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Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von 3,5-
Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin aus Pentachlorpyridin durch
Halogenaustausch
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Die Herstellung von 3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin durch
Verfahren, welche die Reaktion von Pentachlorpyridin und
Kaliumfluorid bei Temperaturen von über 200ºC und mehr
umfassen, ist bekannt. In diesen Verfahren sind dipolare
aprotische Lösungsmittel verwendet worden (U.S.-Patent 3,303,197).
Es wurde auch gelehrt, daß das Verfahren bei Temperaturen von
nur 160ºC in einem dipolaren aprotischen Lösungsmittel bei
Zusatz eines Initiators wie etwa Ethylenglykol (britisches
Patent 1,306,517) oder 0,2 bis 2% Wasser (britisches Patent
1,256,082) zufriedenstellend verläuft. Diese Verfahren haben
alle Nachteile, da sie nur mäßig hohe Ausbeuten des
gewünschten Produkts ergeben, üblicherweise in Mischung mit
teerartigen Abbauprodukten, und im allgemeinen die Verwendung eines
Überschusses an Kaliumfluorid für gute Ergebnisse erfordern.
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EP-A-0192287 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von
fluorierten Pyridinen, worin ein chlorhaltiges Pyridinderivat
bei erhöhter Temperatur mit einem Alkalimetallfluorid in
einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird, worin das
Lösungsmittel eine Mischung von mindestens einem aprotischen
Amid und mindestens einem aromatischen Kohlenwasserstoff
enthält.
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Verbesserte Verfahren zur Herstellung von 3,5-Dichlor-2,4,6-
trifluorpyridin sind wünschenswert, da diese Verbindung als
Zwischenprodukt zur Herstellung von Herbiziden, wie etwa 4-
Hydroxy-3,5-dichlor-2,6-difluorpyridin und
4-Amino-3,5-dichlor-6-fluor-2-pyridinyloxyessigsäure, verwendet wird, und
sich u. a. zur Fixierung von Färbemitteln auf Stoff eignet.
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Demzufolge liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung von 3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin durch
Reaktion von Pentachlorpyridin und Kaliumfluorid in
N-Methylpyrrolidon-Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reaktion unter wasserfreien Bedingungen bei 100ºC bis 170ºC
unter Rühren und in Abwesenheit von Initiatoren und
aromatischen Kohlenwasserstoffen durchgeführt wird.
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Das 3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin wird in hoher Ausbeute
mit sehr geringer Teerbildung erzeugt. Üblicherweise wird
heftig gerührt. Unter diesen Bedingungen ist wenig oder kein
Überschuß an Kaliumfluorid erforderlich, die Reaktion
verläuft mit schneller Geschwindigkeit und es wird kein
nachweisbares
2,3,4,6-Tetrafluor-5-chlorpyridin-Überfluorierungsnebenprodukt erzeugt.
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Es ist oft vorteilhaft, das Verfahren auf eine solche Weise
durchzuführen, daß Pentachlorpyridin kontinuierlich zugesetzt
und 3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin kontinuierlich durch
Destillation aus einer bei den Reaktionsbedingungen
gehaltenen Aufschlämmung von Kalium in N-Methylpyrrolidon entfernt
wird.
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Das verbesserte Verfahren gemäß vorliegender Erfindung kann
in gebräuchlichen Geräten unter Verwendung gebräuchlicher
Techniken, die einem Fachmann bekannt sind, durchgeführt
werden, so lange Pentachlorpyridin und Kaliumfluorid bei
100ºC bis 170ºC in N-Methylpyrrolidon unter im wesentlichen
wasserfreien Bedingungen kontaktiert werden. Es können
diskontinuierliche oder kontinuierliche Reaktoren verwendet
werden. Es ist bevorzugt, einen Reaktor zu verwenden, der mit
einem Mittel zur Entfernung des
3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridins durch Destillation bei seiner Bildung ausgestattet
ist. Ein Mittel für die kontinuierliche Zugabe von
Pentachlorpyrridin ist ebenfalls bevorzugt. Systeme, die ein
Mittel zum Rühren im Reaktor aufweisen und die sich zum Betrieb
bei unter- und/oder überatmosphärischem Druck eignen, sind
weiterhin bevorzugt.
