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Verfahren zur Herstellung von N-Acyl-ß-lactamen ß-Lactame, bisher
nur in geringer Zahl bekannt, sind sehr reaktionsfähige und leicht veränderliche
Stoffe.
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Besonders ausgeprägt ist die Labilität bei solchen ß-Lactamen, die
am Stickstoffatom des Lactamringes ein nicht substituiertes Wasserstoffatom tragen.
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Es ist auch bekannt, relativ stabile Lactame mit 5 und mehr Ringgliedern
mit Carbonsäurehalogeniden am Stickstoffatom zu acylieren. So kann man z. B.
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Pyrrolidon und r-Caprolactam durch Kochen in Toluol mit Benzoylchlorid
oder Terephthalsäurechlorid praktisch ohne Nebenreaktionen in die entsprechenden
N-Acylverbindungen umwandeln. Man hat weiter das auch sonst bei der Acylierung von
Amiden angewandte Verfahren der Umsetzung von Alkaliverbindungen mit Säurehalogeniden
auf solche Lactame angewandt.
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Dabei war es gleichgültig, ob man die Amidverbindung in überschüssiges
Säurechlorid eintrug oder ob man das Säurechlorid auf die vorgelegte Amidalkaliverbindung
einwirken ließ.
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Es wurde nun überraschend gefunden, daß sich die wenig stabilen ß-Lactame
in guten Ausbeuten zu stabilen Verbindungen acylieren lassen, wenn man entweder
auf Lösungen von N-unsubstituiertenß-Lactamen in organischen Lösungsmitteln nach
Zusatz von Säurebindemitteln ein- oder mehrwertige Carbonsäurehalogenide einwirken
läßt oder N -Alkaliverbindungen von ß-Lactamen in Gegenwart von organischen Lösungsmitteln
mit ein- oder mehrwertigen Carbonsäurehalogeniden umsetzt. Besonders glatt verlaufen
die Umsetzungen bei der Verwendung von solchen Carbonsäurehalogeniden, deren Carbonylgruppe
an ein wasserstofffreies Kohlenstoffatom gebunden ist.
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Für das Verfahren der Erfindung kommen beliebige N-unsubstituierte
ß-Lactame in Frage. Beispielsweise seien genannt: ß-Methyl-ß-butyrolactam, oc-Methylß-methyl-ß-butyrolactam,
ß-Methyl-ß-valerolactam ß -Äthyl -ß - valerolactam, ß - Methyl -ß - caprolactam
und das ß-Phenylpropiolactam.
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Von den zur Umsetzung mit derartigen ß-Lactamen zu verwendenden Säurehalogeniden
seien beispielsweise folgende genannt: Trimethylessigsäurechlorid, Dichloracetylchlorid,
Trifluoressigsäurechlorid, Stearinsäurechlorid, Crotonsäurechlorid, Ölsäurechlorid,
Carbonylchlorid, Oxalylchlorid, o;,xt-Dichlormuconsäurechlorid (trans-trans), trans-Hexahydroterephthalsäurechlorid,
Benzoylbromid, Benzoyljodid, p-Chlorbenzoylchlorid, p - Trifluormethyl - benzoylfluorid,
Terephthalsäurechlorid, Isophthalsäurechlorid, 5-tert.-Butyl - isophthalsäurechlorid,
Tetramethylen - bis-Soxybenzoylchlorid, Trimesinsäurechlorid.
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Die als Ausgangsmaterial dienenden N -Alkaliverbindungen von ß-Lactamen
(Lactamate) erhält man,
indem man die ß-Lactame in überschüssige Alkoholatlösungen,
beispielsweise eine Kalium-tert.-butylatlösung, einträgt.
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Zur Bindung der bei der Reaktion frei werdenden Säure kann man anorganische
Bindemittel, wie Natriumcarbonat, Kaliumbicarbonat oder Kaliumcarbonat, oder vorzugsweise
organische tertiäre Basen, wie Trimethylamin, Triäthylamin, Methyl-di-isopropylamin,
N-Methylmorpholin, Diäthylanilin, Pyridin oder Isochinolin, anwenden.
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Die Auswahl des Säurebindemittels richtet sich insbesondere nach
den Eigenschaften des angewandten Säurehalogenids.
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Bei der Verwendung von ungesättigten Säurehalogeniden, insbesondere
solchen mit Doppelbindungen in x,ß-Stellung, ist die Verwendung von tertiären Basen,
die leicht Additionsverbindungen geben, wie Pyridin, nicht günstig, da starke Verfärbungen
auftreten können. Bei Säurehalogeniden mit beweglichem Wasserstoffatom am ec-Kohlenstoffatom
ist die Verwendung von tertiären Basen ebenfalls weniger geeignet, da hierbei durch
primäre Ketenbildung in an sich bekannter Weise Nebenreaktionen eintreten können.
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Bei der Verwendung empfindlicher Carbonsäurechloride, wie Crotonsäurechlorid,
Oxalsäurechlorid oder Adipinsäurechlorid sind die Alkali-ß-lactamate zur Umsetzung
besonders geeignet, wobei man in Abwesenheit von Wasser arbeitet.
