DE2429442C3 - Process for the introduction of nucleophiles into the optionally alkyl-substituted nucleus of benzene - Google Patents
Process for the introduction of nucleophiles into the optionally alkyl-substituted nucleus of benzeneInfo
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Description
Den Verfahren zur Herstellung von funktionell Gruppen enthaltenden, deünierten Verbindungen, z. B. ^o Amino- oder Hydroxyderivaten bestimmter Kohlenwasserstoffe, kommt erhebliche Bedeutung zu, da die Produkte einer vielfältigen Verwendung zugeführt werden. Zumeist handelt es sich bei den herkömmlichen Verfahren um mehrstufige chemische Prozesse, die verhältnismäßig aufwendig sind. So stellt man z. B. das 4-Amino-phenol aus Benzol über das Nitrobenzol und dessen Reduktion in stark schwefelsaurer Lösung oder auch durch Oxidation von 4-Nitrosophenol mittels Salpetersäure und anschließender Reduktion des 4-Nitro-phenols mittels Eisenpulver in verdünnter Salzsäure her.The process for the preparation of functional group-containing diluted compounds, e.g. B. ^ o Amino or hydroxy derivatives of certain hydrocarbons are of considerable importance because the Products can be used in a variety of ways. Most of them are the conventional ones Process around multi-stage chemical processes that are relatively complex. So you put z. B. that 4-Amino-phenol from benzene via the nitrobenzene and its reduction in a strong sulfuric acid solution or also by oxidation of 4-nitrosophenol using nitric acid and subsequent reduction of the 4-nitro-phenols using iron powder in dilute hydrochloric acid.
Alle diese Verfahren verlaufen in den verschiedenen Stufen mit geringer Selektivität und somit mit mäßigen Gesamtausbeuten. Ferner fallen dabei Nebenprodukte an, die in der Regel eine Umweltbelastung darstellen. Auch die Frage nach derToxizität der Zwischenprodukte, z. B. Nitrobenzols, ist zu beachten.All of these processes proceed in the various stages with low selectivity and thus with moderate Overall yields. In addition, by-products are produced, which as a rule represent an environmental burden. The question of the toxicity of the intermediate products, e.g. B. nitrobenzene, is to be observed.
Im Gegensatz zu kathodischen Reduktionen finden elektrochemische Oxidationsreaktionen an den Kernen aromatischer Kohlenwasserstoffe bislang kaum technische Anwendung. Dies ist vor allem der im Vergleich zum Substrat größeren Reaktivität der kationischen Primärprodukte, den i;» der Regel niedrigeren Oxidationspotentialen der Produkte sowie der bei Alkylaromaten leichteren Oxidierbarkeit der Seitenketten zuzuschreiben. Die technisch interessante Bildung von kernsubstituierten Derivaten läuft daher in dieser Verbindungsklasse bislang oft nur als Nebenreaktoin und noch dazu unter Bildung von Isomeren ab, insbesondere bei Acetoxylierungen (vgl. L Eberson und H. Schäfer, »Organic Electrochemistry«, Fortschr.chem. Forsch.21 [1971J Springer-Verlag).In contrast to cathodic reductions, electrochemical oxidation reactions take place on the cores of aromatic hydrocarbons so far hardly any technical application. This is mainly the one in comparison to the substrate greater reactivity of the cationic primary products, the i; » usually lower oxidation potentials of the products and the easier oxidizability of the side chains in the case of alkyl aromatics attributable to. The technically interesting formation of ring-substituted derivatives therefore takes place in this one Class of compounds so far often only as a secondary reactant and also with the formation of isomers, especially with acetoxylation (cf. L Eberson and H. Schäfer, "Organic Electrochemistry", Fortschr.chem. Forsch.21 [1971J Springer-Verlag).
