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Verfahren zur Herstellung von Menthon-und Iso-Menthonemischen Die
Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Menthon/Isomenthon
durch Umsetzen von Methylvinylketon mit überschüssigem Ptesityloxid-inSGegenwart
basischer Katalysatoren und anschließende Hydrierung des erhaltenen Piperitenons
Es ist bekannt, Menthon und Isomenthon aus Methylvinylketon und Mesityloxid über
Piperitenon herzustellen. Die Synthese von Piperitenon durch,Umsetzen von Mesityloxid
mit Methylvinylketon in Gegenwart basischer Kondensationsmittel wid in mehreren
Veröffentlichungen beschrieben.
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So beschreiben Bergmann et al (. Org. Chem. 24 (1959) S. 994) ein
Verfahren, bei dem Natrium-tert.-amylat als basisches Kondensationsmittel und Toluol
als Lösungsmittel verwendet werden und Piperitenon in einer Ausbeute von 41 ffi
der Theorie erhalten werden soll. Spätere Untersuchungen von Naves et al (Bull.
Soc. Chim. France 1960, 378 und Compt. rend., 251 (1960) S. 1130) ergaben jedoch,
daß nach dem Verfahren von Begann et al. hauptsächlich Isoxyliton und nur weniger
als 8 ß an Piperitenon erhalten werden.
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Weiterhin beschreibt J. J. Beereboom (US-Patent 3 238 261 und J. Org.
Chem. 31 (1966) S. 2026) die Umsetzung von Methylvinylketon mit überschüssigem Ddesityloxid
in Gegenwart von Kaliumhydroxidpulver und in Tetrahydrofuran als Lösungsmittel.
Die reinigung des erhaltenen Piperitenons erfolgt hierbei auf sehr aufwendige Weise
über die Piperitenon-Bisulfit-Additionsverbindung. Bei diesem Verfahren werden Ausbeuten
an Piperitenon zwischen 36 und 54 % der Theorie erhalten.
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Ein ähnliches Verfahren beschreiben S. Ohshiro et al (Yakugaku Zasshi,
88 (1968) 417). Auch hierbei erfolgt die Umsetzung von Methylvinylketon mit überschüssigem
Mesityloxid in Gegenwart von Kaliumhydroxidpulver, jedoch ohne Zusatz von Tetrahydrofuran
als
Lösungsmittel. Das erhaltene Piperitenon wird durch katalytische
Hydrierung in eine Mischung von Menthon und Isomenthon überführt Die Ausbeuten an
Piperitenon betragen bei diesem Verfahren jedoch auch nur etwa 55 %; außerdem erhält
man nach diesem Verfahren das MenthonZIsomenthon-Gemisch mit nur 64,6 % Ausbeute
und in einer Reinheit von nur 89,8 %. Aus diesem Grunde muß die weitere Umsetzung
zu reinem Menthol auf umständliche Weise über Menthonoxim (Jap. Patent 7009)75)
und Menthylamin vorgenommen werden, was die großtechnische Anwendbarkeit des Verfahrens
zweifelhaft erscheinen läßt.
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Es war daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln,
das es erlaubt, Piperitenon und damit das aus diesem durch Reduktion herstellbare
Gemisch aus Menthon und Isomenthon auf technisch einfach zu realisierende Weise
in besseren Ausbeuten und größerer Reinheit zu erhalten.
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Es wurde nun gefunden, daß das Verfahren zur Herstellung eines Gemisches
aus Menthon und Isomenthon durch Umsetzen von Methylvinylketon mit Mesityloxid in
Gegenwart eines- basischen Katalysators und anschließende Hydrierung des erhaltenen
Piperitenons, bei dem Methylvinylketon langsam in überschüssiges Mesityloxid eingebracht
wird, besonders vorteilhaft verläuft, wenn man das überschüssige Mesityloxid mit
10-bis 70-gewichtsprozentiger wässeriger Kalilauge vermischt, die Mischung auf eine
Temperatur von 200C bis zu Rückflußtemperatur (ca. 1000G), vorzugsweise von 500C
bis zu Rückflußtemperatur, erwärmt und das Methylvinylketon in die erwärmte Mischung
einbringt.
