DE2645477C2

DE2645477C2 - Verfahren zur Herstellung von Orthoessigsäurealkylestern

Info

Publication number: DE2645477C2
Application number: DE2645477A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Chem. Dr. Daum; Hans-Georg Dipl.-Chem. Dr. 5216 Niederkassel Schmidt; Wilhelm Dipl.-Chem. Dr. 5000 Köln Vogt
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Priority date: 1976-10-08
Filing date: 1976-10-08
Publication date: 1982-03-04
Also published as: FR2367041A1; JPS5346911A; CH630331A5; FR2367041B1; DE2645477A1; NL7711044A; US4182910A; DK446277A; IT1112095B; GB1550775A; BE859479A

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur 30 Alkylrest mit 1 bis 8 C-Atomen ist, bei der Acetonitril Herstellung von Orthoessigsäurealkylestern der Formel

mit den entsprechenden wasserfreien Alkoholen und trockenem Chlorwasserstoff in einer Zweistufenreaktion in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels umgesetzt wird, wobei in der ersten Stufe die Umsetzung zu dem entsprechenden Imidoesterhydrochlorid erfolgt (Gleichung I), welches in säurefreiem Zustand in einer zweiten Stufe einer Alkoholyse unterworfen wird (Gleichung II) und wobei anschließend das dabei gebildete Ammonchlorid vor der in welcher R ein gesättigter,gegebenenfalls verzweigter 4» Destillation der Reaklionslösung abgetrennt wird.

O —R

CHj—C —O —R
O —R

CH₃CN + HCI + R-OH

NH₂

CH₁-C (D

O —R

NH₂

CH₃-C CI^H + 2ROH

0 —R

O —R

CH,-C —O—R + NH₄CI

O—R

(H)

Die Herstellung von Orthocarbonsäureestern entsprechend den Gleichungen I und Il ist bekannt (vgl H, Meerwein in Houben- We'yl, Bd. 6/3, Seiten 300 bis 324, 1965). Dieses Verfahren wird durch eine Reihe von Nebenreaktionen nachteilig beeinträchtigt: Das Imido-•Ikylesterhydrochlorid Zerfällt aufgrund seiner Tempe^ raUirempfindlichkeit leicht in Acetamid Und Alkylchloridi Mit Alkohol reagiert es weiterhin in zwei Nebenreaktionen zu Dialkyläther, Acetamid und HCl so sowie zu Dialkyläther. Essigsäurealkylester und Ammonchlorid. Außerdem ist die Bildung von Alkylchlorid durch eine nucleophile Substitutionsreaktion zwischen dem Alkohol und der Salzsäure möglich.
Zur Erzielung hoher Orlhoesteraüsbeute ist ein Zurückdrängen dieser Nebenreaktionen unbedingt erforderlich. Aus diesem Grunde ist es auch schon aus der obengenannten Literaturstelle her bekannt, die gesamte Reaktion bei sehr tiefen Temperature^

nämlich bei O bis -3O⁰C, durchzuführen. Als organisches Lösungsmittel wird dabei Äther empfohlen und die Alkoholyse des Imidoesterhydrochlorids wird mit einer stöchiometrisch überschüssigen Menge Alkohol durchgeführt

Hinsichtlich der Raum-Zeit-Ausbeute befriedigen diese Verfahrensweisen nicht. Die Ausbeuten liegen, bezogen auf Acetonitril, bei etwa 64 bis 74%, und die Reaktionszeit — allein für die Herstellung des Imidoesterhydrochlorids — beträgt 48 Stunden. Nachteilig ist weiterhin, daß die beschriebenen Verfahren sich nicht zur Herstellung von Orthoessigsäurealkylestern in technischem Maßstab eignen, da sie sehr umständlich und aufwendig sind. Außerdem erfordert das Arbeiten mit derart leicht entzündlichen Stoffen wie Äther aus Sicherheitsgründen einen erheblichen apparativen Aufwand.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes, handhabungssicheres Verfahren zu schaffen, das die Herstellung von Orthoessigsäurealkylestem in hoher Ausbeute und in technischem Maßstab ermöglicht.

