JPS62277375A - α−置換γ−ブチロラクトンの製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アシル酢酸アルキルエステルを、触媒の存在
下にアルキレンオキシドと反応させることによる、ｒ−
ブチロラクトンの改良製造法に関する。

ｒ−ブチロラクトンは一部は興味ある香気物質であり、
一部は多数の複素環化合物例えばピロリドン又はピロリ
ジンを合成するための価値ある中間体である。

ｒ−ブチロラクトンの慣用の製造法においては、Ｃｏｍ
ｐｔ、　Ｒｅｎｄ、　２３４巻１９５２年１２９６及び
１６９４頁に記載されるように、対応して置換されたマ
ロン酸エステルを、まずアルカリ塩となし、これをアル
キレンオキシドと反応させて追加のエステル基を含有す
るｒ−ブチロラクトンとなし、これをけん化したのち脱
カルボキシル化せねばならない。この方法は現今では多
くの欠点を有する。その一つは、廃水が当量で使用する
塩基及び酸により多量の塩を含有することである。他の
欠点は、一部はアルカリ性媒質中で、また一部は酸性媒
質中で行われる多数の反応工程によって、操作技術上の
出費が著しく大きいことである。そのほか腐食の問題が
生ずること、かなり多量の副生物が生成すること、なら
びにマロン酸エステルが高価であることも、この方法の
欠点である。このような著しい欠点にも拘らず、この方
法はｒ−ブチロラクトンを製造するための標準的方法と
なっている（バイルシュタインＩ／ＩＶ補充版１７１５
巻、４２２９．４２２４及び４２５２頁参照）。

アシル酢酸アルキルエステルとアルキレンオキシドの触
媒の存在下での反応によるｒ−ブチロラクト／の製法も
、原則的に古くから知れている。すなわちホウベン−ワ
イルＨ）　トーチ７・デル・オルガニツシエン書ヘミー
４１Ｊ６７２巻６６２頁によれば、アルコール中でα−
メチル−アセト酢酸エチルエステルナトリウムにエチレ
ンオキシドを作用させる場合に、４−ヒドロキシ−２−
メチル−ブタン酸ラクトン（α−メチル−ｒ−ブチロラ
クトン）が５０％の収率で得られる。

α−メチル−アセト酢酸エチルエステルをエチレンオキ
シドと、無水炭酸カリウムの存在下に密閉管中で反応さ
せる場合は、７０％の収率が得られるが、この反応は例
外の場合及び多量のアルキルアセト酢酸エステルを使用
する場合には不可能である。収率が不満足であるほか、
この方法は特に塩基を定量的に消費するので、触媒酌量
で足りる新規触媒を見出すことが試みられた。

触媒量のナトリウムメチラートを使用しては、α−アル
キル−アセト酢酸エステルとエチレンオキシドの反応は
起こらないが、超塩基であるテトラブチルアンモニウム
−へキサクロロアンチモネートを使用すると、アルカリ
及び酸による後続反応により最終的に対応するラクトン
を与える反応生成物が得られる。この反応の収率は示さ
れていない（ヘンケルーレフェラーテ２０巻１９８４年
６１〜６６頁特に６５〜６６頁参照）。

したがって本発明の課題は、アシル酢酸アルキルエステ
ルをアルキレンオキシドと反応させることによるｒ−ブ
チロラクトンの製法を、一方では一般的に使用可能であ
り、他方では簡単に入手できる触媒を少量使用して実施
できるように改良することであった。

本発明者らは、触媒としてイオン性ハロゲン化物を使用
するとき、アセト酢酸エステルとアルキレンオキシドと
の反応が、理論値の９０％以上の収率で行われることを
見出した。この知見は予想外であった。なぜならばハロ
ゲン化物イオンはきわめて弱い塩基として格付げされ、
そして文献の知識によれば特に強い塩基又は錯アニオン
との塩が優れていると考えられたからである。テトラブ
チルアンモニウムカチオンの使用も、反応の成功のため
には決定的でない。

