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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ketocarbonsäuren
mit oder b-ständigen Ketogruppen und bzw. oder der entsprechenden ungesättigten
und gesättigten Lactone, unter Verwendung von Alkylaluminiumverbindungen.
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Ketocarbonsäuren sind grenzflächenaktive Substanzen. Sie dienen als
Ausgangsmaterialien in der Kunststoff-, Netz- und Waschmittelindustrie. Die gesättigten
Reduktionsprodukte der y-Ketocarbonsäuren, die y-Hydroxyfettsäurelactone, werden
in der Fettindustrie als geschmacksbildende Stoffe verwendet, während die entsprechenden
Lactone ungesättigter Keto- oder Hydroxycarbonsäuren in neuerer Zeit Bedeutung auf
Grund ihrer wachstumshemmenden Wirkung auf Tumore erlangten.
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Es ist bekannt, daß y-Ketocarbonsäuren aus Acetylbernsteinsäurediester,
Maleinsäurediester oder Acetessigester durch Kondensationsreaktionen und anschließende
hydrolytische Zersetzung der Kondensationsprodukte gewonnen werden können. Diese
Verfahren erfordern viele Reaktionsstufen und geben in den meisten Fällen nur geringe
Ausbeuten. y- und b-Ketocarbonsäuren entstehen nebeneinander bei der Oxydation von
Ammoniumsalzen der Fettsäuren mit Wasserstoffperoxid. Außer einer verhältnismäßig
geringen Ausbeute haftet diesem Verfahren der Mangel einer notwendigen Trennoperation
beider Isomeren an. d-Ketocarbonsäuren lassen sich durch Alkylierung von Cyclohexandion-(1,3)
mit Alkylhalogenverbindungen und anschließende Hydrolyse gewinnen. Das Verfahren
bringt gute Ausbeuten, ist aber nicht für alle d-Ketocarbonsäuren in gleichem Maße
anwendbar und erfordert mehrere Reaktionsstufen.
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Zur Herstellung von Ketocarbonsäuren unter Verwendung von Metallalkylverbindungen
sind einige Verfahren bekannt. So läßt sich N-Methylsuccinimid mit Grignard-Verbindungen
in Vorprodukte der y-Ketocarbonsäuren [1 - Methyl - 2- alkylpyrrolon- (5)] überführen.
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Während Grignard-Verbindungen mit Dicarbonsäuredihalogeniden, -halbesterhalogeniden
oder an hydriden infolge ihrer Reaktionsfähigkeit gegenüber der CO-Gruppe im allgemeinen,
mit Ausnahme einiger aromatischer Verbindungen, keine oder nur sehr geringe Mengen
Ketocarbonsäuren entstehen lassen, ist bekannt, daß Cadmium- und Zinkalkyle mit
diesen Dicarbonsäurederivaten die entsprechenden Ketocarbonsäuren oder Ketosäureester
bilden. Insbesondere für aliphatische y- und b-Ketocarbonsäuren liegen die Ausbeuten
jedoch niedrig (30 °/0 und darunter), während für die aromatischen Ketocarbonsäuren
etwa 6001, erreicht werden. Allen diesen Verfahren haftet außerdem noch der gemeinsame
große Nachteil an, daß sie sich nicht in größerem oder technischem Maßstab durchführen
lassen. Die Magnesium-, Cadmium- und Zinkalkyle sind instabil und zersetzen sich
zum Teil schon bei Normaltemperatur.
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Sie können nur in einigen bestimmten Lösungsmitteln aufbewahrt und
verwendet werden, und ihre Herstellung ist teuer.
