Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fluoralkylnitrilen ausgehend von Fluoralkylcarbonsäureamiden.

Fluoralkylnitrile sind wichtige Zwischenprodukte zur Herstellung von agrochemischen Wirkstoffen.

Aus der US 2 939878 ist bekannt, dass man Fluornitrile ausgehend von Chlordifluormethan und Chlorcyan bei Temperaturen von 500 - 750 ⁰ C erhalten kann. Die unselektive Reaktion führt zu Mischungen von Trifluoracetonitril, Chlordifluoracetonitril, 2-Chlortetrafluorpropionitril und weiteren fluorierten Leichtsiedern.

Eine weitere Patentanmeldung (JP 59118751 A) beschreibt die Umsetzung von Chlorfluoralkanen der Formel RFCCl ₃ mit Ammoniak bei Temperaturen von 800 ⁰ C. Der gleiche Prozess wird von Hellberg und Massonne (Chemiker-Ztg./Chem. Apparatur/Verfahrenstechnik, 93. Jahrgang (1969) Nr. 6, 209 - 211) beschrieben. Bei 500 - 800 ⁰ C wird R 113a mit Ammoniak umgesetzt. Auch hierbei erhält man eine Mischung von Produkten (CF ₃ CN, CF ₃ Cl, CF ₃ H, CF ₃ CCl ₃ , C ₂ F ₄ Cl ₂ , C ₂ F ₂ Cl ₄₅ C ₂ F ₃ Cl ₅ CF ₂ Cl ₂ ).

Grunewald et al. (J. Med. Chem. 2006, 49, 2939-2952) und auch Swarts (Bulletin Societes Chemiques Beiges, 1922, VoI 31, 364- 365) beschreiben die Herstellung von Difluoracetonitril ausgehend von Difluoracetamid mit Phosphorpentoxid. Hierbei werden die beiden Feststoffe erhitzt und das leichtflüchtige Nitril bei -78°C kondensiert. Der im Reaktionsgefäß zurückbleibende feste Reaktionsrückstand ist jedoch schwer zu entfernen.

Ein weiteres Verfahren beschreibt die elektrochemische Fluorierung von Acetonitrilen (Masatake Haruta und Nobuatsu Watanabe, J. Fluorine Chemistry, 7 (1976)159-177). Die Reaktion verläuft unselektiv und man erhält auch hier Mischungen von Reaktionsprodukten.

Foulletier (EP 55651 Bl) beschreibt die Gasphasenfiuorierung von Trichloracetonitril bei 400 ⁰ C. Auch hierbei erhält man Mischungen.

Parker beschreibt in Synthetic Communications (Volume 34, 2004, Pages 903 - 907) die Herstellung von Trifluoracetonitril ausgehend von Trifluoracetamid mit Trifluoressigsäureanhydrid in Pyridin. Nachteilig bei diesem Prozess ist der Einsatz von teurem Trifluoressigsäureanhydrid, das stöchiometrisch eingesetzt werden muß. AlIe oben beschriebenen Verfahren sind gekennzeichnet dadurch, dass man Spezialapparaturen, sehr hohe Temperaturen, teure und gefahrliche Reagenzien benötigt und die gewünschten Produkte nur durch aufwendige Isolierung aus den Produktgemischen isolieren kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich als Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von fluorierten Alkylnitrilen bereitzustellen, welches vorzugsweise einfach und kostengünstig durchzuführen ist. Die mit diesem angestrebten Verfahren erhältlichen fluorierten Alkylnitrile sollen dabei vorzugsweise mit hoher Ausbeute und hoher Reinheit erhalten werden. Insbesondere soll das angestrebte Verfahren den Erhalt der gewünschten Zielverbindungen ohne die Notwendigkeit komplexer Aufreinigungsmethoden ermöglichen.

Die Aufgabe wurde gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von Fluoralkylnitrilen der allgemeinen Formel (I)

in welcher

X ¹ und X ² unabhängig voneinander für Fluor, Chlor, Brom, Wasserstoff, C _1-I2 -AIlCyI, C _M2 - Halogenalkyl, C ₅ .i ₈ -Aryl, C _7- i ₉ -Alkylaryl oder C ₇ .i ₉ -Arylalkyl stehen,

dadurch gekennzeichnet, dass man

fluorierte Carbonsäureamide der Formel (II)

in welcher X ¹ und X ² die oben genannte Bedeutungen haben,

in Gegenwart einer Base und katalytischen Mengen einer fluorierten Carbonsäure der Formel (IH),

