-
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 Runststoffe, wie Polyolefine,
um diese vor Zersetzung durch Licht oder Hitze zu schlitzen, 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-ox.o-piperids
(Triacetonamin) durch Reduktion mit Natriumborhydrid (Lutz et al, J.Org.Chem. 27
(1962), 1695-1703), mit Lithiumaiut'-jniu-.
-
hydrid (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.Chen. 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-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.
-
Will man aber die wirtschaftlichere Reduktion mittels katalytischer
Hydrierung durchführen, so zeigt sich, dass das gewünschte 4-HydroxSypiperidin 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 an 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 fiir Platin in Aethanol
von 89% Rohausbeute, müssen aber aus Benzol unkri stallisieren, während Zhelyazkov,
supra, für Raney-Nickel nur 49% Ausbeute angibt, und Fankenhauser et al, supra,
für Raney-Nickel in Aethanol 96-io lol.ausbeute 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 und wenig Katalysator verbraucht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass man ein wasserfreies
4-Oxopiperidin in einem Hydroxygruppen-freien organischen Lösungsmittel in Gegenwart
eines Metall-, wie Ni-, Ru-, Rh-, Os-, Ir- oder Pt-Katalysators bei einem Wasserstoffdruck
von 1-100 bar und bei 20-140°C hydriert.
-
Hydroxygruppen-freie organische Lösungsmittel sind insbesondere solche,
die bei Temperaturen bis zu 140°C und einem Wasserstoffdruck bis zu 100 bar innerhalb
von 5 Stunden in Gegenwart eines Katalysators weniger als 1 Mol% Wasserstoff chemisch
binden, also inert sind. Zudem sollen diese Lösungsmittel vorzugsweise bei Temperaturen
bis 140°C mehr als 10 Gewicht-% Ausgangsstoff und bei Temperaturen unter 0°C weniger
als 5 Gewichts-% Reduktionsprodukt lösen, auch weder mit dem Ausgangs- noch mit
dem Endstoff eine chemische Reaktion eingehen, und den Katalysator nicht desaktivieren.
Geeignete derartige Lösungsmittel sind z.B. Kohlenwasserstoffe, wie aliphatische
Kohlenwasserstoffe, z.B. Methylcyclohexan oder
Petroläther (80 -
180°C Sdp.), aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Toluol, Xylol oder Mesithylen,
Aether, wie Dibutyläther, Tetrahydrofuran, Dioxan oder Dimethoyäthan. So sind z.B.
geeignete Lösungsmittel, die einen erhöhten Aufwand für die Katalysatorabtrennugn
erfordern: Tetrahydrofuran, Dioxan, Dimethyoxyäthan, Methylcyclohexan und Petroläther
(80-140° Sdp.). Besonders geeignete Lösungsmittel, bei deren Verwendung die Isolierung
von Katalysator und Produkt äusserst einfach ist, sind: Xylol, Petroläther (140-180°
Sdp.), Dibutyläther, Mesitylen und insbesondere Toluol.
-
Die verwendeten Katalysatoren sind an sich bekannt. Bevorzugt verwendet
man Platin- oder Rhodium, insbesondere Rutheniulu-und ganz besonders Nickel-Katalysatoren,
wie Platin auf Al;tivkohle, Rhodium auf Aktivkohle, Ruthenium auf Kieselgur (5%)
oder auf Aktivkohle (l oder 5%), oder Nickel aktiviert mit Magnesium, Zirkon oder
Molbdän, Nickel nach Urushibara, oder insbesondere Rancy-Nickel. Geeignet verwendet
man die Nickelkatalysatoren in Mengen von etwa 0,1-10, insbesondere 0,5-3 Gewichts-%
bezogen auf das eingesetzte 4-Oxopiperidin, während man die anderen Katalysatoren
insbesondere in Mengen von etwa 0,01-3, insbesondere 0,3-2% verwendet.
-
Die Hydrierung geschidit bevorzugt bei etwa 80-120°C, und dauert etwa
0,1-5 Stunden. Bevorzugt legt man einen Wasserstoffdruck von 1-20 bar an.
