DD286348A5 - Verfahren zur herstellung von n-ethylethylendiamin - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von N-Ethylethylendiamin. N-Ethylethylendiamin kann technisch einfach ohne Isolierung des 2-Chlorethylamin-hydrochlorides, das aus Ethanolamin, Salzsaeure und Thionylchlorid hergestellt wird, mit waeszriger Ethylaminloesung dadurch erhalten werden, dasz die Salzloesung langsam, vorzugsweise innerhalb von 3-4 Stunden, zur Ethylaminloesung gegeben, die Reaktionsloesung bei 80-100C 3-12 Stunden, bevorzugt im geschlossenen Gefaesz, geruehrt und anschlieszend, gegebenenfalls im Vakuum eingeengt und das N-Ethylethylendiamin aus dem Destillationsrueckstand durch Zugabe von konz. Alkalilauge bei Temperaturen von 20-100C, vorzugsweise etwa 50-80C in Freiheit gesetzt, noch enthaltenes Ethylamin durch Erhitzen bei 100C abdestilliert und das rohe N-Ethylethylendiamin vom Salzrueckstand abgetrennt, getrocknet und destilliert wird.{N-Ethylethylendiamin; 2-Chlorethylamin-hydrochlorid; Ethylamin; durchgaengiges Verfahren}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von N-Ethylethylendiamin der Formel I

CjH₆-NH-CH₇-CHr-NH₂ I

Dieses Amin ist ein wertvolles Ausgangsprodukt u. a. zur Herstellung von Piperazin-Derivaten, die für die Synthese von Arzneimitteln Bedeutung haben.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

N-Ethylethylendiamin kann nach S.R.Aspinall, J.Am.Chem.Soc.63,852 (1941) ausgehend von Ethylendiamin nach Acetylierung, Umsetzung mit Benzensulfochlorid, Alkylierung mit Ethylbromid und nachfolgender Hydrolyse in einer Ausbeute von ca. 20% hergestellt werden.

Nach G. H. Colemann und J. E.Callen, J. Am. Chem. Soc.68,2006 (1946) kann Ethylenimin mit Alkylaminen in Gegenwart von AICI₃ zu N,N-di-substituierten bzw. N-mono-substituierten Ethylendiamin umgesetzt werden. F. Linsker, R. L. Evans beschreiben im J.Am.Chem.Soc. 67,1581 (1945) die direkte Alkylierung von 95%igem Ethylendiamin mit Alkylhalogeniden in Alkoholen, wie Ethanol bzw. Butanol, wobei die Alkylseitenketten C₈-C₁₈-AtOrDe enthalten. Whitby et al., Ind. eng. Chem. 42,445 (1950) erhalten das N-Ethyl-Derivat durch Erwärmen von Ethylendiamin mit Ethylbromid in Ethanol in einer Ausbeute von ca. 10%.

Bei ail diesen Darstellungsmethoden sind die Ausbeuten gering, und sie gehen außerdem von wertvollen Rohstoffen wie Ethylendiamin bzw. Ethylenimin aus, die nicht überall zur Verfügung stehen. Der Einsatz von Ethylenimin erfordert zusätzlich wegen seiner hohen Toxizität und Reaktivität spezielle technische Anlagen und Sicherheitsmaßnahmen. Nach R. C.O' Gee und H. M.Woodhurn, J.Am.Chem.Soc.73,1370 (1951) werden N-Alkyl-ethylendiamine durch Umsetzung von 2-Bromethylaminhydrobromid mit Alkylaminen in wäßriger Lösung hergestellt. Das'N-Ethyl-Derivat soll danach in 40%iger Ausbeute erhalten werden.

