DE2708185B2

DE2708185B2 - Verfahren zur Herstellung von a -Ketocarbonsäuren (B)

Info

Publication number: DE2708185B2
Application number: DE2708185A
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl.-Chem. Dr. Kleemann; Herbert Dipl.-Chem. Dr. Klenk; Werner Dipl.-Chem. Dr. 6000 Frankfurt Schwarze
Original assignee: Deutsche Gold und Silber Scheideanstalt
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1977-02-25
Publication date: 1978-11-30
Also published as: GB1533818A; FR2381735A1; FR2381735B1; DD131013A5; DE2708185C3; CH627430A5; DE2708185A1; IT1143581B; ATA392777A; JPS6055497B2; IL52239A; JPS53105423A; BE855257A; NL7706161A; SU793376A3; IL52239A0; AT367014B

Description

in der R ein WasserstofTatom ist, R₁ und R₂ gleich oder verschieden sind und für einen, gegebenenfalls ein oder mehrfach durch Alkylgruppen oder Halogenatome substituierten Alkylrest mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen stehen und R₂ außerdem ein Wasserstoffatom bedeuten kann und wobei R₁ und R₂ auch miteinander zu einem 3- bis 8gliedrigen, gegebenenfalls durch Alkylgruppen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen oder durch Halogenatome, insbesondere Chloratome, ein- oder mehrfach substituierten Cycloalkylring verbunden sein können, mit der Maßgabe, daß in diesem Falle R zusätzlich für einen Alkylrest mit 1 bis 5 Kohlenstoff- 2> atomen stehen kann, durch Verseifung von Acylcyaniden der Formel

R O

R₁-C-C-CN
R₂

(II)

in der R, R, und R₂ die oben angegebenen Bedeutungen haben, zu Carbonsäureamiden der Formel r>

ROO

R₁-C-C-CNH₂
R₃

(IM)

und Weiterverseifung der Amide zu den freien «-Ketocarbonsäuren, dadurch gekennzeichnet, daß man die Acylcyanide der Formel II in einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, welches unter den Reaktionsbedingungen flüssig und inert ist, zuerst mit gasförmigem Chlorwasserstoff und dann bei einer Temperatur von etwa -70⁰C bis etwa +70⁰C mit Wasser behandelt und die gebildeten Carbonsäureamide der Formel III, gegebenenfalls nach einer Zwischenisolierung, in an sich bekannter Weise durch saure oder alkalische Hydrolyse in die ^-Ketocarbonsäuren der Formel I überführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung mit Chlorwasserstoff und Wasser bei einer Temperatur zwischen — 40⁰C und +20⁰C durchführt.

Von diesen Säuren sind eine große Zahl Zwischenprodukte des Metabolismus als precursors der «-Aminosäuren oder treten in Transaminierungsverfahren ein. Sie können auch als Zwischenprodukte für die Herstellung von Herbiziden verwendet werden.

Obwohl Säurecyanide auch in der aliphatischen Reihe bekannt und nach Labormethoden gut herstellbar sind (Houben —Weyl, Band 8, 1952 S. 304 bis 306), ist über deren Verseifung zu «-Ketocarbonsäuren wenig berichtet worden. Bevorzugt wurde diese Verseifung mit wäßriger konzentrierter Salzsäure durchgeführt (Ber. dtsch. ehem. Ges. 62, 1929, 2210 bis 2214).

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß nur geringe Ausbeuten an «-Ketocarbonsäuren erzielt werden und diese zudem sehr oft unrein anfallen (J. ehem. Soc. 39, 18[188I]).

So ist bekannt, daß man Propionylcyanid durch Umsetzen mit konzentrierter Salzsäure und dann mit verdünnter Salzsäure zu 40% in Propionylameisensäure umwandeln kann (Ber. dtsch. ehem. Ges. 13, 2121— 2122 [1880]).

Auch die Verseifung des nächst höheren, verzweigten Homologen des Isobutyrylcyanids wird noch beschrieben, doch werden keine Ausbeuteangaben gemacht (Ber. dtsch. ehem. Ges. 62, 2210—2214, [1929]; Journal Amer. ehem. Soc. 56, 2009 [1934]).

Eine Nacharbeitung dieser Verfahren ergab jedoch, daß die Ketosäure nur in Spuren erhältlich ist.

