DE10024265A1 - Verfahren zur Herstellung von ß-Isophoron-Epoxid - Google Patents

Abstract

Verfahren zur selektiven Herstellung von beta-Isophoron-Epoxid durch Epoxidation von beta-Isophoron mit organischen Percarbonsäuren bei einem Wassergehalt unterhalb 5 Gew.-%.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von β- Isophoron-Epoxid (β-IPO, 1,5,5-Trimethyl-7-oxa-Bicyclo- [4,1,0]-heptan-3-on) durch Epoxidierung von β-Isophoron (β-IP, 3,5,5-Trimethylcyclohex-3-en-1-on) wobei als Oxidationsmittel eine organische Persäure in Form ihrer Lösung in einem inerten organischen Lösungsmittel eingesetzt wird. Das in diesem Prozess erhaltene β- Isophoron-Epoxid kann durch Isomerisierung in Gegenwart geeigneter Katalysatoren direkt zu Hydroxyisophoron (HIP) umgesetzt werden. 3,5,5-Trimethyl-4-hydroxy-cyclohex-2-en- 1-on (HIP) wird in der Literatur als Aroma- und Duftstoff beschrieben (JP-OS 81 35 990; CH-PS 549 961; DE-OS 2202 066). Auch die Anwendung als Aromahilfsstoff für Lebensmittel (CH-PS 549 956; M. Ishikara et al., J. Org. Chem. 1986, 51, 491 ff) ist bekannt. Darüber hinaus ist Hydroxyisophoron ein vielseitig verwendbarer Synthesebaustein für Naturstoffe und Pharmazeutika (N. S. Zarghami et al., Phytochemistry 1971, 10, 2755 ff; J. N. Marx und F. Sondheimer, Tetrahedron Lett., Suppl. No. 8, Pt 1, 1-7, 1966). Insbesondere stellt β-IPO ein wichtiges Zwischenprodukt für die Synthese von 2,6,6- Trimethylcyclohexan-1,4-Dion und damit für Vitamin E dar. Die üblicherweise durchlaufene Synthesesequenz verläuft nach folgendem Schema:

Die bekannten Verfahren zur Herstellung von β-IPO ergeben nur unbefriedigende Ausbeuten. Es wurde gefunden, daß die Oxidation von β-Isophoron üblicherweise zu 4-Oxo-Isophoron verläuft, wobei je nach eingesetztem Oxidationsmittel Hydroxyisophoron in Konzentrationen zwischen 1-50% gebildet wird. Die Bildung des Hydroxyisophorons scheint nach den beschriebenen Verfahren eine Nebenreaktion darzustellen. Bei Verfolgung des Reaktionsverlaufs zeigt es sich, daß Hydroxyisophoron nicht das Zwischenprodukt des 4-Oxo-Isophorons ist, da sich Hydroxyisophoron unter den Oxidationsbedingungen nahezu inert verhält.

Die Epoxidierung von β-Isophoron geht auf Isler et al. zurück (Helv. Chim. Acta 39, 1956, 2041 ff), der die Epoxidation mit Peressigsäure als Oxidationsmittel in Essigsäure als Lösungsmittel durchführt und nach Änderung des pH-Wertes auf 8-9 mit wässriger Natronlauge nur HIP in unbefriedigenden Ausbeuten isoliert. Auch Zarghami et al. (Phytochemistry 10, 1971, 2755 ff) offenbaren bei ihrer Umsetzung mit Peressigsäure keine Ausbeuten an β-IP-Epoxid. Eine weitere Beschreibung der Epoxidierung von β-Isophoron findet sich in Tetrahedron Lett. Suppl. No. 8, Pt. 1, 1966, 1-7. Es werden organische Lösungsmittel wie Chloroform unter Verwendung von meta-Chlorbenzoesäure als Oxidationsmittel beschrieben, wobei nach Ablauf der Redoxreaktion m-Chlorobenzoesäure aus der Lösung ausfällt und ein Produktbild erhalten wird, daß sich aus β-IP- Epoxid und HIP im Verhältnis 1 : 1 und alpha-Isophoron zusammensetzt. Es ist offensichtlich, daß nach diesem Verfahren weder die unerwünschte Rückisomerisierung zu alpha-IP noch die Folgereaktion zu HIP unterdrückt werden kann. Nach Hydrolyse bei basischem pH werden 87% HIP isoliert.

Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß β-Isophoron Epoxid in unbefriedigenden Ausbeuten erhalten wird, was auf die unselektive Reaktionsführung oder ungeeignete Oxidationsmittel zurückzuführen ist, beziehungsweise auf die Anwesenheit von Wasser im Reaktionsmedium, das sowohl die Rückreaktion von β-Isophoron katalysiert als auch das Epoxid destabilisiert. Aus dem β-IP-Epoxid kann durch Wasseranlagerung auch das entstehende Diol nachgewiesen werden.

Eine weitere Reaktion, die bei nicht ausreichender Reaktionskontrolle beobachtet wird, ist die Epoxidation von alpha-IP (das in situ aus β-IP durch Isomerisierung gebildet wird) zu alpha-IP-Epoxid, und dessen Folgereaktion unter Isomerisierung zu 2-Hydroxy-Isophoron. Diese prinzipiellen Nebenreaktionen werden auch bei der Epoxidation mit anderen Substraten beobachtet, wobei insbesondere die Diole und Hydroxyester erhalten werden (siehe W. M. Weigert, Wasserstoffperoxid und seine Derivate, Hüthig Verlag Heidelberg 1978, Seite 79 ff).

Im folgenden Schema sind die möglichen Neben- und Konsekutivreaktionen bei der β-IP-Epoxidierung schematisch dargestellt:

Die Epoxidierung von β-Isophoron wird ebenfalls in Gegenwart von wasserfreien Peroxidationsreagenzien wie Alkylhydroperoxiden beschrieben (Hutter, Baiker et al., Journal Mol. Cat. 172, 427-435, 1997). Ein heterogener Kontakt SiO₂-TiO₂ Mischoxid aktiviert das Peroxid, wobei zur Erzielung hoher Selektivitäten, unter anderem um die HIP Entstehung zu unterdrücken, eine aufwendige Vorbehandlung des Katalysators notwendig ist, oder aber zusätzliche Hilfsstoffe wie Basen zugegeben werden müssen. Obwohl nach diesem Verfahren bislang die besten Epoxidselektivitäten erreicht werden, ist die Verwendung von Alkylhydroperoxiden, die stöchiometrisch verbraucht werden, für die Durchführung eines technischen Verfahrens ungünstig. Es ist des weiteren nicht wünschenswert, einen heterogenen Kontakt zu verwenden, der aufwendig präpariert werden muß.

In der DP 38 06 835 wird die Oxidation von β-IP durch Umsetzung mit wässrigem Wasserstoffperoxid in Gegenwart von Ameisensäure zu HIP beschrieben. Als Zwischenprodukt wird hier β-IP-Epoxid durchlaufen, aber eine Rückisomerisierungsrate in der Größenordnung zwischen 20- 35% machen das Verfahren aus industrieller Sicht wenig attraktiv.

Bislang ist kein Verfahren bekannt, daß die Herstellung von β-IP Epoxid unter Verwendung günstiger, industriell effizient zugänglicher Oxidationsmittel und hoher Produktselektivität ermöglicht. Daraus leiten sich die durch die Erfindung zu lösenden Aufgaben ab.

Aufgabe der Erfindung ist es, β-Isophoron-Epoxid ausgehend von β-Isophoron in hoher Selektivität und Ausbeute herzustellen, wobei insbesondere die Rückisomerisierung des Edukts zu alpha-Isophoron unterdrückt werden soll, um zu verhindern, daß alpha-IP aufwendig von der Produktlösung abgetrennt werden muß, die Folgereaktion zum Diol in Anwesenheit von Wasser unterdrückt werden soll und industriell günstige Oxidationsmittel insbesondere Wasserstoffperoxid bzw. eine Persäure als Epoxidationsmittel verwendet werden sollen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht weiterhin darin, ein Verfahren zur Umsetzung von β-Isophoron zu finden, wobei die Persäure in einem vorgelagerten Schritt durch die Reaktion zwischen der entsprechenden organischen Carbonsäure, wasserhaltigem Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure hergestellt wird und durch geeignete verfahrenstechnische Maßnahmen diese so entstandene Persäurelösung bereitzustellen, daß sie für eine selektive Epoxidierung von β-Isophoron geeignet ist.

