vergleichende untersuchungen zur basizität und alkylierbarkeit tertiärer (diisopropylmethyl)amine

JUSTUS LIEBIGS

ANNALEN DER CHEMIE 1974, HEFT 10

Vergleichende Untersuchungen zur Basizitat und Alkylierbarkeit t er tiarer (Diisoprop ylme t hy1)amine

Claus-Dieter Mengler * )

Forschungslaboratorien der Chemischen Werke Hiils AG, 4370 Marl

Eingegangen am 2. November 1973

(Diisopropylmethy1)amin (1) 1aBt sich nach Leuckart-Wallach zu stark alkylverzweigten tertiaren Aminen umsetzen. Zur Einfiihrung zweier unterschiedlicher Alkylsubstituenten wurde von den Hydrierungsprodukten Schiffscher Basen ausgegangen. Die so hergestellten Amine 2-4 und 9-13 erwiesen sich auBer 2 und 9 als mit Athyljodid schwerer quaternierbar als die Hunig-Basen (Methyl)- und (Athy1)-(dicyclohexyl)amin, erreichten aber nicht deren hohe Basizitat.

Comparative Studies on Tertiary @iisopropylmethyl)amines, their Base Strengths and their Reactivity towards Alkylating Agents

The Leuckart-Wallach reaction of (diisopropylmethy1)amine (1) leads to highly branched tertiary amines. The introduction of two different alkyl substituents into 1 requires isolation of the respective Schiff base which is hydrogenated and then subjected to the Leuckart- Wallach reaction. With the exception of 2 and 9 the synthesized amines 2-4 and 9-13 were found to be more resistant to alkylation by alkyl iodide than the Hiinig bases (methyl)- and (ethyl)-(dicyclohexyl)amines, although the latter compounds proved to be more strongly basic.

Darstellung der N,N-@ialkyl)-(diisopropylmethy1)amine

(Diisopropylmethy1)amin (1) ist aus Isobutyraldehyd uber Diisopropylketonl) und dessen aminierende Hydrierung bequem zuganglich. Die sperrige, a-verzweigte Struktur seiner Alkylgruppe legte es nahe, in Anlehnung an Arbeiten von Hiinig2.3) durch Einfiihrung weiterer unverzweigter und verzweigter Substituenten sterisch

*) Herrn Prof. Dr. H. Hellmann zum 60. Geburtstag gewidmet. 1) C.-D. Mengler, Chemiker-Ztg. 95, 309 (1971). 2) S. Hinig und M. Kiessel, J. Prakt. Chem. 4, 224 (1958). 3) S. Hunig und M . Kiessel, Chem. Ber. 91, 380 (1958).

Liebigs Ann. Chem. 1974, 1543 - 1549 102

1544 C.-D. Mengler 1974

gehinderte, moglichst basische tertiare Amine zu synthetisieren, die als schwer alky- lierbare Hilfsbasen beispielsweise in Alkylierungs- und Dehydrohalogenierungs- reaktionen einsetzbar sind4.5).

Fruhere Arbeiten einer Reihe von Autoren4.6-9) lieBen erwarten, da13 im Fall des (Diisopropylmethy1)amins (1) die Einfuhrung a-verzweigter Substituenten zu Aminen hoher Basizitat fuhren wurde.

Aus 1 wurde auBer der durch zwei Methylgruppen substituierten Verbindung 2 eine Reihe von Substanzen synthetisiert, die neben einer Methylgruppe einen n-Alkyl- substituenten sowie a- und P-verzweigte Alkylsubstituenten tragen. Weiterhin fuhrte man, soweit moglich, zwei derartige verzweigte Substituenten ein.

Zur Einfuhrung zweier gleicher Substituenten in 1 wahlte man die Alkylierung nach Leuckart-Wallach. In dieser Weise wurden 2 und 3 dargestellt.

