DE2600541A1

DE2600541A1 - Verfahren zur carbonylierung von arylalkylhalogeniden

Info

Publication number: DE2600541A1
Application number: DE19762600541
Authority: DE
Inventors: Robert Perron
Original assignee: Rhone Poulenc Industries SA
Current assignee: Rhone Poulenc Industries SA
Priority date: 1975-01-09
Filing date: 1976-01-08
Publication date: 1976-11-25
Also published as: NL182217B; CH612412A5; JPS5195037A; US4152352A; DE2600541C3; NL7600163A; IT1054753B; GB1522721A; DE2600541B2; JPS5618587B2; NL182217C

Description

Köln, den 13. November 1975 195

Rhone-Poulenc Industries, 22, Avenue Montaigne, 75 Paris 8e (Frankreich)

Verfahren zur Carbonylierung von Arylalkylhalogeniden

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Carbonylierung von Arylalkylhalogeniden zur überwiegenden Bildung von Arylbrenztraubensäuren. Genauer betrifft die Erfindung die Carbonylierung von Arylmethy!halogeniden zur Bildung von Pheny!brenztraubensäure und Arylbrenztraubensäuren, die in dem aromatischen Teil ihrer Moleküle einen substituierten Benzolring tragen oder auch kondensierte Benzolringe, die substituiert sein können oder nicht.

Das praktische Interesse an den (/--Ketocarbonsäuren besteht wegen der Möglichkeit, durch reduzierende Aminierung oder durch selektive Hydrierung die entsprechenden cC-Aminosäuren oder σί-Hydroxysäuren herzustellen, die eine wichtige Rolle in der Biochemie spielen. So kann man aus der Pheny!brenztraubensäure Phenylalanin und die Hydroxy-2-phenyl-3-propionsäure erhalten.

Die Darstellung von Arylbrenztraubensäuren, insbesondere der Pheny!brenztraubensäure, war bereits Gegenstand einer grossen Anzahl von Arbeiten, die man wie folgt zusammenfassen

kann:

Umlagerung der Phenylglycidylsäure durch konzentrierte

Salzsäure;

Dehydratisierung der inaktiven ß-Phenylglyzerinsäure mit 5o %iger Schwefelsäure oder konzentrierter Salzsäurei

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' ν 6 D O 5 4

saure oder alkalische Hydrolyse von «*-Acetaminozinnsäuren oder o*—Benzoylaminozinnsäuren;
Hydrolyse von Äthylphenyloxalacetat;

Hydrolyse des Phenylcyanobrenztraubensäureesters oder des Mononitrils des Oxalessigsäureesters, das erhalten wurde durch Kondensation von Benzylcyanid mit Äthyloxalat oder mittels Natrium;

Kondensation des N-Diäthyloxamidsäureesters mit Benzylmagnesiumbromid;

Einwirkung von überschüssigem Pyridin auf das dibromierte Derivat von Zimtsäuremethylester und saure Hydrolyse des entstehenden o<--,ß-Dipiperidinderivats;

Oxydation des ot-Hydroxy-N-tertiobutylamids von Phenyl-3-propionsäure, hergestellt aus dem entsprechenden Cyanhydrin und saure Hydrolyse des entstandenen cc-Keto-N-tertiobutylamids.

Man stellt fest, daß die bisher vorgeschlagenen Verfahren mühsam durchzuführen sind und wegen der dabei notwendigen verschiedenen Behandlungsstufen schwierig auf den industriellen Maßstab zu übertragen sind.

Es wurde nun gefunden, daß es erfindungsgemäß möglich ist, auf einfache Weise und mit guten Ausbeuten Arylbrenztraubensäuren durch Carbonylierung von Arylmethylhalogeniden durch Kohlenoxid in einem flüssigen Lösungsmittel in Anwesenheit eines üblichen Carbonylierungskatalysators und eines geeigneten basischen Reagenzes zu erhalten.

Dieser Zugang zu den Arylbrenztraubensäuren ist überraschend. Es wurden früher schon mehrere Verfahren zur Carbonylierung von Arylmethylhalogeniden vorgeschlagen, um Arylessigsäuren zu erhalten. So wird z.B. gemäß der US-PS 3 116 3o6 die Carbonylierung von Benzyl- und Chlormethyl-1—naphtalinbromid- und chlorid mit Hilfe von Kohlenoxid (bei Atmosphärendruck oder

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unter Druck) in einem Lösungsmittel durchgeführt, das aus einer Verbindung mit einem aktiven Wasserstoff (Wasser, Alkohol, Amin, Phenol, Ammoniak) besteht, in Gegenwart eines hydrocarbonylierten Metallsalzes (Natrium-Kobalttetracarbonylat; Dinatriumeisentetracarbonylat) und einer Base (Hydroxiden, Alkali- oder Erdalkalicarbonaten, Erdalkalioxiden, tertiären Stickstoffbasen). In der BE-PS 8o7 91 ο wird die Herstellung von Phenylessigsäuren, para-Chlorphenylessigsäuren und para-Methylphenylessigsäuren durch Carbonylierung von Benzylchloriden, para-Chlorbenzylchloriden und para-Methylbenzylchloriden in Wasser/Alkohol-Gemisch mit Hilfe von Kohlenoxid (bei Atmosphärendruck oder unter Druck) in Gegenwart von katalytischen Mengen eines Metallcarbonyle (Co₂(CO)g, Fe(CO)₅) und eines basischen Reagenzes (Alkalihydroxide oder -carbonate, Erdalkalioxide, -hydroxide oder carbonate) beschrieben.

