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Verfahren zur Herstellung von ß-Alkoxyacrylnitrilen
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
ß-Alkoxyacrylnitrilen durch Umsetzung von Alkali-oder Erdalkalisalzen von ß-Eydroxyacrylnitrilen
mit einem Alkyl{ halogenid in Gegenwart von quaternären Ammoniumsalzen oder Kronenäthern,-
einer basisch reagierenden anorganischen Verbindung und gegebenenfalls einer Verbindung,
die Jodid enthält, bei erhöhter Temperatur.
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Die Herstellung von ß-Alkoxyacrylnitrilen nach dem Stand der Technik
ist schwierig.
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Eine umständliche Synthese von ß-Aethoxyacrylnitril (I) über mehrere
Stufen wird beschrieben durch Umsetzung des Na-Salz von ß-HydroxZacrylsäureäthylester
mit Aethanol in Gegenwart von HCl zum ß, ß-Diäthoxypropionsäureäthylester, Herstellung
des Amids durch Reaktion mit Ammoniak und weitere Dehydratisierung mit P205, wobei
(I) als Nebenprodukt gebildet wird (S.M.McElvain und R.L. Clarke, J. Amer. Chem.
Soc., 69, (194-7) 2657).
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In einer anderen, mehrstufigen Synthese wird Chloracetaldehyd mit
Blausäure zu α -Hydroxy-ß-chlorpropionitril umgesetzt, das
wiederum
mit Acetanhydrid zu α Acetoxy-ß-chlorpropionitril weiterrengiert. Pyrolyse
dieser Verbindung führt zu 33 % ß-Chloracrylnitril. Dieses reagiert mit Alkalialkoholaten
zu ß-Alkoxyacrylnitril ( F.Scotti und E.J. Frazza, J. Org. Chem., 29, (1964) 1800
).
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ß-Aethoxyacrylnitril kann durch Umsetzung von Isoxazol mit NaOH zum
Na-Salz des ß-Hydroxyacrylnitrils und Alkylierung dieser Verbindung in situ mit
Diäthylsulfat bw. Aethyljodid ( Ausbeute 37,6 % ) hergestellt werden. Isoxazol wird
durch Umsetzung von Malondialdehydacetal mit Hydroxylamin - Hydrochlorid gewonnen,
so daß die gesamte Synthese von I nur aus sehr kostspieligen Chemikalien gelingt
und über mehrere Syntheseschritte abläuft ( GB-PS 806 235 ).
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ß-Alkoxyacrylnitrile
in einfacher Weise in hoher Ausbeute durch ein technisch und wirtschaftlich leicht
zu realisi.erendes Verfahren herzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Alkali oder
Erdalkalisalz von ß-Hydroxyacrylnitrilen der allgemeinen Formel A mit Alkylhalogeniden
der allgemeinen Formel B in Gegenwart eines Stabilisator- und Katalysatorsystems
zu einem ß-Alkoxyacrylnitril der allgemeinen Formel C umgesetzt wird.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von ß-Alkoxyacrylnitrilen
der Formel R'O - OH = CR - CN (C) worin R die Bedeutung H, geradkettige od.er verzweigte
Alkylreste mit 1 bis 20 C-Atomen, geradkettige oder verzweigte Reste -(CH2) )n-CN,
oder-(CH2)n-CH(OR")2
mit n = 0 bis 5 und R"= Alkylreste mit 1 - 12 C-Atomen, oder -(CH2)n+1-Cyc, mit
Cyc = isocyclische oder heterocyclische, einkernige oder mehrkernige aromatische
oder cycloaliphatische Ringsysteme, welche gegebenenfalls Substituenten an den Ringen
tragen, hat, und n = 0 bis 5 ist, und wori.n R' die Bedeutung geradkettige oder
verzweigte Alkyl- oder Alkenylreste mit 1 bis 12 C-Atomen, isocyciische oder hetero½vc
lische, einkernige oder mehrkernige aromatische oder cycloaliphatische Ringsysteme,
welche gegebenenfalls Substituen ten tragen, oder -(CH2)p-Cyc mit Cyc in der vorigen
Bedeutung, die Reste -(CH2)p-OR' oder -(CH2-CH2-O)q-R'" mit p = 1 bis5 und q = 1
bis 4 und R"' = geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 12 C-Atomen, hat,
welches dadurch net ist, daß eine Verbindung der Formel gekennzeich 1 Me ) 0 - CH
= CR - CN (A) worin R die obengenannte Bedeutung hat und Me ein Alkalimetall mit
« = 1 oder ein Erdalkalimetall mit α 2 ist, mit einer Halogenverbindung der
Formel R'-Hal ( B ),worin R' die obengenannte Bedeutung besitzt, und Hal Chlor,
Brom oder Jod bedeutet, in Gegenwart einer basisch reagierenden Verbindung der Alkali-
oder Erdalkalimetalle als Stabilisator bei erhöhter Temperatur umgesetzt wird.
