DE69302374T2

DE69302374T2 - Regioselektive sulfonylierung von substituierten aromatischen verbindungen

Info

Publication number: DE69302374T2
Application number: DE69302374T
Authority: DE
Inventors: Stephen Trevor Adrian Ki Daley; Brian David Gott; Kenneth Richard Randles
Original assignee: Zeneca Ltd
Current assignee: Syngenta Ltd
Priority date: 1992-03-03
Filing date: 1993-02-17
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2013-02-18
Also published as: US5468903A; KR100250781B1; TW232683B; EP0629188A1; KR950700244A; HU216061B; IL104900A0; DE69302374D1; ZA931227B; HUT67846A; GB9204529D0; ATE137217T1; EP0629188B1; AU673685B2; JPH07504426A; HU9402262D0; WO1993018000A1; GB9303069D0; AU4807593A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die regiospezifische Sulfonylierung von substituierten aromatischen Verbindungen.
Sulfonylierte aromatische Verbindungen sind nützliche Zwischenprodukte mit einem breiten Anwendungsbereich, beispielsweise für Agrochemikalien und Polymere (vgl. beispielsweise US-Patent 4 780 127). Die Europäische Patentanmeldung 455 332 beschreibt bestimmte Reaktionen von aromatischen Verbindungen in Gegenwart von Zeolith-Katalysatoren.
Die normale Umsetzung einer aromatischen Verbindung mit einem Alkylsulfonylhalogenid in Gegenwart eines Aluminiumtrichlorid- Katalysators ist nur zu etwa 50 % für die para-Stellung selektiv. Die Anmelder stellen ein Verfahren bereit, durch das die para-Selektivität einer derarigen Umsetzung erhöht wird.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung bereitgestellt, die einen monocyclischen aromatischen Ring mit mindestens einem ersten Substituenten und einer substituierten Sulfonyl-Gruppe in para-Stellung zum ersten Substituenten aufweist, wobei bei dem Verfahren ein Reaktant, der einen monocyclischen aromatischen Ring mit dem ersten Substituenten und Wasserstoff in der Stellung des Rings aufweist, die para zum ersten Substituenten ist, mit einem Sulfonsäurehalogenid-Derivat in Gegenwart eines natürlich vorkommenden oder synthetischen Zeoliths, der eine Sulfonylierungsreaktion zwischen dem Reaktanten und dem Sulfonsäurehalogenid unter Bedingungen katalysieren kann, unter denen die Reaktion abläuft, gemischt wird.
Der monocyclische aromatische Ring kann carbocyclisch oder heterocyclisch sein. Beispiele für derartige Ringe sind Phenyl oder Pyridyl oder Pyridinium, vorzugsweise Phenyl.
Der erste Substituent kann eine beliebige organische Gruppe sein, sofern sichergestellt ist, daß sie nicht so groß ist, um die Reaktion in einem Zeolith-Katalysator auszuschließen. Geeigneterweise handelt es sich um eine elektronenspendende Gruppe, um den paraständigen Wasserstoff für die elektrophile Substitution zu aktivieren. Beispiele für derartige Substituenten sind Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Halogenalkyl oder Alkoxy. Geeigneterweise hat die Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl- oder Halogenalkyl-Gruppe bis zu 20 Kohlenstoffatome, vorzugsweise aber bis zu 4 Kohlenstoffatome. Konkrete Beispiele für derartige Substituenten sind C&sub1;&submin;&sub4;-Alkyl-Gruppen, insbesondere Methyl, Isopropyl oder Methoxy.
Erforderlichenfalls können andere Substituenten an den Stellungen der aromatischen Verbindung vorhanden sein, die zum ersten Substituenten ortho und meta sind. Diese Substituenten umfassen beispielsweise Halogen oder Hydroxy.
Die Begriffe "Alkyl", "Alkenyl" und "Alkinyl" beziehen sich hier auf unverzweigte oder verzweigte Ketten, die beispielsweise bis zu 20 Kohlenstoffatome haben. Die Bezeichnung "Halogenalkyl" bezieht sich auf eine Alkyl-Gruppe, die durch mindestens ein Halogen substituiert ist. Die Bezeichnung "Aryl" umfaßt Phenyl, und die Bezeichnung "Halogen" umfaßt Fluor, Chlor, Brom und Jod.
Geeignete Sulfonsäurehalogenid-Derivate zur Verwendung in der Reaktion sind gegebenenfalls substituierte Alkyl-, gegebenenfalls substituierte Alkenyl-, gegebenenfalls substituierte Alkinyl- oder gegebenenfalls substituierte Arylsulfonsäurehalogenide. Geeignete wahlfreie Substituenten für die Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl- und Aryl-Gruppen sind beispielsweise Halogene, z. B. Fluor und Chlor. Insbesondere ist das Sulfonsäurehalogenid-Derivat ein C&sub1;&submin;&sub4;-Alkyl- oder Halogen-C&sub1;&submin;&sub4;-alkylsulfonsäurehalogenid wie beispielsweise ein Methansulfonsäurehalogenid, ein Ethansulfonsäurehalogenid oder ein Trifluormethylsulfonsäurehalogenid
Bevorzugte Sulfonsäurehalogenide sind Sulfonsäurechloride oder -fluoride, insbesondere -chloride.
