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Herstellung in flüssiger Phase von 2-H-2-Oxazolinen und
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2-substituierten 2-Oxazolinen mit einem anorganischen Zinksalz
B
e s c h r e i b u n g Die 2-H-2-oxazoline bilden eine wohlbekannte Klasse von Verbindungen,
die verschiedene Mitglieder hat. 2-H-2-oxazolin ist das erste Glied dieser Serien
und ist das "einfachste" Molekül. Es entspricht der Formel I.
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Die 2-H-2-oxazoline und insbesondere I oben sind im allgemeinen sehr
verschieden von den entsprechenden 2-substituierten 2-Oxazolinen. Dies wird durch
die Tatsache erläutert, daß viele übliche Prozesse für die Herstellung von 2-substituierten
2-Oxazolinen nicht besonders befriedigend sind für die Herstellung der entsprechenden
2-H-2-oxazoline.
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zum Beispiel werden viele 2-substituierte 2-Oxazoline hergestellt
durch Dehydrochlorieren eines ß-Chloralkyl-carboxamids mit wäßrigem Alkali. Jedoch
wurde mit diesem Verfahren I in nur sehr geringen Ausbeuten hergestellt und war
begleitet von einem Abbau des gewünschten Produkts. (11. Wenker, J. Am. Chem. Soc.,
60, 2152 (1938)).
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Eine andere übliche Technik für die Herstellung von Oxazolinen ist
die Cyclodehydration von N-(ß-Hydroxyalkyl)carboxamiden über verschiedene Katalysatoren.
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Litt et al. (US-PS 3,681,329) behaupten, daß 2-H-2-oxazoline hergestellt
werden können durch Inkontaktbringen der geeigneten Carboxamide mit Verbindungen
von Mangan, Kobalt, Molybdän, Wolfram und den seltenen Erdmetallen. Unglücklicherweise
gibt es keine experimentiellen Daten bei Litt et al., die diese Behauptung
bestätigen
könnten. Hess lehrt in dem kanadischen Patent 536,594 und in dem britischen Patent
758,972, daß I hergestellt werden kann durch eine Cyclodehydration von N-(ß-Hydroxyethyl)-formamid
in Gegenwart eines dehydratisierenden Mittels (insbesondere Diatomeenerde, Schwefelsäure,
Aluminiumoxid und Eisenoxide). Die Ausbeuten waren höher als die bei Wenker berichtete
Ausbeute, aber sie waren immer noch wirtschaftlich unbefriedigend.
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Eisenbraun (US-PS 3,312,714) lehrt die Herstellung von 2-Oxazolinen
aus -(2-Hydroxyethyl)-amiden unter Verwendung eines festen anorganischen Borats
oder anorganischen Salzes einer Borsäure. Es wurden Ausbeuten an 2-Oxazolin von
etwa 63 bis 77 % berichtet.
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Kürzlich berichtete Ito et al. (J. Am. Chem. Soc., 95:13, 4447 (1973)),
daß 2-H-2-oxazoline und Oxazine hergestellt werden könnten durch Reaktion von Isonitril
mit Aminoalkoholen in Anwesenheit einer geringen Menge von Silbercyanid. Ito et
al. berichten, daß I so hergestellt wurde mit einer Ausbeute von 67 %. Isonitril
und Silbercyanid scheinen sehr außergewöhnlich zu sein in dieser speziellen Reaktion.
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Die Chemie der Oxazoline wurde besprochen bei Wiley et al., Chemical
Reviews, Vol. 44, 447-476 (1949), Seeliger et al., Angew. Chem. International Edition,
Vol. 5, No.
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10, 875-888 (1966) und in Frump, Chemical Reviews, 1971, Vol. 71,
No. 5, 483-505.
