DE3335312C1

DE3335312C1 - Verfahren zur Herstellung des Methyl- oder Ethylesters der p-Nitrobenzoesäure

Info

Publication number: DE3335312C1
Application number: DE19833335312
Authority: DE
Inventors: Marcel Dr. 5000 Köln Feld
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Huels AG
Priority date: 1983-09-29
Filing date: 1983-09-29
Publication date: 1985-06-27

Description

Die Forderung nach hoher Reinheit des Produktes war damit bereits erfüllt. In der ersten Veresterungsstufe wurden, berechnet aus dem Wassergehalt des Destillats, ca. 90% der p-Nitrobenzoesäure verestert. Die gegenüber Beispiel 1 nach Beispiel 2 erhöhte Menge von Methanol ergab in der ersten Veresterungsstufe keine deutlichen Vorteile des Umsatzgrades und der Reinheit des Produkts.
Erfindungsgemäß wird das Filtrat der Abtrennung des Produkts, d. h. die Mutterlauge sowie die alkoholischen Waschlaugen in einer späteren ersten Stufe der p-Nitrobenzoesäure zugesetzt. Überraschend vermindert das nicht die Reinheit des Produkts, erhöht aber wesentlich die Ausbeute.
Wesentlich ist, daß Mutterlaugen entstehen, deren Rückführung möglich ist und dadurch nur wenig Alkohol, z. B. 1 Teil Alkohol je Teil Ausgangsstoff, aufzuarbeiten ist.
Bei Nitrobenzoesäureethylester ergibt die analoge Ausführung zu Beispiel 1 wegen der hohen Löslichkeit dieses Esters nur die unbefriedigende Ausbeute von 72,8% d. Th. (vgl. Beispiel 3). Für die wirtschaftliche Gewinnung des Ethylesters ist daher der Einsatz der Mutterlauge der Produktkristallisation in nachfolgenden ersten Veresterungsstufen wichtig.
Zweckmäßig wird in einer solchen Veresterungsstufe die Menge der frischen p-Nitrobenzoesäure um die Molmenge der mit der Mutterlauge zugesetzten p-Nitrobenzoesäureester und p-Nitrobenzoesäure vermindert. Durch den Zusatz der Mutterlauge brauchen die Reaktionsbedingungen der ersten Veresterungsstufe nicht verändert zu werden.
Beispiel 3 zeigt, daß nach zweimaliger Rückführung der Mutterlauge die Gesamtausbeute bereits auf 91,4% d. Th. steigt, während die Reinheit des Produktes mit über 99% erhalten bleibt Als ausreichend ergaben sich Reaktionszeiten von 2,5 bis 3,5 Stunden pro Veresterungsstufe und damit hohe Raum-Zeit-Ausbeuten. Damit sind bei gleichzeitig erzielten hohen Ausbeuten und hohen Reinheitsgraden beider Zielprodukte alle Forderungen erfüllt Der bei der Destillation rückgewonnene überschüssige Alkohol wird nach Entfernung des Wassers erneut eingesetzt Die Abdestillation von Alkohol und Reaktionswasser aus dem Reaktionsgemisch der ersten Veresterungsstufe erfolgt zweckmäßigerweise direkt aus dem Reaktions-Druckgefäß heraus. Bei der Abdestillation des Methanols werden beispielsweise Temperaturen von 90 bis 1500C und ein durch den Dampfdruck des Methanols bei der betreffenden Temperatur bedingter entsprechend erhöhter Druck von 3 bis 5 bar verwendet Der Schluß der Destillation des Methanols erfolgt zweckmäßig bei Normaldruck.
Der Abdestillation kann bei der Entspannung eine Brüdenkodensation vorausgehen, wobei das Kondensat ebenfalls aus Alkohol und Wasser besteht.
Der Destillationsrückstand kann nochmals mit einem geringen Teil Methanol versetzt werden, um verbliebene geringe Mengen Wasser durch erneutes Abdestillieren zu entfernen.
Die Destillation des Ethanols kann bei Normaldruck erfolgen. In beiden Veresterungsstufen kann die Veresterung ohne Zusatz von Veresterungskatalysatoren erfolgen. Die Veresterung kann auch in Gegenwart von Veresterungskatalysatoren ausgeführt werden.
