DE3713128A1 - Verfahren zur herstellung isomer reiner z-2-methyl-2-butensaeure und deren ester - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Z-2- Methyl-2-butensäure (Angelicasäure) und deren Ester.

Angelicasäure und einige ihrer Ester sind Inhaltsstoffe natürlicher ätherischer Öle, insbesondere des römischen Kamillenöls. Die Z-2-Methyl-2-butensäure und deren Ester finden daher als Geschmacks- und Geruchsstoffe und als Zusatz zu Parfümkompositionen Verwendung. Hauptproblem für die wirtschaftliche Verwertung dieser Verbindungsklasse ist dabei die aufwendige stereoselektive Synthese dieser Verbindungen. Die Z-2-Methyl-2-butensäure (Angelicasäure) und ihre Derivate stehen im Gleichgewicht mit der E-2-Methyl-2-butensäure (Tiglinsäure) und deren Derivaten. Das Gleichgewicht liegt dabei unter Normalbedingungen auf Seite der Tiglinsäure und Tiglinsäurederivate, da diese Isomeren aufgrund der trans- Stellung der Substituenten thermodynamisch stabiler sind. Das Isomerengleichgewicht Angelicasäure/Tiglinsäure liegt beispielsweise bei höchstens 10% Z-Konfiguration im Gemisch.

Bisher sind drei Verfahren zur Darstellung der Angelicasäure bzw. deren Ester bekannt. In der DE-PS 6 46 929 wird Angelica­ säure durch Umsetzung von β-Bromangelicasäure mit nas­ zierendem Wasserstoff gewonnen. In der DE-PS 35 35 889 wird die Synthese der Z-2-Methyl-2-butensäure ausgehend von technischem 2-Methyl-2-butennitril durch schwefelsaure Hydro­ lyse bei erhöhter Temperatur und abschließender fraktionier­ ter Destillation und Kristallisation beschrieben. Auf die Synthese der Ester der Angelicasäure wird in beiden Patent­ schriften nicht eingegangen.

In der EP-A 1 12 394 (US-A 46 13 680) wird vorgeschlagen, die Angelicasäure bzw. deren Ester durch thermische Umlagerung der isomeren Tiglinsäure bzw. Tiglinester herzustellen. Die Umlagerung wird dabei durch organische Sulfinsäuren katalysiert und man erhält Gleichgewichtsgemische mit einem Anteil von weniger als 10% Angelicasäureester. Die Z- konfigurierten Angelate schmelzen bzw. sieden unterhalb den entsprechenden E-Isomeren und werden mittels fraktionierter Destillation isoliert. Da jedoch Schmelz- und Siedepunkte der isomeren Ester sehr eng benachbart sind - die Methylester der Tiglin- bzw. Angelicasäure haben mit 10°C die größte Siedepunktsdifferenz - und auch aufgrund des lediglich 10%igen Anteils der Angelate im Isomerengemisch, ist diese destillative Auftrennung sehr aufwendig und erfordert Destillationskolonnen mit hoher Bodenzahl. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist die Verwendung von relativ teueren Ausgangsmaterialien: Tiglinsäure und Tiglinsäureester werden per se als Geruchsstoffe verarbeitet.

Es bestand daher die Aufgabe, durch Verwendung kosten­ günstigerer Ausgangsmaterialien und unter Ausnutzung eines günstigeren thermodynamischen Gleichgewichts zwischen den Doppelbindungsisomeren ein weniger aufwendiges Verfahren zur Herstellung von Z-2-Methyl-2-butensäure und deren Ester zu entwickeln.

Diese Aufgabe konnte ausgehend davon, daß in der Gleichge­ wichtszusammensetzung von Tiglonitril und Angelonitril der Anteil von Angelonitril mit mehr als 70% wesentlich höher liegt als bei den Gleichgewichtsmischungen der entsprechenden Säuren und Ester, darüberhinaus die Siedepunktsdifferenz zwischen den stereoisomeren Nitrilen mit 17°C größer ist als zwischen Angelaten und Tiglaten (max. 10°C) und sich das so isolierte Angelonitril stereospezifisch zu Angelicasäure und Angelicasäureestern umwandeln läßt, durch das erfindungs­ gemäße Verfahren gelöst werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Z-2-Methyl-2-butensäure und deren Estern ausgehend von 2- Methyl-2-butensäurenitril dadurch gekennzeichnet, daß unter Zusatz von Alkyl- und/oder Arylsulfinsäuren zu 0,01 bis 10 Gew.% bezogen auf das eingesetzte Nitril auf 50°C bis 170°C erhitzt wird, Angelonitril aus dem Isomergemisch destillativ abgetrennt wird, das reine Angelonitril in einer stereoselektiven Hydrolyse mit 70-90%iger H₂SO₄ bei Temperaturen von 20°C bis 120°C zu Angelicaamid hydrolysiert wird, und das Angelicaamid durch stereoselektive Alkoholyse mit dem entsprechenden Alkohol, oder durch stereoselektive Hydrolyse, unter Zusatz von 30-90%-iger Phosphorsäure bei 20°C bis 120°C zum Angelicaester umgesetzt oder zur Angelicasäure hydrolysiert wird.

