DE3808071A1

DE3808071A1 - Verfahren zur herstellung von acylierten imidazolen

Info

Publication number: DE3808071A1
Application number: DE3808071A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Hesse; Wolfgang Dr Hoelderich; Toni Dr Dockner; Hermann Dr Koehler
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1988-03-11
Filing date: 1988-03-11
Publication date: 1989-09-21
Also published as: US4924000A; JPH01279871A; DE58904537D1; EP0332075A1; JP2834176B2; EP0332075B1; ATE90081T1

Description

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von acylierten Imidazolen durch Direktacylierung von entsprechenden unsubstituierten oder substituierten Imidazolen mit gängigen Acylierungsmitteln an sauren Metalloxiden und Phosphaten.

Bis jetzt waren direkte C-Alkylierungen von Imidazolen in Friedel-Crafts- Reaktionen nicht bekannt und wurden auch nicht für ausführbar gehalten (A.R. Katritzky, C.W. Rees, Comprehensive Heterocyclic Chemistry, Vol. 5, S. 402 (1984), Pergamon Press; K. Hofmann. The Chemistry of Heterocyclic Compounds, Vol. 6; Imidazole and its derivatives, Part I, S. 49 und S. 59 (1953)), Interscience Publishers).

Daher war man gezwungen, auf andere Möglichkeiten der Darstellung auszuweichen, z. B. die photochemische Umlagerung von N-Acetylimidazolen (J. L. La Mattina et al., J. Org. Chem. 48, 897-8 (1983)), die Umsetzung von 4-Formylimidazolen mit einem Grignard-Reagens und nachfolgende Oxidation (z. B. R. Paul et al., J. Me. Chem. 28, 1704-16 (1985)) oder die Hydrogenolyse eines 4-Acylamino-5-methylisoxazols (EP 156 644, Pfizer).

Diese bekannten Verfahren sind jedoch aufwendig und im technischen Maßstab nicht durchführbar.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß man direkt C-acylierte Imidazole der Formel (I)

in der
R¹ und R³ = H, Alkyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl, Aralkyl- oder Alkylarylreste,
R⁴ = H-, Alkyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl-, Aralkyl- oder Alkylarylreste,
R⁵ = Alkyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 1 bis 12 Kohlen stoffatomen, Aryl-, Aralkyl-, Alkylaryl- oder Carboxyreste bedeutet,
erhält und die Nachteile der bekannten mehrstufigen und aufwendigen Verfahren vermeidet, wenn man Imidazole der Formel (II)

in der R¹ bis R³ = Alkyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl-, Aralkyl- oder Alkylarylreste, wobei mindestens einer der Reste R¹ bis R³ Wasserstoff ist, und R⁴ = H, Alkyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl-, Aralkyl- oder Alkylarylreste bedeuten, mit gängigen Acylierungsmitteln der Formel (III)

in der R⁵ die obengenannte Bedeutung hat und Y = Halogenid, Alkoxy-, Acyloxy- oder Hydroxyreste bedeutet, in Gegenwart von sauren Metalloxiden und/oder Phosphaten umsetzt.

Die Umsetzung von 2-Methylimidazol mit Essigsäureanhydrid zu 4-Acetyl-2- methylimidazol an einem Katalysator kann man beispielsweise durch folgende Formelgleichung wiedergeben:

Die analoge Umsetzung von 4-Methylimidazol liefert in der Hauptsache 5-Acetyl-4-methylimidazol, daneben aber auch 2-Acetyl-4-methylimidazol.

Als Ausgangsstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren der oben angegebenen Formel (II) sind z. B. geeignet Imidazol, 2-Methylimidazol, 2-Ethyl imidazol, 2-Propylimidazol, 2-Isopropylimidazol, 2-Decylimidazol, 2-Do decylimidazol, 1-Methylimidazol, 4-Methylimidazol, 2-Ethyl-4-methyl imidazol, 4-n-Butylimidazol, 2-Isopropylimidazol, 2-Isopropyl-4-ethyl imidazol, 2,4-Di-n-butylimidazol, 2-Phenyl-, 4-Phenylimidazol und 4-Benzylimidazol.

