DE3729734C2 - - Google Patents

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DE3729734C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polyfluoraldehyden oder Polyfluoracetalen aus Polyfluoralkenen. Ein Vertreter für Polyfluoraldehyde, der nach dem Verfahren hergestellt werden kann, ist 3,3,3-Trifluorpropanal, das als Ausgangsmaterial für Zwischenprodukte für einige Arzneimittel und Agrikulturchemikalien eingesetzt werden kann. 1,1-Dialkoxy-3,3,3-trifluorpropan ist ein Vertreter für ein Polyfluoracetal, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann, und solche Polyfluoracetale können in Polyfluoralkylcarbonsäuren umgewandelt werden, welche als Gleitmittel, Oberflächenbehandlungsmittel und Zwischenprodukte für einige Arzneimittel und Agrikulturchemikalien eingesetzt werden können.
Es ist bekannt, daß 3,3,3-Trifluorpropanal, CF₃CH₂CHO, durch Oxidation von 3,3,3-Trifluorpropanal, CF₃CH₂CH₂OH, mit Natriumdichromat (J. Am. Chem. Soc., 72, (1950) 3370) oder durch katalytische Hydrierung von Trifluorpropin, CF₃C≡CH (J. Am. Chem. Soc., 74 (1952) 650) erhalten werden kann. Keine dieser Verfahrensweisen wird jedoch als industriell anwendbar angesehen, und zwar wegen der Schwierigkeit zur Bereitstellung des Ausgangsmaterials und der nicht ausreichenden Ausbeute an dem gewünschten Aldehyd.
Die Herstellung von 1,1-Dialkoxy-3,3,3-trifluorpropan, CF₃CH₂CH(OR)₂ ist in der US-Patentschrift 28 83 429 beschrieben und zeigt die Umsetzung des entsprechenden Trifluoralkenylethers mit einem Alkohol in Anwesenheit einer Base. Jedoch ist das Ausgangsmaterial bei dieser Verfahrensweise sehr kostspielig und schwierig als industriell eingesetztes Ausgangsmaterial zu erhalten, da es über komplizierte Vielstufenreaktionen synthetisiert werden muß.
In der DE-OS 19 19 375 wird die Umsetzung eines Olefins mit einem Alkohol in Anwesenheit von zweiwertigem Palladium zusammen mit einem Oxidationsmittel, z. B. Kupfer(II)salzen, zur Oxidation des reduzierten Palladiums beschrieben, wobei das entsprechende Acetat oder Ketal gebildet wird. Außerdem wird angegeben, daß, falls Wasser in dem Reaktionssystem anwesend ist, dieses mit dem Acetat unter Bildung des unerwünschten Aldehyds oder Ketons reagiert. Der Druckschrift ist keinerlei Hinweis auf Reaktionen von polyfluorierten Olefinen zu entnehmen.
Aus Angew. Chem., 71, 176-182 (1959) ist zu entnehmen, daß die Ergebnisse hinsichtlich der oxidierten Reaktionsprodukte und deren Ausbeute völlig unterschiedlich und somit nicht voraussagbar sind, wenn halogenierte Alkene dieser Wacker-Reaktion unterworfen werden. Es erfolgt eine Abspaltung der Halogenatome, außer wenn das Halogenatom von der Doppelbindung, an der die Oxidation stattfindet, weit entfernt ist. Außerdem liefert die Wacker-Reaktion eines halogenierten Alkens mit relativ langer Kette vorzugsweise Methylketon.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Gruppe von Polyfluoraldehyden, beispielsweise von 3,3,3-Trifluorpropanal, und einer Gruppe von Polyfluoracetalen, beispielsweise von 1,1-Dialkoxy-3,3,3-trifluorpropan, unter Einsatz relativ preiswerter und industriell leicht zugänglicher Verbindungen als Ausgangsmaterial.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer polyfluorierten organischen Verbindung der allgemeinen Formel (1):
RfCH₂CH = X (1)
worin Rf eine Trifluormethyl-, Pentafluorethyl- oder Hepta­ fluorpropylgruppe und X ein Sauerstoffatom oder zwei -OR-Gruppen bedeutet, worin R einen Alkyl- oder Alkylenrest mit nicht mehr als 12 Kohlenstoffatomen darstellt, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Polyfluoralken der allgemeinen Formel (2)
RfCH = CH₂ (2)
worin Rf die für die allgemeine Formel (1) angegebene Bedeutung besitzt, mit einer Verbindung der allgemeinen Formel (3)
R′(OH) m (3)
worin R′ ein Wasserstoffatom einer Alkyl- oder Alkylenrest mit nicht mehr als 12 Kohlenstoffatomen bedeutet und m = 1 oder 2 ist, in Essigsäure, 1,4-Dioxan, N,N-Dimethylformamid oder 3-Methylsulfolan als organisches Lösungsmittel, in Anwesenheit einer Quelle für zweiwertiges Palladium sowie eines fluorid­ entfernenden Mittels bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50°C bis 90°C umgesetzt wird.
