Verfahren zur Herstellung von Pyrrol-a,a'-dicarbonsäuren Es wurde gefunden, dass man Pyrrol-a,a'-dicar- bonsäuren in einfacher Weise und mit sehr guten Ausbeuten dadurch gewinnen kann, dass man Pyrrol oder in ss-Stellung substituierte Pyrrole oder Pyrrol- (x-monocarbonsäuren bei erhöhter Temperatur und in Gegenwart alkalisch wirkender Stoffe mit Kohlen dioxyd zur Reaktion bringt.
Dabei fallen die Salze der Carbonsäuren an, welche leicht in die freien Säuren übergeführt werden können. Zweckmässig er folgt die Reaktion in Anwesenheit von Lösungsmit- teln und Katalysatoren.
Die Reaktion verläuft, beispielsweise bei der Verwendung von Kaliumcarbonat, wahrscheinlich nach folgender Gleichung:
EMI0001.0017
R und R' = H oder organischer Rest.
Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemässe Verfahren kommen ausser dem Pyrrol selbst belie bige, in ss-Stellung mono- oder disubstituierte Deri vate des Pyrrols in Frage, z.
B.: ss-Methyl-pyrrol, ss-Äthyl-pyrrol, Pyrrol-ss-carbonsäure, Pyrrol-ss-carbonsäuremethylester, ss,ss'-Dimethyl-pyrrol, ss-Methyl-ss'-äthyl-pyrrol, ss-Methyl-ss'-propyl-pyrrol, ss-Methyl-pyrrol ss'-carbonsäure, Pyrrol ss,ss'-dicarbonsäure-dimethylester und andere mehr.
Selbstverständlich lässt sich das Verfahren auch mit Pyrrol-a-monocarbonsäuren bzw. deren Salzen durchführen, die in a -Stellung keine Substituenten tragen. Derartige Verbindungen, die erfindungs gemäss ebenfalls in Pyrrol-a, '-dicarbonsäuren über führt werden können, sind z.
B.: Pyrrol-a-carbonsäure, ss-Methyl-ss'-äthyl-pyrrol-.a-carbonsäure, Pyrrol-aj,ss'-dicarbonsäure. Das für die Umsetzung benötigte Alkali setzt man zweckmässigerweise in Form der Carbonate der Alkalimetalle ein. Besonders gute Ausbeuten werden bei Verwendung von Kaliumcarbonat erhalten. Auch Natriumcarbonat sowie Thallium-I-carbonat sind ge eignet.
Die Carbonate des Lithiums, Rubidiums und Cäsiums, die aus wirtschaftlichen Gründen ohnehin nicht in Frage kommen, liefern zudem weniger gute Ausbeuten. Anstelle der Carbonate der genannten Metalle kann man auch ihre Oxyde, Hydroxyde, Bi- carbonate, Formiate oder Oxalate verwenden.
Die Alkalien bzw. Alkalicarbonate sollen möglichst wasserfrei sein, obwohl geringe Wassermengen die Reaktion praktisch nicht stören. Um die meist wert vollen Pyrrole weitgehend auszunutzen, setzt man vorzugsweise mindestens die zur Bildung des di- carbonsauren Salzes theoretisch benötigte Menge, am besten jedoch einen überschuss an Alkali bzw. Al- kalicarbonat ein.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird im allge meinen oberhalb 200 C durchgeführt, wobei die obere Grenze lediglich durch die Zersetzungstempe ratur der organischen Substanz gegeben ist. Die opti male Reaktionstemperatur ist bei den einzelnen Ausgangsstoffen verschieden und liegt im allgemei nen zwischen 250 und 400 C.
Man führt das Verfahren zweckmässig unter Druck aus, indem man mindestens die berechnete Menge CO2, vorteilhaft einen LUberschuss, in das Re aktionsgefäss gibt. Die Höhe des Druckes während der Reaktion kann hierbei in weiten Grenzen schwan ken. Das Kohlendioxyd kann durch inerte Gase, z. B. durch Stickstoff, verdünnt sein. Man kann die Reaktion aber auch ohne Druck durchführen, indem man beispielsweise ein Gemisch von Pyrroldampf und Kohlendioxyd über erhitztes Kaliumcarbonat leitet.
Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemässe Reaktion durch Anwesenheit einer grösseren Anzahl von Katalysatoren begünstigt wird. Besonders vor teilhaft wirken die Metalle Zink, Cadmium, Blei, Quecksilber oder Eisen sowie deren Verbindungen. Die genannten Metalle können z. B. in Form ihrer Oxyde oder ihrer Salze mit anorganischen oder orga nischen Säuren eingesetzt werden. Die Menge des zugesetzten Katalysators kann in weiten Grenzen schwanken und z. B. bis 15, vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew.1/a, bezogen auf das Reaktionsgemisch, be tragen. In den meisten Fällen sind die Ausbeuten auch ohne Zusatz von Katalysatoren zufriedenstel lend.
