DE60014347T2

DE60014347T2 - Verfahren zur herstellung von cyclopropylacetonitril

Info

Publication number: DE60014347T2
Application number: DE60014347T
Authority: DE
Inventors: A. John HYATT
Original assignee: Eastman Chemical Co
Current assignee: Eastman Chemical Co
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2020-03-25
Also published as: US6191300B1; JP2002542226A; WO2000063163A1; EP1171421A1; EP1171421B1; DE60014347D1

Description

Verfahren zur Herstellung von Cyclopropylacetonitril
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Cyclopropylacetonitril durch die Umsetzung eines Cyclopropylmethylhalogenids mit einem Cyanidreaktanten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine neue Kombination von Verfahrensschritten zur Herstellung und Rückgewinnung von Cyclopropylacetonitril, ausgehend von einer Mischung aus Cyclopropylmethylhalogenid, einem Cyclobutylhalogenid und einem 4-Halogen-1-buten. Das Verfahren betrifft die Rückgewinnung von im Wesentlichen reinem Cyclopropylacetonitril und Cyclobutyhalogenid, z. B. Cyclopropylacetonitril und Cyclobutylhalogenid, wobei jedes eine Reinheit von mehr als 95% besitzt.
Hintergrund
Frühere Versuche zur Herstellung von Cyclopropylacetonitril verliefen über die Cyanidverdrängung des intermediären Cyclopropylmethylbromids oder Cyclopropylmethylchlorids. Zum Beispiel setzen Cartier und Bunce, J. Am. Chem. Soc., 85, 935 (1963) Cyclopropylmethylbromid mit Natriumcyanid in Ethanol und isoliertem reinen Cyclopropylacetonitril in 20%iger Ausbeute unter Verwendung präparativer Gaschromatographie um. Hanak und Ensslin, Annalen, 697, 100 (1966), führten die gleiche Reaktion durch und berichteten von einer Ausbeute von 24%; Cyclopropylmethylchlorid ergab nur eine Ausbeute von 15%. Eine beträchtliche Verbesserung ist von Mezzoni et al., J. Med. Chem, 13, 878 (1970) beschrieben worden, wobei die Reaktion von Cyclopropylmethylbromid mit Natriumcyanid in Dimethylsulfoxid bei 70°C nach einer aufwendigen Aufarbeitung eine Ausbeute von 76% an Cyclopropylacetonitril ergab. Schließlich erwähnen Pardo und Morize, JCS Chem. Comm., 1982, 1037, in einem Bericht ohne experimentelle Daten oder Reaktionsbedingungen, dass Cyclopropylacetonitril aus Cyclopropylmethylbromid in 75%iger Ausbeute unter Verwendung von "Phasentransfer" erhalten wurde.
Cyclopropylmethylhalogenid, aus dem das gewünschte Cyclopropylacetonitril erhalten werden kann, kann aus Cyclopropanmethanol hergestellt werden. Das einfachste Verfahren zur Herstellung von Cyclopropylmethylhalogenid umfasst die Umsetzung von Cyclopropanmethanol mit einer wässrigen Wasserstoffhalogenidlösung. Gleichwohl ergibt dieses Verfahren ein Produkt, welches ein Cyclobutylhalogenid (z. B. Cyclobutylbromid, Sdp. = 108°C) und ein 4-Halogen-1-buten (z. B. Brombuten, Sdp. = 100°C) zusätzlich zu dem gewünschten Cyclopropylmethylhalogenid (z. B. Cyclopropylmethylbromid, Sdp. = 106°C) umfasst; siehe z. B. Roberts und Mazur, J. Am. Chem. Soc., 72, 2509 (1951). Diese Nebenprodukte sind sehr schwierig durch Destillation zu trennen, ein Problem, welches durch die Bildung von Azeotropen aus Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten mit gängigen organischen Lösungsmitteln verschlimmert wird. Somit setzt dann Cartier und Bunce (vide supra) Cyclopropanmethanol mit PBr₃ bei –20°C um, wodurch Cyclopropylmethylbromid, kontaminiert mit Cyclobutylbromid und Brombuten, erhalten wurde. Andere Arbeiter haben die Verunreinigungs- und Trennprobleme vermieden, indem sie selektivere Reagenzien für die Umwandlung von Cyclopropanmethanol zu Cyclopropylmethylhalogenid verwendet haben. Zum Beispiel wandelten Mitani et al., europäische Patentanmeldung EP 0 858 988 A1 Cyclopropanmethanol zu einem intermediären Sulfonatester um, welcher dann mit Bromidionen ausgetauscht wurde, wodurch man Cyclopropylmethylbromid in guter Ausbeute und