DE69215001T2 - Verfahren zur Herstellung von Biarylverbindungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Biarylverbindungen

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Biarylderivaten durch reduktive Kupplung von Arylhalogenidverbindungen.
  • Funktionelle Biarylderivate sind wichtige Industriechemikalien. Sie werden bei der Herstellung von Monomeren für leistungsstarke und andere Polymere verwendet. Zum Beispiel sind 3,3',4,4'Biphenyltetracarbonsäure (BPTC), 4,4'Biphenyldicarbonsäure und 4,4'Biphenol bei der Herstellung von leistungsstarken Polyimiden, Polyamiden und Polyestern verwendete Monomere. Zusätzlich sind Biarylderivate zur Herstellung von Farbstoffen, Arzneimitteln und Zwischenprodukten für Agrochemikalien geeignet. Diese Anwendungen erfordern sehr hohe Reinheit (häufig über 99.9 %) der Biarylderivate.
  • Die herkömmlichen Herstellungsverfahren für Biaryle durch reduktive Kupplung von Arylhalogeniden beziehen folgende übliche Komponenten ein:
  • 1. Ein flüssiges Medium, wie Methanol, Ethanol, Dioxan, Glycole, H&sub2;O usw.
  • 2. Eine Base, wie NaOH, KOH.
  • 3. Einen metallischen Katalysator, wie Pd, Rh, Ru, Ni.
  • 4. Ein Reduktionsmittel, wie Natriumformiat, Paraformaldehyd, Glycole, Glycerin, Methanol, Chloroform/Methylamin, Hydrazin, CO, H&sub2;.
  • Zum Beispiel beschreiben Busch und Mitarb., Ber. (1929) 62, 2612 und Busch und Mitarb., 3. Prakt. Chem. (1936) 146 die Kupplung von Arylhalogeniden in alkoholischer KOH in Gegenwart von Pd/CaCO&sub3; als Katalysator mit Wasserstoff oder Hydrazin als Reduktionsmittel durch Erwärmen des Reaktionsgemisches auf Rückflußtemperatur oder unter Druck auf höhere Temperaturen. Dieses Kupplungsverfahren ergibt im allgemeinen mit einfachen Arylhalogeniden ziemlich gute Ausbeuten an Biphenylderivaten. Zum Beispiel ergibt Brombenzol etwa 78 % Biphenyl und p-Bromtoluol etwa 66 % 4,4'Dimethylbiphenyl.
  • Jedoch haben Busch und Mitarb. festgestellt, daß mit aromatischen Verbindungen, die polare Substituenten enthalten, die Selektivität zu Biphenylen viel geringer war.
  • Zum Beispiel ergab p-Bromphenol etwa 13.4 % 4,4'Dihydroxybiphenyl, p-Bromanisol ergab etwa 35 % 4,4'Dimethoxybiphenyl, Brombenzoesäure ergab 40 % 4,4'Biphenyldicarbonsäure und 3-Brombenzoesäure ergab 56.5 % 3,3'Biphenyldicarbonsäure.
  • Auch mehrere Patente beschreiben reduktive Kupplungsverfahren für Arylhalogenide. Zum Beispiel beschreibt das japanische Patent Nr. 0253742 die reduktive Kupplung von Chlorphthalsäure mit Pd/C in wäßriger NaOH mit Glycerin als Reduktionsmittel, wobei 53 - 64 % BPTC (der Rest ist Phthalsäure) durch Erwärrnen auf 150ºC bei 2 kg/cm² erhalten werden.
  • JP 01 224 330 beschreibt die reduktive Kupplung von Mononatriumchlorphthalat in Wasser unter Verwendung von Pd/C in Gegenwart von Chloroform und Monomethylamin bei 120ºC und 5 kg/cm², wobei 74 % BPTC und 26 % Phthalsäure erhalten werden.
