EP2274269A1 - Kontinuierliches verfahren zur herstellung von amiden aromatischer carbonsäuren - Google Patents

Kontinuierliches verfahren zur herstellung von amiden aromatischer carbonsäuren

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Publication number
EP2274269A1
EP2274269A1 EP09726441A EP09726441A EP2274269A1 EP 2274269 A1 EP2274269 A1 EP 2274269A1 EP 09726441 A EP09726441 A EP 09726441A EP 09726441 A EP09726441 A EP 09726441A EP 2274269 A1 EP2274269 A1 EP 2274269A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
microwave
reaction
atoms
radical
acid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09726441A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Krull
Roman MORSCHHÄUSER
Michael Seebach
Ralf Bierbaum
Christoph Kayser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Clariant International Ltd
Original Assignee
Clariant Finance BVI Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Clariant Finance BVI Ltd filed Critical Clariant Finance BVI Ltd
Publication of EP2274269A1 publication Critical patent/EP2274269A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C231/00—Preparation of carboxylic acid amides
    • C07C231/02—Preparation of carboxylic acid amides from carboxylic acids or from esters, anhydrides, or halides thereof by reaction with ammonia or amines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
    • B01J19/122—Incoherent waves
    • B01J19/126—Microwaves
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D213/00—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D213/02—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D213/04—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having no bond between the ring nitrogen atom and a non-ring member or having only hydrogen or carbon atoms directly attached to the ring nitrogen atom
    • C07D213/60—Heterocyclic compounds containing six-membered rings, not condensed with other rings, with one nitrogen atom as the only ring hetero atom and three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members having no bond between the ring nitrogen atom and a non-ring member or having only hydrogen or carbon atoms directly attached to the ring nitrogen atom with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D213/78—Carbon atoms having three bonds to hetero atoms, with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals
    • C07D213/81—Amides; Imides
    • C07D213/82—Amides; Imides in position 3

Definitions

  • Amides of aromatic carboxylic acids are widely used as chemical raw materials.
  • various amides are used as intermediates for the production of pharmaceuticals and agrochemicals.
  • tertiary amides of aromatic carboxylic acids and especially tertiary amides of Alkylphenylcarbonklaren are a pharmacologically and technically very interesting class of compounds.
  • amides of alkylbenzoic acids with secondary alkylamines find use as insect repellents (repellents).
  • Vazquez-Tato Synlett 1993, 506, discloses the use of microwaves as a heating source for the production of amides from carboxylic acids and arylaliphatic amines via the ammonium salts.
  • the yields of aromatic carboxylic acids with primary amines are considered moderate, those with secondary amines low.
  • the syntheses were carried out on a mmol scale.
  • the inhomogeneity of the microwave field caused by localized overheating of the reaction mixture is caused by more or less uncontrolled reflections of the microwaves radiated into the microwave oven on its walls and in the reaction mixture, is caused by the commonly used multimode radiation.
  • Microwave ovens Problems with scale-up.
  • the microwave absorption coefficient of the reaction mixture which often changes during the reaction, presents difficulties with regard to a reliable and reproducible reaction.
  • single-mode or single-mode microwave applicators are known in which a single wave mode is used, which propagates in only one spatial direction and is focused by precisely dimensioned waveguides on the reaction vessel. Although these devices allow higher local
  • a process has therefore been sought for the preparation of amides of aromatic carboxylic acids, in which aromatic carboxylic acid and amine are also converted to the amide on an industrial scale under microwave irradiation can.
  • the aim is to achieve as high as possible, that is to say quantitative, conversion rates.
  • the method should continue to allow a possible energy-saving production of carboxylic acid amides, that is, the microwave power used should be absorbed as quantitatively as possible from the reaction mixture and the process thus a high energy
  • the amides should also have the lowest possible metal content and a low intrinsic color. In addition, the process should ensure a safe and reproducible reaction.
  • amides of aromatic carboxylic acids are obtained by direct reaction of aromatic carboxylic acids with amines in a continuous process by only brief heating by irradiation with microwaves in a reaction tube whose longitudinal axis is in the propagation direction of the microwaves of a monomode.
  • Microwave applicator can be produced in high yields and in technically relevant quantities.
  • the microwave energy radiated into the microwave applicator is absorbed virtually quantitatively by the reaction mixture.
  • the inventive method also has a high level of safety in the implementation and provides a high reproducibility of the set reaction conditions.
  • the amides prepared by the process according to the invention show a high purity and low intrinsic coloration, which are not accessible without additional process steps, compared to conventional preparation processes.
  • the invention relates to a continuous process for the preparation of amides of aromatic carboxylic acids by at least one aromatic carboxylic acid of the formula I.
  • Ar is an optionally substituted aryl radical having 5 to 50 atoms, with at least one amine of the formula II
  • R 1 and R 2 are independently hydrogen or a hydrocarbon group having 1 to 100 carbon atoms, is reacted to an ammonium salt and this ammonium salt subsequently under microwave irradiation in a reaction tube whose longitudinal axis is in the propagation direction of the microwaves of a single-mode microwave applicator , is converted to the carboxylic acid amide.
  • Ar is preferably an aryl radical bearing at least one carboxyl group bonded to an aromatic system.
  • aromatic systems is meant cyclic (4n + 2) ⁇ electron conjugated systems in which n is a natural integer and preferably 1, 2, 3, 4 or 5.
  • the aromatic system may be mono- or polycyclic, such as di- or tricyclic.
  • the aromatic system is preferably formed from carbon atoms. In a further preferred embodiment, it contains, in addition to carbon atoms, one or more heteroatoms, such as, for example, nitrogen, oxygen and / or sulfur. Examples of such aromatic systems are benzene, naphthalene, phenanthrene, furan and pyridine.
  • the aromatic system may carry, in addition to the carboxyl group, one or more, for example, one, two, three or more identical or different further substituents.
  • Suitable further substituents are, for example, alkyl, alkenyl and halogenated alkyl radicals, hydroxy, hydroxyalkyl, alkoxy, poly (alkoxy), halogen, carboxyl, amide, cyano, nitrile, nitro and / or sulfonic acid groups , These substituents may be attached at any position of the aromatic system.
  • the aryl radical carries at most as many substituents as it has valencies.
  • the aryl radical Ar of the formula (I) carries further carboxyl groups.
  • the process according to the invention is likewise for the reaction of aromatic carboxylic acids with, for example, two or more Suitable carboxyl groups.
  • imides can also be formed.
  • alkylarylcarboxylic acids such as, for example, alkylphenylcarboxylic acids.
  • alkylarylcarboxylic acids such as, for example, alkylphenylcarboxylic acids.
  • aromatic carboxylic acids in which the aryl radical Ar bearing the carboxyl group additionally carries at least one alkyl or alkylene radical.
  • the process is particularly advantageous in the amidation of
  • Alkylbenzoic acids which carry at least one alkyl radical having 1 to 20 carbon atoms and in particular 1 to 12 carbon atoms such as 1 to 4 carbon atoms.
  • Suitable aromatic carboxylic acids include benzoic acid, phthalic acid, isophthalic acid, the various isomers of naphthalenedicarboxylic acid, pyridinecarboxylic acid and naphthalenedicarboxylic acid and trimellitic acid, trimesic acid, pyromellitic acid and mellitic acid, the various isomers of methoxybenzoic acid, hydroxybenzoic acid, hydroxymethyl benzoic acid, Hydroxymethoxybenzoeklare, Hydroxydimethoxybenzoeklare, hydroxyisophthalic acid, hydroxynaphthalenecarboxylic, Hydoxypyridincarbonklare and Hydroxymethylpyridincarbonklare , Hydroxyquinolinecarboxylic acid and o-toluic acid, m-toluic acid, p-toluic acid, o-ethylbenzoic acid, m-ethylbenzoic acid, p-ethylbenzoic acid, o-
  • the process according to the invention is preferably suitable for the preparation of secondary amides, ie for the reaction of aromatic carboxylic acids with amines in which R 1 is a hydrocarbon radical having 1 to 100 carbon atoms and R 2 is hydrogen.
  • the process according to the invention is particularly preferably suitable for the preparation of tertiary amides, that is to say for the reaction of aromatic carboxylic acids with amines, in which both radicals R 1 and R 2 independently of one another represent a hydrocarbon radical having 1 to 100 carbon atoms.
  • the radicals R 1 and R 2 may be the same or different. In a particularly preferred embodiment, R 1 and R 2 are the same.
  • R 1 and / or R 2 are independently an aliphatic radical. This preferably has 1 to 24, more preferably 2 to 18 and especially 3 to 6 C atoms.
  • the aliphatic radical may be linear, branched or cyclic. It can still be saturated or unsaturated.
  • the hydrocarbon radical may carry substituents such as, for example, hydroxyl, C 1 -C 5 -alkoxy, cyano, nitrile, nitro and / or C 5 -C 20 -aryl groups, for example phenyl radicals.
  • the C 5 -C 2 o-aryl radicals may in turn optionally with halogen atoms, CrC 2 o-alkyl, C 2 -C 2 o-alkenyl, hydroxyl, Ci-Cs-alkoxy such as methoxy, amide, cyano , Nitrile, and / or nitro groups substituted.
  • Particularly preferred aliphatic radicals are methyl, ethyl, hydroxyethyl, n-propyl, isopropyl, hydroxypropyl, n-butyl, isobutyl and tert-butyl, hydroxybutyl, n-hexyl, cyclohexyl, n-octyl, n-decyl, n-dodecyl, tridecyl, isotridecyl, tetradecyl, hexadecyl, octadecyl and methylphenyl.
  • R 1 and / or R 2 are independently hydrogen, C- ⁇ -C 6 alkyl, C 2 -C 6 -alkenyl or C 3 -C 6 cycloalkyl radical and especially an alkyl radical with 1, 2, or 3 C atoms. These radicals can carry up to three substituents.
  • R 1 and R 2 together with the nitrogen atom to which they are attached form a ring.
  • This ring preferably has 4 or more, such as 4, 5, 6 or more ring members.
  • Preferred further ring members are carbon, nitrogen, oxygen and sulfur atoms.
  • the rings in turn may carry substituents such as alkyl radicals.
  • Suitable ring structures are, for example, morpholinyl, pyrrolidinyl, piperidinyl, imidazolyl and azepanyl radicals.
  • R 1 and / or R 2 are independently an optionally substituted C 6 -C 2 aryl group or an optionally substituted heteroaromatic group having 5 to 12 ring members.
  • R 1 and / or R 2 independently of one another are an alkyl radical interrupted by heteroatoms. Particularly preferred heteroatoms are oxygen and nitrogen.
  • R 1 and / or R 2 independently of one another are preferably radicals of the formula III
  • R 4 is an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms and preferably 2 to
  • R 5 is hydrogen, a hydrocarbon radical having 1 to 24 C atoms or a group of the formula -NR 10 R 11 , n is a number between 2 and 50, preferably between 3 and 25 and especially between 4 and 10 and
  • R 10 , R 11 independently of one another represent hydrogen, an aliphatic radical having 1 to 24 C atoms and preferably 2 to 18 C atoms, an aryl group radical or heteroaryl group having 5 to 12 ring members, a poly (oxyalkylene) group having 1 to 50 poly (oxyalkylene) units, wherein the polyoxyalkylene units are derived from alkylene oxide units having 2 to 6 C atoms, or R 10 and R 11 together with the nitrogen atom, to which they are bound, form a ring with 4, 5, 6 or more ring links.
  • R 1 and / or R 2 independently of one another are preferably radicals of the formula IV
  • R 6 is an alkylene group having 2 to 6 C atoms and preferably having 2 to 4 C atoms such as ethylene, propylene or mixtures thereof, each R 7 is independently hydrogen, an alkyl or
  • Hydroxyalkyl radical having up to 24 carbon atoms such as 2 to 20 carbon atoms, a polyoxyalkylene radical - (R 4 -O) p -R 5 , or a polyiminoalkylene radical - [R 6 -N (R 7 )] q - (R 7 ), wherein R 4 , R 5 , R 6 and R 7 have the meanings given above and q and p are independently from 1 to 50 and m is a number from 1 to 20 and preferably 2 to 10 such as three, four , five or six stands.
  • the radicals of the formula IV preferably contain 1 to 50, in particular 2 to 20, nitrogen atoms.
  • one or more amino groups are converted into the carboxylic acid amide.
  • the primary amino groups can also be converted into imides.
  • nitrogen-containing compounds which split off when heated ammonia gas used.
  • nitrogen-containing compounds are urea and formamide.
  • Suitable amines are ammonia, methylamine, ethylamine,
  • Di-iso-propylamine, ethylmethylamine and N, N-dimethylaminopropylamine Di-iso-propylamine, ethylmethylamine and N, N-dimethylaminopropylamine.
  • the process is particularly suitable for preparing N, N-dimethylbenzamide, N, N-diethylbenzamide, N, N- (2-hydroxyalkyl) benzamide, N, N-dimethylnicotinamide and N, N-dimethyltolyl acid amide.
  • aromatic carboxylic acid and amine can generally be reacted with one another in any desired ratios.
  • the reaction between carboxylic acid and amine preferably takes place with molar ratios of from 10: 1 to 1: 100, preferably from 2: 1 to 1:10, especially from 1.2: 1 to 1: 3, in each case based on the molar equivalents of carboxyl groups. and amino groups.
  • carboxylic acid and amine are used equimolar.
  • an excess of amine that is to say molar ratios of amine to carboxyl groups of at least 1:01: 00 and in particular between 50: 1 and 1: 02: 1, for example between 10: 1 and 1, 1: 1 work.
  • the carboxyl groups are converted virtually quantitatively to the amide. This method is particularly advantageous if the amine used is light is fleeting. Volatile here means that the amine has a boiling point at atmospheric pressure of preferably below 200 0 C such as below 160 0 C and thus can be separated by distillation from the amide.
  • R 1 and / or R 2 are a hydrocarbon radical substituted by one or more hydroxyl groups
  • the reaction between aromatic carboxylic acid and amine takes place with molar ratios of 1: 1 to 1: 100, preferably 1: 1, 001 to 1:10 and especially from 1: 1, 01 to 1: 5, for example from 1: 1, 1 to 1: 2, in each case based on the molar equivalents of carboxyl groups and amino groups in the reaction mixture.