Im einzelnen wird eine wäßrige Lösung des 2-Brom6thylame:;hydrobromides zu einer 25%igen wäßrigen Lösung des Alkylamins (5fache Molmenge) gegeben und die Lösung 12 Stunden unter gelindem Rückfluß erhitzt. Die abgekühlte Reaktionsiösung wird danach mit festem Ätznatron versetzt, bis sich das stark basische N-Alkylethylendiamin abscheidet. Das Produkt wird abgetrannt und die untere wäßrige Phase mit Ether extrahiert. Die vereinten Produktphasen werden über wasserfreiem Kaliumkarbonat getrocknet und anschließend über eine Kolonne fraktioniert destilliert. Bei der Nacharbeitung dieses Verfahrens ergeben sich jedoch, wie umfangreiche eigene Versuche zeigten, eine Reihe von Problemen, die die Gewinnung des Zielproduktes bereits im Labormaßstab in Frage stellen:

1. Bei der Isolierung des N-Alkylethylendiamins wird eine unvertretbar große Ätzalkalimonge benötigt, um das Diamin abzuscheiden, (pro 1 Mol Ansatz 600g NaOH = 15 Mol)

2. Auch nach der Abscheidung wird noch ein Gemisch des Diamins mit viel Wasser und den*, in Überschuß eingesetzten Alkylamin erhalten.

3. Nur durch erneute Ätzalkali-Zugabe wird das eingesetzte Alkylamin (speziell das Ethylamin gasförmig ausgetrieben) und abermals eine wäßrige Schicht abgetrennt.

4. Die geforderte Extraktion der wäßrigen Phase mit Ether ist bei einer technischen Herstellung nicht durchführbar.

5. Die angeführte Trocknung des Rohproduktes mit wasserfreiem K₂CO₃ ist wirkungslos und damit nicht anwendbar.

6. Dadurch ist die Ausbeute geringer als 40% und das Endprodukt stark wasserhaltig.

Auch das in der DD-PS 269846 aufgeführte verbesserte Verfahren beinhaltet noch Reaktionsschritte, wie z. B. das Freisetzen von I mit Ätzalkalien, die sich zwar technisch lösen lassen, jedoch einen Mehraufwand erfordern bzw. ohne diesen zu Belastungen, wie z. B. dem Tragen von Masken, führen.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, die bereits in den DD-PS 258222 und 2a9846 beschriebenen Verfahren weiter zu verbessern und aus technisch einfach zugänglichen Rohstoffen ohne zusätzliche Isolierung bzw. Reinigung der Zwischenprodukte des N-Ethylethylendiamins ausgehend vom Ethanolamin in technisch einfach durchführbarer Weise rein in guten Ausbeuten herzustellen. Dabei sollen gleichzeitig das Verfahren umweltfreundlicher gestaltet und Arbeitse' schwernisse abgebaut werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe, die oben genannten Nachteile des Verfahrens bei der Herstellung von I, insbesondere den arbeitserschwerenden Umgang mit festem Ätzalkali und dem stark giftigen Pyridin zu vermeiden und das Verfahren zur technischen Herstellung von I ausgehend von Ethanolamin ohne zusätzliche Isolierungs- bzw. Reinigungsoperationen zu verbessern. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß man 2-Chlorethylaminhydrochlorid entsprechend DD-PS 258222 aus Ethanolamin, Salzsäure und Thionylchlorid so herstellt, daß zuerst die Ethanolaminhydrochlorid-Bildung in Gegenwart eines azeotropen Schleppmittels, vorzugsweise Toluen, durchgeführt, das Wasser mit Hilfe eines Wasserabscheiders abgetrennt, anschließend als Katalysator statt Pyridin, dem stark basischen tertiären Amin, das aus Gründen des Umweltschutzes günstigere Ammoniumchlorid eingcirAzt, und danach Thionylchlorid im Temperaturbereich von 60-75⁰C zugetropft wird, wobei kontinuierlich Schwefeldioxid ur,d Chlorwasserstoff entweichen. Es wird 3 Stunden bei 75⁰C nachgerührt, überschüssiges Thionylchlorid und Toluen im Vakuum ibdestilliert und der Salzrückstand des rohen2-Chlorethylaminhydrochlorides ohne weitere Reinigung, also ohne Umkristallisation in Wasser gelöst und diese Lösung auch ohne Filtration direkt zur vorgelegten wäßrigen Ethylaminlösung gegeben, wobei es besonders vorteilhaft ist, die Salzlösung langsam, vorzugsweise innerhalb von 3-4 Stunden, zuzutropfen. Das Ethylamin kann in der 3-5fachen Molmenge in wäßriger Lösung zwischen 25-66% Ethylamin-Gehalt eingesetzt werden. Beide Reaktionspartner läßt m in 3 bis 12 Stunden bei 80-100°C unter Rühren reagieren. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß man die Reaktion im technischen Maßstab in einem geschlossenen System (Kessel) durchführt, wobei ein Überdruck von max. 0,2MPa erreicht wird, der noch keine spezielle Druckapparatur, wie z. B. einen Autoklav erfordert. Die Reaktionslösung wird danach gegebenenfalls unter Vakuum und Rühren eingeengt und das N-Ethylethylendiamin aus dem Destillationsrückstand technisch beso^r Jers vorteilhaft durch Zugabe von konzentrierter Alkalilauge bei Temperaturen von 20-100⁰C, vorzugsweise ca. 50-80⁰C in Freiheit gesetzt. Anschließend wird aus dem Salz mit freigesetztem Ethylamin bis 100⁰C Badtemperatur abdestilliert und das aus dem Salzrückstand ausgeschiedene N-Ethylethylendiamin abgetrennt. Das rohe, noch Wasser enthaltende I wird über konz. Alkalilauge bzw. Ätzalkali getrocknet und danach wird eine Kolonne destilliert Der Wassergehalt liegt nach der Destillation bei 2-5%. Die Ausbeute beträgt nach diesem Verfahren 60-65%, gerechnet auf eingesetztes Ethanolamin. (Nach GC-Analyse99%ig , bezogen auf wasserfreies Produkt).

