-
Verfahren zur Herstellung von Estern der Mesoxalsäure
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Estern der
Mesoxalsäure durch Oxidation der entsprechenden Malonsäureester mit nitrosen Gasen.
-
Es ist bekannt, Ester der Mesoxalsäure (Oxomalonsäure) durch Oxidation
der entsprechenden Malonester mit nitrosen Gasen herzustellen (Organic Synth.Coll.
Vol.l, S.267). Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, dass es im
allgemeinen mindestens 48 Stunden Reaktionszeit bei Raumtemperaturen benötigt,.
was für eine technische Produktion zu lange ist.
-
Ausserdem ist die Aufarbeitung der Reaktionsgemische gefänxlich, da
zu jeder Zeit grosse Mengen der Zwischenprodukte Mono- und Dinitromalonester im
Gemisch vorhanden sind, die bei einer Destillation spontan grössere Gasmengen freisetzen
können.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile der bekannten Verfahren
zu vermeiden.
-
Erfindungsgemäss wird dies durch ein Verfahren gemäss Patentanspruch
1 erreicht.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass
man das mit nitrosen Gasen behandelte Malonestergemisch, das zweckmässig durch Einleiten
von nitrosen Gasen bei Temperaturen von O bis 250C und im Ueberschuss von vorteilhaft
0,2 bis 3,0 Mol pro Mol Malonester erhalten wird und dass anschliessend,
vorteilhaft
mindestens 2, maximal 24 Stunden stehen gelassen wird, einer dreistufigen Wärmebehandlung
unterzieht. Dabei findet diese Wärmebehandlung vorteilhaft so statt, dass man das
Gemisch durch eine aus drei hintereinanderliegenden Temperaturzonen bestehende Apparatur
hindurchtropfen lässt.
-
Die einzelnen Zonen werden z.B. von aussen beheizt und sind untereinander
verbunden.
-
Das bei der Behandlung mit nitrosen Gasen entstehende Gemisch enthält
neben Mesoxalsäureester als Hydrat noch Mononitro malonester. Dieser wird in der
ersten Wärmebehandlungsstufe, bei Temperaturen von vorteilhaft 150 bis 1700C, zu
Mesonalsäureester umgewandelt.
-
Der im Gemisch vorhandene Dinitromalonester wird in der zwei ten Wärmebehandlungszone,
zweckmässig bei Temperaturen von 220 bis 245"C, in Mesoxalsäureester umgewandelt.
-
Die dritte Wärmebehandlungszone von 90 bis 100°C ist nachgeschaltet,
um eine Rückbildung eines Komplexes zwischen Mesoxal säureester und nitrosen Gasen
zu vermeiden. Dabei werden trotz kene inerte Gase, vorteilhaft Luft, im Gegenstrom
durchgeleitet.
-
Die überschüssigen nitrosen Gase können zurückgewonnen und wiederverwendet
werden.
-
Wärmebehandlung des Reaktionsgemisches Das Verfahren der Erfindung
wird beispielsweise mit Vorteil in einem Reaktor, wie er in Fig.l dargestellt ist,
durchgeführt.
-
Das in einem nicht dargestellten Reaktionsgefäss erhaltene Reaktionsgemisch
kommt in ein Glasgefäss mit Nadelventil 1 und gelangt von dort in eine erste Wärmezone,
bestehend aus einer Rohrschlange 2, die sich in einem Wärmebad 3 befindet. Das Wärmebad
wird auf die zur Umwandlung des Mononitromalonesters notwendige Temperatur eingestellt
und durch einen Rührer 6 gerührt. Das Gemisch tritt dann über die Verbindung 12
in eine zweite Wärmezone 4, die sich im Temperaturbad 5 bei einer Temperatur zur
Zersetzung des entsprechenden Dinitromalonats befindet. Durch den Magnetrührer 7
wird das Wärmebad, bestehend aus Siliconöl oder anderen Wärmeträgern, gerührt. Von
dort gelangt das Gemisch in die dritte Wärmebehandlungszone, bestehend aus einem
Rohr 8 mit Wärmemantel 9 und in das Auffanggerät 10. Bei 13 wird getrocknete Luft
im Gegenstrom eingeleitet und über einen Kühler 11 abgesaugt.
