DE3740566A1 - Verfahren zur herstellung von trifluormethylbenzonitril aus trifluormethylbenzaldehyd - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Trifluormethylbenzonitril, im folgenden abgekürzt als TFMBN, aus Trifluormethylbenzaldehyd.

TFMBN ist als Zwischenprodukt für einige Arzneimittel einschließlich Tranquilizern und Agrikulturchemikalien brauchbar, ferner als Zwischenprodukt eines bestimmten Typs von Flüssigkristall.

In der US-PS 42 11 721 wird die Herstellung von TFMBN durch Cyanierung von Chlorbenzotrifluorid beschrieben, diese Verfahrensweise ist jedoch für eine industrielle Anwendung als Folge des Einsatzes eines hochtoxischen Cyanids nicht geeignet. In der DE-A-22 14 061 ist die Herstellung von TFMBN durch Fluorierung von α,α,α-Trichlortolunitril beschrieben, diese Fluorierungsreaktion ist jedoch schwierig zum Abschuß zu bringen, so daß das Reaktionsprodukt Difluorverbindungen enthält. In der De-A-25 50 262 ist die Herstellung von TFMBN durch Reaktion von Trichlormethylbenzoltrifluorid mit Ammoniak gezeigt, jedoch ist die Ausbeute an dem gewünschten Produkt niedrig, z. B. weniger als 15% im Fall der Herstellung von 4-Trifluormethylbenzonitril. Außerdem sind bei jeder dieser Verfahrensweise komplizierte Arbeitsvorgänge für die Behandlung nach der Reaktion erforderlich.

Wie in J. Chem. Soc. (1965) 1564, beschrieben ist, können im allgemeinen Nitrile direkt aus Aldehyden mit ziemlich guter Ausbeute durch Rückflußkochen einer Lösung eines Aldehyds in Ameisensäure mit Hydroxylamin hergestellt werden. Diese Verfahrensweise weist jedoch schwerwiegende Probleme unter praktischen Gesichtspunkten auf: zunächst ist die Wiedergewinnung von Ameisensäure mühsam, da die Säure mit dem als Nebenprodukt gebildeten Wasser verdünnt ist; weiterhin wird in dieser Literaturstelle angegeben, daß die Nitrile durch Verdünnen der Reaktionsflüssigkeit mit Wasser isoliert wurden. Falls die verdünnte Ameisensäure bei der Reaktion des nächsten Ansatzes erneut eingesetzt wird, wird die Reaktionsgeschwindigkeit sehr niedrig. Wenn diese Verfahrensweise zur Herstellung von TFMBN aus Trifluormethylbenzaldehyd angewandt wird, tritt noch ein weiteres Problem auf, nämlich die Isolierung des gebildeten TFMBN wird schwierig, weil TFMBN und Ameisensäure ein Azeotrop bilden. Außerdem hydrolysiert TFMBN relativ leicht, wenn es mit Wasser in Kontakt kommt, und zwar zu Trifluormethylbenzamid als Folge des Elektroneneffektes seiner Trifluormethylgruppe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines im industriellen Maßstab anwendbaren Verfahrens zur Herstellung von Trifluormethylbenzonitril mit hoher Leistungsfähigkeit.

Zur Lösung dieser Aufgabe, nämlich zur Herstellung von Trifluormethylbenzonitril (TFMBN) durch Reaktion von Trifluormethylbenzaldehyd (TFMBA) mit Hydroxylamin bei erhöhter Temperatur, dient das erfindungsgemäße Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Reaktion in einem organischen Lösungsmittel, welches mit Wasser nicht mischbar ist und einen höheren Siedepunkt als den Siedepunkt des zu bildenden TFMBN besitzt, durchgeführt wird, und daß das bei der Reaktion gebildete Wasser praktisch fortlaufend aus dem Reaktionssystem abdestilliert wird.

