DE1957419A1

DE1957419A1 - Epoxydation von 1-Menthen

Info

Publication number: DE1957419A1
Application number: DE19691957419
Authority: DE
Inventors: Leffingwell John Charles; Shackelford Ronald Edward
Original assignee: RJ Reynolds Tobacco Co
Current assignee: RJ Reynolds Tobacco Co
Priority date: 1968-11-14
Filing date: 1969-11-14
Publication date: 1970-12-23
Also published as: NL6917152A; FR2023262A1; GB1219040A; CH519494A

Description

Dr. F. Zumstoln sen. - Dr. E..Assmann Dr. R. Koenlgsberser - Dlpl-Phye. R. Holzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.

PATENTANWÄLTE

8 MÖNCHEN 2,

TELEFON: SAMMEl.-NR. 22 S341 · BRÄUHAUSSTRA8SE 4/III

TELEX 529979

TELEGRAMME: ZUMPAT POSTSCHECKKONTO: MÖNCHEN O1139

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52/zö - .*

Case 189

R,J. Reynolds Tobacco Company, Winston-Salem, North Carolina, U.S.A.

EpOxydation von 1-Menthen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine" verbesserte Epoxydation von 1-Menthen.

Es ist bekannt, daß zyklische Selenverbindungen mit einer einzigen zyklischen Doppelbindung mit Hilfe organischer Peroxysäuren epoxydiert werden können. Beispielsweise kann 1-Menthen unter Verwendung von Peroxysäuren, wie Peressigsäure, epoxydiert werden, wobei 1-Menthen-epoxyd hergestellt wird, welches für die Herstellung von Mentholen, Menthonen, Piperitolen, Piperitonen und deren Estern besonders brauchbar ist. Die Verwendung von Peroxysäuren für derartige EpOxydationsreaktionen bringt jedoch beachtliche Sicherheitsrisiken einschließlich Explosionsgefahren mit sich.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines neuen und verbesserten Verfahrens zur Epoxydation von 1-Menthen, insbesondere ein Verfahren, bei dem die Sicherheitsrieikea, die mit der Verwendung von Peroxisäuren bei den bekannten Verfahren verbunden sind, vermieden werden.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Brf intag ist die Schaffung eines Verfahrens aux- Epoxidation von 1-Menthen, das

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wertvolle wirtschaftliche Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren, die Peroxysäuren verwenden, bietet.

Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur EpOxydation von 1-Menthen geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß 1-Men-'then mit Sauerstoff in Gegenwart von Acetaldehyd umgesetzt wird, wobei 1-Menthen-epoxyd erzeugt wird.

Im erfindungsgemäßen Verfahren kann 1-Menthen mit praktisch reinem Sauerstoff oder mit einem sauerßtoffhaltigen gasförmigen Gemisch, wie Luft, umgesetzt werden. Sas erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise in einem inerten Lösungsmittel, wie einem Kohlenwasserstoff oder chloriertem Kohlenwasserstoff, als Lösungsmittel, z.B. Benzol, Hexan, Pentan, Chloroform, Methylenchlorid und dgl. durchgeführt.

Es wurde gefunden, daß die Anwesenheit geringer Mengen eines Ubergangsmetallkatalysators die Oxydationsreaktion im erfindungsgemäßen Verfahren beschleunigt, ein derartiger Katalysator wird daher vorteilhafterweise angewendet. Bevorzugt verwendete Katalysatoren sind Übergangsmetallsalze oder Komplexe, z.B. Kobalt-, Kupfer-, Nickel-, Palladium- oder Platinsalze oder -komplexe, wie KobaltChlorid, Kobaltacetat, Kupfer-II-chlorid, Kupfer-II-acetat, Kobaltacetylaoetonat, Nlckelacetylacetonat, Palladiumacetylacetonat, Platinacetylaeetonat, Kupferacetylacetonat, Kobaltbenzoylacetonat* und dgl« Diese Katalysatoren werden im allgemeinen im erfindungagemäßen Verfahren in Mengen im Bereich von 0,001 Gew."56 bis 1₉0 Gew.-# des 1-Menthones angewendet. Der Acet-

aldehyd 1st vorzugsweise in einer Menge von 0,5 bis 3,0 Molen pro Mol 1-Menthen vorhanden.

