WO1997017319A1 - Verfahren zur herstellung von hydroxyhaltigen verbindungen aus ameisensäureestern - Google Patents

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Abstract

Ameisensäureester wird mit einer hydroxyhaltigen Verbindung in Gegenwart eines tertiären Amins als Umesterungskatalysator unter Bildung eines von dem als Reaktanten verwendeten Ameisensäureesters unterschiedlichen Ameisensäureesters und einer von der als Reaktant verwendeten hydroxyhaltigen Verbindung unterschiedlichen hydroxyhaltigen Verbindung umgeestert.

Description

Verfahren zur Herstellung von hydroxyhaltigen Verbindungen aus Ameisensäureestern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hydroxyhaltigen Verbindungen (1), insbesondere Alkoholen, und Ameisensäureestern einer hy- droxyhaltigen Verbindung (2) durch Umesterung eines Ameisensäureesters (im folgenden auch "Formiat") einer hydroxyhaltigen Verbindung (1) mit einer hydroxyhaltigen Verbindung (2), insbesondere Alkohol, in Gegenwart eines tertiären Amins.
Es ist bekannt, Ester R'COOR3 und/oder hydroxyhaltige Verbindung, insbe¬ sondere Alkohol R2OH, durch Umesterung von Estern R'COOR2 mit hydro- xyhaltiger Verbindung, insbesondere Alkohol R3OH, gemäß folgendem Reak¬ tionsschema herzustellen:
R'COOR2 + R3OH ** R'COOR3 + R2OH (Gleichung 1).
Derartige Umesterungsreaktionen sind beispielsweise in "The Chemistry of Carboxylic Acids and Esters, Ed. S. Patai, 1969, S. 103 ff; Methoden der organischen Chemie (Houben-Weyl), Band E5, Georg-Thieme Verlag, Stutt- gart 1985, Seite 702 ff" beschrieben.
Für den Fall, daß R1 = H ist, liegen Ester der Ameisensäure vor.
HCOOR2 + R3OH ** HCOOR3 + R2OH (Gleichung 2). /17319 PC17EP96/04923
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Einige ausgewählte Reaktionen, bei denen Ameisensäureester entstehen bzw. in technischen Prozessen anfallen und anschließend nach Gleichung 2 umgee- stert werden, sind im nachfolgenden aufgeführt.
1. Ameisensäureester werden in der synthetischen Chemie als Schutzgruppe für Alkohole eingesetzt. Zur Gewinnung des geschützten Alkohols muß anschließend die Schutzgruppe quantitativ entfernt werden.
2. Ameisensäureester treten in großtechnischen Prozessen auf, bei denen Ameisensäure als saurer Katalysator verwendet wird, und bei denen Al¬ kohole entstehen oder zugegen sind. Besonders bei hochsiedenden Ver¬ bindungen oder Polymeren sind diese Ester oftmals schwer durch einen physikalischen Reinigungsprozeß wie Umkristallisation, Extraktion oder Destillation von den gewünschten Alkoholen abzutrennen, da ihre physi- kaiischen Eigenschaften denen der freien Alkohole sehr ähnlich sind.
Daher wird zur Reinigung beispielsweise die chemische Methode der Umesterung angewendet. Die Umesterung muß quantitativ verlaufen, und Katalysatorrückstände dürfen nicht im Produkt verbleiben.
a) Beispielsweise wird bei der kationischen Polymerisation von Tetra¬ hydrofuran (THF) in Gegenwart von Ameisensäure Polyoxybutylen- glykolformiat (PolyTHF-Formiat) gebildet (EP-A-503 386). Um reines Polyoxybutylenglykol (PolyTHF) zu erhalten, muß die For- miat-Gruppe quantitativ entfernt werden.
b) Eine weitere Anwendung in der Polymerchemie ist die Polymerisa¬ tion von Vinylformiat zu Poly(vinylformiat). Um das großtechnische Produkt Poly(vinylalkohol) zu erhalten, müssen die in äquimolaren Mengen vorhandenen Formiatgruppen quantitativ entfernt werden. c) Bei der durch Ameisensäure katalysierten Prins-Reaktion von Olefi¬ nen mit Formaldehyd entstehen in großer Menge die Formiate der gebildeten Alkohole (D.R. Adams, S.P. Bhatnagar, Synthesis (1977) 661-672; J.S. Bajorek, R. Battaglia, G. Pratt, J.K. Sutherland, J. Chem. Soc. Perkin I (1974) 1243-1245). Um die Alkohole zu erhalten, muß der Ester im Laufe der Aufarbeitung gespalten werden.
3. Bei Reaktionen, die in Gegenwart von Formaldehyd durchgeführt wer- den, bildet sich häufig durch Cannizzaro-Reaktion von zwei Äquivalen¬ ten Formaldehyd ein Äquivalent Methanol und ein Äquivalent Ameisen¬ säure. Ameisensäure entsteht auch durch gekreuzte Cannizzaro-Reaktion von Aldehyden mit Formaldehyd. So entstandene Ameisensäure bildet leicht unter den Reaktionsbedingungen als Nebenprodukt unerwünschte Ameisensäureester. Auch hier gilt es, die Formiate entweder durch physikalische Trennmethoden bzw. durch chemische Reaktion zu entfer¬ nen.
Die Reaktionen nach Gleichung 1 und Gleichung 2 sind Gleichgewichtsreak- tionen. Ausgehend von dem Ester R'COOR2 kann das Gleichgewicht zugun¬ sten des gewünschten Produktes, dem Ester R'COOR3 bzw. dem Alkohol R2OH, verschoben werden, indem entweder eine Ausgangskomponente im Überschuß verwendet wird oder bevorzugter eine Reaktionskomponente, der entstehende Alkohol R2OH oder Ester R'COOR3, z.B. destillativ oder durch Kristallisation aus dem Gleichgewicht entfernt wird.
