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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Herstellung von Chinondiiminen aus ihren entsprechenden
Phenylendiaminen unter Verwendung von Wasserstoffperoxid in Gegenwart
eines Katalysators.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Klasse der cyclischen Enone ist
in der organischen Chemie wohlbekannt. Am besten bekannte Beispiele
von cyclischen Enonen sind Chinone wie z. B. die Benzochinone, Naphthochinone,
Anthrachinone, Phenanthrachinone und dergleichen. 1,4-Benzochinon
wird üblicherweise
als Chinon bezeichnet. Chinone sind im allgemeinen hell gefärbte Verbindungen
und haben vielseitige Anwendungen in der chemischen Synthese, biologische
Anwendungen, Anwendungen als Redox-Materialien sowie Anwendungen
in der Industrie. Es gibt verschiedene Übersichtsartikel über die
Chemie und die Anwendungen von Chinonen, einschließlich z.
B. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, dritte Aufl.,
Band 19, Seiten 572–605,
John Wiley & Sons,
New York, 1982.
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Die Synthese von Chinonen ist gut
dokumentiert. Siehe z. B. J. Cason, Synthesis of Benzoquinones by
Oxidation, in Organic Synthesis, Band IV, Seite 305, John Wiley & Sons, New York
(1948). Chinone werden im allgemeinen durch Oxidation der geeigneten
disubstituierten aromatischen Kohlenwasserstoff-Derivate hergestellt, wobei die Substituenten
Hydroxyl- oder Aminogruppen in den ortho- oder para-Positionen sind. 1,4-Benzochinon
kann z. B. durch Oxidation von Hydrochinon, p-Aminophenol oder p-Phenylendiamin
oder aus Chinasäure
hergestellt werden. Die Reagenzien, die im allgemeinen zur Oxidation
verwendet werden, sind Dichromat/Schwefelsäure-Mischung, Eisen(III)chlorid,
Silber(II)oxid oder Cerammoniumnitrat. In diesen Fällen ist
die Oxidation der aminoaromatischen Verbindung von einer Hydrolyse
zu dem entsprechenden Chinon begleitet. Einige Verfahren können bis
zur Vervollständigung
der Umsetzung mehrere Stunden benötigen.
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So wird bei einigen Verfahren des
Standes der Technik ein katalytisches Reagens verwendet, um eine annehmbare
Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen, während andere Verfahren ohne
Katalysatoren durchgeführt
werden. In dem Verfahren gemäß der Erfindung
wird Wasserstoffperoxid in Gegenwart eines katalytischen Reagenzes
verwendet, das eine extrem hohe Umwandlung, eine hohe Selektivität und hohe
Reaktionsgeschwindigkeiten bereitstellt, um das Chinondiimin herzustellen.
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Ein Verfahren des Standes der Technik,
in dem ein Katalysator zur Herstellung einer Chinonimin-Verbindung
verwendet wird, wird von Desmurs et al. im US Patent Nr. 5,189,218
offenbart. In dem Verfahren von Desmurs et al., bei dem N-(4-Hydroxyphenyl)anilin
in N-Phenylbenzochinonimin überführt wird,
verwendet man eine Mangan-, Kupfer-, Cobalt und/oder Nickel-Verbindung
als Katalysator in einer Reaktion vom Oxidationstyp.
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Ein anderes Verfahren ist aus
US 4,246,181 bekannt, das
ein Zweistufenverfahren zur Herstellung von Indoanilinen beschreibt,
einschließlich
der Oxidation in einer ersten Stufe eines p-Phenylendiamins zu einem Chinondiimin
und der Kondensation in einer zweiten Stufe des Chinondimins mit
einer Phenol-Verbindung.
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Andere Verfahren sind bekannt, bei
denen Oxidationsmittel verwendet werden, um Phenylendiamine in ihre
entsprechenden Chinondiimine zu überführen. Z.
B. gibt
EP 708,081 (Bernhardt
et al.), das die Umwandlung von Phenylendiaminen in Phenylendiimine
durch Oxidation des Diamins in alkalischer/alkoholischer Lösung beschreibt,
eine allgemeine Beschreibung solcher Verfahren in seinem Hintergrundteil.
