Verfahren zur Umwandlung einer Dihalogenverbindung in eine Monohalogenverbindung
Die Erfindung betrifft die selektive Entfernung eines Halogenatoms bei der Umwandlung einer Dihalogenverbindung in eine Monohalogenverbindung.
Die in der USA-Patentschrift Nr. 2802 855 beschriebenen Dialkyl-2-carbamylvinyl-phosphate bilden eine wichtige Klasse von Insecticiden. Wie aus dieser Patentschrift hervorgeht, werden solche Phosphate normalerweise dadurch hergestellt, dass man das geeignete Trialkylphosphit mit dem geeigneten 2-Halogenacetoacetamid umsetzt. Wenn das entsprechende 2,2-Dihalogenacetoacetamid anwesend ist, so reagiert es ebenfalls unter Bildung des entsprechenden Dialkyl-2-halogen-2-carbamylvinylphosphats. Die Gegenwart dieser letztgenannten Verbindungen in dem Produkt ist nicht erwünscht, da dieses die unerwünschten Eigenschaften einer verringerten insecticiden Wirksamkeit und einer erhöhten Toxicität gegenüber Säugetieren aufweist, im Vergleich zu dem gewünschten nichthalogenierten Phosphat.
Es ist daher in hohem Masse erwünscht, dass das 2-Halogenacetoacetamid möglichst frei von dem entsprechenden 2,2-Dihalogenacetoacetamid ist.
Technisch wurden die 2-Halogenacetoacetamide in herkömmlicher Weise durch Halogenierung der entsprechenden Acetoacetamide hergestellt. Es zeigte sich jedoch, dass es in der Praxis sehr schwierig ist, die Bildung der entsprechenden 2,2-Dihalogenacetoacetamide zu vermeiden. Wenn das Ausgangsmaterial ein N Monoalkylacetoacetamid ist, so erwies es sich tatsächlich als unmöglich, die Bildung wesentlicher Mengen an 2,2-Dihalogen-N-alkylacetoacetamid zu vermeiden. Ferner stellte man fest, dass die selektive Entfernung der Dihalogenverbindung durch physikalische Verfahren sehr schwierig und teuer ist, da die physikalischen Eigenschaften der Dihalogenverbindung denen der Monohalogenverbindung sehr ähnlich sind.
Es wurden zwar Verfahren zur Verbesserung der Selektivität der Halogenierung des Acetoacetamids entwickelt, es wird dabei jedoch sogar bei dem günstigsten Verfahren eine gewisse Menge der Dihalogenverunreinigung gebildet, und im Falle der N-Monoalkylacetoacetamide wird sogar bei den besten Halogenierungsverfahren eine ziemliche Menge der Dihalogenverunreinigung gebildet. Aus diesem Grund besteht ein echtes Bedürfnis nach einem Verfahren zur Herstellung von 2-Monohalogenacetoacetamiden, die weniger von den entsprechenden 2,2 Dihalogenacetoacetamiden enthalten als bisher, und zwar ohne dass man auf schwierige und teure physikalische Verfahren zur Entfernung der Dihalogenverunreinigungen aus den entsprechenden Monohalogenprodukten zurückgreifen muss.
Ein derartiges Verfahren wurde nun gefunden. Das erfilldUllgStgelmäss: Verfahren zur Umwandlung einer Dihalogenverbindung in die Monohalogenverbindung ist demzufolge dadurch gekennzeichnet, dass man eine Verbindung mit der Gruppierung
EMI1.1
in der X Halogen ist, mit einem Salz eines tÇbergangs- metalles, das zur Bildung von Kationen verschiedener Wertigkeit befähigt ist, wobei das Kation in einer niederen Wertigkeitsstufe arbeitet, in Gegenwart einer Protonen liefernden Flüssigkeit umsetzt. Wenn man auf diese Weise ein 2,2-Dihalogenacetoacetamid behandelt, so wird dieses in das 2-Monohalogenacetoacetamid als im wesentlichen einzigem Produkt umgewandelt. Es stellte sich heraus, dass die Reaktion in hohem Masse selektiv ist.
Die Reaktion ist sehr allgemeiner Art und lässt sich auf alle Verbindungen mit zwei Carbonylgrupppen anwenden.
Die Reaktion dürfte dabei nach folgender Gleichung verlaufen:
EMI1.2
ROHX + (MOR')+ H (mm)+ (I) in der R X, das Dihalogenacetoacetamid, ROHX das Monohalogenacetoacetamid, M ein Übergangsmetall darstellt, das zur Bildung des einwertigen Kations M + und des zweiwertigen Kations M++ befähigt ist, und wobei R'OH die Protonen liefernde Flüssigkeit, R' ein Wasserstoffatom oder ein organischer Rest und X ein Halogen ist.
Es wurde ferner gefunden, dass diese selektive Entfernung eines der Halogenatome des Dihalogenacetoacetamids von Anfang an in Gegenwart des entsprechenden Monohalogenacetoacetamids bewirkt werden kann. Diese Entdeckung erlaubt die direkte Aufbereitung eines Rohproduktes aus der Halogenierung eines Acetoacetamids, das sowohl Mono- als auch Dihalogenacetoacetamid enthält, ohne dass zuerst die zwei Amide getrennt werden müssen.
Es wurde ferner festgestellt, dass diese selektive Dehalogenierung in Gegenwart wesentlicher Mengen einer mit Wasser nicht mischbaren Flüssigkeit, z. B. eines halogenierten Alkans, durchgeführt werden kann.
Da die Halogenierung von Acetoacetamiden normalerweise in Gegenwart solcher Flüssigkeiten, z. B. Methylenchlorid, durchgeführt wird, erlaubt diese zusätzliche Entdeckung die Durchführung der Dehalogenierung ohne Entfernung der gegebenenfalls vorhandenen, mit Wasser nicht mischbaren Flüssigkeit, die bei der Halogenierung verwendet wurde.
Ferner zeigte sich, dass die gewünschte Reaktion in einem breiten Bereich von pH Bedingungen, insbesondere unter sauren Bedingungen, verläuft. Da das rohe Endreaktionsgemisch aus der Halogenierung des Acetoacetamids gewöhnlich sauer ist (es enthält die dem Halogen entsprechende Halogenwasserstoffsäure), erlaubt diese Entdeckung die Anwendung des Verfahrens auf das rohe Endreaktionsgemisch ohne vorherige Neutralisation.
Ein wesentliches Merkmal des Verfahrens ist das verwendete Kation. Dies muss ein Kation bestimmter Übergangsmetalle sein, die zur Bildung von Kationen verschiedener Wertigkeit befähigt sind, wobei das bei dem erfindungsgemässen Verfahren verwendete Kation ein solches ist, bei dem das Metall in einem niederen Wertigkeitszustand vorliegt, d. h. das Kation muss kein solches sein, bei dem das Metall in der höchsten mög lichten Wertigkeitsstufe vorliegt.
Es zeigte sich, dass solche Kationen im wesenlichen nach der Gleichung I reagieren, wobei das Kation in ein Kation des Übergangsmetalles höherer Wertigkeit umgewandelt (oxydiert) wird. Dieses Kation wird im folgenden als das oxydierte Kation bezeichnet. Um die zwei Arten der eingesetzten Kationen klar zu un terscheiden, wird das Kation niederer Wertigkeit, das bei der Durchführung des erfin!dulnlgslgemässen Verfahrens verwendet wird, der Kürze halber im folgenden als das reduzierte Kation bezeichnet.
Ein anderes wesentliches Merkmal des Verfahrens ist die Verwendung einer Protonen liefernden Flüssigkeit, da diese den Wasserstoff zum Ersatz des von der Dihalogenverbindung, z. B. dem 2,2-Dihalogenacetoacetamid, entfernten Halogens liefert. Als für die erfindungsgemässen Zwecke geeignete Protonen liefernde Flüssigkeiten werden diejenigen Flüssigkeiten angesehen, die Protonen abgeben und dadurch Wasserstoff für den Ersatz des von dem Dihalogenacetoacetamid entfernten Halogens schaffen. Ein wichtiges Glied dieser Klasse von Flüssigkeiten ist bei dem erfindungsgemässen Verfahren Wasser, während wesentliche Unterklassen die Alkohole und Carbonsäuren sind, und von diesen letztgenannten Unterklassen die Alkanole und Alkanmonocarbonsäuren von besonderem Interesse sind.
Es wurde nun gefunden, dass das oxydierte Kation in situ, d. h. sowohl in Gegenwart der Mono- als auch der Dihalogenacetoacetamide, umgewandelt werden kann, und zwar ohne Wechselwirkung mit der oder ohne nachteiligen Einfluss auf die gewünschte Reaktion, wenn man für das oxydierte Kation, Reduktionsmittel verwendet.
Es wurde ferner festgestellt, dass durch Einschluss eines derartigen Reduktionsmittels in das Reaktionsgemisch die erforderliche Menge an reduziertem Kation sehr viel geringer gehalten werden kann als der zur Umwandlung des gesamten Dihalogenacetoacetamids erforderlichen stöchiometrischen Menge entspricht. Offensichtlich bildet das Reduktionsmittel aus dem oxydierten Kation ein reduziertes Kation zurück, sobald ersteres gebildet ist, und das rückgebildete reduzierte Kation wandelt weiter Dihalogenacetoacetamid um.
