DE4007923A1 - Verfahren zur herstellung von 2,3-disubstituierten benzaldehyden - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 2,3-disubstituierten Benzaldehyden der allgemeinen Formel I

in der
R¹ Methyl, Ethyl, Fluor, Chlor oder Brom bedeutet,
und in der
R² für eine C₁- bis C₁₂-Alkyl-, C₃- bis C₈-Cycloalkyl- oder eine C₆- bis C₁₂-Bicycloalkylgruppe steht, wobei die Cycloalkyl- oder Bicycloalkylgruppe 1, 2 oder 3 C₁- bis C₅-Alkylsubstituenten tragen können,
durch Oxidation der entsprechenden Benzylalkohole der allgemeinen Formel II

in der flüssigen Phase.

Während die Oxidation aliphatischer Alkohole zu Aldehyden im allgemeinen relativ problemlos verläuft, bereitet die Oxidation von Arylalkoholen, insbesondere die Oxidation von Benzylalkoholen zu den entsprechenden Benzaldehyden oftmals Schwierigkeiten. Diese Schwierigkeiten sind im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß sich die Aldehydgruppe oftmals leichter zur Carboxylgruppe oxidieren läßt als die Alkoholgruppe zum Aldehyd. Folglich findet in diesen Fällen meist in beträchtlichem Umfang eine Weiteroxidation zur entsprechenden Carbonsäure statt.

Bislang sind nur wenige Oxidationsmethoden bekannt, welche die Oxidation eines breiten Spektrums von Benzylalkoholen zu Benzaldehyden selektiv gestalten. Diese Verfahren, beispielsweise die Oppenauer-Oxidation (Organikum, Seite 540 bis 541, 14. Aufl., Berlin 1975) oder die Oxidation mit Pyridinium-Chromaten (Corey et al, Tetrahedron Lett. 2647 (1975)), sind jedoch im industriellen Maßstab unrentabel und besitzen praktisch keine kommerzielle Bedeutung.

Nach Anelli et al (J. Org. Chem., 52, 2559 (1987)) können Benzylalkohole mit Hilfe von Natriumhypochlorit im Zusammenwirken mit katalytischen Mengen der Piperidinderivate

und mit katalytischen Mengen von Kaliumbromid zu den entsprechenden Benzaldehyden oxidiert werden. Während Benzylalkohol und Nitrobenzylalkohole problemlos zu Benzaldehyden oxidiert werden, gelingt diese Oxidation bei p-Methoxybenzylalkohol unter Standardbedingungen nur mit einer Ausbeute bis 30%; erst der Zusatz eines Phasentransferkatalysators ermöglicht die Herstellung von p-Methoxybenzaldehyd in guter Ausbeute. Die Angaben von Anelli et al lassen folglich keine Schlüsse auf die Eignung dieses Verfahrens zur Oxidation von 2,3-disubstituierten Benzylalkoholen zu.

Da 2,3-disubstituierte Benzaldehyde Zwischenprodukte zur Herstellung von Pflanzenschutzmitteln sind, bestand die Aufgabe, ein industriell anwendbares Verfahren zu finden, das die wirtschaftliche Herstellung von 2,3-disubstituierten Benzaldehyden der allgemeinen Formel I aus den entsprechenden Benzylalkoholen in guten Ausbeuten erlaubt.

Dementsprechend wurde ein Verfahren zur Herstellung von 2,3-disubstituierten Benzaldehyden der allgemeinen Formel I

in der
R¹ Methyl, Ethyl, Fluor, Chlor oder Brom bedeutet,
und in der
R² für eine C₁- bis C₁₂-Alkyl-, C₃- bis C₈-Cycloalkyl- oder eine C₆- bis C₁₂-Bicycloalkylgruppe steht, wobei die Cycloalkylgruppe- und/oder die Bicycloalkylgruppe 1, 2 oder 3 C₁- bis C₅-Alkylsubstituenten tragen können,
durch Oxidation der entsprechenden Benzylalkohole der allgemeinen Formel II

in der flüssigen Phase, gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man als Oxidationsmittel ein System verwendet, das aus einem anorganischen oder organischen Hypochlorit oder Hypobromit und einer Verbindung der allgemeinen Formel III besteht,

in der
Alk C₁- bis C₄-Alkylgruppen bezeichnet,
Q für eine der Gruppierungen

steht, worin
X⊖ ein Anion bedeutet,
n 0 oder 1 ist, und
Y für Sauerstoff, die Carbonylgruppe oder die Gruppierung

steht, in der R³ und R⁴ unabhängig voneinander, Wasserstoff, die Hydroxylgruppe, C-organische und/oder O-organische Reste bedeuten, die auch miteinander zu einem fünf- oder sechsgliedrigen Ring verbunden sein können.

Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft erhältlichen Benzaldehyden der allgemeinen Formel I

steht der Rest R¹ für die Methyl- oder Ethylgruppe oder für eines der Halogenide Fluor, Chlor oder Brom.

Der Rest R² kann in diesen Verbindungen für eine C₁- bis C₁₂-Alkylgruppe, eine C₃- bis C₈-Cycloalkylgruppe oder eine C₆- bis C₁₂-Bicycloalkylgruppe stehen. Die aliphatischen Alkylgruppen können geradkettig oder verzweigt sein, und die Cyclo- oder Bicycloalkylgruppen können bis zu 3 C₁- bis C₅-Alkylsubstituenten tragen. Bevorzugt werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren solche Benzaldehyde I hergestellt, in denen der Rest R² für eine C₁- bis C₈-, insbesondere eine C₁- bis C₄-Alkylgruppe, für eine C₃-, C₅- oder C₆-Cycloalkylgruppe oder für eine C₇- bis C₁₀-Bicycloalkylgruppe, wie die Pinanyl-, Norbornyl- oder die Dekalinylgruppe, steht.

Als Oxidationsmittel dienen im verwendeten Oxidationssystem die Hypohalogenite, Hypochlorit oder Hypobromit. Es können im erfindungsgemäßen Verfahren sowohl organische als auch anorganische Hypohalogenite verwendet werden. Geeignete organische Hypohalogenite sind z. B. tert.-Alkyl-Hypohalogenite, insbesondere tert.-Butylhypochlorit.

Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren anorganische Hypohalogenite verwendet, insbesondere Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhypohalogenite, beispielsweise Natriumhypochlorit, Kaliumhypochlorit, Calciumhypochlorit, Natriumhypobromit oder Kaliumhypobromit.

Die anorganischen Hypohalogenite werden im allgemeinen in Form ihrer wäßrigen Lösungen, vorzugsweise in Form ihrer 5- bis 20 gew.-%igen, wäßrigen Lösungen zur Reaktionsmischung gegeben. Solche Lösungen können auf herkömmliche Weise durch Einwirkung von Chlor oder Brom auf die Salz- oder Hydroxidlösungen dieser Metalle bereitet werden.

Zur vollständigen Oxidation der Benzylalkohole II zu den Aldehyden I sind äquimolare Mengen an Hypohalogenit, bezogen auf II, erforderlich. Es ist jedoch oftmals zweckmäßig, das Hypohalogenit im Überschuß bezüglich den Verbindungen II anzuwenden, wobei im allgemeinen das Hypohalogenit in einem Überschuß von bis zu 50 mol-%, bezogen auf den Benzylalkohol II, verwendet wird. Sind die Benzaldehyde I besonders oxidationsempfindlich, so kann es vorteilhaft sein, bei der Oxidation von II zu I den Umsatz und die Bildung von Nebenprodukten durch den Einsatz von weniger als der stöchiometrischen Menge an Hypohalogenit zu begrenzen. In diesen Fällen liegt die Menge an eingesetztem Hypohalogenit im Bereich von 50 bis 90 mol.%, bezogen auf die Verbindung II.

Als Oxidationskatalysator fungieren im angewandten Oxidationssystem die heterocyclischen Verbindungen der Formel IIIa bis IIIc,

in denen X⊖ ein im Prinzip beliebiges Anion sein kann, bevorzugt aber für ein Sulfat-, p-Toluolsulfonat-, Acetat- und insbesondere für ein Chlorid- oder Bromid-Anion steht.

Die Gruppen Alk bedeuten C₁- bis C₄-Alkylgruppen, bevorzugt Methylgruppen, und besonders bevorzugt werden solche Derivate der Verbindungen III verwendet, in denen jede der Gruppen Alk für eine Methylgruppe steht.

