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Verfahren zur Herstellung von substituierten Harnstoffen
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aus Thiolcarbamat-Salzen und Nitroarylen Für diese Anmeldung wird
die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 8029950 vom 17. September 1980
beansprucht
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft ein
neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung von substituierten Harnstoffen.
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In der britischen Patentanmeldung Nr. 1 380 258 der Anmelderin ist
ein Verfahren zur Reinigung von sekundären Ammonium-N ,N-disubstituierten-thiolcarbamaten
der allgemeinen Formel
in der R' und R' gleiche oder verschiedene, gegebenenfalls substituierte Alkylreste
bedeuten oder zusammengenommen einen gegebenenfalls substituierten zweiwertigen
Alkylenrest darstellen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine Lösung, bestehend
aus einem sekundären Ammonium-N,N-disubstituierten-thiolcarbamat der vorstehenden
Formel, einem Lösungsmittel und Verunreinigungen, destilliert, wobei man ein Destillat
erhält, das das gewünschte Thiolcarbamat in dem Lösungsmittel enthält. Das Thiolcarbamat
kann beispielsweise hergestellt werden durch Umsetzung eines sekundären Amins der
allgemeinen Formel R' NHR'', worin R' und R'' die vorstehend angegebene Bedeutung
haben, in einem Lösungsmittel entweder mit Kohlenmonoxid und Schwefel oder mit Carbonylsulfid.
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+) entspricht der deutschen Patentanmeldung P 22 58 453.8-4 (Quim-5)
In
dem deutschen Patent 23 17 122 (Quim-10/11/12) der Anmelderin ist ein Verfahren
zur Herstellung eines trisubstituierten Harnstoffs der allgemeinen Formel R'''(NHCONR'R'')n
beschrieben, in welcher R''' einen gegebenenfalls substituierten einwertigen, zweiwertigen
oder mehrwertigen aromatischen Rest darstellt, R' einen gegebenenfalls substituierten
einwertigen aliphatischen oder aromatischen Rest bedeutet, und R" einen gegebenenfalls
substituierten einwertigen aliphatischen Rest darstellt oder R' und R" zusammen
einen gegebenenfalls substituierten zweiwertigen Rest bedeuten, in welchem mindestens
eines der zwei Xohlenstoffatome, die dem Stickstoffatom des Harnstoffs benachbart
sinde aliphatisch ist, und n eine ganze Zahl bedeutet, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß man eine aromatische Nitroverbindung der allgemeinen Formel R' (NO2)n oder
eine aromatische Nitrosoverbindung der allgemeinen Formel R'''(NO)n mit einem sek.
Ammonium-N,N-disubstituiertenthiolcarbamat der allgemeinen Formel - + R'R''NCOS.NH2R'R''
oder mit einem Gemisch aus einem sekundären Amin der allgemeinen Formel R'.NH.R''
und Kohlenmonoxid und Schwefel, oder einem Gemisch aus einem sekundären Amin der
allgemeinen Formel R NHR'', Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff, oder einem Gemisch
aus einem sekundären Amin der allgemeinen Formel R'.NHR'' und Carbonylsulfid, oder
mit einem Gemisch aus einem sekundären Ammoniumsulfid oder Hydrogensulfid der allgemeinen
Formyl + + -(R'R''NH2)2- oder R'R''NH2.SH und Kohlenmonoxid zur Umsetzung bringt,
wobei in den vorstehenden
allgemeinen Formeln die Reste R"', R'
und R' die vorstehend angegebene Bedeutung haben.
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Die vorstehend angegebenen Verfahren zeigen jedoch eine Anzahl von
Nachteilen. Beispielsweise können sie in der Praxis nur erfolgreich für die Herstellung
von N',N'-dimethylharnstoff und N',N'-diäthylharnstoff angewandt werden, da die
höheren Homologen unter den Destillationsbedingungen instabil sind. Weiterhin hat
es sich als nachteilig erwiesen, daß beträchtliche Mengen an Dimethylamin oder Diäthylamin
während des Verlaufs der Umsetzung mit den Mononitroaryl-Verbindungen dadurch verloren
gehen, daß sie entweder aus dem Reaktionsgefäß entweichen oder Salze mit dem gebildeten
Kohlendioxid oder mit dem anwesenden Schwefelwasserstoff bilden. Hinzu kommt, daß
bei atmosphärischem Druck auch ein Verlust der Reaktionsteilnehmer auftritt, nämlich
dadurch, daß gasförmiges Carbonylsulfid und Thiolcarbamatsalze, die aus dem Verdampfersystem
abdampfen, seinerseits die Wände des Kühlers mit einer harten Schicht aus festem
Kohlendioxid-Dimethylaminsalz und Carbonylsulfid-Aminsalz überziehen und andererseits,
weil die Reaktionsteilnehmer durch die großen Mengen an Kohlendioxid, die während
der Reaktion entstehen, verdrängt werden. Außerdem entsteht Schwefel als Nebenprodukt,
dessen Entfernung aus dem Reaktionsgemisch zusätzliche Extraktions- und Reinigungsmaßnahmen
bedingt.
