DE2826676C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von N-Acyl-Derivaten von Aminosäuren durch Umsetzung eines Olefins mit einem Amid, Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit einer Kobalt-Verbindung als Katalysator.

Das Interesse an der einstufigen Herstellung von Amidderivaten von Aminosäure ist sehr groß, da sie nicht nur die Vorstufen von als Nahrungsmittel verwendbarer Aminosäuren, sondern auch Ausgangsprodukte für technisch interessante Stoffe, z. B. Arznei­ mittel sind.

Die Derivate der Acetamino-Tetradecansäure sind Antikrebs­ mittel. Acetylierte Aminosäuren vergrößern die Weichheit von Seifen, d. h. sie vermindern die Basizität der Seifen. Die Natriumsalze von langkettigen Derivaten können anti­ korrosive Eigenschaften bei Stahl haben; die Ester von Acylaminosäuren können herbicide Eigenschaften aufweisen. Aber insbesondere die Ester und die Natriumsalze von acylierten Aminosäuren haben detergierende Eigen­ schaften. Verestert oder acyliert man eine Aminosäure, die eine zweite Carboxylgruppe besitzt, so kann man Produkte erhalten, die Gelbildungseigenschaften haben und die für Shampoos und Farbstoffe oder bei der Gewinnung von Ölen aus verunreinigtem Wasser verwendet werden können. Gewisse acylierte Aminosäuren sind metallkomplexbildende Mittel.

Die Literaturstelle "Chemical Communications", 1971, Seite 1540, betrifft die Synthese von N-Acyl-Aminosäuren durch eine Carbonylierungs-Reaktion aus einem Aldehyd, einem Amid, Wasserstoff und Kohlenmonoxid in Anwesenheit von Kobaltcarbonyl. Die US-PS 37 66 266 beschreibt die Herstellung von N-Acyl-a-Aminosäuren durch Umsetzung von Kohlenmonoxid mit einem Carbonsäureamid in Gegenwart eines Carbonylierungs-Kata­ lysators und gegebenenfalls Wasserstoff.

Es ist auch angegeben, daß man den Aldehyd "in situ" in einer vorherigen Reaktion oder gleichzeitig mit der Hauptreaktion herstellen kann. Als Beispiele für die Bildung von Aldehyden sind dabei angegeben die Isomerisierung einer Epoxyverbindung, die Hydrierung eines Säureanhydrids oder die Hydro­ formylierung eines Olefins.

Nun sind zwar die ersten beiden Reaktionen durch Beispiele in der genannten PS erläutert, wobei die Hauptreaktion gleichzeitig mit der Sekundärreaktion abläuft, welche für die Herstellung des Aldehyds dient; dies ist aber nicht der Fall bezüglich der Bildung von Aldehyden aus Olefinen. Im letzteren Fall stellt man zuerst in einer getrennten Stufe den Aldehyd auf bekannte Weise her und behandelt das Gemisch der erhaltenen Aldehyde mit Acetamid und Kohlenmonoxid.

Die in diesem Fall verwendete olefinische Verbindung ist Methylacrylat, wobei im allgemeinen zwei Aldehyde entstehen. Aus diesen zwei Aldehyden entsteht ein Gemisch von Amino­ säuren, nämlich 88% der linearen Säure und 12% der ver­ zweigten Säure.

Mit einem einfachen Olefin müßte die Selektivität noch schlechter sein, da man weiß, daß im allgemeinen die Ole­ fine mit 3 bis 5 Kohlenstoffatomen unter den Reaktionsbe­ dingungen 70 bis 75% lineare Aldehyde und 30 bis 25% ver­ zweigte Aldehyde liefern.

Dies wird dadurch bestätigt, daß man beim Arbeiten gemäß dem Beispiel der genannten PS ausgehend aus einem einfachen Olefin, nicht eine einzige Aminosäure erhalten kann, sondern im allgemeinen mehrere, die man anschließend trennen muß, wodurch eine zusätzliche, wenig interessante Stufe erforderlich wird.

Die direkte katalytische Gewinnung einer acylierten α-Aminosäure in einer Stufe aus einer olefinisch unge­ sättigten Verbindung ist bislang noch nicht beschrieben worden. Die bisherigen Verfahren zur Herstellung von N-Acyl-Aminosäuren erfordern mehrere Stufen, aufwendige Reinigungen und liefern verschiedene Produkte.

