WO2017005570A1 - Verfahren zur herstellung von chloressigsäurechlorid - Google Patents

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WO2017005570A1
WO2017005570A1 PCT/EP2016/065116 EP2016065116W WO2017005570A1 WO 2017005570 A1 WO2017005570 A1 WO 2017005570A1 EP 2016065116 W EP2016065116 W EP 2016065116W WO 2017005570 A1 WO2017005570 A1 WO 2017005570A1
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phosgene
chloroacetic acid
chloride
reaction
disubstituted formamide
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PCT/EP2016/065116
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Inventor
Robert Baumann
Julia Keck
Franz KIRCHHOFFER
Michael Lorenz
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Basf Se
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/58—Preparation of carboxylic acid halides
    • C07C51/60—Preparation of carboxylic acid halides by conversion of carboxylic acids or their anhydrides or esters, lactones, salts into halides with the same carboxylic acid part

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of chloroacetic acid chloride by reacting chloroacetic acid with phosgene in the liquid phase at a temperature of 0 to 100 ° C and a pressure of 0.05 to 0.2 MPa abs in the presence of a catalyst adduct of phosgene and a ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide of the general formula (I)
  • Chloroacetic acid chloride is an important intermediate in the synthesis of a variety of chemical products, such as cosmetics, surfactants and paper auxiliaries, as well as pharmaceutical and agrochemical active ingredients.
  • chloroacetic acid chloride is used in the preparation of various crop protection agents and the active pharmaceutical ingredients diclofenac, diazepam and lidocaine.
  • Carboxylic acid chlorides which include chloroacetyl chloride as substituted species, are usually prepared industrially by reacting the corresponding carboxylic acids or carboxylic anhydrides with thionyl chloride, phosphorus trichloride or phosgene as the chlorinating agent.
  • Suitable catalyst precursors are, for example, ⁇ , ⁇ -disubstituted formamides and their hydrochlorides (US 5,166,427, US 5,200,560, EP A 0,652,204, US 5,245,063 and US 5,430,186), pyridines and derivatives thereof, substituted ureas, amidines (US 6,433,224), triphenylphosphine and Triphenylphosphine oxide (US 2007 / 0,299,282) known.
  • Chlorination of carboxylic acids with phosgene in the presence of a suitable chlorination catalyst are industrially advantageous over the use of other chlorinating agents, since they are relatively easy to carry out.
  • the needed phosgene can be prepared catalytically from carbon monoxide and chlorine on activated carbon in a simple reaction directly before its introduction into the synthesis reactor, so that the toxic feedstock does not have to be transported or stored. No.
  • 6,433,224 describes the preparation of carboxylic acid chlorides by reacting the corresponding carboxylic acid, the corresponding carboxylic anhydride or lactone with phosgene in the presence of a ⁇ , ⁇ , ⁇ ', ⁇ '-tetrasubstituted amidinium halide, a ⁇ , ⁇ , ⁇ '-trisubstituted amidiniumhydro halide or an N, N, N'-trisubstituted amidine, wherein phosgene is used in an amount of 1, 0 to 2.0 molar equivalents, based on the molar amount of carboxylic acid or carboxylic anhydride.
  • the formed carboxylic acid chloride can be separated by phase separation from the catalyst insoluble in the carboxylic acid chloride and the catalyst reused.
  • No. 3,810,940 describes the preparation of carboxylic acid chlorides by reacting intramolacular carboxylic anhydrides with phosgene in the presence of dimethylformamide and chlorobenzene. Phosgene is required in equimolar amounts, based on the intramolecular carboxylic acid anhydride, but preferably added in slight excess. The phosgene is passed through the stirred reaction mixture.
  • No. 6,770,783 describes the preparation of carboxylic acid chlorides by reacting the corresponding carboxylic acid with phosgene or thionyl chloride in the presence of a catalyst adduct of phosgene or thionyl chloride and an N, N-disubstituted formamide in which hydrogen chloride is added during and / or after the reaction.
  • the molar ratio of the supplied amounts of phosgene or thionyl chloride based on the carboxylic acid is 1, 0 to 2.0.
  • the subsequent isolation of the carboxylic acid chlorides is carried out by phase separation.
  • US 2003 / 0,028,046 discloses the discontinuous or continuous production of chlorocarboxylic chlorides by reacting the corresponding lactones with phosgene in the presence of a boron compound and a catalyst adduct of phosgene and a chlorination catalyst, and subsequent work-up by distillation, wherein containing the chlorination catalyst bottoms discharge can be recycled to the chlorination stage.
  • No. 5,200,560 discloses the continuous preparation of carbonyl chlorides of the formula R-COCl in which the radical R is a C 1 -C 30 -alkyl, a C 2 -C 30 -alkenyl or a C 2 -C 30 -alkynyl group by reacting the corresponding carboxylic acid with a substantially equimolar amount of phosgene in the presence of a catalyst adduct of phosgene and a ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide, in a mixed reactor and subsequent phase separation, wherein the degree of loading of the N, N-disubstituted formamide with phosgene is 20 to 70 mol% is.
  • the carboxylic acid chloride is in the upper phase and can be purified by distillation.
  • the lower phase contains the catalyst adduct and ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide and can be recycled to the chlorination reactor.
  • EP 0,652,204 A describes the preparation of carboxylic acid chlorides of the formula R-COCl in which the radical R is a C 1 -C 30 -alkyl, a C 2 -C 30 -alkenyl or a C 2 -C 30 -alkynyl group by reacting the corresponding carboxylic acid with a catalyst adduct of phosgene and a ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide in a stepped reaction, wherein in a first stage, the ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide is loaded with phosgene, and then in a second step, the reaction with the carboxylic acid.
  • No. 5,430,186 describes the preparation of carboxylic acid chlorides of the formula R-COCl in which the radical R is an organic radical having 1 to 30 carbon atoms by reacting the corresponding carboxylic acid with a substantially equimolar amount of phosgene in the presence of a catalyst adduct of phosgene and an N, N-disubstituted formamide in which the carboxylic acid and phosgene are directed in a parallel flow direction from below into a zone containing the catalyst adduct and transported up in a laminar flow containing a separate phase at the top forming the formed carboxylic acid chloride, and forming thereunder a separate phase containing the catalyst adduct and ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide, and the latter is removed for reformation of catalyst adduct, added with phosgene and recycled.
  • R is an organic radical having 1 to 30 carbon atoms
  • No. 5,245,063 teaches the preparation of carbonyl chlorides of the formula R-COCl in which the radical R is a C 1 -C 30 -alkyl-, a C 2 -C 30 -alkenyl or a C 2 -C 30 -alkynyl group by reacting the corresponding carboxylic acid a substantially equimolar amount of phosgene in the presence of a catalyst adduct of phosgene and a ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide, phosgene and the carboxylic acid being added stepwise or continuously to a stationary phase of the catalyst adduct. are given.
  • the carboxylic acid chloride formed separates from the catalyst adduct phase automatically as an independent, upper phase and can be discharged into a storage vessel.
  • the object of the present invention was therefore to find a process for the preparation of chloroacetic acid chloride by phosgenation of chloroacetic acid, which no longer has the disadvantages of the prior art processes and is able to produce chloroacetic acid chloride in high purity and high yield in a technically simple manner ,
  • the amount of chlorination catalyst to be supplied should also be as low as possible.
  • R (l), in which R 1 and R 2 are each independently C 1 - to C 4 -alkyl or R 1 and R 2 are together a C 4 - or Cs-alkylene chain, are reacted, and
  • step (B) from the resulting reaction mixture chloroacetyl chloride isolated, and which is characterized in that one uses in step (a) the phosgene in a molar ratio of chloroacetic acid from 0.85 to 0.99, and in step (b) chloroacetic acid chloride by distillation isolated.
  • the Vilsmeier salt from a ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide is a ⁇ , ⁇ -disubstituted (chloromethylene) ammonium chloride.
  • the radical R 3 is , for example, a substituted or unsubstituted, linear or branched C 1-30 -alkyl radical.
  • the radical R 3 is , for example, a substituted or unsubstituted, linear or branched C 1-30 -alkyl radical.
  • From the formed formamide hydrochloride (I II) can be formed by reaction with further phosgene Vilsmeier salt again, which can act again as a chlorination catalyst.
  • step (a) takes place in the presence of a catalyst adduct of phosgene and a ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide of the general formula (I)
  • R 1 and R 2 are each independently C 1 - to C 4 -alkyl or R 1 and R 2 together denote a C 4 - or Cs-alkylene chain.
  • R 1 and R 2 are preferably each independently methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl (1-methylethyl), n-butyl, sec-butyl (1-methylpropyl), isobutyl (2-methylpropyl) and tert-butyl (1, 1-dimethylethyl), or together for a CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 or CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 group.
  • ⁇ , ⁇ -disubstituted formamides in which R 1 and R 2 are identical, and very particularly preferably ⁇ , ⁇ -dimethylformamide and ⁇ , ⁇ -diisobutylformamide, in particular N, N-dimethylformamide.
  • the catalyst adduct of the general formula (II) forms from the ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide (I) and phosgene under the reaction conditions.
  • the catalyst adduct (II) represents the actual chlorinating agent. By reaction with the chloroacetic acid, it becomes ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide hydrochloride (III).
  • the starting material chloroacetic acid is a well-known intermediate for the production of carboxymethylcellulose, pesticides, dyes and pharmaceutical preparations and is technically obtained, for example, by direct chlorination of acetic acid at 85 ° C and up to 0.6 MPa abs with the addition of catalytic amounts of acetic anhydride or acetyl chloride.
  • Chloroacetic acid is preferably added in liquid form (melting point between 43 ° C and 63 ° C, depending on the modification).
  • phosgene is technically easy to handle since phosgene can be prepared directly before use by simple reaction of carbon monoxide and chlorine on activated carbon. Due to its boiling point of 7.5 ° C at atmospheric pressure, it is possible, depending on the temperature and the pressure present, to supply phosgene liquid or gaseous to the reactor. When inventive Method is thus possible both an addition of liquid and gaseous phosgene.
  • the phosgene is added in an excess amount of from 0.85 to 0.99 mol, and advantageously from 0.85 to 0.98 mol, per mole of chloroacetic acid.
  • the stated molar ratio is preferably ä 0.90 and particularly preferably ä 0.92, and also preferably -i 0.98, particularly preferably ⁇ 0.97, very particularly preferably -i 0.96 and in particular ⁇ 0 , 95th
  • the catalyst adduct (II) under reaction conditions from both N, N-disubstituted formamide (I) and ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide hydrochloride (III) is formed, it is useful to specify a quantitative relationship, including the to include both preliminary stages.
  • the process according to the invention is generally carried out at a ratio of the sum of the moles of N, N-disubstituted formamide (I) and the catalyst adduct (II) formed therefrom in step (a) and ⁇ , ⁇ - disubstituted formamide hydrochloride (III) to the number of moles of chloroacetic acid from 0.001 to 1 performed.
  • the inventive method is preferably at a ratio of the sum of the moles of ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide (I) and the resulting catalyst adduct (II) and ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide hydrochloride (III) to the number of moles of Chloroacetic acid from 0.01 to 0.5 performed. More preferably, the lower limit for the molar ratio is .about.0.02, and most preferably .about.0.05. The upper limit is more preferably 0.3, and more preferably 0.2.
