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Verfahren zur Herstellung von N-substituierten Aminocarbonsäuren
Es ist bekannt, daß der Wasserstoff in Ammoniak, primären oder sekundären Aminen
durch Alkylgruppen swbsititsuiert wird, wenn man Ammoniak oder Amine, die am Stickstoff
noch wenigstens ein Wasserstoffatom tragen, mit Olefinen, Kohienoxyd und Wasser
in Gegenwart von Katalysatoren, wie Metallcarbonylen oder Metallcarbonyltwasserstoffen,
gegebenenfall.s unter Zusatz von tertiären Basen, behandelt.
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Beispielsweise erhält man bei Verwendung von Ammoniak zunächst ein
primäres Amin, jedoch bleibt im allgemeinen die Umsetzung auf dieser Stufe nicht
stehen, so daß schließlich ein tertiäres Amin entsteht, dessen Sulbstiltuenten je
um ein Kohlenstoffatom reicher sind als das zur Reaktion kommende Olefin.
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Es wurde nun gefunden, daß man N-mono- und/ oder disubstituierte
Aminocarbonsäuren oder ihre Ester oder Salze in guter Ausbeute erhält, wenn man
Aminocarbonsäuren, ihre Ester oder Salze, die noch mindestens ein Wasserstoffatom
am Stickstoff geibu,nden enthalten, mit Olefinen, Kohlenoxyd und Wasser in Gegenwart
von Metallcarbonylen, Metallcarbonylwasserstoffen oder deren Salzen, vorteilhaft
unter Zugabe von tertiären Aminen, bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck behandelt.
Die Umsetzung kann z. B. bei Verwendung von Äthylen und ß-Alanin
durch folgende Gleichung
wiedergegeben werden, wobei die unter dem Einfluß des Katalysators stattfindenden
Zwischenreaktionsstufen nicht formelmäßig berücksichigt sind:
Das so erhaltene N-n-Propyl-alanin setzt sich dann im allgemeinen weiter um nach
der Gleichung
Je nach dem Olefin und der verwendeten Aminocarbonsäure erhält man verschiedenartig
N-substituierte Aminocarbonsäuren.
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Neben dem bereits erwähnten ,B-Alanin sind als Ausgangsstoffe alle
Aminocarbonsäuren geeignet, soweit sie mindestens ein substituierbares Wasserstoffatom
am Stickstoff tragen, wie Glykokoll, a-Alanin, Serin, Valin, Leucin, Glutaminsäure
und Asparginsäure. Auch Diaminocarbonsäuren, z. B. Ornithin und Lysin, sowie die
cyclischen Aminosäuren, wie Prolin oder Oxyprolin, sind geeignet. Statt der Säuren
selbst kann man auch ihre E.ster, insbesondere solche der niederen aliphatischen
Alkohole, oder auch ihre Salze, insbesondere ihre Alkali- oder Erdalkallisal.ze,
wie die des Natri,ums, Kaliums und Calciums, verwenden.
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Als Olefine kommen z. B. in Betracht: Äthylen, Propylen, normal-
und iso-Butylen, ferner Octylen, Dodecylen, Octadecylen und cyclische Olefine, z.
B.
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Cyclohexen und Cycloocten; ferner sind auch arabiphatische Olefine,
wie Styrol, und Diolefine, wie Butadien, Isopren, Dimethylbutadien, Hexadien- (2,
5) und Piperylen, geeignet.
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Als Katalysatoren verwendet man Metallcarbonyle, Metallcarbonylwasserstoffe
oder deren Salze. Von den Metaflcarbonylen ist Eisencarbonyl am besten geeignet.
Vorzugsweise wendet man sie in wäßrigen Lösungen oder Suspensionen an, denen man
zweckmäßig tertiäre Amine, z. B. Propylpyrrolidin oder Btitylpyrrolidin, zusetzt.
Besonders vorteilhaft sind dabei solche tertiären Amine, deren am Stickstoff gebundene
Alkylreste
um ein Kohlenstoffatom reicher sind als das zur Umsetzung kommenfde Olefin, da hierdurch
Umalkylierungen vermieden werden.