Wenn das Verfahren auf diese Art und Weise durchgeführt wird, so nähert sich die Menge an reduziertem Kation derjenigen Menge, die gewöhnlich bei Verwendung eines Katalysators erforderlich ist. Wenn das Verfahren unter Verwendung der erniedrigten Menge an Kation durchgeführt wird, und wenn das Reduktionsmittel verwendet wird, so bezeichnet man das Kation gewissermassen als Katalysator, wobei die verwendete Menge als katalytische Menge und die Reaktion als katalytische Reaktion bezeichnet wird. Es zeigte sich, dass bei Abwesenheit des Kations bei Zugabe des Reduktionsmittels die gewünschte Reaktion nicht in einem beachtlichen Ausmass bzw. einer entsprechenden Geschwindigkeit vor sich ging.
Es wurde ferner gefunden, dass in der Gesamtsicht das Kation als unver ändert in dem System zurückbleibend angesehen werden kann, wobei das Kation in dem Endprodukt in der reduzierten Form vorliegt, und nur vorübergehend während der Reaktion in der höheren Wertigkeitsstufe vorhanden ist. Wenn das oxydierte Kation nicht in situ reduziert wird und wenn wenigstens die für die theoretische Reaktion mit dem gesamten Dihalogenacetoacetamid erforderliche Menge an reduziertem Kation verwendet wird, so bezeichnet man anderseits das reduzierte Kation als einen Reaktionsteilnehmer, dessen Menge als die theoretische oder stöchiometrische Menge und die Reaktion schliesslich als die stöchiometrische Reaktion.
Die Entdeckung, dass das oxydierte Kation in situ reduziert werden kann, wobei sich infolgedessen eine katalytische Menge des Kations verwenden lässt, erlaubt die Anwendung eines arbeitsmässig oft sehr vorteilhaften und oft im wesentlichen weniger aufwandreichen Verfahrens, bei dem eine kleinere Menge des reduzierten Kations mit dem Dihalogenacetoacetamid, der Protonen lieferneden Flüssigkeit und dem Reduktionsmittel vermischt wird. Dieser Gesichtspunkt der Erfindung kann verfahrensmässig oft vorteilhaft sein, da bei geeigneter Auswahl ein Reduktionsmittel genommen werden kann, das zu einem Nebenprodukt führt, welches sich leichter aus dem Endreaktionsgemisch abtrenne lässt als das Salz des oxydierten Kations.
Es lässt sich somit die sonst notwendige Verwerfung des oxydierten Kations oder die Reduktion des oxydierten Kations in einer getrennten Zone umgehen, wobei die für das Verfahren erforderlichen Anlagen wesentlich verringert werden können.
Nach einem bevorzugten Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens wird ein 2,2Dihalogenacetoacetarnid (das mit dem entsprechenden 2-Halogenacetoacetamid vermischt sein kann) mit einer kleineren Menge eines reduzierten Kations eines oben angegebenen tÇbergangs- metalls, einer Protonen liefernden Flüssigkeit und einem Reduktionsmittel der oben angegebenen Art vermischt.
Die als Ausgangsstoffe für das erfindungsgemässe Verfahren in Erwägung gezogenen 2,2-Dihalogenacetoacetamide lassen sich durch folgende Formel wiedergeben:
EMI3.1
in der jedes R ein Wasserstoffatom oder eine niedere Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist und X jeweils ein mittleres Halogen, d. h. Chlor oder Brom, darstellt.
Das erfindungsgemässe Verfahren scheint sich auch auf Amide folgender Struktur anwenden zu lassen:
EMI3.2
in der adie rechte CO-Gruppe direkt mit dem Amido- stickstoffatom verbunden ist. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist die Tatsache, dass der Angriff an der ersten Kohlenstoff-Halogen-Bindung ohne merklichen Angriff an der zweiten Kohlenstoff-Halogen-Bindung oder an irgendwelchen anderen möglichen reaktionsfähigen Bindungen des Moleküls vor sich geht, wie beispielsweise denen des benachbarten Stickstoffatoms.
Sowohl substituierte als auch unsubstituierte Dihalogenacetoacetamide lassen sich durch das erfindungsgemässe Verfahren mit Erfolg in die entsprechenden Monohalogenverbindungen umwandeln. Beispiele für am Stickstoffatom nicht substituierte Verbindungen sind:
2,2-Dichlorbutyroacetamid
2,2-Dibromvaleroacetamid
2-Chlor-2-bromacetoacetamid
2,2-Dichlorisobutyroacetamid
2,2-Dichloracetoacetamid
2,2-Dichlor-sec-butyroacetamid
Beispiele, bei denen zwei Alkylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen an den Stickstoff gebunden sind, sind:
:
2,2-Dichlor-N,N-dimethylacetoacetamid 2,2-Dibrom-N,N-diäthylpropioacetamid
2-Chlor-2-brom-N,N-dimethylacetoacetamid
2,2-Dichlor-N-methyl-N-äthylacetoacetamid 2,2-Dichllor¯N,N-Idibutyl.valeroacetamid
2,2-Dichlor-N,N-diisopropylacetoacetamid
Wie bereits gesagt wurde, ist das erfindungsgemässe Verfahrens insbesondere zur Herstellung von 2-Halogen-N-alkylacetoacetamiden aus 2, 2-Dihalogen-N-alkyl- acetoacetamiden anwendbar, und zwar insbesondere wegen der grossen Mengen der letzteren, die unver änderlich bei Ider Halogenierung von N-Alkylaceto- acetamid gebildet werden.
Diese 2,2-Dihalogen-N-alkylacetoacetamide haben die allgemeine Formel
EMI3.3
in der R und X jeweils die entsprechenden, bereits angegebenen Bedeutungen haben und R1 eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist. Typische Verbindungen dieser Klasse sind:
2,2-Dichlor-N-methylbutyroacetamid 2,2-Dibrom-N-äthylvalero acetamid
2-Chlor-2-borm-N-methylacetoacetamid
2,2-Dichlor-N-isopropyl-sec-butyroacetamid 2,2-Dichlor-N-butylacetoacetamid
2,2-Dibrom-N-isobutylacetoacetamid
2,2-Dichlor-N-sec-butylacetoacetamid
2,2-Dichlor-N-methylacetoacetamid
Die wichtigsten Verbindungen dieser Unterklasse sind 2,2-Dichloracetoacetamide, bei denen alle Substituenten R Wasserstoff sind und bei denen R1 eine an das Amidostickstoffatom gebundene Alkylgruppe ist.
Diese 2,2-Dichlor-N-alkylacetoacetamide haben die allgemeine Formel:
EMI3.4
Die wichtigste Verbindung hiervon ist das 2,2-Dichlor-N-methylacetoacetamid.
Es wurde bereits erwähnt, dass das reduzierte Kation ein Kation mit niederer Wertigkeit von einem Übergangsmetall sein muss, das zur Bildung von Kationen verschiedener Wertigkeit befähigt ist. Zusätzlich ist es in höchstem Masse erwünscht, dass die Halogensalze sowohl des Kations niederer Wertigkeit (reduziertes Kation) als auch des Kations höherer Wertigkeit (oxydiertes Kation) wenigstens etwas in der Protonen liefernden Flüssigkeit löslich ist. Obereinstimmungsge- mäss werden diese Metalle, die zur Bildung verschiedener Wertigkeiten befähigt sind, als polyvalente Metalle bezeichnet.
In dem hierin gebrauchten Sinn werden unter diesem Begriff nicht nur Metalle verstanden, die Kationen mit einer Wertigkeit grösser als 1 bilden können, (obgleich solche Metalle unter die Bedeutung des Begriffes fallen), sondern dieser Begriff legt Metalle fest, die zur Bildung von Kationen verschiedener Wertigkeit befähigt sind. Wie hierin verwendet, ist das Kupfer ein polyvalentes Metall, da es das Kupfer-I-Ion (Cu+) und das Kupfer-II-Ion (Cu+ +) bilden kann. Zu geeigneten Metallen gehören Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Titan, Quecksilber, Kobalt und Kupfer.
Entsprechende reduzierte Kationen sind V++, Cr + Mn+ +, Fe+ +, Ti+ ++++++ +, Hg+, Co+ + und Cu+. Obgleich irgendwelche Salze dieser Kationen, die im gewissen Masse in Wasser und/oder anderen Protonen abgebenden Flüssigkeiten löslich sind, geeignet sind, so werden doch die Halogensalze zur Reduzierung der Anzahl von Anionen im Reaktionsgemisch mehr bevorzugt, wobei man aus dem gleichen Grund insbesondere darauf achtet, dass das Halogen des Kationssalzes das gleiche wie das Halogen des 2,2-Dihalogen-acetoacetamid-Reaktionsteilnehmers ist. Besonders bevorzugt sind bei dem erfindungsgemässen Verfahren die Kupfersalze wegen der hohen Aktivität des Kupfer-I-Ions und weil geeignete Kupfersalze im Handel leicht erhältlich sind. Wenn das erfindungsgemässe Verfahren stöchiometrisch durchgeführt wird, so muss das reduzierte Kation verwendet werden.
