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Verfahren zur Herstellung von am Sauerstoff basisch alkylierten Hydroxylaminen
Hydroxylamine, die an ihrem Sauerstoff und/oder Stickstoff Alkylgruppen tragen, die ihrerseits wieder durch freie oder substituierte Aminogruppen besetzt sind, sind wegen ihres polyfunktionalen Charakters wertvolle Ausgangsmaterialien und Zwischenprodukte zur Synthese von Farbstoffen, Heilmitteln, Desinfektionsmitteln, Pflanzenschutzmitteln, Textilhilfsmitteln usw. Um so auffallender ist es, dass erst im Jahre 1948 erstmalig von Holland und Robinson (J. Chem. Soc.
London, 1948, Seite 185) eine Verbindung aus dieser Reihe, das 0- (ss-Diäthyl-aminoäthyl)-hydroxylamin, synthetisiert wurde, das diese Forscher auf gewisse Ketonaphthaline einwirken liessen, um über deren basisch alkylierte Oxime zu wasserlöslichen und beständigen Salzen mit der Wirkung des Vitamins K zu kommen.
Nach dieser Arbeitsvorschrift muss zuerst Acetonoxim hergestellt werden, das dann in absolutem Alkohol mit Natriumäthylat und dem Hydrochlorid des Diäthylaminoäthylchlorids zum diäthylaminoäthylierten O-Äther des Acetonoxims umgewandelt wird, aus welchem durch Verseifung mit wässeriger Salzsäure endlich das gesuchte Produkt zu gewinnen ist, das dann nach Alkalisierung durch Ätherextraktion isoliert wird.
Der beschriebene Weg ist sehr langwierig und erfordert Herstellung, Isolierung und eventuell Reinigung von Hydroxylaminsalz, Acetoxim, Hydrochlorid des ss-Diäthylaminoäthylchlorids und des am Sauerstoff basisch alkylierten Acetoxims. Vor allem aber erfordert er bei der Phase der Aminoalkylierung das Arbeiten mit absolutem Alkohol und mit Natriumäthylat, was nicht gerade eine bequem durchzuführende Fabrikation bedeutet. Die von Holland und Robinson angegebenen Ausbeuten entsprechen fast genau 50% der theoretisch möglichen, falls Acetoxim als Ausgangsmaterial betrachtet wird.
Es wurde nun gefunden, dass sich Hydroxylamin-N-N-disulfosaure Salze in wässeriger alkalischer Lösung sehr leicht mit Estern starker Säuren von Aminoalkoholen am Sauerstoff basisch alkylieren lassen, worauf man durch saure Hydrolyse die Sulfogruppen vom Stickstoff leicht abspalten und das am Sauerstoff basisch alkylierte Hydroxylamin erhalten kann. Als Typenbeispiel dieser Reaktionsfolge mögen folgende Gleichungen dienen :
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Bei dem vorgeschriebenen peinlichen Ausschluss von Feuchtigkeit gemäss der Arbeit von Holland und Robinson war diese sehr glatt und mit gegenüber der Arbeitsvorschrift der genannten Forscher noch verbesserten Ausbeute verlaufende Umsetzung nicht zu erwarten und bedeutet daher eine wesentliche fabrikatorische Erleichterung bei der Gewinnung solcher nur am Sauerstoff aminoalkylierten Hydroxylamine.
Ein wohl noch grösserer technischer Vorteil des neuen Verfahrens liegt aber darin, dass man ohne Isolierung und Reinigung irgendwelcher Zwischenprodukte in einer einzigen Reaktionslösung aus allereinfachsten Grundchemikalien diese am Sauerstoff basisch alkylierten Hydroxylamine erhält.