なぜならばハロゲン化アルカリは四級ハロゲン化アンモ
ニウムと同様に良好な結果を与えるからである。

本発明はこの課題を解決するもので、一般式（Ｒ’は後
記の意味を有する）で表わされるアルキレンオキシドを
、一般式 ％式％ （Ｒ３及びＲ４は分岐状又は直鎖状の１〜６個好ましく
は１〜２個の炭素原子を有するアルキル基又はアリール
基好ましくはフェニル基でアリ、Ｒ４はそのほか水素原
子であってもよ（、Ｒ５は水素原子又はＲ２と同じもの
を意味する）で表わされるアシル酢酸エステルと反応さ
せ、その際１［１の１モルに対しり、ｏｏ１〜０．１モ
ルのハロゲン化アルカリ、ハロゲン化アンモニウム、特
に四級ハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化ホスホニウ
ム、燐酸アルカリ又は炭酸アルカリの存在下に、２０〜
２００　’Ｃ好ましくは６０〜１５０°Ｃ及び１〜５０
バール好ましくは１〜２０バールの圧力において反応を
行うことを特徴とする、一般式 （Ｒ１は水素原子又は１〜４個の炭素原子を有す。

るアルキル基で、低級アルコキシ基又は低級アシルオキ
シ基好ましくはアセトキシ基により置換されていてもよ
く、Ｒ２は１〜１２個好ましくは１〜４個の炭素原子を
有する直鎖状又は分岐状のアルキル基で、低級アルコキ
シ基、アシルオキシ基、アミド基、水酸基、アリール基
もしくはハロゲン原子のような機能性基により置換され
ていてもよ（、あるいはアリール基特にフェニル基であ
ってもよい）で表わされるα−置換ｒ−ブチロラクトン
の製法である。

触媒としてはハロゲン化アルカリ、例えばＬｉＣ１、Ｎ
ａＣ１、ＫＣ’ｌ、ＫＦ、　ＫＢｒ、　ＮａＪ、ＬｉＦ
ｌＮａＢ　ｒ又はＫＪが用℃・られる。適当な触媒の他
の群はハロゲン化アンモニウム又はハロゲン化ホスホニ
ウム、好ましくは四級のアンモニウムハロゲン化物又は
ホスホニウムハロゲン化物であって、特に好ましく・ア
ンモニウムカチオンは、４個の置換基のすべてが１〜６
個の炭素原子を有する低級アルキル基、あるいは４個の
基の１個もしくは数個がベンジル基であるか又は６０〜
２０個の炭素原子を有する長鎖アルキル基であるもので
ある。その例はテトラメチルアンモニウムクロリド、テ
トラエチルアンモニウムプロミド、テトラブチルアンモ
ニウムクロリド、ベンジル−トリメチル−アンモニウム
プロミド及ヒメチルートリアルキルーアンモニウムクロ
リドで、これらは西独シエーリング社製アドーゲン４６
４又は米国ジエネラルミルズ社製アリクオート３３６の
名で市販されている。好ましい四級ホスホニウムハロゲ
ン化物の例は、トリフェニル−メチル−ホスホニウムク
ロリド、トリフェニル−エチル−ホスホニウムクロリド
、トリブチル−メチル−ホスホニウムプロミド、トリメ
トキシ−メチル−ホスホニウムプロミド及びトリエトキ
シ−メチル−ホスホニウムプロミドである。ハロゲン化
物アニオンのうちでは、好ましくは弗化物、塩化物、臭
化物又は沃化物のアニオンが用いられる。しかしプソイ
ドノ・ロダン化物と呼ばれる他のアニオン、例えばシア
ン化物、アジド、イソシアネート及びロダン化物、ある
いは燐酸塩又は炭酸塩のアニオンも使用でき、その中で
も燐酸アニオン及び炭酸アニオンは工業的に重要である
。

一般式■で表わされる好ましいアルキレンオキシドの例
は、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレン
オキシド、アセトキシエチレンオキシド、メトキシエチ
レンオキシド又はエトキシエチレンオキシドである。

一般式■で表わされる適当なアシル酢酸エステルの例は
、非置換のアシル酢酸エステル及びα位で置換されたア
シル酢酸エステルであって、この場合エステル化に使用
されるアルコールの種類は、反応の遂行のために決定的
な役割をしない。普通は低級アルコールすなわち６個ま
での炭素原子を有するアルコールのエステル、特にメタ
ノール又はエタノールのエステルが用いられる。

