DE1951294C3

DE1951294C3 - Verfahren zur Herstellung von 3-Hydroxy-2-methyl-y-pyron (Maltol)

Info

Publication number: DE1951294C3
Application number: DE1951294A
Authority: DE
Inventors: Masaru Higuchi; Hiroshi Hotta; Itaru Takasu
Original assignee: Daicel Ltd., Osaka (Japan)
Priority date: 1968-10-12
Filing date: 1969-10-10
Publication date: 1975-08-21
Also published as: JPS5145565B1; DE1951294B2; US3665015A; DE1951294A1

Description

(R₁ O)₂CHCH₂COCH₂COCh₃

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in der R₁ eine Methyl- oder Äthylgruppe bedeutet, in Gegenwart eines inerten organischen Lösungsmittels bei O^CC bis Rückflußtemperatur mit Bleitetraacetat umsetzt,

b) das gebildete y-Acetoxy-^n-dioxocaproaldehyddimethyl- oder -diäthylacetal entweder bei einer Temperatur von mehr als 15O³C und weniger als 30O⁰C pyrolysiert oder in Gegenwart eines sauren Kondensationsmittels in üblicher Weise ringschließt und

c) anschließend das nach b) erhaltene 3-Äcetoxy-2-methyl-y-pyron in an sich bekannter Weise verseift, wobei die Stufen b) und c) auch gleichzeitig durchgeführt werden können.

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 3-Hydroxy-2-methyl-y-pyron (Maltol).

Verfahren zur Herstellung von 3-Hydroxy-2-methyl-y-pyron bzw Maltol sind bereits bekannt. So haben beispielsweise S ρ i e 1 m a η und Mitarbeiter 1947 erstmals die Herstellung von Maltol nach einem 6stufigen Verfahren beschrieben (vgl. Journal of American Chemical Society, Bd. 19 (1947), S. 2908). bei dem in der letzten Stufe 3-Brom-y-pyron einer Alkalibehandlung unterworfen wird. Die dabei erzielten Ausbeuten sind jedoch für eine großtechnische Durchfuhrung dieses Verfahrens zu gering. Nach dem von H a y a s h i und Mitarbeiter in der JA-AS 17905 1967 beschriebenen Verfahren geht man von Dihydro-;-pyron aus, das durch Selendioxyd oxydiert wird. Die technische Anwendbarkeit dieses Verfahrens scheiterte jedoch an der Giftigkeit des Selens. Es hat sich überhaupt als schwierig erwiesen, eine OH-Gruppe in die 3-Stellung des -/-Pyrons einzuführen, was schon daraus hervorgeht, daß außer den beiden obengenannten Verfahren bisher kein weiteres Verfahren dieser Art bekanntgeworden ist.

Das einzige Verfahren, das heute in Ermangelung von besseren Alternativen zur Herstellung von Maltol angewendet wird, ist das in den beiden US-Patentschriften 3 130 204 und 3 171 842 beschriebene Verfahren, bei dem man von Kojisäure ausgeht, die ihrerseits durch Fermentation von Kohlehydraten erhalten wird. Bei diesem bekannten Verfahren, welches die Oxydation von Kojisäure zu Komensäure umfaßt, handelt es sich um ein 4stufiges Verfahren (wenn man von der im Handel erhältlichen Kojisäure ausgeht) bzw. um ein 5stufiges Verfahren, wenn man von Glukose ausgeht. Nach diesem Verfahren erhält man das Maltol in einer Ausbeute von 59%, bezogen auf die eingesetzte Kojisäure. Wenn man berücksichtigt, daß Kojisäure nicht ohne weiteres und in beliebigen Mengen im Handel erhältlich ist, diese vielmehr in der Regel durch Fermentation von Glukose in einer Ausbeute von 50% hergestellt werden muß, so ergibt sich eine Gesamtausbeute an Maltol, bezogen auf Glukose, von etwa 30%.

