DE2546096A1 - Verfahren zur herstellung von 4-alkyl- thiosemicarbaziden - Google Patents

Description

Bayer Aktiengese!!schaft u, _Okt. 1975

— 2S46Ü96

Zentralbereich Palente, Marken und Lizenzen

5090 Leverkusen, Bayerwerk

Rt/bc IVa/ZP

Verfahren zur Herstellung

von 4-Alkyl-thiosemicarbaziden

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues, chemisch eigenartiges Verfahren zur Herstellung von bekannten 4-Alkyl-thiosemicarbaziden, die als Zwischenprodukte für die Synthese von Pflanzenschutzmitteln, insbesondere von herbiziden Wirkstoffen, verwendet werden können.

Es ist bereits bekannt geworden, daß man 4-Alkyl-thiosemicarbazide erhält, wenn man Alky!isothiocyanate mit Hydrazin bzw. Hydrazinhydrat in Gegenwart eines Lösungsmittels umsetzt (vgl. G. Pulvermacher, Chemische Berichte _26, 2812 (1893) und 27, 622 (1894); K.A. Jensen, U. Anthoni, B. Kägi, Ch. Larsen, CTh. Pedersen, Acta Chem. Scand. 15 (1968)) .

a) R-NCS + H₂N-NH₂. (H₃O) > R-NH-CS-NH-NH₂

R=Alkyl

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♦ y. 2546036

Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß die als Ausgangsstoffe zu verwendenden Alkylisothiocyanate teuer sind und das Verfahren sich somit nicht wirtschaftlich gestalten läßt.

Weiterhin ist bereits bekannt geworden, daß man 4-Alkylthiosemicarbazide erhält, wenn man N-Alkyl-dithio-carbamatester mit Hydrazin in Gegenwart eines Lösungsmittels umsetzt (vgl. K.A. Jensen, U. Anthoni, B. Kägi, Ch. Larsen, CTh. Pedersen, Acta Chem. Scand ^2, 16 (1968); Derwent CPI 66.231 S, Section E).

b) R-NH-CS-SR +H₀N-NH₀ > R-NH-CS-NH-NH,

-R SH

R, R = Alkyl

Auch dieses Verfahren ist unwirtschaftlich, da die Ausbeuten teilweise nur ca. 65 % betragen und zudem die Beseitigung der als Nebenprodukte entstehenden Alkylmercaptane sehr aufwendig ist.

Außerdem ist bereits begannt geworden, daß man 4-Alkylthiosemicarbazide erhält, wenn man N-unsubstituierte Dithiocarbazatester mit primären Aminen umsetzt (vgl. K.A. Jensen, H. Anthoni, B. Kägi, Ch. Larsen, CTh. Pedersen, Acta Chem. Scand. 2j2, 17 (1968); R.S. Mc Elhinney, J. Chem. Soc. 1966, 950) .

C) R S-CS-NH-NH +RNH j > R-NH-CS-NH-NH,

^ -R SH

R,R = Alkyl

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Auch dieses Verfahren ist wenig wirtschaftlich, da die Ausbeuten bei 40 % und weniger, liegen und die Abspaltung von Mercaptanen spezielle Reinigungsvorrichtungen erforderlich macht.

Weiterhin ist bereits bekannt geworden, daß man Thiosemicarbazid und seine Alkyl-, Aryl-, Aralkyl- und heterocyclischen Derivate herstellen kann, wenn man Dithiocarbamate mit Hydrazin umsetzt (vgl. Deutsche Patentschrift 832 891).

d) R-NH-CS-SK + NH₂-NH₂ > R-NH-CS-NH-NH₂

-KHS

R=Alkyl, Aryl, Aralkyl, Heterocyclus K=Ammonium, Kalium

Doch können die Alky!verbindungen nach den dort angegebenen Verfahrensbedingungen nur in äußerst geringer Ausbeute (unter 1 %) erhalten werden. Dies hat dazu geführt, daß in (vgl. K.A. Jensen, U. Anthoni, B. Kägi, Ch. Larsen, CTh. Pedersen, Acta Chem. Scand. 2j2, 17 (1968)) erwähnt wird, daß bei Erhitzen der Hydraziniumsalze von N-Alkyl-dithiocarbaminsäuren in Lösungsmitteln die 4-Alkyl-thiosemicarbazide (I) nicht erhalten werden.

