Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 5-Halo-2,4,6- Trifluorisophthalsäure der Formel I ₁

wobei X für F ₁ Cl, Br, oder I steht,

durch Hydrolyse von 5-Halo-2,4,6-Trifluorisophthalodinitril der Formel

5-Halo-2,4,6-Trifluorisophthalsäure (I) ist ein Zwischenprodukt bei der Synthese von Trifluorbenzol, einem wichtigen Baustein zur Herstellung von Wirkstoffen im Arzneimittel- und Pflanzenschutzbereich.

Aus der Literatur war bekannt (JP 62, 111 ,942), dass sich tetrafluorierte ortho-

Dicyanobenzole durch Reaktion in konzentrierter Schwefelsäure und anschließender Hydrolyse des entstandenen Zwischenproduktes in verdünnter Schwefelsäure mit hoher Ausbeute zur korrespondierenden Phthalsäure umsetzen lassen.

Weiterhin war aus der Literatur bekannt, dass sich halogenierte meta-Dicyanobenzole sowohl in alkalischem Medium als auch mit starken Mineralsäuren zu den entsprechenden Isophthalsäuren hydrolysieren lassen. Bei alkalischen pH-Werten werden Austauschreaktionen von Halogen- mit Hydroxyionen beobachtet. Die Hydrolyse im sauren Reaktionsmedium erfordert aufgrund der besonderen Substitution am Phenylring drastische Bedingungen.

So offenbart US 4,647,411 ein Verfahren, in dem Tetrafluorisophthalodinitril in 70 gew.- %iger Schwefelsäure bei 157 bis 162°C in 15 h mit einer Ausbeute von 95 % zu

Tetrafluorisophthalsäure hydrolysiert wird. 5-Chlor-2,4,6-Trifluorisophthalodinitril wird laut Kogyo Kagaku Zasshi (1979), 73(2), 447-8 bei Reaktion mit 60 %iger Schwefelsäure unter Rückfluss innerhalb von fünf Stunden zu 78 % in 5-Chlor-2,4,6-Trifluor- isophthalsäure überführt. EP-A 1 256 564 lehrt, dass 5-Chlor-2,4,6-Trifluorisophthal- säure innerhalb von 3 h durch Hydrolyse in der 10-fachen Menge, zum Rückfluss erhitzter, 62 %iger Schwefelsäure aus 5-Chlor-2,4,6-Trifluorisophthalodinitril mit 95,4 %iger Ausbeute erhalten wird. Die harschen Reaktionsbedingungen der Offenbarungen US 4,647,411, Kogyo Kagaku Zasshi (1979), 73(2), 447-8 und EP 1 256 564 sind für großtechnische Anwendungen nachteilig. Bei Reaktionstemperaturen von T > 150 ⁰ C, wie sie bei zum Rückfluss erhitzter 62 gew.-%iger Schwefelsäure vorliegen, sind alle gängigen Reaktormaterialien unbeständig.

Daraus leitet sich unmittelbar ab, dass der Stand der Technik keine großtechnisch anwendbare Verfahrensweise offenbart.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches und großtechnisch anwendbares Verfahren zur Herstellung von 5-Halo-2,4,6-Trifluoriso- phthalsäure bereit zu stellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es insbesondere, ein Verfahren zur

Herstellung von 5-Halo-2,4,6-Trifluorisophthalsäure bereit zu stellen, das sich durch schonende Reaktionsbedingungen auszeichnet und eine gute Raum-Zeit-Ausbeute ermöglicht.

Dem gemäß wurde ein Verfahren zur Herstellung von 5-Halo-2,4,6-Trifluorisophthal- säure der allgemeinen Formel I durch Hydrolyse von 5-Halo-2,4,6-Trifluorisophthalo- dinitril der allgemeinen Formel Il gefunden, bei dem man in einem ersten Schritt unter Bildung von 5-Halo-2,4,6-Trifluorisophthalodiamid der Formel Hl

Isophthalodinitril (II) oder eine Isophthalodinitril (II) enthaltende Lösung mit konzentrierter Schwefelsäure bei Raumtemperatur versetzt und anschließend erhitzt und in einem zweiten Schritt unter weiterem Erhitzen und Zugeben von Wasser Isophthalsäure (I) herstellt.