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Die Substituenten R und R' sind allgemein solche, welche sich gegenüber
den Reaktionsteilnehmern inert verhalten.
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Bevorzugt sind in den Substituenten R und R solche Alkyl bzw. Alkenylreste
mit 1 bis 6 C-Atomen. Unter den cyclische Ringsysteme enthaltenden Resten sind einkernige,
d.h. monocyclische stark, von den mehrkernigen die bicyclischen bebevorzugt.
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In den mehrkernigen Ringsystsmen können die Ringe direkt jiber ein
oder mehrere Atome miteinander oder iiber ein oder mehrere Kohlenstoff- oder Heteroatome
als Brücke miteinander verbunden sein.
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Die cycloaliphatischen Ringsysteme sind bevorzugt Cycloalkan-
Reste,
jedoch können auch eine oder mehrereDoppelbindungen enthalten sein.
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Die heterocyclischen Reste enthalten bevorzugt Stickstoff, gegebenenfalls
auch Sauerstoff oder weitere Heteroatome.
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Die gegebenenfalls vorhandenen Substituenten der Ringsysteme sind
an sich beliebig, soweit diese bei der Reaktion inert sind. Bevorsugt sind niedere
Alkylgruppen von 1 bis 3 C-Atomen, Chlor, Methoxi-, Äthoxi- oder Carbalkoxigruppen.
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Die zur Herstellung der ß-Alkoxyacrylnitrile verwendeten Alkali- oder
Erdalkalisalze von ß-Hydroxyacrylnitrilen der allgemeinen Formel A können nach dem
Prinzip der Claisen'schen Esterkondensation aus Alkylcyaniden, Ameisensäureestern
und Alkali- oder Erdalkalialkoholaten hergestellt werden. Eine bessere Methode zur
Herstellung von Verbindungen der allgemeinen Formel A ist jedoch in der Patentanmeldung
P 27 53 322.8 beschrieben, bei der Alkylcyanide mit Alkali- oder Erdalkalialkoholaten
in Gegenwart von Kohlenmonoxid umgesetzt werden.
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Es ist möglich, die nach dieser Vorschrift hergestellten Verbindungen
der allgemeinen Formel A direkt, ohne weitere Aufarbeitungsstufe, zu verwenden.
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Als Alkali- oder Erdalkaliverbindungen der Formel A werden bevorzugt
Na- oder K-Salze wegen ihrer leichten Zugänglichkeit eingesetzt. Es ist jedoch auch
möglich, Rb-, Os, flg oder Ca-Salse zu verwenden.
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Als Halogenverbindung der Formel B werden die Chlorverbindungen bevorzugt.
Besonders kommen Methyl.chlorid, Aethylchlorid, Propylchlorid,- Isopropylchlorid,
n-Butylchlorid, iso-ButylF chlorid, sek,.Butylchlorid, tert . -Butylchlorid, 2-Methoxyäthylchlorid,
Oyclohexylchlorid, Allylchlorid oder Benæylchlorid in Betracht. Die entsprechenden
Bromide oder Jodide können ebenfalls eingesetzt werden, bringen jedoch gegenüber
den wirt schaftlich interessanteren Chloriden keine Vorteile.
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Die Halogenverbindungen werden in stöchiometrischen Mengen oder
in
einem Uberschuß, vorzugsweise in einem Verhältnis von 1 bis 2 Mol Halogenverbindung
je Mol Verbindung der allgemeinen Formel A, eingesetzt. Die überschüssige Halogenverbindung
kann recyclisiert werden.
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Als Stabilisatorkomponente wird dem Reaktionsgemisch eine basisch
reagierende Verbindung der Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle zugegeben, beispielsweise
Alkalihydroxide, -hydrogencarbonate oder -carbonate sowie Erdalkalioxide, -hydrogencarbonate
oder -carbonate, wie NaOH, KOH, NaHCO3, KH003, Na2CO3, K2CO3, MgO, CaO, MgCO3 und
CaCO3.
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Bevorzugt wird 0a0 eingesetzt.
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Die basisch reagierende Verbindung wird in einem Verhältnis von 0,05
bis 1 Aequivalent je Mol Verbindung der allgemeinon Formel A eingesetzt.