Es wurde nun gefunden, daß man die bekannten 4-Alkylthiosemicarbazide der Formel (I)

R-NH-CS-NH-NH₂ (I)

in welcher

R für Alkyl steht,

erhält, wenn man die Hydraziniumsalze der entsprechenden N-Alkyl-dithiocarbaminsäuren der Formel (II)

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« ^Θ

R-NH-CS-S^U NH₃-NH₂ (II)

in welcher

R die oben angegebene Bedeutung hat,

in einem Lösungsmittel in Gegenwart von Schwefel, gegebenenfalls in Gegenwart von Hydrazinhydrat, bei vermindertem Druck oder unter Durchleiten eines Inertgases, bevorzugt auf Temperaturen zwischen 60 und 8o°C erhitzt. Die Hydraziniumsalze der Formel (II), die aus den entsprechenden Alkylaminen, eventuell unter Verwendung von Ammoniak als Base und Schwefelkol· lenstoff und Hydrazin erhältlich sind, brauchen dabei nicht isoliert zu werden, sondern können direkt veiter umgesetzt v-erden.

Es ist als ausgesprochen überraschend zu bezeichnen, daß bei den erfindungsgemäßen Verfahrensbedingungen die 4-Alkyl-thiosemicarbazide der Formel (I) in guter Ausbeute und Reinheit gebildet werden, da man im Hinblick auf den Stand der Technik erwarten mußte, daß höchstens geringe Umsetzungen stattfinden (vgl. K.A. Jensen, U. Anthoni, B. Kägi, Ch. Larsen, CTh. Pedersen, Acta Chem. Scand. 2J2, 17 (1968)).

Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Es verläuft mit sehr guten Ausbeuten, läßt sich bei niedrigen Temperaturen durchführen und benötigt als Hilfsstof-f lediglich katalytische Mengen Schwefel. Außerdem brauchen die als Ausgangsstoffe zu verwendenden Hydraziniumsalze der Formel (II) wie auch die sich vorher bildenden entsprechenden (Alkyl)-ammoniumsalze nicht isoliert zu werden, sondern können direkt weiter umgesetzt werden. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahrensvarianten ist das erfindungsgemäße Verfahren somit

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einfacher und wirtschaftlicher. Es verläuft ohne die Bildung von AlkylTiercaptanen.Die während der Verfahrensführung entstehenden Nebenprodukte Ammoniak und Schwefelwasserstoff werden durch die erfindungsgemäße Reaktionsführung auf einfache Weise entfernt und in Wäschern, die beispielsweise mit Natronlauge oder Schwefelsäure beschickt sind, absorbiert. Die 4-Alkylthiosemicarbazide fallen in guter Ausbeute ( > 80 %) und hoher Reinheit an. Dieselben guten Ausbeuten erhält man, wenn die nyaraziniumsaize zwischenzeitlich isoliert werden.

Verwendet man das Hydraziniumsalz eier N-Methyl-dithiocarbaminsäure, das z.B. aus Methylamin, Ammoniak, Schwefelkohlenstoff und Hydrazin hergestellt werden kann und nicht isoliert zu werden "braucht ("Eintopf verfahr en") als Ausgangsstoff, so kann der Reaktionsablauf durch das folgende Formelschema wiedergegeben werden:

CH₃NH₂ + 2NH₃ + CS₂ > FcH₃NH - CS - S⁰ NH₄

(T

-iih₂_7

Schwefel, " CH₇₅NH-CS-NH-NHj, erhitzen, ^D
ve rminderter
Druck oder N₂

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Die als Ausgangsstoffe zu verwendenden Hydraziniumsalze sind durch die Formel (II) eindeutig definiert. Hier steht R vorzugsweise für Alkylreste mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen,, insbesondere für Methyl. Sie sind noch nicht bekannt. Man erhält sie durch Umsetzung der Ammonium- oder Alky!ammoniumsalze der N-Alkyl-dithiocarbaminsäuren der Formel (III)

R-NH-CS-S^ H₃N-R (III)

in welcher

R für Wasserstoff oder Alkyl steht und R die oben angegebene Bedeutung hat,

mit Hydrazinhydrat in Gegenwart eines Lösungsmittels, beispielsweise Wasser und gegebenenfalls unter vermindertem Druck bei Temperaturen zwischen 20 bis 90 C. Die Hydraziniumsalze der Formel (II) werden dann entweder nach üblichen Methoden isoliert oder direkt in ihrer Reaktionslösung weiter umgesetzt.

