DE69200475T2

DE69200475T2 - Verfahren zur herstellung von dreifach-substituierten benzol-derivaten als zwischenprodukte.

Info

Publication number: DE69200475T2
Application number: DE69200475T
Authority: DE
Inventors: Peter Wehrenberg
Original assignee: Zeneca Ltd
Current assignee: Syngenta Ltd
Priority date: 1991-02-14
Filing date: 1992-01-23
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2012-01-24
Also published as: WO1992014701A1; HU9302152D0; ES2060472T3; ATE112262T1; US5144079A; EP0565654A1; HU212640B; ZA921041B; BR9205629A; DE69200475D1; HUT64946A; EP0565654B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 2- Nitro-4-(C&sub1;-C&sub4;-alkylsulfonyl)toluol oder 2-Nitro-4-(C&sub1;-C&sub4;- alkylsulfonyl)ethylbenzol durch Alkylsulfonierung von 2- Nitrotoluol oder 2-Nitroethylbenzol.

Hintergrund der Erfindung

Ein vorveröffentlichter Aufsatz mit dem Titel "The Friedel- Crafts Type Methanesulfonylation of Deactivated Benzenes" von Ono et al., Chemistry Letters Bd. 3, S. 395-398 (1988), lehrt, daß die Zugabe einer katalytischen Menge Trifluormethansulfonsäure in einem überschuß an Methansulfonsäureanhydrid zur Methansulfonierung von m-Dichlorbenzol wirksam ist. Das Verfahren ist auch für andere deaktivierte Benzole wie p-Nitrotoluol mit Ausbeuten von etwa 55 % verwendbar. Bei einem typischen Verfahren wird eine Lösung von Methansulfonsäure und Thionylchlorid unter Rückfluß eine Stunde erhitzt, um das Methansulfonsäureanhydrid zu erzeugen, dann wird das Reaktionsgemisch auf 25ºC gekühlt, und dann werden p-Nitrotoluol und Trifluormethansulfonsäure hinzugegeben. Das gesamte Gemisch wird 3 h bei 120ºC erhitzt und dann auf 50ºC gekühlt, um das sulfonierte Produkt mit herkömmlichen Verfahren zu gewinnen.
Bestimmte 2-(2',4'-Di-substituierte-benzoyl)-1,3-cyclohexandion-Herbicide sind US-Patent 4 780 127, das am 25. Oktober 1988 erteilt wurde, beschrieben.
Die oben beschriebenen herbiciden Verbindungen können die folgende Strukturformel haben:
in der R² für C&sub1;-C&sub4;-Alkyl steht und R&sup7; bis R¹² für Wasserstoff oder C&sub1;-C&sub4;-Alkyl stehen.
Diese Herbicide können hergestellt werden, indem ein Dion mit der folgenden Strukturformel
in der R&sup7; bis R¹² für das Definierte stehen, mit einem Gramm Molekulargewicht (Mol) disubstituiertem Benzoylchlorid mit der folgenden Strukturformel
in der R² wie oben definiert ist, urngesetzt wird. Die Säurechloride werden vom Fachmann ohne weiteres aus den entsprechenden Carbonsäuren hergestellt. Umgekehrt können die Carbonsäuren durch Oxidation des analogen Alkylbenzols gemäß der folgenden Gleichung hergestellt werden:
wobei R für Methyl oder Ethyl steht und R² für einen C&sub1;-C&sub4;- Alkyl-Rest steht. Beide Schritte werden in US-4 780 127 gelehrt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein sicheres, einfaches Einstufenverfahren mit hoher Ausbeute zur Herstellung von 2-Nitro-4-(C&sub1;-C&sub4;-alkylsulfonyl)toluol oder 2-Nitro-4- (C&sub1;-C&sub4;-alkylsulfonyl)ethylbenzol, das die folgende Strukturformel
hat, in der R für Methyl oder Ethyl, vorzugsweise Methyl, steht und R² für C&sub1;-C&sub4;-Alkyl, vorzugsweise Methyl, steht.
Das gewünschte Methyl-sulfonierte Produkt wird mit hohen Ausbeuten von über 95 % erhalten.
Bei dem Verfahren der Erfindung wird ein erstes Gemisch aus einem Mol entweder 2-Nitrotoluol oder 2-Nitroethylbenzol, 1,0 bis 20,0 Mol einer C&sub1;-C&sub4;-Alkylsulfonsäure und einer katalytischen Menge eines Katalysators, der für die Alkylsulfonierung eines Benzol-Rings verwendbar ist, hergestellt. Als nächstes werden 1,0 bis 4,0 Mol Thionylchlorid zu dem Gemisch gegeben, während das Gemisch auf eine Temperatur oberhalb 100ºC erhitzt wird.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Bei dem Verfahren der Erfindung wird ein Gemisch aus 1,0 Mol entweder 2-Nitrotoluol oder alternativ 2-Nitroethylbenzol, 1,0 bis 20,0 Mol, vorzugsweise 1,0 bis 10,0 Mol und noch bevorzugter 4,0 bis 10,0 Mol, einer C&sub1;-C&sub4;-Alkylsulfonsäure und einer katalytischen Menge eines Sulfonierungs-Katalysators hergestellt. Dann werden zu dem oben beschriebenen Gemisch vorzugsweise über einen Zeitraum von 1 - 4 Stunden 1,0 bis 4,0 Mol, vorzugsweise 2,0 bis 3,0 Mol Thionylchlorid gegeben, und zwar entweder langsam oder portionsweise. Vorzugsweise wird das erste Gemisch auf eine Temperatur oberhalb 50ºC, vorzugsweise oberhalb 120ºC, noch bevorzugter oberhalb 150ºC erhitzt, bevor das Thionylchlorid zugegeben wird. Das Vorerhitzen des Gemisches und die langsame Zugabe des Thionylchlorids erfolgt, um eine sichere Reaktion zu gewährleisten, ist chemisch aber nicht erforderlich.