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Es war -überraschend, daß die Umsetzung von Methylvinylketon mit überschüssigem
Mesityloxid in Gegenwart von wässeriger Kalilauge mit weitaus höheren Ausbeuten
verläuft als nach den bekannten Verfahren erwartet werden konnte, insbesondere,
da Beereboom in der US-Patentschrift 5 238 261 angibt, daß man bessere Ausbeuten
erhält, wenn man das als Lösungsmittel verwendete Tetrahydrofuran vor der Umsetzung
trocknet, d. h., daß die Anwesenheit von Wasser im Reaktionsgemisch als nachteilig
angesehen wurde.
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Ublicherweise kondensiert Mesityloxid in Gegenwart von Basen zu
Isoxylitonen
(Furth u. Wiemann, Bull. Soc. Chim. France, 1965, 1819), eine Reaktion, die bei
erhöhter Temperatur besonders leicht eintritt. Es war nicht vorherzusehen, daß diese
unerwünschte Nebenreaktion durch Gegenwart von Wasser stark zurückgedrängt, die
Kondensation des Mesityloxids mit Methylvinylketon zu Piperitenon dagegen günstig
beeinfluß wird.
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Menge und Konzentration der verwendeten Kali lauge sowie die Reaktionstemperatur
können in weiten Bereichen variiert -werden, wobei es sich jedoch zur Erzielung
besonders guter Ausbeuten als notwendig erweist, bei hohen Temperaturen verdünntere,
und bei niedrigeren Temperaturen konzentriertere Laugen zu verwenden.
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Beispielsweise arbeitet man bei einer Temperatur von 50 bis 800C vorteilhaft
mit einer Laugenkonzentration von 40 bis 60-, Besonders wichtig im Hinblick auf
die technische Druchführung ist die Feststellung, daß die Reaktion auch bei Rückflußtemperatur
(ca. 100asc) durchgeführt werden kann. Bei Temperaturen von etwa 800C bis Rückflußtemperatur
wird die wässerige Kali lauge mit Vorteil in einer Konzentration von 20 bis 40 %,
vorzugsweise von 25 bis 55 , verwendet.
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Das Kaliumhydroxid wird im allgemeinen in Mengen von 0,05 Mol bis
1,5 Mol, vorzugsweise von 0,1 Mol bis 0,7 Mol, pro Mol Methylvinylketon verwendet;
bei größerer Alkalimenge erfolgt vermehrt Bildung von Nebenprodukten.
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Statt Kalilauge kannauch wässerige Natronlauge verwendet werden (vgl.
Beispiel 17); die Ausbeuten sind jedoch dann wesentlich schlechter und es entstehen
mehr Nebenprodukte.
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Bei der gleichen Temperatur werden bei Verwendung von konzentrierteren
Laugen mehr unerwünschte Nebenprodukte gebildet, bei Verwendung verdünnterer Laugen
vermindert sich die Ausbeute.
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Mesityloxid wird in einem Uberschuß von 5 bis 10 Mol, vorzugsweise
von etwa 10 Mol, pro Mol Methylvinylketon angewendet und dient als alleiniges Lösungsmittel.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird das reaktionsfreudige Methylvinylketon
langsam-zu
dem erwärmten Gemisch aus überschüssigem Mesityloxid und der Lauge zugegeben. Die
Zugabe zeit beträgt im allgemeinen 10 min bis mehrere Stunden, vorzugsweise 50 bis
60 min. Wird die Reaktion bei relativ niedriger Temperatur durchgeführt, so empfiehlt
es sich, den Reaktionsansatz nach Beendigung der Zugabe des Methylvinylketons noch
etwa 5 bis 10 min auf der Reaktionstemperatur zu halten. Wird die Umsetzung dagegen
bei höherer Temperatur, speziell bei Rückflußtemperatur, durchgeführt, so neutralisiert
man zweckmäßigerweise sofort nach Beendigung der Zugabe des Methylvinylketons, um
die Bildung von Nebenprodukten durch Selbstkondensation von Mesityloxid zu unterdrücken.
