ITMI20000548A1 - Procedimento per la preparazione di carbammati aromatici da composti nitroarometici - Google Patents
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Classifications
-
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Description
"Procedimento per la preparazione di carbammati aromatici da composti nitroaromatici ".
Descrizione
La presente invenzione riguarda un procedimento per la preparazione di uretani aromatici mediante carbonilazione riduttiva di composti nitroaromatici con ossido di carbonio ed un composto contenente almeno un gruppo ossidrilico che utilizza un cocatalizzatore acido contenente fosforo.
Gli uretani aromatici (o carbammati) sono pregiati intermedi utili per la sintesi di fitofarmaci, coloranti, composti farmaceutici ed isocianati aromatici impiegati nella preparazione di poliuretani. Tra i carbammati quelli di maggior interesse industriale sono il feniluretano di metile, il 2,4- ed il 2,6-toluendiuretano di metile, utilizzati nella preparazione di metilendifenil diisocianato (MDI) e toluen diisocianato (TDI) che, attualmente, vengono prodotti mediante fosgenazione delle corrispondenti diaramine.
E' noto nella tecnica preparare uretani mediante carbonilazione riduttiva di composti nitroaromatici con ossido di carbonio in presenza di un alcol e di opportuni sistemi catalitici.
Così ad esempio il brevetto US-4.186.269 descrive un processo per la preparazione di uretani aromatici che impiega un sistema catalitico costituito da un metallo nobile quale Pd, Ru o Rh, un acido di Lewis (generalmente FeCl3 o SnCl4) ed una ammina terziaria come ad esempio trietilammina o piridina.
Nei brevetti brevetti EP-86.281, EP-231.045, EP-296.686, EP-100.109 e US 5.177.036 viene impiegato un sistema catalitico costituito da:
1) un sale di metallo appartenente all'ottavo gruppo della tavola periodica, preferibilmente palladio;
2) una base mono o bidentata, generalmente costituita da un idrocarburo alchilico o cicloalchilico simmetricamente sostituito da due gruppi dialchilfosfinici o difenilfosf inici o da due gruppi contenenti almeno un atomo di azoto; ed
3) un acido la cui base coniugata non sia un legante del palladio .
Questi procedimenti della tecnica nota presentano, tuttavia, gli inconvenienti derivanti dal fatto che i sistemi catalitici richiedono la presenza di acidi forti come cocatalizzatori (ad esempio CF3COOH, acido p-toluen solfonico) o acidi di Lewis che creano problemi di natura tecnologica, ad esempio corrosione delle autoclavi. Inoltre, operando secondo questi procedimenti noti, sono richiesti alti rapporti molari di palladio rispetto al composto nitroaromatico di partenza (EP-86.81, EP-231.045, EP-296.686) o di legante azotato e/o cocatalizzatore acido (US 5.177.036), per ottenere buone rese e selettività nel prodotto utile. Ciò presenta svantaggi tecnici ed economici relativi al recupero dei prodotti ed al riciclo del sistema catalitico, soprattutto quando si opera su scala industriale.
Sono stati recentemente proposti nella tecnica procedimenti alternativi per la preparazione di carbammati aromatici che si basano sostanzialmente sull'impiego di complessi preformati del palladio che contengono due chelanti bidentati azotati per atomo di palladio e due anioni non esterificabili o difficilmente esterificabili, non coordinanti, non labili, aventi la formula [Pd(chel)2] [A]2, dove chel è un legante azotato, generalmente fenantrolina o suoi derivati, ed A è l'anione di un acido scelto tra PF6-, BF4-, OTf<- >(Alessio et al. J. of Molecular Catalysis, 42, 67-80 (1987); P. Wehman et al., J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1996, pag 217-218) . Anche questi procedimenti non sono esenti da problemi, in quanto richiedono alti rapporti molari di palladio rispetto al composto nitroaromatico con una attività del catalizzatore insufficiente.
E' stato ora trovato che è possibile superare gli inconvenienti della tecnica nota sopra riportati mediante il procedimento della presente invenzione che si basa sull’impiego dì un cocatalizzatore acido contenente fosforo.
