Beschreibung description
Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Amiden aromatischer CarbonsäurenContinuous process for the preparation of amides of aromatic carboxylic acids
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.Amides of aromatic carboxylic acids are widely used as chemical raw materials. Thus, various amides are used as intermediates for the production of pharmaceuticals and agrochemicals. In particular, tertiary amides of aromatic carboxylic acids and especially tertiary amides of Alkylphenylcarbonsäuren are a pharmacologically and technically very interesting class of compounds. For example, amides of alkylbenzoic acids with secondary alkylamines find use as insect repellents (repellents).
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.In the industrial production of amides of aromatic carboxylic acids usually a reactive derivative of the carboxylic acid such as acid anhydride, acid chloride or ester is reacted with an amine or it is with in situ activation using coupling reagents such as N.N'-dicyclohexylcarbodiimide or with very special and worked with expensive catalysts. On the one hand, this leads to high production costs and, on the other hand, to undesired accompanying products, such as, for example, salts or acids, which have to be separated off and disposed of or worked up. For example, in the Schotten-Baumann synthesis, after which numerous carboxylic acid amides are produced industrially, equimolar amounts of common salt are formed. But even the remains of the products remaining in the products and by-products can sometimes cause very undesirable effects. For example, halide ions as well as acids lead to corrosion. Coupling reagents and the by-products formed by them are sometimes toxic, sensitizing or carcinogenic.
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.The desirable direct thermal condensation of aromatic carboxylic acids with amines requires very long reaction times at temperatures of often more than 300 0 C and leads to classic batch process no satisfactory results, since various side reactions reduce the yield and make elaborate workup steps necessary. These include, for example, a decarboxylation of the carboxylic acid and an oxidation of the amino group during the long heating and especially when using secondary amines, a thermally induced degradation of the secondary amino group. Particularly long reaction times of up to several days at temperatures of often more than 300 0 C requires the implementation of Alkylphenylcarbonsäuren and secondary amines. The amount and type of by-products formed in these reactions often require elaborate work-up steps.
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.Another problem with these preparation processes is the corrosivity of the reaction mixtures of acid, amine, amide and water of reaction, which strongly attack or dissolve metallic reaction vessels at the required high reaction temperatures. The metal contents thus introduced into the products are very undesirable because they not only affect the product properties in terms of their color but also catalyze decomposition reactions and thus further reduce the yield.
Ein neuerer Ansatz zur Synthese von Amiden ist die durch Mikrowellen unterstützte Umsetzung von Carbonsäuren und Aminen zu Amiden.A recent approach to the synthesis of amides is the microwave assisted conversion of carboxylic acids and amines to amides.
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.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.
Gelens et al., Tetrahedron Letters 2005, 46 (21 ), 3751-3754, offenbart eineGelens et al., Tetrahedron Letters 2005, 46 (21), 3751-3754, discloses a
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.Variety of amides, which were synthesized with the help of microwave radiation. The reactions of carboxylic acids with electron-withdrawing substituents such as the aryl radical (benzoic acid) thereby require very high reaction temperatures of 250 to 300 0 C and still lead only to moderate degrees of conversion. Particularly problematic are the reactions of benzoic acid with dialkylamines. Thus, the reaction of benzoic acid with di (n-propyl) amine at 250 ° C only 10% secondary amide; it can be increased to 50% by raising the reaction temperature. The corresponding reaction with dibenzylamine leads at 250 0 C to a yield of N, N-dibenzylamide of only 25%; further increase in temperature to 300 ° C. leads mainly to decarboxylation of the benzoic acid used and not to the tertiary amide. Such degrees of implementation are much too low for technical processes. The decarboxylation is particularly disadvantageous in commercial as well as environmental aspects, since the aromatic hydrocarbons formed thereby can not be recycled into the process, but must be disposed of. Syntheses were done in 10 ml tubes.