Die Aufgabe wird in der Weise gelöst, daß β-Isophoron bei moderaten Temperaturen mit einer in einem organischen Lösungsmittel gelösten wasserfreien organischen Persäure in Kontakt gebracht wird, wobei das organische Lösungsmittel gleichzeitig auch das Extraktionsmittel zur Extraktion der organischen Persäure bei ihrer Herstellung darstellt. Nach Verständnis des Fachmanns kann die als wasserfrei bezeichnete Percarbonsäure noch im allgemeinen bis zu 5 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 5 Gew.-% Wasser enthalten

Nach dem Verfahren kann mit billigen Rohstoffen wie wässrigem Wasserstoffperoxid einerseits und organischen Carbonsäuren und einem Lösungsmittel andererseits gearbeitet werden, wobei beim Epoxidationsprozess lediglich das Eduktsubstrat β-Isophoron und Wasserstoffperoxid verbraucht werden und die anderen Rohstoffe größtenteils im Kreis geführt werden können.

Ein weiterer Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die sichere Handhabung mit den verwendeten Substanzen oder in situ gebildeten Peroxidmischungen, insbesondere die im Lösungsmittel gelöste Persäure neben Wasserstoffperoxid. Nach dem Stand der Technik (DP 38 06 835) müssen zum Erreichen wenigstens ausreichender Reaktionsgeschwindigkeiten hohe Temperaturen um die 60°C für die Reaktion gewährleistet sein, was bezüglich des Arbeitens mit Perameisensäure sicherheitstechnisch bedenklich ist. Des weiteren wird bei diesem Prozess Wasserstoffperoxid bezüglich der eingesetzten Ameisensäure im Überschuß verwendet, was einen erheblichen spezifischen Verbrauch bedeutet und unter Sicherheitsaspekten ebenfalls problematisch ist.

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von β-Isophoron-Epoxid durch Oxidation von β-Isophoron (β- IP) durch Umsetzung mit einer wasserfreien Persäure in Form ihrer Lösung in einem geeigneten, unter Reaktionsbedingungen stabilen Lösungsmittel in der flüssigen Phase, wobei eine Zweiphasigkeit, die im Falle einer höheren Wasserkonzentration im Reaktionsgemisch auftritt, im wesentlichen vermieden wird. Im einfachsten Fall des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt das verwendete Lösungsmittel der Oxidation auch das Extraktionsmittel der entsprechenden Persäure bei deren Herstellung aus einer wässrigen Wasserstoffperoxidlösung, der Carbonsäure und Schwefelsäure dar.

Die Umsetzung findet bei Temperaturen von -50°C bis 100°C statt, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 0°C bis 60°C gearbeitet wird. Die Reaktionszeiten sind in diesem Temperaturintervall für die Durchführung als technischer Prozess ausreichend schnell, um einen vollständigen Umsatz von β-Isophoron zu erreichen. Höhere Temperaturen sind zwar zur Duchführung der Reaktion ebenfalls geeignet, jedoch wird der Anteil an Hydroxyisophoron durch diese Maßnahme erhöht. Bei niedrigeren Temperaturen können hohe Produktselektivitäten erreicht werden, aber die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt ab und es besteht die Notwendigkeit mit Kühlsole zu arbeiten.

Das Verhältnis zwischen β-Isophoron und der als Oxidationsmittel verwendeten Persäure ist für die Produktselektivität nicht kritisch und kann je nach Verfahrensweise in einem molaren Verhältnis zwischen β-IP : Percarbonsäure = 10 : 1 bis 1 : 10 gewählt werden. Ein bevorzugtes molares Verhältnis der Komponenten ist der Bereich zwischen 2 : 1 und 1 : 2. Unter Berücksichtigung der potentiellen Gefahren beim Arbeiten mit Persäuren bietet sich an, das Epoxidationsmittel in einem leichten Unterschuß bezüglich β-Isophoron einzusetzen, so daß bei vollständigem Ablauf der Reaktion die Persäure unter Entstehung der entsprechenden Carbonsäure umgesetzt ist und lediglich eine geringe Konzentration an überschüssigem β- Isophoron vorhanden ist. Das nicht umgesetzte β-Isophoron kann bei der Aufarbeitung entweder als solches recycliert werden, oder aber nach Isomerisierung zu alpha-IP wieder in den β-IP Herstellprozess zurückgeführt werden.

