DE3245503A1

DE3245503A1 - Verfahren zur herstellung von alkyl-hydroxylaminen

Info

Publication number: DE3245503A1
Application number: DE19823245503
Authority: DE
Inventors: Lutz Dipl.-Chem.Dr. 5000 Köln Kienitz; Karlfried Dipl.-Chem.Dr. Wedemeyer
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1982-12-09
Filing date: 1982-12-09
Publication date: 1984-06-14

Description

Verfahren zur Herstellung von Alkyl-hydroxylaminen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkyl-hydroxylaminen durch Umsetzung von Hydroxylamin mit Chlorameisensäureestern, Alkylierung des entstehenden N-Hydroxy-carbamidsäureesters und Verseifung des Alkylierungsproduktes.
Für die Herstellung von Alkyl-hydroxylaminen sind eine Reihe von Verfahren bekannt. Eine Möglichkeit der Herstellung von z.B. O,N-Dimethyl-hydroxylamin besteht in der schrittweisen Alkylierung und partieilen Verseifung der Hydroxylamindisulfonsäure bzw. deren Alkalisalze (s. z.B. DE-AS 11 16 232, französische Patentanmeldung 12 63 547, US-PS 3 336 371 und japanische Patentanmeldung 55/129248). Dieses Verfahren ist jedoch wegen der vielen Verfahrensschritte langwierig, die Isolierung des N,O-Dimethylhydroxylamins schwierig und die Ausbeuten sind nur mäßig. Das Verfahren hat daher keine wirtschaftliche Bedeutung.
Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von Alkylhydroxylaminen besteht in der direkten Umsetzung von Hydroxylamin. Wird gemäß dem Stand der Technik Hydroxylamin als Ausgangsmaterial eingesetzt, so ist, da eine selektive Alkylierung von Hydroxylamin direkt nicht zu verwirklichen ist, das Hydroxylamin geeignet zu schützen, dann schrittweise die gewünschten Alkylgruppen einzuführen und schließlich die Schutzgruppe wieder abzuspalten. Ein solches Verfahren ist beispielsweise beschrieben in der DE-OS 2 113 355, in Chem. Ber. 100, 3463-3465 (1967), in Przem. Chem. 57 (1978) 5, 241-244; CA 89 (1978), 108408r und in J. Chem. Soc. 1947, 963-969 sowie in J. Org. Chem. 24, 431-433 (1959).
So wird in der DE-OS 2 113 355 ein Verfahren zur Herstellung von N,O-Dialkylhydroxylaminen beschrieben, bei dem man zunächst das Hydroxylamin zu einem Ald- oder Ketoxim umsetzt, die Oxime doppelt alkyliert und die entsprechenden quaternären Immoniumsalze versteift. Das in der DE-OS beschriebene Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Immoniumsalze stark zur Zersetzung neigen, so daß eine Durchführung dieses Verfahrens in größerem Maßstab aus sicherheitstechnischen Gründen problematisch ist.
Ebenfalls keine technische Bedeutung besitzt das in Przem. Chem. 57 (1958) 5, 241-244 beschriebene Verfahren zur Herstellung von Alkyl-hydroxylaminen über Hydroxamsäuren, da dabei von reinem Hydroxylaminhydrochlorid ausgegangen wird, wodurch sich das Verfahren wesentlich verteuert.
Das in Chem. Ber. 100, 3463-3465 (1957) vorgestellte Verfahren geht von N-Hydroxy-N'-phenylharnstoff oder von N-Hydroxyharnstoff aus, die aus Hydroxylamin durch Umsetzung mit Phenylisocyanat oder Urethanen leicht zugänglich sind. Die Harnstoffe werden dabei stufenweise alkyliert und zu den gewünschten Alkyl-hydroxylaminen verseift. Die Verseifung wird bevorzugt mit Anilin durchgeführt, wobei dann äquimolare Mengen an Diphenylharnstoff anfallen, oder durch Erhitzen mit Alkali. In beiden Fällen bereitet die Aufarbeitung der Alkyl-hydroxylamine, besonders bei solchen mit niederen Alkylresten, technische Schwierigkeiten.