Diese bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß es als zentralen Verfahrensschritt eine Oxydation umfaßt, die im Rahmen eines großtechnischen Verfahrens nicht mit der erforderlichen Reproduzierbarkeit und Verläßlichkeit durchgeführt werden kann. Hinzu kommt noch, daß der zur Durchführung des bekannten Verfahrens erforderliche apparative Aufwand verhältnismäßig groß ist und daß die eingesetzte, durch Fermentation hergestellte Kojisäure .licht rein ist. sondern stets größere oder kleinere Mengen an Verunreinigungen (z.B. 3-Hydroxykojisäureund 5-Hydroxymaltol) enthält. Dadurch sind zusätzliche Reinigungsstufen erforderlich, die das Verfahren weiter komplizieren.

Man ist daher seit langem auf der Suche nach einem verbesserten Verfahren zur Herstellung von 3-Hydroxy-2-methyl-;-pyron (Maltol), das technisch einfach und wirtschaftlich durchgeführt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet nun die Nachteile der bekannten Verfahren, und es stellt ein wirtschaftliches und großtechnisch gut durchfuhrbares Verfahren zur Herstellung von Maltol dar.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von 3-Hydroxy-2-methyl-;-pyron (Maltol) ist dadurch gekennzeichnet, daß man

a) ein ,i.rt-Dioxocaproaldehyddialkylacetal der allgemeinen Formel

(R₁ O)₂CHCH₂COCh₂COCH₃

in der R₁ eine Methyl- oder Äthylgruppe bedeutet, in Gegenwart eines inerten organischen Lösungsmittels bei 0 C bis Rückflußtemperatui mit Bleitetraacetat umsetzt,

b) das gebildete y-Acetoxy-/-(.<vdioxocaproaldehyddimethyl- oder -diäthylacetal entweder bei einer Temperatur von mehr als 150 C und weniger als 300 C pyrolysiert oder in Gegenwart eines sauren Kondensationsmittels in üblicher Weise ringschließt und

c) anschließend das nach b) erhaltene 3-Acetoxy· 2-methyi-y-pyron in an sich bekannter Weise verseift, wobei die Stufen b) und c) auch gleichzeitig durchgeführt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber den bekannten Verfahren zur Herstellung von Maltol den Vorteil, daß es sich dabei um ein rein chemisches Verfahren handelt, das weitgehend frei von verfahrenstechnischen Störquellen und Qualitätsschwankungen an dem Endprodukt ist, daß es das Maltol in mindestens gleicher, aber auch bessere Ausbeute wie das beste bekannte Verfahren liefert, ohne daß zu seiner Durchführung der große apparative Aufwand des bekannten Verfahrens erforderlich ist. Ferner hat das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren den Vorteil, daß es unter Verwendung von leicht zugänglichen Ausgangsmaterialien in relativ kurzen Reaktionszeiten das Maltol ergibt, wobei der zur Durchführung des Verfahrens erforderliche apparative Aufwand geringer ist als bei Einbeziehung einer Fermentationsstufe wie in dem aus den US-Patentschriften 3 171 842 und 3 130 204 bekannten Verfahren.

Es ist auch für den Fachmann besonders überraschend, daß in der Stufe a) bei der Acetoxyliening mit Bleitetraacetat die Aeetoxygruppe entgegen den Angaben des Standes der Technik (vgl. »Newer Methods of Preparative Organic Chemistry«, Bd. II, S. 8 [1963]) selektiv nur an einer ganz bestimmten Stelle in das Molekül der Ausgangsverbindung eintritt. Die dabei erhaltenen ftd-Dioxo-y-acetoxy-caproaldehyddialkylacetale lassen sich durch Pyrolyse oder durch saure Kondensation mit anschließender oder gleichzeitiger Hydrolyse leicht einschließen und wobei eine Zersetzung des y-Pyronringes verhindert wird. Das erfindungsgemäße Verjähren wird durch das folgende Reaktionsschema veranschaulicht

(R, O),CHCH₂COCH₂COCH₃ (I)

