DE68917567T2

DE68917567T2 - Verfahren zur Herstellung von Difluorbenzolen mit elektronenabziehenden Substituenten.

Info

Publication number: DE68917567T2
Application number: DE1989617567
Authority: DE
Inventors: James A Gall; Jack C Little; R Garth Pews; Charles A Wilson
Original assignee: DowElanco LLC
Current assignee: Corteva Agriscience LLC
Priority date: 1988-11-28
Filing date: 1989-11-27
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2009-11-28
Also published as: CA2003919C; AU4557289A; DE68917567D1; CA2003919A1; BR8906227A; AU616326B2; EP0372621A1; JPH02218629A; JP2667720B2; FI92387C; EP0372621B1; FI895662A0; FI92387B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ringfluorierten Benzonitrilen und Benzotrifluoriden aus den entsprechenden ringchlorierten Benzonitrilen und Benzotrifluoriden. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von 3,4-Difluorbenzonitril und 3,4-Difluorbenzotrifluorid unter Verwendung von Kaliumfluorid (KF) als Fluorierungsmittel gerichtet.
Difluorbenzotrifluoride und Benzonitrile sind nützliche Zwischenprodukte bei der Herstellung von Herbiziden. Zum Beispiel offenbart US-Patent Nr. 4,642,338 die Verwendung von 3,4-Difluorbenzotrifluorid bei der Herstellung von Aryloxyphenoxyherbiziden, die grasige Unkräuter in Anwesenheit breitblättriger Nutzpflanzen bekämpfen. In ähnlicher Weise offenbart die europäische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 302,203, die Verwendung von 3,4- Difluorbenzonitril bei der Herstellung von Aryloxyphenoxyherbiziden, die grasige Unkräuter in der Anwesenheit breitblättriger Nutzpflanzen und in der Anwesenheit bestimmter Getreidekörner bekämpfen. Weiterhin können Benzonitrile und Benzotrifluoride durch wohlbekannte organische Reaktionen ineinander überführt werden:
Herkömmliche Verfahren zum Herstellen fluorierter aromatischer Verbindungen basieren vorwiegend auf Diazotierungswegen, die eine Anzahl von Schritten umfassen. In US-Patent 4,642,338 wurde 3,4-Difluorbenzotrifluorid beispielsweise hergestellt durch (a) Umsetzen von 4-Chlor-3-nitrobenzotrifluorid mit KF, (b) Reduzieren der Nitrogruppe zu einem Amin, (c) Diazotieren und Herstellen des Fluorboratsalzes und (d) Zersetzen zum gewünschten Produkt
Obwohl hochfluorierte aromatische Verbindungen aus perhalogenierten aromatischen Verbindungen oder perhalogenierten aromatischen Verbindungen, die einen oder mehrere Elektronen-abziehende Substituenten enthalten, durch die Wirkung von Alkalimetallfluoriden hergestellt werden können, wurde angenommen, daß diese Reaktion nur zum Herstellen vollständig halogenierter Verbindungen von präparativen Interesse wäre, und daß Reaktionen zwischen unvollständig halogenierten aromatischen Verbindungen und KF von zahlreichen Nebenreaktionen und schlechten Ausbeuten begleitet wären. (Siehe z.B. Yokobson et al. in Synthesis, 652, Oktober 1976).
