Beschreibung
Verfahren zur Herstellung substituierter organischer Verbindungen und Verwendung von Katalysatoren für Substitutionsreaktionen
Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Substitutionsreaktionen an substituierten organischen Verbindungen mit Metallsalzen, die Anionen aufweisen, welche ein oder mehrere Substituenten der substituierten organischen Verbindungen ersetzen und insbesondere ein Verfahren zur Durchführung von Austauschreaktionen unter Verwendung eines ausgewählten Katalysators.
Austauschreaktionen, bei denen ein Substituent einer organischen Verbindung durch einen anderen Substituenten ersetzt wird, sind an sich bekannt.
Bei einer Gruppe von Reaktionen mit großem kommerziellen Interesse handelt es sich um den Austausch von Halogenatomen, insbesondere zur Herstellung fluorierter Halogenaromaten in der Gegenwart von Alkalimetallfiuoriden und einer halogenierten aromatischen Verbindung. Typischerweise werden die Komponenten bei diesen Reaktionen in Abwesenheit eines Lösungsmittels auf sehr hohe Temperaturen erhitzt, z.B. auf Temperaturen von bis zu 400°C, oder die Reaktion wird bei Temperaturen von etwa 200-230°C in einem aprotischen Lösungsmittel, wie Sulfolan, durchgeführt.
Es würde bereits darüber berichtet, daß organische Fluorverbindungen durch Umsetzung einer entsprechenden Chlor- oder Brom-substituierten Verbindung mit einem Metallfluorid in Benzonitril als Lösungsmittel hergestellt werden können.
Ferner wurde bereits über den Einsatz von Katalysatoren zur Durchführung von
Austauschreaktionen berichtet. Als Katalysatoren wurden bereits quatemäre Ammoniumsalze, Metallcarbonylverbindungen, Kronenether und Kryptate beschrieben.
In der WO-A-97/32832 wird ein Verfahren zur Herstellung von Fluorenthaltenden aromatischen Verbindungen und von Fluor-enthaltenden Stickstoff-enthaltenden heteroaromatischen Verbindungen beschrieben. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch das Umsetzen einer halogenhaltigen aromatischen Ausgangsverbindung mit einem Fluorid, wie einem Alkalimetallfluorid, in Gegenwart eines spezifischen Phosphor-enthaltenden Katalysators.
In der WO-A-98/05610 wird ein Verfahren zur Herstellung von Fluorenthaltenden Verbindungen offenbart, das durch das Umsetzen einer Halogen- enthaltenden aromatischen Verbindung mit einem Fluorid, wie einem
Alkalimetallfluorid, in Gegenwart eines spezifischen Phosphonium-Katalysators gekennzeichnet ist.
Ein weiteres Verfahren dieses Typs wird in der WO-A-99/11588 offenbart. Darin werden spezielle Zusätze, wie z.B. Nitrobenzoi oder Dimethylsulfoxid, verwendet, um die Ausbeute an fluorierter Verbindung zu erhöhen und um das Ausmaß von Seitenreaktion zu verringern.
Es ist allgemein bekannt, daß Austauschreaktion an aliphatischen Halogeniden zu aliphatischen Nitrilen unter moderaten Bedingungen ablaufen.
Ferner ist dem Fachmann bekannt, daß der Austausch von aromatisch gebundenen Resten im allgemeinen unter schwierigeren Bedingungen abläuft als der Austausch entsprechender aliphatisch gebundener Reste.
Da in den bekannten Austauschverfahren im allgemeine extreme Reaktionsbedingungen angewendet werden, ist die Gefahr von
Nebenreaktionen für eine gegebene Reaktion hoch und der Bedarf an benötigten Ressourcen, wie Energie oder Lösungsmitteln, ist im allgemeinen hoch. Es besteht daher immer noch ein Bedarf an Katalysatoren, um diesen Typ von Austauschreaktionen zu verbessern.
