DE2103686A1

DE2103686A1 - Alpha-hydroxy-gamma-lactones prepn - from alpha -oxocarboxylic acid and olefinic unsatd cpds with acid catalysts

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Publication number: DE2103686A1
Application number: DE19712103686
Authority: DE
Priority date: 1971-01-27
Filing date: 1971-01-27
Publication date: 1972-08-17
Also published as: DE2103686C3; DE2103686B2

Abstract

alpha-Oxocarboxylic acids of formula (I) : R1-CO-COOH (where R1 = e.g. H, 1-10 C alkyl, 5-8 C cycloalkyl, 7-13C aralkyl or opt. substd. 6-12 C aryl), are reacted with olefins, e.g. ethylene derivs., with double bonds at terminal or middle posns. or where the double bond-carrying C-atoms are mono- or di-substd. with alkyl, aryl or aralkyl residues in presence of weak acid of pK 1-6 at 25 degrees C, at 50-24 degrees, pref. 120-180 degrees C using excess of 1-10 mole of one of the reactants.

Description

Verfahren zur Herstellung von α-Hydroxy-ß-lactonen Die Kondensation von Aldehyden mit Olefinen unter der Wirkung von Lewis-Säuren bzw. in stark saurer Umgebung ist unter dem Namen "Prins-Reaktion" bekannt. Wie zum Beispiel aus Arbeiten von D. Savostianoff (C.R.) 26D, 605 (1965) bekannt ist, führt diese Reaktion bei Verwendung von ,Ketocarbonsäuren anstelle des Aldehyds zur Bildung von 6-Hydroxy- t-lactonen, die ebenso wie die sich daraus ableitenden t)L-substituierten Butenolide in der Naturstoffchemie oder der pharmazeutischen Chemie Bedeutung haben.Process for the production of α-hydroxy-ß-lactones The condensation of aldehydes with olefins under the action of Lewis acids or in strongly acidic Environment is known as the "Prins reaction". For example from work by D. Savostianoff (C.R.) 26D, 605 (1965) contributes to this reaction Use of, ketocarboxylic acids instead of the aldehyde to form 6-hydroxy t-lactones, which like the t) L-substituted butenolides derived therefrom are important in natural product chemistry or pharmaceutical chemistry.

Die Reaktion verläuft jedoch nicht ohne die Bildung von Nebenprodukten. Insbesondere bei Verwendung von Isobutylen oder ähnlichen, leicht unter Wasseranlagerung in Alkohole Uberführbaren Olefinen erhält man anstelle des Z-Hydroxy- t-lactons den entsprechenden Äther, wie Savostianoff am Beispiel der Umsetzung von Isobutylen mit Glyoxylsäure gezeigt hat, wobei der tert.-Butyläther des 2-Hydroxy-4-methyl- t-valerolactons erhalten wird.However, the reaction does not proceed without the formation of by-products. Especially when using isobutylene or similar, easily with water accumulation Olefins which can be converted into alcohols are obtained instead of Z-hydroxy-t-lactone the corresponding ether, such as Savostianoff using the example of the implementation of isobutylene has shown with glyoxylic acid, the tert-butyl ether of 2-hydroxy-4-methyl- t-valerolactone is obtained.

Wenn als olefinisch ungesättigte Verbindung ein halogensubstituiertes Styrol eingesetzt wird, entsteht als Nebenprodukt die entsprechend substituierte Aroylpropionsäure oder ein Phenyl-1,3-dioxanderivat.If the olefinically unsaturated compound is a halogen-substituted one Styrene is used, the correspondingly substituted one is produced as a by-product Aroylpropionic acid or a phenyl-1,3-dioxane derivative.

Außerdem neigen α-Oxocarbonsäuren, d.h. Glyoxylsäure und s-Ketocarbonsäuren, in Gegenwart starker Säuren zur Abspaltung von CO2 (Decarboxylierung) Aufgabe der Erfindung ist, die genannte Reaktion zwischen α-Oxocarbonsäuren und Olefinen möglichst nebenproduktfrei, eindeutig und mit hoher Ausbeute zu führen.In addition, α-oxocarboxylic acids, i.e. glyoxylic acid and s-keto carboxylic acids, in the presence of strong acids to split off CO2 (decarboxylation) task of Invention is the said reaction between α-oxocarboxylic acids and olefins As far as possible free of byproducts, clearly and with high yield.

