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Verfahren zur Herstellung von cyclischen Formamidinen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von cyclischen
Formamidinen aus Alkylendiaminen und Formamid.
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Es ist bekannt, primäre Diamine mit 1,3,5-Triazinen zu cyclischen
Formamidinen umzusetzen (US-PS 2 841 585).
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Nach einem anderen Verfahren bilden sich cyclische Formamidine, wenn
man Alkylendiamine mit Cyanwasserstoff umsetzt (DT-PS 1 189 998). 2-Imidazoline
können durch Pyrolyse von N,N-Diformyl-alkylendiaminen in Gegenwart von Calciumoxid
unter gleichzeitiger Bildung von Kohlenmonoxid hergestellt werden (US-PS 3 629 278).
Weiterhin ist die Cyclisierung von Mono- N-formyl-alkylendiaminen mit Bariumoxid
zu 2-Imidazolinen bei 800C mit Ausbeuten unter 20 , bekannt (Chemistry and Industry
1969, Seite 203).
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Cyclische Formamidine können durch Umsetzung von Diaminen mit Azomethinen
und Schwefel unter gleichzeitiger Bildung von Schwefelwasserstoff hergestellt werden
(DT-OS 2 040 502).
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Bekannt ist ferner die Pyrolyse von Mono- bzw. Bis-formylalkylendiaminen
an aktivierten Kieselsäuren oder Silikaten bei 400 bis 6000C (DT-OS 1 922 802).
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Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von cyclischen Formamidinen
gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß man Alkylendiamine
der Formel (I),
in der R1 bis R9 unabhängig voneinander Wasserstoff oder gegebenenfalls substituiertes
Alkyl, Aralkyl oder Aryl darstellen, wobei 2 Alkylsubstituenten (R2 bis R9) gemeinsam
mit den Kohlenstoffatomen der Alkylenkette einen carbocyclischen Ring bilden können,und
m und n unabhängig voneinander die Zahlen 0 oder 1 bedeuten, mit Formamid, gegebenenfalls
in Gegenwart von Lösungsmitteln, im Temperaturbereich von etwa 500c bis etwa 2000c
umsetzt und dann das Reaktionsprodukt im Temperaturbereich von etwa 200°C bis etwa
350°C und einem Druck unterhalb von 150 mm Hg pyrolysiert.
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Als Alkyl(R1 bis R9) kommen geradkettige oder verzweigte Alkylreste
mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen in Betracht, beispielsweise Methyl, Äthyl, Propyl,
Isopropyl, Butyl, Isobutyl, Pentyl, Isopentyl, Hexyl oder Isohexyl.
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Als Aralkyl (R1 bis R9) kommen Reste mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen
im aliphatischen Teil und 6 bis 14 Kohlenstoffatomen im aromatischen Teil in Betracht.
Beispielsweise seien genannt: Benzyl,AlPhenyl-äthyl, Naphthyl-(l)-methyl, Naphthyl-(2
)-methyl, die isomeren ß-Naphthyl-äthyl-
Reste, Anthryl-methyl,
Anthryl-äthyl. Bevorzugt ist der Benzylrest.
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Als Aryl (R1 bis R9) kommen aromatische Reste mit 6 bis 14 Kohlenstoffatomen
in Betracht, beispielsweise Phenyl, Naphthyl, Anthryl. Bevorzugt kommt der Phenylrest
in Betracht.
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Zwei Alkylsubstituenten (R2 bis R9) können gemeinsam mit den Kohlenstoffatomen
der Alkylenkette einen carbocyclischen Ring bilden. Als carbocyclische Ringsysteme
seien besonders die 5- bis 7-gliedrigen genannt, beispielsweise Cyclopentan, Methyl-cyclopentan,
Cyclopenten, Methylcyclopenten, Cyclohexan, Methylcyclohexan, Cyclohexen, Methyl-cyclohexen,
Cycloheptan, Methyl-cycloheptan, Cyclohepten oder Methyl-cyclohepten.
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Die genannten Reste (R1 bis R9) können unabhängig voneinander einen
oder mehrere der folgenden Substituenten tragen: Hydroxyl, Halogen, Cyano, Nitro,
C-C,-Alkyl, C-C-Halogenalkyl, C1-C4-Alkoxy, Cl C4-Alkylmercapto, Carboxamid, N-Alkyl-carboxamid,
Sulfonamid oder N-Alkyl-sulfonamid.
