Beschreibung
Verfahren zur extraktiven Abtrennung von 2-Alkylthio-5- phenylpyrimidinen aus ihren Reaktionsgemischen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur extraktiven Abtrennung von speziellen substituierten Phenylpyrimidinen aus einem Reaktionsgemisch, das bei der Synthese dieser Phenylpyrimidine entsteht. Die Abtrennung erfolgt durch einen Gegenstromverteilungsprozeß des Gemisches in einem Verteilungsbett aus zwei nicht miteinander mischbaren Phasen.
Das Strukturelement der 5-Phenylpyrimidine hat in jüngerer Zeit große Bedeutung bei der Entwicklung neuer Komponenten für flüssigkristalline Mischungen erhalten (siehe z.B. EP-Δ 0 295 370, EP-A 0 248 335). In EP-A 0 295 370 werden insbesondere 2-Alkylthio-5-phenylpyrimidine der nachstehenden allgemeinen Formel (I) als Komponenten ferroelektrischer Flüssigkriεtallmischungen beschrieben,
wobei
R1 H oder ein Alkyl mit 1 bis 15 C-Atomen
X ein Sauerstoffatom oder eine Einfachbindung und
R2 ein Alkyl mit 1 bis 15 C-Atomen bedeuten.
2-Alkylthio-5-[4-hydroxyphenyl]-pyrimidine der allgemeinen Formel (Ib) sind strategische Vorstufen für die Synthese weiterer wichtiger Komponenten ferroelektrischer Flüssigkristallsysteme (siehe z.B. Jap. J. App. Phys., Vol. 27, No. 12, 1988, pp. L2241-L2244) .
wobei R2 die obengenannte Bedeutung hat.
Aufgrund der zunehmenden Bedeutung von Flüssigkristallsystemen im Zusammenhang mit elektrooptisehen Schalt- und Anzeigevorrichtungen (siehe z.B. EP-A 0 032 362) ist man daran interessiert, geeignete Komponenten von Flüssigkristallmischungen nicht nur in kleinem Maßstab (Gramm-Mengen) gewinnen zu können, sondern auch Verfahren zu entwickeln, die eine Bereitstellung von größeren Mengen reiner Komponenten ermöglichen.
Bei der Darstellung der Phenylpyrimidine der Formel (I) aus l-Dimethylamino-3-dimethylimonio-2-[4-subst. phenyl]- propen- (1)-Verbindungen und S-Alkyl-isothioharnstoff- hydrobromiden fallen insbesondere die Phenylpyrimidine (Ib) mit freier OH-Gruppe (siehe Schema 1, analog Z. Chem. 17, 293 (1977)) am Phenylring in Form zäh-viskoser, plastischer Reaktionsgemische an.
Schema 1
py
X : Naphthalin- 2- sulf onat
Neben dem gewünschten Produkt (I) enthalten diese Reaktionsgemische noch eine Reihe von Nebenprodukten unbekannter Struktur, die nicht mit vertretbarem Aufwand durch klassische technische Reinigungsmethoden wie Kristallisation oder Destillation von (I) abgetrennt werden können, zumal die thermische Stabilität der Produkte (I) begrenzt ist.
Zur Weiterverarbeitung zu Komponenten ferroelektrischer Flüssigkristallmischungen müssen insbesondere die Produkte (Ib) in hoher Reinheit vorliegen, da Verunreinigungen Folgereaktionen, wie beispielsweise die Oxidation zum Sulfon, auslösen können. Für den Einsatz in Flüssigkristallmischungen müssen die Produkte (I) bzw. die daraus hergestellten Komponenten von hoher Reinheit sein, da Verunreinigungen jeglicher Art die Funktionsweise der Flüssigkristallmischungen in elektrooptischen Schalt- und Anzeigevorrichtungen beeinträchtigen können.
Es ist bekannt, daß die Nebenprodukte bei der Herstellung der Phenylpyrimidine mit Hilfe der Säulenchromatographie mit Dichlormethan als Laufmittel vom gewünschten Produkt (I) abgetrennt werden können. Hierbei handelt es sich um ein diskontinuierliches und umständliches Laborverfahren, ias für den Einsatz im technischen Maßstab ungeeignet ist. Der Einsatz von ökologisch bedenklichen Laufmitteln wie z.B. Dichlormethan ist ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens.
Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zu finden, das zur kontinuierlichen und schonenden Abtrennung der Nebenprodukte der Synthese der Verbindungen (I) geeignet ist und auch im größeren (technischen) Maßstab durchgeführt werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur speziellen extraktiven Abtrennung der Nebenprodukte der Synthese der
Phenylpyrimidine (I), bei dem das Reaktionsgemisch aus der Synthese von ("I) in ein mehrstufiges Extraktor-Verteilungsbett aus zwei nicht mischbaren organischen Phasen eingespeist wird.
Es wurden spezifische Lösemittelkombinationen gefunden, bei denen das eine Lösemittel als spezifische Aufnehmerphase für die Produkte (I) fungiert und die andere Phase bevorzugt die Nebenkomponenten der Synthese aufnimmt.
Durch die mehrstufige Gegenstro arbeitsweise insbesondere nach Art der VanDijck-Verteilung (siehe Houben-Weyl, Thieme-Verlag Stuttgart, 4. Auflage 1958, Bd I, 1, S. 249-255 (0. Jübermann)) gelingt es, an einem Ende des Verteilungsbetts eine organische Phase zu gewinnen, die praktisch nur noch das Phenylpyrimidin (I) enthält, während am anderen Ende eine organische Phase abläuft, die hochangereichert die Nebenprodukte enthält.
Als Phasen sind prinzipiell zahlreiche Kombinationen von miteinander nicht mischbaren Lösungsmitteln geeignet. Als Aufnehmerphase für die Phenylpyrimidine (I) dient bevorzugt Ethylacetat, als Aufnehmerphase für die Nebenprodukte wird bevorzugt Ethylenglykol eingesetzt. Das Mengenverhältnis Ethylacetat Ethylenglykol liegt vorzugsweise im Bereich von 5/1 bis 1/5, besonders bevorzugt von 5/1 bis 1/1, insbesondere von 3/1 bis 2/1.
Andere zur Abtrennung von (I) aus der Reaktionsmischung besonders geeignete, nicht mischbare organische Lösemittelpaare sind n-Heptan/Methanol, Dichlormethan/Ethylenglykol, Dichlormethan/Glycerin, Xylol/Ethylenglykol, Methylisobutylketon/1,3-Propandiol, Acetophenon/Ethylenglykol, Formamid/Acetophenon, Toluol/1,3-Propandiol, wobei sich das gewünschte Phenylpyrimidin (I) überraschender Weise bevorzugt in der
jeweils erstgenannten Phase verteilt, während die Nebenkomponenten sich vorzugsweise in der jeweils anderen Phase anreichern.
Als 2-Alkylthio-5-phenylpyrimidine werden beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt Verbindungen der allgemeinen Formel (I) eingesetzt, bei denen R1 H oder ein Alkyl mit 2 bis 10 C-Atomen, X ein Sauerstoffatom und R2 ein Alkyl mit 2 bis 10 C-Atomen bedeuten. Besonders bevorzugt werden Phenylpyrimidine der Formel (Ib) mit freier OH-Gruppe am Phenylring eingesetzt,"wie z.B. 2-0ctylthio-5-(4-hydroxyphenyl)pyrimidin oder 2-Hexylthio-5- (4-hydroxyphenyl)-pyrimidin. Prinzipiell ist das Verfahren zur Reinigung aller Verbindungen der Formel (I) geeignet , unabhängig davon, ob die OH-Gruppe am Phenylring veräthert vorliegt oder nicht, oder ob der Phenylring nur durch einen Alkylrest substituiert ist.
Falls das Reaktionsgemisch aus der Synthese der Verbindungen (I) bei Raumtemperatur nicht flüssig ist kann es in einer der beiden organischen Phasen zu einer pumpfähigen Maische angeteigt werden. Diese Mischung kann dann kontinuierlich oder schubweise in das Verteilungsbett eingespeist werden.
