DE1593938A1 - Verfahren zur Herstellung von gamma-Pyronen - Google Patents

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DkS. EULE & BERG DiPL-iNG stapf

PATENTANWÄLTE

Dr. Eule, Dr. Berg, DIpI.-Ing. Stapf, 8 MOndien 2, Hilbleatr.20 "

Be/Be

Anwalts-Akte 14 907

β München 2, der, 16. Mai 1967

hilblestrasse20

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Telegramm-Adr. ι PATENTEULE MOndien Bankverbindung* Bayerische Vereinsbank MOndien 453100 Postscheck-Konto ι MOndien 65343

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Monsanto Company 800 North. Lindbergh Boulevard, St. louis, Missouri, U.S.A.

"Verfahren zur Herstellung von Gamma-Pyronen"

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Verbindungen der Gamma-Pyrongruppe. Einige derselben sind neue Verbindungen, und in besonderer Weise schafft die Erfindung ein neues Gesamtsynthesenverfahren zur Herstellung von Maltol und verwandten Verbindungen.

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Maltol, 2-Methyl-3-hydroxy-4-pyron ist, hinsichtlich seiner Brauchbarkeit als Gesohmacksverbesserer in Nahrungsmitteln wie Brot, Kuchen, Pasteten, Bonbons und verschiedenen Getränken, wie Kaffee, bekannt. Es wird ebenso als Bestandteil in Parfüms und Essenzen verwendet.

Maltol wurde bisher hauptsächlich durch Extrahieren aus natürlichen Produkten wie bestimmten Holzarten, tinter Verwendung von Abbaudestillationsverfahren, erhalten. Das Aufkommen solcher natürlicher Materialien ist ziemlich begrenzt, sodaß andere Verfahren zur Herstellung von Maltol und verwandten Verbindungen schon bisher gesucht wurden.

So wurde Maltol synthetisch hergestellt über das Ausgangsmaterial der Kojisäure, 2-Hydroxymethyl-5-hydroxy-4-pyron. Jedoch wird Kojisäure, selbst als Produkt eines Fermentationsverfahrens erhalten. Es bestand daher weiterhin der Anlaß neue und unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von Maltol und verwandten Verbindungen durch ein Gesamtsynthesenverfahren zu suchen, sodaß es nicht mehr notwendig ist sich auf die Erhältlichkeit von Koj isäure in Fermentationsmedien zu stützen und es unnötig wird die chemischen Ausgangsmaterialien aus Permentationsmedien zu extrahieren oder zu isolieren.

Die vorliegende Erfindung hat daher ein Gesamtaynthesenverfahren zur Herstellung von Maltol zum Gegenstand.

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Ein spezifischerer Gegenstand besteht darin ein synthetisches Verfahren zu schaffen zur Herstellung von Maltol und einigen neuen, mit Maltol verwandten Verbindungen, die frei von Verschmutzungen sind, die in Maltol gefunden werden, das durch Abbaudestillationsverfahren hergestellt wurde.

Ein zusätzlicher Gegenstand besteht in der Herstellung neuer und brauchbarer Gamma-Pyronverbindungen, zu welchen 2-Methyl-3-hydroxy-6-caΓbomethoxy-4-pyron, 2-Methyl-3-hydroxy-6-carboäthoxy-2,3-dihydro-4-pyron und 2-Methyl-3-hydroxy-6-earboäthoxy-4-pyron gehören.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung von Maltol und verwandten Verbindungen durch eine Gesamtsynthese von im wesentlichen vier Stufen aus im Handel erhältlichen Chemikalien. Bei dem Verf ahrensablauf bis zu den gewünschten Endprodukten des Maltoltyps schafft die Erfindung ebenso neue und wertvolle Zwischenprodukte. Die unten aufgezeigte PoIge von Reaktionen, die nachfolgend beschrieben werden, erläutern das neue Verfahren zur Herstellung von Maltol und der neuen Zwischenprodukte.

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R¹OOC-

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300-600° C inert gas

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wobei in den lormeln E eine Alkylgruppe mit von 1 bis 4 Kohlenstoffatomen und jedes E^f entweder Alkyl mit von 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, Phenyl oder Tolyl ist. vorzugsweise sind die beiden R'-Reste gleich und sind Alkyl mit von 1 bis 4 Kohlenstoffatomen.

Eine spezifische ausfuhrungsform des oben verallgemeinerten Verfahrens besteht darin (1) J-Penten-^-on mit wasserstoff-

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— 5 —

peroxid bei einem pH von wenigstens ungefähr 7» vorzugsweise ungefähr 10 bis 12, bei einer Temperatur unter ungefähr 80⁰O unter Bildung von 3t4-Epoxy-2-pentanon umzusetzen, (2) das 3,4-Epoxy-2-pentanon mit Diäthyl-oxalat in einem Alkoholmedium bei einem pH von wenigstens ungefähr 7 und bei einer Temperatur von ungefähr -1O⁰C bis ungefähr 5O⁰O unter Bildung eines isomeren Gemisohs von eis- und trans-2-Methyl~3-hydroxy-6-carboäthoxy-2,3-dihydro-4-pyron umzusetzen, (3) dieses isomere Pyrongemisoh mit Luft oder einem anderen freien Sauerstoff enthaltenden Gas in einem flüssigen, protonischen (Protonendonator- oder -acceptor) (protic)-Medium bei einer Temperatur von ungefähr 20° bis ungefähr 12O⁰C, vorzugsweise über 60⁰C, unter Bildung von 6-Carboäthoxymaltol zu behandeln und dann das 6-Carboäthoxymaltol in einem inerten, gasförmigen Medium von ungefähr 300 bis ungefähr 600⁰C, vorzugsweise von ungefähr 450 bis ungefähr 55O⁰C unter Bildung von Maltol zu erhitzen.

