WO2006021250A1 - Verfahren zur herstellung von carbamidsäureestern - Google Patents
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- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C269/00—Preparation of derivatives of carbamic acid, i.e. compounds containing any of the groups, the nitrogen atom not being part of nitro or nitroso groups
Definitions
- the invention relates to a two-stage process for the preparation of carbamic acid esters starting from urea or substituted ureas.
- carbamic acid esters which are also referred to as carbamates or urethanes known. These substances are used as herbicides, insecticides, tranquilizers, as hypnotics and for many other purposes.
- the polyurethanes which can be prepared from diisocyanates and polyols have also acquired considerable technical importance, in particular as foams and elastomers.
- carbamic acid esters there is still a need for technically simple and high-yield syntheses of carbamic acid esters which are based on inexpensive and readily available starting materials and lead to products of high purity.
- the invention therefore provides a process for the preparation of carbamic acid esters in which urea or a urea derivative
- a polymeric polyfunctional alcohol such as a polyalkylene glycol, a polyester polyol or a polyether polyol of the general formula I.
- H + ° - R -t- ° H (formula I) in the R is a straight-chain or branched alkylene group having 2 to 12
- Carbon atoms and n is a number between 2 and 20, or
- R ' is an alkyl, aryl or acyl group having 1 to 12 carbon atoms, p and q are numbers between 1 and 20,
- the carbamic acid ester is recovered from the mixture in pure form by a method known per se.
- the inventive method has the decisive advantage over all previously known methods that by reacting the urea with high molecular weight alcohols, a high molecular weight carbamate is formed, which has such a high boiling point that it is not removed even with the necessary expulsion of the ammonia by stripping.
- This intermediate product is a mixture of carbamates which are formed from the polymeric alcohols used and also contains excessively high molecular weight alcohols which have not yet reacted with urea or urea derivatives.
- a particular advantage is that for the process according to the invention, the high molecular weight alcohols need not be present in pure form but can also be used as a mixture. By using this mixture, both the solubility for the urea and the boiling behavior can be adjusted according to the requirements of Ammoniakent ⁇ fernung.
- the use of this insects ⁇ product for the preparation of pure, low molecular weight Carbamidklam is critical to the present invention.
- the inventive method for the preparation of Carbamidklam thus consists in that a mixture of polymeric alcohols, which may consist of polyalkylene glycols, polyester polyols, polyether polyols or fully or partially hydrolyzed polyvinyl alcohols, in the first reaction step with urea, a substituted Urea, a salt or ester of carbamic acid or one of its N-substituted derivatives (alkyl, aryl radical such as methyl, ethyl, phenyl, benzyl) in the presence of an alkaline catalyst favoring the elimination of ammonia, for example in the presence of KOH, and the ammonia liberated or the amine from the reaction mixture is removed by a stripping gas and / or steam and / or vacuum.
- polymeric alcohols which may consist of polyalkylene glycols, polyester polyols, polyether polyols or fully or partially hydrolyzed polyvinyl alcohols
- the intermediate product obtained is then reacted in a second reaction step with an alcohol or a phenolic compound to form the desired low molecular weight carbamic acid ester.
- the polymeric alcohols of the formula I or II are free again and can be recirculated to produce a mixture of tion of organic carbamates by reaction with urea, substituted ureas, salts or esters of carbamic acid or one of its N-substituted derivatives.
- the temperature can gen in two reaction steps between 1O 0 C and 270 0 C Lie.
- the catalysts used are preferably alkaline substances such as salts, oxides, hydroxides, alcoholates, basic zeolites, polymer ion exchangers, tetraalkylammonium salts, triphenylphosphines or tertiary amines.
- the alcohols used in the second reaction stage may be straight-chain or branched aliphatic alcohols having up to 10 carbon atoms or cyclic alcohols having 5 to 10 carbon atoms.
- Suitable phenolic compounds are phenol itself or substituted phenols having alkyl groups having from 1 to 4 carbon atoms or aromatic alcohols having from 6 to 20 carbon atoms and heteroatom-containing alcohols or a mixture of these substances.
