DE69819959T2 - Verfahren zur Herstellung von aromatischen Verbindungen die ein heterozyklisches System enthalten - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung aromatischer Verbindungen mit einem heterozyklischen System.
  • Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von 1,3-Benzodioxolen, welche wahlweise am Benzolring substituiert sind, zum Beispiel mit Alkyl- oder Aldehydgruppen.
  • 1,3-Benzodioxole, wie beispielsweise 1,3-Methylendioxybenzol (MDB), sind Produkte, welche als Zwischenprodukte bekannt sind, die für die Herstellung von Produkten geeignet sind, die in der landwirtschaftlichen, der pharmazeutischen und der kosmetischen Industrie verwendet werden können.
  • Verfahren zur Herstellung von 1,3-Benzodioxolen bestehen in der Reaktion von Katechol und einem Methylendihalogenid in der Anwesenheit einer Base und eines Katalysators nach dem Reaktionsschema (I):
  • Figure 00010001
  • Methoden zur Herstellung von 1,3-Benzodioxolen sind in der wissenschaftlichen Literatur bekannt.
  • Das französische Patent 1.502.914 beispielsweise beschreibt ein Verfahren zur Herstellung aromatischer Verbindungen mit einem heterozyklischen System, welches die Reaktion von Katechol mit einem Methylendihalogenid gemäss dem Reaktionsschema (I) umfasst.
  • Die Reaktion findet bei einer hohen Temperatur statt, bei ca. 120°–130°C, und in der Anwesenheit eines stark polaren, aprotischen Lösungsmittels, wie beispielsweise Dimethylsulfoxid (DMSO). Schliesslich wird das Reaktionsprodukt mittels konventioneller Extraktions-/Destillationstechniken gewonnen.
  • U.S. Patent 4.082.774 offenbart die Herstellung von MDB, ausgehend von Katechol und Methylendihalogenid.
  • Im Besonderen wird, gemäss dem Verfahren des U.S. Patents, MDB grundsätzlich in zwei Schritten hergestellt. Im ersten Schritt wird eine Lösung des Dianions von Katechol durch Reaktion des letzteren mit einem Salz oder alkalischem Hydroxid in einem Lösungsmittel hergestellt, welches aus DMSO und Wasser besteht. Im zweiten Schritt wird die Dianion-Lösung zur Lösung von Methylendihalogenid in DMSO hinzugefügt.
  • Das MDB Produkt wird aus der Reaktionsmischung mittels Destillation mit Wasserdampf und Extraktion mit Ether zurückgewonnen.
  • Die obigen Verfahren haben die gemeinsame Eigenschaft, dass DMSO als Lösungsmittel verwendet wird. Die Verwendung von DMSO als Reaktionslösungsmittel in der Synthese von 1,3-Benzodioxolen erlaubt, in Anbetracht anderer polarer aprotischer Lösungsmittel, wie Dimethylformamid, Dimethylacetamid oder Sulfolan, eine komplette Umsetzung des Katechols und eine hohe Selektivität zum nützlichen zu erhaltenden Produkt.
  • Allerdings ist die Verwendung von DMSO nicht ohne Nachteile. Wie auch in "Industrial Chemistry & Engineering Symposium Series", Nr. 134, 1994, Seiten 563–574 anerkannt wurde, ist DMSO bei hohen Temperaturen instabil, und in der Anwesenheit alkalischer Metallhalogenide, welche in der Reaktionsmischung von MDB anwesend sind, fällt die Zersetzungstemperatur um ca. 50°C, was eine von der Zersetzungstemperatur genügend weit entfernte Synthesetemperatur nicht erlaubt. Unter diesen Bedingungen kann die Zersetzung von DMSO einen explosiven Trend entwickeln, welcher typisch für "Run Away"-Reaktionen ist.
  • Zusätzlich ist, wiederum als Resultat der Instabilität, die Rückgewinnung des DMSO aus der Reaktionsmischung äusserst schwierig, da es unter einem beträchtlich hohen Vakuum ausgeführt werden muss, um die Destillationstemperatur zu senken. Trotzdem kann eine gewisse Zersetzung des Lösungsmittels unter der Bildung von äusserst übelriechenden und toxischen Mercaptan-Nebenprodukten, welche schwierig zu beseitigen sind, nicht verhindert werden. Schliesslich bildet DMSO azeotrope Mischungen mit Benzodioxolen, beispielsweise mit dem Produkt 1,3-Methylendioxybenzol, welches es erschwert, sowohl das nützliche Produkt, als auch das Lösungsmittel rückzugewinnen. Alternative Verfahren zur Herstellung von Benzodioxolen, welche nicht von der Verwendung des Lösungsmittels DMSO abhängig sind, sind in der Literatur vorgeschlagen worden.
