DE2659851B2

DE2659851B2 - Verfahren zur Herstellung von 2-Phenyl-4-hydroxymethylimidazolen

Info

Publication number: DE2659851B2
Application number: DE2659851A
Authority: DE
Inventors: Kyoko Kanonji Gohda; Natsuo Nakatadogun Sawa
Original assignee: Shikoku Chemicals Corp
Current assignee: Shikoku Chemicals Corp
Priority date: 1974-12-27
Filing date: 1976-04-28
Publication date: 1979-08-23
Also published as: DE2659851A1; DE2618756C3; DE2618756A1; DE2659851C3; DE2618756B2

Description

in der R und R' die gleiche Bedeutung wie vorstehend besitzen, mit einer Menge Formaldehyd von 1 bis 1,5 Mol je Mol 2-Phenylimidazol in wäßriger Lösung bei einer Temperatur von 40 bis 200⁰C in Gegenwart eines Katalysators aus der Gruppe von Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Calciumhydroxid, Bariumhydroxid, Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Calciumcarbonat, Bariumcarbonat, quaternären Ammoniumhydroxiden, und Alkalisalzen von Imidazolen in einer Menge des Katalysators von nicht mehr als 0,5 Äquivalenten je Mol des 2-Phenylimidazols umgesetzt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 2-Phenyl-4-hydroxymethylimidazolen der allgemeinen Formel I

CH₂OH

in der R eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder eine Benzylgruppe und R' ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeuten.

Die Umsetzung von Imidazolen mit einer Arylgruppe in der 2-Stellung mit Formaldehyd wurde von ]. W. Cornforth und H. T. Huang (Yournal of the Chemical Society, 1948, Seite 733) untersucht, wobei gefunden wurde, daß die Umsetzung ohne Erfolg war.

In der BE-PS 8 30691 ist die Herstellung einer Verbindung der Formel

N-Tr-CH,

aus Benzamidin und Diacetyl beschrieben, so daß der Inhalt dieser Literaturstelle praktisch gleich wie derjenige der vorstehenden Literaturstelle ist.

In der SU-PS 1 96 869 ist eine Methylolierungsreaktion von 4-MethyIimidazoIen mit Paraformaidehyd beschrieben. Da Imidazolen eine Art eines Ketons ist, dessen 2-Stellung durch eine Carbonylgruppe substituiert ist, ist es grundsätzlich unterschiedlich gegenüber einem Imidasolin.

Es wurde jetzt festgestellt, daß, falls ein keine Arylgruppe in der 2-Stellung enthaltendes Imidazol mit Formaldehyd umgesetzt wird, sich das Formaldehyd an das Iminostickstoffatom in der 1-Stellung des Imidazolringes addiert und das unstabile 1-Hydroxymethylimidazol, d. h. N-Methylolimidazol, ergibt

Die Umsetzung zwischen einem keine Arylgruppe in der 2-Stellung enthaltenden Imidazol und Formaldehyd läßt sich schematisch wie folgt darstellen:

rh

HN N + HCHO ^=* HOCH,—N N

R,

worin R2 beispielsweise ein Wasserstoffatom oder eine

Alkyl- oder Benzylgruppe und R₄ beispielsweise ein Wasserstoffatom oder eine Alkyl- oder Phenylgruppe

bedeuten.

Wie vorstehend zu sehen, addiert sich bei der

jo Umsetzung des keine Arylgruppe in der 2-Stellung enthaltenden Imidazols mit Formaldehyd der Formaldehyd an die NH-Gruppe in der 1-Stellung und ergibt ein N-Methylolderivat Das N-Methylolderivat ist unstabil und wenn es an Luft stehengelassen wird, zersetzt es

r> sich spontan zu dem Imidazol unter Freisetzung von Formaldehyd. Ferner ersetzt es sich bei Einwirkung von Wasser oder saurem Wasser und liefert eine wäßrige Lösung von Formaldehyd und Imidazol. Beispielsweise versagten Versuche zur Acetylierung von dessen Hydroxylgruppe mit Essigsäureanhydrid zur Ausbildung des gewünschten Acetylesters, da zunächst eine Zersetzung erfolgte. Lediglich die Umsetzung hiervon mit Phenylisocyanat kann stabiles Phenylurethan ergeben.

