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Diese Erfindung betrifft allgemein
die Oxidation von Pyridin und dessen Derivaten und spezieller die
Oxidation von Pyridin und Halogenpyridinen zur Erzeugung des entsprechenden
N-Oxids unter Verwendung eines gestützten oder ungestützten heterogenem
Katalysators (d. h. eines solchen, der im wesentlichen unlöslich in
dem Reaktionsmedium ist).
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Bestimmte Verfahren zur Herstellung
von 2-Chlorpyridin-N-oxid aus 2-Chlorpyridin sind bekannt. Als Erläuterung
genannte bekannte Verfahren betreffen die Oxidation von 2-Chlorpyridin
mit Wasserstoffperoxid in Gegenwart von homogenem(n) Katalysator(en),
wie Wolframaten, Molybdaten usw. Eine andere Erläuterung, die US-Patentschrift
Nr. 3 047 579, beschreibt lösliche
Peroxycarbonsäurekatalysatoren
für die
Verwendung bei der Herstellung von N-Oxiden tertiärer organischer
Basen einschließlich
Halogenpridin-N-oiden.
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Die Verwendung homogener Katalysatoren für die Oxidation
von 2-Chlorpyridin und anderer Pyridinverbindungen hat den begleitenden
Nachteil, daß der
Katalysator aus dem Produktstrom entfernt und dann in wiederverwendbarer
Form gewonnen werden muß.
Das Erreichen dieser Gewinnung und Wiederverwendbarkeit erfordert
eine Anzahl von Stufen, wie die Ausfällung des Katalysators, die
Filtration zur Abtrennung des ausgefällten Katalysators von dem
Filtrat und dann die Umwandlung des Niederschlags zurück in seine
ursprüngliche
katalytische Form. Diese Stufen fügen zu den Kosten der Produktion
des erwünschten
2-Chlorpyridin-N-oxid-Produktes
Beachtliches hinzu.
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Es gibt andere Kosten und zusätzliche
Verfahrenskompliziertheiten, die die Verwendung löslicher
Katalysatoren in homogenen Systemen noch nachteiliger machen. Beispielsweise
wird in solchen Systemen die Umsetzung typischerweise unter Verwendung
eines Abschreckmittels angehalten. Die Reaktion zwischen dem (den)
löslichen
Katalysatoren) und dem Abschreckmittel führt typischerweise zur Bildung
eines unlöslichen
Produktes, welches dann typischerweise durch Filtration unter Verwendung
eines Filterhilfsmittels entfernt wird.
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Leider erhöht die Verwendung des Abschreckmittels
und/oder Filterhilfsmittels die Wahrscheinlichkeit einer Einführung unerwünschter
Verunreinigungen in das erwünschte
2-Chlorpyridin-N-oxid-Produkt. Demnach wären neue Verfahren zur Herstellung
von 2-Chlorpyridin-N-oxid, die kein homogenes Katalysatorsystem,
kein Abschreckmittel, kein Filterhilfsmittel und weniger Verfahrensstufen
als bekannte Verfahren unter Verwendung löslicher Katalysatoren benutzen, äußerst erwünscht, beispielsweise
für eine
Gemeinde, die Biozidzwischenprodukte herstellt. Die vorliegende
Erfindung liefert ein solches Verfahren.
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Nach einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung
ein Verfahren zur Herstellung eines N-Oxids von Pyridin oder eines
Halogenpyridins, wobei dieses Verfahren die Umsetzung eines Reaktionsgemisches
dieses Pyridins oder des Halogenpyridins mit Wasserstoffperoxid
in einer Reaktion umfaßt,
die bei einer erhöhten
Temperatur in Gegenwart einer katalytisch wirksamen Menge eines
heterogenen Katalysators durchgeführt wird und wobei dieser heterogene
Katalysator in den Reaktionspartnern unlöslich ist, um das 2-Halogenpyridin-N-oxid
oder Pyridin-N-oxid zu bilden.
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Nach einem anderen Aspekt betrifft
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Oxidati on von Pyridin
oder einer substituierten Pyridinverbindung, um ein N-Oxid derselben
zu erzeugen, indem man das Pyridin oder substituierte Pyridin mit
Wasserstoffperoxid in einer Reaktion umsetzt, die in Gegenwart eines
unterstützten
Sulfonsäure-
oder Carbonsäurekatalysators
durchgeführt
wird, wobei dieser unterstützte
Katalysator (der vorteilhafterweise im wesentlichen) mit oder aus
Sulfonsäure-
oder Carbonsäureresten
besteht, die an ein organisches oder anorganisches Substrat gebunden
sind, wobei diese Umsetzung bei einer Temperatur zwischen etwa 50 und
90°C (vorzugsweise
zwischen 70 und 90°C)
unter Verwendung eines Molverhältnisses
des Wasserstoffperoxids zu dem Pyridin oder substituiertem Pyridin
zwischen 1 : 1 und 4 : 1 durchgeführt wird, um das N-Oxid herzustellen.