Es ist bekannt, daß zur Durchführung der Umesterung nach Gleichung 1 oder Gleichung 2 der Zusatz eines Katalysators erforderlich ist. Als typische
Umesterungskatalysatoren werden in der Technik u.a. Schwefelsäure, p-To- luolsulfonsäure, Natronlauge, Natriumalkoholate, Aluminiumalkoholate, Kali- umcyanid wie auch saure oder basische Ionenaustauscher verwendet. Diese Katalysatoren weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf: (siehe: The Chemistry of Carboxylic Acids and Esters, Ed. S. Patai, 1969, S. 103 ff; Methoden der organischen Chemie (Houben-Weyl), Band E5, Georg-Thieme Verlag, Stuttgart 1985, Seite 702 ff).
1. Die als Katalysator verwendeten starken Basen und Säuren können zu zahlreichen unerwünschten Nebenreaktionen wie Eliminierung, C-Alkylie- rung oder Polymerisation fuhren.
Falls das gewünschte Produkt der Alkohol R2OH ist, kommt es bei Verwendung von stark basischen anorganischen Verbindungen wie Natri¬ ummethanolat als Katalysator zu Ausbeuteverlusten, da ein Teil des Al¬ kohols als Alkoholat gebunden bleibt.
3. Für die Abtrennung des Katalysators bzw. Freisetzung von Alkoholen aus ihren Alkoholaten muß neutralisiert werden. Dadurch entstehen an¬ organische Salze, die vom gewünschten Produkt abgetrennt werden müs¬ sen. Der Katalysator wird dadurch zerstört. Das anorganische Salz muß entsorgt werden.
4. Die Isolierung des Wertproduktes bereitet insbesondere dann Schwierig¬ keiten, wenn der gewünschte Alkohol oder Ester hochsiedend, kristallin oder ein Polymer ist. Das entstandene anorganische Salz kann in diesem Fall nicht immer problemlos abgetrennt werden. Destillation in Gegen¬ wart eines anorganischen Salzes führt zur Zersetzung des gewünschten Alkohols oder Esters.
5. Werden saure oder basische Ionenaustauscher als Katalysator eingesetzt, so ist eine ReaJαionsführung bei höheren Temperaturen nicht möglich, da Ionenaustauscher in der Regel bei Temperaturen größer 60-100°C zersetzt werden. Andererseits kann auch hier eine Reaktionskomponente, z.B. der Alkohol R2OH, am festen Träger gebunden bleiben, wodurch Ausbeuteverluste bedingt sind. Die Standzeit von Ionenaustauschern ist begrenzt. Ein weiterer Nachteil heterogener Katalysatoren ist, daß diese für die Reaktion mit schwerlöslichen Verbindungen, insbesondere Poly¬ meren, ungeeignet sind.
6. Wird die Umesterungsreaktion in Gegenwart von Wasser durchgeführt, so wird als Konkurrenzreaktion die Verseifung des Esters unter Bildimg von Alkohol und anorganischem Salz der Säure - im Falle der Amei¬ sensäure z.B. von Natriumformiat - beobachtet. Die destillative Ab¬ trennung von Alkoholen in Gegenwart von Ameisensäureestern führt be¬ kanntermaßen zu Ausbeuteverlusten durch Zersetzung. Wasser bewirkt außerdem bei Verwendung anorganischer Alkoholate als Katalysator die
Bildung der freien Base und damit Desaktivierung des eigentlichen Kata¬ lysators. Beispielsweise bildet sich aus Natriumalkoholat und Wasser die als Katalysator weitaus weniger wirksame Natronlauge.
In der EP-A-0 289 921 ist beispielsweise die Umesterungsreaktion von Tri- memylolalkanformiat mit Methanol beschrieben. Als Katalysatoren können Al¬ kali- oder Erdalkalialkoholate verwendet werden. Zur Gewinnung des ge¬ wünschten Alkohols TMP muß vor der weiteren Aufarbeitung der Katalysa¬ tor entweder durch Ionenaustauscher oder durch Neutralisation mit einer Säure entfernt werden. Dadurch wird der Katalysator zerstört und der Aufar- beitungsprozeß verteuert sich. Als Nebenprodukt fällt ein anorganisches Salz, z.B. Natriumacetat oder -chlorid, an, das entsorgt werden muß.
Auch die Verwendung tertiärer Amine als Umesterungskatalysatoren ist für spezielle Reaktionen bekannt. In der DE-OS 24 60 039 ist die Umesterung von Acetoxymethylpyridinen mit Methanol zu Hydroxymethylpyridinen und Methylacetat in Gegenwart des tertiären Amins Triethylamin beschrieben. Der gebildete Alkohol Hydroxy- methylpyridin ist durch elektronenziehende Gruppen stabilisiert. Die in der DE-OS 24 60 039 offenbarte Umesterungsreaktion ist dadurch eingeschränkt, daß nur ein ausgewählter aktivierter Essigsäureester mit primärer Alkohol¬ funktionalität und Pyridinsubstituenten mit Methanol umgesetzt werden kann.
Die Reaktionsträgheit von nicht aktivierten Acetaten bei der Umesterung mit Methanol unter Verwendung tertiärer Aminbasen als Katalysator ist experi¬ mentell bestätigt worden. Bei dem Versuch, ein Gemisch der Mono-, Di- und Triacetate des 1,1,1-Trimethylolpropans (TMP) unter den in der DE-OS 24 60 039 beschriebenen Bedingungen zu TMP und Methylacetat urnzue- stern, konnte kein Umsatz zu Methylacetat festgestellt werden. Ebenso ge- lingt die Reaktion nicht durch Zugabe einer stärkeren Base mit Amidin- struktur wie beispielsweise l,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en (DBU). Erst nach Zugabe von methanolischem Tetramethylammoniumhydroxid, also von OH'Ionen, beobachtet man die Bildung von Methylacetat, allerdings mit sehr unbefriedigendem Umsatz.
Ein weiterer Nachteil des in der DE-OS 24 60 039 beschriebenen Verfah¬ rens ist, daß die Umesterung mit Ethanol praktisch gar keine Reaktion lie¬ fert und mit Isopropanol gänzlich versagt.