4') Beispiele für N-Methylolderivate sind die folgenden:

1 -Methylolimidazol:

Schmelzpunkt 58 bis 59°C{Aceton),
vC-0 1065cm-',

^w Schmelzpunkt des hieraus hergestellten
Phenylurethans, 167 bis 168° C (Aceton).

1 -Methylol-2-methylimidazol:

Schmelzpunkt, 953 bis 963" C (Aceton),
v> vC-O 1065cm-·,

Schmelzpunkt des hieraus hergestellten
Phenylurethans 161 bis 162°C (Benzol).

t-Methylol-2-äthylimidazol:

Schmelzpunkt 73 bis 74° C (Aceton),

"° vC-O 1048,1076cm',

Schmelzpunkt des hieraus hergestellten
Phenylurethans 141 bis 142°C (Benzol).
1 ■ Methylol-2,4(5)-dimethylimidazol:

h5 Schmelzpunkt 108 bis 109° C (Aceton),
vC-O 1070cm',
Schmelzpunkt des hieraus hergestellten
Phenylurethans 155 bis 156° C (Acetonitril).

1 -Methylol-2-äthyI-(4{5)-methylimidazol:
Schmelzpunkt 85 bis 86° C (Aceton),
rC-O 1060 cm-',
Schmelzpunkt des hieraus hergestellten
Phenylurethans 129,5 bis 130,5° C (Acc ton).

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden demgegenüber stabile 2-Phenyl-4-hydroxymethyIimid· azole in vorteilhafter Weise erhalten.

Im Hinblick auf die vorstehenden Versuchsergebnisse ist es überraschend, daß, falls ein eine Phenylgruppe in der 2-Stellung enthaltendes Imidazol mit Formaldehyd! in einem Reaktionsmedium mit einem pH-Wert von mindestens 7 umgesetzt wird, sich der Formaldehyd an das Kohlenstoffatom des Imidazolrings unter Bildung des C-Methylolimidazols addiert und das erhaltene: C-Methylolimidazol eine sehr stabile Verbindung ist

Gemäß der Erfindung wird somit ein Verfahren zur Herstellung von 2-Phenyl-4-hydroxymethyIimidazoIe.n der vorstehend angegebenen allgemeinen Formel I geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein 2-Phenylimidazol der allgemeinen Formel II

(II)

in der R und R' die gleiche Bedeutung wie vorstehend besitzen, mit einer Menge Formaldehyd von 1 bis 1,5 MoI je MoI 2-Phenvlimidazol in wäßriger Lösung bei einer Temperatur von 40 bis 200⁰C in Gegenv/art eines Katalysators aus der Gruppe von Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Calciumhydroxid, Bariumhydroxid, Lithiumcarbonat, K triumcarbonat, Kaliumcarbonat, Calciumcarbonat Bariumcarbonat quaternären Ammoniumhydroxiden, und Alkalisalzen von Imidazolen in einer Menge des Katalysators von nicht mehr als 0,5 Äquivalenten je Mol des 2-Phenylimidazols umgesetzt wird.

Eine Verbindung der Formel (I), worin R' ein Wasserstoffatom ist und R eine Methylgruppe ist, wird durch Umsetzung eines «-Diketons mit Benzamidin synthetisiert, wie durch J. W. Cornforth und H. T. Huang in Journal of the Chemical Society, 1948, Seite 731 bis 733 beschrieben ist Sie berichten darüber hinaus, daß ein Versuch zur Synthese dieser Verbindung direkt durch Umsetzung eines 2-Arylimidazols mit Formaldehyd versagte.

