FI63214C - Foerfarande foer framstaellning av alkoximetylenmalonsyraestrar - Google Patents

Description

i- ... ..,. KUULUTUSJULKAtSU . 7 ~ „ .

jjfSpA W (11) utlAggningsskrift 6321 4 C Patentti ujySnnc tty 10 C5 1003 (^5) patent ceddelat ^ (Si) Kv-iitiWa3 C 07 C 69/67 SUOM l—FI N LAN D pi) piimcaii^—751652 (23) HakMnlipUvi — AMOIuitnptfaf OU.06.75 ^ ^ (23) AlkupUvt—GiktghMrfig 0l+. 06.75 (41) Tullut julklMksI — BlIvK offentll* 05 12 75 ja rekisteri hallitus NttavUu·^ j. ku^ik*™ ,, ' . ‘

Patent· oeh registerstyrelsan ' ' Amekan «lag* odi «UknhM pubMnrad . ui. o j (32)(33)(31) «OMiicM*-4«|inl prior*·! 0l. θ6.

Saksan Li ittotasavalta-Förbundsrepubliken lyskland(DE) P 2k2696k.5 (71) Bynamit Nobel Aktiengesellschaft, Troisdorf, Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken ^skland(DE) (72) Otto Ackermann, Troisdorf-Sieglar, Otto Bleh, Walter Rogler, Bonn,

Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken lysklsind(DE) (7*0 Oy Kolster Ab (5*0 Menetelmä alkoksimetyleenimalonihappoesterien valmistamiseksi -Förfarande för framställning av alkoximetylenmalonsyraestrar

Keksintö koskee menetelmää alkoksimetyleenimalonihappo-esterien valmistamiseksi saattamalla malonihappoesterit reagoimaan ortomuurahaishappotrialkyyliesterien kanssa karboksyylihappojen tai näiden anhydridien ja Lewis-happojen läsnäollessa 100-160°C:ssa ja mahdollisesti paineen alaisena ja tislaamalla reaktion aikana syntyvä alkoholi jatkuvasti pois sitä mukaan kuin sitä muodostuu.

On tunnettua,että saatettaessa ortomuurahaishappoesterit vaikuttamaan malonihappoalkyyliestereihin syntyy alkoksimetyleeni-maloniesteriä ja samalla lohkeaa alkoholia. L. Claisen (Berichte 26 (1893) 2729, Ann. 297 (1897) 19, käytti kondensaatioaineena etik-kahappoanhydridiä ja katalyyttinä vedetöntä ZnC^:ta.Fost (J.Qrg.Chan.

2 (1937) 260) ja Fuson (J.Org. Chem. 11 (1946) 194-8) tutkivat tämän kondensaation reaktiomekanismin perusteellisesti.

Edellä mainittujen julkaisujen mukaan käytetään noin 2 moolia etikkahappoanhydridiä jokaista moolia kohti ortoesteriä ja 0,8 - 1,35 moolia kohti maloniesteriä.

6321 4 Näiden kirjallisuusviitteiden mukaan parhaat etoksi-metyleenimalonihappodietyyliesterin (EMME) saannot malonihappodietyyli-esteristä laskettuna ovat 78,8% teoreettisesta arvosta ja ortomuura-haishappoesteristä laskettuna 46% teoreettisesta arvosta.

US-patenttijulkaisussa 2 824 121 kuvataan muiden muassa myös EMME:n valmistusta saattamalla malonihappodietyyliesteri reagoimaan ortomuurahaishappotrietyyliesterien kanssa ainoana katalyyttinä käytetyn etikkahapon läsnäollessa.

Tällöin pitäisi alkoksimetyleenimalonihappoesteriä saada saannoksi 91,8% teoreettisesta arvosta malonihappoesteristä laskettuna ja 73,5% teoreettisesta arvosta ortomuurahaishappoeste-ristä laskettuna, jolloin lähtöaineet saadaan reagoimaan tosin vain 60%:isesti, mikä tulos ei jälkeenpäin suoritetuissa kokeissa ollut vahvistettavissa.