1 2 : R = H 3: R 2 CH(CH3h

Wahrend die Umsetzung von 1 rnit 30 proz. Formalinlosung und Ameisensaure nach der ublichen Vorschrift problemlos rnit guten Ausbeuten ablief, erforderte die Ein- fuhrung des Isobutylrests durch Isobutyraldehyd und Ameisensaure die sorgfaltige Einhaltung der im experimentellen Teil angegebenen Reaktionsbedingungen. Unter- IaBt man das azeotrope Ausschleppen des gebildeten Wassers, so bleiben die Ausbeu- ten an 3 unterhalb 40 %. Eine Erhohung der Anieisensaurekonzentration durch zu schnelles Zutropfen fuhrte zur Bildung von bis zu 30 % des Formamids von 1, das auch durch Rektifikation nicht vollstandig vom Amin 3 abzutrennen war.

Die Einfuhrung von zwei lsopropylgruppen durch Aceton und von zwei Cyclo- hexylgruppen durch Cyclohexanon nach der Leuckart-Wallach-Reaktion in das Amin 1 gelang nicht. Auch die Umsetzung von 1 rnit n-Butyraldehyd in dieser Weise fuhrte nicht zum gewunschten Erfolg. Man erhielt ein uneinheitliches, schwer trennbares Gemisch nicht naher identifizierter Verbindungen.

Die Darstellung des N,N-(Dibuty1)-(diisopropylmethy1)amins (4) sowie der Amine 5’-8’ mit unterschiedlichen Substituenten gelang auf folgendem Weg: Das Amin 1 wurde zunachst rnit Aldehyden oder Ketonen zu den Schiffschen Basen 5-8 umgesetzt, die nach katalytischer Hydrierung die entsprechenden sekundaren Amine 5’--8’ lieferten. Aus diesen konnten dann durch Umsetzung rnit Butyraldehyd oder Formalde- hyd und Ameisensaure die Amine 4 und 9 -12 dargestellt werden. Die Reindarstellung von 4 erforderte eine besonders sorgfaltige fraktionierende Destillation.

4) H. C. Brown, J. Chem. SOC. 1956, 1248. 5 ) G. Opitz, H. Mildenberger und H. Suhr, Liebigs Ann. Chem. 649, 47 (1961). 6 ) G. Girault-Vexlearschi, Bull. SOC. Chim. Fr. 23, 589 (1956). 7) J. Clark und D . D . Perrin, Quart. Rev. (London) 18, 295 (1964). 8) G. Briegleb, 2. Elektrochem., Ber. Bunsenges. Physik. Chem. 53, 350 (1949). 9) H. K. Hall Jr., J. Amer. Chem. SOC. 79, 5441, 5444 (1957).

1974 Basizitat und Alkylierbarkeit tertiarer (Diisopropylmethy1)amine 1545

H.C CH. H X CH7 7 - \ A " rz1

CH / --=-\ /----

HC-N R1 ' -'CHO, + HCOOH ~

5 - 8 4 . 9-12

Das Amin 13 wurde, abweichend von den ubrigen, durch Alkylierung von 8' mit Diathylsulfat dargestellt.

Die Bildung eines N-Butyl-N-isopropyl- oder N-Butyl-N-cyclohexyl-substituierten (Diisopropylmethy1)amins durch Einfuhrung der dritten Alkylgruppe in das entspre- chende sekundare Amin mit Hilfe der Leuckart-Wallach-Reaktion war nicht nioglich. Desgleichen gelang es erwartungsgemal3 nicht, ein N,N-(Diisopropy1)-(diisopropyl- methy1)amin darzustellen.

Basizitat und Alkylierbarkeit der N,N-(Dialky1)-(diisopropylmethy1)amine Die Basizitaten der dargestellten Amine 2-4 und 9-13 wurden als pK,-Werte in

Glykolmonomethylather gemessen. Man bediente sich dazu der von Hunig und Kiessel2) beschriebenen Titration mit 0.1 N Perchlorsaure bei 25°C. Tabelle 1 zeigt die nicht korrigierten Werte.

Zur Abschatzung der Alkylierbarkeit zu Tetraalkylammoniumverbindungen ver- folgte man den Umsatz mit Athyljodid in Tetrahydrofuran bei 25°C. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 niedergelegt.

