DE69200717T2 - Verfahren zur Herstellung von N,N-Dihydrocarbylhydroxylaminen. - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von N,N-Dihydrocarbylhydroxylaminen.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von N,N-Dihydrocarbylhydroxylaminen aus einem Aldehyd und Hydroxylaminhydrochlorid unter Hydrierungsbedingungen in einem leichten einstufigen Verfahren.
- N,N-Dihydrocarbylhydroxylamine wie N,N-Dialkylhydroxylamine und N,N-Dibenzylhydroxylamine sind gut bekannt als nützliche Stabilisatoren für eine Vielzahl von polymeren Substraten, wie dies zum Beispiel in der US-A-4590231, US-A-4668721, US-A-4782105 und US-A-4876300 gelehrt wird.
- Eine Vielzahl von Verfahren ist für die Herstellung von N,N-Dialkylhydroxylaminen bekannt und ist besprochen worden von S.R.Sandler und W.Karo in "Organic Function Group Preparations" (Darstellung organischer funktioneller Gruppen), Bd.3, Academic Press, New York, 1972, Kapitel 10. Zu diesen Verfahren gehören die direkte Oxidation von N,N-Dialkylaminen mit wäßrigem Wasserstoffperoxid (US-A-4782105); die doppelte Umsetzungsreaktion zwischen einem Alkylhalogenid und einem Hydroxylamin in Gegenwart von Alkali; und die katalytische Hydrierung von Nitronen (US-A-4910340).
- Ein Verfahren, das mehr der vorliegenden Erfindung verwandt ist, ist von G. Vavon et al., Bull Soc.Chim.France, 43, 231-237 (1928) beschrieben worden, worin die katalytische Hydrierung von Aldoximen unter Verwendung eines Platinkatalysators in feuchtem Ethanol in Gegenwart von Salzsäure N,N- Dialkylhydroxylamine über eine reduktive Kupplungsreaktion erzeugt. Dabei ergibt Heptaldehydoxim N,N'-Diheptylhydroxylamin in ausgezeichneter Ausbeute (90 % ungereinigt), jedoch ergibt Benzaldehydoxim ein Gemisch von N,N-Dibenzylhydroxylamin plus Dibenzylamin.
- Die gleiche reduktive Kupplung von Heptanaloxim oder Benzaldehydoxim zu N,N-Diheptylhydroxylamin oder N,N-Dibenzylhydroxylamin wird von R.E. Borch et al., J.Am.Chem.Soc., 93, 2897 (1971) berichtet unter Verwendung des Cyanhydridborat- Anions als selektives Reduktionsmittel.
- G.W. Gribble et al., Synthesis, 1977, 856 lehrt die Herstellung von N,N-Dialkylhydroxylamin durch eine ähnliche reduktive Kupplungsreaktion unter Verwendung eines Aldehydoxims mit Natriumborhydrid in einem sauren Medium. N,N-Di-n-butylhydroxylamin wird hergestellt durch Reaktion von Butanaloxim mit Natriumborhydrid in Essigsäure.
- Es ist festzustellen, daß in jeder der reduktiven Kupplungsreaktionen, die oben beschrieben sind, die Kupplung ein halbes Äquivalent Hydroxylamin als Nebenprodukt hervorruft, das entweder zu Ammoniak unter den Reaktionsbedingungen reduziert wird oder als kontaminierender Stoff in dem gewünschten N,N-Dialkylhydroxylamin-Hauptprodukt verbleibt.
- Das vorliegende Verfahren überwindet diesen Nachteil und führt zusätzlich seinerseits verschiedene Vorteile ein. Die vorliegenden Ausgangsmaterialien sind leicht erhältliche Aldehyde und billiges, leicht verfügbares Hydroxylaminhydrochlorid. Dies gestattet eine größere Flexibilität bei den Synthesen, da eine breite Vielzahl von Aldehyden verfügbar ist und es keine Notwendigkeit gibt zur Isolierung irgendwelcher Zwischenprodukte, wie die Oxime.
