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Verfahren zur Reduktion von 4-Oxopiperidinen zu 4-llydroxy-
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piperidinen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von 4-Oxopiperidinen
zu 4-IIydroxypiperid inen.
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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.
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Diese 4-Hydroxypiperidine werden allgemein aus den entsprechenden
4-Oxopieridinen
durch Reduktion gewonnen, während die 4-Oxoplperidine ihrerseits aus Ammoniak und
einem Keton, wie Aceton, oder dessen Kondensationsprodukten zugänglich sind, vgl.
z.. DT-OS 2.429.936 oder DT-OS 2.429.937.
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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 Lithiumaluminiu.-hydrid (Briere, Commis. Energ. At. (Fr.),
Rapp. No. 3175, 105 und folgende (1957)), oder mittels katalytischer Hydrierung.
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Dafür wurden als Hydrierungskatalysatoren vorgeschlagen: Platin in
Aethanol (I-lailey 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).
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Diese bisher bekannten Verfahren zur Reduktion von 4-Oxopiperidinen
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 Labormassstab erlauben.
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Will man aber die wirtschaftlichere Reduktion mittels katalytischer
Hydrierung durchführen, so zeigt sich, dass das gewünschte 4-llydroxypiperidin 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, zzar für Platin in Aethanol
von 89% Rohausbeute, müssen aber aus Benzol umkristallisieren, während Zhelyazkov,
supra, für Rancy-Nickel nur 49% Ausbeute angibt, und Fankenhauser et al, supra,
für Rancy-Nickel in Aethanol 96% Rohausbeute angeben und aus Aceton umkristallisieren
müssen.
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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.
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Diese Aufgabe wird erfindungagemäss dadurch gelöst, dass man ein 4-Oxopiperidin
in Form einer 10-55%igen wässrigen Losung in Gegenwart eines Metall-, wie Co-, Ni-,
Ru-, Rh-, Os-, Ir- oder Pt-Katalysators bei einem Wasserstoffdruck von 1-100 bar
und 20-85°C hydriert.
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Vorzugsweise verwendet man das 4-Oxopiperidin in Form seines Hydrats,
kann aber auch die wasserfreie Base einsetzen. Die Hydrierung wird insbesondere
bei 50-80°C durchgeführt. Der Wasserstoffdruck beträgt bevorzugt 1-20 bar.
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Die verwendeten Katalysatoren sind an sich bekannt. Bevorzugt verwendet
man Platin-, Rhodium- oder 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 0,5-10, insbesondere 0,5-3 Gewichts-%
bezogen auf das eingesetzte 4-Oxopiperidin, während man die anderen Katalysatoren
insbesindere in Mengen von etwa 0,1-10, insbesondere 0,3-3% verwendet. Die Hydrierzeit
beträgt etwa 0,5-5, insbesondere 0,5-2 Stunden.
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Das eingesetzte 4-Oxopiperidin ist vorzugsweise von hoher Rei nheit,
wie von etwa 97-99,S%iger Reinheit. Man verwendet es vorteilhaft in Konzentrationen
von etwa 40-50 Gewichts-%.
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Der verwendete Wasserstoff wird bevorzugt in etwa der stöchiometisch
erforderlichen Menge eingesetzt.
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Bevorzugt wird der Katalysator rezyklisiert, wobei er z.B.
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nach dem Abtrennen mit Wasser gewaschen und wieder eingesetzt wird.
Der Aktivitätsverlust beträgt lediglich etwa 1-10. Das Umwälzverhältnis im Kreislaufreaktor
beträgt insbesondere 50-150 pro Stunde.
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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=11ydroxypiperidine fallen in Ausbeuten von 75-90% rein an, etwa 96-99,5%ig,
im Fall von 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxypiperidin mit einem Schmelzpunkt von L28-132°C.
