DE2708185C3

DE2708185C3 - Verfahren zur Herstellung von α-Ketocarbonsäuren

Info

Publication number: DE2708185C3
Application number: DE2708185A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Chem. Dr. Herbert 6450 Hanau Klenk
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1977-02-25
Publication date: 1981-06-04
Also published as: AT367014B; DE2708185A1; CH627430A5; ATA392777A; IT1143581B; IL52239A0; FR2381735B1; FR2381735A1; JPS6055497B2; DD131013A5; IL52239A; BE855257A; DE2708185B2; NL7706161A; SU793376A3; JPS53105423A; GB1533818A

Description

in der R ein Wasserstoffatom ist, R₁ und R₂ gleich oder verschieden sind und für einen, gegebenenfalls ein- oder mehrfach durch Alkylgruppen oder Halogenatome substituierten Alkylrest mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen stehen und R., außerdem ein Wasserstoffatom bedeuten kann und wobei R₁ und R., auch miteinander zu einem 3- bis 8gliedrigen, gegebenenfalls durch Alkylgruppen mit i bis 5 Kohlenstoffatomen oder durch Halogenatome, insbesondere Chloratome, ein- oder mehrfach substituierten Cycloalkylring verbunden sein können, mit der Maßgabe, daß in diesem Falle R zusätzlich für einen Alkylrest mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen stehen kann, durch Verseifung von Acylcyaniden der Formel

R O

R₁-C-C CN

III)

R OO

R₁-C C CNH,

(Uli

in der R, R, und R₂ die oben angegebenen Bedeutungen haben, zu Carbonsäureamiden der Formel

und Wciterverseifung der Amide zu den freien (»-Ketocarbonsäuren. dadurch gekenn- z e i c h π e t, daß man bei einer Temperatur von etwa — 70° C bis etwas 20° C die Acylcyanide der Formel II in einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, welches unter den Reaktionsbedingungen flüssig und inert ist, zuerst mit gasförmigem Chlorwasserstoff und dann mit Wasser behandelt, die Reaktionsmischung auf 0 C erwärmt und die gebildeten Carbonsäureamide der Formel III, gegebenenfalls nach einer Zwischenisolierung, in an sich bekannter Weise durch saure oder alkalische Hydrolyse in die ft-Kctocarbonsäuren der Formel I überführt.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß man die Zugabe von Chlorwasserstoff und Wasser bei einer Temperatur zwischen - 40° C und - 20° C durchführt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aliphatischen und cyeloaüphatischen \-Ketocarbonsäuren durch partielle Verseifung von Säurecyaniden zu Ketocarbonsäureamiden und Weiterverseifung von diesen zu den freien \-Ketoearbonsüuren.

Von diesen Säuren sind eine große Zahl Zwischenprodukte des Metabolismus als precursors der \-Aminosäuren oder treten in Transaminierungsverfahren ein. Sie können auch als Zwischenprodukte für die Herstellung von Herbiziden verwendet weiden.

Obwohl SUurecyanide auch in der aliphatischen Reihe bekannt und nach Labormethoden gut herstellbar sind (Houben-Weyl, Band 8, 1952 S. 304 bis 306), ist über deren Verseifung zu \-Ketocarbonsäuren wenig berichtet worden. Bevorzugt wurde diese Verseifung mit wäßriger konzentrierter £.>Lzsäure durchgeführt (Ber. dtsch. ehern Ges. 62, 1929, 2210 bis 2214).

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß nur geringe Ausbeuten an \-Kchicarb(insüuicn cr/.icil werden und diese zudem sehr oft unrein anfallen (J. ehem. Soc. 39, 13 19 [ 18811).

So ist bekannt, daß man Propionyleyanid durch Umsetzen mit konzentrierter Salzsäure und dann mit verdünnter Salzsäure zu 40% in Propionylameisensiiure umwandeln kann (Ber. dtseh. ehem. Ges. 13. 2121 2122 [188O]).

Auch die Verseifung des nächst höheren. \erzweigten Homologen des Isobutyrylcyanids wird noch beschrieben, doch werden keine Ausheuteanuaben gemacht (Ber. dtsch. ehem. Ges. 62. 2210 2214. [1929]: Journal Amer. ehem. Soe. 56. 2009 [1934]).

Eine Nacharbeitung dieser Verfahren ergab jedoch, daß die Ketosäurc nur in Spuren erhältlich ist.

Von dem nächst höheren Homologen, dem Isovalerylcyanid. dagegen ist bekannt, daß es sich nicht mehr zur entsprechenden Ketocarbonsäure umsetzen läßt (Ber dtseh. ehem. Ges. 62, 2210 2214 [1929]). Es ist weiter bekannt, daß dieses Verfahren keine nennenswerten Ergebnisse liefert, wenn der Rest R in der aliphatischen Struktur mehr als 3 Kohlenstoffatome enthält (DE-OS 22 08 568,.