Veresterungskatalysatoren verkürzen die Reaktionszeit bzw. ermöglichen eine starke Verminderung der Reaktionstemperatur. Die Art der Katalysatoren ist an sich beliebig. In Alkohol gut lösliche Katalysatoren haben den Vorteil, daß diese mehrmals mit der Mutterlau- ge zurückgeführt werden können. Unlösliche Katalysatoren, z. B. lonenaustauscher werden vor der Isolierung des Produkts abgetrennt. Auch stark saure Katalysatoren sind verwendbar, besonders bei vergleichsweise niedrigerer Reaktionstemperatur.
p-Toluolsulfonsäure und weitere Sulfonsäuren, besonders aromatische Sulfonsäuren, sind genügend stabil, um zahlreiche Male mit der Mutterlauge unzersetzt zurückgeführt zu werden.
In Abwesenheit eines Veresterungskatalysators wird ein ausreichender Umsetzungsgrad der p-Nitrobenzoesäure bei Temperaturen zwischen 150 und 260"C und ein guter Umsetzungsgrad im Vorzugsbereich zwischen 170 und 240° C ermittelt.
In Anwesenheit geeigneter Veresterungskatalysatoren treten gute Umsatzgrade bereits zwischen 50 und 200"C, vorzugsweise 90 bis 1500C, auf. So ergab die in Gegenwart von p-Toluolsulfonsäure als typischem Veresterungskatalysator bei nur 1200C durchgeführte Herstellung nach Beispiel 4 bezüglich Ausbeute und Reinheit des Produktes ähnliche Ergebnisse, wie die in Abwesenheit eines Veresterungskatalysators bei 190"C durchgeführte Herstellung des Beispiels 3. Der Katalysator brauchte in Beispiel 4 nur bei der ersten Veresterung der jeweiligen Serie zugesetzt werden. Katalysatoren sparen somit Energie durch verminderte Veresterungstemperatur.
Die Veresterung der ersten und zweiten Stufe erfolgt im geschlossenen Gefäß unter Eigendruck. Drücke bis z. B. 50 bar sind möglich.
Die Ester der p-Nitrobenzoesäure werden zur Herstellung zahlreicher Stoffe, besondere von Pharmaka wie z. B. Procain, verwendet.
Beispiel 1 a) In einem Autoklaven wurden 300 g p-Nitrobenzoesäure und 400 g Methanol (Wassergehalt: 0,060/0) unter Rühren 3 Stunden auf 1900C erhitzt. Dann wurde die Heizung vorübergehend abgestellt, hinter einem mit dem Brüdenraum verbundenen Kondensator allmählich bis auf einen Druck von 3 bis 4 bar entspannt und das dabei kondensierte Destillat ausgeschleust. Danach wurde die Abdestillation der flüchtigen Produkte vervollständigt, wobei die Temperatur wieder bis auf 1200C gesteigert und schließlich bis auf Außendruck entspannt wurde.
Bei geschlossenem Entspannungsventil wurden 100 g Methanol in den Autoklaven gedrückt und wieder in der zuvor beschriebenen Weise abdestilliert. Insgesamt wurden 457,5 g Destillat, bestehend aus Methanol mit einem Wassergehalt an 6,5 Gew.-%, erhalten. Der Destillationsrückstand wurde mit 400 g Methanol versetzt und zur weiteren Veresterung 3 Stunden auf 190"C erhitzt. Dann wurde unter Rühren auf Raumtemperatur abgekühlt, über eine Drucknutsche filtriert, der Filterkuchen mit zweimal 50 g Methanol gewaschen und getrocknet. Es wurden 304,1 g p-Nitrobenzoesäuremethylester (93,5% d. Th.) mit einer Reinheit von 99,2% gewonnen.
b) Die mit den Waschfiltraten vereinte Mutterlauge (420 g) wurde mit 280 g p-Nitrobenzoesäure erneut 3 Stunden auf 1900C erhitzt, die flüchtigen Produkte (459,3g g mit einem Wassergehalt von 7,0 Gew.-% einschließlich von 100 g Methanol, die dem Rückstand der ersten Destillation zugesetzt wurden) in der zuvor beschriebenen Weise abdestilliert, der Destillationsrückstand mit weiteren 400 g Methanol 3 Stunden auf 190"C C erhitzt und dann wie zuvor aufgearbeitet. Es wurden 303,7 g p-Nitrobenzoesäuremethylester mit einer Reinheit von 99,3% erhalten.
