DE102005037337A1

DE102005037337A1 - Neues Verfahren zur Herstellung von 4,4'-Difluorbenzophenon

Info

Publication number: DE102005037337A1
Application number: DE102005037337A
Authority: DE
Inventors: Harald RÖGL; Markus Dr. Ungerank
Original assignee: Inspec Fibres GmbH
Current assignee: Evonik Fibres GmbH
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-02-15
Also published as: BRPI0614510A2; US7687668B2; WO2007014692A1; RU2008108096A; KR20080038147A; US20090177014A1; EP1910259A1; JP2009503000A; RU2394016C2; TW200720241A; CN101238089A

Abstract

Es wird ein neues Verfahren zur Herstellung von 4,4'-Difluorbenzophenon (4,4'-DFBP) beschrieben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von 4,4'-Difluorbenzophenon und seiner Isomeren. 4,4'-Difluorobenzophenon (4,4'-DFBP) ist der zentrale Ausgangsstoff zur Herstellung von aromatischen Polyetherketonen. Diese sind Hochleistungskunststoffe mit stetig wachsenden jährlichen Produktionsmengen, sodass auch die jährlich weltweit produzierte Menge 4,4'-DFBP im Wachstum begriffen ist. Die wichtigsten Polyetherketone sind die Polyetheretherketone (PEEK) und Polyrtherketone (PEK). Diese zeichnen sich durch Schmelzpunkte von über 330 °C sowie hohe Chemikalienbeständigkeit aus. Kleine Mengen werden zur Herstellung von Medikamenten und Agrarchemikalien verwendet.

Zur Zeit wird 4,4'-DFBP fast ausschließlich in folgender Zweistufensynthese nach US 2,606,183 (1952) und US 2,705,730 (1955), beide Head et. al erzeugt:

1. 4,4'-Diamino-Diphenylmethan (MDA für Methylen-Dianilin) wird mit NaNO₂ in HF-saurer Lösung diazotiert und mit HBF₄ nach Balz-Schiemann unter N₂-Entwicklung das Fluorid-Ion in den Aromaten eingeführt. (siehe Beyer, Walter, Lehrbuch der organischen Chemie, Hirzel, 24. Auflage, 2004, Seite 626, und Balz, Schiemann, Berichte, Vol 60, p1186 (1927)
2. Das entstandenen 4,4'-Difluordiphenylmethan (DFDPM) wird nach Reinigung mit HNO₃ oxidiert.

Nach EP 4710 , Staniland et. Al. (1979) und US 2,563,796 , Shenk et.al. kann auch direkt das in Flusssäure gelöste Diazoniumfluorid durch Erhitzen zersetzt werden.

Ein zweiter Weg zur Synthese von Benzophenonen ist die Friedl-Crafts Acylierung. Entweder direkt aus Fluorbenzol und Phosgen nach US 4,618,762 , Desbois (1986) in Flusssäure und Bortrifluorid als Katalysator oder, nach US 4,814,508 , Gors et.al. (1989) aus Fluorbenzol und 4-Fluoro-benzoesäurechlorid mit Aluminiumchlorid und Lithiumchlorid als Katalysator.

Eine dritte Möglichkeit der Synthese ist nukleophile Substitution am Aromaten (SNAr). Dabei wird entweder eine Nitro-Gruppe ( US 6,274,770 , Clarc et.al., 2001) mit dem Phasentransferkatalysator Tetramethylammonium-Fluorid oder ein Halogenid ( JP 57169441 ) mit Kaliumfluorid bei erhöhter Temperatur (150°C bis 200°C) gegen ein Fluoratom ausgetauscht.

Eine weitere Möglichkeit, 4,4'-Difluorbenzophenon zu erzeugen, ist in JP 61221146 , (Fukuoka et.al. 1986) beschrieben. Fluorbenzol wird mit Kohlenmonoxid und Sauerstoff im Autoklaven mit Edelmetall-Katalysator zur Reaktion gebracht.

