DE2309529C3

DE2309529C3 - Verfahren zur Herstellung von Aziridinen

Info

Publication number: DE2309529C3
Application number: DE19732309529
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.- Chem. Dr. Ddr 1040 Berlin Jaehnisch; Ernst Prof. Dipl.-Chem. Dr. Ddr 1199 Berlin Schmitz
Original assignee: Akademie der Wissenschaften der DDR
Current assignee: Akademie der Wissenschaften der DDR
Priority date: 1972-03-06
Filing date: 1973-02-26
Publication date: 1978-03-16
Also published as: HU165775B; DE2309529B2; SU464582A1; DD107679A1; CS185402B1; CH579540A5; DE2309529A1

Description

N
H

R³

R⁴

(D

in der R¹, R², R³ und R⁴ Wasserstoff, eine Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aryl- oder eine sauerstoff- oder stickstoffhaltige Gruppe bedeuten oder die Gruppierung R¹-C-R² bzw. R3-C-R⁴ oder die Gruppierung R¹ -C-C-R³ bzw. R²-C-C-R⁴ einen cycloaliphatischen Ring bildet, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Olefin der allgemeinen Formel II

R¹

R²

C = C

(II)

R⁴

in der R¹, R², R³ und R⁴ die obengenannte Bedeutung haben, mit einem am Stickstoff unsubstituierten w Oxaziridin, das am Ringkohlenstoff ein oder zwei Alkylgruppen, die zusammen mit einem C-Atom einen cycloaliphatischen Ring bilden können, oder einen Arylrest trägt, in einem aprotischen Lösungsmittel bei Temperaturen von 50 bis 150⁰C umsetzt und das gebildete Aziridin in an sich bekannter Weise aus dem Reaktionsprodukt isoliert.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von am Stickstoff unsubstituierten Aziridinen.

Es ist bekannt, am Stickstoff unsubstituierte Aziridine entweder durch Ringschluß aus ß- Halogenaminen oder aus den Schwefelsäureestern von ^-Aminoalkoholen herzustellen. Sollen Olefine als Ausgangsmaterial verwendet werden, so müssen diese zunächst in die j3- Halogenamine oder die ß-Aminoalkohole übergeführt werden. So wird z. B. der Grundkörper, das Äthylenitnin, hergestellt, indem man Äthylen zum Dichloräthan chloriert und dieses anschließend mit Ammoniak umsetzt. Die bekannten Verfahren zur Herstellung von C-substituierten Aziridinen aus Olefinen sind komplizierter. Sie bestehen beispielsweise darin, daß man Nitrosylchlorid, Jodazid, N,N-Dichlorurethan oder Jodisocyanat in Form von Silbercyanat und Jod an das Olefin anlagen, wobei eine 0-Halogen-alkylstickstoffverbindung entsteht, deren stickstoffhaltige Gruppe durch Reduktion oder Verseifung in eine Aminogruppe übergeführt wird. Die so erhaltene Verbindung wird anschließend zum Aziridin cyclisiert.

Es ist aber auch bekannt, C-substituierte Aziridine in der Weise zu gewinnen, daß man z. B. das Olefin epoxidiert, den Epoxidring mit Ammoniak öffnet und den gebildeten ^-Aminoalkohol über seinen Schwefelsäureester zum Aziridin umsetzt.

Ferr er ist es bekannt, zunächst ein N-substituiertes Aziridin herzustellen und dieses durch anschließendes Abspalten des N-ständigen Substituenten in das am Stickstoff unsubstiiuierte Aziridin umzuwandeln. Dies geschieht beispielsweise durch gemeinsame Anlagerung von Chlor und Acetonitril an die Olefine, Hydrolyse der erhaltenen Addukte zu ^-Chloralkylacylaminen, Cyclisierung der Acylamine durch Baseneinwirkung zu N-Acylaziridinen, aus denen in bekannter Weise die Acylgruppe abgespalten wird. In einem speziellen Fall wird N-Brom-succinimid als Halogenierungsmittel von Cyanamid als Nitril verwendet Um zu den N-unsubstituierten Aziridinen über N-substituierte Aziridine zu gelangen, ist es weiterhin bekannt, substituierte Azide an Olefine unter Bildung von Triazolinen anzulagern, die in einer Folgereaktion unter Stickstoffabspaltung zu N-substituierten Aziridinen führen. Am Stickstoff unsubstituierte Aziridine können dann nach diesem Verfahren durch Abspaltung des N-Substituenten in einer zweiten Stufe, beispielsweise mit Üthiumalanat, erhalten werden. Als Azide können Cyanazid oder, bei Einsatz geeigneter Olefine, Azidoameisensäureester verwendet werden.

