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Verfahren zur Herstellung von in α-Stellung verzweigten d ,ß-ungesättigten
Aldehyden Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung höhermolekularer
in 4-Stellung verzweigter o;ß-ungesättigter Aldehyde durch Alkylierung α,ßungesättigter
Aldehyde mit i ,ß-ungesättigten Alkoholen in Gegenwart katalytischer Mengen schwacher
organischer Säuren, organischer Peroxyverbindungen oder einer konzentrierten wässrigen
Wasserstoffperoxidlösung.
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Aus den amerikanischen Patentschriften 2 957 028 und 3 335 187 ist
die katalytische Umsetzung von in i -Stellung verzweigten gesättigten Aldehyden
mit Allylalkohol in einer Gasphasen-Reaktion bekannt.
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Aus der amerikanischen Patentschrift 2 947 786 ist ferner die Umsetzung
von einem in α -Stellung verzweigten, gesättigten Aldehyd in Gegenwart von
Mineralsäuren, sauren Salzen, sauren Ionenaustauschern und starken organischen Säuren
und bei erhöhter Temperatur mit einem oC,ß-ungesättigten Alkohol bekannt.
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Weiterhin ist aus der französischen Patentschrift 1 279 612 die Umsetzung
von in α -Stellung verzweigten gesättigten Aldehyden mit gegebenenfalls in
α-Stellung substituiertem Propargylalkohol in Gegenwart von Säuren zu 2.2-Dialkyl-alka-3,4-dien-alen
bekannt.
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Bei allen genannten Umsetzungen werden in α -Stellung verzweigte
gesättigte Aldehyde, d. h. Aldehyde, die bezüglich Eigenkondensation recht stabil
sind, eingesetzt. Entsprechende Umsetzungen mit α α,ß-ungesättigten
Aldehyden, die äußerst empfindlich gegen Hitze und Säuren sind und stark zur Selbst
kondensation neigen, wie beispielsweise Dimethylacrolein, wurden dagegen bisher
nicht beschrieben.
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Es wurde nun gefunden, daß man in α -Stellung verzweigte α
,B-ungesättigte Aldehyde der allgemeinen Formeln Ia bzw. Ib
in der R1 bis R7 für Wasserstoff, aliphatische oder cycloaliphatische oder cycloaliphatisch-aliphatische
Kohlenwasserstoffreste stehen, auf einfache Weise und mit ausgezeichneten Ausbeuten
herstellen kann, wenn man einen « ,ß-ungesättigten Aldehyd der allgemeinen Formel
II
in der R1 bis R3 die oben angegebene Bedeutung haben, in flüssiger Phase, bei Temperaturen
zwischen 120 und 250 00, vorzugsweise von 160 bis 210 00, bei Drucken zwischen 0
und 250 at und in Gegenwart von 0,01 bis 5 %, vorzugsweise 0,1 bis 2 Gew.-, bezogen
auf die Summe der Reaktionskomponenten einer Säure mit einem pK-Wert von etwn 3
bis 6 oder in Gegenwart von 0,1 bis 5, vorzugsweise 0,5 bis 3 Gew.-%, bezogen auf
die Summe der Reaktionskomponenten, einer konzentrierten wässrigen Wasserstoffperoxidlösung
oder einer organischen Peroxyverbindung mit einem oil ,ß-ungesättigten Alkohol der
allgemeinen Formeln IIIa oder IIIb
in denen R4 bis R7 die oben angegebene Bedeutung haben, umsetzt.
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Es war sehr überraschend, daß unter den erfindungsgemäßen Reaktionsbedingungen
selbst die empfindlichen und stark zu Selbstkondensationen neigenden %,ß-ungesättigten
Aldehyde in ausgezeichneten Ausbeuten mit oQ,ß-ungesättigten Alkoholen umgesetzt
werden können. In Gegenwart von starken Nineralsäuren oder Lewis-Säuren sowie unter
den Bedingungen von Gasphasen-Reaktionen können dagegen keine in α -Stellung
verzweigten
i,ß-ungesättigten Aldehyde erhalten werden. In Gegenwart
von starken organischen Säuren sind die zu erzielenden Ausbeuten unbefriedigend
Es ist ferner überraschend, daß bei der Umsetzung von « ungesättigten Aldehyden
mit Propargylalkoholen der Formel IIIb nicht wie bei der Umsetzung von gesättigten
Aldehyden mit Propargylaldehyden gemäß der französischen Patentschrift 1 279 612
ein Aldehyd mit einer Allengruppierung, sondern Aldehyde mit einem System konjugierter
Doppelbindungen erhalten werden.