In der EP-A-0 168 167 ist die Umesterung von Ethylacetat und Propylencar- bonat mit Methanol unter Verwendung eines heterogenen aminhaltigen Kata¬ lysators offenbart. Das Katalysatorsystem besteht aus einer organischen Verbindung, welche ein VA-Gruppenelement enthält, und einem unlöslichen Feststoff als Träger. Die das VA Gruppenelement enthaltende organische Verbindimg kann ein Amin oder Phosphin sein. Beispielsweise ist die organische Verbindung ein Amidin, Guanidin, Mono-, Di- oder Trialkylamin.
Die Ausbeute an Methylacetat aus der Umesterung von Ethylacetat mit Me¬ thanol bei 24 Stunden Reaktionszeit beträgt lediglich 27% . Über die Stand- zeit des heterogenen Trägers sind keine Angaben gemacht.
Weitere Nachteile des in der EP-A-0 168 167 offenbarten Verfahrens sind die komplizierte Herstellung des Katalysators und die Beschränkung der Anwendung wegen der heterogenen Reaktionsfuhrung auf spezielle im Reak- tionsmedium lösliche Substrate.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, im Verfahren zur Herstellung von hydroxyhaltigen Verbindungen, insbesondere Alkoholen, und Ameisensäu¬ reestern durch Umesterung von Ameisensäureestern bereitstellen, die zuvor beschriebenen Nachteile und Eimchränkungen vermeidet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem man Ameisensäure¬ ester einer organischen hydroxyhaltigen Verbindung (1) und eine organische hydroxyhaltige Verbindung (2) in Gegenwart eines tertiären Amins als Umesterungskatalysator unter Bildung der organischen hydroxyhaltigen Ver¬ bindung (1) und Ameisensäureestern der hydroxyhaltigen Verbindung (2) umestert, wobei Verbindungen (1) und (2) voneinander verschieden sind. Beispielsweise werden hydroxyhaltige Verbindungen R2OH und Ameisensäu¬ reester HCOOR3 dadurch hergestellt, daß man Ameisensäureestern der Formel HCOOR2 und eine Verbindung der Formel R3OH in Gegenwart eines tertiären Amins als Umesterungskatalysator unter Bildung von Ameisen¬ säureester der Formel HCOOR3 und einer Verbindung der Formel R2OH umestert, wobei R2 und R3 voneinander verschiedene organische Reste sind. Die Reste R2 und R3 sind unter den Reaktionsbedingungen inerte organische Substituenten; sie sind für die Durchführbarkeit des Verfahrens nicht kri¬ tisch.
Bevorzugte Ausfuhrungsformen sind nachstehend beschrieben.
Die Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung sind vielfach.
1. Die Reaktion verläuft mit hoher Selektivität und hoher Ausbeute be¬ züglich der Ameisensäureester.
2. Die Reaktionsbedingungen und Reaktionstemperaturen sind milde. Es werden sehr milde Basen verwendet und damit Nebenreaktionen ver¬ mieden.
3. Ein Verlust an Katalysator tritt im Unterschied zu den zuvor beschrie¬ benen, aus dem Stand der Technik bekannten anorganischen und hetero¬ genen Katalysatoren nicht auf. Die Wiedergewinnung und Rückführung ist einfach.
4. Die Aufarbeitung der Reaktionsgemische erfolgt in einfacher Weise durch Destillation oder Kristallisation. Ein Neutralisationsschritt ist nicht notwendig.
5. Die Reaktion gelingt auch in Gegenwart von Wasser quantitativ.
Die für die Umesterung verwendete hydroxyhaltige Verbindung (2) wird in bezug auf die Hydroxylgruppen vorzugsweise in mindestens stöchiometrischer Menge in bezug auf die Ameisensäureestergruppen zum Ameisensäureester der hydroxy lhaltigen Verbindung (1) gegeben. Die Umesterung des Ameisensäureesters aus einer organischen hydroxyhalti¬ gen Verbindung (1), z.B. R2OH, insbesondere Alkohol, und Ameisensäure (bezüglich der Hydroxylgruppen) mit mindestens äquimolaren Mengen einer anderen organischen hydroxyhaltigen Verbindung (2) (bezüglich der Ester- gruppierung), insbesondere Alkohol R3OH, vorzugsweise in einem Mol Ver¬ hältnis Hydroxygruppe zu Estergruppe von 1 : 10, insbesondere 1 :5, in Ge¬ genwart eines tertiären Amins gelingt schnell und mit quantitativer Ausbeute und ist nicht wie die aus EP-A-0 289 921 bekannte Reaktion auf bestimmte Ameisensäureester beschränkt. Beispielsweise können gemäß einer Ausfüh- rungsform der Erfindung die Formiate des Trimethylolpropans mit Methanol in Gegenwart von Triethylamin quantitativ zu TMP und Methylformiat umgesetzt werden. Gleichermaßen reagieren die Ameisensäureester von sekundären, tertiären und aromatischen Alkoholen wie Cyclohexylformiat, tert.-Butylformiat, Phenylformiat nach Zugabe von Methanol und tertiärer Aminbase zum Alkohol und Methylformiat.
Die organische hydroxylhaltige Verbindung (1) kann eine oder mehrere Hy¬ droxylgruppen aufweisen, vorzugsweise 1 bis 6, besonders bevorzugt 1 bis 3 Hydroxylgruppen. Es kann sich auch um ein hydroxylgruppenhaltiges Poly- mer handeln, z.B. um einen Polyvinylalkohol. Sie kann die Formel R2OH aufweisen.
