AT393503B - Verfahren zur herstellung von malonsaeurederivaten durch ozonolyse von ungesaettigten verbindungen - Google Patents

Description

AT 393 503 B

Die Erfindung beschreibt ein neues Verfahren zur Synthese von Malonsäure oder deren Dialkylester der allgemeinen Formel (0 ROOC-CH2-COOR, worin R = H oder Alkylreste mit einer C-Anzahl von 1-6 darstellt. So besitzen die Verbindungen (I) eine große Bedeutung als Zwischenprodukte in der chemischen Synthese. Durch Umsatz der Verbindungen (I) mit Alkylhalogeniden erhält man Alkylmalonester, die wichtige Zwischenprodukte in der Synthese von Aminosäuren, Dioxopyrazolinen und Barbituraten darstellen. Knoevenagel Kondensation von (I) mit Aldehyden bzw. Ortho-estem liefert Alkylidenmalonsäureester, die einerseits als Ausgangsprodukte zur Darstellung von α,β ungesättigten Carbonsäuren und andererseits zur Darstellung von Heterocylen insbesondere Isoxazolonen, Pyrazo-lonen, Pyrimidinen und Chinolinen dienen.

Sand der Technik: Für die Synthese der Malonsäure und ihren Derivaten hat bisher erst ein Verfahren technische Anwendung gefunden (s. Ullmann Encyklopädie d. techn. Chem. Bd. 16, S. 415 (1978)). Es handelt sich dabei um die Verseifung bzw. Verseifung und Veresterung von Cyanessigsäure, wobei letztere durch Umsatz von Chloressigsäure mit Cyaniden hergestellt wird. Die Nachteile dieser Synthese liegen einerseits in der relativ geringen Ausbeute an Malonsäure andererseits darin, daß eine gewisse Menge an Blausäure freigesetzt wird, wodurch dem Verfahren der Nachteil der geringen Umweltfreundlichkeit anhaftet. Ein weiterer Nachteil besteht im Anfall von Salzen als Nebenprodukten, deren Menge ein vielfaches der Malonsäureproduküon ausmacht Andere Synthesemöglichkeiten für Malonsäure und ihren Estern sind die Reaktion von Ethylencyanhydrin mit Carbonaten oder Hydroxiden in Gegenwart von Metallkatalysatoren (JP 62,39542), die Oxidation von Acrylsäure oder einem Gemisch von Acrylsäure und ß-Hydroxypropionsäure in Gegenwart von Metallkatalysatoren (JP 77,106811; JP 82,42650). Die Co Oxidation von Cyclopentadien und Acetaldehyd (EP-A 21118 (1981)), die Alkoholyse von substituierten N-Sulfonylazetidin-1,3-dionen (Lonzel, CH-PS 602554,1976), die Carbonylierung von Halogen-essigestem mit Metallcarbonylen als Katalysatoren (Dynamit Nobel, DE-OS 2603026,1976), die Carboxy-lierung von Kaliumacetat oder Essigsäureestem (Mitsui Toatsu, JP 49,056911; JP 49,086317; Unilever, US-PS 3892787,1973), die Oxidation von Propen (H. Kinza, DL-OS 107257,1973), die Hydrolyse von Cyan-acetamid (JP 78,127411) und die Oxidation und anschließende Hydrolyse von Dicyanobuten (JP 73,103510). Die Nachteile der eben genannten Synthesen liegen einerseits in den geringen Ausbeuten andererseits im Einsatz von teuren Ausgangsprodukten und Katalysatoren.

Beschreibung der Erfindung:

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, daß einfach und mehrfach ungesättigte Verbindungen und hier im besonderen mehrfach ungesättigte Fettsäurederivate als Ausgangsprodukte eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichent, daß 3-Hexendisäure, Fettsäureester, die das Strukturelement (-CH=CH-CH2-)n, n > 2 enthalten oder Cyclohexadien mit der äquivalenten Menge Ozon umgesetzt und die peroxidischen Ozonisierungsprodukte oxidativ zu (I) weiterverarbeitet werden. Beispiele für die oben genannten Verbindungen neben 3-Hexendisäure sind Linol- bzw. Linolensäuremethylester oder ein Gemisch von beiden bzw. 1,4-Cyclohexadien.