Der Reaktionsablauf bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist folgender (ausgezogene Pfeile):

Wie in diesen Reaktionsformeln angegeben ist, wird bei der Reaktion zwischen TFMBA und Hydroxylamin Trifluormethylbenzaldoxim als Zwischenprodukt gebildet, und die Dehydratation dieses Aldoxims ergibt TFMBN. Es wurde nun gefunden, daß die beiden Stufen der Reaktion glatt und rasch ablaufen, wenn die Reaktion in einem organischen Lösungsmittel durchgeführt wird, welches mit Wasser nicht mischbar ist und einen ausreichend hohen Siedepunkt besitzt, z. B. in Nitrotoluol, wobei als Nebenprodukt gebildetes und aus dem Reaktionssystem verdampftes Wasser fortwährend abgeführt wird. Die Abführung des Wassers ist auch für eine Unterdrückung der Hydrolyse von TFMBN zu Trifluormethylbenzamid wirksam, die in dem zuvor angegebenen Reaktionsschema durch den Pfeil in gebrochener Linie angezeigt ist. Weiterhin ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Vorteil gegeben, daß TFMBN als Reaktionsprodukt in einfacher Weise durch Destillation isoliert werden kann. Außerdem wird der größte Teil des Lösungsmittels mit hohem Siedepunkt als Rückstand der Destillation wiedergewonnen, und in der wiedergewonnenen Form kann dieser für die Reaktion eines weiteren Ansatzes erneut eingesetzt werden. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine industrielle Herstellung von TFMBN sehr vorteilhaft.

Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es wesentlich, als flüssiges Medium für die Reaktion ein organisches Lösungsmittel zu verwenden, welches mit Wasser nicht mischbar ist und einen weit höheren Siedepunkt als 100°C und höher als der Siedepunkt des zu bildenden TFMBN besitzt. Gute Beispiele für solche Lösungsmittel sind Nitrobenzol, Nitrotoluol, Chlornitrobenzol und Diphenylether. Die Menge des organischen Lösungsmittels mit hohem Siedepunkt beträgt vorteilhafterweise wenigstens 30 Gew.-Teile und bevorzugt 100-400 Gew.-Teile, jeweils auf 100 Gew.-Teile des der Reaktion unterzogenen TFMBA.

In der Anfangsstufe der Reaktion zur Bildung von TFMBN wird das Reaktionssystem auf annhähernd 100°C erhitzt gehalten, und die Temperatur wird vorteilhafterweise allmählich angehoben, um den Dampf des als Nebenprodukt gebildeten Wassers fortlaufend aus dem Reaktionssystem abzuführen. Abschließend kann das Reaktionssystem bis auf etwa 200°C erhitzt werden, jedoch ist es bevorzugt, die abschließende Temperatur in dem Bereich von etwa 140°C bis etwa 160°C zu halten. Wenn die Temperatur des Reaktionssystems über 100°C durch die Entfernung von Wasser angehoben wird, wird die Dehydratisierungsreaktion von als Zwischenprodukt gebildetem Trifluormethylbenzaldoxim zur Bildung von TFMBN noch weiter gefördert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren reicht es aus, 1,0-1,2 mol Hydroxylamin pro mol TFMBA einzusetzen, jedoch treten keine Probleme bei Verwendung einer größeren Hydroxylaminmenge auf. In der industriellen Praxis ist es üblich, Hydroxylamin in Form eines Säuresalzes wie als Hydrochlorid oder Sulfat einzusetzen. Daher besteht die Notwendigkeit der Verwendung einer Base als Hilfsstoff für die Neutralisation. Üblicherweise wird ein Salz einer organischen Säure, z. B. Natriumformiat oder Natriumacetat als Base eingesetzt, obwohl es ebenfalls möglich ist, eine anorganische Base wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid anzuwenden.

Zur weiteren Förderung der Dehydratisierungsreaktion von als Zwischenprodukt gebildetem Trifluormethylbenzaldoxim kann gegebenenfalls, was ziemlich vorteilhaft ist, eine geeignete organische Säure wie Ameisensäure, Essigsäure oder Essigsäureanhydrid zu den Ausgangsmaterialien zugesetzt werden. Die Menge einer solchen organischen Säure ist nicht streng begrenzt, und sie kann in Mol annähernd äquivalent der Menge von TFMBA sein.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Ein Reaktionsgefäß mit einem Fassungsvermögen von 100 l wurde mit 50,0 kg 2-Nitrotoluol beschickt, und in diesem Lösungsmittel wurden 25,0 kg 4-Trifluormethylbenzaldehyd, 14,2 kg Hydroxylaminsulfat, 11,7 kg Natriumformiat und 7,8 kg 80%ige Ameisensäure der Reaktion unterworfen. Zu Beginn wurde das Reaktionssystem auf 100°C erhitzt, und durch die Reaktion gebildetes Wasser wurde fortlaufend aus dem Reaktionsgefäß abdestilliert. Die Temperatur des Reaktionssystems wurde allmählich auf 140°C angehoben, und bei dieser Temperatur wurde das Rühren während 3 h fortgeführt. Durch diese Behandlung erreichte die Umwandlung von 4-TFMBA 99,6%, und die Selektivität für 4-Trifluormethylbenzonitril betrug 90,5%. Das aus dem Reaktionsgefäß während des zuvor beschriebenen Arbeitsvorganges abgegebene Wasser belief sich auf 9,8 kg, und das Reaktionsprodukt schloß 8,4% 4-Trifluormethylbenzamid ein.

