DE691970C

DE691970C - Verfahren zur Darstellung oxalkylierter Abkoemmlinge von Stickstoffbasen

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Publication number: DE691970C
Application number: DE1934A0074718
Authority: DE
Original assignee: IG Farbenindustrie AG
Current assignee: IG Farbenindustrie AG
Priority date: 1934-12-01
Filing date: 1934-12-01
Publication date: 1940-06-12

Description

Verfahren zur Darstellung oxalkylierter Abkömmlinge von Stickstoffbasen Die Darstellung von Aminoalkylestern anorganischer Säuren, insbesondere der Halogenwasserstoffsäuren,. :durch Einwirkung von Estern alkylierender Funktion mit zwei oder mehr umsetzungsfähigen Gruppen auf Stickstoffbasen verläuft oftmals in unbefriedigender' Weise, weil in stark alkalischem Medium bzw. bei höher Konzentration von freiem Amin Gelegenheit zu Nebenreaktionen,namentlich Verkettungsr eaktionen in verschiedener Richtung, gegeben ist. Dies trifft besonders zu für die Umsetzungen von Epihalogenhydrinen oder ähnlichen Stoffen, die neben einem Alkylenoxydrest noch andere mit Aminen umsetzbare Grüppen enthalten, mit Ammoniak, Aminen oder Aminderivaten und besonders Polyaminen, welche ein oder mehrere ersetzbare Wasserstoffatome am basischen Stickstoff tragen. Beim Zusammengeben der Komponenten in molekularen Verhältnissen in Wasser oder organischen. Lösungsmitteln, wie Alkohol, verlaufen solche Umsetzungen gewöhnlich uneinheitlich. Meist entstehen schwer oder nicht trennbare Gemische verschiedener Verkettungsprodukte, die sehr große Unterschiede im Molekulargewicht aufweisen können. In der Regel enthalten diese Produkte die gewünschte umsetzungsfähige Gruppe nur noch in verhältnismäßig untergeordneter Mengte. Auch wenn z. B. bei der Herstellung von Textilhilfsmitteln die Einheitlichkeit an sich nicht notweindig ist, kann die Gegenwart von Verbindungen mit höherem Kondensationsgrad sehr nachteilig sein. Wenn es auch laboratoriumsmäßig in manchen Fällen gelingt, durch Einhaltung bestimmter eng begrenzter Bedingungen einen verhältnismäßig einheitlichen Um@setzungsverlauf zu erzielen, so stößt doch in der Regel die Gewinnung und Aufarbeitung der Stoffe im ;großen auf erhebliche Schwierigkeiten, da die alkalischen Lösungen raschen Veränderungen unterliegen.
Eswurde nungefunden, daß,dieUmsetzung@en zwischen Aminen. und Estern anorganischer oder organisch substituierter anorganischer Säuren mit Alkylenoxydgruppen enthaltenden Oxyverbindungen unter sehr milden Bedingungen wesentlich. glatter und viel einheitlicher verlaufen und zur Bildung technisch wertvoller, sehr reaktionsfähiger Stoffe führen, wenn man an Stelle von freiem Ammoniak oder freien, stark basischen Aminen deren. Salze mit anorganischen. oder organischen Säuren zur Umsetzung verwendet, ohne diese durch Zugabe von Alkalien während der Reaktion oder .der Aufarbeitung zu zerlegen, solange nicht vollständige Substitution eingetreten ist. Bei der Einwirkung der Alkylenoxyde auf die Salze unter Freimachung einer geringen Menge Amin kommt es zur Ausbildung eines Gleichgewichtszustandes, so daß ein sehr großer Überschuß an Alkylenoxyd einer geringen Menge freien Amins gegenübersteht. Unter diesen Umständen treten die sonst nicht oder nur schwer vermeidlichen Nebenreaktionen sehr zurück und können sogar ganz ausbleiben.