α位で置換されたアセト酢酸エステル中の基Ｒ５は、ア
ルキル基又はアリール基であってよく、これ自体はさら
に他の機能を有する基、例えば低級アルコキシ基、低級
アシルオキシ基、アミド基、水酸基、アリール又はハロ
ゲン原子により置換されていてもよい。

好ましいＲ５の例は次の基である。メチル、エチル、プ
ロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、二級ブチ
ル、アミル、イソアミル、２−メチルブチル、ヘキシル
、２−エチルブチル、２−エチルヘキシル、シクロヘキ
シル、ヘプチル、２−プロピルペンチル、オクチル、ノ
ニル、デシル、フェニル、ベンジル、２−ヒドロキシエ
チル、２−ヒドロキシプロピル、２−ヒドロキシブチル
、カルボメトキシメチル及びカルボメトキシエチル。

式■の基Ｒ４は、原則としてＲ５と同様に広範囲に変更
可能である。しかし反応の最終生成物■にはそれが存在
しないのであるから、この位置にある置換基は容易に入
手しうるものであることが好ましい。その例はフェニル
基、エチル基又はプロピル基、そして特にメチル基であ
る。

α位で置換されたアセト酢酸エステルの反応は簡単で、
アシル酢酸エステルの基Ｒ５は式Ｉのｒ−ブチロラクト
ンのα位に表われる。すなわちＲ２とＲ５は同一であっ
てよい。これに対しα位で非置換のアシル酢酸エステル
（Ｒ’＝Ｈ）を使用すると、一般に両方のα位に存在す
る活性水素原子が、式■のアルキレンオキシドとの反応
を起こす。これは特に活性低級アルキレンオキシド、例
えばエチレンオキシド（Ｒ”＝Ｈ）及びプロピレンオキ
シド（Ｒ’　＝ＣＥ（３）の場合にそうテする。低級ア
ルキレンオキシド２モルと式■のα位非置換アセト酢酸
エステル１モルとを反応させる場合には、続いて分子内
転位によって、式ｌのｒ−ブチロラクトン（Ｒ２は２−
ヒドロキシ−アルキル基又は２−アセトキシ−アルキル
基）が生成する。このｒ−ブチロラクトンの生成は、次
の反応式によって説明される。

この場合は一般に式１ａ及びＩｂ　（Ｒ’＝Ｈ，ＣＨ８
又はＣ２Ｈ５）のｒ−ブチロラクトンの混合物が生成す
る。しかし反応条件を変えることにより、好ましいＩａ
又は（ｂを生成させることもできる。

例えば少量の溶剤を使用すると、特にα−（２−アセト
キシ−アルキル）化合物が得られるが、多量の溶剤の中
では特にα−（２−ヒドロキシ−アルキル）化合物が得
られる。ｌｂへの変化率は、少量のアルカリアルコラー
ドで処理することにより完全になる。

それぞれの希望のｒ−ブチロラクトンのための好ましい
反応条件は、簡単な予備試験により定めることができる
。

本発明の好ましい実施態様においては、１〜６モルのエ
チレンオキシドを１モルの式■のアセト酢酸エステル（
Ｒ５は水素原子、Ｒ３は前記の意味を有する）と反応さ
せることにより、一般式１　（Ｒ’は水素原子、Ｒ２は
２−ヒドロキシエチル基又は２−アセトキシエチル基）
のｒ−プチロラクトンを製造し、あるいは１〜３モルの
プロピレンオキシドを１モルの式■のアセト酢酸エステ
ル（Ｒ５は水素原子、Ｒ３は前記の意味を有する）と反
応させることにより、一般式１　（Ｒ’はメチル基、Ｒ
２は２−ヒドロキシ−１−プロピル基又は２−アセトキ
シ−１−プロピル基）のｒ−ブチロラクトンを製造する
。

反応は好ましくは溶剤としての低級アルコール中で行わ
れ、その場合良好な反応結果を得るために、溶剤と化合
物■のエステル基のアルコール成分とが同一であること
は必要でない。好ましい溶剤はメタノール、エタノール
、グロパノール、イングロパノール、ブタノール及び三
級ブタノールである。

