DE937050C - Verfahren zur Herstellung von 1, 3, 5-Cycloheptatrienen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von 1, 3, 5-Cycloheptatrienen

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DE937050C
DE937050C DEN8268A DEN0008268A DE937050C DE 937050 C DE937050 C DE 937050C DE N8268 A DEN8268 A DE N8268A DE N0008268 A DEN0008268 A DE N0008268A DE 937050 C DE937050 C DE 937050C
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bicyclo
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cycloheptatriene
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Joseph Samuel Chirtel
Walter Marvin Halper
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Bataafsche Petroleum Maatschappij NV
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Bataafsche Petroleum Maatschappij NV
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C5/00Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms
    • C07C5/22Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by isomerisation
    • C07C5/27Rearrangement of carbon atoms in the hydrocarbon skeleton
    • C07C5/31Rearrangement of carbon atoms in the hydrocarbon skeleton changing the number of rings
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C17/00Preparation of halogenated hydrocarbons
    • C07C17/35Preparation of halogenated hydrocarbons by reactions not affecting the number of carbon or of halogen atoms in the reaction
    • C07C17/358Preparation of halogenated hydrocarbons by reactions not affecting the number of carbon or of halogen atoms in the reaction by isomerisation

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Description

  • Verfahren zur Herstellung von 1, 3, 5-Gycloheptatrienen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von I, 3, 5-Cycloheptatrienen.
  • Cycloheptatrien, C7H8, ist schon früher hergestellt worden, wobei eine große Anzahl von Zwischenstufen nötig war. So waren z. B. nach dem Verfahren von Kohler, Tischler, Potter und Thompson, J. Am. Chem. Soc., Bd.6I, I939, S. Io57 ff., sieben Zwischenverbindungen herzustellen.
  • Auch wurde Cycloheptatrien bereits mit Maleinsäureanhydrid im Molverhältnis 1 : I zu einem Anlagerungsprodukt, wahrscheinlich auf Grund einer Diels-Alder-Anlagerung, umgesetzt und durch Hydrierung und anschließende Hydrolyse in eine entsprechende gesättigte zweibasische Carbonsäure übergeführt. Nun sind aber Kohlenwasserstoffe, welche den konjugierten Cycloheptatrienkern enthalten, geeignete Verbindungen zur Herstellung einer großen Reihe von Produkten, wie Harzen, Weichmachungsmitteln für Harze oder Lösungsmitteln. Da jedoch für Cycloheptatrien bisher noch kein brauchbares Herstellungsverfahren gefunden wurde, sind die Anwendungsmöglichkeiten für substituierte Cycloheptatriene bislang begrenzt geblieben.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf ein praktisches Verfahren zur Herstellung von Cycloheptatrien und seinen Substitutionsprodukten, in denen die Substituenten nur Kohlenwasserstoffreste oder Halogenatome sind.
  • Es wurde gefunden, daß Bicyclo-(2,2, I)-2, 5-heptadienverbindungen durch Erhitzen auf höhere Temperaturen unter Ringerweiterung zu einem I, 3, 5-Cycloheptatrienderivat isomerisiert werden können.
  • Als Ausgangsstoffe können Bicycloheptadienkohlenwasserstoffe und Halogenderivate, insbesondere Fluor- und Chlorderivate, verwendet werden.
  • Die gebildeten I, 3, 5-Cycloheptatriene tragen also an Stelle von mindestens einem Wasserstoffatom einen Kohlenwasserstoffrest oder ein Halogenatom, wie Chlor oder Fluor, und stellen neuartige Verbindungen dar.
  • Die notwendigen Temperaturen für die Isomerisierung hängen von der Art der verwendeten Verbindung ab. Für Bicyclo-(2, 2, 1)-2, 5-heptadien selbst ist für eine wirksame Isomerisierung die niedrigste Temperatur etwa 4250, während alkylsubstituierte Derivate eine etwas höhere Temperatur benötigen. Halogensubstituenten erhöhen dagegen die Wärmeempfindlichkeit. Für halogensubstituierte Bicycloheptadiene können daher nur niedrigere Umsetzungstemperaturen angewandt werden.
  • Wegen der Neigung derBicyclo-(2, 2, I)-2, 5-heptadiene, beim Erhitzen in Cyclopentadiene und Acetylene aufzuspalten, und mit Rücksicht auf die Gefahren, die ein Arbeiten mit Acetylenen bei den zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens notwendigen Temperaturen mit sich bringt, empfiehlt es sich im allgemeinen, das Erhitzen auf eine möglichst kurze Zeit, etwa I bis 25 Sekunden, zu beschränken.
