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Die
vorliegende Erfindung betrifft O-acylierte Citronensäureanhydride
mit der allgemeinen Formel I, wobei R einen geradkettigen, verzweigten,
gesättigten
oder ungesättigten
aliphatischen Rest von C
2-C
21 sowie einen
teilweise oder ganz fluorierten, aliphatischen Rest von C
2-C
21 bedeutet. Zudem
kann R = O-tert-Butyl, O-Benzyl, tert-Butyl, Phenyl oder substituiertes
Phenyl sowie Benzyl oder substituiertes Benzyl bedeuten; O-acylierte
Weinsäureanhydride
[aus (2R,3R), (2S,3S) oder (2R,3S)-Weinsäuren] mit der allgemeinen Formel II,
wobei R einen geradkettigen, verzweigten, gesättigten oder ungesättigten
aliphatischen Rest von C
4-C
21 sowie
einen teilweise oder ganz fluorierten, aliphatischen Rest von C
2-C
21 bedeutet. Zudem
kann R = O-tert-Butyl, tert-Butyl, sowie substituiertes Benzyl bedeuten;
O-acylierte Äpfelsäureanhydride
[aus (2S)-, (2R)- oder (R,S)-Äpfelsäure] mit
der allgemeinen Formel III, wobei R einen geradkettigen, verzweigten,
gesättigten
oder ungesättigten
aliphatischen Rest von C
4-C
21 sowie
einen teilweise oder ganz fluorierten, aliphatischen Rest von C
2-C
21 bedeutet. Zudem
kann R = O-tert-Butyl, O-Benzyl, tert-Butyl, Phenyl oder substituiertes Phenyl
sowie Benzyl oder substituiertes Benzyl bedeuten (
1).
Abb.1.
O-acylierte Anhydride von Citronensäure, Weinsäuren und Äpfelsäuren I–III
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein einfaches
und preiswertes Verfahren zur Herstellung der beanspruchten Verbindungen
mit den allgemeinen Formeln I–III
welche bislang in der Literatur nicht beschrieben sind.
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Wir
fanden überraschend
und zufällig,
dass beim Versuch der Acylierung von Citronensäure mit langkettigen Säurechloriden,
also mit dem Ziel O-acylierte Citronensäure herzustellen, nicht die
erwartete O-acylierte Citronensäure
sondern das entsprechende O-acylierte Citronensäureanhydrid der allgemeinen
Formel I entstanden war. Dies steht in völligem Gegensatz zu Literaturberichten,
nach denen die entsprechende O-Acylierung von Citronensäure mit
langkettigen Fettsäuren
als erfolgreich durchführbar
beschrieben wurde. Ein Vergleich der physikalischen und spektroskopischen
Daten des von uns hergestellten I mit der Literatur ergab jedoch,
dass bei den Literaturversuchen ein völlig anderes Produkt entstanden
sein muss.
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Es
stellte sich bei entsprechenden Versuchen mit anderen Hydroxycarbonsäuren heraus,
dass diese Reaktion von allgemeiner Natur ist und sich problemlos
auf Hydroxycarbonsäuren
wie Weinsäure
(alle Stereoisomeren) und Äpfelsäure (alle
Stereoisomeren) übertragen
lässt und
dabei in allen Fällen
bei der Umsetzung mittels langkettigen Säurechloriden die entsprechenden
O-acylierten Anhydride II bzw. III entstehen (
2).
Abb.2
Synthese der Titelverbindungen mit den allgemeinen Formeln I–III
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Unsere
Beobachtung steht in Übereinstimmung
mit Berichten in der Literatur, worin vergleichbare Umsetzungen
von Hydroxycarbonsäuren
mit kurzkettigen Säurechloriden
oder Säureanhydriden
beschrieben werden. So führt
nach Literaturangaben die Umsetzung von Citronensäure mit
Acetylchlorid, oder Essigsäureanhydrid zur O-Acetylcitronensäure (bzw.
-anhydrid). Jedoch sind in der Literatur keine weiteren Beispiele
für derartige
Umsetzungen zu finden, insbesondere kein Beispiel für die Herstellung
der von uns beanspruchten Verbindungen der allgemeinen Formel I.