Von den nächst höheren Homologen, dem Isovalerylcyanid, dagegen ist bekannt, daß es sich nicht mehr zur entsprechenden Ketocarbonsäure umsetzen läßt (Ber. dtsch. ehem. Ges. 62, 2210—2214 [1929]). Es ist weiter bekannt, daß dieses Verfahren keine nennenswerten Ergebnisse liefert, wenn der Rest R in der aliphatischen Struktur mehr als 3 Kohlenstoffatome enthält (DE-OS 22 08 568).

Die Verseifung von cycloaliphatischen Acylcyaniden ist bisher nicht beschrieben worden.

Es wurde nun gefunden, daß man .-»-Ketocarbonsäuren der Formel

W)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aliphatischen und cycloaliphalischen \-Ketocarbonsäuren durch partielle Verseifung von Säurecyaniden zu Ketocarbonsäurcamiden und Wcilerverseifung von diesen zu den freien \-Kctocarbonsäuren.

R O O

R₁-C-C-COH
R,

(I)

in der R ein WasserstolTatom ist, R₁ und R₂ gleich oder verschieden sind und für einen, gegebenenfalls ein oder mehrfach durch Alkylgruppen oder Halogenatome substituierten Alkylrest mit I bis 18 Kohlenstoffatomen stehen und R₂ außerdem ein Wasserstoffatom bedeuten kann und wobei R₁ und R₂ auch miteinander zu einem 3- bis 8gliedrigen, gegebenenfalls durch Alkylgruppen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen oder durch Halogenatome, insbesondere Chloratomc, ein- oder mehrfach substituierten Cycloalkylring verbunden sein können, mit der Maßgabe, daß in diesem Falle R zusätzlich für einen Alkylrest mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen stehen kann, durch Verseifung von Acylcyaniden der Formel

R O

R₁ C C CN

(II)

in der R, R, und R₂ die oben angegebenen Bedeutungen

haben, zu Carbonsäureamiden der Formel
ROO

I Il Il

R₁-C-C-CNH₂ (III)

und Weiterverseifung der Amide zu den freien a-Ketocarbonsäuren auf einfache und allgemein anwendbare Weise herstellen kann, wenn man die Acylcyanide der Formel II in einem organischen Lösungsmittel, welches unter den Reaktionsbedingungen flüssig und inert ist, oder in einem Gemisch solcher Lösungsmittel, zuerst mit gasförmigem Chlorwasserstoff und dann bei einer Temperatur von etwa - 70° C bis etwa + 70° C mit Wasser behandelt, und die gebildeten Carbonsäureamide der Formel III, gegebenenfalls nach einer Zwischenisolierung, in an sich bekannter Weise durch saure oder alkalische Hydrolyse in die ,»-Ketocarbonsäuren der Formel I überführt.

Im Rahmen dieser Erfindung werden jene Verbindungen bevorzugt hergestellt, in denen R₁ und R₂ zu einem Cyclopropylrest miteinander verbunden sind. Besonders bevorzugt sind in dieser Gruppe jene, deren Cyclopropylrest seinerseits durch ein oder insbesondere 2 Halogenatome, insbesondere Chloratome, substituiert ist. Zu diesen gehören (2,2-Dichlor-l-methylcyclopropyl- und (2,2 - Dichlor-1,3 - dimethylcyclopropyl)-glyoxylsäuren.

Die Herstellung der als Ausgangsstoffe verwendeten Acylcyanide ist zum Beispiel in Houben — Weyl, Methoden der organ. Chemie, Band 8, 1952, S. 304 bis 306, beschrieben. Sie können absr auch in vorteilhafter Weise durch Umsetzung der entsprechenden Acylhalogcnidc mit CuCN in einem Gemisch aus 1 bis IO Gcw.-Teilcn eines inerten Carbonsäurcnitrils und 0,5 bis 20 Gew.-Teilen eines inerten organischen Lösungsmittels bei einer Temperatur zwischen 50 und 180"C erhalten werden. Diese Umsetzung ist auch in Gegenwart eines Gemisches aus 0,1 bis 5 Gew.-Teilen eines Alkalicyanides und 0,05 bis 2 Gew.-Teilen eines Kupfer(I)-Salzes an Stelle des CuCN möglich.

Als organische inerte Lösungsmittel, die im Rahmen dieser Erfindung verwendet werden können, kommen Kohlenwasserstoffe, wie Toluol, Chlorkohlenwasserstoffe, wie Dichlormethan, und Ketone, wie Aceton, in Frage. Besonders geeignet sind Äther, wie Diäthyläther, Diisopropyläthcr, Älhylcnglykoldiäthcr, und auch cyclische Äther, wie Dioxan. Auch Gemische dieser Lösungsmittel kommen in Frage.

