NO313456B1 - Fremgangsmåte for omforestring av <alfa>- ketokarboksylsyreestere - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for omforestring av cc-ketokarboksylsyreestere.

a-ketokarboksylsyreester, som f.eks. pyrodruesyreetylester (PAEE), finnes på mange områder, som f.eks. som mellomprodukt for virkestoffer innenfor landbruk og farmasi, som løsemiddel og andre anvendelser. Hittil anvendte fremstillingsrfemgangsmåter viser seg imidlertid av forskjellige grunner å være uegnet innenfor vitenskapelig og teknisk område. Således er eksempelvis fremstillingen av PAEE i analogi med pyrodruesyremetylester (PAME) ved ozonolyse og etterfølgende reduksjon med utgangspunkt i metylmetakrylat i etanol i stedet for metylmetakrylat i metanol beheftet med vesentlige ulemper. For det første er etylmetakrylat betydelig dyrere enn metylmetakrylat, for det andre er biproduktet formaldehyd med etanol som løsemiddel ikke fullstendig acetalisert, hvorigjennom det blir et forstyrrende restinnhold av formaldehyd ved den videre opparbeidingen, for det tredje må man på grunn av det dannede vanskelige formaldehyddietylacetalet ved opparbeidingen forbrenne mer biprodukt og for det fjerde forløper ketalspaltingen i tilfellet PAEE-dietylketal vanskeligere enn ved PAME-dimetylketal.

Ifølge J. Liebigs Ann. Chem., 564, 34 (1949) blir PAEE fremstilt ved forestring av pyrodruesyre med absolutt etanol og benzen og etterfølgende tørking av den ternære azeotropen etanol/benzen/vann over K2CO3 alene i 53% utbytte.

Det ble allerede undersøkt muligheten av å fremstille PAEE ved omforestring av

PAME.

Denne fremstillingsveien har imidlertid vært mislykket på grunn av den mangfoldige reaktiviteten til molekylet på grunn av a-ketokarboksylsyrestrukturelementet. Således forekommer det uønskede biprodukter ved omforestring i basisk miljø på grunn av en rask kondensasjon av karbonylgruppen med den tilstøtende, aktiverte metyl-henholdsvis metylengruppen, mens i surt medium blir ketaler og vann dannet, hvorved vannet videre fører til uønsket hydrolyse av esteren. Under tilnærmet nøytrale betingelser blir det ikke oppnådd noen akseptabel omsetning.

Uventet ble det imidlertid funnet at ved anvendelsen av spesielle metallkatalysatorer og vannfrihet i reaksjonsmediet er det mulig å oppnå en omforestring av a-ketokarboksylsyreesteren i gode utbytter og uten bireaksjoner.

Gjenstand for den foreliggende oppfinnelsen er derfor en fremgangsmåte for omforestring av a-ketokarboksylsyreestere ved hjelp av en alkohol.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte for omforestring av a-ketokarboksylsyreestere med et strukturelement med formel I