Obwohl in den genannten Patentschriften angeführt wird, daß die beschriebenen Verfahren nur zu Arylessigsäuren führen (teilweise in Form der Ester) und daß die erhaltenen Ergebnisse (Arylessigsäure) unabhängig von den praktischen Verfahrensbedingungen (Druck, Art des Katalysators, Art der Base) seien, wurde festgestellt, daß durch eine geschickte Wahl des C0-Drucks und des eingesetzten basischen Reagenzes die Carbonylierung in Richtung auf die überwiegende Erzeugung von-Arylbrenztraubensäuren geleitet werden kann.

Genauer bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Carbonylierung von Arylmethy!halogeniden der allgemeinen Formel:

(Rf_nA-CH₂X (I)

in der A einen aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 1 oder 2 kondensierten Benzolringen; R, die gleich oder verschieden sein können, einen geradkettigen oder verzweigten C..~Alkyl-

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rest wie z.B. Methyl-, Äthyl-, Propyl-, Isopropyl-, Butyl (gegebenenfalls durch eine Nitrogruppe oder durch einen C₁ .-AIkoxyrest, wie eine Methoxy-, Äthoxy-, Propoxy- oder Butoxy-Rest substituiert) einen Alkoxyrest wie die oben genannten, ein Halogenatom, nämlich Fluor, Chlor, Brom oder Jod, eine funktioneile Gruppe wie eine Nitril-, Nitro- oder Alkylcarbonyloxygruppe,
η eine ganze Zahl, die

a) von O bis 3 geht, wenn A einen Benzolring trägt,

b) von O bis 5 geht, wenn A zwei kondensierte Benzolringe bedeutet , und

X ein Halogenatom, nämlich Fluor, Chlor, Brom oder Jod bedeuten, das darin besteht, daß man das halogenierte organische Derivat in einem geeigneten flüssigen Lösungsmittel mit Kohlenoxid in Gegenwart einer katalytischen Menge eines Metallcarbonyls und eines basischen Reagenzes umsetzt und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Reaktion bei einem Kohlenmonoxiddruck zwischen und 2oo bar durchgeführt wird und daß man als basisches Reagenz eine Erdall·'·-ilibase einsetzt.

Als Arylmethylhalogenxde der Formel I werden vorzugsweise solche eingesetzt, in denen

R einen Alkylrest wie Methyl oder Äthyl oder ein Fluor-, Chlor-, Brom- oder Jodatom,
η eine ganze Zahl, die

a) von O bis 2 geht, wenn A einen Benzolring und

b) von O bis 3, wenn A zwei kondensierte Benzolringe trägt, geht, und

X ein Chlor- oder Bromatom bedeuten.

Besondere Beispiele für die Halogenide der Formel I, die erfindungsgemäß eingesetzt werden, sind: Benzylchlorid oder -bromid, die ortho-, meta- oder para-Methylbenzyl-, Dimethyl-2,3-benzyl-, Dirnethyl-2,4-benzyl-, Dimethyl-3,5-benzyl-, ortho-, meta- oder para-Fluorbenzyl-, ortho-, meta- oder para-Chlor-

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benzyl-, ortho-, meta- oder para-Brombenzylchloride oder -fluoride; Chlorine thy 1-1-naphtalin, Chlormethyl-2-naphtalin, Brommethyl-1-naphtalin, Brommethyl-2-naphtalin, Chlormethyl-1-methyl-4-naphtalin, Brommethyl-i-methyl-5-naphtalin, Chlormethyl-1-trimethyl-2,3,4-naphtalin, Fluor-1-brommethyl-2-naphtalin, Methyl-1-brommethyl-2-fluor-4-naphtalin. Bei der eingesetzten Erdalkalibase ist es gleichgültig, ob es sich um ein Erdalkalihydroxid, -oxid oder -carbonat handelt. Als geeignete basische Agentien seien z.B. genannt: Ca(OH)₂, CaO, CaCO.,, Ba(OH)₂, BaO, BaCO₃, Sr(OH)₂, SrO, Sr(CO)₃, Mg(OH)₃, MgO oder MgCO₃. Die Calcium- Barium- und Strontiumhydroxide eignen sich besonders gut.

Die Menge des eingesetzten basischen Reagenz'kann in weiten Grenzen schwanken. Im allgemeinen setzt man mindestens 1 Mol/ Mol des eingesetzten Arylmethylhalogenids der Formel I ein; vorzugsweise arbeitet man mit darüber liegenden Mengen, beispielsweise mit 1,1 bis 4 Molen Base pro Mol Arylmethylhalogenid.

Es wurde festgestellt, daß man beim Ersetzen der genannten Erdalkalibasen durch Alkali- oder tertiäre Stickstoffbasen, insbesondere NaOH oder Äthyldiisopropylamin, beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Arylbrenztraubensäurebildun^r erreicht. Bei CO-Drucken unter 5 bar, beispielsweise in der nahe des Atmosphärendrucks, ist der Anteil der neben Arylessigsäure gebildeten Ary!brenztraubensäure gering, beispielsweise in der Größenordnung von 2o Gew.%. Nur die gemeinsame Verwendung einer Erdalkalibase und eines CO-Drucks zwischen 5 und 2oo bar läßt die Carbonylierung in Richtung auf die überwiegende Erzeugung von Ary!brenztraubensäure ablaufen (Geha¹'e von über 5o %). In diesem Bereich eignen sich Drucke von 2o bis I00 bar besonders gut zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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Als Carbonylierungskatalysator eignen sich die hydrocarbonylierten Salze von Metallen wie Eisen, Kobalt oder Nickel. Genauer gesagt kann man die Salze von Eisendihydrotetracarbonyl- oder Kobalthydrotetracarbonyl einsetzen. Der an den Eisentetracarbonylat- oder Kobalttetracarbonylat-Rest gebundene Rest ist nicht kritisch; er kann beispielsweise ein Metallrest sein wie Alkali (Natrium, Kalium) oder Erdalkali (Barium).

