DE2154439B2

DE2154439B2 - Verfahren zur Herstellung von substituierten Delta alpha, beta-Butenoliden durch Cyclisierung von 4-Acyloxybuten-2-Säuree stern

Info

Publication number: DE2154439B2
Application number: DE19712154439
Authority: DE
Inventors: Michael 2000 Hamburg Duenger
Original assignee: Hf & Ph F Reemtsma 2000 Hamburg
Current assignee: Hf & Ph F Reemtsma 2000 Hamburg
Priority date: 1971-11-02
Filing date: 1971-11-02
Publication date: 1975-02-27
Also published as: DE2154439A1; DE2154439C3

Description

COOR_x

in der R₁ und R₂ Wasserstoffatome oder eine Methyl- oder Äthylgruppe, R₃ ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen, R, einen Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen und R_y ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 4 C-Atomen bedeuten, in Gegenwart von Polyphosphorsäure oder p-Toluolsulfonsäure, gegebenenfalls in einem hochsiedenden, im wesentlichen wasserfreien Lösungsmittel erhitzt, dabei unter Normaldruck den entstehenden Acylester abdestilliert und schließlich das gebildete Ια,^-Butenolid durch Destillation im Vakuum gewinnt.

Zur Herstellung von l«,/i-Butenoliden wird vorzugsweise nach Cyclisierungsverfahren gearbeitet, die von substituierten Acetoxy-hydroxy-butansäureestern oder gegebenenfalls auch 3-Acetoxybuten-2-säureestern ausgehen. Nach J. M. Stewart und D. W. W ο ο 11 e y, J. Amer. Chem. Soc. (1969), S. 4951 bis 4956, wird die Cyclisierung zweistufig durchgeführt, indem die entsprechenden substituierten Ester zur freien Hydroxysäure durch Behandeln mit Alkali verseift werden, wobei teilweise bereits eine Cyclisierung der Hydroxysäure eintritt, und das Reaktionsprodukt anschließend durch Vakuumdestillation gereinigt und aufgetrennt wird. Nach P. S. S t e y η et al. in J. Chem. Soc. (1965), S. 3075 bis 3079, wird das nach dem Verfahren von J. W. S t e w a r t und D. W. W ο ο 11 e y erhaltene Verseifungsprodukt zur Cyclisierung 18 Stunden mit Pyridin und Acetanhydrid behandelt und anschließend destilliert.

Die bei diesen Verfahren erhaltenen Ausbeuten an /Ια,/3-Butenoliden liegen, bezogen auf die durch Verseifung hergestellte Hydroxysäure, bei etwa 20 bis 30%, und die Verseifung der eingesetzten Ester zur freien Hydroxysäure verläuft nur mit Ausbeuten in der Größenordnung von 50%.

Aus der USA.-Patentschrift 3 251 366 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von ln,/i-Butenoliden bekannt, bei dem durch eine Reformatzki-Reaktion mit substituierten Maleinsäureanhydriden und Alkylhalo- " geniden ein entsprechend substituiertes Butyrolaclon dargestellt wird, in das anschließend auf verschiedene Art und Weise eine Doppelbindung in a,/<-SteIlung eingeführt wird. Auch bei diesem Verfahren liegen die Ausbeuten, bezogen auf die Ausgangs verbindung, in der Größenordnung von ungefähr 50%.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein einstufiges, einfach durchzuführendes und gute Ausbeuten ergebendes Verfahren zur Herstellung von substituierten Ja,/?-Butenoliden bereitzustellen.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß substituierte ζΙα,/J-Butenolide mit sehr guten Ausbeuten dargestellt werden können, wenn 4-Acyloxybuten-2-säureester durch innere Umesterung cyclisiert werden. 4-Acetoxybuten-2-säureester sind bekannte Verbindungen, die sich in über 90%igen Auri ten in einer Wittig-Reaktion darstellen lassen.

Zur Lösung der obigen Aufgabe wird nun ein Verfahren zur Herstellung von substituierten l«,/i-Butenoliden durch Cyclisierung von 4-Acyloxybuten-2-säureestern bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man einen im wesentlichen wasserfreien 4-Acyloxybuten-2-säureester der Formel

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O — CORy

COOR_x

in der R₁ und R₂ Wasserstoffatome oder eine Methyloder Äthylgruppe, R₃ ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen, R_x einen Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen und R> ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 4 C-Atomen bedeuten, in Gegenwart von Polyphosphorsäure oder p-Toluolsulfonsäure, gegebenenfalls in einem hochsiedenden, im wesentlichen wasserfreien Lösungsmittel erhitzt, dabei unter Normaldruck den entstehenden Acylester abdestilliert und schließlich das gebildete Ια,,ί-Butenolid durch Destillation im Vakuum gewinnt.

Für einen erfolgreichen Verlauf der Reaktion ist es wichtig, daß sowohl der eingesetzte Ester als auch das gegebenenfalls vorhandene Lösungsmittel absolut wasserfrei sind. Beim Erwärmen des mit Polyphosphorsäure versetzten 4-Acyloxybuten-2-säureesters beginnt ab ungefähr 240° C die Abdestillation des entsprechenden Acylesters; nach ungefähr 3 bis 4 Stunden ist die Reaktion vollständig. Nach dem Abkühlen der Reaktionsmischung wird das Lacton im Vakuum abdestilliert, wobei Ausbeuten um 70% erhalten werden.

