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Verfahren zur Herstellung von am Stickstoff unsubstituierten Aziridinen
aus Olefinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von am Stickstoff
unsubstituierten Aziridinen aus Olefinen.
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Bs ist bekannt, am Stiokstoff unsubstituierte Aziridine entweder du
roh Ringsohluß aus ß-Halogenaminen oder aus den Schwefelsäureestern von ß-Aminoalkohloen
herzustellen (1).
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Sollen Olefine als Ausgangsmaterial verwendet werden, so müssen diese
zunächst in die ß-YHalogenamine oder die ß-Aminoalkohole übergeführt werden. So
wird z.B. der Grundkörpers das Äthylenimin, hergestellt, indem man Äthylen zum Diohloräthan
ohloriert und dieses ansohließend mit ammoniak umsetzt (2). Die bekannten Verfahren
zur Herstellung von C-substituierten Aziridinen aus Olefinen sind komplizierter.
Sie bestehen beispielsweise darin, daß man Nitrosylohlorid (1), Jodasid (3), N,N-Dichlorurethan
(4) oder Jodisooyanat in Form von Sllberoyanat und Jod (5) an das Olefin anlagert,
wobei eine ß-Halogen-alkyl-Stickstoffverbindung entsteht, deren stickstoffhaltige
Gruppe duroh Reduktion oder Verseifung in eine Aminogruppe übergeführt wird. Die
so erhaltene Verbindung wird anschließend zum Aziridin oyolisiert.
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Es ist aber auoh bekannt, c-substituierte Aziridine in der Weise zu
gewinnen, daß man z.B. das Olefin epoxidiert, den
Epoxidring mit
Ammoniak öffnet und den gebildeten ß-Aminoalkohol über seinen Schwefelsäureester
zum airidin umsetzt (1).
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Ferner ist es bekannt, zunächst ein N-substituiertes Aziridin herzustellen
und dieses duroh anschließendes Abspalten des N-ständigen Substituenten in das am
Stickstoff unsubstituierte Aziridin umzuwandeln. Dies gesohieht beispielsweise duroh
gemeinsame Anlagerung von Chlor und Aoetonitril an die Olefine, Hydrolyse der erhaltenen
Addukte zu ß-Chloralkylacylaminen, Cyolisierung der Arylamine duroh Baseneinwirkung
zu N-Aoylaziridinens aus denen in bekannter Weise die Acylgruppe abgespalten wird
(6). In einem speziellen Fall wird die Verwendung von N-Brom-sucoinimid als Halogenierungsmittel
und von Cyanamid als Nitril vorgeschlagen (7).
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Um zu den N-unsubstituierten Aziridinen aber N-substituierte Aziridin
zu gelangen, ist es weiterhin bekannt, substituierte Azide an Olefine unter Bildung
von Triazolinen anzulagern, die in einer Folgereaktion unter Stiokstoffabspaltung
zu N-substituierten Aziridin4en führen. Am Stickstoff unsubstituierte Aziridine
können dann naoh diesem Verfahren durch Abspaltung des N-Substituenten in einer
zweiten Stufe, beispielsweise mit Lithiumalanat, erhalten werden. lis Azide können
Cyanazid (8) oder, bei Einsatz geeigneter Olefine, Azidoameisensäureester (9) verwendet
werden.
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Schließlich ist es bekannt, Azidoameisensäureester mit Olefinen auoh
in der Weise zu am Stickstoff unsubstituierten Aziridinen umsusetzens daß man aus
dem Bster duroh Stiokstoffabspaltung entstehendes Alkoxyoarbonylnitren auf das Olefin
einwirken läßt, wobei das substituierte Aziridin entsteht (10), aus dem durch Abspaltung
der Alkoxyoarbonylgruppe das am Stickstoff unsubstituierte Aziridin erhalten wird.
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Die Herstellung von am Stickstoff unsubstituierten Aziridinen über
die Nitrene weist den Nachteil auf, daß außer der notwendigen Abspaltung des N-Substituenten
aus dem erhaltenen substituierten Aziridin die Ausgangsstoffe für die Herstellung
der Nitrene schwer zugänglich sind und ihre Handhabung zudem nicht immer ungefährlich
ist. Außerdem verlaufen alle diese Verfahren über eine größere Zahl von Reaktionsstufen0
Zweck der Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile der bekannten Verfahren
zu vermeiden, Es bestand somit die Aufgabe, am Stickstoff unsubstituierte Aziridine
aus Olefinen in einer einstufigen Reaktion unter Verwendung leicht zugänglicher
und bequem handhabbarer Ausgangsprodukte herzustellen.