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Das Produkt 3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin kann aus dem
erhaltenen Reaktionsgemisch durch gebräuchliche Mittel
gewonnen werden. Es ist bevorzugt, dieses Produkt durch
Destillation bei atmosphärischem oder unter atmosphärischem Druck zu
gewinnen, da sein Siedepunkt erheblich unter dem von
N-Methylpyrrolidon, Pentachlorpyridin und allen gebildeten
Zwischenprodukten ist. In manchen Arbeitsweisen ist es am
meisten bevorzugt, das Produkt durch Destillation
kontinuierlich bei seiner Bildung während des Verfahrens aus dem
Reaktionsgemisch zu gewinnen, während es in anderen Arbeitsweisen
am meisten bevorzugt ist, es durch Destillation am Ende des
Verfahrens zu gewinnen. Das gewonnene
3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin kann, sofern gewünscht, durch gebräuchliche
Mittel, insbesondere durch weitere Destillation, zusätzlich
gereinigt werden.
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Die Reihenfolge der Zugabe von Pentachlorpyridin,
Kaliumfluorid und N-Methylpyrrolidon in das Reaktionsgefäß ist
nicht kritisch. Es ist jedoch bevorzugt, eine Aufschlämmung
von Kaliumfluorid in N-Methylpyrrolidon herzustellen und
anschließend das Pentachlorpyridin zuzugeben. Das
Pentachlorpyridin kann schnell oder über eine längere Zeitdauer
zugegeben werden, entweder vor oder nachdem die Aufschlämmung von
Kaliumfluorid in N-Methylpyrrolidon auf die
Reaktionstemperatur gebracht worden ist. In einer bevorzugten Variation des
Verfahrens wird das Pentachlorpyridin kontinuierlich in den
Reaktor gegeben und gleichzeitig und mit etwa derselben
Geschwindigkeit wird das Produkt
3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin kontinuierlich durch Destillation entfernt.
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Die Reaktion verbraucht 3 Mol Kaliumfluorid für jedes
eingesetzte Mol Pentachlorpyridin. Obwohl etwas des gewünschten
Produktes unabhängig vom Molverhältnis dieser Reaktanden
gebildet wird, ist es im allgemeinen bevorzugt, etwa 3 Mol
Kaliumfluorid pro Mol Pentachlorpyridin zu verwenden.
Abweichungen von diesem Verhältnis sind manchmal bevorzugt,
insbesondere wenn man ein Verfahren verwendet, welches die
Recyclisierung von einem oder mehreren Ausgangsmaterialien
oder Zwischenprodukten beinhaltet. Molverhältnisse von 2,6 : 1
bis 6 : 1 sind gebräuchlich, während die von 2,85 : 1 bis 3,15 : 1
besonders vorteilhaft sind. Es ist ein wichtiges Merkmal des
verbesserten Verfahrens dieser Erfindung, daß gute Ausbeuten
des gewünschten Produkts erhalten werden, wenn man etwa 3 Mol
Kaliumfluorid pro Mol Pentachlorpyridin verwendet. Bei
Verwendung von 3 Mol oder weniger ist das am Ende der Reaktion
zurückbleibende unlösliche Salz im wesentlichen reines
Kaliumchlorid, das abgetrennt werden kann und ohne weitere
Reinigung zur Entfernung von Fluoriden, Teerprodukten oder
organischen Nebenprodukten nutzbar ist.