Unter den Salzen seien insbesondere das Dinatriumeisentetracarbonylat, Dikaliumeisentetracarbonylat, Natriumkobalttetracarbonylat, Kaliumkobalttetracarbonylat oder Bariumkobalttetracarbonylat genannt. Das NatriurakobaIttetracarbonylat eignet sich ganz allgemein .zur Katalysierung der Reaktion.

Die Hydrocarbony!metallsalze können, vorzugsweise gerade im Zeitpunkt ihres Einsatzes, hergestellt werden, indem man die bekannten Verfahren anwendet, die in Einzelheiten beschrieben sind. So können die Kobalthydrotetracarbonylsalze oder die Eisendihydrotetracarbonylsalze durch Reaktion von Dikobaltoctacarbonyl oder Eisenpentacarbonyl mit einem geeigneten basischen Reagenz, insbesondere einer Alkali-, Erdalkali- oder tertiären Stickstoffbase hergestellt werden /vgl. W. Hieber et al, Z. Anorg. Allgem. Chem. 232, 17 (1937) und 232, 29 (1937); Ber. 86, 7oo (1953); H. Sternberg et al, J.Amer.Chem.Soc. 74, 1216 (1952)_7. Nach dem Verfahren in Z .Na tür for sch. , 13B, 192 (1958) kann man das Natriumkobalttetracarbonylat oder Di-natriumeisentetracarbonylat herstellen, indem man das entsprechende Metallcarbonyl mit einem überschuss von Natriumamalgam rührt. Das Metallhydrocarbonylsalz kann in festen Zustand oder auch in Form von Lösungen in dem Lösungsmittel, das für die Reaktion gewählt wurde, eingesetzt werden.

Weitere carbonylierte Metallderivate, die man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzen kann, sind die Metallcarbonyle

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wie EisesE^entacarbonyl,, Dikolsaltoctacarbonyl, IKickeltetra— carbonyl. Das Dikolmltoctacarbonyl eignet: sicli ganz !besonders gut:. Diese Katalysatoren können in das Beaktionsgeiaisch in festem Zustand oder aradfa. im Form von üosnngen in dem !Lösungsmittel «ier üeaktion eingesetzt werden.

Die flfenge an Metalll^drocarbonylsalz oder Metallcarbonyl, die zur Katalyse der Beaktion eingesetzt, wird, kann zwischen ©,ooi und I₀ ausgedrückt in Gramm-Atom des Metalls pro Mol Äryl— mnethyllaalogenid, betragem. Genauer wird die Menge in dem genannten Zwisdienxaxmi so gewälilt, daß in das Sealttionsgemlsch ο,οΐ bis o,4 Grawa-Atgam IHfetall pro Hol Arylffletnyliaalogenid zugesetzt wenden.

Die ziiar iMacciifSlariang der Heaktion geeigneten lösungsmittel können AHoohole, Wasser oder Äikofaol/Sasser—Gemische sein.

Als geeigaiete Alkohole seien die geradkettigen oder verzweigten gesättigten alipnatiscnen Mono— oder Polyalkonole mit 1 bis 1o KolälenKtofiEatomen, die gesättigten cycloaliphatischen Alkohole mit 5 Jbis 12 Itonlenstofffatomen, die ary!aliphatischen Alkohole genannt. Beispielsweise eignen sich: Methanol, Äthanol, Propanol—1, Boogsanol—2, Kethyl—2-propanol-1, Methyl-2-propanol-1 , Methyl—2—propauol-2, Disnetliyl—2,2-propanol—1, Butanol-1, Bntanol-2, Metnyl-3-bsatanol-i, Methyl-2-butanol-2, Methyl-3-bntanol—2, Pentanol—1, Pentanol-2, Fentanol-3, Sthylenglykol, Propandiol—1,2, Butandiol—1,4, Cyclopentanol, Cyclohexanol, BenzylaUfcolaol oder ß—Pnenyläthy!alkohol-

Das erfinöEsagsgemaEe Cartonylienangsyerfahren läuft besonders gut ab, wenn die Reaktion in einem Wasser/Alkohol—Gemisch dnrcIagefShrt wird» Ση dieser bevorzugten Gruppe sinä besonders die Gemische iron Wasser mit verzweigten aliphatischen MonoaDco3w>len, die den oben genannten Bedingungen genügen, geeignet, wie z.B. die Gemisches Wasser/Propanol-2, Wasser/Methyl-2_r

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-propanol-1, Wasser/Methyl-2-propanol-2, Wasser/Dimethyl-2,2-propanol-1, Wasser/Butanol-2, Wasser/Methyl-3-butanol-i, Was-

ser/Methyl-2-butanol-2, Wasser/Methyl-3-butanol-2_/ Wasser/Pentanol-2, Wasser/Pentanol-3. Insbesondere seien die Wasser/Propanol-2-Gemische genannt.

Die Konzentration des eingesetzten Arylmethylhalogenids der Formel I ist nicht kritisch und kann in weiten Grenzen schwanken. Sie kann zwischen 1 und Ao Gew.% liegen, kann aber auch diese Grenzen ohne Nachteil überschreiten. Wenn man die Reaktion in Wasser und Alkohol durchführt, setzt man im allgemeinen Gemische ein, die 1o bis 6o Gew.% Wasser und 9o bis 4o Gew.% Alkohol enthalten.

Eine praktische Weise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß man in einem geeigneten druckbeständigen Reaktor das in dem gewünschten Lösungsmittel gelöste Gemisch aus AryImethylhalogenid, carbonyliertem Metallkatalysator und Erdalkalibase mit einem großen Überschuss von Kohlenoxid (mehr als 2 Mol CO pro Mol AryImethylhalogenid), welches auf den gewünschten Druck eingestellt wird, gemäß den geeigneten Techniken zur Durchführung einer Reaktion zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase umsetzt.

Die Carbonylierungsreaktion wird bei einer Temperatur zwischen 2o und 15o°, vorzugsweise zwischen 4o und 7o°C, durchgeführt und ist beendet, wenn die Absorption von CO aufhört.