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Als organische Lösungsmittel werden bei den Umsetzungen z. B. niedere
Paraffinkohlenwasserstoffe, Hydroaromaten, wie Cyclohexan, Halogenkohlenwasserstoffe,
wie Methylenchlorid und Äthylenchlorid, aromatische Kohlenwasserstoffe oder deren
Halogenderivate, wie Benzol und Chlorbenzol, ferner Alkyläther oder Phenoläther,
wie Diäthyläther und Anisol, sowie Tetrahydrofuran und Dioxan, verwendet.
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Die bisher unbekannten N-Acyl-ß-lactame, die in der Regel durch Umkristallisieren
und/oder durch Destillieren
bzw. Sublimieren leicht gereinigt werden
können, sind wertvolle, durch hohe Reaktionsfähigkeit ausgezeichnete Zwischenprodukte,
insbesondere für die Herstellung von Textilhilfsmitteln, Waschmitteln und Kunststoffen.
Darüber hinaus sind die erfindungsgemäß hergestellten N-Acyl-ß-lactame aber auch
wirksame Cokatalysatoren für die ionische Polymerisation von ß-Lactamen, speziell
von solchen, die in oc-Stellung Wasserstoff tragen.
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Beispiel 1 Zu einer Lösung von 0,1 Mol ß-Methyl-ß-butyrolactam und
0,1 Mol wasserfreiem Triäthylamin in 50 ccm Benzol läßt man unter Rühren bei 20"C
(bei Wasserkühlung) 0,1 Mol Benzoylchlorid zufließen. Das gebildete Reaktionsprodukt
bleibt gelöst, während sich Triäthylamin-hydrochlorid in berechneter Menge abscheidet.
Das nach dem Abdestillieren hinterbleibende rohe Benzoyl-ß-methyl-ß-butyrolactam
(Schmelzpunkt 85"C) wird durch Destillation im Vakuum gereinigt (KP.2 122"C). Nach
dem Umkristallisieren aus Cyclohexan schmilzt das Acyllactam bei 99 bis 101"C. Die
Ausbeute an Reinprodukt beträgt 700ion bezogen auf das eingesetzte ß-Lactam.
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An Stelle von Triäthylamin kann auch Pyridin verwendet werden, doch
ist die Ausbeute in diesem Falle etwas geringer. Ersetzt man das Benzoylchlorid
durch Benzoylbromid, so erhält man das Benzoyllactam ebenfalls in guter Ausbeute.
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Beispiel 2 Zu einer Lösung von 0,1 Mol ß-Methyl-ß-butyrolactam und
0,1 Mol Triäthylamin gibt man bei 0°C 0,05 Mol Terephthalsäurechlorid, gelöst in
Benzol. Die ausgefallene Mischung aus Acylierungsprodukt und Triäthylamin-hydrochlorid
wird abgesaugt und der Filterrückstand nach dem Verdunsten des Benzols mit Wasser,
Natriumbicarbonatlösung und wieder mit Wasser gewaschen.
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Die Ausbeute an N,N'-Terephthalyl-bis--methylp-butyrolactam beträgt
640/o der Theorie, bezogen auf das eingesetzte ß-Lactam, der Schmelzpunkt 223°C.
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Durch Umkristallisieren aus Monochlorbenzol erhält man das Reaktionsprodukt
in prismatischen Nadeln vom Schmelzpunkt 225 bis 227"C. Im Vakuum (etwa 1 Torr)
ist das Acylierungsprodukt unzersetzt sublimierbar.
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Beispiel 3 0,1 Mol ß-Methyl-B-butyrolactam und 0,1 Mol Triäthylamin,
gelöst in 20 ccm Benzol, werden unter Rühren und Kühlen mit Eiswasser mit einer
Lösung von 0,1 Mol Difluorchloracetylchlorid versetzt. Nach dem Entfernen des Hydrochlorids
durch Filtration wird die Lösung des Reaktionsproduktes verdampft und der Rückstand
im Vakuum destilliert (Kp.5 82 bis 84"C). Das erhaltene N-Difluorchloracetyl-ß-methylß-butyrolactam
ist bei Raumtemperatur ein farbloses Ö1, das unterhalb 0°C kristallin erstarrt.
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Die Ausbeute beträgt 51 0/o der Theorie, bezogen auf das eingesetzte
ß-Lactam.
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Beispiel 4 Zu einer Lösung von 0,2 Mol ß-Methyl-ß-butyrolactam und
0,2 Mol Triäthylamin in 40 ccm Benzol läßt man unter Rühren eine Lösung von 0,1
Mol Isophthalsäurechlorid, gelöst in 50 ccm Benzol, einfließen.
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Das ausgefallene Reaktionsprodukt wird filtriert und nach dem Verdunsten
des Benzols zur Entfernung des Triäthylamin-hydrochlorids mit Wasser gewaschen.
