DE862152C - Verfahren zur Herstellung ª‰-substituierter Carbonsaeurederivate - Google Patents

Description

(WiGBI. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 8. JANUAR 1953

G 38₉7 IVd 112 ο

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von /J-substituierten Carbonsäureverbindungen.

In der amerikanischen Patentschrift 2 356 459 ist beschrieben, wie, durch Umsetzung eines Ketens mit einem Aldehyd oder Keton /9-Lactone in guter Ausbeute hergestellt werden können. In dieser Weise ist z. B. /J-Propiolacton, auch Hydracrylsäurelacton genannt,

CHo-CHo-C=O -

technisch erhältlich.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden /?-Lactone der allgemeinen Formel

R₁ R₂ R₃ R₄

c=o

r\

in welcher R₁, R₂, R₃ und R₄ Wasserstoff oder eine Alkylgruppe bedeuten, mit ionisierbaren anorganischen Salzen in Gegenwart eines in bezug auf die Reaktionsteilnehmer polaren Lösungsmittels, wie Wasser, umgesetzt, wobei zunächst ein Salz einer j8-substituierten Carbonsäure erhalten wird, welches dann durch Zusatz von Mineralsäure in die freie Carbonsäure umgewandelt werden kann. Dieses Verfahren schafft einen zweckdienlichen" und wirtschaftlichen Weg zur Herstellung zahlreicher organischer Verbindungen, die früher nur unter Schwierigkeiten und bzw. oder aus verhältnismäßig kostspieligen Rohstoffen gewonnen werden konnten. So wurde beispielsweise gefunden, daß bereits gewöhnliches Kochsalz, Natriumchlorid, mit ß-Propiolacton in wäßriger Lösung reagiert und beim Ansäuern der Lösung /?-Chlorpropionsäure ergibt.

Da ionisierbare anorganische Salze, wie Natriumchlorid, mit organischen Verbindungen Esterbin-

düngen normalerweise nicht eingehen, ist diese Reaktion in der chemischen Synthese einzigartig. Ihr Mechanismus ist nicht mit Sicherheit festgestellt worden, aber es scheint, daß die Reaktion direkt 5 ohne Bildung von Zwischenproduktion vor sich geht, wobei der Lactonring zwischen dem Ringsauerstoff und dem jS-Kohlenstoffatom aufgespalten wird und das Anion des Salzes sich mit dem /S-Kohlenstoff- und das Kation mit dem Sauerstoffatom verbindet, Zur Ausführung der Reaktion ist es allgemein notwendig, ein polares Lösungsmittel für die Reaktionsteilnehmer zu verwenden, damit diese in wirksamen Kontakt miteinander gebracht werden können; andere besondere Bedingungen sind nicht nötig. Das polare Lösungsmittel kann ein beüebiges Lösungsmittel sein, Welches das Salz löst und ionisiert und welches auch das Lacton löst. Wasser löst viele Salze und viele Lactone, daher ist die Durchführung der Reaktion in wäßriger Lösung, bei welcher ein wasserlösliches Salz und ein wasserlösliches Lacton verwendet wird, bei weitem die bequemste Art des Verfahrens, jedoch kann für gewisse Reaktionsteilnehmer die Verwendung von polaren organischen Lösungsmitteln, wie Alkoholen, organischen Säuren, Nitroparaffinen od. dgl., wünschenswert sein. Andere Bedingungen, wie Konzentration der Reaktionsteilnehmer, Reaktionstemperatur und pa der Lösung, sind nicht entscheidende Faktoren und können weitgehend geändert werden, doch beeinflussen sie in einigen Fällen die Ausbeute und sind vorzugsweise in solcher Weise zu überwachen, daß das Eintreten

·■ von möglichen Nebenreaktionen weitgehendst herabgesetzt wird. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß die Verwendung von 1 bis 10, vorzugsweise 1 Mol jß-Lacton, auf 1 bis 10 Mol Salz bei Temperaturen unter ioo°, vorzugsweise zwischen — 25 und -}- 50°, zweckmäßig ist. Es wird wegen der Neigung der ß-Lactone, in Gegenwart geringer Spuren bestimmter Salze beim Erhitzen zu polymerisieren und in starken alkalischen Lösungen verseift zu werden, vorzugsweise in Lösungen mit einem pg von ungefähr 2 bis 10 gearbeitet.