Gemäß der Erfindung wird ein Polyfluoralken, z. B. 3,3,3-Trifluorpropen, immer als Ausgangsmaterial eingesetzt, gleichgültig ob das gewünschte Endprodukt ein Polyfluoraldehyd oder ein Polyfluoracetal ist, und das Polyfluoralken wird mit Wasser im Fall der Herstellung eines Polyfluoraldehyds und mit einem Alkohol im Fall der Herstellung eines Polyfluoracetals umgesetzt. In jedem Fall wird das Polyfluoralken sehr selektiv und fast ausschließlich in den entsprechenden Polyfluoraldehyd oder das entsprechende Polyfluoracetal bei Durchführung der Reaktion in Anwesenheit einer Quelle für zweiwertiges Palladium, z. B. eines Palladiumsalzes, umgewandelt. Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Ausgangsmaterial ist relativ preiswert und leicht als technische Chemikalie zu erhalten. Die Reaktion läuft unter milden Bedingungen ab, und die Ausbeute des gewünschten Aldehyds oder Acetals ist ausreichend hoch.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenes Polyfluoracetal kann in einfacher Weise in den entsprechenden Polyfluoraldehyd durch Hydrolyse umgewandelt werden. Selbst wenn ein Polyfluoraldehyd als Endprodukt gewünscht wird, ist es dennoch vorteilhaft, zuerst das entsprechende Polyfluoracetal herzustellen und dieses in den Aldehyd zu einem geeigneten Zeitpunkt umzuwandeln, da Polyfluoracetale eine bessere Lagerstabilität als die Polyfluoraldehyde besitzen. Bei der Herstellung eines Polyfluoracetals nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es - falls gewünscht - möglich, das durch die Reaktion gebildete Wasser zur Hydrolyse eines Teiles des gebildeten Polyfluoracetals in den Polyfluoraldehyd auszunutzen, anders ausgedrückt, es ist möglich, eine Mischung aus einem Polyfluoracetal und einem Polyfluoraldehyd zu erhalten, indem ein Überschuß an Polyfluoralken im Vergleich zu der stöchiometrischen Menge mit dem Alkohol zur Reaktion gebracht wird.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben.
Ein industriell wichtiges Bespiel eines Polyfluoralkens der allgemeinen Formel (2) ist 3,3,3-Trifluorpropen. Die folgende Gleichung (i) zeigt die Reaktion dieser Verbindung mit Wasser in Anwesenheit eines Palladiumsalzes, und die Gleichung (ii) zeigt die Reaktion derselben Verbindung mit einem Alkohol in Anwesenheit eines Palladiumsalzes:
Diese Reaktionen können als Reaktionen des Wacker-Typs angesehen werden. Bei üblichen Wacker-Reaktionen von aliphatischen Verbindungen wird das Kohlenstoffatom in der 2-Stellung oxidiert. Jedoch wird bei den erfindungsgemäßen Reaktionen nur das Kohlenstoffatom in der 1-Stellung in selektiver Weise oxidiert.