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Sehr bevorzugt werden Katalysatoren verwendet, die die Selektivität
und Geschwindigkeit der Reaktion erhöhen und bevorzugt aus quaternären Ammoniumsalzen
der Formel
bestehen, worin R1, R2, R3 und R4 gleiche oder gegebenenfalls verschiedene, lineare
oder verzweigte Oycloalkyl, Aryl, Alkaryl, Aralyl oder Alkylreste mit 1 bis 20 C-Atomen
und X ein einwertiges Anion einer Säure bedeuten.
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Von den cyclischen Resten sind monocyclische Reste, von den aliphatischen
Resten die mit 1 bis 6 C-Atomen bevorzugt.
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Beispiele für R1 bis R4 sind Methyl, Aethyl, Propyl, Butyl, Octyl,
Getyl,Benzyl oder Phenyl Als Anionen kommen z.B.
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Fluorid, Chlorid, Bromid, Jodid, Hydrogensulfat, Hexafluorophosphat,
Cyanid, Azid, Nitrat, Nitrit, Perchlorat, Tetrafluoroborat, Cyanat, Thiocyanat,
Trifluormethansulfonat, 4-Toluensulfonat und Hexafluorarsenat in Betracht. Bevorzugte
Verbindung ist Tetra-n-butylammoniumchlorid, -bromid oder -jodid.
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Die anstelle der quaternären Ammoniumsalze verwendbaren Kronen
äther
sind cyclische Äther von Glykolen,in denen die Ziffern die Zahl der Glykolgruppen
bezeichnen. In Frage kommen z.B.
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1 5-Krone-5, 18-Krone-6, Dibenzo-18-krone-6 und Dicyclohexyl-1 8-krone-6.
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Das quaternäre Ammoniumsalz der allgemeinen Formel E bzw. der Kronenäther
werden in katalytischen Mengen,bezogen auf Verbindung A,eingesetzt. Im allgemeinen
wird pro Mol Verbindung A bis bis 10 1 Mol quaternäres Ammoniumsalz bzw. Kronenäther
eingesetzt. Höhere Konzentrationen sind möglich, Jedoch wirtschaftlich unzweckmäßig.
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Dem Katalysator kann weiterhin eine Jodverbindung5 daher eine aus
einem Jodid bestehende oder eine unter Reaktionsbedingungen Jodionen bildende Substanz
zugesetzt werden. Hierdurch werden im allgemeinen die höchsten Reaktionsgeschwindigkeiten
und besten Ausbeuten erzielt. So kann z.B. das quaternäre Ammoniumsalz der allgemeinen
Formel E in Form eines Jodids zugesetzt werden. Weiterhin ist es möglich, dem AlkyLhalogenid
der allgemeinen Formel B geringe Mengen des entsprechenden Jodids zuzusetzen. Es
kann auch ein anorganisches Salz mit einem Jodid-Anion eingesetzt werden. Als Salze
können z.B. LiJ, NaJ, KJ, CuJ, ZnJ2 oder CoW2 verwendet werden.
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Die Jodverbindung wird im Verhältnis von 10 3 bis 10 Mol pro Mol Verbindung
der allgemeinen Formel A zugesetzt.
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Als Lösungsmittel eignen sich aprotische Lösungsmittel. So können
z.B. Alkane, Benzol oder Toluol aus der Reihe der Kohlenwasserstoffe verwendet werden.
Aether wie Tetrahydrofuran, Dimethoxyäthan, Di-, Tri- oder Tetraglyme können eingesetzt
werden. Polare aprotische Lösungsmittel wie Hexamethylphosphorsäuretriamid, Dimethylsulfoxid,
Dimethylformamid oder Acetonitril sind ebenfalls gute Lösungsmittel für die Reaktion.
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Das Lösungsmittel kann in Mengen von 0,5 - 2 1 pro Mol Verbindung
der allgemeinen Formel A eingesetzt werden. Größere Mengen Lösungsmittel sind möglich,
bringen jedoch keine Vor-
teile.
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Als Reaktionstemperatur hat sich ein Bereich von 60 bis 22000 als
günstig erwiesen. Besonders bei Einsatz von Chlorverbindungen als Halogenverbindungen
der Formel B ist es vorteilhaft die Reaktionstemperatur im Bereich von 80 bis 1800C
zu halten um genügend schnelle Reaktionsgeschwindigkeiten zu erzielen.
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Die Reaktionszeit liegt je nach Reaktionstemperatur zwischen 1 bis
8 Stunden, wobei ein vollständiger Umsatz der Verbindung A erreicht wird.
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Die Reaktion kann bei Normaldruck, Unterdruck oder ueberdruck bis
50 at ausgeführt werden. Höhere Drucke sind möglich, aber nicht zweckmäßig.