Definition der Variable :

X bedeutet Halogen, d.h. Fluor, Chlor, Brom oder lod.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet zur Herstellung von Verbindungen, in denen X Chlor oder Brom bedeutet; besonders bevorzugt bedeutet X Chlor.

Erfindungsgemäß versetzt man Isophthalodinitril (II) oder eine Lösung davon in einem ersten Schritt mit konzentrierter Schwefelsäure. Das Isophthalodinitril (II) kann dabei der konzentrierten Schwefelsäure in fester Form zugesetzt werden, beispielsweise pulver- oder flockenförmig. Es ist möglich, das Isophthalodinitril (II) gelöst oder wasserfeucht in die Reaktion einzubringen.

Nach einer der bevorzugten Ausführungsformen wird Isophthalodinitril (II) wasserfeucht verwendet. Unter wasserfeucht sind Restwassergehalte von bevorzugt bis zu 40 Gew.- % bezogen auf Isophthalodinitril (II) zu verstehen. Besonders bevorzugt wird die Verbindung der Formel Il mit einem Wassergehalt von 30 bis 35 Gew.-% in die Reaktion eingebracht.

Bei Einsatz von Isophthalodinitril (II) in fester Form wird bevorzugt eine Suspension hergestellt. Suspendieren bedeutet die möglichst gleichmäßige Verteilung des Feststoffs Isophthalodinitril (II) in der konzentrierten Schwefelsäure, z.B. durch Rühren. Erfindungsgemäß kann das Isophthalodinitril (II) auch in einem Lösemittel gelöst, beispielsweise als Wertprodukt aus einem vorangegangenen Verfahrensschritt, in die Reaktion eingebracht werden.

Als Lösemittel werden beispielsweise aromatische Lösemittel wie substituierte oder bevorzugt unsubstituierte Alkylbenzole, wie Methylbenzol, Dimethylbenzole oder

Trimethylbenzole, deren Isomerengemische oder Chlorbenzole verwendet. Besonders bevorzugt ist Toluol.

Erfindungsgemäß wird konzentrierte Schwefelsäure verwendet, wobei im allgemeinen eine Konzentration von mindestens 70 Gew.-% verwendet wird. Bevorzugt wird eine

Schwefelsäurekonzentration von mindestens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt von mindestens 90 Gew.-%. Bei der Verwendung von gelöstem Isophthalodinitril (II) wird bevorzugt eine Schwefelsäurekonzentration von maximal 85 Gew.-% eingesetzt.

Die Menge an Schwefelsäure im Verhältnis zum Isophthalodinitril (II) wird möglichst gering gehalten und beträgt im allgemeinen weniger als 20 Moläquivalente, beispielsweise von 3 bis 20 Moläquivalenten, bevorzugt von 4 bis 10 Moläquivalenten, besonders bevorzugt von 5 bis 7 Moläquivalenten.

Erfindungsgemäß werden Isophthalodinitril (II) oder dessen Lösung bei Raum- temperatur mit der konzentrierten Schwefelsäure versetzt. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sollen unter Raumtemperatur Temperaturen von unter 50°C, insbesondere unter 40 ⁰ C verstanden werden. Im allgemeinen liegen die Temperaturen

über dem Gefrierpunkt, bevorzugt bei 10 ⁰ C oder darüber. Bevorzugt ist der Temperaturbereich von 20 bis 30 ⁰ C. Besonders bevorzugt wird ein Temperaturbereich von 25 bis 30°C.

Im erfindungsgemäßen Verfahren kann sowohl das Isophthalodinitril (II) in fester (z.B. wasserfeucht) oder gelöster Form als auch die Schwefelsäure vorgelegt werden.

In einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren unter reduziertem Druck durchgeführt werden. Dabei wird im allgemeinen der Druck so gewählt, dass das verwendete Lösemittel leicht entfernt werden kann, beispielsweise durch Destillation.

