DE2612749C3

DE2612749C3 - Verfahren zur Herstellung von 2,6,6-Trimethyl-2-cyanmethyltetrahydropyran

Info

Publication number: DE2612749C3
Application number: DE2612749A
Authority: DE
Inventors: Maurizio Mailand Brunelli; Edoardo San Donato Milanese Platone; Aldo San Donato Milanese Prevedello
Original assignee: ANIC SpA PALERMO (ITALIEN)
Current assignee: ANIC SpA PALERMO (ITALIEN)
Priority date: 1975-03-27
Filing date: 1976-03-25
Publication date: 1980-06-12
Also published as: DK142986B; PT64931B; EG12421A; NL7603279A; NL164856B; NL164856C; GB1506328A; ES446618A1; YU240682A; SU591144A3; US4284567A; MX3176E; DE2612749A1; YU79776A; AU503650B2; RO76213A; AU1235076A; RO70657A; CH628042A5; IN147573B

Description

CH,

CH,CN

und 2-Methyl-2-cyanmethyI-5-isopropyltetΓahydrofuran der Formel:

CH, CH,

CH,

CH

CH₃

CH,

CH,CN

dadurch gekennzeichnet, daß man 3,7-Dimethyl-3-hydroxy-6-octennitril in Gegenwart eines inerten organischen Lösungsmittels und eines Kationenaustauscherharzes bei einer Temperatur von 20 bis 180° C cyclisiert.

Zur Synthese substituierter Tetrahydropyrane sind verschiedene Verfahren bekannt, so z. B. die Cyclisierung von Glykolen unter Wasserabspaltung, die Cyclisierung von enolisierten Carbonylderivatcn, die Oxidation von primären Terpenalalkoholen wie Citronellol. Von besonderem Interesse wegen der Einfachheit der Durchführung ist der Ringschluß von Alkoholen mit älhylenischen oder acetylenischen Bindungen, insbesondere im sauren Milieu. Verschiedene Säuren können angewandt werden, wie 85%ige Ameisensäure, verdünnte Schwefelsäure, ein Gemisch von Schwefelsäure und Essigsäure, p-Toluolsulfonsäure, 85%ige Phosphorsäure; eine große Anzahl dieser Säuren erfordert jedoch Temperaturen über Raumtemperatur. All diese Verfahren ergeben jedoch nur geringe Ausbeuten.

In »Bulletin de la Societe Chimique de France«, 1962, 177 bis 182 sowie der DE-AS 14 93 793 werden Verfahren beschrieben, bei denen hydroxylgruppenhaltige ungesättigte Verbindungen mit Hilfe einer Säure zu Tetrahydropyran- bzw. Teirahydrofuran-Derivaten cyclisiert werden. Bei dieser Reaktion tritt neben der Cyclisierung eine Wasserabspaltung ein, die zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte führt. Außerdem müssen die entstehenden Produkte sorgfältig von der als Katalysator verwendeten Säure befreit werden.

Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von 2,6,6-Trirncthyl-2-cyanrncthy!tctrahydropyran und

2Methyl-2-cyanmethyl-5-isopropyltetrahydrofuran gefunden, das die oben erwähnten Nachteile vermeidet.

Das erfinoungsgemäße Verfahren zur Herstellung von 2,6,6-Tnmethyl-2-cyanmethyl-tetrahydropyran und 2-Methyl-2-cyanmethyl-5-isopropyl-tetrahydrofuran ist dadurch gekennzeichnet, daß man 3,7-Dimethyl-3-hydroxy-5-octennitryl in Gegenwart eines inerten organischen Losungsmittels und eines Kationenaustauscherharzes bei einer Temperatur von 20 bis 180⁰C cyclisiert

Bei dieser Cyclisierung tritt überraschenderweise keine Wasserabspaltung ein und die gewünschten Produkte werden in hoher Ausbeute und sehr guter Selektivität erhalten. Außerdem treten keine teer- oder harzartigen Nebenprodukte auf und die Reaktion läßt sich leicht in üblicher Weise kontinuierlich im großtechnischen Umfang durchführen.