Das bei Anwesenheit der genannten Katalysa toren erhaltene Reaktionsprodukt ist jedoch fast immer von grösserer Reinheit, was schon an der helleren Farbe des rohen Reaktionsgemisches zu er kennen ist.
Ausser den Katalysatoren kann man dem Reak tionsgemisch auch inerte Füllstoffe, z. B. Sand, fein verteilten Kohlenstoff, Kieselgur, Bentonit, Metall pulver oder -späne, ferner inerte Salze, z. B. Na triumsulfat, Kaliumsulfat, Calciumcarbonat und der gleichen, zusetzen. Von dieser Massnahme macht man insbesondere dann Gebrauch, wenn das Reak tionsgemisch zum Verbacken neigt.
Auch der Zusatz organischer Lösungs- bzw. Verdünnungsmittel, wie Toluol, Dioxan, Tetrahydrofuran, Pyridin usw., ist manchmal zweckmässig. Diese Lösungsmittel bewir ken ebenfalls, dass die Reaktionsmischung nicht zu sammenbackt, und erleichtern gegebenenfalls das Rühren des Reaktionsgutes.
Zur Aufarbeitung des Reaktionsgemisches kann man dieses in Wasser lösen und durch Filtrieren bzw. durch Behandlung mit Aktivkohle und andern Ent- färbungsmitteln von unerwünschten Bestandteilen befreien. Beim Ansäuern der wässrigen Lösung fällt die schwerer lösliche freie Pyrroldicarbonsäure aus und kann abgetrennt werden.
Man kann sich aber auch die Schwerlöslichkeit der Dikaliumsalze der Pyrroldicarbonsäuren in gesättigter Kaliumcarbonat- lösung zunutze machen und auf diese Weise die Ka- liumsalze gewinnen. Dieses Verfahren ist wegen der Säureempfindlichkeit vieler Pyrrolderivate häufig vorteilhafter als das erstere. Man kann auch das rohe Reaktionsprodukt direkt auf Derivate der Pyrrol- dicarbonsäuren, z. B. auf deren Ester, nach bekann ten Methoden aufarbeiten.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren ist es möglich geworden, auf einfachem Wege zu a,a =Di- carbonsäuren des Pyrrols zu gelangen. Man hat zwar schon Monocarbonsäuren des Pyrrols durch Er hitzen von Pyrrol mit einer wässrigen Lösung von Ammoniumcarbonat unter Druck hergestellt.
Hieraus war jedoch das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Pyrrol-a,a'-dicarbonsäuren nicht zu entnehmen. Pyrroldicarbonsäuren wurden bisher meist durch Oxydation der entsprechenden Alkyl- pyrrole hergestellt. Dieses Verfahren liefert jedoch nur mässige Ausbeuten und ist auch nicht immer an wendbar.
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren gewonnenen Di- und Polycarbonsäuren des Pyrrols lassen sich z. B. überall dort einsetzen, wo man bisher zwei- oder mehrfunktionelle Verbindungen verwendet hat, z. B. bei der Herstellung von Poly estern, Kunstharzen und Weichmachern.
<I>Beispiel 1</I> In einen 250-cm-'-Rollautoklaven wurde ein Ge misch aus 50,0 g wasserfreier Pottasche und 5,0 g wasserfreiem Cadmiumchlorid sowie 10,0 g frisch destilliertes Pyrrol gegeben. Dann wurden 50 atm. Kohlendioxyd aufgedrückt und der Autoklav unter Rollen drei Stunden auf 290 C geheizt. Der Maxi maldruck betrug 90 atm. Nach der Reaktion betrug der Druck im Autoklaven noch 45 atm. Das fast weisse Reaktionsprodukt wog 78,0 g und enthielt kein Pyrrol mehr.
Es wurde in 50 ml Wasser suspendiert, vom Katalysator abfiltriert und die Di- carbonsäure durch Ansäuern mit Salzsäure ausge fällt. Die Pyrrol-a,ä -dicarbonsäure wurde in einer Ausbeute von 19,3 g - 8411/o der Theorie isoliert. <I>Beispiel 2</I> In einen 250-cms-Rollautoklaven wurden 50,0 Pottasche und 10,0 g Pyrrol gegeben und unter den im Beispiel 1 gegebenen Bedingungen mit CO." be handelt.
