DE4212264A1 - Verfahren zur katalytischen Herstellung von Kondensationsprodukten des Formaldehyds - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kataly­ tischen Herstellung von Kondensationsprodukten des Form­ aldehyds.

Seit den Arbeiten von J. Castells (Tetrahedron Letters, 21, 4517-4520, (1980)) ist bekannt, daß man Thiazoliumylide als Katalysatoren für die katalytischen Umpolung von Formaldehyd und somit für dessen Selbstkondensation zu Dihydroxyaceton verwenden kann und ebenso für die entsprechende Umsetzung von höheren Aldehyden zu Acyloinen.

Mit Thiazoliumyliden als Katalysatoren erhält man bei der Acyloinkondensation von Formaldehyd hauptsächlich Ketone, insbesondere Dihydroxyaceton (DHA). Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren sowie neue Katalysatoren für die Kondensation von Formaldehyd zu finden, die bei dieser Reaktion ein anderes Produktspektrum liefern als Thiazolium­ ylide und die insbesondere die Herstellung der Kondensati­ onsprodukte Glykolaldehyd und/oder Glycerinaldehyd in guten Selektivitäten ermöglichen sollten. Insbesondere Glykolalde­ hyd kann nicht mit Hilfe der Thiazoliumylid-Katalysatoren erhalten werden. Glykolaldehyd und Glycerinaldehyd sind wertvolle Zwischenprodukte zur Herstellung von Ethylengly­ kol, Glyoxal, Glycerin sowie zur Synthese von Wirkstoffen.

Dementsprechend wurde ein Verfahren zur katalytischen Her­ stellung von Kondensationsprodukten des Formaldehyds gefun­ den, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man mesoionische Katalysatoren der Formel I

verwendet, in der
X für ein Stickstoff- oder Phosphoratom oder eine Gruppe CR³ steht,
Y ein Sauerstoff-, Schwefel- oder Selenatom oder eine Gruppe NR⁴ oder PR⁵ darstellt, und in der
Z ein Stickstoff- oder Phosphoratom ist oder für eine Gruppe CR⁶ steht, und worin
die Reste R¹ und R² gleich oder verschieden sind und für aliphatische Gruppen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, für ge­ gebenenfalls substituierte Arylgruppen, für gegebenenfalls substituierte Aralkylgruppen, für Heteroarylgruppen und/oder für Nitrilogruppen stehen,
die Reste R³ und R⁶ gleich oder verschieden sind und Wasser­ stoff, Sauerstoff, eine aliphatische Gruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, eine gegebenenfalls substituierte Arylgruppe, eine gegebenenfalls substituierte Aralkylgruppe, eine gegebenenfalls substituierte Heteroarylgruppe, eine Hydroxyl-, Nitrilo- und/oder NH₂-Gruppe bedeuten,
die Reste R⁴ und R⁵ für Sauerstoff, eine aliphatische Gruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, eine gegebenenfalls substi­ tuierte Arylgruppe, eine gegebenenfalls substituierte Aral­ kylgruppe, eine gegebenenfalls substituierte Heteroaryl­ gruppe, eine Hydroxyl-, Nitrilo- oder NH₂-Gruppe stehen, oder
in der der Rest R² gemeinsam mit dem Rest R⁴ oder R⁵ eine C₂- bis C₅-Alkylen- oder Alkenylen- oder eine C₆- bis C₁₄-Arylenbrücke bildet, oder
in der der Rest R⁶ gemeinsam mit dem Rest R⁴ oder R⁵ eine C₃- bis C₄-Alkylen- oder Alkenylenbrücke bildet.

Des weiteren wurden mesoionische Tetrazoliumverbindungen der Formel Ic

gefunden, in denen die Reste R¹, R² und R⁴ die obengenannte Bedeutung haben.

Bei den erfindungsgemäß verwendeten Katalysatoren handelt es sich somit um sogenannte mesoionische Verbindungen, also di­ polare, fünfgliedrige Heterocyclen, die im gleichen Molekül je einen positiven und negativen Ladungsschwerpunkt haben, so daß sie nach außen neutral sind, obwohl für sie keine mesomere Grenzstruktur formuliert werden kann, in der nicht zugleich eine positive und negative elektrische Ladung vor­ handen ist.