Die als Ausgangsmaterial beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Imidazolverbindung wird durch Dehydrierung eines Ittüdazolins, welches aus einem aliphatischen 1,2-Diamin und Nitril nach dem Verfahren gemäß der US-Patentschrift 32 10371 und der japanischen Patentveröffentlichung 1548/67 hergestellt wird, nach dem in der japanischen Patentveröffentlichung 26 405/64 angegebenen Verfahren erhalten.

Es ist wichtig, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die Umsetzung in einem Reaktionsmedium mit einem pH-Wert von mindestens 7, vorzugsweise 7 bis 13, ausgeführt werden muß. Falls die Umsetzung in einem sauren Reaktionssystem durchgeführt wird, bildet sich eine schwierig zu reinigende viskose Substanz anstelle des gewünschten Produktes, welches kristallin ist Die Umsetzung wird bei 40 bis 200° C ausgeführt. Der Reaktionsdruck ist nicht kritisch und die Umsetzung kann bei Atmosphärendruck oder bei erhöhtem Druck durchgeführt werden.

Als Katalysatoren werden Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Natriumcarbonat und Kaliumcarbonat besonders bevorzugt Die Katalysatoren vom Calcium- oder Bariumtyp sind in Wasser spärlich löslich und werden nicht bevorzugt, da ihre Entfernung kompliziert ist

Der Formaldehyd wird in einer Menge von 1 bis 1,5MoI je Mol 2-Arylimidazol angewandt, da die Anwendung von mehr als dem l,5fachen des Äquivalentgewichts an Formaldehyd nicht nur unwirtschai-Jich

ι ο ist, sondern auch Nebenreaktionen verursachen kann.

Für die Umsetzung kann eine handelsübliche 37%ige wäßrige Lösung von Formaldehyd (Formalin) als solche oder nach die Verdünnung auf das 2- bis 3fache des ursprünglichen Volumens verwendet werden. Ferner kann Paraformaldehyd als Ausgangsmaterial für Formaldehyd eingesetzt werden und Wasser vor dem Gebrauch zugegeben werden. Da jedoch Paraformaldehyd größere Kosten als Formalin hat hat dieses Verfahren keinen signifikanten VorteiL

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein 2-PhenylimidazoL eine wäßrige Lösung von Formaldehyd, die Formaldehyd in einer Menge von mehr als dem erforderlichen Äquivalentgewicht für die Umsetzung

2s hinsichtlich des 2-Arylimidazols enthält und ein Katalysator unter Rühren in einem mit Rührer und Rückflußkühler ausgerüsteten Reaktionsgefäß erhitzt und die Umsetzung wird unter Rückfluß bei etwa 100° C während 10 min bis zu einigen Stunden fortgeführt Das

jo als Ausgangsmaterial verwendete 2-Phenylimidazol löst sich zunächst praktisch einheitlich in dem Reaktionssystem und dann fällt das gewünschte C-Methylolderivat aus dem Reaktionssystem aus. Diese Umsetzung ist eine schwach exotherme Reaktion, jedoch ist um das

J5 Reaktionssystem bei etwa 100" C zu halten, eine geeignete Temperatursteuerung erforderlich. Für diesen Zweck kann der Formaldehyd anteilsweise zu dem Reaktronssystem zugefügt werden.
Das erhaltene C-Methylolderivat wird nach einem üblichen Verfahren gereinigt Spezifisch werden die

Kristalle im Reaktionsgemisch nach der Umsetzung

durch Filtration gesammelt, mit Wasser gewaschen, getrocknet und dann umkristallisiert

Da die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren

erhaltenen Monomethylolimidazole ein tertiäres Stickstoffatom und eine Hydroxylgruppe enthalten, sind sie in einem weiten Anwendungsbereich wertvoll, beispielsweise als Härtungsmittel für Epoxide, Farbstoffverbesserungsmittel für Polymere, Zusätze zu Formaldehyd-

V) harzen und Rohmaterialien für Ionenaustauschharz^

Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung. Die Verbindungen wurden in diesen Beispielen durch Infrarotspektroskopie, kernmagnetische Resonanzspektroskopie, Massenspektrometrie und EIe-

>5 mentaranalyse identifiziert.