Es ist weiter bekannt, Brenztraubensäure aus dem Nitril durch Hydrolyse in ätherischer Lösung und anschließende Hydrolyse des dabei erhaltenen Amids mit konzentrierter Salzsäure herzustellen. In der ersten Stufe wird bei diesem Verfahren eine Aus beute von 79« », bezogen auf das einsetzte Nilril, und in der zweiten Stufe von 64" o, bezogen auf das eingesetzte Amid, erhalten (J. Am. Chcm. Soc. Band 73 |I95I|. S. 5914). Hierbei kann bei Eistemperatur gearbeitet werden (J. Biol. Chem.. Band 176, S. 1333—1335 [I949|). Dieses Verfahren ist jedoch nicht auf andere Aus.gangsmaterialien übertragbar, wenn als Reaktionstemperatur die Temperatur von Eiswasser angewandt wild.

Die Verseifung von cycloaliphatischen Acylcyaniden ist bisher nicht beschrieben worden.

Es wurde nun gefunden, daß man -»-Ketocarbonsäuren der Formel

R O O

R₁ C -C COH

in der R ein WasserstolTatom ist, R₁ und Ri gleich oder verschieden sind und für einen, gegebenenfalls ein oder mehrfach durch Alkylgruppen oder Halogenatome substituierten Alkylrest mit I bis 18 Kohlenstoffatomen stehen und Ri außerdem ein WasserstolTatom bedeuten kann und wobei R₁ und Ri auch miteinander zu einem 3- bis 8gliedrigen, gegebenenfalls durch Alkylgruppen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen oder durch Halogenatome, insbesondere Chloratome, ein- oder mehrfach substituierten Cycloalkylring verbunden sein können, mit der Maßgabe, daß in diesem Falle R zusätzlich für einen Alkylrest mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen stehen kann, durch Verseifung von Acylcyaniden der Formel

R O

R,

ι C

R>

C -CN

III)

in der R. R, und R, die oben angegebenen Bedeutungen haben, /ti Carbonsäureamiden der Formel

R₁ C

ι
R

O O

Ii I!

C (Ml·

Ulli

und Weiterven cifung der Amide zu den freien \- Ketocarbonsäurcn auf einfache und allgemein anwendbare Weise herstellen kann, wenn man bei einer Temperatur von etwa 70 C bis etwa 20 C die Acylcyanidc der Formel Il in einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, welches unter den Reaktionsbedingungen flüssig und inert ist, oder in einem Gemisch solcher Lösungsmittel, zuerst mit gasförmigem Chlorwasserstoff und dann mit Wasser behandelt, die Reaktionsmischung auf OC erwärmt und die gebildeten Carbonsäurcamide der Formel III, gegebenenfalls nach einer Zwischenisolicrung, in an sich bekannter Weise durch saure oder alkalische Hydrolyse in die vKetocarbonsäuren der Formel I Überführt.

Im Rahmen dieser Erfindung werden jene Verbindungen bevorzugt hergestellt, in denen R₁ und R₂ *u einem Cyclopropylrest miteinander verbunden sind. Besonders bevorzugt sind in dieser Gruppe jene, deren Cyclopropylrest seinerseits durch ein oder insbesondere 2 Haiogenatome, insbesondere Chloratome, iubstituiert ist. Zu diesen gehören (2,2-Dichlor-l-methylcyclopropyl)- und (2,2-DichIor-l,3-dimethylcyclopropy!)-glyoxylsäuren.

Die Herstellung der als Ausgangsstoffe verwendeten Acylcyanide ist zum Beispiel in Houben Weyl. Methoden der organ. Chemie, Band 8, 1952, S. 304 bis 306, beschrieben. Sie können aber auch in vorteilhafter Weise durch Umsetzung der entsprechenden Acylhalogenide mit CuCN in einem Gemisch aus I bis 10 Gcw.-Teilcn eines inerten Carbonsäurenitrils und 0,5 bis 20 Gew.-Teilen eines inerten organischen Lösungsmittels bei einer Temperatur zwischen 50 und 18O⁰C erhalten werden. Diese Umsetzung ist auch in Gesenwart eines Gemisches aus 0,1 bis 5 Gew.-Teilen eines Alkalicyanidcs und 0,05 bis 2 Gew.-Teikn eines Kupfer(I)-Salzes an Stelle des CuCN möglich.

