DE69126610T2 - Darstellung von 3,4,6-trifluorophthalsäure - Google Patents
Darstellung von 3,4,6-trifluorophthalsäureInfo
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Description
- Diese Erfindung ist abgestellt auf ein Verfahren zur Herstellung eines 3,4,6-Trifluor-N-R-phthalimids und von 3,4,6- Trifluorphthalsäure. Letztgenanntes Erzeugnis ist ein nützliches Zwischenprodukt für die weitere Herstellung von 2,4,5- Trifluorbenzoesäure, welche wiederum ein nützliches chemisches Zwischenprodukt für die weitere Herstellung von so diversen Erzeugnissen, wie z.B. Flüssigkristalle und antibakterielle Mittel auf der Basis von 2-Hydroxychinolin ist.
- Es ist bekannt, daß einige Fluorphthalsäureanhydride oder -säuren durch Halogenaustausch, d.h. durch Fluorierung der entsprechenden chlorierten Phthal säureanhydride, hergestellt werden können. Der Erfolg dieser Arbeitsmethode war jedochabhängig von dem Ausmaß der Halogensubstitution an dem Reaktionsteilnehmer Chlorphthalsäureanhydrid - unterschiedlich. Somit wurde in der Literatur berichtet, daß sowohl 3-Chlorphthalsäureanhydrid als auch 4,5-Dichlorphthalsäureanhydrid und 3,6- Dichlorphthalanhydrid bei Reaktion mit Kaliumfluorid die entsprechenden fluorierten Anhydride ergeben. (Fifolt, M.J. und Foster, A.M., US-Patente 4 374 266 und 4 374 267; und Bergman, E.D., Bentov, M., und Levy, A. J. Chem. Soc. (1964) 1194). Es wurde jedoch von Versuchen der direkten Fluorierung von höherchlorierten Anhydriden unter gleichartigen Bedingungen berichtet, welche erfolglos waren. Odinokov, V.N., Yakobson, G.G., und Vorozhtsov, Jr. N.N. Z.h. Org. Khim. (1967), 37, 176, offenbaren, daß die Reaktion von Tetrachlorphthalsäureanhydrid mit Kaliumfluorid in Dimethylformamid kein Tetrafluorphthalsäureanhydrid ergab, wobei Octafluoranthrachinon das einzige identifizierte Erzeugnis war. Von den gleichen Forschern wurde berichtet, daß eine ähnliche Reaktion in Abwesenheit eines Lösungsmittels 40-45% Octafluoranthrachinon ergab. Des weiteren haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine direkte Fluorierung von Trichlorphthalsäureanhydrid durch die Reaktion mit Kaliumfluorid unter variierenden Bedingungen versucht, was nur sehr geringe Ausbeuten ergab (weniger als 10%).
- Die DE-OS 2 750 661 lehrt die Herstellung von 3,4,6- Trichlorphthalimid durch Behandlung von 3,4,5,6-Tetrachlorcyclohexadien-1,2-dicarbonsäure mit Alkali, wodurch Esterverbindungen von 3,4,6-Trichlorphthalsäure gebildet werden, welche dann mit Verbindungen zur Reaktion gebracht werden, welche unter den vorherrschenden Bedingungen Ammoniakgas freisetzen, wie z.B. mit Formamid.
- Des weiteren offenbart das US-Patent Nr. 4 769 493 ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung Tetrafluorphthalsäure, gemäß welchem ein N-substituiertes Tetrachlor- oder Tetrabrom-Phthalimid mit einem Alkalimetallfluorid zur Reaktion gebracht wird, vorzugsweise in Gegenwart eines Phasentransferkatalysators, wie z.B. ein "Kronenether", und das fluorierte Erzeugnis dann hydrolisiert wird, um die entsprechende Tetrafluorphthalsäure zu ergeben.
- Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und effizientes Verfahren zur Herstellung eines 3,4,6-Trifluor-N-R-phthalimids und von 3,4,6-Trifluorphthalsäure zur Verfügung zu stellen.
