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Verfahren zur Herstellung von substituierten # α,ß-Butenoliden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von substituierten A ¢ ,R-Butenoliden
durch Cyclisierung von 4-Acyloxybuten-2-sSureestern.
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Zur Herstellung von #α,ß- Butenoliden wird vorzugsweise nach
Cyclisierungsverfahren gearbeitet, die von substituierten Acetoxy-hydroxy-butansäureestern
oder gegebenenfalls auch 3-Acetoxybuten-2-säureestern ausgehen. Nach J.M. Stewart
und D.W. Woolley, J.Am.Soc. (1969), Seite 4951 bis 4956 wird die Cyclisierung zweistufig
durchgeführt, indem die entsprechenden substituierten Ester zur freien Hydroxysäure
durch Behandeln mit Alkali verseift werden, wobei teilweise bereits eine Cyclisierung
der Hydroxysäure eintritt, und das Reaktionsprodukt anschließend
durch
Vakuumdestillation gereinigt und aufgetrennt wird. Nach P.S. Steyn et al. in J.Chem.Soc.
(1965) Seite 3075 bis 3079 wird das nach dem Verfahren von J.W. Stewart und D.W.
Woolley erhaltene Verseifungsprodukt zur Cyclisierung 18 Stunden mit Pyridin und
Acetanhydrid behandelt und anschließend destilliert.
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Die bei diesen Verfahren erhaltenen Ausbeuten an # α,ß-Butenoliden
liegen, bezogen auf die durch Verseifung hergestellte Hydroxysäure, bei etwa 20
bis 30 %, und die Verseifung der eingesetzten Ester zur freien Hydroxysäure verläuft
nur mit Ausbeuten in der Grdßenordnung von 50 S.
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Aus der US-Patentschrift 3 251 366 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung
von a X ,R-Butenoliden bekannt, bei dem durch eine Reformatzki-Reaktion mit substituierten
Maleinsäureanhydriden und Alkylhalogeniden ein entsprechend substituiertes Butyrolacton
dargestellt wird, in das anschließend auf verschiedene Art und Weise eine Doppelbindung
in &,ß-Stellung eingeführt wird. Auch bei diesem Verfahren liegen die Ausbeuten,
bezogen auf die Ausgangsverbindung, in der Größenordnung von ungefähr 50 %.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein einstufiges, einfach
durchzuführendes und gute Ausbeuten ergebendes Verfahren zur Herstellung von A ¢,ß-Butenoliden
zu entwickeln.
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Es wurde nun überraschend gefunden, daß #α,ß-Butenolide mit
sehr guten Ausbeuten dargestellt werden können, wenn 4-Acyloxybuten-2-säureester
durch innere Umesterung cyclisiert werden.
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4-Acetoxybuten-2-saureester beispielsweise sind bekannte Verbindungen,
die sich in ausgezeichneten Ausbeuten nach Wittigreaktionen darstellen lassen.
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Zur Lösung der obigen Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung von
d &,ß-Butenoliden durch Cyclisierung von 4-Acyloxybuten-2-säureestern vorgeschlagen,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man 4-Acyloxybuten-2-säureester der allgemeinen
Formel
in der R1 und R2 Wasserstoffatome oder eine Methyl- oder Äthylgruppe, R3 ein Wasserstoffatom
oder ein Alkylrest mit 1 bis
6 C-Atomen, Rx einen Alkylrest mit
1 bis 6 C-Atomen und Ry ein Wasserstoffatom oder einen Alkylrest mit 1 bis 4 C-Atomen
bedeuten, im wasserfreien Milieu unter Zusatz von Polyphosphorsäüre oder p-Toluolsulfonsäure,
gegebenenfalls unter Zusatz eines vergleichsweise hochsiedenden, möglichst wasserfreien
Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemisches, bei erhöhten Temperaturen destilliert.
Diese Reaktion wird im allgemeinen ohne Lösungsmittel durchgeführt, kann aber gegebenenfalls
in einem hochsiedenden Lösungsmittel geführt werden.
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FUr einen erfolgreichen Verlauf der Reaktion ist es wichtig, daß sowohl
der eingesetzte Ester als auch das gegebenenfalls vorhandene Lösungsmittel im wesentlichen
wasserfrei sind. Beim Erwärmen des mit Polyphosphorsäure versetzten 4-Acyloxybuten-2-säureesters
beginnt ab ungefähr 2400C die Abdestillation des entsprechenden Acylesters; nach
ungefähr 3 bis 4 Stunden ist die Reaktion vollständig. Nach dem Abkühlen der Reaktionsmischung
wird das Lacton im Vakuum abdestilliert, wobei Ausbeuten um 70 % erhalten werden.
