DE19954194A1 - Verfahren zur Herstellung von Iminodicarbonsäuren und deren Verwendung - Google Patents

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Iminodicarbonsäuren durch Amidocarbonylierung von Verbindungen der Formel DOLLAR F1 worin R = H, NH¶2¶, C¶1-28¶-Alkyl, C¶6-12¶-Aryl DOLLAR A mit Kohlenmonoxid im sauren Milieu in Gegenwart eines katalytischen Palladiumkomplexes und eines Aldehyds sowie der abschließenden hydrolytischen Abspaltung der N-Acylgruppe, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Amidocarbonylierung in einem wasserhaltigen Medium durchgeführt wird. Als besonders geeignetes Ausgangsmaterial werden Formamid, Acetamid oder Harnstoff eingesetzt. Anorganische Pd(II)-Salze, wie Palladiumacetat oder -chlorid, oder heterogene Pd-Katalysatoren werden vor allem in Mischungen mit einer Mineralsäure und in Mengen von 0,01 bis 0,25 Mol-% verwendet, wobei das katalytische System insbesondere Brom- oder Chlorwasserstoffsäure enthalten sollte. Ebenfalls vorgesehen ist die Umsetzung in Anwesenheit von max. 35 Mol-% eines Halogenidsalzes.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Iminodicarbonsäuren und deren Verwendung.

Amino- und Iminodicarbonsäuren sind wie die entsprechenden Monocarbonsäuren im allgemeinen als wichtige Ausgangsverbindungen für Pharmazeutika, agrochemische Verbindungen sowie Pestizide einzustufen.

Als ein herausragendes Einsatzgebiet für Iminocarbonsäuren hat sich u. a. die Synthesekette bei der Herstellung von N-Phosphonomethyl-glycin (Glyphosate), dem bedeutendsten und derzeit wirtschaftlich am interessantesten Totalherbizid erwiesen.

Die Synthese von N-Phosphonomethyl-glycin baut insbesondere auf der Iminodiessigsäure (IDA) auf, die zwischenzeitlich über zahlreiche beschriebene Synthesewege zum gewünschten Produkt umgesetzt werden kann. U. a. kann sie mit Formaldehyd und phosphoriger Säure oder Phosphortrichlorid zur N-Phosphonomethyliminodiessigsäure und Natriumchlorid umgesetzt werden; die so erhaltene substituierte Iminodiessigsäure wird dann bspw. in Gegenwart eines Kohlenstoff-haltigen Katalysators oxidativ zur entsprechenden Säureform des N-Phosphonomethyl-glycins gespalten.

Die Iminodiessigsäure spielt somit also eine zentrale Rolle bei den verschiedensten Synthesewegen zum Glyphosate.

Als weit verbreiteter und ökonomisch effizienter Zugang zur Herstellung von IDA galt bislang ein zweistufiges Verfahren, bei dem zunächst Iminodiacetonitril (IDAN) mit Natronlauge zum Natriumsalz der Iminodiessigsäure (Na₂IDA) umgesetzt wird, gefolgt von einer Neutralisation mit einer starken Mineralsäure, bspw. Salzsäure oder Schwefelsäure.

Allerdings fallen dabei bspw. bei Verwendung von Salzsäure neben der gewünschten Iminodiessigsäure auch mindestens zwei äquivalente Natriumchlorid als Abfall an.

Dementsprechend wurden aus ökonomischen und ökologischen Gründen bereits frühzeitig kostengünstige Prozesse angestrebt, die den Nachteil der Bildung von Nebenprodukten nicht bzw. nur in stark vermindertem Maße aufweisen. Besonderes Interesse galt dabei Prozessen, bei denen die Bildung eines Salzabfalles völlig vermieden wird.

Eine solche "atomökonomische" Alternative zur Herstellung von Iminodiessigsäure wurde erstmalig und aufbauend auf den grundlegenden Erkenntnissen zur Amidocarbonylierung von Wakamatsu et al. (1971) von Stern et al. 1982 mittels der Aminodicarbonylierungsreaktion realisiert.

Diese Reaktion ermöglicht die Bildung von N-geschützter N-Acyliminodiessigsäure und geht dabei in Gegenwart katalytischer Mengen an Co₂(CO)₈ von Paraformaldehyd, Kohlenstoffmonoxid und einer Amidkomponente aus. In einem zweiten Schritt wird dann die N-Acylgruppe hydrolytisch nach bekannten Methoden abgespalten.

