DE60017086T2

DE60017086T2 - Verfahren zur Herstellung von acylaromatischen Ethern

Info

Publication number: DE60017086T2
Application number: DE2000617086
Authority: DE
Inventors: Mannepalli Lakshmi Kantam; Mutyala Sateesh; Boyapati Manoranjan Choudary; Billakanti Veda Prakash; Kondapuram Vijaya Raghavan
Original assignee: Council of Scientific and Industrial Research CSIR
Current assignee: Council of Scientific and Industrial Research CSIR
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2020-04-01
Also published as: EP1149818A1; EP1149818B1; DE60017086D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von acylaromatischen Ethern aus aromatischen Ethern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von acylaromatischen Ethern aus aromatischen Ethern unter Verwendung von C2-C8-Säureanhydriden, Essigsäureanhydrid bis Benzoesäureanhydrid als Acylierungsmittel in Gegenwart von nano- und mikrokristallinen Zeolith-Beta-Katalysatoren. Aromatische Ether sind wertvolle und wichtige Zwischenprodukte für Arzneistoffe und Pharmazeutika.
Die vorliegende Erfindung betrifft besonders ein umweltfreundliches Verfahren für acylaromatische Ether aus aromatischen Ethern unter Verwendung von Säureanhydriden als Acylierungsmittel und Zeolith Beta als Katalysator unter Wegfall der Verwendung stöchiometrischer Mengen von korrosivem, toxischem Aluminiumchlorid und Fluorwasserstoff als Friedel-Crafts-Reagentien.
Hintergrund der Erfindung
Bei herkömmlichen Verfahren zur Acylierung aromatischer Verbindungen, insbesondere den Ethern von Phenolen, führt man eine Friedel-Crafts-Acylierungsreaktion durch. Dabei wird die aromatische Verbindung in Gegenwart von Aluminiumchlorid mit einem Acylierungsmittel umgesetzt.
Die inhärenten Nachteile bei der Verwendung von herkömmlichen Lewis-Säure-Metallchloriden für die Friedel-Crafts-Acylierung bestehen darin, daß sie nicht regenerierbar sind und wegen der starken Komplexierung mit dem gebildeten Carbonylprodukt mehr als stöchiometrische Mengen erfordern. Bei der Aufarbeitung zur Zersetzung des resultierenden Zwischenproduktkomplexes durch Hydrolyse fällt eine große Menge an Abfallprodukt an, und die Abtrennung des Produkts ist langwierig, beschwerlich und teuer.
Es sei auf eine Veröffentlichung von Choudary et al., Applied Catalysis A; 171, 159, 1998, verwiesen, in der aromatische Ether in Gegenwart von metallionenausgetauschten Tonen mit Säureanhydriden mit mäßigen Ausbeuten acyliert werden. Nachteilig sind hierbei die mäßigen Umsätze bei geringen Raum-Zeit-Ausbeuten.
Es sei auf die US-PS 4,960,943 verwiesen, in der ein Verfahren zur Acylierung von Anisol mit Säureanhydriden in Gegenwart von Zeolith-Katalysatoren beschrieben wird. Nachteilig sind bei diesem Verfahren mäßige Ausbeuten und die Durchführung der Reaktion bei hohen Temperaturen und Drücken.
Es sei auf eine Veröffentlichung von Gaare et al., Journal of Molecular Catalysis, 109, 177, 1996, verwiesen, in der Anisol mit Acetylchlorid und Essigsäureanhydrid an modifizierten Zeolithen acyliert wird.
Es sei auf die US-PS 5,817,878 verwiesen, in der substituierte aromatische Ether, insbesondere Anisol, mit einem Acylierungsmittel in Gegenwart von Zeolith-Beta-Katalysator acyliert werden.
Es sei auf die US-PS 6,013,840 verwiesen, in der substituierte aromatische Ether, insbesondere Veratrol und Anisol, mit einem Acylierungsmittel in Gegenwart von Zeolith Y. dealuminiertem und metallausgetauschtem Zeolith Y und H⁺-Zeolith Beta als Katalysator acyliert werden.
Die obigen Erfindungen lieferten zwar eine gute Selektivität und Aktivität, aber der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Verringerung der Kapital- und Betriebskosten einen Katalysator mit verbesserter Aktivität und höheren Raum-Zeit-Ausbeuten zu entwickeln.
