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Verfahren zur Herstellung von
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aromatischen Hydroxy- und Alkoxyaldehyden
Die vorliegende
Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von aromatischen Hydroxy-
und Alkoxyaldehyden.
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Sie betrifft insbesondere ein neues Verfahren zur Herstellung von
aromatischen Hydroxy- und Alkoxyaldehyden durch oxidative Decarboxylierung von hydroxylierten
oder alkoxylierten Abkömmlingen der Mandelsäure. In der pharmazeutischen und kosmetischen
Industrie, in der Süßwarenindustrie, bei der Herstellung von Antioxidantien stellen
die aromatischen Hydroxy- und Alkoxyaldehyde wichtige Verbindungen dar und finden
entweder direkt oder als Zwischenprodukte eine breite Anwendung. Beispielsweise
finden Vanillin, Athylvanillin, Protokatechualdehyd, ortho- und para-Hydroxybenzaldehyd,
Veratrumaldehyd, Piperonal etc. eine breite Anwendung.
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Zur Herstellung aromatischer Aldehyde sind eine Reihe von Verfahren
bekannt. Jedoch sind alle diese Verfahren für eine industrielle Verwertung nicht
zufriedenstellend. Aus der US-PS 2640 083 ist insbesondere ein Verfahren bekannt,
das auf der Kondensation von Phenolen mit Glyoxalsäure basiert und bei dem man anschließend
die nach dem folgenden Reaktionsschema erhaltene Hydroxysäure oxidativ decarboxyliert:
Dieses Verfahren ist wegen der hohen Selektivität der Kondensation
in Parastellung von besonderem Interesse. Die meisten elektrophilen Reagentien greifen
in erheblichem Umfang auch die Orthostellung an und man erhält daher Mischungen
von Aldehyden.
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Für die Synthese von Vanillin und Athylvanillin aus Guajakol und o-Athoxyphenol
ist dieses Verfahren von besonderer Bedeutung.
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Bei diesen Synthesen ist die Hydroxylselektivität bezüglich der Parastellung
mit anderen elektrophilen Reagentien wegen der Anwesenheit von aktivierenden Gruppen
(OH, OCH3, OC2H5), die alle vier nicht äquivalenten freien Stellungen aktivieren,
schwieriger zu erhalten. Wegen des vollständig unzufriedenstellenden Verlaufes der
Oxidation hat dieses Verfahren bis jetzt keine industrielle Anwendung gefunden.
Bei dem bekannten Verfahren wird die Oxidation der Glykol kette in Gegenwart von
Metallsalzen in einem alkalischen Medium unter Druck und bei Temperaturen oberhalb
100 eC durchgeführt.
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Zur Erzielung eines hohen Umwandlungsgrades sind stöchiometrische
Mengen an Metallsalzen nicht ausreichend, vielmehr ist es notwendig einen bis zu
zehnfachen stöchiometrischen Oberschuß zu verwenden. Bei einem derartigen Verfahren
bringen einerseits die großen Metallsalzmengen ernste Wiedergewinnungs- und Abwasserreinigungsprobleme
mit sich und andererseits fUhren die notwendigen Bedingungen wie Alkalität, Druck
und Temperatur zu Sekundärreaktionen der Aldehyde und damit zu einer geringeren
Ausbeute. Weiterhin ist eine druck- und korrosionsbeständige Ausrüstung notwendig.
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Es wurde nun ein besonders einfaches und ökonomisches Verfahren gefunden,
mit dem man in hohen Ausbeuten hydroxylierte und alkoxylierte Derivate der Mandelsäure
in die entsprechenden Aldehyde überführen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert
auf der Oxidation der Hydroxysäure mit Luft und/oder Sauerstoff in Gegenwart von
geeigneten Katalysatoren, gemäß der folgenden stöchiometrischen Reaktionsgleichung:
wobei Rl und R2 gleich oder verschieden sein können und Wasserstoff oder einen Alkylrest
mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen bedeuten.
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Die Verwendung von Luft oder Sauerstoff anstelle von anderen Oxidationsmitteln
bringt sowohl einen großen ökonomischen Fortschritt als auch einen nicht unbeträchtlichen
ökologischen Fortschritt mit sich.
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Die Auswahl der Katalysatoren zur Durchführung des neuen erfindungsgemäßen
Verfahrens ist kritisch. Die für die Reaktion (I) notwendigen Katalysatoren sind
anorganische oder organische Kupferverbindungen, die entweder alleine oder in Mischung
mit anorganischen oder organischen Eisenverbindungen verwendet werden. Geeignete
Kupferverbindungen, die als Katalysatoren bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet
werden können, sind beispielsweise Kupferchlorid, -sulfat, -nitrat, -acetat oder
-acetylacetonat.
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Geeignete Eisenverbindungen, die als Cokatalysatoren verwendet werden
können, sind beispielsweise Eisenchlorid, -sulfat, -acetat, -acetylacetonat, Ferrocen
oder 7T -pseudoaromatische Derivate von Ferrocen.