Es wurde gefunden, daß man ein α-Hydroxy-# Erz lacton durch Umsetzung einer oL-OXocarbonsäure mit einer olefinisch ungesättigten Verbindung in Gegenwart eines sauren Katalysators vorteilhaft dadurch erhält, daß man die Umsetzung bei einer Temperatur zwischen 50 und 240°C und in Gegenwart einer schwachen Säure mit einem pK-Wert - gemessen bei 25 0C - zwischen 1 und 5 durchführt.It was found that an α-hydroxy # ore lactone by Implementation of an oL-OXocarboxylic acid with an olefinically unsaturated one link in the presence of an acidic catalyst advantageously obtained by carrying out the reaction at a temperature between 50 and 240 ° C and in the presence of a weak acid with a pK value - measured at 25 ° C. - between 1 and 5.

Unter dem Begriff "schwache Säure" ist nach der üblichen Begriffsbestimmung eine Säure mit einer definiert angebbaren Dissoziationskonstante zu verstehen. Als geeignete schwache Säure wäre zum Beispiel Essigsäure, Propionsäure, Oxalsäure zu nennen. Der in der Regel auf 25°C bezogene pK-Wert der Säure, d.h. der negative Logarithmus ihrer Dissoziationskonstante ist oft einem chemischen Tabellenwerk zu entnehmen oder sonst nach den Lehrbüchern der physikalischen Chemie zu bestimmen.Under the term "weak acid" is according to the usual definition to understand an acid with a dissociation constant that can be given in a defined manner. as suitable weak acid would be for example acetic acid, propionic acid, oxalic acid too to name. The pK value of the acid, usually based on 25 ° C, i.e. the negative The logarithm of their dissociation constant can often be found in chemical tables taken or otherwise determined according to the textbooks of physical chemistry.

Da die meisten r-Oxocarbonsäuren selbst Dissoziationskonstantai um 10 2 bis 10-4, d.h. pK-Werte von 2 bis 4 aufweisen, kann man in der Regel auf das Verwenden einer zusätzlichen schwachen Säure verzichten und die Reaktion mit Vorteil ohne einen zusätzlichen Katalysator durchführen.Since most of the r-oxocarboxylic acids themselves dissociation constant 10 2 to 10-4, i.e. pK values of 2 to 4, can usually be attributed to the Refrain from using an additional weak acid and the reaction with advantage perform without an additional catalyst.

Als geeignete d-0xocarbonsäuren sind zu nennen zum Beispiel Glyoxylsäure bzw, deren stabile hydratisierte Form, Brenztraubensäure, Naphthoylsäure, Thienoylsäure, oder andere, am d -Kohlenstoffatom substituierte Glyoxylsäuren, wie Isobutyl-Olyoxylsäure, d. h. 2-Oxo-4-methylvaleriansäure, ferner PhenylglyoxylsSure, oder Methoxy-phenylglyoxyls&ure.Examples of suitable d-oxocarboxylic acids are glyoxylic acid or whose stable hydrated form, pyruvic acid, naphthoic acid, thienoic acid, or other glyoxylic acids substituted on the d -carbon atom, such as isobutyl-olyoxylic acid, d. H. 2-oxo-4-methylvaleric acid, also phenylglyoxylic acid, or methoxyphenylglyoxylic acid.

