DE10044381A1

DE10044381A1 - Zimtsäureester

Info

Publication number: DE10044381A1
Application number: DE10044381A
Authority: DE
Inventors: Walter Kuhn; Gerhard Braun; Stephan Klein
Original assignee: Haarmann and Reimer GmbH
Current assignee: Symrise AG
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2002-04-04
Also published as: WO2002020456A2; US20020133038A1; US6531625B2; EP1324971A2; AU2002212163A1; WO2002020456A3

Abstract

Nach einem neuen Verfahren zur Synthese von Zimtsäureestern bzw. substituierten Zimtsäureestern werden durch Kondensation Carbonsäureester mit Benzaldehyd bzw. substituierten Benzaldehyden in Gegenwart eines Feststoffs mit basischen Eigenschaften umgesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Synthese von Zimtsäueestern bzw. substituierten Zimtsäureestern durch Kondensation von Carbonsäureestern mit Benzaldehyd bzw. substituierten Benzaldehyden, in Gegenwart eines Feststoffs mit basischen Eigenschaften.

Zimtsäureester und substituierte Zimtsäureester finden z. B. Verwendung als Licht schutzfilter in kosmetischen Anwendungen und in Kunststoffen. 2-Ethylhexyl-4- methoxyzimtsäureester ist ein Lichtschutzfilter für den Wellenlängenbereich des Lichtes von 280-315 nm (UV-B), der u. a. unter den Namen NeoHeliopan® AV und OMC bekannt ist (Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry 6^th Edition, Electronic Release, 1999, Vol. A 24, 231-239).

Die Synthese von Zimtsäureestern bzw. von 2-Ethylhexyl-4-methoxyzimtsäureester ist bislang auf folgenden Wegen beschrieben:

A) Kondensation von Benzaldehyd mit Essigsäureester in der Gegenwart von Alkalialkoholat (Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry 6^th Edition, Electronic Release, 1999, Vol. A 24, 231-239).
B) Kupplung von 4-Halogenanisol mit Acrylsäureester katalysiert durch Palladiumsalze in Gegenwart geeigneter Basen und Phosphanliganden (Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry 5^th Edition, 1986, Vol. A 7, 99-101, WO 90/10617, EP A 056491 und EP A 0719758).
C) Kupplung von 4-Methoxydiazoniumsalzen mit Acrylsäureester katalysiert durch Palladium in Gegenwart geeigneter Basen (Genêt; Tetrahydron Letters 1999, 4815).
D) Anlagerung von Keten an Acetale von Benzaldehyd bzw. substituierten Benz aldehyden (EP A 0490198).

Nachteilig bei den genannten Verfahren ist entweder die grosse Menge uner wünschter Salze, die während der Synthese anfallen, die Verwendung teurer und ge wöhnlich schlecht wieder zu gewinnender Edelmetallkatalysatoren bzw. der Einsatz toxischer Edukte bzw. aufwendiger Vorstufen oder Folgeschritte.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Synthese von substituierten Zimtsäureestern bei dem in einem Reaktionsschritt unter Einsatz geeigneter Katalysatoren Benzaldehyd bzw. substituierte Benzaldehyde mit Essigsäureestern in einer Kondensationsreaktion verknüpft werden.

Es wurde eine Verfahren zur Herstellung von Zimtsäureester bzw. substituierten Zimtsäureestern der allgemeinen Formel (I)

worin
R¹, R² und R³ gleich oder verschieden sind und für Wasserstoff, Alkoxy oder Alkyl stehen und
R⁴ Alkyl bedeutet,
gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Benzaldehyde (II) der Formel

wobei
R¹, R², R³ die obengenannte Bedeutung haben,
mit Carbonsäureester (III)

wobei
R⁴ die oben genannte Bedeutung hat
in Gegenwart eines Feststoff mit basischen Eigenschaften umgesetzt werden.

Überraschenderweisen lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Zimt säureester in einem Schritt ohne Salzbelastung herstellen.

Im Rahmen der allgemeinen Formeln I, II und III bedeutet im allgemeinen Alkyl ein geradekettiger oder verzweigter Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 16, bevor zugt 1-10 Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise Ethyl, Methyl, Propyl, iso-Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, 2-Ethylhexyl, Nonyl und Decyl.

