DE69904271T2 - Verfahren zur Herstellung von Propylenharnstoffen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Propylenharnstoffen

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Harnstoffderivaten der allgemeinen Formel 1,
  • in der R¹-R&sup7; für ein Wasserstoffatom oder eine lineare oder verzweigte C&sub1;-C&sub4;-Alkylgruppe, insbesondere Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl oder Isobutyl stehen, wobei R¹-R&sup7; gleich oder unterschiedlich sein können, und R&sup8; für eine lineare oder verzweigte C&sub1;-C&sub6;-Alkylgruppe, insbesondere Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl oder Isobutyl steht.
  • Die Verbindungen der allgemeinen Formel 1 können für die Härtung von Polymeren, die Hydroxylgruppen enthalten, verwendet werden.
  • Umsetzungsprodultte von Ethylenharnstoffen und Glyoxylsäurederivaten sind aus der US-PS 4 778 668 bekannt. Sie dienen zur Vernetzung von Hydroxylgruppen-haltigen Polymeren, insbesondere zur Vernetzung der Hydroxylgruppen innerhalb von Cellulosefasern. Diese Vernetzer werden bei Temperaturen von 100 bis 140ºC hergestellt. In diesem Temperaturbereich tritt bereits eine Oligomerisierung dieser reaktiven Vernetzer ein, da diese auch mit sich selbst reagieren können, wie es z. B. bei Harnstoff-Formaldehyd-Aminoharzen der Fall ist (R. Wegler in Houben-Weyl "Methoden der organischen Chemie", Band 14/2 (1963), Seite 320-328). Die Oligomerisierung verursacht eine Reduzierung der Effektivität als Vernetzer besonders bei der Vernetzung von Cellulosefasern, da die oligomerisierten Vernetzer aufgrund ihrer erhöhten Masse und Größe dann nicht mehr ausreichend in die Cellulosefaser eindringen können.
  • Weiterhin führen die hohen Herstellungstemperaturen auch zu einer teilweisen Verfärbung der Produkte (siehe Beispiele 4.2, 4.4 und 4.5 der US-PS 4 770 668), was bei einer Anwendung in Beschichtungen oder Imprägnierungen von farblosen Materialien nachteilig ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die oben angeführten Mängel des Standes der Technik, insbesondere die Bildung oligomerer Anteile und Verfärbungen, zu überwinden und verbesserte Vernetzer auf Harnstoffbasis bereitzustellen, die von den obigen Nachteilen frei sind.
  • Der Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen der allgemeinen Formel 1
  • in der R¹-R&sup7; für ein Wasserstoffatom oder eine lineare oder verzweigte C&sub1;-C&sub4;-Alkylgruppe, insbesondere Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl oder Isobutyl, stehen, wobei R¹-R&sup7; gleich oder unterschiedlich sein können und R&sup8; für eine lineare oder verzweigte C&sub1;-C&sub6;-Alkylgruppe, insbesondere Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl oder Isobutyl, steht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine Verbindung der allgemeinen Formel 2,
  • in der R&sup9; für einen Rest aus der Gruppe -CHO, -CH(OH)-OR&sup8; und -CH(OH)&sub2; steht und R&sup8; wie oben definiert ist, mit einem Harnstoffderivat der allgemeinen Formel 3, bei einer Temperatur von 25-100ºC
  • in der R¹-R&sup6; wie oben definiert sind, umsetzt, und das erhaltene Reaktionsprodukt gegebenenfalls mit einem Alkohol der allgemeinen Formel X-OH, worin X eine lineare oder verzweigte C&sub1;-C&sub4;-Alkylgruppe bedeutet, zur Umsetzung bringt.