Die als Ausgangsstoffe zu verwendenden Ammonium- bzw. Alkylammoniumsalze der N-Alkyl-dithiocarbaminsäuren der Formel (III) sind teilweise bekannt (vgl. Chem. Abstr. jS_T_, P 14539 h) Man erhält sie durch Umsetzung von wässrigen Alkylaminlösungen mit Ammoniak bzw. Alkylamin und Schwefelkohlenstoff bei Temperaturen von 0 bis 25°C. Sie werden entweder nach üblichen Methoden isoliert oder direkt in Lösung weiter umgesetzt. Die dabei zu verwendenden Alkylamine sind allgemein bekannte und leicht zugängliche Stoffe. Als Beispiele seien genannt:

Methylamin, Äthylamin, n-Propylamin, i-Propylamin, n-Butylamin, sec.-Butylamin, tert.-Butylamin.

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Als Verdünnungsmittel kommen für das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise Wasser und andere protische Lösungsmittel, beispielsweise Alkohole, wie Äthanol und Isopropanol der Formamide, wie Dimethylformamid, sowie deren Mischungen infrage.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Gegenwart von Schwefel als Katalysator durchgeführt, wodurch die Reaktionszeiten erheblich verkürzt werden. Es kann ferner Hydrazinhydrat zugesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Temperaturen zwischen und 90 C, vorzugsweise zwischen 60 und 8Cr c vorgenommen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei vermindertem Druck oder unter Durchleiten eines Inertgases durchgeführt. Im allgemeinen arbeitet man bei Drücken zwischen etwa 100 mm und 500 mm, vorzugsweise zwischen 300 mm und 400 mm Quecksilbersäule oder man verwendet vorzugsweise Stickstoff als Inertgas.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt man auf 1 Mol des Hydraziniumsalzes der N-Alkyl-dithiocarbaminsäure der Formel (II) etwa 0,1 - 0,01 Mol Schwefel als Katalysator und etwa 0,1 - 0,5 Mol Hydrazinhydrat ein. Nach der besonderen Ausführungsform, d.h. Nichtisolierung des Hydraziniumsalzes und seiner Vorstufe, dem Ammonium- bzw. Alkylammoniumsalz der Formel (III), setzt man auf 1 Mol Alkylamin 2 Mol wässrige Ammoniaklösung und 1 Mol Schwefelkohlenstoff bzw. auf 2 Mol Alkylamin 1 Mol Schw ef elkohlenstof f ein und läßt anschließend auf die Reaktionslösung etwa 1,1 bis 1,5 Mol Hydrazinhydrat in Gegenwart von 0,1 bis 0,01 Mol Schwefel

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einwirken, wobei entweder bei vermindertem Druck oder unter Durchleiten eines Inertgases gearbeitet wird. Die Aufarbeitung kann entweder durch Einengen der Reaktionslösung, Abkühlen auf

0 bis 1O°C und Absaugen der festen 4-Alkyl-thiosemicarbazide der Formel (I) erfolgen oder aber indem die bei der Umsetzung anfallenden Mutterlaugen und Waschfiltrate mehrfach als Reaktionsmedium verwendet und so die löslichkeitsbedingten Ausbeuteverlüste weitgehend vermieden werden.

Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren 4-Alkyl-thiosemicarbazide der Formel (I) können als Zwischenprodukte zur Synthese von Pflanzenschutzmitteln, insbesondere von herbiziden Wirkstoffen verwendet werden (vgl. u.a. die Deutschen Offenlegungsschriften 1 670 925, 1 816 568, 1 901 672,

1 912 543, 2 Ο28 778, 2 044 442 und 2 118 520).