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Es war weiterhin überraschend, daß bei der Umsetzung X ungesättigter
Aldehyde mit den erfindungsgemäßen Allylalkoholen die in der Riechstoffindustrie
begehrten, in α -Stellung verzweigten oc ,ß-ungesättigten Aldehyde, wie das
Isolavandulal, Lavandulal oder Dehydrolavandulal, erhalten werden, da nach eigenen
Versuchen bei der Umsetzung von ungesättigten Aldehyden mit in 3-Stellung doppelt
alkylierten Allylnlkoholen in jedem Palle eine Alkylierung des # -C-Atoms des Aldehyds
erfolgt.
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Darüberhinaus war nicht zu erwarten, daß auch in Gegenwart von organischen
Peroxiden die Umsetzung zu in α -Stellung verzweigten &,ß-ungesättigten
Aldehyden vorgenommen werden kann, da aus den amerikanischen Patentschriften 2 560
777-, 2 710 873 und 2 720 530 bekannt ist, daß sich Aldehyde in Gegenwart von Dibenzoylperoxid
an ungesättigte Verbindungen unter Bildung der entsprechenden Ketone anlagern.
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Als Ausgangsstoffe für das Verfahren der Erfindung kommen Allylalkohole
der allgemeinen Formel IIIa oder Propargylalkohole der allgemeinen Formel IIIb,
in denen R4 bis R7 für Wasserstoff, aliphatische, cycloaliphatische oder cycloaliphatisch-aliphatische
Xohlenwasserstoffreste stehen, in Betracht. Bevorzugt werden solche ungesättigten
Alkohole, in deren Formeln IIIa bzw. IÌIb R4 und/oder R7 für einen gesättigten oder
ungesättigten, verzweigten oder unverzweigten aliphatischen, cycloaliphatischen
oder cycloaliphatisch-aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 12 C-Atomen
steht
und die übrigen Reste Wasserstoffatome oder Alkylgruppen mit
1 bis 4 C-Atomen, insbesondere Wasserstoffatome oder Methylgruppen bedeuten.
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Es kommen bevorzugt Alkohole in Betracht, die insgesamt 9 bis 20,
vorzugsweise 5 bis 15 C-Atome im Molekül enthalten.
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Genannt seien beispielsweise: Allylalkohol, Methallylalkohol, Crotylalkohol,
2-Penten-1 -ol, 2-Methyl-2-penten-1 -ol 2-Äthyl-2-hexen-1 -ol, 3-Methyl-1-buten-3-ol,
Propargylalkohol, 2-Butin-1-ol, 3-Methyl-1-butin-3-ol, 3-Methyl-1-pentin-3-ol, Xinalool,
Dehydrolinalool, 1 -Äthinylcyclohexanol, Vinyljonol, vorzugsweise 3-Methyl-1-buten-3-ol
und 3-Methyl-1-butin-3-ol.
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Als ct,B-ungesittigte Aldehyde, die erfindungsgemäß mit den ungesättigten
Alkoholen der'Formeln IIIa bzw. IIIb umgesetzt werden können, kommen Aldehyde der
Formel II, in der R und R2 für Wasserstoff, Alkylgruppen mit 1 bis 4 C-Atomen oder
Cycloalkylgruppen mit 5 oder 6 Ringgliedern, vorzugsweise für Wasserstoff oder Methylgruppen
stehen und R3 für Wasserstoff oder einen gesättigten oder ungesättigten, verzweigten
oder unverzweigten aliphatischen, cycloaliphatischen oder cycloaliphatisch-aliphatischen
Eohlenwasserstoffrest mit 1 bis 12 C-Atomen, vorzugsweise für Wasserstoff oder einen
aliphatischen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 5 C-Atomen steht, in Betracht.
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Bevorzugt werden solche Aldehyde, die insgesamt nur etwa 4 bis 15,
insbesondere 4 bis 10 C-Atome enthalten. Im einzelnen seien genannt: Crotonaldehyd,
Tiglinaldehyd, 2-Methyl-2-penten-1 -al, 2-Äthyl-2-hexen-1-al, 3-Methyl-3-thylacrolein,
3,3-Diäthylacrolein, 3,4-Dimethyl-2-penten-1-al, 3,4,4-Trimethyl-2-penten-lal, 2,3-Dimethyl-2-buten-1-al,
3-Methyl-2-penten-1-al, Cyclocitral und Farnesal, insbesondere 3,3-Dimethylacrolein
(3-Methyl-2-buten-1-al) und Citral.