In der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Reaktionsgemisch in Ethylenglykol 50 Gew.-%ig angeteigt und in der Mitte des Extraktionεapparats in das Verteilungsbett aus Ethylacetat und Ethylenglykol gepumpt. Die am einen Ende des Extraktionsapparats eingespeiste Ethylenglykolmenge wird entsprechend verringert. Das Reaktionsgemisch wird mehrstufig im Gegenstrom zwischen Ethylacetat und Ethylenglykol verteilt.
Aus der an einem Ende der Extraktionεapparatur ablaufenden Lösungsmittelphase kann das Produkt (bzw. die Nebenprodukte) durch Extraktion oder destillativ abgetrennt
werden. Beispielsweise wird aus der Ethylacetat-Phase, die das gewünschte Phenylpyrimidin (I) enthält, das Lösemittel destillativ abgetrennt und in die Extraktion zurückgeführt. Der verbleibende, zumeist flüssige, Rückstand stellt die Verbindung (I), vermischt mit Ethylenglykol, dar. Das Ethylenglykol stammt aus der Restlöslichkeit in der Ethylacetat Phase. Dieses Ethylenglykol wird durch Zugabe von Wasser, in dem es sich löst, entfernt. Das daraufhin spontan kristallisierende Produkt (I) kann zur Feinreinigung beispielsweise aus Ethylacetat umkristallisiert werden.
Die am anderen Ende des Verteilungsbetts zusammen mit den Nebenkomponenten ablaufende Ethylenglykolphase kann destillativ aufgearbeitet werden, wobei das Ethylenglykol in die Extraktion zurückgeführt werden kann.
Die extraktive Trennung der Verbindungen der allgemeinen Formel (I) von den Nebenprodukten der Synthese erfolgt am wirtschaftlichsten durch mehrstufige kontinuierliche oder schubweise kontinuierliche Gegenstromverteilung z.B. nach VanDijck (siehe oben). Als Apparate zur Durchführung der Extraktion sind alle gängigen Extraktionsapparate geeignet (z.B..Kolonnen, Mischabsetzer, Graesser-Extraktor, Zentrifugalextraktor). Die Temperatur bei der Extraktion sollte aus Gründen der begrenzten thermischen Stabilität der Verbindungen (schonende Verfahrensweise) vorzugsweise zwischen 10°C und 30°C liegen, insbesondere bei Raumtemperatur. Sie kann aber prinzipiell auch zwischen dem Schmelzpunkt der Reaktionsmischung und dem kritischen Punkt (Verschwinden der Mischungslücke) des zur Trennung verwendeten Lösemittelsystems liegen. Weitere Vorteile des beschriebenen schonenden Extraktions-Verfahrens liegen darin, daß der Reinheitsgrad der getrennten Komponenten über die Stufenzahl der Gegenstromverteilung und die Mengenverhältnisse nahezu beliebig hoch gewählt werden kann.
Die bevorzugten Bedingungen zur Extraktion der Phenylpyrimidine (I) durch eine der beiden Lδsemittelphasen werden durch den Verteilungskoeffizienten bestimmt. Dieser ist definiert als das Verhältnis der Konzentration von (I) in der bevorzugten Phase zur Konzentration von (I) in der weniger bevorzugten Phase.
Das Verfahren wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert:
Beispiel 1:
Es werden Mischungen von Ethylacetat und Ethylenglykol bei verschiedenen Volumenverhältnissen, aber gleichem Gesamtvolumen von zusammen 100 ml jeweils mit 10 g Reaktionsmischung aus der Herstellung von 2-Octylthio-5- (4- hydroxyphenyl)-pyrimidin versetzt. Durch intensives Vermischen bei Raumtemperatur werden die drei Komponenten miteinander ins Gleichgewicht gesetzt. Danach läßt man die Phasen absitzen, trennt sie und bestimmt die Konzentration an 2-Octylthio-5-(4-hydroxyphenyl)-pyrimidin in beiden Phasen. Durch Division beider Werte erhielt man die Verteilungskoeffizienten (KD) , die in nachstehender Tabelle aufgeführt sind und die die bevorzugte Verteilung des 2-0ctylthio-5- (4-hydroxyphenyl)-pyrimidins in Ethylacetat aufzeigen.
