DE2442929C3 - Verfahren zur Herstellung von 1,4- Diazabicyclo [2,2,2 eckige Klammer zu octan - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan (DABCO) aus N.N'.Dihydroxyäthylpiperazin der Formel

/CH₂-CH_2x N-CH₂-CH₂-N' .„

ist ein sehr wirksamer Katalysator für die Herstellung von Polyurethanen.

Verschiedene Synthesewege der Formel sind bekannt; man kann z. B. von Alkylenpolyaminen (Äthylendiamin, Diäthylentriamin, Triäthylentetramin) ausgehen, wie dies in der US-Patentschrift 29 37 176 und der französischen Patentschrift 12 18 214 beschrieben ist.

Nach anderen Vorschlägen geht man aus von Aminoalkoholen (US-Patentschrift 29 77 364), Gemischen aus den vorgenannten Verbindungen (US-Patentschrift 29 77 363) oder Aminrückständen (US-Patenischriften31 48 190 und 32 31 573).

Verfahren, die von diesen Stoffen ausgehen, liefern 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan nur in geringer Ausbeute. Bessere Ausbeuten liefern Verfahren, die von Verbindungen ausgehen, in denen bereits ein Piperazinring vorgebildet ist, wie z. B. von N-Hydroxyäthylpiperazin und N.N'-Dihydroxyäthylpiperazin (vgl. Journ. Pharm. Soc. Japan 75, 1955, Seite 1370, DT-OS 14 45 578, US-Patentschrift 31 66 558) sowie N-Aminoäthylpiperazin (US-Patentschrift 29 85 658).

Die vorgenannten Verfahren werden im allgemeinen als Gasphasenreaktionen mit einem Festbettkatalysator betrieben. Gelegentlich sind, wie z. B. in der deutschen Patentschrift 11 32 137, auch Umsetzungen in flüssiger Phase beschrieben; diese verlaufen jedoch außerordentlich langsam und es fällt viel Rückstand an.

Für die Herstellung von 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan in der Gasphase ist nach bisheriger Meinung nur eine begrenzte Klasse von Katalysatoren geeignet. Es handelt sich dabei im wesentlichen um künstliche oder natürliche Aluminiumsilikate, wie sie auch zur Katalyse von Crack-Reaktionen in der Petrochemie eingesetzt werden. Diese Katalysatoren gehören mineralogisch in die Gruppe der Monmorillonite, Kaolinite, Bentonite und Zeolithe. Es sind auch Verfahren auf der Grundlage von Metallphosphaten (US-Patentschriften 31 72 891 und 32 97 701 sowie deutsche Offenlegungschrift 15 70 004 und französische Patentschrift 13 81 243) und Wolframoxidkatalysatoren (US-Patentschrift 30 56 788) beschrieben worden, jedoch sind Aluminiumsilikate die am häufigsten beschriebenen Katalysatoren; sie sind, wie in der US-Patentschrift 31 20 526 erwähnt ist, auch in alkalischer Einstellung verwendbar; häufiger werden allerdings sauer reagierende Silikate der vorgenannten Art erwähnt.

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W) Die Ausgangsverbindungen werden im allgemeinen im Dampfzustand bei Temperaturen zwischen 200 und 600⁰C über die Katalysatoren geleitet, wobei auch schon der Zusatz von indifferenzten Gasen, wie Wasserstoff, Stickstoff, Ammoniak und Wasserdampf oder das Arbeiten unter vermindertem Druck als vorteilhaft angesehen worden ist.

Merkwürdigerweise wird ein an sich bekannter Dehydratisierungs- und Kondensationskatalysator, nämlich Aluminiumoxid selbst, als Katalysator für die Synthese von l,4-Diazabicyclo[2Ä2]octan nirgends empfohlen. I s h i g u r ο und Mitarbeiter, Journ. Pharm. Soc. Japan 75,1955,1370, bedienen sich zur Herstellung von 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan eines Siliciumoxid/Aluminiumoxid-Kopräzipitats.

In der US-Patentschrift 31 57 657 ist nun ein Verfahren zur katalytischen Herstellung von C-substituierten 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octanen mit Hilfe von reinem Aluminiumoxid als Katalysator beschrieben. Dabei wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen und auch anhand eines Beispiels (2) gezeigt, daß Aluminiumoxid für die Herstellung von unsubstituiertem 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan aus N-Aminoäthylpiperazin oder N-Hydroxyäthylpiperazin ungeeignet ist und daher dieser Katalysator nur zur Herstellung der C-substituierten 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octane aus den entsprechenden Monohydroxyäthyl- oder Aminoäthylpiperazinen mit Erfolg verwendet werden kann. Tatsächlich erhält man. wie eine experimentelle Nachprüfung der vorstehenden Angaben zeigt, bei der Umsetzung von N-Amino- oder N-Hydroxyäthylpiperazin an Aluminiumoxid nur eine sehr geringe Ausbeute an 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan. Es werden große Mengen an Piperazin gebildet, das bekanntlich die Isolierung von schmelzpunktreinem 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan sehr erschwert.

