Projekt 12439/01

Entwicklung einer chlorfreien Synthese von Paraphenetedin (PPTN)

Projektdurchführung

L. Brüggemann KGSprit- und Chemische Fabriken
Salzstr. 123 - 131
74076 Heilbronn

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Derzeit wird Paraphenetidin nach dem Stand der Technik über chlororganische Verbindungen hergestellt. Insbesondere das Zwischenprodukt Chloranilin ist extrem toxisch. Über die unterschiedlichsten Produkte gelangt Paraphenetidin global in die Umwelt und über die Nahrungsmittelkette in den Menschen.
Zur Minimierung der Umweltbelastung und zur Erhöhung der Arbeitssicherheit durch Vermeidung chlorhaltiger Produkte soll eine chlorfreie Synthese von Paraphenetidin entwickelt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Labor wurde eine Grundlagenentwicklung durchgeführt. Nacheinander wurden entsprechend einer Versuchsmatrix die reaktionsbestimmenden Parameter auf ihren Einfluss geprüft.
Optimiert wurden folgende Parameter: Einfluss der Wassermenge, Temperatur, pH-Wert, Zugabereihenfolge der Rohstoffe, Einsatz von Katalysatoren sowie die Beschaffenheit des Zinkstaubes hinsichtlich Korngrößenverteilung und Bleidotierung.
Weiterhin wurde in mannigfaltigen analytischen Versuchen eine gaschromatographische Methode zur quantitativen Bestimmung der Ziel- und Nebenprodukte entwickelt.


Ergebnisse und Diskussion

Ursprünglich war geplant, die Reduktion mit Zinkstaub und die Umlagerung nach Bamberger in einer Eintopfreaktion mit Wasser/Ethanol als Lösung- und Reaktionsmedium durchzuführen.
Bei der Optimierung der Wassermenge wurde herausgefunden, dass mit steigender Wassermenge die Reduktion weniger heftig, dafür jedoch zielgerichteter zum N-Phenylhydroxylamin verläuft. Insgesamt war die Reaktion im Ethanol/Wasser-Gemisch jedoch nicht selektiv genug.
Daher wurde die Reaktion nur noch in Wasser als Lösemittel durchgeführt und in Reduktion und Umlagerung aufgeteilt. Das in der Reduktion erzeugte Zwischenprodukt N-Phenylhydroxylamin wurde nach der Abtrennung des Zinkhydroxidniederschlages aus der wässrigen Phase mittels organischer Lösungsmittel extrahiert. Nun wurde mit Ethanol versetzt und nach Zusatz von Säure in der Wärme umgelagert. Die so entwickelte zweistufige Modellreaktion erlaubte es, die reaktionsbestimmenden Parameter zu bewerten.
Nach der Optimierung des Lösungsmittels wurden zunächst verschiedene Katalysatoren getestet. Zum Einsatz kamen die organischen Säuren Ameisensäure, Essigsäure und Oxalsäure, die anorganische Säure Schwefelsäure sowie die sauren Salze Ammoniumchlorid und Ammoniumsulfat.
Da die analytische Bestimmung des N-Phenylhydroxylamin auf direktem Weg nicht möglich war, konnten die Ansätze immer erst nach der Umlagerungsreaktion untersucht werden.
Es zeigte sich, dass beim Einsatz der Säuren die Reduktion über die Stufe des N-Phenylhydroxylamins hinausgeht, es wurde verhältnismäßig viel Anilin gebildet. An Umlagerungsprodukten werden neben dem Zielprodukt Paraphenetidin außerdem das Orthophenetidin sowie 2 - und 4- Aminophenol gebildet. Von den getesteten Säuren wurde das beste Ergebnis mit Essigsäure erzielt. Die besten Ausbeuten an Umlagerungsprodukten und somit auch an Paraphenetidin wurden beim Einsatz der sauren Salze als Katalysator erreicht. Im Vergleich zwischen Ammoniumchlorid und Ammoniumsulfat erwies sich das Sulfat als der bessere Katalysator.
Generell verbleibt jedoch ein Anteil von ca. 22 % Nitrobenzol unumgesetzt im Reaktionsgemisch, auch beim Einsatz des besten Katalysators.
Bei der Untersuchung des Einflusses der Temperatur zeigte sich, dass im wässrigen System ohne Kühlung vermehrt Anilin gebildet wurde, obwohl eine vollständige Umsetzung des Nitrobenzols nicht stattfindet. Dies deutet darauf hin, dass zur Bildung von N-Phenylhydroxylamin wesentlich weniger Aktivierungsenergie als zur Bildung von Anilin erforderlich ist.
Weiterhin wurde untersucht wie die physikalischen Eigenschaften des Zinkstaubes, die Korngröße und die Bleidotierung die Ausbeute der Reaktion beeinflussen. Der Einfluss der Korngröße des Zinkstaubes war verhältnismäßig gering. Insgesamt führte der Einsatz von sehr feinen Zinkstäuben im Vergleich zu gröberen Zinkstäuben zu geringeren Ausbeuten.
Wurde bleidotierter Zinkstaub verwendet, erhöhten sich sowohl die Ausbeute als auch die Selektivität. Mit zunehmender Bleimenge sank die Menge an gebildetem Anilin, während die Menge an Umlagerungsprodukten zunahm. Das Optimum der Dotierung wurde bei 1200 ppm ermittelt. Durch den Zusatz von Blei wird scheinbar die Wasserstoffüberspannung am Zink verringert, wodurch es zu einer kontrollierteren Reaktion kommt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es ist geplant, die Ergebnisse einem interessierten Fachpublikum vorzustellen. Außerdem wurden bereits Kontakte zu anderen Firmen geknüpft, um die Modellreaktion auf andere Derivate auszudehnen.


Fazit

Für eine wirtschaftliche Synthese von Paraphenetidin mit der entwickelten zweistufigen Reaktion ist die Selektivität beider Reaktionsstufen zu niedrig.
Jedoch besitzt die Zweistufensynthese mit der Isolierung von N-Phenylyhydroxylamin eindeutigen Modellcharakter, da verschiedenste Nukleophile zu Anilinderivaten umgelagert werden können. Interessant ist diese Reaktion für hochpreisige Derivate.