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Wegen der bekannten Tendenz des Mesityloxides zur Bildung von Isoxylitonen
bei Einwirkung von Alkali und wegen der Reaktivität des Methylvinylketons schien
es zweckmäßig zu sein, die Umsetzung bei niedriger Temperatur durchzuführen, insbesondere,
da bereits Beereboom im US-Patent 5 258 261 festgestellt hat, daß bei dem dort beschriebenen
Verfahren Temperaturen über 500C keine Vorteile bieten und häufig zu verminderten
Ausbeuten an Piperitenon führen. Es war daher überraschend, daß man höhere Ausbeuten
an Piperitenon erhält, wenn man die gesamte Umsetzung erfindungsgemäß bei erhöhter
Temperatur, speziell bei Rückflußtemperatur, durchführt, d. h. wenn man nicht wie
bei den bekannten Verfahren zunächst das Methylvinylketon unter intensiver Kühlung
mit Mesityloxid und dem alkalischen Katalysator in Berührung bringt und erst dann
die Temperatur erhöht, was die technische Verfahrensführung erschwert.
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Die richtige Abstimmung von Alkali-Konzentration und Reaktionstemperatur
ist von entscheidender Bedeutung für die Ausbeute an Piperitenon und dessen Reinheit.
Am zweckmäßigsten arbeitet man bei Rückflußtemperatur und mit einer Kalilauge-Konzentration
von 25 bis 55 %. Bei Verwendung der handelsüblichen 50%igen Kali lauge liegt die
optimale Reaktionstemperatur bei 60 bis 700C; schon bei einer Reaktionstemperatur
von 800C ist hierbei der Anteil an Nebenprodukten merklich höher und bei 500C sind
die erhaltenen Ausbeuten geringer.
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Nach beendeter Umsetzung neutralisiert man das Reaktionsgemisch mit
einer anorganischen oder organis-ehen Säu-re) vorzugsweise mit Ameisensäure) Essigsäure
oder Oxalsäure ünd -desti iliert die organische Phase. Das überschüssige Mesityloxid
wird hierbei auf einfache Weise -zurüekgewonnen.
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Die Ausbeute an Roh-Piperitenon hängt von der Qualität des eingesetzten
Mesityloxides ab Da Mesityloxid in ro-ßem Uberschuß verwendet Wird, kann sich ein
eventuell-ar Wassergehalt des Mesityloxids auf die Konzentration der Lauge und somit
auf -die Ausbeute an Piperitenon auswirken In diesen Fällen -empfiehlt es sich,
-eine entsprechend höher kon-zentrierte wässerige Lauge -zu verwenden, so daß die
Konzent-ratiön der während -d-er Reaktion anwesenden wässerigen Lauge in den oben
anegebenen Bereichen liegt.
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Mit technischem Mesityloxid werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
Ausbeuten von 68 % an Piperitenon erhalten.
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Das erhaltene Rohpiperitenon kann durch fraktionierte Destillation
nur sehr schwierig gereinigt werden. Die Abtrennung der Netenprodukte ist wesentlich
leichter möglich, wenn das Rohpiperitenon zu einem Gemisch von Menthon und Isomenthon
hydriert wird und man diss Gemisch einer fraktionierten Destillation unterwirft.
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Die Reduktion erfolgt nach üblichen Methoden, beispielsweise durch
Hydrierung mit Palladium/Aktivkohle als Katalysator.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Menthon-Isomenthon-Gemisches
besitzt gegenüber den bekannten Verfahren wesentliche Vorteile Die Ausbeute an Piperitenon
beträgt 68 % gegenüber 55 bzw. 54 % -der bekannten Verfahren. Als Kondensationsmittel
kann technische wässerige Kali lauge verwendet werden.
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Weiterhin wird kein teures Lösungsmittel benötigt; das überschUssige-Me-sityloxid
kann auf einfache Weise zurückgewonnen werden und die Verfahrensführung ist, wie
die Beispiele zeigen, außerordentlich einfach. Bei der Destillation des unter Verwendung
von Kaliumhydroxidpulver als Kondensationsmittel gewonnenen Produktes erhielten
Ohshiro et al das Menthon-Isomenthon-Gemisch in mäßiger Ausbeute und nur in einer
Reinheit von 89,8 %,
während bei dem erfi-ndungsgemäk verbesserten
Verfahren ein Menthon--Isomenthon-Gemisch von 98iger Reinheit erhalten wird Die
erzie-lte Reinheit ist von besonderer Bedeutung, da der größte Teil des Menthon-Isomenthon-Gemisches
-zur Herstellung von Menthol, beispielsweise nach der Vorschrift von-Barney und
Hass (Ind. Eng.
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Chem., 36, 85 (1944)),, verwendet wird und die Anforderungen an die
Reinheit des für pharmazeutische und kosmetische Zwecke verwendeten Menthols außerordentlich
hpch sind.
