DE2514004C3

DE2514004C3 - Verfahren zur Herstellung von 3-Methylpiperidin

Info

Publication number: DE2514004C3
Application number: DE19752514004
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. 5203 Much Richtzenhain; Wilhelm Dr. 5210 Troisdorf Vogt
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Priority date: 1975-03-29
Filing date: 1975-03-29
Publication date: 1981-09-10
Also published as: CA1050987A; BR7601871A; NL7603259A; PL97986B1; CH607999A5; FR2306202B1; DD124474A5; JPS51122074A; ES446437A1; GB1488335A; DE2514004A1; SU569284A3; DE2514004B2; BE840151A; FR2306202A1; IT1057358B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 3-Methylpiperidin durch katalytische Hydrierung von 2-Methylglutarsäuredinitril in flüssiger Phase unter Druck.

CH₁

NC-CH-CH₂-CH₂-CN
(H)

JIl

+ 4H₂

- NH₃

CH₃

N (I)
H

3-Methylpiperidin I kann durch Hydrierung von j3-Picolin erhalten werden, vgl. J. Amer. Chem. Soc., 49 (1927), 2837. Man erhält 1 aber aus 2-MethyIglutarsäuredinitril II, welches aus 2-Methylenglutarsäuredinitril durch Hydrierung der Doppelbindung zugänglich ist, das seinerseits aus Acrylnitril durch Dimerisierung erhalten werden kann.

Aus II erhält man i auch durch Reduktion mit 4-, Natrium in Äthanol, vgl. Monatshefte für Chemie 23 (1902), 878,883, oder Butanol, vgl. Zhur. Obshchei Khim. 24 (1954), 291-298; CA. 49 (1955), 4643, 8109. Im letzteren Fall bilden sich 21% I neben 68% 2-Methyl-1,5-diaminopentan. -,o

Nach einer weiteren Synthese wird II zunächst mit Natriumamid mit 70% Ausbeute zum Glutarimidin-Derivat cyclisiert und dieses mit Natrium in Alkohol zu I reduziert [vgl. Bull. Chem. Soc. Japan 35 (1962), 1438- 1443; Jap. Pal. 14 140/65]. γ,

Diese Synthesen sind wegen der schlechten Ausbeute bzw. wegen des hohen Verbrauchs an Natrium bzw. Natriumamid für eine technische Herstellung von I nicht geeignet.

Die bekannten katalytischen Hydrierungen von Il bo (vgl. DE-OS 15 43 793; FR-PS 15 30 809; US-PS 24 05 948) führen mit hohen Ausbeuten von 60 bis 90% zu 2-Methyl-l,5-diaminopentan, wobei bis zu 18% 3-Methylpiperidin entstehen.

Die genannten Hydrierungen wurden mit Kobaltka- _h ^r, talysatoren ausgeführt. Nickel- und Ruthenium-Katalysatoren wurden ohne experimentellen Beleg ebenfalls erwähnt.

Zur Steigerung der Ausbeute von 2-Methyl-l,5-diaminopenta.i sind bei dieser katalytischen Hydrierung mit Kobalt-Katalysatoren Zusätze wie Ammoniak oder tertiäre aliphatische Amine mit 3 bis 5 Kohlenstoffatomen je ivlolekül oder diese Stoffe zusammen mit Alkoholen mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen je Molekül als Lösungsmittel wirksam.

Eigene Versuche mit weiteren Hydrierungskatalysatoren (vgl. Vergleichsbeispiel 8 mit Palladium) ergaben, daß bei verminderter Ausbeute des normalen Hydrierprodukts 2-Methyl-l,5-diaminopentan erhöhte Mengen, undestillierbarer stickstoffhaltiger Kondensationsprodukte auftreten, aber der Anteil von 3-Methylpiperidin nicht gesteigert werden kann.

Entgegen bisheriger Kenntnis machten wir die überraschende Feststellung, daß bei Verwendung von Nickel-Katalysatoren, wie fein verteiltem Nickel z. B. Raney-Nickel oder auf Trägern angeordnetem Nickel die Bildung von 3-Methylpiperidin stark überwiegt und die Bildung des normal zu erwartenden 2-Methyl-l,5-diaminopentans fast unterdrückt wird

Selbst ein Zusatz beträchtlicher Mengen solcher Stoffe wie z. B. Ammoniak, welche die Bildung des linearen Diamins begünstigen, verhindern nicht die fast ausschließliche Bildung von 3-Methylpiperidin.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von 3-Methylpiperidin durch katalytische Hydrierung von 2-Methylglutarsäuredinitril in flüssiger Phase unter Druck, das dadurch gekennzeichnet ist, daß als Katalysator Nickel verwendet wird.

