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Cumarine, Verfahren zu. ihrer Herstellung u? ihre Verwendung
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Gegenstand der Erfindung sind Cumarin, die in Form der freien Säure
der allgemeinen Formel
entsprechen, worin A für einen heterocyclischen Rest, der in der Farbstoffchemie
übliche Substituenten enthalten kann, R für Wasserstoff oder Cyan und Z für Sauerstoff
oder NH stehen und der Ring B weiter substituiert sein kann, insbesondere durch
eine C- -bis C3-Alkylgruppe oder ein Chloratom, Verfahren zu deren Herstellungcowie
derenVerwendung zum Färben von cellulose- und amidgruppenhaltigenMaterialienX insbesondere
zum Imprägnieren
von fälschungssicher zu machenden Papieren und
als Laserfarbstoffe.
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Heterocyclische Reste A können beispielsweise der Oxazol-, Benzoxazol-,
Thiazol-, Benzthiazol, Imidazol-, Benzimidazol-, Furan-, Benzotblfuran-, Thiophen-,
Benzo[b]thiophen-, Pyridin-, Chinolin-, Pyrimidin-, Chinazolon, Chinoxalin-, 1,2,4-Benzothiadiazin-1,1-dioxid-,
1,3,4-Oxadiazol-, 1,3,4-Thiadiazol-, 1,2,3-Triazol-1-, 1,2,3-Triazol-2-, 1,2,4-Triazol-1-
oder Benzo-s-triazol-Reihe angehören, wobei den aufgeführten benzanellierten Heterocyclen
auch noch ein weiterer Benzoring ankondensiert sein kann.
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Bevorzugte heterocyclische Reste A sind solche der Benzthiazol-, Benzoxazol-,
Benzimidazol-, Chinazol-4-on-, Benzo [b] furan-, Benzo [b] thiophen-, 5-Phenyl-1,3,4-oxadiazol-,
5-Phenyl-1,3,4-thiadiazol- oder Pyridin-Reihe.
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Geeignete, in der Farbstoffchemie übliche Substituenten sind beispielsweise
C1 - bis C4-Alkyl, C1- bis C4-Alkoxy, I..enyl-C1- bis C3-alkyl, Cyclohexyl, gegebenenfalls
durch 1 - 2 C1 - bis C4-Alkyl, C1- bis C2-Alkoxy und/oder Chlor substituiertes Phenyl,
Trifluormethyl, Chlor, C1-bis C4-Alkoxycarbor.yl, Carboxyl, gegebenenfalls durch
1 - 2 C1- bis C4-Alkylreste substituierte Carbamoyl- oder Sulfamoylgruppen, C1-
bis C4 -Alkylsulfonyl, Phersyl-C1- bis C3-alkylsulfonyl, Phenylsulfonyl, C1- bis
C4-Alkylmercapto, Phenylmercapto und eine weitere Sulfonsäuregruppe.
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Als Salze von Verbindungen der Formel I kommen insbesondere wasserlösliche
Salze, bevorzugt die Alkali-, wie Kalium-, Natrium- und Lithium-, und Ammoniumsalze
in Betracht, ferner Magnesium- N-substituierte Ammonium- und Cyclammoniumsalze,
wobei als N-Substituenten insbesondere 1 -4 C1 - bis C4-Alkyl, 1 - 4 Hydroxy-C1-
bis C4-alkyl, 1 - 2 c5- bis C18-Alkyl, Benzyl, Cyclohexyl und Phenyl zu nennen sind.
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Als Beispiele für geeignete Cyclarnrnoniumsalse seien diejenigen der
Pyridinium-, Picolinium-, Piperidinium-, Pyrrolidinium-, Morpholinium- und
Piperazinium-Reihe
genannt.
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Die obligatorische Sulfogruppe im Ring B steht bevorzugt in einer
der o-Stellungen zur 7-Hydroxygruppe, also in Position 6 oder 8 des Cumarinringsystems,
insbesondere in der 6-Stellung.