Der R2-Rest des umzuesternden Ameisensäureesters der Formel HCOOR2 ist dabei im allgemeinen ein gesättigter oder ungesättigter, verzweigter oder nicht verzweigter, linearer, ggf. substituierter KoWenwasserstoffrest mit vorzugsweise 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, insbesondere 2 bis 20 Kohlen¬ stoffatomen, besonders bevorzugt 3 bis 18 Kohlenstoffatomen, welcher ge¬ wünschtenfalls Ethergruppe(n), Estergruppe(n), Hydroxygruppe(n) oder Keton- gruppe(n) enthält, oder ein aromatischer Kohlenwasserstoff rest mit vorzugsweise 6 bis 12 Kohlen¬ stoffatomen, welcher gewünschtenfalls substituiert ist, oder ein Cycloalkylrest mit vorzugsweise 3 bis 12, insbesondere 6 bis 12 Kohlen¬ stoffatomen ist, welcher gewünschtenfalls substituiert ist, oder ein heterocyclischer Rest mit vorzugsweise 3 bis 12 Kohlenstoffatomen und 1 bis 3 Stickstoff atomen, welcher gewünschtenfalls substituiert ist, wobei die Substituenten aus Benzyl, Phenyl, Cyclohexyl, Pyridyl, Methyl- pyridyl, Hydroxy, Carboxyl, Alkyl, letztere mit vorzugsweise 1 bis 12 Koh¬ lenstoffatomen, ausgewählt sind.
Besonders bevorzugt ist für R2 Propyl, tert.-Butyl, Trimethylolpropanrest, Cyclohexyl, Phenyl, Hydroxypivalinsäureneopentylglykolesterrest, Polyoxybu- tylenrest, Di-trimethylolpropanrest oder Methy .pyridyl.
Der Rest R2 des umzuesternden Ameisensäureesters der Formel HCOOR2 kann auch durch weitere Reste funktionalisiert sein.
Die als Umesterungskatalysatoren verwendeten tertiären Amine können Ver¬ bindungen der allgemeinen Strukturformel RaRbRcN sein. Die Reste Ra, Rb, Rc sind gleich oder unterschiedlich. Vorzugsweise bedeuten sie jeweils un¬ abhängig voneinander ein verzweigter oder nicht verzweigter Alkylrest mit vorzugsweise 1 bis 12, bevorzugt 1 bis 6, am bevorzugtesten 1 bis 3 Koh¬ lenstoffatomen, Cycloalkylrest mit vorzugsweise 3 bis 12, insbesondere 6 bis 12 Kohlenstoff atomen oder aromatischer Kohlenwasserstoffrest mit vorzugs- weise 6 bis 12 Kohlenstoffatomen, welche gewünschtenfalls substituiert sein können.
Das tertiäre Amin kann auch eine heterocyclische tertiäre StickstoffVerbin- dung ausgewählt aus Heterocycloalkan, Heterocycloalken oder Heteroaromat mit vorzugsweise 3 bis 12 Kohlenstoffatomen und 1 bis 3 Stickstoffatomen sein.
Vorzugsweise wird als heterocyclische Stickstoffverbindung 1,4-Diazabicyclo- octan, N.N'-Dialkylpiperazin, N-Alkylpiperidin, N-Alkylaziridin, N-Alkylpyr- rol, N-Methylimidazol oder l,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en verwendet.
Der Alkylrest in den zuvor genannten Verbindungen ist vorzugsweise ein verzweigter oder nicht verzweigter, linearer Alkylrest mit vorzugsweise 1 bis 6, am bevorzugtesten 1 bis 4 Kohlenstoff atomen.
Der pK_-Wert des tertiären Amins sollte größer als 5 sein, bevorzugt zwi¬ schen 7 und 12 liegen. Die Wahl des Amins kann problemlos auf die ande¬ ren Reaktionskomponenten abgestimmt werden. Bevorzugt werden solche Amine verwendet, die einen Siedepunkt haben, der oberhalb des Siedepunk¬ tes des gebildeten Ameisensäureesters und des Siedepunktes der eingesetzten hydroxyhaltigen Verbindung (2), insbesondere Alkohol, liegt. Wird mit Me¬ thanol umgeestert, so eignen sich Amine mit einem Siedepunkt, der über dem des Methylformiats und dem des Methanols liegt, insbesondere Trial- kylamine wie Triethylamin und Tributylamin.
Vorzugsweise ist der Umesterungskatalysator trägerfrei bzw. homogen. Der Umesterungskatalysator wird bevorzugt in flüssiger Form zugesetzt.
Das tertiäre Amin kann in katalytischen Mengen von 0,01 bis 10 Mol%, bevorzugt von 0,1 bis 5 Mol%, bezogen auf Formiatgruppe als 100 Mol%, hinzugegeben werden. Ein Überschuß an tertiärem Amin, der über die vorhandene Menge an Ameisensäureäquivalenten hinausgeht, bringt keine Nachteile, da nach beendeter Umesterung alle Reaktionskomponenten wie- dergewonnen werden. Beispielsweise lassen sich leichtflüchtige Amine wie Trimethyl- oder Triethylamin einfach durch Destillation von dem hochsieden¬ den Alkohol abtrennen und wiederverwerten. Im Falle, daß das verwendete Amin höher als der Alkohol (1) bzw. R2OH siedet, kann umgekehrt verfah¬ ren werden. Zuerst wird der gewünschte Alkohol (1) bzw. R2OH durch Destillation vom tertiären Amin abgetrennt. Das verbleibende tertiäre Amin muß nicht aufgearbeitet werden, da der aminhaltige Rückstand direkt wieder zur Reaktion eingesetzt werden kann. In bestimmten Fällen ist ein Über¬ schuß an Aminkomponente von Vorteil, insbesondere dann, wenn sich das Amin als Lösungsmittel für die Reaktion eignet.
Als organische hydroxyhaltige Verbindungen (2) werden bei der Umesterung beispielsweise ein-, zwei-, dreiwertige oder höherwertige Alkohole mit bis zu 6 OH-Gruppen verwendet, z.B. der allgemeinen Formel R3OH.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rest R3 des für die Umesterung verwendeten Alkohols R3OH ein gesättigter oder ungesättigter, verzweigter oder nicht verzweigter linearer Kohlenwasserstoffrest mit vor¬ zugsweise 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, insbesondere 1 bis 8 Kohlenstoff¬ atomen, besonders bevorzugt 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, ein aromatischer KoMenwasserstoffrest mit vorzugsweise 6 bis 12 Kohlenstoff atomen oder ein Cycloalkylrest mit vorzugsweise 3 bis 12, insbesondere 6 bis 12 Kohlen¬ stoffatomen.