Die Konzentration der Persäure im Extraktionsmittel bzw. im bei der Oxidation verwendeten Lösungsmittel kann zwischen 1 Gew.-% bis zu 50 Gew.-% betragen, wobei unter Berücksichtung sicherheitstechnischer Kriterien in einem bevorzugten Bereich zwischen 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% gearbeitet wird. Der zu wählende maximale Konzentrationsbereich der Persäure im organischen Lösungsmittel muß insbesondere von der Wahl der eingesetzten Persäure, des Lösungsmittels und der Oxidationstemperatur abhängig gemacht werden.

Als Lösungsmittel der Oxidation bzw. als Extraktionsmittel der Persäure können eine Vielzahl gebräuchlicher organischer Solventien verwendet werden.

Das bei Reaktionsende erhaltene β-Isophoron-Epoxid kann nach Isolierung direkt unter geeigneten Bedingungen weiter umgesetzt werden. Es bietet sich insbesondere an, nach Isolierung β-IPO nach bekannten Verfahren zu Hydroxy- Isophoron oder zu 2,2,6-Trimethylcyclohexan-1,4-dion (DH- KIP = Dihydro-Ketoisophoron) umzusetzen.

Bei der bei dem vorliegenden Verfahren eingesetzten organischen Carbonsäure handelt es sich vorzugsweise um eine aliphatische, alicyclische, aromatische Carbonsäure aus 1-20 Kohlenwasserstoffatomen, wobei der Kohlenwasserstoffrest ein oder mehrere funktionelle Gruppen tragen kann. Besonders bevorzugt werden als Percarbonsäuren-bildende Carbonsäure Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure und höhere Homologe. Beispielsweise für die einsetzbaren verzweigten Derivate seien Isobuttersäure, Pivalinsäure und Neopentylcarbonsäure genannt. Beispielsweise für aromatische, substituierte und unsubstitutierte Percarbonsäuren-bildende Carbonsäuren seien Benzoesäure, m- Chlor- und p-Nitrobenzoesäure, oder auch Monoterephtalsäure angeführt. Auch halogenierte Derivate wie beispielsweise Trihalogenierte-Essigsäure (Trichlor-, Trifluoressigsäure) sind geeignet.

Die Herstellung der Persäure aus der entsprechenden Carbonsäure ist an sich bekannt. Die Herstellung sei in einer Ausführungsform am Beispiel der Bildung der Peressigsäure erläutert. Üblicherweise lässt man Essigsäure mit wässrigem Wasserstoffperoxid in Gegenwart eines Säurekatalysators reagieren (Im Falle von durch entsprechende Substituenten aktivierte Carbonsäuren, die eine ausreichende Acidität besitzen, muß keine zusätzliche Katalysatorsäure ergänzt werden. Auch Ameisensäure bildet in Gegenwart von Wasserstoffperoxid in situ Perameisensäure, ohne die Notwendigkeit der zusätzlichen Ergänzung einer meist mineralischen Katalysatorsäure).

Üblicherweise verwendet man als Katalysatorsäure Schwefelsäure. Durch das Mischen von Carbonsäure/wässriges Wasserstoffperoxid/Schwefelsäure erhält man mehr oder weniger reine, wässrige Lösungen der Peressigsäure, und nach Einstellung des Gleichgewichtes eine sogenannte Gleichgewichtsperessigsäure, die sich folgendermaßen zusammensetzt (Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 3d edition, vol. 13, p. 254):
Peressigsäure: ca. 40-42%
Essigsäure: ca. 37-40%
Wasser: ca. 10-14%
H₂O₂: ca. 4-6%
Schwefelsäure: ca. 0,5-1%