Die 3-Alken-2-on-Verbindungen, die als Ausgangsmaterialien im verfahren dieser Erfindung verwendet werden, werden durch umsetzen eines niederen Alkanon mit einem niederen Alkancarboxaldehyd erhalten. Brauchbare Alkanone sind Aceton, Methyläthylketon, Diäthylketon, Äthylpropylketon und Dipropylketon. Geeignete Aldehyde sind Formaldehyd, Acetaldehyd, Propionaldehyd, n-Butanaldehyd und Isobutyraldehyd. Beispielsweise führt bei diesem Verfahren die Verwendung

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von 3-Hexen-2-on von Aceton und Propionaldehyd zur Bildung von Äthylmaltol. Die aus diesen Materialien hergestellten en-on-Verbindungen können durch gekreuzte Aldolkondensation mit Säure katalysierter Dehydratisierung der sich ergebenden Ketoalkohole, hergestellt werden.

Einzige dieser 3-Alken-2-one sind im Handel erhältlich, aber gewöhnlich mit bis zu ungefähr 10$ mit Selbstkondensationsprodukten, wie Mesityloxid, verunreinigt. Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in der ersten Stufe besteht darin, daß ein Verfahren zur selektiven Epoxidierung der 3-Alken-2-on-Verbindungen von Gemischen mit Mesityloxid, unter Verwendung von Wasserstoffperoxid in einem basischen Medium, unter Umsetzen mit 3-Alken-2-on zur Bildung des gewünschten 3i4-Epoxy-2-alkanon gefunden wurde.

In der Stufe (1) des Verfahrens wird Wasserstoffperoxid einem wäßrigen Medium, das das gewünschte 3-Alken-2-on enthält, zugegeben, obgleich die beiden Reaktionspartner gleichzeitig zugegeben werden können, solange ein leicht molarer Überschuß des 3-Alken-2-ons vorhanden ist. Durch den Überschuß von Wasserstoffperoxid ist beabsichtigt Nebenreaktionsoxidationen zu vermeiden. Das Reäktionsmedium sollte einen basischen pH, vorzugsweise über ungefähr pH 10, durch Zugabe einer Base zu dem Reaktionsmedium haben. Es wird vorgezogen eine wäßrige Alkalilösung, wie wäßriges

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50#iges Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid und ähnliches zuzugeben, nachdem ein wesentlicher Teil des Wasserstoffperoxids zu der 3-Alken-2-on-Lösung zugegeben wurde. Die fieaktion ist erkennbar, sowie die Alkalilösung augegeben wird. Wenn die fieaktion beginnt, sollte dafür Sorge getragen werden, daß die Temperatur in der flüssigen Phase unter ungefähr 80⁰C, vorzugsweise unter ungefähr 50⁰C, aber über ungefähr -20⁰C gehalten wird, jedoch hängt die optimale fieaktionstemperatur von dem jeweils verwendeten 3-Alken-2-on ab. Wird 3-Penten-2-on in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Maltol verwendet, wird die Temperatur vorzugsweise zwischen ungefähr 20 und 35⁰C unter Kühlen, soweit erforderlich, während Zugeben des Wasserstoffperoxid und des wäßrigen Alkali gehalten. Das Reaktionsgemisch kann,zur Sicherstellung vollständiger Reaktion, eine gewisse Zeit belassen werden. Ein leichter Überschuß an 3-Alken-2-on ist während dieser Zeit, zur Sicherst ellung der vollständigen Reaktion des verwendeten Wasserstoffperoxids, vorhanden. Die Abtrennung des 3,4-Epoxy-2-alkanons dieser Stufe kann nach herkömmlichen Verfahren wie durch Lösungsmittelextraktion mit einem nicht-wasserlöslichen Kohlenwasserstoff, wie Benzol, Toluol, Hexan, usw. durchgeführt werden. Die das 3>4-Epoxy-2-alkanon enthaltende, organische Phase kann gewaschen und dann unter reduzierten Druck destilliert werden, wodurch man reines 3,4-Epoxy-2-alken-2-on erhält. Beispielsweise eiedet 3,4-Epoxy-2-penta-

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non bei 45 bis 55°C/25 mm Quecksilber aus diesem Gemisch. Die Ausbeuten betragen gewöhnlich 80$. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Verfahrensstufe besteht darin, daß kein Reduziermittel, zum Beispiel Mangandioxid, zur Zerstörung des überschüssigen Wasserstoffperoxids zugegeben werden muß und daher das Filtrieren des Reaktionsgemische vor weiterer Bearbeitung nicht erforderlich ist.

Bei der Verfahrensstufe (2) des oben ausgeführten Reaktionsablaufs wird 3,4-Epoxy-2-alkanon mit einem Diester von Oxalsäure in einem nicht-wäßrigen Medium umgesetzt. Die Reaktionspartner können allein gemischt werden oder wie es vorgezogen wird, entweder protonische oder nicht-protonische organische Flüssigkeiten als Lösungs- oder Verdünnungsmittel verwendet werden, die einen Siedepunkt unter ungefähr 120⁰C haben können. Protonische lösungsmittel sind Verbindungen, die ein Proton (H+) unter Reaktionsbedingungen bilden können, wie Wasser, Alkohole, Carbonsäuren, Mercaptane, usw. oder solche Verbindungen, die als Protonen-Aeceptoren wirken, wie die Amine. Nichtprotonische Lösungs- oder Verdünnungsmittel sind organische Verbindungen, die unter den Reaktionsbedingungen nicht als Protonendonatoren oder -Acceptoren wirken, zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, chlorierte Kohlenwasserstoffe, Dialkyläther, Dialkylacrylamide, Dimethylformamid und Dialkylsulfoxide, wie Dimethylsulf-