Es wurde jetzt eine neue Gruppe von Katalysatoren für die beschriebenen Austauschreaktionen gefunden, die eine beträchtliche Verfahrensverbesserung gestatten.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Verbindung oder einer Mischung von Verbindungen der Formel I ausgehend von einer Verbindung der Formel II
Rl(X)n(Y)o (I), Rι(X)m (II),
worin Ri ein m-wertiger aliphatischer, cycloaliphatischer, aromatischer oder araliphatischer Rest ist, der gegebenenfalls mit inerten organischen oder anorganischen Resten substituiert ist und der innerhalb der Kette oder des Kerns Heteroatome aufweisen kann,
m eine ganze Zahl von 1 bis 6 bedeutet,
n eine ganze Zahl von 0 bis 5 darstellt,
o eine ganze Zahl von 1 bis 6 ist, mit der Maßgabe, daß für eine vorgegebene Reaktion die Summe von n und o der Zahl m entspricht,
X ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus einem Halogenatom, einer Nitrogruppe, einer Carbonsäuregruppe, einer Carbonsäureestergruppe und einer Carbonsäureamidgruppe, und
Y für eine vorgegebene Reaktion sich von X unterscheidet und ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus einem Halogenatom, einer Nitrogruppe, einer Cyanogruppe, einer Thiocyanatogruppe und e iner Oxycarbonylgruppe, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
i) Umsetzung einer Verbindung der Formel II mit einer Verbindung der Formel III
Rι(X), m (H). M(Y)P (IN)
worin M e in A lkalimetallion, ein Erdalkalimetallion, ein Ammoniumion oder ein Phosphoniumion bedeutet, p eine ganze Zahl von 1 oder 2 ist und Y die oben definierte Bedeutung besitzt,
ii) in Gegenwart eines Katalysators der Formel IVa, IVb oder IVc
worin die Reste R
2, R
3, R , R
5, Re, 7
> Rs, Rg, Rio, Rn, R12, R13, R14, R1
5, R1
6 und Rι unabhängig voneinander Wasserstoff, aliphatische, cycloaliphatische, aromatische oder araliphatische Reste darstellen, die gegebenenfalls mit inerten organischen oder anorganischen Resten substituiert sind und die innerhalb der Kette oder des Kerns
Heteroatome aufweisen können, Aq" ein q-wertiges Anion bedeutet, und q eine ganze Zahl von 1 bis 3 darstellt, iii) um den Austausch von einigen oder allen Resten X der Verbindung der Formel (II) durch einen oder mehrere Reste Y zu bewirken, mit der Massgabe, dass falls beim Katalysator der Formel IVb die Reste R10 und R11 jeweils Wasserstoff bedeuten und beide Reste Rg und R12 jeweils aliphatische Reste bedeuten, die keine Heteroatome in der Kette aufweisen, Aq" ein q-wertiges Anion ausgenommen Br", BF4 " und PFβ" bedeutet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Katalysatoren der Formel IVa, IVb oder IVc in Substituenten- Austauschreaktionen an organischen Verbindungen.
Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die
Austauschreaktion eines Substituenten einer organischen Verbindung, wie die Austauschreaktion eines Halogenatoms, mit erhöhter Aktivität und Selektivität durchgeführt werden kann, wenn die erfindungsgemäße Gruppe von Katalysatoren eingesetzt wird.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die erfindungsgemäß eingesetzten Katalysatoren nur eine geringe Toxizität aufweisen und daher eine einfache Handhabung der Komponenten gestatten.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die Substituenten-Austauschreaktion ohne den Einsatz zusätzlicher
Lösungsmittel durchgeführt werden kann, wodurch lediglich der Katalysator und die Reaktanten in einfacher und effizienter Art und Weise miteinander kombiniert werden müssen.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß die zum Einsatz kommenden Katalysatoren auf einfache Art und Weise recyclet werden können, wodurch ein hoher Anteil des Katalysators wiedergewonnen wird und somit zur Reduktion der Prozesskosten beiträgt. Diese Ausführungsform der Erfindung umfasst auch den Einsatz von Katalysatoren, die in dem weiter oben definierten Verfahren ausgenommen sind.
Ferner wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von definierten Zielsubstanzen in hoher Ausbeute und hoher Selektivität gestattet. Das neue Verfahren eignet sich hervorragend für den industriellen Einsatz, führt zu relativ geringen Belastungen der Umwelt und kann mit relativ geringen Kosten und einfachen Mitteln implementiert werden.
Diese und weitere Ausführungsformen, Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen ersichtlich.
Ausgangsmaterialien Rι(X)m der Formel (II) können organische Verbindungen sein, die einen bis sechs Substituenten X aufweisen, die Austauschreaktionen zugänglich sind und die durch andere Substituenten Y ersetzt werden können. Das Ergebnis dieser Austauschreaktionen sind Verbindungen Rι(X)n(Y)0 der Formel (I), worin wenigstens einige oder alle der Substituenten X durch Substituent(en) Y ersetzt worden sind.
Ri ist ein aliphatischer, cycloaliphatischer, aromatischer oder araliphatischer Rest der Wertigkeit m, abhängig von der Anzahl der Substituenten X, die
ihrerseits zusätzlich durch inerte organische oder anorganische Gruppen substituiert sein können.
Unter dem Begriff „inerte Gruppe" ist eine Gruppe zu verstehen, die unter den angewendeten Reaktionsbedingungen sich weder austauscht noch sich zersetzt.
Beispiele für inerte Gruppen sind aliphatische, cycloaliphatische, aromatische oder araliphatische organische Gruppen, die Aldehydgruppe, die Carbonsäuregruppe, die Hydroxylgruppe, Halogenatome oder die Cyanogruppe.
Spezifische Beispiele werden weiter unten aufgeführt, so lange als diese Gruppen bei einer gegebenen Austauschreaktion unter den Reaktionsbedingungen weder austauschen noch sich zersetzen.