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Die Ausgangsverbindungen können in stöchiometrischen Mengen eingesetzt
werden. Vielfach verwendet man jedoch die billigere Komponente - meist den Alkohol
- in einem 1 bis 3 molaren ueberschuß.
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Zur Durchführung des Verfahrens werden die Ausgangsverbindungen in
flüssiger Phase in Gegenwart einer Säure mit einem pH-Wert von etwa 3 bis 6, einer
organischen Peroxyverbindung oder einer konzentrierten wässrigen Wasserstoffperoxidlösung
- gegebenenfalls unter erhöhtem Druck - für die Dauer der Reaktion auf die Reaktionstemperatur
erhitzt.
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Als Säuren mit einem pK-Wert von etwa 3 bis 6 kommen solche Säuren
mit dem genannten pK-Wert in Betracht, die unter den Reaktionsbedingungen stabil
sind und die Reaktionspartner nicht anderweitig chemisch angreifens Genannt seien
vor allem organische Mono-, Di- oder ricarbonsäuren wie Ameisensäure, Essigsäure,
Propionsäure, Buttersäure, Benzoesäure, Acrylsäure, Dimethylacrylsäure, Bernsteinsäure
und Adipinsäure.
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Bevorzugt werden hiervon jeweils solche Säuren, die einen Siedepunkt
unterhalb von dem des Reaktionsproduktes aufweisen, damit bei der destillativen
Aufarbeitung des Reaktionsgemisches die Säuren vor dem empfindlichen Reaktionsprodukt
abdestillieren können.
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Die Säuren mit einem pK-Wert von etwa 3 bis 6 werden in Mengen von
0,01 bis 5, vorzugsweise 0,1 bis 2 Gew,-, bezogen auf die Summe der Reaktionskomponenten,
verwendet.
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Die konzentrierte Wasserstoffperoxidlösung und die organischen Peroxyverbindungen
werden vorteilhaft in Mengen von 0,1 bis 5, vorzugsweise 0,5 bis 3 Gew.-%, bezogen
auf die Summe der Reaktionskomponenten, angewandt.
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Als organische Peroxyverbindungen seien beispielsweise genannt: Di-tert.-butylperoxid,
tert.-Butylhydroperoxid, tert.-Butylperacetat, tert.-Butylperbenzoat, Dibenzoylperoxid,
Monotert.-butyl-permaleinat, Dicumylperoxid, Isopropyl-percarbonat und Cyclohexylpercarbonat.
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Die organischen Peroxyverbindungen brauchen dem Reaktionsgemisch nicht
unbedingt als solche zugefügt werden. Eine andere -auch sehr vorteilhafte - Verfahrensvariante
besteht darin, daß man organische Peroxyverbindungen, insbesondere A-ldoperoxide,
im Reaktionsgemisch vor Beginn der Umsetzung durch
Behandeln der
Ausgangskomponenten mit Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen, insbesondere
luft, herstellt. Die Behandlungsdauer liegt gewöhnlich je nach der Stärke des Gasstromes
zwischen 2 und 30 Minuten, vorzugsweise 5 und 20 Minuten.
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Weiterhin kann man die erfindungsgemäß Reaktion dadurch günstig beeinflussenr
daf? man das bei der Umsetzung entstehende Wasser entweda: durch Zusatz vor Wasser
bindenden Mitteln, wie Orthoestern, dem Reaktionsgleichgewicht entzieht, oder aber
das Wasser durc Einblasen von als Schleppmittel dienenden niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen,
wie Pentan, Hexan oder Cyclohexan als azeotropes Gemisch kontinuierlich aus dem
Reaktionsgemisch entfernt.
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Auch die Reaktionskomponenten selbst können als H2O-Schleppmittel
verwendet werden. Die Reaktion kann lösungsmittelfrei, aber auch in Gegenwart von
Lösungsmitteln durchgeführt werden.
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Als Lösungsmittel kommen unter den Reaktionsbedingungen inerte aliphatische
jund aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Pentan, Hexan, Benzol und Tolvol, s@@ie
@ther, wie beispielsweise Tetrahydrofuran, Äthylenglykolmonomathyläther und insbesondere
stark polare Lösungsm@ttel wie Dioxan, Methylglykol, 1,2-Dimethoxyäthan und D@mpthylsulfoxid
in Betracht.
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Die Lösungsmittel werden in der 2- bis 5-fachen Gewichtsmenge, bezogen
auf die Ausgangskomponenten, verwendet.
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Das Verfahren kann @owoil dis@ko@tinuierlich in einem Rühr gefäß oder
einem Schuttel@utoklaven als auch kontinuierlich in einem Reaktor oder @iner Roak@@rka@kade
durchgeführt werden.