Das Verfahren wird vorzugsweise so ausgeführt, daß die Destillation unter Normaldruck bei Temperaturen zwischen 240 und 260⁰C durchgeführt und das entstandene l<z,/?-ßutenolid anschließend zur Reinigung einer Vakuumdestillation unterzogen wird.

Der Zusatz von Polyphosphorsäure oder p-Toluoliüulfonsäure erfolgt vorzugsweise in Mengen von 0,5 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf die Menge des eingesetzten Esters.

überraschenderweise läßt sich diese Reaktion nur erfolgreich durchführen, wenn die eingesetzten Ausgangsverbindungen wasserfrei sind und wenn als Cyclisierungsmittel bei dieser inneren Umesterung Polyphosphorsäure oder, allerdings mit etwas schlechteren Ausbeuten, p-Toluolsulfonsäure eingesetzt werden. Dies ist um so überraschender, als die Reaktion mit konzentrierter Schwefelsäure nicht abläuft; in einem Versuch konnte der 4-Acetoxy-buten-2-säureester nach Zusatz von konzentrierter Schwefelsäure und Behandlungstemperaturen um 240⁰C unverändert zurückerhalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine einfache Möglichkeit dar, in einer ohne jede Schwierigkeit durchzuführenden »Eintopfreaktion« substituierte la^-Butenolide in ausgezeichneten Ausbeuten herzustellen.

Substituierte ungesättigte Lactone sind als monomere Ausgangsprodukte zur Durchführung verschiedener Polymerisationsreaktionen verwendbar. Polymere aus Ja^-Butenoliden und deren Darstellung sind beispielsweise von R. Palm et al. in Angewandte Chemie, 78 (1966), S. 1093 bis 1099, sowie in Chemical Abstracts, 54 (1966), 11 555, und 66 (1967), 55 994, beschrieben.

Ferner können /logS-ungesättigte Butenolide als Aromastone, und zwar insbesondere für Tabak und Tabakzubereitungen und als Wuchsregulato,en für Pflanzen verwendet werden.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern. Falls nicht anders angegeben, beziehen sich alle Mengen- und Prozentangaben auf das Gewicht.

Beispiel 1

H₃C

Zeit	Tempe ratur des Ölbads	Zulropfung der PHy- phosphor- säure	Destillations temperatur	über gehender Essigester
(Minuten)	(⁰Q	(ml)	("C)	(ml)
—	190	Beginn	27	0
15	220	etwa 2	27	0
30	237	etwa 4	30	0
45	242	etwa 6	82	Beginn
55	243	etwa 7	114	12
75	245	Ende	120	40
85	246		127	80

	Tempe ratur des Ölbads	4	OestiUations- temperatur	Ober gehender Essigester
Zeit	(⁰C)	Zutropfung der PoIy- phosphor- säure	(⁰C)	(ml)
S (Minuten)	247	(ml)	120	105
97	249		114	132
119	250		113	160
125	252		103	194
¹⁰ 146	255		91	210
161	255		84	220
173	260		78	224
185

445 g 3-Methyl-4-acetoxybuten-2-säureäthylester wurden in einen 500-ml-Rundkolben mit absteigendem Kühler im ölbad bis zu einer Ölbadtemperatur von 190⁰C erhitzt Durch einen Tropftrichter wurde die Ausgangsverbindung dann tropfenweise mit PoIyphosphorsäure (84% P₂O₅) versetzt und die Tempe- ' ratur des Ölbades langsam weiter gesteigert. Insgesamt wurden im Verlauf einer Stunde ungefähr 7 ml Polyphosphorsäure zugetropft. Bei einer Ölbadtemperatur von ungefähr 240⁰C begann dsr gebildete Essigsäureäthyfiester abzudestillieren. Die Temperatur des Ölbades wurde im Verlauf von ungefähr 3 Stunden auf 260⁰C gesteigert, wobei insgesamt 224 ml Essigsäureäthylester abdestillierten, bei einer theoretisch zu erwartenden Menge von 232 ml. Danach wurde der Kolbeninhalt auf etwa 100⁰C abgekühlt und das Lacton in Vakuum abdestilliert. Das Siedeintervall des farblosen Lactons lag bei 106 bis 110°C/12 mm Hg. Die Ausbeute betrug 168 g, entsprechend 71,8% der Theorie. Der Zeit-Temperaturverlauf der erfindungsgemäßen Cyclisierung des S-Methyl-^acetoxybuten-2-säureäthylesters zu 3-Methyl-buten-2-olid-l,4 unter Verwendung von Polyphosphorsäure ist in Tabelle I angegeben.

Tabelle I

Das erhaltene Bulenolid wurde durch IR- und Massenspektren bestätigt. IR: = 1780 cm"¹ (CO)MS: Massenzahlen 69,98,41.