  • the inventive reaction of the chloroacetic acid in step (a) is carried out at a temperature of 0 to 100 ° C, preferably at -10 ° C and more preferably at -20 ° C, and preferably at 75 ° C and more preferably at 50 ° C ° C through.
  • the pressure in the reaction is from 0.05 to 0.2 MPa abs, preferably> 0.08 MPa abs and more preferably> 0.09 MPa abs, and preferably ⁇ 0.15 MPa abs and more preferably ⁇ 0.12 MPa Section.
  • the reaction is carried out without targeted pressure increase or pressure reduction at atmospheric pressure.
  • Reaction apparatuses suitable for the reaction according to the invention of chloroacetic acid are the apparatuses known to those skilled in the art for liquid / liquid and gas / liquid reactions, such as, for example, stirred tanks.
  • the reaction is carried out in a stirred tank.
  • it is advantageous to introduce the phosgene directly into the liquid phase through the stirrer and / or nozzles. Since stoichiometric amounts of carbon dioxide and hydrogen chloride are formed during the reaction, and these are evolved from the liquid phase with chloroacetyl chloride, it is particularly advantageous to equip the reactor with a reflux condenser for the condensation of chloroacetic acid chloride.
  • chloroacetic acid chloride is suitable as a diluent, since it does not represent a further, new component in the system.
  • the concentration of chloroacetic acid chloride in the liquid reaction mixture is usually 80 to 99.9 wt .-%, preferably> 90 wt .-%, particularly preferably> 92 wt .-%, and preferably ⁇ 99 wt .-% and particularly preferably ⁇ 98 wt -%.
  • the reaction according to the invention of the chloroacetic acid in step (a) can be carried out batchwise, semicontinuously or continuously. In all three variants, however, the phosgene is preferably added according to the progress of the reaction.
  • the chloroacetic acid if appropriate diluted with chloroacetic acid chloride, and the .alpha.,. Beta.-disubstituted formamide (I) are initially introduced and the desired amount of phosgene is metered in under reaction conditions over a certain period of time.
  • the rate of addition is preferably selected so that the phosgene reacts as completely as possible in the liquid reaction mixture via the catalyst adduct to Chloressigklachlorid and the temperature remains within the desired range.
  • the reaction mixture is usually left to afterreaction with further mixing. This can be done both in the reactor in which the previous conversion took place or in a downstream post-reactor.
  • the semi-continuous variant corresponds to the discontinuous variant with the essential difference that
  • the reactor can be started, for example, as described in the batchwise or semi-continuous variants. After reaching the desired liquid level in the reactor reaction mixture is then removed continuously according to the desired liquid level. Also in the continuous variant, the rate of addition is preferably selected so that the phosgene reacts as completely as possible in the liquid reaction mixture via the catalyst adduct to the chloroacetic acid chloride and the temperature remains within the desired range.
  • step (a) is preferably carried out continuously.
  • reaction mixture after the end of the phosgene feed with further mixing without phosgene feed for the after-reaction and outgassing of carbon dioxide and hydrogen chloride.
  • This residual amounts of phosgene which is initially stored as a catalyst adduct or dissolved in the reaction mixture is still present as phosgene, further reacted.
  • carbon dioxide and hydrogen chloride which are partially dissolved in the reaction mixture, outgassed.
  • step (a) in a reactor cascade, which comprises a main reactor and a post-reactor, and to feed the total amount of phosgene in the main reactor.
  • Suitable secondary reactors are, for example, stirred tanks in which the liquid reaction mixture can be further mixed.
  • the post-reaction and outgassing of carbon dioxide and hydrogen chloride can also take place in the actual main reactor.
  • the reaction mixture remains in the reactor in which the phosgene was added.
  • Pressure and temperature for the post-reaction are usually in the range specified for the implementation of chloroacetic acid.
  • the secondary reactor is operated at a temperature which is higher by 5 to 50 ° C. than the main reactor.
  • a method is particularly preferred in which the main reactor is operated at a temperature of 0 to 50 ° C and the postreactor at a higher by 5 to 50 ° C temperature.
  • the period for the average residence time in the postreactor is usually from 1 minute to 24 hours.
  • the reaction mixture is preferably left in the after-reactor at a mean residence time of 1 minute to 12 hours, more preferably at about 10 minutes, and most preferably at about 30 minutes, and more preferably at ⁇ 10 hours, most preferably at ⁇ 5 hours and especially at 22 hours.
  • the reaction mixture obtained in step (a) contains mainly the desired reaction product chloroacetic acid chloride, and ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide hydrochloride (III) as a reaction product of the catalyst adduct. Furthermore, the reaction mixture also contains small amounts of unreacted chloroacetic acid.
  • the chloroacetic acid chloride is isolated by distillation from the single-phase reaction mixture.
  • the distillation can be carried out in a conventional distillation column in a manner known to those skilled in the art.
  • the distillation column contains column internals such as distillation packs and / or distillation trays.
  • suitable column internals are ordered packings, random packings, valve trays, sieve trays and bubble cap trays. Preference is given to column internals which lead to a low pressure loss, such as ordered packings and random packings.
  • chloroacetyl chloride For the isolation by distillation of chloroacetic acid chloride, the distillation column is operated so that chloroacetyl chloride is obtained as distillate and is condensed. With a boiling point in the range of 105-1 10 ° C at atmospheric pressure, chloroacetic acid chloride boils at a significantly lower temperature than the ⁇ , ⁇ -disubstituted formamides (boiling point of the simplest ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide ⁇ , ⁇ -dimethylformamide at 153 ° C). and the chloroacetic acid (boiling point 188 ° C). Thus, chloroacetyl chloride is very good and relatively easily separated from the reaction mixture.
  • the distillation column is generally operated in a pressure range of 0.001 to 0.1 1 MPa abs. Operating at atmospheric pressure has the advantage that no measures for generating a negative pressure are required. Although operating at a pressure below atmospheric pressure requires measures to generate a negative pressure, lowers but at the same time down the required distillation temperature, which saves energy for heating the column feed.
  • the bottom product from the distillative isolation of chloroacetic acid chloride contains mainly the used ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide (I), which in the distillation by HCl elimination from the ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide hydrochloride (III) has reformed again. Furthermore, the bottom product also contains unreacted chloroacetic acid and chloroacetic anhydride formed therefrom, and optionally also chloroacetic acid chloride.
  • the erfindungswelen, ⁇ -disubstituted formamide (I) enriched in the sump in the bottoms of the process according to the invention in the distillative isolation of chloroacetic acid chloride in step (b) is preferably used again in Step a) used.
  • the resulting bottoms can be recycled to step (a) without further work-up or separation.
  • the unreacted chloroacetic acid and the chloroacetic anhydride are recycled and thus made available again as a feedstock.
  • An ejection of undesired by-products can be carried out, for example, by not using the total amount of bottoms again in step (a), but discharging a certain part.
  • step (b) 50 to 100%, particularly preferably 80 to 100% and very particularly preferably 90 to 100% of the ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide (I) enriched in the bottom (b) in step (b) are preferably used again in step (a) in the process according to the invention ) one.
  • the abovementioned ranges correspond to the proportions of the sump which is used again in step (a).
  • the corresponding minor amount must usually be compensated by adding fresh ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide.
  • step (b) is also preferably carried out continuously and the ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide enriched in the bottom (b) in step (b) leads continuously to step a).
  • the entire amount of the chloroacetic acid to be used optionally diluted with chloroacetic acid chloride, together with the entire amount of ⁇ , ⁇ -substituted formamide (I) in a stirred tank with reflux condenser before.
  • the stirred tank is then brought to the desired temperature of more preferably> 20 ° C and fed with further stirring at atmospheric pressure gaseous phosgene.
  • the reactor used in step (a) is likewise a stirred tank with reflux condenser. This is approached, for example, as described in the embodiment of the batch process and added phosgene as in the batch process.
  • the continuous discharge of reaction mixture and the continuous supply of chloroacetic acid and ⁇ , ⁇ -substituted formamide (I) is begun under further, continuous supply of phosgene.
  • the discharged reaction mixture is fed to another stirred tank, which is also operated at preferably> 20 ° C and atmospheric pressure.
  • step (b) the reaction mixture is further stirred for post-reaction and outgassing of carbon dioxide and hydrogen chloride.
  • the reaction mixture is continuously withdrawn from the postreactor and fed to a distillation column for step (b). This is started up in a manner known and customary to the person skilled in the art, and chloroacetic acid chloride is taken overhead in a purity of> 99% by weight.
  • the bottom product containing ⁇ , ⁇ -substituted formamide (I) is continuously recycled to step (a).
  • step (a) part of the bottom product is removed from the overall system and only the remaining part is recycled to step (a). This can be counteracted possible accumulation of any unwanted by-products.
  • the amount of ⁇ , ⁇ -substituted formamide (I) removed in this way is compensated for by adding fresh N, N-substituted formamide (I) to step (a).
  • the inventive method allows the production of chloroacetic acid chloride by phosgenation of chloroacetic acid in a technically simple manner.
  • Chloroacetic acid chloride can be obtained in high purity and yield. Due to the deficit of phosgene, the usual stripping of excess phosgene can be omitted, which represents a significant simplification of the procedure.
  • the chlorination catalyst or ⁇ , ⁇ -substituted formamide as its precursor can be reused over many cycles. As a result, the amount of ⁇ , ⁇ -substituted formamide to be supplied fresh as well as the amount of spent chlorination catalyst to be discharged and thus disposed of can be significantly reduced. Only by the features according to the invention could the above advantages be realized for the production of chloroacetyl chloride. Examples
  • Examples 1 and 2 several cycles for the discontinuous production of chloroacetic acid chloride by reaction of chloroacetic acid with phosgene in the presence of a ⁇ , ⁇ -disubstituted formamide were driven, wherein after each cycle in a distillation column chloroacetic acid chloride isolated overhead, and the remaining bottom product in the following Cycle was reused.
  • the essential difference between Examples 1 and 2 is the ratio of the amount of moles of phosgene added to chloroacetic acid. Distillate and bottoms were analyzed by gas chromatography (GC) and nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 1 H and 13 C NMR, respectively). The results of Examples 1 and 2 are summarized in Tables 1 and 2.
  • the reaction mixture was transferred to a distillation column and distilled off in vacuo 300 g of chloroacetic acid chloride (pressure at the beginning of 150 hPa abs, at the end 90 hPa abs, bottom temperature 39-45 ° C, transition temperature 37-43 ° C).
  • the distillate had a purity of 99.9 GC FI .-% chloroacetic acid chloride.
  • the reaction mixture was transferred to a distillation column and distilled off in vacuo 300 g of chloroacetic acid chloride (pressure at the beginning 100 hPa abs, at the end 85 hPa abs, bottom temperature 45 ° C, transition temperature 43-44 ° C).
  • the distillate had a purity of 99.8 GC FI .-% chloroacetic acid chloride.
  • the reaction mixture was transferred to a distillation column and distilled off in vacuo 300 g (pressure at the beginning 100 hPa abs, at the end 90 hPa abs, bottom temperature 36-44 ° C, transition temperature 33-43 ° C).
  • the distillate had a purity of 99.8 GC FI .-% chloroacetic acid chloride and 0.1 GC FI .-% DMF.
