 Mol) Na2CO3 in 20 ml Wasser, loo ml 95%-igem
Äthanol und loo ml wasserfreiem Äthanol, sowie 43»5 g (o,5 Mol) Morpholin und 152
L (1,6 Mol) Methylbromid erhält man auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise 88,6
g rohes Dimethylmorpholinbromid. Nach der Kristallisation aus einem Aceton-Äthanol-Gemisch
erhärt man 73,5 g reines Dimethylmerpholinbromid (75% der theoretischen Ausbeute).
Scghmelzpunkt 296,5°C(mit Zersetzung
), Stickstoffgehalt 7,09% (theorisch
7,14%), Bromgehalt 40,5% (theoretisch 40,8%).
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Beispiel 3: Aus 20 g (o,5 Mol) NaOH in 20 ml Wasser, 200 ml wasserfreiem
Methanol, 52,5 g (o,5 Mol) wasserfreiem Diäthanolamin und 91 g (1,8 Mol) Methylchlorid
erhält man, bei Durchführung der Reaktion bei einer Temperatur von 25 bis 35 0C,
80 g roh-es Dimethylbis-(2-hydroxyäthyl)-ammoniumchlorid. Nach der Kristallisation
aus einem Aceton-Äthanol-Gemisch erhält man 75,6 g reines Produkt (89,2% der theoretischen
Ausbeute). Schmelzpunkt 244,60C, Chlorgehalt 20,85% (theoretisch 20,9%), Stickstoffgehalt
8,13% (theoretisch 8,26).
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Beispiel 4: In eine im Beispiel 1 beschriebene Apparatur bringt man
28 g (o,5 Mol) KOH, 20 ml Wasser, loo ml 95%-iges Äthanol, loo ml wasserfreies Äthanol
und 42,5 g (o,5 Mol) Piperidin ein,, dann werden unter Aufrechterhaltung der Temperatur
von 30 bis 40°C 152,5 g (1,4 Mol) Äthylbromid im Laufe von 3 Stunden bei stetigem
Rühren eingetropft. Sodann wird das Gemisch so lange im Siedezustand gehalten, bis
eine lo-fach mit destilliertem Wasser verdünnte Probe der Lösung Phenolphthalin
nicht mehr färbt, was nach weiterer 3-stündiger Erwärmung erreicht wird. Dann wird
das Reaktionsgemisch bis Raumtemperatur gekühlt, der Kaliumbromidniederschlag wird
abfiltriert und das klare Filtratwird bis zur Trockene eingedampft. Man erhalt 80,3
g rohes Diäthylpiperidinbromid. Nach der Kristallisation aus einem Aceton-Äthanol-Gemisch
erhält man 75,5 g reines Diäthylpiperidinbromid (68% der theoretichen Ausbeute).
Schmelzpunkt 298°C, Bromidgehalt 35,9% (theoretisch 30%).
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Beispiel 5: In einen aus säurebeständigem Stahl bestehenden, 500 ml
fassenden Autoklav bringt man eine Lösung von 10 g (0,25 Mol) NaOH in lo ml Wasser,
setzt 50 ml 95%-iges Äthanol und dann 50 ml wasserfreies Äthanol und 21,75 g (0,25
Elol) Morpholin hinzu. Bei Raumtemperatur führt man Methylchlorid in Methanol ein,
bis der Druck im Autoklav bis zu 7 Atmosphären ansteigt, wonach die Methylchlorid-Zugabe
unterbrochen wird. Während dieser Zeit steigt die Temperatur im Autoklav an (exotherme
Reaktion). Nach dem Druckrückgang auf 2 at wird die nächste Methylchloridportion
dosiert bis der Druck bis 7 Atmosphären ausgeglichen wird. 30 g (o,6 Mol) Methylchlorid
werden in 4 Portionen eingeführt, wobei ein Druck von 7 Atmosphären und eine Temperatur
von 70 bis 80°C aufrechterhalten werden. Anfänglich steigt die Temperatur im Autoklav
selbständig an, wonach sie auf dem genannten Wert durch Zuführen von Wärme von außen
her gehalten wird. Nach dem Einführen der letzten Methylchloridportion sinkt der
Druck im Autoklav anfangs und dann erreicht er einen konstanten Wert der Größenordnung
von 3 bis 4 at, was die Beendigung der Reaktion anzeigt. Von diesem Moment an wird
das Reaktionsgemisch im Autoklav noch für 1 Stunde bei einer Temperatur. von 70
bis 80°C stehen gelassen und danach auf Raumtemperatur gekühlt. Dann wird der Inhalt
des Autoklaven filtriert. Das ausgeschiedene Natriumchlorid wird in einer Menge
von 17 g entfernt. Das Filtrat wird auf einem Rotationsverdampfer bis zur Trockene
eingedampft. Mln erhält 35,6 g rohes Dimethylmorpholinchlorid, was 94, der theoretischen
Ausbeute ausmacht, welches wie im Beispiel 1 tereinigt wird. Man erhält ein identisches
Endprodukt.