Aufgaben der Erfindung
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung von acylaromatischen Ethern, bei denen es sich um wichtige Zwischenprodukte für Arzneistoffe und Pharmazeutika handelt, bei dem man unter Verwendung eines nanokristallinen Zeoliths Beta mit einer Teilchengröße im Bereich von 10 nm bis 100 nm oder eines mikrokristallinen Zeoliths Beta mit einer Teilchengröße im Bereich von 1 μm bis 50 μm, wobei es sich bei dem Katalysator um wie bei der Synthese angefallenen Zeolith Beta oder mikronisierten, wie bei der Synthese angefallenen Zeolith Beta handelt, einen unter Anisol, Veratrol und Ethylphenylether ausgewählten aromatischen Ether in einem diskontinuierlich betriebenen Rührreaktor oder einem kontinuierlich betriebenen Festbettreaktor bei einer Temperatur im Bereich von 60–165°C über einen Zeitraum von 2–24 h mit einem unter C2-C8-Säureanhydriden ausgewählten Acylierungsmittel umsetzt und die acylaromatischen Ether nach einem herkömmlichen Verfahren abtrennt, was die oben erläuterten Nachteile beseitigt.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von acylaromatischen Ethern, das sicher und umweltfreundlich ist.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von acylaromatischen Ethern, bei dem die Verwendung von korrosiven und stöchiometrischen Mengen von Aluminiumchlorid entfällt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von acylaromatischen Ethern, bei dem die Ausbeuten quantitativ sind.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von acylaromatischen Ethern, bei dem die Reaktionen schneller ablaufen und von kürzerer Dauer sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines wirtschaftlichen Verfahrens zur Herstellung von acylaromatischen Ethern.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Verwendung von nano- und mikrokristallinem Zeolith Beta zwecks verbesserter Aktivität, wie durch höhere Raum-Zeit-Ausbeuten belegt wird.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Verwendung von nano- und mikrokristallinem Zeolith Beta zwecks höherer Raum-Zeit-Ausbeuten zur Verringerung der Kapitalinvestitionen um 20–30%.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der sowohl diskontinuierlich in einem Rührreaktor als auch kontinuierlich in einem Festbettreaktor betriebenen Acylierung.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Möglichkeit der kontinuierlichen Fahrweise in einem Festbettreaktor zur Einsparung der Zeit zum Beschicken des Reaktors mit den Reaktanten, zum Austragen der Reaktionsmischung aus dem Reaktor und zum Abfiltrieren des Katalysators.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Möglichkeit der kontinuierlichen Fahrweise in einem Festbettreaktor zur Verringerung von Kapital- sowie Betriebskosten.
Kurze Darstellung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Herstellung von acylaromatischen Ethern, die zur Verwendung als wichtige Zwischenprodukte für Arzneistoffe und Pharmazeutika geeignet sind, bei dem man unter Verwendung eines nanokristallinen Zeoliths Beta mit einer Teilchengröße im Bereich von 10 nm bis 100 nm oder eines mikrokristallinen Zeoliths Beta mit einer Teilchengröße im Bereich von 1 μm bis 50 μm, wobei es sich bei dem Katalysator um wie bei der Synthese angefallenen Zeolith Beta oder mikronisierten, wie bei der Synthese angefallenen Zeolith Beta handelt, einen unter Anisol, Veratrol und Ethylphenylether ausgewählten aromatischen Ether bei einer Temperatur im Bereich von 60–165°C über einen Zeitraum von 2–24 h mit einem unter C2-C8-Säureanhydriden ausgewählten Acylierungsmittel umsetzt und die acylaromatischen Ether nach einem herkömmlichen Verfahren abtrennt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wählt man die Acylierungsmittel aus der Essigsäureanhydrid bis Benzoesäureanhydrid enthaltenden Gruppe aus.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung führt man die Umsetzung in diskontinuierlicher Fahrweise bei einer Temperatur im Bereich von 80 bis 130°C über einen Zeitraum von 2–12 h durch.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung führt man die Acylierung sowohl diskontinuierlich in einem Rührreaktor als auch kontinuierlich in einem Festbettreaktor durch.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis von aromatischem Ether zu Acylierungsmittel 5:1 bis 1:5.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung beläuft sich das Gewicht des Katalysators auf 1 bis 50 Gew.-%, bezogen auf den aromatischen Ether.