  • Die Bicyclo-(2, 2, I)-2, 5-heptadiene erhält man nach Diels-Alder aus Cyclopentadienen und Acetylen oder seinen Substitutionsp rodukten.
  • Kohlenwasserstoffe, welche nicht mehr als insgesamt 14 Kohlenstoffatome enthalten, sind dafür besonders geeignet. Die Bicycloheptadienkohlenwasserstoffe mit 7 bzw. 10 Kohlenstoffatomen werden als Ausgangsstoffe bevorzugt.
  • So wird beispielsweise Cyclopentadien in der Dampfphase bei einer Temperatur von etwa 3400 mit einem molaren Überschuß an Acetylen zu Bicyclo-(2, 2, I)-2, 5-heptadien umgesetzt.
  • Auch Bicyclo-(2, 2, I)-2-hepten stellt ein geeignetes Ausgangsprodukt zur Herstellung des I, 3, 5-Cycloheptatriens nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dar, da es bei den Isomerisierungstemperaturen Wasserstoff abspaltet und in Bicyclo-(2, 2, I)-2, 5-heptadien übergeht.
  • Statt der Bicycloheptadiene können auch Tetracyclododecadiene oder ein Gemisch aus Cyclopentadienen und Acetylenen verwendet werden.
  • Wegen der Neigung der Cyclopentadiene zur Polymerisation und des Acetylens zur Explosion ist es jedoch zweckmäßig, zuerst die Bicycloheptadiene herzustellen und diese dann zu isomerisieren. Aus ähnlichen Gründen stellt die Verwendung von Tetracyclododecadien als Ausgangsmaterial einen Nachteil dar.
  • Da die Bicyclo-(2, 2, I)-2, 5-heptadiene mit einkernigen aromatischen Kohlenwasserstoffen gleichen Kohlenstoffgehalts isomer sind und da es bereits bekannt ist, daß man durch Erhitzen von hydroaromatischen Kohlenwasserstoffen bei ausreichend hohen Temperaturen oft aromatische Kohlenwasserstoffe erhält, war es überraschend festzustellen, daß Bicycloheptadiene bei einer Temperatur von über 4000 und einer sehr kurzen Verweilzeit im wesentlichen zu Cycloheptatrienkohlenwasserstoffen 150-, merisiert werden können, ohne daß eine nennenswerte Umsetzung zu den isomeren aromatischen Kohlenwasserstoffen stattfindet.
  • Die Isomerisierung wird zweckmäßig in der Weise durchgeführt, daß man dieBicyclo-(2, 2, I)-2, 5-heptadienkohlenwasserstoffe als Dampf entweder allein oder ein Gemisch mit einem inerten Verdünnungsmittel, wie Stickstoff oder Kohlendioxyd, durch ein erhitztes Gefäß, vorzugsweise mit geringem Querschnitt im Vergleich zu seiner Länge, strömen läßt, wobei eine Temperatur zwischen etwa 400 und etwa 5000 aufrechterhalten wird. Unterhalb 4000 tritt wegen der Beständigkeit des Bicycloheptadiens kaum eine Umsetzung auf. Bei zu hohen Temperaturen erfolgt entweder eine Zersetzung des gebildeten Cycloheptatriens, oder das Bicycloheptadien wird zu dem isomeren aromatischen Kohlenwasserstoff umgelagert, oder es bilden sich Kohlenstoff und leicht flüchtige Stoffe. Der zweckmäßigste Temperaturbereich liegt bei 410 bis 4900, vorzugsweise werden jedoch Temperaturen von etwa 425 bis etwa 4750 angewandt.
  • Die Isomerisierung wird zweckmäßig bei einem Druck von etwa 0,35 bis etwa I7,5 kg je cm2, vorzugsweise bei etwa 0,7 bis etwa 7 kg je cm2 durchgeführt. Bei höheren Drücken kann der wirksame Partialdruck des Bicycloheptadiens dadurch aufrechterhalten werden, daß man ein geeignetes inertes Gas oder Wasserdampf zumischt. Am zweckmäßigsten arbeitet man bei einem Druck etwas über Atmosphärendruck, so daß das - Ausgangsmaterial in ausreichender Menge und mit der erforderlichen Geschwindigkeit durch die Reaktionszone geleitet werden kann.
