NO147184B - Fremgangsmaate ved fremstilling av alkyltiosulfater og arylalkyltiosulfater. - Google Patents

Description

Foreliggende fremgangsmåte vedrører fremstilling av arylalkyl- eller alkyltiosulfater i tofasesystem vann-organisk løsningsmiddel

ved nukleofil substitusjon med et tiosulfation av halogenet

i et alkyl- eller arylakylhalogenid.

Fremstillingen av alkyl eller aralkyltiosulfater ved nukleo-

fil substitusjon med et tiosulfation av et halogenid forløper etter reaksjonen:

og ble funnet av BUNTE i 1874. B. MILLIGAN, J.M. SWAN, (Re-views of Pure and Applied Chemistry 1962, 12^ 72) har forbed-ret de eksprimentelle betingelser ved å bruke et ytterligere løsningsmiddel som etanol.

Det ytterligere løsningsmiddel virker forstyrrende i flere henseender: ytterligere kostnader, nedsettelse av reaktorens utnyttelseskapasitet, og til slutt tiosulfater er mellom-produkter for synteser som er løselige i vann: hele reaksjonen av disse produkter gir en substans som er løselig i organisk miljø, og det er derfor nødvendig å eliminere etanol for å unngå tap ved ekstraksjon på slutten av reaksjonskjeden.

Et enkelt middel for å utføre denne reaksjonen kan gå ut på

å bruke et faseoverføringsmiddel som tillater nukleofilen (S» 0^) å gå fra den vandige fasen til den organiske fasen hvori reaksjonssubstitusjonen finner sted. Ikke desto mindre takket være monoanionets natur, meget spesifikk for det er-holdte produkt, kan man vente at dette faseoverføringsmidlet foreligger assosiert med dette anionet i formen:

og virker allerede i støkiometrisk mengde. Faktisk har

J.DOCKX, SYNTHESIS, 8 , 441 (1973) påvist slike katalysator-forgiftninger ved substitusjon med jodider.

Fremgangsmåten som er gjenstand for oppfinnelsen gjør det mulig å unngå disse forgiftninger ved

at substitusjonen utføres i nærvær av katalytiske <: >mengder av et faseoverføringsmiddel som virker som katalysator, hvilket faseoverføringsmiddel omfattes av den generelle formel

hvor M er N er P,

Y er halogen eller OH,

R^, R2, R.j og R^ er alkyl, arylalkyl,aryl- eller hydroksyalkyl-grupper med opptil 4 0 karbonatomer i hver gruppe,

eller faseoverføringsmiddelet er en ionebytterharpiks, hvortil molekyler med formel (I) som angitt ovenfor er bundet.

Siike faseoverføringsmidler er beskrevet av DOCKX, sitert ovenfor, eller slike som er beskrevet av E.V.DEHMLOW,

Angew Chem. Internat, ed. 13 (3) 170 (1974) slik som kloridene av trimetyl (benzyl) ammonium, trietyl (benzyl) ammonium, tri-kaprylmetylammonium, triheksyl (metyl) og cetyltrimetylammon-ium, tributylheksadecyl-fosfoniumbromid, dimetylfenyldodecyl-ammoniumklorid etc

Alkyl-og/eller aryl-halogenidene tjener som utgangsmateriale for reaksjonen med natriumtiosulfatet har følgende generelle formel RX hvori: R kan være en alkylgruppe med 2-25 karbonatomer, mettet eller umettet, som gruppene allyl, butyl, heksadecyl,

R kan være en arylgruppe som benzylgruppen

R kan også være en estergruppe og X er et halogen, fortrinnsvis klor eller brom.

Til slutt omfatter reaksjonen også dihalogenider med formel X-R-X hvori X og R har foregående definisjon.

Utførelsen av syntesen av alkyl- og arylalkyltiosulfater består i å:

- oppløse 1,2 ekvivalenter natriumtiosulfat i 0,03 til 0,15

1 ionefritt eller destillert vann

- op<p>løse 1 ekvivalent halogenid i 0,2 til 0,5 1 av en organisk aromatisk eller mettet løsningsmiddel - tilsette en blanding av de to forannevnte løsninger 0,02 til 0,1 mol-ekvivalent av et faseoverføringsmiddel - koke ved tilbakeløp 2 til 24 timer avhengig av halogenidets natur, røre blandingen under svak nitrogengjennomblåsning - identifisere de dannede alkyl- eller arylalkyltiosulfater som foreligger i nærvær av natriumsulfitt, faseoverførings-middel og eventuelt halogenid som ikke har reagert.