Beispiele für aliphatische Gruppen oder inerte Gruppen sind geradkettige oder verzweigte Kohlenwasserstoffreste, die zwischen ein und zwanzig Kohlenstoffatome aufweisen. Aliphatische Gruppen können in der Kette Heteroatome enthalten, beispielsweise Sauerstoff-, Stickstoff- oder
Schwefelatome. Aliphatische Gruppen können gesättigt sein oder können eine oder mehrere Doppelbindungen oder Dreifachbindungen aufweisen, welche in der Kette konjugiert oder isoliert vorliegen können. Die Anwesenheit derartiger Heteroatome und/oder ungesättigter Gruppen sollte jedoch nicht die Stabilität der Ausgangsmaterialien unter den jeweiligen Reaktionsbedingungen beeinträchtigen.
Spezifische Beispiele für aliphatische Gruppen oder inerte Gruppen sind einwertige Kohlenwasserstoffgruppen, die ein bis sechs Kohlenstoffatome aufweisen, z.B. Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, sec.-Butyl, tert- Butyl, n-Pentyl oder n-Hexyl oder die entsprechenden zweiwertigen Gruppen,
wie z.B. Methylen, Ethylen, Propylen und Butylen.
Bevorzugt sind gesättigte aliphatische Gruppen R1, insbesondere gesättigten aliphatische Kohlenwasserstoffe, die ein bis zehn Kohlenstoffatome, vorzugsweise ein bis sechs Kohlenstoffatome, aufweisen.
Beispiele für cycloaliphatische Gruppen oder inerte Gruppen sind cyclische Kohlenwasserstoffreste, die zwischen drei und zwanzig Kohlenstoffatome aufweisen. Cycloaliphatische Gruppen können Ring-Heteroatome enthalten, beispielsweise Sauerstoff-, Stickstoff- oder Schwefelatome. Cycloaliphatische Gruppen können gesättigt sein oder können eine oder mehrere Doppel- oder Dreifachbindungen aufweisen, die konjugiert oder isoliert im Ring vorliegen können.
Die Anwesenheit solcher Heteroatome und/oder ungesättigter Gruppen soll jedoch die Stabilität der Ausgangsmaterialien unter den jeweils angewendeten Reaktionsbedingungen nicht nachteilig beeinflussen.
Bevorzugt sind gesättigte cycloaliphatische Gruppen R1, insbesondere gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe, die fünf bis acht
Ringkohlenstoffatome, vorzugsweise fünf und sechs Ringkohlenstoffatome, aufweisen.
Beispiele für cycloaliphatische Gruppen oder inerte Gruppen sind einwertige Kohlenwasserstoffreste, die fünf bis acht Kohlenstoffatome aufweisen, wie Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl oder Cyclooctyl oder die entsprechenden zweiwertigen Reste, wie Cyclohexylen.
Aromatische Gruppen oder inerte Gruppen können carbocyclisch-aromatische Gruppen oder heterocyclisch-aromatische Gruppen sein. Beispiele für aromatische Gruppen sind Kohlenwasserstoffreste, die zwischen sechs und
zweiundzwanzig Kohlenstoffatome auf weisen.
Aromatische Gruppen können im Kern Heteroatome aufweisen, wie z.B. Sauerstoff-, Stickstoff- oder Schwefelatome. Vorzugsweise weisen hetero- aromatische Gruppen ein oder zwei Heteroatome auf.
Bevorzugt werden carbocyclisch-aromatische Kohlenwasserstoffreste oder aromatische heterocyclische Gruppen, die ein Sauerstoff-, Stickstoff- oder Schwefelatom im aromatischen Kern aufweisen, besonders bevorzugt aromatische carbocyclische Gruppen, die sechs, zehn oder vierzehn
Ringkohlenstoffatome aufweisen oder heterocyclische Gruppen, die vier bis dreizehn Ringkohlenstoffatome und ein Ringheteroatom aufweisen.
Beispiele für aromatische Gruppen oder für inerte Gruppen sind einwertige aromatische Kohlenwasserstoffreste, die sechs, zehn oder vierzehn
Kohlenstoffatome aufweisen, wie Phenyl, Naphthyl oder Anthracyl oder die entsprechenden zweiwertigen Reste, wie Phenylen oder Naphthylen.
Weitere Beispiele für aromatische Gruppen oder für inerte Gruppen sind einwertige heteroaromatische Gruppen, die vier bis neun Ringkohlenstoffatome und ein und/oder zwei Ringsauerstoff-, Ringstickstoff- oder Ringschwefelatome aufweisen, wie Pyridin, Furan, Pyrrol, Thiophen, Imidazol, Oxazol, Thiazol, Pyrazol, Pyrimidin, Purin, Chinolin und Isochinolin oder die entsprechenden zweiwertigen von diesen heteroaromatischen Gruppen ageleiteten Reste.