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Es wurde nun entdeckt, daß 2-H-2-oxazoline hergestellt werden durch
Reaktion durch Inkontaktbringen der flüssigen Phase eines N-(ß-Hydroxyalkyl)-formamids
mit
einer geringen aber katalytischen Menge eines anorganischen
Zinksalzes. Ebenso werden 2-substituierte 2-Oxazoline hergestellt durch Inkontaktbringen
von N-(2-hydroxyalkyl)-carboxamiden mit einer geringen aber katalytischen Menge
eines anorganischen Zinksalzes. Die Reaktion wird normalerweise durchgeführt bei
erhöhten Temperaturen und vorzugsweise unter vermindertem Druck.
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Die N-(ß-hydroxyalkyl)-carboxamide, die in dem vorliegenden Prozeß
verwendet werden, sind eine bekannte Klasse von Verbindungen, die durch die folgende
Formel dargestellt werden können.
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wobei R Wasserstoff, ein Kohlenwasserstoff oder eine inertsubstituierte
Kohlenwasserstoffgruppe und R1-R4 jeweils Wasserstoff oder inerte organische Reste
sind.
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Unter "inert" wird verstanden inert in dem vorliegenden Prozeß. Wenn
R Wasserstoff ist, wird der Carboxamidreaktionspartner richtig als N- (ß-hydroxyalkyl)
-formamid bezeichnet.
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Die Formamidverbindungen werden üblicherweise hergestellt durch Reaktion
eines niedrigen Alkylformiats (z. B. Methylformiat) oder von Ameisensäure mit einem
Ethanolamin der Formel IV, wie unten gezeigt. Die Carboxamide werden üblicherweise
hergestellt durch Reaktion einer Carbonsäure (RC(O)OH) oder eines niedrigen Alkylesters
der Carbonsäure mit einem Ethanolamin der Formel
worin R1-R4 die obengesagten Bedeutungen haben. Das Ameisensäure/Aminsalz, das anfangs
in diesen Reaktionen gebildet wird, kann verwendet werden in dem vorliegenden Prozeß
anstelle des Formamids oder Carboxamids.
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Wenn derartige Ameisensäure/Aminsalze oder Carbonsäure/ Aminsalze
verwendet werden, wird das Formamid oder Carboxamid in situ gebildet. In den Formeln
II und III sind R3 und R4 jeweils vorzugsweise Wasserstoff und R1 und R2 Wasserstoff,
niedrige Alkylgruppen (C1-C6), Hydroxymethyl- oder Alkanoyloxymethyl (Alkyl-C(O)-O-CH2)
-Gruppen mit bis zu etwa 17 Kohlenstoffatomen. Insbesondere bevorzugt sind R1 bis
R4 jeweils Wasserstoff.
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Diese Preferenzen basieren auf der Erhältlichkeit der Ethanolamine
im Handel. N-(ß-hydroxyethyl)-formamid ist der am meisten bevorzugte Reaktionspa.-tner
für die Verwendungen im vorliegenden Prozeß, der zur Herstellung von 2-H-2- oxazolin
führt. Andere geeignete N- (ß-hydroxyalkyl) -formamide schließen Verbindungen der
Formel II ein, mit den folgenden Bedeutungen für R1 bis R4 Tabelle 1 R1 R2 R3 R4
CH3 H H H CH3 CH3 H H CH2OH CH2°H H H C4H9 H H H C6H5 H C6H5 H CH3 H CH3 H C 6H4
CH3 H CH3 H C17lI35C(o)oCH2 H H H und andere ähnliche Verbindungen.
