DE10222330A1

DE10222330A1 - Verfahren zur katalysatorfreien Herstellung von Alkoxybenzonitrilen

Info

Publication number: DE10222330A1
Application number: DE10222330A
Authority: DE
Inventors: Mario Gomez Andrau; Juergen Sans; Franz Thalhammer
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2003-11-27
Also published as: EP1506163A1; JP2005530793A; US20060025624A1; WO2003097584A1

Abstract

Beansprucht wird ein Verfahren zur katalysatorfreien Herstellung von Alkoxybenzonitrilen durch Substitution monohalogenierter Ausgangsverbindungen der allgemeinen Formel I DOLLAR F1 worin X Cl oder Br und Y = Alkyl oder Aryl bedeuten, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ausgangsverbindung und ein Alkoholat der allgemeinen Formel Z-OAlk, worin Z=Na·+· oder K·+· und Alk=C¶1¶- bis C¶4¶-Alkyl bedeuten, nach gemeinsamem Erhitzen auf 90 bis 250 DEG C für 2 bis 10 Stunden auf Endtemperatur gehalten werden, dann die Reaktionsmischung auf Raumtemperatur abgekühlt, nach Wasserzugabe nachgerührt und schließlich das Endprodukt abgetrennt wird. Mit diesem Verfahren, für das vorzugsweise als Ausgangsverbindung in 2- oder 4-Stellung chlorierte und/oder bromierte Benzonitrile und als Alkoholate Natriummethylat oder Natriumethylat eingesetzt werden, können die jeweiligen Endprodukte auf wirtschaftliche und zugleich umweltschonende Art und Weise kostengünstig in sehr guten Ausbeuten und bei hoher Reinheit hergestellt werden.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur katalysatorfreien Herstellung von Alkoxybenzonitrilen durch Substitution monohalogenierter Ausgangsverbindungen definierter Formel.
Alkoxybenzonitrile sind sehr wichtige Intermediate bei der Synthese zahlreicher Agro- bzw. Pharma Produkte.
Entsprechende Herstellungsverfahren sind aus der allgemeinen Literatur zwar hinlänglich gut bekannt, doch bedienen sich die meisten dieser Verfahren spezieller Katalysatoren.
Bei den in der Literatur bekannten katalysatorenfreien Verfahren handelt es sich bei den Ausgangsverbindungen nicht um aromatische Nitrile.

Generell lassen sich die bekannten Verfahren zu folgenden Gruppen zusammenfassen:

- Substitution von Halogenen in Form von Brom oder Chlor durch ein Methylat an Phenylringen, die keine Nitrilgruppe tragen und bei denen es sich nicht um aromatische Nitrile handelt. Dabei werden Kupfer- oder Palladium-Katalysatoren eingesetzt. Gemäß US 5965766, US 5917079 und EP-PS 831 083 werden Alkoxybenzol-Derivate durch Reaktion von aromatischen Halogeniden mit Metallalkoholaten dargestellt. Erst die Umsetzung dieser Zwischenprodukte mit Kupfer- oder Kaliumcyanid in Gegenwart eines Katalysators führt zu Alkoxybenzonitrilen.
- Substitution von Halogenen in Form von Brom oder Chlor durch ein Methylat an Phenylringen, die mindestens eine Nitrogruppe tragen und bei denen es sich ebenfalls nicht um aromatische Nitrile handelt. Hierbei wird generell kein Katalysator verwendet, da Nitrobenzole bekanntermaßen aktivere Substrate darstellen als beispielsweise Benzonitrile. Beispiele dafür sind die Patentschriften JP 11 147 859, JP 07 316 102, EP 496 370 und DE 35 26 930.
- Verfahren, bei denen Übergangsmetallkatalysatoren eingesetzt werden: Gemäß J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 3395-3396; J. Org. Chem. 1997, 62, 5413-5418 und WO 98/15515 werden halogenierte Benzonitrile mit Metallalkoholaten umgesetzt, wobei eine teure Palladium- oder Nickelverbindung in Kombination mit einem entsprechenden teuren Liganden als Katalysator eingesetzt wird. Bekannt ist auch die katalytische Dehalogenierung halogenierter Aryle mit Hilfe eines Pd/Imidazolsalz-Systems gemäß Organometalics, 2001, 20, 6, 3607-3612.
- Verfahren, bei denen stark aktivierte Halobenzonitrile (polyhalogenierte Benzonitrile oder halogenierte Polynitrilbenzolderivate) direkt mit Metallalkoholaten umgesetzt werden. Gemäß JP 50121424 wird 1,3- Dicyano-2,4,5,6-tetrachlorisophthalodinitril mit Natriummethylat zu 1,3- Dicyano-4-methoxy-2,5,6-trichlorisophthalodinitril umgesetzt; CS 256818 und CS 261149 empfehlen die direkte Umsetzung von 2,6- Dichlorbenzonitril mit 4 Equivalenten Natriummethylat bei Siedetemperatur zu 2-Chlor-6-methoxybenzonitril, wobei eine Ausbeute zwischen 75 und 80% erzielt wird. Diese Variante ist allerdings auf sehr aktivierte Nitrile beschränkt.

