Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Heterocyclen der Formel (I) durch katalytische Umsetzung eines aromatischen Dinithls und einem Aminoalkohol.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren zugänglichen Heterocyclen der Formel (I) können u.a. als Kettenverlängerer oder Vernetzer, in Polymeren eingesetzt werden (US 4,806,267, Culbertson in Prog. Polym. Sei. 27 (2002) 579-626).

Die Offenlegungsschrift DE 21 35 644 A1 beschreibt ein nicht-katalytisches Verfahren zur Herstellung von cyclischer Imidsäureester aus aromatischen Nitrilen und Aminoalkanolen, das eine Reaktionszeit von über 20 Stunden aufweist. Die Umsetzung erfolgt hierbei unter Schutzgas, um die Nebenproduktbildung zurückzudrängen. Die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches erfolgt u.a. durch Umkristallisation.

Ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Oxazinen beschreibt die DE 21 53 513 A1 jedoch durch Umsetzung von Dicarbonsäure-bis-(3-halogen-propylamiden) oder Dicarbonsäure-bis-(3-halogenpropylimidoestern) in Gegenwart einer Base. Auch hier erfolgt die Aufarbeitung durch Umkristallisation.

Culbertson et al. beschreiben in der US 4,806,267 ein Verfahren zur Herstellung solcher Bisoxazinen - jedoch in Form von Mischungen mit Bisoxazolinen - durch die Umsetzung von Mischungen verschiedener Aminoalkanolen mit Dinithlen in Gegenwart von Cadmiumnitrat bzw. Zinkacetat als Katalysator und XyIoI als Lösemittel. Die Reaktionszeit beträgt auch hier 10 bzw. 20 Stunden.

In Prog. Polym. Sei. 27 (2002) 579-626 beschreibt Culbertson ebenfalls die Synthese von Oxazinen durch die Umsetzung von Nitrilen und Aminoalkoholen in Gegenwart von Zinkacetat als Katalysator und XyIoI als Lösemittel. 200900241

Die EP 1 548 012 A2 beschreibt ein katalytisches Verfahren zur Herstellung von Phenylenbisoxazolinen durch Umsetzung von Terephthalodinitril bzw. Isophthalodinitril mit 1 ,2-Aminoalkoholen in Gegenwart von zinkhaltigen Katalysatoren und XyIoI als Lösemittel. In einer weiteren Verfahrensvariante erfolgt die Umsetzung in Abwesenheit eines zusätzlichen Lösemittels, wie beispielsweise XyIoI.

Es war die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein im technischen Maßstab durchführbares Verfahren bereitzustellen, das sich durch eine verbesserte Raum-Zeit- Ausbeute auszeichnet und ferner die Abtrennung des Zielproduktes aus dem Reaktionsgemisch ermöglicht.

Überraschenderweise wurde ein Verfahren zur Herstellung von Heterocyclen der Formel (I) - insbesondere von Oxazinen - gefunden, das sich durch eine verbesserte Raum-Zeit-Ausbeute auszeichnet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird ohne Zusatz eines Lösemittels durchgeführt, wobei das Edukt Aminoalkohol der Formel (III) im Überschuss der Reaktionsmischung zugegeben wird und somit als Lösemittel wirken kann. Die Reaktionsmischung kann bei den Verfahrensbedingungen gut gerührt werden. Ferner sind die Reaktionszeiten mit unter 10 Stunden relativ kurz und auch die Ausbeuten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind mit mindestens 75 % gut.

Die Aufarbeitung der Reaktionsmischung beim ausschließlichen Einsatz der höheren Homologen der Aminoalkohole ist im Gegensatz zu den Verfahren zur Herstellung von Phenylenbisoxazolinen äußerst schwierig. Die Reaktionsmischung wird häufig zum Ende der Reaktion gelartig, so dass eine Abtrennung, beispielsweise durch Filtration, nicht möglich ist. In anderen Fällen bildet das gewünschte Zielprodukt einen sehr fein verteilten Niederschlag in der Reaktionsmischung, der sich nur über einen sehr langen Zeitraum abfiltrieren lässt - mit der Gefahr, dass der Filter sich zusetzt.