Questo cocatalizzatore migliora l'attività e stabilità del catalizzatore, consentendo una migliore riproducibilità della reazione ed una riduzione dei rapporti molari tra complesso di palladio, legante e composto nitroaromatico.
Operando secondo il procedimento della presente invenzione è possibile la preparazione di mono e dicarbammati aromatici con rese e selettività elevate, utilizzando quantità ridotte del sistema catalitico.
In accordo con ciò, costituisce uno scopo della presente invenzione un processo per la preparazione di uretani aromatici mediante carbonilazione riduttiva di composti nitroaromatici con ossido di carbonio ed un composto contenente almeno un gruppo ossidrilico in presenza di:
(a) un catalizzatore di formula generale (I)
[Pd(chel)(chel')]<++ >[A-]2 (I)
dove: chel rappresenta un chelante bidentato azotato o fosforato, chel’ un chelante bidentato azotato uguale o diverso da chel ed A<- >un anione non coordinante;
b) un chelante azotato o fosforato libero ed
c) un cocatalizzatore;
caratterizzato dal fatto che detto cocatalizzatore è un acido o una miscela di acidi di formula generale (II)
dove R5 ed R6, uguali o diversi tra loro, possono essere XH, un alchile o un arile ed X può essere zolfo od ossigeno .
Esempi di chelanti bidentati azotati possono essere scelti tra quelli di formula generale (III)
dove: X e Y, uguali o diversi tra loro, rappresentano un gruppo organico a ponte avente almeno tre atomi nel ponte dei quali almeno due sono atomi di carbonio. Quando, oltre agli atomi di carbonio, i gruppi X e Y contengono altri atomi questi sono preferibilmente atomi di azoto o di ossigeno.
Chelanti bidentati azotati preferiti secondo la presente invenzione sono quelli in cui i gruppi pontati X e Y sono uguali e contengono da 3 a 10 atomi almeno due dei quali sono atomi di carbonio.
Esempi di chelanti azotati sono: 1,10-fenantrolina (phen); 4-metil-l,10-fenantrolina; 5-metil1,10-fenantrolina; 4,7-dimetil-l,10-fenantrolina; 3,8-dimetil-1,10-fenantrolina; 4,7-difenil-l,10-fenantrolina; 4,7-dicloro-l,10-fenantrolina; 3,4,7,8 tetrameti1 1,10 fenantrolina (TM-phen); 2,2'-bipiridile (bipy).
Chelanti bidentati fosforati sono scelti tra quelli di formula generale (IV):
dove: R rappresenta un radicale alchilico con un numero di atomi di carbonio da 2 a 4, un radicale cicloalchilidenico con un numero di atomi di carbonio .da 2 a 10 oppure un radicale ortofenilenico; R1-R4 uguali o diversi tra loro, rappresentano ciascuno un radicale alchilico C1-C10, cicloalchilico C3-C10 o un radicale aromatico C6-C12 eventualmente sostituito con un radicale alchilico od alcossilico C1-C4.
Esempi non limitativi di chelanti bidentati fosforati adatti agli scopi della presente invenzione sono: 1,3-bis- (difenilfosfino)propano (DPPP), 1,3-bis(di-4-metossifenilfosfino)propano, 1,4-bis(dicicloesilfosfino)butano e 1,2-bis (difenilfosfino) cicloesano.
Nei catalizzatori di formula generale (I), A<- >è un anione non coordinante scelto tra PF6-, tetrafluoroborato (BF4) , esafluoroantimoniato (SbF6-), CF3SO3-, tetrakis (pentaf luoro ferii 1) borato, tetrakis [3, 5-bis (trifluorometil)fenil]borato (BAF). Preferito è tetrafluoroborato (BFr )·
I catalizzatori di formula generale (I) possono essere preparati utilizzando il procedimento descritto da Milani, B. et al. (Organometallics, 16:5064, 1997).
II cocatalizzatore (II) può essere usato tal quale oppure in soluzione acquosa. Cocatalizzatore preferito è l'acido fosforico.
