DE1443410C

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Publication number: DE1443410C
Application number: DE19641443410
Authority: DE
Priority date: 1963-09-23
Filing date: 1964-09-21
Publication date: 1973-05-24

Description

^R1 γ γ ..oh

NC — CH — CH — C — CN ' ίο in der R¹, R² und R³ Wasserstoffatome oder die

I Methylgruppe bedeuten, die dadurch gekennzeichnet

OH sind, daß man Acroleincyanhydrin oder dessen Methylderivate der allgemeinen Formel
in der R¹, R² und R³ Wasserstoffatome oder die

Methylgruppe bedeuten, dadurch gekenn- 15 R¹ R² R³

zeichnet, daß man Acroleincyanhydrin oder III

dessen Methylderivate der allgemeinen Formel HC = C — C — CN

R¹ R² R³ !„

Ill ^UH

III ao

HC = C — C — CN in der R¹, R² und R³ die obengenannte Bedeutung

I haben, bei einer Temperatur von 30 bis 150⁰C in

OH Gegenwart eines organischen Lösungsmittels in An- %~J

oder Abwesenheit eines alkalischen Katalysators mit

in der R¹, R² und R³ die obengenannte Bedeutung 95 Cyanwasserstoff umsetzt.

haben, bei einer Temperatur von 30 bis 150° C in Diese Verfahren sind weiter dadurch gekennzeichnet,

Gegenwart eines organischen Lösungsmittels in daß man die Umsetzung bei einer Temperatur von etwa

An- oder Abwesenheit eines alkalischen Katalysa- 60 bis 110° C durchführt, und ferner dadurch, daß man

tors mit Cyanwasserstoff umsetzt. die Umsetzung in Gegenwart von aus Oxyden, Hy-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 30 droxyden, Salzen von schwachen Säuren und Alkohozeichnet, daß die Umsetzung bei einer Temperatur laten von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen, privon etwa 60 bis 110⁰C durchgeführt wird. mären Aminen, sekundären Aminen, tertiären Aminen,

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch quaternären Ammoniumverbindungen und starken gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegen- Anionenaustauschern sowie Salzen von starken Anwart von aus Oxyden, Hydroxyden, Salzen von 35 ionenaustauschern mit schwachen Säuren bestehenden schwachen Säuren und Alkoholaten von Alkali- Gruppe in einer Menge von 0,0001 bis 0,1 Mol je Mol metallen und Erdalkalimetallen, primären Aminen, Cyanhydrin als Katalysator durchführt,
sekundären Aminen, tertiären Aminen, quaternären Die Umsetzung wird in Gegenwart eines organischen Ammoniumverbindungen und starken Anionen- Lösungsmittels der aus Äthern, Alkoholen, Estern, austauschern sowie Salzen von starken Anionen- 40 Dimethylformamid, Diäthylformamid, Dimethylsulfaustauschern mit schwachen Säuren bestehenden oxyd, Acetonitril und Propionitril bestehenden Gruppe Gruppe in einer Menge von 0,0001 bis 0,1 Mol je durchgeführt.

Mol Cyanhydrin als Katalysator durchführt. Nach einer besonderen Ausführungsform wird die

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch Umsetzung mit einem Reaktionsgemisch durchgeführt, ^j gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegen- 45 das in bekannter Weise durch Umsetzung von Acrolein wart eines organischen Lösungsmittels der aus oder einem seiner Methylderivate der allgemeinen Äthern, Alkoholen, Estern, Dimethylformamid, Formel

Diäthylformamid, Dimethylsulfoxyd, Acetonitril R¹ R^a R³

und Propionitril bestehenden Gruppe durchführt. Ill

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch 50 jj£ _ q C = O

gekennzeichnet, daß man die Umsetzung mit einem

Reaktionsgemisch durchführt, das in bekannter J_n der R¹, R² und R³ die im Anspruch 1 angegebene Weise durch Umsetzung von Acrolein oder einem Bedeutung haben, mit Cyanwasserstoff erhalten worseiner Methylderivate der allgemeinen Formel den ist, ohne das Cyanhydrin zu isolieren.