  • Wie oben ausgeführt, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen der allgemeinen Formel 1
  • worin die Substituenten R¹-R&sup7; und R&sup8; wie oben definiert sind, bereitgestellt. Beispiele für Verbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung, die durch die obige allgemeine Formel 1 definiert sind, sind wie folgt:
  • Hydroxy-[3-(hydroxy-methoxycarbonyl-methyl)-2-oxo-tetrahydro-pyrimidin-1-yl]-essigsäuremethylester,
  • Hydroxy-[3-(hydroxy-ethoxycarbonyl-methyl)-2-oxo-tetrahydro-pyrimidin-1-yl]-essigsäuremethylester,
  • Hydroxy-[3-(hydroxy-butoxycarbonyl-methyl)-2-oxo-tetrahydro-pyrimidin-1-yl]-essigsäurebutylester,
  • Methoxy-[3-(methoxy-methoxycarbonyl-methyl)-2-oxo-tetrahydro-pyrimidin-1-yl]-essigsäuremethylester,
  • Ethoxy-[3-(ethoxy-ethoxycarbonyl-methyl)-2-oxo-tetrahydropyrimidin-1-yl]-essigsäureethylester,
  • Butoxy-[3-(butoxy-butoxycarbonyl-methyl)-2-oxo-tetrahydropyrimidin-1-yl]-essigsäurebutylester,
  • Hydroxy-[3-(hydroxy-methoxycarbonyl-methyl)-5,5-dimethyl- 2-oxo-tetrahydro-pyrimidin-1-yl]-essigsäuremethylester und
  • Hydroxy-[3-(hydroxy-methoxycarbonyl-methyl)-5,5-dimethyl- 4-isopropyl-2-oxo-tetrahydro-pyrimidin-1-yl]-essigsäuremethylester.
  • Bevorzugte Beispiele für erfindungsgemäß hergestellte Verbindungen der oben angegebenen allgemeinen Formel 1 sind Hydroxy-[3-(hydroxy-methoxycarbonyl-methyl)-2-oxotetrahydro-pyrimidin-1-yl]-essigsäuremethylester, Hydroxy- [3-(hydroxy-ethoxycarbonyl-methyl)-2-oxo-tetrahydropyrimidin-1-yl]-essigsäureethylester und Hydroxy-[3- (hydroxy-butoxycarbonyl-methyl)-2-oxo-tetrahydropyrimidin-1-yl]-essigsäurebutylester.
  • Die erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen werden dadurch hergestellt, daß man zunächst eine Verbindung der allgemeinen Formel 2
  • worin R&sup9; und R&sup8; wie oben definiert sind, mit einem Harnstoffderivat der allgemeinen Formel 3
  • in der R¹-R&sup6; wie oben definiert sind, umsetzt.
  • Bevorzugte Beispiele für Ausgangsverbindungen der allgemeinen Formel 2 sind:
  • Glyoxylsäuremethylester,
  • Glyoxylsäuremethylesterhydrat,
  • Glyoxylsäureethylester,
  • Glyoxylsäurepropylester,
  • Glyoxylsäurebutylester,
  • Glyoxylsäuremethylestermethylhalbacetal,
  • Glyoxylsäureethylesterethylhalbacetal,
  • Glyoxylsäurepropylesterpropylhalbacetal,
  • Glyoxylsäurebutylesterbutylhalbacetal.
  • Die Glyoxylsäureester und Glyoxylsäureesteralkylhalbacetale sind zum Teil im Handel erhältlich, oder sie können nach bekannten Methoden der organischen Chemie hergestellt werden, wie z. B. durch Veresterung von Glyoxylsäure mit Alkoholen oder durch Ozonolyse von Maleinsäuredialkylestern. Hydrate wie z. B. Glyoxylsäuremethylesterhydrat und Glyoxylsäurebutylesterhydrat können aus Methyl- oder Butyltartrat durch oxidative C-C-Spaltung mit Perjodsäure (JA D. M. Lolkema et al., Tetrahedron 50 (24) (1994) 7115- 7128) hergestellt werden.