Experimentelle Untersuchungen ergaben im einzelnen überraschend folgendes:

Wir erhielten, wie im Beispiel 1 angegeben, mit kommerziellen Kobaltkatalysatoren mit 45 Gew.-% metallisches Kobalt auf Kieselgur (tablettiert 5x6 mm, Schüttgewicht 1 kg/1) oder 39 Gew.-% Kobalt auf Kieselgur (tablettiert 3x3 mm, Porenvolumen 0,44 cmVg) bei der Hydrierung von II in flüssigem Ammoniak 2-Methyll,5-diaminopentan in Ausbeuten bis zu 90% der Theorie. Nach Austausch des Kobaltkatalysators gegen nickelhaltige Trägerkatalysatoren wie solche mit 55 Gew.-% Nickel auf Kieselgur (tablettiert 5x6 mm, Schüttgewicht 0,9 kg/1) oder solchen mit 50 Gew.-% Nickel auf alkalischem Träger (tablettiert 3x3 mm, Porenvolumen 0,34 cmVg) erhielten wir bei völlig analoger Arbeitsweise I als Hauptprodukt mit bis zu 90% Ausbeute. Die Herstellung von 1 ist nicht auf die Verwendung von Trägerkatalysatoren oder eine kontinuierliche Fahrweise beschränkt. Sie gelingt auch bei diskontinuierlicher Hydrierung mit z. B. Raney-Nickel-Katalysatoren.

Die Hydrierung von II erfolgt in flüssiger Phase in Gegenwart von hydrophilen Substanzen als Lösungsmittel bzw. Verdünnungsmittel.

Das Verfahren kann vorteilhaft unter Verwendung von flüssigem Ammoniak als Verdünnungsmittel durchgeführt werden. Die Bildung von 1 ist jedoch nicht an die Anwesenheit von Ammoniak gebunden. Vergleichbare Mengen an I werden auch mit Gemischen von Ammoniak mit aliphatischen oder cycloaliphatische Alkoholen mit 1 bis etwa 8 Kohlenstoffatomen wie Methanol, Äthanol, Propanol, Isopropanol, Butanol, Hexanol oder Cyclohexanol erhalten. Die Hydrierung von Il zu I ist auch in nichtalkoholischen Lösungsmitteln wie Cyclohexan, Dioxan, Tetrahydrofuran und Äther durchführbar. Allgemein wird an das Verdünnungsmittel die Forderung gestellt, zumindest als Lösungsmittel für entstehendes I zu fungieren. Auch I selbst kann als

Reaktionsmedium bei der Hydrierung verwendet werden.

Die Anwesenheit von z. B. Ammoniak, tertiären aliphatischen Aminen, sowie gegebenenfalls Alkali- und/oder Erdalkalihydroxid ist nicht unbedingt erfor- -■ derlich, jedoch vorteilhaft um die unerwünschte Bildung höhersiedender Nebenprodukte, z. B. kondensierter sekundärer und tertiärer Amine, zu vermindern bzw. zu vermeiden.

Die Menge an Verdünnungsmittel ist nicht kritisch. Zweckmäßig werden Volumverhältnisse von Ammoniak oder anderen Verdünnungsmitteln zu Nitril von 1 :0,01 bis 1 :10, vorzugsweise 1 :0,1 bis 1:1 angewandt

Die zur Hydrierung herangezogenen Katalysatoren sind beispielsweise kommerzielle Nickelkatalysatoren. Es sind dies Trägerkatalysatoren auf Basis Kieselgur oder Aluminiumoxid, versetzt mit speziellen Aktivatoren. Daneben ist auch die Verwendung rein metallischer Katalysatoren wie z. B. Raney-Nickel möglich. Die Menge an Katalysator ist für den Ablauf der Reaktion nicht von entscheidender Bedeutung. Es muß nur eine genügend große Menge vorhanden sein, um die Reduktion in Gang zu halten. Diese Menge liegt in Größenordnung der in üblicher Weise bei Hydrierungen von Nitrilverbindungen verwendeten Mengen, im allgemeinen somit zwischen 0,5 und 10 Gew.-°/o, bezogen auf das Dinitril.