Die Art der Gruppierung Y ist im allgemeinen für den Erfolg der Umsetzung nicht kritisch. So kann Y beispielsweise für Sauerstoff, die Carbonylgruppe oder die Gruppierung

stehen, in der R³ und R⁴ unabhängig voneinander, Wasserstoff, die Hydroxylgruppe, C-organische und/oder O-organische Reste, die auch miteinander zu einem 5- oder 6-gliedrigen Ring verbunden sein können, bedeuten können. Aus wirtschaftlichen Gründen werden bevorzugt einfach herzustellende Heterocyclen III verwendet, in denen Y für eine einfache Gruppierung wie Sauerstoff, die Carbonylgruppe, die Methylengruppe, die 1,1-Ethylengruppe, die Hydroxymethylen- oder die Methoxymethylengruppe steht. Je nachdem ob die Zahl n für 0 oder 1 steht, werden somit als Verbindungen III die entsprechend substituierten Pyrrolidin-, Piperidin- oder Morpholinderivate benutzt.

Die Verbindungen IIIa bis IIIc, die nach bekannten Methoden hergestellt werden können (s. z. B. Synthesis 191 (1971)), sind stabil und können als solche der Umsetzung zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, die Verbindungen IIIa bis IIIc in situ in der Reaktionsmischung aus den entsprechenden Pyrrolidin-, Piperidin- oder Morpholinderivaten durch Einwirkung eines Oxidationsmittels zu erzeugen. Als Oxidationsmittel eignen sich zu diesem Zwecke Peroxide, wie Wasserstoffperoxid, vorteilhaft Wasserstoffperoxid in Verbindung mit sauerstoffhaltigen Metallverbindungen, wie z. B. Natriumwolframat oder anderen, ähnlichen sauerstoffhaltigen Metallverbindungen hoher Oxidationsstufe. Besonders vorteilhaft lassen sich die Verbindungen IIIa bis IIIc in situ jedoch mit organischen Peroxiden, insbesondere mit Peroxisäuren, wie m-Chlorperoxibenzoesäure, Peroxiessigsäure oder Trifluorperoxiessigsäure erzeugen.

In Gegenwart der Hypohalogenite und Benzylalkohole II gehen die Verbindungen IIIa bis IIIc im Verlauf des katalytischen Oxidationszyklus ineinander über, wobei die Verbindungen der Formel IIIa vermutlich jeweils das Agens sind, welches die Oxidation der Alkohole II bewirkt.

Die Verbindungen II können bezüglich des zu oxidierenden Alkohols II im allgemeinen in beliebiger Menge verwendet werden. Da sie aber katalytisch wirken, d. h. im Zuge der Umsetzung immer wieder regeneriert werden, ist es zweckmäßig, die Oxidationsmittel in Mengen von 0,1 bis 20 mol-%, bezogen auf den Benzylalkohol II, der Reaktionsmischung zuzusetzen. Unterhalb einer Menge von 0,1 mol-% III findet die gewünschte Oxidation zwar statt, doch geht sie entsprechend der geringsten Menge an sauerstoffübertragendem Agens III entsprechend langsam vor sich, während bei Mengen von mehr als 20 mol-% III, infolge der hohen Reaktionsgeschwindigkeit bei der Umsetzung im allgemeinen keinen nennenswerten Vorteile mehr erzielt werden können.

Es versteht sich von selbst, daß auch Gemische verschiedener Spezies der Verbindungen III, beispielsweise Piperidin- neben Morpholinderivaten, beim erfindungsgemäßen Verfahren als Sauerstoffüberträger benutzt werden können, zweckmäßigerweise wird jedoch nur eine Spezies III verwendet.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Ergebnisse werden im allgemeinen durch die Anwesenheit von Bromidionen im Reaktionsmedium verbessert. Zweckmäßigerweise fügt man die Bromidionen mittels Alkalimetall-, Ammonium- oder Erdalkalimetallbromiden, bevorzugt durch Zugabe von Natrium- oder Kaliumbromid, dem Reaktionsmedium zu und zwar im allgemeinen in Mengen von 1 bis 10, insbesondere 2 bis 8 mol-%, bezogen auf II. Werden Hypobromite als Oxidationsmittel verwendet, so entstehen aus diesen im Laufe der Umsetzung Bromide, so daß in diesem Fall ein gesonderter Zusatz von Bromidionen zum Reaktionsgemisch unterbleiben kann.

