DE2154439C3

DE2154439C3 - Verfahren zur Herstellung von substituierten Delta alpha, beta-Butenoliden durch Cyclisierung von 4-Acyloxybuten-2 -Säureestern

Info

Publication number: DE2154439C3
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: 1975-10-02
Also published as: DE2154439A1; DE2154439B2

Description

COOR_x

O — CORv

in der R₁ und R₂ Wasserstoffatome oder eine Methyf- oder Äthyigruppe, R₃ ein WasserstofTatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen, R_x einen Alkylrest mit 1 bis 6 C-Atomen und R_v ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 4 C-Atomen bedeuten, in Gegenwart von Polyphosphorsäure oder p-ToluolsuIfonsäure, gegebenenfalls in einem hochsiedenden, im wesentlichen wasserfreien Lösungsmittel erhitzt, dabei unter Normaldruck den entstehenden Acylester abdestilliert und schließlich das gebildete ln,/<-Butenolid durch Destillation im Vakuum gewinnt.

Zur Herstellung von l<i./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 ι 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 lr/,/f-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 I«,^-Butenoliden bekannt, bei dem durch eine Reformatzki-Reaktion mit substituierten Maleinsäureanhydriden und Alkylhalogeniden ein entsprechend substituiertes Bulyrolaclon dargestellt wird, in das anschließend auf verschiedene Art und Weise eine Doppelbindung in «,//-Stellung eingeführt wird. Auch bei diesem Verfahren liegen die Ausbeuten, bezogen auf die Ausgangsverbindung, 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 !«,//-Butenoliden bereitzustellen.
Es wurde nun überraschend gefunden, daß substituierte Ι.ί,/ί-Butenolide mit sehr guten Ausbeuten dargestellt werden können, wenn 4-Acyloxybuten-2-säureester durch innere Umesterung cyclisiert werden. 4-Acetoxybuten-2-säureester sind bekannte Verbindüngen, die sich in über 90%igen Ausbeuten 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

R., O COR₁

COOR_x

in der R₁ und R, Wasserstoffatome oder eine Methyloder Äthylgruppe. R, ein Wasserstoflatom oder einen Alkylrest mit 1 bis (S C-Atomen. R» 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-ToluoI-sulfonsäure, gegebenenfalls in einem hochsiedenden, im wesentlichen wasserfreien Lösungsmittel erhitzt, dabei unter Normaldruck den entstehenden Acylester abdestilliert und schließlich das gebildete l<i,/#'-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 260' C durchgeführt und das entstandene Ια,/ί-Butenolid anschließend /.ur Reinigung einer Vakuumdestillation unterzogen wird.

Der Zusatz von Polyphosphorsäure oder p-Toluol-

sulfonsäure 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-säurcester nach Zusatz von konzentrierter Schwefelsäure und Behandlungstemperaluren um 240"C unverändert zurückerhalten werden.

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

Substituierte ungesättigte Lactone sind als monomere Ausgangsprodukte zur Durchführung verschiedener Polymerisationsreaktionen verwendbar. Polymere aus Ια,/''-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 !«,/»-ungesättigte Butenolide als Aromastoffe, und zwar insbesondere für Tabak und Tabakzuberekufigen und als Wuchsregulatoren 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

Tabelle 1

Zeil	Tempe ratur des Ölbads	Zutropfung der PoIy- phosphor- säure	Deslillalionx- lemperatur
Minuten)	( C)	(ml)	( C)
	190	Beginn	27
15	220	etwa 2	27
30	237	etwa 4	30
45	242	etwa 6	82
55	243	etwa 7	114
75	245	Ende	120
85	246		127

t: hergehender
Essigester

Im]) _

Beginn
12
40
80

Zeil 5 (Minmen)

445 g 3-Methyl-4-acetoxybuten-2-säureäthylester wurden in einen 500-ml-Rundkolben mit absteigendem Kühler im ölbad bis zu einer Ölbadtemperatur von 190 C erhitzt. Durch einen Tropftrichter wurde die Ausgangsverbindung dann tropfenweise mit Polyphosphorsäure (84% P₂O₅) versetzt und die Temperatur des Ölbades langsam weiter gesteigert. Insgesamt wurden im Verlauf einer Stunde ungefähr 7 ml Polyphosphorsäure zugetropft. Bei einer Ölbadtemperatur von ungefähr 240" C begann der gebildete Essigsäureäthylester abzudestillieren. Die Temperatur des Ölbades wurde im Verlauf von ungefähr 3 Stunden auf 260° C gesteigert, wobei insgesamt 224 ml Essigsäureäthylester abdestillierten, bei einer theoretisch zu erwartenden Menge von 232 ml. Danach wurde der Kolbeninhalt auf etwa 100° C abgekühlt und das Lacton in Vakuum abdestilliert. Das Siedeintervall des farblosen Lactons lag bei 106 bis 110 C/12mm Hg. Die Ausbeute betrug 168 g, entsprechend 71,8% der Theorie. Der Zeit-Temperaturverlauf der erfindungsgemäßen Cyclisierung des 3-Methyl-4-acetoxybuten-2-säureäthylesters zu 3-Methyl-buten-2-olid-l,4 unter Verwendung von Polyphosphorsäure ist in Tabelle 1 angegeben.

