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Verfahren zur Herstellung von isomeren 1, 1, 6-Trimethyl-6-oxyoktahydronaphthalinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von isomeren i, x, 6-Trimethyl-6-oxyoktahydronaphthalinen.
Besonders das i, i, 6-Trimethyl-6-oxyi, 2, 3, 5, 6, 7, 8, g-oktahydronaphthalin
und das i, i, 6-Trimethyl-6-oxy-i, 2, 3, 4., 5, 6, 7, 8-oktahydronaphthahn besitzen
einen völlig neuen und bemerkenswerten Geruch und werden in der Riechstoffindustrie
verwendet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man
Dihydro-y-ionon in Gegenwart eines cyclisierenden Mittels einem Ringschluß unterwirft.
Das
Verfahren sei durch folgendes Formelschema erläutert:
Wenn man das Dihydro-y-ionon (I) mit Hilfe eines cyclisierenden Mittels, z. B. Protonen,
einem RingschluB unterwirft, bildet sich ein bicyclisches Carboniumion der Formel
(II). Dieses Ion verliert wieder ein Proton und gibt neben einer gewissen Menge
nicht alkoholischer Nebenprodukte ein Gemisch ungesättigter tertiärer bicyclischer
isomerer Alkohole der Formeln (III), (IV) und (V).
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Diese Alkohole können aus dem rohen Reaktionsgemisch z. B. durch Behandlung
mit Borsäuretriäthylester oder Phthalsäureanhydrid abgetrennt werden. Zwei dieser
drei isomeren Alkohole bilden zwei stereoisomere Formen infolge ihrer zwei asymmetrischen
Kohlenstoffatome.
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Der wichtigste dieser Alkohole ist derjenige der Formel (III), nämlich
das i, i, 6-Trimethyl-6-oxy-I, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9-oktahydronaphthalin. Dieser Alkohol
kann auch als 2, 2, 8-Trimethyl-8-oxybicyclo-(o, 4, 4)-decen-(5) bezeichnet werden.
Der an Bedeutung zweitwichtigste Alkohol ist derjenige der Formel (IV), nämlich
das i, i, 6-Trimethyl-6-oxyi. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8-oktahydronaphthalin.
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Diese beiden Alkohole der Formeln (III) und (IV) besitzen einen neuen
und bemerkenswerten Geruch und stellen neue, in der Riechstoffindustrie verwendbare
Verbindungen dar.
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Der Alkohol der Formel (V), nämlich das i, i, 6-Tri methyl - 6 - oxy
- i, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9 - oktahydronaphthalin, bildet sich bei der CycLsierung
des Dihydroy-ionons in nur ganz geringen Mengen. Sein Geruch ist sehr schwach, so
da13 seine Gegenwart im Gemisch der beiden anderen Alkohole der Formeln (III) und
(IV) oder in den abgetrennten Isomeren den Geruch dieser Produkte nicht beeinträchtigt.
Der Alkohol der Formel (V) gibt zwei Allophanate, welche bei 171 bzw. 16i° schmelzen
(das zuletzt genannte ist wahrscheinlich unrein).
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Das nach dem RingschluB erhaltene Gemisch der drei Isomeren der Formeln
(III), (IV) und (V) besitzt folgende Konstanten: Siedepünkt Kp.o,o7 = 66 bis 67°,
Kp.o,2s = 76 bis 8o°, Kp.o,i = 7o bis 72°; Dichte bei i8° (bezogen auf Wasser von
4°) = o,964; BrechUngsindex n,',98 = 1,498; 3, 5-Dinitrobenzoat: Schmelzpunkt 82
bis 83°.
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Dieses Produkt gibt Allophanate, welche bei 184, 183, z72 bzw. z54°
schmelzen, sowie ein bei 55 bis 56° schmelzendes Epoxyd (C"Hz202).