Die Epoxydationereaktion wird vorteilhafterweise bei Temperaturen von -20 bis +90⁰G, vorzugsweise +15° bis +50⁰O durchgeführt. Das Verfahren kann bei Atsaosphärendruok durchgeführt werden, Drucke oberhalb Atmoepoarendruck, beispielsweise bie zu 71,3 kg/cm² (1000 peig) sind jedcoh bevorzugt. Allgemein ist ein Arbeiten . .bei Drucken oberhalb Atmospbärendruck bis au 15,1 kg/cm (200 psig) besonders zweoknJMii«· I* sAlaejieinen wird die Umsetzung

ORIGINAL IWSP£CT£D

wahrend eines Zeitraumes im Bereich von 1 bis 50 Stunden durchgeführt, nach dieser Zeit können die Reaktionsprodukte mit Wasser gewaachen v/erden, um Säuren und anorganische Salze au entfernen. Uas 1-Menthen-epoxydprodukt kann dann von dem Waschwasser abgetrennt werden. Palis gewünscht, kann im Yfaschwasser zurückgebliebenes Produkt mit geeigneten Lösungsmitteln wie Benzol, Pentan, Hexan, Chloroform, Methylenchlorid, Äther oder dgl. extrahiert werden.' Die Reaktionsprodukte können dann von den Lösungemitteln abgetrennt werden und auf übliche Weise, wie durch Destillation, Chromatographie oder dgl. gereinigt werden.

Man muß wissen, daß bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens optisch aktives 1-Menthen optisch aktives 1-Menthenepoxyd ergibt. (+)-1-Menthen ergibt daher (+)-1-Menthen-epoxyd und (+)-1-Menthen ergibt (+)-1-Menthen-epoxyd_#

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Natur des durch das Verfahren erhaltenen 1-Menthen-epoxydreaktionsproduktes.

Das Epoxydationsverfahren der vorliegenden Erfindung führt im allgemeinen zu einer Mischung aus eis- und trans-Menthen-epoxydisomeren, wobei diese Mischung im allgemeinen einen hohen Prozentsatz des cis-Epoxyd-ieomeren enthält. Diese Mischung kann dann zweckdienlich hydrolysiert werden, um in hoher Ausbeute (+)-1-Hydroxyneocarvomenthol zur Verwendung für die Synthese von Menthol zu liefern. Man muß wissen, daß bei der Hydrolyse das cis-Epoxyd-isomere im wesentlichen nur (+)-1-Hydroxyneocarvomenthol ergibt, wohingegen das trans-Epoxyd-isomere das (+)-1-Hydroxyneocarvomenthol und (+)-1-Hydroxyneoisocarvomenth.ol in einem Verhältnis von ungefähr 8 : 2 ergibt, wobei das letztere Diolisomere für die Synthese von Menthol weniger geeignet ist. Es ist daher natürlich wünschenswert, für die Synthese von Menthol ein Gemisch zu erzeugen, das einen hohen Anteil cis-Isomeres enthält. Die bei der Herstellung von trans-2- Menthen-1-ol aus den isomeren 1-Menthen-epoxyden stattfindenden

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ORIGINAL

Reaktionen sind in den folgenden Gleichungen dargestellt:

.. .OH _ /OH

-HOAc

cis-1-Menthen- 1-Hydroxyneo- 1-Hydroxyneocar- trans-2-Menepoxyd carvomenthol vomenthylacetat then-1-ol