Als organische inerte Lösungsmittel, die im Rahmen dieser Erfindung verwendet werden können, kommen Kohlenwasserstoffe, wie Toluol, Chlorkohlenwasserstoffe, wie Dichlormethan, und Ketone, wie Aceton, in Frage. Besonders geeignet sind Äther, wie Diäthyl- > äther, Diisopropyläther, Äthylenglykoldiäther, und auch cyclische Äther, wie Dioxan. Auch Gemische dieser Lösungsmittel kommen in Frage.

Die Zugabe von Wasser in der ersten Hydrolysi*- stufe wird vorteilhaft bei einer Temperatur zwischen

in etwa 40 C und 20 C vorgenommen. Weiterhin ist es vorteilhaft, auch die Zugabe von ChlorwasserstolTgas in diesem Temperaturbereich vorzunehmen.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Ver-

r> fahren.» kann man große Mengen an überschüssigem, gasförmigem Chlorwasserstoff verwenden. Es ist jedoch im allgemeinen zweckmäßig, nicht mehr als IO Mol Chlorwasserstoff pro Mol Säurecyanid einzusetzen. Zum Beispiel kann auch mit einem Mol oder weniger gearbeitet werden. Wesentlich ist nur. daß Chloi wiissfistoff anwesend ist. Günstige Ergebnisse werden /um Beispiel bei Verwendung von etwa ? bis etwa 6 Mol Chlorwasserstoff erhalten.

Zur vollständigen Umsetzung eines Mols Säure-

-'"· cyanids zum ^-Ketocarbonsäureamid wird mindestens ein Mol Wasser benötigt. Bei entsprechend.r Reaktionsrührung können auch große, überschüssige Mengen Wasser anwesend sein. Es ist im allgemeinen jedoch zweckmäßig, nur geringe überstöchiometrische

»ι Mengen an Wasser zu verwenden. Zum Beispiel kann man einen Überschuß von 0,05 bis 5 Mol. insbesondere von 0,05 bis I Mol, Wasser pro Mol Acylcyanid einhalten.

j. Beispiel 1

In einer gegen Feuchtigkeit geschützten und mit einem Gaseinloiiungsrohr versehenen Rührapparatur wurden 97,1 μ (1.0 Mol) Isobuttersäurecyanid und 250 ml Äthyloiglykoldimethyläther vorgingt und auf

■fii - 30 C abgekühlt. Es wurde dann ein kräftiger Strom gasförmiger HCI zugeführt, bis 146 g (4,ü Mol) eingeleitet waren. Dann wurde innerhalb von 10 Minuten 21.6 g (1.2 Mol) Wasser bei - 30 C zugetropft und die Temperatur unter Rühren innerhalb von 2 Stunden

■*"> auf 0 C erhöht. Dann *urde ein kräftiger N₂-Strom eingeleitet und der überschüssige Chlorwasserstoff vertrieben. Die Lösung wurde schließlich bei 40 C im Wasserstrahlvakuum eingedampft, wobei ein gelblicher Kristallbrei zurückblieb. Dieser wurde

vi :nit k Ltr. 2 n-HCl versetzt und für eine Stunde unter Rühren auf 100 C erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde die wäß'ige Phase 3tnal mit je 100 ml Essigsäureäthylester extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden fraktioniert destilliert. Es wurden 94 g x-Oxo-

" isovaleriansäurc isoliert, was einer Ausbeute von 81 %. bezogen auf eingesetztes Säurecyanid. entspricht. Die Ketosäure hatte einen Siedepunkt von 75 76 C bei 20 mbar. Beim Abkühlen erstarrte sie zu einem Feststoff, der einen Schmelzpunkt von 30 bis 31 C besaß.

Beispiel 2

Es wurde wie in Beispiel I beschrieben verfahren, jedoch wurde statt Isobutlcrsäureeyanid 111,1 g (1.0 Mol) Isovaleriansäurecyanid eingesetzt und statt Äthy lenglykoldimethyläther Diäthyläther als Lösungsmittel verwendet. Die nach dem Ausschütteln vereinigten organischen Phasen wurden ebenfalls fraktioniert destilliert. Es wurden 125 g >-Oxoisocapron-

säure isoliert, was einet- Ausbeule von 96%, bezogen auf eingesetztes Süurccyunid, entspricht. Die Ketosäure hatte einen Siedepunkt von 84 bis 85 C hei 20 mbar.

Beispiel 3

Es wurde wie in Beispiel I beschrieben verfahren, jedoch wurde stall Isobuttersüurecyanid 111.1 g (1,0 Mol) O.L-I-Methylbullersäurecyanid verwendet und statt Äthylenglykoldimethylälher ein Gemisch aus 100 ml Toluol und 200 ml Diisopropyliither. Bei der fraktionierten Destillation wurden 109 g D.L-S-Melhyl-I-oxovaleriansäure erhalten, was einer Ausbeute von 83.7%, bezogen auf eingesetztes Säurecyanid, entspricht. Die Ketosäure hatte einen Siedepunkt von 83 C bei 19 mbar.