Durch die vorliegende Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß man als organisches Lösungsmittel ein inertes Lösungsmittel mit einer Dielektrizitätskonstanten von S 2,6, gemessen bei 25° C, einsetzt, die Imidoesterhydrochloridbildung bei Temperaturen bis zu 35°C durchführt, daraufhin vor der Alkoholyse dem Reaktionsgemisch soviel Alkali- und/oder Erdalkalialkoholat zufügt, daß die Lösung neutral oder schwach basisch reagiert und anschließend die Alkoholyse bei Temperaturen zwischen 30 und 40° C durchführt und daraufhin den Orthoessigskurealk;, «ester isoliert.

Die inerten organischen Lösungsmittel werden im allgemeinen im Gewichtsverhältm. Lösungsmittel zu Acetonitril wie 1 :1 bis 5 :1 eingesetzt.

Bevorzugt werden solche Lösungsmittel mit den genannten Dielektrizitätskonstanten, deren Siedepunkte oberhalb der jeweiligen Arbeitstemperaturen bei der Durchführung des Verfahrens liegen. Geeignete Lösungsmittel sind z. B. o-, m- oder p-Xylol, Toluol. Tetrachlorkohlenstoff. Cyclohexan, η-Hexan, Iso'-ctan. Dekalin, Petroläther einzeln oder in Gemisch. Die Lösungsmittel sollten möglichst wasserfrei sein.

Die Mitverwendung des erfindungsgemäß eingesetzten organischen Lösungsmittels bei der Umsetzung von Acetonitril mit Alkanolen und Chlorwasserstoff (Gleichung I) ei möglicht ein Arbeiten bei höheren Temperaturen. Überraschenderweise werden die Ausbeuten dabei nicht nur nicht erniedrigt, sondern sogar erhöht, wenn man die für das jeweils herzustellende Imidoesterhydrochlorid zulässigen maximalen Arbeitslemperaturen nicht überschreitet.

Insbesondere arbeitet man bei der Herstellung der Orthoessigsäuremethyl- und äthylester in der ersten Reaktionsstufe bei Temperaturen von > 0 bis 35⁰C. vorzugsweise 25 bis 30°C. Ein Überschreiten der oberen Grenze führt unter anderem auch zu einem unerwünschten spontanen Auskristallisieren des Imidoesterhydrochlorids.

Es ist zweckmäßig, bei der Reaktion nach Gleichung 1 mit einem bis etwa 10 Mol.'% Überschuß an HCl zu ■rbeiten, bezogen auf Acetonitril Ein zu hoher HCUÜberschuß setzt die Orthoesterausbeute herab, obwohl vor Beginn der Alkoholyse die überschüssige HCl neutralisiert wird. Optimale Ausbeuten werden bei etwa bis zu 5 MöL*% HGl Überschuß (bezogen auf Acetonitril) erreicht.

In Gegenwart der beanspruchten Lösungsmittel bewirkt die Temperaturführung im zweiten Reaktionsschritt, daß die Acetamidbildung auf ein Minimum reduziert wird.

Besonders bei der Herstellung der Ci- und C2-Ester soll die Alkoholyse bei Temperaturen zwischen 30 und < 40° C, vorzugsweise bei 35° C durchgeführt werden.

Die destillative Aufarbeitung des gebildeten Orihoacetats soll nach Möglichkeit nach vollständiger

ίο Abtrennung des gebildeten Ammonchlorids erfolgen, da sich beim Erhitzen von Orthoacetat auf 100⁰C in Xylol in Gegenwart von NH4CI auf Kosten des Orthoesters Essigsäurealkylester und Acetamid bilden. Entsprechende Verhältnisse liegen bei der destillativen Aufarbeitung

is e'er Reaktionslösung vor. Das NH4CI wird zwar vor der Destillation z. B. durch Zentrifugieren oder Filtrieren abgetrennt, jedoch enthält das Filtrat noch ca. 1 Gew.-% gelöstes NH₄CI, welches unter Destillationsbedingungen den Acetamid- und Essigesteranteil erhöht Durch restloses Entfernen des NH₄CI, welches unter Destillationsbedingungen den Acetamid- und Essigesteranteil erhöht. Durch restloses Entfernen des NH4CI wird dieser Effekt ausgeschaltet, was durch Aussalzen oder noch besser durch Zugabe von überschüssigem Alkoholat (bezogen auf Rest NH₄Cl) vor der Destillation erreicht wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgmäßrη Verfahrens ist daher vorgesehen, der Reaktionslösung nach dem Abtrennen des bei der Alkoholyse ausgefallenen Ammonchlorids vor der

jo Destillation ein Alkali- und/oder Erdalkalialkoholat zuzusetzen.