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Die Umsetzung bei atmosphärischem Druck führt ferner zu Verunreinigungen,
die dem Reaktionsgemisch eine dunkelbraune Farbe verleihen und einen Verlust an
Schwefel als Nebenprodukt hervorrufen. Schließlich wird, wenn man die bekannten
Verfahren zur Herstellung von substituierten Harnstoffen aus Mononitroaryl-Verbindungen
anwendet-, gasförmiger Schwefelwasserstoff gebildet, der anschließend nicht im Kreislauf
in die Reaktion zurückgeführt werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues und verbessertes
Verfahren zur Herstellung von substituierten Harnstoffen aus Nitró;aryl-Verbindungen
zur Verfügung zu stellen, das nicht die Nachteile der vorstehend beschriebenen Verfahren
aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Verfahren
zur Herstellung von substituierten Harnstoffen der allgemeinen Formel
worin bedeuten R einen mononitro-substituierten Arylrest, der gegebenenfalls andere
Substituenten enthält, beispielsweise Halogenatome, gegebenenfalls verzweigte aliphatische
Kohlenwasserstoffreste mit bis zu 10 Kohlenstoffatomen, Alkoxyreste , Trifluormethylreste-
, Sulfonylmethylreste und dergleichen, und R1 und R2 aliphatische Reste mit bis
zu 18 Kohlenstoffatomen, die gleich oder vzrschieden sein können, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß man eine Nitroaryl-Verbindung der allgemeinen Formel R N02, in der R die
vorstehend angegebene Bedeutung hat, in einem inerten Lösungsmittel bei erhöhter
Temperatur und erllöhtem Druck mit Schwefel, Kohlenmonoxid, einem sekundären Amin
der allgemeinen Formel R1NH-R2 und einem tertiären Amin der allgemeinen Formel R1.N(R2)R3,
worin R1, R2 und R3 aliphatische Reste mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen darstellen,
die gleich oder verschieden sein können, zur Umsetzung bringt.
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Währenddes Verlaufs der Umsetzung wird zunächst ein
Thiolcarbamat
der allgemeinen Formel
worin R1 und R2 die gleiche wie vorstehend angegebene Bedeutung haben, als auch
ein quaternäres Thiolcarbamat der allgemeinen Formel
worin R1, R2 und R3 die gleiche wie vorstehend angegebene Bedeutung haben, gebildet.
Diese Thiolcarbamate (II) und (III) reagieren dann weiter, wobei man die gewünschten
substituierten Harnstoffe (I) erhält. Sie können jedoch auch aus dem Reaktionsgemisch
isoliert werden und als solche angewandt werden, da es bekannt ist, daß einige Derivate
dieser Thiolcarbamate als Herbizide brauchbar sind.
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Ferner kann man die Thiolcarbamate (II) und (III) im Kreislauf in
das Reaktionsgemisch zur Herstellung der substituierten Harnstoffe (I) zurückführen.
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Zu Beispielen von Nitroaryl-Verbindungen, die gemäß der Erfindung
eingesetzt werden können, gehören 2-Chlor-4-nitrotoluol, m-Nitro-,d, Elr-trifluortoluol,
3-Chlor-nitrobenzol, 2-Chlor-4-nitroanisol, 3- und 4-Nitrotoluol, Nitrobenzol, 4-tert.-Butylnitrobenzol,
4-Isopropylnitrobenzol und 4-Nitrotoluol. Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß besonders
gute Ausbeuten dann erhalten werden, wenn in meta-Stellung zu der Nitrogruppe sich
als Substituent Chlor, Brom oder Jod oder eine Trifluormethylgruppe befindet.
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Das. inerte Lösungsmittel, in dem das Verfahren gemäß der Erfindung
durchgeführt wird, kann beispielsweise ein aromatisches Lösungsmittel, z.B. Benzol
oder ein substituiertes Benzol, oder ein cycloaliphatisches, heterocyclisches oder
aliphatisches Lösungsmittel sein. Zu speziellen Beispielen gehören als Lösungsmittel
Benzol, Monochlorbenzol, Dichlorbenzol, Toluol, Xylol, Naphthalin und Tetrahydrofuran.