Die Ozonisierung wird vorzugsweise bei Temperaturen von -40 °C bis 0 °C durchgeführt, wobei der Ozongehalt des eingesetzten Ο2/Ο3 Gemisches vorzugsweise 8 mol% bei einer Durchflußrate von 501/h beträgt. Als Lösungsmittel werden niedrige aliphatische Alkohole verwendet. Die oxidative Spaltung der peroxidischen Ozonisierungsprodukte erfolgt vorzugsweise in Gemischen von Perhydrol/Ameisensäure oder Peressigsäure, wobei die Reaktionstemperatur im ersten Fall 70 - 100 °C und im zweiten Fall 20° - 60 °C beträgt. Die Aufarbeitung der Ozonolyseprodukte erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren durch Abdestillieren der bei der oxidativen Ozonidspaltung zugesetzten Carbonsäure. Im Fall des als Ausgangsprodukt eingesetzten Leinölfettsäuremethylestergemisches treten neben Malonsäure noch Propionsäure, Capronsäure, Pelargonsäure und Azelainsäure als Ozonolyseprodukte auf. Capronsäure und Propionsäure sind leicht flüchtige Monocarbonsäuren und können von Verbindung (I) durch Destillation abgetrennt werden. Die Abtrennung der Azelainsäure, Pelargonsäure und der gesättigten Fettsäureester des Leinölfettsäuremethylestergemisches gelingt durch flüssig/flüssig Extraktion einer wäßrigen Phase mit organischen Lösungsmitteln vorzugsweise Essigester und Petrolether bei verschiedenen pH-Werten, wobei die Malonsäure nach dem Abdestillieren des Wassers in einem Reinheitsgrad von mindestens 97 % erhalten wird, oder durch Veresterung des Säuregemisches und anschließende fraktionierte Destillation unter vermindertem Druck.

Das oben beschriebene Verfahren bietet gegenüber den bisher beschriebenen Verfahren folgende Vorteile:

Die Synthese geht von billigen Ausgangsprodukten aus. Insbesondere kann der regenerierbare Rohstoff Leinöl, der zunächst durch Alkoholyse mit niedrigen aliphatischen Alkoholen in ein entsprechendes Fettsäure- -2-

AT 393 503 B estergemisch umgewandelt wird, eingesetzt werden. Dieses Gemisch kann direkt der Ozonolyse unterworfen werden, ohne daß die Fettsäureester vorher aufgetrennt werden müssen. Im Gegensatz dazu geht man bei den herkömmlichen Verfahren von schwer zugänglichen petrochemischen Produkten aus. Ein weiterer Vorteil besteht im Einsatz von Ozon als Reagenz. Ozon-Generatoren werden seit vielen Jahren vorwiegend analytisch in chemischen Laboratorien eingesetzt und haben sich auf breiter Basis hervorragend bewährt Auch neue technische Anwendungsmöglichkeiten für Ozon wurden erarbeitet und können heute besonders wirtschaftlich industriell realisiert werden. Auf Grund der Herstellungsmöglichkeit ausgehend von Sauerstoff steht Ozon praktisch in unbeschränkten Mengen zur Verfügung. Darüber hinaus kann die für den Umsatz benötigte Ozonmenge exakt dosiert werden, wodurch Überschüsse und damit zusammenhängende Umweltbelastungen vermieden werden können. Ozonisierungen von ungesättigten Verbindungen sind rasch ablaufende Reaktionen, wobei keine teuren Katalysatoren und keine aufwendigen Apparaturen benötigt werden. Der Umsatz ist sowohl bei tiefen als auch bei hohen Temperaturen praktisch vollständig. Als Nebenprodukte treten nur aliphatische Carbonsäuren auf, die jedoch nicht entsorgt werden müssen, da sie und hier im besonderen Azelainsäure ebenfalls bedeutende Zwischenprodukte in der chemischen Industrie darstellen. Durch den Einsatz von Ozon an Stelle der herkömmlichen Oxidationsmittel (KM1O4, KIO4) kann die Reaktion in verschiedenen polaren und auch apolaren Lösungsmitteln durchgefuhrt werden.

