DE1670293C3

DE1670293C3 - Verfahren zur Herstellung von substituierten Imidazolen

Info

Publication number: DE1670293C3
Application number: DE19671670293
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. 6703 Limburgerhof; Steimmig Anna Dr.; Sand Jakob Dr.; 6700 Ludwigshafen Spänig
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1967-12-16
Filing date: 1967-12-16
Publication date: 1976-11-25

Description

in der R₁, R₂ und R₃ gleich oder verschieden sein können und jeweils ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder die Phenylgruppe und R₄. eine geradkettige Alkylgruppe mit bis zu 16 Kohlenstoffatomen bedeuten, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Imidazol der allgemeinen Formel

(H)

N NH

in der R₁ R₂ u"^{d R}3 8^{leich oder verschieden} sein können und jeweils ein Wasserstoffatom oder eine ,, Alkvleruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder die Phenvlgruppe und R₄ eine gcradkettige Alkylgruppe mit bis zu 16 Kohlenstoffatomen bedeutet, vorteilhaft erhält, wenn man ein Imidazol der allgemeinen Formel

N NH

worin R₁, R₂ und R₃ die vorgenannte Bedeutung haben, mit einer Verbindung der allgemeinen Formel

35

R₄-O-R₅

worin R₄ die oben angegebene Bedeutung hat und R₅ ein Wasserstoffatom oder eine geradkettige Alkylgnippe mit bis zu 16 Kohlenstoffatomen bedeuten, bei einer Temperatur zwischen 200 und 450⁰C in Gegenwart eines Phosphats oder eines Gemisches von Oxiden und/oder Phosphaten der Metalle Calcium, Aluminium und/oder derjenigen der 4. Nebengruppe des periodischen Systems umsetitt.

(III) worin R₁, R₂ und R₃ die vorgenannte Bedeutung

haben, mit einer Verbindung der allgemeinen Formel

R₄-O-R₅

« worin R₄ die oben angegebene Bedeutung hat und R, ein Wasserstoffatom oder eine geradkettige Alkylgruppe mit bis zu 16 Kohlenstoffatomen bedeutet, bei einer Temperatur zwischen 200 und 45O⁰C in Gegenwart eines Phosphats oder eines Gemisches

so von Oxiden und/oder Phosphaten der Metalle Calcium Aluminium und/oder derjenigen der 4. Nebengruppe des periodischen Systems umsetzt

Die Umsetzung läßt sich für den Fall der Verwendung von 2-Methylimidazol und Dimethyläther durch

folgende Formeln wiedergeben:

Es ist aus Hofmann, Imidazole and its derivatives (1953), S. 49, bekannt. Imidazole mit Alkylhalogeniden oder -sulfaten an dem substituierbaren Stickstoffatomen zu alkylieren. Man geht zweckmäßig von den Metallsalzen der entsprechenden Imidazole aus und arbeitet mater Ausschluß von Wasser, um die Ausbeute an Endstoff zu verbessern. Die deutsche Patentschrift 12 13 413 beschreibt die Alkylierung am Stickstoffatom mit Hilfe von Oxalsäureestern. Alle diese Verfahren gehen von relativ umständlich herzustellenden Alkylierungsmitteln aus und liefern unbefriedigende Ausbeuten an am Stickstoffatom 2 ΓΊ +CH_ä-O-CH₃ N NH

