DE3218068C2

DE3218068C2 -

Info

Publication number: DE3218068C2
Application number: DE3218068A
Authority: DE
Inventors: Sumio Ube Yamaguchi Jp Umemura; Kozo Yamaguchi Jp Fujii; Keigo Nishihira; Hiroyuki Sawada; Shuji Tanaka; Mamoru Nakai; Hiroshi Yoshida; Yoshiaki Ube Yamaguchi Jp Kuroki
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1981-05-19
Filing date: 1982-05-13
Publication date: 1988-12-01
Also published as: US4421925A; DE3218068A1; GB2098606B; GB2098606A; CH648306A5

Description

Die Erfindung betrifft 4-Alkoxy-1,3-dioxan-5-carbonitrile und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die erfindungsgemäßen 4-Alkoxy-1,3-dioxan-5-carbonitrile sind neue Verbindungen der allgemeinen Formel (I)

worin R eine C₁-C₄-Alkylgruppe bedeutet.

Diese Verbindung kann leicht durch übliche Verfahren, wie Hydrolyse, Veretherung oder Alkoholyse, in ein Ausgangsmaterial für die Synthese von Vitamin B₁ umgewandelt werden.

Man kann beispielsweise Propannitrile, wie 2-Dialkoxymethyl- 3-alkoxypropanntiril, 2-Alkoxymethylen-3- alkoxypropannitril und 2-Methylen-3,3-dialkoxypropannitril, die bekannte Ausgangsmaterialien für die Synthese von Vitamin B₁ sind, herstellen, indem man ein 4-Alkoxy-1,3-dioxan-5-carbonitril mit einem Alkohol bei einer Temperatur von 40 bis 150°C in Gegenwart eines sauren Katalysators, wie konzentrierte Schwefelsäure, konzentrierte Salzsäure, Chlorwasserstoff, p-Toluolsulfonsäure oder einer festen Säure, umsetzt.

Üblicherweise wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines 1,3-Dioxans ein mittels einer Alkylgruppe, einer Arylgruppe, eines Halogenatoms oder dergleichen substituiertes Olefin mit einem Aldehyd in Gegenwart eines sauren Katalysators umgesetzt, wobei man dies als Prinse-Reaktion bezeichnet.

Eine Prinse-Reaktion, die bei einem Nitrilgruppen-substituierten Olefin durchgeführt wird, ist bisher jedoch nicht bekannt geworden und noch weniger kann man der Literatur entnehmen, daß ein 4-Alkoxy-1,3- dioxan-5-carbonitril erhalten werden kann, wenn man ein solches spezifisches Olefin der Prinse-Reaktion unterwirft.

Aufgabe der Erfindung ist es, neue Zwischenprodukte für die Synthese von Vitamin B₁ und ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung von Verbindungen der allgemeinen Formel (I) gelöst.

Die Herstellung der Verbindungen der allgemeinen Formel (I) erfolgt, indem man ein 3-Alkoxy-2-propennitril der allgemeinen Formel (II)

RO-CH=CH-CN (II)

worin R eine C₁-C₄-Alkylgruppe bedeutet, mit Formaldehyd oder einer Verbindung, die im Reaktionssystem Formaldehyd bildet, in Gegenwart eines Lewis- Säure-Katalysators, gegebenenfalls in einem Lösungsmittel, umsetzt.

Beispiele für ein erfindungsgemäßes 3-Alkoxy-2- propennitril sind 3-Methoxy-2-propennitril, 3-Ethoxy-2-propennitril, 3-n(oder i)-Propoxy-2- propennitril, 3-n(i, sek oder tert)-Butoxy-2-propennitril.

Als Formaldehyd kann man jede Verbindung verwenden, die im Reaktionssystem Formaldehyd bildet, z. B. Paraformaldehyd, Trioxan, Tetroxan, Polyoxymethylen, Methylal und Methylendiacetat.

Der Formaldehyd wird in einer Menge (berechnet als Aldehyd) von 1 bis 20 Molen, vorzugsweise 2 bis 10 Molen, bezogen auf 1 Mol 3-Alkoxy-2-propennitril, verwendet.