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Das Verfahren wird vorzugsweise so ausgeführt, daß die Destillation
unter Normaldruck bei Temperaturen zwischen 240 und 2600C durchgeführt und das entstandene
6 cL,ß-Butenolid anschließend zur Reinigung einer Vakuumdestillation unterzogen
wird.
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Der Zusatz von Polyphosphorsäure oder p-Toluolsulfonsäure erfolgt
vorzugsweise in Mengen von 0,5 bis 10 Gew.%, bezogen auf die Menge des eingesetzten
Esters.
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Überraschenderweise läßt sich diese Reaktion nur erfolgreich durchführen,
wenn die eingesetzten Ausgangsverbindungen wasserfrei sind und wenn als Cyclisierungsmittel
bei dieser inneren Umesterung Polyphosphorsäure oder, allerdings mit etwas schlechteren
Ausbeuten, p-Toluolsulfonsäure eingesetzt werden. Dies ist umso überraschender,
als die Reaktion mit konzentrierter Schwefelsäure nicht abläuft; in einem Versuch
konnte der 4-Acetoxy-buten-2-säureester nach Zusatz von konzentrierter Schwefelsäure
und Behandlungstemperaturen um 2400C unverändert zurückerhalten werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine einfache Möglichkeit dar,
in einer ohne jede Schwierigkeit durchzuführenden "Eintopfreaktion" substituierte
6sß-Butenolide in ausgezeichneten Ausbeuten herzustellen.
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Substituierte ungesättigte Lactone sind als monomere Ausgangsprodukte
zur-Durchführung verschiedener Polymerisationsreaktionen verwendbar.
Polymere
aus #α,ß-Butenoliden und deren Darstellung sind beispielsweise von R. Palm
et al. in Angewandte Chemie, 78, 1966, Seite 1093 bis 1099 sowie in Chemical Abstracts,
54, 11555 (1966) und Chemical Abstracts, 66, 55994 1(1967> beschrieben.
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Ferner können #α,ß-ungesättigte Butenolide als Aromastoffe,
und-zwar insbesondere für Tabak und Tabakzubereitungen und als Wuchsregulatoren
für Pflanzen verwendet werden.
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Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.
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Falls nicht anders angegeben, beziehen sich alle Mengen- und Prozentangaben
auf das Gewicht.
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Beispiel 1
445 g 3-Methyl-4-acetoxybuten-2-säureäthylester wurden in einen 500 ml-Rundkolben
mit absteigendem Küchler im ölbad bis zu einer Ölbadtemperatur von 190 0C erhitzt.
Durch einen Tropftrichter wurde die Ausgangsverbindung jetzt tropfenweise mit Polyphosphorsäure
(84 S P205) versetzt und die Temperatur des ölbades langsam weiter gesteigert. Insgesamt
wurden im Verlauf einer Stunde
ungefähr 7 ml Polyphosphorsäure zugetropft.
Bei einer Öibadtemperatur von ungefähr 2400C begann der gebildete EssigsSureäthylester
abzudestillieren. Die Temperatur des ölbades wurde im Verlauf von ungefähr 3 Stunden
auf 2660C gesteigert, wobei insgesamt 224 ml Essigsäureäthylester abdestillierten,
bei einer theoretisch zu erwartenden Menge von 232 ml. Danach wurde der Xolbeninhalt
auf etwa 1000C abgekühlt und das Lacton in Vakuum abdestilliert. Das Siedeintervall
des farblosen Lactons lag bei 106 bis 110 0C/12 mm Hg. Die Ausbeute betrug 168 g
entsprechend 71,8 % der Theorie. Der Zeit-Temperaturverlauf der erfindungsgemäßen
Cyclisierung des 3-Methyl-4--acetoxybuten-2-säureäthylesters zu 3-Methyl-buten-2-olid-1,4
unter Verwendung von Polyphosphorsäure ist in Tabelle I angegeben.
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Tabelle 1 Zeit Temperatur Zutropfung Abscheidung Essigester Minuten
ölbad °C Polyphosphors. Dest.Temperat. ml - 190 Beginn 270 0 15 220 ca. 2 ml 27°
O 30 237 ca. 4 ml 300 0 45 242 ca. 6 ml 820 Beginn 55 243 ca. 7 ml 114o 12 75 245
Ende 1200 40 85 246 127° 80 97 247 1200 105 119 249 11110 132 125 250 1130 160 146
252 1030 194 161 255 91o 210 173 255 840 220 185 260 780 224 Das erhaltene Butenolid
wurde durch 1R- und Massenspektren bestätigt. IR: = 1780 cm 1 (CO) MS: Massenzahlen
69, 98, 41.