Reinheit erhielt. Hrubiec und Smith, J. Org. Chem, 49, 431 (1984), verwendeten Brom in Gegenwart von Triphenylphosphin und Dimethylformamid, um Cyclopropanmethanol zu Cyclopropylmethylbromid umzuwandeln. Es ist ersichtlich, dass alle diese Methoden zur Synthese von Cyclopropylmethylhalogenid an dem Anfordernis nach schwierigen Trennungen, der Verwendung von intermediären Verbindungen wie Sulfonaten oder der Erzeugung von Abfällen, welche schwierig zu handhaben sind, z. B. Triphenylphosphinoxid, leiden. Gleichwohl wäre das bevorzugte Verfahren zur Herstellung von Cyclopropylmethylhalogenid zur Verwendung bei der Erzeugung des beabsichtigten Nitrils die Reaktion von Cyclopropanmethanol mit wässrigem Chlorwasserstoff, wenn das Problem der Isomertrennung überwunden werden könnte. Wie im Falle von Halogenidverbindungen sind Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten, die Nitril- (oder Cyano-)-Verbindungen, welche Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten entsprechen, ebenfalls im Grunde unmöglich im kommerziellen Maßstab zu trennen.
Cyclobutylhalogenid mit annehmbarer Reinheit ist ebenfalls schwierig zu erhalten. Wie oben erwähnt, führt die Reaktion des Alkohols (d. h. Cyclopropanmethanol) mit wässrigem Chlorwasserstoff durch eine Umordnungschemie zu einer beachtlichen Menge an Cyclobutylhalogenid. Gleichwohl kann Cyclobutylhalogenid im kommerziellen Maßstab von dem gleichzeitig erzeugten Cyclopropylmethylhalogenid und 4-Halogen-1-buten nicht getrennt werden. Reines Cyclobutylhalogenid wird offensichtlich am besten durch eine Mehrstufenprozedur, welche über eine Hunsdiecker-Reaktion von Cyclobutancarbonsäure abläuft, hergestellt (DuPont et al., Syn. Comm., 20, 1011 (1990)). Dieses Verfahren liefert Cyclobutylhalogenid, welches durch 5–8% Cyclopropylmethylhalogenid verunreinigt ist und stöchiometrische Mengen an teuren Silbernitratreagenzien und toxisches Kohlenstofftetrachloridlösungsmittel verwendet.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Ich habe ein Verfahren zur Herstellung von Cyclopropylacetonitril in einer Reinheit von mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 95 Gew.-%, aus einer Halogenidmischung, die Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten umfasst, entwickelt, welches, wie oben erwähnt, leicht durch die Reaktion Cyclopropanmethanol mit wässrigem Wasserstoffhalogenid erhalten werden kann. Das Verfahren kann ebenfalls genutzt werden, um Cyclobutylhalogenid in einer Reinheit von mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 95 Gew.-%, rückzugewinnen. Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung von Cyclopropylacetonitril durch die folgenden Schritte vor, umfassend:

(1) Kontaktieren einer Reaktionsmischung, umfassend ein Cyclopropylmethylhalogenid, ein Cyclobutylhalogenid und ein 4-Halogen-1-buten, mit einer wässrigen Lösung eines Alkalimetallcyanids in Gegenwart eines Phasentransferkatalysators, um eine Reaktionsmischung zu erhalten, die (i) eine organische Phase, umfassend Cyclopropylacetonitril, Cyclobutylhalogenid, 1-Cyano-3-buten und einen Phasentransferkatalysator, und (ii) eine wässrige Phase, umfassend eine Lösung von dem Alkalimetallhalogenid und -cyanid und Phasentransferkatalysator, umfasst;
(2) Trennen der organischen Phase (i) von der wässrigen Phase (ii) von Schritt (1);
(3) Kontaktieren der organischen Phase (i) von Schritt (2) mit Chlor oder Brom, um eine Reaktionsmischung zu erhalten, die Cyclopropylacetonitril, Cyclobutylhalogenid, 4-Cyano-1,2-butandihalogenid und Phasentransferkatalysator umfasst; und
(4) Unterziehen der Reaktionsmischung von Schritt (3) einer fraktionellen Destillation, um Überkopf-Dampfprodukte, die Cyclopropylacetonitril und Cyclobutylhalogenid umfassen, und Destillationsgrundrückstände, welche 4-Cyano-1,2-butandihalogenid und Phasentransferkatalysator umfassen, zu erhalten.