  • Die Strömungsgeschwindigkeit der Bicycloheptadiene wird dabei so geregelt, daß diese nur verhältnismäßig kurze Zeit, z. B. dem Bruchteil einer Sekunde (t/2 Sekunde) bis zum Bruchteil einer Minute (50 Sekunden), in dem hohen Temperatur bereich belassen werden. Vorzugsweise liegt die Verweildauer aber zwischen etwa I und 25 Sekunden, zweckmäßig jedoch zwischen I und 10 Sekunden. Bei den höchstmöglichen Temperaturen sind nur sehr kurze Verweilzeiten, bei den niedrigstmöglichen Temperaturen längere Verweilzeiten vorteilhaft. Erhitzt man Bicyclopentadien 25 Sekunden auf eine Temperatur von über 5000, so treten unerwünschte Umsetzungen auf. Das Bicycloheptadien wird daher am zweckmäßigsten I bis 10 Sekunden bei einer Temperatur von etwa 425 bis 4750 unter einem Partialdruck des Bicycloheptadiens von etwa 0,7 bis 7 kg je cm2 zu I, 3, 5-Cycloheptadien isomerisiert.
  • Bevor die Ausgangsstoffe in die Umwandlungszone gelangen, werden sie zweckmäßig verdampft und die Dämpfe dann auf eine Temperatur von etwa 250 bis 3500 vorgeheizt. Der Reaktionsraum ist z. B. ein von außen geheiztes gerades oder schlangenförmig gebogenes Rohr, durch das man die Verbindung strömen läßt und das innerhalb der erforderlichen Reaktionszeit schnell auf die Reaktionstemperatur erhitzt und auf dieser Temperatur gehalten werden kann. Der Reaktionsraum kann auch mit einem hitzebeständigen Material gefüllt sein, damit eine gute Durchmischung des Reaktionsgutes und gleichmäßige Temperaturverteilung gewährleistet sind.
  • Wärmeempfindliche Substanzen, wie das I, 2, 3, 4, 7, 7- Hexachlor-bicyclo-(2, 2, I)-2, 5-heptadien, das sich durch Umsetzung von Hexachlorcyclopentadien und Vinylchlorid mit anschließender Salzsäureabspaltung gewinnen läßt, können bei niedrigeren Temperaturen innerhalb eines längeren Zeitraums isomerisiert werden. Mäßig wärmeempfindlich ist z. B. das 2-Chlorbicyclo-(2, 2, I)-2, 5-heptadien, das sich durch Salzsäureabspaltung aus I Mol 2, 3-Dichlorbicyclo-(2, 2, I)-5-hepten (hergestellt aus Cyclopentadien und Äthylendichlorid) gewinnen läßt. Die entsprechenden Fluorverbindungen zeigen eine Wärmeempfindlichkeit, die zwischen denjenigen der Chlorverbindungen und der Kohlen wasserstoffe liegt.
  • Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung des Erfindungsgedankens.
  • Beispiel I a) Bicyclo-(2, 2, I)-2, 5 -heptadien (Siedepunkt 920 bei 760 mm Hg) wurde verdampft, der Dampf auf eine Temperatur von 235 vorgeheizt und bei einem Druck von 850 mm Hg durch ein auf etwa 4250 erhitztes Nickelrohr von etwa 45 cm3 Inhalt geleitet. Die Strömungsgeschwindigkeit betrug etwa 0,3 g je cm3 und Minute, was einer durchschnittlichen Verweildauer von etwa 2 Sekunden entspricht. Die das Rohr verlassenden Dämpfe wurden sofort abgekühlt und kondensiert, mit Ausnahme der unterhalb 600 siedenden Produkte, die gasförmig blieben. Das Kondensat wurde fraktioniert und das I, 3, 5-Cycloheptatrien in einer Ausbeute von 25 bis 300/0 abgetrennt. Es wurden nur Spuren von Toluol festgestellt. Der Rest der Umsetzungsprodukte bestand hauptsächlich aus Cyclopentadien und Acetylen. Im wesentlichen waren also folgende Reaktionen abgelaufen: b) Als der in a) beschriebene Versuch wiederholt, die Strömungsgeschwindigkeit aber um etwa 50°/0, nämlich auf etwa 0,45 g je cm3 und Minute erhöht, die Verweildauer aber auf I,4 Sekunden gesenkt wurde, betrug die Ausbeute an Cycloheptatrien nur etwa 20°/o. c) Als der Versuch nach a) wiederholt, die Temperatur in der Reaktionszone jedoch auf etwa 4100 erniedrigt wurde, betrug die Ausbeute an Cycloheptatrien nur noch etwa IO°/o. d) Als der Versuch nach a) wiederholt wurde, wobei man die Strömungsgeschwindigkeit aber auf die Hälfte erniedrigte, die Verweilzeit jedoch auf etwa 4 Sekunden verdoppelte, war die Ausbeute an Cycloheptatrien dieselbe, nämlich etwa 25 bis 30°/o.