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In Formel II ist R, wenn R nicht Wasserstoff ist, vorzugsweise Alkyl
mit 1 bis 17 Kohlenstoffatomen oder Phenyl und ist mehr bevorzugt Methyl, Ethyl
oder Phenyl und ist am meisten bevorzugt Methyl oder Ethyl. Beispiele von geeigneten
N-(B-hydroxyalkyl)-carboxamiden schließen Verbindungen der Formel II ein mit den
folgenden Bedeutungen für R und R1-R4: T a b e l l e II R R1 R2 R3 R4 CH3 H H H
H CH3 C4H9 H H H CH3 C2H5 C2H5 H H C 2H5 H H H H C2H5 CH2OH CH2OH H H C 2H5 CH2O(O)C-C17H35
H H H C3H7 C6H5 H C6H5 H C7H15 CH3 H H H C9H19 CH3 CH3 H H C11 H23 CH3 H CH3 H C17H35
H H H H C6H5 H H H H C 6H4 CH3 C 6H5 H CH3 H C6H5CH2 H H CH3 CH3 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7
H H H H Cyclohexyl H H H H und andere ähnliche Verbindungen.
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Die Katalysatoren der vorliegenden Cyclodehydrationsreaktion sind
anorganische Zinksalze, die in dem Formamidreaktionspartner, Carboxamidreaktionspartner
oder dem
flüssigen Reaktionsmedium löslich sind. Der Begriff "löslich"
soll nicht bedeuten, daß die Zinksalze in allen Verhältnissen mit Formamid, Carboxamid
oder dem wäßrigen Lösungsmittel löslich oder mischbar sind, sondern daß sie mindestens
eine minimale Löslichkeit (z. B. etwa 100 Teile pro Million oder mehr) bei den Reaktionstemperaturen
haben. Die Zinksalze werden in dem Verfahren in kleinen, d. h. katalytischen Mengen,
verwendet. Normalerweise werden die Zinksalze in engen von 0,005 bis 0,4 Mol Zinksalz
pro Mol Formamid-Reaktionspartner eingesetzt, aber größere oder geringere Mengen
der Zinksalze können verwendet werden, wenn es gewünscht ist. Zinksalze, die sich
von starken anorganischen Mineralsäuren (Schwefelsäure, Salpetersäure, Salzsäure,
Bromwasserstoffsäure, Jodwasserstoffsäure, Phosphorsäure etc.) ableiten und anderen
starken Säuren (Hypophosphorsäure, Sulfonsäure etc.) sind bevorzugt für die Erfindung.
Die Stärke der beschriebenen Säuren ist ein Maß für die Konzentration des Wasserstoffions,
das von der Ionisation des Wassers stammt. Die angenäherten pH-Werte der bevorzugten
Säuren sind im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 2,4. Schwächere anorganische Säuren
wie Schwefelwasserstoff, Arsensäure, Borsäure etc. können geeignet sein in der Herstellung,
der Zinksalze aber sind nicht so wirksam (d. h. führen zu geringeren Ausbeuten)
als die stärkeren Säuren.
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Ungefähre pH-Werte der für diese Erfindung geeigneten Säuren beziehen
sich auf Messungen bei 250C und werden in dem CRC Handbook of Chemistry and Physics,
58th edition, CRC Press, 1977-1978, S. D-135, berichtet.
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Derartige geeignete Salze schließen z. B. Zinksulfat, Bisulfat, Chlorid,
Bromid, Jod und ähnliches ein. Zinkchlorid und Zinksulfat sind die bevorzugten Katalysatoren.
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Die vorliegende Cyclodehydrationsreaktion kann durchgeführt werden
unverdünnt oder in Lösung mit einem geeigneten inerten Lösungsmittel. Unter "inert"
ist inert in dem Verfahren zu verstehen. Solche geeigneten Lösungsmittel schließen
z. B. ein: chlorierte Kohlenwasserstofflösungsmittel, aromatische Kohlenwasserstoffe,
cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe und aliphatische Kohlenwasserstoffe und ähnliches.
Es wird jedoch bevorzugt, die Reaktion unverdünnt durchzuführen (d. h. daß kein
Lösungsmittel zugefügt wird).