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Nach noch einem anderen Aspekt betrifft
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von 2-Chlorpyridin-N-oxid,
das darin besteht daß man
2-Chlorpyridin mit Wasserstoffperoxid in einer Reaktion umsetzt,
die in Gegenwart eines Sulfonsäure-
oder Carbonsäure-Trägerkatalysators
durchgeführt
wird, wobei dieser Trägerkatalysator
Sulfonsäure-
oder Carbonsäurereste,
die an ein organisches oder anorganisches Substrat gebunden sind,
umfaßt (und
vorteilhafterweise im wesentlichen aus diesen Resten besteht), wobei
diese Umsetzung bei einer Temperatur zwischen etwa 50 und 90°C (vorzugsweise
zwischen 70 und 90°C)
unter Verwendung eines Molverhältnisses
des Wasserstoffperoxids zu dem Pyridin oder substituierten Pyridin
zwischen 1 : 1 und 4 : 1 ausgeführt
wird, um das 2-Chlorpyridin-N-oxid herzustellen.
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Nach noch einem anderen Aspekt betrifft
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von 2-Chlorpyridin-N-oxid,
welches die Stufen umfaßt,
in denen man
- a) 2-Chlorpyridin mit Wasserstoffperoxid
in einer Reaktion umsetzt, die in Gegenwart eines Sulfonsäure- oder
Carbonsäure-Trägerkatalysastors durchgeführt wird,
wobei dieser Trägerkatalysator Sulfonsäure- oder
Carbonsäurereste,
die an ein organisches oder anorganisches Substrat gebunden sind,
umfaßt
(und vorteilhafterweise im wesentlichen aus diesen Resten besteht),
wobei diese Reaktion bei einer Temperatur zwischen etwa 59 und 90°C (vorzugsweise
zwischen 70 und 90°C)
unter Verwendung eines Mol-verhältnisses des
Wasserstoffperoxids zu dem 2-Chlorpyridin zwischen 1 : 1 und 4 :
1 durchgeführt
wird, um das 2-Chlorpyridin-N-oxid zu erzeugen, und
- b) den Trägerkatalysator
von dem 2-Chlorpyridin-N-oxid trennt, um die Reaktion anzuhalten, nachdem
eine erwünschte
Umwandlung in das 2-Chlorpyridin-N-oxid erhalten wurde.
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Diese und andere Aspekte werden beim
Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung erkennbar.
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Es wurde nun überraschenderweise gemäß der vorliegenden
Erfindung gefunden, daß bestimmte
heterogene Katalysatoren für
die Oxidation von Pyridinen mit Wasserstoffperoxid brauchbar sind.
Erwünschtermaßen werden
die heterogenen Katalysatoren entweder an einen organischen oder
anorganischen Träger
gebunden oder sind unlösliche
Zusammensetzungen, die als Katalysatoren für die erwünschte Oxidation von Pyridin
oder substituiertem Pyridin wirken. In dieser letzteren Kategorie
wurde nun nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gefunden,
daß polymere
Ionenaustauscherharze als heterogene Katalysatoren oder als Träger für heterogene
Katalysatoren in der erwünschten
Oxidationsreaktion benutzt werden können. Sowohl anionische als
auch kationische Austauscherharze werden zweckmäßig in den Verfahren der vorliegenden
Erfindung verwendet.
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Besonders vorteilhafte Ionenaustauschharze sind
Kationenaustauschharze, die sich wiederholende Carbonsäure- und/oder
Sulfonsäuregruppen
enthalten, welche bei der Umsetzung von Pyridin oder Halogenpyridin
mit Wasserstoffperoxid unter Bildung des N-Oxidderivates wirksam
sind. Die Carbonsäure- oder
Sulfonsäuregruppen
werden zweckmäßig (z.
B. kovalent angebunden) an das Substrat gebunden oder in das Harz
selbst während
der Herstellung des Substrates eingearbeitet. Am meisten bevorzugt
sind Substrate, die die Sulfonsäuregruppe
enthalten.