Wie jene im Fachbereich Erfahrenen erkennen werden, werden beste Ergebnisse erhalten, wenn die in dem Verfahren verwendeten Halogenide und elementare Halogene Bromide und Brom sind.
Cyclopropylacetonitril und Cyclobutylhalogenide sind brauchbare chemische Intermediate bei der Herstellung von wertvollen Feinchemikalien und Pharmazeutika. Die Nützlichkeit von Cyclopropylacetonitril wird durch die Arbeit von Carney und Wojtkunski, Org. Prep. Proceed. Int., 5, 25 (1973), Ueno et al., J. Med. Chem., 34, 2468 (1991), Li et al., K. Med. Chem., 39, 3070 (1996), und Janusz et al., J. Med. Chem., 41, 3515 (1998) illustriert. Von Cyclobutylhalogenid wird in gleicher Weise durch den Bezug auf die Arbeit von Fox et al., veröffentlicht in der europäischen Patentanmeldung EP 887344 A1 981230, Robinson, PCT-Anmeldung WO 98/34915 A1 980813 , Marfat, PCT-Anmeldung WO 98/09961 A1 980312, Myake und Nakao Japanese Kokai JP 07/173169 A2 950711 , und Dakkouri und Kehrer Chem. Ber., 114, 3460 (1981) gezeigt, dass es nützlich ist.
Genaue Beschreibung
In dem ersten Schritt des Verfahrens wird eine Mischung aus Cyclopropylmethylhalogenid , Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten mit einer wässrigen Lösung eines Alkalimetallcyanids, z. B. Natrium- und/oder Kaliumcyanid, in Gegenwart eines Phasentransferkatalysators umgesetzt. Dieser Schritt wird unter Reaktionsbedingungen durchgeführt, welche zu einer Umwandlung der Mischung von Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten zu einer Mischung von Cyclopropylacetonitril (Sdp. = 148°C), Cyclobutylhalogenid (z. B. Cyclobutylbromid, Sdp. = 108°C) und 1-Cyano-3-buten (Sdp. = 140°C) führt. Dies wird am meisten durchgeführt, indem die Mischung von Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten mit mindestens 0,6 Mol, vorzugsweise 1,2 bis 3 Mol, am meisten bevorzugt 1,5 Mol Alkalimetallcyanid pro Mol an jeweils den Halogenidreaktanten Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten gerührt wird. Die Verwendung von niedrigeren Mengen an Cyanid erfordert sehr lange Reaktionszeiten, wohingegen Reaktionen am oberen Ende des Cyanidbereiches schneller sind, jedoch ist der Überschuss an Cyanid verschwendet und stellt ein Entsorgungsproblem dar. Die wässrige Lösung von Alkalimetallcyanid kann 5 bis 50 Gew.%, vorzugsweise 27 bis 37 Gew.-%, Alkalimetallhydroxid enthalten. Das Alkalimetallcyanid ist vorzugsweise Natrium- oder Kaliumcyanid.