- Wichtiger vom ökonomischen Standpunkt und vom Standpunkt des Umweltschutzes ist, da ein Oxim kein Ausgangsmaterial ist, daß nur ein halbes Äquivalent Hydroxylaminhydrochlorid im Verhältnis zum Aldehyd tatsächlich für die gesamte Stöchiometrie des Verfahrens erforderlich ist, wie es aus dem folgenden Reaktionsschema hervorgeht. Wasserstoff Katalysator
- Daher kann das vorliegende Verfahren in einer solchen Weise durchgeführt werden, daß kein Hydroxylamin-Nebenprodukt produziert wird.
- Nach der vorliegenden Erfindung werden symmetrisch substituierte N,N-Dihydrocarbylhydroxylamine in einer einzigen Stufe durch Reaktion eines Aldehyds und von Hydroxylaminhydrochlorid in einem alkoholischen Lösungsmittel in Gegenwart von Wasserstoff und einem Hydrierungskatalysator hergestellt. Das freie N,N-Dihydrocarbylhydroxylamin wird von dem Hydrochloridsalz durch Behandlung mit Alkali befreit.
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines symmetrisch substituierten N,N-Dihydrocarbylhydroxylamins der Formel I
- (RCH&sub2;)&sub2;NOH (I)
- worin R ein geradkettiges oder verzweigtes Alkyl mit 1 bis 17 Kohlenstoffatomen ist, wobei das Alkyl durch Phenyl, Cycloalkyl mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl mit 6 bis 10 Kohlenstoffatomen oder Aryl substituiert durch ein oder zwei Alkylreste mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen substituiert ist,
- wobei das Verfahren umfaßt
- die Reaktion bei Umgebungstemperatur
- (a) eines Aldehyds RCHO, woIin R wie oben definiert ist, und
- (b) von 0,5 bis 1,0 Äquivalenten Hydroxylaminhydrochlorid pro Äquivalent RCHO,
- wobei die Reaktanten (a) und (b) in einem organischen Lösungsmittel gelöst sind, das ein Alkanol ist oder einen Hauptanteil an Alkanol enthält, unter Wasserstoffatmosphäre bei 1,05 bis 4,2 kg/cm² Druck in Gegenwart einer katalytisch wirksamen Menge eines Edelmetall-Hydrierungskatalysators bis zur Beendigung der Wasserstoffaufnahme, und
- Isolierung des gewünschten N,N-Dihydrocarbylhydroxylamins der Formel I von dessen Hydrochloridsalz unter Verwendung von Alkali.
- Vorzugsweise ist R Alkyl mit 2 bis 15 Kohlenstoffatomen, 2-Phenylethyl, Cycloalkyl, Phenyl, Tolyl oder Xylyl. Am bevorzugtesten hat R die Bedeutung n-Amyl, n-Undecyl oder n-Pentadecyl.
- Wenn R Alkyl ist, ist es zum Beispiel Methyl, Ethyl, n- Butyl, Isobutyl, n-Amyl, Isoamyl, 2-Ethylhexyl, n-Hexyl, n- Octyl, Undecyl oder n-Heptadecyl. Wenn R die Bedeutung Cycloalkyl hat, ist es zum Beispiel Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cyclooctyl oder Cyclododecyl. Wenn R die Bedeutung Alkyl substituiert durch Phenyl hat, ist es zum Beispiel Benzyl oder 2- Phenylethyl. Wenn R die Bedeutung Aryl hat, ist es zum Beispiel Phenyl oder Naphthyl. Wenn R die Bedeutung Phenyl substituiert mit Alkyl hat, ist es zum Beispiel Tolyl oder Xylyl.
