DE2659856A1 - Verfahren zur urethansynthese im solventmedium - Google Patents
Verfahren zur urethansynthese im solventmediumInfo
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Description
- Verfahren zur Urethansynthese im Solventmedium
- Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zur Urethansynthese durch Umsetzung von Chlorformiaten mit Aminen in Gegenwart eines Säureakzeptors in einem Lösungsmittelmedium.
- Die Reaktion von Chlorformiaten. mit Aminen ist aufgrund ausgedehnter Untersuchungen wohl bekannt und verläuft nach folgender Gleichung: Die Reaktion wird im allgemeinen in einem Lösungsmittelmedium durchgeführt. Hierfür eignen sich beispielsweise halogenierte Kohlenwasserstoffe insofern, als die im Verlauf der Reaktion gebildete Chlorwasserstoffsäure günstig zu entfernen ist.
- Die Entfernung der Chlorwasserstoffsäure stellt bei dieser Reaktion eine besonders wichtige Forderung dar, da Chlorwasserstoffsäure aufgrund der Reaktion mit dem Amin unter Bildung des entsprechenden Chlorhydrats die Reaktion ungünstig beeinflußt und die Reaktivität des Amins und damit die Reaktionsausbeute erheblich verringert wird.
- Urethane werden in wichtigen Industriezweigen wie beispielsweise in der pharmazeutischen oder Agrikulturchemie in weitem Maße eingesetzt, wobei höchste Reinheit erwünscht ist. Damit stellt sich das Problem der Entfernung der Chlorwasserstoffsäure, zu dessen Lösung bereits verschiedene Wege angegeben wurden.
- So wurde zunächst angegeben, derartige Reaktionen in Gegenwart eines tertiären Amins wie Pyridin oder Triäthylamin als Säureakzeptor durchzuführen. Die Urethansynthese wird gegenwärtig auch tatsächlich nach diesem Verfahren durchgeführt, wobei das Problem auftritt, daß die Trennung des Urethans vom Chlorhydrat des tertiären Amins nur schwer durchführbar ist, da dieses im Lösungsmittel teilweise löslich ist. Nach diesem Verfahren sind entsprechend mehrere fraktionierte Vakuumdestillationen erforderlich, wodurch ein teilweiser Urethanabbau eintritt und die Ausbeute bei zugleich hohen Verfahrenskosten wesentlich verringert wird.
- Es wurde ferner angegeben, diese Schwierigkeit durch Vornahme der Reaktion in einem heterogenen flüssigen Medium zu umgehen, das aus zwei Phasen besteht: einer organischen Phase aus dem Chlorformiat. und dem Amin in Lösung in einem organischen, mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel, das zugleich ein Lösungsmittel für das Urethan darstellt (im allgemeinen sind hierfür halogenierte Kohlenwasserstoffe günstig) sowie einer wäßrigen Phase, die einen Säureakzeptor enthält, beispielsweise ein tertiäres Amin oder ein Alkali- oder Erdalcalikarbonat-Nach derartigen Verfahren wird die Chlorwasserstoffsäure von der wäßrigen Phase aufgenommen und das Urethan durch Dekantation abgetrennt und durch Destillation der organischen Phase gewonnen. Dieses Verfahren ist beispielsweise in den FR-PSen 2 025 759 und 2 072 545 beschrieben; es führt zu relativ niedrigen Ausbeuten, da das Urethan stets zumindest etwas wasserlöslich ist. Daneben wird das Chlo.rformiat, das leicht mit Wasser reagiert, stets teilweise hydrolysiert, weshalb das auf diese Weise erhaltene Urethan Verunreinigungen enthält.