Beispiel 1:

In eine Lösung von 1 g trans 3-Hexendisäure in 60 ml Methanol wird bei 0 °C so lange ein Ozon/Sauer-stoffgemisch mit einem Ozongehalt von 8 mol% eingeleitet, bis in einer dem Reaktionsgefäß nachgeschalteten Kaliumiodid-Lösung Iod auftritt. Danach wird das Lösungsmittel im Vakuum abdestilliert, der ölige Rückstand mit einem Gemisch bestehend aus 8 ml H2O2 (30%ig) und 10 ml Ameisensäure versetzt und so lange unter Rückfluß zum Sieden erhitzt, bis die Lösung peroxidfrei wird (ca. 1 h). Danach wird im Vakuum zur Trockene eingedampft, wobei 1,2 g Verbindung (I), R = H, Fp: 130 °C (Zers.), erhalten wird.

Ausbeute: 80 % d. Theorie

Beispiel 2:

In eine Lösung von 1 g 1,4-Cyclohexadien in 60 ml Methanol wird bei -40 °C ein Ozon /Sauerstoffgemisch eingeleitet, bis in einer dem Reaktionsgefäß nachgeschalteten Kaliumiodid-Lösung Iod auftritt. Danach wird das Lösungsmittel im Vakuum abdestilliert, der Rückstand mit einem Gemisch bestehend aus 15 ml H2O2 (30%ig) und 25 ml Ameisensäure versetzt und solange unter Rückfluß zum Sieden erhitzt, bis die Lösung peroxidfrei ist (ca. 1 h). Die überschüssige Ameisensäure wird im Vakuum abdestilliert, wobei 1 g Verbindung (I), R = H, Fp: 130 °C (Zers.), erhalten wird.

Beispiel 3:

Ein Gemisch von 10 g Leinölfettsäuremethylester bestehend aus 55,5 % Linolensäuremethylester, 17 % Linolsäuremethylester, 17,5 % Ölsäuremethylester, 3,4 % Stearinsäuremethylester und 6,3 % Palmitinsäuremethylester, hergestellt durch Alkoholyse von Leinsamenöl (nach dem Verfahren v. M. Mittelbach, H. Junek, F. Andreae, AT-PS 366,222 (1988)), wird mit 100 ml Eisessig und 2 ml Wasser versetzt und bei 0 °C wie in Beispiel 1 ozonisiert, bis in einer dem Reaktionsgefäß nachgeschalteten Kaliumiodid-Lösung Iod auftritt Danach wird 25 ml Peressigsäure (40%ig) zugesetzt und das Reaktionsgemisch 72 h bei 20 °C stehengelassen. Danach wird eine Stunde unter Rückfluß zum Sieden erhitzt, um die überschüssige Peressigsäure zu zerstören und das Lösungsmittel im Vakuum abdestilliert. Der Rückstand wird in 100 ml auf 70 °C erwärmten Wasser aufgenommen, wobei nach dem Erkalten der Großteil der entstandenen Azelainsäure auskristallisiert und abfiltriert wird. Die wäßrige Phase wird 2x mit 50 ml Petrolether extrahiert, wobei Pelargonsäure und die gesättigten Fettsäuremethylester des Leinöls abgetrennt werden. Zur Abtrennung der noch in Lösung befindlichen Azelainsäure wird in der wäßrigen Phase mit Natronlauge ein pH-Wert von 3,5 eingestellt und 3x mit 50 ml Essigester extrahiert. Zur Abtrennung der Nationen wird die wäßrige Phase über eine Kationenaustauschersäule (Amberlite IR 50) geleitet. Nach dem Abdestillieren des Wassers im Vakkum wird 2,1 g der Verbindung (I), R = H, erhalten.

