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Verfahren zur Herstellung von Metadioxanderivaten
Die vorliegende Erfindung bezieht sie auf ein Verfahren zur Herstellung von substituierten Metadioxanen oder 1, 3-Dioxanen.
Metadioxane stellen wichtige Ausgangsstoffe für die Herstellung von konjugierten Diolefinen dar. Es, ist bekannt, Metadioxane bei ziemlich hohen Temperaturen in Gegenwart von Katalysatoren durch Kondensation von Formaldehyd mit mindestens 3 Kohlenstoffatome je Molekül enthaltenden Monoolefinen herzu-
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von Isobuten und Formaldehyd erhalten wird. Metadioxane können auch durch Destillation von Dihydromethylketonen in Gegenwart von Jod erzeugt werden, vgl. Morgan, Griffith, J. Chem. Soc. 1937,841.
Schliesslich ist auch schon die Herstellung eines substituierten Metadioxans, nämlich von 5-Benzoyl-l, 3dioxan, durch Kondensation von Paraformaldehyd mit Acetophenon in Gegenwart von Kaliumcarbonat als Katalysator beschrieben worden, vgl. das Fachwerk von Elderfield, Heterocyclic Compounds, Band 6, Seite 43 (1957).
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden Metadioxanderivate der allgemeinen Formel
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worin R1 ein Wasserstoffatom, ein Alkyl-, ein Aryl- oder heterocyclischer Rest, und Rein Wasserstoffatom, ein Alkyl-, Aryl-, Acyl-, Carboxyalkyl-oder heterocyclischer Rest sein kann, wobei R und R1 nicht gleichzeitig Wasserstoffatome sein können, und worin ferner Rund R1 auch gemeinsam eine Alkylengruppe bedeuten können, durch Umsetzung eines Aldehyds oder Ketons der allgemeinen Formel R-CH2-CO-R1, worin R und R1 die obige Bedeutung haben, mit Formaldehyd oder Oligomeren des Formaldehyds, z. B.
Trioxan, in Gegenwart von Katalysatoren in der Weise hergestellt, dass als Katalysator eine Lewis-Säure, z. B. Aluminiumchlorid, Bortrifluorid, Bortrifluoridätherat oder Schwefelsäure, eingesetzt wird.
Die Reaktion wird vorzugsweise in Gegenwart eines Lösungsmittels ausgeführt, doch kann, wenn der Aggregatzustand der Ausgangsstoffe hiefür geeignet ist, das Lösungsmittel vermieden werden. Ein an das Lösungsmittel zu stellendes Erfordernis besteht darin, dass es inert sein soll. Chloroform ergibt gute Resultate. Als andere brauchbare Lösungsmittel seien genannt Benzol, Chlorbenzol, Nitromethan, chlorierte
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erfindungsgemässen Verfahren werden Derivate der Metadioxane durch einen im Vergleich zu den bisher bekannten Arbeitsweisen glatt ablaufenden Kondensationsvorgang mit hohen Ausbeuten erhalten.
Die Metadioxane, die nach den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gewonnen werden können, sind in 5-Stellung substituiert und entsprechen der bereits erwähnten allgemeinen Strukturformel :
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Die Reste R können aliphatischer oder aromatischer Natur sein. Wenn das Keton der Ausgangsverbindung Methyläthylketon ist, so bedeutet R1 = CH3 und R = CH3 (Endprodukt: 5-Acetyl-5-methyl-1,3-
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= CH2CH3Substitution entsprechend der Formel :
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gemäss dem Endstoff 1,3-Dioxan-5-p-2'-cyclopentanon.
Aromatische Ketone, wie z. B. Propiophenon, Benzylmethylketon und Desoxybenzoin der Formeln :
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<tb>
<tb> R <SEP> = <SEP> cl3 <SEP> Propiophenon <SEP> Benzylmethylketon
<tb> R <SEP> = <SEP> C, <SEP> H <SEP> Desoxybenzoin
<tb> (Benzylphenylketon)
<tb>
führen zu aromatischen Substitutionsprodukten.
