DE3635447A1

DE3635447A1 - Verfahren zur herstellung von aliphatischen verbindungen mit 2 bis 6 alkoxygruppen

Info

Publication number: DE3635447A1
Application number: DE19863635447
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Schwenk; Horst Streitberger
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1986-10-18
Filing date: 1986-10-18
Publication date: 1988-04-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

Zur Herstellung von aliphatischen Verbindungen mit 2 bis 6 Alkoxygruppen, durch Umsetzung entsprechender aliphatischer Verbindungen, die 2 bis 6 Hydroxylgruppen aufweisen, mit Alkylierungsmitteln, sind verschiedene Verfahren bekannt.

Gilchrist und Purves, J. Chem. Soc.127 (1925) S.2744 und 2745, stellen beispielsweise Glycerintrimethylether aus Glycerin mit überschüssigem Dimethylsulfat und 40%iger Natronlauge her. Die zunächst sehr geringe Ausbeute kann durch Kochen am Rückfluß verbessert werden, in wieweit wird nicht beschrieben.

Müller, Bauer und Rundel, Zeitschrift für Naturforschung 14 b (1959), gewinnen Glycerintrimethylether aus einer etherischen Emulsion von Glycerin mit Diazomethan und Borfluorid als Katalysator mit 73% Ausbeute, wobei gegen Ende der Reaktion etwas Polymethylen gebildet wird. Alkandiole werden mit Ausbeuten von 61 bis 68% in die entsprechenden Dimethylether umgewandelt.

R. A. Brett, in "Nature" 197 (1963) S.484 und 485 beschreibt die Herstellung von Glycerindi- und -trimethylethern aus Glyceriden mit Methyliodid und überschüssigem Silberoxid.

Diese drei Herstellverfahren haben einen oder mehrere der folgenden Nachteile: schlechte Ausbeuten an voll ständig verethertem Produkt, Einsatz physiologisch besonders bedenklicher Methylierungsmittel, teure Ausgangsstoffe, die eine umständliche Wiedergewinnung erfordern.

Smith, Vanterpool und Kulak, Canadian J. of Chem. Vol.47 (1969) S. 2015 ff., setzen unter anderem aliphatische Verbindungen mit mehreren Hydroxylgruppen mit n-Butyl chlorid in Dimethylsulfoxid mit Natriumhydroxid um. Hierbei werden Ethergemische erzeugt, die neben dem vollständig veretherten Produkt erhebliche Mengen von Verbindungen, deren Hydroxylgruppen nur teilweise verethert sind, enthalten. Aus Glycerin bildet sich beispielsweise mit 41% Ausbeute der Diether und mit 24% Ausbeute der Triether. Dies erfordert einen zusätzlichen Aufwand zur Abtrennung und erneuten Umsetzung der nicht vollständig veretherten Produkte. Die Umsetzung in Gegenwart von Dimethylsulfoxid hat außerdem den Nachteil, daß das Lösungsmittel thermisch nicht stabil ist, siehe hierzu 3rd International Symposium Basle/Switzerland Sept. 15-19; 1980 Preprints Vol.2 S. 681 Punkt 5.4.5, und einen unangenehmen Eigengeruch besitzt, der den damit hergestellten Produkten hartnäckig anhaftet.

Aus EP 92 998-A1 ist ein Ether-Herstellungsverfahren für Hexite und Anhydrohexite bekannt, wobei die Dispersion einer wäßrigen Lösung des Hexites in Dimethylsulfoxid, Dimethylacetamid, Dimethylformamid, Toluol, Xylol, Bis(2-methoxyethyl)ether oder Ethylenglykoldiethylether, zunächst mit einem Alkalihydroxid in ein entsprechendes Mono-Alkalisalz des Hexites umgewandelt wird, aus dem durch Zusatz eines Alkyl-monohalides mit 1 bis 4 C-Atomen der Monoalkylether entsteht. Die Alkylierung dieses Monoalkylethers wird fortgesetzt durch Zugabe von im wesentlichen stöchiometrischen Mengen des Alkylmonohalides und des Alkalihydroxides, bis sich der vollständig veretherte Hexit gebildet hat. Bevorzugt wird Dimethylsulfoxid oder Toluol verwendet. Bei Anwendung eines aromatischen Kohlenwasserstoffs als Lösungsmittel kann ein Phasentransfer-Katalysator eingesetzt werden. Durch die Mitverwendung von Wasser ist bei diesem Verfahren die Ausbeute am vollständig veretherten Produkt noch nicht befriedigend, auch wird die vollständige Abtrennung leicht wasserlöslicher Ether aus dem Reaktionsgemisch erschwert. Für die Anwendung von Dimethylsulfoxid gelten außerdem die bereits weiter oben erwähnten Nachteile.

