DE932676C

DE932676C - Verfahren zur Herstellung von Sultamen

Info

Publication number: DE932676C
Application number: DER11193A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Feichtinger; Hans Dr Tummes
Original assignee: Ruhrchemie AG
Current assignee: Ruhrchemie AG
Priority date: 1953-03-14
Filing date: 1953-03-15
Publication date: 1955-09-05

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

AUSGEGEBEN AM 5. SEPTEMBER 1955

DEUTSCHES PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVr. 932 676
KLASSE 12 p GRUPPE 4

R 11193IVc j12 p

Dr. Hans Feichtinger, Duisburg-Beeck und Dr. Hans Tummes, Duisburg-Meiderich

sind als Erfinder genannt worden

Ruhrchemie Aktiengesellschaft, Oberhausen (RhId.)-Holten

Verfahren zur Herstellung von Suitamen

Patentiert im Gebiet der Bundesrepublik Deutschland vom 15. März 1953 an Patentanmeldung bekanntgemacht am 17. März 1955 Patenterteilung bekanntgemacht am 11. August 1955

Es wurde gefunden, daß sich Sultame der allgemeinen Formel

R₂N- -SO₂

in der R₁ eine aliphatisch^ geradkettige oder verzweigtkettige gesättigte Kohlenwasserstoffbrücke

von 3 bis 6 Kohlenstoffatomen und R₂ ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen bedeutet, herstellen lassen, wenn man mineralsaure Salze der aliphatischen Aminoalkansulfochloride durch Erwärmen oder durch Behändlung mit basischen Agenzien cyclodehydrochloriert. Die Cyclodehydrochlorierung verläuft nach folgenden Gleichungen:

10 Wärme -_o

¹⁰ R₂-NH-R₁-SO₂Cl > R₂N SO₂ ³

HCl ^Ri

— HX

R₂-NH-R₁-SO₂Cl > R₂-NH-R₁-SO₂Cl

15 · 35

HX

R₂-NH-R₁-SO₂Cl > R₂N SO₂

20 ^Ri 40

Die als Ausgangsstoffe für jlas erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Salze der Aminoalkansulfochloride lassen sich leicht herstellen durch Sulfochlorierung von mineralsaureri Salzen aliphatischer Amine der allgemeinen Formel

R₂-NH-R₁

HX

worin R₁ einen Alkylrest von 3 bis 6 Kohlenstoffatomen und R₂ ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen bedeutet. Vorzugsweise werden die Salze von flüchtigen Säuren, z. B. die halogenwasserstoffsauren Salze der Aminoalkansulfochloride, als Ausgangsmaterial verwendet.

Eine Verwendung von reinen Salzen der Aminosulfochloride ist nicht erforderlich. Auch die bei der Sulfochlorierung von aliphatischen Aminsalzen anfallenden Reaktionsgemische können zur Cyclo-. dehydrochlorierung benutzt werden. Die Sultame lassen sich leicht von den begleitenden Stoffen durch Extraktion trennen. Das erfindungsgemäße Ver-, fahren kann aber auch mit Aminoalkansulfochlori- - den obiger Zusammensetzung durchgeführt werden, die auf einem anderen Wege als durch Sulfochlorierung gewonnen wurden.

Die thermische Bildung der Sultame erfolgt durch Erwärmung der in organischen Lösungsmitteln gelösten oder suspendierten Salze der Aminoalkansulfochloride, gegebenenfalls unter Rühren. Die Lösungs- oder Suspendierungsflüssigkeiten müssen inert gegenüber den Salzen der Aminoalkansulfochloride sein. Vorteilhaft sind solche Trägerflüssigkeiten, die im Vakuum unter ioo° sieden und leicht von den Suitamen abdestilliert werden können.