Die Gleichungen (i) und (ii) stellen stöchiometrische Reaktionen dar. Wenn das Palladiumsalz als katalytisch wirkend eingesetzt werden soll, kann jede der Reaktionen bei Anwesenheit eines Oxidationsmittels zur Oxidation von metallischem Palladium, das in der Reaktion gebildet wird, zu zweiwertigem Pd und in Anwesenheit von Sauerstoff (O₂) zur Oxidation des reduzierten Anteils des Oxidationsmittels durchgeführt werden.
Neben 3,3,3-Trifluorpropen werden 3,3,4,4,4-Pentafluorbuten und 3,3,4,4,5,5,5-Heptafluorpenten als Polyfluoralkene eingesetzt.
Der zur Herstellung eines Polyfluoracetals eingesetzte Alkohol ist ein Alkohol mit nicht mehr als 12 Kohlenstoffatomen, und er kann unter einwertigen Alkoholen und Diolen, z. B. Ethylenglykol und Propandiol, ausgewählt werden.
Als Quelle für zweiwertiges Palladium werden die Palladiumsalze Palladiumchlorid, Palladiumsulfat, Palladiumnitrat oder Palladiumacetat eingesetzt. Ebenfalls ist die Verwendung von metallischem Palladium zusammen mit einem Oxidationsmittel zum Halten des Palladiums in dessen zweiwertigem Zustand in dem Reaktionssystem möglich. In jedem Fall ist es vorteilhaft, als Oxidationsmittel ein Kupfersalz wie Kupfer(I)- oder Kupfer(II)-chlorid oder Kupferacetat, ein Eisensalz wie Eisen(II)- oder Eisen(III)-chlorid, Heteropolyphosphorsäure oder p-Benzochinon einzusetzen, und am besten ist die Verwendung eines Kupfersalzes im Hinblick auf die Durchführung der Reaktion in kontinuierlicher Weise.
Im Fall der Herstellung eines Polyfluoraldehyds dient das als Reaktionsteilnehmer eingesetzte Wasser ebenfalls als flüssiges Medium für die Reaktion. Zur Förderung der Reaktionsgeschwindigkeit wird die Reaktion in einer Mischung aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel, in welchem das Polyfluoralken löslich ist, durchgeführt. Als organische Lösungsmittel werden Essigsäure, 1,4-Dioxan, N,N-Dimethylformamid oder 3-Methylsulfolan eingesetzt, wobei die Verwendung von Essigsäure, 1,4-Dioxan oder 3-Methylsulfolan am besten ist. Wasser und das ausgewählte organische Lösungsmittel werden so miteinander vermischt, daß das Wasser 0,1 bis 80 Vol.-% und vorzugsweise 1 bis 50 Vol.-% der Mischung ausmacht. Da der bei der Reaktion gebildete Polyfluoraldehyd unter alkalischen Bedingungen nicht sehr stabil ist, wird das flüssige Mischmedium vorzugsweise neutral oder schwach sauer eingestellt. Im Fall der Herstellung eines Polyfluoracetals wird neben dem Alkohol als Reaktionsteilnehmer durch die zusätzliche Verwendung des organischen Lösungsmittels die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht und die Bildung von nicht erwünschten Nebenprodukten unterdrückt. Es werden die zuvor im Zusammenhang mit der Herstellung eines Polyfluoraldehyds genannten Lösungsmittel verwendet. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Essigsäure, 1,4-Dioxan oder 3-Methylsulfolan.
Bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Reaktionen wird eine sehr geringe Menge eines Fluorids gebildet. Daher wird ein Fluorid-entfernendes Mittel, z. B. Aluminiumhydroxid, zu dem Reaktionssystem zugesetzt, um hierdurch die Erniedrigung der katalytischen Aktivität des Palladiums zu verhindern und die Reaktionsapparatur gegenüber Korrosion zu schützen.