Der Katalysator ist nicht besonders beschränkt, jedoch muß es ein Lewis-Säure-Katalysator sein.

Typische Lewis-Säure-Katalysatoren sind AlCl₃, BF₃, BF₃ · (C₂H₅)₂O, BF₃ · (CH₃COOH)₂, BF₃ · (CH₃OH)₂,

BF₃ · C₂H₅NH₂, FeCl₃, FeCl₂, ZnCl₂, SnCl₂, CuCl₂, CuCl, TiCl₄ und TiCl₃.

Von diesen Katalysatoren werden Bortrifluorid und dessen Komplexsalze besonders bevorzugt, weil sie das erwünschte erfindungsgemäße Produkt in hohen Ausbeuten und mit großer Selektivität ergeben. Insbesondere kann man sehr viel höhere Ausbeuten und Selektivitäten erzielen, wenn man die Umsetzung in einem aprotischen Lösungsmittel in Gegenwart von Bortrifluorid oder dessen Komplexsalz als Katalysator und unter Verwendung von Formaldehyd in gasförmigem Zustand durchführt.

Der Lewis-Säure-Katalysator kann in einer Menge von 0,001 bis 10 Molen, vorzugsweise 0,01 bis 5 Molen, bezogen auf 1 Mol des 3-Alkoxy-2-propennitrils, verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Umsetzung wird entweder in der Gasphase oder in der Flüssigphase durchgeführt und sie kann sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich (in einem Fließsystem) durchgeführt werden.

Wird die Umsetzung in der Flüssigphase vorgenommen, so kann sie ohne jedes Lösungsmittel durchgeführt werden. Um jedoch die Umsetzung leichter ablaufen zu lassen, kann es vorteilhaft sein, ein Lösungsmittel zu verwenden. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise ethergruppenhaltige Lösungsmittel, wie Dioxan, Tetrahydrofuran, Dimethoxyethan, Diethylether, Diisopropylether und Dibutylether, oder Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol, Xylol, Hexan, Heptan, Cyclohexan, Cycloheptan, Tetrahydronaphthalin, Decahydronaphthalin und Nitrobenzol oder halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie Methylenchlorid, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff und 1,2-Dichlorethan. Auch nitrilgruppenhaltige Lösungsmittel, wie Acetonitril, Propionitril und Benzonitril, oder organische säuregruppenhaltige Lösungsmittel und deren Ester, wie Essigsäure, Propionsäure, Methylacetat, Ethylacetat und Butylacetat, oder Alkohole, wie Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol, sowie auch Wasser sind geeignete Lösungsmittel.

Als aprotisches Lösungsmittel, das vorzugsweise in Kombination mit Bortrifluorid oder eines Komplexsalzes davon als Katalysator verwendet wird, kommt beispielsweise ein ethergruppenhaltiges Lösungsmittel, ein kohlenwasserstoffgruppenhaltiges Lösungsmittel, ein halogenkohlenwasserstoffgruppenhaltiges Lösungsmittel, ein nitrilgruppenhaltiges Lösungsmittel oder ein estergruppenhaltiges Lösungsmittel der vorerwähnten Art in Frage.

Dieses Lösungsmittel wird vorzugsweise in einer Menge von 5 bis 100 Gew.-Teilen, bezogen auf 1 Gew.-Teil 3-Alkoxy-2-propennitril, angewendet. Liegt die Lösungsmittelmenge unterhalb der vorerwähnten untersten Grenze, so kann die Ausbeute an dem erwünschten Produkt abnehmen. Liegt sie oberhalb der vorerwähnten Höchstgrenze, so erhöht sich die Menge des wiederzugewinnenden Lösungsmittels und diese Wiedergewinnung ist technisch unökonomisch, wobei jedoch die Ausbeute an dem gewünschten Produkt nicht nachteilig beeinflußt wird.