DE 698 15 082 beschreibt die Synthese aus 4,4'-Dinitrodiphenylmethan, es wird mit Luft in DMAc oxidiert und mit Tetramethylammoniumfluorid als PTC nach SNAr substituiert. Die Ausbeute beträgt etwa 70 %. Durchgeführt wird die Reaktion mit 60 mg Ausgangssubstanz in 10 ml Lösemittel, dies ist kein technisch nutzbarer Prozeß.

US-PS 4,978,798 beschreibt einen mehrstufigen, aufwendigen Prozeß.

Nachteile des Standes der Technik

Die über mehrere Jahrzehnte erfolgte Suche nach verschiedenen Synthesen zur Herstellung von Difluorbenzophenon zeigt auf, dass keine davon ohne gravierende Nachteile ist.

Bei der Route über Friedl-Crafts Acylierung ist es vor allem der große Bedarf an Katalysatoren und deren Entsorgung. Bei der Balz-Schiemann Reaktion ist vor allem das Lösemittel Flusssäure problematisch und die Aufbereitung der Tetrafluoroborsäure aufwändig. Zudem fallen auch hier große Mengen anorganischer Salze an.

Die nukleophile Substitution zur Erzeugung von Difluorbenzophenon hat bislang noch keine technische Bedeutung erlangt. 4,4'-Dichorbenzophenon ist als Ausgangssubstanz nicht billig und verlagert eigentlich nur die Problematik zur Herstellung eines doppelt para substituierten Benzophenon. Frei gesetzte Nitrogruppen aus dem 4,4'-Dinitrobenzophenon bilden Nitrite, die bei den verwendeten Temperaturen und wirtschaftlichen Konzentrationen durchaus Nebenreaktionen initiieren können.

Angesichts des oben diskutierten Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein weiteres, einfaches Verfahren zur Synthese von 4,4'-Difluorobenzophenon zu schaffen.

Diese Aufgabe wurde gelöst, indem Fluorbenzol mit Paraformaldehyd unter Säurekatalyse zu einem Isomerengemisch von 2,4' und 4,4'-DFDPM gekoppelt und dieses anschließend mit molekularem Sauerstoff zu Benzophenonen oxidiert wird. Die Isomeren werden durch Umkristallisieren getrennt.

Dieses Verfahren bietet folgende Vorteile:

1. Sowohl bei der Kopplung als auch bei der Oxidation bildet sich, abgesehen von Nebenprodukten, nur Wasser und kein anderes, in stöchiometrischer Menge anfallendes Nebenprodukt.
2. Beide Reaktionen laufen bei Normaldruck und Temperaturen zwischen 20°C und 80°C ab, was den apparativen Aufwand deutlich reduziert.
3. Der saure Katalysator kann durch Erhitzen im Vakuum regeneriert werden.
4. Die Isomerentrennung erfolgt durch Umkristallisieren aus einem Gemisch von Essigsäure und Wasser, was sowohl ökonomisch als auch ökologisch als Vorteil zu werten ist.
5. Es wird neben der Essigsäure kein zusätzliches Lösungsmittel benötigt.

Beschreibung
Fluorbenzol wird großtechnisch hergestellt, ist mittlerweile einigermaßen preisgünstig und daher eine gute Ausgangssubstanz für Fluor enthaltende organische Verbindungen.
Im folgenden wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Fluorbenzol mit Formaldehyd unter Katalyse von organischen Sulfonsäuren zu einem Gemisch von etwa 95%-Difluordiphenylmethan-Isomeren (DFDPM) und 5% höher kondensierten Produkten als Rest umgesetzt wird.
Das Difluordiphenylmethan, erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, besteht aus etwa 77% 4,4'-DFDPM und 23% aus 2,4'-DFDPM.
Das Isomerengemisch lässt sich durch Vakuumdestillation von den Nebenprodukten ab-, nicht jedoch in seine Isomeren auftrennen.
Dieses DFDPM-Isomerengemisch wird mit Salpetersäure oxidiert und das gebildete 4,4'-DFBP durch Umkristallisieren isomerenrein isoliert.
Das Verfahren beinhaltet folgende Schritte:

1. Reaktion von Fluorbenzol mit Formaldehyd und Fluorbenzolsulfonsäure (FBSA)
2. Abtrennen und Wiederaufbereitung der FBSA
3. Abtrennen des überschüssigen Fluorbenzol und Vakuumdestillation von DFDPM
4. Oxidation mit Salpetersäure
5. Umkristallisieren

1.1 Reaktion von Fluorbenzol mit Formaldehyd
In Fluorbenzol wird bei wasserfreie FBSA gelöst und Paraformaldehyd in Pulverform zugesetzt und mehrere Stunden unter Abfuhr der Reaktionswärme gerührt: Es findet folgende Reaktion statt:
Fluorbenzol wird im Überschuss verwendet und ist zugleich Lösemittel.
Je verdünnter die Lösung ist, umso weniger höher kondensierte Nebenprodukte, gemessen an DFDPM, werden gebildet.
Das Molverhältnis Fluorbenzol zu Formaldehyd liegt zwischen 5:1 bis 30:1, bevorzugt zwischen 8:1 und 12:1.
Die FBSA ist ein Isomerengemisch von 4-Fluorbenzolsulfonsäure und 2-Fluorbenzolsulfonsäure Das bei der Reaktion abgespaltene Wasser bildet mit der FBSA ein unlösliches Monohydrat. Dieses beginnt bereits nach wenigen Minuten Reaktionszeit auszukristallisieren.
FBSA muss daher equimolar mit Paraformaldehyd, besser mit einem leichten Überschuss, eingesetzt werden.
Je kälter die Lösung ist, desto vorteilhafter ist das Verhältnis von 4,4'-DFDPM zu 2,4'-DFDPM. 2,2'-DFDPM bildet sich nicht. Die Temperatur beträgt zwischen –15 °C und +45 °C, bevorzugt zwischen 20°C und 30°C. Die erste Zeit der Reaktion wird vorteilhafterweise bei niedriger Temperatur durchgeführt, gegen Ende kann zur schnelleren Vervollständigung der Reaktion die Temperatur erhöht werden.
Diese Reaktion wird nicht nur durch FBSA katalysiert, sondern von jeder organischen Sulfonsäure, wie beispielsweise Methansulfonsäure, Ethansulfonsäure, Trifluormethansulfonsäure, Benzolsulfonsäure, m-Benzoldisulfonsäure, Benzol-1,3,5-trisulfonsäure, 2,4-Dinitrobezolsulfonsäure oder p-Toluolsulfonsäure.
So kann auch Methansulfonsäure eingesetzt werden. Diese löst sich nicht in Fluorbenzol. Es ist vielmehr so, das sich Paraformaldehyd und kleine Mengen Fluorbenzol in der Methansulfonsäure lösen, dort reagieren und die Reaktionsprodukte im Fluorbenzol rückextrahiert werden. In Methansulfonsäure verläuft die Reaktion erst über 45°C innerhalb eines Tages. Durch diese höhere Temperatur wird das Isomerenverhältnis ungünstig verschoben (etwa 72% 4,4'-DFDPM).
Es kann auch p-Toluolsulfonsäure als Säure verwendet werden. Deren Monohydrat kristallisiert aber schlecht und das Reaktionsgemisch wird eine pastöse Masse.
1.2 Abtrennen und Wiederaufbereitung der FBSA
Am Ende der Reaktion wird eine kleine Menge Wasser (ca. 1 g je 4 g eingesetzte FBSA) zugesetzt.
Die Kristalle verflüssigen sich. Die saure Phase setzt sich unten ab. Sie wird abgetrennt und nochmals mit reinem Fluorbenzol gewaschen.
Die Aufarbeitung der FBSA kann auf zwei Arten erfolgen:

• im Vakuum bis zu 140°C erhitzen. Nahezu alles Wasser wird dabei entfernt.
• Im Vakuum kurz bis 120°C erhitzen, die noch wasserhältige Lösung mit Fluorbenzol extrahieren und den nicht in Fluorbenzol löslichen Anteil erneut erhitzen.