Das erhaltene Gemisch wird auf eine Temperatur oberhalb 100ºC, vorzugsweise oberhalb 120ºC und vorzugsweise unterhalb einer maximalen Temperatur von 250ºC erhitzt. Die höheren Temperaturen können unter Verwendung einer Ausrüstung für unter Druck ablaufende Reaktionen verwendet werden.
Bei den in dieser Erfindung verwendbaren Alkylsulfonierungs-Katalysatoren handelt es sich um folgende: Borsäure; Borsäureanhydrid; Trifluormethansulfonsäure; Schwefelsäure auf Zirconiumoxid; Titantetrachlorid, Nafion (eine von duPont vertriebene polymere Form von Trifluormethansulfonsäure) und ein EPZG genannter Katalysator (von der Austin Chemical Company vertrieben). Bevorzugte Katalysatoren sind Borsäure und Borsäureanhydrid und Trifluormethansulfonsäure.
Bei Temperaturen oberhalb 100ºC reagieren 2 Mol C&sub1;-C&sub4;- Alkylsulfonsäure und 1 Mol Thionylchlorid unter Bildung eines Anhydrids mit der Formel (R²SO&sub2;)&sub2;O, in der R² für C&sub1;-C&sub4;-Alkyl, vorzugsweise Methyl steht. Diese Reaktion läuft folgendermaßen ab:
2R²SO&sub3;H + SOCl&sub2; --T (R²SO&sub2;)&sub2;O + SO&sub2; + 2HCl
Bei Temperaturen oberhalb etwa 120ºC alkylsulfoniert das Anhydrid den Benzol-Ring des 2-Nitrotoluols oder 2-Nitroethylbenzols gemäß dem folgenden Reaktionsschema:
wobei R für Methyl oder Ethyl steht und R² für C&sub1;-C&sub4;-Alkyl, vorzugsweise Methyl steht.
In der obigen Alkylsulfonierungs-Reaktion wird das 2-Nitro- 4-(C&sub1;-C&sub4;-alkylsulfonyl)toluol(-ethylbenzol)-Isomer im Vergleich zu den 5- und 6-alkylsulfonierten Isomeren in einem großen Anteil gebildet. Das 4-substituierte Isomer wird in einer Menge von 85 - 95 % bezogen auf das Gesamtgewicht aller drei Isomeren erhalten.
Das 4-substituierte Isomer kann mit herkömmlichen Techniken leicht von den 5- und 6-substituierten Isomeren abgetrennt werden. Beispielsweise kann das gewünschte 4-(C&sub1;-C&sub4;-Alkylsulfonyl)-Isomer mit hohen Ausbeuten durch Kristallisation aus einem Lösungsmittel wie Methylenchlorid von den 5- und 6-substituierten Isomeren abgetrennt werden. Die 5- und 6- (C&sub1;-C&sub4;-Alkylsulfonyl)-Isomeren verbleiben in Lösung.
Aus dem obigen Reaktionsschema ist auch erkennbar, daß ein Mol Thionylchlorid erforderlich ist, um ein Mol Alkylsulfonsäureanhydrid zu erzeugen, das wiederum 1 Mol 2- Nitrotoluol oder 2-Nitroethylbenzol alkylsulfonieren kann, und daß ein Mol Alkylsulfonsäure bei der Reaktion gebildet wird. Wie sich jedoch aus den Beispielen I, II, III und V ergibt, wird das 2-Nitrotoluol oder 2-Nitroethylbenzol selbst dann nicht vollständig verbraucht, wenn 2 Mol Thionylchlorid verwendet werden (wie im Stand der Technik). Vorzugsweise werden 0,5 bis 2,0 Mol zusatzliches Thionylchlorid im Verfahren der Erfindung verwendet, um zusätzliches Alkylsulfonsäureanhydrid zu bilden. Aus Beispiel V ergibt sich deutlich, daß dieses zusätzliche Thionylchlorid zu einer etwa im wesentlichen vollständigen Umwandlung des 2-Nitrotoluols oder 2-Nitroethylbenzols führt. Da das (C&sub1;-C&sub4;-Alkyl)sulfonsäureanhydrid in diesem Verfahren in situ erzeugt und verwendet wird, ist es außerdem nicht erforderlich, das Reaktionsgemisch auf 20ºC zu kühlen- das Thionylchlorid zuzugeben, 1 Stunde bei 120ºC zu erhitzen, um das Alkylsulfonsäureanhydrid zu erzeugen, und schließlich die Reaktion zur Durchführung der Alkylsulfonierung zu erhitzen, wie im Stand der Technik.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Vorteile und die überlegenen Ausbeuten an den gewünschten Produkten nach dem Verfahren der Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik.

