DE68918351T2 - Verfahren zur Herstellung von N-substituiertem Monochlorosuccinimid. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von N-substituiertem Monochlorosuccinimid.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von N- substituierten Monochlorsuccinimiden.
  • N-substituierte Monochlorsuccinimide dienen als Zwischenprodukte für die Herstellung von Kunstharzen, Arzneimitteln und landwirtschaftlichen Chemikalien.
  • Das herkömmlicherweise bekannte Verfahren zur Herstellung von N- substituierten Monochlorsuccinimiden erfolgt durch Ringschluß und gleichzeitiger Chlorwasserstoff-Additionsreaktion einer entsprechenden Maleaminsäure unter Einsatz einer anorganischen Chlorverbindung, wie z.B. Phosphorpentachlorid und Thionylchlorid, oder einer organischen Chlorverbindung, wie z.B. Acetylchlorid. Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung von N-substituierten Monochlorsuccinimiden durch Umsetzung von Maleaminsäure mit Phosphorpentachlorid oder Thionylchlorid in Abwesenheit eines Lösungsmittels wurde in Journal of General Chemistry of USSR, 26, 211-225(1956) beschrieben.
  • Außerdem wurde über die Ergebnisse der Forschungen bezüglich des Reaktionsmechanismus von Maleaminsäure mit Thionylchlorid oder Acetylchlorid unter verschiedenen Reaktionsbedingungen in Journal of Organic Chemistry, 37, 4184- 4186(1972) berichtet.
  • Diese herkömmlicherweise bekannten Verfahren liefern die gewünschten Produkte nicht in hoher Ausbeute. Außerdem entwickelt Thionylchlorid toxisches Schwefeldioxidgas. Phosphorpentachlorid erzeugt Phosphoroxychlorid, das schwer abzutrennen oder zu entfernen ist. Folglich sind diese Verfahren zur industriellen Anwendung ungeeignet.
  • DE-A-2720311 offenbart die ringbildende Dehydratisierung von N- Methylmaleaminsäure mit HCl als Katalysator, über 50 h, zur Bildung von N-Methyl-α- chlorsuccinimid.
  • Fieser und Fieser, Reagents for Organic Synthesis (5) 532 (1975) offenbaren die Reaktion von Phosgen mit Carbonsäuren zur Bildung von Säurehalogeniden. Bekannte Katalysatoren schließen Imidazol ein.
  • Es wird gewünscht, ein gewerbliches bzw. industrielles Verfahren zur Herstellung von N-substituierten Monochlorsuccinimiden unter schonenden Bedingungen mit hoher Ausbeute bereitzustellen.
  • Die Autoren der vorliegenden Erfindung entdeckten, daß ein N-substituiertes Monochlorsuccinimid leicht mit fast theoretischer Ausbeute durch Umsetzung der entsprechenden Maleaminsäure mit Phosgen, das als Ergebnis der jüngsten Entwicklung in der Polyurethanindustrie in großem Maßstab hergestellt wird und kostengünstig erhältlich ist, in Gegenwart eines Katalysators hergestellt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines N- substituierten Monochlorsuccinimids der folgenden Formel (II) bereit:
  • worin n eine ganze Zahl von 1 oder 2 ist, und, wenn n 1 ist, Q Phenyl; ein substituiertes Phenyl, das in der o-, m- und/oder p-Position eine oder mehrere Gruppen ausgewählt aus Alkyl-, Methoxy-, Halogen- und Nitrogruppen aufweist; eine Alkylgruppe oder eine Cyklohexylgruppe ist; und, wenn n 2 ist, Q eine zweiwertige organische Gruppe ist, ausgewählt aus einer nichtsubstituierten Phenylengruppe, einer nichtsubstituierten Naphthylengruppe oder einer Diphenylgruppe der Formel (III) oder (IV):
  • worin X eine zweiwertige Brückengruppe ist, ausgewählt aus
  • welches das Umsetzen einer Maleaminsäure, die durch die Formel (I):
  • dargestellt ist, worin n und Q dieselben wie zuvor sind, mit Phosgen bei einer Reaktionstemperatur von 0 - 120ºC, in Gegenwart von 0,3 - 20 Mol-% pro Mol Maleaminsäure eines Katalysators, ausgewählt aus Imidazol, Dimethylformamid und N- Methyl-2-pyrrolidon, in einem Lösungsmittel, ausgewählt aus aromatischen Kohlenwasserstoffen und flüchtigen Estern, umfaßt.