Es wurde nun ein Verfahren gefunden, das es ermöglicht, aliphatische Verbindungen mit 2 bis 6 Hydroxylgruppen mit sehr guten Ausbeuten vollständig in die entsprechenden Alkylether überzuführen, ohne besonders unangenehm riechende Stoffe beziehungsweise physiologisch besonders bedenkliche Methylierungsmittel zu verwenden.

Das neue Verfahren zur Herstellung von aliphatischen Verbindungen mit 2 bis 6 Alkoxygruppen, durch Umsetzung entsprechender aliphatischer Verbindungen mit 2 bis 6 primären und/oder sekundären alkoholischen Hydroxylgruppen mit Alkyl-Chlorid, -Bromid oder -Iodid in Gegenwart von wasserfreiem Alkalihydroxid in einem aprotischen Lösungsmittel, ist dadurch gekennzeichnet, daß als aprotisches Lösungsmittel N-Alkylpyrrolidon oder N-Alkylpiperidon mit 1 bis 4 C-Atomen im Alkylrest verwendet wird.

Die als Ausgangsprodukte eingesetzten aliphatischen Verbindungen sollten neben den 2 bis 6 an Sauerstoff gebundenen Wasserstoffatomen nur noch an Kohlenstoffatome gebundene Wasserstoffatome enthalten. Geeignete Verbindungen sind beispielsweise Propandiole, Butan-, Pentan- oder Hexan-Diole, sofern sie keine tertiäre Hydroxylgruppe aufweisen, Cyklohexandiol, Glycerin, Diglycerin, Pentaerythrit sowie von Pentosen oder Hexosen abgeleitete Zucker-Alkohole, beispielsweise Mannit, Sorbit oder Inosit. Bevorzugt werden aliphatische Verbindungen eingesetzt, die 2 bis 4 primäre und/oder sekundäre alkoholische Hydroxylgruppen enthalten.

Die mit Chlor, Brom oder Iod verbundene Alkylgruppe, ist vorzugsweise geradkettig, kann aber auch verzweigt sein und Doppelbindungen enthalten, sofern das C-Atom, an das das Halogen-Atom gebunden ist, nicht an der Verzweigungsstelle beziehungsweise an der Doppelbindung beteiligt ist. Wegen der besseren Reaktionsfähigkeit sind Alkylhalogenide mit entständigem Halogen-Atom bevorzugt, ebenso solche Alkylhalogenide, die 1 bis 4 C-Atome aufweisen beispielsweise Methyl-, Ethyl-, Propyl-, n-Butyl- oder Alkyl-Chlorid beziehungsweise das entsprechende -Bromid oder -Iodid. Wegen der leichten Zugänglichkeit werden vorteilhaft Alkylbromide und insbesondere Alkylchloride mit 1 bis 4 C-Atomen verwendet.

Nachfolgend wird der Kürze halber für "Alkyl-Chlorid -Bromid oder -Iodid" der Ausdruck "Alkyl-Halogenid" verwendet. Die Menge des je ein Hydroxyläquivalent der eingesetzten aliphatischen Verbindung verwendeten Alkyl-Halogenids kann in weiten Grenzen schwanken. Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, mit einem geringen Unterschuß (beispielsweise 0,9 bis 0,98 Mol Alkyl- Halogenid je OH-Äquivalent) zu arbeiten und den vergleichsweise geringen nicht voll veretherten Teil, der eingesetzten aliphatischen Verbindung in den Prozeß wieder einzuführen oder anderweitig zu verwenden. Nach oben ist die Menge des einzusetzenden Alkyl- Halogenids nur durch wirtschaftliche Erwägungen begrenzt, im allgemeinen wird man nicht mehr als 5 mol Alkyl-Halogenid je OH-Äquivalent der aliphatischen Verbindung verwenden. Vorteilhaft werden 1,05 bis 3,0 mol Alkyl-Halogenid je Hydroxyl-Äquivalent der aliphatischen Verbindung eingesetzt. Für das erfindungsgemäße Verfahren können auch Mischungen verschiedener aliphatischer Verbindungen mit 2 bis 6 Hydroxylgruppen sowie auch Mischungen verschiedener Alkyl-Halogenide verwendet werden.

