-
Verfahren zur Reduktion von 4-Oxopiperidinen zu 4-Hydroxy-
-
piperidinen.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von 4-Oxopiperidinen
zu 4-Hydroxypiperidinen.
-
2,2,6,6-Tetrasubstituierte 4-Hydroxypiperidine und ihre Derivate,
wie ihre Ester, sind wertvolle Stabilisatoren für Kunststoffe, wie Polyolefine,
um diese vor Zersetzung durch Licht oder Hitze zu schützen, wie z.B. im US Patent
3.640.928 beschrieben.
-
Diese 4-Hydroxypiperidine werden allgemein aus den entsprechenden
4
Oxopiperidinen durch Reduktion gewonnen, während die 4-Oxopiperidine ihrerseits
aus Ammoniak und einem Keton, wie Aceton, oder dessen Kondensationsprodukten zugänglich
sind, vgl. z.B. DT-OS 2.429.936 oder DT-OS 2.429.937.
-
Die Reduktion der 4-Oxopiperidine gelingt mit verschiedenen Reduktionsmitteln.
So gewinnt man das 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxy-piperidin aus dem 2,2,6,6-Tetramethyl-4-oxo-piperidin
(Triacetonamin) durch Reduktion mit Natriumborhydrid (Lutz et al, J.Org.Chem. 27
(1962), 1695-1703), mit Lithiumaluminiumhydrid (Briere, Commis. Energ. At. (Fr.),
Rapp. No. 3175, 105 und folgende (1967)), oder mittels katalytischer Hydrierung.
-
Dafür wurden als Hydrierungskatalysatoren vorgeschlagen: Platin in
Aethanol (Mailey et al, J.Org.Chem. 22 (1957) 1061-1065) oder Raney-Nickel in Aethanol
(Zhelyazkov, Farmatsiya (Sofia) 13 (3), 11-17 (1963) und Frankhauser et al, Helvetica
Chim.Acta 49 (1966), 690-695).
-
Diese bisher bekannten Verfahren zur Reduktion von 4-0xopiperidinen
sind jedoch für einen technischen Massstab nicht geeignet. Verläuft die Reduktion
in befriedigender Ausbeute und führt sie zu einem annehmbar reinen Produkt, so sind
teure chemische Reduktionsmittel erforderlich, wie bei Lutz et al, supra, die einen
Einsatz lediglich im Labormasastab erlauben.
-
Will man aber die wirtschaftlichere Reduktion mittels katalytischer.Hydrierung
durchführen, so zeigt sich, dass das gewünscht 4-Hydroxypiperidin nicht als reines
Reaktionsprodukt erhalten wird, dass es vielmehr durch Nebenprodukte und/oder Ausgangsmaterial
so verunreinigt ist, dass eine zusätzliche Reinigungsoperation notwendig ist. Da
diese Reinigung am ehesten durch Umkristallisieren zu erzielen ist, liegt hier ein
für den-technischen Massstab schwerwiegender Nachteil der
katalytischen
Reduktionsverfahren. So berichten Mailey et al, supra, zwar für Platin in Aethanol
von 89% Rohausbeute, miissen aber aus Benzol umkristallisieren, während Zhelyazkov,
supra, für Raney-Nickel nur 49% Ausbeute angibt, und Fankenhauser et al, supra,
für Raney-Nickel in Aethanol 96% Rohausbeute angeben und aus Aceton umkristallisieren
müssen.
-
Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zur Reduktion von 4-Oxopiperidinen
zu 4-Hydroxypiperidinen mittels katalytischer Hydrierung zu entwickeln, das obige
Nachteile vermeidet, das also insbesondere direkt zu einem reinen Produkt führt,
ohne weitere Reinigungsschritte erforderlich zu machen, das eine gute Ausbeute liefert,
einen guten Durchsatz gestattet, wenig Katalysator verbraucht und möglichst ohne
Sicherheitsrisiko abläuft, also kein selbstentzündliches System benutzt.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass man ein wasserfreies
4-Oxopiperidin in einem tertiären aliphatischen Phosphorsäureester in Gegenwart
eines Metall-, wie Ni-, Ru-, Rh-, Os-, IR--oder Pt-Katalysators bei einem Wasserstoffdruck
von 1-100 bar bei 20-1400C hydriert.
-
Vorzugsweise verwendet man als tertiären aliphatischen Phosphorsäureester
einen solchen, in dem die Alkoholreste verschieden oder insbesondere gleich sind
und verzweigtes oder insbesondere geradkettiges Alkyl mit 2-18 C-Atomen oder Cycloalkyl
mit 5-8 C-Atomen sind, wie Cyclopentyl oder Cyclohexyl, vor allem n-Alkyl mit 2-12
0-Atomen, insbesondere n-Butyl oder n-Octyl.