Schließlich ist es bekannt, Azidoameisensäureester mit Olefinen auch in der Weise zu am Stickstoff unsubstituierten Aziridinen umzusetzen, daß man aus dem Ester durch Stickstoffabspaltung entstehendes Alkoxycarbonylnitren auf das Olefin einwirken läßt, wobei das substituierte Aziridin entsteht, aus dem durch Abspaltung der Alkoxycarbonylgruppe das am Stickstoff unsubstituierte Aziridin erhalten wird.

Der 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 Reaktionsstufen.

Zweck der Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden.

Es bestand somit die Aufgabe, Aziridine der allgemeinen Formel I

R¹

R²

N
H

R³

R⁴

in der R', R², R³ und R⁴ Wasserstoff, eine Alkyl-, Cycloalkyl- oder Aryl- oder eine sauerstoff- oder stickstoffhaltige Gruppe bedeuten oder die Gruppierung R' - C - R² bzw. R³ — C — R⁴ oder die Gruppierung R¹-C-C-R³ bzw. R2-C-C-R⁴ einen cycloaliphatischen Ring bildet in einer einstufigen Reaktion unter Verwendung leicht zugänglicher und bequem handhabbarer Ausgangsprodukte herzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man ein Olefin der allgemeinen Formel II

R¹

R²

R³

C — C

(II)

R⁴

in der R¹ R^ R^J und R⁴ die obengenannte Bedeutun

haben, mit einem am Stickstoff unsubstituierten Oxaziridin, das am Ringkohlenstoff ein oder zwei Alkylgruppen, die zusammen mit einem C-Atom einen cycloaliphatischen Ring bilden können, oder einen Arylrest trägt, in einem aprotischen Lösungsmittel bei 5 Temperaturen von 50 bis 150° C umsetzt und das gebildete Aziridin in an sich bekannter Weise aus dem Reaktionsprodukt isoliert

Als Lösungsmittel kann jedes aprotische Lösungsmittel verwendet werden, in dem die Oxaziridine beständig ι ο sind. Vorteilhaft arbeitet man in Toluol oder Chlorbenzol. Auch ein Oberschuß von Olefin ist als Lösungsmittel geeignet

Die für die Umsetzung erforderlichen Oxaziridine können leicht aus Aldehyden oder Ketonen mit Ammoniak und Hypochloritlösungen oder mit Chloraminlösungen und Natronlauge oder auch mit Hydroxylamin-O-sulfonsäure und Natronlauge nach bekannten Verfahren in Lösung hergestellt und ohne Isolierung verwendet werden.

Die für die Oxaziridinherstellung benötigte Carbonylverbindung wird bei der Aziridinbildung zurückgebildet und kann erneut für die Oxaziridinsynthese eingesetzt werden. Die für die Oxaziridinherstellung benötigten Carbonylverbindungen und Aminierungsreagenzien sind billige und technisch leicht zugängliche Verbindungen.

Die Reaktionsbedingungen sind sehr schonend, da die Reaktion thermisch verläuft und keine Katalyse durch Säuren oder Basen erfordert. Die Arbeitstemperaturen liegen zwischen 50 und 150° C, also in einem Temperaturbereich, in dem die gebildeten Aziridine stabil sind.