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Alternativ werden die anionischen
Austauschharze zweckmäßig als
Substrate verwendet, um homogenen (homogene) Katalysatoren) zu binden,
wie Wolframate, Molybdate usw. Somit werden diese an ein Substrat
gebundenen, anderweitig homogenen Katalysatoren heterogene Katalysatoren, die
in dem Reaktionsmedium unlöslich
sind, um die Oxidation einer Pyridinverbindung gemäß der vorliegenden
Erfindung zu bewirken.
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Beispiele handelsüblicher Harze, die Sulfonsäuregruppen
als Strukturreste enthalten, schließen jene Harze ein, die im
Handel unter den folgenden Marken erhältlich sind: AMBERLYST XN-1010
und AMBERLYST 15, Marken von Rohm und Haas, NAFION NR-50, eine Marke
von DuPont, IONAC CFP-110, eine Marke von Sybron.
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Brauchbare Harze umfassen zweckmäßig ein
organisches Polymer, wie Polystyrol, Polyacrylat, Divinylbenzol,
fluorierte Kohlenwasserstoffe und Kombinationen hiervon.
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Nach einem breiten Aspekt umfaßt der Trägerkatalysator,
der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, einen Katalysator
auf einem Träger oder
einen Träger,
der eingebaute katalytische Wirksamkeit liefert. Der Katalysator
selbst wird in einer "katalytisch
wirksamen Menge",
d. h. in einer Menge verwendet, die ausreicht, um die Oxidation
der spezifischen Pyridinverbindung zu dem erwünschten N-Oxid zu katalysieren.
Der Träger
kann entweder ein anorganisches oder ein organisches Substrat in irgendeiner
geeigneten Gestaltung sein, wie Perlen, Stäbe, Makronetzbögen und
dergleichen. Ein anorganischer Träger ist besonders vorteil haft,
da ein solcher weniger wahrscheinlich nachteilig beeinflußt wird,
so daß die
Oxidationsreaktion gemäß der vorliegenden
Erfindung bewirkt wird.
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Bei der Auswahl der Träger zu berücksichtigende
Faktoren sind: Verfügbarkeit,
Kosten, Stabilität,
Leichtigkeit der Funktionalisierung, Teilchengröße, Oberfläche, Porendurchmesser und Porenvolumen.
Geeignete Qualitäten
von Aluminiumoxid, Kohlenstoff, Ton, Glas, Kieselsäuren und
Zeolithen kann man finden, die annehmbare Leistung durch viele dieser
Kriterien ergeben. Eine Matrix, die aus Aluminiumoxiden (Tonerde),
Siliciumoxiden (Kieselsäuren) und
chemischen Gemischen hiervon aufgebaut sind, sind wegen ihrer thermischen
und chemischen Stabilität
und der Leichtigkeit, mit welcher sie funktionalisiert werden können, am
meisten bevorzugt. Außerdem
werden Aluminiumoxide besonders Kieselsäuren mit erwünschten
physikalischen Eigenschaften (Teilchengröße, Oberfläche, Porendurchmesser und Porenvolumen)
leicht erhalten.
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Die makroskopische Form der Substrate,
die in dem Verfahren dieser Erfindung verwendet werden kann, kann
signifikant variiert werden. Das Substrat kann in der Form von Perlen
oder Pulver oder anderen relativ kleinen Teilchen verwendet werden.
Die Verwendung der Katalysatoren, die kovalent an eine unlösliche anorganische
Matrix in Form kleiner Perlen gebunden sind, ist allgemein bevorzugt,
da dies die Entfernung des gebundenen Katalysators durch Filtration
und ähnliche
Techniken vereinfacht. Brauchbare Teilchengrößen liegen bei 0,01 mm oder kleiner
bis zu 6 mm oder größer.
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Der Katalysator wird in einer katalytisch
wirksamen Menge verwendet, d. h. in einer ausreichenden Menge, um
sich das erwünschte
N-Oxid unter den ausgewählten
kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Ansatzbedingungen des
Reaktors bilden zu lassen. Beispielsweise wird in einem Ansatzverfahren
zweckmäßig eine
Katalysatormenge zwischen etwa 10 und 70 g (auf Trockenharzbasis)
je Mol Halogenpyridin oder Pyridinreaktionspartner verwendet. Brauchbare
Halogenpyridine sind Chlor-, Brom-, Jod- und Fluorpyridine, obwohl
Chlorpyridin das bevorzugte Halogenpyridin ist. In einem kontinuierlichen oder
halbkontinuierlichen Betrieb werden die Katalysatorbettgröße und die
Fließgeschwindigkeit
der Reaktionspartner zweckmäßig im Lichte
der speziellen Verfahrensökonomie
und der eingeschlossenen Produktionserfordernisse ausgewählt.
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Die Reaktion gemäß dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung wird zweckmäßig bei
einer erhöhten
Temperatur durchgeführt.