Starke Basen, die für das Verfahren -in Betracht kommen, sind solche, welche gegebenenfalls nach Neutralisation vorhandener saurer Gruppen in wäßriger Lösung gegen Lakmus ausgesprochen alkalisch reagieren. Bei sehr schwachen Basen, speziell den aromatischen Basen, ist -der Reaktionsverlauf nicht immer einheitlich; insbesondere verhalten sich die Hydrochloride abweichend, da sie sofort unter Freilegung der gesamten Basenmenge gespalten werden (vgl. hierzu Strukow, Chem. Zentralblatt z935, I. S. 28o6). Die aromatischen Amine und ähnliche schwache Basen kommen deshalb für das Verfahren nicht in Betracht. Die neueArbeitsweise ist nicht auf Ammoniak und dessen einfache Substitutionsprodukte, z. B. -primäre, sekundäre oder tertiäre Amine, beschränkt, sondern gelingt .auch ebensogut mit. Polyaminen und beliebigen Aminov erbindungen, wie Aminoalkoholen, Aminosäuren, Peptiden, heterocyclischen Stickstoffbasen. Auch Basen, die sich von den Amiden der Kohlensäure ableiten, wie Guanidine und deren Derivate, sind im Sinne der Erfindung reaktionsfähig. Beson-" ders wertvolle Produkte erhält man ausgehend von Aminen und Aminderivaten mrt höherinolekularen Resten mit mehr als 6 C-Atomen, wie Dodecylamin, Dodecyldiäthylentriamin, ß-Aininoäthyloleylamid, den Aminierungsprodukten gechlorter höherer Paraffine u. a. m.
Als Lösungsmittel für -diese Salze kommt in erster Linie Wasser in Betracht. Es kann aber gegebenenfalls auch in organischen Lösungsmitteln; z. B. in Alkohol, Dioxan, Essigester, Aceton, Chloroform oder in Gemischen von organischen Lösungsmitteln mit Wasser, gearbeitet werden. Gewöhnlich tritt die Umsetzung schon ohne Wärmezufuhr beim Schütteln oder Verrühren der wäßrigen Lösungen mit den Alkylenoxyden ein. In anderen Fällen ist eine Temperatursteigerung auf z. B. qo bis 5o° am Platze. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, daß mit steigender Temperatur auch die Hydrolyse der Alkylenoxyde beschleunigt wird, so daß ein mehr oder weniger großer Überschuß der Alky lenoxy dverbindung erforderlich sein kann, wenn man eine möglichst weitgehende Substitution erreichen will. Höhere Temperaturen sind bei Verwendung in Wasser schwerlöslicher Alkylenoxyde auch dann angezeigt, wenn verhältnismäßig konzentrierte wäßrige Salzlösungen angewandt werden, in denen die Löslichkeit der Oxyde noch herabgesetzt ist. In organischen Lösungsmitteln, in denen die Hydrolyse praktisch nicht in Erscheinung tritt, kann natürlich ohne weiteres bei höheren Temperaturen .gearbeitet werden.
Der Umsetzungsverlauf führt besonders in wäßrigem Medium bis zu den quaternären Salzen. Diese entstehen, wenn sie stabil sind, fast ausschließlich, sofern eine genügende Menge anAlkylenoxyd vorhanden ist. Quaternäre Salze entstehen auch, wenn von tertiären Aminen ausgegangen wird. Aus Gemischen, welche noch primäre und sekundäre Basen enthalten, können diese, falls erforderlich, nach bekannten '-Methoden, z. B. durch Nitrosierung oder durch Acylierung mit Hilfe von z. B. Essigsäureanhydrid, p-Toluolst.lfochlorid oder Phenylisocyanat, abgetrennt werden.