  • the reaction takes place between aromatic carboxylic acid and amine with molar ratios of 1: 100 to 1: 1, preferably from 1:10 to 1: 1, 001 and especially from 1: 5 to 1: 1, 01 such as from 1: 2 to 1: 1, 1, in each case based on the molar equivalents of carboxyl groups and amino groups in the reaction mixture.
  • R 1 and / or R 2 are a hydrocarbon radical substituted by one or more hydroxyl groups and the aryl radical Ar carries one or more hydroxyl groups
  • the reaction between aromatic carboxylic acid and amine takes place equimolar relative to the molar equivalents of carboxyl groups and amino groups in the reaction mixture.
  • the amides according to the invention are prepared by reacting aromatic carboxylic acid and amine to form the ammonium salt and subsequently irradiating the salt with microwaves in a reaction tube whose longitudinal axis is in the direction of propagation of the microwaves in a single-mode microwave applicator.
  • the irradiation of the salt with microwaves preferably takes place in a largely microwave-transparent reaction tube, which is located within a waveguide connected to a microwave generator.
  • the reaction tube is aligned axially with the central axis of symmetry of the waveguide.
  • the waveguide acting as a microwave applicator is preferably formed as a cavity resonator. Further preferably, the microwaves not absorbed in the waveguide are reflected at its end.
  • the cavity resonator is preferably operated in mode n E i 0, where n is an integer and represents the number of field maxima of the microwave along the central axis of symmetry of the resonator.
  • the electric field is directed toward the central axis of symmetry of the cavity resonator. It has a maximum in the area of the central axis of symmetry and decreases to the lateral surface to the value zero.
  • This field configuration is rotationally symmetric about the central axis of symmetry.
  • the length of the resonator is selected relative to the wavelength of the microwave radiation used.
  • N is preferably an integer from 1 to 200, particularly preferably from 2 to 100, in particular from 4 to 50, especially from 3 to 20, for example 3, 4, 5, 6, 7 or 8.
  • the irradiation of the microwave energy into the waveguide acting as a microwave applicator can take place via suitably dimensioned holes or slots.
  • the irradiation of the ammonium salt with microwaves in a reaction tube which is located in a waveguide with coaxial transition of the microwaves.
  • particularly preferred microwave devices are made of a cavity resonator, a coupling device for coupling a microwave field in the
  • Cavity resonator and constructed with one opening at two opposite end walls for passing the reaction tube through the resonator.
  • the coupling of the microwaves into the cavity resonator takes place preferably via a coupling pin, which projects into the cavity resonator.
  • the coupling pin is preferably shaped as a preferably metallic inner conductor tube functioning as a coupling antenna. In a particularly preferred embodiment of this coupling pin protrudes through one of the frontal openings into the cavity resonator.
  • the reaction tube connects to the inner conductor tube of the coaxial transition and in particular it is guided through its cavity into the cavity resonator.
  • the reaction tube is aligned axially with a central axis of symmetry of the cavity resonator, for which purpose the cavity resonator preferably each has a central opening on two opposite end walls for passing the reaction tube.
  • the feeding of the microwaves in the coupling pin or in the acting as a coupling antenna inner conductor tube can be done for example by means of a coaxial connecting cable.
  • the microwave field is supplied to the resonator via a waveguide, wherein the protruding from the cavity resonator end of the coupling pin is guided into an opening which is located in the wall of the waveguide in the waveguide and the waveguide takes microwave energy and in the Resonator couples.
  • the irradiation of the salt with microwaves is carried out in a microwave-transparent reaction tube which is axially symmetrical in an E 0 i n circular waveguide with coaxial transition of the microwaves.
  • the reaction tube is guided through the cavity of an inner conductor tube acting as a coupling antenna into the cavity resonator.
  • Microwave generators such as the magnetron, the klystron and the gyrotron are known in the art.
  • the reaction tubes used for carrying out the method according to the invention are preferably made of largely microwave-transparent, high-melting material.
  • Non-metallic reaction tubes are particularly preferably used.
  • Substantially microwave-transparent materials are understood here which absorb as little microwave energy as possible and convert it into heat.
  • the dielectric loss factor tan ⁇ is defined as the ratio of the dielectric loss ⁇ " and the dielectric constant ⁇ ' , Examples of tan ⁇ values of various materials are given, for example, in D. Bogdal, Microwave Assisted Organic Synthesis, Elsevier 2005.
  • microwave-transparent and temperature-stable materials are primarily materials based on minerals such as quartz, alumina, zirconia and the like into consideration.
  • thermally stable plastics such as in particular fluoropolymers such as Teflon, and engineering plastics such as polypropylene, or polyaryletherketones such as glass fiber reinforced polyetheretherketone (PEEK) are suitable as pipe materials.
  • PEEK glass fiber reinforced polyetheretherketone
  • reaction tubes have an inner diameter of one millimeter to about 50 cm, especially between 2 mm and 35 cm such as between 5 mm and 15 cm.
  • Reaction tubes are understood here to be vessels whose ratio of length to diameter is greater than 5, preferably between 10 and 100,000, particularly preferably between 20 and 10,000, for example between 30 and 1,000.
  • the length of the reaction tube is understood here as the distance of the reaction tube on which the microwave irradiation takes place.
  • baffles and / or other mixing elements can be installed.
  • particularly suitable Eor cavity resonators preferably have a diameter which corresponds to at least half the wavelength of the microwave radiation used.
  • the diameter of the cavity resonator is the 1, 0- to
  • the Eoi cavity resonator has a round cross-section, which also as
  • Eor round hollow conductor is called. Most preferably, it has a cylindrical
  • the reaction tube is usually provided at the inlet with a metering pump and a pressure gauge and at the outlet with a pressure holding device and a heat exchanger. This allows reactions in a very wide range of pressure and temperature.
  • the reaction of amine and carboxylic acid to form the ammonium salt can be carried out continuously, batchwise or else in semi-batch processes.
  • the preparation of the ammonium salt can be carried out in an upstream (semi) -batch process, such as in a stirred tank.
  • the ammonium salt is preferably generated in situ and not isolated.
  • the educts amine and carboxylic acid, both independently of one another optionally diluted with solvent, are mixed shortly before they enter the reaction tube.
  • the educts are fed to the process according to the invention in liquid form.
  • higher-melting and / or higher-viscosity starting materials for example in the molten state and / or with solvent, for example, can be used as solution, dispersion or emulsion.
  • a catalyst can be added to one of the educts or else to the educt mixture before it enters the reaction tube.
  • Solid, pulverulent and heterogeneous systems can also be reacted by the process according to the invention, with only corresponding technical devices for conveying the reaction mixture being required.
  • the ammonium salt may be fed into the reaction tube either at the end guided through the inner conductor tube, as well as at the opposite end.
  • the reaction conditions are adjusted so that the maximum reaction temperature is reached as quickly as possible and the residence time at maximum temperature remains so short that so few side or subsequent reactions occur as possible.
  • the reaction mixture can be passed through the reaction tube several times to complete the reaction, optionally after intermediate cooling. In many cases, it has proven useful if the reaction product immediately after leaving the reaction tube z. B. is cooled by jacket cooling or relaxation. With slower reactions, it has often proven useful to keep the reaction product after leaving the reaction tube for a certain time at the reaction temperature.
  • the advantages of the method according to the invention lie in a very uniform irradiation of the reaction material in the center of a symmetrical microwave field within a reaction tube whose longitudinal axis is in the direction of propagation of the microwaves of a single-mode microwave applicator and in particular within a Eoi cavity resonator, for example with coaxial transition.
  • the reactor design according to the invention allows reactions to be carried out even at very high pressures and / or temperatures. By increasing the temperature and / or pressure, a clear increase in the degree of conversion and yield is also observed in comparison to known microwave reactors, without causing undesired side reactions and / or discoloration.
  • the inventive method also allows a controlled, safe and reproducible reaction. Since the reaction mixture is moved in the reaction tube parallel to the direction of propagation of the microwaves, known overheating phenomena by uncontrollable field distributions, which lead to local overheating by changing intensity of the field, for example in wave crests and nodes, by the flow of the
  • Ammonium salt in the microwave field a very extensive amidation with conversions in general of over 80%, often over 90% such as more than 95% based on the component used in the deficit occurs, without formation of appreciable amounts of by-products.
  • these ammonium salts in a flow tube of the same dimensions under thermal jacket heating extremely high wall temperatures are required to achieve suitable reaction temperatures, which led to the formation of colored species, but cause only minor amide formation at the same time interval.
  • the products produced by the process according to the invention have very low metal contents without the need for further processing of the crude products.
  • the metal contents of the products produced by the process according to the invention based on iron as the main element are usually below 25 ppm, preferably below 15 ppm, especially below 10 ppm, such as between 0.01 and 5 ppm iron.
  • the temperature rise caused by the microwave irradiation is limited to a maximum of 500 ° C., for example by controlling the microwave intensity, the flow rate and / or by cooling the reaction tube, for example by a stream of nitrogen.
  • the implementation of the reaction has proven particularly useful at temperatures between 150 and 400 ° C. and especially between 180 and 300 ° C., for example at temperatures between 200 and 270 ° C.
  • the duration of the microwave irradiation depends on various factors such as the geometry of the reaction tube, the radiated microwave energy, the specific reaction and the desired degree of conversion. Usually, the microwave irradiation over a Period of less than 30 minutes, preferably between 0.01 seconds and 15 minutes, more preferably between 0.1 seconds and 10 minutes and in particular between one second and 5 minutes, for example between 5 seconds and 2 minutes.
  • the intensity (power) of the microwave radiation is adjusted so that the reaction material when leaving the cavity resonator has the desired maximum temperature.
  • the reaction product is cooled as soon as possible after completion of the microwave irradiation to temperatures below 120 0 C, preferably below 100 0 C and especially below 60 0 C.
  • the reaction is carried out at pressures between 0.01 and 500 bar and more preferably between 1 bar (atmospheric pressure) and 150 bar and especially between 1, 5 bar and 100 bar such as between 3 bar and 50 bar.
  • Working under elevated pressure has proven particularly useful, the starting materials or products, the optionally present solvent and / or above the reaction water formed during the reaction being worked above the boiling point (at atmospheric pressure). More preferably, the pressure is set so high that the reaction mixture remains in the liquid state during microwave irradiation and does not boil.
  • an inert protective gas such as nitrogen, argon or helium.
  • the reaction is accelerated or completed in the presence of dehydrating catalysts.
  • dehydrating catalysts Preferably, one works in the presence of an acidic inorganic, organometallic or organic catalyst or mixtures of several of these catalysts.
  • acidic inorganic catalysts for example, sulfuric acid, phosphoric acid, phosphonic acid, hypophosphorous acid, aluminum sulfate hydrate, alum, acidic silica gel and acidic aluminum hydroxide.
  • aluminum compounds of the general formula AI (OR 15 ) 3 and titanates of the general formula Ti (OR 15 J 4 can be used as acidic inorganic catalysts, wherein the radicals R 15 may be the same or different and are independently selected from CiC-io Alkyl radicals, for example methyl, ethyl, n-propyl, iso-propyl, n-butyl, iso-butyl, sec-butyl, tert-butyl, n-pentyl, iso-pentyl, sec-pentyl, neo-pentyl , 1, 2-dimethylpropyl, iso-amyl, n-hexyl, sec-hexyl, n-heptyl, n-octyl, 2-Ethylhexy, n-nonyl or n-decyl, C3-Ci2 cycloalkyl, for example cyclopropyl Cyclo
  • Preferred acidic organometallic catalysts are, for example, selected from dialkyltin oxides (R 15 J 2 SnO, where R 15 is defined standing as above.
  • dialkyltin oxides R 15 J 2 SnO, where R 15 is defined standing as above.
  • a particularly preferred representatives of acidic organometallic catalysts is di-n-butyltin oxide, which as a so-called Oxo-tin or as Fascat ® Brands is commercially available.
  • Preferred acidic organic catalysts are acidic organic compounds with, for example, phosphate groups, sulfonic acid groups, sulfate groups or phosphonic acid groups.
  • Particularly preferred sulfonic acids contain at least one sulfonic acid group and at least one saturated or unsaturated, linear, branched and / or cyclic hydrocarbon radical having 1 to 40 carbon atoms and preferably having 3 to 24 carbon atoms.
  • aromatic sulfonic acids especially alkylaromatic monosulfonic acids having one or more C 1 -C 28 -alkyl radicals and, in particular, those having C 3 -C 22 -alkyl radicals.
  • Suitable examples are methanesulfonic acid, butanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, xylenesulfonic acid, 2-mesitylenesulfonic acid, 4-ethylbenzenesulfonic acid, isopropylbenzenesulfonic acid, 4-butylbenzenesulfonic acid, 4-octylbenzenesulfonic acid; Dodecylbenzenesulfonic acid, didodecylbenzenesulfonic acid, naphthalenesulfonic acid.
  • Acidic ion exchangers can also be used as acidic organic catalysts, for example poly (styrene) sulfonic acid groups which are crosslinked with about 2 mol% of divinylbenzene.
  • titanates of the general formula Ti (OR 15 ) 4 and especially titanium tetrabutylate and titanium tetraisopropylate are particularly preferred for carrying out the process according to the invention.
  • acidic inorganic, organometallic or organic catalysts according to the invention 0.01 to 10% by weight, preferably 0.02 to 2% by weight, of catalyst is used. In a particularly preferred embodiment, working without a catalyst.
  • the microwave irradiation is carried out in the presence of acidic solid catalysts.
  • the solid catalyst is suspended in the optionally mixed with solvent ammonium salt or advantageously the optionally with solvent-added ammonium salt passed through a fixed bed catalyst and exposed to microwave radiation.
  • suitable solid catalysts are zeolites, silica gel, montmorillonite and (partially) crosslinked polystyrenesulphonic acid, which may optionally be impregnated with catalytically active metal salts.
  • Solid phase catalysts can be used, for example, from Rohm & Haas under the brand name Amberlyst ® available.