Ob das betreffende Tetrahydropyran oder Tetrahydrofuranderivat in überwiegender Menge gebildet wird, hängt von der angewandten Menge an Kationenaustauscherharz sowie der Temperatur ab. Bei Temperaturen zwischen 20 und 150° C, vorzugsweise zwischen 80 und 120° C und Verwendung fast katalytischer Mengen eines Kationenaustauscherharzes, z. B. eines entsprechenden Sulfonsäureharzes läuft die Reaktion auf die Bildung des Tetrahydropyranderivats hinaus. Werden jedoch größere Harzmengen als katalytische Mengen bis zu einem Gewichtsverhältnis des Harzes zu dem Hydroxynitril von zumindest 1 angewandt, so läuft die Reaktion vorwiegend in Richtung auf das Tetrahydrofuranderivat In die gleiche Richtung führt auch eine 2ί Temperaturerhöhung, wobei ebenfalls fast katalytische Harzmengen angewandt werden können. Dabei sind Temperaturen zwischen etwa 80 und 180, vorzugsweise 150 bis 180°C vorteilhaft. Bei gleichzeitiger Erhöhung der Katalysatormenge und der Temperatur können zur Bildung des Tetrahydrofuranderivats kürzere Reaktionszeiten angewandt werden.

Ferner wurde überraschenderweise festgestellt, daß sich das Tetrahydropyranderivat in das entsprechende Tetrahydrofuranderivat umlangert, wenn man es den obengenannten Reaktionsbedingungen (Harzmenge und/oder Temperatur) unterwirft, bei denen überwiegend das Tetrahydrofuranderivat gebildet wird.

Als Kationenaustauscherharze eignen sich verschiedene Arten derartiger Harze. Die anzuwendende Menge ist eine Funktion des Säuregruppengehaltes in mval/g des Harzes.

Das 2,6,6-Trimethy!-2-cyanmethy!-tetrahydropyran besitzt wohlriechende Eigenschaften und gute Stabilität gegen Alkalien, die Nitrilgruppe kann in bekannter Weise z. B. in eine Ester-, Amid-, oder Aldehydgruppe umgewandelt werden.

Die Tetrahydrofuranverbindung besitzt Bedeutung in ihrer Anwendung als Duftstoff für Detergentien aufgrund ihrer beträchtlichen Stabilität im alkalischen Milieu.

Die Erfindung wird an folgenden Beispielen und Vergleichen erläutert. Die gaschromatographische Bestimmung wurde mit Hilfe eines Perkin-Elmer-Gaschromatographen 900 an mit Natriumcarbonat gebrannten und mit 2,5% Methylsilicon-Kautschuk behandeltem Kieselgel durchgeführt: Feinheit 0,15 bis 0,18 mm, Strömungsgeschwindigkeit 40 ml/min bei 140°C isotherm, Dicke der Säule 0,3 cm, Länge 2 m, interner Standard Nitrobenzol.

Beispiel 1

40 g SJ-Dimethyl-S-hydroxy-ö-octennitril wurden in einen 1-Liter-Kolben der mit Rührer und Kondensator ausgestattet war, gefüllt und dann 400 ml Toluol und 8 g eines grobporigen Kationenaustauscherharzes mit 4,6 mval Sulfongruppen je g Harz, der aus einem Styrol-

Divinylbenzol-Mischpolymeren erhalten worden ist, zugesetzt Das Ganze wurde 3 Stunden unter heftigem Rühren am Sieden gehalten (etwa IH⁰C). Nach dem Abkühlen wurde das Harz abfiltriert, mit 400 ml Toluol in 3 Anteilen gewaschen und das Lösungsmittel abgedampft

Aus dem erhaltenen Rohprodukt ergab sich durch gaschromatographische Untersuchung eine Umsetzung von 98%, sowie eine Selektivität von 92% und eine Ausbeute von 90% an dem Tetrahydropyranderivat

Durch fraktionierte Destillation erhielt man das reine 2,6,6-Trimethyl-2-cyanmethyl-tetrahydropyran vom Kp.3 80 bis 81°C. Die Identifizierung des 2,6,6-Trimethyl-2-cyanmethyltetrahydropyrans ergab sich aus dem Kernresonanzspektrum entsprechend der folgenden Formel II:

(4)

I / \ O) CH₁ CH₂ CH₃ (2)

C C

/ \ / \ (7) CH₃ O CH₂CN(I)

(6) CH₂

Chemische Verschiebungen gegenüber TMS (Tetramethylsilan) nerer Standard Hexanmethyldisilazan (HMDSI):

(Lösungsmittel Tetrachlorkohlenstoff, in-

IR-Spektrum:
2980 stark,
1420 schwach,
1215 mittel,
1030 stark,
705 schwach,

(3,4,5)
(6,7)

2940 stark,
1375 stark,
1120 stark,
1000 stark,
695 schwach.