Die Art der ionisierbaren anorganischen Salze kann in weiten Grenzen geändert werden. Im allgemeinen werden anorganische Salze, in denen das Anion aus nichtmetallischen Elementen besteht, verwendet. Unter nichtmetallischen Elementen sind außer Wasserstoff die Halogene (Fluor, Chlor, Brom und Jod), die Chalkogene (Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur, sowie Stickstoff, Phosphor, Kohlenstoff; Bor und Silicium) zu verstehen. Solche Salze, in welchen das Kation ein Alkalimetall oder ein Ammoniumradikal ist, sind im allgemeinen löslich und werden bevorzugt. Jedoch können auch Erdalkali- und andere Metallsalze Verwendung finden, wenn sie in dem Lösungsmittel löslich und ionisierbar sind.

Die Reaktion läuft schnell unter Bildung der ß-substituierten Carbonsäure ab. So reagieren anorganische Halogenide mit jS-Lactonen, um nach Ansäuern der Lösungen ^-Halogencarbonsäuren zu ergeben; anorganische Hydrosulfide ergeben /?-Mercaptocarbonsäuren und anorganische Cyanide und Thiocyanate ß-Cyan- bzw. /J-Thiocyancarbonsäuren, alle in Übereinstimmung mit folgendem Formelschema

R RR R

- \ / W M⁺X- 4- C C : C = O

anorganisches
Salz

-0-

R R

\/
X-C

/?-Lacton R R

C—C—OM .

Salz der /J-sübstituierten Carbonsäure

R R

RR ■ \/

—C —C —OH

/3-substituierte Carbonsäure

in welchen M und X das Kation und Anion des Salzes und R Wasserstoff oder ein Radikal bedeutet.

Die erhaltenen Ausbeuten hängen weitgehend von den Mengen des Salzes und /S-Lactons ab. Wenn ein Überschuß an Salz über /S-Lacton vorhanden ist, erhöhen sich die Ausbeuten. Höchste Ausbeuten werden mit 2 bis 5 Mol Salz, je Mol Lacton erhalten. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß das zuerst gebildete /J-substituierte carbonsaure Salz auch mit /S-Lacton in der in dem nachstehenden Formelschema angedeuteten Weise reagiert: '

RRRR RR

X-C- C-C —OM + η C

R R

C = O

R R

X-.C

O RR

—C —C—O- -0-

R R

c—c— R R

\/
C-O

. O

wobei durch Ansäuern /J-Polyacyloxycarbonsäuren erhalten werden. Es ist augenscheinlich, daß die Neben-

— M (H),

reaktion durch die Verwendung eines anorganischen iajj Salzes im Überschuß unterdrückt wird.

Besonders wertvoll ist das erfindungsgemäße Verfahren zur bequemen Herstellung von ^-Halogencarbonsäuren, die bisher wirtschaftlich und technisch Schwierigkeiten bot. Die folgenden Beispiele erläutern das Verfahren näher. Teile in den Beispielen bedeuten Gewichtsteile.

Beispiel ι

Zu einer wäßrigen Lösung von 176 Teilen (annähernd 3 Mol) Natriumchlorid in 400 Teilen Wasser werden unter Rühren innerhalb ungefähr 1 Stunde 72 Teile (1 Mol) ß-Propiolacton gegeben. Die Temperatur der Lösung, die bei Beginn der Zugabe ungefähr 30⁰ beträgt, steigt dabei auf ungefähr 45 ° an. Anschließend wird die Lösung mit konzentrierter Salzsäure angesäuert und dann mit Äther extrahiert. Bei der Destillation des Ätherextraktes werden 80 Teile (74 %) ß-Chlorpropionsäure vom Kp₁ 88 bis go° und vom F. = 41 bis 42⁰ erhalten.
Bei Verwendung äquimolekularer Mengen Natriumchlorid und /?-Propiolacton beträgt die Ausbeute an ß-Chlorpropionsäure nur ungefähr 45 ⁰J₀.