(EQ), wobei

Y ¹ und Y ² unabhängig voneinander für Fluor, Chlor, Brom, Wasserstoff, Ci.i ₂ -Alkyl, C _M2 - Halogenalkyl, C _5- i ₈ -Aryl, C _7- i ₉ -Alkylaryl oder C ₇ . ₁₉ -Arylalkyl stehen,

mit einem Säurehalogenid der Formel (FV)

in welcher R ¹ für Ci. ₁₂ -Alkyl, C _3-8 -CyClOaIlCyI, C _M2 -Halogenalkyl, C _5- i ₈ -Aryl, C ₇ . ₁₉ -Arylalkyl oder C ₇ . ₁₉ -Alkylaryl steht, und HaI für Halogen steht, umsetzt.

Bevorzugte, besonders bevorzugte und ganz besonders bevorzugte Bedeutungen der in den oben erwähnten allgemeinen Formel (I) aufgeführten Reste X ¹ und X ² werden im Folgenden erläutert.

X ¹ und X ² stehen unabhängig voneinander bevorzugt für Fluor, Chlor, Wasserstoff, Q.π-Alkyl, C _{u 12} -Halogenalkyl oder C ₅ .ig-Aryl,

X ¹ und X ² stehen unabhängig voneinander besonders bevorzugt für Fluor, Chlor, Wasserstoff oder Ci.i ₂ -Halogenalkyl,

X ¹ und X ² stehen unabhängig voneinander ganz besonders bevorzugt für Fluor, Wasserstoff oder C _M2 -Halogenalkyl.

Überraschenderweise lassen sich die fluorierten Alkylnitrile der Formel (I) unter den erfindungsgemäßen Bedingungen mit guten Ausbeuten in hoher Reinheit herstellen, womit das erfϊndungsgemäße Verfahren die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile nicht aufweist.

Das erfϊndungsgemäße Verfahren kann anhand des folgenden Schema (I) erläutert werden :

(H) (IV) (I),

wobei X ¹ , X ² , R ¹ , HaI die oben angegebenen Bedeutungen haben. Schema (D

Allgemeine Definitionen

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Halogene (HaI), soweit nicht anders definiert, solche Elemente, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Fluor, Chlor, Brom und Iod, wobei Fluor, Chlor und Brom bevorzugt und Fluor und Chlor besonders bevorzugt verwendet werden.

Gegebenenfalls substituierte Gruppen können einfach oder mehrfach substituiert sein, wobei bei Mehrfachsubstitutionen die Substituenten gleich oder verschieden sein können.

Mit einem oder mehreren Halogenatomen (-HaI) substituierte Alkyl-Gruppen sind beispielsweise ausgewählt aus Trifluormethyl (CF ₃ ), Difluormethyl (CHF ₂ ), CF ₃ CH ₂ , ClCH ₂ , CF ₃ CCl ₂ .

Alkyl-Gruppen sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, soweit nicht abweichend definiert, lineare, verzweigte oder ringförmige gesättigte Kohlenwasserstoff-Gruppen.

Die Definition Ci-Ci ₂ -Alkyl umfasst den größten hierin definierten Bereich für eine Alkyl-Gruppe. Im Einzelnen umfasst diese Definition beispielsweise die Bedeutungen Methyl, Ethyl, n-, iso- Propyl, n-, iso-, sec- und t-Butyl, n-Pentyl, n-Hexyl, 1,3-Dimethylbutyl, 3,3-Dimethylbutyl, n- Heptyl, n-Nonyl, n-Decyl, n-Undecyl, n-Dodecyl.

Aryl-Gruppen sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, soweit nicht abweichend definiert, aromatische Kohlenwasserstoff-Gruppen, die ein, zwei oder mehrere Heteroatome, die ausgewählt sind aus O, N, P und S, aufweisen können.