Beispiel 2

H,C CH,

15 g 2,3-Dimethyl-4-acetoxybuten-2-säureäthylesier wurden unter Zusatz von 1 g p-Toluolsulfonsäure langsam auf 250⁰C erwärmt, wobei Essigsäureäthylester abdestillierte. Nach 2^l/₂ Stunden entsprach die Menge des Destillates mit 6,6 g der berechneten Menge. Nach Abkühlen auf etwa 90⁰C wurde Vakuum angelegt und das gebildete Lacton abdestilliert. Mit 4,75 g betrug die Ausbeute 56,5%. Kp.₁₄ = 103 bis 112°C.

Beispiel 3

H₃C

3-Methyl-buten-2-olid-l,4 wurde statt unter Verwendung von Polyphosphorsäure wie im Beispiel 1 mit p-Toluolsulfonsäure dargestellt.

Bei einer eingesetzten Menge von 83 g 3-Methyl-4-acetoxybuten-2-säureäthylester betrug die Ausbeute mit 19,2 g 44% der Theorie bei einem Kp.₁₂ von 107 bis 110⁰C. Der Zeit-Temperaturverlauf dieser Cyclisierung unter Verwendung von p-Toluolsulfonsäure ist in Tabelle II angegeben.

	60	10	Tempe ratur des Dlbads	Tabelle	II	über gehender Essigester	Destillations temperatur
55 Zeit		20	Γ C)	Zulropfung von p-Toluol sulfonsäure	(ml)	(°C)
(Minuten)	30		(ml)
⁶⁵ 36	90
45	125
55	160
	185
195
200	0,5	0	72
205	1,0	3,0	89
1,3

Fortsetzung

Zeit	Temps tatur des Ölbads	Zutropfung von p-Toluol- sulfonsäure	über gehender Essigester	Destillations temperatur
(Minuten)	CQ	(ml)	(ml)	CO
65	210	1,5	4,5	100
73	215	2,0	6,0	105
90	220	2,5	9,0	109
115	224	3,0	14,0	105
145	217	3,0	17,0	93
155	215	3,5	19,0	95
180	215	4,0	24,0	98
195	215	4,5	27,0	97
220	215	5,0	39,0	95
255	217	5,0	43,0	85

Beispiel 4

H₃C

bv

64 g 3-MethyI-4-acetoxybuten-2-säureäthylester wurden in 100 ml hydriertem Terphenyl unter langsamem Hinzufügen von 2 ml Polyphosphorsäure langsam auf 250⁰C erwärmt. Nach etwa einer Stunde war die berechnete Menge an Essigsäureäthylester praktisch abgeschieden, so daß auf 100° C abgekühlt und das gebildete Lacton abdestilliert wurde. Die Ausbeute betrug mit 26,1 g 77,5% der Theorie bei einem Kp.₁₃ von 112 bis 114° C. Der Temperaturverlauf der erfindungsgemäßen Cyclisierung des 3-Methyl-4-acetoxybuten-2-säureäthylesters zu 3-Methylbuten-2-olid-l,4 unter Verwendung von Polyphosphorsäure in hydriertem Terphenyl als Lösungsmittel ist in Tabelle III wiedergegeben.

Tabelle 111

Zeit (Minuten)	Tempe ratur des Ölbads CC)	Zutropfung von Poly phosphor säure (ml)	über gehender EUsigester (ml)	Destillations temperatur (O
15	140 185	0,5 0,5		80

Zeit (Minuten)	Tempe ratur des Ölbads CC)	Zutropfung von PoIy- phosphor- säure (ml)	Über gehender Essigester (ml)	Ecstillationv temperatur CQ
25 35 45 57 62	230 240 245 250 250	0,8 1,0 2,0 2,0	10 12 30 32	85 ■ 115 125 90

Beispiel 5

, C

v/ OK

Entsprechend Beispiel 4 wurden 124 g 2-Äthyl-3 - methyl -4 - acetoxy - 2 - butensäureäthylester unter

2j tropfenweisem Zusatz von Polyphosphorsäure in 40 ml Paraffinöl langsam auf 210⁰C erwärmt. Nach Beendigung der Cyclisierungsreaktion wurde abgekühlt und im Vakuum das gebildete Lacton abdestilliert. Das Siedeintervall bei 12 Torr betrug 112 bis

jo 118° C, die Ausbeute mit 5,0 g 68,5% der Theorie. In Tabelle IV ist der Zeit-Temperaturverlauf dieser Reaktion in Paraffinöl dargestellt.

Tabelle IV

Zeit	Tempe ratur des Ölbads	Zutropfung von Poly phosphor säure	über gehender Essigester	Destillations temperatur
Minuten)	co	(Tropfen)	(ml)	CC)
,	100	1
12	165	3	1	82
20	185	5	2	89
28	195	6	2,5	94
36	198	8	3	82
50	200	8	4	78
60	210	8	4,8	77

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von substituierten Ja,(S-Butenoliden darch Cyclisierung von 4-Acyloxybuten-2-säureestem, dadurch gekennzeichnet, daß man einen im wesentlichen wasserfreien 4-Acyloxybuten-2-säureester der Formel

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