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Für Alkylaluminiumverbindungen ist eine Umsetzung mit Dicarbonsäurehalbesterchloriden
zu Ketocarbonsäureestern beschrieben. Die Ausbeuten betragen für y- und 6-Ketocarbonsäureester
maximal 7501o, während sie für Ketocarbonsäureester mit einer Ketogruppe in entfernterer
als b-Stellung 90 bis 95°/O betragen können. Es wurde bereits vorgeschlagen,
freie
y-Ketocarbonsãuren durch Umsetzung von 1,2-Dicarbonsäuredihalogeniden mit Alkylaluminiumverbindungen
zu gewinnen. Die Ausbeuten dieses Verfahrens liegen zwischen 60 und 90 0/ob doch
ist es ausschließlich auf die Herstellung der y-Ketocarbonsäuren beschränkt. Außerdem
sind die Dicarbonsäuredihalogenide schwer erhältlich, ein Nachteil, der besonders
auch für die Dicarbonsäurehalbesterchloride gilt.
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Alkylaluminiumverbindungen können in größerem Maßstab hergestellt,
aufbewahrt auch in größeren Mengen und unverdünnt umgesetzt werden. Sie weisen damit
für die technische Durchführung der Umsetzungen gegenüber den obenerwähnten Magnesium-,
Cadmium- und Zinkalkylverbindungen bedeutende Vorteile auf.
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Erfindungsgemäß werden Ketocarbonsäuren mit oder d-ständigen Ketogruppen
und bzw. oder die entsprechenden ungesättigten und gesättigten Lactone hergestellt,
indem man Säureanhydride von gesättigten oder ungesättigten, gegebenenfalls substituierten,
aliphatischen oder aromatischen Dicarbonsäuren unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluß
gegebenenfalls in Gegenwart eines Lösungsmittels mit Alkylaluminiumverbindungen
der allgemeinen Formel (R)nAl(X)3n in der R ein aliphatischer, araliphatischer,
cacloaliphatischer oder aromatischer Rest ist, X ein Halogenatom bedeutet und n
eine Zahl von 1 bis 3 ist, im Molverhältnis Alkylaluminiumverbindung zu Dicarbonsäureanhydrid
größer als 1, besonders zwischen 1,5 und 2,0, bei Temperaturen zwischen -30 und
A100°C umsetzt und das Reaktionsprodukt unter Rühren in gekühlte verdünnte Schwefelsäure
zwischen -15 und +20"C einträgt und nach der Hydrolyse die organische Schicht von
der wäßrigen trennt und dann entweder die Kohlenwasserstoffe von dem Gemisch der
freien Ketocarbonsäuren mit den entsprechenden Lactonen ab destilliert oder zunächst
aus der organischen Schicht die freie Ketocarbonsäure mit verdünnter Alkalilauge
als Salz extrahiert und dann nach Ab destillieren der Kohlenwasserstoffe ein reines
Lactongemisch gewinnt.
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Als Säureanhydride von Dicarbonsäuren werden vorzugsweise Bernsteinsäureanhydrid,
Maleinsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid und Glutarsäureanhydrid mit oder ohne Lösungsmittel
eingesetzt.
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Eine Abänderung des Verfahrens der Erfindung besteht darin, daß man
den über das Molverhältnis Alkylaluminiumverbindung zu Dicarbonsäureanhydrid von
1 hinausgehenden Anteil Alkylaluminiumverbindung durch ein wasserfreies Aluminiumtrihalogenid,
besonders Aluminiumtrichlorid, ersetzt.
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In diesem Falle wird die Alkylaluminiumverbindung zu einer Lösung
eines Gemisches von Säureanhydrid und Aluminiumtrihalogenid gegeben. Diese Möglichkeit
ist von Bedeutung, da auf Grund der anschließenden hydrolytischen Weiterverarbeitung
des Reaktionsgutes alle überschüssigen Alkylgruppen der Aluminiumverbindung in Form
von Kohlenwasserstoffen verlorengehen.
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Die Umsetzung kann vorzugsweise bei niederen Temperaturen in einem
Lösungsmittel unter Rühren durch Zugabe der Alkylaluminiumverbindung zur Dicarbonsäureanhydridlösung
oder, im Falle geringer Löslichkeit des Säureanhydrids, zu dessen Suspension durchgeführt
werden. Soll die Reaktion ohne Lösungsmittel
erfolgen, so ist das
Säureanhydrid in feinverteilter Form langsam unter lebhaftem Rühren zur flüssigen
Alkylaluminiumverbindung zuzugeben. Als Lösungsmittel werden partiell halogenierte
Kohlenwasserstoffe, besonders Methylenchlorid, verwendet.