(R₁O)₂CHCH₂C(OH) == CHCOCH₃

(R₁0)₂CHCH₂COCH = C(OH)CH₃

Pb(OAc)₄

OAc ι	OAc	+ (R₁O)₂CHC	OAc	OAc
I	- CHCOCH₃		II ΓΓιΓΊλ	-C-CH₃
(K₁U)₂CIlCIl₂C		IUCOCII	OH
OH

+ Pb(OAc)₂

— HOAc

OAc

(R₁ O)₂CHCh₂COCHCOCH₃

Ringschluß (H)

OAc

CH₃

Hydrolyse

(ΠΙ)

(IV)

In den vorstehenden Formeln bedeutet R₁ jeweils eine Methyl- oder Äthylgruppe. Die von der gestrichelten Linie umgebenen Formeln stellen Übergangs- bzw. Zwischenprodukte dar, die sich bei der Umsetzung bilden und die zum Verständnis des Reaktionsmechanismus angegeben sind.

Die als Ausgangsmalerial zu verwendenden /W-Dioxocaproaldehyddialkylacetale der Formel I lassen sich in guter Ausbeute beispielsweise durch Umsetzung von niederen Alkylestern der /fyi-Dialkoxypropionsäure der Formel

(R₁O)₂CHCH₂COOR₂

(V)

in der R₁ und R₂ gleich oder voneinander verschieden sind und jeweils einen Methyl- oder Äthylresl bedeuten, mit der Maßgabe, daß R₁ in dieser Formel mit R₁ in der Formel I übereinstimmt, mit Aceton unter zur Durchführung einer »Claisen-Kondensation« üblichen Bedingungen herstellen.

Die dafür verwendeten 0,/J-Dialkoxypropionsäureester der Formel V sind durch Umsetzung von Essigsäureestern mit Ameisensäureestern unter den Bedingungen der Claisen-Kondensation und anschließende Umsetzung der dabei erhaltenen Formyl- derivate mit einem entsprechenden Alkanol in Anwesenheit eines stark sauren Katalysators oder durch Umsetzung von Orthoameisensäu»eestern mit Bromessigsäureestern unter Verwendung von Zink leicht herzustellen (vgl. hierzu »Advances in Organic Chemistry«, Bd. II, S. 223 [I960]).

Die betreffenden ^,o-Dioxocaproaldehyddialkylacetale liegen als Keto-Enol-Tautomere vor und stellen Chelatbildner dar.

In der Stufe a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das in der Form eines Gemisches der Keto-Enol-Tautomeren vorliegende /Ϊ,Λ-Dioxocaproaldehyddialkylacetal der oben angegebenen Formel I mit Bleitetraacetat in einem inerten organischen Lösungsmittel, wie Benzol, Methanol oder Essigsäure, bei einer zwischen 0^cC und der Rück«lußtemperatur des verwendeten Lösungsmittels liegenden Temperatur oxydierend acetoxyliert. Das dabei erhaltene Produkt besteht im wesentlichen aus dem entsprechenden y-Acetoxy-^ö-dioxocaproaldehyddialkylacetal, das möglicherweise ebenfalls in Form eines Tautomerengemisches vorliegt.

In der Stufe b) wird das nach a) erhaltene Acetal eingeschlossen, und zwar entweder durch Pyrolyse bei einer Temperatur von mehr als 150 und weniger als 300 C, oder es wird mit einem sauren Kondensationsmittel, wie Salzsäure, Phosphorsäure, Schwefelsäure oder einer organischen Sulfonsäure, wie p-Toluolsulfonsäure behandelt und wobei man bei einer Temperatur von 0 bis 300" C, vorzugsweise bei weniger als 100 C arbeitet. Das dabei erhaltene 3-Acetoxy-2-methyl-}-pyron (III) wird dann nach c) in an sich bekannter Weise zu 3-Hydroxy-2-methyl-;-pyron (IV) verseift.

Der Ringschluß durch Pyrolyse kann gleichzeitig mit der Destillation des acetoxylierten Produktes unter vermindertem Druck durchgeführt werden, wenn man auf eine Temperatur innerhalb des vorstehend angegebenen Bereiches erhitzt. Da die Verbindungen der Formel III leicht verseifbar sind, kann bei Anwesenheit von Wasser im Reaktionssystem das Verseifen gleichzeitig mit der Pyrolyse oder während der Behandlung mit einem sauren Kondensationsmittel erfolgen. Somit kann das Maltol (IV) auch in einer Verfahrensstufe aus dem acetoxylierten Produkt (II) hergestellt werden.