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Das für die folgenden' Beispiele verwendete Mesityloxid war ein Handelsprodukt
mit einem Wassergehalt keton 0,05 %.
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Beispiel 1 Zu 1000 g Mesityloxid und 55 ml 30%iger Kalilauge werden
unter Rühren bei Rückflußtemperatur (ca. 1000C) in 50 min 70 g Methylvinylketon
zugetropft. Es wird mit Eisessig neutralisiert und die organische Phase destilliert.
Das nach Abdestillieren des Mesityloxids bis 125°/15 Torr übergehende Roh-Piperitenon
(150 gj enthält 68,8 ß Piperitenon; die Ausbeute an Piperitenon beträgt somit 68,8
, bezogen auf die eingesetzte Menge Methylvinylketon.
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Beispiel 2 Zu 1000 g Mesityloxid und 50 ml 50Xiger Kalilauge werden
unter Rühren bei 700C in 60 min 70 g Methylvinylketon zugetropft. An schließend
wird 10 min bei 70°C nachgerührt, mit Eisessig neutralisiert und die o--gan-ise
--e Phase des-tilliert. Es werden 181 g Roh-Piperite-non erhalten; Gehalt an Piperitenon
55,7 , Ausbeute somit 67,2 %.
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Die folgenden Beispiele wurden wie Beispiel 2 durchgeführt, wobei
lediglich die Reaktionstemperatur sowie die KCH-Menge und KOH-Kon-zentration in
der angegebenen Weise geändert wurden
Bei- Kalilauge Temperatur
Destillat Gehalt an Ausspiel Menge Konzen- Piperitenon beute Nr. tration 5 25 ml
50 % - 50°C 152 g 61-,2 % 62,0 ffi 4 25 ml 5° % 600C 173 g 57,7 ffi 66,6 % 5 25
ml 50 % 700C 185 g 55,) , 67,5 ffi 6 25 ml 50 % 800c 222 g 40,3 59,7 ß 7 10 ml 50
% 700C 195 g 49,8 % 64,7 ß 8 50 ml 50 700C 181 g 55,7 X 67,2 % 9 100 ml 50 % 700C
180 g 49,5 % 59,4 % 10 25 ml 30 % 700C 155 g 63,8 % 57,4 % 11 25 ml 40 % 700C 147
g 65,9 % 64,5 % 12 25 ml 60 % 700C 210 g 45,) , 63,5 % 13 65 ml 25 % Rückfluß 140-g
67,0 % 62,7 % 14 55 ml 50 % Rückfluß 148 g 6),o 62,2 % Beispiel 15 Zu 500 g Mesityloxid
und 25 ml 50%iger Kali lauge werden unter Rühren bei 700C in 60 min 70 g Methylvinylketon
zugetropft. Anschließend wird wie in Beispiel 2 aufgearbeitet; es werden 125 g Destillat
mit einem Piperitenon-Gehalt von 67,8 % erhalten; Ausbeute 56,6 %.
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Beispiel 16 (Vergleichsbeispiel) Zu 1000 g Mesityloxid und 20 g Kaliumhydroxid-Pulver
werden bei 200C in 60 min 70 g Methylvinylketon zugetropft. Es werden 175 g Destillat
mit einem Piperitenon-Gehalt von 54,6 % erhalten; Ausbeute 40,4 %.
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Beispiel 17 Zu 1000 g Mesityloxid und 25 ml 50%iger Natronlauge werden
bei 700C in 60 min 70 g Methylvinylketon zugetropft. Es werden 185 g Destillat mit
einem Piperitenon-Gehalt von 57,5 % erhalten; Ausbeute 45,8 %.
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Beispiel 18 200 g Roh-Piperitenon (Gehalt an Piperitenon: 65 %) werden
in 100 ml Methanol gelöst und mit 2 g Pd/Aktivkohle (5%ig) bei einem Wasserstoffüberdruck
von 200 mm WS zunächst 5 Stunden unter Eiskühlung, dann 48 Stunden bei 250C hydriert.
Das Rohprodukt wird über eine 1 m-Füllkörperkolonne destilliert. Man erhält 115
g einer bei 101 bis 10)°/23 Torr siedenden Fraktion, die aus- Menthon/Isomenthon
in 98%iger Reinheit besteht.