  • Exemplarische Verbindungen für Formel (I), die für den Einsatz beim Verfahren dieser Erfindung geeignet sind, umfassen:
  • N-Phenylmaleaminsäure, N-Zyklohexylmaleaminsäure, N.N'-(4,4'-Diphenylmethan)- bis-maleaminsäure, N-p-Tolylmaleaminsäure, N-3,5-Dichlorphenylmaleaminsäure, N,N'-(4,4'-Diphenyläther)-bis-maleaminsäure, N,N'-(1,3-Phenylen)-bis-maleaminsäure, N,N'-(4,4'-Diphenylsulfon)-bis-maleaminsäure, N,N'-(4,4'-Diphenylthioäther)-bis- maleaminsäure, N,N'-(4,4'-Diphenylsulfid)-bis-maleaminsäure, N,N'-(3,3'- Benzophenon)-bis-maleaminsäure, N,N'-[p,p'-(2,2'-Diphenylpropan)]-bis- maleaminsäure, N,N'-(1,4-Naphthylen)-bis-maleaminsäure, N-Isobutylmaleaminsäure, N-(p-Dodecylphenyl)-maleaminsäure, N-(p-Nitrophenyl)-maleaminsäure und N-(2,6- Dimethylphenyl)-maleaminsäure.
  • Diese Verbindungen können nach bekannten Verfahren durch Umsetzung von Maleinsäureanhydrid mit einem Mono- oder Diamin der Formel:
  • Q-NH&sub2; oder H&sub2; N-Q-NH&sub2;
  • hergestellt werden, worin Q dieselbe Bedeutung wie in obenstehender Formel (I) besitzt.
  • Beispielsweise kann die Synthese von N-Phenylmaleaminsäurn durch Auflösen von Maleinsäureanhydrid in einem organischen Lösungsmittel, wie z.B. Toluol, gefolgt von Zugabe der Aminverbindung, z.B. Anilin, zur entstandenen Lösung durchgeführt werden. Es findet eine exotherme Reaktion statt, und die Kristalle der N- Phenylmaleaminsäure fallen aus. Die abgesonderten Kristalle können durch Filtration gewonnen werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Verbindung der Formel (I), wie vorstehend beschrieben, aus Maleinsäureanhydrid und dem ausgewählten Mono- oder Diamin in einem Reaktionslösungsmittel, das zur Verwendung beim Verfahren gemäß dieser Erfindung geeignet ist, hergestellt und darin, ohne Isolierung, als Ausgangsmaterial für das Verfahren gemäß dieser Erfindung eingesetzt.
  • Die Menge an beim Verfahren gemäß dieser Erfindung eingesetztem Phosgen kann etwas mehr als stöchiometrisch sein, d.h. mehr als 1 Mol pro Mol Maleaminsäure- Rohmaterial, falls in Formel (I) n = 1 ist, und etwas mehr als 2 Mol pro Mol Maleaminsäure-Rohmaterial, falls in Formel (I) n = 2 ist. Üblicherweise wird ein Überschuß von bis zu etwa 30% über der stöchiometrischen Menge eingesetzt.
  • Die Phosgenierungsreaktion kann bei Atmosphärendruck oder unter erhöhtem Druck und ebenso in Abwesenheit eines Lösungsmittels, falls die Verbindung der Formel (I) unter den Reaktionsbedingungen flüssig ist, durchgeführt werden.
  • Im allgemeinen erfolgt die Reaktion vorteilhafterweise unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels, das die Rohmaterialverbindungen auflösen kann und bei der Reaktion inert ist. Zur Verwendung beim Verfahren geeignete organische Lösungsmittel sind aromatische Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Benzol, Xylol, Toluol, Äthylbenzol und Isopropylbenzol; halogensubstituierte aromatische Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Chlorbenzol, Brombenzol und Dichlorbenzol; und Ester, wie z.B. Äthylacetat, Butylacetat, n-Propylacetat, n-Butylacetat, n-Amylacetat, Isoamylacetat und Methylpropionat.