Die Definition C ₅ .i ₈ -Aryl umfasst den größten hierin definierten Bereich für eine Aryl-Gruppe mit 5 bis 18 Gerüst- Atomen, wobei die C-Atome gegen Heteroatome ausgetauscht sein können. Im Einzelnen umfasst diese Definition beispielsweise die Bedeutungen Cyclopentadienyl, Phenyl, Cycloheptatrienyl, Cyclooctatetraenyl, Naphthyl und Anthracenyl; 2-Furyl, 3-Furyl, 2-Thienyl, 3- Thienyl, 2-Pyrrolyl, 3-Pyrrolyl, 3-Isoxazolyl, 4-Isoxazolyl, 5-Isoxazolyl, 3-Isothiazolyl, 4- Isothiazolyl, 5-Isothiazolyl, 3-Pyrazolyl, 4-Pyrazolyl, 5-Pyrazolyl, 2-Oxazolyl, 4-Oxazolyl, 5- Oxazolyl, 2-Thiazolyl, 4-Thiazolyl, 5-Thiazolyl, 2-Imidazolyl, 4-Imidazolyl, l,2,4-Oxadiazol-3-yl, l,2,4-Oxadiazol-5-yl, l,2,4-Thiadiazol-3-yl, l,2,4-Thiadiazol-5-yl, l,2,4-Triazol-3-yl, 1,3,4- Oxadiazol-2-yl, l,3,4-Thiadiazol-2-yl und l,3,4-Triazol-2-yl; 1-Pyrrolyl, 1-Pyrazolyl, 1,2,4- Triazol-1-yl, 1-Imidazolyl, 1,2,3-Triazol-l-yl, 1,3,4-Triazol-l-yl; 3-Pyridazinyl, 4-Pyridazinyl, 2- Pyrimidinyl, 4-Pyrimidinyl, 5-Pyrimidinyl, 2-Pyrazinyl, l,3,5-Triazin-2-yl und l,2,4-Triazin-3-yl. Arylalkyl-Gruppen (Aralkyl-Gruppen) sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, soweit nicht abweichend definiert, durch Aryl-Gruppen substituierte Alkyl-Gruppen, die eine Ci _-8 - Alkylenkette aufweisen können und im Arylgerüst ein oder mehrere Heteroatome, die ausgewählt sind aus O, N, P und S, aufweisen können.

Die Definition C ₇ . ₁₉ -Aralkyl-Gruppe umfasst den größten hierin definierten Bereich für eine Arylalkyl-Gruppe mit insgesamt 7 bis 19 Atomen in Gerüst und Alkylenkette. Im Einzelnen umfasst diese Definition beispielsweise die Bedeutungen Benzyl und Phenylethyl.

Alkylaryl-Gruppen (Alkaryl-Gruppen) sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, soweit nicht abweichend definiert, durch Alkyl-Gruppen substituierte Aryl-Gruppen, die eine Ci _-8 - Alkylenkette aufweisen können und im Arylgerüst ein oder mehrere Heteroatome, die ausgewählt sind aus O, N, P und S, aufweisen können.

Die Definition C ₇ . ₁₉ -Alkylaryl-Gruppe umfasst den größten hierin definierten Bereich für eine Alkylaryl-Gruppe mit insgesamt 7 bis 19 Atomen in Gerüst und Alkylenkette. Im Einzelnen umfasst diese Definition beispielsweise die Bedeutungen Tolyl-, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4- oder 3,5- Dimethylphenyl.

Fluorierte Carbonsäuren (TlT)

Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten fluorierten Carbonsäuren sind Verbindungen der allgemeinen Formel (UT)

in welcher

Y ¹ und Y ² unabhängig voneinander für Fluor, Chlor, Brom, Wasserstoff, C _M2 - Halogenalkyl, C _5- i ₈ -Aryl, C _7-19 - Alkylaryl oder C _7-I9 - Arylalkyl, bevorzugt für Wasserstoff, Fluor, Chlor, C _2-8 -Alkyl oder C ₂ - ₈ -Halogenalkyl, besonders bevorzugt für Fluor, Chlor, Wasserstoff, C _3-6 - Alkyl, CF ₃ oder CF ₂ H stehen.

Beispiele für erfindungsgemäß geeignete fluorierte Carbonsäuren sind Trifluoressigsäure, Difluoressigsäure, Difluorchloressigsäure, Chlorfluoressigsäure, 2,3,3, 3-Tetrafluorpropionsäure, 2,2,3, 3-Tetrafluorpropionsäure, 2,2-Difluorpropionsäure, Pentafluorpropionsäure, 2,3,3,4,4,4- Hexafluorbutancarbonsäure . Das molare Verhältnis von fluorierter Carbonsäure der Formel (EI) zum eingesetzten fluorierten Alkylamid der Formel (H) kann beispielsweise 0,05 bis 1 betragen, bevorzugt 0,11 bis 0,8, besonders bevorzugt 0,2 bis 0,7. Der Einsatz größerer Mengen (größere molare Verhältnisse als 1) an fluorierter Carbonsäure ist unkritisch aber unwirtschaftlich.

Säurehalogenide (IV)

Die zuvor beschriebenen fluorierten Alkylamide der Formel (II) werden unter Zugabe eines Säurehalogenids der Formel (IV) umgesetzt.

