Pierwszenstwo: 26. V. 1961 W. Brytania Opublikowano: 5. IV. 1965 49360 KL 12p, l/Ol MKP C 07 d UKD Wlasciciel patentu: Imperial Chemical Industries Limited, Londyn (Wielka Brytania) BIBLIOTEKA Sposób wytwarzania dwupirydyli i '¦¦¦¦¦.. . ... l,„i Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania dwu¬ pirydyli, zwlaszcza 4,4'-dwupirydylu.Wiadomo, ze dwupirydyle, a zwlaszcza 4,4'-dwu- pirydyl mozna otrzymywac przez utlenianie pro¬ duktu otrzymanego w wyniku reakcji sodu i pi¬ rydyny. Wytwarzanie dwupirydyli ta droga jest skomplikowane wskutek trudnosci wystepujacych w prowadzeniu reakcji miedzy sodem i pirydyna w sposób szybki i regulowany. Wystepuje przy tym ryzyko zwiazane z mozliwoscia wybuchu w stadium utleniania wskutek obecnosci nieprze- reagowanego sodu. Proponowano wprowadzenie reakcji sodu z pirydyna w temperaturze otocze¬ nia na przyklad przez pozostawienie mieszaniny sodu i suchej pirydyny przez dlugi okres czasu (czestokroc przez kilka dni) dopóki nie nastapi reakcja. Uzyskany produkt reakcji przeprowa¬ dzano znanym sposobem w dwupirydyle przez utlenienie powietrzem, badz bezposrednio, badz po okresie ogrzewania ze znacznym nadmiarem pirydyny. Proponowano tez wprowadzenie do reakcji sodu z pirydyna w stosunkach takich, aby pirydyna wystepowala w znacznym nadmiarze, wynoszacym przynajmniej 100 :1 (stosunek mo¬ lowy) w stosunku do metalicznego sodu. Czesciej stosowany stosunek pirydyny do sodu wynosi nieco wiecej niz dwa mole teoretycznie niezbedne na kazdy mol metalicznego sodu. Przypuszczano, ze ogrzewanie przez dluzszy czas produktu reak¬ cji sodu i pirydyny przy znacznym nadmiarze pirydyny wplynie korzystnie na zwiekszenie wy¬ dajnosci otrzymywanych w wyniku utlenienia tego produktu dwupirydyli, jednakze okazalo sie, ze uzyskany produkt koncowy zawieral znaczne 5 ilosci izomeru 2,2'.Znane procesy maja wiec te wade, ze otrzy¬ muje sie z mala wydajnoscia mieszanine izome¬ rów dwpirydyli, przy czym w mieszaninie tej 10 znajduja sie znaczne ilosci izomerów 2,2' i 2,4' podczas gdy izomer 4,4' jest szczególnie warto¬ sciowym produktem posrednim w wytwarzaniu srodków chwastobójczych. Powstawanie innych izomerów wskutek tego powoduje strate czesci 15 kosztownych materialów wyjsciowych. Dlatego jest bardzo wazne, zeby wydajnosc dwupirydyli i zawartosc w nich izomeru 4,4' mozna bylo zwiekszyc tak bardzo, jak tylko to jest mozliwe.Stwierdzono, ze stosunek 4,4' — izomeru do po- 20 zostalych izomerów dwupirydyli, otrzymanych przez utlenianie produktu utworzonego w wyni¬ ku reakcji sodu i pirydyny, zmienia sie w za¬ leznosci od warunków, w jakich prowadzi sie reakcje sodu i pirydyny, zwlaszcza od tempera- 25 tury poczatkowej tej reakcji. Stwierdzono rów¬ niez, ze wyosobnienie produktów pochodzacych ze stadium utleniania, zazwyczaj skomplikowane wskutek tworzenia sie zawiesiny wodorotlenku sodowego w postaci koloidalnej, trudnoodsaczal- so nej, mozna uproscic przez dodanie wody do mie- 4936049360 szaniny produktów utleniania i ogrzewanie w cia¬ gu krótkiego czasu.Wynalazek polega na wytwarzaniu dwupirydyli przez traktowanie