DE1955038C3

DE1955038C3 - Verfahren zur Herstellung von alpha-Amino-omega-lactamen

Info

Publication number: DE1955038C3
Application number: DE19691955038
Authority: DE
Inventors: Tomiyasu; Ichikawa Takehiko; Kawasaki; Nagata Koichiro Tokio; Kato Tetsuya Fujisawa; Ito (Japan)
Original assignee: Ajinomoto Co Inc
Current assignee: Ajinomoto Co Inc
Priority date: 1968-11-18
Filing date: 1969-11-03
Publication date: 1977-03-24

Description

(CH

(D

2hi

in der η eine ganze Zahl von 1 bis 8 ist, durch Beckmannsche Umlagerung eines «-Aminocycloalkanonoxims der allgemeinen Formel II

N-OH

V-NH₂
(CH₂)„J

(H)

in der π die obige Bedeutung hat, in Gegenwart eines Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator Chlorsulfonsäure bzw. eine Mischung, die unter den Reaktionsbedingungen Chlorsulfonsäure ergibt, oder Schwefeltrioxyd in einer Menge von mindestens 1 Mol pro Mol Oxim gegebenenfalls in Gegenwart anderer Säuren und/oder eines inerten Lösungsmittels, verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in einer Menge von 1 bis 6 Mol pro Mol Oxim verv/endet wird.

HN

(D

(CH₂J_n

in der η eine ganze Zahl von 1 bis 8 ist, durch Beckmannsche Umlagerung eines a-Aminocycloalkanonoxims der allgemeinen Formel II

HO-N

NH,

(H)

25

30

35

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von «-Amino-üJ-lactamen der allgemeinen Formel I
O

Verfahren ist es schwierig, das gewünschte Endprodukt in mehr als 20%iger Ausbeute zu erhalten. Der Grund für die niedrige Ausbeute scheint darin zu liegen, daß die Beckmannsche Umlagerung hoch stereospezifisch darin ist, daß die anti-(trans)-Alkylgruppe zur Hydroxygruppe immer wandert (Organic Reactions, Band 11, Seite 5), Mit anderen Worten: Da sich die Hydroxygruppe des «•Aminocycloalkanonoxims eher in anti- als in syn-Slellung zur Aminogruppe befindet, hat das zur Folge, daß das industriell wertlose «-Amino-w-lactam der allgemeinen Formel:

15

45

55

in der η die obige Bedeutung hat, in Gegenwart eines Katalysators, das dadurch gekennzeichnet ist, daß als Katalysator Chlorsulfonsäure bzw. eine Mischung, die unter den Reaktionsbedingungen Chlorsulfonsäure ergibt, oder Schwefeltrioxyd in einer Menge von mindestens 1 Mol pro Mol Oxim, gegebenenfalls in Gegenwart anderer Säuren und/oder eines inerten Lösungsmittels verwendet wird.

Es ist bereits bekannt, daß man «-Amino-e-caprolactam durch Umsetzung von a-Aminocyclohexanonoxim-Hydrochlorid mit einer bestimmten Menge Schwefei- oder Phosphorsäure herstellen kann Qapanische Patentschrift 4 91 985), jedoch nach diesem vorbekannten

in großen Mengen gebildet wird (J. Org. Chem., 26,2568 [1961]).

Ziel der Erfindung ist, die Ausbeute an «-Amino-ojlactam stark zu erhöhen, indem man die Bildung von w-Amino-w-lactamen bei der Beckmannschen Umlagerung von a-Aminocycloalkanonoximen weitgehend unterdrückt. Es wurde gefunden, daß man dieses Ziel durch Verwendung von mindestens 1 Mol Chlorsulfonsäure oder Schwefeltrioxyd pro Mol Oxim als Katalysator erreichen kann.

Es hat den Anschein, daß bei Verwendung von Chlorsulfonsäure oder Schwefeltrioxyd als Katalysator gemäß Erfindung «-Aminocycloalkanonoxim unabhängig von dem Typ (trans- oder syn-Typ) des Ausgangsoxims in eine Cyclo-syn-Typ-Verbindung als Zwischenprodukt übergeführt wird, wie es die Darstellung des Reaktionsmechanismus weiter unten erkennen läßt, und als Folge dessen das gewünschte a-Amino-w-lactam selektiv in hoher Ausbeute gebildet wird.

HO-S = O

Beckmannsche Umlagerung

Endprodukt,

in der X eine konjugierte Base der eingesetzten Säure ist.

Bei dem Verfahren gemäß Erfindung werden als Ausgangsverbindungen entweder die freien Verbindungen, d. h. a-Aminocyclopentanon-, «-Aminocyclohexanon-, «-Aminocycloheptanon-, «-Aminocyclooctanon-, (x-Aminocyclononanon-, «-Aminocyclodecanon-,

otAminocycloundecanon- sowie «-Aminocyclododecanon-oxim, oder die Mineralsäureadditioiissalze, z. B. des Hydrochlorid der Aminooxime, benutzt. Die Verbindungen können aus dem entsprechenden Cycloalkylamin durch Chlorierung, Neber-Umlagerungs- und Oximbildungs-Reaktion hergestellt werden (J. Am. Chm. Soc. 76,4561 [1954]).

Das Ausgangsoxim wird gewöhnlich mit 1 bis 6 Mol des gemäß Erfindung verwendeten Katalysators Chlorsulfonsäure oder Schwefeltrioxyd pro Mol Oxirn in Berührung gebracht. Der obere Grenzwert von 6 Mol Katalysator ist nur aus ökonomischen Gründen festgesetzt und für die erfolgreiche Verfahrensdurchführung nicht kritisch, da das Verfahren der Erfindung auch mit mehr, z. B. 20 Mol, Katalysator durchgeführt werden kann, ohne daß die Ausbeute beeinträchtigt wird. Anstelle von Chlorsulfonsäure allein können auch folgende Mischungen benutzt werden: eine Mischung von Chlorsulfonsäure mit anderen Säuren, wie Schwefelsäure, und eine Mischung, die unter den Reaktionsbedingungen Chlorsulfonsäure liefert, wie eine Mischung von Schwefeltrioxyd oder rauchender Schwefelsäure mit Chlorwasserstoff, eine Mischung von Phosphoroxychlorid mit Schwefelsäure, eine Mischung von Thionylchlorid mit Schwefelsäure, oder eine Mischung von Sulfurylchlorid mit Wasser. Schwefeltrioxyd wird als Lösung mit einem organischen Lösungsmittel, wie Nitrobenzol, und einem halogenierten Kohlenwasserstoff und auch als rauchende Schwefelsäure eingesetzt. Bei Durchführung der Reaktion fügt man das α-AminocycloalKanonoxim der oben angegebenen Katalysatorlösung zu.

Obgleich die Reaktion bei Raumtemperatur stattfindet, wird sie gewöhnlich im Bereich von 30 bis 100⁰C durchgeführt Da die Reaktion exotherm ist, fügt man ^₀ das Ausgangsoxim der Katalysatorlösung zweckmäßig allmählich zu, um übermäßigen Temperaturanstieg zu vermeiden. Hierfür kann auch ein inertes organisches Lösungsmittel, wie Nitrobenzol, Dichlormethan, Dichloräthan, Trichloräthan, Dichloräthylen sowie ChIoroform, benutzt werden. Dies ist nicht wesentlich.

Bei Verwendung von freiem a-Aminocycloalkanonoxim werden gewöhnlich mit dem Zusatz von Mineralsäure, wie Schwefel-, Salz- und Phosphorsäure, gute Ergebnisse erzielt Die für die Beendigung der Reaktion erforderliche Zeit hängt von den Reaktionsbedingungen ab. Sie betragt gewöhnlich 1 bis 5 Stunden.

Wünscht man das Endprodukt von der Reaktionsmischung abzutrennen, isoliert man zweckmäßig das Produkt als Hydrochlorid in folgender Weise: Man gibt die Reaktionsmischung zu Wasser, neutralisiert mit Ammoniak, bringt dann die Lösung mit einem stark sauren Kationenaustauscher (Η-Form) in Berührung, um das Produkt zu adsorbieren, wäscht dann das Harz mit Wasser, wobei das Produkt und die anorganischen Verbindungen abgetrennt v/erden. Ist in der Reaktion ein organisches Lösungsmittel verwendet worden, wird die Reaktionsmischung mit Wasser extrahiert und der erhaltene Extrakt in der oben angegebenen Weise behandelt Das an dem Harz adsorbierte Produkt wird mit wäßrigem Ammoniak eluiert, das Eluat zur Trockene eingedampft und der Rückstand in eir.em polaren Lösungsmittel, wie Äthanol, gelöst. Beim Hindurchleiten von trockenem Chlorwasserstoff durch die Lösung fällt das Hydrochlorid des Produkts in kristalliner Form und hohem Reinheitsgrad aus. Weiterhin kann man zur Durchführung der Abtrennung die flüchtigen Bestandteile, wie Wasser, aus der Lösung entfernen, die man durch Neutralisation der Reaktionsmischuiig in wäßrigem Zustand wie oben angegeben erhalten hat, das Produkt aus dem Rückstand mit Alkohol extrahieren und Chlorwasserstoff durch die alkoholische Lösung hindurchführen.

Das so erhaltene «-Amino-Dj-Iactam gibt bei Hydrolyse leicht die entsprechenden «, ω-Diaminocarbonsäure in hoher Ausbeute. So liefert beispielsweise das aus Λ-Aminocyclopentanonoxim erhaltene a-Amino-<5-valerolactam Ornithin; das aus «-Aminocyclohexanonoxim erhaltene a-Amino-e-caprolactam Lysin; und das aus «-Aminocyclododecanonoxim erhaltene Ä-Amino-λ-laurolactam λ, A-Diaminolaurinsäure.

Gemäß Erfindung wird das gewünschte Produkt selektiv in hoher Ausbeute gebildet und die Bildung des wertlosen w-Amino-w-lactams unterdrückt. Infolgedessen kommt dem Verfahren der Erfindung eine große industrielle Bedeutung als Hauptstufe bei der Synthese von Λ,ω-Diaminocarbonsäuren zu.

Beispiel 1

Eine Mischung von 23,3 g (0,2 Mol) Chlorsulfonsäure und 39,2 g (0,4 Mol) Schwefelsäure wurue in einem 500-ccm-Dreihalskolben auf 40⁰C gehalten, nach und nach 16,4 g (0,1 Mol) «-Aminocyclohexanonoxim-Hydrochlorid innerhalb V/2 Stunden unter Rühren zugegeben und die Mischung dann noch eine weitere Stunde unter Rühren auf 8O⁰C gehalten. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur versetzte man die Reaktionsmischung mit 200 ecm Wasser, neutralisierte sie mit wäßrigem Ammoniak und führte sie danach durch eine Kolonne, die mit 1,21 stark saurem Kationenaustauscher, Amberlite IR-120 (Handelsbezeichnung der Rohm & Haas CO, USA) (Η-Form) gefüllt war, um das Produkt zu adsorbieren. Dann wusch man das Harz mit Wasser, eluierte das Produkt mit 2-n wäßrigem Ammoniak, dampfte das Eluat zur Trockene ein, löste den erhaltenen Rückstand in 150 ecm Äthanol und leitete trockenen Chlorwasserstoff durch die Lösung, wobei sich ein kristalliner Niederschlag bildete. Nach dem Filtrieren erhielt man 15,0 g Kristalle; weitere 0,75 g Kristalle erhielt man beim Konzentrieren der Mutterlauge. Die IR-Spektren dieser Kristalle wurden mit denen einer authentischen Probe von «-Amino-e-caprolactam identifiziert (Ausbeute 96%).

Kontrollversuch 1

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch keine Chlorsulfonsäure benutzt Die Ausbeute an Ä-Amino-e-caprolactam betrug 18%.

Beispiel 2

Zu 32,6 g (0,28 Mol) Sulfurylchlorid gab man nach und nach unter Rühren innerhalb von 1 Stunde bei 70⁰C

16.4 g (0,1 Mol) «-Aminocyclohexanonoxim-Hydrochlorid. Nach Beendigung der Zugabe hielt man die Mischung noch eine weitere Stunde auf derselben Temperatur und führte die weitere Aufarbc itung in der in Beispiel 1 angegebenen Weise durch, wobei man

14.5 g kristallines a-Amino-e-caprolactam-Hydrochlo rid erhielt (Ausbeute 88%).

Beispiel 3

Zu einer Mischung von 120 ecm Nitrobenzol und 45%iger rauchender Schwefelsäure, die 24 g (0,3 Mol) Schwefeltrioxyd und 29,4 g (0,3 Mol) Schwefelsäure enthielt, gab rr.an nach und nach unter Rühren bei 10"C 12,9 g (o,1 Mol) a-Aminocyclohexanonoxim und hielt die Mischung dann 3 Stunden auf 7O⁰C. Die Reaktions· mischung g«b man zu 200 ecm Wasser, trennte die wäßrige Schicht ab und behandelte die Nitrobcnzol· schicht zur Extraktion des Produktes weiter mil Wasser. Die Lösung der Wasserschicht und den Extrakt vereinigte man, neutralisierte dann mit wäßrigem Ammoniak und arbeitete die erhaltene Lösung in der in Beispiel 1 angegebenen Weise weiter auf, wobei man 10,0 g kristallines a-Amino-e-caprolactam-Hydrochlorid erhielt (Ausbeute 61 %).

Beispiel 4

Zu einer Mischung vo 120 ecm Nitrobenzol und 53,5 g 45%iger rauchtnder Schwefelsäure mit einem Gehalt an 24 g (0,3 Mol) i^hwcfeltrioxyd, die auf 10°C gehalten wurde, gab man unter Rühren 16,4 g (0,1 Mol) a-Aminocyclohexanonovin, Hydrochlorid und hielt die Mischung weitere 4 S- jen unter Rühren auf 70⁰C. Danach arbeitete man die Mischung in der in Beispiel 3 angegebenen Weise weiter auf, wobei man 14,0 g kristallines «-Amino-e-caprolactam-Hydrochlorid erhielt (Ausbeute 85%).

Kontrollversuch 2

Das Verfahren des Beispiels 4 wurde wiederholt, jedoch 32,9 g (0,4 Mol) 100%ige Schwefelsäure anstelle der 45%igen rauchenden Schwefelsäure benutzt. Man erhielt 1,64 g kristallines a-Amino-e-caprolactam-Hydrochlorid (Ausbeute 10%).

Beispiel 5

Zu einer Mischung von 33,6 g (0,3 Mol) Thionylchlorid und 39,2 g (0,4 Mol) Schwefelsäure, die auf 30⁰C gehalten wurde, gab man nach und nach innerhalb von 3 Stunden unter Rühren 16,4 g (0,1 Mol) «-Aminocyclohexanonoxim-Hydrochlorid und hielt die Mischung weitere 30 Minuten auf 60°C. Danach arbeitete man die Mischung in der in Beispiel 1 angegebenen Weise weiter auf, wobei man 12,0 g kristallines «-Amino-e-caprolactam-Hydrochlorid erhielt (Ausbeute 73%).

Beispiel 6

Zu einer Mischung von 23 3 g (0,2 Mol) Chlorsulfonsäure und 150 ecm Dichloräthan gab man bei Raumtemperatur innerhalb von 20 Minuten unter Rühren 16,4 g (0,1 MoljA-Aminocyclohexanonoxim-Hydrochlorid und hielt die Mischung weitere 3 Stunden unter Rühren auf 7O⁰C. Danach arbeitete man die Reaktionsmischung in der in Beispiel 3 angegebenen Weise weiter auf, wobei man 12,4 g kristallines it-Amino-i-caprolactam-Hydrochlorid erhielt (Ausbeute 75%).

Beispiel 7

Zu einer Mischung von 15,8 g (0,136 Mol) Chlorsulfonsäure und 13,4 g (0136 Mol) 100%'iger Schwefelsau-ι re, die unter Rühren auf 70⁰C gehalten wurde, fügte man nach und nach innerhalb einer Stunde 16,4 g (0,1 Mol) «•Aminocylohexanonoxim-Hydrochlorid zu und hielt die Mischung eine weitere Stunde auf 70⁰C. Die weitere Aufarbeitung führte man in der in Beispiel I ίο angegebenen Weise durch, wobei man 15,1 g kristallines Ä-Amino-e-caproluclam-Hydrochlorid erhielt (Ausbeute 92%).

Beispiel 8

κ 750 mg (3 mMol) «-Aminocyclododecanonoxim hergestellt aus «-Chlorcyclododecanonoxim - gab man innerhalb einer Stunde nach und nach zu einer Mischung von 700 mg (6 mMol) Chlorsulfonsäure und 1,18 g (12 mMol) 100%ige Schwefelsäure unter Rühren und Kühlen mit Eiswasser bei 5 bis 10" C.

Nach Beendigung der Zugabe hielt man die Mischung 40 Minuten auf 75"C. Danach gab man sie in Eiswasser, neutralisierte mit wäßrigem Ammoniak auf pH 7 und führte sie dann durch eine Kolonne, die mit 120 ecm des gleichen Harzes, wie es in Beispiel 1 benutzt wurde, gefüllt war. Das an dem Harz adsorbierte Produkt wurde eluiert und mit trockenem Chlorwasserstoff in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise weiterbehandeli. wobei man 520 mg kristallines /vAmino-ot-laurolaclam Hydrochlorid erhielt. Smp. 240- 241 'C (Zers.)(Ausbeute 69%)

Elementaranalyse für CuH₂₄ON,! · HCI
Berechnet: C 57,93, H 10,13, N 11,26%;
gefunden: C 57,79, H 10,02, N 11,07%.

Zu 5 ecm konz. Salzsäure gab man 400 mg dieses kristallinen Lactam-Hydrochlorids und erhitzte die Mischung 20 Stunden unter Rückfluß; beim Behandeln der Mischung mit Pyridin in konventioneller Weise erhielt man oc, A-Diaminolaurinsäure-Hydrochlorid in quantitativer Ausbeute. Smp. 270 - 271 "C (Zcrs.).

Elementaranalyse für CuHjfeOjN;· HCl
Berechnet: C 54,02, H 10,20, N 10,50%;
gefunden: C 54,05, H 10,24, N 10,42%.

Beispiel 9

Zu 7,6 g 21%iger rauchender Schwefelsäure, die 1,6 g (0,02 Mol) Schwefeltrioxyd enthielt und mit Eiswasser auf einer Temperatur unterhalb von i0"C gehalten wurde, gab man nach und nach innerhalb von 30 Minuten 1,64 g (0,01 Mol) «-Aminocyclohexanonoxim-Hydrochlorid. Dann erhöhte man innerhalb vor 3 Stunden die Temperatur der Mischung nach und nach auf 70° C und hielt sie 30 Minuten auf dieser Temperatur. Nach der weiteren Aufarbeitung der Reaktionsmischung in der in Beispiel 1 angegebenen Weise erhielt man 1,52 g kristallines a-Amino-e-caprolactam-Hydrochlorid (Ausbeute 92,5%).

Claims

Q.

Patentansprüche;

1, Verfahren zur Herstellung von «-Amino-w-lactamen der allgemeinen Formel I

C)

HN V-NH,