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In manchen Fällen enthält das direkt bei der Cyclisierung erhaltene
Produkt nur die beiden isomeren Alkohole der Formeln (III) und (IV@. Dieses Isomerengemisch
besitzt die gleiche Geruchsnote wie das zuerst erwähnte.
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Wenn man als Ausgangsmaterial ein Gemisch der Dihydro-a, ß- und -y-ionone
an Stelle des reinen y-Isomeren verwendet, wird praktisch nur das y-Isomere cyclisiert.
Es entsteht dabei ein Gemisch von Dihydro-a- und gegebenfalls ß-iononen mit x, i,
6-Trimethyl-6-oxy-r, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9-oktahydronaphthalin, _, i, 6-Trimethyl-6-oxy-i,
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8-oktahydronaphthaän und einer kleinen Menge i, i, 6-Trimethyl-6-oxy-i,
2, 3, 4, 6, 7, 8, 9-oktahydronaphthalin; aus diesem Gemisch können die Alkohole
der
Formeln (III) und (IV) durch Überführung in die Borsäureester und anschließende
fraktionierte Destillation leicht abgetrennt werden.
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Das i, i, 6-Trimethyl-6-oxy-i, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9-oktahydronaphthalin
(III) besitzt einen starken, neuen Parfümgeruch. Es besitzt folgende physikalische
Konstanten: Siedepunkt Kp.1,2s = 72°; Dichte D91 = o,9647; Brechungsindex WO = 1,498,
und bildet Allophanate, welche bei 183 bzw. i84° schmelzen.
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Das i, i, 6-Trimethyl-6-oxy-i, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8-oktahydronaphthalin
(IV) gibt ein einziges, bei 153 bis i54° schmelzendes Allophanat und weist
folgende physikalische Konstanten auf: Siedepunkt Kp.o,o5 = 6o bis 61°; -Dichte
D98#' = 0,970; Brechungsindex n117 -1,502.
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Man kann neue Riechstoffzusammensetzungen mit neuen Geruchsnuancen
bei Verwendung eines oder der beiden Isomeren der Formeln (III) und (IV) herstellen.
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Bisher wurde die Cyclisierung einer monocyclischen aliphatischen Verbindung,
welche eine Ketogruppe und eine semicyclische Doppelbindung aufweist, zu einmn -
isocyclischen Ring noch nicht beschrieben. Man konnte auch bis jetzt nicht voraussehen,
daß ein solcher Ringschluß möglich wäre. Einerseits erschien ein Ringschluß der
oben angegebenen Art fast undurchführbar, weil die semicyclische Doppelbindung des
Dihydro-y-ionons eine starke Neigung besitzt, sich bei Anwesenheit von Protonen
oder von Hydroxylgruppen innerhalb des Ringes zu verschieben. Andererseits war es
sehr unwahrscheinlich, daß die entstehende tertiäre Hydroxylgruppe in Gegenwart
von Protonen genügend beständig sein und nicht unter Wasserabspaltung in eine Doppelbindung
übergehen würde. Der Ringschluß kann in der Weise durchgeführt werden, daß man Dihydro-y-ionon
mit einer oder mehreren mit Wasser verdünnten starken Säuren schüttelt oder indem
man das Dihydro-y-ionon mit einer Substanz erhitzt, welche nur schwach protonenbildend
ist, z. B. mit Wasser verdünnte, schwache organische Säuren, wie insbesondere Phthalsäure,
Salicylsäure, Weinsäure, Carbolsäure, Benzoesäure, Zitronensäure und Oxalsäure.
Unter diesen Bedingungen verliert nur ein kleiner Teil des tertiären Alkohols seine
Hydroxylgruppe und geht in einen doppelt ungesättigten Kohlenwasserstoff über.