  • Reaction mixture if heterogeneous, to fluidize.
  • all solvents can be used which are inert under the reaction conditions used and not with the educts or the formed React to products.
  • An important factor in the selection of suitable solvents is their polarity, which on the one hand determines the dissolving properties and on the other hand determines the extent of the interaction with microwave radiation.
  • a particularly important factor in the selection of suitable solvents is their dielectric loss ⁇ . "The dielectric loss ⁇ " describes the proportion of
  • Microwave radiation which is converted into heat during the interaction of a substance with microwave radiation.
  • the latter value has proved to be a particularly important criterion for the suitability of a solvent for carrying out the method according to the invention.
  • Working in solvents, which has the lowest possible degree of effectiveness, has proven particularly useful
  • Solvents which are preferred for the process according to the invention have a dielectric loss ⁇ "of less than 10 and preferably less than 1, for example less than 0.5, measured at room temperature and 2450 MHz An overview of the dielectric loss of various solvents can be found, for example, in" Microwave Synthesis "by BL Hayes, CEM Publishing 2002.
  • Suitable solvents for the process according to the invention are, in particular, solvents having ⁇ " values below 10, such as N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide or acetone, and in particular solvents having ⁇ "values below 1.
  • EXAMPLES for particularly preferred solvents with ⁇ "values below 1 are aromatic and / or aliphatic hydrocarbons such as toluene, xylene, ethylbenzene, tetralin, hexane, cyclohexane, decane, pentadecane, decalin and commercial hydrocarbon mixtures such as gasoline fractions, kerosene, solvent naphtha, ® Shellsol AB, ® Solvesso 150, ® Solvesso 200, ® Exxs ol, ® isopar and ® Shellsol types.
  • Solvent mixtures which have ⁇ "values preferably below 10 and especially below 1 are equally preferred for carrying out the process according to the invention.
  • the process according to the invention can also be carried out in solvents having higher ⁇ "values of, for example, 5 and higher, in particular with ⁇ " values of 10 and higher.
  • ⁇ values of, for example, 5 and higher
  • ⁇ values of 10 and higher.
  • reaction mixture is preferably between 2 and 95 wt .-%, especially between 5 and 90 wt .-% and in particular between 10 and 75 wt .-%, such as between 30 and 60 wt .-%.
  • the reaction is carried out solvent-free.
  • Microwaves are electromagnetic waves having a wavelength between about 1 cm and 1 m and frequencies between about 300 MHz and 30 GHz. This frequency range is suitable in principle for the method according to the invention.
  • microwave radiation with the frequencies released for industrial, scientific and medical applications is preferably used, for example with frequencies of 915 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz or 27.12 GHz.
  • microwave power to be radiated into the cavity resonator for carrying out the method according to the invention is in particular dependent on the geometry of the reaction tube and thus of the
  • Reaction volume and the duration of the required irradiation It is usually between 200 W and several 100 kW and in particular between 500 W and 100 kW such as between 1 kW and 70 kW. It can be generated by one or more microwave generators.
  • the reaction is carried out in a pressure-resistant inert tube, wherein the water of reaction forming and optionally starting materials and, if present, solvents lead to a pressure build-up.
  • the excess pressure can be used by relaxation for volatilization and separation of water of reaction, excess starting materials and, if appropriate, solvents and / or for cooling the reaction product.
  • the water of reaction formed is after cooling and / or relaxation by conventional methods such as phase separation, distillation stripping, flashing and / or absorption separated.
  • amides prepared via the route according to the invention are obtained in a sufficient purity for further use.
  • they can be further purified by customary purification methods such as, for example, distillation, recrystallization, filtration or chromatographic methods.
  • the inventive method allows a very fast, energy-saving and cost-effective production of amides of aromatic carboxylic acids in high yields and high purity in large quantities. Due to the very uniform irradiation of the ammonium salt in the center of the rotationally symmetric microwave field, it allows a safe, controllable and reproducible reaction. It is achieved by a very high efficiency in the utilization of the radiated microwave energy, the known manufacturing process significantly superior efficiency. This process does not generate significant amounts of by-products. Particularly surprising was the observation that arylcarboxylic acids and in particular alkylarylcarboxylic acids such as, for example, alkylphenylcarboxylic acids under the conditions of the process according to the invention show no appreciable decarboxylation.
  • amides of aromatic carboxylic acids prepared by the process according to the invention are often so pure that no further work-up or post-processing steps are required. Since they are due to the process no residues of coupling reagents or their Contain derived products, they can easily be used in toxicologically sensitive areas such as cosmetic and pharmaceutical preparations.
  • Cavity resonator passed through the ceramic tube through the cavity of a functioning as a coupling antenna inner conductor tube.
  • the 2.45 GHz frequency microwave field generated by a magnetron was coupled into the cavity by means of the coupling antenna (Eor cavity applicator, monomode).
  • the microwave power was adjusted over the duration of the experiment in such a way that the desired temperature of the reaction mixture was kept constant at the end of the irradiation zone.
  • the microwave powers mentioned in the test descriptions therefore represent the time average of the irradiated microwave power.
  • the temperature measurement of the reaction mixture was carried out directly after leaving the reaction zone (about 15 cm distance in an insulated stainless steel capillary, 0 1 cm) by means of PtIOO temperature sensor. Microwave energy not directly absorbed by the reaction mixture was reflected at the end face of the cavity resonator opposite the coupling antenna; the microwave energy which was not absorbed by the reaction mixture during the return and was reflected back in the direction of the magnetron was conducted by means of a prism system (circulator) into a vessel containing water.
  • the microwave energy introduced into the reaction mixture was calculated By means of a high pressure pump and a suitable pressure relief valve, the reaction mixture was placed in the reaction tube under such a working pressure, which was sufficient to keep all starting materials and products or condensation products always in the liquid state.
  • the ammonium salts prepared from carboxylic acid and amine were pumped through the reaction tube at a constant flow rate and the residence time in the irradiation zone was adjusted by modifying the flow rate.
  • the products were analyzed by means of 1 H-NMR spectroscopy at 500 MHz in CDCl 3 .
  • the determination of iron contents was carried out by atomic absorption spectroscopy.
  • the mixture thus obtained was continuously pumped through the reaction tube at 3.5 l / h at a working pressure of 30 bar and subjected to a microwave power of 2.3 kW, of which 88% was absorbed by the reaction mixture.
  • the residence time of the reaction mixture in the irradiation zone was about 49 seconds.
  • the reaction mixture had a temperature of 290 0 C.
  • the molten salt thus obtained was continuously pumped through the reaction tube at 3 l / h at a working pressure of 35 bar and subjected to a microwave power of 2.5 kW, of which 94% was absorbed by the reaction mixture.
  • Irradiation zone was about 57 seconds.
  • the reaction mixture had a temperature of 295 ° C.
  • the resulting mixture was pumped through the reaction tube continuously at 4 l / h at a working pressure of 30 bar and subjected to a microwave power of 2.5 kW, of which 89% was absorbed by the reaction mixture.
  • the residence time of the reaction mixture in the irradiation zone was about 43 seconds.
  • the reaction mixture had a temperature of 288 0 C.
  • reaction solution in a 1 liter stirred autoclave, 500 ml of reaction solution (sample preparation see Example 2) were presented together with 2 g of iron filings and heated in closed apparatus with maximum heating power with vigorous stirring within 12 minutes at 290 0 C (oil flow temperature 370 0 C). Under pressure, the reaction mixture was stirred for 10 minutes and then cooled to room temperature through a Kaitölnikank. The reaction mixture thus treated showed a conversion of only 8% of the theoretically possible yield (based on the m-toluic acid used in the deficit). The reaction mixture was discolored black-brown after the reaction and had a markedly hot smell. An analysis of the metal content of the reaction material yielded a value of 57 ppm iron.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Amiden aromatischer Carbonsäuren, indem mindestens eine aromatische Carbonsäure der Formel (I) Ar-COOH, worin Ar für einen gegebenenfalls substituierten Arylrest mit 5 bis 50 Atomen steht, mit mindestens einem Amin der Formel (Il) HNR1R2, worin R1 und R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff oder einen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 100 C-Atomen stehen, zu einem Ammoniumsalz umgesetzt wird und dieses Ammoniumsalz nachfolgend unter Mikrowellenbestrahlung in einem Reaktionsrohr, dessen Längsachse sich in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen eines Monomode-Mikrowellenapplikators befindet, zum Carbonsäureamid umgesetzt wird.

Description

Beschreibung
Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Amiden aromatischer Carbonsäuren
Amide aromatischer Carbonsäuren finden vielfältige Verwendung als chemische Rohstoffe. So werden verschiedene Amide als Zwischenprodukte für die Herstellung von Pharmazeutika und Agrochemikalien eingesetzt. Insbesondere tertiäre Amide aromatischer Carbonsäuren und speziell tertiäre Amide von Alkylphenylcarbonsäuren sind eine pharmakologisch wie auch technisch sehr interessante Verbindungsklasse. Beispielsweise finden Amide von Alkylbenzoesäuren mit sekundären Alkylaminen als Insektenabwehrmittel (Repellent) Verwendung.
Bei der technischen Herstellung von Amiden aromatischer Carbonsäuren wird üblicherweise ein reaktives Derivat der Carbonsäure wie Säureanhydrid, Säurechlorid oder Ester mit einem Amin umgesetzt oder es wird mit in-situ- Aktivierung unter Einsatz von Kupplungsreagentien wie beispielsweise N.N'-Dicyclohexylcarbodiimid oder mit sehr speziellen und damit teuren Katalysatoren gearbeitet. Dies führt einerseits zu hohen Herstellkosten und andererseits zu unerwünschten Begleitprodukten wie beispielsweise Salzen oder Säuren, die abgetrennt und entsorgt oder aufgearbeitet werden müssen. So entstehen beispielsweise in der Schotten-Baumann-Synthese, nach der zahlreiche Carbonsäureamide großtechnisch hergestellt werden, equimolare Mengen Kochsalz. Aber auch die in den Produkten verbleibenden Reste dieser Hilfs- und Nebenprodukte können zum Teil sehr unerwünschte Effekte bewirken. So führen beispielsweise Halogenidionen wie auch Säuren zu Korrosion. Kupplungsreagentien sowie die von ihnen gebildeten Nebenprodukte sind zum Teil giftig, sensibilisierend oder carcinogen.
Die erstrebenswerte direkte thermische Kondensation von aromatischer Carbonsäuren mit Aminen erfordert nach klassischen Batch-Verfahren sehr lange Reaktionszeiten bei Temperaturen von oftmals mehr als 300 0C und führt zu keinen befriedigenden Resultaten, da verschiedene Nebenreaktionen die Ausbeute mindern und aufwendige Aufarbeitungsschritte notwendig machen. Dazu zählen beispielsweise eine Decarboxylierung der Carbonsäure sowie eine Oxidation der Aminogruppe während des langen Erhitzens und insbesondere beim Einsatz sekundärer Amine ein thermisch induzierter Abbau der sekundären Aminogruppe. Besonders lange Reaktionszeiten von bis zu mehreren Tagen bei Temperaturen von oftmals mehr als 300 0C erfordert dabei die Umsetzung von Alkylphenylcarbonsäuren und sekundären Aminen. Menge und Art der bei diesen Umsetzungen gebildeten Nebenprodukte erfordern oftmals aufwendige Aufarbeitungsschritte.
Problematisch bei diesen Herstellverfahren ist weiterhin die Korrosivität der Reaktionsgemische aus Säure, Amin, Amid und Reaktionswasser, die bei den erforderlichen hohen Reaktionstemperaturen metallische Reaktionsgefäße stark angreifen bzw. auflösen. Die dadurch in die Produkte eingetragenen Metallgehalte sind sehr unerwünscht, da sie die Produkteigenschaften nicht nur hinsichtlich ihrer Farbe beeinträchtigen sondern auch Zersetzungsreaktionen katalysieren und damit die Ausbeute weiter reduzieren.
Ein neuerer Ansatz zur Synthese von Amiden ist die durch Mikrowellen unterstützte Umsetzung von Carbonsäuren und Aminen zu Amiden.
Vazquez-Tato, Synlett 1993, 506, offenbart die Verwendung von Mikrowellen als Heizquelle für die Herstellung von Amiden aus Carbonsäuren und arylaliphatischen Aminen über die Ammoniumsalze. Die Ausbeuten beim Umsatz aromatischer Carbonsäuren mit primären Aminen werden als moderat, die mit sekundären Aminen als niedrig bezeichnet. Die Synthesen erfolgten im mmol-Maßstab.
Gelens et al., Tetrahedron Letters 2005, 46 (21 ), 3751-3754, offenbart eine
Vielzahl an Amiden, die unter Zuhilfenahme von Mikrowellenstrahlung synthetisiert wurden. Die Umsetzungen von Carbonsäuren mit elektronenziehenden Substituenten wie beispielsweise dem Arylrest (Benzoesäure) erfordern dabei sehr hohe Reaktionstemperaturen von 250 bis 300 0C und führen trotzdem nur zu mäßigen Umsetzungsgraden. Besonders problematisch sind die Umsetzungen von Benzoesäure mit Dialkylaminen. So führt die Umsetzung von Benzoesäure mit Di-(n-propyl)amin bei 250 °C nur zu 10 % sekundärem Amid; sie kann durch Erhöhung der Reaktionstemperatur auf 50 % erhöht werden. Die entsprechende Umsetzung mit Dibenzylamin führt bei 250 0C zu einer Ausbeute an N,N-Dibenzylamid von nur 25 %; weitere Temperaturerhöhung auf 300 0C führt hauptsächlich zu Decarboxylierung der eingesetzten Benzoesäure und nicht zum tertiären Amid. Derartige Umsetzungsgrade sind für technische Prozesse viel zu niedrig. Die Decarboxylierung ist dabei unter kommerziellen wie auch ökologischen Aspekten besonders nachteilig, da die dabei gebildeten aromatischen Kohlenwasserstoffe nicht in den Prozess recyclisiert werden können, sondern entsorgt werden müssen. Die Synthesen erfolgten in 10 ml-Gefäßen.
