185026. lajstromszámú szabadalom • Eljárás 1,2,4-triazol előállítására
1 185 026 2 Találmányunk tárgya új eljárás 1,2,4-triazol előállítására hidrazin, hangyasav, valamint formamid és/vagy ammónia reakciójával. Az 1,2,4-triazolt főleg a növényvédőszer- és gyógyszeripar használja. Az 1,2,4-triazol előállítására több eljárás ismert. Ezek közül a találmányunkhoz legközelebb eső eljárásokat ismertetjük. A 61 617 sz. luxemburgi szabadalmi leírás szerint 1 mól hidrazin és 3 mól formamid reakciójával, 90- 260 °C-os hőfoktartományban az (1) és (2) egyenlet szerint állítható elő 1,2,4-triazol. Az eljárás hátránya a nagy formamid igény, ugyanakkor a formamid ammóníatartalmának nagy része hulladékként veszendőbe megy és emiatt az eljárás ipari megvalósítása nem gazdaságos. Ugyancsak e két reaktánsból és ammóniából kiinduló eljárást ismertet a 2 802 491 sz. német szövetségi köztársaságbeli szabadalmi leírás, mely szerint 100-250 °C-on, előnyösen 110—220 °C-on végzik a reakciót 3 vagy 4 tagú sorbakapcsolt berendezésben, miközben a gázokat, gőzöket különböző hőfokon kondenzáltatják és a kondenzátumokat, valamint gázokat, gőzöket egyik, vagy másik reaktorba visszavezetik. Ez az eljárás 3 mól formamíd helyett (3-n) mól formamidot használ, ahol 0,3 < n< 1 vagyis a formamidot részben ammóniával pótolja (3. egyenlet). Az eljárás a többtagú kaszkád-rendszer egyensúlyának biztosítása, a gáz és gőz alakú termékek különböző hőfokra való hűtése és a kondenzátumok, valamint a gázok eloszlása miatt bonyolult, ugyanakkor a formamid felhasználás csökkentése nem jelentős. A triazol-gyűrűhöz diformil-hidrazinon keresztül is el lehet jutni (Ainsworth, C. és Jones, R. B.: J. Am. Chem. Soc. 1955. 77. 621—24.). Hangyasavból és hidrazinból a (4) egyenlet szerint 100 °C-on 12 órai melegítéssel mindössze 60 %-os hozammal állítottak elő diformil-hidrazint. A diformil-hidrazin kinyerhető hidrazinból és formamidból is 100 °C-on 2 óra alatt, a hozam azonban így is csak 80 %. (1. reakció). A diformil-hidrazin 1,2,4-triazollá való gyűrűzárását ammóniával (5) egyenlet szerint végezték, mégpedig cseppfolyós ammóniával, nyomás alatt 200 °C-on 24 óráig tartó melegítéssel, 70-80 % hozammal képződik 1,2,4-triazol. Az összhozam hidmzima számítva mindkét esetben 60 % alatt marad. Az eljárás nehézkes, bonyolult és gazdaságtalan. A diíormil-hidrazinból triazol előállítására formamíd, vagy ammónia, illetve formamid és ammónia használatos. (2) és (3) reakciók. A fő reakciók mellett azonban számos mellékreakció (6), (7) és (8) is végbemehet. [Étienne, A.: Traité de chimie organique-ban (Grignara, v. et. al. eds.) Vol 21 p898 Masson, Paris 1953; Hetzheim, A. és Möckel, K.: Adván. Heterocyclic Chem. 7 183-224 (1966). Schwab, G. M.: Z. anorg. alig. Chem. 262 41-8 (1950)]. Találmányunk célja olyan eljárás, amellyel az ismerteknél egyszerűbben és olcsóbban állítható elő 1,2,4-triazol és amelyben egyik reaktánsként a hangyasav mindig jelen van. Vizsgálva a hidrazin,-a hangyasav és a formamid vagy ammónia reakcióját, arra a meglepő felismerésre jutottunk, hogy 140-220 °C közötti hőmérséklettartományban a hangyasav hidrazinnal képezett sója, tehát a hidrazin-formiát, formamiddal és/vagy ammóniával, illetve maga a hidrazin is hangyasavval és formamiddal vagy ammóniával vagy ezek