  • Verbindungen der allgemeinen Formel 3 sind im Handel erhältlich, wie z. B. Propylenharnstoff. Ansonsten können sie nach bekannten Methoden der organischen Chemie hergestellt werden, wie z. B. durch Umsetzung von Aminen mit Kohlendioxid oder Phosgen (C. Fern, "Reaktionen der Organischen Chemie", Georg Thieme Verlag Stuttgart, 1978, Seite 657). Beispiele derartig substituierter Propylenharnstoffe sind:
  • 5-Methyl-2-oxotetrahydropyrimidin,
  • 5,5-Dimethyl-2-oxotetrahydropyrimidin und
  • 5,5-Dimethyl-4-isopropyl-2-oxotetrahydropyrimidin
  • (vgl. GB-PS 1 173 432).
  • Die Reaktion von Propylenharnstoffen der allgemeinen Formel 3 mit den Derivaten der allgemeinen Formel 2 kann im Temperaturbereich von 25-100ºC durchgeführt werden, der zweckmäßig ist. Bevorzugt werden Reaktionstemperaturen im Bereich von 25-70ºC, ganz besonders 50-70ºC. Im Temperaturbereich von 70-100ºC wird keine nennenswerte Bildung von Nebenprodukten beobachtet. Eine Reaktion oberhalb von 70ºC bringt aber keine weiteren Vorteile bezüglich der Ausbeute oder Reinheit der Verbindungen.
  • Katalysatoren, die nach dem Stand der Technik zur Katalyse der Reaktionen zwischen Harnstoffen und Carbonylverbindungen eingesetzt werden, wie z. B. anorganische Basen wie Natriumcarbonat oder Natriumhydroxid sind nicht erforderlich. In der Regel kann die Reaktion ohne Lösungsmittel durchgeführt werden, da die Verbindungen der allgemeinen Formel 2 flüssig sind. Soll ein Lösungsmittel eingesetzt werden, so eignen sich alle organischen Lösungsmittel, die gegenüber Aldehyden und Harnstoffen unter den gegebenen Reaktionsbedingungen inert sind; bevorzugt werden Ethylacetat oder Methylethylketon oder Toluol. Die Reaktion wird stöchiometrisch, oder bevorzugt mit einem geringen Überschuß der leichter abzutrennenden Komponente durchgeführt. Besonders vorteilhaft ist ein molares Verhältnis von 2,01-2,40 zu 1, bezüglich der Komponente der allgemeinen Formel 2 zu der Komponente der allgemeinen Formel 3. Die Reaktionszeiten betragen in der Regel 1-5 Stunden.
  • Nachstehend werden die zu den erfindungsgemäßen Verbindungen der allgemeinen Formel 1 führenden Umsetzungen je nach Art der eingesetzten Ausgangsverbindung der allgemeinen Formel 2 näher erläutert.
  • 1. Bei Umsetzung eines freien Aldehyds der allgemeinen Formel 2 (R&sup9; = -CHO) mit einem Harnstoffderivat der allgemeinen Formel 3 werden keine Spaltprodukte gebildet.
  • 2. Bei der Umsetzung eines Glyoxylsäureesteralkylhalbacetals der allgemeinen Formel 2 (R&sup9; = -CH(OH)-OR&sup8;) mit einem Harnstoffderivat der allgemeinen Formel 3 fallen Spaltprodukte wie z. B. Alkohole an, welche unter vermindertem Druck entfernt werden können.
  • 3. Bei der Reaktion eines stabilen Hydrats eines Glyoxylsäurederivates der allgemeinen Formel 2 (R&sup9; = -CH(OH)&sub2;) mit einem Harnstoffderivat der allgemeinen Formel 3 fällt Wasser als Spaltprodukt an, das unter vermindertem Druck abgetrennt werden kann.