Alkoxy ein über Sauerstoff gebundener geradekettiger oder verzweigter Kohlen wasserstoffrest mit 1 bis 6, bevorzugt 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, wie beispielsweise Methoxy, Ethoxy, Propoxy, iso Propoxy, Butoxy, iso Butoxy, Pentoxy, iso Pentoxy, Hexoxy oder iso Hexoxy.

Als Benzaldehyde seien beispielsweise genannt:
4-Methoxybenzaldehyd, 4-Ethoxybenzaldehyd, 4-Propoxybenzaldehyd, 4-iso-Pro poxybenzaldehyd, 4-Butoxybenzaldehyd, 4-Pentoxybenzaldehyd, 4-iso-Pentoxy benzaldehyd, 4-Methylbenzaldehyd, 4-Ethylbenzaldehyd, 4-iso-Propylbenzaldehyd, 4-Propylbenzaldehyd, 4-Butylbenzaldehyd.

Als Carbonsäureester seien beispielsweise genannt:
Hexylessigsäureester, Heptylessigsäureester, Octylessigsäureester, 2-Ethylhexyl essigsäureester, Nonylessigsäureester, Decylessigsäureester.

Bevorzugter Benzaldehyd (II) ist 4-Methoxybenzaldehyd, bevorzugter Carbonsäure ester ist 2-Ethylhexylessigsäureester.

Das molare Verhältnis Benzaldehyd zu Carbonsäureester liegt im allgemeinen im Bereich von 0,01 und 10, bevorzugt im Bereich von 0,1 und 1 und besonders bevor zugt im Bereich von 0,2 und 0,5.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Lösungsmittel oder in Substanz durchge führt werden.

Lösungsmittel für das erfindungsgemäße Verfahren sind beispielsweise Toluol, Xylol, Chlorbenzol, Dichlorbenzol.

Das während der Reaktion entstehende Wasser wird erfindungsgemäß bevorzugt aus dem Reaktionsgemisch, insbesondere bevorzugt durch Destillation, entfernt.

Als Schleppmittel für das Reaktionswasser bei der Destillation können die ver wendeten Lösemittel bzw. der Carbonsäurester (III) eingesetzt werden. Die Ab trennung des Wassers kann in einem Trennscheider erfolgen, wobei der Trenn scheider direkt auf dem Reaktor aufgesetzt werden kann oder die Verwendung einer Trennkolonne zwischen Reaktor und Trennscheider möglich ist. Die Wasseraus schleusung gelingt bei Rückfluss der Reaktionslösung oder des Lösemittels.

Als basische Feststoffe für das erfindungsgemäße Verfahren werden Metallcarbonate und -oxide verwendet, Mischoxide, Mischungen von Metallcarbonaten, Mischungen von Metalloxiden und Mischungen von Metallcarbonaten und Metalloxiden. Bevor zugt sind Alkali- und Erdalkalicarbonate und -oxide und hierbei die Carbonate und Oxide von Natrium, Cäsium, Kalium, Magnesium und Calcium. Auch Aluminium oxid, Zinkoxid und Zirkonoxid seien als basische Feststoffe genannt.

Besonders bevorzugt sind Kalium- und Cäsiumcarbonat.

Die basischen Feststoffe können noch durch Natriumoxid, Kaliumfluorid, Ceroxid, Ammoniumfluorid, Kaliumcarbonat und Cäsiumcarbonat dotiert werden.

Die Dotierung wird bevorzugt in einer Menge von 0,1 bis 50 Gew.-%, insbesondere bevorzugt in einer Menge von 5 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des basischen Feststoff zugesetzt.

Die Feststoffe können in reiner Form, geträgert oder als Mischung verwendet werden, bevorzugt sind Mischungen von Kalium- und Cäsiumcarbonat, besonders bevorzugt sind Mischungen von Cäsium- und Kaliumcarbonat, bei denen beide Carbonate zu gleichen Massenteilen eingesetzt werden. Die Katalysatorkonzen trationen können zwischen 0,1 und 50% (w/w) betragen, bevorzugte Katalysator konzentrationen liegen zwischen 5 und 50% (w/w). Der Katalysator kann vor der Reaktion thermisch oder mechanisch vorbehandelt und in Pulverform oder als Form körper eingesetzt werden.