Beispiele des für die Umesterung verwendeten Alkohols R3OH sind Cycloh- exanol, Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Isopropanol, Isobutanol, tert.- Butanol und Benzylalkohol.
Die Alkohole R2OH und R3OH können primär, sekundär oder tertiär sein. Die Reste R2 und R3 können weitere OH-Gruppen tragen, und damit kann der Ester HCOOR2 oder HCOOR3 auch mehr als eine Ameisensäureester¬ gruppe aufweisen.
In der nachstehenden Ausführung wird Verbindung (1) am Beispiel R2OH und Verbindung (2) am Beispiel R*OH erläutert. Die Ausführungen gelten entsprechend für (1) und (2).
Die Anwendungsbreite der Umesterungsreaktion ist von den physikalischen Eigenschaften der Reaktionskomponenten abhängig. Es kann vorteilhaft sein, wenn der Alkohol R2OH und der Ester HCOOR2 höher sieden als der zur Umesterung verwendete Alkohol R3OH und der daraus entstehende Ester HCOOR3, also eine Abstufung der Siedepunkte HCOOR2 = R2OH > R3OH > HCOOR3 vorliegt.
Als bei der Umesterung einzusetzende Alkohole R3OH eignen sich für die Herstellung reinerer Produkte solche, die leichter flüchtig sind als die gebildete hydroxylhaltige Verbindung, beispielsweise der Alkohol R2OH. R3 kann eine primäre, sekundäre oder tertiäre Funktion darstellen. Falls R3OH weniger flüchtig ist als R2OH, so entstehen Produktgemische.
Besonders geeignet sind solche Alkohole, deren Siedepunkt höher als der des entsprechenden gebildeten Ameisensäureesters HCOOR3 ist, so daß der im Laufe der Umesterung gebildete Ameisensäureester durch Destillation aus dem Gleichgewicht entfernt werden kann. Dadurch kann ein hoher Über- schuß an Alkohol vermieden werden. Ebenso sollte der Alkohol R3OH möglichst kein Azeotrop mit dem Ameisensäureester bilden. Die Umesterung gelingt jedoch selbst in einem derartigen Fall durch gemeinsames Entfernen von leichtsiedendem Alkohol und Ameisensäureester. Alkohole wie Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Isopropanol, Isobutanol, tert. -Butanol eignen sich besonders. Methanol wird bevorzugt eingesetzt, da hier eine große Siede- Punktsdifferenz zwischen Alkohol und Ameisensäureester besteht. Zur quanti¬ tativen Durchführung der Reaktion wird R3OH in mindestens stochiome¬ trischen Mengen bezüglich der Ameisensäureäquivalente eingesetzt. In be¬ stimmten Fällen ist es vorteilhaft, die Menge des Alkohols R3OH zu erhö- hen, da diese dann zugleich als Lösungsmittel für den umzuesternden Ester HCOOR2 oder den gebildeten Alkohol R2OH dient. Falls bei der Umeste¬ rung ein kristalliner und in dem Reaktionsmedium schwer löslicher Alkohol R2OH entsteht, kann letzterer nach der Reaktion direkt aus R3OH oder dem Amin durch Kristallisation isoliert werden. Im Falle eines polymeren Alko- hols kann dieser aus R3OH beispielsweise ausgefällt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird bei der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Alkoholen durch Umesterung eines Amei¬ sensäureesters nach Gleichung 2, wobei der Alkohol R2OH und der Ester HCOOR2 höher sieden als der zur Umesterung verwendete Alkohol R3OH und der daraus entstehende Ester HCOOR3, zur Verfügung gestellt.
Die Umesterungsreaktion kann entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden. Die verwendete Reaktionstemperatur ist von den Siede- punkten der Reaktionskomponenten abhängig. Die Umesterung kann unter vermindertem Druck, bei Atmosphärendruck oder Überdruck durchgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit Methanol als Ume- sterungsreagenz und Triethylamin als Katalysator wird der Ameisensäureester HCOOR2 bei Atmosphärendruck bei einer Temperatur von 35 bis 65 °C umgesetzt. Dabei beträgt das molare Verhältnis der eingesetzten Reaktions¬ komponenten HCOOR2/Methanol/Triethylamin 1/1-10/0.0005-0.1, insbesondere etwa 1/5/0,05. Die Menge an Methanol kann jedoch bis auf die dem Formi- at entsprechende Menge reduziert werden. Das gebildete Methylformiat wird kontinuierlich in einer gebräuchlichen Destillationsapparatur abdestilliert. Zur kontinuierlichen Durchfuhrung eignet sich eine Gegenstromkolonne. Die Umesterung kann auch in Gegenwart weiterer inerter Lösungsmittel durchgeführt werden, die zur Homogenisierung der Reaktionskomponenten zugesetzt werden. Beispielsweise können acyclische und cyclische Ether wie Tetrahydrofuran, Dioxan und Diethylether oder aromatische Verbindungen wie Toluol als auch gegenüber dem Reaktionsmedium stabile Ester wie Ethylacetat eingesetzt werden.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung ist, daß die Um¬ esterung von Ameisensäureestern HCOOR2 auch vollständig in Gegenwart von Wasser durchgeführt werden kann.
Im Unterschied hierzu verläuft die Umesterung von Ameisensäureestern des Trimethylolpropans (TMP) mit einem l:l-Gemisch aus Methanol und Wasser bezogen auf das Volumen mit 10 Mol %-iger Natronlauge als Katalysator nicht quantitativ. Durch Verseifung wird Natriumformiat gebildet, und auch bei längerem Behandeln mit Methanol wird nur ein Umsatz von maximal 75% bezüglich der TMP-Formiate beobachtet. Bei der destillativen Isolierung des TMP stört zudem das gebildete Natriumformiat.