Gleiches gilt für
entsprechende Umsetzungen von Äpfelsäure mit
Acetylchlorid, Essigsäureanhydrid,
Propionsäurechlorid,
Trifluoressigsäurechlorid
(bzw. Trifluoressigsäureanhydrid),
Trichloressigsäurechlorid
(bzw. Trichloressigsäureanhydrid).
Auch hier gibt es in der Literatur keinerlei Hinweise auf entsprechende
lösungsmittelfreie Umsetzungen
mit langkettigen Fettsäurehalogeniden,
und damit auch keine Beschreibungen der von uns beanspruchten Verbindungen
mit der allgemeinen Formel III. Intensiver bearbeitet wurden die
entsprechenden Umsetzungen von Weinsäuren mit unterschiedlichen
Säurehalogeniden
und Säureanhydriden
wie Acetylchlorid, Essigsäureanhydrid, Trifluoressigsäureanhydrid,
Trichloressigsäure-chlorid,
Phenylessigsäurechlorid, Benzoylchlorid, 4-Methylbenzoesäurechlorid, 2,4-Dimethylbenzoesäurechlorid.
Wiederum fehlen Hinweise auf die von uns beanspruchten Verbindungen
der allgemeinen Formel II.
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Zusammenfassend
kann man also feststellen, dass zwar vereinzelte Berichte zur möglichen
Herstellung dieser Verbindungsklasse in der Literatur zu finden
sind, dass es aber keine Umsetzungen mit langkettigen Fettsäurehalogeniden
gibt und dass insbesondere keine der von uns beanspruchten Verbindungen
I–III
in der Literatur beschrieben sind.
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Die
so nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
herstellbaren und hier beanspruchten Bausteine I–III stellen attraktive Ausgangsmaterialien
für die
Herstellung einer Vielzahl bedeutender Folgeprodukte mit interessanten
Eigenschaften dar. Es sind hervorragende Elektrophile, die mit einer
Vielzahl unterschiedlicher Nukleophile in unterschiedlichste Folgeprodukte
umgesetzt werden können.
I–III
stellen somit zentrale Synthesebausteine dar. Eine Auswahl derartiger
Folgeprodukte aus I–III
wird im Folgenden vorgestellt. Aufgrund der großen Vielzahl möglicher
Produkte kann diese Auswahl nur als stellvertretend für die vielfältigen Möglichkeiten
angesehen werden.
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Folgeprodukte
mit der allgemeinen Formel IV entstehen bei der Umsetzung von O-acylierten
Citronensäureanhydriden
der allgemeinen Formel I mit Nukleophilen wobei R
1 einen
geradkettigen, verzweigten, gesättigten
oder ungesättigten
aliphatischen Rest von C
2-C
21 sowie
einen teilweise oder ganz fluorierten, aliphatischen Rest von C
2-C
21 bedeutet. Zudem
kann R
1 = O-tert-Butyl, O-Benzyl, tert-Butyl,
Phenyl oder substituiertes Phenyl sowie Benzyl oder substituiertes
Benzyl bedeuten (
3).
Abb.3.
