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Verfahren zur Herstellung von tert.-Butylderivaten aromatischer
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Hydroxyverbindungen Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren
zur Herstellung von tert.-Butylderivaten aromatischer Hydroxyverbindungen.
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Das gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung von Verbindungen dieser
Klasse besteht in der Umsetzung der aromatischen Hydroxyverbindung (I) mit Isobuten
in Gegenwart von starken Säuren oder Friedel-Crafts-Katalysatoren (vergl. z.B. "Ullmanns
Encyklopädie der technischen Chemie", Band 15 (1962), Seite 445).
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Auf ähnliche Weise können auch tert.-Butylhalogenide und tert.-Butanol
als Alkylierungsmittel verwendet werden (vergl.
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z.B. Houben-Weyl, "Methoden der Organischen Chemie", Band 6/lc (1976),
Seiten 925 und 995). Sowohl die tert.-Butylhalogenide als auch tert.-Butanol sind
jedoch relativ teure Ausgangsmaterialien, so daß deren Verwendung unwirtschaftlich
ist. Außerdem erhält man in diesen Fällen Halogenwasserstoffe bzw. Wasser als Nebenprodukte,
deren Abtrennung technisch aufwendig ist.
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Aber auch die Verwendung von Isobuten ist verfahrenstechnisch nachteilig,
weil es sich wegen seines tiefen Siedepunktes schlecht handhaben läßt. Darüber hinaus
ist es auch verhältnismäßig teuer, da man es aus den sogenannten C4-Schnitten erst
in reiner Form gewinnen muß, sei es durch aufwendige extraktive Verfahren oder durch
selektive Umsetzung mit beispielsweise Wasser oder Methanol, wonach die entstehenden
Verbindungen, tert.-Butanol bzw. Methyl-tert.-butyläther, wieder in ihre Ausgangskomponenten
rückgespalten werden müssen.
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Eine weitere Methode zur tert.-Butyiierung von organischen Verbindungen,
darunter von Pherden, ist aus der DT-PS 1 222 059 bekannt. Hier dienen tert.-Butylester
als Alkylierungsmittel.
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Da hierbei jedoch Säuren abgespalten werden, bereitet die Aufarbeitung
der entstehenden Reaktionsgemische Schwierigkeiten und erfordert einen beträchtlichen
technischen Aufwand.
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Schließlich ist auch die Verwendung von Äthern als Alkylierungsmitteln
für Phenole in Gegenwart saurer Katalysatoren bekannt, jedoch wurden derartige Reaktionen,
um gemisch Alkylierungen zu vermeiden, stets mit symmetrischen Äthern vorgenommen
(vergl.
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z.B. Houben-Weyl, cit, Seite 1 004). Soweit gemischte Äther wie Methylbutyläther
erwähnt wurden (vergl. z.B. US-PS 2 881 219, Spalte ) oben), war hier eine gemischte
Alkylierung zu erwarten.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die tert. -Butylderivate von
aromatischen Hydroxyverbindungen auf wirtschaftlichere und verfahrenstechnisch einfachere
Weise zugänglich zu machen als bisher.
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Es wurde gefunden, daß man die tert.-Butylderivate von aromatischen
Hydroxyverbindungen in hohen Ausbeuten und in glatter Reaktion erhält, wenn man
die aromatischen Hydroxyverbindungen(I) bei 50 bis 1500C in Gegenwart von stark
sauren Kationenaustauschern in flüssiger Phase mit einem Alkyl-tert.-butyläther
der allgemeinen Formel II, R - CH2 - 0 - C(CH) II in der R für Wasserstoff oder
eine Cl bis C7-Alkylgruppe steht, umsetzt.
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Wider Erwarten findet bei dieser Reaktion praktisch weder eine Verätherung
der aromatischen Hydroxygruppen noch eine gemischte Alkylierung/tert.-Butylierung
statt.