pirydyny sodem w tempera¬ turze co najmniej 50° C nastepnie utlenianiu utworzonego produktu reakcji sodu i pirydyny i wyosobnianiu pozadanego izomeru lub miesza¬ niny izomerów dwupirydyli.Proces prowadzi sie w fazie cieklej i stwier¬ dzono, ze najodpowiedniejsza temperatura trak¬ towania pirydyny sodem wynosi 50 —120° C, ko¬ rzystnie 75-100° C.Nizej podane przyklady wykazuja, ze ilosc nie¬ pozadanych izomerów 2,4' i 2,2' spada, gdy tem¬ perature reakcji sodu z pirydyna obnizy sie z 115° do 80° C. Przy temperaturze 115° C sto¬ sunek ilosci izomeru 4,4' do ilosci innych izo¬ merów w koncowym produkcie wynosi 1,6 do 1, a przy stosowaniu temperatury 90° C stosunek ten jest rzedu 14 do 1. Nalezy zaznaczyc, ze jezeli temperature zmniejszy sie ponizej 50° C wydajnosc zarówno w stosunku do stosowanej ilosci sodu jak i do pirydyny spada i wzrasta ilosc niepozadanych produktów ubocznych.Jasne jest wiec, ze bardzo wazne jest regulo¬ wanie temperatury reakcji sodu i pirydyny w po¬ danym zakresie w celu otrzymania w koncowym produkcie wysokiej ilosci 4,4'-dwupirydylu. Re¬ gulowanie temperatury wplywa równiez na wy¬ dajnosc produktu w stosunku do stosowanych reagentów. Wysoka temperatura to znaczy okolo temperatury wrzenia daje dobra wydajnosc w sto¬ sunku do sodu, a temperatury w zakresie 50°—80° daja dobre wydajnosci w stosunku do pirydyny.Nalezy dobrac wiec tak temperature, zeby otrzy¬ mac produkt zawierajacy znaczna ilosc izomer\i 4,4' — i dobra wydajnosc w stosunku do ilosci wyjsciowych reagentów.Na stosunek izomerów w produkcie koncowym wplywa w mniejszym stopniu okres czasu reak¬ cji miedzy sodem i pirydyna. Ten czynnik nie jest tak krytyczny jak regulowanie temperatury, lecz w pewnych warunkach wspólzaleznosc czasu z temperatura daje korzystne wyniki. Waznym jest jednak kontynuowanie reakcji co najmniej az do przereagowania calej ilosci metalicznego sodu.Korzystnie jest stosowac sód w postaci zdysper- gowanej. Mozna stosowac sód w kawalkach zwlaszcza, gdy reakcje sodu z pirydyna prowadzi sie w temperaturach wyzszych od temperatury topnienia sodu (w przyblizeniu 98° C), lecz reak¬ cja zachodzi bardzo gladko, gdy stosuje sie sód w postaci tak bardzo zdyspergowanej jak tylko to jest w praktyce mozliwe. Sód w postaci od¬ powiednio zdyspergowanej mozna otrzymac zna¬ nymi sposobami na przyklad mechanicznie lub za pomoca ultradzwieków. Sód mozna zdyspergo- wac w odpowiednim srodowisku cieklym, które moze byc dobrane tak, azeby mialo temperature wrzenia odpowiednia zarówno do wytwarzania dyspersji jak i w kolejnych operacjach. Odpo¬ wiednimi obojetnymi cieczami sa ciekle (lub latwo topniejace) weglowodory na przyklad frak¬ cje nafty i alkilowane benzeny.Pozadane jest przestrzeganie zwyklych ostroz¬ nosci przy stosowaniu sodu, zwlaszcza calkowite 5 wyeliminowanie wilgoci w czasie reakcji.Jezeli to jest pozadane, reakcje sodu z piry¬ dyna mozna prowadzic w obecnosci obojetnego rozcienczalnika, który moze byc stosowany rów¬ niez do wytwarzania dyspersji sodu, na przyklad 10 trójmetylobenzen.Pirydyna stosowana w sposobie wedlug wy¬ nalazku musi byc wolna od wszelkich podstaw¬ ników lub zanieczyszczen, które moga brac udzial w obecnosci sodu w niepozadanej reakcji ubocz- 15 nej. Jezeli to jest potrzebne, pirydyne mozna osuszyc przed zastosowaniem na przyklad przez pozostawienie przez pewien czas ze stalym wodo¬ rotlenkiem sodowym lub przez destylacje ze sta¬ lym wodorotlenkiem sodowym. 