-CH₂-CN -CH₃ -(CH₂J₃ (CH₃J₂C=:

2,44 ppm Singulett

133 ppm Singulett

1,51 ppm Multiplen

1,21 ppm Singulett

2240 mittel, 1365 mittel, 1100 schwach, 990 stark, 1470 mittel,
1355 mitte'
1080 schwach,
830 mittel,

1455 mittel,
1225 stark,
1070 stark,
815 schwach,

Das Massenspektrum zeigt kein molekulares Ion; es zeigt deutlich Ionen bei m/e 152 (CgHiNO)⁺ und bei m/e 127 (C₈Hi₅O)⁺; die Formeln sind durch hohe Auflösung bestätigt Die Ionen sind Bruchstücke folgender Art:

CH₂

CH,

CH₂CN

- CH₇CN

m/e =fe 1 52

m/e =£ 127

Elenientaranalyse für Ci₀Hi₇NO:
Berechnet: C 71,9, H 10,2, N 8,4%;
gefunden: C 71,9, H 10,5, N 8,7%.

π »=1.4546.

Beispiel 2

10 g Sy-Dimethyl-S-hydroxy-e-octennitril wurden in einen mit Rührer und Kondensator ausgestatteten 500 ml-Kolben gegeben und 100 ml Tetrahydrofuran, sowie 2 g eines Ionenaustauschers gemäß Beispiel 1 zugesetzt und das Ganze unter heftigem Rühren 25 Stunden am Sieden gehalten. Nach dem Abkühlen wurde das Harz abfiltriert und mit 100 ml Tetrahydrofuran in 3

4^r> Anteilen gewaschen. Das Filtrat und die Waschflüssigkeiten wurden vereinigt und das Lösungsmittel abgedampft. Das erhaltene Rohmaterial ergab bei der gaschromatographischen Untersuchung eine Umsetzung von 88%, eine Selektivität von 83% und eine Ausbeute

jo von 73% an dem Tetrahydrofuranderivat

Beispiel 3

10 g 3,7-Dimethyl-3-hydroxy-6-octennitril wurden mit 100 ml Dioxan (kp 100 bis 102⁰C) verdünnt und in einen mit Rührer und Kondensator ausgestatteten Kolben gegeben. Dann wurden 2 g eines Ionenaustauscherbo harzes wie in Beispiel 1 zugesetzt, das Ganze zum Sieden gebracht und unter heftigem Rühren 3 Stunden kochen gelassen, dann abgekühlt, das Harz abfiltriert, mit 100 ml Dioxan in drei Anteilen gewaschen und das Lösungsmittel aus dem mit der Waschlösung vereinigte-> ten Filtrat abgetrieben. Die Umsetzung betrug 91%, die elektivität 87% und die Ausbeute an Tetrahydropyranderivat 79% (gemäß gaschromatographischer Untersuchung).

Beispiel 4

70 g SJ-Dimethyl-S-hydroxy-ö-octennitril (Reinheit 98%) wurden in einen 2-Iiter-Kolben, ausgestattet mit Rührer, Kondensator, Thermometer und Schraubstopfen mit Siliconmembran für die Probenentnahme eingebracht, dann 700 ml Toluol und 70 g eines Ionenaustauschers wie in Beispiel 1 zugesetzt Das Ganze lvurde 14 Stunden unter Rückfluß am Sieden gehalten, dann abgekühlt, filtriert, das Harz mit 700 ml Toluol in drei Anteilen gewaschen und aus dem mit der Waschlösung vereinigten Filtrat das Lösungsmittel abgedampft

Man erhielt 75 g eines Rohproduktes, welches noch etwas Toluol enthielt; durch Gaschromatographie vrarde, bezogen auf das Tetrahydrofuranderivat, eine Umsetzung von 99% und eine Selektrivität sowie Ausbeute von 70% festgestellt

Wird die Reaktion nach kürzerer Zeit abgebrochen, so werden verschiedene Gemische mit ier betreffenden Tetrahydrufuran und Tetrahydropyran Verbindung erhalten.

Aus dem obigen Rohprodukt erhielt man durch fraktionierte Destillation reines 2-Methyl-2-cyanmethyl-5-isopropyltetrahydrofuran vom Kp^ 98 bis 99° C, dessen Konstitution durch IR-Spektroskopie, Kernresonanzspektroskopie und Massenspektroskopie, sowie gaschromatographisch in einer Kapillarkolonne festgestellt wurde.

a) Gaschromatografie in einer Kapillarkolonne

Eine gaschromatographische Analyse in einer 3,8 m χ 0,5 mm »Carbowax 2OM Kapillarkolonne« wurde bei konstanter Temperatur von 150⁰C durchgeführt

Man stellte zwei Peaks bei 54 min, 45 s und 56 min, 10 s fest Die Peakts hatten — grob gesprochen — den gleichen Flächenbereich (der erste etwa 46% der !Summe von beiden).

unter Bildung von stabilen Oxoniumionen wie nachstehend beschrieben:

CH, CH,

CH₂-

-^R- \i

CH,

C-R

(M-H)+ (M-CH₃)+ (M-CH₂CN)+ (M-C₃H₇)+

m/e m/e m/e m/e

(1,5%) (1,5%) (2%) (100%)

c) Kernresonanzspektrum

Das ¹HN MR Spektrum zeigt deutlich die Anwesenheit von eis- und trans-Isomeren von 2-Methyl-2-cyanmethyl-5-isopropyltetrahydrofuran in nahezu äquimola-20 ren Mengen.