55 Es ist bekannt, daß α-Hydroxyglutarsäurenitril durch

R¹ R² R³ Anlagerung von Cyanwasserstoff an die Aldehyd-

I I I gruppe von ß-Cyanpropionaldehyd hergestellt werden

HC = C — C = O kann. Der /3-Cyanpropionaldehyd wird gewöhnlich

durch 1,4-Addition von Cyanwasserstoff an Acrolein

in der R¹, R² und R³ die im Anspruch 1 angegebene 60 (USA.-Patentschrift 2 565 537) oder durch Hydro-Bedeutung haben, mit Cyanwasserstoff erhalten formylierung von Acrylnitril mit einem Oxosynthesenworden ist, ohne das Cyanhydrin zu isolieren. Gasgemisch hergestellt. Das erstere Verfahren zur Her

stellung von α-Hydroxyglutarsäurenitril unter Ver-

—: wendung von /5-Cyanpropionaldehyd, der durch

65 1,4-Addition von Cyanwasserstoff an Acrolein erhalten

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von worden ist, stellt kein industrielles Verfahren dar, da a-Hydroxyglutarsäuredinitril und seinen Methylderi- es sehr schwierig ist, bei der Herstellung des /?-Cyanvaten, insbesondere Verfahren zur Herstellung von propionaldehyds lediglich selektiv eine 1,4-Addition

zu erzielen. Dementsprechend ist die Ausbeute an α-Hydroxyglutarsäuredinitril gering. Auch das zweite Verfahren, bei dem der /9-Cyanpropionaldehyd durch Hydroformylierung von Acrylnitril mit einem Oxosynthesen-Gasgemisch hergestellt wird, ist unwirtschaftlich, da das als Ausgangsmaterial verwendete Oxosynthesen-Gasgemisch (CO: H₂'= 1:1) sehr rein sein muß und weil der Reaktionsdruck während der Hydroformylierung 200 bis 500 kg/cm^a bei einer Reaktionstemperatur von 120 bis 130⁰C erreicht. Dementsprechend ist die Verfahrensanlage sehr kompliziert, und die Kosten für den Bau und den Betrieb der Anlage sind bei einer industriellen Durchführung des Verfahrens hoch. Das Verfahren hat einen weiteren Nachteil insofern, als der in dem Reaktionsgemisch enthaltene /3-Cyanpropionaldehyd wegen des bei diesem Verfahren verwendeten Kobaltcarbonylkatalysators leicht polymerisiert.

Weiterhin wird in der bekanntgemachten japanischen Patentanmeldung 3877/1960 (vgl. Chem. Review, 63, 628 [1963]) ein Verfahren zur Herstellung des Lac-_% tons der α-Hydroxyglutarsäure beschrieben, das darin ■) besteht, daß man 2 Mol Cyanwasserstoff mit 1 Mol Acrolein bei 50⁰C umsetzt, um gleichzeitig eine 1,2-Addition und eine 1,4-Addition zu erzielen, wonach das Reaktionsgemisch mit Salzsäure hydrolysiert wird. Bei diesem Verfahren wird a-Hydroxyglutarsäuredinitril als Zwischenprodukt erhalten. Die Reaktionsbedingungen dieses Verfahrens sind jedoch drastisch, und es geht ein großer Teil des Acroleins durch Zersetzung verloren, ehe die Umsetzung mit dem Cyan-• wasserstoff eintritt. Weiterhin ist es unmöglich, die Reaktion unter Kontrolle zu halten, so daß während der Durchführung dieses Verfahrens oftmals heftige Explosionen auftreten. Dementsprechend ist die erhaltene Ausbeute an α-Hydroxyglutarsäuredinitril sehr gering, und das Produkt ist ferner sehr unrein.

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von «-Hydroxyglutarsäuredinitril und seinen methylsubstituierten Derivaten mit hoher Ausbeute und hoher Reinheit.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, bei dem sich die Reaktion leicht unter Kontrolle halten läßt und dessen Durchführung sicher ist.

Eine weitere Aufgabe ist es, a-Hydroxyglutarsäuredinitril mit einer einfachen Verfahrensvorrichtung herzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von a-Hydroxyglutarsäuredinitril aus Acroleincyanhydrin als Ausgangsmaterial, das sich leicht aus Acrolein und Cyanwasserstoff erhalten läßt.

Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines brauchbaren Verfahrens, das sich leicht industriell durchführen läßt.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zur industriellen Herstellung nicht nur von unsubstituiertem • a-Hydroxyglutarsäurenitril, sondern auch von methylsubstituierten a-Hydroxyglutarsäurenitrilen anwenden. Die methylsubstituierten Glutaminsäuren, die sich von diesen methylsubstituierten a-Hydroxyglutarsäurenitrilen ableiten, haben neuartige und wertvolle physiologische Wirkungen und stellen weiterhin Ausgangsmaterialien für neuartige Polyaminosäurefasern mit wertvollen physikalischen Eigenschaften dar.