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Die Reaktionstemperatur für das erfindungsgemäße Verfahren liegt im
allgemeine@ zwis@n@n 120 und 250 °C, vorzugsweise bei Temperaturen von etwa 160
bis 210 °C.
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Man kann drucklos oder aher bei bis zu 250 at, vorzugsweised bis zu
60 at, erhöhtem Druck arbeiten. Mit besonderem Vorteii arbeitet man unter der Dampfdruck
der Reaktionskomponenten,
der sich unter den Reaktionsbedingungen
in einem Druckgefäß einstellt.
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In Sedem Falle wählt man die Reaktionsbedingungen so, daß die Umsetzung
in flüssiger Phase durchgeführt wird. Das Reaktionsgemisch hat beim erfindungsgemäßen
Verfahren im aligemeinen einen pH-Wert zwischen 1 und 6, vorzugsweise 3 und 5.
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Die Reaktionsdauer für diese Umsetzungen liegt je nach Reaktionstemperatur
zwischen 5 Minuten und 20 Stunden, vorzugsweise 1/2 Stunde bis 6 Stunden Die Aufarbeitung
des Reaktionsgemisches erfolgt im allgemeinen durch fraktionierte Destillation.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gelangt man auf einfache
Weise und mit guten Ausbeuten zu einer Reihe höhermolekularer in °S-Stellung verzweigter
o ,ß-ungesättigter Aldehyde, die bisher nur mit aufwendigen Verfahren hergestellt
werden konnten, und die als wertvolle Zwischenprodukte für die Herstellung von Riechstoffen,
wie Lavandulol, Isolavandulol oder Dehydrolavandulol, Bedeutung erlangt haben.
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Die in den Beispielen genannten Teile sind - soweit nichts anderes
vermerkt ist - Gewichtsteile; Raumteile verhalten sich zu ihnen wie Liter zu Kilogramm.
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Beispiel 1 1000 Teile 3-Methyl-1-buten-3-ol, 500 Teile 3,3-Dimethylacrolein
und 15~zeile Benzoesäure werden in einem SchUttelautoklaven von 2500 Raumteilen
Inhalt 5 Stunden lang bei 30 at Druck auf 180 cc erhitzt. Die destillative Aufarbeitung
des Reaktionsproduktes liefert 488 Teile 2-Isopropyliden-5-methyl-4-hexen-1-al.(Isolavandulal,
Kp0,5 = 57 - 60 QC) in einer Ausbeute von 87 % und einem Umsatz von 62 % (bezogen
auf 3,3-Dimethylacrolein).
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Beispiel 2 100 Teile Linalool, 50 Teile 3,3-Dimethylacrolein und
1,5 Teile Benzoesäure werden 5 1/2 Stunden lang in einem Rundkolben
unter
Rühren, intensiver Rückflußkühlung und leichtem Uberdruck auf 160 0C erhitzt, während
das entstehende Wasser durch Einblasen von Pentan in den Reaktionsraum kontinuierlich
entfernt wird. Bei der Aufarbeitung des Umsetzungsproduktes werden 51,7 Teile 2-Isopropyliden-5,9-dimethyl-deca-4,8-dien-1-al
(Ep10-4 - 110 bis 112 °C) erhalten. Die Ausbeute beträgt 84 ffi der Theorie bei
einem Umsatz von 47 % (besogen auf 3,3-Dimethylacrolein).
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Beispiel 3 Ein Gemisch aus 400 Teilen 3,3-Dimethylacrolein, 480 Teilen
3-Methyl-1-butin-3-ol und 8 Teilen Propionsäure wird 6 Stunden in einer Druckkolonne
bei 2 at Druck auf 160 0c erhitzt und das sich bildende Wasser mit Hexan ausgekreist.
Die fraktionierte Destillation des Reaktionsaustrages liefert 325 Teile 2-Isopropenyl-5-methyl-hexa-2,4-dien-1-al
(Dehydrolavandulal, KP0,4 = 75 bis 77 °C). Die Ausbeute beträgt 82 % der Theorie
bei einem Umsatz von 52 ffi (bezogen auf 3,3-Dimethylacrolein).
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Beispiel 4 80 Teile 3,3-Dimethylacrolein, 55 Teile Allylalkohol und
1,4 Teile Acrylsäure werden in einem Schüttelautoklaven bei 50 at Druck 3 Stunden
auf 160 °C erhitzt. Die destillative Aufarbeitung ergibt 51,6 Teile 2-Isopropyliden-4-penten-1-al
vom Siedepunkt Kp0,2 = 26 bis 28 0C. Die Ausbeute beträgt 78 %, der Umsatz 56 %
(bezogen auf 3,3-Dimethylacrolein).