Überraschenderweise kann diese Aufarbeitung der Reaktionsmischung vor allem beim Einsatz von höheren Homologen des Aminoalkohols deutlich vereinfacht werden, in 200900241

dem Aminoalkohol der Formel (III) vollständig bzw. nahezu vollständig destillativ abgetrennt wird, so dass als Rückstand die Kristalle des Heterocyclus der Formel (I) zurückbleiben. Entscheidend hierbei ist, dass während der destillativen Entfernung des Aminoalkohols die Reaktionsmischung in ständiger Bewegung ist, so dass es zu keiner Verklebung der Kristalle kommt. Ferner hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass auf Lösemittel oder gar Lösungsvermittler komplett verzichtet wird. Daher ist es möglich den destillativ entfernten Aminoalkohol in der erfindungsgemäßen Verfahren rückzuführen, ohne dass eine weitere Aufarbeitung des abgetrennten Aminoalkohols notwendig ist.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Heterocyclen der Formel (I)

durch katalytische Umsetzung eines aromatischen Dinithls der Formel (II) 200900241

mit einem Aminoalkohol der Formel

mit R ¹ , R ² , R ³ , R ⁴ , R ⁵ und R ⁶ gleich oder voneinander verschieden sind und jeweils Wasserstoff, Alkyl, Aryl, -COOH oder -NH ₂ bedeuten und n = 0 bis 4, vorzugsweise n = 1 bis 4, bevorzugt n = 1 bis 3 und besonders bevorzugt n =1 bis 2 bedeutet, das sich dadurch auszeichnet, dass der Aminoalkohol der Formel (III) und der Katalysator vorgelegt und das aromatische Dinitril der Formel (II) bei Reaktionstemperatur zudosiert wird, wobei auf ein zusätzliches Lösemittel während der Reaktion verzichtet wird, und anschließend nach Reaktionsende der überschüssige Aminoalkohol vollständig destillativ entfernt wird, wobei das Reaktionsgemisch in ständiger Bewegung gehalten wird und anschließend der Katalysator mittels einer alkoholischen Wäsche entfernt wird.

Als Aminoalkohol der Formel (III) werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise Verbindungen mit n = 1 bis 4, bevorzugt mit n = 1 bis 3 und besonders bevorzugt n = 1 bis 2 eingesetzt. Bevorzugt weisen die Aminoalkohole der Formel (III) als Substituenten vom Typ R ¹ , R ² , R ³ , R ⁴ , R ⁵ und R ⁶ Wasserstoff oder verzweigte bzw. 200900241

unverzweigte AI kylgruppen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen auf, besonders bevorzugt sind alle der Substituenten vom Typ R ¹ , R ² , R ³ , R ⁴ , R ⁵ und R ⁶ Wasserstoff. Ganz besonders bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren 3-Amino-1 -propanol eingesetzt.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Mischungen an verschiedenen Aminoalkoholen der Formel (III) eingesetzt werden. Da der Aminoalkohol sowohl als Edukt als auch als Lösemittel während der Reaktion dient, ist es vorteilhaft nur ein Aminoalkohol der Formel (III) und keine Mischungen an Aminoalkoholen einzusetzen. Auf diese Weise können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Heterocyclen der Formel (I) gezielt hergestellt werden.

Als vorteilhaft hat sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Einsatz von Zinkverbindungen als Katalysator erwiesen, wobei sowohl eine Zinkverbindung als auch ein Gemisch von mehreren Zinkverbindungen nebeneinander eingesetzt werden können. Vorzugsweise werden dabei Zinkcarbonsäuresalze von gesättigten, aliphatischen Carbonsäuren mit zwei bis zehn Kohlenstoffatomen eingesetzt, die sowohl verzweigt als auch unverzweigt sein können, wie beispielsweise Zinkacetat, Zinkpropionat, Zink-n-butyrat, Zinkisobutyrat etc. oder auch Zink-2-ethylhexanoat, die jeweils als Einzelkomponente oder als Gemisch von mehreren Komponenten eingesetzt werden können.