med en alkohol med formelen (II), R3OH, hvor Ri, R2 og R3 er en forgrenet eller uforgrenet Ci-Cé-alkylrest eller en benzylrest, og Ri og R3 ikke er like, kjennetegnet at omforestringen blir gjennomført i en vannfri alkohol med formel (II) som reaksjonsmedium under nærvær av tinn-, titan-, zirkonium- eller litiumkatalysatorer eller av acetylacetonater.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvendes foretrukket for omforestring av pyrodruemetylester (PAME). Foretrukne omforestringsprodukter er pyrodruesyreetylester (PAEE). Omsetningen skjer i et vannfritt reaksjonsmedium. Som reaksjonsmedium tjener derfor en alkohol R3-OH, hvorved R3 fremstiller resten R3 som blir byttet ut med Ri. R3 er følgelig definert som Ri og R2, hvorved Ri og R3 ikke er like. Foretrukket er R3 en forgrenet eller uforgrenet C2-C6-alkylrest eller en benzylrest. Foretrukket blir ifølge fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen PAME i vannfri etanol omsatt til PAEE. I tillegg til den tilsatte alkoholen kan det også anvendes ytterligere vannfrie løsemidler, som f.eks. usubstituert og substituert alkan, som f.eks. heksan, heptan osv., alken, alkin, alkoholer, substituert amin, amid, aromater, ester, eter, halogenforbindelser, heteroaromater, lakton, keton, ytterligere nitrogenforbindelser som f.eks. nitroalkan, silisiumforbindelser som f.eks. silikonolje, svovelforbindelser som f.eks. sulfoksid, hvorved man skal passe seg slik at ikke nøytralt reagerende funksjonelle grupper langt på vei blir nøytralisert enten intramolekylært eller ved sure eller basiske tilsetninger henholdsvis alkohol eller esterkomponenter, for å forhindre kondensasjonsreaksjoner henholdsvis sur katalysert ketalisering.

Omforestringen finner ifølge oppfinnelsen sted under nærvær av spesielle metallkatalysatorer. Egnede katalysatorer er fra gruppen av tinnkatalysatorer dialkyltinndikarboksylat, som dibutyltinndikarboksylat særlig dibutyltinndiacetat, dibutyltinndilaurat, dibutyltinndiisooktoat, dibutyltinnmaleat og blandede dibutyltinndikarboksylater særlig med langkjedede fettsyreestere, dioktyltinndikarbokylate særlig dioktyltinndilaurat, trialkyltinnalkoksid, som f.eks. tributyltinnoksid, monoalkyltinnforbindelser som monobutyltinndihydroksyklorid og monobutyltinndioksid, tinnsalter som tinnacetat, tinnoksalat og tinnklorid, tinnoksid som f.eks. SnO. fra gruppen av titankatalysatorer, monomere og polymere titanater og titanchelater som tetraisopropylortotitanat, tetrapropylortotitanat, tetraetylortotitanat, tetrabutylortotitanat, tetraisobutylortotitanat, 2-etylheksyltitanat, stearyltitanat, kresyltitanat, titanacetylacetonat, trietanolamintitanat, oktylenglykoltitanat, isostearyltitanat, sitronsyredietylestertitanat fra gruppen av zirkonkatalysatorer, zirkonat og zirkonchelat som tetrapropylzirkonat, tetraisopropylzirkonat, tetrabutylzirkonat, trietanolaminzirkonat, sitronsyredietylesterzirkonat, zirkon(IV)-acetylacetonat, så vel som litiumkatalysatorer som litiumsalter, litiumalkoksider og aluminium(III)-, krom(III)-, jern(III)-, kobolt(II)-, nikkel(II)- og sink(II)-acetylacetonat.

Foretrukket anvendes dibutyltinndiacetat, blandede dibutyltinndikarboksylater med langdkjedede fettsyreestere, dioktyltinndilaurat, monobutyltinndihydroksyklorid, monobutyltinndioksid, tinnacetat, tinnoksalat, tinnklorid, tetraisopropylortotitanat, tetrapropylortotitanat, tetraetylortotitanat, tetrabutylortotitanat, tetrapropylzirkonat så vel som litiumsalter og -alkoksider og ovenfor angitte acetylacetonater. Særlig foretrukket er dibutyltinndiacetat, tetraisopropylortotitantat, tetraetylortotitanat.

Mengen tilsatt katalysator er mellom 0,0001 til 20 vekt-%, foretrukket mellom 0,005 til 5 vekt-% og særlig foretrukket fra 0,02 til 1 vekt-%. Reaksjonsblandingen blir foretrukket oppvarmet inntil kokepunktet til reaksjonsblandingen, slik at reaksjonstemperaturen avhengig av reaktantene ligger mellom 20°C og 200°C. Omforestringen kan videre gjennomføres ved normaltrykk, men også ved redusert eller hevet trykk fra 0,001 til 200. bar. Alkoholen som spaltes fra ved omforestringen blir foretrukket kontinuerlig destillert av. Foretrukket blir reaksjonen gjennomført ved hjelp av en destillasjonskolonne med høy separasjonseffekt.