Das zur Trocknung verwendete ÄUalkali, das geringe Arteile N-Ethylethylendiamin enthält, knnn nach Lösung in der gerade benötigten Wassermenge als konzentrierte Alkalilauge oeim nächsten Ansatz zur Freisetzung von I eingesetzt werden und belastet nicht die Abprodukt-Bilanz. Ebenso kann das zurückgewonnene, überschüssige Ethylamin erneut zur Herstellung eingesetzt werden.

Es war überraschend und nicht vorhersehbar, daß der Einsatz der wäßrigen Lösung des rohen, teils dunkel gefärbten 2-Chlorethylaminhydrochlorides, wie es nach dem Abdestillieren des Toluens anfällt, ohne jede Reinigung und Filtration neben der Arbeitszeit- und Materialeinsparung für die Umkristallisation auch noch zu einer Ausbeutesteigerung über 10% führte. Das erfindungsgemäße Verfahren, das von leicht zugänglichen Rohstoffen, wie Ethanolamin und wäßriger Ethylamin-Lösung ausgeht und des ohne Isolierung und Reinigung des 2-Chlorethylaminhydrochlorides in einer Stufe zum N-Ethylethylendiamin führt, hat gegenüber den bekannten Darstellungsmethoden folgende Vorteile:

1. Als Katalysator kann überraschenderweise anstelle des Pyridine das preisgünstigere und umweltfreundlichere Ammoniumchlorid eingesetzt werden.

2. Durch das 1 -Stufen-Verfahren entfällt die Umkristallisation des ^Chlorethylaminhydrochlorides, die mit Verlusten verbunden ist und Material- sowie Zeitaufwand erfordert.

3. Es erfolgt eine Ausbeute-Steigerung von bisher 48-56% auf 60-65% über beide Stufen gerechnet.

4. Wäßrige Ethylamin-Lösung beliebiger Konzentration ist einsetzbar, so daß bei Verwendung von 66%iger Ethylaminlösung wesentlich weniger Wasser Albdestilliert werden muß.

5. Das Fahren im geschlossenen System (Kessel) mit einem Überdruck von max. 0,2 MPa erfordert keine besondere Druckapparatur und verhindert das Entweichen des niedrig siedenden Ethylamine. Es führt zur Verbesserung der Ausbeute und des Umweltschutzes.

6. Mit besonderem Vorteil für die technologische Verfahrensführung und einer wesentlichen Verbesserung des Arbeitsschutzes kann die Freisetzung des N-Ethylethylendiamins durch die Zugabe von konzentrierter Alkalilauge erfolgen, die eine einfache und gefahrlose Dosierung im geschlossenen System ermöglicht.