Die Reaktion wird bevorzugt so geführt, dass die Sublimation von Isophthalodinitril (II) im Reaktionssystem im wesentlichen vermieden wird, d.h., dass im allgemeinen weniger als 0,5 Gew.-% der Verbindung der Formel Il sublimieren.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schwefelsäure/Isophthalodinitril (II) Suspension oder Mischung nach vollständiger Zugabe des Isophthalodinitrils (II) erhitzt. Bevorzugt liegen dabei die Temperaturen bei 110 ⁰ C oder darunter. Dabei hat sich ein Temperaturbereich von 90 bis 110 ⁰ C im allgemeinen als vorteilhaft erwiesen. Beson- ders bevorzugt wird ein Temperaturbereich von 90 bis 100 ⁰ C, insbesondere bevorzugt von 95 bis 100 ⁰ C. Bei diesem Verfahrensschritt wird Isophthalodiamid (III) als Zwischenprodukt gebildet. Nach einer Ausführungsform wird das Isophthalodiamid (III) teilweise gebildet. Besonders bevorzugt sind Reaktionsbedingungen bei denen das Isophthalodiamid (III) nahezu quantitativ aus der Verbindung der Formel Il entsteht.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem folgenden Schritt Wasser bevorzugt so zugegeben, dass sich durch die exotherme Reaktion das Reaktionsgemisch nicht wesentlich über die im folgenden angegebenen Temperaturen erhitzt.

In der Regel liegen die Temperaturen im Bereich von 90 bis 140 ⁰ C. Bevorzugt wird ein Temperaturbereich von 110° bis 130 ⁰ C. Besonders bevorzugt wird die Reaktion bei Temperaturen von 115 bis 125°C durchgeführt.

Wasser kann der Reaktion beispielsweise durch Gießen, Tropfen oder Sprayen zugeführt werden. Die Temperatur des zugegebenen Wassers ist für die Reaktion nicht wesentlich; es kann sowohl kaltes als auch warmes Wasser der Reaktion zugeführt werden.

Die Hydrolyse zur Isophthalsäure (I) wird in der Regel mit 3 oder mehr Moläquivalenten Wasser durchgeführt. Im allgemeinen sind 25 Moläquivalente Wasser ausreichend. Bevorzugt werden 15 bis 25 Moläquivalente, besonders bevorzugt 15 bis 22 Moläquivalente.

Üblicherweise lässt man das Reaktionsgemisch nachreagieren; es wird z.B. für weitere 2 bis 12 h bei Temperaturen von 90 bis 140 ⁰ C gerührt. Weiterhin wird dabei eine Reaktionstemperatur von in der Regel 110 bis 130 ⁰ C bevorzugt. Besonders bevorzugt sind Reaktionstemperaturen von 115 bis 125 ⁰ C. Die Reaktion wird so lange fortgeführt, bis sich die Reaktanden im wesentlichen, bevorzugt vollständig umgesetzt haben, z.B. mindestens zu 95 % der Theorie. Das kann beispielsweise bereits nach 6 h erreicht sein.

Bei diesen relativ niedrigen Temperaturen wird das Reaktormaterial geschont, das heißt, mit Fluorpolymer ausgekleidete Reaktoren halten diesen Reaktionsbedingungen stand.

Die Reaktion läuft auch bei höheren Temperaturen ab, wobei sich erfahrungsgemäß der Verschleiß des Reaktormaterials erhöht, ohne dass eine Verbesserung der Produktqualität erreicht wird.

Die Reaktionsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können räumlich getrennt oder in einem Reaktor durchgeführt werden. Bevorzugt werden sie in einem Reaktor im sogenannten Eintopfverfahren durchgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so durchgeführt werden, dass Isophthalo- diamid (III) isoliert werden kann. Methoden zur Isolierung von Isophthalodiamid (III) sind dem Fachmann an sich bekannt, bzw. die Isolierung kann auch mittels dem Fachmann bekannten Methoden vorgenommen werden. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren jedoch bis zum Endprodukt der allgemeinen Formel I, 5-HaIo- 2,4,6-Trifluorisophthalsäure, im Eintopfverfahren ohne Isolierung der Verbindung der Formel III durchgeführt.

Das Isophthalodiamid (III) kann auch direkt eingesetzt werden und in verdünnter Mineralsäure zur 5-Halo-2,4,6-Trifluorisophthalsäure hydrolysiert werden. Bevorzugt wird dazu Schwefelsäure in einem Konzentrationsbereich von 30 bis 80 Gew.-% eingesetzt, besonders bevorzugt 40 bis 70 gew.-%ige Schwefelsäure.