Die Umsetzung wird in Gegenwart von weitgehend wasserfreiem Alkalihydroxid vorgenommen. "Weitgehend wasserfrei" bedeutet, daß eine gewisse Menge Wasser, etwa bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf das Alkalihydroxid, zugegen sein kann, wobei jedoch vorteilhaft mit einem Alkalihydroxid gearbeitet wird, das möglichst kein oder nur wenig (beispielsweise 2 bis 3 Gew.-%) Wasser enthält. Als Alkalihydroxid kommen wegen der leichten Beschaffbar keit in erster Linie Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid in Frage. Je Hydroxyl-Äquivalent der aliphatischen Verbindung wird zweckmäßig mindestens 1 mol Alkalihydroxid eingesetzt. Über 5 Mol Alkalihydroxid je Hydroxyl- Äquivalent der aliphatischen Verbindung, wird im allgemeinen kein zusätzlicher Effekt mehr erzielt, vorzugsweise werden je Hydroxyl-Äquivalent 1,05 bis 2 mol Alkalihydroxid verwendet. Das Alkalihydroxid wird zweckmäßig in fein verteilter Form angewendet, wobei vorteilhaft die Gesamtmenge zusammen mit der Hydroxyl gruppen enthaltenden aliphatischen Verbindung vorgelegt wird. Es ist auch möglich nur einen Teil des Alkali hydroxids vorzulegen und den Rest kontinuierlich oder in Portionen während der Reaktion mit dem Alkyl-Halogenid zuzuschleusen.

Die Reaktionstemperatur hängt von den eingesetzten Stoffen ab und kann in erheblichen Grenzen schwanken. Im allgemeinen wird sie unter 20°C zu langsam, während über 150°C, oft aber auch schon vorher, zuviele unerwünschte Nebenreaktionen auftreten. Vorteilhaft wird die Umsetzung bei 40 bis 100°C und insbesondere bei 50 bis 80°C durchgeführt. Hierbei wird zweckmäßig unter dem autogenen Druck der Reaktionsmischung gearbeitet, der im wesentlichen durch das angewendete Alkyl-Halogenid und die Reaktionstemperatur gegeben ist. Es können jedoch auch höhere Drucke angewendet werden. Als aprotisches Lösungsmittel werden erfindungsgemäß N-Alkylpyrrolidon oder N-Alkylpiperidon mit 1 bis 4 C-Atomen im Alkylrest verwendet, wobei auch Mischungen dieser Lösungsmittel geeignet sind. Nach oben ist die Menge des verwendeten aprotischen Lösungsmittels beziehungsweise Lösungsmittelgemisches nur durch wirtschaftliche Erwägungen begrenzt. Vorteilhaft werden für jedes Hydroxyl-Äquivalent der eingesetzten aliphatischen Verbindung 0,5 bis 5 mol des N-Alkyl pyrrolidons oder des N-Alkylpiperidons eingesetzt. Besonders gute Ergebnisse werden mit den N-Alkylpyrrolidonen erhalten, wobei insbesondere N-Methyl- und N-Ethyl- Pyrrolidon verwendet werden.

Die Dauer der Reaktion hängt von Menge und Art der eingesetzten Stoffe, wie auch von der Wärmeabfuhr aus dem Reaktionsgefäß ab und kann in weiten Grenzen schwanken, im allgemeinen ist die Reaktion nach 3 bis 20 Stunden beendet. Während der Reaktion sollte unter Ausschluß von Sauerstoff gearbeitet werden, was zweckmäßig durch Evakuieren der Apparatur und Spülen mit einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff oder Argon, vor Beginn der Reaktion erreicht wird.