Ganz besonders bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch Zink-2- ethylhexanoat als Katalysator eingesetzt, das gut löslich in dem Reaktionsgemisch ist. Andere Zinkverbindungen, wie beispielsweise Zinkacetat, sind in der Reaktionsmischung des erfindungsgemäßen Verfahrens schwer löslich.

Die vorzugsweise zu verwendenden Zinkcarbonsäuresalze bieten den Vorteil großer katalytischer Aktivität bei gleichzeitig geringst möglicher Toxizität und einfacher Handhabbarkeit, bei gleichzeitig guter Verfügbarkeit. 200900241

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Aminoalkohol der Formel (III) und der Katalysator im Reaktor vorgelegt und das aromatische Dinitril der Formel (II) bei Reaktionstemperatur zudosiert. Die Zugabe des Dinitrils der Formel (II) sollte kontinuierlich über einen längeren Zeitraum, vorzugsweise über einen Zeitraum von 1 bis 4 Stunden, bevorzugt von 2 bis 3 Stunden, erfolgen. Dadurch bleibt die Konzentration an dem aromatischen Dinitril der Formel (II) im Reaktionsgemisch während der gesamten Reaktion niedrig und die Gasentwicklung lässt sich gut in einer technischen Anlage steuern.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das aromatische Dinitril der Formel (II) als Feststoff oder als Schmelze dem Reaktionsgemisch - bestehend aus Aminoalkohol der Formel (III) und Katalysator - zugegeben werden. Als aromatische Dinitril der Formel (II) werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise sowohl 1 ,3-Dinitril als auch 1 ,4-Dinitril eingesetzt. Es kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine Mischung aus 1 ,3- und 1 ,4-Dinitril eingesetzt werden.

Das molare Verhältnis von Dinitril der Formel (II) zu Aminoalkohol der Formel (III) beträgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise 1 : 2, bevorzugt wird jedoch ein molares Verhältnis von 1 : (4 bis 10), besonders bevorzugt von 1 : (7 bis 9) angewendet.

Dieser stöchiometrische Überschuss an Aminoalkohol der Formel (III) ermöglicht den Verzicht auf ein zusätzliches Lösemittel, wie beispielsweise XyIoI, während der Reaktion. Die Reaktion wird somit in dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne die Zugabe eines zusätzlichen Lösemittels durchgeführt. Als Lösemittel dient bei der Reaktion in diesem erfindungsgemäßen Verfahren der Aminoalkohol der Formel (III). Dadurch kann die Reaktion bei einer höheren Reaktionstemperatur durchgeführt werden. Von Vorteil ist hierbei insbesondere, dass das Reaktionsgemisch nicht siedet, wenn die Reaktionstemperatur unterhalb der Siedetemperatur des Aminoalkohols der 200900241

Formel (III) liegt. Bei den Verfahren gemäß des Stands der Technik wird die Reaktion häufig in Gegenwart von XyIoI durchgeführt. XyIoI und einige Aminoalkohole der Formel (III) bilden Azeotrope mit einem Siedepunktsminimum, so dass die Reaktionsgemisch während der Umsetzung als auch während der Zugabe des Dinitrils siedet. Diese Reaktionsbedingungen beschränken zum einen die maximale Reaktionstemperatur zum anderen erfordern sie technische Lösungen für die Zugabe des Feststoffs Dinitril.

Die Reaktion kann daher erfindungsgemäß in einem Temperaturbereich von etwa 50 ⁰ C bis etwa 200 ⁰ C, vorzugsweise bei 110 ⁰ C bis 170 ⁰ C, bevorzugt aber in einem Temperaturbereich von 130 ⁰ C bis 150 ⁰ C durchgeführt werden.