Beim Arbeiten mit in Wasser bzw. wäßrigen Salzlösungen schwerlöslichen Alkylenoxyden in größerem Maßstab `empfiehlt sich ein Zusatz von Emul.gierungsmitteln, z. B. den Kondensationsprodukten aus Fettalkoholen und Polyglykolen, sulfopalmitinsaurem Natrium, isobutylnaphthalinsulfosaurem Natrium, Ölsäure- u)-diäthylaminoä thylamidhydrochlorid und bzw. oder von Schutzkolloiden, wie Oxyäthylcellulose oder Gummiarabikum. Man kaim .auch, um die Dispergi.erung zu erleichtern, die Epihalogenhydrine mit einem indifferenten organischen Lösungsmittel von niedrigem spezifischem Gewicht, z. B. mit Benzol oder Methylal, verdünnen.
Die Anionen der Aminsalze können zwar an sich beliebig gewählt werden, man wird aber von vornherein diejenigen vorziehen, welche sehr leicht lösliche Salze ergeben, besonders wenn die Umsetzungsprodukte bzw. die entsprechenden freien Basen in Wasser nicht unlöslich sind und nach Beendigung-der Reaktion, z. B. mit Kaliumcarbonat, abgeschieden werden sollen. Besonders vorteilhaft sind die Salze der Halogenwasserstoff säuren., da die Anionen dieser Säuren die Umsetzung energisch beschleunigen. Die Gegenwart von Halogenionen kann für den praktischen Erfolg sogar ausschlaggebend sein.. Es ist auch möglich, ein Gemisch von Salzen mit verschiedenen Anionen zu benutzen oder zu einem Salz mit beliebigem, nicht der Gruppe der Halogenwasserstoffsäuren zugehörigem Anion irgendein Salz dieser Säuren zuzusetzen, um die katalytische Wirkung dieser Ionen zu erhalten. Die Anicsnen können auch ausschließlich oder anteilig kapillaraktiven oder hydrotropen Charakter tragen, wodurch die Dispergierung oder Lösung der Oxyde erleichtert wird. Zu nennen sind hier die Anionen der höheren Alkylschwefelsäuren, der Alkylnaphthalinsulfosäuren und der Tetrahydronaphthalinsulfosäuren. Die Umsetzungen verlaufen auch rascher, wenn die Basen nicht ganz neutralisiert sind oder wenn stark dissoziierte Salze mit schwachen Säuren, z. B. Essigsäure, Oleinsäure, vorliegen. Man kann auch der Lösung eines Salzes eine kleine Menge einer selbst nicht chemisch an der Umsetzung beteiligten Base zufügen. Das Eintreten der Umsetzung ist jedoch nicht an eine alkalische Reaktion des Mediums gebunden. Sie kann auch in Gegenwart überschüssiger Säure, z. B. Salzsäure, begonnen werden. In dieseni Falle wird zunächst die Säure durch das Alkylenoxyd gebunden, bis im schwach alkalischen Gebiet das Gleichgewicht eingetreten ist. Die Gleichgewichtsreaktion bleibt dann gewöhnlich konstant bis gegen Ende der Umsetzung.
Falls etwa in den Umsetzungserzeugnissen vorhandene, durch Verseifung entstandene Glykole für die Weiterverarbeitung stören, so können sie z. B. durch Acetalisierung mit Aldehyden oder Ketonen als in Wasser unlösliche oder schwerlösliche Stoffe abgeschieden hzw. durch Ausziehen mit Lösungsmitteln entfernt werden, worauf man etwa mitgebildete Acetale der gewünschten Umsetzungsergebnisse in üblicher Weise durch Säuren wieder spaltet.
Das Epichlorhydrin in den Beispielen kann durch andere Epi.halogenhydrine, wie sie z. B. bei der Einwirkung von Benzopersäure auf Halogenolefine entstehen, ersetzt werden, ferner auch durch Alkylenoxyde, die .an Stelle von Halogen Schwefelsäureester-, Phosphorsäureester-, Alkylphosphorsäureester- ' oder andere umsetzungsfähige Mineralsäureestergruppen bzw. Estersalzgruppen tragen.
