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Verfahren zur Herstellung von 1-Phenyl-3-hydroxy-1,2,4-tri-
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azolen 1-Phenyl-3-hydroxy-1,2,4-triazole der allgemeinen Formel
worin R und R' organische Reste wie Halogen, Alkyl und Alkoxy bedeuten, werden als
Zwischenprodukte zur Herstellung von Schädlingsbekämpfungsmittel' insbesondere von
insektiziden und akariziden Phosphorsäureestern verwendet (vgl. DT-PS 970 652 und
DT-PS 1 670 876). Ihre Herstellung erfolgte bisher in zweistufiger Reaktion durch
Überführung eines gegebenenfalls substituierten Phenylhydrazins in das entsprechende
Phenylsemicarbazid sowie dessen Isolierung und weitere Umsetzung mit Ameisensäure
oder einem Ameisensäurederivat zu (I).
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Das Phenylsemicarbazid kann durch Umsetzung des Phenylhydrazinhydrochlorids
oder -acetats mit Kaliumcyanat in Wasser (Ann.
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190, 113; 3er. 26, 2613) oder durch tsmset-zurg des freien Phenylhydrazins
oder seines Hydrochlorids mit Harnstoff (Gazz. chim.
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It-al. 16, 202; 3er. 20, 2359) hergestellt werden. Es wird dann nach
Isolierung aus dem entstandenen Rohprodukt, gegebenenfalls in einem Lösungsmittel,
flit Ameisensäure (Ber. 26 ,2612) oder Ortheameisensäureestern (DAS 2 251 o74) zu
(i) umgesetzt, wobei die Ausbeuten in beiden Stufen 50 % d. Th. nicht übersteigen.
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Neben den mäßigen Ausbeuten zeigen diese Verfahrensrnethoden eine
Reihe weiterer mängel. Insbesondere machen alle bisher beschriebenen Verfahren die
Isolierung und Reinigung des zuerst erhaltenen Phenylsemicarbazids erforderlich.
Da das Phenylhydrazin nicht quantitativ: reagiert, gelangt bei der Aufarbeitung
des Phenylsemicarbazids nicht verbrauchtes Phenylhydrazin in das Abwasser.
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Letzteres iat als Blutgift für Warmblüter bekannt und noch in Konzentrationen
von o,oo1 ffi hoch fischtoxisch. Wegen seiner bakteriziden Eigenschaften ist es
außerdem nur schwer biologisch abzubauen. Die Entfernung des Phenylhydrazins aus
dem Abwasser bis auf unschädliche Konzentrationen ist daher nur auf sehr umständlichem
Wege möglich.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung
von gegebenenfalls substituierten 1-Phenyl-3-hydrox 1,2,4-triazolen durch Umsetzung
von entsprechenden Shnythyarazinen mit Harnstoff in Gegenwart von Säuren und weitere
Umsetzung des erhaltenen Phenylsemicarbazids mit Orthocarbonsäureestern, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß man die beiden Teilreaktionen in heterogener Phase in einem
unter den Reaktionsbedingungen inerten organischen Dispersionsmittel ohne Isolierung
des gebildeten Phenylsemicarbazids durchführt.
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Da sich aus Phenylhydrazin + Säure unter den Verfahrensbedingungen
das entsprechende Phenylhydrazinsalz bildet, kann man auch dieses für die Reaktion
einsetzen und auf den Säurezusatz verzichten.
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Als inerte organische Lösungsmittel verwendet man - sofern man nicht
unter Druck arbeiten will - mit Vorteil solche, die über 100°C, vorzugsweise bei
115° bis 140°C sieden, bevorzugt aroz tische Lösungsmittel wie Toluol, Xylol, Chlorbenzol,
o-Dichlorbenzol, Cumol sowie höhersiedende Paraffine.
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Gemäß der Erfindung werden beide Verfahrensstufen zu einem Eintopfverfahren
zusammengefaßt. In erster Stufe wird dabei das entsprechende Phenylhydrazin, dessen
Phenylring durch (C1-C4)-Alkyl, (C1-C4)Alkoxy, Halogen, CF3, Nitro oder Phenyl,
bevorzugt durch Methyl, Äthyl, Methoxy oder Chlor substituiert sein
kann,
mit der mindestens äquimolaren Menge, vorzugsweise einem geringen Überschuß von
bis zu lo Mol %, Harnstoff in Gegenwart von 1 - loo %, bevorzugt 1o - 40 %, der
stöchiometrisch zur Herstellung des Phenylhydrazinsalzes bzw. zur Bindung des entstehenden
Ammoniaks erforderlichen Menge einer starken anorganischen oder organischen Säure,
wie Toluolsulfosäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Salzsäure, in einem der
oben erwähnten Lösungsmittel bei Temperaturen zwischen 1000 und 1600C, vorzugsweise
zwischen 1150C und dem Siedepunkt des verwendeten Lösungsmittels umgesetzt.
