DE69213447T2

DE69213447T2 - Herstellung von n-acylimidazolen

Info

Publication number: DE69213447T2
Application number: DE69213447T
Authority: DE
Inventors: Michael West
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1992-04-29
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2012-04-30
Also published as: WO1992019600A1; CA2004637A1; EP0583375B1; EP0539619A1; DE69213447D1; DE4126986A1; US5145983A; CA2109229A1; JPH06507411A; CA2004637C; EP0583375A1; US5084280A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von N-Acylimidazolen durch die Umsetzung eines Carbonsäureanhydrids mit einem Carbonyldiimidazol offenbart. Die Produkte sind als chemische Zwischenprodukte nützlich.

Technischer Hintergrund

H. A. Staab, Angew. Chem. Intl. Ed., Band 1, S. 351-367 (1962) beschreibt verschiedene Synthesen und Verwendungen für N- Acylimidazole (dort "Imidazolide" genannt). Auf den Seiten 355-56 wird die Umsetzung von Carbonyldiimidazolen mit Carbonsäuren beschrieben, wobei 1 mol N-Acylimidazol, 1 mol CO&sub2; und 1 mol Imidazol auf 1 mol Ausgangsmaterial erhalten wird. In diesem Artikel wird die Umsetzung von Carbonsäureanhydriden mit einem Carbonyldiimidazol unter Bildung von N-Acylimidazolen nicht erwähnt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches Verfahren für die Herstellung von N-Acylimidazolen verfügbar zu machen, das nur leicht entfembares CO&sub2; als Nebenprodukt ergibt und alle Imidazolgruppen im Carbonyldiimidazol vollständig verwendet (alle Imidazolgruppen werden N-Acylimidazol).

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Imidazols der Struktur
wobei R¹ ein substituierter oder unsubstituierter Kohlenwasserstoffrest ist und wobei die Positionen 2, 4 oder 5 am Imidazol-Ring substituiert sein können, umfassend das In- Berührung-Bringen eines Carbonsäureanhydrids mit der Formel R¹C(O)-O-C(O)R¹, worin R¹ wie oben definiert ist, mit der Maßgabe, daß beide R¹-Gruppen miteinander verbunden sein können, so daß ein cyclisches Anhydrid gebildet wird, bei einer Temperatur von etwa 0 ºC bis 200 ºC mit einem Carbonyldumidazol, das die Struktur
enthält, wobei die Positionen 2, 4 oder 5 substituiert sein können.