BEISPIEL I

Herstellung von 4-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol Nach dem Literatur-Verfahrena

Ein Gemisch aus 32,5 Millilitern (ml) (0,5 Mol) CH&sub3;SO&sub3;H und 14,5 ml (0,2 Mol) SOCl&sub2; wird unter Rückfluß erhitzt, während die Gefäßtemperatur auf 120ºC stieg. Es wurde Abgasen beobachtet. Die Reaktion wurde auf 20ºC gekühlt und dann wurden 11,8 ml (0,1 Mol) 2-Nitrotoluol und 0,9 ml (0,01 Mol) CF&sub3;SO&sub3;H zugegeben. Das Gemisch wurde auf 120ºC erhitzt. Die Reaktion wurde periodisch mit einem Hewlett-Packard Gas-Chromatographen (GC) Modell 5890 überwacht. Nach 6 h zeigte die Reaktion bei der GC eine 35%ige Umwandlung. Die GC-Analyse zeigte, daß nach 12 h die Reaktion mit einer 79%igen Umwandlung zu einem Gemisch aus 8 % 6-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol und 69 % 4-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol zusammen mit 21 % unreagiertem 2- Nitrotoluol zu Ende war. Das Reaktionsgemisch wurde dann zwischen Eiswasser und Methylenchlorid ausgeschüttelt. Die organischen Phasen wurden über MgSO&sub4; getrocknet, filtriert und unter Erhalt von 22,6 Gramm (g) eines braunen Öls gestrippt, das kristallisierte. Die infrarot-, massen- und kernmagnetische spektroskopische Analyse zeigte, daß ein Gemisch aus 2-Nitrotoluol, 6-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol und 4-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol mit dem kristallisierten Reaktionsprodukt erhalten wurde. a) "The Friedel-Crafts Type Methansulfonylation of Deactivation Benzenes" von Ono et al., Chemistry Letters, Bd. 3, S. 395 - 398 (1988).

BEISPIEL II

Herstellung von 4-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol bei einer höheren Temperatur

Das Reaktionsverfahren von Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß nach der Zugabe von 2-Nitrotoluol und CF&sub3;SO&sub3;H die Reaktion auf 160ºC erhitzt wurde. Nach 15 min zeigte die GC-Analyse in dem Reaktionsgemisch die Anwesenheit von 68 % 2-Nitrotoluol, 3 % 6-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol und 28 % 4-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol. Die GC-Analyse zeigte, daß nach 6 h die Reaktion mit einer 92%igen Umwandlung zu einem Gemisch aus 8 % 2-Nitrotoluol, 9 % 6-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol und 81 % Methylsulfonyl-2- nitrotoluol in dem Reaktionsgemisch zu Ende war.