Der Werte der chemischen Verschiebung ohne Angabe der Anteile der einzelnen Isomeren der Formel VI und VII:

25 CH₂ CH₂

(5) H CH₃ (2) (VI)

(7)CH₃-~CH

CH₃

(8)

CH₂-CN (D

(4") CH₂ CH₂

(5) H

(T)CH₃-CH¹⁰'

(3) "CH₂-CN(I")

(VII)

CH₃

b) Massenspektroskopie

Das Massenspektrum zeigt ein Molekularion schwa- "(8") eher Intensität -M⁺ (1%) bei 167 m/e.

Merkliche Fragmente sind vorhanden, die einem Ver- 45 ergeben sich aus folgender Aufstellung gegenüber lust verschiedener Substituenten an den Kohlenstoff- Tetramethylsilan (TMS) (Lösungsmittel, Deuteroatomen in «-Stellung zum Sauerstoffatom entsprechen chloroform, innerer Standard TMS)

5—5'

CHO

ppm Multiplen

4—3:4'—3'

6—6'

—CH,-CN

(CH₂),

CH-

^CCH,

2,52 2.50	,50 1,50	ppm ppm	Singulett Singulett
2,18-1 2,18-1	!,50	ppm ppm	Multiplett Multiplen
2,18- I		ppm	Multiplen
1,33 1.32	ppm ppm	Singulett Sinculett

7 8 7' 8'

(CH^)₂C

a) IR (in cm-')

2980 stark

1365 mittel

1380 stark

1230 schwach

1045 stark
850 mittel
650 schwach

πι¹= 1,4495.

2960 stark
1470 stark
1320 schwach
1180 sehr schwach
1010 sehr schwach
830 sehr schwach

26 12 749	0,94 ppm	8	2250 mittel
/	ν (.1 = 7 Hz)	Dupleti	1420 schwach
0,86 ppm		1260 sehr schwach
(J = 7 Hz)	Duplcll	1080 sehr schwach
2940 stark		920 schwach
1460 mittel		705 sehr schwach
1280 schwach
1115 stark
975 sehr schwach
770 schwach

Beispiel 5

30 g 3,7-Dimethyl-3-hydroxy-6-octennitril wurden in einen 500 ml-KoIben mit Rührer und Kondensator gegeben und 300 ml Xylol zusammen mit 40 g eines Ionenaustauscherharzes wie in Beispiel 1 zugefügt. Das Ganze wurde zum Sieden gebracht (136 bis 138⁰C) und 3 Stunden unter Rückfluß erhitzt, dann abgekühlt, filtriert und das Harz 3 χ mit 100 ml Xylol gewaschen und anschließend mit 300 ml Xylol in etwa 10 Stunden extrahiert. Die Xylollösungen wurden mit dem Filtrat vereinigt und gaschromatographisch eine Umsetzung von 99% eine Ausbeute von 68% und eine Selektivität von 69% an der Tetrahydrofuranverbindung festgestellt.

Beispiel 6

30 g gemäß Beispiel 1 erhaltenes 2,6,6-Trimethyl-2-cyanmethyltetrahydropyran (Reinheit 95,5%) enthaltend 3,3% 2-Methyl-2-cyanmethyl-5-isopropyltetΓahydrofuran, wurden in einen 1-Liter-Kolben, der mit Rührer und Kondensator ausgestattet war, eingebracht und 300 ml Xylol und 40 g eines Ionenaustauscherharzes wie in Beispiel 1 zugesetzt. Dann wurde das Ganze 2 Stunden unter Rückfluß zum Sieden erhitzt (136 bis 138"C), dann abgekühlt, das Harz abfiltriert und mit 3 χ 100 ml Xylol gewaschen. Nun wurde das Harz 10 Stunden mit 300 ml Xylol extrahiert und die Xylollösung mit dem Filtrat vereinigt Die erhaltene Lösung wurde gaschromatographisch untersucht, wobei eine Umsetzung von 91,4%, eine Selektivität von 77,4% und eine Ausbeute von 70,9% an der Tetrahydrofuranverbindung ermittelt wurde.