Mit Propiophenon erhält man 5-Benzoyl-5-methyl-1,3-dioxan der Forn el :
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Benzylmethylketon ergibt 5-Acetyl-5-phenyl-1,3-dioxan der Formel :
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Desoxybenzoin bzw. Benzylphenylketon liefert 5-Benzoyl-5-phenyl-l, 3-dioxan der Formel :
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Von den Aldehyden sei Butyraldehyd CHaCHzCH2CHO genannt, der zu 5-Äthyl-5-fbrmyI-l, 3-dioxan- der Formel
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fuhrt, während Propionaldehyd CH"CHCHO als Reaktionsprodukt 5-Methyl-5-formyl-I, 3-dioxan ergibt. Es können auch bestimmte ss-Dicarbonylverbindungen verwendet werden.
Aus Acetylaceton CH-CO- - CH2-CO-CHa erhält man beispielsweise 5, 5-Diacetyl-l, 3-dioxan, während Äthylacetoacetat zu 5- Acetyl-5-carboxyäthyl-l, 3-dioxan führt.
Die Substanzen werden in der Weise hergestellt, dass man die Ausgangsstoffe miteinander vermischt und den Katalysator zusetzt, wonach in geeigneter Weise erhitzt wird, falls die Reaktion nicht spontan einsetzt. Man kann auch die Reaktion durch Erhitzen unter Rückfluss mit Wasserabscheidung in einigen Stunden ausführen.
Das Verhältnis zwischen Keton bzw. Aldehyd einerseits und Formaldehyd (Trioxan) anderseits kann variieren. Ein stöchiometrischer Überschuss von Keton bzw. Aldehyd im Verhältnis zu Trioxan ergibt jedoch eine viel raschere Reaktion, insbesondere wenn Methyläthylketon mit Trioxan zur Umsetzung gebracht werden soll. Wenn beispielsweise 0, 33 Mol Trioxan je Mol Methyläthylketon und 10 Mol-% Bortrifluoridätherat (berechnet auf die Ketonmenge) zur Reaktion gelangen, so wird schon nach 90 min 5-Acetyl-5-methyl-l, 3-dioxan in einer Ausbeute von 70% der Theorie, bezogen auf das Trioxan, erhalten.
Ähnliche Umsetzungen werden bei Verwendung von Schwefelsäure als Katalysator herbeigeführt.
An Stelle von Trioxan kann Formaldehyd eingesetzt werden. Im Prinzip ist die Reaktion dieselbe und unterscheidet sich von dieser praktisch nur dadurch, dass nicht Trioxan bzw. Paraformaldehyd als Formaldehydquelle benützt wird.
Die Menge des vorhandenen Katalysators ist nicht kritisch und kann innerhalb weiter Grenzen variieren.
Es besteht jedoch für jede Reaktion eine optimale Konzentration. Beispielsweise ist für die Herstellung von 5-Acetyl-5-methyl-l, 3-dioxan unter Verwendung von Aluminiumchlorid als Katalysator eine Katalysatormenge von 40 bis 50 Mol-% Aluminiumchlorid je Mol Keton am günstigsten. Wird jedoch keine optimale Katalysatorkonzentration angewendet, so kann doch eine befriedigende Ausbeute durch Einhaltung einer längeren Reaktionszeit erzielt werden.
Die Erfindung ist in den folgenden Ausführungsbeispielen, ohne sie hierauf zu beschränken, näher erläutert, worin Reaktionen zwischen Ketonen, die eine aktivierte Methylengruppe enthalten, sowie Formaldehyd bzw. Formaldehydoligomeren veranschaulicht sind.
Beis pie I 1 : 5-Methyl-5-acetyl-l, 3-dioxan.