反応は室温と２００℃の間、好ましくは６０〜１５０℃
の温度で、１〜５０バール好ましくは１〜２０パールの
加圧において行われる。反応時間は５〜２０時間特に８
〜１５時間である。

好ましい実施態様においては、溶剤、触媒及びアセト酢
酸エステル（Ｉｎ）を用意し、これにアルキレンオキシ
ド（■）を反応温度において１〜１０時間かげて添加す
る。しかしアルキレンオキシド（ｎ）を先に用意して反
応を開始することもできる。前記の全反応時間を保つよ
うに定められた後反応時間ののち、反応生成物を常法（
濾過、抽出、蒸留等）により単離することができる。

出発物質■と■は、化学当量で又は他方に対し一方の成
分を過剰にして使用することができる。好ましい割合は
、当モル量でない場合は、アセト酢酸エステル（ＩＩＩ
）の１モルに対し、アルキレンオキシド（ｎ）の０．５
〜６モル特に０．８〜１．５モルである。溶剤の使用量
は０〜５００％である。触媒の使用量は、■の１モルに
対し０．００１〜０．１モル特に０．００３〜０．０５
モルである。

特に高い生産性を達成するためには、特に長鎖α−アル
キル基を有する式■のα−アルキル−アセト酢酸エステ
ル例えばα−ヘキシル−アセト酢酸エステルを使用する
場合は、ｌの生成（Ｒ５がＨでない出発物質ｍから出発
する場合）又はｌｂの生成（Ｒ５がＨである出発物質ｍ
から出発する場合）を完全にするため、本発明の反応に
より得られる反応混合物を、さらに少量の強塩基を用い
て処理することが有利である。この塩基は続いて鉱酸で
処理することにより中和される。こうしてブチロラクト
ンが、高純度で９０％以上の収率で得られる。

このための強塩基としては、水酸化アルカリ、アルカリ
アルコラード又は三級アミン特にＮａ０ＣＨ。

が用いられる。その使用量は、一般に■の１モルに対し
０．１〜０．５モルである。鉱酸としては、例えば塩酸
、硫酸、燐酸又は硝酸が用いられる。

本発明の方法によれば、香気成分として、あるいは複素
環化合物を合成するための中間体として有用な式■のｒ
−ブチロラクトンが、アシル酢酸エステル（■）とアル
キレンオキシ）”（ＩＩ）の反応により簡単かつ安価な
方法で、しかも工業的な廃水の問題なしに高収率で製造
される。

実施例１〜８ ３００ｍｌ容のオートクレーブ中で、下記表に示すα−
アルキル−アセト酢酸エステル（ＩＩＩ）をそこに示す
量で、ならびに同重量の表中に示す溶剤、それぞれ■に
対し１．５重量％のテトラメチルアンモニウムクロリド
及び表中に示す量のエチレンオキシドからの混合物を、
１００°Ｃに１２時間加熱する。反応排出物を蒸留する
と、表中に示す収率で式Ｉのα−アルキル−ブチロラク
トンが得られる（反応は次式参照）。

ＯＯＲ３ 実施例９ ２０１容のオートクレーブ中で、α−ヘキシル−アセト
酢酸エチルエステル８．５６　ｋｆｌ　（４０混合物を
加熱する。１００℃でエチレンオキシド２．１１　ｋｇ
（５２，８モル）を４時間かけて添加したのち、窒素を
用いて圧力を２０バールに高め、反応混合物をさらに１
００°Ｃで１０時間反応させる。

反応排出物を特に純粋な生成物を得る目的で、Ｉを完全
に生成させるため３０％メタノール溶液の形のナトリウ
ムメチラート５００　Ｆ　（９，２６モル）を添加した
のち、６５°Ｃに４時間加熱する。次いで反応混合物を
蒸発濃縮し、１００℃で２Ｎ硫酸６１を用いて３時間処
理する。有機相を蒸留により仕上げ処理すると、６−へ
キシル−ブチロラクトンが９９９％の純度で６．６５　
ｋｌｉｌ得られる。収率は理論値の９６％である。