Beispiel 4

In einer Rührapparatur wurden 95 g (1.0 Mol) Cyclopropancarbonsäurecyanid in 400 ml Diäthyläther vorgelegt und bei -20 C mit 1X2,5 g (5,0 Moll HCl-Gas beschickt. Dann wurde unter Rühren 19,6 g (I.I MoI) Wasser bei -20 C zugetropft und anschließend die Lösung 4 Stunden langsam auf 0 C erwärmt. Nachdem die Temperatur beim Erwärmen 0 C erreicht hatte, wurde zu der Lösung bei einer Temperatur von 0 bis 10 C so lange verdünnte NaOH-Lösunu lugetropft. bis die wäßrige Phase einen pH-Wert von S hatte. Dann wurde die organische Phase abgetrennt lind im Vakuum eingedampft. Der weiße Rückstand wurde aus Wasser umkristallisiert und bei 40 C im Vakuum getrocknet. Es wurden 97.5 g Cyclopro;:ylglyoxylsäureamid als weiße Kristalle vom Schmelzpunkt 111 bis I I 2 C isoliert. Das bedeutet eine Ausbeute von 87,5" ii. bezogen auf eingesetztes Säurecyanid.

CH-NO, (Molekulargewicht 113):

Berechnet ... C 53.1. H 6.34. N 12.39",,:
gefunden .... C^- 52.7. H 6.4. N 12.25¹V

Das so erhaltene Amid wurde mit I Ltr. 2n-KOH unter Rückfluß gekocht, wobei eine starke Ammoniak-Hnlwicklung auftrat. Nach Beendigung der Ammoniak-Entwicklung wurde abgekühlt und die Lö- »ung in der Kälte mit halbkonzentrierter HCI auf den pH-W'-rt I gebracht. Dann wu^dc dreimal mil HK) ml Methylenehlorid extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden eingedampft und der Rückstand im Vakuum fraktioniert destilliert. Hs wurden 94 g Cyclopropylglyoxylsäure isoliert, was einer Ausbeule von 82,4"■■, bezogen auf das Säurecyanid. und von 94" ii. bezogen auf eingesetztes Süureamid. entspricht. Die Keiosäure hatte einen Siedepunkt \on 88 C bei 23 mbar.

_|o Beispiels

Hs wurde wie in Beispiel 4 beschrieben verfahren, jedoch wurden an Stelle von Cyclopropancarbonsäurecyanid 178 g (1.0 Mol) (2,2-Diehlor-l-melhylcyclopropyll-glyoxylsäurenitril eingesetzt. Nach dem Umkristallisieren aus Essigsäureäthylester erhielt man 168 g (85.7" ■> der Theorie) (2,2-Dichlor-l-methylcyclopropyll-iilyoxylsäureamid vom Schmelzpunkt 92 bis 93 C.

C₁₁H-CUNO, (Molekulargewicht 196):

Berechnet ... C 36.73. H 3.6. N 7.15. Cl 36.2",,:
gefunden C 36,92. H 3,7. N /.?.. Cl 35.9",,.

Das so erhaltene Amid wurde wie in Beispiel 4 heschrieben weiter verseift und aufgearbeitet. Bei der fraktionierten Destillation wurden 136.5 g (2.2-Dichlor-1 -meihylcyciopropylj-glyoxylsäure isoliert, was einer Ausbeute von 81 'V bezogen auf eingesel/'.cs Amid, entspricht. Die Ketosäure hatte einen Siedejo punktvonlOS Cbei 1.6 mbar.Siehatleeinen Schmelzpunkt von 52 54 C.

C₁₁H,, O, CU (Molekulargewicht 197):

Berechnet ... C 36.5. H 3.65, Cl 36.0" ο:
gefunden ... C 36.8. H 3,6. Cl 35.7",..

Beispiel 6

Es wurde wie in Beispiel 4 beschrieben verfahren, jedoch wurde als Säurecyanid (2,2-Dichlor-l.3-dimethylcyclopropyll-glyoxylsiiurenitril eingesetzt. Es wurde eine Ausbeute von 72% Ketosäure. bezogen auf Acylcyanid. erhalten. Die (2.2-DichIor 1.3-dimcthylcyclopropyM-dyoxylsäure hatte einen Siedepunkt von 115 C bei I mbar.

Claims

Patentansprüche:

J. Verfahren zur Herstellung von ^Ketocarbonsäuren der Formel

R O O

R₁-C-C-COH

I
R₁

(Il