36 g Methyläthylketon (0, 5 Mol) und 130 g Trioxan (4, 4 Mol Cato) wurden in 350 ml Chloroform gelöst. Es wurden 70 g Aluminiumchlorid (0, 5 Mol) im Verlaufe von 30 min zusammen mit weiteren 100 ml Chloroform zugesetzt. Die Temperatur stieg dann sehr stark an. Danach wurde das Reaktionsgemisch 2 h unter Rückfluss erhitzt, worauf Eis und 50 ml konz. Salzsäure zugesetzt wurden. Das Gemisch wurde mit Chloroform ausgeschüttelt und der Extrakt mit Wasser und einer Natriumbikarbonatlösung gewaschen.
Nach dem Trocknen mit Calciumsulfat und Eindampfen im Vakuum wurden 93 g eines gelben Öles erhalten, das stark nach Formaldehyd roch. Dieses Öl bestand zur Hauptsache aus 5-Methyl-5-acetyl-l, 3-dioxan.
Die Ausbeute betrug 50% der Theorie.
Beispiel 2 : 5-Methyl-5-acetyl-l, 3-dioxan.
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zur Umsetzung gebracht. Die Reaktionsgemische wurden viermal mit 30 ml Wasser ausgeschüttelt. Die wässerigen Extrakte wurden mit 30 ml Chloroform extrahiert, das mit der anderen Chloroformphase vereinigt wurde. Diese Lösung wurde dann mit 30 ml Natriumbikarbonatlösung geschüttelt, die dann ihrerseits mit 30 ml Chloroform extrahiert wurde. Die Chloroformlösungen wurden vereinigt und getrocknet.
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Die Ausbeuten betrugen 8,7, 17, 1, 47,50, 55,37 bzw. 46% der Theorie. Bei Verlängerung der Reaktionsdauer stieg die Ausbeute sehr stark an.
Beispiel 3 : 5-Methyl-5-acety1-1, 3-dioxan.
18, 5 g Methyläthylketon (0, 25 Mol) und 30 g Trioxan (0, 33 Mol) wurden in 125 ml Chloroform gelöst
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572%.
Beispiel 4 : 5-Methyl-5-acety1-1, 3-dioxan.
36 g Methyläthylketon (0, 5 Mol) und 15 g Trioxan (0, 167 Mol) wurden in 75 ml Chloroform gelöst und
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36 g Methyläthylketon (0, 5 Mol) und 15 g Trioxan (0, 167 Mol) wurden in 100 ml Chloroform gelöst und unter Benützung einer Wasserfalle unter Rückfluss erhitzt. Es wurde 1 ml konz. Schwefelsäure (0, 018 Mol) zugesetzt. Nach 60 min war die Ausbeute 77%.
Beispiel 6 : 5-Methyl-5-acetyl-1, 3-dioxan.
36 g Methyläthylketon (0, 5 Mol) und 100 ml Chloroform wurden unter Benützung eines Wasserabscheiders auf dem Rückfluss zum Sieden erhitzt. Es wurden 7 g Bortrifluoridätherat (0, 05 Mol) zugesetzt und 11, 5 g gasförmiger Formaldehyd (0, 384 Mol) wurden im Verlaufe von 40 min eingeleitet. Das Reak-
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Sodann wurde das Gemisch in einen Scheidetrichter übergeführt, es wurden 100 ml Chloroform zugegeben und das Gemisch mit verdünnter Salzsäure, Wasser und Natriumbikarbonatlösung geschüttelt. Die Lösung wurde über'Calciumsulfat getrocknet und im Vakuum eingedampft. Nach der Vakuumdestillation wurde eine Ausbeute von 21% der Theorie, bezogen auf Methyl-n-propylketon, festgestellt.
Beispiel 8 : 5-Acetyl-5-n-propyl-1, 3-dioxan.