Lange Zeit blieb die Amidocarbonylierung sowohl auf die Verwendung dieses Katalysatortyps als auch auf den Einsatz von Acetamid begrenzt. Zudem war der praktische Nutzen dieses Verfahren trotz der hohen Atomökonomie bis heute stark eingeschränkt, nicht zuletzt aufgrund der drastischen Reaktionsbedingungen, die für das Gelingen der Reaktion erforderlich sind. So werden Drücke von mindestens 120 bar benötigt und das Temperaturspektrum liegt im Bereich von 80 bis 110°C. Dennoch lagen die Ausbeuten vermutlich bedingt durch diese drastischen Versuchsbedingungen im nur mäßigen Bereich von max. ca. 70%.

Eine Verbesserung der Ausbeuten bei der Darstellung von IDA auf diesem Wege ist in der WO 98/35 930 beschrieben, ohne dabei allerdings die grundlegenden Nachteile der drastischen Reaktionsbedingungen dieses Cobalt-katalysierten Verfahrens nennenswert mindern zu können. Als Reaktionsbedingungen bei diesem Prozess werden nämlich weiterhin bei Reaktionstemperaturen von mindestens 110°C hohe Kohlenmonoxiddrücke von ca. 100 bis 300 bar verwendet.

Für die Herstellung von N-geschützter Iminodiessigsäure (N-Acyl-IDA) auf dem Wege der Amidocarbonylierung und ausgehend von Formaldehyd, einer Amidkomponente und Kohlenmonoxid gibt es somit bislang kein akzeptables Verfahren, das bei Verwendung von gemäßigten Drücken unter 70 bar, einer optimalen Reaktionstemperatur von max. 100 bis 120°C und einer Katalysatormenge von max. 0,3 mol-% eine effiziente Herstellung der IDA ermöglicht.

Die bislang gültigen und z. T. extremen Versuchsbedingungen führen zu einer sehr großen Materialbeanspruchung der Autoklaven, sie bedingen hohe Betriebskosten (Energie) und sind zudem begleitet von niedrigen TON-Werten. Daneben erfordern alle bislang umsetzbaren Verfahren die Verwendung von Synthesegas, obwohl als Reaktionskomponente ja lediglich Kohlenmonoxid benötigt würde. Eine ausschließliche Verwendung von Kohlenmonoxidgas ist deshalb ebenfalls anzustreben.

Das diesbezügliche Augenmerk richtet sich deshalb im Wesentlichen auf Iminodicarbonsäuren als besonders geeignete Ausgangsstoffe für die Glyphosate-Herstellung.

So ist bspw. aus der WO 98/35 930 die Umsetzung einer Carbamoyl- Verbindung mit dem Vorläufer eines Carboxymethylierungs-Katalysators bekannt. Als typische Carbamoyl-Verbindungen sind Amide, Harnstoff und Carbamate genannt. Als Katalysatorvorläufer sollen alle Verbindungen herangezogen werden können, die ein Metall der VIII. Gruppe des Periodensystems der Elemente enthalten und die für Carboxymethylierungsreaktionen geeignet sind, wobei insbesondere Cobalt-haltige Katalysatoren in Frage kommen. Voraussetzung für die Reaktion ist allerdings der Einsatz einer Gasmischung bestehend aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Daneben gelingt die Reaktion laut WO 98/35 930 prinzipiell auch mit den bis dahin aus der Amidomonocarbonylierung bekannten Pd-Katalysatorsystemen. Diese Klasse von Pd-Katalysatoren wurde von Beller et al. für Amidomonocarbonylierungsreaktionen bspw. in J.Mol Cat. A: Chemica. 1998, 135, 23-33 beschrieben: Bei der Verwendung dieses neuen Katalysatorsystems PdBr₂/LiBr/H₂SO₄ kann im Vergleich zu den Co- Katalysatoren bei wesentlich günstigeren Temperatur- und Druckbedingungen gearbeitet werden. Allerdings wird in diesem Fall ausschließlich in dipolaren aprotischen Lösemitteln, wie Dimethylformamid, Dimethylacetamid und Dioxan und in Abwesenheit von H₂O oder wässrigen Mischungen gearbeitet.