  • Die Phosgenierungsreaktion beim Verfahren gemäß dieser Erfindung wird in Gegenwart eines Reaktionskatalysators, ausgewählt aus Imidazol, Dimethylformamid und N-Methyl-2-pyrrolidon, durchgeführt.
  • Die Menge an verwendetem Katalysator beträgt 0,3 - 20 Mol-% pro Mol Maleaminsäure, vorzugsweise 0,5 - 10 Mol-%, noch bevorzugter 1 - 5 Mol-%. Eine geringere Menge als 0,3 Mol-% führt zu einer langsamen Reaktionsgeschwindigkeit, und ein Teil der Maleaminsäure bleibt ohne Umsetzung. Eine höhere Menge als 20 Mol-% ist ebenso ungünstig, da eine als Nebenprodukt erzeugte, teerartige Substanz das Produkt verschlechtert, falls ein niedriges aliphatisches Amid, wie z.B. Dimethylformamid, als Katalysator verwendet wird.
  • Die Reaktionstemperatur beträgt üblicherweise 0 - 120ºC, vorzugsweise 20 - 80ºC. Reaktionstemperaturen unterhalb von 0ºC sind ungünstig, da die Reaktionsgeschwindigkeit gering ist und deshalb eine längere Zeitspanne bis zu vollständiger Reaktion benötigt wird.
  • Andererseits sind auch Temperaturen über 120ºC ungünstig, da Nebenreaktionen leicht auftreten und, als Folge der unzureichenden Wärmestabilität des Reaktionsprodukts bei diesen Temperaturen, Bildung von Polymer oder Teer vorkommt.
  • Nach vollständiger Reaktion wird wünschenswerterweise ein Inertgas, vorzugsweise Stickstoffgas, durch das Reaktionsgemisch geleitet, um Entgasen des nicht umgesetzten Phosgens zu bewirken. Das restliche Gemisch wird mit Wasser gewaschen, um den Phosgen-Katalysator-Komplex zu entfernen, und mit einem Dehydratisierungsmittel, wie z.B. wasserfreiem Natriumsulfat, getrocknet. Danach wird das Lösungsmittel abdestilliert und das gewünschte Produkt in hoher Ausbeute erhalten. Die so erhaltene Verbindung kann mittels üblicher Reinigungsverfahren, wie z.B. Destillation und Umkristallisation, gereinigt werden.
  • Es ist anzunehmen, daß der Fachmann ohne weitere Ausführungen unter Verwendung der vorangegangenen Beschreibung die vorliegende Erfindung voll ausschöpfen kann. Die folgenden, bevorzugten, spezifischen Ausführungsformen dienen deshalb nur veranschaulichenden Zwecken.
  • Im vorhergehenden und in den folgenden Beispielen werden alle Temperaturen unkorrigiert in ºC und, falls nicht anders angegeben, alle Anteile und Prozentsätze auf Gewicht bezogen angegeben.
  • Die Gesamttexte jeglicher hierin zitierter Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen sind durch Verweis aufgenommen.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend mittels Beispielen weiter im Detail veranschaulicht.
  • Beispiel 1
  • In einem 1 l Rundkolben mit Rührer, Rückflußkühler, Thermometer und einem Gaseinleitrohr wurden 69,3 g (0,71 Mol) Maleinsäureanhydrid und 520 g Toluol zur Bildung einer Lösung eingebracht. Zu dieser Lösung wurden innerhalb einer Stunde bei 10 - 50ºC 65,2g (0,70 Mol) Anilin zugegeben.
  • Nach weiterem einstündigem Rühren des Reaktionsgemisches bei gleicher Temperatur wurden 1,5 g (0,021 Mol) Dimethylformamid zugefügt und danach 76,7 g (0,77 Mol) Phosgen in das Reaktionsgemisch bei 45 - 50ºC 4 h lang eingeleitet, um Ringschluß und Additionsreaktion durchzuführen. Anschließend wurde zum Entgasen des Phosgens Stickstoffgas durch das Reaktionsgemisch geleitet. Danach wurden 50 ml Wasser zugegeben und gerührt, um das Reaktionsgemisch zu waschen, gefolgt vom Entfernen der abgesonderten Wasserschicht. Der Vorgang wurde zweimal wiederholt, um einen Dimethylformamid-Phosgen-Komplex zu entfernen. Das gewaschene Reaktionsgemisch wurde über wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet und das Lösungsmittel, Toluol, unter reduziertem Druck abdestilliert. Es wurden 151,6 g (97,0% der theoretischen Ausbeute) N-Phenylmonochlorsuccinimid mit einem Schmelzpunkt von 117-118ºC erhalten.