Wenn das erfindungsgemässe Verfahren katalytisch durchgeführt wird, so kann entweder das reduzierte Kation oder das oxydierte Kation verwendet werden, wobei das oxydierte Kation in situ durch das Reduktionsmittel reduziert wird.
Wasser ist die bevorzugte Protonen liefernde Flüssigkeit, da es leicht Wasserstoff abgibt, die reduzierten Kationen bei dessen Gegenwart hochaktiv sind und seine physikalischen Eigenschaften, insbesondere seine Eigenschaften als Lösungsmittel hinsichtlich der Halogensalze der entsprechenden Übergangsmetallkationen, für dessen Verwendung als flüssiges Reaktionsmedium sowie als Reaktionsteilnehmer geeignet sind. Zu anderen geeigneten Protonen abgebenden Flüssigkeiten gehören Alkohole und Carbonsäuren, und von diesen wiederum die Alkanole und Alkanmonocarbonsäuren bis hinauf zu 6 Kohlenstoffatomen, wobei zu typischen Vertretern dieser Klasse folgende gehören: Methanol, Äthanol n- und Isopropylalkohole, die verschiedenen isomeren Butyl-, Amyl- und Hexylalkohole, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure und ähnliche.
Ferner eignen sich Gemische dieser Flüssigkeiten, die in besonderen Fällen sogar bevorzugt werden können. Die Wahl der besonderen Protonen liefernden Flüssigkeit oder Flüssigkeiten in irgendeinem besonderen Fall hängt zum gro ssen Teil von Löslichkeitsbeziehungen ab, wobei man das besondere umzusetzende Dichloracetoacetamid und das zu verwendende besondere Salz des Übergangsme- tallkations mit berücksichtigt. Im allgemeinen erscheint es vorteilhaft zu sein, dass man sogar dann, wenn eine oder mehrere der anderen Protonen liefernden Flüssigkeiten verwendet werden, Wasser in das Reaktionsgemisch einschliesst. Die entsprechenden Mengen der verwendeten Flüssigkeit bzw.
Flüssigkeiten sollten so gewählt werden, dass sich eine optimale Lösungsmittelkapazität für den Dihalogenacetoacetamid-Reaktionsteilnehmer und insbesondere für das verwendete Salz des Übergangsmetalls ergibt. In den meisten Fällen ist es erwünscht, dass das flüssige Reaktionsmedium aus wenigstens 50 % Wasser besteht. Wenn Wasser vorhanden ist und ferner noch eine andere Protonen liefernde Flüssigkeit verwendet wird, so ergibt sich der Wunsch, dass die Flüssigkeit in einem wesentlichen Ausmass, vorzugsweise vollständig, mit Wasser mischbar ist. Es ist jedoch auch zulässig und in einigen Fällen sogar erwünscht, in das Reaktionsgemisch eine wesentliche Menge einer in Wasser nicht mischbaren inerten Flüssigkeit einzuschliessen, beispielsweise ein chloriertes Alkan. Beispiele hierfür sind Methylenchlorid, Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform und ähnliches.
Diese Flüssigkeit kann eingeschlossen werden, um eine selektive Entfernung des Monohalogenacetoacetamid Produktes aus der wässrigen Phase des Reaktionsgemisches zu bewirken.
Wenn ein Reduktionsmittel zur Regenerierung des reduzierten Kations aus dem oxydierten Kation in situ in dem Reaktionsgemisch eingesetzt wird, muss natürlich dieses Mittel ein solches sein, das die Regenerle- rung bewirkt, und es muss ferner so beschaffen sein, dass es keine unerwünschte Nebenreaktionen verursacht oder fördert.
In jedem Fall muss das zur Regenerierung des reduzierten Kations verwendete Material ein Redoxpotential sein, das stärker positiv ist als das Redoxpotential, welches zur Regenerierung des Kations erforderlich ist; d. h. in einer Tabelle von Standard Oxydations-Reduktions-Potentialen, wie sie beispielsweise in den verschiedenen Ausgaben des Reference Book of Inorganic Chemistry von Latimer und Hildebrand sowie in anderen Büchern zu finden sind, muss das für Oxydations-Reduktion des geeigneten Reduktionsmittels verwendete Paar oberhalb des Paares erscheinen, das für Oxydation-Reduktion der Regenerierung des reduzierten Kations verwendet wird.
Da die verschiedenen Dihalogenacetoacetamide in ihrer Empfindlichkeit gegenüber den verwendeten Reagenzien etwas schwanken, hängt die Wahl des Reduktionsmittels ferner in einem beachtlichen Ausmass von dem besonderen zu behandelnden Dihalogenacetoacetamid ab. Beispiele von Reduktionsmitteln, die für die Klasse von Dihalogenacetoacetamiden und Übergangsmetallkationen verwendet werden können, sind Sulfition, Bisulfition, Thiosulfation, Sulfiden und Metalle, wie Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Zinn, Zink und Magnesium. Die Sulfit-, Bisulfit- und Thiosulfationen können aus den entsprechenden Alkali- und/oder Erdalkalisalzen gebildet werden. Sulfit- und Bisulfitionen können ebenfalls aus Schwefeldioxyd hergestellt werden. Am besten wird ein Sulfidion aus Schwefelwasserstoff gebildet.
Bevorzugt sind wegen ihrer hohen Wirksamkeit und ihrer Löslichkeit in den bevorzugten wässrigen Reaktionsgemischen die Alkalibisulfite, insbesondere Natrium- und Kaliumbisulfite, sowie Schwefeldioxyd und Schwefelwasserstoff.
Die Menge des Übergangsmetallkations, die zugesetzt werden muss, hängt davon ab, ob das erfindungsgemässe Verfahren stöchiometrisch oder katalytisch durchgeführt wird. Wie in Gleichung I gezeigt ist, müssen theoretisch 2 Äquivalente des Kations auf 1 Mol zu behandelndes Dihalogenacetoacetamid verwendet werden. Infolgedessen müssen bei stöchiometrischer Arbeitsweise wenigstens 2 Äquivalente an Kation auf 1 Mol des Dihalogenacetoacetamids zugesetzt werden.
Um einen vollständigen Ablauf der Reaktion zu gewährleisten, ist es, wie sich zeigt, im allgemeinen erwünscht, einen mittelmässigen Überschuss des Kations gegenüber der theoretischen Menge anzuwenden. Im allgemeinen sollte ein Überschuss von wenigstens 100 % zugesetzt werden, und in den meisten Fällen ist ein 2- bis 4facher Überschuss erwünscht. In den meisten Fällen ist ein über 6facher Überschuss nicht erwünscht, da man dabei keine besseren Ergebnisse erhält als mit einem geringen Überschuss, und da die grössere Menge an Kation in ungünstiger Weise die Gewinnung des gewünschten Produktes weiter erschwert.
Wenn das Verfahren katalytisch durchgeführt wird, so bewegt sich die Menge zugesetzter Kationen in zweckmässiger Weise zwischen etwa 0,005 Äquivalent bis etwa 0,5 Äquivalent pro Mol Dihalogenacetoacetamid. Im allgemeinen werden beste Ergebnisse dann erhalten, wenn man 0,02 bis etwa 0,15 äquivalent Kation auf 1 Mol Dihalogenacetoacetamid verwendet.
Ob nun das erfindungsgemässe Verfahren stöchiometrisch oder katalytisch durchgeführt wird, so wirkt die Protonen liefernde Flüssigkeit stets als ein Reaktionsteilnehmer, und infolgedessen muss wenigstens die Menge zugesetzt werden, die theoretisch zur Schaffung von genügend Wasserstoff zum Ersatz des von dem Dihalogenacetoacetamid entfernten Halogens erforderlich ist. Aus Gleichung I lässt sich ersehen, dass hierzu wenigstens 1 äquivalent Protonen liefernder Flüssigkeit auf 1 Mol behandeltes Dihalogenacetoacetamid erforderlich ist, d. h. also eine Gesamtmenge von 1 Mol Wasser, Alkanol und/oder Alkanmonocarbonsäure auf 1 Mol Dihalogenacetoacetamid. Auch hier wird zweckmässigerweise wiederum ein Überschuss verwendet, da dies die Reaktion nicht nachteilig beeinflusst und einen vollständigen Ablauf der Reaktion gewährleistet.
Ferner kann die Protonen liefernde Flüssigkeit auch als flüssiges Reaktionsmedium mit Vorteil in nahezu allen Fällen verwendet werden. Man verwendet wenigstens einen 2fachen und vorzugsweise einen 3- oder 4fachen oder sogar einen noch grösseren Überschuss. Die maximale Menge wird in den meisten Fällen nur durch die Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit gegeben, die sich aus einer übermässigen Verdünnung der Reaktionsteilnehmer ergibt.
Das gegebenenfalls verwendete Reduktionsmittel wirkt in der Tat auch als Reagens. Wird beispielsweise Bisulfition als Reduktionsmittel verwendet, so lässt sich die Reaktion folgendermassen schreiben: ROXa + (HSO2)- + R'OH
EMI5.1
ROHX + R'OSO3 + X- II worin die Symbole R , R' und X die entsprechenden Bedeutungen aus Gleichung I haben. Infolgedessen muss wenigstens 1 äquivalent Reduktionsmittel auf je 1 Mol Dihalogenacetoacetamid verwendet werden.