Die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches kann in bekannter Weise durch Destillation oder Extraktion erfolgen. Sowohl bei der destillativen Aufarbeitung wie auch bei der Extraktion kann neben der dem Oxaziridin zugrunde liegenden Carbonylverbindung auch das überschüssige Olefin zurückgewonnen werden.

Das nach beendeter Umsetzung gebildete Aziridin kann mit wäßriger Säure extrahiert und die verbleibende, die Carbonylverbindung und überschüssiges Olefin enthaltende Lösung erneut zur Herstellung von Aziridinen verwendet werden, indem man die Carbonylverbindung durch Einwirkung einer wäßrigen Lösung eines Aminierungsmittels in das entsprechende Oxaziridin überführt und das erhaltene Reaktionsgemisch nach Abtrennung der wäßrigen Phase erhitzt Dabei überträgt das Oxaziridin seine NH-Gruppe auf das Olefin, und es entsteht Aziridin.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bedeutenden Vorteile auf, daß es, von leicht zugänglichen und bequem handhabbaren Einsatzprodukten ausgehend, einstufig verläuft und dabei aus sterisch einheitlichen Olefinen sterisch einheitliche Aziridine gebildet werden.

Die gewonnenen Aziridine sind wertvolle Ausgangsprodukte für die Herstellung zahlreicher Substanzklassen von technischer Bedeutung, wie Schaumstabilisatoren, Pharmazeutika u. a.

Beispiel 1

60

0,14 Mol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 740 ml Toluol und 91,5 g (0,765 Mol) <x-Methylstyrol erhitzt man 3 Stunden am Rückfluß. Danach hat sich die Lösung rotorange gefärbt, und das eingesetzte Oxaziridin läßt sich nicht mehr nachweisen. Man engt die Reaktionslösung am Rotationsverdampfer auf etwa 80 ml und destilliert im Vakuum. Man erhält 12,1 g (65% der Theorie) 2-Phenyl-2-methyl-aziridin vom Siedepunkt 104° C bei 18 Torr.

Das verwendete 3,3-Pentamethylen-oxaziridin wird in folgender Weise hergestellt:

In einen 2-Liter-Schütteltrichter gibt man 500 ml Toluol, 100 ml Cyclohexanon, 100 ml 2n-wäßriges Ammoniak und 400 ml Eiswasser. Man schüttelt 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 mMol (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

Beispiel 2

46 mMol 3,3-Diäthyl-oxaziridin in 650 ml Toluol und 54,4 g (460 mMol) «-Methylstyrol erhitzt man 6,5 Stunden am Rückfluß. Man engt die Reaktionslösung am Rotationsverdampfer ein; den Rückstand fraktioniert man im Vakuum und erhält 136 g (32% der Theorie) 2-Phenyl-2-methylaziridin vom Siedepunkt 94 bis 95°C bei 14 Torr.

Beispiel 3

25 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin erhitzt man in 105 ml Λ-Methylstyrol innerhalb von 10 Minuten auf 150° C. Man hält die Reaktionslösung 10 Minuten bei dieser Temperatur, wonach das eingesetzte Oxaziridin nicht mehr nachgewiesen werden kann. Man engt die Reaktionslösung im Rotationsverdampfer ein; den Rückstand fraktioniert man im Vakuum und erhält 2,32 g (70% der Theorie) 2-Phenyl-2-methyl-aziridin vom Siedepunkt 104° C bei 18 Torr.

Beispiel 4

20 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 95 ml Toluol und 20,8 g (200 mMol) Styrol werden 2 Stunden am Rückfluß erhitzt. Die Reaktionslösung wird im Rotationsverdampfer eingeengt; den Rückstand fraktioniert man im Vakuum und erhält 1,26 g (53% der Theorie) 2-Phenyl-aziridin vom Siedepunkt 90 bis 93°C bei 10 Torr.

Beispiel 5

150 mMol 3-Phenyl-oxaziridin in 1,8 Liter Toluol und

156 g (1,5 MoI) Styrol werden 30 Minuten am Rückfluß 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 93° C bei 10 Torr.

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 Theorie) 1,2-Indenimin, das als N-(Phenylcarbamoyl)-l,2-indenimin vom Schmelzpunkt 143 bis 146°C identifiziert wird.