Das Verfahren von
EP 708,081 leidet
an verschiedenen Nachteilen, einschließlich der langen Reaktionszeiten
und der geringen Ausbeuten. Zusätzliche
Oxidations-Umwandlungsverfahren werden von Wheeler im US Patent
Nr. 5,118,807 und von Haas et al. in
EP
708,080 beschrieben. Die Verwendung von Wasserstoffperoxid
in Gegenwart eines katalytischen Reagenzes bei der Umwandlung von
Diamino-Verbindungen, um hoch selektive Ausbeuten an Diimino-Verbindungen
zu ergeben, wurde jedoch bisher nicht vorgeschla gen.
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So basiert die vorliegende Erfindung
auf dem Problem, ein einfaches und wirtschaftliches Verfahrens zur
Herstellung von N,N'-disubstituierten Chinondiiminen in hohen Ausbeuten
und mit hoher Reinheit bereitzustellen.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Es wurde gefunden, dass Phenylendiamin-Verbindungen
mit äußerst hoher
Selektivität
in das entsprechende Chinondiimin umgewandelt werden können, indem
man das Diamin mit Wasserstoffperoxid in Gegenwart eines katalytischen
Reagenzes umsetzt. Es werden Bedingungen aufgezeigt, unter denen
nahe zu quantitative Ausbeuten erhalten werden.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik
besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass die Umwandlung
von Phenylendiamin in das entsprechende Chinondiimin nahezu quantitativ
ist. Somit bleibt sehr wenig Abfallmaterial nach der Vervollständigung
der Umsetzung zurück.
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Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin,
dass die hierin beschriebene Kombination von Wasserstoffperoxid/katalytisches
Reagens – verglichen
mit Verfahren des Standes der Technik – eine äußerst hohe Umwandlung, eine
hohe Selektivität
und eine schnellere, vollständigere
Umsetzung ergibt.
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Weitere Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden
ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, ein effektives Verfahren zur Umwandlung von Phenylendiaminen
in ihre entsprechenden Chinondiimine bereitzustellen.
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Gemäß der Aufgabe der Erfindung
wird ein Phenylendiamin (ortho oder para) gemäß der Formel I:
wobei R
1 und
R
2 und R
3 gleiche
oder unterschiedliche Reste sind, die aus Wasserstoff, Hydroxyl,
Halogen, Alkyl, Alkoxy, Aryl, Aralkyl, Alkaryl, Cycloalkyl, Heterocyclus,
Acyl, Aroyl, Carbamyl, Carbonsäuren,
Estern, Ethern, Ketonen, Alkoholen, Thiolen, Alkylthiolen und Cyano
ausgewählt
sind, mit Wasserstoffperoxid in Gegenwart eines katalytischen Reagenzes
umgesetzt.
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Die Umsetzung bildet ein entsprechendes
Chinondiimin gemäß den Formeln
IIa oder IIb:
in denen R
1,
R
2 und R
3 mit denjenigen
in der Verbindung gemäß der Formel
I identisch sind.
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Die Umsetzung wird wie folgt dargestellt:
Beispiele befriedigender
Reste für
R
1, R
2 und R
3 sind lineare oder verzweigte Alkyl-Reste,
wie Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl,
Nonyl, Decyl, Dodecyl; Aryl-Gruppen, wie Phenyl, Naphthyl, Anthracyl,
Tolyl, Ethylphenyl, 1-Ethyl-3-methylpentyl, 1-Methylheptyl; Cycloalkyl-Reste,
wie Cyclobutyl, Cyclopentyl, Cyclobutyl, Cyclohexyl, Cyclooctyl.