Geeignete Reaktionsbedingungen sind Temperaturen von beispielsweise 20 bis 250ºC, beispielsweise 110 bis 250ºC, und gewöhnlich die Rückflußtemperatur des Reaktanten oder, wenn dies erforderlich ist, eines inerten organischen Lösungsmittels, in dem die Umsetzung durchgeführt wird. Die Umsetzung kann über einen längeren Zeitraum, nämlich während 1 bis 72 Stunden, fortgesetzt werden, bis eine beträchtliche Ausbeute des gewünschten Produkts erzielt ist. Dies ist im allgemeinen von der Art der Reaktanten und des verwendeten bestimmten Zeolith-Katalysators abhängig.
Insbesondere stellt vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung mit der Formel (I) bereit, in der R¹ für gegebenenfalls substituiertes Alkyl oder Phenyl steht, R² für Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Halogenalkyl oder Alkoxy steht und R³ und R&sup4; unabhängig voneinander unter Wasserstoff, Halogen oder Hydroxy ausgewählt sind, wobei bei dem Verfahren eine Verbindung mit der Formel (II), in der R², R³ und R&sup4; wie bezüglich Formel (I) definiert sind, mit einer Verbindung mit der Formel (III), in der R¹ wie bezüglich Formel (I) definiert ist und X für eine Halogen-Austrittsgruppe steht, in Gegenwart eines natürlich vorkommenden oder synthetischen Zeoliths, der die Reaktion katalysieren kann, umgesetzt wird.
Vorzugsweise ist R¹ eine C&sub1;&submin;&sub6;-Alkyl-Gruppe, beispielsweise Methyl oder Ethyl, Trifluormethyl oder Phenyl. Am bevorzugtesten ist R¹ Methyl.
Vorzugsweise ist R eine Alkyl-Gruppe wie C1 6-Alkyl, insbesondere Methyl, Isopropyl oder Methoxy.
Geeigneterweise sind R³ und R&sup4; unter Wasserstoff, Fluor, Chlor oder Hydroxy ausgewählt. Vorzugsweise sind R³ und R&sup4; unter Wasserstoff oder Fluor ausgewählt.
Beispiele für Verbindungen mit der Formel (II) sind Toluol, Cumol, ortho-Fluortoluol, meta-Fluortoluol, Anisol und meta- Cresol.
Wenn derartige Verbindungen mit der Formel (II) verwendet werden, kann die Umsetzung ohne die Zugabe zusätzlicher Lösungsmittel durchgeführt werden. Alternativ können ferner auch organische Lösungsmittel vorhanden sein, in denen die Umsetzung stattfindet. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise Nitrobenzol, Benzonitril, chlorierte Kohlenwasserstoffe wie Ethylendichlond oder Trichlorethylen, Dusopropylketon, 4-Methyl-pentan-2-on und Tetrahydrofuran. Diese Lösungsmittel können mit Wasser vermischt sein.
Ein bevorzugtes organisches Lösungsmittel ist Nitrobenzol, das in Gegenwart von Wasser vorliegen kann, wobei das verwendete Nitrobenzol insbesondere 4 bis 40 Mol% Wasser enthalten kann.
Geeignete Austrittsgruppen X sind beispielsweise Chlor und Fluor.
Die Auswahl eines geeigneten Zeoliths kann nach Routineverfahren erfolgen, die dem kundigen Chemiker bekannt sind. Eine besonders bevorzugte Klasse von Zeolithen zur Verwendung in dieser Umsetzung sind der Zeolith ZSM5, Zeolithe vom Typ X oder Y oder der β-Zeolith. Ein besonders bevorzugter Zeolith, der bei bestimmten Umsetzungen verwendet wird, ist der unter dem Handelsnamen "VALFOR" vertriebene Zeolith vom β-Typ CP811.
Der Zeolith kann in Form eines Pulvers oder in Form von Körnern oder in Form von geformten Teilchen wie beispielsweise Zylindern oder in Form von porösen Perlen vorliegen. Für die Umsetzungen der Erfindung kann der Zeolith in Form eines gepackten Bettes verwendet werden. Alternativ kann eine Suspension des Zeoliths im Reaktor verwendet werden. Im letzteren Fall sollte die Menge des vorhandenen Zeoliths zur Katalyse der Reaktion in einem annehmbaren Zeitraum ausreichend sein. Dies ist von vielen Faktoren abhängig, beispielsweise der Art der Reaktanten und dem verwendeten bestimmten Zeolith. In den meisten Fällen ist im allgemeinen eine Menge von 0,2-2,2 g Katalysator pro Gramm vorliegenden Sulfonsäurehalogenids akzeptabel.
Der Zeolith kann mit einer anorganischen Matrix assoziiert sein, die vorzugsweise inert ist. Die Matrix kann lediglich ein Bindemittel zum Zusammenhalten der Zeolith-Teilchen darstellen, oder sie kann als inertes Verdünnungsmittel fungieren. Geeignete anorganische Matrices und Verdünnungsmittel sind beispielsweise übliche Trägermaterialien wie Siliciumdioxid, Tonerden wie Bentonite, synthetische poröse Materialien wie Siliciumdioxid-Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxide.
Nach der Verwendung kann der Zeolith-Katalysator entfernt und recycelt werden. Eine Calcinierung vor der Wiederverwendung unterstützt die Beibehaltung der Aktivität des Zeoliths.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele veranschaulicht.