Als Acylierungsmittel sind z. B. Essigsäurechlorid, Essigsäure, Essigsäure anhydrid, Essigsäuremethylester, Essigsäureethylester, Essigsäureamid, Propionsäurechlorid, Propionsäure, Propionsäureanhydrid, Buttersäure chlorid, Buttersäure, Buttersäureanhydrid, Isobuttersäure, Isobuttersäurechlorid, Isobuttersäureanhydrid, Crotonsäure, Crotonsäureanhydrid, Isoprensäure, Valeriansäure, Valeriansäurechlorid, Capronsäure, Capron säureester, Pivalinsäure, Pivalinsäurechlorid, Acrylsäure, Acrylsäuremethyl ester, Methacrylsäure, Methacrylsäureester, Penten-3-säuremethylester, Penten-2-säuremethylester, Penten-4-säuremethylester, Sorbinsäure, Sorbinsäuremethylester, Benzoesäure, Benzoesäurechlorid, Benzoesäure methylester, o-, m-, p-Fluorbenzoesäure, o-, m-, p-Fluorbenzoesäure chlorid, o-, m-, p-Chlorbenzoesäure, o-, m-, p-Methylbenzoesäure, o-, m-, p-Methylbenzoesäurechlorid, o-, m-, p-Methoxybenzoesäure, o-, m-, p-Methoxy benzoesäurechlorid, o-, m-, p-Isopropylbenzoesäure, o-, m-, p-Iso propylbenzoesäurechlorid, 2,3-Dimethyl-, 2,3-Difluor-, 2,3-Dichlor- 2,3-Dimethoxybenzoesäure bzw. -benzoesäurechlorid, Phenylessigsäure, Phenylessigsäurechlorid, Phenylessigsäureanhydrid, Zimtsäure, Zimtsäurechlorid, Malonsäure, Malonsäureanhydrid, Phthalsäure, Phthalsäureanhydrid, Terephthalsäure und Terephthalsäurechlorid geeignet.

Als Katalysatoren können z. B. saure Metalloxide wie die sauer wirkenden Oxiden von Elementen der II. bis IV. Hauptgruppe sowie der III. bis VI. Nebengruppe des periodischen Systems, insbesondere Siliciumdioxid in Form von Kieselgel, Kieselgur, Quarz, weiterhin Titandioxid, Zirkondioxid, Phosphoroxide, Vandiumpentoxid, Nioboxid, Bortrioxid, Aluminiumoxid, Chromoxide, Molybdänoxide, Wolframoxide oder Gemische dieser Oxide eingesetzt werden. Eine Modifizierung mit Metallen oder Säuren ist möglich.

Auch mit Phosphorsäure oder Borsäure getränkte Katalysatoren können eingesetzt werden. Phosphorsäure oder Borsäure wird auf SiO₂-, Al₂O₃- oder Bims-Träger, z. B. durch Auftränken oder Versprühen aufgebracht. Ein phosphorsäurehaltiger Katalysator kann beispielsweise durch Auftränken von H₃PO₄- oder NaH₂PO₄- oder Na₂HPO₄-Lösung auf SiO₂ und anschließende Trocknung bzw. Calcination erhalten werden. Phosphorsäure kann aber auch mit Kieselgel zusammen in einem Sprühturm versprüht werden; danach schließt sich eine Trocknung und meist eine Calcination an. Phosphorsäure kann auch in einer Imprägniermühle auf das Trägermaterial aufgesprüht werden.

Weitere Katalysatoren für die Acylierung von Imidazolen sind Phosphate, insbesondere Aluminiumphosphate, Siliciumaluminiumphosphate, Siliciumeisen aluminiumphosphate, Cerphosphate, Zirkonphosphate, Borphosphate, Eisen phosphate, Strontiumphosphate oder deren Gemische.

Als Phosphat-Katalysatoren kann man gefällte Aluminiumphosphate einsetzen. Man erhält ein derartiges Aluminiumphosphat, wenn man 92 g Diammonium hydrogenphosphat in 700 ml Wasser löst und zu dieser Lösung 260 g Al(NO₃)₃ × H₂O in 700 ml Wasser über 2 h zutropft. Dabei wird der pH-Wert durch gleichzeitige Zugabe von 25%iger NH₃-Lösung bei pH 8 gehalten. Der entstandene Niederschlag wird 12 h nachgerührt, dann abgesaugt und aus gewaschen. Er wird bei 60°C/16 h getrocknet.

Borphosphate, die als Katalysatoren für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, kann man beispielsweise durch Mischen und Kneten von konzentrierter Borsäure und Phosphorsäure und durch anschließende Trocknung und Calcination in Intergas-, Luft- oder Dampfatmosphäre bei 250 bis 650°C, vorzugsweise 300 bis 500°C, herstellen.