20 Stosunek ilosci pirydyny i sodu w sposobie 'wedlug wynalazku wynosi zwykle 4—10, korzyst¬ nie 4 — 6 moli pirydyny na atom sodu. Mozna stosowac wieksze ilosci pirydyny, lecz wówczas proces staje sie nieekonomiczny. Mniejsze ilosci 25 powoduja, ze mieszanina reakcyjna jest zbyt gesta.Mechanizm reakcji w procesie wedlug wyna¬ lazku jest niejasny. Szczególnie nie jest jasny mechanizm utleniania, tak, ze okreslenie „utle- 30 nianie" stosuje sie w sensie procesu, który po¬ woduje usuniecie wodoru lub elektronów z pro¬ duktu reakcji sodu z pirydyna. Utlenianie pro¬ duktu sodu i pirydyny mozna przeprowadzac w znany sposób, na przyklad za pomoca tlenu 35 lub jego mieszaniny z obojetnym gazem jako roz¬ cienczalnikiem na przyklad z azotem. Korzystnie prowadzi sie to przez przepuszczanie tlenu nar przyklad w postaci powietrza lub innej mieszani¬ ny tlenu i azotu przez mieszanine reakcyjna,. 40 podczas energicznego mieszania za pomoca me¬ chanicznego mieszadla, w celu spowodowania do¬ kladnego zetkniecia sie gazu z ciecza. Stwierdzo¬ no, ze utlenianie mozna prowadzic stosujac chlor sam lub w mieszaninie z obojetnym gazem jako 45 rozcienczalnikiem.Podczas stadium utleniania wytwarza sie wo¬ dorotlenek sodowy w postaci kolidalnej, nieprze- saczalnej. Stwierdzono, ze mozna tego uniknac przez ogrzewanie mieszaniny reakcyjnej po utle- 50 nieniu w obecnosci wody. Wytraca sie wodorotle¬ nek sodowy w postaci odsaczalnej. Wode mozna dodawac przed lub po zakonczeniu utleniania i ilosc wody jaka sie ma uzyc, mozna ustalic za pomoca prostej próby. Jezeli to jest pozadane 55 mozna dodac trójmetylobenzen lub inne weglo¬ wodory jako rozcienczalnik. Oddzielenie chlorku sodowego mozna ulatwic równiez przez dodanie wody w taki sam sposób, jak przy oddzielaniu wodorotlenku sodowego. 60 Izomer 4,4' — mozna oddzielic od pozostalych izomerów z produktu otrzymanego ze stadium utleniania w znany sposób, na przyklad przez frakcjonowana destylacje lub krystalizacje dwu¬ pirydyli lub ich chlorowodorków. Do niektórych 65 celów jednakze wystarczy wyosobnic produkty49360 5 6 wiednim mieszaniu otrzymuje sie rozmiar czastek odpowiadajacy 0,15 m2/g.Zawiesine sodu dodawano podczas mieszania do 316 czesci wagowych pirydyny (4 mole) w na¬ czyniu reakcyjnym z taka szybkoscia, ze cieplo reakcji utrzymywalo temperature mieszaniny w 90—95° C. Reakcje do stadium utleniania pro¬ wadzono w atmosferze azotu. Zawartosc naczy¬ nia utrzymywano w temperaturze 90° C w ciagu 2 godzin mieszajac, po czym oziebiono do tem¬ peratury 70° C i utleniano przepuszczajac stru¬ mien powietrza podczas energicznego mieszania i oziebiania w celu usuniecia ciepla reakcji. Pod koniec reakcji potrzeba bylo doprowadzic cieplo, zeby utrzymac stala temperature. W koncu utle¬ niania co uwidocznia sie przez znikniecie czar¬ nego zabarwienia mieszaniny reakcyjnej sklada- Tablica doswiadcze¬ nie nr i 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1.1 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 . 