Zur Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit ist es vorteilhaft, die Reaktion bei relativ hoher Temperatur durchzuführen. Wenn jedoch die Reaktionstemperatur höher als 90°C liegt, werden nicht erwünschte Nebenreaktionen wahrscheinlich als Folge der Herabsetzung der Selektivität für den gewünschten Polyfluoraldehyd oder das gewünschte Polyfluoracetal beobachtet. Daher wird in dem am besten geeigneten Bereich der Reaktionstemperatur von etwa 50°C bis 90°C gearbeitet. Die erfindungsgemäßen Reaktionen können unter Normaldruck oder unter erhöhtem Druck durchgeführt werden, und ein gewisser Überdruck ist zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit bevorzugt.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert, wobei sich die Beispiele 1 bis 6 auf die Herstellung eines Trifluoraldehyds und die Beispiele 7 bis 13 auf die Herstellung von Trifluoracetalen beziehen.
Beispiel 1
In einem Glasautoklaven wurde eine Mischung von 100 g Wasser, 150 g Essigsäure, 2,0 g (0,0113 mol) PdCl₂, 3,85 g (0,0226 mol) CuCl₂ · 2 H₂O un 3,0 g Al(OH)₃ auf 75°C erhitzt gehalten. Unter Rühren der Mischung wurden 3,3,3-Trifluorpropen und Sauerstoffgas im Molverhältnis von 2 : 1 kontinuierlich in den Autoklaven eingeführt, so daß der Gesamtgasdruck im Autoklaven auf 6,9 bar (7 kg/cm²) gehalten wurde. Dieser Vorgang wurde 24 h fortgeführt, und das erhaltene Gemisch wurde aus dem Autoklaven entnommen und der Destillation unterworfen.
Als Produkt dieses Verfahrens wurden 105 g (0,938 mol) 3,3,3-Trifluorpropanal erhalten. Bei diesem Verfahren betrug die mittlere Ausbeute an 3,3,3-Trifluorpropanal pro Einheitsgewicht an Palladiumchlorid 2,19 g/g · h und die Selektivität der Reaktion zu 3,3,3-Trifluorpropanal betrug 97,5%.
Beispiele 2 bis 4
In diesen Beispielen wurde die Arbeitsweise von Beispiel 1 nur so modifiziert, daß 1,0 g 35%ige Salzsäure zu dem Wasser (100 g) zugesetzt wurde, und daß ein anderes organisches Lösungsmittel statt der Essigsäure eingesetzt wurde.
Im Beispiel 2 wurden 150 g N,N-Dimethylformamid verwendet, und es wurden 24 g (0,21 mol) 3,3,3-Trifluorpropanal bei einer mittleren Ausbeute (pro Einheitsgewicht an Palladiumchlorid) von 0,50 g/g · h erhalten. Die Selektivität für 3,3,3-Trifluorpropanal betrug 95,2%.
In Beispiel 3 wurden 150 g 1,4-Dioxan verwendet, und es wurden 110 g (0,982 mol) 3,3,3-Trifluorpropanal bei einer mittleren Ausbeute von 2,29 g/g · h erhalten. Die Selektivität für 3,3,3-Trifluorpropanal betrug 97,0%.
Im Beispiel 4 wurden 150 g 3-Methylsulfolan verwendet, und es wurden 65 g (0,58 mol) 3,3,3-Trifluorpropanal bei einer mittleren Ausbeute von 1,35 g/g · h erhalten. Die Selektivität für 3,3,3-Trifluorpropanal betrug 97,1%.
Beispiel 5
Die Arbeitsweise von Beispiel 1 wurde nur dadurch modifiziert, daß die Menge der Essigsäure auf 100 g erniedrigt wurde, und daß 2,5 g (0,0113 mol) Palladiumacetat anstelle von Palladiumchlorid verwendet wurden. Als Ergebnis wurden 103 g (0,920 mol) 3,3,3-Trifluorpropanal bei einer mittleren Ausbeute (pro Einheitsgewicht an Palladiumacetat) von 1,72 g/g · h erhalten. Die Selektivität für 3,3,3-Trifluorpropanal betrug 97,1%.