Die Anwendungsbreite der gefundenen Umesterungsreaktion soll an Beispielen veranschaulicht werden.
Die erfindungsgemaße Umesterungsreaktion der Ameisensäureester verläuft selektiv bezüglich der Formiatfunktionalität in Gegenwart anderer Esterfunk- tionen. Mono- und Diameisensäureester von Hydroxypivalinsäureneopentyl- glykolester (HPN), die als Nebenprodukte bei der großtechnischen Produktion von HPN, wie sie z.B. in DE 19 58 463 oder DE 22 33 357 beschrieben ist, entstehen, können selektiv umgesetzt werden. Erfindungsgemäß gelingt die selektive Umesterung dieser Mono- und Diameisensäureester von HPN mit einem Gemisch aus Methanol und Triethylamin zu HPN und Methyl- formiat ohne Spaltung der zentralen Estergruppe des HPN. Nach Entfernung von überschüssigem Methanol/ Triethylamin wird HPN ohne Verluste erhal¬ ten. Bei Verwendung der typischen "anorganischen" Umesterungskatalysatoren wie beispielsweise Natriummethanolat wird hingegen die Bildung von Hy- droxypivalinsäuremethylester und Neopentylglykol beobachtet.
Auch Ameisensäureester polymerer Verbindungen lassen sich sehr gut ume- stern. Beispielsweise kann Polytetrahydrofuran (Poly-THF), das an den alkoholischen Endgruppen durch Ameisensäure verestert ist (ein Produkt, das bei der THF-Polymerisation mit W-Katalysatoren und Ameisensäure (EP-A-0 503 394) entsteht), mit Methanol und Triethylamin als Katalysator nach einer Ausführungsform quantitativ zu Poly-THF umgesetzt werden. Die Isolierung des gereinigten Poly-THF erfolgt in einfacher Weise durch Ab¬ destillieren von Methanol und Triethylamin.
Überraschenderweise werden bei Ersatz der anorganischen Base Natronlauge durch ein tertiäres Amin wie beispielsweise Triemylamin die Formiate des TMP zu TMP annähernd quantitativ umgesetzt. Auch hier wird teilweise die Verseifung zu Ameisensäure, die als Triethylarnmoniumformiat gelöst vor- liegt, beobachtet. Die Reaktion verläuft jedoch auch bei einem pH-Wert < 7 quantitativ. Damit ist die Katalyse durch ein tertiäres Amin wie Triethyla¬ min der Katalyse durch Natronlauge überlegen. Zudem bietet die durch ein tertiäres Amin katalysierte Reaktion Vorteile durch vereinfachte Aufarbeitung, da sich Alkohole auch in Gegenwart von organischen Ameisensäuresalzen unzersetzt destillieren lassen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert. Vergleichsbeispiel 1
Dieses Vergleichsbeispiel zeigt die Reaktionsträgheit von nicht aktivierten Acetaten bei der Umesterung mit Methanol.
132 g (0,75 Mol) eines Gemisches aus Trimethylolpropan (TMP), TMP-mo- noacetat, TMP-diacetat und TMP-triacetat (GC-Flächen % = 32/50,5/16/1,5) werden in 240 g Methanol (7,5 Mol) gelöst. Nach Zugabe von 38,5 g (0,38 Mol) Triethylamin wird zum Rückfluß erhitzt. Am Kolonnenkopf wird eine Temperatur von 65 °C beobachtet, Methylacetat kann nicht nachgewiesen werden. Das prozentuale Verhältnis der Acetate im Sumpf bleibt unver¬ ändert.
Das gesamte Methanol und Triethylamin werden abdestilliert, und der Reaktionsmischung werden 200 ml Methanol und 22 g 1,8-Diazabicy- clo[5.4.0]undec-7-en (DBU) zugesetzt. Nach Erwärmen zum Rückfluß wird kein Umsatz der Acetate beobachtet. Die Kolonnenkopftemperatur beträgt 65°C.
Schließlich werden der Reaktionsmischung 20 g einer 25% igen wäßrigen Te- tramemylammoniumhydroxid-Lösung hinzugefügt. Der Siedepunkt am Kolon¬ nenkopf erniedrigt sich, und es kann ein Gemisch aus Methanol und Methyl¬ acetat abdestilliert werden. Der Umsatz der TMP-Acetate ergibt sich aus der gaschromatographischen Analyse: TMP 43%, TMP-monoacetat 51 %, TMP-di- acetat 6%, TMP-triacetat 1 %.
Beispiel la)
Herstellung eines Gemisches der Ameisensäureester des 1,1, 1-Trimethylol- propans (TMP). 134 g TMP werden mit 46 g Ameisensäure 5 Stunden zum Rückfluß er¬ hitzt. Anschließend wird gebildetes Wasser abdestilliert. Zuletzt wird ein Ge¬ misch aus TMP und den Mono-, Di- und Triformiaten von TMP abdestil¬ liert. Die GC-Analyse ergibt ein Verhältnis von 49/40/10/1.
Beispiel lb)
81 g (0,5 Mol) des erhaltenen Gemisches aus a) werden in 64 g Methanol gelöst. Nach Zugabe von 4 g Triethylamin wird bei 40°C Sumpftemperatur gerührt. Nach 15 Minuten ergibt die GC-Analyse des Reaktionsgemisches ei¬ ne Zusammensetzung von 80/18/2/-. Der Ansatz wird nun erhitzt, und am Kolonnenkopf wird Methylformiat abdestilliert, bis die Umsetzung nach einer Stunde quantitativ verlaufen ist.
Beispiel 2
Es wird wie in Beispiel lb) verfahren. Anstelle von Triethylamin werden 4g l,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en (DBU) als Katalysator verwendet. Nach 5 Minuten sind 95% TMP und 5% TMP-Monoformiat vorhanden. Durch Ab- destillieren von Methylformiat erreicht man quantitativen Umsatz.