Beispiel 2

Das Verfahren des Beispiels 1 wird wiederholt, diesmal mit einer wäßrigen Lösung, die je Mol Natriumchlorid 0,5 Mol Chlorwasserstoff enthält. Zu dieser Lösung wird 1 Mol /5-Propiolacton gegeben. Die Ausbeute an ß-Chlorpropionsäure beträgt 80,3 % und bei Verwendung von 1 Mol Chlorwasserstoff

Beispiel 3

72 Teile ß-Propiolacton werden mit einer Lösung von 60 Teilen Natriumchlorid in 300 Teilen Wasser gemischt. Die Lösung wird auf — io° abgekühlt und gerührt, während Chlorwasserstoff ungefähr ι Stunde unter Aufrechterhaltung der Temperatur von — 10° eingeleitet wird. Die Reaktionsmischung wird mit Äther extrahiert. Aus dem Ätherextrakt werden durch Destillation 70 % ß-Chlorpropionsäure erhalten. Durch Vergleich dieses Beispiels mit Beispiel 2, in welchem die Reaktionstemperatur ungefähr 30 bis 45⁰ betrug, erkennt man, daß höhere Ausbeuten bei höheren Temperaturen erhalten werden. Für die Reaktion der Halogenide mit /3-Lactonen sind Temperaturen von ο bis 50⁰ die günstigsten, jedoch kann man ebenso bei — 25⁰ oder niedriger oder sogar bei ioo° und höher arbeiten.

Beispiel 4

Läßt man nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 5 Mol Lithiumchlorid in wäßriger Lösung mit 1 Mol /J-Propiolacton reagieren, beträgt die Ausbeute an /9-Chlorpropionsäure ungefähr 90 °/₀. Der große SaIz-Überschuß und auch ein teilweises Aussalzen der gebildeten ß-Chlorpropionsäure durch das Lithiumsalz, wobei die Reaktion mit dem Lacton unterdrückt wird, sind wahrscheinlich für die hohe Ausbeute verantwortlich. _ .

Beispiel 5

Nach dem Verfahren des Beispiels 1 werden 3,1 Mol Ammoniumchlorid und 1 Mol /3-Propiolacton miteinander umgesetzt und 80 °/₀ ß-Chlorpropionsäure erhalten. Wenn 1 Mol " Calciumchlorid und 1 Mol /J-Propiolacton verwendet werden, wird eine Ausbeute von 63 % erzielt. Mit Kaliumbromid und Kaliumiodid an Stelle von Ammoniumchlorid erhält man 80 bis 100 % jS-Brom- bzw. ß-Jodpropionsäure. Andere wasserlösliche Salze des Chlor-, Brom-, Jod- und Fluorwasserstoffs, wie Bariumchlorid, Kaliumchlorid, Natriumchlorid, Natriumbromid, Ammoniumjodid u. dgl. können mit ähnlichen Ergebnissen verwendet werden.

Beispiel 6

Zu einer wäßrigen Lösung von 60 Teilen Natriumcyanid in 150 Teilen Wasser werden unter Rühren bei Raumtemperatur 72 Teile ß-Propiolacton gegeben. Die Lösung wird mit Mineralsäure angesäuert und überschüssige Blausäure im Vakuum entfernt, dann wird mit Äther extrahiert und der Ätherextrakt destilliert. /J-Cyanpropionsäure vom Kp₃ = 113 bis 115° wird in einer Ausbeute von 30 % erhalten.

Beispiel 7 _g

40,5 Teile Natriumthiocyanat werden in 100 Teilen Wasser gelöst, die Lösung auf o° abgekühlt und innerhalb ι Stunde langsam 36 Teile ß-Propiolacton zugegeben. Die Temperatur steigt durch die Reaktionswärme an, überschreitet jedoch 30⁰ nicht. Nach der Zugabe wird die Lösung auf 20⁰ abgekühlt und 50 Teile 37%ig^e wäßrige Salzsäure zugefügt. Es wird dann eingedampft, um einen Teil des Wassers zu entfernen, dann mit Äther extrahiert und schließlich der Äther entfernt, wonach ungefähr 30 Teile /S-Thiocyanpropionsäure als dickes, klares Öl zurückbleiben. Die Ausbeute beträgt etwa 45 °/o-