Verwendet man Formaldehydgas als Ausgangsmaterial, so kann das Verfahren beispielsweise in der nachfolgenden Weise durchgeführt werden:

Nachdem man Formaldehydgas in gasabsorbierendes Lösungsmittel eingeleitet hat, gibt man den Katalysator und das 3-Alkoxy-2-propennitril zu. Alternativ kann man auch den Katalysator zunächst in dem Lösungsmittel vorlegen und dann bläst man Formaldehydgas in das Lösungsmittel und dann gibt man 3- Alkoxy-2-propennitril hinzu. Eine weitere Alternative besteht darin, daß man das 3-Alkoxy-2-propennitril in dem Lösungsmittel löst und dann den Katalysator zugibt und anschließend Formaldehydgas einbläst.

Die Umsetzung kann bei einer Temperatur von -20 bis 300°C, vorzugsweise 0 bis 250°C, unter Normaldruck oder erhöhtem Druck während 1 bis 24 Stunden erfolgen. Die Isolierung und Reinigung des gewünschten Produktes kann erfolgen, indem man wahlweise geeignete Verfahren anwendet, z. B. Filtrieren, Extrahieren oder Destillieren.

Die Erfindung wird ausführlich in den nachfolgenden Beispielen und dem Referenzbeispiel beschrieben.

Beispiel 1

In einem 500 ml-Kolben, der mit einem Thermometer und einem Kalziumchloridrohr ausgerüstet war, wurden 8,31 g (100 mmol) 3-Methoxy-2-propennitril und 300 g Dioxan (Lösungsmittel) vorgelegt und dann wurden 13,3 g (100 mmol) AlCl₃ zu der Mischung unter Rühren bei einer Temperatur von 15°C gegeben. Nach Zugabe von 7,51 g (250 mmol) p-Formaldehyd bei der gleichen Temperatur wurde die Umsetzung 18 Stunden bei 25°C durchgeführt. Nachdem man das Reaktionsgemisch in 300 ml Eiswasser gegossen hatte, wurde die Mischung dreimal mit 200 ml Ethylether extrahiert. Der Extrakt wurde mit einer gesättigten Kochsalzlösung gewaschen und dann über Natriumsulfat getrocknet. Nach dem Abfiltrieren des Natriumsulfats wurde das Filtrat unter vermindertem Druck destilliert, wobei man 6,58 g einer farblosen Flüssigkeit mit dem Siedepunkt 85 bis 87°C (bei 6,65 mbar) erhielt.

Aus den NMR-, IR-, MS-Daten und der Elementaranalyse wurde das Produkt als 4-Methoxy-1,3-dioxan-5-carbonitril identifiziert.

Beispiele 2 bis 23

In einem mit einem Thermometer und einem Kalziumchloridrohr ausgerüsteten 50 ml-Kolben wurden 0,831 g (10 mmol) 3-Methoxy-2-propennitril in einer vorbestimmten Menge eines Lösungsmittels vorgelegt und dazu wurde der nachfolgend angegebene Katalysator unter Rühren bei einer Temperatur von 15°C gegeben.

Anschließend wurde die Umsetzung nach Zugabe einer vorbestimmten Menge des jeweils angegebenen Aldehyds bei der gleichen Temperatur während einer vorbestimmten Zeit und einer vorbestimmten Temperatur durchgeführt. Das Reaktionsgemisch wurde gaschromatografisch untersucht und dabei die Umwandlung des Ausgangs- 3-Methoxy-2-propennitrils und die Selektivität zur Bildung von 4-Methoxy-1,3-dioxan-5-carbonitril untersucht.

Die Reaktionsbedingungen und die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt.