In Formel (IV) ist R ¹ ausgewählt aus Ci.i ₂ -Alkyl, C _3-g -Cycloalkyl, C _M2 -Halogenalkyl, C ₅ .i ₈ -Aryl, C _7- i ₉ -Arylalkyl oder C _7-19 -Alkylaryl, bevorzugt aus C _5-I8 -ATyI oder C ₂ -s-Alkyl, besonders bevorzugt aus C _3-6 -Alkyl oder C ₆ -Aryl,

und HaI steht für Fluor, Chlor, Brom oder Iod, bevorzugt für Chlor oder Brom, besonders bevorzugt für Chlor.

Beispiele für erfindungsgemäß geeignete Säurehalogenide sind Essigsäurechlorid, Pivalinsäurechlorid, 2,2-Dimethylbuttersäurechlorid, Isovaleroylchlorid und Benzoylchlorid.

Das molare Verhältnis von Säurehalogeniden der Formel (IV) zum eingesetzten fluorierten Alkylamid der Formel (E) kann beispielsweise 0,5 bis 5 betragen, bevorzugt 1 bis 3, besonders bevorzugt 2 bis 2,5.

Basen

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Gegenwart einer Base durchgeführt. Als Basen eignen sich beispielsweise substituierte oder unsubstituierte Pyridine und substituierte oder unsubstituierte Chinoline. Vorzugsweise werden substituierte oder unsubstituierte Pyridine und substituierte oder unsubstituierte Chinoline eingesetzt.

Bevorzugte Beispiele für Basen sind Pyridin, 3-, 4-Picolin, Chinolin, Chinaldin, halogenierte Pyridine. Besonders bevorzugt werden Pyridin, 4-Picolin, 2-Chlorpyridin verwendet.

Das molare Verhältnis von Base zur eingesetzten fluorierten Carbonsäure der Formel (EI) kann beispielsweise 0,5 bis 10 betragen, bevorzugt 1 bis 8, besonders bevorzugt 1,5 bis 6. Der Einsatz größerer Mengen an Base ist unkritisch aber unwirtschaftlich.

Die Umsetzung zur Herstellung der Verbindungen der allgemeinen Formel (I) kann im Allgemeinen im Vakuum, bei Normaldruck oder unter Überdruck durchgeführt werden. Die angewendeten Temperaturen können ebenfalls, in Abhängigkeit der verwendeten Substrate, variieren und sind für den Fachmann durch Routineversuche leicht zu ermitteln. Beispielsweise kann die Umsetzung zur Herstellung der Verbindungen der allgemeinen Formel (I) bei einer Temperatur von -50 bis 250 ⁰ C, vorzugsweise 0 bis 170 ⁰ C, durchgeführt werden. Besonders bevorzugt wird die Umsetzung bei Temperaturen von 10 bis 140 ⁰ C durchgeführt.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten fluorierten Alkylamide der Formel (II) sind kommerziell erhältlich oder können nach literaturbekannten Verfahren leicht hergestellt werden (WO 03/080563).

Lösungsmittel

Die Umsetzung des fluorierten Alkylamides der Formel (H) zur Verbindung mit der Formel (I) kann in Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt werden. Vorzugsweise wird bei der Reaktion auf ein zusätzliches Lösungsmittel verzichtet. Als geeignete Lösungsmittel sind zu nennen: Halogenkohlenwasserstoffe und aromatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere Chlorkohlenwasserstoffe, wie Tetrachlorethylen, Tetrachlorethan, Dichlorpropan, Methylenchlorid, Dichlorbutan, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Trichlorethan, Trichlorethylen, Pentachlorethan, Difluorbenzol, 1 ,2-Dichlorethan, Chlorbenzol, Brombenzol, Dichlorbenzol, Chlortoluol, Trichlorbenzol; Ether, wie Ethylpropylether, w-Butylether, Anisol, Phenetol, Cyclohexylmethylether, Dimethylether, Diethylether, Dimethylglycol, Diphenylether, Dipropylether, Diisopropylether, Di-w-butylether, Diisobutylether, Diisoamylether, Ethylenglycoldimethylether, Isopropylethylether, Methyl-tert-butylether, Tetrahydrofuran, Methyl- Tetrahydrofuran, Dioxan, Dichlordiethylether und Polyether des Ethylenoxids und/oder Propylenoxids; Nitrokohlenwasserstoffe wie Nitromethan, Nitroethan, Nitropropan, Nitrobenzol, Chlornitrobenzol, o-Nitrotoluol; aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe wie Pentan, n-Hexan, n-Heptan, n-Oktan, Nonan beispielsweise sogenannte White Spirits mit Komponenten mit Siedepunkten im Bereich beispielsweise von 40 ⁰ C bis 250 ⁰ C, Cymol, Benzinfraktionen innerhalb eines Siedeintervalles von 70 ⁰ C bis 190 ⁰ C, Cyclohexan, Methylcyclohexan, Petrolether, Ligroin, Octan, Benzol, Toluol, Xylol; Ester wie Methyl-, Ethyl-, Butyl-, Isobutylacetat, sowie Dimethyl-, Dibutyl-, Ethylencarbonat . Bevorzugte Lösungsmittel sind Toluol oder Chlorbenzole. Die Isolierung der gewünschten Verbindungen der allgemeinen Formel (I) kann beispielsweise durch Destillation erfolgen. Hierbei kann das Produkt (I) während der Zudosierung des Säurechlorides der Formel (FV) gleichzeitig abdestilliert werden. Eine weitere Isoliervariante ist erst nach Reaktionsende das Produkt der Formel (I) durch Destillation oder Filtration abzutrennen.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert, wobei die Beispiele nicht in die Erfindung einschränkende Weise zu interpretieren sind.

