DE2540899C3 - Verfahren zur Herstellung von m-Nitrobenzoesäure - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von m-Nitrobenzoesäure

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DE2540899C3 DE19752540899 DE2540899A DE2540899C3 DE 2540899 C3 DE2540899 C3 DE 2540899C3 DE 19752540899 DE19752540899 DE 19752540899 DE 2540899 A DE2540899 A DE 2540899A DE 2540899 C3 DE2540899 C3 DE 2540899C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von m-Nitrobenzoesäure durch Nitrierung von Benzoesäure mit einer Mischung von Salpetersäure und Schwefelsäure.
Es ist bekannt, m-Nitrobenzoesäure durch Nitrierung von Benzoesäure durch eine Mischung von Salpetersäure und Schwefelsäure bei Temperaturen oberhalb der Zimmertemperatur herzustellen. Dabei bildet sich ein Rohprodukt, das manchmal bis zu 20% o-Nitrobenzoesäure und eine geringere Menge, mindestens etwa 2% p-Nitrobenzoesäure enthält. Ein so hoher Gehalt an o-Isomeren vermindert nicht nur den Anteil des m-Isomeren im Rohprodukt, sondern verringert auch dessen Ausbeute bei der späteren Reinigung, z. B. bei der Umkristallisierung aus Wasser; die dabei^rzielbare Ausbeute entspricht bei weitem nicht derjenigen, die dem im Rohprodukt enthaltenen Anteil entspricht, da ein Teil der m-Nitrobenzoesäure in der Mutterlauge zurückbleibt. Da man um so mehr Lösungsmittel beim Umkristallisieren anwenden muß, je höher der Gehalt an dem o-Isomeren ist, wird dieser Verlust an dem m-Isomer in entsprechendem Ausmaß größer. Der Verlust an m-Isomer ist beim Umkristallisieren somit im wesentlichen proportional zum o-Isomerengehalt im Rohprodukt. Die Ausbeute an umkristallisierter m-Nitrobenzoesäure wird daher ziemlich gering. Gemäß einer japanischen Veröffentlichung in Chemical Abstracts 49, 2363 g (1955), erhält man aus 30,5 g 24,5 g umkristallisierte m-Nitrobenzoesäure entsprechend 59% der theoretischen Ausbeute. Aus der Mutterlauge kann zwar ein Teil des gelösten m-Isomers zusammen mit dem o- und p-Isomeren als Gemisch gewonnen werden, das Gemisch hat jedoch als solches keinen besonderen Wert und die Auftrennung in die reinen Isomeren ist teuer. Weiterhin ist zu bedenken, daß p-Nitrobenzoesäure, obwohl sie sich beim Nitrieren von Benzoesäure in verhältnismäßig geringen Mengen bildet, nur schwierig beim Umkristallisieren entfernt werden kann, da ein nicht geringerTeil zusammen mit der m-Nitrobenzoesäure auskristallisiert. Es hat sich gezeigt, daß es schwierig ist, durch eine einzige Umkristallisation eine m=Nitrobenzoesäure zu erhalten, die für bestimmte Zwecke ausreichend frei an dem p-Isomer ist, wenn der Gehalt an dem p-Isomer im Rohprodukt deutlich 1 % übersteigt.
Es ist somit erwünscht, bei der Nitrierung von Benzoesäure den Gehalt an dem m-Isomeren so hoch wie möglich und denjenigen der o- und p-Isomcren so klein wie möglich zu halten.