- In der FR-PS 1 197 637 (1956) ist schließlich angegeben, Amide und Urethane von Estern des Cysteins, also einer sehr speziellen Aminosäure, durch Umsetzung von Cystein mit einem Säurechlorid bzw. einem Chlorformiåt in Gegenwart von Natriumacetat, Natriumcarbonat oder Ammoniak herzustellen. In beiden Fällen ist Natriumacetat besonders bevorzugt, während sich Natriumcarbonat demgegenüber als ungünstiger erwies und auf die Herstellung von Amiden beschränkt ist, da es zu Produkten mit geringerer Stabilität führt. Aufgrund dieser Gegebenheiten bestand auf diesem Gebiet das Vorurteil, daß gute Ausbeuten und reine, stabile Produkte durch Anwendung dieser Verfahrensweise auf andere Amine nicht zu erzielen sind.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein industriell durchführbares Verfahren zur Herstellung reiner Urethane in hohen Ausbeuten anzugeben, ferner auf der Basis dieser Verfahrensweise neue Urethanverbindungen zu entwickeln.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reaktion des Chlor.formiats mit dem Amin in einem aus zwei Phasen bestehenden heterogenen 1' lüssig -festen Medium durchgeführt wird, nämlich - einer ersten flüssigen Phase, die das Chlorformi.åty das Amin und das Urethan in Lösung in einem Lösungsmittel enthält, und - einer zweiten, festen Phase, die zu Beginn aus einem wasserfreien Alkali- oder Erdalkalicarbonat oder einem Gemisch derartiger Carbonate besteht.
- Die Chlorwasserstoffsäure wird dabei nach folgendem Mechanismus gebunden: Die durch Reaktion des Chlorformiats mit dem Amin freigesetzte Chlorwasserstoffsäure reagiert ihrerseits mit dem Alkali- oder Erdalkalicarbonat unter Bildung des entsprechenden Chlorids und Wasser, das sofort durch das nicht umgesetzte anorganische Carbonat unter Bildung des entsprechenden Hydrats gebunden wird, da derartige Carbonate im festen Zustand zu einer Bindung einer großen Zahl von Wassermolekülen in der Lage sind. Da die Carbonate und ihre Hydrate sowie die entsprechenden Chloride in der organischen Phase unlöslich sind, gelangt die Chlorwasserstoffsäure entsprechend in die feste, in der organischen, flüssigen Phase unlösliche feste Phase. Das Urethan läßt sich schließlich aus dem Lösungsmittel durch einfache Filtration abtrennen, wobei das Chlorformiat keinerlei Hydrolyse unterliegt und auch keinerlei Lösung des Urethans in einem zu verwerfenden Lösungsmittel eintritt. Durch Verdampfen oder Abdestillieren des Lösungsmittels kann das Urethan nach dieser Verfahrensweise mit sehr guten Ausbeuten und in außerordentlich reinem Zustand erhalten werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren verläuft allgemein nach folgendem Reaktionsschema: darin bedeuten: R = lineare! oder verzweigte Alkylgruppen, Cycloalkylgruppen oder Arylgruppen, wobei R ggf. durch funktionelle Gruppen, insbesondere durch Phosphonat, Phosphinoxid, Sulfon, Äthergruppen oder Halogen(e), substituiert ist; R1 = H, lineare oder verzweigte Alkylgruppen mit / Atomen, lineare oder verzweigte Hydroxyalkylgruppen mit Atomen oder eine Arylgruppe; R2 = dasselbe wie R1 außer H, wobei R1 und R2 gleich oder verschieden sein und ggf. zusammen einen Ring bilden können; M = ein Alkali- oder Erdalkalimetall; x = 2, wenn M ein Alkalimetall ist, und x = 1, wenn M ein Erdalkalimetall ist, und Z = die Zahl der vom Carbonat aufnehmbaren Wassermoleküle.
- Die erfindungsgemäß einzusetzende Minimalmenge an wasserfreiem Carbonat hängt von der Maximalzahl y an Wassermolekülen ab, die vom entsprechenden Carbonat in Form des Carbonathydrats gebunden werden können.
- Aus dem allgemeinen Reaktionsschema (1) ist ersichtlich, daß theoretisch eine Minimalmenge von m Mol Carbonat zur Bindung des vonm Mol reagierendem Chloroformiat erzeugten Chlors erfolderlich sind. Ferner sind zusätlich m Mol Carbonat 2y zur Bindung des Wassers erforderlich, was insgesamt zu einer theoretischen Gesamtmenge von m (y+l) Mol als der erforderderlichen Carbonatmenge führt. 2y Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß die günstigsten Ergebnisse erzielt werden, wenn auf m Mol des Chlorformiats mindestens Sm (y+l Mol des Carbonats eingesetzt werden, 2< d. h. wenn das Dreifache der theoretisch erforderlichen Menge eingesetzt wird.
