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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Verfahren zur Herstellung acylierter 1,3-Dicarbonylverbindungen
durch die Umlagerung der entsprechenden Enolester. Die Erfindung
bezieht sich ebenso auf die Herstellung der entsprechenden Tautomerverbindungen
der acylierten 1,3-Dicarbonylverbindungen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die Umlagerung bestimmter Enolester,
die zu acylierten 1,3-Dicarbonylverbindungen führt, ist in der Patent- und
Zeitschriftenliteratur angegeben worden, worin bestimmte Arten von
Katalysatoren offenbart worden sind, die die Umlagerungsreaktion
erleichtern. Einige dieser Katalysatoren, die offenbart worden sind,
sind Aluminiumchlorid in 2 molarem Überschuß, 4-Dimethylaminopyridin,
Aminopyridin-Derivate, N-Alkylimidazolderivate, geschmolzenes Natriumacetat,
Lewissäure
und Cyanidquellen. Siehe EP-A-306996 und US-Patent 4,695,673 und
die Referenzen, die hierin angegeben und erörtert werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Überraschenderweise
ist nunmehr entdeckt worden, daß ein
Azidkatalysator/Reagens verwendet werden kann, um die Umlagerung
der Enolester zu der entsprechenden acylierten 1,3-Dicarbonylverbindung und/oder
den entsprechenden tautomeren Formen der acylierten 1,3-Dicarbonylverbindung
zu erleichtern (zukünftig
sollte, wo geeignet, auf acylierte „1,3-Dicarbonylverbindungen" oder andere ähnliche
Deskriptoren wie „Cyclohexandionderivate" usw. bezug genommen
werden, um die tautomeren Formen zu umfassen sofern nicht etwas
anderes angegeben ist). Die acylierten „1,3-Dicarbonylverbindungen,
die durch das augenblicklich offenbarte Verfahren hergestellt werden,
sind an sich als Agrochemikalien verwendbar (wie zum Beispiel Pestizide,
Herbizide usw.) oder können
als Zwischenprodukte bei der Herstellung von nützlichen Agrochemikalien verwendet
werden. Das Azidkatalysator/Reagenssystem, das in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, weist gegenüber dem derzeit verwendeten
Vorteile auf. Katalysatoren wie Dimethylaminopyridin müssen rückge führt werden.
Cyanidkatalysatoren und -reagenzien erzeugen Wasserstoffcyanid,
das die Verfahrensströme kontaminiert.
Die Azidkatalysatoren und -reagenzien der vorliegenden Erfindung
haben den Vorteil, daß sie
bei der Ansäuerung
Stickstoffwasserstoffsäure
bilden, die sich zu Stickstoff zersetzt. Die vorliegende Erfindung überwindet
den Bedarf an bestimmten preisintensiven Katalysator/Reagensrückführungs-
und Abfallbehandlungssystemen, die derzeit mit der Herstellung von
acylierten 1,3-Dicarbonylverbindungen in Verbindung stehen.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist
das Verfahren zur Herstellung acylierter cyclischer 1,3-Dicarbonylverbindungen
oder den Tautomeren hiervon, umfassend den Schritt der Umlagerung
des entsprechenden Enolesters, wobei die Umlagerung in der Gegenwart
eines Alkalimetallazids durchgeführt
wird. Die acylierten cyclischen 1,3-Dicarbonylverbindungen sind
1,3-Cyclohexandione, die in der 2-Stellung an dem Cyclohexanring
mit einem Acylrest substituiert sind. Die Enolesterverbindungen,
die die Ausgangsmaterialien für das
Verfahren sind, sind die O-Acylenolester von 1,3-Cyclohexandionen.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung
ist das Verfahren, in dem die Umlagerung in der Gegenwart von entweder:
- (a) einer katalytischen Menge eines Alkalimetallazids
und eines molaren Überschusses
