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Verfahren zur Herstellung von neuen oc-Nitro-M-Lactamen
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Nitroderivaten zyklischer Amide.
Es wurde gefunden, dass man neue oc-Nitro-M-lactame erhält, wenn man 2-Chlorazacyclo-2, 3-alken-lcarbochloride mit Nitriersäure zur Reaktion bringt und das Reaktionsgemisch hierauf bis zur Beendigung der Kohlendioxydentwicklung mit Wasser hydrolysiert.
Die als Ausgangsstoffe dienenden 2-Chlorazacyclo-2, 3-alken-l-carbochloride können gemäss dem in der österr. Patentschrift Nr. 212844 beschriebenen Verfahren* hergestellt werden.
Die oc-Nitro-M-lactame sind neuartige Stoffe ; sie sind wichtig, da man aus ihnen durch Reduktion oc-Amino-M-lactame und aus diesen durch anschliessende Hydrolyse oc, Cù-Diamincarbonsäuren herstellen kann.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren verwendet man Nitriersäure. Mit "Nitriersäure" sind im Sinne dieser Beschreibung salpetersäurehaltige Produkte gemeint, die sich zur Durchführung von Nitrierungsreaktionen eignen, wie z. B. 96-100% ige Salpetersäure.
Häufig verwendet man eine aus konzentrierter Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure zusammengesetzte Nitriersäure. In der Regel übersteigt die Menge Schwefelsäure in einem derartigen Säurengemisch die der Salpetersäure ; beispielsweise beträgt sie 2 Mol Schwefelsäure pro Mol Salpetersäure. Um bei Anwendung derartiger Gemische hohe Ausbeuten zu erzielen, empfiehlt es sich, Nitriersäure in einer Menge anzuwenden, die wenigstens einem Verhältnis von 2 Mol Salpetersäure pro Mol 2-Chlorazacyclo- 2, 3-alken-l-carbochlorid entspricht. Die Anwendung eines grösseren Überschusses, z. B. 3-5 Mol Salpetersäure pro Mol der zu nitrierenden Verbindung, ist nicht notwendig.
Vorteilhaft wird anhydrische Nitriersäure verwendet, worunter ein Gemisch aus Salpetersäure, Schwefelsäure und Schwefeltrioxyd verstanden werden soll, in dem die Zahl der Mole Schwefeltrioxyd zumindest gleich der Zahl der Mole Salpetersäure ist. In diesem Falle werden schon bei einem Verhältnis von l Mol Salpetersäure pro Mol des Ausgangsproduktes gute Ausbeuten erhalten. Vorzugsweise wird aber eine gering überschüssige Menge, die beispielsweise 0, 1-0, 5 Mol Salpetersäure pro Mol Ausgangsprodukt betragen kann, angewendet, denn hiedurch wird die Ausbeute noch wesentlich gesteigert.
Die Reaktion mit Nitriersäure lässt sich in einfacher Weise durchführen, beispielsweise indem man die Reaktionskomponenten miteinander mischt. Um zu vermeiden, dass zu stürmische Reaktion eintritt, wird dabei die Temperatur des Gemisches vorzugsweise niedriger als Zimmertemperatur gehalten. Die Reaktion ist nämlich stark exotherm und kann daher bei hoher Temperatur explosiv vor sich gehen.
Vorzugsweise setzt man der Nitriersäure das 2-Chlorazacyclo-2, 3-alken-I-carbochlorid nach und nach zu ; hiebei hält man die Temperatur niedriger als 150 C, vorzugsweise auf 0-5 C. Dabei kann man den guten Verlauf der Reaktion durch kräftiges Rühren fördern.
Nach vollzogener Nitrierung wird das Reaktionsgemisch mit Wasser behandelt, wodurch das Produkt der Nitrierung hydrolysiert wird. Hiebei bilden sich Chlorwasserstoff und Kohlendioxyd. Die Hydrolyse wird so lange fortgeführt, bis sich kein Kohlendioxyd mehr bildet. Das Nitrierungsprodukt ist dann in oc-Nitro-M-lactam umgesetzt.
Durch Steigerung der Temperatur kann man die Hydrolyse beschleunigen.
Vorzugsweise und jedenfalls im letzten Stadium der Reaktion wird eine Temperatur von 50 bis 100 C aufrechterhalten.
Das erhaltene Gemisch aus Säuren-zum Teile entstammen diese der verwendeten Nitriersäure, zum Teil haben sich diese durch Hydrolyse gebildet-ist stark korrosiv und je höher die Temperatur ist, um so stärker ist die Korrosivität dieses Gemisches. Im Zusammenhang hiemit ist es gewünscht, dass man sich emaillierter Reaktionsgefässe u. dgl. bedient, wenn man das durch die Nitrierung erhaltene Gemisch ohne weiteres mit Wasser behandelt.