7. D ie Freisetzung mit konzentrierter Alkalilauge statt Ätzalkali ermöglicht gleichzeitig die Wiederverwendung des zur Trocknung erforderlichen Ätzalkalis nach Lösung in Wasser beim nachfolgenden Ansatz.

8. Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise ist das Herstellungsverfahren wesentlich abproduktärmer und damit umweltfreundlicher geworden.

AusfOhrungsbeisplele Beispiel 1

244g (4 Mol) Ethanolamin und 800ml Toluen werden vorgelegt und unter Rühren und Kühlen 350ml konz.

Chlorwasserstoffsäure (ca. 37%ig) zugetropft. Das Reaktionsgemisch wird unter Rühren am Wasserabscheider erhitzt, bis die Innentemperatur ca. 110⁰C erreicht hat und ca. 220ml Wasser azeotrop abdestilliert. Nach Abkühlen auf 5O⁰C werden 3,2g Ammoniumchlorid zugegeben und in ca. 2 Stunden 344 ml Thionylchlorid bei 60-75⁰C

zugetropft. Dabei entweichen Schwefeldioxid- und Chlorwasserstoffgas. Es wird 3 Stunden bei 75⁰C nachgerührt,überschüssiges Thionylchlorid und Toluen werden im schwachen Wasserstrahlvakuum abdestilliert. Der Salzrückstand wird in400ml Wasser gelöst (Volumen ca. 740 ml = 4 Mol 2-Chlorethylamin-hydrochlorid).

667 ml ca. 66%ige wäßrige Ethylaminlösung (= 8 Mol Ethylamin) werden vorgelegt und 370 ml (= 2 Mol) der vorstehenderhaltenen 2-Chlorethylamin-hydrochloridlösung langsam unter Rühren in 3-4 Stunden zugetropft. Die Mischung wirdanschließend 3 Stunden auf ca. 80-35⁰C unter Rühren erhitzt. Danach wird das Wasser im Vakuum abdestilliert und zu dem

Destillationsrückstand insgesamt 395 ml konz. NaOH (50%ig) bei ca. 50-8O⁰C zugotropft. Das freigesetzte Ethylamin wird

abdestilliert (Badtemperatur max. 100°C), wobei die Vorlage mit einem Wassergefäß zur Absorption geringer Mengen gasförmigentweichenden Ethylamins verbunden wird. Nach dem Abkühlen wird die obere, gelbe Produktschicht von der geringenwäßrig-alkalischen Schicht, aus der dick das Natriumchlorid ausgefallen ist, dekantiert oder gefrittet.

Das Rohprodukt wird 2-3mal mit je 34 g Ätznatron verrührt, zuerst von der gebildeten wäßrigen Schicht abgetrennt und nach

erneuter Trocknung über eine Vigreux-Kolonne destilliert. Kp: 12O-13O°C, GC-Gehalt: 99%ig bezogen auf wasserfreies Produkt,

Wassergehalt: 2-5%. Ausbeute: 108-114g = 60-65% über beide Stufen ausgehend von Ethanolamin gerechnet. Beispiel 2

40I (667 Mol) Ethanolamin und 1301 Toluen werden in der Rührmaschine vorgelegt und unter Rühren und Kühlen 641 konz. Chlorwasserstoffsäure (ca. 35%ig) über ein Hängegefäß zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird unter Rühren durch azeotrope Destillation bis zu einer Innentemporatur von 112⁰C vom Wasser befreit. Es werden ca. 481 Wasser abgetrennt. Nach dem Abkühlen auf ca. 5O⁰C werden 350g Ammoniumchlorid (1 Mol-%) zugegeben und in 8-9 Stunden 59I Thionylchlorid über ein Hängegefäß bei 60-75⁰C zulaufen gelassen. Das dabei entweichende Schwefeldioxid- und Chlorwasserstoffgas wird in einem mit ca. 15%iger Natronlauge gefüllten Hängegefäß unter Kühlen absorbiert. Es wird 3 Stunden bei 70-80°C nachgerührt und das überschüssige Thionylchlorid zusammen mit dem Toluen unter langsamen Erwärmen erst bei Normaldruck und dann im Vakuum bei einer Innentemperatur von ca. 100⁰C abdestillierti Kurz vor Destillationsende muß der Rührer abgestellt werden. Der Salzrückstand wird nach Kühlen auf ca. 50-60⁰C durch Zugabe von 7Ol kaltem Wasser unter Rühren gelöst (Volumen ca. 1301 = ca. 667 Mol 2-Chlorethylamin-hydrochlorid).

