Verfahren zur Herstellung von am Kohlenstoff des Piperazinringes substituierten Piperazinen
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Zweistufenverfahren zur Herstellung von am Kohlenstoff des Piperazinringes substituierten Piperazinen, wie z. B. 2-Methylpiperazin.
Die bekannten Verfahren zur Herstellung von am Kohlenstoff des Piperazinringes substituierten Piperazinen, in denen ein N- ss-Oxy-alkyl)-1, 2-alkylendiamin und ein feinzerteilter Nickelkatalysator verwendet wird, sind aus verschiedene Gründen unzulänglich. Ein Hauptgrund war immer eine niedrige Ausbeute. Dies war selbst bei Verwendung grosser Mengen teuren Nickelkatalysators der Fall ; der hohe Katalysatorverbrauch ist ein kennzeichnender Nachteil aller bisherigen Verfahren.
Der vielleicht vollständigste Aufschluss über die Synthese von Piperazin und am Kohlenstoff des Piperazinringes substituierten Piperazinen wird von Leland J. Kitchen und C. B. Pollard in der Veröffent- lichung in J. Am. Chem. Soc., Band 69, S. 854 bis 855 (1947) gegeben. In diesem Artikel wird die Herstellung von Piperazin, wobei N- (2-Oxy-äthyl)- äthylen-diamin mit einem Raneynickelkatalysator in einer Destillationskolonne erhitzt wird, mit einer Ausbeute von 3211/o angegeben. Ein anderer Versuch, in dem Diäthylkarbinol als Lösungsmittel verwandt wurde, ergab eine 340/oigne Ausbeute.
Eine Piperazinausbeute von 50-51, Dlc, wurde bei solchen Versuchen erhalten, in denen Dioxan in einem Autoklaven als Lösungsmittel verwendet, das Katalysator-Diamin Gemisch auf 200-300 erhitzt, der Katalysator vom Reaktionsgemisch abgetrennt und dieses destilliert wurde. Diese verhältnismässig unbefriedgenden Ausbeuten wurden nur bei Verwendung grosser Mengen Nickelkatalysator, das heisst 10 und 16 Gew. /o, in den beschriebenen Verfahren erhalten.
Ein weiterer Versuch, von dem Kitchen und Mitarbeiter in ihrem Artikel berichten, betraf die Herstellung von 2-Methyl-piperazin bei Verwendung von N- (2-Oxy-pro- pyl)-äthylendiamin in Dioxan mit Raneynickel unter Wasserstoffdruck bei einer Temperatur von 185 bis 203"und einer 52 /c, igen Ausbeute.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Piperazinen wird von Kitchen und Mitarbeitern in der USA-Patentschrift Nr. 2400022 ausführlich behandelt, in der besonders die Wichtigkeit von Dioxan als Lösungsmittel hervorgehoben wird, da dieses ein niedrig siedendes azeotropes Gemisch mit Wasser bildet, das während des Verfahrens von der Diaminkomponente freigegeben wird, und die Entfernung des Wassers aus dem Reaktionsprodukt erleichtert.
Von Beck und Mitarbeitern wurde noch früher ein Verfahren zur Synthese von 2-Methyl-piperazin in J. Am. Soc. Band 74, S. 605-608 (1952) bekannt, nach dem durch Erhitzen von N- (2-Oxy-propyl)- äthylendiamin mit Raneynickel und Wasserstoff bei einem Druck von 14 kg/cm2 und einer Temperatur von 185-200 eine 54 /aige Ausbeute an 2-Methylpiperazin gewonnen wurde. Diese Umsetzung wurde durch Verwendung von mehr als 16 Gew."/e Nickelkatalysator im Diamin-Katalysatorgemisch erhalten.
Ziel der vorliegenden Erfindung war nun die Suche nach einem verbesserten Verfahren zur Synthese von am Kohlenstoff des Piperazinringes substituierten Piperazinen mit hohen Ausbeuten von z. B.
80-90N /a bei gleichzeitiger Verringerung der erforderlichen Nickelkatalysatormenge, wodurch die Kosten des Verfahrens herabgesetzt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von solchen Piperazinen ist nun dadurch gekennzeichnet, dass man ein Gemisch aus feinzerteiltem Nickel-Hydrierungs-Dehydrierungs-Katalysator und einem Diamin der Formel
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worin R, und R2 Wasserstoff oder Alkylreste mit je 1-3 Kohlenstoffatomen. R3 Wasserstoff, Methyl oder Athyl und R4 einen Alkylrest mit 1-3 Kohlenstoffatomen bedeuten, wobei die Summe der Kohlenstoffatome der Reste R, und R2 sowie diejenige der Reste R3 und R4 nicht grösser als 3 ist, und der Anteil an Katalysator, bezogen auf die Mischung, 1-5 Gew.