Beispielsweise erhält man aus dem N-Methyl-thiosemicarbazid die herbizid wirksame Verbindung 3-(5-t-Butyl-1,3,4-thiodiazol-2-yl)-1,3-dimethyl-harnstoff (vgl. Deutsche Offenlegungsschrift

2 118 520) und die folgenden Versuchsbeschreibungen:

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1 . Stufe * *Λ*

Eine Lösung von 91,6 g N-Methyl-thioseinicarbazid und 102,3 g Trimethylessigsäure in 400 ml Dioxan wird bei 90 C langsam mit solcher Geschwindigkeit mit 160,5 g Phosphoroxychlorid versetzt, daß die Reaktionstemperatur ohne Wärmezufuhr im Bereich von 85 bis 90°C bleibt. Nach beendetem Zusatz wird das Gemisch mehrere Stunden auf 85 bis 90°C gehalten, bis die Chlorwasserstoffentwicklung aufhört, dann gekühlt und die überstehende Flüssigkeit von der festen Masse in dem Reaktionskolben dekantiert. Die Masse wird zerkleinert, in 700 ml Wasser aufgeschlämmt und durch langsamen Zusatz von Natriumhydroxidtabletten alkalisch gemacht (pH-Wert 8 bis 9). Der entstandene Niederschlag wird abfiltriert, mit Wasser gewaschen, an der Luft getrocknet und aus Hexan umkristallisiert. Man erhält 119,4 g (80 % der Theorie) 2-Methylamino-5-t-butyl-1,3,4-thiadiazol vom Schmelzpunkt 79-81°C.

2. Stufe

Zu einer Lösung von 486,5 g (2,85 Mol) 2-Methylamino-5-tbutyl-1,3,4-thiadiazol in 1700 ml Dioxan werden im Verlaufe einer Stunde unter Rühren 162 g (2,85 Mol) Methylisocyanat zugetropft, wobei die Temperatur auf 50 bis 55°C steigt. Nach weiterem, 1- bis 2-stündigem Rühren wird die Aufschlämmung in Eis gekühlt, filtriert und der Filterrückstand mit Hexan gewaschen. Man erhält 467 g (72 % der Theorie) 3- (5-t-Butyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl)-1,3-dimethylharnstoff vom Schmelzpunkt 162-164°C.

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Ά.

Herstellungsbeispiele

Die Herstellungsbeispiele a) und b) zeigen, daß das erfindungsgemäße Verfahren 4-Methyl-thiosemicarbazid in relativ kurzer Zeit (9-10 Stunden) und guten Ausbeuten Xi'erert. Arbeitet man ohne Schwefel als Katalysator, erhält man erst nach 15 Stunden 4-Methyl-thiosemicarbazid in ca. 85 %iger Ausbeute.

Beispiel 1

CH₃-NH-CS-NH-NH₂

a) Mit Schwefel als Katalysator und Stickstoff als Inertgas

100 g (1 Mol) wässrige Methylaminlösung (31 %ig) und 125 g (2 Mol) wässriges Ammoniak (27,1 %ig) werden mit 76 g (1 Mol) Schwefelkohlenstoff bei Raumtemperatur versetzt. Die erhaltene Dithiocarbamat-Lösung wird nach Zusatz von 3,2 g (0,1 Mol) Schwefel und 60 g (1,2 Mol) Hydrazinhydrat auf 75°C erhitzt und bis zur Beendigung der Schwefelwasserstoffentwicklung (ca. 9 bis 10 Stunden) mit Stickstoff durchgeblasen. Gegen Ende der Reaktion scheidet sich Schwefel ab, der heiß abfiltriert wird. Beim Erkalten der Reaktionslösung kristallisiert das Thiosemicarbazid aus. Man erhält 88,5 g 4-Methyl-thiosemicarbazid vom Schmelzpunkt 136-138°C.

b) Mit Schwefel als Katalysator und unter vermindertem Druck

200 g (2 Mol) wässrige Methylaminlösung (31 %ig) werden mit 76 g (1 Mol) Schwefelkohlenstoff bei Raumtemperatur versetzt. Die erhaltene Dithiocarbamat-Lösung wird nach Zusatz von 3,2 g (0,1 Mol) Schwefel und 60 g (1,2 Mol) Hydrazinhydrat bis zur Beendigung der Schwefelwasserstoffentwicklung (ca. 9 bis 10 Stunden) bei einer Temperatur von 75 bis 80°C und einem Druck von 400 nun gehalten. Gegen Ende der Reaktion scheidet sich Schwefel ab, der heiß abfiltriert wird. Der beim Erkalten aus-