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Diese Aufgabe wird duroh ein Verfahren zur Herstellung von am Stickstoff
unsubstituierten Asiridinen der allgemeinen Formel 1
in der R1, R2, R3 und R4 Wasserstoff, eine Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aryl- oder eine
sauerstoff- oder stickstoffhaltige Gruppe sein können und die Gruppierung R1-C-R2
bzw. R3-C-R4 oder die Gruppierung R1-C-C-R3 bzw. R2-C-C-R4 Bestandteil eines cycloaliphatischen
Ringes sein kann, aus Olefinen der allgemeinen Formel 2
in der R1 R2 R3 und R4 die oben genannte Bedeutung haben, erfindungsgemäß daduroh
gelöstt daß die Olefine mit einem am Stickstoff unsubstituierten Oxaziridin, das
am Ringkohlenstoff ein oder zwei Alkylgruppen, die Bestandteil eines hydroaromatischen
Ringes sein können, oder einen Arylrest trägt, in einem aprotischen Lösungsmittel
bei Temperaturen von 50 bis 150°C, vorzugsweise zwischen 100 und 140°C, umgesetzt
werden und das gebildete Aziridin in an sioh bekanntor Weise aus dem Reaktionsprodukt
isoliert wird. Als Lösungsmittel kann jedes organische Lösungsmittel verwendet werden,
in dem die Oxaziridine beständig sind. Vorteilhaft arbeitet man in Toluol oder Chlorbenzol.
Auch ein Überschuß
von Olefin ist als Lösungamittel geeignet.
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Die fur die Umsetzung erforderlichen Oxaziridine können leicht aus
Aldehyden oder Ketonen mit Ammoniak und Hypoohloritlösungen oder mit Chloraminlösungen
und Natronlauge oder auch mit Hydroxylamin-O-sulfonsäure und Natronlauge naoh bekannten
Verfahren in Lösung hergestellt und ohne Isolierung verwendet werden.
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Die fUr die Oxaziridinherstellung benötigte Carbonylverbindung wird
bei der AZiridinbildung zurückgebildet und kann erneut für die Oxaziridinsynthese
eingesetzt werden.
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Die für die Oxaziridinherstellung benötigten Carbonylverbindungen
und Aminierungsreagenzien sind billige und technisch leicht zugängliche Verbindungen.
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Die Reaktionsbedingungen sind sehr sohonend, da die Reaktion thermisch
verläuft und keine Katalyse duroh Säuren oder Basen erfordert. Die Arbeitstemperaturen
liegen zwiachen 50 und 150°C, also in einem Temperaturbereich, in dem die gebildeten
Aziridine stabil sind.
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Die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches kann in bekannter Weise duroh
Destillation oder Extraktion erfolgen. Sowohl bei der destillativen Aufarbeitung
wie auoh bei der Extraktion kann neben der dem Oxaziridin zugrunde liegenden Carbonylverbindung
auch das überschüasige Olefin zurückgewonnen werden.
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Das naoh beendeter Umsetzung gebildete Aziridin kann mit wäßriger
Säure extrahiert und die verbleibende, die Carbonylverbindung und übersohüssiges
Olefin enthaltende Lösung erneut zur Herstellung von Aziridinen verwendet werden,
indem man die Carbonylverbindung duroh Einwirkung einer wäßrigen Lösung eines Aminierungsmittels
in das entspreohende Oxaziridin überführt und das erhaltene Reaktionsgemisch naoh
Abtrennung der wäßrigen Phase erhitzt. Dabei Uberträgt das Oxaziridin seine NH-Gruppe
auf das Olefin, und es entsteht Aziridin.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bedeutenden Vorteile auf,
daß es, von leicht zugänglichen und bequem handhabbaren Einsatzprodukten ausgehend,
einstufig verläuft und dabei aus sterisch einheitliohen Olefinen sterisch einheitliche
Aziridine gebildet werden.
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Die gewonnenen Aziridine sind wertvolle Ausgangsprodukte für die Herstellung
zahlreicher Substanzklassen von technischer Bedeutung, wie Schaumstabilisatoren,
Pharmazeutika u.a..
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Beispiel 1: 0,14 Mol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 740 m@ Toluol
und 91,5 g (0,765 Mel) -@ -Methylstyrol erhitzt man 3 Stunden am Rückfluß. Danach
hat sich die Lösung rotorange gefärbt, und das eingesetzte Oxaziridin läßt sich
nicht mehr nachweisen.
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Man engt die Reaktionalösung am Retationeverdampfer auf ta 80 11 ein
und destilliert im Vakuum. Man erhält 12,1 g (65 % der Theorie) 2-Phenyl-2-methyl-aziridin
vom Siedepunkt 1040C bei 18 Torr.