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Elektrophile Stoffe, wie B F3, eignen sich zur Durchführung der Ringschlußreaktion
des Dihydroy-ionons in gleicher Weise wie protonenbildende Stoffe.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders bedeutungsvoll, wenn
es auf ein Gemisch von Dihydro-a-, -ß- und -y-iononen angewendet wird. Es ermöglicht
dann die ausschließliche Cyclisierung des y-Isomeren, während die anderen Isomeren
praktisch unverändert bleiben. Im Gemisch mit den erfindungsgemäß herstellbaren
neuen Alkoholen bilden sie eine Mischung von angenehmem Geruch. -Das erfindungsgemäße
Verfahren kann auch auf ein Dihydro-y-ionon, das erst im Reaktionsgemisch gebildet
wird, angewandt werden, wenn man z. B. das Acetat, das Semicarbazon oder ein anderes
Carbonylderivat dieses Ionons als Ausgangsmaterial verwendet. Bei der Verwendung
dieser Verbindungen an Stelle des Ketons ist lediglich darauf Rücksicht zu nehmen,
daß diese Verbindungen sich bei den vorstehend angegebenen Reaktionsbedingungen
leicht in das Keton aufspalten müssen. Die Spaltung des Semicarbazons des natürlichen
Dihydro-y-ionons in Gegenwart von Phthalsäure ist bereits von Rüzicka und seinen
Mitarbeitern in Helvetica Chimica Acta, Bd.3i, 1948, S. 83o, beschrieben worden.
Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren wurde aber keinerlei Ringschlußbildung
erreicht. Es ist jedoch sicher, daß die Verwendung einer warmen Phthalsäurelösung
immer zu einer raschen Cyclisierung des Dihydroy-ionons führt, wie zahlreiche Versuche
gezeigt haben.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen neuen Produkte
sind nicht nur sehr bemerkenswerte Ausgangsstoffe für die Riechstoffindustrie, sondern
sie können auch als Ausgangsstoffe für Synthesen verwendet werden; man kann sie
sowohl in rohem als auch in gereinigtem Zustand verwenden.
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Die-nachfolgenden Beispiele zeigen, wie das erfindungsgemäße Verfahren
praktisch durchgeführt werden kann. Beispiel i io g reines synthetisches Dihydro-y-ionon
(D.98f = 0,949; no = 1,4.77i) werden. 48 Stunden bei ungefähr 25° mit einer Lösung
von 2o g konzentrierter Schwefelsäure in xoo cm3 Wasser gerührt. Das Reaktionsprodukt
wird mit Äther extrahiert und hierauf mit Natriumcarbonat und Wasser gewaschen.
Die ätherische Lösung wird getrocknet und das Lösungsmittel durch Destillation entfernt.
Der Rückstand wird i Stunde langsam mit iog B(OCZHb)3 erhitzt. Der gebildete Äthylalkohol
wird bei gewöhnlichem Druck zusammen mit dem Überschuß an Borsäuretriäthylester
durch Destillation entfernt. Der nicht umgesetzte Anteil des Reaktionsproduktes
wird hierauf bei einem Druck von o,oi mm Hg abdestilliert. Die Temperatur des Ölbades
darf 14o° nicht übersteigen. Eine Molekulardestillation erhöht die Ausbeute. Der
Destillationsrückstand wird innerhalb von i Stunde mit 7o cm3 einer io°/oigen Lösung
von K O H in Methanol und in Gegenwart von io cm3 Benzol verseift. Die Lösungsmittel
werden durch Destillation entfernt und der Rückstand mit Benzol ausgezogen. Schließlich
wird das Benzol abdestilliert und das zurückbleibende Produkt rektifiziert.- Siedepunkt
Kp.o," = 71 bis 72°; D.41 = o,9667; np = 1,4988.