Herstellungsbeispiele

Beispiel 1

4,6 g Trifluoressigsäure werden in 48,9 g Pyridin vorgelegt und mit 13,4 g Trifluoressigsäureamid versetzt. Zu dieser Lösung wird dann über 5 Stunden 30,4 g 2,2-Dimethylpropanoylchlorid bei Raumtemperatur zugetropft. Es entsteht beim Zutropfen sofort das gasförmige Trifluoracetonitril. Dieses kann bei tieferen Temperaturen (z.B. bei -100 ⁰ C) kondensiert werden oder direkt in eine Folgereaktion eingeleitet werden. Die Ausbeute beträgt 92 %.

Beispiel 2

2 g Difluoressigsäure werden in 34,8 g Pyridin vorgelegt und mit 5 g Trifluoressigsäureamid versetzt. Zu dieser Lösung wird dann über 2 Stunden 10,9 g 2,2-Dimethylpropanoylchlorid bei Raumtemperatur zugetropft. Es entsteht beim Zutropfen sofort das gasförmige Trifluoracetonitril. Die Ausbeute beträgt 90 %.

Beispiel 3

2,4 g Trifluoressigsäure werden in 34,8 g Pyridin vorgelegt und mit 5 g Trifluoressigsäureamid versetzt. Zu dieser Lösung wird dann über 2 Stunden 12,4 g 2,2-Dimethylbuttersäurechlorid bei Raumtemperatur zugetropft. Es entsteht beim Zutropfen sofort das gasförmige Trifluoracetonitril. Die Ausbeute beträgt 84 %.

Beispiel 4

4,6 g Trifluoressigsäure werden in 48,9 g Pyridin vorgelegt und mit 13,4 g Trifluoressigsäureamid versetzt. Zu dieser Lösung wird dann über 5 Stunden 35,5 g Benzoylchlorid bei Raumtemperatur zugetropft. Es entsteht beim Zutropfen sofort das gasförmige Trifluoracetonitril. Die Ausbeute beträgt 86 %.

Beispiel 5

11,6 g Trifluoressigsäure werden in 146,7 g Pyridin vorgelegt und mit 19,2 g Difluoressigsäureamid versetzt. Zu dieser Lösung wird dann über 3 Stunden 51,2 g 2,2- Dimethylpropanoylchlorid bei 60 ⁰ C zugetropft. Anschließend wird die Reaktionsmischung auf 100 ⁰ C erhitzt und das Difluoracetonitril abdestilliert. Man erhält das Difluoracetonitril in einer Ausbeute von 88 %.

Beispiel 6

5,5 g Trifluoressigsäure werden in 78 g Pyridin vorgelegt und mit 16,1 g Pentafluorpropionsäureamid versetzt. Zu dieser Lösung wird dann über 4 Stunden 24,4 g 2,2- Dimethylpropanoylchlorid bei 30 ⁰ C zugetropft. Es entsteht beim Zutropfen sofort das gasförmige Pentafluorpropionitril. Dieses kann bei tieferen Temperaturen (z.B. bei -80 ⁰ C) kondensiert werden oder direkt in eine Folgereaktion eingeleitet werden. Die Ausbeute beträgt 82 %.