Beispiel 1

Ein mit Rührer und Rückflußkühler ausgerüstetes Reaktionsgefäß wurde mit 32 g (0,2 Mol) 2-Phenyl-4-

iio methylimidazol, 25 ml (0,3 Mol) 37%igem Formalin und 7 g (0,05 Mol) Kaliumcarbonat beschickt. Die Materialien wurden auf 100°C unter Rühren erhitzt. Der Inhalt löste sich augenblicklich und beim Erhitzen begannen nach einer Weile sich Kristalle abzuscheiden. Nach

i>5 Erhitzen während 30 min wurden 100 ml Wasser zum Reaktionsgemisch zugesetzt und das Gemisch eine zeitlang erhitzt Dann wurden die Kristalle abfiltriert, mit 50 ml Methanol erhitzt, abgekühlt und erneut

filtriert Die gesammelten Kristalle wurden in 50 ml kaltes Methanol eingetaucht, abfiltriert und getrocknet und lieferten 2-Phenyl-4(5)-methyI-5(4)-hydroxymethyI-imidazol als Endprodukt in einer Menge von 28,5 g (Ausbeute 76%). Die Dünnschichtchromatographie (Kieselsäuregel, Äthanol) dieser Kristalle ergab lediglich einen Flecken bei Rf=0,7.
Das Produkt besaß die folgende Forme!

Rückfluß während I Std. unter Rühren erhitzt. Das Reaktionsgemisch wurde abgekühlt und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 nachbehandelt und lieferte 2-PhenyI-4(5)-benzyl-5(4)-hydroxymethylimidazol als Endprodukt in einer Menge von 33,3 g (Ausbeute 63%). Das Produkt hat die folgende Formel

und hatte einen Schmelzpunkt von 200,5 bis 201,5⁰C (Zers.) (Äthylenglykolmonomethyläther). Es war basisch, in einer wäßrigen Salzsäurelösung löslich, spärlich in Wasser, Aceton und Benzol in der Kälte löslich und leicht in Pyridin und Äthylenglykolmonomethyläther in der Wärme löslich. Die Analysener^ebnisse waren folgende:

Elementaranalysenwerte

Ben: C 70,19%, H 6,43%, N 1438%;

gef.: C 70,08%, H 6,50%, N 1436%.
Infrarotabsorptionsspektrum Wi,?'.)
1010 (v C-O) erste Absorption

Massenspektrum (m/e)

188(M+), 187,171 (M+ -OH), 170,129,
77 (Phenyl)

NMR-Spektrum (CD₃OD als Lösungsmittel, 6)
734, Multiplen, 2H (o-Protonen des Phenyls),
7ß8, Multiplen, 3H (m- und p-Protonen des
Phenyls),

4,54, Singlett 2H (- CH₂OH), 2,25, Singlett
3H(-CH₃).

Beispiel 2

Ein Gemisch aus 32 g (0,2 Mol) 2-Phenyl-4-methylimidazol, 25 mi (0,5 Mol) 37%igem Formalin und 50 ml Wasser wurde am Rückfluß während 30 min unter Rühren erhitzt Das ReaktionKgemisch wurde abgekühlt und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 nachbehandelt wodurch sich 2-Phenyl-4(5)-methy!-5(4)-hydroxymethylimidazol als Endprodukt in einer Menge von 22,1 g(Ausbeu'e 59%) ergab.

Beispiel 3

Ein Gemisch aus 32 g (0,2 Mol) 2-Phenyl-4-methyiimidazol, 25 ml (03MoI) 37%igem Formalin, 50 ml Wasser und 5 ml einer 40%igen wäßrigen Lösung von Benzyltrimethylammoniumhydroxid wurde am Rückfluß während 30 min unter Rühren erhitzt Das Reaktionsgemisch wurde abgekühlt und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 nachbehandelt und ergab 2-Phenyl»4(5)'methyl*5(4)*hydroxymethylimidazoI als Endprodukt in einer Menge von 253 g (Ausbeute .69%).