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Es wird ausreichend N-Methylpyrrolidon-Lösungsmittel
verwendet, um eine mobile Aufschlämmung von Kaliumfluorid zu
erzeugen, aber nicht so viel, um das Verfahren unwirtschaftlich zu
machen. Es ist bevorzugt, 3 bis 20 Gewichtsteile
Lösungsmittel
für jeden verwendeten Gewichtsteil Kaliumfluorid
einzusetzen und am meisten bevorzugt setzt man 5 bis 10
Gewichtsteile ein. Da die Reaktion sehr wenig Teer und
Reaktionsnebenprodukte erzeugt, kann das Lösungsmittel ohne
Reinigung außer der Entfernung der unlöslichen Salze
recyclisiert werden. Typischerweise werden die unlöslichen
Salze durch Filtration oder Zentrifugation entweder vor oder
nach Destillation zur Abtrennung des
3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridinprodukts entfernt.
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Die Reaktion wird am besten im wesentlichen in Abwesenheit
von Wasser durchgeführt. Es ist bevorzugt einen Wassergehalt
im Reaktionsgemisch von weniger als 500 ppm (0,05%) und
besonders bevorzugt von weniger als 100 ppm (0,01%) zu
haben. Je weniger Wasser vorhanden ist, desto weniger Teer wird
im allgemeinen gebildet und desto besser ist die erhaltene
Ausbeute, Mengen über 1000 ppm (0,1%) sind eindeutig
schädlich. Folglich müssen die verwendeten Reagenzien entweder
wasserfrei sein oder man muß Mittel einsetzen, um sie zu
trocknen. Es ist einfach, unerwünschtes Wasser aus dem System
durch Destillation zu entfernen. In bevorzugten Prozeduren
wird eine Aufschlämmung von Kaliumfluorid in
N-Methylpyrrolidon hergestellt und erhitzt, um unerwünschtes Wasser durch
Destillation vor der Zugabe von Pentachlorpyridin zu
entfernen. Dies kann bei atmosphärischem oder unteratmosphärischem
Druck erfolgen.
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Der Wassergehalt kann durch coulometrische Titration
überwacht werden.
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Die Reaktion wird weiterhin am besten im wesentlichen in
Abwesenheit von Initiatoren durchgeführt. Obwohl geringe
Mengen an Initiatoren, wie etwa Mengen unterhalb 1000 ppm,
für die Reaktion unschädlich sind, verringern große Mengen
erheblich die Ausbeute und erhöhen die Teerbildung.
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Das Verfahren kann bei Temperaturen von nur 100ºC, wobei die
Reaktion darunter sehr langsam ist, und bis zu 170ºC
durchgeführt werden, wobei darüber die Ausbeuten erheblich abnehmen
und die Teerbildung ein signifikantes Problem wird. Es ist
bevorzugt, eine Temperatur über 130ºC zu halten und es ist
weiterhin bevorzugt, eine Temperatur unterhalb 160ºC zu
halten und es ist am meisten bevorzugt, eine Temperatur im
Bereich von 140ºC bis 160ºC zu halten.
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Bei Durchführung in einer diskontinuierlichen Arbeitsweise
dauert die Reaktion 2 bis 20 Stunden. Es ist ein wichtiges
Merkmal der Erfindung, daß die Reaktionsgeschwindigkeit bei
den verwendeten Temperaturen relativ schnell ist.
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Das Reaktionsgemisch wird am häufigsten heftig gerührt, um
einen guten Kontakt zwischen den Reagenzien und eine gute
Temperaturregelung zu ermöglichen.