Das Reaktionsgemisch kann anschließend auf verschiedene Art zur Gewinnung der Carbonylierungsprodukte, insbesondere der Arylbrenztraubensäuren „(Hauptprodukt) und der Arylessigsäuren (Nebenprodukt) aufgearbeitet werden. Eine bevorzugte Behandlung besteht darin, daß man die aus der Carbonylierung erhaltene wässrig-alkoholische Lösung des Rohprodukts, die vorzugsweise auf

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2 6 O G 5 Λ 1

5ο bis 6o°C erwärmt ist, so filtriert, daß man einen festen Anteil, der ein Erdalkalisalz der Ary!brenztraubensäure enthält, von einem wässrig-alkoholischen flüssigen Anteil, der ein Erdalkalisalz der Arylessigsäure enthält, abtrennt.

Die das Rohprodukt der Carbonylierung enthaltende Lösung, die gemäß der oben beschriebenen Aufarbeitung behandelt wird, kann direkt aus der Carbonylierung des Arylmethylhalogenids in einem wässrig-alkohlischen Milieu entstammen. In diesem Fall reicht es, die erhaltene Reaktionsmasse bei der gewünschten Temperatur zu filtrieren. Diese Lösung kann auch aus der Zugabe von Wasser (oder Alkohol) zu dem Rohprodukt der Carbonylierung in alkoholischem (oder wässrigem) Milieu stammen.

Der auf dem Filter zurückgehaltene feste Rückstand wird anschließend mit einer wässrigen Mineralsäurelösung, wie Salzsäure, behandelt, um die Ary!brenztraubensäure aus ihrem Erdalkalisalz freizusetzen. Die erhaltene Lösung wird mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels, beispielsweise Äther, ausgeschüttelt, dann wird der organische Extrakt unter vermindertem Druck fortschreitend destilliert, ohne daß 4o°C in der Masse überschritten werden. Der schließlich erhalten Rückstand besteht aus Ary!brenztraubensäure großer Reinheit.

Das Filtrat des Reaktionsgemisches kann gegebenenfalls weiter behandelt werden, um die darin enthaltene Arylessigsäure zu gewinnen. Beispielsweise kann man sie von dem Wasser und dem Alkohol und gegebenenfalls von darin enthaltenem nicht umgesetztem Arylmethylhalogenid durch Destillation bei Atmosphärendruck abtrennen. Nach dem Abkühlen säuert man mit Hilfe einer Mineralsäure, wie HCl, an und extrahiert das Gemisch mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels, beispielsweise Äthers. Der organische Extrakt wird anschließend mit einer wässrigen alkalischen Lösung gewaschen, dann wird die wässrige Waschlösung

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angesäuert und extrahiert und ergibt nach Entfernung des Extraktionsmittels ein Gemisch, das die Arylessigsäure enthält.

Die folgenden Beispiele verdeutlichen die praktische Anwendung der Erfindung.

Beispiel 1

In einem o_f5 Liter-Autoklaven aus nicht-rostendem Stahl mit

einem Schüttelrührwerk gibt man rasch:

2oo ml Äthylalkohol, 4o ml Wasser,

31 g (o,418 Mol) Calciumhydroxid, 34,1 g(o,27o Mol) Benzylchlorid,

1 g (o,oo29 Mol) Dikobaltoctacarbonyl entsprechend o,oo58 g Atom Co.

Man spült den Reaktor 5-fach nacheinander mit 2o bar CO. Das Rührwerk wird angestellt und man gibt 5o bar CO auf. Der Autoklav wird auf 6o°C erwärmt und solange gerührt, bis die CO-Absorption aufhört. Die Reaktionsdauer beträgt 4 h und die Menge des absorbierten CO entspricht 167 % der Theorie (Monocarbonylierung).

Danach wird der Autoklav entgast/ dann filtriert man sofort das noch warme Reaktionsgemisch. Der Reaktor und der Feststoff auf dem Filter werden anschließend, einer nach dem anderen, mit drei Mal 5o ml Wasser gewaschen.

a) Behandlung des auf dem Filter erhaltenen Festkörpers:

Der erhaltene Festkörper wird genommen und in einen Kolben mit 15o ml konzentrierter Salzsäure (Dichte: 1,19) und 4oo ml Wasser gegeben. Man rührt das Gemisch in Anwesenheit von 2oo ml Äther bis zum vollständigen Auflösen der Festkörper. Die

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flüssige Substanz wird anschließend dekantiert, und die wässrige Phase, die man gewinnt, wird erneut zweimal nacheinander jeweils mit 2oo ml Äther extrahiert. Die vereinigten Ätherphasen werden über Natriumsulfat getrocknet. Nach dem Filtrieren dampft man das Lösungsmittel durch zunehmendes Erhitzen der Lösung unter vermindertem Druck ab, ohne 4o°C in der Lösung zu überschreiten. Es bleiben 32,5 g eines klaren gelben Festkörpers, F. = 171°C.

Die Ergebnisse der Untersuchung dieses Produkts durch Infrarotspektroskopie, kernmagnetische Resonanz und Massenspektrometrie zeigen, daß es sich um Viny!brenztraubensäure handelt. Die Reinheit an Vinylbrenztraubensäure, bestimmt durch azidimetrische Bestimmung, beträgt 97 Gew.%.

b) Behandlung des' Reaktionsfiltrats:

Das Filtrat wird in einer 2oo mm hohen Vigreux-Kolonne bei Atmosphärendruck destilliert, wobei die Temperatur im Siedekolben 6o bis 1oo°C beträgt. Man beendet das Verfahren, wenn die Temperatur am Kolonnenkopf 92 C erreicht. Die Reaktionsmasse wird anschließend auf 25 C abgekühlt, dann mit 5o ml konzentrierter Salzsäure angesäuert und dreimal nacheinander mit jeweils2oo ml Äther extrahiert. Die vereinten Ätherphasen werden mit 1oo ml einer wässrigen NaOH-Lösung von 1o Gew.% und anschließend zweimal mit 5o ml Wasser gewaschen.