ch,

2 (=1 +H₂O

N N-CH₃

CH₃

Im Vergleich zu den bekannten Verfahren liefert das Verfahren nach der Erfindung eine große Zahl von am Stickstoffatom substituierten Imidazolen auf einfacherem Wege und in besserer Ausbeute und Reinheit. Im Hinblick auf US-PS 3177223 ist es überraschend, daß Oxide des Calciums und der Metalle der 4. Nebengruppe im Gemisch mit Aluminiumoxid und auch miteinander die Umsetzung des Imidazols mit besserem Ergebnis katalysieren. Aluminiumphosphat, Gemische von Aluminiumphosphat und Aluminiumoxid und Phosphate der anderen erfindungsgemäßen Metalle als Katalysatoren, die ebenfalls bessere Ausbeuten liefern, sowie die Verwendung von Äthern als Ausgangsstoffe III und nicht aliphatisch substituierten Imidazolen II konnten ebenfalls aus der US-Patentschrift nicht abgeleitet werden. So können z. B. neben Imidazol selbst folgende substituierte Imidazole als Ausgangsstoffe 11 verwendet werden: 2-Methyl-, 2-Phenyl-imidazol und entsprechende in 4- oder 5-Stellung substituierte Imidazole; 2,4-Dimethyl-, 2,4-Diphenylimidazol und entsprechende in 2-, 4- und/oder 5-Stellung di- bzw. trisubstituierte Imidazole; 2-Phenyl-4-methyl-5-äthylimidazol, 4-Methyl-5-phenyl-imidazol, 5-Methyl-4-phenyl-imidazol, 4,5-Dimethyl-imidazol.

Als weitere Ausgangsstoffe verwendet man Alkohole bzw. Äther der allgemeinen Formel (III), die in stöchiometrischer Menge, bezogen auf Ausgangsstoff II, oder im Überschuß, vorzugsweise in bis zu 8fachem Überschuß, zur Umsetzung gelangen, bedeuten R₄ und R₅ in demselben Ausgangsstoff unterschiedliche Alkylgruppen,so erhält man ein Gemisch entsprechend am Stickstoffatom substituierter Imidazole.

So können z. B. folgende Alkohole bzw. Äther als Ausgangsstoffe III verwendet werden: Methanol, Äthanol, Propanol, Butanol, Hexanol, Octanol, Decanol, Dodecanol, Dimethyläther und vorgenannten Alkoholen entsprechende Dialkyläther, Methyl-äthyläther.

Die als Katalysatoren genannten Verbindungen können allein oder in beliebigem Gemisch miteinander der Umsetzung zugeführt werden. Im allgemeinen verwendet man bei diskontinuierlicher Verfahrensweise den Katalysator in einer Menge von 1 bis 50%, vorzugsweise 2 bis 20 Gewichtsprozent, bezogen auf Ausgangsstoff II. Bei kontinuierlicher Verfahrensweise verwendet man in der Regel 0,1 bis 0,2 Teile Ausgangsstoff II pro Stunde und auf 1 Teil Katalysator. Die Katalysatoren können vor ihrer Verwendung in ihrer Struktur oder Oberfläche durch μΐ ysikalische oder chemische Behandlung, z. B. durch Glühen, Behandlung mit Wasserdampf, Tränken mit Säuren, z. B. Phosphorsäure, oder Salzlösungen, z. B. von Nitraten, Formiaten oder Oxalaten vorgenannter Metalle, modifiziert werden. Der Katalysator kann auch durch Tränken oder durch Fällung auf ein Trägermaterial, z. B. Quarzpulver, keramische Materialien, Bimsstein, aufgebracht und gegebenenfalls in seine endgültige Oxidform durch thermische Behändlung oder Zersetzung verwandelt werden. Die Trägermaterialien können gegebenenfalls noch die Reaktion nicht wesentlich beeinflussende Verbindungen anderer Elemente, z. B. Natrium, enthalten. Formgebung und Größe der Katalysatorteilchen sind Für die Umsetzung nicht von ausschlaggebender Bedeutung, im allgemeinen verwendet man körnige Katalysatoren von einer Korngröße zwischen 0,1 und 4 mm.

Die Umsetzung wird bei einer Temperatur zwischen 200 und 450° C, vorzugsweise zwischen 300 und 400° C, drucklos oder unter Druck, kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt

Die Reaktion kann wie folgt durchgeführt werden: Ein Gemisch der Ausgangsstoffe II und III wird über den auf die Reaktionstemperatur erhitzten Katalysator in einem Röhren- oder Wirbelschichtreaktor geleitet. Gegebenenfalls können außer dem Gemisch noch unter den Reaktionsbedingungen inerte Gase, z. B. Stickstoff, zugeführt werden. Aus dem den Reaktor verlassenden Reaktionsgemisch wird der Endstoff durch fraktionierte Destillation isoliert.