Lösungen des Natriumsalzes der Hydroxylamin-N-N-disulfosäure erhält man sehr leicht nach den Angaben von Raschig (A 241, Seite 183). Solche Lösungen können ohne die von Raschig meist vorgenommene Isolierung des in Wasser schwerer löslichen Di-Kaliumsalzes sofort weiter verarbeitet werden. Sie erhalten von ihrer Herstellung aus Natriumbisulfit und Natriumnitrit her bereits drei Äquivalente Alkali auf jedes Molekül Hydroxylamin-N-N-Disulfo-säure.
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Ester aus Aminoalkoholen mit starken Säuren besitzen als Säurekomponente meist das Anion von Halogenwasserstoffsäuren, vor allem von Salzsäure wegen deren relativen Billigkeit. Doch können auch z. B. Schwefelsäure oder organische Sulfosäuren als derartige Säurekomponenten benutzt werden. Die Aminogruppe dieser Ester kann frei oder ganz oder teilweise durch Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Aralkyloder heterocyclische Reste substituiert sein, aber auch durch Acylreste beliebiger Art. Auch können diese
Substituenten zusammen mit dem Aminostickstoff einen Heteroring bilden, etwa den des Piperdins, Morpholins, Thiomorpholins, Piperazins usw. Als ganz besonders vorteilhaft hat sich aber die Verwendung von Salzen solcher Ester aus starken Säuren und Aminoalkoholen erwiesen, weil diese meist leichter und billiger zur Verfügung stehen als die freien Ester.
Vor allem aber neigen sie viel weniger zu Selbstpolymerisation und -kondensaticn als die meisten freien Ester. Zudem sind sie fast alle sehr leicht wasserlöslich und erleichtern dadurch ein Arbeiten in homogenem wässerigem Medium.
Solche Salze von Estern starker Säuren mit Aminoalkoholen fallen im Fabrikationsgang meist als wässerige Lösung an. Sie brauchen bei diesem Verfahren daraus nicht als feste Salze isoliert zu werden, sondern solche Lösungen können unter Berücksichtigung ihres Gehaltes an Ester und Anion der zur Salzbildung gebrauchten Säure sofort eingesetzt werden.
Will man aber Salze derartiger Ester oder diese freien Ester selbst in einem organischen Lösemittel gelöst verwenden, so dürfen hiezu nur neutrale und gegen die Reaktionsteilnehmer indifferente Lösemittel verwendet werden. Am besten eignen sich da die niederen Alkohole, wie Methanol, Äthanol usw., weil sie mit Wasser mischbar sind und daher ein homogenes Reaktionsgemisch ergeben. Doch sind auch z. B. Kohlenwasserstoffe, Äther, Dioxan usw. in manchen Fällen brauchbar, wobei jedoch der Vorteil eines homogenen Reaktionsgemisches verlorengeht.
Bei der Zugabe von Lösungen der freien Ester oder ihrer Salze und bei der dann sofort bei Zimmertemperatur einsetzenden Reaktion darf niemals die Alkalität des Reaktionsgemisches auf einen pH-Wert unter 8, 5-9 sinken, da die Sulfosäuregruppen der Hydroxylamin-N-N-Disulfosäuren schon in der Nähe des Neutralpunktes und noch viel schneller bei sauren pH-Werten abgespalten werden, wodurch die Möglichkeit auch einer teilweisen basischen Alkylierung am Stickstoff gegeben wäre. Man erfüllt diese wichtige Reaktionsbedingung, indem man vor Beginn der basischen Alkylierung durch Zugabe von Ätzalkalilösung das Reaktionsgemisch auf einen pH-Wert von 9 oder etwas höher bringt, und indem man dann entsprechend der Zugabe von Lösungen der freien Ester oder ihrer Salze eine dem Gesamt-Aniongehalt dieser Lösung äquivalente Menge Ätzalkalilösung zufügt.
Dies kann gleichzeitig und kontinuier- lich erfolgen, doch kann man mit gleichem Ergebnis die Lösungen der Ester oder Estersalze und der Ätzalkalien auch portionsweise hinzugeben, wobei man aber jedesmal zuerst die äquivalentmässig benötigte Menge an Ätzalkali und dann erst die Lösung der Ester bzw. deren Salze hinzugibt. Ein zeitweiliger Überschuss an freiem Ätzalkali ist dabei völlig unschädlich.