Isophthalodiamid (III) wird in der Regel mit 3 bis 18 Moläquivalenten Schwefelsäure hydrolysiert. Bevorzugt werden 4 bis 8 Moläquivalente, besonders bevorzugt werden 4 bis 5 Moläquivalente eingesetzt. Weiterhin bevorzugt wird eine Reaktionstemperatur im Bereich von 110 bis 130 ⁰ C. Besonders bevorzugt wird die Reaktion bei Temperaturen von 115 bis 125 ⁰ C durchgeführt.

In der Regel wird das Reaktionsgemisch für 2 bis 8 h bei Temperaturen von 115 bis 125°C gerührt. Die Reaktion wird so lange fortgeführt, bis sich die Reaktanden im

wesentlichen bevorzugt vollständig umgesetzt haben, z.B. mindestens zu 95 %. Das kann beispielsweise bereits nach 6 h erreicht sein.

Es ist möglich, zur Aufarbeitung das Reaktionsprodukt au der Reaktionslösung mit organischen Lösungsmitteln zu extrahieren, vorteilhaft eignen sich beispielsweise Methyl-tert-butylether, Ethyl-tert-butylether sowie Ethyl- oder Propylacetat.

Die Verbindung der Formel I kann als Zwischenprodukt ausgehend von der Verbindung der Formel Il in einer Decarboxylierungsreaktion zur Herstellung von 2-HaIo-1, 3, 5-Tri- fluorbenzol gemäß Formel IV, wie beispielsweise in EP-B 1 460 639 (Beispiel 1 , Seite 5, Zeilen 32 - 47) beschrieben, verwendet werden. Bevorzugt wird die Decarboxy- lierung duchgeführt, indem die Verbindung der allgemeinen Formel I in einem polaren Lösemittel mit oder ohne Zusatz von Katalysatoren bei Temperaturen zwischen 110 bis 250 ⁰ C erhitzt wird.

Die Verbindung der allgemeinen Formel IV kann als Zwischenprodukt ausgehend von der Verbindung der Formel Il in einer Dehalogenierungsreaktion zur Herstellung von 1 ,3,5-Trifluorbenzol gemäß Formel V, wie beispielsweise in EP-B1 460 639 (Beispiel 2, Seite 5 und Beispiel 3, Seite 6) beschrieben, verwendet werden. Bevorzugt wird die Dehalogenierung durchgeführt, indem man die Verbindung der allgemeinen Formel IV in Gegenwart eines Metalls und Wasser unter Druck bei Temperaturen zwischen 100 bis 200 ⁰ C erhitzt.

Das vorliegende Verfahren zeichnet sich nicht nur dadurch aus, dass es die schonende großtechnische Herstellung von Isophthalsäure (I) ermöglicht, sondern auch dadurch, dass das Volumen an benötigter Schwefelsäure gering ist. Dies ist im Hinblick auf die Isolierung des Wertproduktes aus dem Reaktionsgemisch und die Entsorgung der Rückstände besonders vorteilhaft.

Als verfahrenstechnisch vorteilhaft kann sich das erfindungsgemäße Verfahren durch die Möglichkeit erweisen, die Verbindung der Formel Il in einem Lösemittel gelöst in die Reaktion einbringen zu können.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Reaktionsführung sind die hohe Raum-Zeit- Ausbeute sowie ein geringes Nebenproduktspektrum.

Vergleichsbeispiele:

Vergleichsbeispiel 1 : nach Kogyo Kagaku Zasshi (1979), 73(2), 447-8:

2,0 g 5-Chlor-2,4,6-trifluorisophthalonitril und 10 ml 60 %ige Schwefelsäure werden über eine Dauer von 5 Stunden unter Rückfluss (ca. 170 ⁰ C) erhitzt. Nach Abkühlung werden die ausgefallenen Kristalle abfiltriert, mit 18 %iger Salzsäure gewaschen und getrocknet; dabei werden 1 ,82 g Dicarbonsäure (Ausbeute = 78 % der Theorie, mp = 202 bis 203 ⁰ C) gewonnen.