Araliphatische Gruppen oder inerte Gruppen können carbocyclisch- aromatische Gruppen oder heterocyclisch-aromatische Gruppen sein, die an oder über eine aliphasche Kette gebunden sind. Beispiele für aromatische Gruppen sind weiter oben aufgelistet. Diese Gruppen sind an oder über einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest miteinander verbunden, welcher in der Kette seinerseits Heteroatome, wie Sauerstoff-, Stickstoff- oder
Schwefelatome, aufweisen kann.
Ein Beispiel für einen araliphatischen Rest ist Benzyl.
Die obigen Ausführungen gelten sinngemäß auch für die Reste R2 bis R-ι .
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird Substituent X wenigstens teilweise durch Substituent Y ausgetauscht.
Substituent X kann ein Halogenatom sein, und/oder eine Nitrogruppe, eine Carbonsäuregruppe oder ein Derivat einer Carbonsäuregruppe, wie z.B. eine Estergruppe oder eine Amidgruppe.
Beispiele für Halogenatome sind Fluor, Chlor, Brom und lod. Chlor wird bevorzugt.
Im erfindungsgemäßen Verfahren ersetzt Substituent Y wenigstens teilweise Substituent X. Für eine vorgegebene Reaktion unterscheidet sich Substituent Y von Substituent X und wird ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Halogenatom, Nitrogruppe, Cyanogruppe, Thiocyanatogruppe und
Oxycarbonylgruppe. Beispiele für Halogen sind Fluor, Chlor, Brom und lod. Fluor ist bevorzugt.
Beispiele für Oxycarbonylgrupen sind Reste der Formel V
worin Ris ein einwertiger aliphatischer, cycloaliphatischer, aromatischer oder araliphatischer Rest ist, der gegebenenfalls mit inerten organischen oder anorganischen Resten substituiert ist, beispielsweise eine Alkylgruppe oder eine Arylgruppe. Beispiele derartiger einwertiger Reste sind weiter oben
aufgeführt. R-is ist vorzugsweise Methyl oder Phenyl.
Bei M(Y)P handelt es sich um eine Verbindung, die die in das Reaktionsprodukt der Formel I einzuführende Gruppe Y trägt.
Beispiele für den Rest Y sind weiter oben aufgelistet.
M kann ein Alkalimetallion sein, wie z.B. Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium oder Cäsium. M kann auch ein Erdalkalimetallion sein, wie z.B. Magnesium, Caicium oder Strontium. Bei M kann es sich auch um ein Ammoniumion handeln, wie z.B. um NH4 +, NH3(Rι9)+, NH2(Rι9)2+, NH(Rι9)3 +oder N(R19)4 +.
M kann auch ein Phosphoniumion sein, vorzugsweise P(R-ι9)4 +. In diesen Ammonium- oder Phosphoniumionen kann Rι9 eine einwertige organische Gruppe sein, die eine der weiter oben aufgelisteten Bedeutungen besitzt. Vorzugsweise ist Rι9 Alkyl mit ein bis sechs Kohlenstoffatomen.
Vorzugsweise handelt es sich bei M um Lithium, Natrium, NH + und ganz besonders um Kalium.
Der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Katalysator ist ein Pyridiniumsalz der Formel IVa, ein Imidazoliumsalz der Formel IVb oder ein Pyrazoliumsalz der Formel IVc
Die Reste R2 bis R , R8 bis R 2 und R13 bis Rι7 innerhalb eines Moleküls können sich innerhalb der gegebenen Definition unterscheiden. Bei den Resten R2 bis Rι handelt es sich unabhängig voneinander um Wasserstoff, um aliphatische, cycloaliphatische, aromatische oder araliphatische Gruppen, die gegebenenfalls mit inerten organischen oder anorganischen Resten substituiert sind und die innerhalb der Kette oder des Kerns Heteroatome aufweisen können.
Beispiele für aliphatische, cycloaliphatische, aromatische oder araliphatische Gruppen sind bereits weiter oben für Ri aufgelistet.
Vorzugsweise handelt es sich bei R2 bis Rι7 um Wasserstoff, CrC6 Alkyl, Phenyl und um Oligoethergruppen der allgemeinen Formel -[(CXH2X)-O]y-R2o, wobei x eine ganze Zahl zwischen 1 und 6, vorzugsweise zwischen 2 und 4 ist und y eine ganze Zahl zwischen 1 und 250, vorzugsweise zwischen 1 und 30 insbesondere zwischen 1 und 10 sind und R20 Wasserstoff oder eine
aliphatische, cycloaliphatische, aromatische oder araliphatische Gruppe darstellt. Beispiele für aliphatische, cycloaliphatische, aromatische oder araliphatische Gruppen wurden bereits weiter oben aufgelistet.
Bevorzugt eingesetzte Katalysatoren sind Verbindungen der Formeln IVa bis IVc, worin alle Reste R2 bis Rι Wasserstoff sind oder einige der Reste, vorzugsweise ein bis drei Reste R2 bis R , R8 bis R-|2 und R13 bis R17 Oligoethergruppen der oben definierten Formel -[(CχH2x)-0]y-R2o sind und die übrigen Reste Wasserstoff bedeuten.