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Der Druck im Reaktor ist für die Reaktion nicht kritisch und
man kann jeden geeigneten Druck verwenden. Wenn man jedoch so
arbeitet, daß das Produkt 3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin
aus dem Reaktionsgemisch bei seiner Bildung durch
Destillation gewonnen wird, ist es häufig vorteilhaft, einen
unteratmosphärischen Druck als Mittel zur Verringerung des
Siedepunkts des Produkts auf eine Temperatur deutlich
unterhalb der verwendeten Reaktionstemperatur zu verringern,
wodurch die Gewinnung erleichtert wird. 3,5-Dichlor-2,4,6-
trifluorpyridin hat einen Siedepunkt von 156ºC bei 101,325
kPa (760 mm Hg). Drücke von etwa 1,33 kPa (10 mm Hg) bis
Umgebungsdruck sind typisch und Drücke von 13,3 bis 26,6 kPa
(100 bis 200 mm Hg) sind im allgemeinen bevorzugt. Unter
Bedingungen, wo das Produkt nicht durch Destillation bei
seiner Bildung entfernt wird, ist es oft gebräuchlich, die
Reaktion bei atmosphärischem Druck oder unter einem positiven
(überatmosphärischen) Druck eines Inertgases, wie etwa
Stickstoff oder Argon, durchzuführen.
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Die für das Verfahren benötigten Reagenzien
Pentachlorpyridin, Kaliumfluorid und N-Methylpyrrolidon sind ohne weiteres
auf dem Fachgebiet oder kommerziell erhältlich. Es ist
bevorzugt, Kaliumfluorid zu verwenden, das feinverteilt ist.
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Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung
weiter.
Beispiel 1
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Ein 5 Liter (1) Glaskolben, der mit einem Rührer, einem sich
in den Reaktionsbereich erstreckenden und an ein
Aufzeichnungsgerät und einen Temperaturregler angeschlossenen
Thermoelement in einer Thermozelle, einem umgebenden Heizmantel,
einer 10-Boden Oldershawsäule mit einem Vakuummantel, die
einen magnetisch geregelten Fraktionstrenner und einen mit
einem Wassermantel versehenen Produktaufnahmebehälter
aufweist, und einer Vakuumleitung mit einem Druckregler und
einem Manometer ausgestattet war, wurde mit 3700 ml (3804 g)
N-Methylpyrrolidon (NMP) und 435 g (7,5 Mol) Kaliumfluorid
gefüllt. Die Vorrichtung wurde auf 22,6 kPa (170 mm Hg)
evakuiert und unter Rühren auf 150ºC erhitzt, um das Trocknen
des Systems auf weniger als 500 ppm durch Entfernung von etwa
200 ml NMP und Wasser zu ermöglichen. Das Vakuum wurde
entfernt und 502 g (2,00 Mol) Pentachlorpyridin (PCP) wurden
zugegeben. Die Reaktionstemperatur stieg auf 160ºC und kühlte
sich dann auf 150ºC ab. Der Regler wurde zur Regelung bei
150ºC eingestellt. Das Reaktionsgemisch wurde nach 4 Stunden
analysiert und eine Analyse durch quantitative
Gas-Flüssigkeitschromatographie unter Verwendung von Standards zeigte
einen 75%igen Umsatz zu 3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin
mit etwa 24% Trichlordifluorpyridinen und etwa 1% eines
Tetrachlormonofluorpyridins. Es wurde kein
PCP-Ausgangsmaterial nachgewiesen. Die Reaktion war in 5 Stunden beendet. Das
Vakuum wurde erneut bei 24,6 kPa (185 mm Hg) angelegt und es
wurde mit der Entfernung des gewünschten Produkts
3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin begonnen. Das Verhältnis von
Rückfluß zu Abnahme wurde auf 5 : 1 eingestellt und die
Überkopftemperatur war 112ºC und die Bodentemperatur war 156ºC.
Das gesamte gesammelte Überkopfmaterial war 374 g eines 97,7
% reinen Produkts, was 365 g Produkt oder 90,4% der
theoretischen Ausbeute entspricht. Eine Analyse des Rückstands
zeigte etwa 9 g weiteres Produkt, das nicht gewonnen im NMP-
Rückstand zurückgeblieben war. Der Rückstand wurde abgekühlt
und filtriert, um das Nebenprodukt Kaliumchloridsalz zu
entfernen und das NMP-Lösungsmittel zurückzugewinnen. Dieses
eignete sich zur Verwendung in nachfolgenden Reaktionen.