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Zur Herstellung der freien Ketocarbonsäuren unter weitgehender Zurückdrängung
des Lactonanteils verwendet man als Alkylaluminiumverbindung besonders Alkylaluminiumdihalogenide
oder Alkylaluminiumsesquihalogenide und führt die Umsetzung bei Temperaturen unter
20"C, für die Gewinnung der freien os, ß-ungesättigten y-Ketosäuren unterhalb -
100C durch. Man arbeitet vorzugsweise in einem Molverhältnis von Alkylaluminiumdihalogeniden
oder Alkylaluminiumsesquihalogeniden zu Säureanhydriden von 2 : 1 bis 1,5:1 oder
bei Verwendung von Alkylaluminiumdihalogenid bzw. Alkylaluminiumsesquihalogenid,
Aluminiumtrihalogenid und Dicarbonsäureanhydrid im ungefähren Molverhältnis 1 :
1 : 1.
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Zur Erhöhung des Lactonanteils arbeitet man bei Temperaturen über
20"C und verwendet als Alkylaluminiumverbindung besonders Trialkylaluminiumverbindungen
gemeinsam mit Aluminiumtrihalogenid.
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Man verwendet dabei ebenfalls einen Überschuß an Aluminiumtrialkyl
oder setzt zu einem Gemisch von Säureanhydrid mit Aluminiumtrihalogenid das Aluminiumtrialkyl
hinzu, wobei die Molverhältnisse der drei genannten Verbindungstypen zwischen 1
: 1 : 1 und 3 : 6: 1 liegen können. Die Weiterverarbeitung des Reaktionsgutes auf
Lacton geschieht durch Eintragen in verdünnte Schwefelsäure und Abtrennen der organischen
Schicht. Nach dem Abdestillieren des eventuell vorhandenen Lösungsmittels und der
entstandenen Kohlenwasserstoffe werden die Lactongemische mit Hilfe guter Öl-oder
Dampfstrahlvakuumpumpen destilliert. Aus den Lactongemischen läßt sich durch alkalische
Verseifung der ungesättigte Anteil in Ketocarbonsäuren überführen, während sich
dabei der gesättigte Anteil der Lactone in die entsprechende Hydroxysäure zurückbildet
und dann in reiner Form vorliegt. In den Lactongemischen, die den gesättigten y-
und <5-Ketocarbonsäuren entsprechen, überwiegt in starkem Maße der gesättigte
Anteil, so daß das Reaktionsprodukt durch eine einfache katalytische Nachhydrierung
in reines Hydroxycarbonsäurelacton übergeführt werden kann. Im Lactongemisch, das
den a,fl-ungesättigten y-Ketocarbonsäuren entspricht, überwiegt dagegen der Typ
der doppelt ungesättigten Lactone (Enolform der Ketosäuren).
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An Stelle einheitlicher Trialkylaluminiumverbindungen können mit
Erfolg auch Additionsprodukte von Triäthylaluminium oder beliebiger Tri-n-alkylaluminiumverbindungen
an Äthylen oder andere Olefine eingesetzt werden. Vorzugsweise entstehen bei diesen
Umsetzungen Lactongemische.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Herstellung von y- und
<5-Ketosäuren oder der entsprechenden ungesättigten und gesättigten Lactone,
in Ausbeuten von etwa 40 bis 900/0 möglich. Die Alkylaluminiumverbindungen lassen
sich für die Herstellung der freien Ketocarbonsäuren vollständig ausnutzen.
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Die als Ausgangssubstanzen dienenden Dicarbonsäureanhydride sind im
Gegensatz zu den in anderen Verfahren benutzten Dicarbonsäure-dihalogenide oder
-halbesterhalogeniden leicht darstellbar und werden zum Teil technisch in großen
Mengen gewonnen.