Durch den Verzicht auf ein zusätzliches Lösemittel kann die Reaktionszeit verkürzt und somit die Raum-Zeit-Ausbeute deutlich verbessert werden. Ferner vereinfacht diese Vorgehensweise die Aufarbeitung der Reaktionsmischung.

Die Reaktion in dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise bei einem Druck von 0,5 bar bis 10 bar, bevorzugt bei 0,6 bar bis 1 ,5 bar, besonders bevorzugt von 0,7 bis 1 ,2 bar und insbesondere bei Atmosphärendruck durchgeführt. In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reaktion bei einem geringen Unterdruck durchgeführt, also bei einem Druck von 0,6 bis 0,9 bar, bevorzugt von 0,7 bis 0,9 bar. Dieser geringe Unterdruck bezogen auf den Atmosphärendruck ermöglicht eine einfachere Entfernung des während der Reaktion entstehenden Abgases Ammoniak.

Die erfindungsgemäße Umsetzung des Dinitrils der Formel (II) mit Aminoalkohol der Formel (III) kann sowohl diskontinuierlich, semi-kontinuierlich oder aber auch kontinuierlich durchgeführt werden. Dies kann je nach technischen Voraussetzungen flexibel gehandhabt werden, was einen weiteren wichtigen Vorteil des Verfahrens darstellt. 200900241

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von Vorteil nach der Zugabe des Dinithls der Formel (II) das Reaktionsgemisch noch für 1 bis 5 Stunden, bevorzugt für 2 bis 4 Stunden, bei der Reaktionstemperatur zu rühren. Die exakte Dauer der Nachreaktionszeit kann durch kontinuierliche Analytik, beispielsweise mittels Gaschromatographie, des Abgasstroms ermittelt werden, die Nachreaktion kann beendet werden, sobald kein Ammoniak mehr detektiert werden kann.

Die Gesamtreaktionszeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Zeit für die Zugabe der Reagenzien als auch die Nachreaktion, ist dabei abhängig von der Temperatur und kann erfindungsgemäß von 2 bis 9 Stunden reichen. Bei Reaktionstemperaturen von 110 ⁰ C bis 170 ⁰ C werden jedoch vorzugsweise Gesamtreaktionszeiten von 4 bis 8 Stunden, insbesondere von 5 bis 7 Stunden angewendet. Diese relativ kurze Reaktionszeit bedeutet einen weiteren Vorteil gegenüber den bisher bekannten Verfahren, bei denen teilweise deutlich längere Reaktionszeiten von 20 bis 25 Stunden angewendet werden müssen. Dadurch gelingt es die Raum-Zeit-Ausbeuten in vorteilhafter Weise zu erhöhen, was für die Wirtschaftlichkeit eines technischen Verfahrens eine ganz bedeutende Rolle spielt.

Im Anschluss an die Nachreaktion des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Abtrennung des überschüssigen Aminoalkohols der Formel (III) mittels Destillation, wobei das Reaktionsgemisch in ständiger Bewegung gehalten wird.

So wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Aufarbeitung des Reaktionsgemisches des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst 40 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt 55 bis 65 Gew.-% des Überschusses an Aminoalkohol der Formel (III) bei einem reduzierten Druck, besonders bevorzugt bei einem Druck von 75 bis 400 mbar und ganz besonders bevorzugt bei 100 bis 300 mbar, destillativ entfernt.

Das auf diese Weise erhaltene Rohprodukt wird in einem anschließenden Verfahrensschritt vorzugsweise von dem verbliebenen Restgehalt an Aminoalkohol der 200900241

Formel (III) befreit. Dies geschieht bevorzugt durch eine starke Verwirbelung des Rohprodukts bei gleichzeitiger Wärmezufuhr in einem Trockner. Durch diese starke Verwirbelung wird ein Verkleben des Zielprodukts - die Heterocyclen der Formel (I) - vermieden.