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Bevorzugt liegt der Druck zwischen Normaldruck und dem Eigens druck
der Reaktionsteilnehmer.
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Die Reaktion kann wie folgt durchgeführt werden: Der Ausgangsstoff
A wird unter Inertgas zusammen mit dem basisch reagieren den anorganischen Salz,
dem quaternären Ammoniumsalz und gegebenenfalls der Jod-Verbindung in dem Lösungsmittel
suspendiert bzw. gelöst in einem mit einer Rührvorrichtung versehenen Reaktor vorgelegt.
Anschließend wird der Ausgangsstoff B zugesetzt, der Reaktor verschlossen und unter
Eigendruck auf die Reaktionstemperatur gebracht. Nach Beendigung der Reaktion wird
abgekühlt, der Reaktor belüftet und das Reaktionsgemisch entnommen. Durch Filtration
oder Zentrifugieren wird der Fest stoff abgetrennt und der Endstoff C z.B. durch
fraktionierte Destillation isoliert.
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3-Alkoxyacrylnitrile sind wertvolle Ausgangsstoffe zur Herstellung
von heterocyclischen Verbindungen. So läßt sich aus ß-Aethoxyacrylnitril und Harnstoff
Cytosin herstellen ( GB-PS 806 235 ). Weiterhin lassen sich durch Umsetzung der
Ende stoffe C mit Hydrazin 3-Amino-4-alkyl-pyrazole, mit Guanidin 2,4-Diamino-5-alkyl-pyrimidine
mit Amidinen 2,5-Dialky].-4-amino-pyrimidine herstellen, die ein breites Anwendungsgebiet
auf dem Pharma- und Farbstoffsektor besitzen.
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Allgemeine Versuchsbeschreibung In einem Reaktor mit Rührvorrichtung
werden bei Raumtemperatur unter N2-Atmosphäre ein Alkali- oder Erdalkalisalz eines
ß-Hydroxyacrylnitrils, ein basisch reagierendes Salz, ein quaternäres Ammoniumsalz
der allgemeinen Formel D und eine Jod-Verbindung in einem aprotischen Lösungsmittel
vorgelegt.
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Je nach Aggregatzustand des Alkylhalogenids der allgemeinen Formel
B wird dieses ebenfalls zugegeben oder einkondensiert.
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Der Reaktor wird verschlossen und unter Eigendruck auf die Reaktionstemperatur
erhitzt. Nach Beendigung der Reaktion wird abgekühlt und im Falle von unter Normalbedingungen
gasförmigen Alkylhalogeniden B der Reaktor entspannt. Das Reaktionsgemisch wird
über einen Filter oder eine Zentrifuge von festen Bestandteilen befreit und anschließend
fraktioniert destilliert. Je nach Siedepunkt des verwendeten Lösungsmittels wird
zuerst dieses oder das Reaktionsprodukt gewonnen. Das Lösungsmittel kann erneut
für die Reaktion benutzt werden.
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Das Reaktionsprodukt besteht aus einem ET, Isomerengemisch.
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Bei Einsatz von Verbindungen der allgemeinen Formal A, bei denen R
H ist, enthält das Reaktionsgemisch zusätzlich zum ß-Alkoxyacrylnitril C die α-alkylsubstituierte
Verbindung D.
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Um eine bessere destillative Trennung der Eauptprodukte von diesem
Nebenprodukt zu erreichen, ist eine Behandlung der Reaktionslösung mit Mineralsäuren
wie H2S04, R3PO5 oder HCl vorteilhaft, wodurch jeweils das Z-konfiguierte Isomere
in das stabilere E-Isomare übergeführt wird. Dadurch werden größere Siedepunktdifferenzen
swischen dem Hauptprodukt C und dem 2 -alkylsubstituierten Nebenprodukt (D) erreicht.
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Beispiele 1 bis 9 In dieser Versuchsreihe wurden verschiedene Alkylierungsmittel
R'-Hal eingesetzt.
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Es wurden jeweils 0,5 mol NaOCH=CH-CN, 500 ml Acetonitril, 1 g NaJ,
5 g Getra-n-butylammoniumbromid und 0,5 mol Calciumoxid verwendet.
| Beispiel R'-Hal Reaktions- Ausbeute |
| Nr. zeit (h) Temp. °C %C %D |
| 1 CH3Cl 1,5 130 60 15 |
| 2 C2H5Cl .6 130 82 10 |
| 3 n-C33r 2,5 80 75,5 12 |
| 4 iso-C3H7Cl 4 475 88,9 |
| 5 iso-C3H7Br 3,5 80 84,6 |
| 6 sek.-C4H9Cl 6 150 63,04 |
| Benzylchlorid 4 80 50,0 |
| 8 Allylchlorid 6 8Q 55 |
| 9 Allylbromid 4 80 60 |
*) nicht bestimmt Beispiele 10 bis 13 In dieser Versuchsreihe wurden unterschiedliche
Ausgangsstoffe A eingesetzt.