Die Umsetzungserzeugnisse sind infolge ihres Gehaltes an leicht umsetzungsfähigen Gruppen außerordentlich wertvoll und vielseitig verwendbar.
Besonders wertvoll und umwandlungsfähig sind die Primärprodukte, welche im Molekül mindestens zwei durch anorganische oder organisch-anorganisch-substituierte Esterreste substituierte Oxyalkylgruppen enthalten, z. B. die Ergebnisse der Einwirkung von 2 oder 3 Mol eines Epihalogenhydrins auf Salze von primären und sekundären Monaminen oder von 4 .bis 6 Mol Epihalogenhydrin auf Salze von diprimären Diaminen. Auch aus tertiären Monoaminen können quaternäre Ammoniumsalze mit zwei Gruppen dieser Art entstehen, wobei ein Rest mit geringer Haftfestigkeit verdrängt wird. In dieser Weise verläuft die Umsetzung, wenn in ß-Stellung zur Stickstoffgruppe sich eine a-tiphatische Doppelbindung befindet, z. B. mit tertiären Aminen, die durch Anlagerung von sekundären Aminen an konjugierte Diene entstehen.
Man hat bereits Epichlorhydrin und Ammoniumchlorid im Verhältnis i :i in o,oq.-molarer Lösung aufeinander einwirken lassen (C.hem. Zentralblatt 1933 I., 2o36). Hierbei ist indessen das Auftreten von substituierten Stickstoffbasen nicht beobachtet worden. Es wurde nicht einmal ihre Bildungsmöglichkeit diskutiert. Bei Versuchen unter den dort angegebenen Arbeitsbedingungen wurde gefunden, daß das Ammoniumchlorid zu etwa Soll/, unverändert bleibt. Es ist also bei Salzen des Ammoniaks erforderlich, mehr als i Mol Alkylenoxyd zur Einwirkung zu bringen; zweckmäßig verwendet man mindestens 2M01.
Man hat auch bereits vorgeschlagen (amerikanische Patentschrift i 977 253), Ammoniak und freie Aminbasen mit Epichlorhydrin umzusetzen. Hierbei treten unter Beteiligung des Halogens Verkettungen ein, die zu verhältnismäßig .hochmolekularen Stoffen führen. Durch das vorliegende Verfahren sollen gerade solche Verkettungen weitestgehend vermieden werden, auch wenn mehrere Halogenoxyalkylreste, z. B. io und mehr, in das Molekül eintreten.
Es ist ferner bekannt (britische Patentschrift 267 r69), Diäthylaminhydrochlorid mit Epichlorhydrin in wäßriger Lösung umzusetzen und während der Umsetzung Alkati zuzusetzen. Hierbei treten sekundäre Veränderungen ein, die nicht im Sinne der Erfindung liegen. Beispiele: i. Man neutralisiert i Mol Piperidin mit %o Mol 5 n-.HC 1 und schüttelt die Lösung bei 4o° mit r Mol Epichlorhydrin. Das Oxyd verschwindet ziemlich rasch. Die farblose, klare Lösung dürfte auf Grund der Titration etwa 500/p salzsaures Chloroxypropylpiperidin; etwa 25 °/o .salzsaures Piperidin und etwa 25 °/o Dichloroxypropylpiperidiniumchlorid enthalten.
2. Eine Lösung von 13,3 Teilen Äthylendiamindihydrochlorid in 5o Teilen Wasser wird mit 55,5 Teilen Epichlorhydrin (6 Mol) 16 Stunden bei Zimmertemperatur geschüttelt. Man erhält eine farblose, schwach alkalisch reagierende Lösung, die kein Epichlorhydrin mehr enthält.
Eine ähnliche Lösung erhält man auch durch Verwendung von nur 2/g der angegebenen Menge Epichlorhydrin.