einer Base, in Bezug auf den Enolester; oder
- (b) einer stöchiometrischen
Menge eines Alkalimetallazids, in Bezug auf den Enolester, und einer
katalytischen Menge eines Phasentransferkatalysators, durchgeführt wird.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist
das Verfahren zur Herstellung der Verbindungen der Formel I:
und der Tautomere hiervon,
worin
R eine Gruppe C
1-C
10-Alkyl,
C
3-C
6-Cycloalkyl
oder Phenyl ist, worin der Phenylkern unsubstituiert oder durch ein
bis drei Gruppen, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Halogen, C
1-C
4-Alkyl, C
1-C
4-Alkoxy, C
1-C
4-Halogenalkyl, Nitro oder Cyano, substituiert
ist;
A ein -OR
2-, -SR
2-
oder NR
3R
4-Rest
ist;
R
2, R
3 und
R
4 jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff,
C
1-C
6-Alkyl, C
1-C
6-Halogenalkyl, C
2-C
10-Alkoxyalkyl, C
2-C
10-Alkylthioalkyl; C
3-C
6-Alkenyl, das unsubstituiert oder durch
Halogen, C
1-C
4-Alkoxy
oder C
1-C
4-Alkylthio
substituiert ist; C
3-C
6-Alkinyl;
Phenyl,
C
6-C
20-Alkylaryl
oder C
6-C
20-Aralkyl
sind, worin der Phenylkern unsubstituiert oder durch ein bis drei Gruppen,
ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Halogen, C
1-C
4-Alkyl, C
1-C
4-Alkoxy, C
1-C
4-Halogenalkyl, Nitro oder Cyano, substituiert
ist; oder
R
3 und R
4,
zusammen mit dem Stickstoffatom, an das sie gebunden sind, ein 5-
oder 6gliedriges heterocyclisches Ringsystem bilden, das ein zusätzliches
Sauerstoff oder Schwefelatom in dem Ring enthalten kann; und Salze
hiervon, wobei das Verfahren den Schritt der Umlagerung des entsprechenden
Enolesters umfaßt,
worin die Umwandlung in Gegenwart eines Alkalimetallazids stattfindet.
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In den obigen Definitionen umfassen
die Alkylreste sowohl geradkettige als auch verzweigtkettige Reste,
wie zum Beispiel Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl,
sec-Butyl, tert-Butyl, als auch Stereoisomere von Resten mit höherer Kohlenstoffzahl.
Alkenyl und Alkinyl umfassen ebenso geradkettige und verzweigtkettige
Reste, wie zum Beispiel Vinyl, Alkyl, Methallyl, Butenyl, Methylbutenyl
und Dimethylbutenyl, Ethinyl, Propinyl, Butinyl, Methylbutinyl und
Dimethylbutinyl, ebenso wie Stereoisomere der Reste mit höherer Kohlenstoffzahl.
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Unter „Cycloalkyl" ist eine Gruppe
zu verstehen, die Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclopentyl und Cyclohexyl
umfaßt.
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Unter „Aryl" ist entweder ein nicht-heteroaromatisches
Ringsystem oder ein heteroaromatisches Ringsystem zu verstehen.
Unter „Alkylaryl" ist eine Arylgruppe
zu verstehen, die durch eine oder mehrere Alkylgruppen substituiert
ist.
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Unter „Aralkyl" ist eine Alkylgruppe zu verstehen,
die durch eine oder mehrere Arylgruppen substituiert ist. Halogen
ist Fluor, Chlor, Brom oder Iod.
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Ein 5- oder 6gliedriges heterocyclisches
Ringsystem -NR3R4,
das ein zusätzliches
Sauerstoff oder Schwefelatom in dem Ring enthalten kann, umfaßt aromatische
und nicht-aromatische Ringsysteme und umfaßt beispielsweise Pyrrol, Pyrolidin,
Pyridin, Piperidin, Morpholin oder Thiomorpholin. Diese Ringe können ebenso
beispielsweise durch ein bis drei Gruppen, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Halogen, C1-C4-Alkyl, C1-C4-Alkoxy, C1-C4-Halogenalkyl, Nitro oder Cyano substituiert
sein.