Beispiel 7

20 g 3,7-Dimethyl-3-hydroxy-6-octennitril (Reinheit 98%) wurden in einem 500 ml-KoIben, ausgestattet mit Rührer und Kondensator, eingebracht und 200 ml Xylol und 4 g eines Ionenaustauscherharzes wie in Beispiel 1 zugesetzt. Dann wurde das Ganze i4 Stunden unter Rückfiuß zum Sieden erhitzt (136 bis 138⁰C), dann abgekühlt, das Harz abfiltriert und mit 200 ml Xylol in 3 Anteilen gewaschen. Durch gaschromotographische Analyse der vereinigten Xylollösungen ergab sich — bezogen auf Tetrahydropyranverbindung von 34% und eine Ausbeute an der betreffenden Tetrahydrofuranverbindung von 42%.

Beispiel 8

30 g 3,7-Dimethyl-3-hydroxy-6-octennitriI (Reinheit 98%) wurden in einen 500-ml-Kolben, ausgestattet mit Rührer und Kondensator, gegeben und 4 g eines lonenaustauscherharzes wie in Beispiel 1 sowie 200 ml Tetrahydronaphthalin zugefügt Der Kolben wurde in einen Thermostat gebracht und unter Rühren auf 180° C gehalten. Die Gaschromatographie ergab in nach verschiedenen Zeiten entnommenen Proben einen allmählichen Anstieg des Verhältnisses von entstandenen Tetrahydrofuranderivat zu der Summe der entstandenen Tetrahydrofuran- und Tetrahydropyranderivate. Nach 9,5 Stunden wurde die Reaktionsmasse abgekühlt, das Harz abfiltriert und mit 200 ml Tetrahydronaphthalin in 3 Anteilen gewaschen. Durch Gaschromatographie der erhaltenen vereinigten Lösungen ergab sich für das Rohprodukt eine Umsetzung von 99%, eine Ausbeute an dem betreffenden Tetrahydrofuran von 34% und eine Ausbeute an dem betreffenden Tetrahydropyran von 9%.

Vergleichsbeispiel 1

40 g SJ-Dimethyl-S-hydroxy-e-octennitril wurden in 5 Minuten in einem mit Magnetrührer ausgestatteten 2-Liter-Kolben, der 400 ml 85%ige Phosphorsäure enthielt, eingebracht. Die Lösung wurde 15 Minuten heftig gerührt, dann der Kolben in ein Wasserbad gestellt und

J5 der Kolbeninhalt mit 600 ml entionisierten Wasser versetzt Anschließend wurde das Ganze mit 400 ml Äther extrahiert, die Ätherextrakte vereinigt, einmal mit Wasser gewaschen und dann mit einer gesättigten Natriumbicarbonatlösung versetzt und nocheinmal Wasser bis zur Neutralität zugegeben. Die vereinigten Ätherextrakte wurden über Natriumsulfat über Nacht getrocknet, anschließend filtriert und das Lösungsmittel abdestilliert Man erhielt 39,3 g eines Rohproduktes, dessen gaschromatographische Untersuchung eine Umsetzung von 98%, eine Selektivität von 68% und eine Ausbeute von 66% an Tetrahydropyranverbindung ergab.

Vergleichsbeispiel 2

In einen 500 ml-Kolben mit äußerer Eiskühlung und Rührer wurden 100 g 85%iger Phosphorsäure vorgelegt und dann 10 g 3,7-Dimethyl-3-hydroxy-6-octennitril unter Rühren zugetropft Nach beendeter Zugabe wurde der mit einem Kondensator versehene Kolben in einen Thermostat von 80⁰C eingesetzt und die Reaktion unter Rühren 5 Stunden weiter geführt Nach dem Abkühlen wurde das Reaktionsgemisch in ein Becherglas, enthaltend 300 g Eis, gegossen. Es bildet sich ein öl, welches an den Glaswänden klebte. Die entstandene wäßrige Phase wurde verworfen und das öl wiederholte Male mit gesättigter Natriumbicarbonatlösung und dann mit Wasser bis zur Neutralität gewaschen. Das öl wurde im Vakuum getrocknet, mit einer geringen Menge Methyläther gewaschen und nochmals im Vakuum getrocknet

Man erhielt ein hoch viskoses Pech, welches sich nicht destillieren ließ, selbst nicht unter sehr hohem Vakuum und bei hohen Temperaturen.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von 2,6,6-Trimethyl-2-cyanmethyltetrahyJropyran der Formel

CH,

CH,
/ \
CH, CH,