3. Eine Lösung von 55,42`Teilen Dodecylamnhydrochlorid in 50o Teilen Wasser wird mit 46,25 Teilen Epichlorhydrin (2 Mol) bei 5o° versetzt. Das Epichlorhydrin verschwindet fast momentan, und die vorher trübe Lösung wird wasserklar. Das Umsetzungsgut kann durch Kaliumcarbonat abgeschieden und in Äther aufgenommen werden. Durch Urnsetzun.g mit Aminen, z. B. Dimethylamin, gegebenenfalls mit nachfolgender Alkylierung, erhält man wertvolle Textilhilfsmittel. Es kann auch mit 3 Mol Epichlorhydrin gearbeitet werden.
4. Eine Lösung von Piperidinacetat in Wasser wird mit Epichlorhydrin geschüttelt, bis der Geruch desselben verschwunden ist. 5. Eine wäßrige, einfach normale Lösung von, Tetraoxyäthyläthylendiamin-di-hydrochlorid wird mit 2 Mol Epichlorhydrin über Nacht bei Zimmertemperatur geschüttelt. Das Epichlorhy drin ist nicht mehr nachzuweisen. Die Lösung enthält vorwiegend das diquatertiäre Salz. Der noch vorhandene tertiäre Anteil kann durch Umsetzung mit Dimethylsulfat oder mit Wasserstoffsuperoxyd quaternär gemacht werden.
6. Eine wäßrige, einfach normale Lösung von technischem Triäthylentetraminhydrochlorid wird mit 1o Mol Epichlorhydrin etwa 16 Stunden bei 25 bis 30° geschüttelt. Das Epichlorhydrin ist in der schwach gelblichen, klaren Flüssigkeit nicht mehr nachzuweisen. Der Stickstoff liegt im Reaktionsprodukt größtenteils in quaternärer Form vor.
7. Glykokoll wird in einfach normaler Lösung mit 3 Mol Epichlorhy drin mehrere Tage lang geschüttelt. Das hpichlorhydrin verschwindet schließlich restlos. Die Lösung enthält in reichlicher Menge das entsprechende Betain. Läßt man .nur i Mol Epichlorhydri;n einwirken, so bildet sich so gut wie kein Betain. An Stelle des Glykokolls können auch andere innere Salze, z. B. Taurin oder Glycylglycin, verwendet werden.
B. Ammoniumchlorid wird in einfach normaler Lösung mit 4 Mo1 Epichlorhydrin mehrere Tage lang bis zum Verbrauch des Epichlorhydrins bei Zimmertemperatur geschüttelt. Man erhält eine vollständig farbose Lösung, die nach der Titration vorzugsweise das entsprechende quaternäre Salz enthält.
g. Eine einfach normale Lösung von Collidinhydrochlorid in 5o°joigem Äthanol wird mit 1,2 Mol Epichlorhydrin, bezogen auf das Salz, 24 Stunden lang auf 5o° erwärmt. Nach dieser Zeit ist ungefähr Soll, des Stickstoffs quaternär geworden. Beim Eindampfen der genau neutralisierten Lösung im Vakuum erhält man einen leicht wasserlöslichen Syrup, aus dem sich bei Zusatz von starker Alkalilauge die entsprechende Pseudobase (Pyridonmethid) in gelbraunen Flocken abscheidet. Die Fällung löst sich wieder in verdünnter Salzsäure.
Mit Schwefelkohlenstoff gibt das Pyridonmethid die für diese Körperklasse charakteristische Farbreaktion.
zo. Man löst T Mol Ammoniumchlorid in 5o')/oigem wäßrigem Methanol zu einer einfach normalen Lösung und gibt 1,65 Mol Epichlorhydrinzu. Die Mischung läßt man 3 Tage bei Raumtemperatur (2o°) stehen, neutralisiert dann die geringe Alkalität mit Salzsäure und dampft im Vakuum ein. Der Rückstand wird zur Abtrennung des unveränderten Ammoniumchlorids mit absolutem Alkohol aufgenommen. Das im Alkohol gelöste Umsetzungsgut ist ein Gemisch verschiedener Alkylierungsstufen und enthält einen. beträchtlichen Anteil an quaternärem Salz.' Es ist als Textilhilfsmittel wertvoll.