Zu methylsubstituierten Acroleinen, die erfindungsgen, bei denen die Wasserstoffatome in der 1-, 2- und/ oder 3-Stellung des Acroleins durch Methylgruppen ersetzt sind, wie z. B. die Cyanhydrine von Crotonaldehyd (R¹ = CH₃, R⁸ = R³ = H), Methacrylaldehyd (R² = CH₃, R¹ = R² = H) und Methylvinylketon (R³ = CH₃, R¹ = R² = H).

Im folgenden werden die Durchführung und die Reaktionsbedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.

ίο Die erfindungsgemäß als Ausgangsmaterialien zn verwendenden Cyanhydrine können nach den üblichen Verfahren in sehr hohen Ausbeuten erhalten werden. Wenn z. B. Acrolein oder ein methylsubstituiertes Acrolein der allgemeinen Formel

R₁ R2 R3

HC = C — C = O

mit Cyanwasserstoff in Gegenwart oder in Abwesenheit eines Lösungsmittels oder in Gegenwart bzw. in Abwesenheit einer geringen Menge Alkali umgesetzt wird, erhält man das entsprechende Cyanhydrin in sehr as hoher Ausbeute. .

Erfindungsgemäß kann die Anlagerung eines weiteren Mols Cyanwasserstoff an die Cyanhydrine entweder nach ihrer Isolierung aus dem Reaktionsgemisch durch Destillation oder ohne Isolierung der Cyanhydrine vorgenommen werden, d. h., man kann die Reaktionsgemische ohne weitere Veränderung verwenden. Man kann weiterhin so verfahren, daß man zu Beginn 2 Mol Cyanwasserstoff in das Reaktionsgefäß gibt und zunächst die Cyanhydrine unter den üblichen Bedingungen herstellt, wonach man die Reaktionsbedingungen entsprechend der vorliegenden Erfindung abändert, wobei sich dann ein weiteres Mol Cyanwasserstoff an die Cyanhydrine anlagert.

Die Umsetzung zwischen den Cyanhydrinen und dem Cyanwasserstoff wird vorzugsweise in einem organischen Lösungsmittel durchgeführt. Wenn die Temperatur gut geregelt wird, verläuft die Reaktion ohne Explosionen oder Zersetzungen zu dem gewünschten α-Hydroxyglutarsäuredinitril bzw. dessen methylsubstituierten Derivaten.

Zu organischen Lösungsmitteln, die erfindungsgemäß verwendet werden können, gehören Äther, wie Äthyläther, Dioxan und Tetrahydrofuran; Alkohole, wie Methylalkohol, Äthylalkohol und Isopropylalkohol; Ester, wie Äthylacetat, und Dimethylformamid, Diäthylformamid, Dimethylsulfoxyd, Acetonitril, Propionsäurenitril.

Wenn in dem als Ausgangsmaterial verwendeten Cyanhydrin eine Säure als Stabilisator enthalten ist, wird vorzugsweise vor oder während der Reaktion Alkali zugegeben, um die Säure zu neutralisieren.

Die Reaktionstemperatur liegt erfindungsgemäß innerhalb des Bereichs von etwa 30 bis 150⁰C, vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 60 bis 110⁰G, Oberhalb von 150° C neigen die Ausgangsmaterialien und Produkte zu einer Zersetzung, wodurch sich die Ausbeute verringert. Unterhalb von 40⁰C ist die Reaktionsgeschwindigkeit zu gering, um das Verfahren ohne Katalysator durchführen zu können. Unterhalb von 40⁰C ist die Reaktionsgeschwindigkeit weiterhin selbst bei Verwendung eines Katalysators gering. Die Reaktionszeit beträgt etwa 0,1 bis 10 Stunden bei diesen

5 6

Die Umsetzung zwischen den Cyanhydrinen und Innentemperatur wird innerhalb von 35 Minuten auf

dem Cyanwasserstoff zu den a-Hydroxyglutarsäure- 105° C gesteigert. Die Reaktionstemperatur wird

dinitrilen wird durch alkalische Katalysatoren be- 10 Minuten bei 100 bis 105⁰C gehalten. Sodann wird

schleunigt. Alkalische Katalysatoren, die erfindungs- das Reaktionsgemisch rasch auf 15° C abgekühlt,

gemäß verwendet werden können, sind die Oxyde, 5 Nachdem 0,5 g Phosphorsäure zu dem Gemisch gege-