  • Beispiel 2
  • Unter Verwendung derselben Apparatur wie in Beispiel 1 beschrieben wurden 34,7 g (0,354 Mol) Maleinsäureanhydrid in 260 g Toluol aufgelöst und zu der entstandenen Lösung innerhalb einer halben Stunde bei 10 - 50ºC 34,7 g (0,350 Mol) Zyklohexylamin zugegeben. Nach halbstündigem Rühren des Reaktionsgemisches bei gleicher Temperatur wurden 1,27 g (0,0175 Mol) Dimethylformamid zugefügt und danach 38,1 g (0,385 Mol) Phosgen in das Reaktionsgemisch bei 35 - 40ºC 4 h lang eingeleitet. Nach Erhöhen der Temperatur auf 70 - 75ºC wurde zum Entgasen des Phosgens 2 h lang Stickstoffgas durch das Reaktionsgemisch geleitet und Wasser zugegeben, um das Reaktionsgemisch zu waschen. Das Reaktionsgemisch wurde getrocknet, das Lösungsmittel entfernt und der Rückstand bei 138-140ºC, 1-2 mmHg, vakuumdestilliert. Das so erhaltene N-Cyklohexylmonochlorsuccinimid (72,7 g, 96,6% der theoretischen Ausbeute) wies einen Schmelzpunkt von 63-64ºC auf.
  • Beispiel 3
  • Unter Verwendung derselben Apparatur wie in Beispiel 1 beschrieben wurden 29,7 g (0,303 Mol) Maleinsäureanhydrid in 180 ml Äthylacetat aufgelöst. Zu dieser Lösung wurde innerhalb einer halben Stunde bei 10 - 50ºC eine Lösung von 29,7 g (0,15 Mol) Bis-(4-aminophenyl)methan in 120 ml Äthylacetat zugegeben. Nach halbstündigem Rühren der Mischung bei gleicher Temperatur wurden 2,376 g (0,032 Mol) Dimethylformamid zugefügt und danach 38,1 g (0,385 Mol) Phosgen in das Reaktionsgemisch bei 45 - 50ºC 4 h lang eingeleitet, um Ringschluß und Additionsreaktion durchzuführen. Anschließend wurde zum Entgasen Stickstoffgas durch das Reaktionsgemisch geleitet und danach Wasser zugegeben, um das Reaktionsgemisch zu waschen. Das entstandene Reaktionsgemisch wurde getrocknet, eingeengt und kristallisiert. Das so erhaltene N,N'-(4,4'-Diphenylmethan)-bis- monochlorsuccinimid (63,0 g, 97,4% der theoretischen Ausbeute) wies einen Schmelzpunkt von 159-165ºC (Zers.) auf.
  • Beispiel 4
  • Es wurden dieselben Vorgehensweisen, wie in Beispiel 1 beschrieben, ausgeführt, außer daß 86,1 g (0,7 Mol) 4-Methoxyanilin statt 65,2 g (0,7 Mol) Anilin verwendet und die Reaktion 5 h lang bei 50-60ºC durchgeführt wurde. Das so erhaltene N-p-Methoxyphenylchlorsuccinimid (164,4 g, 96% der theoretischen Ausbeute) wies einen Schmelzpunkt von 142-143ºC auf.
  • Beispiel 5
  • Es wurden dieselben Vorgehensweisen, wie in Beispiel 1 beschrieben, ausgeführt, außer daß 37,4 g (0,35 Mol) m-Toluidin statt 65,2 g (0,70 Mol) Anilin und 1,5 g (0,021 Mol) Imidazol statt 1,27g (0,0175 Mol) Dimethylformamid verwendet und die Reaktion 5 h lang bei 60-70ºC durchgeführt wurde. Das so erhaltene N-m- Tolylchlorsuccinimid (76,9 g, 96,3% der theoretischen Ausbeute) wies einen Schmelzpunkt von 137-138ºC auf.