Sehr saubere wässrige Lösungen werden erhalten, wenn neben der Katalysatorsäure und Wasser ein Molquotient H₂O₂ : Persäure von < 1 eingestellt wird und nach beendeter Gleichgewichtseinstellung die Persäure als Azeotrop mit Wasser bei reduziertem Druck am Kopf einer Destillationskolonne abgenommen wird. Aus diesen Lösungen können gemäß der DE-PS 11 65 576 wasserfreie Lösungen der Persäure in organischem Medium hergestellt werden. Die wasserfreie oder wasserarme Lösung der Persäure in einem organischen Medium kann auch durch azeotrope Destillation des Wassers mit einem geeigneten Lösungsmittel aus der Reaktionsmischung H₂O₂ - Katalysatorsäure - Carbonsäure hergestellt werden (siehe Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, Suppl. Volume, 3d edition, p. 181). Eine weitere Methode, die bezüglich der Sicherheitsrisiken beim Umgang mit diesen Lösungen als vergleichsweise sicher eingestuft werden kann, ist die Extraktion der Persäure mit einem geeigneten Extraktionsmittel direkt aus der wässrigen Lösung, die die Percarbonsäure enthält.

Im Sinne der Erfindung geeignete Extraktionsmittel sind in der DE-OS 21 45 603 beschrieben, unter anderem aliphatische, cycloaliphatische, aromatische Lösungsmittel aber auch halogenierte Derivate von Verbindungen aus diesen Stoffklassen sind geeignet, insbesondere chlorierte Kohlenwasserstoffe wie Methylenchlorid und Chloroform. Die verwendeten Wasserstoffperoxidlösungen können einen H₂O₂- Gehalt zwischen 10-90 Gew.-% aufweisen, wobei insbesondere die handelsüblichen wässrigen Peroxidlösungen mit einem Gehalt zwischen 30-85 Gew.-% verwendet werden, bevorzugt eine Lösung mit einem Gehalt zwischen 45-70 Gew.-%.

Eine ebenfalls für die Epoxidation von β-Isophoron geeignete Lösung lässt sich aus gereiften Lösungen von Percarbonsäuren durch Extraktion mit Phosphorsäureestern herstellen, insbesondere Trialkylphosphaten gemäß US 3 829 216. Hierbei wird zunächst mit den aufgeführten Phosphorsäureestern absorbiert und anschließend die 10-80 Gew.-% Persäurelösungen mit einem Alkylester desorbiert, sodaß letztlich Lösungen der Persäure in einem Alkylester entstehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die wasserarme Lösung der organischen Percarbonsäure gemäß US 4 904 821 hergestellt. Hierbei wird die Herstellung einer Percarbonsäurelösung in Alkylphosphaten beschrieben, indem man H₂O₂ (30-35 Gew.-% wässrige Lösung) und Essigsäure in einem molaren Verhältnis von 1 bis 2 : 1 im Sumpf einer Destillationskolonne vorlegt, die Menge Schwefelsäure auf 20-30 Gew.-% bezüglich der Masse der Gesamtlösung einstellt und bei Temperaturen zwischen 55 bis 70°C bei reduziertem Druck ein Gemisch aus Essigsäure, Peressigsäure und Wasser über Kopf entfernt. Die Dämpfe werden in einem geeigneten Phosphorsäuretrialkylester absorbiert während nicht absorbiertes Wasser über Kopf dieser Absorptionskolonne entfernt werden kann.

Zur Epoxidation werden nun die Lösungen der Percarbonsäure neben der entsprechenden Carbonsäure im Phosphorsäureester direkt eingesetzt, oder aber die Lösungen werden durch Desorption in ein anderes konventionelles Lösungsmittel überführt.

Die Gehalte der Lösungen der Percarbonsäuren im Lösungsmittel beziehungsweise im Extraktionsmittel betragen üblicherweise 1-50 Gew.-%, bevorzugt wird eine Verdünnung < 30 Gew.-% angestrebt, um einen sicheren Umgang zu gewährleisten.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann wie beschrieben in Gegenwart organischer Lösungsmittel durchgeführt werden, die sich unter Reaktionsbedingungen inert verhalten. Die Konzentration der Reaktanten im Lösungsmittel hat nur einen unwesentlichen Einfluss auf das Produktbild der Umsetzung und ist im wesentlichen von Sicherheitsaspekten abhängig. Auch eine Lösungsmittel-freie Arbeitsweise kann durchgeführt werden, wobei in diesem Fall β-Isophoron direkt mit der Persäure-haltigen Lösung in Kontakt gebracht wird, wenn sichergestellt ist, daß die Wasserkonzentration der Persäurehaltigen Lösung so niedrig ist, daß sowohl Rückisomerisierung zu alpha-IP als auch Konsekutivreaktion des Epoxids zu HIP im wesentlichen unterdrückt werden können. Üblicherweise sollte die Wasserkonzentration der eingesetzten organischen Lösung der Percarbonsäure kleiner als 5 Gew.-% betragen, bevorzugt liegt der Wassergehalt bei 0,01-2 Gew.-%.