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wurde kräftig gerührt. Die Temperatur stieg an und nach einigen Minuten erstarrte das Gemisch zu einem Gel. Nach einigen weiteren Minuten wurde das Gemisch stärker ftiessbar und wurde dann unter Rückfluss zum Sieden erhitzt. Die Reaktionsdauer betrug 2 h. Das Reaktionsgemisch wurde in einen Scheidetrichter überführt, mit 100 ml Chloroform verdünnt und mit verdünnter Salzsäure, Wasser und schliesslich mit Natriumbikarbonatlösung ausgeschüttelt. Die über Calciumsulfat getrocknete Chloroformlösung wurde im
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50 g Diäthylketon (0, 58 Mol) und 45 g Trioxan (0, 5 Mol) wurden in 100 ml Chloroform gelöst, wonach 7, 1 g Bortrifluoridätherat (0, 05 Mol) zugeführt wurden. Die Lösung wurde während 135 min am Rückfluss und unter Anwendung eines Wasserabscheiders zum Sieden erhitzt.
Bei Beginn der Reaktion konnte eine gewisse Ausfällung von Paraformaldehyd festgestellt werden, doch löste sich dieses nach einer Zeit auf.
Das Reaktionsgemisch wurde abgekühlt, es wurden 50 ml Chloroform zugesetzt und die Lösung wurde dreimal mit 50 ml Natriumbikarbonatlösung ausgeschüttelt. Die Lösung wurde über Natriumsulfat getrocknet, eingedampft und der Rückstand destilliert. Man erhielt dann eine Ausbeute von 49% der Theorie, bezogen auf das Trioxan.
Beispiel 10 : 5-Benzoyl-5-methyl-l, 3-dioxan.
33, 5 g Propiophenon (0, 25 Mol) und 15 g Trioxan (0, 167 Mol) wurden in 40 ml Chloroform gelöst,
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mit Anwendung eines Wasserabscheiders zum Sieden erhitzt. Das Reaktionsgemisch wurde zweimal mit 40 ml Wasser geschüttelt und mit festem Natriumbikarbonat und einigen ml Wasser neutralisiert. Nach dem Trocknen über Natriumsulfat wurde die Lösung im Vakuum eingeengt, wobei 37, 8 g eines im wesentlichen kristallinen Produktes erhalten wurden. Die Kristalle wurden abgetrennt und die Gesamtausbeute war 84% der Theorie. Der Versuch wurde dann unter Verwendung von 0, 10 Mol Aluminiumchlorid an Stelle von Schwefelsäure wiederholt. Es wurde dasselbe Resultat erzielt.
Beispiel 11 : 5-Acetyl-5-phenyl-1, 3-dioxan.
20 g Benzylmethylketon (0, 15 Mol) und 14, 5 g Trioxan (0, 165 Mol) wurden in 40 ml Chloroform gelöst.
Es wurden 2, 2 g Bortrifluoridätherat (0, 015 Mol) zugesetzt, wonach die Lösung im Verlaufe von 100 min unter Rückfluss zum Sieden erhitzt wurde. Das Reaktionsgemisch wurde mit 50 ml Wasser und zweimal mit 40 ml Natriumbikarbonatlösung geschüttelt. Nach dem Trocknen wurde die Lösung eingedampft und der Rückstand im Vakuum destilliert. Die Ausbeute betrug dann 54% der Theorie.
. Beispiel 12 : 5-Benzoyl-5-phenyl-1, 3-dioxan.
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Anwendung eines Wasserabscheiders am Rückfluss erhitzt. Die Umsetzung wurde unter Stickstoffatmosphäre ausgeführt. Das Reaktionsgemisch wurde zweimal mit 100 ml Natriumbikarbonatlösung geschüttelt,
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Anwendung eines Wasserabscheiders zum Rückfluss erhitzt. Es wurden 2 ml konz. Schwefelsäure (0, 036 Mol zugegeben, wonach eine heftige Reaktion einsetzte. Danach wurde das Reaktionsgemisch 7 h am Rück- fluss erhitzt und dann über Nacht bei Raumtemperatur stehengelassen. Das Reaktionsgemisch wurde an- schliessend mit Wasser ausgeschüttelt und mit festem Natriumbikarbonat und einigen ml Wasser neutralisiert. Nach dem Trocknen über Natriumsulfat wurde die Reaktionslösung im Vakuum eingedampft und der
Rückstand im Vakuum destilliert.