  • Die erhaltenen Reaktionsprodukte werden gewöhnlich durch Ausfällen in einem Lösungsmittel isoliert. Hierfür werden Lösungsmittel, welche die Verbindungen der allgemeinen Formel 2 gut lösen, verwendet, um den Überschuß des Glyoxylsäurederivates abzutrennen. Geeignete Lösungsmittel sind z. B. Ketone, Ester, aromatische. Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise Aceton, Ethylacetat oder Toluol. Die erhaltenen Produkte sind farblos und in der Regel kristallin, wasserlöslich und von monomerer Art. Die Reinheit liegt über 90%, oft über 95%. Produkte mit längeren Alkylketten fallen bevorzugt als helle Öle an und sind nur gering wasserlöslich. Diese können durch destillative Entfernung der überschüssigen Edukte unter vermindertem Druck gereinigt werden.
  • Falls die Verbindungen der allgemeinen Formel 1 zur Verwendung in Mischungen in unpolaren organischen Lösungsmitteln gut löslich sein sollen, können die in den ersten Stufen erhaltenen Umsetzungsprodukte nachfolgend mit einem Alkohol (X-OH, wobei X für eine lineare oder verzweigte C&sub1;-C&sub4;-Alkylgruppe, insbesondere Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl oder Isobutyl steht) verethert werden. Dies führt zu Produkten der allgemeinen Formel 1, in der R&sup7; für eine lineare oder verzweigte C&sub1;-C&sub4;-Alkylgruppe, insbesondere Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl oder Isobutyl steht und R¹-R&sup6; und R&sup8; wie oben definiert sind.
  • Zur Veretherung werden die erhaltenen Umsetzungsprodukte, welche freie Hydroxylgruppen enthalten, mit einem 2- 10fachen Überschuß an Alkohol, vorzugsweise 2-5fach, in Gegenwart eines sauren Katalysators umgesetzt. Als Alkohole eignen sich bevorzugt Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, n-Butanol und Isobutanol. Als Katalysatoren können mittelstarke bis starke Säuren eingesetzt werden, vorzugsweise Schwefelsäure, Phosphorsäure, Methansulfonsäure, Chlorsulfonsäure, Benzolsulfonsäure, p- Toluolsulfonsäure, Naphtholsulfonsäuren, Chloressigsäuren oder Oxalsäure. Das bei der Reaktion entstehende Wasser wird zusammen mit dem überschüssigen Alkohol abdestilliert. Falls der verwendete Alkohol nicht mit Wasser mischbar ist, wie z. B. n-Butanol, wird er azeotrop abdestilliert.
  • Die Verbindungen der allgemeinen Formel 1, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurden und aus Propylenharnstoffen und Glyoxylsäureesterderivaten hergestellt wurden, sind farblos und unterscheiden sich somit vorteilhaft von den teilweise in der US 4 770 668 beschriebenen Umsetzungsprodukten aus Ethylenharnstoffen und Glyoxylsäure-esterderivaten, die oft dunkel gefärbt sind. Analytische Methoden, wie z. B. die Gelpermeationschromatographie, zeigen, daß die Verbindungen keine oligomeren Anteile enthalten und sich sehr gut zur Härtung von hydroxylgruppenhaltigen Polymeren eignen. Beispiele für hydroxylgruppenhaltige Polymere sind hydroxylgruppenhaltige Polyacrylate und Polyesterpolyole. Die Herstellung derartiger Polymeren ist bekannt und gehört zum allgemeinen Stand der Technik. Die Polymeren können als Emulsionen, Dispersionen, als Lösungen in Wasser oder in organischen Lösungsmitteln oder als Feststoff vorliegen. Die Härtung der Polymeren mit den erfindungsgemäßen Verbindungen der allgemeinen Formel 1 kann in einem Temperaturbereich von 25-180ºC erfolgen, bevorzugt 100-150ºC. Die Reaktion kann auch in Gegenwart eines sauren Katalysators erfolgen, welcher die Umsetzung beschleunigt. Als solche eignen sich vorzugsweise organische Säuren oder Lewissäuren wie Benzolsulfonsäure, p- Toluolsulfonsäure, Haphthalinsulfonsäure, Oxalsäure, Chloressigsäure, Methansulfonsäure, Citronensäure, Magnesiumchlorid, Ammoniumtetrafluoroborat und 2- Hydroxyethylaminohydrochlorid.