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Die Verwendung von Eisensalzen alleine führt zu einer geringeren
katalytischen Aktivität als die Verwendung von Kupfersalzen, jedoch erhält man durch
die Kombination von Eisen- und Kupfersalzen einen synergistischen katalytischen
Effekt, welcher zu einer effektiveren Gesamtkatalyse führt, insbesondere bei em-!
pfindlichen Verbindungen, die leicht einer weiteren Oxidation
unterliegen,
wie zum Beispiel Protokatechualdehyd, der mit seinen beiden Hydroxylgruppen in Orthostellung
besonders zersetzlich ist.
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Im Hinblick auf die Umwandlungsrate und die Ausbeute werden die besten
Ergebnisse erzielt, wenn man einen halogenhaltigen Kupferkatalysator, gegebenenfalls
in Mischung mit Eisenhalogeniden, in einem durch Halogenwasserstoffsäuren angesäuerten
Medium verwendet.
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Jedoch wird die Reaktion (I) in einem durch eine Mineralsäure angesäuerten
Medium durch jede Kupferverbindung katalysiert.
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Die Reaktion kann in wässriger Lösung durchgeführt werden.
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Es ist besonders vorteilhaft, die gleiche Lösung zu verwenden, in
der die Kondensation des Phenolderivates mit der Glyoxalsäure durchgeführt wurde,
nachdem man den pH-Wert eingestellt hat, ohne daß man die gebildete Hydroxysäure
vorher isoliert.
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In Abhängigkeit von den Löslichkeitseigenschaften der betreffenden
Reagentien kann das Verfahren auch in einer wässrigen Lösung zusammen mit einem
mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel durchgeführt werden. Solche Lösungsmittel
sind beispielsweise aliphatische Alkohole, wie Methanol, Athanol oder dergleichen,
Essigsäure, Acetonitril, Dioxan etc.
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Schließlich ist es auch möglich das Verfahren in Wasser und in Gegenwart
eines mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittels durchzuführen, wobei der gebildete
Aldehyd aus der wässrigen Lösung extrahiert wird, jedoch nicht die eingesetzte Hydroxysäure.
Dieses Verfahren ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der gebildete Aldehyd gegenüber
weiterer Oxidation empfindlich ist. Geeignete organische Lösungsmittel, die mit
Wasser nicht mischbar sind, sind Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel, Ather und Ester.
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Während der Reaktion wird der pH-Wert der Lösung in saurem Bereich
gehalten, vorzugsweise zwischen 1 und 1,5.
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Das Verfahren wird bei einer Temperatur unterhalb 100 "C; vorzugsweise
zwischen 30 und 100 "C durchgeführt. Der Druck kann zwischen 1 und 10 Atmosphären
variieren. Vorzugsweise wird das Verfahren bei atmosphärischem Druck durchgeführt.
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Das Molverhältnis von Hydroxysäure zu Katalysator liegt vorzugsweise
zwischen 10.000 und 10.
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Das molare Verhältnis von Eisensalz zu Kupfersalz, sofern die Kombination
verwendet wird, liegt vorzugsweise zwischen 10 und 1/10.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle möglichen Phenolderivate
geeignet. Die folgenden hydroxlierten oder alkoxylierten Derivate der Mandelsäure
sind für das vorliegende Verfahren von ganz besonderem Interesse.
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4-Hydroxymandelsäure 3-Athoxy-4-hydroxymandelsäure 3,4-Dihydroxymandelsäure
3,4-Dimethoxymandelsäure 3,4,5-Trimethoxymandelsäure ì 3,5-Dimethoxy-4-hydroxymandelsäure
3-Hydroxy-4-methoxymandelsäure 2,5-Dimethoxymandelsäure 4-Hydroxy-3-methylmandelsäure
4-Hydroxy-2-methyl säure 2-Hydroxy-5-methylmandelsäure 2,5-Dimethyl-4-hydroxymandelsäure
3-Methoxy-4-hydroxymandelsaure
Die nachfolgenden Beispiele dienen
der Erläuterung der vorliegenden Erfindung, sollen sie jedoch nicht einschränken.
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Beispiel 1 550 ml einer wässrigen Lösung, die 40 g 3-Methoxy-4-hydroxymandelsäure
enthält (hergestellt durch Kondensation von Natriumguajakolat und Natriumglyoxalat
in wässriger Lösung,mit anschließender Neutralisation der basischen Lösung mit 37%iger
jHCl), und 3,44 g CuC12.2 H20 werden in ein Zweiliterreaktions-! gefäß gegeben.
Der pH-Wert wird mit HCl auf 1,2 eingestellt und ein Strom von O2 oder Luft wird
unter Rühren durch die Lösung geführt, während die Reaktionsmischung auf 80 "C erhitzt
wird.