Dann wurde die Gesamtmenge der Reaktionsflüssigkeit zur Gewinnung organischer Bestandteile destilliert. Nach dem Waschen mit Wasser wurden die organischen Bestandteile zur Isolierung von 4-TFMBN als Destillat destilliert. Als Ergebnis wurden 20,0 kg (Ausbeute = 81,6%) an 4-TFMBN erhalten. Aus dem Rückstand der Destillation wurden 47,8 kg 2-Nitrotoluol gewonnen, dies bedeutet eine Wiedergewinnung von 95,6%. Das wiedergewonnene Lösungsmittel wurde bei der Wiederholung der Reaktion zur Bildung von 4-TFMBN erneut eingesetzt, und es traten keine Schwierigkeiten beim Ablauf der Reaktion auf.

Beispiel 2

Ein Reaktionsgefäß mit einem Fassungsvermögen von 1 l wurde mit 500 g 4-Chlornitrobenzol beschickt, und in diesem Lösungsmittel wurden 250 g 2-Trifluormethylbenzaldehyd, 120 g Hydroxylaminhydrochlorid, 172 g einer 40%igen wäßrigen Lösung von Natriumhydroxid und 104 g Essigsäure der Reaktion unterworfen. Zu Beginn wurde das Reaktionssystem auf 100°C erhitzt, und das durch die Reaktion gebildete Wasser wurde fortlaufend aus dem Reaktionsgefäß abdestilliert. Die Temperatur des Reaktionssystems wurde allmählich auf 140°C gesteigert, und bei dieser Temperatur wurde das Rühren während 4 h fortgeführt. Als Folge dieser Behandlung erreichte die Umwandlung von 2-TFMBA 97,3%, und die Selektivität für 2-Trifluromethylbenzonitril betrug 89,6%. Die aus dem Reaktionsgefäß während dieser Behandlung abgegebene Wassermenge belief sich auf 202 g, und das Reaktionsprodukt enthielt 7,7% 2-Trifluormethylbenzamid.

Dann wurde die Reaktionsflüssigkeit zur Entfernung von festen Salzen filtriert, und die aus dem Reaktionsgefäß während der zuvor beschriebenen Behandlung destillierte Flüssigkeit wurde dem Filtrat zugesetzt. Die Mischflüssigkeit wurde mit Wasser gewaschen und destilliert, um 2-TFMBN als Destillat zu isolieren. Als Ergebnis wurden 203,8 g (Ausbeute = 83,0%) an 2-TFMBN erhalten. Aus dem Rückstand der Destillation wurden 482,5 g 4-Chlornitrobenzol wiedergewonnen, dies bedeutet eine Wiedergewinnung von 96,5%. Das wiedergewonnene Lösungsmittel wurde bei der Wiederholung der Reaktion zur Bildung von 2-TFMBN erneut eingesetzt, wobei keine Schwierigkeiten auftraten.

Beispiel 3

Ein Reaktionsgefäß mit einem Fassungsvermögen von 100 ml wurde mit 50,0 g 2-Nitrotoluol gefüllt, und in diesem Lösungsmittel wurden 25,0 g 3-Trifluormethylbenzaldehyd, 14,2 g Hydroxylaminsulfat, 11,7 g Natriumformiat und 7,8 g 80%ige Ameisensäure der Reaktion unterworfen. Zu Beginn wurde das Reaktionssystem auf 100°C erhitzt, und das bei der Reaktion gebildete Wasser wurde fortwährend aus dem Reaktionsgefäß abdestilliert. Die Temperatur des Reaktionssystems wurde allmählich auf 140°C angehoben, und bei dieser Temperatur wurde das Rühren während 4 h fortgeführt. Durch diese Behandlung erreichte die Umwandlung von 3-TFMBA 99,5%, und die Selektivität für 3-Trifluromethylbenzonitril betrug 92,1%. Die aus dem Reaktionsgefäß während dieser Behandlung abgegebene Wassermenge belief sich auf 10,3 g, und das Reaktionsprodukt schloß 6,8% 3-Trifluormethylbenzamid ein.