Tabell 1 viser ikke begrensende eksempler på syntesen utført ifølge oppfinnelsen og beskrevet i det følgende.

I denne tabellen

- representerer R - X ikke omsatt halogenid som likevel ikke har reagert etter karakteriseringstrinn.

- t er reaksjonstiden for RX + S^ O^

- andel katalysator er molar

- S20.j= anvendes med et overskudd på 20 mol-% i forhold til halogenidet

- % RSSO^ gir reaksjonsomsetningsgrad

R-Cl—*RSS03-

- differansen til 100% angir halogenid som ikke har reagert etter denne reaksjonen.

EKSEMPEL 1

Man oppløser 1,2 ekvivalenter natriumtiosulfat i 0,15 1 ionefritt eller destillert vann. På den annen side oppløses 1 ekvivalent allylklorid i 0,2 1 benzen.

Man blander de to løsningene å koker 2 timer ved tilbakeløp.

Man oppnår bare 0,5 % allyltiosulfat som identifiseres ved

den etterfølgende beskrevne metode, 1% disulfidr.bg 99% monosulfid.

EKSEMPEL 2

Man arbeider som i eksempel 1, men man tilsetter 4 mol-% trimetylbenzylammoniumklorid som katalysator i forhold til halogenidet.

Etter to timers tilbakeløp får man et utbytte på 100% allyl-sulfat som man kan identifisere ved dannelsen av 100% trisulfid. Etter klassisk ekstraksjon er vektutbyttet av de to trinn (dannelse av RSSO^- og overføring til trisulfid) 93%.

EKSEMPEL 3

Man fremstiller en løsning av 1,2 ekvivalenter natriumtiosulfat

i 0,15 1 ionefritt eller destillert vann.

På den annen side oppløser man 1 ekvivalent benzylklorid i

0,3 1 benzen.

Etter 2 timers tilbakeløp får man et utbytte på 5 vekt-% benzyltiosulfat, 80% benzylklorid har ikke reagert, og analysen av det dannede tiosulfat gir: 10% monosulfid og 10% disulfid.

EKSEMPEL 4

Man: .arbeider som i eksempel 3, men tilsetter 4 mol trimetylbenzylanro-nium klorid sam katalysator. Etter 2 timers tilbakeløp får man ■ -•■ et utbytte på 77% benzyltiosulfat, 23% benzylklorid har ikke reagert.

Under identifikasjonsprosessen danner det seg:

8,7% tetrasulfid

- 52,2% trisulfid

- 32,5% disulfid

- 0 % monosulfid

- det gjenstår 6,6% benzylklorid som ikke har reagert.

EKSEMPEL 5

Man arbeider som i eksempel 4, men koker 4 timer ved til-bakeløp. Alt benzylkloridet reagerer og man får 98% benzyltiosulfat.

Under identifikasjons-prosessen danner det seg:

2% tetrasulfid

94% trisulfid

4% disulfid

0% monosulfid

Vektutbyttet av to trinn etter ekstraksjon er 91%.

EKSEMPEL 6

Man opererer som i eksempel 5, men med hydroksydet av trimetyl-benzylammonium og man får et utbytte på 62% benzyltiosulfat.

EKSEMPEL 7

Man opererer som i eksempel 6, men reduserer tilbakeløpstiden til 2 timer og øker andelen katalysator til 8%. Benzyltiosulfat-utbyttet er 84,6%.

Under identifikasjonsprosessen dannes:

- tetrasulfid 0 %

- trisulfid 69,2%

- disulfid 30,8%

- monosulfid 0 %

EKSEMPEL 8

Man opererer som i eksempel 5, ved å anvende samme mengder benzylklorid og natriumtiosulfat men man tilsetter 4% etanol-trimetylammoniumklorid (cholin).

Etter 4 timers tilbakeløp får man 93,25% benzyltiosulfat,

og det forblir 6,75% benzylklorid som ikke har reagert.

Under identifikasjonsprosessen dannes:

- tetrasulfid 0 %

- trisulfid 86,5%

- disulfid 13,5%

- monosulfid 0 %

Vektutbyttet av de to trinn etter ekstraksjon er 95%.

EKSEMPEL 9

Man opererer som i eksempel 5, men tilsetter 4% tributylheksadecylfosfoniumbromid som katalysator.

Man får et utbytte på 10,5% benzyltiosulfat.

Under identifikasjons-prosessen av tiosulfatet dannes det:

- tetrasulfid 0%

- trisulfid 1%

- disulfid 20%

- monosulfid 7 9%

EKSEMPEL 10

Man opererer som i eksempel 9, men anvender 4% dimetyl-benzyl-dodecylammoniumklorid.