Näissä tunnetuissa menetelmissä on huomattavia epäkohtia. Kummankin reaktiokomponentin keskinäiset reaktiot ovat varsin epätäydelliset ja/tai tällöin syntyy lukuisia sivutuotteita, jotka alentavat huomattavasti saantoa. Nämä sivutuotteet ovat joko haihtuvia, mutta vain hyvin vaikeasti poistislattavissa EMME:sta , kuten dialkoksimetyylimalonaatti, tai ne ovat kiinteitä, kuten kondensaa-tion ja renkaan muodostuksen johdosta syntyvät pyronijohdannaiset. Tämän vuoksi puhtaiden alkoksimetyleenimaloniesterien taloudellinen valmistus ja eristäminen on hyvin vaikeata tai mahdotonta.

Nyt on yllättäen huomattu, että mainitut epäkohdat ovat vältettävissä ja miltei täydellinen reagoittaminen EMME:ksi on mahdollista samalla kun sivureaktiot saadaan miltei kokonaan esitetyksi. Tähän päästään keksinnön mukaisella menetelmällä alkoksimety-leenimalonihappoesterin valmistamiseksi, jolloin malonihappoesterit saatetaan reagoimaan ortomuurahaishappotrialkyyliesterien kanssa karboksyylihappojen tai niiden anhydridien ja Lewis-happojen läsnäollessa 100-160°C:ssa ja mahdollisesti paineen alaisena ja reaktion aikana syntyvä alkoholi tislataan pois sitä mukaan kuin sitä muodostuu. Tälle menetelmälle on tunnusomaista että ortoesteriä käytetään enemmän kuin 1,4 moolia jokaista maloniesteri moolia kohti. Käytetyn maloniesterin reaktio on yllättäen miltei täydellinen. Käytetty ortoesteri muuttuu reaktiossa jopa 90 paino-%:isesti EMMEsksi. Koska käytetty maloniesteri reagoi miltei kvantitatiivisesti ja häviää siten käytännöllisesti katsoen täydellisesti, on tuotteen talteen- 3 63214 otto ja puhdistus varsin yksinkertaista. Tämän johdosta saavutettu menetelmän taloudellisuus paranee vielä senkin vuoksi , että reagoimatta jäänyt ortoesteri saadaan talteen yksinkertaisella tislauksella ja sitä voidaan ilman mainittavampia epäpuhtauksia käyttää seuraavana panoksena.

Ortomuurahaishappoesteriä tulee reaktion alussa olla läsnä vähintään 1,4 moolia jokaista moolia kohti maloniesteriä.

Tämän määrän ylittävät ortomuurahaishappoesterimäärät voidaan edullisesti lisätä myös vasta reaktion aikana. Reaktion aikana syntyneen alkoholin jatkuva ja mahdollisimman täydellistä poistamista pidetään tärkeänä toimenpiteenä. On tarkoituksenmukaista työskennellä siten, että kosteuden pääsy reaktioseokseen estetään mahdollisesti käyttämällä suojakaasuja, kuten typpeä.

Mentelmän suoritus tapahtuu yleensä siten, että maloni-happoesterin, ortomuurahaishappoesterin ja happoanhydridin tai kar-boksyylihapon seos moolisuhteissa 1:1,5 - 5:0,1 - 0,5 kuumennetaan kiehuvaksi samalla sekoittaen. Katalyytteinä tulevat kysymykseen ennen kaikkea alemmat tyydytetyt mono- ja dikarboksyylihapot, joissa on 1-5, edullisesti 1-4 hiili-atomia, samoin kuin näiden happojen anhydridit. Lisäksi läsnäolevia Lewin-happoja, so. G. N. Lewis'in tarkoittamia elektroneja vastaanottavia aineita, tulee yleensä olla läsnä 0,005 - 0,05 moolia jokaista moolia kohti karboksyylihappoa tai sen anhydridiä. Lewis-happoina suositellaan käytettäväksi vedettömiä metalliklorideja, ennenkaikkea ZnC^sta AlCl^tn ja FeCl^n ohella. Mikäli käytetään mainittuja määriä suurempia katalyyttimääriä, voidaan reaktioaikaa vastaavasti lyhentää, mutta silloin saanto yleensä huononee myös molempien katalyyttien moolisuhteen muuttaminen johtaa alkoksimetyleenimalonihappoesterin vähäisempään saantoon.

