DE2659851C3

DE2659851C3 - Verfahren zur Herstellung von 2-Phenyl-4-hydroxymethylimidazolen

Info

Publication number: DE2659851C3
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: 1980-05-22
Also published as: DE2618756C3; DE2659851B2; DE2659851A1; DE2618756A1; DE2618756B2

Description

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

In dei SU-PS 1 96 869 ist eine Methylolierungsreaktion von 4-Methylimidazolen mit Paraformaldehyd beschrieben. Da Imidazolen eine Art eines Ketons ist, dessen 2-StelIung durch eine Carbonylgruppe substituiert ist, ist es grundsätzlich unterschiedlich gegenüber einem Imidazolin.

Es wurde jetzt festgestellt, daß, falls ein keine Arylgruppe in der 2-StelIung 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-StelIung enthaltenden Imidazol und Formaldehyd läßt sich schematisch wie folgt darstellen:

R*

(II) 20 HN N + HCHO =

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

\ ^N 1T~^R

• < Γ ^m

N U-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 J. 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 30 691 ist die Herstellung einer Verbindung der Formel

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

'HOCH, —N N

" Y

R,

R₁

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

:15 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.

Beispiele für N-Methylolderivate sind die folgenden:

1 -Melhylolimidazol:

Schmelzpunkt 58 bis 59° C (Aceton),
■vC-0 1065cm-',
Schmelzpunkt des hieraus hergestellten
Phenylurethans, 167 bis 168° C (Aceton).

1 -Methylol-2-methylimidazol:

Schmelzpunkt, 95,5 bis 96,5° C (Aceton),
vC-0 1065cm-',
Schmelzpunkt des hieraus hergestellten
Phenylurethans 161 bis 162° C (Benzol).

l-Methylol-2-äthylimidazol:

Schmelzpunkt 73 bis 74°C (Aceton),
vC-0 1048,1075 cm-',
Schmelzpunkt des hieraus hergestellten
Phenylurethans 141 bis 142° C (Benzol).

1-Methylol-2,4(5)-dimethylimidazol:
Schmelzpunkt 108 bis 109° C (Aceton),
vC-0 1070cm-',
Schmelzpunkt des hieraus hergestellten
Phenylurethans 155 bis 156° C (Acetonitril).

l-Methylol-2-äthyl-{4(5)-methylimidazol:
Schmelzpunkt 85 bis 8G° C (Aceton),
ν C-O 1060cm-¹,
Schmelzpunkt des hieraus hergestellten
Phenylurethans 129,5 bis 130,5⁰C (Aceton).

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden demgegenüber stabile 2-Phenyl-4-hydroxymethylimidazole 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.

GemäO der Erfindung wird somit ein Verfahren zur Herstellung von 2-Phenyl-4-hydroxymethyIimidazolen der vorstehend angegebenen allgemeinen Formel I geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein 2-Pheny!imidazoI der allgemeinen Formell!

N-π-R

'J

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-PhenyI-imidazols umgesetzt wird.

Eine Verbindung der Formel (I), worin R' ein Wasserstoffatom ist und R eine Methylgruppe ist, wird durch Umsetzung eines ot-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 Imidazolins, welches aus einem aliphatischen 1,2-Diamin und Nitril nach dem Verfahren gemäß der US-Patentschrift 32 10 371 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 200⁰C 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 "t,5 Mol je Mol 2-Arylimidazol angewandt, da die Anwendung von mehr als dem l,5fachen des Äquivalentgewichts an Formaldehyd nicht nur unwirtschaftlich

ίο ist, sondern auch Nebenreaktionen verursachen kann.

Für die Umsetzung kann eine handelsübliche 37°/oige 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

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 100⁰C während 10 min bis zu einigen Stunden fortgeführt Das 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 Reaktionssystem bei etwa 100⁰C zu halten, eine geeignete Temperatursteuerung erforderlich. Für diesen Zweck kann der Formaldehyd anteilsweise zu dem Reaktionssystem 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 Formaldehydharzen und Rohmaterialien für Ionenaustauschharze.

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

Beispiel 1

Ein mit Rührer und Rückflußkühler ausgerüstetes Reaktionsgefäß wurde mit 32 g (0,2 Mol) 2-Phenyl-4-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 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)-methyl-5(4)-hydroxymethylimidazol 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 Formel

N-n—CH₂OH

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 Analysenergebnisse waren folgende:

Elementaranalysenwerte

Ber.: C 70,19%, H 6,43%, N 14,88%;

gef.: C 70,08%, H 6,50%, N 14,86%.
Infrarotabsorptionsspektrum ν {£%'<)
1010 (v C-O) erste Absorption

Massenspektrum (m/e)

188(M⁺), 187,171 (M⁺ -OH), 170,129,

77 (Phenyl)
NMR-Spektrum (CD₃OD als Lösungsmittel, δ)

7,84, Multiple«, 2H (o-Protonen des Phenyls),

7,38, Multiplen, 3H (m- und p-Protonen des

Phenyls),

4,54, Single«, 2H (- CH₂OH), 2,25, Singlett,

3H(-CH₃).

Beispiel 2

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

Beispiel 3

Ein Gemisch aus 32 g (0,2 Mol) 2-Phenyl-4-methyI-imidazol, 25 ml (0,3 Mol) 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)-hydroxymethylimidazol als Endprodukt in einer M :ngc von 25,9 g (Ausbeute 69%).

Beispiel 4

Ein Gemisch aus 46,8 g (0,2 Mol) 2-PhenyI-4-benzylimidazol, welches ein bei der Dehydrierung von 2-Phenylimidazolin zur Bildung von 2-Phenylimidazol anfallendes Nebenprodukt ist, 25 ml (0,3 Mol) 37%igem Formalin und 7 g (0,05 Mol) Kaliumcarbonat wurde am Rückfluß während 1 Std. unter Rühren erhitzt Das Reaktionsgemisch wurde abgekühlt und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 nachbehandelt und lieferte 2-Phenyl-4(5)-benzy]-5(4)-hydroxymethylimidazol als Endprodukt in einer Menge von 333 g (Ausbeute 63%). Das Produkt hat die folgende Formel

CH₂OH

und hatte einen Schmelzpunkt von 219 bis 221⁰C (Zers.) is (Äthylenglykolmonomethyläther). Es war basisch, in wäßriger Salzsäurelösung löslich, 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(Si'i)
1005 (v C - O) erste Absorption

Beispiel 5

Ein Gemisch aus 34,4 g (0,2 Mol) 2-p-Tolyl-4-methylimidazol, 25 ml (0,3 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-

// X

-CH₂OH
-CH₃

und hatte einen Schmelzpunkt von 219 bis 220° C (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 Äthylenglykolmonomethyläther 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%.
Infrarotabsorptionsspektrum v(™'')
1010(0» C-O) erste Absorption

Beispiel 6

Das Verfahren nach Beispiel 5 wurde wiederholt, jedoch 2-m-Tolyl-4-methylimidazol 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

H₃C

N-n-CH₂OH

.1—11—(

N-

-CH,

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 Methylceilosolve in der Wärme löslich. Die Analysenergebnisse 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 (JfJ? M 1000 (ν C - O) erste Absorption

Claims

Patentanspruch:

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

R'

-R

(D

-CH,OH