Die verwendeten Lösungsmittel müssen üblicherweise in Gegenwart von Persäuren stabil sein. Ein weiteres Auswahlkriterium ist die einfache destillative Abtrennbarkeit von der eingesetzten Carbonsäure und vom Produkt.

Erfolgt die Epoxidation in Gegenwart organischer Lösungsmittel werden mit Vorteil aliphatische und cyclische Ester, zum Beispiel Essigsäuremethylester, Essigsäureethylester, Essigsäurepropylester, Butylacetat, Isobutylacetat, gamma-Butyrolacton, Ethylencarbonat, dessen Derivate und Homologe, aliphatische, alicyclische und aromatische Kohlenwasserstoffe, zum Beispiel Pentan, Hexan, Heptan, Octan und weitere Homologe, Benzol, Toluol, und Xylol eingesetzt. Auch Ketone sind als Lösungsmittel im Rahmen der Erfindung geeignet wie beispielsweise Aceton, Methyl-Ethylketon, Diethylketon und Isophoron. Des weiteren können aliphatische, aromatische oder gemischte Ether wie Diethylether, Methyl-tert-butylether eingesetzt werden, wenn auch die Einsetzbarkeit aus Sicherheitsgründen beschränkt ist. Geeignete organische Phosphorsäureester sind solche, deren Substituenten 3-30 Kohlenwasserstoffe enthalten, beispielsweise Phosphorsäuretriester, deren Substituenten aliphatisch, alicyclisch oder aromatischer Natur sein können. Beispielsweise seien an dieser Stelle Tricyclohexylphosphat, Triphenylphosphat, Trikresylphosphat, Diphenylkresylphosphat, Triethylphosphat, Tributylphosphat, Trioctylphosphat und weitere Derivate und Homologe genannt.

Weitere geeignete Lösungsmittelklassen sind halogenierte Kohlenwasserstoffe. Des weiteren können Mischungen der genannten Lösungsmittel eingesetzt werden.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das entstandene β-Isophoron-Epoxid direkt nach Vernichtung überschüssigen Peroxids und Persäure isoliert. Für den Labormaßstab ist es auch möglich mit wenig wässriger Natriumbisulfit Lösung auszuschütteln, bis der Peroxidtest negativ ausfällt. Beim Arbeiten mit überschüssigem β-IP ist nach vollständigem Ablauf der Reaktion sichergestellt, daß keine überschüssige Persäure mehr im Produktgemisch vorhanden ist. Nach Ablauf der Reaktion und Zerstörung störender Peroxide liegt ein Produktgemisch vor, das im wesentlichen aus Carbonsäure, β- IPO, Hydroxyisophoron und dem Lösungsmittel besteht. Durch fraktionierte Destillation kann die Carbonsäure abgetrennt und zurück geführt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Abtrennung der organischen Carbonsäure ist die Extraktion mit einem polaren Extrationsmittel, das mit der organischen Phase nicht mischbar ist und sich gegenüber dem Produkt inert verhält. Im einfachsten Fall kann die entstandene Carbonsäure mit wenig Wasser extrahiert werden.

Die Isolierung von β-IPO erfolgt durch Destillation, wobei üblicherweise das Lösungsmittel den Leichtsieder bezüglich β-IPO darstellt. Im Falle der Verwendung hochsiedender Absorptions-, Extraktions- oder Lösungsmittel wie den genannten Phosphorsäuretriestern kann β-IPO aber auch die leichtflüchtige Komponente darstellen. Das verbleibende Reaktionsmedium kann nach Abtrennung vom Produkt wieder in die Reaktion zurückgeführt werden.

Die Reinheit des so isolierten β-Isophoron Epoxids entspricht einer Produktqualität, wie sie für den Einsatz als Edukt für die Synthese von 4-Hydroxyisophoron (HIP) und Trimethylcyclohexan-1,4-dion (DH-KIP), den Zwischenprodukten für diverse Naturstoffe und Vitamin E- Acetat, erforderlich ist.