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Die Cyclohexandion-Derivate der Formel
I zeigen gute herbizide und Pflanzenwachstumsregulierungseigenschaften.
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Tautomerie ist eine Art von Isomerie,
bei dem die Migration eines Wasserstoffatoms zu zwei oder mehr Strukturen
führt,
Tautomere genannt. Die Cyclohexandion-Derivate der Formel I können in
unterschiedlichen tautomeren Formen erhalten werden. Zum Beispiel
können
Methyl-4-propanoyl-3,5-cyclohexandion-1-carboxylat in der tautomeren
Form von Methyl-4-(propyl-1-hydroxymethyliden)-3,5-cyclohexandion-1-carboxylat
erhalten werden, ebenso wie andere tautomere Formen (siehe zum Beispiel
das nachstehende Tautomerie-Schema):
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Das im vorliegenden Verfahren zur
Herstellung der Cyclohexandione der Formel I verwendete Alkalimetallazid
umfaßt
zum Beispiel Lithiumazid, Natriumazid, Kaliumazid und Cäsiumazid.
Das Alkalimetallazid kann entweder als ein Katalysator allein oder
zusätzlich
als ein basisches Reagenz agieren. Agiert das Alkalimetallazid als
ein Katalysator, ist es notwendig, ein zusätzliches basisches Reagenz
zu verwenden. Das Alkalimetallazid kann ebenso in ausreichenden
Mengen verwendet werden, so daß es
zusätzlich
als ein basisches Reagenz für das
Verfahren dient. In beiden Fällen
kann ein Phasentransferkatalysator verwendet werden, um die Reaktivität des Alkalimetallazidkatalysators/Base
zu erhöhen.
Es ist zu erwarten, daß unter
bestimmten Bedingungen Kationenaustausch auftreten kann, so daß die tatsächliche
katalytische oder Reagenzazidspezies, die die Umlagerungsreaktion
erleichtert, ein Azid mit einem anderen Gegenion ist.
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Der Umfang der hierin offenbarten
Erfindung sollte nicht so ausgelegt werden, daß er durch irgendeine chemische
Theorie, die sich auf die zur Herstellung des Endproduktes verwendeten
Komplexierungs-, Gleichgewichts-, Reaktions- oder Säure-Base-Chemie
der Komponenten bezieht, eingeschränkt ist.
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Geeignete Phasentransferkatalysatoren,
die in dem vorliegenden Verfahren angewendet werden können, umfassen
Komplexierungsmittel, die Katione in polaren Lösungsmitteln löslich machen
(zum Beispiel Kronenether wie 18-Krone-6). Die Phasentransferkatalysatoren
können
verwendet werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Umlagerung
zu erhöhen
oder andererseits die Aufwandsenergie oder die Menge an notwendigen
Reagenzien zur Beendigung der Reaktion zu verringern. Ob ein Phasentransferkatalysator
verwendet wird, wird von einer Kosten-Nutzen-Analyse für die gegebenen
Verhältnisse
und die gewünschten
Verfahrensdarstellungsparameter (zum Beispiel Lösungsmittelsysteme, Temperatur,
Reaktionszeit usw.) abhängen.
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Die bevorzugte Menge an dem Alkalimetallazidkatalysator,
die in dem Verfahren verwendet wird, liegt zwischen etwa 5 und 20
mol-%, bezogen auf den Enolester. Es kann jedoch mehr Alkalimetallazid
verwendet werden, insbesondere, wenn das Azid als eine Reagensbase
agieren kann.
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Das Umlagerungsverfahren dieser Erfindung
kann in Gegenwart eines Lösungsmittelsystems
durchgeführt
werden. Geeignete Lösungsmittel
für die
Umlagerung des entsprechenden Enolesters zu den Cyclohexandionen
der Formel I sind beispielsweise Toluen, DMF, Acetonacetonitril
oder andere ähnliche
Lösungsmittelsysteme.