Ein weiteres Verfahren über die geschützten Hydroxylamine ist aus J.Chem.Soc. 1947, 963-969 und aus J.Org.
Chem. 24, 431-433 (1959) bekannt. Das Verfahren der genannten Literaturstellen beschreitet den Weg über die N-Hydroxy-carbamidsäurealkylester. Dieser Weg ist jedoch bislang auf den entsprechenden Ethylester beschränkt.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß der N-Hydroxycarbamidsäureethylester extrem gut wasserlöslich ist, was eine aufwendige und in der Technik nicht praktikable Extraktion mit Ether erforderlich macht. Außerdem besitzen alle Verfahren, die von einem geschützten Hydroxylamin ausgehen, den zusätzlichen Nachteil, daß man in diesem Fall von reinen Hydroxylammoniumsalzen als Hydroxylaminquelle ausgeht. Durch den Einsatz von reinem Hydroxylamin bzw. dessen Salze gestalten sich die zuvor genannten Verfahren wenig wirtschaftlich, weshalb bislang eine breite technische Anwendung der vorgestellten Verfahren nicht stattgefunden hat.
Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von Alkylhydroxylaminen der Formel worin R1 für einen geradkettigen oder verzweigten, gegebenenfalls substituierten aliphatischen Rest oder einen gegebenenfalls substituierten cycloaliphatischen Rest steht und R2 für Wasserstoff, einen geradkettigen oder verzweigten, gegebenenfalls substituierten aliphatischen Rest oder einen gegebenenfalls substituierten cycloaliphatischen Rest steht, durch Umsetzung von Chlorameisensäureestern mit Hydroxylamin, Alkylierung des entstehenden N-Hydroxy-carbamidsäureesters und Verseifung des Alkylierungsproduktes gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Umsetzung mit einer Ammoniumsalz-haltigen, technischen Hydroxylaminsalzlösung durchführt und als Chlorameisensäureester solche der Formel ClCOOR (II), worin 3 R3 einen geradkettigen oder verzweigten, gegebenenfalls substituierten aliphatischen Rest mit mehr als 2 Kohlenstoffatomen, einen gegebenenfalls substituierten cycloaliphatischen Rest oder einen gegebenenfalls substituierten aromatischen Rest darstellt, einsetzt.
2 Als Reste R1 und R kommen z.B. in Betracht: geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 12 C-Atomen, bevorzugt 1 bis 4 C-Atomen, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, tert.-Butyl, n-Pentyl, iso-Pentyl, n-Hexyl, iso-Hexyl oder Heptyl, bevorzugt Methyl, Ethyl, n- oder iso-Propyl; Cycloalkylreste mit 3 bis 12 C-Atomen, bevorzugt 5 bis 6 C-Atomen, wie Cyclopentyl, Cyclohexyl oder Methylcyclohexyl, bevorzugt Cyclopentyl oder Cyclohexyl.
3 Als Rest R3 kommt z.B. in Frage ein geradkettiger oder verzweigter Alkylrest mit mehr als 2 Kohlenstoffatomen, bevorzugt 3 bis 10 Kohlenstoffatomen, wie n-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl, tert.-Butyl, Pentyl, Hexyl oder Heptyl, bevorzugt n-Butyl, ein Cycloalkylrest mit 3 bis 12 C-Atomen, bevorzugt 3 bis 6 C-Atomen, wie Cyclopentyl oder Cyclohexyl, sowie ein aromatischer Rest mit 6 bis 10 C-Atomen, wie Phenyl oder Naphthyl.
Als Substituenten der Reste R1 bis R3 kommen z.B. solche in Frage, die unter den gegebenen Reaktionsbedingungen sich inert verhalten. Beispielsweise werden genannt: Alkylreste mit 1 bis 10 C-Atomen, bevorzugt 1 bis 4 C-Atomen, wie Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl oder Heptyl, Halogene, wie Fluor, Chlor oder Brom, oder die Nitrogruppe.
Beispielsweise werden als Chlorameisensäureester, die in das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden können, genannt: Chlorameisensäure-n-butylester, Chlorameisensäure-n-propylester und Chlorameisensäurephenylester, bevorzugt Chlorameisensäure-n-butylester sowie Chlorameisensäure-n-propylester.