-
Beispiel 1 Mesoxalsurediäthylester.
-
In einem gut getrockneten 50 ml-Glaskolben wurden 7,5 g Malonsäurediäthylester
vorgelegt und das ganze in ein Kältebad von etwa -80C (Alkohol aus einem Rryomat)
eingesetzt. In einem anderen 20 ml-Glaskolben, der bereits eine Spatelspitze P 205
enthielt, wurden 5 ml flüssiges NOn zupipettiert und der Glaskolben an das Zuleitungsrohr
des Reaktionsgefässes angeschlossen. Wenn in letzterem die Temperatur Werte von
knapp
oberhalb OOC erreichten, destillierte man nach und nach NO2
über, indem man das kleinere Glasgefäss mittels lauwarmem Wasser leicht erwärmte.
Das NO2 löste sich in dem vorgelegten Malonsäureester (ohne durchgeblasen zu werden)
unter Wärmeentwicklung auf, ohne dass jedoch nitrose Dämpfe aus der Reaktionseinrichtung
entwichen. Die Destillationsgeschwindigkeit des N02 wurde so geregelt, dass man
die Temperatur des Reaktionsgemisches knapp oberhalb OOC hielt. Einströmungsdauer
des NO2: 20 bis 30 Minuten. Im kleinen Glaskolben verblieb-nur zusammengeklumptes
P205. Der Kolben mit dem Reaktionsgemisch (dessen Inhalt gelbbraun war) wurde in
ein thermostatisiertes Wärmebad von 250C übergeführt. Das Reakw tionsgemisch erreichte
diese Temperatur nach ca. 10 Minuten und hielt sich auf diesem Wert während 1,5
bis 2 Stunden konstant. Danach wurde-eine Temperaturerhöhung um 1 bis 2 °C über
die Temperatur des umgebenden Bades festgestellt.
-
Diese exotherme Phase dauerte 3 bis 4 Stunden und wurde von einem
mässigen Entweichen nitroser Gase begleitet.
-
Wenn die Temperaturen sowohl des Reaktionsgemisches als auch des Bades
den selben Wert aufwiesen (und auch die Abspaltung der nitrosen Gase aufgehört hatte),
war die Reaktion beendet und das grünlich gefärbte Reaktionsgemisch konnte der thermischen
Weiterbehandlung unterzogen werden. Dazu wurde in der' Rohrschlange 2, die ein Volumen
von ca. 50 ml aufwies, eine Temperatur von 1700C eingestellt und in der Rohrschlange
4 mit gleichem Volumen eine Temperatur von 2450C aufrecht er halten. Das Eintropfen
des Reaktionsgemisches in die erste Rohrschlange dauerte 45 Minuten. Das hierbei
in der letzten
Stufe bei 1000C anfallende Kondensat war hellgelb
und bestand in der Hauptsache aus dem Hydrat des Mesoxalsäurediäthylesters, welcher
dazu neigte, zu einer weissen Masse zu kristallisieren.
-
Eine GC-Bestimmung des Kondensates zeigte neben dem Mesoxalsäurediäthylester
die Anwesenheit von 1% Mononitromalonat, hingegen war Dinitromalonat nicht nachweisbar.
-
Destillation - Entwässerung in der Vigreux-Kolonne: Das geschmolzene
Kondensat im Kolben, welches für die Destillation vorgesehen war, wurde zusammen
mit dem durch Waschen der Apparatur rückgewonnenen Material unter Vakuum von 15
mbar bei einer Temperatur, welche langsam von 60 auf 900C im Verlauf einer Stunde
erhöht wurde, gehalten. Vom Zeitpunkt an, an dem sich nach und nach Wasser an den
kalten Teilen abzuscheiden begann, wurde dieses entfernt, indem man die Rohrstutzen
unter Zuhilfenahme eines warmen Luftstroms temperierte. Nach Beendigung der Wasserabscheidung
(nach ca. 1 Stunde) wurde die Temperatur im Kolben auf 98 bis 1000C erhöht, wobei
der Mesoxalsäureäthylester ab 92"C zu destillieren begann. Durch kontinuierliches
Erhöhen der Badtemperatur bis auf schliesslich etwa 200"C wurde der Mesoxalester
zwiscnen 92 bis 1100C überdestilliert.