Die vorliegende Erfindung zeigt einen Weg, die geschilderten Probleme in hohem Maß zu meistern. Dies geschieht durch die Einführung von Nucleophilen in den gegebenenfalls alkylierten Kern des Benzols durch elektrolytische Umsetzung in Gegenwart von nichtoxyd>erenden Sauren, indem man die Umsetzung in einem elektroaktiven aprotischen oder in einem protischen Lösungsmittel in Anwesenheit einer starken, nicht oxidierend wirkenden Säure sowie katalytischer Mengen eines Redoxsystems in Form löslicher Salze von Metallionen durchführt Es ist selbstverständlich Voraussetzung, daß die zum Einsatz gelangenden Verbindungen eine freie Stelle im Kern zur Einführung eines Nucleophils besitzen. Als einzuführende Nucleophile kommen insbesondere die Amino-, die Hydroxy- oder die Acylamino- und die Acyloxygruppe in Betracht. Das zweckmäßige Lösungsmittel wird je nach Ar», des Nucleophils gewählt. So kann man bei Einsatz der Aminogruppe in einem aprotischen Solvens mit geeignetem elektroaktiven Bereich, z.B. Acetonitril, Methylenchlorid, Dimethylformamid, Propylencarbonat, arbeiten. Es ist selbstverständlich, darauf zu achten, daß das Lösungsmittel bei der elektrochemischen Umsetzung beständig ist falls nicht das Solvens direkt und gleichzeitig als Nucleophi) gilt.The present invention shows a way of overcoming the problems outlined to a great extent. This is done by introducing nucleophiles into the optionally alkylated nucleus of benzene by electrolytic conversion in the presence of non-oxidizing acids, by the conversion in an electroactive aprotic or in a protic solvent in the presence of a strong, non-oxidizing acid and catalytic amounts of a redox system in the form of soluble salts of metal ions It is of course a prerequisite that the used Compounds have a vacancy in the nucleus for the introduction of a nucleophile. As nucleophiles to be introduced In particular, the amino, the hydroxyl or the acylamino and the acyloxy group come into consideration. The appropriate solvent is chosen depending on the type of nucleophile. So when using the Amino group in an aprotic solvent with a suitable electroactive range, e.g. acetonitrile, Methylene chloride, dimethylformamide, propylene carbonate, work. It goes without saying that that the solvent is stable in the electrochemical reaction if not the solvent directly and at the same time as nucleophi).
Für die Einführung der Hydroxygruppe ist ein Arbeiten in wäßriger Lösung ebenfalls in Gegenwart von starken, nicht oxidierend wirkenden Säuren vorteilhaft. Als solche Säu.en seien genannt z. B. Schwefelsäure, Trifluoressigsäure, aber auch Phosphorsäure, gegebenenfalls Salzsäure. Sind die Produkte oxidationsempfindlicher als die eingesetzten Substrate (z. B. wird Phenol leichter oxidiert als Benzol), so bietet die intermediäre Bildung von Trifluoracetaten einen entscheidenden Vorteil insofern, als die Ester dieser Säure oxidationsstabiler sind als die ihnen zugrunde liegenden Phenole und diese in der Regel in merklich höheren Ausbeuten nach der leicht verlaufenden Hydrolyse der Ester erhalten werden. Man kann auch in alkoholischer Lösung oder in niedermolekularen aliphatischen Carbonsäuren arbeiten.For the introduction of the hydroxyl group, working in aqueous solution is also present of strong, non-oxidizing acids advantageous. Such Säu.en are mentioned e.g. B. Sulfuric acid, trifluoroacetic acid, but also phosphoric acid, optionally hydrochloric acid. Are the products more sensitive to oxidation than the substrates used (e.g. phenol is more easily oxidized than benzene), so offers the intermediate formation of trifluoroacetates a decisive advantage in so far as the esters of these Acids are more stable to oxidation than the phenols on which they are based and these are usually noticeable higher yields can be obtained after the easily proceeding hydrolysis of the esters. You can also use alcoholic solution or work in low molecular weight aliphatic carboxylic acids.
Als Metallionen mit den erforderlichen Redoxeigenschaften sind z. B. Ionen von Kupfer, Quecksilber, Palladium, Thallium, Blei, Cer und Chrom zu wählen. Da die nucleophile Substitution mit einem Redoxprozeß verbunden ist, muß das gewählte, oxidierende Metallion leicht durch Rückoxidation wiedergewinnbar sein. Als Salze seien beispielsweise genannt die entsprechenden Carbonate, Nitrate, Acetate oder Trifluoracetate.As metal ions with the required redox properties, for. B. Ions of copper, mercury, Palladium, thallium, lead, cerium and chromium to choose from. Since the nucleophilic substitution with a redox process is connected, the chosen oxidizing metal ion must be easily recoverable by reoxidation. as Examples of salts are the corresponding carbonates, nitrates, acetates or trifluoroacetates.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß im Gegensatz zu den Verfahren der klassischen Chemie, die den Einsatz von stöchiometrischen Mengen erforderlich machen, hier mit geringen, katalytisch wirksamen Salzmengen gearbeitet werden kann. Dies ist z. B. im Fall des Thalliumsalzes auch im Hinblick auf die bekannte Thallotoxicose von erheblicher Bedeutung. Es war überraschend, daß der Zusatz derartiger Metallsalze bei den elektrochemischen Umsetzungen diese selektiver als bislang bekannt und mit höheren, bislang nicht erreichten Ausbeuten verlaufen läßt.A particular advantage of the method according to the invention is that, in contrast to the method classical chemistry, which requires the use of stoichiometric amounts, here with low, catalytically effective amounts of salt can be worked. This is e.g. B. in the case of the thallium salt also in Of considerable importance with regard to the well-known thallotoxicosis. It was surprising that the addition of such metal salts in the electrochemical reactions these are more selective than previously known and can proceed with higher, so far not achieved yields.