Beispiele Beispiel 1 Umsetzung von β-Isophoron mit toluolischer Perpropionsäure

Unter Stickstoff werden in einem 250 ml Dreihalskolben 37 g Propionsäure (0,5 Mol) bei Raumtemperatur vorgelegt. Zur Lösung werden innerhalb 5 Minuten unter externer Kühlung gleichzeitig 34 g einer 50 Gew.-%igen Wasserstoffperoxidlösung (d. h. 0,51 Mol H₂O₂ und 0,94 Mol Wasser) und 15 g konzentrierte Schwefelsäure (0,15 mol) zugegeben. Die Kühlung und die entsprechende Zugabegeschwindigkeit stellen sicher, daß die Temperatur 25°C nicht übersteigt. Der molare Quotient von H₂O₂ : Propionsäure : H₂SO₄ beträgt bei dieser Stöchiometrie 1,5 : 1,5 : 0,45. Nachdem man die erhaltene Lösung bei Raumtemperatur 15 Minuten gerührt hat, extrahiert man die Lösung mit 2 × 100 ml Toluol, wobei 230 g einer toluolischen Perpropionsäure erhalten werden, die neben Persäure und Toluol auch nicht umgesetzte Propionsäure und H₂O₂ enthalten. Die toluolische Lösung der Perpropionsäure, die noch Reste H₂O₂ und nicht umgesetzte Propionsäure enthält, wird in einen 500 ml Dreihalskolben überführt, der mit Innenthermometer, Tropftrichter und Gasblasenzähler ausgestattet ist. Unter Stickstoff werden unter Beibehaltung einer Innentemperatur der Lösung von 10°C 46 g β-IP (GC-Gehalt: 99,5%; 0,33 Mol) innerhalb 20 Minuten zugetropft. Man lässt 1 Stunde bei 10°C reagieren und eine weitere Stunde bei Raumtemperatur. Die erhaltene toluolische Produktlösung wird gegen einen zugesetzten internen Standard (Dodekan) untersucht., wobei folgende Ergebnisse erhalten werden
Umsatz β-IP: 21,51 g (47,2%)
Ausbeute β-IPO: 21,28 g (41,8% d. Th)
Selektivität β-IPO: 88,6% d. Th
Selektivität alpha-IP: 0,11 g (0,52%)
Selektivität HIP: 0,91 g (3,8%)

Das Beispiel demonstriert, daß beim Arbeiten mit toluolischer Propionsäure gute β-IPO Selektivitäten bei weitgehender Unterdrückung von Rückisomerisierung zu alpha- IP und Konsekutivreaktion zu HIP erhalten werden können.

Beispiel 2 Umsetzung von β-Isophoron mit benzolischer Perpropionsäure

Unter Stickstoff werden in einem 250 ml Dreihalskolben 37 g Propionsäure (0,5 Mol) bei Raumtemperatur vorgelegt. Zur Lösung werden innerhalb 5 Minuten unter externer Kühlung zunächst 15 g konzentrierte Schwefelsäure gegeben (0,15 Mol) und anschließend 34 g einer 50 Gew.-%igen Wasserstoffperoxidlösung (0,51 Mol H₂O₂ und 0,94 Mol Wasser). Der molare Quotient von H₂O₂ : Propionsäure : H₂SO₄ der Ausgangslösung beträgt bei dieser Stöchiometrie 3 : 3 : 0,9 (Die Werte werden auf die zu oxidierende molare β-IP Menge bezogen).

Man stellt durch externe Kühlung mit dem Eisbad sicher, daß die Reaktionstemperatur 20°C nicht überschreitet und rührt weitere 30 Minuten. Die so erhaltene Lösung wird mit 3 × 60 ml Benzol extrahiert. Die extrahierte benzolische Phase wird mit MgSO₄ getrocknet, wobei nach Filtration eine klare benzolische Phase erhalten wird, die Perpropionsäure, Propionsäure und Wasserstoffperoxid enthält. Insgesamt wurden 38 g der Ansatzlösung durch Extraktion mit Benzol in die organische Phase überführt.