BEISPIEL 1

In einen 250-ml-Mehrhalsrundkolben wurde Toluol (0,94 mol) gegeben, wobei dieser mit einem Dean-Stark-Arm, einem Kondensator und einem Calciumchlorid-Schutzröhrchen verbunden ist. Dann wurde wie in Tabelle I angegeben der Zeolith dazugegeben, und die Präparation wurde unter Verwendung eines Kopfrührers kontinuierlich gerührt und 3 h auf Rückfluß erhitzt, bis sämtliches Wasser im Zeolith entfernt war. Nach dem Abkühlen wurde während 5 h langsam Methansulfonylchlorid (0,15 mol) dazugegeben und auf Rückfluß (100ºC) erhitzt, und zwar ab der ersten Säurezugabe und solange wie in Tabelle I angegeben. Das rohe Reaktionsgemisch wurde abgekühlt und mit kaustischem Wasser (20 g NaOH in 300 ml) versetzt. Die organische Phase wurde mit Ethylacetat extrahiert und mit Magnesiumsulfat getrocknet, und sämtliches Lösungsmittel wurde mit einem Rotationsverdampfer entfernt.
Das durch G.L.C. bestimmte Verhältnis ortho: meta: para des in dem Produkt vorhandenen Methansulfonyltoluols ist in Tabelle I angegeben. TABELLE I Zeolith Produkt ortho : meta : para Rückflußzeit/h Beta
Das Produkt von Beispiel 1 kann beispielsweise chloriert (vgl. US-P 4 675 447) und dann oxidiert (vgl. W090/06302) werden, um 2-Chlor-4-methansulfonylbenzoesäure zu erhalten, ein Zwischenprodukt, das zur Herstellung von Herbiciden (vgl. beispielsweise W090(06301) verwendbar ist.