  • JP 01 299 236 beschreibt eine reduktive Kupplung von Chlorphthalsäure in wäßriger NaOH unter Verwendung von Pd/C, Glycerin und Wasserstoff bei 150ºC und 9.5 kg/cm² für 5 Stunden, wobei 64.5 % BPTC und 35.5 % Phthalsäure erhalten werden. Der wiederverwendete Katalysator ergab eine verminderte Ausbeute von 49.8 % BPTC bei 84.8 % Umwandlung.
  • JP 62/026238 offenbart die reduktive Kupplung von Chlorphthalsäure in wäßriger NaOH mit 2 % Pd/C in einer Menge von etwa 11 Gew.-%, bezogen auf Chlorphthalsäure, die in Verbindung mit folgenden Reduktionsmitteln verwendet wird: Ethylenglycol: 28 - 42 % Ausbeute BPTC; Methanol: 36.6 % Ausbeute; Glycerin: 50.3 % Ausbeute (100 %ige Umwandlung) und Paraformaldehyd: 38 % Ausbeute und 100 %ige Umwandlung.
  • JP 61/137838 beschreibt eine reduktive Kupplung eines Natriumsalzes von 4- Bromphthalsäure unter Verwendung von ~25 Gew.-% 5 %igem Pd/C, 50 Gew.-% KOH und 30 Gew.-% Natriumformiat, bezogen auf das hergestellte BPTC, in Wasser bei 100ºC für 6 Stunden, wobei 92 % BPTC erhalten werden.
  • EP-A-0 220 835 offenbart ein Verfahren zur Herstellung aromatischer dimerer Verbindungen, das die Dimerisation einer aromatischen Halogenidverbindung mit mindestens einem Halogenatom, das an einem Kohlenstoffatom des aromatischen Kerns gebunden ist, und gegebenenfalls einem anderen Substituenten als dem Halogenatom, in Gegenwart eines Metallkatalysators der Platingruppe, Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel und einer Alkalimetallverbindung und/oder Erdalkalimetallverbindung umfaßt.
  • Bekannte Verfahren der reduktiven Kupplung von Halogenphthalsäuren zur Herstellung von BPTC weisen mehrere Probleme auf:
  • (a) Alle verwendeten Reduktionsmittel, außer Natriumformiat, ergeben nur geringe bis mäßige Ausbeuten an BPTC (24 - 72 %). Im Fall von Natriumformiat ist eine große Menge an Katalysator erforderlich: bis zu 25 Gew.-% 5 %iges Pd/C, bezogen auf das erhaltene BPTC, wurden verwendet, um eine Ausbeute von 92 % zu erhalten.
  • (b) Der teuere Palladiumkatalysator muß zurückgewonnen werden. Es wurde festgestellt, daß die Selektivität und Reaktionsgeschwindigkeiten bei Verwendung des rückgeführten Katalysators üblicherweise stark vermindert waren, und eine Regenerierungsbehandlung war erforderlich, um zumindest einen Teil seiner Aktivität wiederherzustellen. Eine vollständige Rückgewinnung der gesamten Aktivität wurde nicht berichtet. Das macht die Umsatzzahl zu gering und die Kosten des Katalysators untragbar.
  • (c) Die verwendete Menge des Reduktionsmittels ist ziemlich wichtig. Natriumformiat wird in bezug auf das erhaltene BPTC in gleicher Menge verwendet. Ethylenglycol wird in einer Menge bis zu 3 Teilen zu einem Teil BPTC, Methanol in bis zu 10 Teilen BPTC und Glycerin in etwa 5 Teilen verwendet. Diese Mengen sind ziemlich groß. Bei Natriumformiat, Glycol und Glycerin ist die Produktrückgewinnung ziemlich umständlich und teuer. Diese Verfahren sind daher durch geringe Durchsätze charakterisiert und bringen ökologische Probleme mit sich.
  • (d) Die Reinigung des erhaltenen BPTC ist ziemlich schwierig, auch wenn hohe Umwandlung und Selektivität erreicht werden.