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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert
werden.
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Beispiel 1 Herstellung von y-Ketocapronsäure Zu einer Lösung von
35,6 g Bernsteinsäureanhydrid (0,36 Mol) in 250 cm3 Methylenchlorid werden unter
starkem Rühren unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluß bei Raumtemperatur langsam
89 g Äthylaluminiumsesquichlorid (0,72 Mol) getropft. Nach der Zusammengabe wird
die Mischung bis zum Sieden des Lösungsmittels erhitzt und so 2 Stunden unter Rückfluß
gehalten. Danach kühlt man die Lösung ab und gibt sie langsam unter Rühren in eine
eisgekühlte 200/0ige Schwefelsäure.
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Die organische Schicht wird abgetrennt und das Reaktionsgut nach
dem Abdestillieren des Lösungsmittels durch fraktionierte Destillation gereinigt.
Man erhält 28 g y-Ketocapronsäure (60 0/o der Theorie), Kr.0,1 98 bis 100"C, F.
= 34 bis 36"C, Nebenprodukt sind 2,5 g Lactongemisch (60/, der Theorie) aus Hexanolid-(4,1)
und Hexenolid-(4,1).
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Beispiel 2 Herstellung von <5-Ketoönanthsäure Die Herstellung
erfolgt gemäß Beispiel 1. 36 g Glutarsäureanhydrid (0, 32 Mol) in 150 cm3 Methylenchlorid
werden mit 58 g Äthylaluminiumsesquichlorid (0,47 Mol) umgesetzt. Nach dem Umkristallisieren
aus Benzin verbleiben 21 g <5-Ketoönanthsäure (46 0wo der Theorie), F. = 46 bis
47"C. Als Nebenprodukt werden 6g Lacton aus der Benzinmutterlauge gewonnen (16 0/o
der Theorie).
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Beispiel 3 Herstellung von B-Propionylacrylsäure Zu einer Suspension
von 32, 7 g Maleinsäureanhydrid (0,33 Mol) in 250 cm3 Methylenchlorid werden bei
-10"C unter Rühren und unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluß langsam 83 g Äthylaluminiumsesquichlorid
(0,67 Mol) gegeben. Diese Mischung wird bei gleicher Temperatur weitere 5 Stunden
gerührt. Danach zersetzt man durch Eintragen in 20°/Oige Schwefelsäure von -10 bis
-15"C. Nach dem Abtrennen der organischen Schicht und dem Verdampfen des Lösungsmittels
wird die Säure aus einer größeren Menge Benzin umkristallisiert. Reinausbeute: 20
g ß-Propionylacrylsäure (47 0/o der Theorie) F. = 109 bis 110"C; außerdem entstehen
7 g (19 0/o der Theorie) des der Ketosäure entsprechenden ungesättigten Lactons.
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Beispiel 4 Herstellung von o-Propionylbenzoesäure Zu einer Suspension
von 41,4 g Phthalsäureanhydrid (0,28 Mol) in 200 cm3 Chlorbenzol werden analog Beispiel
1 70 g Äthylaluminiumsesquichlorid (0,57 Mol) gegeben. Die Lösung wird weitere 3
Stunden gerührt.
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Nach der Hydrolyse durch Eingabe in 150/,ige Schwefelsäure wird aus
der organischen Schicht mit 100/,der Natronlauge die o-Propionylbenzoesäure ausgeschüttelt.
Nach dem Ansäuern erhält man 36,5 g der Säure (74 0/o der Theorie), F. = 90 bis
92"C.