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.The scale-up of such microwave-assisted reactions from the laboratory to an industrial scale and thus the development of plants capable of producing several tons, such as several tens, hundreds or thousands of tons per year, with space-time Yields are suitable, but so far could not be realized. The reason for this is, on the one hand, the limited penetration depth of microwaves into the reaction mixture, which is usually limited to a few millimeters to a few centimeters, which limits reactions, especially in batch processes, to small vessels or leads to very long reaction times in stirred reactors. A desirable for the irradiation of large quantities of substances with microwaves increase the field strength are set narrow limits in particular in the previously preferred for scale-up of chemical reactions used multimode devices by then occurring discharge processes and plasma formation. Furthermore, the inhomogeneity of the microwave field caused by localized overheating of the reaction mixture, 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. In addition, the microwave absorption coefficient of the reaction mixture, which often changes during the reaction, presents difficulties with regard to a reliable and reproducible reaction.
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.Chen et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1990, 807-809, describe a continuous laboratory microwave reactor in which the reaction mixture is passed through a Teflon coil mounted in a microwave oven. A similar continuous laboratory microwave reactor is described by Cablewski et al., J. Org. Chem. 1994, 59, 3408-3412 for conducting a variety of chemical reactions. In both cases, however, the multimode microwave does not allow upscaling in the large scale. Their efficiency with respect to the microwave absorption of the reaction material is low due to the microwave energy distributed more or less homogeneously in multimode microwave applicators onto the applicator chamber and not focused on the coil. A large increase in the radiated microwave power leads to unwanted plasma discharges. Furthermore, the time-varying spatial inhomogeneities of the microwave field, referred to as hot spots, make reliable and reproducible reaction on a large scale impossible.
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 lokaleFurthermore, 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
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.Field strengths, but so far due to the geometric requirements (eg, the intensity of the electric field at its wave crests is greatest and goes to the nodes to zero) so far limited to small reaction volumes (≤ 50 ml) on a laboratory scale.
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 energetischenA 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
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.Offer efficiency. This should be incurred no or only minor amounts of by-products. 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.
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-Surprisingly, it has been found that 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.
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.Microwave applicator, can be produced in high yields and in technically relevant quantities. In this case, 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.
Gegenstand der Erfindung ist ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Amiden aromatischer Carbonsäuren, indem mindestens eine aromatische Carbonsäure der Formel IThe 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-COOH (I)Ar-COOH (I)
worin Ar für einen gegebenenfalls substituierten Arylrest mit 5 bis 50 Atomen steht,
mit mindestens einem Amin der Formel Ilwherein Ar is an optionally substituted aryl radical having 5 to 50 atoms, with at least one amine of the formula II
HNR1R2 (II)HNR 1 R 2 (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.wherein 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 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.Ar is preferably an aryl radical bearing at least one carboxyl group bonded to an aromatic system. By aromatic systems is meant cyclic (4n + 2) π 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. However, the aryl radical carries at most as many substituents as it has valencies.
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.In a specific embodiment, the aryl radical Ar of the formula (I) carries further carboxyl groups. Thus, the process according to the invention is likewise for the reaction of aromatic carboxylic acids with, for example, two or more Suitable carboxyl groups. In the reaction of polycarboxylic acids with ammonia or primary amines according to the process of the invention, in particular when the carboxyl groups are in the ortho position on an aromatic system, imides can also be formed.
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 vonThe process according to the invention is particularly suitable for the amidation of alkylarylcarboxylic acids, such as, for example, alkylphenylcarboxylic acids. These are 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
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.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.
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.Also particularly suitable is the process according to the invention for the amidation of aromatic carboxylic acids whose aryl radical Ar carries one or more, for example two or three hydroxyl groups and / or hydroxyalkyl groups. In the amidation with at least equimolar amounts of amine of the formula (II), an amidation of the carboxyl group takes place selectively; no esters and / or polyesters are formed.
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.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, Hydroxymethoxybenzoesäure, Hydroxydimethoxybenzoesäure, hydroxyisophthalic acid, hydroxynaphthalenecarboxylic, Hydoxypyridincarbonsäure and Hydroxymethylpyridincarbonsäure , Hydroxyquinolinecarboxylic acid and o-toluic acid, m-toluic acid, p-toluic acid, o-ethylbenzoic acid, m-ethylbenzoic acid, p-ethylbenzoic acid, o-propylbenzoic acid, m-propylbenzoic acid, p-propylbenzoic acid and 3,4-dimethylbenzoic acid. Mixtures of various aryl and / or alkylarylcarboxylic acids are also suitable.