BEISPIEL 2

In einen 250-ml-Mehrhalsrundkolben wurde Cumol (0,94 mol) gegeben, wobei dieser mit einem Dean-Stark-Arm, einem Kondensator und einem Calciumchlorid-Schutzröhrchen verbunden ist. Dann wurde der Zeolith Beta cp811B-75 (5g) dazugegeben, und die Präparation wurde unter Verwendung eines Kopfrührers kontinuierlich gerührt und 3 h auf Rückfluß erhitzt, bis sämtliches Wasser im Zeolith entfernt war. Nach dem Abkühlen wurde während 5 h langsam Methansulfonylchlorid (0,15 mol) dazugegeben und auf Rückfluß (100ºC) erhitzt, und zwar ab der ersten Säurezugabe 24 h lang. Das rohe Reaktionsgemisch wurde abgekühlt und mit kaustischem Wasser (20 g NaOH in 300 ml) versetzt. Die organische Phase wurde mit Ethylacetat extrahiert und mit Magnesiumsulfat getrocknet, und sämtliches Lösungsmittel wurde mit einem Rotationsverdampfer entfernt.
Das durch G.L.C. bestimmte Verhältnis ortho: meta: para des in dem Produkt vorhandenen Methansulfonylcumols betrug 0,013:0,07:1.

BEISPIEL 3

Anisol wurde vor der Verwendung über einem 3Å-Molekularsieb getrocknet. Der den Zeolith CP811B aufweisende Katalysator wurde in einem Ofen 3 bis 4 h bei 180ºC aktiviert. Dann wurde Anisol (0,10 mol) in einen mit Stickstoff getrockneten 250-ml-Reaktionskolben eingeführt, der mit einem Wasserkondensator, einem Thermometer und einem Trockenrohr versehen war. Dann wurde Mesylchlorid (0,1 mol) in den Kolben eingeführt und im Anschluß daran der aktivierte Katalysator. Der Kolbeninhalt wurde dann gerührt und 18 h unter Rückfluß erhitzt.
Nachdem der Kolbeninhalt abkühlen gelassen worden war, wurde die flüssige Phase durch Filtration von dem Katalysator abgetrennt. Der Katalysator wurde mit trockenem Aceton (100 ml) gewaschen.
Die flüssige Phase wurde durch GC-MS analysiert, um die Produkte und die Isomerenverteilung zu identifizieren.
Das Verhältnis p-Mesylanisol: m-Mesylanisol: o-Mesylanisol in dem Produkt betrug 5,7:2,3:1.

