DE2950954C2

DE2950954C2 - Verfahren zur Herstellung von 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyl-tetrahydropyran

Info

Publication number: DE2950954C2
Application number: DE2950954A
Authority: DE
Inventors: Lucio Faggian; Edoardo Milano Platone
Original assignee: Anic SpA
Current assignee: Anic SpA
Priority date: 1978-12-19
Filing date: 1979-12-18
Publication date: 1983-07-28
Also published as: IT7830986A0; FR2444677B1; IT1101641B; DE2950954A1; FR2444677A1; DK487479A; NL7909165A; BE880549A; CH643252A5; GB2037753B; US4278602A; GB2037753A

Description

Beispiel 1

41 g (1 mol) frisch destilliertes Acetonitril und 0,65 g (0,01 mol) 86%iges Kaliumhydroxyd wurden in einen 250 ml Kolben gegeben, der mit einem mechanischen Glasrührer, Thermometer, Einlaß für trockenen Stickstoff und einem 50 ml Tropftrichter versehen war, sowie

10

15

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30

mit einer Vigreux Destillationssaule mit einem Thermometer am oberen Ende, einem Kühler, geeichtem Röhrchen zum Auffangen des Destillats und einem Silicageltrockenrohr.

Nach sorgfaltigem Spülen mit trockenem Stickstoff wurde der Rührer angestellt und es wurde begonnen, den Kolben mit einem elektrischen Heizmantel bis zum Sieden des Inhalts zu erhitzen.

Aus dem Tropftrichter wurden innerhalb von 30 min 14,85 g (0,1 mol) 97%iges 2-Methyl-heptan-2-ol-6-on (MEPTA) zugetropft

Die Heizung wurde so eingestellt daß der Kopf der Destillationssäule immer von Dampf eingehüllt war.

Während des Versuchs, der 3 h dauerte, gingen 1$ ml einer Flüssigkeit über.

Die Temperatur in der siedenden Masse stieg während des Versuchs von 82 auf 86° C Anschließend wurde das Reaktionsgemisch schnell abgekühlt während es unter einem leichten Stickstoffstrom gehalten wurde und anschließend in ein Becherglas enthaltend 100 ml Wasser und Ss unter Rühren eingegossen.

Das Reaktionsgemisch wurde dann mit In wäßriger Salzsäurelösung neutralisiert, wobei der Endpunkt mit einer Glas-Calomel-Elektrode bestimmt wurde, die mit einem Metrohm Potentiograph verbunden war. Das Reaktionsgemisch wurde in einen Scheidetrichter gegeben, die organische Phase abgetrennt und die wäßrige Phase mit 6 χ 50 ml Äthyläther extrahiert

Die Ätherauszüge wurden zu der organischen Phase gegeben unddannmitNa2SO«getrocknet.

Nach 16 h wurde das Na2SO< durch einen Gooch-Tiegel abfiltriert und cas Natriumsulfat mit 2 χ 50 ml wasserfreiem Äthyläther gewaschen.

Die Waschflüssigkeit wurde zu der organischen Phase zugegeben.

Der Äther wurde unter Vakuum (0,6r bar) mit einer Vigreux-Kolonne, Durchmesser 1 cm, Höhe 30 cm, bis zum Erreichen einer Temperatur von 50⁰C abdestilliert.

Der Destillationsrückstand wurde gewogen und durch Gaschromatographie untersucht (Hewlett & Pakkard 5836 A, Säulen 3,5 m SE30,4% auf GASCH ROM P SIL, Temperaturprogramm von 80 bis 160⁰C und 2,5 m LAC 728,15% auf CHROM.W, gewaschen mit Säuren, Temperaturprogramm von 80 bis 160⁰C), wobei ein innerer Standard angewandt wurde und die chromatographischen Bereiche durch die entsprechenden Korrekturfaktoren, die mit künstlichen Gemischen erhalten worden waren, korrigiert wurden.