Reaktionsprodukte aus der Umsetzung von I mit unterschiedlichen
Nuclepophilen
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Für R2 = OH bedeutet R3 =
OH oder O-Alkyl, einen geradkettigen, verzweigten oder ungesättigten
aliphatischen Alkylrest von C1-C21 sowie einen teilweise oder ganz fluorierten,
aliphatischen Rest von C2-C21 oder O-Benzyl,
O-Phenyl, O-Salicyl, O-1-Glyceryl, O-2-Glyceryl, O-(2Hydroxy)-ethyl, O-(3Hydroxy)-propyl, O-(2-[2-(2-hydroxy-ethoxy)ethoxy]-1)ethyl,
O-(2-(1,1,1-trimethylammonium)-1)ethyl, N-Alkyl- d.h. einen geradkettigen
bzw. verzweigten oder ungesättigten
aliphatischen Alkylrest von C1-C20, N,N-dialkyl d.h. geradkettige bzw. verzweigte
oder ungesättigten
aliphatische Alkylreste von C1-C20, N-2-Amino-1-ethanol, N,N-(2Amino-Diethanol);
oder im Falle von R3 = OH bedeutet R2 = OH oder O-Alkyl, einen geradkettigen,
verzweigten oder ungesättigten
aliphatischen Alkylrest von C1-C21 sowie einen teilweise oder ganz fluorierten,
aliphatischen Rest von C2-C21 oder
O-Benzyl, O-Phenyl, O-Salicyl, O-1-Glyceryl, O-2-Glyceryl, O-(2Hydroxy)-ethyl,
O-(3Hydroxy)-propyl,
O-(2-[2-(2-hydroxy-ethoxy)ethoxy]-1)ethyl, O-(2-(1,1,1-trimethylammonium)-1)ethyl,
N-Alkyl- d.h. einen geradkettigen bzw. verzweigten oder ungesättigten
aliphatischen Alkylrest von C1-C20, N,N-dialkyl d.h. geradkettige bzw. verzweigte
oder ungesättigten
aliphatische Alkylreste von C1-C20, N-2-Amino-1-ethanol, N,N-(2Amino-Diethanol);
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Folgeprodukte
aus der Umsetzung von O-acylierten Citronensäureanhydriden der allgemeinen
Formel I mit Thionylchlorid oder Oxalylchlorid zu O-acylierten Citronensäueanhydridhalogeniden
mit der allgemeinen Formel V (
4),
Abb.4.
Reaktionsprodukte aus der Umsetzung von I mit Thionylchlorid oder
Oxalylchlorid wobei R
1 einen geradkettigen,
verzweigten, gesättigten
oder ungesättigten
aliphatischen Rest von C
2-C
21 sowie
einen teilweise oder ganz fluorierten, aliphatischen Rest von C
3-C
21 bedeutet. Zudem
kann R
1 = O-tert-Butyl, O-Benzyl, tert-Butyl,
Phenyl oder substituiertes Phenyl sowie Benzyl oder substituiertes
Benzyl bedeuten, und wobei R
2 = F, Cl, Br,
oder I bedeutet.
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Folgeprodukte
mit der allgemeinen Formel VI aus O-acylierten Weinsäureanhydriden
[(2R,3R) oder (2R,3S) oder (2S,3S)] der allgemeinen Formel II, wobei
R
1 einen geradkettigen, verzweigten, gesättigten
oder ungesättigten,
aliphatischen Rest von C
2-C
21 sowie
einen teilweise oder ganz fluorierten, aliphatischen Rest von C
2-C
21 bedeutet (
5). Zudem kann R
1 =
O-tert.-Butyl, O-Benzyl, tert-Butyl, sowie substituiertes Benzyl bedeuten,
und wobei
Abb.5.
Reaktionsprodukte VI aus der Umsetzung von II mit Nucleophilen für
R
2 = OH ist R
3 =
-OH, O-Alkyl- d.h. einen gradkettigen, verzweigten oder ungesättigten
aliphatischen Alkylrest von C
2-C
21 sowie einen teilweise oder ganz fluorierten,
aliphatischen Rest von C
2-C
21,
O-Benzyl, O-Phenyl, O-Salicyl, O-1-Glyceryl, O-2-Glyceryl, O-(2Hydroxy)-ethyl,
O-(3Hydroxy)-propyl, O-(2-[2-(2-hydroxyethoxy)ethoxy]-1-)ethyl,
O-(2- (1,1,1-trimethylammonium)-1)ethyl,
N-Alkyl- d.h. einen geradkettigen bzw. verzweigten oder ungesättigten
aliphatischen Alkylrest von C
1-C
20, N,N-Dialkyl d.h. geradkettige bzw. verzweigte
oder ungesättigten
aliphatische Alkylreste von C
1-C
20, N-2Amino-1-ethanol, N,N-(2Amino-Diethanol)
bedeuten.