Valmistetuissa tuotteissa on yleensä sama alkyylitähde sekä alkoksiryhmässä että esteriryhmän alkoholitähteessä. Nämä alkyylitähteet sisältävät edullisesti 1-4 hiiliatomia ja erityisen edullisesti ne ovat etyyli- tai metyyliryhmiä, joskin erityistapauksissa niihin voi sisältyä myös muita tähteitä tulosten ollessa tällöinkin samanlaiset.

Uudessa menetelmässä saadaan yllättäen - estetyksi miltei täydellisesti ei-toivottujen sivutuotteiden muodostuminen käyttämällä ylimäärin ortomuurahaishappoesteriä ja poistamalla syntynyt alkoholi 4 63214 jatkuvasti. On nimittäin huomattu, että ylimäärin läsnäoleva orto-esteri ehkäisee sivutuotteiden muodostamisen ja poistaa siten yhden pienentyneitä saantoja aiheuttavista syistä. Lisäksi on tärkeätä reaktio-olosuhteiden tarkka ylläpitäminen, kuten esimerkeitsä on nähtävissä. Yli 160°C:n lämpötiloissa muodostuu runsaita määriä ei-toivottuja, osaksi kiinteitä yhdisteitä, jotka alentavat suuresti saantoa. Alhaisissa lämpötiloissa tapahtuu vain vähäistä reagoimista, tai syntyy tuotteita, jotka alentavat saantoa ja vaikeuttavat suuresti puhtaan alkoksimetyleenimalonihappoesterin taloudellista eristämistä tai tekevät sen mahdottomaksi.

Katalyyttimäärää suurentamalla reaktioaika on lyhennettävissä, mutta tällöin saadaan huonompi saanto, kun taas katalyytti-määrää pienennettäessä reaktioaika pitenee huomattavasti, kun samalla pyritään samansuuruiseen saantoon. Myös molempien katalyyttien moolisuhteen muuttaminen johtaa alkoksimetyleenimalonihappoesterien vähäisempään saantoon. Menetelmä voidaan suorittaa esimerkiksi reak-tiokolvissa, joka on varustettu mekaanisella sekoituslaitteella, reaktioliuoksen lämpötilaa mittaavalla laitteella, tiputussuppiloilia ja fraktiointikolonnilla, johon kuuluu lauhdutin, palautteen jakaja ja kolvi alkoholin keräämiseksi.

Muodostunut alkoholi tislataan jatkuvasti pois reaktio-seoksesta kolonnin kautta. Koko reaktioajan (noin 3-12 tuntia) voidaan kiehuvaan reaktioseokseen vielä johtaa sellainen määrä etikka-happoanhydridiä, joka voi olla samansuuruinen kuin edellä tai jopa kaksinkertainen siihen nähden. Kuumennusta säädetään siten, että reaktioseoksen lämpötila etoksimetyleenimalonihappodietyyliesteriä valmistettaessa on edullisesti välillä 130-160°C ja lauduttimen päässä välillä 74-79°C. Metoksimetyleenimalonihappodimetyyliesteriä valmistettaessa seoksen reaktiolämpötila on edullisesti välillä 110-160°C. Reaktion päätyttyä poistetaan reagoimatta jäänyt orto-muurahaishappoesteri tislaamalla alipaineessa ja siirretään jälleen seuraavaan panokseen. Reaktioastian pohjalle jäävä alkoksimetyleeni-malonihappoesteri tislataan pois jäännöksestä 0,01-0,2 Torrin paiseessa. Kuten edellisestä selviää, tarvitaan puhtaan tuotteen tal-teenottamiseksi vain yksinkertainen tislaus, mikä osaltaan auttaa menetelmän menestyksellistä ja taloudellista suoritusta ja tekee varsin yksinkertaisen laitteiston käyttämisen mahdolliseksi.