Beispiel 6
Die Arbeitsweise von Beispiel 1 wurde dadurch modifiziert, daß 24,4 g (0,226 mol) p-Benzochinon als Oxidationsmittel anstelle von Kupfer(II)-chlorid eingesetzt wurden, daß 3,3,3-Trifluorpropen alleine in den Autoklaven ohne Mitverwendung von Sauerstoffgas eingeführt wurde, wobei der Gasdruck im Autoklaven auf 4,9 bar (5 kg/cm²) gehalten wurde, und daß die Reaktion lediglich für 3 h durchgeführt wurde. In diesem Fall wurden 10 g (0,089 mol) 3,3,3-Trifluorpropanal bei einer mittleren Ausbeute von 1,67 g/g · h erhalten. Die Selektivität für 3,3,3-Trifluorpropanal betrug 96,3%.
Beispiel 7
In einem Glasautoklaven wurde eine Mischung von 125 g (3,91 mol) Methanol, 125 1,4-Dioxan, 2,0 g (0,0113 mol) PdCl₂, 3,85 g (0,0226 mol) CuCl₂ · 2 H₂O und 3,0 g Al(OH)₃ auf 60°C erhitzt gehalten. Unter Rühren der Mischung wurden 3,3,3-Trifluorpropen und Sauerstoffgas im Molverhältnis von 2 : 1 kontinuierlich in den Autoklaven eingeführt, so daß der Gesamtgasdruck im Autoklaven auf 7,8 bar (8 kg/cm²) gehalten wurde. Dieser Vorgang wurde während 6 h fortgeführt, und die erhaltene Mischung wurde aus dem Autoklaven entnommen und der Destillation unterworfen.
Als Ergebnis wurden 115,6 g (0,732 mol) 1,1-Dimethoxy-3,3,3-Trifluorpropan erhalten. Die Selektivität der Reaktion für diesen Polyfluoracetal betrug 98,6%, und der verbliebene Teil des Reaktionsproduktes war 3,3,3-Trifluorpropanal.
Die analytischen Daten des erhaltenen 1,1-Dimethoxy-3,3,3-Trifluorpropans waren wie folgt:
Siedepunkt K: 97,2°C bei 1,01 × 10⁵ Pa (760 mmHg)
¹H-NMR (Aceton -d₆): δ 2,43 (q, d, J F-H = 10,5 Hz, J H-H = 6 Hz, CH₂),
3,33 (s, CH₃O),
4,66 (t, CH).
¹⁹F-NMR (Aceton -d₆): δ (Standard: CFCl₃) 63,3 (t, CF₃).
Beispiele 8 bis 10
In diesen Beispielen wurde die Arbeitsweise von Beispiel 7 nur dadurch modifiziert, daß ein anderes organisches Lösungsmittel anstelle von 1,4-Dioxan eingesetzt wurde.
In Beispiel 8 wurden 125 g N,N-Dimethylformamid verwendet, und es wurden 111,4 g (0,705 mol) 1,1-Dimethoxy-3,3,3-trifluorpropan erhalten. Die Selektivität für dieses Polyfluoracetal betrug 97,2%.
In Beispiel 9 wurden 125 g 3-Methylsulfolan verwendet, und es wurden 107,9 g (0,683 mol) desselben Polyfluoracetals erhalten. Die Selektivität für dieses Acetal betrug 96,6%.
In Beispiel 10 wurden 125 g Essigsäure verwendet, und es wurden 116,3 g (0,736 mol) desselben Polyfluoracetals erhalten. Die Selektivität für dieses Acetal betrug 97,9%.
In jedem Fall war der übrige Teil des Reaktionsproduktes 3,3,3-Trifluorpropanal.