Das im Vergleich zu Beispiel 1 dunklere Re aktionsprodukt wurde nach dem Lösen in Wasser mit Aktivkohle behandelt, und nach entsprechender Auf- arbeitung wurden 15,2 g - 66 % der Theorie Pyrrol-a,ä -dicarbonsäure erhalten.
<I>Beispiel 3</I> Unter den gleichen Versuchsbedingungen wie oben wurden aus 50,0 g wasserfreier Soda und 10,0 g Pyrrol 2,5 g Pyrrol-a,a =dicarbonsäure erhal ten.
<I>Beispiel 4</I> Ein Gemisch aus 18,0 g wasserfreiem Kalium- carbonat und 2,0 g Cadmiumfluorid wurde in einen Rollautoklaven gefüllt und 3,5 g i3-Methyl-pyrrol zugegeben. Mit einem Anfangsdruck von 50 atm. CO., wurde der Autoklav 3 Stunden auf 280 C er hitzt.
Das helle Reaktionsprodukt wurde in 100 ml Wasser gelöst und nach Filtration mit Salzsäure die gebildete ss-Methylpyrrol-a,ä -dicarbonsäure ausge- fällt. Ausbeute 5,2 g = 71% der Theorie.
<I>Beispiel S</I> In einem Rollautoklaven wurden 50,0 g wasser freies Kaliumcarbonat in einem Gemisch aus 100 g Pyridin und 10 g Pyrrol suspendiert und der Auto klav unter einem CO.,-Anfangsdruck von 50 atm. drei Stunden auf 280 C erhitzt. Nach dem Abkühlen und Entspannen wurden die Salze abfiltriert und, wie in den andern Beispielen beschrieben, durch Lösen und Ansäuern aufgearbeitet.
Es wurden 17,3 g = 75 1/o d. Th. an Pyrrol-a,a =dicarbonsäure erhalten.
<I>Beispiel 6</I> Ein Gemisch aus 50,0 g Calciumcarbonat, 50,0 g Kaliumcarbonat, 5,0 g eines Katalysators, der aus gleichen Teilen Cadmiumfluorid und Kaliumfluorid bestand, und 10,0 g Pyrrol wurde im Rollautoklaven zwei Stunden auf 290 C unter einem Anfangsdruck von 50 atm. CO, erhitzt. Das Reaktionsrohprodukt wog 119,7 g und wurde heiss in 500 ml 5o/oiger Salzsäure gelöst.
Nach Filtration schieden sich aus der in Eis gekühlten Lösung 3,5 g Pyrrol-a,a =di- carbonsäure aus.
<I>Beispiel 7</I> Ein Gemisch aus 2,7 g pyrrol-a-carbonsaurem Kalium, 10,0 g Kaliumcarbonat und 1,2 g wasser freiem Cadmiumchlorid wurde in einem Rollauto- klaven eine Stunde auf 280 C bei einem Kohlen dioxyd-Anfangsdruck von 50 atm. erhitzt. Das wie in Beispiel 1 aufgearbeitete rohe Reaktionsprodukt lieferte 2,1 g Pyrrol-a,ä -dicarbonsäure.
<I>Beispiel 8</I> Ein Gemisch aus 50,0 g Kaliumcarbonat und 5,0 g wasserfreiem Zinkchlorid wurde zusammen mit einem Gemisch aus 10,0 g Pyrrol und 100,0 g wasserfreiem Dioxan in einen 250-ml-Rührautokla- ven gefüllt. Bei Zimmertemperatur wurden auf den Autoklaven viermal 50 atm. CO.., gedrückt.
Durch die Löslichkeit des CO, in Dioxan fiel der Druck nach dem Aufpressen jedesmal wieder auf 20 atm. Danach wurde der Autoklav zwei Stunden unter Rühren auf 280 C erhitzt, wobei sich ein Maximal- druck von etwa 200 atm. einstellte. Nach dem Ab kühlen und Entspannen wurden die festen Anteile abgesaugt, in 200 ml Wasser gelöst, filtriert und das Filtrat mit Salzsäure angesäuert.
Es schieden sich 11,3 g = 49 % der Theorie Pyrrol-a,a'-dicarbonsäure ab, die durch Umfällen gereinigt wurden.
Process for the preparation of pyrrole-a, a'-dicarboxylic acids It has been found that pyrrole-a, a'-dicarboxylic acids can be obtained in a simple manner and with very good yields by using pyrrole or pyrroles substituted in the β-position or pyrrole (x-monocarboxylic acids at elevated temperature and in the presence of alkaline substances with carbon dioxide to react.
This results in the salts of the carboxylic acids, which can easily be converted into the free acids. The reaction expediently takes place in the presence of solvents and catalysts.