Die Reste R¹, R², R³, R⁴, R⁵ und R⁶ dienen im wesentlichen dazu, die mesoionischen Katalysatoren zu stabilisieren, d. h. durch ihre Anwesenheit dafür zu sorgen, daß sich die dipola­ ren Moleküle nicht in andere, nicht-mesoionische Moleküle, die keine getrennten positiven und negativen Ladungsschwer­ punkte haben, umlagern können. Demgemäß können diese Reste eine Vielzahl von Bedeutungen haben.

So können R¹ und R² gleich oder verschieden sein und für aliphatische Gruppen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, wie C₁- bis C₃₀-Alkyl-, vorzugsweise C₁- bis C₁₀-Alkylgruppen, C₂- bis C₃₀-, vorzugsweise C₂- bis C₁₀-Alkenyl- oder Alki­ nylgruppen, C₃- bis C₂₀-, vorzugsweise C₃- bis C₁₀-Cycloal­ kylgruppen, C₂- bis C₂₀-Heterocycloalkylgruppen, wie Piperi­ dinyl-, Piperazinyl-, Pyrrolidinyl-, Imidazolidinyl-, Tetra­ hydrofuranyl-, Tetrahydrothiophenyl-, Tetrahydropyra­ nyl- oder Kronenether-Gruppen, C₁- bis C₃₀-, vorzugsweise C₁- bis C₁₀-Alkoxygruppen, C₁- bis C₃₀-, vorzugsweise C₁- bis C₁₀-Monoalkylaminogruppen, C₂- bis C₃₀-, vorzugsweise C₂- bis C₂₀-Dialkylaminogruppen, für gegebenenfalls substituierte Arylgruppen, vorzugsweise C₆- bis C₁₄-Arylgruppen, insbeson­ dere für Phenyl-, Naphthyl-, Anthryl- oder Phenanthryl-Grup­ pen, für gegebenenfalls substituierte Aralkylgruppen, vor­ zugsweise C₇- bis C₂₀-Aralkylgruppen, insbesondere die Benzyl-, Phenylethylen- und Naphthylmethylen-Gruppe, für He­ teroarylgruppen, wie die Furanyl-, Thienyl-, Pyrrolyl-, Pyrazolyl-, Imidazolyl-, Oxazolyl-, Isoxazolyl-, Thiazolyl-, Pyridinyl-, Pyrimidinyl-, Pyrazinyl-, Chinolinyl-, Naph­ thyridinyl- oder Acridinyl-Gruppen, oder für Nitrilogruppen stehen.

Die Reste R³ und R⁶ können unabhängig voneinander für die gleichen Substituenten stehen wie die Reste R¹ und R² und können darüber hinaus noch Wasserstoff, eine Hydroxyl­ und/oder eine NH₂-Gruppe sein.

Die Reste R⁴ bzw. R⁵ können die gleichen Bedeutungen haben wie die Reste R¹ und R² und zusätzlich noch für eine Hydro­ xyl- oder NH₂-Gruppe stehen. Alle Substituenten, auch die aliphatischen Gruppen, können gewünschtenfalls mit unter den Reaktionsbedingungen inerten Substituenten, wie Nitro-, Ni­ trilo-, Alkyl-, Alkoxy-, Hydroxyl-, Mono- und Dialkylamino- Gruppen und Halogen- oder Sauerstoffatomen substituiert sein. Aufgrund ihrer einfacheren Herstellungsweise werden im allgemeinen vorzugsweise Phenylreste R¹ bis R⁶ verwendet.

Weiterhin kann in den Katalysatoren der Formel I der Rest R² gemeinsam mit dem Rest R⁴ oder R⁵ eine C₂- bis C₅-Alky­ len- oder Alkenylenbrücke oder eine C₆- bis C₁₄-Arylen­ brücke, vorzugsweise eine o-Phenylen-, o-Naphthylen-, 1,8-Naphthylen-, o-Fluorenylen-, 5,4-Fluorenylen-, o-Phenanthrylen-, o-Anthrylen- oder eine 1,9-Anthrylenbrücke bilden.