Beispiel 2
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Ein wie in Beispiel 1 ausgestatteter 5 l Kolben wurde mit
3000 ml Reaktandenlösungsmittel aus Beispiel 1 gefüllt und
500 ml frisches NMP wurden zum Auffüllen des
Lösungsmittelvolumens auf etwas über 3500 ml zugesetzt. Zu dieser gelb-roten
Lösung wurden 400 g (6,8 Mol) trockenes Kaliumfluorid
gegeben. Das Kaliumfluorid wurde unter verringertem Druck bei
180ºC getrocknet und zu einem feinen Pulver vermahlen,
während es noch heiß war. Der Reaktor wurde geschlossen und
unter einem Vakuum von 9,3 kPa (70 mm Hg) bei 140ºC unter
Rühren erhitzt, um etwa 40 ml NMP abzudestillieren. Es konnte
kein Wasser nachgewiesen werden (weniger als 60 ppm). Das
Vakuum wurde entfernt und 502 g (2 Mol) PCP wurden zugegeben.
Die Temperatur wurde auf 150ºC geregelt. Der Umsatz von PCP
zu Produkt war in der ersten Stunde zu 58,3% vollständig.
Das Vakuum wurde wieder mit 22,6 kPa (170 mm Hg) angelegt und
die Produktdestillation gestartet. Das Verhältnis von
Rückfluß zu Abnahme war 5 : 1. Das gewonnene Überkopfdestillat war
379 g, wobei 295 g 99,1% reines Produkt und die restlichen
84 g 94,4% rein waren. Die erhaltene Ausbeute von
3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin war 371,8 g, was 92,0% der
Theorie ist. Die restlichen 7,2% waren ein Gemisch von teilweise
fluorierten Zwischenprodukten und NMP-Lösungsmittel. Der
Reaktor wurde abkühlen gelassen und der
Destillationsrückstand wurde filtriert, um das Nebenprodukt Kaliumchloridsalz
zu entfernen und das NMP-Lösungsmittel rückzugewinnen.
Beispiel 3
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Der in Beispiel 1 verwendete 5 l Reaktor wurde mit etwa 3300
ml NMP aus Beispiel 2 und 250 ml frischem NMP gefüllt. Es
wurde ein Vakuum von 22,6 kPa (170 mm Hg) angelegt und der
Reaktor wurde unter heftigem Rühren auf 150ºC erhitzt. Durch
Destillation wurde eine kleine Menge an NMP entfernt und die
Überkopftemperatur erreichte 145ºC. Das Vakuum wurde entfernt
und 420 g trockenes 99%iges Kaliumfluorid (7,16 Mol) wurden
zugegeben. Das Vakuum wurde wieder angelegt und 20 ml NMP
wurden durch Destillation abgenommen, um das System auf
weniger als 100 ppm Wasser zu trocknen. Das Vakuum wurde erneut
entfernt und 586 g (2,33 Mol) PCP wurden zugegeben. Das
Vakuum wurde erneut angelegt und die Reaktortemperatur bei
150ºC stabilisiert (Regelungseinstellpunkt). Während der
ersten Stunde der Reaktion fiel die Überkopftemperatur auf
108ºC. Die Produktabnahme wurde mit einem Verhältnis von
Rückfluß zu Abnahme von 20 : 1 begonnen. In den ersten sechs
Stunden wurden 37.0 g 99,8% reines
3,5-Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin gewonnen. Dann wurde das Verhältnis von Rückfluß
zu Abnahme auf 60 : 1 geändert und die Destillation
fortgesetzt. Die zweite Kopffraktion enthielt 94,5 g Destillat,
wovon 86 g das gewünschte Produkt waren, 1,9 g ein
Trichlordifluorpyridin waren und 6,6 g NMP waren. Das gesamte, durch
Destillation gewonnene 3,5-Dichlor-2,4,6-difluorpyridin war
455,3 g (2,25 Mol), was 96,5% der Theorie ist.