Die gaschromatographische Analyse muß durch zwei Säulen durchgeführt werden, so daß durch Kombination der erhaltenen Ergebnisse eine etwaige Wechselwirkung ausgeschaltet wird.

3,587 g (0,0215 mol), 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyltetrahydropyran und 4,132 g nicht umgesetztes MEPTA wurden erhalten. Die Hydroxyketonumwandlung betrug 713% und die Ausbeute an Pyrannitril (bezogen auf das in die Reaktion eingesetzte Hydroxyketon) betrug21,5mol-%.

Beispiel 2

533 g frisch destilliertes Acetonitril (13 mol) und 0,17 g (0,0026 mol), 86%ige Kaliumhydroxidlösung wurden in die in Beispiel 1 angegebene Vorrichtung gegeben.

Die Vorrichtung wurde mit trockenem Stickstoff gespült und dann unter Rühren bis zum Sieden erhitzt.

Eine Lösung von 3,86 g (0,026 mol), 97% reinem 2-Methylheptan-2-ol-6-on in 11,5g Acetonitril wurde

b0 innerhalb von 30 min zugetropft Während der Reaktion wurden 5,5 ml Produkt abdestiUiert

Die Temperatur des Kolbens wurde auf 82 bis 83° C gehalten.

Nach 3stündiger Reaktion wurde nicht weiter erhitzt und ein leichter Kohlendioxidstrom eingeleitet während der Kolben gleichzeitig durch Eintauchen in ein Wasser-Eis-Bad gekühlt wurde.

Das Gemisch wurde dann durch einen Gooch-Tiegel filtriert und die Vorrichtung und der Rest auf dem Fiker mit wenig wasserfreiem Methanol gewaschen.

Das Gemisch wurde unter Vakuum mit einer Vigreux-Kolonne (0,133 bar, bei 35°C) eingedampft Der Rückstand in dem Kolben wurde mit 2 χ 10 ml Wasser gewaschen.

Dat Waschwasser wurde mit 10 χ 10 ml Äthyläther extrahiert

Die Ätherauszüge wurden zu der organischen Phase gegeben, über Na₂SO₄ getrocknet und mit Hilfe einer Vigreux-Kolonne bei 0,60 bar bis zu einer Temperatur im Kolben von 42° C eingeengt

Man erhielt einer. Rückstand, der entsprechend Beispiel 1 untersucht wurde. Er enthielt 0,953 g nicht umgesetztes Hydroxyketon und 1,414 g 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyltetrahydropyran. Die Hydroxyketonumwandlung betrug 74,5% und die Ausbeute an Pyrannitril (bezogen auf das eingesetzte Hydroxyketon) betrug 32,5 mol-%.

Beispiel 3
(Vergleichsbeispiel ohne basischen Katalysator)

41 g (1 mol) Acetonitril wurden in die in den vorigen Beispielen angegebene Vorrichtung gegeben. Dieses wurde unter Rühren zum Sieden erhitzt und 14,8 g (0,1 mol), 973% reines 2-Methyl-heptan-2-ol-6-on innerhalb von 30 min zugegeben. Die Temperatur in dem Kolben wurde auf 85° C gehalten, so daß kein Produkt überging.

Nach 27 h wurde die Reaktion abgebrochen, das Reaktionsgemisch aus dem Kolben entfernt, dieser mit wasserfreiem Äthyläther gewaschen, der Äthyläther zu dem Reaktionsgemisch gegeben und dieses unter Vakuum (0,67 bis 0,53 bar) bis zu einer Temperatur von 50⁰C in dem Reaktionsgefaäß eingedampft.

Der Destillationsrückstand wurde gewogen und entsprechend Beispiel 1 untersucht.

Es zeigte sich, daß 86,2% des Hydroxyketons nicht umgesetzt waren.

Durch die gaschromatographische Untersuchung unter den angegebenen Bedingungen konnte kein Pyrannitril nachgewiesen werden, ebenso durch die Massespektroskopie des Reaktionsproduktes.