Der Betrieb der ersten Stufe bei Temperaturen bei oder oberhalb von 80°C führt zu einer signifikanten Cyanidverdrängung des Cyclobutylbromids, was zur Bildung von Cyclobutylcyanid führt, welches von dem Cyclopropylacetonitril untrennbar ist. Ferner neigt die Reaktionsmischung bei Reaktionstemperaturen deutlich über 60°C zu einer signifikanten Entfärbung und Bildung von terrigen Nebenprodukten, was zu reduzierten Ausbeuten führt. Deshalb wird die selektive Cyanidverdrängungsreaktion normalerweise bei Temperaturen von weniger als 60°C und vorzugsweise bei einer Temperatur von 35 bis 55°C durchgeführt.
Die Wahl des Phasentransferkatalysators ist nicht kritisch und die am gängigsten verwendeten sind wirksam. Für eine Diskussion solcher Katalysatoren siehe Dehmlow und Dehmlow, Phase Transfer Catalysis, 2. Ausgabe, Verlag Chemie, Deerfield Beach, FL, 1983. Im Allgemeinen arbeiten quaternäre Ammonium- und Phosphoniumsalze, z. B. Halogenide und Hydrogensulfate und Hydroxide mit insgesamt 8 bis 64 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 10 bis 36 oder mehr Kohlenstoffatomen gut. Diese schließen Tetrabutylammoniumhydrogensulfat, Tetrabutylammoniumbromid, Tricapryl(methyl)ammoniumchlorid (verfügbar unter dem Handelsnamen "Aliquat 336"), Benzyl(trimethyl)ammoniumchlorid, Bromid, Iodid oder Hydroxid, Tributylhexadecylphosphoniumbromid, Ethyl(triphenyl)phosphoniumbromid, Tetrabutylphosphoniumchlorid und dergleichen ein. Bestimmte nichtionische Phasentransferkatalysatoren sind bekannt und können ebenfalls in dem Cyanidverdrängungsschritt verwendet werden. Beispiele für solche nichtionischen Phasentransferkatalysatoren schließen Kronenether wie 18-Kronen-6, Dicyclohexyl-18-Kronen-6 und dergleichen ein und enthalten ebenfalls polymere Katalysatoren wie Poly(ethylenglykol) und seine Ether. Diese Katalysatoren und viele andere geeignete werden durch die zitierte Publikation von Dehmlow und Dehmlow diskutiert.
Bevorzugte Phasentransferkatalysatoren enthalten 12 bis 36 Kohlenstoffatome und besitzen die allgemeine Formel:
worin R¹, R², R³ und R⁴ gleich oder unterschiedlich sind und aus Alkyl mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen und Benzyl gewählt werden und X ein Anion, z. B. Cl, Br, I, F, HSO₄, OH etc. ist.
Die Menge an Katalysator sollte so gewählt werden, dass eine günstige Reaktionszeit und -temperatur gegeben ist. Somit werden sehr niedrige Mengen an Katalysator zu langsamen Reaktionen führen, und Versuche, diesem entgegenzuwirken durch Erhöhung der Temperatur, wird zu Problemen führen, wie nichtselektiven Reaktionen und/oder Zersetzung. Somit sollte die angewandte Menge an Katalysator zu einer vernünftigen Reaktionsrate bei Temperaturen von unterhalb 60°C und vorzugsweise im Bereich von 40 bis 55°C führen. Normalerweise wird die angewendete Menge an Phasentransferkatalysator im Bereich von 5 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise von 7 bis 17 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Reaktanten Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten, liegen. In einer Konzentration von 7 bis 17, vorzugsweise 11 bis 13 Gew.-% (gleiche Basis) angewandtes Tricapryl(methyl)ammoniumchlorid ist ein besonders wirksamer Katalysator.
Die Mischung aus Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1buten, welche in dem ersten Schritt verwendet wird, kann hergestellt werden, indem Cyclopropanmethanol mit einer wässrigen Wasserstoffhalogenidlösung bei einer Temperatur im Bereich von –20 bis 35°C in Kontakt gebracht wird. Die Reaktion ist leicht exotherm und somit wird sie bevorzugterweise bei einer Temperatur von –5 bis 10°C durchgeführt. Die Reaktionszeit wird durch die Temperatur und durch die Zeit, die notwendig ist, damit sich das Produkt von der anfänglich homogenen Mischung trennt, diktiert. In dem Temperaturbereich von –5 bis 10°C ist normalerweise eine Zeit von mindestens 4 Stunden, jedoch nicht mehr als 24 Stunden normalerweise erforderlich. Es hat sich herausgestellt, dass eine Reaktionsdauer von etwa 12 bis 14 Stunden bei 5°C zu guten Ergebnissen führt.