Weitere bevorzugt eingesetzte Katalysatoren sind Verbindungen der Formeln IVa bis IVc, worin zumindest R2, einer der Reste R9 oder R-12 oder einer der Reste R-ι3 oder Rι CI-CÖ Alkyl, Phenyl und Oligoethergruppen der oben definierten allgemeinen Formel -[(CxH2χ)-0]y-R2o sind.
Bei Aq" handelt es sich um ein beliebiges ein-, zwei- oder dreiwertiges Anion, das unter den angewendeten Reaktionsbedingungen stabil ist.
Der Index q ist vorzugsweise 1 oder 2, besonders bevorzugt 1.
Beispiele für Aq" sind einwertige Anionen, wie Halogenidanionen, z.B. Fluorid, Chlorid, Bromid oder lodid, Pseudohalogenanionen, z.B. Thiocyanat, Cyanat oder Cyanid, organische Sulfonatanionen, z. B. Benzolsulfonat, Trifluoromethylsulfonat, Toluolsulfonat oder Bis-trifluoro-methansulfonimidat organische Sulfatanionen, z. B. Octylsulfat, Laurylsulfat oder
Methoxyethylsulfat; Carboxylat-Anionen, wie Acetat oder Benzoat; ein- oder zweiwertige Fluor-haltige Komplexanionen der allgemeinen Formel [M'FxZy]n", worin M' ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus B, AI, Si, P, Ga, Sb, Sn, Fe, Co und Ni, x eine ganze Zahl von 1 bis 6 ist, y eine ganze Zahl von 0 bis 5 bedeutet, x+y eine ganze Zahl von 2 bis 6 ist und n 1 oder 2 bedeutet, wie z.B. Tetrafluoroborat, Hexafluorophosphat oder Hexafluoroantimonat, oder
andere einwertige Anionen, z.B. Trifluoroacetat, Nitrat, Hydrogensulfat, Dihydrogenphosphat, Trichlorostannat, Trichloroferrat und Tetrachloro- aluminate; oder zweiwertige Anionen, z. B. Hydrogenphosphatanionen oder Sulfatanionen, oder dreiwertige Anionen, z. B. Phosphatanionen.
Bevorzugte Beispiele für Aq" sind einwertige oder mehrwertige, fluorhaltige Anionen der allgemeinen Formel [NFz]q" wobei N ein Element der Gruppe Titan, Zirkonium, Zink, Bor, Aluminium, Silicium, Gallium, Phosphor, Arsen, oder Antimon und z eine Zahl zwischen 3 und 6 darstellt. Besonders geeignete Beispiele für Aq" stellen die Anionen [BF4]" und [PF6]" dar.
Darüber hinaus sind besonders geeignete Beispiele für Aq" aliphatische oder aromatische Sulfat- oder Sulfonatanionen, wie Alkylsulfate, Alkoxyalkylsulfate, Alkylsulfonate, Alkoxyalkylsulfonate und Arylsulfonate, wie Tosylat.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann durchgeführt werden, indem man die Ausgangsmaterialien der Formeln II und III mit einem Katalysator der Formeln IVa, IVb oder IVc oder auch mit Gemischen dieser Katalysatoren kombiniert.
Ausgangsmaterialien der Formeln II und III können in stöchiometrischen
Mengen eingesetzt werden oder ein Überschuß der Verbindung der Formel III kommt zum Einsatz, z.B. 1-5 Mole der Verbindung der Formel III auf 1 Mol der Verbindung der Formel II.
Der Katalysator wird im allgemeinen in einer Menge von 0,001 bis 100 Gew.%, bezogen auf die Menge an Verbindung II in der Zusammensetzung, eingesetzt, vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 50 Gew.%, besonders bevorzugt 15 bis 30 Gew. %.
Die Reaktanten und der Katalysator werden vorzugsweise in feinverteilter Form eingesetzt. Insbesondere die Verbindung der Formel Hl sollte in der Form von
Körnern oder vorzugsweise als Pulver eingesetzt werden. Vorzugsweise wird die Verbindung der Formel III in einer Kugelmühle gemahlen oder wird durch einen Sprühtrocknungsprozess hergestellt. Eine große spezifische Oberfläche der Partikel der Verbindung der Formel III vergrößert im allgemeinen die Reaktionsgeschwindigkeit. Bevorzugt werden feinteilige Verbindungen der Formel III, die eine spezifische Oberfläche von 0,5 bis 1 ,5 m2/g aufweisen (bestimmt nach dem B.E.T-Verfahren).
Nachdem die Reaktanten miteinander vermischt worden sind, können diese auf die gewünschte Reaktionstemperatur erhitzt werden, um die Austauschreaktion durchzuführen. In einigen Fällen kann die Austauschreaktion bereits bei Raumtemperatur beginnen.