Nähere Beschreibung der Erfindung
Die Neuheit der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung von nanokristallinem und mikrokristallinem Zeolith Beta für die Acylierung von aromatischen Ethern. Die Abnahme der Teilchengröße von Zeolith Beta erhöht die Dichte saurer Zentren und vergrößert die Oberfläche von Zeolithen, wobei es sich um essentielle Faktoren zur Erhöhung der Aktivität der Acylierungsreaktion handelt. Infolgedessen werden die Raum-Zeit-Ausbeuten fast verdreifacht. Dies zeigt sich im Versuchsteil beim Vergleich mit den unter Verwendung von mikrokristallinem und wie bei der Synthese angefallenem Zeolith Beta erhaltenen Ergebnisse. Letztendlich wird erwartet, daß die Kapitalinvestitionen für dieses Verfahren angesichts der höheren Raum-Zeit-Ausbeuten erheblich um 20–30% reduziert werden. Außerdem wird die Reaktion in der Flüssigphase in kontinuierlicher Fahrweise durchgeführt, indem man eine Mischung von Essigsäureanhydrid und aromatischen Ethern in ein mit mikrokristallinem Zeolith Beta in Granulatform gepacktes Festbett pumpt und die Reaktionsmischung kontinuierlich aus dem Reaktor abzieht. In diesem Fall wird eine um das Dreifache erhöhte Aktivität beobachtet. Dieser kontinuierliche Betrieb bietet eine weitere Verringerung der Kapitalinvestitionen und spart die Zeit zum Beschicken des Reaktors mit den Reaktanten zur Durchführung der Reaktion, zum Austragen der Reaktionsmischung und zum Abfiltrieren des Katalysators bei diskontinuierlicher Fahrweise. Dadurch werden sowohl Betriebs- als auch Kapitalkosten erheblich verringert.
Wissenschaftliche Erklärung:
Bei der vorliegenden Erfindung wurde erstmalig mikrokristalliner Zeolith Beta als fester Katalysator für die Acylierung von aromatischen Ethern mit C2-C8-Säureanhydriden, Essigsäure bis Benzoesäureanhydrid als Acylierungsmittel verwendet.
In dem nano- und mikrokristallinen Zeolith Beta erhöht sich die Dichte der sauren Zentren aufgrund der erhöhten Zahl gebrochener Kanten, die aus den gebrochenen Aluminiumsilikatringen resultiert. Die Oberfläche dieser Teilchen ist aufgrund der Verringe rung der Zeolithteilchengröße auch vergrößert. Die höhere Dichte saurer Zentren erhöht letztendlich die Zahl der bei der Reaktion bei der elektrophilen Substitution der Friedel-Crafts-Acylierung gebildeten Acylkationen und erhöht somit die Aktivität der Reaktion.
Nanokristalliner und mikrokristalliner Zeolith Beta wurden wie in Beispiel 1 hergestellt und bei der Acylierung von aromatischen Ethern mit Säureanhydriden als Acylierungsmittel wie in den Beispielen beschrieben eingesetzt.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, sind aber nicht als Einschränkung des Schutzbereichs der Erfindung zu verstehen.
Beispiel 1
Katalysatorherstellung
a) Zeolith Beta:
Es wurden Tetraethylorthosilicat und Aluminiumnitrat in entsprechenden Molverhältnissen zur Erzielung des gewünschten Si/Al-Verhältnisses von 5 bis 100 verwendet. Das Tetraethylorthosilicat wird mit Wasser versetzt und gerührt. Zu dieser Lösung wird unter Rühren über einen Tropftrichter mit Druckausgleich Aluminiumnitratnonahydrat in Tetraethylammoniumhydroxidlösung getropft. Danach wird die Lösung bei 50°C gehalten und später zum Kristallisieren in einem Autoklaven eine Woche bei 135°C gerührt. Dann wurde der kristalline Feststoff abfiltriert und an der Luft getrocknet. Der erhaltene Feststoff wurde bei 500°C calciniert.
b) Mikrokristalliner Zeolith Beta-I:
Bei diesem Verfahren verwendeter mikrokristalliner Zeolith Beta-I wurde mit Teilchengröße (1–10 μm, 95%) durch mechanisches Desintegrieren des wie oben beschrieben erhaltenen Zeoliths Beta oder nach dem folgenden Syntheseverfahren erhalten.
c) Mikrokristalliner Zeolith Beta-II:
Mikrokristalliner Zeolith Beta-II wurde mit der Teilchengröße (5–50 μm, 85%) durch Verkürzung der Alterungszeit auf 48 Stunden anstelle einer Woche bei der Synthese von Zeolith Beta nach der obigen Verfahrensweise in Beispiel 1a synthetisiert.
d) Nanokristalliner Zeolith Beta:
Nanokristalliner Zeolith Beta wurde mit der Teilchengröße (10 nm–100 nm,) aus der im ersten Schritt von Zeolith Beta (Beispiel 1a) hergestellten homogenisierten Lösung, die bei verschiedenen Kristallisationszeiten unter Rühren gehalten wird, durch Verkürzung der Alterungszeit zur Steuerung des Zeolithnukleierungswachstums während der Synthese synthetisiert. Dann wurde der Feststoff abzentrifugiert, mit destilliertem Wasser gewaschen und bei 100°C getrocknet.