Nach Beendigung der Reaktion wird abgekühlt, Feststoffe nach üblichen Methoden beispielsweise durch Filtrieren abgetrennt, mit gegebenenfalls erwärmten aprotischem Lösungsmittel gewaschen und das Filtrat mit der Waschflüssigkeit vereinigt. Hieraus wird durch übliche Methoden, beispielsweise fraktionierte Destillation oder Kristallisation, die entstandene aliphatische Verbindung mit 2 bis 6 Alkoxygruppen, eventuell auch verschiedene solcher Verbindungen abgetrennt. Bisweilen gehen alkoxylierte aliphatische Verbindungen zusammen mit dem, während der Reaktion entstandenen und den geringen Mengen im verwendeten Alkalihydroxid vorhandenen Wasser, bei der Destillation über. Aus diesem Gemisch kann das Wasser leicht durch übliche Trockenmittel oder durch sogenanntes "Aussalzen" mit leicht wasserlöslichen anorganischen Salzen oder Alkalihydroxid entfernt werden. Die abgetrennte organische Phase wird zweckmäßig erneut der Destillation unterworfen. Sofern die erfindungsgemäße Reaktion absichtlich mit einem stöchiometrischen Unterschuß von Alkyl-Halogenid und/oder niedrigen Temperaturen bei kurzer Reaktionsdauer durchgeführt wurde, was die Bildung nicht voll veretherter aliphatischer Verbindungen begünstigt, können letztere, sofern sie nicht anderweitig Verwendung finden, erneut für die erfindungsgemäße Umsetzung mit Alkyl-Halogenid eingesetzt werden.

Prinzipiell ist die Mitverwendung von bekannten Phasentransferkatalysatoren, beispielsweise Ammonium oder Phosphoniumsalzen beim neuen Verfahren möglich, in einzelnen Fällen auch nützlich, jedoch häufig entbehrlich, da auch ohne diese bereits gute Ergebnisse erzielt werden.

Das neue Verfahren ermöglicht es, aus aliphatischen Verbindungen mit 2 bis 6 primären und/oder sekundären alkoholischen Hydroxylgruppen vollständig oder überwiegend vollständig veretherte aliphatische Verbindungen mit 2 bis 6 Alkoxygruppen in guten bis sehr guten Ausbeuten herzustellen. Eine Verwendung oder Mitverwendung besonders übel riechender Lösungsmittel beziehungsweise solcher, die schon bei vergleichsweise niedriger Temperatur zu thermischer Zersetzung neigen, ist nicht erforderlich. Es muß als überraschend angesehen werden, daß die N-Alkylpyrrolidone beziehungsweise N-Alkylpiperidone bei dem Alkylierungsprozeß in Gegenwart des starken Alkalis nicht merklich angegriffen werden. Es wäre zu befürchten gewesen, daß beispielsweise aus N-Methylpyrrolidon und Methylchlorid unter den gewählten Reaktionsbedingungen durch Ringaufspaltung γ-Dimethylamino-Buttersäuremethylester gebildet würde. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist der Einsatz physiologisch besonders bedenklicher Methylierungsmittel nicht erforderlich.

Nachfolgende Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:

Beispiel 1

In einen Glasrührautoklav von 1 dm³ Inhalt werden gegeben:
106 g (1,0 mol) wasserfreies Diethylenglykol, 120 g (3,0 mol) Natriumhydroxyd-Perlen, das sind je Hydroxyl-Äquivalent des Diethylenglykols 1,5 mol NaOH und 450 cm³ (4,66 mol) N-Methylpyrrolidon-(2), das sind je Hydroxyl-Äquivalent des Diethylenglykols 2,33 mol. Unter Rühren wird anschließend der Autoklav evakuiert und auf 40°C aufgeheizt. Nun werden innerhalb 4 Stunden aus einer Druckschleuse insgesamt 225 cm³ (4,09 mol) flüssiges Methylchlorid, das sind je Hydroxyl-Äquivalent des Diethylenglykols 2,045 mol mit einem Druck bis zu 0,2 MPa in den Autoklav eingespeist. Die Temperatur steigt hierbei bis auf 60°C an. Bei gleicher Temperatur wird noch 3 Stunden weiter gerührt, dann auf Zimmer temperatur abgekühlt und vom Autoklaveninhalt die festen Bestandteile durch Filtration abgetrennt. Es werden 580 g Filtrat erhalten, das nach gaschromatographischer Analyse folgende Zusammensetzung aufweist:
Diethylenglykoldimethylether 22 Gew.-%
Wasser 5 Gew.-%
N-Methylpyrrolidon (2) 73 Gew.-%.

Es wurde demnach eine Ausbeute an Diethylenglykoldi methylether von 127,6 g=95,2% des theoretisch erreich baren Wertes erzielt.