IO

15 97
119
125
146
161
173
185

Temperatur des
Ölbads

( Cl

247
249
250
252
255
255
260

Zulropfung

der PoIy-

phospho:-

säure

(mli

Deslülatiom.-temperatur

( C)

120

114

113

103

91

84

78

Obeigehender Essigesier

UnI)

105 132 160 194 210 220 224

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

Beispiel 2

H₃C CH₃

15 g 2,3-Dimethyl-4-acetoxybuten-2-säureäthylester wurden unter Zusatz von 1 g p-Toluolsulfonsäure langsam auf 250'C erwärmt, wobei Essigsäureäthylester abdestillierte. Nach 2\/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._M = 103 bis 112 'C.

Beispiel 3

H₃C

3-Melhyl-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._1? von 107 bis HO⁰C. Der Zeit-Temperaturverlauf dieser Cyclisierung unter Verwendung von p-Toluolsulfonsäure ist in Tabelle Il angegeben.

Tabelle II

55

60

Zeit	Tempe ratur des Ölbads
Mimilcn)	( C)
	90
10	125
20	160
30	185
3d	195
45	200
55	205

/.utropfung

von

p-Toluolsulfonsaurc

(ml)

0,5 1,0 1,3

übergehender Essigester

(ml)

0 3.0

Destinationstempcratur

72 89

Fortsetzung

	Tempe
Zeil	ratur de»
	Ölbad»
iMinuiejO	SS') _
65	210
73	215
VO	220
115	224
145	217
155	215
180	215
195	215
220	215
255	217

Zutropfung

von

p-Toluolsulionnaure

1,5
2,0
2,5
3.0
3.0
3.5
4.0
4,5
5,0
5,0

übergehender ti

(mil

4,5

6.0

9.0

14.0

17,0

19,0

24.0

27,0

39,0

43.0

Destinationstemperatur

I Cl

100 105 109 105

93

95

98

97

95

85

Beispiel 4

/ Λ ο

	Tempe	/uiropfung	fi her
	ratur tlex	von	gehender
/en	UIIwIn	Pol>-	Issijjcslci
		phosphuv-
	( C)	SÜUIt	(ml)
Minuten)	140	(ml)
	185	, 0.5
15	0.5

Destilhuionslcmperalur

t C^-)

	Tempe	Zutiöpfung	D her	Destinations*
	ratur des	von	gehender	temperatur
Ze«	Oibads	PoIy-	Essigester
		phosphor-
	._J ^c-l -	säurc	(ml)	( C)
(Minuten)	230	imll	10	85
25	240	0,8	12	115
35	245	1,0	30	125
45	250	2,0	32	90
57	250	2,0
62

Beispiel 5

20

₂H₅

64 g .VMethyM-accloxybuten^-süureäthylester wurden in HX) ml hydriertem Tcipheny¹ unter langsamem Hinzufügen von 2 ml Polyphosphorsäure lungsam auf 250' C erwärmt. Nach etwa einer Stunde war die berechnete Menge an Hssigsüureäthylesicr praktisch abgeschieden, so daß auf HX)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 Tempcraturverlauf der eründungsjjemalkn Cyclisierung des 3-Melhyl-4-aeetoxybuten-2-sa'ureäthylesters zu 3-Mcthylbuten-2-oUd-1,4 unter Verwendung von Polyphosphorsiiure in hydriertem Terphenyl als Lösungsmittel ist in Tabelle Hl wiedergegeben.

Tabelle 111

Entsprechend Beispiel 4 wurden 12,5 g 2-Äthyl-3 - mcihy 1 - 4 - acetoxy - 2 - butensäureäthylester unter 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 Siedeintcrvall bei 12 Torr betrug 112 bis 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 Ulbads
Mir.üien)	_JL5·!—
	100
12	165
20	185
28	195
36	198
50	200
60	210

Zutrapfung
von

PoIyphosphor

säure

(Tropfen)

1
3
5
ö
8
8
8

übergehender Essigester

(ml)

1 2

2,5 3 4 4,8

Destillationslempcrauir

( Cl

82 89 94 82 78 77

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von substituierten luj*-Butenoliden durch Cyclisierung von 4-Acyloxybuten-2-säureestern, dadurch gekennzeichnet, daß man einen im wesentlichen wasserfreien 4-AcyIoxybuten-2-säureester der Formel

R₁ R,