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.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.
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.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.
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 a first preferred embodiment, 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. In a particularly preferred embodiment R 1 and / or R 2 are independently hydrogen, C-ι-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. In another preferred embodiment, 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.
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 a further preferred embodiment 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.
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.In a further preferred embodiment, R 1 and / or R 2 independently of one another are an alkyl radical interrupted by heteroatoms. Particularly preferred heteroatoms are oxygen and nitrogen.
So stehen R1 und/oder R2 unabhängig voneinander bevorzugt für Reste der Formel IIIThus, R 1 and / or R 2 independently of one another are preferably radicals of the formula III
-(R4-O)n-R5 (III)- (R 4 -O) n -R 5 (III)
worin R4 für eine Alkylengruppe mit 2 bis 6 C-Atomen und bevorzugt mit 2 biswherein R 4 is an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms and preferably 2 to
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 und4 C atoms such as ethylene, propylene, butylene or mixtures thereof, 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
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.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.
Weiterhin bevorzugt stehen R1 und/oder R2 unabhängig voneinander für Reste der Formel IVFurthermore, R 1 and / or R 2 independently of one another are preferably radicals of the formula IV
-[R6-N(R7)]m-(R7) (IV)- [R 6 -N (R 7 )] m - (R 7 ) (IV)
worinwherein
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- oderR 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
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.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.
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.Depending on the stoichiometric ratio between aromatic carboxylic acid (I) and polyamine (IV), one or more amino groups, each carrying at least one hydrogen atom, are converted into the carboxylic acid amide. In the reaction of polycarboxylic acids with polyamines of the formula IV, in particular the primary amino groups can also be converted into imides.
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.For the preparation according to the invention of primary amides, instead of Ammonia preferably nitrogen-containing compounds which split off when heated ammonia gas used. Examples of such nitrogen-containing compounds are urea and formamide.
Beispiele für geeignete Amine sind Ammoniak, Methylamin, Ethylamin,Examples of suitable amines are ammonia, methylamine, ethylamine,
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,Ethanolamine, propylamine, propanolamine, butylamine, hexylamine, cyclohexylamine, octylamine, decylamine, dodecylamine, tetradecylamine, hexadecylamine, octadecylamine, dimethylamine, diethylamine, diethanolamine, ethylmethylamine, di-n-propylamine, di-iso-propylamine, dicyclohexylamine, didecylamine, didodecylamine, Ditetradecylamine, dihexadecylamine, dioctadedcylamine,
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,Benzylamine, phenylethylamine, ethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, N, N-dimethylethylenediamine, N, N-diethylaminopropylamine, N, N-dimethylaminopropylamine, N, N- (2'-hydroxyethyl) -1, 3-propanediamine and 1- (3 Aminopropyl) pyrrolidine and mixtures thereof. Particularly preferred are dimethylamine, diethylamine, diethanolamine, di-n-propylamine,
Di-iso-propylamin, Ethylmethylamin und N,N-Dimethylaminopropylamin.Di-iso-propylamine, ethylmethylamine and N, N-dimethylaminopropylamine.
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.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.
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.In the process according to the invention, 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. In a specific embodiment, carboxylic acid and amine are used equimolar. In many cases it has proven advantageous to use 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.
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.In the case where 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.
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.In the event that the aryl radical Ar carries one or more hydroxyl groups, 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.
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.In the case where 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.
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.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.
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.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. Preferably, 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. By shaping the microwave applicator as a reflection-type resonator, a local increase in the electric field strength is achieved with the same power supplied by the generator and an increased energy utilization.
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.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. In this operation, 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. Depending on the desired flow rate of the reaction mixture through the reaction tube, the required temperature and the required residence time in the resonator, 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.
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 denThe irradiation of the microwave energy into the waveguide acting as a microwave applicator can take place via suitably dimensioned holes or slots. In a particularly preferred embodiment of the invention, the irradiation of the ammonium salt with microwaves in a reaction tube, which is located in a waveguide with coaxial transition of the microwaves. For this method, particularly preferred microwave devices are made of a cavity resonator, a coupling device for coupling a microwave field in the
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.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. Particularly preferably, 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. Preferably, 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.