Das Scale-Up derartiger mikrowellenunterstützter Reaktionen aus dem Labor in einen technischen Maßstab und damit die Entwicklung von Anlagen, die für eine Produktion von mehreren Tonnen wie beispielsweise mehreren zehn, mehreren hundert oder mehreren tausend Tonnen pro Jahr mit für großtechnische Anwendungen interessanten Raum-Zeit-Ausbeuten geeignet sind, konnte bisher jedoch nicht realisiert werden. Ursache dafür ist zum einen die üblicherweise auf einige Millimeter bis wenige Zentimeter begrenzte Eindringtiefe von Mikrowellen in das Reaktionsgut, was insbesondere in Batch-Verfahren durchgeführte Reaktionen auf kleine Gefäße beschränkt oder in gerührten Reaktoren zu sehr langen Reaktionszeiten führt. Einer für die Bestrahlung großer Substanzmengen mit Mikrowellen wünschenswerten Erhöhung der Feldstärke sind insbesondere in den bisher bevorzugt zum Scale-Up chemischer Reaktionen eingesetzten Multimode-Geräten durch dann auftretende Entladungsvorgänge und Plasmabildung enge Grenzen gesetzt. Weiterhin bereitet die zu lokalen Überhitzungen des Reaktionsgutes führende, durch mehr oder weniger unkontrollierte Reflektionen der in den Mikrowellenofen eingestrahlten Mikrowellen an dessen Wänden und dem Reaktionsgut verursachte Inhomogenität des Mikrowellenfeldes in den üblicherweise eingesetzten Multimode- Mikrowellengeräten Probleme bei der Maßstabsvergrößerung. Zudem bereitet der sich während der Reaktion oftmals ändernde Mikrowellen-Absorptionskoeffizient des Reaktionsgemischs Schwierigkeiten hinsichtlich einer sicheren und reproduzierbaren Reaktionsführung.
Chen et al., J. Chem. Soc, Chem. Commun., 1990, 807 - 809, beschreiben einen kontinuierlichen Labor-Mikrowellenreaktor, bei dem das Reaktionsgut durch eine in einem Mikrowellenofen montierte Teflon-Rohrschlange geführt wird. Ein ähnlicher kontinuierlicher Labor-Mikrowellenreaktor wird von Cablewski et al., J. Org. Chem. 1994, 59, 3408-3412 zur Durchführung verschiedenster chemischer Reaktionen beschrieben. In beiden Fällen erlaubt die im Multimode betriebene Mikrowelle jedoch kein Up-Scaling in den großtechnischen Bereich. Ihr Wirkungsgrad bezüglich der Mikrowellenabsorption des Reaktionsguts ist auf Grund der in Multimode-Mikrowellenapplikatoren auf den Applikatorraum mehr oder weniger homogen verteilten und nicht auf die Rohrschlange fokussierten Mikrowellenenergie niedrig. Eine starke Erhöhung der eingestrahlten Mikrowellenleistung führt zu unerwünschten Plasma- Entladungen. Weiterhin machen die als Hot-Spots bezeichneten, sich zeitlich verändernden räumlichen Inhomogenitäten des Mikrowellenfeldes eine sichere und reproduzierbare Reaktionsführung im großen Maßstab unmöglich.
Weiterhin sind Monomode- bzw. Singlemode-Mikrowellenapplikatoren bekannt, bei denen mit einem einzigen Wellen-Modus gearbeitet wird, der sich in nur einer Raumrichtung ausbreitet und durch exakt dimensionierte Wellenleiter auf das Reaktionsgefäß fokussiert wird. Diese Geräte erlauben zwar höhere lokale
Feldstärken, sind bisher aber auf Grund der geometrischen Anforderungen (z. B. ist die Intensität des elektrischen Feldes an seinen Wellenbergen am größten und geht an den Knotenpunkten gegen Null) bisher auf kleine Reaktionsvolumina (≤ 50 ml) im Labormaßstab beschränkt.
Es wurde daher ein Verfahren zur Herstellung von Amiden aromatischer Carbonsäuren gesucht, bei dem aromatische Carbonsäure und Amin auch im technischen Maßstab unter Mikrowellenbestrahlung zum Amid umgesetzt werden können. Dabei sollen möglichst hohe, das heißt bis zu quantitative Umsetzungsraten erzielt werden. Das Verfahren soll weiterhin eine möglichst energiesparende Herstellung der Carbonsäureamide ermöglichen, das heißt, die eingesetzte Mikrowellenleistung soll möglichst quantitativ vom Reaktionsgut absorbiert werden und das Verfahren somit einen hohen energetischen
Wirkungsgrad bieten. Dabei sollen keine bzw. nur untergeordnete Mengen an Nebenprodukten anfallen. Die Amide sollen ferner einen möglichst niedrigen Metallgehalt und eine geringe Eigenfärbung aufweisen. Zudem soll das Verfahren eine sichere und reproduzierbare Reaktionsführung gewährleisten.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich Amide aromatischer Carbonsäuren durch direkte Umsetzung von aromatischen Carbonsäuren mit Aminen in einem kontinuierlichen Verfahren durch nur kurzzeitiges Erhitzen mittels Bestrahlung mit Mikrowellen in einem Reaktionsrohr, dessen Längsachse sich in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen eines Monomode-
Mikrowellenapplikators befindet, in hohen Ausbeuten und in technisch relevanten Mengen herstellen lassen. Dabei wird die in den Mikrowellenapplikator eingestrahlte Mikrowellenenergie praktisch quantitativ vom Reaktionsgut absorbiert. Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt zudem eine hohe Sicherheit bei der Durchführung und bietet eine hohe Reproduzierbarkeit der eingestellten Reaktionsbedingungen. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Amide zeigen eine im Vergleich zu nach konventionellen Herstellverfahren ohne zusätzliche Verfahrensschritte nicht zugängliche hohe Reinheit und niedrige Eigenfärbung.
Gegenstand der Erfindung ist ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Amiden aromatischer Carbonsäuren, indem mindestens eine aromatische Carbonsäure der Formel I
Ar-COOH (I)
worin Ar für einen gegebenenfalls substituierten Arylrest mit 5 bis 50 Atomen steht, mit mindestens einem Amin der Formel Il
HNR1R2 (II)
worin R1 und R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff oder einen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 100 C-Atomen stehen, zu einem Ammoniumsalz umgesetzt wird und dieses Ammoniumsalz nachfolgend unter Mikrowellenbestrahlung in einem Reaktionsrohr, dessen Längsachse sich in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen eines Monomode- Mikrowellenapplikators befindet, zum Carbonsäureamid umgesetzt wird.
Ar ist bevorzugt ein Arylrest, der mindestens eine an ein aromatisches System gebundene Carboxylgruppe trägt. Unter aromatischen Systemen werden zyklische, durchkonjugierte Systeme mit (4n + 2) π-Elektronen verstanden, worin n eine natürliche ganze Zahl und vorzugsweise 1 , 2, 3, 4 oder 5 ist. Das aromatische System kann mono- oder polyzyklisch wie beispielsweise di- oder trizyklisch sein. Das aromatische System wird bevorzugt aus Kohlenstoffatomen gebildet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält es neben Kohlenstoffatomen ein oder mehrere Heteroatome wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel. Beispiele für solche aromatischen Systeme sind Benzol, Naphthalin, Phenanthren, Furan und Pyridin. Das aromatische System kann neben der Carboxylgruppe ein oder mehrere wie beispielsweise eins, zwei, drei oder mehr gleiche oder verschiedene weitere Substituenten tragen. Geeignete weitere Substituenten sind beispielsweise Alkyl-, Alkenyl- und halogenierte Alkylreste, Hydroxy-, Hydroxyalkyl-, Alkoxy-, Poly(alkoxy)-, Halogen-, Carboxyl-, Amid-, Cyano-, Nitril-, Nitro- und/oder Sulfonsäuregruppen. Diese Substituenten können an beliebiger Position des aromatischen Systems gebunden sein. Der Arylrest trägt jedoch höchstens so viele Substituenten, wie er Valenzen hat.
In einer speziellen Ausführungsform trägt der Arylrest Ar der Formel (I) weitere Carboxylgruppen. So ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenso zur Umsetzung von aromatischen Carbonsäuren mit beispielsweise zwei oder mehr Carboxylgruppen geeignet. Bei der Umsetzung von Polycarbonsäuren mit Ammoniak oder primären Aminen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können, insbesondere wenn sich die Carboxylgruppen in ortho-Stellung an einem aromatischen System befinden, auch Imide entstehen.
Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Amidierung von Alkylarylcarbonsäuren wie beispielsweise Alkylphenylcarbonsäuren. Dabei handelt es sich um aromatische Carbonsäuren, bei denen der die Carboxylgruppe tragende Arylrest Ar zusätzlich mindestens einen Alkyl- oder Alkylenrest trägt. Besonders vorteilhaft ist das Verfahren bei der Amidierung von
Alkylbenzoesäuren, die mindestens einen Alkylrest mit 1 bis 20 C-Atomen und insbesondere 1 bis 12 C-Atomen wie beispielsweise 1 bis 4 C-Atomen tragen.
Weiterhin besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Amidierung von aromatischen Carbonsäuren, deren Arylrest Ar eine oder mehrere wie beispielsweise zwei oder drei Hydroxylgruppen und/oder Hydroxyalkylgruppen trägt. Bei der Amidierung mit mindestens equimolaren Mengen an Amin der Formel (II) findet dabei selektiv eine Amidierung der Carboxylgruppe statt; es werden keine Ester und/oder Polyester gebildet.
Geeignete aromatische Carbonsäuren sind beispielsweise Benzoesäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, die verschiedenen Isomeren der Naphthalincarbonsäure, Pyridincarbonsäure und Naphthalindicarbonsäure sowie Trimellitsäure, Trimesinsäure, Pyromellitsäure und Mellitsäure, die verschiedenen Isomere der Methoxybenzoesäure, Hydroxybenzoesäure, Hydroxymethylbenzoesäure, Hydroxymethoxybenzoesäure, Hydroxydimethoxybenzoesäure, Hydroxyisophthalsäure, Hydroxynaphthalincarbonsäure, Hydoxypyridincarbonsäure und Hydroxymethylpyridincarbonsäure, Hydroxychinolincarbonsäure sowie o-Tolylsäure, m-Tolylsäure, p-Tolylsäure, o-Ethylbenzoesäure, m-Ethylbenzoesäure, p-Ethylbenzoesäure, o-Propylbenzoesäure, m-Propylbenzoesäure, p-Propylbenzoesäure und 3,4-Dimethylbenzoesäure. Mischungen verschiedener Aryl- und/oder Alkylarylcarbonsäuren sind gleichfalls geeignet.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich bevorzugt zur Herstellung sekundärer Amide, das heißt zur Umsetzung von aromatischen Carbonsäuren mit Aminen, bei denen R1 für einen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 100 Kohlenstoffatomen und R2 für Wasserstoff steht.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders bevorzugt zur Herstellung tertiärer Amide, das heißt zur Umsetzung von aromatischen Carbonsäuren mit Aminen, bei denen beide Reste R1 und R2 unabhängig voneinander für einen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 100 Kohlenstoffatomen stehen. Die Reste R1 und R2 können dabei gleich oder verschieden sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind R1 und R2 gleich.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform stehen R1 und/oder R2 unabhängig voneinander für einen aliphatischen Rest. Dieser hat bevorzugt 1 bis 24, besonders bevorzugt 2 bis 18 und speziell 3 bis 6 C-Atome. Der aliphatische Rest kann linear, verzweigt oder zyklisch sein. Er kann weiterhin gesättigt oder ungesättigt sein. Der Kohlenwasserstoffrest kann Substituenten wie beispielsweise Hydroxy-, CrC5-Alkoxy-, Cyano-, Nitril-, Nitro- und/oder C-5-C2o-Arylgruppen wie beispielsweise Phenylreste tragen. Die C5-C2o-Arylreste können ihrerseits gegebenenfalls mit Halogenatomen, CrC2o-Alkyl-, C2-C2o-Alkenyl-, Hydroxyl-, C-i-Cs-Alkoxy- wie beispielsweise Methoxy-, Amid-, Cyano-, Nitril-, und/oder Nitrogruppen substituiert sein. Besonders bevorzugte aliphatische Reste sind Methyl, Ethyl, Hydroxyethyl, n-Propyl, iso-Propyl, Hydroxypropyl, n-Butyl, iso-Butyl und tert.-Butyl, Hydroxybutyl, n-Hexyl, Cyclohexyl, n-Octyl, n-Decyl, n-Dodecyl, Tridecyl, Isotridecyl, Tetradecyl, Hexadecyl, Octadecyl und Methylphenyl. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform stehen R1 und/oder R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff, einen C-ι-C6-Alkyl-, C2-C6-Alkenyl- oder C3-C6-Cycloalkylrest und speziell für einen Alkylrest mit 1 , 2, oder 3 C-Atomen. Diese Reste können bis zu drei Substituenten tragen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden R1 und R2 zusammen mit dem Stickstoff atom, an das sie gebunden sind, einen Ring. Dieser Ring hat bevorzugt 4 oder mehr wie beispielsweise mit 4, 5, 6 oder mehr Ringglieder. Bevorzugte weitere Ringglieder sind dabei Kohlenstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff- und Schwefelatome. Die Ringe können ihrerseits wiederum Substituenten wie beispielsweise Alkylreste tragen. Geeignete Ringstrukturen sind beispielsweise Morpholinyl-, Pyrrolidinyl, Piperidinyl-, Imidazolyl- und Azepanylreste.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stehen R1 und/oder R2 unabhängig voneinander für eine gegebenenfalls substituierte C6-Ci2-Arylgruppe oder eine gegebenenfalls substituierte heteroaromatische Gruppe mit 5 bis 12 Ringgliedern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stehen R1 und/oder R2 unabhängig voneinander für einen mit Heteroatomen unterbrochenen Alkylrest. Besonders bevorzugte Heteroatome sind Sauerstoff und Stickstoff.