Beispiel 4

(Vergleichsbeispiel, Umsetzung unter Anwendung

einer schwachen Säure
anstelle der Base als Katalysator)

41g (1,0 mol Acetonitril und 0,6183 g (0,01 mol) Orthoborsäure wurden in die angegebene Vorrichtung gegeben, nach Spülen mit Stickstoff wurde mit dem Rühren begonnen und erhitzt bis zum Sieden.

14,8 g (0,1 mol), 973%iges 2-Methyl-heptan-2-ol-6-on wurden dann innerhalb von 30 min zugegeben.

Die Reaktionstemperatur wurde auf 85° C gehalten, so daß kein Produkt überging. Nach 24 h wurde die Reaktion abgebrochen.

Das Reaktionsgemisch wurde schnell unter einem leichten Stickstoffstrom abgekühlt und dann in ein Becherglas, enthaltend 100 ml Wasser und Eis, unter Rühren eingegossen.

Der Reaktionskolben wurde einige Male mit etwas Wasser gewaschen, das anschließend zu dem Reaktionsgemisch gegeben wurde. Es wurde mit wäßriger Natriumbicarbonatlösung neutralisiert.

Das Gemisch wurde dann mit Äthyläther in einem Scheidetrichter extrahiert

Die Ätherauszüge wurden zusammengegeben und über wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet Der größte Teil des Äthers wurde unter Vakuum abdestilliert und der Rückstand gewogen und auf übliche Weise gaschromatographisch untersucht

Es zeigte sich, daß 88,4% des eingesetzten Hydroxyketone nicht umgesetzt worden waren. Weder durch die gaschromatographische Analyse unter den angegebenen Bedingungen nocht durch Massenspektroskopische Untersuchung des Gemisches nach Beendigung der Umsetzung konnte Pyrannitril nachgewiesen werden.

Beispiel 5

2,6 g (0,04011 mol), 86%iges Kaliumhydroxid, 164 g (4,0 mol) Acetonitril und 59,4 g (0,400 mol), 97%iges 2-Methyiheptan-2-ol-6'On wurden in einem 1 1 Autoklav aus korrosiortsfreiem Stahl gegeben, der mit einem Öimantel, Dufckventil und Thermometer versehen war sowie mit einer DestillifUonssäuIe mit Thermometer am oberen Ende, Kühler ui>d Sammelgefäß für das Destillat.

Nach Schließen des Autoklaven wurde ein Dichtigkeitstest durch Einpressen von Stickstoff vorgenommen. Dann wurde mit Hilfe von Stickstoff in dem Autoklaven eine inerte Atmosphäre erzeugt und der Druck wieder auf Atmosphärendruck herabgesetzt. Das Rohrsystem, bestehend aus einem Weicheisenstab, der mit Teflon beschichtet war und magnetisch gerührt wurde, wurde in Bewegung gesetzt und Siliconöl mit einer Temperatur von 105⁰C in den Mantel des Autoklaven von einem thermostatisch gesteuerten Bad mit einer Badpumpe eingeleitet

ίο Nach 10 min hatte die Temperatur in dem Kolben 100⁰C erreicht und von diesem Augenblick an lief die Reaktion 1 h lang ab. Alle 15 min wurde eine kleine Menge inerter Produkte aus dem Destillat-Sammler entnommen.

Während der Versuche wurde der Druck zwischen 1,08 und 1,47 bar gehalten und die Temperatur betrug 100⁰C

Nach Beendigung des Versuchs wurde durch Durchleiten von kaltem Wasser durch den Reaktormantel gekühlt, der Inhalt des Autoklaven ausgetragen und das Produkt wie in Beispiel 1 behandelt

Bei der gaschromatographisclu-.i Untersuchung zeigte es sich, daß das Gemisch 12,7 g I Jydroxyketon und 19,775 g 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyitetrahydropyran (0,1184 mol) enthielt. Die Umwandlung von Hydroxyketon betrug 78,0% und die Ausbeute an Pyrannitril (bezogen auf das eingesetzte Hydroxyketon) betrug 29,6 moI-%.