-
Der Destillationsrückstand bestand aus einem geringen braunen Beschlag
an den Kolbenwandungen. Das Destillat war gelb, sehr hygroskopisch und wog 7,5 g
(Abwesenheit von Kristallen). Das Destillat enthielt (GC-Bestimmung) 98,6% Mesoxalsäurediäthylester
und 1,2% Mononitromalonester.
-
Ausbeute: 7,40 gMe,soxalsäurediäthylester 100% = 42,5 mMol, das sind
90,68 bezogen auf die Ausgangsmenge Malonat.
-
Beispiel 2 Mesoxalsäuredimethylester.
-
7,5 g NO2 wurden als Gas innerhalb von 23 Minuten zu 6,2 g (46,9 mMol)
auf 0°C gekühltem Malonsäuredimethylester zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde
sodann während 22 Stunden in einem Bad von 25°C gerührt. Eine exotherme Reaktion
(Temperaturerhöhung im Reaktionsgemisch um 1°C), die ungefähr 6 Stunden anhielt,
-liess sich feststellen.
-
Das Reak,tionSgemisch wurde anschliessend in der in Beispiel 1 beschriebenen
Apparatur einer thermischen Behandlung unterzogen, und zwar indem man es in einem
Zeitraum von 46 Minuten bei Temperaturen von 170 resp. 2450C durch die jeweilige
Rohrschlange fliessen liess und anschliessend die dritte Wärmebehandlungsstufe mit
Ueberleiten trockener Luft durchgeführt.
-
Das Kondensat wurde durch Vakuumdestillation aus dem Reaktionsgemisch,
welches vorgängig zwecks Entwässerung während 45 Minuten im Vakuum bei 80 bis 1000C
gehalten worden war, gewonnen.
-
Es wurden 5,38 g Mesoxalsäuredimethylester (Kp 110°C/70 mbar) isoliert.
-
Reinheit (GC): 99,6%. Piks für Mono- oder Dinitromalonsäureester traten
nicht auf. Auch wurden keine NO- bzw. NO2-Baden bei 1600 cm-1 m IR-Spektrum festgestellt.
-
Ausbeute: 78,2%.
-
Beispiel 3 Mesoxalsäurediisobutylester.
-
4,5 g N02 wurden als Gas zu 5 g (23,1 mMol) Malonsäurediisobutylester
von OOC in einem Zeitraum von -20 Minuten, wie in Beispiel 2 beschrieben, zugegeben.
Das Reaktionsgemisch wurde sodann während 24 Stunden bei 250C gerührt (Temperaturerhöhung
während ca. 4 Stunden).
-
Die thermische Behandlung (das Durchfliessen durch Rohrschlangen bei
150 0C resp. 2450C) dauerte 30 Minuten. Anschliessend wurde bei 100°C trockene Luft
darübergeleitet. Das Kondensat wurde durch Vakuumdestillation ohne Kolonne, nach
vorgängiger Entwässerung des Reaktionsgemisches im Vakuum bei ca. 1000C, erhalten.
-
Es wurden 4,5 g Mesoxalsäurediisobutylester (Kp 130 bis 132CC/ 15
mbar) erhalten.
-
Reinheit (GC): 98,6%. Piks für Mono- oder Dinitromalonsäureester traten
nicht auf. Auch wurden keine Bande bei 1600cm 1 im IR-Spektrum festgestellt.
-
Ausbeute: 83,4%.