  • U.S. Patent 4.183.861 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Benzodioxolen, das in der Reaktion von Katechol, welches wahlweise substituiert ist, mit Methylenchlorid ohne Lösungsmittel und in der Anwesenheit eines Katalysators, welcher aus Ammonium- oder Phosphonium-Salzen ausgewählt ist, besteht.
  • Bei der Verwendung von Katalysatoren, welche auf quaternären Salzen basieren, stellen sich keine Sicherheitsprobleme, es ist aber notwendig, unter Druck zu arbeiten, und hohe Selektivitäten zum nützlichen Produkt (MDB) werden nicht erhalten, da sie die Bildung von hohen Mengen des dimeren Nebenproduktes fördern. Des weiteren ist die Rückgewinnung des Katalysators aus der Reaktionsmischung mit den traditionellen Systemen nicht vollständig und benötigt deshalb besondere und schwierige Arbeitsbedingungen.
  • Der Anmelder hat nun ein Verfahren zur Herstellung von Benzodioxolen gefunden, welches nicht nur die obigen Nachteile überwindet, sondern es auch erlaubt, hohe Reaktionsausbeuten zu erhalten, wie in jenen Verfahren, die auf DMSO basieren. Es ist tatsächlich gefunden worden, dass, wenn die Reaktion nach Schema (I) in einem polaren aprotischen Lösungsmittel gehörend zur Gruppe von N-Alkylpyrrolidonen als solche, beispielsweise N-Methylpyrrolidon (NMP) ausgeführt wird, es möglich ist, nicht nur die für DMSO typischen Nachteile zu überwinden, sondern auch Reaktionsausbeuten zu erhalten, die noch. höher als 95% sind.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich deshalb auf ein Verfahren zur Herstellung aromatischer Verbindungen mit einem heterozyklischen System der allgemeinen Formel (II):
    Figure 00040001
    in der R1 und R2, gleich oder verschieden, ein Wasserstoffatom, ein Halogen, ein Hydroxyl, einen Alkylhalogenid-Rest oder einen Alkoxy-Rest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen (vorzugsweise von 1 bis 4), einen Phenoxy-Rest, einen C1-C6-Alkyl-Rest (vorzugsweise C1-C4) einen C2-C6-Alkenyl-Rest (vorzugsweise C2-C4), eine Gruppe ausgewählt aus einem -CHO-Formyl oder Carboxy-Rest, einen -COCH3-Acetyl, -Y-CHO oder -YCOOH-Rest, in dem Y einen C1-C6-Alkylen-Rest (vorzugsweise C1-C4) darstellt, oder eine -NO2 oder -NR3R4-Gruppe darstellen, in der R3 und R4, gleich oder verschieden, ausgewählt sind aus einem Wasserstoffatom oder einem C1-C4-Alkyl-Rest, welches beinhaltet, dass wahlweise substituiertes Katechol mit einem Methylendihalogenid in basischer Umgebung und in der Anwesenheit eines polaren aprotischen Lösungsmittels, das zur Gruppe der N-Alkylpyrrolidone gehört, zur Reaktion gebracht wird.
  • Gemäss der vorliegenden Erfindung sind bevorzugte aromatische Verbindungen mit einem heterozyklischen System jene, in denen der R1-Rest ein Wasserstoffatom ist, wobei der R2-Rest ein Wasserstoffatom, einen Methyl-Rest beziehungsweise einen Formyl-Rest darstellt.
  • Die Synthese-Reaktion, welche ausgeführt werden kann, indem die Reagenzien entweder kontinuierlich oder chargenweise zugeführt werden, findet zwischen wahlweise substituiertem Katechol und einem Methylendihalogenid, beispielsweise Methylenchlorid, in Anwesenheit einer Base statt, um das sich während der Reaktion entwickelnde Halogen zu fixieren. Bevorzugte Basen gemäss der vorliegenden Erfindung sind im wesentlichen Carbonate und/oder Bicarbonate alkalischer Metalle, wie Natrium und Kalium oder deren Mischungen. Kaliumcarbonat ist besonders bevorzugt, wobei es mit molaren Verhältnissen Katechol/K2CO3 im Bereich von 1/1 bis 1/3, vorzugsweise zwischen 1/1,2 und 1/1,5, verwendet wird.