Obwohl die angeführten Beispiele sich auf die Umsetzung von ^-Lactonen mit anorganischen Salzen, die ein einwertiges Anion enthalten, das aus einem oder mehreren nichtmetallischen Elementen, mit Ausnahme von Sauerstoff, zusammengesetzt ist, beschränken, können andere anorganische Salze, die einwertige Anionen beliebiger nichtmetallischer Elemente und auch Salze, die mehrwertige Anionen beliebiger nichtmetallischer Elemente enthalten, mit /S-Lactonen reagieren. Mit Salzen, die mehrwertige Anionen enthalten, können mehrere Lactonmoleküle entsprechend der Wertigkeit des Anions reagieren. Als Beispiele solcher Salze seien erwähnt die Alkali- und Ammoniumborate, Bromate, Carbonate, Bicarbonate, Nitrate, Nitrite, Phosphate, Phosphite, Silicate, Sulfate, Bisulfate, Persulfate, Sulfite, Thiosulfate, Thiocarbonate, Sulfoxylate u. dgl. Salze mit stark oxydierender Wirkung, wie Persulfate, Chlorate, Perchlorate, Bromate, Jodate und Hypochlorite sollten nicht bevorzugt verwendet werden, da Oxydationen zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte führen können. In einigen Fällen ist das zuerst gebildete Produkt ein Salz einer Carbonsäure mit einer Gruppe entsprechend dem Anion des Salzes in /S-Stellung so unstabil, daß es schließlich zu einer /J-Oxycarbonsäure hydrolysiert wird. Wenn ß-Propiolacton mit wäßrigem Natriumcarbonat reagiert, wird Natriumhydracrylat erhalten. Es wird angenommen, daß die Reaktion nach folgendem Formelschema verläuft. Die

Verbindung innerhalb der Klammern stellt ein Zwischenprodukt von nur vorübergehender Existenz dar:

CH₂-CH₂C = O + NaHCO₃ ->

^L--0" ^J

HO-C-O-CH₂-

ii
O

HO-CH₂CH₂C-O

-CH₂- C-ONa]

ο . J

-ONa -f CO₂.

Wenn gesättigte aliphatische /3-Laetone mit Salzen von Stickstoffsauerstoffsäuren umgesetzt werden, werden die entsprechenden ß, /J'-substituierten Carbonsäuren erhalten. So gewinnt man z.B. durch Umsetzung von Natriumnitrit mit /J-Propiolacton nach Ansäuern der Reaktionsmischung hauptsächlich yS-Nitropropionsäure. Etwas Salpetrigsäureester

ONO-CH₂CH₂-COOH

wird wahrscheinlich auch gebildet. Mit Natrium-■ nitrat wird der Salpetersäureester

erhalten.

O₂N-O-CH₂CH₂-

COOH

Na-S O

2 S + 2CH₂CH₂C = O

Na-O O ""-"O

Die· Umsetzung von /J-Laetonen mit Salzen von Saüerstoffschwefelsäuren wird durch die nachstehen^ 6g den Beispiele erläutert.

Beispiel 9

Zu einer Lösung von 124,1 Teilen Natriumthiosulfat in 100 Teilen Wasser werden langsam unter Rühren 36 Gewichtsteile /J-Propiolacton zugegeben; Die Temperatur der Lösung wird während der Zugabe zwischen Raumtemperatur und 35° gehalten. Nach der Reaktion wird die Lösung 24 Stunden stehengelassen und konzentrierte Schwefelsäure zugegeben, wobei sich Schwefel abscheidet. Er wird abfiltriert und das Filtrat durch Zugabe von,weiterer Schwefelsäure angesäuert. Es wird dann auf dem Wasserbad 10 Stunden erhitzt und Wasser zugefügt, wobei sich ein Niederschlag bildet. Der Niederschlag und die wäßrige Lösung wird mit Äther extrahiert. Aus dem Ätherextrakt werden 7,7 g (= 14 %) jg-Thiohydracrylsäüre vom Kp₂ = 122° und 30,5 g (==..29 %) ß, ß'-Dithiodipropionsäure . ^;

HO-C-CHoCH₅₁-S-S-CH₉CHo-C-OH

vom F. = 152 bis 155° erhalten. Die Bildung der Dithiocarbonsäure läßt sich durch folgende Gleichung andeuten: , . . ■

Na-O-S- S- CH₂CH₂-C - O -Na

. + H₂SO₁

HO-C-Ch₂CH₂-S-S-CH₂CH₂C-OH + ₂Na₂SO₄ + SO₂.