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Als Halogen kommt besonders Fluor, Chlor oder Brom in Betracht.
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Bevorzugte Alkylendiamine für das erfindungsgemäße Verfahren sind
solche der Formel (II),
in der
R10 bis R14 unabhängig voneinander Wasserstoff oder gegebenenfalls
substituiertes Alkyl mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, Aralkyl mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen
im aliphatischen Teil und 6 bis 14 Kohlenstoffatomen im aromatischen Teil oder Aryl
mit 6 bis 14 Kohlenstoffatomen darstellen, wobei 2 Alkylsubstituenten (R11 bis R14)
gemeinsam mit den Kohlenstoffatomen, die sie substituieren, einen 5- bis 7-gliedrigen
carbocyclischen Ring bilden können und m und n unabhängig voneinander die Zahlen
0 oder 1 bedeuten.
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Besonders bevorzugte Alkylendiamine für das erfindungsgemäße Verfahren
skd solche der Formel (III),
in der R 5 bis R17 unabhängig voneinander Wasserstoff oder gegebenenfalls substituiertes
Alkyl mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, Benzyl oder Phenyl darstellen, wobei 2 Alkylsubstituenten(R16
bis R17) gemeinsam mit den Kohlenstoffatomen, die sie substituieren, einen 5- bis
7-aliedrigen carbocyclischen Ring bilden können, und m und n unabhängig voneinander
die Zahlen 0 oder 1 bedeuten.
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Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Alkylendiamine und
Methoden zu ihrer Herstellung, beispielsweise durch Reaktion von Halogenverbindungen
mit Ammoniak oder Aminen, sind bekannt (Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie,
Georg Thieme Verlag Stuttgart, Band XI/1, 1957, z.B. Seiten 48, 75, 92, 131). Geeignete
Alkylendiamine sind beispielsweise: 1,2-Diaminoäthan, 1,2-Diaminopropan, 1,3-Diaminopropan,
1,2-Diaminobutan, 1, 3-Diaminobutan, 1,4-Diaminobutan, 2, 3-Diaminobutan, 2-Amino-l-methylaminoäthan,
2-Amino--(n-butylamino)-äthan, 3-Amino-l-methylamino-propan, 2-Amino-l-(2-hydroxyäthylamino)-äthan,
N-Phenyläthylendiamin, N-Benzyläthylendiamin, 1,2-Diaminocyclohexan, Diäthylentriamin.
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Das im erfindunOsgemäßen Verfahren eingesetzte Formamid und seine
Herstellung, beispielsweise aus Ameisensäure und Ammoniak sind bekannt (Houben-Weyl,
Methoden der organischen Chemie, Georg Thieme Verlag Stuttgart, Band VIII, 1952,
Seite 654).
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann am Beispiel der Umsetzung von
Äthylendiamin mit Formamid zu 2-Imidazolin durch die folgenden Reaktionsgleichungen
erläutert werden:
Das erfindungsgemäBe Verfahren ist bei verschiedenen molaren Verhältnissen
der Alkylendiamine und des Formamids zueinander durchführbar. Bevorzugt werden 3edoch
äquimolare Mengen Alkylendiamin und Formamid eingesetzt.
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Die Umsetzung der Alkylendiamine mit Formamid im erfindungsgemäßen
Verfahren ist ohne den Zusatz eines Lösungsmittels durchzuführen. Es ist Jedoch
möglich, in der 1. Reaktionsstufe in Gegenwart eines inerten Lbsungamittels zu arbeiten.
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Ceeignete organische inerte Lösungsmittel gehören beispielsweise zur
Gruppe der Kohlenwasserstoffe, der Halogen-Kohlenwasserstoffe, der niederen Alkohole
oder der Äther.
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Kohlenwasserstoffe als Lösungsmittel sind beispielsweise: Hexan, Heptan,
Octan, Decan, Dodecan oder deren Isomere, sowie Gemische derselben, weiterhin Benzol
oder Toluol.
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Halogen-Kohlenwasserstoffe als Lösungsmittel sind beispielsweise:
Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, chlorierte #trane, Chlorbenzol oder Dichlorbenzol.