HO -

H₂O

t rano-1 -Menthenepoxyd

1-Hydroxyneocarvomenthol(Hauptisomeres) 8 Teile

1-Hydroxyneoisocarvomenthol (Hebenisomeres) 2 Teile

Im Hinblick auf den hohen Prozenteatz, z.B. *» 70 bis 75 # eis-Epo^d-isomeres, das in dem beim erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Epoxydgemisch vorhanden ist, liefert die Hydrolyse dieser Mischung (+)-1-Hydroxyneocarvomenthol genügenderEeinheit, so daß die geringe Menge (^ 5 #) des aus dem trans-Isomeren gebildeten Diolnebenproduktes nicht die nachfolgende Umwandlung des (+)-1-Hydrozy-neocarvomenthols stört. Gewünschtenfalls kann jedoch das trans-Epoxyd selektiv aus dem Epozydationsgemisch entfernt werden, gemäß dem in der deutschen Patentschrift , deutsche Patentanmeldung P 19 08 274.7,

beschriebenen Verfahren.

Bas durch die Hydrolyse des Epoxydationsgemisches erzeugte 1-Hydroxyneocarvomen.thol wird selektiv zu 1-Hydroxyneocarvomenthylacetat acetyliert, das durch Pyrrolyse in trans-2-Menthen-1-ol umgewandelt wird, aus dem Menthol leicht nach üblichen Verfahren erhalten werden kann.

Sie analytische Methode zur Bestimmung des Epoxyd-isomerenver-

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ORIGINAL IN8PZCTS&

_ 5 —

hältnisses der im erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen 1-Men-* then-epoxyde, gründet sich auf die Integration der Protonenverhältnisse im FMR-Spektrum. Die beiden Isomeren sind leicht durch die Absorptionen des Protons in der 2-Stellung des Oxiransystemes zu unterscheiden. Das cis-Epoxyd besitzt ein schlecht aufgelöstes Triplett bei 7,17'^ , während das trans-Epoxy-isomere ein bei 7,21^ zentriertes Doublett (J =/^ 5 CPS) besitzt. Integration der Peaks, die zu den Oxiranprotonen der entsprechenden Isomeren in einem Gemisch gehören, liefert eine genaue Angabe des Verhältnisses der beiden vorhandenen Epoxydisomeren.

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie jedoch einzuschränken; in den Beispielen sind alle !Temperaturen in ⁰C angegeben.

Beispiel 1

In einem Kolben, der mit einem !Drockeneiskühler und Trockenrohr versehen ist, gibt man 69 g (+)-1-Menthenf α ^ + 84,81°)*, 40 g frisch destillierten Acetaldehyd, 200 ml Methylenchlorid, 3 g wasserfreies Natriumacetat und etwa 2 mg KobaltacetyIacetonat. Durch ein Gasdispergierrohr wird 2 Stunden lang bei 5° unter Rühren langsam Sauerstoff durch diese Mischung geleitet. Gaschromatographische Analyse zeigt zu diesem Zeitpunkt nur eine Spur neu gebildetes Produkt an. Die Temperatur wird auf 20 bis 22° erhöht und die Säuerstoffzugabe 16 Stunden lang bei Atmosphärendruck fortgesetzt. Gaschromatographische Analyse zeigt zu diesem Zeitpunkt die Anwesenheit wesentlicher Mengen 1-Menthen-epoxyde: an. Die rohe Reaktionsmischung wird in verdünnte Natriumbicarbonatlösung gegossen und mit Äther extrahiert, Nach dem Trocknen der Ätherextrakte über Natriumsulfat und dem Entfernen des Lösungsmittels werden.68,4g Rohprodukt erhalten. Die gaschromato-• graphische Analyse der Rohproduktmischung zeigt ein 43:57-Verhältnis von 1-Menthen : 1-Menthen-epoxyden an. Die rohe Mischung wird über eine 10,2 cm Vigreaux-Mikrodestillierkolonne destilliert und liefert 27 g (+)-1-Menthen mit dem Siedepunkt 75 bis 80°/26 bis 30 mm und 25,1 g (+)~1-Menthen-epoxyde mit dem Siede-

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punkt 8C bis 110° (26 mm). Es wird auch eine holier siedende Frak tion (5,5 g) erhalten, die Alkohole vjid andere nicht identifizierte Produkte enthält. Die Ausbeute an (+)-1-Menthen-epo>ryden beträgt 54 $ und die Umwandlung beträgt 33 $. Eine gereinigte Probe der (+)-1-Kenthen-epoxyde besitzt einen Drehwert at-³ von +47,9°, die Analyse des NIiR-Spektrums zeigt 75 # eis- und 25 # trans-Isomere.