- 9 209817/1517 _0H1G1NAL ,nspscteo

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oxide. Niedere Alkanole wie Methanol, Äthanol, Isopropanol oder gemische von Alkoholen werden vorgezogen. Die Reaktion wird in Gegenwart einer starken Base zur pH-Beibehaltung des Gemisohs über ungefähr pH 7, vorzugsweise über ungefähr pH 10, durchgeführt. Der Oxalsäurediester kann irgendein Ester sein, der mit dem 3,4-Epoxy-2-alkanon unter Bildung eines 4-Pyronrings reagieren kann. Es wird vorgezogen, daß die Estergruppen entweder Alkylgruppen mit von 1 bis 4 (ungef.) Kohlenstoffatomen, Phenyl oder Tolyl sind. Die Temperatur des Eeaktionsgemisohs sollte unter ungefähr 5O⁰C, aber in einem flüssigen Zustand, gehalten werden, der gewöhnlich über ungefähr -1O⁰C liegt. Vorzugsweise wird die Temperatur unter ungefähr 30⁰C unter Kühlen, soweit erforderlich, gehalten. Die verwendete Base ist vorzugsweise ein Lösungsmittelalkalimetallkomplex, wie Alkalimethalalkoxide, zum Beispiel Natriummethoxid, Kaliumäthoxid, Idthiummethoxid oder Natriumäthoxid, Kaliumäthoxid, Kalium-t-butoxid, Natrium-t-pentoxid, wobei die Basen hergestellt werden können, beispielsweise duroh Zugeben des Metalls zu einem wasserfreien Alkanol, wie Methanol oder Äthanol, oder durch Zugeben von wasserfreiem Alkanol zu dem Alkalimetallhydrid in Benzol. "M^w in der Gleichung (2) bezieht sich auf das Alkalimetall.

Das 3,4-Epoxy-2-alkanon wird vorzugsweise der alkalischen lösung des Oxalsäurediesters mit einer solchen Geschwindig-

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keit zugegeben, daß die Reaktionstemperatur unter Kontrolle bleibt. Beispielsweise wird bei der Herstellung von Maltol das 3»4-Epoxy-2-pentanon vorzugsweise zu der alkalischen alkoholischen oder ätherischen Lösung von Diäthyloxalat zugegeben, wobei die Temperatur unter ungefähr 25⁰C, zur Erhaltung des 2-Methyl-3-hydroxy-6-carboäthoxy~2,3-dihydro-4—pyron-Zwischenprodukts gehalten wird. In ähnlicher Weise werden Dipropyl-, Dibutyl-, Diphenyl- und Ditolylester von Oxalsäure in alkoholischer Lösung iit einem ausgewählten 3»4-Epoxy-2~alkanon des oben beschriebenen Typs zur Erhaltung der entsprechenden 2-Alkyl-3-hydroxy-6-carbo(ester)-2,3-dihydro-4-pyron-Verbindung behandelt, wobei jede dieser Verbindungen weiter nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Alkylhomologen von Maltol behandelt werden kann.

Dimethyloxalat kann ebenso mit diesen 3,4-Epoxy-2-alkanonen unter Bildung des entsprechenden 6-carbomethoxy-2-methyl-3-hydroxy-2,3-dihydro-4-pyron verwendet werden, aber solche Ester werden nicht bevorzugt, weil gefunden wurde, daß ein größerer Umweg zur Herstellung von Maltol aus diesen Zwischenprodukten erforderlich ist. Der 6-Carbomethoxyester kann nicht leicht, gemäß der Stufe (4) des erfindungsgemäßen Verfahrens, entestert werden. Der Grund besteht darin, daß die Verbindung, um sie der Stufe (4) (Erhitzungsstufe) zu unterziehen, einen Beta-Wasserstoff

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in der Estergruppe haben muß, wie er beispielsweise in den Äthyl-, Propyl- usw. -estern besteht. Jedoch können die 2-Methyl-3-hydroxy-6-carbomethoxy-2,3-dihydro-4-pyrone nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden und sind brauchbar für andere Herstellungsverfahren von Maltol.

Die in dieser Stufe (2) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Oxalatester tragen zu der Einzigartigkeit dieses Verfahrens bei, weil gefunden wurde, daß andere Säureester, wie Ameisensäureester, zum Beispiel Äthylformiat und Benzoesäureester, wie Äthylbenzoat weniger reaktionsfähig sind und im allgemeinen geringere Ausbeuten bei irgendeinem der gewünschten 2-Alkyl-3-hydroxy-6-oarbo(ester)-2,3-dihydro-4-pyron-Zwischenprodukte erbringen.

In der Stufe (3) des Verfahrens können die 2-Alkyl-3-hydroxy-6-carbo(ester)-2,3-dihydro-4-pyron-Materialien, die aus der oben angegebenen Stufe (2) erhalten wurden, wenn gewünscht, aus dem Reaktionsgemisch isoliert und dann entsprechend der Stufe (3) behandelt werden. Sofern das Verfahren in dieser Weise durchgeführt wird, wird das Reaktionsgemisch der Stufe (2) mit einer Säure, wie Mineralsäure, zum Beispiel Salz-, Schwefel-, Phosphor-, Salpeter-oder einer Alkansäure von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise in einem wasserfreien Medium angesäuert, wobei die Temperatur, zur Vermeidung von Abbau des Pyronprodukts unter Kontrolle gehalten