- carbamic acid esters prepared according to the invention are used in numerous fields of chemistry and, in particular, other chemical reactions can also be used as intermediates.
- equimolar amounts of urea and polyethylene glycol are refluxed for 5 hours in the presence of 0.5 g of sodium methoxide 9O 0 C heated and the resulting ammonia removed by a nitrogen stream used as stripping gas.
- the resulting intermediate product is heated in a secondmaschines ⁇ step with methanol in excess at a temperature of 50 0 C in the reflux flask over a period of 1 to 2 hours and then the resulting methyl carbamate and excess methanol by distillation separated from each other.
- the polyethylene glycol used in the first process stage is recovered here and is available for re-reaction with urea.
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Carbamidsäureestern beschrieben, bei dem Harnstoff oder ein Harnstoffderivat in einer ersten Stufe mit einem polymeren mehrfunktionellen Alkohol wie einem Polyalkylenglykol, einem Polyester-Polyol oder einem Polyether-Polyol der allgemeinen Formel (I) in dem R eine geradkettige oder verzweigte Alkylengruppe mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen und n eine Zahl zwischen 2 und 20 bedeuten, oder mit einem vollständig oder teilweise hydrolysierten Polyvinylalkohol der allgemeinen Formel (II) in der R‘ eine Alkyl- oder Acylgruppe mit 1-12 Kohlenstoffatomen, p und q Zahlen zwischen 1-20 bedeuten, oder mit Mischungen dieser Verbindungen ohne oder in Gegenwart eines die Ammoniakabspaltung begünstigenden Katalysators zu einer Carbamidsäureester der vorstehend genannten polymeren Alkohole enthaltenden Mischung umgesetzt, und gleichzeitig das dabei frei werdende Ammoniak oder das Amin aus der Reaktionsmischung durch ein Strippgas und/oder Dampf und/oder Vakuum entfernt wird, und in einer zweiten Stufe (Umesterung) die die Carbamidsäureester der polymeren Alkohole enthaltende Mischung mit einem monomeren Alkohol oder einem Phenol unter Bildung von deren Carbamidsäureestern und Rückbildung der polymeren Alkohole der Formeln (I) oder (II) umgesetzt werden und anschließend der Carbamidsäureester aus der Mischung in reiner Form nach einem an sich bekannten Verfahren gewonnen wird.
Description
Verfahren zur Herstellung von Carbamldsäureestern
Gegenstand der Erfindung ist ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung von Carbamidsäureestern ausgehend von Harnstoff oder substituierten Harnstoffen.
Es sind bereits zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Carbamidsäureestern, die auch als Carbamate oder Urethane bezeichnet werden, bekannt. Diese Stoffe finden Anwendung als Herbizide, Insektizide, Tranquilizer, als Hypnotika und für viele andere Zwecke. Auch die aus Diisocyanaten und Polyolen her¬ stellbaren Polyurethane haben insbesondere als Schaumstoffe und Elastomere erhebliche technische Bedeutung erlangt. Trotz der Vielzahl der bereits bekann¬ ten Herstellungsverfahren von Carbamidsäureestern besteht weiterhin ein Be- darf an technisch einfachen und mit hoher Ausbeute durchführbaren Synthesen von Carbamidsäureestern, die auf preiswerten und leicht zugänglichen Aüs- gangsstoffen basieren und zu Produkten mit hoher Reinheit führen.
Aus der Zeitschrift für Naturforschung, Band 1 , 1948, Seiten 518 ff. ist die Um- setzung von Harnstoffen mit Alkoholen zu Urethanen bekannt. Eine Weiterreak¬ tion der Urethane zu Kohlensäureestern ist dort nicht beschrieben. Mit den in dieser Literaturstelle angegebenen Katalysatoren lassen sich bei Verlängerung der Reaktionszeit geringe Mengen Carbonat durch Gaschromatographie nach¬ weisen (s. „Angewandte Chemie", 92. Jahrgang 1980, Heft 9, Seiten 742 bis 743).