Die Reaktionsmischung ist nicht selbstentzündlich, und damit ist eine ungefährliche
Handhabung gewährleistet. Bei nur geringem Aktivitätsverlust, insbesondere im Fall
von Rancy-Nickel, können die Katalysatoren vorteilhaft: rezyklisiert werden. So
können
hochwirksame Kreislaufreaktoren mit Zentrifugalpumpen und
Mischdüsen, mit Filtern und RückspüPpumpen, Zentrifugen und Austragsvorrichtungen
konventioneller Art verwendet werden.
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So kann man den Katalysatorverbrauch herabsetzen, indem man unter
Rezyklisierung mit einem hohen Katalysatorholdup hydriert, den man nach und nach
abbaut und einen leinen 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.
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Diese Vorteile bietet das erfindungsgetnässe Verfahren in nicht vorhersehbarer
Weise. So war nicht voraussagbar, dass insbesondere Triacetonamin eine so stabile
wässrige Lösung ergibt, die bei 800 ohne weiteres beständig ist. Dass in Wasser
kürzere Reaktionszeiten als in Alkoholen erzielt werden und dass die Aktivitätsabnahme
des Katalysators in Wasser wesentlich geringer ist als in Alkoholen, war nicht vorhersehbar.
Zudem ist das Hydrierungsprodukt von bedeutend höherer Qualität. Einfaches Aussalzen
und Abkühlen des wässrigen Reaktionsmediums liefert ein kristallines Produkt hoher
keinheit, 96-99.5%ig, während das Produkt aus einer Hydrierung in Alkohol umkristallisiert
werden muss. Bezogen auf gleiche Qualität des Produktes liefert das erfindungsgemässe
Verfahren damit um etwa 5% höhere Ausbeuten als in Alkoholen.
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Bei Temperaturen bis 80°C erzielt man konstant gute Ausbeuten von
85% (ohne Mutterlaugenanteil). Darüber entstehen ölige Nebenprodukte in erheblichem
Mass. Das erfindungsgemässe Verfahren liefert damit die Möglichkeit, eine etwa 50%ige
wässrige Triacetonamin-Lösung zu hydrieren, zu s sodass die in der wässrigen Mutterlauge
verbleibende Menge an 4-OlI-P;peridin im Verhältnis zum isolierten Produkt stark
herabgesetzt ist.
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Dadurch erhöht sich die Ausbeute auf 90% und die Raum-Zeit-Ausbeute
von 37,4 g/lxh auf 63,8 g/lxh.
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Durch Extraktion mit organischem Lösungsmittel lässt sich die Aufarbeitung
noch weiter optimieren.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere geeignet um die als
Stabilisatoren baz. als deren Ausgangsstoffe verwendeten 2,2,6,6-tetrasubstituierten
4-Oxopiperidine vom Typ des Triacetonamins zu reduzieren. Diese tragen in den Stilungen
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-oxo piperidin und vor allem
Triacetonamin selbst. In den Stellungen 2 und 6 kennen jedoch auch die beiden Substituenten
vernunden sein, wie 2,2,- oder 6,6,-Alkylen, z.B. Tetramethylen oder Pentamethylen.
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Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen erläutert
und dem Stand der Technik gegenübergestellt.
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1. Beispiel: Vergleich des wässrigen mit dem methanolischen Verfahren
A) In einem 1 1 fassenden Rührkolben werden 212 g Triacetonamin , 490 g Methanol
und 21 g Raney-Nickel vorgelegt, auf 60D geheizt und unter einer Wasserstoffatmosphäre
gerührt.
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Nach 12 Stunden waren 31 1 Wasserstoff verbraucht und das Reaktionsgemisch
wurde vom Katalysator abgetrennt. Das Filtrat wurde bei 15 Torr vom Methanol befreit
und es blieben 205 g einer öligen Nasse, die langsam erstarrte und dann einen Schmelzpunkt
von 120-126°C aufwies, zurück. Nach Umkristallisation aus Aceton erhielt man 175
g (80% der Theorie) 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxypiperidin vom Schmelzpunkt 128-130°C
in 98%iger Reinheit.