Ein Weg, und in vielen Fällen der bequemste Weg zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass man das Dihalogenacetoacetamid, das Übergangsmetallsalz und die Protonen liefernde Flüssigkeit vermischt und dann das Reduktionsmittel zusetzt, wobei das Ausmass und in hohem Masse die Geschwindigkeit der Reaktion durch die Geschwindigkeit gesteuert wird, mit der das Reduktionsmittel zugesetzt wird. In einem solchen Fall kann die Reaktion weitgehend wie eine Titration durchgeführt werden, wobei das Reduktionsmittel bis zur Beendigung der gewünschten Reaktion zugesetzt wird. In solchen Fällen ist dann ein geringer oder gar kein Überschuss an Reduktionsmittel erforderlich.
Jedoch auch in solchen Fällen und im allgemeinen auch bei Anwendung anderer Techniken zur Durchführung der Reaktion ist ein leichter bis mittelmässiger Überschuss, beispielsweise ein Überschuss von 25 bis 100 X, an Reduktionsmittel von Vorteil, um den vollständigen Ablauf der gewünschten Reaktion sicherzustellen. In den meisten Fällen erwies sich ein Überschuss von über 200 % als nicht erwünscht, da ein so grosser Überschuss nicht erforderlich ist und dieser ferner die Gewinnung des gewünschten Produktes ziemlich erschwert.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird im allgemeinen am besten bei Temperaturen leicht oder mittelmässig oberhalb Raumtemperatur durchgeführt, beispielsweise bei Temperaturen zwischen etwa 30 und 1000 C. Wie sich zeigte, ist es gewöhnlich das beste, die Reaktionstemperatur zwischen 35 und 850 C zu halten, wobei Temperaturen im unteren Teil dieses Bereiches dann zweckmässiger sind, wenn die Reaktion stöchiometrisch durchgeführt wird. Das Verfahren kann bei atmosphärischem oder erhöhtem Druck, wie bei dem Fall, bei dem Schwefeldioxyd oder ein sonstiges gasförmiges Reduktionsmittel eingesetzt wird, durchgeführt werden. Das Verfahren kann absatzweise, halbabsatzweise oder kontinuierlich durchgeführt werden.
Die Reaktionsteilnehmer (und der gegebenenfalls verwendete Katalysator) können in irgendeiner gewünschten Reihenfolge zugesetzt werden, obgleich es, wie bereits erwähnt, bei katalytischer Durchführung des Verfahrens empfehlenswert ist, das Dihalogen'aceto acetam'id, den Katalysator und die Protonen liefernde Flüssigkeit zu vermischen und dann erst das Reldulçtionrslmittel zuzusetzen.
Nachdem die Umwandlung des Dihalogenacetoacetamids in das gewünschte Monohalogenacetoacetamid in dem erforderlichen Ausmass erfolgte, kann das gebildete Monohalogenacetoacetamid aus dem Reaktionssystem nach irgendeinem aus der Vielzahl der dem Fachmann bekannten herkömmlichen Verfahren abgetrennt werden. Zu solchen Verfahren gehören beispielsweise die fraktionierte Destillation, die Lösungsmittelextraktion, die Kristallisation und ähnliche. Da das Produkt organischer Natur ist, lässt es sich sehr bequem aus dem wässrigen System durch Extraktion mit einer in Wasser nicht mischbaren Flüssigkeit extrahieren, in der das Monohalogenacetoacetamid löslich ist.
Geeignete Extraktionsmittel sind beispielsweise Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff und Methylenchlorid. Gegebenenfalls können mehrere aufeinanderfolgende Extraktionen durchgeführt werden, um den gewünschten Grad der Abtrennung zu erreichen. In einigen Fällen erwies es sich für wünschenswert und zweckmässig, in das Reaktionsgemisch eine solche mit Wasser nicht mischbare Flüssigkeit einzuschliessen, um dadurch die Abtrennung des Monehalogenacetoacetamlids aus dem wässrigen Teil des Reaktionsgemisches sofort nach dessen Bildung zu bewirken.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erklärt. In den Beispielen sind die Mengenangaben Gewichtsteile, wenn nichts anderes angegeben ist.
Beispiel 1
Eine Lösung aus 10 Gew.% 2,2-Dichlor-N-methylacetoacetamid in l-n-Salzsäure wurde mit einer ausreichenden Menge einer Lösung von Kupfer-I-chlorid vermischt, das in einer geringen Menge einer 1-n-Salzsäure aufgeschlämmt war, so dass sich 6 Mole Kupfer I-chlorid auf 1 Mol des Acetoacetamids ergaben. Das Gemisch wurde auf 550 C erwärmt und 30 min lang auf dieser Temperatur gehalten. Hierbei erhielt man eine im wesentlichen quantitative Umwandlung des 2,2 Dichlor-N-methylacetoacetamids in 2-Chlor-N-methylacetoacetamid.
Der Versuch wurde wiederholt, wobei man als Ausgangsreaktanten 2-Chlor-N-methylacetoacetamid verwendete. Es wurde im wesentlichen keine Umwandlung des 2-Chlor-N-methylacetoacetamids in das nichtchlorierte N-Methylacetoacetamid oder irgendein anderes Produkt festgestellt.
Bei dieser Arbeit wurde die Lösung angesäuert, um das saure Produkt zu simulieren das aus der Chlorierung des N-Methylacetoacetamids hätte erhalten werden können.
Beispiel 2
Ein Gemisch aus 2,2-Dichlor- und 2-Chlor-N-methylacetoacetamiden, das durch Chlorierung von N-Methylacetoacetamid erhalten wurde, wurde nach der katalytischen Durchführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens behandelt. Das Gemisch, welches 5,2% N Methylacetoacetamid, 76,7 % 2-Chlor-N-methylaceto acetamid und 18,1X 2,2-Dichlor-N-methylacetoacetamid (Gew.S) enthielt, wurde mit Kupfer-I-chlorid (10 Gew. des 2,2-Dichlor-N-methylacetoacetamids) aufgeschlämmt, und auf 850 C erwärmt. Anschliessend versetzte man das Gemisch möglichst schnell mit 7,5 Gew.% einer wässrigen Natriumbisulfit-Lösung, wobei man dessen Temperatur auf 850 C hielt.
Die Verweilzeit in dem Reaktionsgefäss und das Molverhältnis an Natriumbisulfit/Dichloracetoacetamid wurde durch Ver änderung der Fliessgeschwindigkeit der Bisulfit-Lösung gesteuert. Das Produkt wurde aufgearbeitet, indem man das Endgemisch mehrere Male mit Methylenchlorid extrahierte, dann das Methylenchlorid im Vakuum durch Destillation bei 700 C und 10 Torr. während eines Zeitraums von 20 min entfernte. Der Rückstand wurde durch Gas-flüssig-Chromatographie, Kernresonanzmessung sowie nasse Analysen analysiert. Die Ergebnisse einer breiten Versuchsreihe sind in Tabelle I wiedergegeben.
Der Ersatz von Kupfer-I-chlorid durch Kupfer-IIsulfat als Katalysator ergab keinen erkennbaren Unterschied in den Ergebnissen.
Tabelle I
Versuch I Versuch II Versuch III Versuch IV Molverhältnis: NaHSO3/2,2-Dichlor-N-methyl- 2,03 0,96 1,67 1,08 acetoacetamid Verweilzeit (Minuten) 10 15 15 15 Reaktionstemperatur (O C) 83 84-87 8486 85-90 Analyse des Reaktionsproduktes (Gew.%) 2-Chlor-N-methylacetoacetamid 92,2 92,4 92,9 91,5 2,2-Dichlor-N-methylacetoacetamid 4,2 3,5 4,3 3,9 N-Methylacetoacetamid 3,2 3,5 2,5 3,5 2,2-Dichlor-N-methylacetamid 0,4 0,3 0.3 0,7
Beispiel 3
Unter Anwendung des in Beispiel 2 beschriebenen Verfahrens wurde 2,2-Dichlor-N-methylacetoacetamid zu 2-Chlor-N-methylacetoacetamid dechloriert, wobei Kupfer-I-chlorid als Katalysator Natriumbisulfit als Reduktionsmittel und Wasser als Protonen liefernde Flüssigkeit verwendet wurden.
Das Acetoacetamid wurde mit Wasser bei den angegebenen Bedingungen vermischt, so dass sich 0,95 Mol des Acetoacetamids pro Liter Wasser ergaben. Die Ergebnisse gehen aus Tabelle II hervor.
Tabelle II Dichlorverbindung Reaktionszeit Dichlorverbindung Monochlorverbindung nichtchlorierte Verbindung Reaktionstemperatur Reaktionszeit im Produkt im Produkt im Produkt
C C Stunden Gew.% Gew.% Gew.%
85 0,5 35 65 0
85 1 26 74 < 1
85 2 18,2 82 0
85 2 a 14,4 85 0,6
85 3 7,5 92 0,6
85 1b 23,8 75 1,2 a Das Produkt wurde durch kontinuierliche Extraktion isoliert, und es wurde ein Überschuss von 20% Natrium bisulfit verwendet.
b Die Natriumbisulfitlösung wurde über einen Zeitraum von 1 h tropfenweise zugesetzt.