Allgemein lassen sich geeignete ac-0xocarbonsäuren durch die Formel beschreiben, in der der Rest Rl zum Beispiel Wasserstoff, ein Alkylrest mit zum Beispiel 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, ein Cycloalkylrest mit 5 bis 8 oder mehr C-Atomen' eine Aralkylgruppe mit zum Beispiel 7 bis 13 C-Atomen oder auch ein gegebenenfalls substituierter Arylrest mit zum Beispiel 6 bis 12 C-Atomen sein kann. Der Alkylrest kann linear oder verzweigt sein oder auch Teil eines Ringes sein, der wiederum Heteroatome wie Sauerstoff oder Schwefel enthalten kann. Der aromatische Teil des Aryl- oder Aralkylrestes kann aus mehreren annellierten Ringen bestehen, die widerum Heteroatome, wie zum Beispiel Sauerstoff, Schwefel oder Stickstoff, enthalten können. An den Resten können sich weitere Substituenten wie Halogen, Äthergruppen, Nitrilgruppen, Carbonsäureestergruppen oder auch Acetalgruppen befinden.In general, suitable ac-oxocarboxylic acids can be given by the formula describe in which the radical Rl, for example, hydrogen, an alkyl radical with, for example, 1 to 10 carbon atoms, a cycloalkyl radical with 5 to 8 or more carbon atoms, an aralkyl group with, for example, 7 to 13 carbon atoms or an optionally substituted aryl radical with, for example, 6 to 12 carbon atoms. The alkyl radical can be linear or branched or also be part of a ring which in turn can contain heteroatoms such as oxygen or sulfur. The aromatic part of the aryl or aralkyl radical can consist of several fused rings, which in turn can contain heteroatoms such as oxygen, sulfur or nitrogen. Further substituents such as halogen, ether groups, nitrile groups, carboxylic acid ester groups or acetal groups can be located on the residues.

Als Olefine eignen sich zum Beispiel die als Abkömmlinge des Äthylens zu betrachtenden olefinisch ungesättigten Kohlenwasserstoffe mit end- oder mittelständiger Doppelbindung oder solche, bei denen die die Doppelbindung tragenden C-Atome einfach oder zweifach substituiert sind.Suitable olefins are, for example, those derived from ethylene to be considered olefinically unsaturated hydrocarbons with terminal or middle position Double bond or those in which the carbon atoms carrying the double bond are single or are disubstituted.

Die Substituenten können gleich oder verschieden sein und zum Beispiel aus den Gruppen der Alkyl-, Aryl- oder Aralkylreste gewählt werden, die wiederum jeweils zum Beispiel 1 bis 10, bzw. 7 bis 13 bzw. 6 bis 12 C-Atome aufweisen und gegebenenfalls ihrerseits funktionelle Gruppen wie Ester, Äther, Alkohole, Nitrile oder Halogene als Substituenten aufweisen.The substituents can be the same or different and, for example are selected from the groups of alkyl, aryl or aralkyl radicals, which in turn each have, for example, 1 to 10, or 7 to 13 or 6 to 12 carbon atoms and if appropriate, for their part, functional groups such as esters, ethers, alcohols, nitriles or have halogens as substituents.

Geeignete Olefine sind zum Beispiel Propen, 1-Buten, Isobutylen, Styrol, Äthyliden-cyclohexan, Hexen, Cycloocten, 5,6-Dihydro-2-pyran oder 2,5-Dihydrofuran.Suitable olefins are, for example, propene, 1-butene, isobutylene, styrene, Ethylidene-cyclohexane, hexene, cyclooctene, 5,6-dihydro-2-pyran or 2,5-dihydrofuran.

Die erfindungsgemäße Umsetzung des Olefins mit der CC-Oxocarbonsäure läuft schon oberhalb von Zimmertemperatur mit einer gewissen Geschwindigkeit ab; bei Temperaturen von etwa 80 bis 2400C, besonders aber bei Temperaturen von 120 bis 1800C wird eine vorteilhafte Arbeitsweise auch hinsichtlich der Geschwindigkeit erreicht. Die -Bedingungen hängen naturgemäß ab von der Reaktivität der Oxocarbonsäure und des Olefins. Im allgemeinen kann gesEt werden, daß die am i-Kohlenstoffatom substituierten Glyoxylsäuren mit einem Alkyl- oder Arylrest langsamer reagieren als Glyoxylsäure selbst. Bei den Olefinen sind endständige, zweifach substituierte Doppelbindungen, d.h. Vinylidengruppierungen, meistens reaktiver als mittelständige Doppelbindungen.The inventive reaction of the olefin with the CC-oxocarboxylic acid already runs at a certain speed above room temperature; at temperatures of about 80 to 2400C, but especially at temperatures of 120 up to 1800C is an advantageous mode of operation, also in terms of speed achieved. The conditions naturally depend on the reactivity of the oxocarboxylic acid and the olefin. In general, it can be assumed that those on the i-carbon atom substituted glyoxylic acids with an alkyl or aryl radical react more slowly than glyoxylic acid itself. The olefins are terminal, disubstituted Double bonds, i.e. vinylidene groups, are usually more reactive than those in the middle Double bonds.