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Die Reaktionstemperatur muß offensichtlich ausreichend sein, um die
Cyclodehydrationsreaktion zu begünstigen und wird normalerweise ausgesucht in dem
Bereich von etwa 1400C bis etwa 2700C. Bevorzugte Reaktionsraten wurden bei Temperaturen
von etwa 1600C bis etwa 220"C beobachtet. Die vorliegende Cyclodehydrationsreaktion
wird auch vorzugsweise durchgeführt unter vermindertem Druck. Dies erleichtert die
Produktgewinnung, da ständig eine Reaktionstemperatur gewählt werden kann, die über
dem Siedepunkt des 2-H-2-oxazolin oder des 2-substituierten 2-Oxazolin-Produkts
liegt und unter dem Siedepunkt des N-(B-hydroxyalkyl)-formamids oder N-(B-hydroxyalkyl)-carboxamids.
Auf diese Weise kann das 2-H-2-oxazolin oder das 2-substituierte 2-Oxazolin aus
der Reaktionsmischung als flüchtiges Gas entfernt werden im wesentlichen wie es
gebildet wird. Das ist sehr wünschenswert, da die vorliegende Cyclodehydrationsreaktion
ein reversibler Prozeß ist und durch Entfernen des Produkts die Reaktion zur Vervollständigung
durch im wesentlichen Unterdrückung der Rückreaktion gezwungen wird. Wasser destilliert
normalerweise zusammen mit dem 2--2-oxazolin oder dem 2-substituierten 2-Oxazolin-Produkt.
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Das vorliegende Verfahren kann durchgeführt werden in einem diskontinuierlichen
oder kontinuierlichen Verfahren. Bei dem kontinuierlichen Verfahren wird natürlich
der N- (ß-hydroxyalkyl) -formamid- oder Carboxamid-Reaktionspartner in das Reaktionsgefäß
im wesentlichen in derselben Rate zugemessen, wie das Oxazolinprodukt und Wasser
entfernt werden.
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Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung weiter.
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Beispiel 1 Herstellung von 2-H-2-Oxazolin Zinkchlorid (5 g) und N-(ß-hydroxyethyl)-formamid
(20 bis 30 g) werden in ein Reaktionsgefäß gegeben, das ausgerüstet ist mit Heizmitteln,
Rührmitteln, einem Zugabetrichter, einem Destillationskopf, einem Kühler und einer
Vorlage. Der Druck über der Reaktionsmischung wurde reduziert auf 50 mm Hg (6,7
kPa) unter Verwendung einer Wasserstrahlpumpe und die Mischung wurde erhitzt auf
eine Topftemperatur von annähernd 1750C. Als die Reaktion anfing, sichtbar durch
das Erscheinen eines Oberkopf-Destillats, wurde die tropfenweise Zugabe von mehr
Formamidreaktionspartner begonnen. Die Formamidzugabe wurde gesenkt, als der Katalysator
anfing zu desaktivieren, was durch die Bildung eines sehr dunklen Materials auf
dem Boden des Reaktionsgefäßes sichtbar wurde und durch eine sich schnell erhöhende
Kopftemperatur. Die wasserweißen Überstände wurden kontinuierlich gesammelt und
als die Reaktion abgeschlossen war, wurden die Uberstände extrahiert mit Chloroform,
um das 2-11- 2-oxazolin aus dem mitdestillierten Wasser zu entfernen.
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Die Destillation der Chloroformextrakte bei erhöhter Temperatur und
atmosphärischem Druck unter Verwendung einer 15-plate Oldershaw Säule ergab das
reine 2-H-2-oxazolin mit Siedepunkt bei 980C. Das Oxazolinprodukt wurde hergestellt
in einer Ausbeute in dem Verfahren von 70,9 %.
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Beispiel 2 2-H-2-Oxazolin wurde hergestellt mit 75,6 %iger Ausbeute,
bezogen auf das zugegebene Formamid, nach dem Verfahren wie im Beispiel 1, mit der
Ausnahme, daß das Amin/-Säuresalz, das durch Mischen äquimolarer Mengen von Ameisensäure
mit Ethanolamin erhalten wurde verwendet wurde anstatt des N- (ß-hydroxyethyl) -formamids.
