DE4438734A1 - Verfahren zur Herstellung von Cyclopropanmethanal - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Cyclopropanmethanal durch Oxidation von Cyclopropanmethanol.

Cyclopropanmethanal ist ein wichtiger Synthesebaustein für die Einführung der Cyclopropangruppe. Diese Gruppe besitzt eine große Bedeutung, da sie in vielen Wirkstoffen, wie Antibiotika, Insektiziden, Fungiziden und Wachstumsregulatoren, enthalten ist.

Die Oxidation und nachfolgende Cyclisierung von 4-Chlorbutanol ist ein möglicher Zugang zu Cyclopropanmethanal. So wird 4-Chlorbutanol nach J. Org. Chem. USSR 23, 112 (1987) mit Pyridinium-Chlorochromat zu 4-Chlor­ butanal oxidiert und anschließend mittels Fest-Flüssig-Phasentransfer- Katalyse zu Cyclopropanmethanal cyclisiert. Durch diese Reaktionsführung wird die Cannizzaro-Reaktion des gebildeten Cyclopropanmethanals verhin­ dert und das Produkt in einer Ausbeute von 70% erhalten.

Dieses Laborverfahren ist nicht auf den industriellen Maßstab zu übertra­ gen, da stöchiometrische Mengen von Pyridinium-Chlorochromat gehandhabt werden müssen.

Nach EP-A 0 340 703 kann bei einer Flüssig-Flüssig-Phasentransfer-Kataly­ se 4-Chlorbutanol in einer ersten Stufe mit Natriumhypochlorit und einem 2,2,6,6-Tetraalkylpiperidin-N-oxyl als Katalysator zu 4-Chlorbutanal oxi­ diert und in einer zweiten Stufe zum Cyclopropanmethanal cyclisiert wer­ den.

Auch dieses Verfahren ist wegen des Zweiphasensystems im industriellen Maßstab nur schwer realisierbar. Die Raum-Zeit-Ausbeute dieser Reaktion ist aufgrund der hohen Verdünnung der Natriumhypochloritlösung (maximal 14%ig) sehr gering. Außerdem wird in dem Verfahren Kaliumbromid als Co- Katalysator verwendet. Dies führt zu Abwasser- und Korrosionsproblemen.

Gemäß J. Org. Chem. 44, 4148 (1979) kann man Cyclopropanmethanal auch durch Oxidation von Cyclopropanmethanol herstellen. Dazu wird hier jedoch das teure und instabile Reaktionsprodukt aus Dimethylsulfoxid und Oxal­ säuredichlorid in äquimolaren Mengen benötigt.

Nach J. Am. Chem. Soc. 106, 3374 (1984) können Alkohole bei Raumtempera­ tur zu Aldehyden oxidiert werden. Dabei wird als Katalysatorsystem ein 1 : 1-Gemisch von 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-N-oxyl und Kupfer-(I)-chlo­ rid verwendet. Allerdings werden hier nur Benzylalkohole und Allylalko­ hole in guten Ausbeuten in die Aldehyde überführt.

Eine Anwendung dieses Verfahrens wird in DE-A 37 05 785 beschrieben, wo Polyenalkohole zu Polyenaldehyden oxidiert werden. Die Ausbeute an Poly­ enaldehyd liegt hier zwischen 70 und 90%. Bei diesem Verfahren werden das Katalysatorsystem und der Alkohol in einem polar aprotischen Lösemit­ tel gelöst. Bei Raumtemperatur wird dann Sauerstoff durch das Gemisch ge­ leitet. Die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches geschieht in allen Fäl­ len, indem man in Wasser aufnimmt und das Produkt mit Ether extrahiert. Dabei gelangen das polar aprotische Lösemittel sowie das Kupfersalz in die Wasserphase. Im industriellen Maßstab ist ein solches Verfahren daher kaum zu realisieren.

Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren auszuarbeiten, mit dem man ausgehend von einer industriell verfügbaren Chemikalie, auf einfache Art und Weise und in hoher Ausbeute Cyclopropanmethanal in hoher Reinheit herstellen kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Cyclopropanmethanol durch Oxidation mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas bei 50 bis 150°C in Cyclopropanmethanal überführt und dabei als Oxidationskatalysator ein 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-N-oxyl der Formel 1

worin X = H, OH, R oder OR und
R = Alkyl, Aryl, Aralkyl oder Acyl mit 1 bis 15 C-Atomen
bedeutet, sowie ein Kupfersalz verwendet.

Als Sauerstoff enthaltendes Gas eignet sich reiner Sauerstoff. Bevorzugt werden jedoch Gasgemische, die einen Sauerstoffgehalt aufweisen, verwen­ det. Im besonderen oxidiert man mit Hilfe von Luft.

Es können auch mehr als eine Verbindung der Formel 1 eingesetzt werden. Beispiele für R sind Methyl, Ethyl, Isopropyl, Hexyl, Phenyl, 4- Methylphenyl, Diphenyl, Benzyl, Acetyl oder Dodecyl.

Geeignete Kupfersalze sind vor allem das Kupfer-(I)-chlorid und das Kupfer-(II)-chlorid, wobei Kupfer-(I)-chlorid vorzugsweise verwendet wird.

Die Oxidation wird bevorzugt in einem polar aprotischen Lösemittel, wie N,N-Dimethylformamid, N,N-Dimethylacetamid, 1-Methyl-2-pyrrolidon, N,N- Dimethylpropylenharnstoff oder N,N-Dimethylethylenharnstoff, durchge­ führt.

Eine bevorzugte Variante des Verfahrens besteht darin, daß katalytische Mengen von etwa 1 bis 5 mol-% einer organischen Base, wie Pyridin, Pico­ lin oder Chinolin, für die Oxidation verwendet werden.

Das 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-N-oxyl der Formel 1 wird vorzugsweise, bezogen auf Cyclopropanmethanol, in Mengen von 0,1 bis 20 mol-% verwen­ det, wobei Mengen zwischen 1 und 10 mol-% besonders bevorzugt angewandt werden.

Das molare Verhältnis von Kupfersalz zum 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-N- oxyl der Formel 1 liegt meist im Bereich von 0,4 : 1 bis 4 : 1, wobei die beiden Katalysatorbestandteile oft im äquimolaren Verhältnis zum Einsatz kommen.

Die Oxidation kann bei leichtem Unter- oder Überdruck durchgeführt wer­ den. Meist liegt der Druck jedoch im Bereich von 1 bis 5 bar. Das Cyclo­ propanmethanal wird vorzugsweise durch Destillation aus dem Reaktionsge­ misch gewonnen.

Wenn Luft in einer Menge von 10 bis 30 l/h·kg Reaktionsgemisch in das Reaktionsgemisch eingeleitet wird, ist der Alkohol in etwa 10 bis 15 Stunden vollständig umgesetzt. Cyclopropanmethanal kann dann zusammen mit dem Reaktionswasser aus dem Gemisch herausdestilliert werden. Nach der azeotropen Entfernung des Wassers erfolgt die Feindestillation. Auf diese Weise erhält man den Aldehyd in einer Ausbeute von etwa 90% mit einer Reinheit von < 98%.

Das Cyclopropanmethanal kann aber auch während der Oxidation im Luftstrom aus dem Reaktionsgemisch ausgetrieben und in einer Vorlage kondensiert werden. Dabei wird innerhalb von 4 bis 12 Stunden bei einer Sumpftempera­ tur von 80 bis 130°C und einer Luftmenge von 20 bis 50 l/h·kg Reaktions­ gemisch ein Umsatz von 70 bis 90% erreicht.