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Im Rahmen der allgemein bekannten Gesetzmäßigkeiten für die Kernalkylierung
aromatischer Hydroxyverbindungen, denenzufolge mindestens soviele für den Eintritt
von elektrophilen Substituenten geeignete Positionen - im Falle von Phenolen handelt
es sich um
die ortho-Stellungen sowie um die para-Stellung - unbesetzt
sein müssen, wie dem Alkylierungsgrad entspricht und denenzufolge im Molekül vorhandene
Substituenten mit negativem mesomerem Effekt, z.B. die Nitrogruppe, die Alkylierung
erschweren oder verhindern, unterliegt das erfindungsgemäße Verfahren nach den bisherigen
Beobachtungen keinen Beschränkungen.
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Stammkörper der erfindungsgemäß in ihre ein- bis dreifach tert.-butylierten
Derivate zu überführenden aromatischen Hydroxyverbindungen I sind im Hinblick auf
die aus den Verfahrensprodukten herzustellenden erwünschten Endprodukte insbesondere
das Phenol, die Naphthole und die Dihydroxyphenole, daneben aber auch p-Diphenol,
p-Diphenylolmethan und die Hydroxyanthracene und -anthrachinone.
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Diese Stammkörper können weitere Substituenten tragen, z.B. Halogen
wie vorzugsweise Chlor, Cl bis C18-, vorzugsweise Cl bis C4-Alkylgruppen, Cl bis
C6-Alkoxygruppen, die Benzylgruppe und die Cyclohexylgruppe.
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Technisch besondere Bedeutung haben Phenol, p-Kresol, o-Kresol, p-Methoxyphenol,
Brenzkatechin, Resorcin und Hydrochinon.
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Die Alkyl-tert.-butyläther II sind durch Umsetzung von Isobuten enthaltenden
C4-Schnitten mit einem Alkohol R-CH2-OH in Gegenwart von Säuren in hoher Selektivität
und Ausbeute leicht zugänglich. Die hierbei anfallenden Reaktionsgemische können
unmittelbar für die erfindungsgemäße tert.-Butylierung verwendet werden, da die
neben den Äthern II vorhandenen Komponenten nicht stören. Unter den Verbindungen
II werden der Methyl-, Äthyl-, Propyl- und Isobutyläther aus wirtschaftlichen und
verfahrenstechnischen Gründen im allgemeinen bevorzugt.
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Als Katalysatoren eignen sich alle stark sauren Kationenaustauscher,
die zumeist aus sulfonierten vernetzten Styrolpolymerisaten
bestehen.
Solche Austauscherharze sind z.3. unter den Bezeichnungen (R)Amberlite IR-120, (R)Dowex
50, Amberlyst 15, (R)Lewatit SC-10& und SPC-108 und (R)Lewasorb AC-10 im Handel
erhältlich.
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Die Menge dieser Katalysatoren hat lediglich einen Einfluß auf die
Reaktionsgeschwindigkeit und ist im übrigen daher nicht kritisch. Für praktische
Verhältnisse richtet man es zweckmäßigerweise jedoch so ein, daß pro Mol der zu
alkylierenden aromatischen Hydroxyverbindung I mindestens 1 g des Kationenaustauschers
zugegen sind. Andererseits bringen größere Mengen als 100 g/mol keine nennenswerten
Vorteile mehr. Je nach den Reaktionsbedingungen im Einzelfall lassen sich die optimalen
Katalysatormengen durch einige Vorversuche unschwer ermitteln.
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Die Mengen der Alkyl-tert.-butyläther II richten sich in erster Linie
nach dem gewünschten Alkylierungsgrad, der pro Phenolkern vorzugsweise 1 und höchstens
3 beträgt.
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Für die Monoalkylierung oder überwiegende Monoalkylierung läßt man
pro Mol I während der Reaktion zweckmäßigerweise 0,5 bis 1,5 mol II zugegen sein,
wobei man die Reaktion bei einem Umsatz von etwa 50 bis 100 %, bezogen auf I, abbricht.
Für die Bisalkylierung beträgt die Menge an II etwa 2 bis 3 mol pro mol I.