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wird. Das sich, ergebende Gemisch, wird dann zur Entfernung anorganischer Salznebenprodukte filtriert und das Filtrat mit dem 2-Alkyl-3-hydroxy-6-carbo(ester)-2,3-dihydro-4-pyron aus 3,4-Epoxy-2-pentanon und Diäthyloxalat hergestellt. Es wird jedoch bei einigen Anwendungen vorgezogen, die Stufe (3) des Verfahrens in dem gleiohen Reaktionsmedium durchzuführen, in welchem das 2-Alkyl-3-hydroxy-6-carbo-(ester)-2,3-dinydro-4--pyron hergestellt wird. In dieser Stufe (3) werden diese 4--Pyrone mit Luft oder einem anderen, freien Sauerstoff enthaltenden Gas unter Durchleiten des Gases durch eine Lösung oder Dispersion des Pyrone in einem protonischen, flüssigen Medium, vorzugsweise einem niederen Alkanol, wie Methanol, Äthanol, Isopropanol, usw., oder einem Gemisch eines Kohlenwasserstoffs und eines niederen Alkanols, wobei das Gemisch aus ungefähr einem Volumdrittel oder mehr, niederem Alkanol besteht, unter Bildung der 6-Carbo(alkyl)-maltol-Verbindungen behandelt. Die Temperatur, bei welcher die Luftoxidation durchgeführt wird, kann, abhängig von der gewünschten Reaktionszeit, variieren. Im allgemeinen wird die Reaktion bei Temperaturen von un- J gefahr 20 bis ungefähr 120⁰C durchgeführt. Es wird vorgezogen die Temperatur bei ungefähr 5O⁰C bis zur Rückflußtemperatur der Lösung .zu. -halten. Ein saures oder ein basisches Medium kann für die Luftbehandlung verwendet werden. In einem basischen Medium ist kein Katalysator erforderlich. Zur Herstellung einiger Verbindungen kann es wünschenswert

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sein einen Katalysator, wie fein verteilte ganze Metalle, beispielsweise Platin, Palladium, usw. in Gegenwart von Schwefelsäure oder p-Ioluolsulfonsäure zur Oxidationsbeschleunigung, zu verwenden. Die Zeit der Luftbehandlung wird von dem zu behandelnden 2,3-Dihydro-4-pyron, dem Ausmaß der Luftzugabe, dem pH des verwendeten Mediums und der Temperatur des Gemische abhängen. Im allgemeinen sollte bei einem gleichbleibenden, aber mäßigen Verhältnis der Luft zugabe die ßeaktion innerhalb von ungefähr 10 Stunden beendet sein. Beispielsweise wurde bei der Herstellung eines Maitoizwischenproduktes, 6-Carboäthoxymaltol unter Durchleiten von Luft, in einem zur Inganghaltung der Eeaktion ausreichenden Ausmaß, durch eine unter Bückfluß gehaltene äthanolische Lösung von 2-Methvl-3-hydroxy-6-carboäthoxy-2,3-dihydro-4-pyron, unter Verwendung von 0,6 g p-Toluolsulfonsäure in Methanol als Katalysator, bei einer Reaktion im Maßstab von 0,3 Mol, die Oxidation im wesentlichen innerhalb von ungefähr 6,5 Stunden durchgeführt.

Bei der Stufe (4), die als die "Pyrolyse"Stufe bezeichnet werden kann, wird das 2-Alkyl-3-hydroxy-6-oarbo(ester)-4-pyron auf 300 bis 60O⁰O erhitzt, um die 6-Carboestergruppe zum Zerfall zu bringen und zu entfernen, wobei Maltol zurüokbleibt. Es ist nicht erforderlich ein Lösungsmittel oder ein Verdünnungsmittel zu verwenden. Es wird vorgezogen

-H-

ORiGiNAL SNSPiCTEO

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-H-

die Erhitzungastufe durch Verdampfen oder Destillieren des 2-Alkyl-3-hydroxy-6-carbo(ester)-4-pyrons in einem inerten Gas, wie Stickstoff, Argon, Helium oder einem anderen Gas, das nicht mit den Pyronen reagiert, durchzuführen, und in einem solchen gasförmigen Medium das Pyron auf eine Temperatur zu erhitzen, die hoch genug ist die gesamte 6-Carbo-(ester)-gruppe zum Zerfall zu bringen und zu entfernen und das 2-Alkyl-3-hydroxy-4-pyron zu bilden. So wird bei Herstellung von Maltol nach diesem Verfahren ein 2-Methyl-3-hydroxy-6-carboalkoxy-4-pyron, vorzugsweise 2-Methyl-3-hydroxy-6-carboäthoxy-4-pyron destilliert oder in einen Stickstoffstrom verdampft und in diesem gasförmigen Medium duroh eine heiße Röhre geleitet, die beispielsweise auf ungefähr 55O⁰C erhitzt ist, um die 6-Carboäthoxygruppe abzubauen und Maltol zu bilden, das kondensiert und gewonnen werden kann. Als besonders brauchbares Beispiel für ein zu verwendendes Rohr wird ein Quarzrohr in dieser Stufe empfohlen.

Bei der Pyrolysenstufe darf angenommen werden, daß sie einzigartig ist bei diesen 2-Alkyl-3-hydroxy-6-carbo(ester)-4-pyron-Materialien, in welchen die Estergruppe einen Beta-Waseeretoff enthält, wie er in den 6-carboäthoxy- und 6-Carbopropoxyestern auftritt, zum Unterschied von den 6-Carbomethoxyestern, die nicht leicht durch diese Stufe pyrolysiert werden. Die 2-Alkyl-3-hydroxy-6-carbomethoxy-

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2 09817/1517 _0BiGiNAL inspsctid

4-pyrone können jedoch nach dem Verfahren dieser Erfindung hergestellt werden, aber ihre Verwendung erfordert gewöhnlich, daß sie zu der freien Säure (ebenso bekannt als 6-Methylcomensäure) hydrolysiert werden und daß die freie Säure erhitzt wird in Gegenwart eines Lösungsmittels, wie Dimethylterephthalat oder irgendeines der anderen Lösungsmittel, die beispielsweise in der Spalte 11 und 12 der Ü.S. Patentschrift 3 130 204 beschrieben sind.

Die Endprodukte des erfindungsgemäßen Verfahrens, einschließlich Maltol und Alkylhomologen von Maltol, wie Äthylmaltol, Propylmaltöl und Butylmaltol sind als Geschmacksverbesserer für Nahrungsmittel, wie oben beschrieben, brauchbar. Die neuen Zwischenproduktverbindungen dieser Erfindung sind zur Herstellung von Gesohmacksverbesserern brauchbar, entweder unmittelbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oder auf weiteren Wegen, wie sie bei der Herstellung von Maltol aus dem neuen 2-Methyl-3-hydroxy-6-carbomethoxy-2,3-dihydro-4-pyron durch Oxidieren, unter Bildung einer doppelten Bindung in der 2,3-Stellung, Hydrolysieren des Methylesters und DecarboxyIieren der 6-Methylcomensäure in einem Lösungsmittel, beschrieben wurde.