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Beispiel 2
15 g(0,075 Mol) 2,3-Dimethyl-4-acetoxybuten-2-säureäthylester wurden unter Zusatz
von 1 g p-Toluolsulfonsäure langsam auf 250 0C erwärmt, wobei Essigsäureäthylester
abdestillierte. Nach 2 1/2 Stunden entsprach die Menge des Destillates mit 6,6 g
der berechneten Menge. Nach Abkühlen auf etwa 900 wurde Vakuum angelegt und das
gebildete Lacton abdestilliert. Mit 4,75 g betrug die Ausbeute 56,5 %. Kp14 = 103
- 1120 cm Beispiel 3
3-Methyl-buten-2-olid-1,11 wurde statt unter Verwendung vrn Polyphosphorsäure wie
im Beispiel 1 angegeben,mit p-Toluolsulfonsäure dargestellt.
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Bei einer eingesetzten Menge von 83 g 3-Methyl-4-acetoxybuten-2-säureäthylester
betrug die Ausbeute mit 19,2 g 44 % der Theorie bei einem Kp12 von 107 - 110°C.
Der Zeittemperaturverlauf dieser Cyclisierung unter Verwendung von p-Toluolsulfonsaure
ist in Tabelle II angegeben.
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T a b e l l e II Zeit Temperatur Zutropfung Essigester Abscheidung
Minuten ölbad °C p-Toluol- Dest. Temp.
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sulfonsäure O ml ml C - 90 10 125 20 160 30 185 36 195 0,5 45 200
1,0 0 72 55 205 1,3 3,0 89 65 210 1,5 4,5 100 73 215 2,0 6,0 105 90 220 2,5 9>0
109 115 224 3,0 14,0 105 145 217 3,0 17,0 93 155 215 3,5 19,0 95 180 215 4,0 2h,0
98 195 215 4,5 27,0 97 220 215 5,0 39,0 95 255 217 =,0 45,0 85
Beispiel
11
64 g 3-Methyl-4-acetoxybuten-2-säureäthylester (0,344 Mol) wurden in 100 ml hydriertem
Terphenyl langsam auf 250 0C erwärmt unter langsamem Hinzufügen von 2 ml Polyphosphorsäure.
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Nach etwa einer Stunde war die berechnete Menge an Essigsäureäthylester
praktisch abgeschieden, so daß auf 1000C abgekühlt und das gebildete Lacton abdestilliert
wurde.
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Die Ausbeute betrug mit 26,1 g 77,5 % der Theorie bei einem Kp13 von
112 - 1140C. Der Temperaturverlauf der erfindungsgemäßen Cyclisierung des 3-Methyl-4-acetoxybuten-2-sSureSthylesters
zu 3-Methyl-buten-2-olid-1,4 unter Verwendung von Polyphosphorsäure in hydriertem
Terphenyl als Lösungsmittel ist in der Tabelle III wiedergegeben.
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T a b e l l e III Zeit Temperatur Zutropfung Essigester Abscheidung
Minuten Ölbad °C Polyphosphor- Dest. Temp.
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säure ml ml ml °C - 140 0,5 15 185 0,5 80 25 230 0,8 10 85 35 240
1,0 12 115 45 245 2,0 30 125 57 250 2,0 32 90 62 250 Beispiel 5
Wie im Beispiel 4 beschrieben, wurden entsprechend 12,5 g 2-Athyl-3-methyl-4-acetoxy-2-butensäureäthylester
unter tropfenweisem Zusatz von Polyphosphorsäure in 40 ml Paraffinöl langsam auf
210 0C erwärmt. Nach Beendigung der Cyclisierungsreaktion wurde abgekuhlt und im
Vakuum das gebildete Lacton abdestilliert. Der Kochpunkt bei 12 Torr betrug 112
- 1180C, die Ausbeute mit 5,0 g 68,5 % der
Theorie. In der nachfolgenden
Tabelle IV ist der Zeittemperaturverlauf dieser Reaktion in Paraffinöl dargestellt.
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T a b e l l e IV Zeit Temperatur Zutropfung Essigester Abscheidung
Minuten ölbad °C Polyphosphor- Dest. Temp.
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säure Tropfen ml 0C 100 1 12 165 3 1 82 20 185 5 2 89 28 195 6 2,5
94 36 198 8 3 82 50 200 8 4 78 60 210 8 4,8 77