elegyével gyűrűzárás közben reagál. Ez a meglepő felismerés ezideig nem volt ismeretes és nem is volt várható. A hidrazin, a hangyasav, valamint formamid és/vagy ammónia reakciója nagy sebességgel és igen jó hozammal vezet az 1,2,4-triazol képződéséhez anélkül, hogy a (6) és (7) mellékreakciók révén 4-amino- 1,2,4-triazol, illetve 1,3,4-oxadiazol szennyeződések képződnének. A folyamatot a (9) bruttó reakcióegyenlet írja le. A hidrazin, a hangyasav, valamint formamid és/vagy ammónia gyors és teljes reakcióját úgy lehet elérni, hogy kb. 180 C-on reagáltatjuk a hidrazint hangyasav és formamid vagy formamid és ammónia elegyével, vagy pedig a hidrazint és a hangyasavat formamiddal vagy ammóniával vagy azok hangyasavas elegyével. A végrehajtás során előnyös, ha a reakcióelegy ammóniával telített. Ez történhet ammóniagáznak a reakcióelegy be történő bevezetésével vagy oly módon is, hogy a hidrazin vagy hidrazin-formiát vizes, formamidos vagy vizes formamidos oldatát ammóniagázzal telítjük, vagy ammóniaoldattal elegyítjük. Az ammóniával csökkenthető vagy teljesen helyettesíthető a reakcióban elhasználódó formamid mennyisége. Az 1,2,4-triazol képződése ilyen körülmények között olyan gyors, hogy az adagolás ütemét a hőátadás sebessége szabja meg, A lényeg az, hogy a reakcióelegy hőmérséklete ne süllyedjen 140 °C alá és ne emelkedjen 210 °C fölé, mert az előbbi esetben lelassul a reakció, az utóbbi esetben pedig jelentőssé válik a desztillációs veszteség. A hidrazin-formiátnak vagy a hidrazinnak formamidba vagy hangyasav és ammónia elegyébe történő betáplálásának befejezése után az elegyet még 10 percen át 180 °C-on tartjuk, majd lehűtjük, amikor is a képződött 1,2,4-triazol az alkalmazott reaktánsok összetételétől és arányától függően nagyrészt kikristályosodik, vagy a reakcióelegy megdermed, A hozam bármely kivitelnél 95 %. A reakció lefolytatásánál a hidrazin:hangyasav mólaránya l:max. 3, az alkalmazott formamid és/vagy ammónia 1 mól hidrazinra vonatkoztatott mennyisége 1 -2 mól. A reakció alatt gondoskodni kell arról, hogy a távozó vízgőz kondenzálás után ne juthasson vissza a rendszerbe A reakció terméke tiszta, színtelen, homogén folyadék, amelyből lehűléskor a fehér kristályos anyagként válik ki a képződött 1,2,4-triazol, vagy az egész fehér kristályos tömeggé dermed. Az 1,2,4-triazol képződési reakciójának időtartama a hőmérséklettől és a reaktánsok összetételétől és mólarányától függően 5-60 perc. A reakció hőmérséklet 140- 220 cC közötti, előnyösen 180 °C. A reakció végrehajtásának egyik lehetséges módja, hogy hangyasav mellett a formamidot alkalmazzuk feleslegben. Ebben az esetben a formamid szerepe kettős, egyrészt az oldószer és adott esetben fokozza az ammónia oldékonyságát, másrészt biztosítja azt, hogy az adagolásnál kis mennyiségű hidrazin vagy hidrazin-formiát mindnig nagyfeleslegű formamiddal érintkezhessen. Ebben az esetben kb. 6 tömeg% mennyiséget kitevő 1,2,4-triazol a formamid feleslegben oldva marad a kristályos termék kiszűrése után. A szűrletet ismételt visszavezetéssel hasznosítják. A reakció során a vízzel átdesztilláló formamid visszanyerése történhet a reakció-edényhez kapcsolt desztilláló oszloppal a reakcióval egyidőben, vagy összegyűjtés után 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