- Zur Ausschöpfung aller Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es günstig, eine Carbonatmenge einzusetzen, die über der oben erwähnten günstigen Minimalmenge liegt, d. h. eine Carbonatmenge, die mehr als das Dreifache der theoretischen Menge beträgt.
- Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden solche Carbonate eingesetzt, deren Hydrate eine große Zahl von Wassermolekülen enthalten. So werden beispielsweise Natrium- und Kaliumcarbonat bevorzugt eingesetzt. Im letzteren Fall beträgt die molare Menge an Carbonat vorzugsweise das Doppelte der molaren Menge an eingesetztem Chlorformiat.
- Zum erfindungsgemäßen Verfahren ist ferner festzustellen, daß einige Carbonate, insbesondere Erdalkalicarbonate, die entweder Hydrate mit nur wenigen Wassermolekülen oder aber überhaupt keine Hydrate bilden, dennoch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren günstig eingesetzt werden können, wenn ihre Chloride als solche zur Aufnahme von Wassermolekülen in einem größeren Ausmaß befähigt sind. Dies ist beispielsweise für Calciumcarbonat der Fall. In diesem Fall wird vorzugsweise ein besonders großer Überschuß des Carbonats angewandt Das bei der Reaktion eingesetzte Lösungsmittel muß gegenüber den vorliegenden Verbindungen inert sein und vorzugsweise einen Siedepunkt unterhalb des Siedepunkts des Urethans wie auch
untcr einen 4 - Wenn die Gruppen R1 und R2 des Amins nicht zur Reaktion it dem Chlorformiat befähigt sind, ist die Reihenfolge der Einführung der Reaktanten ohne Einfluß. Wenn andererseits R1 und/oder R2 eine oder mehrere reaktive funktionelle Gruppen, insbesondere Hydroxylgruppen, aufweisen, ist es erfindungsgemäß bevorzugter, das Amin in die Lösung des Chlorformiats, die das Carbonat enthält, einzuführen, Die Reaktion wird unter Rühren bei Raumtemperatur durchgeführt. Aufgrund des exothermen Charakters der Bildungsreaktion des Urethans steigt die Temperatur allerdings im allgemeinen auf etwa 30 OC an. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens endet die Reaktion durch leichtes Erhitzen des Reaktionsgemischs, jedoch nicht über 50 Oc. Die Reaktionsdauer hängt von der Menge der Reaktanten und der verwendeten Vorrichtung ab. Die Reaktionszeit beträgt jedoch im allgemeinen nur einige Stunden. Der Zerteilungsgrad des Carbonats ist nicht entscheidend; die Verwendung eines feinteiligen Carbonats ist jedoch insofern vorteilhaft, ein derartiges Carbonat weniger Wasser und Chlorwasserstoffssäure absorbiert.
- Bei Beendigung der Reaktion wird das Reaktionsgemisch auf einer Filterplatte aus gesintertem Glas filtriert und das Filtrat zur Gewinnung des gesamten gebildeten Urethans mit frischem Lösungsmittel gewaschen. Die organische Phase wird verdampft, worauf sehr reines Urethan in Ausbeuten zwischen 90 und 100 ffi der Theorie erhalten wird.
- Die so erhaltenen Urethane können direkt für die vorgesehenen Anwendungszwecke eingesetzt werden.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert.
- Beispiel 1 Herstellung von N,N-Bis(2-hydroxyäthyl)-methyl-diäthylphosphonat -urethan.
- Zu einer Lösung von 69 g (0,) Mol) Hydroxymethyldiäthylphosphat-chlorformiat in 500 ml Trichlormethan wurden 6),6 g (0,6 Mol) wasserfreies Natriumcarbonat zugegeben.