Hydroxyde, die Salze mit schwachen Säuren und die ben worden sind, wird das Lösungsmittel unter ver-

Alkoholate von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen; mindertem Druck abdestilliert. Sodann wird weiter wie

primäre Amine, sekundäre Amine, tertiäre Amine, unter Beispiel 1 gearbeitet. Es werden 81 g rohes

quaternäre Ammoniumveibindungen; starke Anionen- α-Hydroxyglutarsäuredinitril erhalten,

austauscher, Salze von starken Anionenaustauschern io

mit schwachen Säuren. Die obigen Katalysatoren B e i s ρ i e 1 3

werden in einer Menge von etwa 0,0001 bis 0,1 Mol je '

Mol verwendeten Cyanhydrins verwendet. In ein mit Rührer, Kühl- bzw. Heizschlange, Rück- ·

Bei der industriellen Durchführung des erfindungs- flußkühler und Tropf trichter versehenes Reaktionsgemäßen Verfahrens ist es vorzuziehen, das Produkt 15 gefäß werden 80 Teile Crotonaldehydcyanhydrin, nach der Beendigung der Reaktion bei einer so niedri- 0,3 Teile Hydrochinon (als Stabilisator), 240 Teile gen Temperatur wie nur möglich sowie im sauren Zu- 99,9°/_oiger Methylalkohol (als Lösungsmittel), 25 Teile stand zu halten, um die höchste Ausbeute an den Cyanwasserstoff sowie Triäthylamin (als Katalysator) a-Hydroxyglutarsäuredinitrilen zu erhalten. Man gibt gegeben. Das Gemisch wird auf 60° C erhitzt, und die ' nach der Reaktion vorzugsweise Säuren wie Schwefel- ao Reaktionstemperatur wird 2 Stunden bei dieser Temsäure, Phosphorsäure, Jodwasserstoffsäure, Essigsäure peratur gehalten. Nach Beendigung der Umsetzung und schweflige Säure zu dem Produkt. wird das Reaktionsgemisch auf 20°C abgekühlt. So- y-r

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren dann werden 0,4 Teile Phosphorsäure zugegeben, und %]

wirksamer unter Verwendung von kontinuierlich be- der Methylalkohol wird unter vermindertem Druck

triebenen Verfahrensanlagen bzw. -systemen durchge- 35 abdestilliert. Schließlich werden die niedrigsiedenden

führt werden. ■ Fraktionen bis zu 70°C/20Torr abdestilliert. Als

Teile bedeuten Gewichtsteile. Rückstand werden 92 Teile rohes y-Methyl-a-hydroxy-

glutarsäuredinitril erhalten.
B e 1 s ρ 1 e 1 1

In ein Reaktionsgefäß, das mit einem Rührer, einem 30 Beispiel4
Mantel zum Kühlen und Erhitzen, einem Rückfluß- ' \
kühler und einem Tropftrichter versehen war, wurden In das im Beispiel 3 verwendete Reaktionsgefäß 83 Teile Acroleincyanhydrin, 0,1 Teil Hydrochinon werden 250 Teile Dimethylformamid (als Lösungs-(als Stabilisator) und 250 Teile Methylalkohol (als mittel), 70 Teile Methacrylaldehyd, 0,2 Teile Hydro-Lösungsmittel) gegeben, und die Temperatur wurde 35 chinon (als Stabilisator) sowie bei einer Temperatur bei 30⁰C gehalten. Weiterhin wurden 3 Teile des unterhalb 6O⁰C 60 Teile Cyanwasserstoff gegeben. Das Anionenaustauscherharzes »Amberlite IRA-400« (in Gemisch wird auf 8O⁰C erhitzt, und die Reaktionsder OH-Form, das eine Teilchengröße entsprechend temperatur wird 1 Stunde auf diesem Wert gehalten. 0,074 mm lichter Siebmaschenweite aufwies) zugegeben Nach Beendigung der Umsetzung wird das Reaktionsund sodann 30 Teile Cyanwasserstoff allmählich bei 40 gemisch auf 20° C abgekühlt. Sodann werden 0,2 Teile 30° C zugetropft. Das Gemisch wird auf 63°C erhitzt, 100°/₀ige Phosphorsäure zugegeben, und das Dimethyl- und die Reaktion wird unter Rückfluß über einen Zeit- formamid wird unter vermindertem Druck abdestilliert, raum von 1 Stunde durchgeführt. Nach dem Abkühlen Als Rückstand werden 115 Teile rohes /S-Methylauf 18° C wird das Reaktionsprodukt filtriert, um das «-hydroxyglutarsäuredinitril erhalten. ( Harz zu entfernen. Nachdem 0,3 Teile 90°/₀ige Phos- 45

phorsäure zu dem Filtrat gegeben worden sind, wird Beispiel 5
der Methylalkohol unter einem Druck von 200 Torr

abdestilliert. Zum Schluß wird die Temperatur des In einen mit einem Elektromagnetrührer ausgerüste-