So stehen R1 und/oder R2 unabhängig voneinander bevorzugt für Reste der Formel III
-(R4-O)n-R5 (III)
worin R4 für eine Alkylengruppe mit 2 bis 6 C-Atomen und bevorzugt mit 2 bis
4 C-Atomen wie beispielsweise Ethylen, Propylen, Butylen oder Mischungen daraus, R5 für Wasserstoff, einen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 24 C-Atomen oder eine Gruppe der Formel -NR10R11, n für eine Zahl zwischen 2 und 50, bevorzugt zwischen 3 und 25 und insbesondere zwischen 4 und 10 und
R10, R11 unabhängig voneinander für Wasserstoff, einen aliphatischen Rest mit 1 bis 24 C-Atomen und bevorzugt 2 bis 18 C-Atomen, eine Arylgruppe- oder Heteroarylgruppe mit 5 bis 12 Ringgliedern, eine Poly(oxyalkylen)gruppe mit 1 bis 50 Poly(oxyalkylen)einheiten, wobei sich die Polyoxyalkyleneinheiten von Alkylenoxideinheiten mit 2 bis 6 C-Atomen ableiten, oder R10 und R11gemeinsam mit dem Stickstoffatom, an das sie gebunden sind, einen Ring mit 4, 5, 6 oder mehr Ringgliedern bilden, stehen.
Weiterhin bevorzugt stehen R1 und/oder R2 unabhängig voneinander für Reste der Formel IV
-[R6-N(R7)]m-(R7) (IV)
worin
R6 für eine Alkylengruppe mit 2 bis 6 C-Atomen und bevorzugt mit 2 bis 4 C-Atomen wie beispielsweise Ethylen, Propylen oder Mischungen daraus steht, jedes R7 unabhängig voneinander für Wasserstoff, einen Alkyl- oder
Hydroxyalkylrest mit bis zu 24 C-Atomen wie beispielsweise 2 bis 20 C-Atomen, einen Polyoxyalkylenrest -(R4-O)p-R5, oder einen Polyiminoalkylenrest -[R6-N(R7)]q-(R7) stehen, wobei R4, R5, R6 und R7 die oben gegebenen Bedeutungen haben und q und p unabhängig voneinander für 1 bis 50 stehen und m für eine Zahl von 1 bis 20 und bevorzugt 2 bis 10 wie beispielsweise drei, vier, fünf oder sechs steht. Die Reste der Formel IV enthalten vorzugsweise 1 bis 50, insbesondere 2 bis 20 Stickstoffatome.
Je nach stöchiometrischem Verhältnis zwischen aromatischer Carbonsäure (I) und Polyamin (IV) werden ein oder mehrere Aminogruppen, die jeweils mindestens ein Wasserstoffatom tragen, in das Carbonsäureamid überführt. Bei der Umsetzung von Polycarbonsäuren mit Polyaminen der Formel IV können insbesondere die primären Aminogruppen auch in Imide überführt werden.
Zur erfindungsgemäßen Herstellung von primären Amiden werden anstelle von Ammoniak bevorzugt stickstoffhaltige Verbindungen, die beim Erhitzen Ammoniakgas abspalten, eingesetzt. Beispiele für derartige stickstoffhaltige Verbindungen sind Harnstoff und Formamid.
Beispiele für geeignete Amine sind Ammoniak, Methylamin, Ethylamin,
Ethanolamin, Propylamin, Propanolamin, Butylamin, Hexylamin, Cyclohexylamin, Octylamin, Decylamin, Dodecylamin, Tetradecylamin, Hexadecylamin, Octadecylamin, Dimethylamin, Diethylamin, Diethanolamin, Ethylmethylamin, Di-n-propylamin, Di-iso-propylamin, Dicyclohexylamin, Didecylamin, Didodecylamin, Ditetradecylamin, Dihexadecylamin, Dioctadedcylamin,
Benzylamin, Phenylethylamin, Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin, Tetraethylenpentamin, N,N-Dimethylethylendiamin, N.N-Diethylaminopropylamin, N,N-Dimethylaminopropylamin, N,N-(2'-hydroxyethyl)-1 ,3-propandiamin und 1-(3-Aminopropyl)pyrrolidin sowie deren Mischungen. Besonders bevorzugt sind davon Dimethylamin, Diethylamin, Diethanolamin, Di-n-propylamin,
Di-iso-propylamin, Ethylmethylamin und N,N-Dimethylaminopropylamin.
Das Verfahren ist insbesondere geeignet zur Herstellung von N,N-Dimethylbenzamid, N,N-Diethylbenzamid, N,N-(2-Hydroxyalkyl)benzamid, N,N-Dimethylnicotinsäureamid und N,N-Dimethyltolylsäureamid.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können aromatische Carbonsäure und Amin in der Regel in beliebigen Verhältnissen miteinander zur Reaktion gebracht werden. Bevorzugt erfolgt die Umsetzung zwischen Carbonsäure und Amin mit molaren Verhältnissen von 10:1 bis 1 :100, bevorzugt von 2:1 bis 1 :10, speziell von 1 ,2:1 bis 1 :3, jeweils bezogen auf die Molequivalente an Carboxyl- und Aminogruppen. In einer speziellen Ausführungsform werden Carbonsäure und Amin equimolar eingesetzt. In vielen Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mit einem Überschuss an Amin, das heißt molaren Verhältnissen von Amin zu Carboxylgruppen von mindestens 1 ,01 : 1 ,00 und insbesondere zwischen 50 : 1 und 1 ,02 : 1 wie beispielsweise zwischen 10 : 1 und 1 ,1 : 1 zu arbeiten. Dabei werden die Carboxylgruppen praktisch quantitativ zum Amid umgesetzt. Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren, wenn das eingesetzte Amin leicht flüchtig ist. Leicht flüchtig heißt hier, dass das Amin einen Siedepunkt bei Normaldruck von vorzugsweise unterhalb 200 0C wie beispielsweise unterhalb 160 0C besitzt und sich somit destillativ vom Amid abtrennen lässt.
Für den Fall, dass R1 und/oder R2 für einen mit einer oder mehreren Hydroxylgruppen substituierten Kohlenwasserstoffrest stehen, erfolgt die Umsetzung zwischen aromatischer Carbonsäure und Amin mit molaren Verhältnissen von 1 :1 bis 1 :100, bevorzugt von 1 :1 ,001 bis 1 :10 und speziell von 1 :1 ,01 bis 1 :5 wie beispielsweise von 1 :1 ,1 bis 1 :2, jeweils bezogen auf die Molequivalente an Carboxylgruppen und Aminogruppen im Reaktionsgemisch.
Für den Fall, dass der Arylrest Ar eine oder mehrere Hydroxylgruppen trägt, erfolgt die Umsetzung zwischen aromatischer Carbonsäure und Amin mit molaren Verhältnissen von 1 : 100 bis 1 : 1 , bevorzugt von 1 : 10 bis 1 : 1 ,001 und speziell von 1 :5 bis 1 :1 ,01 wie beispielsweise von 1 :2 bis 1 :1 ,1 , jeweils bezogen auf die Molequivalente an Carboxylgruppen und Aminogruppen im Reaktionsgemisch.
Für den Fall, dass R1 und/oder R2 für einen mit einer oder mehreren Hydroxylgruppen substituierten Kohlenwasserstoffrest stehen und dass der Arylrest Ar eine oder mehrere Hydroxylgruppen trägt, erfolgt die Umsetzung zwischen aromatischer Carbonsäure und Amin equimolar bezogen auf die Molequivalente an Carboxylgruppen und Aminogruppen im Reaktionsgemisch.
Die erfindungsgemäße Herstellung der Amide erfolgt durch Umsetzung von aromatischer Carbonsäure und Amin zum Ammoniumsalz und nachfolgender Bestrahlung des Salzes mit Mikrowellen in einem Reaktionsrohr, dessen Längsachse sich in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen in einem Monomode-Mikrowellenapplikators befindet.
Bevorzugt erfolgt die Bestrahlung des Salzes mit Mikrowellen in einem weitgehend mikrowellentransparenten Reaktionsrohr, das sich innerhalb eines mit einem Mikrowellengenerator verbundenen Hohlleiters befindet. Bevorzugt fluchtet das Reaktionsrohr axial mit der zentralen Symmetrieachse des Hohlleiters. Der als Mikrowellenapplikator fungierende Hohlleiter ist bevorzugt als Hohlraumresonator ausgeformt. Weiterhin bevorzugt werden die im Hohlleiter nicht absorbierten Mikrowellen an seinem Ende reflektiert. Durch Ausformung des Mikrowellenapplikators als Resonator vom Reflexionstyp werden eine lokale Erhöhung der elektrischen Feldstärke bei gleicher vom Generator zugeführter Leistung und eine erhöhte Energieausnutzung erzielt.
Der Hohlraumresonator wird bevorzugt im E0in-Mode betrieben, wobei n für eine ganze Zahl steht und die Anzahl der Feldmaxima der Mikrowelle entlang der zentralen Symmetrieachse des Resonators angibt. Bei diesem Betrieb ist das elektrische Feld in Richtung der zentralen Symmetrieachse des Hohlraumresonators gerichtet. Es hat im Bereich der zentralen Symmetrieachse ein Maximum und nimmt zur Mantelfläche hin auf den Wert null ab. Diese Feldkonfiguration liegt rotationssymmetrisch um die zentrale Symmetrieachse vor. Je nach der gewünschten Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsguts durch das Reaktionsrohr, der benötigten Temperatur und der benötigten Verweilzeit im Resonator wird die Länge des Resonators relativ zu der Wellenlänge der eingesetzten Mikrowellenstrahlung ausgewählt. Bevorzugt ist n eine ganze Zahl von 1 bis 200, besonders bevorzugt von 2 bis 100, insbesondere von 4 bis 50 speziell von 3 bis 20 wie beispielsweise 3, 4, 5, 6, 7 oder 8.
Die Einstrahlung der Mikrowellenenergie in den als Mikrowellenapplikator fungierenden Hohlleiter kann über geeignet dimensionierte Löcher oder Schlitze erfolgen. In einer erfindungsgemäß besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bestrahlung des Ammoniumsalzes mit Mikrowellen in einem Reaktionsrohr, das sich in einem Hohlleiter mit koaxialem Übergang der Mikrowellen befindet. Für dieses Verfahren besonders bevorzugte Mikrowelleneinrichtungen sind aus einem Hohlraumresonator, einer Koppeleinrichtung zum Einkoppeln eines Mikrowellenfeldes in den
Hohlraumresonator und mit je einer Öffnung an zwei gegenüber liegenden Stirnwänden zum Hindurchführen des Reaktionsrohres durch den Resonator aufgebaut. Die Einkopplung der Mikrowellen in den Hohlraumresonator erfolgt bevorzugt über einen Koppelstift, der in den Hohlraumresonator hineinragt. Bevorzugt ist der Koppelstift als ein als Kopplungsantenne fungierendes, bevorzugt metallisches Innenleiterrohr ausgeformt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ragt dieser Koppelstift durch eine der stirnseitigen Öffnungen in den Hohlraumresonator hinein. Besonders bevorzugt schließt sich das Reaktionsrohr an das Innenleiterrohr des koaxialen Übergangs an und speziell wird es durch dessen Hohlraum hindurch in den Hohlraumresonator geführt. Bevorzugt fluchtet das Reaktionsrohr axial mit einer zentralen Symmetrieachse des Hohlraumresonators, wozu der Hohlraumresonator bevorzugt je eine zentrische Öffnung an zwei gegenüber liegenden Stirnwänden zum Hindurchführen des Reaktionsrohres aufweist.
Die Einspeisung der Mikrowellen in den Koppelstift bzw. in das als Kopplungsantenne fungierende Innenleiterrohr kann beispielsweise mittels einer koaxialen Anschlussleitung erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Mikrowellenfeld über einen Hohlleiter dem Resonator zugeführt, wobei das aus dem Hohlraumresonator herausragende Ende des Koppelstifts in eine Öffnung, die sich in der Wand des Hohlleiters befindet, in den Hohlleiter hineingeführt ist und von dem Hohlleiter Mikrowellenenergie entnimmt und in den Resonator koppelt.
In einer speziellen Ausführungsform erfolgt die Bestrahlung des Salzes mit Mikrowellen in einem mikrowellentransparenten Reaktionsrohr, das sich axialsymmetrisch in einem E0in-Rundhohlleiter mit koaxialem Übergang der Mikrowellen befindet. Dabei wird das Reaktionsrohr durch den Hohlraum eines als Kopplungsantenne fungierenden Innenleiterrohres in den Hohlraumresonator geführt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bestrahlung des Salzes mit Mikrowellen in einem mikrowellentransparenten Reaktionsrohr, das durch einen E0in-Hohlraumresonator mit axialer Einspeisung der Mikrowellen geführt wird, wobei die Länge des Hohlraumresonators so bemessen ist, dass sich n = 2 oder mehr Feldmaxima der Mikrowelle ausbilden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bestrahlung des Salzes mit Mikrowellen in einem mikrowellentransparenten Reaktionsrohr, das sich axialsymmetrisch in einem kreiszylindrischen E0in-Hohlraumresonator mit koaxialem Übergang der Mikrowellen befindet, wobei die Länge des Hohlraumresonators so bemessen ist, dass sich n = 2 oder mehr Feldmaxima der Mikrowelle ausbilden.
Mikrowellengeneratoren, wie beispielsweise das Magnetron, das Klystron und das Gyrotron sind dem Fachmann bekannt.