Die SE-OS 1441/67 (Beispiel 1) betrifft ein Verfahren zum Nitrieren von Benzoesäure, wobei flüssiges Schwefeldioxid als Reaktionsphase und eine Mischung von Salpetersäure und Schwefeldioxid als Nitrierungsmittel verwendet werden. Hierbei erhält man ein Produkt mit der Isomerenverteilung 93 % m-, 6% o- und etwa 1% p-Nitrobenzoesäure, Die Verwendung von Schwefeldioxid als Reaktionsmedium ist jedoch unter den Gesichtspunkten der Gewerbehygiene sowie des Umweltschutzes problematisch. Dies gilt insbesondere für die schwefeldioxidhaltige wäßrige Mutterlauge. Zudem ist die Verwendung und die Rückgewinnung von Schwefeldioxid auch wirtschaftlich teuer. Weiterhin erfordert der Transport und die Lagerung von Schwefeldioxid Druckgefäße, wobei sehr strenge Sicherheitsauflagen zu berücksichtigen sind. Auch das Schwefeltrioxid ist eine sehr schwer zu handhabende Verbindung, die in reinem Zustand schwierig zu lagern und zu transportieren ist. Zudem ist sie nur schwer im Handel zu erhalten.
Es wurde nun gefunden, daß man erfindungsgemäß bei der Herstellung von m-Nitrobenzoesäure eine besonders günstige Isomerenverteilung erhält, wenn die Nitrierung in Gegenwart von Schwefeltrioxid unter Umrühren des Reaktionsgemischs durchgeführt wird, wobei die Menge des Schwefeltrioxids mehr als 10 Gew.-% und weniger als ca. 90 Gew.-%, gerechnet auf die gesamte Menge an Schwefelsäure und Schwefeltrioxid, beträgt, und die Reaktionstemperatür unter 30° C gehalten wird.
Zweckmäßigerweise führt man das Verfahren der Erfindung unter starkem Rühren des Reaktionsgemisches aus, so daß die sulfonierende und zersetzende Einwirkung des Schwefeltrioxids im wesentlichen vermieden wird.
Die Nitrierungstemperatur wird zweckmäßigerweise unter etwa 20° C, z. B. unter 10° C gehalten. Besonders gute Ergebnisse erhält man bei Reaktionstemperaturen unter 00C. Die Schwefeltrioxidmenge in der Oleummischung soll größer als 20 Gew.-%, zweckmäßig größer als 40 und insbesondere größer als 60 Gew.-% sein. Die Gesamtmenge an Schwefelsäure, berechnet als H2SO4, und Schwefeltrioxid soll mindestens 200 und insbesondere mindestens 300 Gew.-%, berechnet auf die Benzoesäuremenge, betragen. Die Salpetersäuremenge kann gewöhnlich gleich der theoretischen Menge oder unbedeutend größer sein. Man kann jedoch in gewissen Fällen mit einem größeren Überschuß an Salpetersäure, z. B. mindestens 10% Überschuß, berechnet auf die theoretische Menge, arbeiten.
Man kann das Verfahren der Erfindung so durchführen, daß man Benzoesäure einem Gemisch von Salpetersäure, Schwefelsäure und Schwefeltrioxid zusetzt. Zweckmäßigerweise arbeitet man jedoch so, daß man ein Gemisch von Schwefelsäure und Schwefeltrioxid, Salpetersäure und Benzoesäure abwechselnd oder parallel miteinander, kontinuierlich oder diskontinuierlich, innerhalb von mindestens 30 Minuten, insbesondere innerhalb von mindestens einer Stunde, zusetzt.
Für die Durchführung des Vefahrens der Erfindung sollte sowohl die sulfonierende als auch die allgemeine zersetzende Wirkung des Schwefeltrioxids auf organisehe Substanzen beachtet werden. In schwachem Oleum - dies ist eine übliche Bezeichnung für Salpetersäure/Schwefeltrioxid - sind diese Gefahren gering. Besonders groß sind sie jedoch in stärker kon-
zentriertem Oleum, ζ, B, bei dem handelsüblichen, 65%igem Oleum, das zu 65% aus SO3 und zu 35% aus H1SO1 besteht. Die nachteilige Wirkung des Schwefeltrioxids kann man jedoch bei dem Verfahren der Erfindung erst vollständig durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen unterdrücken:
t. Durch Zusatz von Benzoesäure zu einer Mischung von Salpetersäure und Oleum;
2. durch wirkungsvolles Umrühren während der Reaktion; das Umrühren ist zweckmäßig und gelegentlich sogar notwendig, damit man ein gutes Ergebnis erhält;
3. durch Ausführung der Reakion bei niedrigen Temperaturen, insbesondere bei starkem Oleum. In Oleum mit einer Zusammensetzung entsprechend 1 Mol SO3 und 1 Mol H2SO4 oder ähnlichen Zusammensetzungen, ebenso in schwächerem Oleum, kann man jedoch die Nitrierung bei Zimmertemperatur oder etwas erhöhter Temperatur ausführen. Eine niedrige Temperatur beim Nitrieren ist außerdem deswegen günstig, weil die Gehalte an o- und p-Isomeren geringer als bei höheren Temperaturen sind.