Die ausgewählte Temperatur
ist zweckmäßig ausreichend
hoch, um die erwünschte
Oxidationsreaktion zu erleichtern, doch muß sie unter der Zersetzungstemperatur
des Wasserstoffperoxidreaktionspartners liegen. Vorzugsweise liegt
die Reaktionstemperatur zwischen etwa 50 und 90°C, stärker bevorzugt zwischen 70 und
90°C. Vorzugsweise
wird die Umsetzung bei einem sauren pH-Wert, zweckmäßig im Bereich
zwischen 1 und 7 und vorteilhafterweise zwischen 1 und 4, durchgeführt. Wenn
erwünscht,
kann die Reaktion bei einem neutralen oder basischen pH-Wert von
7 oder größer durchgeführt wer den,
obwohl dies nicht erwünscht
ist, da die Produktausbeute dazu neigt, niedriger zu sein, als anderweitig
erwünscht
wäre. Bei
einem basischen pH-Wert werden die Sulfonsäuregruppen des Katalysators
in Sulfonatreste und die Carbonsäuregruppen
des Katalysators in Carboxylatreste umgewandelt.
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Das Molverhältnis von Wasserstoffperoxid zu
Pyridinreaktionspartner ist vorzugsweise zwischen 1 : 1 und 4 :
1, um das erwünschte
N-Oxid zu erzeugen.
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Die Umsetzung gemäß dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung liefert eine ausgezeichnete Selektivität für das erwünschte N-Oxid. Beispielsweise
wenn 2-Chlorpyridin mit wäßrigem Wasserstoffperoxid
in Gegenwart des Katalysators gemäß der vorliegenden Erfindung
umgesetzt wird, wird eine wesentliche Menge des 2-Chlorpyridins
in 2-Chlorpyridin-N-oxid mit einer sich 100% nähernden Selektivität umgewandelt.
Wenn eine Methanollösung
von 2-Chlorpyridin,
die AMBERLYST 15-Katalysator enthielt, bei 80°C mit wäßrigem Wasserstoffperoxid umgesetzt
wurde, wurden somit 36,3% des Chlorpyridins in das N-Oxid mit einer
Selektivität
von im wesentlichen 100% umgewandelt.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung erfolgt
zweckmäßig in Ansatzweise,
kontinuierlicher oder halbkontinuierlicher Weise. Vorteile, die
man mit Hilfe des Verfahrens der vorliegenden Erfindung im Vergleich
mit bekannten Verfahren mit homogenem Katalysator erzielt, schließen die
folgenden ein:
- a) Vereinfachte Trennung des
Katalysators von einem Reaktionsgemisch,
- b) leichte Gewinnung und Wiederverwendung des Katalysators sowie
- c) die leichte Anpaßbarkeit
dieser heterogenen Katalysatoren für die Verwendung in statischen und
Fließreaktionssystemen.
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Es ist allgemein erwünscht, daß die Teilchen der
Matrix, die zweckmäßig den
Katalysatorträger umfaßt, relativ
große
Oberflächen
haben, die für Funktionalisierung
verfügbar
sind. Teilweise ist diese Fläche
abhängig
von dem mittleren spezifischen Porenvolumen der Substratteilchen
und sollte daher auch relativ groß sein. Brauchbare Oberflächen liegen
bei 5 m2/g oder weniger bis zu 600 m2/g oder mehr mit Porenvolumina von 0,5 cm2/g oder weniger bis zu 1,2 cm3/g
oder mehr.
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Der mittlere Porendurchmesser des
Trägers ist
erwünschtermaßen wenigstens
groß genug,
um innigen Kontakt zwischen den Reaktionspartnern und den aktiven
Katalysatorstellen auf dem Substrat zu erleichtern und so zu gestatten,
daß das
resultierende N-Oxid von der katalytischen Stelle weg wandert und
die Stelle so für
weitere Umsetzung verfügbar
macht. Daher sind allgemein größere Porendurchmesser
bevorzugt. Obwohl der Porendurchmesser über einen weiten Bereich variieren
kann, sind Porendurchmesser von 6 bis 500 nm (60 bis 5000 A) besonders
geeignet.
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Die folgenden Beispiele dienen der
Erläuterung
der vorliegenden Erfindung.
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Beispiel 1
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12 g Katalysator IONAC® CFP-110
(d. h, ein mit Divinylbenzol vernetzter Polystyrolsulfonsäurekatalysator)
in seiner N-Form wurden in einen gerührten Kolben mit 10 g Methanol
und 22,8 g 2-Chlorpyridin eingefüllt.