Das zur Entsäuerung der Reaktionsmischung vor der Alkoholyse verwendete Alkoholat wird in einer solchen Menge zugegeben, daß die Lösung (gegen Methylrot)

j-, neutral bis schwach basisch ist.

Bevorzugt werden Alkali- und/oder Erdalkalialkoho-Iate. die in der jeweiligen Reaktionslösung gut löslich sind. Bevorzugt werden Natriumalkoholate. Sie sollten, wie auch die übrigen Reaktionsteiln^hmer, in möglichst wasserfreiem Zustand eingesetzt werden.

Die Alkoholate leiten sich von gesättigten, gegebenenfalls verzweigtkettigen Ci- bis Ce-Monoalkanolen her.

Die vor der Alkoholyse zuzusetzenden Alkoholate

4-, leiten sich von den gleichen Alkoholen her, die in der ersten Reaktionsstufe (Umsetzung zum Imidoesterhydrochlorid) verwendet werden. Bevorzugt werden der zu destillierenden Lösung ebenfalls solche Alkoholate zugesetzt, die sich von den gleichen Alkoholen herleiten wie sie zur Umsetzung und/oder Alkoholyse verwendet werden, obwohl grundsätzlich die Verwendung anderer Alkoholate nicht ausgeschlossen werden soll.

Das vor der Destillation zuzugebende Alkoholat wird im allgemeinen im Molverhältnis Alkoholat zu gelöstem

Ammonchlorid > I eingesetzt. Überschüssige Mengen werden bevorzugt, insbesondere 5 bis 10 Mol % Überschuß. Zur Umsetzung nach Gleichung I und Alkoholyse nach Gleichung II werden bevorzugt die gleichen Alkanole eingesetzt.

Die Reaktionskomponente Alkanol wird zur Imidoalkylesterlrydroehloridbildung vorzugsweise in bis zu iö Mol-% Überschuß, Vorzügsweise 5 MoN%, Und die Reaktionskomponente HCI zur imidoalkyiesterhy* drochloridbildung Vorzugsweise in bis zu 5 MoU°/o

es Überschuß eingesetzt.

Bei der Alkoholyse des Imidoalkylesterhydrochlortds zum Orthoessigester, kann das Alkanol im stöchiometrl· sehen Verhältnis, vorzugsweise in bis zum 1'^fachen

der stöchjometrisch erforderlichen Menge eingesetzt werden. Insbesondere wird die 1'Mache Menge eingesetzt

Die Durchführung der erfindungsgemäßen Reaktion erfolgt zweckmäßigerweise so, daß man den Chlorwasserstoff in eine gekühlte Lösung von Acetonitril, Alkanol und inerten organischen Lösungsmittel einleitet Dabei soll die Temperatur ca. 1O⁰C, vorzugsweise ca. 5°C nicht überschreiten. Anschließend wird die Reaktionsiemperatur auf die optimale Arbeitstemperatür, z.B. 30°C angehoben, wobei die Hydrochloridbildnng einsetzt Wenn die Hydrochloridbildung abgeschlossen ist (z. B. nach 10- bis 15stündigem Rühren der Mischung) neutralisiert man gegen Methylrot mit der dazu notwendigen Menge an Alkoholat.

Dann wird zur Alkoholyse des Imidoalkylesterhydrochlorids das entsprechende Alkanol zugegeben und z.B. 4 bis 6 Stunden bei z.B. 35°C gerührt Das entstandene NH₄CI wird abgetrennt, vorzugsweise abzentrifugiert, der Rest NH₄C1-Gehalt in der Lösung durch Titration mit AgNOj besthnmt und die erforderliche Menge Alkoholat, vorzugsweise ·τι Überschuß, zugegeben und nach Filtration fraktioniert destilliert