Einschließlich des gewonnenen Trichlordifluorpyridins war die gesamte
Ausbeute an nutzbaren Produkten auf Basis von
Pentachlorpyridin 97,0%.
Beispiel 4
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Ein aus Monel-Metall hergestellter und wie in Beispiel 1
beschrieben ausgestatteter 5 l Kolben wurde mit 3800 g NMP
gefüllt, auf 22,6 kPa (170 mm Hg) evakuiert und auf 150ºC
(Regelungseinstellpunkt) erhitzt. Etwa 210 ml NMP und Wasser
wurden über Kopf abdestilliert, um das System auf weniger als
500 ppm Wasser zu trocknen. Das Vakuum wurde entfernt und 406
g (7,00 Mol) Kaliumfluorid und 600 g (2,39 Mol) PCP wurden
zugegeben. Eine Probe des Reaktionsgemisches wurde etwa 5
Minuten nach der Zugabe entnommen und durch
Gas-Flüssigkeitschromatographie analysiert. Proben des Reaktionsgemisches
wurden entnommen und alle 30 Minuten analysiert und aus
diesen Daten wurde ein Reaktionsprofil konstruiert. Die Reaktion
war nach 6 Stunden beendet und wurde ab dieser Zeit abkühlen
gelassen. Das erhaltene Gemisch wurde zur Entfernung der
unlöslichen Salze filtriert und in einer 2,54 cm 30-Boden
Oldershawsäule mit Vakuummantel destilliert, um 346 g 3,5-
Dichlor-2,4,6-trifluorpyridin und 17,7 g eines
Trichlordifluorpyridin-Überkopfprodukts zu gewinnen. Weitere 79,0 g des
letztgenannten verblieben im Rückstand. Die Ausbeute von
gewünschtem Produkt war 73,6% der Theorie auf Basis von
Kaliumfluorid und die Gesamtausbeute von Fluorchlorpyridinen
war 90,0%.
Beispiel 5
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Ein aus Monel-Metall hergestellter und wie in Beispiel 1
beschrieben ausgestatteter 12 l Vierhalskolben wurde mit 8,5
1
NMP gefüllt. Der Kolben wurde auf 22,6 kPa (170 mm Hg)
evakuiert, auf 150ºC erhitzt und etwa 500 ml NMP und Wasser
wurden über Kopf abdestilliert, um das System auf weniger als
500 ppm Wasser zu trocknen. Das Vakuum wurde entfernt und
1400 g (24,1 Mol) Kaliumfluorid und 2020 g (8,0 Mol) PCP
wurden zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde mit einer
positiven (überatmosphärischer Druck) Stickstoffatmosphäre
überschichtet und unter heftigem Rühren für 8 Stunden auf 150ºC
erhitzt. Es wurde dann auf 60ºC abgekühlt und aus dem Reaktor
entnommen. Das Gesamtgewicht des Reaktionsgemisches war 11725
g. Das Gewicht von unlöslichem Kaliumchloridsalz wurde mit
1789 g und das Gewicht der Reaktionslösung mit 9936 g
berechnet. Eine gas-flüssigkeitschromatographische Analyse zeigte,
daß die Reaktionslösung 1232 g (6,09 Mol) des gewünschten
Produkts, 288 g (1,32 Mol) eines Trichlordifluorpyridins und
60,6 g (0,26 Mol) eines Tetrachlormonofluorpyridins enthielt.
Die Gesamtmolzahlen von Produkt und Zwischenprodukten, die im
Reaktionsgemisch nachgewiesen wurden, waren 7,67 Mol oder
95,9% Nachweisbarkeit. Die Ausbeute von 3,5-Dichlor-2,4,6-
trifluorpyridin war 76,1% der Theorie bezüglich des
verwendeten PCP und 94,9% unter Berücksichtigung der gewonnenen
recyclisierbaren Zwischenprodukte.