In der US-Patentschrift 2 834 799 ist die Reaktion von Harnstoff mit Alkoholen und BF3 zu Urethanen und weiter zu Carbonaten beschrieben, wobei hierfür pro Mol Harnstoff normalerweise 2 Mol BF3 als Desaminierungsagens notwendig sind (Spalte 1 , Zeilen 32 bis 58), in besonderen Fällen zumindest 1 Mol Desa¬ minierungsagens pro Mol Harnstoff (s. Spalte 4, Zeile 6 und Spalte 4, Zeilen 38 bis 40). Bei Einsatz von Hamstoff-Bortrifluoird-Komplexen können pro Mol
Bortrifluorid 5 Mol Urethane hergestellt werden (Spalte 3, Zeile 45 von US-PS 2 834 799).
Alle bekannten Verfahren zur Herstellung von Carbamaten aus Harnstoff oder Harnstoffderivaten leiden jedoch darunter, dass bei der Reaktion Ammoniak freigesetzt wird, der zu zahlreichen Nebenreaktionen Anlass gibt, wenn er nicht schnell genug aus der Reaktionslösung entfernt wird. Hierzu wird ein Strippen mit unter Umsetzungsbedingungen inerten Gasen bei möglichst hohen Tempe¬ raturen und die Anwendung geeigneter Katalysatoren empfohlen.
Führt man die Umsetzung von Harnstoff oder Harnstoffderivaten allerdings mit niedermolekularen Alkoholen durch, dann sind diese und die dabei gewonne¬ nen Carbamate bei den erforderlichen Reaktionstemperaturen zusammen mit dem Ammoniak flüchtig, wodurch Nebenreaktionen begünstigt werden.
Es stellte sich deshalb die Aufgabe, eine entscheidende Verfahrensverbesse¬ rung bei der Carbamat-Herstellung dadurch zu erreichen, dass man durch Ein¬ satz eines hochmolekularen Alkohols den Harnstoff oder das Harnstoffderivat zunächst zu einem nicht flüchtigen Carbamat umsetzt, aus dem sich nach Ab¬ trennung aller leicht flüchtigen Reaktionsteilnehmer durch Umesterung mit ei- nem niedermolekularen Alkohol oder auch einer phenolischen Verbindung das gewünschte Carbamat in hoher Ausbeute und großer Reinheit gewinnen lässt.
Gegenstand der Erfindung ist deshalb ein Verfahren zur Herstellung von Car- bamidsäureestem, bei dem Harnstoff oder ein Harnstoffderivat
in einer ersten Stufe mit einem polymeren mehrfunktionellen Alkohol wie einem Polyalkylenglykol, einem Polyester-Polyol oder einem Polyether- Polyol der allgemeinen Formel I
H+°-R-t-°H (Formel I)
in dem R eine geradkettige oder verzweigte Alkylengruppe mit 2 bis 12
Kohlenstoffatomen und n eine Zahl zwischen 2 und 20 bedeuten, oder
mit einem vollständig oder teilweise hydrolysierten Polyvinylalkohol der allgemeinen Formel Il
in der R' eine Alkyl-, Aryl- oder Acylgruppe mit 1 - 12 Kohlenstoffatomen, p und q Zahlen zwischen 1 - 20 bedeuten,
oder mit Mischungen dieser Verbindungen ohne oder in Gegenwart eines die Ammoniakabspaltung begünstigenden Katalysators zu einer Carba¬ midsäureester der vorstehend genannten polymeren Alkohole enthalten¬ den Mischung umgesetzt,
und gleichzeitig den dabei frei werdende Ammoniak oder das Amin aus der Reaktionsmischung durch ein Strippgas und/oder Dampf und/oder Vakuum entfernt wird,
- und in einer zweiten Stufe (Umesterung) die die Carbamidsäureester der polymeren Alkohole enthaltende Mischung mit einem monomeren Alko¬ hol oder einem Phenol unter Bildung von deren Carbamidsäureestern und Rückbildung der polymeren Alkohole der Formeln I oder Il umgesetzt werden und anschließend
der Carbamidsäureester aus der Mischung in reiner Form nach einem an sich bekannten Verfahren gewonnen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den entscheidenden Vorteil vor allen bis- her bekannten Verfahren, dass durch die Umsetzung des Harnstoffes mit
hochmolekularen Alkoholen ein hochmolekulares Carbamat entsteht, das einen so hohen Siedepunkt hat, dass es auch bei der notwendigen Austreibung des Ammoniaks durch Strippen nicht mit entfernt wird.