Verfahren zur Herstellung von alkoxylierten Benzonitrilen aus nicht aktivierten Benzonitrilen, die ohne eine Beteiligung von Übergangsmetall- Katalysatoren auskommen, sind nach dem Stand der Technik nicht bekannt.

Aus den geschilderten Nachteilen des Standes der Technik hat sich für die vorliegende Erfindung somit die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur katalysatorfreien Herstellung von Alkoxybenzonitrilen bereitzustellen, bei dem monohalogenierte Benzonitrile der allgemeinen Formel I

worin X Cl oder Br und Y Alkyl oder Aryl bedeuten, in einer Substitutionsreaktion umgesetzt werden. Die Zielverbindungen sollen dabei in guten Ausbeuten und Reinheiten möglichst direkt erhalten werden und die Verwendung von teuren und umweltbedenklichen Stoffen sollte vollständig entfallen.

Gelöst wurde diese Aufgabe mit einem entsprechenden Verfahren, bei dem die Ausgangsverbindung und ein Alkoholat der allgemeinen Formel Z-OAlk worin Z = Na⁺ oder K⁺ und Alk = C₁ bis C₄-Alkyl bedeuten, nach gemeinsamem Erhitzen auf 90 bis 250°C für 2 bis 10 Stunden auf Endtemperatur gehalten werden, dann die Reaktionsmischung auf Raumtemperatur abgekühlt, nach Wasserzugabe nachgerührt und schließlich das Endprodukt abgetrennt wird.

Überraschenderweise hat sich im Zusammenhang mit diesem Verfahren herausgestellt, dass auf diese Weise die jeweiligen Endprodukte nicht nur ohne Beteiligung der bislang verwendeten Katalysatoren hergestellt werden können, sondern dass dies auch in Ausbeuten von in der Regel über 90% möglich ist. Außerdem bewegt sich der zeitliche Aufwand bis zum Reaktionsende im wirtschaftlichen Rahmen, so dass das erfindungsgemäße Verfahren auch aus ökonomischer Sicht beträchtliche Vorteile besitzt. Dabei steht aber selbstverständlich die Tatsache im Vordergrund, dass das neue Verfahren durch den Verzicht auf Katalysatoren und den Anfall von lediglich Alkalisalzen als Nebenprodukte auch sehr umweltschonend und kostengünstig durchzuführen ist. Dies war so nicht zu erwarten.

Als monohalogenierte Benzonitrile werden gemäß vorliegender Erfindung bevorzugt in 2- oder 4-Stellung chlorierte oder bromierte Benzonitrile eingesetzt, deren Herstellung aus der Literatur gut bekannt ist.

Als bevorzugte Alkoholate sind Natriummethylat oder Natriumethylat anzusehen.

Die Reaktion wird bei Temperaturen zwischen 90 und 250°C durchgeführt, doch haben sich vorzugsweise Temperaturen als besonders geeignet gezeigt, die zwischen 100 und 150°C und besonders bevorzugt zwischen 115 und 140°C liegen.