-
Das eingesetzte 4-Oxopiperidin ist vorzugsweise von hoher keinheit,
wie von etwa 95-99,9%iger, insbesondere 98-99,9%iger Reinheit. Man verwendet es
vorteilhaft in Konzentrationen
von etwa 10-80, insbesondere 25-40
Gewichts-%.
-
Der verwendete Wasserstoff wird bevorzugt in etwa der stöchiometrisch
erforderlichen Menge eingesetzt.
-
Bevorzugt wird der Katalysator rezyklisiert. Das erfindungsgemQsse
Verfahren vcrmeidet die oben aufgezeigten Mängel des Standes der Technik und bietet
zudem die oben als wtinschenswert 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-hydroxy
piperidin mit einem Schmelzpunkt von 129-133°C. Bei nur geringes Aktivitätsverlust,
insbesondere im Fall von Raney.-Nickel, können die Katalysatoren und Lösungsmittel
(Mutterlauge) vorteilhaft rezyklisiert werden. So kann man den Katalysatorverbraucli
herabsetzen, indem man unter Rez7klisierung 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, verwendeten, so hervorragend in OH-freien organischen Lösungsmitteln
zu einer so stabilen Lösung löst, dass diese
etwa 5 Stunden lang
bei bis zu 140°C hydriert werden kann.
-
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/O
Ausbeute, während erfindungsgemäss bei einer Hydrierzeit von ebenfalls 5 Stunden
mit nur 5% Raney-Nickel ausgehend von 98%ig reinem wasserfreien Triacetonamin in
Toluol 95% Ausbeute an weissem, kristallinem Produkt erhalten werden, das knickt
umkristallisiert werden muss.
-
Die Aufarbeitung kann ausserordentlich einfach erfolgen, insbesondere
durch Abkühlen und Abtrennen des Niederschlags, oder aber durch Abdampfen des Lösungsmittels
nach Abtrennen des Katalysators.
-
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-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.
Besonders geeignet geht man im Fall des Triacetonamins so vor, dass man eine 30%ige
Lösung von 98-99%igem Triacetonamin in Toluol in Gegenwart von 3% Raney-Nickel oder
0,3% Ruthenium bei 90-110°C unter 10 bar Wasserstoff hydriert,
worauf
der Katalysator abgetrennt wird, das Filtrat zur Kristallisation des 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxy-piperidins
auf 20°C gekühlt wird, der Niederschlag abfiltriert wird und der abgetrennte Katalysator
in die toluolische Mutterlauge eingebracht wird, frisches Triacetonamin zugegeben
wird und erneut hydriert wird, und dass dieser Vorgang mindestens ftinE-mal mit
derselben Mutterlauge und demselben Katalysator wiederholt wird.
-
Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen erläutert
und dem Stand der Technik gegenübergestellt.
-
1. Beispiel: Vergleich mit dem alkoholischen Verfahren A) In einem
1 1 fassenden Rührkolben werden 212 g Triacetonamin, 490 g Methanol und 21 g Raney-Nickel
vorgelegt, auf 60°C geheizt und unter einer Wasserstoffatomosphäre gerührt. 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 Liligen Masse, die langsam erstarrte und dann einen Schmelzpunkt von
120-1260C aufwies, zurück.
-
Nach Umkristallisation aus Aceton erhielt man 175 g (80% der Theorie)
2,2,6, 6-Tetramethyl-4-hydroxy-piperidin vom Schmelzpunkt 128-130"C in 98%iger Reinheit.
-
B) Unter den Bedingungen von A wird eine 30%ige Triacetonamin-Lösung
in Toluol 2 Stunden bei 90°C hydriert, die 21 g Raney-Nickel abgetrennt und das
Filtrat auf 15°C gekühlt. Es fallen 205 g (95% der Theorie) weisse 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxy-piperidin-Kristalle
vom Schmelzpunkt 132-133°C in 99,5%iger Reinheit an.