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Wünscht man bei einkernigen Ausgangsverbindungen I den unter den angegebenen
Reaktionsbedingungen höchsten Alkylierungsgrad von 3, so verwendet man zweckmäßigerweise
4 bis 5 mol II.
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Entsprechende Mengen gelten für höhere Alkylierungsgrade bei mehrkernigen
Verbindungen I.
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Die Mitverwendung von Lösungsmitteln ist grundsätzlich nicht erforderlich,
empfiehlt sich jedoch dann, wenn I und II unter den Reaktionsbedingungen keine homogene
flüssige Phase bilden.
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Als Lösungsmittel eignen sich alle Flüssigkeiten, die sich unter den
Reaktionsbedingungen inert verhalten, also z.B. aliphatische
und
aromatische Kohlenwasserstoffe oder deren Chlorierungsprodukte. Da man normalerweise
nicht mehr Lösungsmittel verwendet als zur Herstellung einer homogenen Phase erforderlich
ist, ergibt sich deren Menge funktionell aus den jeweiligen Löslichkeiten. Eine
mehr als fünffache Verdünnung wird man im allgemeinen vermeiden, weil bei stärkerer
Verdünnung die Reaktionsgeschwindigkeit merklich abnimmt.
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Innerhalb des angegebenen Temperaturbereiches von 50 bis 1500C erzielt
man die besten wirtschaftlichen Ergebnisse im allgemeinen zwischen 70 und 1300C.
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Normalerweise empfiehlt sich das Arbeiten bei Normaldruck. Will man
die Reaktion jedoch bei Temperaturen vornehmen, die oberhalb des Siedepunktes von
II liegen, arbeitet man bei entsprechend höheren Drucken bis zu etwa 15 bar.
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Fluor eine stetige Reaktionsführung legt man zweckmäßigerweise die
aromatische Hydroxyverbindung I und den Äther II vor und gibt hierzu den Katalysator,
oder man geht von einem Gemisch aus I und dem Katalysator aus und fügt den Ather
hinzu. Im übrigen ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht an eine bestimmte Verrahrensweise
gebunden, so daß es nach den üblichen hierfür bekannten Techniken auch vorteilhaft
kontinuierlich ausgerührt werden kann. Hervorzuheben ist die lange Lebensdauer des
Katalysators, die seine praktisch unbegrenzte Wiederverwendung gestattet.
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Auch die Aufarbeitung der Reaktionsgemische kann nach den üblichen
Methoden erfolgen, so daß nähere Erläuterungen hierzu entbehrlich sind.
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Zabreiche der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Verbindungen
sind bekanntermaßen wertvolle Zwischenprodukte für die Herstellung von beispielsweise
Farbstoffen, Emulgatoren, Weichmachern, Duftstoffen und Arzneimitteln. Einige der
Verfahrensprodukte, z.B. 3-tert.-Butyl-4-hydroxyanisol, 4-tert.-Butylbrenzkatechin
und
2,6-Di-tert.-butyl-4-methylphenol finden auch unmittelbar als Antioxydantien Verwendung,
darunter für Speiseöle und Speisefette.
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Beispiel 1 2-tert.-Butyl-4-methylphenol Eine Suspension aus 216 g
(2 mol) p-Kresol und 20 g des sauren Kationenaustauschers Lewasorb AC-10 wurde bei
90°C unter ormaldruck und unter intensivem Rühren im Laufe von 2 Stunden mit 132
g (1,5 mol) Methyl-tert.-butyläther versetzt und noch eine weitere halbe Stunde
bei dieser Temperatur gehalten. Die übliche destillative Aufarbeitung des vom Katalysator
abgetrennten Reaktionsgemisches lieferte rund 96 ß 2-tert.-Butyl-4-methylphenol
als Hauptprodukt und daneben rund 4 ffi 2,6-Di-tert.-butyl-4-methylphenol, bezogen
auf einen p-Kresolumsatz von 68 %.