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.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. In a preferred embodiment, 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.
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.In a specific embodiment, 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. In this case, the reaction tube is guided through the cavity of an inner conductor tube acting as a coupling antenna into the cavity resonator. In a further preferred embodiment, the irradiation of the salt with microwaves in a microwave transparent reaction tube which n cavity resonator with the axial feed of the microwave is passed through a E 0 i, whereby the length of the cavity resonator is dimensioned in such a way that n = 2 or more Form field maxima of the microwave. In a further preferred embodiment, the irradiation of the salt with microwaves in a microwave-transparent reaction tube, which is axially symmetric in a circular cylindrical E 0 i n cavity resonator with coaxial transition of the microwaves is, wherein the length of the cavity is dimensioned so that n = 2 or more field maxima of the microwave form.
Mikrowellengeneratoren, wie beispielsweise das Magnetron, das Klystron und das Gyrotron sind dem Fachmann bekannt.Microwave generators, such as the magnetron, the klystron and the gyrotron are known in the art.
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.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 δ = ε " / ε ' is often taken as a measure of the ability of a substance to absorb microwave energy and convert it into heat The dielectric loss factor tan δ is defined as the ratio of the dielectric loss ε " and the dielectric constant ε ' , Examples of tan δ values of various materials are given, for example, in D. Bogdal, Microwave Assisted Organic Synthesis, Elsevier 2005. For reaction tubes which are suitable according to the invention, materials having tan δ values measured at 2.45 GHz and 25 ° C. of less than 0.01, in particular less than 0.005 and especially less than 0.001 are preferred. As a preferred microwave-transparent and temperature-stable materials are primarily materials based on minerals such as quartz, alumina, zirconia and the like into consideration. Also 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. In order to withstand the temperature conditions during the reaction, in particular minerals coated with these plastics, such as quartz or aluminum oxide, have proven to be suitable as reactor materials.
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.For the process according to the invention particularly suitable 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. In the reaction tube baffles and / or other mixing elements can be installed.
Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignete EorHohlraumresonatoren haben bevorzugt einen Durchmesser, der mindestens der halben Wellenlänge der verwendeten Mikrowellenstrahlung entspricht.For the method according to the invention, particularly suitable Eor cavity resonators preferably have a diameter which corresponds to at least half the wavelength of the microwave radiation used.
Bevorzugt beträgt der Durchmesser des Hohlraumresonators das 1 ,0- bisPreferably, the diameter of the cavity resonator is the 1, 0- to
10-fache, besonders bevorzugt das 1 ,1- bis 5-fache und insbesondere das 2,1- bis10 times, more preferably 1, 1 to 5 times, and especially the 2.1 to
2,6-fache der halben Wellenlänge der verwendeten Mikrowellenstrahlung. Bevorzugt hat der Eoi-Hohlraumresonator einen runden Querschnitt, was auch als2.6 times the half wavelength of the microwave radiation used. Preferably, the Eoi cavity resonator has a round cross-section, which also as
EorRundhohlleiter bezeichnet wird. Besonders bevorzugt hat er eine zylindrischeEor round hollow conductor is called. Most preferably, it has a cylindrical
Form und speziell eine kreiszylindrische Form.Shape and especially a circular cylindrical shape.
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.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.
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.The reaction of amine and carboxylic acid to form the ammonium salt can be carried out continuously, batchwise or else in semi-batch processes. Thus, 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. In a preferred embodiment, the educts amine and carboxylic acid, both independently of one another optionally diluted with solvent, are mixed shortly before they enter the reaction tube. Thus, it has proven particularly useful to carry out the reaction of amine and carboxylic acid to the ammonium salt in a mixing section, from which the ammonium salt, optionally after Intermediate cooling, is conveyed into the reaction tube. With further preference the educts are fed to the process according to the invention in liquid form. For this purpose, 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. If used, 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.
Das Ammoniumsalz kann in das Reaktionsrohr entweder an dem durch das Innenleiterrohr geführte Ende eingespeist werden als auch an dem entgegen gesetzten Ende.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.