5 63214

Valmistetut alkoksimetyleenimalonihappoesterit ovat ensisijaisesti välituotteita, esimerkiksi substituoitujen mety-leenimaloniesterijohdannaisten, kuten metyylipyridyylimetyleeni-malonihappodietyyliesterin, anilinometyleenimaloniesterin ja muiden valmistamiseksi.

ESIMERKKI I

Reaktiokolviin pannaan 1300 osaa (8,8 moolia) ortomuu-rahaishappotrietyyliesteriä, 480 osaa (3 moolia) malonihappodie-tyyliesteriä, 10 osaa (0,1 moolia) etikkahappoanhydridiä ja 0,1 osaa (0,00074 moolia) ZnC^sta. Tämä seos kuumennetaan kiehuvaksi samalla voimakkaasti sekoittaen. Kolvin lämpötilan ollessa 140°C alkaa alkoholi tislautua pois kolonnin yläpäästä. Reaktion aikana lisätään jatkuvasti noin 21 osaa (0,2 moolia) etikkahappoanhydridiä ja reak-tioseoksen kuumennusta samoin kuin palautusmäärää säädetään siten, että lämpötila lauduttimen yläpäässä on välillä 75-79°C. Lauhtunut tisle otetaan talteen. Se sisältää pääasiallisesti etanolia, etikka-happoetyyliesteriä, muurahaishappoetyyliesteriä ja vähäisiä määriä ortomuurahaishappoetyyliesteriä (TEOF). Reaktion aikana lämpötila kolvissa kohoaa hitaasti välille 156-159°C. 3 tunnin kuluttua reaktio on päättynyt. Reagoimatta jäänyt ortomuurahaishappotrietyylies-teri (831 osaa) tislataan pois 5 Torrin paineessa kolonnin läpi ja siirretään jälleen seuraavaan panokseen. Tämän jälkeen ZnC^JSta vapautettu etoksimetyleenirnalonihappodietyyliesteri haihdutetaan jäännöksestä 0,1 Torrin paineessa yksinkertaisella tislauslaitteella. Tällä tavoin saadaan talteen 608 osaa EMME:tä. Saanto on malonihappo-esteristä laskettuna 94% teoreettisesta arvosta, TEOF:sta laskettuna 89% teoreettisesta arvosta.

ESIMERKKI II

370 osaa (2,5 mollia) ortomuurahaishappotrietyyliesteriä, 197 osaa (1/25 moolia) malonihappodietyyliesteriä, 7 osaa etikkahappoanhydridiä ja 335 mg sinkkikloridia pannaan tislauskolviin ja kuumennetaan kiehuvaksi. Kiehumispiste asettuu aluksi kolvissa 145°C:ksi ja lauhduttimen yläpäässä 74°C:ksi. 3 tunnin kuluessa kolviin annostellaan 84 osaa ortomuurahaishappotrietyyliesteriä ja 10 osaa etikkahappoanhydridiä. Samalla kun tänä aikana lämpötila kolvissa kohoaa 159°C:seen, poistetaan kolonnin yläpäästä 148 g 6321 4 tislettä. Kolviin jäänneen tuotetta jatkokäsittely vastaa esimerkin I menettelytapaa, jolloin saadaan 257 g ortomuurahaishappotrietyyli-esteriä ja 248 g EMMEttä. Tämä vastaa EMME:n saantoa, laskettuna ortomuurahaishappoesteristä arvoa 87%, ja malonihappoesteristä laskettuna arvoa 93% teoreettisesta arvosta.