Vergleichsbeispiel 2: nach EP 1 256 564: 5-Chlor-2,4,6-Trifluorisophthalodinitril wurde in der 10-fachen Menge 62 %iger H ₂ SO ₄ über 3 h bei 170°C (Rückfluss) zur 5-Chlor-2,4,6-Trifluorisophthalsäure hydrolysiert. Reinheit laut. ¹⁹ F-NMR-Analyse : 90 %, Ausbeute 86 %. Die Reaktion wurde außerdem bei 150°C (72 % der Theorie) und bei 130 ⁰ C (83 % der Theorie) durchgeführt. Das Nebenproduktspektrum war bei niedrigen Temperaturen größer als bei höheren Temperaturen.

Erfindungsgemäße Verfahrensbeispiele:

Beispiel 1: 197 g (0,88 mol) 5-Chlor-2,4,6-Trifluorisophthalodinitril wurden bei Raumtemperatur in 624,5 g (6,37 mol) 96 gew.-%iger H2SO4 in einem Glasrundkolben suspendiert und anschließend auf 100°C erhitzt. Es wurden 327,6 g (18,18 mol) Wasser so zugetropft, dass das Reaktionsgemisch sich auf 12O ⁰ C erwärmt und rührt dann weitere 8h bei 120 ⁰ C. Nach Abkühlen wurde das Reaktionsgemisch in 2000 ml kaltes Wasser eingerührt, zweimal mit 500 ml Methyl-tertiär-butylether (MTBE) extrahiert, und die vereinigten organischen Phasen getrocknet und im Vakuum eingeengt. Man erhielt 228,1 g 5-Chlor-2,4,6-Trifluorisophthalsäure als beigefarbenen Feststoff. Reinheit laut ¹ ^F-NMR : 94 % (96,2 % der Theorie).

Beispiel 2:

Aus 72,3 g wasserfeuchtem 5-Chlor-2,4,6-Trifluorisophthalodinitril (ca. 0,23 mol; 30 Gew.-% Wasser) und 164 g (1 ,62 mol, 7 Äquivalente) konzentrierter Schwefelsäure (95-97 Gew.-%) wurde bei Raumtemperatur eine Suspension hergestellt. Die erhaltene Suspension wurde auf 100 ⁰ C erhitzt. Es wurden 61 ml (3,39 mol, 15 Äquivalente) Wasser so zugegeben, dass eine Temperatur von 122°C erreicht wurde. Anschließend wurde bei 120 ⁰ C für 8 Stunden gerührt. Nach dem Abkühlen gab man 300 g Wasser zu und hielt die Innentemperatur auf unter 45 °C. Es wurde zweimal mit je 85 g MTBE extrahiert. Die beiden organischen Phasen wurden vereinigt und einmal mit 50 ml Wasser gewaschen, mit Aktivkohle und Natriumsulfat gerührt und filtriert. Die leicht gelblichen organischen Phasen wurden eingeengt. Man erhielt 62,5 g beigefarbene Disäure (I).

Beispiel 3: 185,7g (1 ,62 mol) Schwefelsäure (85 Gew-%) wurden vorgelegt und auf 30 ⁰ C erhitzt. Anschließend tropfte man unter Vakuum bei 30-35°C eine Lösung von 50 g (0,46 mol) 1-Chlor-2,4,6-Trifluorisophthalodinitril in 100 ml Toluol zu. Es destillierte kontinuierlich Toluol ab. Anschließend erhitzte man das Reaktionsgemisch auf 100 ⁰ C. Es wurden 61 ,1g (3,39 mol; 7,4 Äquivalente) Wasser zugegeben. Anschließend wurde auf 130°C erhitzt und für 2h gerührt. Nach dem Abkühlen auf 60 ⁰ C wurde zunächst 150 ml Wasser zugegeben. Die feine Suspension wurde zweimal mit je 100 ml MTBE extrahiert. Die organischen Phasen wurden vereinigt, mit Aktivkohle und Natriumsulfat ausgerührt und filtriert. Die leicht gelblichen organischen Phasen wurden eingeengt. Man erhielt 59 g beigefarbene Disäure (I).