-
Beispiel 4 Mesoxalsäuredi-n-hexylester 4,5 g NO2 wurden als Gas innerhalb
von 15 Minuten zu 6,55 g (24 mMol) Malonsäuredihexylester von OOC zugegeben. Das
Reaktionsgemisch wurde sodann während 8 Stunden bei 25°C gerührt.
-
Die thermische Behandlung (das Durchfliessen durch Rohrschlangen bei
1200C resp. 2100C) dauerte 40 Minuten. Anschliessend wurde bei ca. 950C trockene
Luft darübergeleitet. Die Destillat
tion des Kondensats, ohne Kolonne
und unter Hochvakuum, ergab 4,15 g Mesoxalsäuredi-n-hexylester (Kp 112 bis 1200C/0,05
mbar).
-
Reinheit (GC): 92,5% Mesoxalsäuredi-n-hexylester. Eine sehr kleine
Bande in der Gegend von 1600cm wurde im IR-Spektrum beobachtet. Vor der thermischen
Behandlung war diese Bande sehr gross und aufgespalten. Durch Aufheizen des Destillats
während einiger Minuten auf 2100C verschwand diese Bande bei 1600cm-1.
-
Ausbeute: 55,8%.
-
Beispiel 5-Mesoxalsäuredicyclohexylester.
-
4,5 g NO2 wurden als Gas innerhalb von 30 Minuten zu. 6,25 g (23,3
mMol) Malonsäuredicyclohexylester von00C zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde sodann
während 7 Stunden bei 25°C gerührt. Die thermische Behandlung (das Durchfliessen
durch Rohrschlangen bei 1200C. resp. 2250C) dauerte 28 Minuten. Anschliessend wurde
bei 900C trockene Luft darübergeleitet. Eine Harzablagerung wurde in der zweiten
Rohrschlange festgestellt. Das Kondensat wurde ohne Kolonne unter Hochvakuum destilliert.
Eine Fraktion (120 bis 1400C/0,03 bis 0,04 mbar) von 3,1 g wurde isoliert. Aus dieser
schild sich 1 g Festkörper ab, der sich nach Umkristallisation aus Wasser laut Analyse
(IR; NMR) als Adipinsäure {aus der Oxidation des Cyclohexyl-Restes stammend) erwies.
Der Rest des Destillats enthielt (GC-Bestimmung) 91,1% Mesoxalsäuredicyclohexylester,
der frei von Nitroverbindungen war (keine IN-tande bei1600cm-1).
-
Ausbeute: 29,1%.
-
Bemerkung: In Fällen, wo die Rohrschlangen Temperaturen von 1200C
resp. 2050C aufwiesen, verblieben im Reaktionsgemisch merkbare Mengen an Nitromalonsäureester.
-
Beispiel 6 Mesoxalsäuredibenzylester.
-
4,5 g NO2 wurden als Gas innerhalb von 25 Minuten zu 6,9 g (24,3 mMol)
Malonsäuredibenzylester von 0°C zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde sodann während
23,5 Stunden bei 25"C gerührt. Die nachfolgende thermische Behandlung (das Durchfliessen
durch Rohrschlangen bei 1204C resp. 210°C) dauerte 30 Minuten. Anschliessend wurde
bei 100"C trockene Luft darübergeleitet. Durch Destillation ohne Kolonne wurden
neben 1 g Vorlauf und 1,2 g Rückstand eine Fraktion (Kp 155 bis 600C/ 0,07 mbar)
von 4,23 g Mesoxalsäuredibenzylester mit einer Reinheit (GC) von 91,8% isoliert.
Zufolge IR-Spektrum waren keine Nitroverbindungen vorhanden-. Die Hauptkomponente
des Vorlaufes war o-Nitrotoluol.
-
Ausbeute an Mesoxalsäuredibenzylester in der Hauptfraktion: 53,6%.
-
Beispiel 7 Mesoxalsäurephenyläthylester.