Das Lösungsmittelsystem
kann in Abhängigkeit
davon, ob ein Phasentransferkatalysator verwendet wird, auf den
Umfang anderer herkömmlicher
Lösungsmittel
erweitert werden.
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Geeignete Basen, die in dem Verfahren
verwendet werden können,
sind organische Basen. Bevorzugte organische Basen umfassen Alkylamine
wie Trialkylamine oder andere funktionell äquivalente Basen. Unter den
entsprechenden Bedingungen kann es wünschenswert sein, beispielsweise
Ammoniak oder Ammoniumhydroxid als das basische Reagens oder andere ähnliche
basische Reagenzien zu verwenden. Die Trialkylamine sind vorzugsweise
Tri(Niederalkyl)Amine mit 1 bis 6, bevorzugt 1 bis 4 Kohlenstoffatomen
pro Alkylgruppe. Ein besonders bevorzugtes Amin ist Triethylamin.
Erneut ist es wichtig anzumerken, daß Alkalimetallazide oder andere
Salze als geeignete basische Reagenzien ebenso verwendet werden
können.
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Die Base wird in einer Menge von
etwa 1 bis etwa 4 mol pro Mol Enolester verwendet, vorzugsweise 1
bis 2 mol pro Mol Enolester.
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Die Temperaturen, die in dem Verfahren
verwendet werden, werden durch das Lösungsmittelsystem, das verwendet
wird, in einigem Umfang eingeschränkt, sofern die Umlagerung
unter Druckbedingungen durchgeführt
wird. Im allgemeinen liegen die geeigneten Temperaturbedingungen
zur Umlagerung zwischen etwa 20°C
bis etwa 75°C.
Die Reaktionszeiten können
kurz sein (das heißt,
in der Größenordnung
von Minuten) oder können
lang sein (in der Größenordnung
von Tagen), in Abhängigkeit
der verwendeten Katalysatoren und der Verfahrensgestaltungsparameter.
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Die Reaktionszeiten für ein Batch-Verfahren,
das bei Raumtemperatur läuft,
bewegen sich typischerweise zwischen 1 und 24 Stunden. Kürzere Reaktionszeiten
und niedrigere Reaktionstemperaturen können bevorzugt sein, um unerwünschte Nebenreaktionen
und die Zersetzung der Reagenzien oder des Katalysators zu vermeiden.
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Die Produktausbeute kann durch die
Anwendung von im wesentlichen wasserfreien Bedingungen in dem Verfahren
verbessert werden, um die Verseifung des Enolesters zu vermeiden.
Vorzugsweise wird die Umlagerung des Enolesters in Abwesenheit von
Wasser durchgeführt.
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„Im wesentlichen wasserfreie
Bedingungen" werden
als Bedingungen definiert, die ausreichen, um die Umlagerungsreaktion
des Enolesters zu den entsprechenden Cyclohexandionen der Formel
I ohne eine unerwünschte
Verringerung der Verfahrenseffizienz durchzuführen, während die Kosten und Nutzen
des Erhalts der entsprechenden Reagenzien und der Reaktorgestaltung
in Betracht gezogen werden.
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Die Ausgangsmaterialien für den cyclischen
Enolester, die in der Erfindung angewendet werden können, umfassen
die, die in den US-Patenten 4,693,745 und 4,695,673 offenbart werden.