Dies ist nicht verwunderlich aufgrund der wohlbekannten Empfindlichkeit von Pd-Katalysatoren gegenüber Feuchtigkeit und Wasserzusätzen und erfordert bei den meisten Pd-Katalysen ein Arbeiten unter Ausschluss von Wasseranteilen. Auch für die Pd-katalysierte Amidomonocarbonylierung ist dieser negative Einfluss von Wasser bekannt: So gelingt die Amidomonocarbonylierung bei der Pd-katalysierten Umsetzung eines alkylierten Aldehyds mit CO und Harnstoff ausschließlich in Gegenwart eines H₂O-entziehenden Mediums in hervorragender Ausbeute (90%), dagegen in Gegenwart von 1 Äquiv. H₂O mit drastisch erniedrigter Ausbeute von nur 55%, was eindeutig die hohe Sensitivität dieser Reaktion gegenüber H₂O zeigt (Beller et al., Angew. Chem. 1999, 111, Nr. 10, 1562-1565).

Heterogene Pd-Katalysatoren sind bislang noch nie für eine Amidodicarbonylierungsreaktion verwendet worden, da heterogene Katalysen üblicherweise auf völlig verschiedenen mechanistischen Wegen verlaufen. Eine kürzlich erschienene Arbeit zeigt die Eignung von heterogenen Pd/C-Katalysatoren für Amidomonocarbonylierungen (Beller et al., Tetrahedron Letters, 1999, 40, S. 4523-4526).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung von Iminodicarbonsäuren zu entwickeln, das üblicherweise durch Amidocarbonylierung von Verbindungen der Formel

worin R = H, NH₂, C_1-28-Alkyl, C_6-12-Aryl mit Kohlenmonoxid im sauren Milieu in Gegenwart eines katalytischen Palladiumkomplexes und eines Aldehyds sowie der abschließenden hydrolytischen Abspaltung der N-Acylgruppe durchgeführt wird, das aber von den strengen Reaktionsbedingungen wie einer absoluten Wasserfreiheit und/oder hohen Drücken von mindestens 100 bar und/oder der Vorgabe von ausgewählten organischen Lösemitteln unabhängig ist.

Gelöst wurde diese Aufgabe mit einem Amidocarbonylierungsverfahren, bei dem die Amidocarbonylierung in einem wasserhaltigen Medium durchgeführt wird.

Völlig überraschend hat sich dabei herausgestellt, dass entgegen den bisherigen Erkenntnissen die verwendeten Palladiumkatalysatoren auch in wasserhaltigen Medien ihre Funktion erfüllen und sogar zu Umsätzen führen, die z. T. über denen liegen, die in organischen Lösemitteln zu erzielen sind. Überraschenderweise wird somit die Reaktion in Gegenwart von definierten molaren Mengen an Wasser sehr effizient katalysiert, einhergehend mit einer hohen Bildungsrate der Produkte.

Dies war aufgrund der Vorurteile aus dem Stand der Technik so nicht zu erwarten.

Insgesamt gelingt die erfindungsgemäße Reaktion dann besonders effizient, wenn der im Reaktionsmedium enthaltene molare Anteil an Wasser zwischen 0,001 Äquiv. und 10 Äquiv., bezogen auf die molare Menge an eingesetztem Aldehyd und vorzugsweise 0,01 Äquiv. und 4 Äquiv. beträgt.

Als Ausgangsmaterial haben sich aus der Reihe aller möglichen Verbindungen gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß Formamid, Acetamid oder Harnstoff als besonders geeignet erwiesen.

Ein anorganisches Palladium(II)-Salz wie Palladiumbromid und -chlorid, das in Mengen von 0,01 bis 0,25 mol-% bezogen auf die Menge an eingesetzter Amidkomponente verwendet wird, stellt einen bevorzugten Vertreter des benötigten katalytischen Palladiumkomplexes dar.

Des Weiteren haben sich aber auch heterogene Pd-Katalysatoren wie z. B. Pd/C als sehr effizient herausgestellt.

Da die Amidocarbonylierungsreaktion in jedem Fall im sauren Milieu durchgeführt werden muss, wobei die Reaktionsführung aber nicht auf speziell saure pH-Bereiche eingeschränkt ist, sieht die vorliegende Erfindung vor, als Säure eine Mineralsäure, insbesondere Schwefelsäure zu verwenden.