Die Behandlung mit Wasser in der ersten Hydrolysestufc wird bei Temperaturen zwischen etwa —70" C und etwa + 70"C durchgeführt. Vorteilhaft ist die Einhaltung von Temperaturen zwischen etwa -40" C und + 20"C. Weiterhin ist es vorteilhaft, auch die Behandlung mit dem Chlorwasscrstoffgas in diesen Temperaturbereichen vorzunehmen.

Bei der Durchführung des erfindungsgemätkn Verfahrens kann man große Mengen an überschüssigem, gasförmigem Chlorwasserstoff verwenden. Es ist jedoch im allgemeinen zweckmäßig, nicht mehr als 10 Mol Chlorwasserstoff pro Mol Säurecyanid einzusetzen. Zum Beispiel kann auch mit einem Mol oder weniger gearbeitet werden. Wesentlich ist nur, daß Chlorwasserstoff anwesend ist. Günstige Ergebnisse werden zum Beispiel bei Verwendung von etwa 2 bis etwa 6 Mol Chlorwasserstoff erhalten.

Zur vollständigen Umsetzung eines Mols Säurecyanids zum Λ-Ketocarbonsäureamid wird mindestens ein Mo! Wasser benötigt. Bei entsprechender Reaktionsführung können auch große, überschüssige Mengen Wasser anwesend sein. Es ist im allgemeinen jedoch zweckmäßig, nur geringe überstöchiometrische Mengen an Wasser zu verwenden. Zum Beispiel kann man einen Überschuß von 0,05 bis 5 Mol, insbesondere von 0,05 bis I Mol, Wasser pro Mol Acylcyanid einhalten.

Beispiel 1

In einer gegen Feuchtigkeit geschützten und mit einem Gaseinleitungsrohr versehenen Rührapparatur wurden 97,1 g (1,0 Mol) Isobuttersäurecyanid und 250 ml Äthylenglykoldimethyläther vorgelegt und auf — 30⁰C abgekühlt. Es wurde dann ein kräftiger Strom gasförmiger HCI zugeführt, bis 146 g (4,0 Mol) eingeleitet waren. Dann wurde innerhalb von 10 Minuten 21,6 g (1,2 Mol) Wasser bei -30⁰C zugetropft und die Temperatur unter Rühren innerhalb von 2 Stunden auf OC erhöht. Dann wurde ein kräftiger N₂-Strom eingeleitet und der überschüssige Chlorwasserstoff vertrieben. Die Lösung wurde schließlich bei 40° C

2> im Wasserstrahlvakuum eingedampft, wobei ein gelblicher Kristallbrei zurückblieb. Dieser wurde mit einem 1 Ltr. 2n-HCl versetzt und für eine Stunde unter Rühren auil 0(J⁰C erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde die wäßrige Phase 3mal mit je 100 ml Essigsäureäthyl-

ii) ester extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden fraktioniert destilliert. Es wurden 94 g λ-Οχο-isovaleriansäure isoliert, was einer Ausbeute von 81 %, bezogen auf eingesetztes Säurecyanid, entspricht. Die Kctosäurc hatte einen Siedepunkt von 75—76"C bei

j) 20 mbar. Beim Abkühlen erstarrte sie zu einem Feststoff, der einen Schmelzpunkt von 30 bis 31 "C besaß.

Beispiel 2

Es wurde wie in Beispiel I beschrieben verfahren, •to jedoch wurde statt Isobuttersäurecyanid 111,1 g (1,0 Mol) Isovalcriansäurecyanid eingesetzt und stall Äthylenglykoldimethyläthcr Diäthylätherals Lösungsmittel verwendet. Die nach dem Ausschütteln vereinigten organischen Phasen wurden ebenfalls frak- v> lionierl destilliert. Es wurden 125 g \-Oxoisocapronsäure isoliert, was einer Ausbeute von 96%, bezogen auf eingesetztes Säurecyanid, entspricht. Die Kelosäure hatte einen Siedepunkt von 84 bis 85"C bei 20 mbar.

""' Beispiel 3

Es wurde wie in Beispiel I beschrieben verfahren, jedoch wurde statt Isobuttersäurecyanid 111,1 g (1,0 Mol) D,L-2-Methylbutlersäurecyanid verwendet

>^r> und stall Älhylenglykoldimelhyläther ein Gemisch aus 100 ml Toluol und 200 ml Diisopropylälhcr. Bei der fraktionierten Destillation wurden 109 g D,L-3-Methyl-2-oxovaleriansäure erhalten, was einer Ausbeule von 83,7%, bezogen auf eingesetztes Säure-

w) cyanid, entspricht. Die Ketosäure hatte einen Siedepunkt von 83" C bei 19 mbar.