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Niedere Alkohole als Lösungsmittel sind beispielsweise: Methanol,
ethanol, Propanol, Isopropanol, Butanol, Isobutanol, Amylalkohol oder Hexyl-Alkohol.
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ether als IA)sungsmittel sind beispielsweise: Diäthyllther, Tetrahydrofuran
oder Dioxan.
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Als geeignetes anorganisches Lösungsmittel sei beispielsweise Wasser
genannt. Dies kann von Vorteil sein, als es nicht nötig ist, die einzusetzenden
Alkylendiamine von dem Wasser zu befreien. daß ihnen beispielswaise aus der Heratellung
oder aus einem Reinigungsprozeß anhaftet.
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Die Umsetzung der Alkylendiamine mit dem Formamid nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird in der 1. Reaktionsstufe im Temperaturbereich von etwa 50 bis etwa
2000C durchgeführt. Bevorzugt ist der Temperaturbereich von etwa 75 bis etwa 1500C.
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Die im 1. Reaktionsschritt erhaltenen Mono-N-formylalkylendiamine
bzw. Lösungen dieser Stoffe können ohne weitere Reinigung für die 2. Reaktionsstufe
benutzt werden.
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Bei der Verwendung von Lösungen der Mono-N-formylalkylendiamine kann
es zweckmäßig sein, vor der nachfolgenden Pyrolyse das Lösungsmittel ganz oder teilweise
zu entfernen.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, Mono-N-formylalkylendiamine
in der 2. Reaktionsstufe des erfindungsgemaßen Verfahrens einzusetzen, die mit anderen
Formylierungsmitteln, beispielsweise mit Ameisensäure, hergestellt werden können
(Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, Georg Thieme Verlag Stuttgart, Band
XI/2 1958, Seite 27).
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Geeignete Mono-N-formyl-alkylendiamine für das erfindungsgemäß Verfahren
sind beispielsweise: N-Formyl-Mthylendiamin, N-Formyl-1,2-propylendiamin, N-Formyl-l
, 3-propylendiamin, N-Formyl-1,4-butylendiamin, N-Formyl-2,3-butylendiamin, N-Formyl-1,2-diaminocyclohexan,
N-Formyl-N'-phenyl-Xthylendiamin, N-Formyl-N-butyl-Ethylendiamin, N-Foryl-N-hydroxyäthyl-äthylendiamin,
N-Forsyl-N-benzyl-1,2-propydiamin, N-Formyl-N-methyl-1,3-diaminopropan , Formvl-diäthylentriamin.
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Die Pyrolyse in der 2. Reaktionsstufe des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in einem Temperaturbereich von etwa 200 bis etwa 3500C durchgeführt. Bevorzugt
ist eine Pyroyse -Temperatur von etwa 220 bis etwa 3000C. Ganz besonders bevorzugt
wird die Pyrolyse in einem Temperaturbereich von etwa 230 bis etwa 2800C durchgeführt.
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Die Pyrolyse im erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einem Druck unterhalb
von 150 mm Hg durchgeführt. Bevorzugt wird ein Pyrolyse-Vakuum von etwa 5 bis etwa
50 mm Hg.
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In einer tesondoren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann
die Pyrolyse in Gegenwart von sauren Katalysatoren, beispielsweise in Gegenwart
von Sulfonsäuregruppen enthaltenden Ionenaustauschern, durchgeführt werden.
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Diese Verfahrensvariante kann vorteilhafterweise bei schwerflüchtigen
cyclischen Formamidinen angewandt werden, wobei nur das bei der Pyrolyse entstehende
Reaktionswasser unter dem Einfluß der Pyrolysetemperatur und des angelegten Vakuums
aus dem Reaktionsgemisch entfernt wird.
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Das erfindungqemäße Verfahren zur Herstellung der cyclischen Foriamidine
kann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden: Das Alkylendiamin wird, gegebenenfalls
in Gegenwart eines USsungsmittels, auf die Reaktionstemperatur erwärmt. Dann wird
unter RUhren eine äquimolare Menge Formamid zugetropft. Anschließend wird bei der
Reaktionstemperatur noch 1 bis 2 Stunden nachgerührt, bis die Asoniak-Ehtwicklung
beendet ist. Die in der 1. Reaktionsstufe erhaltenen Mono-N- formyl-alkylendiamine
können ohne weitere Reinigung pyrolysiert werden. Die Formylverbindung wird hierzu
aus einer beheizbaren Dosiervorrichtung
in ein von außen auf die
Pyrolysetemperatur geheiztes Reaktionsgefäß getropft. Das entstandene cyclische
Formamidin destilliert über eine Kolonne in eine Vorlage, die bei einer Temperatur
gehalten wird, bei der nur das cyclische Formamidin kondensiert, nicht aber das
bei der Pyrolyse entstandene Reaktionswasser.