Als Aluminiumphosphat-Katalysatoren werden für das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere unter hydrothermalen Bedingungen, synthetisierte Aluminiumphosphate eingesetzt. Geeignete Aluminiumphosphate sind z. B. APO-5, APO-9, APO-11, APO-12, APO-14, APO-21, APO-25, APO-31 und APO-33.

AlPO₄-5 (APO-5) kann synthetisiert werden, indem man Orthophosphorsäure mit Pseudoboehmit (Catapal SB R) in Wasser homogen mischt; zu dieser Mischung Tetrapropylammoniumhydroxid gibt und diese danach bei etwa 150°C 20 bis 60 h unter autogenem Druck in einem Autoklaven umsetzt. Das abfiltrierte AlPO₄ wird bei 100 bis 160°C getrocknet und bei 450 bis 550°C calciniert.

AlPO₄-9 (APO-9) wird aus Orthophosphorsäure und Pseudoboehmit in wäßriger DABCO-Lösung (1,4-Diazabicylco-(2,2,2)-octan) bei etwa 200°C unter autogenem Druck während 200 bis 400°C synthetisiert. Verwendet man anstelle DABCO-Lösung Ethylendiamin, so gelangt man zu APO-12.

Die Synthese des AlPO₄-21 (APO-21) erfolgt aus Orthophosphorsäure und Pseudoboehmit in wäßriger Pyrrolidon-Lösung bei 150 bis 200°C unter autogenem Druck während 50 bis 200 h.

Für das erfindungsgemäße Verfahren kann man auch bekannte Siliciumaluminium phosphate wie SPO-5 SAPO-11, SAPO-31 und SAPO-34 einsetzen. Diese Verbindungen werden durch Kristallisation aus wäßriger Mischung bei 100 bis 250°C und autogenem Druck während 2 h bis 2 Wochen hergestellt, wobei die Reaktionsmischung, die sich aus einer Silicium-, Aluminium- und Phosphor komponente zusammensetzt, in wäßrigen aminoorganischen Lösungen umgesetzt wird.

SAPO-5 wird durch Mischen von SiO₂ suspendiert in wäßriger Tetrapropyl ammoniumhydroxid-Lösung mit einer wäßrigen Suspension aus Pseudoboehmit und Orthophosphorsäure und anschließende Umsetzung bei 150 bis 200°C, während 20 bis 200 h unter autogenem Druck in einem Rührautoklaven erhalten. Die Trocknung des abfiltrierten Pulvers erfolgt bei 110 bis 160°C und die Calcination bei 450 bis 550°C.

Als Siliciumaluminiumphosphat sind auch ZYT-5, ZYT-6, ZYT-7, ZYT-9, ZYT-1-11 und ZYT-12 geeignet.

Um eine möglichst hohe Selektivität, hohen Umsatz sowie lange Standzeiten zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Katalysatoren zu modifizieren.

Eine Möglichkeit der Modifizierung besteht darin, daß man das Material - verformt oder unverformt - einer Behandlung mit Säuren wie Salzsäure, Flußsäure und Phosphorsäure und/oder Wasserdampf unterwirft. Dabei geht man vorteilhaft so vor, daß man die Katalysatoren in Pulverform mit 1 n Phosphorsäure 1 h bei 80°C behandelt. Nach der Behandlung wird mit Wasser gewaschen, bei 110°C/16 h getrocknet und bei 500°C/20 h calciniert. Nach einer anderen Arbeitsweise behandelt man die Katalysatoren vor oder nach ihrer Verformung mit Bindemitteln z. B. 1 bis 3 h bei Temperaturen von 60 bis 80°C mit einer 3- bis 25gew.-%igen, insbesondere 12- bis 20gew.-%igen wäßrigen Salzsäure. Anschließend wird der so behandelte Katalysator mit Wasser gewaschen, getrocknet und bei 400 bis 500°C calciniert.