Außerdem kann in den Katalysatoren der Formel I der Rest R⁶ gemeinsam mit dem Rest R⁴ oder R⁵ eine C₃- bis C₅-Alkylen- oder Alkenylenbrücke, vorzugsweise eine Propenylen-, Butenylen- oder 1,3-Butadienylenbrücke bilden.

Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren Katalysato­ ren der Formel Ia

verwendet, in denen die Reste R¹, R², R⁴ und R⁶ die obenge­ nannte Bedeutung haben. Besonders bevorzugt wird als Kataly­ sator Nitron der Formel Ib

benutzt.

Weiterhin sind als Katalysatoren mesoionische Tetrazolium- Verbindungen der Formel Ic

in denen die Reste R¹, R² und R⁴ die obenerwähnte Bedeutung haben, für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geei­ gnet, wobei an dieser Stelle beispielhaft nur das Azaanaloge des Nitrons Ib, das 5-Aza-nitron erwähnt sei.

Im erfindungsgemäßen Verfahren kann der Formaldehyd in Form von Paraformaldehyd, als wäßrige Lösung (Formalin®), Formal­ dehydhalbacetallösungen oder als gasförmiger Formaldehyd eingesetzt werden. Er wird im allgemeinen bei Temperaturen im Bereich von 20-160°C, bevorzugt bei 50-120°C und be­ sonders bevorzugt bei 60-80°C, zusammen mit einem organi­ schen Lösungsmittel und dem Katalysator zweckmäßigerweise 5-500 Minuten, bevorzugt 15-60 Minuten lang gerührt.

Der angewandte Druck ist im allgemeinen für das erfindungs­ gemäße Verfahren nicht kritisch. Es wird daher zweckmäßiger­ weise bei Atmosphärendruck oder unter dem Eigendruck des Re­ aktionssystems gearbeitet.

Für die Durchführung der Reaktion benötigt man in der Regel keine Hilfsbase. Da jedoch während der Reaktion als Neben­ produkte in geringem Ausmaß Säuren, z. B. Ameisensäure durch Cannizzaro-Reaktion entstehen können und die Säuren den Katalysator desaktivieren können, kann der Zusatz einer Base wie z. B. Triethylamin, Alkalimetall- oder Erdalkalimetall­ carbonate, Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhydroxide, Puffern wie Phosphatpuffer, Acetatpuffer etc. vorteilhaft sein, um solche Säuren abzupuffern. Dies kann insbesondere dann günstig sein, wenn man mit sehr kleinen Katalysatormen­ gen arbeitet.

Als Lösungsmittel eignet sich grundsätzlich ein sehr breites Spektrum wie Alkohole, z. B. Methanol, Ethanol, Propanol, Cy­ clohexanol, 2-Ethylhexanol und Hexadecylalkohol, Amide, z. B. Dimethylformamid (DMF), Dibutylformamid, Harnstoffe, z. B. Dimethylpropylencarbonat, Dimethylethylencarbonat, Aromaten, z. B. Toluol, Heterocyclen, z. B. Pyridin, N-Methylimidazol, N-Methylpyrrolidon, Ketone, z. B. Aceton, Ester, z. B. Essig­ säureethylester, Ether, z. B. Methyl-tert.butylether, Diethy­ lenglykolmethylether, Tetrahydrofuran, aromatische Nitrover­ bindungen, z. B. Nitrotoluol, tertiäre Amine, z. B. Triethyl­ amin, halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie Chlorbenzol oder Dichlorbenzol, Trioxan und Nitrile, z. B. Acetonitril.

Das Verhältnis von Formaldehyd zu Katalysator kann in einem Bereich von 10 : 1 bis zu 10000 : 1 liegen. Bei Formaldehyd/ Katalysatorverhältnissen von mehr als 1000 kann vorteilhaft eine Base oder ein Puffer zum Abfangen der Säuren zugesetzt werden.