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Das verwendete 3,3-Pentamethylen-oxaziridin wird in folgender Weise
hergestellt : In einen 2 Liter Schütteltrichter gibt man 500 mlToluol, 100 ml Cyolohexanon,
100 ml 2n wäßriges Ammoniak und 400 ml Eiswasser. Man sohuttelt es gut durch und
gibt 200 ml 0,98 m Natriumhypochloritlösung zu. Danach wird sofort 30 Sekunden kräftig
geschüttelt, die wäßrige Phase abgetrennt und die organische Phase zweimal mit wenig
Wasser extrahiert. Die organische Phase wird mit Natriumsulfat getrocknet und enthält
155 m@ol (79 % der Theorie) 3,3-Pentamethylen-oxaziridin. Die Gehaltsbestimmung
erfolgt, indem man einen Teil der Lösung mit Kaliumjodid und Eisessig versetzt und
das gebildete Jod mit Natriumthiosulfat titriert.
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Beispiel 2: 46 mMol 3,3-Diäthyl-oxaziridin in 650 ml Toluol und 54,4
g (460 mMol) α-Methylstyrol erhitzt man 6,5 Stunden am RUokfluß. Man engt
die Reaktionslösung am Rotationsverdampfer ein; den Rückstand fraktioniert man im
Vakuum und erhält 1,96 g (32 * der Theorie) 2-Phenyl-2-methyl-aziridin vom
Siedepunkt
94 bis 95°C bei 14 Torr.
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Duroh Ringöffnung mit verdünnterSchwefelsäure erhält man 2-Amine-1-phenyl-1-methyl-äthanol,
das in 2-Benzoylamino-1-phenyl-1-methyl-äthanol vom sohmelzpunkt 109 bis 110°C übergeführt
wird.
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Beispiel 3s 25 SYol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin erhitzt man in 105
ml α-Methylstyrol innerhalb von 10 Minuten aui 1500C. Man hält die Reaktionslösung
10 Minuten bei dieser Temperatur, wonach das eingesetzte Oxaziridin nicht mehr nachgewiesen
werden kann. Man engt die Reaktionslösung im Retationsverdampfer ein ; den Rückstand
fraktioniert man im Vakuum und erhält 2,32 g (70 % der Theorie) 2-Phenyl-2-methyl-aziridin
vom Siedspunkt 104°C bei 18 Torr.
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Beispiel 4 : 20 mMol 3,3-Pentemethylen-oxaziridin in 95 ml Toluol
und 20,5 g (200 mMol) Styrol werden 2 Stunden am Hüokfluß erhitzt. Die Reaktionslösung
wird im Retationsverdampfer eingeengt; den Rückstand fraktioniert man im Vakuum
und erhält 1,26 g (53 % der Theorie) 2-Phenyl-aziridin vom Siedepunkt 90 bis 930C
bei 10 Terr.
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Durch Ringöffnung mit verdünnterSchwefelsäure erhält man des 2-Amine-1-phenyl-äthanel,
das in 2-Benzoylamine-1-phenyl-äthanel vom schmelzpunkt 148 bis 150°C übergeführt
wird.
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Beispiel 5s 150 mMol 3-Phenyl-oxaziridin in 1,8 Liter Toluol und 156
g (1,5 Mol) Styrol werden 30 Minuten am Rtickfluß erhitzt. Die Reaktionslösung wird
im Rotationsverdampfer eingeengt; den Rückstand fraktioniert man im Vakuum und erhält
7 g (39 % der Theorie) 2-Phenyl-aziridin vom Siedepunkt 90 bis 93OC bei 10 Torr.
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Beispiel 6: 20 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 90 ml Chlorbenzol
und 23,2 g (200 mMol) Inden werden 35 Minuten am Rückfluß erhitzt. Die Reaktionslösung
wird im Vakuum eingeengt. Der Rückstand enthält 0,53 g (20 % der Thsorie) 1,2-Indenimin,
das als W-(Phenyloarbamoyl)-1,2-indenimin vom Sohmelzpunkt 143 bis 146°C identifiziert
wird.
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Beispiel 7: 20 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 110 ml Toluol
und 13 g (97 mMol) p-Methyoxystyrol werden 1 Stunde am Rüokfluß erhitzt. Die Beaktionslösung
wird am Verdampfer eingeengt.
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Den Rückstand fraktioniert man im Vakuum und erhält 1,34 g (45 % der
Theoris) 2-(p-Methyoxyhpenyl)-aziridin vom Siedepunkt 85 bis 900C bei 1 Torr. Die
Ringöffnung mit verdünnter Schwefelsäure gibt das 2-Amino-1-(p-methoxyphenyl-)-äthanol,
das in 2-Benzoylamino-i-(p-methyoxyphenyl)-äthanol vom Schmelzpunkt 148 bis 1500C
übergeführt wird.