Beispiel 24

In der gleichen Reaktionsvorrichtung wie in Beispiel 1 wurden 12,5 g (100 mmol) 3-n-Butoxy-2-propennitril und 300 g Dioxan als Lösungsmittel vorgelegt und unter Rühren wurden der Mischung bei einer Temperatur von 15°C 2,13 g (15 mmol) BF₃ · (C₂H₅)₂O zugegeben. Anschließend wurden bei der gleichen Temperatur 7,51 g (250 mmol) p-Formaldehyd zugegeben und dann wurde die Umsetzung bei 60°C während 6 Stunden durchgeführt. Das Reaktionsgemisch wurde auf Raumtemperatur gekühlt und dazu wurden 10,6 g (100 mmol) trockenes Natriumcarbonat gegeben. Nach 3stündigem Rühren bei Raumtemperatur wurde filtriert und das Filtrat wurde unter vermindertem Druck destilliert, wobei man 11,0 g einer farblosen Flüssigkeit mit dem Siedepunkt 108 bis 110°C (bei 6,65 mbar) erhielt. Aus den NMR-, IR- und MS-Daten und aus der Elementaranalyse wurde das Produkt als 4-n-Butoxy-1,3-dioxan-5-carbonitril identifiziert.

Beispiele für neue 4-Alkoxy-1,3-dioxan-5-carbonitrile der vorliegenden Erfindung, die nach den vorerwähnten Beispielen hergestellt wurden, werden in der nachfolgenden Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

Beispiel 25

In einem 300 ml-Kolben, der mit einem Thermometer, einem Kalziumchloridrohr, einem Gaseinleitungsrohr und einem Tropftrichter ausgerüstet war, wurden 200 g Ethylacetat vorgelegt und dann wurden 4,50 g (150 mmol) Formaldehyd eingeblasen und in dem Lösungsmittel absorbiert und anschließend wurden 0,85 g (6 mmol) BF₃ · (C₂H₅)₂O zugegeben. Nach Erwärmen der Mischung auf 60°C wurde eine Lösung, die erhalten worden war durch Auflösen von 5,00 g (60 mmol) 3-Methoxy-2-propennitril in 20 g Ethylacetat tropfenweise bei einer Temperatur von 60°C während 2 Stunden zugegeben.

Nach weiterem 2stündigen Rühren bei 60°C wurde das erhaltene Gemisch einer quantitativen Analyse durch Gaschromatografie unterworfen.

Beispiel 26

Beispiel 25 wurde wiederholt, wobei jedoch die Mengen an Ethylacetat 130 g und an BF₃ · (C₂H₅)₂O 0,43 g (3 mmol) betrugen.

Beispiel 27

Beispiel 26 wurde wiederholt, wobei jedoch die Menge an zugegebenem Ethylacetat auf 80 g verändert wurde.

Beispiel 28

Beispiel 26 wurde wiederholt, wobei jedoch BF₃ · (CH₃COOH)₂ als Katalysator in einer Menge von 0,056 g (3 mmol) verwendet wurde.

Beispiel 29

Beispiel 26 wurde wiederholt, wobei jedoch BF₃ · (CH₃OH)₂ als Katalysator in einer Menge von 0,40 g (3 mmol) verwendet wurde.

Die Ergebnisse der Beispiele 25 bis 29 werden in der nachfolgenden Tabelle 3 gezeigt.

Tabelle 3

Beispiel 30

In einen 300 ml-Kolben, der mit einem Thermometer, mit einem mit einem Kalziumchloridrohr ausgerüsteten Rückflußkühler, einem Gaseinlaßrohr und einem Tropftrichter versehen war, wurden 130 g Dioxan vorgelegt. Dann wurden 4,50 g (150 mmol) Formaldehydgas bei Raumtemperatur eingeblasen und absorbiert und anschließend wurden 0,43 g (3 mmol) BF₃ · (C₂H₅)₂O zugegeben. Nach Erwärmen der Mischung auf 60°C wurde eine Lösung während 2 Stunden bei 60°C zugetropft, die hergestellt worden war, indem man 5,83 g (60 mmol) 3-Ethoxy-2-propennitril in 20 g Dioxan auflöste.

Nach 2stündigem Rühren bei 60°C wurde die Reaktionsmischung quantitativ durch Gaschromatografie analysiert. Es wurde eine Umwandlung des 3-Ethoxy-2-propennitrils vn 93,3% festgestellt und 4-Ethoxy-1,3-dioxan- 5-carbonitril wurde mit einer Selektivität von 91,0% gebildet.