Obwohl JP 59-139,329 die Herstellung von 4- Fluorbenzotrifluoriden aus den entsprechenden vier Halogenverbindungen mit KF in Dimethylsulfoxid und/oder Dimethylsulfon lehrt, tritt Fluoridaustausch in der 3-Position nicht auf. Obwohl US-Patent 4,229,365 zeigt, daß ein Austausch meta zu einer Nitro- oder Cyangruppe mit KF und CsF oder mit KF allein in der Anwesenheit von bestimmten N,N- disubstituierten carboxylsäureamiden, Nitrobenzolnitrilen oder aliphatischen Sulfonen oder Sulfoxiden als Lösungsmittel auftreten kann, sind die Ausbeuten sehr niedrig, kaum 10 Prozent überschreitend.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren gerichtet zum Herstellen eines 3,4-Difluor-substituierten Benzols der Formel
worin:
Z -CF3 oder -CN ist,
das gekennzeichnet ist durch Umsetzen eines 3,4-Dihalogensubstituierten Benzols der Formel
worin:
X -F oder -Cl ist, und
Z wie vorher definiert ist;
mit einer wirksamen Menge von KF in einem polaren aprotischen Lösungsmittel, ausgewählt aus N-Methylpyrrolidinon (NMP), N- Cyclohexylpyrrolidinon (NCHP), 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinon (DMI) und 1,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2-(1H)pyrimidon (DMTHP), wobei das Reaktionsmedium weniger als 500 Teile pro Million Wasser enthält, bei einer Temperatur von 220 bis 295ºC, und Gewinnen des 3,4-Difluor-substituierten Benzols aus dem Reaktionsgemisch.
Die Überführung eines 3,4-Dichlor-substituierten Benzols (I) in 3,4-Difluor-substituiertes Benzol (II) ist ein schrittweiser Prozeß, der das intermediäre Auftreten einer Verbindung, bei der ein einzelnes Fluor ausgetauscht wurde (III), umfaßt, entweder 3-Fluor-4-chlor-substituiertes Benzol und/oder 3-Chlor-3-fluor-substituiertes Benzol.
Gegebenenfalls kann die Reaktion in einer Weise durchgeführt werden, so daß das singulär fluor-getauschte Fluorchlorsubstituierte Benzol als das Hauptprodukt erhalten wird.
KF, das in der vorliegenden Reaktion verwendete Fluorierungsmittel, ist handelsüblich. Weitgehend wasserfreies und feinverteiltes KF ist bevorzugt. Amorphe oder sprühgetrocknete Formen sind besonders bevorzugt. Weitgehend wasserfreies KF kann beispielsweise durch Trocknen in vacuo bei 140 bis 250ºC für mehrere Stunden hergestellt werden.
3,4-Dichlorbenzotrifluorid und 3,4-Dichlorbenzonitril sind ebenso handelsübliche Verbindungen.
Im vorliegenden Verfahren werden cyclische Carboxamid- oder Harnstoffverdünnungen als das Reaktionsmedium verwendet. Diese umfassen N-Methylpyrrolidon (NMP), N-Cyclohexylpyrrolidinon (NCHP), 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinon (DMI) und 1,3-Dimethyl- 3,4,5,6-tetrahydro-2-(1H)-pyrimidon (DMTHP).
Gegebenenfalls kann die Reaktion durchgeführt werden in der Anwesenheit eines
(a) Säureabfängers, wie etwa eines Alkalimetallcarbonats und/oder
(b) eines Phasentransferkatalysators.
Die vorliegende Reaktion wird unter weitgehend wasserfreien Bedingungen bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Bevorzugte Temperaturbereiche für 3,4-Difluorbenzotrifluorid sind von 240 bis 295ºC. Bevorzugte Temperaturbereiche für 3,4- Difluorbenzonitril sind von 220 bis 275ºC.
Üblicherweise werden Drucke von Atmosphärendruck bis Überdruck verwendet.