In gleicher Weise wurde die nunmehr erhaltene Mutterlauge erneut mit 280 g p-Nitrobenzoesäure zur Reaktion gebracht und wie unter a) beschrieben verestert. Auch die bei diesem Ansatz erhaltene Mutterlauge wurde dann ein weiteres Mal mit 280 g p-Nitrobenzoesäure und entsprechenden Mengen Methanol verestert.
Insgesamt wurden bei dieser Serie von vier Veresterungen 1140 g p-Nitrobenzoesäure eingesetzt und 1212,8 g p-Nitrobenzoesäuremethylester (98,2% d. Th.) mit einer Reinheit von 99,2 bis 99,5% gewonnen.
Beispiel 2 a) Die in Beispiel 1 beschriebene Verfahrensweise a) wurde wiederholt, jedoch wurden 300 g p-Nitrobenzoesäure und 500 g Methanol eingesetzt. Die Abdestillation der flüchtigen Produkte nach 3 Stunden bei 1900C und nochmaligem Zusatz von 100 g Methanol zu dem Destillationsrückstand ergab ein Destillat von 556,9 g mit 5,2% Wasser. Der Rückstand wurde mit weiteren 500 g Methanol nochmals 3 Stunden auf 1900C erhitzt und dann wie in Beispiel 1 beschrieben aufgearbeitet Es wurden 297 g p-Nitrobenzoesäure mit einer Reinheit von 99,4% erhalten.
b) Die Mutterlauge wurde mit 275 g p-Nitrobenzoesäure unter den genannten Bedingungen erneut zur Umsetzung gebracht und der Rückstand nach der beschriebenen Abdestillation der flüchtigen Produkte mit 500 g Methanol weiter umgesetzt. Dabei wurden 294,2 g p-Nitrobenzoesäuremethylester gewonnen.
c) Die Mutterlauge wurde wiederum mit 275 g p-Nitrobenzoesäure umgesetzt, die flüchtigen Produkte abdestilliert, der Rückstand mit 500 g Methanol einer Nachveresterung unterworfen, das Zielprodukt isoliert und mit der Mutterlauge ein weiteres Mal in gleicher Weise verfahren.
Insgesamt wurden bei dieser Serie von vier Veresterungen 1125 g p-Nitrobenzoesäure eingesetzt und daraus 1177 g p-Nitrobenzoesäuremethylester (96,5% d. Th.) mit einer Reinheit von mehr als 99% gewonnen.
Beispiel 3 Die in Beispiel 1 beschriebene Verfahrensweise a) wurde mit 300 g p-Nitrobenzoesäure und 400 g Ethanol.
anstelle von Methanol, wiederholt. Nach 3 Stunden bei 190"C wurde unter Abkühlung des Reaktionsgemisches und Abdestillation eines wasserhaltigen Alkohols (347 g mit 7,8% Wasser) auf Normaldruck entspannt. Danach wurden 400 g Ethanol zugesetzt und weitere 3 Stunden auf 1900C erhitzt. Das Reaktionsgemisch wurde darauf unter Rühren auf Raumtemperatur abgekühlt, über eine Drucknutsche filtriert, der Filterkuchen mit zweimal 50 g Ethanol gewaschen und getrocknet Es wurden 255,2 g p-Nitrobenzoesäureester (72,8°,b ci Th mit einer Reinheit von 99,4% erhalten.
Die mit Waschfiltrat vereinte Mutterlauge (511 g) wurde mit 210 g p-Nitrobenzoesäure wieder 3 Stunden auf 1900C erhitzt, der wasserhaltige Alkohol (366 g mit 6,6% Wasser) abdestilliert, 400 g wasserfreies Ethanol zugesetzt und in der zuvor beschriebenen Weise weiter verfahren. Aus dem abgekühlten Reaktionsgemisch wurden dann 256,3 g p-Nitrobenzoesäureethylester isoliert. Die dabei erhaltene Mutterlauge (467 g) wurde wiederum mit 210 g p-Nitrobenzoesäure in der genannten Weise umgesetzt.
Insgesamt wurden bei dieser Serie von drei Veresterungen 720 g p-Nitrobenzoesäure eingesetzt und 768,3 g p-Nitrobenzoesäureethylester gewonnen. Gesamtausbeute 91,4% d. Th. Reinheit über 99%.
B e i s p i el 4 (mit Veresterungskatalysator) Die Verfahrensweise von Beispiel 3 wurde wiederholt, wobei neben 300 g p-Nitrobenzoesäure und 400 g Ethanol noch 3 g p-Toluolsulfonsäure am Beginn eingesetzt wurde. In beiden Veresterungsstufen wurde jeweils 4 Stunden lang eine Reaktionstemperatur von 120"C eingehalten. Ansonsten wurde wie in Beispiel 3 beschrieben verfahren.
Insgesamt wurden bei dieser Serie von 3 Veresterungen 720 g p-Nitrobenzoesäure eingesetzt und 769 g p-Nitrobenzoesäureethylester mit einer Reinheit von 99,5% gewonnen.