Beispiel 2
In einem Rundkolben (1 Liter) wurde eine Mischung aus Anisol (1,5 mol), Essigsäureanhydrid (0,75 mol) und Zeolith Beta (Zeolith Beta, 20 g) unter Stickstoffatmosphäre bei 80°C gerührt. Nach Beendigung der Reaktion (Verfolgung mittels GC) wurde die Reaktionsmischung filtriert und destilliert, was das Produkt ergab. Ausbeute: 108,0 g
Beispiel 3
In einem Rundkolben (50 ml) wurde eine Mischung aus Anisol (50 mmol), Essigsäureanhydrid (10 mmol) und mikrokristallinem Zeolith Beta-I (0,25 g) unter Stickstoffatmosphäre bei 80°C gerüht. Nach Beendigung der Reaktion (Verfolgung mittels GC) wurde die Reaktionsmischung filtriert und destilliert, was das Produkt ergab.
Ausbeute: 1,47 g
Beispiel 4
In einem Rundkolben (50 ml) wurde eine Mischung aus Anisol (50 mmol), Essigsäureanhydrid (10 mmol) und mikrokristallinem Zeolith Beta-II (0,25 g) unter Stickstoffatmosphäre bei 80°C gerührt. Nach Beendigung der Reaktion (Verfolgung mittels GC) wurde die Reaktionsmischung filtriert und destilliert, was das Produkt ergab.
Ausbeute: 1,48 g
Beispiel 5
Eine Mischung aus Anisol und Essigsäureanhydrid (2:1-molare Lösung) wurde mit einer Strömungsrate von 3 ml/h von oben bei 90°C in ein gepacktes Bett mit dem mikrokristallinen Zeolith Beta-I (2 g) in einem Säulenreaktor gepumpt. Die Reaktion wird über einen Zeitraum von 100 Stunden kontinuierlich durchgeführt, und der zeitliche Verlauf des Umsatzes wurde durch Entnahme von Aliquots, die mittels Gaschromatogprahie (GC) analysiert wurden, verfolgt. Zur Ermittlung der Effizienz des Mikronisierungsverfahrens wurde außerdem die Acylierungsreaktion unter identischen Bedingungen mit wie bei der Synthese angefallenem und calciniertem Zeolith Beta (Zeolyst International und aus eigener Herstellung) durchgeführt. Der mikrokristalline Zeolith Beta war dreimal so aktiv wie die nicht mikronisierten Proben. Die Aktivität bleibt über 100 Stunden konstant.
Beispiel 6
In einem Rundkolben (50 ml) wurde eine Mischung aus Veratrol (20 mmol), Essigsäureanhydrid (10 mmol) und mikrokristallinem Zeolith Beta-I (0,25 g) unter Stickstoffatmosphäre bei 136°C gerührt. Nach Beendigung der Reaktion (Verfolgung mittels GC) wurde die Reaktionsmischung filtriert und destilliert, was das Produkt ergab. Ausbeute: 1,7 g
Beispiel 7
In einem Rundkolben (50 ml) wurde eine Mischung aus Anisol (50 mmol), Propionsäureanhydrid (10 mmol) und mikrokristallinem Zeolith Beta-I (0,25 g) unter Stickstoffatmosphäre bei 130°C gerührt. Nach Beendigung der Reaktion (Verfolgung mittels GC) wurde die Reaktionsmischung filtriert und destilliert, was das Produkt ergab.
Ausbeute: 1,58 g
Beispiel 8
In einem Rundkolben (50 ml) wurde eine Mischung aus Anisol (50 mmol), Buttersäureanhydrid (10 mmol) und mikrokristallinem Zeolith Beta-I (0,25 g) unter Stickstoffatmosphäre bei 130°C gerührt. Nach Beendigung der Reaktion (Verfolgung mittels GC) wurde die Reaktionsmischung filtriert und destilliert, was das Produkt ergab.
Ausbeute: 1,7 g
Beispiel 9
In einem Rundkolben (50 ml) wurde eine Mischung aus Anisol (40 mmol), Valeriansäureanhydrid (10 mmol) und mikrokristallinem Zeolith Beta-I (0,25 g) unter Stickstoffatmosphäre bei 130°C gerührt. Nach Beendigung der Reaktion (Verfolgung mittels GC) wurde die Reaktionsmischung filtriert und destilliert, was das Produkt ergab.