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Zur Reinigung des N,N'- Isophthalyl-bis-ß-methylß-butyrolactams wird
aus Dioxancyclohexan umkristallisiert.
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Der Schmelzpunkt beträgt 130 bis 134°C. Die Ausbeute beträgt 82°/o
der Theorie, bezogen auf das eingesetzte Lactam.
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Beispiel 5 Zu einer Lösung von 0,1 Mol ß-Methyl-ß-butyrolactam in
50 ccm Aceton gibt man 0,2 Mol feinst gepulvertes Kaliumcarbonat und läßt dann unter
Rühren 0,1 Mol Benzoylchlorid zufließen. Erwärmung tritt hierbei nicht ein. Nach
Weiterrühren über Nacht wird mit Wasser aufgearbeitet, das abgeschiedene N-Benzoyl-ß-methyl-ß-butyrolactam
destilliert und aus Cyclohexan umkristallisiert (Reinausbeute etwa 400in). Der Schmelzpunkt
beträgt 99"C nach geringem Sintern.
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Beispiel 6 Man verfährt analog Beispiel 5, ersetzt aber das Benzoylchlorid
durch Crotonsäurechlorid. Beim Aufarbeiten hinterbleibt das N-Crotonyl-ß-methylß-butyrolactam
als ein nicht erstarrendes Öl, das im Vakuum destillierbar ist.
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Die Ausbeute beträgt 380/o der Theorie, bezogen auf das eingesetzte
Lactam.
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Tertiäre Basen, wie Pyridin, sind als Säurebindemittel in diesem
Fall nicht zweckmäßig, da sie intensive Verfärbungen hervorrufen.
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Beispiel 7 Zu einer Lösung von 0,1 Mol ß-Phenyl-ß-propiolactam und
0,1 Mol Triäthylamin in 50 ccm Äthylenchlorid läßt man bei 8"C unter Kühlung 0,1
Mol Benzoylchlorid zufließen. Nach dem Stehen über Nacht wird vom Salz abfiltriert,
das Lösungsmittel verdampft und der Rückstand wiederholt mit Wasser, wäßriger Bicarbonatlösung
und wieder mit Wasser behandelt.
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Die Ausbeute an Rohprodukt beträgt dann 900/o der Theorie. Nach einmaligem
Umkristallisieren aus Äthylenchlorid-Cyclohexan 1:1 liegt das N-Benzoylß-phenyl-ß-propiolactam
(weiße Nadeln) rein vor. Der Schmelzpunkt beträgt 157 bis 159"C.
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Beispiel 8 Eine Lösung von 0,1 Mol ß-Methyl-ß-butyrolactam und 0,1
Mol Triäthylamin in 30 ccm Benzol versetzt man bei 0°C innerhalb von 40 Minuten
mit 0,1 Mol m-Trifluormethyl-benzoylfluorid und läßt den Ansatz dann über Nacht
stehen. Die klare, gelblich gefärbte Lösung wird eingeengt, wobei ein Ö1 hinterbleibt,
das beim Reiben kristallisiert. Nach dem Waschen mit Wasser, Bicarbonat und wieder
mit Wasser, hinterbleibt das N-Trifluormethyl-benzoyl-ß-methylß-butyrolactam in
praktisch reinem Zustand.
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Die Ausbeute beträgt 70 01o der Theorie, bezogen auf das eingesetzte
Lactam, der Schmelzpunkt 73"C.
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Nach dem Umkristallisieren aus Cyclohexan erhöht sich der Schmelzpunkt
auf 77"C.
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Beispiel 9 Zu einer Lösung von 0,2 Mol ß-Methyl-ß-butyrolactam und
0,2 Mol Triäthylamin in 40 ccm Benzol
tropft man bei 0°C unter Rühren
0,1 Mol Oxalylchlorid, verdünnt mit Benzol, zu. Das abgeschiedene Reaktionsprodukt
wird nach dem Stehen über Nacht abgesaugt und durch Waschen mit Wasser, Bicarbonat
und wieder mit Wasser gereinigt. Das N,N'-Oxalyl-bisß-methyl-ß-butyrolactam schmilzt
nach dem Umkristallisieren aus Alkohol bei 198 bis 200"C.
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Die Ausbeute beträt 6201o der Theorie, bezogen auf das eingesetzte
Lactam.
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Beispiel 10 Zu einer Lösung der Natriumverbindung des ß-Methyl-ß-butyrolactams,
die durch Umsetzung von 0,1 Mol Natrium-sek.-iso-butylat in sek.-Isobutanol mit
0,1 Mol ß-Methyl-ß-butyrolactam, Verdampfen des Lösungsmittels, Zugabe von 100 ccm
Toluol und Abdestillieren der Hälfte des Lösungsmittels erhalten worden ist, wird
bei 0°C unter vermindertem Druck 0,1 Mol N-Crotonsäurechlorid zugegeben. Bei der
Aufarbeitung erhält man das N-Crotonyl-ß-methyl-ß-bu-
tyrolactam in 38 °/Oiger Ausbeute
als farbloses Öl (Kp.2 125"C).