In bestimmten Fällen kann bei der Nitrierung ein Teil des o-Isomeren zersetzt werden. Man erkennt dies an der Dunkelfärbung des Reaktionsgemischs. Wenn man die Nitrierung unter der Beachtung der obigen Parameter durchführt, hat dies jedoch keine oder nur eine geringe Einwirkung auf die Qualität der m-Nitrobenzoesäure nach dem Umkristallisieren oder auf die erzielte Ausbeute.
Zur Verringerung des Zeitaufwands und des Kühlungsbedarfs für das Nitrierungsverfahren kann man im voraus und z. B. unter Wasserkühlung ein Gemisch von Salpetersäure und einem gewissen \nteil der erforderlichen Menge Oleum zubereiten. Man kann dann bei der Durchführung des Nitrierungsverfahrens die einzusetzende Salpetersäure dadurch bereitstellen, daß man diese sogenannte Nitriersäure einsetzt, die dann zusammen mit weiterem Oleum das Nitrierungs- und Reaktionsmittel für das Verfahren bildet.
Die Nitrierung erfolgt im wesentlichen nur mit einer Mischung von Salpetersäure und Oleum; es können jedoch auch geringere Mengen von beim Nitrieren im wesentlichen inerten Stoffen in der Reaktionsmischung vorhanden sein.
Die schwefelsäurehaltige wäßrige Mutterlauge, die bei der Gewinnung der m-Nitrobenzoesäure (Rohprodukt) aus der Nitriermischung entsteht, ist unter Umweltschutzgesichtspunkten problematisch, da die Schwefelsäure durch Abdestillation von Wasser aus der Mutterlauge leicht als konzentrierte Schwefelsäure zurückgewonnen werden kann.
Beispiel 1
SO ml konzentrierte Schwefelsäure (96%ig), 38 ml 99%ige Salpetersäure und 125 ml 65%iges Oleum wurden in der genannten Reihenfolge unter Kühlung gemischt, Die Salpetersäure ist hier mit 340 g 45%igem Oleum gemischt. Zur Mischung wurden un* tcr Rühren 100 g Benzoesäure in kleinen Mengen während de Verlaufs von 2 Stunden zugesetzt, während die Temperatur bei 25-30° C gehalten wurde. Kurze Zeit darauf wurden 300 ml Wasser hinzugesetzt und es wurde gekühlt. Das auskristallisierte Produkt wurde herausgefiltert, gewaschen und getrocknet. Es wog 137 g und enthielt 2,9% H2SO1 und 2,2% H2O.
Die Isomerverteilung war 91 % m-, 8% o- und < 1 % P-Nitrobenzoesäure, Nach Umkristallisierung in Wasser erhielt man eine m-Nttrobenzoesäure mit sehr hoher Qualität und eine Ausbeute von 83% der theo-■"' retischen, gerechnet auf die Benzoesäure.