Andere Beispiele schließen
die folgenden ein: Allyl und Isobutenyl; 1,3,5-sym-Triazinyl, 2-Benzothiazolyl, 2-Benzimidazolyl,
2-Benzoxazolyl, 2-Pyridyl, 2-Pyrimidinyl, 2,5-Thiadiazolyl, 2-Pyrazinyl, Adipyl, Glutaryl,
Succinyl, Malonyl, Acetyl, Acrylyl, Methacrylyl, Caproyl, 3-Mercaptopropionyl,
Benzoyl, Phthaloyl, Terephthaloyl, Aminocarbonyl, Carbethoxy und
Formyl. Dies sind nur beispielhafte Reste, und sie sollen auf keinen
Fall den Bereich der Erfindung einschränken.
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Vorzugsweise werden R1 und
R2 aus Isoproypl, sec-Butyl, Cyclohexyl,
Phenyl und Wasserstoff ausgewählt.
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Das in der Umsetzung gemäß der vorliegenden
Efindung verwendete Wasserstoffperoxid liegt typischerweise in einer
Menge im Bereich von 1,05 bis 2,05 Teilen pro Äquivalent Phenylendiamin vor.
Die Verwendung von weniger als 1 Äquivalent erzeugt häufig Mischungen
von Chinondiimin und nicht umgesetztem Phenylendiamin. Die Konzentration
des Wasserstoffperoxids kann von 5% bis 85% reichen. Die Konzentration liegt
vorzugsweise zwischen 10% und 35%.
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Katalytische Reagenziem, die zusammen
mit dem Wasserstoffperoxid verwendet werden, schließen die
folgenden ein – ohne
aber auf dieselben beschränkt zu
sein -: Kohlenstoff-gestützte
Katalysatoren wie Pt/C und Pd/C; modifizierte Aktivkohle-Katalysatoren,
wie solche, die hergestellt werden, indem man Oberflächenoxide
von denselben entfernt, wie im US Patent Nr. 4,624,937 beschrieben
wird; wasserlösliche
ionische Metallkatalysatoren; Aktivkohle; Metalloxide wie Eisenoxid,
Manganoxid (MnO2) und Kupfer(II)oxid (CuO),
und Metalle wie Silber (Ag).
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Die Katalysatoren der vorliegenden
Erfindung bewirken die Umwandlungsreaktion in dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung. Selbst in Systemen, in denen das Oxidationsmittel – wässriges
Wasserstoffperoxid – in
der Lösungsmittellösung von
Phenyldiamin (d. h. Acetonitril in N,N-Dimethylformamid) löslich ist,
findet keine Umsetzung statt, bis der Katalysator zugegeben wird.
Es ist vorteilhaft, feste Katalysatoren bei der Umsetzung gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verwenden, da sich feste Katalysatoren durch Filtration leicht
zurückgewinnen
lassen, und die festen Katalysatoren in dem Verfahren erneut verwendet
werden können.
Es gibt auch Vorteile bezüglich
der Umweltverschmutzung, und es besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit,
dass eine Verunreinigung durch den Katalysator in dem fertigen isolierten
Chinondiimin vorliegt. Weiterhin ergeben die Katalysatoren eine
hohe Umwandlung und eine ausgezeichnete Selektivität.
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Die Umsetzung gemäß der vorliegenden Erfindung
erfolgt entweder in einem homogenen Lösungsmittelsystem oder einem
Zweiphasen-Lösungsmittelsystem.
Wasserlösliche
organische Lösungsmittel
werden für
die homogene Reaktion verwendet, während wasserunlösliche organische
Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel
das Zweiphasensystem ergeben. Das Zweiphasensystem schließt auch
Wasser ein. Das Zweiphasen-Oxidationssystem ergibt eine leichte
Abtrennung der organischen Komponenten (sowohl Chinondiimin als
auch Lösungsmittel)
von der verbrauchten wässrigen
Schicht. Organische aprotische Lösungsmittel,
die in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung brauchbar sind,
schließen
die folgenden ein: Ketone, wie Aceton, Cyclohexanon, 4-Methyl-2-pentanon (Methylisobutylketon),
5-Methyl-2-hexanon, Methylethylketon; aliphatische und aromatische
Kohlenwasserstoffe, wie Hexane, Heptane, Toluol, Xylole, Nitrile
wie Acetonitril; halogenierte Lösungsmittel,
wie Chloroform, Dichlormethan, Tetrachlorkohlenstoff; wasserlösliche Lösungsmittel,
wie Dimethylsulfoxid, N-Methyl-2-pyrrolidon, Sulfolan, Dimethylformamid;
Ester wie Ethylacetat; Ether wie 1,4-Dioxan, Alkohole wie Methanol,
und Mischungen derselben, sie sind aber nicht auf dieselben beschränkt.