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.By varying the tube cross-section, length of the irradiation zone (this is understood to mean the distance of the reaction tube in which the reaction mixture is exposed to microwave radiation), flow rate, geometry of the cavity, the irradiated microwave power and the temperature reached thereby, 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.
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.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. There are virtually no decarboxylation of the aryl carboxylic acid and hardly any elimination at the amino group, not even tertiary amino groups and the reaction products are approximately colorless. Particularly in the case of the amidation of alkylarylcarboxylic acids whose aromatic system carrying at least one carboxyl group additionally carries at least one alkyl group, a surprisingly high degree of conversion is observed.
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.It was particularly surprising that in the inventive method, a very high efficiency in the utilization of radiated into the cavity resonator microwave energy is achieved, usually over 50%, often over 80%, sometimes over 90% and in special cases over 95% such as over 98% of the radiated microwave power and thus offers economic as well as ecological advantages over conventional manufacturing methods as well as compared to microwave methods of the prior art.
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 desThe 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
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.Reaction good balanced. The advantages mentioned also make it possible to work with high microwave powers of, for example, more than 10 kW or more than 100 kW, and thus in combination with only a short residence time in the Cavity resonator large production volumes of 100 and more tons per year to accomplish in a plant.
Dabei war es besonders überraschend, dass trotz der im kontinuierlich durchflossenen Strömungsrohr nur sehr kurzen Verweildauer desIt was particularly surprising that, despite the continuously flowing flow tube only a very short residence time of
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.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. In a corresponding implementation of 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. Furthermore, 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. Thus, 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.
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.Preferably, 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.
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.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.
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.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. In a preferred embodiment, 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.
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.Preferably, 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.
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.To avoid side reactions and to produce as pure as possible products, it has been proven to handle starting materials and products in the presence of an inert protective gas such as nitrogen, argon or helium.
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.In a preferred embodiment, the reaction is accelerated or completed in the presence of dehydrating catalysts. Preferably, one works in the presence of an acidic inorganic, organometallic or organic catalyst or mixtures of several of these catalysts.
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.As acidic inorganic catalysts in the context of the present invention for example, sulfuric acid, phosphoric acid, phosphonic acid, hypophosphorous acid, aluminum sulfate hydrate, alum, acidic silica gel and acidic aluminum hydroxide. Furthermore, for example, 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 Cyclopentyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, cyclononyl, cyclodecyl, cycloundecyl and cyclododecyl are preferred, cyclopentyl, cyclohexyl and cycloheptyl are preferred .. Preferably, the radicals R 15 in Al (OR 15 J 3 or Ti (OR 15 J 4 are the same and selected from isopropyl, butyl and 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.Preferred acidic organometallic catalysts are, for example, selected from 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.
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.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. Particular preference is given to 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.
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.Boron acid, phosphoric acid, polyphosphoric acid and polystyrenesulfonic acids are particularly preferred for carrying out the process according to the invention. Especially preferred are titanates of the general formula Ti (OR 15 ) 4 and especially titanium tetrabutylate and titanium tetraisopropylate.
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.If it is desired to use 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.
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 alsIn a further preferred embodiment, the microwave irradiation is carried out in the presence of acidic solid catalysts. In this case, 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. Examples of suitable solid catalysts are zeolites, silica gel, montmorillonite and (partially) crosslinked polystyrenesulphonic acid, which may optionally be impregnated with catalytically active metal salts. Suitable acidic ion exchangers based on polystyrenesulfonic acids, which as
Festphasenkatalysatoren eingesetzt werden können, sind beispielsweise von der Firma Rohm & Haas unter der Markenbezeichnung Amberlyst® erhältlich.Solid phase catalysts can be used, for example, from Rohm & Haas under the brand name Amberlyst ® available.