Ein 6%iger Überschuß von 50%igem
wäßrigem Wasserstoffperoxid
wurde dem Kolben während
einer Zeitdauer von 2,6 h zugesetzt, während der Kolben auf einer
Temperatur von 80°C
gehalten wurde. Nach Beendigung der Zugabe von Wasserstoffperoxid
wurde Wärme
angewendet, um den Kolben auf einer Reaktionstemperatur von 80 °C zu halten,
und das Gemisch wurde bei der gleichen Temperatur weitere 22 h gerührt. Die
Umwandlung von 2-Chlorpyridin in 2-Chlorpyridin-N-oxid war 33,8% mit
einer Selektivität
für das
erwünschte
Produkt von im wesentlichen 100%. Unumgesetztes 2-Chlorpyridin kann
durch Destillation gewonnen und in dem nächsten Ansatz wiederverwendet
werden.
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Beispiel 2
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Beispiel 1 wurde unter Verwendung
von 9 g NAFION® NR50-Harz
(das ist ein perfluoriertes Ionenaustauschharz mit einem Gehalt
von funktionellen Sulfonsäuregruppen)
als ein Katalysator wiederholt. Dieses Harz ist eine perfluorierte
Sulfonsäure, die
von DuPont erzeugt wird. Die Umwandlung von Chlorpyridin in das
N-Oxid war 22,4% mit nahezu 100%iger Selektivität.
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Beispiel 3
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Beispiel 1 wurde unter Verwendung
von 12 g AMBERSEP® 200H-Harz
(das ist ein Polystyrolsulfonsäurekatalysator,
vernetzt mit Divinylbenzol) als ein Katalysator wiederholt. Dieses
Harz ist ein stark saures Kationenaustauschharz, das von Rohm und Haas
produziert wird. Die Umwandlung von Chlorpyridin in das erwünschte N-Oxid
war 34,3%, wobei im wesentlichen 100%ige Selektivität für das erwünschte Produkt
erzielt wurde.
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Beispiel 4
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In diesem Beispiel wurde ein quaternäres Anionenaustauschharz
als Träger
für einen
heterogenen Katalysator mit Wolframationen verwendet. AMBERLITEO
IR-410 (d. h. ein Anionenaustauschharz mit einem Gehalt funktioneller
quaternärer
Ammoniumgruppen) in der Chloridform (hergestellt von Rohm und Haas)
wurde mit einer wäßrigen Lösung eines äquimolaren
Gemisches von Natriumwolframat und Wolframsäure behandelt, um die Chloridionen des
Harzes mit den Wasserstoffwolframationen auszutauschen. Das so behandelte
AMBERLITE-Harz wurde von der wolframathaltigen Lösung abfiltriert und zweimal
mit Wasser gewaschen. Die feuchten Harzperlen hatten einen Wolframgehalt
von 17,8%. Das Harz wurde dann mit einer Methanollösung von 2-Chlorpyridin
und schließlich
mit Wasserstoffperoxid wie in den vorausgehenden Beispielen behandelt. Nach
dem Abfiltrieren des Harzes enthielt die flüssige Phase 45 ppm gelöstes Wolfram,
was zeigt, daß das Wolframation
auf dem AMBERLITE-Katalysatorträger blieb
und der Katalysator, wie erwünscht,
heterogen wirkte. Dieser Katalysator wurde dann mit einer wäßrigen Lösung von
0,402 Mol 2-Chlorpyridin, angesäuert
mit 0,03 Mol Phosphorsäure,
behandelt, worauf die Zugabe von 0,539 Mol von 50%igem wäßrigem Wassersoffperoxid über eine
Zeitdauer von 2 h bei einer Temperatur von 80°C folgte. Das Gemisch wurde
weitere 5 h bei der gleichen Temperatur umgesetzt. Etwa 12% des
2-Chlorpyridins wurden in das erwünschte N-Oxid mit einer Selektivität für dieses Produkt
von im wesentlichen 100% umgewandelt.
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Beispiel 5 – Oxidation
bei basischem pH-Wert
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Das Verfahren des Beispiels 1 wurde
unter Verwendung der gleichen Reaktionspartner und Reaktionsapparatur
wiederholt, jedoch mit der Ausnahme, daß die Gesamtheit der Sulfonsäurereste
des Katalysators mit wäßrigem Natriumhydroxid
zu Sulfonatresten vor der Zugabe des Wasserstoffperoxids neutralisiert
wurde. Nach einer Reaktionszeit von 22 h gab es eine 2%ige Umwandlung
von Chlorpyridin in das entsprechende N-Oxid, und der End-pH-Wert war
4,0.