La quantità di catalizzatore (I) utilizzata nel procedimento della presente invenzione può variare entro ampi limiti. Convenientemente il catalizzatore viene impiegato in quantità comprese tra 10<-1 >e 10<-6 >moli di palladio per mole dì composto nitroaromatico. Risultati vantaggiosi si ottengono impiegando quantità di catalizzatore comprese tra 10<-3 >e 10<-5 >moli di palladio per mole di composto nitroaromatico.
Il chelante bidentato libero (chel) viene impiegato in quantità che possono variare entro ampi limiti non dipendenti dal rapporto tra metallo e composto nitroaromatico. Convenientemente si impiega una quantità di chelante tale da dare un rapporto molare chel/palladio compresa tra 10 e 250. Il cocatalizzatore è utilizzato in quantità tale da dare un rapporto molare cocatalizzatore/palladio compreso tra 10 e 2000, preferibilmente tra 100 e 1000.
Composti nitroaromatici utilizzabili nel procedimento della presente invenzione possono essere scelti tra i composti contenenti almeno un gruppo aromatico in cui il gruppo N02 è legato direttamente ad un atomo di carbonio dell'anello aromatico.
Esempi di detti composti sono: nitrobenzene, alchil o alcossi nitrobenzene, eventualmente sostituiti, dinitrobenzeni e polinitrobenzeni.
Composti nitroaromatici particolarmente utili nel procedimento della presente invenzione sono, nitrobenzene, m-dinitrobenzene, 2,4-dinitrotoluene, 2,6-dinitrotoluene e 4,4'-dinitrodifenilmetano.
Composti contenenti almeno un gruppo ossidrilico possono essere rappresentati dalla formula generale R (OH)m dove m è un intero compreso tra 1 e 4 ed R rappresenta un gruppo achilleo, arilico, alchilarilico, arilachilico, cicloalifatico con un numero di atomi di carbonio sino a 20, preferibilmente sino a 6, eventualmente sostituito.
Esempi di composti in accordo alla formula generale R(OH)m sono gli alcoli mono o poliidrossilati primari, secondari o terziari, o miscele di questi, eventualmente sostituiti con ossigeno od uno o più atomi di alogeno. Esempi di alcoli monoidrossilati sono, ad esempio, etanolo, metanolo, cicloesanoìo, CF3-CH2-OH, 2,6-dimetil-4-eptanolo, alcol ter-amilico, ter-butilico, n-amilico, n-butanolo, iso-butanolo, n-propanolo, iso-propanolo, alcol benzilico, clorobenzilico, metossibenzilico, metossietanolo, butossietanolo, fenolo e cresoli.
Esempi di alcoli polìidrossilati sono scelti tra etilen glicol, dietilen glicol, propilen glicol, dipropilen glicol, glicerolo e trimetilolpropano.
Preferiti per gli scopi della presente invenzione sono metanolo ed etanolo in quanto gli uretani ottenuti utilizzando questi alcoli possono essere facilmente decomposti per via termica ad isocianati.
L'alcol può essere impiegato in quantità stechiometrica rispetto ai nitrogruppi presenti nel composto nitroaromatico, ma è preferibile impiegare l'alcol in eccesso in quanto agisce anche come solvente. Un solvente organico inerte può essere impiegato in combinazione con l'alcol.
Secondo una forma di attuazione del procedimento della presente invenzione la reazione può essere condotta in presenza di un agente anidrificante. Esempi di tali agenti vengono scelti tra 2,2'-dimetossi propano, trialchil-ortoformiati, zeoliti. In questo caso gli agenti anidrificanti vengono impiegati in quantità comprese tra 1 e 10% in peso rispetto all'alcol.
Esempi non limitativi di uretani che possono essere preparati con il procedimento della presente invenzione sono: metil-N-feniluretano, butil-N-feniluretano, pentil-N-feniluretano, esil-N-feniluretano, 4,4'-metilendimetildifeniluretano, 2,4-toluendiuretano di metile, 2,6-toluendiuretano di metile.