Es hat sich bewährt, in Gegenwart von Lösemitteln zu arbeiten um beispielsweise die Viskosität des Reaktionsmediums abzusenken und/oder dasIt has been proven to work in the presence of solvents to lower, for example, the viscosity of the reaction medium and / or the
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 anReaction mixture, if heterogeneous, to fluidize. In principle, 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 ε. "The dielectric loss ε" describes the proportion of
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 geringeMicrowave 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
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.Show microwave absorption and thus provide only a small contribution to the heating of the reaction system. Solvents which are preferred for the process according to the invention have a dielectric loss ε "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 ε" values below 10, such as N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide or acetone, and in particular solvents having ε "values below 1. EXAMPLES for particularly preferred solvents with ε "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 ε "values preferably below 10 and especially below 1 are equally preferred for carrying out the process according to the invention.
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.In principle, the process according to the invention can also be carried out in solvents having higher ε "values of, for example, 5 and higher, in particular with ε" values of 10 and higher. The observed accelerated heating of the However, reaction mixture requires special measures to maintain the maximum temperature.
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.If it is carried out in the presence of solvents, their proportion of the 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 .-%. Particularly preferably, the reaction is carried out solvent-free.
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.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. For the inventive method, 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.
Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Hohlraumresonator einzustrahlende Mikrowellenleistung ist insbesondere abhängig von der Geometrie des Reaktionsrohrs und damit desThe 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
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.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.
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.In a preferred embodiment, 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. After completion of the reaction, 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. In a further embodiment, 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.
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.In order to complete the reaction, it has proven useful in many cases to suspend the resulting crude product after removal of water of reaction and optionally discharge of product and / or by-product of the microwave irradiation, where appropriate, the ratio of the reactants used to supplemented or unterschüssige educts.
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.Usually, amides prepared via the route according to the invention are obtained in a sufficient purity for further use. For special requirements, however, they can be further purified by customary purification methods such as, for example, distillation, recrystallization, filtration or chromatographic methods.
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.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. Such rapid and selective reactions can not be achieved by conventional methods and were not to be expected by heating to high temperatures alone. The 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.
BeispieleExamples
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 desThe reactions of the ammonium salts under microwave irradiation were carried out in a ceramic tube (60 × 1 cm) which was axially symmetrical in a cylindrical cavity resonator (60 × 10 cm). On one of the front sides of the
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).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).
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.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. From the difference between incident energy and heating of this water load, 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.
Die Analytik der Produkte erfolgte mittels 1H-NMR-Spektroskopie bei 500 MHz in CDCI3. Die Bestimmung von Eisengehalten erfolgte mittels Atomabsorptionsspektroskopie.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.
Beispiel 1 : Herstellung von N.N-Dimethyl-benzoylamidExample 1: Preparation of N, N-dimethylbenzoylamide
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 dasUnder dry ice cooling, 0.9 kg of dimethylamine (20 mol) from a storage bottle were condensed into a cold trap. In a 10 I Büchi stirred autoclave equipped with gas inlet tube, stirrer, internal thermometer and pressure equalization 2.44 kg of benzoic acid (20 mol) were charged and heated to 60 0 C. Slow thawing of the cold trap caused gaseous dimethylamine to pass through
Gaseinleitungsrohr in den Rührautoklaven geleitet. In einer stark exothermen Reaktion bildete sich das Benzoesäure-N,N-dimethylammonium Salz.Gas inlet pipe passed into the stirred autoclave. In a strongly exothermic reaction, the benzoic acid N, N-dimethylammonium salt formed.
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.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. At the end of the reaction tube, the reaction mixture had a temperature of 290 0 C.
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.It was a turnover of 88% d. Th. Reached. The reaction product was virtually colorless and contained <2 ppm iron. After distillative separation of Water of reaction and vacuum distillation of the crude product 2.4 kg of N, N-dimethyl-benzoylamide were obtained with a purity of 99%.
Beispiel 2: Herstellung von N,N-Diethyl-m-toluamidExample 2: Preparation of N, N-diethyl-m-toluamide
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.3.28 kg of diethylamine (45 mol) were introduced into a 10 liter stirred autoclave (Buchi) and, with sufficient cooling, slowly 4.08 kg of m-toluic acid (30 mol) were introduced. In a strongly exothermic reaction, the m-Tolylsäure-diethylammonium salt formed, which was maintained at 50 0 C.