  • Die Erfindung wird durch die Beispiele erläutert. Beispiel 1: Herstellung von Hydroxy-[3-(hydroxy-methoxycarbonylmethyl)-2-oxo-tetrahydro-pyrimidin-1-yl]- essigsäuremethylester.
  • 100.0 g (1.0 mol) Propylenharnstoff wurden mit 245.0 g (2.04 mol) Glyoxylsäuremethylestermethylhalbacetal (Hersteller DSM Chemie Linz) gemischt. Anschließend wurde bei T = 60ºC 4 Stunden gerührt. Die Mischung wurde mit 500 ml Aceton versetzt, gerührt und der Niederschlag filtriert und getrocknet.
  • Ausbeute: 193,3g
  • Schmelzpunkt: 129ºC
  • ¹H-NMR (300 MHz, D&sub2;O): δ = 5.61 (s, 2H), 4.65 (s, 6H), 3,65 (s, 6H), 3.40 (m, 2H), 3.25 (m, 2H), 1.95 (m, 2H).
  • ¹³C-NMR (300 MHz, D&sub2;O): δ = 172.3 (C=O), 157,5 (C=O), 79.2 (C-H), 54.4 (O-CH&sub3;), 42.2, 20.5. Beispiel 2: Herstellung von Hydroxy-[3-(hydroxy-ethoxycarbonylmethyl)-2-oxo-tetrahydro-pyrimidin-1-yl]- essigsäureethylester.
  • 100.0 g (1.0 mol) Propylenharnstoff wurden mit 408.0 g (2.00 mol) Glyoxylsäureethylester (50%ige Lösung in Toluol, Hersteller Fluka) gemischt. Anschließend wurde bei T = 65ºC 4 Stunden gerührt. Das Lösungsmittel Toluol wurde anschließend unter vermindertem Druck entfernt. Das Produkt blieb als ein farbloser Rückstand übrig.
  • Ausbeute: 501 g
  • ¹H-NMR (300 MHz, d&sup6;-Aceton): δ = 5.54 (d, 2H), 4.23 (m, 4H), 3.45 (m, 2H), 3.30 (q, 4H), 1.05 (t, 6H).
  • ¹³C-NMR (300 MHz, d&sup6;-Aceton): δ = 171.5 (C=O), 156.1 (C=O), 79.8 (C-H), 66.4 (O-CH&sub2;), 42.4, 20.6, 15.8 (CH&sub3;). Beispiel 3: Herstellung von Hydroxy-[3-(hydroxy-butoxycarbonylmethyl)-2-oxo-tetrahydro-pyrimidin-1-yl]- essigsäurebutylester.
  • 16.0 g (0.16 mol) Propylenharnstoff wurden mit 49.4 g (0.38 mol) Glyoxylsäurebutylester (Hersteller: Hoechst France) gemischt. Anschließend wurde bei T = 60ºC, 3 Stunden gerührt, wobei der Harnstoff in Lösung ging. Es entstand ein helles Öl. Anschließend wurde der Überschuß an Glyoxylsäurebutylester im Vakuum (p = 0.1 mbar) bei 50ºC entfernt.
  • Ausbeute: 58.3g
  • ¹H-NMR (300 MHz, d&sup6;-Aceton): δ = 5.51 (d, 2H), 4.20 (m, 4H), 3.45 (m, 2H), 3.30 (m, 2H), 1.97 (m, 2H), 1.65 (m, 4H), 1.45 (m, 4H), 0.95 (t, 6H).