Es wurde nun gefunden, daß man 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan durch Abspaltung von Glykol aus Ν,Ν'-Dihydroxyäthylpiperazin unter Ringschluß in der Gasphase an einem festen Aluminiumoxyd enthaltenden Katalysator in sehr hoher, bisher kaum erreichter Ausbeute erhält, wenn man als Katalysator reines oder mit Metalloxiden modifiziertes Aluminiumoxid verwendet.

Mit diesem Verfahren ist ein praktisch vollständiger Umsatz dergestalt möglich, daß das Reaktionsprodukt frei ist von Di- und Monohydroxyäthylpiperazin sowie Piperazin selbst. Besonders die Abwesenheit von Piperazin erleichtert die Aufarbeitung außerordentlich. Die Aufarbeitung kann z. B. in einer fraktionierten Destillation des Reaktionsproduktes, wobei die zwischen 150 und 200⁰C übergehende Fraktion gesammelt und anschließend umkristallisiert wird, bestehen. Nach dem Nachwaschen und Trocknen werden schmelzpunktreine, weiße Kristalle erhalten.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen also nicht nur im vollständigen Umsatz und in besonders hoher Ausbeute an 1,4 Diazabicyclo[2,2,2]octan, sondern auch in der stark vereinfachten Aufarbeitung. Diese Vorteile werden erreicht durch das besondere Zusammenwirken eines bestimmten Ausgangsstoffes (des Ν,Ν'-Dihydroxyäthylpiperazins) mit dem dazu passenden Katalysator (AI2O3). Von den besonderen Schwierigkeiten, welche die vollständige Abtrennung des Piperazins vom 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan macht, legen zahlreiche Arbeiten und Erfindungen, die nur die Aufarbeitung betreffen und zum Teil aufwendige Trennoperation vorschlagen.

Zeugnis ab. Es wird hierbei auf die US-Patentschriften 29 79 506, 29 50 282, 31 20 525 und 30 45 018 sowie die deutsche Patentschrift 12 19 491 und die britische Patentschrift 9 02 073 verwiesen.

Als Katalysator für das erfindungsgemäße Verfahren dient Aluminiumoxid in einer seiner Modifikationen, das gegebenenfalls mit geeigneten Metalloxiden modifiziert sein kann. Als besonders wirksam erwies sich synthetisches ^-Aluminiumoxid in handelsüblicher Formulierung. Auch ot-, ß- oder ε-Aluminiumoxid sind geeignet; die Wirkung bleibt erhalten, wenn man mit geeigneten Zusätzen in untergeordneten Mengen (z. B. 5 bis 10%), wie Thoriumoxid, Chromoxid oder Vanadiumoxid, versehene Aluminiumoxide wählt

Die Umsetzung wird in der Gasphase bei normalem, vermindertem oder leicht erhöhtem Druck durchgeführt. Besonders vorteilhaft ist die Einstellung eines Druckes von etwas unter Atmosphärendruck, weil dadurch die Verdampfung des Piperazinderivates erleichtert wird. Der Katalysator soll nicht mit flüssigem. Dihydroxyäthylpiperazin in Berührung kommen, um das Ansetzen von Rückständen zu vermeiden. Dihydroxyäthylpiperazin verdampft z. B. je nach den Druckbedingungen zwischen 250 und 450° C, was z. B. in einer der Katalysatorfüllung vorgeschalteten Zone im Reaktionsbereich geschehen kann. Der Katalysator kann dabei fest angeordnet sein oder ein Wirbelbett bilden.

Die Reaktionstemperatur beträgt im allgemeinen 200 bis 550⁰C, bevorzugt sind 300 bis 450⁰C; der Zulauf von Dihydroxyäthylpiperazin wird zweckmäßig so gewählt, daß die Katalysatorbelastung einen Wert von etwa 0,2 bis 5 (g Ausgangsmaterial pro g Katalysator und Stunde) annimmt. Der Katalysator kann längere Zeit benutzt werden und wird gelegentlich im Heißluftstrom wieder regeneriert.

Beispiel 1

Zur Demonstration der Erfindung im Labormaßstab kann die in der Abbildung schematisch dargestellte Apparatur verwendet werden: Der Reaktor (i) ist ein elektrisch beheizbares Quarzrohr von 80 cm Länge und 40 mm Innendurchmesser, dessen obere Hälfte (Verdampferteil) mit 10-mm-Keramikringen und dessen untere Hälfte (Reaktionsteil) mit Katalysator gefüllt ist. Die Temperatur in der Kolonne kann mittels eines in deren Längsachse verschiebbaren Thermoelements (2) gemessen werden. Der Kopf der Kolonne trägt einen ebenfalls beheizbaren Tropftricher (3) für das Dihydroxyäthylpiperazin. Zur Kondensation des austretenden heißen Gasgemisches ist das untere Ende des Ofens mit einem gekühlten Kolben (4) verbunden, dem ein Rückflußkühler (5) aufgesetzt ist. Um leicht flüchtige Anteile aus dem Gasstrom abzuscheiden, schließen sich noch zwei mit Trockeneis-Aceton gekühlte Kühlfallen an.