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 derThe 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. The residence time of the reaction mixture in the
Bestrahlungszone betrug ca. 57 Sekunden. Am Ende des Reaktionsrohres hatte das Reaktionsgemisch eine Temperatur von 295 °C.Irradiation zone was about 57 seconds. At the end of the reaction tube, the reaction mixture had a temperature of 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.A conversion of 91% of the m-toluic acid used was achieved. The crude product showed a bright yellowish color and contained <2 ppm iron. After distillative removal of water of reaction and excess diethylamine and vacuum distillation of the crude product, 4.8 kg of N, N-diethyl-m-toluamide were obtained with a purity of 99%.
Beispiel 3: Herstellung von N,N-Dihexyl-m-toluamidExample 3: Preparation of N, N-dihexyl-m-toluamide
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.4.63 kg of dihexylamine (25 mol) were introduced into a 10 liter stirred autoclave (Buchi) and 2.04 kg of m-toluic acid (15 mol) were introduced slowly while cooling. In a strongly exothermic reaction, the m-Tolylsäurehehexylammonium salt formed, which was maintained at 60 0 C. The thus obtained; molten salt was pumped through the reaction tube at a working pressure of 35 bar continuously at 3.5 l / h and exposed to a microwave power of 2.25 kW, of which 91% of the reaction mixture were absorbed. The residence time of the reaction mixture in the irradiation zone was about 49 seconds. At the end of the reaction tube, the reaction mixture had a temperature of 280 ° C.
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.A conversion of 89% of the m-toluic acid used was achieved. The crude product showed a bright yellowish color and contained <2 ppm iron. After distillative removal of water of reaction and excess dihexylamine and vacuum distillation of the crude product, 3.8 kg of N, N-dihexyl-m-toluamide were isolated with a purity of 97%.
Beispiel 4: Herstellung von NicotinsäureamidExample 4: Preparation of nicotinic acid amide
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.Under dry ice cooling, 0.51 kg of ammonia (30 mol) from a storage bottle were condensed into a cold trap. In a 10 I Büchi stirred autoclave equipped with gas inlet tube, stirrer, internal thermometer and pressure equalization 2.46 kg of nicotinic acid (20 mol) and 2 liters of DMF were introduced and heated to 60 0 C. By slow thawing of the cold trap, the gaseous ammonia was passed through the gas inlet tube into the stirred autoclave. In a strongly exothermic reaction, the nicotinic acid ammonium salt formed.
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.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. At the end of the reaction tube, the reaction mixture had a temperature of 288 0 C.
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.A conversion of 91% of the nicotinic acid used was achieved. The slightly yellowish colored reaction mixture contained <2 ppm iron. To By distillation of excess ammonia, water of reaction and solvent in vacuo, the product was isolated with a purity of 92%.
Beispiel 5: Herstellung von Salicylsäure-n-octylamidExample 5: Preparation of Salicylic Acid-n-octylamide
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.2.75 kg (20 mol) of 2-hydroxybenzoic acid were dissolved in 3 liters of toluene in a 10 liter stirred autoclave (Büchi) while heating. Subsequently, the acid was slowly transferred to the ammonium salt by addition of an equimolar amount of n-octylamine (2.58 kg). After quenching of the heat of reaction, the resulting ammonium salt was pumped at a working pressure of about 25 bar continuously with 3 l / h through the reaction tube and a microwave power of an average of 2.9 kW exposed, of which 91% were absorbed by the reaction. The residence time of the reaction mixture in the irradiation zone was about 57 seconds. At the end of the reaction tube, the reaction mixture had a temperature of 275 0 C.
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.It was a turnover of 91% d. Th. Reached. The reaction product was colored yellowish red. The content of iron was <2 ppm. After distillative removal of toluene and water of reaction and recrystallization of the crude product 4.2 kg of 2-hydroxybenzoic acid n-octylamide were isolated.
Beispiel 6: Herstellung von N,N-Diethyl-m-toluamid durch thermische Kondensation in Gegenwart von Eisenspänen (Vergleichsbeispiel)Example 6 Preparation of N, N-diethyl-m-toluamide by Thermal Condensation in the Presence of Iron Chips (Comparative Example)
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.
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 Kaitölkreislauf. 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.