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Die Menge des Lösungsmittels ist in weiten Grenzen variierbar und
kann beispielsweise das zwei- bis zehnfache, vorzugsweise das drei- bis fünffache
des Gewichts des eingesetzten Phenylhydrazins betragen. Die erforderliche Säure
kann in konzentrierter Form, in wäßriger Lösung, im Falle der Halogenwasserstoffsäuren
auch als Gas eingesetzt werden. Bei Verwendung einc.
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Phenylhydrazinsalzes ist ein Säurezusatz überflüssig. Beim Einsatz
von technischem, wasserhaltigem Phenylhydrazin oder eines seiner wasserhaltigen
Salze oder einer wäßrigen Lösung der verwendeten Säure wird das Wasser mit dem als
Reaktionsmediun verwendeten Lösungsmittel azeotrop abdestilliert und gegebenenfalls
danach die Lösung auf die oben angegebene Reaktionstemperatur weiter erhitzt. Das
bei der Reaktion entstehende Ammoni kann, soweit es nicht von der anwesenden Säure
als Ammonsalz gebunden wird, in Wasser aufgefangen und anderer technischer Ve wendung
zugeführt werden. Die Reaktionszeit betragt in der ersten Verfahrensstufe im allgemeinen
zwei bis vier Stunden.
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Die so erhaltene Phenylsemicarbazid und Ammonsaz enthaltende Susi
sion wird dannvorzugswase auf 80°-100°C abgekühlt und mit mindestens der stöchiometrischen
Menge eines Orthocarbonsäureesters versetzt und eine bis drei Stunden auf 60° bis
16o0C, vorzugsweise auf 750 - 13o0C, erhitzt, vorzugsweise bei Rückfluß des entstehenden
Alkohols oder, wenn man im oberen Temperaturinter vall arbeiten will, unter ständigem
Abdestillieren dieses Alko-
hols. Das so in Suspension erhaltene
gegebenenfalls substituierte 1-Phenyl-3-hydrox--1,2,4-triazol wird nach Abkühlen
auf Raumtemperatur abgesaugt und durch Waschen mit Alkohol und Wasser und anschließendes
Trocknen praktisch rein erhalten.
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Bei der vorbeschriebenen Arbeitsweise wird der Harnstoff vorzugsweise
in bis zu to igem stöchiometrischem Überschuß eingesetzt. Ein größerer Überschuß
ist wegen der Gefahr der Bildung größerer Mengen von Nebenprodukten unzweckmäßig.
Als Orthocarbonsäureester eignen sich an sich alle aliphatischen und araliphatischen
Orthocarbonsaureester, vorzugsweise wegen, ihrer relativ leichten technischen Zugänglichkeit
Orthoessigsäuretriäthylester oder Orthoameisensäuretrimethylester.
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Das beanspruchte Verfahren zeigt gegenüber den bisher beschriebenen
und durchgeführten Herstellungsmethoden für 1-Phenyl-3-hydroxy-1,2,4-triazole folgende
Verbesserungen: Die bisher in zwei getrennten Stufen durchgeführre Herstellung wird
zu einem Eintopfverfahren zusammengefaßt. Dabei erübrigen sich die bisher erforderlichen
Reinigungs- und Trocknungsoperationen für das in der ersten Phase hergestellte Phenylsemicarbazid.
Dadurch werden Verluste an Phenylsemicarbazid vermieden und die Gesamtausbeute gegenüber
den bekannten Verfahrensweisen um 1o - 15 % erhöht.
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Das in der ersten Herstellungsphase nicht umgesetzte Phenylhydrazin
bleibt im Reaktionsgemisch und wird in der zweiten Phase mit dem Orthocarbonsäureester
zu Verbindungen umgesetzt, die bei der Abtrennung des Triazols im Lösungsmittelgemisch
verbleiben und nach der destillativen Aufarbeitung desselben z. B. als Destillationsrückstand
ohne Umweltbelästigung verbrannt werden können. Dadurch ist das nunmehr erst nach
der zweiten Stufe anfallende Abwasser frei von Phenylhydrazin und kann nun biologisch
gereinigt werden.
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Bei Einsatz unterstöchiometrischer Säuremengen in der ersten Phase
des Verfahrens kann zudem die Salzbelastung des Abwasser auf ein Mindestmaß verringert
werden.