Die beste Reaktionstemperatur hängt außerdem von der Stabilität der Ausgangs- und Endprodukte ab.The best reaction temperature also depends on the stability the Starting and end products.

Glyoxylsäure reagiert schon bei einer Temperatur von etwa 120 bis 1400C. Die Reaktion läßt sich dann ohne Schwierigkeiten drucklos durchführen, wenn der Siedepunkt der Ausgangsstoffe über der Reaktionstemperatur liegt. Liegt der Siedepunkt eines der Ausgangsstoffe unter der gewählten Reaktionstemperatur, so wird die Reaktion zweckmäßig im Autoklaven durchgeführt.Glyoxylic acid already reacts at a temperature of about 120 to 1400C. The reaction can then be carried out without pressure if the boiling point of the starting materials is above the reaction temperature. Is the Boiling point of one of the starting materials below the chosen reaction temperature, see above the reaction is expediently carried out in an autoclave.

Man kann aber auch den tiefer siedenden Anteil zum höher siedenden allmählich zufügen, so daß der Partialdruck nicht größer als der Geichgewichtsdruck bei der Reaktionstemperatur wird. Im Autoklaven wird man in der Regel bei dem sich von selbst aufgrund der gewählten Temperatur einstellenden Druck arbeiten, der zum Beispiel 1 bis 20, aber auch bis zu 250 atü betragen kann.But you can also add the lower-boiling portion to the higher-boiling portion add gradually so that the partial pressure is not greater than the equilibrium pressure at the reaction temperature. In the autoclave you will usually find yourself with that work by itself due to the selected temperature setting pressure, the Example 1 to 20, but can also be up to 250 atmospheres.

Die Umsetzung von Olefinen mit einer x-Oxocarbonsäure zur Dartellung von d-Hydroxy- kl-lactonen kann mit einem ueberschuß von etwa 1 bis 10 Md eines Reaktionspartners durchgeführt werden.The reaction of olefins with an x-oxocarboxylic acid for representation of d-hydroxy-kl-lactones can with an excess of about 1 to 10 Md of one Reaction partner are carried out.

Im allgemeinen wird ein Überschuß des Olefins vorgezogen. Wenn jedoch das eingesetzte Olefin thermisch weniger stabil ist, wird man gegebenenfalls günstiger einen Überschuß der <t-Oxocarbonsäure verwenden.In general, an excess of the olefin is preferred. But when If the olefin used is less thermally stable, it may be cheaper use an excess of the <t-oxocarboxylic acid.

Die Reaktion läßt sich kontinuierlich und diskontinuierlich nach den üblichen Grundsätzen, die dem Fachmann geläufig sind, durchführen. Die kontinuierliche Fahrweise kann zum Beispiel dann vorteilhaft sein, wenn sich die Uberschußkomponente oder das Reaktionsprodukt in einer kontinuierlichen Destillation leicht von den Reaktionspartnern abtrennen läßt. Die weitere Aufarbeitung kann dann durch fraktionierte Destillation oder Kristallisation vorgenommen werden. Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß insbesondere bei der bevorzugten Arbeitsweise ohne zusätzliche Säure eine Neutralisation der Umsetzungsprodukte nicht nötig ist oder doch die katalysierende Säure leicht durch übliche Reinigungs- bzw. Trennverfahren entfernt werden kann.The reaction can be continuous and discontinuous according to the carry out the usual principles that are familiar to a person skilled in the art. The continuous Driving style can be advantageous, for example, when the excess component or the reaction product easily from the in a continuous distillation Separate reactants. Further work-up can then be carried out by fractionated Distillation or crystallization can be carried out. It's a particular benefit of the invention that especially in the preferred mode of operation without additional Acid neutralization of the reaction products is not necessary or the catalyzing one Acid can easily be removed by conventional cleaning or separation processes.