- Das Gemisch wurde unter Stickstoffatmosphäre gehalten und gerUhrt. AnschlieBend wurde eine Lösung von 51,5 g (0,) Mol) Diäthanolamin in 200 ml Trichlormethan zu dem ersten Gemisch unter Rührern zugegeben. Die Temperatur stieg dabei auf 30 °C an. Nach beendeter Zugabe wurde das Gemisch 2 h auf 40 0C erhitzt. Nach Filtration wurde der gebildete Niederschlag mit 200 ml Trichlormethan gewaschen, worauf die organische Phase abgedampft wurde. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels wurde N,N-Bis(2-hyroxyäthyl)-methyl-diäthylphosphonat-urethan in einer Ausbeute von 95 % erhalten.
- OH-Gehalt (Äquivalent/kg): berechnet: 6,68 gefunden: 6 IR-Spektrum (CCl4): #c=o:1720 cm-1 NMR-Spektrum (CDCl3): (a) Triplett mit Zentrum bei 1,3 ppm (b) und (c) Gruppen von 3,3 bis 5,8 ppm (d) Doublett eines Quartetts mit Zentrum bei 4,12 ppm (e) Doublett mit Zentrum bei 4,28 ppm und (f) Einzelpeak bei 5,2 ppm.
- Beispiel 2 Syntese von N,N-Bis(2-hydroxyäthyl)-phenylurethan.
- Das Verfahren von Beispiel 1 wurde unter Verwendung von Phenylchlorformiat, Diäthanolamin und wasserfreiem Natriumcarbonat wiederholt.
- Dabei wurden 42,3 g des angestrebten Urethans entsprechend einer Ausbeute von 95 % erhalten.
- Die folgenden Daten erweisen die Reinheit des erhaltenen Produkts: OH Gehalt: berechnet: 9,9 Aquivalent/kg und gefunden: 8,0 Äqivalent/kg -1 IR-Spektrum: YC,0 1720 cm NMR-Spektrum: (a Gruppe bei 5,52 ppm (b) Gruppe bei 3,87 ppm (c' Einzelpeak bei 4,6 ppm (2H und austauschbar mit D2°) (d) Gruppe bei 7,2 ppm (5H).
- Beispiel 5 Synthese von N,N-Bis(2-hydrohyäthyl)-äthylurethan.
- Das Verfahren von Beispiel 1 wurde unter Verwendung von Äthylchlorformiat, Diäthanolamin und wasserfreiem Natriumcarbonat als Reaktanten wiederholt.
- Es wurden 30,8 g N,N-Bis(2-hydroxyäthyl)-äthylurethan entsprechend einer Ausbeute von 87 % erhalten.
- Die folgenden Daten erweisen die Reinheit des Produkts; OH-Gehalt (Aquivalent/kg): berechnet: 11,3 gefunden: 11,2 IR-Spektrum: #c=obei 1690 cm-1 NMR -Spektrum: (a)- Triplett bei 1,23 ppm (3H) (b) (c) A2B2-System mit: 5 Hb - 3,34 ppm (4H) 5 Hc # 3,74 ppm (4H) (d) Quartett bei 4,1 ppm (2H) (e) Singulett bei 4,33 ppm (2H) Beispiel 4 Synthese von N,N-Diäthyl-phenylurethan.
- Das Verfahren von Beispiel 1 wurde unter Verwendung von Phenylohlorformiat, Diäthylamin und wasserfreiem Natriumcarbonat als Reaktanten durchgeführt.
- Es wurden 38,6 g N,N-Diäthyl-phenylurethan entsprechend einer Ausbeute von 100 % erhalten.
- Die folgenden Analysendaten erweisen die hohe Reinheit des Produkts: IR-Spektrum: #c=o bei cm-1 NMR-Spektrum: (CDCl3): (a) Triplett bei 1,2 ppm (6H) (b) Quartett bei 3,38 (4H) (c) Gruppe bei 7,18 ppm 5H).
- Beispiel 5 Synthese von N,N-Diäthyl-äthylenurethan.