  • Example 2a Since the distillate obtained in Example 2a contained only chloroacetic acid chloride in high purity with a very small amount of dimethylformamide, the remaining 0.05 mol of chloroacetic acid in the form of the free chloroacetic acid or in the form of its anhydride in the distillation bottoms. Chloroacetic anhydride is formed to some extent in the distillation of chloroacetic acid under the present conditions. When calculating the upper limit of the molar ratio, it was assumed that all residual chloroacetic acid was converted into chloroacetic anhydride. Thus, the total amount of chloroacetic acid in the use of Example 2b would be 2.65 moles and, correspondingly, the molar ratio of phosgene to chloroacetic acid would be 0.98.
  • reaction mixture was transferred to a distillation column and distilled off in vacuo 300 g (pressure at the beginning 100 hPa abs, at the end 90 hPa abs, bottom temperature 36-47 ° C, transition temperature 34-45 ° C).
  • the distillate had a purity of 99.9 GC FI .-% chloroacetic acid chloride and 0.02 GC FI .-% DMF.
  • the reaction mixture was transferred to a distillation column and distilled off in vacuo 300 g (pressure at the beginning of 100 hPa abs, at the end of 90 hPa abs, bottom temperature 37-49 ° C, transition temperature 33-43 ° C).
  • the distillate had a purity of 99.9 GC FI .-% chloroacetic acid chloride and 0.01 GC FI .-% DMF. 41.3% by weight of chloroacetic acid chloride, 8.7% by weight of DMF, 14.4% by weight of chloroacetic acid and 34.9% by weight of chloroacetic anhydride were found in the distillation bottoms.
  • these compounds were also found, but not the Vilsmeier salt and not the 2-chloro-1, 3-bis (dimethylamino) trimethinium chloride.
  • the reaction mixture was transferred to a distillation column and 281.5 g distilled off in vacuo (pressure at the beginning of 100 hPa abs, at the end 90 hPa abs, bottom temperature 38-53 ° C, transition temperature 36 - 41 ° C).
  • the distillate had a purity of 99.9 GC FI .-% chloroacetic acid chloride and 0.01 GC FI .-% DMF.
  • Examples 2a to 2d show that when a substoichiometric amount of phosgene is used, the phosgenation catalyst remaining in the bottoms by distillation can be repeatedly recycled and thus reused. As a result, a continuous process management is possible.
  • CA anhydrides chloroacetic anhydrides CAC chloroacetic acid chloride (chloroacetyl chlorides) DMF N, N-dimethylformamide

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Chloressigsäurechlorid durch (a) Umsetzung von Chloressigsäure mit Phosgen in der Flüssigphase bei einer Temperatur von 0 bis 100°C und einem Druck von 0,05 bis 0,2 MPa abs in Gegenwart eines Katalysator-Addukts aus Phosgen und einem N,N-disubstituierten Formamid der allgemeinen Formel (I) in der R1 und R2 unabhängig voneinander C1- bis C4-Alkyl oder R1 und R2 gemeinsam eine C4-oder C5-Alkylenkette bedeuten, und (b) nachfolgender Isolierung des Chloressigsäurechlorids aus dem erhaltenen Reaktionsgemisch, bei dem man in Schritt (a) das Phosgen in einem Mol-Verhältnis zur Chloressigsäure von 0,85 bis 0,99 einsetzt, und in Schritt (b) Chloressigsäurechlorid destillativ isoliert.

Description

Verfahren zur Herstellung von Chloressigsäurechlorid
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Chloressigsäurechlorid durch Umsetzung von Chloressigsäure mit Phosgen in der Flüssigphase bei einer Temperatur von 0 bis 100°C und einem Druck von 0,05 bis 0,2 MPa abs in Gegenwart eines Katalysator-Addukts aus Phosgen und einem Ν,Ν-disubstituierten Formamid der allgemeinen Formel (I)
R\ N— CHO
(I),
in der R1 und R2 unabhängig voneinander d- bis C4-Alkyl oder R1 und R2 gemeinsam eine C4- oder Cs-Alkylenkette bedeuten, und nachfolgender Isolierung des Chloressigsäurechlorids aus dem erhaltenen Reaktionsgemisch. Chloressigsäurechlorid ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Synthese einer Vielzahl chemischer Produkte, wie etwa Kosmetika, Tenside und Papierhilfsmittel sowie pharmazeutischer und agrochemischer Wirkstoffe. Insbesondere findet Chloressigsäurechlorid in der Herstellung diverser Pflanzenschutzmittel und der pharmazeutischen Wirkstoffe Diclofenac, Diazepam und Lidocain Verwendung.
Carbonsäurechloride, zu denen als substituierte Spezies auch Chloressigsäurechlorid zählt, werden technisch üblicherweise durch Umsetzung der entsprechenden Carbonsäuren oder Carbonsäureanhydride mit Thionylchlorid, Phosphortrichlorid oder Phosgen als Chlorierungsmittel hergestellt.
Im Gegensatz zu Phosphortrichlorid sind Thionylchlorid und vor allem Phosgen weniger reaktiv. Die Herstellung von Carbonsäurechloriden durch Umsetzung der entsprechenden Carbonsäuren beziehungsweise Carbonsäureanhydriden mit Phosgen erfolgt daher zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit stets in Gegenwart eines Katalysators. Als geeignete Katalysatorvorstufen sind beispielweise Ν,Ν-disubstituierte Formamide und deren Hydrochloride (US 5,166,427, US 5,200,560, EP A 0,652,204, US 5,245,063 und US 5, 430,186), Pyridine und dessen Derivate, substituierte Harnstoffe, Amidine (US 6,433,224), Triphenylphoshin und Triphenylphoshinoxid (US 2007/0,299,282) bekannt.
Chlorierungen von Carbonsäuren mit Phosgen in Gegenwart eines geeigneten Chlorierungskatalysators sind gegenüber dem Einsatz anderer Chlorierungsmittel großtechnisch von Vorteil, da diese relativ einfach durchführbar sind. Das benötigte Phosgen kann dabei direkt vor dessen Einleitung in den Synthesereaktor katalytisch aus Kohlen- monoxid und Chlor an Aktivkohle in einfacher Reaktion hergestellt werden kann, so dass der toxische Einsatzstoff nicht transportiert oder gelagert werden muss. US 6,433,224 beschreibt die Herstellung von Carbonsäurechloriden durch Umsetzung der entsprechenden Carbonsäure, des entsprechenden Carbonsäureanhydrids oder Lactons mit Phosgen in Gegenwart eines Ν,Ν,Ν',Ν'-tetrasubstituierten Amidinium-halo- genids, eines Ν,Ν,Ν'-trisubstituierten Amidiniumhydro-halogenids oder eines N,N,N'-tri- substituierten Amidins, wobei Phosgen in einer Menge von 1 ,0 bis 2,0 Moläquivalenten, bezogen auf die molare Menge an Carbonsäure beziehungsweise Carbonsäureanhydrid eingesetzt wird. Das gebildete Carbonsäurechlorid kann durch Phasentrennung von dem im Carbonsäurechlorid unlöslichen Katalysator abgetrennt, und der Katalysator wiederverwendet werden. US 3,810,940 beschreibt die Herstellung von Carbonsäurechloriden durch Umsetzung von intramolakularen Carbonsäureanhydriden mit Phosgen in Gegenwart von Dimethyl- formamid und Chlorbenzol. Phosgen wird dabei in äquimolarer Menge, bezogen auf das intramolakulare Carbonsäureanhydrid, benötigt, bevorzugt jedoch im geringen Über- schuss zugegeben. Das Phosgen wird dabei durch das gerührte Reaktionsgemisch ge- leitet.
US 5,166,427 beschreibt die Herstellung von Carbonsäurechloriden der Formel R-COCI, bei denen der Rest R eine Cs-Cso-Alkyl-, eine Cs-Cso-Alkenyl- oder eine Cs-Cso-Alkinyl- Gruppe ist, durch Umsetzung der entsprechenden Carbonsäure mit einer im Wesentli- chen äquimolaren Menge Phosgen in Gegenwart eines Katalysator-Addukts aus Phosgen und eines Ν,Ν-disubstituierten Formamids und nachfolgender Phasentrennung, wobei die untere, das Katalysator-Addukt und Ν,Ν-disubstituiertes Formamid enthaltende Phase, wiederverwendet werden kann. Das Carbonsäurechlorid wird aus der oberen Phase erhalten und kann destillativ gereinigt werden.
US 6,770,783 beschreibt die Herstellung von Carbonsäurechloriden durch Umsetzung der entsprechenden Carbonsäure mit Phosgen oder Thionylchlorid in Gegenwart eines Katalysator-Addukts aus Phosgen oder Thionylchlorid und eines N,N-disubstituierten Formamids, bei dem während und/oder nach der Umsetzung Chlorwasserstoff zugeführt wird. Das Molverhältnis der zugeführten Mengen an Phosgen oder Thionylchlorid bezogen auf die Carbonsäure beträgt dabei 1 ,0 bis 2,0. Die anschließende Isolierung der Carbonsäurechloride erfolgt durch Phasentrennung.
US 2003/0,028,046 offenbart die diskontinuierliche oder kontinuierliche Herstellung von Chlorcarbonsäurechoriden durch Umsetzung der entsprechenden Lactone mit Phosgen in Gegenwart einer Borverbindung und eines Katalysator-Addukts aus Phosgen und eines Chlorierungskatalysators, und nachfolgender destillativer Aufarbeitung, wobei der, den Chlorierungskatalysator enthaltende Sumpfaustrag zur Chlorierungsstufe rückgeführt werden kann.
US 5,200,560 offenbart die kontinuierliche Herstellung von Carbonsäurechloriden der Formel R-COCI, bei denen der Rest R eine Ci-C3o-Alkyl-, eine C2-C3o-Alkenyl- oder eine C2-C3o-Alkinyl-Gruppe ist, durch Umsetzung der entsprechenden Carbonsäure mit einer im Wesentlichen äquimolaren Menge Phosgen in Gegenwart eines Katalysator-Addukts aus Phosgen und eines Ν,Ν-disubstituierten Formamids, in einem durchmischten Reaktionsapparat und nachfolgender Phasentrennung, wobei der Beladungsgrad des N,N- disubstituierten Formamids mit Phosgen 20 bis 70 mol-% beträgt. Das Carbonsäurechlorid befindet sich dabei in der oberen Phase und kann daraus destillativ aufgereinigt werden. Die untere Phase enthält das Katalysator-Addukt und Ν,Ν-disubstituiertes Formamid und kann zum Chlorierungsreaktor rückgeführt werden. EP 0,652,204 A beschreibt die Herstellung von Carbonsäurechloriden der Formel R-COCI, bei denen der Rest R eine Ci-C3o-Alkyl-, eine C2-C3o-Alkenyl- oder eine C2-C30- Alkinyl-Gruppe ist, durch Umsetzung der entsprechenden Carbonsäure mit einem Katalysator-Addukt aus Phosgen und eines Ν,Ν-disubstituierten Formamids in einer gestuften Reaktionsführung, wobei in einer ersten Stufe das Ν,Ν-disubstituierte Formamid mit Phosgen beladen wird, und dann in einer zweiten Stufe die Umsetzung mit der Carbonsäure erfolgt.