Basische unlösliche Feststoffe, speziell anorganische, basische, unlösliche Feststoffe sind als Katalysatoren für Kondensationsreaktionen des Aldol-Typs an sich bekannt (Chem. Rev., 1995, 95, 537-558, Catal. Today, 1997, 38, 321-337), wobei Carbonyl verbindungen wie Aldehyde und Ketone mit C-H-aciden Verbindungen zur Um setzung gebracht werden. Nachteilig bei den beschriebenen Verfahren ist die Be schränkung auf C-H-acide Verbindungen mit C-H-Aciditäten die einen näherungs weisen pKs-Wert (Advanced Organic Chemistry, J. March, 3th Edition, 1985, 220-221) von kleiner 20 aufweisen. Verfahren zur Herstellung von Zimtsäureestern bzw. substituierten Zimtsäureestern durch Umsetzung von Essigsäureestern als C-H- acider Verbindung mit Benzaldehyd oder substituierten Benzaldehyden sind nicht be schrieben.

Anorganische Feststoffe, speziell Oxide, mit halogenhaltigen Verbindungen modifizierte Oxide, Carbonate, Mischungen von Carbonaten, Mischungen von Carbonaten und Oxiden, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Stoffe mit basischen Eigenschaften handelt sind geeignete Katalysatoren für die Synthese von Zimtsäureester oder substituierten Zimtsäureestern aus Benzaldehyd bzw. sub stituierten Benzaldehyden und Essigsäureestern. Dies ist überraschend, da anor ganischen Feststoffen eine deutlich geringere Basizität zugeschrieben wird als z. B. Alkalialkoholaten, die bei Kondensationsreaktionen des beschriebenen Typs Ver wendung finden. Besonders überraschend war die hohe Aktivität und Selektivität die mit Kaliumcarbonat und Cäsiumcarbonat in der genannten Reaktion erzielt wird. Es zeigt sich darüber hinaus ein unerwarteter Synergie-Effekt von Kalium- und Cäsium carbonat, d. h. die Aktivität der physikalischen Mischung der beiden Carbonate liefert höhere Aktivitäten, als die Aktivitäten der Reinstoffe erwarten läßt.

Der Reaktionsdruck kann im Bereich von 0,1 und 10 bar, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 2 bar, liegen.

Die Reaktionstemperatur liegt im allgemeinen im Bereich von 100°C bis 300°C, be vorzugt 150°C bis 250°C.

Die Reaktionsdauer kann zwischen 0,5 und 48 h liegen; bevorzugte Reaktionsdauern liegen zwischen 0,5 und 5 h.

Die Reaktionsmischung muss während der Reaktion gut durchmischt werden, was durch die siedende Reaktionslösung alleine und durch die zusätzliche Verwendung eines Rührwerkzeuges erfolgen kann. Die Isolierung des Reaktionsproduktes erfolgt nach Abtrennung des Katalysators durch Destillation unter vermindertem Druck. Die Abtrennung des Katalysators kann durch Filtration erfolgen und falls der Katalysator wasserlöslich ist durch Zugabe von Wasser, Auflösung des Katalysatorfeststoffes und anschliessende Phasentrennung.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch folgendes Formelschema dargestellt werden:

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise wie folgt durchgeführt wer den:
Im allgemeinen werden 5-20% (w/w) Katalysator, der entweder ohne weitere Vor behandlung eingesetzt wird oder vor der Reaktion bei erhöhter Temperatur ausge heizt oder gemahlen worden ist, beispielsweise in 2-Ethylhexylessigsäureester aufge nommen und das Reaktionsgemisch auf Rückflusstemperatur erhitzt, anschliessend dosiert man 4-Methoxybenzaldehyd zu, wobei das molare Verhältnis von Aldehyd zu Carbonsäureester zwischen 0,1-1 liegt. Der Reaktionsfortschritt wird über das ent stehende Reaktionswasser sowie durch Probennahme und gaschromatographische Analyse der Proben ermittelt. Nach Reaktionsende wird der Katalysator abfiltriert und das Filtrat im Unterdruck destilliert.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindungen lassen sich Zimtsäureestern bzw. sub stituierte Zimtsäureester durch Kondensation von Carbonsäureestern mit Benzalde hyd bzw. substituierten Benzaldehyden katalysiert durch einen Feststoff mit basischen Eigenschaften unter kontinuierlicher Abtrennung des entstehenden Reaktionswassers herstellen.