Tabelle: Verteilungskoeffizienten (KD) für die Verteilung von 2-0ctylthio-5- (4-hydroxyphenyl)-pyrimidin zwischen Ethylacetat und Ethylenglykol bei verschiedenen Fhasenvolu enverhältnissen EA:EG und Raumtemperatur (EA ■= Ethylacetat, EG = Ethylenglykol)
Gehalt Gehalt Phasenvolumen- Heterocyclus Heterocyclus verhältnis in EA in EG EA:EG Gew.- (Gew.-%)
Beispiel 2 ,
Eine Reaktionsmischung bestehend aus 63 Gew.-% 2-Hexylthio-5- (4-hydroxypheny y-pyrimidin und 37 Gew.-% an Reaktions-Nebenkomponenten wurde beim Phasenmengenverhältnis Ethylacetat:Ethylenglykol: Reaktionsmischung ■= 1,69:1,0:0,18 durch dreistufige schubweise Gegenstromverteilung im Laborschüttelzylinder in eine Ethylacetat-Phase mit 9,9 Gew.-% 2-Hexylthio-5-(4- hydroxyphenyl)-pyrimidin und eine Ethylenglykol-Phase mit nur noch 0,16 Gew.-% 2-Hexylthio-5-(4-hydroxyphenyl)- pyrimidin aufgespalten. Die Reaktionsmischung wurde in die zweite Stufe des Verteilungsbetts eingespeist. Die ablaufende Ethylacetat-Phase enthielt praktisch keine Nebenkomponenten mehr. Die Ausbeute an 2-Hexylthio-5- (4- hydroxyphenyl)-pyrimidin betrug 99 % nach Abdestillieren des Ethylacetats und Entfernen des restlichen Ethylenglykols durch Aufgabe von Wasser zum Sumpf der Destillation. Das Phenylpyrimidin weist einen hohen Reinheitsgrad auf.
Beispiel 3 :
Eine Reaktionsmischung aus 63 Gew.-%
2-Hexylthio-5-(4-hydroxyphenyl)-pyrimidin und 37 Gew.-% nicht definierter Nebenkomponenten wurde beim Phasenmengenverhältnis Ethylacetat:Ethylenglykol: Reaktionsmischung = 2,48:1,0:0,17 und Einspeisung der Reaktionsmischung in die zweite Stufe des Verteilungsbetts . durch dreistufige schubweise Gegenstromverteilung im Laborschüttelzylinder in eine Ethylacetat-Phase mit 4,7 Gew.-% 2-Hexylthio-5-(4-hydroxyphenyl)-pyrimidin und eine Ethylenglykol-Phase mit nur noch 0,51 Gew.-% 2-Hexylthio-5- (4-hydroxyphenyl)-pyrimidin aufgespalten. Die Ethylacetat-Phase enthielt praktisch keine Nebenkomponenten mehr. Die Ausbeute an 2-Hexylthio-5-(4-hydroxyphenyl)- pyrimidin betrug 94 % nach Abdestillieren des Ethylacetats und Entfernen des restlichen Ethylenglykols durch Aufgabe von Wasser zum Sumpf der Destillation.
Beispiel 4:
Eine Reaktionsmischung aus 63 Gew.-%
2-Hexylthio-5-(4-hydroxyphenyl)-pyrimidin und 37 Gew.-% nicht definierter Nebenkomponenten wurde beim Phasenmengenverhältnis Ethylacetat:Ethylenglykol: Reaktionsmischung = 2,28:1,0:0,33 durch fünfstufige kontinuierliche Gegenstromverteilung im Labormischabsetzer in eine Ethylacetat-Phase mit 11,8 Gew.-% 2-Hexylthio-5-(4- hydroxyphenyl)-pyrimidin und eine Ethylenglykol-Phase mit noch 1,0 Gew.-% 2-Hexylthio-5-(4-hydroxyphenyl)-pyrimidin aufgespalten. Die Ethylacetat-Phase enthielt praktisch keine Nebenkomponenten mehr. Die Ausbeute an 2-Hexylthio-5-(4-hydroxyphenyl)-pyrimidin betrug 96 % nach
Abdestillieren des Ethylacetats und Entfernen des restlichen Ethylenglykols durch Aufgabe von Wasser zum Sumpf der Destillation.
Die Überprüfung der Reinheit erfolgte nach gängigen Methoden (z.B. Spektroskopisch).