Die nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren Verbindungen sind Zwischenprodukte für die Herstellung von Farbstoffen, Textilhilfsmitteln und Insektiziden.

Die in den Beispielen genannten Teile bedeuten Gewichtsteile.

Beispiel 1

Eine Lösung von 68 Teilen Imidazol in 96 Teilen Methanol wird innerhalb von 68 Stunden von oben in einen senkrecht stehenden Röhrenreaktor eingegeben, der mit 5 Teilen Al₂O₃ · 5% H₃PO₄ gefüllt und auf 35O⁰C erhitzt ist. Das nach Durchläufen der Katalysatorschicht dem Reaktor entnommene Reaktionsgemisch wird destilliert. Nach Entfernen des überschüssigen Methanols werden 79 Teile 1-Methylimidazol vom Kp._76O 193° C erhalten. Das entspricht einer Ausbeute von etwa 95% der Theorie, bezogen auf umgesetzten Ausgangsstoff Imidazol.

Nach den in folgender Tabelle zusammengefaßten Beispielen werden bei gleicher Durchführung der Umsetzung und gleichen Ausgangsstoffen wie im Beispiel 1. aber bei verschiedenen Temperaturen und Katalysatormassen die aufgeführten Ausbeuten erhalten.

Herstellung der Katalysatoren

a) Al₂O₃-5% H₃PO₄: 100 Teilen Ml₂O₃ mit einer Korngröße 0 4 mm werden durch Tränken mit 100 Teilen einer 5%igen wäßrigen H₃POi₄-LoSUrIg und Veruampfen des Wassers im Vakuum 5 Teile H₃PO₄ aufgelagert. Der Kontakt wird zunächst bei etwa 100° C getrocknet und dann in den Reaktionsofen gefüllt. Bei etwa 400° C wird so lange Stickstoffübergeleitet, bis keine Feuchtigkeit mehr entweicht.

b) Bimsstein · 5% H₃PO₄: 100 Teilen gekörntem, grobporigem Bimsstein werden durch Tränken mit wäßriger H₃PO₄-Lösung wie bei Kontakt a) 5 Teile H₃PO₄-Lösung aufgelagert und wie unter a) getrocknet und vorbehandelt.

c) TiO₂-5% H₃PO₄: 100 Teile gekörntes, bei 700' C vorgeglühtes TiO₂ werden in einen Reaktionskolben gefüllt, evakuiert und unter ständigem Umschütteln der Kontaktmasse 100 Teile einer 5%igen, wäßrigen H₃PO₄-Lösung eingesprüht. Die Hauptmenge des eingeführten Wassers wird durch Verdampfen im Vakuum entfernt und die restliche Feuchtigkeit im Reaktionsofen bei etwa 400°C durch überleiten von Stickstoff ausgetrieben.

d) AI₂O₃ · 5% Ca[H₂PO₄]₂: Auf 100 Teile rA'₂O₃ werden wie bei Kontakt a) 5 Teile Ca[H₂PO₄]₂ aufgelagert und entsprechend getrocknet.

Beispiel

Teile Ausgangsstoff !I

68 68 68 68 68

Katalysator

AJ₂O₃ · 5% H₃PO₄ Al₂O₃ · 10% H₃PO₄ Bimsstein-5% H₃PO₄ TiO₂ · 5% H₃PO₄ Al₂O₃ · 5% Ca[H₂PO₄], Temperatur
I C)

400
250
350
400
400

Ausbeute, bezogen auf umgesetztes imid..zol

Teile

30
74
68
79
69

Prozent der Theorie

98 90 S3 96

84

Beispiel 7

Durch einen senkrecht stehenden, mit 5 Teilen der Katalysatormasse Al₂O₃ ■ 5% H₃PO₄ gefüllten und auf 35O°C erhitzten Röhrenreaktor leitet man innerhalb 68 Stunden eine Lösung von 68 Teilen Imidazo! in 140 Teilen Äthanol. Das den Reaktor verlassende.