Dieses Zwischenprodukt ist eine Mischung von Carbamaten, die aus den ein- gesetzten polymeren Alkoholen gebildet werden und enthält auch noch im Ü- berschuss vorhandene hochmolekulare Alkohole, die mit Harnstoff oder Harn¬ stoffderivaten noch nicht reagiert haben. Ein besonderer Vorteil ist, dass für das erfindungsgemäße Verfahren die hochmolekularen Alkohole nicht in reiner Form vorliegen müssen, sondern auch als eine Mischung eingesetzt werden können. Durch Einsatz dieser Mischung kann sowohl die Löslichkeit für den Harnstoff wie auch das Siedeverhalten den Erfordernissen der Ammoniakent¬ fernung entsprechend eingestellt werden. Die Verwendung dieses Zwischen¬ produkts zur Herstellung reiner, niedermolekularer Carbamidsäureestem ist entscheidend für die vorliegende Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Carbamidsäureestem besteht also darin, dass eine Mischung von polymeren Alkoholen, die aus PoIy- alkylenglykolen, Polyester-Polyolen, Polyether-Polyolen oder vollständig oder teilweise hydrolisierten Polyvinylalkoholen bestehen kann, im ersten Reaktions- schritt mit Harnstoff, einem substituierten Harnstoff, einem Salz oder Ester der Carbamidsäure oder einem ihrer N-substituierten Derivate (Alkyl-, Aryl-Rest wie Methyl-, Ethyl-, Phenyl-, Benzyl) in Gegenwart eines die Ammoniakabspaltung begünstigenden alkalischen Katalysators, zum Beispiel in Gegenwart von KOH, gewonnen und der dabei frei werdende Ammoniak oder das Amin aus der Re- aktionsmischung durch ein Strippgas und/oder Dampf und/oder Vakuum ent¬ fernt wird.
Das dabei erhaltene Zwischenprodukt wird dann in einem zweiten Reaktions¬ schritt mit einem Alkohol oder einer phenolischen Verbindung unter Bildung des gewünschten niedermolekularen Carbamidsäureesters umgesetzt. Bei dieser Umsetzung in der zweiten Stufe werden die polymeren Alkohole der Formel I oder Il wieder frei und können im Kreislauf wieder zur Herstellung einer Mi-
schung von organischen Carbamaten durch Umsetzung mit Harnstoff, substitu¬ ierten Harnstoffen, Salzen oder Estern der Carbamidsäure oder einem ihrer N- substituierten Derivate verwendet werden.
Die Temperatur kann in beiden Reaktionsstufen zwischen 1O0C und 2700C lie- gen.
Als Katalysatoren werden vorzugsweise alkalisch reagierende Substanzen ein¬ gesetzt, wie Salze, Oxide, Hydroxide, Alkoholate, basische Zeolithe, Polymerio¬ nenaustauscher, Tetraalkylammoniumsalze, Triphenylphosphine oder tertiäre Amine.
Die in der zweiten Reaktionsstufe eingesetzten Alkohole können geradkettige oder verzweigte aliphatische Alkohole mit bis zu 10 Kohlenstoffatomen oder zyklische Alkohole mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen sein. Als phenolische Ver- bindungen kommen Phenol selbst oder substituierte Phenole mit 1 bis 4 Koh¬ lenstoffatomen aufweisenden Alkylgruppen oder aromatische Alkohole, die 6 bis 20 Kohlenstoffatome aufweisen sowie Heteroatome enthaltende Alkohole oder eine Mischung dieser Stoffe in Betracht.