Il procedimento della presente invenzione può essere condotto a temperature comprese tra 25 e 200°C e ad una pressione compresa tra 1 e 200 bar. Convenientemente si opera ad una temperatura compresa tra 100°e 180°C e ad una pressione compresa tra 10 e 150 bar. Il tempo di reazione è in funzione della temperatura e pressione. Comunque tempi di reazione compresi tra 1 e 24 ore sono adeguati .
I tempi di reazione possono essere ridotti aggiungendo nel sistema un'ammina aromatica, preferibilmente l'ammina corrispondente al substrato nitroaromatico utilizzato. In tal caso l'ammina è impiegata in quantità tale da dare un rapporto molare ammina/metallo compresa tra 10 e 500, preferibilmente tra 100 e 250.
II procedimento secondo la presente invenzione può essere condotto in discontinuo, in continuo o semicontinuo. Al termine della reazione, il prodotto viene recuperato mediante usuali tecniche di separazione.
Ad esempio, il carbammato può essere isolato per cristallizzazione dopo rimozione del catalizzatore e dell'alcol in eccesso dalla miscela di reazione. Il catalizzatore presente in soluzione, dopo separazione del carbammato, può essere rimosso dal mezzo di reazione mediante assorbimento utilizzando silice o allumina o carcoal .
Il procedimento secondo la presente invenzione consente l'ottenimento di uretani con buone rese e selettività .
Il termine "turnover orario del palladio", come utilizzato nella presente descrizione, si riferisce all'efficienza del catalizzatore e viene calcolato come rapporto molare tra l'uretano prodotto in un 1 ora ed il palladio caricato.
Allo scopo di comprendere meglio la presente invenzione vengono riportati alcuni esempi illustrativi ma non limitativi .
Esempio 1
In un contenitore di vetro vengono caricati:
- 1,4 mg di [Pd(phen)2] (BF4) 2
- 173 mg di H3P04 all’85% (rapporto molare H3P04/Pd = 682) -39,6 mg di 1,10-fenantrolina (rapporto molare fenantrolina/Pd = 100)
2031 mg di nitrobenzene (rapporto molare nitróbenzene/Pd = 7500)
- 41 mg di anilina (rapporto molare anilina /Pd = 200) - 15 mi di metanolo e
- 0,5 mi di 2,2-dimetossipropano (DMP).
Il contenitore viene quindi introdotto in una autoclave da 200 mi in Hastelloy<R>C dotata di agitatore magnetico. Dopo aver eliminato l'aria presente nell'autoclave con due lavaggi di CO, si caricano 60 bar di CO e si porta a 170°C, mediante un bagno d'olio preriscaldato alla temperatura desiderata, mantenendo sotto agitazione per 1 ora. Al termine di detto periodo, si raffredda l'autoclave a temperatura ambiente e si sfiata il gas non reagito .
La miscela di reazione viene analizzata mediante gascromatograf ia.
Si ottengono i seguenti risultati:
- conversione nitrobenzene 55,1%
selettività del metil fenil uretano rispetto al nitrobenzene reagito 87,1% ed
- un turnover orario del palladio di 3600.
Esempi 2-7
La reazione viene condotta nelle stesse condizioni operative riportate nell'esempio 1, ma utilizzando differenti cocatalizzatori .
I risultati sono riportati in tabella 1.
Esempio 8 (confronto)
La reazione viene condotta operando come riportato nell'esempio 1, ma utilizzando come cocatalizzatore acido benzoico (PhCOOH) . Si ottengono i seguenti risultati: - conversione nitrobenzene 17,1%
selettività del metil fenil uretano rispetto al nitrobenzene reagito 83,6%. Il turnover del catalizzatore è 1080.
Esempio 9 (confronto)
La reazione viene condotta operando come riportato nell'esempio 1, ma utilizzando come co-catalizzatore [PhenH] [PF6] con un rapporto molare tra il cocatalizzatore e Pd pari a 227.