Beispiel 4
Unter Anwendung der in Beispiel 3 beschriebenen Verfahrensweise wurde ein Chlorierungsprodukt von N-Methylacetoacetamid, das 15 Gew.% 2,2-Dichlorund 85 Gew. 2-Monochlor-N-methylacetoacetamid enthielt, unter Verwendung von Kupfer-I-chlorid als Katalysator und Natriumbisulfit als Reduktionsmittel dechloriert. Das ursprüngliche Gemisch wurde am Anfang mit genügend Wasser vermischt, so dass sich die in Tabelle III angegebene Konzentration an 2,2Di- chlor-N-mFetlhyliaceteacetSamid ergab, bei der die Ergebnisse beschrieben sind.
Tabelle III Reaktions- Reaktionszeit Konzentration der Dichlorverbindung Monochlorverbindung nichtchlorierte Verbindung temperatur Reaktionszeit Dichlorverbindung im Produkt im Produkt im Produkt oC Stunden Mole/Liter Wasser Gew.% Gew.% Gew.%
85 2,5 a 0,31 2 97 1
85 2,5b 0,92 < 1 98 2 Das Natriumbisulfit wurde über einen Zeitraum von 1 h tropfenweise zugesetzt.
b Das Natriumbisulfit wurde über einen Zeitraum von 1,5 h tropfenweise zugesetzt.
Beispiel 5
Unter Anwendung derselben Arbeitsweise wie in Beispiel III und Verwendung eines im wesentlichen reinen 2,2-Dichlor-N-methylacetolacetamids sowie von Vanadin-II-chlorid und Chrom-II-chlorid als Katalysator, Natriumbisulfit als Reduktionsmittel und Wasser als die Protonen abgebende Flüssigkeit, wurden die in Tabelle IV zusammengestellten Ergebnisse erhalten, Die Reaktionstemperatur betrug 850 C, die Katalysatormenge 10 Gew.% des Dichloracetoacetamids.
Tabelle IV
Reaktionszeit Dichlorverbindung Monochlorverbindung Katalysator Stunden im Produkt, Mol % im Produkt, Mol % Vanadium-II-chlorid 2 63 37 Chrom-II-chlorid 1 80 20
Beispiel 6
Setzt man die im folgenden beschriebenen Ansätze nach einem im wesentlichen zu Beispiel 3 ähnlichen Verfahren um, so erhält man die in der rechten Spalte angegebene Produkte.
Ausgangs-2,2-Dihalogen- Reduktionsmittel Katalysator Produkt verbindung
EMI7.1
<tb> <SEP> O <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> <SEP> 1 < <SEP> II <SEP> II
<tb> CH3C <SEP> C <SEP> C12CNH2 <SEP> Natriummetabisulfit <SEP> Kupfer-II-chlorid <SEP> CH3C <SEP> C <SEP> H <SEP> ClCNH2
<tb> <SEP> O <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> <SEP> II <SEP> II <SEP> II
<tb> C <SEP> H3C <SEP> C <SEP> Ol2C <SEP> N <SEP> HC <SEP> 2H5 <SEP> Natriummetabisulfit <SEP> Kupfersulfat <SEP> CH2C <SEP> CHClCNHC2H5
<tb> <SEP> O <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> <SEP> 1 <SEP> I/ <SEP> II
<tb> CH3C <SEP> C <SEP> Cl <SEP> C <SEP> NH <SEP> C4H9 <SEP> Natriummetabisulfit <SEP> Kupfer-II-chlorid <SEP> CH3CCHCICNHC4H9
<tb> <SEP> O <SEP> O <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> CH3C <SEP> C <SEP> 12C <SEP> N(CH3)2 <SEP> Natriumbisulfit <SEP> Kupfersulfat <SEP> CH3CCHClCN(CHs)2
<tb> <SEP> O <SEP> O <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> <SEP> II <SEP> II <SEP>
II
<tb> CH3CC]2CN(C2H5)2 <SEP> Natriumthiosulfat <SEP> Kupfer-II-chlorid <SEP> C <SEP> H3C <SEP> C <SEP> H <SEP> ClC <SEP> N(C2H5)2
<tb>
Beispiel 7
Da die Chlorierung von Acetoacetamiden normalerweise in Gegenwart eines halogenierten Alkans, z.B.
Methylenchlorid, durchgeführt wird, wurde ein Versuch gefahren, um sicherzustellen, ob die Gegenwart eines solchen Materials irgendeinen nachteiligen Einfluss auf die D ehalogenierungsreaktion hat. N-Methylacetoacetamid wurde in einem Gemisch aus Methylenchlorid und Wasser chloriert. Nach Beendigung der Chlorierung versetzte man das Rohprodukt bei Raumtemperatur mit einem Kupfer-I-chlorid-Schlamm und verschloss das Reaktionsgefäss für ein Druckverfahren. Das Gemisch wurde innerhalb 25 min auf 850 C erwärmt, so dass sich im Reaktor ein Druck von 5,5 atm ergab. Über einen Zeitraum von 30 min wurde wässriges Natriumbisulfit in den Reaktor eingepumpt.
Das Gemisch wurde für weitere 2 Stunden auf 80 bis 850 C gehalten, dann auf Raumtemperatur abgekühlt und in seine Phasen getrennt, und die wässrige Phase wurde viermal mit Methylenchlorid, und zwar in einem Verhältnis von 1 Volumen Methylenchlorid auf je 2 Volumina wässrige ger Phase, extrahiert. Die wässrige Phase und der Feststoff aus der Methylenchlorid-Phase wurden untersucht.
Der ursprüngliche Ansatz enthielt 868 Teile N-Methylenacetoacetamid, 457 Teile Wasser und 6807 Teile Methylenchlorid. Es wurden 10 Teile Kupfer-I-chlorid in 252 Teilen Wasser und 113 Teile Natriumbisulfit in 841 Teilen Wasser verwendet.
Analyse des Produktes: wässrige Phase (4220 Teile):
N-Methylacetoacetamid; 0,41 Gew.S
2-Chlor-N-methylacetoacetamid; 0,81 Gew.% feste Phase (1165 Teile):
N-Methylacetoacetamid; 1 Gew.%
2-Chlor-N-Methylacetoacetamid; 94 Gew.% 2.2-Dichlor-N-Methylacetoacetamid; 5 Gew.%
Ausbeute an 2-Chlor-N-methylacetoacetamid, bezogen auf eingesetztes Methylacetoacetamid: 90 %.
Beispiel 8
Das Verfahren des Beispiels 7 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass Schwefeldioxyd anstelle von Natriumbisulfit verwendet wurde. Das Einleiten des Schwefeldioxyds in das Reaktionsgefäss dauerte 15 min lang. Der ursprüngliche Ansatz enthielt 975 Teile N Methylacetoacetamid, 457 Teile Wasser und 6807 Teile Methylenchlorid. 10 Teile Kupfer-I-ciiiorid in 252 Teilen Wasser und 70 Teile Schwefe1dioxyd in 841 Teilen Wasser wurden verwendet.
Analyse des Produktes: wässrige Phase (3380 Teile)
N-Methylacetoacetamid; 1,4 Gew.%
2-Chlor-N-methylacetoacetamid; 0,33 Gew.% feste Phase (1149 Teile):
N-Methylacetoacetamid; 1 Gew.%
2-Chlor-N-methylacetoacetamid; 95 Gew.%
2,2-Dichlor-N-methylacetoacetamid; 4 Gew.%
Ausbeute an 2-Chlor-N-methylacetoacetamid, bezogen auf das eingesetzte N-Methylacetoacetamid: 87 %.
Process for converting a dihalo compound into a monohalo compound
The invention relates to the selective removal of a halogen atom in the conversion of a dihalo compound to a monohalo compound.
The dialkyl-2-carbamylvinyl-phosphates described in U.S. Patent No. 2802,855 form an important class of insecticides. As can be seen from this patent, such phosphates are normally prepared by reacting the appropriate trialkyl phosphite with the appropriate 2-haloacetoacetamide. If the corresponding 2,2-dihaloacetoacetamide is present, it also reacts to form the corresponding dialkyl-2-halo-2-carbamyl vinyl phosphate. The presence of these latter compounds in the product is undesirable because it has the undesirable properties of reduced insecticidal activity and increased toxicity to mammals compared to the desired non-halogenated phosphate.
It is therefore highly desirable that the 2-haloacetoacetamide is as free as possible from the corresponding 2,2-dihaloacetoacetamide.
Technically, the 2-haloacetoacetamides were prepared in a conventional manner by halogenating the corresponding acetoacetamides. It turned out, however, that it is very difficult in practice to avoid the formation of the corresponding 2,2-dihaloacetoacetamides. Indeed, when the starting material is an N-monoalkylacetoacetamide it has been found impossible to avoid the formation of substantial amounts of 2,2-dihalo-N-alkylacetoacetamide. It has also been found that the selective removal of the dihalo compound by physical methods is very difficult and expensive because the physical properties of the dihalo compound are very similar to those of the monohalo compound.