- Es ist nun gefunden worden, daß ein 3,4,6-Trifluor-N- R-phthalimid in einer hohen Ausbeute durch das zur Reaktion bringen eines 3,4,6-Trichlor-N-substituierten Phthalimids mit Kaliumfluorid bei Temperaturen im Bereich von 200º bis 270º Celsius unter wasserfreien Bedingungen und in Abwesenheit eines Katalysators, jedoch in Gegenwart eines Lösungsmittels hergestellt werden kann, um das entsprechende Trifluor-N-substituierte Phthalimid zu bilden. Diese Verbindung wird wiederum in einem zweiten Reaktionsschritt hydrolisiert, um die 3,4,6- Trifluorphthalsäure zu bilden.
- Die Trichlor-N-substituierten Phthalimide, die zur Verwendung in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geeignet sind, schließen Verbindungen ein, die durch folgende Formel gekennzeichnet sind:
- wobei R eine einwertige organische Gruppe darstellt, die von einem primären Amin der Formel RNH&sub2; abgeleitet ist. Das als Ausgangsreaktionsteilnehmer eingesetzte Phthalimid wird zweckmäßigerweise durch die Reaktion von 3,4,6-Trichlorphthalsäureanhydrid mit einem primären Amin der Formel RNH2 hergestellt, wobei das R dem R des Phthalimids (I) entspricht und ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus C1-12-Alkyl, Phenyl, C1-12-Monoalkylphenyl, Naphthyl und C1-12-Monoalkylnaphthyl.
- Die Fluorierungsre aktion des vorliegenden Verfahrens, d.h. die Reaktion zwischen 3,4,6-Trichlor-N-substituiertem Phthalimid und Kaliumfluorid, wird in Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt. Geeignete Lösungsmittel schließen z.B. nicht-polare Lösungsmittel, wie z.B. Dichlorbenzol, Xylol, Trichlorbenzol oder dergleichen, oder vorzugsweise polare aprotische Lösungsmittel, wie z.B. Sulfolan, Dimethylsulfoxid, N- Methylpyrrolidon, Acetonitril, Dimethylsulfon, Dimethylformamid oder Dimethylacetamid ein. Das bevorzugte Lösungsmittel im Hinblick auf Effizienz der Reaktion und Minimierung der Erzeugung von lösungsmittelbezogenen Nebenprodukten ist Sulfolan.
- Das in der Fluorierungsreaktion der vorliegenden Erfindung erreichbare hohe Umwandlungsmaß, typischerweise Umwandlungen von 90% oder mehr, in einem relativ kurzen Zeitraum, wie z.B. weniger als etwa zwei Stunden, wird erreicht, wenn das Verfahren bei Temperaturen im Bereich von etwa 200º bis etwa 270ºCelsius durchgeführt wird. Bei niedrigeren Temperaturen wird der Prozentsatz der Umwandlung wesentlich verringert. Temperaturen über etwa 270ºCelsius können verwendet werden, sind aber im allgemeinen unnötig. Die Reaktion wird vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von etwa 220º bis etwa 260ºCelsius durchgeführt. Es ist ein spezifischer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die Fluorierungsreaktion in Abwesenheit eines Katalysators durchgeführt wird, wodurch die Notwendigkeit einer anschließenden Abtrennung des Katalysators von dem Erzeugnis und des Entsorgens oder Recyclens des Katalysators wegfällt. Nicht nur die Tatsache, daß kein Katalysator benötigt wird, ist vorteilhaft. Auch die Erkenntnis, daß die Fluorierungsreaktion des vorliegenden Verfahrens in Abwesenheit eines Katalysators bei gleichzeitigen wesentlichen Verbesserungen der Ausbeute durchgeführt werden kann, ist sehr überraschend.
- Es ist ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens, daß der große Überschuß an Kaliumfluorid, der herkömmlicherweise in Fluorierungs-Austauschreaktionen verwendet wird, nicht notwendig ist. Es ist gefunden worden, daß ein stöchiometrischer Überschuß an Kaliumfluorid von nicht mehr als 20% erforderlich ist, und tatsächlich ist gefunden worden, daß in manchen Fällen die Verwendung von höheren Überschüssen zu einer Verschlechterung der Reaktion führen kann.