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In der zweiten Reaktionsphase ist die Zugabe eines Katalysatoi nicht
erforderlich, doch ist es möglich und bisweilen von Vorteil, bis 5 Mol % oder mehr,
insbesondere 1 bis 3 Mol % - bezogen auf das eingesetzte Phenylhydrazin - einer
der genannter Säuren, vorzugsweise konzentrierte Schwefelsäure zuzugeben.
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Überraschend ist, daß das in erster Stufe gebildete Phenylsem carbazid
auch dann mit dem Orthoester weiterreagiert, wenn es in den verwendeten Lösungsmitteln
unlöslich ist (wie beispiel weise in Toluol, Xylol oder Paraffinen).
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Beispiel 1: 84 g Phenylhydrazin, 45 g Harnstoff und 1 g p-Toluolsulfosäure
sowie 500 ml Chlorbenzol werden so lange unter Rückfluß erhitzt, bis nach etwa 2
Stunden die auftretende Anmoniakentwicklwng beendet ist.
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Nach Abkühlen auf 800C wird die entstandene Suspension mit 88 g Orthoameisensäuretrimethylester
und 1,2 g Chlorsulfonsäure versetzt und 4 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Nach AbkiAlen
auf Raumtemperatur wird das Reaktionsgemisch abgesaugt.
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Der Filterrückstand wird mit 100 ml Methanol nachgewaschen und in
400 g 3 %iger Ammoniaklösung aufgenommen.
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Nach, Absaugen von 4 g nicht gelöstem Anteil wird das Filtrat mit
Salzsäure angesäuert. Das ausgefallene l-Phenyl-3-bydroxy-1,2,4-triazol wird abgesaugt,
mit Wasser chloridfrei.gewaschen und bei lOQ°C/300 Torr getrocknet.
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Erhalten werden so 71,5 g l-Phenyl-3-hydroxy-l,2,4-triazol vom Fp.
2790-2810C (6D,5 % d. Th.).
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Beispiel 2: enn der Ansatz von Beispiel (1) nach Zusatz des Orthoameisensäuretrimethylesters
in der zweiten Reaktionsphase unter Abdestillieren des bei der Reaktion. entstandenen
Methanols 4 Stunden auf 120"- 1250C gehalten wird, werden 88 g Rohprodukt erhalten,
das bei 2100 - 2740C schmilzt. Nach wie oben beschriebenem Umlösen mit verdunnter
Ammoniaklösung werden daraus 3 g unlöslicher Rückstand und 84 g l-Phenyl-3-hydroxy-l,2,4-triazol
mit einem Schmelzpunkt von 2800 - 2820C (71 % d. Th.) erhalten.
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Analog durchgeführte Reaktionen, in welchen statt Chlorsulfonsäure
Schwefelsäure, p-Toluolsulfonsäure,oder Phosphorsäure als Katalysator verwendet
werden, erreichen im wesentlichen gleiche Ergebnisse.
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Beispiel 3: Ersetzt man in obigen Beispielen Orthoameisensäuretrime
hsy7-ester durch Orthoessigsäuretriäthylester, so wird : l-Phenyl-3-hydroxy-5-methyl-1,2,4-triazol
vom Fp. 1900-1920C in Ausbeuten von 70 - 75% d. Th. erhalten.
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Beispiel 4: In einem 300 1 fassenden, innen emaillierten Rührkessel
werden 150 1 Xylol, 28 kg (250 Mol) technisches 96 %iges Phenylhydrazin, 28 kg (252
Mol FC1) 33 ziege Salzsäure und l5,kg (260 Mol) Harnstoff gemischt.
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Das Reaktionsgemisch wird unter Rühren erhitzt. Dabei werden im Laufe
von 2 1/2 Stunden 19,5 1 Wasser mit dem Xylol azeotropf abdestilliert und über einen
Wasserabscheider unter Rücklauf des Xylols abgetrennt. Dann wird das Reaktionsgemisch
noch eine Stunde auf 125°- 130°C erhitzt.
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Nach Abkühlen des Reaktionsgemisches auf 900C läRt man 8 kg Orthoameisensäuretrimethylester
zulaufen. Nachdem nach etwa 5 Minuten kräftiger Rückfluß eingesetzt hat, werden
weitere 19,6 kg Orthoameisensäuretrimethylester (insgesamt 268 Mol) in 10 Minuten
zugegeben.
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Das Reaktionsgemisch wird nun 2 Stunden unter Rücl;fluß gekocht und
nach Ablxhlen abgesaugt. Der Filterrückstand wird mit 40 1 Methanol gespült, mit
250 1 Wasser chlorionenfrei gewaschen und im Vakuum bei 90°C getrocknet.