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fallende Niederschlag wird abgesaugt, mit wenig kaltem Wasser . gewaschen und getrocknet. Man erhält 86,4 g 4-Methyl-thiosemicarbazid vom Schmelzpunkt 136-138 C.

c) Ohne Schwefel als Katalysator (=*· verlängerte Reaktionszeit) und unter vermindertem Druck) -'

100 g (1 Mol) wässrige Methylaminlösung (31 %ig) und 125 g (2 Mol) wässriges Ammoniak (27,1 %ig) werden mit 76 g (1 Mol) Schwefelkohlenstoff bei Raumtemperatur versetzt. Die erhaltene Dithiocarbamat-Lösung wird nach Zusatz von 60 g (1,2 Mol) Hydrazinhydrat bei einem Druck von 400 mm solange auf 80 C erhitzt, bis die Schwefelwasserstoffentwicklung beendet ist (ca. 15 Stundenl). Der ausgefallene Schwefel wird heiß abfiltriert und das nach Einengen und Erkalten auskristallisxerende Produkt abgesaugt, mit wenig kaltem Wasser gewaschen und getrocknet. Man erhält 89,2 g 4-Methyl-thiosemicarbazid vom Schmelzpunkt 13 5-137°C.

d) Mit Isolierung des Hydraziniumsalzes

Die wässrige Lösung aus 62 g (2 Mol) Monomethylamin und 76 g (1 Mol) Schwefelkohlenstoff wird nach Zusatz von 50g (1 Mol) Hydrazinhydrat bei 30 bis 40⁰C im Wasserstrahlvakuum zur Hälfte eingeengt. Dabei kristallisiert das Hydraziniumsalz der N-Methyl-dithiocarbaminsäure aus. Durch Zugabe von Äthanol läßt sich die Ausfällung vervollständigen. Das abgesaugte Salz wird in Wasser suspendiert und nach Zugabe von 10 g (0,2 Mol) Hydrazinhydrat und 3,2 g (0,1 Mol) Schwefel entsprechend Varianten a) oder b) weiter umgesetzt.

e) Wiederholung der Umsetzung in der Mutterlauge

137 g (1 Mol) des entsprechend d) isolierten Hydraziniumsalzes werden wie unter a) oder b) beschrieben zunächst in Wasser umgesetzt; dann werden die dabei anfallenden Mutterlaugen und Waschwässer für weitere Umsetzungen mehrfach wiederverwendet und so loslichkeitsbedingte Ausbeuteverluste weitgehend vermieden. Le A 16 655 - 11 -

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Claims (8)

Patentansprüche

1); Verfahren zur Herstellung von 4-Alkylthiosemicarbaziden der Formel (I)

R-NH-CS-NH-NH₂ (I)

in welcher

R für Alkyl steht,

bei dem Hydraziniumsalze der entsprechenden N-Alkyldithiocarbaminsäuren der Formel (II)

R-NH-CS-S® NH₃-NH₂ (II)

in welcher

R die oben angegebene Bedeutung hat

in einem Lösungsmittel erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in Anwesenheit von Schwefel und bei verminder ten Druck oder unter Durchleiten eines Inertgases und gegebenenfalls in Anwesenheit von Hydrazinhydrat durchgeführt wird.

2) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Temperaturen zwischen 40 und 90 C gearbeitet wird.

3) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

ca. 0,1 - 0,01 Mol Schwefel als Katalysator und. zusätzlich ü,1 - 0,5 Mol Hydrazinhydrat eingesetzt werden.

4) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Druck zwischen ca. 100 und 500 mm Quecksilbersäule gearbeitet wird.

5) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Reaktionslösung Stickstoff geleitet wird.

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6) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraziniumsalze der Formel II aus den entsprechenden Alkylaminen, Ammoniak, Schwefelkohlenstoff und Hydrazin hergestellt werden und sie ohne zwischenzeitliche Isolierung direkt weiter umgesetzt werden.

7) Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf 2 Mol Alkylamin 1 Mol Schwefelkohlenstoff eingesetzt wird.

8) Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Umsetzung anfallende Mutterlauge mehrfach wiederverwendet wird.

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