Man kann die Reaktion sowohl in homogener Phase, als auch in Suspension oder auch in einem flüssigen Zweiphasensystem durchführen. Im letztgenannten, besonders bevorzugten Fall wird z. B. als Rohstoff wässeriger Formaldehyd eingesetzt und der Katalysator in einem organischen, mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel gelöst. Unter diesen Phasentrans­ ferbedingungen wird dabei der Formaldehyd in die organische Phase extrahiert, dort am Katalysator umgesetzt und das hy­ drophile Produkt (Glykolaldehyd, Glycerinaldehyd) in die wässerige Phase zurückextrahiert.

Beispiele Herstellung der Katalysatoren

Sämtliche Nitronderivate wurden analog zur Literaturvor­ schrift von M. Busch und G. Mehrtens, Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (1905) Seite 4049-4068 hergestellt.

Triphenylaminoguanidin

100 g (0,44 mol) N,N′-Diphenylthioharnstoff wurden in 300 ml Toluol suspendiert und zusammen mit 100 g (0,45 mol) PbO 15 Minuten bei 80°C gerührt (bis sich das tiefschwarze PbS vollständig abgeschieden hat). Die heiße Lösung wurde fil­ triert und das Filtrat mit 50 g (0,46 mol) Phenylhydrazin versetzt. Diese Lösung wurde 30 Minuten bei 80°C gerührt und nach Abkühlung kristallisiert.

Nitronderivate

10 g (0,03 mol) Triphenylguanidin wurden mit 0,035 mol eines Säurechlorids 1 h lang auf 130°C erwärmt und anschließend in Ethanol gegossen. Nach Zusatz von 1 ml 2 n HCl wurde fil­ triert und das Filtrat in einen großen Überschuß 10%igen Ammoniak gegossen. Das sich abscheidende Produkt wurde ab­ filtriert und getrocknet.

1, 4-Diphenyl-2-aminophenyltetrazol

• 1. Es wurde eine Lösung von 2,28 g (33 mmol) Natriumnitrit in 50 ml Wasser vorbereitet und im Eisbad abgekühlt (1).
• 2. 10 g (33 mmol) N,N′,N′′-Triphenylaminoguanidin wurden in einer Lösung von 10 g (0,12 mol) HCl konz. in 200 ml Wasser 10 Minuten intensiv gerührt und anschließend im Eisbad abgekühlt. Anschließend wurde unter Rühren und Eiskühlung die Natriumnitratlösung (1) eingetragen. Es wurde noch 1 h bei Raumtemperatur gerührt und schließ­ lich die Lösung dekantiert. Der klumpige Niederschlag wurde zweimal mit Wasser gewaschen und danach in 50 ml Ethanol unter Erwärmen gelöst und filtriert. Das Filtrat wurde auf eine Mischung von 25 ml Ammoniak (25%ig) und 150 ml Wasser gegossen und das ausgefallene Produkt nach dem Abkühlen abfiltriert. Ausbeute 3,8 g.

Beispiel 1

Ein Ansatz aus 4.0 g (133 mmol) Paraformaldehyd, x g (s. Ta­ belle) Nitron, 15.8 g Ethylacetat und 0.2 g Molekularsieb wurde 15 Minuten lang bei 80°C in einem Druckglasgefäß ge­ rührt. Die Reaktionsausträge lieferten folgende Ergebnisse:

Beispiel 2

Ein Ansatz aus 3.9 g (130 mmol) Paraformaldehyd, 0.26 g (0.87 mmol) Nitron, 15.8 g Ethylacetat und 0.2 g Molekular­ sieb wurde 60 Minuten lang bei 80°C in einem Druckglasgefäß gerührt. Nach je 15, 30 und 60 Minuten wurden Proben gezogen und analysiert.

Ausbeuten in %, bezogen auf den eingesetzten Formaldehyd

Beispiel 3

Eine zweiphasige Mischung aus 4.83 g (60 mmol) Formalin® (37%ig), 5 g Chloroform und 0.47 g (1.52 mmol) Nitron wurde im Druckglasgefäß 60 Minuten lang bei 80°C intensiv gerührt. Nach 15, 30 und 60 Minuten wurden Proben gezogen und analy­ siert.