Neben der Cyclodehydrochlorierung zu Suitamen erleiden die Salze der Aminoalkansulfochloride beim Erwärmen aber noch eine Zersetzung nach folgender Gleichung:

R₂-NH-R₁-SO₂Cl HX

Wärme

Unter Entwicklung von Schwefeldioxyd entstehen hierbei die Salze der Chloralkylamine. Da diese Nebenreaktion oberhalb· ioo° besonders leicht eintritt, wird die thermische Bildung der Sultame zweckmäßig zwischen 50 und 120⁰, vorzugsweise zwischen 60 und 90⁰, durchgeführt.

Die Isolierung der Sultame erfolgt normalerweise durch Eindampfen der Reaktionsmischung im Vakuum und anschließende Extraktion mit Äther, Benzol oder anderen organischen Lösungsmitteln. Vorteilhaft wählt man solche Extraktionsmittel, in denen die Sultame löslich, die übrigen Reaktionsprodukte aber unlöslich . sind. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die eingedampften Rückstände vorher in Wasser zu lösen, um sie dann im Perforator mit Äther zu extrahieren. Durch Eindampfen der ätherischen Extrakte ergeben sich reine Sultame. Die Ausbeuten schwanken je nach den verwendeten Lösungsmitteln und Reaktionstemperaturen zwischen 50 und 85 % der theoretisch möglichen Werte.

Die Bildung der Sultame aus den Salzen der Aminoalkansulfochloride mit Hilfe von basischen Stoffen erfolgt vorzugsweise bei tiefen Temperaturen. Offenbar reagieren hierbei die basischen Zusätze mit den Aminoalkansulfochloridsalzen zu freien Aminoalkansulfochloriden, die sich dann unter Dehydrochlorierung zu den Suitamen cyclisieren.

Als basische Stoffe sind anorganische Basen, z. B. Ammoniak, Alkali- und Erdalkalihydroxyde, und organische Basen, z. B. aliphatische Amine, Pyridin und Chinolin, geeignet. Auch Alkalisalze niedermolekularer aliphatischer Alkohole können hierfür verwendet werden.

Die Einwirkung dieser Stoffe kann dabei auf die in Lösung befindlichen Salze der Aminoalkansulfo-R₂-NH-R₁-Cl^-SO₂ HX

chloride als auch bei Verwendung von basischen Flüssigkeiten auf die festen Salze erfolgen. Als Lösungsmittel wird vorzugsweise Wasser verwendet, aber auch organische Lösungsmittel sind geeignet.

Die Reaktionstemperatur wird zwischen — 40 und + 50⁰, vorzugsweise zwischen —40 und + 20°, gewählt.

Die Isolierung der Sultame erfolgt bei Verwendung von Wasser als Lösungsmittel durch Extraktion der angesäuerten Lösung mit organischen Lösungsmitteln. Wenn die Reaktion in organischen Lösungsmitteln durchgeführt wird, dann ist es zweckmäßig, diese anschließend gegebenenfalls im Vakuum abzudestillieren und den Rückstand in saurer wäßriger Lösung zu extrahieren. Die Sultame ergeben sich als ölige farblose oder leicht gelblichgefärbte Flüssigkeiten oder als farblose, gut kristallisierende Stoffe, die vollkommen neutral reagieren und mit Wasser, Alkohol, Chloroform und Benzol in jedem Verhältnis, mit Äther, Petroläther und Tetrachlorkohlenstoff nicht oder nur beschränkt mischbar sind.

Auf Grund der Uneinheitlichkeit der durch Sulfochlorierung erhaltenen Aminoalkansulfochloride, bei denen die Sulfochloridgruppe nicht an einer bestimmten Stelle der Alkylkette substituiert ist, sondern sich in noch nicht bekannter Weise über die Alkylkette verteilt, müssen sich die erhaltenen Sultame durch eine unterschiedliche Zahl der Ringglieder unterscheiden. Sie stellen ein Gemisch mehrerer isomerer Sultame dar, deren chemische Zusammensetzung der allgemeinen Formel

R,N-

:S0₂

entspricht.