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Beispiel 8 : 20 mMol 3,3-Pentamethylen-oxemiridin in 110 ml Toluol
und 9,4 g (100 mMol) Norbornen werden 6 Stunden am Rttckfluß erhitzt. Man destilliert
im Vakuum das Lösungamittel und Cyclohexanon ab und erhält aus dem Rückstand 0,7
g (32 % der Theorie) 3-Azatrioyolo-[3,2,1,02,4 azo] -octan vom Sohmelzpunkt 80 bis
82°C.
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Beispiel 9: 20 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 120 ml Toluol
und 18 g (100 mMol) 1,1-niphenyläthylen erhitzt man 3 Stunden am Rüokfluß. Die Reaktionslösung
enthält 2,7 g (68 * der Theorie) 2,2-Diphenyl-aziridin, aus dem man durch Ringöffnung
mit verdünnterSchwefelsäure das 2-Amino-1,1-diphenyläthanol vom Schmelzpunkt 110
bisl 11°C erhält.
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Beispiel 10 : 40 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 200 ml Toluol
und 23,6 g (200 mMol) ß-Methylstyrol erhitzt man 4 Stunden am Rückfluß. Die Reaktionslösung
wird am Verdampfer eingeengt; den Rückstand fraktioniert man im Vakuum und erhält
1,22 g (23 % der Theorie) 2-Phenyl-3-methyl-aziridin vom Siedepunkt 111 bis 1130C
bei 20 Torr.
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Beispiel 11: 20 mNol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 100 ml Toluol
und 14,8 g (100 mMol) trans-4-Methoxy-1-propenyl-benzol (Anethol) werden 2,5 Stunden
am Rückfluß erhitzt. Die Reaktionslösung enthält 1,17 g (36 % der Theorie) trans-2-(p-Methoxyphenyl)-3-methyl-aziridin,
aus dem man durch Ringöffnung mit verdünnter Schwefelsäure das 2-Amino-2-methyl-1-(pmethoxyphenyl)-äthanol
vom Schmelzpunkt 112 bis 114°C erhält.
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Beispiel 12: 250 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 1,15 Liter Toluol
und 264 g (2 Mol) Dioyclopentadien werden 1Y4 Stunde am Rückfluß erhitzt. Man erhält
eine dunkelrote klare Reaktionslösung, die am Rotationsverdampfer aui etwa 70 ml
ein geengt wird. Man destilliert im Vakuum und erhält naoh einem Vorlauf, bestehend
aus überschüssigem Dicyolopentadien und Cyolohexanon, 14 g Rohprodukt, aus dem duroh
wiederholte Destillation 4 g (11 % der Theorie) 8,9-Dioyolopentadienimin vom Siedepunkt
75 bis 80°C bei 0,1 Torr erhalten werden.
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Beispiel 13: 85 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 500 ml Toluol
und 45 g (850 mMol) Acrylnitril erhitzt man 5 Stunden am Rückfluß. Die trübe Reaktienslösung
filtriert man und engt das
gelbe klare Filtrat im Vakuum auf etwa
15 ml ein. Anschließend fraktioniert man im Vakuum und erhält 3,7 g (64 % der Theorie)
2-Cyan-aziridin vom Siedepunkt 77 bis 780C bei 8 Torr.
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Beispiel 14: 10 mSol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 80 ml Toluol
werden naoh Zusats von 20,8 g (200 mMol) Styrol 2 Stunden am Rückfluß erhitzt. Das
in 51%iger Ausbeute gebildete 2-Phenylaziridin wird duroh zweimaliges Ausschütteln
mit verdünnter Schwefelsäure extrahiert. Die von Aziridin bebreite toluolisohe Lösung
wird mit 6,25 ml 2 n wäßrigem Ammoniak und 30 ml Eiswasser versetzt und nach Zugabe
von 12,5 mMol einer 1 m Natriumhypochloritlösung 30 Sekunden kräftig geschüttelt.
Man trennt die wäßrige Phase abs schüttelt die toluolische Lbsung zweimal mit Wasser
aus und trocknet mit Natriumsulfat.
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Man erhitzt die Lösung zum Sieden und extrahiert das mit 42%iger Ausbeute
gebildete 2-Phenyl-aziridin mi verdünntor Schwefelsäure. Aus den schwefelsauren
Extrakten wird das 2-Phenyl-aziridin duroh Alkalisieren unter Kühlung und Extraktion
isoliert.