ESIMERKKI III

1300 osaa ortomuurahaishappotrietyyliesteriä, 480 osaa malonihappodietyyliesteriä, 10 osaa propionihappoanhydridiä ja 0,2 osaa ZnCl2:ta kuumennetaan kolvissa kiehuvaksi samalla voimakkaasti sekoittaen. Reaktion aikana lisätään vielä noin 24 osaa propionihappoanhydridiä ja etanoli tislataan pois kolonnin yläpään kautta, jolloin lämpötila kolvissa nousee 158°C:seen, 3$ tunnin kuluttua reaktio on päättynyt. Reagoimatta jäänyt ortomuurahaishappotrietyy-liesteri (835 osaa) tislataan pois alipaineessa (5 Torria) kolonnin yläpään kautta ja siirretään jälleen seuraavaan panokseen. ZnCl2:n erottamisen jälkeen haihdutetaan 603 osaa etoksimetyleenimalonihappo-dietyyliesteriä korkeassa alipaineessa (noin 0,1 Torria) jäännöksestä (22 osaa). Saanto on malonihappodietyyliesteristä laskettuna 93% ja ortomuurahaishappoesteristä laskettuna 90% teoreettisesta arvosta.

ESIMERKKI IV

1300 osaa ortomuurahaishappotrietyyliesteriä, 480 osaa malonihappodietyyliesteriä, 40 osaa meripihkahappoanhydridiä ja 0,3 osaa ZnCl2:ta kuumennetaan kolvissa kiehuvaksi samalla voimakkaasti sekoittaen. Reaktion aikana etanoli tislattu pois kolonnin yläpään kautta, jolloin lämpötila nousee 5 tunnin kuluessa 160°C:seen. Reaktion päätyttyä suoritetaan jatkokäsittely esimerkissä III kuvatulla tavalla. Korkeassa alipaineessa (noin 0,3 Torria) tislataan tislaussillan kautta pois 746 osaa tuotetta, joka sisältää 583 osaa etoksimetyleenimalonihappodietyyliesteriä. Tämä vastaa malonihappodietyyliesteristä laskettuna 90%:n saantoa teoreettisesta arvosta.

ESIMERKKI V

1300 osaa ortomuurahaishappotrietyyliesteriä. 480 osaa malonihappodietyyliesteriä, 10 osaa etikkahappoa ja 0,2 osaa ZnCl2: ta kuumennetaan kolvissa kiehuvaksi samalla voimakkaasti sekoittaen.

7 63214

Reaktion aikana lisätään vielä 15 osaa etikkahappoa ja reaktiossa syntynyt alkoholi tislataan pois kolonnin yläpään kautta, jolloin lämpötila kolvissa nousee 158°C:seen. Reaktio on päättynyt 24 tunnin kuluttua. Reagoimatta jäännyt ortomuurahaishappotrietyyliesteri tislataan pois noin 5 Torrin paineessa. ZnC^tn erottamisen jälkeen jäännöksestä haihdutetaan 596 osaa etoksimetyleenimalonihappodi-etyyliesteriä korkeassa alipaineessa (0,1 Torria) tislaussillan kautta. Saanto on malonihappodietyyliesteristä laskettuna 92% teoreettisesta arvosta ja ortomuurahaishappotrietyyliesteristä laskettuna 86% teoreettisesta arvosta.

ESIMERKKI VI

1300 osaa ortomuurahaishappotrietyyliesteriä, 480 osaa malonihappodietyyliesteriä, 15 osaa propionihappoa ja 0,3 osaa ZnC^ita kuumennetaan kiehuvaksi samalla voimakkaasti sekoittaen. Reaktion aikana lisätään vielä tiputussuppilosta 20 osaa propionihappoa ja reaktiossa syntynyt etanoli tislataan pois. Neljän tunnin pituisen reaktioajan jälkeen suoritetaan jatkokäsittely esimerkissä V kuvatulla tavalla. Etoksimetyleenimalonihappodietyyliesterin saanto on malonihappodietyyliesteristä1laskettuna 91% ja ortomuura-haishappotrietyyliesteristä laskettuna 85% teoreettisesta arvosta.