C_nH₂

Die Isolierung eines einheitlichen kristallisierten Sultams der Formel

CH₂
C H₂ C H₂

CH₂ SO₂

gelingt durch längeres Stehenlassen eines Sultamgemisches, das aus dem Hydrochlorid des i-Aminobutansulfochlorid-(x) hergestellt wurde. Hierbei scheidet sich das kristallisierte Produkt allmählich aus. Das aus Benzol umkristallisierte Produkt schmilzt bei 112 bis 113⁰. Beweisend für die obige Konstitution ist das Molekulargewicht und die quantitative Verseifung zu reiner 4-Aminobutansulfonsäure-(i).

Durch starke Säuren und Basen werden die SuI-tame zu Aminoalkansulfonsäuren hydrolysiert.

Aus einer Veröffentlichung von Helberger und Mitarbeitern (vgl. »Liebigs Annalen der Chemie«, Bd. 562 [1949], S. 26) ist es bereits bekannt, daß Chlorbutansulf amid beim Erhitzen Chlorwasserstoff abspaltet. Hierbei erfolgt nur in geringem Umfang von ungefähr 15 bis 17 % die Bildung eines Sultamringes. Dies ist dadurch bedingt, daß das Chloratom am Kohlenstoff nur sehr schwer mit dem Wasserstoff einer Aminogruppe reagiert.
Im Gegensatz zu der von Helberger vorgeschlagenen Arbeitsweise werden erfindungsgemäß mineralsaure Salze von Aminoalkansulfochloriden unter mäßiger Temperaturerhöhung umgesetzt. Hierbei ergeben sich Sultamausbeuten von 65 bis 75 % der theoretisch möglichen Werte.

Nach Helberger muß sich ein verhältnismäßig träges, am Kohlenstoff sitzendes Chloratom mit einer Sulfonamidgruppe umsetzen, während bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die reaktionsfreudige Säurechloridgruppe leicht mit einer Alkylammoniumchloridgruppe zur Umsetzung kommen kann. Diese Reaktion war völlig überraschend und neuartig. Es war für den Fachmann keineswegs selbstverständlich, daß durch Anwendung von Temperaturen, die wesentlich niedriger liegen als bei dem von Helberger angegebenen Verfahren, ein glatter Umsatz und hohe Ausbeuten an Suitamen erhalten werden können.

Bei der Umsetzung von Chlorbutansulfonamid wurde von Helberger eine ölige Flüssigkeit unbekannter Konstitution und Molekülgröße erhalten, die man ohne exakten Beweis als Sultam ansah. Erfindungsgemäß wurden beispielsweise aus ι-Aminobutansulfochlorid-(x)-hydrochlorid erstmalig zwei einheitliche Sultame erhalten. Das eine ist das bei 112 bis 113⁰ schmelzende <5-Butansultam, das in fester Form entsteht. Das andere wird in Form einer Flüssigkeit als a-Methyl-y-propansultam gewonnen.

Beispiel 1

In einem mit Rührwerk und Rückflußkühler versehenen Rundkolben wurden 20,8 g i-Aminobutansulfochlorid-(x)-hydrochlorid in 150 cm³ Toluol suspendiert, 4 Stunden unter Rühren auf ioo° und weitere 2 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Anschließend wurde das Toluol im Vakuum auf dem Wasserbade abdestilliert, der Rückstand in Wasser gelöst und in einem Perforator mit Äther erschöpfend extrahiert. Nach dem Eindampfen des ätherischen Extraktes verblieben 8,9 g einer leicht gelblichgefärbten Flüssigkeit, die vollkommen neutral reagierte, kein Chlor enthielt, bei einem Druck von 1,4 mm bei 145 bis i6o° überdestillierte und einen Brechungsindex n_D = 1,4900 besaß.