Mineralsäuren werden von der vorliegenden Erfindung auch für das katalytische System herangezogen, das als weitere Komponente eine Pd- Verbindung enthält; vorzugsweise sollte hierbei eine Halogenwasserstoff- Säure wie z. B. Bromwasserstoffsäure und insbesondere eine 48%ige HBr verwendet werden.

Als geeignetes Aldehyd sind die freien Formen, Polymere und Acetale von Formaldehyd, Benzaldehyd und Cyclohexancarbaldehyd und insbesondere eine 30%ige Formalinlösung vorgesehen, wobei es sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen hat, die Amid- und die Aldehyd-Komponenten im stöchiometrischen Verhältnis von 2 bis 2,5 : 1 einzusetzen.

Außerdem kann die Umsetzung gemäß vorliegender Erfindung dadurch zusätzlich gesteigert werden, indem sie in Anwesenheit von max. 35 mol-% eines Halogenidsalzes durchgeführt wird, wofür insbesondere Bromidsalze geeignet zu sein scheinen. Bei den Halogenidsalzen kann es sich erfindungsgemäß aber auch um ein Alkalihalogenid handeln, das insbesondere ein Lithium-, Natrium- und Kaliumsalz darstellen kann.

Ganz besonders günstig ist der Einfluss des Halogenidsalzes, wenn es in einer Menge von max. 10 mol-% und insbesondere in Anteilen von 5 mol-% eingesetzt wird.

Unabhängig davon, welche fakultativen Coreaktanden eingesetzt werden, sind die Reaktionsbedingungen so zu wählen, dass die Amidocarbonylierung vorzugsweise bei einem Kohlenmonoxid-Druck von 20 bis 80 bar und insbesondere bei 40 bis 60 bar durchgeführt wird; die bevorzugte Temperatur für die Carbonylierungsreaktion soll gemäß Erfindung zwischen 30 und 120°C und insbesondere bei 60 bis 80°C liegen.

Völlig unkritisch für den Erfolg des vorliegenden Verfahrens ist die Zusammensetzung des Carbonylierungsgases. Zwar kann es durchaus von Vorteil sein, wenn das verwendete Kohlenmonoxid in reiner Form eingesetzt wird, doch genügen in den meisten Anwendungsfällen Gasmischungen, die das Kohlenmonoxid lediglich in den benötigten Mengen enthalten.

Wie bereits dargelegt, ist es als erfindungswesentlich anzusehen, dass die Amidocarbonylierung in einem wasserhaltigen Medium durchgeführt wird. Dies schließt die Abwesenheit von organischen Lösemitteln aber nicht völlig aus, weshalb die Erfindung für bestimmte Reaktionsführungen Verfahrensvarianten vorsieht, bei denen die Herstellung der Iminodicarbonsäuren in einem organischen wasserhaltigen Lösemittel durchgeführt wird, wobei Acetonitril (ACCN) und N-Methylpyrrolidon (NMP) besonders in Frage kommen.

Es versteht sich von selbst, dass in einem letzten Reaktionsschritt die N-Acylgruppe nach den bekannten Methoden hydrolytisch abgespalten wird, um zu den gewünschten Iminodicarbonsäuren zu gelangen.

Im Sinne einer möglichst wirtschaftlichen Reaktionsführung wird empfohlen, dass der katalytische Palladiumkomplex recyclisiert wird, wobei eine zusätzliche Aufreinigung aber in der Regel nicht notwendig ist; auch Verluste am katalytischen Komplex sind beim erfindungsgemäßen Verfahren erfahrungsgemäß nicht zu befürchten.

Die nachfolgenden Beispiele verdeutlichen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Verwendung.

Beispiele Beispiel 1

Zu einer Lösung von 25 mmol Acetamid und 50 mmol Paraformaldehyd in 25 mL N-Methylpyrrolidon in einem 300 mL-Reaktor wurden 0,25 mol-% Palladiumbromid und 35 mol-% einer 48%-igen wässrigen Bromwasserstoffsäure als Katalysatorsystem gegeben. Anschließend ließ man unter einem Kohlenmonoxid-Druck von 60 bar bei einer Reaktionstemperatur von 100°C für 24 Stunden reagieren. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt und das resultierende Gemisch in 50 mL Wasser aufgenommen sowie mit Phosphorsäure auf pH-Werte zwischen 2,0 und 2,3 eingestellt. Der ausgefallene Niederschlag wurde abfiltriert und mit 2 × 10 mL Wasser gewaschen. Nach dem Trocknen im Vakuum bei 70°C und der hydrolytischen Abspaltung der N-Acetylgruppe wurde die gewünschte Iminodiessigsäure in einer Ausbeute von 81% und mit einer Reinheit von 97,9% erhalten.