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Es wurden jeweils 0,5 mol A, 1 mol Aethylchlorid, 500 ml Aceto nitril,
1 g NaJ, 5 g Tetra-n-butylammoniumbromid und 0,5 mol CaO verwendet.
| S |
| Beispiel Verbindung Reaktions- | Ausbeute |
| Nr. A zeit (h) Temp.°C I 0 % 1) |
| I |
| 2 NaO-CH-CE-CN 6 130 82 10 |
| 10 EOCE=CH-CN 2 150 84 6,5 |
| 11 NaOGH-C-cN 2 160 82 - |
| Cb |
| 3 |
| 12 NaOOH=O-CN 2 460 80 - |
| C2E5 |
| 13 N'a0OH=O-ON 6 150 89,2 - |
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Beispiele 14 bis 19.
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In dieser Versuchsreihe wurden verschiedene aprotische Lösungs.
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mittel. verwendet.
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Es wurden jeweils 0,5 mol A, 1 mol C2H5Cl, 500 ml Lösungsmittel, 1
g NaJ, 5 g Tetra-n-butylammoniumbromid und 0,5 mol CaO eingesetzt.
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A = NaOCH = CH - CN
| Beispiel Lösungsmittel Reaktions- Ausbeute |
| Nr. zeit (h) Temp. °C % C % D |
| 14 Acetonitril 2 160 83 12 |
| 15 Aceton +) 2 120 78 10 |
| 16 Benzol 4 160 84 12 |
| 17 Essigsäureäthyl 2 130 73 10 |
| ester |
| 18 1,2-Dimethoxyäthan 2 130 60 11,6 |
| 19 Dimethylformamid 2 130 80 11,4 |
+) zusätzliche Bildung von Diacetonalkohol
Beispiel 20 bis 22 In
dieser Versuchsreihe wurden verschiedene Jodid-Promotore untersucht.
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Es wurden jeweils 0,5 mol NaO-CH=CH-CN, 1 mol C2H5-C1, 500 ml Acetonitril,
1 g Jodid-Promotor, 5 g Tetra-n-butylammoniumbromid und 0,5 mol Oa0 eingesetzt.
| Beispiel Jodid-Promotor Reaktions- Ausbeute |
| Nr. Zeit (h) Temp.°C % C % D |
| 14 NaJ 2 160 83 12 |
| 20 KJ 2 160 82 12 |
| 21 ZnJ2 2 160 80 11 |
| 22 C2H5J 2 150 82 14 |
Beispiele 23 bis 26 In dieser Versuchsreihe wurden verschiedene basische Verbindungen
als Stabilisatoren verwendet.
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Es wurden jeweils 0,5 mol NaOCH=CH-CN, 1 mol C2H5C1, 500 ml Lösungsmittel,
1 g NaJ, 5 g Eetra-n-butylammoniumbromid und 0,5 mol basische Verbindung eingesetzt.
Die Reaktionszeit betrug 2 h bei 160°C.
| Beispiel bas. Komponente Lösungsmittel Ausbeute |
| Nr. % C % D |
| 14 CaO Acetonitril 83 12 |
| 23 MgO Benzol 68 14 |
| 24 NaOH Benzol 60 20 |
| 25 NaOOCCH3 Acetonitriol 49 10 |
| 26 K2CO3 Acetonitril 62 11 |
Beispiel 27 bis 30 In dieser Versuchsreihe wurden verschiedene
quaternäre Ammoniumsalze E oder Kronenäther verwendet.
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Es wurden jeweils 0,5 mol NaOCH=CH-CN, 1 mol C2H5-C1, 500 ml Acetonitril,
1 g NaJ, 0,5 mol OaO eingesetzt. Die Reaktionszeit betrug 2 Stunden bei 160°C.
| Beispiel D oder Menge Ausbeute |
| Nr. Kronenäther g % C % D |
| 14 Tetra-n-butylammonium- 5 83 12 |
| bromit |
| 27 " " 2,5 82 11 |
| 28 Tetra-n-butylammonium- 3 82 12 |
| Chlorid |
| 29 Dibenzo-18-krone-6 5 59 13 |
| 30 18-Krone-6 2,5 69,4 15,2 |