Beispiel 2
Zu einer Mischung von 38 ml 99%iger Salpetrrsäure und 150 ml 65%igem Oleum wurden in kleinen Mengen während 2 Stunden 100 gr Benzoesäure zugesetzt, während die Temperatur durch Kühlung und wirksames Umrühren bei 10-15° C gehalten wurde. Nach Erwärmung auf eine Temperatur etwas über der
|. Zimmertemperatur wurden 300 ml Wasser zugesetzt und es wurde gekühlt. Das auskristallisierte Produkt wurde herausgefiltert, mit Wasser gewaschen und getrocknet. Es wog 135 gund enthielt 2,5% H1SO4 und 1,2% H2O. Die Isomerverteilung betrug 95% m-, 4%
5() o- und "weniger als 1% P-Nitrobenzoesäure. Nach Umkristallisierung in Wasser erhielt man eine m-Nitrobenzoesäure mit sehr hoher Qualität mit einer Ausbeute von 88 Prozent der theoretischen, berechnet auf die Benzoesäure.
-"' Beispiel 3
100 ml 96%ige Schwefelsäure, 40 ml 99%ige Salpetersäure und 150 ml 65%iges Oleum wurden unter Kühlung gemischt. Die Salpetersäure ist hier mit 480 g 34%igem Oleum gemischt. Zur Mischung wurden un-
"' ter Umrührung 100 g Benzoesäure in kleinen Portionen während ca. 1 Stunde zugesetzt, während die Temperatur zwischen 2 und 10° C gehalten wurde. Nach etwa V2 Stunde wurde auf eine Temperatur über der Zimmertemperatur gewärmt, worauf 350 ml
J> Wasser zugesetzt wurden und gekühlt wurde. Das auskristallisierte Produkt wurde herausgefiltert, gewaschen und getrocknet. Es wog 140 g und enthielt 4,2% H2SO4 und 1,0% H2O. Die Isomerverteilung betrug 92,5% m-, 6,5% o- und wenigeres 1 % P-Ni-
trobenzoesäure.
Beispiel 4
Zu einer Mischung von 40 ml 99%iger Salpetersäure und 150 ml 65%igem Oleum wurden unter
4> kräftigem Umrühren 100 g Benzoesäure in kleinen Mengen während 2 Stunden zugesetzt, während die Temperatur zwischen 0 und -50C gehalten wurde. Nach einiger Zeit wurde auf ca. 30° C gewärmt, worauf 300 ml Wasser zugesetzt wurden und gekühlt
'" wurde. Das auskristallisierte Produkt wog 133 g und enthielt 1,1% H2SO4 und 0,5% H2O. Die Isomerverteilung betrug 96% m-, 3,5% o- und ca. 0,5% P-Nitrobenzoesäure. Nach Umkristallisierung in Wasser erhielt man eine m-Nitrobenzoesäure mit sehr hoher
'" Qualität bei einer Ausbeute von 90 Prozent der theoretischen, gerechnet auf die Benzoesäure.
Beispiel 5
ho 80 ml 95%ige Schwefelsäure, 38 ml 99%ige Salpetersäure und 200 ml 65%iges Oletim wurden in der genannten Reihenfolge unter Kühlung gemischt. Die Salpetersäure ist hier mit 545 g 45%igem Oleum gemischt. Der Mischung wurden unter Umrühren 100 g
hi Benzoesäure in kleinen Mengen während 2 Stunden zugesetzt, während die Temperatur zwichen 0 und — 5° C gehalten wurde. Nach V2 bis 1 Stunde wurde auf Zimmertemperatur erwärmt. Darauf wurden
350 ml Wasser zugesetzt und es wurde gekühlt. Das auskristallisierte Produkt wurde herausgefiltert, gewaschen und getrocknet. Es wog 133 g und enthielt 2,4% H1SO4 und 1,3% H2O. Die Isomerverteilung war 979Sm-, 2,5% o- und 0,5% P-Nitrobenzoesäure. Nach UmkristalHsierung in Wasser erhielt man eine m-Nitrobenzoesäuremitsehr hoher Qualität bei einer Ausbeute von 90% der theoretischen, gerechnet auf die Benzoesäure.