  • Beispiel 6
  • Es wurden dieselben Vorgehensweisen, wie in Beispiel 1 beschrieben, ausgeführt, außer daß 96,6 g (0,7 Mol) m-Nitroanilin statt 65,2 g (0,7 Mol) Anilin und 1,43 g (0,021 Mol) Imidazol statt 1,5 g (0,021 Mol) Dimethylformamid und Butylacetat als Lösungsmittel für die Reaktion verwendet wurden. Das so erhaltene N-m- Nitrophenylchlorsuccinimid (175,5 g, 96,5% der theoretischen Ausbeute) wies einen Schmelzpunkt von 145-146ºC auf.
  • Vergleichsbeispiel
  • In einen 500 ml Rundkolben mit Rührer, Rückflußkühler, Thermometer und einem Tropftrichter wurden 34,6 g (0,35 Mol) Maleinsäureanhydrid und 250 g Toluol, um eine Lösung herzustellen, eingebracht. Zu dieser Lösung wurden innerhalb einer Stunde bei 10 - 30ºC 32,6 g (0,35 Mol) Anilin zugetropft.
  • Nach halbstündigem Rühren des Gemisches bei gleicher Temperatur wurden 41,6 g (0,35 Mol) Thionylchlorid bei 20 - 30ºC zum Reaktionsgemisch zugetropft. Die Temperatur des Reaktionsgemisches wurde schrittweise erhöht und das Gemisch bei 50 - 70ºC weitergerührt, bis die Entwicklung von Chlorwasserstoff-Gas und Schwefeldioxid beendet war.
  • Die entstandene Lösung wurde mit einer verdünnten wässerigen Lösung von Natriumcarbonat gewaschen, über wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet und das Lösungsmittel unter reduziertem Druck abdestilliert. Die so erhaltenen gelben Kristalle von N-Phenylmonochlorsuccinimid (121,9 g, 79% der theoretischen Ausbeute) wiesen einen Schmelzpunkt von 115-117ºC auf.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines N-substituierten Monochlorsuccinimids der Formel:
worin n eine ganze Zahl von 1 oder 2 ist, und, wenn n 1 ist, Q Phenyl, ein substituiertes Phenyl, das in der o, m und/oder p Position eine oder mehrere Gruppen ausgewählt aus Alkyl-, Methoxy-, Halogen- und Nitrogruppen aufweist, eine Alkylgruppe oder eine Cyclohexylgruppe ist und, wenn n 2 ist, Q eine zweiwertige organische Gruppe ist, ausgewählt aus einer nicht substituierten Phenylengruppe, einer nicht substituierten Naphthylengruppe oder einer Diphenylgruppe der Formel III oder IV:
worin X eine zweiwertige Brückengruppe ausgewählt aus
ist, welches das Umsetzen einer Maleaminsäure, die durch die Formel:
dargestellt ist, worin n und Q die oben angeführte Bedeutung aufweisen, bei einer Reaktionstemperatur von 0 bis 120ºC mit Phosgen in Gegenwart von 0,3 bis 20 Mol-% pro Mol Maleaminsäure eines Katalysators, ausgewählt aus Imidazol, Dimethylformamid und N-Methyl-2-pyrrolidon, in einem Lösungsmittel ausgewählt aus aromatischen Kohlenwasserstoffen und flüchtigen Estern umfaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Maleaminsäure N-Phenylmaleaminsäure, N- Cyclohexylmaleaminsäure oder N.N'-(4,4'-Diphenylmethan)-bis-Maleaminsäure ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Reaktion bei einer Temperatur von 20 bis 80ºC durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Reaktion in Toluol oder Äthylacetat durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Ausgangs- Maleaminsäure durch Umsetzen von Maleinsäureanhydrid mit einem Monoamin oder Diamin der Formel
Q-NH&sub2; oder H&sub2;N-Q-NH&sub2;
worin Q wie in Anspruch 1 definiert ist, hergestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, worin die Ausgangsmaleaminsäure in einem Reaktionslösungsmittel hergestellt wird, das sich zur Verwendung bei der Herstellung des entsprechenden N-substituierten Monochlorsuccinimids eignet, und wobei sie ohne Abtrennung davon verwendet wird.
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