Üblicherweise wird das Reaktionsgemisch auf Temperaturen erhitzt, bei denen wenigstens eine der Komponenten schmilzt. Die Auswahl der Reaktionstemperaturen kann von der Natur des Katalysators und der Ausgangsmaterialien abhängen. Die Umsetzung kann in einem weiten Temperaturbereich durchgeführt werden, beispielsweise im Bereich von 0°C und 400°C.
Bevorzugte Reaktionstemperaturen bewegen sich im Bereich oberhalb von 120°C, besonders bevorzugt zwischen 180 und 250°C.
Beim Einsatz von thermisch stabilen Verbindungen, beispielsweise beim Einsatz von Reaktanten und Katalysatoren, die aromatische Substituenten aufweisen, werden vorzugsweise Temperaturen oberhalb von 180°C angewendet, besonders bevorzugt Temperaturen zwischen 280 und 350°C.
Die Reaktion kann in Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt werden. Vorzugsweise wird kein Lösungsmittel verwendet.
Beispiele für Lösungsmittel sind Flüssigkeiten oder Feststoffe, die bei der
Reaktionstemperatur flüssig und inert sind und die das Fortschreiten der Reaktion fördern. Beispiele für Lösungsmittel sind aprotische Lösungsmittel, vorzugsweise aprotische polare Lösungsmittel. Beispiele für Lösungsmittel sind Aceton, Tetrachlormethan, Dichlorethan, Hexamethyl-phosphoramid, N,N- Dimethylpropylenharnstoff, Nitrobenzoi, Benzonitril, Acetonitril, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Sulfolan, N-Methylpyrrolidon und Dimethylsulfon.
in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das verwendete Lösungsmittel ein Oligoether der allgemeinen Form
Me-(0-CH2-CH2)v-0-Me, wobei v eine Zahl zwischen 1 und 250, vorzugsweise 1 bis 30, insbesondere 1 bis 10, darstellt. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verwendung von Diethylenglycoldimethylether (Diglyme) als Lösungsmittel. Diese Ausführungsformen der Erfindung umfassen auch den Einsatz von
Katalysatoren, die in dem weiter oben definierten Verfahren ausgenommen sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Lösungsmittel Diglyme eingesetzt und als Anion Aq" ein Arylsulfonat, Alkylsulfonat, Alkylsulfat und/oder Alkoxyalkylsulfat, ganz besonders bevorzugt Toluolsulfonat (Tosylat).
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Ri eine aromatische Gruppe und die Reste R2 bis R-ι7 sind alle Wasserstoff oder ein bis drei dieser Reste sind Alkylgruppen, insbesondere ein bis drei Oligoethergruppen, pro Verbindung der Formel IVa, IVb oder IVc.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver- fahrens wird Y ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Halogenatom und Nitrogruppe.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist M ein Alkalimetallkation, p ist 1 und Y wird ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Chlorid, Cyanid oder Nitro.
In einem bevorzugten Verfahren dieser Erfindung kommt M(Y)P in feinverteilter Form zum Einsatz.
Bevorzugt wird ein Verfahren, worin m 1 oder 2 ist, n 0 oder 1 ist und o 1 oder 2 bedeutet.
Ganz besonders bevorzugt wird ein Verfahren, worin m 1 ist, n 0 ist und o 1 bedeutet.
In einem weiteren bevorzugten Verfahren bedeutet q 1.
Ebenfalls bevorzugt wird ein Verfahren, worin X Chlorid ist und Y Fluorid oder Nitro bedeutet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Diethylenglycoldimethylether (Diglyme) als Lösungsmittel eingesetzt, Ri ist ein aromatischer Rest und die Reste R2 bis Rι sind sämtlich Wasserstoff oder Wasserstoff und ein bis drei C-ι-C6 Alkylgruppen, insbesondere Methylgruppen, und/oder ein bis drei Oligoethergruppen der oben definierten Formel, pro Verbindung der Formel IVa, IVb oder IVc, M bedeutet ein Alkalimetallkation, Y ist Fluorid, Nitro oder Cyanid, und die Reaktionstemperatur beträgt 180°C oder mehr.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Diethylenglycoldimethylether (Diglyme) als Lösungsmittel eingesetzt, m ist 1 oder 2, Ri ist eine m-wertige Phenylgruppe, ein m-wertiger
Naphthalinrest oder ein m-wertiger Anthracenylrest, die Reste R2 bis R-ι sind sämtlich Wasserstoff oder Wasserstoff und ein bis drei C-i-Cβ Alkylgruppen, insbesondere Methylgruppen, und/oder ein bis drei Oligoethergruppen der oben definierten Formel, pro Verbindung der Formel IVa, IVb oder IVc, M bedeutet ein Kalium- oder ein Natriumkation, X ist Chlorid, Y ist Fluorid, Nitro oder Cyanide, und die Reaktionstemperatur beträgt 180°C oder mehr.