-
C) Der in A abfiltrierte Katalysator wurde mit Methanol gewaschen
und unter den Bedingungen von A wieder eingesetzt.
-
Die Hydrierzeit betrug jedoch nun 30 Stunden.
-
D) Der in B abfiltrierte Katalysator wurde ohne Waschen in die toluolische
Mutterlauge von Versuch B eingebracht und mit 212 g Triacetonamin versetzt und unter
den Bedingungen von B wieder eingesetzt. Die Hydrierzeit betrug nun 2,2 Stunden
und 210 g (98% der Theorie) 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxy-piperidin wurden isoliert.
-
2. Beispiel: Abhängigkeit der Ausbeute und Hydriergeschwindigkeit
von der Temperatur ~ In einem 1 1 fassenden Rührautoklaven werden 212 g Triacetonamin,
490 g Tetrahydrofuran und 21 g Raney-Nickel vorgelegt auf. die gewiinschte Temperatur
geheizt und unter einem Wasser stoffdruck von 10 bar gerührt bis die I'eaktionsmischunf,
keinen Wasserstoff mehr aufnimmt, Der Katalysator wird unter Druck filtriert und
das 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxy-piperidin unter Kühlen auf 0°C kristallisiert.
-
Tabelle I Temperatur Hydrierzeit Ausbeute [°C1 [min] [% der Theorie
60 30 94 70 25 95 80 20 92 90 15 95 120 12 95 140 10 93
3. Beispiel:
Einsatz einer 50%igen Triacetonamin-Lösung Hydriert man eine Lösung von 350 g Triacetonamin
und 350 g Tetrahydrofuran in Gegenwart von 33 g Raney-Nickel bei 70°C unter 10 bar
Wasserstoffdruck, so beträgt die Hydrierzeit 30 min und die Ausbeute 94% der Theorie.
Unter Normaldruck werden,2,5 Stunden benötigt und Ausbeuten von 92% der Theorie
erhalten.
-
4. Beispiel: Abhängigkeit der Reaktionszeit von der Katalysatormenge
In einem 1 1 fassenden Rührautoklaven werden 212 g Triacetonamin, 490 g Toluol und
die der Tabelle entsprechende Menge Raney-Nickel vorgelegt, auf 90°C 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-hydroxy-piperidin
unter Kühlen auf 1500 kristallisiert.
-
Tabelle II Raney-Nickel Hydrierzeit [Gew.-%] [min] 10 20 5 30 2,5
60 1 110 0,5 170 0,1 .300
5. Beispiel: Optimierung der Katalysatormenge
Unter den Bedingungen des 7. Beispiels wurde unter ständicrer Rezyklierung des Raney-Nickels
der Katalysator wie folgt zugegeben, um bei jeder Partie eine Hydrierzeit von 40-60
ilin zu erhalten.
-
Startpartie: 10% Katiaysator zugeben 1. Folgepartie: 4% Katalysator
zugeben 2. Folgepartie: 4% Katalysator zugeben 3. Folgepartie: 2% Katalysator zugeben
4. Folgepartie: 2% gebrauchten Katalysator enthemen und 2% ungebrauchten Katalysator
zugeben.
-
Die 5.-10. Fo]gepartie wird wie die 4. Folgepartie durchgeführt.
-
6. Beispiel: Wirksamkeit verschiedener Katalysatoren hinsiclzt:-lich
ihrer Aktivität und rezyklierbarkeit Unter den Bedingungen des 7. Beispiels wurden
verschiedene Katalysatoren eingesetzt und nach Abtrennen wieder verwendet.