-
4,5 g NO2 wurden als Gas innerhalb 24 Minuten zu 4,16 g (20 mMol)
Malonsäurephenyläthylester von 0°C zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde sodann
während 8 Stunden bei 25°C gerührt. Die nachfolgende thermische Behandlung (das
Durchfliessen
durch Rohrschlangen bei 1200C resp. 2100C) dauerte
20 Minuten. Anschliessend wurde bei 1000C trockene Luft darübergeleitet. Die Destillation
(Hochvakuum ohne Kolonne) nach 40 minutigem Aufheizen auf ca. 900C bei einem Druck
von 15 mbar, ergab neben einem Rückstand von 1,9 g eine Fraktion (Kp 90 bis 950C/0,03
mbar) von 2,0 g.
-
Reinheit (GC): 92,5%-Mesoxalsäurephenyläthylester, Spuren von Nitroverbindungen
(erkennbar durch das IR-Band bei 1600 cm 1) waren vorhanden.
-
Ausbeute: 41,7%.
-
Eine analoge thermische Behandlung bei 1700C resp. 2350C ergab eine
wesentlich grössere Menge an Nitromalonsäureestern.
-
Beispiel 8 Mesoxalsäuredibutylester 7,5 g N02 wurden aus Gas innerhalb
von 35 Minuten zu 8,3 g (38,4 mMol) Malonsäuredibutylester von OOC zugegeben. Das
Reaktionsgemisch wurde sodann während 8 Stunden bei 250C gerührt. Die thermische
Behandlung (das Durchfliessen durch die Rohrschlangen bei 1450C resp. 2450C) dauerte
1 Stunde. Die Destillation, nach 40-minütigem Aufheizen auf 80 bis 1000C bei einem
Druck von 13 mbar, ergab 7,47 g Mesoxalsäuredibutylester (Kp 133 bis 135°C/13 mbar).
-
Reinheit GC): 98,7%. Weniger als 0,5% Nitroverbindungen waren vorhanden,
welche sich jedoch durch Rektifizieren in der Vigreux-Kolonne leicht entfernen liessen.
-
Ausbeute: 83,4%.
-
Beispiel 9 Mesoxalsäuredipropvlester 7,5 g NO2 wurden als Gas innerhalb
von 35 Minuten zu 7,2 g (38,3 mMol) Malonsäuredipropylester von OOC zugegeben. Das
Reaktionsgemisch wurde sodann während 8 Stunden bei 25"C gerührt.
-
Die thermische Behandlung (das Durchfliessen durch die Rohrschlange
bei 1600C resp. 245"C) dauerte 47 Minuten. Die Destillation (Vigreux-Kolonne) nach
30-minütigem Aufheizen auf 60 bis 800C bei einem Druck von 15 mbar ergab 6,98 g
Mesoxalsäuredipropylester (Kp 110 bis 112"C/15 mbar).
-
Reinheit (GC) 99,3%; Nitroverbindungen waren nicht vorhanden.
-
Ausbeute: 89,4%.
-
Beispiel 10 Mesoxalsäurediisopropylester 7,5 g NO2 wurden als Gas
innerhalb von 30 Minuten zu 7,2 g (38,3 mMol) Malonsäurediisopropylester von 0°C
zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde sodann während 7,5 Stunden bei 209C gerührt.
Die thermische Behandlung (das Durchfliessen durch die Rohrschlangen bei 1500C resp.
2450C) dauerte 1 Stunde. Die Destillation (Vigreux-Kolonne) nach 20-minütigem Aufheizen
auf 60 bis 800C bei einem Druck von 15 mbar erbrachte 5,57 g Mesoxalsäurediisopropylester
(Kp 100 bis 1020C/15'mbar) und weiters einen Rückstand von 1,71 g.
-
Reinheit (GC): 93,4%; Nitroverbindungen waren nicht vorhanden.
-
Ausbeute: 71,4%.
-
Beispiel 11 Mesoxalsäurediäthylester Analog Beispiel 1 wurden 5 ml
NO2 flüssig bei -50C mit 7,5 g Malonsäureester umgesetzt. Ausbeute: 7,3 g Mesoxalsäurediäthylester
100% = 41,9 mMol, das sind 89,3 %, bezogen auf die Ausgangsmenge Malonat.
-
- L e e r s e i t e -