Beispiel 4:

In eine Lösung von 5,7 g Linolensäuremethylester (19,4 mmol) in 50 ml Eisessig und 1 ml Wasser wird bei 0 °C ein Ozon/Sauerstoffgemisch eingeleitet, bis in einer dem Reaktionsgefäß nachgeschalteten Kaliumiodid-Lösung Iod auftritt. Danach wird 8 ml Peressigsäure (40%ig) zugesetzt und das Reaktionsgemisch 72 h bei 20 °C stehengelassen. Die Aufarbeitung und Auftrennung der Reaktionsprodukte erfolgt in der in Beispiel 3 beschriebenen Weise, wobei 1 g Verbindung (I) R=H erhalten wird. -3-

Claims (6)

1. AT 393 503 B Beispiel 5: 3 g Linolensäuremethylester (10 mmol) wird in 50 ml Eisessig gelöst und bei 20 °C ozonisiert, bis in einer dem Reaktionsgefäß nachgeschalteten Kaliumiodid-Lösung Iod auftritL Nach Beendigung der Ozonisierung wird 8 ml Peressigsäure zugesetzt und das Reaktionsgemisch 72 h bei Raumtemperatur stehengelassen. Danach wird noch 1 h unter Rückfluß zum Sieden erhitzt, um die überschüssige Peressigsäure zu zerstören und das Lösungsmittel im Vakuum abdestilliert. Der Rückstand wird mit 50 ml einer 1 molaren Lösung von Chlorwasserstoff in Methanol versetzt und 24 h bei Raumtemperatur stehengelassen. Nach Neutralisation der sauren Lösung mit Bicarbonat wird das Lösungsmittel im Vakuum abdestilliert und aus dem Rückstand durch fraktionierte Destillation unter vermindertem Druck 1,2 g Verbindung (I), R = Methyl (Kp (20 mbar): 78° C), abgetrennt. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung von Malonsäure oder deren Dialkylester der allgemeinen Formel I ROOC-CH2-COOR, worin R = H oder Alkylreste mit einer C-Anzahl von 1 bis 6 darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß man 3-Hexendisäure, Fettsäureester oder Fettsäureestergemische mit einem hohen Anteil an mehrfach ungesättigten Fettsäuren, die das Strukturelement (-CH=CH-CH2)n, n £ 2, enthalten oder 1,4-Cyclohexadien durch Einleiten von Ozon in Lösungen von niedrigen aliphatischen Alkoholen ozonisiert, dann oxidativ spaltet und auftrennt und anschließend die Ozonolyseprodukte auf Grund der unterschiedlichen Löslichkeit in Wasser und organischen Lösungsmitteln oder durch Veresterung und anschließende Destillation unter vermindertem Druck auftrennt und somit isoliert.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Alkohole vorzugsweise Methanol und Ethanol verwendet.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ozonisierung vorzugsweise bei Temperaturen von -40 °C bis 0 °C durchgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidative Ozonidspaltung vorzugsweise mit Percarbonsäuren einer Kohlenstoffkettenlänge von 1 bis 2 bei Temperaturen von 20 °C bis 100 °C durchgeführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzte Percarbonsäure zur Nachoxidation der Ozonisierungsprodukte in 2- bis 10-facher stöchiometrischer Menge zugesetzt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erhöhung des Reinheitsgrades der erhaltenen Malonsäure die Verunreinigungen, insbesondere Azelainsäure, durch Exfraktion einer wäßrigen Lösung von pH 3,5 mit Essigester entfernt.