- Bei dem vorliegenden Verfahren werden 0,5 bis 1,0 Äquivalente Hydroxylaminhydrochlorid für jedes Äquivalent des Aldehyds zu einer Lösung des Aldehyds gegeben, um das entsprechende Oxim in situ zu bilden. Die Lösung wird unter Stickstoffatmosphäre bei 1,05 bis 4,2 Kg/cm² Druck bei Umgebungstemperatur gerührt, z.B. bei 15 bis 30º C, insbesondere 20 bis 25º C, bis die Aufnahme von Wasserstoff beendet ist. Dies dauert normalerweise 30 Minuten bis 12 Stunden in Abhängigkeit von dem speziellen Aldehyd, das in dem Verfahren eingesetzt wird. Das Hydrochloridsalz des N,N-Dihydrocarbylhydroxylamins wird als Produkt der Reaktionen gebildet, die unten aufgeführt sind. Das freie N,N-Dihydrocarbylhydroxylamin wird vom Hydrochloridsalz durch übliche Behandlung mit wäßrigem Alkali freigesetzt.
- Das Hydroxylaminhydrochlorid, das durch die reduktive Kupplung der beiden Moleküle des Oxims (siehe 2. Gleichung oben) regeneriert wird, ist unter den Reaktionsbedingungen frei, mit einem beliebigen verbliebenen Aldehyd zu kondensieren, um mehr Oxim in situ zu bilden. Dieses Oxim kann dann reduktiv gekuppelt werden, was eine vollständige Umwandlung des Aldehyds zu N,N-Dihydrocarbylhydroxylamin gestattet, wenn so wenig wie die Hälfte eines Äquivalents Hydroxylaminhydrochlorid pro Äquivalent Aldehyd als Ausgangsmaterial in dem vorliegenden Verfahren verwendet wird.
- Wenn die Wasserstoffaufnahme beendet ist, normalerweise nach etwa 30 Minuten bis 12 Stunden, wird der Katalysator durch Filtration entfernt. Das Filtrat wird eingedampft, um das vorhandene Lösungsmittel zu entfernen, und der Rückstand wird mit wäßrigem Alkali behandelt, z.B. wäßriger Kaliumcarbonatlösung, um das freie N,N-Dihydrocarbylhydroxylamin freizusetzen. Wenn das Produkt ein Feststoff ist, wird es durch Filtration isoliert und durch Umkristallisation gereinigt. Alternativ dazu kann das Produkt durch Extraktion der Alkalilösung mit einem organischen Lösungsmittel wie Ethylacetat oder Methylenchlorid isoliet werden, und dann wird es durch übliche Mittel erforderlichenfalls gereinigt. Die Prüfung des rohen Produktes des vorliegenden Verfahrens mittels ¹H-NMR zeigt, daß die Produkte normalerweise eine Reinheit von mehr als 90% haben, und daß eine weitere Reinigung durch Umkristallisation usw. nicht notwendig ist.
- Die in dem vorliegenden Verfahren verwendeten Aldehyde sind Handelsprodukte oder durch bekannte Verfahren leicht herstellbar. Ebenso ist Hydoxylaminochlorid ein Handelsprodukt.
- Typische Lösungsmittel, die in dem Verfahren verwendet werden, sind niedere Alkanole, zum Beispiel die C&sub1;-C&sub3;-Alkanole, z.B. Methanol, Ethanol, Isopropanol, Propanol und Methanol/Ethylacetat-Gemische, Methanol/Methylenchlorid-Gemische, Ethanol/Ethylacetat-Gemische und Alkanol/Tetrahydrofuran-Gemische. Die Lösungsmittel enthalten vorzugsweise 50 bis 100 % eines Alkanols.
- Das Äquivalent- oder Molverhältnis von Aldehyd zu Hydroxylaminhydrochlorid beträgt 1 : 0,5 bis 1 : 1, vorzugsweise 1 : 0,5 bis 1 : 0,6.
- Zu typischen Edelmetall-Hydrierungskatalysatoren, die in dem vorliegenden Verfahren verwendet werden, gehören 5% Platin-auf-Kohlenstoff, 10% Platin-auf-Kohlenstoff, Platinoxid, eine Kombination von 5% Platin-auf-Kohlenstoff mit Platinoxid und 5% Palladium-auf-Kohlenstoff. Die katalytisch wirksame Menge des Katalysators beträgt 0,1 bis 1 Molarprozent, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Molarprozent, bezogen auf das Aldehyd RCHO. Ein Platinkatalysator wird bevorzugt.