Bei der Umsetzung nach Gleichung ί und bei der Alkoholyse nach Gleichung II werden die Reaktionsgemische zweckmäßig in ständiger Bewegung gehalten, beispielsweise mittels einer Rührvorrichtung oder durch Umwälzen, z. B. mittels einer Umwälzpumpe. Die Reaktionsstufen 1 und 2 werden bei Normaldruck durchgeführt. Die destillative Abtrennung der Orthoessigsäurealkylester aus den Lösungen kann bei Normaldruck, gegebenenfalls aber auch bei Unterd-uck erfolgen.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Ausbeuten liegen im allgemeinen bei über 80%, bezogen auf eingesetztes Acetonitril. Auch die Raum-Zeit-Ausbeuten sind wesentlich besser als bei den bisher bekannten Verfahren. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Umsetzung und die Alkoholyse in einem Zuge, d. h. ohne Unterbrechung des Verfahrensablaufs durchgeführt werden kann. Die Isolierung des entstandenen Imidoesterhydrochlorids und dessen Waschung bis zur Säurefreiheit beispielsweise nicht erforderlich sind.

Orthoessigsäurealkylester sind wertvolle Zwischen- 4, produkte für organische Synthe-len, insbesondere für die Herstellung von Pharmazeutica und Insektiziden.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele erläutert.

Beispiel! ⁵ⁿ

Eine Lösung von 845 g (20,61 Mol) Acetonitril und 692 g (21,63 Mol) Methanol in 1500 g o-Xylol wird auf — IOC abgekühlt und dann innerhalb von 100 Min. 789 g (21,62 Mol) wasserfreier Chlorwasserstoff unter Rühren direkt in die Lösung eingeleitet, woliei die Temperatur bis auf + 10°C ansteigt. Nach Beendigung des Einleitungsvorganges erwärmt man die Reaktionslösung auf 30"C; nach ca. 3 Stunden kristallisiert das Imidomethylesterhydrochlorid aus; dann wird 8 Stun- _6n den bei 30" C weitergerührt. Danach gibt man zur Methanölyse 1530 g (47,8 Mol) Methanol zu und neutralisiert die überschüssige HCl gegen Methylrot mit 130 g SOgew^/oiger methanolischer Natnunvmethylat-Lösungi Nach der Neutralisation steigert man die Temperatur auf 35°C und rührt noch 4 Stunden. Dann wird auf 1O⁰C abgekühlt und das NH₄Cl abzenlfifugiefl. Der Feststoff Wird mit o-Xylol ausgewaschen und im vereinigten Filtrat der Restgehalt an gelöstem NH₄Cl (0,2298 Mol) durch Titration mit AgNO₃ bestimmt, und dann NaOCH3 im Oberschuß zugegeben (43 g einer 30%igen methanolischen NaOCH3-Lösung). Aus dem so behandelten Filtrat werden durch Fraktionierung über eine Füllkörperkolonne 2134 g (17,79 Mol = 86,3% Ausbeute auf eingesetztes CH3CN bezogen, 90% auf umgesetztes CH3CN bezogen) gewonnen, Sdp. 108-109° C.

Das im Destillationsrückstand zurückbleibende o-Xylol enthält als Verunreinigung hauptsächlich Acetamid, welches durch azeotrope Destillation entfernt wird. Das so gereinigte o-Xylol kann wieder eingesetzt werden.

Beispiel 2

Eine Mischung aus 410 g (10,0 MoI) Acetonitril, 336 g (10,5 Mol) Methanol und 1000 g Isooctan werden auf - 10°C abgekühlt und innerhalb von 90 Min. 383 g (10,5 Mol) wasserfreier Chlorwasserstoff unter Rühren direkt in die Lösung eingeleitet, so daß die Temperatur auf + 5° C ansteigt.

Nach beendetem Einleitungsvor_bang wird auf 30°C erwärmt. Nach ca. 2 Stunden kristallisiert das Imidomethylesterhydrochlorid aus, dann wird noch ¹O Stunden bei 30⁰C weitergerührt Anschließend gibt man zwecks M-thanolyse 800 g (25 Mol) Methanol zu und neutralisiert die überschüssige HCI gegen Methylrot mit 66 g 30%iger methanolischer NaOCH j-Lösung. Nach der Neutralisation steigert man die Temperatur auf 35°C und rührt noch 5 Stunden. Dann wird auf 0°C abgekühlt und das NH₄CL abzentrifugiert Der Feststoff wird mit Isooctan ausgewaschen und im vereinigten Filtrat der Restgehalt an gelöstem NH₄CI (0,075 Mol) durch Titration mit AgNO₃ bestimmt und dann NaOCH j im Überschuß, bezogen auf gelöstes NH₄Cl, zugegeben (14 g einer 30%igen methanolischen NaOCHj-Lösung).