Da bei der Oxidation der Alkohole II zu den Aldehyden I Wasser entsteht und da die Hypohalogenite vorzugsweise in Form ihrer wäßrigen Lösungen eingesetzt werden, liegt im Reaktionssystem stets eine wäßrige Phase vor. Es kann allerdings für die Selektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft sein, wenn dem Reaktionsmedium ein wasserunlösliches Lösungsmittel wie Methylenchlorid, Chloroform, Ethylacetat, Butylacetat, Diethylether oder Toluol zugesetzt wird, also ein Zweiphasensystem erzeugt wird. Die Menge des wasserunlöslichen Lösungsmittels ist nicht kritisch, im allgemeinen verwendet man jedoch Lösungsmittelmengen von 1 bis 10 kg/kg Alkohol II. Der Zusatz von Phasentransferkatalysatoren, wie sie üblicherweise bei Zweiphasenreaktionen verwendet werden (s. z. B. O. Z. 0050/39900), kann der Beschleunigung der Umsetzung im Zweiphasensystem dienlich sein.

Des weiteren kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn der pH-Wert der wäßrigen Phase der Reaktionsmischung auf einen Wert von 5 bis 10 eingestellt wird. Zu diesem Zwecke ist es im allgemeinen zweckmäßig, die wäßrige Phase mit Hilfe von Puffersubstanzen, wie Hydrogencarbonaten, Acetaten oder Hydrogenphosphaten, insbesondere mittels Natriumhydrogencarbonat, Natriumacetat oder Dinatriumhydrogenphosphat, abzupuffern. Die Pfeffersubstanzen können dabei sowohl als Feststoffe als auch in Form von Pufferlösungen in die Reaktionsmischung eingetragen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im allgemeinen bei Reaktionstemperaturen von 0 bis 100°C, vorzugsweise bei 0 bis 40°C durchgeführt. Im allgemeinen wird bei Atmosphärendruck gearbeitet, bei der Verwendung niedrigsiedender, organischer Lösungsmittel kann es jedoch erforderlich sein, die Umsetzung unter dem Eigendruck des Reaktionsgemisches vorzunehmen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es im allgemeinen zweckmäßig, alle Komponenten des Reaktionsgemisches mit Ausnahme des Hypohalogenits im wäßrig-organischen Zweiphasensystem vorzulegen und anschließend das Hypohalogenit zu dieser Mischung zu geben. Im allgemeinen wird das Hypohalogenit in Form einer Lösung, vorzugsweise in Form einer wäßrigen Lösung, innerhalb eines Zeitraums von 0,5 bis 10 Stunden zum Reaktionsgemisch dosiert, wobei die Geschwindigkeit der Hypohalogenitzugabe je nach der Art des zu oxidierenden Alkohols und je nach der Art der anderen verwendeten Reaktionsteilnehmers innerhalb dieses Bereiches variieren kann.

Im übrigen hat das erfindungsgemäße Verfahren keine verfahrenstechnischen Besonderheiten und kann auf die übliche Weise sowohl im chargenweisen als auch im kontinuierlichen Betrieb ausgeführt werden. Das gleiche gilt für die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches: Die Produkte, welche sich im allgemeinen nahezu vollständig in der organischen Phase der Reaktionsmischung gelöst befinden, werden mit Hilfe der üblichen Verfahren Extraktion, Destillation oder Kristallisation gereinigt und isoliert. Die wäßrige Phase, in der sich noch überschüssiges Hypohalogenit, die Sauerstoffüberträger III und gegebenenfalls Bromidionen und Puffersubstanzen befinden, wird zweckmäßigerweise wiederverwendet und zu diesem Zweck, im Falle eines kontinuierlichen Verfahrens, im Kreis geführt. Sofern die organische Phase noch Hypohalogenite enthält, ist es vorteilhaft, diese vor der weiteren Aufarbeitung mit Reduktionsmitteln, wie Eisen(II)salzen zu zerstören.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man die 2,3-disubstituierten Benzaldehyde in unerwartet hohen Ausbeuten von bis zu 85%. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren 2,3-disubstituierten Benzaldehyde sind wertvolle Zwischenprodukte zur Herstellung von Pflanzenschutzmitteln, beispielsweise Pyrethroidderivaten, wie sie in der Patentanmeldung O. Z. 0050/39 981 beschrieben sind.