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Die Umsetzung läßt sich im allgemeinen in wäßriger Lösung bei Temperaturen
von Zimmertemperatur aufwärts, zweckmäßig zwischen 80 und 1600 oder darüber, und
bei erhöhtem Druck, z. B. zwischen 5 und 500 atü, ausführen. Es empfiehlt sich,
bei Drücken zwischen 50 und 200 at zu arbeiten, doch verläuft die Umsetzung auch
schon Ibei niedrigeren Drücken merklieb und kann bei höheren Drücken sogar noch
schneller verlaufen.
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Der Zusatz von Lösungsmitteln, z. B. von Alkoholen, ist besonders
dann vorteilhaft, wenn dadurch eine bessere Löslichkeit oder Verteilung der verschiedenen
Reaktionskomp onenten untereinander bewirkt wird. Die Umsetzung wird zweckmäßig
im alkalischen pl-Berei¢h vorgenommen. Man kann aber auch neutral oder schwach sauer
arbeiten, indem man die Ausgangsstoffe neutralisiert oder darüber hinaus organische
oder anorganische Säuren zusetzt. Besonders empfehlenswert ist dabei die Verwendung
von Ameisensäure, da sie zusätzliches Kohlenoxyd liefern kann.
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Das Verfahren kann sowohl diskontinuierlich wie kontinuierlich, z.
B. nach dem Riesel- oder noch besser nach dem Sumpfverfahren, durchgeführt werden.
Beim Rieselverfahren läßt man die Reaktionsteilnehmer zusammen mit dem Metallcarbonyl
über Füllkörper rieseln, zweckmäßig unter Umpumpen der unter den Reaktionslbedingungen
flüssigen Reaktionskomponenten. Dabei können Metalle, z. B. Eisen, die zur Carbonylbildung
befähigt sind, oder deren Verbindungen, gegebenenfalls auf Trägern, verwendet werden.
Beim Sumpfverfahren ist der Katalysator gelöst oder dispergiert. Sowohl beim Sumpf-
als auch beim Rieselverfahren können die gasförmigen und die flüssigen Reaktionsteilnehmer
im Gieich- oder Gegenstrom dem Reaktionsgefäß zugeführt werden. Die gasförmigen
Reaktionsteilnehmer können dabei als Kreislaufgas umgepumpt werden, wobei man das
gebildete Kohlendioxyd laufend, z.B. mittels einer Druckwasserwäsche, aus dem Kreislaufgas
entfernt und laufend einen Teil indes Gases abzweigt und durch Frischgas ersetzt.
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Die Aufarbeitung und Reimgung der alkylierten Aminocarbonsäuren erfolgt
je nach der Art des Reaktionsproduktes durch Destillation der freien Säuren oder
ihrer Ester oder durch Fällung der Säuren oder ihrer Alkali-, Erdalkali- oder Kupfersalze.
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Beispilel 1 Man füllt in einen l-l-Rollautoklav SOg a-Alanin, 50
g N-n-Propyl-pyrrolidin und 100 g Wasser, gibt 60 g Methanol und 20 g Eisencarbonyl
hinzu und verdrängt die Luft durch dreimaliges Spülen mit Stickstoff von 5 bis 10
at. Nach dem Aufpressen von 100 at eines Gasgemisches aus 1 Volumteil Äthylen und
3 Volumteilen Kohlenoxyd wird der Autoklav langsam unter Rühren auf 1300 aufgeheizt.
Durch weiteres Aufpressen des obigen Gasgemisches wird der Druckldann auf 200at
erhöht und durch laufendes Nachpressen konstant gehalten. Nach etwa 20 Stunden und
einer Gasaufnah:me von etwa 150 at findet keine Aufnahme mehr statt, und die Umsetzung
ist beendet.
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Aus dem Gemisch werden die bis etwa 1000 flüchtigen Bestandteile,
im wesentl;ichen Kohlendtioxyd, Eisencarbonyl, Methanol und ein Gemisch aus Wasser
und N-n-Propyl-pyrrolidin abdestilfiert.
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Durch Filtrieren trennt man gebildetes Eisencarbonat aus der zurückgebliebenen
Lösung ab. Im Filtrat noch gelöstes ionogener Eisen wird durch Zugabe einiger Tropfen
Ammoniakwasser und Wasserstoffperoxyd ausgefällt und abgetrennt. Das wasserklare
Filtrat wird im Vakuum bei 20 Torr destilliert. Bei etwa 1700 gehen 45 g eines flüssigen
Gemisches aus N-Mono- und N-Di-n-propyl-alanin über, das nach kurzer Zeit zu einer
schneeweifen Masse erstarrt.