Beispiel 1

In ein Gemisch aus 116 Teilen Bleitttraacetat und 132 Teilen trockenem Benzol werden 41 Teile β,ό-ΌΊ- $5 oxocaproaldehyddimethylacetal eingetropft, wonach man das Gemisch bei 30 bis 35 C 2 Stunden reagieren läßt. Das ausgefallene Bleiacetat wird anschließend abfiltriert. Das Filtrat wird zunächst eingeengt, durch Abdampfen vom Lösungsmittel befreit, und danach wird der Rückstand unter vermindertem Druck destilliert. Das bei einem Kp.₃ 99 bis 105' C übergehende Destillat besteht hauptsächlich aus y-Acetoxy-/?,n-dioxocaproaldehyddimethylacetal. Die Ausbeute beträgt 32 Teile (58,6% der Theorie).

10 Teile des erhaltenen Destillats werden mit 26 Teilen Benzol und ί Teil konzentrierter Schwefelsäure gemischt, und das Gemisch wird 2 Stunden bei 50 bis 55°C gerührt. Die Benzolschicht wird dann abgetrennt und mit Wasser gewaschen. Die Schwefelsäureschicht wird nut dem Waschwasser vereinigt, mit 15%iger Natronlauge neutralisiert und mit Chloroform ausgeschüttelt. Die Chloroformschicht wird abgetrennt und eingedampft, wobei rohes 3-Hydroxy-2-meihyl-y-pyron anfallt. Getrennt davon wird die Benzolschicht eingedampft. Der flüssige Rückstand, der auch einige Kristalle enthält, wird mit konzentrierter Salzsäure verseift, neutralisiert und mit Chloroform ausgeschüttelt. Die Chloroformschicht wird abgetrennt und dann eingedampft, wobei weiteres rohes 3-Hydroxy-2-methyl->-pyron anfallt. Die Gesamtmenge an 3-Hydroxy-2-methyl-y-pyron beträgt etwa 3 Teile (55,2%, das entspricht einer Gesamtausbeute, bezogen auf /J.n-Dioxocaproaldehyddimethylacetal, von 32,3%). Das gereinigte Produkt schmilzt bei 162 bis 163'C. Ein Mischschmelzpunkt mit einer authentischen Maltolprobe zeigt keine Schmelzpunkterniedrigung. Die IR- und NMR-Spektren des gereinigten Produkts stimmen völlig mit denen einer authetischen Maltolprobe überein. Der Eisen(IH)-chJorid-Test mit dem gereinigten Produkt ist positiv.

Be i sp i e 1 2

Ein Gemisch aus 9,2 Teilen /M-Dioxocaproaldehyddimethylacetal. 105,0 Teilen Eisessig und 26,0 Teilen Bleitetraacetat wird 4 Stunden bei 20 bis 25C reagieren gelassen. Dann wird die Essigsäure aus dem Reaktionsgemisch abgedampft und das ausgefallene Blei(Il)-acetat abfiltriert. Das Filtrat wird unter vermindertem Druck bei 150 bis 160"C (Badtemperatur) destilliert, wobei 5,5 Teile 3-Acetoxy-2-methyl-/-pyron vom Kp., UO bis 120C erhalten werden.

4,6 Teile des obigen S-Acetoxy^-methyl-y-pyrons werden mit 10 Teilen konzentrierter Salzsäure versetzt, und das Gemisch wird anschließend 2 Stunden bei Raumtemperatur und dann nochmals 1 Stunde bei 50 bis 55 C gerührt. Dann wird das Reaktionsgemisch mit etwa 15%iger Natronlauge neutralisiert und mit Chloroform ausgeschüttelt. Die Chloroformschicht wird abgetrennt und eingedampft, wobei 1,8 Teile rohes kristallines 3-Hydroxy-2-methyl-;-pyron anfallen. Das durch Sublimation gereinigte Produkt schmilzt bei 162 bis 163^CC und zeigt keine Schmelzpunktserniedrigung mit einer authentischen Maltolprobe. Die IR- und NMR-Spektren der gereinigten Verbindung stimmten mit denen einer authentischen Maltolprobe überein. Der Eisen(III)-chlorid-Test ist positiv.

Beispiel 3

Ein Gemisch aus 25 Teilen 0,0-Dioxocaproaldehyddiäthylacetal und 71 Teilen Benzol wird mit 50 Teilen Bleitetraacetat versetzt. Nach einer 2stündigen Reaktionszeit bei 35 bis 40' C wird das ausgefallene Blei(II)-acetat abfiltriert. Das Filtrat wird eingeengt und die verbleibende Flüssigkeit bei 150 bis 155 C und einem Druck von 4 Torr pyrolysiert, wobei 1.5 Teile (Ausbeute 9,6%) sublimiertes 3-Hydroxy-2-methyl-)'-pyron anfallen, das bei 162 bis 163° C schmilzt. Der Mischschmelzpunkt mit einer authentischen Maltolprobe zeigt keine Schmelzpunktserniedrigung. Das IR-Spektrum dieses Produktes stimmt mit dem einer authentischen Maltolprobe überein.

Das in den Beispielen 1 bis 3 als Ausgangsmaterial verwendete ftd-Dioxocaproaldehyddialkylacetal ist wie folgt hergestellt worden:

Ein Gemisch aus 360 Teilen trockenem Diäthyläther und 23 Teilen feingranuliertem metallischem Natrium wird allmählich mit einem Gemisch aus 58 Teilen Aceton und 148 Teilen /},/?-Dimethoxypropionsäuremethylester bei der Rückflußtemperatur von Diäthyläther versetzt und anschließend 2 Stunden bei 5 bis 1O⁰C gehalten. Dann wird das Reaktionsgemisch durch Zugabe von wäßriger Schwefelsäurelösung schwach angesäuert und die organische Schicht abgetrennt. Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels wird der Rückstand unter vermindertem Druck destilliert, wobei 88 Teile /W-Dioxocaproaldehyddimethylacetal mit einem Kp.₃ 75 bis 76° C anfallen, dessen Konstitution durch das IR-Spektrutn, das NMR-Spektrvm, das chemische Verhalten und durch das Ergebnis der Gewichtsanalyse des blaugefärbten kristallinen Kupfer(l)-salzes (F. 159 bis 160⁰C), das man durch Mischen und Verrühren des Reaktionsprodukts mit einer gesättigten wäßrigen Kupfer(l)-acetatlösung erhält, bestimmt wird.

Gewichtsanalyse
(C₈H₁₃O₄J₂Cu

in % des Kupfer(I)-salzes:

Berechnet
gefunden .

C 46,88, H 6,39%;
C 46,99, H 6,40%.

In einer Tetrachlorkohlenstofflösung bei Raumtemperatur liegt der größere Teil des 0,<5-Dioxocaproaldehyddimethylacetals in der Enolform vor.

Das /M-Dioxocaproaldehyddiäthylacetal ist wie folgt hergestellt worden:

Ein Gemisch aus 180 Teilen Diäthyläther und 32 Teilen Natriummethylat wird bei der Rückflußtemperatur des Diäthyläthers allmählich tropfenweise mit einem Gemisch aus 29 Teilen Aceton und 95 Teilen ftjJ-Diäthoxypropionsäureäthylester versetzt und wie beim /3,0-Dioxocaproaldehyddiniethylacetal beschrieben weiter behandelt, wobei 46 Teile /S.o-Dioxocaproaldehyddiäthylacetal mit einem Kp,₄ 97 bis 99° C erhalten werden, dessen Konstitution durch das IR- und das NMR-Spektrum, das chemische Verhalten durch das Ergebnis der Gewichtsanalyse des Kupfer(I)-salzes (F. 135,5 bis 136° C) bestimmt wird.

Gewichtsanalyse
(C₁₀H₁₇OJ₂Cu.

in % des Kupfer(I)-salzes:

Berechnet ... C 51,55, H 7,35%;
gefunden .... C 50,85, H 7,32%.

Das β,Λ- Dioxocaproaldehyddimethylacetal
außerdem wie folgt hergestellt worden:

Zu einem Gemisch von 350 Teilen trockenem Benzol und 296 Teilen 0,0-Dimethoxypropionsäuremethylester werden gleichzeitig eine Mischung aus 63% Natriumhydrid, dispergiert in Paraffin (100,6 Teile) und trockenem Benzol (13Θ Teile), und 116TeUe Aceton bei 20⁰C aber einen Zeitraum von 4 Standen zugegeben, and zur Durchführung der Kondensationsreaktion wird die Reaktionsmischung 2 Stunden lang gerührt. Die Gesamtmenge des Reaktionsgemisches beträgt 1107 Teile. 273 Teile des Reaktionsgemisches (etwa V* der Gesamtmenge) werden zu einer Mischung von 39 Teilen Essigsäure und 100 Teilen Wasser über einen Zeitraum von 30 Minuten zugetropft, und nach Beendigung des Zutropfens wird die Mischung zur Durchführung der Neutralisation 30 Minuten gerührt. Die Temperatur wird

ίο während der Neutralisation bei 20⁰C gehalten. Nach der Neutralisation wird die obere organische Schicht abgetrennt, und die untere wäßrige Schicht wird mit 40 Teilen Benzol extrahiert. Die organische Schicht und der Benzolextrakt werden miteinander vereinigt und zur Entfernung des Lösungsmittels eingedampft. Der Rückstand wird dann im Vakuum destilliert, wobei man 7,7 Teile nichtumgesetzten j3,0-Dimethoxypropionsäuremethylester sowie 68,5 Teile ftä-Dioxocaproaldehyddimethylacetal, entsprechend einer Ausbeute • io von 78,7%, bezogen auf den eingesetzten Methylester bzw. von 88,2%, bezogen auf den umgesetzten Methylester erhält.

Beispiel 4

17,4 Teile 0,0-Dioxocaproaldehyddimethylacetal und 50,0 Teile Bleitetraacetat wurden 2 Stunden bei 15° C in 80 Teilen Essigsäure belassen. Anschließend wurde ein Teil Glycerin zugegeben, um das nichtumgesetzte Bleitetraacetat zu Bleiacetat umzuwandeln. Das Gemisch wurde dann gekühlt und das ausgeschiedene Bleiacetat abfiltriert. Zur Entfernung der Essigsäure wurde das Filtrat eingedampft, und es wurden 14,6 Teile Rückstand erhalten. Der Rückstand wurde in 200 Teilen 0,85%iger wäßriger Salzsäure aufgenommen und 2 Stunden auf 100° C erhitzt. Der pH-Wert des Reaktionsgemisches wurde dann mit 15%iger Natronlauge auf 6 eingestellt, und anschließend wurde das Reaktionsgemisch mit Chloroform extrahiert. Die Chloroformschicht wurde abgetrennt und eingedampft, wobei 5,8 Teile Rohmaltol erhalten wurden. Nach Sublimation des Rohmaltols wurden 5,6 Teile reines Maltol vom F. 162 bis 163^CC erhalten. Bezogen auf das /3,<5-Dioxocaproaldehyddimethylacetal betrug die Maltoiausbeute 44,4% der Theorie.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Maltol in großtechnischem Maßstab aus billigen Ausgangsmaterialien mit hoher Verläßlichkeit, einem hohen Qualitätsstandard und einer sicheren Reproduzierbarkeit des Qualitätsstandards hergestellt werden. Maltol, das sich durch einen eigenartigen Wohlgeruch auszeichnet, kann auf den verschiedensten Gebieten verwendet werden, beispielsweise zum Backen von Brot and in der Textilindustrie zum Aasrüsten von Textamaterialien.

509634/95

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von 3-Hydroxy-2-methyl-y-pyron (Maltol), dadurch gekennzeichnet, daß man

a) ein /f.o-Dioxocaproaldehyddialkylacetal der allgemeinen Formel