Die Elementaranalyse der abgetrennten gelblichgefärbten Flüssigkeit lieferte folgende Werte:

gefunden:

C = 35,00 % N = 10,09 Vo
H = 6,97 % S = 23,43 »/0
O = 23,52 «/0 ⁸S

Diese Werte entsprechen der Formel C₄ H₉ O₂ N S mit dem Molekulargewicht 135,18. Eine hieraus berechnete Zusammensetzung lieferte folgende Werte: 9<>

berechnet: ·

C = 35.54 Vo N = 10,36 %
H= 6,71% S = 23,72%
O = 23,67 °/o

Aus dem erhaltenen Öl kristallisierten nach mehrtägigem Stehen 0,5 g eines festen Produktes aus, das aus Benzol umkristallisiert einen Schmelzpunkt von 112 bis 113⁰ besaß. Die Elementaranalyse ergab die gleiche Zusammensetzung, wie sie das flüssige Sultam besaß.

Gefunden:

C = 35,75 Vo
H= 6,67%
O = 23,60 %
N = 10,25 %
S = 23,73 %

Berechnet:

C = 35.54 Vo
H = 6,71 %
O = 23,67 %>
N = 10,36 %
S = 23,72 %

Durch Verseifung des kristallisierten Produktes mit konzentrierter Salzsäure wurde in quantitativer Ausbeute 4-Aminobutansulfonsäure-(i) erhalten, die einen Schmelzpunkt von 260 bis 263⁰ besaß und sich oberhalb dieser Temperatur, zersetzte.

Beispiel 2

Wie im Beispiel 1 wurden 10,4 g i-Aminobutansulfochlorid-(x)-hydrochlorid in 50 cm³ Acetonitril 10 Stunden unter Rückfluß erhitzt, anschließend wurde das Acetonitril abdestilliert, der Rückstand in Wasser gelöst und im Perforator mit Äther extrahiert. Das nach dem Verdampfen des Äthers aus dem Extrakt erhaltene öl wurde im Vakuum destilliert, wobei das öl praktisch quantitativ bei Kp₁₅ = 16p bis 167⁰ überging. Die Ausbeute belief

sich auf 5,1 g eines Sultams, das einen Brechungsindex w§ = 1,4901 besaß.

Beispiel 3

Wie in Beispiel 1 wurden 10,4 g i-Aminobutansulfochlorid-(x)-hydrochlorid in 50 cm³ Nitromethan 10· Stunden auf ioo° erhitzt und anschließend die Nitromethanlösung vom abgeschiedenen Öl abgetrennt. Die Lösung wurde im Vakuum eingedampft, mit Wasser versetzt und mit Äther extrahiert. Aus dem ätherischen Extrakt wurden 4,95 g Butansultam als farblose ölige Flüssigkeit erhalten. Nach längerem Stehen kristallisierte in kleiner Menge das im Beispiel 1 beschriebene Sultam.

Beispiel 4

20,8 g i-Aminobutansulfochlorid-(x)-hydrochlorid wurden in 20 cm³ Eiswasser gelöst und darauf unter Rühren 50 cm³ 4n-Natronlauge zugegeben. Die Lösung wurde Va Stunde unter Eiskühlung und eine weitere Stunde bei Zimmertemperatur gerührt, dann mit 20 cm³ ion-Salzsäure angesäuert und im Perforator mit Äther extrahiert. Nach dem Eindampfen des Ätherauszugs verblieben 9,65 g schwach gelblichgefärbtes Butansultam, was einer Ausbeute von 71,5 % der theoretisch möglichen Menge entsprach.

Beispiels

In 250 cm³ Methanol, das bei o° mit Ammoniak gesättigt war, wurden 11,8 g i-Aminopentansulfochlorid-(x)-hydroGhlorid in kleinen Portionen eingetragen. Dabei ging das Salz unter Zischen bis auf einen kleinen Rest in Lösung. Nach 1 Stunde wurde die Lösung im Vakuum zur Trockene eingedampft, mit 50 cm³ angesäuertem Wasser versetzt und mit Äther extrahiert. Das nach dem Verdampfen des Äthers verbliebene öl wurde im Hochvakuum destilliert, wobei die Hauptmenge bei einem Siedepunkt von Kp_Oj8 = 148⁰ überging. Die Analyse ergab ein Pentansultam der Formel C₅H₁₁O₂NS (149,21).