  • Zum Beispiel wurde festgestellt, daß bei der Synthese von BPTC, wenn die Umwandlung geringer als 100 % und die Selektivität geringer als 75 % ist, eine umfangreiche Reinigung erforderlich ist, um BPTC mit einer Reinheit von über 99 % zu erhalten, das die erforderliche Mindest-Reinheit für das Polykondensationsverfahren ist, für das diese Substanz verwendet wird. Verunreinigungen, wie Phthalsäure und unreagierte 4-Halogenphthalsäure sind Kettenabbruchsmittel im vorstehend erwähnten Polymerisationsverfahren, was minderwertige Polymere ergibt.
  • Es wurde jetzt festgestellt, und das ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, daß alle vorstehend erwähnten Probleme mit einem einfachen und wirtschaftlichen Verfahren überwunden werden können.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Kupplung eines Arylhalogenids, um ein Biarylderivat zu erhalten, unter Verwendung eines Palladiumkatalysators in einer kleinen Menge, der zurückgewonnen und rückgeführt werden kann, ohne daß seine Selektivität oder seine Reaktivität wesentlich verloren geht, in einem wäßrigen alkalischen Medium unter Verwendung von Ameisensäurehydrazid als Reduktionsmittel. Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt Biarylderivate mit hoher Selektivität und Ausbeuten.
  • Veranschaulichende, aber nicht einschränkende Beispiele der Arylhalogenide sind 1-Chlor-2-nitrobenzol, 1-Chlor-4-nitrobenzol, 1-Brom-2-nitrobenzol, 1-Brom-4-nitrobenzol, 4-Brombenzaldehyd, 5-Bromsalicylsäure, 5-Bromanthranilsäure, 4-Brombiphenyl, 4-Bromphenoxybenzoesäure.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Arylhalogenid in einem wäßrigen alkalischen Medium, wie NaOH, gerührt. Die verwendete Menge an Alkali ist ausreichend, um den freigesetzten Halogenwasserstoff zu neutralisieren, zusätzlich zu der erforderlichen Menge, um andere sauere Gruppen, die vorhanden sein können, wie Carbonsäure- und/oder phenolische Gruppen, zu neutralisieren. Üblicherweise wird ein Überschuß an Alkali zugegeben (bis zu 50 %).
  • Die Menge des Palladiumkatalysators (für einen 5 %igen Pd/C), die nötig ist, um hohe Selektivitäten zu erhalten, liegt zwischen 0.04 und 4 Gew.-% des verwendeten Arylhalogenids, vorzugsweise 0.08 bis 1 %. Selbstverständlich können verschiedene Katalysatorchargen, Träger und Pd-Gehalte verschiedene katalytische Mengen erfordern, wobei die Bestimmung davon dem routinierten Fachmann bekannt ist. Die erforderliche molare Menge an Ameisensäurehydrazid in bezug auf das Halogenid beträgt etwa 1:4.
  • Die Reaktion wird bei einer Temperatur zwischen 60º bis 100ºC, vorzugsweise zwischen 60º bis 85ºC, durchgeführt. Eine 100 %ige Umwandlung wird nach 15 bis 90 Minuten Erwärmen, abhängig von der Art des verwendeten Arylhalogenids und der Menge des Katalysators erhalten. Es wurde festgestellt, daß Erhitzen des Reaktionsgemisches für längere Zeiträume keine Katalysatorverschlechterung mit sich bringt.
  • Die Selektivität der reduktiven Kupplung ist hoch und Biphenylderivate werden in einer Menge von üblicherweise 80 bis 90 % und in einigen Fällen sogar 95 % gebildet. Zum Beispiel ergibt unter Verwendung von Ameisensäurehydrazid 4-Bromphthalsäure > 90 % BPTC bei 100 % Umwandlung, wenn 0.08 % 5 %iges Pd/C bei einer Temperatur von 80ºC für 90 Minuten verwendet wurde. Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß der zurückgewonnene Katalysator nach einfachem Waschen für mehrere Cyclen wiederverwendet werden kann, ohne daß die Selektivität oder Reaktivität wesentlich verlorengehen.