Beispiel 31

Das Beispiel 30 wurde wiederholt, wobei jedoch anstelle von Dioxan Acetonitril verwendet wurde und anstelle von 3-Ethoxy-2-propennitril 7,50 g (60 mmol) 3-n- Butoxy-2-propennitril.

Die Umwandlung des 3-n-Butoxy-2-propennitrils betrug 90,2% und 4-n-Butoxy-1,3-dioxan-5-carbonitril wurde mit einer Selektivität von 91,8% gebildet.

Beispiel 32

Beispiel 25 wurde wiederholt, wobei jedoch anstelle von Ethylacetat Methylenchlorid verwendet wurde und die Reaktionstemperatur bei 40°C gehalten wurde. Es wurde eine Lösung von 3-Methoxy-2-propennitril in Methylenchlorid während 4 Stunden zugegeben und die Mischung wurde 8 Stunden gerührt.

Die Umwandlung des 3-Methoxy-2-propennitrils betrug 84,9% und 4-Methoxy-1,3-dioxan-5-carbonitril wurde mit einer Selektivität von 95,7% gebildet.

Beispiel 33

In der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 25 wurde eine Lösung vorgelegt, die erhalten worden war durch Auflösen von 0,20 g (3 mmol) BF₃ in 200 g Ethylacetat. Dazu wurden bei Raumtemperatur 4,50 g (150 mmol) Formaldehydgas eingeblasen.

Nach Erwärmen der Mischung auf 60°C wurde eine Lösung bei 60°C während 2 Stunden zugegeben, die hergestellt worden war, indem man 5,00 g (60 mmol) 3-Methoxy-2- propennitril in 20 g Ethylacetat gelöst hatte. Nach 2stündigem Rühren bei 60°C wurde das Reaktionsgemisch gaschromatografisch quantitativ analysiert.

Es wurde festgestellt, daß die Umwandlung des 3- Methoxy-2-propennitrils 96,3% betrug und das 4-Methoxy- 1,3-dioxan-5-carbonitril mit einer Selektivität von 93,1% gebildet worden war.

Anschließend wird in einem Referenzbeispiel die Herstellung eines Propannitrils beschrieben, das als Ausgangsmaterial für die Synthese von Vitamin B₁ aus 4-Alkoxy-1,3-dioxan-5-carbonitril gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird.

Referenzbeispiel

In einen 50 ml-Kolben, der mit einem Rückflußkühler ausgerüstet war, wurde eine Lösung aus 2,58 g (25 mmol) konzentrierte Schwefelsäure in 8,0 g (250 mmol) Methanol, 1,43 g (10 mmol) 4-Methoxy-1,3-dioxan-5-carbonitril und 16 g Dioxan (Lösungsmittel) zugegeben und die Umsetzung wurde unter Rückfluß während 6 Stunden und unter Rühren der Mischung durchgeführt.

Die Umwandlung des 4-Methoxy-1,3-dioxan-5-carbonitrils war 100% und man erhielt 2-Dimethyloxymethyl-3- methoxypropannitril, 2-Methoxymethylen-3-methoxypropannitril bzw. 2-Methylen-3,3-dimethoxy-propannitril in Selektivitäten von 64,1%, 14,9% bzw. 12,3%.

Claims

1. 4-Alkoxy-1,3-dioxan-5-carbonitrile der allgemeinen Formel (I) worin R eine C₁-C₄-Alkylgruppe bedeutet.

2. Verfahren zur Herstellung der 4-Alkoxy-1,3-dioxan- 5-carbonitrile der allgemeinen Formel (I) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein 3-Alkoxy-2-propennitril der allgemeinen Formel (II) RO-CH=CH-CN (II)worin R eine C₁-C₄-Alkylgruppe bedeutet, mit Formaldehyd oder einer Verbindung, die im Reaktionssystem Formaldehyd bildet, in Gegenwart eines Lewis- Säure-Katalysators, gegebenenfalls in einem Lösungsmittel, umsetzt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in einem aprotischen Lösungsmittel in Gegenwart von Bortrifluorid oder eines Komplexsalzes davon als Katalysator unter Verwendung von Formaldehyd in gasförmigem Zustand durchführt.