Die Aufarbeitung des Cyclopropanmethanals kann durch destillative Abtren­ nung des Aldehyd-Wasser-Gemisches vom nicht umgesetzten Alkohol und an­ schließende azeotrope Entwässerung und Feindestillation von Cyclopropan­ methanal erfolgen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man Cyclopropanmethanal in einfacher Weise und in sehr guten Ausbeuten. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, daß der Reaktionssumpf für weitere Oxidationen wieder eingesetzt werden kann, wenn katalytische Mengen einer organischen Base (die vorzugsweise verwendet wird) zugesetzt werden.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern.

Beispiel 1

Ein Gemisch aus 500 g N-Methylpyrrolidon, 180 g (2,5 mol) Cyclopropan­ methanol, 21,4 g (0,125 mol) 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxypiperidin-N- oxyl, 12,4 g (0,125 mol) Kupfer-(I)-chlorid und 2,5 g (0,03 mol) Pyridin wird unter Rühren auf 100°C erwärmt. Man leitet dann in 10 Stunden unter Rühren 20 l Luft/h durch das Gemisch.

Nach dieser Zeit ist der Alkohol vollständig umgesetzt. Ein Cyclopropan­ methanal/Wasser-Gemisch wird anschließend destillativ abgetrennt. Durch azeotrope Destillation kann das Wasser vom Cyclopropanmethanal abgetrennt werden. Cyclopropanmethanal wird dann durch Fraktionierung gewonnen (149 g, 85%).

Beispiel 2

Zum Reaktionssumpf des vorangegangenen Beispiels gibt man 180 g (2,5 mol) Cyclopropanmethanol und 2,5 g (0,03 mol) Pyridin. Das Gemisch wird unter Rühren auf 100°C erwärmt. Für 10 Stunden leitet man dann 30 l Luft/h durch das Reaktionsgemisch. Nach dieser Zeit ist der Alkohol vollständig umgesetzt. Ein Cyclopropanmethanal/Wasser-Gemisch wird anschließend de­ stillativ abgetrennt. Cyclopropanmethanal wird dann durch fraktionierte Destillation gewonnen (150 g, 86%).

Beispiel 3

Ein Gemisch aus 400 ml N-Methylpyrrolidon, 144 g (2 mol) Cyclopropan­ methanol, 17,1 g (0,1 mol) 2,2,6,6-Tetramethyl-4-hydroxypiperidin-N-oxyl, 9,9 g (0,1 mol) Kupfer-(I)-chlorid und 2 g (0,024 mol) Pyridin werden in einem Rührautoklaven unter 5 bar N₂ auf 60°C aufgeheizt. Mit einer Ge­ schwindigkeit von 1 l/min (bezogen auf Normaldruck) wird Luft aufgegeben.

Man läßt 2 Stunden reagieren und kühlt dann auf Raumtemperatur ab. Nach dem Entspannen des Autoklaven wird Cyclopropanmethanal wie in Beispiel 2 beschrieben durch Destillation gewonnen (105 g, 75%).

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Cyclopropanmethanal durch Oxidation von Cyclopropanmethanol, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxidation mit Hilfe eines Sauerstoff enthaltenden Gases, eines Katalysators aus einem 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-N-oxyl der Formel 1 worin X = H, OH, R oder OR und
R = Alkyl, Aryl, Aralkyl oder Acyl mit 1 bis 15 C-Atomen
bedeutet, und eines Kupfersalzes bei 50 bis 150°C durchführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxidation mit Hilfe von ruft durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Gegenwart von Kupfer-(I)-chlorid oxidiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxidation in einem polaren aprotischen Lösemittel vor­ nimmt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Oxidation eine organische Base als Cokatalysator ver­ wendet.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, bezogen auf Cyclopropanmethanol, 0,1 bis 20 mol-% 2,2,6,6-Tetra­ methylpiperidin-N-oxyl der Formel 1 eingesetzt werden und das molare Verhältnis von Kupfersalz zum 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-N-oxyl der Formel 1 bei 0,4 : 1 bis 4 : 1 liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxidation bei 1 bis 5 bar durchführt und Cyclopropanmetha­ nal durch Destillation gewinnt.