Beispiel 11
Die Arbeitsweise von Beispiel 7 wurde so modifiziert, daß 125 g (2,72 mol) Ethanol anstelle von Methanol verwendet wurden. In diesem Fall wurden 114,1 g (0,613 mol) 1,1-Diethoxy-3,3,3-trifluorpropan erhalten. Die Selektivität für dieses Acetal betrug 98,0%, und der restliche Teil des Reaktionsproduktes war 3,3,3-Trifluorpropanal.
Beispiel 12
In einem Glasautoklaven wurde eine Mischung von 150 g (4,69 mol) Methanol, 150 g 1,4-Dioxan, 3,0 g (0,017 mol) PdCl₂, 5,8 g (0,034 mol) CuCl₂ · 2 H₂O und 4,0 g Al(OH)₃ auf 60°C erhitzt gehalten. Unter Rühren der Mischung wurde 3,3,3-Trifluorpropen kontinuierlich in den Autoklaven eingeführt, so daß der Gasdruck im Autoklaven auf 7,8 bar (8 kg/cm²) gehalten wurde. Dieser Vorgang wurde während 10 h fortgeführt. Als Ergebnis wurden 245,2 g (1,552 mol) 1,1-Dimethoxy-3,3,3-trifluorpropan erhalten. In diesem Fall betrug die Selektivität für dieses Acetal 60,2%, und der restliche Teil des Reaktionsproduktes war 3,3,3-Trifluorpropanal.
Beispiel 13
Die Arbeitsweise von Beispiel 7 wurde lediglich dadurch modifiziert, daß 125 g (2,02 mol) Ethylenglykol anstelle von Methanol verwendet wurden. Als Ergebnis wurden 87,8 g (0,556 mol) 2-(2,2,2-Trifluorethyl)-1,3-dioxoran erhalten, und die Selektivität für dieses Acetal betrug 91,5%.
Wenn X in der allgemeinen Formel (1) zwei -OR-Gruppen bedeutet, worin R ein Alkylenrest ist, wie im Fall der im Beispiel 17 hergestellten Verbindung, sind die beiden -OR-Gruppen direkt aneinander an den freien Enden der jeweiligen Alkylenreste verbunden, so daß die beiden -OR-Gruppen und die benachbarte CH-Gruppierung einen Ring bilden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von polyfluorierten Aldehyden oder Acetalen der allgemeinen Formel (1) RfCH₂CH = X (1)worin Rf eine Trifluormethyl-, Pentafluorethyl- oder Hepta­ fluorporpylgruppe und X ein Sauerstoffatom oder zwei -OR-Gruppen bedeutet, worin R einen Alkyl- oder Alkylenrest mit nicht mehr als 12 Kohlenstoffatomen darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polyfluoralken der allgemeinen Formel (2)RfCH = CH₂ (2)worin Rf die für die allgemeine Formel (1) angegebene Bedeutung besitzt, mit einer Verbindung der allgemeinen Formel (3)R′(OH) m (3)worin R′ ein Wasserstoffatom oder einen Alkyl- oder Alkylenrest mit nicht mehr als 12 Kohlenstoffatomen bedeutet und m = 1 oder 2 ist, in Essigsäure, 1,4-Dioxan, N,N-Dimethylformamid oder 3-Methylsulfolan als organisches Lösungsmittel, in Anwesenheit einer Quelle für zweiwertiges Palladium sowie eines Fluorid-entfernenden Mittels bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50°C bis 90°C umgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle für zweiwertiges Palladium Palladiumchlorid, Palladiumsulfat, Palladiumnitrat oder Palladiumacetat eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für zweiwertiges Palladium eine Kombination von metallischem Palladium und einem Oxidationsmittel, das unter Kupfersalzen, Eisensalzen, Heteropolyphosphorsäuren oder p-Benzochinon ausgewählt wird, ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Wasser und organischem Lösungsmittel 1 bis 50 Vol.-% Wasser enthält.
DE19873729734 1986-09-05 1987-09-04 Verfahren zur herstellung von polyfluoraldehyden und polyfluoracetalen Granted DE3729734A1 (de)

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