FBSA wird technisch durch Sulfonierung von Fluorbenzol mit konzentrierter Schwefelsäure gebildet.
Die Sulfonierung ist eine reversible Reaktion. Daher wird beim Erhitzen der wasserhältigen FBSA etwas Fluorbenzol, das sofort verdampft, und Schwefelsäure gebildet. Diese muss abgetrennt werden, da sie in wasserfreiem Zustand den Paraformaldehyd durch Wasserentzug verkohlt. Diese Rückreaktion ist umso stärker, je höher die Temperatur ist. Dabei abgespaltenes Fluorbenzol muss nicht aus der Anlage entfernt werden.
Dies ist der wesentliche Vorteil von FBSA im Vergleich zu p-Toluolsulfonsäure. Dabei abgespaltenes Toluol muss penibel aus dem System entfernt werden, da es ansonsten mit Paraformaldehyd und Fluorbenzol zu 4-Methyl-4'-Fluorodiphenylmethan reagieren würde.
1.3 Abtrennen des Fluorbenzol und Vakuumdestillation von DFDPM
Die organische Phase des letzten Schrittes wird bei Raumtemperatur zuerst mit etwas Wasser und dann mit einer Sodalösung gewaschen und die Hauptmenge Fluorbenzol bei Normaldruck und der Rest dann im Vakuum von ca. 25 mbar bei ca. 90°C abgezogen. Eventuell gebildete Kristalle durch Rückstände der Sodalösung werden abfiltriert. Das Filtrat besteht aus DFDPM-Isomeren und höher kondensierten Produkten.
Erstere destillieren bei 25 mbar Absolutdruck im Bereich zwischen 130°C und 140°C ohne Trennung der Isomeren über. Bei diesen Temperaturen destillieren noch keine der höher kondensierten Nebenbestandteile über.
Beim Steigern der Temperatur bis 200°C im Sumpf finden sich diese Nebenbestandteile aber zunehmend auch im Destillat wieder. Diese kleine Fraktion muss doppelt destilliert werden. Der Sumpf besteht aus den Nebenbestandteilen und noch etwa 25%-35% DFDPM.
1.4 Oxidation mit Salpetersäure
Das DFDPM-Isomerengemisch lässt sich zwischen 65°C und 75°C mit HNO₃ oxidieren.
Erwärmt man eine Mischung von 102 g (0.50 mol) DFDPM mit 500 ml 65%-iger HNO₃ (2.5 mol) unter Rühren auf 75°C 15 Stunden lang, verläuft die Oxidation unter Bildung von nitrosen Gasen quantitativ. Beim Abkühlen verfestigt sich die organische Phase beim Unterschreiten von 50°C zu einer wachsartigen Masse, die durch kleine Kristalle von 4,4'-DFBP zusammen gehalten wird. Diese Masse wird von der wässrigen Phase getrennt und umkristallisiert. Zu Beginn der Reaktion hat die wässrige Phase eine größere, am Ende eine kleinere Dichte als die organische Phase.
Der hohe Bedarf an Salpetersäure einerseits und eine aufwändige Abgasreinigung andererseits lässt sich gegebenenfalls durch Nachschaltung einer Absorbereinheit vermeiden, wie folgender Laborversuch zeigt:
Ein Dreihalskolben mit Thermometer, Rührung und Heizung wird als Oxidationsreaktor benutzt. Ein zweiter gleich großer Dreihalskolben mit Rührwerk, Kühlung und Anschluss an einen mit Sauerstoff gefüllten Gasballon fungiert als Absorber. Die Gasräume beider Kolben sind miteinander verbunden und bilden mit dem Gasballon ein geschlossenes System. Weiters werden zwei Pumpen installiert. Die erste pumpt Salpetersäure vom Reaktionskolben in den Absorber, die andere Salpetersäure vom Absorber in den Reaktionskolben.