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Folgeprodukte
mit der allgemeinen Formel VII aus O-acylierten Äpfelsäureanhydriden [(2S) oder (2R) oder
racemisch (R,S)] der allgemeinen Formel III, wobei R
1 einen
geradkettigen, verzweigten, gesättigten
oder ungesättigten
aliphatischen Rest von C
2-C
21 sowie
einen teilweise oder ganz fluorierten, aliphatischen Rest von C
2-C
21 bedeutet (
6). Weiter kann R = O-tert-Butyl, O-Benzyl,
tert-Butyl Phenyl oder substituiertes Phenyl sowie Benzyl oder substituiertes
Benzyl bedeuten.
Abb.6.
Reaktionsprodukte VII aus der Umsetzung von III mit Nucleophilen
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Für R2 = OH kann R3 =
-OH, O-Alkyl- d.h. einen geradkettigen bzw. verzweigten oder ungesättigten aliphatischen
Alkylrest von C1-C20,
O-Benzyl, O-Phenyl, O-Salicyl, O-1-Glyceryl, O-2-Glyceryl, O-(2Hydroxy)-ethyl,
O-(3Hydroxy)-propyl, O-(2-[2-(2-hydroxyethoxy)ethoxy]-1-)ethyl,
O-(2-(1,1,1-trimethylammonium)-1)ethyl, N-Alkyl- d.h. einen geradkettigen
bzw. verzweigten oder ungesättigten
aliphatischen Alkylrest von C1-C20, N,N-Dialkyl d.h. geradkettige bzw. verzweigte
oder ungesättigten
aliphatische Alkylreste von C1-C20, N-2Amino-1-ethanol, N,N-(2Amino-Diethanol)
bedeuten.
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Derartige
Folgeprodukte haben vielfältige
potentielle Anwendungsmöglichkeiten,
so z.B. als multifunktionale (z.B. pH-regulierende-, antibakterielle-,
antioxidativ wirkende-) Tenside, Emulgatoren, Waschmittel, Textilhilfsstoffe,
Polymerbausteine, Lebensmittelhilfsstoffe, Konservierungsmittel,
Entkalkungsmittel, Komplexierungsmittel, in pharmazeutischen Formulierungen,
in Formulierungen von Agrochemikalien, als pharmazeutische Wirkstoffe
(prodrugs) oder in „drug
delivery" Systemen.
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Die
hier beanspruchten Verbindungen I–III sind also Schlüsselverbindungen
für vielfältige Anwendungen
und damit höchst
attraktive Rohmaterialien und Ausgangsmaterialien für vielfältige Produkte.
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Die
Verbindungen mit den allgemeinen Formeln I–III werden auf folgende, besonders
einfache Weise hergestellt. Die Synthesen werden im Folgenden näher erläutert und
in den Beispielen 1–3
experimentell belegt.
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Beim
Erhitzen von Citronensäure
mit mindestens 2 Äquivalenten
eines beliebigen, bevorzugt aber längerkettigen Säurechlorides
(beispielhaft hier mit Lauroylchlorid) und ohne Verwendung eines
Lösungsmittels entsteht
in hohen isolierten Ausbeuten (>90
%) ausschließlich
das entsprechenden O-acylierte Citronensäureanhydrid der allgemeinen
Formel I. Die Verbindungen mit der allgemeinen Struktur I wurden
mittels üblicher spektroskopischer
Methoden (NMR, IR, MS) eindeutig charakterisiert und die Struktur
mittels Röntgenstrukturanalyse
(
7) abgesichert.
Abb.7
Röntgenstrukturanalyse
von (±)-(2-(3-(Dodecanoyloxy)-2,5-dioxo-tetrahydrofuran-3-yl)essigsäure)
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Beim
Erhitzen von 2R,3R-, 2S,3S- und 2R,3S-Weinsäure mit mindestens 4 Äquivalenten
eines beliebigen, bevorzugt längerkettigen
Säurechlorides
(beispielhaft hier mit Lauroylchlorid) und ohne Verwendung eines
Lösungsmittels
entstehen in hohen isolierten Ausbeuten (>90 %) ausschließlich die entsprechenden O-diacylierten
Weinsäureanhydride
der allgemeinen Formel II.