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Beispiel 5 Herstellung von y-Ketocaprinsäure Zu einer Lösung von
16 g Bernsteinsäureanhydrid (0,16 Mol) in 150 cm3 Methylenchlorid werden analog
Beispiel
1 langsam 50g n-Hexylaluminiumdichlorid (0,27 Mol) getropft. Diese Mischung wird
über 5 Stunden weitergerührt. Nach der Hydrolyse durch Eintropfen der Reaktionsmischung
in eisgekühlte 200/,ige Schwefelsäure wird die organische Schicht abgetrennt und
mit 10°/Oiger Natronlauge ausgeschüttelt. Nach dem Ansäuern der Lauge scheiden sich
18 g rohe 3o-Ketocaprinsäure aus, F. = 62 bis 64"C (60 0/o der Theorie).
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Beispiel 6 Herstellung von y-Ketolaurinsäure Zu einer Lösung von
15 g Bernsteinsäureanhydrid (0,15 Mol) und 20 g Aluminiumchlorid (0,15 Mol) in 250
cm3 Methylenchlorid werden analog Beispiel 1 31,5 g n-Octylaluminiumdichlorid (0,15
Mol) gegeben.
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Weitere Aufarbeitung wie im Beispiel 5. Nach dem Umkristallisieren
beträgt die Reinausbeute 17 g y-Ketolaurinsäure, F. = 77°C (52 0/o der Theorie).
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Beispiel 7 Herstellung von ß-Nonanoylacrylsäure Zu einer Suspension
von 15 g Maleinsäureanhydrid (0,15 Mol) in 150 cm3 Methylenchlorid werden bei -20"C
langsam 65 g n-Octylaluminiumdichlorid (0,31 Mol) gegeben. Die Reaktionsmischung
wird bei -200C 4 Stunden gerührt und dann durch Eingießen in 200/0ige Schwefelsäure,
die ebenfalls mindestens auf unter -15"C gekühlt ist, hydrolysiert. Die organische
Schicht wird wie in den Beispielen 5 und 6 aufgearbeitet.
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Ausbeute: 20g p-Nonanoylacrylsäure (63 0/o der Theorie), F. = 92"C.
Nebenprodukt: 5 g ungesättigtes Lacton (26 O/o der Theorie).
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Beispiel 8 Herstellung eines der y-Ketocapronsäure entsprechenden
Lactongemisches Zu 54 g Triäthylaluminium (0,47 Mol) werden unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluß
langsam 23, 5 g feinpulverisiertes Bernsteinsäureanhydrid (0,23 Mol) gegeben. Nachdem
die Mischung bei 50"C 5 Stunden unter Rühren reagiert hat, wird sie zur Hydrolyse
langsam in 150/,ige eisgekühlte Schwefelsäure getropft.
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Die organische Schicht scheidet sich ab und wird nach Trennung destillativ
gereinigt.
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Ausbeute: 20 g eines Gemisches von Hexanolid-(4,1) und Hexenolid-(4,
1) im Molverhältnis 3 : 1, Kr.12=100 bis 105 ° C (76 0/, der Theorie). Durch Druckhydrierung
mit Raney-Nickel läßt sich das gesamte Reaktionsprodukt in Hexanolid-(4,1) [y-Caprolacton]
überführen.
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Beispiel 9 Herstellung eines Gemisches von y-Ketocaprinsaure mit
den ihr entsprechenden Lactonen Zu einer Lösung von 60 g Bernsteinsäureanhydrid
(0,60 Mol) und 40 g Aluminiumchlorid (0,30 Mol) in 2CO cm5 Methylenchlorid werden
wie im Beispiel 1 58,5 g Tri-n-hexylaluminium (0,21 Mol) gegeben. Die Lösung wird
3 Stunden am Sieden unter Rückfluß gehalten und danach durch Eingießen in eisgekühlte
200/,ige Schwefelsäure hydrolysiert. Die organische Schicht wird abgetrennt und
mit verdünnter Natronlauge ausgeschüttelt. Danach werden das Lösungsmittel abdestilliert
und das Reaktionsgut im Ölpumpenvakuum fraktioniert destilliert. Man erhält 40 g
eines Lactongemisches aus Decanolid-(4,1) und Deceno-
lid-(4,1) im Molverhältnis
von etwa 3 : 1 (40 0/o der Theorie). Aus der Natronlauge lassen sich durch Ansäuern
und Extrahieren mit Äther 20 g y-Ketocaprinsäure (18 0/o der Theorie), F. = 600
C, gewinnen.