ESIMERKKI VII

1300 osaa ortomuurahaishappotrietyyliesteriä, 480 osaa malonihappodietyyliesteriä, 15 osaa etikkahappoanhydridiä ja 0,4 osaa Aleina kuumennetaan kiehuvaksi samalla voimakkaasti sekoittaen. Reaktion aikana lisätään vielä 25 osaa etikkahappoanhydridiä ja syntynyt etanoli tislataan pois kolonnin huipun kautta. Reaktio on päättynyt neljän tunnin pituisen reaktioajan kuluttua. Jatkokäsittely suoritetaan esimerkissä I kuvatulla tavalla. Tislauspuh-distuksen jälkeen on etoksimetyleenimalonihappodietyyliesterin saanto malonihappodietyyliesteristä laskettuna 89% ja ortomuurahais-happotrietyyliesteristä laskettuna 85% teoreettisesta arvosta.

ESIMERKKI VIII

1300 osaa ortomuurahaishappotrietyyliesteriä, 480 osaa malonihappodietyyliesteriä, 15 osaa etikkahappoanhydridiä ja 0,5 osaa FeCl3:a kuumennetaan kiehuvaksi samalla voimakkaasti sekoittaen.

8 63214

Reaktion aikana lisätään vielä 25 osaa etikkahappoanhydridiä ja syntynyt etanoli tislataan pois kolonnin yläpään kautta. Reaktio on päättynyt 5} tunnin pituisen reaktioajan jälkeen. Jatkokäsittely suoritetaan esimerkissä I kuvatulla tavalla. Etoksimetyyli-malonihappodietyyliesterin saanto on malonihappodietyyliesteristä laskettuna 88% ja ortomuurahaishappotrietyyliesteristä laskettuna 84% teoreettisesta arvosta.

ESIMERKKI IX

265 osaa (2,5 moolia) ortomuurahaishappotrimetyyli-esteriä, 132 osaa (1 mooli) malonihappodimetyyliesteriä, 5 osaa etikkahappoanhydridiä ja 0,375 osaa ZnC^sta pannaan kolviin ja kuumennetaan kiehumapisteeseen. Reaktion aikana lisätään vielä tipottain 7,5 osaa etikkahappoanhydridiä ja reaktiossa syntynyt alkoholi tislataan pois kolonnin yläpään kautta (65-66°C), jolloin lämpötila kolvissa nousee 104°C:sta 130°C:seen. Sen jälkeen kun 148 osaa ortomuurahaishappotrimetyyliesteriäon tislattu pois, haihdutetaan kolvissa olevasta tuotteesta 130 osaa metoksimetyleeni-esteriä (94%:inen), Saanto on 70% malonihappodimetyyliesteristä laskettuna ja 68% ortomuurahaishappotrimetyyliesteristä laskettuna.

ESIMERKKI X

954 osaa (9 moolia) ortomuurahaishappotrimetyyliesteriä, 318 osaa (3 moolia) malonihappodimetyyliesteriä, 15 osaa etikkahappoanhydridiä ja 0,4 osaa ZnC^tta kuumennetaan kiehumispisteeseen autoklavissa noin 2 atm:n ylipaineessa. Reaktion aikana lisätään vielä 25 osaa etikkahappoanhydridiä. Kolonnin yläpään kautta tislautuu 252 osaa metanolia ja helposti kiehuvia aineita yläpään lämpötilan ollessa välillä 92-94°C. Lämpötila kolvissa kohoaa 4-5 tunnin kuluessa 120°C:sta 145°C:seen. Reaktion päätyttyä tislataan 624 osaa ortomuurahaishappotrimetyyliesteriä alipaineessa ja ZnCljsn suodattamalla erottamisen jälkeen haihdutetaan 450 osaa metoksi-metyleenimalonihappodimetyyliesteriä. Saanto on käytetystä malonihappodimetyyliesteristä laskettuna 86% ja ortomuurahaishappotrime-tyyliesteristä laskettuna noin 83% teoreettisesta arvosta.