Die benzolische Lösung der Perpropionsäure, wird in einen 500 ml Dreihalskolben überführt, der mit Innenthermometer, Tropftrichter und Gasblasenzähler ausgestattet ist. Unter Stickstoff werden unter Beibehaltung einer Innentemperatur der Lösung von 20°C 23 g β-IP (GC-Gehalt: 99,5%; 0,166 Mol) innerhalb 10 Minuten zugetropft. Man lässt noch weitere 90 Minuten nachrühren und verfolgt den Reaktionsverlauf mittels GC.

Nach 95 Minuten wird die Reaktion abgebrochen, auf Raumtemperatur abgekühlt und die benzolische Produktlösung mit wenig 10 Gew.-% wässriger NaHSO₃ Lösung gewaschen. Die Ergebnisse der GC-Quantifizierung der Produktlösung lauten wie folgt:
Umsatz β-IP: 22,25 g (97%)
Ausbeute β-IPO: 23,8 g (93% d. Th)
Selektivität β-IPO: 95,9% d. Th.
Selektivität alpha-IP: 0,03 g (0,14%)
Selektivität HIP: 0,32 g (1,3%)

Das Beispiel demonstriert, daß beim Arbeiten mit benzolischer Propionsäure sehr gute β-IPO Selektivitäten bei weitgehender Unterdrückung von Rückisomerisierung zu alpha-IP und Konsekutivreaktion zu HIP erhalten werden können.

Vergleichsbeispiel 1 Umsetzung von β-Isophoron mit 15 Gew.-% wässriger Peressigsäure

6,9 g β-Isophoron (50 mmol) werden in einem Dreihalskolben unter magnetischer Rührung vorgelegt und 50 g einer 15 Gew.-%igen Peressigsäure (ca. 100 mmol) langsam während 20 Minuten so zugetropft, daß die Innentemperatur der Lösung 25°C nicht überstieg. Anfänglich ist die Lösung zweiphasig, wird aber im Laufe der Reaktion homogen einphasig. Nach 3 Stunden wird die Reaktion abgebrochen und die Ergebnisse mittels GC quantifiziert:
Umsatz β-IP: 6,83 g (99%)
Selektivität β-IPO: 0,23 g (3,0% d. Th.)
Selektivität alpha-IP: 0,35 g (4,6%)
Selektivität HIP: 3,08 g (40,4%)

Auch das entsprechende β-IP-Diol wird mit einer Selektivität von 8% nachgewiesen sowie weitere nicht charakterisierte Produkte. Insgesamt ist die Reaktion unselektiv und nicht zur Herstellung des β-IP-Epoxids geeignet.

Claims (8)

1. Verfahren zur selektiven Herstellung von β-Isophoron- Epoxid (1,5,5-Trimethyl-7-oxa-Bicyclo-[4,1,0]-heptan-3- on):
durch Epoxidation von β-Isophoron (3,5,5- Trimethylcyclohex-3-en-1-on)
mit organischen Percarbonsäuren bei Temperaturen zwischen -50 bis 100°C, dadurch gekennzeichnet, daß nicht wässrige Lösungen verwendet werden, die Persäure in einem vorgelagerten Gleichgewicht gebildet wird und mit dem Lösungsmittel der Oxidation absorbiert oder extrahiert wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Epoxidation mit organischen Persäuren in Form ihrer Lösungen in organischen Lösungsmitteln bei Temperaturen zwischen 0 bis 60°C durchführt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Perameisensäure, Peressigsäure, Perpropionsäure und homologe Verbindungen oder deren Gemische als Epoxidationsmittel verwendet.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt der eingesetzten Percarbonsäuren 0,01 bis 5 Gew.-% beträgt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die organischen Persäuren in Form ihrer Lösungen in aromatischen, aliphatischen, alicyclischen Kohlenwasserstoffen, der entsprechenden chlorierten Derivate, oder organische Phosphorsäuretriester oder Ester als Lösungsmittel verwendet.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man benzolische oder toluolische Perpropionsäure oder Peressigsäure einsetzt, oder die Lösung der entsprechenden Persäuren neben den nicht oxidierten Carbonsäuren in Phosphorsäuretriestern als Lösungsmittel einsetzt.

7. Verfahren gemäß vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der Persäuren in den Lösungen im organischen Lösungsmittel 0,1-60 Gew.-% beträgt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Epoxidation in einem molaren Verhältnis Percarbonsäure : β-Isophoron zwischen 10 : 1 und 1 : 10 durchführt.