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten Reaktionsrohre sind bevorzugt aus weitgehend mikrowellentransparentem, hoch schmelzendem Material gefertigt. Besonders bevorzugt werden nichtmetallische Reaktionsrohre eingesetzt. Unter weitgehend mikrowellentransparent werden hier Werkstoffe verstanden, die möglichst wenig Mikrowellenenergie absorbieren und in Wärme umwandeln. Als Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, Mikrowellenenergie zu absorbieren und in Wärme zu überführen wird oftmals der dielektrische Verlustfaktor tan δ = ε"/ε' herangezogen. Der dielektrische Verlustfaktor tan δ ist definiert als das Verhältnis aus dielektrischem Verlust ε" und Dielektrizitätskonstante ε'. Beispiele für tan δ-Werte verschiedener Materialien sind beispielsweise in D. Bogdal, Microwave-assisted Organic Synthesis, Elsevier 2005 wiedergegeben. Für erfindungsgemäß geeignete Reaktionsrohre werden Materialen mit bei 2,45 GHz und 25 °C gemessenen tan δ-Werten von unter 0,01 , insbesondere unter 0,005 und speziell unter 0,001 bevorzugt. Als bevorzugte mikrowellentransparente und temperaturstabile Materialien kommen in erster Linie Werkstoffe auf mineralischer Basis wie beispielsweise Quarz, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und ähnliches in Betracht. Auch temperaturstabile Kunststoffe wie insbesondere Fluorpolymere wie beispielsweise Teflon, und technische Kunststoffe wie Polypropylen, oder Polyaryletherketone wie beispielsweise glasfaserverstärktes Polyetheretherketon (PEEK) sind als Rohrmaterialien geeignet. Um den Temperaturbedingungen während der Reaktion zu widerstehen haben sich insbesondere mit diesen Kunststoffen beschichtete Mineralien wie Quarz oder Aluminiumoxid als Reaktormaterialien bewährt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignete Reaktionsrohre haben einen Innendurchmesser von einem Millimeter bis ca. 50 cm, speziell zwischen 2 mm und 35 cm wie beispielsweise zwischen 5 mm und 15 cm. Unter Reaktionsrohren werden hier Gefäße verstanden, deren Verhältnis von Länge zu Durchmesser größer als 5, bevorzugt zwischen 10 und 100.000, besonders bevorzugt zwischen 20 und 10.000 wie beispielsweise zwischen 30 und 1.000 ist. Unter der Länge des Reaktionsrohres wird hier die Strecke des Reaktionsrohres verstanden, auf der die Mikrowellenbestrahlung erfolgt. In das Reaktionsrohr können Stromstörer und/oder andere Mischelemente eingebaut sein.
Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignete EorHohlraumresonatoren haben bevorzugt einen Durchmesser, der mindestens der halben Wellenlänge der verwendeten Mikrowellenstrahlung entspricht.
Bevorzugt beträgt der Durchmesser des Hohlraumresonators das 1 ,0- bis
10-fache, besonders bevorzugt das 1 ,1- bis 5-fache und insbesondere das 2,1- bis
2,6-fache der halben Wellenlänge der verwendeten Mikrowellenstrahlung. Bevorzugt hat der Eoi-Hohlraumresonator einen runden Querschnitt, was auch als
EorRundhohlleiter bezeichnet wird. Besonders bevorzugt hat er eine zylindrische
Form und speziell eine kreiszylindrische Form.
Das Reaktionsrohr ist üblicherweise am Einlass mit einer Dosierpumpe sowie einem Manometer und am Auslass mit einer Druckhaltevorrichtung und einem Wärmetauscher versehen. Damit sind Reaktionen in einem sehr weiten Druck- und Temperaturbereich möglich.
Die Umsetzung von Amin und Carbonsäure zum Ammoniumsalz kann kontinuierlich, diskontinuierlich oder auch in semi-Batch-Prozessen durchgeführt werden. So kann die Herstellung des Ammoniumsalzes in einem vorgelagerten (semi)-Batch Prozess durchgeführt werden wie beispielsweise in einem Rührbehälter. Das Ammoniumsalz wird bevorzugt in-situ erzeugt und nicht isoliert. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Edukte Amin und Carbonsäure, beide unabhängig voneinander gegebenenfalls mit Lösemittel verdünnt, erst kurz vor dem Eintritt in das Reaktionsrohr vermischt. So hat es sich besonders bewährt, die Umsetzung von Amin und Carbonsäure zum Ammoniumsalz in einer Mischstrecke vorzunehmen, aus der das Ammoniumsalz, gegebenenfalls nach Zwischenkühlung, in das Reaktionsrohr gefördert wird. Weiterhin bevorzugt werden die Edukte dem erfindungsgemäßen Verfahren in flüssiger Form zugeführt. Dazu können höher schmelzende und/oder höher viskose Edukte beispielsweise in geschmolzenem Zustand und/oder mit Lösemittel versetzt beispielsweise als Lösung, Dispersion oder Emulsion eingesetzt werden. Ein Katalysator kann, sofern eingesetzt, einem der Edukte oder auch der Eduktmischung vor dem Eintritt in das Reaktionsrohr zugesetzt werden. Auch feste, pulverförmige und heterogene Systeme können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umgesetzt werden, wobei lediglich entsprechende technische Vorrichtungen zum Fördern des Reaktionsgutes erforderlich sind.
Das Ammoniumsalz kann in das Reaktionsrohr entweder an dem durch das Innenleiterrohr geführte Ende eingespeist werden als auch an dem entgegen gesetzten Ende.
Durch Variation von Rohrquerschnitt, Länge der Bestrahlungszone (hierunter wird die Strecke des Reaktionsrohres verstanden, in dem das Reaktionsgut Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist), Fließgeschwindigkeit, Geometrie des Hohlraumresonators, der eingestrahlten Mikrowellenleistung sowie der dabei erreichten Temperatur werden die Reaktionsbedingungen so eingestellt, dass die maximale Reaktionstemperatur schnellstmöglich erreicht wird und die Verweilzeit bei Maximaltemperatur so kurz bleibt, dass so wenig Neben- oder Folgereaktionen wie möglich auftreten. Das Reaktionsgut kann zur Vervollständigung der Reaktion, gegebenenfalls nach Zwischenkühlung, mehrfach das Reaktionsrohr durchlaufen. Vielfach hat sich bewährt, wenn das Reaktionsprodukt unmittelbar nach Verlassen des Reaktionsrohres z. B. durch Mantelkühlung oder Entspannung abgekühlt wird. Bei langsamer verlaufenden Reaktionen hat es sich oftmals bewährt, das Reaktionsprodukt nach Verlassen des Reaktionsrohres noch eine gewisse Zeit bei Reaktionstemperatur zu halten.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen in einer sehr gleichmäßigen Bestrahlung des Reaktionsgutes im Zentrum eines symmetrischen Mikrowellenfeldes innerhalb eines Reaktionsrohres, dessen Längsachse sich in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen eines Monomode- Mikrowellenapplikators und insbesondere innerhalb eines Eoi-Hohlraumresonators beispielsweise mit koaxialem Übergang befindet. Dabei erlaubt das erfindungsgemäße Reaktordesign die Durchführung von Reaktionen auch bei sehr hohen Drücken und/oder Temperaturen. Durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung wird eine deutliche Steigerung von Umsetzungsgrad und Ausbeute auch gegenüber bekannten Mikrowellenreaktoren beobachtet, ohne dass es dabei zu unerwünschten Nebenreaktionen und/oder Verfärbungen kommt. Es finden praktisch keine Decarboxylierung der Arylcarbonsäure und kaum eine Eliminierung an der Aminogruppe, auch nicht tertiären Aminogruppen statt und die Reaktionsprodukte sind annähernd farblos. Insbesondere bei der Amidierung von Alkylarylcarbonsäuren, deren mindestens eine Carboxylgruppe tragendes aromatisches Systems zusätzlich mindestens eine Alkylgruppe trägt, wird ein überwartet hoher Umsetzungsgrad beobachtet.
Besonders überraschend war, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein sehr hoher Wirkungsgrad bei der Ausnutzung der in den Hohlraumresonator eingestrahlten Mikrowellenenergie erzielt wird, der üblicherweise über 50 %, oftmals über 80 %, teilweise über 90 % und in speziellen Fällen über 95 % wie beispielsweise über 98 % der eingestrahlten Mikrowellenleistung liegt und somit ökonomische wie auch ökologische Vorteile gegenüber konventionellen Herstellverfahren wie auch gegenüber Mikrowellenverfahren des Standes der Technik bietet.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt zudem eine kontrollierte, sichere und reproduzierbare Reaktionsführung. Da das Reaktionsgut im Reaktionsrohr parallel zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen bewegt wird, werden bekannte Überhitzungsphänomene durch unkontrollierbare Feldverteilungen, die zu lokalen Überhitzungen durch wechselnde Intensitäten des Feldes beispielsweise in Wellenbergen und Knotenpunkten führen, durch die Fließbewegung des
Reaktionsgutes ausgeglichen. Die genannten Vorteile erlauben es auch, mit hohen Mikrowellenleistungen von beispielsweise mehr als 10 kW oder mehr als 100 kW zu arbeiten und somit in Kombination mit einer nur kurzen Verweilzeit im Hohlraumresonator große Produktionsmengen von 100 und mehr Tonnen pro Jahr in einer Anlage zu bewerkstelligen.
Dabei war es besonders überraschend, dass trotz der im kontinuierlich durchflossenen Strömungsrohr nur sehr kurzen Verweildauer des
Ammoniumsalzes im Mikrowellenfeld eine sehr weitgehende Amidierung mit Umsätzen im allgemeinen von über 80 %, oftmals auch über 90 % wie beispielsweise über 95 % bezogen auf die im Unterschuss eingesetzte Komponente stattfindet, ohne Bildung nennenswerter Mengen an Nebenprodukten. Bei einer entsprechenden Umsetzung dieser Ammoniumsalze in einem Strömungsrohr gleicher Dimensionierung unter thermischer Mantelheizung werden zur Erzielung geeigneter Reaktionstemperaturen extrem hohe Wandtemperaturen benötigt, die zur Bildung gefärbter Spezies führten, aber bei gleichem Zeitintervall nur geringfügige Amidbildung bewirken. Des Weiteren besitzen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Produkte sehr niedrige Metallgehalte ohne dass es einer weiteren Aufarbeitung der Rohprodukte bedarf. So liegen die Metallgehalte der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Produkte bezogen auf Eisen als Hauptelement üblicherweise unterhalb 25 ppm bevorzugt unterhalb 15 ppm, speziell unterhalb 10 ppm wie beispielsweise zwischen 0,01 und 5 ppm Eisen.
Bevorzugt wird der durch die Mikrowellenbestrahlung bedingte Temperaturanstieg beispielsweise durch Regelung der Mikrowellenintensität, der Durchflussgeschwindigkeit und/oder durch Kühlung des Reaktionsrohres, beispielsweise durch einen Stickstoffstrom, auf maximal 500 0C begrenzt.
Besonders bewährt hat sich die Durchführung der Umsetzung bei Temperaturen zwischen 150 und maximal 400 0C und speziell zwischen 180 und maximal 300 0C wie beispielsweise bei Temperaturen zwischen 200 und 270 0C.
Die Dauer der Mikrowellenbestrahlung hängt von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise der Geometrie des Reaktionsrohres, der eingestrahlten Mikrowellenenergie, der speziellen Reaktion und dem gewünschten Umsetzungsgrad ab. Üblicherweise wird die Mikrowellenbestrahlung über einen Zeitraum von weniger als 30 Minuten, bevorzugt zwischen 0,01 Sekunden und 15 Minuten, besonders bevorzugt zwischen 0,1 Sekunden und 10 Minuten und insbesondere zwischen einer Sekunde und 5 Minuten wie beispielsweise zwischen 5 Sekunden und 2 Minuten vorgenommen. Die Intensität (Leistung) der Mikrowellenstrahlung wird dabei so eingestellt, dass das Reaktionsgut beim Verlassen des Hohlraumresonators die gewünschte Maximaltemperatur hat. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Umsetzungsprodukt direkt nach Beendigung der Mikrowellenbestrahlung möglichst schnell auf Temperaturen unterhalb 120 0C, bevorzugt unterhalb 100 0C und speziell unterhalb 60 0C abgekühlt.
Bevorzugt wird die Umsetzung bei Drücken zwischen 0,01 und 500 bar und besonders bevorzugt zwischen 1 bar (Atmosphärendruck) und 150 bar und speziell zwischen 1 ,5 bar und 100 bar wie beispielsweise zwischen 3 bar und 50 bar durchgeführt. Besonders bewährt hat sich das Arbeiten unter erhöhtem Druck, wobei oberhalb des Siedepunkts (bei Normaldruck) der Edukte bzw. Produkte, des gegebenenfalls anwesenden Lösemittels und/oder oberhalb des während der Reaktion gebildeten Reaktionswassers gearbeitet wird. Besonders bevorzugt wird der Druck so hoch eingestellt, dass das Reaktionsgemisch während der Mikrowellenbestrahlung im flüssigen Zustand verbleibt und nicht siedet.
Zur Vermeidung von Nebenreaktionen und zur Herstellung von möglichst reinen Produkten hat es sich bewährt, Edukte und Produkte in Gegenwart eines inerten Schutzgases wie beispielsweise Stickstoff, Argon oder Helium zu handhaben.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Beschleunigung bzw. zur Vervollständigung der Reaktion in Gegenwart von dehydratisierenden Katalysatoren gearbeitet. Vorzugsweise arbeitet man dabei in Gegenwart eines sauren anorganischen, metallorganischen oder organischen Katalysators oder Gemischen aus mehreren dieser Katalysatoren.
Als saure anorganische Katalysatoren im Sinne der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Schwefelsäure, Phosphorsäure, Phosphonsäure, hypophosphorige Säure, Aluminiumsulfathydrat, Alaun, saures Kieselgel und saures Aluminiumhydroxid zu nennen. Weiterhin sind beispielsweise Aluminiumverbindungen der allgemeinen Formel AI(OR15)3 und Titanate der allgemeinen Formel Ti(OR15J4 als saure anorganische Katalysatoren einsetzbar, wobei die Reste R15 jeweils gleich oder verschieden sein können und unabhängig voneinander gewählt sind aus C-i-C-io-Alkylresten, beispielsweise Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, sec.-Butyl, tert.-Butyl, n-Pentyl, iso-Pentyl, sec.-Pentyl, neo-Pentyl, 1 ,2-Dimethylpropyl, iso-Amyl, n-Hexyl, sec.-Hexyl, n-Heptyl, n-Octyl, 2-Ethylhexy, n-Nonyl oder n-Decyl, C3-Ci2-Cycloalkylresten, beispielsweise Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclooctyl, Cyclononyl, Cyclodecyl, Cycloundecyl und Cyclododecyl; bevorzugt sind Cyclopentyl, Cyclohexyl und Cycloheptyl. Bevorzugt sind die Reste R15 in AI(OR15J3 bzw. Ti(OR15J4 jeweils gleich und gewählt aus Isopropyl, Butyl und 2-Ethylhexyl.