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Beim
Erhitzen von R-, S-, sowie R,S-Äpfelsäure mit
mindestens 2 Äquivalenten
eines beliebigen, bevorzugt längerkettigen
Säurechlorides
(beispielhaft hier mit Lauroylchlorid) und ohne Verwendung eines
Lösungsmittels
entstehen in hohen isolierten Ausbeuten (>85 %) ausschließlich die entsprechenden O-acylierten Äpfelsäureanhydride
der allgemeinen Formel III.
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Die
Erfindung wird in folgenden Beispielen weiter erläutert.
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Beispiel 1
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Dieses
Beispiel beschreibt die Synthese von O-Lauroylcitronensäureanhydrid;
(2-(3-(Dodecanoyloxy)-2,5-dioxo-tetrahydrofuran-3-yl)essigsäure) mit
der allgemeinen Formel I, wobei R einen geradkettigen Alkylrest
von C11 bedeutet.
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6.2
g (32 mmol) wasserfreie Citronensäure werden in 15 ml (64 mmol)
Lauroylchlorid suspendiert und bei 105°C für 12–24 Stunden erhitzt. Das Ende
der Reaktion wird dabei durch vollständiges Auflösen der Citronensäurekristalle
angezeigt. Die dabei erhaltene, klare Reaktionsmischung wird ohne
Abkühlen
in 100 ml n-Hexan gegeben und verrührt. Nach erfolgter Kristallisation
wird das Produkt abgesaugt und der Niederschlag bei Bedarf aus 100
ml n-Hexan umkristallisiert. Schmp: 68–69°C.
Ausbeute: 10.7 g (93
% d.Th.)
1H-NMR (CDCl3,
400 MHz):
δ [ppm]
= 3.2 (m, 4H); 2.4 (t, 2H); 1.6 (m, 2H); 1.3 (m, 16H); 0.9 (t, 3H).
13C-NMR{1H} (CDCl3, 100 MHz)
δ [ppm] = 14.0; 22.6; 24.6; 29.3;
31.9; 33.4; 39.2; 76.3; 166.6; 170.1; 173.1; 173.3
-
Zur
Röntgentrukturanalyse
siehe 7
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Beispiel 2
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Dieses
Beispiel beschreibt die Synthese von O,O-Dilauroylweinsäureanhydrid;
(2,5-Dioxo-tetrahydrofuran-3,4-diyl
di-dodecanoat) mit der allgemeinen Formel II, wobei R einen geradkettigen
Alkylrest von C11 bedeutet.
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5.0
g (33 mmol) wasserfreie, natürliche
L(+)-Weinsäure
[abs. Konfiguration (2R,3R)] werden in 30 ml (132 mmol) Lauroylchlorid
suspendiert und die Mischung bei 105°C für 12–24 Stunden erhitzt. Das Ende
der Reaktion wird dabei durch vollständiges Auflösen der Weinsäurekristalle
angezeigt. Die so erhaltene klare Reaktionsmischung wird ohne Abkühlen in
100 ml n-Hexan gegeben und verrührt.
Nach erfolgter Kristallisation wird das Produkt abgesaugt und der
Niederschlag aus 100 ml n-Hexan umkristallisiert. Schmp. 65–66°C
Ausbeute:
14.88 g (90 % d.Th.)
1H-NMR (400,13
MHz, CDCl3):
δ [ppm] = 0.9 (t, 6H); 1.3 (m,
32H); 1.7 (m, 4H); 2.5 (t, 4H); 5.7 (s, 1H)
13C-NMR;
DEPT; COSY 1H/13C
(100,625 MHz, CDCl3):
δ [ppm] =
14.1; 22.6; 24.5; 29.3; 29.6; 31.9; 72.1; 163.4; 172.6
-
Beispiel 3
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Dieses
Beispiel beschreibt die Synthese von O-Lauroyläpfelsäureanhydrid (2,5-Dioxo-tetrahydrofuran-3-yl
dodecanoat) mit der allgemeinen Formel III, wobei R einen geradkettigen
Alkylrest von C11 bedeutet.
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5
g racemische (R,S bzw. D,L) Äpfelsäure (37
mmol) werden in 17 ml Lauroylchlorid (74 mmol) suspendiert und 5
h bei 80°C
erwärmt.