Although methods have been developed to improve the selectivity of halogenation of acetoacetamide, some amount of the dihalogen impurity is formed even with the most favorable method, and in the case of the N-monoalkylacetoacetamides, quite a lot of the dihalogen impurity is formed even with the best halogenation methods. Therefore, there is a real need for a process for making 2-monohaloacetoacetamides containing less of the corresponding 2.2 dihaloacetoacetamides than before, without resorting to difficult and expensive physical processes to remove the dihalo impurities from the corresponding monohalo products got to.
Such a method has now been found. The according to fulfilling: process for converting a dihalogen compound into the monohalogen compound is accordingly characterized in that one is connected to the grouping
EMI1.1
in which X is halogen, with a salt of a transition metal which is capable of forming cations of various valences, the cation operating in a lower valence stage, in the presence of a proton-producing liquid. When a 2,2-dihaloacetoacetamide is treated in this manner, it is converted to the 2-monohaloacetoacetamide as essentially the only product. The reaction was found to be highly selective.
The reaction is of a very general nature and can be applied to all compounds with two carbonyl groups.
The reaction should proceed according to the following equation:
EMI1.2
ROHX + (MOR ') + H (mm) + (I) in the RX, the dihaloacetoacetamide, ROHX the monohaloacetoacetamide, M represents a transition metal which is capable of forming the monovalent cation M + and the divalent cation M ++, and where R 'OH is the proton-supplying liquid, R' is a hydrogen atom or an organic radical and X is a halogen.
It has also been found that this selective removal of one of the halogen atoms of the dihaloacetoacetamide can be effected from the start in the presence of the corresponding monohaloacetoacetamide. This discovery allows the direct preparation of a crude product from the halogenation of an acetoacetamide that contains both mono- and dihaloacetoacetamide without first having to separate the two amides.
It has also been found that this selective dehalogenation occurs in the presence of substantial amounts of a water-immiscible liquid, e.g. B. a halogenated alkane can be carried out.
Since the halogenation of acetoacetamides normally occurs in the presence of such liquids, e.g. Methylene chloride, this additional discovery allows the dehalogenation to be carried out without removing any water-immiscible liquid used in the halogenation.
Furthermore, it was found that the desired reaction proceeds in a wide range of pH conditions, in particular under acidic conditions. Since the final crude reaction mixture from the halogenation of acetoacetamide is usually acidic (it contains the hydrohalic acid corresponding to the halogen), this discovery allows the process to be applied to the final crude reaction mixture without prior neutralization.
An essential feature of the process is the cation used. This must be a cation of certain transition metals which are capable of forming cations of different valences, the cation used in the process according to the invention being one in which the metal is in a lower valence state, i.e. H. the cation does not have to be one in which the metal is present in the highest possible valency level.
It was found that such cations essentially react according to equation I, the cation being converted (oxidized) into a cation of the transition metal of higher valence. This cation is hereinafter referred to as the oxidized cation. In order to clearly differentiate the two types of cations used, the lower valence cation which is used in carrying out the process according to the invention is referred to below as the reduced cation for the sake of brevity.
Another essential feature of the process is the use of a proton-donating liquid, as this will use the hydrogen to replace the hydrogen from the dihalo compound, e.g. B. the 2,2-dihaloacetoacetamide, provides remote halogen. Liquids which donate protons and which are suitable for the purposes of the invention are considered to be those liquids which donate protons and thereby create hydrogen to replace the halogen removed from the dihaloacetoacetamide. An important member of this class of liquids in the process according to the invention is water, while essential subclasses are the alcohols and carboxylic acids, and of these last-mentioned subclasses the alkanols and alkane monocarboxylic acids are of particular interest.
It has now been found that the oxidized cation is in situ, i.e. H. both in the presence of the mono- and the dihaloacetoacetamides, can be converted, without interaction with or without adverse effect on the desired reaction when using reducing agents for the oxidized cation.
It has also been found that by including such a reducing agent in the reaction mixture, the required amount of reduced cation can be kept much less than the stoichiometric amount required to convert all of the dihaloacetoacetamide. Obviously, the reducing agent reforms a reduced cation from the oxidized cation once the former is formed, and the reformed reduced cation continues to convert dihaloacetoacetamide.
When the process is carried out in this manner, the amount of reduced cation approaches that which is ordinarily required when using a catalyst. When the process is carried out using the decreased amount of cation and when the reducing agent is used, the cation is referred to as a catalyst in a sense, the amount used being referred to as the catalytic amount and the reaction being referred to as the catalytic reaction. It was found that in the absence of the cation, when the reducing agent was added, the desired reaction did not proceed to a considerable extent or at a corresponding speed.
It was also found that, in the overall view, the cation can be viewed as remaining unchanged in the system, the cation being present in the end product in the reduced form and only being present temporarily during the reaction in the higher valence level. If the oxidized cation is not reduced in situ and if at least the amount of reduced cation required for the theoretical reaction with the total dihaloacetoacetamide is used, then the reduced cation is referred to as a reactant, its amount as the theoretical or stoichiometric amount and the Reaction finally called the stoichiometric reaction.
The discovery that the oxidized cation can be reduced in situ, and consequently a catalytic amount of the cation can be used, allows the use of an often very advantageous and often substantially less laborious process in which a smaller amount of the reduced cation with the Dihaloacetoacetamide, the proton-donating liquid and the reducing agent is mixed. This aspect of the invention can often be advantageous in terms of the process, since with a suitable selection a reducing agent can be used which leads to a by-product which can be separated more easily from the final reaction mixture than the salt of the oxidized cation.
The otherwise necessary discarding of the oxidized cation or the reduction of the oxidized cation in a separate zone can thus be avoided, and the facilities required for the process can be significantly reduced.
According to a preferred feature of the process according to the invention, a 2,2-dihaloacetoacetamide (which can be mixed with the corresponding 2-haloacetoacetamide) is mixed with a smaller amount of a reduced cation of a transition metal specified above, a proton-donating liquid and a reducing agent of the type specified above .
The 2,2-dihaloacetoacetamides considered as starting materials for the process according to the invention can be represented by the following formula:
EMI3.1
in which each R is a hydrogen atom or a lower alkyl group having 1 to 4 carbon atoms and each X is a medium halogen, i. H. Chlorine or bromine.
The process according to the invention also appears to be applicable to amides of the following structure:
EMI3.2
in which the right CO group is connected directly to the amido nitrogen atom. A particular advantage of the method is the fact that the attack on the first carbon-halogen bond occurs without noticeable attack on the second carbon-halogen bond or on any other possible reactive bonds of the molecule, such as those of the neighboring nitrogen atom .
Both substituted and unsubstituted dihaloacetoacetamides can be successfully converted into the corresponding monohalogen compounds by the process according to the invention. Examples of compounds not substituted on the nitrogen atom are:
2,2-dichlorobutyroacetamide
2,2-dibromo valeroacetamide
2-chloro-2-bromoacetoacetamide
2,2-dichloroisobutyroacetamide
2,2-dichloroacetoacetamide
2,2-dichloro-sec-butyroacetamide
Examples in which two alkyl groups with 1 to 4 carbon atoms are attached to the nitrogen are:
:
2,2-dichloro-N, N-dimethylacetoacetamide 2,2-dibromo-N, N-diethylpropioacetamide
2-chloro-2-bromo-N, N-dimethylacetoacetamide
2,2-dichloro-N-methyl-N-ethylacetoacetamide 2,2-dichloroN, N-idibutyl.valeroacetamide
2,2-dichloro-N, N-diisopropylacetoacetamide
As has already been said, the process according to the invention can be used in particular for the preparation of 2-halo-N-alkylacetoacetamides from 2, 2-dihalo-N-alkyl acetoacetamides, in particular because of the large amounts of the latter, which are invariable during halogenation are formed by N-alkylacetoacetamide.
These 2,2-dihalo-N-alkylacetoacetamides have the general formula
EMI3.3
in which R and X each have the corresponding meanings already given and R1 is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. Typical compounds of this class are:
2,2-dichloro-N-methylbutyroacetamide 2,2-dibromo-N-ethylvalero acetamide
2-chloro-2-boron-N-methylacetoacetamide
2,2-dichloro-N-isopropyl-sec-butyroacetamide 2,2-dichloro-N-butylacetoacetamide
2,2-dibromo-N-isobutylacetoacetamide
2,2-dichloro-N-sec-butylacetoacetamide
2,2-dichloro-N-methylacetoacetamide
The most important compounds in this subclass are 2,2-dichloroacetoacetamides in which all R substituents are hydrogen and in which R1 is an alkyl group attached to the amido nitrogen atom.
These 2,2-dichloro-N-alkylacetoacetamides have the general formula:
EMI3.4
The most important compound of these is 2,2-dichloro-N-methylacetoacetamide.
It has already been mentioned that the reduced cation must be a lower valence cation from a transition metal that is capable of forming cations of different valences. In addition, it is highly desirable that the halogen salts of both the lower valency cation (reduced cation) and the higher valency cation (oxidized cation) be at least somewhat soluble in the proton-donating liquid. In accordance with agreement, these metals, which are capable of forming different valencies, are referred to as polyvalent metals.
In the sense used here, this term is understood to mean not only metals that can form cations with a valency greater than 1 (although such metals fall under the meaning of the term), but this term defines metals that are used to form cations of different Are qualified. As used herein, the copper is a polyvalent metal because it can form the copper I ion (Cu +) and the copper II ion (Cu ++). Suitable metals include vanadium, chromium, manganese, iron, titanium, mercury, cobalt and copper.