EINZELHEITEN DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung von N- Acylimidazolen durch die Umsetzung eines Carbonsäureanhydrids mit einem Carbonyldiimidazol (hier manchmal als CDI abgekürzt). Das Carbonyldiimidazol weist die Formel
auf. Die Imidazolringe des Carbonylimidazols (und des resultierenden Acylimidazols) können in der Position 2, 4 oder 5 substituiert sein. Es ist bevorzugt, daß beide Imidazolringe des Carbonyldiimidazols unsubstituiert sind, das heißt die Verbindung 1,1'-Carbonyldiimidazol.
Mit dem Begriff N-Acylimidazol ist eine Verbindung des Typs
gemeint, wobei eine Acylgruppe an die Position 1 eines Imidazolrings gebunden ist. Bei der Gruppe R¹ handelt es sich um einen Kohlenwasserstoff, der durch verschiedene Substituenten substituiert sein kann. Die verschiedenen Substituenten am Imidazolring oder die verschiedenen, an die Gruppe R¹ gebundenen Substituenten sollten unter den Verfahrensbedingungen inert sein.
Die Gruppe R¹ stammt von dem beim Verfahren verwendeten Carbonsäureanhydrid ab. Carbonsäureanhydride sind den Fachleuten wohlbekannt und umfassen die Gruppe -C(O)-O-C(O)-, wobei die freien Bindungen zu Kohlenwasserstoff- oder substituierten Kohlenwasserstoffbindungen wie der Gruppe R¹ gehen. Carbonsäureanhydride können cyclisch oder acyclisch sein. Somit kann das Carbonsäureanhydrid die Formel R¹C(O)-O-C(O)R¹ aufweisen, wobei es sich bei jedem R¹ unabhängig um einen Kohlenwasserstoff handelt, oder die beiden Kohlenwasserstoffgruppen R¹ können miteinander verbunden sein, wodurch ein cyclisches Anhydrid gebildet wird. Beispiele für die acyclischen Carbonsäureanhydride, die im vorliegenden Verfahren nützlich sind, umfassen Essigsäureanhydrid, Perfluorbuttersäureanhydrid, Trifluoressigsäureanhydrid, Benzoesäureanhydrid, Hexansäureanhydrid und Methacrylsäureanhydrid. Diese acyclischen Anhydride können auch sogenannte gemischte Anhydride sein, wie Essigsäurepropansäureanhydrid. Im Fall von gemischten Anhydriden werden zwei N-Acylimidazole erhalten, wobei jedes von einer der Acylgruppen im gemischten Anhydrid abstammt. Symmetrische Anhydride (beide R¹-Gruppen dieselben) sind bevorzugt. Eine typische Umsetzung eines CDI mit einem acylischen Carbonsäureanhydrid ist:
Cyclische Anhydride sind beim vorliegenden Verfahren ebenfalls nützlich. Beispiele für solche cyclischen Anhydride umfassen, ohne darauf begrenzt zu sein, Bernsteinsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid und Itaconsäureanhydrid. Wenn ein cyclisches Anhydrid mit einem CDI reagiert, wird eine Verbindung erzeugt, die zwei N-Acylimidazolgruppen enthält (unter der Annahme, daß nur eine Anhydridgruppe auf ein Molekül des cyclischen Anhydrids vorhanden ist), da die Anhydridgruppen ebenfalls durch die cyclische Struktur miteinander verbunden sind. Zum Beispiel läuft die Reaktion von Phthalsäureanhydrid mit einem CDI wie folgt ab:
Beispiele für geeignete Substituenten, die entweder im Carbonsäureanhydrid (zum Beispiel der Gruppe R¹) oder in den Positionen 2, 4 oder 5 des Imidazolrings des CDI (und somit ebenfalls im N-Acylimidazolprodukt) vorhanden sein können, umfassen, sind aber nicht begrenzt auf Ether, Ester, Amid, Fluor, Chlor, Brom und Iod, und bei einer Substitution am Imidazolring Kohlenwasserstoff. Es kann jede beliebige Kombination von Substituenten bei einer beliebigen dieser Positionen vorhanden sein.
Das Carbonsäureanhydrid kann Teil eines viel größeren Moleküls wie eines Polymers sein. Zum Beispiel kann es sich bei dem Carbonsäureanhydrid um Maleinsäureanhydrid oder Itaconsäureanhydrid handeln, das (normalerweise radikalisch) mit anderen Monomeren copolymerisiert wurde, so daß die Anhydridgruppe intakt bleibt. Das Carbonsäureanhydrid kann auch mehr als eine Anhydridgruppe, wie bei Pyromellithsäureanhydrid, oder eine Mehrzahl von Anhydridgruppen, wie bei den oben aufgeführten Copolymeren, enthalten. Es ist bevorzugt, daß die Anhydridgruppen im Copolymer cyclisch sind.
Während praktisch jedes Verhältnis der Bestandteile die erwünschten N-Acylimidazole ergibt, ist es bevorzugt, daß das Verhältnis zwischen den gesamten Anhydridgruppen und dem CDI etwa 1 beträgt. Dies stellt die effizienteste Verwendung der Ausgangsmaterialien sicher und wirkt dem Erfordernis des Entfernens nicht umgesetzter Ausgangsmaterialien entgegen, d.h., es ergibt direkt relativ reines N-Acylimidazol. Natürlich würde weniger CDI verwendet werden, falls es erwünscht wäre, nur einen Teil der Anhydridgruppen (wie bei einem Polymer, das Anhydrid enthält) umzusetzen.
Während die Temperatur nicht kritisch ist, werden praktische Reaktionsgeschwindigkeiten bei etwa 0 ºC bis etwa 200 ºC, vorzugsweise bei etwa 20 ºC bis etwa 100 ºC, erhalten. Die Verwendung von Lösungsmitteln ist optional, und jedes verwendete Lösungsmittel sollte aprotisch sein. Lösungsmittel sind besonders nützlich, wenn die Bestandteile nicht mischbar sind oder einer oder beide der Bestandteile bei der Verfahrenstemperatur fest sind. Ein nützliches Lösungsmittel ist Methylenchlorid. Nützliche Lösungsmitteltypen umfassen Kohlenwasserstoffe, Ester, Aromaten etc. Protische Lösungsmittel wie Alkohole, Wasser, primäre und sekundäre Amine sollten vermieden werden.
Es ist bevorzugt, Wasserdampf zu vermeiden, so daß das Verfahren normalerweise unter einer Atmosphäre von Stickstoff, Argon oder CO&sub2; durchgeführt wird. Rühren zum Bewerkstelligen des Mischens der Bestandteile ist bevorzugt.
Das Produkt N-Acylimidazol kann direkt, wie es durch das Verfahren hergestellt wurde, verwendet werden, da das einzige Nebenprodukt gasförmiges CO&sub2; ist. Falls ein Lösungsmittel verwendet wird, kann es durch Destillation entfernt werden. Das Produkt N-Acylimidazol kann nach Bedarf durch Destillation oder Kristallisation gereinigt werden.
Wie von H. A. Staab (oben, worauf hier ausdrücklich als Literaturstelle Bezug genommen wird) beschrieben, sind N-Acylimidazole nützliche Zwischenprodukte für die Herstellung von Estern, Amiden, Peptiden, Carbonsäureanhydriden und anderen Typen organischer Verbindungen. Diese Literaturstelle beschreibt auch die Herstellung von CDIs.
In den folgenden Beispielen handelt es sich bei dem verwendeten CDI um 1,1'-Carbonyldiimidazol. Bei allen Teilen handelt es sich um Gewichtsteile.