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Im Rahmen der Erfindung sind bevorzugte Verbindungen solche, die in
Form der freien Säure der Formel
entsprechen, worin n fiir die Zahl 0 odr 1, Z für Sauerstoff oder NH, R für Wasserstoff
oder Cyan, X für -O-, -S- oder -N(R¹)-, R1 für Wasserstoff, G1- bis Alkyl, Benzyl
oder Phenyl und D für die restlichen Glieder eines Benzoxazol-2-yl-,Benzthiazol-2-yl-,
Benzimidazol-2-yl-,Chinazol-4-on-2-yl-,5-Phenyl-1,3,4-oxadiazol-2-yl- oder 5-Phenyl-1,3,4-thiadiazol-2-yl-Restes
stehen, wobei D gegebenenfalls durch 1 - 2 C - bis C4-Alkyl, C 1 - 2 Chlor, 1 4-Alkyl,
C1-bis C2-Alkoxy, Phenyl, Cyclohexyl, C1 bis C4-Alkylsulfonyl, Carboxy oder G1-
bis C2-Alkoxycarbonyl substituiert sein kann.
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Von besonderer technischer Bedeutung sind diejenigen Verbindungen
der Formel II, in welchen n für die Zahl 1, Z für Sauerstoff und R für Wasserstoff
stehen und X und D zusammen ein gegebenenfalls in der angegebenen Weise substituiertes
Benzoxazol- oder Benzthiazol-Ringsystem oder einen 5-Phenyl-1,3,4-thiadiazol-Rest
bilden.
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Unter diesen wiederum sind solche Verbindungen bevorzugt, in welchen
X und D zusammen für die restlichen Glieder eines Benzthiazol-Ringsystemes stehen.
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Die Verbindungen der Formel I können nach verschiedenen Verfahren
hergestellt werden. Eines der Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man einen
gegebenenfalls durch C1 - bis C3-Alkyl oder Chlor substituierten 2,4-Dihydroxy-benz.ldehyd
zur Aldehydmonosulfonsäure der Formel
sulfoniert, mit einer Verbindung der Formel A-GH2-Q IV, worin Q für eine gegebenenfalls
funktionell abgewandelte Carboxylgruppe steht und
A die oben angegebene
Bedeutung besitzt, unter Cumarinringschluß kondensiert und gegebenenfalls anschließend
mit Alkalicyanid/Brom in an sich bekannter Weise cyanidiert.
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Als funktionell abgewandelte Carboxylgruppen kommen insbesondere C1
- bis C4-Alkylester, gegebenenfalls durch 1 - 2 C1 bis C4-Alkylreste substituierte
Carbonamide, Carbopiperidid, CarbopyrroYidid, Carbomorpholid, Carbothiomorpholid,
Carbopiperazid und die Nitrilgruppe in Betracht.
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Im Falle Q = CN kann das primär bei der Kondensation entstehende Cumarin-2-imid
(Formel I mit 7. Z NH) anschließend ewünschtenfalls noch durch Behandlung mit einer
wäßrigen Mineralsäure, wie Salzsäure oder Schwefelsäure, zur Cumarinrerbindung I
(mit Z = 0) verseift werden.
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Die schonende Monosulfonierung von 2,4-Dihydroxy-benzaldehyden kann
vorteilhafterweise in Schwefelsäure (100fig) bei Raumtemperatur durchgeführt werden.
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Die Kondensation der Aldehydmonosulfonsäuren III mit Verbindungen
der Formel IV kann zweckmäßigerweise in einem polaren organischen Lösungsmittel,
wie Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Ethylenglykolmonomethylether, Butanol, Pyridin
oder dem Gemisch der isomeren Picoline, in Gegenwart eines basischen Katalysators,
insbesondere Piperidin oder Pyrrolidin,im Temperaturbereich von 0 - 1500C, vorzugsweise
15 - 1200C, durchgeführt werden, wobei zur Herstellung von Verbindungen der Formel
1 mit Z = NH (aus Verbindung IV.mit Q = CN) Raumtemperatur bevorzugt wird.
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Die an sich bekannte Methode der Einführung einer 4-Cyangruppe in
das Cumarinringsystem mit Alkalicyanid und Brom, die hier zur Herstellung von Verbindungen
der Formel 1,. in welchen R = CN bedeutet, dient, ist in Dyes and Pigments 1 (1980)
3 - 15 sowie in der DE-OS 28 44 299 beschrieben. Als Lösungsmittel kommF DimethylEcrmamid
in Betracht. Man setzt beispielsweise bei 10-500C zunächst it einer Alkalicyanid-Lösung
um und oxidiert dann bei 0 - 10°C mit Brom.