Die erfindungsgemäß hergestellten Carbamidsäureester finden auf zahlreichen Gebieten der Chemie Anwendung und können insbesondere auch als Zwi¬ schenprodukte weitere chemische Reaktionen eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch das folgende Beispiel erläutert:
Beispiel
Verfahren zur Hersteilung von Methylcarbamat
In einem Rückflusskolben werden equimolare Mengen Harnstoff und Polyethy- lenglykol in Gegenwart von 0,5 g Natriummethylat am Rückfluss 5 Stunden bei
9O0C erhitzt und der dabei entstehende Ammoniak durch einen als Strippgas verwendeten Stickstoffstrom entfernt.
Das hierbei gewonnene Zwischenprodukt wird in einem zweiten Verfahrens¬ schritt mit Methanol im Überschuss bei einer Temperatur von 500C im Rück- flusskolben über einen Zeitraum von 1 bis 2 Stunden erhitzt und anschließend das entstandene Methylcarbamat und überschüssiges Methanol destillativ von¬ einander getrennt.
Das in der ersten Verfahrensstufe eingesetzte Polyethylenglykol wird dabei zu- rück gewonnen und steht für eine erneute Umsetzung mit Harnstoff zur Verfü¬ gung.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung von Carbamidsäureestem, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass Harnstoff oder ein substituierter Harnstoff
in einer ersten Stufe mit einem polymeren mehrfunktionellen Alkohol wie einem Polyalkylenglykol, einem Polyester-Polyol oder einem Polyether- Polyol der allgemeinen Formel I
H+°"R-|n-0H (Formel I)
in dem R eine geradkettige oder verzweigte Alkylengruppe mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen und n eine Zahl zwischen 2 und 20 bedeuten, oder
mit einem vollständig oder teilweise hydrolysierten Polyvinylalkohol der allgemeinen Formel Il
in der R' eine Alkyl-, Aryl- oder Acylgruppe mit 1 - 12 Kohlenstoffatomen, p und q Zahlen zwischen 1 - 20 bedeuten,
- oder mit Mischungen dieser Verbindungen ohne oder in Gegenwart eines die Ammoniakabspaltung begünstigenden Katalysators zu einer Carba- midsäureester der vorstehend genannten polymeren Alkohole enthalten¬ den Mischung umgesetzt, - und gleichzeitig das dabei frei werdende Ammoniak oder das Amin aus der Reaktionsmischung durch ein Strippgas und/oder Dampf und/oder Vakuum entfernt wird,
und in einer zweiten Stufe (Umesterung) die die Carbamidsäureester der polymeren Alkohole enthaltende Mischung mit einem monomeren Alko¬ hol oder einem Phenol unter Bildung von deren Carbamidsäureestem und Rückbildung der polymeren Alkohole der Formeln I oder Il umgesetzt werden und anschließend
- der Carbamidsäureester aus der Mischung in reiner Form nach einem an sich bekannten Verfahren gewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die in der zweiten Stufe zurückgebildeten polymeren Alkohole der Formeln I oder Il voll- ständig oder teilweise wieder der ersten Stufe zugeführt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stufen bei Temperaturen zwischen 10° und 2700C durchgeführt werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Stufen alkalisch reagierende Salze, Oxide, Hydroxide, Alkohola- te, basische Zeolithe, polymere Ionenaustauscher, Tetraalkyl-ammoniumsalze, Triphenylphosphine oder tertiäre Amine als Katalysatoren eingesetzt werden.
5. Verfahren zur Herstellung von Carbamidsäureestem nach den Ansprü¬ chen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe ein gerad- kettiger oder verzweigter aliphatischer Alkohol mit bis zu 10 Kohlenstoffatomen oder ein aromatischer Alkohol mit 6 bis 20 Kohlenstoffatomen, der gegebenen- falls mit 1 - 4 Kohlenstoffatome aufweisenden Alkylgruppen substituiert sein kann, oder ein Heteroatome enthaltender Alkohol oder eine Mischung dieser Stoffe verwendet wird.
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2005
- 2005-06-14 WO PCT/EP2005/006352 patent/WO2006021250A1/de not_active Application Discontinuation
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