'5 analog Beispiel 1 aufgearbeitete Reaktionsgemisch enthält neben überschüssigem Äthanol 85 Teile 1-Äthylimidazol, Kp.₄₁.₆ 100⁰C, und 4 Teile Imidazol. Das entspricht einer Ausbeute von 94%.

Wie im Beispiel 7 mit Äthanol wird Imidazol in den folgenden Beispielen mit den höheren homologen Alkoholen alkyliert.

Beispiel

Teile

Ausgangsstoff

N-Alkvlimidazol

200 68	Bei	Propanol Imidazol	1-Propylimidazol
220 68	Butanol Imidazol	1-Butylimidazol
300 68 400 68	Hexanol Imidazol Octanol Imidazol	1-Hexylimidazol 1-Octylimidazol
450 68	Decanol Imidazol	1-Decylimidazol
500 68	Dodecanol Imidazol	1 -Dodecylimidazol
spiel 14	lOTeili as reaktoi

Kp	Ausbeute	. bezogen auf	Prozent
	umgesetztes Imidazol	der Theorie
	Teile	85

_Kp._i(j	94	76
95 C
Kp,,	95	74
110 C
Kp,,	112	71
128 C
Kp-H	128	72
145 C
Kp-,	150	70
160 C
Kp,	165
165 C

Gekörntem Aluminiumoxid wird durch Tränken mit Thoriumnitrat-Lösung 5% Th(NO₃J₄ aufgelagert. Die Katalysatormasse wird bis zur Beendigung der 10 Teilen dieser Katalysatormasse gefüllten Röhrenreaktor wird analog Beispiel 1 1-Dodecylimidazol aus 68 Teilen Imidazol und 550 Teilen Dodecylalkohol in einer Ausbeute von 173 Teilen (entspricht 73% der Theorie) erhalten.

In der folgenden Tabelle sind Beispiele zur Alky-

g p

Entwicklung nitroser Gase im Siickstoffstrom auf 50 lierung von 2-Methylimidazol mit verschiedenen Alko-400 C erhitzt. In einem auf 400 C beheizten, mit holen analog Beispiel 7 zusammengefaßt.

Beispiel

Teile 2-tviethyl- imidazol	Eingesetzt^ Alkohol	EndstofT	Siedepunkt	Ausbeute Teile	Prozent der Theorie
82	100 Teile CH₃OH	ΓΊ N N-CH₁ γ ■	Kp-7M) 204.5 C	87	91
		I CH,
82	140 Teile C₂H₅OH	■ r=] N N-C₂H₅	Kp₂O 110-112 C	99	90

CH,

	Teile 2-Methyl- imidazol	7	1670293	Siedepunkt	8	Ausbeute Teile	Prozent der Theorie
v/	82			Kp._2S 120'C		102	82
Fortsetzung		Eingesetzter Alkohol	EndstofT
Beispiel	82	200 Teile C₃H₇OH	ΓΊ N N-C₃H₇ Y CH₃	130²C	98	71
17			N N-C₄H₉
		220 Teile C₄H₉OH	I CH₃
18		Beispiel 19

In einem Wirbelreaktor werden über den Wirbel- lation des Reaktoraustrages werden 115 Teile 1-Me-

katalysator (30 Teile Al₂O₃ ■ 5% H₃PO₄) bei 350 C thyl-2-phenyl-imidazol (entspricht 87% der Theorie)

144 Teile 2-Phenylimidazol und 150 Teile Methanol vom Kp.₂ 130°C und 14 Teile 2-Phenylimidazol

mit Stickstoff als Trägergas geleitet. Durch Destil- 25 erhalten.

Beispiel 20

In einem Wirbelreaktor werden über den Wirbel- wonnen. Das entspricht einer Ausbeute von 96%

katalysator (60 Teile Al₂O₃ · 5% H₃PO₄) bei 33OC 30 der Theorie.