102'

1546 C.-D. Merigler 1974

Tabelle 1. pKa-Werte in Glykolmonomethylather und Umsatz mit khyljodid in Tetrahydro- furan der Amine jeweils bei 25°C

% Umsatz rnit hhyljodid nach Amin PKa Start 1400 5500 10000

min min min

2 6.6 0.03 0.80 2.30 3.50 3 2.9 0.04 0.07 0.08 0.12 4 4.8 0.04 0.10 0.18 0.34 9 5.9 0.03 0.10 0.55 1.10

10 4.7 0.03 0.08 0.19 0.22 11 5.8 0.03 0.12 0.29 0.44 12 5.8 0.04 0.12 0.41 0.48 13 5.2 0.04 0.09 0.24 0.46

(Dicyclohexy1)-(methy1)amin 8.0 0.04 0.42 1.32 2.30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(Athy1)-(dicyclohexy1)amin 7.7 0.04 0.15 0.64 1 .oo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5' 6.1 6' 6.2 7' 6.9 8' 6.7

Als Vergleichssubstanzen wurden jeweils die von Hunig 2.3) beschriebenen Verbin- dungen (Dicyclohexy1)-(methy1)amin und (Athy1)-(dicyclohexy1)amin untersucht. AuDerdem wurden die pK,-Werte der sekundaren Amine 5'--8' gemessen. Ein Ver- gleich der Basizitaten IaBt - besonders deutlich in einer graphischen Darstellung (Abbildung 1) - folgendes erkennen: Ausgehend von 2 nehmen die pK,-Werte der tertiaren Amine mit zunehmender Substitution durch hohere Alkylgruppen ab. Besonders ausgepriigt ist dieser Effekt envartungsgemaiI3 in der Isobutylreihe. Jedoch

7

P l a

6

5

L

3

2 Me2 MeAlk Alkz Me2 MeAlh A l k z

m/ Substitution lL230/73.2/ Substitution

Abbildung 1 (links) und 2 (rechts). Basizitat (Abb. 1) und Quaternierbarkeit (Abb. 2) der N,N-(Dialky1)-(diisopropylmethy1)amine mit zunehmender Substitution durch hohere Alkyl-

gruppen (Alk) x : Butylreihe, o : Isopropyl- und Cyclohexylreihe, A : Isobutylreihe; A: (Dicyclohexy1)-

(methy1)amin (Vergleichssubstanz), B: (Athy1)-(dicyc1ohexyl)amin (Vergleichssubstanz).


liegen auch die pKa-Werte der Amine 11 und 12 trotz der zusatzlichen a-Verzweigung erheblich tiefer als der von 2. Selbst die Basizitat von 9 wird von ihnen nicht ganz erreicht. Der Effekt der khylgruppe in 13 liegt in der graphischen Darstellung etwa in der Mitte zwischen dem der Methylgruppe und dem einer aus sterischen Griinden nicht mehr einfiihrbaren weiteren Cyclohexylgruppe.

Die pK-Werte der sekundaren Amine 5'-8' liegen in der GroBenordnung desjenigen voq 2. Auch hier ist die Isobutylverbindung 6' deutlich die schwachste Base.

Alle Verbindungen erreichen bei weitem nicht die Basizitaten der von Hiinig2.3)

beschriebenen (Methyl)- und (Athyl)-(dicyclohexy1)amine (pK-,Werte in Tabelle 1) 10).

Der Vergleich der Alkylierungsgeschwindigkeiten (Abbildung 2) zeigt envartungs- gemaB2), daB die Verbindungen der Isobutylreihe am schlechtesten, diejenigen der n-Butylreihe am besten quaterniert werden. Kein wesentlicher Unterschied lieR sich zwischen den Verbindungen 11, 12 und 13 feststellen. Das Amin 2 wurde schneller quaterniert als die Hiinig-Basen ; die iibrigen untersuchten Amine rnit Ausnahme von 9 reagierten langsamer.

Zusammenfassend IaBt sich sagen, daB die untersuchten Amine den Hiinig-Basen als schwer quaternierbare Basen zumeist iiberlegen sind, jedoch bei weitem nicht deren hohen Basizitaten erreichen. Dies gilt besonders fur das technisch leicht zu- gangliche Amin 3.