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Beispiel 5 Ein Gemisch aus 40 Teilen 3-Methyl-1-buten-3-ol, 20 Teilen
Citral und 60 Teilen Dioxan wird mit 1,2 Teilen Ameisensäure versetzt und in einem
Schüttelautoklaven 5 Stunden bei 70 at Druck auf 190 °C erhitzt. Die destillative
Aufarbeitung des Reaktionsaustrages lieferte 15,2 Teile 3,7-Dimethyl-2-(3'-methyl-2'-buten-1'-yl)-2,6-octadien-1-al
vom Siedepunkt Kp10-4 = 74 bis 76 00. Die Ausbeute beträgt 76 % der Theorie bei
einem Umsatz von 69 % (bezogen auf Citral).
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Beispiel 6 100 Teile 3-Methyl-5-(2',6',6'-trimethyl-1'-cyclohexenyl)-1,4-pentadien-3-ol
(Vinyljonol), 100 Teile. 5,3-Dimethylacrolein und 1,6 Teile Dibenzoylperoxid werden
in einem Schüttelautoklaven 4 Stunden bei 30 at Druck auf 160 °C erhitzt Bei der
Aufarbeitung des Reaktionsproduktes erhält man 49,7 Teile 2-Isopropyliden-5-methyl-7-(2',6',6'-trimethyl-1'-cyclohexen-1'-yl)-4,6-heptadien-1-al
mit dem Siedepunkt Kp10-4 = 123 bis 126 00. Die Ausbeute beträgt 75 % bei einem
Umsatz von 51 ffi (bezogen auf Vinylåonol).
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Beispiel 7 100 Teile 3-Methyl-1-buten-3-ol, 50 Teile Crotonaldehyd
und 4,5 Teile 30 %ige wässrige H202-Lösung werden in einem Schüttelautoklaven 3
Stunden bei 50 at Druck auf 170 °C erhitzt Die destillative Aufarbeitung des Reaktionsaustrages
ergibt 39,8 Teile 2-Äthyliden-5-methyl-4-hexen-1-al mit dem Siedepunkt Kp0,1 = 35
bis 36 °C. Die Ausbeute beträgt. 76 % bei einem Umsatz von 53 1> (bezogen auf
Crotonaldehyd).
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Beispiel 8 (Vergleichsbeispiel zu US 2 957 028 und US 3 335 187)
Im Verlauf von einer Stunde wird ein Gemisch aus 50 Teilen 3,3-Dimethylacrolein
und 50 Teilen 3-Methyl-1-buten-3-ol über einen auf 200 °C erhitzten Silikagel-Kontakt
geschickt.
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In mit Trockeneis-Methanol gekühlten Kühlfallen wird das erhaltene
Reaktionsgemisch ausgefroren. Aus diesem Reaktionsgemisch werden 45 Teile unverändertes
3,3-Dimethylacrolein und als Umsetzungsprodukt aus 3-Methyl-1-buten-3-ol 35 Teile
Isopren und 10 Teile H20 gewonnen werden0 Beispiel 9 (Vergleichsbeispiel zu FR 1
279 612) a) Ein Gemisch aus 30 Teilen 3-Methyl-1-buten-3-ol, 60 Teilen 3,3-Dimethylacrolein
und 0,1 Teilen p-Toluolsulfonsäure in einer aus einem Kolben mit aufgesetztem Wasserauskreiser
bestehenden Apparatur 20 Stunden auf Siedetemperatur erhitzt. Anschließend konnte
keinerlei Umsatz festgestellt werden.
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b) Ein Gemisch aus 80 Teilen 3-Methyl-1-buten-3-ol, 20 Teilen 3,3-Dimethylacrolein
und 0,1 Teilen p-Toluolsulfonsäure werden in einem Schüttelautoklaven von 250 Raumteilen
5 Stunden bei 180 °C und 30 at Druck erhitzt. Die de illative Aufarbeitung des Reaktionsgemisches
ergibt 1 Teil 2-Isopropyliden-5-methyl-4-hexen-1-al (Isolavandulal) bei einer Ausbeute
von nur 48 und einem Umsatz von nur 6 % (bezogen auf 3,3-Dimethylacrolein).
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Nimmt man höhere Konzentrationen an p-Toluolsulfonsäure, so steigt
zwar der Umsatz an. Infolge von verstärkt auftretenden Nebenreaktionen sinkt jedoch
die Ausbeute.