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Verbindungen der Formel I mit Z = 0 können vorteilhaft auch dadurch
hergestellt werden, daß man Verbindungen der Formel
worin A und B die obert angegebene Bedeutung haben, mit einem sulfonierend wirkenden
Mittel behandelt und gegebenenfalls anschließend mit Alkalicyanid und Brom cyanidiert.
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Als Sulfonierungsraittel kommen die üblichen in Betracht, wie beispielsweise
Schwefelsäure (mit einem Gehalt von 0 - 30 % freiem SO3), S03, Chlorsulfonsäure
oder Pyridin-N-sulfonsäure. Das Sulfonierungsmittel dient in der Regel gleichzeitig
als Reaktionsmedium.
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Man arbeitet zweckmäßig im Temperaturbereich von -100C bis +90"C.
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Die Ausgangsverbilldungen der Formel V sind bekannt (DE-OS 27 02 237).
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Verbindungen der formel I, in denen die 7-Hydroxygruppe des Cumarinringsystems
als Hydroxylat-Ion vorliegt, also beispielsweise als Alkalisalz, sind wasserlösliche,farbstarke
grünstichig gelbe (R.= H) oder rote (R = CN) Fluoreszenzfarbstoffe, die sich als
Laserfarbstoffe eignen.
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Verbindungen der Formel I mit freier 7-Hydroxygruppe sind wasserlösliche
Farbbildner, die in dieser Form nur eine verhältnismäßig geringe Eigenfärbung aufweisen,
durch Basen, wie Alkalihydroxide, Alkalicarbonate, Ammoniak oder organische Stickstoffbasen,
wie Triethanolamin, jedoch zu den oben genannten fluoreszierenden Hydroxylatfarbstoffen
entwickelt werden.
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Die Farbbildner eignen sich besonders, um Dokumente, Quittungen, Schecks
und andere derartige Sicherheitspapiere fälschungssicher zu
machen,
indem man sie beispielsweise nach der in DE-OS 27 47 349 beschriebenen Methode bei
oder nach der Papierfabrikation durch Imprägnieren der Papiermassen oder durch Auftragen
auf die Papieroberfläche appliziert. Unter der Einirkunpvon Tintcnlöschern entsteht
augenblicklich eine farbstarke, im Tageslicht fluoreszierende, substantive, ser
beständige Färbung.
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Beispiel 1 50 g 3-(Benzthiazol-2-yl)-7-hydroxy-cumarin werden bei
10 - 20°C unter Kühlung in 200 g Schwefelsäure (100%ig) eingetragen und verrührt,
bis eine klare Lösung entstanden ist (1 h). Anschließend tropft man 120 g Oleum
(mit einem Gehalt von 65 % freiem S03) hinzu, erwärmt die Mischung 3 h auf 600C
und trägt sie dann auf 1,2 kg Eis aus. Man fügt 300 ml gesättigte Kochsalzlösung
hinzu, erwärmt kurz auf 50°C und saugt die erkaltete Suspension über ein säurebeständiges
Filter ab. Der kristalline Niederschlag wird mit 250 ml 5%iger Kochsalzlösung gewaschen
und bei 700C im Vakuum getrocknet.
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Man erhält 52 g Verbindung der Formel
als gelbliches, wasserlösliches Kristallpulver.
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Farbton auf Papier bei pH 2 9: farbstarkes fluoreszierendes grünstichiges
Gelb 1H-NMR ([D6J- DMSO/TMS): # = 6,00 (brcites s; H, OH, 2SO3H), 7,00 (s; 1 H,
H ), AB-Signal (= 7,88, #B = 8,08, A B J = 9 Hz; 2 H, Hd + He) 8,28 (s; 1 H, 8,48
(d; t H, Hf), 9,20 (s; 1 H;Ha) In analoger Weise werden unter Verwendung entsprechender
Ausgangsmaterialien die in der folgenden Tabelle aufgeführten Verbindungen hergestellt.
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Verbindungen der Formel
| Beispiel A Farbton auf Papier beipH519 |
| 2 CH, S03H fluor. grünst. Gelb |
| 3 11D\SO3H fluor. Gelb |
| 4 < 4 SO H " |
| 4 OC2 O,H " IV |
| 5 e SO3H fluor. grünst. Gelb |
| - CII |
| 6 II II VI |
| SO 3H |
| YyCH3 |
| 7 lt IV II |
| SO 3H |
| 8 MHS03H II II |
| II |
| 9 cm3 II " , .. |
| C25 |
| N-EJ |
| 10 II VI VI II |
| ,H3 |
| BOjH |
| 3 |
| Beispiel A ~ Farbton auf Papier bei pH S 9 |
| N |
| 11 ffij$ii S03H fluor. grünst. Gelb |
| SO II |
| 12 Aß4 Cl " " |
| 13 -I 11 lr |
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Beispiel 14 30 g 3-(5-Chlor-benzoxazol-2-yl)-7-hydroxy-cumarin, hergestellt
nach DE-OS 27 02 237, werden bei 10 - 200C in 350 g Schwefelsäure (100Zig) eingetragen,
6 h auf 60°C erwärmt und auf 1,5 kg Eis ausgetragen. Man fügt gesättigte Kochsalzlösung
hinzu, erwärmt kurz auf 800C und saugt die erhaltene Suspension über ein säurepeständiges
Filter ab. Der kristalline Nieders.chlag wird mit 200 mL Wasser gewaschen und bei
70"C im Vakuum getrocknet. Man erhält 33 g Verbindung der Formel
als gelbliches, wasserlösliches Kristallpulver.
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Farbton auf Papier bei pH a 9: farbstarkes fluoreszierendes grünstichiges
Gelb.
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Wird beispielsweise zum Einsatz im Laser ein hochreines Präparat gefordert,
kann man die Substanz aus Ethylenglykolmonomethylether umkristallisieren.
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H-NMR ([D6]-DMSO/TMS) 6-- 6,9 (s; 1H, H ), 7,5 (dd, J1 w 9 Hz, J2=2Hz;
1
H, H ), 7,85 (d, J = 9 Hz; 1 H, Hf), 7,95 (d, J = 2 Hz; 1 II, Hd), 8,25 (s; 1 H,
Hb), 9,1 (s; 1 H, H ).
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a In analoger Weise werden unter Verwendung entsprechender Ausgangsmaterialien
die in der folgenden Tabelle aufgeführten Verbindungen hergestellt.
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Verbindungen der Formel
| Beispiel A Farbton auf Papier bei pH z 9 |
| 15 /COOH fluor. grünst. Gelb |
| 16CH3 11 li t? |
| SO 3H |
| 17/CZ |
| Cl |
| 18 ~t 2 2 5 " " " |
| 19 < |
| 20 XC1 C1 |
| 21 XC1 |
| H |
| Beispiel A Furbtonauf Papierbei pH = 9 |
| 0 |
| 22 W fluor. grünst. Gelb |
| Ir I |
| 23 /til |
| 24 fluor. Gelb |
| N- N |
| 25 Asz fluor. grünst. Gelb |
Beispiel 26 In 300 g Schwefelsäure (100 %) werden unter Kühlung
bei 10 - 20°C 59 g 2,4-Dihydroxy-benzaldehyd eingetragen und 12 h bei 20 - 25°C
verrührt.
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Die Mischung wird auf 600 g Eis ausgetragen und mit 200 ml gesättigter
Kochsalzlösung ausgesalzen. Der kristalline Niederschlag wird abgesaugt, mit Isopropanol
gewaschen und bei 600C im Vakuum getrocknet. Man erhält 78 g 2,4-Dihydroxy-benzaldehyd-5-sulfonsäure
der Formel
H-NMR([D6pDMSO/TMS): g S 5,3 (breites s; 3H, ='OH, 1 S0 g), 6,42 (s; 1H, H), 7,97
(s; 1H, H), 10,08 (s; 1H,CHO) c Beispiel 2?.
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17,4 g 2,4-Dihydroxybenzaldehyd-5-sulfonsäure (Beispiel 26) und 21,2
g 6-Ethoxy-benzthiazol-2-yl-essigsäureethylester werden in 150 ml Pyridin in Gegenwart
von 3 ml Piperidin 1 h unter Rückfluß zum Sieden erhitzt und dann abgekühlt. Der
kristalline Niederschlag wird abgesaugt, mit Aceton gewaschen und bei 500C im Vakuum
getrocknet. Man erhält 26 g der Verbindung der Formel
als Pyridiniumsalz, welches bei der Behandlung mit Salzsäure die vorstehend aufgeführte
saure Form der Verbindung liefert.
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Zu Verbindung 27 gelangt mangleichfalls,wennman Pyridin/Piperidin
durch Methanol (150ml) und Natriummethylat (32 g 30%ige CH30H-Lsg.) ersetzt, 6 h
bei 20-300C kondensiert und wie angegeben aufarbeitet. Ausbeute: 25 g.
Beispiel
28 17,4 g 2,4-Dihydroxy-benzaldehyd-5-sulfonsäure (Beispiel 29) und 13,9 g 2-Cyanmethyl-benzthiazol
werden in 150 ml Pyridin in Gegenwart von 3 ml Piperidin 12 h bei Raumtemperatur
verrührt. Der kristalline Niederschlag wird abgesaugt, mit Aceton gewaschen und
bei 500C im Vakuum getrocknet.
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Man erhält 24 g Verbindung der Formel
als Pyridiniumsalz. Rotbraune Kristalle, die sich in Wasser lösen.
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Auf Papier wird eine fluoreszierende intensive Gelbfärbung erhalten..
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Durch Verrühren mit kalter verdünnter Salzsäure wird die vorstehend
aufgeführte saure Form der Verbindung erhalten. Beim Erwärmen mit Salzsäure geht
diese in Verbindung 19 über.
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In analoger Weise werden die in der folgenden Tabelle aufgeführten
Verbindungen hergestellt.
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Verbindungen der Formel
| Beispiel A ~ FarbtonaufPapierbeipH t 9 |
| 29 MCII CH3 fluoreszierendes Gelb |
| 3 |
| 30 AÜ II |
| < OCH3 |
| 31 < Cl |
| 32 yiN1 II II |
| Beispiel A Farbton auf Papier bei pH = 9 |
| 33 v fluoreszierendes Gelb |
| 34 Äo II II |
| H |
Beispiel 35 15 g Verbindung gemäß Beispiel 1 werden in 60() ml Dimethylformamid
gelöst, mit 13 ml 30%iger wäßriger Natriumcyanidlösung versetzt, 6 h bei 40 - 45"C
verrührt und auf 0°C abgekühlt. ZudieserMischung fügt man bei OOC bis -5°C unter
Kühlung Tropfen für Tropfen 2,3 ml Brom hinzu, verrührt 2 h bei dieser Temperatur.
Nach dem L nengen auf 1/4 des Volumens und Verrühren mit 150 ml Isopropanol wird
der kristalline Niederschlag abgesaugt, mit Isopropanol gewaschen und bei 50°C im
Vakuum getrocknet. Man erhält 14 g Verbindung der Formel:
Eine wäßrige Lösung zeigt auf Papier bei pH 1 9 eine intensive rote fluoreszierende
Färbung.
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In analoger Weise werden die in der folgenden Tabelle aufgeführten
Verbindungen hergestellt.
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Verbindungen der Formel
| Beispiel A Farbton auf Papier bei pH= 9 |
| 36 y¼SO3H fluoreszierendes Rot |
| 37 K/)H' is 50 3H II |
| H |
| OCH In in |
| 25 |
| CH |
| /N 3 II II |
| SO zu C 3H |
| SO H |
| 40 )%7C3l II II |
| 41 yMIN II |
Beispiel 42 Man imprägniert ein Papier mit einer Lösung von 0,3 g Verbindung gemäß
Beispiel 1 und 10 g oxidierter Stärke in einer Mischung aus 100 ml Wasser und soviel
Salzsäure, wie zur Einstellung von pH 1 erforderlich ist, in der Weise, daß die
Konzentration etwa 0,1 g Reagenz/m beträgt.
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Man erhält ein weißes Papier, das bei der Behandlung mit einem Tintenlöschstift
eine kräftige, gelbgrüne, sehr beständige Färbung ergibt.