Die experimentellen Arbeiten zu dieser Untersuchung wurden von Herrn K. Buscher im Rahmen einer Ingenieur-Studienarbeit durchgefiihrt. Fur die Ausfiihrung von Analysen danke ich den Herren Dr. P.-J. Frenzel, Dr. D. Krockenberger, Ing. G. Peitscher, Dr. L. Rohr- schneider, Dr. G . Schreier und Dr. R. Wickbold.

Experimenteller Teil Die Destillation der Produkte erfolgte, wenn nicht anders angegeben, iiber eine Kolonne

(60 X 3 cm) rnit Helipac-Fiillkorpern; Riicklaufverhaltnis 5: 1 bis 2: 1. N-(Diisopropylmethy1)dimethylamin (2). - 115 g (1 mol) 1 wurden bei 5--10°C innerhalb

4 h zu 230 g (5 mol) Ameisensaure getropft. Dann erwarmte man auf 5OoC, tropfte wahrend 3 h 500 g (5 mol) 30proz. Formalinlosung zu und erhohte dabei die Temp. so, daB der Ansatz unter RiickfluB kochte. Nach dem Zutropfen kochte man noch weitere 5 h und trug das Gemisch nach dem Abkiihlen in 500 ml foproz. Natronlauge ein. Die organische Phase wurde iiber KOH getrocknet und i. Vak. iiber eine kurze Fiillkorperkolonne destilliert. Man erhielt 122 g (85%) 2 vom Sdp. 50°C/23 Torr, n&O = 1.4280; Reinheit (GC) 99.2%.

CgH21N (143.5) Ber. C 75.44 H 14.77 N 9.78 Gef. C 75.40 H 14.84 N 9.85 Titration: N 9.61

N,N-(Diisobuty1)-(diisopropy1methyl)arnin (3). - 1035 g (9 mol) 1 wurden rnit 1.5 Liter Benzol und anschlieRend unter Kiihlung bei 30-40°C rnit 1728 g (24 mol) Isobutyraldehyd gemischt. Dann wurde unter RiickfluR erwarmt und unter gleichzeitigem azeotropem Aus- schleppen von Wasser sowie Ruckfiihrung der organischen Phase wahrend 15 h tropfenweise rnit 880 g (19 mol) Ameisensaure versetzt. AnschlieRend kochte man bis sich kein Wasser mehr abtrennen lieB (15-20 h). Nach dem Abkiihlen wurde rnit 1 Liter 30proz. Natronlauge gewaschen, uber KOH getrocknet und in einer I-m-Fiillkorperkolonne (Riicklaufverhaltnis =

10) Die Abweichung des fur (Dicyclohexy1)-(methy1)am.n gefundenen pKa-Wertes von dem in Lit.2) erniedrigt sich bei Beriicksichtigung einer Temperaturkorrektur nach D. D. Perrin, Aust. J. Chem. 17, 484 (1964), auf ca. 0.08 Einheiten.

1548 C.-D. Mengler 1974

10: 1) i. Vak. destilliert. Man erhielt 1744 g (84%) 3 vom Sdp. 124S0C/2O Torr, n'," = 1.4480; Reinheit (GC) 98.3 %.

C15H33N (227.4) Ber. C 79.21 H 14.63 N 6.16 Gef. C 78.98 H 14.75 N 6.27 Titration: N 6.18

N-(Butyliden)-(diisopropylmethy1)amin (5). - Zu 334 g (2.9 mol) 1 wurden unter Riihren und Kiihlung auf 5-10°C innerhalb von 3 h 210 g (2.9 mol) Butyraldehyd getropft. An- schlieoend setzte man 56 g (1 mol) KOH-Schuppen zu und hielt iiber Nacht bei 0-5°C. Dann wurde filtriert und i. Vak. destilliert. Nach einem wasserhaltigen Vorlauf erhielt man 339 g (68 %) 5 vom Sdp. 81 T / 2 0 Torr, n'," = 1.4308; Reinheit (GC) 99.8 %.