Eine Fraktion enthielt 11, 7 g eines farblosen Öles, das als 5-Acetyl-5- carboxyäthyl-l, 3-dioxan identifiziert wurde. Die Ausbeute betrug 12% der Theorie.
Beispiel 14 : 5-Äthyl-5-formyl-l, 3-dioxan.
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58 g Butyraldehyd (0, 8 Mol) und 72 g Paraformaldehyd (0, 8 Mol) wurden in 300 ml Chloroform suspendiert, wonach 11, 35 g Bortrifluoridätherat (0, 08 Mol) zugefügt wurden. Die Lösung wurde hierauf unter Anwendung eines Wasserabscheiders am Rückfluss 24 h lang zum Sieden erhitzt. Danach wurde die Lösung mit einer Natriumkarbonatlösung geschüttelt und im Vakuum eingedampft. Das erhaltene gelbe öl wurde im Vakuum destilliert, wobei 41 g 5-Äthyl-5-formyl-l, 3-dioxan erhalten wurden. Die Ausbeute war etwa 35% der Theorie, bezogen auf Formaldehyd.
Beispiel 16 : 5-Methyl-5-formyl-l, 3-dioxan.
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Bortrifluoridätherat zugegeben wurde. Die Lösung wurde dann am Rückfluss und mit einem Wasserabscheider 30 h lang zum Sieden erhitzt. Die Lösung wurde mit einer Natriumkarbonatlösung neutralisiert
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mit einer Ausbeute von 20% erhalten.
Beispiel 17 : 5-Benzoyl-l, 3-dioxan.
30 g Acetophenon (0, 25 Mol) und 15 g Trioxan (0, 167 Mol) wurden in 40 ml Chloroform gelöst, wonach 3, 67gBortrifluoridätherat (0, 025Mol) zugeführtwurde. DasReaktionsgemischwurde21hunterBenützung eines Wasserabscheiders unter Rückfluss erhitzt. Das Reaktionsgemisch wurde zweimal mit 40 ml Natriumbicarbonatlösung geschüttelt. Hierauf wurde unverändertes Acetophenon abdestilliert und der Rückstand im Vakuum destilliert. Die Hauptfraktion (Kp4 = 152-1550 C) kristallisierte beim Abkühlen. Nach Umkristallisation aus Diisopropyläther war der Schmelzpunkt 49-49, 5 C. Die Ausbeute betrug dann 82% der Theorie.
Zum Vergleich wurde die Kondensation entsprechend dem in Elderfield, Heterocyclic Compounds, Band 6, Seite 43 (1957) beschriebenen Verfahren unter Verwendung eines alkalischen Katalysators durchgeführt. Dabei wurden 180 g Acetophenon (1, 5 Mol), 45 g Paraformaldehyd (1, 5 Mol) und 2 g Kaliumcarbonat mit 300 ml Methanol vermischt, das Gemisch wurde 7 Tage lang bei Raumtemperatur geschüttelt. Das Reaktionsgemisch wurde dann in 11 Wasser gegossen, vorsichtig angesäuert und dann viermal mit je 100 ml Benzol extrahiert. Die Benzolextrakte wurden vereinigt, mit Wasser gewaschen und dann im Vakuum eingedampft. Bei der Destillation des zurückgebliebenen Öls wurden etwa 60 g Acetophenon und etwa 15 g einer Verbindung vom Kp4 = 104 C erhalten, die als 1, 3-Dimethoxy-2-benzoylpropan identifiziert wurde.
Der Rückstand war ein zähflüssiges Öl, das nicht destillierbar war. Es konnte kein 5-Benzoyl-l, 3-dioxan nachgewiesen werden, womit sich das in der vorgenannten Literaturstelle beschriebene Verfahren für die tatsächliche Herstellung von substituierten Metadioxanen als nicht geeignet erweist.
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