Beispiele 2 bis 6.

Hochdruck-E-poxydation von (-f-)-i-Menthen mit Säuerst of f-Acetalde-

Eine Reihe von Epoxydationsversuchen wurde bei höheren Sauerstoffdrucken gemäß dem folgenden allgemeinen Verfahren durchgeführt.

(+)-1-Menthen, destillierter Acetaldehyd, Natriumacetat und eine Spur (<n/ 2 mg) Kobaltacetylacetonat gab man in eine Parr-Hochdruck-Reaktionsapparatur, die mit Rührer und Kühlschlangen versehen war. Der Sauerstoff wurde mit Hilfe eines Druckregulators in die Apparatur eingepreßt. Nach Ablauf der Reaktionszeit wurde das Rohproduktgemisch in Wasser gegossen und ähnlich wie in Beispiel 1 beschrieben nach der Neutralisation extrahiert. Die Lösungsmittel wurden nach dem Trocknen und Tests auf Peroxyde (Kalium jodidlösung) unter vermindertem Druck entfernt. Hicht umgesetztes 1-Menthen und die 1-Menthen-epoxyde wurden durch Destillation über eine 10 cm (4 inch)-Vigreaux-Kolonne abgetrennt.

Beispiel 2

(₊)-1-Menthen (152 g, a^ + 91°), Methylenchlorid (300 ml), frisch destillierter Acetaldehyd (66 g) und eine Spur (^2 mg) Kobaltacetylacetönat wurden 41 Stunden lang bei 22 bis 28° unter '6,6 bis 8,0 kg/cm (80 bis 100 psig) Sauerstoff umgesetzt. Nach dem Aufarbeiten auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 und Destillation wurden 43,0 g (+)-1-Menthen, Siedepunkt 68 bis 80°/15 mm und 50 g (+)-1-Menthen-epoxyde, Siedepunkt 82 bis 92°/14 mm (ßc_D +47,5°, njp=1,4491) erhalten. Dies entspricht einer 41,3#igen

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Ausbeute und einer 29,5#igen Umv/andlung. Die Analyse des NMR-Spektrums zeigte, daß die Epoxydfraktion aus 75 # eis- und 25 trans-Isomeren bestand.

Beispiel 3

Man wiederholte Beispiel 2, wobei 9,8 kg/cm (125 psig) Sauerstoff druck, eine Reakt ions temperatur von 18° und eine Reaktionszeit von 20 Stunden anwendete. Aufarbeitung wie in Beispiel 1 und Destillation ergab 51 g zurückgewonnenes (+)-1-Menthen und 49,6 g (+)-1-Menthen-epoxyde, Siedepunkt 85 bis 9O°/15 mm (otjj + 47,6°). Dies entspricht einer 45#igen Ausbeute und einer 32#igen Umwandlung.

Beispiel 4

Beispiel 2 wurde wiederholt, wobei man jedoch 9,8 kg/cm (125 psig) Säuerstoffdruck, 500 ml Methylenchlorid als Lösungsmittel, eine Reaktionstemperatur von 20° und eine Reaktionszeit von 35 Stunden anwendete und dabei 57 g zurückgewonnenes (+)-1-Menthen und 53 g (+)-1-Menthen-epoxyde, mit dem Siedepunkt 75 bis 79°/11 mm (a_D + 46,9°) erhielt. Dies entspricht einer 50#igen Ausbeute und einer 31#igen Umwandlung.

