DE1101423B - Verfahren zur Herstellung von DL-ª‡-Amino-ªŠ-caprolactam - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die synthetische Herstellung von dl-Lysin, aus welchem das in manchen, namentlich pflanzlichen Eiweißstoffen in unzureichender Menge enthaltene und deshalb als Nährzusatz wertvolle L-Lysin gewonnen werden kann, erfolgte bisher z. B., ausgehend von ε-Caprolactam, durch Überführung desselben in ε-Benzoylaminocapronsäure, Bromierung zur e-BenzoylaminO' ct-brom-capronsäure, Umsetzung derselben mit Ammoniak und Hydrolyse (vgl. zum Beispiel Organic Syntheses, Coll. Vol. II, S. 74, 76, 374) oder, ausgehend von Furfurol, über Dihydropyran, (5-Oxyvaleraldehyd, 5-((5-Oxybutyl)-hydantoin und 5-(<5-Chlorbutyl)-hydantoin (USA.-Patentschrift 2 498 300).

Einen vorzüglich geeigneten Ausgangsstoff für die Herstellung von DL-Lysin und L-Lysin würde das DL-a-Amino-e-caprolaetam darstellen, welches sich leicht zum DL-Lysin hydrolysieren läßt. Gegenüber den bisher verwendeten Ausgangsstoffen bzw. Zwischenprodukten zur Lysinherstellung (Lysinvorstufen) würde es den Vorteil aufweisen, daß es leicht durch Destillation im Vakuum oder, z. B. als Hydrochlorid, durch Kristallisation gereinigt werden kann und vor allem, daß es durch Hydrolyse direkt, d. h. ohne gleichzeitige zwangläufige Entstehung weiterer Hydrolysenprodukte, z. B. Benzoesäure, in DL-Lysin übergeführt werden kann. Trotz dieser günstigen Voraussetzungen fand dasa-Amino-' ε-caprolactam bisher als Ausgangsstoff für die Lysingewinnung keine Beachtung, weil ein geeignetes Herstellungsverfahren fehlte, dl-a-Amino-ε-caprolactam wurde bisher lediglich aus DL-Lysinmethylester beim Erhitzen im Vakuum, neben anderen Produkten, in mäßiger Ausbeute erhalten (D. W. Adamson, J. Chem. Soc, 1943, S. 39 bis 40).

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß DL-a-Amino-8-caprolactam in guter Ausbeute aus dem leicht zugänglichen a,a-Dichlor-8-caprolactam erhältlich ist, wenn man das letztere mit Hydroxylamin oder einem Hydroxylaminsalz in Gegenwart einer Base umsetzt und das erhaltene a-Oximino^-caprolactam in Gegenwart eines Lösungsmittels katalytisch hydriert oder mit einem Reduktionsmittel behandelt.

Es war nicht vorauszusehen, daß das a-Oximino-ε-caprolactam in guter Ausbeute aus dem α,α-Dichlor-ε-caprolactam herstellbar sein würde.

Erfindungsgemäß werden z. B. cijCi-Dichlor^-caprolactamundeinHydroxylarninsalz.beispielsweiseHydroxylamin-hydrochlorid, Hydroxylaminsulfat oder Hydroxylaminnitrat, in Gegenwart einer Lösung von Ammoniak oder einem niedermolekularen aliphatischen Amin, wie Methylamin, in einem Alkohol, wie Methanol, Äthanol, Propanol oder Isopropanol, zur Reaktion gebracht. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Ammoniak und einem niedermolekularen Alkohol, welcher alle an der Reaktion beteiligten Komponenten zu lösen vermag.

Verfahren zur Herstellung von DL-a-Amino-e-caprolactam

Anmelder: J. R. Geigy A.-G., Basel (Schweiz)

Vertreter: Dr. F. Zumstein,

Dipl.-Chem, Dr. rer. nat. E. Assmann

und Dipl.-Chem. Dr. R. Koenigsberger, Patentanwälte,

München 2, Bräuhausstr. 4

Beanspruchte Priorität: Schweiz vom 31. Januar 1958

Dr. Carl Max Brenner, Riehen, Basel,

und Dr. Hans-Rudolf Rickenbacher, Basel, (Schweiz),

sind als Erfinder genannt worden

Die Gegenwart merklicher Mengen von Wasser im Reaktionsgemisch ist zu vermeiden, weil Wasser die Ausbeute an a-Oximino^-caprolactam beeinträchtigt. Hydroxylaminsalze werden der Einfachheit halber verwendet; in der basischen Lösung wirken sie wie freies Hydroxylamin. Um die Reaktionsdauer bei der Überführung von a.a-Dichloro-e-caprolactam in a-Oximino-ε-caprolactam abzukürzen, ist es von Vorteil, bei erhöhter Temperatur zu arbeiten, beispielsweise beim Siedepunkt des verwendeten Lösungsmittels.