Die verschiedenen Herstellungsverfahren bestimmter, neuer Verbindungen dieser Erfindung werden durch die nachfolgenden Beispiele erläutert«

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Beispiel 1

Dieses Beispiel erläutert ein Verfahren zur Herstellung der 3-Alken-2-on-Ausgangsmaterialien.

Eine abgeschreckte Lösung (1O⁰C) von Aceton (345 g, 6 Mol) und 10 g Kaliumhydroxid wurde mit 123 g (2,8 Mol) Acetaldehyd behandelt. Die Zugabe benötigte 70 Minuten und die Temperatur des Reaktionsgemischs betrug -5 bis 5°C Nach Beendigung der Zugabe hört man mit dem Kühlen auf, während das Rühren 30 Minuten fortgesetzt wurde. Das Gemisch wurde dann durch Sättigen der Lösung mit gasförmigem Kohlendioxid neutralisiert. Die Reaktionsmasse wurde durch Filtrieren geklärt und das PiItrat von dem nichtumgesetzten Aceton durch Destillation (Topftemperatur maxinal HO⁰C) befreit. Der Rückstand wurde mit 0,5 g Toluolsulfonsäure behandelt und die sich ergebende dunkle Reaktionsmasse wurde der Destillation unterworfen. Die bei 80 bis HO⁰C (161 g) siedende Fraktion wurde gesammelt. Beim Stehenlassen bildeten sich zwei Phasen in dem Destillat. Die wäßrige Schicht wurde verworfen (enthält ungefähr 596 Produkt und sollte dem Kreislauf wieder zugeführt werden). Die organische Schicht wurde mit konzentrierter Natriumchloridlösung gewaschen und dann wiederdestilliert, unter Bildung von 83»6 g 3-Penten-2-on, Siedepunkt 120 bis 122⁰C. Ausbeute 36$ theoretisch.

Ein Gemisch von 9OOO ml Aceton, 2760 ml Wasser und 24-7 ml 209817/1517 " ^1T "

0,2 N NaOH wurde mit 3530 ml Acetaldehyd behandelt. Die Temperatur der Reaktionsmaase wurde bei 50 bis 55⁰C gehalten. Die Zugabe erforderte 75 Minuten und die periodischen Zugaben von 0,2 N wäßriger NaOH waren zur Beibehaltung eines pH von 8,0 bis 9,0 erforderlich. Es wurde ein Volumen von 150 bis 24O ml 0,2 N NaOH verwendet. Nach Beendigung der Zugabe wurde die Temperatur (50 bis 55⁰C) eine weitere Stunde beibehalten und das Reaktionsgemisoh dann mit Oxalsäure (8 bis 12 g) neutralisiert. Das überschüssige Aceton wurde durch Destillation (Topftemperatur Maximum = 95 bis 105⁰C) entfernt. Der Rückstand wurde gekühlt und 170 ml 50$ige wäßrige Schwefelsäure zugegeben. Die Destillation wurde fortgesetzt und das Keton-Wasser-Azeotrop gesammelt. Wenn die Topf temperatur H5°C erreichte, begann Verharzung aufzutreten. (Das Wieder-in-Kreislauf-bringen der wäßrigen Phase des Destillats würde das Verharzungsproblem umgehen. Ausbeuten von 90$ der theoretischen Menge können nach diesem Verfahren erhalten werden.) Die wäßrige Schicht wurde abgetrennt und mit 3 χ 1000 ml Benzol extrahiert. Die Benzolextrakte wurden mit der organischen Phase des Destillats zusammengegeben, und das Material wurde durch eine 76,2 χ 5,08 cm große, mit Ringen gefüllte Kolonne fraktioniert destilliert. Zwei solche Abläufe ergaben eine zueammengegebene Ausbeute von 5409 g 3-Penten-2-on-Produkt, entsprechend einer Ausbeute von 63$ der theoretischen Menge (bezogen auf Acetaldehyd). Dieses Produkt enthielt 90# (Minimum) 3-Penten-

2-on. ₁₈

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Beispiel 2

Das Verfahren von Beispiel 1 (A) wird wiederholt, wobei Methylethylketon anstelle von Aoeton verwendet wurde, wodurch man 3-Hexen-2-on erhielt, das in dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung von Äthylmaltöl brauchbar ist,

Beispiel 3

+H₂O₂ T

In ein gekühltes Beaktionsgefäß von 22 1 Inhalt wurden 6644 g 3-Penten-2-on (ungefähre Analyse: 90% Pentenon, Mesityloxid) mit einer Lösung von 210 g Na₂HPO..7H₂O in 500 g Wasser eingebracht. Die Zugabe von Wasserstoffperoxid (30%iges wäßriges, 8920 g) wurde bei 25⁰C begonnen. Nach der Zugabe von ungefähr 450 g Peroxid, wurden 80 g 50%ige, wäßrige Natriumhydroxidlösung (40 g NaOH) zugegeben. Die He*ktion begann sofort, und die Temperatur der Reaktionsmasse stieg auf 32⁰C. Darauf wurde gekühlt (die Temperatur kehrte auf 25⁰C zurück) und die Peroxidzugabe fortgesetzt. Die Peroxidzugabe dauerte 5% Stunden und die Temperatur des Ansatzes blieb während dieser Zeit bei 25 bis 32⁰C.