68 Teile Imidazol und 138 Teile Dimethyläther mit In folgender Tabelle sind weitere Beispiele zur Alky-Stickstoff als Trägergas geleitet. Durch Destillation lierung von Imidazolen mit Äthern entsprechend Beides Austrages werden 79 Teile 1-Methylimidazol ge- spiel 20 zusammengefaßt.

Bei	Teile Umzusetzendes	Teile Alkylierungsmittel	Um-	Katalysator- EndstofT	Kp.	Ausbeute
spiel	Imidazolderivat		set-	masse
			zungs-			Teile Prozent
			tempe-			der
			ratur			Theorie

21 82 Π 130 CH₃-O-CH₃

N NH

CH₃

350 C AI₁O₃

•5% H₃PO₄

N N-CH₃
CH₃

Kp.-«, 94 98 204.5 C

22 82 I=I 210 CH,- 0-C₂H₅ 400 C Al₂O₃ · |=l

N NH ' 20%H,PO₄ N N-C₂H₅

Y Y

CR, CH,

Kp.,,, 99 90 UO bis il2 C

23 82 Π 300 CH₉-OQH, «MC Al₂O, I=!

N NH 20%H,PQ, Ν N-QH,

Y Y

CH, CH₃

!30C

109 79

24 82

I i» CH₃-O-CH, 350 C Al₂O, CH₃-J=,

JJH 5% H₃PQ, N N-CH,

199 C

25 96 ⁰^* I 1 130 CH,-O—CH₃

N NH

CH,

350 C AIjO₃ ⁰^ I !

te%H,PQ» N N-CH₃

CH,

Kp.2 JO? 97 HOC

10

Fortsetzung

Bei- Teile Umzusetzendes Teile Alkylierungsmittel Um- Katalysator- EndslofT spiel lmidazolderival set- masse

zungs-

tempe-

ratur

Kp. Ausbeute

Teile Prozent der Theorie

CH₃ ι

""³ ! ί 200 C₂H₅-O-CH₅ 350 C AI₂O₃

N NH 10% H₃PO₄

CH,

N N-C₂H₅

CH₃

Kp,, 113 91 108 C

144

Ί 130 CH₃- O—CH₃ 350 C AI₂O₃

Kp.₂ 149 94

94

N NH
V

200

C₂H₅-O-C₂H₅

350

C

5% H₃PO₄

N NH-CH₃

1

130 C

100

80,6

Λ
ι I

M N-CH₃

106

I I!
\/

130

CH₃-O-CH₃

350

C

j Ij

I
CH

109

87.9

28

N NH

AI₂O₃
5% H₃PO₄

I=I
N N-C₁H,

CH₃ CH₃

Kp.₂₁
100 C

C, H₅

C₂H₅

N N-CH₂-CH₂-CH₃

29

106

N NH
\/

270

(CH₃-CH₂-CH₂I₂O

320

C

Al₂O₃
5% H₃PO₄

ί
CH,

Kp₁₅
109 C

130

85.5

^CH

CH₂

CHj CHj

CH,

30

N NH

Al, O₃ ·
5% H₃PO₄

Kp,,
118 C

CH₂

CH₃

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von substituierten Imidazolen der allgemeinen Formel

Ri

-R,

(D

N N-R₄ alkviierten Imidazolen. Die Reinheit der Endstoffe kT durch die Bildung entsprechender quaternärer hnidioUumverbindungen beeinträchtigt Die US-PS 31 77 223 ΙφΛ» insbesondere in allen Beispielen < nnd Ansprüchen, Aluminiumoxid als einzigen Kataly-Sor drSkylierung von 2,4-DimethylimidazoL Z bst mit dem reaktionsfreudigen Methanoi wird an Aluminiumoxid nur eine bescheidenere Ausbeute erzielt; um die Ausbeuten zu verbessern wird zweimal ίο umgesetzt (Beispiel 2).

Es wurde nun gefunden, daß man substituierte Imidazole der allgemeinen Formel