Die als Ausgangsmaterial verwendeten Benzylalkohole II sind entweder nach Literaturverfahren (s. z. B. J. Chem. Soc. Perkin Trans. I, 3087 (1981); J. Chem. Soc., Perkin Trans. I, 2339 (1974) und Tetrahedron Lett. 22, 161 (1981)) oder durch die elektrochemische Oxidation der entsprechenden Toluolderivate in Gegenwart einer Carbonsäure und anschließende Verseifung des erhaltenen Esters entsprechend Gleichung (1)

gemäß dem Verfahren der O. Z. 0050/39 983 erhältlich.

Beispiele Beispiel 1 Herstellung von 2-Fluoro-3-isopropylbenzaldehyd

Eine Mischung aus 16 g (95 mmol) 2-Fluoro-3-isopropyl-benzylalkohol, 0,3 g (1,9 mmol) 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl, 0,56 g (4,8 mmol) Kaliumbromid, 1,5 g (9,5 mmol) NaH₂PO₄ · 2 H₂O, 1,7 g (9,5 mmol) Na₂HPO₄ · 2 H₂O, 90 ml Methylenchlorid und 90 ml Wasser wurde bei 20°C unter intensivem Rühren im Laufe von 30 Minuten mit 55,6 g einer 14 gew.-%igen wäßrigen Natriumhypochloritlösung (105 mmol) versetzt. Unter diesen Bedingungen pendelte sich der pH-Wert des Reaktionsgemisches im Bereich von 6,5 bis 8,0 ein.

Nach beendeter Reaktion wurde die organische Phase abgetrennt und die wäßrige Phase mit Methylenchlorid extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden mit wäßriger NaHCO₃-Lösung gewaschen, getrocknet, das Lösungsmittel abdestilliert und das Verfahrensprodukt mittels fraktionierender Destillation isoliert.
Ausbeute: 79%
Sdp: 38°C/0,2 mbar

Beispiel 2 Herstellung von 2-Chloro-3-isopropylbenzaldehyd

Diese Verbindung wurde analog dem Verfahren von Beispiel 1 aus 5,5 g (30 mmol) 2-Chloro-3-isopropylbenzylalkohol hergestellt.
Ausbeute: 71%
Sdp.: 73-77°C/0,3 mbar

Beispiel 3 Herstellung von 2-Chloro-3-cyclopentylbenzaldehyd

Diese Verbindung wurde analog Beispiel 1 aus 7,0 g (33 mmol) 2-Chloro-3-cyclopentylbenzylalkohol hergestellt.
Ausbeute: 85%
Sdp.: 101°C/0,3 mbar

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von 2,3-disubstituierten Benzaldehyden der allgemeinen Formel I in der
R¹ Methyl, Ethyl, Fluor, Chlor oder Brom bedeutet,
und in der
R² für eine C₁- bis C₁₂-Alkyl-, C₃- bis C₈-Cycloalkyl- oder eine C₆- bis C₁₂-Bicycloalkylgruppe steht und wobei die Cycloalkyl- und/oder die Bicycloalkylgruppe 1, 2 oder 3 C₁- bis C₅-Alkylsubstituenten tragen können,
durch Oxidation der entsprechenden Benzylalkohole der allgemeinen Formel II in der flüssigen Phase, dadurch gekennzeichnet, daß man als Oxidationsmittel ein System verwendet, das aus einem anorganischen oder organischen Hypochlorit oder Hypobromit und einer Verbindung der allgemeinen Formel III besteht, in der
Alk C₁- bis C₄-Alkylgruppen bezeichnet,
Q für eine der Gruppierungen steht, worin
X⊖ ein Anion bedeutet,
n 0 oder 1 ist, und
Y für Sauerstoff, die Carbonylgruppe oder die Gruppierung steht, in der R³ und R⁴ unabhängig voneinander, Wasserstoff, die Hydroxylgruppe, C-organische und/oder O-organische Reste bedeuten, die auch miteinander zu einem 5- oder 6gliedrigen Ring verbunden sein können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man es in Gegenwart von Alkalimetall-, Erdalkalimetall- und/oder Ammoniumbromiden ausführt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in einem zweiphasigen, wäßrig-organischen Lösungsmittelsystem vornimmt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Umsetzung den pH-Wert der wäßrigen Phase zwischen 5 und 10 hält.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verbindungen der allgemeinen Formel III in situ aus den entsprechenden Morpholinen, Pyrrolidinen oder Piperidinen und einem Oxidationsmittel erzeugt.