CllH23N (169.3) Ber. C 78.03 H 13.69 N 8.27 Gef. C 77.61 H 13.90 N 8.36 N-(Diisopropy1methyl)isobutylidenamin (6). - Analog 5 erhielt man bei der Umsetzung

von 345 g (3 mol) 1 mit 216 g (3 mol) Isobutyraldehyd 361 g (76 %) 6 vom Sdp. 71 "C/20 Torr, nko = 1.4244; Reinheit (GC) 99.4%.

CllH23N (169.3) Ber. C 78.03 H 13.69 N 8.27 Gef. C 77.95 H 13.95 N 8.18

N-(Diisopropylmethy1)-isopropylidenamin (7). - Zu einer Mischung von 460 g (4 mol) 1, 400 ml Benzol und 5 g p-Toluolsulfonsaure wurden innerhalb von 4 h unter azeotropem Ausschleppen von Wasser bei Siedetemp. 232 g (4 mol) Aceton getropft. Dann wurde weitere 5 h unter Wasserausschleppen gekocht, anschlieRend abgekuhlt, iiber KOH getrocknet, filtriert und i. Vak. destilliert. Man erhielt 324 g (52%) 7 vom Sdp. 106"C/80 Torr, n$O =

1.4319; Reinheit (GC) 99.6%.

ClOHZIN (155.3) Ber. C 77.35 H 13.63 N9.02 Gef. C77.18 H 13.91 N9.08

N-(Cyclohexy1iden)-(diisopropylmethyl)amin (8). - Analog 7 erhielt man bei der Umsetzung von 460 g (4 mol) 1 mit 393 g (4 mol) Cyclohexanon in 400 ml Benzol und in Gegenwart von 5 gp-Toluolsulfonsaure 671 g (85 %) 8 vom Sdp. 121"C/20 Torr, n'," = 1.4669; Reinheit (GC) 99.5 %.

C13H25N (195.3) Ber. C 79.93 H 12.90 N 7.17 Gef. C 79.85 H 13.10 N 7.23

N-(Buty1)-(diisopropylniethy1)amin (5'). - 338 g (2 mol) 5 wurden im V4A-Autoklaven mit Hubriihrer in Gegenwart von 8 g Raney-Nickel bei 150°C und 300 bar Hz-Druck bis zum Ende der Gasaufnahme geruhrt. AnschlieRend wurde filtriert und i. Vak. destilliert. Man erhielt 262 g (77 %) 5' mit Sdp. 87"C/20 Torr, n;O = 1.4292; Reinheit (GC) 100%.

CIIH25N (171.3) Ber. C 77.11 H.14.71 N 8.18 Gef. C 76.72 H 15.22 N 8.16 Titration: N 8.21

N-(Diisopropylmethy1)isobutylamin (6). - Analog 5' erhielt man durch Hydrierung von 254 g (1.5 mol) 6 und anschlieRende Destillation 213 g (83 %) 6' vom Sdp. 83"C/17 Torr, n$ = 1.4269; Reinheit (GC) 99.8 %.

CllH25N (171.3) Ber. C 77.11 H 14.71 N 8.18 Gef. C 76.54 H 15.32 N 8.23 Titration: N 8.01

N-(Diisopropylmethy1)isopropylamin (7'). - Analog 5' erhielt man aus 310 g (2 mol) 7 237 g (76 %) 7' vom Sdp. 64"C/20 Torr, n'," = 1.4254; Reinheit (GC) 100 %.


N-(Cyclohexy1)-(diisopropy1methyl)amin (8'). - Aus 560 g (2.9 mol) 8 erhielt man analog 5' 484 g (86%) 8' vom Sdp. 125"C/21 Torr, nLo = 1.4613; Reinheit (GC) 99.9%.

Gef. C 78.97 H 13.88 N 7.10 Titration: N 7.15 C13H27N (197.4) Ber. C79.11 H 13.79 N7.10


Methylierung der sekundaren Amine 5'-8' zu den tertiaren Aminen 9 -12. - Allgemeine Yorschrzyf: 1 rnol der Amine 5'-8' wurde, wie bei der Darstellung von 2 beschrieben, rnit 138 g (3 mol) Ameisensaure und 300 g (3 mol) 30proz. Formalinlosung umgesetzt und aufge- arbeitet. Aus 5' erhielt man 166 g (90 7:) 9 vom Sdp. 91 'C/lS Torr, nko = 1.4395; Reinheit (GC) 99.4 %.