Beispiel 6
Zu einer Mischung von 40 ml 90%iger Salpetersäure und 200 ml 65 %igem Oleum wurden unter Umrührung 100 g Benzoesäure in kleinen Mengen während 2 Stunden zugesetzt, während die Temperatur zwischen 0 und — 5 ° C gehalten wurde. Nach einiger Zeit wurde auf eine Temperatur etwas über der Zimmertemperatur erwärmt. Darauf wurden 350 ml Wasser zugesetzt und es wurde gekühlt. Das auskristallisierte Produkt wurde herausgefiltert, gewaschen und getrocknet. Es wog 133 g und enthielt 1,8% H,SO4 und 0,5% H2O. Die Isomerverteilung war 97,5% m-, 2% o- und 0,5% P-Nitrobenzoesäure. Nach Umkristallisierung in Wasser erhielt man eine m-Nitrobenzoesäure mit sehr hoher Qualität bei einer Ausbeute von 90% der theoretischen, gerechnet auf die Benzoesäure.
Beispiel 7
Zu einer Mischung von 45 ml 99%iger Salpetersäure und 250 ml 65%igem Oleum wurden unter Umrührung 10 g Benzoesäure in kleinen Mengen während ca. 15 Minuten zugesetzt, während die Temperatur zwischen -5 und -10" C gehalten wurde. Darauf wurden 5 ml 99%jge Salpetersäure und darauf weitere 90 g Benzoesäure portionsweise während ca. 2 Stunden bei der gleichen Temperatur wie bei der > ersten 10 g Benzoesäure zugesetzt. Nach etwa '/, Stunde wurde auf Zimmertemperatur erwärmt, worauf 400 ml Wasser zugesetzt und gekühlt wurde. Das auskristallisierte Produkt wurde herausgefiltert, gewaschen und getrocknet. Es wog 129 g und enthielt
'" 0,5% H2SO4 und 0,25% H2O. Die Isomerverteilung war 98,5% m-, weniger als 1% o- und weniger als 0,5% P-Nitrobenzoesäure. Nach UmkristalHsierung in (einer geringen Menge) Wasser erhielt man eine m-Nitrobenzoesäure mit sehr hoher Qualität bei einer
ι ϊ Ausbeute von fast 92% der theoretischen, gerechnet auf die Benzoesäure.
Beispiel 8
Zu siner Mischung von 40 ml 99%iger Salpetcr-
λι säure und 280 ml 65%igem O.luim wurde unter Umrührung 100 g Benzoesäure in Merien Mengen während ca. 2 Stunden zugesetzt, während die Temperatur zwischen 0 und —5° Cgehalten wurde. Nach einer halben Stunde wurde auf Zimmertemperatur er-
r> wärmt, worauf 400 ml Wasser zugesetzt wurden und gekühlt wurde. Das auskristallisierte Produkt wurde herausgefiltert, gewaschen und getrocknet. Es wog 125 g und enthielt 2,0% H2SO4 und 0,7% H2O. Die Isomerverteilung war mehr als 90% m-, weniger als
in 0,5% o- und weniger als 0,5% p-Nitrobenzoesäure. Diese m-Nitrobenzoesäure kann ohne UmkristalHsierung für gewisse Zwecke, z. B. Reduktion auf m-Aminobenzoesäure angewandt werden.

Claims (1)

  1. Patentanspruch;
    Verfahren zur Herstellung von m-Nitrobenzoesäure durch Nitrierung von Benzoesäure mit einer Mischung von Salpetersäure und Schwefelsäure, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrierung in Gegenwart von Schwefeltrioxyd unter Umrühren der Reaktionsmischung ausgeführt wird, wobei die Menge des Schwefeltrioxyds mehr als 10 Gewichtsprozent und weniger als ca. 90 Gewichtsprozent, gerechnet auf die gesamte Menge an Schwefelsäure und Schwefeltrioxyd, beträgt und die Reaktionstemperatur unter 30° C gehalten wird.
DE19752540899 1974-10-03 1975-09-13 Verfahren zur Herstellung von m-Nitrobenzoesäure Expired DE2540899C3 (de)

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CH654569A5 (de) * 1980-04-09 1986-02-28 Ciba Geigy Ag Verfahren zur herstellung von m-nitrobenzoesaeure.
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