Die Überführung des a-Oximino-e-caprolactams in das a-Amino^-caprolactam erfolgt besonders vorteilhaft durch katalytisch aktivierten Wasserstoff, beispielsweise in Gegenwart eines Nickel- oder Palladiumkatalysators.

Erhöhung von Druck und Temperatur beschleunigt die Reaktion und ist besonders angezeigt, wenn ein Nickelkatalysator verwendet wird. Als Lösungsmittel ist jedes, das gegenüber aktiviertem Wasserstoff inert ist und, abgesehen von Salzbildung, keine Reaktion mit dem

basischen a-Amino^-caprolactam eingeht, geeignet. Es eignen sich insbesondere Mischungen von wasserlöslichen Alkoholen oder Dioxan mit Wasser; am vorteilhaftesten aber ist die Verwendung von Wasser, Eisessig und Mischungen von Wasser mit organischen Säuren oder starken Mineralsäuren, beispielsweise Essigsäure oder Salzsäure. Bei der Verwendung der letzteren Lösungsmittelgruppe verläuft die Reduktion besonders leicht, selbst bei Raumtemperatur und Normaldruck. Die Verwendung eines Nickelkatalysators wird vorteilhaft

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auf Reduktionen in Gegenwart solcher Lösungsmittel beschränkt, die keine saure Reaktion aufweisen.

Als Reduktionsmittel für das ct-Oxirm'n o-e-caprolactam kommen ferner beispielsweise Alumimumamalgam in einem wasserhaltigen organischen Lösungsmittel, z. B. nassem Äther, oder ein Alkäliborhydrid, z. B. Natriumborhydrid, in wäßriger Lösung in Betracht.

Bei der Überführung des a-Oximino-e-caprolactanis in das a-Amino-e-caprolactam kann man das rohe, gelöste Oxim verwenden, welches bei der Reaktion zwischen dem a.a-Dichlor-e-caprolactam und dem Hydroxylaminsalz anfällt; gewünschtenfalls aber kann man das Oxim isolieren und in reiner Form zur Reduktion bringen.

Unter dem in dieser Beschreibung genannten a-Amino-ε-caprolactam ist immer das racemische a-Amino-e-caprolactam zu verstehen.

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1
a) Herstellung von a-Oximino-e-caprolactam

Man löst 6 g (= 0,033 Mol) «,a-Dichlor-s-caprolactam und 4,6 g Hydroxylamin-hydrochlorid (0,066 Mol) in 60 ml einer 10%igen Lösung von Ammoniak in Methanol, schüttelt während 14 Stunden bei 60⁰C in einem druckfest verschlossenen Gefäß und läßt erkalten. Ausgefallenes Ammoniumchlorid wird abfiltriert und mit kaltem Methanol gewaschen. Man dampft die methanolische Lösung im Vakuum zur Trockne, extrahiert den Rückstand mit wasser-gesättigtem Äthylacetat, dampft den Extrakt am Vakuum ein und reinigt den hierbei erhaltenen Rückstand durch Kristallisation aus Methanol—Äther oder Dioxan oder Wasser. a-Oximinoe-caprolactam kristallisiert in Form von farblosen Rhomboedern; F. 206 bis 208⁰C; Ausbeute 1,6 g (34% der Theorie); im Hochvakuum läßt es sich bei 140°C sublimieren.

Als Lösungsmittel kann an Stelle des Methanols eine

entsprechende Menge Äthanol verwendet werden.

b) Reduktion von a-Oximino-e-caprolactam

Man löst 142 mg a-Oximino-s-caprolactam in 15 ml Lösungsmittel (vgl. Tabelle), setzt 50 mg Katalysator zu (vgl. Tabelle) und schüttelt in einer Wasserstoff atmosphäre bis zur Beendigung der Wasserstoffaufnahme. Die nachfolgende Tabelle enthält Angaben über die Reaktionsbedingungen und die Ergebnisse der durchgeführten katalytischen Hydrierungen.