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Man erhält 950/, dieses Produktes. Der Geruch dieses neuen
Stoffes ist verschieden von demjenigen des natürlichen grauen Ambras; der Geruch
kommt jedoch dem eines der Bestandteile des grauen Ambras infolge seiner sehr starken
Humus- und Schimmelgeruchsnote sehr nahe. Beispiel 2 77,8 g eines Gemisches von
Dihydro-y- und -a-iononen werden 48 Stunden bei einer Temperatur von ungefähr 2o
bis 30° mit 81o cm3 einer 2o°/oigen Schwefelsäurelösung gerührt. Das verwendete
Dihydroionongemisch weist folgende physikalische Konstauten
auf:
Siedepunkt Kp.o,l = 85°; D94 = 0,92o; Wo = 1,475; Carbonylgehalt 95%..
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Man extrahiert das Reaktionsprodukt mit Äther oder Benzol. Auf diese
Weise erhält man ungefähr 76 g eines Produktes mit einem Ketongehalt von 380/0 (Bestimmung
durch Oximbildung), entsprechend einer 57o/oigen Ausbeute, bezogen auf die Menge
der verwendeten Ausgangsketone. Da die Dihydro-a-und ß-itinone sich unter den oben
angegebenen Reaktionsbedingungen nicht cyclisieren lassen, betrug die Menge an Dihydro-y-ionon
im Ausgangsmaterial also mindestens 44,5 g (57 0% von 77,8 g). Man erhitzt 74 g
des cyclisierten Produktes mit 8o g Borsäuretriäthylester. Die Temperatur wird zunächst
auf 128° gehalten und dann allmählich auf 15o° erhöht. Gleichzeitig wird der Druck
von 72o mm Hg auf 15 mm Hg und schließlich auf o,1 mm Hg erniedrigt. Nach Entfernung
des Äthanols durch Destillation gehen bei einem Druck zwischen 18 mm und o,1 mm
Hg zwischen 128 und 10o° 41 g eines Produktes über, das ungefähr 610% Ketone enthält
(bestimmt durch Oximbildung). 33 g destillieren überhaupt nicht über. Diese werden
mit 140 cm3 einer Lösung von 15 g K O H in Methanol in Gegenwart von 1o cm3 Benzol
verseift. Die neutrale Fraktion wird mit Äther extrahiert, der Auszug mit Wasser
gewaschen und .destilliert. Es destillieren 28,6 g eines bei Kp.o,l = 64 bis 68°
siedenden. Stoffes; D.;1 = o,9618; nD = 1,4985- Die Ausbeute an cyclisiertem
Reaktionsprodukt beträgt 64()/" bezogen auf die Menge des im Ausgangsmaterial vorhandenen
Dihydroy-ionons. Diese Ausbeute kann dadurch erhöht werden, daß man das mit dem
Borsäureester nicht umgesetzte Produkt rascher oder bei einer tieferen Temperatur
destilliert, z. B. einer kontinuierlichen Molekulardestillation unterwirft, oder
indem man dieses Produkt extrahiert. Es wird dann eine Ausbeute von 95 0% erzielt.
Die Schwefelsäure, welche als protonenerzeugender Stoff dient, kann vorteilhaft
durch ein Kationenaustauscherharz ersetzt werden, z. B. durch eines - der Harze,
die von Swistak, Mastagli und Zafiriadis beschrieben worden sind (vgl. Comptes rendus
h6bdomadaires de 1'Academie des sciences, Paris, Bd. 236, 1953, S. 2325).
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Es können zur Cyclisierung des Dihydro-y-ionons auch andere Säuren
als Schwefelsäure verwendet werden. In folgender Tabelle sind einige Säuren hinsichtlich
ihres Cyclisierungsvermögens bei verschiedenen Konzentrationen und Temperaturen
zusammengestellt. Die letzte Spalte dieser Tabelle gibt die Ausbeute an tertiären
Alkoholen der Formeln (III), (IV) und (V) an.