Beispiel 3
Es wird wie in Beispiel lb) vorgegangen. Einsatzstoffe für die Umesterung sind 81 g TMP-Formiat-Gemisch (Beispiel la)), 80 g Methanol, 28,5 g N,N'-D_methylpiperazin. Nach 2 Stunden können im Reaktionsgemisch keine TMP-Formiate mehr nachgewiesen werden. Beispiel 4
Es wird wie in Beispiel lb) vorgegangen. Einsatzstoffe sind 81 g TMP-For¬ miat-Gemisch (Beispiel la)), 80 g Methanol, 28,5 g N-Ethylpiperidin. Nach 2 Stunden können im Reaktionsgemisch keine TMP-Formiate mehr nachge¬ wiesen werden.
Beispiel 5
Es wird wie in Beispiel lb) vorgegangen. Einsatzstoffe sind 246 g TMP- Formiat-Gemisch (Beispiel la)), 370 g Ethanol, 76 g Triethylamin. Die Temperatur am Kolonnenkopf beträgt 54 - 55°C (Sdp.: Ethylformiat). Es wird kontinuierlich abdestilliert. Nach 1 Stunde steigt die Temperatur auf 78°C an. Das Destillat enthält 88,7% Ethylformiat, 10,2% Ethanol, 1,1 % Triethylamin. Der Umsatz bezüglich der TMP-Formiate ist 100%.
Beispiel 6
Es wird wie in Beispiel 5 vorgegangen. Einsatzstoffe sind 246 g TMP-For- miat-Gemisch (Beispiel la)), 480 g Isopropanol, 76 g Triethylamin. Die Temperatur am Kolonnenkopf beträgt anfangs 72 °C. Es wird kontinuierlich abdestilliert. Innerhalb von 4 Stunden steigt die Temperatur auf 82 °C an. Das Destillat enthält 40% Isopropylformiat, 35% Isopropanol, 25% Triethyla¬ min. Der Umsatz bezüglich der TMP-Formiate ist 100%
Beispiel 7
Es wird wie in Beispiel 5 vorgegangen. Einsatzstoffe sind 66,5 g TMP-For¬ miat-Gemisch (Beispiel la)), 148 g tert. -Butanol, 19 g Triethylamin. Die Temperatur am Kolonnenkopf beträgt anfangs 77 °C. Es wird kontinuierlich abdestilliert. Innerhalb von 1 Stunde steigt die Temperatur auf 82°C an. Das Destillat enthält 15% tert.-Butylformiat, 70% tert. -Butanol, 15 % Triethy¬ lamin. Der Umsatz bezüglich der TMP-Formiate ist 100%.
Beispiel 8
42 g eines Gemisches aus Cyclohexanol und Cyclohexylformiat (65/35) wer¬ den in 64 g Methanol gelöst. Nach Zugabe von 20 g Triethylamin wird zum Sieden erhitzt und über eine Kolonne kontinuierlich Methylformiat ab- destilliert. Nach 4 Stunden beträgt das Verhältnis von Cyclohexanol zu Cy¬ clohexylformiat 97/2,5.
Beispiel 9
Es wird wie in Beispiel 8 vorgegangen, nur mit folgenden Einsatzstoffen: 15 g eines Gemischs aus tert. -Butanol und tert.-Butylformiat (97,8/1,2), 32g Methanol, 10 g Triethylamin. Nach 4 Stunden beträgt das Verhältnis von tert.-Butanol zu tert.-Butylformiat 99,1/0,9.
Beispiel 10
Es wird wie in Beispiel 8 vorgegangen, nur mit folgenden Einsatzstoffen: 82,4 g eines Gemischs aus Hydroxypivalinsäureneopentylglykolester (HPN) und Hydroxypivalinsäureneopentylglykolestermono- und diformiat (94,5/3,2/2,3), 65 g Methanol, 4 g Triethylamin. Es wird 2 Stunden bei 40 °C gerührt. Gaschromatographisch wird die Bildung von Methylformiat festgestellt. Die HPN-Komponenten liegen in einem Verhältnis von 98,8/1,2/- vor. Durch Abdestillieren von Methylformiat und Methanol wird vollständi¬ ger Umsatz bzgl. der HPN-Formiate erreicht. Es kann keine sonstige Neben- komponente nachgewiesen werden. Vergleichsbeispiel 2
Es wird wie in Beispiel lb) vorgegangen. Einsatzstoffe sind 243 g TMP- Formiat-Gemisch (Beispiel la)), 240 g Methanol, 135 g Wasser und 6 g NaOH. Der pH-Wert der Lösung sinkt im Laufe der Reaktion von 9,8 auf 5,3. Bei 65 °C Sumpftemperatur wird bei einer Temperatur von 35 °C am Kolonnenkopf Methylformiat abdestilliert. Nach 1 Stunde steigt die Kopftem¬ peratur auf 65 °C an. Die Zusammensetzung der Reaktionslösung ergibt ein Verhältnis von TMP und Mono-, Di- und Triformiaten von 83/16/1/-.
Beispiel 11
Es wird wie in Vergleichsbeispiel 2 vorgegangen. Einsatzstoffe sind 243 g TMP-Formiat-Gemisch (Beispiel la)), 240 g Methanol, 135 g Wasser und 15 g Triethylamin. Der pH-Wert der Lösung sinkt im Laufe der Reaktion (3 Stunden) von 10,2 auf 5,3. Bei 65 °C Sumpftemperatur wird bei einer Temperatur von 35 °C am Kolonnenkopf Methylformiat abdestilliert. Nach 3 Stunden steigt die Kopftemperatur auf 65 °C an. Die Zusammensetzung der Reaktionslösung ergibt ein Verhältnis von TMP und Mono-, Di- und Trifor- miaten von 96,5/3,5/-/-.