Eine besondere Ausführungsform für die Säurebehandlung besteht darin, daß man das Material vor seiner Verformung bei erhöhter Temperatur mit 0,001 n bis 2 n Flußsäure, vorzugsweise 0,05 bis 0,5 n Flußsäure durch Erhitzen unter Rückfluß über einen Zeitraum von 0,5 bis 5 h, vorzugsweise 1 bis 3 h behandelt. Nach Isolierung durch Abfiltrieren und Auswaschen des Materials wird dieses zweckmäßig bei Temperaturen von 100 bis 160°C, getrocknet und bei Temperaturen von 450 bis 600°C calciniert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform für die Säurebehandlung wird das Material nach seiner Verformung mit Bindemittel bei erhöhter Temperatur, zweckmäßig bei 50 bis 90°C 1 bis 3 h mit 25gew.-%iger Salzsäure, vorzugsweise mit 12- bis 20gew.-%iger Salzsäure behandelt. Anschließend wird das Material ausgewaschen, bei Temperaturen von 100 bis 160°C getrocknet und bei Temperaturen von 450 bis 600°C calciniert. Auch eine aufeinanderfolgende Behandlung mit HF und HCl ist gegebenenfalls vorteilhaft.

Eine andere Arbeitsweise besteht darin, daß man die Katalysatoren durch Aufbringen von Phosphorverbindungen, wie Trimethylphosphat, Trimethoxyphosphin, primärem, sekundärem oder tertiärem Natriumphosphat modifiziert. Als vorteilhaft hat sich die Behandlung mit primärem Natriumphosphat erwiesen. Hierbei werden die Zeolithe in Strang-, Tabletten- oder Wirbelgut- Form mit wäßriger NaH₂PO₄-Lösung getränkt, bei 110°C getrocknet und bei 500°C calciniert.

Die hier beschriebenen Katalysatoren können wahlweise als 2- bis 4-mm- Stränge oder als Tabletten mit 3 bis 5 mm Durchmesser oder als Splitt mit Teilchengrößen von 0,1 bis 0,5 mm oder als Wirbelgut eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Umsetzung wird vorzugsweise in der Gasphase bei 300 bis 600°C, insbesondere bei 400 bis 550°C und einer Belastung von WHSV von 0,1 bis 20 h^-1, insbesondere 0,5 bis 5 h^-1 (g Einsatzgemisch/g Katalysator und Stunde) in einem Festbett oder Wirbelbett ausgeführt.

Es ist auch möglich, die Reaktion in der Flüssigphase in Suspension, Riesel- oder Sumpffahrweise bei Temperaturen zwischen 50 und 300°C, insbesondere zwischen 100 und 250°C und einer Belastung g Ausgangsstoff : g Katalysator = 100 : 1 bis 5 : 1, vorzugsweise 60 : 1 bis 10 : 1 durchzuführen.

Das Verfahren kann bei Normaldruck oder je nach Flüchtigkeit der Ausgangs verbindungen bei vermindertem Druck oder erhöhtem Druck, vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt werden.

Schwerflüchtige oder feste Ausgangsstoffe werden in gelöster Form, z. B. in THF-, Toluol- oder Petrolether-Lösung, eingesetzt. Im allgemeinen ist eine Verdünnung des Ausgangsstoffes mit Lösungsmitteln oder mit Inertgasen, wie N₂, Ar, He oder mit H₂O-Dampf möglich.

Nach der Umsetzung werden die acylierten Imidazole durch übliche Verfahren, z. B. durch Destillation aus dem Reaktionsgemisch isoliert; nichtumgesetztes Ausgangsgemisch wird gegebenenfalls zurückgeführt.

Beispiele 1 bis 10

Die Reaktion in der Gasphase wird unter isothermen Bedingungen in einem Rohrreaktor (Wendel, 0,6 cm Innendurchmesser, 90 cm Länge) mindestens 6 h lang durchgeführt. Die Reaktionsprodukte werden durch übliche Verfahren abgetrennt und durch GC/MS, NMR und Bestimmung des Schmelzpunktes charakterisiert. Die quantitative Bestimmung der Reaktionsprodukte und der Ausgangsprodukte erfolgt gaschromatographisch.

Die in den nachfolgenden Anwendungsbeispielen eingesetzten Katalysatoren sind:

Katalysator A:
Handelsübliches Al₂O₃ (D 10-10®, BASF) in Form von Strangpreßlingen,

Katalysator B:
Handelsübliches SiO₂ (D 11-10®, BASF) in Form von Strangpreßlingen.

Katalysator C:
Im Handel erhältliches Zirkonphosphat Zr₃(PO₄)₄ wird mit einem Verformungs hilfsmittel zu 2-mm-Strängen verformt, bei 110°C getrocknet und bei 500°C 16 h calciniert.