US 5,430,186 beschreibt die Herstellung von Carbonsäurechloriden der Formel R-COCI, bei denen der Rest R ein organischer Rest mit 1 bis 30 C-Atomen ist, durch Umsetzung der entsprechenden Carbonsäure mit einer im Wesentlichen äquimolaren Menge Phosgen in Gegenwart eines Katalysator-Addukts aus Phosgen und eines N,N-disubstituier- ten Formamids, bei der die Carbonsäure und Phosgen in paralleler Fließrichtung von unten in eine Zone enthaltend das Katalysator-Addukt geleitet, und in laminarer Strömung nach oben transportiert wird, wobei sich am oberen Ende eine separate Phase enthaltend das gebildete Carbonsäurechlorid bildet, und darunter eine separate Phase, enthaltend das Katalysator-Addukt und Ν,Ν-disubstituiertes Formamid, bildet, und letztere zur erneuten Bildung von Katalysator-Addukt abgeführt, mit Phosgen versetzt und rückgeführt wird. US 5,245,063 lehrt die Herstellung von Carbonsäurechloriden der Formel R-COCI, bei denen der Rest R eine Ci-C3o-Alkyl-, eine C2-C3o-Alkenyl- oder eine C2-C3o-Alkinyl- Gruppe ist, durch Umsetzung der entsprechenden Carbonsäure mit einer im Wesentlichen äquimolaren Menge Phosgen in Gegenwart eines Katalysator-Addukts aus Phosgen und eines Ν,Ν-disubstituierten Formamids, wobei Phosgen und die Carbonsäure stufenweise oder kontinuierlich zu einer stehenden Phase des Katalysator-Addukts zu- gegeben werden. Das gebildete Carbonsäurechlorid trennt sich dabei in aller Regel automatisch als eigenständige, obere Phase von der Katalysator-Addukt-Phase ab und kann in ein Vorratsgefäß abgeleitet werden. Im Sinne einer ressourcenschonenden Reaktionsführung ist es wünschenswert, die Menge der erforderlichen Einsatz- und Hilfsstoffe so geringe wie möglich zu halten. So ist es beispielsweise bei der Chlorierung von Carbonsäuren unter Einsatz von Phosgen in Gegenwart eines Chlorierungskatalysators vorteilhaft, den Chlorierungskatalysator nach Aufarbeitung des Reaktionsgemisches durch Rückführung wiederzuverwenden. Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch völlig überraschend erkannt, dass gerade dies im Falle der Herstellung von Chloressigsäurechlorid aus Chloressigsäure durch Chlorierung mit Phosgen in Gegenwart eines Katalysator-Addukts aus einem N,N-disubstituierten Formamid und Phosgen nach den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren praktisch nicht möglich ist. Bereits bei der ersten Rückführung fällt der Umsatz von Chlores- sigsäure rapide ab. Als Folge davon wäre der verwendete Chlorierungskatalysator auszuschleusen und durch Zugabe von frischem Ν,Ν-disubstituierten Formamid zu erneuern. Somit sind die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Chloressigsäurechlorid aus Chloressigsäure und Phosgen in Gegenwart eines Chlorierungskatalysators auf Basis von Ν,Ν-disubstituiertem Formamid ungeeignet, da eine Rückführung des Chlorierungskatalysators nicht möglich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Chloressigsäurechlorid durch Phosgenierung von Chloressigsäure zu finden, welches die Nachteile aus den Verfahren des Standes der Technik nicht mehr aufweist und in technisch einfacher Art und Weise Chloressigsäurechlorid in hoher Reinheit und hoher Ausbeute herzustellen vermag. Insbesondere soll es bei dem Verfahren möglich sein, den erforderlichen Chlorierungskatalysator über viele Zyklen hinweg wiederzuverwenden und somit die Menge an verbrauchten und somit zu entsorgenden Chlorierungskatalysator möglichst gering zu halten. Zudem soll auch die Menge an neu zuzuführendem Chlorierungskatalysator möglichst gering sein.
Überraschend wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von Chloressigsäurechlorid gefunden, bei dem man
(a) Chloressigsäure mit Phosgen in der Flüssigphase bei einer Temperatur von 0 bis 100°C und einem Druck von 0,05 bis 0,2 MPa abs in Gegenwart eines Katalysator- Addukts aus Phosgen und einem Ν,Ν-disubstituierten Formamid der allgemeinen Formel (I)
N— CHO
R2'
R (l), in der R1 und R2 unabhängig voneinander d- bis C4-Alkyl oder R1 und R2 gemein sam eine C4- oder Cs-Alkylenkette bedeuten, umsetzt, und
(b) aus dem erhaltenen Reaktionsgemisch Chloressigsäurechlorid isoliert, und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man in Schritt (a) das Phosgen in einem Molverhältnis zur Chloressigsäure von 0,85 bis 0,99 einsetzt, und in Schritt (b) Chloressigsäurechlorid destillativ isoliert.
Es ist seit langem bekannt, dass beim Einsatz eines Ν,Ν-disubstituierten Formamids durch Reaktion mit Phosgen ein sogenanntes Addukt gebildet wird, welches den eigent- liehen Chlorierungskatalysator darstellt und daher auch als Katalysator-Addukt bezeichnet wird. In der Literatur wird dieses Addukt auch Vilsmeier-Salz genannt.
Figure imgf000006_0001
N,N-disubstituiertes Vilsmeier-Salz
Formamid (Katalysator-Addukt)
(i) (II)
Chemisch handelt es sich beim Vilsmeier-Salz aus einem Ν,Ν-disubstituierten Formamid um ein Ν,Ν-disubstituiertes (Chlormethylen)ammonium-chlorid.
In Gegenwart einer Carbonsäure reagiert das Vilsmeier-Salz dann mit dieser zum Carbonsäurechlorid. Dabei wird Ν,Ν-disubstituiertes Formamid-Hydrochlorid der allgemeinen Formel (III) gebildet.
Figure imgf000006_0002
Vilsmeier-Salz Carbonsäure N,N-disubstituiertes Carbonsäure(Katalysator-Addukt) Formamid- chlorid
(II) Hydrochlorid
(Hl) In der obigen Reaktionsgleichung steht der Rest R3 beispielsweise für einen substituierten oder unsubstituierten, linearen oder verzweigten Ci-30-Alkylrest. Aus dem gebildeten Formamid-Hydrochlorid (I II) kann durch Umsetzung mit weiterem Phosgen wieder Vilsmeier-Salz gebildet werden, welches erneut als Chlorierungskatalysator wirken kann.
Figure imgf000007_0001
N,N-disubstituiertes Vilsmeier-Salz
Formamid- (Katalysator-Addukt) Hydrochlorid (I I)
(I I I) Für eine hohe Ausbeute an Carbonsäurechlorid und eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit ist es daher naheliegend, eine hohe Konzentration an Vilsmeier-Salz im Reaktionsgemisch aufrechtzuerhalten. Auch im Stand der Technik wird der Einsatz eines Überschusses an Phosgen gelehrt, mit dem Ziel, eine möglichst hohe Konzentration an Vilsmeier-Salz aufrechtzuerhalten. Als bevorzugter Bereich sind 1 ,0 bis 2,0 Mol bezogen auf die Menge an eingesetzter Carbonsäure genannt.
Wie eingangs bereits erwähnt, wurde im Rahmen der Erfindung jedoch völlig überraschend erkannt, dass im Falle der Herstellung von Chloressigsäurechlorid trotz eines Überschusses an Phosgen bei Rückführung des vermeintlichen Katalysator-Addukts der Umsatz von Chloressigsäure rapide abfällt. Auch eine weitere Erhöhung des Phosgen- Überschusses ändert daran nichts. Lediglich ein Austausch des gebrauchten Katalysator-Addukts durch Ν,Ν-disubstituiertes Formamid beziehungsweise frisch hergestelltes Vilsmeier-Salz vermag den Umsatz wieder zu erhöhen. Diese Maßnahmen würden jedoch zu einem deutlich erhöhten Verbrauch an Chlorierungskatalysator führen und zu- dem auch die Menge an zu entsorgendem, verbrauchten Katalysator deutlich erhöhen, was natürlich beides nicht wünschenswert ist.
Noch überraschender war die Erkenntnis, dass hingegen beim Einsatz eines Unterschusses an Phosgen der Umsatz an Chloressigsäure trotz Rückführung des gebrauch- ten Katalysator-Addukts über einen längeren Zeitraum hinweg auf einem hohen Niveau gehalten werden kann. Weitere Untersuchungen dieses unerwarteten Verhaltens zeigten, dass sich im Falle eines Überschusses an Phosgen die Konzentration an aktivem Vilsmeier-Salz rasch verringert und sich stattdessen mit dem gebildeten Chlorcarbonsäurechlorid ein stabiles Reaktionsprodukt des Vilsmeier-Salzes mit der allgemeinen Formel (IV) bildet.
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Vilsmeier-Salz Chloressigsäure- Ν,Ν,Ν',Ν'-tetrasubstituiertes (Katalysator-Addukt) chlorid 2-Chloro-1 ,3-bis(diamino)trimethinium chlorid
(Ii) (iv)
Letzteres ist katalytisch inaktiv und wird unter den vorliegenden Reaktionsbedingungen auch nicht wieder in das Vilsmeier-Salz rückverwandelt. Durch Verringerung des Phosgen/Chloressigsäure-Molverhältnisses verringert sich auch die Bildung des Ν,Ν,Ν',Ν'-tetrasubstituierten 2-Chloro-1 ,3-bis(diamino)trimethi- nium-chlorids. Somit wird weniger Vilsmeier-Salz irreversibel deaktiviert und dadurch eine wiederholte Rückführung ermöglicht. Unsubstituierte Carbonsäuren wie beispielsweise Essigsäure, Propionsäure oder auch Fettsäuren zeigen diesen spezifischen Effekt nicht, so dass bei deren Herstellung die Bildung eines substituierten Trimethiniumchlorids keine oder eine nur sehr untergeordnete negative Rolle spielt.
Zudem wurde erfindungsgemäß erkannt, dass aufgrund des Unterschusses an Phosgen die sonst übliche Strippung von überschüssigem Phosgen nach der Phosgenierung entfallen kann. Dies stellt eine Vereinfachung des Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik dar, sowohl apparativ als auch hinsichtlich der Entsorgung beziehungsweise Rückführung des herausgestrippten Phosgens.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Umsetzung in Schritt (a) in Gegenwart eines Katalysator-Addukts aus Phosgen und einem Ν,Ν-disubstituierten Formamid der allgemeinen Formel (I)
R
\ N— CHO
R
(i), in der R1 und R2 unabhängig voneinander d- bis C4-Alkyl oder R1 und R2 gemeinsam eine C4- oder Cs-Alkylen kette bedeuten. Bevorzugt stehen R1 und R2 unabhängig voneinander für Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl (1 -Methylethyl), n-Butyl, sec-Butyl (1 -Me- thylpropyl), iso-Butyl (2-Methylpropyl) und tert-Butyl (1 ,1 -Dimethylethyl), oder gemein- sam für eine CH2CH2CH2CH2 oder CH2CH2CH2CH2CH2 Gruppe. Besonders bevorzugt sind Ν,Ν-disubstituierte Formamide, bei denen R1 und R2 identisch sind, und ganz besonders bevorzugt Ν,Ν-Dimethylformamid und Ν,Ν-Diisobutylformamid, insbesondere N,N-Dimethylformamid.