- Der Hydrolyseschritt, also die Bildung von 3,4,6- Trifluorphthalsäure aus dem 3,4,6-Trifluor-N-substituierten Phthalimid kann auf typische Weise in Gegenwart einer wäßrigen Säure, typischerweise bei Temperaturen im Bereich von etwa 80ºC bis zur Rückflußtemperatur, je nach Säurestärke, durchgeführt werden. Typischerweise wird die Hydrolyse des N-substituierten Phthalimids in einer 25 bis 89%igen wäßrigen Schwefelsäure durchgeführt.
- Um die vorliegende Erfindung und die Art und Weise, wie sie durchgeführt werden kann, weiter zu erläutern, werden die folgenden spezifischen Beispiele angegeben:
- 3,4,6-Trichlorphthalsäure (500 g, 1,86 Mol), Eisessig (4 l) und Anilin (175 ml, 1,92 Mol) wurde in einen 12 l fassenden Kolben mit drei Ansätzen gefüllt, der mit einem Kondensator, einem Rührer und einem Thermometer ausgerüstet war. Das Gemisch wurde unter Rühren erhitzt und über einen Zeitraum von 2 Stunden auf 100-101ºC gehalten, dann auf Raumtemperatur gekühlt und gefilt;ert. Der Filterkuchen wurde mit kaltem Wasser gewaschen und über einen Zeitraum von 24 Stunden vakuumgetrocknet (70ºC, 0,2 mmHg), um 590,7 g 3,4,6-Trichlor-N-phenylphthalimid mit einer Reinheit von 97,5% zu ergeben (Schmelzpunkt 199-200ºC).
- Ein Gemisch von 3,4,6-Trichlorphthalsäure (25,01 g, 92,8 mMol) und Eisessig (100 ml) wurde in einen 250 ml fassenden Kolben mit drei Ansätzen, ausgerüstet mit einem Trockeneis- Kondensator, einem Thermometer, einer Durchblas-Vorrichtung für Gas und einem Magnetrührer, gefüllt und unter einer Atmosphäre von trockenem Stickstoff gehalten. Das Gemisch wurde auf 50º- 54ºC erhitzt und gehalten, während Methylamin (12 g, 0,4 Mol) über einen Zeitraum von 1,5 Stunden zugeführt wurde. Nach der Zugabe des Methylamins wurde das Reaktionsgemisch auf 93ºC erhitzt und über einen Zeitraum von etwa 5 Stunden auf dieser Temperatur gehalten, dann auf Raumtemperatur abgekühlt und gefiltert. Der Filterkuchen wurde mit kaltem Wasser gewaschen und über einen Zeitraum von 24 Stunden vakuumgetrocknet (0,2 mmHg), um 15,97 g 3,4,6-Trichlor-N-methylphthalimid als weißes Pulver zu ergeben (Schmelzpunkt 166ºC-167,5ºC).
- 3,4,6-Trichlor-N-phenylphthalimid (10,0 g, 30,1 mMol), Kaliumfluorid (6,45 g, 111,0 mMol) und Sulfolan (100 ml) wurden in einen 250 ml fassenden Rundkolben, ausgerüstet mit einem Kondensator und einem Magnetrührer, gefüllt und unter einer Stickstoffatmosphäre gehalten. Das Reaktionsgemisch wurde unter Rühren über einen Zeitraum von 70 Minuten auf eine Badtemperatur von 2350 - 243ºC erhitzt. Dann wurde das Gemisch gekühlt und gefiltert. Der Filterkuchen wurde mit Methylenchlorid gewaschen und die Waschflüssigkeit mit dem Filtrat kombiniert. Sulfolan wurde durch Destillation entfernt und dem Rückstand wurde Toluol (50 ml) hinzugefügt. Nach dem Filtern zur Entfernung von etwas unlöslichem Material (0,40 g) wurde die Lösung in das obere Ende einer Siliziumoxidsäule eingespeist und mit Toluol eluiert. Die Entfernung des Lösungsmittels von den das Erzeugnis enthaltenden Fraktionen, gefolgt von Vakuumtrocknen, (0,2 mmHg, 16 Stunden) ergab 3,4,6-Trifluor-N-phenylphthalimid als einen cremefarbigen Feststoff (57,4 g, 20,7 mMol, Schmelzpunkt 1830 - 185ºC, 91% Reinheit mittels Gaschromatographie, Bereich%) in einer Ausbeute von 67,6%.