Corresponding reduced cations are V ++, Cr + Mn + +, Fe + +, Ti + ++++++ +, Hg +, Co + + and Cu +. While any salts of these cations which are somewhat soluble in water and / or other proton donating liquids are suitable, the halogen salts are more preferred for reducing the number of anions in the reaction mixture, and particular care is taken for the same reason that the halogen of the cation salt is the same as the halogen of the 2,2-dihalo-acetoacetamide reactant. In the process according to the invention, the copper salts are particularly preferred because of the high activity of the copper ion and because suitable copper salts are readily available commercially. If the process according to the invention is carried out stoichiometrically, the reduced cation must be used.
If the process according to the invention is carried out catalytically, either the reduced cation or the oxidized cation can be used, the oxidized cation being reduced in situ by the reducing agent.
Water is the preferred proton-donating liquid because it gives off hydrogen easily, the reduced cations are highly active in its presence and its physical properties, especially its properties as a solvent with regard to the halogen salts of the corresponding transition metal cations, are suitable for its use as a liquid reaction medium and as a reactant . Other suitable proton-donating liquids include alcohols and carboxylic acids, and of these in turn the alkanols and alkane monocarboxylic acids up to 6 carbon atoms, typical representatives of this class include: methanol, ethanol, n- and isopropyl alcohols, the various isomeric butyl, amyl and hexyl alcohols, acetic acid, propionic acid, butyric acid and the like.
Mixtures of these liquids, which can even be preferred in special cases, are also suitable. The choice of the particular proton-yielding liquid or liquids in any particular case depends largely on solubility relationships, taking into account the particular dichloroacetoacetamide to be reacted and the particular salt of the transition metal cation to be used. In general, it appears advantageous to include water in the reaction mixture even when one or more of the other proton donating liquids are used. The appropriate quantities of the liquid or
Liquids should be chosen to provide optimal solvent capacity for the dihaloacetoacetamide reactant, and particularly for the transition metal salt used. In most cases it is desirable that the liquid reaction medium consist of at least 50% water. If water is present and, furthermore, another proton-donating liquid is used, then the desire arises that the liquid is miscible with water to a substantial extent, preferably completely. However, it is also permissible, and in some cases even desirable, to include in the reaction mixture a substantial amount of an inert liquid immiscible in water, for example a chlorinated alkane. Examples are methylene chloride, carbon tetrachloride, chloroform and the like.
This liquid can be entrapped to effect selective removal of the monohaloacetoacetamide product from the aqueous phase of the reaction mixture.
If a reducing agent is used to regenerate the reduced cation from the oxidized cation in situ in the reaction mixture, this agent must of course be one which effects the regeneration, and it must also be such that it does not cause undesired side reactions or promotes.
In either case, the material used to regenerate the reduced cation must be a redox potential that is more positive than the redox potential required to regenerate the cation; d. H. In a table of standard oxidation-reduction potentials, such as those found in the various editions of the Reference Book of Inorganic Chemistry by Latimer and Hildebrand and in other books, the pair used for the oxidation-reduction of the appropriate reducing agent must be above the pair which is used for oxidation-reduction the regeneration of the reduced cation.
Since the various dihaloacetoacetamides vary somewhat in their sensitivity to the reagents used, the choice of reducing agent also depends to a considerable extent on the particular dihaloacetoacetamide to be treated. Examples of reducing agents that can be used for the class of dihaloacetoacetamides and transition metal cations are sulfite ion, bisulfite ion, thiosulfate ion, sulfides and metals such as alkali metals, alkaline earth metals, tin, zinc and magnesium. The sulfite, bisulfite and thiosulfate ions can be formed from the corresponding alkali and / or alkaline earth salts. Sulphite and bisulphite ions can also be produced from sulfur dioxide. A sulfide ion is best formed from hydrogen sulfide.
Because of their high effectiveness and their solubility in the preferred aqueous reaction mixtures, the alkali metal bisulfites, in particular sodium and potassium bisulfites, and also sulfur dioxide and hydrogen sulfide are preferred.
The amount of transition metal cation which has to be added depends on whether the process according to the invention is carried out stoichiometrically or catalytically. As shown in Equation I, theoretically 2 equivalents of the cation must be used per 1 mole of dihaloacetoacetamide to be treated. As a result, in the case of a stoichiometric procedure, at least 2 equivalents of cation must be added to 1 mol of the dihaloacetoacetamide.
In order to ensure that the reaction proceeds to completion, it is generally desirable, as has been shown, to use a moderate excess of the cation over the theoretical amount. In general, an excess of at least 100% should be added and in most cases a 2 to 4 fold excess is desirable. In most cases, a more than 6-fold excess is not desired, since the results are not better than with a small excess, and since the larger amount of cation unfavorably makes obtaining the desired product more difficult.
If the process is carried out catalytically, the amount of cations added is advantageously between about 0.005 equivalent to about 0.5 equivalent per mole of dihaloacetoacetamide. In general, best results are obtained using 0.02 to about 0.15 equivalent of cation per mole of dihaloacetoacetamide.
Whether the process according to the invention is carried out stoichiometrically or catalytically, the proton-donating liquid always acts as a reactant, and consequently at least the amount must be added which is theoretically necessary to create enough hydrogen to replace the halogen removed from the dihaloacetoacetamide. From equation I it can be seen that this requires at least 1 equivalent of proton-yielding liquid for 1 mole of treated dihaloacetoacetamide; H. thus a total of 1 mol of water, alkanol and / or alkanemonocarboxylic acid to 1 mol of dihaloacetoacetamide. Here, too, it is expedient to use an excess, since this does not adversely affect the reaction and ensures that the reaction proceeds completely.
Furthermore, the proton-supplying liquid can also be used with advantage as a liquid reaction medium in almost all cases. At least a 2-fold and preferably a 3 or 4-fold or even a larger excess is used. In most cases, the maximum amount is only given by reducing the rate of the reaction resulting from excessive dilution of the reactants.
Indeed, the reducing agent used, if any, also acts as a reagent. If, for example, bisulfite ion is used as a reducing agent, the reaction can be written as follows: ROXa + (HSO2) - + R'OH
EMI5.1
ROHX + R'OSO3 + X- II where the symbols R, R 'and X have the corresponding meanings from equation I. As a result, at least 1 equivalent reducing agent must be used for every 1 mole of dihaloacetoacetamide.
One way, and in many cases the most convenient way of carrying out the process according to the invention, is to mix the dihaloacetoacetamide, the transition metal salt and the proton-donating liquid and then add the reducing agent, the extent and to a large extent the rate of the reaction being controlled by the The rate at which the reducing agent is added is controlled. In such a case, the reaction can be carried out largely like a titration, the reducing agent being added until the desired reaction has ended. In such cases, a small or no excess of reducing agent is required.
However, even in such cases and generally also when other techniques are used to carry out the reaction, a slight to moderate excess, for example an excess of 25 to 100%, of reducing agent is advantageous in order to ensure that the desired reaction is complete. In most cases, an excess of more than 200% has proven to be undesirable, since such a large excess is not necessary and this also makes it rather difficult to obtain the desired product.
The inventive method is generally best carried out at temperatures slightly or moderately above room temperature, for example at temperatures between about 30 and 1000 C. As has been shown, it is usually best to keep the reaction temperature between 35 and 850 C, temperatures im The lower part of this range are more appropriate when the reaction is carried out stoichiometrically. The process can be carried out at atmospheric or elevated pressure, as in the case in which sulfur dioxide or some other gaseous reducing agent is used. The process can be carried out batchwise, semi-batchwise, or continuously.
The reactants (and the catalyst used, if any) can be added in any desired order, although, as already mentioned, when carrying out the process catalytically, it is advisable to mix the dihaloacetoacetamide, the catalyst and the proton-donating liquid then only add the release agent.
After the dihaloacetoacetamide has been converted to the desired monohaloacetoacetamide to the required extent, the monohaloacetoacetamide formed can be separated from the reaction system by any of a variety of conventional methods known to those skilled in the art. Such methods include, for example, fractional distillation, solvent extraction, crystallization and the like. Since the product is organic in nature, it can be extracted very conveniently from the aqueous system by extraction with a liquid which is immiscible in water and in which the monohaloacetoacetamide is soluble.
Suitable extractants are, for example, chloroform, carbon tetrachloride and methylene chloride. If necessary, several successive extractions can be carried out in order to achieve the desired degree of separation. In some cases it has been found to be desirable and expedient to include such a water-immiscible liquid in the reaction mixture in order to thereby effect the separation of the monehalogenoacetoacetamlide from the aqueous part of the reaction mixture immediately after its formation.
The invention is explained in more detail by means of the following examples. In the examples, the quantities given are parts by weight, unless stated otherwise.
example 1
A solution of 10% by weight of 2,2-dichloro-N-methylacetoacetamide in 1N hydrochloric acid was mixed with a sufficient amount of a solution of cuprous chloride slurried in a small amount of 1N hydrochloric acid, as follows that there were 6 moles of copper I chloride for 1 mole of the acetoacetamide. The mixture was heated to 550 ° C. and held at this temperature for 30 minutes. This gave an essentially quantitative conversion of the 2,2 dichloro-N-methylacetoacetamide to 2-chloro-N-methylacetoacetamide.