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Die anfängliche Phenylendiamin-Konzentration
kann von Mengen von 1% w/v bis 100% w/v reichen. Vorzugsweise reicht
die anfängliche
Phenylendiamin-Konzentration
von 25% w/v bis 60% w/v.
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Die vorliegenden Erfindung kann in
Abhängigkeit
vom Lösungsmittel
bei Temperaturen von –200°C bis 150°C, vorzugsweise
von 25°C
bis 70°C,
stattfinden.
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Wie oben erwähnt wurde, können wasserlösliche,
ionische Metallkatalysatoren auch für die Umwandlungsreaktion gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden. Beispiele solcher wasserlöslichen,
ionischen Metallkatalysatoren schließen die folgenden ein, ohne
aber auf dieselben beschränkt
zu sein: Natriumwolframat (Na2WO4), Kupfersulfat (CuSO4)
und Palladiumacetat (Pd(CH3CO2)2). Die Verwendung der oben erwähnten wasserlöslichen,
ionischen Metallkatalysatoren bewirkt jedoch eine Reduktion der
Selektivität
der Chinondiimin-Bildung zusammen mit der Möglichkeit einer Produktverunreinigung
aufgrund einer unvollständigen
Abtrennung oder einer Produktkomplexierung mit diesen Kationen.
Zusätzlich
dazu bilden die wasserlöslichen
Katalysatoren einen wässrigen
Strom, der die Metallkatalysatoren enthält, was Umweltprobleme erzeugen
kann.
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Ein Phasenübertragungskatalysator kann
verwendet werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit mit den oben erwähnten wasserlöslichen
Metallkatalysatoren zu beschleunigen. Die Zugabe von Tricaprylmethylammoniumchlorid
(Aliquat® 336,
Henkel Corp.) zu dem Natriumwolframat/Wasserstoffperoxid-System
erhöht die
Umwandlungsgeschwindigkeit des Chinondiimins aus dem entsprechenden
Phenylendiamin.
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Ein Phasenübertragungskatalysator kann
direkt zu der Reaktionsmischung gegeben werden, oder er kann in
einem der Reagenzien wie Santoflex® 6PPD
gelöst
werden. Der Phasenübertragungskatalysator
kann auch in einem in dem Verfahren verwendeten Lösungsmittel
oder in Wasser gelöst
werden, bevor die Zugabe zur Reaktionsmasse erfolgt.
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Ein anderes Mittel, durch das die
Geschwindigkeit der Umsetzung erhöht werden kann, besteht darin, die
Rühr- oder
Mischgeschwindigkeit der Umsetzung zu erhöhen. Indem man das Rühren oder
Vermischen erhöht,
kann die Reaktionsgeschwindigkeit auf wirksame Weise so eingestellt
werden, dass sie mit einer größeren Geschwindigkeit
verläuft,
falls dies notwendig ist.
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Die vorliegende Erfindung kann durch
die folgenden Beispiele klarer erläutert werden.
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Beispiel 1
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Eine Mischung von 20,0 g N-1,3-Dimethylbutyl-N'-phenyl-p-phenylendiamin
(Santoflex® 6PPD)
und 40,0 g Acetonitril wurde in einen 250 ml Kolben gegeben, der
mit einem wirksamen Rühren
versehen ist. Ein Wasserbad wurde verwendet, um diese Mischung auf
35°C zu
erwärmen
und sie bei dieser Temperatur zu halten. Nachdem die Feststoffe
gelöst
sind, wurde der Katalysator (0,50 g, 3%iges Pt/C mit 43,5% H2O (Johnson Matthey) zugegeben, und Wasserstoffperoxid
(7,8 g 30-35%ig in 12,2 g H2O) wurde während einer
Zeitspanne von 30 min in den Kolben eindosiert. Die Mischung wurde
während
einer zusätzlichen
Zeitspanne von 10 min rühren
gelassen und dann filtriert, um den festen Platin-Katalysator zu
entfernen. Der Katalysator wurde mit 5,0 g Acetonitril gespült. Das
Chinondiimin wurde isoliert, indem man die Acetonitril/Wasser-Mischung
unter Vakuum entfernte. Das isolierte Chinondiimin wog 19,8 g und
durch Analyse (HPLC) ergaben sich 99,2% Chinondiimin und 0,6% 6PPD.