Obwohl es möglich ist bei Atmosphärendruck zu arbeiten, ist es manchmal vorteilhaft, bei dem autogenen Druck zu arbeiten, der vom Verdünnungsmittel, Ausgangsmaterial und Produkt in einem geschlossenen Reaktor bei den bevorzugten Reaktionstemperaturen erzeugt wird. Solche Drucke liegen üblicherweise im Bereich von geringfügig über Atmosphärendruck bis 500 Pfund pro Square Inch (psi) [3450 Kilopascal (kPA)] und hängen vom Volumen des Reaktors ab. Gegebenenfalls kann die Reaktion unter Druck durchgeführt werden in einem geeignet ausgelegten Reaktor, der mit einer Destillationssäule ausgestattet ist, so daß das Produkt in dem Maße wie es gebildet wird, entfernt werden kann.
Wasser ist für die Reaktion schädlich und weitgehend wasserfreie Reaktionsbedingungen sind bevorzugt. Unter weitgehend wasserfrei wird verstanden, daß das Reaktionsmedium weniger als etwa 500 Teile pro Million (ppm) Wasser enthält. Vorzugsweise enthält das Reaktionsmedium weniger als etwa 150 ppm Wasser. Weitgehend wasserfreie Bedingungen können erreicht werden durch Anwenden von Standardtrocknungsverfahren. Ein typischer Laborreaktor kann beispielsweise durch Destillieren des cyclischen Carboxamid- oder Harnstofflösungsmittels unter einem Vakuum vor Zugabe der Reaktanten getrocknet werden. Gegebenenfalls kann eine geringe Menge (5 bis 10 Gewichtsprozent des cyclischen Carboxamid oder Harnstofflösungsmittels) eines nicht-polaren Lösungsmittels, wie etwa ein aromatischer Kohlenwasserstoff (Toluol, Xylol, etc.) zu dem cyclischen Carboxamid oder Harnstofflösungsmittel zugegeben werden, um das Entfernen von Wasser durch azeotrope Destillation zu unterstützen. Restwasser im Reaktorsystem wird ebenso häufig durch azeotrope Destillation entfernt.
Die Menge Lösungsmittel ist nicht kritisch aber es ist vorteilhaft, genügend Lösungsmittel zu verwenden um das Ausgangsmaterial bei Reaktionstemperaturen in Lösung zu halten, im allgemeinen von 2 bis 25 Gewichtsteile des Lösungsmittels pro Gewichtsteil des Ausgangsmaterials substituiertes Benzol. Die relativen Verhältnisse der zu verwendenden Reaktanten sind nicht kritisch, da etwas Produkt gebildet wird, wenn ein beliebiges Verhältnis von Reaktanten verwendet wird. Die Reaktion verbraucht jedoch die Reaktanten im Verhältnis 1 Mol Fluorierungsmittel pro Mol austauschbare im Ausgangsmaterial vorhandene Chloratome. Beispielsweise werden mit 3,4-Dichlorbenzonitril als Ausgangsmaterial 2 Moläquivalente KF pro Mol Ausgangsmaterial verbraucht. Üblicherweise werden 1,0 bis 3,0 Mol KF pro Mol austauschbares Chlor im Ausgangsmaterial angewendet.
Die vorliegende Reaktion wird typischerweise in Anwesenheit einer ausreichenden Bewegung durchgeführt, um eine weitgehend gleichmäßige Dispersion der Reaktanten im Lösungsmittel aufrechtzuerhalten.
Gegebenenfalls werden Katalysatoren verwendet, um die Reaktionsrate zu erhöhen. Geeignete Katalysatoren umfassen Phasentransferkatalysatoren. Der Katalysator wird dem vorliegenden Reaktionsgemisch in einer Menge von 0,0001 bis 0,1 Mol pro Mol Ausgangsmaterial zugegeben. Vorteilhafterweise werden 0,001 bis 0,075 Moläquivalente und bevorzugt 0,01 bis 0,05 Moläquivalente Katalysator verwendet.