Demgegenüber liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung von N-Acyl-Aminosäuren zu liefern, das in einstufiger Synthese in hoher Ausbeute mit geringen Nebenreaktionen in gezielter Reaktionsweise die gewünschten Produkte liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß man eine Mischung aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff, olefinischem Kohlenwasserstoff der allgemeinen Formel

R₁R₂C = CHR₃,

worin die Reste R₁ bis R₃ Wasserstoff und/oder gegebenenfalls substituierte Kohlenwasserstoffreste sind, und die Gesamtzahl an Kohlenstoffatomen von 8 bis 20 beträgt, einem Amid der Formel R₄ NH-COR₅,
worin die Reste R₄ und R₅ Wasserstoff und/oder gegebenen­ falls substituierte Kohlenwasserstoffreste sind, und den Katalysator auf 50 bis 200°C erhitzt.

Besondere Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator ein Gemisch einer Kobalt-Verbindung und einer Rhodium-Verbindung ist, daß die Kobalt-Verbindung ein Kobaltcarbonyl ist und daß man 0,5 bis 0,8 Mole Amid pro Mol Olefin einsetzt.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur einstufigen Herstellung von homologen Derivaten des Glycins.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die Produkte, die man beim Arbeiten in einer oder zwei Stufen erhält, nicht identisch sind. Führt man direkt Acetamid mit dem Olefin ein, so erhält man Produkte, die von denjenigen ver­ schieden sind, die man beim Arbeiten mit zwei aufeinander­ folgenden Stufen erhält, d. h. gemäß dem Beispiel des US-PS 37 66 266.

Die Unterschiede können sogar darauf hinauslaufen, daß man mit Olefinen mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen ein einziges Produkt oder eine einzige Aminosäure erhält, während man unter Berücksichtigung des Beispiels des genannten Patents mindestens zwei, wenn nicht mehr Aminosäuren erhalten müßte.

Wenn man von einem Olefin ausgeht und die Reaktion in zwei Stufen aber ohne Reinigung der intermediär gebildeten Aldehyde durchführt, wie es in dem in dem genannten Patent beschriebenen Beispiel angegeben ist, so erhält man außer­ dem, neben den isomeren Aminosäuren, alle bekannten Neben­ produkte der Hydroformylierung oder Hydrierung (Alkohole, Acetale, Aldole, Formiate, Polymere); diese Nebenprodukte werden größtenteils vermieden, wenn man in einer Stufe arbeitet. Schließlich wird durch das erfindungsgemäße Ver­ fahren die Herstellung von Aminosäuren selektiv und wirt­ schaftlich rentabel, was nicht der Fall zu sein scheint, wenn man von einem Aldehyd, einem Aldehyd-Gemisch, einem Anhydrid oder einer Epoxyverbindung ausgeht.

Außerdem wurde festgestellt, daß auch dann wenn die Reaktion eine weniger große Selektivität hat die Reaktionsgeschwindig­ keit größer ist, wenn man in einer Stufe wie oben angegeben arbeitet; hierbei sind ferner die Sekundärprodukte weniger zahlreich.

Es wurde ferner festgestellt, daß die bei der gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Reaktion erhaltenen Produkte hin­ sichtlich ihrer Konfiguration nicht identisch sind. So kann beispielsweise das Buten drei Aminosäuren bilden (iso-, allo- und nor-Leucin). Die aufeinanderfolgende Reaktion liefert ein Verhältnis allo/iso = 1, während die gleichzeitige Reaktion ein anderes Verhältnis liefert, was zeigt, daß der Mechanismus verschieden ist.

Im ersteren Fall scheint sich das Acetamid an Acyl-Kobalt­ carbonyl anzulagern, im zweiten Fall an einen Aldehyd, wodurch die unterschiedliche Reaktivität erklärt werden könnte.

Die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Reaktion kann durch das folgende Schema illustriert werden:

und

Das Olefin hat insgesamt 8 bis 20 Kohlenstoffatome. In der allgemeinen Formel bedeuten R₁, R₂ und R₃ Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffreste wie Alkyl, Alkenyl, Cycloalkyl oder Aryl, welche gegebenen­ falls durch Gruppen oder Atome substituiert sind, die die Reaktion nicht stören, zum Beispiel

-CN, -OCOCH₃ oder -SCH₃

R₁ und R₂ oder R₁ und R₃ können zusammen einen Alkylen- oder Alkenylen-Kette bilden.