- Die Hydrierung der Oxime im allgemeinen und die reduktiven Kupplungsreaktionen, die im Stand der Technik beschrieben worden sind, sind üblicherweise in Abwesenheit einer Säure langsamer, unvorhersehbar und nicht spezifisch. Bei dem vorliegenden Verfahren ist die Salzsäure, die über das Hydroxylaminhydrochloridsalz als Ausgangsmaterial eingeführt wird, ziemlich ausreichend, damit das vorliegende Verfahren glatt und spezifisch abläuft. Die Zugabe von mehr Säure ist beim vorliegenden Verfahren nicht notwendig.
- Das vorliegende Verfahren ist insbesondere dadurch charakterisiert, daß es nur etwa ein halbes Äquivalent Hydroxylaminhydrochlorid pro Äquivalent Aldehyd benötigt, im Vergleich mit dem Verfahren des Standes der Technik. Als Ergebnis wird kein NH&sub2;OH als Nebenprodukt beim vorliegenden Verfahren erzeugt, und eine Isolierung und Reinigung des gewünschten Hydroxylaminproduktes wird erleichtert, was klare ökonomische Vorteile für das vorliegenden Verfahren bedeutet.
- Die N,N-Dialkylhydroxylamine, die durch das vorliegenden Verfahren hergestellt werden, sind wirksame Stabilisatoren für Polyolefine und andere Polymersubstrate.
- Die folgenden Beispiele werden nur zur Erläuterung gegeben und sind nicht dafür gedacht, den Gegenstand oder den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken.
- Eine Lösung von Propanal (5,0 g, 86,2 mMol) und Hydroxylaminhydrochlorid (6,3 g, 90 mMol) in 100 ml Methanol wurde unter Wasserstoff mit 2,8 bis 3,15 kg/cm² in Gegenwart einer katalytischen Menge von 5% Platin-auf-Kohlenstoff (400 mg) und Platinoxid (10 mg) für 2,5 Stunden bei Raumtemperatur geschüttelt. Das Gemisch wurde anschließend durch ein CELITE-Filtermittel filtriert. Das Filtrat wurde aufkonzentriert und der Rückstand zwischen Ethylacetat und gesättigter wäßriger Kaliumcarbonatlösung verteilt. Die organische Schicht wurde mit Wasser und Salzlösung gewaschen, über wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet und anschließend aufkonzentriert, um 3,8 g N,N- Di-n-propylhydroxylamin zu ergeben, das mit einer geringen Menge Ethylacetat verunreinigt war, wie durch 90 MHz ¹H-NMR gezeigt wurde. Eine gereinigte analytische Probe wurde durch Säulenchromatografie über Silicagel (4 : 1, Hexan : Ethylacetat) erhalten.
- ¹H NMR (200 MHz, CDCl&sub3;) δ 2,63 (dd, 4 H's); 1,61 (Sextett, 4 H's); 0,92 (t, 6 H's).
- IR (CDCl&sub3;) : 3560, 3240 (breit), 2960, 2920, 2860, 1440, 1120, 1050 cm&supmin;¹.
- Eine Lösung von Hexanal (5,0 g, 50 mMol) und Hydroxylaminhydrochlorid (3,8 g, 55 mMol) in 60 ml Methanol wurde unter Wasserstoff bei 2,8 bis 3,15 kg/cm² für zwei Stunden bei Raumtemperatur in Gegenwart einer katalytischen Menge von 5% Platin-auf-Kohlenstoff (400 mg) geschüttelt. Das Reaktionsgemisch wurde anschließend nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren behandelt, um zu 4,2 g des rohen N,N-Di-n-hexylhydroxylamin-Produktes als einem weißem Feststoff zu gelangen. Das Produkt wurde durch 90 MHz ¹H-NMR identifiziert, und es wurde festgestellt, daß es mit nicht mehr als 5% Hexanaloxim verunreinigt war.
- Eine analytisch reine Probe des gewünschten N,N-Di-n- hexylhydroxylamin-Produktes wurde durch Schnellchromatografie über Silicagel (6 : 1, Heptan : Ethylacetat) erhalten, um zu 2,5 g (50% Gesamtausbeute) der Titelverbindung als einem weißem Feststoff zu gelangen, der bei 67º C schmolz.