Die Ausgangsmaterialien für
den Enolester können
durch bekannte Verfahren hergestellt werden oder können andererseits
unter Verwendung herkömmlicher
Chemiekenntnisse und den entsprechenden kommerziell erhältlichen
ultimativen Ausgangsmaterialien hergestellt werden (zum Beispiel
Methylacetoacetat; siehe Yoshimoto et al., CHEMTECH (1989), 19(7),
S. 431–4)
(siehe US-Patente 4,693,745 und 4,695,673). Die Alkalimetallazidkatalysatoren/Reagenzien,
die basischen Reagenzien und die Phasentransferkatalysatoren sind
kommerziell erhältlich,
können
durch bekannte Verfahren hergestellt werden oder können andererseits
unter Verwendung herkömmlicher
Chemiekenntnisse hergestellt werden. Beispielsweise ist Natriumazid
ein kommerziell erhältlicher
Azidkatalysator bzw. -reagens. Dem ähnlich ist 18-Krone-6 ein kommerziell
erhältlicher
Phasentransferkatalysator.
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Die bevorzugten Ausgangmaterialien
für den
Enolester, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, weisen
die Formel II auf
worin die Variablen wie oben
für Formel
I definiert sind. Die Salze, Stereoisomere und Tautomere der Verbindungen
der Formel II sind ebenso geeignete Ausgangsmaterialien. Die Salze
der Verbindungen der Formel II können
durch Behandlung der Verbindungen der Formel II mit der entsprechenden
Base erhalten werden. Geeignete Basen, um die Salze zu erhalten,
sind vorzugsweise Alkalimetallhydroxide, Erdalkalimetallhydroxide, Eisen-,
Kupfer-, Nickel- und
Zinkhydroxide und ebenso Ammoniak- oder quartäre C
1-C
4-Alkylammonium- oder C
1-C
4-Hydroxyalkylammoniumbasen.
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Die folgenden Beispiele veranschaulichen
ferner einige der speziellen Merkmale der Erfindung, sollen ihren
Umfang jedoch nicht einschränken.
Sofern nicht durch diese Beschreibung und die Ansprüche anders spezifiziert,
werden Temperaturen in Grad Celsius angegeben.
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Beispiel
1
Herstellung von Ethyl-2-cyclopropanoyl-1,3-cyclohexandion-5-carboxylat
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Der entsprechende O-Acylenolester
(25 g, 0,1 mol) (erhältlich
aus der O-Acylierung von Ethyl-1,3-cyclohexandion-5-carboxylat mit
Cyclopropanoylchlorid), Triethylamin (13,4 g, 0,13 mol), Dimethylformamid
(2 g, 0,02 mol) und Toluen (3,5 g, 0,04 mol) und Natriumazid (0,65
g, 0,01 mol) werden in einen runden 200-ml-Stehkolben geladen. Der
Kolben ist für
den Rückfluß mit einem
Wasser-gekühlten
Kondensator ausgestattet und wird gerührt. Der Kolben wird in einem Ölbad für 3 Stunden
auf 55°C
erhitzt. Das umgelagerte Produkt wird als ein TEA-Salz extrahiert,
gefolgt von Ansäuerung
mit Salzsäure
in Gegenwart von Toluen. Das Produktldie Toluenphase wird abgetrennt
und das Lösungsmittel
wird durch Verdampfung entfernt, wodurch Ethyl-2-cyclopropanoyl-1,3-cyclohexandion-5-carboxylat
als ein rohes Öl
erhalten wird (17,6 g viskoses Öl,
Rohausbeute 70%).
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Beispiel
2
Herstellung von Ethyl-2-aceto-1,3-cyclohexandion-5-carboxylat
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Ein runder Stehkolben wird mit dem
entsprechenden O-Acylenolester (15 g, 0,066 mol) (erhältlich aus der
Acylierung von Ethylcyclohexan-1,3-dion-5-carboxylat mit Acetylchlorid)
geladen. Der Kolben ist mit einem Rührer ausgestattet und es werden
Natriumazid (0,52 g, 0,008 mol), DMF (1,6 g), Toluen (2,8 g) und
TEA (10,7 g, 0,105 mol) hierzu zugegeben. Der Kolben wird in einem Ölbad auf
45°C erhitzt,
woraufhin eine Exotherme die Reaktionstemperatur auf 60°C erhöht. Das
Gemisch wird auf 30°C
abgekühlt
und wird eine Stunde ohne die Zufuhr von externer Wärme gehalten.