Die Konzentration der wässrigen Wasserstoffhalogenidlösung kann im Bereich von 20 bis 48 Gew.-% Wasserstoffhalogenid, vorzugsweise 30 bis 48 Gew.-% Wasserstoffhalogenid sein. Das Wasserstoffhalogenid ist vorzugsweise Bromwasserstoff, welcher in Form einer wässrigen Lösung vorgesehen werden kann, die 30 bis 48 Gew.-% HBr enthält. Die Menge an Wasserstoffhalogenid, welche bezogen auf den Alkohol verwendet wird, bestimmt zu einem großen Ausmaß die Ausbeute der Reaktion. Zum Beispiel führt ein vierfacher molarer Überschuss an HBr zu etwa 80% der theoretisch möglichen Menge an Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten. Kleinere Mengen führen proportional zu niedrigeren Ausbeuten, wobei ein zweifacher Überschuss nur etwa 40% der Theorie ergibt. Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von 48%igem wässrigen HBr in einem 3,5- bis 5fachen Überschuss in Bezug auf den Cyclopropanmethanolreaktanten zu guten Ergebnissen führt.
Die Reaktion von Cyclopropanmethanol mit dem wässrigen Wasserstoffhalogenid führt zur Bildung eines zweiphasigen flüssigen Systems, das eine organische Phase, umfassend die Halogenidprodukte Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten, und eine wässrige Phase, umfassend die wässrige Wasserstoffhalogenidlösung, umfasst. Das rohe Produkt kann somit durch Dekantierung rückgewonnen werden. Die relativen Gewichte der Halogenidprodukte Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten liegen, bezogen auf das Gesamtgewicht von Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten = 100%, typischerweise im Bereich von 40 bis 60% Cyclopropylmethylhalogenid, 30 bis 50% Cyclobutylhalogenid und 5 bis 10% 4-Halogen-1-buten.
Cyclopropanmethanol, welches bei der Herstellung der Halogenide Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten genutzt wird, wird leicht durch die Hydrierung von Cyclopropancarboxaldehyd (CPCA) in Gegenwart eines Cobalt- oder Nickelkatalysators gemäß dem im US-Patent 5 475 151 beschriebenen Verfahren erhalten. Der CPCA kann durch thermische Isomerisierung von 2,3-Dihydrofuran produziert werden, wie es in dem US-Patent 5 502 257 beschrieben ist.
Obgleich eine destillative Abtrennung des Nitrils von Cyclobutylbromid einfach ist, wirft die Anwesenheit einer niedrigen Menge des Butenylnitrils, 1-Cyano-3-buten, ein Problem auf. Obgleich eine sehr effiziente Destillation Cyclopropylacetonitril von 1-Cyano-3-buten trennen wird, ist die Abtrennung viel einfacher, wenn elementares Halogen zu dem rohen Produkt der Cyanidverdrängungsreaktion hinzugesetzt wird, um 1-Cyano-3-buten zu 1-Cyano-3,4-dibrombutan umzuwandeln. Deshalb involviert der Schritt 3 des Verfahrens der vorliegenden Erfindung das In-Kontakt-Bringen der organischen Phase von Schritt 1, umfassend eine Mischung aus Cyclopropylacetonitril, Cyclobutylhalogenid und 1-Cyano-3-buten, mit ausreichend elementarem Chlor oder vorzugsweise Brom, um 1-Cyano-3-buten zu 1-Cyano-3,4-dibrombutan umzuwandeln. Die Menge an zu der organischen Phase von Schritt 1 hinzugesetztem Halogen beträgt normalerweise mindestens 1 Mol, vorzugsweise 1 bis 1,2 Mol Halogen pro Mol vorliegendem 1-Cyano-3-buten. Der Schritt 3 kann bei einer Temperatur von –10 bis 30°C, vorzugsweise von 10 bis 25°C durchgeführt werden.