Wie bereits zuvor beschrieben, bildet sich unter den Reaktionsbedingungen aus dem Ν,Ν-disubstituierten Formamid (I) und Phosgen das Katalysator-Addukt der allgemeinen Formel (II)
Figure imgf000009_0001
bei dem die Reste R1 und R2 die oben genannte Bedeutung besitzen. Wie ebenfalls bereits zuvor erläutert, stellt das Katalysator-Addukt (II) das eigentliche Chlorierungsagens dar. Durch Reaktion mit der Chloressigsäure wird daraus Ν,Ν-disubstituiertes For- mamid-Hydrochlorid (III)
Figure imgf000009_0002
gebildet, welches mit weiterem Phosgen wieder Katalysator-Addukt (II) bildet.
Der Einsatzstoff Chloressigsäure ist ein bekanntes Zwischenprodukt für die Herstellung von Carboxymethylcellulose, Pflanzenschutzmitteln, Farbstoffen und pharmazeutischen Präparaten und wird technisch beispielsweise durch direkte Chlorierung von Essigsäure bei 85°C und bis zu 0,6 MPa abs unter Zugabe katalytischer Mengen an Acetanhydrid oder Acetylchlorid gewonnen.
Chloressigsäure wird bevorzugt in flüssiger Form zugegeben (Schmelzpunkt zwischen 43°C und 63°C, je nach Modifikation). Phosgen ist trotz seiner Toxizität technisch gut handhabbar, da Phosgen direkt vor dessen Einsatz durch einfache Reaktion von Kohlenmonoxid und Chlor an Aktivkohle hergestellt werden kann. Aufgrund seines Siedepunktes von 7,5°C bei Normaldruck ist es möglich, abhängig von der vorliegenden Temperatur und dem vorliegenden Druck, Phosgen flüssig oder gasförmig dem Reaktor zuzuführen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist somit sowohl eine Zugabe von flüssigem als auch gasförmigem Phosgen möglich.
Bezogen auf die eingesetzte Chloressigsäure wird beim erfindungsgemäßen Verfahren in Schritt (a) das Phosgen im Unterschuss in einer Menge von 0,85 bis 0,99 Mol, und vorteilhaft von 0,85 bis 0,98 Mol, pro Mol Chloressigsäure zugegeben. Bevorzugt liegt das genannte Molverhältnis bei ä 0,90 und besonders bevorzugt bei ä 0,92, sowie bevorzugt bei -i 0,98, besonders bevorzugt bei ^ 0,97, ganz besonders bevorzugt bei -i 0,96 und insbesondere bei ^ 0,95.
Da das Katalysator-Addukt (II) unter Reaktionsbedingungen sowohl aus N,N-disubstitu- iertem Formamid (I) als auch aus Ν,Ν-disubstituiertem Formamid-Hydrochlorid (III) gebildet wird, ist es zur Angabe einer Mengenbeziehung sinnvoll, auch die beiden Vorstufen mit einzubeziehen. Unter Berücksichtigung dessen wird das erfindungsgemäße Ver- fahren im Allgemeinen bei einem Verhältnis der Summe der Molzahlen von N,N-disub- stituiertem Formamid (I) und dem in Schritt (a) daraus gebildeten Katalysator-Addukt (II) und Ν,Ν-disubstituiertem Formamid-Hydrochlorid (III) zur Molzahl der Chloressigsäure von 0,001 bis 1 durchgeführt. Ein Verhältnis von > 1 Mol/Mol ist jedoch auch möglich. Völlig ausreichend ist aber bereits ein Verhältnis von < 1 Mol/Mol. So wird das erfin- dungsgemäße Verfahren bevorzugt bei einem Verhältnis der Summe der Molzahlen von Ν,Ν-disubstituiertem Formamid (I) und dem daraus gebildeten Katalysator-Addukt (II) und Ν,Ν-disubstituierten Formamid-Hydrochlorid (III) zur Molzahl der Chloressigsäure von 0,01 bis 0,5 durchgeführt. Besonders bevorzugt liegt die untere Grenze für das Molverhältnis bei ä 0,02 und ganz besonders bevorzugt bei ä 0,05. Die obere Grenze liegt besonders bevorzugt bei ^ 0,3 und ganz besonders bevorzugt bei ^ 0,2.
Die erfindungsgemäße Umsetzung der Chloressigsäure in Schritt (a) führt man bei einer Temperatur von 0 bis 100°C, bevorzugt bei ä 10°C und besonders bevorzugt bei ä 20°C, sowie bevorzugt bei ^ 75°C und besonders bevorzugt bei ^ 50°C durch. Der Druck bei der Umsetzung beträgt dabei 0,05 bis 0,2 MPa abs, bevorzugt > 0,08 MPa abs und besonders bevorzugt > 0,09 MPa abs, sowie bevorzugt < 0,15 MPa abs und besonders bevorzugt < 0,12 MPa abs. Insbesondere führt man die Umsetzung ohne gezielte Druckerhöhung oder Druckabsenkung bei Atmosphärendruck durch. Als für die erfindungsgemäße Umsetzung der Chloressigsäure geeignete Reaktionsapparate sind die vom Fachmann bekannten Apparate für flüssig/flüssig und gas/flüssig Umsetzungen, wie beispielsweise Rührkessel, genannt. Bevorzugt führt man die Umsetzung in einem Rührkessel durch. Um einen besonders effizienten Eintrag sicherzustellen, ist es von Vorteil, das Phosgen durch den Rührer und/oder Düsen direkt in die Flüs- sigphase einzubringen. Da bei der Umsetzung stöchiometrische Mengen an Kohlendioxid und Chlorwasserstoff gebildet werden, und diese beim Entweichen aus der Flüssig- phase Chloressigsäurechlorid mit herausstrippen, ist es besonders vorteilhaft, den Reaktionsapparat mit einem Rückflusskühler zur Kondensation des Chloressigsäurechlorids auszustatten. Da es sich bei der erfindungsgemäßen Umsetzung um eine exotherme Reaktion handelt, ist es hinsichtlich einer einfacheren Reaktionsführung vorteilhaft, die Chloressigsäure in verdünnter Form umzusetzen. Als Verdünnungsmittel bietet sich hierzu Chloressigsäurechlorid an, da es keine weitere, neue Komponente im System darstellt. Allerdings ist es auch möglich, Chloressigsäure in unverdünnter Form umzusetzen.
Die Konzentration von Chloressigsäurechlorid im flüssigen Reaktionsgemisch beträgt üblicherweise 80 bis 99,9 Gew.-%, bevorzugt > 90 Gew.-%, besonders bevorzugt > 92 Gew.-%, sowie bevorzugt < 99 Gew.-% und besonders bevorzugt < 98 Gew-%. Die erfindungsgemäße Umsetzung der Chloressigsäure in Schritt (a) kann diskontinuierlich, halbkontinuierlich oder kontinuierlich erfolgen. In allen drei Varianten wird das Phosgen jedoch bevorzugt gemäß Reaktionsfortschritt zudosiert.
Bei der diskontinuierlichen Variante werden üblicherweise die Chloressigsäure, gegebe- nenfalls verdünnt mit Chloressigsäurechlorid, und das Ν,Ν-disubstituierte Formamid (I) vorgelegt und die gewünschte Menge an Phosgen unter Reaktionsbedingungen über einen gewissen Zeitraum zudosiert. Die Zugabegeschwindigkeit wird dabei bevorzugt so ausgewählt, dass das Phosgen möglichst vollständig im flüssigen Reaktionsgemisch über das Katalysator-Addukt zum Chloressigsäurechlorid abreagiert und die Temperatur im gewünschten Rahmen bleibt. Nachdem die gewünschte Menge an Phosgen zugegeben wurde, wird das Reaktionsgemisch üblicherweise unter weiterer Vermischung zur Nachreaktion belassen. Dies kann sowohl in dem Reaktor erfolgen, in dem die bisherige Umsetzung stattfand oder in einem nachgeschalteten Nachreaktor. Die halbkontinuierliche Variante entspricht der diskontinuierlichen Variante mit dem wesentlichen Unterschied, dass
(i) eine Teilmenge an Chloressigsäure, gegebenenfalls verdünnt mit Chloressigsäurechlorid,
(ii) eine Teilmenge oder die gesamte Menge an Ν,Ν-disubstituiertem Formamid (I), und/oder
(iii) eine Teilmenge des Reaktionsgemisches eines vorhergehenden Ansatzes vorgelegt werden, und Phosgen zusammen mit Chloressigsäure, sowie der eventuell noch fehlenden Menge an Ν,Ν-disubstituiertem Formamid (I) unter Reaktionsbedingungen über einen gewissen Zeitraum zudosiert wird. Die Zugabegeschwindigkeit wird auch bei der halbkontinuierlichen Variante bevorzugt so ausgewählt, dass das Phosgen möglichst vollständig im flüssigen Reaktionsgemisch über das Katalysator-Addukt zum Chloressigsäurechlorid abreagiert und die Temperatur im gewünschten Rahmen bleibt. Bei der kontinuierlichen Variante werden Chloressigsäure, Ν,Ν-disubstituiertes Forma- mid (I), sowie Phosgen unter Reaktionsbedingungen kontinuierlich zudosiert. Zu Beginn kann der Reaktor beispielsweise wie bei der diskontinuierlichen Variante oder der halb- kontinuierlichen Variante beschrieben, angefahren werden. Ab Erreichen des gewünschten Flüssigkeitsstandes im Reaktor wird dann Reaktionsgemisch gemäß des gewünschten Flüssigkeitsstandes kontinuierlich entnommen. Auch bei der kontinuierlichen Variante wird die Zugabegeschwindigkeit bevorzugt so ausgewählt, dass das Phosgen möglichst vollständig im flüssigen Reaktionsgemisch über das Katalysator-Addukt zum Chlo- ressigsäurechlorid abreagiert und die Temperatur im gewünschten Rahmen bleibt.
Durch die kontinuierliche Durchführung ist eine besonders effiziente Fahrweise möglich, da hierbei das intermittierende Befüllen, Anfahren und Leeren des Reaktors entfällt. Das Verfahren wird dadurch weniger arbeitsintensiv und der Reaktor aufgrund der nicht er- forderlichen Rüst- und Stillstandszeiten wesentlich effizienter genutzt wird. Daher wird beim erfindungsgemäßen Verfahren Schritt (a) bevorzugt kontinuierlich durchgeführt.
Bei allen drei Varianten ist es möglich und im Allgemeinen auch vorteilhaft, das Reaktionsgemisch nach Ende der Phosgen-Zufuhr noch unter weiterer Vermischung ohne Phosgen-Zufuhr zur Nachreaktion und Ausgasung von Kohlendioxid und Chlorwasserstoff zu belassen. Dabei werden Restmengen an Phosgen, welches zunächst noch als Katalysator-Addukt zwischengespeichert oder noch gelöst im Reaktionsgemisch als Phosgen vorliegt, weiter umgesetzt. Zudem werden Kohlendioxid und Chlorwasserstoff, welche teilweise noch im Reaktionsgemisch gelöst vorliegen, ausgegast. Vorteilhafter- weise führt man daher Schritt (a) in einer Reaktorkaskade durch, welche einen Hauptreaktor und einen Nachreaktor umfasst, und man die Gesamtmenge an Phosgen im Hauptreaktor zuführt. Als Nachreaktor kommen beispielsweise Rührkessel in Frage, bei denen das flüssige Reaktionsgemisch weiter durchmischt werden kann. Bei der diskontinuierlichen und halbkontinuierlichen Variante kann die Nachreaktion und Ausgasung von Kohlendioxid und Chlorwasserstoff auch im eigentlichen Hauptreaktor erfolgen. In diesem Fall verbleibt das Reaktionsgemisch nach Ende der Phosgen-Zugabe zur Nachreaktion und Ausgasung in dem Reaktor, in dem die Zugabe des Phosgens erfolgte. Es ist natürlich auch möglich, das Reaktionsgemisch nach Ende der Phos- gen-Zugabe zur Nachreaktion und Ausgasung in einen separaten Nachreaktor zu überführen, um den Hauptreaktor beispielsweise bereits für einen neuen Ansatz zu nutzen.