Die Gleichgewichtseinstellung zwischen Tiglo- und Angelo­ nitril im ersten Schritt des Verfahrens wird durch Alkyl­ oder Arylsulfinsäuren, wie zum Beispiel p-Toluolsulfinsäure, Benzolsulfinsäure, Chlorbenzolsulfinsäure, Methylsulfinsäure und Butylsulfinsäure katalysiert. Vorzugsweise werden auf dem Markt erhältliche Sulfinsäuren wie Benzolsulfinsäure oder p-Toluolsulfinsäure verwendet. Sie werden in einem Konzen­ trationsbereich von 0,01 bis 10 Gew.% bezogen auf das einge­ setzte Nitril, vorzugsweise zu 0,1 bis 2 Gew.% eingesetzt. Für die Isomerisierungsreaktion können inerte Lösungsmittel wie aliphatische bzw. aromatische Kohlenwasserstoffe, Halo­ genkohlenwasserstoffe und Ether eingesetzt werden. Bevorzugt wird die Reaktionsführung ohne Lösungsmittel. Die Reaktions­ temperatur liegt dabei zwischen 50 und 170°C, vorzugsweise bei 120 bis 140°C. Das Isomerengemisch wird durch frak­ tionierte Destillation getrennt. Mit dem Überdestillieren des leichter flüchtigen Angelonitrils verarmt das Gemisch in der Destillationsblase an Angelonitril, das deshalb über die Ein­ stellung des Isomerengleichgewichts - gegebenenfalls nach weiterer Zugabe von Sulfinsäure als Katalysator - ständig aus Tiglonitril neu gebildet wird. Auf diese Weise erhält man in nahezu quantitativer Ausbeute reines Angelonitril.

Die Vorzüge dieses Verfahrens gegenüber dem in der EP-A 1 12 394 offengelegten beruhen neben der größeren Siedepunkts­ differenz zwischen Angelonitril und Tiglionitril auch auf der höheren Gleichgewichtskonzentration des Z-isomeren Angelo­ nitrils im Vergleich zu den Systemen Angelicasäure/- Tiglinsäure bzw. Angelat/Tiglat. Wegen der wesentlich günsti­ geren Lage des Isomerengleichgewichts ist es auch, im Gegen­ satz zur EP-A 1 12 394, nicht erforderlich, den sich während der Reaktion zersetzenden Isomerisierungskatalysator im Ver­ lauf der Destillation ständig zuzudosieren. Bei gleicher zu erzielender Isomerenreinheit werden an die Rektifikations­ kolonne im Vergleich zum erwähnten Verfahren geringere Anfor­ derungen gestellt, da das Trennproblem (Siedepunktsdifferenz, Gemischzusammensetzung) wesentlich kleiner ist.

Die erfindungsgemäße stereospezifische Umsetzung des stereo­ isomer reinen Angelonitrils zu den Angelicasäureestern und der Angelicasäure erfolgt über die Isolierung des Angelica­ säureamids als Zwischenstufe. Bei den bisher bekannten Ver­ fahren (Buckles, Mock and Locatell, Chem. Reviews 55 (1955), S. 659-677) verläuft diese Umsetzung aufgrund dessen, daß sich die Z-2-Methyl-butensäure und deren Derivate im Sauren, Basischen und bei erhöhten Temperaturen sehr leicht in die entsprechenden E-Isomere umlagern, unter nahezu voll­ ständiger Konfigurationsumkehr. Durch geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen ist es überraschenderweise gelungen, nicht nur die Hydrolyse des Angelonitrils auf der Amidstufe abzustoppen, sondern darüber hinaus die Konfigurationsumkehr weitesgehend zu vermeiden.