1301 ca. 40%ige wäßrige Ethylaminlösung (= 1000 Mol) werden in der Rührmaschine vorgelegt und unter Rühren ca. 501 (ca. 250 Mol) der oben hergestellten wäßrigen 2-Chlorethylamin-hydrochloridlösung in 3 Stunden zugegeben. Die Rührmaschine wird verschlossen und langsam mit Warmwasser von 80⁰C unter Rühren 2-3 Stunden geheizt. Dabei wird eine Reaktionstemperatur von max. 90⁰C und ein Innendruck von 0,1-0,15MPa erreicht, der am Reaktionsende abfällt. Unter Rühren und Kühlen auf 40-50⁰C wird der Innendruck abgebaut, die Anlage belüftet und anschließend die überschüssige Ethylaminlösung (ca. 1201) abdestilliert. Auf den abgekühlten Rückstand werden 30-401 konz. Natronlauge bei max. 5O⁰C zugegeben und das freigesotzte Ethylamin durch Heizen mit max. 0,1 MPa Dampf ausgetrieben und in Wasser absorbiert. Die auf 3O⁰C gekühlte Suspension wird über ein Druckfilter vom auskristallisierten Natriumchlorid befreit. Nach der SchicMentrennung werden Vorlauf und Nachlauf der Destillation des letzten Ansatzes zur Aminschicht gegeben und nochmals mit 101 konz. Natronlauge gerührt.

Das abgetrennte Rohprodukt wird 2mal mit je 300g Ätznatron gerührt, jeweils von der wäßrigen Schicht bzw. restlichem Ätznatron abgetrennt und danach destilliert. Der Vorlaif und Nachlauf (im Vakuum) wird zum nächsten Ansatz gegeben. Es wird der Hauptlauf bei Kp 120-135⁰C, mit GC-Gehalt 96%, Wassergehalt ca. 6% abdestilliert. Ausbeute: 14,1kg = 64% bezogen auf eingesetztes Ethanolamin.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von N-Ethylethylendiamin aus Ethanolamin, Salzsäure und Thionylchlorid unter Verwendung eines Katalysators zum 2-Chlorethylamin-hydrochlorid und wäßriger Ethylaminlösung unter Freisetzung des N-Ethylethylendiamins durch Zusatz von Ätzalkalien bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator zur Herstellung von 2-Chlorethylamin-hydrochlorid Ammoniumchlorid eingesetzt und das rohe 2-Chlorethylaminhydrochlorid nach dem Abdestillieren des Toluens ohne Zwischenreinigung in Wasser gelöst und diese Lösung langsam vorzugsweise innerhalb von 3-4 Stunden direkt zur vorgelegten wäßrigen Ethylaminlösung gegeben wird, die nach der Reaktionszeit von 3-12 Stunden bei 80-100⁰C gegebenenfalls unter Vakuum eingeengt und das N-Ethylethylendiamin aus dem Destillationsrückstand durch Zugabe von konz. Alkalilauge bei Temperaturen von 20-100⁰C, vorzugsweise bei 50-80⁰C in Freiheit gesetzt, enthaltenes Ethylamin durch Erhitzen bis 100⁰C abdestilliert, das rohe N-Ethylethylendiamin vom Salzrückstand abgetrennt, über Ätzalkalien getrocknet und fraktioniert destilliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Trocknung verwendete Ätzalkali, das geringe Mengen N-Ethylethylendiamin enthält, nach Lösung in Wasser als konz. Alkalilauge wieder zur Freisetzung des N-Ethylethylendiamins eingesetzt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zurückgewonnene, nicht umgesetzte Ethylamin wieder in die Reaktion eingesetzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkalilauge bzw. Ätzalkali Natronlauge bzw. Ätznatron oder Kalilauge bzw. Ätzkali eingesetzt werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Reaktionslösung im geschlossenen Gefäß (Kessel) unter einem Druck von max. 0,2MPa erfolgt.