DE2264235A1 - Verfahren zur herstellung von 6-methyl3,4-dihydro-1,2,3-oxathiazin-4-on-2,2dioxid - Google Patents

Description

FARBWERKE HOECHST AETIJJ¹NGESEUiECI
vormals Meister Lucius & Brüning

Aktenzeichen: HOE 72/F 403 Dr.GM/ak

Datum: 29. 12. 1972

Verfahren zur Herstellung von G-thiazin-4-on-2,2-dioxid

6-Methyl~3,4-dihydro-l,2,3-oxathiazin-4-on-2,2-dioxid, seine Eigenschaften als Süßstoff und Verfahren zu seiner Herstellung sind aus der DOS 2 001 017 bekannt.

In dieser deutschen Offenlegungsschrift wird als Verfahren B die Umsetzung; von ß-Ketocarbonsäuren mit Fluorsulf onylisocyanat (FSI) au den entsprechenden ß-Ketoearbonsäureamid-N-sulfofluoriden unter CO^-Abspaltung und der anschließende Ringschluß zum Dihydrooxathiazinon-dioxid beschrieben.

Die Reaktion von Carbonsäuren mit Halogen-sulfonyl-isocyanaten erfolgt bekanntlich an der Carboxylgruppe, wie am Beispiel der Malonsäure gezeigt werden konnte (vgl. Wittmann et al., Mh. Chem. J39 (19G3), 1962):

COOH CO-O-CO-NH-SO₀Cl CO-NH-SO₀Cl

j ι Δ ι Δ

R-CH + 2 ι ,R -CH . —>-> R-CH +2 CO₀ I > I I

I SO₀Cl I I

COOH ^Δ CO-O-CO-NH-SO₀Cl CO-NH-SO₀Cl

Δ Δ

üx* Carbonsäureester ist dieser Reaktionsweg nicht gangbar.

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In der DOS 2 001 017.ist als Verfahren C weiterhin die Umsetzung von ß-Diketonen mit FSI beschrieben:

R₀-C=O C=O ³ \ ^ \

R₃-CO-CH₂-CO-R₂ + O=C=N-SO₂F ^ CH R₃

O=C

NH-SO₂F

/₂

Bei der anschließenden Laugenbehandlung von (1) erfolgt der Ring Schluß zum Dihydrooxathiazinon-Ring, wobei meist einer der Acylreste abgespalten wird:

R₃-CO-CH-CO-R₂ ease ν / ^{= C}\ C-NH-SO₂F ' O=C 0

(Do \ - soT

H ^Δ

Im Verlauf der weiteren Arbeiten auf diesem Gebiet wurde festgestellt, daß ß-Ketocarbonsäureester der allgemeinen Formel

R-CH₂-CO-CH₂-C-OR'

wobei R H oder eine niedere Alkylgruppe beispielsweise mit 1-3 C-Atomen und R' eine niedere Alkylgruppe mit beispielsweise 1-4 C-Atomen ist, zwar ebenfalls bei Raumtemperatur mit FSI reagieren, wobei man Produkte der allgemeinen Formel

R-CH₀-CO-CH-COOR'

² I

FO₂S-NH-C=O

erhält, daß jedoch der Ringschluß zum Dihydrooxathiazinon-Derivat durch Laugenbehandlung nur ausnahmsweise und mit mäßiger Ausbeute (37%) beim Acetessigsäure-tert.-butylester gelingt. Erwartungsgemäß erfolgt hierbei keine Abspaltung der Estergruppierung·.

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CIL.-CO-CH-COOC (CH„ )

FO₂S

-NH-C=O
(2)

COOH
\

g)₃

N - SO_r H

Wärme

COOC(CH₃)₃ = C- CH,

N - SO, H .