Si ottengono i seguenti risultati:
- conversione nitrobenzene 11.0%
selettività del metil fenil uretano rispetto al nitrobenzene reagito è 85%.
Il turnover del catalizzatore è 700.
Esempio 10
La reazione viene condotta come nell'esempio 1, ma utilizzando una pressione di 100 bar di CO. Si ottengono i seguenti risultati:
- conversione nitrobenzene 81,2%
selettività del metil fenil uretano rispetto al nitrobenzene reagito 87,5%. Il turnover del catalizzatore è pari a 5400. L'aumento della pressione ha un effetto positivo sulla velocità di reazione.
Esempio 12
La reazione viene condotta come nell'esempio 1, ma utilizzando 3,4,7,8-tetrametil-l, 10-fenantrolina al posto della fenantrolina non sostituita.
Si ottengono i seguenti risultati:
- conversione nitrobenzene 64%
selettività del metil fenil uretano rispetto al nitrobenzene reagito 84,4%.
Il turnover del catalizzatore è 4050.
Claims (24)
- Rivendicazioni 1. Procedimento per la produzione di carbammati aromatici mediante carbonilazione riduttiva di composti nitroaromatici con ossido di carbonio ed un composto contenente almeno un gruppo ossidrilico che comprende il condurre la reazione di carbonilazione in presenza di: (a) un catalizzatore di formula generale (I)dove: chel rappresenta un chelante bidentato azotato o fosforato, chel' un chelante bidentato azotato uguale o diverso da chel ed A<- >un anione non coordinante di un acido; (b) un chelante libero ed (c) un cocatalizzatore,· il procedimento essendo caratterizzato dal fatto che detto cocatalizzatore è un acido od una miscela di acidi di formula generale (II)dove Rs ed Re, uguali o diversi tra loro, possono essere XH, un alchile od un arile ed X può essere zolfo od ossigeno.
- 2. Il procedimento secondo la rivendicazione 1, dove i chelanti bidentati azotati sono scelti tra quelli di formula generale (III)dove X e Y, uguali o diversi tra loro, rappresentano gruppi organici a ponte aventi ciascuno almeno tre atomi nel ponte, dei quali almeno due sono atomi di carbonio .
- 3. Il procedimento secondo la rivendicazione 2, dove quando, in aggiunta agli atomi di carbonio, i gruppi X e Y contengono altri atomi questi sono scelti tra ossigeno o azoto.
- 4. Il procedimento secondo la rivendicazione 3, dove i chelanti bidentati azotati hanno i gruppi pontanti X e Y uguali e contengono da 3 a 10 atomi almeno due dei quali sono atomi di carbonio.
- 5. Il procedimento secondo la rivendicazione 2, dove i chelanti bidentati azotati sono scelti tra 1,10-fenantrolina, 4-metil-l,10-fenantrolina, 5-metil-1,10-fenantrolìna, 4,7-dimetil-l,10-fenantrolina, 3,8-dimetil-l,10-fenantrolina, 4,7-difenil-l,10-fenantrolina, 4,7-dicloro-l,10-fenantrolina, 3,4,7,8-tetrametil-1,10-fenantrolina, e 2,2'-bipiridile.
- 6. Il procedimento secondo la rivendicazione 1, dove i chelanti bidentati fosforati sono scelti tra quelli di formula generale (IV):dove: R rappresenta un radicale alchilico con un numero di atomi di carbonio da 2 a 4 un radicale cicloalchilidenico con un numero di atomi di carbonio da 2 a 10 o un radicale ortofenilenico; Ri-R,, uguali o diversi tra loro, rappresentano ciascuno un radicale alchilico Ci-Cio, cicloalchilico C3-Cio od un radicale aromatico C6-Ci2 eventualmente sostituito con un radicale alchilico o alcossilico Ci-C4.
- 7. Il procedimento secondo la rivendicazione 6, dove i chelanti bidentati fosforati sono scelti tra 1,3-bis (difenilfosfino)propano; 1,3-bis (di-4-metossifenilfosfino) propano; 1,4-bis (dicicloesilfosfino) butano e 1,2-bis (difenilfosfino) cicloesano .