R₄ und R₅ können Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoff­ reste bedeuten, z. B. Alkyl, Alkenyl, Cycloalkyl oder Aryl, die gegebenenfalls durch Gruppen oder Atome substituiert sind, welche die Reaktion nicht stören. R₅ kann auch eine NH₂-, NHR₁- oder NR₁R₂-Gruppe sein.

R₄ und R₅ können auch zusammen eine Alkylen- oder Alkenylen- Kette bilden.

Brauchbare Katalysatoren sind im allgemeinen Verbindungen oder Komplexe auf Kobalt-Basis, welche man auch mit anderen Metallen versetzen kann, wie Rhodium, Palladium oder Ruthenium als Co-Catalysatoren.

Unter den Verbindungen auf Kobalt-Basis seien genannt, die anorganischen oder organischen Kobaltsalze und Dikobalt­ octacarbonyl. Als Kobaltsalze werden anorganische Salze verwendet, zum Beispiel Kobaltjodid, vorzugsweise jedoch Carboxylate, wie Formiat, Acetat, Butyrat, Naphthenat, Oleat oder Stearat. Man kann das Kobaltcarbonyl mit Cokata­ lysatoren versetzen, wie Phosphin, Amin oder Schwefelver­ bindungen.

Phosphinverbindungen sind tertiäre Phosphine, zum Beispiel aromatische oder aliphatische Phosphine. Als Amine seien er­ wähnt, die tertiären und heterocyclischen Amine, wie Pyridin. Unter den Schwefelverbindungen sei das Dimethyl-Disulfid ge­ nannt. Bevorzugt sind Katalysatoren, die im Reaktionsmedium löslich sind, jedoch kann man auch die Verwendung von Raney-Kobalt in Betracht ziehen.

Man arbeitet vorzugsweise in einem inerten Lösungsmittel. Be­ vorzugte inerte Lösungsmittel sind solche, in denen man das Amid und die olefinische Verbindung mindestens partiell lösen kann. Es handelt sich im allgemeinen um polare Lösungs­ mittel, zum Beispiel vom Typ Ester, Äther, Keton, Amid oder Sulfoxyd oder sogar aromatische Kohlenwasserstoffe. In manchen Fällen kann man auch ohne Lösungsmittel arbeiten, wenn zum Beispiel die olefinisch ungesättigte Verbindung eine ungesättigte Säure oder ein Ester ist, wie zum Beispiel Undecylsäure oder Ölsäure. In diesem System ist das Lösungsmittel gleichzeitig Reaktionskomponente.

Als inerter Ester, der als Lösungsmittel brauch­ bar ist, sei Methyl- oder Äylacetat genannt. Andere polare Lösungsmittel sind Äther, wie Dioxan, tertiäre Amide, wie Dimethylformamid, schließlich Dimethylsulfoxyd und Äthylencarbonat. Das Molverhältnis Olefin/Amid ist vorzugs­ weise stöchiometrisch, d. h. 1 : 1, aber in manchen Fällen kann man vorteilhaft auch einen Überschuß an der einen oder anderen Reaktionskomponente verwenden, so daß dieses Ver­ hältnis zum Beispiel zwischen 10 : 1 bis 1 : 10 liegen kann. Überraschenderweise ist die Selektivität an Amid einer ein­ zigen Art maximal bei einem Unterschuß am Amid (man verwendet dann 0,5 bis 0,8 Mol Amid pro Olefin).

Vorzugsweise setzt man CO und H₂ in Überschuß ein, wobei dieser Überschuß am Ende der Reaktion leicht wiedergewonnen werden kann.

Geeignete Ausgangs-Olefine sind im folgenden auf­ gezählt:
Neben α-Olefinen (welche detergierende Produkte, batericide oder gelbildende Verbindungen liefern) schließlich Ölsäure.
Man kann auch schwefelhaltige Ver­ bindungen einsetzen. Als Diolefin oder Triolefin seien genannt:
Cyclooctadien, Cyclododecatrien, Vinyl-Cyclohexen.