Gefunden: Berechnet:

C = 40,00 % C = 40,25 %

H = 7,27 % H = 7,38 %

O = 21,66 % O = 21,44 Vo

N= 9,14% N= 9,39%

_₀ S = 21,74% S = 21,49 °/°

Der Brechungsindex belief sich auf n™ ~ 1,4920. Die Ausbeute betrug 4 g, das sind 49,4 % der theoretisch möglichen Menge.

Beispielö

Unter Kühlung wurden 30 g eines Sulfochlorierungsprodukts, das durch Sulfochlorierung von n-Butylaminhydrochlorid in Chloroform hergestellt worden war, mit 30 g n-Butylamin versetzt und ι Stunde bei Zimmertemperatur stehengelassen. Anschließend wurde das überschüssige Butylamin auf dem Wasserbade im Vakuum abdestilliert, der Rückstand mit 50 cm³ 2n-Salzsäure versetzt und die Salzsäurelösung mit Äther extrahiert. Die Ausbeute betrug 12,2 g flüssiges Butansultam, das einen Brechungsindex nf = 1,4905 besaß.

Beispiel 7

Bei Zimmertemperatur wurden 21g eines SuIf ochlorierungsprodukts, das durch Sulfochlorierung von n-Pentylaminhydrochlorid hergestellt worden war, in 50 cm³ Pyridin gelöst und 1 Stunde auf 50⁰ erhitzt. Nach dem Abdestillieren des überschüssigen Pyridins im Vakuum wurden 50 cm³ 2n-Salzsäure zugesetzt, worauf man mit Äther extrahierte. Die Destillation des nach dem Verdampfen des Äthers zurückgebliebenen Öls ergab 6 g einer bei Kp₁ = 152⁰ übergehenden Fraktion, welche die Zusammensetzung eines Pentansultams und einen Brechungsindex nf_ = 1,4920 besaß.

Beispiel 8

In 150 cm³ Eiswasser wurden 38,8 g eines Sulfochlorierungsprodukts gelöst, das durch Sulfochlorierung von n-Propylaminhydrochlorid in Chloroform hergestellt worden war, und mit 50 cm³ 8n-Natronläuge unter guter Kühlung versetzt. Nach zweistündigem Stehen wurde mit konzentrierter Salzsäure angesäuert und die Lösung im Perforator mit Äther extrahiert. Durch Abdampfung des Äthers wurden 15 g Propansultam als farbloses Öl erhalten, das einen Brechungsindex n²⁰ = 1,4917 besaß.

Das Endprodukt besaß die Formel C₃H₇O₂NS (121,16). Seine Zusammensetzung ist aus nachfolgenden Zahlenwerten ersichtlich:

gefunden:
C = 29,56 »/0
H= 5,72 Vo

berechnet:

C = 29,75 % H= 5>83°/o

Beispiel 9

Das Sulfochlorierungsprodukt, das durch Sulfochlorierung von 30 g n-Hexylaminhydrochlorid in Tetrachlorkohlenstoff erhalten worden war, wurde in kleinen Portionen in flüssiges Ammoniak eingetragen, wobei unter Zischen Lösung eintrat. Das überschüssige Ammoniak wurde bei Zimmertemperatur verdampft. Der Rückstand wurde mit 100 cm³ 2n-Salzsäure versetzt und mit Äther erschöpfend extrahiert. Der nach dem Verdampfen des Äthers erhaltene Rückstand wurde in Benzol gelöst und die Lösung an einer Al₂O₃-Säule chromatographiert. Das Benzoleluat wurde eingedampft und ergab 2,5 g eines gelblichgefärbten Öls, das alsbald zu farblosen Kristallen vom Schmelzpunkt 70 bis yi° erstarrte.