Druck und Temperatur für die Nachreaktion liegen üblicherweise in dem für die Umsetzung von Chloressigsäure angegebenen Bereich. Bevorzugt betreibt man jedoch den Nachreaktor bei etwas höherer Temperatur als den Hauptreaktor, um die Umsetzung des gelösten oder gebundenen Phosgens zum Chloressigsäurechlorid zu beschleunigen sowie Kohlendioxid und Chlorwasserstoff weitgehend auszugasen. Besonders bevorzugt betreibt man den Nachreaktor bei einer um 5 bis 50°C höheren Temperatur als den Hauptreaktor. Besonders bevorzugt ist somit ein Verfahren, bei dem man den Hauptreaktor bei einer Temperatur von 0 bis 50°C und den Nachreaktor bei einer um 5 bis 50°C höheren Temperatur betreibt.
Der Zeitraum für die mittlere Verweilzeit im Nachreaktor liegt üblicherweise bei 1 Minute bis 24 Stunden. Bevorzugt belässt man das Reaktionsgemisch im Nachreaktor bei einer mittleren Verweilzeit von 1 Minute bis 12 Stunden, besonders bevorzugt bei ä 10 Minu- ten und ganz besonders bevorzugt bei ä 30 Minuten, sowie besonders bevorzugt bei < 10 Stunden, ganz besonders bevorzugt bei < 5 Stunden und insbesondere bei 22 Stunden.
Es ist natürlich möglich, auch mehrere Nachreaktoren mit unterschiedlichen Verweilzei- ten und Temperaturen einzusetzen.
Das in Schritt (a) erhaltene Reaktionsgemisch enthält hauptsächlich das gewünschte Reaktionsprodukt Chloressigsäurechlorid, sowie Ν,Ν-disubstituiertes Formamid-Hydro- chlorid (III) als Reaktionsprodukt des Katalysator-Addukts. Ferner enthält das Reaktions- gemisch auch geringe Mengen an nicht umgesetzter Chloressigsäure. Aus dem einphasigen Reaktionsgemisch wird beim erfindungsgemäßen Verfahren in Schritt (b) das Chloressigsäurechlorid destillativ isoliert.
Die Destillation kann dabei in einer üblichen Destillationskolonne in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise erfolgen. Üblicherweise enthält die Destillationskolonne Kolonneneinbauten wie beispielsweise Destillationspackungen und/oder Destillationsböden. Als Beispiele geeigneter Kolonneneinbauten sind geordnete Packungen, Füllkörper, Ventilböden, Siebböden und Glockenböden genannt. Bevorzugt sind Kolonneneinbauten, welche zu einem geringen Druckverlust führen, wie etwa geordnete Packungen und Füllkörper.
Zur destillativen Isolierung von Chloressigsäurechlorid wird die Destillationskolonne so betrieben, dass Chloressigsäurechlorid als Destillat anfällt und kondensiert wird. Mit einem Siedepunkt im Bereich von 105-1 10°C bei Normaldruck siedet Chloressigsäu- rechlorid bei deutlich niedrigerer Temperatur als die Ν,Ν-disubstituierten Formamide (Siedepunkt des einfachsten Ν,Ν-disubstituierten Formamids Ν,Ν-Dimethylformamid bei 153°C) sowie die Chloressigsäure (Siedepunkt 188°C). Somit ist Chloressigsäurechlorid sehr gut und relativ einfach aus dem Reaktionsgemisch abtrennbar. Die Destillationskolonne wird im Allgemeinen in einem Druckbereich von 0,001 bis 0,1 1 MPa abs betrieben. Ein Betrieb bei Atmosphärendruck hat den Vorteil, dass keine Maßnahmen zur Erzeugung eines Unterdrucks erforderlich sind. Ein Betrieb bei einem Druck unterhalb von Atmosphärendruck benötigt zwar Maßnahmen zur Erzeugung eines Unterdrucks, senkt aber dadurch gleichzeitig die erforderliche Destillationstemperatur herab, was Energie zur Aufheizung des Kolonnenzulaufs einspart.
Aufgrund der sehr guten, destillativen Abtrennbarkeit des Chloressigsäurechlorids kann dieses bereits bei der destillativen Trennung des Reaktionsgemisches in einer Reinheit von > 99 Gew.-%, üblicherweise sogar von > 99,8 Gew.-% gewonnen werden. Sind höherer Reinheiten gefordert, ist es natürlich möglich, das Chloressigsäurechlorid weiter aufzureinigen, beispielsweise durch eine nachgeschaltete Reindestillation. Das Sumpfprodukt aus der destillativen Isolierung des Chloressigsäurechlorids enthält hauptsächlich das eingesetzte Ν,Ν-disubstituierte Formamid (I), welches sich bei der Destillation durch HCI-Abspaltung aus dem Ν,Ν-disubstituierten Formamid-Hydrochlorid (III) wieder rückgebildet hat. Ferner enthält das Sumpfprodukt auch nicht umgesetzte Chloressigsäure und daraus gebildetes Chloressigsäureanhydrid, sowie gegebenenfalls auch Chloressigsäurechlorid.
Um das im Sumpf befindliche Ν,Ν-disubstituierte Formamid (I) weiter zu nutzen, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren bei der destillativen Isolierung von Chloressigsäurechlorid in Schritt (b) im Sumpf angereichertes Ν,Ν-disubstituierte Formamid (I) bevor- zugt erneut in Schritt a) eingesetzt. Im Allgemeinen kann dazu der erhaltene Sumpf ohne weitere Aufarbeitung oder Trennung zu Schritt (a) rückgeführt werden. Dadurch werden auch die nicht-umgesetzte Chloressigsäure sowie das Chloressigsäureanhydrid rückgeführt und somit erneut als Einsatzstoff zur Verfügung gestellt. Um einer eventuellen Aufpegelung unerwünschter Nebenprodukte, beispielsweise von in geringen Mengen gebildetem Ν,Ν,Ν',Ν'-tetrasubstituierten 2-Chloro-1 ,3-bis(diamino)- trimethiniumchlorids (IV) oder eventueller, anderer unerwünschter Reaktionsprodukte des Katalysator-Addukts, entgegenzuwirken, ist es möglich und gegebenenfalls vorteilhaft, diese ganz oder teilweise auszuschleusen. Unter unerwünschter Nebenprodukte sind Verbindungen zu verstehen, welche sich beim erfindungsgemäßen Verfahren unerwünscht bilden und weder zum Wertprodukt Chloressigsäurechlorid führen noch ka- talytisch in dessen Herstellung aktiv sind. Eine Ausschleusung unerwünschter Nebenprodukte kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass man nicht die Gesamtmenge des Sumpfes erneut in Schritt (a) einsetzt, sondern einen gewissen Teil ausschleust. Alter- nativ ist es auch möglich, das Ν,Ν-disubstituierte Formamid (I) aus dem Sumpf abzutrennen oder aufzukonzentrieren, beispielsweise durch eine weitere Destillation, und dann gezielt nur dieses erneut in Schritt (a) einzusetzen.
Bevorzugt setzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren 50 bis 100%, besonders be- vorzugt 80 bis 100% und ganz besonders bevorzugt 90 bis 100% des in Schritt (b) im Sumpf angereicherte Ν,Ν-disubstituierte Formamid (I) erneut in Schritt (a) ein. Im Falle einer Rückführung des Sumpfes ohne Abtrennung oder Aufkonzentration des N,N-disub- stituierten Formamids (I) entsprechen die oben genannten Bereiche den Anteilen des Sumpfes, der erneut in Schritt (a) eingesetzt wird. Im Falle einer nicht vollständigen Wiederverwendung des im Sumpf angereicherten N,N- disubstituierten Formamids (I) ist die entsprechende Mindermenge durch Zufuhr von frischem Ν,Ν-disubstituierten Formamid üblicherweise auszugleichen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren führt man auch Schritt (b) bevorzugt kontinuierlich durch und führt das in Schritt (b) im Sumpf angereicherte Ν,Ν-disubstituierte Formamid zu Schritt a) kontinuierlich zurück.
In einer allgemeinen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur diskontinuierlichen Herstellung von Chloressigsäurechlorid legt man die gesamte Menge der einzusetzenden Chloressigsäure, gegebenenfalls verdünnt mit Chloressigsäurechlorid, zusammen mit der gesamten Menge an Ν,Ν-substituiertem Formamid (I) in einem Rührkessel mit Rückflusskühler vor. Unter Rühren wird nun der Rührkessel auf die gewünschte Temperatur von besonders bevorzugt > 20°C gebracht und unter weiterem Rühren bei Atmosphärendruck gasförmiges Phosgen zugeführt. Bei der Zufuhr von Phosgen ist unter anderem darauf zu achten, dass das Phosgen möglichst vollständig im flüssigen Reaktionsgemisch über das Katalysator-Addukt zum Chloressigsäurechlorid abreagiert und möglichst kein Rückfluss vom Rückflusskühler erfolgt. Nachdem die gewünschte Menge an Phosgen in Bezug auf die eingesetzte Chloressigsäure entsprechend dem gewünschten Molverhältnis zugegeben wurde, wird die Zufuhr gestoppt und der Rührkessel noch für 1 -2 Stunden unter Rühren zur Nachreaktion und Ausgasung von Kohlendioxid und Chlorwasserstoff bei den eingestellten Bedingungen belassen. Anschließend wird auch das Rühren gestoppt und das Reaktionsgemisch diskontinuierlich oder kontinuierlich in einer Destillationskolonne mit Einbauten destilliert. Dabei wird Chloressigsäurechlorid über Kopf in einer Reinheit von > 99 Gew.-% gewonnen. Das Sumpfprodukt enthaltend Ν,Ν-substituiertes Formamid (I) wird gesammelt und im jeweils nachfolgenden Ansatz wieder eingesetzt.
In einer allgemeinen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung von Chloressigsäurechlorid wird als Reaktor in Schritt (a) ebenfalls ein Rührkessel mit Rückflusskühler eingesetzt. Dieser wird beispielsweise wie in der Ausführungsform zum diskontinuierlichen Verfahren beschrieben angefahren und Phosgen wie beim diskontinuierlichen Verfahren zudosiert. Nach Erreichen der gewünschten Phosgen-Menge entsprechend dem gewünschten Molverhältnis zur Chloressigsäure, wird unter weiterer, kontinuierlicher Zufuhr von Phosgen mit der kontinuierlichen Auslei- tung von Reaktionsgemisch und der kontinuierlichen Zuleitung von Chloressigsäure und Ν,Ν-substituiertem Formamid (I) begonnen. Das ausgeleitete Reaktionsgemisch wird ei- nem weiteren Rührkessel zugeführt, der bei ebenfalls bei bevorzugt > 20°C und Atmosphärendruck betrieben wird. In diesem sogenannten Nachreaktor wird das Reaktionsgemisch zur Nachreaktion und Ausgasung von Kohlendioxid und Chlorwasserstoff weiter gerührt. Bei Erreichen der gewünschten mittleren Verweilzeit wird auch aus dem Nachreaktor das Reaktionsgemisch kontinuierlich entnommen und für Schritt (b) einer Destillationskolonne zugeführt. Diese wird in einer dem Fachmann bekannten und üblichen Art und Weise angefahren und Chloressigsäurechlorid über Kopf in einer Reinheit von > 99 Gew.-% entnommen. Das Sumpfprodukt enthaltend Ν,Ν-substituiertes Forma- mid (I) wird kontinuierlich zu Schritt (a) rückgeführt.