Nach Erreichen der jeweiligen Temperaturobergrenze sollte im Rahmen der Erfindung die Reaktionsmischung für eine Dauer von 2 bis 10 Stunden und insbesondere für 3 bis 5 Stunden bei der jeweiligen Endtemperatur gehalten werden. Unter diesen Bedingungen der Reaktionsführung steigt der Druck natürlich im geschlossenen System, wie es Autoklaven darstellen, an, wobei Druckbereiche von üblicherweise 2 bis 20 bar akzeptabel sind und ein Druck von ca. 3 bis 5 bar zu empfehlen ist.

Um einen zu starken Druckanstieg durch unkontrollierte Freisetzung der Reaktionswärme zu vermeiden bzw. diesen zu reduzieren, kann die Reaktionsmischung auch über längere Zeit von bspw. drei Stunden unter Rückfluss gehalten werden und erst dann im Autoklaven für weitere 2 bis 3 Stunden bei der Endtemperatur abreagiert werden.

Wird auf eine geschlossene Reaktionsführung bspw. in einem Autoklaven verzichtet, kann auch vollständig unter Rückfluss gearbeitet werden. wodurch sich dann allerdings die Reaktionszeiten verlängern.

Um mögliche Nebenreaktionen auszuschließen sowie aus Sicherheitsgründen, sieht die vorliegende Erfindung vorzugsweise vor, die Reaktion unter Inertgas- und insbesondere unter Stickstoffatmosphäre durchzuführen.

Die im beanspruchten Verfahren verwendete Alkoholatmenge ist unkritisch und kann zwischen 70 mol% und 400 mol% bezogen auf das eingesetzte monohalogenierte Benzonitril betragen. Es empfiehlt sich allerdings, dass die Alkoholatmenge zwischen 100 und 200 mol% bezogen auf das eingesetzte halogenierte Benzonitril beträgt und vor allem zwischen 105 und 115 mol%.

Es ist im Rahmen der Erfindung als ebenfalls bevorzugt anzusehen, dass das Metallalkoholat in Form einer entsprechenden alkoholischen Lösung eingesetzt wird. Die Konzentration dieser Lösung ist ebenfalls unkritisch und kann zwischen 15 und 50 Gew.-% betragen. Es empfiehlt sich allerdings, dass die Konzentration der einzusetzenden Alkoholat-Lösung zwischen 20 und 40 Gew.-% und insbesondere zwischen 25 und 35 Gew.-% beträgt.

Das sich anschließende Abtrennen des Produktes erfolgt nach den üblichen Methoden, wobei sich natürlich das Abfiltrieren für feste Produkte und die Phasentrennung für flüssige Produkte empfiehlt. Schließlich kann bei Bedarf das Produkt durch milde Temperaturen von ca. 30 bis 50°C von der Restfeuchte befreit werden.

Üblicherweise stellt die Reaktionsmischung am Ende der Reaktion eine Suspension aus Natrium- und/oder Kaliumsalz und Alkoxybenzonitril- Anteilen in dem entsprechenden Alkohol dar. Das Produkt kann aus diesem System problemlos abgetrennt werden, indem man Wasser zugibt und nachrührt. Dabei geht das Salz vollständig in Lösung und, im Falle von festen Benzonitril-Derivaten, fällt das Produkt aus. Besonders vorteilhaft ist es, die so erhaltene Suspension unter guter Durchmischung abzukühlen, wobei das Produkt praktisch quantitativ anfällt. Die so erhaltenen Kristalle können in jeder geläufigen Art und Weise von der flüssigen Phase abgetrennt werden. Die Trocknung des Produktes erfolgt in der Regel bei Drucken zwischen 0,1 bis 1 000 mbar und bei Temperaturen zwischen 20 und 40°C, wobei sich Drucke zwischen 10 und 20 mbar und Temperaturen zwischen 25 und 35°C besonders empfehlen.

In Falle von bei Raumtemperatur flüssigen Benzonitril-Derivaten bilden sich nach der Wasserzugabe zwei Phasen aus, die getrennt werden; dann wird das Produkt durch Destillation gereinigt. Die anschließende Trocknung kann, wie bereits beschrieben, erfolgen.