Vergleichsmessungen wurden in einer Durchströmzelle vom Eberson-Typ mit Edelstahlkathode, Platinanode bei 1,5 mm Elektrodenabstand bei 30° ±5° C und konstanter Stromdichte von 1 A · dm-2 bei einer Zellspannung von 3-4 V durchgeführt. Der Elektrolyt setzte sich wie folgt zusammen: 20 ml (0,25 mol) CF3COOH, 5 ml (0,04 mol) (CF3CO)20,0,2 mol aromatischer Kohlenwasserstoff gelöst in 300 ml trockenen Acetons, das 0,6molar an CF3COONa und gegebenenfalls 10-4molar an Metallsalz war. Nach Durchgang von jeweils 10,7Ah wurden die Elektrolysen abgebrochen. Die entstandenen Ester wurden destillativPlatinum anode at 1.5 mm electrode spacing at 30 ° ± 5 ° C and a constant current density of 1 A · dm 2 were comparative measurements in a Durchströmzelle from Eberson-type stainless steel cathode, conducted at a cell voltage of 3-4 volts. The electrolyte was composed as follows: 20 ml (0.25 mol) CF3COOH, 5 ml (0.04 mol) (CF 3 CO) 2 0.0.2 mol of aromatic hydrocarbon dissolved in 300 ml of dry acetone, the 0, 6molar of CF 3 COONa and possibly 10- 4 molar was of metal salt. The electrolyses were terminated after each 10.7 Ah had passed. The resulting esters were distilled
abgetrennt und durch siedendes Wasser zu den Phenolen hydrolysiert und gaschromatographisch bestimmt. Die mittleren Stromausbeuten (aus je 3 Ansätzen) ergeben sie beispielsweise bei Zusatz von TiCCh wie folgt (sie sind für die Einzelfälle nicht optimiert):separated off and hydrolyzed to the phenols by boiling water and determined by gas chromatography. The mean current yields (from 3 batches each) result, for example, from the addition of TiCCh as follows (they are not optimized for the individual cases):
OHOH
Slromau>hcutc[%] t 3%Slromau> hcutc [%] t 3%
TKO,TKO,
kaiulvsicriflour
kaiulvsicri
κ T-o Iκ T-o I
J-C3H7 JC 3 H 7
1-C4H,1-C 4 H,
Die Durchführung der elektrochemischen Umsetzung kann unter den üblichen Verfahrensbedingungen erfolgen, gewünschtenfalls z. B. in Abhängigkeit vom gewählten Lösungsmittel auch bei erhöhten Temperaturen. Es kann ferner mit den üblichen Zellen wie auch den bekannten Elektroden (-Kombinationen), z. B. Kohle/ Eisen, Platin/Eisen, Platin/Platin, gearbeitet werden, wobei im allgemeinen eine Membran- oder Diaphragmentrennung zwischen Anode und Kathode nicht erforderlich ist.The electrochemical conversion can be carried out under the usual process conditions take place, if desired, for. B. also at elevated temperatures depending on the selected solvent. It can also be used with the usual cells as well as the known electrodes (combinations), e.g. B. Coal / Iron, platinum / iron, platinum / platinum, are worked, with a membrane or diaphragm separation in general between anode and cathode is not required.
In einer üblichen Elektrolysezelle wurde ein Gemisch aus Benzol, Trifluoressigsäure und Wasser im Volumenverhältnis von 1:1 :2, das 10-4molar an Thallium(I)-carbonat war, unter Einleiten von Ammoniakgas bei 40°C mit 2,5 V,0,5 A · dm-2an Kohle/Eisen-Elektroden umgesetzt. Nach Neutralisieren des Elektrolyten mittels NaOH wurde ausgeäthert und der Äther abgezogen; durch Sublimation wurde aus dem Rückstand farbloses 4-Aminophenol erhalten. Um diese Isolierung des an Luft oxidationsempfindlichen 4-Aminophenols zu umgehen, wurde dieses chemisch aus dem Elektrolyten durch Zugabe von Äther und Methanol in Tri-amino-dimethoxy-phenol · 2 CF3COOH überführt und als solches bestimmt (analog wurde bei Beispiel 2 und 3 verfahren). Die Ausbeute berechnet auf 4-Amino-phenol betrug250 g ■ m~2 · h-'.1: In a conventional electrolytic cell, a mixture of benzene, trifluoroacetic acid and water in a volume ratio of 1 2, 10- 4 molar to thallium (I) carbonate was, while introducing ammonia gas at 40 ° C with 2.5 V 0.5 A · dm- 2 converted to carbon / iron electrodes. After neutralizing the electrolyte with NaOH, ether was extracted and the ether was drawn off; colorless 4-aminophenol was obtained from the residue by sublimation. In order to avoid this isolation of the 4-aminophenol, which is sensitive to oxidation in air, it was chemically converted from the electrolyte into tri-aminodimethoxyphenol.2 CF 3 COOH by adding ether and methanol and determined as such (analogously in example 2 and 3 procedure). The yield calculated on 4-aminophenol was 250 g · m ~ 2 · h- '.