Phasentransferkatalysatoren sind wohlbekannte Verbindungen und umfassen (a) quaternäre Phosphoniumsalze, die 10 oder mehr Kohlenstoffatome enthalten und (b) makrocyclische Polyether, die allgemein als Kronenether bekannt sind. Geeignete Kronenetherkatalysatoren umfassen 18-Krone-6; Dicyclohexano- 18-Krone-6; Dibenzo-18-Krone-6; 15-Krone-5. Eine verwandte Katalysatorsubstanz Tris(3,6-dioxa-heptyl)-amin, ist ebenso wirkungsvoll. Geeignete quaternäre Phosphoniumsalze umfassen die Tetra-n-alkylphosphoniumsalze. Das Anion der Phosphoniumsalze ist F , welches von jedem Anion abstammen kann, das unter den Reaktionsbedingungen leicht zu F umsetzt, wie beispielsweise Cl , Br , I , OH oder OAc .
Gegebenenfalls werden in der vorliegenden Reaktion Säureabfänger verwendet, um Spuren von HCl oder HF zu verbrauchen oder zu inaktivieren, die anwesend sein oder während der Reaktion gebildet werden können. Geeignete Säureabfänger umfassen Alkalimetallcarbonate, wie etwa wasserfreies K&sub2;CO&sub3; und wasserfreies Na&sub2;CO&sub3;. Ein bevorzugter Säureabfänger ist wasserfreies K&sub2;CO&sub3;. Die Säureabfänger werden dem vorliegenden Reaktionsgemisch in einer Menge von 0,001 bis 0,1 Mol pro Mol Benzonitril oder Benzotrifluoridausgangsmaterial zugegeben. Vorzugsweise werden 0,03 bis 0,05 Moläquivalente verwendet.
Das 3,4-Difluorbenzonitril oder 3,4-Difluorbenzotrifluorid kann aus dem Reaktionsgemisch durch herkömmliche Verfahren, wie etwa Extraktion und/oder Destillation gewonnen werden. Vorzugsweise wird das Produkt aus dem Reaktionsgemisch in dem Maße entfernt wie es gebildet wird. Gegebenenfalls kann die Reaktantenverbindung in dem Maße zugeführt werden, wie das Produkt entfernt wird.
Das Produkt kann von Ausgangsmaterial und/oder intermediär auftretenden Fluorchlor-substituierten Benzolen durch fraktionierte Destillation abgetrennt werden.
Bei Ausführen der vorliegenden Reaktion ist weder die Rate noch die Reihenfolge der Zugabe der Reaktanten kritisch. Üblicherweise werden das Lösungsmittel und das Fluorierungsmittel in ein geeignetes Reaktionsgefäß gegeben und die Reaktion wird durch Destillieren einer geringen Menge des Lösungsmittels getrocknet. Dann wird das Ausgangsmaterial oder die Vorläuferverbindung in das Reaktionsgefäß gegeben. Das Gemisch wird dann auf eine Temperatur erhitzt, die hoch genug ist, um eine zufriedenstellende Reaktionsrate aufrechtzuerhalten. Das Produkt kann nach Beendigung der Reaktion aus dem Reaktionsgemisch durch Extraktion und/oder Destillation gewonnen werden. Alternativ dazu kann das Produkt aus dem Reaktionsgemisch durch fraktionierte Destillation in dem Naße wie es gebildet wird, entfernt werden. Wenn ein Säureabfänger ein nicht-polares Lösungsmittel oder Katalysator in der Reaktion verwendet wird, dann werden sie vorteilhaft vor dem Trocknen des Reaktionsgefäßes dem Lösungsmittel/Fluorierungsmittelgemisch zugesetzt.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen das Verfahren der vorliegenden Erfindung.
In den folgenden Beispielen wurden die Fluorierungsmittel mindestens 24 Stunden (h) in einem Vakuumofen bei 150ºC getrocknet. Lösungsmittel wurden durch Destillation über Calciumhydrid getrocknet. Weiterhin werden die folgenden Begriffe verwendet:
DCBCN = 3,4-Dichlorbenzonitril
DFBCN = 3,4-Difluorbenzonitril
FCBCN = Fluorchlorbenzonitril
NMP = N-Methylpyrrolidinon
DMI = 1,3-Dimethyl-2-imidazolinon, und
DMTHP = 1,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2-(1H)- pyrimidon.