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Beispiel 10 Herstellung eines y-Lactongemisches verschiedener Kettenlänge
aus einem Äthylenadditionsprodukt an Aluminiumtriäthyl Zu 40 g einer 800/0gen Kohlenwasserstofflösung
eines Additionsproduktes von Triäthylaluminium an Äthylen mit der mittleren Alkylgruppenlänge
von C8 (d. h. etwa 0,11 Mol) werden wie im Beispiel 8 65,6 g Aluminiumchlorid (0,49
Mol) und 27,3 g Bernsteinsäureanhydrid (0,27 Mol) gegeben. Nach der Hydrolyse wird
die organische Schicht mit 50/,der Natronlauge gewaschen und danach destillativ
im Ölpumpenvakuum von Kohlenwasserstoffen befreit und fraktioniert. Man erhält insgesamt
24 g eines y-Lactongemisches verschiedener Kettenlänge (etwa 570/o der Theorie),
außerdem lassen sich aus der Natronlauge durch Ansäuern 6 g eines y-Ketocarbonsäuregemisches
verschiedener Kettenlänge gewinnen (etwa 13 0/o der Theorie).
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Beispiel 11 Herstellung eines der ß-Propionylacrylsäure entsprechenden
Lactongemisches Zu einer Suspension von 39 g Maleinsäureanhydrid (0,40Mol) in 280cm3
Methylenchlorid werden bei Raumtemperatur unter Rühren und unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluß
95 g Äthylaluminiumsesquichlorid (0,77 Mol) gegeben. Das Reaktionsgemisch wird über
2 Stunden zum Sieden unter Rückfluß erhitzt und danach in 200/,ige eisgekühlte Schwefelsäure
gegeben. Nach dem Abtrennen der organischen Schicht wird das Lösungsmittel abdestilliert
und danach das Reaktionsprodukt im Olpumpenvakuum destilliert.
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Ausbeute: 32 g eines Gemisches ungesättigter C6-y-Lactone (84 0/o
der Theorie).
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Beispiel 12 Herstellung eines der 6-Methyl-4-oxo-hepten-(2) -säure-
(1) entsprechenden Lactongemisches Zu einer Suspension von 26, 5 g Maleinsäureanhydrid
(0,26 Mol) in 200cm3 Methylenchlorid werden bei +5"C unter Rühren und unter Luft-
und Feuchtigkeitsausschluß langsam 64g Isobutylaluminiumdichlorid (0,41 Mol) getropft.
Nachdem die Lösung 5 Stunden bei dieser Temperatur gerührt wurde, gießt man sie
zur Hydrolyse in eisgekühlte 20°/Oige Schwefelsäure. Die organische Schicht wird
abgetrennt und mit 100/,der Natronlauge zur Entfernung des sauren Anteiles ausgeschüttelt.
Danach wird das Lösungsmittel unter Normaldruck abdestilliert und das Reaktionsgut
unter Olpumpenvakuum destilliert.
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Ausbeute: 15 g eines Gemisches ungesättigter C8y-Lactone (41 °/o
der Theorie).
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Beispiel 13 Herstellung von y-Cyclohexyl-y-ketobuttersäure Zu einer
Lösung von 17,8 g Bernsteinsäureanhydrid (0,18 Mol) und 53,5 g Aluminiumchlorid
(wasserfrei) [0,40 Mol] wird bei 0°C langsam unter Rühren eine Lösung von 22,1 g
Tricyclohexyaluminium (0,08 Mol)
in 50g Methylenchlorid getropft.
Die Reaktionsmischung wird 2 Stunden bei Raumtemperatur gerührt und danach wie im
Beispiel 1 weiterbehandelt.
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Ausbeute: 19, 3 g y-Cyclohexyl-y-ketobuttersäure (= 58,1 °/o der
Theorie).