Mansetzt etwa 0,5 bis 2, bevorzugt 0,6 bis 0,9, Mol Chlorameisensäure pro Mol Hydroxylamin 4n das erfindungsgemäße Verfahren ein.
Als technische Hydroxylaminsalzlösung setzt man z.B. eine Lösung ein, die durch das sogenannte modifizierte Raschig-Verfahren hergestellt wurde (vgl. Ullmann, Bd. 13, S. 169 - 172, Verlag Chemie Weinheim, New York 1977, 4. Aufl.).
Die dabei anfallende Rohlösung des Hydroxylaminsalzes ist sauer (ca. pH 0 bis pH 5, bevorzugt pH 0 bis pH 1) und enthält das Ammoniumsulfat im molaren Überschuß, bezogen auf Hydroxylammoniumsulfat. Zum Beispiel enthält die Rohlösung neben ca. 1 Mol Hydroxylammoniumsulfat 2 bis 4 Mol Ammoniumsulfat.
Die erfindungsgemäße Umsetzung des Hydroxylamins mit Chlorameisensäureester wird üblicherweise bei Temperaturen von etwa 10 bis 1200C, bevorzugt 40 bis 80"C, und in einem pH-Bereich von ca. 3 bis 7, bevorzugt 5 bis 6, besonders bevorzugt bei pH 6, durchgeführt. Dabei scheidet sich der N-Hydroxycarbamidsäureester nahezu vollständig aus dem Reaktionsgemisch ab. Der verbleibende Rest an N-Hydroxycarbamidsäureester kann dann durch einfache Extraktion mit einem geeigneten Lösungsmittel isoliert werden. Als Lösungsmittel können verwendet werden: Methylenchlorid, Chlorbenzol, Diethylether, Diisopropylether sowie Di-sec.-butylether, bevorzugt Methylenchlorid. Die Lösungsmittel können sowohl einzeln als auch im Gemisch untereinander zur Extraktion einge- setzt werden. Die Menge des Lösungsmittels ist nicht kritisch und kann leicht durch Vorversuche ermittelt werden.
Die Alkylierung der N-Hydroxy-carbamidsäureester wird nach den bekannten Methoden, wie sie z.B. in J. Chem.
Soc. 1947, 963-969 beschrieben sind, durchgeführt. Dabei wird die Alkylierung mit den üblichen Alkylierungsmittels wie den Dialkylsulfaten, genannt seien Dimethylsulfat und Diethylsulfat, oder den Alkylhalogeniden, genannt seien Methyljodid, Methylbromid und Ethylbromid, durchgeführt.
üblicherweise setzt man pro einzuführende Alkylgruppe etwa 0,8 bis 4, bevorzugt 1 bis 2, besonders bevorzugt 1,1 Äquivalente an Alkylierungsmittel in das erfindungs-;gemäß Verfahren ein. Im allgemeinen wird die Alkylierung bei einer Temperatur von etwa 0 bis 1200C, bevorzugt bei 20 bis 800C, durchgeführt. Die Alkylierung wird bevorzugt in wäßrigem Medium in Gegenwart von Alkali, wie Natriumhydroxid, durchgeführt. Dabei kann es zweckmäßig sein, einen Phasentransfer-Katalysator, wie Tetrabutylammoniumbromid und/oder Zephirol (Benzyldodecyldimethylammoniumchlorid) dem Alkylierungsgemisch zuzusetzen.
Die anschließende Verseifung des Alkylierungsproduktes wird im allgemeinen unter wäßrig-sauren Bedingungen mit Mineralsäuren, bevorzugt mit konzentrierter. Salzsäure, durchgeführt. Die Reaktionstemperaturen betragen dabei etwa 80 bis 1500C, bevorzugt 100 bis 1200C (vgl. z.B. J. Amer. Chem. Soc. 20 (1898), 38 - 51; J. Chem.
Soc. 1947 - 969). Die Verseifung des Alkylierungsproduktes wird solange durchgeführt, bis keine Gasentwicklung mehr zu beobachten ist. Nach Abdestillieren aller flüchtigen Anteile erhält man in praktisch quantitativer Ausbeute und in sehr hohen Reinheiten die gewünschten Alkylhydroxylamine in Form der entsprechenden Salze.