-
Die verwendeten Katalysatoren sind an sich bekannt. Bevorzugt verwendet
man Platin- oder Rhodium, insbesondere Ruthenium-und ganz besonders Nickel-Katalysatoren,
wie Platin auf Aktivkohle,
Rhodium auf Aktivkohle, Ruthenium auf
Kieselgur (5%) oder auf Aktivkohle (1 oder 5%), oder Nickel aktiviert mit Magnesium,
Zirkon oder Molybdän, Nickel nach Urushibara, oder insbesondere Raney-Nickel. Geeignet
verwendet man die Nickelkatalysatoren in Mengen von etwa 0,1-10, insbesondere 0,5-3
Gewicht-% bezogen auf das eingesetzte 4-Oxopiperidin, während man die anderen Katalysatoren
insbesondere in Mengen von etwa 0,01-3, insbesondere 0,3-3% verwendet.
-
Die Hydrierung geschieht bevorzugt bei etwa 90-12000, und dauert etwa
0,1-5 Stunden. Bevorzugt legt man einen Wasserstoffdruck von 1-20 bar an.
-
Das eingesetzte 4-Oxopipexidin ist vorzugsweise von hoher Reinheit,
wie von etwa 95-99,9%iger, insbesondere 97-99,9%iger Reinheit. WSn verwendet es
vorteilhaft in Konzentrationen von etwa 10-40, insbesondere 25-40 Gewichts-% : Der
verwendete Wasserstoff wird bevorzugt in etwa der stöchiometrisch erforderlichen
Menge eingesetzt.
-
Bevorzugt wird der Katalysator rezyklisiert. So kann man z.B.
-
so vorgehen, dass eine 30%ige Lösung von 98-99/Oigem Triacetonamin
in Tributylphosphat in Gegenwart von 3% Raney-Nickel bei 90-110°C unter 10 bar Wasserstoff
hydriert wird, der Katalysator abgetrennt wird, das Filtrat zur Kristallisation
des 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxy-piperidins auf 20"C gekühlt wird, dieses abfiltriert
wird, und der abgetrennte Katalysator in die phosphatische Mutterlauge eingebracht
wird, frisches Triacetonamin zugegeben wird und erneut hydriert wird, und dass dieser
Vorgang mindestens fünfmal mit derselben Mutterlauge und demselben Katalysator wiederholt
wird.
-
Das erfindungsgemässe Verfahren vermeidet die oben aufgezeigten Mängel
des Standes der Technik und bietet zudem die oben als wünschenswert bezeichneten
Vorteile. Insbesondere ist eine zusätzliche Reinigung des Produktes nicht erforderlich,
die 4-Hydroxypiperidine fallen in Ausbeuten von 85-99,5% rein an, etwa 98,5-99.,9%ig,
im Fall von 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydrox,ypiperidin mit einem Schmelzpunkt von 129-133°C.
Die Reaktionsmischung ist nicht selbstentznglich, der Flammpunkt liegt über 1300C.
Bei nur geringem Aktivitätsverlust, insbesondere im Fall von Raney-Nickel, können
die Katalysatoren vorteilhaft rezyklisiert werden. So können hochwirksame Kreislaufreaktoren
mit Zentrifugalpumpen und Mischdüsen, mit Filtern und Rückspülpumpen, Zentrifugen
und Austragsvorrichtungen konventioneller Art verwendet werden, ohne erhöhte Sicherheitsrisiken
tragen zu müssen. So kann man den Katalysatorverbrauch herabsetzen, indem man unter
Rezyklisierung mit einem hohen Katalysatorholdup hydriert, den man nach und nach
abbaut und einen kleinen Anteil davon vor jeder Reaktion austauscht. Auf diese Weise
können bei einem Katalysatorverbrauch von 1% Hydrierzeiten erreicht werden, die
sonst den Einsatz von 5% Katalysator erfordern.
-
Diese Vorteile bietet das erfindungsgemässe Verfahren in nicht vorhersehbarer
Weise. So war nicht voraussagbar, dass sich insbesondere wasserfreies Triacetonamin,
das Lutz et al, supra, verlzendeten, so hervorragend in tertiären aliphatischen
Phosphorsäureestern löst und darin beachtlich stabil ist.
-
Zudem war die katalytische Hydrierung in Phosphaten mit dem Vorurteil
belastet, dass Phosphorverbindungen Katalysatorgifte seien, vgl. Horner et al, Liebigs
Annalen 660 (1962) 1-23, der phosphororganischen Verbindungen allgemein eine Giftwirkung
zuschreibt, allerdings bereits die Ausnahme Triäthy
]phosphat erkannte.