An Stelle des wohlfeilen Epichlorhydrins kann in den vorangehenden Beispielen mit gleichem. Erfolg auch finit Epibromhydrin oder Epi.jodhydrin gearbeitet werden. Um die allgemeine Verwendbarkeit der Umsetzung weiter zu belegen, wird nachstehend noch eine tabellarische Aufstellung von Umsetzungen gegeben, die alle unter ähnlichen Bedingungen durchgeführt wurden wie die ausführlicher beschriebenen. In der Regel wurden die Lösungen der Salze in 5o°/oigem Alkohol mit der vorgesehenen Menge Alkylenoxyd bis zum Verschwinden desselben geschüttelt bzw. stehengelassen, bis die Umsetzung beendigt war. Nur in wenigen Fällen wurde bei höherer Temperatur gearbeitet. Das Fortschreiten der Umsetzung läßt sich am leichtesten durch Titration nach Willstätter-Waldschmidt-Leitz in g7ol°igem Alkohol verfolgen. Der hierbei nicht mehr titrierbare Stickstoff ist quaternär geworden.

Salz Alkylenoxyd Reaktions- Bemerkungen

temperatur

i. Methylaminhydrochlorid ... 3,3MolEpichlorhydrin Zimmertemperatur

z. Butylaminacetat .......... 3,3 - - -

3. Butylaminbenzoat ........ 3,3 - - -

4, ß-Cbloräthylaminhydro; 3,3 - - -

chlorid

5. Triäthanolaminhydrochlorid i,i - - -

6. Piperidin-p-toluolsulfonat .. 2,5 - - - 40°

7. Hexenylpiperidinhydro- 2,2 - - Zimmertemperatur (Abspaltung des

chlorid Hexylenrestes.

Verdrängung

durch Chlor-

oxypr opyl)

Salz Alkylenoxyd Reaktions- Bemerkungen

temperatur

B. Morpholinhydrochlorid .... 2,2MolEpichlorhydrin Zimmertemperatur

g. Piperazinoleat . . . . . . . . . . . . 4,4 - - ° @r , 50

io. N-Propylbenzimidazolhydro- 2,2 - - " -Zimmertemperatur

chlorid

il. Histamindihydrochlorid .... 5,5 - - -

12. Glycylglycin ............. 3,5 - - -

13. Histidindihydrochlorid ..... 5,5 - - -

14. Octadecylaminhydrochlorid . 3,3 - - - -

15. Stearyltriäthylentetramin- io, - - - -

hydrochlorid

16. Dimethylaminoacetonhydro- i,i - - -

chlorid

17. Hydrazinhydrochlorid ...... 4,4 - - -

18. Hydroxylaminhydrochlorid . 3,5 - Reaktionsprodukt

wahrscheinlich

Trichloroxy-

- o propylamin-

ig. Guanidinhydrochlorid ..... 5 - - 700 Oxyd

2o. Äthylisothioharnstöffäther- 3 - - 6o'

hydrobromid

u 21. salzsaures Salz des polymeren 2,2 - - - auf i Atou. N 6o°

Äthyleniminbasengemischs,

welches bei der Umsetzung -

zwischen Äthylenbromid und

Äthylendiamin undestillier-

bar zurückbleibt

22. Piperidinhydrochlorid ...... 2 - methylepoxy- 40 °

propylphos-

phorsaures

Natrium

Claims

PATLNTANSPRÜCHR: i. Verfahren zur Herstellung oxalkylierter basischer Stickstoffverbindungen, welche an mindestens einem Oxyalkylrest noch eine austauschfähige anorganische oder organisch substituierte anorganische Estergruppe tragen,dadurch gekennzeichnet, daß man auf Salze des Ammoniaks oder von dessen stark basischen, mindestens ein nicht aromatisch gebundenes, dreiwertiges basisches Stickstoffatom enthaltenden Substituierungsprodukten ohne Nachsatz von Alkali während der Reaktion solche Alkylenoxyde einwirken läßt, welche noch austauschbare Estergruppen tragen, wobei im Falle des Ammoniaks mehr als i Mol Alkylenoxyd auf i Mol Ammoniumsalz zur Einwirkung kommen muß.
2. Verfahren gemäß Anspruch i, da-. durch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in Gegenwart von Wasser vorgenommen wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Salze von mehrbasischen Aminen verwendet werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß basische Ausgangsstoffe, welche mindestens zweimal der Alkylierung zugänglich sind, mit mindestens 2 Mol eines Alkylenoxyds mit austauschbarer .Estergruppe umgesetzt werden.
5. Verfahren gemäß Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reagierenden Komponenten mindestens einen höhermolekularen Rest von mehr als sechs Kohlenstoffatomen besitzen.
6. Verfahren gemäß Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet; daß die Reaktion in Gegenwart von Anionen aus der Gruppe der Halogenwasserstoffe durchgeführt wird.