23 24 25 26 27 28 Reakcja cd *a N o | O § 2~ 4 2 2 4 2 4 4 3 2 3 3 3 3 4,5 5,25 6 1 1 0,25 1 6 1 3 4 1,0 3,5 5,0 1 115 115 100 100 115 115 1 100 100 107,5 115 87,5 77,5 67,5 57,5 112,5 115 117,5 95 105 115 90 wrze¬ nie 70 50 60 wrze¬ nie " Utlenianie s c-i o 1 60 80 80 60 60 80 80 60 70 60 59 53,5 48 42,5 65,5 63 61 1 50 50 50 45 60 45 1 70 60 80 45 50 [ O 1 w a I 20 20 20 10 10 ' 10 10 20 15 10 12 11 9 8 16 16 17 10 5 10 5 20 • 20 20 30 18 30 20 1 Analiza produktu % cn O* 1 I^_ 1,2 0,2 0,2 1,1 1,0 0,2 0,3 0,4 1,1 nie ozn. „ ,, ,, ,, „ „ 1,0 nie ozn. 1,3 nie ozn. ,, ,, „ ,, ,, », ,, ,, „ „ „ „ „ » 2,7 2,3 1,5 | i -O 'O cm a 1 5,4 4,4 2,9 1,9 5,-8 4,3 2,8 3,2 3,7 5,2 0,8 0,5 0,3 0,4 4,0 5,7 4,6 1,6 2,5 2,4 0,6 5,1 0,8 1,6 1,0 6,2 6,3 4,7 i | «? ft FTo" 8,7 8,3 8,2 IW 9,1 8,2 9,4 8,3 9,4 7,8 7,0 5,0 4,5 9,0 9,4 8,2 7,5 7,2 5,9 6,0 9,4 5,4 3,6 2,6 10,5 11,4 10,3 ciezar/ objetosc cd *-• »|H 47 48 56 62 4tf 46 58 57 56 53 59 62 62 69 44 43 46 59 60 i 60 63 42 65 | 65 66 46 41 46 •o co # 1 5,4 4,5 5,4 5,3 5,2 5,1 5,3 1 5,2 5,0 5,1 4,7 5,4 5,0 5,3 5,7 5,2 5,5 5,6 5,1 5,2 5,1 5,3 . 5,5 j 6,7 5,8 4,6 5,8 4,9 Stosunek izomerów dwupirydylu csf 0,22 0,27 0,07 0,11 0,19 0,23 0,07 1 0,09 0,11 0,21 — — — — 0,25 — 0,28 — — — — — — 1 — — 0,23 0,27 0,31 CN 1 1 .. 1 , 1 «« "* 1 ^~ 2,0 2,9 4,3 1,8 2,1 2,9 2,9 2,2 1,8 9,8 14,0 17,0 11,3 2,3 1,7 1,8 4,7 2,9 2,5 10,0 1,8 6,8 1 2,2 2,6 1,7 1,8 2,2 % wydajnosci 4,4'-dwupirydylu i - M O o | *. 5 s 1 49 57 46 46 38 53 46 54 49 54 49 38 30 25 46 53 44 40 42 33 3,5 51 29 17 13 67 57 62 [ ¦ S M ¦^ 'O V \ w \i& * Pi 1 ™ 29 37 40 31 1 28 39 44 36 37 39 41 30 45 28 26 26 39 44 31 40 26 37 1 27 19 31 30 30 nie ozn. = nie oznaczony, to znaczy ilosc ponizej doswiadczalnego bledu w zastosowanej metodzie analitycznej * — sód, wystepuje w produkcie reakcji w postaci wodorotlenku sodowego Otrzymany z utleniania, zawierajacy stosunkowo male ilosci 2,2' — i 2,4' — izomerów. Ten pro¬ dukt skladajacy sie z mieszaniny izomerów moze byc korzystnie stosowany do wytwarzania herbi- a cydów, na przyklad przez traktowanie czynni¬ kami czwartorzedujacymi (na przyklad chlorkiem metylu lub siarczanem dwumetylu).Wynalazek wyjasniaja lecz nie ograniczaja po- io nizsze przyklady.Przyklad I. 23 czesci wagowe (1 mol) meta¬ licznego sodu zadano 57 czesciami wagowymi trójmetylobenzenu przy czym ogrzewano w atmo- 15 sferze azotu w temperaturze 120—130° C podczas jednoczesnego energicznego mieszania az do sto¬ pienia sie sodu. Nastepnie zawiesine pozosta¬ wiono w spokoju az do oziebienia sie. Przy odpo-7 49360 8 jacej sie z sodu i pirydyny, dodano do miesza¬ niny reakcyjnej okolo 5% w stosunku do jej cie¬ zaru wody, a nastepnie 50% trójmetylobenzenu.Zawartosc kolby ogrzewano do temperatury 95° w ciagu 15 minut, po czym oziebiono. Obecny wodorotlenek sodowy zostal przeprowadzony