Heizmantels auf 105⁰C gesteigert und auf diesem Wert ten 500-ccm-Autoklav werden 200 ecm Dioxan (als

gehalten, und es werden die niedrigsiedenden Fraktio- 50 Lösungsmittel), 65 g Acroleincyanhydrin und 22 g

nen bis zu einem Druck von 3 Torr abdestilliert. Es Cyanwasserstoff gegeben. Die Reaktion wird 2 Stunden

werden 103 Teile schwach viskoses, rohes a-Hydroxy- bei 75° C durchgeführt. Sodann werden 0,6 g Essig-

glutarsäuredinitril erhalten. Aus der Tatsache, daß das säure zugegeben, und das Lösungsmittel wird unter

Infrarotabsorptionsspektrum des Endproduktes cha- vermindertem Druck abdestilliert. 82,6 g rohes a-Hy-

rakteristische Absorptionsbanden bei 3420 cm-¹ (OH) 55 droxyglutarsäuredinitril werden erhalten,
und 2260 cm"¹ (CN) und andere charakteristische

Banden aufweist und bei 1645 cm~^l keine Absorption B e i s ρ i e 1 6
zeigt, sowie aus der Tatsache, daß bei der üblichen

Hydrolyse des Produktes mit Salzsäure y-Butyrolacton- Durch eine Spirale (Innendurchmesser 8 mm), die in

carbonsäure vom Schmelzpunkt 47 bis 48°C erhalten 60 ein auf einer Temperatur von 70⁰C gehaltenes Heizbad

wird, geht hervor, daß es sich bei dem Reaktionspro- eintauchte, wurde bei einem Druck von 20 kg/cm⁸ ein

dukt um a-Hydroxyglutarsäuredinitril handelt. Gemisch hindurchgeschickt, das aus 75 Teilen Methyl-

. . , vinylketoneyanhydrin, 22 Teilen Cyanwasserstoff,

^a ^e ^l ^s P * ^e ^{l 2} . 0,05 Teilen Pyridin (als Katalysator) und 0,5 Teilen

In einen mit einem Elektromagnetrührer ausgerüste- 65 Hydrochinon bestand. Unmittelbar nach dem Verlassen

ten 500-ccm-Autoklav werden 200 ecm 99,5°/_oiger der Spirale wurde das Reaktionsgemisch abgekühlt.

Methylalkohol (als Lösungsmittel), 65 g Acroleincyan- Das Reaktionsprodukt wurde durch Zugabe von

hydrin und 22 g Cyanwasserstoff gegeben, und die 0,07 Teilen Schwefelsäure im sauren Zustand gehalten.

Es wurden 88 Teile rohes α-Methyl-oc-hydroxyglutarsäuredinitril erhalten.

B eis ρ i e 1 7

In ein mit Rührer, Rückflußkühler und Tropftrichter versehenes Reaktionsgefäß werden 70 Teile Methacrylaldehyd, 200Teile 99,9°/^εΓ Methylalkohol (als Lösungsmittel) und 0,1 Teil Triäthylamin sowie bei

einer Temperatur unterhalb von 10° C 60 Teile Cyanwasserstoff gegeben. Das Gemisch wird 30 Minuten gerührt. Sodann wird die Reaktion 65 Minuten unter Rühren bei 70 ± 2° C durchgeführt. Unmittelbar danach wird das Reaktionsgemisch auf 15° C abgekühlt. Sodann werden 0,3 Teile Phosphorsäure zugegeben, und der Methylalkohol wird abdestilliert. Als Rückstand werden 119 Teile 0-Methyl-«-hydroxyglutarsäuredinitril erhalten.

Claims

1 2 «-Hydroxyglutarsäuredinitril und seinen Methylderi-Patentansprüche: vaten der allgemeinen Formel

1. Verfahren zur Herstellung von «-Hydroxy- R¹ R^a R³
glutarsäuredinitril und seinen Methylderivaten der 5 II!
allgemeinen Formel NC — CH — CH — C — CN