Ausbeute: 1,7 g
Beispiel 10
In einem Rundkolben (50 ml) wurde eine Mischung aus Anisol (50 mmol), Hexansäureanhydrid (10 mmol) und mikrokristallinem Zeolith Beta-I (0,25 g) unter Stickstoffatmosphäre bei 80°C gerührt. Nach Beendigung der Reaktion (Verfolgung mittels GC) wurde die Reaktionsmischung filtriert und destilliert, was das Produkt ergab.
Ausbeute: 1,5 g
Beispiel 11
In einem Rundkolben (50 ml) wurde eine Mischung aus Anisol (50 mmol), Benzoesäureanhydrid (10 mmol) und mikrokristallinem Zeolith Beta-I (0,25 g) unter Stickstoffatmosphäre bei 80°C gerührt. Nach Beendigung der Reaktion (Verfolgung mittels GC) wurde die Reaktionsmischung filtriert und destilliert, was das Produkt ergab.
Ausbeute: 1,48 g
Tabelle 1 Acylierung von Anisol mit Essigsäureanhydrid an Zeolith-Beta-Katalysatoren verschiedener Teilchengröße
Tabelle 2 Acylierung von Anisol und Veratrol mit verschiedenen Säureanhydriden an mikrokristallinem Zeolith Beta-I
Die Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung sind:

1. Ein neues und umweltfreundliches Verfahren zur Herstellung von acylaromatischen Ethern.
2. Das vorliegende Verfahren eliminiert die Verwendung von korrosiven und stöchiometrischen Mengen von Aluminiumchlorid.
3. Erstmalig wurden nanokristalliner und mikrokristalliner Zeolioth Beta als Katalysatoren für die Acylierung von aromatischen Ethern verwendet.
4. Die Selektivität und die Ausbeuten sind im Fall von Anisol quantitativ.
5. Die Reaktionen sind schneller bei kürzerer Dauer. Die Aufarbeitungsprozedur ist einfach.
6. Bei dem vorliegenden Verfahren wird kein Entsorgungsproblem vorausgesehen, da der Katalysator über mehrere Zyklen verwendet werden kann. Der Katalysator wurde 4mal recycliert und zeigte gleichbleibende Aktivität.
7. Das vorliegende Verfahren ist umweltverträglich, da es kein Entsorgungsproblem gibt.
8. Das Verfahren ist wirtschaftlich.
9. Die Produktivität (als Raum-Zeit-Ausbeuten) ist hoch.
10. Die Verwendung von nano- und mikrokristallinem Zeolith Beta hat die Raum-Zeit-Ausbeuten verdreifacht, was die Kapitalinvestitionen um 20–30% verringert.
11. Die Möglichkeit der kontinuierlichen Fahrweise in einem Festbettreaktor spart die Zeit zum Beschicken des Reaktors mit den Reaktanten, zum Austragen der Reaktionsmischung und zum Abfiltrieren des Katalysators.
12. Die Möglichkeit der kontinuierlichen Fahrweise in einem Festbettreaktor verringert sowohl Kapital- als auch Betriebskosten.

Claims

Verbessertes Verfahren zur Herstellung von acylaromatischen Ethern, die zur Verwendung als wichtige Zwischenprodukte für Arzneistoffe und Pharmazeutika geeignet sind, bei dem man unter Verwendung eines nanokristallinen Zeoliths Beta mit einer Teilchengröße im Bereich von 10 nm bis 100 nm oder eines mikrokristallinen Zeoliths Beta mit einer Teilchengröße im Bereich von 1 μm bis 50 μm, wobei es sich bei dem Katalysator um wie bei der Synthese angefallenen Zeolith Beta oder mikronisierten, wie bei der Synthese angefallenen Zeolith Beta handelt, einen unter Anisol, Veratrol und Ethylphenylether ausgewählten aromatischen Ether bei einer Temperatur im Bereich von 60–65°C über einen Zeitraum von 2–24 h mit einem unter C2-C8-Säureanhydriden ausgewählten Acylierungsmittel umsetzt und die acylaromatischen Ether nach einem herkömmlichen Verfahren abtrennt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man die Acylierungsmittel aus der Essigsäureanhydrid bis Benzoesäureanhydrid enthaltenden Gruppe auswählt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man die Umsetzung in einem diskontinuierlich betriebenen Rührreaktor oder einem kontinuierlich betriebenen Festbettreaktor durchführt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man die Umsetzung in diskontinuierlicher Fahrweise bei einer Temperatur im Bereich von 80 bis 100°C über einen Zeitraum von 2–12 h durchführt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verhältnis von aromatischem Ether zu Acylierungsmittel 5:1 bis 1:5 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Gewicht des Katalysators sich auf 1 bis 50 Gew.-%, bezogen auf den aromatischen Ether, beläuft.