Bevorzugt kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren 2-Ethylhexyl-4-methoxy zimtsäureester hergestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Synthese von Zimtsäureestern bzw. sub stituierten Zimtsäureestern ist einfach in der Handhabung, kann mit preiswerten und verfügbaren Ausgangsstoffen durchgeführt werden, bedarf keiner toxischen oder ökologisch bedenklichen Ausgangsverbindungen, weist neben dem entstehenden Reaktionswasser keine Beiprodukte auf, was den Zwangsanfall von Abfall ver hindert. Das erfindungsgemässe Verfahren liefert das Zielprodukt in einem Synthese schritt und verwendet einen Katalysator, der einfach vom Produkt entfernt werden kann.

Beispiele Beispiel 1

In einen 250 ml Glasreaktor, ausgestattet mit einem Rührer, einer Destillations kolonne (Im Länge), einem Wasserabscheider, einem Kühler und einem Tropf trichter werden 118 ml 2-Ethylhexylessigsäureester und 24 ml (Schüttvolumen) Katalysator vorgelegt, auf Rückflußtemperatur erhitzt und anschliessend 27 g 4- Methoxybenzaldehyd rasch zugegeben. Der Reaktionsfortschritt wird durch Proben nahme und die entstehende Menge Reaktionswasser verfolgt. Umsätze und Aus beuten werden mittels Gaschromatographie mit internem Standard bestimmt. Die Katalysatoren sind in Tabelle 1 aufgeführt und die Versuchsergebnisse in Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 1

Katalysatoren

Tabelle 2

Versuchsergebnisse

Beispiel 2 Versuche mit Mischungen von Cäsium- und Kaliumcarbonat

In einen 250 ml Glasreaktor, ausgestattet mit einem Rührer, einer Destillations kolonne (Im Länge), einem Wasserabscheider, einem Kühler und einem Tropf trichter werden 118 ml 2-Ethylhexylessigsäureester und 24 ml (Schüttvolumen) Katalysator vorgelegt, auf Rückflußtemperatur erhitzt und anschliessend 27 g 4- Methoxybenzaldehyd rasch zugegeben. Der Reaktionsfortschritt wird durch Proben nahme und die entstehende Menge Reaktionswasser verfolgt. Umsätze und Aus beuten werden mittels Gaschromatographie mit internem Standard bestimmt. Die Katalysatoren und die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst.

Tabelle 3

Mischungen von Kalium- und Cäsiumcarbonat

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Zimtsäureester bzw. substituierten Zimtsäure estern der allgemeinen Formel (I)
worin
R¹, R² R³ gleich oder verschieden sind und für Wasserstoff, Alkoxy oder Alkyl steht und
R⁴ Alkyl bedeutet,
durch Umsetzung von Benzaldehyden (II)
wobei
R¹, R², R³ die obengenannte Bedeutung haben,
mit Carbonsäureestern (III)
wobei
R⁴ die oben genannte Bedeutung hat
in Gegenwart eines Feststoff mit basischen Eigenschaften.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als basische Feststoffe, Oxide, mit halogenhaltigen Verbindungen modifizierte Oxide, Carbonate, Mischungen von Carbonaten, sowie Mischungen von Carbonaten und Oxiden eingesetzt werden.

3. Ein Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der basische Feststoff vor der Reaktion bei erhöhter Temperatur ausgeheizt wurde.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als basische Feststoffe Kalium- und Cäsiumcarbonat verwendet werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mischungen von Cäsium- und Kaliumcarbonat verwendet werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mischungen von Cäsium- und Kaliumcarbonat, bei denen beide Carbonate zu gleichen Massenteilen eingesetzt werden, verwendet werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das während der Reaktion entstehende Wasser aus dem Reaktionsgemisch während der Reaktion entfernt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung unter Rückfluss durchgeführt wird und das entstehende Reaktionswasser mit einem Schleppmittel aus dem Reaktionsgemisch während der Reaktion entfernt wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Schleppmittel zum Entfernen des Reaktionswasser der als Einsatzstoff ver wendete Carbonsäurester verwendet wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des basischen Feststoffs im Bereich von 1 bis 50% (w/w) be zogen auf Gesamtmasse des Reaktionsgemisches beträgt.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis des eingesetzten Benzaldehyds zum Carbonsäureester im Bereich von 0,01 bis 10 liegt.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung des basischen Feststoffs durch Filtration erfolgt.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, dass der basische Feststoff wasserlöslich ist, durch Zugabe von Wasser der Feststoff gelöst und anschließend der Zimtsäureester bzw. der substituierte Zimtsäureester durch Phasentrennung isoliert wird.