/o als Trockengewicht berechnet, beträgt, in flüssiger Phase rührt und während 2-8 Stunden ungefähr bei Atmosphärendruck auf eine Temperatur von 80 bis 125 erhitzt und anschliessend aus der gesamten Reaktionsmischung das gebildete Piperazin abdestilliert.
Beispielsweise können bei der erfindungsgemässen Herstellung von 2-Methyl-piperazin aus N- (2-Oxy- propyl)-äthylendiamin bei Verwendung von nur etwa 4 Gew. lo feinzerteiltem Nickelkatalysator Ausbeuten erreicht werden, die durchwegs bei etwa 900/9 liegen.
Dieser hohe Umwandlungsgrad bei verminderter Katalysatorkonzentration wird weitgehend durch Verbindung der erfindungsgemässen Verfahrensstufen und durch Anwendung merklich niedrigerer Temperaturen als in Verfahren nach dem gegenwärtigen Stand der Technik erreicht.
Die bei der Umsetzung in Frage kommenden feinzerteilten Nickel-Hydrierungs-Dehydrierungs-Katalysatoren sind beispielsweise im Handel als Suspension unter Wasser erhältlich. Vor Verwendung solcher Katalysatoren wird das Wasser weitgehend entfernt. Sie können jedoch noch feucht angewendet werden, so dass dadurch dem System mit dem Katalysator etwas Wasser zugefügt wird. Wasser entsteht auch bei der Umsetzung, seine Anwesenheit
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Beispielsweise von am Kohlenstoff des Piperazinringes substituierten Piperazinen, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhalten werden, sind :
2-Methyl-piperazin, 2, 5-Dimethyl-piperazin, 2, 6-Dimethyl-piperazin, 2-Äthyl-piperazin, begrenzt wirksam das Ansteigen der Temperatur in der ersten Reaktionsstufe.
Nachdem die Diaminkomponente mit dem Katalysator in der ersten Stufe, wie beschrieben, erhitzt und gerührt wurde, wird das gesamte Reaktionsprodukt in Gegenwart des Katalysators in der zweiten Stufe destilliert. Obwohl keine ungewöhnliche Vorsicht in der Destillationsstufe erforderlich ist, lässt man die Temperatur vorzugsweise in der zweiten Stufe nur allmählich ansteigen, damit das erwünschte substituierte Piperazin bei seinem Siedepunkt unter atmosphärischen Bedingungen abdestilliert werden kann. Die Umsetzung ist beendet, wenn kein Produkt mehr destilliert.
Überraschend dabei ist, dass man, entgegen allen bisherigen Erfahrungen, die Destillation in der zweiten Stufe mit dem Gesamtreaktionsgemisch durchführen kann, und dass die Ausbeute gleichwohl um etwa 3040 /o höher liegt als bei den bisher üblichen Verfahren, obwohl das Wasser des Reaktionsproduktes aus der ersten Stufe vor der Destillation in der zweiten Stufe nicht entfernt wird.
Als Ausgangsstoffe kommen beispielsweise folgende Diamine in Betracht : N- (2-Oxy-alkyl)-1, 2-äthylen-,-propylen-, -butylen-und-amylen-diamine, wie z. B.
Q-Oxy-propyl)-äthylendiamin, N- (2-Oxy-propyl)-1, 2-propylendiamin, N- (2-Oxy-propyl)-1, 2-butyldiamin,
N-(2-Oxy-propyl)-1, 2-amylendiamin,
N- (2-Oxy-butyl)-äthylendiamin, N- (2-Oxy-butyl)-1, 2-propylendiamin, N-(l-Methyl-2-oxy-propyl)-äthylendiamin, N- (2-Athyl-2-oxy-propyl)-1, 2-propylendiamin und N- (2-Oxy-amyl)-äthylendiamin.
Die erfindungsgemässe Reaktion kann wie folgt dargestellt werden :
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2-Propyl-piperazin,
2, 3-Dimethyl-piperazin,
2-Athyl-5-methyl-piperazin, 2-Athyl-6-methyl-piperazin.
Als Katalysator kann irgendein Nickel-Hydrierungs-Dehydrierungs-Katalysator verwendet werden, wie z. B. der im Handel als Raneynickel bekannte Katalysator, der durch Herauslösen von Aluminium aus einer feinzerteilten Nickel-Aluminium-Legierung hergestellt werden kann.
Wie schon gesagt, ist im Handel der in Frage kommende Katalysator meistens als Suspension in Wasser erhältlich. Nach Entfernung des Wassers beträgt das Nassgewicht des Nickels in dem nassen Katalysators etwa die Hälfte seines Trockengewichtes.
Die höchst möglichen Ausbeuten an erfindungsgemäss erhältlichen Piperazinen können mit 3 bis 5 Gew. /o Katalysator im Gemisch erhalten werden.