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Das fieaktionsgemisch wurde zusätzliche 2 Stunden "bei 3O⁰C gehalten und dann 4 1 Benzol zugegeben und dann wurden die Schichten sich über Nacht abtrennen lassen. Die Benzolschicht wurde abgetrennt und die Wasserschicht mit Natriumchlorid gesättigt, dann mit zwei 3 1 Mengen Benzol extrahiert. Die Benzolextrakte wurden zusammengegeben und mit zwei gleichen Teilen gesättigter, wäßriger Natriumchloridlöaung gewaschen. Die Benzolschicht wurde dann über Naoht über wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet.

Die Benzollösung von Epoxyketon wurde bei reduziertem Druck vom Lösungsmittel befreit und das produkt fraktioniert destilliert, wodurch man 6400 g 3»4-Epoxy-2-pentanon (Siedepunkt 45 bis 55⁰C bei 25 mm Quecksilber), Ausbeute 81# der theoretischen Menge, erhielt. Ein kleiner Kückstand verblieb in dem Reaktionsgefäß.

Beispiel 4

Das Verfahren von Beispiel 3 wird wiederholt unter Verwendung von 3-Hexen-2-on, anstelle von 3-Penten-2-on unter Bildung von 3,4-Epoxv-2-hexanon.

Beispiel 5

Dieses Beispiel erläutert die Kombination der Stufen (2) und (3):

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Acylierung von 3,4-Epoxy-2-pentanon mit Diäthyloxalat, katalysiert durch Natriumäthoxid in Benzol, basenkatalysierte Zyklisierung und luftoxidierung.

[So +(COOC₂Hs)₂ +

C₂HsO₂C

Zu einer Schlämme von 7,2 g (0,3 Mol) Natriumhydrid in Benzol wurde langsam 11,0 ml (0,3 Mol) wasserfreies Äthanol zugegeben. Die sich ergebende Schlämme von Natriumäthoxid in Benzol wurde in einem Eissalzbad abgeschreckt. Dann wurden 43,8 g (0,3 Mol) Äthyloxalat schnell zugegeben und das Rühren fortgesetzt bis die Temperatur wieder auf 5° abgefallen war. 3,4-Epoxy-2-pentanon (30,0 g, 0,3 Mol) wurden mit einer solchen Geschwindigkeit zugegeben, daß die Temperatur bei 0 bis 5° blieb. Es bildete sich eine tiefgelbe lösung, die allmählich rötlichbraun wurde. Das Rühren wurde nach beendeter Zugabe weitere 30 Minuten fortgesetzt und Luft durch das Reaktionsgemisch geblasen. Es bestand keine exotherme Reaktion. Dann wurden 100 ml Äthanol zugegeben und das Gemisch unter mäßigem Rückfluß (Topftemperatur 68°) erhitzt, während die Belüftung (die Geschwindigkeit war eine solche, daß die Temperatur bei leichtem Rückfluß gehalten wurde) drei Stunden fortgesetzt wurde. Nach Ansäuern mit Salzsäure ließ man das Reaktions-

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gemisch bei Zimmertemperatur über Nacht stehen, zentrifugierte das anorganische Material ab, und das !lösungsmittel wurde unter reduziertem Druck entfernt. Es wurde ein rohes dunkles Harz erhalten, welches sich teilweise nach Triturieren mit ein wenig kaltem Äther verfestigte. Eine erste Ausbeute von 13,5 g 6-Carboäthoxymaltolprodukte wurde isoliert. Die Mutterlauge wurde im Kühlschrank 24 Stunden gelagert und eine zweite Ausbeute von 6,35 g erhalten. Die zweite Mutterlauge wurde wiederverdampft und der Rückstand in einer Kurzwegdestillationsanlage destilliert. Es erfolgte eine starke Zersetzung, und das Destillat mit dem Siedepunkt 110 bis 165 (Luftbad) 2-8 mm wurde gesammelt. Das Destillat kristallisierte zumeist vollständig und ergab nach Triturieren mit ein wenig eiskaltem Äther eine dritte und letzte Ausbeute von 5,47 g 6-Carboäthoxymaltol. Gesamtrohausbeute 25,59 g (43$)» Umkristallisieren aus Äthanol ergab das reine Produkt als weiße Nadeln, Schmelzpunkt 126°, Ausbeute 21,78 g (36,6$).

Beispiel 6

Acylierung von 3»4-Epoxy-2*-pentanon mit Dimethyloxalat, katalysiert durch Natriummethoxid, basenkatalysierte Zyklisierung und Luftoxidation.

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OMGiNAL SKSFECTEO

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CH₃

Zu einer gerührten Lösung von 4,6 g (0,2 Mol) Natrium in 80 ml wasserfreiem Methanol bei 25⁰C wurde eine Lösung von 23,6 g (0,2 Mol) Dimethyloxalat in 20 ml wasserfreiem Methanol zugegeben. Naoh 30 Minuten wurden 20,0 (0,2 Mol) 3,4-Epoxy-2-pentanon dem basischen Oxalatgemisch schnell zugegeben, während die Temperatur bei 25⁰C gehalten wurde Kühlung erforderlich). Nach 15 Minuten wurde eine gerbebraune Lösung gebildet, die weitere 30 Minuten gerührt wurde. Trockenluft wurde dann durch das Reaktionsgemisch geleitet, worauf eine exotherme Reaktion stattfand, die man sich frei entwickeln ließ. Die Temperatur des Reaktionsgemischs stieg auf 5O⁰O innerhalb von10 Minuten und blieb bei 5O⁰C ungefähr 1 Stunde, wobei sie gelegentlich auf 25⁰C abfiel. Die anfängliche gelbbraune Farbe des Reaktionsgemischs veränderte sich und es bildete sich eine feine Ausfällung, Das Gemisch wurde mit 10 g konzentrierter Schwefelsäure in 30 ml Methanol angesäuert und bei diesen Bedingungen 18 Stunden bei Zimmertemperatur gehalten. Die Ausfällung wurde dann duroh Filtrieren entfernt, mit ein wenig Methanol gewaschen und die vereinigten Filtrate bei reduziertem Druck konzen-.