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Beispiel 2 Eine Mischung aus 20g Leucin, 15 g N-n-Propylpyrrohtdin,
20g Wasser, 15 g Methanol und 10g Eisencarbonyl wird in einer 0,25-l-Schüttelbombe
wie im Beispiel 1 bei 1000 und 100 at mit einem Gasgemisch, das aus 1 Volumteil
Äthylen und 3 Volumteilen Kohlenoxyd besteht, bis zur Druckkonstanz behandelt. Die
Aufarbeitung des Umsetzungsgemisches erfolgt in der im Beispiel 1 beschriebenen
Weise. Man erhält 25 g N-Di-n-propyl-leucin, das bei 24 Torr bei 180 bis 1850 siedet
und einen Schmelzpunkt von 780 hat.
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Beispiel 3 Eine Mischung aus 15 g d, l-Prolin und 10 g N-n-Propyl-pyrrolidin,
20g Wasser, 20g Methanol und 10 g Eisencarbonyl wird in einer 0,25-1-Schüttelbombe
nach Verdrängen der Luft in der Bombe durch Spülen mit Stickstoff von 5 bis 10 at
bei 1100 und 200 at mit einem Gasgemisch aus 1 Volumteil Äthylen und 3 Volumteilen
Kohlenoxyd bis zur Druckkonstanz behandelt. Das Umsetzungsgemisch wird, wie im Beispiel
1 beschrieben, andestilliert, filtriert und dann im Vakuum fast bis zur Trockene
eingeengt. Der Destillationsrückstand erstarrt in der Kälte langsam zu einer kristallilnen
Masse, die über Schwefelsäure getrocknet wird. Die Ausbeute an reinem, sehr hygroskopischem
N-n-Propyl-prol.in beträgt 15 g.
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Beispiel 4 Eine Mischung aus 35 g p-Aminobenzoesäure-äthylester,
15 g N-n-Butyl-pyrrolildin, 20g Wasser, 35g Äthanol und 10 g Eisencarbonyl wird
in einer 0,25-1-Schüttelbombe, wie im vorstehenden Beispiel angegeben, bei 1100
und 50at mit einem Gasgemisch aus Propylen und Kohlenoxyd im Volumverhältnis 1:
3 bis zur Druckkonstanz behandelt. Nach 5 Stunden und einer Gasaufnahme von 60 at
ist die Reaktion beendet.
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Das Reaktionsprodukt, das sich im Austrag nach dem Erkalten kristallisiert
abscheidet, wird durch Filtrieren von der übrigen Lösung abgetrennt und durch Umkristall.isieren
aus Äthanol gereimgt. Man erhält 35g p-n-Butylaminobenzoesäureäthylester vom Schmelzpunkt
610. Durch Zusatz von Wasser können aus dem Filtrat weitere 5 g Ester ausgefällt
werden.
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Beispiel 5 Eine Mischung aus 30 g Anthranilsäure, 20 g N-n-Propyl-pyrrolidin,
15g Wasser, 20g Methanol und 10 g Eiisencarbonyl wird in einer 0,25-1-Schüttelbomzbe
bei 850 und 10 at, wie im Beispiel 1 beschrieben, mit einem Gasgemisch aus Äthylen
und Kohlenoxyd im Volumverhältnis 1 : 3 Jbis zur Druckkonstanz behandelt.
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Aus dem Gemisch werden die bis etwa 1000 flüchtigen Bestandteile,
wie Kohlendioxyd, Eiseucarbonyl und Methanol, abdestilliert. Man macht dann mit
verdünnter Natronlange alkalisch und treibt das in Freiheit gesetzte N-n-Propyl-pyrrolidin
mit Wasserdampf ab.
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Den Destillationsrückstand filtriert man heiß. Im Filtrat kristallisieren
beim Erkalten 30 g N-n-Propylanthranilsäure in Form des Natriumsalzes aus. Das Kristallisat
wird abgenutscht und über Schwefelsäure getrocknet.