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Als tertiäres Amin werden vorzugsweise Trimethylamin oder Triäthylamin
aufgrund ihrer hohen Basizität eingesetzt, obgleich auch höhere Analoge eingesetzt
werden können.
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Die Umsetzung führt man vorzugsweise unter starkem Rühren oder unter
starker Bewegung unter einem Kohlenmonoxiddruck von 40 bis 60 bar (40 bis 60 at)
und bei einer Temperatur von 90 bis 120° C durch, wobei die Umsetzungszeit etwa
6 bis 10 Stunden beträgt. Falls gewünscht, können die Reaktionskomponenten in den
Reaktionskessel mittels Dosierpumpen eingeführt werden.
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Das gekühlte Reaktionsgemisch wird mittels Druckförderung von dem
Druckgefäß in die fraktionierte Destillationseinheit gebracht. Nicht umgesetzte
Salze werden zunächst zurückgewonnen, woraufhin die Harnstofflösung unter vermindertem
Druck konzentriert und dann gekühlt wird, wobei der gewünschte substituierte Harnstoff
in Form feiner Kristalle auskristallisiert.
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Die Qualität und die Ausbeute des Endproduktes wird beträchtlich verbessert,
da keine Schwefelverunreinigungen mehr auftreten. Der als Nebenprodukt auftretens
Schwefel wird während der Umsetzung in dem geschlossenen Reaktionskessel in Gegenwart
des überschüssigen sekundären und tertiären Amins wieder in das Thiolcarbamatsalz
zurückgeführt und teilweise in Carbonylsulfid umgewandelt. Die
Anwesenheit
des tertiären Amins begünstigt die Bildung des Thiolcarbamatsalzes auch noch im
Endstadium der Reaktion, bei dem der Gehalt an sekundärem Amin beträchtlich abgenommen
hat. Ferner wird der Anteil an sekundärem Amin, der während der Reaktion gebraucht
wird, beträchtlich vermindert. Eine kontinuierliche Druckzuführung der aufgebrauchten
Reaktionskomponenten in das Reaktionsgemisch ermöglicht die Durchführung des neuen
Verfahrens in wirksamer Weise auch in kleinem Maßstabe.
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Die gasförmigen Nebenprodukte, die während der Umsetzung entstehen,
sind Kohlendioxid und Carbonylsulfid. Die letztere Verbindung kann leicht zurückgewonnen
werden, entweder indem man ein sekundäres Amin in den Druckkessel bei 30 bis 400
C während der Abkühlung des Reaktionsgemisches einbringt, wobei man das entsprechende
Thiolcarbamat erhält, was, im Falle des Einsatzes von Dimethyl- und Diäthyl-Verbindungen,
durch Destillation gewonnen werden kann, oder indem man das Carbonylsulfid und den
Rest des Gases mit einem sekundären Amin nach Verlassen des Reaktionsgefäßes kondensiert.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung macht eine Destillation
und Reinigung des Thiolcarbamatsalzes unnötig. Im Gegensatz zu den herkömmlichen
bekannten Methoden entfällt eine Lösungsmittelextraktion des Harnstoffs.
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Wenn das Lösungsmittel aus dem Reaktionsgemisch herunterläuft, destilliert
der Schwefel in Form der Thiolcarbamatsalze über, so daß das Reaktionsprodukt nicht
mit Schwefel verunreinigt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich
in großem Maßstabe in einem großen Druckkessel durchgeführt werden, wenn das aufgebrauchte
sekundäre Amin und die Nitroaryl-Verbindungen unter Druck mittels einer Dosierpumpe
eingeführt werden. Die Mengen an Schwefel und tertiärem Amin, die während der Umsetzung
zurückbleiben,
und das Thiolcarbamatsalz, das am Ende der Umsetzung
mit dem destillierten Lösungsmittel gewonnen wird, können in den Prozess zurückgeführt
werden.
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Der Umfang der erforderlichen Anlage ist beträchtlich vermindert im
Vergleich zu den herkömmlichen Methoden und die Anforderungen an den Druckbehälter
sind nicht unterschiedlich von denen für die frühreren Methoden, diezur Herstellung
von Thiolcarbamatsalzen allein eingesetzt wurden.