Es sind auch nur vereinzelt Hydrierungen In Gegenwart von Phosphaten bekannt geworden,
z.B. im Anthrachinon-H202-Verfahren zur Reduktion des Anthrachinons, vgl. US-Patent
2.537.655, oder bei der Linolenat-Hydrierung, vgl. Sambasivarao et al, J. Am. Oil
Chemists Soc. 42 (1965) 1150-1152. Im Lichte dieses Standes der Technik war jedoch
nicht vorherzusehen, dass die erfindungsgemäss verwendeten Phosphate ein so viel
besseres Hydrier-Ergebnis liefern wärden als die bekannten Hydrierverfahren.
-
Der nächst vergleichbare Stand der Technik,Frankhauser et al, supra,
liefert bei der Reduktion von Triacetonamin bei einer Hydrierzeit von 5 Stunden
und 20% Raney-Nickel ausgehend von 97%ig reinem Hydrat in 95%igem Aethanol 90% Ausbeute,
während erfindungsgemäss bei einer Hydrierzeit von ebenfalls 5 Stunden mit nur 2%
Raney-Nickel ausgehend von 98%ig reinem wasserfreien Triacetonamin in Tributylphosphat
96% Ausbeute an weissem, kristallinem Produkt erhalten werden, das nicht umkristallisiert
werden muss.
-
Die Aufarbeitung kann ausserordentlich einfach erfolgen, wie im Fall
der Triacetonamin-Reduktion beschrieben sei. Nach Abtrennen des Katalysators über
eine Zentrifuge oder einen Filter bei erhöhter Temperatur (etwa 90°C) wird die klare
Lösung zur Kristallisation der 4-OH-Verbindung auf 0-20°C abgekühlt und filtriert.
Zur Entfernung des anhaftenden Phosphats wird mit Heptan oder Siedegrenzenbenzin
auf der Zentrifuge gewaschen. Je nach Kristallisationszeit und Temperatur fällt
die 4-OH-Verbindung in 98-99,5%iger Reinheit als weisse Kristallmasse mit Ausbeuten
von 85-95% der Theorie an, ohne Berücksichtigung der in der Mut terlauge vorhandenen
Menge. Versetzt man die Phosphatmutterlauge wieder mit Triacetonamin und mit dem
vorher abgetrennten Katalysator unter Zusatz von 10% frischem Kontakt, so lassen
sich Ausbeuten von 99% der Theorie erzielen. Dies ist
möglich,
da sowohl nicht quantitativ umgesetztes Triacetonamin als auch nicht quantitativ
kristallisierte 4-OR-Verbindung mit der Mutterlauge stets rezykliert werden. Die
Möglichkeit zur Rezyklierung von Mutterlauge und Katalysators bedingt jedoch eine
hohe Reinheit der eingesetzten 4-Oxopiperidine.
-
Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere geeignet um die als
Stabilisatoren bzxv. als deren Ausgangsstoffe verwendeten 2,2,6,6-tetrasubstituierten
4-Oxopiperidine vom Typ des Triacetonamins zu reduzieren. Diese tragen in den Stilúngen
2 und 6, gegebenenfalls auch in Stellung 3, insbesondere Alkylreste, vor allem n-Alkylreste,
wie solche mit 1-8, insbesondere 1-4 C-Atomen, vor allem Aethyl und ganz besonders
Methyl, wie insbesondere 2,3,6-Trimethyl-2,6-diäthyl-4-oxopiperidin und vor allem
Triacetonamin selbst. In den Stellungen 2 und 6 können jedoch auch die beiden Substituenten
verbunden sein, wie 2,2,- oder 6,6,-Alkylen, z.B. Tetramethylen oder Pentamethylen.
-
Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen erläutert
und dem Stand der Technik gegenübergestellt.
-
1. Beispiel: Vergleich des Phosphatverfahrens mit dem in Alkohol A)
In einem 1 l-fassenden Rührkolben werden 106 g Triacetonamin (99%), 245 g Methanol
und lo g Raney-Nickel vorgelegt, auf 60>C geheizt und unter einer Wasserstoffatmosphäre
gerührt. Nach 12 Stunden waren 15 1 Wasserstoff verbraucht und das Reaktionsgemisch
wurde vom Katalysator abgetrennt.
-
Das Filtrat wurde bei 15 Torr vom Methanol befreit und es blieben
103 g einer öligen Masse, die langsam erstarrte und dann einen Schmelzpunkt von
120-126°C aufwies, zurück.
-
Nach Umkristallisation aus Aceton erhielt man 88 g (80% der Theorie)
2,2,6 ,6-Tetramethyl-4-hydroxy-piperidin vom Schmelzpunkt 128-130°C in 987obiger
Reinheit.