The reaction probably proceeds according to the following equation, for example when using potassium carbonate:
EMI0001.0017
R and R '= H or an organic radical.
As a starting material for the process according to the invention, besides the pyrrole itself, any mono- or disubstituted derivatives of pyrrole come into question, eg.
E.g .: ss-methyl-pyrrole, ss-ethyl-pyrrole, pyrrole-ss-carboxylic acid, pyrrole-ss-carboxylic acid methyl ester, ss, ss'-dimethyl-pyrrole, ss-methyl-ss'-ethyl-pyrrole, ss-methyl -ss'-propyl-pyrrole, ss-methyl-pyrrole ss'-carboxylic acid, pyrrole ss, ss'-dicarboxylic acid dimethyl ester and others.
Of course, the process can also be carried out with pyrrole-α-monocarboxylic acids or their salts which do not have any substituents in the α-position. Such compounds, according to the fiction, can also be converted into pyrrole-a, '-dicarboxylic acids, are, for.
E.g .: pyrrole-a-carboxylic acid, ss-methyl-ss'-ethyl-pyrrole-.a-carboxylic acid, pyrrole-aj, ss'-dicarboxylic acid. The alkali required for the reaction is expediently used in the form of the carbonates of the alkali metals. Particularly good yields are obtained when using potassium carbonate. Sodium carbonate and thallium-I-carbonate are also suitable.
The carbonates of lithium, rubidium and cesium, which are out of the question for economic reasons, also give less good yields. Instead of the carbonates of the metals mentioned, it is also possible to use their oxides, hydroxides, bicarbonates, formates or oxalates.
The alkalis or alkali metal carbonates should be as free of water as possible, although small amounts of water practically do not disturb the reaction. In order to largely utilize the mostly valuable pyrroles, preferably at least the amount theoretically required for the formation of the dicarboxylic acid salt, but preferably an excess, of alkali or alkali carbonate is used.
The process according to the invention is generally carried out above 200 ° C., the upper limit being given only by the decomposition temperature of the organic substance. The optimal reaction temperature is different for the individual starting materials and is generally between 250 and 400 C.
The process is expediently carried out under pressure by adding at least the calculated amount of CO2, advantageously an excess of L, to the reaction vessel. The level of pressure during the reaction can fluctuate within wide limits. The carbon dioxide can be replaced by inert gases, e.g. B. by nitrogen, be diluted. However, the reaction can also be carried out without pressure, for example by passing a mixture of pyrrole vapor and carbon dioxide over heated potassium carbonate.
It has been shown that the reaction according to the invention is favored by the presence of a larger number of catalysts. The metals zinc, cadmium, lead, mercury or iron and their compounds are particularly beneficial. The metals mentioned can, for. B. be used in the form of their oxides or their salts with inorganic or organic acids. The amount of catalyst added can vary within wide limits and z. B. to 15, preferably 0.5 to 5 Gew.1 / a, based on the reaction mixture, be wear. In most cases, the yields are satisfactory even without the addition of catalysts.
However, the reaction product obtained in the presence of the said catalysts is almost always of greater purity, as can be seen from the lighter color of the crude reaction mixture.
In addition to the catalysts, the reaction mixture can also be inert fillers such. B. sand, finely divided carbon, kieselguhr, bentonite, metal powder or shavings, also inert salts, eg. B. sodium sulfate, potassium sulfate, calcium carbonate and the like, add. This measure is used in particular when the reaction mixture tends to cake.
The addition of organic solvents or diluents, such as toluene, dioxane, tetrahydrofuran, pyridine, etc., is also sometimes useful. These solvents also have the effect that the reaction mixture does not cake together and, if necessary, facilitate the stirring of the reaction mixture.
To work up the reaction mixture, it can be dissolved in water and freed from undesired constituents by filtration or by treatment with activated charcoal and other decolorizing agents. When the aqueous solution is acidified, the less soluble free pyrroledicarboxylic acid precipitates and can be separated off.
However, the poor solubility of the dipotassium salts of pyrroledicarboxylic acids in saturated potassium carbonate solution can also be used and the potassium salts can be obtained in this way. This method is often more advantageous than the former because of the acid sensitivity of many pyrrole derivatives. You can also use the crude reaction product directly on derivatives of pyrrole dicarboxylic acids, eg. B. on their esters, work up according to known methods.
The process according to the invention has made it possible to obtain a, a = dicarboxylic acids of pyrrole in a simple manner. It is true that monocarboxylic acids of pyrrole have already been produced by heating pyrrole with an aqueous solution of ammonium carbonate under pressure.