Dann wurde die Reaktionsflüssigkeit zur Entfernung fester Salze filtriert, und die aus dem Reaktionsgefäß während der zuvor beschriebenen Behandlung abdestillierte Flüssigkeit wurde dem Filtrat zugesetzt. Die vermischten Flüssigkeiten wurden mit Wasser gewaschen und destilliert, um 3-TFMBN als Destillat zu isolieren. Als Ergebnis wurden 21,5 g (Ausbeute = 87,5%) an 3-TFMBN erhalten. Aus dem Rückstand der Destillation wurden 47,7 g 2-Nitrotoluol wiedergewonnen, dies bedeutet eine Wiedergewinnung von 95,4%. Das wiedergewonnene Lösungsmittel wurde bei der Wiederholung der Reaktion zur Bildung von 3-TFMBN eingesetzt, wobei keine Probleme auftraten.

Vergleichsversuch

In einem Reaktionsgefäß mit einem Fassungsvermögen von 1 l wurde eine Mischung von 500 g 2-Nitrotoluol, 250 g 4-TFMBA, 142 g Hydroxylaminsulfat, 117 g Natriumformiat und 78 g 80%iger Ameisensäure der Reaktion durch Rückflußkochen bei 107°C ohne Entfernung des bei der Reaktion gebildeten Wassers unterworfen. Nach Fortführung des Rückflußkochens während 5 h wurde die Reaktionsflüssigkeit analysiert. Die Umwandlung von 4-TFMBA erreichte 96,9%, jedoch betrug die Selektivität für 4-TFMBA nur 56,8%. Das Reaktionsprodukt enthielt 16,8% 4-Trifluormethylbenzaldoxim, und 23,6% 4-Trifluormethylbenzamid.

Der Vergleich dieser Ergebnisse mit dem in Beispiel 1 erzielten Ergebnis zeigt, daß die Entfernung des als Nebenprodukt gebildeten Wassers aus dem Reaktionssystem sehr effektiv zur Förderung der Umwandlung des als Zwischenprodukt gebildeten Aldoxims in das Nitril und ebenso für die Unterdrückung der Hydrolyse des Nitrils ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Trifluormethylbenzonitril durch Umsetzung von Trifluormethylbenzaldehyd mit Hydroxylamin bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion in einem organischen Lösungsmittel, das mit Wasser nicht mischbar ist und einen höheren Siedepunkt als den Siedepunkt des zu bildenden Trifluormethylbenzonitrils besitzt, durchgeführt wird, und daß bei der Reaktion gebildetes Wasser im wesentlichen fortlaufend aus dem Reaktionssystem abdestilliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als organisches Lösungsmittel Nitrobenzol, Nitrotoluol, Chlornitrobenzol oder Diphenylether verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des eingesetzten organischen Lösungsmittels nicht weniger als 30 Gew.-% des Trifluormethylbenzaldehyds beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß 100 bis 400 Gew.-Teile des organischen Lösungsmittels auf 100 Gew.-Teile desTrifluormethylbenzaldehyds eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Reaktionssystems allmählich entsprechend dem abgegebenen Wasser angehoben wird, wobei die Maximaltemperatur des Reaktionssystems nicht höher als 200°C gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximaltemperatur des Reaktionssystems im Bereich von etwa 140°C bis etwa 160°C gehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion in Anwesenheit einer organischen Säure in Form von Ameisensäure, Essigsäure oder Essigsäureanhydrid durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trifluormethylbenzaldehyd 2-Trifluormethylbenzaldehyd eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trifluormethylbenzaldehyd 3-Trifluormethylbenzaldehyd eingesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trifluormethylbenzaldehyd 4-Trifluormethylbenzaldehyd eingesetzt wird.