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Beispiel 2 2- tert.-Butyl-5-methylphenol Eine Suspension aus 216 g
(2 mol) m-Kresol und 15 g des sauren Kationenaustauschers Lewasorb AC-10 wurde bei
Normaldruck und 800C unter intensivem Rühren im Laufe einer Stunde mit 132 g (1,5
mol) Methyl-tert.-butyläther versetzt und eine weitere Stunde bei dieser Temperatur
gehalten.
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Die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches lieferte rund 90 ffi 2-tert.-Butyl-5-methylphenol
als Hauptprodukt sowie daneben rund 9 ß 4-tert.-Butyl-3-methylphenol, bezogen auf
einen m-Kresolumsatz von 68 %.
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Beispiel 3 6-tert.-Butyl-3,4-xylenol Eine Suspension aus 244 g (2
mol) 3,4-Xylenol und 20 g des sauren Kationenaustauschers Lewasorb AC-10 wurde bei
Normaldruck und90°C unter Rühren im Laufe von 2 Stunden mit 256 g (2 mol) Isobutyl-tert.-butyläther
versetzt und noch eine weitere Stunde bei dieser Temperatur gehalten. Die übliche
Aufarbeitung lieferte das 6-tert. -Butyl-3,4-xylenol in einer Ausbeute von 98 ,
bezogen auf einen 3,4-Xylenolumsatz von 91 $.
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Beispiel 4 2,4-Di-tert.-butylphenol Eine Suspension aus 188 g (2 mol)
Phenol, 176 g (2 mol) Methyltert.-butyläther und 30 g des sauren Kationenaustauschers
Lewasorb AC-10 wurde unter dem Eigendruck von 3 bar 2 Stunden lang unter Rühren
auf 900C gehalten. Die übliche Aurarbeitung lieferte das 2,4-Di-tert.-butylphenol
in einer Ausbeute von 94 %, bezogen auf einen praktisch quantitativen Umsatz des
Phenols.
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Beispiel 5 2-tert.-Butyl-4-methoxyphenol Eine Suspension aus 248 g
(2 mol) p-Methoxyphenol und 30 g des sauren Kationenaustauschers Lewasorb AC-10
wurde bei Normaldruck und 1000C innerhalb von 2 Stunden unter Rühren mit 102 g (1
mol) Äthyl-tert. -butyläther versetzt und eine weitere Stunde bei dieser Temperatur
gehalten. Die Aufarbeitung lieferte als Hauptprodukt das 2-tert.-Butyl-4-methoxyphenol
in 82-prozentiger Ausbeute neben 10 ß 3-tert. Butyl-4-methoxyphenol und 7 ß eines
Gemisches von Di-tert.-butyl-4-methoxyphenolen, bezogen auf
einen
p-Methoxyphenolumsatz von 47 ,.
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Beispiel 6 4-tert.-Butylbrenzkatechin Eine Suspension aus 220 g (
mol) Brenzkatechin, 110 g (1,25 mol) Methyl-tert.-butyläther und 50 g des sauren
Kationenaustauschers Lewasorb AC-10 wurde 2 Stunden lang unter einem Druck von 5
bar auf 1300C erhitzt. Die übliche Aufarbeitung lieferte das 4-tert.-Butylbrenzkatechin
in 97-prozentiger Ausbeute, bezogen auf einen Brenzkatechinumsatz von 61 ,.
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Beispiel 7 4- (3-tert. -Butyl-4-hydroxyphenyl) -butan-2-on Eine Suspension
aus 246 g (1,5 mol) 4-(4-Hydroxyphenyl)-butan-2-on, 25 g des sauren Kationenaustauschers
Lewasorb AC-10 und 132 g (1,5 Mol) Methyl-tert.-butyläther wurde unter einem Eigendruck
von 6 bar 3 Stunden lang unter Rühren bei 1100C gehalten.
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Die übliche Aufarbeitung des Reaktionsgemisches lieferte die obengenannte
Verbindung in 81-prozentiger Ausbeute, bezogen auf einen Umsatz des Hydroxyphenylbutanons
von 80 .