- ¹H NMR (200 MHz, CDCl&sub3;) δ 2,68 (dd, 4 H's); 1,60 (Quintett, 4 H's); 1,30 (breit, 12 H's); 0,88 (t, 6 H's).
- IR (CDCl&sub3;) 3570, 3200 (breit), 2920, 2820, 1440, 1120, 1070 cm&supmin;¹.
- EIMS, m/z 201 (M&spplus;).
- berechnet für C&sub1;&sub2;H&sub2;&sub7;NO : C 71,6; H 13,5; N 7,0
- gefunden : C 71,8; H 13,9; N 6,8.
- Nach der allgemeinen Verfahrensweise von Beispiel 2 wurde Hexanal (5,0 g, 50 mMol) mit nur einem halben Äquivalent Hydroxylaminhydrochlorid (1,9 g, 28 Mmol) umgesetzt, um 3,4 g rohes N,N-Di-n-hexylhydroxylamin als weißen Feststoff zu ergeben, wobei die 90 ¹H-NMR bestätigte, daß es sich im wesentlichen nur um eine Verbindung handelte. Die Reinigung des rohen Produktes, wie in Beispiel 2 beschrieben, ergab 2,0 g der Titelverbindung als einen weißen Feststoff, der bei 67º C schmolz.
- Dieses Beispiel zeigt, daß das vorliegende Verfahren unter Verwendung von nur einem halben Äquivalent Hydroxylaminhydrochlorid pro Äquivalent Aldehyd das gewünschte N,N-Dialkylhydroxylamin in hoher Ausbeute und besserer Reinheit erbringt ohne die gleichzeitige Herstellung von unerwünschten Nebenprodukten.
- Eine Lösung von Dodecanal (9,2 g, 50 mMol) und Hydroxylaminhydrochlorid (3,8 g, 54 Mmol) in 75 ml Methanol und 10 ml Ethylacetat wurde unter Wasserstoff bei 2,8 bis 3,15 kg/cm² für fünf Stunden bei Raumtemperatur in Gegenwart einer katalytischen Menge von 5% Platin-auf-Kohlenstoff (450 mg) geschüttelt. Das Reaktionsgemisch wurde anschließend durch CELITE- Filtermittel filtriert. Das Filtrat wurde aufkonzentriert und der Rückstand mit gesättigter wäßriger Kaliumcarbonatlösung behandelt bis der pH über 10 lag. Ein weißer Feststoff wurde durch Filtration isoliert und aus Methanol umkristallisiert, um zu 4,7 g (51% Ausbeute) der Titelverbindung als einem weißen Feststoff zu gelangen, der bei 88º C schmolz.
- ¹H NMR (90 MHz, CDCl&sub3;) δ 2,6 (dd, 4 H's); 1,6 (m, 4 H's); 1,3 (breit, 36 H's); 0,9 (t, 6 H's).
- IR (CDCl&sub3;) : 3540, 3150 (breit), 2920, 2820, 1440, 1130 cm&supmin;¹.
- ETMS, m/z 369 (M&spplus;).
- Eine Lösung von Dodecanal (9,2 g, 50 mMol) und Hydroxylaminhydrochlorid (2,0 g, 29 mMol) in 70 ml Methanol und 10 ml Ethylacetat wurde unter Wasserstoff mit 2,8 bis 3,15 kg/cm² für 2,5 Stunden bei Raumtemperatur in Gegenwart einer katalytischen Menge an 5% Platin-auf-Kohlenstoff (400 mg) und Platinoxid (15 mg) geschüttelt. Das Reaktionsgemisch wurde anschließend wie im Beispiel 4 beschrieben aufgearbeitet, um nach Umkristallisation aus Methanol 4,6 g (50% Ausbeute) die Titelverbindung als einen weißen Feststoff zu erhalten, der mit dem im Beispiel 4 hergestellten identisch war.