- 8. Il procedimento secondo la rivendicazione 1, dove A-è scelto tra tetrafluoroborato, esafluoroantimoniato, PF6-, CF3SO3-, tetrakis (pentafluorofenil)borato, tetrakis [3,5-bis (trifluorometil) fenil]borato .
- 9. Il procedimento secondo la rivendicazione 8, dove A-è tetrafluoroborato .
- 10. Il procedimento secondo la rivendicazione 1, dove il cocatalizzatore di formula generale (II) è l’acido fosforico.
- 11. Il procedimento secondo la rivendicazione 1, dove il composto nitroaromatico è scelto tra i composti contenenti almeno un gruppo aromatico in cui il gruppo N02 è legato direttamente ad un atomo di carbonio dell'anello aromatico.
- 12. Il procedimento secondo la rivendicazione 11, dove il composto nitroaromatico è scelto tra nitrobenzene, alchil o alcossi nitrobenzene, eventualmente sostituiti, dinitrobenzeni, come 2,4-dinitrotoluene e 2,6-dinitrotoluene, 4,4 ’-dinitrodifenilmetano e polinitrobenzeni .
- 13. Il procedimento secondo la rivendicazione 12, dove il composto nitroaromatico è scelto tra nitrobenzene, mdinitrobenzene, 2,4-dinitrotoluene, 2,6-dinitrotoluene e 4,4'-dinitrodifenilmetano.
- 14. Il procedimento secondo la rivendicazione 1, dove i composti contenenti almeno un gruppo ossidrilico sono scelti tra quelli rappresentati dalla formula generale R(OH)m dove m è un intero compreso tra 1 e 4 ed R rappresenta un gruppo achilleo, arilico, alchilarilico, arilachilico, cicloalifatico con un numero di atomi di carbonio sino a 20 eventualmente sostituiti .
- 15. Il procedimento secondo la rivendicazione 14, dove i composti di formula generale R(0H)m sono gli alcoli mono o poliidrossilati primari, secondari o terziari, o miscele di questi, eventualmente sostituenti con ossigeno od uno o più atomi di alogeno.
- 16. Il procedimento secondo la rivendicazione 15, dove gli alcoli monoidrossilati sono scelti tra etanolo, metanolo, cicloesanolo, CF3-CH2-OH, 2,6-dimetil-4-eptanolo, alcol ter-amilico, ter-butilico, n-amilico, n-butanolo, iso-butanolo, n-propanolo, iso-propanolo, alcol benzilico, clorobenzilico, metossibenzilico, metossi etanolo, butossi etanolo, fenolo e cresoli.
- 17. Il procedimento secondo la rivendicazione 14, dove gli alcoli poliidrossilati sono scelti tra etilenglicol, dietilenglicol, propilenglicol, dipropilenglicol, glicerolo e trimetilolpropano.
- 18. Il procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la quantità del catalizzatore (I) è compresa tra 10<-1 >e 10<-6 >moli di palladio per mole di composto nitroaromatico.
- 19. Il procedimento secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che la quantità del catalizzatore (I) è compresa tra 10<-3 >e 10<-5 >moli di palladio per mole di composto nitroaromatico.
- 20. Il procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la quantità di cocatalizzatore (II) è tale da dare un rapporto molare cocatalizzatore/palladio compresa tra 10 e 2000.
- 21. Il procedimento secondo la rivendicazione 20, dove il rapporto molare cocatalizzatore/palladio è compreso tra 100 e 1000.
- 22. Il procedimento secondo la rivendicazione 1, dove il rapporto molare chel/palladio è compreso tra 100 e 1000.
- 23. Il procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la reazione di carbonilazione riduttiva è condotta ad una temperatura compresa tra 25° e 200°C e ad una pressione compresa tra 1 e 200 bar.
- 24. Il procedimento secondo la rivendicazione 26, caratterizzato dal fatto che la temperatura è compresa tra 100 e 180°C e la pressione è compresa tra 10 e 150 bar.
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