Da das erfindungsgemäße Verfahren die Alkyl-hydroxylamine in sehr guten Ausbeuten und sehr hohen Reinheiten liefert und da man von technischem Hydroxylammoniumsalz, wie es bei dem modifizierten Raschigverfahren anfällt, ausgehen kann, gestaltet sich das Verfahren besonders wirtschaftlich. Dabei überrascht besonders, daß aus der technischen Hydroxylaminsalz-Rohlösung das Hydroxylamin selektiv neben dem hohen Ammoniaküberschuß mit den Chlorameisensäureestern umgesetzt werden kann.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl 0-Monoalkylhydroxylamine als auch O,N-Dialkyl-hydroxylamine hergestellt werden. Alkyl-hydroxylamine haben große Bedeutung als Zwischenprodukte für Wirkstoffe auf dem Pflanzenschutzsektor und im Bereich der Veterinär- und Humanmedizin (vgl. z.B. DE-AS 1 028 986 und DE-AS 1 210 793).
Das erfindungsgemäße Verfahren sei anhand der folgenden Beispiele erläutert, ohne es jedoch auf den Umfang dieser Beispiele einzuschränken.
Beispiel 1 N-Methoxy-N-methyl-carbamidsäurebutylester Man erhitzte 600 ml einer technischen Rohlösung aus der Hydroxylaminproduktion mit einem Gehalt von ca. 1 Mol Hydroxylammoniumsulfat und ca. 2,5 Mol Ammoniumsulfat pro Liter Lösung 1 Stunde auf 1000C. Dann wurde auf 600C abgekühlt und mit einer 20 %igen wäßrigen Natronlauge die Lösung auf einen pH Wert von 6 eingestellt. Bei 600C tropfte man innerhalb von 15 Min. 1 Mol = 136,5 g A 130 ml Chlorameisensäurebutylester zu, wobei der pH Wert von 6 gehalten wurde. Man rührte 5 Stunden nach, kühlte auf Raumtemperatur und extrahierte einmal mit 300 ml Methylenchlorid. Der Extrakt wurde über Natriumsulfat getrocknet und eingedampft. Man erhielt 125 g eines rosafarbenen Öls, das laut Gaschromatographie nach Silylierung ca. 90 %iger N-Hydroxy-carbamidsäurebutylester war. Die Rohausbeute betrug 84 %. Der rohe N-Hydroxy-carbamidsäurebutylester wurde in 300 ml Wasser vorgelegt. Dazu fügte man 1 ml Zephirol (Benzyldodecyldimethylammoniumchlorid), dosierte innerhalb von 2 Stunden bei Raumtemperatur 2,1 Mol = 264,6 g - 200 ml Dimethylsulfat und anschließend bei Raumtemperatur innerhalb von 2 Stunden eine Lösung von 2,3 Mol = 92 g Natriumhydroxid zu 800 ml Wasser zu. Anschließend wurde bei 6 Stunden bei Raumtemperatur nachgerührt, einmal mit 500 ml Methylenchlorid extrahiert. Den Extrakt trocknete man über Natriumsulfat. Das Methylenchlorid wurde zunächst bei Normaldruck abdestilliert, dann wurde bei 13 Torr fraktioniert destilliert. Man erhielt 105 g einer farblosen Flüssigkeit vom Siedepunkt 770C/13 Torr, die laut Gaschromatographie zu 99,8 % aus N-Methoxy-N-methyl-carbamidsäurebutylester bestand. Die Ausbeute betrug 65 % der Theorie.
O,N-Dimethyl-hydroxylamin Man legte in 20 ml konzentrierter Salzsäure 0,05 Mol = 8,1 g N-Methoxy-N-methyl-carbamidsäurebutylester vor und erhitzte das Gemisch auf 1000C, bis keine Gasentwicklung mehr zu beobachten war. Anschließend wurden die flüchtigen Anteile am Rotationsverdampfer abgezogen und man erhielt in quantitativer Ausbeute das O,N-Dimethyl-hydroxylaminhydrochlorid in Form eines farblosen, kristallinen Produktes vom Schmelzpunkt 106-1080C.