Nach dem Waschen wird die Ätherphase über Natriumsulfat getrocknet. Nach dem Filtrieren dampft man das Lösungsmittel durch zunehmendes Erhitzen unter vermindertem Druck ab. Es bleiben o,15o g einer öligen Flüssigkeit übrig. Die Ergebnis.se der gaschromatographisehen Untersuchung dieser Flüssigkeit zeigen, daß sie ein Gemisch aus Benzylalkohol (6o %) und Äthylphenylacetat (4o %) darstellt.

/ AOAH

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Die alkalische wässrige Phase aus der Wäsche wird mit 1oo ml konzentrierter Salzsäure (Dichte: 1,19) angesäuert und dreimal nacheinander mit 2oo ml Äther extrahiert. Die vereinigten Ätherphasen werden über Natriumsulfat'getrocknet. Nach dem Filtrieren wird das Lösungsmittel durch ansteigendes Erhitzen der Lösung unter vermindertem Druck (Temperatur unter 4o°C) entfernt, wobei man 7,8 g eines weißen Festkörpers erhält. Die Untersuchung dieses Festkörpers durch GasChromatographie (nach Methylierung eines aliquoten Anteils durch Diazomethan) Azidimetrie und Massenspektrometrie zeigen, daß es sich um ein Gemisch aus Phenylessigsäure (86 Gew.% entsprechend 6,7 g) und Phenylbrenztraubensäure, «^-benzylierter Viny!brenztraubensäure (oder Oxo-2-benzyl-3-phenyl-3-propansäure) und o^-benzylierter Phenylessigsäure (oder Benzyl-2-phenyl-2-äthanonsäure) handelt.

Die Umsetzungsbilanz ergibt folgendes: Die Umsetzung (TT) an Benzylchlorid ist vollständig. Die Ausbeuten, bezogen auf eingesetztes Benzy!chlorid, an Phenylbrenztraubensäure und Phenylessigsäure betragen 71,1 % bzw. 18,2 %.

Das Mengenverhältnis Phenylbrenztraubensäure zu Phenylessigsäure beträgt 3,9o.

Beispiel 2

Man arbeitet wie in Beispiel 1, wobei man jedoch anstelle von Dikobaltoctacarbonyl Natriumkobalttetracarbonylat der Formel NaCo(CO). einsetzt.

a) Herstellung des Katalysators:

In einen 5oo ml Erlenmeyer-Kolben mit Rührer- gibt man unter

Stickstoff:

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8 g (o,o234 Mol) Co₂(CO)₈, und 5o ml Äthyldicyclohexylamin.

Man rührt 4 h lang bei einer Temperatur von etwa 25 C. Dann gibt man in das Reaktionsgemisch 1oo ml einer 1/2 η NaOH-Lösung. rührt 2 h und filtriert das Reaktionsgemisch unter Stickstoff. Das Filtrat wird anschließend dekantiert und man nimmt die untere wässrige Schicht, die klar und farblos ist und das Natriumkobalttetracarbonylat enthält. Das Volumen der wässrigen Lösung wird genau auf 2oo ml gebracht.

Die Titration des Anions Co(CO)₄" mit Hilfe von Nickel-o-phenanthrolinchlorid ergibt, daß die Lösung o,o31 Mol NaCo(CO)₄

enthält.

b) Carbonylierungsreaktion;

Man verwendet 22,6 ml (ö,oo35 Mol) der vorstehend erhaltenen wässrigen NaCo(CO)₄-Lösung (o,oo35 g-Atom Co), die man in das Reaktionsgemisch gibt. Man fügt ferner 17,4 ml Wasser hinzu und erhält so ein Wasservolumen von insgesamt 4o ml. Die Reaktionsbilanz beträgt:

Dauer	Absorption an CO % der Theorie (Monocarbonylie- rung)	Umsetzung (TT) an /q)ch₂ci	Ausbeuten, bezogen auf eingesetztes (O/ CH₂Cl	Verhält nis I: II	9 %	3,8
			/Ö\cH CO COOH ^-/ ^z (D
4 h	183 %	1oo %	72 %	/qWjCOOH ^X-^J (H)
1

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Beispiele 3 bis 5

Untersuchung des Einflusses des Drucks. Man führt die Carbonylierung wie in Beispiel 2 in Gegenwart von Natriumkobalttetracarbonylat durch, wobei man jedoch in dem Autoklaven einen CO-Druck von: 6 bar (Beispiel 3) , 2o bar (Beispiel 4) und 1oo bar (Beispiel 5) aufrecht erhält. Ein Vergleichsversuch zur Carbonylierung mit 1 bar CO wurde ebenfalls durchgeführt (Versuch A). Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

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Bei

Druck

spiel/ CO (bar)

Versuch

2o

1oo

Dauer
(h)

4h 3omin

Absorption an CO (% der Theorie)

(Monocarbonylierung)

■ 147 %

162 %

168 %

78 %

Umsetzung

(TT)
an,

,Cl

1oo %

1oo

88 %

Ausbeuten, bezogen auf einge setztes

COOH (D

%

% % %

,COOH ' (ID

44 %

28 %

15 %

51 %

Verhältnis I/II

1,o2

2,o4

4,47

o,23

CD CD cn

Vergleichsversuche B und C

Untersuchung des Einfluss der Art der eingesetzten Base.

Man führt die Carbonylierung durch:

wie in Beispiel 1 in Gegenwart von Dikobaltoctacarbonyl, indem man anstelle von Calciumhydroxid Äthyldiisopropylamin (76 g;

o,59o Mol) einsetzt (Versuch B);

wie in Beispiel 2 in Gegenwart von Natriumkobalttetracarbonylat, indem man anstelle von Calciumhydroxid Natriumhydroxid (34 g;

0,85ο Mol) einsetzt (Versuch C).