Beispiel 1

Ein 600 Milliliter (ml) Hastelloy C Druckreaktor wurde mit 28,35 Gramm (g) KF, 150 ml NMP, 20,5 g DCBCN und 10,06 g Naphthalin (interner Standard) beladen. Der Reaktor wurde verschlossen und druckgeprüft. Das Reaktionsgemisch wurde 40 Stunden bei 235ºC gerührt. Nach Kühlen und Belüften des Reaktors wurde das Reaktionsgemisch durch Gaschromatographie untersucht. Die Analyse zeigte eine 21 Prozent Ausbeute DFBCN.

Beispiel 2

Ein 300 ml Druckreaktor aus rostfreiem Stahl wurde mit 34,8 g (0,6 Mol) KF, 120 ml DMI und 34,8 g (0,2 Mol) DCBCN beladen. Der Reaktor wurde verschlossen und druckgeprüft. Das Reaktionsgemisch wurde 24 Stunden bei 250ºC gerührt. Nach Kühlen und Belüften wurde das Produkt durch Extraktion mit Ethylacetat isoliert. Eine gaschromatographische Analyse des Extrakts unter Zusatz von Biphenyl zum Extrakt als einen internen Standard zeigte eine 14 Prozent Ausbeute FCBCN und eine 46 Prozent Ausbeute DFBCN.

Beispiel 3

Ein 250 ml Rundkolben wurde mit einer konzentrischen Röhrendestillationssäule, Thermometer, Magnetrührer und einem Destillationskopf mit einem Stickstoffeinlaß ausgestattet. Die Destillationssäule und der -kopf wurden mit Isolierband umwickelt und auf 160 bzw. 130ºC geregelt. Der Kolben wurde mit 34,8 g (0,6 Mol) KF, 120 ml DMTHP und 34 g (0,2 Mol) DCBCN beladen. Das Reaktionsgemisch wurde unter Rühren 23 h bei 240ºC erhitzt und 8,71 g Destillat wurden gesammelt. Die Temperatur wurde weitere 2 1/4 h auf 245ºC erhöht und zusätzliches Destillat wurde gesammelt. Analyse der vereinigten Destillate zeigte eine 26 Prozent Ausbeute FCBCN und eine 39 Prozent Ausbeute DFBCN.

Beispiel 4

Lösungsmittel DMI (300 ml) und KF (70 g; 1,2 Mol) wurden in einen 500 ml Glasvierhalsrundkolben gegeben. Der Kolben wurde mit einer Oldershaw Säule mit 15 Böden, einem mechanischen Rührer, Thermometerschacht und Pulverzugabetrichter ausgestattet. N&sub2; wurde durch den Kolben und das Destillationssystem gespült. Der Mantel des Destillationssystems wurde evakuiert. Das System wurde unter einem Vakuum von 100 mm Hg (13,3 Kilopascal) getrocknet und die Topftemperatur war 160ºC. Etwa 25 ml DMI und Wasser wurden entfernt. Das Vakuum wurde abgesetzt, die N&sub2;-Spülung und der Pulverzugabetrichter wurden installiert und die Reaktortemperatur wurde auf 220ºC erhöht. Das Ausgangsmaterial DCBCN (62 g; 0,36 Mol) wurde langsam zugefügt, um eine Konzentration von DCBCN und FCBCN bei ungefähr 5 Prozent aufrechtzuerhalten. Das Produkt DFBCN wurde nach oben abdestilliert. Das Destillat war 140 g DMI und DFBCN. Gaschromatographische Analyse des Destillats zeigt, daß DFBCN zu 25 Prozent, 35 g vorhanden war (70 Prozent Ausbeute). Das FCBCN Intermediat betrug 1 Prozent, 1,4 g. Das Destillat wurde redestilliert, wobei 14 g reines DFBCN erhalten wurden.