Harze

(3)

60° - 110°C (a)

Versuche zur Überführung von (3) in das gewünschte 6-Methyldihydro-oxathiazinon-dioxid (a) durch gleichzeitige thermische Abspaltung von Isobuten und CO₂ oder (b) durch Abspaltung der tert.-Butylgruppe rait HCl in CH₂Cl₂ in bekannter Weise und Erhitzen zum Zwecke der anschließenden Decarboxylierung lieferten als Endprodukte nur Harze, die das gewünschte Produkt auch nicht in kleinen Mengen enthielten (Nachweis durch NMR-Spektren).

Die Umsetzungsprodukte aus Acetessigsäure-methyl- bzw. -äthylester und FSI verlieren bei der Behandlung mit Basen z. T. die CHo-CO-Gruppe unter Übergang in Malonesterderivate:

CH₃-CO-CH-COOR'

0-NH-SO₂F

Base

CH₃-COOH + CH₂-COOR' CO-NH-SO₂F

Als zweite Reaktion wird z. T. die SO,,F-Gruppe entfernt, man erhält überraschenderweise ein Tricarbonylnk^thanderivat :

CH₃-CO-CH-COOR'

CO-NH-SO₂F

Base

CH -CO-CH-COOR· "* I

CO-NH₀

55 - 60%

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Durch die Anwendung bekannter und analoger Verfahren war es also bisher nicht möglich, aus Acetessigestern und FSI die gewünschten 6-Alkyl-dihydro-oxath.iazinone zu gewinnen.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung von 6-Me thy 1-3, 4-dihydro-l, 2,3-oxathiazin-4-on-2,2-dioxid, indem man Acetessigsäure-tert.-alkylestcr mit Fluorsulfonylisocyanat umsetzt, das erhaltene Additionsprodukt bei Temperaturen von 60 - 100°C durch Abspalten von Kohlendioxid und Alken in Acetessigsäureamid-N-sulfofluorid überführt und dieses in an lii^.h bekannter Weise mit wäßriger Lauge cyclisiert. Dieser überraschende Reaktionsablauf wurde zuerst beim Einsatz von Acetessigsäuretert.-butylester beobachtet:

ΓΗ CIU-CO-CH-COOC (CIL₁), CIL-CO-CH₀ /3

³T ^{3 3} ν ³ I ² +CO₊CH=C

FO₂S-NHCO 60-100°C FO₂S-NH-CO ^Δ * ^N

Es ließ sich jedoch später zeigen, daß für die Umsetzung ganz allgemein auch höhere tertiäre Alkylester der Acetessigsäure verwendbar sind. Diese lassen sich leicht aus Diketen und den entsprechenden tertiären Alkoholen, vorzugsweise mit 4 - 8 C-Atomen, wie tert. Amylalkohol, Dimethyl-isopropyl-carbinol oder llethyldiisopropyl-carbinol herstellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich schrittweise unter Isolierung der einzelnen Reaktionsstufen oder vorzugsweise als Einstufenverfahren durchführen. Besonders einfach gestaltet sich ein "Eintopfverfahren", bei dem nach dem Zusammengeben der Reaktanden in einem aprotischen Verdünnungsmittel durch geeignete Temperaturführung die Spaltung eingeleitet und durch weiteres Erwärmen vollendet wird.

Als Verdünnungsmittel sowohl für die Umsetzung des FSI mit Acctessigsäure-tert.-alkylester als auch für die thermische Spaltung

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des lieaktionsproduktes (2) eignen sich allgemein aprotische Flüssigkeiten, deren Siedepunkt ^> GO⁰C liegen sollte, sofern man drucklos arbeiten will. z. B. Kohlenwasserstoffe oder Chlorkohlenwasserstoffe, wie Hexan, Heptan, Octan, Cyclohexan, Benzol, Toluol, Chlorbenzol, Chlortoluol, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Äther, wie Diisopropyläther oder Dimethoxyäthan, Ester, wie Äthylacetat usw.

Die Temperatur für die Umsetzung des Aoetcssigsäure-tert.-alkylesters mit FSI ist nicht kritisch, sie kann zwischen 0 - 100 C gewählt werden, wobei bei tieferen Temperaturen längere Reaktionszeiten benötigt werden und bei Temperaturen oberhalb von ca. 50 C gleichzeitig mit der Umsetzung mit FSI auch die thermische Spaltung des Umsetzungsproduktes stattfindet.