Das Reaktionsgemisch wird zu 100 ml Wasser zugegeben und die wässerige
Phase wird abgetrennt und mit 20 ml Toluen gemischt. Die Lösung wird
dann mit HCl auf einen pH von < 2
angesäuert.
Die Toluenphase wird abgetrennt und die wässerige Säure wird mit Dichlormethan
rückextrahiert.
Das Lösungsmittel
wird aus den vereinigten organischen Extrakten durch Rotationsverdampfen
entfernt, wodurch das Ethyl-2-aceto-1,3-cyclohexandion-5-carboxylat-Produkt
erhalten wird (9,6 g viskoses Öl, Rohausbeute
64%).
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Beispiel
3
Herstellung von Ethyl-2-(3,5-dinitrobenzoyl)-1,3-cyclohexandion-5-carboxylat
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Ein runder Stehkolben wird mit dem
entsprechenden O-Acylenolester (15 g, 0,0396 mol) (erhältlich aus
der Acylierung von Ethylcyclohexan-1,3-dion-5-carboxylat mit 3,5-Dinitrobenzoylchlorid)
geladen. Der Kolben ist mit einem Rührer ausgestattet und es werden
Natriumazid (0,26 g, 0,004 mol), DMF (1 g), Toluen (5 g) und TEA
(4,2 g, 0,041 mol) hierzu zugegeben. Der Kolben wird in einem Ölbad auf
45°C erhitzt.
Das Verschwinden des Ausgangsmaterials wird durch GC angezeigt.
Ist die Reaktion erst einmal zu Ende, werden Wasser (48,6 ml) und
Toluen (7 g) zu dem Reaktionsgemisch zugegeben, gefolgt von Abschrecken
auf < 10°C. Nach der
Abtrennung wird die organische Phase einmal mit 8 ml Wasser extrahiert.
Die vereinigten wässerigen Extrakte
werden zweimal mit Toluen (2 × 5,4
g) rückextrahiert,
wobei die erste wässerige/organische
Lösung zuerst
wie in Beispiel 2 angesäuert
wird. Die das Produkt-enthaltenden organischen Phasen werden vereinigt und
mit Natriumbicarbonat gewaschen. Das organische Lösungsmittel
wird durch Rotationsverdampfung entfernt, wodurch das Ethyl-2-(3,5-dinitrobenzoyl)-1,3-cyclohexandion-5-carboxylat-Produkt
erhalten wird (9,6 g eines viskosen Öls, Rohausbeute 64%).
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Die synthetischen Transformationen,
die in den obigen Beispielen beschrieben wurden, wurden unter wasserfreien
oder im wesentlichen wasserfreien Bedingungen durchgeführt. Eine
Rohproduktausbeute in den Beispielen bezieht sich auf die Menge
an isoliertem Material im Vergleich zu der theoretischen Menge,
die der Ausgangsenolester ergeben könnte. DMF = Dimethylformamid.
18-Krone-6 = 1,4,7,10,13,16-Hexaoxacyclooctadecan. TEA = Triethylamin.
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Zusammengefaßt ist ersichtlich, daß diese
Erfindung das Verfahren zur Herstellung cyclischer 1,3-Dicarbonylverbindungen
erheblich vereinfacht. Dies wird durch die Verwendung eines Azidkatalysator/Reagenssystems
in einem Verfahren zur Umlagerung der entsprechenden Enolester erreicht.
Die Verwendung des Azidkatalysator/Reagens vereinfacht die Aufarbeitung
und die Behandlung von Abfallströmen,
die aus dem Verfahren stammen. Die vorliegende Erfindung vermeidet
die Kosten und die Toxizität,
die mit der Verwendung von Katalysator/Reagenzien vom Cyanid-Typ
in Verbindung stehen. Bei den Anteilen, Verfahren und Materialien
können
Variationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen,
wie in den folgenden Ansprüchen
definiert.