Ausbeuten in %, bezogen auf den eingesetzten Formaldehyd

Beispiel 4

Dieses Beispiel belegt, daß ein breites Spektrum von Lö­ sungsmitteln in Frage kommt und besonders mäßig polare Lö­ sungsmittel (Chloroform, Tetrahydrofuran, Pyridin) für eine hohe C2-Selektivität bevorzugt werden.

Ein Ansatz aus 2 g (66.7 mmol) Paraformaldehyd, 0.1 g (0.33 mmol) Nitron, 7.9 g Lösungsmittel und 0.1 g Molsieb wurde 30 Minuten lang bei 80°C gerührt.

Ausbeuten in %, bezogen auf den eingesetzten Formaldehyd

Beispiel 5

Ein Ansatz aus 2 g (66.7 mmol) Paraformaldehyd, 0.67 mmol Katalysator, 7.9 g DMF und 0.1 g Molsieb wurde 60 Minuten lang bei 100°C gerührt.

Ausbeuten in %, bezogen auf den eingesetzten Formaldehyd

Beispiel 6

Diese Beispiele belegen, daß man die Reaktion in einem wei­ ten Temperaturbereich durchführen kann.

Es wurde jeweils eine Suspension von 20 Gew.-% Paraformalde­ hyd in DMF zusammen mit dem Katalysator Nitron bei der ange­ gebenen Temperatur und der angegebenen Reaktionszeit ge­ rührt.

Ausbeuten in %, bezogen auf den eingesetzten Formaldehyd

Die Analysen sämtlicher Reaktionsausträge wurden mittels Hochdruckflüssigchromatographie durchgeführt.

Claims (5)

1. Verfahren zur katalytischen Herstellung von Kondensati­ onsprodukten des Formaldehyds, dadurch gekennzeichnet, daß man mesoionische Katalysatoren der Formel I verwendet, in der
X für ein Stickstoff- oder Phosphoratom oder eine Gruppe CR³ steht,
Y ein Sauerstoff-, Schwefel- oder Selenatom oder eine Gruppe NR⁴ oder PR⁵ darstellt, und in der
Z ein Stickstoff- oder Phosphoratom ist oder für eine Gruppe CR⁶ steht, und worin
die Reste R¹ und R² gleich oder verschieden sind und für aliphatische Gruppen mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, für gegebenenfalls substituierte Arylgruppen, für gegebenen­ falls substituierte Aralkylgruppen, für Heteroaryl­ gruppen und/oder für Nitrilogruppen stehen,
die Reste R³ und R⁶ gleich oder verschieden sind und Wasserstoff, Sauerstoff, eine aliphatische Gruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, eine gegebenenfalls substi­ tuierte Arylgruppe, eine gegebenenfalls substituierte Aralkylgruppe, eine gegebenenfalls substituierte Heteroarylgruppe, eine Hydroxyl-, Nitrilo- und/oder NH₂-Gruppe bedeuten,
die Reste R⁴ und R⁵ für Sauerstoff, eine aliphatische Gruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, eine gegebenen­ falls substituierte Arylgruppe, eine gegebenenfalls sub­ stituierte Aralkylgruppe, eine gegebenenfalls substi­ tuierte Heteroarylgruppe, eine Hydroxyl-, Nitrilo- oder NH₂-Gruppe stehen, oder
in der der Rest R² gemeinsam mit dem Rest R⁴ oder R⁵ eine C₂- bis C₅-Alkylen- oder Alkenylen- oder eine C₆- bis C₁₄-Arylenbrücke bildet, oder
in der der Rest R⁶ gemeinsam mit dem Rest R⁴ oder R⁵ eine C₃- bis C₄-Alkylen- oder Alkenylenbrücke bildet.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysator eine mesoionische Triazoliumverbin­ dung der Formel Ia verwendet, in der R¹, R², R⁶ und R⁴ die in Anspruch 1 genannte Bedeutung haben.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysator Nitron der Formel Ib verwendet.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysator eine mesoionische Tetrazoliumver­ bindung der Formel Ic verwendet, in der R¹, R² und R⁴ die in Anspruch 1 ge­ nannte Bedeutung haben.

5. Mesoionische Tetrazoliumverbindungen der Formel Ic in der die Reste R¹, R² und R⁴ die in Anspruch 1 ge­ nannte Bedeutung haben.