- Dieses Beispiel demonstriert ebenso, daß in dem vorliegenden Verfahren unter Verwendung von nur einem halben Äquivalent an Hydroxylaminhydrochlorid pro Äquivalent Aldehyd das gewünschte N,N-Dialkylhydroxylamin in guter Ausbeute und Reinheit erhalten wird ohne die ungewünschte gleichzeitige Herstellung von unerwünschten Nebenprodukten.
- Nach der allgemeinen Verfahrensweise von Beispiel 5 wurde eine Lösung von Hexadecanal (2,5 g, 10,4 mMol) in 15 ml Ethanol und 15 ml Tetrahydrofuran zu einer Lösung von Hydroxylaminhydrochlorid (0,45 g, 6,4 mMol) in 10 ml Methanol und 4 ml Wasser gegeben.
- Das erhaltene Gemisch wurde unter Wasserstoff mit 2,8 bis 3,15 kg/cm² für zwei Stunden bei Umgebungstemperatur in Gegenwart einer katalytischen Menge eines Platinkatalysators geschüttelt. Das Gemisch wurde durch CELITE-Filtermittel filtriert und das Filtrat aufkonzentriert. Der Rückstand wurde zwischen Methylenchlorid und gesättigtem wäßrigem Kaliumcarbonat verteilt. Die organische Schicht wurde mit Wasser und mit Salzlösung gewaschen, über wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet und aufkonzentriert, um zu 1,9 g eines weißen Feststoffes zu gelangen, der die Titelverbindung enthielt, wie durch 90 MHz ¹H-NMR nachgewiesen wurde.
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung eines symmetrisch substituierten
N,N-Dihydrocarbylhydroxylamins der Formel I
(RCH&sub2;)&sub2;NOH (I)
worin R ein geradkettiges oder verzweigtes Alkyl mit 1 bis 17
Kohlenstoffatomen ist, wobei das Alkyl durch Phenyl,
Cycloalkyl mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl mit 6 bis 10
Kohlenstoffatomen oder Aryl substituiert durch ein oder zwei
Alkylreste mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen substituiert ist,
wobei das Verfahren umfaßt
die Reaktion bei Umgebungstemperatur
(a) eines Aldehyds RCHO, worin R wie oben definiert ist, und
(b) von 0,5 bis 1,0 Äquivalenten Hydroxylaminhydrochlorid pro
Äquivalent RCHO,
wobei die Reaktanten (a) und (b) in einem organischen
Lösungsmittel gelöst sind, das ein Alkanol ist oder
ein Alkanol enthält, unter Wasserstoffaßmosphäre bei 1,05 bis
4,2 kg/cm² Druck in Gegenwart einer katalytisch wirksamen
Menge eines Edelmetall-Hydrierungskatalysators bis zur
Beendigung der Wasserstoffaufnahme, und
Isolierung des gewünschten N-N-Dihydrocarbylhydroxylamins der
Formel I von dessen Hydrochloridsalz unter Verwendung von
Alkali.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin R die Bedeutung Alkyl mit
2 bis 15 Kohlenstoffatomen, 2-Phenylethyl, Cycloalkyl, Phenyl,
Tolyl oder Xylyl hat.
3. Verfahren nach Anspruch 2, worin R die Bedeutung n-Amyl, n-
Undecyl oder n-Pentadecyl hat.
4. Verfahren nach Anspruch1 worin 0,5 bis 0,6 Äquivalente
Hydroxylaminhydrochlorid pro Äquivalent RCHO verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Produkt der Formel I
N,N-Di-n-propylhydroxylamin ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Produkt der Formel I
N,N-Di-n-hexylhydroxylamin ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Produkt der Formel I
N,N-Di-n-dodecylhydroxylamin ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Produkt der Formel I
N,N-Di-n-hexadecylhydroxylamin ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Edelmetallkatalysator
in einer Menge von 0,1 bis 1 Molarprozent vorhanden ist,
bezogen auf das Aldehyd RCHO.
10. Verfahren nach Anspruch 9, worin der Edelmetallkatalysator
ein Platinkatalysator ist.
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