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Verfahren zur Herstellung von Nicotinsäureamid aus 3-Cyanpyridin Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Nicotinsäureamid aus 3-Cyanpyridin
durch Hydrolyse bei erhöhter Temperatur in einem wäßrigen Medium in Gegenwart eines
alkalischen Katalysators, das dadurch gekennzeichnet ist, daß als Katalysator eine
anorganische Verbindung, nämlich Magnesiumoxyd, Calcium-, Barium-oder Strontiumcarbonat,
verwendet wird, deren Löslichkeit in Wasser nicht mehr als 0,1% bei 20° C beträgt
und deren gesättigte wäßrige Lösung bei dieser Temperatur einen pH-Wert zwischen
8 und 11 besitzt, und daß die Umsetzung abgebrochen wird, bevor mehr als 80% des
3-Cyanpyridins in Nicotinsäureamid umgewandelt worden sind.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, Nicotinsäureamid durch teilweise
Hydrolyse von 3-Cyanpyridin unter Zuhilfenahme von wäßrigen Alkalilösungen herzustellen,
die eine genügende Menge von Alkaliverbindungen enthalten, um eine im Verhältnis
zu Nicotinsäure größere Menge Nicotinsäureamid zu erzeugen, ohne daß die Menge der
Alkaliverbindungen ausreicht, um eine vollständige Hydrolyse des Nicotinsäureamids
hervorzurufen. Als Alkalien wurden Ammoniak, ein Alkalihydroxyd, Alkalibicarbonat,
Alkalicarbonat, Alkaliborat, sekundäres Alkaliphosphat, Alkalinicotinat, die Salze
der Essigsäure oder anderer organischer Säuren, die Hydroxyde der Erdalkalien und
auch organische Basen wie Trimethylamin und Triäthylamin vorgeschlagen. Alle diese
alkalischen Verbindungen setzen sich jedoch mit der ihnen gleichwertigen Menge Nicotinsäureamid
unter Erzeugung eines Salzes der Nicotinsäure und Freimachung von Ammoniak um. Dies
bringt einen erheblichen Verlust des erwünschten Produktes mit sich. Fernerhin beschleunigen
diese alkalischen Stoffe die weitere Hydrolyse des Amids zu dem Ammoniumsalz, was
einen zusätzlichen Verlust an Amid bedeutet. Obgleich gute Ausbeuten nach dem bekannten
Verfahren erzielt werden können, wird wertvolles Ausgangsmaterial teilweise in unerwünschte
Verbindungen übergeführt, so daß der Wirkungsgrad unzureichend ist. Die Prozentausbeute
bedeutet im folgenden die Anzahl Mole von 3-Cyanpyridin, die in Nicotinsäureamid
übergeführt worden sind, multipliziert mit hundert und dividiert durch die Anzahl
der eingesetzten 3-Cyanpyridinmoleküle, während unter Prozentwirkungsgrad die Anzahl
der in Nicotinsäureamid umgewandelten 3-Cyanpyridinmoleküle, multipliziert mit hundert
und dividiert durch die Anzahl der verbrauchten 3-Cyanpyridinmoleküle verstanden
wird. Das Verfahren der Erfindung zur Herstellung von Nicotinsäureamid aus 3-Cyanpyridin
weist einen hohen Wirkungsgrad in bezug auf das eingesetzte 3-Cyanpyridin auf, in
dem die oben erwähnten Verluste auf ein Mindestmaß eingeschränkt sind. Während die
Ausbeuten an Nicotinsäureamid nicht zu niedrig sind und etwa 50% und mehr betragen,
beruht der Hauptwert des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem hohen Wirkungsgrad,
da nicht umgesetztes Ausgangsmaterial sich ohne Schwierigkeiten zurückgewinnen und
wieder anwenden läßt.
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Die Mengen an Katalysator können innerhalb weiter Grenzen schwanken.
Da die Katalysatoren nur spärlich in dem wäßrigen Medium löslich sind, sind generell
verhältnismäßig geringe Mengen erforderlich. Ein in dem Medium nicht gelöster und/oder
in das entsprechende Salz der Nicotinsäure umgewandelter Überschuß kann nach Beendigung
der Reaktion z. B. durch Filtrieren oder Zentrifugieren entfernt werden. Eine Konzentration
von Magnesiumoxyd im Bereiche von 1 bis 5%, berechnet auf 3-Cyanpyridin, gibt gute
Ergebnisse, während von den Carbonaten der Erdalkalien Konzentrationen von 5 bis
10% geeignet sind.
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Die Reaktion wird besonders bei Temperaturen von ungefähr 100° C durchgeführt,
damit eine zufriedenstellende
Umsetzungsgeschwindigkeit erzielt
wird. Etwas höhere Temperaturen, bis zu 130° C und mehr, lassen sich unter Anwendung
von erhöhtem Druck ebenfalls benutzen. Unter diesen Bedin-Qungen sind Umsetzungszeiten
von etwa 2 bis 20 Stunden befriedigend, je Temperatur und Katalysator.
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Der Hydrolysiervorgang kann bis zur Umwandlung von etwa 80% des 3-Cyanpyridins
in das Amid fortgesetzt werden. Doch kann man die Reaktion bei geringeren Umsetzungsgraden
abbrechen, beispielsweise nach Umsetzung von 50 bis 60%, ohne daß eine Abnahme des
Wirkungsgrades eintritt, da der Überschuß des schwach löslichen Katalysators sich
leicht aus dem Reaktionsgemisch z. B. durch Filtrieren abtrennen läßt, ehe die Abtrennung
des Nicotinsäureamids und die Wiedergewinnung des nicht umgesetzten 3-Cyanpyridins
vorgenommen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ansatzweise oder kontinuierlich
durchführen.
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Zur Isolierung des erzeugten Nicotinsäureamids und zur Wiedergewinnung
des nicht umgesetzten 3-Cyanpyridins kann man das bei der Umsetzung sich ergebende
Gemisch durch Destillation einengen, vorzugsweise nachdem man ungelösten Katalysator
entfernt hat. Das Destillat enthält unverändertes 3-Cyanpyridin, Wasser und eine
kleine Menge Ammoniak. Dies letztere läßt sich dadurch entfernen, daß man die Lösung
durch ein Ionenaustauschkunstharz hindurchschickt. Der Destillationsrückstand enthält
das Nicotinsäureamid, etwas Wasser und eine geringe Menge nicotinsaure Salze. Dieser
Rückstand kann ohne weitere Reinigung zur Darstellung von Derivaten des Nicotinsäureamids
verwendet werden. Man kann auch das Amid selbst isolieren, indem man den Rückstand
z. B. trocknet und hinterher mit einem Lösungsmittel wie Aceton extrahiert oder
das Amid z. B. aus Wasser umkristallisiert. Weiterhin kann man das bei der Hydrolyse
anfallende wäßrige Gemisch mit einem Lösungsmittel extrahieren, zweckmäßig nach
vorheriger Entfernung des ungelösten Katalysators. Für die Extraktion geeignete
Lösungsmittel sind z. B. Benzol, Toluol, Tetrachlorkohlenstofl, Benzin und Chloroform.
Diese Lösungsmittel extrahieren unverändertes 3-Cyanpyridin, das aus dem Extrakt
durch fraktionierte Destillation gewonnen werden kann, während Nicotinsäureamid
in dem wäßrigen Medium gelöst bleibt. Nicotinsäureamid läßt sich daraus durch Abdampfen
des Wassers und Ausziehen des trockenen Rückstandes mit einem Lösungsmittel, z.
B. Aceton, oder durch Umkristallisation, z. B. aus Wasser, gewinnen. Es ist auch
möglich, den Rückstand, der geringe Mengen nicotinsaurer Salze enthält, ohne weitere
Reinigung für die Darstellung von Derivaten des Nicotinsäureamids zu verwenden.