Die Verfahrensbedingungen und die erhaltenen Ergebnisse sind

in der folgenden Tabelle zusammengestellt:

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260(KSA 1

Versuch	B	C	NaOH
Katalysator: Art Verhältnis: Co//Q\ CH₂Cl in g-Atom/Mol	Co₂(CO)₈ o,o21	NaCo(CO)₄ ! I ; o,o13 !	5c
Base: Art	C₂H₅N(iK:3H₇)₂	60
CO-Druck (bar)	5o	3
Temperatur (⁰C)	60	I00
Dauer (h)	4
CO-Absorption: %, bezogen auf Monocarbonylierung I	I00	I00 4 % ί ; ΐ 59 % 36 % *
!Umsetzungsgrad (TT) an ^O^ CH₂Cl (%) erhaltene Produkte und Ausbeuten, bezogen auf eingesetztes (O/ CH₉Cl: (θ) CH₂OH (Ö) ^CH2^OC2^H5 (0/CH₂CO COOH /θ / CH₂COOH (0/CH₀COOC₉H,-	I00 27 % 54 %

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Beispiele 6 bis 12

In einen o,5 Liter-Autoklaven aus Edelstahl mit einem Rührwerk

wie in Beispiel 1 gibt man rasch:

2oo ml Pröpanol-2 (Isopropylalkohol) 4o ml Wasser

15,5 g (o,21o Mol) Calciumhydroxid

Arylmethylhalogenid (o,135 Mol) nämlich: 17,1 g Benzylchlorid (Beispiel 6) 21,7 g Parachlorbenzylchlorid (Beispiel 7) 19,5 g Orthofluorbenzylchlorid (Beispiel 8) 19,5 g Parafluorbenzylchlorid (Beispiel 9) 19 g Orthomethylbenzylchlorid (Beispiel 1o) 19 g Metamethylbenzylchlorid (Beispiel 11) 19 g Paramethylbenzylchlorid (Beispiel 12)

o,5 g (o,oo145 Mol) Dikobaltoctacarbonyl entsprechend o,oo29 g-Atom Co.

Man spült den Reaktor nacheinander fünf Mal mit 2o bar CO. Anschließend wird das Rührwerk angestellt und man gibt 5o bar CO auf den Autoklaven auf. Der Autoklav wird auf 6o°C erwärmt und solange gerührt, bis die Absorption von CO aufhört.

Nach beendeter Carbonylierung wird der Autoklav entgast und dann das noch warme Reaktionsgemisch sofort filtriert. Der Reaktor und der Feststoff auf dem Filter werden anschließend, einer nach dem anderen, mit einem .Gemisch von Propanol-2 (2oo ml)/Wasser (4o ml) , das vorher auf 6o°C erwärmt wurde, gewaschen. Der Feststoff auf dem Filter wird anschließend noch zwei Mal mit jeweils 3o ml des genannten Gemisches aus Propanol-2 und Wasser gewaschen. -

a) Behandlung des auf dem Filter erhaltenen Festkörpers: Der erhaltene Festkörper wird gewonnen und dann bis zur Gewichtskonstanz bei einer Temperatur in der Gegend von 25°C

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unter fortschreitendem vermindertem Druck getrocknet, wobei der Enddruck o,5 Torr beträgt.

Der Festkörper wiegt: 37,9 g (Beispiel 6); 31,8 g (Beispiel 7); 26 g (Beispiel 8); 31 g (Beispiel 9); 37,6 g (Beispiel 1o); 3o g (Beispiel 11) und 33,5 g (Beispiel 12). Er wird in einen Kolben mit 1oo ml konzentrierter Salzsäure (Dichte: 1,19) und 3oo ml Wasser gegeben. Man rührt das Gemisch in Gegenwart von 2oo ml Diäthyläther, bis die Festkörper vollständig aufgelöst sind. Die Flüssigkeit wird anschließend dekantiert und die gewonnene wässrige Phase erneut zwei Mal nacheinander jeweils mit 2oo ml Äther extrahiert. Die vereinigten Ätherphasen werden über Natriumsulfat getrocknet. Nach dem Filtrieren dampft man das Lösungsmittel durch fortschreitendes Erwärmen der Lösung bei vermindertem Druck ab, ohne 4o°C im Rückstand zu überschreiten. Man erhält so ein kristallisiertes klares weisses oder gelbes Produkt, das wiegt: 18,2 g (Beispiel 6), 19,4 g (Beispiel 7), 18 g (Beispiel 8), 2o,6 g (Beispiel 9), 16,4 g (Beispiel 1o), 19 g (Beispiel 11) und 2o,2 g (Beispiel 12).

Die Untersuchung des Produkts durch Infrarot-Spektroskopie, magnetischer Kernresonanz, Massenspektrometrie und azidimetrischer Titration zeigen, daß es sich in den einzelnen Beispielen um die folgenden Substanzen handelt:

Beispiel 6: Pheny!brenztraubensäure, 99 gew.%ig rein an Säure Beispiel 7: reine Parachlorpheny!brenztraubensäure Beispiel 8: reine Orthofluorpheny!brenztraubensäure Beispiel 9: Parafluorpheny!brenztraubensäure, 98 gew.%ig reine

Säure
Beispiel 1o: Orthomethy lpheny !brenztraubensäure, 97 gew.%ige

reine Säure

Beispiel 11: reine Metamethylp«heny!brenztraubensäure Beispiel 12: reine Paramethylpheny!brenztraubensäure.