Die angewandten Katalysatormengen von 1 bis 5 Gew. e/s stehen in absolutem Gegensatz zu den in bisher üblichen Verfahren verwendeten Mengen, die zwischen etwa 10-17 Gew. e/o variieren.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann man wie folgt vorgehen : In der ersten Verfahrensstufe wird das Gemisch aus Diaminkomponente und Katalysator erhitzt und gerührt. Die Temperatur, auf die das Gemisch erhitzt wird, liegt zwischen 80 und 125 und zur Erreichung von durchweg hohen Ausbeuten, vorzugsweise zwischen 90 und 115 .
Die Reaktionsdauer der ersten Stufe beträgt etwa 2-8 Stunden. Beste Ausbeuten werden erzielt, wenn das Erhitzen und Rühren in der ersten Stufe während etwa 4 Stunden durchgeführt wird. Die be vorzugten Bedingungen in der ersten Verfahrensstufe sind daher Erhitzen und Rühren des Diamin-Katalysatorgemisches während etwa 4 Stunden bei etwa 100 .
Das erfindungsgemässe Verfahren wird diskontinuierlich, in flüssiger Phase, bei Atmosphärendruck durchgeführt. Das Erhitzen und Rühren des Diamin Katalysator-Gemisches wird in einem Reaktionsgefäss durchgeführt, das mit einem einfachen Kühler oder einem Kolonnenkopf ausgerüstet ist, der durch einen zweiten Kühler belüftet werden kann.
Nachdem die erste Verfahrensstufe wie oben beschrieben durchgeführt ist, wird in der zweiten Stufe das gesamte in der ersten Stufe hergestellte Reaktionsgut destilliert. Die Destillationsstufe muss in Gegenwart des Katalysators und ohne vorherige Behandlung des Reaktionsproduktes-wie z. B. die Entfernung des Wassers oder des Katalysatorsdurchgeführt werden, da die hohen Umsetzungen und Ausbeuten bei niedrigem Katalysatoreinsatz, die das erfindungsgemässe Verfahren liefert, sonst nicht erzielt werden. Die Destillationsstufe wird zweckmässigerweise im gleichen Reaktionsgefäss wie die erste Verfahrensstufe durchgeführt, so-dass das Piperazinprodukt direkt als Destillat erhalten wird.
Die Temperaturerhöhung der zweiten Stufe wird zur Er leichterung der Destillation so lange fortgeführt, bis kein Produkt mehr gewonnen wird und die Temperatur in dem Reaktionsgefäss, aus dem das Reaktionsprodukt destilliert wird, vorzugsweise etwa bei 200 bis 250 liegt.
Die prozentuale Umwandlung in am Kohlenstoff des Piperazinringes substituiertes Piperazin, die in den nachfolgenden Beispielen angeführt wird, wurde wie folgt berechnet : Umwandlung in"/o zu kohlenstoff-erhaltene Produktmoleinheiten X 100 substituiertem Piperazin- (produkt) Moleinheiten des in der ersten Stufe zugeführten Diamins
Da die Destillation in der zweiten Stufe durch Erhitzen des Produktes der ersten Stufe so lange durchgeführt wurde, bis kein Produkt mehr erhalten wurde, lag die zuletzt in der zweiten Stufe angewandte Temperatur wesentlich oberhalb des Siedepunktes der Diaminkomponente. Es wurde kein Versuch unternommen, das zum Schluss der Destillation zurückbleibende harzhaltige Katalysatorgemisch zu analysieren.
Das Gesamtverfahrensprodukt wurde anschliessend in einer 120 cm X 9 mm grossen Glaskolonne, die mit einer Chromnickelspirale gepackt und mit einem elektrischen Heizmantel umgeben war, fraktioniert. Etwa beim Siedepunkt des am Kohlenstoff des Piperazinringes substituierten Piperazins wurde eine Fraktion erhalten, deren Reinheit durch Bestimmung des neutralen Aquivalentes ermittelt wurde.
Beispiel 1
Eine Reihe von Versuchen wurde entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung von 2-Methyl-piperazin durchgeführt, wobei N- (fol- Oxy-propyl)-äthylendiamin und ein Raneynickel Katalysator verwendet wurden. Das N-(Oxy-pro pyl)-äthylendiamin wurde durch Kondensation von Athylendiamin mit Propylenoxyd hergestellt. Der Katalysator war von der Raney-Katalysator-Gesellschaft, Chattanooga, Tennessee, geliefert worden. Es wurde ein 500 cm3 fassender Dreihalsglaskolben verwendet, der mit einer Rührvorrichtung, einem Thermometer und einem einfachen Kolonnenkopf versehen war. Die Versuche wurden, wie oben ausgeführt, durchgeführt und das Produkt analysiert.
Die folgende Tabelle zeigt die Bedingungen, unter denen die Versuche durchgeführt wurden, und die Ergebnisse.