BEISPIEL 4

Eine Reihe von aromatischen Substraten A und Nitrobenzol wurden vor der Verwendung über einem 3Å-Molekularsieb getrocknet. Proben des den Zeolith CP811B aufweisenden Katalysators wurden in einem Ofen 3 bis 4 h bei 180ºC aktiviert. Das aromatische Substrat A (0,10 mol) wurde in einem mit Stickstoff getrockneten 250-ml-Reaktionskolben eingeführt, der mit einem Wasserkondensator, einem Thermometer und einem Trockenrohr versehen war. Dann wurde Sulfonylchlorid B (0,10 mol) in den Kolben eingeführt, und zwar zusammen mit Nitrobenzol (123 g). Der aktivierte Katalysator (5 g CP811B-75) wurde anschließend eingeführt. Der Kolbeninhalt wurde gerührt und 18 h unter Rückfluß erhitzt.
Nachdem die Reaktion abkühlen gelassen worden war, wurde die flüssige Phase durch Filtration von dem Katalysator abgetrennt. Der Katalysator wurde dann mit trockenem Aceton (100 ml) gewaschen.
Es ergab sich ein Produktgemisch. Die flüssigen Phasen wurden durch GC-MS analysiert, um die Produkte, und insbesondere die Isomerenverteilung der sulfonylierten aromatischen Produkte, zu identifizieren/festzustellen. TABELLE II Versuch Ausbeute an p-Isomeren Isomerenverhältnis Anisol Mesylchlorid Fluortoluol Ethansulfonylchlorid Fluor Mesylchlorid Toluol p-Tosylchlorid - bedeutet, daß weder meta- noch ortho-Isomere nachgewiesen wurden.

BEISPIEL 5

Toluol wurde vor der Verwendung über einem 3Å-Molekularsieb getrocknet. Der Katalysator wurde in einem Ofen 3 bis 4 h bei 180ºC aktiviert. Dann wurde Toluol (0,10 mol) in einen mit Stickstoff getrockneten 250-ml-Reaktionskolben eingeführt, der mit einem Wasserkondensator, einem Thermometer und einem Trockenrohr versehen war. Dann wurde Methansulfonylchlorid (0,1 mol) in den Kolben eingeführt und im Anschluß daran der aktivierte Katalysator (5,0 g CP811B-75). Der Kolbeninhalt wurde dann gerührt und 18 h unter Rückfluß erhitzt.
Nachdem der Kolbeninhalt abkühlen gelassen worden war, wurde die flüssige Phase durch Filtration von dem Katalysator abgetrennt. Der Katalysator wurde mit trockenem Aceton (100 ml) gewaschen.
Die Analyse der flüssigen Phasen durch GC-MS ergab das Vorliegen der para-, ortho- und meta-Isomeren von Mesyltoluol im Verhältnis 73:20:6. Die Ausbeute an para-Isomer, bezogen auf das eingesetzte Mesylchlorid, betrug 6,3 %.

BEISPIEL 6

Toluol und Nitrobenzol wurden vor der Verwendung über einem 3Å-Molekularsieb getrocknet. Der Katalysator wurde in einem Ofen 3 bis 4 Stunden bei 180ºC aktiviert. Dannn wurde Toluol (0,10 mol) in einen mit Stickstoff getrockneten 250 ml-Reaktionskolben eingeführt, der mit einem Wasserkondensator, einem Thermometer und einem Trockenrohr versehen war. Anschließend wurde Methansulfonylchlorid (0,10 mol) zusammen mit Nitrobenzol (160,4 g) in den Kolben eingeführt. Dann wurde der aktivierte Katalysator (13,7 g CP811-B-75) dazugegeben Der Wassergehalt des Systems wurde auf 0,23 g eingestellt. Der Kolbeninhalt wurde gerührt und 18 h auf Rückfluß erhitzt.
Nachdem der Kolbeninhalt abkühlen gelassen worden war, wurde die flüssige Phase durch Filtration von dem Katalysator abgetrennt. Der Katalysator wurde dann mit trockenem Aceton (100 ml) gewaschen.
Die Analyse der flüssigen Phase durch GC-MS ergab das Vorliegen der para-, ortho- und meta-Isomeren von Mesyltoluol im Verhältnis 81:12:7. Die Ausbeute an para-Isomer, bezogen auf das eingesetzte Mesylchlorid, betrug 30,8 %.