Zieht man es vor, eine aus Metall hergestellte Apparatur zu verwenden, so empfiehlt es sich, die Hydrolyse - jedenfalls sofern diese bei 50-100 C stattzufinden hat-in einem schwach sauren Milieu durchzuführen, vorzugsweise bei einem pH-Wert von 2 bis 4. Die Anwendung eines pH-Wertes über 4 ist nicht gewünscht, denn es würden sich dann Nebenprodukte bilden.
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Um eine bessere Regelbarkeit des pH-Wertes erzielen zu können, kann es vorteilhaft sein, die Reaktion in zwei oder mehreren Stufen durchzuführen, wobei man in der ersten Stufe einen niedrigen pH-Wert, vorzugsweise von 0, 5 bis 2 und eine Temperatur von 20 bis 50 C, und in der letzten Stufe einen höheren pH-Wert, vorzugsweise von 2 bis 4, und eine Temperatur von 50 bis 100 C anwendet.
Will man die Korrosion möglichst einschränken, so kann man überdies die Temperatur in dem genannten Bereich um so niedriger wählen, je niedriger der angewandte pH-Wert ist. Übersteigt die Zahl der Stufen, die man anwendet, zwei, so kann sich sowohl die Temperatur, wie auch der pH-Wert in den aufeinanderfolgenden Stufen allmählich steigern.
Der gewünschte pH-Wert lässt sich durch Zusatz der hiefür benötigten Menge einer Base erzielen ; als
Base verwendet man hiefür vorzugsweise Ammoniak. Gutes Mischen ist hiebei wichtig, damit innerhalb der ganzen Flüssigkeit ein einheitlicher pH-Wert erzielt wird. Dies lässt sich durch kräftiges Rühren bewirken.
Es ist vorteilhaft, die für die Hydrolyse erforderliche Menge Wasser gleichzeitig mit der Base, d. h. also in Form einer wässerigen Lösung der betreffenden Base, zuzusetzen. Vorzugsweise wird die Hydrolyse mit Hilfe der zur Erhaltung des erwünschten pH-Wertes erforderlichen Menge einer wässerigen Ammoniak- lösung von solcher Konzentration durchgeführt, dass sich nach Ablauf der Hydrolyse eine fast gesättigte
Lösung von Ammoniumsalzen gebildet hat. Die Löslichkeit des gebildeten < x-Nitro-M-lactams, die von vornherein schon gering ist, wird hiedurch noch herabgesetzt.
Trotz kräftigen Rührens während der Hydrolyse kann in dem Hydrolysegefäss Ammoniak in überschüssiger Menge dort vorhanden sein, wo er mit der bereits im Gefäss vorhandenen Flüssigkeit in Berührung tritt. Steigt an solchen Stellen der pH-Wert vorübergehend erheblich über 4 an, können Nebenreaktionen stattfinden, wobei klebrige Produkte gebildet werden, die sich an die Wände des Gefässes und an die Ableitungsrohre, sowie an den Rührer ansetzen. Diese Ablagerungen wirken störend, denn dadurch wird die regelmässige Abführung des Hydrolyseproduktes sowie die Wirkung des Rührers gestört. Mangelhaftes Rühren kann örtliche Überhitzung herbeiführen, wodurch es zu spontanen stark exothermen Zersetzungsreaktionen kommen kann.
Es wurde nunmehr gefunden, dass es möglich ist, die Bildung derartiger Ablagerungen dadurch zu verhüten, dass man die Hydrolyse in Gegenwart eines oder mehrerer Lösungsmittel durchführt, beispielsweise in Gegenwart von Nitromethan und/oder chlorierten Kohlenwasserstoffen wie z. B. Tetrachlorkohlenstoff und Dichloräthan.
Es ist nicht notwendig, diese Stoffe in so grossen Mengen anzuwenden, dass sich die in dem Hydrolysegefäss befindlichen Feststoffe darin lösen, denn günstige Resultate lassen sich bereits mit Mengen dieser Stoffe in der Grössenordnung von l bis 8 Vol.-% der gesamten Flüssigkeitsmenge erzielen.
Die Bildung solcher Ablagerungen lässt sich auch durch Zusatz eines oder mehrerer oberflächenaktiven Stoffe verhüten. Hiefür kann man beispielsweise sulfonierte Kohlenwasserstoffe, z. B. Teepol", verwenden. Sie sind bereits in Mengen von 0, 01 bis 0, 05 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtflüssigkeitsmenge, wirksam.
Die ox-Nitro-m-lactame weisen nur geringe Wasserlöslichkeit auf und können daher leicht aus der wässerigen Flüssigkeit aufgetrennt werden, die festen z. B. durch Filtrieren, die flüssigen z. B. durch mechanische Trennung der sich bei längerem Abstehen bildenden zwei Flüssigkeitsschichten. Eventuell in der wässerigen Flüssigkeit noch enthaltenes x-Nitro-m-lactam lässt sich durch Extraktion mit einem geeigneten Lösungsmittel gewinnen, beispielsweise mittels Methyläthylketon.