Die Wärmezufuhr kann entweder durch beheizte Wände des Trockners oder durch einen erhitzten Gasstrom, z. B. enthaltend Stickstoff oder ein Inertgas, erfolgen.

Die Verwirbelung des Rohprodukts kann durch Mischwerkzeuge, wie beispielsweise Wellen, Rotoren oder Schaufeln, erfolgen, wodurch das Rohprodukt sowohl in den Trockner eingetragen als auch befördert werden kann. Eine weitere Möglichkeit die Verwirbelung des Rohprodukts zu erzielen, ist das Rohprodukt gemeinsam mit dem erhitzen Gasstrom unter Druck in den Trockner einzuleiten, wie dies beispielsweise bei einem Sprühtrockner geschieht.

Insbesondere eignen sich für diesen Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens Trockner, wie beispielsweise Dünnschichttrockner, Schaufeltrockner oder Sprühtrockner, da sie in der Lage sind das Rohprodukt in ständiger Bewegung zu halten.

Auf diese Weise kann eine Verkrustung der Heizfläche, wie sie beispielsweise in Dünnschichttrocknern und Schaufeltrocknern eingesetzt wird, vermieden werden. Ferner ist durch die Verwirbelung ein besserer Wärmeübergang gewährleistet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Schaufeltrockner eingesetzt, der unter Vakuum arbeitet. Dies hat den Vorteil, dass der Aminoalkohol der Formel (III) relativ einfach wieder gewonnen und einer weiteren Umsetzung zugeführt werden kann. 200900241

Das erfindungsgemäße Verfahren hat somit den Vorteil gegenüber den Verfahren des Stands der Technik, dass in dem gesamten Verfahren - mit Ausnahme der Wäsche und der optionalen Umkristallisation der Heterocyclen - kein zusätzliches Lösemittel eingesetzt wird. Der abgetrennte Aminoalkohol der Formel (III) kann somit ohne weitere Aufarbeitung zurückgeführt werden, vorzugsweise als Reaktant einer weiteren Umsetzung zu Heterocyclen der Formel (III).

Die nach dem Abtrennen des Aminoalkohls erhaltenenen Kristalle der Heterocyclen der Formel (I) werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise mit einem Alkohol mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, bevorzugt Methanol, Ethanol oder iso-Propanol, besonders bevorzugt Methanol, mehrmals gewaschen und unter Vakuum, bevorzugt bei einem Druck von 10 bis 25 mbar und einer Temperatur von 80 ⁰ C bis 100 ⁰ C für 3 bis 5 Stunden getrocknet. Der Alkohol, der für die alkoholische Wäsche eingesetzt wird, weist vorzugsweise eine Temperatur von 30 bis 80 ⁰ C, bevorzugt von 40 bis 60 ⁰ C auf. Mittels dieser alkoholischen Wäsche kann auch der bevorzugt eingesetzte Katalysator - das Zink-2-ethylhexanoat entfernt werden. Überraschenderweise konnte beobachtet werden, dass die Kristalle der Heterocyclen so gut wie keine Einlagerungen des eingesetzten Katalysators aufweisen, so dass der Katalysator durch eine alkoholische Wäsche sich leicht entfernen lässt.

Die nach der alkoholischen Wäsche erhaltenen Heterocyclen der Formel (I) können je nach Bedarf umkristallisiert werden. Als Lösemittel für die Umkristallisation eignen sich vor allem Alkohole, wie beispielsweise iso-Propanol. Durch diese anschließende Umkristallisation können evtl. noch vorhandene Spuren an Katalysator und/oder Nebenprodukten entfernt werden. In der Regel kann auf eine Umkristallisation verzichtet werden.