Als Ausgangs-Amid kann man jedes Amid einsetzen, das mindestens ein Wasserstoffatom am Stickstoffatom besitzt und der anspruchsgemäßen allgemeinen Formel R₄NH-COR₅ entspricht. Das Amid kann cyclisch sein, z. B. Butyrolactam, Caprolactam. Unter den häufigsten Amiden seien als Bei­ spiele die folgenden genannt: Formamid, Acetamid, Propion­ amid, Oleylamid, Stearinsäureamid, N-Alkyl-Acetamid, Harn­ stoff, Benzamid, Acrylamid.

Die Reaktionsbedingungen können im weiten Bereich schwanken. Man kann z. B. unter einem Gesamtdruck von 10 bis 250 Atmosphären arbeiten, vorzugsweise 30 bis 200 Atmosphären. Das Verhälltnis H₂/CO beträgt z. B. 5 : 1 bis 1 : 10, vorzugsweise 1 : 1 bis 1 : 2 Mol. Um die Bildung von Alkohol zu vermeiden, sollte das Verhältnis H₂/CO nicht zu stark erhöht werden. Jedoch ist es möglich, mit umgekehrten Verhältnissen zu arbeiten, zum Beispiel 2 : 1, vorzugsweise bei tieferer Temperatur. Die Temperaturen liegen im allgemeinen bei 50 bis 200°C. Die maximale Selektivität erhält man bei Temperaturen von 50 bis 110°C.

In gewissen Fällen reagieren die polaren Lösungsmittel, wie Alkohole, mit den erhaltenen Säuren unter Bildung der Amino­ säureester. Es scheint jedoch, daß diese Lösungsmittel die Reaktionsgeschwindigkeit vermindern.

Das erhaltene Produkt ist mitunter von Ausgangsstoffen verunreinigt. Es ist einfach, das Olefin von der acylierten Aminosäure zu trennen, entweder durch Abdampfen des Olefins oder durch Extraktion nach Abdampfen des Lösungs­ mittels. Lösungsmittel zur Extraktion der Olefine sind im allgemeinen gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Man kann auch die acylierte Aminosäure mit zum Beispiel Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid neutralisieren; die acylierte Aminosäure wandert dann im allgemeinen in die wäßrige Phase.

Das Acylderivat der Aminosäure ist häufig in der wäßrigen Phase unlöslich. Dies erlaubt die Abtrennung des Kobalts, welches man mit oder ohne vorheriges Ansäuren in der wäßrigen Phase auflösen kann. Als Säuren kann man anorganische oder organische Säuren verwenden. Mit bestimmten Säuren erhält man Niederschläge in der organischen Phase.

Die folgenden, in flüssiger Phase durchgeführten Beispiele dienen zur Erläuterung des Verfahrens der Erfindung

Beispiel 1

In einen 5 Liter-Autoklaven gibt man ein Gemisch von 672 g Dodecen (4 Mol), 256 g Acetamid (etwa 4 Mol), 1,6 Liter Dioxan, 1,05 g Kobaltcarbonyl und 10 g Kobaltacetat. Man wendet einen Druck von CO und H₂ (Molverhältnis 1 : 1) von 100 kg/cm² an, und erhitzt auf 110°C. Sobald die Reaktion losgeht, kühlt man so ab, daß die Temperatur bei 95 bis 100°C bleibt. Man führt erneut mehrmals das Gemisch CO+H₂ ein, so daß der Druck im Reaktor zwischen 150 bis 80 kg/cm² schwankt. Nach 5 Stunden wird kein Gasgemisch mehr absor­ biert. Das Rohprodukt enthält nur 0,2% Olefin. Nach Ent­ fernung des Katalysators filtriert man den Feststoff und/oder löst ihn in Aceton. Man erhält nach zwei Umkristalli­ sationen 485 g Aminosäure. Die Mutterlaugen enthalten noch 1,2 Mol Aminosäure, das sind insgesamt 825 g Aminosäure. Die Ausbeute beträgt also 73 Mol-%. Das Produkt hat einen Schmelzpunkt von 95°C. Die Elementaranalyse ist wie folgt:

gef.C = 67,18, H = 10,94, N = 4,83; ber.C = 67,4,  H = 10,8,  N = 4,92.

Durch NMR (Magnetische Kernresonanz) stellt man fest, daß fast 98% eines einzigen linearen Isomeren der folgenden Formel vorliegt.