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Die Pyrolyse kann auch durch Eir.tropfen der Formylverbindung in ein
senkrecht stehendes Pyrolyserohr, das mit Füllkörpern oder Einbauten ausgestattet
ist, durchgeführt werden. Bei der Herstellung von schwerflüchtigen cyclischen Formamidinen
ist es auch möglich, die N-Formylverbindung solange zu erhitzen, bis kein Wasser
mehr abgespalten wird. Hierbei können saure Katalysatoren, beispielsweise Sulfonsäuregruppen
enthaltende Ionenaustauscher, eingesetzt werden.
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Das Reaktionsprodukt kann anschließend in bekannter Weise, beispielsweise
durch Destillation oder Umkristallisation' gereinigt werden.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können cyclische Formamidine
der Formel (IV)
in der R1 bis R9 sowie n und m die oben genannte Bedeutung haben, hergestellt werden.
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Beispielsweise können folgende cyclische Formamidine genannt werden:
2-Imidazolin,
3-Methyl-2-imidazolin, 3, 4-Dimethyl-2-imidazolin, 4-Äthylimidazolin, Hexahydrobenzimidazol,
l-Butyl-2-imidazolin, Tetrahydropyrimidin, 1-Methyl-tetrahydropyrimidin, 1-Hydroxyäthyl-2-imidazolin,
1-Phenyl-2-imidazolin, 2-Methyl-tetrahydropyrimidin, 1 - (2-Aminoäthyl) -2-imidazolin,
1 -Benzyl-2-imidazolin, 4,5,6,7-Tetrahydro-lH-diazepln.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren cyclischen
Formamidine können zu pharmazeutisch wirksamen Verbindungen umgesetzt werden (FR-PS
1 466 282 und FR-PS 1 446 538). Die cyclischen Formamidine sind weiterhin Zwischenprodukte
für die Herstellung von Kunststoffen, Lacken und Insektiziden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren können cyclische Formamidine
mit hohen Ausbeuten hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ohne
Benutzung von basischen Katalysatoren (US-PS 3 629 278, Chemistry and Industry 1969,
Seite 203) durchführbar. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ohne die zusätzliche
Herstellung von 1,3,5-Triazinen (US-PS 2 841 585) und ohne giftige Ausgangsstoffe,
beispielsweise Cyanwasserstoff (DT-PS 1 189 998), durchführbar. Das erfindungsgemäße
Verfahren vermeidet ferner die Bildung giftiger Spaltprodukte, wie beispielsweise
Kohlenmonoxid (US-PS 3 629 278) oder Schwefelwasserstoff (DT-OS 2 040 502).
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Mit dem erfindungsgemaßen Verfahren wurde überraschenderweise gefunden,
daß es einen Temperaturbereich gibt, in dem Mono-N-formylalkylendiamine so schnell
zu Formamidinen cyclisieren, daß weder die bei tieferen Temperaturen zu beobachtende
Disproportionierung der Mono-N-formylalkylendiamine in Bis-
Formylalkylendiamine
und Alkylendiamine, noch die bei höheren Temperaturen zu beobachtende Zersetzung
der Mono-N-formylalkylendiamine in Alkylendiamin und Kohlenmonoxid stattfindet.
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Beispiel 1 Unter Rühren werden zu 600 Gew.-Teilen l.2-Diaminoäthan
bei 125 C in 4 Stunden 450 Gew.-Teile Formamid zugetropft.
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Ansschließend wird 1 Stunde bei 1250C nachgerUhrt.