Man får et utbytte på 48% benzyltiosulfat.

Under identifikasjonsprosessen av tiosulfatet dannes det:

- tetrasulfid 0%

- trisulfid 7%

- disulfid 83%

- monosulfid 10%

EKSEMPEL 11

Man går frem som i eksemplene 5, 6, 8, 9, 10 forut, men anvender 5 g ionebytterharpiks med tilkoblede trimetylbenzylammonium-IflnrlHarnnnpT (TRA 410 fra Rohm na Haas) .

Utbyttet av'benzyltiosulfat er 53,2% under identifikasjons-prosessen dannes:

- tetrasulfid Spor

- trisulfid 22 %

- disulfid 62,4%

- monosulfid 11 %

EKSEMPLER 12 og 13

Man fremstiller en løsning av 1 ekvivalent butylklorid i 0,2 1 toluen og anvender som katalysator 4 mol-% trimetylbenzylammoniumklorid. Man konstaterer at etter 4 timers tilbakeløp er det ingen reaksjon, og at etter 24 timers tilbakeløp får man et utbytte på 61,7 5% butyltiosulfat og at det under identifikasjonsprosessen dannes:

- tetrasulfid 0 %

- trisulfid 23,5%

- disulfid 76,5%

- monosulfid 0 %

EKSEMPLER 14 og til 17

I disse 4 eksemplene tar man en løsning av 1 ekvivalent butyl-bromid i 0,2 1 benzen som man blander med en løsning av 1,2 ekvivalenter natriumtiosulfat i vann, koker ved tilbakeløp 24 timer i nærvær av 4% av forskjellige katalysatorer som er i eksempel 14: trimetylbenzylammoniumklorid

eksempel 15: dimetylbenzyldodecylammoniumklorid eksempel 16: trimetyldodecylammoniumklorid

eksempel 17: cholin

Butyltiosulfat -.utbyttene varierer fra 25-81,35% som man kan se i tabell 1, og man konstaterer at cholin er den beste katalysatoren .

Tallene for de dannede sulfider under identifikasjonsprosessen •er likeledes angitt i tabell I..

Vektutbyttene av to trinn etter ekstraksjon for eksempel 17 er 76,5%.

EKSEMPLER 18 til 20

I disse 3 eksempler bringer man heksadecylbromid eller etyl-bromid i løsning i benzen som man blander med en løsning av vandig tiosulfat som i de foregående eksempler.

Ifravær av katalysator har ingen reaksjon funnet sted selv etter 24 timer ved tilbakeløp (eksempel 18).

I nærvær av 4 mol-% dimetylbenzyldodecylammoniumklorid og etter 24 timers tilbakeløp, er cetyltiosulfatutbyttet 13,5%. (Eksempel 19) •

I nærvær av 4% tributylheksadecylfosfoniumbromid får man et utbytte på 25% (eksempel 20).

EKSEMPEL 21

Man lar en løsning av bromeddiksyre-etylester i 0,2 1 benzen reagere med en vandig løsning av natriumtiosulfat i de foran angitte mengdeforhold. Katalysator er tetrabutylammoniumklorid tilsatt i en andel på 4 vekt-%.

Etter 24 timers tilbakeløpskoking får man et utbytte på 65 vekt-% tiosulfat-eddiksyre-etylester.

EKSEMPEL 22

Man lar en løsning av 1 ekvivalent diklor-1,4-buten-2 i 0,15

1 benzen reagere med en vandig løsning av 2 ekvivalenter tiosulfat i 0,3 1 vann. Man tilsetter 8 mol-% (i forhold til dihalogenidet) av cholin. Man koker i 4 timer. For å identifisere det dannede ditiosulfat bruker man reaksjonen med fenyltiolat etter følgende skjema:

Det siste bidisulfidet identifiseres ved massespektrografi.

I dette eksemplet indikerer massespektografi dannelsen av det eneste bidisulfid uten monosulfid, dvs. man har dannet 100% butinylditiosulfat. (Se tabell II).

EKSEMPEL 2 3

Man går frem som i eksempel 2 2 ut fra 1 ekvivalent p-xylenyl-diklorid. Etter 4 timers tilbakeløp i nærvær av 8 mol-%

cholin får man 95% ditiosulfat som 'identifiseres som angitt ■ > ovenfor.