Beispiel 4

Ein Gemisch aus 463 g (0,2 Mol) 2-Phenyl-4-benzylimidazol, welches ein bei der Dehydrierung von 2-Phenylimidazolin zur Bildung von 2-Phenylimidazol anfallendes Nebenprodukt ist 25 ml (03 Mol) 37%igem Formalin und 7 g (0,05 MoI) Kaliumcarbonat wurde am

und hatte einen Schmelzpunkt von 219 bis 221°C (Zers.) (Äthylenglykolmonomethyläther). Es war basisch, in wäßriger Salzsäurelösung Iös'ich, spärlich löslich in Wasser, Methanol, Äthanol, Aceton und Benzol in der Kälte und löslich in Pyridin und Äthylenglykolmonomethyläther in der Wärme Die Ergebnisse der Analysen sind die folgenden:

Elementaranalysenwerte

Ber.: C 77,25%, H 6,10%, N 10,60%;
gef.: C 77,03%, H 6,16%, N 10,56%.
Infrarotabsorptionsanalyse v&>)
1005 (V C-O) erste Absorption

Beispiel 5

Ein Gemisch aus 34,4 g (0,2 Mol) 2-p-Tolyl-4-methyI-imidazol, 25 ml (03 Mol) 37%igem Formalin, 50 ml Wasser und 7 g (0,05 Mol) Kaliumcarbonat wurde am Rückfluß während 2,5 Std. unter Rühren erhitzt. Das Reaktionsgemisch wurde abgekühlt und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 nachbehandelt und lieferte 2-p-Tolyl-4(5)-methyl-5(4)-hydroxymethylimidazol als Endprodukt in einer Menge von 22,6 g (Ausbeute 56%).

Das Produkt hatte die folgende Formel

CH₃

und hatte einen Schmelzpunkt von 219 bis 22O⁰C (Zers,) (Äthylenglykolmonomethyläther). Es war basisch, in wäßriger Salzsäurelösung leicht löslich, in Wasser, so Methanol, Äthanol, Aceton und Benzol in der Kälte spärlich löslich und in Pyridin und Äthylenglykoi.nonomethyläther in der Wärme löslich. Die Ergebnisse der Analysen waren folgende:

Elementaranalysenwerte

Ber.: C 71,04%, H 6,98%, N 13,91%;
gef.: C 71,29%. H 7,05%, N 13,84%.
lnfrarotabsoi ptionsspektrum v(_c ^K _m ^Br')

so 101 OYvC-O) erste Absorption

Beispiel 6

Das Verfahren nach Beispiel 5 wurde wiederholt jedoch 2-m-Tolyl-4-rtiethylimidazol als Ausgangsmaterial anstelle von 2-p-Tolyl-4-methylimidazol verwendet, so daß sich 2-m-Tolyl-4(5)-methyl-5(4)-hydroxymethylimidazol als Endprodukt ergab.

Das Produkt hatte die folgende Formel

CH₂OH

und hatte einen Schmelzpunkt von 176 bis 178° C (Zers.). Es war basisch, in wäßriger Salzsäurelösung leicht löslich, in Wasser, Aceton und Benzol in der Kälte

spärlich löslich und in Methanol, Äthanol, Pyridin und Methylceliosolve in der Wärme löslich. Die Analysenergebiiisse waren folgende:

■> Elementaranalysenwerte

Ber.: C 71,40%, H 6,98%, N 13,91%; • gef.: C 71,47%, H 6,95%, N 13,95%.

Infrarotabsorptionsspektrum ν(™'·) to 1000 (v C-O) erste Absorption

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von 2-Phenyl-4-hydroxymethylimidazolen der allgemeinen Formel I

CH,OH

in der R eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder eine Benzylgruppe und R' ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeuten, dadurch gekennzeichnet, daß ein 2-Phenylimidazol der allgemeinen Formel II