- Gemäß dem allgemeinen Verfahren von Beispiel 3 wurde 3,4,6-Trichlor-N-methylphthalimid (9,82 g, 37,12 mMol) mit Kaliumfluorid (7,77 g, 133,7 mMol) in Sulfolan (100 ml) bei einer Temperatur von 240ºC über einen Zeitraum von 1,1 Stunden zur Reaktion gebracht. Die Analyse des Reaktionsproduktes durch ¹&sup9;F NMR unter Verwendung von 4-Fluornitrobenzol als ein interner Standard ergab eine Ausbeute von 83,2%.
- Ein 1 l fassender Kolben mit drei Ansätzen, ausgerüstet mit einem Kondensator, einem Thermometer und einem mechanischen Rührer, wurde mit 3,4,6-Trifluor-N-phenylphthalimid (45,76 g, 140,1 mMol, 72% Reinheit mittels Gaschromatographie, interner Standard gegenüber Hexadekan) und 25%iger Schwefelsäure (600 ml) beschickt. Das Reaktionsgemisch wurde unter Rühren auf 105ºC erhitzt und auf dieser Temperatur über einen Zeitraum von 27,8 Stunden gehalten, dann auf Raumtemperatur gekühlt und gefiltert. Der Filterkuchen wurde zweimal mit Wasser gewaschen und das Filtrat viermal mit Ethylacetat extrahiert. Die kombinierten Extrakte wurden über wasserfreiem Magnesiumsulfat getrocknet, gefiltert, und das Lösungsmittel auf einem Drehverdampfer entfernt. Der verbleibende Feststoff wurde bei 0,2 mmHg über einen Zeitraum von 24 Stunden bis zu einem Gewicht von 29,79 g (81,5% Ausbeute) 3,4,6-Trifluorphthalsäure als ein schmutzig weißer Feststoff vakuumgetrocknet (Schmelzpunkt 1530 - 155ºC, Reinheit 91,8% mittels Gaschromatographie, Bereich%).
- Gemäß dem Verfahren von Beispiel 5 wurde 3,4,6-Trifluor-N-methylphthalimid (0,5087 g, 2,4 mMol) in 25%iger Schwefelsäure (10 ml, 125ºC, 29 h) hydrolysiert, um 0,4721 g 3,4,6- Trifluorphthalsäure als ein weißer Feststoff zu ergeben (Schmelzpunkt 1540 - 156ºC).
- Die folgenden Beispiele erläutern die katalysierte Fluorierung von 3,4,6-Trichlor-N-phenylphthalimid (Beispiel 7C) und 3,4,6-Trichlor-N-methylphthalimid (Beispiel 8C) und sie sind zu Vergleichszwecken vorgesehen.
- Ein 25 ml fassender Rundkolben, ausgerüstet mit einem Magnetrührer und einem Kondensator, wurde mit 3,4,6-Trichlor-N- phenylphthalimid (1,01 g, 3,1 mMol), Kaliumfluorid (0,61 g, 10,5 mMol), Tetraphenylphosphoniumbromid (0,10 g) und Sulfolan (10 ml) unter einer Trockenstickstoff-Atmosphäre beschickt. Das Reaktionsgemisch wurde dann unter Rühren auf eine Badtemperatur von 140ºC (24 Stunden) erhitzt, dann gekühlt und gefiltert. Der Filterkuchen wurde zweimal mit Methylenchlorid gewaschen. Das Filtrat wurde auf einem Drehverdampfer konzentriert, und 4- Fluornitrobenzol (0,1005 g) wurde als ein interner ¹&sup9;F NMR- Standard zugespeist. Die NMR-Analyse zeigte, daß die Ausbeute an 3,4,6-Trifluor-N-phenylphthalimid 44,1% betrug.