Valg av faseoverføringsmiddel

Selv om tetraalkylfosfonium-forbindelser kan brukes, foretrek-ker man ammoniumforbindeisene som gir de beste resultatene. - For halogenidene med et antall karbonatomer fra 2 til 7 velger man en katalysator med et antall karbonatomer mellom 5 og 10. For de reaktive halogenidene (allyl, benzyl), for hvilke en reaksjonstid på 4 timer er tilstrekkelig, kan en av substi-tuentene av ammonium være en benzylgruppe; for alkylhaloaen-idene er en reaksjonstid på 24 timer nødvendig, og man velger en katalysator som ikke har benzylgruppe for å unngå, debenzyl-ering av denne katalysatoren.

For alle halogenidene anbefales anvendelse av cholinklorid.

Med denne katalysatoren anbefales sterkt bruk av et aromatisk løsningsmiddel idet cholinklorid er lite løselig i de lineære eller cykliske alifatiske løsningsmidler.

For halogenidene med et antall karbonatomer over 7, velger man en katalysator med et antall karbonatomer fra 15 til 30. For halogenidene er reaksjonstiden minst 24 timer med 4% katalysator. Man bør unngå en katalysator med en benzylgruppe av de samme grunnene som foran nevnt.

Man kan erstatte de klassiske faseoverføringsmidler med andre forbindelser som:

Betainer:

hvor M er N eller P,

X er Cl eller Br.

f.eks.:

Aminosyrer:

f.eks.:

C12H25 -NH-(CH2)-2 C00H

Oksyetylerte eller oksypropylerte etere eller aminer:

hvor Z er 0 eller NH eller N-R"

f.eks.:

Ionebytterharpikser:

som f.eks. kryssbundne polysterenharpikser hvortil er knyttet kvarternære ammoniumforbindelser. F.eks. kan man anvende kommersielle harpikser: Amberlite IRA 410. I dette tilfelle foreligger trefasekatalyse.

Identif ikasjon av alkyl eller arylalkyltiosulfater;

For å finne andelen dannet R-SSO^ 8 foreligger tre muligheter. - isolere RSSO^S: denne operasjonen er vanskelig å utføre fordi RSSO^S som er vannløselig foreligger i nærvær av mineralfor-bindelser (NaCl og S2®3= i overskudd) 1 - ekstrahere RX som ikke har reagert, men denne metoden med-fører en stor ulempe for flyktige halogenider: man risikerer å undervurdere den virkelige mengden RX som ikke har reagert. - utføre et annet trinn som vil overføre R-SSO^© og halogenid R-X i en lett identifiserbar organisk forbindelse.

Man velger å overføre denne ved. reaks jonen med Na2S som overfører foreliggende produkter (R-SSO^© og R-X) i trisulfid, disulfid eller monosulfid ifølge etterfølgende reaksjoner:

1) Dannelse av trisulfid:

2) Dannelse av monosulfid: 3 Dannelse av disulfid:

i.i_<my>ii2l}§£

trisulfidet dannes ut fra R-SSO, . De to gruppene R som danner

9

dem gir begge to R-SSO^ dannet i det første trinn.

- monosulfidet og disulfidet gir begge to ikke omsatt halogenid på slutten av første trinn. Gruppene R som danner monosulfidet gir begge to halogenidet. Til gjengjeld gir en av gruppene R i det dannede disulfidet ifølge muligheten 1 eller 2 halogenidet og den andre gruppen R gir R-SS03 .

0

Andelen RSSO^ som dannes i det første trinnet oppnås ved til-setning av halvparten av erholdt mengde disulfid til den dannede mengde trisulfid. Det er dette som definerer omsetnings-graden av første trinn dvs. for dannelsen av alkyltiosulfat.

Nærvær av tetrasulfid er alltid en meget liten mengde. Det er dette som kan gi sekundære reaksjoner med det allerede dannede trisulfidet.

Til slutt fastslås at monosulfidet dannes lett ved omsetningen av Na2S med R-X.

Det skal påpekes at omsetningen av Na2S med R-X akselreres med faseoverføringsmidler med et større antall karbonatomer enn 15 som angitt av TOZZI og CASSANDRINI.

A TOZZI P. CASSANDRINI (chimosa chimica Org. Spa) U.S. patent 2,513,805. Faseoverføringsmidlene med inntil 12 karbonatomer har bare liten virkning på denne reaksjonen, dvs.: Et mol benzylklorid omsettes med et halvt mol Na0S i nærvær av 0,04 mol trimetylbenzylammoniumklorid ved benzenets tilbake-løp i 1,5 timer hvilket fører til 20% monosulfid og 80% benzylklorid .