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Beispiel 3 2-H-2-Oxazolin wurde hergestellt mit einer Ausbeute von
56,1 %, bezogen auf das zugegebene Formamid, nach dem Verfahren, wie im Beispiel
1, außer, daß ZnSO4 7H2O als Katalysator verwendet wurde.
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Andere 2-H-2-Oxazoline können genauso hergestellt werden unter Verwendung
von Zinkchlorid als Katalysator und anderen N-(B-hydroxyalkyl)-formamiden als Reaktionspartner
oder unter Verwendung anderer Kombinationen von Katalysatoren und Formamidreaktionspartnern,
wie oben ausgeführt.
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Beispiel 4 Herstellung von 2-substituiertem 2-Oxazolin Zinkoxid (10,0
g) und 95,4 % reines N-(ß-hydroxyethyl)-propionamid (20,0 g) wurden in ein Reaktionsgefäß
gegeben, das ausgestattet war mit Rührmitteln, einer Meßpumpe und einer 5-plate
Oldershaw Destillationssäule mit einem Abziehkopf. Der Druck über der Reaktionsmischung
wurde eingestellt auf 50 mm Hg (6,7 kPa) und die Reaktionsmischung wurde erhitzt
auf 2000C. Die Reaktionsmischung wurde bei 2000C gehalten und 95,4 % reines N-(B-hydroxyethyl)-propionamid
(290 g) wurde eingepumpt mit ungefähr 0,9 g pro Minute in das System.
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Als das Propionamid zu der Reaktionsmischung zugegeben wurde, wurde
ein wasserweißes Überkopfdestillat gesammelt durch die Destillationsapparatur bei
einer Kopftemperatur von 400C bis 450C. Nachdem die Zugabe des Propionamids abgeschlossen
war, wurde der Topf erhitzt auf 220"C, um die letzten Mengen von 2-Ethyl-2-oxazolin
abzutreiben. Die Temperatur des oberen Destillats erreichte ein Maximum von 410C
während des Nacherhitzungsschrittes. Insgesamt wurden so 294,8 g wasserweißes Destillat
so erhalten, die 21,7g einer braunen, naßen Paste, die in dem Topf blieb, über den
Kopf verließen. Die Analyse des Destillats oben durch Gaschromatographie unter Verwendung
eines internen Standards und auch eine Karl-Fischer-Wassertitration zeigten, daß
das Material 2-Ethyl-2-oxazolin, Wasser und sehr geringe Mengen an unreagiertem
Propionamid und 2-Methyl-2-oxazolin waren. Die Unreinheiten in dem Propionamidreaktionspartner
waren: Wasser (ungefähr 1 %); Monoethanolamid (ungefähr 2 bis 3 %); und der Amidoester
der Propionsäure und Monoethanolamin (ungefähr 1 %).
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Das Oxazolin wurde hergestellt mit einer Ausbeute von 83,0 %, bezogen
auf das reine N-(ß-hydroxyethyl)-propionamid, das zu dem System gegeben wurde. Die
Menge an produziertem Wasser war gemäß der Analyse 93 % der Theorie. Das 2-Ethyl-2-oxazolin
kann leicht getrennt werden von der Mischung durch selektive Extraktion unter Verwendung
von Diethylbenzol, gefolgt von einer Destillation.
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B e i s p i e 1 e 5 bis 8 Unter Verwendung der im wesentlichen selben
Technik wie beschrieben im Beispiel 4, mit Ausnahme, daß der Katalysator geändert
wurde, wurden die Reaktionen, die in Tabelle A summiert sind, durchgeführt mit den
angezeigten Resultaten.
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Tabelle A Beispiel Katalysator Prozent Ausbeute 5 Zn(OH)2 86,3 6
ZnCl2 94,5 7 ZnI2 91,5 8 ZnSO4 7H20 91,9