Beispiel 2 (Vergleichsversuch)

Man mischt in einem Autoklaven 33,6 g Dodecen, 500 mg Kobalt­ carbonyl, 80 cm³ Dioxan und bringt einen Druck von Kohlen­ monoxid und Wasserstoff von 100 kg/cm² auf, wobei das Ver­ hältnis CO : H₂ gleich 1 : 1 ist. Die Temperatur wird auf 100 bis 110°C eingestellt. Die Hydroformylierungs­ reaktion dauert 2 Stunden, einschließlich Erhitzen, Ab­ kühlen, Reinigung des Gases und Abziehen einer Probe; man führt 10 g Acetamid und 0,5 g Kobaltcarbonyl ein und legt erneut einen Druck von 100 kg/cm² an (CO : H₂=1 : 1 Mol). Man erhält nach 1½ Stunden bei 100°C ein Produkt, welches man durch Gaschromatographie analysiert (CPV). Die Analyseresultate sind wie folgt: Bei der ersten Stufe erhält man 91% Umwandlung des Olefins. Die Aldehyde werden mit CPV analysiert und man erhält 71% lineare Aldehyde bezogen auf die Gesamtheit der vorhandenen Aldehyde. Es gibt mehr als 7,8% Alkohole bezogen auf die Summe Aldehyde+Alkohol.

Die zweite Reaktion liefert Aminosäuren, die man durch Kristallisation isolieren und mit NMR analysieren kann. Die Elementaranalyse entspricht einer Acetamino-Tetradecan­ säure. Das NMR-Spektrum zeigt zwei Isomere: die lineare Säure ent­ spricht 73% des Gesamtgehalts an Aminosäuren. Der Rest entspricht einer verzweigten Aminosäure. Die Ausbeute an Aminosäure beträgt 47% bezogen auf die Aldehyde. Dieses Beispiel zeigt die Komplexität eines in zwei Stufen durchge­ führten Verfahrens, die Anwesenheit von Nebenprodukten, welche die Ausbeute in der ersten Stufe vermindern, die schlechte Selektivität und die schlechte Ausbeute in der zweiten Stufe.

Beispiel 3

Man führt in einen Autoklaven 56,4 g handelsübliche Ölsäure ein (Zusammensetzung 71 Gew.-% Ölsäure, 12% Linolsäure, 6% Palmitoleinsäure, 11% ungesättigte Säuren). Dieses Säuregemisch versetzt man mit 11,8 g Acetamid, 80 ml Dioxan und 10 ml einer Lösung von Kobaltcarbonyl in Hexan (500 mg CO₂ (CO)₈). Man arbeitet bei 150°C unter einem Druck von 100 kg/cm² CO : H₂=2 : 1. Die Reaktion ist schnell. Nach 2 Stunden bleiben nur Spuren Acetamid übrig. Die Umwandlung in das Acylderivat beträgt 70%. Das nach der Hydrolyse mit Natronlauge und erneuten Ansäuerung erhaltene Produkt schmilzt bei 150-160°C und enthält im Durch­ schnitt zwei Säuregruppen pro Molekül. Die Natrium- und Kalium-Salze haben ausgezeichnete detergierende Eigen­ schaften.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von N-Acyl-Derivaten von Amino­ säuren aus einem Olefin, einem Amid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Anwesenheit einer Kobalt-Verbindung als Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mischung aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff, einem olefinischen Kohlenwasserstoff der allgemeinen Formel R₁R₂C = CHR₃,worin die Reste R₁ bis R₃ Wasserstoff und/oder gegebenen­ falls substituierte Kohlenwasserstoffreste sind, und die Gesamtzahl an Kohlenstoffatomen 8 bis 20 beträgt, einem Amid der Formel R₄ NH-COR₅,
worin die Reste R₄ und R₅ Wasserstoff und/oder gegebenen­ falls substituierte Kohlenwasserstoff-Reste sind, und dem Katalysator auf 50 bis 200°C erhitzt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren in Gegenwart eines Katalysatorsystems durchführt, das neben Kobalt eine Rhodium-Verbindung enthält.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren in Gegenwart von Kobaltcarbonyl durchführt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verfahren mit 0,5 bis 0,8 Mole Amid pro Mol Olefin durchführt.