Lösungsmittel	Katalysator	Wasserstofi- aufnahme	Zeitdauer in Stunden	DL-cc-Amino- 8-capro- lactam	F.	Ausbeute	Temperatur und Druck
Methanol— Wasser (1:1)	Raney- nickel	. 109,3%	33	Acetat	168 bis 172° C	53,3 %	normal
Wasser	Raney- nickel	122,7%	24	Base	73 bis 74°C	80,4%	normal
Eisessig	Palladium kohle	100%	7	Acetat	176 bis 178° C	92,2 %	normal
Essigsäure— Wasser (9:1)	Palladium kohle	100 %	20	Acetat	176 bis 178° C	93%	normal
Wasser	Palladium- kohle	105,7 %	7	Base	73 bis 74°C	95,6 %	pormal
Äthanol— Wasser (1:1)	Palladium kohle	105%	20	Hydrochlorid	293 bis 294° C	93%	normal
Dioxan mit 5 % Wasser	Palladium kohle	76,5%	30	Hydrochlorid	290 bis 292° C	31,8%	95°C, Normaldruck
13,5 ml Wasser + 1,5 ml n-HCl	Palladium kohle	95,5%	2	Hydrochlorid	293 bis 294° C	97,8 %	normal
Propanol— Wasser (1:4)	Palladium kohle	95%	30	Acetat	168 bis 172° C	82%	normal
Isopropanol— Wasser (1:5)	Palladium kohle	110%	25	Acetat	168 bis 172° C	85%	normal
Wasser	Palladium- kohle	105%	weniger als 1 Stunde	Hydrochlorid	294 bis 296° C	99%	80 bis 100° C 70 bis 80 Atm.

Der angewandte Palladiumkohlekatalysator enthält 5 °/₀ Palladium.

Zur Isolierung des Reduktionsproduktes verfährt man, nach dem Abfiltrieren des Katalysators, je nach der Art des verwendeten Lösungsmittels, in verschiedener Weise.

1. Wasser wird durch Gefriertrocknung entfernt. Der Rückstand wird durch Sublimation im Hochvakuum bei 50 bis 70°C gereinigt. Das von D. W. Adamson, J. Chem. Soc, 1943, S. 39 bis 40, beschriebene a-Amino-ε-caprolactam schmilzt bei 68 bis 71° C.

2. Im Falle saurer Reaktionsmedien wird das Lösungsmittel im Vakuum entfernt, und das zurückbleibende Hydrochlorid bzw. Acetat von a-Amino-e-caprolactam wird aus Alkohol bzw. Alkohol unter Zusatz von wenig Eisessig umkristallisiert. Zusatz von Äther ist manchmal geeignet, die Kristallausbeute zu erhöhen. Das von D. W. Adamson, J. Chem. Soc, 1943, S. 39 bis 40, beschriebene a-Amino-s-caprolactam-hydrochlorid schmilzt bei 294 bis 296° C. Frisch bereitetes Acetat schmilzt bei 176 bis 178° C, nach der Umkristallisation bei 145° C.

Im Hochvakuum läßt sich das Acetat bei 140° C unzersetzt sublimieren. F. 176 bis 178° C.

3. Sind die Reaktionsmedien neutral und enthalten sie ein organisches Lösungsmittel, so wird das a-Amino-

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ε-caprolactam durch Zusatz von 1,5 Äquivalenten 1 η-Salzsäure in das Hydrochlorid oder durch Zusatz von überschüssigem Eisessig in das Acetat verwandelt. Nachfolgendes Abdampfen des Lösungsmittels ergibt einen Rückstand, der entsprechend aufgearbeitet wird.

4. Freies a-Amino-e-caprolactam läßt sich aus dem Hydrochlorid oder aus dem Acetat in folgender Weise bereiten:

Man löst 1,64 g (= 0,01 Mol) a-Amino-e-caprolactam hydrochlorid bzw. 1,88 g (= 0,01 Mol) a-Amino-e-capro xo lactam-acetat in 2,8 ml Wasser, versetzt mit 9,75 ml Ι,Οη-Natronlauge, unterwirft die Lösung der Gefriertrocknung und sublimiert den Rückstand im Hochvakuum bei 50 bis 70°C. Das fast quantitativ erhaltene a-Amino-g-caprolactam ist rein und schmilzt bei 73 bis 74°C. Der Sublimationsrückstand besteht aus Natriumchlorid bzw. Natriumacetat und löst sich in Wasser mit praktisch neutraler Reaktion; daraus geht hervor, daß die Sublimation des a-Amino-e-caprolactams vollständig erfolgt.