Tabelle
Bedingungen der @@@@@ @@@@@
Konzentration des Katalysators im Umsetzung zu Versuch ersten Stufe
Diamin-Katalysator-Gemisch ersten St 2-Methyl-piperazin
Nr. Gew. % *Temperatur Gew. %
Stunden
1 2, 1 110 8 79
2 2, 1 100 6 79
3 3, 2 100 4 89
4 3, 2 110 4 79
5 3, 2 100 6 84
6 4, 3 100 2 85
7 4, 3 115 2 84
8 4, 3 100 4 91
9 4, 3 100 4 90
10 4, 3 100 4 89
11 4, 3 100 4 88
12 4, 3 lot 7 88 -Trockengewicht
Beispiel 2
Ein Versuch wurde durchgeführt, bei dem ein Gemisch von 2-Athyl-piperazin und 2, 3-Dimethylpiperazin hergestellt wurden.
Die Diaminkomponente war ein Gemisch aus Diaminen, es bestand hauptschlich aus N- (2-Oxy-butyl)-äthylendiamin und N-(l-Methyl-2-oxy-propyl)-äthylendiamin und enthielt eine geringe Menge N- (2-Methyl-2-oxy-propyl)- äthylendiamin ; das Diamingemisch wurde durch Kondensation von 1, 2-Butylenoxyd, 2, 3-Butylenoxyd und Isobutylenoxyd mit Athylendiamin erhalten.
Der Versuch wurde entsprechend dem erfin dungsgemässen Verfahren wie oben erwähnt durchgeführt, der verwendete Katalysator war Raneynickel.
Das Diamin-Katalysatorgemisch enthielt 3, 6 Gew. /o Raneynickelkatalysator (Trockengewicht) und wurde in der ersten Stufe 31/Stunde auf 100 erhitzt und gerührt. Das gesamte Reaktionsprodukt wurde dann in Gegenwart des Katalysators destilliert, und die oben erwähnten, bei 160-174 siedenden am Kohlenstoff des Piperazinringes substituierten Piperazine durch anschliessende fraktionierte Destillation erhalten. Ausbeute 80 Gew. /ol.
Beispiel 3
Ein Gemisch von 2, 5-Dimethyl-piperazin und 2, 6-Dimethyl-piperazin wurde bei Verwendung von N-(,-Oxy-propyl)-1, 2-propylendiamin als Diaminkomponente hergestellt. Ein Gemisch aus 396 g N- S-Oxy-propyl-1, 2-propylendiamin) und 15 g Raneynickel-Katalysator wird in der ersten Verfahrensstufe, wie oben beschrieben, erfindungsgemäss vier Stunden auf 100 erhitzt und gerührt. Anschlie ssend wird die Temperatur in dem Reaktionsgefäss erhöht, um die gemischten Dimethyl-piperazine aus dem gesamten Reaktionsprodukt herauszudestillieren.
Man erhält so 271 g eines bei 159-163 siedenden und bei Zimmertemperatur festen Gemisches aus 2, 5- und 2, 6-Dimethyl-piperazin in einer 85 gewichts prozentigsn Ausbeute. Das Gemisch kann durch fraktionierte Destillation getrennt werden.
Beispiel 4
Ein Gemisch aus 2-Athyl-5-methyl-piperazin, 2-Athyl-6-methyl-piperazin und 2, 3, 5-Trimethylpiperazin wurde hergestellt, indem ein Gemisch von Diaminen, das zum grössten Teil aus N- (2-Oxy- butyl)-1, 2-propylendiamin und zum kleineren Teil aus N-(l-Methyl-2-oxy-propyl)-l, 2-propylendiamin bestand, als Diaminkomponente verwendet wurde.
Das Diamingemisch wurde durch Kondensation von Propylendiamin mit einem im Handel erhältlichen Gemisch aus Butylenoxydon hergestellt, das von der Dow Chemical Company als Butylenoxyd S (Mar- kenprodukt) angeboten wird und 1, 2-Butylenoxyd, 2, 3-Butylenoxyd und eine geringe Menge Isobutylenoxyd enthielt. Ein Gemisch der Diaminkomponente und des Raneynickel-Katalysators, das 3, 2 Gew. /o (Trockengewicht) Nickelkatalysator enthielt, wurde in der ersten Stufe des erfindungsgemässen Verfahrens, wie oben beschrieben, 4 Stunden auf 100 erhitzt und gerührt. Anschliessend wurde das Reaktionsgemisch destilliert und ein Produktgemisch mit einem Siedebereich zwischen 145-185 erhalten.
Ausbeute 72 /o, bezogen auf das Gewicht des Produktgemisches, das heisst von 2-Athyl-5-methyl-piperazin, 2-Athyl-6-methyl-piperazin und 2, 3, 5-Trimethyl-piperazin.