Der Schritt 4 der vorliegenden Erfindung involviert eine fraktionelle Destillation der Produktmischung von Schritt 3, um Überkopf-Dampfprodukte zu erhalten, welche im Wesentlichen reines Cyclopropylacetonitril und/oder Cyclobutylhalogenid und einen Destillationsgrundrückstand, der 4-Cyano-1,2-butandihalogenid und Phasentransferkatalysator umfasst, zu erhalten. Die Destillation wird vorzugsweise in Gegenwart eines Säurefängers durchgeführt, um eine Wasserstoffhalogenidkorrosion und eine Kontamination der Destillate zu verhindern und/oder die Destillation bei reduziertem Druck, z. B. Drücken von nur 6,65 kPa (50 Torr), vorzugsweise Drücken im Bereich von etwa 6,65 kPa bis 13,30 kPa (50 bis 100 Torr), und somit niedrigerer Temperatur durchzuführen, bei der die Wasserstoffhalogenidbildung minimiert wird. Beispiele für Säurefänger, welche bei der Destillation zur Anwendung kommen können, schließen organische Amine wie Trialkylamine, Triethanolamin, Pyridin und dergleichen, Amide wie N-Methylpyrrolidon und N-Cyclohexylpyrrolidon, und/oder anorganische Basen wie Natrium- oder Kaliumbicarbonat, Natrium- oder Kaliumcarbonate und Carboxylatsalze von starken Basen, z. B. Natriumacetat, ein. Die bevorzugten Säurefänger sind die Trialkylamine, einschließlich Trialkanolamine, mit Siedepunkten von mehr als dem Siedepunkt von jedwedem der zu destillierenden Komponenten des Rohproduktes, z. B. Trialkylaminen mit Siedepunkten von etwa 100 bis 250°C bei Umgebungsdruck. Die Menge an Säurefänger, die typischerweise erforderlich ist, führt zu einem Säurefänger: Rohprodukt – Gewichtsverhältnis im Bereich von 0,001 : 1 bis 0,1 : 1.
Das Verfahren dieser Erfindung kann im Prinzip durchgeführt werden, indem entweder Bromid- oder Chloridverbindungen genutzt werden. Gleichwohl macht die Verwendung der weniger reaktiven Chloride eine höhere Temperatur bei der Phasentransfer-Cyanidverdrängungsreaktion erforderlich und führt zu der Bildung von dunklen und terrigen Nebenprodukten, was zu einer schwierigen Isolation und niedrigeren Ausbeute an Produkten führt. Deshalb ist die Verwendung von Bromiden gegenüber der von Chloriden bevorzugt.
Das durch die vorliegende Erfindung vorgesehene Verfahren wird weiter durch die folgenden Beispiele veranschaulicht. Es wurden Gaschromatographie(GC)-Analysen auf einem Gaschromatographen der Hewlett-Packard 5890-Serie II mit einer 30-Meter-DB-Wachs- und einer 30-Meter-DB-17-Kapillarsäule durchgeführt. Die Identitäten der erhaltenen Produkte wurden durch kernmagnetische Spektrometrie und Gaschromatographen-Massen-Spektrometrie durch Vergleich mit authentischen Proben bestätigt. Die in den Beispielen spezifizierten Prozentwerte beziehen sich auf das Gewicht, wenn nicht anders angegeben.