However, the process according to the invention for the preparation of pyrrole-a, a'-dicarboxylic acids could not be inferred from this. Pyrroledicarboxylic acids have hitherto mostly been produced by oxidation of the corresponding alkyl pyrroles. However, this process gives only moderate yields and is not always applicable.
The di- and polycarboxylic acids of pyrrole obtained by the process according to the invention can be z. B. use wherever two or more functional compounds have been used, z. B. in the production of poly esters, synthetic resins and plasticizers.
<I> Example 1 </I> A mixture of 50.0 g of anhydrous potash and 5.0 g of anhydrous cadmium chloride and 10.0 g of freshly distilled pyrrole were placed in a 250 cm-roll autoclave. Then 50 atm. Pressed carbon dioxide and the autoclave was heated to 290 C for three hours while rolling. The maximum pressure was 90 atm. After the reaction, the pressure in the autoclave was still 45 atm. The almost white reaction product weighed 78.0 g and no longer contained any pyrrole.
It was suspended in 50 ml of water, the catalyst was filtered off and the dicarboxylic acid was precipitated by acidification with hydrochloric acid. The pyrrole-a, a-dicarboxylic acid was isolated in a yield of 19.3 g - 8411 / o of theory. <I> Example 2 </I> 50.0 potash and 10.0 g pyrrole were placed in a 250 cms roller autoclave and treated with CO. "Under the conditions given in example 1.
The reaction product, which was darker than in Example 1, was treated with activated charcoal after it had been dissolved in water, and after appropriate work-up, 15.2 g-66% of theory of pyrrole-α, α-dicarboxylic acid were obtained.
<I> Example 3 </I> Under the same test conditions as above, 2.5 g of pyrrole-a, a = dicarboxylic acid were obtained from 50.0 g of anhydrous soda and 10.0 g of pyrrole.
<I> Example 4 </I> A mixture of 18.0 g of anhydrous potassium carbonate and 2.0 g of cadmium fluoride was placed in a rolling autoclave and 3.5 g of 13-methylpyrrole were added. With an initial pressure of 50 atm. CO., The autoclave was heated to 280 C for 3 hours.
The pale reaction product was dissolved in 100 ml of water and, after filtration with hydrochloric acid, the β-methylpyrrole-α, α-dicarboxylic acid formed was precipitated. Yield 5.2 g = 71% of theory.
<I> Example S </I> 50.0 g of anhydrous potassium carbonate were suspended in a mixture of 100 g of pyridine and 10 g of pyrrole in a rolling autoclave and the autoclave was kept under a CO., Initial pressure of 50 atm. heated to 280 ° C. for three hours. After cooling and letting down the pressure, the salts were filtered off and, as described in the other examples, worked up by dissolving and acidifying.
17.3 g = 75 1 / o d. Th. Of pyrrole-a, a = dicarboxylic acid.
<I> Example 6 </I> A mixture of 50.0 g calcium carbonate, 50.0 g potassium carbonate, 5.0 g of a catalyst consisting of equal parts of cadmium fluoride and potassium fluoride, and 10.0 g of pyrrole became two in the rolling autoclave Hours at 290 C under an initial pressure of 50 atm. CO, heated. The crude reaction product weighed 119.7 g and was dissolved in 500 ml of 5% hydrochloric acid while hot.
After filtration, 3.5 g of pyrrole-a, a = dicarboxylic acid separated out from the solution, which was cooled in ice.
<I> Example 7 </I> A mixture of 2.7 g of pyrrole-a-carboxylic acid potassium, 10.0 g of potassium carbonate and 1.2 g of anhydrous cadmium chloride was heated to 280 ° C. for one hour in a rolling autoclave initial dioxide pressure of 50 atm. heated. The crude reaction product, worked up as in Example 1, gave 2.1 g of pyrrole-a, a-dicarboxylic acid.
<I> Example 8 </I> A mixture of 50.0 g of potassium carbonate and 5.0 g of anhydrous zinc chloride was placed in a 250 ml stirred autoclave together with a mixture of 10.0 g of pyrrole and 100.0 g of anhydrous dioxane. ven filled. At room temperature, 50 atm were applied to the autoclave four times. CO .., pressed.
Due to the solubility of the CO, in dioxane, the pressure fell back to 20 atm each time after the injection. The autoclave was then heated to 280 ° C. for two hours with stirring, a maximum pressure of about 200 atm. hired. After cooling and releasing the pressure, the solid components were filtered off with suction, dissolved in 200 ml of water and filtered, and the filtrate was acidified with hydrochloric acid.
11.3 g = 49% of theory of pyrrole-a, a'-dicarboxylic acid separated and were purified by reprecipitation.