Beispiel 5

Lösungsmittel DMI (300 ml) und KF (70 g; 1,2 Mol) wurden in einen 500 ml Glasvierhalsrundkolben gegeben. Der Kolben wurde mit einer Oldershaw Säule mit 15 Böden, einem mechanischen Rührer, einem Thermometerschacht und einem Pulverzugabetrichter ausgestattet. N&sub2; wurde durch den Kolben und das Destillationssystem gespült. Der Mantel des Destillationssystems wurde evakuiert. Das System wurde unter einem Vakuum von 100 mm Hg (13,3 Kilopascal) getrocknet und die Topftemperatur betrug 160ºC. Eine Gesamtmenge von 25 ml DMI und Wasser wurden entfernt. Das Vakuum wurde abgesetzt, die N&sub2;-Spülung und der Pulverzugabetrichter wurden installiert. Die Reaktortemperatur wurde auf 227ºC erhöht. Das Ausgangsmaterial DCBCN (62 g; 0,36 Mol) wurde langsam zugegeben, um eine Konzentration von Ausgangsmaterial und Intermediat bei etwa 10 Prozent aufrechtzuerhalten. Das Produkt DFBCN wurde nach oben abdestilliert. Das Destillat, Charge #1, war 25,8 g, enthaltend 83 Prozent, 21,4 g DFBCN. Charge #2 war 52,6 g DMI und DFBCN 65 Prozent, 34 g; Gesamtmole DFBCN betrugen (0,3999 m) 80,0 Prozent. Das FCBCN Intermediat betrug 4,2 g (0,027 m) 5,4 %.

Beispiel 6

Eine Reihe von Experimenten wurde unter Druck in entweder einem 300 ml oder 600 ml Hastelloy "C" Druckreaktor durchgeführt. Die Fluorierungsmittel wurden mindestens 24 h in einem Vakuumofen bei 150ºC getrocknet. Lösungsmittel wurden durch Destillation über Calciumhydrid getrocknet. Das Ausgangsmaterial, Fluorierungsmittel und Verdünnungsmittel wurden zusammen mit einer bekannten Menge 1,3-Diethylbenzol, die als interner Standard diente, in den Druckreaktor eingebracht. Der Reaktor wurde verschlossen und druckgeprüft. Nach den angegebenen Zeiten und Temperaturen wurde der Reaktor gekühlt und belüftet und das Reaktionsgemisch wurde durch Gaschromatographie analysiert. Die experimentellen Bedingungen und die Ergebnisse dieser Experimente sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Tabelle 1 Fluorid-Austauch an 3,4-Dichlorbenzotrifluorid Bsp. Nr. Temp. ºC Zeit h Material-Bilanz Lösungsmittel Mol I übrig ml Lösungsmittel Tabelle 1 (fortgesetzt) Fluorid-Austauch an 3,4-Dichlorbenzotrifluorid Bsp. Nr. Temp. ºC Zeit h Material-Bilanz Lösungsmittel Mol I übrig ml Lösungsmittel Tabelle 1 (fortgesetzt) Fluorid-Austauch an 3,4-Dichlorbenzotrifluorid Bsp. Nr. Temp. ºC Zeit h Material-Bilanz Lösungsmittel Mol I übrig ml Lösungsmittel

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines 3,4-Difluorsubstituierten Benzols der Formel

worin:

Z -CF&sub3; oder -CN ist,

welches gekennzeichnet ist durch Umsetzen eines 3,4-Dihalogensubstituierten Benzols der Formel

worin:

X -F oder -Cl ist; und

Z wie vorher definiert ist;

mit einer wirksamen Menge KF in einem polaren aprotischen Lösungsmittel, ausgewählt aus N-Methylpyrrolidinon, N- Cyclohexylpyrrolidinon, 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinon und 1,3- Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2-(1H)-pyrimidon, wobei das Reaktionsmedium weniger als 500 Teile pro Million Wasser enthält, bei einer Temperatur von 220 bis 295ºC, und Gewinnen des 3,4-Difluor-substituierten Benzols aus dem Reaktionsgemisch.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei X -Cl ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Z -CN ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Z -CF&sub3; ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Temperatur von 220 bis 275ºC beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Temperatur von 240 bis 295ºC beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das polare aprotische Lösungsmittel N- Methylpyrrolidinon, 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinon oder 1,3- Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2-(1H)-pyrimidon ist.

8. Verfahren nach Anspruch 5,6 oder 7, wobei 1,0 bis 3,0 Moläquivalente KF pro austauschbares -Cl-Atom verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reaktion in Anwesenheit eines Phasentransferkatalysators oder eines Säureabfängers durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reaktion bei dem von dem Reaktionsgemisch in einem geschlossenen Reaktor erzeugten autogenen Druck durchgeführt wird.