  • Die Reaktion findet bei atmosphärischem Druck und einer Temperatur im Bereich von 50° bis 170°C, vorzugsweise zwischen 100° und 130°C statt. Selbst wenn diese Synthese äquimolare Verhältnisse zwischen den Reagenzien anwendet, wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung bevorzugt mit einem Überschuss an Methylendihalogenid ausgeführt, um die nahezu gesamte Umsetzung des Katechols zu fördern und einen hohen Rückfluss während der gesamten Reaktion bei der Reaktionstemperatur aufrecht zu erhalten.
  • Das NMP-Lösungsmittel wird in solchen Mengen verwendet, dass es ein molares Verhältnis Katechol/Lösungsmittel im Bereich von 1/2 bis 1/20, bevorzugt von 1/4 bis 1/10 ergibt.
  • Am Schluss der Reaktion kann das somit erhaltene Benzodioxol durch eine einfache Destillation gewonnen werden. Während dieser Phase ist es möglich, das zur Synthese rezyklierte NMP-Lösungsmittel zurückzugewinnen.
  • Einige illustrative, aber nicht-beschränkenden Beispiele werden für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Ausführungsform vorgelegt.
  • BEISPIEL 1
  • 650 g NMP (6,5 mol) und 173 g K2CO3 (1,25 mol) werden in einen 1,000 cc Reaktor, welcher mit einem Rührer, einem Kühler und Phasenabscheider, einem Thermometer und zwei Verteilern ausgestattet ist, von denen einer ein eingetauchtes Rohr aufweist, welches in die Reaktionsmischung eintaucht, geladen. Die erhaltene Suspension wird darauf auf 130°C erhitzt. Bei dieser Temperatur wird die Zufuhr von 110,11 g (1 mol) Katechol im geschmolzenen Zustand über eine Dauer von 4,5 Stunden gestartet.
  • Das Methylenchlorid wird gleichzeitig kontinuierlich mittels eines Verteilers mit einem eingetauchten Rohr, welches in die Reaktionsmischung eintaucht, zugeführt und diese Zufuhr wird für weitere 2 Stunden fortgesetzt, nachdem die Zufuhr des Katechols beendet wurde, und in einer solchen Menge, um einen hohen Rückfluss bei der Reaktionstemperatur aufrecht zu erhalten.
  • Das Methylenchlorid wird nach der Kondensation und dem Abtrennen vom Wasser in dieselbe Reaktionsmischung rezykliert.
  • Die Gesamtreaktionszeit bei einer Temperatur von 130°C beträgt ca. 6,5 Stunden.
  • Die Reaktionsmischung wird für die Filtration und die Entfernung des filtrierten Feststoffs auf Raumtemperatur gekühlt.
  • Die Lösung wird nach der Filtration vom anwesenden Methylenchlorid abgedampft und darauf bei reduziertem Druck in einer rektifizierenden Säule destilliert, wobei eine reine Fraktion MDB von 116,62 g (Siedepunkt: 110°C bei 100 torr) erhalten wird.
    Katechol-Umsetzung: 100%.
    Selektivität zu MDB: 95,5%.
  • BEISPIEL 2
  • Das selbe Verfahren wie in Beispiel 1 wird ausgeführt, wobei 1,5 mol K2CO3 (207 g) geladen werden. Nach der Filtration der Salze und der Destillation des MDB werden 115,4 g reines Produkt erhalten.
    Katechol-Umsetzung: 100%.
    Selektivität zu MDB: 94,5%.
  • BEISPIEL 3
  • Das selbe Verfahren wie in Beispiel 2 wird ausgeführt, wobei aber bei einer Temperatur von 120°C gearbeitet wird. Nach der Destillation werden 110 g reines MDB erhalten.
    Katechol-Umsetzung: 100%.
    Selektivität zu MDB: 90,1%.
  • BEISPIEL 4
  • Das selbe Verfahren wie in Beispiel 1 wird ausgeführt, wobei 1,1 mol K2CO3 (152 g) geladen werden. Nach der Filtration der Salze und der Destillation des MDB werden 114,79 g reines MDB erhalten.
    Katechol-Umsetzung: 100%
    Selektivität zu MDB: 94,0%.