Beispiel 2

Zu einer Lösung von 25 mmol Acetamid und 55 mmol Paraformaldehyd in 25 mL N-Methylpyrrolidon in einem 300 mL-Reaktor wurden 0,3 mol-% Palladium/Kohlenstoff und 25 mol-% einer 48%igen wässrigen Bromwasserstoffsäure als Katalysatorsystem gegeben. Anschließend ließ man unter einem Kohlenmonoxid-Druck von 60 bar bei einer Reaktionstemperatur von 130°C für 48 Stunden reagieren. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt, das resultierende Gemisch in 50 mL Wasser aufgenommen und mit Phosphorsäure auf pH-Werte zwischen 2,0 und 2,3 eingestellt. Der ausgefallene Niederschlag wurde abfiltriert und anschließend mit 2 × 10 mL Wasser gewaschen. Nach dem Trocknen im Vakuum bei 70°C und der hydrolytischen Abspaltung der N-Acetylgruppe wurde die gewünschte Iminodiessigsäure in einer Ausbeute von 79% und mit einer Reinheit von <98% erhalten.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung von Iminodicarbonsäuren durch Amidocarbonylierung von Verbindungen der Formel
worin R = H, NH₂, C_1-28-Alkyl, C_6-12-Aryl mit Kohlenmonoxid im sauren Milieu in Gegenwart eines katalytischen Palladiumkomplexes und eines Aldehyds sowie der abschließenden hydrolytischen Abspaltung der N-Acylgruppe, dadurch gekennzeichnet, dass die Amidocarbonylierung in einem wasserhaltigen Medium durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amidocarbonylierung in einem Medium durchgeführt wird, dessen Wasseranteil zwischen 0,001 und 10 Äquivalenten und insbesondere 0,01 bis 4 Äquivalenten, jeweils bezogen auf die molare Menge an eingesetztem Aldehyd, liegt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial Formamid, Acetamid oder Harnstoff eingesetzt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Palladiumkomplex ein anorganisches Pd(II)-Salz, wie Palladiumbromid oder -chlorid, oder heterogene Katalysatoren, wie z. B. Pd/C, in Mengen von 0,01 bis 0,25 mol-% bezogen auf die Menge an eingesetzter Amidkomponente verwendet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Säure eine Mineralsäure, insbesondere Schwefelsäure verwendet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als katalytisches System eine Mischung aus einer Pd-Verbindung und einer Mineralsäure verwendet wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytische System eine Halogenwasserstoff-Säure wie z. B. Bromwasserstoff-Säure und insbesondere eine 48%ige HBr, enthält.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Aldehyd die freien Formen, Polymere oder Acetale von Formaldehyd, Benzaldehyd und Cyclohexancarbaldehyd und insbesondere eine 30%ige Formalinlösung eingesetzt werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Amid- und die Aldehyd-Komponente im stöchiometrischen Verhältnis von 2 bis 2,5 : 1 eingesetzt werden.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Amidocarbonylierung in Anwesenheit von max. 35 mol-% eines Halogenidsalzes durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bromidsalz verwendet wird.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogenidsalz ein Alkalihalogenid, insbesondere ein Lithium-, Natrium- oder Kaliumsalz ist.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogenidsalz in einer Menge von max. 10 mol-% und insbesondere 5 mol-% eingesetzt wird.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Amidocarbonylierung bei Kohlenmonoxid-Drücken von 20 bis 80 bar und insbesondere bei 40 bis 60 bar durchgeführt wird.

15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Amidocarbonylierung bei Temperaturen zwischen 30 und 120°C, vorzugsweise bei 60 bis 80°C durchgeführt wird.

16. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung in einem organischen wasserhaltigen Lösemittel, insbesondere in Acetonitril oder N-Methylpyrrolidon, durchgeführt wird.

17. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der katalytische Palladiumkomplex recyclisiert wird.