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Erhalten werden so 34 kg (84,) ffi d. Th.) l-Phenyl-3-hydroxy-1,2,4-triazol
vom Fp. 2820-2840C.
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Das Abwasser enthält kein Phenylhydrazin mehr.
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Beispiel 5: 281 g (2,5 Mol) technisches 96 iOiges Phenylhydrazin werden
in 1,5 1 Xylol gelöst und mit 20 g (0,2 Mol HC1) konzentrierter Salzsäure 10 Minuten
gerührt und unter Rühren mit 156 g (2,6 Mol) Harnstoff versetzt.
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Nach azeotropem Abdestillieren des aus der Salzsäure und dem Phenylhydrazin
stammenden Wassers (ca. 20 ml) wird das Reaktionsgemisch zwei Stunden lang auf 13000
erhitzt, bis die bei etwa 1200C einsetzende Ammoniakentwicklung beendet ist.
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Nach Abkühlen auf 700-800C werden 10 Minuten 310 g (2,8 Mol) Orthoameisensäuretrimethylester
zugesetzt.
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Die xylolische Suspension wird unter dem einsetzenden Methanolrückfluß
zwei Stunden lang erhitzt und nach Abkühlen auf Raum temperatur abgesaugt.
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Der Filterrückstand wird nacheinander mit 300 ml Methanol und 500
ml Wasser nachgespült und bei 1000C und 300 Torr getrocknet.
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Die Ausbeute beträgt 351 g (88 0 d. Th.) l-Phenyl-l,2,4-triazol vom
Fp. 2820 - 2840C.
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+) 2 g konzentrierte Schwefelsäure und dann Beispiel 6: In einem 1
Ltr. Rührkolben mit Thermometer, Tropftrichter und Rückflußkühler werden 168 g Phenylhydrazin
96 ig (1,5 Mol) in 750 ml Xylol gelöst.
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Nach Zugabe von 20 g 38 %iger Salzsäure ( 0,2 Mol) wird die entstandene
Suspension
5 Minuten gerührt und nach Zugabe von 90 g Harnstoff zunächst unter azeotropem Abdestillieren
von Wasser und bei 1150C beginnendem Abgasen von Ammoniak so lange auf 1250 bis
135°C erhitzt, bis nach 2-3 Stunden die Ammoniakentzicklung beendet ist.
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Nach Entfernen der Heizung werden im Laufe von 15 Minuten 175 g Orthoameisensäuretrimethylester
unter Rühren zugetropft. Dabei sinkt die Temperatur des Gemisches unter einsetzendem
Methanolrückflup auf 756 - 80"C.
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Nun wird das Reaktionsgemisch 2 Stunden unter Rühren und Rückfluß
auf 750 - 80"C erhitzt und wie in Beispiel (6) beschrieben aufgearbeitet.
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Erhalten werden 210 g 1-Phenyl-3-hydroxy-1,2,4-triazol vom Fp. 2820
- 2840C (87 % d. Th-.) Beispiel 7: Ein Gemisch aus 28 kg (250 Mol) technischem 96
einem Phenylhydrazin und 150 1 Xylol wird in einem 300 1 fassenden, innen man ersten
geschlossenen Rührkessel unter Rühren zwei Stunden lang bei einem Druck bis 2 atü
mit 9,1 kg (250 Mol) Chlorwasserstoffgas begast, wobei der Chlorwasserstoff vollständig
absorbiert wird. Dabei steigt die Temperatur des Reaktionsgemisches auf eta 60°C.
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Nach Oeffnen des Kesselausgangs zu einem absteigenden Kühler und Zusatz
von 15,6 kg (260 Mol) Harnstoff wird das Gemisch eine Stunde lang auf 1250 - 1300C
erhitzt.
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Dabei destillieren mit wenig Xylol etwa 1,5 1 Wasser ab, das im rohen
Phenylhydrazin enthalten war.
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Nach Abkühlen auf 90"C werden
8 kg Orthoameisensäuretrimethylester
und nach in etwa 5 Minuten einsetzendem Rückfluß weitere 20,5 kg Orthoameisensäuretrimethylester
(insgesamt 270 Mol) zugegeben.
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Das Reaktionsgemisch wird zwei Stunden unter Rückfluß erhitzt und
nach Abkühlen abgesaugt. Der Filterrückstand wird nacheinander mit 60 1 Methanol
und 300 1 Wasser nachgespült.
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Nach Trocknen des verbleibenden Filterrückstandes werden so 34,2 kg
1-Phenyl-3-hydroxy-1,2,4-triazol vom Fp. 282°- 2S4°C erhalten. Das sind 85 % der
theoretisch erwarteten Menge.