  • Die Wirksamkeit von Ameisensäurehydrazid bei der Herstellung von Biphenylderivaten ist ziemlich überraschend, sogar wenn man sie mit dem besten Reduktionsmittel, das im Stand der Technik beschrieben ist, Natriumformiat, vergleicht. Es wurde festgestellt, daß unter äquivalenten Bedingungen, aber Ersetzen von Ameisensäurehydrazid durch Natriumformiat (30 Gew.-% der Bromphthalsäure) unter Verwendung von 0.08 % 5 %igem Pd/C als Katalysator die Reaktion äußerst langsam ist. Nach 28 Stunden sind 75 % BPTC und 22 % Phthalsäure mit 96.6 % Umwandlung gebildet worden. Ein Vergleich dieser Daten mit denen von JP 61/137838 zeigt, daß mit Natriumformiat als Reduktionsmittel die verwendete Menge des Katalysators nicht nur eine deutliche Wirkung auf die Reaktionsgeschwindigkeit sondern auch auf die Selektivität hatte. Mit Ameisensäurehydrazid ist diese Wirkung sehr gering (siehe Tabelle 1). Tabelle I Wirkung von % Katalysator auf die Selektivität und Geschwindigkeit der reduktiven Kupplung von 4-Bromphthalsäure unter Verwendung von Ameisensäurehvdrazid als Reduktionsmittel (2/3 Moläquivalent)
  • Ein anderes Beispiel der durch diese Anmeldung gebotenen Vorteile ist die reduktive Kupplung von p-Bromphenol. Busch und Mitarb. erhielten 13.4 % Biphenol, verglichen mit 80 % Biphenol bei Verwendung von Ameisensäurehydrazid und Verwendung von im Handel erhältlichem 5 %igen Pd/BaSO&sub4;.
  • Folgende Beispiele dienen der weiteren Veranschaulichung der Erfindung, sollen aber ihren Schutzbereich in keiner Weise einschränken.
  • In den folgenden Beispielen wurden HPLC-Analysen unter Verwendung einer 10 µm Econosil C-18, 250 x 4.6 mm Säule durchgeführt. Die mobile Phase war 37 % Acetonitril (HPLC-Reinheit) und 63 % 0.005 mol/l Tetrabutylammoniumbromid (TBAB). Der pH-Wert betrug 3.1. Die Fließgeschwindigkeit betrug 2 ml/Min. bei Umgebungstemperatur. Die verwendete Wellenlänge betrug 230 nm, das Einspritzvolumen 10 µl und die Konzentration 1.0 mg/ml in einer Acetonitril/Wasser 1:1-Lösung.
  • Folgende Retentionszeiten wurden erhalten.
  • 2.41 Min. - Phthalsäure
  • 3.08 Min. - BPTC
  • 5.57 Min. - 4-Bromphthalsäure
  • 13.19 Min. - Dibromphthalsäure
  • GC-Analysen wurden mit einer SP-2250-3F Säule durchgeführt.
  • Detektortemp.: 250ºC
  • Einspritztemp.: 260ºC
  • Ofentemp.: 90ºC
  • Anfangstemp.: 50ºC
  • Temp.geschwindigkeit: 10ºC/Min; Endtemp.: 250ºC
    • Beispiel 1
  • Ein 5 %iger Pd/C-Katalysator (Johnson und Matthey Typ 87G) (0.1 g) wurde zu einer warmen (40ºC) Lösung von Natriumhydroxid (1.4 g, 35 mmol) in Wasser (10 ml) gegeben. Nach 5 Minuten Rühren wurde Ameisensäurehydrazid FH (0.4 g, 6.7 mmol) zugegeben und das Gemisch zusätzliche 10 Minuten gerührt. 4-Bromphthalsäure 4-BrPA (2.47 g, 10 mmol) wurde auf einmal zugegeben; ein spontaner Temperaturanstieg auf 50 - 55ºC wurde festgestellt.