  • Beispiel 2 Tetracyclo-2, 6-dodecadien wurde auf eine Temperatur von etwa 4650 bei einer Verweildauer von etwa IO Sekunden erhitzt. Das Reaktionsprodukt enthielt im wesentlichen Cyclopentadien, Bicyclo-(2, 2, I)-2, 5-heptadien, Acetylen und Cycloheptatrien sowie eine geringfügige Menge an Toluol.
  • Der Unterschied aus der Gesamtmenge an Cyclopentadien und der Menge an gebildetem Acetylen entspricht im wesentlichen der Ausbeute an Cycloheptatrien. Die Umsetzungen können folgendermaßen beschrieben werden: Beispiel 3 a) 2-Methylbicyclo-(2, 2, I)-2, 5-heptadien (hergestellt aus 2-Methylcyclopentadien-I, 3 und Ace- tylen bei Io40 und 640 mm Hg) wurde verdampft, der Dampf auf eine Temperatur von etwa 350 vorgeheizt und dann bei Normaldruck durch ein auf etwa 4650 geheiztes Nickelrohr geleitet. Die Verweildauer betrug dabei etwa 2 Sekunden. Die Umwandlung zu Methylcycloheptatrien entsprach etwa 30 Gewichtsprozent, bezogen auf die Menge des angewandten Ausgangsmaterials. Außerdem enthielt das Reaktionsgemisch 3-Methylcyclopentadien, Cyclopentadien, Acetylen, Methylacetylen, o-, m- und p-Xylol und Äthylbenzol. Die bei 62 bis 640 und 60 mm Hg siedende Fraktion (etwa I300 bei 634 mm Hg) zeigte folgende Eigenschaften: Molekulargewicht = Io3; Analyse: Kohlenstoff = go,30/o; Wasserstoff = 9,I5 O/o; Empirische Formel - C8 H Lo; Spezifisches Gewicht D 24 = 0,8755; Brechungsindexn2,6 = I,5IoI; Wasserstoffaufnahme = etwa 3 Mol H2 je Mol; Ultraviolettabsorption in C 2 ergibt ein Maximum bei 2 = 260 m,. Die Infrarotspektralanalyse zeigte, daß eine ähnliche Struktur wie die des I, 3, 5-Cycloheptatriens vorlag. b) Als Beispiel 3 a wiederholt wurde, wobei jedoch eine Temperatur von nur etwa 400 0 im Reaktionsraum angewendet wurde, fand nur eine sehr geringe Umwandlung des Methylbicycloheptadiens in das entsprechende Methylcycloheptatrien statt. c) Als man Beispiel 3 a bei einer Temperatur von etwa 5750 wiederholte, erfolgte eine vollständige Umwandlung des Methylbicycloheptadiens zu den isomeren aromatischen Kohlenwasserstoffen, wie o-, m- und p-Xylolen und Spuren von Äthylbenzol.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung von 1,3, 5-Cycloheptatrienen durch Isomerisierung von Bicyclo-(2, 2, 1)-2,5-heptadienen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bicycloheptadiene gegebenenfalls bei erniedrigtem oder erhöhtem Druck auf erhöhte Temperatur erhitzt, die aber unterhalb der Temperatur liegt, bei der Zersetzung in aromatische Verbindungen erfolgen könnte.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bicyclo-(2, 2, 1)-2, 5-heptadiene ungefähr 1/2 bis 50 Sekunden auf eine Temperatur von etwa 400 bis etwa 5000, vorzugsweise etwa I bis IO Sekunden auf eine Temperatur von etwa 425 bis 4750, zweckmäßig unter Atmosphärendruck, erhitzt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß man Bicyclo-(2, 2, I) 5-heptadiene mit vorzugsweise 7 bis IO Kohlenstoffatomen I bis 25 Sekunden bei einem Druck von etwa 0,7 bis 7 kg je cm2 auf eine Temperatur von etwa 410 bis etwa 4900 erhitzt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß man I, 2, 3, 4, 7, 7-Hexachlorbicyclo-(2, 2, I)-2, 5-heptadien auf eine Temperatur von etwa I95 bis etwa 3150 erhitzt.
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