Beispiele für bevorzugte Austauschreaktionen sind die Überführung von
- aromatischen Monochlorverbindungen in aromatische Monofluor- Verbindungen
- aromatischen Dichlorverbindungen in aromatische Monochlormonofluor- verbindungen und in aromatische Difluonterbindungen
- aromatischen Trichlorverbindungen in aromatische Dichlormonofluor- verbindungen und in aromatische Monochlordifluorverbindungen und in aromatische Trifluorverbindungen
- aromatischen Monochlorverbindungen in aromatische Monocyano- verbindungen
- aromatischen Dichlorverbindungen in aromatische Monochlormonocyano- verbindungen und in aromatische Dicyanoverbindungen - aromatischen Trichlorverbindungen in aromatische Dichlormonocyano- verbindungen und in aromatische Monochlordicyanoverbindungen und in aromatische Tricyanoverbindungen
- aromatischen Monochlorverbindungen in aromatische Mononitro- verbindungen - aromatischen Dichlorverbindungen in aromatische Monochlormononitro- verbindungen und in aromatische Dinitroverbindungen
- aromatischen Trichlorverbindungen in aromatische Dichlormononitro- verbindungen und in aromatische Monochlordinitroverbindungen und in aromatische Trinitroverbindungen
Das gebildete Reaktionsprodukt kann durch verschiedene Techniken aus der
Reaktionsmischung abgetrennt werden.
Eine Methode zum Isolieren des Reaktionsprodukts besteht darin, daß die Reaktionsmischung mit einem organischen polaren aprotischen Lösungsmittel extrahiert wird, wobei das während der Reaktion gebildete M(X)P zurückbleibt. Dabei haben M, X und p die oben definierten Bedeutungen. Die extrahierten Komponenten können in einem zusätzlichen Schritt durch konventionelle Techniken voneinander getrennt werden, beispielsweise durch Destillation. Nicht umgesetztes Ausgangsmaterial der Formel II, das Produkt der Formel I und der Katalysator der Formel IVa, IVb oder IVc können voneinander getrennt werden und der Katalysator kann in der nächsten Reaktionsfolge wieder eingesetzt werden. In einem Destillationsverfahren werden die Verbindungen der Formeln I und II entfernt und der Katalysator IVa, IVb oder IVc verbleibt als Destillationsrückstand.
In einem anderen Verfahren zur Aufarbeitung der Reaktionsmischung und zum Isolieren des Reaktionsproduktes wird die Reaktionsmischung einer Flash- Destillation unterzogen und der Destillationsrückstand wird mit einem organischen polaren aprotischen Lösungsmittel behandelt, um den Katalysator der Formel IV zu extrahieren und M(X)P als Rückstand zurückzulassen. Dabei haben M, X und p die oben definierten Bedeutungen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Verbindungen der Formel IVa, IVb oder IVc als Katalysator in den oben beschriebenen Austauschverfahren
worin R2 bis R-| , A und q die oben definierte Bedeutung besitzen.
Die zum Einsatz kommenden Ausgangsverbindungen der Formeln II und III sowie Katalysatoren IVa bis IVc sind an sich bekannte Verbindungen oder diese können nach an sich bekannten Verfahren hergestellt werden. Einige dieser Verbindungen sind kommerziell erhältlich.
Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung und stellen keine Einschränkung derselben dar.
Beispiele
Allgemeine Arbeitsvorschrift zur Darstellung von 2,6-Difluorbenzonitril aus 2,6-Dichlorbenzonitril mit Katalysatoren der allgemeinen Formel IVb
In ein Schlenkrohr wurden unter Ausschluß von Luftfeuchtigkeit 5,15g (30 mmol) 2,6-Dichlorbenzonitril und 5,2g (90 mmol) frisch gemörsertes KF sowie 20mmol Sulfolan und 6 mmol des Katalysators eingewogen. Gegebenenfalls (Beispiele 10,11 ) wurden auch 6 mmol Diethylenglykoldimetylether (Diglyme) zugegeben. Das geschlossene Schlenkrohr wurde für 18h auf 180°C erhitzt. Nach Abkühlen wurde der Reaktionsansatz mit 11g (lOOmmol) Chlorbenzol vesetzt, filtriert und bei 140°C unter 10"2 bar destilliert. Die flüchtigen Komponenten wurden in einer gekühlten Vorlage aufgefangen und mittels Gaschromatographie analysiert.
Beispiele 1 - 11
Die in der nachfolgend aufgelisteten Tabelle aufgeführten Reagenzien wurden gemäß der allgemeinen Arbeitsvorschrift umgesetzt. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse dargestellt.