  • BEISPIEL 5
  • Das selbe Verfahren wie in Beispiel 1 wird ausgeführt, wobei 4-Methylkatechol anstelle von Katechol geladen wird.
  • Nach der Destillation in einem Dampfstrom mit Wasser werden 127,3 g reines 3,4-Methylendioxytoluol erhalten.
    Umsetzung von 4-Methylkatechol: 100%.
    Selektivität zu Methylendioxytoluol 93,5%.
  • BEISPIEL 6
  • Das selbe Verfahren wie in Beispiel 1 wird ausgeführt, wobei 3,4-Dihydroxybenzaldehyd in einer Lösung von NMP anstelle von Katechol geladen wird. Am Schluss der Reaktion nach der Auftrennung durch Destillation unter Vakuum (Rest von 10 mmHg) werden 141,6 g reines 3,4-Methylendioxybenzaldehyd erhalten.
    Umsetzung von 3,4-Dihydroxybenzaldehyd: 100%.
    Selektivität zu 3,4-Methylendioxybenzaldehyd: 93,5.
  • BEISPIEL 7 (vergleichend)
  • Das selbe Verfahren wie in Beispiel 1 wird ausgeführt, mit der Ausnahme, dass das NMP-Lösungsmittel mit einer gleichen Menge an Sulfolan ersetzt wird.
  • Am Schluss der Reaktion wird eine 100 Umsetzung erhalten, aber mit einer Reduktion in der Selektivität auf 80%.
  • BEISPIEL 8 (vergleichend)
  • Das selbe Verfahren wie in Beispiel 1 wird ausgeführt, mit der Ausnahme, dass das NMP-Lösungsmittel mit einer gleichen Menge an Dimethylformamid ersetzt wird und die Temperatur auf 100°C reduziert wird.
  • Am Schluss der Reaktion wird eine 100% Umsetzung erhalten, aber mit einer Reduktion in der Selektivität auf 80%.

Claims (9)

  1. Ein Verfahren zur Herstellung aromatischer Verbindungen mit einem heterozyklischen System der allgemeinen Formel (II):
    Figure 00110001
    in der R1 und R2, gleich oder verschieden, ein Wasserstoffatom, ein Halogen, ein Hydroxyl, einen Alkylhalogenid-Rest oder einen Alkoxy-Rest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, einen Phenoxy-Rest, einen C1-C6-Alkyl-Rest, einen C2-C6-Alkenyl-Rest, eine Gruppe ausgewählt aus einem -CHO-Formyl- oder Carboxy-Rest, einen -COCH3-Acetyl-, -Y-CHO oder -Y-COOH-Rest, in dem Y einen C1-C6-Alkylen-Rest darstellt, oder eine -NO2 oder -NR3R9 darstellen, in der R3 und R4, gleich oder verschieden, ausgewählt sind aus einem Wasserstoffatom oder einem C1-C4-Alkyl-Rest, welches beinhaltet, dass wahlweise substituiertes Katechol mit einem Methylendihalogenid in basischer Umgebung und in der Anwesenheit eines polaren aprotischen Lösungsmittels, das zur Gruppe der N-Alkylpyrrolidone gehört, zur Reaktion gebracht wird.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, in dem das N-Alkylpyrrolidon N-Methylpyrrolidon ist.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 1, in dem die aromatischen Verbindungen mit einem heterozyklischen System jene sind, in welchen der R1-Rest ein Wasserstoffatom ist und der R2-Rest ein Wasserstoffatom, eine Methylgruppe oder einen Formyl-Rest darstellt.
  4. Das Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, in dem die Synthesereaktion ausgeführt wird, in dem die Reagentien kontinuierlich oder als Charge hinzugeführt werden.
  5. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem die Synthesereaktion zwischen wahlweise substuiertem Katechol und Methylenchlorid in Anwesenheit eines alkalischen Produktes, ausgewählt aus Carbonaten und/oder Bicarbonaten von Alkali-Metallen wie beispielsweise Natrium oder Kalium oder deren Mischungen, stattfindet.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 5, in dem das alkalische Produkt Kaliumcarbonat ist.
  7. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem die molaren Verhältnisse Katechol/K2CO3 zwischen 1/1 und 1/3 sind.
  8. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem die Synthesereaktion bei Atmosphärendruck und bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 170°C stattfindet.
  9. Das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem das Verhältnis Katechol/N-Methylpyrrolidon zwischen 1/1 und 1/20 liegt.
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