Beispiel 2

Man löst 18,2 g a.a-Dichlor-e-caprolactam und 14,0 g Hydroxylamin-hydrochlorid in 120 ml einer 10°/₀igen Lösung von Ammoniak in Methanol, bringt in ein druckfest verschlossenesGef äß und schütteltwährend 14Stunden bei 6O⁰C. Nach dem Erkalten wird vom ausgefallenen Ammoniumchlorid abfiltriert. Man fügt zum Filtrat 30 g Raneynickel und 12 ml Wasser und hydriert bei einem Wasserstoffdruck von 70 bis 80 Atm. bei 80 bis 110° C, bis zur Beendigung der Wasserstoffaufnahme. Die erkaltete Lösung wird vom Katalysator abfiltriert, bis zur stark alkalischen Reaktion (pn 10 bis 10,5) mit einer Lösung von Natriummethylat in Methanol versetzt und im Vakuum eingeengt. Aus dem Rückstand destilliert DL-a-Amino-e-caprolactam bei 176°C/11 mm. Das Produkt kristallisiert in. der Vorlage. Ausbeute 40°/₀ der Theorie. Es ist manchmal mit bis zu etwa 10 °/₀ e-Caprolactam verunreinigt. Zur Reinigung kann eine 10°/₀ige Lösung in Isopropanol mit Isopropanol—Salzsäure versetzt werden; vom ausgefallenen Hydrochlorid des Amins wird abgesaugt. Sofern dieses noch ε-Caprolactam enthält, was sich durch Papierchromatographie des Hydrolysats feststellen läßt, kann dieses Hydrochlorid durch Umkristallisieren aus Methanol leicht völlig gereinigt werden.

Die zur Hydrierung benötigte Lösung von a-Oximino-ε-caprolactam kann man z. B. auch in folgender Weise herstellen:

In ein Reaktionsgefäß mit Rückflußkühler (Natronkalkrohr), Rührer und einem Gaseinleitrohr, welches oberhalb des Flüssigkeitsspiegels endet, gibt man 18,2 g a.a-Dichlor-e-caprolactam, 14 g Hydroxylamin-hydrochlorid und 120 ml absolutes Methanol. Man stellt in ein Bad von 6O⁰C und leitet nach erfolgter Lösung während 24 Stunden einen langsamen Ammoniakstrom ein. Nachdem die Lösung erkaltet ist, saugt man vom ausgefallenen Ammoniumchlorid ab. Zum Filtrat gibt man 30 g Raneynickel und 12 ml Wasser und hydriert, wie angegeben.

Das Methanol als Lösungsmittel läßt sich durch die gleiche Menge eines anderen Alkohols, beispielsweise Propanol oder Isopropanol, ersetzen. Diese Alkohole sind allerdings schlechte Lösungsmittel für Hydroxylaminsalze, insbesondere das Hydrochlorid und das Sulfat. Aus diesem Grunde ist das Hydroxylaminsalz fein zu pulverisieren; außerdem beginnt man mit der Ammoniakzuleitung, ohne Rücksicht auf unvollständige Lösung des angewandten Hydroxylaminsalzes, sobald das Reaktionsgemisch die gewünschte Temperatur (beispielsweise 75⁰C bei Verwendung von Isopropanol oder 90⁰C bei Verwendung von Propanol) erreicht hat. Das beim Erkalten ausgefallene Produkt enthält gelegentlich nicht nur Ammoniumsalze, sondern auch etwas a-Oximino-ε-caprolactam. Dieses läßt sich aus dem abfiltrierten Niederschlag nach Beispiel 1 durch Extraktion mit feuchtem Essigester gewinnen. Die Mutterlauge wird mit demselben Volumen Wasser verdünnt und nach Zusatz von 10 g Raneynickel, wie angegeben, der Hydrierung unterworfen.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung von DL-a-Amino-e-caprolactam, dadurch gekennzeichnet, daß man α,α-Dichlor-e-caprolactam mit Hydroxylamin oder einem Hydroxylaminsalz in Gegenwart einer Base umsetzt und das erhaltene a-Oximino-8-caprolactam in Gegenwart eines Lösungsmittels katalytisch hydriert oder mit einem Reduktionsmittel behandelt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, Bd. 63 (1930), S. 502 bis 507.

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