Beispiel 1 473 g Glyoxylsäure-Hydrat werden in 160 ml Glykoldimethyläther 3 Stunden bei 135 0C und einem Eigendruck von 11 at zusammen mit 580 g Isobutylen erhitzt. Das Reaktionsgemisch wird anschließend fraktioniert und man erhält 515 g 4,4'-Dimethyl- d -hydroxy- 1% butyrolacton (kp15 = 135°C), das sind 78 % Ausbeute, bezogen auf Glyoxylsäure. Example 1 473 g of glyoxylic acid hydrate are dissolved in 160 ml of glycol dimethyl ether 3 hours at 135 ° C. and an autogenous pressure of 11 atm together with 580 g of isobutylene heated. The reaction mixture is then fractionated and 515 is obtained g 4,4'-dimethyl- d -hydroxy- 1% butyrolactone (kp15 = 135 ° C), that is 78% yield, based on glyoxylic acid.

Beispiel 2 Unter gutem Rühren werden innerhalb von 30 Minuten zu 1 000 g hydratisierter Glyoxylsäure bei 130 0C 6 000 g M-Methylstyrol zugegeben. Die Mischung wird noch weitere 4 Stunden bei der gleichen Temperatur gerührt. Die leichter siedenden Anteile werden abdestilliert und der Rückstand aus Benzol/Cyclohexan umkristallisiert. Es werden 1310 g 4-Methyl-4-phenyl-hydroxyt-butyrolacton (64 % Ausbeute, bezogen auf Glyoxylsäure) mit 0 einem Siedepunkt von 93,5 bis 95 C gewonnen. Example 2, with thorough stirring, over the course of 30 minutes 1,000 g of hydrated glyoxylic acid were added at 130 ° C. 6,000 g of M-methylstyrene were added. The mixture is stirred for a further 4 hours at the same temperature. the Lower-boiling components are distilled off and the residue from benzene / cyclohexane recrystallized. 1310 g of 4-methyl-4-phenyl-hydroxyt-butyrolactone (64% Yield, based on glyoxylic acid) with a boiling point of 93.5 to 95 ° C.

Beispiel 3 Zu 260 g Styrol werden unter gutem Rühren 100 g hydratisierte Glyoxylsäure bei 120 bis 1300C innerhalb 1 1/2 Stunden zugegeben. Die leicht siedenden Anteile werden abdestilliert und die Temperatur 3 Stunden zwischen 125 und 1300C gehalten. Example 3 100 g of hydrated styrene are added to 260 g of styrene with thorough stirring Glyoxylic acid was added at 120 to 130 ° C. within 1 1/2 hours. The low-boiling ones Fractions are distilled off and the temperature between 125 and 130 ° C. for 3 hours held.

Der Überschuß an Styrol wird abdestilliert und der Rückstand aus Benzol/Cyclohexan krlstalliVert. 128 g 4-Phenyl--hydroxy-26-butyrolacton (Fp 125 bis 1260C) entsprechend einer Ausbeute von 72 %, bezogen auf Glyoxylsäure, werden erhalten.The excess of styrene is distilled off and the residue from benzene / cyclohexane krlstalliVert. 128 g of 4-phenyl-hydroxy-26-butyrolactone (melting point 125 to 1260 ° C.) accordingly a yield of 72%, based on glyoxylic acid, are obtained.

Claims

1. Process for the preparation of an α-hydroxy - # - lactone by Implementation of an ol-oxocarboxylic acid with an olefinically unsaturated compound in the presence of an acidic catalyst, characterized in that the reaction at a temperature between 50 and 240 ° C and in the presence of a weak acid with a pK value - measured at 25 ° C. - between 1 and 6.

2. The method according to claim 1, characterized in that the ot, -oxocarboxylic acid Can act as an acid catalyst.