Beispiel 7

20 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 110 ml Toluol und 13 g (97 mMol) p-Methoxystyrol werden 1 Stunde am Rückfluß erhitzt. Die Reaktionslösung wird prn VprHamnfpr pjncrppnart Ορη Rii^l^clanH fralrtir\njprt

man im Vakuum und erhält 1,34 g (45% der Theorie) 2-(p-Methoxyphenyl)-aziridin vom Siedepunkt 85 bis 90° C beil Torr.

Beispiele ^

20 mMol 3,3-Pentamethyien-ox?.7iridin in 110 ml Toluol und 9,4 g (100 mMol) Norbornen werden 6 Stunden am Rückfluß erhitzt. Man destilliert im Vakuum das Lösungsmittel und Cyclohexanon ab und erhält aus dem Rückstand 0,7 g (32% der Theorie) 3-Azatricyclo- >o [3,2,1,0²-⁴ "°]-octan vom Schmelzpunkt 80 bis 82° C.

Beispiel 9

20 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 120 ml Toluol und 18 g (100 Mol) 1,1-Diphenyläthylen erhitzt man 3 Stunden am Rückfluß. Die Reaktionslösung enthält 2,7 g (68% der Theorie) 2,2-Dipehnyl-aziridin.

Beispiel 10

40 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 200 ml Toluol und 23,6 g (200 mMol) 0-Methy!styroI 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 113° C bei 20 Torr

Beispiel 11

20 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 100 ml Toluol und 14,8 g (100 mMol) trans-4-Methoxy-i-propenyl-benzol (Anethol) werden 2,5 Stunden am Rückfluß erhitzt. Die Reaktionslcsung enthält 1,17 g (36% der Theorie) trans-2-(p-Methoxy-phenyl)-3-methyl-aziridin.

Beispiel 12

250 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 1,15 Liter Toluol und 264 g (2 Mol) Dicyclopentadien werden I¹/4 Stunde am Rückfluß erhitzt. Man erhält eine dunkelrote klare Reaktionslösung, die am Rotaticnsverdampfer auf etwa 70 ml eingeengt wird. Man destilliert im Vakuum und erhält nach einem Voiiauf, bestehend aus überschüssigem Dicyclopentadien und Cyclohexanon, 14 g Rohprodukt, aus dem durch wiederholte Destillation 4 g (11% der Theorie) 8,9-Dicyclopentadienimin vom Siedepunkt 75 bis 8O⁰C bei 0,i Torr erhalten werden.

Beispiel 13

85 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 500 ml Toluol und 45 g (850 mMol) Acylnitril erhitzt man 5 Stunden am Rückfluß. Die trübe Reaktionslösung 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 78° C bei 8 Torr.

Beispiel 14

10 mMol 3,3-Pentamethylen-oxaziridin in 80 ml Toluol werden nach Zusatz von 20,8 g (200 mMol) Styrol 2 Stunden am Rückfluß erhitzt. Das in 51%iger Ausbeute gebildete 2-Phenyl-aziridin wird durch zweimaliges Ausschütteln mit verdünnter Schwefelsäure extrahiert. Die von Aziridin befreite toluolische Lösung wird mit 6,25 ml 2 η-wäßrigem Ammoniak und 30 ml Eiswasser versetzt und nach Zugabe von 12,5 mMol einer 1 m-Natriumhyochloritlösung 30 Sekunden kräftig geschüttelt. Man trennt die wäßrige Phase ab, schüttelt die toluolische Lösung zweimal mit Wasser aus und trocknet mit Natriumsulfat. Man erhitzt die Lösung zum Sieden und extrahiert das mit 42%iger Ausbeute gebildete 2-Phenyl-aziridin mit verdünnter Schwefelsäure. Aus den schwefelsauren Extrakten wird das 2-Phenyi-aziridin durch Alkalisieren unter Kühlung und Extraktion isoliert.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von Aziridinen der allgemeinen Formel!

R¹

R²

— C