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Das Reaktionsprodukt (860 Gew.-Teile) wird aus einem auf 1000C erwärmten
Tropftrichter bei 7 bis 9 mm Hg innerhalb von 4 Stunden in einen auf 250 bis 2600C
erwärmten Glaskolben getropft. Anschließend wird 1,5 Stunden nachpyrolysiert. WSbrend
der Pyrolyse destillieren über eine 40 cm Fullkörporkolonne bei 92 bis 980C 577
Gew.-Teile an Pyrolyseprodukt ab, die in einem auf 600C erwärmten Intensivkühler
kondensiert werden. Durch Redestillation erhält man daraus 491 Gew.-Teile (Ausbeute
70 ,) an schwach gelbem 2-Imidazolin vom Kp15 = 96 bis 1000C.
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Beispiel 2 Hunter Rühren werden zu 192 Gew.-Teilen einer 77 %igen
wäßrigen Lösung von 1,2-Propylendiamin bei 110°C innerhalb 1 Stunde 90 Gew.-Teile
Formamid zugetropft. Anschließend wird 1 Stunde bei 1250C nachgerührt.
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Das Reaktionsprodukt (247 Gew.-Teile) wird bei 12 bis 15 mm Hg innerhalb
von 2,5 Stunden in einen auf 3000C erwärmten Glaskolben getropft. Anschließend wird
1 Stunde nachpyrolysiert. Während der Pyrolyse destillieren über eine 40 cm Füllkörperkolonne
bei 78 bis 820C 154 Gew.-Teile an Pyrolyseprodukt ab, die in einem auf 400C erwärmten
Intensivkühler
kondensiert werden. Durch Redestillation erhält
man daraus 116 Gew.-Teile (Ausbeute 69 ,) an farblosem 4-Methyl-2-imidazolin vom
Kp0,8= 60 bis 620C.
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Beispiel 3 Unter Rühren werden bei 1250C zu 104 Gew.-Teilen N-(2-Hydroxyäthyl)-äthylendiamin
innerhalb 1 Stunde 45 Gew.-Teile Formamid zugetropft. AnschlieBend wird 1 Stunde
bei 1250C nachgerührt. Das Reaktionsprodukt wird nach Zugabe von 2 Gew.-Teilen eines
sauren, Sulfonsäuregruppen enthaltenden Ionenaustauschers 1 Stunde bei 275 bis 3000C
und 20 bis 30 mm Hg pyrolysiert. Durch Destillationdes P>'rolyserückstands erhält
man 68,2 Gew.-Teile (Ausbeute 60 %) an schwach braunem 1-(2-Hydroxyäthyl)-2-imidazolin
vom Kp0,2 = 132 bis 1350C.
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Beispiel 4 Unter Rühren werden bei 1250C zu 63 Gew.-Teilen l-(n-Butyl)-1,2-diaminoathan
innerhalb 1 Stunde 22,5 Gaw.-Teile Formamid zugetropft. AnschlieBend wird 30 Minuten
bei 1250C nachgerührt. Das Reaktionsprodukt wird bei 25 bis 28 mm Hg innerhalb von
4 Stunden in einen auf 2400C erwärmten Glaskolben getropft. Anschließend wird 1,5
Stunden nachpyrolysiert. Während der Pyrolyse destillieren über eine 40 cm Füllkörperkolonne
73 Gew.-Teile an Pyrolyseprodukt ab, die in einem auf 300C erwärmten Intensivkühler
kondensiert werden. Durch Redestillation erhält man daraus 47 Gew.-Teile (Ausbeute
69 X) l-(n-Butyl)-2-imidazolin vom Kp20= 94 bis 960C.
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Beispiel 5 Unter Rühren werden zu 440 Gew.-Teilen 3-Amino-l-methylaminopropan
bel 1250C in 4 Stunden 225 Gew.-Teile Formamid zugetropft Anschließend wird 2 Stunden
bei 1250C nachgerührt.
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Das Reaktionsprodukt wird aus einem auf 1000C erwärmten Tropftrichter
bei 18 bis 20 mm Hg innerhalb von 7 Stunden in einen auf 2300C erwärmten Glaskolben
getropft. Anschließend wird 0,5 Stunden nachpyrolysiert. Während der Pyrolyse destillieren
über eine 40 cm FUllkörperkolonne 336 Gew.-Teile an Pyrolyseprodukt ab, die in einem
auf 300C erwärmten Intensivkühler kondensiert werden. Durch Redestillation erhält
man daraus 258 Gew.-Teile l-Methyltetrahydropyrimidin vom KP16 = 68 bis 700C.