Das Ende der Reaktion wird dabei durch vollständiges Auflösen der Äpfelsäurekristalle angezeigt. Die
so erhaltene klare Reaktionsmischung wird ohne Abkühlen in
100 ml n-Hexan gegeben und verrührt.
Nach erfolgter Kristallisation wird das Produkt abgesaugt und der
Niederschlag aus 100 ml n-Hexan
umkristallisiert. Ausbeute: 9.5 g (85 % d.Th.) Schmp. 43–44°C
1H-NMR (400,13 MHz, CDCl3):
δ [ppm] =
0.9 (t, 3H); 1.3 (m, 16H); 1.6 (m, 2H); 2.4 (t, 2H); 3.0 (t, 1H);
3.4 (t, 1H); 5.5 (m 1H)
13C-NMR; DEPT;
COSY 1H/13C (100,625
MHz, CDCl3):
δ [ppm] = 14.0; 22.6; 24.6; 29.5;
31.9; 33.4; 35.2; 67.4; 166.4; 167.8; 172.6
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Beispiel 4
-
Dieses
Beispiel beschreibt die Synthese von O-Lauroylcitronensäurechlorid-anhydrid
(Dodecansäure-3-chlorocarbonylmethyl-2,5-dioxo-tetrahydro-furan-3-yl
ester) mit der allgemeinen Formel V, wobei R1 einen geradkettigen
Alkylrest von C11 bedeutet und R2-Cl bedeutet.
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0,5
g (2-(3-(Dodecanoyloxy)-2,5-dioxo-tetrahydrofuran-3-yl)essigsäure) I (1,4
mmol) werden in 15 ml Toluol oder Methylenchlorid unter Zusatz von
eines Tropfen DMF gelöst.
132 μl (1,54
mmol) Oxalylchlorid werden langsam bei 0°C zugetropft und die Reaktionsmischung
weitere 2 Stunden bei dieser Temperatur gerührt. Man trennt die DMF-Phase
ab und entfernt das Toluol. Nach Trocknen im Hochvakuum erhält man 0,46
g des Produktes (90 %) als hellbraunes Öl.
1H-NMR
(400,13 MHz, CD3OD):
δ [ppm] =
0.9 t (3H); 1.2 m (16H); 1.6 m (2H); 2.4 t (2H); 3.3, m (2H); 3.7
m (2H)
13C-NMR; DEPT; COSY 1H/13C (100,625 MHz,
CDCl3):
δ [ppm] = 14.0; 22.5; 24.3; 29.4;
31.8; 33.1; 38.6; 51.2; 75.9; 166.0; 169.1; 170.4; 173.1
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Beispiel 5
-
Dieses
Beispiel beschreibt die Synthese von O-Lauroylcitronensäurechlorid-anhydrid
(Dodecansäure-3-chlorocarbonylmethyl-2,5-dioxo-tetrahydro-furan-3-yl
ester) mit der allgemeinen Formel V, wobei R1 einen geradkettigen
Alkylrest von C11 bedeutet und R2-Cl bedeutet.
-
5
g (2-(3-(Dodecanoyloxy)-2,5-dioxo-tetrahydrofuran-3-yl)essigsäure) I (14
mmol) werden in 10 ml Thionylchlorid gelöst. Die Mischung wird für 12 Stunden
bei 70°C
gerührt.
Das Ende der Reaktion wird durch Beendigung der Gasentwicklung angezeigt. Überschüssiges Thionylchlorid
wird abdestilliert und der Rückstand im Ölpumpenvakuum
von restlichem Thionylchlorid befreit. Man erhält man 5,1 g des Produktes
eines braunen Öls
(quantitativ).
1H-NMR (400,13 MHz,
CD3OD):
δ [ppm] = 0.9 t (3H); 1.2 m (16H);
1.6 m (2H); 2.4 t (2H); 3.3, m (2H); 3.7 m (2H)
13C-NMR;
DEPT; COSY 1H/13C
(100,625 MHz, CDCl3):
δ [ppm] =
14.0; 22.5; 24.3; 29.4; 31.8; 33.1; 38.6; 51.2; 75.9; 166.0; 169.1;
170.4; 173.1