  • Nach zwei Minuten Rühren wurde das Gemisch auf 85ºC erhitzt und 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten. In diesem Stadium zeigte eine HPLC-Analyse folgende Zusammensetzung:
  • Phthalsäure - 6.6 %
  • BPTC - 93.4 %
  • Der Katalysator wurde durch Filtration bei 80ºC zurückgewonnen. Der Katalysatorrückstand wurde mit Wasser (5 ml) gewaschen. Die vereinigten Filtrate und Waschwasser wurden mit 32 %iger HCl (ca. 5 ml) auf pH-Wert < 1 angesäuert. Der sich bildende Niederschlag wurde bei 60ºC abfiltriert und mit Wasser (ca. 100 ml) gewaschen, bis der pH-Wert des Waschwassers auf 5 - 6 stieg. Die Ausbeute an BPTC betrug 85 - 86 % und die Reinheit des Produkts > 99 %, bestimmt durch kalibrierte HPLC.
    • Beispiele 2 - 8
  • Beispiel 1 wurde unter Verwendung verschiedener Reaktionsbedingungen wiederholt. Die Bedingungen und Ergebnisse sind in Tabelle II aufgeführt.
    • Beispiele 9-21
  • Mehrere verschiedene Ausgangssubstanzen wurden ähnlich zu Beispiel 1 gekuppelt. Die Ausgangssubstanzen und Reaktionsbedingungen sind in Tabelle III im einzelnen dargestellt. Tabelle II
  • * KOH wurde statt NaOH verwendet.
  • ** Die Beispiele 5, 6 und 7 verwendeten den gleichen rückgeführten Katalysator. Tabelle III
  • (1) GC-Analyse
  • (2) HPLC-Analyse Tabelle III (Fortsetzung)
  • (1) GC-Analyse
  • (2) HPLC-Analyse
  • (3) Na&sub2;CO&sub3; wurde statt NaOH verwendet - 500 ml Methanol wurden zugegeben.
  • (4) Na&sub2;CO&sub3; wurde statt NaOH verwendet - 21 ml Methanol wurden zugegeben.
  • *5% Pd/BaSO&sub4; (von Engelhart)

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von Biarylderivaten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arylhalogenid in einer wäßrigen alkalischen Lösung in Gegenwart eines Palladiumkatalysators unter Verwendung von Ameisensäurehydrazid als Reduktionsmittel gekuppelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reaktion bei einer Temperatur zwischen 60 - 100ºC, vorzugsweise zwischen 60 - 85ºC, durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Katalysator ein Palladiumkatalysator auf einem Träger ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Katalysator aus Pd/C und Pd/BaSO&sub4; ausgewählt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Molverhältnis von Ameisensäurehydrazid zu dem Halogenid etwa 1:4 beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Menge des verwendeten Katalysators zwischen 0.04 Gew.-% und 4 Gew.-% des verwendeten Arylhalogenids, vorzugsweise etwa 0.08 - 1 %, beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Alkali im Überschuß gegenüber der zur Neutralisation der saueren Gruppen und der im Reaktionsgemisch freigesetzten und/oder während des Verfahrens gebildeten Wasserstoffhalogenide erforderlichen Menge verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Arylhalogenid 4- Bromphthalsäure ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Arylhalogenid 4-(4' Bromphenoxy)phthalsäure ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Arylhalogenid 4-(4' Bromphenyl)phenol ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Arylhalogenid 4-Brom- 2,6-dimethylphenol ist.
12. Verfahren zur Herstellung von Biarylderivaten, im wesentlichen wie beschrieben und unter besonderer Bezugnahme auf die Beispiele.
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