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209817/1517 qkiohnal inspected

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triert. Der braune Rückstand kristallisierte. Die Kristalle wurden durch Filtrieren gesammelt und aus wasserfreiem Methanol umkristallisiert unter Bildung von 16,0 g (43»5# Ausbeute) reinem 6-Carbomethoxymaltolprodukt, Schmelzpunkt 15O⁰C.

Die Mutterlaugen ergaben zusätzlich 3_f1 g des produkte, wodurch die Gesamtausbeute 52,0 96 der theoretischen Menge erreichte.

Beispiel 7

Metallisches Natrium (2,5 g, 0,1 Mol) wurde feingeteilt und mit wasserfreiem Äthyläther bedeckt. Die Luft wurde durch eine Stickstoffabdeckung ersetzt, und unter Rühren wurde ein Gemisch von 14_f6 g (0,1 Mol) Äthyloxalat und 11,4-g (0,1 Mol) 3»4-Epoxy-4-methyl-pentanon langsam zugegeben. Nach der üblichen InduktionsZeitdauer begann eine schnelle, exotherme Reaktion, die durch Kühlen mit einem Eissalzbad und Einstellen der Zugabegeschwindigkeit in einer solchen Weise gesteuert wurde, daß die Temperatur während der Zugabe bei 0° blieb. Es bildete sich eine dunkelrote LSsung (ähnlich der Enolatlösung bei Oxalysierungen von Pent-3-en-2-on), die, nachdem das gesamte Natrium gelöst war, mit einer Lösung von Schwefelsäure in Äther auf einen pH von ungefähr 1 angesäuert wurde. Die gebildeten anorganischen Salze wurden abfiltriert und mit Äther gewaschen und die

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zusammengegebenen Ätherlösungen wurden auf dem Dampfbad verdampft und·zuletzt das gesamte flüchtige Material unter reduziertem Druck entfernt. Eine Menge von 18,3 g (85,5$) 2,2-Dimethyl-3-hydroxy-6-oarboäthoxy-2,3-dihydro-4-pyron wurde als braune Flüssigkeit erhalten, die ein für Dihydropyron typisches IR-Spektrum hatte. Sie hatte Banden bei 1718 cm (Estercarbonyl), 1664 Cm"* (konjugiertes Carbonyl), 1618 cm (Enoläther), 1587 cm (konjugierte doppelte Bindung) und eine Schulter bei 1565 cm"" (Chelatcarbonyl) Das rohe Material wurde über Nacht in einem Kühler belassen, es wurde kein kristallines Material abgesetzt.

8,0 g dieses rohen Materials wurden durch eine kurze Vigreaux-Kolonne bei 0,4 mm destilliert. Nach einem geringen Vorlauf (0,8 g, Siedepunkt 50 bis 94°) wurden zwei Fraktionen erhalten:

1) Siedepunkt 94 - 114°, grünlich, 13D₂₅-1,4902, 4,0 g

2) Siedepunkt 114 - 124°, gelblioh, 11D₂₅-1,4990, 2,0

Die IR-Spektren dieser Fraktionen überlagerten sich fast völlig, wobei der einzige unterschied in dem OH-^ereich bestand. Die Fraktion 1 hatte eine etwas scharfe Spitze bei 335Ο cm" , während die Fraktion 2 ein breites Maximum bei 325Ο cm"¹ zeigte.

NMR: Die Äthoxygruppe gab Anzeigen bei 1,40 ppm (T, J=6 cps) und 4,22 ppm (Q, J = 6 cps). Die beiden Methylgruppen in

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der 2-Stellung ergaben eine einzige Spitze bei 1,40 ppm, H3 ein Singlet bei 4,12 ppm und H5 ein Singlet bei 6,01 ppm. Es wurde keine Spin-spin-Kupplung quer durch den Ring beobachtet. Die Anzeige des Protons der Hydroxylgruppe war ein breites Singlet bei 6,80 ppm.

Diese Daten bestätigen, daß das Produkt 2,2-Dimethyl-3-hydroxy-2,3-dihydro-4-pyron war.

Beispiel	8	I	0 I	.0H	+	^CH3	CO2 + CH3	-CH2
•. . ο
|Γ ' j]
S^SjH3 CHqCH2O2C

Eine Menge von 3,0 g 6-Carboäthoxymaltol wurde bei 20 mm Quecksilber in einem langsamen Stickstoffstrom durch eine leere Quarzröhre destilliert, die auf 55O⁰C erhitzt wurde. Der Abstrom ergab einen Niederschlag von 1,46 g rohem Maltol, und es wurde nur eine geringe Verkohlung in der heißen fiöhre festgestellt. Ein Teil des Ausgangsmaterials (0,31 g) verblieb in der Destillationsanlage. Die zweimalige Sublimation des rohen Maltols frei 120° (Bad)/20 mm ergab 1,20 g Maltol. Das Produkt hatte einen starken Geruch von Holzteer. Die Ausbeute an rohem Maltol war 85,5$ (korrigiert auf nichtumgesetztes Ausgangsmaterial). _ ?6 -

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Beispiel 9

Nach dem Verfahren von Beispiel 5 wird 3»4-Epoxy-3-hexenon mit Diäthyloxalat umgesetzt zum Erhalten von 2-Ä.thyl-3-hydroxy-6-carboäthoxy-2,3-dihydro-4--pyron, welches mit Luft behandelt wurde, um das 2-kthyl-3-hydroxy-6-carboätho2:y-4-pyron zu erhalten, wonach Ansäuerung und Entfernung des Lösungsmittels folgte. Dann wird das 2-Äthyl-3-hydroxy-6-carboäthoxy-4-pyron in einem Stickstoffstrom verdampft und dann auf 500 bis 55O⁰G erhitzt, um die Carboäthoxygruppe zum Zerfall zu bringen und Äthy!maltol zu bilden.