Die Hydrolyse des Angelonitrils zum Angelicaamid erfolgt mit starken Säuren wie z. B. Salzsäure, Schwefelsäure, Tetra­ fluoroborsäure, Essigsäure/BF ₃, vorzugsweise mit Schwefel­ säure, besonders bevorzugt mit 70-90%iger Schwefelsäure. Die Reaktion erfolgt bei Temperaturen bis zu 120°C, vor­ zugsweise bei Temperaturen bis zu 100°C. Gegebenenfalls können inerte Lösungsmittel wie aliphatische Kohlenwasser­ stoffe, aromatische Kohlenwasserstoffe, Chlorkohlenwasser­ stoffe oder Ether verwendet werden. Vorzugsweise läßt man die Reaktion ohne Lösungsmittel ablaufen. Nach der wäßrigen Aufarbeitung der Reaktionsmischung wird der Ansatz gegebenen­ falls in organischen Lösungsmitteln aufgenommen, die wäßrige Phase abgetrennt. Nach Abdestillation des Lösungsmittels kristallisiert das Angelicaamid aus. Nebenprodukte lassen sich dabei wegen der hervorragenden Kristallisationseigen­ schaften leicht abtrennen. Zur weiteren Reinigung kann das Amid gegebenenfalls umkristallisiert werden.

Auch die Umsetzung des stereoisomer reinen Angelicaamids zum Angelat bzw. Angelicasäure verlief unerwarteterweise ohne die in der Literatur (Buckles et al. Chem. Reviews 55 (1955), S. 666) postulierte Umlagerung zum entsprechenden Tiglin­ säureester bzw. Tiglinsäure. Die Umsetzung verläuft über eine sauer katalysierte Alkoholyse bzw. Hydrolyse. Zur Alkoholyse wird dabei das Anglicaamid im entsprechenden Alkohol gelöst und unter Zusatz von Mineralsäure in einem molaren Verhältnis von 1 : 1 bis 1 : 5 bezogen auf das Amid umgesetzt. Eingesetzt werden können alle Alkohole, die unter den vorbeschriebenen Reaktionsbedingungen stabil sind. Als Mineralsäuren können Schwefelsäure oder Phosphorsäure, bevorzugt Phosphorsäure eingesetzt werden. Die Hydrolyse des Angelicaamids führt man vorzugsweise mit 50 bis 90%-iger Phosphorsäure durch. Die optimale Reaktionstemperatur ist abhängig von der verwendeten Mineralsäure, dem umzusetzenden Alkohol und der beabsichtigten Reaktionsdauer. Die Umsetzung erfolgt bei 20°C bis 120°C, vorzugsweise bei 70°C bis 105°C Bei tieferer Reaktionstemperatur erhält man bei entsprechend längerer Reaktionszeit ein günstigeres Verhältnis von Angelicasäureester zu Tiglinsäureester.

Die Umsetzung von Angelicaamid zu Angelicasäure erfolgt ana­ log der Esterdarstellung unter Hydrolyse mit Mineralsäuren, vorzugsweise Phosphorsäure.

Nach Extraktion der Mineralsäuren erhält man die Angelica­ säure bzw. Angelicasäureester in sehr reiner Form; lediglich überschüssiger Alkohol und nicht umgesetztes Angelicaamid sind noch durch eine wenig aufwendige Destillation abzutren­ nen. Mit dieser Reaktionsfolge sind damit stereoisomer hoch­ reine Angelate auf eine bislang unerreicht günstige Art und Weise zu erhalten.

Beispiel 1 Isolierung des Angelonitrils

Eine Mischung aus 5 g Tiglonitril und 50 mg p-Toluolsulfin­ säure wird 1 h lang auf Rückflußtemperatur erhitzt. Danach destilliert man das Nitrilgemisch über eine Drehbandkolonne bei einem Rücklaufverhältnis von 1/5 bei Normaldruck ab. Man erhält durch die Fraktionierung 3 g mehr als 98 %ig reines Angelonitril.