Beispiele 6 bis 10

^y

Die in der folgenden Tabelle angegebenen Ergebnisse wurden entsprechend Beispiel 1 erhalten.

Tabelle

Beispiel MQI-Verhältnis

Nr.

6
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8
9
10

H3CCN/MEPTA/KOH ( C)

10/1/0,287

10/1/0,945

20,5/1/0,125

20,5/1/0,194

20,5/1/0,517

Temperatur	Dauer des	MEPTA-	Ausbeute an
	Versuches	Umwandlung	Pyrannitril
(Q	(h)	(%)	(Mol.-»/.)
82-85	3	91,4	27,0
83-87	■» J	97,5	20,8
82-84	3	74,0	27,0
82-85	3	83,8	28,0
82-85	3	94,1	27,7

Beispiel 11

41 g (1,0 mol) frisch destilliertes Acetonitril und 4,0 g (0,1 mol) Natriumhydroxid wurden in die in Beispiel 1 angegebene Vorrichtung gegeben.

Nach Spülen mit Stickstoff wurde der Inhalt unter Rühren zum Sieden erhitzt und 14,95 g (0,104 mol) 2-Methyl-hepta;i-2-ol-6-on innerhalb 1 h zugegeben.

Innerhalb von 6 h destillierten 15 ml Produkt ab. Das Reaktionsgemisch wurde dann entsprechend Beispiel 1 aufgearbeitet.

Aus der gaschromatographischen Analyse zeige es sich, daß das Hydroxyketon zu 80,1% umgesetzt war.

Die Ausbeute an 2,6,6-Trimethyl-2-eyaπömethyltetra■ hydropyran betrug 13,8 mol-%, bezogen auf das eingesetzte Hydroxyketon.

Beispiel 12

Das Verfahren wurde genau wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt, wobei jedoch anstelle von KOH 1,182 g (0,01 mol Kalium-tert-butylat verwendet wurde.

Nach Beendigung der Reaktion wurde entsprechend

Beispiel 1 aufgearbeitet Man erhielt 5,87 g nicht-umgesetztes Hydroxyketon und 3,51 g 2,6,6-Trimethyl-?-cyanomethyltetrahydropyran.
Oi2 Umwandlung des Hydroxyketons betrug 59,3% und die Ausbeute an Pyrannitril 51 mol-%, bezogen auf das eingesetzte hydroxyketon.

Beispiel 13

bo Beispiel für ein Verfahren bei dem die Reaktionsnebenprodukte erneut eingesetzt werden.

5,2380 g (0,08081 mol) 86%iges Kaliumhydroxid, 330 g (8,0488 mol) frisch destilliertes Acetonitril und 118,8 g, (0,80512 mol) 97.59%iges 2-Methyl-heptan-2-ol-

bi 6-on, die alle sorgfältig getrocknet worden waren, wurden in einrn 1 Liter Brignol-Autoklav aus korrosionsfreiem Stahl, der mit Magnetrührer, Thermometer, Tauchrohr und Druckmeßgerät versehen war,

gegeben, der mit Hilfe elektrischer Heizelemente, die in einem Block einer hochleitfähigen leichten Legierung eingebettet waren, beheizt wurde und der ferner mit einer Schlange zur Durchleitung von Kühlwasser versehen war.

Nach dem Verschließen des Autoklaven wurde ein Dichtigkeitstest durchgeführt und eine inerte Atmosphäre mit Hilfe von trockenem Stickstoff erzeugt, der Rührer in Gang gesetzt, und die Temperatur auf 100°C erhöht.

Die Zeit bis zum Erreichen dieser Temperatur betrug 30 min, und die Reaktionstemperatur von 100°C wurde I h aufrechterhalten und anschließend schnell mit Wasser auf Raumtemperatur abgekühlt.

Das Reaktionsgemisch wurde in den Kolben einer Vigreux- und Claisen-Destillationsvorrichtung gegeben, die mit einer Sammelvorrichtung zum Auffangen einzelner Fraktionen versehen war.