Beispiel 4

In einer Rührapparatur wurden 95 g (1,0 Mol) Cy-

h-. clopropancarbonsäurecyanid in 400 ml Diälhylälhcr vorgelegt und bei -20 C mit 182,5 g (5,0 Mol) HCI-Gas beschickt. Dann wurde unter Rühren 19,6 g (1,1 Mol) Wasser bei -20'C zugetropft und anschlie-

Bend die Lösung 4 Stunden langsam auf 0° C erwärmt. Nachdem die Temperatur beim Erwärmen 0"C erreicht hatte, wurde zu der Lösung bei einer Temperatur von 0 bis 10° C so lange verdünnte NaOH-Lösung zugetropft, bis die wäßrige Phase einen pH-Wert von 8 hatte. Dann wurde die organische Phase abgetrennt und im Vakuum eingedampft. Der weiße Rückstand wurde aus Wasser umkristallisiert und bei 40⁰C im Vakuum getrocknet. Es wurden 97,5 g Cyclopropylglyoxyisäureamid als weiße Kristalle vom Schmelzpunkt 111 bis 112° C isoliert. Das bedeutet eine Ausbeute von 87,5, bezogen auf eingesetztes Säurecyanid.

C₅H₇NO₂ (Molekulargewicht 113):

Berechnet ... C 53,1, H 6,34, N 12,39%;

gefunden .... C 52,7, H 6,4, N 12,25%. ^lD

Das so erhaltene Amid wurde mit 1 Ltr. 2n-K0H unter Rückfluß gekocht, wobei eine starke Ammoniak-Entwicklung auftrat. Nach Beendigung der Ammoniak-Entwicklung wurde abgekühlt und die Lösung in der Kälte mit halbkonzentrierter HCl auf den pH-Wert 1 gebracht. Dann wurde dreimal mit 100 ml Methylenchlorid extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden eingedampft und der Rückstand im Vakuum fraktioniert destilliert. Es wurden 94 g Cyclopropylglyoxylsäure isoliert, was einer Ausbeute von 82,4%, bezogen auf das Säurecyanid, und von 94%, bezogen auf eingesetztes Säureamid, entspricht. Die Ketosäure hatte einen Siedepunkt von 88⁰C bei 23mbar. _Jo

Beispiel 5

Es wurde wie in Beispie! 4 beschrieben verfahren, jedoch wurden an Stelle von Cyclopropancarbonsäurecyanid 178 g (1,0MoI) (2,2-DichIor-l-methylcyclopropyO-glyoxylsäurenitril eingesetzt. Nach dem Umkristallisieren aus Essigsä ureäthylester erhielt man !68 g (85,7% der Theorie) (2,2-Dichlor-l-methylcyclopropyl)-glyoxylsäureamid vom Schmelzpunkt 92 bis 93°C.

C₆H₇Cl₂NO₂ (Molekulargewicht 1V6):

Berechnet ... C 36,73, H 3,6, N 7,15, Cl 36,2%;
gefunden .... C 36,92, H 3,7, N 7,2, Cl 35,9%.

Das so erhaltene Amid wurde wie in Beispiel 4 beschrieben weiter verseift und aufgearbeitet. Bei der fraktionierten Destillation wurden 136,5 g (2,2-Dichlor-l-methylcyclopropyO-glyoxylsäure isoliert, was einer Ausbeute von 81%, bezogen auf eingesetztes Amid, entspricht. Die Ketosäure hatte einen Siedepunkt von 108° C bei 1,6 mbar. Sie hatte einen Schmelzpunkt von 52—54°C.

C₆H₆O₃Cl₂ (Molekulargewicht 197):
Berechnet ... C 36,5, H 3.65, Cl 36,0%;
gefunden ... C 36,8, H 3,6, Cl 35,7%.

Beispiel 6

Es wurde wie in Beispiel 4 beschrieben verfahren, jedoch wurde als Säurecyanid (2,2-Dichlor-l,3-dimethylcyclopropyO-glyoxylsäurenitril eingesetzt. Es wurde eine Ausbeute von 72% Ketosäure, bezogen auf Acylcyanid, erhalten. Die (Z^-Dichlor-l^-dimethylcyclopropyl)-glyoxylsäure hatte einen Siedepunkt von 115" C bei 1 mbar.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von a-Ketocarbonsäuren der Formel

ROO

I Il Il

R₁-C-C-COH
R,

(D