The experiment was repeated using 2-chloro-N-methylacetoacetamide as the starting reactant. Essentially no conversion of the 2-chloro-N-methylacetoacetamide to the non-chlorinated N-methylacetoacetamide or any other product was observed.
In this work, the solution was acidified to simulate the acidic product that could have been obtained from the chlorination of the N-methylacetoacetamide.
Example 2
A mixture of 2,2-dichloro- and 2-chloro-N-methylacetoacetamides, which was obtained by chlorinating N-methylacetoacetamide, was treated in the catalytic manner of the method according to the invention. The mixture, which contained 5.2% N-methylacetoacetamide, 76.7% 2-chloro-N-methylacetoacetamide and 18.1X 2,2-dichloro-N-methylacetoacetamide (wt. S), was treated with cuprous chloride (10 wt. Of the 2,2-dichloro-N-methylacetoacetamide) slurried, and heated to 850.degree. 7.5% by weight of an aqueous sodium bisulfite solution was then added to the mixture as quickly as possible, the temperature of which was kept at 850.degree.
The residence time in the reaction vessel and the molar ratio of sodium bisulfite / dichloroacetoacetamide were controlled by changing the flow rate of the bisulfite solution. The product was worked up by extracting the final mixture several times with methylene chloride, then the methylene chloride in vacuo by distillation at 700 ° C. and 10 torr. removed over a period of 20 minutes. The residue was analyzed by gas-liquid chromatography, nuclear magnetic resonance measurement and wet analyzes. The results of a broad series of tests are shown in Table I.
The replacement of copper (I) chloride by copper (II) sulfate as a catalyst gave no discernible difference in the results.
Table I.
Experiment I Experiment II Experiment III Experiment IV Molar ratio: NaHSO3 / 2,2-dichloro-N-methyl- 2.03 0.96 1.67 1.08 acetoacetamide Residence time (minutes) 10 15 15 15 Reaction temperature (OC) 83 84- 87 8486 85-90 Analysis of the reaction product (% by weight) 2-chloro-N-methylacetoacetamide 92.2 92.4 92.9 91.5 2,2-dichloro-N-methylacetoacetamide 4.2 3.5 4.3 3.9 N-methylacetoacetamide 3.2 3.5 2.5 3.5 2.2-dichloro-N-methylacetamide 0.4 0.3 0.3 0.7
Example 3
Using the procedure described in Example 2, 2,2-dichloro-N-methylacetoacetamide was dechlorinated to 2-chloro-N-methylacetoacetamide using copper (I) chloride as the catalyst, sodium bisulfite as the reducing agent and water as the proton donating liquid.
The acetoacetamide was mixed with water under the specified conditions so that 0.95 mol of the acetoacetamide per liter of water resulted. The results are shown in Table II.
TABLE II dichloro compound reaction time dichloro compound monochloro compound non-chlorinated compound reaction temperature reaction time in product in product in product
C C hours wt.% Wt.% Wt.%
85 0.5 35 65 0
85 1 26 74 <1
85 2 18.2 82 0
85 2 a 14.4 85 0.6
85 3 7.5 92 0.6
85 1b 23.8 75 1.2 a The product was isolated by continuous extraction and an excess of 20% sodium bisulfite was used.
b The sodium bisulfite solution was added dropwise over a period of 1 hour.
Example 4
Using the procedure described in Example 3, a chlorination product of N-methylacetoacetamide containing 15% by weight 2,2-dichloro and 85% by weight 2-monochloro-N-methylacetoacetamide was prepared using cuprous chloride as a catalyst and sodium bisulfite dechlorinated as a reducing agent. The original mixture was initially mixed with enough water to give the concentration of 2,2dichloro-N-mFetlhyliaceteacetSamid given in Table III, for which the results are described.
Table III Reaction reaction time concentration of the dichloro compound monochlorine compound non-chlorinated compound temperature Reaction time dichloro compound in the product in the product in the product oC hours moles / liter water% by weight% by weight% by weight
85 2.5 a 0.31 2 97 1
85 2.5b 0.92 <1 98 2 The sodium bisulfite was added dropwise over a period of 1 hour.
b The sodium bisulfite was added dropwise over a period of 1.5 hours.
Example 5
Using the same procedure as in Example III and using an essentially pure 2,2-dichloro-N-methylacetolacetamide as well as vanadium-II-chloride and chromium-II-chloride as catalyst, sodium bisulfite as reducing agent and water as the proton-donating liquid, the results compiled in Table IV were obtained. The reaction temperature was 850 ° C., the amount of catalyst was 10% by weight of the dichloroacetoacetamide.
Table IV
Reaction time dichloro compound monochloro compound catalyst hours in the product, mol% in the product, mol% vanadium-II-chloride 2 63 37 chromium-II-chloride 1 80 20
Example 6
If the approaches described below are implemented by a method essentially similar to Example 3, the products indicated in the right-hand column are obtained.
Starting 2,2-dihalo reducing agent catalyst product compound
EMI7.1
<tb> <SEP> O <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> <SEP> 1 <<SEP> II <SEP> II
<tb> CH3C <SEP> C <SEP> C12CNH2 <SEP> sodium metabisulphite <SEP> copper (II) chloride <SEP> CH3C <SEP> C <SEP> H <SEP> ClCNH2
<tb> <SEP> O <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> <SEP> II <SEP> II <SEP> II
<tb> C <SEP> H3C <SEP> C <SEP> Ol2C <SEP> N <SEP> HC <SEP> 2H5 <SEP> sodium metabisulphite <SEP> copper sulphate <SEP> CH2C <SEP> CHClCNHC2H5
<tb> <SEP> O <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> <SEP> 1 <SEP> I / <SEP> II
<tb> CH3C <SEP> C <SEP> Cl <SEP> C <SEP> NH <SEP> C4H9 <SEP> sodium metabisulphite <SEP> copper (II) chloride <SEP> CH3CCHCICNHC4H9
<tb> <SEP> O <SEP> O <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> CH3C <SEP> C <SEP> 12C <SEP> N (CH3) 2 <SEP> sodium bisulfite <SEP> copper sulfate <SEP> CH3CCHClCN (CHs) 2
<tb> <SEP> O <SEP> O <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> <SEP> II <SEP> II <SEP>
II
<tb> CH3CC] 2CN (C2H5) 2 <SEP> sodium thiosulphate <SEP> copper (II) chloride <SEP> C <SEP> H3C <SEP> C <SEP> H <SEP> ClC <SEP> N (C2H5) 2
<tb>
Example 7
Since the chlorination of acetoacetamides normally takes place in the presence of a halogenated alkane, e.g.
Methylene chloride, an experiment was run to determine whether the presence of such material had any adverse effect on the dehalogenation reaction. N-methylacetoacetamide was chlorinated in a mixture of methylene chloride and water. After the chlorination was complete, the crude product was mixed with a copper (I) chloride sludge at room temperature and the reaction vessel was closed for a printing process. The mixture was heated to 850 ° C. over a period of 25 minutes, so that a pressure of 5.5 atm resulted in the reactor. Aqueous sodium bisulfite was pumped into the reactor over a period of 30 minutes.
The mixture was kept at 80 to 850 C for a further 2 hours, then cooled to room temperature and separated into its phases, and the aqueous phase was washed four times with methylene chloride, in a ratio of 1 volume of methylene chloride to 2 volumes of aqueous phase, extracted. The aqueous phase and the solid from the methylene chloride phase were examined.
The original batch contained 868 parts of N-methylene acetoacetamide, 457 parts of water and 6807 parts of methylene chloride. 10 parts of copper (I) chloride in 252 parts of water and 113 parts of sodium bisulfite in 841 parts of water were used.
Analysis of the product: aqueous phase (4220 parts):
N-methylacetoacetamide; 0.41 wt
2-chloro-N-methylacetoacetamide; 0.81% by weight solid phase (1165 parts):
N-methylacetoacetamide; 1 wt.%
2-chloro-N-methylacetoacetamide; 94% by weight of 2,2-dichloro-N-methylacetoacetamide; 5 wt.%
Yield of 2-chloro-N-methylacetoacetamide, based on the methylacetoacetamide used: 90%.
Example 8
The procedure of Example 7 was repeated except that sulfur dioxide was used in place of sodium bisulfite. The introduction of the sulfur dioxide into the reaction vessel took 15 minutes. The original batch contained 975 parts of N-methylacetoacetamide, 457 parts of water and 6807 parts of methylene chloride. 10 parts of copper chloride in 252 parts of water and 70 parts of sulfur dioxide in 841 parts of water were used.
Analysis of the product: aqueous phase (3380 parts)
N-methylacetoacetamide; 1.4 wt.%
2-chloro-N-methylacetoacetamide; 0.33% by weight solid phase (1149 parts):
N-methylacetoacetamide; 1 wt.%
2-chloro-N-methylacetoacetamide; 95 wt.%
2,2-dichloro-N-methylacetoacetamide; 4 wt.%
Yield of 2-chloro-N-methylacetoacetamide, based on the N-methylacetoacetamide used: 87%.