Insgesamt zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch eine sehr einfache technische Durchführbarkeit und weiterhin durch eine hohe Umweltverträglichkeit aus. Als Nebenprodukt der Reaktion fallen ausschließlich Natrium- oder Kaliumhalogenide an, was die Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit des vorgeschlagenen Verfahrens zusätzlich unterstreicht.

Insgesamt ist festzuhalten, dass mit dem katalysatorfreien Verfahren zur Herstellung von Alkoxybenzonitrilen gemäß Erfindung die jeweiligen Produkte auf sowohl ökonomisch wie auch ökologisch deutlich verbesserte Weise in großer Reinheit und mit hohen Ausbeuten erhalten werden.

Die nachfolgenden Beispiele veranschaulichen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundenen Vorteile.

Beispiele

Beispiel 1

In einem Autoklaven werden 41.3 g 4-Chlorbenzonitril und 63 g einer 30%-igen Lösung Natriummethylat in Methanol unter Rühren vorgelegt. Der Reaktor wird geschlossen und die Reaktionsmischung wird auf 120°C aufgeheizt und bei dieser Temperatur 3 Stunden gerührt. Man läßt den Reaktor abkühlen. 100 ml Wasser werden zugegeben und etwa 15 Minuten bei Raumtemperatur nachgerührt. Die gebildete Suspension wird abgesaugt, das Produkt mit Wasser gewaschen und anschließend im Trockenschrank bei 40°C getrocknet.
Ausbeute: 37.9 g 4-Methoxybenzonitril (100% ig GC, 95% d. Th).

Beispiel 2

In einem Autoklaven werden 41.3 g 4-Chlorbenzonitril und 63 g einer 30%-igen Lösung Natriummethylat in Methanol unter Rühren vorgelegt. Die Reaktionsmischung wird auf Siedetemperatur aufgeheizt und bei dieser Temperatur 3 Stunden unter Rückfluß gerührt. Anschließend wird der Reaktor geschlossen und bei 120°C etwa 1 Stunde nachgerührt. Man läßt den Reaktor abkühlen. 100 ml Wasser werden zugegeben und etwa 15 Minuten bei Raumtemperatur nachgerührt. Die gebildete Suspension wird abgesaugt, das Produkt mit Wasser gewaschen und anschließend im Trockenschrank bei 40°C getrocknet.
Ausbeute: 36 g 4-Methoxybenzonitril (100% ig GC, 90% d. Th).

Claims

1. Verfahren zur katalysatorfreien Herstellung von Alkoxybenzonitrilen durch Substitution monohalogenierter Ausgangsverbindungen der allgemeinen Formel I

worin X Cl oder Br und Y Alkyl oder Aryl bedeuten, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsverbindung und ein Alkoholat der allgemeinen Formel Z-OAlk worin Z = Na⁺ oder K⁺ und Alk = C₁ bis C₄- Alkyl bedeuten, nach gemeinsamem Erhitzen auf 90 bis 250°C für 2 bis 10 Stunden auf Endtemperatur gehalten werden, dann die Reaktionsmischung auf Raumtemperatur abgekühlt, nach Wasserzugabe nachgerührt und schließlich das Endprodukt abgetrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsverbindung in 2- oder 4-Stellung chlorierte oder bromierte Benzonitrile eingesetzt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Alkoholat Natriummethylat oder Natriumethylat verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkoholat-Komponente in Anteilen zwischen 70 und 400 mol%, bezogen auf das eingesetzte halogenierte Benzonitril, vorgelegt wird, insbesondere in Anteilen zwischen 100 und 200 mol% und ganz besonders bevorzugt zwischen 105 und 115 mol%.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkoholat-Komponente in Form einer alkoholischen Lösung des entsprechenden Alkoholats eingesetzt wird, wobei die Konzentration der Lösung vorzugsweise 15 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 40 Gew.-% und besonders bevorzugt 25 bis 35 Gew.-% beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmischung auf 100 bis 150°C und besonders bevorzugt auf 115 bis 130°C erhitzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmischung für 3 bis 5 Stunden auf der Reaktionstemperatur gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion unter Rückfluss durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion unter Inertgas- und insbesondere unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird.