DE19736543A1 - 2-(1,4-Dioxan-2-on-3-yl)essigsäureester - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft 2-(1,4-Dioxan-2-on-3-yl)-essigsäureester, ein Ver­ fahren zu ihrer Herstellung, ihre Verwendung und Zwischenprodukte für das Herstel­ lungsverfahren.

Aus Chem. Prum. 1970, 20 (1), 20-22; zitiert nach C.A. Vol. 72 (1970), 121 465 a, ist ein Gemisch der in 5- bzw. 6-Stellung durch Methyl substituierten 2-(1,4-Dioxan- 2-on-3-yl)-essigsäure bekannt. Sie wird hergestellt durch Umsetzung von Malein­ säureanhydrid mit der 4fach molaren Menge von 1,2-Propandiol unter so drastischen Bedingungen, wie bei 180° für 48 Stunden.

Die geringe Ausbeute von nur ca. 11% und die Notwendigkeit einer Hydrolyse als Abschluß der Reaktion deuten auf eine weitgehende Bildung von Maleinsäure-Glykol-Oligoestern hin.

Es wurden 2-(1,4-Dioxan-2-on-3-yl)-essigsäureester der Formel

gefunden, in der
R¹, R² und R³ unabhängig voneinander geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkyl bedeuten, wobei R² und R³ unabhängig voneinander zusätzlich Wasserstoff bedeuten können oder R² und R³ gemeinsam -(-CH₂-)_n- mit n = 3, 4 oder 5 bedeuten können und wobei R¹ zusätzlich -CH(R²)-CH(R³)-OH oder -CH(R³)-CH(R²)-OH bedeuten kann.

Es wurde weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von 2-(1,4-Dioxan-2-on-3-yl)- essigsäureestern der Formel (I) gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man Maleinsäuredialkylester mit 1,2-Glykolen der Formeln

in denen
R² und R³ die obengenannte Bedeutung haben und
R⁴ geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkyl bedeuten,
im Molverhältnis von (II) : (III) = 1 : 0,5-100 bei 30 bis 80°C unter Katalyse durch alkalische Verbindungen und unter wasserfreien Bedingungen umsetzt und für den Fall, daß R¹ die Bedeutung C₁-C₁₂-Alkyl annehmen soll, eine zusätzliche Umsetzung des Umsetzungsproduktes aus (II) und (III) mit einem Alkanol der Formel

R⁵-OH (IV),

in der R⁵ unabhängig von R⁴ die für R⁴ genannte Bedeutung hat,
in einem Molverhältnis von (II) : (IV) = 1 : 1-50 unter Katalyse durch saure Verbin­ dungen und unter wasserfreien Bedingungen durchführt.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der Verbindungen der Formel (I) als Lösungsmittel oder als Formulierungsmittel, beispielsweise für die Formulierung von Pflanzenschutzmitteln, Pharmaka oder ähnlichen Substanzen.

Alkyl in den genannten Formeln hat 1 bis 12 C-Atome und bedeutet beispielsweise Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, die isomeren Pentyle, Hexyle, Octyle, Decyle oder Dodecyle. Alkyl hat bevorzugt 1 bis 4 C-Atome und bedeutet besonders bevorzugt Methyl oder Ethyl.

Die erfindungsgemäß einzusetzenden Maleinsäuredialkylester ergeben sich aus den genannten Alkylsubstituenten in naheliegender Weise. Besonders bevorzugt werden Maleinsäuredimethylester und Maleinsäurediethylester eingesetzt.

Die erfindungsgemäß einzusetzenden 1,2-Glykole ergeben sich aus den genannten Alkylsubstituenten ebenfalls in für den Fachmann naheliegender Weise. In bevorzugter Weise werden eingesetzt Ethylenglykol, 1,2-Propandiol, 1,2-Butandiol und 2,3-Butandiol.

Als alkalische Verbindungen kommen (Erd)Alkalimetallhydride, -amide und -alkoho­ late in Frage. Amide sind hierbei von NH₃ oder von primären oder sekundären aliphatischen Aminen mit 1 bis 6 C-Atomen abgeleitet; Amide können auch von C₁-C₆-Acyl-aminen abgeleitet werden. Alkoholate werden von C₁-C₆-Alkanolen abgeleitet. Alkoholate können jedoch weiterhin die von den erfindungsgemäß umzu­ setzenden 1,2-Glykolen abgeleiteten Mono- oder Bisalkoholate sein. Solche Glykolate entstehen im Reaktionsgemisch durch Zusatz der genannten Hydride, Amide bzw. Alkoholate. Sie können jedoch auch in einem separaten Schritt vor der Reaktion hergestellt werden. Zur Herstellung der Glykolate können grundsätzlich auch (Erd)- Alkalimetallhydroxide oder -carbonate verwendet werden; da jedoch bei deren Einsatz bei der Glykolatbildung Wasser entsteht, ist es erforderlich, dieses Reaktionswasser vor Beginn der erfindungsgemäßen Reaktion abzutrennen, beispielsweise durch eine azeotrope Destillation, um während der erfindungsgemäßen Reaktion wasserfreie Be­ dingungen einhalten zu können.

Der Reaktionsverlauf kann durch das folgende Formelschema dargestellt werden:

In diesem Formelschema hat der substituierte Essigsäureester (Ia) in seiner alkoholi­ schen Esterkomponente R¹ den eingeschränkten Umfang von R⁴. Ein solcher Reak­ tionsverlauf stellt sich ein, wenn im unteren Teil des Molverhältnisses von (II) : (III) 1 : 0,5-3, bevorzugt 1 : 0,7-2, besonders bevorzugt 1 : 0,9-1,1, ganz besonders bevorzugt 1 : 1 gearbeitet wird. Wählt man molare Verhältnisse im oberen Teil des Bereiches, also (II) : (III) = 1 : 3-100, bevorzugt 1 : 10-30, so wird das erhöhte Angebot an 1,2-Glykol (III) zu einem Esteraustausch mit dem Rest OR⁴ des eingesetzten Maleinsäuredialkylesters führen, der im unteren Teil des Molverhältnis­ bereiches nur eine untergeordnete Rolle spielt. Das Formelschema nimmt dann die im folgenden dargestellte Form an:

In diesem Fall nimmt der substituierte Essigsäureester in seiner alkoholischen Kom­ ponente den eingeschränkten Bedeutungsumfang an, der sich vom 1,2-Glykol (III) ableitet. Selbstverständlich ist es weiterhin möglich und wurde lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, daß im linken Teil der Formeln (Va bis e), in dem das 1,2-Glykol etherartig an das Gerüst des Maleinsäuredialkylesters (II) gebunden ist, die Reste R² und R³ vertauscht sein können, wie dies im Rahmen der Formel (Vb bis e) bereits im rechten Formelteil mit dem esterartig gebundenen 1,2-Glykol gezeigt wurde.

Wird als Glykol das Ethylenglykol eingesetzt, so erhält man die 2-(1,4-Dioxan-2-on- 3-yl)-essigsäureester als Racemat, da durch die Additionsreaktion ein Asymmetrie­ zentrum erzeugt wird. Im Falle von substituierten Glykolen, die in der Regel als racemisches Gemisch bzw. als Gemisch der Diastereomeren eingesetzt werden, werden dementsprechend auch die Diastereomeren 2-(1,4-Dioxan-2-on-3-yl)-essig­ säureester erhalten. Sind R² und R³ unterschiedlich, entstehen zwei Regioisomere mit ihren Diastereomeren. In der erwähnten Weise ist in dem obigen Formelschema nur eines dieser Regioisomeren dargestellt; das andere ergibt sich durch Vertauschen von R²und R³.

Die Erfindung betrifft weiterhin die durch die Additionsreaktion hergestellten, noch nicht zum 1,4-Dioxanring geschlossenen Zwischenprodukte (Va bis e).

Im erfindungsgemäßen Verfahren entstehen demnach die 2-(1,4-Dioxan-2-on-3-yl)- essigsäureester der Formel (I), die sich auch durch die Summe der Teilformeln (Ia bis c) darstellen lassen.

Beim Einsatz von unsymmetrisch substituierten Glykolen ist demnach das Reaktions­ produkt in der Regel ein statistisches Gemisch der verschiedenen Ether-Ester der Formeln (Va bis e) einschließlich möglicher Diastereomerer und Regioisomerer. Das substituierte Glykol kann mit jeder der beiden Hydroxygruppen die Etherbindung und unabhängig ebenso mit jeder der beiden Hydroxygruppen die Esterbindung eingehen. Auf diese Weise entstehen acht regioisomere Verbindungen, von denen jede in ihren Diastereomerenspezies auftritt. Beispielhaft sind hier fünf der möglichen Reaktions­ produkte (Va bis e) aufgeführt. Die anderen Isomeren ergeben sich durch Ver­ tauschen der beiden Substituenten R² und R³ am etherartig verknüpften Glykol. Bei symmetrisch substituierten Glykolen entsteht nur eine Konstitution mit ihren Di­ astereomeren und mit Ethylenglykol ein Produkt als racemisches Gemisch.

Für den Fall, daß als substituierte Essigsäureester (I) die Spezies mit der Unterformel (Ia) gewünscht wird, in der die alkoholische Esterkomponente von einem Alkanol R⁴-OH (IV) abgeleitet ist, kann in der oben beschriebenen Weise im unteren Teil des im Molverhältnisses (II) : (III) gearbeitet werden. Arbeitet man zur Herstellung von (Ia) im oberen Teil des Molverhältnisses von (II) : (III), werden die Zwischenprodukte der Formeln (Vb bis e) einer anschließenden Umsetzung mit dem genannten Alkanol R⁵-OH (IV) in einem Molverhältnis von (II) : (IV) = 1 : 1-100, bevorzugt 1 : 3-30 unter Katalyse durch saure Verbindungen oder durch Umesterungskatalysatoren und unter wasserfreien Bedingungen unterworfen.

Diese Reaktionsfolge ermöglicht den Einsatz eines gut zugänglichen Maleinesters un­ abhängig davon, welche alkoholische Esterkomponente R⁴ das gewünschte Produkt (Ia) haben soll. Beispielsweise kann von Maleinsäuredimethyl- oder -diethylester aus­ gegangen werden, mit R⁵-OH = Dodecylalkohol umgesetzt werden und so der Dodecylester (R⁴ = C₁₂) erhalten werden.

Saure Verbindungen hierfür sind beispielsweise Mineralsäuren, wie Chlorwasserstoff, Schwefelsäure oder Phosphorsäure, oder organische Säuren, wie Benzolsulfonsäure, Toluolsulfonsäure, halogenierte Alkansulfonsäuren, oder saure Ionenaustauscher; Umesterungskatalysatoren sind beispielsweise Titan- oder Zinntetraalkoholate.

Das erfindungsgemäße Verfahren unter Katalyse durch alkalische Verbindurgen kann Gegenwart oder ins Abwesenheit eines Lösungsmittels durchgeführt werden. Bei Gegenwart eines Lösungsmittels kommt vorzugsweise ein dipolar-aprotisches in Frage, wie Dimethylformamid (DMF), cyclische Lactame, wie N-Methyl-pyrrolidon, cyclische Harnstoffe, wie 1,3-Dimethyl-imidazolidin-2-on oder Acetonitril. Jedoch kann die Reaktion auch in Abwesenheit von Lösungsmitteln durchgeführt werden, wenn solche Spezies von (II) und (III) eingesetzt werden, die ein niedriges Mole­ kulargewicht haben und daher flüssig sind oder von denen wenigstens eine flüssig ist und die andere löst. Insbesondere ist der Verzicht auf systemfremde Lösungsmittel, die die Aufarbeitung erschweren würden, möglich, wenn ein höherer molarer Über­ schuß des 1,2-Glykols im genannten Umfang benutzt wird und dieses Glykol flüssig ist. Das Reaktionsgemisch von (II) und (III) wird nach beendeter Umsetzung neutra­ lisiert, beispielsweise durch Zugabe von Weinsäure oder einer anderen nicht flüchtigen Säure und kann sodann destillativ, beispielsweise unter vermindertem Druck, aufgearbeitet werden. Die noch nicht zum 1,4-Dioxanring cyclisierten Zwischen­ produkte (Va bis e) können durch unvollständige Durchführung der Reaktion erhalten werden, wozu man den Reaktionsansatz analytisch durch Probenahme verfolgen kann. Da sich im Reaktionsgemisch auch oligomere und polymere Ester bilden, handelt es sich um ein sehr komplexes Reaktionsgemisch, das aber nicht auf die genannten Zwischenprodukte aufgearbeitet werden muß, sondern als Rohgemisch durch Ver­ vollständigung der Reaktion weiterverarbeitet wird.

Die Umesterung zur Überführung der Untergruppenspezies (Ib) bzw. (Ic) in die Untergruppenspezies (Ia) kann ebenfalls in Gegenwart eines wasserfreien inerten Lösungsmittels aus der Gruppe der aliphatischen und aromatischen Kohlenwasser­ stoffe, der aliphatischen und aromatischen Halogenkohlenwasserstoffe und der Ether durchgeführt werden. In bevorzugter Weise wird jedoch auch hier mit überschüssigem Alkanol (IV) als systemeigenem Lösungsmittel gearbeitet. Dieses Alkanol wird demzufolge im molaren Verhältnis von (II) : (IV) = 1 : 1-100, bevorzugt 1 : 3-50 eingesetzt und dient so gleichzeitig als Reagenz und als Lösungsmittel.

Die Stoffe der Formel (I) sind in vielfältiger Weise als Lösungsmittel oder als Formulierungsmittel, beispielsweise für Pflanzenschutzmittel und Pharmaka einsetz­ bar. Sie sind ausgezeichnet durch einen großen Temperaturbereich, in welchem sie in flüssigem Aggregatzustand unter Normaldruck vorliegen. So schmilzt 2-(Dioxan-2- on-3-yl)-essigsäuremethylester bei +33°C, neigt aber stark zur Unterkühlung und liegt insbesondere in Gegenwart von geringen Anteilen von restlichem Ethylenglykol, aus welchem es hergestellt wurde, im flüssigen Aggregatzustand bis zu Temperaturen von etwa -5 bis +5°C vor. Andererseits hat dieses Lösungsmittel aufgrund seines hohen Molekulargewichtes einen hohen Siedepunkt, der beispielsweise unter 2 mbar noch bei 130 bis 132°C liegt und unter Normaldruck wegen Zersetzungserscheinungen nicht exakt bestimmt werden kann.

Die in den folgenden Beispielen diskontinuierlich beschriebenen Reaktionen können selbstverständlich auch kontinuierlich durchgeführt werden.

Beispiel 1 (2-(Dioxan-2-on-3-yl)-essigsäuremethylester)

150 g Maleinsäuredimethylester (96%ig) und 62 g Ethylenglykol wurden in einem Liter Acetonitril gelöst. Bei 50°C wurden 18 g Natriummethylatlösung (30%ig) in Methanol zugegeben. Der Ansatz wurde vier Stunden gerührt, bevor man 5 g Wein­ säure zugab. Am Rotationsverdampfer wurde die Lösung eingeengt, das Produkt wurde bei 2 mbar destilliert. Bei 130 bis 132°C nahm man das Produkt mit einem Gehalt von 84,6% ab. Die Ausbeute betrug 27,5% d. Th. Das Material konnte durch eine Feindestillation weiter angereichert werden.
¹H-NMR: 2,91 ppm dd (1H); 3,06 ppm dd (1H); 3,73 ppm s (3H); 3,89 bis 4,00 ppm m (2H); 4,41 ppm dt (1H); 4,55 ppm dd (1H); 4,66 ppm td (1H).
C, H-Analyse, Brechungsindex n D|40: 1,458
ber./gef: C 48,4%/48,45%; H 5,8%/5,7%

Beispiel 2 (2-(Dioxan-2-on-3-yl)-essigsäuremethylester)

1240 g Ethylenglykol wurden vorgelegt. 18 g Natriummethylatlösung (30%ig) in Methanol wurden zugetropft. Bei 120 mbar wurde die Mischung erwärmt, bis das Glykol zu sieden begann. Bei 100°C wurden in 1,5 h bei 120 bis 180 mbar 147 g Maleinsäuredimethylester (97,9%ig) zugetropft. Man rührte den Ansatz 3 h und gab dann 5 g Weinsäure dazu. Bei 13 mbar wurde Glykol abdestilliert. Der Destilla­ tionsrückstand wurde mit 320 g Methanol und 17,2 g p-Toluolsulfonsäure versetzt und 7 h unter Rückfluß erhitzt. Mit 9,2 g Natriumhydrogencarbonat neutralisierte man Ansatz und engte am Rotationsverdampfer ein. Der Rückstand wurde einer Destillation unterworfen; bei 1,5 mbar erhielt man bei einer Kopftemperatur von 65 bis 124°C die erste Fraktion mit einem Gehalt von 42,3% und bei 124 bis 126°C die zweite Fraktion mit einem Gehalt von 83,4%. Die Ausbeute betrug 51,2% d. Th.

Beispiel 3 (2-(5-Methyldioxan-2-on-3-yl)-essigsäuremethylester und 2-(6-Methyl­ dioxan-2-on-3-yl)-essigsäuremethylester)

450 g Maleinsäuredimethylester, 228,3 g 1,2-Propandiol und 16,2 g Natriummethylat­ lösung (30%ig) in Methanol wurden in 3 l Acetonitril gelöst. Man erhitzte die Mischung auf 50°C und rührte 4 h. Anschließend wurde der Ansatz mit 15 g Wein­ säure verrührt, eingeengt und destilliert. Bei 1,5 mbar und 130 bis 136°C wurde ein Produkt-Gemisch überdestilliert, das die Stellungs- und Diastereomeren mit einem Gehalt von 74,4% enthielt. Die Ausbeute betrug 37,7% d. Th.

Claims (8)

1. 2-(1,4-Dioxan-2-on-3-yl)-essigsäureester der Formel
in der
R¹, R² und R³ unabhängig voneinander geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkyl bedeuten, wobei R² und R³ unabhängig voneinander zusätzlich Wasserstoff bedeuten können oder R² und R³ gemeinsam -(-CH₂)_n- mit n = 3, 4 oder 5 bedeuten können und wobei R¹ zusätzlich -CH(R²)-CH(R³)-OH oder -CH(R³)-CH(R²)-OH bedeuten kann.

2. Verfahren zur Herstellung von 2-(1,4-Dioxan-2-on-3-yl)-essigsäureestern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Maleinsäuredialkylester mit 1,2-Glykolen der Formeln
in denen
R² und R³ die in Anspruch 1 genannte Bedeutung haben und
R⁴ geradkettiges oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkyl bedeuten, im Molverhältnis von (II) : (III) = 1 : 0,5-100 bei 30 bis 80°C unter Katalyse durch alkalische Verbindungen und unter wasserfreien Bedingungen umsetzt und für den Fall, daß mit einem Molverhältnis (II) : (III) = 1 : 3-100 gearbeitet wird und R¹ die Bedeutung C₁-C₁₂-Alkyl annehmen soll, eine zusätzliche Umsetzung des Umsetzungsproduktes aus (II) und (III) mit einem Alkanol der Formel
R⁵-OH (IV),
in der R⁵ unabhängig von R⁴ die für R⁴ genannte Bedeutung hat,
in einem Molverhältnis von (II) : (IV) = 1 : 1-50 unter Katalyse durch saure Verbindungen und unter wasserfreien Bedingungen anschließt.

3. Zwischenverbindungen der Formeln (Va bis e) und ihre durch Vertauschung von R² und R³ entstehenden Diastereomeren und Regioisomeren
worin
R², R³ und R⁴ die in Anspruch 2 genannte Bedeutung haben.

4. Verwendung der Verbindungen gemäß Anspruch 1 als Lösungsmittel oder als Formulierungsmittel.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als alkalische Ver­ bindungen (Erd)Alkalimetallhydride, -amide oder -alkoholate mit 1 bis 6 C-Atomen, bevorzugt (Erd)Alkalimetallglykolate des umzusetzenden Glykols, eingesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als saure Verbin­ dungen bzw. Umesterungskatalysatoren anorganische oder organische Säuren, saure Ionenaustauscher oder Titan- oder Zinntetraalkoholate eingesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Maleinsäuredi­ methylester oder Maleinsäurediethylester eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ethylenglykol, 1,2-Propandiol, 1,2-Butandiol oder 2,3-Butandiol eingesetzt werden.