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Dadurch daß man die Hydrolyse erfindungsgemäß in Gegenwart der genannten
Verbindungen als Katalysatoren durchführt, lassen sich Wirkungsgrade der Umwandlung
von 3-Cyanpyridin in Nicotinsäureamid von 95% und mehr erzielen. Verglichen hiermit
gestatten die mehr oder weniger löslichen Katalysatoren, die bisher verwendet worden
sind, die Durchführung der Hydrolyse mit Wirkungsgraden, die sich nur auf 70 bis
80 % beliefen, während erhebliche Mengen 3-Cyanpyridin in Nicotinsäure oder ihre
Salze umgewandelt wurden. Infolgedessen weist das erfindungsgemäße Verfahren einen
wesentlichen technischen Fortschritt auf.
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In den folgenden Beispielen sind die angegebenen Teile Gewichtsteile.
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Beispiel 1 20 Teile 3-Cyanpyridin, 100 Teile Wasser und 2 Teile Magnesiumoxyd
wurden in einem geschlossenen Gefäß 6 Stunden auf 120° C erhitzt.
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Aus dem abgekühlten Reaktionsprodukt wurde Magnesiumoxyd durch Filtration
entfernt und unverändertes 3-Cyanpyridin mit Äther extrahiert. Destillation der
zurückgebliebenen Amidlösung lieferte eine Ausbeute von 58% eines bei 128° C schmelzenden
Nicotinsäureamids. Das zurückgewonnene 3-Cyanpyridin betrug 39 %, so daß der Wirkungsgrad
der Umwandlung in Nicotinsäureamid 95% war. Beispiel 2 Das Ausgangsmaterial, wie
es im Beispiel 1 benutzt wurde, wurde 20 Stunden auf 100° C erhitzt, und die Reaktionsprodukte
wurden durch Filtrieren und Abdunsten mit nachfolgendem Trocknen bei 120° C aufgearbeitet.
Die Nicotinsäureamidausbeute belief sich auf 78% und diejenige des zurückgewonnenen
3-Cyanpyridins auf 19%. Der Wirkungsgrad der Umwandlung in Nicotinsäureamid betrug
also 96 %. Beispiel 3 5 Teile 3-Cyanpyridin einer Reinheit von 96,4 0/0, 0,5 Teile
Caleiumcarbonat und 100 Teile Wasser wurden unter Rückfluß 20 Stunden erhitzt, das
sich ergebende Gemisch zur Entfernung von Calciumcarbonat filtriert und das Filtrat
bei Atmosphärendruck destilliert, bis ungefähr 80 Teile Destillat erhalten waren.
Der Rückstand wurde zur völligen Entfernung des Wassers bei 20 mm Hg auf
100'C
erhitzt. Der Rückstand stellte eine weiße feste Masse im Gewicht von
3,70 Teilen dar und wies laut Analyse einen Gehalt von 97% Nicotinsäureamid vom
F. 127° C auf.
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Fortlaufende Extraktion des Destillates mit Benzin in einem Flüssigkeit-Flüssigkeit-Extraktionsapparat
mit nachfolgender Verdunstung des Benzins lieferte 1,715 Teile nicht umgesetztes
3-Cyanpyridin. Die Ausbeute an Nicotinsäureamid betrug also 61,2% und der Wirkungsgrad
der Umwandlung von 3-Cyanpyridin in Nicotinsäureamid 950%. Beispiel 4 5 Teile 3-Cyanpyridin
(96,4% rein), 0,25 Teile Bariurncarbonat und 100 Teile Wasser wurden in einem Schüttelautoklav
5 Stunden auf 120°C erhitzt, das abgekühlte Reaktionsprodukt zur Entfernung von
Bariumcarbonat filtriert und, wie im Beispiel 3 beschrieben, zur Beseitigung von
Wasser und nicht umgesetztem Cyanpyridin destilliert. Das als Destillationsrückstand
erhaltene Nicotinsäureamid im Gewicht von 3,64 Teilen hatte den F. 126° C und einen
Gehalt von 95,8% Nicotinsäureamid. Die Ausbeute war demnach 59,5%.
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Die Wiedergewinnung von Cyanpyridin durch Extraktion, wie im Beispiel
3 beschrieben, ergab 1,905 Teile. Der Wirkungsgrad der Umwandlung des Cyanpyridins
in Nicotinsäureamid betrug also 96,1%.