Beispiel 2

In einen Glasrührautoklaven von 1 dm³ Inhalt werden gegeben:
92 g (1,0 mol) wasserfreies Glycerin, 180 g (4,5 mol) Natriumhydroxid-Perlen, das sind je Hydroxyl-Äquivalent des Glycerins 1,5 mol NaOH und 450 cm³ (4,66 mol) N-Methylpyrrolidon-(2), das sind je Hydroxyl-Äquivalent des Glycerins 1,44 mol. Nun wird weiterverfahren, wie im Beispiel 1 beschrieben, wobei innerhalb 4 Stunden 230 cm³ (4,18 mol) flüssiges Methylchlorid, das sind je Hydroxyl-Äquivalent des Glycerins 1,39 mol mit einem Druck bis zu 0,2 MPa in den Autoklaven eingespeist werden. Die Temperatur steigt dabei bis 60°C an und wird nach Beendigung der Methylchloridzugabe noch weitere 5 Stunden auf dieser Höhe gehalten. Nun wird der Autoklav abgekühlt, entspannt und der Inhalt filtriert. Der Filterrückstand wird zweimal mit 100 cm³ N-Methylpyrrolidon (2) gewaschen und die Waschflüssigkeit mit dem Filtrat vereinigt über eine Spiegelglaskolonne unter Rückfluß destilliert. Bei 92°C geht unter normalem Luftdruck eine erste Fraktion über, von der 60 g erhalten werden und die nach gaschromatographischer Untersuchung aus 50 Gew.-% Wasser und 50 Gew.-% Glycerintrimethylether besteht. Nun wird der Druck auf 2,66 kPa abgesenkt, bei 48°C werden weitere 98 g erhalten, die nach gaschromatographischer Analyse 99 Gew.-% Glycerintrimethylether sowie weniger als 0,5 Gew.-% Wasser und weniger als 0,5 Gew.-% N-Methyl pyrrolidon (2) enthalten. Nachdem bis zu 50°C keine weiteren nennenswerten Mengen mehr übergehen, wird die Destillation beendet. Aus dem Destillationsrückstand haben sich geringe Mengen Feststoff ausgeschieden, die abfiltriert werden. Es werden 600 g einer klaren Flüssigkeit erhalten, die nach gaschromatographischer Analyse 0,5 Gew.-% Glycerintrimethylether und 99,5 Gew.-% N-Methylpyrrolidon-(2) enthält. Diese Flüssigkeit kann anstelle des reinen N-Methylpyrrolidon-(2) für eine weitere Umsetzung zur Herstellung von Glycerintrimethyl ether verwendet werden. Die Ausbeute an Glycerintri methylether beträgt in der ersten Fraktion 30 g in der zweiten Fraktion 98 g und im Destillationsrückstand 3 g, zusammen 131 g=97,7% des theoretisch erreichbaren Wertes. Aus der ersten, wasserhaltigen Fraktion kann durch Versetzen, beispielsweise mit 30 g Natriumhydroxid der Glycerintrimethylether leicht als obere Phase (untere Phase 50 gew.-%ige Natronlauge) abgetrennt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von aliphatischen Verbindungen mit 2 bis 6 Alkoxygruppen durch Umsetzung entsprechender aliphatischer Verbindungen mit 2 bis 6 primären und/oder sekundären, alkoholischen Hydroxylgruppen mit Alkyl-Chlorid, -Bromid oder -Iodid in Gegenwart von wasserfreiem Alkalihydroxyd in einem aprotischen Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß als aprotisches Lösungsmittel N-Alkylpyrrolidon oder N-Alkylpiperidon mit 1 bis 4 C-Atomen im Alkylrest verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aliphatische Verbindung mit 2 bis 4 primären und/oder sekundären, alkoholischen Hydroxylgruppen eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel ein Alkylpyrrolidon mit 1 oder 2 C-Atomen in der Alkylgruppe verwendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alkylchlorid mit 1 bis 4 C-Atomen eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in Gegenwart von 1,05 bis 2 mol Alkalihydroxid je Hydroxyl-Äquivalent der aliphatischen Verbindung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Hydroxyl- Äquivalent der aliphatischen Verbindung 1,05 bis 3,0 mol Alkyl-Chlorid, -Bromid oder -Iodid eingesetzt werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung bei 40 bis 100°C unter dem autogenen Druck des Reaktionsgemisches durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Hydroxyl-Äquivalent der aliphatischen Verbindung 0,5 bis 5 mol des N-Alkylpyrrolidons oder des N-Alkylpiperidons eingesetzt werden.