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Es tritt eine starke C02-Entwicklung auf, die nach innerhalb von
4 Stunden beendet ist. Die Mischung wird auf 40 "C abgekühlt und 'mit Benzol extrahiert.
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Durch Verdampfung der organischen Extrakte erhält man 29,2 g Vanillin
(Ausbeute = 95 t), welches als fester Rückstand nur Spuren von Verunreinigungen
enthält, wie gaschromatographische Untersuchungen zeigen.
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Durch Umkristallisation aus Cyclohexan erhält man 27,8 g reines Vanillin
mit einem Schmelzpunkt von 79,5 bis 80 "C, während 1,4 g Rohvanillin in der Lösung,
die auch die Verunreinigungen enthält, zurückbleibt.
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Beispiel 2 Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt, mit dem
Unterschied, daß die Oxidation mit Sauerstoff in Gegenwart von Toluol durchgeführt
wird.
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Nach Beendigung der Reaktion wird das Toluol abdekantiert und die
wässrige Phase wird zweimal mit Toluol extrahiert. Durch Verdampfen der organischen
Extrakte erhält man 30 g Vanillin (Ausbeute = 97 %), mit einem Schmelzpunkt von
79 bis 80 "C.
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Beispiel 3 Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt, jedoch werden
diesmal nur 6,8 mg CuCl2.2H2O verwendet. Die Oxidation mit 02 ist nach 4 Stunden
beendet und man erhält durch Extraktion 12 9 Vanillin, was einer Umwandlung von
40 %, bezogen auf 4-Hydroxy-3-methoxymandelsäure, entspricht (Ausbeute bezogen auf
die umgewandelte Menge = 90 %).
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Beispiel 4 Das Verfahren von Beispiel 3 wird wiederholt, jedoch werden
diesmal äquivalente Mengen von Kupfersulfat und Schwefelsäure anstelle von Kupferchlorid
und HCl verwendet. Man erhält 3,2 g Vanillin mit einer Umwandlung von 10 %, bezogen
auf die eingesetzte Hydroxysäure.
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Beispiel 5 Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt, jedoch mit
dem Unterschied, daß die Kondensationslösung von Natriumguajakolat und Natriumglyoxalat
mit 48%iger HBr angesäuert wird und als Katalysator CuBr2 in einer äquivalenten
Menge eingesetzt wird.
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Nach 4stündiger Oxidation mit Luft erhält man 28 g Vanillin, was einer
Ausbeute von 91 % entspricht.
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Bei spiel 6 140 ml einer Lösung, die 10 g 4-Hydroxy-3-äthoxymandelsäure
enthält, hergestellt durch Kondensation von Natrium-o-äthoxyphenolat und Natriumglyoxalat,
in einem wässrigen, mit HCl auf pH 1 abgesäuerten Medium, werden in einen 500 ml-Kolben
gegeben. Es werden 0,8 g CuC12.2H20 hinzugegeben und ein O2 Strom wird durch die
Lösung geleitet, während die Temperatur auf 80 "C erhöht wird. Nach 6 Stunden wird
der Sauerstoffstrom abgestellt und die Mischung mit Benzol extrahiert. Durch Verdampfen
der organischen Extrakte erhält man 7,2 g Athylvanillin (Ausbeute = 92 %).
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Beispiel 7 100 ml einer wässrigen Lösung, die 10 g 3,4-Dihydroxymandelsäure
enthält (hergestellt durch Kondensation von Natriumbrenzkatechinat mit Natriumglyoxalat
und Ansäuern der Lösung mit 37%iger HCl auf pH 1), und 0,92 g CuCl2.2H20 werden
in einen 500 ml-Kolben gegeben. Ein 02-Strom wird durch die Mischung geführt, während
die Temperatur der Reaktionsmischung auf 50 OC erhöht wird. Nach 6 Stunden wird
der Sauerstoffstrom abgestellt und man erhält durch Extraktion mit Athylacetat 5,25
g Protokatechualdehyd mit einem Schmelzpunkt von 153 bis 154 "C und einer Reinheit
von 99,5 %.
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Beispiel 8 18,6 g 4-Hydroxymandelsäure werden in 400 ml Wasser gelöst
und der pH-Wert wird unter Verwendung von 37%iger HCl auf l eingestellt.
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Es werden 0,96g CuCl2.2H20 hinzugefügt und ein 02-Strom durch die
Lösung geführt, während die Temperatur auf 80 "C erhöht wird. Nach 4 Stunden wird
der Sauerstoffstrom abgestellt und der Aldehyd mit Benzol extrahiert. Nach dem Verdampfen
des Lösungsmittels und der Umkristallisation aus Cyclohexan erhält man 9,76 g reinen
p-Hydroxybenzaldehyd (Ausbeute 80 %).
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Beispiel 9 Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt, jedoch wird
anstelle der 3-Methoxy-4-hydroxymandelsäure die 3,4-Dimethoxymandelsäure verwendet.
Bei einem Umwandlungsgrad von 80 % erhält man den Veratrumaldehyd in einer Ausbeute
von 90 %.