-
Tabelle III Katalysator Hydrierdauer Aktivitäts-[min] 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%
Fortsetzung
von Tabelle III Katalysator Hydrierdauer Aktivitäts-[min] verlust Ru/C (1%) 110
30% Ru/Kieselgur (5%) 90 30% Pt/c 300 90% Rh/C 130 40% Pd/C (5%) die Hydrie- 100%
rung endet bei 5%igem Umsatz Pd/MoLr analog Pd/C 100% Raney-Co analog Pd/2Iohr 100%
7. Beispiel: Mutterlaugen und Katalysatorrückführung unter Verwendung von Triacetonamin
in 95%iger keinheit In einem 500 ml-Rührkolben werden 100 g Toluol, 43 g Triseetonamin
(98%ig) und 8 g Raney-Nickel vorgelegt, bei 80-90°C unter Einleiten von Wasse-stoff
aus einer Glas-Bürette unter 1 bar gerührt bis kein Wasserstoff aufgenommen wird,
der Katalysator sedimentiert, die überstehende Lösung bei 90°C klärfiltriert und
das entstandene 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxy-piperidin nach Abkühlen auf 15°C kristallisiert.
-
Das Produkt wird abfiltriert und das Filtrat unter Zusatz von 43 g
Triacetonamin (95%ig) in den lIydrierkolbens der noch das Nickel enthält, zurückgegeben.
Dann wird erneut hydriert und in der oben beschriebenen Weise aufgearbeitet. Dieser
Vorgang wird so oft, wie in der Tabelle IV beschrieben, wiederholt.
-
Tabelle IV Zahl der Hydrier- Wasserstoff Ausbeute Rezyklierung zeit
[min] verbrauch [1] [% der Theoriej 0- 48 7,1 90,5 1 68 7,0 97,6 2 102 7,2 96,1
3 135 7,2 95,5 4 175 7,1 91,7 5 262 7,0 101,5 6 342 7,0 95,0 8. Beispiel: Mutterlaugen
und Katalysatorrückführung unter Verwendung von Triacetonamin in 97%iger Reinheit
Unter den Bedingungen des 7. Beispiels wurden mit 977igem Triacetonamin folgellde
Ergebnisse erhalten.
-
Tabelle V Zahl der hydriert Wasserstoff- Ausbeute Rezyklierung zeit
[minl verbrauch [1] [% der Theorie] 0 60 7,0 91,0 1 54 7,2 97,1 2 58 7,0 95,6 3
69 , 7,1 96,2 4 77 7,0 92,4 5 98 7,3 98,9 6 6 - 84 7,0 94,1 7 102 7,1 93,8 8 110
7,0 97,2
9. Beispiel: Mut terlaugen und Katalysatorrückführung
unter Verwendung von Triacetonamin in 99%iger Reinheit Unter den Bedingungen des
7. Beispiels werden mit 99%igem Triacetonamin folgende Ergebnisse erhalten.
-
Tabelle VI Zahl der Hydrier- Wasserstoff- Ausbeute Rezyklierung zeit
imins verbrauch lll [% der Theoriel 0 - 45 7,1 93,4 1 54 7,0 99,8 2 53 7,2 98,2
3 55 7,1 100,5 4 - 64 7,0 97,9 5 57 - 7,0 . 99,4 6 68 7,1 98,1 10. Beispiel: Hydrierung
in verschiedenen Lösungsmitteln bei verschiedenen Konzentrationen und verschiedenen
Temperaturen In einem 500 ml-Rührkolben mit Rückflusskühler werden 100 g Lösungsmittel,
die in der Tabelle VII entsprechende Menge Triacetonamin (98%ig) und 20% Raney-Nickel,
auf Triacetonamin bezogen, vorgelegt, auf die entsprechende Temperatur gebracht
und unter einem bar Wasserstoffdruck hydriert. Bei beendeter Wasserstoffaufnahme
wird der Katalysator abfiltriert und das Produkt durch Kristallisation bei 0°C isoliert.
-
Tabelle VIII Lösungsmittel TAA-Konzen- Temperatur Ausbeute tration
[°C] [% der [Gew.-%] Theorie] Dimethoxyäthan 20 50 85 Tetrahydrofuran 40 60 90 Dioxan
60 100 91 Methylcyclohexan 25 100 95 Toluol 30 80 96 Xylol 25 100 92 Mesithylen
25 130 89 Dibutyläther 20 140 87 Petroläther 140-180 25 140 88