Die Umsetzung erfolgt bereits bei Zimmertemperatur und ist nach wenigen Stunden beendet. Der pH-Wert des Reaktionsgemisches muss auch dann noch mindestens 8, 5, besser noch 9, sein. Dann bringt man das Gemisch durch Zugabe von Salzsäure auf einen pH-Wert von etwa 4 bis 4, 5, bei dem Kongopapier deutlich gebläut wird, und kocht es einige Stunden unter Rückfluss. Nach etwa 8-lOstündigem Kochen sind die Sulfosäuregruppen mit Sicherheit als Bisulfat abgespalten.
Die Aufarbeitung der nur schwach gelblich gefärbten und sehr stark sauren Reaktionslösung, die neben sehr vielen anorganischen Salzen auch die Salze der am Sauerstoff basisch alkylierten Hydroxylamine enthält, erfolgt am besten so, dass man die vorhandene Säure durch Zugabe von Alkalihydroxyd oder Alkalicarbonat weitgehend abstumpft, wobei aber ein pH-Wert unter 5 erhalten bleiben muss. Die so teilweise neutralisierte Lösung wird dann, am besten unter vermindertem Druck, weitgehend eingeengt.
Beim Arbeiten im angegebenen pH-Bereich enthält das Destillat keine basischen Bestandteile und kann verworfen werden. Der erkaltete Rückstand wird mit der zur Freisetzung aller Basen benötigten Menge Ätzalkalilösung alkalisiert, und nach Zugabe von Alkohol bringt man die meisten anorganischen Salze durch Absaugen aus dem Reaktionsgemisch heraus. Das wässerig-alkoholische, stark alkalische Filtrat wird gegebenenfalls auch wieder unter vermindertem Druck, weitestgehend eingeengt. Das dabei erhaltene wässerig-alkoholische Destillat wird an einer gut wirksamen Kolonne, eventuell mit Benzol als Schleppmittel für das hartnäckig festgehaltene Wasser, von Wasser und Alkohol befreit und, gegebenenfalls nach erneutem Lösen in Benzol, fraktioniert.
Am Sauerstoff basisch alkylierte Hydroxylamine sind stark basische, farblose, mehr oder weniger viscose Öle, die gegen Erhitzen recht beständig sind und sich im Vakuum, teilweise sogar bei Atmosphärendruck, unzersetzt destillieren lassen. Sofern sie nicht weitere "schwere" Substituenten enthalten, sind sie mit Wasserdampf, besonders mit überhitztem, flüchtig. Sie sind etwas, wenn auch nicht hochgradig, hygroskopisch und halten Wasser, wahrscheinlich unter Hydratbildung, äusserst hartnäckig fest. Sie sind alle mischbar mit niederen Alkoholen, etwa mit Methanol, Äthanol usw. und meist auch mit Wasser und mit Kohlenwasserstoffen.
Bei Anwesenheit stark hydrophober Gruppen, etwa von Phenylresten, geht die Löslichkeit in Wasser stark zurück. O-Aminoalkylhydroxylamine mit nur kurzer Kohlenstoffkette und mit am Stickstoff unsubstituiertemAminoalkylrest lösen sich nur noch wenig, wenn überhaupt, in Benzol und andern Kohlenwasserstoffen, O-Amino-alkyl-Hydroxylamine besitzen noch alle für ihre funktionellen Gruppen typischen Eigenschaften. Mit Säuren bilden sie zum Teil gut kristallisierende, leicht wasserlösliche, aber nicht ausgesprochen hygroskopische Salze. Sie können nach den üblichen Methoden
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am Stickstoff alkyliert, auch basisch alkyliert, oder acyliert werden und bilden mit Carbonylgruppen die entsprechenden Oxime.