SI

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Claims (11)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Gamma-Pyronen dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) ein 3-Alken-2-on mit 5 "bis 8 Kohlenstoffatomen mit Wasserstoffperoxid bei einem pH von mindestens ungefähr 7 behandelt,

(b) das entstandene 3,4-Epoxy-2-alkanon mit einem Oxalsäurediester, in welchem jede Estergruppe einen Cj-C.-Alkylrest, einen Phenyl- und/oder Tolylrest darstellt, unter Bildung eines 2-Alkyl-3-hydroxy-6-carbonsäure(ester)-2,3-dihydro-4-pyrons umsetzt,

(c) das gegebenenfalls isolierte Pyron in Lösung mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas unter Bildung eines 2-Alkyl-3-hydroxy-6-carbonsäure(ester)-4-pyrons dehydriert,

(d) und letzteres in einem inerten Gas auf eine Temperatur von ungefähr 300⁰C bis ungefähr 600⁰C, unter Entstehung von 2-Alkyl-3-hydroxy-4-pyron erhitzt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ·

(a) das 3-Alken-2-on ein 3-Penten-2-on,

(b) der Oxalsäurediester ein Malkyloxalat mit von 1 bis A Kohlenstoffatomen in jeder Alkylgruppe,

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(c) das den Sauerstoff enthaltende Gas Luft ist und

(d) die Erhitzungsstufe, unter Verwendung von Stickstoff als inertem Gas und bei einer Temperatur von ungefähr 45O⁰G bis ungefähr 55O⁰C, durchgeführt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) 3-Penten-2-on mit Wasserstoffperoxid unter Bildung von 3>4-Epoxy-2-pentanon,

(b) dieses mit Diäthyloxalat unter Bildung von 2-Methyl-3-hydroxy-6-carboäthoxy-2,3-dihydro-4-pyron umgesetzt,

(c) dieses mit Luft bei einer Temperatur von ungefähr 60° bis ungefähr 120° unter Bildung von 6-Carboäthoxymaltol behandelt und

(d) dieses bei einer Temperatur von ungefähr 450° bis ungefähr 550° unter Bildung von Maltol erhitzt wird,

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3 zur selektiven Herstellung von 3,4-Epoxy-2-pentanon aus 3-Penten-2-on aus einem Gemisch desselben mit Mesityloxid, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gemisch mit einem molaren Unterschuß an Wasserstoffperoxid bei einem pH von wenigstens ungefähr 7 bei einer Temperatur unter ungefähr 80⁰C unter Bildung von 3,4-Epoxy-2-pentanon behandelt.

- 23 - 2 0 9 8 17/1 K 1 7 BAD ORIGINAL

5. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß man ein 5,4-Epoxy—2-alkanon mit 5 bis Kohlenstoffatomen mit einem Oxalsäurediester, in welchem jede Estergruppe einen Cj-C.-Alkylrest, einen Phenyl- und/oder Tolylrest darstellt, in einem organischen, flüssigen Medium bei einem pH von wenigstens ungefähr 7 und bei einer Temperatur unter ungefähr 50⁰G umsetzt, unter Bildung einer Verbindung der Formel

3HOH

ROOC

worin R einen C^-C.Alkylrest mit einen Phenyl- und/oder Tolylrest und R' einen C₁-C,-Alkylrest bedeutet.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß Diäthyloxalat mit 3,4-Epoxypentan-2-on, unter Bildung von 2-Methyl-3-hydroxy-6-carboäthoxy-2,3-dihydro-4-pyron umgesetzt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Verbindung der Formel

HC ^CH-OH

ROOC - C^ .CH-R TT

- ■')() - 200817/1517

worin R einen CL-C«-Alkylrest, einen Phenyl- und/oder Tolylrest und R¹ einen Cj-C,-Alkylrest darstellt, mit einem Gas, das freien Sauerstoff enthält in einem alkoholischen Medium bei einem pH von wenigstens ungefähr 7 bei einer Temperatur von ungefähr 60⁰C bis ungefähr 120⁰C behandelt, unter Bildung einer Verbindung der Formel

worin R und R¹ die obige Bedeutung haben.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß 2-Methyl-3-hydroxy-6-carboäthoxy-2,3-dihydro-4-pyron mit Luft behandelt wird unter Bildung von 6-Carboäthoxymaltol.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 8 zur Herstellung von 2-Alkyl-3-hydroxy-6-carbo(ester)-4-pyronen, dadurch gekennzeichnet, daß man ein 3,4-Epoxy-2-alkanon mit 5 bis 8 Kohlenstoffatomen mit einem Oxalsäurediester, in welchem jede Estergruppe einen C *-C,-Alkylrest, einen Phenyl- und/oder Tolylrest darstellt, in einem organischen flüssigen Medium bei einem pH von wenigstens ungefähr

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und bei einer Temperatur unter ungefähr 50 C unter Bildung einer Verbindung der Formel

ROOC-

worin R einen C..-C .-Alkylrest, einen Phenyl- und/oder Tolylrest und R¹ einen CL-C,-Alkylrest darstellt, umsetzt und dann die Verbindung mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas in einem alkoholischen Medium bei einem pH von wenigstens ungefähr 7 bei einer Temperatur von ungefähr 60⁰C bis ungefähr 12O⁰C behandelt, unter Bildung einer Verbindung der Formel

worin R und R¹ die obige Bedeutung haben.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Verbindung der Formel

ROOC -

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BAD OfIlCUNAl

worin R einen Cj-C^-Alkylrest, einen Phenyl- und/oder Tolylrest und R¹ einen Cj-C.-Allcylrest in einen Strom von inertem Gas leitet und in diesem Inertgas die Verbindung auf eine Temperatur von ungefähr 300⁰C his ungefähr 60O⁰C erhitzt, unter Bildung einer Verbindung der Formel

worin R' die obige Bedeutung hat.

11. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß 2-Methyl-3-hydro^-6-earboäthoxy-4-pyron in einem inerten Gasstrom ungefähr 450⁰C bis ungefähr 55O⁰C unter Bildung von Maltol erhitzt wird.

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