C12FI27N (185.4) Ber. C 77.76 H 14.68 N 7.56 Gef. C 77.15 H 15.11 N 7.69 Titration: N 7.57

Aus 6' erhielt man 156 g (84 %) 10 vom Sdp. 85"C/14 Torr, n'," = 1.4390; Reinheit (GC) 99.0 %. C12H27N (185.3) Ber. C 77.76 H 14.68 N 7.56

Gef. C 77.24 H 15.25 N 7.57 Titration: N 7.40 Aus 7' erhielt man 123 g (71 %) 11 vom Sdp. 85"C/22 Torr, nko = 1.4393; Reinheit (GC) 99.7 %.

CllH25N (171.3) Ber. C 77.11 H 14.71 N 8.18 Gef. C 76.99 H 14.91 N 8.13 Titration: N 8.19

Aus 8' erhielt man 177 g (84%) 12 vom Sdp. 138"C/22 Torr, n',O = 1.4709; Reinheit (GC) 99.6 %.


N,N-(Dibrctyll-(diisopropy1methyl)amin (4). - 119.6 g (0.7 mol) 5' wurden bei 5 - 10°C rnit 80.5 g (1.75 mol) Ameisensaure vermischt. Man erwarmte und tropfte bei Siede- temperatur wahrend 4 h 72 g (1 mol) Butyraldehyd zu. Es wurde weitere 5 h am Sieden gehalten, abgekiihlt und in 300 ml30proz. Natronlauge gegeben. Die organische Phase wurde iiber KOH getrocknet und rnit einem Riicklaufverhaltnis von 20: 1 destilliert. Man erhielt 8 5 g (53 %) 4 vom Sdp. 13OoC/20 Torr, n$ = 1.4476; Reinheit (GC) 98.4%.


N-Athyl-N-Cyclohexyl-(diisopropylmethyljamin (13). - 160 g (1 mol) Diathylsulfat wurden unter Riihren und FeuchtigkeitsausschluB innerhalb 2 h bei 100°C zu 197 g (1 mol) 8' getropft. AnschlieBend wurde weitere 15 h bei dieser Temp. geriihrt und nach dem Abkuhlen in 500 ml 30proz. Natronlauge gegeben. Die organische Phase wurde iiber KOH getrocknet und destilliert. Man erhielt 70 g (31 %) 13 vorn Sdp. 14OoC/22 Torr, n'," = 1.4695; Reinheit (GC) 98.8 %.


Basizitiitsmessungen: Die Ermittlung der pCWerte erfolgte nach der Vorschrift von Hunig und Kiessel2) durch potentiometrische Titration rnit 0.1 N Perchlorsaure in Glykolmonomethyl- ather. Als MeBgerat diente ein Metrohm-Potentiograph E 436, als MeBternp. wurde 25°C gewahlt. Die Ergebnisse zeigt Tabelle 1.

Alkylierung der Amine mit k'thyljodid: Die Vorschrift in Lit. 2) wurde wie folgt modifiziert: 1.25.10-2 mol des Amins wurden auf 1 rng genau in ein 25-ml-MeBkolbchen eingewogen, rnit der aquivalenten Menge Athyljodid versetzt, rnit Tetrahydrofuran zur 0.5 M Losung aufge- fiillt und wegen der mit fortschreitendem Umsatz auftretenden Salzabscheidung sofort in eine Reihe von 2-ml-Proben aufgeteilt, die bei 25°C gehalten wurden. Diese wurden dann jeweils nach Dirschelund Ernell) nach Zusatz von 10 rnl Isopropanol rnit 0.01 N Hg(C104)2-Losungen gegen Diphenylcarbazon titriert.

1 1 ) A . Dirschel und F. Erne, Mikrochirn. Acta 1961, 4 0 1 . [230/73]

vergleichende untersuchungen zur basizität und alkylierbarkeit tertiärer (diisopropylmethyl)amine

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