Beispiel 2 Herstellung des Angelicaamids

In ein Gemisch aus 10 g (0,123 mol) Angelonitril und 2,83 g (24,6 mmol) Ammoniumhydrogensulfat tropft man bei 100°C 22,7 g (0,185 mol) 80 %ige Schwefelsäure. Man hält das Reaktionsgemisch unter Rühren 24 h lang bei dieser Tempe­ ratur. Danach läßt man den Ansatz abkühlen und in 5 n Natron­ lauge einfließen. Das dabei auskristallisierende Angelicaamid filtriert man ab. Das Filtrat wird mit Chloroform extrahiert und die Chloroform-Lösung eingedampft. Der Eindampfrückstand wird mit dem abfiltrierten, rohen Angelicaamid vereinigt und aus Methylenchlorid umkristallisiert. Man erhält 7,03 g Angelicaamid (58% der Theorie) in Form filziger Nadeln und einem Schmelzpunkt von 128-129°C. Daneben isoliert man aus der eingedampften Mutterlauge weitere 2,4 g (19% der Theorie) kristallines Produkt, das weitgehend aus Angelica­ amid besteht (90%).

Beispiel 3 Herstellung des Angelicasäureisoamylester

86 g (0,869 mol) Angelicaamid werden in 230 g (2,61 mol) Iso­ amylalkohol gelöst. Dazu fügt man 120 g (1,04 mol) 85%ige Phosphorsäure (d=1.685) und erwärmt dieses Gemisch unter Rühren 85 h lang auf 105°C. Danach wird bei einer Sumpf­ temperatur von 90°C durch Anlegen eines Vakuums von etwa 30-90 Torr (4-12 kPa) der überschüssige Isoamylalkohol abdestilliert. Im Laufe der weiteren Destillation bei 15-20 Torr (2-2,7 kPa) erhält man 81,3 g Angelicasäureisoamylester in 90%iger Reinheit (50% d. Th.). Als Hauptverunreinigung sind 3,2% Isoamylalkohol enthalten, die sich durch eine zweite Destillation leicht entfernen lassen. In den Vorläufen der Destillation des Reaktionsgemisches sind laut GC weitere 13 g Angelicasäureisoamylester (9% d. Th.) enthalten. Der Rückstand der Destillation wird mit Äthylacetat extrahiert, die Phosphorsäurephase abgetrennt. Nach Eindampfen der org. Phase und Wiederaufnehmen des Rückstandes in tert.- Butylmethyläther kristallisieren 8,4 g (10% d. Th.) Angelicaamid aus, das zu einer erneuten Alkoholyse eingesetzt werden kann.

Beispiel 4 Herstellung des Angelicasäureisobutylester

86 g (0.869 mol) Angelicaamid wurden zusammen mit 193 g (2.6 mol) Isobutanol und 120 g 85%ige Phosphorsäure ent­ sprechend dem in Beispiel 3 beschriebenen Verfahren umge­ setzt. Man erhielt 58.5 g Angelicasäureisobutylester in einer Reinheit von 92% (GC). Die Ausbeute beträgt 40% der Theorie. In den Destillationsvorläufen ist weiterer Ester (2% d. Th.) enthalten, der sich destillativ isolieren läßt. Weiterhin isoliert wurden 17,8 g (21% d. Th.) an nicht umge­ setztem Amid, das wiederverwendet werden kann.

Beispiel 5 Herstellung der Angelicasäure

2 g (0,02 mol) Angelicaamid wurden zusammen mit 5,88 g (0,03 mol) 50%iger Phosphorsäure 95 Stunden lang auf 80°C erhitzt. Nach dieser Zeit wurde die Reaktionsmischung gas­ chromatographisch analysiert. Die Zusammensetzung betrug 48% nicht umgesetztes Angelicaamid, 48% Angelicasäure sowie 4% Tiglinsäure.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung von Z-2-Methyl-2-butensäure und deren Ester ausgehend von 2-Methyl-2-butensäurenitril, da­ durch gekennzeichnet, daß unter Zusatz von Alkyl- und/ oder Arylsulfinsäuren zu 0,01 bis 10 Gew.% bezogen auf das eingesetzte Nitril, auf 50°C bis 170°C erhitzt wird, Angelonitril aus dem Isomerengemisch destillativ abgetrennt wird, das reine Angelonitril in einer stereo­ selektiven Hydrolyse mit 70-90%iger H₂SO₄ bei Tempera­ turen von 20°C bis 120°C zu Angelicaamid hydrolysiert wird, und das Angelicaamid durch stereoselektive Alkoholyse mit dem entsprechenden Alkohol, oder durch stereoselective Hydrolyse, unter Zusatz von 30-90%-iger Phosphorsäure bei 20°C bis 120°C zum Angelicaester umgesetzt oder zur Angelicasäure hydrolysiert wird.