Tabelle 1 : Vergleich der Fluorierung von 2,6-Dichlorbenzonitril mit KF in Anwesenheit unterschiedlicher Katalysatoren
Katalysator Zusatz Umsatz Selektivität zum Selektivität zum
[%] Monofluorid [%] Difluorid [%]
1 [BMIM] [BF4] - 94 45 52
2 [BMIM] [PF6] - 61 79 19
3 [BMMIM] [BF4] - 54 72 26
4 [HeptMMIM] [PF6] - 51 89 10
5 [TriMIM] [BF4] - 97 33 64
6 [TriMIM] [PF6] - 65 77 21
7 [TriMMlM] [BF4] - 91 61 37
8 TriMMlM] [PF6] - 48 90 9
9 [TriDecMIM] [BF4] - 88 61 37
10 [BMIM] [BF4] Diglyme 98 30 67
11 [BMMIM] [BF4] Diglyme 83 61 37
Reaktionsbedingungen: Sulfolan: 20 mmol Katalysator. 6 mmol Diglyme: 6 mmol 180 °C/18 h
KF/Substrat: 1 ,5:1 bezogen auf Cl
[TriMMlM]: 1-Triethylenglycolmethylether-2,3-dimethylimidazolium-Kation [TriMIM]: 1-Triethylenglycolmethylether-3-methylimidazolium-Kation [TriDecMIM]: 1-Triethylenglycolmethylether-2-decyl-3-methylimidazolium-Kation [BMMIM]: 1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium-Kation [BMIM]: 1-Butyl-3-methylimidazolium-Kation
[HeptMMIM]: 1 -Heptyl-2,3-dimethylimidazolium-Kation
Vergleichsbeispiele
In ein Schlenkrohr wurden unter Ausschluß von Luftfeuchtigkeit 5,05g (30 mmol) 2,6-Dichlorbenzonitril und 5,2g (90 mmol) frisch gemörsertes KF sowie 20mmol Sulfolan und gegebenenfalls (Beispiel 2*) 6 mmol Diethylenglykol- dimetylether gegeben. Das geschlossene Schlenkrohr wurde für 18h auf 180°C erhitzt. Nach Abkühlen wird der Reaktionsansatz mit 11g (lOOmmol) Chlorbenzol vesetzt, filtriert und bei 140°C unter 10"2 bar destilliert. Die flüchtigen Komponenten wurden in einer gekühlten Vorlage aufgefangen und mittels Gaschromatographie analysiert. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2: Vergleich der Fluorierung von 2,6-Dichlorbenzonitril mit KF in Abwesenheit von Katalysatoren
Katalysator Zusatz Umsatz Selektivität zum Selektivität zum [%] Monofluorid [%] Difluorid [%]
VG1 - - 27 97 3
VG 2 - Diglyme 18 96 3
Beispiele 12 bis 24
Allgemeine Arbeitsvorschrift zur Durchführung der in der nachfolgenden Tabelle 3 aufgelisteten Katalyseversuche zur Darstellung von 2,6- Difluorbenzonitril aus 2,6-Dichlorbenzonitril mit speziellen erfindungsgemäßen Katalysatoren mit Alkylsulfat-, Alkoxyalkylsulfat-, Alkylsulfonat-, Alkoxyalkylsulfonat- und Arylsulfonat-Ionen.
In ein Schlenkrohr wurden unter Ausschluß von Luftfeuchtigkeit 5,05g (29,62 mmol) 2,6-Dichlorbenzonitril und 5,2g (90 mmol) frisch gemörsertes KF sowie 22 mmol Dyglyme und 6,4 mmol des jeweiligen Katalysators (der ionischen Flüssigkeit) eingewogen. Das geschlossene Schlenkrohr wurde für 18 Stunden auf 180°C erhitzt. Nach Abkühlen wurde der Reaktionsansatz mit 11g (lOOmmol) Chlorbenzol vesetzt, filtriert und bei 140°C unter 10"2 bar destilliert. Die flüchtigen Komponenten wurden in einer gekühlten Vorlage aufgefangen und mittels Gaschromatographie analysiert. Die vollständige Analyse aller organischen Reaktionsprodukte wurde durch Massenbilanz sichergestellt.
Die Ergebnisse der Versuche 13 bis 24 mit erfindungsgemäßen Katalysatoren mit Alkylsulfat-, Alkoxyalkylsulfat-, Alkylsulfonat-, Alkoxyalkylsulfonat- und Arylsulfonat-Ionen sind in Tabelle 3 dargestellt.
Die Ergebnisse wurden mit einem Versuch 12 mit der ionischen Flüssigkeit [EMIM] Br unter sonst gleichen Bedingungen verglichen und sind in der nachfolgenden Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3
In Tabelle 3 verwendete Abkürzungen
Me=Methyl-; Et= Ethyl-; EG= Ethoxy-; [EMIM]= 1-Ethyl-3-methylimidazolium-;
[DiMIM]= 1 ,3-Dimethylimidazolium-; [BMIM]= 1-Butyl-3-methylimidazolium-;
[OMIM]= 1-Methyl-3-octylimidazolium-; [MeEG2MIM]= 1 -Diethoxymethyl-3- methylimidazolium-
EtEGSO4 = Ethoxyethylsulfat
MeEGSO4 = Ethoxymethylsulfat
MeEG2SO4 = Diethoxymethylsulfat
EtEG3SO = Triethoxymethylsulfat
BuEG2SO4 = Diethoxybutylsulfat
MeEGSO3 = Ethoxymethylsulfonat
EtSQ4 = Ethylsulfat