Schritt 1
Ein Kolben wurde mit einem Rührer, Rückflusskühler, Thermometer ausgestattet und mit 75 ml Wasser und 36,8 Gramm (0,75 Mol) Natriumcyanid befällt. Das Rühren wurde gestartet und es wurden 8,5 Gramm Tricapryl(methyl)ammoniumchlorid (ALIQUAT 336- Phasentransferkatalysator) hinzugesetzt, gefolgt von 67,5 Gramm (0,50 Mol) der Bromidproduktmischung, welche 55,7% Cyclopropylmethylbromid, 37,2% Bromcyclobutan und 7,1% Brombuten umfasste. Die Mischung entwickelte langsam eine exotherme Wärme auf etwa 50°C. Nach etwa 1 Stunde wurde das Erhitzten begonnen, um die Temperatur der Mischung bei 45°C zu halten. Nach 7 Stunden ergab die gaschromatographische Analyse der organischen Phase, das Cyclopropylmethylbromid und 4-Brom-1-buten (d. h. Brombuten) verbraucht waren, das Cyclobutylbromid unverändert war, und das Cyclopropylacetonitril und 1-Cyano-3-buten gebildet worden waren. Das Verhältnis (Flächen-%) von Cyclopropylacetonitril zu 1-Cyano-3-buten lag bei 88 : 12. Eine kleine Spur (weniger als 1 Flächen-%) an Cyanocyclobutan wurde nachgewiesen.
Die in Schritt 1 verwendete Bromidproduktmischung wurde durch die folgende Prozedur hergestellt: Ein 2 Liter großer Kolben wurde mit 1 350 Gramm (912 ml, 8,1 Mol) an 48%igem wässrigen HBr befällt. Das HBr wurde unter Rühren gekühlt, und es wurden während einer Zeitdauer von 1 Stunde 140 Gramm (2 Mol) an Cyclopropanmethanol bei 5–10°C hinzugesetzt. Die anfängliche klare Mischung fing eine Phasentrennung gegen Ende der Zugabe an. Die Mischung wurde eine zusätzliche Stunde lang gerührt, dann wurde das Rühren beendet, und die Mischung wurde bei 5°C 16 Stunden lang stehen gelassen. Die resultierende untere Produktphase wurde abgezogen, zweimal mit Wasser gewaschen und mittels Gaschromatographie und NMR-Spektroskopie analysiert. Diese Analysen stimmen darin überein, dass die Zusammensetzung des Produktes bei 7,1% Brombuten, 37,2% Bromcyclobutan und 55,7% Cyclopropylmethylbromid lag. Ausbeute: 216 Gramm (82%). Dieses Produkt wurde in Schritt 1 ohne weitere Behandlung verwendet.
Schritte 2 und 3
Die organische Phase von Schritt 1 wurde abgetrennt, zweimal mit Kochsalzlösung gewaschen und auf 10°C unter Rühren gekühlt. Brom, 8,8 Gramm (2,8 ml, 0,055 Mol) wurden tropfenweise während 20 Minuten hinzugesetzt. Nach zusätzlichen 30 Minuten bei 22°C ergab eine gaschromatographische Analyse, dass nur eine kaum nachweisbare Menge an 1-Cyano-3-buten verblieben war. Das Bromcyclobutan und Cyclopropylacetonitril waren unverändert.
Schritt 4
Das rohe Produkt wurde durch eine mit Glasringen gepackte 40,6 cm (16 Inch)-Säule destilliert. Die Destillation des Produktes bei 11,97 kPa (90 Torr) unter Verwendung eines Rückflussverhältnisses von etwa 8 : 1 ergab Wasser-nasses Bromcyclobutan bei einem Sdp. von 43–48°C. Nach dem Trocknen wog das Bromcyclobutanprodukt 17,7 Gramm (79% der Theorie). Eine weitere Destillation bei 3,325–3,99 kPa (25–30 Torr) ergab Cyclopropylacetonitril bei einem Sdp. von 45–50°C; Ausbeute: 187 Gramm (84% der Theorie). Beide Produkte besaßen gaschromatographische Retentionszeiten und NMR-Spektren in ausgezeichneter Übereinstimmung mit authentischen Proben.