Beispiel 10

67,1 Teile Ammörriumsulfit werden in 130 Teilen Wasser gelöst und 36 Teile jS-Propiolacton zugefügt,

go während die Temperatur auf ungefähr 5° gehalten wird. Dabei bildet sich vermutlich das Ammoniümsalz der /J-Sulfopropionsäure. Diese Säure wird in Form ihres Bariumsalzes isoliert, welches in heißem, aber nicht in kaltem Wasser löslich ist, indem der Lösung Bariumhydroxyd zugesetzt, dann heiß vom BaSO₄ abfiltriert und unter Rückfluß so lange erhitzt wird, bis sich kein Ammoniak mehr entwickelt. Um den Bariumüberschuß zu entfernen, wird Kohlendioxyd eingeleitet und dadurch Bariumcarbonät gefällt. Darauf wird weder heiß filtriert und das Filtrat abgekühlt, wobei sich ein fester Stoff abscheidet. Die Analyse des Niederschlags zeigt, daß er aus dem im wesentlichen reinen Bariumsalz der /J-SuIfopropionsäure besteht. Es wird dadurch bewiesen, daß die Umsetzung folgendermaßen vor sich geht:

CHXH2C-	-0 H	^(NH4J2SO3 ■	C,	^
—o---		Ö
> NH4	0	it — 0 —'·· CJhI2CJhI2	O

NH₄.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde am Falle des ß-Propiolactons beschrieben, da diese Verbindung das einfachste /?-Lacton ist, welches vorzugsweise wegen seiner geringen Kosten und der Leichtigkeit, mit der es mit anorganischen Salzen reagiert, verwendet wird. Jedoch können auch die Homologen des /3-Propiolactons, wie /J-Butyrolacton, /Wsobutyro-

keton, ß-Valerolacton, ß-Isovalerolacton, /?-n-Caprolacton, a-Äthyl-jS-propiolacton, ct-Isopropyl-ß-propiolacton, a-Butyl-ß-propiolacton, a-Methyl-/?-butyrolacton, G-Äthyl-ß-butyrolacton, jS-Methyl-ß-valerolacton u. dgl. mit anorganischen Salzen reagieren.

Es können beliebige gesättigte aliphatische /?-Lactone verwendet werden. Wenn die Reaktion in wäßriger Lösung durchgeführt wird, wie es vorzugsweise geschieht, werden natürlich wasserlösliche ß-Lactone, ίο die nicht mehr als ungefähr 6 Kohlenstoff atome enthalten, verwendet

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Herstellung /5-substituierter Carbonsäurederivate, dadurch gekennzeichnet, daß man ein in einem polaren Lösungsmittel, z. B. Wasser, lösliches /HLacton der allgemeinen Formel

   R¹ R² R³ R⁴

   C--

   -C — O

   C = O

   in welcher R¹, R², R³ und R* Wasserstoff oder Alkyl bedeuten, mit einem löslichen anorganischen Salz, welches in dem Lösungsmittel ionisiert ist, umsetzt, wobei zunächst ein Salz einer /9-substituierten Carbonsäure erhalten wird, das durch Ansäuern mit Mineralsäure in die freie Carbonsäure übergeführt werden kann.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Salz während der Umsetzung im Überschuß vorhanden ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als ß-Lacton /3-Propiolacton verwendet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische Salz ein einwertiges Anion besitzt, das aus nichtmetallischen Elementen, mit Ausnahme von Sauerstoff, besteht.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als anorganisches Salz ein halogenwasserstoffsaures Salz verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als anorganisches Salz ein Thio- *5 cyanat oder ein Cyanid verwendet wird.

   © 5615 12.