- Das Verfahren von Beispiel 7C wurde wiederholt, es wurden jedoch anstelle des 3,4,6-Trichlor-N-phenylphthalimids 1,0 g 3,4,6-Trichlor-N-methylphthalimid und 9,2 molare Äquivalente von Kaliumfluorid verwendet, und die Reaktion lief über einen Zeitraum von 32,1 Stunden. Die Analyse des Reaktionsproduktes durch NMR-Analyse zeigte eine Ausbeute von 46,9% 3,4,6- Trifluor-N-methylphthalimid an.
- Die nicht katalysierte Fluorierung gemäß dem allgemeinen Verfahren der Beispiele 3 und 4 wurde unter den verschiedensten Bedingungen wiederholt. Für Vergleichszwecke wurde die katalysierte Fluorierung gemäß dem allgemeinen Verfahren der Beispiele 7C und 8C unter Verwendung der verschiedensten Katalysatoren und, Bedingungen wiederholt.
- Die Bereiche der Bedingungen und die erzielten Ergebnisse sind im folgenden dargelegt. Nicht-katalysierte Fluorierung Sulfolan
- * 3-20% Überschuß an KF verwendet
- Ausbeute (mittels ¹&sup9;F NMR, interner Standard)
- R Phenyl 53 - 66 %
- R = Methyl 63 - 83 % Katalysierte Fluorierung Sulfolan
- * 10 - 370% Überschuß an KF verwendet
- ** die verschiedenen verwendeten Katalysatoren schließen ein:
- Tetraphenylphosphoniumbromid, Tetraphenylphosphoniumchlorid und Tributylhexadecylphosphoniumbromid
- Ausbeute (mittels ¹&sup9;F NMR, interner Standard)
- R Phenyl 29 - 47 %
- R Methyl 21 - 57 %
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung eines Trifluorphthalimids der
Formel
wobei R ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
C1-12-Alkyl, Phenyl, C1-12-Monoalkylphenyl, Naphthyl und
C1-12-Monoalkylnaphthyl, welches Verfahren das zur Reaktion bringen von
Kaliumfluorid mit einem Trichlorphthalimid der Formel
umfaßt, wobei R wie oben definiert ist und wobei das Verfahren
bei einer Temperatur von etwa 200ºC bis 270ºC unter
wasserfreien Bedingungen und in Abwesenheit eines Katalysators,
jedoch in Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, welches in Gegenwart eines
polaren apriotischen Lösungsmittels durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lösungsmittel
Sulfolan ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, welches bei einer
Temperatur von etwa 220ºC bis 260ºC durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von 3,4,6-
Trifluor-N-phenylphthalimid, welches das zur Reaktion bringen
von Kaliumfluorid mit 3,4,6-Trichlor-N-phenylphthalimid umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von 3,4,6-
Trifluor-N-methylphthalimid, welches das zur Reaktion bringen
von Kaliumfluorid mit 3,4,6-Trichlor-N-methylphthalimid umfaßt.
7. Verfahren zur Herstellung von
3,4,6-Trifluorphthalsäure, umfassend
A) Herstellung eines 3,4,6-Trifluor-N-R-phthalimids
gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, und
B) Hydrolisierung des 3,4,6-Trifluor-N-R-Phthalimids,
um 3,4,6-Trifluorphthalsäure zu bilden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, welches in Gegenwart eines
Lösungsmittels durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, welches in Gegenwart eines
polaren apriotischen Lösungsmittels durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Lösungsmittel
Sulfolan ist.
11. Verfahren nach Anspruch 7, welches bei einer
Temperatur von etwa 220ºC bis 260ºC durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 7, wobei R Phenyl ist.
13. Verfahren nach Anspruch 7, wobei R Methyl ist.
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