Bevorzugte saure metallorganische Katalysatoren sind beispielsweise gewählt aus Dialkylzinnoxiden (R15J2SnO, wobei R15 wie oben stehend definiert ist. Ein besonders bevorzugter Vertreter für saure metallorganische Katalysatoren ist Di-n-butylzinnoxid, das als sogenanntes Oxo-Zinn oder als Fascat®-Marken kommerziell erhältlich ist.
Bevorzugte saure organische Katalysatoren sind saure organische Verbindungen mit beispielsweise Phosphatgruppen, Sulfonsäuregruppen, Sulfatgruppen oder Phosphonsäuregruppen. Besonders bevorzugte Sulfonsäuren enthalten mindestens eine Sulfonsäuregruppe und mindestens einen gesättigten oder ungesättigten, linearen, verzweigten und/oder zyklischen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 40 C-Atomen und bevorzugt mit 3 bis 24 C-Atomen. Insbesondere bevorzugt sind aromatische Sulfonsäuren, speziell alkylaromatische Mono- Sulfonsäuren mit einem oder mehreren CrC28-Alkylresten und insbesondere solche mit C3-C22-Alkylresten. Geeignete Beispiele sind Methansulfonsäure, Butansulfonsäure, Benzolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure, Xylolsulfonsäure, 2-Mesitylensulfonsäure, 4-Ethylbenzolsulfonsäure, Isopropylbenzolsulfonsäure, 4-Butylbenzolsulfonsäure, 4-Octylbenzolsulfonsäure; Dodecylbenzolsulfonsäure, Didodecylbenzolsulfonsäure, Naphthalinsulfonsäure. Auch saure Ionenaustauscher können als saure organische Katalysatoren eingesetzt werden, beispielsweise Sulfonsäuregruppenhaltige Poly(styrol)-Harze, die mit etwa 2 mol-% Divinylbenzol vernetzt sind.
Besonders bevorzugt für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Borsäure, Phosphorsäure, Polyphosphorsäure und Polystyrolsulfonsäuren. Insbesondere bevorzugt sind Titanate der allgemeinen Formel Ti(OR15)4 und speziell Titantetrabutylat und Titantetraisopropylat.
Wünscht man saure anorganische, metallorganische oder organische Katalysatoren einzusetzen, so setzt man erfindungsgemäß 0,01 bis 10 Gew.-%, bevorzugt 0,02 bis 2 Gew.-% Katalysator ein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ohne Katalysator gearbeitet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Mikrowellenbestrahlung in Gegenwart von sauren, festen Katalysatoren durchgeführt. Dabei wird der feste Katalysator in dem gegebenenfalls mit Lösemittel versetzten Ammoniumsalz suspendiert oder vorteilhafterweise das gegebenenfalls mit Lösemittel versetzte Ammoniumsalz über einen Festbettkatalysator geleitet und Mikrowellenstrahlung ausgesetzt. Geeignete feste Katalysatoren sind beispielsweise Zeolithe, Kieselgel, Montmorillonit und (teil)vemetzte Polystyrolsulfonsäure, die gegebenenfalls mit katalytisch aktiven Metallsalzen imprägniert sein können. Geeignete saure lonentauscher auf Basis von Polystyrolsulfonsäuren, die als
Festphasenkatalysatoren eingesetzt werden können, sind beispielsweise von der Firma Rohm & Haas unter der Markenbezeichnung Amberlyst® erhältlich.
Es hat sich bewährt, in Gegenwart von Lösemitteln zu arbeiten um beispielsweise die Viskosität des Reaktionsmediums abzusenken und/oder das
Reaktionsgemisch, sofern es heterogen ist, zu fluidisieren. Dafür können prinzipiell alle Lösemittel eingesetzt werden, die unter den angewendeten Reaktionsbedingungen inert sind und nicht mit den Edukten bzw. den gebildeten Produkten reagieren. Ein wichtiger Faktor bei der Auswahl geeigneter Lösemittel ist deren Polarität, die einerseits die Löseeigenschaften und andererseits das Ausmaß der Wechselwirkung mit Mikrowellenstrahlung bestimmt. Ein besonders wichtiger Faktor bei der Auswahl geeigneter Lösemittel ist deren dielektrischer Verlust ε". Der dielektrische Verlust ε" beschreibt den Anteil an
Mikrowellenstrahlung, der bei der Wechselwirkung einer Substanz mit Mikrowellenstrahlung in Wärme überführt wird. Letzt genannter Wert hat sich als besonders wichtiges Kriterium für die Eignung eines Lösemittels für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erwiesen. Besonders bewährt hat sich das Arbeiten in Lösemitteln, die eine möglichst geringe
Mikrowellenabsorption zeigen und somit nur einen kleinen Beitrag zur Erwärmung des Reaktionssystems liefern. Für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugte Lösemittel besitzen einen bei Raumtemperatur und 2450 MHz gemessenen dielektrischen Verlust ε" von weniger als 10 und vorzugsweise weniger als 1 wie beispielsweise weniger als 0,5. Eine Übersicht über den dielektrischen Verlust verschiedener Lösemittel findet sich zum Beispiel in „Microwave Synthesis" von B. L. Hayes, CEM Publishing 2002. Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind insbesondere Lösemittel mit ε"-Werten unterhalb 10 wie N-Methylpyrrolidon, N,N-Dimethylformamid oder Aceton, und insbesondere Lösemittel mit ε"-Werten unterhalb 1. Beispiele für besonders bevorzugte Lösemittel mit ε"-Werten unterhalb 1 sind aromatische und/oder aliphatische Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Toluol, XyIoI, Ethylbenzol, Tetralin, Hexan, Cyclohexan, Decan, Pentadecan, Dekalin sowie kommerzielle Kohlenwasserstoffgemische wie Benzinfraktionen, Kerosin, Solvent Naphtha, ®Shellsol AB, ®Solvesso 150, ®Solvesso 200, ®Exxsol, ®lsopar und ®Shellsol- Typen. Lösemittelgemische, die ε"-Werte bevorzugt unterhalb 10 und speziell unterhalb 1 aufweisen, sind für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gleichermaßen bevorzugt.
Prinzipiell ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in Lösemitteln mit höheren ε"-Werten von beispielsweise 5 und höher wie insbesondere mit ε"-Werten von 10 und höher durchführbar. Die dabei beobachtete beschleunigte Aufheizung des Reaktionsgemischs erfordert jedoch besondere Maßnahmen zur Einhaltung der Maximaltemperatur.
Sofern in Gegenwart von Lösemitteln gearbeitet wird, liegt deren Anteil an der Reaktionsmischung bevorzugt zwischen 2 und 95 Gew.-%, speziell zwischen 5 und 90 Gew.-% und insbesondere zwischen 10 und 75 Gew.-% wie beispielsweise zwischen 30 und 60 Gew.-%. Besonders bevorzugt wird die Reaktion lösemittelfrei durchgeführt.
Als Mikrowellen werden elektromagnetische Strahlen mit einer Wellenlänge zwischen etwa 1 cm und 1 m und Frequenzen zwischen etwa 300 MHz und 30 GHz bezeichnet. Dieser Frequenzbereich ist prinzipiell für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet. Bevorzugt wird für das erfindungsgemäße Verfahren Mikrowellenstrahlung mit den für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen freigegebenen Frequenzen verwendet wie beispielsweise mit Frequenzen von 915 MHz, 2,45 GHz, 5,8 GHz oder 27,12 GHz.
Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Hohlraumresonator einzustrahlende Mikrowellenleistung ist insbesondere abhängig von der Geometrie des Reaktionsrohrs und damit des
Reaktionsvolumens sowie der Dauer der erforderlichen Bestrahlung. Sie liegt üblicherweise zwischen 200 W und mehreren 100 kW und insbesondere zwischen 500 W und 100 kW wie beispielsweise zwischen 1 kW und 70 kW. Sie kann über einen oder mehrere Mikrowellengeneratoren erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Reaktion in einem druckfesten inert-Rohr durchgeführt, wobei das sich bildende Reaktionswasser sowie gegebenenfalls Edukte und, sofern anwesend, Lösemittel zu einem Druckaufbau führen. Nach Beendigung der Reaktion kann der Überdruck durch Entspannung zur Verflüchtigung und Abtrennung von Reaktionswasser, überschüssigen Edukten sowie gegebenenfalls Lösemittel und/oder zur Abkühlung des Reaktionsprodukts verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform wird das gebildete Reaktionswasser nach dem Abkühlen und/oder Entspannen durch übliche Verfahren wie beispielsweise Phasentrennung, Destillation Strippen, Flashen und/oder Absorption abgetrennt.
Zur Vervollständigung der Umsetzung hat es sich in vielen Fällen bewährt, das erhaltene Rohprodukt nach Entfernen von Reaktionswasser sowie gegebenenfalls Austragen von Produkt und/oder Nebenprodukt erneut der Mikrowellenbestrahlung auszusetzen, wobei gegebenenfalls das Verhältnis der eingesetzten Reaktanden um verbrauchte oder unterschüssige Edukte zu ergänzen ist.
Üblicherweise fallen über den erfindungsgemäßen Weg hergestellte Amide in einer für die weitere Verwendung ausreichenden Reinheit an. Für spezielle Anforderungen können sie jedoch nach üblichen Reinigungsverfahren wie beispielsweise Destillation, Umkristallisation, Filtration bzw. chromatographische Verfahren weiter aufgereinigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine sehr schnelle, energiesparende und kostengünstige Herstellung von Amiden aromatischer Carbonsäuren in hohen Ausbeuten und mit hoher Reinheit in großtechnischen Mengen. Durch die sehr gleichmäßige Bestrahlung des Ammoniumsalzes im Zentrum des rotationssymmetrischen Mikrowellenfeldes erlaubt es eine sichere, kontrollierbare und reproduzierbare Reaktionsführung. Dabei wird durch einen sehr hohen Wirkungsgrad bei der Ausnutzung der eingestrahlten Mikrowellenenergie eine den bekannten Herstellverfahren deutlich überlegene Wirtschaftlichkeit erzielt. Bei diesem Verfahren fallen keine wesentlichen Mengen an Nebenprodukten an. Besonders überraschend war die Beobachtung, dass Arylcarbonsäuren und insbesondere Alkylarylcarbonsäuren wie beispielsweise Alkylphenylcarbonsäuren unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens keine merkliche Decarboxylierung zeigen. Derartig schnelle und selektive Umsetzungen sind nach klassischen Methoden nicht zu erzielen und waren alleine durch Heizen auf hohe Temperaturen nicht zu erwarten. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Amide aromatischer Carbonsäuren sind oftmals so rein, dass keine weiteren Auf- oder Nacharbeitungsschritte erforderlich sind. Da sie verfahrensbedingt keine Reste von Kupplungsreagentien bzw. deren Folgeprodukten enthalten, können sie problemlos auch in toxikologisch sensiblen Bereichen wie beispielsweise kosmetischen und pharmazeutischen Zubereitungen eingesetzt werden.
Beispiele
Die Umsetzungen der Ammoniumsalze unter Mikrowellenbestrahlung erfolgten in einem Keramikrohr (60 x 1 cm), das sich axialsymmetrisch in einem zylindrischen Hohlraumresonator (60 x 10 cm) befand. An einer der Stirnseiten des
Hohlraumresonators verlief das Keramikrohr durch den Hohlraum eines als Kopplungsantenne fungierenden Innenleiterrohres. Das von einem Magnetron erzeugte Mikrowellenfeld mit einer Frequenz von 2,45 GHz wurde mittels der Kopplungsantenne in den Hohlraumresonator eingekoppelt (EorHohlraumapplikator; Monomode).
Die Mikrowellenleistung wurde über die Versuchsdauer jeweils in der Art eingestellt, dass die gewünschte Temperatur des Reaktionsguts am Ende der Bestrahlungszone konstant gehalten wurde. Die in den Versuchsbeschreibungen genannten Mikrowellenleistungen repräsentieren daher den zeitlichen Mittelwert der eingestrahlten Mikrowellenleistung. Die Temperaturmessung des Reaktionsgemischs wurde direkt nach Verlassen der Reaktionszone (etwa 15 cm Strecke in einer isolierten Edelstahlkapillare, 0 1 cm) mittels PtIOO Temperatursensor vorgenommen. Vom Reaktionsgemisch nicht direkt absorbierte Mikrowellenenergie wurde an der der Kopplungsantenne entgegen liegenden Stirnseite des Hohlraumresonators reflektiert; die vom Reaktionsgemisch auch beim Rücklauf nicht absorbierte und in Richtung des Magnetrons zurückgespiegelte Mikrowellenenergie wurde mit Hilfe eines Prismensystems (Zirkulator) in ein Wasser enthaltendes Gefäß geleitet. Aus der Differenz zwischen eingestrahlter Energie und Aufheizung dieser Wasserlast wurde die in das Reaktionsgut eingetragene Mikrowellenenergie berechnet Mittels einer Hochdruckpumpe und eines geeigneten Druckentlastungsventils wurde die Reaktionsmischung im Reaktionsrohr unter einen solchen Arbeitsdruck gesetzt, der ausreichte, um alle Edukte und Produkte bzw. Kondensationsprodukte stets im flüssigen Zustand zu halten. Die aus Carbonsäure und Amin hergestellten Ammoniumsalze wurden mit einer konstanten Flussrate durch das Reaktionsrohr gepumpt und die Verweilzeit in der Bestrahlungszone durch Modifizierung der Strömungsgeschwindigkeit eingestellt.
Die Analytik der Produkte erfolgte mittels 1H-NMR-Spektroskopie bei 500 MHz in CDCI3. Die Bestimmung von Eisengehalten erfolgte mittels Atomabsorptionsspektroskopie.