Das in Beispiel 2 beschriebene Gemisch, jedoch 10 -4molar an Quecksilberacetat, wurde an Platin/Elektroden bei 1 A · dm-2 umgesetzt. Die Ausbeute an 4-Amino-phenoi in Form von Derivaten lag bei ίο 75 g - m~2 · h"1.The mixture described in Example 2 except that 10-4 molar with respect to mercuric acetate was reacted to platinum / electrodes at 1 A · dm. 2 The yield of 4-aminophenols in the form of derivatives was ίο 75 g - m ~ 2 · h " 1 .
Ein Gemisch aus Benzol, Wasser, konz. Schwefelsäure und gesättigter Ammoniaklösung im Volumenverhältnis is 2:1:1:1 sowie 10-4molar an Thallium(I)-acetat wurde bei 45°C mit 2,6 V, 0,5 A · dm-2 an Platin/Eisen-Elektroden umgesetzt. 4-Amino-phenol wurde nach der Aufarbeitung in Form von Derivaten mit einer Ausbeute von 150 g · m~2 · h"1 erhalten.A mixture of benzene, water, conc. Sulfuric acid and saturated ammonia solution in the volume ratio is 2: 1: 1: 1, and 10- 4 molar to thallium (I) acetate was at 45 ° C with 2.6 V, 0.5 A · dm 2 of platinum / iron Electrodes implemented. 4-Amino-phenol was obtained after work-up in the form of derivatives with a yield of 150 g · m ~ 2 · h " 1 .
Ein Gemisch von Acetonitril, Trifluoressigsäure und Benzol im Volumenverhältnis 15:2:1 mit einem Zusatz von Thallium(I)-carbonat (0,004molar) wurde bei 600C mit 2,8 Vund 0,4 A ■ dm-2an Graphit/Eisen-Elektroden umgesetzt. Die nach Hydrolyse erzielte Ausbeute an Acetanilid betrug 25 g · m~2 · h-'.A mixture of acetonitrile, trifluoroacetic acid and benzene in a volume ratio of 15: 2: 1 with an addition of thallium (I) carbonate (0.004 molar) was at 60 0 C with 2.8 V and 0.4 A ■ dm- 2 of graphite / Iron electrodes implemented. The yield of acetanilide achieved after hydrolysis was 25 g · m ~ 2 · h- '.
w Ein Gemisch aus Toluol, Natriumtriflüoracetat, Trifluoressigsäure und -anhydrid im Molverhältnis 4:2:1 :1 mit einem Zusatz von Thallium(I)-carbonat (0,01 molar) wurde in Aceton gelöst und bei 35°C mit 3,6 V und 1 A · dm-2 an Platin/Eisen-Elektroden umgesetzt. Nach Esterhydrolyse wurde p-Kresol mii einer Ausbeute von 60 g · m~2 - h~' erhalten. w A mixture of toluene, sodium trifluoroacetate, trifluoroacetic acid and anhydride in a molar ratio of 4: 2: 1: 1 with an addition of thallium (I) carbonate (0.01 molar) was dissolved in acetone and at 35 ° C. with 3.6 V and 1 A · dm- 2 implemented on platinum / iron electrodes. After ester hydrolysis, p-cresol was obtained with a yield of 60 g · m ~ 2 - h ~ '.
Ein Gemisch aus Trifluoressigsäure, -anhydrid und tert. Butylbenzol im Volumenverhältnis 4:1 :6 wurden in 300 ml trockenen Acetons gelöst, das 0,6molar an Natriumtrifluoracetat und 10-'molar an a) Natriumchromat(VI) oder b) Thallium(I)-carbonat oder c) Cer(III)-carbonat war. Bei 35°C wurde mit 3,6 V und I A · dm-2 an Platin-Elektroden elektrolysiert. Nach Hydrolyse der Trifluoracetate wurde 4-tert.-Butyl-phenol mit Stromausbeuten von a) 71 % oder b) 66% bzw. c) 72% erhalten.A mixture of trifluoroacetic acid, anhydride and tert. Butylbenzene in a volume ratio of 4: 1: 6 was dissolved in 300 ml of dry acetone, the 0.6 molar of sodium trifluoroacetate and 10-molar of a) sodium chromate (VI) or b) thallium (I) carbonate or c) cerium (III) carbonate was. Electrolysis on platinum electrodes was carried out at 35 ° C. with 3.6 V and IA · dm- 2. After hydrolysis of the trifluoroacetates, 4-tert-butylphenol was obtained with current yields of a) 71% or b) 66% or c) 72%.
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