BEISPIEL III

Herstellung von 4-Methylsulfonvl-2-nitrotoluol mit B&sub2;O&sub3; Katalysator

Eine Lösung von 65 ml (1,0 Mol) CH&sub3;SO&sub3;H und 29 ml (0,4 Mol) SOCl&sub2; wurde unter Rückfluß erhitzt, bis die Gefäßtemperatur auf 120ºC stieg (Abgasen), dann wurde gekühlt und 23,6 ml (0,2 Mol) 2-Nitrotoluol zugegeben. Zu einem 5,0 ml Teil davon wurden 0,07 g (0,001 Mol) Borsäure (B&sub2;O&sub3;) gegeben. Das Reaktionsgemisch wurde in einem Ölbad 15 min bei 170ºC erhitzt. Die GC-Analyse zeigte die Gegenwart von 42 % 1- Nitrotoluol, 6 % 6-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol und 48 % 4- Methylsulfonyl-2-nitrotoluol.
Das Reaktionsverfahren von Beispiel III wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß für B&sub2;O&sub3; die folgenden Katalysatoren verwendet wurden: Nafion H+ (duPont), H&sub2;SO&sub4;auf ZrO und EPZG (Austin Chemical Co.). Es wurden Umwandlungen von 2 bis 10 % mit ähnlichen Produktverteilungen erhalten.
Das Reaktions-Verfahren von Beispiel III wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß das Reaktionsgemisch auf 120ºC erhitzt und Titantetrachlorid als Katalysator verwendet wurde. Es wurde eine 6%ige Umwandlung erhalten.

BEISPIEL IV

Herstellung von 4-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol ohne Katalysator

Das Reaktions-Verfahren von Beispiel III wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß kein Katalysator verwendet wurde. Nach 2 h bei 160ºC wurde mit GC keine Umsetzung beobachtet. Nach weiteren 15 min erhitzen auf 205ºC wurde mit GC keine Umsetzung beobachtet.

BEISPIEL V

Herstellung von 4-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol nach dem erfindungsgemäßen Verfahren: (CH&sub3;SO&sub2;)&sub2;O wird in situ erzeugt und zusätzliches SOCl&sub2; wird verwendet, um die Reaktion vollständig ablaufen zu lassen

Ein Lösung aus 34,5 ml (0,3 Mol) 2-Nitrotoluol, 97,5 ml (1,5 Mol) CH&sub3;SO&sub3;H und 2,01 g (0,029 Mol) B&sub2;O&sub3; wurde auf 155ºC erhitzt und dann wurden ohne Erniedrigung der Temperatur während 4 h 43,5 ml (0,6 Mol) SOCl&sub2; zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde weitere 3 h bei einer Temperatur von 155ºC erhitzt und dann zeigte die GC-Analyse 10 % 6-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol und 78 % 4-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol mit 7 % unreagiertem 2-Nitrotoluol. Während 1,5 h erfolgte eine weitere Zugabe von 14,5 ml (0,6 Mol) SOCl&sub2;, gefolgt von 1,5 h erhitzen auf 155ºC. Die GC-Analyse zeigte dann 11 % 6-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol und 86 % 4-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol mit lediglich 1 % 2-Nitrotoluol. Das Reaktionsprodukt wurde wie in Beispiel I aufgearbeitet und ergab 53,8 g eines braunen kristallinen Feststoffs, der 10 % 6-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol und 78 % 4-Methylsulfonyl-2-nitrotoluol enthielt, nämlich wie mit der GC- Analyse bestimmt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung mit der folgenden Strukturformel

in der R für Methyl oder Ethyl steht und R² für C&sub1;-C&sub4;- Alkyl steht, bei dem

(a) ein erstes Gemisch aus 1,0 Mol 2-Nitrotoluol oder 2-Nitroethylbenzol, 1,0 bis 20,0 Mol C&sub1;-C&sub4;-Alkylsulfonsäure und einem Sulfonierungs-Katalysator hergestellt wird und

(b) zu dem ersten Gemisch bei einer Temperatur oberhalb 50ºC 1,0 bis 3,0 Mol Thionylchlorid gegeben werden, während

(c) das erhaltene Gemisch zur Bildung des gewünschten Produkts bei einer Temperatur oberhalb 120ºC erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei R für Methyl steht und R² für Methyl steht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei R für Methyl steht, R² für Methyl steht, und es sich bei dem Sulfonierungs-Katalysator um Borsäure, Borsäureanhydrid oder Trifluormethansulfonsäure handelt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei R für Methyl steht, R² für Methyl steht, es sich bei dem Katalysator um Borsäure handelt, und das Thionylchlorid bei einer Temperatur oberhalb 120ºC zu dem ersten Gemisch gegeben wird und das erhaltene Gemisch auf 150ºC erhitzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei 1,0 bis 10 Mol Methansulfonsäure verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei 1,0 bis 3,0 Mol Thionylchlorid zu dem ersten Gemisch gegeben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 3, wobei es sich bei dem Katalysator um Borsäure oder Borsäureanhydrid handelt.