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- 2ο -

b) Behandlung des Reaktionsfiltrats;

Das am Ende der Carbonylierung erhaltene Filtrat wird vorweg gaschromatographisch untersucht, um die Art und Menge der
nicht sauren Verbindungen zu bestimmen, die es enthalten kann: nicht umgesetztes Arylmethylchlorid und/oder seine Solvolyseprodukte (wie den entsprechenden alkylaromatischen Alkohol
und/oder Isopropyl- und Arylmethy1-Äther) und/oder Isopropylester der gebildeten Arylessigsäure.

Die folgende Tabelle zeigt die Art und die Menge dieser nicht sauren Verbindung für jede durchgeführte Probe an:

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unumgesetztes Arylmethyl- Solvolyseprodukt Arylessigsäureisopropyl-. chlorid . . . . . ester

Beispiel 6

; ο,49 g /^VCH₂COOC₃H₇; ο,67 g

CD O CO OO

Beispiel

Cl-4~\-CH,C00C.,H_; 1,15 g

Beispiel 8

CH₂Cl; o,3 g CH₂COOC3H₇; o_f4 g

Beispiel 9 F-^V CH₂Cl; ο,2 g ; o,49 g

Beispiel Beispiel

, ο,28 g

Cj)-CH₂COOC₃H₇; o,9 g

Beispiel

CH.

Behandlung:

Zu dem Filtrat werden 2oo ml Wasser zugegeben, dann wird in einer 2oo ml hohen Vigreux-Kolonne bei Atmosphärendruck destilliert, wobei die Temperatur im Destillationskolben 60 bis 11o°C beträgt. Man beendet das Verfahren, wenn die Temperatur am Kolonnenkopf 95 bis 1oo°C erreicht. Die Reaktionsmasse wird anschließend auf 25 C abgekühlt, dann mit Hilfe von konzentrierter Salzsäure (Dichte: 1,19) angesäuert und dreifach nacheinander jeweils mit 2oo ml Äther extrahiert. Die vereinigten Ätherphasen werden mit I00 ml Wasser, dann mit 5o ml einer wässrigen NaOH-Lösung von 1o Gew.% und dann zwei Mal mit 5o ml Wasser gewaschen.

Die wässrige alkalische Waschphase wird mit 5o ml konzentrierter Salzsäure (Dichte: 1,19) angesäuert und drei Mal nacheinander mit 2oo ml Äther extrahiert. Die vereinigten Ätherphasen werden über Natriumsulfat getrocknet. Nach dem Filtrieren wird das Lösungsmittel durch fortschreitendes Erhitzen der Lösung unter vermindertem Druck entfernt und man erhält: 1,2 g eines Festkqrpers (Beispiel 6); 3,1 g einer pastösen Masse

(Beispiel 7)'; 4,4 g einer öligen Flüssigkeit (Beispiel 8) ; 2,1 g einer öligen Flüssigkeit (Beispiel 9); 5 g einer öligen Flüssigkeit (Beispiel 1o); 1,8 g einer pastösen Masse (Beispiel 11) und 1,9 g eines kristallinen Festkörpers (Beispiel 12) .

Die Ergebnisse der Untersuchung dieser Produkte durch Gaschromatographie (nach Methylierung eines aliquoten Anteils mit Diazomethan), Azidimetrie und Massenspektrometrie zeigen, daß es sich um ein Gemisch von Arylessigsäure und Säuren des Typs:

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-CH- COOH

,)-CH - CO - COOH

CH,

und/oder

handelt, wobei R Wasserstoff oder den Substituenten, der am Benzolrest des eingesetzten Arylmethylhalogenids sitzt, bedeutet.

Im einzelnen wurde gefunden, daß das erhaltene Gemisch folgende Bestandteile enthält:

Beispiel 6: 76 Gew.% (o,91 g) Phenylessigsäure;

85 Gew.% (2,64 g) Parachlorphenylessigsäure;

25 Gew.% (1,1o g) Orthofluorphenylessigsäure;

47 Gew.% (o,99 g) Parafluorphenylessigsäure;

8 Gew.% (o,4 g) Orthomethylphenylessxgsäure;

58 Gew.% (1 g) Metamethylphenylessigsäure;

Beispiel 7 Beispiel 8 Beispiel 9 Beispiel 1o Beispiel 11

Beispiel 12: 23 Gew.% (o,44 g) Paramethylphenylessxgsäure. Die Reaktionsbilanz ergibt folgendes:

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Beispiel

Dauer (h)

CO-Absorption bezogen auf Monocarbonylierung (%)

Qnsetzungsgrad (TT) an

- 24 Aiisbfv

Ausbeuten, bezogen auf eingesetzes R-f- >CH₂C1

R-Z VCH₂COCOOH

R_Z. \ -CH₂COOH
^-^ (II)

Verhältnis I/II

R = H

187 %

97 % 82,2 %

2,5 %

32,8

CD
O
CO
OO
•ΓΟΟ

R=Cl (para)

2oo %

1oo % %

%

6,1

8
R=F (ortho)

193 %

98 % %

%

14,6

■ρ- jR=F (para)

2oo %

99 % ,2 %

5,9 %

|13,8

. 1o

!R=CH-. (ortho

2oo %

1oo % %

%

11

R=CH-. (meta)

12
R=CH₃ (para)

183 %

2oo %

98,5 %

1oo %

%

,6 %

15,8

52,5

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Carbonylierung von Arylmethylhalogeniden ^v der allgemeinen Formel