Beispiel 1 : Herstellung von N.N-Dimethyl-benzoylamid
Unter Trockeneiskühlung wurden in eine Kühlfalle 0,9 kg Dimethylamin (20 mol) aus einer Vorratsflasche einkondensiert. In einem 10 I Büchi-Rührautoklaven mit Gaseinleitungsrohr, Rührer, Innenthermometer und Druckausgleich wurden 2,44 kg Benzoesäure (20 mol) vorgelegt und auf 60 0C erwärmt. Durch langsames Auftauen der Kühlfalle wurde gasförmiges Dimethylamin durch das
Gaseinleitungsrohr in den Rührautoklaven geleitet. In einer stark exothermen Reaktion bildete sich das Benzoesäure-N,N-dimethylammonium Salz.
Das so erhaltene Gemisch wurde bei einem Arbeitsdruck von 30 bar kontinuierlich mit 3,5 l/h durch das Reaktionsrohr gepumpt und einer Mikrowellenleistung von 2,3 kW ausgesetzt, von denen 88 % vom Reaktionsgut absorbiert wurden. Die Verweilzeit des Reaktionsgemischs in der Bestrahlungszone betrug ca. 49 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 290 0C.
Es wurde ein Umsatz von 88 % d. Th. erreicht. Das Reaktionsprodukt war praktisch farblos und enthielt < 2 ppm Eisen. Nach destillativer Abtrennung von Reaktionswasser und Vakuumdestillation des Rohprodukts wurden 2,4 kg N,N-Dimethyl-benzoylamid mit einer Reinheit von 99 % erhalten.
Beispiel 2: Herstellung von N,N-Diethyl-m-toluamid
In einem 10 Liter Rührautoklaven (Büchi) wurden 3,28 kg Diethylamin (45 mol) vorgelegt und unter ausreichender Kühlung langsam 4,08 kg m-Tolylsäure (30 mol) eingetragen. In einer stark exothermen Reaktion bildete sich das m-Tolylsäure-diethylammonium-Salz, welches bei 50 0C gehalten wurde.
Das so erhaltene geschmolzene Salz wurde bei einem Arbeitsdruck von 35 bar kontinuierlich mit 3 l/h durch das Reaktionsrohr gepumpt und einer Mikrowellenleistung von 2,5 kW ausgesetzt, von denen 94 % vom Reaktionsgut absorbiert wurden. Die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der
Bestrahlungszone betrug ca. 57 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 295 °C.
Es wurde ein Umsatz von 91 % der eingesetzten m-Tolylsäure erreicht. Das Rohprodukt zeigte eine hell gelbliche Farbe und enthielt < 2 ppm Eisen. Nach destillativer Abtrennung von Reaktionswasser und überschüssigem Diethylamin sowie Vakuumdestillation des Rohprodukts wurden 4,8 kg N,N-Diethyl-m-toluamid mit einer Reinheit von 99 % erhalten.
Beispiel 3: Herstellung von N,N-Dihexyl-m-toluamid
In einem 10 Liter Rührautoklaven (Büchi) wurden 4,63 kg Dihexylamin (25 mol) vorgelegt und unter Kühlung langsam 2,04 kg m-Tolylsäure (15 mol) eingetragen. In einer stark exothermen Reaktion bildete sich das m-Tolylsäure- dihexylammonium-Salz, welches bei 60 0C gehalten wurde. Das so erhaltene; geschmolzene Salz wurde bei einem Arbeitsdruck von 35 bar kontinuierlich mit 3,5 l/h durch das Reaktionsrohr gepumpt und einer Mikrowellenleistung von 2,25 kW ausgesetzt, von denen 91 % vom Reaktionsgut absorbiert wurden. Die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der Bestrahlungszone betrug ca. 49 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 280 0C.
Es wurde ein Umsatz von 89 % der eingesetzten m-Tolylsäure erreicht. Das Rohprodukt zeigte eine hell gelbliche Farbe und enthielt < 2 ppm Eisen. Nach destillativer Abtrennung von Reaktionswasser und überschüssigem Dihexylamin sowie Vakuumdestillation des Rohprodukts wurden 3,8 kg N,N-Dihexyl-m-toluamid mit einer Reinheit von 97 % isoliert.
Beispiel 4: Herstellung von Nicotinsäureamid
Unter Trockeneiskühlung wurden in eine Kühlfalle 0,51 kg Ammonik (30 mol) aus einer Vorratsflasche einkondensiert. In einem 10 I Büchi-Rührautoklaven mit Gaseinleitungsrohr, Rührer, Innenthermometer und Druckausgleich wurden 2,46 kg Nicotinsäure (20 mol) und 2 Liter DMF vorgelegt und auf 60 0C erwärmt. Durch langsames Auftauen der Kühlfalle wurde der gasförmige Ammoniak durch das Gaseinleitungsrohr in den Rührautoklaven geleitet. In einer stark exothermen Reaktion bildete sich das Nikotinsäureammonium Salz.
Das so erhaltene Gemisch wurde bei einem Arbeitsdruck von 30 bar kontinuierlich mit 4 l/h durch das Reaktionsrohr gepumpt und einer Mikrowellenleistung von 2,5 kW ausgesetzt, von denen 89 % vom Reaktionsgut absorbiert wurden. Die Verweilzeit des Reaktionsgemischs in der Bestrahlungszone betrug ca. 43 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 288 0C.
Es wurde ein Umsatz von 91 % der eingesetzten Nicotinsäure erreicht. Das Reaktionsgemisch mit leicht gelber Färbung enthielt < 2 ppm Eisen. Nach destillativer Abtrennung von überschüssigem Ammoniak, Reaktionswasser und Lösemittel im Vakuum wurde das Produkt mit einer Reinheit von 92 % isoliert.
Beispiel 5: Herstellung von Salicylsäure-n-octylamid
2,75 kg (20 mol) 2-Hydroxybenzoesäure wurden in einem 10 Liter Rührautoklaven (Büchi) unter Erwärmen in 3 Litern Toluol gelöst. Anschließend wurde die Säure langsam durch Zugabe einer equimolaren Menge n-Octylamin (2,58 kg) in das Ammoniumsalz überführt. Nach Abklingen der Wärmetönung wurde das so erhaltene Ammoniumsalz bei einem Arbeitsdruck von etwa 25 bar kontinuierlich mit 3 l/h durch das Reaktionsrohr gepumpt und einer Mikrowellenleistung von durchschnittlich 2,9 kW ausgesetzt, von denen 91 % vom Reaktionsgut absorbiert wurden. Die Verweilzeit des Reaktionsgemischs in der Bestrahlungszone betrug ca. 57 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 275 0C.
Es wurde ein Umsatz von 91 % d. Th. erreicht. Das Reaktionsprodukt war gelblich rot gefärbt. Der Gehalt an Eisen betrug < 2ppm. Nach destillativer Abtrennung von Toluol und Reaktionswasser sowie Umkristallisation des Rohprodukts wurden 4,2 kg 2-Hydroxybenzoesäure-n-octylamid isoliert.
Beispiel 6: Herstellung von N,N-Diethyl-m-toluamid durch thermische Kondensation in Gegenwart von Eisenspänen (Vergleichsbeispiel)
In einem 1 Liter Rührautoklaven wurden 500 ml Reaktionslösung (Probenbereitung siehe Beispiel 2) zusammen mit 2 g Eisenfeilspänen vorgelegt und in geschlossener Apparatur mit höchster Heizleistung unter starkem Rühren innerhalb von 12 Minuten auf 290 0C erhitzt (Ölvorlauftemperatur 370 0C). Unter Druck wurde die Reaktionsmischung 10 Minuten weitergerührt und anschließend durch einen Kaitölkreislauf auf Raumtemperatur abgekühlt. Das so behandelte Reaktionsgut zeigte eine Umsetzung von lediglich 8 % der theoretisch möglichen Ausbeute (bezogen auf die im Unterschuss eingesetzte m-Tolylsäure). Die Reaktionsmischung war nach der Reaktion schwarzbraun verfärbt und wies einen deutlich brenzligen Geruch auf. Eine Analyse des Metallgehaltes des Reaktionsgutes erbrachte einen Wert 57 ppm Eisen.

Claims

Patentansprüche:
1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Amiden aromatischer Carbonsäuren, indem mindestens eine aromatische Carbonsäure der Formel I
Ar-COOH (I)
worin Ar für einen gegebenenfalls substituierten Arylrest mit 5 bis 50 Atomen steht, mit mindestens einem Amin der Formel Il
HNR1R2 (II)
worin R1 und R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff oder einen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 100 C-Atomen stehen, zu einem Ammoniumsalz umgesetzt wird und dieses Ammoniumsalz nachfolgend unter Mikrowellenbestrahlung in einem Reaktionsrohr, dessen Längsachse sich in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen eines Monomode- Mikrowellenapplikators befindet, zum Carbonsäureamid umgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Bestrahlung des Salzes mit Mikrowellen in einem weitgehend mikrowellentransparenten Reaktionsrohr innerhalb eines mit einem Mikrowellengenerator über Wellenleiter verbundenen Hohlleiters erfolgt.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2, bei dem der Mikrowellenapplikator als Hohlraumresonator ausgestaltet ist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Mikrowellenapplikator als Hohlraumresonator vom Reflexionstyp ausgestaltet ist.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Reaktionsrohr axial mit einer zentralen Symmetrieachse des Hohlleiters fluchtet.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Bestrahlung des Salzes in einem Hohlraumresonator mit koaxialem Übergang der Mikrowellen erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Hohlraumresonator im Eoin-Mode betrieben wird, wobei n eine ganze Zahl von
1 bis 200 ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei dem Ar ein zyklisches, durchkonjugiertes System mit (4n + 2) π-Elektronen, worin n für 1 , 2, 3, 4 oder 5 steht, ist.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, bei dem Ar ein mono-, di- oder trizyklisches aromatisches System ist.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, bei dem Ar neben mindestens einer Carboxylgruppe ein oder mehrere weitere Substituenten ausgewählt aus Alkyl-, Alkenyl- und halogenierten Alkylresten, Hydroxy-, Hydroxyalkyl-, Alkoxy-, Poly(alkoxy)-, Halogen-, Amid-, Cyano-, Nitril-, Nitro- und Sulfonsäuregruppen trägt.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, bei dem R1 und R2 unabhängig voneinander für einen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 100 Kohlenstoffatomen stehen.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, bei dem R1 für einen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 100 Kohlenstoffatomen und R2 für Wasserstoff steht.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, bei dem R1 oder R2 oder beide Reste Substituenten ausgewählt aus Hydroxy-, C-i-Cs-Alkoxy-, Cyano-, Nitril-, Nitro- und Cs-C^o-Arylgruppen tragen.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, bei dem R1 oder R2 oder beide Reste C5-C2o-Arylgruppen tragen, und diese einen oder mehrere Substituenten ausgewählt aus Halogenatomen, Ci-C2o-Alkyl-, C2-C2o-Alkenyl-, Hydroxyl-, Ci-C5-AIkOXy-, Ester-, Amid-, Cyano-, Nitril-, und Nitrogruppen substituierte Phenylreste tragen.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, bei dem R1 und R2 zusammen mit dem Stickstoffatom, an das sie gebunden sind, einen Ring bilden.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, bei dem R1 und R2 unabhängig voneinander für Reste der Formel III
-(R4-O)n-R5 (III)
stehen, worin
R4 für eine Alkylengruppe mit 2 bis 6 C-Atomen oder Mischungen daraus,
R5 für Wasserstoff, einen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 24 C-Atomen oder eine Gruppe der Formel -NR10R11, n für eine Zahl zwischen 2 und 50,
R10, R11 unabhängig voneinander für Wasserstoff, einen aliphatischen Rest mit 1 bis 24 C-Atomen und bevorzugt 2 bis 18 C-Atomen, eine Arylgruppe- oder Heteroarylgruppe mit 5 bis 12 Ringgliedern, eine Poly(oxyalkylen)gruppe mit 1 bis 50 Poly(oxyalkylen)einheiten, wobei sich die Polyoxyalkyleneinheiten von Alkylenoxideinheiten mit 2 bis 6 C-Atomen ableiten, oder R10 und R11gemeinsam mit dem Stickstoffatom, an das sie gebunden sind, einen Ring mit 4, 5, 6 oder mehr Ringgliedern bilden, stehen.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, bei dem R1 und R2 unabhängig voneinander für Reste der Formel IV -[R6-N(R7)]m-(R7) (IV)
stehen, worin
R6 für eine Alkylengruppe mit 2 bis 6 C-Atomen oder Mischungen daraus, jedes R7 unabhängig voneinander für Wasserstoff, einen Alkyl- oder
Hydroxyalkylrest mit bis zu 24 C-Atomen, einen Polyoxyalkylenrest -(R4-O)p-R5, oder einen Polyiminoalkylenrest -[R6-N(R7)]q-(R7), wobei R4, R5, R6 und R7 die oben angegebenen Bedeutungen haben und q und p unabhängig voneinander für 1 bis 50 stehen, und m für eine Zahl von 1 bis 20 und bevorzugt 2 bis 10 wie beispielsweise drei, vier, fünf oder sechs stehen.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die Mikrowellenbestrahlung bei Temperaturen zwischen 150 und 500 0C durchgeführt wird.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, bei dem die Mikrowellenbestrahlung bei Drücken oberhalb des Atmosphärendrucks erfolgt.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, 15, 18 und 19, bei dem R1 oder R2 oder beide Substituenten unabhängig voneinander für einen aliphatischen Rest mit 1 bis 24 C-Atomen stehen.
21. Amide aromatischer Carbonsäuren mit niedrigem Metallgehalt, herstellbar indem mindestens eine aromatische Carbonsäure der Formel I
Ar-COOH (I)
worin Ar für einen gegebenenfalls substituierten Arylrest mit 5 bis 50 Atomen steht, mit mindestens einem Amin der Formel Il
HNR1R2 (II) worin R1 und R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff oder einen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 100 C-Atomen stehen, zu einem Ammoniumsalz umgesetzt wird und dieses Ammoniumsalz nachfolgend unter Mikrowellenbestrahlung in einem Reaktionsrohr, dessen Längsachse sich in der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen eines Monomode- Mikrowellenapplikators befindet, zum Carbonsäureamid umgesetzt wird.
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