Der an der Luft getrocknete Katalysator wog 0,41 g.
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Beispiel 2
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Eine Mischung von 20,0 g N-1,3-Dimethylbutyl-N'-phenyl-p-phenylendiamin (Santoflex® 6PPD)
und 20,0 g N,N-Dimethylformamid (DMF) wurde in einen 250 ml Kolben
gegeben, der mit einem wirksamen Rühren versehen ist. Ein Wasserbad
wurde verwendet, um die Temperatur der Mischung bei 35°C zu halten.
Der Katalysator (0,51 g, 3%iges Pt/C mit 43,5% H2O
(Johnson Matthey) wurde zugegeben, nachdem das 6PPD gelöst war.
Wasserstoffperoxid (7,8 g, 30-35%ig in 12,2 g H2O)
wurde während
einer Zeitspanne von 30 min in die gerührte Mischung eindosiert. Die
Mischung wurde filtriert, um den Platin-Katalysator zu entfernen,
und zwei Spülungen
mit 5,0 g DMF wurden verwendet, um den Katalysator zu waschen.
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Die filtrierte Mischung wurde zu
75,0 g Wasser gegeben und in einen Trenntrichter gegeben. Nach der Extraktion
und Schichtentrennung wurden 19,3 g Chinondiimin isoliert. Die HPLC-Analyse
dieses isolierten Produkts ergab 98,2% Chinondiimin und 0,8% 6PPD.
Eine sehr geringe Menge (<0,5%)
an DMF blieb in dem isolierten Chinondiimin zurück. Der isolierte, an der Luft
getrocknete Katalysator wog 0,28 g.
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Beispiel 3
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Eine Mischung von 80,0 g N-1,3-Dimethylbutyl-N'-phenyl-p-phenylendiamin
(Santoflex® 6PPD)
und 80,0 g Heptan wurde in einen 500 ml Kolben gegeben, der mit
einem wirksamen Rühren
versehen ist. Ein Wasserbad wurde verwendet, um die Temperatur der
Mischung bei 35°C
zu halten. Der Katalysator (1,50 g, 3%iges Pt/C mit 43,5% H2O (Johnson Matthey) wurde zugegeben, sobald
sich das 6PPD in dem Heptan gelöst
hatte. Wasserstoffperoxid (62,4 g, 30-35%ig in 57,6 g H2O)
wurde während
einer Zeitspanne von 2 Stunden in die gerührte Mischung eindosiert. Die
Mischung wurde filtriert, um den Platin-Katalysator zu entfernen, und zwei Spülungen mit
10,0 g Heptan wurden verwendet, um den Katalysator zu waschen. Das
Chinondiimin wurde isoliert, indem man die Wasserschicht entfernte
und das Heptan unter Vakuum in einem Rotationsverdampfer zurückgewann.
Das isolierte Chinondiimin wog 79,4 g und durch Analyse (HPLC) ergaben
sich 99,5% Chinondiimin und kein nachweisbares 6PPD. Der an der
Luft getrocknete Katalysator wog 1,29.