Das Reaktionsgemisch wurde unter Erhitzen mit einem ölbad unter Vakuum desuiüeri.

Eine erste Fraktion bestehend aus Acetonitril wurde bei 56°C/0,40bar aufgefangen. Dann wurde eine weitere Fraktion aufgefangen bei ungefähr 0,0013 bar und 75 bis 85°C, bestehend im wesentlichen aus 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyltetrahydropyran zusammen mit dem nicht umgesetzten Hydroxyketon.

Der Destillationsrückstand der noch etwas Pyrannitril und andere Reaktionsprodukte enthielt, die weiter umgewandelt werden können, wurde in 57,6 g Acetonitril gelöst. Der unlösliche Anteil abfiltriert und die Lösung erneut für eine neue Umsetzung in den Autoklaven gegeben nach Zugabe von 122,7 g (0,80525 mol) 94,5 Gew.-% 2-Methyl-heptan-2-ol-6-on, 5,2737 g (0,08137 mol) 86% KOH und 272,4 Acetonitril. Nach Beendigung der Umsetzung und Durchführung der Destillation in der oben beschriebenen Weise wurden 69,22 g (0,41451 mol) 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyl-tetrahydropyran zusammen mit dem nicht umgesetzten Hydroxyketon im Destillat gewonnen.

ίο Der Destillationsrückstand der zweiten Umsetzung wurde erneut für eine dritte Umsetzung verwendet nach Zugabe von weiteren 122,7 g (0,80525 mol) 94,5% 2-Methyl-heptan-2-ol-6-on, 5,2853 g 86% KOH und Acetonitril in üblichem Verhältnis. Nach der Umsetzung erhielt man bei der Destillation 82,0 g (0,49099 mol) 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyltetrahydropyran in dem Destillat zusammen mit dem nicht umgesetzten Hydroxyketon.

Unter Berücksichtigung der zweiten und dritten

2ü umäciZüfig ^uic cincf icCuttiSCiicri riFuciiS'wciSO üutCr Rückführung aber ohne Rückführung des Hydroxyketones entspricht) erhielt man 52,9 Mol-% 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyl-tetrahydropyran, bezogen auf das eingesetzte 2-Methyl-heptan-2-ol-6-on. Da die Hydroxyketon-Umwandlung bei jedem Versuch ungefähr 80% beträgt, ist vorherzusagen, daß eine Gesamtausbeute an Pyrannitril von ungefähr 66 Mol-% erreicht werden könnnte, wenn auch das nicht umgesetzte Hydroxyketon zurückgi,iührt würde.

Claims

Patentanspruch:

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

CH₂

CH, CH,

I I

CH₃—C C—CHj (I)

CH₃ O CH₂CN

dadurch gekennzeichnet, daß man 1 Mol 2-Methyl-heptan-2-oI-6-on der Formel II

CH₃

C=O
CH₂
CH₂ (Π)

CH₂

CH₃1 CH₃ OH

in Gegenwart von 0,1 bis lOOMol-%, bezogen auf das eingesetzte Hydroxyketon, Alkalihydroxid oder -aikoholat zwischen 50 und 120°C mit 2 bis 100 Mol Acetonitril umsetzt.

Es ist bekannt, daß 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyl-tetrahydropyran als Bestandteil von Parfüms angewandt werden kann (DE-OS 26 12 749, Chemical Abstracts 85 [1976] 192564 m).

Die bisher für derartige Produkte angegebenen Synthesen erfordern verschiedene Stufen, von denen einige unter genau zu beachtetenden Bedingungen durchgeführt werden müssen (z. B. niedrige Temperatur, Anwendung wertvoller bzw. teuerer Basen in stöchiomefrischen Mengen, abwechselnde Stufen mit basischen und saueren Katalysatoren und die damit verbundene Notwendigkeit der Trennung und Reinigung der Reaktionszwischenprodukte). Andererseits können die allgemeinen Verfahren, die in der Literatur (siehe Houben —Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Bd. VI-4, Seite 12 ff) zur Synthese von Tetrahydropyranen angegeben sind (ohne den Substituenten -CH₂-CN), nicht angewandt werden zur Herstellung des angegebenen Produkts, sofern diese nicht in zahlreichen Einzelstufen wie oben angegeben durchgeführt werden.