  • Beispiel 4: Veretherung der Hydroxylgruppen des in Beispiel 1 erhaltenen Produkts mit n-Butanol
  • 82.5 g (0.29 mol) des Produkts aus Beispiel 1 wurden mit 214.6 g (2.40 mol) n-Butanol gemischt und mit 1.0 g p- Toluolsulfonsäure versetzt. Wasser, welches bei der Reaktion entstand, wurde durch azeotrope Destillation entfernt. Nach Beendigung der Wasserabscheidung wurde mit Natronlauge neutralisiert und der Überschuß an n-Butanol destillativ entfernt. Das Produkt blieb als ein farbloser, viscoser Rückstand übrig, der in Cyclohexan gut löslich ist. Bie gaschromatographische Analyse zeigte eine vollständige Veretherung der Hydroxylgruppen an. Ausbeute: 114 g. Beispiel 5: Herstellung von Hydroxy-[3-(hydroxy-methoxycarbonylmethyl)-5,5-dimethyl-2-oxo-tetrahydro-pyrimidin-1-yl]- essigsäuremethylester.
  • 128.0 g (1.0 mol) 5,5-Dimethyl-2-oxo-tetrahydro-pyrimidin (hergestellt aus 1,3-Diamino-2,2-dimethylpropan und Harnstoff) wurden mit 245.0 g (2.04 mol) Glyoxylsäuremethylestermethylhalbacetal (Hersteller DSM Chemie Linz) vermischt.
  • Die Mischung wurde mit 500 ml Aceton versetzt, gerührt und der Niederschlag filtriert und getrocknet.
  • Ausbeute: 206g
  • Schmelzpunkt: 110-114ºC
  • ¹³C-NMR (300 MHz, d&sup6;-DMSO): δ = 173.3 (C=O), 155.5 (C=O), 79.2 (C-H), 55.5 (O-CH&sub3;), 41.2, 31.5, 26.8.
  • Vergleichsbeispiel 6: Vernetzung mit hydroxylgruppenhaltigen Polymeren
  • Zu 100 g einer 60%igen Harzlösung, bestehend aus einem hydroxylgruppenhaltigen Polyacrylat mit der Zusammensetzung: Methylmethacrylat/Ethylhexylacrylat/Hydroxyethylacrylat = 50/25/25 und Methylethylketon als Lösungsmittel wurden 13.0 g des Produktes aus Beispiel 4 sowie 0.7 g p- Toluolsulfonsäure zugesetzt. Die vernetzende Mischung wurde in einer Schichtdicke von 50 um auf ein Stahlblech aufgetragen und 20 Minuten bei einer Temperatur von 140ºC ausgehärtet. Der gehärtete Film besitzt eine Gelfraktion von 96% und eine sehr gute Lösungsmittelbeständigkeit gegenüber Methylethylketon und Xylol.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von Verbindungen der allgemeinen Formel 1,
in der R¹-R&sup7; für ein Wasserstoffatom oder eine lineale oder verzweigte C&sub1;-C&sub4;-Alkylgruppe stehen, wobei R¹-R&sup7; gleich oder unterschiedlich sein können, und R&sup8; für eine lineare oder verzweigte C&sub1;-C&sub6;-Alkylgruppe steht, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Verbindung der allgemeinen Formel 2,
in der R&sup9; für einen Rest aus der Gruppe -CHO, -CH(OH)-OR&sup8;, und -CH(OH)&sub2; steht und R&sup8; wie oben definiert ist, mit einem Harnstoffderivat der allgemeinen Formel 3, bei einer Temperatur Von 25-100ºC
in der R¹-R&sup6; wie oben definiert sind, umsetzt und das erhaltene Reaktionsprodukt gegebenenfalls mit einem Alkohol der allgemeinen Formel X-OH, worin X eine lineare oder verzweigte C&sub1;-C&sub4;-Alkylgruppe bedeutet, zur Umsetzung bringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare oder verzweigte C&sub1;-C&sub4;- Alkylgruppe ein Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n- Butyl oder Isobutyl ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung bei einer Temperatur im Bereich von 25-70ºC durchführt.
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