Beispiel 5

Auf gleiche Weise wie in Beispiel 2 wurden 304 g (+)-1-Menthen, 161 g Acetaldehyd, 5 g Natriumacetat und eine Spur (~2 mg) Kobaltacetylacetonat ohne Lösungsmittel bei 8 kg/cm (100 psig) Säuerstoffdruck 18 Stunden lang umgesetzt. Die Umsetzung war ein wenig exotherm: die Reaktionstemperatur schwankte zwischen 22 und 45°. Nach der Aufarbeitung auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 und Destillation wurden 82,5 g (+)-1-Menthen und 92 g (+)-1-Menthen-epoxyde, Siedepunkt 82^O/13,5 mm (cc^ +47,3°) erhalten. Dies entspricht einer 37,5#igen Ausbeute und einer 27, gen Umwandlung.

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ORIGINAL INSPECTED

Beispiel 6

Man wiederholte Beispiel 5 mit der Ausnahme, daß die Reaktionstemperatur mit Hilfe von Kühlschlangen bei 18° gehalten wurde. Nachdem man auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 aufgearbeitet hatte und nach dem Destillieren erhielt man 125 g (+)-1-Menthen und 86 g (+)-1-Menthen-epoxyde, Siedepunkt 80°/12 mm (a_D +47,2°) Dies entspricht einer 43#igen Ausbeute und einer 25,5$igen umwandlung.

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ORIGINAL INSPECTED

1-Menthen-eOOxyd

Beispiele 1-Menthen Acetalde- Lösungsmittel Säuerstoffdruck Reaktions- Reaktions- ^Umwand- % Aus- (MoIe) hyd _v vw™² (_pSig) ^Pera- zeit lung "beute

ο	3
O-

co	A
	5
ro
	6

0,5

1,1 1,1

1,1

2,2 2,2

y (Mole)

0,9	300 ml CH₂Cl₂
1,5 1,5	300 ml • CHgCl₂ 300 ml CHgCl₂
1,5	• 500 ml CHgCl₂
3,7	keines
3,7	keines

20-22^v

6,6-8,0 80-100 22-28⁽
9,8 125 18°

9,8 125 20

8,0 100 22-45
8,0 100 18°

33

41	29,	VJl	41
20	32		45
35	31		50
18	27		37,5
18	25,	VJl	43

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Epoxydation von 1-Menthen, dadurch gekennzeichnet, daß 1-Menthen mit Sauerstoff in Anwesenheit von Acetaldehyd umgesetzt wird, wobei 1-Menthen-epoxyd erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in einem inerten Lösungsmittel durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel ein Kohlenv/asserstoff oder chlorierter Kohlenwasserstoff ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel Benzol, Hexan, Pentan, Chloroform oder Methylenchlorid ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in Anwesenheit eines Übergangsmetallkatalysators durchgeführt wird, der zur Beschleunigung der Reaktion dient.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator ein Übergangsmetallsalz oder einen Übergangsmetallkomplex umfaßt.
7. Verfahren nach' Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator ein Salz oder einen Komplex des Kobalts, Kupfers, Nickels, Palladiums oder Platins umfaßt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, ü&B der Katalysator Kobalt chlor! d, Kobaltacetat, Kupfer-II-chlorid, Kupfer-II-acetat, Kobaltacetylacetonat, Hickelacetylacetonat, Palladiumacetylacetonat, Platinaeetylacetonat, Kupferacetylacetonat oder Kobaltbenzoylaeetonat umfaßt.

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9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in einer Menge von 0,001 bis 1,0 .-5S des 1-Henthenea verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung bei einer Temperatur von -20° bis +9ü°C ausgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch" gekennzeichnet, daß die Umsetzung bei einer Temperatur von +15 bis +5O⁰C durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung bei Drucken oberhalb Atmosphärendruck durchgeführt wird.
13* Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung unter einem Druck von bis zu 71 kg/cm (1000 psig) durchgeführt wird.
14· Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung unter einem Druck bis zu 15 kg/cm (200 psig) durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß' (+)-1-Menthen mit Sauerstoff umgesetzt wird, um (+)-1-Menthen-epoxyd au erzeugen.

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