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B) Unter den Bedingungen von A wird eine 30%ige Triacetonamin-Lösung
in Wasser 5 Stunden hydriert, die 21 g Raney-Nickel abgetrennt und zum Filtrat 15%
Kochsalz gegeben. Nach Abkühlen auf 15°C fallen 187 g (85% der Theorie) weisse 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxypipridin-Kristalle
vom Schmelzpunkt 128-130°C in 98%iger Reinheit aus.
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C) Der in A abfiltrierte Katalysator wurde mit Methanol gewaschen
und unter den Bedingungen von A wieder eingesetzt.
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Die Hydrierzeit betrug jedoch nun 30 Stunden.
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D) Der in B abfiltrierte Katalysator wurde mit Wasser gewaschen und
unter den Bedingungen von B wieder eingesetzt.
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Die Hydrierzeit betrug 5,5 Stunden.
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2. Beispiel: Abhängigkeit der Ausbeute von der Temperatur In einem
1 1 fassenden Rührautoklaven werden 212 g Triacetonamin, 490 g Wasser und 21 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 abfiltriert und das 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxypiperidin nach
Zugabe von 15% Kochsalz kristallisiert.
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Tabelle I Temperatur Hydrierzeit Ausbeute [°C] [min] [% der Theorie]
60 50 85 70 40 85 80 40 85 90 70 60 120 50 50 140 30 20 3.Beispiel: Einsatz einer
50%igen Triacetonamin-Lösung Hydriert man eine Lösung von 350 g Triacetonamin und
350 g Wasser in Gegenwart von 33 g Raney-Nickel bei 70°C unter 10 bar Wasserstoffdruck,
so beträgt die Hydrierzeit 50 min und die Ausbeute 90% der Theorie. Unter Normaldruck
werden 5 Stunden benUtigt und Ausbeuten von 88% der Theorie erhalten.
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4. Beispiel: Abhängigkeit der Ausbeute von der Katalysatormenge und
Reaktionszeit Unter den Bedingungen des 2. Beispiels wurde bei 70-80°C in Gegenwart
unterschiedlicher Mengen Raney-Nickel hydriert.
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Tabelle II Raney-Nickel Hydrierzeit Ausbeute [Gew.%] [min] [ der Theorie]
10 30 85 5 40 85 2,5 70 85 1 120 80 0,5 180 78 0,1 600 60 5. Beispiel: Optimierung
der Katalysatormenge Unter den Bedingungen des 2. Beispiels wurde bei 70-80°C unter
ständiger Rezyklierung des Raney-Nickels wie folgt der Katalysator zugegeben, um
bei jeder Partie eine Hydrierzeit von 30-50 min zu erhalten.
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Startpartie: 5% Katalysator zugeben 1. Folgepartie: 2% Katalysator
zugeben 2. Folgepartie: 2% Katalysator zugeben 3. Folgepartie: 1% Katalysator zugeben
4. Folgepartie: 1% gebrauchten Katalysator entnehmen und 1% ungebrauchten Katalysator
zugeben Die 5.-10. Folgepartie wird wie die 4. Folgepartie durchgeführt.
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6. Beispiel: Wirksamkeit verschiedener Katalysatoren hinsicht -lich
ihrer Aktivität und Rezyklierbarkeit Unter den Bedingungen des 2. Beispiels wurden
bei 70-80°C verschiedene Katalysatoren eingesetzt und nach Abtrennen und Waschen
mit Wasser wieder verwendet.
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Katalysator Hydrierdauer Aktivitätsverlust Ni nach RANEY 5 h 10% Ni
mit Mg aktiviert 5 h 30% Ni nach URUSHIBARA 8 h 80% Ni mit Mo aktiviert 7 h 70%
Ni mit Zr aktiviert 7 h 70% Ru/C (5%) 6 h 40% Ru/C (1%) 7 h 30% Ru/Kieselgur (5%)
6 h 30% Pt/C 14 h 90% Rh/C 7 h 40% Pd/C (5%) die Hydrie- 100% rung endet bei 5%igem
Umsatz Pd-Mohr analog Pd/C 100%