Katalysator D:
Katalysator D ist ein gefälltes Borphosphat, hergestellt indem man 49 g H₃BO₃ mit 117 g H₃PO₄ (75%ig) in einem Kneter zusammengibt, überschüssiges Wasser abdampft und das Produkt zu 3-mm-Strängen verformt. Diese Stränge werden bei 10°C getrocknet und bei 350°C calciniert. Katalysator D enthält 9,24 Gew.-% und 29,5 Gew.-% P.

Katalysator E:
Katalysator E ist ein gefälltes Aluminiumphosphat, hergestellt durch Fällung aus Al(NO₃)₃ und H₃PO₄-Lösung mit NH₃ bei pH 6 bis 7. Nach Abfiltrieren wird der Niederschlag bei 110°C getrocknet und bei 500°C calciniert. Katalysator C enthält 22,7 Gew.-% Al und 25,3 Gew.-% P.

Katalysator F
Katalysator F besteht aus pyrogenem TiO₂, das unter Zugabe eines Verformungshilfsmittels zu 2-mm-Strängen verformt, bei 110°C getrocknet und bei 500°C 16 h calciniert wird. Die Strangpreßlinge werden mit 15%iger HCl (Massenverhältnis = 1 : 10) 1 h bei 80°C behandelt, danach chloridfrei gewaschen, bei 110°C getrocknet und 1 h bei 600°C calciniert.

Katalysator G:
Katalysator G besteht aus Katalysator B, der mit verdünnter Phosphorsäure getränkt, bei 130°C getrocknet und bei 540°C 2 h calciniert wird. Der P-Gehalt beträgt 4,73 Gew.-%.

Katalysator H:
Katalysator H besteht aus handelsüblichem Nioboxydhydrat (61,2 Gew.-% Nb; 9,5 Gew.-% H₂O), das mit Verformungsmittel zu 2-mm-Strängen verstrangt, bei 110°C getrocknet und bei 500°C 16 h calciniert wird.

Katalysator I:
Katalysator I besteht aus Katalysator B, der mit verdünnter NaH₂PO₄-Lösung getränkt, bei 110°C getrocknet und bei 500°C 14 h calciniert wird. Er enthält 6,2 Gew.-% Na und 7,7 Gew.-% P.

Beispiele 1 bis 3

Ein Gemisch aus 2-Methylimidazol, Essigsäure und Essigsäureanhydrid (Molverhältnis = 1 : 4 : 1) wird verdampft und mit einem Stickstoffstrom von 6 l/h bei 450°C und einer Belastung von 4 h^-1 über den Katalysator geleitet.

Das Reaktionsprodukt wird in einer Glasapparatur kondensiert und gaschromatographisch analysiert.

Tabelle 1

Acetylierung von 2-Methylimidazol

Beispiele 4 bis 10

Ein Gemisch aus Imidazol, Essigsäure und Essigsäureanhydrid (Molverhältnis = 1 : 4 : 1) wird verdampft und mit einem Stickstoffstrom von 6 l/h bei 450°C und einer Belastung von 3 h^-1 über den Katalysator geleitet.

Tabelle 2

Acetylierung von Imidazol

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von acylierten Imidazolen der Formel I in der
R¹ und R³ = H, Alkyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl-, Aralkyl- oder Alkylarylreste,
R⁴ = H-, Alkyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl-, Aralkyl- oder Alkylarylreste, sowie
R⁵ = Alkyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl-, Aralkyl-, Alkylaryl- oder Carboxyreste
bedeuten, dadurch gekennzeichnet, daß man Imidazole der Formel II in der
R¹ bis R³ = Alkyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl-, Aralkyl- oder Alkylarylreste, wobei mindestens einer der Reste R¹ bis R³ Wasserstoff ist und
R⁴ = H, Alkyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Alkenyl mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, Aryl-, Arylkyl- oder Alkylarylreste
bedeuten mit gängigen Acylierungsmitteln der Formel (III) in der R⁵ die obengenannte Bedeutung hat und Y = Halogenid, Alkoxy-, Acyloxy- oder Hydroxyreste bedeutet, in Gegenwart von sauren Metalloxiden und/oder Phosphaten umsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysatoren Oxide der zweiten bis vierten Haupt- und dritten bis fünften Nebengruppe oder deren Gemische verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysatoren der Metalle B, Al, Si, Ga, Mg, Ca, Ce, La, Fe und Zr verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Katalysatoren verwendet, die mit phosphorhaltigen Substanzen behandelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Katalysatoren verwendet, die mit Mineralsäure behandelt wurden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in der Gasphase durchführt.