Das so behandelte Filtrat wird einer fraktionierten Destillation unterworfen. Zunächst gehen die Leichtsieder und Isooctan über, dann wird das Trimethylorthoacetat über Kopf abgenommen. Der zurückbleibende kristalline Rückstand, der zum größten Teil aus Acetamid besteht, wird noch einmal mit Isooctan gewaschen um Orthoesttrreste zu entfernen. Diese werden bei einem darauffolgenden Ansatz mitaufgearbeitet.

Ausbeute an Orthoessigsäuremethylester: 1028 g (8,57 MoI) = 85,7% auf eingesetztes Acetonitril bezogen, 89,5% auf umgesetztes Acetonitril bezogen.

Beispiel 3

410 g (10 Mol) Acetonitril und 483 g (10,5) Mol Äthanol werden in 900 g Dekalin gelöst und die Mischung auf - ICX abgekühlt. Unter Rühren werden .'j8J g (10,5 Mol) wasserfreier Chlorwasserstoff direkt in die Lösung eingeleitet. Die Einleitungsdauer beträgt 80 Min., dabei steigt die Temperatur trotz weiterer Kühlung auf +7X. Nach Beendigung des Einleitungsvorganges wird die Temperatur auf 3OX erhöht; nach 2,5 Stunden kristallisiert das lmidoäthylesterhydrochlorid aus; danach wird noch Il Stunden bei 30X weitergerührt. Die Suspension wird anschließend mit 1150 g (25 MoI) Äthanol versetzt und g<;gtn Methylrot mit 115 g 20%iger äthanolischer Na^Äthylatlösung neutralisiert. Nach der Neutralisation wird die Tempe· ralur auf 35° C angehoben und 5 Stunden gerührt. Nach Abkühlen auf IO^UC wird das Ammonchlorid abzentrifu* giert und mit Dekalin gewaschen. Die vereinigten Filtrate werden nach entsprechender Chloridbestim-

mung (Titration mit AgNCh) mit einem entsprechenden Überschuß Na-Äthanolat versetzt (35 g 20%iges äthanolisches Na-Äthanolat). Das so behandelte Filtrat wird an einer Füllkörperkolonne im Vakuum destilliert.

Man erhält 1414 g (8,73 Mol = 87,3%, bezogen auf eingesetztes Acetonitril und 91,2%, bezogen auf umgesetztes AcetonitriiyTriäthylorthoacetal. (Sdp. 66-68°C/41Torr).

Nach Abfiltration des Acetamids aus der Sumpfphase, kann das so gereinigte Dekalin wieder eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Orthoessigsäurealkylestern der Formel

O —R

CH₃-C-O-R

O —R

in welcher R ein gesättigter, gegebenenfalls verzweiger Alkylrest mit 1 bis 8 C-Atomen ist, durch Umsetzung von Acetonitril mit den entsprechenden π wasserfreien Alkoholen und trockenem Chlorwasserstoff in einer Zweistufenreaktion in Gegenwart eines organischen Lösungsmittel, wobei in der ersten Stufe die Umsetzung zu dem entsprechenden Imidoesterhydrochlorid erfolgt, welches in säurefreiem Zustand in einer zweiten Stufe einer Alkoholyse unterworfen wird, und wobei anschließend das dabei gebildete Ammonchlord vor der Destillation der Reaktionslösung abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man als organisches Lösungsmittel ein inertes Lösungsmittel mit einer Dielektrizitätskonstanten von ί 2,6, gemessen bei 25° C, einsetzt, die Imidoesterhydrochloridbildung bei Temperaturen bis zu 35°C durchführt, daraufhin vor der Alkoholyse dem Reaktionsgemisch soviel Alkali- oder Erdalkalialkoholat zufügt, daß die Lösung neutral oder schwach basisch reagiert, und anschließend die Alkoholyse bei Temperaturen zwischen 30 und 40° C durchführt und daraufhin den Orthoessigsäurealkylester isoliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis organisches Lösungsmittels zu Acetonitril 1 :1 bis 5:1 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionslösung nach dem Abtrennen des bei der Alkoholyse entstandenen festen Ammonchlorids vor der Isolierung des Orthoessigsäurealkylesters durch Destillation weiteres Alkali- und/oder Erdalkalialkoholat zugegeben wird.