Claims

,Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung des Methyl- oder Ethylesters der p-Nitrobenzoesäure durch Veresterung der aromatischen Carbonsäure mit dem betreffenden Alkohol bei erhöhter Temperatur, d a -durch gekennzeichnet, daß in einer ersten Veresterungsstufe die Hauptmenge der p-Nitrobenzoesäure durch Umsetzung mit Methanol oder Ethanol in den p-Nitrobenzoesäuremethylester bzw. den p.Nitrobenzoesäureethylester a) in Abhängigkeit eines Veresterungskatalysators bei einer Temperatur von 150 bis 260" C oder b) in Gegenwart eines Veresterungskatalysators bei einer Temperatur von 50 bis 200"C überführt wird, danach Alkohol und Reaktionswasser abdestilliert werden, der Rückstand mit frischem, möglichst wasserarmem Methanol bzw. Ethanol in einer zweiten Veresterungsstufe einer Nachveresterung unterworfen wird, das Zielprodukt aus dem abgekühlten Reaktionsgemisch durch eine übliche Fest-Flüssig-Trennung isoliert und die Mutterlauge der Trennung in einer weiteren ersten Veresterungsstufe mit p-Nitrobenzoesäure eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der beiden Veresterungsstufen pro Gew.-Teil in der ersten Veresterungsstufe eingesetzte p-Nitrobenzoesäure 1 bis 3 Gew.-Teile Methanol bzw. Ethanol verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1b, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator mit der Mutterlauge der Trennung in einer ersten Veresterungsstufe wieder eingesetzt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des Methyl- oder Ethylesters der p-Nitrobenzoesäure durch Veresterung.

Es wird eine zweistufige Veresterung vorgeschlagen, wobei nach der ersten Veresterungsstufe der Uberschuß des Alkohols und das entstandene Wasser abdestilliert wird und durch eine Nachveresterung in der zweiten Veresterungsstufe mit frischem, nahezu wasserfreiem Alkohol der Veresterungsgrad so weit vervollständigt wird, daß beim Abkühlen des Reaktionsgemisches das Zielprodukt mit einer Reinheit von über 99% auskristallisiert und durch eine übliche Fest-Flüssig-Trennung isoliert werden kann. Die bei der Kristallisation erhaltene Mutterlauge wird sehr bevorzugt wieder in einer ersten Veresterungsstufe eingesetzt.

Nach bekannten Verfahren erfolgt die Herstellung der Ester durch Umsetzung der p-Nitrobenzoesäure mit Methanol oder Ethanol in Gegenwart stark acider Katalysatoren, wie beispielsweise Schwefelsäure (Chem.

Ber. 71, 335-338, Chlorwasserstoffsäure (Liebigs Ann.