| Kon- Reaktions- Tertiäre |
| Säure zentration Temperatur duer Lösungs- Cyclisierung Alkohole |
| ° C Stunden mittel °ja °% |
| Salicylsäure .......... 30 99 1,5 Äthanol/H20 96 75 |
| Phthalsäure . . . . . . . .. . 38 99 1,3 H20 9o 77 |
| Weinsäure ........... 30 99 1,5 Äthanol/H20 25 8 |
| Zitronensäure ........ 30 99 1,5 Äthanol/H20 29 10 |
| Oxalsäure ........... 12 99 0,5 H20 65 6o |
| Oxalsäure ........... 12 25 48,0 H20 5 4 |
Das Reaktionsprodukt ist nicht sehr beständig und erleidet leicht eine Wasserabspaltung
und eine Verharzung. Es ist demzufolge wesentlich, die Reaktion nur so lange fortzusetzen,
wie die Ausbeute steigt. Beispiel 3
5,759 in 3o cm3 wasserfreiem Benzol gelöstes
Dihydro-y-ionon wird mit einem Gasstrom von o,6 g BF3 behandelt. Zu Beginn beträgt
die Temperatur +4°. Das ' Reaktionsgefäß wird mittels eines Gemisches von Eis und
Salz gekühlt; die Außentemperatur beträgt -3° und steigt innerhalb von 3 Minuten
auf +9,5°. 4 Minuten später fällt die Temperatur auf -E- 6°. In diesem Augenblick
wird der B F3 Strom unterbrochen. Man fügt dann langsam
50 cm3 einer 10%igen
NaOH-Lösung zu, um die Temperatur auf +3° zu halten. Nach dem Waschen mit einer
wäßrigen Na O H-Lösung wird das Reaktionsprodukt über K2 C 03 getrocknet und dann
destilliert. Es destillieren 5,25 g bei Kp.o," = 67 bis 70°. Diese 5,25 g werden
dann mit 14 g B (OC,Hb)s auf eine Temperatur von höchstens 15o° erhitzt. Der Alkohol
und das überschüssige B(OCZHS)3 werden durch Destillation entfernt, und die Destillation
wird im Vakuum fortgesetzt, bis sie bei einem Druck von o,5 nun Hg und bei einer
Temperatur von etwa 12o° beendet ist. Der Borsäureester wird mit 15 cm3 einer io%igen
K O H-Lösung in Methanol und in Gegenwart von 2 cm3 Benzol verseift. Das erhaltene
Reaktionsprodukt wird destilliert. Siedepunkt Kp.o," = 72 bis 73°; D.2,2-" = o,962;
WD = 1,498; Ausbeute g10/0.
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Die Allophanate werden gemäß der von Z o b ri s t und S c h i n z
in Helvetica Chimica Acta, Bd. 35, 1952, S.2385, beschriebenen allgemeinen. Methode
hergestellt. Die reinen Isomeren der Formeln (III) bzw. (IV) sind infolge der Beweglichkeit
ihrer Doppelbindung in Gegenwart von sauren oder alkalisch wirkenden Substanzen
schwer zu erhalten. Die beste Methode, dieselben abzutrennen, besteht in der Reduktion
ihrer Dinitrobenzoate oder ihrer Allophanate mit Hilfe eines geringen Überschusses
an UAIH4 in Tetrahydrofuran. Ihre weitere Reinigung kann durch fraktionierte Destillation,
noch besser durch Chromatographie erfolgen. Beispiel 4 Ersetzt man die Schwefelsäure
im Beispiel 1 durch Phosphorsäure, so erhält man praktisch das gleiche Ergebnis
wie bei der Verwendung von Schwefelsäure.
Die Abtrennung des Gemisches
der beiden Isomeren der Formeln (III) und (IV) vom Isomeren der Formel (V) erfolgt
am besten durch eine fraktionierte Destillation unter vermindertem Druck. Das Isomere
der Formel (V) ist in den Fraktionen mit dem höchsten Siedepunkt angereichert, die
zum Teil kristallisieren. Der kristallisierende Anteil ist eine der beiden Stereoisomeren
der Verbindung der Formel (V), die Verbindung schmilzt bei 62°.