Avskillelse av katalysatoren etter omsetningen gjøres i godt utbytte gjennom vasking med vann, hydrolyse av katalysatoren og filtrering av det utfelte metalloksidet eller foretrukket ved avdestillering av produktene fra katalysatoren, foretrukket på en tynnsjikt- eller kortveisfordamper.

Med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ble det oppnådd en omsetning på over 99%, hvor utbyttet ligger uten tilbakeføring av ikke omsatt utgangsprodukt på over 96%. Ved tilbakeføring av uomsatt sluttprodukt kan det oppnås utbytte på over 975. Ved lempelige omforestringsbetingelser blir det oppnådd en produktrenhet på over 99,9%.

EKSEMPEL 1:

Omforestring av PAME til PAEE med dibutyltinndiacetat uten tilbakeføring av

PAME

800 g (7,8 mol) pyrodruesyremetylester (99,8% GC) og 900 g etanol (vannfri) ble varmet opp i en destillasjonsapparatur med en 25-bunns klokkebunnkolonne og tilbakeløpsdeler til koking. Destillatet på toppen av kolonnen ble ved 100% tilbakeløp undersøkt med hensyn til vannfrihet (< 0,1% vann etter Karl Fischer). Deretter ble 0,31 g dibutyltinndiacetat i form av en 10% løsning i etanol tilsatt. Det ble i enda 2 timer med 100% tilbakeløp, hvor det ved omforestringsreaksjonen oppstår på toppen av kolonnen samlet og deretter avdestilleres ved et forhold mellom tilbakeløp og det som destilleres av på 20:1. Oppfyllingshøyden i reaksjonskolben ble holdt konstant ved tilsetning av metanol i destillasjonskolben. Etter 12 timer var reaksjonen i praksis slutt. Dette var lett å erkjenne ved at metanolmengden på toppen av destillasjonskolonnen går mot null. Overskuddsetanol blir deretter ved redusert trykk destillert av, hvorved kolbetemperaturen ikke overstiger ca. 90°C. Den dannende reaksjonsløsningen frigjøres på en tynnsjiktsfordamper under redusert trykk på 80 mbar med tinnkatalysator (30 g tinnholdig destillasjonsløsning). Ved fraksjonert destillasjon ved 40 mbar blir det oppnådd 880 g (7,6 mol) pyrodruesyreetylester med en renhet på 99,8% (GC). Utbyttet beløper seg til 96.7%. I et sammenligningsforsøk med etanol, som har et vanninnhold på 0,6% (KF) blir det etter 12 timers reaksjonstid med GC-MS analyse i tillegg til det ønskede produktet funnet dimetyl-, dietyl- og blandet etyl-metyl-ketaler av pyrodruesyremetylester og pyrodrueetylester. Ved opparbeidingen samles det opp 155 g tynnsjiktsdestillasjonsløsning som ikke lenger er utnyttbar. Etter fraksjonert destillasjon blir det oppnådd 755 g (6,3 mol) pyrodruesyreetylester med en renhet på 97.1% (GC). Utbyttet beløper seg til 91%.

EKSEMPEL 2:

Omforestring av PAME til PAEE med dibutyltinndiacetat med tilbakeføring av

PAME

1000 g (9,8 mol) pyrodruesyremetylester, 1100 g etanol og 0,39 g dibutyltinndiacetat omsettes som i eksempel 1. Etter 8 timer blir reaksjonen avbrutt. Reaksjonsblandingen blir opparbeidet som i eksempel 1. Dette gir 25 g tinnholdig destillasjonsløsning. Ved fraksjonert destillasjon oppnås 201 g (2 mol) ikke omsatt pyrodruesyremetylester med en renhet på 98% (GC), som anvendes i neste forsøk, så vel som 884 g (7,6 mol) pyrodruesyreetylester med en renhet på 99,9% (GC). Utbyttet av pyrodrueetylester med hensyn til omsatt pyrodruesyremetylester beløp seg til 97,3%.