Das Verfahren kann diskontinuierlich oder auch kontinuierlich durchgeführt werden. Bei der diskontinuierlichen Hydrierung wird der Katalysator vorzugsweise in gepulverter Form eingesetzt. Nach Abfiltration der Reaktionslösung ist der Katalysator für weitere Hydriercyclen einsetzbar. Bei der kontinuierlichen Flüssigphasenhydrierung in der Sumpfphase oder nach dem Rieselverfahren wird der geeignet geformte Katalysator als Festbett im Reaktor angeordnet.

Die Hydrierung von II zu 1 erfolgt im Bereich zwischen 80 und 200° C, vorzugsweise 75 bis 150° C und bei Drücken bis zu 500, vorzugsweise zwischen 50 und 200 at.

Das kontinuierliche Verfahren kann längere Zeit mit hohen Ausbeuten an 3-Methylpiperidin betrieben werden. Ammoniak wird vom Reaktionsprodukt nbdestilliert und unabhängig von geringen Mengen darin enthaltenen 1 in den Prozeß zurückgeführt.

3-Methylpiperidin findet Verwendung als Vulkanisationsbeschleuniger und Zusatz zu Schmierölen. Es ist weiter Zwischenprodukt zur Herstellung von Nicotinsäure, die als Medikament und Futtermittelzusatz von Bedeutung ist.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern.

Beispiel 1
(Vergleichsbeispiel)

Ein senkrecht angeordnetes Druckrohr von 0,51 Inhalt, gefüllt mit 0,31 (280 g) Kobaltkatalysator mit 45 Gew.-% Kobalt auf Kieselgur (tablettiert 5x6 mm, Schüttgewicht 1 kg/1) wird nach Verdrängen der Luft durch Stickstoff mit Wasserstoffgas auf 400 at gebracht. In das Rohr werden dann von unten stündlich 70 ml 2-Methylglutarsäuredinitril und 720 ml flüssiges Ammoniak zudosiert, wobei man eine Temperatur von 110⁰C einhält. Durch gleichzeitigen Ersatz des verbrauchten Wasserstoffs wird ein Druck von 400 al aufrechterhalten. Zur Abführung der Reaktionswärme wird Wasserstoff im Kreis geführt. Das aus dem Reaktor austretende

55 Reaktionsgemisch läuft nach Passieren einer Kühlschlange in eine Vorlage und wird aus dieser kontinuierlich entnommen. Nach Abdestillation von Ammoniak erhält man stündlich 70 ml eines Gemisches, das nach gaschromatographischer Analyse 90,9% 2-Methyl-l,5-diaminopentan und 8,2% 3-Methylpiperidin sowie 1 bis 2% höherkondensierten sekundären und iertiären Aminen enthält.

Beispiel 2

Verfährt man wie im Beispiel 1 beschrieben und nimmt anstelle des im Beispiel 1 verwendeten Katalysators das gleiche Volumen (= 240 g) an Nickelkatalysator mit 55 Gew.-% Nickel auf Kieselgur (tablettiert 5x6 mm, Schüttgewicht 0,9 kg/1), so erhält man bei analoger Aufarbeitung ein Reaktionsgemisch von der Zusammensetzung 3,9% 2-Methyl-l,5-diaminopentan und 90,1% 3-Methylpiperidin. Die höherkondensierten Polyamine betragen 6 bis 8%.

Ohne nachteilige Folgen für den Reaktionsablauf kann der Wasserstoffdruck bei diesem Katalysator auf 130 at gesenkt werden.

Beispiel 3

Wird das in den vorstehenden Beispielen angeführte Druckrohr mit 0,33 1 (= 330 g) Nickelkatalysator mit 50 Gew.-% Nickel auf alkalischem Träger (tablettiert 3x3 mm, Porenvolumen 0,34 cmVg) gefüllt und bei 155°C/400at Wasserstoffdruck stündlich 100 ml 2-Methylglutarsäuredinitril und 720 ml flüssiges Ammoniak zudosiert, so erhält man nach der in Beispiel 1 angegebenen Aufarbeitung stündlich 100 ml eines Gemisches, das nach gaschromatographischer Analyse aus 90,7% 3-Methylpiperidin und 3,7% 2-Methyl-l,5-diaminopentan besteht.