Die nachfolgenden Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern, ohne dass die Erfindung auf diese Ausführungsform beschränkt sein soll. 200900241

Beispiel:

Die Reaktion wird in einem 2 Liter-4-Halsrührkolben mit Innenthermometer, Flügelrührer mit Rührhülse und Rührmotor, Beheizung mittels Ölbad, Wasserauskreiser, Rückflusskühler und einer Abgasleitung mit einem Blasenzähler zur Überwachung des frei werden Ammoniaks durchgeführt. Hierfür werden 600,0 g 3-Amino-1 -propanol (7,9 mol) und 5,0 g Zink-2-ethlyhexanoat (0,01 mol) im Reaktionsgefäß vorgelegt und unter Rühren auf eine Temperatur von ca. 140 ⁰ C eingestellt. Kontinuierlich werden 128,0 g Terephthalsäuredinitril (1 ,0 mol) in 2,5 Stunden zu der Reaktionslösung in den Reaktor gegeben. Nach Ende der Terephthalsäuredinitril-Zugabe wird 3,5 Stunden bei 140 ⁰ C nachgerührt. Im Reaktor liegt eine Lösung vor. Der Reaktionsverlauf wird sowohl über die Abgasbildung als auch über die GC-Analytik bestimmt. Am Ende der Nachreaktionszeit entsteht nur noch minimal Abgas. Die Reaktion wird bis zu einem Umsatz von > 99 % Richtung Zielprodukt durchgeführt.

Nach Beendigung der Reaktion wird der Reaktorinhalt in einem Rotationsverdampfer überführt und das überschüssige 3-Amino-1 -propanol bei einer Temperatur von 150 ⁰ C einem reduzierten Druck von 100 bis 10 mbar destillativ nahezu vollständig entfernt. Das so getrocknete Zielprodukt wird auf eine Nutsche überführt und dreimal mit Methanol aufgeschlämmt und trocken gesaugt.

Die feuchten Kristalle werden in einem Vakuumtrockenschrank bei 25 bis 10 mbar und 80 bis 100 ⁰ C 4 Stunden lang getrocknet. Man erhält das Produkt als reinweiße, rieselfähige Kristalle (GC- und NMR- Reinheit: > 99 %; Schmelzbereich: 216 bis 220 ⁰ C). Die Ausbeute dem Heterocyclus gemäß Formel (I) beträgt 78%.

Vergleichsbeispiel:

Die Reaktion wird in einem 2 Liter-4-Halsrührkolben mit Innenthermometer, Flügelrührer mit Rührhülse und Rührmotor, Beheizung mittels Ölbad, Wasserauskreiser, Rückflusskühler und einer Abgasleitung mit einem Blasenzähler zur Überwachung des frei werden Ammoniaks durchgeführt. Hierfür werden 600,0 g 3-Amino-1 -propanol (7,9 200900241

mol) und 5,0 g Zink-2-ethlyhexanoat (0,01 mol) im Reaktionsgefäß vorgelegt und unter Rühren auf eine Temperatur von ca. 140 ⁰ C eingestellt. Kontinuierlich werden 128,0 g Terephthalsäuredinitril (1 ,0 mol) in 2,5 Stunden zu der Reaktionslösung in den Reaktor gegeben. Nach Ende der Terephthalsäuredinitril-Zugabe wird 3,5 Stunden bei 140 ⁰ C nachgerührt. Im Reaktor liegt eine Lösung vor. Der Reaktionsverlauf wird sowohl über die Abgasbildung als auch über die GC-Analytik bestimmt. Am Ende der Nachreaktionszeit entsteht nur noch minimal Abgas. Die Reaktion wird bis zu einem Umsatz von > 99 % Richtung Zielprodukt durchgeführt.

Aufarbeitung ohne weitere Zwischenschritte:

Das Reaktionsgemisch wird unter Rühren und einer Stickstoffatmosphäre auf 20 ⁰ C abgekühlt. Das Zielprodukt - der Heterocyclus - fällt sehr feinverteilt aus. Die Filtration dauert ca. 16 Stunden. Auch nach der anschließenden Wäsche mit Methanol ist die Filtherbarkeit des Zielproduktes extrem schlecht.