Aus Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie 4. Auflage Band VI/4 (1966), Seite 15. Absatz 2 ist es bekannt, durch Anlagerung von Cyanwasserstoff an 2-Hydroxy-2-methyl-heptanon-(6) das 2,6,6-Trimethyl-2-cyan-tetrahydropyran herzustellen. Die Reaktion wird jedoch unter Druck und ohne Katalysator durchgeführt und sie ist auch nicht leicht durchzuführen wie aus Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 38. Jahrgang (1905) Seite 1505 hervorgeht.

Die Synthese von Produkten, die Homologe der oben beschriebenen Verbindung sind (Bereichte 38, 1502 [1905]; J. Am. Chem. Soc. 77, 1617 [1975]) kann im vorliegenden Falle ebenfalls nicht angewandt werden, da dort Katalysatoren und Reaktionsbedingungen

ι ο angewandt werden, die speziell auf den dort beschriebenen Fall abgestellt sind und die bei der erfindungsgemäß herzustellenden Substanz nicht wirksam sind, wie aus den später angegebenen Vergleichsversuchen hervorgeht

is Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe es möglich ist, 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyltetrahydropyran in einer einzigen Stufe unter Reaktionsbedingungen zu ertalten, die leicht eingehalten werden können und unter Anwendung einer begrenzten Menge an billigen Katalysatoren.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das im Anspruch

gekennzeichnete Verfahren. Die Ausgangssubstanz ist das leicht zugängliche 2-Methyl-heptan-2-oI-6-on, das hergestellt werden kann z. B. wie in der DE-OS 27 41 632 und der DE-OS 28 39 877 angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durchgeführt in Gegenwart eines Alkalihydroxids (MOH) oder eines Alkalialkoholats vorzugsweise von KOH, das obwohl es in einer stöchiometrischen Menge bezogen auf das Hydroxyketon angewandt werden kann, vorteilhafterweise (sowohl im Hinblick auf eine verbesserte Ausbeute als auch auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens) in einem Molverhältnis von 1/5 bis 1/1000 bezogen auf das 2-Methyl-heptan-2-ol-6-on angewandt wird. Das Molverhältnis Base zu 2-Methyl-heptan-2-ol-6-on liegt vorzugsweise zwischen 1/100 und 15/100. Das Molverhältnis von Acetonitril zu 2-Methyl-heptan-2-ol-6-on beträgt 2 bis 100 vorzugsweise 5 bis 30.

Die Reaktion wird bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 120⁰C durchgeführt und zwar entweder bei Atmosphärendruck oder Unterdruck je nach den Erfordernissen, die durch die Reagentien und die vorgewählte Temperatur gegeben sind. Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß wenn das nicht umgesetzte 2-Methyl-heptan-2-ol-6-on und das entstandene 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyl-tetrahydropyran in dem letzten Reaktionsgemisch durch Destillation getrennt werden, der Rückstand von dieser Destillation Produkte enthält, die, wenn sie in eine zweite Reaktion zusammen mit frischem 2-Methyl-heptan-2-oI-6-on eingeführt werden, wieder in 2,6,5-TrimethyI-2-cyanomethyl-tetrahydropyran umgewandelt werden können, wodurch die Ausbeute der Gesamtreaktion verbessert wird.

Das 2,6,6-Trimethyl-2-cyanomethyl-tetrahydropyran kann entweder als solches verwendet werden oder es kann als Zwischenprodukt zur Herstellung wertvoller Produkte wie von Geranonitril Hydroxygeranonitril, Furannitril usw. dienen.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele

näher erläutert.