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Cyclopropylacetonitril durch die folgenden Schritte, umfassend: (1) Kontaktieren einer Reaktionsmischung, umfassend ein Cyclopropylmethylhalogenid, ein Cyclobutylhalogenid und ein 4-Halogen-1-buten, mit einer wässrigen Lösung eines Alkalimetallcyanids in Gegenwart eines Phasentransferkatalysators, um eine Reaktionsmischung zu erhalten, die (i) eine organische Phase, umfassend Cyclopropylacetonitril, Cyclobutylhalogenid, 1-Cyano-3-buten und einen Phasentransferkatalysator, und (ii) eine wässrige Phase, umfassend eine Lösung von dem Alkalimetallhalogenid und -cyanid und Phasentransferkatalysator, umfasst; (2) Trennen der organischen Phase (i) von der wässrigen Phase (ii) von Schritt (1); (3) Kontaktieren der organischen Phase (i) von Schritt (2) mit Chlor oder Brom, um eine Reaktionsmischung zu erhalten, die Cyclopropylacetonitril, Cyclobutylhalogenid, 4-Cyano-l,2-butandihalogenid und Phasentransferkatalysator umfasst; und (4) Unterziehen der Reaktionsmischung von Schritt (3) einer fraktionellen Destillation, um Überkopf-Dampfprodukte, die Cyclopropylacetonitril und Cyclobutylhalogenid umfassen, und Destillationsgrundrückstände, welche 4-Cyano-1,2-butandihalogenid und Phasentransferkatalysator umfassen, zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die in Schritt (1) angewandte Reaktionsmischung, basierend auf dem Gesamtgewicht von Cyclopropylmethylhalogenid, Cyclobutylhalogenid und 4-Halogen-1-buten = 100%, 40 bis 60% Cyclopropylmethylhalogenid, 30 bis 50% Cyclobutylhalogenid und 5 bis 10% 4-Halogen-1-buten umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin: a. die Reaktionsmischung von Schritt (1) Cyclopropylmethylbromid, Cyclobutylbromid und 4-Brom-1-buten umfasst, wodurch eine Reaktionsmischung bereitgestellt wird, in der die organische Phase Cyclopropylacetonitril, Cyclobutylbromid, 1-Cyano-3-buten und Phasentransferkatalysator umfasst; und b. der Schritt (3) das Kontaktieren der organischen Phase (i) von Schritt (2) mit Brom umfasst, um die Reaktionsmischung mit Cyclopropylacetonitril, Cyclobutylbromid, 4-Cyano-1,2-butandibromid und dem Phasentransferkatalysator bereitzustellen; wodurch Überkopf-Dampfprodukte vom Schritt (4), umfassend Cyclopropylacetonitril und Cyclobutylbromid, und Destillationsgrundrückstände, umfassend 4-Cyano-1,2-butandibromid und den Phasentransferkatalysator, bereitgestellt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei in Schritt (1): a. die Reaktionsmischung, bezogen auf das Gesamtgewicht von Cyclopropylmethylbromid, Cyclobutylbromid und 4-Brom-1-buten = 100%, 40 bis 60% Cyclopropylmethylbromid, 30 bis 50% Cyclobutylbromid und 5 bis 10% 4-Brom-1-buten umfasst; b. die Reaktionsmischung mit der wässrigen Lösung eines Alkalimetallcyanids bei einer Temperatur von 35 bis 55°C in Kontakt gebracht wird; und c. die wässrige Lösung eines Alkalimetallcyanids 1,2 bis 3 Mol Alkalimetallcyanid pro Mol jeweils von Cyclopropylmethylbromid, Cyclobutylbromid und 4-Brom-1-buten enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 4, worin: a. die wässrige Lösung eines Alkalimetallcyanids aus Natrium- oder Kaliumcyanid gewählt wird; b. die Reaktantenmischung von Schritt (1) mit der wässrigen Lösung eines Alkalimetallcyanids in Gegenwart von 7 bis 17 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Cyclopropylmethylbromid, Cyclobutylbromid und 4-Brom-1-buten, eines Phasentransferkatalysators in Kontakt gebracht wird; c. der Phasentransferkatalysator 12 bis 36 Kohlenstoffatome enthält und die folgende allgemeine Formel besitzt:
worin R¹, R², R³ und R⁴ gleich oder verschieden sind und aus Alkyl mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen und Benzyl gewählt werden und X ein Anion ist; und d. der Schritt (3) das Hinzusetzen zu der organischen Phase (i) von Schritt (2) von 1 bis 1,2 Mol Brom pro Mol 1-Cyano-3-buten bei einer Temperatur von –10 bis 30°C umfasst.