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Ferner ist, wie bereits erwähnt, die anfallende Menge an Schwefel
enthaltenden Nebenprodukten auf ein Minimum reduziert. Diese Nebenprodukte werden
gebildet durch thermische Zersetzung der Thiolcarbamatsalze während der Destillation,
durch Hydrolyse bei atmosphärischem Druck infolge der Anwesenheit von Feuchtigkeit,
und durch die Bildung von polymerem Material infolge der thermischen Umlagerung
der Thiolcarbamatsalze während der Destillation. Etwas Schwefelwasserstoff wird
auch gebildet, wenn die Thiolcarbamatsalze mit den Nitroarylen bei atmosphärischem
Druck zur Umsetzung gebracht werden.
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Die folgenden Beispiele erlautern die Erfindung, ohne sie jedoch darauf
zu beschränken.
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Beispiel 1 171 g 2-Chlor-4-nitrotoluol mischt man mit 500 ml Monochlorbenzol
und bringt es in den Druckbehälter ein. Dann gibt man 32 g Schwefel und anschließend
eine Lösung von 95 g Dimethylamin und 25 g Triäthylamin in 500 ml Monochlorbenzol
bei -5° C hinzu. Man verschließt den Xessel und drückt Kohlenmonoxid bis zu einem
Druck von 50 bar (50 at) auf und erhitc. Das Reaktionsgemisch wird kräftig gerührt
und bei einer Temperatur von 1100 C 10 Stunden gehalten, anschließend auf 300 C
gekühlt und belüftet,
wobei man die Gase durch einen Waschturm
leitet. Der Inhalt des Druckbehälters wird dann über eine Druckleitung mittels Stickstoff
in die Anlage zur fraktionierten Destillation gedrückt und nicht umgesetzte N,N-Dimethylthiolcarbamatsalze
abdestilliert, wobei eine Harnstofflösung verbleibt, die man unter vermindertem
Druck kon zentriert. Nach Abkühlung scheiden sich feine Kristalle aus, die man abfiltriert,
mit kaltem Monochlorbenzol wäscht und trocknet. Nach Umkristallisation aus Methanol
erhält man 96% Ausbeute an 1-(3-Chlor-4-methylphenyl)-3,3-dimethylharnstoff; F 150
bis 1520 C. Die Struktur der Verbindung wird mittels Dünnschicht-Chromatographie
und IR-Spektren im Vergleich zu einer authentischen Probe bei stätigt.
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Beispiel 2 765 g m-Nitro-ck,-trifluortoluol mischt man mit 2,5 1 Monochlorbenzol
und 160 g Schwefel und gibt das Gemisch in einen Druckbehälter. Anschließend fügt
man 480 g Dimethylamin und 125 g Triäthylamin in 2 1 Monochlorbenzol bei -5° C hinzu.
Man verschließt den Behälter, spült mit Kohlenmonoxid, drückt dann Kohlenmonoxid
bis zu einem Druck von 50 bar (50 at) ein und erhitzt. Das Reaktionsgemisch hält
man 10 Stunden unter kräftigem Rühren bei 1200 C, kühlt anschließend das Reaktionsgemisch
auf 500 C, läßt die Gase entweichen und überführt das Reaktionsgemisch über eine
Druckleitung in die Konzentrieranlage.
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Zunächst geht Thiolcarbämatsalz über und anschließend Monochlorbenzol,
wobei 1,5 1 Monochlorbenzol in dem Reaktionsgemisch verbleiben. Das Reaktionsgemisch
läßt man abkühlen und über Nacht stehen, wobei feine Kristalle auskristallisieren.
Diese Kristalle filtriert man ab, wäscht sie mit kaltem Monochlorbenzol und trocknet
sie.
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Man erhält 1060 g (92% der Theorie) 1,1-Dimethyl-3-(3-,a,a-trifluor-m-tolyl)-harnstoff;
F 163 bis 1640 C.
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Beispiel 3 Man wiederholt die Verfahrensweise des Beispiels 2, jedoch
mit der Abänderung, daß man 315 g 3-Chlornitrobenzol einsetzt, wobei man 350 g (88%
der Theorie) an l,l-Dimethyl-3-(m-chlorphenyl)-harnstoff erhält; F 144 bis 1460
C.
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Beispiel 4 Die in Beispiel 2 beschriebene Verfahrensweise wird wiederholt,
wobei man jedoch 187 g 2-Chlor-4-nitroanisol einsetzt. Man erhält 166 g (68% der
Theorie) 1,1-Dimethyl-3-(3-chlor-4-methoxyphenyl)-harnstoff; F 125 bis 1270 C.