EKSEMPEL 3

Kontinuerlig omforestring fra PAME til PAEE med titan(IV)-isopropanolat

1000 g (9,8 mol) pyrodruesyremetylester og 20 g titan(IV)-isopropanolat ble løst i 750 g etanol. Løsningen i en destillasjonsapparatur, bestående av kolonne, kondensator med tilbakeløp, kar for reaktanter og produkter så vel som pumper for inn- og utløp av produktstrømmer og for evakuering av apparaturen, ble 300 ml etanol varmet opp under lett vakuum (395 mbar). Deretter ble eduktet tilført med konstant hastighet i løpet av 5 timer i øvre tredjedel av kolonnen. I løpet av denne tiden ble ytterligere 790 g etanol kontinuerlig tilført kolonnesumpen, hvorved sumptemperaturen holdt seg ved 66°C. Fyllenivået i sumpbeholderen ble ved kontinuerlig overføring av reaksjonsblandingen holdt ved ca. 300 ml. På toppen av kolonnen ble metanolen som oppstår avdestillert med et forhold på 1:1 mellom tilbakeløp og avdestillering. Etter at tilføring av eduktet ble avsluttet, ble totalen av sump i kolonnen som forekom i reaksjonsblandingen samlet og opparbeidet som beskrevet i eksempel 2. Det ble 80 g titanholdig tynnsjikt-destillasjonssump. Den fraksjonerte destillasjonen ga 158 g (1,55 mol) av ikke omsatt pyrodruemetylester, så vel som 899 g (7,7 mol) pyrodruemetylester med en renhet på 99.7% (GC). Utbyttet av pyrodrueetylester med hensyn til omsatt pyrodruesyremetylester beløp seg til 94%.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for omforestring av a-ketokarboksylsyreestere med et strukturelement med formel I med en alkohol med formelen (II), R3OH, hvor R\, R2 og R3 er en forgrenet eller uforgrenet Ci-C6-alkylrest eller en benzylrest, og Rj og R3 ikke er like, karakterisert ved at omforestringen blir gjennomført i en vannfri alkohol med formel (II) som reaksjonsmedium under nærvær av tinn-, titan-, zirkonium- eller litiumkatalysatorer eller av acetylacetonater.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at pyrodruesyremetylester omforestres i vannfri etanol til pyrodrueetylestser.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at katalysatoren anvendes i en mengde fra 0,0001 til 20 vekt-%, foretrukket fra 0,005 til 5 vekt-% og særlig foretrukket fra 0,02 til 1 vekt-%.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at katalysatoren anvendes fra gruppen av tinnkatalysatorene dibutyltinndiacetat,- dilaurat, -diisooktoat eller -maleat, blandede dibutyltinndikarboksylater med langkjedede fettsyreestere, dioktyltinndilaurat, monobutyltinndihydroksyklorid, monobutyltinndioksid, tinnacetat, tinnoksalat eller tinnklorid.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at som katalysator fra gruppen av titankatalysatorer anvendes tetraisopropyl-, tetrapropyl-, tetraetyl- eller tetrabutylortotitanat.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at som katalysator fra gruppen av zirkonkatalysatorer anvendes tetrapropylzirkonat.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at som acetylacetonat anvendes aluminium(III)-, krom(III)-, jern(III)-, kobolt(III)-, nikkel(II)- eller sink(II)acetylacetonat som katalysator.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at omforestringen gjennomføres under tilstedeværelse av et ytterligere løsemiddel.