Das Endprodukt besaß die Formel C₆H₁₁O₂NS (163,23) und folgende Analysenwerte:

120 gefunden: berechnet:

C = 43,86% C = 44,14%

H = 8,07 % H = 8,02 %

O = 19,77 % O = 19,60 Vo

N= 8,57% N= 8,58%

S = 19,24 % S = 19,64 %

Beispiel ίο

In ίο cm³ einer alkoholischen Lösung, die 6,8 g Natriumäthylat gelöst enthielt, wurden allmählich io,4 S i-Aminobutansulfochlorid-(x)-hydrochlorid eingetragen und nach kurzem Stehen auf dem Wasserbade im Vakuum eingedampft. Der Rückstand wurde mehrere Male mit Benzol extrahiert, und die vereinigten Benzolauszüge wurden eingedampft. Das erhaltene Öl wurde im Vakuum destilliert und die bei Kp_0i8 = 145 bis 147⁰ übergehende Fraktion aufgefangen. Die Ausbeute betrug 4,1 g flüssiges Butansultam, das einen Brechungsindex w$ = 1,4902 aufwies.

Beispiel 11

Es wurden 20 g sulfochloriertes schwefelsaures Salz des Butylamins in Eiswasser gelöst und mit so viel Barytlauge versetzt, bis die Lösung alkalisch geworden war. Anschließend wurde mit Salzsäure angesäuert und die Lösung im Perforator extrahiert. Der nach Verdampfen des Extraktionsmittels verbleibende Rückstand wurde in Benzol gelöst und an einer Al₂O₃-Säule chromatographiert. Die durch Benzol eluierte Menge ergab nach dem Eindampfen 6 g reines Butansultam mit einem Brechungsindex »^w = 1,4898.

Beispiel 12

13, ι g i-Methylaminobutansulfochlorid-(x) -hydrochloric!, das durch Sulfochlorierung von Methylaminobutan-hydrochlorid erhalten und durch Extraktion mit Chloroform gereinigt worden war, wurden in ioo cm³ Wasser bei o° mit 50 cm³ 3n-Natronlauge umgesetzt. Die Reaktionslösung wurde schwach angesäuert und im Perforator mit Äther erschöpfend extrahiert. Hierbei erhielt man als ölige Flüssigkeit 8 g N-Methylbutansultam mit einem Brechungsindex n^ = 1,4753.

Zusammensetzung: C₅H₁₁O₂NS (149,21).

Gefunden:
C = 40,13 °/o
H= 7,36%
O = 21,56 °/o

Berechnet:
C = 40,24 %
H= 7,43 %
O = 21,45 °/o

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Suitamen der allgemeinen Formel

R₂N SO₂

Ri

in der R₁ einen aliphatischen geradkettigen oder verzweigten Rest von der Formel —C_nH_2n— mit 3 bis 6 Kohlenstoffatomen und R₂ ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen bedeutet, dadurch gekennzeichnet, daß die mineralsauren Salze der Aminoalkansulfochloride zu Suitamen cyclodehydrochloriert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Cyclodehydrochlorierung in der Wärme, vorzüglich bei 50 bis iio°, vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Cyclodehydrochlorierung in Substanz, in Lösung oder in Suspension mit anorganischen oder organischen Basen vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Alkalialkoholate zur Cyclodehydrochlorierung verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung der Sultame durch Extraktion der trockenen Reaktionsrohprodukte mit organischen Lösungsmitteln erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung der Sultame durch Extraktion in saurer wäßriger Lösung durch organische Lösungsmittel, vorzugsweise Äther und Benzol, erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung der Sultame durch chromatographische Adsorption an Aluminiumoxyd durchgeführt wird.

Angezogene Druckschriften:
Liebigs Annalen der Chemie, Bd. 562 (1949), S. 26.

I 509541 8.55