Beispiele 4bis7

Die nachstehenden Beispiele 4 bis 7 dienen zur Erläuterung des diskontinuierlichen Verfahrens. Die Ergebnisse sind in einer Tabelle zusammengefaßt. Die für diese Beispiele gültige Arbeitsvorschrift lautet:

Ein Hochdruckautoklav wird unter Stickstoff mit den angegebenen Mengen 2-Methylglutarsäuredinitril (MGN) und Lösungsmittel beschickt. Nach Verschließen und Spülen mit Wasserstoff wird aus einem Meßgefäß die angegebene Menge flüssiger Ammoniak in den Autoklav gedrückt. Unter Rühren wird Wasserstoff wie angegeben aufgedrückt und durch Aufheizen die Reaktion in Gang gesetzt. Nach Anspringen der Reaktion, erkenntlich an der Abnahme des Wasserstoffdrucks und Anstieg der Reaktionstemperatur, wird durch laufende Zugaben von Wasserstoff der Druck konstant gehalten und durch Steuerung der Rührintervalle die Temperatur 20°C oberhalb der Anspringtemperatur gehalten.

Nach Beendigung der Wasserstoffaufnahme und Abkühlung auf 40 —50°C wird der überschüssige Wasserstoff mit dem freien Ammoniak abgeblasen, der Katalysator über ein Druckfilter abgetrennt, bei Verwendung von Lösungsmittel mit diesem nachgewaschen und das Filtrat über eine 50 cm Vigreux-Kolonne bei Normaldruck fraktioniert. Nach Abtrennung von gelöstem Ammoniak und Lösungsmittel wird ein bis

iximal 185°C siedendes Rohdestillat erhalten, das durch Fraktionierung über eine 1,20 m Füllkörper-Ko-

lonne in die Komponenten 3-Methylpiperidin (MP; Kp. 125—126°C) und 2-Methyi-l,5-diaminopentan (MDP; Kp. 192° C) zerlegt wird. Als Rückstand der

a) Bedingungen:

Rohdestillation verbleibt eiti aus sekundären und tertiären Aminen bestehendes viskoses Produkt, dessen Menge der Ausbeutedifferenz in der Tabelle entspricht.

Bei	MGN	Mol	Katalys	20	3.	ator	Ausbeute MP	Lösungsmittel	Art	NH₃	P	T	Zeit
spiel	g	2,0	g	100	Type	g Mol	ml	CH₃OH	ml	at	C	h
4	216	6,88	100	Raney-Ni	220	C₂H₅OH	240	150	110	3
5	740	6,88		55 Gew.-% Ni¹)	1250	C₂H₅OH	1250	300	135	6
6	740		75	55 Gew.-% Ni¹)	1250	NaOH	-	300	140	2
		6,88		+5g	CH₃OH
7	740	Beispiel	60 Gew.-% Ni²)	1250		1250	100	130	4
') Katalysator von
²) Auf oxidischem	Träger (Porenvolumen 0,25 cm³/g).
			Ausbeute MDP
			g Mol
		Mol-%	Mol-%
	b) Ergeunisse:
	Bei
	spiel

155 546 390

575

1,53 5,50 3,94 5,80

26
156
234
105

0,225
1,34
2,01
0,91

11,8
19,3
29,4
13,2

Beispiel 8 (Vergleichsbeispiel)

Beispiel 1 wird wiederholt, wobei jedoch anstelle eines Kobaltkatalysators die gleiche Menge eines Palladiumkatalysators (60 Gew.-% Pd in metallischer Form auf Kieselgur, tablettiert, Schüttgewicht 1 kg/1) verwendet wurde.

Nach gaschromatographischer Analyse wird 20,2 Gew.-% 2-Methyl-l,5-diaminopentan, 15,1 Gew.-% 3-Methylpiperidin sowie etwa 75 Gew.-% eines unlöslichen und undestillierbaren stickstoffhaltigen Kondensationsproduktes gebildet.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von 3-Methylpiperidin durch katalytische Hydrierung von 2-Methylglutarsäuredinitril in flüssiger Phase unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator Nickel verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Nickelkatalysator Nickel auf einem Träger verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Nickelkatalysator Raney-Nickel verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungs- oder Verdünnungsmittel Ammoniak, gegebenenfalls in Mischung mit weiteren hydrophilen Substanzen, verwendet wird.

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