In einer Variante zur kontinuierlichen Herstellung von Chloressigsäurechlorid wird ein Teil des Sumpfprodukts aus dem Gesamtsystem abgeführt und nur der verbleibende Teil zu Schritt (a) rückgeführt. Dadurch kann einer möglichen Aufpegelung eventueller, unerwünschter Nebenprodukte entgegengewirkt werden. Die dadurch entnommene Menge an Ν,Ν-substituiertem Formamid (I) wird durch Zuführung von frischem N,N-sub- stituierten Formamid (I) zu Schritt (a) ausgeglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Chloressigsäurechlorid durch Phosgenierung von Chloressigsäure in technisch einfacher Art und Weise. Chloressigsäurechlorid kann dadurch in hoher Reinheit und Ausbeute erhalten werden. Aufgrund des Unterschusses an Phosgen kann die sonst übliche Strippung von überschüssigem Phosgen entfallen, was eine deutliche Verfahrensvereinfachung darstellt. Der Chlorierungskatalysator beziehungsweise Ν,Ν-substituiertes Formamid als dessen Vorstufe kann über viele Zyklen hinweg wiederverwendet werden. Dadurch kann die Menge an frisch zuzuführendem Ν,Ν-substituierten Formamid als auch die Menge an auszuschleusenden und somit zu entsorgenden, verbrauchten Chlorierungskatalysator deutlich verringert werden. Erst durch die erfindungsgemäßen Merkmale konnten für die Herstellung von Chloressigsäurechlorid die genannten Vorteile realisiert werden. Beispiele
In den Beispielen 1 und 2 wurden jeweils mehrere Zyklen zur diskontinuierlichen Herstellung von Chloressigsäurechlorid durch Umsetzung von Chloressigsäure mit Phosgen in Gegenwart eines Ν,Ν-disubstituierten Formamids gefahren, wobei nach jedem Zyklus in einer Destillationskolonne Chloressigsäurechlorid über Kopf isoliert, und das verbleibende Sumpfprodukt im nachfolgenden Zyklus wiederverwendet wurde. Der wesentliche Unterschied zwischen den Beispielen 1 und 2 besteht im Verhältnis der zugeführten Molmenge an Phosgens zur Chloressigsäure. Destillat und Sumpf wurden mittels Gaschromatographie (GC) beziehungsweise Kernspinresonanzspektroskopie (1H- und 13C-NMR) analysiert. Die Ergebnisse der Beispiele 1 und 2 sind in den Tabellen 1 und 2 zusammengefasst.
Beispiel 1 (Vergleich) (1 a) Erste Umsetzung
250 g (2,65 mol) Chloressigsäure wurden als Lösung in 375 g (3,32 mol) Chloressigsäurechlorid zusammen mit 20 g (0,27 mol) Ν,Ν-Dimethylformamid (DMF) in eine 1 L Rührapparatur mit Gaseinleitungsrohr und aufgesetztem Kühler (-20°C) vorgelegt. Bei 35°C wurden innerhalb von 3 Stunden 440 g (4,45 mol) Phosgen eingegast. Das Molverhältnis des zugeführten Phosgens zur eingesetzten Carbonsäure betrug somit 1 ,68. Während der Reaktion wurde kein Rückfluss beobachtet. Nach Ende der Reaktion war das Reaktionsgemisch klar und gelb. Überschüssiges, gelöstes Phosgen wurde durch Strippen mit Stickstoff entfernt.
Das Reaktionsgemisch wurde in eine Destillationskolonne überführt und im Vakuum 300 g Chloressigsäurechlorid abdestilliert (Druck zu Beginn 150 hPa abs, am Ende 90 hPa abs, Sumpftemperatur 39 - 45°C, Übergangstemperatur 37 - 43°C). Das Destillat hatte eine Reinheit von 99,9 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid.
Im Destillationssumpf wurden 91 ,2 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid und 0,6 GC FI.-% DMF gefunden. Im 1H- und 13C-NMR wurden Chloressigsäurechlorid, das Vilsmeier- Salz (Reaktionsprodukt aus DMF und Phosgen) und 2-Chloro-1 ,3-bis(dimethylamino)- trimethiniumchlorid (Reaktionsprodukt aus Vilsmeier-Salz und Chloressigsäurechlorid) detektiert. DMF konnte aufgrund seiner geringen Menge im NMR nicht nachgewiesen werden.
Vilsmeiersalz: 3C NMR (100 MHz, DMSO, ext D20 Lock) δ 47.1 , 169.0
2-Chloro-1 ,3-bis(dimethylamino)trimethiniumchlorid: 13C NMR (100 MHz, DMSO, ext D20 Lock) 42.7, 52.4, 95.9, 163.7
(1 b) Zweite Umsetzung
Zu dem Sumpfaustrag aus der ersten Umsetzung wurden 250 g Chloressigsäure (2,65 mol) gegeben. Bei 35°C wurden innerhalb von 3,25 Stunden 460 g (4,65 mol) Phosgen eingegast. Das Molverhältnis des zugeführten Phosgens zur eingesetzten Carbonsäure betrug somit 1 ,75. Während der Reaktion wurde kein Rückfluss beobachtet. Nach Ende der Reaktion war das Reaktionsgemisch klar und rot. Überschüssiges, gelöstes Phosgen wurde durch Strippen mit Stickstoff entfernt. Das Reaktionsgemisch wurde in eine Destillationskolonne überführt und im Vakuum 300 g Chloressigsäurechlorid abdestilliert (Druck zu Beginn 100 hPa abs, am Ende 85 hPa abs, Sumpftemperatur 45°C, Übergangstemperatur 43 - 44°C). Das Destillat hatte eine Reinheit von 99,8 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid.
Im Destillationssumpf wurden 90,7 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid, Spuren an Chloressigsäureanhydrid sowie eine Reihe von Hochsiedern gefunden. Im 1H- und 13C-NMR wurden weder DMF noch Vilsmeiersalz gefunden, jedoch Chloressigsäurechlorid und 2- Chloro-1 ,3-bis(dimethylamino)trimethiniumchlorid (Reaktionsprodukt aus Vilsmeier-Salz und Chloressigsäurechlorid) nachgewiesen.
2-Chloro-1 ,3-bis(dimethylamino)trimethiniumchlorid: 13C NMR (100 MHz, DMSO, ext D20 Lock) 42.7, 52.4, 95.9, 163.7 (1 c) Dritte Umsetzung
Zu dem Sumpfaustrag aus der zweiten Umsetzung wurden 250 g Chloressigsäure (2,65 mol) gegeben. Bei 35°C wurden innerhalb von 6 Stunden 220 g (2,22 mol) Phosgen eingegast, wobei bereits nach 1 Stunde Rückfluss beobachtet wurde. Nach 6 Stunde wurde die Reaktion daher abgebrochen. Nach Abbruch der Reaktion wurde überschüssiges, gelöstes Phosgen durch Strippen mit Stickstoff entfernt. Eine gaschro- matographische Analyse des Reaktionsaustrags zeigte einen unvollständigen Umsatz der Chloressigsäure. Es wurden darin 49 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid, 2,1 GC Fl.- % Chloressigsäure, 9,6 GC FI.-% Chloressigsäureanhydrid gefunden. Bei dem auf 100 GC FI.-% fehlenden Rest handelt es sich um Hochsieder. DMF wurde im GC nicht nachgewiesen. Im 1H- und 13C-NMR konnten weder DMF noch das Vilsmeier-Salz nachgewiesen werden. Es wurde jedoch neben Chloressigsäurechlorid, Chloressigsäure und Chloressigsäureanhydrid das 2-Chloro-1 ,3-bis(dimethylamino)trimethinium- chlorid (Reaktionsprodukt aus Vilsmeier-Salz und Chloressigsäurechlorid) nachgewie- sen.
2-Chloro-1 ,3-bis(dimethylamino)trimethiniumchlorid: 13C NMR (100 MHz, DMSO, ext D20 Lock) 42.7, 52.4, 95.9, 163.7
Bei der dritten Umsetzung wurde somit bereits weit unterhalb der stöchiometrisch erfor- derlichen Menge an Phosgen Rückfluss beobachtet, was auf einen nur noch unzureichenden bis fehlenden Umsatz deutet. Entsprechend zeigt auch die Analyse des Reaktionsaustrags deutliche Mengen an Chloressigsäure und Chloressigsäureanhydrid sowie an Hochsiedenden Nebenprodukten. Zudem waren im 1H- und 13C-NMR-Spektro- skopie weder DMF noch das Vilsmeiersalz nachweisbar, so dass damit auch keine ka- talytische Wirkung mehr vorhanden war.
Beispiel 2 (erfindungsgemäß) (2a) Erste Umsetzung
250 g (2,65 mol) Chloressigsäure wurden als Lösung in 375 g (3,32 mol) Chloressigsäu- rechlorid zusammen mit 20 g (0,27 mol) Ν,Ν-Dimethylformamid (DMF) in eine 1 L Rührapparatur mit Gaseinleitungsrohr und aufgesetztem Kühler (-20°C) vorgelegt. Bei 35°C wurden innerhalb von 4 Stunden 257 g (2,60 mol) Phosgen eingegast. Das Molverhältnis des zugeführten Phosgens zur eingesetzten Carbonsäure betrug somit 0,98. Während der Reaktion wurde kein Rückfluss beobachtet. Nach Ende der Reaktion war das Reaktionsgemisch klar, farblos und phosgenfrei.
Das Reaktionsgemisch wurde in eine Destillationskolonne überführt und im Vakuum 300 g abdestilliert (Druck zu Beginn 100 hPa abs, am Ende 90 hPa abs, Sumpftemperatur 36 - 44°C, Übergangstemperatur 33 - 43°C). Das Destillat hatte eine Reinheit von 99,8 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid und 0,1 GC FI.-% DMF.
Im Destillationssumpf wurden 82,9 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid, 12,1 GC FI.-% DMF, 0,7 GC FI.-% Chloressigsäure und 4,2 GC FI.-% Chloressigsäureanhydrid nachgewiesen. Im 1H- und 13C-NMR des Destillationssumpfes wurden diese Verbindungen ebenso gefunden, nicht aber das Vilsmeier-Salz und nicht das 2-Chloro-1 ,3-bis(dime- thylamino)trimethiniumchlorid.
(2b) Zweite Umsetzung Zu dem Sumpfaustrag aus der ersten Umsetzung wurden 250 g Chloressigsäure (2,65 mol) gegeben. Bei 35°C wurden innerhalb von 4 Stunden 257 g (2,60 mol) Phosgen eingegast.