Beispiel :
138 g Natriumnitrit werden mit 150 cm3 Wasser gelöst bzw. aufgeschlämmt. Dazu lässt man unter gutem Rühren 1128 g einer 36,9%gen Lösung von Natriumbisulfit langsam zutropfen und hält durch Aussenkühlung und Zugabe von zerkleinertem Eis während des Umsatzes die Innentemperatur ständig unter 40 C. Etwa 10 min nach Zugabe der letzten Bisulfit-Menge gibt man 20 cm3 Eisessig zum Reaktionsgemisch. Die Innentemperatur wird auch weiterhin durch Zugabe von zerkleinertem Eis unter 40 C gehalten. Nach weiteren 15 min gibt man erneut 5 cm3 Eisessig hinzu.
Nach etwa 2-3 h Rührens bei einer Innentemperatur von 4 bis 50 C gibt man, zunächst ohne
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erforderlich, kühlt man von aussen, so dass die Innentemperatur nicht 30 C übersteigt. Nach 20 min gibt man erneut zuerst 134 g der obigen Kalilauge und dann 232 g der genannten Salzlösung hinzu und nach weiteren 20 min nochmals 132 g bzw. 232 g der beiden Lösungen. Es wird dann noch etwa 6-8 h bei Zimmertemperatur gerührt. Sodann wird das gegen Phenolphthalein stark alkalische Gemisch mit etwa 300 cm3 Salzsäure (d = 1, 18) gerade kongosauer gestellt und etwa 10 h unter Rühren und Rückflusskühlung gekocht. Nach dem Erkalten wird die überschüssige Säure mit 125 cm3 Natronlauge (d = 1, 35) etwas abgestumpft, und dann werden bei vermindertem Druck etwa 2 1 Wasser abdestilliert.
Im Rückstand hat sich bereits sehr viel Salzgemisch ausgeschieden. Er wird mit 375 cm3 Natronlauge (d = 1, 35) alkalisiert, mit etwa 11 Alkohol zwecks weitgehender Ausfällung der anorganischen Salze gut verrührt und dann scharf abgesaugt. Das wässerig-alkoholische Filtrat wird, gegebenenfalls unter vermindertem Druck, zur Trockne gebracht. Das dabei anfallende salzfreie Destillat wird an einer gut wirkenden Kolonne, gegebenenfalls unter Zusatz von Benzol als Schleppmittel für das äusserst hart- näckig festgehaltene Wasser, von Wasser und Alkohol befreit und bei vermindertem Druck rekti- fiziert. So erhält man mindestens 120-130 g reines 0- (ss-Diäthylaminoäthyl)-Hydroxylamin mit Sdp. 35 87-89 C bzw.
Sdp. 13 67-690 C. Eine weitere Menge dieses Produktes ist in den abgetrennten Salzen noch eingeschlossen, sowie vor allem in dem Rückstand von der Rohdestillation der wässerig-alkoholischen Lösungen, die noch etwas an Salzen und alle Nebenprodukte enthalten. Um auch diese Mengen noch zu gewinnen, kocht man die abgetrennten Salze mit Alkohol aus, dem man etwas Natronlauge zugefügt hat, bis zur stark alkalischen Reaktion des Gemisches gegen Phenolphthalein. Der so gewonnene Alkoholextrakt dient zur Salzfällung des nächsten Ansatzes. Den Destillationsrückstand der Rohdestillation unterwirft man der Destillation mit überhitztem Wasserdampf, macht das Destillat gerade kongosauer, engt es unter vermindertem Druck weitgehend ein, alkalisiert und arbeitet wie üblich auf.
Aus beiden Operationen werden noch weitere 30-40 g Reinprodukt gewonnen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von am Sauerstoff basisch alkylierten Hydroxylaminen, dadurch gekennzeichnet, dass man Hydroxylamin-N-disulfosaure Salze in alkalischem Medium mit Estern von Aminoalkoholen mit starken Säuren oder mit Salzen solcher Ester umsetzt und dann die N-ständigen Sulfogruppen abspaltet.