DFDPM wird im Reaktionskolben mit etwa einem Drittel des Volumens 25%-iger Salpetersäure überschichtet und leicht gerührt. Bei dieser niederen Konzentration schwimmt die Salpetersäure oben auf. In den Absorber kommt die gleiche Menge Salpetersäure mit der gleichen Konzentration. Zu Beginn wird der gesamte Gasraum beider Kolben mit reinem Sauerstoff geflutet. Der Reaktionskolben wird auf ca. 65°C, nach 3 Stunden auf ca. 75°C erwärmt. Im auf ca. 25°C gekühlten Absorber wird kräftig gerührt, um die Oberfläche zwischen Gasraum und Flüssigkeit durch spritzende Tropfen zu vergrößern. Die im Reaktionskolben entstandenen nitrosen Gase gelangen in den Absorber. In der Kälte werden sie vom Sauerstoff oxidiert und unter Bildung von Salpetersäure in der Flüssigkeit gelöst. Dies ist völlig in Analogie zur Herstellung von Salpetersäure nach dem Ostwald-Verfahren. Die angereicherte Salpetersäure wird in den Reaktionskolben gepumpt und mit gleicher Förderleistung verarmte Säure aus diesem in den Absorber.
Bei diesem Reaktionssystem wird Sauerstoff verbraucht und, brutto gesehen, kein anderes Gas erzeugt. In einer luftdicht abgeschlossenen Apparatur würde ein Unterdruck entstehen. Deshalb wird Sauerstoff so lange aus dem angeschlossenen Ballon angesaugt, bis die Reaktion zum Stillstand kommt. Nach Ende der Oxidation steht die gesamte Salpetersäure wieder zur Verfügung für einen nächsten Batch, abgesehen von minimalen Verlusten durch Nitrierung von DFDPM.
Die Salpetersäure wird lediglich verdünnt durch das bei der Oxidation entstandene Wasser.
Sie wirkt solcherart nur als Katalysator der Oxidation, die de facto mit molekularem Sauerstoff durchgeführt wird.
Beim Abkühlen verfestigt sich die organische Phase zu einer wachsartigen Masse.
1.5 Umkristallisieren
Aus der nach der Oxidation erhaltenen wachsartigen Masse lässt sich mit einer Mischung aus Eisessig und Wasser (9:1) als Lösemittel durch mehrmaliges Umkristallisieren 4,4'-DFDPM in nahezu beliebiger Reinheit gewinnen. Dazu wird das Oxidationsprodukt mit der eineinhalb fachen Menge Lösemittel vermengt und erhitzt. Bei etwa 80°C-90°C wird die Lösung homogen. Beim Abkühlen bildet sich ein Kristallbrei, aus dem durch Abnutschen ein etwa 95% reines Rohprodukt abfiltriert werden kann. Durch insgesamt dreimaliges Umkristallisieren in immer der gleichen Lösemittelmenge kann eine Reinheit von mindestens 99.5% erzielt werden. Die abgenutschten Kristalle werden im Vakuum bei 90°C getrocknet.
Die Mutterlauge nach dem ersten Umkristallisierschritt wird im Vakuum eingedampft zur Lösemittelrückgewinnung.

Claims

Verfahren zur Herstellung von 4,4'-Difluorobenzophenon, dadurch gekennzeichnet, daß man in einem ersten Schritt Fluorbenzol mit Formaldehyd und Fluorbenzol zu Difluordiphenylmethan umsetzt, das dabei gewonnen Produkt isoliert und zu 4,4'-Difluorobenzophenon oxidiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxidation mit Salpetersäure durchführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt der Reaktion in Flourbenzol als Lösungsmittel und Fluorbenzolsulfonsäure als Katalysator verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionstemperatur im ersten Schritt zwischen –15°C und 45°C liegt.
Verwendung des Produkts nach einem der Ansprüche 1-4 und 6-7 zur Herstellung von Polyetherketonen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß man im zweiten Schritt mit Salpetersäure oxidiert und die entstehenden nitrosen Gase mit einem Oxidationsmittel wieder in Salpetersäure überführt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Oxidationsmittel Sauerstoff verwendet.