0

Likeledes gir disulfidet lett en omsetning av R-SS med ikke-omsatt klorid. Således isolerer man etter omsetning av S2°3 = med benzylkloridet under betingelser hvor forløpet av første trinn er 77%, 32,5% av disulfidet og 52,2% trisulfid.

Under identiske operasjonsbetingelser, men ved å ekstrahere ikke omsatt klorid på slutten av det første trinnet, får man 10% disulfid og 90% trisulfid. Muligheten for at disulfidet skal gi trisulfid ved omsetning av sistnevnte med natriumsulfitt(dannet ved ideritifikasjonstrinnet) som observert av MILLIGAN er blitt fjernet.

Således omsettes en prøve av rent trisulfid 1,5 timer ved 7 0°C med natriumsulfitti nærvær av et faseoverføringsmiddel uten at disulfid dannes. Til gjengjeld fører samme reaksjon utført ved 90°C til 20% disulfid, som reaksjon utført 4 timer ved 70°C fører til 100% disulfid. Disse resultatene indikerer at for en tilbakeløpstid på 1,5 timer for første karakteriseringstrinn, viser den relative andel S^/ S^ tydelig omsetnings-graden i første trinn.

Den relative andel ammoniumsulfid, disulfid, trisulfid, ikke-omsatt halogenid bestemmes ved kjernemagnetisk ressonans-spektrum.

For hvert av disse produktene er hydrogensignalene i a til svovel eller halogenatomet forskjellig forskjøvet p.g.a. de forskjellige elektroniske omgivelser.

F. eks. er i tilfellet R = _CH2~ de kjemiske skift

for disse hydrogenene i forhold til tetrametylsilan:

monosulfid </= 3,46

disulfid J= 3,50

trisulfid 3,90

tetrasulfid </= 4,00

benzylklorid c/= 4,40

Tilstedeværelse eller fravær av disse forbindelsene påvises ved massespektroskopi av en prøve av blandingen.

Doseringsmetoden består i å utføre sulfidsyntesen på følgende måte: - 0,5 ekvivalent natriumsulfid oppløses i 0,3-0,5 1 ioneffitt vann, mens en nitrogenstrøm holdes under oppløsningen. Denne løsningen tilsettes på en gang foran nevnte blanding og satsen tilbakeløpskokes 1,5 timer.

Den nødvendige mengden metylenklorid for at den organiske fasen skal ha en densitet over 1 ble tilsatt. Etter dekan-tering ekstraheres den vandige fasen 2 ganger med metylenklorid, de organiske fasene som er slått sammen vaskes 2 ganger med vann for å fjerne faseoverføringsmidlet (de lipofile fase-overføringsmidler kan ikke fjernes totalt fra den organiske fasen). Etter tørking over et tørkemiddel (Na2S0^) fordampes løsningmidlet, og utbyttet av de to trinn etter ekstraksjonen

(R-C1-»RSS03- og identifikasjon og overføring til sulfidet)

ligger mellom 75 og 100%.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av alkyl- og arylalkyltiosulfater i tofasesystem vann-organisk løsningsmiddel ved nukleofil substitusjon med et tiosulfation av halogenet i et alkyl- eller arylalkylhalogenid, karakterisert ved at substitusjonen utføres i nærvær av katalytiske mengder av et faseoverføringsmiddel som virker som katalysator, hvilket faseoverføringsmiddel omfattes av den generelle formel hvor M er N er P, Y er halogen eller OH, R^, R^, R3 og R^ er alkyl, arylalkyl,aryl- eller hydroksyalkyl-grupper med opptil 4 0 karbonatomer i hver gruppe, eller f aseoverf øringsmiddelet er en ionebytterharpiks, hvor-^ til molekyler med formel (I) som angitt ovenfor er bundet.

2. Fremgangsmåte ved fremstilling av tiosulfater ifølge krav 1, karakterisert ved at det molare forhold av katalysator som anvendes varierer fra 0,5-10 mol-% og spe-sielt fra 2-10 mol-%.

3. Fremgangnsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at i syntesen av tiosulfater hvor de organiske gruppene har 2-7 karbonatomer anvendes et faseoverførings-middel hvor M=N og R^ R2 1 R3 og R^ tilsammen har 5-2 0 karbonatomer og fortrinnsvis 5-10 karbonatomer.

4. Fremgangsmåte ifølge kravene 1 eller 2, karakten risert ved at i syntesen av tiosulfater hvor de organiske gruppene har mer enn 7 karbonatomer, anvendes et faseoverføringsmiddel hvor R^ R2/R3°9 R4 tilsammen har 10-40 karbonatomer og fortrinnsvis 15-30 karbonatomer.