-
B) Unter den Bedingungen von A) wird eine 30%ige Triacetonamin-Lösung
in Tributylphosphat 1 Stunde bei 110°C hydriert, die 10 g Raney-Nickel werden abfiltriert
und mit 10 g Tributylphosphat bei 90"C nachgewaschen. Das Filtrat wird zur Kristallisation
auf 0°C abgekühlt, das Produkt filtriert und mit 150 g Heptan gewaschen. Nach dem
Trocknen erhält man 103 g (95% der Theorie) weisse 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxy-piperidin-Kristalle
vom Schmelzpunkt 131-1320C in 99,5%iger Reinheit.
-
C) Der in A) abfiltrierte Katalysator wurde mit Methanol gewaschen
und unter den Bedingungen von A wieder eingesetzt.
-
Die Hydrierzeit betrug nun 30 Stunden.
-
D) Der in B) abfiltrierte Katalysator wurde in die Tributylphosphatmutterlauge
vom Versuch B) eingebracht, mit 106 g Triacetonamin versetzt und unter den Bedingungen
von B) wieder eingesetzt. Die Hydrierzeit betrug nun 1,2 Stunden und 105 g (98%
der Theorie) 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxypiperidin wurden isoliert.
-
2. Beispiel: Abhängigkeit der Ausbeute und Hydriergeschwindigkeit
von der Temperatur In einem 1 l-fassenden Rührautoklaven werden 106 g Triacetonamin
(97%), 245 g Tributylphosphat und 10 g Raney-Nickel vorgelegt, auf die gewünschte
Temperatur geheizt und unter einem Wasserstoffdruck von 10 bar gerührt bis die Reaktionsmischung
keinen
Wasserstoff mehr aufnimmt. Der Katalysator wird unter Druck abfiltriert und das
2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxy piperidin analog Beispiel 1. B) aufgearbeitet.
-
Tabelle 1 Temperatur Hydrierzeit Ausbeute [°Cl [minj [% d.Th.
-
80 130 92 90 90 90 120 60 93 140 36 88 160 60 13 3. Beispiel: Abhängigkeit
der Hydriergescwindigkeit vom Wasserstoffdruck Analog Beispiel 2 wurde bei 100-110°C
unter den in Tabelle 2 angegebenen Wasserstoffdrucken hydriert.
-
Tabelle 2 Druck Hydrierzeit [bar] [min] 5 140 10 120 15 80 25 60
40 50 50 30 100 20
4. Beispiel: abbängigkeit der Hydrierzeit von
der Katalysa-L½QiUIimflC -~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Unter den Bedingungen von Beispiel
1. B) wurde Triacetonamin in 97%iger Reinheit mit den in Tabelle 3 angegebenen Gew.-%
Raney-Nickel, die auf die Triacetonamin-Menge bezogen sind, hydriert.
-
Tabelle 3 Raney-Nickel Hydrierzeit [Gew.-%] [min] 1 300 5 220 10
140 20 80 5. Beispiel: Optimierung der Katalvsatormenge In einer 20 1-fassenden
Kreislaufapparatur mit Zentrifugalpumpe und Mischdüise werden 12 kg Tributylphosphat,
5,4 kg Triacetonamin (97%) und 270 g Raney-Nickel vorgelegt und unter 5 bar Wasserstoffdruck
hydriert. Die Aufarbeitung des Produktes sowie die Rezyklierung der Mutterlauge
und des Katalysators erfolgen nach Beispiel 1. B). Um Hydrierzeiten von 30-60 Minuten
zu erhalten, wird der Katalysator auf folgende Weise zugegeben:
Startpartie:
270 g Katalysator zugegeben 1. Folgepartle: 108 g " 1I 2. Folgepartie: 108 g Ii
3. Folgepartie: 54 g ii 4. Folgepartie: 54 g gebrauchten Katalysator entnehmen und
54 g ungebrauchten Katalysator zugeben.
-
Die 5.-10. Folgepartie wird wie die 4. Folgepartie durchgeführt.
-
6. Beispiel: Wirksamkeit verschiedener Katalysatoren hinsichtlich
ihrer Aktivität und Rezyklierbarkeit Unter den Bedingungen des Beispiel 1. B) wurden
verschiedene Katalysatoren eingesetzt und nach Abtrennen wieder verwendet.
-
Tabelle 4 Katalysator Hydrierdauer Aktivitätsimins verlust Ni nach
RANEY 50 10% Ni mit Mg aktiviert 60 30% Ni nach URUSHIBARA 80 80% Ni mit Mo aktiviert
100 70% Ni mit Zr aktiviert 100 70% Ru/C (5%) 50 40% Ru/C (1%) 110 30% RulKieselgur
(5%) 90 . 30% Yt/C 300 90% Rh/C 130 40% Pd/C (5%) die Hydrierung 100% endet bei
5%igem Umsatz Pd/Mohr analog Pd/C 100% Raney-Co analog Pd/Mohr 100%