BEISPIEL 7

Toluol und Nitrobenzol wurden vor der Verwendung über einem 3Å-Molekularsieb getrocknet. Der Katalysator wurde in einem Ofen 3 bis 4 Stunden bei 180ºC aktiviert. Dannn wurde Toluol (0,10 mol) in einen mit Stickstoff getrockneten 250 ml-Reaktionskolben eingeführt, der mit einem Wasserkondensator, einem Thermometer und einem Trockenrohr versehen war. Anschließend wurde Methansulfonylchlorid (0,10 mol) zusammen mit Nitrobenzol (123 g) in den Kolben eingeführt. Dann wurde der aktivierte Katalysator (5 g CP811B-75) dazugegeben Der Kolbeninhalt wurde gerührt und 18 h auf Rückfluß erhitzt.
Nachdem der Kolbeninhalt abkühlen gelassen worden war, wurde die flüssige Phase durch Filtration von dem Katalysator abgetrennt. Der Katalysator wurde dann mit trockenem Aceton (100 ml) gewaschen.
Die Analyse der flüssigen Phase durch GC-MS ergab das Vorliegen der para-, ortho- und meta-Isomeren von Mesyltoluol im Verhältnis 81:13:6. Die Ausbeute an para-Isomer, bezogen auf das eingesetzte Mesylchlorid, betrug 13,9 %. CHEMISCHE FORMELN (in der Beschreibung)

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung, die einen monocyclischen aromatischen Ring mit mindestens einem ersten Substituenten und einer substituierten Sulfonyl-Gruppe in para-Stellung zum ersten Substituenten aufweist, wobei bei dem Verfahren ein Reaktant, der einen monocyclischen aromatischen Ring mit dem ersten Substituenten und Wasserstoff in der Stellung des Rings aufweist, die para zum ersten Substituenten ist, mit einem Sulfonsäurehalogenid-Derivat in Gegenwart eines natürlich vorkommenden oder synthetischen Zeoliths, der eine Sulfonylierungsreaktion zwischen dem Reaktanten und dem Sulfonsäurehalogenid unter Bedingungen katalysieren kann, unter denen die Reaktion abläuft, gemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der monocyclische aromatische Ring unter Phenyl, Pyridyl oder Pyridinium ausgewählt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der monocyclische aromatische Ring Phenyl ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Substituent eine elektronenspendende Gruppe aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die elektronenspendende Gruppe unter Methyl, Isopropyl oder Methoxy ausgewählt ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sulfonsäurehalogenid-Derivat unter gegebenenfalls substituierten Alkyl-, gegebenenfalls substituierten Alkenyl-, gegebenenfalls substituierten Alkinyl- oder gegebenenfalls substituierten Arylsulfonsäurehalogeniden ausgewählt ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung mit der folgenden Formel (I):

in der R¹ für gegebenenfalls substituiertes Alkyl oder Phenyl steht, R² für Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Halogenalkyl oder Alkoxy steht und R³ und R&sup4; unabhängig voneinander unter Wasserstoff, Halogen oder Hydroxy ausgewählt sind, wobei bei dem Verfahren eine Verbindung mit der folgenden Formel (II):

in der R², R³ und R&sup4; wie bezüglich Formel (I) definiert sind, mit einer Verbindung mit der folgenden Formel (III):

in der R¹ wie bezüglich Formel (I) definiert ist und X für eine Halogen-Austrittsgruppe steht, in Gegenwart eines natürlich vorkommenden oder synthetischen Zeoliths, der die Reaktion katalysieren kann, umgesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei R¹ für Methyl, Ethyl, Trifluormethyl oder Phenyl steht.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei R² für eine C&sub1;&submin;&sub6;-Alkyl-Gruppe steht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Verbindung mit der Formel (II) Toluol oder Cumol ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umsetzung in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels durchgeführt wird, das unter Nitrobenzol, Benzonitril, Diisopropylketon, 4-Methyl-pentan-2-on, Tetrahydrofuran oder einem chlorierten Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel ausgewählt ist, welche jeweils mit Wasser gemischt werden können.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Lösungsmittel Nitrobenzol ist.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei 0,2-2,2 g Katalysator pro Gramm Sulfonsäurehalogenid verwendet werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach Beendigung der Umsetzung der Zeolith-Katalysator rückgewonnen und calciniert wird.