- Das Verfahren von Beispiel 1 wurde unter Verwendung von Athylchlorformiat, Diäthylamin und wasserfreiem Kaliumcarbonat als Reaktanten wiederholt. Es wurden 32 g N,N-Diäthyläthylurethan entsprechend einer Ausbeute von 100 % erhalten.
- Spektraldaten: IR-Spektrum: #c=o bei 1710 cm-1 NMR-Spektrum (CDCl3):
(a) Triplett bei 1,1 ppm (b) Triplett bei 1,23 ppm (9H) - In einen mit Rührer und Thermometer ausgerüsteten Reaktionskolben wurden 53 g (0,5 Mol) Diäthanolamin, 51 g (0,5 Mol) Triäthylamin und 700 ml wasserfreies Tetrahydrof uran eingebracht Das Gemisch wurde gerührt, bis die Lösung homogen war, worauf 115,2 g (0,8 Mol) des Chloroformiats zwischen 0 und 5 °C zuzesetzt wurden. Das Rühren wurde bei Raumtemperatur 1 h aufrechterhalten, wonach das Gemisch filtriert und das Tetrahydrofuran im Vakuum abgedampft wurde; der verbleibende Rückstand wurde mit 200 ml reinem Wasser behandelt.
- Die wäßrige Phase wurde anschließend viermal mit 200 ml Trichlormethan extrahiert.
- Die organische Phase wurde darauf getrocknet und eingedampft. Es wurden 100 g des angestrebten Urethans in einer entsprechenden Ausbeute von lediglich 67 % erhalten.
- Beispiel 7 v ergleichsbeispie 1 Dieselben VerbindunSen wie in den Beispielen 1 und 6 wurden nach der herkömmlichen Verfahrensweise durch Arbeiten in Gegenwart einer wäßrigen, den Säureakzeptor enthaltenden Phase hergestellt In einem mit Rührer und Thermometer ausgerüsteten Reaktionskolben wurden 250 ml destilliertes Wasser, 27,6 g (0,2 Mol) Kaliumcarbonat, 26 g (0§25 Mol) Diäthanolamin und 100 ml Trichlormethan eingebracht Das Gemisch wurde auf eine Temperatur von 0 bis 5 oC abgekühlt, worauf 46,1 g (0,2 Mol) Diäthylhydroxymethylphosphonat-chlorformiat in 400 ml Trichlormethan unter kräftigem Rühren zugesetzt wurden. Nach der Zugabe, die etwa 5 h in Anspruch nahm, wurde die organische Phase abgetrennt und die wäßrige Phase mit 100 ml Trichlormethan gewaschen. Die vereinigten organischen Phasen wurden mit 5Q ml 2 N Salzsäurelösung und darauf mit 150 ml reinem Wasser gewaschen, wonach über wasserfreiem Natriumsulfat getroknet wurde.
- Das Lösungsmittel wurde bei 60 °C unter vermindertem Druck abgedampf, wonach 92 g des angestrebten Urethans in einer Ausbeute von 53 % erhalten wurden.
- Aus den Beispielen 1,6 und 7 geht hervor, - daß das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu Verfahren nach dem Stand der Technik außerordentlich leicht durchfühbar ist und - das erfindungsgemäße Verfahren zu einer erheblichen Ausheuteverbesserung gegenüber dem Stand der Technik führt.
- Beispiel 8 Synthese von N,N-Bis(2-hydroxyäthyl)-2,3-dibrompropolyurethan.
- Die obige Substanz stellt eine neue Verbindung dar. Zur fierstelllrng wurde wie in Beispiel 1 verfahren, wobei eine Lösung von 42 g (0,04 Mol) Diäthanolamin in 32 ml Trichlormethan und eine Suspension von 84,8 g (0,8 Mol) Natriumcarbonat in einer Lösung von 112 g (0,4 Mol) 2,3-Dibrompropylchlorformiat in 150 ml Trichlormethan verwendet wurden.
- Es wurden 135 g (Ausbeute 97 /o) des angestrebten reinen Urethans in Form einer gelben, öligen Flüssigkeit erhalten.