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Beispiel 4
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Eine Mischung von 20,0 g N-1,3-Dimethylbutyl-N'-phenyl-p-phenylendiamin
(Santoflex® 6PPD)
und 40,0 g Heptan wurde in einen 250 ml Kolben gegeben, der mit
einem wirksamen Rühren
versehen ist. Ein Wasserbad wurde verwendet, um die Temperatur der
Mischung bei 55°C
zu halten. Der Katalysator (0,50 g, 3%iges Pt (nicht reduziert)/C
mit 55,2% H2O (Engelhard) wurde zu dem Lösungsgemisch
gegeben. Wasserstoffperoxid (15,8 g, 30-35%ig in 24,2 g H2O) wurde während einer Zeitspanne von
45 min in die gerührte
Mischung eindosiert, und dieselbe wurde weitere 30 min rühren gelassen.
Die Mischung wurde filtriert, und der Platin-Katalysator wurde mit
5,0 g Heptan gewaschen. Die wässrige
Schicht wurde entfernt, und das Chinondiimin wurde unter Vakuum
durch Entfernen von Heptan isoliert. Das isolierte Produkt wog 19,7
g und als 97,6% Chinondiimin und 1,2% vorliegendes 6PPD analysiert
(HPLC).
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Beispiel 5
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Eine Mischung von 20,0 g N-1,3-Dimethylbutyl-N'-phenyl-p-phenylendiamin
(Santoflex® 6PPD)
und 40,0 g Heptan wurde in einen 250 ml Kolben gegeben, der mit
einem wirksamen Rühren
und einem Rückflusskühler versehen
ist. Ein Wasserbad wurde verwendet, um die Temperatur der Mischung
zwischen 80°C
und 85°C
zu halten. Der Katalysator (0,75 g Kupfer(II)oxid (Pulver)) wurde
zu dem Lösungsgemisch
gegeben. Wasserstoffperoxid (15,8 g, 30-35%ig in 24,2 g H2O) wurde während einer Zeitspanne von
90 min zudosiert. Der Kupfer-Katalysator wurde durch Filtration
entfernt und mit 5,0 g Heptan gewaschen. Die wässrige Schicht wurde entfernt,
und das Heptan wurde unter Vakuum zurückgewonnen, wobei 19,9 g an
isoliertem Chinondiimin zurückblieben.
Die Analyse (HPLC) ergab 95,7% Chinondiimin und 3,2% nicht umgesetztes
6PPD. Das Kupfer(II)oxid wurde quantitativ zurückgewonnen.
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Andere Phenylendiamine, einschließlich Santoflex® 77PD
[R1 = R2 = 1,4-Dimethylpentyl, R3 = Wasserstoff], Santoflex® 14
[R1 = Phenyl, R2 =
1,4-Dimethylpentyl,
R3 = Wasserstoff], Santoflex® IPPD
[R1 = Phenyl, R2 =
Isopro pyl, R3 = Wasserstoff], Santoflex® 44PD
[R1 = R2 = sec-Butyl,
R3 = Wasserstoff], 4-Aminodiphenylamin [R1 = H, R2 = Phenyl,
R3 = Wasserstoff], N,N'-Diphenyl-p-phenylendiamin [R1 = R2 = Phenyl,
R3 = Wasserstoff] und N-Cyclohexyl-N'-phenyl-p-phenylendiamin
[R1 = Cyclohexyl, R2 =
Phenyl, R3 = Wasserstoff], können in
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Die durch das Verfahren der vorliegenden
Erfindung hergestellten Chinondiimine weisen mehrfache Aktivitäten in vulkanisierten
Elastomeren auf. Diese Aktivitäten
schließen
eine lange andauernde Antioxidationsmittel-Aktivität zusammen
mit einer Ozonschutzmittel-Kapazität ein. Tatsächlich wird die Antioxidationsmittel-Kapazität dieser
Antidegradationsmittel beibehalten, selbst nachdem das Vulkanisat
mit Lösungsmitteln
extrahiert wurde. Zusätzlich
dazu ergeben Chinondiimine diese Vorteile ohne negative Auswirkung
auf die Anvulkanisation (Storch), die im allgemeinen mit den in
der Industrie üblichen
p-Phenylendiamin-Antidegradationsmitteln
verbunden ist. Eine Zusammenfassung der Aktivitäten dieser Verbindungen im
Kautschuk kann in der Literatur gefunden werden (Cain, M. E. et
al., Rubber Industry, 216–226,
1975).