(R^ A — CH₂X (I)

in der

A einen aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit einem Benzolring oder zwei kondensierten Benzolringen, der oder die Substituenten R, die gleich oder verschieden sein können, einen geradkettigen oder verzweigten C_1-4-Alkylrest wie einen Methyl-, Äthyl-, Propyl-, Isopropyl- oder Butylrest (der gegebenenfalls durch eine Nitro- oder Alkoxygruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, wie einen Methoxy-, Äthoxy-/Propoxy- oder Butoxyrest substituiert sein kann), einen Alkoxyrest wie die oben genannten, ein Halogenatom, nämlich Fluor, Chlor, Brom oder Jod, oder eine funktioneile Gruppe wie eine Nitril-, Nitro- oder Alkylcarbonyloxygruppe,
η eine ganze Zahl, die

a) von O bis 3 geht, wenn A einen Benzolring bedeutet,

b) von 0 bis 5 geht, wenn A zwei kondensierte Benzolringe bedeutet, und

X ein Halogenatom, nämlich Fluor, Chlor, Brom oder Jod bedeuten,

zur vorwiegenden Bildung von Pheny!brenztraubensäure oder Arylbrenztraubensäuren, die in dem aromatischen Teil ihrer Moleküle einen substituierten Benzolring oder auch zwei gegebenenfalls substituierte kondensierte Benzolringe enthalten, wobei man das halogenierte organische Derivat in einem flüssigen Lösungsmittel mit Kohlenoxid in Gegenwar-t einer katalytischen Menge einer Metallcarbonylverbindung und eines basischen Reagenzes umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion bei einem Kohlenoxid-Druck von 5 bis

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2οο bar durchgeführt wird und als basisches Reagenz eine Erdalkalibase eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Arylmethylhalogenide der Formel (I) einsetzt, in der R einen Alkylrest, wie Methyl und Äthyl, oder Fluor, Chlor, Brom oder Jod,

η eine ganze Zahl, die

a) von 0 bis 2 geht, wenn A einen Benzolring enthält, und

b) von 0 bis 3 geht, wenn A zwei kondensierte Benzolringe trägt, und

X ein Chlor- oder Bromatom bedeuten.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ausgangsverbindung der Formel (I) ein Benzyl-, Ortho-, Meta- oder Paramethylbenzyl-, Dimethyl-2,3-benzyl-, Dimethyl-2,4-benzyl-, Dimethyl-3,5-benzyl-, Ortho-, Meta- oder Parafluorbenzyl-, Ortho-, Meta- oder Parachlorbenzyl-, Ortho-, Meta- oder Parabrombenzylchlorid oder Fluorid, Chlormethyl-1-naphtalin, Chlormethyl-2-naphtalin, Brommethyl- 1-naphtalin, Brommethyl-2-naphtalin, Chlormethyl-1-methyl-4-naphtalin, Brommethyl-1-methyl-5-naphtalin, Chlormethyl-1-trimethyl-2,3,4-naphtalin, Fluor-1-brommethyl-2-naphtalin oder Methyl-1-brommethyl-2-fluor-4-naphtalin nimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion bei einem CO-Druck von 2o bis 1oo bar durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als basisches Reagenz ein Erdalkalihydroxid, -oxid oder -carbonat einsetzt.

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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als basisches Reagenz Ca(OH)₂, CaO, CaCO₃, Ba(OH)₂, BaO, BaCO₃, Sr(OH) ₂ , SrO, SrCO₃ , Mg(OH)₃, MgO oder MgCO₃ einsetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als basisches Reagenz Ca(OH)₂r Ba(OH)₂ oder Sr(OH)₂ einsetzt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das basische Reagenz in einer Menge von 1 bis 4 Mol der anorganischen Base pro Mol Arylmethylhalogenid einsetzt.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Carbonylierungskatalysator ein Metallhydrocarbonylsalz von Eisen, Kobalt oder Nickel einsetzt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Carbonylierungskatalysator ein Kobalthydrotetracarbonylsalz oder ein Exsendihydrotetracarbonylsalz einsetzt.
11. Verfahren nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß man Natriumkobalttetracarbonylat einsetzt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Carbonylierungskatalysator ein Metallcarbonyl, nämlich Fe(CO)₅, Co₂(CO)₈ oder Ni(CO)₄ einsetzt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß . man als Metallcarbonyl Dikobaltoctacarbonyl einsetzt.
14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,

daß man den carbonylierten metallischen Katalysator in einer

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solchen Menge einsetzt, daß in das Reaktionsgemisch 0,001 bis 1 g-Atom Metall pro Mol Arylmethylhalogenid und vorzugsweise o,o1 bis o,4 g-Atom Metall pro Mol Arlymethylhalogenid eingebracht werden.
15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lösungsmittel für die Reaktion Wasser, Alkohol oder Wasser/Alkohol-Gemische verwendet.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man als Alkohol eine geradkettige oder verzweigte gesättigte aliphatische mono- oder dihydroxylierte Verbindung mit

1 bis 1o Kohlenstoffatomen, einen gesättigten cycloaliphatischen Alkohol mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen oder einen ary!aliphatischen Alkohol einsetzt, j. . * -
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktion in einem Wasser/Alkohol-Gemisch durchführt .
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktion in Gemischen aus Wasser und gesättigten verzweigten aliphatischen Monohydroxyverbindungen durchführt.
19. Verfahren nach Anspruch 1 bis- 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbonylierungsreaktion bei einer Temperatur zwischen 2o und 15o°C

durchgeführt wird.

sehen 2o und 15o°C, vorzugsweise zwischen 4o und 7o°C,

2o. Verfahren nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Gewinnung der Ary!brenztraubensäure aus dem Reaktionsgemisch eine wässrig-alkoholische Lösung des

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Rohprodukts der Carbonylierung, die vorzugsweise auf 5o bis 60⁰C erwärmt ist, so filtriert, daß man einen festen Teil, der ein Erdalkalisalz der Ary!brenztraubensäure enthält, von einer wässrig-alkoholischen Flüssigkeit abtrennt, die ein Erdalkalisalz der Arylessigsäure enthält, und anschließend die Ary!brenztraubensäure aus ihrem Salz durch Ansäuern mit Hilfe einer wässrigen Lösung einer Mineralsäure freisetzt.

609848/ 10 14 ORIGINAL INSPECTED