w latwo odsaczalna zawiesine, która odsaczono i przemyto trójmetylobenzenem. Przesacz desty¬ lowano pod cisnieniem atmosferycznym, w celu usuniecia pirydyny, po czym frakcjonowano pod cisnieniem 15 mm Hg azeby usunac trójmetylo- benzen i wreszcie destylowano dwupirydyl pod tym samym cisnieniem. Otrzymano produkt w .po¬ staci bezbarwnego oleju, który szybko krystali¬ zowal w postaci bialego produktu stalego, zawie¬ rajacego 80—90% 4,4'-dwupirydylu.Podana tablica przedstawia wyniki otrzymane w 28 doswiadczeniach przy zastosowaniu róznych warunków reakcji. W kazdym z tych doswiadczen stosowano wyzej opisany sposób, stosujac w przy¬ blizeniu 4 mole pirydyny na kazdy atom sodu, a zawiesina sodu zawierala w przyblizeniu 29% wagowo metalicznego sodu.Gdy reakcje sodu i pirydyny prowadzono w temperaturze 28—32° C, reakcja byla o wiele po¬ wolniejsza i koncowa wydajnosc dwupirydyli znacznie mniejsza. Wydajnosc w stosunku do pi¬ rydyny wynosila 11,9%, a w stosunku do sodu 5,7% a mieszanina dwupirydyli zawierala 79,3% izomeru 4,4'.Przyklad II. Przyklad ten wyjasnia stadium utleniania przy zastosowaniu chloru do procesu.Produkt reakcji sodu i pirydyny otrzymany wedlug przykladu I przy zastosowaniu 23 czesci wagowych (1 mol) metalicznego sodu i 316 czesci wagowych pirydyny (4 mole) uzyskany w tempe¬ raturze 60° C i traktowano chlorem w ilosci rów¬ nowaznej ilosci obecnego sodu, przez przepusz¬ czanie gazu podczas energicznego mieszania i oziebienie, w celu utrzymania temperatury na wymaganym poziomie. Pod koniec reakcji czar¬ ne zabarwienie posredniego punktu znikalo i za¬ wartosc kolby stanowila brazowa galaretowata mase. Dodano trójmetylobenzen w ilosci odpo¬ wiadajacej 25% wagowym zawartosci kolby i pro¬ dukt ogrzewano do temperatury 130° C mieszajac w ciagu pól godziny. Nastepnie oziebiono i od¬ saczono od wodorotlenku sodowego, a pozostale po odsaczeniu ciasto przemyto trójmetylobenze¬ nem.Przesacz analizowano, calkowita wydajnosc dwu- pirydylu w stosunku do zuzytej pirydyny wyno¬ sila 84%, a wydajnosc 4,4' — dwupirydylu — 49,5%.Przyklad III. Powtórzono proces wedlug przykladu I stosujac do reakcji 23 czesci wago¬ we sodu (1 mol) sodu metalicznego i 474 czesci wagowe (6 moli) pirydyny. Reakcje prowadzono 5 w temperaturze 100° C, a utlenianie w tempera¬ turze 60° C. Calkowita wydajnosc dwupirydylu wynosila 45% wydajnosci teoretycznej w stosun¬ ku do uzytego sodu i 60% wydajnosci teoretycz¬ nej w stosunku do uzytej pirydyny. Natomiast 10 wydajnosc 4,4' — dwupirydylu wynosila 29% wy¬ dajnosci teoretycznej w stosunku do uzytego sodu i 38% — w stosunku do pirydyny.Przyklad IV. Powtórzono proces wedlug przykladu I stosujac 23 czesci wagowe (1 mol) 15 sodu metalicznego i 790 czesci wagowych (10 moli) pirydyny. Reakcje prowadzono w temperaturze 115° C, a utlenianie w temperaturze 60° C. Calko¬ wita wydajnosc dwupirydylu wynosila 31% teorii w stosunku do uzytego sodu i 64% teorii w sto- 20 sunku do pirydyny. Natomiast wydajnosc 4,4' — dwupirydylu wynosila 26% teorii w stosunku do uzytego sodu i 53% w stosunku do uzytej piry¬ dyny. 25 40 PL