Die thermische Spaltung des reine Adduktes (2) wird bei 70 - 75 C lebhaft, verläuft aber in etwas verunreinigtem Produkt oder über längere Zeit (Tage) auch schon bei tieferer Temperatur. Die Spaltung läßt sich in der unverdünnten oder verteilhaft mit einem aprotischen Solvens vex-dünnten Schmelze durchführen, wobei Temperaturen V
geeignet sind.

Temperaturen von 60 - 100 C, vorzugsweise zwischen 70 - 90 C,

Die erfindungsgemäße Reaktionsfolge ermöglicht ein wirtschaftliches und technisch vorteilhaftes Herstellungsverfahren für das als Süßstoff wirksame 6-Methyl-3,4-dihydro-1,2,3-oxathiazinondioxid. Dazu erzeugt man in einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens aus dem großtechnisch leicht und preisgünstig zugänglichen Diketen und der äquivalenten Menge tert. Butanol und Triäthylamin als Katalysator in an sich bekannter Weise den Acetessigsäure-tert.-butylester. Dieser reagiert mit FSI zum Addukt (2), das durch Erwärmen auf 60 - 1OO°C glatt in Acetessigsäureamid-N-sulfofluorid, Kohlendioxid und Isobuten zerfällt. Während das anfallende Isobuten durch Hydratation in

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bekannter Weise wieder in tert. Bul.anol übergeführt werden kann, wird das Acetessigsäureamid-N-sulfofluorid durch Behandlung mit wäßriger Lauge in ebenfalls bekannter Weise zum 6-Melhyldihydrooxathiazinon-dioxid cyclisiert.

Die Fortschrittlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik läßt sich anhand eines Vergleiches mit dem nächstliegenden Verfahren (C) der DOS 2 001 017 aufzeigen. Dort wird als Ausgangsmaterial das teure Acetylaceton benötigt, während man bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung von Diketen und tert. Alkanol ausgeht. Bei der Alkalibehandlung fallen bei dem bekannten Verfahren in äquimolarer Menge Essigsäure oder ihre Salze neben dem Dihydrooxathiazinon-dioxid an, wodurch die Gewinnung und Reinigung des Produktes erschwert und das Abwasser belastet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden als Nebenprodukte Kohlendioxid und Alken erhalten, von denen letzteres leicht wieder vorwertet werden kann. Durch die Übex*führung des Alkens in tert. Alkanol reduzieren sich die Kosten für die Ausgangsmaterialien zusätzlich.

Die Ausbeute an 6-Methyl-3,4-dihydro-l,2,3-oxathiazinon-dioxid liegt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit 75 - 80% (bezogen auf Diketen) wesentlich höher als nach dem Verfahren der DOS 2 001 017 (40%, bezogen auf Acetylaceton).

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert.

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Beispiel 1

In einer 1 Liter-Rührapparatur legt man 37 g (0,5 Mol) tert. Butaool zusammen mit 0,2 ml Triethylamin (als Katalysator) vor, heizt auf 65°C und tropft im Verlauf einer Stunde 43,5 g (0,5 Mol) Diketen (97%ig) bei einer Innentemperatur von 65 - 70 C zu. Man hält die klare Mischung weitere 1,5 Stunden bei 65 70°C, verdünnt dann mit 2QO ml trockenem Tetrachlorkohlenstoff, kühlt auf 25 - 30°C ab und tropft nun innerhalb 15 Minuten 40 ml (0,5 Mol) Fluorsulfonylisocyanat zu.