BEISPIELL

N-Acetylimidazol

In 13 Teile Nethylenchlorid, das 1,86 Teile Carbonyldiimidazol enthielt, wurden langsam 1,14 Teile Essigsäureanhydrid gegeben. Nach 1 h wurde die Mischung trübe. Das Lösungsmittel wurde entfernt, wodurch 2,37 Teile rohes Acetylimidazol erhalten wurden, woraus 1,31 Teile aus Toluol umkristallisiertes Produkt erhalten wurde. Das ¹H-NMR und der Schmelzpunkt waren mit authentischem Acetylimidazol konsistent.

BEISPIEL 2

N-Methacryloylimidazol

In 39 Teile Methylenchlorid, das 9,83 Teile Carbonyldiimidazol enthielt, wurden langsam 9,35 Teile Methacrylsäureanhydrid gegeben. Die Gasentwicklung begann sofort; nach 1 h wurde die aufgeschlämmte Mischung klar, und nach 3 h war die Gasentwicklung vollständig. Das Lösungsmittel wurde entfernt, wodurch 17 Teile Rohprodukt erhalten wurden. Eine Fraktion von 15 Teilen wurde bei 0,25 Torr destilliert, wodurch 6,9 Teile eines Materials mit einem Siedebereich von 44 bis 60 ºC erhalten wurden. IR, ¹H-NMR und ¹³C-NMR waren mit authentischern Material, das auf anderen Wegen (J. Polym. Sci., Polym. Chem. Ed., Band 12, S. 2453-2455 (1974)) hergestellt wurde, konsi stent.