Chem. 128, S. 263), oder diese liefernde Substanzen wie Borfluorid (J. Am. Chem. Soc. 58, 271) oder Acetylchlorid (Chem. Ber. 74, 1001). Nach dem Verfahren der GB-PS 11 54 921 wird als Katalysator eine starke Säure und ein Peroxid verwendet.

Soweit die unvollständige Umsetzung eines einstufigen Verfahrens überhaupt eine Abtrennung der Ester durch Kristallisation aus dem Reaktionsgemisch gestat- tet, ist das Produkt sehr verunreinigt. Durch die Verwendung stark acider Katalysatoren treten erhebliche Korrosionsprobleme auf.

Es bestand daher die Aufgabe, den Methyl- oder Ethylester der p-Nitrobenzoesäure in höheren Ausbeuten und Reinheiten als nach dem bekannten Verfahren zu erhalten.

Die genannte Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst. Eigene Versuche ergaben, daß ohne Veresterungskatalysatoren bei Temperaturen von 160-190"C sogar bei dem hohen molaren Verhältnis der Alkohole zu der p-Nitrobenzoesäure von 20 zu 1 eine unvollständige Veresterung erfolgt, daß der durch Kristallisation erhaltene Ester noch mehrere Prozent p-Nitrobenzoesäure enthält und die Abtrennung der Ester, besonders der Ethylester, sehr unvollständig ist.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des Methyl- oder Ethylesters der p-Nitrobenzoesäure durch Veresterung der aromatischen Carbonsäure mit dem betreffenden Alkohol bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Veresterungsstufe die Hauptmenge der p-Nitrobenzoesaure durch Umsetzung mit Methanol oder Ethanol in den p-Nitrobenzoesäuremethylester bzw. den p-Nitrobenzoesäureethylester a) in Abwesenheit eines Veresterungskatalysators bei einer Temperatur von 150 bis 260O C oder b) in Gegenwart eines Veresterungskatalysators bei einer Temperatur von 50 bis 200O C überführt wird, danach Alkohol und Reaktionswasser abdestilliert werden, der Rückstand mit frischem, möglichst wasserarmem Methanol bzw. Ethanol in einer zweiten Veresterungsstufe einer Nachveresterung unterworfen wird, das Zielprodukt aus dem Abgekühlten Reaktionsgemisch durch eine übliche Fest-Flüssig-Trennung isoliert und die Mutterlauge der Trennung in einer weiteren ersten Veresterungsstufe mit p-Nitrobenzoesäure eingesetzt wird.

Nach der Nachveresterung in der zweiten Veresterungsstufe wird das Produkt durch Abkühlen, bevorzugt auf Raumtemperatur, als Kristallisat gewonnen, wobei eine übliche Fest-Flüssig-Trennung des festen Anteils von der Mutterlauge erfolgt. Hohe Ausbeuten und Reinheiten werden erreicht, obwohl in beiden Veresterungsstufen nur vergleichsweise kleine Alkoholmengen verwendet werden.

Überraschend wird bei Abtrennung des Zellprodukts dieses in hoher Ausbeute und in der sehr hohen Reinheit von über 99% erhalten, dadurch, daß nach der ersten Veresterungsstufe der Alkohol und das Reaktionswasser abdestilliert und der Destillationsrückstand mit frischem, möglichst wasserfreiem Alkohol einer Nachveresterung unterworfen wird.

Vorzugsweise werden in jeder Stufe 0,5 bis 3 Gew.-Teile, sehr bevorzugt 0,5 bis 2 Gew.-Teile und noch mehr bevorzugt 0,7 bis 1,5 Gew.-Teile Alkohol pro Gew.-Teil in der ersten Veresterungsstufe eingesetzter p-Nitrobenzoesäure eingesetzt. In der zweiten Veresterungsstufe soll der Alkohol wasserfrei oder möglichst wasserarm sein.

Mit kleinen Alkoholmengen wird nach Beispiel la bereits eine Ausbeute von 93,5% d. Th. p-Nitrobenzoesäuremethylester mit einer Reinheit von 99,2% erzielt.