Beispiel 12
Als Edukt eingesetztes PolyTΗF-Monofoπniat (hergestellt durch ^PW.jO^- katalysierte THF-Polymerisation in Gegenwart von Ameisensäure wie in EP- A-503 394 beschrieben wies folgende Kennzahlen auf: Mn = 1030 (nach OH-Zahl und VZ); VZ = 55 mg KOH/g; OH-Zahl = 54 mg KOH/g. 500 g PolyTΗF-Monoformiat 1030 (0,5 mol) wurden in einer Destillations¬ apparatur in 480 g Methanol (15 mol) gelöst. Nach Zugabe von 5 g Triet¬ hylamin (0,05 mol; unter Argon zuvor destilliert) wurde das Reaktions¬ gemisch auf 67°C (Sumpftemperatur) erhitzt. Gebildetes Methylformiat (Kp. = 32 °C) wurde über eine Vigreux-Kolonne abdestilliert, bis die Kopftem¬ peratur 65 °C betrug. Zur Entfernung von überschüssigem Methanol, Kataly¬ sator und niedermolekularen Oligomeren wurde der Rückstand im Vakuum bei 40 °C eingeengt und anschließend bei 230°C/0,5 mbar kurz wegdestil¬ liert.
Als Destillationsrückstand verbleibendes PolyTHF (440 g) wies folgende Kennzahlen auf: Mn = 1170 (OH-Zahl);
OH-Zahl = 96 mg KOH/g; VZ = 0,3 mg KOH/g; N-Restgehalt = 5 ppm (Bestimmungsmethode: Chemische Lumineszenz; Nachweisgrenze ca. 1 ppm; Lit.: "Quantitative Organische Elementaranaly¬ se", Friedrich Ehrenberger, VCH Weinheim, 1991, S. 382 ff; verwendetes Gerät: Fa. Dohrmann, DN 1000) Nach Auswertung der VZ beträgt der Umsatz 99,5%;
Abkürzungen: OH-Zahl = Hydroxylzahl; VZ = Verseifungszahl; Mn = mittleres Molekulargewicht (Zahlenmittel)

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von hydroxyhaltigen Verbindungen und Ameisensäureestern durch Umesterung, dadurch gekennzeichnet, daß man
Ameisensäureester einer organischen hydroxyhaltigen Verbindung (1) und eine organische hydroxyhaltige Verbindung (2) in Gegenwart eines tertiären Amins als Umesterungskatalysator unter Bildung der organi¬ schen hydroxyhaltigen Verbindung (1) und Ameisensäureestern der hydroxyhaltigen Verbindung (2) umestert, wobei Verbindungen (1) und
(2) voneinander verschieden sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die für die Umesterung zu verwendende hydroxyhaltige Verbindung (2) in bezug auf die Hydroxygruppen in mindestens stöchiometrischer Menge zum
Ameisensäureester der hydroxyhaltigen Verbindung (1) in bezug auf die Ameisensäureestergruppen zugibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ameisensäureester einer hydroxyhaltigen Verbindung (1),
Ameisensäureester eines Polytetrahydrofurans, insbesondere den end¬ ständigen Monoameisensäureester, oder
Ameisensäureester des Trimethylolpropans, oder
Ameisensäureester der Hydroxypivalinsäureneopentylglykolester
oder Ameisensäureester eines Polyvinylalkohols verwendet, wobei vorzugsweise sämtliche Ameisensäuregruppen entfernt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als tertiäres Amin für die Umesterung
ein tertiäres Amin a) der allgemeinen Strukturformel RaRbRcN, wobei die Reste Ra, Rb, Rc gleich oder unterschiedlich sein können und jeweils unabhängig voneinander einen verzweigten oder nicht verzweig- ten Alkylrest mit vorzugsweise 1 bis 12, bevorzugter 1 bis 6, insbeson¬ dere 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, Cycloalkylrest mit vorzugsweise 3 bis 12, insbesondere 6 bis 12 Kohlenstoffatomen oder aromatischen Kohlen¬ wasserstoffrest mit vorzugsweise 6 bis 12 Kohlenstoffatomen bedeuten, welche gewünschtenfalls substituiert sein können, oder
b) eine heterocyclische tertiäre Stickstoffverbindung ausgewählt aus Heterocycloalkan, Heterocycloalken oder Heteroaromat mit vorzugsweise 3 bis 12 Kohlenstoffatomen und 1 bis 3 Stickstoffatomen verwendet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Umesterung als heterocyclische Stickstoffverbindung 1,4-Diazabicyclooc- tan, N,N'-Dialkylpiperazin, N-Alkylpiperidin, N-Alkylaziridin, N-Alkyl- pyrrol, N-Methy limidazol oder l,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en ver¬ wendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das tertiäre Amin in einer Menge von 0,01 bis 10 Mol%, be¬ vorzugt in einer Menge von 0,1 bis 5 Mol%, bezogen auf die Amei¬ sensäureestergruppen als 100 Mol%, einsetzt. /17319 PCIYEP96/04923
- 25 -
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Umesterung als hydroxyhaltige Verbindung solche mit 1 bis 6 OH-Gruppen, vorzugsweise ein-, zwei- oder dreiwertige, ins¬ besondere einwertige Alkohole verwendet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Umesterung als organische hydroxyhaltige Verbindung (2) einen Alkohol mit der Formel R3OH, wobei R3 ein gesättigter oder ungesättigter, verzweigter oder nicht verzweigter, linearer Kohlenwasser- Stoffrest mit vorzugsweise 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, insbesondere 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt 1 bis 3 Kohlenstoffato¬ men, ein aromatischer Kohlenwasserstoffrest mit vorzugsweise 6 bis 12 Kohlenstoffatomen oder ein Cycloalkylrest mit vorzugsweise 3 bis 12, insbesondere 6 bis 12 Kohlenstoffatomen ist, verwendet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Umesterung eine hydroxyhaltige Verbindung (2) ver¬ wendet, die leichter flüchtig ist als die bei der Umesterung gebildete hydroxyhaltige Verbindung (1).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Umesterung eine hydroxyhaltige Verbindung (2) ver¬ wendet, deren Siedepunkt höher ist als der Siedepunkt des gebildeten Ameisensäureesters .
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