Beispiel 2 N-Ethoxy-N-ethyl-carbamidsäurebutylester Die Durchführung der Reaktion erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben. Man setzte anstelle des Dimethylsulfates Diethylsulfat ein und erhielt in 62 %iger Ausbeute den N-Ethoxy-N-ethyl-carbamidsäurebutylester als farblose Flüssigkeit vom Siedepunkt 900C/10 Torr.
O,N-Diethyl-hydroxylamin Wie unter Beispiel 1 beschrieben, wurde die Verseifung des Carbamidsäurebutylesters durchgeführt. Man erhielt in praktisch quantitativer Ausbeute O,N-Diethyl-hydroxylaminchlorid in Form eines farblosen kristallinen Produktes vom Schmelzpunkt 121-123°C.
Beispiel 3 N-Ethoxy-carbamidsäurebutylester Man legte in 100 ml Wasser 0,25 Mol = 33,3 g N-Hydroxycarbamidsäurebutylester vor und fügte 1 ml Zephirol (Benzyldodecyldimethylammoniumchlorid) hinzu. Man dosierte bei Raumtemperatur innerhalb von 2 Stunden 0,26 Mol = 40 g = 34 ml Diethylsulfat und anschließend bei Raumtemperatur innerhalb von 2 Stunden eine Lösung von 0,29 Mol = 11,6 g Natriumhydroxid in 100 ml Wasser zu.
Anschließend wurde 5 Stunden nachgerührt, extrahiert mit 300 ml Methylenchlorid und der Extrakt über Natriumsulfat getrocknet. Nach Entfernen des Lösungsmittels erhielt man 31 g A 77 % N-Ethoxy-carbamidsäurebutylester in Form eines farblosen Öls.
N-Ethoxy-hydroxylamin Die Verseifung des N-Ethoxy-carbamidsäurebutylesters analog Beispiel 1 ergab in praktisch quantitativen Ausbeuten das N-Ethyl-hydroxylamin in Form eines farblosen kristallinen Produktes vom Schmelzpunkt 124-5°C.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Herstellung von Alkyl-hydroxylaminen der Formel wobei R1 für einen geradkettigen oder verzweigten, gegebenenfalls substituierten aliphatischen Rest oder einen gegebenenfalls substituierten cycloaliphatischen Rest steht und R2 für Wasserstoff, einen geradkettigen oder verzweigten, gegebenenfalls substituierten aliphatischen Rest oder einen gegebenenfalls substituierten cycloaliphatischen Rest steht, durch Umsetzung von Chlorameisensäureestern mit Hydroxylamin, Alkylierung des entstehenden N-Hydroxy-carbamidsäureesters und Versteifung des Al -kylierungsproduktes, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung mit einer Ammoniumsalz-haltigen, technischen Hydroxylaminsalzlösung durchführt und als Chlorameisensäureester solche der Formel ClCOOR3 wobei R3 einen geradkettigen oder verzweigten, gegebenenfalls substituierten aliphatischen Rest mit mehr als zwei Kohlenstoffatomen, einen gegebenenfalls substituierten cycloaliphatischen Rest oder einen gegebenenfalls substituierten aromatischen Rest darstellt, einsetzt.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Hydroxylaminsalzlösung einsetzt, die Ammoniumsalz im überschuß, bezogen auf das Hydroxylaminsalz, enthält.
3) Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Hydroxylaminsalzlösung einsetzt, die neben 1 Mol Hydroxylammoniumsulfat noch etwa 2 bis 4 Mol Ammoniumsulfat enthält.
4) Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Chlorameisensäureester Chlorameisensäurephenylester, Chlorameisensäure-n-butylester oder Chlorameisensäure-n-propylester einsetzt.
5) Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung von Chlorameisensäureester mit der technischen Hydroxylaminsalzlösung in einem pH-Bereich von 3 bis 7 durchführt.
6) Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung von Chlorameisensäureester mit der technischen Hydroxylaminsalzlösung in einem pH-Bereich von 5 bis 6,5 durchführt.