Die Zahl der Ringkohlenstoffatome in den erfindungsgemäss als Ausgangsprodukt verwendeten 2-Chlor- azacyclo-2, 3-alken-l-carbochloriden kann variieren. Sie kann beispielsweise 5,6, 7 betragen, aber auch höher sein, beispielsweise 10,11 oder 12. Aus den 2-Chlorazacyclo-2, 3-alken-l-carbochloriden bilden sich entsprechende < x-Nitro-m-lactame wie auch durch chemische Analyse und spektroskopische Untersuchungen bestätigt wurde.
Die Erfindung soll an Hand der nachstehenden Beispiele, auf die sie sich aber nicht beschränkt, näher erläutert werden.
Beispiel 1 : Bei einem konstinuierlich durchgeführten Versuch werden in einem durch Kühlung auf eine Temperatur von 40 C gehaltenen Gefäss unter stetigem Rühren 1052 g (5, 43 Mol) 2-Chlorazacyclo- 2, 3-Hepten-l-carbochlorid und 2755 g anhydrische Nitriersäure zur Reaktion gebracht ; die letztere besteht aus 20%igem Oleum und 98% iger Salpetersäure, so dass sie Salpetersäure, Schwefeltrioxyd und Schwefelsäure im molaren Verhältnis 1 : 1 : 3, 26, demnach insgesamt 5, 93 Mol Salpetersäure enthält. Die mittlere Verweilzeit in diesem Gefäss beträgt bei einer Gesamtdauer des Versuches von 316 Minuten 42 Minuten.
Nach Ablauf der Nitrierung wird das Reaktionsgemisch in das Hydrolysegefäss eingebracht, wo die gebildete Nitroverbindung bei einer Temperatur von 700 C unter kräftigem Rühren kontinuierlich mit 6686 g einer 15%igen Lösung von Ammoniak in Wasser hydrolysiert wird. Diese Lösung bewirkt gleichzeitig die Aufrechterhaltung des pH-Wertes zwischen 2 und 3. Die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in dem Hydrolysegefäss beträgt etwa 10 Minuten.
Zur Vermeidung, von Ablagerungen enthält die Ammoniaklösung 172 ml Tetrachlorkohlenstoff, entsprechend 3, 3 Vol.-% (bezogen auf die Ammoniaklösung).
Nach Ablauf des Versuches wird gekühlt und der durch die Hydrolyse entstandene Feststoff abfiltriert.
Das Gewicht des Feststoffes beträgt 790 g ; er besteht gemäss Analyse zu 764 g aus oc-Nitro-M-caprolactam, einem weissen kristallinischen Stoff, dessen Schmelzpunkt bei 159 C liegt. Im Filtrat befinden sich in
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gelöster Form noch 30 g dieses Stoffes, so dass sich insgesamt 794 g des betreffenden Stoffes gebildet haben. Die Gesamtausbeute dieser Umsetzung von 2-Chlorazacyclo-2, 3-hepten-l-carbochlorid in ex-Nitro-Cù- caprolactam beläuft sich also auf 92, 7%.
Beispiel 2 : 1103 g (= 5, 68 Mol) 2-Chlorazacyclo-2, 3-Hepten-l-carbochlorid werden in der Weise, wie in Beispiel 1 beschrieben kontinuierlich mit 2833 g anhydrischer Nitriersäure, die 6, 06 Mol Salpetersäure enthält, nitriert. Die mittlere Verweilzeit im Nitriergefäss beträgt ebenfalls 42 Minuten, die Gesamtdauer des Versuches 331 Minuten.
Das Reaktionsgemisch wird nach Ablauf der Nitrierung bei einer Temperatur von 67 C und einem pH-Wert von 2 bis 3 unter kräftigem Rühren mit 7921 g 15%gem wässerigem Ammoniak, dem 0, 1 Gew.-% eines im Handel unter dem Namen" Teepol" erhältlichen sulfonierten Kohlenwasserstoffes zugesetzt ist, kontinuierlich hydrolysiert.
Nach Beendigung der Reaktion zeigt sich, dass Ablagerungen unterblieben sind.
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Beispiel 3 : 510 g Nitriersäure werden unter Aufrechterhaltung einer Temperatur von 3 C innerhalb einer Zeitspanne von 15 Minuten unter Rühren allmählich mit 208 g 2-Chlorazacyclo-2, 3-octen-l-carbo- chlorid versetzt. Die angewandte Nitriersäure stellt ein Gemisch aus 70 g Salpetersäure, 88 g Schwefeltrioxyd und 352 g Schwefelsäure dar. Nachdem das Carbochlorid zugesetzt ist, wird noch während 10 Minuten gerührt. Anschliessend wird das Reaktionsgemisch langsam über 1, 51 Wasser verteilt, und das so erhaltene Gemisch bei einer Temperatur von 65 C noch während einer halben Stunde gerührt. Sodann
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CPATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von neuen x-Nitro-M-lactamen, dadurch gekennzeichnet, dass man 2- Chlor-azacyclo-2, 3-alken-l-carbochloride mit Nitriersäure zur Reaktion bringt, und das Reaktionsgemisch hierauf bis zur Beendigung der Kohlendioxydentwicklung mit Wasser hydrolisiert.