- OH-Gehalt (Aquivalent/kg): berechnet: 5,7 gefunden: 6,2 IR -Spektrum: OH: 3400 cm-1 c=o: 1710 cm-1 Brechungsindex bei 19 °C: nD = 1,5360.
- Die Verbindung eignet sich vorteilhaft zum Flammfest-bzw. Feuerfestmachen von Polyurethanen sowie beispielsweise als Zwischenprodukt zur Herstellung von Agrikulturchemikalien.
- Beispiel 9 Das Beispiel bezieht sich auf die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in halbindustriellem Maßstab.
- Ausgangsmaterialien: 9,129 kg (39,65 Mol) Hydroxymethyldiäthylphosphonat in 8 1 Trichlormethan, 4,575 kg (39s65 Mol) Diäthanolamin in 5,5 1 Trichchlormethan und 8,400 kg wasserfreies Natriumcarbonat.
- D-ie Chiorformiatlösung wurde auf 20 °C gekühlt, worauf 1/3, d. h. 2,8 kg der Gesamtmenge an Natriumcarbonat zugesetzt wurde. Anschließend wurde 1/3 der Gesamtmenge an Diäthanolamin zugesetzt, wobei die Temperatur zwischen 50 und 35 0C gehalten wurde. tiach dem Abkühlen auf 20 °C wurde ein weiteres Drittel der Menge an Natriumcarbonat und darauf ein weiteres Drittel der Menge an Diäthanolamin zugegeben. Nach dem Abkühlen wurde die oben genannte Verfahrensweise für die beiden letzten Mengendrittel wiederholt. Nach 2 h Rühren wurde das Gemisch filtriert und das Trichlormethan unter vermindertem Druck abgedampft. Das angestrebte Urethan wurde in einer Menge von 9,550 kg entsprechend einer Ausbeute von 81 ß erhalten.
- Der OH-Gehalt betrug 6,40 Äquivalent/kg, der Phosphorgehalt 10,9 $.
Claims (5)
- Neuer Anspruch 1. Verfahren zur Urethansynthese durch Umsetzung eines Chlorformiats der allgemeinen Formel ROCOC1 mit einem Amin der allgemeinen Formel R1NHR2 in Gegenwart eines Säureakzeptors, wobei bedeuten: R = lineare? oder verzweigten Alkylgruppen, Cycloalkylgruppen oder Arylgruppen, wobei R ggf. durch funktionelle Gruppen, insbesondere durch Phosphonat, Phosphinoxid, Sulfon, Äthergruppen oder Halogen(e), substituiert ist9 R1 = H, lineare oder verzweigte Alkylgruppen mit C-At omen, lineare oder verzweigte Hydroxyalkylgruppen mit Atomen oder eine Arylgruppe und R2 = dasselbe wie R1 außer H, wobeiR1 und R2 gleich oder verschieden sein und ggf. zusammen einen Ring bilden können, da d u r c h g e k e n n z e i c h ne t, daß die Reaktion in einem heterogenen fest-flüssigen Medium aus zwei Phasen durchgeführt wird, wobei die erste, flüssige Phase aus dem Chlorformiat, dem Amin und dem Urethan in Lösung in einem inerten Lösungsmittel mit einem Siedepunkt unter dem des gebildeten Urethans besteht und die zweite, feste Phase zu Beginn aus einem wasserfreiem Alkali- oder Erdalkalicarbonat oder einem Gemisch dieser Carbonate besteht und die minimale Molmenge des bzw. der Carbonate m(y+l) beträgt, worin m die Molzahl an Chlorformiat 2y und y die maximale Anzahl von Wassermolekülen bedeuten, die das bzw. die Carbonate aufzunehmen vermögen.bedeuten, die das bzw. die Carbonate aufzunehmen vermögen.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Carbonat Natriumcarbonat und/oder Kaliumcarbonat verwendet wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel ein halogenierter aliphatischer Kohlenwas.«serstoff verwendet wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel Trichlormethan verwendet wird.
- 5. N,N-Bis (2-hydroxymethyl)-2,5-dibrompropylurethan.
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