実施例１０ α−ヘキシル−アセト酢酸エチルエステル１０７．９、
エタノール１０７ｇ、プロピレンオキシド３４ｐ及びテ
トラメチル−アンモニウムクロリド１．５ｇからの混合
物を、オートクレーブ中で１２０℃に１０時間加熱する
。反応排出物をナトリウムメチラート５Ｉと共にさらに
６５℃に５時間加熱したのち、蒸留する。６−へキシル
−５−メチルーブチロラクトンカ８４．６　ｇ得られ、
収率は理論値の９２％である。

実施例１１ アセト酢酸メチルエステル５１９、エチレンオキシド４
４．＠、ＮａＣｌ３，９及びメタノール７０　ｍｌの混
合物を、オートクレーブ中で自生圧下に８０°Ｃに１２
時間加熱する。次いでメタノールを留去し、残留物を水
中に移し、少量のクロロホルムで洗浄したのち蒸留する
。２−（２−ヒドロキシエチル）−ｒ−７’チロラクト
ンカ５２．６１得られ、収率は理論値の８１％である。

そのほか洗浄クロロホルムから、９．６ｇ（理論イ直ハ
８％）の？−（９−ヒドロキシエチル）−ｒ−ブチロラ
クトンが得られ、これは精製することができる。

実施例１２ 実施例１１と同様に操作し、ただしＮａＣ１３ｉの代わ
りにに２Ｃｏ３を１０ｇ使用する。２−（２−ヒドロキ
シエチル）−γ−ブチロラクトンが５２ｙ（理論値の８
３％）得られる。

実施例１６ 実施例１１と同様に操作し、ただしＮａＣ１Ｓ　ｇの代
わりにＮａ５Ｐ○４−１２Ｈ２０を１０Ｉ使用する。２
−（２−ヒドロキシエチル）−γ−ブチロラクトンが２
１．７　＆　（収率３４％）及び２−（２−アセトキシ
エチル）−γ−ブチロラクトンが５０、７．９　（収率
５９％）が得られ、後者の沸点は０．３ｍバールで１０
０〜１０５℃である。

実施例１４ アセト酢酸メチルエステル５８　ｇ（０，５モル）エチ
レンオキシド４４．＠、ＮａＣ１３ｇ及びメタノール５
０ｇを、オートクレーブ中で自生圧下に８０°Ｃに１２
時間加熱する。次いでメタノールを留去し、残留物をク
ロロホルム中に移し、少量の水で洗浄したのち蒸留する
。沸点１００〜１０５℃１０．６バールのα−（２−ア
セトキシエチル）−ｒ−ブチロラクトンが６５．３ｇ　
（収・率７６％）得られる。水相中にはさもＫ、８．５
ｆ！（理論値の１３％）のα−（２−ヒドロキシエチル
）−ｒ−ブチロラクトンが含まれている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼（II） （Ｒ＾１は後記の意味を有する）で表わされるアルキレ
   ンオキシドを、一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼（III） （Ｒ＾３及びＲ＾４は分岐状又は直鎖状の１〜６個の炭
   素原子を有するアルキル基又はアリール基であり、Ｒ＾
   ４はそのほか水素原子であつてもよく、Ｒ＾５は水素原
   子又はＲ＾２と同じものを意味する）で表わされるアシ
   ル酢酸エステルと反応させ、その際IIIの１モルに対し
   ０．００１〜０．１モルのハロゲン化アルカリ、ハロゲ
   ン化アンモニウム、ハロゲン化ホスホニウム、燐酸アル
   カリ又は炭酸アルカリの存在下に、２０〜２００℃の温
   度及び１〜５０バールの圧力において反応を行うことを
   特徴とする、一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼（ I ） （Ｒ＾１は水素原子又は１〜４個の炭素原子を有するア
   ルキル基で、低級アルコキシ基又は低級アシルオキシ基
   により置換されていてもよく、Ｒ＾２は１〜１２個の炭
   素原子を有する直鎖状又は分岐状のアルキル基で、低級
   アルコキシ基、アシルオキシ基、アミド基、水酸基、ア
   リール基もしくはハロゲン原子のような機能性基により
   置換されていてもよく、あるいはアリール基であつても
   よい）で表わされるα−置換γ−ブチロラクトンの製法
   。