BEISPIEL3

N-Benzoylimidazol

In 132 Teile Methylenchlorid, das 8,16 Teile Carbonyldiimidazol enthielt, wurden 11,31 Teile Benzoesäureanhydrid in 66 Teile Methylenchlorid gegeben. Die resultierende Mischung wurde 5 h lang unter Rückfluß gehalten, bis die Gasentwicklung aufhörte. Die Ausbeute betrug nach dem Entfernen des Lösungsmittels unter vermindertem Druck 19,31 Teile Rohmaterial, von dem durch IR, GC-MS, ¹H-NMR und ¹³C-NMR gezeigt wurde, daß es sich hauptsächlich um Benzoylimidazol in Begleitung von etwas Dichlormethan handelte. Die Verbindung ist bekannt, Chem. Ber., Band 98, S. 1275-1283 (1961).

BEISPIEL 4

Polymeres N-Acylimidazol

In eine Lösung aus 5,04 Teilen SMA-100 Styrol/Maleinsäureanhydrid-Copolymer (Atochem, Inc.) in 50 Teilen Dichlormethan wurde eine Aufschlämmung von 5,09 Teilen Carbonyldiimidazol in 10,1 Teilen Methylenchlorid gegeben. Die Mischung wurde 2 h lang unter Rückfluß gehalten. Die Feststoffe lösten sich, es wurde Gas erzeugt, und die Mischung wurde sehr dunkelrot. Die IR-Extinktionen bei 1780 und 1857 cm&supmin;¹ (SMA-1000) und 1754 cm&supmin;¹ (Carbonyldiimidazol) wurden beim Produkt vollständig durch Extinktionspeaks bei 1758, 1780 und 1730 cm&supmin;¹ ersetzt.

BEISPIEL 5

N-Heptafluorbutyroylimidazol

In eine Mischung aus 10 Teilen Perfluorbuttersäureanhydrid in Teilen Dichlormethan wurde eine Aufschlämmung von 4,0 Teilen Carbonyldiimidazol in 10,25 Teilen Methylenchlorid gegeben. Die resultierende Mischung wurde 1 h lang unter Rückfluß gehalten. Während der Schritte des Zugebens und des Rückflusses wurde die Entwicklung von Gas bemerkt. Die IR- Extinktionen bei 1798 und 1866 cm&supmin;¹ (Anhydrid) und 1754 cm&supmin;¹ (Carbonyldiimidazol) wurden beim Produkt durch einen Peak bei 1754 cm&supmin;¹ ersetzt. Die Ausbeute nach dem Entfernen des Lösungsmittels im Vakuum betrug 12,3 Teile.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Imidazols der Struktur

wobei R¹ ein substituierter oder unsubstituierter Kohlenwasserstoffrest ist und wobei die Positionen 2, 4 oder 5 am Imidazol-Ring substituiert sein können, umfassend das In-Berührung-Bringen eines Carbonsäureanhydrids mit der Formel R¹C(O)-O-C(O)R¹, worin R¹ wie oben definiert ist, mit der Maßgabe, daß beide R¹-Gruppen miteinander verbunden sein können, so daß ein cyclisches Anhydrid gebildet wird, bei einer Temperatur von etwa 0 ºC bis 200 ºC mit einem Carbonyldiimidazol, das die Struktur

enthält, wobei die Positionen 2, 4 oder 5 substituiert sein können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das in der Gegenwart eines aprotischen Lösungsmittels durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das aprotische Lösungsmittel Methylenchlorid ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das bei einer Temperatur von etwa 20 ºC bis etwa 100 ºC durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis von den Carbonsäureanhydrid-Gruppen zum Carbonyldiimidazol etwa 1 beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder R¹ derselbe ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der R¹ einen oder mehrere Substituenten enthält, ausgewählt aus Ether, Ester, Amid, Fluor, Chlor, Brom und Iod.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Carbonsäureanhydrid aus Essigsäureanhydrid, Perfluorbuttersäureanhydrid, Trifluoressigsäureanhydrid, Benzoesäureanhydrid, Hexansäureanhydrid, Methacrylsäureanhydrid, Bernsteinsäureanhydrid, Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid und Itaconsäureanhydrid ausgewählt ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Anhydrid ein Copolymer ist, das eine Mehrzahl von cyclischen Anhydridgruppen enthält.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Carbonyldiimidazol 1,1'-Carbonyldiimidazol ist.