Zur thermischen Abspaltung von Isobuten und CO₂ hält man anschließend die Reaktionsmischung unter Rühren bei ca. 70 C, bis die Gasbildung beendet ist (3-4 Stunden, Gasmenge quantitativ). Das Lösungsmittel destilliert man im Wasserstrahlvakuum ab, fügt zum kristallinen Rückstand (Acetessigsäureamid-N-sulfofluorid) 200 - 250 ml Wasser und dann unter Rühren und Eiskühlung 35 g reinen gebrannten Kalk in Portionen. Man hält die trübe Lösung 1 Stunde bei 30 - 35°C und klärt dann durch Filtration. Aus der stark eingeengten Lösung kann das Ca-SaIz des 6-Methyl-3,4-dihydro— 1,2,3-oxathiazinon-2,2-dioxids als weißes kristallines Pulver gewonnen werden..

Starkes Ansäuern der Ca-Salzlösung mit Salzsäure und mehrfache Extraktion mit Äthylacetat ergibt 66 g 6-Methyl-3,4-dihydrol,2,3-oxathiazinon-2,2-dioxid (81% d. Th.), das nach Umkristallisieren aus Chloroform bei 123 - 124°C schmilzt.

Beispiel 2

Zu einer Lösung von 82 ml (0,5 Mol) Acetessigsäure-tert.-butylester in 200 ml CC¹., tropft man unter Rühren bei 70 - 75°C im Verlauf von 50 Minuten 40 ml (0,5 Mol) FSI. Die während des Eintropfens beginnende Gasabspaltung wird durch weiteres Aufrechterhalten der Temperatur fortgeführt (2,5 Stunden).

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Nach Abspaltung von insgesamt 1,0 Mol Gas (Isobuten und C0„) wird weiter wie unter (1) aufgearbeitet.

Ausbeute: 55 g 6-Methyl-3,4-dihydro-l,2,3-oxathiazinon-2,2-dioxid vom Fp. 117 - 122°C (68 % d. Th.)

Beispiel 3

Das Verfahren gemäß Beispiel (2) wird bei einer Realct ions temperatur von 80 - 85°C wiederholt. Man isoliert 54 g 6-Methyl-3,4-dihydro-l,2,3-oxathiazinon-2,2-dioxid vom Fp. 117 - 122°C (67% d. Th.)

Beispiel 4

a) Addukt aus Acetessigsäure-tert.-butylester und FSI

Zu einer Lösung von 164 ml (1,0 Mol) Acetessigsäure-tert,-butylester in 300 ml Diäthyläther tropft man bei Raumtemperatur 80 ml (1,0 Mol) FSI. Nach Beendigung der Reaktion (Kontrolle durch IR-Spektrum) destilliert man den Äther im Vakuum ab. Das zuerst ölig anfallende Addukt kristallisiert beim Anreiben.

Ausbeute: 275 g farblose Kristalle (97% d. Th.) vom Fp. 52 - 53°C (Zers. bei 70 - 75°C).

b) Thermische Spaltung des Addukts

141,5 g (0,5 Mol) des nach Beispiel (4) hergestellten Adduktes werden zusammen mit 50 ml eines der unten angegebenen Verdünnungsmittel auf 65 - 75°C erhitzt, bis ca. 1,0 Mol an Gasen abgespalten ist. Das nach Abkühlen auskristallisierte Acetessigsäureamid-N-sulfofluorid wird isoliert und gelöste Anteile durch Abdestillieren des Lösungsmittels gewonnen. Nach Umkristallisieren aus Chloroform ist der Fp. 87 - 88°C.

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Die Ausbeute bei Verwendung der folgenden Verdünnungsmittel beträgt:

Chloroform 81%

Tetrachlorkohlenstoff 86%

Benzol 80%

Cyclohexan 83%

Äthylacetat 62%

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Claims (2)

-, ίο - PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von 6-Methyl-3,4-dihydro-l,2,3-oxathiazin-4-on-2,2-dioxid, dadurch gekennzeichnet, daß man Acetessigsäure-tert.-alkylester mit Fluorsulfonylisocyanat umsetzt, das erhaltene Additionsprodukt bei Temperaturen von 60 - 100 C durch Abspalten von Kohlendioxid und Alken in Acetessigsäureamid-N-sulfofluorid überführt und dieses in an sich bekannter Weise mit wäßriger Lauge cyclisiert.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Acetessigsäure-tert.-butylester verwendet.

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