Bei der Berechnung des Molverhältnisses des zugeführten Phosgens zur vorliegenden Chloressigsäure ist sowohl die Menge an frisch zugeführter Chloressigsäure als auch die über den Sumpf aus Beispiel 2a rückgeführte Menge zu berücksichtigen. Da die absolute Gramm-Menge an Chloressigsäure im Sumpf analytisch nicht ermittelt wurde, wurde aus den übrigen Daten der Beispiele die Ober- und Untergrenze abgeschätzt. Unter der Annahme eines Vollumsatzes an Phosgen in Beispiel 2a folgt aus der Stöchi- ometrie, dass 2,65 mol - 2,60 mol = 0,05 mol an Chloressigsäure nicht umgesetzt wurden. Da das in Beispiel 2a gewonnene Destillat nur Chloressigsäurechlorid in hoher Reinheit mit einer sehr geringen Menge an Dimethylformamid enthielt, befanden sich die verbliebenen 0,05 mol Chloressigsäure in Form der freien Chloressigsäure oder in Form seines Anhydrids im Destillationssumpf. Chloressigsäureanhydrid wird bei der Destilla- tion von Chloressigsäure unter den vorliegenden Bedingungen im gewissen Umfang gebildet. Bei der Berechnung der Obergrenze des Molverhältnisses wurde davon ausgegangen, dass sämtliche, verbliebene Chloressigsäure in Chloressigsäureanhydrid umgewandelt wurde. Somit läge die Gesamtmenge an Chloressigsäure im Einsatz von Beispiel 2b bei 2,65 mol, und entsprechend das Molverhältnis von Phosgen zu Chloressigsäure bei 0,98. Im Gegensatz dazu wurde bei der Berechnung der Untergrenze davon ausgegangen, dass sämtliche, verbliebene Chloressigsäure auch nach der Destillation in Beispiel 2a weiterhin als Chloressigsäure im Sumpf vorlag. In diesem Fall läge die Gesamtmenge an Chloressigsäure im Einsatz von Beispiel 2b bei 2,65 mol + 0,05 mol = 2,70 mol, und entsprechend das Molverhältnis von Phosgen zu Chloressigsäure bei 0,96. Beide Werte sind in Tabelle 2 als Grenzwerte genannt.
Während der Reaktion wurden nur wenige Tropfen Rückfluss beobachtet. Nach Ende der Reaktion war das Reaktionsgemisch klar, schwach gelb und phosgenfrei. Das Reaktionsgemisch wurde in eine Destillationskolonne überführt und im Vakuum 300 g abdestilliert (Druck zu Beginn 100 hPa abs, am Ende 90 hPa abs, Sumpftemperatur 36 - 47°C, Übergangstemperatur 34 - 45°C). Das Destillat hatte eine Reinheit von 99,9 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid und 0,02 GC FI.-% DMF. Im Destillationssumpf wurden 64,3 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid, 1 1 ,6 GC FI.-% DMF, 4,5 GC FI.-% Chloressigsäure und 19,4 GC FI.-% Chloressigsäureanhydrid gefunden. Im 1H- und 13C-NMR wurden diese Verbindungen ebenso gefunden, nicht aber das Vilsmeier-Salz und nicht das 2-Chloro-1 ,3-bis(dimethylamino)trimethiniumchlorid. (2c) Dritte Umsetzung
Zu dem Sumpfaustrag aus der zweiten Umsetzung wurden 250 g Chloressigsäure (2,65 mol) gegeben. Bei 35°C wurden innerhalb von 4 Stunden 257 g (2,60 mol) Phosgen eingegast. Die Ober- und Untergrenzen des Molverhältnisses von Phosgens zur Carbonsäure wurden wie bei Beispiel 2b beschrieben ermittelt, mit der Maßgabe, dass im einen Grenzfall sämtliche, verbliebene Chloressigsäure in Chloressigsäureanhydrid umgewandelt wurde, und im anderen Grenzfall die Chloressigsäure unverändert erhalten bliebt. Die Obergrenze des Molverhältnisses liegt somit ebenfalls bei 0,98, und die Untergrenze aufgrund der Gesamtmenge an Chloressigsäure im Einsatz von Beispiel 2c von 2,65 mol + 0,10 mol = 2,75 mol bei 0,94. Während der Reaktion wurden nur wenige Tropfen Rückfluss beobachtet. Nach Ende der Reaktion war das Reaktionsgemisch klar, gelb und phosgenfrei.
Das Reaktionsgemisch wurde in eine Destillationskolonne überführt und im Vakuum 300 g abdestilliert (Druck zu Beginn 100 hPa abs, am Ende 90 hPa abs, Sumpftemperatur 37 - 49°C, Übergangstemperatur 33 - 43°C). Das Destillat hatte eine Reinheit von 99,9 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid und 0,01 GC FI.-% DMF. Im Destillationssumpf wurden 41 ,3 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid, 8,7 GC FI.-% DMF, 14,4 GC FI.-% Chloressigsäure und 34,9 GC FI.-% Chloressigsäureanhydrid gefunden. Im 1H- und 13C-NMR wurden diese Verbindungen ebenso gefunden, nicht aber das Vilsmeier-Salz und nicht das 2-Chloro-1 ,3-bis(dimethylamino)trimethiniumchlorid.
(2d) Vierte Umsetzung
Zu dem Sumpfaustrag aus der dritten Umsetzung wurden 250 g Chloressigsäure (2,65 mol) gegeben. Bei 35°C wurden innerhalb von 4 Stunden 257 g (2,60 mol) Phosgen eingegast. Die Ober- und Untergrenzen des Molverhältnisses von Phosgens zur Carbonsäure wurden erneut wie bei Beispiel 2b und 2c beschrieben ermittelt. Die Obergrenze des Molverhältnisses liegt somit wiederum bei 0,98, und die Untergrenze aufgrund der Gesamtmenge an Chloressigsäure im Einsatz von Beispiel 2c von 2,65 mol + 0,15 mol = 2,80 mol bei 0,93. Während der Reaktion wurden nur wenige Tropfen Rück- fluss beobachtet. Nach Ende der Reaktion war das Reaktionsgemisch klar, gelb und phosgenfrei.
Das Reaktionsgemisch wurde in eine Destillationskolonne überführt und im Vakuum 281 ,5 g abdestilliert (Druck zu Beginn 100 hPa abs, am Ende 90 hPa abs, Sumpftemperatur 38 - 53°C, Übergangstemperatur 36 - 41 °C). Das Destillat hatte eine Reinheit von 99,9 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid und 0,01 GC FI.-% DMF.
Im Destillationssumpf wurden 19,9 GC FI.-% Chloressigsäurechlorid, 1 1 ,0 GC FI.-% DMF, 23,1 GC FI.-% Chloressigsäure und 45,8 GC FI.-% Chloressigsäureanhydrid gefunden. Im 1H- und 13C-NMR wurden diese Verbindungen ebenso gefunden, nicht aber das Vilsmeier-Salz und nicht das 2-Chloro-1 ,3-bis(dimethylamino)trimethiniumchlorid.
Die Beispiele 2a bis 2d zeigen, dass beim Einsatz einer unterstöchiometrischen Menge an Phosgen der durch Destillation im Sumpf verbleibende Phosgenierungskatalysator mehrfach rückgeführt und somit wiederverwendet werden kann. Dadurch ist auch eine kontinuierliche Verfahrensführung möglich.
Tabelle 1
Figure imgf000022_0001
Versuch abgebrochen
M Molverhältnis Phosgen zu CAAcid
CAAcid Chloressigsäure (chloroacetic acid)
CAAnhydride Chloressigsäureanhydrid (chloroacetic anhydride) CAC Chloressigsäurechlorid (chloroacetyl chloride) DMF N,N-Dimethylformamid
Vilsmeier-Salz ((Chlormethylen)dimethylammoniumchlorid) Methinium-Salz 2-Chloro-1 ,3-bis(dimethylamino)trimethiniumchlorid
Figure imgf000023_0001
Tabelle 2a (cont'd)
Figure imgf000024_0001
M Molverhältnis Phosgen zu CAAcid
CAAcid Chloressigsäure (chloroacetic acid)
CAAnhydride Chloressigsäureanhydrid (chloroacetic anhydride) CAC Chloressigsäurechlorid (chloroacetyl Chloride) DMF N,N-Dimethylformamid
Vilsmeier-Salz ((Chlormethylen)dimethylammoniumchlorid) Methinium-Salz 2-Chloro-1 ,3-bis(dimethylamino)trimethiniumchlori

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung von Chloressigsäurechlorid, bei dem man
(a) Chloressigsäure mit Phosgen in der Flüssigphase bei einer Temperatur von 0 bis 100°C und einem Druck von 0,05 bis 0,2 MPa abs in Gegenwart eines Katalysator- Addukts aus Phosgen und einem Ν,Ν-disubstituierten Formamid der allgemeinen Formel (I)
R\ N— CHO
R (i), in der R1 und R2 unabhängig voneinander d- bis C4-Alkyl oder R1 und R2 gemeinsam eine C4- oder Cs-Alkylenkette bedeuten, umsetzt, und
(b) aus dem erhaltenen Reaktionsgemisch Chloressigsäurechlorid isoliert, dadurch gekennzeichnet, dass man in Schritt (a) das Phosgen in einem Molverhältnis zur Chloressigsäure von 0,85 bis 0,99 einsetzt, und in Schritt (b) Chloressigsäurechlorid destillativ isoliert.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man als N,N-disubstituiertes Formamid (I) Ν,Ν-Dimethylformamid einsetzt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass man in Schritt (a) das Phosgen in einem Molverhältnis zur Chloressigsäure von 0,85 bis 0,98 einsetzt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man in Schritt (a) ein Verhältnis der Summe der Molzahlen von Ν,Ν-disubstituiertem Formamid (I) und dem daraus gebildeten Katalysator-Addukt und Ν,Ν-disubstituierten Formamid-Hydrochlorid zur Molzahl der Chloressigsäure von 0,01 bis 0,
5 einsetzt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man Schritt (a) kontinuierlich durchführt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man Schritt (a) in einer Reaktorkaskade durchführt, welche einen Hauptreaktor und einen Nachreaktor um- fasst, und man die Gesamtmenge an Phosgen im Hauptreaktor zuführt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man den Hauptreaktor bei einer Temperatur von 0 bis 50°C und den Nachreaktor bei einer um 5 bis 50°C höheren Temperatur betreibt.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man im Nachreaktor das Reaktionsgemisch bei einer mittleren Verweilzeit von 1 Minute bis 12 Stunden be- lässt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der destil- lativen Isolierung von Chloressigsäurechlorid in Schritt (b) im Sumpf angereichertes N,N- disubstituierte Formamid (I) erneut in Schritt a) einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man 50 bis 100% des bei der destillativen Isolierung von Chloressigsäurechlorid in Schritt (b) im Sumpf angereicherten Ν,Ν-disubstituierten Formamids (I) erneut in Schritt a) einsetzt.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass man Schritt (b) kontinuierlich durchführt und das in Schritt (b) im Sumpf angereicherte N,N-disubstituierte Formamid (I) zu Schritt a) kontinuierlich rückführt.
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CN114478300A (zh) * 2021-07-16 2022-05-13 丰益表面活性材料（连云港）有限公司 新型酰氯催化剂及其制备方法与应用

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