Als Katalysator für den folgenden Versuch wird y-Aluminiumoxid in Form von 4-mm-Strängen verwendet. Es werden im Verlauf von zwei Stunden bei einer Innentemperatur von 350⁰C und einem Druck von 400 mbar 696 g Dihydroxyäthylpiperazin umgesetzt. Nach Beendigung des Zulaufs wird mit 50 ml destilliertem Wasser nachgespült Im Auffangkolben befinden sich 675 g Kondensat bestehend aus einer gefärbten, wäßrigen Phase und einem festen Bodenkörper. Die Kühlfallen enthalten weitere 41 g Kondensat Die Ί gaschromatographische Analyse der vereinigten Kondensate ergibt einen 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan-Gehalt von 35 Gewichtsprozent, entsprechend einer Ausbeute von 56,1%. Gaschromatographisch werden Mono- und Dihydroxyäthylpiperazin sowie Piperazin

ι» selbst im Reaktionsaustrag nicht gefunden, d.h. der Umsatz ist demnach vollständig.

Man unterwirft das Rohprodukt einer fraktionierten Destillation, fängt die bei 150 bis 200° C übergehende Fraktion auf und kristallisiert aus einem mit 1,4-Diazabi-

i> cyclo[2,2,2 < octan gesättigten Aceton um. Man erhält 238 g Produkt, entsprechend 53,1% der Theorie, mit einem Schmelzpunkt von 157° C.

Beispiel 2

Es wird die in Beispiel 1 beschriebene Apparatur benutzt. Die zur Hälfte mit 4-mm-Strängen von a-Aluminiumoxid gefüllte Kolonne wird im Verlauf von zwei Stunden bei einer Innentemperatur von 400⁰C und

j> gewöhnlichem Druck mit 348 g Dihydroxyäthyipiperazin beschickt Nach Beendigung des Zulaufs wird mit 50 ml destilliertem Wasser nachgespült. Man erhält 367 g Kondensat die Kühlfallen enthalten weitere 10 g. Die gaschromatographische Analyse der vereinigten

ίο Kondensate ergibt einen Anteil von 30,2 Gewichtsprozent 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan im Rohprodukt, entsprechend einer Ausbeute von 50,9% der Theorie. Verbindungen mit Piperazinstruktur sind nach der gaschromatographischen Analyse im Reaktionsprodukt

>ϊ nicht enthalten.

Die vereinigten Kondensate werden bei atmosphärischem Druck bis zu einer Sumpftemperatur von 165°C entwässert. Bei der ebenfalls unter atmosphärischem Druck durchgeführten fraktionierten Destillation erhält

4i) man 105,3 g (47%) reines 1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octan vom Siedepunkt 171 bis 173°C und vom Schmelzpunkt 156 bis 157° C.

Beispiel 3

4) Die im Beispiel 1 beschriebene Apparatur wird zur Hälfte mit 4-mm-Strängen eines Kontakts gefüllt, der aus «-Aluminiumoxid besteht und mit 10% Thoriumdioxid modifiziert ist. Im Verlauf von zwei Stunden werden bei einer Innentemperatur von 400⁰C und

ίο einem Druck von 400 mbar 348 g Dihydroxyäthylpiperazin umgesetzt. Nach Beendigung des Zulaufs wird mit 50 ml destilliertem Wasser nachgespült. Man erhält 390 g Kondensat, die Kühlfallen enthalten weitere 5 g. Nach gaschromatographischer Analyse der vereinigten

)") Kondensate beträgt die Rohausbeute 46% der Theorie. Es sind keine Verbindungen mit Piperazinstruktur mehr nachzuweisen (vollständiger Umsatz). Das Rohprodukt wird, wie im Beispiel 1 beschrieben, gereinigt. Die Ausbeute an Reinprodukt beträgt 90 g (40,2% der

hi Theorie). Die erhaltenen weißen Kristalle haben einen Schmelzpunkt von 158° C.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung von 1,4-Diazabicyclo[2,2^]octan durch Abspaltung von Glykol aus > Ν,Ν'-Dihydroxyäthylpiperazin unter Ringschluß in der Gasphase an einem festen Aluminiumoxyd enthaltenden Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysator reines oder mit Metalloxiden modifiziertes Aluminiumoxyd i< > verwendet